KR20200005466A - 전도성 물질의 비표면적 측정 방법 - Google Patents

전도성 물질의 비표면적 측정 방법 Download PDF

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KR20200005466A
KR20200005466A KR1020190080218A KR20190080218A KR20200005466A KR 20200005466 A KR20200005466 A KR 20200005466A KR 1020190080218 A KR1020190080218 A KR 1020190080218A KR 20190080218 A KR20190080218 A KR 20190080218A KR 20200005466 A KR20200005466 A KR 20200005466A
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Abstract

본 발명은 전기화학 임피던스 분광법을 이용한 전도성 물질의 비표면적 측정 방법 및 측정 시스템에 관한 것이다.

Description

전도성 물질의 비표면적 측정 방법{Surface area measurement method of conductive materials}
본 발명은 전기화학 임피던스 분광법을 이용한 전도성 물질의 비표면적 측정 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 물질의 비표면적을 측정하는 방법으로는 BET 측정장치를 사용하여 헬륨, 질소 등과 같은 불활성 가스를 저온에서 물질에 흡착시키는 방법이 널리 사용되고 있다.
이러한 비표면적 측정방법에서 사용되는 BET 측정장치는 대체로 진공펌프, 가스 개폐 스위치, 계산용 컴퓨터, 히터 및 액체 질소탱크 등으로 구성되어 있어, 물질을 측정할 때 높은 진공과 흡착용 고순도 불활성 가스가 반드시 필요하다. 또한, 상기의 BET 측정장치는 복잡한 구조로 무게가 무겁고 크기 때문에 일반적으로 고정하여 사용하여야 할 뿐만 아니라, 소량의 불활성 가스의 흡착과 탈착을 해석하여 물질의 비표면적을 계산하기 때문에 측정 과정이 복잡하며, 계산용 컴퓨터를 사용해야만 한다.
한편, 물질의 비표면적을 측정하는 다른 방법으로서, 저온에서 고순도의 질소 가스를 통과시키면서 흡착되는 질소 가스의 양을 측정하여 물질의 비표면적으로 취하는 방법이 사용되고 있다. 그러나, 이러한 방법은 질소 가스를 운반하기 위한 다른 기체가 필요하고, 질소 가스의 양을 감지할 수 있는 특별한 장치를 필요로 한다. 더욱이 상기의 방법은 물질 전체에 질소 가스가 흡착된 양을 계산하기가 용이하지 않아, 다량의 측정 물질을 사용하지 않을 경우에는 많은 오차가 발생하는 문제점이 있다.
특히, 미세 기공을 갖는 물질의 비표면적 측정이 요구됨에도 불구하고, 측정기기들이 고가이고, 측정에 7시간 이상의 많은 시간이 소요되기 때문에 측정을 필요로 하는 물질 중 일부를 선별하여 측정을 실시하여야만 했다. 또한, 비표면적 측정기기들이 고가이기 때문에 실험적으로 BET 측정장치를 만들어서 사용하기도 하였으나, 유리로 만들어져 있으며 진공상태의 유지를 위해 진공펌프와 연결되어 있어 이동하기가 용이하지 않아 현장에서 빠른 시간 동안 측정해야 할 물질에 대하여 적극적으로 대처하지 못하는 단점들이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2017-0009472호
상술한 바와 같이, 물질의 비표면적 측정을 위해 사용되는 BET 측정장치는 고가의 장비이며, 측정 시간이 오래 걸리고, 많은 양의 시료를 필요로 하는 문제가 있다.
이에, 상기의 문제점을 해결하고자 본 발명은 전기화학 임피던스 분광법을 이용하여 간단한 방법으로 전도성 물질의 비표면적을 측정하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 (1)전기 이중층을 갖는 전도성 물질에 분로(shunt) 저항을 형성하는 첨가제를 추가하는 단계;
(2)전기화학 임피던스 분광법(Electrochemical impedance spectroscopy, EIS)을 이용하여 상기 전도성 물질의 전기 이중층의 정전용량(capacitance)을 측정하는 단계; 및
(3)상기 정전용량으로부터 전도성 물질의 비표면적을 산출하는 단계;를 포함하는 전도성 물질의 비표면적 측정 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 (1)전기 이중층을 갖는 전도성 물질에 분로(shunt) 저항을 형성하는 첨가제를 추가하는 추가 모듈;
(2)전기화학 임피던스 분광법(Electrochemical impedance spectroscopy, EIS)을 이용하여 상기 전도성 물질의 전기 이중층의 정전용량(capacitance)을 측정하는 측정 모듈; 및
(3)상기 정전용량으로부터 전도성 물질의 비표면적을 산출하는 계산 모듈; 을 포함하는 전도성 물질의 비표면적 측정 시스템을 제공한다.
본 발명의 전도성 물질의 비표면적 측정방법은 전기화학 임피던스 분광법을 이용하여 간단한 방법으로 전도성 물질의 비표면적을 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 전도성 물질의 비표면적 측정방법은 측정시 적은 양의 시료를 필요로 하며, 수분이 있는 환경에서도 측정 가능한 장점을 지니고 있다.
도 1은 실시예 1의 전기화학 임피던스 회로도이다.
도 2는 실시예 1의 전기화학 임피던스의 결과 그래프이다.
도 3은 비교예 1의 전기화학 임피던스의 결과 그래프이다.
이하, 본 발명을 보다 자세히 설명한다.
일반적으로, BET 측정장치를 이용하여 물질의 비표면적을 측정한다. 그러나, 상기 BET 측정장치는 고가이고, 비표면적 측정에 수 시간 이상의 많은 시간이 소요되며, 측정 시 많은 양의 시료를 필요로 하는 문제가 있다. 또한, BET 측정장치로 전극 표면에 있는 전기 이중층의 정전용량(double layer capacitance)을 예측할 경우, 실제 값과 매우 큰 오차를 보이는 문제가 있다.
한편, 전기화학 임피던스 분광법(Electrochemical impedance spectroscopy, EIS)은 주파수가 다른 미소한 교류신호를 셀에 부여하여 임피던스를 계측하는 방법이다. 전기화학 계면에서의 여러 현상들은 주파수에 따라 각기 다르게 반응하여 진폭과 위상의 변화를 일으키므로 물질의 정전용량, 저항 및 부식 전위 등을 측정할 수 있으며, 이를 통해 전기 화학적 거동을 모니터링할 수 있다.
전도성 물질의 정전 용량은 상기 전기화학 임피던스 분광법 이외에 순환 전압전류법(cyclic voltammetry, CV) 또는 충·방전으로도 얻을 수 있으나, 상기의 방법들은 IR 드롭(IR drop) 또는 기체 발생 등으로 노이즈(noise)가 생성되어 정전 용량의 오차가 크며, 많은 양의 시료가 필요한 문제가 있다. 그러나, 상기 전기화학 임피던스 분광법은 상기의 문제점을 최소화할 수 있다.
일반적으로, 전해질과 반응하지 않는 전도성 물질은 전기 이중층(double layer)을 가지며, 상기 전도성 물질의 전기 이중층의 정전용량은 전도성 물질의 비표면적과 비례한다.
그러므로, 본 발명에서는 전기화학 임피던스 분광법을 이용하여 전도성 물질의 전기 이중층의 정전 용량을 분리하여 측정한 후, 이로부터 전도성 물질의 비표면적을 측정하는 방법을 제공하고자 하였으며, 상기 방법은 적은 양의 시료를 사용하고, 오차가 적은 효과를 가질 수 있다.
따라서, 본 발명은 전도성 물질의 비표면적 측정 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로
(1)전기 이중층을 갖는 전도성 물질에 분로(shunt) 저항을 형성하는 첨가제를 추가하는 단계;
(2)전기화학 임피던스 분광법(Electrochemical impedance spectroscopy, EIS)을 이용하여 상기 전도성 물질의 전기 이중층의 정전용량(capacitance)을 측정하는 단계; 및
(3)상기 정전용량으로부터 전도성 물질의 비표면적을 산출하는 단계;를 포함하는 전도성 물질의 비표면적 측정 방법에 관한 것이다.
상기 (1)단계는 전기 이중층을 갖는 전도성 물질에 분로(shunt) 저항을 형성하는 첨가제를 추가하는 단계이다.
본 발명에서 상기 전도성 물질은 전해질과 반응하지 않는 물질로, 일반적으로 전해질과 반응하지 않는 전도성 물질은 전기 이중층을 가지므로, 본 발명의 전도성 물질은 전기 이중층을 갖는 물질일 수 있다.
본 발명에서 상기 전기 이중층을 갖는 전도성 물질은 저항이 존재하면서 전도성을 갖는 물질이라면 그 종류를 특별히 한정하지 않으며, 구체적으로 예를 들어 탄소나노튜브(CNT), 그라파이트, 카본 에어로겔, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 탄소나노섬유(CNF), 활성화 탄소나노섬유(ACNF), 기상성장 탄소섬유(VGCF) 및 그래핀 등의 다공성 탄소재일 수 있다.
상기 첨가제는 상기 전기 이중층을 갖는 전도성 물질의 분로(shunt) 저항을 형성하는 물질로, 상기 전도성 물질과 전해질 간의 저항을 감소시켜 주는 물질이다.
일반적으로 전기 이중층을 갖는 전도성 물질의 전기 이중층의 정전용량은 전기화학 임피던스 분광법으로 측정이 매우 어렵다. 따라서, 본 발명에서는 전기화학 임피던스 분광법으로 상기 전도성 물질의 전기 이중층의 정전 용량을 측정하기 위하여 상기 첨가제를 사용하여 전기화학 임피던스 분광법으로 상기 전도성 물질의 전기 이중층의 정전 용량을 측정하고자 하였다.
상기 첨가제는 전해질의 이온과 가역 반응이 가능한 물질이라면 그 종류를 특별히 한정하는 것은 아니나, 구체적으로 예를 들어 LiMnO2, MnO2, LiMn2O4, LiFePO4, Li(NixCoyMnz)O2, RuO2, SnO2, CoO, NiO, IrO2, Mn3O4, Co3O4, NiCo2O4, V2O5, TiO2, MoO3 및 Fe2O3로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 가역 반응은 전해질에 있는 이온과 첨가제가 산화-환원 반응 또는 인터칼레이션(intercalation)하는 반응을 의미한다.
따라서, 상기 첨가제는 전해질의 이온과 산화-환원 반응 또는 인터칼레이션 반응을 할 수 있는 물질이며, 예를 들어 상기 MnO2는 산화-환원(redox) 반응을 이용한 것이며, 상기 LiMn2O4는 인터칼레이션(intercalation) 반응을 이용한 것이다.
상기 첨가제의 정전 용량은 전기 이중층을 갖는 전도성 물질의 정전 용량보다 커서 반응 속도가 상대적으로 느리다. 따라서, 전도성 물질의 전기 이중층이 형성되는 시간대역과 상기 첨가제의 슈도 용량(pseudocapacitance)이 형성되는 시간 대역이 다르므로, 상기 첨가제의 슈도 용량(pseudocapacitance)은 전도성 물질의 측정에 영향을 주지 못하며, 분로 저항(shunt resistance)으로만 작용하게 된다.
전기화학 임피던스 분광법에서 RC 회로의 경우, 전도성 물질과 전해질이 직접 반응하지 않으므로 저항은 매우 크고, 정전 용량이 매우 작아 Warburg 소자(Warburg element)에 가려져 정전 용량 검출이 불가하다. 그러나, 본 발명에서는 전도성 물질에 상기 첨가제를 추가함으로써 저항을 감소시킬 수 있어 Warburg 소자와 분리가 가능하며, 전도성 물질의 전기 이중층의 정전 용량을 측정할 수 있다.
보다 구체적으로, 전기화학 임피던스 분광법에서 전도성 물질의 전기 신호도 및 전기 이중층은 형성 및 사라짐을 반복하면서 일반적인 커패시터(capacitor)와 같이 변위전류(displacement current)로 신호가 전달된다. 그러나, 전기 이중층의 형성 속도가 지나치게 빨라 높은 주파수에서만 반응하며, 이 때 측정 시스템상 높은 주파수 대역에서는 노이즈가 많고, Warburg 소자(Warburg element)가 상대적으로 커서 측정이 제대로 이루어질 수 없다. 따라서, 분로 저항을 형성시키는 첨가제를 추가하여 분로 저항을 형성시켜주면 전도성 물질의 전기 이중층 형성 시간이 느려져 나이퀴스트 플롯(Nyquist plot)에서 반원이 나타나게 되며, 전도성 물질의 전기 이중층의 정전 용량을 측정할 수 있다.
또한, 전기화학 임피던스 분광법을 이용하여 전기 이중층을 갖는 전도성 물질의 비표면적 측정시 필요한 상기 전도성 물질은 1μg 이상이다.
물질의 비표면적을 측정하기 위해서는 일반적으로 BET 측정장치를 이용한다. 상기 BET 측정장치는 물질의 비표면적을 측정하기 위해서 약 100mg 이상을 필요로 한다. 그러나, 본 발명에서는 전기 이중층을 갖는 전도성 물질의 비표면적 측정을 위하여 1μg 이상의 함량만을 필요로 하므로, 적은 양으로도 전기 이중층을 갖는 전도성 물질의 비표면적을 측정할 수 있는 장점을 지니고 있다.
또한, 상기 첨가제는 전기 이중층을 갖는 전도성 물질 총 중량부에 대하여 1 내지 20 중량부로 포함되며, 바람직하게는 5 내지 15 중량부로 포함된다.
상기 첨가제가 1 중량부 미만으로 포함되면 첨가제의 반응성이 저하되며, 전해질의 확산(diffusion)이 나빠져 Warburg 소자가 강하게 나타날 수 있으며, 20 중량부를 초과하여 포함되면 첨가제의 함량이 지나치게 많아 전도성 물질의 구조체 형성 또는 전기 이중층 형성을 방해하여 전도성 물질의 전기 이중층의 정전 용량의 측정이 어려운 문제가 있다.
또한, 상기 첨가제는 통상적으로 전도성 물질 보다 밀도가 높기 때문에 상기의 함량 범위로 포함된다 하더라도 실제로 대면적에 미치는 영향이 미미하며, 첨가제 위에 생기는 전기 이중층은 바로 소멸되어 shunt로의 역할을 한다. 따라서, 첨가제 자체의 전기 이중층이 약하게 형성되어 첨가제의 비표면적 계산에 최소화되므로, 전도성 물질의 전기 이중층의 정전용량 측정의 오차를 줄일 수 있다.
상기 (2)단계는 전기화학 임피던스 분광법(Electrochemical impedance spectroscopy, EIS)을 이용하여 상기 전도성 물질의 전기 이중층의 정전용량(capacitance)을 측정하는 단계이다.
상기 전도성 물질은 전기화학 임피던스 분광법 측정시 전기 이중층이 형성되며, 상기 전기 이중층은 전도성 물질의 표면을 둘러싸고 있으므로 전기 이중층의 정전용량으로부터 전도성 물질의 비표면적을 측정할 수 있다.
상기 전기화학 임피던스 분광법은 임피던스의 진폭과 위상을 복소수 평면에 나타내며, 이것을 나이퀴스트 플롯(Nyquist plot)라고 한다. 상기 나이퀴스트 선도는 반원과 45°각도의 직선으로 나타나지며, 반원의 지름은 계면에서 전자가 전해질과 전도성 물질간 계면을 통과하는 이동하는 속도와 관련된 전하 이동 저항(charge transfer resistance)이고, 45°각도의 직선은 확산에 의한 물질 이동을 나타내는 Warburg 임피던스(Zw)를 의미한다.
상기 (1)단계는 전기 이중층을 갖는 전도성 물질에 첨가제를 추가한 것으로, 상기 첨가제가 Warburg 소자에 의하여 가려진 상기 반원을 작게하여 전도성 물질의 전기 이중층의 정전용량을 측정할 수 있게 한다.
상기 전기화학 임피던스 분광법을 이용한 전도성 물질의 전기 이중층의 정전용량 측정은 상기 (1)단계에서 준비한 시료(전도성 물질 및 첨가제)를 작업 전극(working electrode)으로 하여, 전해질을 포함하는 3전극 전기화학적 셀을 구성하여 전도성 물질의 전기 이중층의 정전용량을 측정할 수 있다.
상기 전해질은 3전극 전기화학적 셀에 이용되는 것이라면 그 종류를 특별히 한정하지는 않는다.
따라서, 본 발명의 전도성 물질의 비표면적 측정 방법은 수분이 있는 환경에서도 측정이 가능한 장점을 지니고 있다.
또한, 상기 전기화학 임피던스 분광법을 이용한 전도성 물질의 전기 이중층의 정전용량 측정은 BET 방법보다 다공성 전도성 물질을 측정하는데 오차가 적은 장점을 지니고 있다.
상기 (3)단계는 상기 (2)단계에서 측정된 전도성 물질의 전기 이중층의 정전용량으로부터 전도성 물질의 비표면적을 산출하는 단계이다.
전도성 물질의 전기 이중층의 정전용량은 비표면적에 비례하며, 이는 하기 수학식 1 또는 수학식 2에 의하여 산출될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
C : 전도성 물질의 전기 이중층의 정전 용량(capacitance)
A : 전도성 물질의 비표면적(area)
ε: 유전율(permittivity)
d : 전도성 물질의 전기 이중층의 두께(distance)
[수학식 2]
Figure pat00002
SSA : 전도성 물질의 질량 당 비표면적(Specific Surface Area)
C : 전도성 물질의 전기 이중층의 정전용량
C0 : 동일 측정 조건에서 레퍼런스 전도성 물질의 비표면적 대비 정전용량
m : 전도성 물질의 질량
따라서, 상기 수학식 1 또는 수학식 2를 통하여 전도성 물질의 비표면적을 산출할 수 있다.
상기 수학식 2의 C0는 본 발명과 동일한 측정 조건에서 전도성 물질의 비표면적 대비 정전용량을 측정한 값으로, 레퍼런스(reference)의 역할을 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 전도성 물질과 전해질 간의 저항을 감소시켜 줄 수 있는 첨가제를 사용하여 시료를 준비한 뒤, 전기화학 임피던스 분광법으로 상기 전도성 물질의 전기 이중층의 정전용량을 구하고, 이로부터 전도성 물질의 비표면적을 산출할 수 있다. 즉, 본 발명은 간단한 방법으로 전도성 물질의 비표면적을 측정할 수 있으며, 측정시 필요한 시료의 양이 적고, 측정 시간이 짧은 효과 등을 가질 수 있다.
또한, 본 발명은 상기에서 살펴본 전도성 물질의 비표면적 측정 방법을 이용한 전도성 물질의 비표면적 측정 시스템에 관한 것이다.
구체적으로, (1)전기 이중층을 갖는 전도성 물질에 분로(shunt) 저항을 형성하는 첨가제를 추가하는 추가 모듈;
(2)전기화학 임피던스 분광법(Electrochemical impedance spectroscopy, EIS)을 이용하여 상기 전도성 물질의 전기 이중층의 정전용량(capacitance)을 측정하는 측정 모듈; 및
(3)상기 정전용량으로부터 전도성 물질의 비표면적을 산출하는 계산 모듈; 를 포함하는 전도성 물질의 비표면적 측정 시스템에 관한 것이다.
상기 (1)단계의 전기 이중층을 갖는 전도성 물질은 상술한 바와 동일하다.
또한, 상기 첨가제는 상기 전기 이중층을 갖는 전도성 물질의 분로(shunt) 저항을 형성하는 물질로, 상기 전도성 물질과 전해질 간의 저항을 감소시켜주는 물질이다.
전해질의 이온과 가역 반응이 가능한 물질이라면 그 종류를 특별히 한정하는 것은 아니나, 구체적으로 예를 들어 LiMnO2, MnO2, LiMn2O4, LiFePO4, Li(NixCoyMnz)O2, RuO2, SnO2, V2O5, CoO, NiO, IrO2, Mn3O4, Co3O4, NiCo2O4, TiO2, MoO3 및 Fe2O3로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 가역 반응은 전해질에 있는 이온과 첨가제가 산화-환원 반응 또는 인터칼레이션(intercalation)하는 반응을 의미한다.
따라서, 상기 첨가제는 전해질의 이온과 산화-환원 반응 또는 인터칼레이션 반응을 할 수 있는 물질이며, 예를 들어 상기 MnO2는 산화-환원(redox) 반응을 이용한 것이며, 상기 LiMn2O4는 인터칼레이션(intercalation) 반응을 이용한 것이다.
또한, 전도성 물질의 비표면적 측정 시스템에서 상기 전도성 물질을 측정하기 위하여 1μg 이상의 전도성 물질이 필요하다.
상기 첨가제는 전기 이중층을 갖는 전도성 물질 총 중량부에 대하여 1 내지 20 중량부로 포함되며, 바람직하게는 5 내지 15 중량부로 포함된다.
상기 첨가제가 1 중량부 미만으로 포함되면 첨가제의 반응성이 저하되며, 전해질의 확산(diffusion)이 나빠져 Warburg 소자가 강하게 나타날 수 있으며, 20 중량부를 초과하여 포함되면 첨가제의 함량이 지나치게 많아 전도성 물질의 구조체 형성 또는 전기 이중층 형성을 방해하여 전도성 물질의 전기 이중층의 정전 용량의 측정이 어려운 문제가 있다.
상기 (3)단계의 계산 모듈에서 상기 정전용량으로부터 전도성 물질의 비표면적 산출은 하기 수학식 1 또는 수학식 2에 의해 산출될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00003
C : 전도성 물질의 전기 이중층의 정전 용량(capacitance)
A : 전도성 물질의 비표면적(area)
ε: 유전율(permittivity)
d : 전도성 물질의 전기 이중층의 두께(distance)
[수학식 2]
Figure pat00004
SSA : 전도성 물질의 질량 당 비표면적(Specific Surface Area)
C : 전도성 물질의 전기 이중층의 정전용량
C0 : 동일 측정 조건에서 레퍼런스 전도성 물질의 비표면적 대비 정전용량
m : 전도성 물질의 질량
따라서, 상기 수학식 1 또는 수학식 2를 통하여 전도성 물질의 비표면적을 산출할 수 있다.
상기 수학식 2의 C0는 본 발명과 동일한 측정 조건에서 전도성 물질의 비표면적 대비 정전용량을 측정한 값으로, 레퍼런스(reference)의 역할을 한다.
본 명세서에서 기재한 모듈(module)이란 용어는 특정한 기능이나 동작을 처리하는 하나의 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현할 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
<전도성 물질의 비표면적 측정>
실시예 1.
카본 블랙 180μg에 첨가제로 LiMn2O4를 10μg 첨가하여 시료를 준비하였으며, 상기 시료를 작업 전극(working electrode)으로 하여 3전극 전기화학적 셀을 구성하여 전기화학 임피던스 분광법을 수행하였다. 상기 전기화학 임피던스 분광법은 PC와 연결된 일정 전위기(potentiostat)로 수행하였다.
전기화학적 셀에서 기준 전극(reference electrode)은 Saturated calomel electrode(SCE)가 사용되었으며, 상대 전극(counter electrode)은 Pt wire가 사용되었다.
전기화학 임피던스 분광법은 전해질로 2M Lithium Nitrate(aqueous)을 사용하였으며, 1V bias에서 10 kHz 내지 0.1 Hz로 측정하였다. 랜들 써킷(Randle Circuit)에 수도커패시턴스(pseudocapacitance)를 의미하는 C를 회로 끝에 하나 더 추가한 형태로 사용하였다(도 1).
상기 전기화학 임피던스 분광법으로부터 상기 카본 블랙의 전기 이중층의 정전용량이 5.111e-5F로 측정되었다. 상기 정전용량을 상술한 수학식 1에 대입한 결과, 전도성 물질인 카본 블랙의 비표면적은 100.96 m2/g 로 측정되었다(도 2).
비교예 1.
첨가제를 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 임피던스 스펙트럼을 얻었다(도 3),
비교예 1은 첨가제를 사용하지 않아 전도성 물질인 카본 블랙의 정전 용량이 전혀 측정되지 않아 이로부터 카본 블랙의 비표면적을 구하지 못하였다.

Claims (12)

  1. (1)전기 이중층을 갖는 전도성 물질에 분로(shunt) 저항을 형성하는 첨가제를 추가하는 단계;
    (2)전기화학 임피던스 분광법(Electrochemical impedance spectroscopy, EIS)을 이용하여 상기 전도성 물질의 전기 이중층의 정전용량(capacitance)을 측정하는 단계; 및
    (3)상기 정전용량으로부터 전도성 물질의 비표면적을 산출하는 단계; 를 포함하는 전도성 물질의 비표면적 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 첨가제는 전해질의 이온과 가역 반응을 하는 물질인 것을 특징으로 하는 전도성 물질의 비표면적 측정 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 첨가제는 전해질의 이온과 산화-환원 반응 또는 인터칼레이션 반응을 하는 물질인 것을 특징으로 하는 전도성 물질의 비표면적 측정 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전도성 물질은 1μg 이상인 것을 특징으로 하는 전도성 물질의 비표면적 측정 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 첨가제는 전도성 물질 총 중량부에 대하여 1 내지 20 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 전도성 물질의 비표면적 측정 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 정전용량으로부터 전도성 물질의 비표면적 산출은 하기 수학식 1 또는 수학식 2에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 전도성 물질의 비표면적 측정 방법.
    [수학식 1]
    Figure pat00005

    C : 전도성 물질의 전기 이중층의 정전 용량(capacitance)
    A : 전도성 물질의 비표면적(area)
    ε: 유전율(permittivity)
    d : 전도성 물질의 전기 이중층의 두께(distance)
    [수학식 2]
    Figure pat00006

    SSA : 전도성 물질의 질량 당 비표면적(Specific Surface Area)
    C : 전도성 물질의 전기 이중층의 정전용량
    C0 : 동일 측정 조건에서 레퍼런스 전도성 물질의 비표면적 대비 정전용량
    m : 전도성 물질의 질량
  7. (1)전기 이중층을 갖는 전도성 물질에 분로(shunt) 저항을 형성하는 첨가제를 추가하는 추가 모듈;
    (2)전기화학 임피던스 분광법(Electrochemical impedance spectroscopy, EIS)을 이용하여 상기 전도성 물질의 전기 이중층의 정전용량(capacitance)을 측정하는 측정 모듈; 및
    (3)상기 정전용량으로부터 전도성 물질의 비표면적을 산출하는 계산 모듈; 를 포함하는 전도성 물질의 비표면적 측정 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 첨가제는 전해질의 이온과 가역 반응을 하는 물질인 것을 특징으로 하는 전도성 물질의 비표면적 측정 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 첨가제는 전해질의 이온과 산화-환원 반응 또는 인터칼레이션 반응을 하는 물질인 것을 특징으로 하는 전도성 물질의 비표면적 측정 시스템.
  10. 제7항에 있어서, 상기 전도성 물질은 1μg 이상인 것을 특징으로 하는 전도성 물질의 비표면적 측정 시스템.
  11. 제7항에 있어서, 상기 첨가제는 전도성 물질 총 중량부에 대하여 1 내지 20 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 전도성 물질의 비표면적 측정 시스템.
  12. 제7항에 있어서, 상기 계산 모듈에서 상기 정전용량으로부터 전도성 물질의 비표면적 산출은 하기 수학식 1 또는 수학식 2에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 전도성 물질의 비표면적 측정 시스템.
    [수학식 1]
    Figure pat00007

    C : 전도성 물질의 전기 이중층의 정전 용량(capacitance)
    A : 전도성 물질의 비표면적(area)
    ε: 유전율(permittivity)
    d : 전도성 물질의 전기 이중층의 두께(distance)
    [수학식 2]
    Figure pat00008

    SSA : 전도성 물질의 질량 당 비표면적(Specific Surface Area)
    C : 전도성 물질의 전기 이중층의 정전용량
    C0 : 동일 측정 조건에서 레퍼런스 전도성 물질의 비표면적 대비 정전용량
    m : 전도성 물질의 질량
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102365086B1 (ko) * 2018-12-03 2022-02-18 주식회사 엘지에너지솔루션 비파괴적 활물질의 활성 면적 측정 방법

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170009472A (ko) 2015-07-17 2017-01-25 주식회사 엘지화학 저온 특성이 향상된 리튬 이차전지용 음극 및 이를 포함하고 있는 리튬 이차전지

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100210652B1 (ko) 1996-12-13 1999-07-15 최수현 다공성 시료의 비표면적 측정방법 및 장치
JPH10239716A (ja) 1996-12-24 1998-09-11 Nippon Oil Co Ltd エレクトロクロミック素子用対向電極及び素子
JP2002151366A (ja) 2000-11-10 2002-05-24 Toyota Motor Corp 電気二重層キャパシタの検査方法
JP2002184458A (ja) 2000-12-11 2002-06-28 Toyota Central Res & Dev Lab Inc リチウム二次電池
JP2002260634A (ja) 2001-02-28 2002-09-13 Toyota Central Res & Dev Lab Inc リチウム二次電池
JP4578711B2 (ja) 2001-03-30 2010-11-10 株式会社クラレ 活性炭の電気特性測定用セル、測定装置及び電気特性評価手法
JP2005310836A (ja) * 2004-04-16 2005-11-04 Kaneka Corp 電気化学素子用電極およびその製造方法
JP4827190B2 (ja) 2004-08-12 2011-11-30 ハルツォク・ジャパン株式会社 粉体の比表面積測定用サンプルの形成装置
JP2006133221A (ja) 2004-10-06 2006-05-25 Denki Kagaku Kogyo Kk 比表面積の測定方法
US7088115B1 (en) * 2004-12-16 2006-08-08 Battelle Energy Alliance, Llc Electrochemical impedance spectroscopy system and methods for determining spatial locations of defects
JP4760203B2 (ja) 2005-08-05 2011-08-31 Ｔｄｋ株式会社 電気二重層キャパシタ
JP4499795B2 (ja) 2005-10-11 2010-07-07 昭和電工株式会社 電気二重層キャパシタ用集電体、電気二重層キャパシタ用電極、及び電気二重層キャパシタ、並びにそれらの製造方法
EP2009654A4 (en) 2006-04-14 2017-02-22 Cataler Corporation Method for producing carbon material for electrochemical device electrode
CN101710087B (zh) * 2009-11-06 2012-10-24 东南大学 微纳米单粒子阻抗谱测量芯片及测量方法
KR101166222B1 (ko) 2010-02-26 2012-07-16 서울대학교산학협력단 전기이중층 전기용량에 기초한 생물막의 성장 정도 측정 방법 및 측정 장치
JP2012023196A (ja) 2010-07-14 2012-02-02 Yokohama Rubber Co Ltd:The 導電性高分子／多孔質炭素材料複合体
US8692564B2 (en) * 2011-02-04 2014-04-08 General Electric Company System and method for use in determining the thickness of a layer of interest in a multi-layer structure
KR101291310B1 (ko) 2011-03-22 2013-07-30 서울대학교산학협력단 알루미늄 산화물 박막이 부착된 금속 전극을 이용한 미생물 측정 방법
KR20140066567A (ko) * 2012-11-23 2014-06-02 주식회사 엘지화학 리튬 이차전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
JP2015049175A (ja) 2013-09-03 2015-03-16 住友電気工業株式会社 金属多孔体の表面積の測定方法及び金属多孔体の製造方法
CN106442649B (zh) * 2016-09-23 2019-03-01 桂林电子科技大学 一种基于eis结构电化学生物传感器检测1,5-脱水葡萄糖醇的方法
JP2018092978A (ja) 2016-11-30 2018-06-14 マツダ株式会社 電気二重層キャパシタ
CN107677712A (zh) 2017-09-14 2018-02-09 合肥国轩高科动力能源有限公司 一种锂离子电池电化学阻抗谱的测试方法
CN108051479A (zh) 2017-11-04 2018-05-18 山西长征动力科技有限公司 一种分析涂碳箔材界面导电性能的检测方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170009472A (ko) 2015-07-17 2017-01-25 주식회사 엘지화학 저온 특성이 향상된 리튬 이차전지용 음극 및 이를 포함하고 있는 리튬 이차전지

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