KR20190047490A - Asymmetric super capacitor and method of fabricating of the same - Google Patents
Asymmetric super capacitor and method of fabricating of the same Download PDFInfo
- Publication number
- KR20190047490A KR20190047490A KR1020170141432A KR20170141432A KR20190047490A KR 20190047490 A KR20190047490 A KR 20190047490A KR 1020170141432 A KR1020170141432 A KR 1020170141432A KR 20170141432 A KR20170141432 A KR 20170141432A KR 20190047490 A KR20190047490 A KR 20190047490A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- carbon nanotube
- electrode
- graphene oxide
- nanotube sheet
- reduced graphene
- Prior art date
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 title claims description 17
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title description 29
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 230
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 157
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims abstract description 140
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims abstract description 140
- NUJOXMJBOLGQSY-UHFFFAOYSA-N manganese dioxide Chemical compound O=[Mn]=O NUJOXMJBOLGQSY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 139
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims abstract description 88
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 23
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 20
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 6
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 37
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 37
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 23
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 15
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 12
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 12
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M lithium chloride Inorganic materials [Li+].[Cl-] KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 9
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 5
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 5
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 5
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 5
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 5
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 5
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 4
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 3
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000000157 electrochemical-induced impedance spectroscopy Methods 0.000 description 3
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 239000002135 nanosheet Substances 0.000 description 3
- 229920005569 poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) Polymers 0.000 description 3
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 3
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZHNUHDYFZUAESO-UHFFFAOYSA-N Formamide Chemical compound NC=O ZHNUHDYFZUAESO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 2
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 description 2
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 229910020599 Co 3 O 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920001410 Microfiber Polymers 0.000 description 1
- XOJVVFBFDXDTEG-UHFFFAOYSA-N Norphytane Natural products CC(C)CCCC(C)CCCC(C)CCCC(C)C XOJVVFBFDXDTEG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011258 core-shell material Substances 0.000 description 1
- 230000002542 deteriorative effect Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 239000003658 microfiber Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002060 nanoflake Substances 0.000 description 1
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N propylene carbonate Chemical compound CC1COC(=O)O1 RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000004753 textile Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- 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
- H01G11/40—Fibres
-
- 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
-
- 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
- H01G11/84—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
-
- 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
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
Abstract
Description
본 발명은 비대칭 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법에 관련된 것으로, 보다 상세하게는 환원된 그래핀 산화물을 포함하는 제1 전극, 이산화 망간을 포함하는 제2 전극, 및 전해질을 포함하는 비대칭 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.The present invention relates to an asymmetric supercapacitor and a method of manufacturing the same, and more particularly, to an asymmetric supercapacitor including a first electrode including reduced graphene oxide, a second electrode including manganese dioxide, and an electrolyte, ≪ / RTI >
슈퍼커패시터(Supercapacitor)는 높은 에너지 및 파워 성능을 가지고 있어 고성능 배터리와 더불어 미래의 각광받는 에너지 저장 매체 중 하나이다. 종래에 사용되는 배터리 및 슈퍼커패시터 등의 에너지 저장 장치는 무거우며 기계적 자유도가 없어 다양한 응용에 제한되는 단점이 있다. Supercapacitor has high energy and power performance and is one of the most popular energy storage media of the future with high performance battery. Conventionally, energy storage devices such as batteries and supercapacitors are heavy and have a disadvantage that they are limited in various applications because of lack of mechanical freedom.
특히, 양극과 음극의 활물질의 종류를 같은 물질로 사용하는 대칭전극 구조를 갖고 고체 기반 전해질을 갖는 슈퍼커패시터는 작동전압의 범위가 1V 내외라는 한계를 가지고 있다. 또한, 전도성 섬유 표면에 활물질을 단순히 코팅하는 코어-쉘(core-shell) 구조의 슈퍼커패시터는 활물질의 로딩이 섬유의 표면에만 제한되어 실제 로딩양이 작다는 단점과 활물질의 증착 두께가 두꺼워 지면서 이온 및 전자의 확산이 저하되어 성능 하락의 가능성이 크다는 단점을 가지고 있다. In particular, a supercapacitor having a symmetric electrode structure using the same kind of active material of the anode and the cathode and having a solid-based electrolyte has a limitation that the operating voltage range is about 1 V or so. In addition, a super-capacitor having a core-shell structure that simply coats an active material on the surface of the conductive fiber is disadvantageous in that the loading of the active material is limited to the surface of the fiber and the actual loading amount is small. And the diffusion of electrons is lowered, and the possibility of a drop in performance is great.
이러한 단점들을 극복하기 위하여, 슈퍼커패시터에 대한 많은 연구개발이 진행되고 있다. 예를 들어, 대한민국 특허 공개 공보 10-2013-0006957(출원 번호: 10-2011-0062576, 출원인: 한국세라믹기술원)에는 평균 층간 거리가 3.385~0.445㎚ 범위이고 전해질 이온이 유입되거나 배출되는 통로를 제공하는 복수의 기공들을 갖는 다공성 활성탄을 포함하고, 상기 다공성 활성탄은 양극과 음극의 전극활물질로 사용하며, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막이 배치되며, 상기 양극, 상기 분리막 및 상기 음극은 전해액에 함침되어 있고, 상기 전해액은 수계 전해액으로 이루어진 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 및 그 제조방법이 개시되어 있다.In order to overcome these disadvantages, many research and development on super capacitors are under way. For example, Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2013-0006957 (Application No. 10-2011-0062576, Applicant: Korean Ceramic Technology Institute) provides a passage in which an average interlayer distance is in the range of 3.385 to 0.445 nm and electrolyte ions are introduced or discharged Wherein the porous activated carbon is used as an electrode active material for the positive electrode and the negative electrode and a separation membrane for preventing the short-circuit between the positive electrode and the negative electrode is disposed between the positive electrode and the negative electrode, Wherein the anode, the separator, and the cathode are impregnated with an electrolytic solution, and the electrolytic solution is an aqueous electrolytic solution, and a method of manufacturing the same.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 작동전압이 향상된 비대칭 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an asymmetric supercapacitor with improved operating voltage and a method of manufacturing the same.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 저장용량이 향상된 비대칭 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다. It is another object of the present invention to provide an asymmetric supercapacitor with improved storage capacity and a method of manufacturing the same.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 고신축성의 비대칭 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다. Another aspect of the present invention is to provide a highly elastic asymmetric supercapacitor and a method of manufacturing the same.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 제조 공정이 간소화된 비대칭 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다. Another aspect of the present invention is to provide an asymmetric supercapacitor having a simplified manufacturing process and a manufacturing method thereof.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.The technical problem to be solved by the present invention is not limited to the above.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 슈퍼커패시터를 제공한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a supercapacitor.
일 실시 예에 따르면, 상기 슈퍼커패시터는, 환원된 그래핀 산화물, 및 상기 환원된 그래핀 산화물을 둘러싸도록 꼬인 제1 탄소나노튜브 시트를 포함하는 제1 전극 섬유, 이산화망간, 및 상기 이산화망간을 둘러싸도록 꼬인 제2 탄소나노튜브 시트를 포함하는 제2 전극 섬유, 및 상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유 사이의 전해질을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the supercapacitor comprises a first electrode fiber comprising a reduced graphene oxide and a first carbon nanotube sheet twisted to surround the reduced graphene oxide, a manganese dioxide, and a second manganese dioxide A second electrode fiber including a twisted second carbon nanotube sheet, and an electrolyte between the first electrode fiber and the second electrode fiber.
일 실시 예에 따르면, 상기 슈퍼커패시터는, 상기 제1 전극 섬유에서 상기 환원된 그래핀 산화물의 wt%가, 상기 제2 전극 섬유에서 상기 이산화망간의 wt%보다, 높은 것을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the supercapacitor may comprise a wt% of the reduced graphene oxide in the first electrode fiber is higher than a wt% of the manganese dioxide in the second electrode fiber.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극 섬유에서 상기 제1 탄소나노튜브 시트의 개수는, 상기 제2 전극 섬유에서 상기 제2 탄소나노튜브 시트의 개수보다, 많은 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the number of the first carbon nanotube sheets in the first electrode fibers may be greater than the number of the second carbon nanotube sheets in the second electrode fibers.
일 실시 예에 따르면, 상기 환원된 그래핀 산화물은 질소 도핑된 것을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the reduced graphene oxide may comprise nitrogen doped.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 및 제2 탄소나노튜브 시트는, 말리고(rolled) 적층된(stacked) 형태로 제공되고, 말리고 적층된 상기 제1 및 제2 탄소나노튜브 시트 사이에, 상기 환원된 그래핀 산화물 및 상기 이산화망간이 각각 제공되는 것을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the first and second carbon nanotube sheets are provided in a rolled stacked form, and between the first and second carbon nanotube sheets that are laminated and dried, The graphene oxide, and the manganese dioxide, respectively.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 및 제2 전극 섬유는 제1 방향으로 연장하고, 상기 제1 방향을 법선으로 갖는 제1 평면으로 절취한 단면에서, 상기 제1 및 제2 탄소나노튜브 시트의 단면은 나선형(spiral)으로 제공되는 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the first and second electrode fibers extend in a first direction and are cut in a first plane having a normal line in the first direction, The cross section may include that provided in a spiral.
일 실시 예에 따르면, 상기 슈퍼커패시터는, 상기 제1 전극 섬유에서, 상기 환원된 그래핀 산화물의 wt%가 상기 제1 탄소나노튜브 시트의 wt%보다 높고, 상기 제2 전극 섬유에서, 상기 이산화망간의 wt%가 상기 제2 탄소나노튜브 시트의 wt%보다 높은 것을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the supercapacitor is characterized in that in the first electrode fiber, the wt% of the reduced graphene oxide is higher than the wt% of the first carbon nanotube sheet, and in the second electrode fiber, Of the second carbon nanotube sheet is greater than the wt% of the second carbon nanotube sheet.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 슈퍼커패시터의 제조 방법을 제공한다. In order to solve the above-described technical problems, the present invention provides a method of manufacturing a supercapacitor.
일 실시 예에 따르면, 상기 슈퍼커패시터의 제조 방법은, 제1 탄소나노튜브 시트를 준비하는 단계, 상기 제1 탄소나노튜브 시트 상에, 환원된 그래핀 산화물을 제공하는 단계, 상기 환원된 그래핀 산화물이 제공된 상기 제1 탄소나노튜브 시트를 꼬아서, 제1 전극 섬유를 제조하는 단계, 제2 탄소나노튜브 시트를 준비하는 단계, 상기 제2 탄소나노튜브 시트 상에, 이산화망간을 제공하는 단계, 상기 이산화망간이 제공된 상기 제2 탄소나노튜브 시트를 꼬아서, 제2 전극 섬유를 제조하는 단계, 및 상기 제1 및 제2 전극 섬유를 전해질로 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. According to one embodiment, a method of fabricating a supercapacitor includes the steps of preparing a first carbon nanotube sheet, providing reduced graphene oxide on the first carbon nanotube sheet, Preparing a first carbon fiber sheet by twisting the first carbon nanotube sheet provided with an oxide; preparing a second carbon nanotube sheet; providing manganese dioxide on the second carbon nanotube sheet; Twisting the second carbon nanotube sheet provided with manganese dioxide to produce a second electrode fiber, and coating the first and second electrode fibers with an electrolyte.
일 실시 예에 따르면, 상기 환원된 그래핀 산화물을 상기 제1 탄소나노튜브 시트에 제공하는 단계, 및 상기 이산화망간을 상기 제2 탄소나노튜브 시트에 제공하는 단계는, 용액 공정으로 수행되는 것을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the step of providing the reduced graphene oxide to the first carbon nanotube sheet and the step of providing the manganese dioxide to the second carbon nanotube sheet include those performed in a solution process .
일 실시 예에 따르면, 상기 환원된 그래핀 산화물을 상기 제1 탄소나노튜브 시트에 제공하는 단계는, 상기 환원된 그래핀 산화물이 분산된 제1 소스 용액을 준비하는 단계, 및 상기 제1 소스 용액을 상기 제1 탄소나노튜브 시트 상에 제공하는 단계를 포함하고, 상기 이산화망간을 상기 제2 탄소나노튜브 시트에 제공하는 단계는, 상기 이산화망간이 분산된 제2 소스 용액을 준비하는 단계, 및 상기 제2 소스 용액을 상기 제2 탄소나노튜브 시트 상에 제공하는 단계를 포함하고, 상기 제1 소스 용액 내 상기 환원된 그래핀 산화물의 wt%가, 상기 제2 소스 용액 내 상기 이산화망간의 wt%보다 높은 것을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the step of providing the reduced graphene oxide to the first carbon nanotube sheet comprises the steps of preparing a first source solution in which the reduced graphene oxide is dispersed, Wherein the step of providing the manganese dioxide to the second carbon nanotube sheet comprises the steps of preparing a second source solution in which the manganese dioxide is dispersed, 2 source solution on the second carbon nanotube sheet, wherein the wt% of the reduced graphene oxide in the first source solution is higher than the wt% of the manganese dioxide in the second source solution ≪ / RTI >
일 실시 예에 따르면, 상기 환원된 그래핀 산화물을 상기 제1 탄소나노튜브 시트에 제공하는 단계는, 상기 환원된 그래핀 산화물이 분산된 제1 소스 용액을 상기 제1 탄소나노튜트 시트 상에 제공하는 단계, 및 상기 제1 소스 용액이 제공된 상기 제1 탄소나노튜브 시트를 건조하는 단계를 복수회 반복 수행하는 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the step of providing the reduced graphene oxide to the first carbon nanotube sheet may include providing a first source solution in which the reduced graphene oxide is dispersed on the first carbon nanotube sheet And drying the first carbon nanotube sheet provided with the first source solution repeatedly a plurality of times.
본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼커패시터는, 환원된 그래핀 산화물과 상기 환원된 그래핀 산화물을 둘러싸도록 꼬인 제1 탄소나노튜브 시트를 포함하는 제1 전극 섬유 및 이산화망간과 상기 이산화망간을 둘러싸도록 꼬인 제2 탄소나노튜브 시트를 포함하는 제2 전극 섬유를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 환원된 그래핀 산화물 및 상기 이산화망간을 포함하는 고효율의 비대칭 슈퍼커패시터가 제공될 수 있다.A supercapacitor according to an embodiment of the present invention includes a first electrode fiber including a reduced carbon nanotube sheet and a first carbon fiber sheet twined so as to surround the reduced graphene oxide and the reduced graphene oxide and a second electrode fiber including manganese dioxide and a twisted material to surround the
또한, 상기 슈퍼커패시터는, 상기 제1 및 제2 탄소나노튜브 시트를 이용하여 섬유를 제조하기 전에, 상기 제1 및 제2 탄소나노튜브 시트 상에 상기 환원된 그래핀 산화물, 및 상기 이산화망간이 제공되고, 상기 환원된 그래핀 산화물, 및 상기 이산화망간이 제공된 상태에서, 상기 제1 및 제2 탄소나노튜브 시트를 꼬아서, 상기 제1 및 제2 전극 섬유가 제조될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 및 제2 전극 섬유 내에 상기 환원된 그래핀 산화물, 및 상기 이산화망간의 함량이 증가되고, 상기 슈퍼커패시터의 에너지 저장량이 향상될 수 있다.In addition, the supercapacitor may further include, before producing the fiber using the first and second carbon nanotube sheets, the reduced graphene oxide and the manganese dioxide on the first and second carbon nanotube sheets And the first and second carbon nanotube sheets are twisted with the reduced graphene oxide and the manganese dioxide provided, whereby the first and second electrode fibers can be produced. Accordingly, the content of the reduced graphene oxide and the manganese dioxide in the first and second electrode fibers can be increased, and the energy storage amount of the supercapacitor can be improved.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 제1 전극 섬유의 제조 공정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 제2 전극 섬유의 제조 공정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예1에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 제1 전극 섬유를 촬영한 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시 예2에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 제2 전극 섬유를 촬영한 사진이다.
도 8은 본 발명의 비교 예1에 따른 슈퍼커패시터의 전기화학특성을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 제1 전극 섬유의 환원된 그래핀 산화물의 함량에 따른 특성을 비교한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시 예들에 따른 제1 전극 섬유 및 제2 전극 섬유의 특성을 비교하는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시 예3에 따른 슈퍼커패시터의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시 예 4에 따른 슈퍼커패시터의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시 예들에 따른 슈퍼커패시터들의 특성을 비교하는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시 예들 및 비교 예들에 따른 슈퍼커패시터들의 에너지 저장특성을 비교한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실시 예들에 따른 제1 전극, 제2 전극 및 슈퍼커패시터의 전기화학특성을 나타내는 그래프이다.
도 16은 본 발명의 실시 예들에 따른 슈퍼커패시터들의 전기화학특성을 나타내는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따른 슈퍼커패시터들의 특성을 비교하는 그래프이다.
도 18은 본 발명의 실시 예3에 따른 슈퍼커패시터의 충방전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 19는 본 발명의 실시 예 5에 따른 전극 직물 및 이를 이용한 회로의 작동을 촬영한 사진이다.
도 20은 본 발명의 실시 예 5에 따른 전극 직물을 직렬 연결 및 병렬 연결한 경우 전기화학특성을 나타내는 그래프이다.
도 21은 본 발명의 실시 예 5에 따른 전극 직물을 직렬 연결한 경우와 병렬 연결한 경우에 대해 특성을 비교한 그래프이다.
도 22는 본 발명의 실시 예 5에 따른 전극 직물의 내구성을 나타내는 그래프이다. FIGS. 1 and 2 are views for explaining a manufacturing process of a first electrode fiber included in a supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 3 and 4 are views for explaining a manufacturing process of a second electrode fiber included in a supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
5 is a view for explaining a supercapacitor according to an embodiment of the present invention and a method of manufacturing the same.
6 is a photograph of the first electrode fiber included in the supercapacitor according to the first embodiment of the present invention.
7 is a photograph of the second electrode fiber included in the supercapacitor according to the second embodiment of the present invention.
8 is a graph showing electrochemical characteristics of a supercapacitor according to Comparative Example 1 of the present invention.
9 is a graph comparing characteristics of the first electrode fibers according to the content of reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph comparing the characteristics of the first electrode fiber and the second electrode fiber according to the embodiments of the present invention.
11 is a graph showing characteristics of a supercapacitor according to a third embodiment of the present invention.
12 is a graph showing the characteristics of the supercapacitor according to the fourth embodiment of the present invention.
13 is a graph comparing characteristics of supercapacitors according to embodiments of the present invention.
14 is a graph comparing energy storage characteristics of supercapacitors according to embodiments of the present invention and comparative examples.
15 is a graph showing electrochemical characteristics of a first electrode, a second electrode, and a supercapacitor according to embodiments of the present invention.
16 is a graph showing electrochemical characteristics of supercapacitors according to embodiments of the present invention.
17 is a graph comparing characteristics of supercapacitors according to the embodiment of the present invention and the comparative example.
FIG. 18 is a graph showing charge / discharge characteristics of a supercapacitor according to the third embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 19 is a photograph of the operation of an electrode fabric and a circuit using the electrode fabric according to the fifth embodiment of the present invention. FIG.
20 is a graph showing electrochemical characteristics when the electrode fabrics according to the fifth embodiment of the present invention are connected in series and in parallel.
FIG. 21 is a graph comparing characteristics of the electrode fabric according to the fifth embodiment of the present invention in a case where the electrode cloth is connected in series and a case where the electrode cloth is connected in parallel. FIG.
22 is a graph showing the durability of the electrode fabric according to the fifth embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the technical spirit of the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are provided so that the disclosure can be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. In this specification, when an element is referred to as being on another element, it may be directly formed on another element, or a third element may be interposed therebetween. Further, in the drawings, the thicknesses of the films and regions are exaggerated for an effective explanation of the technical content.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.Also, while the terms first, second, third, etc. in the various embodiments of the present disclosure are used to describe various components, these components should not be limited by these terms. These terms have only been used to distinguish one component from another. Thus, what is referred to as a first component in any one embodiment may be referred to as a second component in another embodiment. Each embodiment described and exemplified herein also includes its complementary embodiment. Also, in this specification, 'and / or' are used to include at least one of the front and rear components.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다. The singular forms "a", "an", and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise. It is also to be understood that the terms such as " comprises " or " having " are intended to specify the presence of stated features, integers, Should not be understood to exclude the presence or addition of one or more other elements, elements, or combinations thereof. Also, in this specification, the term " connection " is used to include both indirectly connecting and directly connecting a plurality of components.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 제1 전극 섬유의 제조 공정을 설명하기 위한 도면들이다. FIGS. 1 and 2 are views for explaining a manufacturing process of a first electrode fiber included in a supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 제1 탄소나노튜브 시트(110)가 준비될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 탄소나노튜브 시트를 준비하는 단계는, 화학 기상 증착법으로 탄소나노튜브 숲(forest)을 제조하는 단계 및, 상기 탄소나노튜브 숲으로부터 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110)를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a first
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110)는 제1 방향으로 연장하는 복수의 탄소나노튜브를 포함할 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 복수의 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)일 수 있다. According to one embodiment, the first
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110)는 지지 기판(100) 상에 준비될 수 있다. 예를 들어, 상기 지지 기판(100)은 유리 기판일 수 있다. 또는, 다른 예를 들어, 상기 지지 기판(100)은 플라스틱 기판, 반도체 기판, 세라믹 기판, 또는 금속 기판 중 어느 하나를 포함할 수 있다. According to one embodiment, the first
상기 제1 탄소나노튜브 시트(110) 상에 환원된 그래핀 산화물(reduced graphene oxide, 120)이 제공될 수 있다. 상기 환원된 그래핀 산화물(120)은 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110)보다 낮은 전도성을 가질 수 있고, 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110)보다 높은 전하 저장 능력을 가질 수 있다.A reduced
상기 환원된 그래핀 산화물(120)을 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110) 상에 제공하는 단계는, 상기 환원된 그래핀 산화물(120)이 분산된 제1 소스 용액을 준비하는 단계, 상기 제1 소스 용액을 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110) 상에 제공하는 단계, 및 상기 제1 소스 용액이 제공된 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110)를 건조하는 단계를 포함할 수 있다. The step of providing the reduced
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 소스 용액은, 용매에 상기 환원된 그래핀 산화물(120)을 투입하고 초음파 처리하여, 상기 환원된 그래핀 산화물(120)을 분산시키는 방법으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는 dimethylformamide일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 소스 용액 내 상기 환원된 그래핀 산화물(120)의 wt%는 8mg/ml로 제공될 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 소스 용액은, drop casting 방법으로 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110) 상에 제공될 수 있다. According to one embodiment, the first source solution may be prepared by introducing the reduced
일 실시 예에 따르면, 상기 환원된 그래핀 산화물(120)이 분산된 제1 소스 용액을 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110) 상에 제공하는 단계, 및 상기 제1 소스 용액이 제공된 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110)를 건조하는 단계가 반복 수행될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110) 상의 상기 환원된 그래핀 산화물(120)의 함량이 증가될 수 있다.According to one embodiment, there is provided a method of fabricating a carbon nanotube sheet, comprising: providing a first source solution in which the reduced graphene oxide (120) is dispersed, on the first carbon nanotube sheet (110) The step of drying the
일 실시 예에 따르면, 상기 환원된 그래핀 산화물(120)은, 플레이크(flake) 형태로 제공될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 소스 용액 내의 상기 환원된 그래핀 산화물(120)의 사이즈는 실질적으로 서로 동일할 수 있다. 또는, 다른 실시 예에 따르면, 상기 제1 소스 용액 내의 상기 환원된 그래핀 산화물(120)의 사이즈는 서로 다를 수 있다. According to one embodiment, the reduced
도 2를 참조하면, 상기 환원된 그래핀 산화물(120)이 제공된 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110)를 꼬아서, 제1 전극 섬유(130)가 제조될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극 섬유(130)를 제조하는 단계는, 상기 복수의 탄소나노튜브가 연장하는 상기 제1 방향을 회전축으로 사용하여, 상기 복수의 탄소나노튜브의 일단을 꼬으는(twist) 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 환원된 그래핀 산화물(120)이 제공된 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110)는 약 3000회의 미터당 꼬임 횟수(turns per meter)를 가질 수 있다. Referring to FIG. 2, the
이에 따라, 상기 제1 전극 섬유(130)의 내부 영역은, 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110)가 말리고(rolled) 적층된(stacked) 형태로 제공될 수 있다. 말리고 적층된 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110) 사이에 상기 환원된 그래핀 산화물(120)이 제공될 수 있다. 다시 말하면, 상기 제1 전극 섬유(130)가 연장하는 상기 제1 방향을 법선으로 갖는 제1 평면이 정의되는 경우, 상기 제1 평면으로 절취한 상기 제1 전극 섬유(130)의 단면에서, 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110)의 단면은 나선형(spiral)으로 제공되고, 나선형의 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110) 사이에 상기 환원된 그래핀 산화물(120)이 제공될 수 있다. Accordingly, an inner region of the
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극 섬유(130)에서, 상기 환원된 그래핀 산화물(120)의 wt%가 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110)의 wt%보다 높을 수 있다. 다시 말해, 상기 제1 전극 섬유(130)는 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110)보다 상기 환원된 그래핀 산화물(120)을 더 많이 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 전극 섬유(130)는 전하저장 특성이 향상될 수 있다. According to one embodiment, in the
일 실시 예에 따르면, 상기 환원된 그래핀 산화물(120)은 질소(nitrogen)로 도핑될 수 있다. 다시 말해, 상기 제1 전극 섬유(130)는 말리고 적층된 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110) 사이에 질소가 도핑된 상기 환원된 그래핀 산화물이 제공된 형태로 제조될 수 있다. 이와 달리, 상기 환원된 그래핀 산화물(120)에 질소가 아닌 금속을 도핑한 경우, 전기화학반응이 불안정 하여 상기 슈퍼커패시터의 특성이 저하될 수 있다.According to one embodiment, the reduced
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 제2 전극 섬유의 제조 공정을 설명하기 위한 도면들이다. FIGS. 3 and 4 are views for explaining a manufacturing process of a second electrode fiber included in a supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 제2 탄소나노튜브 시트(210)가 준비될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 탄소나노튜브 시트(210)는 도 1을 참조하여 설명된 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110)의 준비 방법과 같은 방법으로 준비될 수 있다. Referring to FIG. 3, a second
상기 제2 탄소나노튜브 시트(210) 상에 이산화망간(MnO2, 220)이 제공될 수 있다. 상기 이산화망간(220)은 상기 제2 탄소나노튜브 시트(210)보다 낮은 전도성을 가질 수 있고, 상기 제2 탄소나노튜브 시트(210)보다 높은 전하 저장 능력을 가질 수 있다. Manganese dioxide (MnO 2 , 220) may be provided on the second
상기 이산화망간(220)을 상기 제2 탄소나노튜브 시트(210) 상에 제공하는 단계는, 상기 이산화망간(220)이 분산된 제2 소스 용액을 준비하는 단계, 및 상기 제2 소스 용액을 상기 제2 탄소나노튜브 시트(210) 상에 제공하는 단계를 포함할 수 있다. The step of providing the
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 소스 용액은, 용매에 상기 이산화망간(220)을 투입하고 초음파 처리하여, 상기 이산화망간(220)을 분산시키는 방법으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는 에탄올일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 소스 용액 내 상기 이산화망간(220)의 wt%는 5mg/ml로 제공될 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 소스 용액은, drop casting 방법으로 상기 제2 탄소나노튜브 시트(210) 상에 제공될 수 있다.According to one embodiment, the second source solution may be prepared by introducing the manganese dioxide (220) into a solvent and subjecting the manganese dioxide (220) to ultrasonic treatment to disperse the manganese dioxide (220). For example, the solvent may be ethanol. For example, the wt% of
일 실시 예에 따르면, 상기 이산화망간(220)은, 입자(particle) 형태로 제공될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 소스 용액 내의 상기 이산화망간(220)의 사이즈는 실질적으로 서로 동일할 수 있다. 또는, 다른 실시 예에 따르면, 상기 제2 소스 용액 내의 상기 이산화망간(220)의 사이즈는 서로 다를 수 있다. According to one embodiment, the
도 4를 참조하면, 상기 이산화망간(220)이 제공된 상기 제2 탄소나노튜브 시트(210)를 꼬아서, 제2 전극 섬유(230)가 제조될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 전극 섬유(230)를 제조하는 단계는, 상기 복수의 탄소나노튜브가 연장하는 상기 제1 방향을 회전축으로 사용하여, 상기 복수의 탄소나노튜브의 일단을 꼬으는(twist) 것을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 탄소나노튜브 시트(210)의 미터당 꼬임 횟수는 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110)의 미터당 꼬임 횟수보다 더 많을 수 있다. 예를 들어, 상기 이산화망간(220)이 제공된 상기 제2 탄소나노튜브 시트(210)는 약 5000회의 미터당 꼬임 횟수를 가질 수 있다. Referring to FIG. 4, the
이에 따라, 상기 제2 전극 섬유(230)의 내부 영역은, 상기 제2 탄소나노튜브 시트(210)가 말리고(rolled) 적층된(stacked) 형태로 제공될 수 있다. 말리고 적층된 상기 제2 탄소나노튜브 시트(210) 사이에 상기 이산화망간(220)이 제공될 수 있다. 다시 말하면, 상기 제2 전극 섬유(230)가 연장하는 상기 제1 방향을 법선으로 갖는 제1 평면이 정의되는 경우, 상기 제1 평면으로 절취한 상기 제2 전극 섬유(230)의 단면에서, 상기 제2 탄소나노튜브 시트(210)의 단면은 나선형(spiral)으로 제공되고, 나선형의 상기 제2 탄소나노튜브 시트(210) 사이에 상기 이산화망간(220)이 제공될 수 있다. Accordingly, an inner region of the
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 전극 섬유(230)에서, 상기 이산화망간(220)의 wt%가 상기 제2 탄소나노튜브 시트(210)의 wt%보다 높을 수 있다. 다시 말해, 상기 제2 전극 섬유(230)는 상기 제2 탄소나노튜브 시트(210)보다 상기 이산화망간(220)을 더 많이 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 전극 섬유(230)는 전하저장 특성이 향상될 수 있다. According to one embodiment, in the
이하, 상술된 상기 제1 전극 섬유(130) 및 상기 제2 전극 섬유(230)를 포함하는 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법이 도 5를 참조하여 설명된다. Hereinafter, a supercapacitor including the
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법을 설명하는 도면이다. 5 is a view for explaining a supercapacitor according to an embodiment of the present invention and a method of manufacturing the same.
도 5의 (a)를 참조하면, 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명된 상기 제1 전극 섬유(130) 및 상기 제2 전극 섬유(230)가 준비된다. 상기 제1 전극 섬유(130) 및 상기 제2 전극 섬유(230)는 각각 전해질(300)로 코팅될 수 있다. 예를 들어, 상기 전해질(300)은 PVA(polyvinyl alcohol)-LiCl 또는 PVDF-HFP(polyvinylidenefluoride-hexafluoropropylene)-TEABF4(tetraethylammoniumtetrafluouroborate)일 수 있다. Referring to FIG. 5A, the
도 5의 (b)를 참조하면, 상기 전해질(300)이 코팅된 상기 제1 전극 섬유(130) 및 상기 제2 전극 섬유(230)를 서로 꼬아서, 상기 슈퍼커패시터(400)가 제조될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극 섬유(130)는 음극(anode)으로 사용될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 전극 섬유(230)는 양극(cathode)으로 사용될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 복수의 상기 슈퍼커패시터(400)는 서로 교차되어 전극 직물로 제조될 수 있다. 5 (b), the
상기 제1 전극 섬유(130) 및 상기 제2 전극 섬유(230)를 사용하여 슈퍼커패시터를 제조하는 경우, 상기 제1 전극 섬유(130)에서 음의 전하를 저장하는 상기 환원된 그래핀 산화물(120) 및 상기 제2 전극 섬유(230)에서 양의 전하를 저장하는 상기 이산화망간(220)은, 전하 저장 특성의 차이가 발생할 수 있다. 이 경우, 슈퍼커패시터의 특성 상, 상기 제1 전극 섬유(130) 및 상기 제2 전극 섬유(230) 중에서 전하 저장 특성이 낮은 것에 의해 에너지 저장량이 결정될 수 있다. When the supercapacitor is manufactured using the
구체적으로, 상기 환원된 그래핀 산화물(120)을 포함하는 제1 전극 섬유(130) 및 상기 이산화망간(220)을 포함하는 상기 제2 전극 섬유(130)를 사용하여 슈퍼커패시터를 제조하는 경우, 상기 이산화망간(220) 보다 상기 환원된 그래핀 산화물(120)의 전하 저장 특성이 낮음에 따라, 상기 제1 전극 섬유(230)의 전하 저장 특성이 상기 제2 전극 섬유(130)의 전하 저장 특성보다 낮을 수 있다. 이에 따라, 상기 슈퍼커패시터는 상기 제1 전극 섬유(230)에 의해 에너지 저장량이 결정될 수 있다. More specifically, when the supercapacitor is manufactured using the
상기 슈퍼커패시터의 에너지 저장 효율을 최대화 하기 위해, 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법은, 다양한 방법을 제공할 수 있다. 이하, 상기 슈퍼커패시터의 에너지 저장 효율을 최대화 하기 위한 방법들이 상술된다. In order to maximize the energy storage efficiency of the supercapacitor, the supercapacitor according to the embodiment of the present invention and the manufacturing method thereof may provide various methods. Hereinafter, methods for maximizing the energy storage efficiency of the supercapacitor will be described in detail.
상기 슈퍼커패시터의 에너지 저장 효율을 최대화 하기 위해, 상기 제1 전극 섬유(130)에서 상기 환원된 그래핀 산화물(120)의 wt%가 상기 제2 전극 섬유(230)에서 상기 이산화망간(220)의 wt%보다 높을 수 있다. 예를 들어, 상기 환원된 그래핀 산화물(120)은 90wt%로 제공되고, 상기 이산화망간(220)은 70.5wt%로 제공될 수 있다. The wt% of the reduced
만약, 이와 달리, 상기 제1 전극 섬유(130)에서 상기 환원된 그래핀 산화물(120)의 wt%와 상기 제2 전극 섬유(230)에서 상기 이산화망간(220)의 wt%가 동일한 경우, 상기 제1 전극 섬유(130)에서 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110)의 개수는, 상기 제2 전극 섬유(230)에서 상기 제2 탄소나노튜브 시트(210)의 개수보다 많을 수 있다. 다시 말해, 상기 제1 전극 섬유(130)는 상기 제2 전극 섬유(230) 보다 두껍게 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110)의 개수는 5개이고, 상기 제2 탄소나노튜브 시트(210)의 개수는 4개일 수 있다. If the wt% of the reduced
또한, 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110)의 면적은, 상기 제2 탄소나노튜브 시트(210)의 면적보다 넓을 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110) 상에 제공되는 상기 환원된 그래핀 산화물(120)의 양이 상기 제2 탄소나노튜브 시트(210) 상에 제공되는 상기 이산화망간(220)의 양보다 많을 수 있다. The area of the first
상술된 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼커패시터는, 상기 환원된 그래핀 산화물(120)과 상기 환원된 그래핀 산화물(120)을 둘러싸도록 꼬인 제1 탄소나노튜브 시트(110)를 포함하는 제1 전극 섬유(130) 및 상기 이산화망간(220)과 상기 이산화망간(220)을 둘러싸도록 꼬인 제2 탄소나노튜브 시트(220)를 포함하는 제2 전극 섬유(230)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 환원된 그래핀 산화물(120) 및 상기 이산화망간(220)을 포함하는 고효율의 비대칭 슈퍼커패시터가 제공될 수 있다.The supercapacitor according to an embodiment of the present invention includes a first
또한, 상기 슈퍼커패시터는, 상기 제1 및 제2 탄소나노튜브 시트(110, 210)를 이용하여 섬유를 제조하기 전에, 상기 제1 및 제2 탄소나노튜브 시트(110, 210) 상에 상기 환원된 그래핀 산화물(120), 및 상기 이산화망간(220)이 제공되고, 상기 환원된 그래핀 산화물(120), 및 상기 이산화망간(220)이 제공된 상태에서, 상기 제1 및 제2 탄소나노튜브 시트(110, 210)를 꼬아서, 상기 제1 및 제2 전극 섬유(130, 230)가 제조될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 및 제2 전극 섬유(130, 230) 내에 상기 환원된 그래핀 산화물(120), 및 상기 이산화망간(220)의 함량이 증가되고, 상기 슈퍼커패시터의 에너지 저장량이 향상될 수 있다.Also, the supercapacitor may be formed on the first and second
또한, 상기 슈퍼커패시터의 에너지 저장 효율을 최대화 하기 위한 방법들이 제공될 수 있다. In addition, methods for maximizing the energy storage efficiency of the supercapacitor may be provided.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극 섬유(130)에서 상기 환원된 그래핀 산화물(120)의 wt%가 상기 제2 전극 섬유(230)에서 상기 이산화망간(220)의 wt%보다 높게 제공될 수 있다. The weight of the reduced
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극 섬유(130)에서 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110)의 개수가 상기 제2 전극 섬유(230)에서 상기 제2 탄소나노튜브 시트(210)의 개수보다 많을 수 있다. The number of the first
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110)의 면적이 상기 제2 탄소나노튜브 시트(210)의 면적보다 높을 수 있다.According to one embodiment, the area of the first
일 실시 예에 따르면, 상기 환원된 그래핀 산화물(120)이 질소(nitrogen)로 도핑될 수 있다. According to one embodiment, the reduced
이에 따라 상기 실시 예에 따른 슈퍼커패시터는, 에너지 저장 효율이 최대화 되고, 에너지 저장량이 향상될 수 있다.Accordingly, the energy storage efficiency of the supercapacitor according to the embodiment can be maximized and the energy storage amount can be improved.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼커패시터의 구체적인 실험 예 및 특성 평가 결과가 설명된다. Hereinafter, specific experimental examples and characteristics evaluation results of the supercapacitor according to the embodiment of the present invention will be described.
실시 예 1에 따른 제1 전극 섬유 제조The production of the first electrode fiber according to Example 1
실리콘 기판이 준비된다. 상기 실리콘 기판 상에 화학 기상 증착법으로, 약 400μm의 높이, 약 12nm 의 직경, 및 약 9개의 벽을 포함하는 탄소나노튜브 숲(CNT forest)을 제조하였다. 상기 탄소나노튜브 숲을 제1 방향으로 잡아당겨, 상기 제1 방향으로 연장하는 복수의 탄소나노튜브를 포함하는 탄소나노튜브 시트(CNT sheet)를 유리 기판 상에 제조하였다. A silicon substrate is prepared. A carbon nanotube forest (CNT forest) having a height of about 400 mu m, a diameter of about 12 nm, and about nine walls was prepared on the silicon substrate by chemical vapor deposition. A carbon nanotube sheet (CNT sheet) having a plurality of carbon nanotubes extending in the first direction was drawn on a glass substrate by pulling the carbon nanotube forest in a first direction.
나노플레이크(nanoflake)형태의 환원된 그래핀 산화물(reduced graphene oxide, rGO) 및 8mg/ml의 wt%를 갖는 dimethylformamide가 준비된다. 상기 환원된 그래핀 산화물을 dimethylformamide에 혼합시킨 후, VCS750 ultrasonic 장비를 사용하여 1시간 동안 150W로 초음파 처리하여 분산시켜 혼합 용액을 제조하였다. Reduced graphene oxide (rGO) in nanoflake form and dimethylformamide with 8 mg / ml wt% are prepared. The reduced graphene oxide was mixed with dimethylformamide and dispersed by ultrasonic treatment at 150 W for 1 hour using a VCS750 ultrasonic device to prepare a mixed solution.
상기 탄소나노튜브 시트를 5장 적층시킨 후, 상기 혼합 용액을 drop casting 방법으로 뿌리고 20분의 시간 동안 건조시켰다. Drop casting 과정과 20분의 건조 과정은 5번 반복하였다. After five sheets of the carbon nanotube sheet were stacked, the mixed solution was sprayed by a drop casting method and dried for 20 minutes. The drop casting process and the drying process for 20 minutes were repeated 5 times.
건조된 상기 탄소나노튜브 시트는, 상기 제1 방향을 회전축으로 사용하여, 복수의 상기 탄소나노튜브 시트 일단들을 미터당 약 3000회로 꼬아서 90 wt%의 wt%를 갖는 환원된 그래핀 산화물을 포함하는 제1 전극 섬유를 제조하였다. The dried carbon nanotube sheet includes a reduced graphene oxide having about 90 wt% wt% twisted ends of a plurality of the carbon nanotube sheets at about 3000 times per meter using the first direction as a rotation axis A first electrode fiber was prepared.
실시 예 2에 따른 제2 전극 섬유 제조The production of the second electrode fiber according to Example 2
30nm의 직경, 100 nm의 길이, 및 막대형태를 갖는, Sigma-Aldrich사에서 제조된 이산화망간(MnO2) 나노입자들(nanoparticles) 및 5 mg/ml 의 wt%를 포함하는 에탄올 용매가 준비된다. 상기 이산화망간 나노입자들을 에탄올에 혼합시킨 후, 초음파 처리하여 혼합 용액을 제조하였다. (MnO 2 ) nanoparticles prepared from Sigma-Aldrich, having a diameter of 30 nm, a length of 100 nm, and a rod shape, and an ethanol solvent containing wt% of 5 mg / ml are prepared. The manganese dioxide nanoparticles were mixed with ethanol and ultrasonicated to prepare a mixed solution.
상술된 실시 예 1에 따른 방법으로 제조된 탄소나노튜브 시트를 4장 적층시킨 후, 상기 혼합 용액을 drop casting 방법으로 뿌리고 20분의 시간 동안 건조시켰다. 건조된 상기 탄소나노튜브 시트는 상기 제1 방향을 회전축으로 사용하여, 복수의 상기 탄소나노튜브 시트 일단들을 미터당 약 5000회로 꼬아서 70 wt%의 wt%를 갖는 이산화망간을 포함하는 제2 전극 섬유를 제조하였다. Four carbon nanotube sheets prepared by the method according to Example 1 described above were laminated, and the mixed solution was sprayed by a drop casting method and dried for 20 minutes. The dried carbon nanotube sheet is obtained by twisting a plurality of the carbon nanotube sheet ends at about 5000 times per meter using the first direction as a rotation axis to form a second electrode fiber including manganese dioxide having 70 wt% .
실시 예 3에 따른 슈퍼커패시터 제조Manufacturing of the supercapacitor according to the third embodiment
3g의 용량을 갖는 PVA, 6g의 용량을 갖는 LiCl, 및 30ml의 용량을 갖는 DI water를 90℃의 온도에서 혼합하여 PVA-LiCl 전해질을 제조하였다. 이후, 상술된 실시 예 1에 따른 제1 전극 섬유 및 실시 예 2에 따른 제2 전극 섬유에 각각 전해질을 코팅하였다. A PVA-LiCl electrolyte was prepared by mixing PVA having a capacity of 3 g, LiCl having a capacity of 6 g, and DI water having a capacity of 30 ml at a temperature of 90 ° C. Then, the electrolyte was coated on the first electrode fiber according to Example 1 and the second electrode fiber according to Example 2, respectively.
전해질이 코팅된 제1 전극 섬유를 양극, 전해질이 코팅된 제2 전극 섬유를 음극으로 사용하고, 각각의 전극에 180 μm의 직경을 갖는 구리(Cu) 전선을 연결하여 슈퍼커패시터를 제조하였다. The first electrode fiber coated with an electrolyte was used as a positive electrode, the second electrode fiber coated with an electrolyte was used as a negative electrode, and a copper (Cu) wire having a diameter of 180 μm was connected to each electrode to prepare a supercapacitor.
실시 예 4에 따른 슈퍼커패시터 제조Supercapacitor fabrication according to Example 4
아세톤에 PVDF-HFP가 혼합된 용액 및 propylene carbonate에 TEABF4가 혼합된 용액을 4:1의 비율로 준비하고, 이를 slide glass에서 3시간 동안 건조시켜 PVDF-HFP-TEABF4 전해질을 제조하였다. 이후, 상술된 실시 예 3에 따른 방법으로 슈퍼커패시터를 제조하였다. The PVDF-HFP-TEABF 4 electrolyte was prepared by mixing a mixture of acetone with PVDF-HFP and a mixture of propylene carbonate and TEABF 4 in a ratio of 4: 1 and drying on a slide glass for 3 hours. Thereafter, a supercapacitor was manufactured by the method according to the third embodiment described above.
실시 예 5에 따른 전극 직물 제조Preparation of electrode fabric according to example 5
상술된 실시 예 1에 따른 제1 전극 섬유 및 실시 에 2에 따른 제2 전극 섬유를 실시 예 3에 따른 전해질로 각각 코팅하고, 이를 서로 직조하여 전극 직물(textile super capacitor)을 제조하였다. The first electrode fiber according to Example 1 described above and the second electrode fiber according to Example 2 were coated with the electrolyte according to Example 3, respectively, and they were woven together to fabricate a textile super capacitor.
실시 예 6에 따른 제1 전극 섬유 제조Fabrication of the first electrode fiber according to Example 6
상술된 실시 예 1에 따른 제1 전극 섬유를 준비하고 상기 제1 전극 섬유에 Na2SO4 liquid 전해질을 코팅하였다. The first electrode fiber according to the above-described Example 1 was prepared, and the first electrode fiber was coated with a Na 2 SO 4 liquid electrolyte.
실시 예 7에 따른 제2 전극 섬유 제조The production of the second electrode fiber according to Example 7
상술된 실시 예 2에 따른 제2 전극 섬유를 준비하고 상기 제2 전극 섬유에 Na2SO4 liquid 전해질을 코팅하였다. The second electrode fiber according to the above-described Example 2 was prepared, and the second electrode fiber was coated with a Na 2 SO 4 liquid electrolyte.
비교 예 1에 따른 슈퍼커패시터 제조The production of the supercapacitor according to Comparative Example 1
상술된 실시 예 1에 다른 전극 섬유를 실시 예 3에 따른 전해질로 코팅하고, 이를 양극 및 음극으로 사용하여 슈퍼커패시터를 제조하였다. The electrode fiber according to Example 1 described above was coated with the electrolyte according to Example 3 and used as a positive electrode and a negative electrode to prepare a supercapacitor.
비교 예 2 내지 7에 따른 슈퍼커패시터 준비Preparing the supercapacitor according to Comparative Examples 2 to 7
비교 예 2: CNT/MnO2 based stretchable asymmetric fibers Comparative Example 2: CNT / MnO 2 based stretchable asymmetric fibers
비교 예 3: rGO/MnO2/PPy yarns Comparative Example 3: rGO / MnO 2 / PPy yarns
비교 예 4: NiOH/MnO2 asymmetric yarns Comparative Example 4: NiOH / MnO 2 asymmetric yarns
비교 예 5: Hollow rGo fiber Comparative Example 5: Hollow rGo fiber
비교 예 6: MnO2 nanosheet decorated asymmetric carbon fibers Comparative Example 6: MnO 2 nanosheet decorated asymmetric carbon fibers
비교 예 7: MnO2 coated stretchable, asymmetric CNT wires Comparative Example 7: MnO 2 coated stretchable, asymmetric CNT wires
상기 실시 예 1 내지 5, 비교 예 1 내지 6에 따른 전극 섬유, 슈퍼커패시터 및 전극 직물이 아래 <표 1>을 통하여 정리된다. The electrode fibers, supercapacitors and electrode fabrics according to Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 6 are summarized in Table 1 below.
rGO/CNTrGO / CNT,
rGO / CNT
도 6은 본 발명의 실시 예1에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 제1 전극 섬유를 촬영한 사진이다. 6 is a photograph of the first electrode fiber included in the supercapacitor according to the first embodiment of the present invention.
도 6의 (a) 및 (b)를 참조하면, 실시 예 1에 따른 제1 전극 섬유의 옆모습과 단면을 낮은 배율(scale bar = 300μm)과 높은 배율(scale bar =600nm)에서 SEM(scanning electron microscopy) 촬영하였다.6 (a) and 6 (b), the profile and cross section of the first electrode fiber according to Example 1 were measured at a low magnification (scale bar = 300 μm) and a high magnification (scale bar = microscopy.
도 6의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 제1 전극 섬유는 꼬인(twist) 형태를 갖고, 환원된 그래핀 산화물(rGO)이 플레이크(flake)형태로 탄소나노튜브 시트 사이에 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 도 6의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 제1 전극 섬유의 단면은, 나선형(spiral)인 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 단면은, 탄소나노튜브 시트가 말리고(rolled) 적층된(stacked) 형태를 나타내고, 말리고 적층된 상기 탄소나노튜브 시트 사이에 환원된 그래핀 산화물이 제공되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 6 (a), the first electrode fiber according to the first embodiment has a twisted shape, and the reduced graphene oxide (rGO) is formed in a flake form between carbon nanotube sheets And it was confirmed that it existed in. As can be seen from FIG. 6 (b), it was confirmed that the cross section of the first electrode fiber according to Example 1 was spiral. The cross section shows that the carbon nanotube sheet is rolled and stacked, and that reduced graphene oxide is provided between the dried and stacked carbon nanotube sheets.
도 7은 본 발명의 실시 예2에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 제2 전극 섬유를 촬영한 사진이다. 7 is a photograph of the second electrode fiber included in the supercapacitor according to the second embodiment of the present invention.
도 7의 (a) 및 (b)를 참조하면, 실시 예 2에 따른 제2 전극 섬유의 옆모습과 단면을 낮은 배율(scale bar = 300μm)과 높은 배율(scale bar =600nm)에서 SEM(scanning electron microscopy) 촬영하였다.Referring to FIGS. 7A and 7B, the profile and cross section of the second electrode fiber according to Example 2 were measured at a low magnification (scale bar = 300 μm) and a high magnification (scale bar = 600 nm) microscopy.
도 7의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 2에 따른 제2 전극 섬유는 꼬인(twist) 형태를 갖고, 이산화망간(MnO2)이 입자(particle)형태로 탄소나노튜브 시트 사이에 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 도 7의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 2에 따른 제2 전극 섬유의 단면은, 나선형(spiral)인 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 단면은, 탄소나노튜브 시트가 말리고(rolled) 적층된(stacked) 형태를 나타내고, 말리고 적층된 상기 탄소나노튜브 시트 사이에 이산화망간(MnO2)이 제공되어 있는 것을 확인할 수 있었다. As shown in FIG. 7 (a), the second electrode fiber according to Example 2 has a twisted shape, and manganese dioxide (MnO 2 ) exists between carbon nanotube sheets in the form of particles . As shown in FIG. 7 (b), it was confirmed that the cross section of the second electrode fiber according to Example 2 was spiral. In addition, the cross section shows that the carbon nanotube sheet is rolled and stacked, and that manganese dioxide (MnO 2 ) is provided between the dried carbon nanotube sheets.
도 8은 본 발명의 비교 예1에 따른 슈퍼커패시터의 전기화학특성을 나타내는 그래프이다. 8 is a graph showing electrochemical characteristics of a supercapacitor according to Comparative Example 1 of the present invention.
도 8의 (a)를 참조하면, 상기 비교 예 1에 따른 슈퍼커패시터를 10, 30, 50, 70, 100mV/s의 전압 스캔 레이트(voltage scan rate) 범위에서 전압(voltage, V)에 따른 전류 밀도(current density)를 측정하고, 순환전압전류 곡선(이하, CV 곡선이라고 한다)을 나타내었다. 도 8의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 비교 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 CV곡선은 10, 30, 50, 70, 100mV/s의 전압 스캔 레이트 범위에서 피크(peak)를 나타내지 않는 것을 확인할 수 있었다. 이는, 상기 비교 예 1에 따른 슈퍼커패시터가 Faradic redox reaction과 관련되어 있음을 알 수 있다. 8 (a), the supercapacitor according to the comparative example 1 is operated at a voltage scan rate range of 10, 30, 50, 70 and 100 mV / s, The current density was measured and a cyclic voltage-current curve (hereinafter referred to as CV curve) was shown. As can be seen from FIG. 8 (a), the CV curve of the supercapacitor according to Comparative Example 1 does not show a peak in a voltage scan rate range of 10, 30, 50, 70 and 100 mV / s there was. This indicates that the supercapacitor according to Comparative Example 1 is related to the Faradic redox reaction.
도 8의 (b)를 참조하면, 상기 비교 예 3에 따른 슈퍼커패시터를 0.5, 2.5, 5 mA/cm2의 전류 밀도(current density) 범위에서 시간에 따른 전압을 측정하고, 충방전(charge/discharge) 곡선을 나타내었다. 도 8의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 비교 예 1에 따른 슈퍼커패시터는 0.5, 2.5, 5 mA/cm2의 전류 밀도 범위에서 충방전 곡선이 삼각형 형태로 나타나는 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 8 (b), the supercapacitor according to Comparative Example 3 was measured for voltage over time in a current density range of 0.5, 2.5, and 5 mA / cm 2 , and charge / discharge curves. As shown in FIG. 8 (b), it was confirmed that the charge / discharge curve of the supercapacitor according to Comparative Example 1 appeared in a triangular shape in the current density range of 0.5, 2.5, and 5 mA / cm 2 .
도 8의 (c)를 참조하면, 상기 비교 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 스캔 레이트(scan rate, mV/s)에 따른 areal capacitance(mF/cm2)와 linear capacitance(mF/cm)를 측정하였다. 도 8의 (c)에서 알 수 있듯이, 상기 비교 예 1에 따른 슈퍼커패시터는 스캔 레이트가 증가함에 따라 areal capacitance가 172 mF/cm2에서 점차 줄어들고, linear capacitance가 17 mF/cm에서 점점 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 8C, the areal capacitance (mF / cm 2 ) and the linear capacitance (mF / cm) according to the scan rate (mV / s) of the supercapacitor according to the comparative example 1 were measured . As can be seen from FIG. 8 (c), in the supercapacitor according to Comparative Example 1, the areal capacitance gradually decreases at 172 mF / cm 2 and the linear capacitance decreases at 17 mF / cm as the scan rate increases I could.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 제1 전극 섬유의 환원된 그래핀 산화물의 함량에 따른 특성을 비교한 그래프이다. 9 is a graph comparing characteristics of the first electrode fibers according to the content of reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention.
도 9를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 제1 전극 섬유 및 18.5 wt%의 환원된 그래핀 산화물 wt%를 갖는 제1 전극 섬유를 준비하고, 전압에 따른 전류 밀도를 측정하여 CV곡선을 나타내었다. 도 9에서 알 수 있듯이, 90.3 wt%의 환원된 그래핀 산화물 wt%를 갖는 상기 제1 전극 섬유의 CV 곡선 면적이 18.5 wt%의 환원된 그래핀 산화물 wt%를 갖는 상기 제1 전극 섬유의 CV 곡선 면적보다 넓은 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 제1 전극 섬유는 90.3 wt의 환원된 그래핀 산화물 wt%를 갖는 것이 순환전압전류 특성이 향상되는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 9, a first electrode fiber having a first electrode fiber according to Example 1 and a reduced graphene oxide wt% of 18.5 wt% was prepared, and a CV curve was measured by measuring a current density according to a voltage . As can be seen from Fig. 9, the CV of the first electrode fiber with wt% of reduced graphene oxide of 90.3 wt% had a CV curve area of 18.5 wt% and the CV of the first electrode fiber with reduced graphene oxide wt% Which is larger than the curve area. Accordingly, it can be seen that the cyclic voltammetric characteristic is improved by the first electrode fiber having the weight percent of graphene oxide reduced to 90.3 wt%.
도 10은 본 발명의 실시 예들에 따른 제1 전극 섬유 및 제2 전극 섬유의 특성을 비교하는 그래프이다. 10 is a graph comparing the characteristics of the first electrode fiber and the second electrode fiber according to the embodiments of the present invention.
도 10을 참조하면, 상기 실시 예 1 및 실시 예 2에 따른 전극 섬유의 전압에 따른 전류를 측정하고 CV 곡선을 나타내었다. 상기 실시 예 1 및 실시 예 2에 따른 전극 섬유의 전압에 따른 전류를 측정하기 위하여, 3전극 시스템(three electrode system)을 이용하되, reference electrode로 Ag/AgCl을 사용하고 counter electrode로 Pt mesh를 사용하였다. 도 10에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 2에 따른 CV 곡선의 면적이 상기 실시 예 1에 따른 CV 곡선의 면적보다 넓은 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 환원된 그래핀 산화물을 포함하는 상기 제1 전극 및 이산화망간을 포함하는 상기 제2 전극의 전하저장 특성이 차이가 있음을 알 수 있다. Referring to FIG. 10, currents according to the voltage of the electrode fibers according to the first and second embodiments are measured and the CV curves are shown. In order to measure the current according to the voltage of the electrode fibers according to Examples 1 and 2, a three electrode system was used. Ag / AgCl was used as a reference electrode, and a Pt mesh was used as a counter electrode Respectively. As can be seen from FIG. 10, it was confirmed that the area of the CV curve according to the second embodiment is larger than that of the CV curve according to the first embodiment. Accordingly, it can be seen that the charge storage characteristics of the first electrode including the reduced graphene oxide and the second electrode including the manganese dioxide are different.
도 11은 본 발명의 실시 예3에 따른 슈퍼커패시터의 특성을 나타내는 그래프이다. 11 is a graph showing characteristics of a supercapacitor according to a third embodiment of the present invention.
도 11의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예 3에 따른 슈퍼커패시터를 0.9, 1.3, 1.7, 2.1V 의 maximum applied voltages 범위에서 전압(voltage, V)에 따른 전류 밀도(current density)를 측정하고, 순환전압전류 곡선(이하, CV 곡선이라고 한다)을 나타내었다. 스캔 레이트는 100 mV/s로 측정하였다. 도 11의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 3에 따른 슈퍼커패시터의 CV곡선 면적은 0.9, 1.3, 1.7, 2.1V 의 maximum applied voltages 범위에서 점점 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 2.1V maximum applied voltages 범위에서의 CV곡선 면적은 일반 슈퍼커패시터들의 CV곡선 면적과 비슷한 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예 3에 따른 슈퍼커패시터는 슈퍼커패시터로서 적용이 가능함을 알 수 있다. Referring to FIG. 11A, the current density according to the voltage (V) is measured in a maximum applied voltage range of 0.9, 1.3, 1.7, and 2.1 V according to the third embodiment of the present invention , And a circulating voltage-current curve (hereinafter referred to as a CV curve). The scan rate was measured at 100 mV / s. As can be seen from FIG. 11 (a), the CV curve area of the supercapacitor according to the third embodiment increases gradually in the range of maximum applied voltages of 0.9, 1.3, 1.7, and 2.1V. Also, it was confirmed that the CV curve area in the range of 2.1V maximum applied voltages is similar to the CV curve area of normal supercapacitors. Accordingly, it can be understood that the supercapacitor according to the third embodiment can be applied as a supercapacitor.
도 11의 (b)를 참조하면, 상기 실시 예 3에 따른 슈퍼커패시터를 0.9, 1.3, 1.7, 2.1V 의 maximum applied voltages 범위에서 시간에 따른 전압을 측정하고, 충방전(charge/discharge) 곡선을 나타내었다. 또한, 상기 실시 예 3에 따른 슈퍼커패시터의 전압에 따른 전류 밀도를 측정하고 IR drop을 측정하였다. 도 11의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 3에 따른 슈퍼커패시터는 2.1V의 maximum applied voltages에서 안정적인 역삼각형 충방전 곡선을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 1.2 mA/cm2의 전류 밀도에서 47 mV의 작은 IR drop을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예 3에 따른 슈퍼커패시터는 슈퍼커패시터로서 적용이 가능함을 알 수 있다.11 (b), the supercapacitor according to the third embodiment measures voltages over time in 0.9, 1.3, 1.7, and 2.1 V maximum applied voltage ranges, and calculates a charge / discharge curve Respectively. The current density according to the voltage of the supercapacitor according to Example 3 was measured and the IR drop was measured. As can be seen from FIG. 11 (b), the supercapacitor according to the third embodiment shows a stable inverted triangular charge / discharge curve at the maximum applied voltages of 2.1 V. It was also confirmed that a small IR drop of 47 mV was obtained at a current density of 1.2 mA / cm 2 . Accordingly, it can be understood that the supercapacitor according to the third embodiment can be applied as a supercapacitor.
도 12는 본 발명의 실시 예 4에 따른 슈퍼커패시터의 특성을 나타내는 그래프이다. 12 is a graph showing the characteristics of the supercapacitor according to the fourth embodiment of the present invention.
도 12의 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 실시 예 4에 따른 슈퍼커패시터를 10, 30, 50, 70, 100mV/s의 전압 스캔 레이트(voltage scan rate) 범위에서 0~2 전압(voltage, V)에 따른 전류 밀도(current density) 및 0~4 전압에 따른 전류 밀도를 측정하고, 순환전압전류 곡선(이하, CV 곡선이라고 한다)을 나타내었다. 도 12의 (a) 및 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 4에 따른 슈퍼커패시터의 CV 곡선 면적은 도 11의 (a)를 참조하여 설명된 상기 실시 예 3에 따른 슈퍼커패시터의 CV곡선 면적보다 넓은 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예에 따른 슈퍼커패시터를 제조하는 경우, PVDF-HFP-TEABF4의 전해질을 사용하는 것이 PVA-LiCl의 전해질을 사용하는 것보다 높은 redox stability를 갖는 것을 알 수 있다. 12 (a) and 12 (b), the supercapacitor according to the fourth embodiment is applied with a voltage of 0 to 2 voltages (in a voltage scan rate range of 10, 30, 50, 70 and 100 mV / s current density according to the voltage, V, and the current density according to the voltage of 0 to 4 were measured, and a cyclic voltage-current curve (hereinafter referred to as CV curve) was shown. 12 (a) and 12 (b), the CV curve area of the supercapacitor according to the fourth embodiment is the CV curve of the supercapacitor according to the third embodiment described with reference to FIG. 11 (a) It was confirmed that it is larger than the area. Accordingly, it can be seen that the use of the electrolyte of PVDF-HFP-TEABF 4 has a higher redox stability than that of PVA-LiCl electrolyte in the case of manufacturing the supercapacitor according to the above embodiment.
도 12의 (c)를 참조하면, 상기 실시 예 4에 따른 슈퍼커패시터를 3.5V 이상의 전압 범위에서 시간에 따른 전압을 측정하고, 충방전(charge/discharge) 곡선을 나타내었다. 도 12의 (c)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 4에 따른 슈퍼커패시터는 안정적인 역삼각형 충방전 곡선을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예 4에 따른 슈퍼커패시터는 슈퍼커패시터로서 적용이 가능함을 알 수 있다.Referring to (c) of FIG. 12, the supercapacitor according to the fourth embodiment measures a voltage with time in a voltage range of 3.5 V or higher and shows a charge / discharge curve. As shown in FIG. 12 (c), it can be confirmed that the supercapacitor according to the fourth embodiment exhibits a stable inverted triangular charge / discharge curve. Accordingly, it can be understood that the supercapacitor according to the fourth embodiment can be applied as a supercapacitor.
도 13은 본 발명의 실시 예들에 따른 슈퍼커패시터들의 특성을 비교하는 그래프이다. 13 is a graph comparing characteristics of supercapacitors according to embodiments of the present invention.
도 13의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예 3 및 실시 예 4에 따른 슈퍼커패시터들을 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)으로 분석하고, EIS 곡선을 나타내었다. 도 13의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 3 및 실시 예 4에 따른 슈퍼커패시터들 모두 low equivalent series resistance를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 13 (a), supercapacitors according to the third and fourth embodiments are analyzed by electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and an EIS curve is shown. As can be seen from FIG. 13 (a), it was confirmed that all of the supercapacitors according to the third and fourth embodiments exhibited low equivalent series resistance.
도 13의 (b)를 참조하면, 상기 실시 예 3및 실시 예 4에 따른 슈퍼커패시터들의 스캔 레이트(scan rate, mV/s)에 따른 areal capacitance(mF/cm2)와 linear capacitance(mF/cm)를 측정하였다. 도 13의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 4에 따른 슈퍼커패시터의 areal capacitance 및 linear capacitance가 상기 실시 예 3에 다른 슈퍼커패시터의 areal capacitance 및 linear capacitance보다 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 13B, the areal capacitance (mF / cm 2 ) and the linear capacitance (mF / cm 2 ) according to the scan rates (mV / s) of the supercapacitors according to the third and fourth embodiments ) Were measured. As shown in FIG. 13 (b), the areal capacitance and the linear capacitance of the supercapacitor according to the fourth embodiment are lower than the areal capacitance and linear capacitance of the supercapacitor according to the third embodiment.
도 14는 본 발명의 실시 예들 및 비교 예들에 따른 슈퍼커패시터들의 에너지 저장특성을 비교한 그래프이다. 14 is a graph comparing energy storage characteristics of supercapacitors according to embodiments of the present invention and comparative examples.
도 14를 참조하면, 상기 실시 예 3, 실시 예 4, 및 비교 예 2 내지 비교 예 7에 따른 슈퍼커패시터들의 areal power density(mW/cm2)에 따른 areal energy density(μWh/cm2)를 측정하였다. 도 14에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 3에 따른 슈퍼커패시터는 30.1 μWh/cm2을 나타내고, 상기 실시 예 4에 따른 슈퍼커패시터는 43 μWh/cm2을 나타내고, 상기 비교 예 2에 따른 슈퍼커패시터는 18.9 μWh/cm2을 나타내고, 상기 비교 예 3에 따른 슈퍼커패시터는 9.2 μWh/cm2을 나타내고, 상기 비교 예 4에 따른 슈퍼커패시터는 10 μWh/cm2을 나타내고, 상기 비교 예 5에 따른 슈퍼커패시터는 6.8 μWh/cm2을 나타내고, 상기 비교 예 6에 따른 슈퍼커패시터는 1.428 μWh/cm2을 나타내고, 상기 비교 예 7에 따른 슈퍼커패시터는 1.26 μWh/cm2을 나타내어, 상기 실시 예 3 및 실시 예 4에 따른 슈퍼커패시터들의 areal energy density가 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예 3 및 실시 예 4와 같이 환원된 그래핀 산화물을 포함하는 전극과 이산화망간을 포함하는 전극을 비대칭 전극으로 사용한 슈퍼커패시터의 에너지 저장 특성이 좋은 것을 알 수 있다. 14, the areal energy density (μWh / cm 2 ) according to the areal power density (mW / cm 2 ) of the supercapacitors according to Examples 3, 4 and Comparative Examples 2 to 7 was measured Respectively. As shown in FIG. 14, the supercapacitor according to the third embodiment exhibits 30.1 μWh / cm 2 , the supercapacitor according to the fourth embodiment exhibits 43 μWh / cm 2 , 18.9 μWh / cm 2 , the supercapacitor according to the comparative example 3 shows 9.2 μWh / cm 2 , the supercapacitor according to the comparative example 4 shows 10 μWh / cm 2 , the supercapacitor according to the comparative example 5 is 6.8 μWh / represents cm 2, super-capacitor according to Comparative example 6 represents 1.428 μWh / cm 2, the supercapacitor according to the Comparative example 7 exhibits a 1.26 μWh / cm 2, example 3 and example 4 shows that the areal energy density of supercapacitors is high. Accordingly, it can be seen that the energy storage characteristics of the supercapacitor using the electrode including the reduced graphene oxide and the electrode including the manganese dioxide as the asymmetric electrode as in the third and fourth embodiments are good.
또한, 비대칭 전극을 갖는 다양한 슈퍼커패시터들의 linear energy density(EL, μWh/cm2), areal energy density(EA, μWh/cm2), 및 volumetric energy density(EV, μWh/cm2)가 아래 <표 2>를 통해 정리될 수 있다.The linear energy density (E L , μWh / cm 2 ), the areal energy density (E A , μWh / cm 2 ) and the volumetric energy density (E V , μWh / cm 2 ) of various supercapacitors with asymmetric electrodes Can be summarized in Table 2 below.
도 15는 본 발명의 실시 예들에 따른 제1 전극, 제2 전극 및 슈퍼커패시터의 전기화학특성을 나타내는 그래프이다. 15 is a graph showing electrochemical characteristics of a first electrode, a second electrode, and a supercapacitor according to embodiments of the present invention.
도 15의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예 6에 따른 제1 전극 섬유를 10, 30, 50, 70, 100mV/s의 전압 스캔 레이트(voltage scan rate) 범위에서 전압에 따른 전류 밀도를 측정하고, 순환전압전류 곡선(이하, CV 곡선이라고 한다)을 나타내었다. 상기 실시 예 6에 따른 전극 섬유의 전압에 따른 전류를 측정하기 위하여, 3전극 시스템(three electrode system)을 이용하되, reference electrode로 Ag/AgCl을 사용하고 counter electrode로 Pt mesh를 사용하였다. 도 15의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 6에 따른 제1 전극 섬유는 스캔 레이트가 증가할수록 CV 곡선 면적이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 15A, the first electrode fiber according to the sixth embodiment measures a current density according to a voltage in a voltage scan rate range of 10, 30, 50, 70 and 100 mV / s And a cyclic voltage-current curve (hereinafter referred to as a CV curve). In order to measure the current according to the voltage of the electrode fiber according to Example 6, a three electrode system was used, and Ag / AgCl was used as a reference electrode and a Pt mesh was used as a counter electrode. As can be seen from FIG. 15A, the CV curve area of the first electrode fiber according to Example 6 increases as the scan rate increases.
도 15의 (b)를 참조하면, 상기 실시 예 7에 따른 제2 전극 섬유를 10, 30, 50, 70, 100mV/s의 전압 스캔 레이트(voltage scan rate) 범위에서 전압에 따른 전류 밀도를 측정하고, 순환전압전류 곡선(이하, CV 곡선이라고 한다)을 나타내었다. 상기 실시 예 7에 따른 전극 섬유의 전압에 따른 전류를 측정하기 위하여, 3전극 시스템(three electrode system)을 이용하되, reference electrode로 Ag/AgCl을 사용하고 counter electrode로 Pt mesh를 사용하였다. 도 15의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 7에 따른 제2 전극 섬유는 스캔 레이트가 증가할수록 CV 곡선 면적이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 15 (b), the second electrode fiber according to the seventh embodiment measures a current density according to a voltage in a voltage scan rate range of 10, 30, 50, 70 and 100 mV / s And a cyclic voltage-current curve (hereinafter referred to as a CV curve). In order to measure the current according to the voltage of the electrode fiber according to Example 7, a three electrode system was used. Ag / AgCl was used as a reference electrode, and a Pt mesh was used as a counter electrode. As can be seen from FIG. 15 (b), the CV curve area of the second electrode fiber according to Example 7 increases as the scan rate increases.
도 15의 (c)를 참조하면, 상기 실시 예 3에 따른 슈퍼커패시터를 100, 200, 300, 400, 500 mV/s의 전압 스캔 레이트(voltage scan rate) 범위에서 전압에 따른 전류 밀도를 측정하고, 순환전압전류 곡선(이하, CV 곡선이라고 한다)을 나타내었다. 도 15의 (c)에서 알 수 있듯이, 스캔 레이트가 증가함에 따라 CV 곡선이 61.8%의 initial capacitance를 유지하면서, 점차 안정적인 사각형 형태로 나타나는 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 15C, a current density according to a voltage is measured in a voltage scan rate range of 100, 200, 300, 400 and 500 mV / s in the supercapacitor according to the third embodiment , And a circulating voltage-current curve (hereinafter referred to as a CV curve). As can be seen from FIG. 15 (c), it can be seen that as the scan rate increases, the CV curve gradually appears as a stable square shape while maintaining the initial capacitance of 61.8%.
도 16은 본 발명의 실시 예들에 따른 슈퍼커패시터들의 전기화학특성을 나타내는 그래프이다. 16 is a graph showing electrochemical characteristics of supercapacitors according to embodiments of the present invention.
도 16의 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 실시 예 4 및 실시 예 3에 따른 슈퍼커패시터를 10, 30, 50, 70, 100mV/s의 전압 스캔 레이트(voltage scan rate) 범위에서 전압에 따른 전류 밀도를 측정하고, 순환전압전류 곡선(이하, CV 곡선이라고 한다)을 나타내었다. 도 16의 (a) 및 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 4 및 실시 예 3에 따른 슈퍼커패시터의 CV 곡선 면적이 서로 비슷한 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예에 따른 슈퍼커패시터를 제조하는 경우, 전해질로서, PVDF-HEP-TEABF4 및 PVA-LiCl 둘 다 사용 가능하다는 것을 알 수 있다. 16 (a) and 16 (b), the supercapacitor according to the fourth and the third embodiments is operated at a voltage scan rate range of 10, 30, 50, 70 and 100 mV / (Hereinafter referred to as a CV curve) was measured. As can be seen from FIGS. 16A and 16B, it can be seen that the CV curves of the supercapacitor according to the fourth and third embodiments are similar to each other. Accordingly, it can be seen that both of PVDF-HEP-TEABF 4 and PVA-LiCl can be used as an electrolyte in the case of manufacturing the supercapacitor according to the above embodiment.
도 17은 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따른 슈퍼커패시터들의 특성을 비교하는 그래프이다. 17 is a graph comparing characteristics of supercapacitors according to the embodiment of the present invention and the comparative example.
도 17의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예 3에 따른 슈퍼커패시터의 스캔 레이트(scan rate, mV/s)에 따른 areal capacitance(mF/cm2)와 volumetric capacitance(mF/cm3)를 측정하였다. 도 17의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 3에 따른 슈퍼커패시터는, 10mV/s의 스캔 레이트에서 322.4 mF/cm2의 areal capacitance와 57.2 mF/cm3를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 17A, areal capacitance (mF / cm 2 ) and volumetric capacitance (mF / cm 3 ) are measured according to the scan rate (mV / s) of the supercapacitor according to the third embodiment Respectively. As can be seen from FIG. 17A, it was confirmed that the supercapacitor according to Example 3 exhibits an areal capacitance of 322.4 mF / cm 2 and 57.2 mF / cm 3 at a scan rate of 10 mV / s.
도 17의 (b)를 참조하면, 상기 실시 예 3 및 비교 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 스캔 레이트에 따른 capacitance retention(%)을 측정하였다. 도 17의 (b)에서 알 수 있듯이, 스캔 레이트가 증가할수록, 상기 비교 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 capacitance retention 감소량이 상기 실시 예 3에 따른 슈퍼커패시터의 capacitance retention 감소량보다 현저하게 높은 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예에 따른 슈퍼커패시터를 제조하는 경우, 대칭 전극을 사용하는 것보다 비대칭 전극을 사용하는 것이 capacitance retention을 유지하는데 있어 효율적이라는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 17 (b), the capacitance retention (%) according to the scan rate of the supercapacitor according to Example 3 and Comparative Example 1 was measured. As can be seen from FIG. 17B, as the scan rate increases, the amount of decrease in capacitance retention of the supercapacitor according to Comparative Example 1 is significantly higher than that of the supercapacitor according to
도 18은 본 발명의 실시 예3에 따른 슈퍼커패시터의 충방전 특성을 나타내는 그래프이다. FIG. 18 is a graph showing charge / discharge characteristics of a supercapacitor according to the third embodiment of the present invention. FIG.
도 18의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예 3에 따른 슈퍼커패시터를 1회 충방전한 경우와 1000회 충방전한 경우에 대해 전압에 따른 전류 밀도를 측정하고 CV곡선을 나타내었다. 도 18의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 3에 따른 슈퍼커패시터를 1회 충방전한 경우의 CV곡선 면적과 1000회 충방전한 경우의 CV곡선 면적이 실직적으로 동일한 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 18 (a), the current density according to the voltage is measured and the CV curve is shown for a case where the supercapacitor according to the third embodiment is charged / discharged once and 1000 times when charged / discharged. As can be seen from FIG. 18 (a), it was confirmed that the CV curve area when the supercapacitor according to the third embodiment was once charged and discharged and the CV curve area when charged and discharged 1000 times were substantially equal .
도 18의 (b)를 참조하면, 상기 실시 예 3에 따른 슈퍼커패시터의 충방전 횟수에 따른 capacitance retention(C/C0)을 측정하였다. 도 18의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 3에 따른 슈퍼커패시터를 1회 내지 1000회 충방전하는 동안 capacitance retention이 실질적으로 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예 3에 따른 슈퍼커패시터는 내구성 및 수명 특성이 우수하다는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 18 (b), the capacitance retention (C / C 0 ) according to the number of times of charging and discharging of the supercapacitor according to the third embodiment is measured. As can be seen from FIG. 18 (b), it was confirmed that the capacitance retention was kept substantially constant during charging and discharging of the supercapacitor according to the third embodiment once to 1000 times. Thus, it can be seen that the supercapacitor according to the third embodiment has excellent durability and lifetime characteristics.
도 19는 본 발명의 실시 예 5에 따른 전극 직물 및 이를 이용한 회로의 작동을 촬영한 사진이다. FIG. 19 is a photograph of the operation of an electrode fabric and a circuit using the electrode fabric according to the fifth embodiment of the present invention. FIG.
도 19의 (a)를 참조하면 상기 실시 예 5에 따른 전극 직물을 사진촬영 하였다. 도 19의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 5에 따른 전극 직물은 일반 직물의 형태로 제조될 수 있음을 확인할 수 있다. 19 (a), the electrode fabric according to the fifth embodiment was photographed. As can be seen from FIG. 19 (a), it can be seen that the electrode fabric according to Example 5 can be made in the form of a regular fabric.
도 19의 (b)를 참조하면, 상기 실시 예 5에 따른 전극 직물에 도선과 0.65W의 blue LED를 설치하여 회로를 작동시킨 직후 사진촬영 하였다. 도 19의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 5에 따른 전극 직물로 인해 0.65W의 blue LED가 작동하는 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 19 (b), a wire and a blue LED of 0.65 W were installed on the electrode fabric according to the fifth embodiment, and a photograph was taken immediately after the circuit was operated. As can be seen from FIG. 19 (b), it was confirmed that the blue LED of 0.65 W was operated due to the electrode fabric according to the fifth embodiment.
도 19의 (c)를 참조하면, 상술된 도 19의 (b) 회로를 5분의 시간 동안 작동 시킨 후 사진촬영 하였다. 도 19의 (c)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 3에 따른 전극 직물은, 0.65W의 blue LED를 5분의 시간 동안 작동시키는 저장 용량을 갖는 것을 알 수 있다. Referring to Fig. 19 (c), the above-described circuit (b) of Fig. 19 was operated for 5 minutes and then photographed. As can be seen in FIG. 19 (c), the electrode fabric according to Example 3 has a storage capacity of operating a 0.65 W blue LED for 5 minutes.
도 20은 본 발명의 실시 예 5에 따른 전극 직물을 직렬 연결 및 병렬 연결한 경우 전기화학특성을 나타내는 그래프이다. 20 is a graph showing electrochemical characteristics when the electrode fabrics according to the fifth embodiment of the present invention are connected in series and in parallel.
도 20의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예 5에 따른 전극 직물이 하나인 경우, 두개를 직렬(series) 연결한 경우, 세개를 직렬 연결한 경우, 네개를 직렬 연결한 경우에 대해 전압에 따른 전류를 측정하고 CV 곡선을 나타내었다. 도 20의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 5에 따른 전극 직물의 개수를 증가시켜 직렬연결 시키는 경우, 상기 실시 예 5에 따른 전극 직물의 개수가 증가할수록 CV 곡선의 면적이 점차 증가하는 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 20 (a), in the case of one electrode fabric according to the fifth embodiment, when two are connected in series, three are connected in series, and four are connected in series, And the CV curve is shown. 20 (a), when the number of electrode fabrics according to the fifth embodiment is increased and connected in series, the area of the CV curve gradually increases as the number of electrode fabrics according to the fifth embodiment increases .
도 20의 (b)를 참조하면, 상기 실시 예 5에 따른 전극 직물이 하나인 경우, 두개를 병렬(parallel) 연결한 경우, 세개를 병렬 연결한 경우, 네개를 병렬 연결한 경우에 대해 전압에 따른 전류를 측정하고 CV 곡선을 나타내었다. 도 20의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 5에 따른 전극 직물의 개수를 증가시켜 병렬연결 시키는 경우, 1V의 전압에서 상기 실시 예 5에 따른 전극 직물의 개수가 증가할수록 전류가 3.2 mA까지 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예 5에 따른 전극 직물이 슈퍼커패시터로서 사용 가능하다는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 20 (b), when two electrode fabrics according to the fifth embodiment are connected in parallel, three are connected in parallel, and four are connected in parallel, And the CV curve is shown. As can be seen from FIG. 20 (b), when the number of the electrode fabrics according to the fifth embodiment is increased and connected in parallel, as the number of the electrode fabrics according to the
도 21은 본 발명의 실시 예 5에 따른 전극 직물을 직렬 연결한 경우와 병렬 연결한 경우에 대해 특성을 비교한 그래프이다. FIG. 21 is a graph comparing characteristics of the electrode fabric according to the fifth embodiment of the present invention in a case where the electrode cloth is connected in series and a case where the electrode cloth is connected in parallel. FIG.
도 21을 참조하면, 상기 실시 예 5에 따른 전극 직물 4개를 각각 직렬 연결 및 병렬 연결하여 스캔 레이트에 따른 areal energy(μWh/cm2)를 측정하였다. 도 21에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 5에 따른 전극 직물 4개를 직렬 연결한 경우 10 mV/s 스캔 레이트에서 142 μWh/cm2의 areal energy를 나타내고, 병렬 연결한 경우 10 mV/s 스캔 레이트에서 86.2 μWh/cm2의 areal energy를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예 5에 따른 전극 직물을 여러 개 연결하는 경우, 직렬 연결하는 것이 더 효율적이라는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 21, areal energy (μWh / cm 2 ) according to the scan rate was measured by connecting four electrode fabrics according to the fifth embodiment in series connection and parallel connection. As can be seen from FIG. 21, when four electrode fabrics according to the fifth embodiment are connected in series, the areal energy of 142 μWh / cm 2 is exhibited at a scan rate of 10 mV / s. And 86.2 μWh / cm 2 , respectively. Accordingly, it can be seen that, when a plurality of electrode fabrics according to the fifth embodiment are connected, serial connection is more efficient.
도 22는 본 발명의 실시 예 5에 따른 전극 직물의 내구성을 나타내는 그래프이다. 22 is a graph showing the durability of the electrode fabric according to the fifth embodiment of the present invention.
도 22를 참조하면, 상기 실시 예 5에 따른 전극 직물을 원래 상태(pristine), 동력학적으로 구부린 상태(dynamically bent), 100회 구부린 상태(100th bent)에 대해 전압에 따른 전류 밀도를 측정하고 CV 곡선을 나타내었다. 도 22에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 5에 따른 전극 직물은, 원래 상태, 동력학적으로 구부린 상태, 및 100회 구부린 상태의 CV 곡선 면적이 실직적으로 동일한 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예 5에 따른 전극 직물은 우수한 내구성을 갖는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 22, the current density according to the voltage is measured for a pristine state, a dynamically bent state, and a 100th bent state of the electrode fabric according to the fifth embodiment, Respectively. As can be seen from FIG. 22, it was confirmed that the electrode fabric according to Example 5 was practically identical in the CV curve area in the original state, the dynamically bent state, and the
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the scope of the present invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will also be appreciated that many modifications and variations will be apparent to those skilled in the art without departing from the scope of the present invention.
100, 200: 기판
110: 제1 탄소나노튜브 시트
120: 환원된 그래핀 산화물
130: 제1 전극 섬유
210: 제2 탄소나노튜브 시트
220: 이산화망간
230: 제2 전극 섬유
300: 전해질
400: 슈퍼커패시터100, 200: substrate
110: first carbon nanotube sheet
120: Reduced graphene oxide
130: first electrode fiber
210: a second carbon nanotube sheet
220: manganese dioxide
230: second electrode fiber
300: electrolyte
400: Super capacitor
Claims (11)
이산화망간, 및 상기 이산화망간을 둘러싸도록 꼬인 제2 탄소나노튜브 시트를 포함하는 제2 전극 섬유; 및
상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유 사이의 전해질을 포함하는 슈퍼커패시터.
A first electrode fiber comprising a reduced graphene oxide and a first carbon nanotube sheet twisted to surround the reduced graphene oxide;
A second electrode fiber comprising a manganese dioxide, and a second carbon nanotube sheet twisted to surround the manganese dioxide; And
And an electrolyte between the first electrode fiber and the second electrode fiber.
상기 제1 전극 섬유에서 상기 환원된 그래핀 산화물의 wt%가, 상기 제2 전극 섬유에서 상기 이산화망간의 wt%보다, 높은 것을 포함하는 슈퍼커패시터.
The method according to claim 1,
Wherein the wt% of the reduced graphene oxide in the first electrode fiber is higher than the wt% of the manganese dioxide in the second electrode fiber.
상기 제1 전극 섬유에서 상기 제1 탄소나노튜브 시트의 개수는, 상기 제2 전극 섬유에서 상기 제2 탄소나노튜브 시트의 개수보다, 많은 것을 포함하는 슈퍼커패시터.
The method according to claim 1,
Wherein the number of the first carbon nanotube sheets in the first electrode fibers is larger than the number of the second carbon nanotube sheets in the second electrode fibers.
상기 환원된 그래핀 산화물은 질소 도핑된 것을 포함하는 슈퍼커패시터.
The method according to claim 1,
Wherein the reduced graphene oxide comprises nitrogen doped.
상기 제1 및 제2 탄소나노튜브 시트는, 말리고(rolled) 적층된(stacked) 형태로 제공되고,
말리고 적층된 상기 제1 및 제2 탄소나노튜브 시트 사이에, 상기 환원된 그래핀 산화물 및 상기 이산화망간이 각각 제공되는 것을 포함하는 슈퍼커패시터.
The method according to claim 1,
The first and second carbon nanotube sheets are provided in a rolled stacked form,
Wherein the reduced graphene oxide and the manganese dioxide are provided between the first and second carbon nanotube sheets that are laminated and dried, respectively.
상기 제1 및 제2 전극 섬유는 제1 방향으로 연장하고,
상기 제1 방향을 법선으로 갖는 제1 평면으로 절취한 단면에서, 상기 제1 및 제2 탄소나노튜브 시트의 단면은 나선형(spiral)으로 제공되는 것을 포함하는 슈퍼커패시터.
The method according to claim 1,
Wherein the first and second electrode fibers extend in a first direction,
Wherein a cross section of the first and second carbon nanotube sheets is provided in a spiral shape in a cross section cut into a first plane having a normal line in the first direction.
상기 제1 전극 섬유에서, 상기 환원된 그래핀 산화물의 wt%가 상기 제1 탄소나노튜브 시트의 wt%보다 높고,
상기 제2 전극 섬유에서, 상기 이산화망간의 wt%가 상기 제2 탄소나노튜브 시트의 wt%보다 높은 것을 포함하는 슈퍼커패시터.
The method according to claim 1,
In the first electrode fiber, the wt% of the reduced graphene oxide is higher than the wt% of the first carbon nanotube sheet,
Wherein in the second electrode fiber, wt% of the manganese dioxide is higher than wt% of the second carbon nanotube sheet.
상기 제1 탄소나노튜브 시트 상에, 환원된 그래핀 산화물을 제공하는 단계;
상기 환원된 그래핀 산화물이 제공된 상기 제1 탄소나노튜브 시트를 꼬아서, 제1 전극 섬유를 제조하는 단계;
제2 탄소나노튜브 시트를 준비하는 단계;
상기 제2 탄소나노튜브 시트 상에, 이산화망간을 제공하는 단계;
상기 이산화망간이 제공된 상기 제2 탄소나노튜브 시트를 꼬아서, 제2 전극 섬유를 제조하는 단계; 및
상기 제1 및 제2 전극 섬유를 전해질로 코팅하는 단계를 포함하는 슈퍼커패시터의 제조 방법.
Preparing a first carbon nanotube sheet;
Providing a reduced graphene oxide on the first carbon nanotube sheet;
Twisting the first carbon nanotube sheet provided with the reduced graphene oxide to produce a first electrode fiber;
Preparing a second carbon nanotube sheet;
Providing manganese dioxide on the second carbon nanotube sheet;
Twisting the second carbon nanotube sheet provided with manganese dioxide to produce a second electrode fiber; And
And coating the first and second electrode fibers with an electrolyte.
상기 환원된 그래핀 산화물을 상기 제1 탄소나노튜브 시트에 제공하는 단계, 및 상기 이산화망간을 상기 제2 탄소나노튜브 시트에 제공하는 단계는, 용액 공정으로 수행되는 것을 포함하는 슈퍼커패시터의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
Providing the reduced graphene oxide to the first carbon nanotube sheet, and providing the manganese dioxide to the second carbon nanotube sheet is performed by a solution process.
상기 환원된 그래핀 산화물을 상기 제1 탄소나노튜브 시트에 제공하는 단계는,
상기 환원된 그래핀 산화물이 분산된 제1 소스 용액을 준비하는 단계; 및
상기 제1 소스 용액을 상기 제1 탄소나노튜브 시트 상에 제공하는 단계를 포함하고,
상기 이산화망간을 상기 제2 탄소나노튜브 시트에 제공하는 단계는,
상기 이산화망간이 분산된 제2 소스 용액을 준비하는 단계; 및
상기 제2 소스 용액을 상기 제2 탄소나노튜브 시트 상에 제공하는 단계를 포함하고,
상기 제1 소스 용액 내 상기 환원된 그래핀 산화물의 wt%가, 상기 제2 소스 용액 내 상기 이산화망간의 wt%보다 높은 것을 포함하는 슈퍼커패시터의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the step of providing the reduced graphene oxide to the first carbon nanotube sheet comprises:
Preparing a first source solution in which the reduced graphene oxide is dispersed; And
Providing the first source solution on the first carbon nanotube sheet,
Wherein the step of providing the manganese dioxide to the second carbon nanotube sheet comprises:
Preparing a second source solution in which the manganese dioxide is dispersed; And
And providing the second source solution on the second carbon nanotube sheet,
Wherein the wt% of the reduced graphene oxide in the first source solution is higher than the wt% of the manganese dioxide in the second source solution.
상기 환원된 그래핀 산화물을 상기 제1 탄소나노튜브 시트에 제공하는 단계는,
상기 환원된 그래핀 산화물이 분산된 제1 소스 용액을 상기 제1 탄소나노튜트 시트 상에 제공하는 단계, 및 상기 제1 소스 용액이 제공된 상기 제1 탄소나노튜브 시트를 건조하는 단계를 복수회 반복 수행하는 것을 포함하는 슈퍼커패시터의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the step of providing the reduced graphene oxide to the first carbon nanotube sheet comprises:
Providing a first source solution in which the reduced graphene oxide is dispersed on the first carbon nanotube sheet and drying the first carbon nanotube sheet provided with the first source solution repeated a plurality of times Wherein the step of forming the super capacitor comprises the steps of:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020170141432A KR102411723B1 (en) | 2017-10-27 | 2017-10-27 | Asymmetric super capacitor and method of fabricating of the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020170141432A KR102411723B1 (en) | 2017-10-27 | 2017-10-27 | Asymmetric super capacitor and method of fabricating of the same |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20190047490A true KR20190047490A (en) | 2019-05-08 |
KR102411723B1 KR102411723B1 (en) | 2022-06-21 |
Family
ID=66580455
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020170141432A KR102411723B1 (en) | 2017-10-27 | 2017-10-27 | Asymmetric super capacitor and method of fabricating of the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR102411723B1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111029170A (en) * | 2019-12-24 | 2020-04-17 | 郑州四维特种材料有限责任公司 | Method for preparing novel flexible energy storage material |
KR20210000045A (en) * | 2019-06-24 | 2021-01-04 | 순천향대학교 산학협력단 | fibre type supercapacitor and preparation method thereof |
KR20220072214A (en) * | 2020-11-25 | 2022-06-02 | 경상국립대학교산학협력단 | Flexible super capacitor and manufacturing method thereof |
KR20220114240A (en) * | 2021-02-08 | 2022-08-17 | 경상국립대학교산학협력단 | Flexible fibrous super capacitor and manufacturing method thereof |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20130006957A (en) | 2011-06-28 | 2013-01-18 | 한국세라믹기술원 | Supercapacitor and manufacturing method of the same |
KR101365108B1 (en) * | 2012-11-21 | 2014-02-20 | 한양대학교 산학협력단 | Multi scrolled yarn electrode fiber and its preparing method |
KR101476988B1 (en) * | 2014-01-24 | 2014-12-30 | 한양대학교 산학협력단 | Stretchable Yarned Structure for Supercapacitor |
KR101523665B1 (en) * | 2013-12-17 | 2015-05-28 | 한양대학교 산학협력단 | Flexible Yarned Structure for Supercapacitor |
KR20170109785A (en) * | 2016-03-22 | 2017-10-10 | 재단법인대구경북과학기술원 | Graphene-Reduced Graphene Oxide Composite and Method for Preparing the Same |
-
2017
- 2017-10-27 KR KR1020170141432A patent/KR102411723B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20130006957A (en) | 2011-06-28 | 2013-01-18 | 한국세라믹기술원 | Supercapacitor and manufacturing method of the same |
KR101365108B1 (en) * | 2012-11-21 | 2014-02-20 | 한양대학교 산학협력단 | Multi scrolled yarn electrode fiber and its preparing method |
KR101523665B1 (en) * | 2013-12-17 | 2015-05-28 | 한양대학교 산학협력단 | Flexible Yarned Structure for Supercapacitor |
KR101476988B1 (en) * | 2014-01-24 | 2014-12-30 | 한양대학교 산학협력단 | Stretchable Yarned Structure for Supercapacitor |
KR20170109785A (en) * | 2016-03-22 | 2017-10-10 | 재단법인대구경북과학기술원 | Graphene-Reduced Graphene Oxide Composite and Method for Preparing the Same |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20210000045A (en) * | 2019-06-24 | 2021-01-04 | 순천향대학교 산학협력단 | fibre type supercapacitor and preparation method thereof |
CN111029170A (en) * | 2019-12-24 | 2020-04-17 | 郑州四维特种材料有限责任公司 | Method for preparing novel flexible energy storage material |
CN111029170B (en) * | 2019-12-24 | 2021-06-04 | 郑州四维特种材料有限责任公司 | Method for preparing flexible energy storage material |
KR20220072214A (en) * | 2020-11-25 | 2022-06-02 | 경상국립대학교산학협력단 | Flexible super capacitor and manufacturing method thereof |
KR20220114240A (en) * | 2021-02-08 | 2022-08-17 | 경상국립대학교산학협력단 | Flexible fibrous super capacitor and manufacturing method thereof |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR102411723B1 (en) | 2022-06-21 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Gopalsamy et al. | Bismuth oxide nanotubes–graphene fiber-based flexible supercapacitors | |
Liu et al. | High-performance coaxial wire-shaped supercapacitors using ionogel electrolyte toward sustainable energy system | |
KR102508466B1 (en) | Ag-Zn cell and method of fabricating of the same | |
Senthilkumar et al. | Advances and prospects of fiber supercapacitors | |
US9514892B2 (en) | Yarn-type micro-supercapacitor method for fabricating same | |
Zheng et al. | Nanocellulose-mediated hybrid polyaniline electrodes for high performance flexible supercapacitors | |
Wu et al. | A flexible asymmetric fibered-supercapacitor based on unique Co3O4@ PPy core-shell nanorod arrays electrode | |
Choi et al. | Weavable asymmetric carbon nanotube yarn supercapacitor for electronic textiles | |
KR102411723B1 (en) | Asymmetric super capacitor and method of fabricating of the same | |
Park et al. | Highly loaded MXene/carbon nanotube yarn electrodes for improved asymmetric supercapacitor performance | |
KR100649092B1 (en) | Metal oxide supercapacitor having metal oxide electrode coated onto the titanium dioxide ultrafine and its fabrication method | |
KR102129314B1 (en) | MXen/Carbon Nanotube Composites and Fiber-typed Asymmetric Supercapacitors Using the Same | |
Wang et al. | High performance two-ply carbon nanocomposite yarn supercapacitors enhanced with a platinum filament and in situ polymerized polyaniline nanowires | |
KR101961005B1 (en) | Electrode yarn, method of fabricating of the same, and super capacitor comprising of the same | |
US20160104582A1 (en) | Periodic nanostructures for high energy-density and high power-density devices and systems and uses thereof | |
WO2015163820A1 (en) | Method of preparing a graphene oxide-carbon fiber hybrid filament | |
CN102103935A (en) | Super capacitor | |
KR102085443B1 (en) | Manufacturing method of nitrogen/fluorine co-doped hollow carbon sphere and its application to supercapacitor | |
Cheng et al. | Three dimensional manganese oxide on carbon nanotube hydrogels for asymmetric supercapacitors | |
Su et al. | Flexible two-ply yarn supercapacitors based on carbon nanotube/stainless steel core spun yarns decorated with Co3O4 nanoparticles and MnOx composites | |
Ye et al. | A true cable assembly with a carbon nanotube sheath and nickel wire core: a fully flexible electrode integrating energy storage and electrical conduction | |
Cai et al. | Preparation of sulfur-doped graphene fibers and their application in flexible fibriform micro-supercapacitors | |
US9378900B2 (en) | Solid electrochemical supercapacitor | |
Vidyadharan et al. | Improved supercapacitive charge storage in electrospun niobium doped titania nanowires | |
KR102098690B1 (en) | Wet-spun Electrode Fibers and Supercapacitors There upon |
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 |