KR20200046546A - Manufacturing method of porous active carbon using lignocellulose biomass and manufacturing method of the supercapacitor usig the active carbon - Google Patents

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KR20200046546A
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Abstract

The present invention relates to a method for preparing partially crystalline activated carbon and a method for preparing a supercapacitor using the partially crystalline activated carbon. The method comprises steps of: preparing Lignocellulose biomass; immersing the Lignocellulose biomass into an alkaline solution containing at least one metal element selected from the group consisting of K, Na and Ca; covering an outlet of a reactor containing the Lignocellulose biomass and the alkaline solution, dropping inert gas into the reactor, and covering an inlet of the reactor; raising a temperature in the reactor up to 100-150°C and maintaining the temperature to structurally isolate the cellulose and lignin contained in the Lignocellulose biomass; and opening the outlet of the reactor and raising a temperature up to 600-950°C while injecting inert gas through the inlet of the reactor, and maintaining the temperature to activate the structurally isolated cellulose and lignin. According to the present invention, it is possible to prepare the partially crystalline activated carbon which represents a high specific surface area, excellent conductivity and high specific capacitance by using the Lignocellulose biomass, of which raw material is easily secured.

Description

리그노셀룰로오스 바이오매스를 이용한 부분결정성 활성탄의 제조방법 및 상기 부분결정성 활성탄을 이용한 슈퍼커패시터의 제조방법{Manufacturing method of porous active carbon using lignocellulose biomass and manufacturing method of the supercapacitor usig the active carbon}Manufacturing method of partially crystalline activated carbon using lignocellulose biomass and manufacturing method of supercapacitor using the partially crystalline activated carbon {Manufacturing method of porous active carbon using lignocellulose biomass and manufacturing method of the supercapacitor usig the active carbon}

본 발명은 부분결정성 활성탄의 제조방법 및 상기 부분결정성 활성탄을 이용한 슈퍼커패시터의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원료의 확보가 용이한 리그노셀룰로오스 바이오매스(Lignocellulose biomass)를 사용하여 제조할 수 있으며, 높은 비표면적, 우수한 전도도 및 높은 비축전용량을 나타내는 부분결정성 활성탄을 제조하는 방법 및 상기 부분결정성 활성탄을 이용한 슈퍼커패시터의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing partially crystalline activated carbon and a method for manufacturing a supercapacitor using the partially crystalline activated carbon, and more specifically, it is manufactured using a lignocellulose biomass that is easy to secure raw materials. The present invention relates to a method of manufacturing partially crystalline activated carbon that exhibits high specific surface area, excellent conductivity, and high storage capacity, and a method of manufacturing a supercapacitor using the partially crystalline activated carbon.

차세대 에너지 저장장치들 중 슈퍼커패시터는 빠른 충·방전 속도, 높은 안정성, 그리고 친환경적 특성으로 인해, 차세대 에너지 저장장치로 각광받고 있다. 일반적인 슈퍼커패시터는 다공성 전극, 집전체, 분리막, 그리고 전해액 등으로 구성된다. Among the next-generation energy storage devices, supercapacitors are in the spotlight as next-generation energy storage devices due to their fast charging and discharging speed, high stability, and eco-friendly characteristics. A typical supercapacitor is composed of a porous electrode, a current collector, a separator, and an electrolyte.

슈퍼커패시터는 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC), 울트라커패시터(Ultra-capacitor) 라고도 일컬어지며, 이는 전극 및 도전체와, 그것에 함침된 전해액의 계면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기이중층)이 생성된 것을 이용하는 것으로, 충전/방전 동작의 반복으로 인한 열화가 매우 작아 보수가 필요없는 소자이다. 이에 따라 슈퍼커패시터는 각종 전기ㆍ전자기기의 IC(integrated circuit) 백업을 하는 형태로 주로 사용되고 있으며, 최근에는 그 용도가 확대되어 장난감, 태양열 에너지 저장, HEV(hybrid electric vehicle) 전원 등에까지 폭넓게 응용되고 있다.The supercapacitor is also referred to as an electric double layer capacitor (EDLC) or an ultracapacitor (Ultra-capacitor), which is a pair of charge layers each having a different sign at the interface between an electrode and a conductor and an electrolyte impregnated therewith Electric double layer) is used, and it is a device that does not require maintenance because deterioration due to repetition of charge / discharge operation is very small. Accordingly, supercapacitors are mainly used in the form of backing up integrated circuits (ICs) of various electric and electronic devices, and recently, their use has been expanded to widely apply to toys, solar energy storage, and HEV (hybrid electric vehicle) power supplies. have.

이와 같은 슈퍼커패시터는 일반적으로 전해액이 함침된 양극 및 음극의 두 전극과, 이러한 두 전극 사이에 개재되어 이온(ion) 전도만 가능케 하고 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)과, 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓(gasket), 그리고 이들을 포장하는 도전체로서의 금속 캡으로 구성된 단위셀을 갖는다. 그리고 위와 같이 구성된 단위셀 1개 이상(통상, 코인형의 경우 2∼6개)을 직렬로 적층하고 양극과 음극의 두 단자(terminal)를 조합하여 완성된다.Such a supercapacitor generally includes two electrodes of an anode and a cathode impregnated with an electrolyte, and a separator made of a porous material to prevent ions and short circuits by interposing between these two electrodes, and preventing electrolysis and short circuits. It has a unit cell composed of a gasket for preventing leakage and preventing insulation and short circuit, and a metal cap as a conductor for packaging them. Then, one or more unit cells configured as above (normally, 2 to 6 in the case of a coin type) are stacked in series and completed by combining two terminals of the positive electrode and the negative electrode.

슈퍼커패시터의 성능은 전극활물질, 전해액 등에 의하여 결정되며, 특히 축전용량 등 주요성능은 전극활물질에 의하여 대부분 결정된다. 이러한 전극활물질로는 활성탄이 주로 사용되고 있으며, 상용제품의 전극 기준으로 비축전용량은 최고 19.3 F/cc 정도로 알려져 있다. 일반적으로 슈퍼커패시터의 전극활물질로 사용되는 활성탄은 1500㎡/g 이상의 고비표면적 활성탄이 사용되고 있다. The performance of the supercapacitor is determined by the electrode active material, electrolytic solution, etc., and in particular, the main performance such as the storage capacity is mostly determined by the electrode active material. Activated carbon is mainly used as the electrode active material, and the reserve capacity is known to be up to 19.3 F / cc based on the electrode of a commercial product. In general, activated carbon used as an electrode active material of a supercapacitor uses activated carbon having a high specific surface area of 1500 m 2 / g or more.

하지만, 기존 전극활물질로 사용되는 다공성 활성탄의 경우 탄소나노튜브나 그래핀 등의 재료에 비해 전도도가 낮은 단점이 있다.However, the porous activated carbon used as an existing electrode active material has a disadvantage of lower conductivity than materials such as carbon nanotubes or graphene.

대한민국 특허등록번호 제10-1137719호Republic of Korea Patent Registration No. 10-1137719

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 원료의 확보가 용이한 리그노셀룰로오스 바이오매스(Lignocellulose biomass)를 사용하여 제조할 수 있으며, 높은 비표면적, 우수한 전도도 및 높은 비축전용량을 나타내는 부분결정성 활성탄을 제조하는 방법 및 상기 부분결정성 활성탄을 이용한 슈퍼커패시터의 제조방법을 제공함에 있다. The problem to be solved by the present invention can be produced using a lignocellulose biomass, which is easy to secure a raw material, and manufactures partially crystalline activated carbon exhibiting high specific surface area, excellent conductivity and high specific capacity. It is to provide a method and a method for manufacturing a supercapacitor using the partially crystalline activated carbon.

본 발명은, 리그노셀룰로오스(Lignocellulose) 바이오매스를 준비하는 단계와, 상기 리그노셀룰로오스 바이오매스를 K, Na 및 Ca으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속원소를 포함하는 알칼리 용액에 침지시키는 단계와, 상기 리그노셀룰로오스 바이오매스와 알칼리 용액이 담긴 반응기의 배출구를 차폐하고 상기 반응기 내로 비활성 기체를 흘려준 후 상기 반응기의 유입구를 차폐하는 단계와, 상기 반응기 내부를 100∼150℃로 승온하고 유지하여 상기 리그노셀룰로오스 바이오매스에 함유된 셀룰로오스와 리그닌이 구조적으로 분리되게 하는 단계 및 상기 반응기의 배출구를 개방하고 상기 반응기의 유입구를 통해 비활성 기체를 주입하면서 600∼950℃로 승온하고 유지하여 구조적으로 분리된 셀룰로오스와 리그닌을 활성화 시키는 단계를 포함하는 부분결정성 활성탄의 제조방법을 제공한다. The present invention comprises the steps of preparing a lignocellulose biomass, and immersing the lignocellulose biomass in an alkaline solution comprising one or more metal elements selected from the group consisting of K, Na and Ca. , Shielding the outlet of the reactor containing the lignocellulosic biomass and alkali solution, flowing an inert gas into the reactor, and then shielding the inlet of the reactor, and heating and maintaining the inside of the reactor at 100 to 150 ° C. Structurally separating the cellulose and lignin contained in the lignocellulosic biomass, and opening the outlet of the reactor and injecting an inert gas through the inlet of the reactor while heating and maintaining at 600 to 950 ° C to structurally separate Including the steps to activate the cellulose and lignin Is provides a process for the preparation of partially crystalline active carbon.

상기 알칼리 용액은 KOH, NaOH, Ca(OH2) 및 NaHCO3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.The alkali solution may include one or more substances selected from the group consisting of KOH, NaOH, Ca (OH 2 ) and NaHCO 3 .

상기 알칼리 용액에 알킬암모늄 플루오라이드를 혼합하여 이종원소가 도핑되게 할 수 있다.Alkyl ammonium fluoride may be mixed with the alkali solution to allow doping of heterogeneous elements.

상기 알킬암모늄 플루오라이드는 MgF2, H2SiF6, NaF, NaHF2, NH4F, NH4HF2, NH4BF4, KF, KHF2, ALF3 및 H2TiF6로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.The alkylammonium fluoride is selected from the group consisting of MgF 2 , H 2 SiF 6 , NaF, NaHF 2 , NH 4 F, NH 4 HF 2 , NH 4 BF 4 , KF, KHF 2 , ALF 3 and H 2 TiF 6 It may contain one or more substances.

상기 리그노셀룰로오스 바이오매스와 상기 알킬암모늄 플루오라이드는 1:0.05 ~ 1:0.5의 중량비를 이루게 혼합하는 것이 바람직하다.The lignocellulosic biomass and the alkylammonium fluoride are preferably mixed in a weight ratio of 1: 0.05 to 1: 0.5.

상기 활성화 시키는 단계 후에, 상기 반응기를 냉각하는 단계 및 상기 반응기 내부에 잔존하는 메탈릭 가스를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.After the activating step, cooling the reactor and removing the metallic gas remaining inside the reactor may be included.

상기 메탈릭 가스를 제거하는 단계는 상기 반응기 내로 무수에탄올 증기를 주입하여 상기 메탈릭 가스를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.The step of removing the metallic gas may include the step of removing the metallic gas by injecting anhydrous ethanol vapor into the reactor.

상기 활성화 시키는 단계에서, 상기 반응기의 배출구에 에탄올이 담긴 배출조를 두어 메탈릭 가스가 대기 중에 방출되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.In the activating step, it is preferable to prevent the metallic gas from being released into the atmosphere by placing a discharge tank containing ethanol in the outlet of the reactor.

상기 부분결정성 활성탄은 2800 ㎡/g보다 높은 비표면적을 갖는다.The partially crystalline activated carbon has a specific surface area higher than 2800 m 2 / g.

상기 부분결정성 활성탄은 15 S/m보다 높은 전도도를 나타낸다.The partially crystalline activated carbon exhibits a conductivity higher than 15 S / m.

또한, 본 발명은, 상기 방법으로 제조된 부분결정성 활성탄, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계와, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계와, 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성하는 단계 및 상기 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 양극, 상기 분리막 및 상기 음극을 비수계 전해액에 함침시키는 단계를 포함하는 슈퍼커패시터의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention is a step of preparing a composition for a supercapacitor electrode by mixing a partially crystalline activated carbon, a conductive material, a binder, and a dispersion medium prepared by the above method, and compressing the composition for the supercapacitor electrode to form an electrode or , Forming the composition for the supercapacitor electrode on a metal foil to form an electrode, or pushing the composition for the supercapacitor electrode into a sheet to form a sheet by attaching it to a metal foil or a current collector, and forming the electrode in the form of an electrode. Forming a supercapacitor electrode by drying the resultant formed by using the supercapacitor electrode as an anode and a cathode, and disposing a separator to prevent short circuit between the anode and the cathode between the anode and the cathode, and The step of impregnating the positive electrode, the separator and the negative electrode with a non-aqueous electrolyte solution is included. The present invention provides a method for manufacturing a supercapacitor.

본 발명에 의하면, 원료의 확보가 용이한 리그노셀룰로오스 바이오매스(Lignocellulose biomass)를 사용하여 제조할 수 있으며, 높은 비표면적, 우수한 전도도 및 높은 비축전용량을 나타내는 부분결정성 활성탄을 제조할 수 있다.According to the present invention, it can be prepared using a lignocellulose biomass (Lignocellulose biomass), which is easy to secure the raw material, and can produce a partially crystalline activated carbon exhibiting high specific surface area, excellent conductivity and high specific capacity. .

상기 부분결정성 활성탄을 양극과 음극의 전극활물질로 사용함으로써 높은 비축전용량과 에너지밀도를 갖는 슈퍼커패시터를 제조할 수 있다.By using the partially crystalline activated carbon as an electrode active material for the positive electrode and the negative electrode, a supercapacitor having high storage capacity and energy density can be manufactured.

도 1은 반응기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 일 예에 따른 코인형 슈퍼커패시터의 단면도를 보인 것이다.
도 3 내지 도 6은 일 예에 따른 권취형 슈퍼커패시터를 보여주는 도면이다.
도 7은 비교예에 따라 제조된 활성탄의 고해상 투과전자현미경(HR-TEM) 사진이다.
도 8은 실험예 1에 따라 제조된 부분결정성 활성탄의 고해상 투과전자현미경(high-resolution transmission electron microscope; HR-TEM) 사진이다.
도 9는 비교예에 따라 제조된 활성탄의 X-선회절(X-ray diffraction; XRD) 패턴을 보여주는 도면이다.
도 10은 실험예 1에 따라 제조된 부분결정성 활성탄의 X-선회절(XRD) 패턴을 보여주는 도면이다.
도 11은 비교예에 따라 제조된 활성탄과 실험예 1에 따라 제조된 부분결정성 활성탄의 질소 흡·탈착 곡선을 나타낸 도면이다.
1 is a view schematically showing a reactor.
2 is a cross-sectional view of a coin-type supercapacitor according to an example.
3 to 6 are views showing a wound type supercapacitor according to an example.
7 is a high resolution transmission electron microscope (HR-TEM) photograph of activated carbon prepared according to a comparative example.
8 is a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) photograph of a partially crystalline activated carbon prepared according to Experimental Example 1.
9 is a view showing an X-ray diffraction (XRD) pattern of activated carbon prepared according to a comparative example.
10 is a view showing an X-ray diffraction (XRD) pattern of partially crystalline activated carbon prepared according to Experimental Example 1.
11 is a view showing a nitrogen adsorption and desorption curve of activated carbon prepared according to Comparative Example and partially crystalline activated carbon prepared according to Experimental Example 1.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the following embodiments are provided to those of ordinary skill in the art to fully understand the present invention and may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is limited to the embodiments described below. It does not work.

발명의 상세한 설명 또는 청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.In the description or claims of the present invention, when any one component "includes" another component, it is not limited to being interpreted as being composed only of the corresponding component unless specifically stated otherwise, and other components are further added. It should be understood that it can be included.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 부분결정성 활성탄의 제조방법은, 리그노셀룰로오스(Lignocellulose) 바이오매스를 준비하는 단계와, 상기 리그노셀룰로오스 바이오매스를 K, Na 및 Ca으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속원소를 포함하는 알칼리 용액에 침지시키는 단계와, 상기 리그노셀룰로오스 바이오매스와 알칼리 용액이 담긴 반응기의 배출구를 차폐하고 상기 반응기 내로 비활성 기체를 흘려준 후 상기 반응기의 유입구를 차폐하는 단계와, 상기 반응기 내부를 100∼150℃로 승온하고 유지하여 상기 리그노셀룰로오스 바이오매스에 함유된 셀룰로오스와 리그닌이 구조적으로 분리되게 하는 단계 및 상기 반응기의 배출구를 개방하고 상기 반응기의 유입구를 통해 비활성 기체를 주입하면서 600∼950℃로 승온하고 유지하여 구조적으로 분리된 셀룰로오스와 리그닌을 활성화 시키는 단계를 포함한다. The method for preparing partially crystalline activated carbon according to a preferred embodiment of the present invention comprises preparing a lignocellulose biomass, and the lignocellulose biomass is selected from the group consisting of K, Na, and Ca. Immersing in an alkali solution containing the above metal elements, shielding the outlet of the reactor containing the lignocellulosic biomass and the alkali solution, flowing an inert gas into the reactor, and then shielding the inlet of the reactor; Heating and maintaining the inside of the reactor at 100 to 150 ° C. to structurally separate cellulose and lignin contained in the lignocellulosic biomass, and opening the outlet of the reactor and injecting an inert gas through the inlet of the reactor While raising and maintaining the temperature at 600-950 ℃ And a step of activating a ridoen cellulose and lignin.

상기 알칼리 용액은 KOH, NaOH, Ca(OH2) 및 NaHCO3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.The alkali solution may include one or more substances selected from the group consisting of KOH, NaOH, Ca (OH 2 ) and NaHCO 3 .

상기 알칼리 용액에 알킬암모늄 플루오라이드를 혼합하여 이종원소가 도핑되게 할 수 있다.Alkyl ammonium fluoride may be mixed with the alkali solution to allow doping of heterogeneous elements.

상기 알킬암모늄 플루오라이드는 MgF2, H2SiF6, NaF, NaHF2, NH4F, NH4HF2, NH4BF4, KF, KHF2, ALF3 및 H2TiF6로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.The alkylammonium fluoride is selected from the group consisting of MgF 2 , H 2 SiF 6 , NaF, NaHF 2 , NH 4 F, NH 4 HF 2 , NH 4 BF 4 , KF, KHF 2 , ALF 3 and H 2 TiF 6 It may contain one or more substances.

상기 리그노셀룰로오스 바이오매스와 상기 알킬암모늄 플루오라이드는 1:0.05 ~ 1:0.5의 중량비를 이루게 혼합하는 것이 바람직하다.The lignocellulosic biomass and the alkylammonium fluoride are preferably mixed in a weight ratio of 1: 0.05 to 1: 0.5.

상기 활성화 시키는 단계 후에, 상기 반응기를 냉각하는 단계 및 상기 반응기 내부에 잔존하는 메탈릭 가스를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.After the activating step, cooling the reactor and removing the metallic gas remaining inside the reactor may be included.

상기 메탈릭 가스를 제거하는 단계는 상기 반응기 내로 무수에탄올 증기를 주입하여 상기 메탈릭 가스를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.The step of removing the metallic gas may include the step of removing the metallic gas by injecting anhydrous ethanol vapor into the reactor.

상기 활성화 시키는 단계에서, 상기 반응기의 배출구에 에탄올이 담긴 밸출조를 두어 메탈릭 가스가 대기 중에 방출되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.In the activating step, it is preferable to prevent the metallic gas from being released into the atmosphere by placing a balance tank containing ethanol at the outlet of the reactor.

상기 부분결정성 활성탄은 2800 ㎡/g보다 높은 비표면적을 갖는다.The partially crystalline activated carbon has a specific surface area higher than 2800 m 2 / g.

상기 부분결정성 활성탄은 15 S/m보다 높은 전도도를 나타낸다.The partially crystalline activated carbon exhibits a conductivity higher than 15 S / m.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 슈퍼커패시터의 제조방법은, 상기 방법으로 제조된 부분결정성 활성탄, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계와, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계와, 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성하는 단계 및 상기 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 양극, 상기 분리막 및 상기 음극을 비수계 전해액에 함침시키는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a supercapacitor according to a preferred embodiment of the present invention comprises the steps of preparing a composition for a supercapacitor electrode by mixing partially crystalline activated carbon, a conductive material, a binder, and a dispersion medium prepared by the above method, and for the supercapacitor electrode The composition is compressed to form an electrode, or the supercapacitor electrode composition is coated on a metal foil to form an electrode, or the supercapacitor electrode composition is pushed with a roller to form a sheet and pasted onto a metal foil or current collector to form an electrode. Forming a form, drying the resultant formed in the form of an electrode to form a supercapacitor electrode, and using the supercapacitor electrode as an anode and a cathode, and short-circuiting the anode and the cathode between the anode and the cathode. A separator for prevention is disposed, and the anode, the separator and the And impregnating the cathode with a non-aqueous electrolyte.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 부분결정성 활성탄의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a method for producing partially crystalline activated carbon according to a preferred embodiment of the present invention will be described in more detail.

리그노셀룰로오스 바이오매스(Lignocellulose biomass)를 준비한다. 상기 리그노셀룰로오스 바이오매스로는 억새, 밀대, 옥수수대, 볏짚 등의 초본계 바이오매스이거나, 톱밥(sawdust), 폐목의 잔가지, 나뭇가지, 우드 스크랩, 땅콩 껍질 등의 목질계 바이오매스 등을 그 예로 들 수 있다. 이러한 리그노셀룰로오스 바이오매스는 주변에서 흔히 구할 수 있는 물질로서, 원료 확보가 용이한 장점이 있다. 상기 리그노셀룰로오스 바이오매스를 분쇄하여 사용할 수도 있다. 억새, 옥수수대 등의 리그노셀룰로오스 바이오매스가 제대로 활용되지 못하고 버려지고 있는데, 본 발명에서는 이를 적절히 활용함으로써 경제적, 환경적 이득을 취할 수 있다. Prepare a lignocellulose biomass. Examples of the lignocellulose biomass include herbaceous biomass such as silver grass, wheat straw, corn stalk, rice straw, or wood biomass such as sawdust, twigs of waste wood, twigs, wood scraps, and peanut shells. For example. The lignocellulose biomass is a material that is commonly available in the surroundings, and has an advantage of easy to secure raw materials. The lignocellulose biomass may be pulverized and used. Lignocellulosic biomass, such as silver grass and corn stalk, is not properly utilized and discarded. In the present invention, economic and environmental benefits can be obtained by appropriately utilizing the biomass.

상기 리그노셀룰로오스 바이오매스를 K, Na 및 Ca으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속원소를 포함하는 알칼리 용액에 침지시킨다. 상기 알칼리 용액은 KOH, NaOH, Ca(OH2) 및 NaHCO3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 용액일 수 있고, 상기 알칼리 용액은 1M∼10M의 농도를 갖는 것이 바람직하다. The lignocellulosic biomass is immersed in an alkali solution containing at least one metal element selected from the group consisting of K, Na and Ca. The alkali solution may be a solution containing one or more substances selected from the group consisting of KOH, NaOH, Ca (OH 2 ) and NaHCO 3 , and the alkali solution preferably has a concentration of 1M to 10M.

일반적으로 리그노셀룰로오스 바이오매스는 헤미셀룰로오스, 셀룰로오스 및 리그닌으로 이루어져 있다. 헤미셀룰로오스와 셀룰로오스는 탄수화물 폴리머(carbohydrate polymer)로 구성되어 있고, 리그닌은 방향족 폴리머(aromatic polymer)로 구성되어 있다. 방향족 폴리머인 리그닌은 높은 온도에서 결정성을 가질 수 있는 성분으로, 탄수화물 폴리머인 헤미셀룰로오스, 셀룰로오스와는 다른 성질을 나타낸다. 그러나, 주요 성분이 공존한 상태에서는 각각의 폴리머 성질을 나타내기 어렵기 때문에 각 성분을 구조적으로 분리시키고, 활성화 처리를 함으로써 활성탄에 다공성 구조를 유도하고 부분결정성을 갖게 할 수가 있다. Generally, lignocellulose biomass is composed of hemicellulose, cellulose and lignin. Hemicellulose and cellulose are composed of carbohydrate polymers, and lignin is composed of aromatic polymers. Lignin, an aromatic polymer, is a component that can have crystallinity at high temperatures, and exhibits different properties from hemicellulose and cellulose, which are carbohydrate polymers. However, in the state where the main components coexist, it is difficult to exhibit the properties of the respective polymers, so that each component is structurally separated and subjected to an activation treatment, thereby inducing a porous structure in activated carbon and having partial crystallinity.

상기 알칼리 용액에 알킬암모늄 플루오라이드를 혼합하여 최종적으로 제조되는 부분결정성 활성탄에 이종원소가 도핑되게 할 수도 있다. 상기 알킬암모늄 플루오라이드는 MgF2, H2SiF6, NaF, NaHF2, NH4F, NH4HF2, NH4BF4, KF, KHF2, ALF3 및 H2TiF6로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다. 상기 리그노셀룰로오스 바이오매스와 상기 알킬암모늄 플루오라이드는 1:0.05 ∼ 1:0.5의 중량비로 혼합하는 것이 바람직하다. Alkyl ammonium fluoride may be mixed with the alkali solution to allow heterogeneous elements to be doped into partially crystalline activated carbon. The alkylammonium fluoride is selected from the group consisting of MgF 2 , H 2 SiF 6 , NaF, NaHF 2 , NH 4 F, NH 4 HF 2 , NH 4 BF 4 , KF, KHF 2 , ALF 3 and H 2 TiF 6 It may contain one or more substances. The lignocellulosic biomass and the alkylammonium fluoride are preferably mixed in a weight ratio of 1: 0.05 to 1: 0.5.

도 1은 반응기를 개략적으로 보여주는 도면이다. 1 is a view schematically showing a reactor.

도 1을 참조하면, 반응기(200)에 비활성 기체가 유입되는 유입구(210)와 상기 비활성 기체가 배출되는 배출구(220)가 구비되어 있다. 유입구(210)의 개폐는 제1 밸브(V1)를 이용할 수 있고, 배출구(220)의 개폐는 제2 밸브(V2)를 이용할 수 있다. 상기 반응기(200)는 반응기 내부면이 될 금속 재질 판에 BN을 코팅하고 원하는 형태(예컨대, 원기둥, 사각기등)로 제작된 것일 수 있다. Referring to FIG. 1, the reactor 200 is provided with an inlet 210 through which an inert gas is introduced and an outlet 220 through which the inert gas is discharged. The opening and closing of the inlet 210 may use the first valve V1, and the opening and closing of the outlet 220 may use the second valve V2. The reactor 200 may be manufactured in a desired shape (for example, a cylinder, a square machine, etc.) by coating BN on a metal material plate to be an inner surface of the reactor.

상기 리그노셀룰로오스 바이오매스와 알칼리 용액(240)이 담긴 반응기의 배출구(220)를 차폐하고 반응기(200) 내로 비활성 기체를 흘려준 후 반응기의 유입구(210)를 차폐한다. 상기 비활성 기체는 질소(N2), 아르곤(Ar), 헬륨(He), 이들의 혼합가스 등을 의미한다. The outlet 220 of the reactor containing the lignocellulose biomass and the alkali solution 240 is shielded, and an inert gas is flowed into the reactor 200, and then the inlet 210 of the reactor is shielded. The inert gas means nitrogen (N 2 ), argon (Ar), helium (He), or a mixed gas thereof.

상기 반응기(200) 내부를 100∼150℃로 승온하고 유지하여(예컨대, 10분∼12시간 동안) 상기 리그노셀룰로오스 바이오매스에 함유된 셀룰로오스와 리그닌이 구조적으로 분리되게 한다. 반응기(200) 내부를 100∼150℃로 승온하게 되면, 알칼리 용액이 증기 상태로 변함에 따라 반응기(200) 내부의 압력이 상승하게 된다. 비활성 기체 분위기에서 100∼150℃로 유지하면서 저온 열처리를 하게 되면, 알칼리 용액에 침지된 리그노셀룰로오스 바이오매스는 고상의 셀룰로오스, 액상의 헤미셀룰로오스 및 리그닌으로 구조적으로 분리되게 된다. The inside of the reactor 200 is heated and maintained at 100 to 150 ° C (for example, for 10 minutes to 12 hours) to structurally separate cellulose and lignin contained in the lignocellulosic biomass. When the inside of the reactor 200 is heated to 100 to 150 ° C, the pressure inside the reactor 200 rises as the alkali solution changes to a vapor state. When the low-temperature heat treatment is performed while maintaining at 100 to 150 ° C in an inert gas atmosphere, the lignocellulosic biomass immersed in an alkali solution is structurally separated into solid cellulose, liquid hemicellulose, and lignin.

상기 반응기의 배출구(220)를 개방하고 반응기의 유입구(210)를 통해 비활성 기체를 주입하면서 600∼950℃로 승온하고 유지하여 구조적으로 분리된 셀룰로오스와 리그닌을 활성화 시킨다. 상기 활성화는 600∼950℃, 더욱 바람직하게는 650∼900℃의 활성화 온도에서 10분∼12시간 동안 비활성 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 활성화 온도까지는 0.1∼50℃/min의 승온속도로 승온하는 것이 바람직하다. While opening the outlet 220 of the reactor and injecting an inert gas through the inlet 210 of the reactor, it is heated and maintained at 600 to 950 ° C to activate structurally separated cellulose and lignin. The activation is preferably performed in an inert atmosphere for 10 minutes to 12 hours at an activation temperature of 600 to 950 ° C, more preferably 650 to 900 ° C. It is preferable to increase the temperature up to the activation temperature at a heating rate of 0.1 to 50 ° C / min.

상기 활성화 시키는 공정에서, 상기 반응기의 배출구(220)에 에탄올이 담긴 배출조(230)를 두어 메탈릭 가스가 대기 중에 방출되는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 상기 활성화 반응기의 유입구(210)를 통해 주입된 비활성 기체는 배출구(220)를 통해 배출된다. 이때, 배출구(220)를 통해 배출되는 비활성 기체는 외부 공기 중으로 직접적으로 배출되지 않게 하는 것이 바람직하다. 배출구(220)를 통해 배출되는 비활성 기체와 함께 메탈릭 가스 등의 알칼리 성분이 함께 배출될 수 있어 위험하기 때문이다. 이를 위해 배출구(220)는 에탄올 등의 액체가 담긴 배출조(230)에 연결되게 하고, 배출조(230)에 담긴 액체로 비활성 기체가 배출되게 하여 외부 공기 중으로 직접적으로 배출되는 것을 방지하는 것이 바람직하다. In the activating process, it is preferable to place the discharge tank 230 containing ethanol in the outlet 220 of the reactor to prevent metallic gas from being released into the atmosphere. The inert gas injected through the inlet 210 of the activation reactor is discharged through the outlet 220. At this time, it is preferable that the inert gas discharged through the outlet 220 is not directly discharged into the outside air. This is because it is dangerous because alkali components such as metallic gas may be discharged together with the inert gas discharged through the outlet 220. To this end, the outlet 220 is preferably connected to the discharge tank 230 containing liquid such as ethanol, and allows the inert gas to be discharged through the liquid contained in the discharge tank 230 to prevent the discharge to the outside air directly. Do.

상기 반응기(200)를 냉각한다. The reactor 200 is cooled.

상기 반응기(200) 내부에 잔존하는 메탈릭 가스를 제거할 수도 있다. 이를 위해 반응기(200) 내로 무수에탄올 증기를 주입하여 상기 메탈릭 가스를 제거할 수 있다. 메탄올은 유독성이 있어 작업자에게 위해를 줄 수 있으므로 사용하지 않는 것이 바람직하고, 증류수는 메탈릭 가스와 혼합시에 화재 등의 위험이 있을 수 있으므로 사용하지 않는 것이 바람직하다. 이와 같이 무수에탄올 증기를 주입하여 활성화 처리된 결과물에 묻어있는 알칼리 부산물을 효과적으로 제거할 수 있다. 무수에탄올 증기는 배출구(220)를 통해 액체가 담긴 배출조(230)로 배출되게 하는 것이 바람직하다. The metallic gas remaining inside the reactor 200 may be removed. To this end, anhydrous ethanol vapor may be injected into the reactor 200 to remove the metallic gas. It is preferable not to use methanol because it is toxic and may harm workers, and distilled water is not recommended because it may cause a fire or the like when mixed with metallic gas. In this way, by injecting anhydrous ethanol vapor, it is possible to effectively remove the alkali by-products deposited on the activated product. It is preferable that the anhydrous ethanol vapor is discharged through the outlet 220 to the discharge tank 230 containing the liquid.

상기 활성화 후에 수득한 부분결정성 활성탄에 묻어있는 알칼리 성분을 제거하기 위하여 증류수 등으로 세정하고, 60∼180℃ 정도의 온도에서 10분∼24시간 동안 건조할 수도 있다.In order to remove the alkali component buried in the partially crystalline activated carbon obtained after the activation, it may be washed with distilled water or the like and dried at a temperature of about 60 to 180 ° C. for 10 minutes to 24 hours.

이렇게 제조된 부분결정성 활성탄은 2800㎡/g보다 높은(예컨대, 2810∼3300 ㎡/g)의 비표면적을 갖는다. 상기 부분결정성 활성탄은 15 S/m보다 높은(예컨대, 15.1∼18 S/m) 전도도를 나타낸다. 알칼리 용액을 이용하여 저온(100∼150℃) 열처리를 통해 셀룰로오스와 리그닌을 구조적으로 분리하고, 알칼리 용액을 이용하여 고온(600∼950℃)에서 활성화를 진행하여 제조된 부분결정성 활성탄의 경우 높은 비표면적과 일부 그래피틱 구조를 가지게 되어, 이를 이용하여 전극을 제조할 경우에 전극의 용량뿐만 아니라 전도도 또한 향상될 수가 있다. 또한, 리그노셀룰로오스 바이오매스의 분해와 활성화를 동일한 반응기 내에서 진행하게 되므로 공정의 간소화와 동시에 사용되는 약품을 통일하여 경제적, 환경적으로 이점이 있다. 분해와 활성화를 동시에 진행하여 공정의 간소화와 약품량 사용을 줄여서 보다 효율적인 생산이 가능하다.The partially crystalline activated carbon thus prepared has a specific surface area higher than 2800 m 2 / g (eg, 2810 to 3300 m 2 / g). The partially crystalline activated carbon exhibits a conductivity higher than 15 S / m (eg, 15.1 to 18 S / m). In the case of partially crystalline activated carbon prepared by structurally separating cellulose and lignin through a low-temperature (100 to 150 ° C) heat treatment using an alkali solution, and activating at a high temperature (600 to 950 ° C) using an alkali solution. Since it has a specific surface area and some graffiti structure, when manufacturing an electrode using this, not only the capacity of the electrode but also the conductivity can be improved. In addition, since the decomposition and activation of the lignocellulosic biomass are performed in the same reactor, the chemicals used are simplified and the process is simplified and economical and environmental benefits are achieved. Disassembly and activation can be carried out at the same time, which simplifies the process and reduces the use of chemicals, making production more efficient.

이렇게 제조된 부분결정성 활성탄은 슈퍼커패시터의 전극 제조를 위한 전극활물질로 사용될 수 있다. The partially crystalline activated carbon thus prepared may be used as an electrode active material for manufacturing an electrode of a supercapacitor.

이하에서, 상기 부분결정성 활성탄을 이용하여 슈퍼커패시터 전극과 슈퍼커패시터를 제조하는 방법을 설명한다. Hereinafter, a method of manufacturing a supercapacitor electrode and a supercapacitor using the partially crystalline activated carbon will be described.

상기 부분결정성 활성탄, 도전재, 바인더, 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조한다. 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물은 상기 부분결정성 활성탄, 상기 부분결정성 활성탄 100중량부에 대하여 도전재 2∼20중량부, 상기 부분결정성 활성탄 100중량부에 대하여 바인더 2∼20중량부, 상기 부분결정성 활성탄 100중량부에 대하여 분산매 200∼300중량부를 포함할 수 있다. 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물은 반죽 상이므로 균일한 혼합(완전 분산)이 어려울 수 있는데, 플래니터리 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기(mixer)를 사용하여 소정 시간(예컨대, 10분∼12시간) 동안 교반시키면 전극 제조에 적합한 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 얻을 수 있다. 플래니터리 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기는 균일하게 혼합된 슈퍼커패시터 전극용 조성물의 제조를 가능케 한다.A composition for a supercapacitor electrode is prepared by mixing the partially crystalline activated carbon, a conductive material, a binder, and a dispersion medium. The composition for the supercapacitor electrode is 2 to 20 parts by weight of the conductive material with respect to 100 parts by weight of the partially crystalline activated carbon and 100 parts by weight of the partially crystalline activated carbon, and 2 to 20 parts by weight of the binder with respect to 100 parts by weight of the partially crystalline activated carbon, and the part It may contain 200 to 300 parts by weight of the dispersion medium relative to 100 parts by weight of crystalline activated carbon. Since the composition for the supercapacitor electrode is in the form of a dough, uniform mixing (complete dispersion) may be difficult. For a predetermined time (for example, 10 minutes to 12 hours) using a mixer such as a planetary mixer. While stirring for a while, a composition for a supercapacitor electrode suitable for electrode production can be obtained. Mixers, such as planetary mixers, enable the preparation of compositions for uniformly mixed supercapacitor electrodes.

상기 바인더는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene), 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF; polyvinylidenefloride), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC; carboxymethylcellulose), 폴리비닐알코올(PVA; poly vinyl alcohol), 폴리비닐부티랄(PVB; poly vinyl butyral), 폴리비닐피롤리돈(PVP; poly-N-vinylpyrrolidone), 스티렌부타디엔고무(SBR; styrene butadiene rubber), 폴리아마이드-이미드(Polyamide-imide), 폴리이미드(polyimide) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. The binder is polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF; polyvinylidenefloride), carboxymethylcellulose (CMC), polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl butyral (PVB) ; poly vinyl butyral), polyvinylpyrrolidone (PVP), styrene butadiene rubber (SBR), polyamide-imide, polyimide, etc. One or two or more selected types can be used in combination.

상기 도전재는 화학 변화를 야기하지 않는 전자 전도성 재료이면 특별히 제한되지 않으며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 슈퍼-피(Super-P) 블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등이 가능하다. The conductive material is not particularly limited as long as it is an electronically conductive material that does not cause chemical changes. Examples include natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, super-P black, carbon fiber, copper, nickel , Metal powder such as aluminum, silver, or metal fiber.

상기 분산매는 에탄올(EtOH), 아세톤, 이소프로필알콜, N-메틸피롤리돈(NMP), 프로필렌글리콜(PG) 등의 유기 용매 또는 물을 사용할 수 있다.The dispersion medium may be an organic solvent such as ethanol (EtOH), acetone, isopropyl alcohol, N-methylpyrrolidone (NMP), propylene glycol (PG) or water.

상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성한다.The composition for the supercapacitor electrode is compressed to form an electrode, or the composition for the supercapacitor electrode is coated on a metal foil to form an electrode, or the composition for the supercapacitor electrode is pushed with a roller to form a sheet and a metal foil or It is attached to the current collector to form an electrode.

전극을 형성하는 예를 보다 구체적으로 설명하면, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤프레스 성형기를 이용하여 압착하여 성형할 수 있다. 롤프레스 성형기는 압연을 통한 전극밀도 향상 및 전극의 두께 제어를 목적으로 하고 있으며, 상단과 하단의 롤과 롤의 두께 및 가열 온도를 제어할 수 있는 컨트롤러와, 전극을 풀어주고 감아줄 수 있는 와인딩부로 구성된다. 롤상태의 전극이 롤프레스를 지나면서 압연공정이 진행되고 이것이 다시 롤상태로 감겨서 전극이 완성된다. 이때, 프레스의 가압 압력은 5∼20 ton/㎠로 롤의 온도는 0∼150℃로 하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 프레스 압착 공정을 거친 슈퍼커패시터 전극용 조성물은 건조 공정을 거친다. 건조 공정은 100℃∼350℃, 바람직하게는 150℃∼300℃의 온도에서 수행된다. 이때, 건조 온도가 100℃ 미만인 경우 분산매의 증발이 어려워 바람직하지 않으며, 350℃를 초과하는 고온 건조 시에는 도전재의 산화가 일어날 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서 건조 온도는 적어도 100℃ 이상이고, 350℃를 넘지 않는 것이 바람직하다. 그리고 건조 공정은 위와 같은 온도에서 약 10분∼6시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 성형된 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 슈퍼커패시터 전극의 강도를 향상시킨다.If the example of forming the electrode is described in more detail, the composition for a supercapacitor electrode can be formed by compression using a roll press molding machine. The roll press forming machine aims to improve the electrode density and control the thickness of the electrode through rolling, a controller that can control the thickness and heating temperature of the upper and lower rolls and rolls, and a winding that can unwind and wind the electrodes. It consists of wealth. The rolling process proceeds as the rolled electrode passes through the roll press, and it is wound again into a rolled state to complete the electrode. At this time, the pressure of the press is preferably 5 to 20 ton / cm 2 and the roll temperature is 0 to 150 ° C. The composition for a supercapacitor electrode that has undergone the press compression process as described above undergoes a drying process. The drying process is performed at a temperature of 100 ° C to 350 ° C, preferably 150 ° C to 300 ° C. In this case, when the drying temperature is less than 100 ° C, evaporation of the dispersion medium is difficult, which is undesirable, and when drying at a high temperature exceeding 350 ° C, oxidation of the conductive material may occur, which is not preferable. Therefore, the drying temperature is preferably at least 100 ° C and does not exceed 350 ° C. In addition, the drying process is preferably performed at the above temperature for about 10 minutes to 6 hours. This drying process improves the strength of the supercapacitor electrode by drying the powdered composition for a supercapacitor electrode (evaporating the dispersion medium) and binding the powder particles.

또한, 전극을 형성하는 다른 예를 살펴보면, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 티타늄 호일(Ti foil), 알루미늄 호일(Al foil), 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil)과 같은 금속 호일(metal foil)에 코팅하거나, 상기 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일 또는 금속 집전체에 붙여서 전극 형상으로 제조할 수도 있다. 상기 알루미늄 에칭 호일이라 함은 알루미늄 호일을 요철 모양으로 에칭한 것을 의미한다. 상기와 같은 공정을 거친 전극 형상에 대하여 건조 공정을 거친다. 100℃∼250℃, 바람직하게는 150℃∼200℃의 온도에서 수행된다. In addition, looking at another example of forming an electrode, the supercapacitor electrode composition is coated on a metal foil, such as a titanium foil, an aluminum foil, or an aluminum etching foil. Alternatively, the electrode composition may be pressed into a roller to form a sheet (rubber type) and attached to a metal foil or metal current collector to produce an electrode. The aluminum etching foil means that the aluminum foil is etched in an uneven shape. A drying process is performed for the electrode shape that has undergone the above-described process. It is carried out at a temperature of 100 ℃ to 250 ℃, preferably 150 ℃ to 200 ℃.

상기 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 상기 음극을 이격되게 배치하고, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하며, 상기 양극, 상기 분리막 및 상기 음극을 비수계 전해액에 함침시켜 슈퍼커패시터를 제조할 수 있다. The supercapacitor electrode is used as an anode and a cathode, the anode and the cathode are spaced apart, and a separator for preventing a short circuit between the anode and the cathode is disposed between the anode and the cathode, and the anode, the A supercapacitor may be manufactured by impregnating a separator and the cathode with a non-aqueous electrolyte.

일 예로서 상기와 같이 제조된 슈퍼커패시터 전극은 고용량으로서 소형의 코인형 슈퍼커패시에 유용하게 적용될 수 있다. As an example, the supercapacitor electrode manufactured as described above can be usefully applied to a small coin-type supercapacitor as a high capacity.

도 2는 본 발명에 따른 슈퍼커패시터의 사용 상태도로서, 상기 슈퍼커패시터 전극이 적용된 코인형 슈퍼커패시터의 단면도를 보인 것이다. 도 2에서 도면부호 190은 도전체로서의 금속캡이고, 도면부호 160은 양극(120)과 음극(110) 간의 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)이며, 도면부호 192는 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓이다. 이때, 상기 양극(120)과 음극(110)은 금속캡(190)과 접착제에 의해 견고하게 고정된다.2 is a state diagram of the use of a supercapacitor according to the present invention, showing a cross-sectional view of a coin-type supercapacitor to which the supercapacitor electrode is applied. In FIG. 2, reference numeral 190 is a metal cap as a conductor, and reference numeral 160 is a separator made of a porous material for preventing insulation and short circuit between the anode 120 and the cathode 110, and reference numeral 192 is an electrolyte leakage. It is a gasket for preventing and preventing insulation and short circuit. At this time, the positive electrode 120 and the negative electrode 110 are firmly fixed by a metal cap 190 and an adhesive.

상기 코인형 슈퍼커패시터는, 상술한 슈퍼커패시터 전극으로 이루어진 양극(120)과, 상술한 슈퍼커패시터 전극으로 이루어진 음극(110)과, 양극(120)과 음극(110) 사이에 배치되고 양극(120)과 음극(120)의 단락을 방지하기 위한 분리막(seperator)(160)을 금속캡(190) 내에 배치하고, 양극(120)와 음극(110) 사이에 전해질이 용해되어 있는 전해액을 주입한 후, 가스켓(192)으로 밀봉하여 제조할 수 있다. The coin-type supercapacitor is disposed between the positive electrode 120 made of the above-described supercapacitor electrode, the negative electrode 110 made of the above-described supercapacitor electrode, and the positive electrode 120 and the negative electrode 110, and the positive electrode 120. After separating the separator 160 to prevent a short circuit between the anode and the cathode 120 in the metal cap 190, and injecting an electrolyte in which electrolyte is dissolved between the anode 120 and the cathode 110, It can be manufactured by sealing with a gasket 192.

상기 분리막은 폴리에틸렌 부직포, 폴리프로필렌 부직포, 폴리에스테르 부직포, 폴리아크릴로니트릴 다공성 격리막, 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 헥사플루오로프로판 공중합체 다공성 격리막, 셀룰로오스 다공성 격리막, 크라프트지 또는 레이온 섬유 등 전지 및 커패시터 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.The separator may include a polyethylene nonwoven fabric, a polypropylene nonwoven fabric, a polyester nonwoven fabric, a polyacrylonitrile porous separator, a poly (vinylidene fluoride) hexafluoropropane copolymer porous separator, a cellulose porous separator, a kraft paper or rayon fiber, and a battery and capacitor. If the separator is generally used in the field is not particularly limited.

한편, 슈퍼커패시터에 충전되는 전해액은 프로필렌카보네이트(PC; propylene carbonate), 아세토니트릴(AN; acetonitrile) 및 술포란(SL; sulfolane) 중에서 선택된 1종 이상의 용매에 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoborate) 중에서 선택된 1종 이상의 염이 용해된 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 전해액은 EMIBF4(1-ethyl-3-methyl imidazolium tetrafluoborate) 및 EMITFSI(1-ethyl-3-methyl imidazolium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide) 중에서 선택된 1종 이상의 이온성 액체를 포함하는 것일 수도 있다. On the other hand, the electrolyte is charged in the supercapacitor is propylene carbonate (PC; propylene carbonate), acetonitrile (AN; acetonitrile) and sulfolane (SL; sulfolane) selected from one or more solvents TEABF 4 (tetraethylammonium tetrafluoborate) and TEMABF 4 ( triethylmethylammonium tetrafluoborate) may be used. In addition, the electrolyte may include one or more ionic liquids selected from EMIBF 4 (1-ethyl-3-methyl imidazolium tetrafluoborate) and EMITFSI (1-ethyl-3-methyl imidazolium bis (trifluoromethane sulfonyl) imide). .

도 3 내지 도 6은 본 발명의 다른 예에 따른 슈퍼커패시터를 보여주는 도면으로서, 도 3 내지 도 6을 참조하여 슈퍼커패시터를 제조하는 방법을 구체적으로 설명한다.3 to 6 are views showing a supercapacitor according to another example of the present invention, and a method for manufacturing a supercapacitor will be described in detail with reference to FIGS. 3 to 6.

상술한 부분결정성 활성탄, 바인더, 도전재 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 방법은 앞서 설명한 방법과 동일하다. The method for preparing a composition for a supercapacitor electrode by mixing the above-described partially crystalline activated carbon, a binder, a conductive material, and a dispersion medium is the same as the method described above.

상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 알루미늄 호일(Al foil), 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil)과 같은 금속 호일(metal foil)에 코팅하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 양극 및 음극 형상으로 제조한다. The composition for the supercapacitor electrode is coated on a metal foil, such as aluminum foil or aluminum etching foil, or the composition for the supercapacitor electrode is pushed with a roller to a sheet state ( Rubber type) and attached to a metal foil or current collector to produce positive and negative electrodes.

상기와 같은 공정을 거친 양극 및 음극 형상에 대하여 건조 공정을 거친다. 건조 공정은 100℃∼350℃, 바람직하게는 150℃∼300℃의 온도에서 수행된다. 이때, 건조 온도가 100℃ 미만인 경우 분산매의 증발이 어려워 바람직하지 않으며, 350℃를 초과하는 고온 건조 시에는 도전재의 산화가 일어날 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서 건조 온도는 적어도 100℃ 이상이고, 350℃를 넘지 않는 것이 바람직하다. 그리고 건조 공정은 위와 같은 온도에서 약 10분∼6시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 슈퍼커패시터 전극의 강도를 향상시킨다.The drying process is performed for the anode and cathode shapes that have undergone the above-described process. The drying process is performed at a temperature of 100 ° C to 350 ° C, preferably 150 ° C to 300 ° C. In this case, when the drying temperature is less than 100 ° C, evaporation of the dispersion medium is difficult, which is undesirable, and when drying at a high temperature exceeding 350 ° C, oxidation of the conductive material may occur, which is not preferable. Therefore, the drying temperature is preferably at least 100 ° C and does not exceed 350 ° C. In addition, the drying process is preferably performed at the above temperature for about 10 minutes to 6 hours. This drying process improves the strength of the supercapacitor electrode by drying the composition for the supercapacitor electrode (evaporating the dispersion medium) and binding the powder particles.

도 3에 도시된 바와 같이, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하거나 시트 상태로 만들어 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 제조한 양극(120) 및 음극(110)에 각각 리드선(130, 140)을 부착한다. As shown in FIG. 3, the lead wires 130 and 140 are respectively applied to the positive electrode 120 and the negative electrode 110 prepared by coating the composition for a supercapacitor electrode on a metal foil or making a sheet to a metal foil or a current collector, respectively. Attach.

도 4에 도시된 바와 같이, 제1 분리막(150), 양극(120), 제2 분리막(160) 및 음극(110)을 적층하고, 코일링(coling)하여 롤(roll) 형태의 권취소자(175)로 제작한 후, 롤(roll) 주위로 접착 테이프(170) 등으로 감아 롤 형태가 유지될 수 있게 한다. As shown in FIG. 4, the first separation membrane 150, the anode 120, the second separation membrane 160, and the cathode 110 are stacked and coiled to roll a winding device in the form of a roll ( 175), it is wound around the roll (roll) with an adhesive tape 170 or the like to maintain the roll shape.

상기 양극(120)과 음극(110) 사이에 구비된 제2 분리막(160)은 양극(120)과 음극(110)의 단락을 방지하는 역할을 한다. 제1 및 제2 분리막(150,160)은 폴리에틸렌 부직포, 폴리프로필렌 부직포, 폴리에스테르 부직포, 폴리아크릴로니트릴 다공성 격리막, 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 헥사플루오로프로판 공중합체 다공성 격리막, 셀룰로오스 다공성 격리막, 크라프트지 또는 레이온 섬유 등 전지 및 커패시터 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.The second separator 160 provided between the anode 120 and the cathode 110 serves to prevent a short circuit between the anode 120 and the cathode 110. The first and second separators 150 and 160 are polyethylene nonwoven fabric, polypropylene nonwoven fabric, polyester nonwoven fabric, polyacrylonitrile porous separator, poly (vinylidene fluoride) hexafluoropropane copolymer porous separator, cellulose porous separator, kraft paper Or, if the separator is generally used in the field of batteries and capacitors, such as rayon fibers, is not particularly limited.

도 5에 도시된 바와 같이, 롤(roll) 형태의 결과물에 실링 고무(sealing rubber)(180)를 장착하고, 금속캡(예컨대, 알루미늄 케이스(Al Case))(190)에 삽착시킨다. As shown in FIG. 5, a sealing rubber 180 is mounted on the result of a roll form, and is inserted into a metal cap (eg, an aluminum case) 190.

롤 형태의 권취소자(175)(양극(120)과 음극(110))가 함침되게 전해액을 주입하고, 밀봉한다. 전해액은 비수계로서 프로필렌카보네이트(PC; propylene carbonate), 아세토니트릴(AN; acetonitrile) 및 술포란(SL; sulfolane) 중에서 선택된 1종 이상의 용매에 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoborate) 중에서 선택된 1종 이상의 염이 용해된 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 전해액은 EMIBF4(1-ethyl-3-methyl imidazolium tetrafluoborate) 및 EMITFSI(1-ethyl-3-methyl imidazolium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide) 중에서 선택된 1종 이상의 이온성 액체로 이루어진 것일 수도 있다. The roll-shaped winding element 175 (positive electrode 120 and negative electrode 110) is injected with an electrolyte to be impregnated and sealed. The electrolyte is a non-aqueous system, and one selected from tetraethylammonium tetrafluoborate (TEABF4) and TEMABF4 (triethylmethylammonium tetrafluoborate) in one or more solvents selected from propylene carbonate (PC), acetonitrile (AN) and sulfolane (SL). It is possible to use one in which more than one salt is dissolved. In addition, the electrolyte may be made of at least one ionic liquid selected from EMIBF4 (1-ethyl-3-methyl imidazolium tetrafluoborate) and EMITFSI (1-ethyl-3-methyl imidazolium bis (trifluoromethane sulfonyl) imide).

이와 같이 제작된 슈퍼커패시터를 도 6에 개략적으로 나타내었다. The supercapacitor thus manufactured is schematically illustrated in FIG. 6.

이하에서, 본 발명에 따른 실험예들을 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예들에 본 발명이 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, experimental examples according to the present invention are specifically presented, and the present invention is not limited to the experimental examples presented below.

<실험예 1><Experimental Example 1>

리그노셀룰로오스(Lignocellulose) 바이오매스를 기반으로 고비표면적 부분결정성 활성탄을 제조하였다.High specific surface area partially crystalline activated carbon was prepared based on lignocellulose biomass.

리그노셀룰로오스 바이오매스로 초본류인 거대 억새를 잘게 분쇄하여 사용하였다. Lignocellulose biomass was used by crushing the herbaceous giant silver grass.

6M 수산화칼륨 수용액 50 ㎖와 분쇄된 거대 억새 10g을 혼합하고 24시간 유지하여 거대 억새를 수산화칼륨 수용액에 충분히 침지시킨 다음, 도 1에 도시된 반응기(200)에 장입하였다. 상기 반응기의 배출구(220)를 차폐하고, 분해 및 활성화 전 비활성 분위기를 만들기 위해 아르곤(Ar) 가스를 유입구(210)를 통해 상기 반응기 내로 300 cc/min로 1시간 동안 흘려서 분위기를 조성한 다음, 반응기의 유입구(210)를 차폐하였다. 상기 반응기의 모든 개폐구를 차폐하면, 반응기 내부의 압력이 상승하게 되고, 고압, 저온의 환경에서 리그노셀룰로오스 바이오매스를 분해하기가 용이한 환경이 조성될 수 있다.50 ml of 6M potassium hydroxide aqueous solution and 10 g of crushed giant silver grass were mixed and maintained for 24 hours to sufficiently immerse the large silver grass in an aqueous potassium hydroxide solution, and then charged to the reactor 200 shown in FIG. 1. In order to shield the outlet 220 of the reactor and to create an inert atmosphere before decomposition and activation, argon (Ar) gas is flowed into the reactor at 300 cc / min through the inlet 210 for 1 hour to create an atmosphere. The inlet 210 was shielded. When all the openings and closings of the reactor are shielded, the pressure inside the reactor increases, and an environment in which the lignocellulosic biomass can be easily decomposed in an environment of high pressure and low temperature can be created.

상기 반응기의 온도를 100℃로 승온하고, 1시간 동안 유지하여 리그노셀룰로오스 바이오매스를 셀룰로오스와 리그닌으로 구조적 분리를 진행하였다. 이때, 승온 속도 3 ℃/min로 설정하였다. The temperature of the reactor was raised to 100 ° C. and maintained for 1 hour to perform structural separation of lignocellulosic biomass into cellulose and lignin. At this time, the heating rate was set at 3 ° C / min.

상기 반응기의 배출구(220)를 개방한 다음, 유입구(210)를 통해 아르곤(Ar) 가스를 300 cc/min으로 주입하며 승온 속도 3 ℃/min으로 900 ℃까지 상승시키고, 900 ℃에서 1시간 유지하여 활성화 반응을 진행하였다. 이때, 배출구(220)의 끝단에 에탄올이 담긴 배출조(230)를 두어 메탈릭 가스가 대기 중에 방출되는 것을 방지하였다.After opening the outlet 220 of the reactor, argon (Ar) gas is injected at 300 cc / min through the inlet 210 and raised to 900 ° C. at a heating rate of 3 ° C./min and maintained at 900 ° C. for 1 hour. To activate the reaction. At this time, the discharge tank 230 containing ethanol was placed at the end of the discharge port 220 to prevent the metallic gas from being released into the atmosphere.

활성화가 종료되고 나면 반응기를 냉각하고, 반응기 내부에 잔존하는 칼륨 가스를 제거하기 위해 무수에탄올을 유입구(210)를 통해 증기 상태로 15분 동안 주입한 후, 시료를 수거하였다.After activation is completed, the reactor is cooled, and anhydrous ethanol is injected through the inlet 210 for 15 minutes in a vapor state to remove potassium gas remaining inside the reactor, and then the sample is collected.

수거된 시료는 pH 7에 근접하도록 1 ℓ의 증류수로 5회 세척 후, 감압 여과 장치를 이용하여 필터링하고, 80 ℃의 대류건조기에서 건조하여 부분결정성 활성탄을 얻었다.The collected sample was washed 5 times with 1 L of distilled water to approach pH 7, filtered using a vacuum filtration device, and dried in a convection dryer at 80 ° C. to obtain partially crystalline activated carbon.

<비교예><Comparative Example>

리그노셀룰로오스(Lignocellulose) 바이오매스를 기반으로 활성탄을 제조하였다.Activated carbon was prepared based on lignocellulose biomass.

리그노셀룰로오스 바이오매스로 초본류인 거대 억새를 잘게 분쇄하여 사용하였다. Lignocellulose biomass was used by crushing the herbaceous giant silver grass.

6M 수산화칼륨 수용액 50 ㎖와 분쇄된 거대 억새 10g을 혼합하고 24시간 유지하여 거대 억새를 수산화칼륨 수용액에 충분히 침지시킨 다음, 도 1에 도시된 반응기(200)에 장입하였다. 50 ml of 6M potassium hydroxide aqueous solution and 10 g of crushed giant silver grass were mixed and maintained for 24 hours to sufficiently immerse the large silver grass in an aqueous potassium hydroxide solution, and then charged to the reactor 200 shown in FIG. 1.

상기 반응기의 배출구(220)를 개방한 다음, 유입구(210)를 통해 아르곤(Ar) 가스를 300 cc/min으로 주입하며 승온 속도 3 ℃/min으로 900 ℃까지 상승시키고, 900 ℃에서 1시간 유지하여 활성화 반응을 진행하였다. 이때, 배출구(220)의 끝단에 에탄올이 담긴 배출조(230)를 두어 메탈릭 가스가 대기 중에 방출되는 것을 방지하였다.After opening the outlet 220 of the reactor, argon (Ar) gas is injected at 300 cc / min through the inlet 210 and raised to 900 ° C. at a heating rate of 3 ° C./min and maintained at 900 ° C. for 1 hour. To activate the reaction. At this time, the discharge tank 230 containing ethanol was placed at the end of the discharge port 220 to prevent the metallic gas from being released into the atmosphere.

활성화가 종료되고 나면 반응기를 냉각하고, 반응기 내부에 잔존하는 칼륨 가스를 제거하기 위해 무수에탄올을 유입구(210)를 통해 증기 상태로 15분 동안 주입한 후, 시료를 수거하였다.After activation is completed, the reactor is cooled, and anhydrous ethanol is injected through the inlet 210 for 15 minutes in a vapor state to remove potassium gas remaining inside the reactor, and then the sample is collected.

수거된 시료는 pH 7에 근접하도록 1 ℓ의 HCl 수용액으로 1회, 1 ℓ의 증류수로 5회 세척 후, 감압 여과 장치를 이용하여 필터링하고, 80 ℃의 대류건조기에서 건조하여 활성탄을 얻었다.The collected sample was washed once with 1 liter of HCl aqueous solution and 5 times with 1 liter of distilled water to approach pH 7, filtered using a vacuum filtration device, and dried in a convection dryer at 80 ° C. to obtain activated carbon.

실험예 1 및 비교예에 따라 제조된 활성탄의 기공 구조를 확인하기 위해 가스 분석기(Belsorp-Mini II, BEL, Japan)를 사용하였고, 질소 흡-탈착 등온선으로 부터 BET(Brunauer-Emmett-Teller)를 이용하여 비표면적을 얻었다. 결정성 구조를 확인하기 위해 고해상 투과전자현미경(high-resolution transmission electron microscope; HR-TEM)(JEOL, JEM-2000EX, Japan)과 X-선회절(X-ray diffraction; XRD)(Rigaku D/Max 2500/PC, Japan) 분석을 실시하였다. A gas analyzer (Belsorp-Mini II, BEL, Japan) was used to confirm the pore structure of activated carbon prepared according to Experimental Example 1 and Comparative Example, and BET (Brunauer-Emmett-Teller) was used from the nitrogen adsorption-desorption isotherm. Was used to obtain the specific surface area. High-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) (JEOL, JEM-2000EX, Japan) and X-ray diffraction (XRD) (Rigaku D / Max) to confirm the crystalline structure 2500 / PC, Japan).

도 7은 비교예에 따라 제조된 활성탄의 고해상 투과전자현미경(HR-TEM) 사진이고, 도 8은 실험예 1에 따라 제조된 부분결정성 활성탄의 고해상 투과전자현미경(HR-TEM) 사진이다. 7 is a high resolution transmission electron microscope (HR-TEM) photograph of activated carbon prepared according to a comparative example, and FIG. 8 is a high resolution transmission electron microscope (HR-TEM) photograph of partially crystalline activated carbon prepared according to Experimental Example 1.

도 9는 비교예에 따라 제조된 활성탄의 X-선회절(XRD) 패턴을 보여주는 도면이고, 도 10은 실험예 1에 따라 제조된 부분결정성 활성탄의 X-선회절(XRD) 패턴을 보여주는 도면이다. 9 is a view showing an X-ray diffraction (XRD) pattern of activated carbon prepared according to a comparative example, and FIG. 10 is a view showing an X-ray diffraction (XRD) pattern of partially crystalline activated carbon prepared according to Experimental Example 1 to be.

아래의 표 1에 실험예 1 및 비교예에 따라 제조된 활성탄의 표면저항, 비저항 및 전도도를 나타내었다. Table 1 below shows surface resistance, specific resistance, and conductivity of activated carbon prepared according to Experimental Example 1 and Comparative Example.

samplesample 표면
저항(Ω/sq)
surface
Resistance (Ω / sq)
저항(Ω·cm)Resistance (Ω · cm) 비저항(Ω·m)Specific resistance (Ω · m) 전도도(S/cm)Conductivity (S / cm) 전도도(S/m)Conductivity (S / m)
실험예 1Experimental Example 1 287287 6.036.03 0.060.06 0.170.17 16.5916.59 비교예Comparative example 597597 7.037.03 0.070.07 0.140.14 14.2214.22

도 7 내지 도 10 및 표 1을 참조하면, 고해상 투과전자현미경(HR-TEM) 및 X-선회절(XRD) 분석 결과 부분결정성이 나타났고, 층간거리는 3.35∼3.45 Å 범위 였다. 실험예 1에 따라 제조된 부분결정성 활성탄이 비교예에 따라 제조된 활성탄에 비하여 더욱 흑연 피크(graphite peak)에 가까운 (002) peak을 나타내었다. 비교예에 따라 제조된 활성탄에 비하여 실험예 1에 따라 제조된 부분결정성 활성탄이 전도도가 높은 것으로 나타났다.Referring to FIGS. 7 to 10 and Table 1, a high resolution transmission electron microscope (HR-TEM) and X-ray diffraction (XRD) analysis showed partial crystallinity, and the interlayer distance was in the range of 3.35 to 3.45 Å. The partially crystalline activated carbon prepared according to Experimental Example 1 exhibited a (002) peak closer to the graphite peak than the activated carbon prepared according to the comparative example. It was found that the conductivity of the partially crystalline activated carbon prepared according to Experimental Example 1 was higher than that of the activated carbon prepared according to the comparative example.

도 11은 비교예에 따라 제조된 활성탄과 실험예 1에 따라 제조된 부분결정성 활성탄의 질소 흡·탈착 곡선을 나타낸 도면이다. 11 is a view showing a nitrogen adsorption and desorption curve of activated carbon prepared according to Comparative Example and partially crystalline activated carbon prepared according to Experimental Example 1.

도 11을 참조하면, 실험예 1에 따라 제조된 부분결정성 활성탄은 질소 흡착량 증가 및 중간공극의 양 또한 증가하였으며, 그 결과 실험예 1에 따라 제조된 부분결정성 활성탄의 비표면적은 2885 m2/g, 비교예에 따라 제조된 활성탄의 비표면적은 2011 m2/g를 나타내었다. Referring to FIG. 11, the partially crystalline activated carbon prepared according to Experimental Example 1 increased the amount of nitrogen adsorption and the amount of the intermediate pores, and as a result, the specific surface area of the partially crystalline activated carbon prepared according to Experimental Example 1 was 2885 m. 2 / g, the specific surface area of the activated carbon prepared according to the comparative example was 2011 m 2 / g.

<실험예 2><Experimental Example 2>

전기화학 특성 분석을 하기 위해서 실험예 1에 따라 제조된 부분결정성 활성탄과 비교예에 따라 제조된 활성탄을 각각 전극활물질로 사용하여 슈퍼커패시터용 전극으로 제조하였다. 이때, 고무타입 전극을 제조하기 위해 0.5g 기준으로 전극활물질 0.46g, 카본블랙 종류인 Super-p 0.025g, 바인더인 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene; PTFE) 0.015g을 분산매인 에탄올에 넣고, 플래니터리 믹서(planetary mixer)로 3분간 혼합하여 슬러리를 형성하고, 상기 슬러리를 손반죽 한 다음 히팅 롤프레스로 압연 공정을 실시하였다. 이때 프레스의 가압 압력은 1∼20 ton/㎠로 하였고, 롤의 온도는 60 ℃로 하였으며, 회전 속도는 300 rpm으로 하였다. 상기 압연 공정 후의 두께는 150 ㎛ 정도로 하였다. 압연된 결과물을 150 ℃의 진공 건조대에 넣고 12시간 동안 건조시켜 전극을 형성하였다. In order to analyze the electrochemical properties, the partially crystalline activated carbon prepared according to Experimental Example 1 and the activated carbon prepared according to the comparative example were used as electrode active materials, respectively, to prepare an electrode for a supercapacitor. At this time, in order to prepare a rubber-type electrode, 0.46 g of electrode active material based on 0.5 g, 0.025 g of Super-p as a carbon black type, and 0.015 g of polytetrafluoroethylene (PTFE) as a binder are added to ethanol as a dispersion medium, and After mixing for 3 minutes with a planetary mixer to form a slurry, the slurry was hand-kneaded and then rolled with a heating roll press. At this time, the pressurizing pressure of the press was 1 to 20 ton / cm 2, the temperature of the roll was 60 ° C., and the rotation speed was 300 rpm. The thickness after the rolling step was about 150 μm. The rolled product was placed in a vacuum drying bed at 150 ° C. and dried for 12 hours to form an electrode.

이렇게 제조된 전극을 코인 타입(Coin type)(2032)의 셀(Cell)로 풀셀(Full cell) 조립하였다. 이때 사용한 분리막은 NKK사의 TF4035을 사용하였다. 전해액은 1 M TEABF4 염이 아세토니트릴(acetonitrile; AcN) 용액에 녹아있는 용액을 사용하였다.The electrode thus prepared was assembled into a cell of coin type 2032, and a full cell was assembled. At this time, the separator used was TF4035 from NKK. As the electrolyte, a solution in which 1 M TEABF 4 salt was dissolved in acetonitrile (AcN) solution was used.

이렇게 제조된 셀(cell)을 축전비용량, 전류밀도에 따른 용량 변화 및 방전 시 전압 강하(IR-drop) 등의 측정을 위하여 정전류-정전압 충·방전법(CC-CV galvanostatic charge/discharge method)이 사용되었다. 측정을 위하여 사용된 장비는 충·방전 시험기(BT48CH, Human technology, Korea)를 사용하였으며, 0.5, 1, 2, 5, 10, 20 mA/cm2 전류밀도로 충·방전을 실시하고, 그 결과를 아래의 표 2에 나타내었다. The cell thus manufactured is a constant current-constant voltage charging / discharging method (CC-CV galvanostatic charge / discharge method) for measuring capacitance change according to power storage capacity, current density, and voltage drop (IR-drop) during discharge. Was used. The equipment used for measuring the charge and discharge testing machine was used (BT48CH, Human technology, Korea) , 0.5, 1, 2, 5, 10, 20 mA / cm 2 Charging and discharging were performed at current density, and the results are shown in Table 2 below.

전류밀도 (mA/cm2)Current density (mA / cm 2 ) 0.5 0.5 1 One 2 2 5 5 10 10 20 20 비축전용량 (F/cc)Reserve capacity (F / cc) 실험예 1에 따라 제조된 활성탄을 이용하여 제조된 전지Battery manufactured using activated carbon prepared according to Experimental Example 1 60.460.4 59.859.8 59.159.1 58.558.5 57.857.8 57.257.2 비교예에 따라 제조된 활성탄을 이용하여 제조된 전지Battery produced using activated carbon prepared according to Comparative Example 36.8436.84 36.7236.72 36.636.6 36.236.2 35.6435.64 34.834.8

표 2를 참조하면, 실험예 1에 따라 제조된 부분결정성 활성탄을 이용하여 제조된 전지의 방전 용량은 0.5 mA/cm2 전류밀도에서 하프셀 기준 60.4 F/cc을 만족하였다. 또한 20 mA/cm2 전류밀도에서 94.7% 용량 유지율을 나타내었다.Referring to Table 2, the discharge capacity of the battery prepared using the partially crystalline activated carbon prepared according to Experimental Example 1 is 0.5 mA / cm 2 In the current density, 60.4 F / cc based on a half cell was satisfied. It also showed a 94.7% capacity retention rate at 20 mA / cm 2 current density.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.As described above, the preferred embodiments of the present invention have been described in detail, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made by those skilled in the art.

110: 음극 120: 양극
130: 제1 리드선 140: 제2 리드선
150: 제1 분리막 160: 제2 분리막
170: 접착 테이프 175: 권취소자
180: 실링 고무 190: 금속캡
192: 가스켓
200: 반응기
210: 유입구
220: 배출구
230: 배출조
110: cathode 120: anode
130: first lead wire 140: second lead wire
150: first separator 160: second separator
170: adhesive tape 175: winding element
180: sealing rubber 190: metal cap
192: gasket
200: reactor
210: inlet
220: outlet
230: discharge tank

Claims (11)

리그노셀룰로오스(Lignocellulose) 바이오매스를 준비하는 단계;
상기 리그노셀룰로오스 바이오매스를 K, Na 및 Ca으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속원소를 포함하는 알칼리 용액에 침지시키는 단계;
상기 리그노셀룰로오스 바이오매스와 알칼리 용액이 담긴 반응기의 배출구를 차폐하고 상기 반응기 내로 비활성 기체를 흘려준 후 상기 반응기의 유입구를 차폐하는 단계;
상기 반응기 내부를 100∼150℃로 승온하고 유지하여 상기 리그노셀룰로오스 바이오매스에 함유된 셀룰로오스와 리그닌이 구조적으로 분리되게 하는 단계; 및
상기 반응기의 배출구를 개방하고 상기 반응기의 유입구를 통해 비활성 기체를 주입하면서 600∼950℃로 승온하고 유지하여 구조적으로 분리된 셀룰로오스와 리그닌을 활성화 시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부분결정성 활성탄의 제조방법.
Preparing a lignocellulose biomass;
Immersing the lignocellulosic biomass in an alkali solution containing at least one metal element selected from the group consisting of K, Na and Ca;
Shielding the outlet of the reactor containing the lignocellulosic biomass and alkali solution, flowing an inert gas into the reactor, and then shielding the inlet of the reactor;
Heating and maintaining the inside of the reactor at 100 to 150 ° C. so that cellulose and lignin contained in the lignocellulosic biomass are structurally separated; And
The step of opening the outlet of the reactor and injecting an inert gas through the inlet of the reactor while heating and maintaining it at 600 to 950 ° C to activate structurally separated cellulose and lignin. Manufacturing method.
제1항에 있어서, 상기 알칼리 용액은 KOH, NaOH, Ca(OH2) 및 NaHCO3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 부분결정성 활성탄의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the alkali solution comprises one or more substances selected from the group consisting of KOH, NaOH, Ca (OH 2 ) and NaHCO 3 .
제2항에 있어서, 상기 알칼리 용액에 알킬암모늄 플루오라이드를 혼합하여 이종원소가 도핑되게 하는 것을 특징으로 하는 부분결정성 활성탄의 제조방법.
The method according to claim 2, characterized in that a hetero element is doped by mixing an alkylammonium fluoride with the alkali solution.
제3항에 있어서, 상기 알킬암모늄 플루오라이드는 MgF2, H2SiF6, NaF, NaHF2, NH4F, NH4HF2, NH4BF4, KF, KHF2, ALF3 및 H2TiF6로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 부분결정성 활성탄의 제조방법.
The method of claim 3, wherein the alkylammonium fluoride is MgF 2 , H 2 SiF 6 , NaF, NaHF 2 , NH 4 F, NH 4 HF 2 , NH 4 BF 4 , KF, KHF 2 , ALF 3 and H 2 TiF. Method for producing a partially crystalline activated carbon comprising at least one material selected from the group consisting of 6 .
제2항에 있어서, 상기 리그노셀룰로오스 바이오매스와 상기 알킬암모늄 플루오라이드는 1:0.05 ~ 1:0.5의 중량비를 이루게 혼합하는 것을 특징으로 하는 부분결정성 활성탄의 제조방법.
The method of claim 2, wherein the lignocellulosic biomass and the alkylammonium fluoride are mixed in a weight ratio of 1: 0.05 to 1: 0.5.
제1항에 있어서, 상기 활성화 시키는 단계 후에,
상기 반응기를 냉각하는 단계; 및
상기 반응기 내부에 잔존하는 메탈릭 가스를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부분결정성 활성탄의 제조방법.
According to claim 1, After the activating step,
Cooling the reactor; And
And removing the metallic gas remaining inside the reactor.
제6항에 있어서, 상기 메탈릭 가스를 제거하는 단계는 상기 반응기 내로 무수에탄올 증기를 주입하여 상기 메탈릭 가스를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부분결정성 활성탄의 제조방법.
The method of claim 6, wherein the step of removing the metallic gas comprises the step of removing the metallic gas by injecting anhydrous ethanol vapor into the reactor.
제1항에 있어서, 상기 활성화 시키는 단계에서,
상기 반응기의 배출구에 에탄올이 담긴 배출조를 두어 메탈릭 가스가 대기 중에 방출되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 부분결정성 활성탄의 제조방법.
According to claim 1, In the activating step,
Method for producing a partially crystalline activated carbon, characterized in that by placing a discharge tank containing ethanol in the outlet of the reactor to prevent the metallic gas is released into the atmosphere.
제1항에 있어서, 상기 부분결정성 활성탄은 2800 ㎡/g보다 높은 비표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 부분결정성 활성탄의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the partially crystalline activated carbon has a specific surface area higher than 2800 m 2 / g.
제1항에 있어서, 상기 부분결정성 활성탄은 15 S/m보다 높은 전도도를 나타내는 것을 특징으로 하는 부분결정성 활성탄의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the partially crystalline activated carbon has a conductivity higher than 15 S / m.
제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 방법으로 제조된 부분결정성 활성탄, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계;
상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계;
전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성하는 단계; 및
상기 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 양극, 상기 분리막 및 상기 음극을 비수계 전해액에 함침시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터의 제조방법.
A method for preparing a composition for a supercapacitor electrode by mixing a partially crystalline activated carbon, a conductive material, a binder, and a dispersion medium prepared by any one of claims 1 to 9;
The composition for the supercapacitor electrode is compressed to form an electrode, or the composition for the supercapacitor electrode is coated on a metal foil to form an electrode, or the composition for the supercapacitor electrode is pushed with a roller to form a sheet and a metal foil or Attaching to the current collector to form an electrode;
Drying the resultant formed in the form of an electrode to form a supercapacitor electrode; And
The supercapacitor electrode is used as an anode and a cathode, and a separator for preventing a short circuit between the anode and the cathode is disposed between the anode and the cathode, and the anode, the separator and the cathode are impregnated with a non-aqueous electrolyte. Method of manufacturing a supercapacitor comprising a step.
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