KR20160114812A - 산화그래핀의 환원물을 이용한 슈퍼커패시터용 그래핀 전극의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 적용한 슈퍼커패시터 셀 - Google Patents
산화그래핀의 환원물을 이용한 슈퍼커패시터용 그래핀 전극의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 적용한 슈퍼커패시터 셀 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은, 본 발명은, 계면활성제를 이용하여 산화그래핀의 환원물(reduced graphene oxide)을 표면처리하는 단계와, 상기 계면활성제로 표면처리된 산화그래핀의 환원물, 바인더 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계와, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 성형하여 슈퍼커패시터 전극의 형태로 성형하는 단계 및 전극 형태의 성형물을 건조하여 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터용 그래핀 전극의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 적용한 슈퍼커패시터 셀에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 가격이 저렴하고 비교적 쉽게 얻을 수 있는 산화그래핀의 환원물(reduced graphene oxide; rGO)을 전극활물질로 사용할 수 있으며, 계면활성제를 이용한 표면처리에 의해 rGO가 재적층되는 현상을 방지시킴으로서 그래핀(rGO)가 가지고 있는 우수한 전도성과 높은 비표면적 등의 고유 물성을 활용할 수 있다.
Description
본 발명은 슈퍼커패시터용 그래핀 전극의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 적용한 슈퍼커패시터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가격이 저렴하고 비교적 쉽게 얻을 수 있는 산화그래핀의 환원물(reduced graphene oxide; rGO)을 전극활물질로 사용할 수 있으며, 계면활성제를 이용한 표면처리에 의해 rGO가 재적층되는 현상을 방지시킴으로서 그래핀(rGO)가 가지고 있는 우수한 전도성과 높은 비표면적 등의 고유 물성을 활용할 수 있는 슈퍼커패시터용 그래핀 전극의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 적용한 슈퍼커패시터 셀에 관한 것이다.
일반적으로 슈퍼커패시터는 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC), 슈퍼커패시터(Super-capacitor) 또는 울트라커패시터(Ultra-capacitor)라고도 일컬어지며, 이는 전극 및 도전체와, 그것에 함침된 전해질 용액의 계면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기이중층)이 생성된 것을 이용하는 것으로, 충전/방전 동작의 반복으로 인한 열화가 매우 작아 보수가 필요없는 소자이다. 이에 따라 슈퍼커패시터는 각종 전기ㆍ전자기기의 IC(integrated circuit) 백업을 하는 형태로 주로 사용되고 있으며, 최근에는 그 용도가 확대되어 장난감, 태양열 에너지 저장, HEV(hybrid electric vehicle) 전원 등에까지 폭넓게 응용되고 있다.
이와 같은 슈퍼커패시터는 일반적으로 전해액이 함침된 양극 및 음극의 두 전극과, 이러한 두 전극 사이에 개재되어 이온(ion) 전도만 가능케 하고 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 세퍼레이터(separator)와, 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓(gasket), 그리고 이들을 포장하는 도전체로서의 금속 캡으로 구성된 단위셀을 갖는다. 그리고 위와 같이 구성된 단위셀 1개 이상(통상, 코인형의 경우 2∼6개)을 직렬로 적층하고 양극과 음극의 두 단자(terminal)를 조합하여 완성된다.
슈퍼커패시터의 성능은 전극활물질 및 전해질에 의하여 결정되며, 특히 축전용량 등 주요성능은 전극활물질에 의하여 대부분 결정된다. 이러한 전극활물질로는 활성탄이 주로 사용되고 있다. 다공성의 활성탄은 높은 비표면적을 가지므로 이온의 물리적 흡착과 탈착으로 용량을 발현하는 슈퍼커패시터용 전극 활물질 소재로써 널리 사용되고 있다.
슈퍼커패시터의 응용 분야의 확대에 따라 보다 높은 비축전용량과 에너지밀도가 요구되고 있어 보다 높은 축전용량을 발현하는 전극활물질의 개발이 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 가격이 저렴하고 비교적 쉽게 얻을 수 있는 산화그래핀의 환원물(reduced graphene oxide; rGO)을 전극활물질로 사용할 수 있으며, 계면활성제를 이용한 표면처리에 의해 rGO가 재적층되는 현상을 방지시킴으로서 그래핀(rGO)가 가지고 있는 우수한 전도성과 높은 비표면적 등의 고유 물성을 활용할 수 있는 슈퍼커패시터의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 적용한 슈퍼커패시터 셀을 제공함에 있다.
본 발명은, 계면활성제를 이용하여 산화그래핀의 환원물(reduced graphene oxide)을 표면처리하는 단계와, 상기 계면활성제로 표면처리된 산화그래핀의 환원물, 바인더 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계와, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 성형하여 슈퍼커패시터 전극의 형태로 성형하는 단계 및 전극 형태의 성형물을 건조하여 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터용 그래핀 전극의 제조방법을 제공한다.
상기 표면처리하는 단계는, 계면활성제가 분산된 용액에 산화그래핀의 환원물을 넣고 교반하여 산화그래핀의 환원물 표면에 계면활성제가 흡착되게 하는 단계와, 진공여과기를 이용하여 계면활성제가 흡착된 산화그래핀의 환원물을 선택적으로 여과해내는 단계와, 여과해낸 결과물을 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 계면활성제는 상기 산화그래핀의 환원물 100중량부에 대하여 2∼15중량부 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 계면활성제로는 세틸 트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB; Cetyl trimethylammonium bromide), 테트라데실 트리메틸암모늄 브로마이드(TTAB; Tetradecyl trimethylammonium bromide), 소듐 도데실벤젠 설포네이트(SDBS; Sodium dodecylbenzene sulfonate), 소듐 도데실 설포네이트(SDS; Sodium dodecyl sulfate), 소듐 콜레이트(SC; Sodium cholate), 소듐 디옥시콜레이트(DOC; Sodium deoxycholate) 및 소듐 타우로디옥시콜레이트(TDOC; Sodium taurodeoxycholate) 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 산화그래핀의 환원물은 비표면적이 400∼1,000㎡/g 범위인 분말을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 바인더는 상기 계면활성제로 표면처리된 산화그래핀의 환원물 100중량부에 대하여 1∼20중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 계면활성제로 표면처리된 산화그래핀의 환원물을 건조하는 단계는, 진공오븐에서 40∼150℃의 온도에서 진공 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 성형하는 단계는, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤프레스 성형기를 이용하여 압연하여 시트 타입의 슈퍼커패시터 전극 형태로 성형하는 단계 및 상기 시트 타입의 슈퍼커패시터 전극 형태의 성형물을 진공건조대에서 건조하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 롤프레스 성형기에 의해 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물에 인가되는 가압 압력은 1∼20 ton/㎠ 범위이고, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물에 가해지는 가열 온도는 40∼150℃ 범위이며, 상기 시트 타입의 슈퍼커패시터 전극 형태는 100∼300㎛의 평균 두께를 갖고, 상기 건조는 100∼150℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 상기 제조방법으로 제조된 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 포함하는 양극과, 상기 제조방법으로 제조된 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 포함하는 음극과, 상기 양극과 음극 사이에 배치되고 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막과, 상기 양극, 상기 분리막 및 상기 음극이 내부에 배치되고 전해액이 주입된 금속 캡과, 상기 금속 캡을 밀봉하기 위한 가스켓을 포함하며, 상기 전해액은 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 아세토니트릴(acetonitrile) 및 술포란(sulfolane) 중에서 선택된 1종 이상의 용매에 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoborate) 중에서 선택된 1종 이상의 염이 용해된 전해액이거나, EMIBF4(1-ethyl-3-methyl imidazolium tetrafluoborate) 및 EMITFSI(1-ethyl-3-methyl imidazolium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide) 중에서 선택된 1종 이상의 이온성 액체를 포함하는 전해액인 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 셀을 제공한다.
또한, 본 발명은, 단락을 방지하기 위한 제1 분리막과, 상기 제조방법으로 제조된 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 포함하는 양극과, 상기 양극과 음극의 단락을 방지하기 위한 제2 분리막과, 상기 제조방법으로 제조된 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 포함하는 음극이, 순차적으로 적층되어 코일링된 롤 형태를 이루는 권취소자와, 상기 음극에 연결된 제1 리드선과, 상기 양극에 연결된 제2 리드선과, 상기 권취소자를 수용하는 금속캡과, 상기 금속 캡을 밀봉하기 위한 실링 고무를 포함하며, 상기 권취소자는 전해액에 함침되어 있고, 상기 전해액은 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 아세토니트릴(acetonitrile) 및 술포란(sulfolane) 중에서 선택된 1종 이상의 용매에 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoborate) 중에서 선택된 1종 이상의 염이 용해된 전해액이거나, EMIBF4(1-ethyl-3-methyl imidazolium tetrafluoborate) 및 EMITFSI(1-ethyl-3-methyl imidazolium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide) 중에서 선택된 1종 이상의 이온성 액체를 포함하는 전해액인 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 셀을 제공한다.
본 발명에 의하면, 가격이 저렴하고 비교적 쉽게 얻을 수 있는 산화그래핀의 환원물(reduced graphene oxide; rGO)을 전극활물질로 사용할 수 있으며, 계면활성제를 이용한 표면처리에 의해 rGO가 재적층되는 현상을 방지시킴으로서 그래핀(rGO)가 가지고 있는 우수한 전도성과 높은 비표면적 등의 고유 물성을 활용할 수 있다.
계면활성제를 이용하여 rGO에 표면처리하여 전극 형태로 성형할 경우에 그래핀의 재적층을 방지시킬 수 있다. 표면처리된 rGO가 서로 혼합되어 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 하더라도, rGO는 계면활성제에 의해 표면처리되어 있으므로 층상구조의 rGO는 서로 이격된 상태를 유지하게 되며, rGO와 rGO 사이가 서로 화학적 결합되지 않고 rGO 끼리 재적층되는 것이 방지되게 된다. 계면활성제를 이용한 표면처리에 의해 rGO는 서로 뭉치지 않고 균일하게 분포되어 전극 형태를 구성하게 된다. 층상구조의 rGO는 서로 이격된 상태를 그대로 유지하게 되며, rGO와 rGO 사이는 서로 화학적 결합되지 않은 상태를 그대로 유지하고 rGO 끼리 재적층되지 않은 상태를 그대로 유지하게 된다. rGO가 서로 뭉치지 않고 균일하게 분포된 상태를 그대로 유지하는 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 형성할 수가 있다.
도 1은 일 예에 따른 코인형 슈퍼커패시터의 단면도를 보인 것이다.
도 2 내지 도 5는 일 예에 따른 권취형 슈퍼커패시터를 보여주는 도면이다.
도 6은 실험예와 비교예에 따라 제조된 슈퍼커패시터 셀(cell)의 충·방전 실시 결과를 보여주는 그래프이다.
도 2 내지 도 5는 일 예에 따른 권취형 슈퍼커패시터를 보여주는 도면이다.
도 6은 실험예와 비교예에 따라 제조된 슈퍼커패시터 셀(cell)의 충·방전 실시 결과를 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명은 계면활성제를 활용하여 그래핀(산화그래핀 환원물) 표면을 매끄럽게 해줌으로써 슈퍼커패시터용 그래핀 전극으로 제조할 경우 그래핀 간의 재적층을 방지시킬 수 있다. 그래핀(산화그래핀 환원물)이 재적층되는 현상을 방지시킴으로써 그래핀이 가지고 있는 우수한 전도성과 높은 비표면적 등의 고유 물성을 활용하는데 유용하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 슈퍼커패시터용 그래핀 전극의 제조방법은, 계면활성제를 이용하여 산화그래핀의 환원물(reduced graphene oxide)을 표면처리하는 단계와, 상기 계면활성제로 표면처리된 산화그래핀의 환원물, 바인더 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계와, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 성형하여 슈퍼커패시터 전극의 형태로 성형하는 단계 및 전극 형태의 성형물을 건조하여 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 표면처리하는 단계는, 계면활성제가 분산된 용액에 산화그래핀의 환원물을 넣고 교반하여 산화그래핀의 환원물 표면에 계면활성제가 흡착되게 하는 단계와, 진공여과기를 이용하여 계면활성제가 흡착된 산화그래핀의 환원물을 선택적으로 여과해내는 단계와, 여과해낸 결과물을 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 계면활성제는 상기 산화그래핀의 환원물 100중량부에 대하여 2∼15중량부 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 계면활성제로는 세틸 트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB; Cetyl trimethylammonium bromide), 테트라데실 트리메틸암모늄 브로마이드(TTAB; Tetradecyl trimethylammonium bromide), 소듐 도데실벤젠 설포네이트(SDBS; Sodium dodecylbenzene sulfonate), 소듐 도데실 설포네이트(SDS; Sodium dodecyl sulfate), 소듐 콜레이트(SC; Sodium cholate), 소듐 디옥시콜레이트(DOC; Sodium deoxycholate) 및 소듐 타우로디옥시콜레이트(TDOC; Sodium taurodeoxycholate) 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 산화그래핀의 환원물은 비표면적이 400∼1,000㎡/g 범위인 분말을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 바인더는 상기 계면활성제로 표면처리된 산화그래핀의 환원물 100중량부에 대하여 1∼20중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 계면활성제로 표면처리된 산화그래핀의 환원물을 건조하는 단계는, 진공오븐에서 40∼150℃의 온도에서 진공 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 성형하는 단계는, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤프레스 성형기를 이용하여 압연하여 시트 타입의 슈퍼커패시터 전극 형태로 성형하는 단계 및 상기 시트 타입의 슈퍼커패시터 전극 형태의 성형물을 진공건조대에서 건조하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 롤프레스 성형기에 의해 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물에 인가되는 가압 압력은 1∼20 ton/㎠ 범위이고, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물에 가해지는 가열 온도는 40∼150℃ 범위이며, 상기 시트 타입의 슈퍼커패시터 전극 형태는 100∼300㎛의 평균 두께를 갖고, 상기 건조는 100∼150℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 셀은, 상기 제조방법으로 제조된 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 포함하는 양극과, 상기 제조방법으로 제조된 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 포함하는 음극과, 상기 양극과 음극 사이에 배치되고 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막과, 상기 양극, 상기 분리막 및 상기 음극이 내부에 배치되고 전해액이 주입된 금속 캡과, 상기 금속 캡을 밀봉하기 위한 가스켓을 포함하며, 상기 전해액은 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 아세토니트릴(acetonitrile) 및 술포란(sulfolane) 중에서 선택된 1종 이상의 용매에 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoborate) 중에서 선택된 1종 이상의 염이 용해된 전해액이거나, EMIBF4(1-ethyl-3-methyl imidazolium tetrafluoborate) 및 EMITFSI(1-ethyl-3-methyl imidazolium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide) 중에서 선택된 1종 이상의 이온성 액체를 포함하는 전해액이다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 슈퍼커패시터 셀은, 단락을 방지하기 위한 제1 분리막과, 상기 제조방법으로 제조된 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 포함하는 양극과, 상기 양극과 음극의 단락을 방지하기 위한 제2 분리막과, 상기 제조방법으로 제조된 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 포함하는 음극이, 순차적으로 적층되어 코일링된 롤 형태를 이루는 권취소자와, 상기 음극에 연결된 제1 리드선과, 상기 양극에 연결된 제2 리드선과, 상기 권취소자를 수용하는 금속캡과, 상기 금속 캡을 밀봉하기 위한 실링 고무를 포함하며, 상기 권취소자는 전해액에 함침되어 있고, 상기 전해액은 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 아세토니트릴(acetonitrile) 및 술포란(sulfolane) 중에서 선택된 1종 이상의 용매에 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoborate) 중에서 선택된 1종 이상의 염이 용해된 전해액이거나, EMIBF4(1-ethyl-3-methyl imidazolium tetrafluoborate) 및 EMITFSI(1-ethyl-3-methyl imidazolium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide) 중에서 선택된 1종 이상의 이온성 액체를 포함하는 전해액이다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 슈퍼커패시터용 그래핀 전극의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
탄소물질은 그 구조에 따라 3차원 구조의 다이아몬드와 흑연, 2차원 구조의 그래핀, 1차원 구조의 탄소나노튜브, 0차원 구조의 버키볼로 구분하는 것이 일반적이다. 그래핀(graphene)이란 흑연을 의미하는 흑연(graphite)과 탄소의 이중결합을 가진 분자를 의미하는 접미사 -ene을 결합해서 만든 용어이다. 그래핀을 구성하고 있는 탄소의 최외각 전자 4개 중 3개는 sp2 혼성 오비탈을 형성하여 강한 공유결합인 σ 결합을 이루며 남은 1개의 전자는 주변의 다른 탄소와 π 결합을 형성하면서 육각형의 벌집 모양 2차원 구조체를 이룬다. 단층 그래핀은 0.34 nm 정도의 두께로 매우 얇으며, 기계적 강도, 열적 그리고 전기적 특성이 매우 우수하고, 유연성과 투명성을 가진다는 장점을 가진다.
그래핀의 파괴 응력은 이론적 한계값인 ∼40 N/m 정도이며, 파괴강도는 125 GPa 정도이고, 탄성계수는 강철의 200배 이상인 ∼1.0 TPa 정도이다. 이것은 단단한 탄소 결합이 있고 단층에 결합이 존재할 수 없기 때문이다. 또한 평면 한 축 방향으로 20% 늘어날 수 있으며 이는 다른 어느 결정보다도 매우 큰 값이다. 또한 온도가 올라감에 따라 그래핀은 2차원 포논(Phonon)에 의해 계속 수축되며, 매우 유연하면서도 강하게 잡아당길 때 잘 균열되는 특징을 동시에 지니고 있다.
그래핀은 실온에서 열전도가 약 5,000 W/m·K로 탄소나노튜브 또는 다이아몬드보다 우수한 열전도 특성을 갖고 있다. 이는 탄소나노튜브보다 50 % 이상 높은 값이며 구리, 알루미늄 같은 금속보다 10배 정도 큰 값이다. 이것은 그래핀이 원자진동을 쉽게 전달할 수 있기 때문이다. 이러한 우수한 열 전도성은 전자의 긴 평균 자유 행로에도 영향을 준다. 반면 그래핀이 적층된 흑연(graphite)의 경우 수직 방향에서는 열전도도(약 100배)가 현저하게 낮아지는 단점이 있다.
상온에서 그래핀의 최대 전자이동도는 200,000 cm2/Vs이다. 이것은 그래핀의 경우 전자가 움직일 때 방해를 주는 산란의 정도가 매우 작기 때문으로 알려지고 있으며, 이로 인하여 긴 평균자유 행로를 가지게 된다. 따라서 저항이 매우 낮은 구리보다도 35 % 이상 저항이 낮은 값을 지닌다. 또한 그래핀의 경우 10 % 이상 면적을 늘리거나 접어도 전기전도성을 잃지 않는다.
이차원 평면에 수직인 방향으로 자기장을 걸면 평면에서 움직이는 자유전하는 로렌츠힘에 의해 그 궤도가 휘게 된다. 이 때문에 전류가 흐르는 방향에 수직으로 홀 전압(Hall voltage)이 뜨게 되고, 이를 홀 효과라고 부른다. 만약 시료의 온도를 더 낮추고, 자기장을 높이면, 측정되는 홀 전압이 정수 배로 양자화되는 정수 양자 홀 효과(integer quantum Hall effect)를 관측할 수 있는데, 이는 이차원 전자계에서 평면에 수직인 방향으로 자기장이 걸릴 때 생성되는 란다우 준위(Landau level)의 생성에 의한 것으로, 처음 발견된 이후 현재까지도 많은 연구가 이루어지고 있는 중요한 물리적 현상 중의 하나이다. 이러한 양자 현상은 극저온이나 고자기장과 같은 상황에서 관측되는데 그래핀의 경우는 낮은 자기장과 상온에서도 관측이 가능하다는 특징을 지닌다.
일반적으로 흑연을 이용한 탑-다운(top-down) 방식의 그래핀 제조 방법은 기계적 박리법, 화학적 박리법, 비산화 박리법 등 세 가지로 분류될 수 있다.
기계적 박리법은 반데르발스의 약한 결합으로 이루어져 있는 흑연 결정에서 기계적인 힘으로 떼어내는 것을 말한다. 마치 연필심에서 얇은 막이 부드럽게 벗겨져 나오면서 글씨가 써지듯이 마찰을 이용해 흑연 결정으로부터 그래핀을 만드는 것이다. 이 방법은 그래핀의 π-궤도함수의 전자가 표면상에 넓게 펴져 분포하면서 매끈한 표면을 가지기 때문에 가능하다.
그래핀은 맨체스터 대학교의 노보셀로브(Novoselov) 박사와 게인(Geim) 교수가 세계 최초로 스카치테이프(Scotch tape)의 접착력을 이용하여 연필심의 흑연에서 그래핀을 분리하는 방법을 발표하면서 널리 알려지게 되었다. 우선 흑연 플레이크(graphite flake), 일반적인 스카치테이프, 그리고 SiO2 웨이퍼를 준비한다. 준비한 플레이크를 스카치테이프에 올린 후 수 차례 접었다 폈다를 반복한다. 이 과정이 끝난 후 테이프를 SiO2 웨이퍼에 올린 후 플레이크(flake) 자국이 남아 있는 부분을 문질러 준 후 테이프를 제거하면 한 층의 그래핀 부터 다층의 그래핀을 얻을 수 있다.
이 방법이 가능한 이유는 그래핀의 원자구조를 살펴보면 알 수 있다. 그래핀은 2차원 평면상으로 3개의 탄소 원자들이 강한 공유결합을 형성하는 반면 수직인 방향으로는 상대적으로 약한 반데르발스 힘으로 연결되어 있어 층간의 마찰계수가 매우 낮아 스카치테이프의 약한 접착력으로도 분리가 가능하게 되는 것이다. 이렇게 박리된 그래핀은 시료 준비가 매우 간단하고 전기적, 구조적으로 우수한 성질을 보여 그래핀의 기초연구를 빠르게 확산시키는데 큰 역할을 했다. 하지만 그 면적이 마이크로미터 수준에 불과하고 수율이 낮아 다양한 응용을 위한 제조방법으로는 한계가 있다.
화학적 박리법은 용매를 기반으로 하여 산화, 환원 반응을 이용한 방법으로 그래핀의 대면적 성장과 대량생산이라는 두 가지 목표에 가장 근접해 있는 방법이다. 산화흑연(graphite oxide)의 제조를 통한 박리를 유도하며, 이후 환원(reduction)을 통하여 산화그래핀(graphene oxide)의 전기적 특성을 향상시키는 방법이다. 흑연(graphite)을 산화시키는 방법은 많은 연구가 있었지만 그 중 휴머스(Hummers)가 제안한 방법이 가장 많이 사용되고 있다. 이 방법은 그래핀의 대량생산에 용이하며, 다양한 응용이 가능한 그래핀 제조방법이다.
일반적으로 산화흑연(graphite oxide)은 물에서 분산이 용이하며 극성용매에서 음전하를 띈 박막 플레이트(수십∼수백 층으로 이루어진 산화흑연)로 존재하게 된다. 분산된 산화흑연 박막플레이트를 산화그래핀(graphene oxide)으로 형성시키기 위해서 박리과정이 필요하다.
주로 사용되고 있는 박리법은 초음파 분쇄법(ultrasonicagitation)이며, 급속가열(rapid heating)을 통하여 팽창된 산화흑연(graphite oxide)의 층을 분리하는 방법도 있다. 산화흑연(graphite oxide) 제조 후 산화그래핀(graphene oxide) 분산을 유도하고, 환원을 통한 산화그래핀의 환원물(reduced graphene oxide; 이하 'rGO'라 함)을 형성한다. 산화흑연(graphite oxide)은 갈색의 점성 슬러리 형태로 제조되며, 산화흑연(graphite oxide), 박리된 박막산화플레이트, 산화되지 않은 흑연(graphite) 조각 및 산화제의 잔류물들로 형성되어 있다. 산화흑연(graphite oxide)은 원심분리를 통하여 정제과정을 거치게 되며, 이때 가라앉는 불순물들을 제거하고 부유물인 산화흑연(graphite oxide)을 선택적으로 걸러낸다. 정제된 산화흑연(graphite oxide)은 초음파분쇄를 통하여 염기성 수용액이나 유기용매에 분산되며, 이때 산화그래핀(graphene oxide) 형태로 박리되게 된다. 보다 균일한 단일 층 및 면적을 갖는 산화그래핀(graphene oxide)은 초음파 분쇄 후 원심분리과정을 통하여 얻어지게 된다.
이와 같이 산화그래핀(graphene oxide)은 습식공정에 적용하는데 있어서 매우 유용한 방법이지만, 질산 (HNO3), 황산 (H2SO4) 등과 같은 강산을 이용한 흑연(graphite)의 산화로 인하여 환원 후에 그래핀의 결함이 발생하고 표면에 수산기와 에폭시기, 가장자리에는 카르복실기와 같은 산소관능기를 완벽하게 제거하기 어려운 단점이 있으며, 이는 물리적, 전기적 특성을 저하시키는 요인이다. 따라서 산화그래핀(graphene oxide)의 환원은 필수적이며, 하이드라진 모노하이드레이트(hydrazine monohydrate; N2H4)와 같은 환원제 및 수소를 이용한 고온 열처리 과정을 거치게 된다. 그러나, 효과적인 rGO 형성은 흑연의 산화 및 산화그래핀의 분산과정 중 형성되는 결함을 최소화시키는 방법이다. 산화흑연 박리 시 호모게나이져(Homogenizer)를 이용하여 전단응력을 인가시켜 산화그래핀을 분리해내는 방법이 있다. 이는 이차원 구조를 갖는 그래핀을 효과적으로 분리해내는 방법이며, 초음파 분쇄 시 형성되는 결함을 최소화시킬 수 있는 방법이다.
그래핀의 물리적, 전기적 특성을 유지하기 위해서 고안된 방법으로 화학적 박리법을 통한 rGO 제조 시 형성되는 결함 및 작용기 없이 그래핀을 형성시키는 방법이 있다. 이온성 물질 및 유기용매를 이용하여 흑연(graphite)의 층간 삽입을 유도하며, 이를 분산시킨 후 초원심분리(ultracentrifugation)법을 이용하여 분산된 용액의 층 분리를 통하여 단일층 그래핀을 분리해 내는 방법이다. 이 방법은 고품질의 그래핀을 제조할 수 있지만, 그래핀의 면적이 낮은 단점이 있다.
유기용매는 N-메틸--2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone; NMP), 디메틸포름아미드(dimethylformamide; DMF), o-디클로로벤젠(o-dichlorobenzene; ODCB) 등을 사용할 수 있다. 흑연(graphite) 박리 시 사용되는 용매의 최적의 표면장력은 40∼50 mJ·m-2 정도이며, 이 용매들은 표면장력이 약 40 mJ·m- 2 이다. π-π 적층(stacking)을 통해 그래핀과 상호작용할 수 있기 때문에 직접적으로 단층 또는 몇개 층의 그래핀을 박리시키는데 적합하다. 이들 용매에 흑연 분말(graphite powder)을 넣어 분산시킨 후 초음파처리(ultrasonication)를 하면 화학적인 기능화 없이 직접적으로 그래핀으로 박리할 수 있다. 하지만 유기용매만을 사용하여 박리하는 방법은 긴 시간이 소요되며 충분히 박리되지 않고 팽창된 흑연(graphite)이 유기용매 내에 존재하고 있어 수율이 낮아지는 문제가 발생한다.
이를 개선하기 위해 이온성 물질을 이용하여 수율을 높인 방법이 있다. 이온성 물질을 이용한 방법에는 리튬 클로라이드(lithium chloride; LiCl)와 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate; PC)를 디메틸포름아미드(dimethylformamide; DMF) 내에 분산시켜 초음파처리(ultrasonication)에 의해 박리하는 방법과, 칼륨(potassium)을 이용하여 KC8 화합물을 제조한 뒤 에탄올에 분산시켜 초음파처리(ultrasonication)에 의해 박리하는 방법 등을 예로 들 수 있으며, 이들은 흑연(graphite)층 사이에 이온의 삽입을 유도하여 그래핀으로 박리되게 한다.
이하에서, rGO를 합성하는 방법을 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나, rGO를 합성하는 방법은 후술하는 방법에 한정되는 것은 아니다.
흑연 플레이크(flake)를 H3PO4, H2SO4 및 KMnO4의 혼합 용액에 첨가한다. 산화그래핀을 얻기 위한 소스 물질로 흑연 플레이크를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 탄소(C)의 소스(source)로 작용할 수 있는 다른 탄소계 물질들도 사용이 가능하다. 상기 H3PO4와 상기 H2SO4는 1:2∼20의 부피비로 혼합하고, 상기 KMnO4는 상기 H3PO4와 상기 H2SO4의 전체 함량 100㎖에 대하여 1∼10g의 비율로 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 흑연 플레이트가 첨가된 상기 혼합 용액을 핫 플레이트를 이용하여 상온보다 높은 온도에서 반응시킨다. 상기 온도는 40∼90℃ 정도인 것이 바람직하며, 상기 반응은 1∼48시간 정도 실시하는 것이 바람직하다.
상기 반응의 결과물을 세척한다. 상기 세척은 염산(HCl), 증류수, 염화수소, 에탄올 등을 이용할 수 있다.
세척된 결과물을 나노 크기의 기공을 갖는 멤브레인(membrane)을 통과시켜 필터링(filtering) 한다. 상기 멤브레인은 폴리테트라플루오로에틸렌 멤브레인으로 이루어질 수 있다. 상기 폴리테트라플루오로에틸렌 멤브레인은 나노 크기의 기공, 바람직하게는 50∼900nm 정도의 기공 크기를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
필터링된 결과물을 건조한다. 상기 건조는 진공 오븐을 이용하여 대기압보다 낮은 감압된 상태로 상온에서 0.1∼48시간 동안 수행하는 것이 바람직하며, 상기 건조 후에 산화그래핀을 얻게 된다. 이렇게 얻어진 산화그래핀은 단일층, 이중층, 다층 형태로 이루어진 것일 수 있다.
상기 산화그래핀을 초음파를 이용하여 물을 포함하는 극성용매에서 박리하여 산화그래핀 분산액을 형성한다. 초음파 처리에 의하여 산화그래핀(graphene oxide) 시트로 이루어진 산화그래핀 분산액이 얻어진다.
상기 극성용매는 디메틸포름아미드(Dimethylformamide; DMF)와 같은 아미드계, N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone; NMP)과 같은 피롤리돈계, 에탄올(ethanol)과 같은 알코올계, 디메틸술폭사이드(dimethylsulfoxide; DMSO)와 같은 술폭사이드계, 아세토니트릴(acetonitrile)과 같은 니트릴계, 아세톤(acetone)과 같은 케톤계, 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran; THF), 디에틸에테르(diethylether)와 같은 에테르계, 톨루엔(toluene), 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene; DCB)과 같은 벤젠계 중에서 극성(polarity)이 높고 특히 수소결합이 용이한 용매를 사용하는 것이 효과적이다.
산화그래핀 분산액에 하이드라진 모노하이드레이트(hydrazine monohydrate)를 첨가하여 상기 산화그래핀을 환원시켜 rGO 현탁액을 형성한다. 상기 산화그래핀을 환원시키는 공정은 다음과 같은 방법으로 이루어질 수 있다.
하이드라진 하이드레이트를 준비한다. 상기 하이드라진 하이드레이트는 상기 산화그래핀 100mg에 대하여 0.1∼20㎖ 정도로 준비하는 것이 바람직하다. 상기 산화그래핀 분산액에 준비된 상기 하이드라진 하이드레이트를 첨가하고, 상기 하이드라진 하이드레이트가 첨가된 결과물을 히팅 맨틀(heating mantle)에서 상온보다 높은 온도에서 반응시켜 상기 산화그래핀을 화학적으로 환원시킨다. 상기 히팅 맨틀의 온도는 40∼100℃ 정도인 것이 바람직하며, 상기 히팅 맨틀에서의 반응은 10분∼24시간 동안 수행하는 것이 바람직하다. 구조적 안정화를 위해 상기 히팅 맨틀에서의 반응이 이루어진 결과물을 에이징(aging) 시켜 rGO를 형성한다. 상기 에이징은 반응이 이루어진 결과물을 그대로 방치하는 것을 의미하며, 상온에서 10분∼48시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.
이하에서, rGO를 이용하여 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 형성하는 방법을 구체적으로 설명한다.
rGO를 준비한다. 상기 rGO는 슈퍼커패시터용 전극활물질로 사용되는 것을 고려하여 비표면적이 400∼1000 m2/g 정도인 분말을 사용하는 것이 바람직하다.
rGO에 계면활성제를 이용하여 표면처리한다. 계면활성제를 이용한 표면처리는은 슈퍼패시터용 그래핀 전극 제조 시에 rGO가 재적층되는 것을 방지하기 위함이다. 표면처리 공정에 의해 rGO의 표면에 계면활성제가 흡착되게 된다.
계면활성제로는 세틸 트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB; Cetyl trimethylammonium bromide), 테트라데실 트리메틸암모늄 브로마이드(TTAB; Tetradecyl trimethylammonium bromide), 소듐 도데실벤젠 설포네이트(SDBS; Sodium dodecylbenzene sulfonate), 소듐 도데실 설포네이트(SDS; Sodium dodecyl sulfate), 소듐 콜레이트(SC; Sodium cholate), 소듐 디옥시콜레이트(DOC; Sodium deoxycholate), 소듐 타우로디옥시콜레이트(TDOC; Sodium taurodeoxycholate), Triton X-100(Sigma-Aldrich사), Tween 20(Sigma-Aldrich사), Tween 80(Sigma-Aldrich사) 또는 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있다.
rGO에 계면활성제를 이용하여 표면처리하는 공정은, 계면활성제가 분산된 용액에 rGO를 넣고 충분히 교반하여 rGO 표면에 계면활성제가 흡착되게 하고, 진공여과기와 같은 여과장치를 이용하여 계면활성제가 흡착된 rGO를 선택적으로 여과해내고, 여과해낸 결과물을 건조하는 공정으로 이루어질 수 있다. 첨가하는 계면활성제의 첨가량은 그래핀 100중량부에 대하여 2∼15중량부, 더욱 바람직하게는 5∼10중량부로 하는 것이 바람직하다. 상기 교반의 속도는 100∼300rpm 정도로로 하고, 교반 시간은 1∼48h, 더욱 바람직하게는 12∼24h로 하는 것이 바람직하다. 상기 건조는 40∼120℃ 정도의 온도에서 1∼48h, 더욱 바람직하게는 8∼10h 동안 건조시킨다. 상기 용매는 증류수 등을 사용할 수 있다.
상기와 같은 공정을 거친 계면활성제로 표면처리된 rGO, 바인더 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극 형태로 성형한다. 이에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다.
계면활성제로 표면처리된 rGO와 바인더를 분산매에 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조한다. 상기 바인더는 상기 계면활성제로 표면처리된 rGO 100중량부에 대하여 1∼20중량부 첨가하는 것이 바람직하다. 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물은 반죽 상이므로 균일한 혼합(완전 분산)이 어려울 수 있는데, 행성 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기(mixer)를 사용하여 소정 시간(예컨대, 1분∼12시간) 동안 교반시키면 전극 제조에 적합한 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 얻을 수 있다. 행성 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기는 균일하게 혼합된 슈퍼커패시터 전극용 조성물의 제조를 가능케 한다.
상기 바인더는 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 폴리비닐리덴디플루오라이드(polyvinylidene difluoride; PVDF), 카르복시메틸셀룰로오스(carboxymethylcellulose; CMC), 폴리비닐알코올(poly vinyl alcohol; PVA), 폴리비닐부티랄(poly vinyl butyral; PVB), 폴리비닐피롤리돈(poly-N-vinylpyrrolidone; PVP), 스티렌부타디엔고무(styrene butadiene rubber; SBR), 폴리아마이드-이미드(Polyamide-imide), 폴리이미드(polyimide) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 분산매는 에탄올(EtOH), 아세톤, 이소프로필알콜, N-메틸피롤리돈(NMP), 프로필렌글리콜(PG) 등의 유기 용매 또는 물을 사용할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 성형하여 슈퍼커패시터 전극의 형태로 성형한다. 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태로 만들고 금속 호일에 붙여서 전극 형태로 형성한다.
전극 형태로 형성하는 단계의 예를 보다 구체적으로 설명하면, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤프레스 성형기를 이용하여 압착(압연)하여 성형할 수 있다. 롤프레스 성형기는 압연을 통한 전극밀도 향상 및 전극의 두께 제어를 목적으로 하고 있으며, 상단과 하단의 롤과 롤의 두께 및 가열 온도를 제어할 수 있는 컨트롤러와, 전극을 풀어주고 감아줄 수 있는 와인딩부로 구성된다. 롤상태의 전극이 롤프레스를 지나면서 압연공정이 진행되고 이것이 다시 롤상태로 감겨서 전극이 완성된다. 이때, 프레스의 가압 압력은 1∼20 ton/㎠로 롤의 온도는 40∼150℃로 하는 것이 바람직하다.
계면활성제로 표면처리된 rGO가 서로 혼합되어 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 하더라도, rGO는 표면에 계면활성제가 흡착되어 있으므로 층상구조의 rGO는 서로 이격된 상태를 유지하게 되며, rGO와 rGO 사이가 서로 화학적 결합되지 않고 rGO 끼리 재적층되는 것이 방지되게 된다. rGO는 표면에 흡착된 계면활성제에 의해 서로 뭉치지 않고 균일하게 분포되어 전극 형태를 구성하게 된다.
전극 형태의 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 형성한다. 상기 건조는 100℃∼150℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 건조는 위와 같은 온도에서 약 10분∼48시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 성형된 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 rGO 입자를 결속시켜 슈퍼커패시터용 그래핀 전극의 강도를 향상시킨다.
상기와 같이 제조된 슈퍼커패시터용 그래핀 전극은 고용량으로서 소형의 코인형 슈퍼커패시터에 유용하게 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 슈퍼커패시터용 그래핀 전극의 사용 상태도로서, 상기 슈퍼커패시터용 그래핀 전극(10)이 적용된 코인형 슈퍼커패시터 셀의 단면도를 보인 것이다. 도 1에서 도면부호 190은 도전체로서의 금속캡이고, 도면부호 160은 양극(120)과 음극(110) 간의 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)이며, 도면부호 192는 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓이다. 이때, 상기 양극(120)과 음극(110)은 금속캡(190)과 접착제에 의해 견고하게 고정된다.
상기 코인형 슈퍼커패시터 셀은, 상술한 슈퍼커패시터용 그래핀 전극으로 이루어진 양극(120)과, 상술한 슈퍼커패시터용 그래핀 전극으로 이루어진 음극(110)과, 양극(120)과 음극(110) 사이에 배치되고 양극(120)과 음극(120)의 단락을 방지하기 위한 분리막(seperator)(160)을 금속캡(190) 내에 배치하고, 양극(120)와 음극(110) 사이에 전해질이 용해되어 있는 전해액을 주입한 후, 가스켓(192)으로 밀봉하여 제조할 수 있다.
상기 분리막은 폴리에틸렌 부직포, 폴리프로필렌 부직포, 폴리에스테르 부직포, 폴리아크릴로니트릴 다공성 격리막, 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 헥사플루오로프로판 공중합체 다공성 격리막, 셀룰로스 다공성 격리막, 크라프트지 또는 레이온 섬유 등 전지 및 커패시터 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.
한편, 슈퍼커패시터에 충전되는 전해액은 비수계로서 프로필렌카보네이트(PC; propylene carbonate), 아세토니트릴(AN; acetonitrile) 및 술포란(SL; sulfolane) 중에서 선택된 1종 이상의 용매에 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoborate) 중에서 선택된 1종 이상의 염이 용해된 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 전해액은 EMIBF4(1-ethyl-3-methyl imidazolium tetrafluoborate) 및 EMITFSI(1-ethyl-3-methyl imidazolium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide) 중에서 선택된 1종 이상의 이온성 액체를 포함하는 것일 수도 있다.
도 2 내지 도 5는 다른 예에 따른 슈퍼커패시터 셀을 보여주는 도면으로서, 도 2 내지 도 5를 참조하여 슈퍼커패시터 셀을 제조하는 방법을 구체적으로 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 슈퍼커패시터용 그래핀 전극으로 이루어진 양극(120) 및 음극(110)에 각각 리드선(130, 140)을 부착한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 분리막(150), 양극(120), 제2 분리막(160) 및 작업전극(110)을 적층하고, 코일링(coling)하여 롤(roll) 형태의 권취소자(175)로 제작한 후, 롤(roll) 주위로 접착 테이프(170) 등으로 감아 롤 형태가 유지될 수 있게 한다.
상기 양극(120)과 음극(110) 사이에 구비된 제2 분리막(160)은 양극(120)과 음극(110)의 단락을 방지하는 역할을 한다. 제1 및 제2 분리막(150,160)은 폴리에틸렌 부직포, 폴리프로필렌 부직포, 폴리에스테르 부직포, 폴리아크릴로니트릴 다공성 격리막, 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 헥사플루오로프로판 공중합체 다공성 격리막, 셀룰로스 다공성 격리막, 크라프트지 또는 레이온 섬유 등 전지 및 커패시터 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.
도 4에 도시된 바와 같이, 롤(roll) 형태의 결과물에 실링 고무(sealing rubber)(180)를 장착하고, 금속캡(예컨대, 알루미늄 케이스(Al Case))(190)에 삽착시킨다.
롤 형태의 권취소자(175)(양극(120)과 음극(110))가 함침되게 전해액을 주입하고, 밀봉한다. 상기 전해액은 비수계로서 프로필렌카보네이트(PC; propylene carbonate), 아세토니트릴(AN; acetonitrile) 및 술포란(SL; sulfolane) 중에서 선택된 1종 이상의 용매에 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoborate) 중에서 선택된 1종 이상의 염이 용해된 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 전해액은 EMIBF4(1-ethyl-3-methyl imidazolium tetrafluoborate) 및 EMITFSI(1-ethyl-3-methyl imidazolium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide) 중에서 선택된 1종 이상의 이온성 액체를 포함하는 것일 수도 있다.
이와 같이 제작된 슈퍼커패시터 셀을 도 5에 개략적으로 나타내었다.
이하에서, 본 발명에 따른 실험예를 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실험예>
3000㎖ 비이커에 증류수 3000㎖와 계면활성제(Sodium dodecyl sulfate(SDS)) 0.15g을 먼저 넣고 교반하였다. 교반 속도는 300rpm으로 하고, 교반 시간은 16h로 하였다.
충분히 교반한 후에 rGO 1.5g을 넣고 교반하였다. 교반 속도는 300rpm으로 하고, 교반 시간은 16h로 하였다.
교반이 끝난 뒤, 분산액은 진공여과기에 의해 여과시켜 계면활성제로 표면처리된 rGO를 선택적으로 여과해낸 후, 80℃의 컨벡션 건조기에서 건조시켰다. 건조시간은 8h로 하였다.
상기와 같은 공정을 거친 표면처리된 rGO, 바인더 및 분산매를 혼합하고 슈퍼커패시터 전극 형태로 성형하였다. 이에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다.
표면처리된 rGO 0.085∼0.9g, 바인더 0.015g 및 분산매 20㎖를 행성믹서(Planetary mixer)에서 3분 동안 혼합하여 슬러리 상태의 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하였다. 상기 바인더는 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)을 사용하였다. 상기 분산매는 에탄올을 사용하였다.
상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물에 대하여 손반죽을 5∼10회 진행한 후, 롤 프레스로 압연 공정을 실시하여 전극 형태로 성형하였다. 이때 프레스의 가압 압력은 20 ton/㎠ 정도이고, 롤의 온도는 40∼150℃로 하였다. 이때 전극 두께는 100∼300㎛ 정도로 하였다.
전극 형태의 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 형성하였다. 상기 건조는 진공건조대에서 150℃의 온도에서 18시간 동안 수행하였다. 이렇게 제조된 슈퍼커패시터용 그래핀 전극은 갈바노스테이틱(Galvanostatic) 방법에 의한 전기화학특성 평가 결과 전류밀도 100 mA/g에서 방전 용량이 17.7 F/g을 만족하였다.
상기 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 코인 타입(Coin type (2032))의 셀(Cell)로 풀셀(Full cell) 조립하였다. 이때 사용한 분리막은 NKK사의 TF4035을 사용하였다. 전해액은 이온성 액체인 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트(1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate; EMIBF4)를 사용하였다.
상기 실험예의 특성을 보다 용이하게 파악할 수 있도록 실험예와 비교할 수 있는 비교예를 제시한다. 후술하는 비교예는 실험예의 특성과 단순히 비교하기 위하여 제시하는 것으로 본 발명의 선행기술이 아님을 밝혀둔다.
<비교예>
실험예에서 사용한 것과 동일한 rGO를 준비하였다. 상기 rGO에 대하여 계면활성제를 이용한 표면처리 공정은 실시하지 않았다.
상기 rGO, 바인더 및 분산매를 혼합하고 슈퍼커패시터 전극 형태로 성형하였다. 이에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다.
rGO 0.085∼0.9g, 바인더 0.015g 및 분산매 20㎖를 행성믹서(Planetary mixer)에서 3분 동안 혼합하여 슬러리 상태의 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하였다. 상기 바인더는 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)을 사용하였다. 상기 분산매는 에탄올을 사용하였다.
상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물에 대하여 손반죽을 5∼10회 진행한 후, 롤 프레스로 압연 공정을 실시하여 전극 형태로 성형하였다. 이때 프레스의 가압 압력은 20 ton/㎠ 정도이고, 롤의 온도는 40∼150℃로 하였다. 이때 전극 두께는 100∼300㎛ 정도로 하였다.
전극 형태의 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 형성하였다. 상기 건조는 진공건조대에서 150℃의 온도에서 18시간 동안 수행하였다.
상기 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 코인 타입(Coin type (2032))의 셀(Cell)로 풀셀(Full cell) 조립하였다. 이때 사용한 분리막은 NKK사의 TF4035을 사용하였다. 전해액은 이온성 액체인 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트(1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate; EMIBF4)를 사용하였다.
실험예와 비교예에 따라 제조된 셀(cell)을 축전비용량, 누설전류, 그리고 방전 시 전압 강하(IR-drop) 등의 측정을 위하여 정전류-정전압 충·방전법(CC-CV galvanostatic charge/discharge method)이 사용되었다. 측정을 위하여 사용된 장비는 충·방전 시험기(BT48CH, Human technology, Korea)를 사용하였으며, 100 mA/g 전류밀도로 충·방전을 실시하였다.
실험예와 비교예에 따라 제조된 셀(cell)의 충·방전실시 결과를 아래의 표 1에 나타내었다.
| 초기 저항 (Ω) | 전류 밀도 (A/g) | 방전 용량 (F/g) | |
| 실시예 | 8.2 | 0.1 | 17.7 |
| 비교예 | 9.1 | 0.1 | 11.3 |
충·방전실시 결과, 실험예에 따라 제조된 셀(소듐 도데실 설페이트(SDS)로 표면처리된 rGO를 사용하여 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 제조하고 이를 이용하여 셀을 제조한 경우)이 비교예에 따라 제조된 셀(계면활성제로 표면처리되지 않은 rGO를 사용하여 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 제조하고 이를 이용하여 셀을 제조한 경우)보다 더 높은 방전 용량을 나타내었으며, 초기 저항은 실험예에 따라 제조된 셀이 비교예에 따라 제조된 셀에 비하여 낮은 것으로 나타났다.
도 6은 실험예와 비교예에 따라 제조된 슈퍼커패시터 셀(cell)의 충·방전 실시 결과를 보여주는 그래프이다. 도 6에서 (a)는 비교예에 따라 제조된 슈퍼커패시터 셀의 그래프이고, (b)는 실험예에 따라 제조된 슈퍼커패시터 셀의 그래프이다.
도 6을 참조하면, 계면활성제로 표면처리된 그래핀(b)은 재적층 방지로 인하여 저항감소 및 전기화학특성이 향상 된 것을 확인할 수 있었다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
110: 음극
120: 양극
130: 제1 리드선 140: 제2 리드선
150: 제1 분리막 160: 제2 분리막
170: 접착 테이프 175: 권취소자
180: 실링 고무 190: 금속캡
192: 가스켓
130: 제1 리드선 140: 제2 리드선
150: 제1 분리막 160: 제2 분리막
170: 접착 테이프 175: 권취소자
180: 실링 고무 190: 금속캡
192: 가스켓
Claims (10)
- 계면활성제를 이용하여 산화그래핀의 환원물(reduced graphene oxide)을 표면처리하는 단계;
상기 계면활성제로 표면처리된 산화그래핀의 환원물, 바인더 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계;
상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 성형하여 슈퍼커패시터 전극의 형태로 성형하는 단계; 및
전극 형태의 성형물을 건조하여 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터용 그래핀 전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 표면처리하는 단계는,
계면활성제가 분산된 용액에 산화그래핀의 환원물을 넣고 교반하여 산화그래핀의 환원물 표면에 계면활성제가 흡착되게 하는 단계;
진공여과기를 이용하여 계면활성제가 흡착된 산화그래핀의 환원물을 선택적으로 여과해내는 단계;
여과해낸 결과물을 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터용 그래핀 전극의 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 계면활성제는 상기 산화그래핀의 환원물 100중량부에 대하여 2∼15중량부 첨가하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터용 그래핀 전극의 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 계면활성제로는 세틸 트리메틸암모늄 브로마이드(Cetyl trimethylammonium bromide), 테트라데실 트리메틸암모늄 브로마이드(Tetradecyl trimethylammonium bromide), 소듐 도데실벤젠 설포네이트(Sodium dodecylbenzene sulfonate), 소듐 도데실 설포네이트(Sodium dodecyl sulfate), 소듐 콜레이트(Sodium cholate), 소듐 디옥시콜레이트(Sodium deoxycholate) 및 소듐 타우로디옥시콜레이트(Sodium taurodeoxycholate) 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터용 그래핀 전극의 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 산화그래핀의 환원물은 비표면적이 400∼1,000㎡/g 범위인 분말을 사용하는 것을 특징을 하는 슈퍼커패시터용 그래핀 전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 바인더는 상기 계면활성제로 표면처리된 산화그래핀의 환원물 100중량부에 대하여 1∼20중량부 혼합하는 것을 슈퍼커패시터용 그래핀 전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 계면활성제로 표면처리된 산화그래핀의 환원물을 건조하는 단계는,
진공오븐에서 40∼150℃의 온도에서 진공 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터용 그래핀 전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 성형하는 단계는,
상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤프레스 성형기를 이용하여 압연하여 시트 타입의 슈퍼커패시터 전극 형태로 성형하는 단계; 및
상기 시트 타입의 슈퍼커패시터 전극 형태의 성형물을 진공건조대에서 건조하는 단계를 포함하며,
상기 롤프레스 성형기에 의해 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물에 인가되는 가압 압력은 1∼20 ton/㎠ 범위이고,
상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물에 가해지는 가열 온도는 40∼150℃ 범위이며,
상기 시트 타입의 슈퍼커패시터 전극 형태는 100∼300㎛의 평균 두께를 갖고,
상기 건조는 100∼150℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터용 그래핀 전극의 제조방법.
- 제1항에 기재된 방법으로 제조된 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 포함하는 양극;
제1항에 기재된 방법으로 제조된 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 포함하는 음극;
상기 양극과 음극 사이에 배치되고 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막;
상기 양극, 상기 분리막 및 상기 음극이 내부에 배치되고 전해액이 주입된 금속 캡; 및
상기 금속 캡을 밀봉하기 위한 가스켓을 포함하며,
상기 전해액은 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 아세토니트릴(acetonitrile) 및 술포란(sulfolane) 중에서 선택된 1종 이상의 용매에 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoborate) 중에서 선택된 1종 이상의 염이 용해된 전해액이거나, EMIBF4(1-ethyl-3-methyl imidazolium tetrafluoborate) 및 EMITFSI(1-ethyl-3-methyl imidazolium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide) 중에서 선택된 1종 이상의 이온성 액체를 포함하는 전해액인 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 셀.
- 단락을 방지하기 위한 제1 분리막과, 제1항에 기재된 방법으로 제조된 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 포함하는 양극과, 상기 양극과 음극의 단락을 방지하기 위한 제2 분리막과, 제1항에 기재된 방법으로 제조된 슈퍼커패시터용 그래핀 전극을 포함하는 음극이, 순차적으로 적층되어 코일링된 롤 형태를 이루는 권취소자;
상기 음극에 연결된 제1 리드선;
상기 양극에 연결된 제2 리드선;
상기 권취소자를 수용하는 금속캡; 및
상기 금속 캡을 밀봉하기 위한 실링 고무를 포함하며,
상기 권취소자는 전해액에 함침되어 있고,
상기 전해액은 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 아세토니트릴(acetonitrile) 및 술포란(sulfolane) 중에서 선택된 1종 이상의 용매에 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoborate) 중에서 선택된 1종 이상의 염이 용해된 전해액이거나, EMIBF4(1-ethyl-3-methyl imidazolium tetrafluoborate) 및 EMITFSI(1-ethyl-3-methyl imidazolium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide) 중에서 선택된 1종 이상의 이온성 액체를 포함하는 전해액인 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 셀.
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