KR20190110944A - Vacuum Hybrid Supercapacitor - Google Patents

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KR20190110944A
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Abstract

The present invention relates to a vacuum hybrid supercapacitor which makes electric charges charged in a vacuum and has dual charging properties, and more particularly, to a vacuum hybrid supercapacitor having electrodes and an electrolyte, which has the electrodes installed inside a vacuum chamber and fills the vacuum chamber with the electrolyte comprising ion-containing fullerenes or ion-containing fullerene salts, thereby performing charging by means of the ions contained in the fullerenes and performing charging by means of the fullerenes. The present invention enables primary charging using the ions contained in the ion-containing fullerenes and secondary charging using the degenerated molecular trajectory of the ion-containing fullerenes. Compared with performing only charging by means of the ions contained in the ion-containing fullerenes, the charging capacity is significantly increased six times, and the charging is further facilitated by the ions contained in the fullerenes. Further, the charging is performed in the vacuum to fundamentally block a problem such as decomposition of the electrolyte, thereby enabling the charging even with a voltage of hundreds of thousands of kv. Further, by using the fullerenes of a nanosize as the electrolyte, the energy storage density can be significantly increased, thereby making it possible to produce a compact and lightweight vacuum hybrid supercapacitor and increasing the charging and discharging characteristics.

Description

진공 하이브리드 슈퍼커패시터{Vacuum Hybrid Supercapacitor}Vacuum Hybrid Supercapacitor

본 발명은 전하의 충전 작용이 진공 중에서 이루어지도록 하고, 또한 이중 충전 특성을 갖도록 한 진공(Vacuum) 하이브리드(Hybrid) 슈퍼커패시터( Supercapacitor)에 관한 것으로, 특히, 진공 챔버 내부에 전극을 설치하고, 이온이 내포된 풀러렌(Fullerene)(이하 "이온내포풀러렌"이라 한다.)을 전해질로 사용하며, 이온내포풀러렌에 대해 분극성과 전도성을 갖는 물질로 전극을 구성한 후, 이 이온내포풀러렌의 환원 전위 이상의 전압에서 충전이 이루어지도록 함으로써, 이온내포풀러렌에 내포된 이온에 의한 충전(1차 충전)과 이온내포풀러렌 자체에 의한 충전(2차 충전)이 이루어지도록 한 전혀 새로운 개념의 진공 하이브리드 슈퍼커패시터이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vacuum hybrid supercapacitor in which charge charging action is carried out in a vacuum and also double charging characteristics. In particular, an electrode is installed inside a vacuum chamber, and This embedded fullerene (hereinafter referred to as "ion-containing fullerene") is used as an electrolyte, and an electrode is composed of a material having polarization and conductivity with respect to the ion-containing fullerene, and then the voltage above the reduction potential of the ion-containing fullerene. It is a vacuum hybrid supercapacitor of a completely new concept that the charging is performed at, so that charging (primary charging) by ions contained in the ion-containing fullerene and charging by the ion-containing fullerene itself (secondary charging) are performed.

이러한 본 발명은 아주 낮은 전압부터 수십만 kV에 이르는 전압에 이르기 까지 충전이 가능함은 물론, 충전 용량을 비약적으로 향상시키고, 충전 특성 및 방전 특성을 향상시키며, 물리적, 화학적으로 안정하다는 장점이 있다. 또한, 나노 사이즈의 분자인 풀러렌을 이용함으로써 에너지 밀도를 높임은 물론 소형화, 경량화할 수 있다는 장점 등이 있다.The present invention is capable of charging from a very low voltage to a voltage of up to several hundred thousand kV, as well as dramatically improving the charging capacity, improving the charging and discharging characteristics, and has the advantages of being physically and chemically stable. In addition, the use of fullerene, a nano-sized molecule, has the advantage of increasing energy density, miniaturization, and weight reduction.

본 명세서에 있어서, 이온내포풀러렌에 내포된 이온에 의한 충전과, 이온내포풀러렌 자체에 의한 충전이 모두 이루어지는 새로운 개념의 슈퍼커패시터를 "하이브리드 커패시터"라 한다. 이하 같다.In the present specification, a new concept of a supercapacitor in which both the charge by the ions contained in the ion-containing fullerene and the charge by the ion-containing fullerene itself are performed is referred to as a "hybrid capacitor". Same as below.

또한, 본 명세서에 있어서 이온내포풀러렌에 대해 분극성을 갖는 전극이라 함은, 활성탄 전극과 같이 분극을 형성하면서도 이온내포풀러렌과 전극이 물리적 결합을 하지 않는 전극을 말한다. 이하 같다.In addition, in this specification, an electrode which has polarization with respect to an ion-containing fullerene means the electrode which forms a polarization like an activated carbon electrode, but does not physically couple an ion-containing fullerene and an electrode. Same as below.

또한, 본 명세서에 있어서, 이온내포풀러렌에 대해 분극성과 전도성을 갖는 전극이라 함은, 할로젠 원소를 도핑하여 전도성을 갖도록 한 활성탄과 같이, 이온내포풀러렌이 전극과 물리적 결합을 하지 않으면서도 전극을 통해 이온내포풀러렌으로 전자 이동이 가능한 전극을 말한다. 즉, 이온내포풀러렌에 내포된 이온과 전극은 분극을 형성하지만, 이온내포풀러렌 자체에는 전극을 통해 전자의 이동이 있는 가능한 전극을 말한다. 이하 같다.In addition, in the present specification, the electrode having polarity and conductivity with respect to the ion-containing fullerene is, like activated carbon doped with a halogen element to have conductivity, the ion-containing fullerene does not have to be physically bonded to the electrode. It refers to an electrode capable of electron transfer to the ion-encapsulated fullerene through. In other words, the ion and the electrode contained in the ionic fullerene form a polarization, but the ion-full fullerene itself refers to an electrode capable of moving electrons through the electrode. Same as below.

주지하다시피 전기에너지를 저장하는 방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫 번째는 이온의 산화환원 반응을 이용하여 전기에너지를 화학에너지로 저장하는 전해식(Electrolytic) 저장 방법이고, 두 번째는 두 전극 사이의 분극현상을 이용하여 전기에너지를 전기에너지 자체로 저장하는 정전기식(Electrostatic) 저장 방법이다.As is well known, there are two ways to store electrical energy. The first is an electrolytic storage method that stores electrical energy as chemical energy by using redox reactions of ions. The second is an electrostatic storage method that stores electrical energy as electrical energy itself by using polarization between two electrodes. Electrostatic storage method.

납축전지, 니켈카드뮴 전지, 니켈수소 전지, 리튬이온폴리머 전지 등과 같은 2차 전지는 화학에너지와 전기에너지 사이의 가역적인 상호 변환을 통해 충전과 방전을 반복하여 재사용할 수 있도록 하는 첫 번째 전해식 저장 방법의 예이고, 두 극판 사이의 분극현상을 이용하여 충전과 방전을 반복하여 재사용할 수 있도록 하는 커패시터는 두 번째 정전기식 저장 방법의 예이다. 본 명세서에 있어서 상기 전해식 저장 방법에 의한 배터리를 "화학배터리"라 한다. 이하 같다.Secondary batteries such as lead acid batteries, nickel cadmium batteries, nickel hydrogen batteries, and lithium ion polymer batteries are the first electrolytic storage that can be repeatedly reused for charging and discharging through reversible interconversion between chemical and electrical energy. An example of the method is a second electrostatic storage method, which is a capacitor that allows repetitive charge and discharge using polarization between two pole plates. In the present specification, the battery by the electrolytic storage method is referred to as a "chemical battery". Same as below.

화학배터리는 에너지 밀도가 높아 대용량의 에너지를 저장할 수 있다는 장점이 있는 반면, 전기에너지와 화학에너지 사이의 상호 변환 시 에너지 변환 손실이 발생하고, 열이 발생하며, 화재 및 폭발 위험이 있고, 대용량의 에너지를 짧은 시간 안에 충전 및 방전할 수 없어 충전 시간이 길어짐은 물론, 충전이 어렵고, 방전 특성이 저하되며, 수명이 짧고, 공해물질을 배출시킨다는 단점이 있다.Chemical batteries have the advantage of being able to store large amounts of energy due to their high energy density, while converting between electrical and chemical energy causes loss of energy conversion, generates heat, risks of fire and explosion, Since the energy cannot be charged and discharged in a short time, the charging time is long, the charging is difficult, the discharge characteristics are deteriorated, the life is short, and the pollutants are discharged.

커패시터는 충전과 방전 시 에너지 변환 손실이 없고, 열이 발생하지 않으며, 폭발 위험이 없고, 수명이 무제한에 가깝도록 길며, 급속 충전 및 급속 방전이 가능하고, 공해물질 배출이 없다는 장점이 있는 반면, 에너지 밀도가 낮아 대용량의 에너지를 저장할 수 없다는 단점이 있다. Capacitors have the advantages of no energy conversion loss during charging and discharging, no heat generation, no risk of explosion, long life to an unlimited number, fast charging and rapid discharge, no pollution emissions, The low energy density has the disadvantage of not storing large amounts of energy.

따라서 화학배터리의 장점과 커패시터의 장점을 모두 가지면서도 단점은 없앤 에너지 저장장치에 대한 연구가 지속적으로 이루어져 왔다.Therefore, research on energy storage devices having both the advantages of chemical batteries and the advantages of capacitors, but without the disadvantages, has been continuously conducted.

기술이 발전함에 따라 커패시터의 에너지 밀도를 현저하게 높여 대용량 충전이 가능하도록 한 슈퍼커패시터(Supercapacitor)가 개발됨으로써, 화학배터리의 장점과 커패시터의 장점을 충족하는 에너지 저장이 가능하게 되었다.As technology has advanced, supercapacitors have been developed that significantly increase the energy density of capacitors to enable high-capacity charging, enabling energy storage to meet the advantages of chemical batteries and capacitors.

슈퍼커패시터는 화학반응을 이용하는 전해식 배터리와는 달리, 단위 셀 전극의 양단에 전압을 인가하면 전해액 내의 이온들이 전기장을 따라 이동되고, 이동된 이온이 전극 표면에 흡착되어 전하가 축전되는 전기화학적 메커니즘을 이용하는 것으로, 전해식 또는 정전기식과 구분하여 전기화학식 커패시터(Electrochemacal capacitor)라고도 한다. 이러한 슈퍼커패시터는 전극과 전해질 계면으로의 이온 이동과 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용하므로, 급속 충방전이 가능하고, 높은 충방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명이 가능하며, 화학배터리보다 높은 고출력이 가능하고 환경 친화적이어서 전기자동차, 휴대전화, 카메라 플래시, 드론 등의 차세대 에너지저장장치로 각광받고 있다.Unlike electrolytic batteries that use chemical reactions, supercapacitors are electrochemical mechanisms whereby voltages across the unit cell electrodes move along the electric field, and the transferred ions are adsorbed on the electrode surface to accumulate charge. It is also referred to as an electrochemical capacitor (Electrochemacal capacitor) separately from the electrolytic or electrostatic. Since the supercapacitor utilizes ion migration to the electrode and electrolyte interface and charging by surface chemical reaction, rapid charge and discharge is possible, high charge and discharge efficiency and semi-permanent cycle life are possible, and higher power than chemical battery. It is possible and environmentally friendly, making it the next generation energy storage device for electric vehicles, mobile phones, camera flashes, and drones.

이러한 슈퍼커패시터는 사용되는 전극 및 메커니즘에 따라 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor: ELDC), 유사 커패시터(Pseudo Capacitor), 하이브리드 커패시터(Hybrid capacitor) 등으로 구분된다. Such supercapacitors are classified into Electric Double Layer Capacitors (ELDC), Pseudo Capacitors, and Hybrid Capacitors according to electrodes and mechanisms used.

일반적으로 전기이중층 커패시터는, 서로 마주하는 두 개의 다공성 전극(Electrode)과, 상기 다공성 전극 사이에 충진되는 전해질(Electrolyte)과, 상기 다공성 전극을 전기적으로 분리하는 분리막(Separator)과, 전극이 형성되는 집전체(Current Collector) 및 케이스 등을 기본 구조로 하여 이루어진다. 이러한 전기이중층 커패시터는 전극 양단에 전위차가 가해지면 두 전극 각각에 양전하(+)와 음전하(-)가 모이고 이로 인해 전해질 내에서 각각의 전극 주위에 반대되는 전하 이온들이 모여 전기적 이중층을 형성함으로써 이온의 저장이 일어나는 현상을 이용한 것으로, 상기 다공성 전극으로 인한 표면적의 상승과 전기 이중층이 형성되는 특성을 이용하여 대용량의 에너지 저장이 가능하도록 한 것이다.In general, an electric double layer capacitor includes two porous electrodes facing each other, an electrolyte filled between the porous electrodes, a separator for electrically separating the porous electrodes, and an electrode formed thereon. The basic structure is made of a current collector and a case. In the electric double layer capacitor, when a potential difference is applied across the electrodes, positive and negative charges are collected at each of the two electrodes, and thus, opposite charge ions are collected around each electrode in the electrolyte to form an electrical double layer. The storage occurs by using the phenomenon that the surface area is increased due to the porous electrode and the electric double layer is formed to enable a large amount of energy storage.

유사 커패시터는 전극과 전기화학 산화물 반응물의 산화환원 반응을 이용하는 커패시터로, 전기이중층 커패시터가 전극 표면에 형성된 이중층에만 전하를 저장하는 데 비하여 전극 재료의 표면 근처까지 전하를 저장할 수 있어 높은 에너지 밀도를 갖도록 한 커패시터이다.A pseudocapacitor is a capacitor that uses a redox reaction of an electrode and an electrochemical oxide reactant. An electric double layer capacitor can store charge close to the surface of an electrode material as compared to a double layer formed on an electrode surface, so that a high energy density can be obtained. One capacitor.

하이브리드 커패시터는 양극과 음극에 작동전압 영역 및 비축전용량이 서로 다른 비대칭전극을 사용함으로써, 한쪽 전극은 고용량 특성의 전극재료를 사용하고, 다른 전극은 고출력 특성의 전극재료를 사용하여 용량 특성을 개선한 것으로, 고출력 특성 손실을 최소화하고, 높은 작동 전압 및 높은 에너지 밀도를 갖도록 한 커패시터이다. Hybrid capacitors use asymmetric electrodes with different operating voltage ranges and specific capacitances for the positive and negative electrodes, so that one electrode uses high-capacity electrode materials and the other uses high-output electrode materials to improve capacitance characteristics. It is a capacitor which minimizes a high output characteristic loss and has high operating voltage and high energy density.

슈퍼커패시터의 용량을 더욱 높이고 소형화 하며 충방전 특성을 향상시키기 위해 더욱 많은 연구가 이루어지고 있으며, 이러한 연구는 넓은 표면적과 높은 전도성 및 전기화학적 안정성을 갖는 전극물질과 전해질에 대한 연구로 집중되고 있다.In order to further increase the capacity and size of supercapacitors, and to improve charge and discharge characteristics, more research is being conducted. This research has been focused on the study of electrode materials and electrolytes having a large surface area and high conductivity and electrochemical stability.

전극의 비표면적을 높이기 위한 전극 재질 중 많은 주목을 받는 탄소전극재질로는 활성탄(Active carbon), 활성탄소섬유(Active carbon fiber), 비정질탄소(Glassy carbon), 탄소에어로젤(Carbon aerogel) 등이 있으며, 이러한 전극의 비표면적을 더욱 높이기 위해 다양한 방법의 가공이 이루어지고 있다. 활성탄의 경우 2 ~ 50nm의 세공과 1,000 ~ 3,000㎡/g의 표면적을 가지며, 전기전도도가 높고 성형이 용이하여 많이 사용된다.Among the electrode materials to increase the specific surface area of the electrode, carbon electrode materials that attract a lot of attention include activated carbon, active carbon fiber, amorphous carbon, and carbon aerogel. In order to further increase the specific surface area of these electrodes, various methods of processing have been performed. Activated carbon has a pore of 2 to 50 nm and a surface area of 1,000 to 3,000 m 2 / g, and has high electrical conductivity and is easily used for molding.

전해질은 수용성과 비수용성(유기성)으로 구분되는데, 수용성 전해질의 경우에는 출력특성이 높은 반면 에너지 밀도가 낮다는 특징이 있으며, 유기성 전해질의 경우에는 저항특성이 낮은 반면 에너지밀도가 높다는 특징이 있다. 이러한 전해질은 용매와 용질에 따라 그 특성이 달라지며 용매의 내부저항 특성과, 용해도 특성 및 화학반응 속도를 고려하여 많은 연구가 이루어지고 있다.The electrolyte is classified into water-soluble and non-water-soluble (organic). In the case of the water-soluble electrolyte, the output characteristics are high while the energy density is low. In the case of the organic electrolyte, the resistance characteristics are low while the energy density is high. The characteristics of the electrolyte vary depending on the solvent and the solute, and many studies have been conducted in consideration of the internal resistance, the solubility, and the chemical reaction rate of the solvent.

기술이 더욱 발전함에 따라 그래핀(Graphene)과 탄소나노튜브(Carbon nanotube)를 전극으로 사용할 수 있게 됨으로써 슈퍼커패시터의 용량이 더욱 커지고 특성이 향상되었다. As technology advances, graphene and carbon nanotubes can be used as electrodes, resulting in higher capacity and improved characteristics of supercapacitors.

그래핀은 탄소가 육각형의 형태로 서로 연결되어 벌집 모양의 2차원 평면 구조를 이루는 물질이며, 탄소나노튜브는 탄소 6개로 이루어진 육각 모양이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있는 것으로 합성 조건에 따라 관의 지름을 다르게 할 수 있다. 대한민국 특허출원 제10-2015-7006745호 "높은 분산성의 그래핀 조성물, 그의 제조방법 및 높은 분산성의 그래핀 조성물을 함유하는 리튬 이온 이차 배터리의 전극", 대한민국 등록특허 제10-1486658호 "고성능 슈퍼커패시터 전극을 위한 그래핀 기반 전극재료 및 이를 포함하는 슈퍼커패시터"에는 그래핀을 전극으로 사용하는 기술에 대한 일례가 기술되어 있으며, 대한민국 특허출원 제10-2013-7033691호 "탄소나노튜브 기반 전극 및 재충전 가능한 배터리", 대한민국 등록특허 제10-1600185호 "배터리용 전극 및 그 제조방법"에는 탄소나노튜브를 전극으로 사용하는 기술에 대한 일례가 기술되어 있다.Graphene is a material in which two carbons are connected to each other in a hexagonal shape to form a honeycomb two-dimensional planar structure. Carbon nanotubes are formed by connecting six hexagonal shapes consisting of six carbons to each other to form a tubular shape. The diameter can be different. Republic of Korea Patent Application No. 10-2015-7006745 "Highly dispersible graphene composition, its manufacturing method and electrode of a lithium ion secondary battery containing a highly dispersible graphene composition", Republic of Korea Patent No. 10-1486658 "High Performance Super Graphene-based electrode materials for capacitor electrodes and supercapacitors including the same are described as an example of a technique using graphene as an electrode, and Korean Patent Application No. 10-2013-7033691 "Carbon Nanotube-Based Electrode and Rechargeable battery ", Republic of Korea Patent No. 10-1600185" Battery electrode and its manufacturing method "describes an example of a technique using a carbon nanotube as an electrode.

나노 기술의 발전과 탄소 재질에 대한 연구가 심화됨에 따라 탄소의 다른 존재 형태인 풀러렌(Fullerene)이 발견되어 슈퍼커패시터에 응용되고 있다.As nanotechnology advances and studies on carbon materials intensify, fullerenes, which are other forms of carbon, have been discovered and applied to supercapacitors.

풀러렌은 탄소 5개가 모인 5각형과 탄소 6개가 모인 6각형이 공 모양의 구체 형상으로 결합되어 중공(中空)을 형성하고 있는 것으로, 사용된 탄소 수에 따라 다양한 형태의 풀러렌이 있다. C60, C70, C72, C78, C82, C90, C94, C96 등과 같은 풀러렌이 있으며, 이보다 더 큰 탄소 수를 갖는 것도 있다. 이러한 풀러렌은 축구공의 형상을 갖거나 축구공과 유사한 구체 등의 형상으로, 중공 상의 구조적 특성을 갖는다.Fullerene is a pentagon of five carbons and a hexagon of six carbons combined in a spherical spherical shape to form a hollow, and there are various forms of fullerenes depending on the number of carbons used. There are fullerenes such as C60, C70, C72, C78, C82, C90, C94, C96 and the like, and some have larger carbon numbers. Such fullerenes have the shape of a soccer ball or a sphere, similar to a soccer ball, and have structural characteristics in the hollow phase.

풀러렌은 이와 같이 탄소 고리 배열 및 중공 상의 특이한 구조 등으로 인해 뛰어난 물리적, 화학적 성질을 갖는다. 구체적으로, 강력한 항산화성, 흡착성, 촉매성(흡착된 물질의 분해성), 전자기파 흡수성, 전기 전도성 및 다이아몬드보다 높은 강도 등의 여러 가지 유용한 물리적, 화학적 특성을 가지고 있다. Fullerene has excellent physical and chemical properties due to the carbon ring arrangement and the unique structure of the hollow phase. Specifically, it has many useful physical and chemical properties, such as strong antioxidant properties, adsorption properties, catalytic properties (decomposability of adsorbed materials), electromagnetic wave absorption properties, electrical conductivity and higher strength than diamond.

풀러렌은 카본 블랙이나 흑연을 원료로 하여 아크 방전법이나 연속 연소법 등을 통해 인공적으로 만들거나, 천연 광물로부터 추출하여 만든다. 대한민국 등록특허 제10-1515534호 "전극 소재용 풀러렌의 제조방법"에는 풀러렌 또는 이와 유사한 구조의 유사 풀러렌을 함유하는 규산염과 같은 천연광물로부터 전기화학적 방법이나 극성용매추출 방법 등을 사용하여 풀러렌을 제조하는 방법이 제시되어 있다.Fullerene is made of carbon black or graphite as an raw material, either artificially by the arc discharge method or continuous combustion method, or extracted from natural minerals. Korean Patent No. 10-1515534 "Method for producing fullerene for electrode material" is a fullerene is prepared from a natural mineral such as silicate containing a fullerene or similar fullerene using an electrochemical method or a polar solvent extraction method. Here's how.

최근에는 이러한 풀러렌의 특징을 슈퍼커패시터에 이용함으로써 슈퍼커패시터의 용량을 증가시키고 특성을 향상시키고자 하는 연구들이 지속되고 있다. 대한민국 등록특허 제10-0773585호 "연료전지용 전극의 제조 방법"에는 풀러렌을 이용한 연료전지가 제시되어 있고, 대한민국 등록특허 제10-1251635호 "풀러렌 기반 이차 전지 전극들"에는 풀러렌 물질 n≥100인 Cn의 카본 성분을 갖는 배터리용 전극 기술이 제시되어 있다.Recently, studies on increasing the capacity and improving the characteristics of supercapacitors by using the characteristics of fullerenes in supercapacitors have been continued. Republic of Korea Patent No. 10-0773585 "Method of manufacturing a fuel cell electrode" is a fuel cell using a fullerene, and Republic of Korea Patent No. 10-1251635 "Fullerene-based secondary battery electrodes" is a fullerene material n≥100 Electrode technology for batteries having a carbon component of Cn is presented.

그러나 상기와 같은 종래 기술들은 전극의 표면적을 넓히기 위해 활성탄이나 그래핀, 또는 탄소나노튜브나 풀러렌을 전극물질로 이용하고, 넓어진 전극의 표면적을 이용하여 슈퍼커패시터의 용량 및 특성을 개선시켜 왔으나 그 이용이 전극에 국한되어 있다는 한계점이 있었다. 또한 분극현상과 표면화학반응을 이용함에 있어서도 전해질에 대한 연구가 만족스럽지 못하여 에너지 저장 용량이나, 에너지 저장 밀도를 향상시키는데 한계점이 있다는 문제점 등이 있었다.However, the above-described conventional techniques use activated carbon, graphene, carbon nanotubes, or fullerene as electrode materials to increase the surface area of the electrode, and have improved the capacity and characteristics of the supercapacitor by using the surface area of the expanded electrode. There was a limitation that it was limited to this electrode. In addition, the use of polarization and surface chemical reactions is not satisfactory for the study of electrolytes, and there are problems such as limitations in improving energy storage capacity and energy storage density.

또한 종래의 기술들은 충전 전압을 높였을 경우 전해질이 제 기능을 상실하여 일정 전압 이상의 충전이 불가능하다는 문제점 및 이로 인해 높은 전압의 충전이 사실상 불가능하다는 문제점 등이 있었다.In addition, the conventional technologies have a problem in that the electrolyte loses its function when the charging voltage is increased and charging over a predetermined voltage is impossible, and therefore, the charging of the high voltage is practically impossible.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 특히, 진공 챔버 내부에 전극을 설치하고, 이온내포풀러렌을 전해질로 사용하여 슈퍼커패시터를 구성한 후, 이 이온내포풀러렌의 환원전위 이상의 전압으로 충전이 이루어지도록 하여 이온내포풀러렌에 내포된 이온에 의한 충전과, 이온내포풀러렌 자체에 의한 충전이 이루어지도록 함으로써 에너지 저장 용량과 에너지 저장 밀도를 현격하게 향상시킴은 물론, 물리적, 화학적으로 지극히 안정적인 하이브리드 슈퍼커패시터를 제공하기 위한 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems. In particular, after the electrode is installed inside the vacuum chamber and the supercapacitor is formed using the ion-containing fullerene as the electrolyte, the reduction potential of the ion-containing fullerene is higher than The charging is performed by the voltage to charge by the ions contained in the ion-full fullerene, and the charge by the ion-full fullerene itself to significantly improve the energy storage capacity and energy storage density, as well as physical and chemical extremely It is to provide a stable hybrid supercapacitor.

즉, 진공 챔버 내에서 이온내포풀러렌을 전해질로 사용하여 충전이 이루어지도록 하여 전해액을 없앰으로써 전해액 분해 등이 없으며, 이로 인해 수십만kV의 높은 전압으로 충전이 가능하도록 한 것이다.That is, there is no decomposition of the electrolyte by removing the electrolyte by using the ion-containing fullerene as the electrolyte in the vacuum chamber, thereby eliminating the electrolyte, thereby enabling charging at a high voltage of several hundred thousand kV.

또한, 이온내포풀러렌에 대해 분극성과 전도성을 갖는 물질로 전극을 구성하여 상기 전극 사이에 이온내포풀러렌을 포함하는 전해질을 충진한 후, 상기 이온내포풀러렌의 환원전위 이상의 전압을 인가하여 충전을 함으로써, 첫째, 상기 이온내포풀러렌에 내포된 이온에 의한 1차 충전이 이루어지도록 하고, 둘째, 상기 이온내포풀러렌의 축퇴된 분자궤도에 의한 2차 충전이 이루어지도록 함으로써 에너지 저장 용량 및 에너지 저장 밀도를 비약적으로 향상시킨 것이다.In addition, by forming an electrode with a material having polarity and conductivity to the ion-containing fullerene to fill the electrolyte containing the ion-containing fullerene between the electrodes, by applying a voltage higher than the reduction potential of the ion-containing fullerene to charge, Firstly, the primary charging is performed by the ions contained in the iontofullerene, and secondly, the secondary charging is performed by the degenerate molecular orbital of the iontofullerene, thereby dramatically reducing the energy storage capacity and the energy storage density. It is an improvement.

본 발명 "진공 하이브리드 슈퍼커패시터"는 전극과 전해질을 갖는 슈퍼커패시터로써, 진공 챔버의 내부에 전극을 설치하고, 이 진공 챔버 안에 이온이 내포된 풀러렌, 또는 그 염을 포함하는 전해질을 충진하여, 풀러렌에 내포된 이온에 의한 1차 충전이 이루어지고, 풀러렌 자체에 의한 2차 충전이 이루어짐을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.The present invention "vacuum hybrid supercapacitor" is a supercapacitor having an electrode and an electrolyte, the electrode is installed inside the vacuum chamber, and the fullerene is filled with an electrolyte containing a fullerene or a salt thereof containing ions in the vacuum chamber. It is characterized by the technical configuration that primary charging is performed by the ions contained in the secondary charge and secondary charging is performed by the fullerene itself.

또한 상기 전극 중 어느 하나는 이온이 내포된 풀러렌에 대해 분극성과 전도성을 갖도록 구성되고, 다른 하나는 이온이 내포된 풀러렌에 대해 분극성을 갖도록 구성되거나, 또는 분극성과 전도성을 모두 갖도록 구성됨을 특징으로 한다.In addition, any one of the electrodes is configured to have polarity and conductivity with respect to the fullerene containing ions, and the other is configured to have polarity with respect to the fullerene containing ions, or is configured to have both polarization and conductivity do.

본 발명 "진공 하이브리드 슈퍼커패시터"는 특히, 진공 챔버의 내부에 전극을 설치하고, 이온내포풀러렌을 전해질로 사용하고 상기 이온내포풀러렌에 대해 분극성과 전도성을 갖는 물질로 전극을 구성한 후, 상기 이온내포풀러렌의 환원 전위 이상의 전압으로 충전이 이루어지도록 함으로써, 이온내포풀러렌에 내포된 이온에 의한 1차 충전과, 이온내포풀러렌의 축퇴된 분자궤도에 의한 2차 충전이 이루어지게 되는 효과가 있다. In particular, the present invention "vacuum hybrid supercapacitor" includes an electrode inside a vacuum chamber, an ion-full fullerene as an electrolyte, and an electrode formed of a material having polarity and conductivity with respect to the ion-full fullerene, and then the ion-containing. By charging at a voltage higher than the reduction potential of fullerene, the primary charging by the ions contained in the ion-containing fullerenes and the secondary charging by the degenerate molecular trajectory of the ion-containing fullerenes are performed.

또한, 진공 분위기에서 충전이 이루어져, 전해액의 분해와 같은 문제를 원천적으로 차단하므로, 수십만kV의 전압으로도 충전 할 수 있는 효과가 있다. In addition, since the charge is made in a vacuum atmosphere, thereby preventing the problem such as decomposition of the electrolyte at the source, there is an effect that can be charged at a voltage of several hundred thousand kV.

또한, 이온내포풀러렌에 내포된 이온에 의한 충전만 할 경우에 비해 6배라는 현격한 충전 용량 증가가 이루어지는 효과가 있으며, 풀러렌에 내포되는 이온으로 인해 충전이 더욱 용이해진다는 효과가 있다. In addition, compared to the case of only charging by the ions contained in the ion-containing fullerenes, there is an effect that the charge capacity is increased by 6 times, and the charging is more easy due to the ions contained in the fullerenes.

또한 나노 사이즈 분자인 풀러렌을 전해질로 사용하여 에너지 저장 밀도를 현저하게 높임으로써 소형, 경량으로 제작할 수 있다는 효과 및, 충전 특성과 방전 특성을 향상시키는 효과가 있다. In addition, by using fullerene, which is a nano-sized molecule, as an electrolyte, the energy storage density is significantly increased, thereby making it possible to manufacture small and light weights, and to improve charging and discharging characteristics.

또한, 물리적, 화학적으로 매우 안정된 풀러렌을 사용함으로써 물리적 화학적으로 매우 안정된 에너지 저장을 할 수 있게 된다는 효과 등이 있다.In addition, the use of physically and chemically very stable fullerenes has the effect of enabling a very stable physical and chemical energy storage.

도 1a 는 본 발명 하이브리드 슈퍼커패시터의 방전 상태를 나타낸 개략도,
도 1b 는 본 발명 하이브리드 슈퍼커패시터의 충전 상태를 나타낸 개략도,
도 1c 는 본 발명 하이브리드 슈퍼커패시터의 충전 상태를 확대하여 나타낸 개략도,
도 1d 는 본 발명 진공 하이브리드 슈퍼커패시터의 구성을 나타낸 구성도,
도 2a 는 그래핀의 구조를 나타낸 사시도,
도 2b 는 분극성을 갖는 그래핀 전극 형성을 위한 접합 방향을 나타낸 사시도,
도 2c 는 전도성을 갖는 그래핀 전극 형성을 위한 접합 방향을 나타낸 사시도,
도 3 은 탄소나노튜브의 키랄성을 나타낸 사시도,
도 4a 는 풀러렌의 결합을 나타낸 구조도,
도 4b 는 풀러렌의 x-y 평면상의 결합을 나타낸 구조도,
도 4a 는 풀러렌의 x-y 평면상의 다른 결합을 나타낸 구조도,
도 5 는 금의 밀러면 (111)을 이용한 풀러렌의 흡착을 나타낸 개략도,
도 6 은 본 발명에 따른 Li@C60의 CV 곡선을 나타낸 그래프.
도 7a, b는 본 발명에 적용되는 진공챔버의 일 예를 나타낸 일측면도.
1A is a schematic diagram showing a discharge state of a hybrid supercapacitor of the present invention;
Figure 1b is a schematic diagram showing the state of charge of the hybrid supercapacitor of the present invention,
Figure 1c is a schematic diagram showing an enlarged state of charge of the hybrid supercapacitor of the present invention,
Figure 1d is a block diagram showing the configuration of the present invention vacuum hybrid supercapacitor,
Figure 2a is a perspective view showing the structure of graphene,
2B is a perspective view showing a bonding direction for forming a graphene electrode having polarity;
Figure 2c is a perspective view showing the bonding direction for forming a conductive graphene electrode,
3 is a perspective view showing the chirality of carbon nanotubes,
Figure 4a is a structural diagram showing the bonding of fullerenes,
4B is a structural diagram showing bonding on the xy plane of fullerenes;
4A is a structural diagram showing another bond on the xy plane of fullerene,
5 is a schematic diagram showing adsorption of fullerene using the Miller surface 111 of gold,
6 is a graph showing the CV curve of Li @ C60 according to the present invention.
Figure 7a, b is one side view showing an example of a vacuum chamber applied to the present invention.

본 발명을 실시 예를 들어 설명함에 있어서, 동일부호는 동일한 구성을 의미하고, 중복되거나 발명의 의미를 한정적으로 해석되게 할 수 있는 부가적인 설명은 본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 생략될 수 있다.In the following description of the present invention by way of example, the same reference numerals refer to the same configuration, and additional descriptions that may overlap or limit the meaning of the invention may be omitted in describing the embodiments of the present invention. .

구체적인 설명에 앞서, 본 명세서상에 비록 단수적 표현으로 기재되어 있을지라도 국어 사용에 있어서 단수/복수를 명확하게 구분 짓지 않고 사용되는 환경과 당해 분야에서의 통상적인 용어 사용 환경에 비추어, 발명의 개념에 반하지 않고 해석상 모순되거나 명백하게 다르게 뜻하지 않는 이상 복수의 표현을 포함하는 의미로 사용된다. 또한, 본 명세서에 기재되었거나 기재될 수 있는 '포함한다', '갖는다', '구비한다', '포함하여 이루어진다' 등은 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 구성요소 또는 그들 조합의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Prior to the detailed description, the concept of the invention, in spite of the singular form of the present disclosure, in light of the circumstances in which the singular / plural is not clearly distinguished in the use of Korean language and the general terminology used in the art. It is used in the sense that it includes plural expressions unless otherwise contradictory or clearly different from each other. In addition, 'includes', 'haves', 'comprises', 'comprises', and the like, as described or described herein, may indicate the presence or addition of one or more other features or components or combinations thereof. It should be understood that it is not excluded in advance.

본 발명은 일 관점에서, 진공챔버와, 이 진공챔버에 충진되는 전해질에 관한 것이다.In one aspect, the present invention relates to a vacuum chamber and an electrolyte filled in the vacuum chamber.

본 발명은 다른 관점에서, 진공챔버와, 이 진공챔버에 충진되는 이온내포풀러렌과, 상기 진공챔버의 내면에 접합되는 집전체와 분극성 또는 분극성과 전도성을 모두는 갖는 전극이 선택적으로 구비되는 진공 하이브리드 슈퍼커패시터에 관한 것이다. In another aspect, the present invention provides a vacuum in which a vacuum chamber, an ion-containing fullerene filled in the vacuum chamber, a current collector bonded to an inner surface of the vacuum chamber, and an electrode having both polarization or polarity and conductivity are selectively provided. It relates to a hybrid supercapacitor.

본 발명에 따른 진공 하이브리드 슈퍼커패시터는, 도1d에서 도시되는 바와 같이, 진공챔버(40) 내부에 집전체(Current Collector)(10, 10')에 각기 형성된 전극(20, 20')과, 이 전극(20, 20') 사이에 충진되는 전해질(30)로 구성된다.As shown in FIG. 1D, the vacuum hybrid supercapacitor according to the present invention includes electrodes 20 and 20 'respectively formed in current collectors 10 and 10' in the vacuum chamber 40, and It consists of an electrolyte 30 that is filled between the electrodes (20, 20 ').

상기 집전체(10, 10')는 알루미늄(Al)이나 구리(Cu) 등의 금속으로 구성되는데 마주보는 두 집전체(10, 10')를 모두 동일한 물질로 구성하거나, 또는 각기 다른 물질로 구성할 수 있다. 예를 들어 제1집전체(10)는 알루미늄으로 구성하고, 제2집전체(10')는 구리로 구성할 수 있다.The current collectors 10 and 10 'are made of a metal such as aluminum (Al) or copper (Cu), and both current collectors 10 and 10' facing each other are made of the same material or different materials. can do. For example, the first current collector 10 may be made of aluminum, and the second current collector 10 ′ may be made of copper.

상기 제1집전체(10)에 형성되는 제1전극(20)과 제2집전체(10')에 형성되는 제2전극(20') 중 어느 하나는 이온내포풀러렌에 대해 분극성과 전도성을 모두 갖도록 구성하고, 다른 하나는 이온내포풀러렌에 대해 분극성만 갖도록 구성하거나 또는 분극성과 전도성 모두 갖도록 구성할 수 있다.Any one of the first electrode 20 formed on the first current collector 10 and the second electrode 20 'formed on the second current collector 10' has both polarization and conductivity with respect to the ion-containing fullerene. The other may be configured to have only polarity with respect to the ion-containing fullerene or may be configured to have both polarity and conductivity.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, this invention is demonstrated in detail.

본 발명의 진공 하이브리드 슈퍼커패시터는 진공챔버와 전극과, 집전체 그리고 전해질을 기본 구성으로 한다.The vacuum hybrid supercapacitor of the present invention is based on a vacuum chamber, an electrode, a current collector, and an electrolyte.

집전체(10)Current collector (10)

본 발명에 따른 집전체(10, 10')는 후술하는 진공챔버의 내면 또는 외면에 접합 또는 증착되는 구성으로, 본 발명에서는 이온화포텐셜에 차이가 있는 금속으로 구성된다. The current collectors 10 and 10 'according to the present invention are configured to be bonded or deposited on the inner surface or the outer surface of the vacuum chamber, which will be described later.

예를 들어 Au-Pt-Ag-Cu-H2-Pb-Sn-Ni-Co-Cd-Fe-Cr-Zn-Al-Mg-Na-Ka 순으로 이루어진 전위 순서에서 본 발명은 구입이 쉽고, 가공성이 우수한 구리와 알루미늄이 사용된다. 바람직하게는 구리(Cu)를 양극집전체로, 알루미늄(Al)을 음극집전체로 사용하며, 이들 양극집전체와 음극집전체는 진공챔버에서 서로 마주보는 면에 각각 접합되는 구성이다.For example, the present invention is easy to purchase in the order of potential consisting of Au-Pt-Ag-Cu-H2-Pb-Sn-Ni-Co-Cd-Fe-Cr-Zn-Al-Mg-Na-Ka, and is easy to process. This excellent copper and aluminum are used. Preferably, copper (Cu) is used as the positive electrode current collector, and aluminum (Al) is used as the negative electrode current collector, and the positive electrode current collector and the negative electrode current collector are joined to surfaces facing each other in the vacuum chamber, respectively.

전극(20)Electrode 20

본 발명에 따른 상기 전극은 제1전극과, 그 대향측에 구비되는 제 2전극으로 구성된다. The electrode according to the present invention comprises a first electrode and a second electrode provided on the opposite side.

상기 제1 및 제 2전극(20)(20′)은 집전체에 접합 또는 성장시키는 방법으로 구성될 수 있으며, 분극성 또는 분극성과 전도성을 모두 갖는 전극이 선택적으로 구성될 수 있다. The first and second electrodes 20 and 20 ′ may be configured by bonding or growing to a current collector, and an electrode having both polarity or polarity and conductivity may be selectively configured.

상기 제 1 및 제 2전극은, 활성탄을 기본으로 하고, 여기에 그래핀, 흑연 또는 탄소나노튜브, 풀러렌, 테프론 중 어느 하나가 사용될 수 있다.The first and second electrodes are based on activated carbon, and any one of graphene, graphite, carbon nanotubes, fullerene, and teflon may be used.

활성탄으로는 톱밥 활성탄, 야시가라 활성탄, 피치ㆍ코크스(pichcokes)계 활성탄, 페놀 수지계 활성탄, 폴리아크릴로니트릴계 활성탄, 셀룰로오스계 활성탄 등으로도 제조될 수 있으며, 금속 산화물계 재료로, 예를 들면 산화루테늄, 산화망간, 산화코발트 등을 들 수 있다. 도전성 고분자 재료도 사용될 수 잇으며, 예를 들면 폴리아닐린막, 폴리피롤막, 폴리티오펜막, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)막 등을 예로 들 수 있다.The activated carbon may be made of sawdust activated carbon, yashigara activated carbon, pichcokes activated carbon, phenol resin activated carbon, polyacrylonitrile activated carbon, cellulose activated carbon, or the like. Ruthenium oxide, manganese oxide, cobalt oxide, and the like. Conductive polymer materials may also be used, and examples thereof include polyaniline membranes, polypyrrole membranes, polythiophene membranes, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) membranes, and the like.

바람직하게는 활성탄이나 테프론을 접합제(Binder)를 사용하여 집전체에 접합시켜 구성하거나, 또는 그래핀이나 풀러렌이 분극성을 갖도록 접합하는 것이 바람직하다.Preferably, activated carbon or Teflon is bonded to the current collector using a binder, or it is preferable to bond the graphene or fullerene so as to have polarity.

분극성을 갖는 다공질의 활성탄은 야자열매 섬유를 탄소화시켜 만든다. 이렇게 만들어진 활성탄을 접합제를 사용하여 집전체에 접합시켜 분극성을 갖는 전극이 만드는 것이다.Porous activated carbon with polarity is made by carbonizing coconut fiber. The activated carbon thus produced is bonded to a current collector using a binder to form an electrode having polarity.

다른 예로 본 발명의 전극은 분극성과 전도성을 모두 갖는 전극으로 구성될 수 있다. 예를 들어 분극성과 전도성을 갖는 활성탄은, 분극성을 갖는 활성탄에 요오드(I3)와 같은 할로젠 원소 등을 도핑하여 만든다. As another example, the electrode of the present invention may be composed of an electrode having both polarization and conductivity. For example, activated carbon having polarity and conductivity is made by doping an activated carbon having polarity with a halogen element such as iodine (I3).

이렇게 만들어진 활성탄을 접합제를 사용하여 집전체에 접합시키면 분극성과 전도성을 갖는 전극이 만들어지게 되는 것이다.When the activated carbon is bonded to the current collector using the binder, an electrode having polarization and conductivity is made.

본 발명에 따른 전극은, 탄소나노튜브, 그래핀, 풀러렌으로도 구성되며, 분극성으로 제조됨이 바람직하지만 경우에 따라서는 분극성과 전도성 모두를 갖는 전극으로 제조되어 집전체에 접합제에 의해 접합될 수 있다. Electrode according to the present invention is also composed of carbon nanotubes, graphene, fullerene, preferably made of polarity, but in some cases made of an electrode having both polarity and conductivity is bonded to the current collector by the bonding agent Can be.

탄소나노튜브는 이미 알려진 바와 같이, 탄소 6개로 이루어진 육각 모양이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있는 것으로 합성 조건에 따라 관의 지름을 다르게 할 수 있다.Carbon nanotubes are already known, the hexagonal shape consisting of six carbons are connected to each other to form a tubular shape can vary the diameter of the tube according to the synthetic conditions.

도면에 도시되는 바와 같이 키랄성(Chirality)를 제어하여 전기적 특성을 제어할 수 있는데 이를 이용하여 탄소나노튜브가 이온내포풀러렌에 대해 분극성만 갖도록 하거나, 또는 분극성과 전도성 모두를 갖도록 만들 수 있다. 따라서 집전체에 탄소나노튜브를 성장시킬 시 키랄성을 제어하여 전도성이 없도록 성장시키면 이온내포풀러렌에 대해 분극성만 갖는 전극이 만들어지며, 키랄성을 제어하여 전도성을 갖도록 성장시키면 이온내포풀러렌에 대해 분극성과 전도성을 모두 갖는 전극을 만들 수 있다.As shown in the figure, the chirality can be controlled to control electrical properties, which can be used to make the carbon nanotubes have only polarity with respect to ion-containing fullerenes, or have both polarity and conductivity. Therefore, when growing carbon nanotubes on a current collector, the chirality is controlled so that there is no conductivity, and an electrode having only polarity with respect to the ion-pooferene is made. It is possible to make an electrode having both conductivity.

탄소나노튜브의 키랄성은 형성된 6각형의 구조에 따른 키랄 벡터(chiral vector) 지수로, 의자형(n=m), 나선형(n,m), 지그재그형(n,O) 등이 있다. 탄소나노튜브는 각각의 형태에 따라 반도체 또는 금속과 같은 전기적인 특성을 나타내는 것이다. The chirality of carbon nanotubes is a chiral vector index according to the hexagonal structure formed, and includes a chair shape (n = m), a spiral shape (n, m), and a zigzag shape (n, O). Carbon nanotubes exhibit electrical characteristics such as semiconductors or metals according to their respective forms.

그래핀은 탄소가 육각형의 형태로 서로 연결되어 벌집 모양의 2차원 평면 구조를 이루는 물질로, 도면에 표시되는 바와 같이, 2차원 평면인 x-y축으로는 전자가 흐를 수 있어 전도성을 갖지만, z축으로는 비전도성을 갖는 특성이 있는 물질이다.Graphene is a material in which carbon is connected to each other in a hexagonal shape to form a honeycomb two-dimensional planar structure. As shown in the drawing, electrons can flow through the xy axis, which is a two-dimensional plane, and thus has conductivity. As a non-conductive material.

따라서 도면에 도시되는 바와 같이, 집전체 면에 그래핀의 2차원 평면이 평행하게 놓이도록 접합하면 이온내포풀러렌에 대해 분극성을 갖는 전극이 만들어지고, 도면에 도시되는 바와 같이 집전체에 그래핀의 2차원 평면이 수직이 되도록 접합하면 이온내포풀러렌에 대해 분극성과 전도성을 갖는 전극이 만들어지는 것이다.Therefore, as shown in the drawing, when the two-dimensional plane of graphene is placed in parallel on the surface of the current collector, an electrode having polarization with respect to the ion-containing fullerene is made, and the graphene is present in the current collector as shown in the drawing. When the two-dimensional planes of the junction are perpendicular to each other, an electrode having polarity and conductivity with respect to the ion-containing fullerene is formed.

또한 풀러렌은 레이저를 조사하면 풀러렌을 결합시킬 수 있다. 도4a는 2개의 풀러렌이 결합되는 것을 나타낸 것이고, 도 4b와 도 4c는 x-y 평면으로 결합된 것을 나타낸 것이다. 두 개 이상의 풀러렌이 결합된 풀러렌은 결합 방향과 인가되는 전압에 따라 전기전도도가 달라지며 이를 조절하여 분극성만 가지는 전극, 또는 분극성과 전도성을 모두 가지는 전극을 만들 수 있다.Fullerene can also bind fullerenes when irradiated with a laser. Figure 4a shows that the two fullerenes are combined, Figures 4b and 4c shows the combined in the x-y plane. Fullerenes in which two or more fullerenes are combined have different electrical conductivity depending on the coupling direction and the voltage applied thereto, thereby making it possible to make an electrode having only polarity or an electrode having both polarity and conductivity.

풀러렌과 집전체와의 결합은 풀러렌이 구리(Cu)나 금(Au)의 표면에 흡착되는 성질을 이용하여 결합시킬 수 있다. 즉, 밀러 지수(Miller index)를 갖는 구리(Cu)나 금(Au)의 밀러면 위에 풀러렌을 놓으면, 도면에 도시되는 바와 같이, 풀러렌이 집전체로 사용되는 금(Au)이나 구리(Cu)에 흡착되는 되는데 이를 이용하여 집전체 위에 풀러렌 전극을 형성하는 것이다. 이와는 별도로 풀러렌을 집전체 위에 접합제를 사용하여 접합시킬 수도 있다.The fullerene may be bonded to the current collector by using the property that the fullerene is adsorbed on the surface of copper (Cu) or gold (Au). That is, when fullerene is placed on the Miller surface of copper (Cu) or gold (Au) having a Miller index, as shown in the drawing, gold (Cu) or copper (Cu) in which fullerene is used as a current collector It is adsorbed on to use it to form a fullerene electrode on the current collector. Separately, fullerene can also be bonded on a collector using a binder.

한편, 본 발명의 슈퍼커패시터는, 제1 및 제 2전극 사이에 세퍼레이터가 개재될 수 있다.Meanwhile, in the supercapacitor of the present invention, a separator may be interposed between the first and second electrodes.

본 발명에 따른 세퍼레이터는 전자 절연성이 높고, 전해액의 습윤성이 우수하여 이온 투과성이 높은 것이 바람직하고, 또한 인가 전압 범위 내에 있어서 전기 화학적으로 안정될 필요가 있다. 세퍼레이터의 재질은 특별히 한정은 없지만, 레이온이나 마닐라삼 등을 포함하는 초지; 폴리올레핀계 다공질 필름; 폴리에틸렌 부직포; 폴리프로필렌 부직포 등이 바람직하게 이용된다. 나아가 본 발명은 세퍼레이터로, 탄소나노튜브, 풀러렌 등이 사용될 수 있다. The separator according to the present invention preferably has high electron insulation, excellent wettability of the electrolyte solution, high ion permeability, and needs to be electrochemically stable within the range of applied voltage. The material of the separator is not particularly limited, but includes paper made of rayon or manila hemp; Polyolefin porous film; Polyethylene nonwovens; Polypropylene nonwovens etc. are used preferably. Furthermore, the present invention may be used as a separator, carbon nanotubes, fullerenes and the like.

진공챔버(12)Vacuum Chamber (12)

본 발명에 따른 진공챔버는 탄화규소, 유리, 석영 또는 플라스틱, 비철금속 중 어느 하나로 형성되도록 하되, 본 발명에서는 탄화규소를 이용하여 진공챔버를 성형하는 것이 바람직하다.Vacuum chamber according to the present invention is to be formed of any one of silicon carbide, glass, quartz or plastic, non-ferrous metal, in the present invention, it is preferable to mold the vacuum chamber using silicon carbide.

본 발명의 진공챔버는 원통, 사각, 다각 또는 다른 여러 형상은 물론이고, 기하학적 구조로도 제작될 수 있다.The vacuum chamber of the present invention may be manufactured in a cylindrical, square, polygonal or other various shapes as well as in a geometric structure.

상기 진공챔버를 이용한 본 발명의 슈퍼커패시터는, 탄화수소로 진공챔버를 성형하는 단계와, 상기 진공챔버의 내면에 집전체를 접합하는 단계와, 상기 집전체에 전극을 형성하는 단계와, 상기 진공챔버에 이온내포풀러렌을 주입하는 단계와, 상기 진공 단계와, 밀봉 단계;로 구성된다. The supercapacitor of the present invention using the vacuum chamber comprises the steps of: forming a vacuum chamber with hydrocarbons; bonding a current collector to an inner surface of the vacuum chamber; forming an electrode on the current collector; Injecting the ion-encapsulated fullerene, the vacuum step and the sealing step.

또 다른 실시 예로, 본 발명은 탄화수소 또는 유리로 진공챔버를 성형하는 단계와, 베이스판에 집전체를 설치하고 이 집전체에 분극성 전극을 형성하는 단계와, 상기 베이스판을 상기 진공챔버에 조립하여 집전체가 진공챔버에 끼워지도록 하는 단계와, 상기 베이스판과 진공챔버를 열 융착하는 단계와, 상기 진공 단계와, 밀봉 단계;로 구성된다. In another embodiment, the present invention provides a method of forming a vacuum chamber with hydrocarbon or glass, installing a current collector on a base plate, forming a polarizable electrode on the current collector, and assembling the base plate to the vacuum chamber. And a current collector to be fitted into the vacuum chamber, thermally fusion bonding the base plate and the vacuum chamber, the vacuum step, and the sealing step.

한편 본 발명은 공기를 빼내는 진공 작업 중 주입된 전해질의 음이온과 양이온이 서로 작용하여 외부로 유출되지 않는 특성을 갖는다. 따라서 본 발명은 전해질의 유출 없이 자연스럽게 진공을 진행 할 수 있다.On the other hand, the present invention has the characteristic that the anion and cation of the electrolyte injected during the vacuum operation to extract the air does not flow to the outside by interacting with each other. Therefore, the present invention can proceed with the vacuum naturally without the outflow of the electrolyte.

첨부된 도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 진공챔버의 예를 도시한 것이다. 7 and 8 show an example of a vacuum chamber according to the present invention.

이중 도 3은 상부에 확관(14)이 마련되고, 이 확관(14)의 하부에 병목부(16)가 마련된 구성으로, 내부에 전극을 형성한 상태에서, 확관에 진공펌프가 연결되어 공기를 빼내고, 진공 작업 후 병목부에 열을 가해 용접하여 밀봉하는 것이다 3 is a configuration in which an expansion pipe 14 is provided at an upper portion, and a bottleneck portion 16 is provided at a lower portion of the expansion pipe 14, and a vacuum pump is connected to the expansion pipe while air is formed in an electrode formed therein. Pull out, apply heat to the bottleneck after welding and seal by welding

다른 예로 도 3의 진공챔버에서 저면이 개방된 상태로 구성하고, 이 저면의 개방부를 통해 집전체와 전극을 형성한 다음, 동일한 재질의 바닥판으로 열융착하여 밀봉하는 것이다.As another example, the bottom surface is opened in the vacuum chamber of FIG. 3, the current collector and the electrode are formed through the opening of the bottom surface, and then heat-sealed and sealed with a bottom plate of the same material.

또 다른 에로 본 발명은 도 4와 같이, 저면이 개방된 진공부재를 마련하고, 베이스판을 이용하여 전극이 수납되도록 한 다음 베이스판과 진공부재를 열 융착하는 것이다.According to another embodiment of the present invention, as shown in FIG. 4, a vacuum member having an open bottom is provided, an electrode is accommodated using a base plate, and then the base plate and the vacuum member are heat-sealed.

예컨대, 유리 등으로 이루어진 베이스판을 구성하고, 이 베이스판 위에 양극집전체와 음극집전체를 세워 구성하는 것이다. 상기 양극 및 음극집전체 각각에 분극성 전극이 접합된다. 또한 전극부재의 내부에는 이온내포풀러렌이 주입된다.For example, a base plate made of glass or the like is formed, and a positive electrode current collector and a negative electrode current collector are placed on the base plate to constitute it. A polarizable electrode is bonded to each of the positive electrode and the negative electrode current collector. In addition, ion-containing fullerene is injected into the electrode member.

이 상태에서 상기 베이스판을 진공부재의 저면 개방부에 끼워지며, 양극집전체와 음극집전체는 진공챔버 내부에 위치하고, 베이스판과 개방부를 열 융착하는 것으로 마무리한다. 이후 베이스판에 구비된 확관을 통해 빼낸 다음 밀봉하여 슈퍼커패시터를 제조하는 것이다. In this state, the base plate is fitted to the bottom opening of the vacuum member, and the positive electrode collector and the negative electrode collector are positioned inside the vacuum chamber, and the base plate and the open portion are thermally fused. After the extraction through the expansion pipe provided in the base plate is to manufacture a supercapacitor.

한편, 본 발명은, 진공챔버에 음극 및 양극집전체가 접합 또는 수납되는 것으로 설명되고 있으나, 경우에 따라서는 여러 겹의 집전체와 전극이 코일형 또는 동심원으로 감아진 상태로 진공챔버에 넣어지거나 평판 형태의 집전체 및 전극 여려 겹이 끼워지는 것도 당연하게 구성될 수 있다.On the other hand, the present invention has been described that the negative electrode and the positive electrode current collector is bonded or housed in the vacuum chamber, in some cases, the current collector and the electrode of several layers are put in the vacuum chamber in a coiled or concentric state Naturally, the current collector in the form of a plate and a plurality of electrodes may also be fitted.

전해질Electrolyte

본 발명에 있어서, 전해질은 이온내포풀러렌 특히 리튬이온내포풀러렌이 사용된다. In the present invention, the electrolyte includes ion-containing fullerenes, in particular lithium-ion-full fullerenes.

이온내포 풀러렌(fullerene) 또는 그 염Ion-containing fullerenes or salts thereof

본 발명의 이온내포풀러렌의, 풀러렌은 탄소 5개가 모인 5각형과 탄소 6개가 모인 6각형이 공 모양의 구체 형상으로 결합되어 중공을 형성하고 있는 것으로, 사용된 탄소 수에 따라 다양한 형태의 풀러렌이 있다. 예를 들어, C60, C70, C72, C76, C78, C82, C84, C90, C94, C96 등의 풀러렌이 가능하지만 20개의 6각형과 12개의 5각형으로 이루어진 C60이 가장 좋다. 이러한 C60은 그 구조적 특성에 의해 물리적 화학적으로 지극히 안정적이고, 구형 대칭성으로 이동성이 우수하여 안정성과 충방전 특성 등을 향상시킨다.The fullerene of the ion-encapsulated fullerene of the present invention is a pentagon of five carbons and a hexagon of six carbons combined in a spherical spherical shape to form a hollow, and various forms of fullerenes depending on the number of carbons used have. For example, fullerenes such as C60, C70, C72, C76, C78, C82, C84, C90, C94, and C96 are possible, but C60 consisting of 20 hexagons and 12 pentagons is best. The C60 is extremely stable physically and chemically by its structural characteristics, and has excellent mobility due to spherical symmetry, thereby improving stability and charge / discharge characteristics.

본 발명에 따른 C60 풀러렌에 내포되는 이온은 금속 이온, 특히 알칼리 금속 이온이 바람직하다. 이러한 이온으로는 리튬, 나트륨, 칼륨, 세슘, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬 등이 있으며, 금속 이온이 내포된 풀러렌은, 풀러렌에 내포된 금속 이온에 의해 전하를 갖게 되어 두 전극 사이에 전기장이 가해졌을 경우 이동이 용이하게 된다. 금속이온이 내포된 풀러렌으로 Li+@C60(여기서, @은 내포폴리머를 의미함), Li+@C70, Li+@C76 또는 Li+@C84을 바람직하게 사용할 수 있다.The ions contained in the C60 fullerene according to the present invention are preferably metal ions, especially alkali metal ions. These ions include lithium, sodium, potassium, cesium, magnesium, calcium, strontium, and the like. When fullerenes containing metal ions are charged by metal ions contained in fullerene, an electric field is applied between the two electrodes. It is easy to move. As fullerenes containing metal ions, Li + @ C 60 (where @ means an inclusion polymer), Li + @ C 70, Li + @ C 76 or Li + @ C 84 can be preferably used.

또한, 상기 이온내포 풀러렌 염은 이온내포 풀러렌과 Cl-, Br-, F-, I-, ClO3 -, ClO4 -, BF4 -, A1Cl4-, PF6 -, SbC16 - 또는 SbF6 - 으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 음이온과 결합된 것을 사용할 수 있다. 이러한 음이온은 이온내포 풀러렌 또는 이온내포 풀러렌 염을 적층하였을 경우 형성되는 공극의 크기보다 작은 직경을 갖는 이온이 더욱 바람직하다. 이 때, 할로겐이 바람직하고, 특히 F-가 바람직하다. 대응되는 이온을 교환하기 위해서는 일반적으로 알려진 방법을 사용하여도 무방하다. 예를 들어, Li + @C60] [PF6 -]를 [Li + @C60] [F-]로 교체하려는 경우 다음에 나타내는 일반적으로 알려진 방법을 사용할 수 있다.Further, the ion-containing fullerene salt ion containing-fullerene and Cl -, Br -, F - , I -, ClO 3 -, ClO 4 -, BF 4 -, A1Cl4 -, PF 6 -, SbC 16 - or SbF 6 - Combined with at least one anion selected from the group consisting of. Such anions are more preferably ions having a diameter smaller than the size of the pores formed when the ion-containing fullerene or ion-containing fullerene salt is laminated. In this case, halogen is preferable, and F is particularly preferable. In order to exchange corresponding ions, a generally known method may be used. For example, Li + @ C60] [PF 6 - a] [Li + @ C60] [ F - If you want to replace it with a] can be used a method generally known as shown in the following.

(Li + @C60] [PF6 -)+KF+18-crown-6(Li + @ C60] [PF 6 -) + KF + 18-crown-6

(Li + @C60] [F-)+(18-crown-6]K+)+PF6 -](Li + @ C60] [F -) + (18-crown-6] K +) + PF 6 -]

또 다른 방법으로는 이온 교환 수지를 이용하는 방법도 있다.Another method is to use an ion exchange resin.

한편 본 발명의 이온내포풀러렌은 아크방전법을 이용하여 만든다. 또는, 플라즈마 생성 수단을 이용하여 주입하고자 하는 이온에 에너지를 주고, 플라즈마와 자기장의 작용을 이용하여 이온내포풀러렌을 만들 수 있다. On the other hand, the ion-containing fullerene of the present invention is made using the arc discharge method. Alternatively, energy may be supplied to ions to be implanted by using plasma generating means, and ion-encapsulated fullerenes may be produced by using the action of plasma and magnetic field.

본 발명에서는 이온내포풀러렌을 사용하여 슈퍼커패시터를 만들 수 있음은 물론, 이온내포풀러렌 염을 사용하여 슈퍼커패시터를 만들 수도 있다. 이온내포풀러렌 염은 예를 들어, 클러스터 분해, 용해 고형물 제거, 침전, 생성 염류 제거, 공 풀러렌 제거, 원자 내포 풀러렌 양이온류 추출, 고체 석출, 고체 회수, 결정화 및, 결정을 회수하는 공정 등을 거쳐 만드는 것이다. In the present invention, a supercapacitor may be made using ionic inclusion fullerene, and a supercapacitor may also be made using ionic inclusion fullerene salt. The ion-containing fullerene salt may be subjected to, for example, cluster decomposition, removal of dissolved solids, precipitation, removal of generated salts, removal of empty fullerenes, extraction of atomic-containing fullerene cations, solid precipitation, solid recovery, crystallization, and recovery of crystals. To make.

다음은 본 발명에 따른 진공 하이브리드 슈퍼커패시터의 충전 과정을 설명한다. The following describes the charging process of the vacuum hybrid supercapacitor according to the present invention.

본 발명의 진공 하이브리드 슈퍼커패시터에 전압이 인가되기 시작하면, 두 전극(20, 20') 사이에 전기장이 형성되고, 이 전기장에 이끌려 이온내포풀러렌(31)은 음전극(20) 쪽으로 이동되고, 음이온(32)은 양전극(20') 쪽으로 이동되어 전기이중층을 형성하게 된다. 이때 이온내포풀러렌(31)에 내포된 이온에 의한 1차 충전이 이루어지게 된다.When a voltage is applied to the vacuum hybrid supercapacitor of the present invention, an electric field is formed between the two electrodes 20 and 20 ', and the ion-containing fullerene 31 is moved toward the negative electrode 20 by the electric field. 32 is moved toward the positive electrode 20 'to form an electric double layer. At this time, the primary charging is performed by the ions contained in the ion-containing fullerene 31.

이온내포풀러렌(31)에 내포된 이온에 의한 1차 충전이 이루어진 후에는, 도1c에서 도시되는 바와 같이, 음극집전체(10)를 통해 이동되어온 전자(34)가 음전극(20)을 통해 이온내포풀러렌(31)의 축퇴된 분자궤도에 주입되어 이온내포풀러렌(31)의 분자궤도에 의한 2차 충전이 이루어지게 된다. 미설명부호 (33)은 이온에 내포된 금속 원자 이온을 나타낸 것이다.After the primary charging by the ions contained in the ion-encapsulated fullerene 31 is made, as shown in FIG. 1C, electrons 34 moved through the negative electrode current collector 10 are ionized through the negative electrode 20. Injected into the degenerate molecular orbital of the inner-encapsulated fullerene 31 is secondary charging by the molecular orbital of the ion-containing fullerene (31). Reference numeral 33 indicates a metal atom ion contained in the ion.

이를 다시 설명하면 다음과 같다.This will be described as follows.

풀러렌에는 축퇴된 분자궤도가 5개 존재하고, 이 분자궤도 각각에 전자가 1개씩 들어갈 수 있다. There are five degenerate molecular orbits in fullerene, and each of these molecular orbits may contain one electron.

도6은 리튬이온풀러렌의 CV(Cyclic Voltammetry) 곡선을 나타낸 것으로, 도면에서 도시되는 바와 같이, CV 곡선을 따라 전자의 환원과 산화가 이루어지게 된다. 즉, 화살표 ① 내지 화살표 ⑤가 가리키는 지점마다 전자가 하나씩 들어가 충전이 이루어진 후, 화살표 ⑥ 내지 화살표 ⑩이 가리키는 지점에서 전자가 하나씩 나와 방전이 이루어지게 된다. 6 shows a cyclic voltammetry (CV) curve of lithium ion fullerene. As shown in the figure, reduction and oxidation of electrons are performed along the CV curve. That is, after the charge is made by entering electrons at each point indicated by the arrows ① to ⑤, the electrons are discharged one by one at the points indicated by the arrows ⑥ to ⑩.

따라서 본 발명 하이브리드 슈퍼커패시터에 전원이 인가되면, 처음에는 이온내포풀러렌에 내포된 이온(33)의 의한 1차 충전이 일어나고, 이후 이온내포풀러렌의 분자궤도에 의한 2차 충전이 일어나 더욱 많은 전기에너지를 충전하게 된다.Therefore, when power is applied to the hybrid supercapacitor of the present invention, first charging occurs by the ions 33 contained in the ion-encapsulated fullerene, and then secondary charging occurs by the molecular trajectory of the ion-encapsulated fullerene. Will charge.

또한 반대의 과정을 거쳐 충전된 전기에너지가 방전되게 된다.In addition, the charged electrical energy is discharged through the reverse process.

이때, 진공 분위기에서 충전과 방전이 이루어지므로 매우 높은 충전 전압을 가짐은 물론, 매우 높은 방전 전압을 가지게 된다.At this time, since charging and discharging are performed in a vacuum atmosphere, not only has a very high charging voltage, but also has a very high discharge voltage.

또한, 높은 전압으로의 충전이 가능하므로 매우 큰 용량의 전기에너지를 충전할 수 있다.In addition, since charging at a high voltage is possible, a very large amount of electric energy can be charged.

이하, 본 발명의 기술적 사상을 실시예를 들어 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the technical spirit of the present invention will be described in detail with reference to Examples.

설명을 함에 있어서 동일, 또는 유사한 구성 및 기능을 갖는 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 명칭 및 부호를 사용한다.In the description, the same or similar names and symbols are used for components having the same or similar components and functions.

<실시예><Example>

본 실시예에서는 양극집전체로 구리(Cu)를 사용하고, 음극집전체로 알루미늄(Al)을 사용하며, 이 집전체에 활성탄을 접합하여 양전극과 음전극을 만들고, 이 활성탄 전극에 할로젠 원소인 요오드(I3)를 도핑하여 각 전극이 이온내포풀러렌에 대해 분극성과 전도성을 모두 갖도록 구성한 것을 예로 하여 설명한다.In this embodiment, copper (Cu) is used as the positive electrode current collector, aluminum (Al) is used as the negative electrode current collector, and activated carbon is bonded to the current collector to form a positive electrode and a negative electrode, and the activated carbon electrode is a halogen element. Doping the iodine (I3) will be described with an example that each electrode is configured to have both polarization and conductivity with respect to the ion-containing fullerene.

또한 본 실시예에서는 풀러렌으로 C60을 사용하고, 이 C60 풀러렌에 리튬(Li) 이온을 주입한 리튬이온내포풀러렌(Li@C60)을 만든 것을 예로 하여 설명한다.In addition, in this embodiment, C60 is used as the fullerene and lithium ion-containing fullerene (Li @ C60) in which lithium (Li) ions are injected into the C60 fullerene is described as an example.

또한 본발명의 실시 예에서는 전해질를 포함하는 비수성 전해액 사용한 것을 예로 하여 설명하며, 전해질은 상기 이온내포풀러렌과, 이온액체폴리머가 사용되며, 비수성 유기 용매 그리고, 할로겐치환방향족탄화수소를 포함하는 것을 예로 하여 설명한다.In addition, embodiments of the present invention will be described by using an example of a non-aqueous electrolyte containing an electrolyte, the electrolyte is used for the ion-containing fullerenes, ionic liquid polymer, non-aqueous organic solvent, and halogen-substituted aromatic hydrocarbons as an example Will be explained.

이와 같이 본 실시예를 구성한 이유는, 본 발명의 기술적 사상에 따른 다른 실시예들은 본 실시예로부터 용이하게 알 수 있기 때문이다.The reason why the present embodiment is configured as described above is that other embodiments according to the spirit of the present invention can be easily understood from the present embodiment.

먼저, 도1d에서 도시되는 바와 같이, 진공 챔버(40)를 구성하고, 이 진공챔버(40)에 집전체(10, 10')를 설치하고, 알루미늄으로 이루어진 음극집전체(10)와 구리로 이루어진 양극집전체(10') 위에 활성탄을 접합제로 접합한 후, 할로젠 원소인 요오드를 도핑하여 분극성과 전도성을 갖는 전극(20, 20')을 만든다. First, as shown in FIG. 1D, a vacuum chamber 40 is constructed, and current collectors 10 and 10 'are installed in the vacuum chamber 40, and a cathode current collector 10 made of aluminum and copper are used. After bonding the activated carbon on the positive electrode current collector 10 'with a binder, iodine, a halogen element, is doped to form electrodes 20 and 20' having polarity and conductivity.

이후 이 전해액을 상기 전극(20, 20') 사이에 충진한 후 케이스(40)로 밀봉하여 본 실시예에 의한 하이브리드 슈퍼커패시터를 만든다.Thereafter, the electrolyte is filled between the electrodes 20 and 20 'and then sealed with a case 40 to make a hybrid supercapacitor according to the present embodiment.

이하, 본 실시예의 작용 효과를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the operational effects of the present embodiment will be described in detail.

도1a는 방전 상태를 나타낸 것으로 방전상태에서는, 도면에서 도시되는 바와 같이, 리튬이온내포풀러렌(31)과 음이온(32)이 무질서하게 분포하고 있다.FIG. 1A shows a discharge state. In the discharge state, lithium ion-containing fullerene 31 and anion 32 are randomly distributed as shown in the figure.

충전을 위해 스위치(SW)를 온하면 음전극(10)과 양전극(10') 사이에 전기장이 형성되고, 이 전기장에 의해 리튬 이온이 내포된 양전하의 풀러렌(31)이 음전극(10) 쪽으로 이동하여 상기 음전극(10)에 접촉하게 된다. 이때, 상기 리튬이온내포풀러렌(31)에 내포된 리튬이온에 의한 1차 충전이 이루어지게 된다.When the switch SW is turned on for charging, an electric field is formed between the negative electrode 10 and the positive electrode 10 ', and the positive electric charge fullerene 31 containing lithium ions is moved toward the negative electrode 10 by the electric field. In contact with the negative electrode 10. In this case, primary charging by lithium ions contained in the lithium ion-encapsulated fullerene 31 is performed.

상기 리튬이온내포풀러렌(31)에 내포된 리튬이온에 의한 1차 충전이 완료된 후에는 리튬이온내포풀러렌(31)에 존재하는 축퇴된 분자궤도에 의한 2차 충전이 이루어지게 된다. After the primary charging by lithium ions contained in the lithium ion-encapsulated fullerene 31 is completed, secondary charging is performed by the degenerate molecular orbits present in the lithium ion-encapsulated fullerene 31.

이를 다시 설명하면 다음과 같다.This will be described as follows.

먼저. 전원이 인가되면 전기장에 의해 리튬이온내포풀러렌(31)이 음전극(20)으로 이동되어 상기 리튬이온내포풀러렌(31)에 내포된 리튬이온의 분극 현상에 의한 1차 충전이 이루어진다. 이때, 상기 음전극(20)의 분극성을 이용한다. first. When the power is applied, the lithium ion-encapsulated fullerene 31 is moved to the negative electrode 20 by an electric field, and primary charging is performed by the polarization of lithium ions contained in the lithium-ion-encapsulated fullerene 31. At this time, the polarity of the negative electrode 20 is used.

이후 전압이 점점 상승하여 리튬이온내포풀러렌(31)에 존재하는 분자궤도의 환원전위 이상의 전압이 인가되면, 도6에서 도시되는 바와 같은 그래프를 따라 다음과 같이 순차적으로 전자가 이동하여 2차 충전이 이루어지게 된다(① 내지 ⑤). 이때 상기 음전극(20')의 전도성을 이용한다. Then, when the voltage gradually increases and a voltage higher than the reduction potential of the molecular orbital present in the lithium ion-containing fullerene 31 is applied, the electrons move sequentially as follows along the graph as shown in FIG. Will be made (① to ⑤). At this time, the conductivity of the negative electrode 20 'is used.

Li@C60 <-> Li@C60-¹<-> Li@C60-²<-> Li@C60-³<-> Li@C60-⁴<-> Li@C60-5 Li @ C60 <-> Li @ C60 - ¹ <-> Li @ C60 - ² <-> Li @ C60 - ³ <-> Li @ C60 - ⁴ <-> Li @ C60 -5

또한, 풀러렌 중공에 리튬이온이 내포되면 풀러렌의 분자궤도에 대한 환원전위가 0.7eV 만큼 낮아지는데, 이로 인해 충방전 효율이 더욱 향상된다.In addition, when lithium ions are contained in the fullerene hollow, the reduction potential with respect to the molecular orbital of the fullerene is lowered by 0.7 eV, thereby further improving charge and discharge efficiency.

이때 충전되는 충전량은 리튬이온에 의한 충전량의 6배가 된다. 또한 1나노 크기의 C60 풀러렌을 이용하여 충전과 방전을 행하므로 에너지 저장 밀도가 현격히 높아진다. 또한, 화학반응을 이용한 에너지 저장이 아니므로 에너지 손실 및 열 발생이 없고, 순간 충전 및 순간 방전이 가능하게 된다. 이때 전해액의 성분 및 성분비를 제어하여 충방전 특성을 제어할 수 있다. At this time, the amount of charge to be charged is six times the amount of charge by the lithium ion. In addition, charging and discharging are performed using 1 nm C60 fullerene, which significantly increases the energy storage density. In addition, since it is not an energy storage using a chemical reaction, there is no energy loss and heat generation, and instant charging and instant discharge are possible. At this time, the charge and discharge characteristics can be controlled by controlling the components and the component ratio of the electrolyte solution.

한편 스위치(SW)가 오프 되면, 충전할 때와는 반대의 과정을 거쳐 방전이 이루어지게 된다. 즉 도6의 ⑥ 내지 ⑩ 그래프의 경로를 따라 방전이 이루어진 후, 리튬 이온에 의해 충전된 전하도 방전되게 되는 것으로, 상기와 같은 과정을 반복하여 충전 과정 방전 과정을 행하게 된다.On the other hand, when the switch (SW) is turned off, the discharge is made through the reverse process as when charging. That is, after the discharge is made along the path of ⑥ to 의 graph of FIG. 6, the charge charged by the lithium ions is also discharged. The above process is repeated to perform the discharge process.

그러나 상기의 실시예에 있어서는, 양전극과 음전극을 활성탄을 이용하여 만든 후 할로젠 원소를 도핑하여 이온내포풀러렌에 대해 분극성과 전도성을 갖도록 구성하였으나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않음을 밝혀둔다. 즉, 그래핀이나, 탄소나노튜브, 또는 풀러렌 등을 분극성과 전도성을 갖도록 하여 전극을 구성할 수 있음 물론, 양전극과 음전극의 구성을 달리하여 각기 다른 특성을 갖도록 할 수 있음 밝혀둔다. 예를 들어, 일측 전극은 충전 특성이 좋도록 구성하고, 타측 전극은 방전 특성이 좋도록 구성할 수 있음을 밝혀둔다.However, in the above embodiment, the positive electrode and the negative electrode were made using activated carbon and then doped with a halogen element so as to have polarization and conductivity with respect to the ion-containing fullerene, but the technical spirit of the present invention is not limited thereto. In other words, the electrode can be configured to have polarity and conductivity such as graphene, carbon nanotubes, or fullerenes. Of course, it is possible to have different characteristics by changing the configuration of the positive electrode and the negative electrode. For example, it should be noted that one electrode may be configured to have good charging characteristics, and the other electrode may be configured to have good discharge characteristics.

또한, 상기의 실시예에 있어서는 C60 풀러렌을 사용하여 이온내포풀러렌을 구성하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않음을 밝혀둔다. 즉, C60, C70, C72, C78, C82, C90, C94, C96 등의 풀러렌을 사용할 수 있음은 물론, 풀러렌 염을 사용하여 본 발명의 기술적 사상을 구성할 수 있음을 밝혀둔다.In addition, in the above embodiment, the ion-containing fullerene is configured using C60 fullerene, but the technical spirit of the present invention is not limited thereto. In other words, fullerenes such as C60, C70, C72, C78, C82, C90, C94, and C96 may be used, as well as the fullerene salt may be used to configure the technical idea of the present invention.

10: 음극집전체 10': 양극집전체
20: 음전극 20': 양전극
30: 전해질 31: 이온내포풀러렌
32: 음이온 33: 리튬이온
34: 전자 40: 챔버
10: negative electrode current collector 10 ': positive electrode current collector
20: negative electrode 20 ': positive electrode
30: electrolyte 31: ion-containing fullerene
32: anion 33: lithium ion
34: electronic 40: chamber

Claims (16)

전극과 전해질을 갖는 슈퍼커패시터로써,
진공 챔버의 내부에 전극을 설치하고,
이 진공 챔버 안에 이온이 내포된 풀러렌, 또는 이온이 내포된 풀러렌 염을 포함하는 전해질을 충진하여,
풀러렌에 내포된 이온에 의한 충전이 이루어지고,
풀러렌 자체에 의한 충전이 이루어짐을 특징으로 하는 진공 하이브리드 슈퍼커패시터.
As a supercapacitor having an electrode and an electrolyte,
Install the electrode inside the vacuum chamber,
The vacuum chamber is filled with an electrolyte containing a fullerene containing ions or a fullerene salt containing ions,
The charge is made by the ions contained in the fullerene,
Vacuum hybrid supercapacitor, characterized in that the filling by the fullerene itself.
제 1 항에 있어서, 상기 전극 중 어느 하나는 이온이 내포된 풀러렌에 대해 분극성과 전도성을 갖도록 구성됨을 특징으로 하는 진공 하이브리드 슈퍼커패시터.The vacuum hybrid supercapacitor of claim 1, wherein any one of the electrodes is configured to have polarity and conductivity with respect to the fullerene containing ions. 제 2 항에 있어서, 상기 이온내포풀러렌에 대해 분극성을 갖는 전극은, 활성탄, 또는 테프론으로 구성됨을 특징으로 하는 진공 하이브리드 슈퍼커패시터.The vacuum hybrid supercapacitor of claim 2, wherein the electrode having polarization with respect to the iontophorus fullerene is composed of activated carbon or Teflon. 제 2 항에 있어서, 상기 이온내포풀러렌에 대해 분극성을 갖는 전극은, 그래핀의 접합 방향을 제어하여 이온내포풀러렌에 대해 분극성을 갖도록 구성하거나, 또는 탄소나노튜브의 키랄성을 제어하여 이온내포풀러렌에 대해 분극성을 갖도록 구성하거나, 또는 풀러렌의 접합 방향을 제어하여 이온내포풀러렌에 대해 분극성을 갖도록 구성함을 특징으로 하는 진공 하이브리드 슈퍼커패시터.The method of claim 2, wherein the electrode having polarity with respect to the ion-containing fullerene is configured to have polarity with respect to the ion-containing fullerene by controlling the bonding direction of graphene, or by controlling the chirality of the carbon nanotubes. A vacuum hybrid supercapacitor, wherein the vacuum hybrid supercapacitor is configured to have polarity with respect to fullerene or to have polarization with respect to ion-containing fullerene by controlling the bonding direction of the fullerene. 제 2 항에 있어서, 상기 이온내포풀러렌에 대해 분극성과 전도성을 갖는 전극은, 활성탄에 할로겐 원소를 도핑하여 상기 활성탄이 전도성을 갖도록 함으로써 상기 이온내포풀러렌에 대해 분극성과 전도성을 갖도록 함을 특징으로 하는 진공 하이브리드 슈퍼커패시터.3. The method of claim 2, wherein the electrode having polarity and conductivity with respect to the iontophorus fullerene is characterized in that the activated carbon is conductive by doping a halogen element to the activated carbon to have polarity and conductivity to the iontofullerene. Vacuum hybrid supercapacitors. 제 2 항에 있어서, 상기 이온내포풀러렌에 대해 분극성과 전도성을 갖는 전극은, 그래핀의 접합 방향을 제어하거나 또는 풀러렌의 접합 방향을 제어하여 상기 그래핀 또는 풀러렌이 전도성을 갖도록 함으로써 상기 이온내포풀러렌에 대해 분극성과 전도성을 갖도록 함을 특징으로 하는 진공 하이브리드 슈퍼커패시터.According to claim 2, The electrode having polarity and conductivity with respect to the ion-containing fullerene, the ion-containing fullerene by controlling the bonding direction of the graphene or by controlling the bonding direction of the fullerene such that the graphene or fullerene is conductive A vacuum hybrid supercapacitor, characterized in that it has polarization and conductivity with respect to. 제 2 항에 있어서, 상기 이온내포풀러렌에 대해 분극성과 전도성을 갖는 전극은, 탄소나노튜브의 키랄성을 제어하여 상기 탄소나노튜브가 전도성을 갖도록 함으로써 상기 이온내포풀러렌에 대해 분극성과 전도성을 갖도록 함을 특징으로 하는 진공 하이브리드 슈퍼커패시터.3. The method of claim 2, wherein the electrode having polarity and conductivity with respect to the ionpophore fullerene is controlled to have chirality of the carbon nanotubes so that the carbon nanotubes have conductivity so that they have polarity and conductivity with respect to the ionpofullerene. Vacuum hybrid supercapacitor, characterized in that. 제 2항에 있어서, 상기 이온내포풀러렌은, 내포되는 이종 원자로서, 리튬, 나트륨, 칼륨, 세슘, 마그네슘, 칼슘,스트론튬 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 진공 하이브리드 슈퍼커패시터.The vacuum hybrid supercapacitor according to claim 2, wherein the ionic inclusion fullerene is any one of a hetero atom contained in lithium, sodium, potassium, cesium, magnesium, calcium, and strontium. 제 2 항에 있어서, 상기 이온내포풀러렌에 내포되는 원자 이온은 금속인 것을 특징으로 하는 진공 하이브리드 슈퍼커패시터.The vacuum hybrid supercapacitor of claim 2, wherein the atomic ions contained in the iontofullerene are a metal. 제 2항에 있어서, 상기 이온내포풀러렌에 내포되는 원자 이온은 알칼리 금속인 것을 특징으로 하는 진공 하이브리드 슈퍼커패시터.3. The vacuum hybrid supercapacitor according to claim 2, wherein the atomic ions contained in the iontofullerene are alkali metals. 제 2항에 있어서, 상기 이온 내포 풀러렌은 C60인 것을 포함하는 특징으로 하는 진공 하이브리드 슈퍼커패시터.3. The vacuum hybrid supercapacitor of claim 2, wherein the ion-containing fullerene is C60. 제 2항에 있어서, 상기 이온 내포 풀러렌 염은 Li+-인 것을 특징으로 하는 진공 하이브리드 슈퍼커패시터.The method of claim 2, wherein the ion-containing fullerene salt is Li + @ · - vacuum hybrid supercapacitor, characterized in that. 제 2 항에 있어서, 원자가 내포된 풀러렌에 대응되는 이온은Cl-, Br-, F-, I-, ClO3 -, ClO4 -, BF4 -, A1Cl4-, PF6 -, SbC16 - 또는 SbF6 - 중 어느 하나 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 진공 하이브리드 슈퍼커패시터.The method of claim 2, wherein the ion corresponding to the valency of containing-fullerene is Cl -, Br -, F - , I -, ClO 3 -, ClO 4 -, BF 4 -, A1Cl4 -, PF 6 -, SbC 16 - or SbF 6 - any one or two or more of the vacuum hybrid supercapacitors. 제 1 항에 있어서, 이온내포풀러렌의 축퇴된 분자궤도에 충전되는 전자수는 5개 이내임을 특징으로 하는 진공 하이브리드 슈퍼커패시터.The vacuum hybrid supercapacitor of claim 1, wherein the number of electrons charged in the degenerate molecular orbital of the iontophorus fullerene is 5 or less. 제 1 항에 있어서, 충전 전위는 이온내포풀러렌의 환원 전위 이상임을 특징으로 하는 진공 하이브리드 슈퍼커패시터.The vacuum hybrid supercapacitor according to claim 1, wherein the charging potential is equal to or greater than the reduction potential of the iontofullerene. 제 1 항에 있어서, 상기 진공 챔버는 탄화수소, 유리, 석영, 합성수지 중 어느 하나로 성형된 것을 특징으로 하는 진공 하이브리드 슈퍼커패시터.
The vacuum hybrid supercapacitor of claim 1, wherein the vacuum chamber is formed of any one of hydrocarbon, glass, quartz, and synthetic resin.
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