KR20140095844A - nano carbon materials having multiple hydrogen bonding motifs for electrode in supercapacitors - Google Patents
nano carbon materials having multiple hydrogen bonding motifs for electrode in supercapacitors Download PDFInfo
- Publication number
- KR20140095844A KR20140095844A KR1020130008735A KR20130008735A KR20140095844A KR 20140095844 A KR20140095844 A KR 20140095844A KR 1020130008735 A KR1020130008735 A KR 1020130008735A KR 20130008735 A KR20130008735 A KR 20130008735A KR 20140095844 A KR20140095844 A KR 20140095844A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- electrode
- carbon
- derivatives
- carbon nanomaterial
- multiple hydrogen
- Prior art date
Links
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 54
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 54
- 229910021392 nanocarbon Inorganic materials 0.000 title abstract description 4
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 title description 7
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 139
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 82
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 claims abstract description 65
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 claims abstract description 22
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 37
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 22
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- -1 2,6-di (acetylamino) -4-pyridyl (2,6-di (acetylamino) -4-pyridyl) Chemical class 0.000 claims description 6
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 claims description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 5
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 4
- MBHUQKZVOXOSMU-UHFFFAOYSA-N n-(triazin-4-yl)acetamide Chemical class CC(=O)NC1=CC=NN=N1 MBHUQKZVOXOSMU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- XUMIQAOMRDRPMD-UHFFFAOYSA-N (6-oxo-1h-pyrimidin-2-yl)urea Chemical class NC(=O)NC1=NC(=O)C=CN1 XUMIQAOMRDRPMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- CZDFJGDRFIGPBE-UHFFFAOYSA-N 1,8-naphthyridine-2,7-diamine Chemical class C1=CC(N)=NC2=NC(N)=CC=C21 CZDFJGDRFIGPBE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- JWYUFVNJZUSCSM-UHFFFAOYSA-N 2-aminobenzimidazole Chemical class C1=CC=C2NC(N)=NC2=C1 JWYUFVNJZUSCSM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 3
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 3
- RWQNBRDOKXIBIV-UHFFFAOYSA-N thymine Chemical class CC1=CNC(=O)NC1=O RWQNBRDOKXIBIV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- GNWGXASUBJBGGD-UHFFFAOYSA-N triazin-4-ylurea Chemical class NC(=O)NC1=CC=NN=N1 GNWGXASUBJBGGD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910020599 Co 3 O 4 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910019899 RuO Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 claims description 2
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 claims description 2
- DNCYBUMDUBHIJZ-UHFFFAOYSA-N 1h-pyrimidin-6-one Chemical class O=C1C=CN=CN1 DNCYBUMDUBHIJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- QEDKDSMVHCGELN-UHFFFAOYSA-N N-[6-(hexanoylamino)pyrimidin-4-yl]hexanamide Chemical class C(CCCCC)(=O)NC1=CC(=NC=N1)NC(CCCCC)=O QEDKDSMVHCGELN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 abstract description 6
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 16
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 16
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 6
- 239000002134 carbon nanofiber Substances 0.000 description 5
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 229920002239 polyacrylonitrile Polymers 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 3
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 3
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 3
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L manganese oxide Inorganic materials [Mn].O[Mn]=O.O[Mn]=O AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 2
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 2
- VTGOHKSTWXHQJK-UHFFFAOYSA-N pyrimidin-2-ol Chemical compound OC1=NC=CC=N1 VTGOHKSTWXHQJK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 2
- 239000013557 residual solvent Substances 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- ZIUSORRBQVLAEE-UHFFFAOYSA-N (4-hydroxy-1H-pyrimidin-4-yl)urea Chemical class N(C(=O)N)C1(N=CNC=C1)O ZIUSORRBQVLAEE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YWZYBXFVTOHTEJ-UHFFFAOYSA-N 1,2-dihydropyrimidin-2-ol Chemical class OC1NC=CC=N1 YWZYBXFVTOHTEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KWXIPEYKZKIAKR-UHFFFAOYSA-N 2-amino-4-hydroxy-6-methylpyrimidine Chemical compound CC1=CC(O)=NC(N)=N1 KWXIPEYKZKIAKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DLWLPWHJVWIGMS-UHFFFAOYSA-N C1=CN(C(=NC1=O)NC(=O)N)N Chemical compound C1=CN(C(=NC1=O)NC(=O)N)N DLWLPWHJVWIGMS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N C60 fullerene Chemical compound C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004966 Carbon aerogel Substances 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 239000004964 aerogel Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000002388 carbon-based active material Substances 0.000 description 1
- 238000010000 carbonizing Methods 0.000 description 1
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 1
- 125000002091 cationic group Chemical group 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 229910052805 deuterium Inorganic materials 0.000 description 1
- ZOMNIUBKTOKEHS-UHFFFAOYSA-L dimercury dichloride Chemical class Cl[Hg][Hg]Cl ZOMNIUBKTOKEHS-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000002593 electrical impedance tomography Methods 0.000 description 1
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 229910003472 fullerene Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001453 impedance spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- DVKJHBMWWAPEIU-UHFFFAOYSA-N toluene 2,4-diisocyanate Chemical compound CC1=CC=C(N=C=O)C=C1N=C=O DVKJHBMWWAPEIU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
- 229910052722 tritium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B1/00—Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
- B82B1/008—Nanostructures not provided for in groups B82B1/001 - B82B1/007
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
- H01G11/32—Carbon-based
- H01G11/36—Nanostructures, e.g. nanofibres, nanotubes or fullerenes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2202/00—Structure or properties of carbon nanotubes
- C01B2202/04—Nanotubes with a specific amount of walls
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/13—Energy storage using capacitors
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
Abstract
Description
본 발명은 초고용량 커패시터 전극으로 이용되는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재 전극에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전극으로 전기전도도가 뛰어난 탄소나노소재를 사용하되, 전도성 탄소나노소재에 3개 이상의 다중수소결합을 이룰 수 있는 관능기를 도입하여 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재 페이스트를 형성시켜, 이를 초고용량 커패시터의 전극으로 이용하는 초고용량 커패시터 전극으로 이용되는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재 전극에 관한 것이다. The present invention relates to a carbon nanomaterial electrode having a high-order structure by multiple hydrogen bonds used as an ultra-high-capacity capacitor electrode, and more particularly, to a carbon nanomaterial electrode having excellent electrical conductivity as an electrode, A multi-hydrogen bond is formed by forming a carbon nanomaterial paste having a higher-order structure by multi-hydrogen bonding by introducing a functional group capable of forming three or more multi-hydrogen bonds, and using this as a super high capacity capacitor electrode. To a carbon nanomaterial electrode having a higher order structure.
일반적으로, 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.In general, a super-high-capacity capacitor utilizes electrostatic characteristics, so that the number of charge-discharge cycles is almost infinite as compared with a battery using an electrochemical reaction, and it can be used semi-permanently. It is more than a dozen times the battery.
이러한 초고용량 커패시터의 순시적인 파워를 내는 특성은 연료전지 자동차 기술에 응용되어 자동차의 가속성능을 향상시킬 뿐만 아니라 전기화학 반응을 이용하지 않기 때문에 내구성 및 신뢰성이 극히 높다.The instantaneous power of such a high capacity capacitor is applied to the fuel cell vehicle technology to improve the acceleration performance of the vehicle, and it is extremely durable and reliable because it does not use the electrochemical reaction.
즉, 초고용량 커패시터는 독자적으로 저용량의 에너지 저장장치로 이용하거나 순시적으로 많은 에너지 공급을 필요로 하는 시스템에서 주 에너지 공급원인 배터리와 함께 보조 에너지 공급원으로 이용된다. 이러한 특성으로 인하여 전반적인 차량 시스템의 효율 개선과 에너지저장 시스템의 수명연장 등의 효과를 기대할 수 있다.That is, supercapacitors are used as auxiliary energy sources in conjunction with the primary energy supply battery in systems that are used independently as low-capacity energy storage devices or require instantaneous energy supply. These characteristics can be expected to improve the overall efficiency of the vehicle system and extend the life of the energy storage system.
기존의 배터리로는 구현 불가능한 이와 같은 초고용량 커패시터의 특성으로 인하여 차량용은 물론 일반 산업용, 우주/군사용 등으로 그 응용 분야가 점차 확대되어 가고 있는 추세이다.Due to the characteristics of such ultra-high-capacity capacitors, which can not be realized with conventional batteries, the application fields are gradually expanding to automotive, general industrial, space / military, and the like.
에너지를 저장하는 메카니즘으로서 커패시터는 비표면적이 크고 유전율이 높을수록 큰 축전용량을 얻을 수 있다. 이러한 조건을 만족시키기 위해서 활성탄소분말, 활성탄소섬유, 에어로겔 탄소, 카본블랙 등을 이용한 연구들이 많이 발표되고 있다. 이 중 활성탄소는 전기전도성이 좋고 비표면적이 크며 제조가 용이하여 가격이 저렴하다는 이점으로 이러한 목적을 위해 사용되어온 재료의 하나이다. 금속산화물이나 전도성고분자 전극재료의 경우 고출력 특성의 초고용량 커패시터를 제조할 수 있으나 빠른 충방전 속도에서 축전용량이 급격히 저하되는 단점을 지니고 있어, 탄소계 전극재료와 하이브리드를 통해 전도도 향상을 통해 고속 충방전 특성을 향상시키는 연구가 진행되고 있다.As a mechanism for storing energy, a larger capacitance can be obtained as the capacitor has a larger specific surface area and a higher dielectric constant. To satisfy these conditions, many studies using active carbon powder, activated carbon fiber, aerogel carbon, and carbon black have been published. Of these, activated carbon is one of the materials that has been used for this purpose because of its good electrical conductivity, large specific surface area, easy manufacturing and low cost. In the case of metal oxide or conductive polymer electrode material, it is possible to fabricate ultra-high capacity capacitor with high output characteristic, but it has disadvantage that capacity at charge / discharge is rapidly decreased at a rapid charging / discharging rate. Research is underway to improve discharge characteristics.
탄소계 전극을 사용하는 초고용량 커패시터의 축전용량과 방전속도는 탄소계 물질의 물리화학적 성질, 전해질의 종류와 충방전 조건에 따라 크게 달라질 수 있다. 특히 이 중 탄소계 전극물질의 물리화학적 특성은 초고용량 커패시터의 전기화학적 거동에 큰 영향을 미친다.Capacitance and discharge rate of ultra-high-capacity capacitors using carbon-based electrodes can vary greatly depending on the physicochemical properties of the carbonaceous material, the type of electrolyte, and the charging and discharging conditions. Especially, the physicochemical properties of the carbon-based electrode material have a great influence on the electrochemical behavior of the ultra-high-capacity capacitor.
기존의 초고용량 커패시터 전극 제조기술은 탄소계의 활물질과 바인더를 슬러리 형태로 만들어 집전체에 코팅하는 방식이 주로 연구되었다. 이 경우 집전체와 접촉하는 활물질의 양이 적기 때문에 축전용량이 크지 않고 전극저항이 증가하는 문제점이 있다.Conventional ultra-high capacity capacitor electrode manufacturing technology has been mainly focused on a method of coating a collector with slurry of a carbon-based active material and a binder. In this case, since the amount of the active material contacting the current collector is small, the storage capacity is not large and the electrode resistance is increased.
최근, 전자부품에서 배터리 대용으로 쓰기 시작한 초고용량 커패시터의 일종인 전기 이중층 커패시터(EDLC;electron double layer capacitor)는 새로운 소재와 기술이 접목되면서 일반 산업용에 응용되어 실용화되고 있다.Recently, an electric double layer capacitor (EDLC), which is a type of ultra high capacity capacitor that has begun to be used as a substitute for a battery in an electronic part, has been applied to general industrial applications by incorporating new materials and technologies.
탄소계 전극을 이용한 초고용량 커패시터는 전기이중층 메커니즘에 의해 발현되는 전기이중층 커패시터인데 이는 활성탄의 큰 표면적을 가지는 탄소계열 재료와 전해액을 사용해서 양자의 이면에 생기는 전기이중층을 전하저장에 이용하는 것이다. 즉, 전기이중층 커패시터는 긴수명, 고파워 뿐만 아니라 주요재료로 탄소를 사용하고 있기 때문에 친환경적이다.An ultra-high-capacity capacitor using a carbon-based electrode is an electric double layer capacitor expressed by an electric double layer mechanism, which uses an electric double layer formed on the back surface of the both using a carbon-based material and an electrolytic solution having a large surface area of activated carbon for charge storage. That is, electric double layer capacitors are environmentally friendly because they use carbon as a main material as well as long lifetime and high power.
이러한 전기이중층 커패시터 소자의 용량은 전극의 표면적과 전극단위 면적당 전기이중층에 의해서 결정되기 때문에 용량밀도의 향상을 위해서는 충진밀도와 비표면적이 큰 탄소전극을 이용하여야 한다.Since the capacitance of such an electric double layer capacitor is determined by the surface area of the electrode and the electric double layer per unit area of the electrode, a carbon electrode having a large filling density and specific surface area should be used for improving the capacitance density.
이처럼, 전기이중층 커패시터는 전극물질 자체가 갖는 뛰어난 안정성과 함께 친환경적인 탄소재료를 이용한다. 탄소 전극물질에는 활성탄소분말(ACP ; Activated Carbon powder), 탄소나노튜브 (CNT ; Carbon Nano Tube), 그래핀, 흑연, 기상성장 탄소섬유(VGCF ; Vapor Grown Carbon Fiber), 탄소 에어로겔(Carbon aerogel), 폴리아크릴로나이트릴(PAN ; Poly acrylonitrile)이나 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF ; Poly vinylidenefluoride)와 같은 폴리머를 탄화하여 제조하는 탄소나노섬유(CNF ; Carbon Nano Fiber)나 이를 활성화시킨 활성화 탄소나노섬유(ACNF; Activated Carbon Nano Fiber) 등이 사용된다. 상기 탄소재료 이외에 도전성을 부여하기 위해 카본 블랙(CB; Carbon Black) 등을 첨가하기도 한다.As such, the electric double layer capacitor uses an environmentally friendly carbon material together with excellent stability of the electrode material itself. Carbon electrode materials include activated carbon powder (ACP), carbon nanotube (CNT), graphite, graphite, vapor grown carbon fiber (VGCF), carbon aerogels, , Carbon nanofiber (CNF) produced by carbonizing a polymer such as polyacrylonitrile (PAN) or polyvinylidene fluoride (PVdF), activated carbon nanofibers (CNF) (ACNF; Activated Carbon Nano Fiber). Carbon black (CB) or the like may be added to impart conductivity in addition to the carbon material.
전기이중층 커패시터는 전류 집전체, 전극, 전해질 및 분리막으로 구성되며, 분리막으로 인해 서로 전기적으로 분리된 두 개의 전극 사이에 전해질이 충진되어 있고 전류 집전체는 전극에 효과적으로 전하를 충전시키거나 방전시키는 역할을 한다.The electric double layer capacitor is composed of a current collector, an electrode, an electrolyte and a separator. Electrolytes are filled between two electrodes electrically separated from each other due to the separator. The current collector effectively charges or discharges the electrode .
이러한 전기이중층 커패시터의 전극재로 사용되는 활성탄소 전극은 미세기공으로 이루어진 다공질로서 큰 비표면적을 가지고 있어, 활성탄소 전극에 (-)를 걸어주면 전해질로부터 해리되어 나온 (+)이온이 활성탄소 전극의 기공 내로 들어가서 (+)층을 이루고, 이는 활성탄소 전극의 계면에 형성된 (-)층과 전기이중층을 형성하면서 전하를 충전시키게 된다.The active carbon electrode used as an electrode material of such an electric double layer capacitor is a porous material composed of micropores and has a large specific surface area. When (-) is attached to the activated carbon electrode, (+) ions dissociated from the electrolyte are adsorbed on the activated carbon electrode And enters the pores to form a (+) layer, which charges the charge while forming an electric double layer with a negative (-) layer formed at the interface of the activated carbon electrode.
전기이중층 커패시터의 축전용량은 활성탄소 전극의 구조와 물성에 크게 의존하는데, 요구되는 특성으로는 비표면적이 클 것, 물질 자체의 내부저항이 작을 것, 탄소소재의 밀도가 높을 것 등이 있다.The electric capacity of the electric double layer capacitor depends greatly on the structure and physical properties of the activated carbon electrode. The required characteristics include a large specific surface area, a small internal resistance of the material itself, and a high density of carbon material.
이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 초고용량 커패시터 전극으로써 상기 탄소계 물질, 특히 탄소나노튜브, 그래핀 등의 탄소나노소재의 사용에 대한 연구가 대두 되고 있다. In order to solve such a problem, studies have been made on the use of carbon nanomaterials such as carbon nanotubes and graphene as the ultra-high capacity capacitor electrodes.
탄소나노튜브는 전기저항이 10-4Ωcm로 금속에 버금가는 전기전도도를 가지고 있으며, 표면적이 벌크재료에 비해 1000배 이상 높은 재료로써, 최근 그 제조 및 응용, 적용분야에 있어서 활발히 연구되고 있다. 특히 탄소나노튜브는 형상 및 크기에 따라 금속과 같은 전기적 도체의 성질에서부터 전기가 잘 통하지 않는 반도체의 성질을 가지고 있어 각종 전자회로 분야뿐만 아니라, 화학적, 기계적으로도 매우 안정하므로 초강력 섬유나, 표면재료 분야 등 그 활용분야가 매우 다양할 것으로 기대되고 있다. 또 다른 탄소나노소재인 그래핀은 양자홀 효과, 상온에서 높은 캐리어 이동도 (~10,000 cm2/Vs),1 큰 비표면적 (2630cm2/g),2 우수한 광투과도 (~97.7 %),3 높은 기계적 물성 (~1 TPa)4 그리고 우수한 열전도도 (3000-5000 W/mK)5 등의 매우 우수한 특성을 지니고 있다. 이러한 탄소나노튜브, 그래핀, 탄소섬유, 플러렌 등의 나노카본소재는 뛰어난 전기전도도 특성과 넓은 비표면적의 특성에 의해 전기화학적 특성이 발현되므로 초고용량 커패시터(supercapacitor) 뿐만 아니라, 염료감응 태양전지, 연료전지(fuel cell) 등의 다양한 전기화학 전극으로 활용이 기대된다.Carbon nanotubes have electrical resistivity of 10 -4 Ωcm and have electrical conductivity comparable to that of metal. Their surface area is more than 1000 times higher than that of bulk materials, and they have been actively studied in recent years for its manufacturing, application and application fields. In particular, carbon nanotubes have characteristics of electrical conductors such as metals and semiconductors that are not electrically conductive depending on their shapes and sizes. Therefore, carbon nanotubes are very stable not only in various electronic circuit fields but also chemically and mechanically, The field of application is expected to be very diverse. The other carbon nanomaterials graphene quantum Hall effect, high carrier mobility at room temperature is also (~ 10,000 cm 2 / Vs) , 1 large specific surface area (2630cm 2 / g), 2 excellent light transmittance (~ 97.7%), 3 High mechanical properties (~ 1 TPa) 4 and excellent thermal conductivity (3000-5000 W / mK) 5 . Since nano-carbon materials such as carbon nanotubes, graphene, carbon fiber, and fullerene exhibit electrochemical characteristics due to their excellent electrical conductivity and wide specific surface area properties, they can be used not only as supercapacitors but also as dye- It is expected to be used as various electrochemical electrodes such as fuel cell.
전기 이중층 커패시터 전극의 일예로, 폴리아크릴로나이트릴(PAN)을 염기활성화시켜 1500~3000 ㎡/g 정도의 높은 비표면적을 갖는 활성화 탄소나노섬유(ACNF)가 얻어지지만, 그 밀도가 낮아 등가직렬저항(ESR)이 다소 높은 편이며 축전용량도 활성탄소분말(ACP)로 제조된 전극보다 낮은 편이다. 이처럼 전극 활물질의 밀도가 낮으면 일반적으로 저항은 커지며 축전용량은 감소하게 된다.Activated carbon nanofibers (ACNF) having a high specific surface area of about 1500 to 3000
한편, 전극물질과 집전체 간 또는 전극재료 간의 접촉특성을 향상시키기 위해 바인더 및 분산제등을 사용하게 되는데, 이때 사용되는 바인더 및 분산제 등의 함량은 전극물질의 물리적인 특성을 유지할 수 있는 정도의 최소량을 사용하는 것이 바람직한데, 그 이유는, 대부분의 바인더(binder) 및 분산제 물질들이 전도성이 없기 때문에 첨가량이 많으면 전극저항을 증가시켜 전극물질의 물리적인 특성이 저하될 우려가 있기 때문이다. 아울러, 탄소나노소재 표면이나 말단에 과도한 관능기 도입을 통해 탄소나노소재의 고분산성을 확보하고 관능기에 의한 유사커패시터(pseudocapacitor) 특성을 구현할 수 있지만 이럴 경우 전극소재 자체의 전도도가 감소하여 축전용량이 크게 저하되게 된다.On the other hand, in order to improve the contact characteristics between the electrode material and the current collector or the electrode material, a binder and a dispersing agent are used. In this case, the content of the binder and the dispersing agent used is such that the physical property of the electrode material can be maintained Because most of the binder and dispersant materials are not conductive, and therefore, if the added amount is large, there is a fear that the physical properties of the electrode material may be deteriorated by increasing the electrode resistance. In addition, by introducing excessive functional groups on the surface or end of the carbon nanomaterial, it is possible to secure the high dispersibility of the carbon nanomaterial and realize a pseudocapacitor characteristic by the functional group. However, in this case, the conductivity of the electrode material itself decreases, .
따라서 본 발명은 상기한 종래기술들의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 전극으로 전기전도도가 뛰어난 탄소나노소재를 사용하되, 분산제 등의 사용 없이 전도성 탄소나노소재에 3개 이상의 다중수소결합을 이룰 수 있는 관능기를 도입하여 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 고전도성 탄소나노소재 페이스트를 형성시키고, 이를 초고용량 커패시터의 전극으로 이용하는 초고용량 커패시터 전극으로 이용되는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a conductive carbon nanomaterial using a carbon nanomaterial excellent in electrical conductivity as an electrode, A high-density carbon nanomaterial paste having a higher-order structure by introducing a functional group having a higher-order structure by introducing a functional group and forming a high- And to provide a material electrode.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 초고용량 커패시터의 전극에 있어서, 상기 전극은, 탄소나노소재로 형성되되, 상기 탄소나노소재는 표면 또는 말단에 다중수소결합이 가능한 관능기를 최소함량으로 도입함에 의해 탄소나노소재 간에 다중수소결합이 이루어지는 고전도성 전극물질을 형성하고, 이를 전극으로 이용하는 초고용량 커패시터 전극으로 이용되는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재 전극을 기술적 요지로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an electrode of an ultra-high capacity capacitor, wherein the electrode is formed of a carbon nanomaterial, and the carbon nanomaterial is introduced with a minimum amount of functional groups capable of multi- The present invention relates to a carbon nano-material electrode having a high-order structure by multi-hydrogen bonding, which is used as an ultra-high-capacity capacitor electrode which forms a highly conductive electrode material in which multiple hydrogen bonds are formed between carbon nanomaterials.
상기 탄소나노소재는 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그래핀, 탄소섬유, 카본블랙, 흑연, 활성탄소 중 하나 이상이 되는 것이 바람직하다.It is preferable that the carbon nanomaterial is at least one of a single-walled carbon nanotube, a multi-walled carbon nanotube, a graphene, a carbon fiber, a carbon black, a graphite, and an activated carbon.
상기 탄소나노소재는 SnO2, Co3O4 , RuO2, TiO2, MnO2, Mn3O4, ZnO, Fe3O4 중 하나 이상의 금속산화물재료와 복합화되어 전극으로 형성되는 것이 바람직하다.The carbon nanomaterial is preferably formed as an electrode by being complexed with at least one metal oxide material selected from the group consisting of SnO 2 , Co 3 O 4 , RuO 2 , TiO 2 , MnO 2 , Mn 3 O 4 , ZnO and Fe 3 O 4 .
상기 탄소나노소재는 페이스트 형태로 형성되는 것이 바람직하다.The carbon nanomaterial is preferably formed in a paste form.
상기 다중수소결합이 가능한 관능기는 2-우레이도-4[H]피리미디논(2-ureido-4[1H]pyrimidinone) 유도체, 2-우레이도-4[H]피리미디놀(4-ureido-4[1H]pyrimidinol) 유도체, 2-우레이도-4-피리미돈(2-uriedo-4-pyrimidone) 유도체, 디아실피리미딘(diacylpyrimidine) 유도체, 우레이도아실피리미딘 (ureidoacylpyrimidine) 유도체, 아세틸아미노트리아진(acetylaminotriazine) 유도체, 우레이도트리아진(ureidotriazine) 유도체, 2,6-디(아세틸아미노)-4-피리딜 (2,6-di(acetylamino)-4-pyridyl) 유도체, 티민(thymine) 유도체, 2-아미노벤즈이미다졸(2-aminobenzimidazole) 유도체, 2,7-디아미노-1,8-나프티리딘(2,7-diamino-1,8-naphthyridine) 유도체, 디(헥사노일아미노)피리미딘 (di(hexanoylamino)pyrimidine) 유도체, 2-부틸우레이도-4-아세틸아미노피리딘(2-butylureido-4-acetylaminopyridine) 유도체 중 하나 이상에 의한 것이 바람직하다.The functional group capable of multiple hydrogen bonding is selected from the group consisting of 2-ureido-4 [1 H] pyrimidinone derivatives, 2-ureido-4 [H] pyrimidinol, 4 [1H] pyrimidinol derivatives, 2-uriedo-4-pyrimidone derivatives, diacylpyrimidine derivatives, ureidoacylpyrimidine derivatives, acetylaminotri An acetylaminotriazine derivative, a ureidotriazine derivative, a 2,6-di (acetylamino) -4-pyridyl derivative, a thymine derivative, , 2-aminobenzimidazole derivatives, 2,7-diamino-1,8-naphthyridine derivatives, di (hexanoylamino) pyrimidines (hexanoylamino) pyrimidine derivatives, and 2-butylureido-4-acetylaminopyridine derivatives.
이에 따라, 전극으로 전기전도도가 뛰어난 탄소나노소재를 사용하되, 분산제 등의 사용 없이 전도성 탄소나노소재에 3개 이상의 다중수소결합을 이룰 수 있는 관능기를 도입하여 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재 페이스트를 형성시키고, 이를 초고용량 커패시터의 전극으로 이용함에 의해 전극의 전도성 및 비축전용량 등이 양호하여 초고용량 커패시터의 성능이 향상되는 이점이 있다. Accordingly, a carbon nanomaterial excellent in electric conductivity is used as the electrode, and a functional group capable of forming three or more multiple hydrogen bonds in the conductive carbon nanomaterial is introduced into the conductive carbon nanomaterial without using a dispersant, By forming a nanocomposite paste and using it as an electrode of an ultra high capacity capacitor, the conductivity and non-storage capacity of the electrode are good and the performance of the ultra high capacity capacitor is improved.
상기의 구성에 의한 본 발명은, 분산제 등의 사용 없이 전도성 탄소나노소재에 3개 이상의 다중수소결합을 이룰 수 있는 관능기를 도입하여 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 고전도성 탄소나노소재 페이스트를 형성하고, 이를 인쇄장비를 이용하여 기재에 인쇄하고, 이를 초고용량 커패시터의 전극으로 이용함에 의해 전극의 전도성 및 비축전용량 등이 양호하여 초고용량 커패시터의 성능이 향상되는 효과가 있다. According to the present invention, a functional carbon group capable of forming three or more multi-hydrogen bonds can be introduced into a conductive carbon nanomaterial without using a dispersant to form a highly conductive carbon nanomaterial paste having a high-order structure by multiple hydrogen bonding By printing on a substrate using printing equipment and using it as an electrode of an ultra-high-capacity capacitor, the conductivity and non-storage capacity of the electrode are good and the performance of the ultra-high capacity capacitor is improved.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노소재에 도입된 다중수소결합을 나타낸 모식도이고,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 다중수소결합에 의해 고차구조 탄소나노소재를 이용하여 형성된 페이스트의 사진을 나타낸 도이고,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 다중수소결합에 의해 고차구조 탄소나노소재를 이용하여 형성된 전극 단면의 주사전자현미경 사진을 나타낸 도이고,
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 다중수소결합에 의해 고차구조 탄소나노소재를 이용하여 형성된 전극의 스캔 속도별 인가전압에 따른 전류변화를 나타낸 도이고,
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 다중수소결합에 의해 고차구조 탄소나노소재를 이용하여 형성된 전극의 전기화학적 임피던스(electrochemical impedance) 측정값을 나타낸 도이고,
도 6은 본 발명의 각각의 실시예에 따른 다중수소결합에 의해 고차구조 탄소나노소재를 이용하여 형성된 전극의 스캔 속도에 따른 비축전용량(specific capacitance) 변화를 나타낸 도이다. FIG. 1 is a schematic view showing multiple hydrogen bonding introduced into a carbon nanomaterial according to an embodiment of the present invention,
FIG. 2 is a photograph showing a paste formed using a high-order structure carbon nanomaterial by multiple hydrogen bonding according to the first embodiment of the present invention,
3 is a scanning electron microscope (SEM) image of a cross section of an electrode formed using a high-order structure carbon nanomaterial by multiple hydrogen bonding according to the first embodiment of the present invention,
FIG. 4 is a graph showing a current change according to an applied voltage according to a scan speed of an electrode formed using a high-order structure carbon nanomaterial by multiple hydrogen bonding according to the first embodiment of the present invention,
FIG. 5 is a graph showing electrochemical impedance measured values of an electrode formed using a high-order structure carbon nanomaterial by multiple hydrogen bonding according to the first embodiment of the present invention,
6 is a graph showing a change in specific capacitance according to scan speed of an electrode formed using a high-order structure carbon nanomaterial by multiple hydrogen bonding according to each embodiment of the present invention.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노소재에 도입된 다중수소결합을 나타낸 모식도이고, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 다중수소결합에 의해 고차구조 탄소나노소재를 이용하여 형성된 페이스트의 사진을 나타낸 도이고, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 다중수소결합에 의해 고차구조 탄소나노소재를 이용하여 형성된 전극 단면의 주사전자현미경 사진을 나타낸 도이고, 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 다중수소결합에 의해 고차구조 탄소나노소재를 이용하여 형성된 전극의 스캔 속도별 인가전압에 따른 전류변화를 나타낸 도이고, 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 다중수소결합에 의해 고차구조 탄소나노소재를 이용하여 형성된 전극의 전기화학적 임피던스(electrochemical impedance) 측정값을 나타낸 도이고, 도 6은 본 발명의 각각의 실시예에 따른 다중수소결합에 의해 고차구조 탄소나노소재를 이용하여 형성된 전극의 스캔 속도에 따른 비축전용량(specific capacitance) 변화를 나타낸 도이다.FIG. 1 is a schematic view illustrating multiple hydrogen bonding introduced into a carbon nanomaterial according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view of a multi- FIG. 3 is a scanning electron micrograph of a cross section of an electrode formed using a high-order structure carbon nanomaterial by multiple hydrogen bonding according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a cross- FIG. 5 is a graph showing a change in current according to an applied voltage according to a scan speed of an electrode formed using a high-order structure carbon nanomaterial by multiple hydrogen bonding according to a first embodiment of the present invention. FIG. 6 is a graph showing an electrochemical impedance measurement value of an electrode formed using a high-order structure carbon nanomaterial by multiple hydrogen bonding. FIG. FIG. 3 is a graph showing a change in specific capacitance according to scan speed of an electrode formed using a high-order structure carbon nanomaterial by multiple hydrogen bonding according to an example.
도시된 바와 같이, 초고용량 커패시터 전극으로 이용되는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재 전극은, 초고용량 커패시터의 전극에 있어서, 상기 전극은, 탄소나노소재로 형성되되, 상기 탄소나노소재는 표면 또는 말단에 다중수소결합이 가능한 관능기를 도입함에 의해 탄소나노소재 간에 다중수소결합이 이루어지는 전극물질을 형성하고, 이를 초고용량 커패시터 전극으로 이용하는바, 이하 이에 대해 구체적으로 설명한다.As shown in the figure, a carbon nanomaterial electrode having a high-order structure by multiple hydrogen bonding used as an ultra-high capacity capacitor electrode is an electrode of an ultra-high capacity capacitor, wherein the electrode is formed of a carbon nanomaterial, An electrode material in which multiple hydrogen bonds are formed between carbon nanomaterials is formed by introducing a functional group capable of multiple hydrogen bonding at the surface or end and is used as an ultra high capacity capacitor electrode.
여기서, 다중수소결합은 수소결합주개(D)와 수소결합받개(A), 이온성 수소결합주개(D+)로 구성되어 있으며, D, D+와 A의 배열이 삼중수소결합의 경우 ADA-DAD, ADD-DAA, AAA-DDD, 양이온성 AAA-DDD+ 쌍으로 되어 있는 구조 중에 하나이며, 사중수소결합은 ADAD-DADA, AADD-DDAA, ADDA-DAAD, AAAD-DDDA, ADAA-DADD, AAAA-DDDD, 양이온성 AAAA-DDD+ 쌍으로 되어 있는 구조 중에 하나 이상의 관능기를 도입하는 것이 바람직하다.In this case, the multiple hydrogen bond is composed of a hydrogen bond donor (D), a hydrogen bond acceptor (A), and an ionic hydrogen bond acceptor (D +). When the arrangement of D, D + and A is tritium bond, ADA- AAA-DDD +, AAA-DDD +, and AAA-DDD +, and the fourteen deuterium bonds are one of ADAD-DAA, AAA-DDD and AAA- DDD + It is preferred to introduce at least one functional group into the cationic AAAA-DDD + structure.
상기 수소결합이 가능한 관능기는 2-우레이도-4[H]피리미디논(2-ureido-4[1H]pyrimidinone) 유도체, 2-우레이도-4[H]피리미디놀(4-ureido-4[1H]pyrimidinol) 유도체, 2-우레이도-4-피리미돈(2-uriedo-4-pyrimidone) 유도체, 디아실피리미딘(diacylpyrimidine) 유도체, 우레이도아실피리미딘 (ureidoacylpyrimidine) 유도체, 아세틸아미노트리아진(acetylaminotriazine) 유도체, 우레이도트리아진(ureidotriazine) 유도체, 2,6-디(아세틸아미노)-4-피리딜 (2,6-di(acetylamino)-4-pyridyl) 유도체, 티민(thymine) 유도체, 2-아미노벤즈이미다졸(2-aminobenzimidazole) 유도체, 2,7-디아미노-1,8-나프티리딘(2,7-diamino-1,8-naphthyridine) 유도체, 디(헥사노일아미노)피리미딘 (di(hexanoylamino)pyrimidine) 유도체, 2-부틸우레이도-4-아세틸아미노피리딘(2-butylureido-4-acetylaminopyridine) 유도체 중 하나 이상에 의한 것에 의해 이루어질 수 있다.
The functional group capable of hydrogen bonding is preferably a 2-ureido-4 [1 H] pyrimidinone derivative, a 2-ureido-4 [H] pyrimidinol (4-ureido-4 Pyrimidinol derivatives, 2-uriedo-4-pyrimidone derivatives, diacylpyrimidine derivatives, ureidoacylpyrimidine derivatives, acetylaminotriazine derivatives, acetylaminotriazine derivatives, ureidotriazine derivatives, 2,6-di (acetylamino) -4-pyridyl derivatives, thymine derivatives, 2-aminobenzimidazole derivatives, 2,7-diamino-1,8-naphthyridine derivatives, di (hexanoylamino) pyrimidine di (hexanoylamino) pyrimidine derivatives, and 2-butylureido-4-acetylaminopyridine derivatives.
< 제1실시예 >≪
본 발명의 제1실시예는 탄소나노튜브와 그래핀에 4중 수소결합을 할 수 있는 관능기를 도입하여 전도성 페이스트를 제조하고 이를 슈퍼커패시터의 전극으로 사용하는 방법에 관한 것이다.A first embodiment of the present invention relates to a method of preparing a conductive paste by introducing a functional group capable of forming a quadruple hydrogen bond to carbon nanotubes and graphene and using the carbon nanotube as an electrode of a supercapacitor.
탄소나노소재에 도입된 4중 수소결합 관능기의 구조는 도 1에 도식화되어 나타낸다.The structure of the quadrivalent hydrogen bonding functional group introduced into the carbon nanomaterial is schematically shown in Fig.
먼저, 카르복실기가 도입된 탄소나노튜브와 산화 그래핀을 디메틸포름아미드(dimethylformamide)용매에 100㎎/L로 분산시킨 후 톨루엔 디이소시아네이트 (toluene diisocyanate)와 아미노-4-히드록시-6-메틸 피리미딘(amino-4-hydroxy-6-methyl-pyrimidine)를 순차적으로 홉합하고 100℃에서 20시간 동안 교반하여 접합 반응을 진행하는 방식으로 4중 수소결합을 지니는 2-우레이도-4[H]피리미디논(2-ureido-4[1H]pyrimidinone)를 도입하였다.First, carbon nanotubes having carboxyl groups introduced therein and oxide graphene were dispersed in a solvent of dimethylformamide at a concentration of 100 mg / L, and then toluene diisocyanate and amino-4-hydroxy-6-methylpyrimidine (2-ureido-4 [H] pyrimidine (4-hydroxy-6-methyl-pyrimidine) having a quaternary hydrogen bond in such a manner that the amino- (2-ureido-4 [1H] pyrimidinone) was introduced.
상기에서 제조된 다중수소결합이 존재하는 초분자구조 탄소나노튜브-그래핀을 이용해 디메틸포름아미드(dimethylformamide)용매를 이용하여 기타 첨가제 필요없이 간단한 교반에 의해 페이스트를 제조한바, 도2에서와 같이 고형분 0.5 wt% 이상인 탄소나노튜브-그래핀 페이스트를 간단한 교반에 의해 손쉽게 제조할 수 있었다. As shown in FIG. 2, the paste was prepared by using a dimethylformamide solvent with supramolecular carbon nanotube-graphene having multiple hydrogen bonds prepared in the above, by simple stirring without the need for other additives. The carbon nanotube-graphene paste having a weight% or more can be easily produced by simple stirring.
상기에서 제조된 탄소나노튜브-그래핀 페이스트를 바코터를 이용해 금속 호일에 전극을 형성시키고, 섭씨 200℃에서 잔류용매를 제거하였다. The carbon nanotube-graphene paste prepared above was applied to a metal foil using a bar coater, and the residual solvent was removed at 200 ° C.
도3은 상기에서 제조된 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극의 단면을 나타낸다. 3 is a cross-sectional view of the carbon nanotube-graphene hybrid electrode prepared above.
도3에서 탄소나노튜브와 그래핀을 하이브리드 할 경우, 그래핀과 그래핀의 사이에 탄소나노튜브가 존재하는 형태로 그래핀의 재적층(restacking)을 방지하고 메조기공을 형성하는 형태로 비표면적이 증가함을 알 수 있다. In FIG. 3, when carbon nanotubes and graphene are hybridized, carbon nanotubes are present between graphene and graphene to prevent restacking of graphene and form mesopores. Is increased.
그리고 전기화학적 특성은 백금(Pt), 포화 칼로멜(saturated calomel), 나노카본 전극의 삼극전극 시스템을 사용하였다. 전해질은 1M 황산용액을 사용하여 측정하였으며, 전기화학적 임피던스는 100kHz에서 100mHz까지 측정하였다. And the electrochemical characteristics of the electrodes were platinum (Pt), saturated calomel, and nanocarbon electrodes. The electrolyte was measured using a 1 M sulfuric acid solution and the electrochemical impedance was measured from 100 kHz to 100 mHz.
도4는 스캔 속도별 인가전압에 따른 전류값을 나타내는 그래프로 슈퍼커패시터의 전형적인 전기이중층 커패시터(electric double layer capacitor)에서 나타나는 사각형 모양의 전류-전압 싸이클 형태와 유사커패시터(pseudo capacitor)에서 보이는 산화-환원반응 피크(redox reaction peak)가 중간에 나타나는 것을 볼 수 있다. FIG. 4 is a graph showing a current value according to an applied voltage according to a scan speed. As shown in FIG. 4, a square-shaped current-voltage cycle shape appears in a typical electric double layer capacitor of a supercapacitor, The redox reaction peak appears in the middle.
이를 바탕으로 도6에서 보는 바와 같이 비축전용량(specific capacitance)를 계산한 결과, 탄소나노튜브와 그래핀을 하이브리드 할 경우, 10mV/s의 스캔속도에서 200 F/g 이상의 우수한 용량을 나타낸다. 특히, 1000 mV/s의 고속 스캔에서도 90% 이상의 용량이 유지되는 것을 확인하였다. 6, when the carbon nanotubes and the graphene are hybridized, they exhibit an excellent capacity of more than 200 F / g at a scan rate of 10 mV / s. In particular, it was confirmed that a capacity of 90% or more was maintained even at a high-speed scan of 1000 mV / s.
도5는 전극과 전해질 계면에서의 계면저항을 나타내는 임피던스 스펙트럼이며, 계면저항이 1옴(ohms) 이하로 작은 값을 나타내고, 작은 주파수 영역에서 거의 수직으로 상승하는 그래프 형태는 사용된 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극이 우수한 축전 거동을 보임을 나타낸다.
5 is an impedance spectrum showing the interface resistance at the interface between the electrode and the electrolyte. The graph shows that the interface resistance shows a small value of less than 1 ohms (ohms) and the graph shows a nearly vertical rise in a small frequency region. Indicating that the graphene hybrid electrode exhibits excellent storage behavior.
< 제2실시예 >≪
본 발명의 제2실시는, 제1실시예에서 같이 탄소나노튜브와 그래핀에 4중 수소결합을 할 수 있는 관능기를 도입하고, 이에 0.02 M KMnO4 5㎖와 0.03 M MnSO4 5㎖를 순차적으로 첨가하여 약 20분간 교반하는 형태로 산화망간 (MnO2) 나노입자를 도입한 것이 상기 제1실시예와 차이점이다. In the second embodiment of the present invention, a functional group capable of forming a quadruple hydrogen bond is introduced into the carbon nanotube and graphene in the first embodiment, and 5 ml of 0.02
탄소나노튜브-그래핀-산화망간 복합체 페이스트가 상기 제1실시예와 유사한 형태로 제조되었다.A carbon nanotube-graphene-manganese oxide composite paste was prepared in a similar manner to the first embodiment.
제조된 탄소나노튜브-그래핀-산화망간 복합체 페이스트를 바코터를 이용해 구리호일에 전극을 형성시키고, 섭씨 200℃에서 잔류용매를 제거하였다. The prepared carbon nanotube-graphene-manganese oxide composite paste was formed into an electrode on a copper foil using a bar coater, and the residual solvent was removed at 200 ° C.
그리고 비축전 용량을 계산한 결과, 도6에서 보는 바와 같이, 10 mV/s의 스캔속도에서 300 F/g 이상의 우수한 용량을 나타내고, 특히, 1000 mV/s의 고속 스캔에서도 85% 이상의 용량이 유지됨을 확인하였다.
As a result of calculation of the non-storage capacity, as shown in FIG. 6, the capacity is more than 300 F / g at a scan rate of 10 mV / s, and more than 85% is maintained even at a high speed scan of 1000 mV / s Respectively.
< 제3실시예 >≪ Third Embodiment >
본 발명의 제3실시예는 탄소나노튜브만을 이용하여 4중 수소결합을 할 수 있는 관능기를 도입하고, 페이스트를 형성한 후 전극을 형성하는 형태로 나머지 과정은 상기 제1실시예와 동일한 과정으로 전극을 제조하였다. In the third embodiment of the present invention, a functional group capable of forming a quadrivalent hydrogen bond is introduced using only carbon nanotubes, a paste is formed and then an electrode is formed. The remaining process is the same as the first embodiment Electrode.
그리고 비축전 용량을 계산한 결과, 도6에서 보는 바와 같이, 비축전용량은 탄소나노튜브-그래핀 복합체(제1실시예)에 비해 작은 비축전용량 값을 나타내었다. 그러나 탄소나노튜브를 단독으로 사용할 경우도 1000 mV/s의 고속 스캔에서도 85% 이상의 용량이 유지되는 것을 확인하였다.
As a result of calculation of the non-storage capacity, as shown in FIG. 6, the non-storage capacity showed a smaller non-storage capacity value than the carbon nanotube-graphene composite (first embodiment). However, even when using carbon nanotubes alone, it was confirmed that a capacity of 85% or more was maintained even at a high-speed scan of 1000 mV / s.
< 제4실시예 ><Fourth Embodiment>
본 발명의 제4실시예는 그래핀만을 이용하여 4중 수소결합을 할 수 있는 관능기를 도입하고, 페이스트를 형성한 후 전극을 형성하는 형태로 나머지 과정은 상기 제1실시예와 동일한 과정으로 전극을 제조하였다. In the fourth embodiment of the present invention, a functional group capable of forming a quadruple hydrogen bond is introduced using only graphene, and an electrode is formed after a paste is formed. The remaining process is the same as in the first embodiment, .
그리고 비축전 용량을 계산한 결과, 도6에서 보는 바와 같이, 비축전용량은 탄소나노튜브-그래핀 복합체(제1실시예)에 비해 작은 비축전용량 값을 나타내었다. 그러나 그래핀을 단독으로 사용할 경우도 1000 mV/s의 고속 스캔에서도 85% 이상의 용량이 유지되는 것을 확인하였다.As a result of calculation of the non-storage capacity, as shown in FIG. 6, the non-storage capacity showed a smaller non-storage capacity value than the carbon nanotube-graphene composite (first embodiment). However, even when using graphene alone, it was confirmed that a capacity of 85% or more was maintained even at a high-speed scan of 1000 mV / s.
이상에서와 같이, 다중수소결합에 의해 다양한 탄소나노소재의 페이스트화가 가능하고, 다양한 탄소나노소재를 복합화하여 단일 소재를 사용할 경우에 비해 우수한 성능의 슈퍼커패시터 구현 가능하며, 분산제 등의 첨가제를 사용하지 않고 전극을 형성할 수 있어 상용화 관점에서 유리하며, 탄소나노소재의 전도도 손해없이 탄소나노소재의 페이스트화가 가능한 기능화 기법으로 고 축전용량의 초고용량 슈퍼커패시터 구현을 위한 고전도성 탄소나노소재 전극 형성이 가능함을 알 수 있다. As described above, it is possible to paste various carbon nanomaterials by using multiple hydrogen bonds, and it is possible to realize supercapacitors of superior performance as compared with the case of using a single material by composing various carbon nanomaterials. It is possible to form a highly conductive carbon nanomaterial electrode for realizing a supercapacitor superhigh capacity super capacitor by forming an electrode and it is advantageous from the viewpoint of commercialization and it is possible to form paste of carbon nanomaterial without loss of conductivity of carbon nanomaterial. .
그리고, 다중수소결합 관능기에 의한 산화-환원반응(redox reaction)유도를 통한 유사커패시터(pseudocapacitor) 성능을 향상시키고, 다중수소결합 관능기에 의한 메조기공 유도(meso pore) 형성이 용이함을 알 수 있다.It can be seen that the performance of the pseudocapacitor is improved by inducing a redox reaction by a multi-hydrogen bonding functional group and meso pore formation by multiple hydrogen bonding functional groups is easy.
Claims (5)
상기 전극은, 탄소나노소재로 형성되되,
상기 탄소나노소재는 표면 또는 말단에 다중수소결합이 가능한 관능기를 도입함에 의해 탄소나노소재 간에 다중수소결합이 이루어지는 전극물질을 형성하고, 이를 전극으로 이용함을 특징으로 하는 초고용량 커패시터 전극으로 이용되는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재 전극.In an electrode of an ultra-high capacity capacitor,
The electrode is formed of a carbon nanomaterial,
Wherein the carbon nanomaterial is formed by forming a multi-hydrogen bonding electrode material between carbon nanomaterials by introducing a functional group capable of forming multiple hydrogen bonds on the surface or end, and using the electrode material as an electrode. A carbon nanomaterial electrode having a higher order structure by hydrogen bonding.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR20130008735A KR101484163B1 (en) | 2013-01-25 | 2013-01-25 | nano carbon materials having multiple hydrogen bonding motifs for electrode in supercapacitors |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR20130008735A KR101484163B1 (en) | 2013-01-25 | 2013-01-25 | nano carbon materials having multiple hydrogen bonding motifs for electrode in supercapacitors |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20140095844A true KR20140095844A (en) | 2014-08-04 |
KR101484163B1 KR101484163B1 (en) | 2015-01-21 |
Family
ID=51744079
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR20130008735A KR101484163B1 (en) | 2013-01-25 | 2013-01-25 | nano carbon materials having multiple hydrogen bonding motifs for electrode in supercapacitors |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR101484163B1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20160087647A (en) | 2015-01-14 | 2016-07-22 | 한남대학교 산학협력단 | Metal Oxide/MWNT(multi-wall carbon nanotube) nano-composite electrodes for supercapacitor and method for manufacturing the same |
CN106298256A (en) * | 2016-08-23 | 2017-01-04 | 宁波中车新能源科技有限公司 | A kind of nanometer ferromanganese for ultracapacitor aoxidizes combination electrode material and preparation method thereof |
CN110112002A (en) * | 2018-02-01 | 2019-08-09 | 南京理工大学 | The mesoporous micron ball of ZnO-CoO@NC, preparation method and applications |
KR102183789B1 (en) * | 2019-08-05 | 2020-11-27 | 부산대학교 산학협력단 | Hybrid nano composites with controlled absorption or luminescence properties and methods for their preparation |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR102460290B1 (en) | 2021-01-27 | 2022-10-31 | 전주대학교 산학협력단 | Manufacturing method of flexible carbon fiber composite, supercapacitor electrode made of carbon fiber composite manufactured therefrom and wearable electronics using the same |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100685796B1 (en) * | 2006-04-11 | 2007-02-22 | 한국과학기술원 | Method for manufacturing the transparent conductive electrode using carbon nanotube films |
KR20130114982A (en) * | 2012-04-10 | 2013-10-21 | 한국전기연구원 | Nano carbon materials having multiple hydrogen bonding motifs and their fabrication method |
-
2013
- 2013-01-25 KR KR20130008735A patent/KR101484163B1/en active IP Right Grant
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20160087647A (en) | 2015-01-14 | 2016-07-22 | 한남대학교 산학협력단 | Metal Oxide/MWNT(multi-wall carbon nanotube) nano-composite electrodes for supercapacitor and method for manufacturing the same |
CN106298256A (en) * | 2016-08-23 | 2017-01-04 | 宁波中车新能源科技有限公司 | A kind of nanometer ferromanganese for ultracapacitor aoxidizes combination electrode material and preparation method thereof |
CN106298256B (en) * | 2016-08-23 | 2019-03-08 | 宁波中车新能源科技有限公司 | A kind of nanostructured manganese iron oxidation combination electrode material and preparation method thereof for supercapacitor |
CN110112002A (en) * | 2018-02-01 | 2019-08-09 | 南京理工大学 | The mesoporous micron ball of ZnO-CoO@NC, preparation method and applications |
CN110112002B (en) * | 2018-02-01 | 2020-12-04 | 南京理工大学 | ZnO-CoO @ NC mesoporous microsphere, preparation method and application thereof |
KR102183789B1 (en) * | 2019-08-05 | 2020-11-27 | 부산대학교 산학협력단 | Hybrid nano composites with controlled absorption or luminescence properties and methods for their preparation |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR101484163B1 (en) | 2015-01-21 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Jalal et al. | A review on Supercapacitors: Types and components | |
Yu et al. | MXene-bonded activated carbon as a flexible electrode for high-performance supercapacitors | |
Iro et al. | A brief review on electrode materials for supercapacitor | |
Wu et al. | Materials design and system construction for conventional and new‐concept supercapacitors | |
Melkiyur et al. | A comprehensive review on novel quaternary metal oxide and sulphide electrode materials for supercapacitor: Origin, fundamentals, present perspectives and future aspects | |
Cheng et al. | Graphene and carbon nanotube composite electrodes for supercapacitors with ultra-high energy density | |
Chen et al. | Bacterial‐cellulose‐derived carbon nanofiber@ MnO2 and nitrogen‐doped carbon nanofiber electrode materials: an asymmetric supercapacitor with high energy and power density | |
Jian et al. | Carbon-based electrode materials for supercapacitor: progress, challenges and prospective solutions | |
Wang et al. | A high-performance asymmetric supercapacitor based on carbon and carbon–MnO2 nanofiber electrodes | |
Wu et al. | High-energy MnO2 nanowire/graphene and graphene asymmetric electrochemical capacitors | |
Fu et al. | Carbon nanotube reinforced polypyrrole nanowire network as a high-performance supercapacitor electrode | |
Zhang et al. | Progress of electrochemical capacitor electrode materials: A review | |
Zhao et al. | MnO2@ NiO nanosheets@ nanowires hierarchical structures with enhanced supercapacitive properties | |
Wang et al. | Preparation of MnO2/carbon nanowires composites for supercapacitors | |
Qu et al. | Rational design of Au–NiO hierarchical structures with enhanced rate performance for supercapacitors | |
Amir et al. | Facile synthesis of ultra-small ruthenium oxide nanoparticles anchored on reduced graphene oxide nanosheets for high-performance supercapacitors | |
Huang et al. | Synthesis of 3D reduced graphene oxide/unzipped carbon nanotubes/polyaniline composite for high-performance supercapacitors | |
Hiralal et al. | Enhanced supercapacitors from hierarchical carbon nanotube and nanohorn architectures | |
Zhou et al. | A comparative study on long and short carbon nanotubes-incorporated polypyrrole/poly (sodium 4-styrenesulfonate) nanocomposites as high-performance supercapacitor electrodes | |
Tundwal et al. | Developments in conducting polymer-, metal oxide-, and carbon nanotube-based composite electrode materials for supercapacitors: a review | |
Basnayaka et al. | A review of supercapacitor energy storage using nanohybrid conducting polymers and carbon electrode materials | |
Reddy et al. | A review on effect of conducting polymers on carbon-based electrode materials for electrochemical supercapacitors | |
KR101484163B1 (en) | nano carbon materials having multiple hydrogen bonding motifs for electrode in supercapacitors | |
Kumar et al. | Novel electrode geometry for high performance CF/Fe 2 O 3 based planar solid state micro-electrochemical capacitors | |
Khalid et al. | Carbon-based composites for supercapacitor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20180102 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20190109 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20200109 Year of fee payment: 6 |