KR20200068839A - 구겨진 그래핀을 포함하는 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법 및 이에 의해 제조된 슈퍼커패시터용 전극 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 구겨진 그래핀을 포함하는 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법 및 이에 의해 제조된 슈퍼커패시터용 전극에 관한 것으로, 보다 상세하게는 할로겐 원소를 포함하는 환원제 용액에 2차원 산화그래핀 용액을 스프레이 방법으로 주입함에 따라, 스프레이 노즐을 통해 나가는 극소량의 2차원 산화그래핀 용액들이 할로겐 원소를 포함하는 환원제 용액에 비산되어, 입자들이 각각 다르게 용액에서 빠른 시간 내에 환원되면서, 수용액 상에서의 소수성의 증가로 인한 수축이 일어나, 3차원의 구겨진 그래핀 입자를 대량으로 생산할 수 있어, 기존의 2차원 그래핀의 제조공정에서 발생했던 응집 및 적층으로 인한 전기적, 기계적 물성의 감소를 해결할 수 있다. 또한, 상기의 방법으로 제조된 3차원의 구겨진 그래핀 입자와 탄소나노튜브 및 잔탄검 적절한 조성비로 혼합하여, 구겨진 그래핀의 큰 부피와 3차원 형상으로 인하여 기존의 전극에서 발생하는 문제점을 해결할 수 있다.
Description
본 발명은 구겨진 그래핀을 포함하는 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법 및 이에 의해 제조된 슈퍼커패시터용 전극에 관한 것이다.
그래핀은 흑연(Graphite)에서 박리된 한 층을 의미한다. 원자 수준의 두께를 가져 비표면적이 매우 높으며(> 2600 ㎡/g) 전도성이 매우 높은 특성을 지니고 있다.
흑연(Graphite)을 한 층으로 박리시키기 위한 방법으로는 기계적 박리법, 화학증착법, 에피텍셜 합성법, 화학적 박리법이 있다. 이 4가지 박리법 중에서 화학적 박리법은 산화그래핀 형태로 얻을 수 있으며, 대면적과 대량생산이 용이하며, 흑연(Graphite)의 산화-환원 특성을 이용한 것이다. 이러한 산화그래핀(graphene oxide, GO)의 제조는 용액 공정이 용이하고, 전도도 및 용해도 등 물성의 제어가 쉽다.
하지만 산화그래핀 자체에는 매우 높은 빈도로 결함이 존재하여 전도도가 없으므로 환원공정을 거쳐야 하는데, 이 때 환원 그래핀 간의 강한 반데르발스 상호작용에 의해 일반적으로 비가역성 응집 및 나노층 간의 적층 현상이 생겨나고, 비표면적을 크게 감소시키며 공정성도 떨어지게 하므로 산화그래핀의 응용에 있어서 방해요소가 된다.
한편, 슈퍼커패시터(Super capacitor)는 축전용량이 큰 커패시터로써, 전극과 전해질 사이 계면에서의 이온 이동이나 표면화학반응에 의한 충전 및 방전 현상을 이용한다.
이와 같은 슈퍼커패시터는 전력밀도가 높고, 충방전 속도가 빠르다. 또한, 충반전 사이클 수명이 50만 사이클 이상으로 매우 길다는 특성을 가지며, 커패시터의 구조는 다공성 전극(electrode: 양극 및 음극), 분리막(separator), 전해질(electrolyte), 집전체(current collector: 구리 및 알루미늄)으로 이루어져 있다.
슈퍼커패시터는 사용되는 전해질에 따라서 수용성과 비수용성으로 구분되며, 수용성 전해질의 예로 H2SO4가 있다. 수용성 전해질은 출력특성은 높지만 셀 당 1 V 정도의 낮은 작동전압을 나타내기 때문에, 에너지밀도가 낮다는 단점을 가지고 있다. 유기성 전해질의 경우 ESR(Equivalent Series Resistance:등가 직렬 저항)라고 하는 캐패시터가 가지고 있는 고유한 저항값 때문에 불리하지만, 셀당 약 2.3 V 내지 3 V의 작동전압을 가지므로 에너지밀도 특성이 우수하다.
슈퍼커패시터는 EDLC, Pseudo capacitor, Hybrid super capacitor로 나누어서 설명할 수 있다. EDLC(electric double-layer capacitors)는 전기이중층 매커니즘을 적용한 것으로, 전극재료는 활성탄(activated carbon), 카본 에어로젤 등이 쓰이며, 에너지 밀도 200 Wh/kg, 출력밀도 3 kW/kg 정도의 값을 가진다. Pseudo capacitor는 전극재료로 금속 산화물과 전도성 고분자 등이 쓰이며, 산화-환원 반응을 이용하여 화학 반응을 전기적 에너지로 전환하여 저장하는 방법이다. 마지막으로, 하이브리드 슈퍼커패시터(Hybrid supercapacitor)는 탄소/활성탄, 금속산화물, 리튬 이온 등을 전극 재료로 이용하며, 전기이중층과 산화-환원 반응, intercalation 방법을 사용한다.
한편, 슈퍼커패시터의 성능을 향상시키기 위해서는 전극 소재에 이온을 흡착할 수 있는 유효면적을 늘려야하는데, 그래핀의 경우 앞에서 서술하였듯이, 건조 및 환원 공정 시에 층간 적층이 발생하여 비표면적이 크게 감소하거나 물성이 감소하여 슈퍼커패시터용 전극에 응용되는데 한계가 있다.
이를 위해 환원 그래핀의 나노구조를 제어하여 유효 비표면적을 크게 유지시키고, 층간 적층을 방지하는 방향으로 많은 연구가 진행되었으며, 구겨진 그래핀 나노구조가 대표적이다. 이를 위해서 제안된 구겨진 그래핀을 만들 수 있는 방법으로 스프레이 노즐을 통해 만들어진 산화그래핀 액적을 열을 통해 건조하며 환원시키는 방법과, 산화철 마이크로 입자를 주형으로 화학적으로 환원시키며 구김을 형성하는 방법이 있다.
하지만, 이러한 방법을 공정이 복잡하고, 구겨진 그래핀을 대량생산하는 방법으로는 적합하지 않으며, 열을 통한 환원 시 비가역적인 재적층 현상이 구겨진 그래핀에서도 일어나 높은 성능을 가지는 슈퍼커패시터의 전극으로 적합하지 못하다는 단점을 지니고 있다.
또한, 기존의 방법으로 제조된 구겨진 그래핀을 활물질로 이용하여 슈퍼커패시터용 전극은 구겨진 그래핀 입자가 부피가 크고 3차원 형상을 가짐으로 인하여 그래핀 입자 간의 연결이 부족하고, 집전체에서 구겨진 그래핀이 박리되는 등 전기화학적 성능과 전극의 내구성이 저하되는 문제점이 있다.
1. Small, 2012, 8, 2458-2463
2. Nanoscale, 2012, 4, 5549-5563
3. Advanced Functional Materials, 2015, 25, 3606-3614.
따라서 본 발명자는 기존의 2차원 그래핀의 제조공정에서 발생했던 응집 및 적층으로 인한 전기적, 기계적 물성의 감소를 해결할 수 있는 3차원의 구겨진 그래핀을 간단한 공정으로 대량 생산 가능하면서도 단시간 내에 제조할 수 있는 공정을 개발하고, 이를 이용하여 높은 충방전 용량 및 안정적인 수명특성을 갖는 슈퍼커패시터용 전극으로 응용하고자 한다.
또한, 기존의 3차원의 구겨진 그래핀 입자를 이용하여 제조한 슈퍼커패시터용 전극이 갖는 전기화학적 성능 및 내구성의 저하를 해결할 수 있는 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 측면은 (A) 환원제 용액에 산화그래핀 용액을 투입하는 단계; (B) 상기 산화그래핀 용액이 투입된 환원제 용액에 대해 반응을 수행하여 구겨진 그래핀 입자를 제조하는 단계; (C) 상기 구겨진 그래핀 입자, 탄소나노튜브, 잔탄검을 포함하는 바인더를 볼밀에 투입하고 분쇄하면서 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 및 (D) 상기 슬러리로 집전체를 코팅하고 건조하는 단계를 포함하는 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 다른 측면은 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 슈퍼커패시터용 전극에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 할로겐 원소를 포함하는 환원제 용액에 2차원 산화그래핀 용액을 스프레이 방법으로 주입함에 따라, 스프레이 노즐을 통해 나가는 극소량의 2차원 산화그래핀 용액들이 할로겐 원소를 포함하는 환원제 용액에 비산되어, 입자들이 각각 다르게 용액에서 빠른 시간 내에 환원되면서, 수용액 상에서의 소수성의 증가로 인한 수축이 일어나, 3차원의 구겨진 그래핀 입자를 대량으로 생산할 수 있어, 기존의 2차원 그래핀의 제조공정에서 발생했던 응집 및 적층으로 인한 전기적, 기계적 물성의 감소를 해결할 수 있다.
또한, 상기의 방법으로 제조된 3차원의 구겨진 그래핀 입자와 탄소나노튜브 및 잔탄검 적절한 조성비로 혼합하여, 구겨진 그래핀의 큰 부피와 3차원 형상으로 인하여 기존의 전극에서 발생하는 문제점을 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터용 전극을 제조 과정을 나타낸 이미지이다.
도 2a는 본 발명에 의해 제조된 구겨진 그래핀(CG)의 SEM 이미지이다.
도 2b는 본 발명의 비교예 2를 통하여 제조된 슈퍼커패시터용 전극(CG/PVDF/CNT)의 SEM 이미지이다.
도 2c는 본 발명의 실시예를 통하여 제조된 슈퍼커패시터용 전극(CG/XG/CNT)의 SEM 이미지이다.
도 3a는 비교예 1로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 GCD 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3b는 비교예 1로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 CV 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3c는 비교예 1로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 비축전용량 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4a는 비교예 2로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 GCD 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4b는 비교예 2로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 CV 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4c는 비교예 2로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 비축전용량 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5a는 실시예로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 GCD 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5b는 실시예로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 CV 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5c는 실시예로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 비축전용량 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2a는 본 발명에 의해 제조된 구겨진 그래핀(CG)의 SEM 이미지이다.
도 2b는 본 발명의 비교예 2를 통하여 제조된 슈퍼커패시터용 전극(CG/PVDF/CNT)의 SEM 이미지이다.
도 2c는 본 발명의 실시예를 통하여 제조된 슈퍼커패시터용 전극(CG/XG/CNT)의 SEM 이미지이다.
도 3a는 비교예 1로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 GCD 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3b는 비교예 1로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 CV 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3c는 비교예 1로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 비축전용량 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4a는 비교예 2로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 GCD 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4b는 비교예 2로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 CV 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4c는 비교예 2로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 비축전용량 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5a는 실시예로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 GCD 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5b는 실시예로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 CV 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5c는 실시예로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 비축전용량 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 설명한다.
종래의 2차원 그래핀은 슈퍼커패시터용 전극으로 제조함에 있어서, 그래핀과 그래핀 간의 강한 반데르발스 상호작용으로 인하여 비가역성 응집 및 적층 현상이 발생하고, 이러한 성질로 인하여 그래핀의 우수한 성질인 전기적, 기계적 물성이 저하되는 문제점이 있어왔다. 3차원 형태의 구겨진 그래핀 입자는 비표면적이 넓을 뿐만 아니라, 응집 및 적층 현상을 해결할 수 있기 때문에 슈퍼커패시터 전극에 쓰이기 적합하지만, 큰 부피와 3차원의 형상은 전극의 내구성 및 전기화학적 성능을 저하시키게 되었다. 따라서 본 발명에서는 간단한 공정으로 대량 생산이 가능하면서도 단시간 내에 구겨진 그래핀을 제조하고, 상기 구겨진 그래핀을 이용하여 우수한 전기화학적 성능을 갖는 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면은, (A) 환원제 용액에 산화그래핀 용액을 투입하는 단계; (B) 상기 산화그래핀 용액이 투입된 환원제 용액에 대해 반응을 수행하여 구겨진 그래핀 입자를 제조하는 단계; (C) 상기 구겨진 그래핀 입자, 탄소나노튜브, 잔탄검을 포함하는 바인더를 볼밀에 투입하고 분쇄하면서 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 및 (D) 상기 슬러리로 집전체를 코팅하고 건조하는 단계를 포함하는 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법을 제공한다.
환원제 용액에 산화그래핀 용액을 투입하는 방식은 산화그래핀 용액에 환원제 용액을 투입하는 방식에 비해 형성되는 구겨진 그래핀의 응집도를 크게 낮출 수 있어 바람직하다. 두 용액을 바꾸어 실험을 진행하게 되면, 다른 모든 조건이 동일하더라도(물론 가열과 교반은 바뀐 산화그래핀 용액에 대해서 이루어진다), 훨씬 응집도가 높아진 상태로 구겨진 그래핀이 생성된다는 점을 확인하였다.
상기 탄소나노튜브는 구겨진 그래핀 입자 사이를 연결하여 전자 이동을 용이하게 하는 역할을 하여 구겨진 그래핀의 3차원 형상에 의해 그래핀 간의 연결이 부족했던 문제점을 해결할 수 있다.
또한 상기 잔탄검은 점도가 좋고, 다양한 pH 범위에서도 점도를 유지하는 특성을 가져, 구겨진 그래핀과 탄소나노튜브 및 그래핀과 탄소나노튜브를 포함하는 전극 활물질과 집전체를 연결하는 바인더로 사용된다. 후술하는 실시예에서 확인할 수 있듯이, 다른 바인더를 사용한 전극에 비하여 잔탄검을 이용하는 경우 고율특성을 포함하는 전기화학적 성능이 크게 개선됨을 확인할 수 있었다.
일 구현예에 따르면, 상기 환원제는 할로겐 포함 환원제일 수 있다. 본 발명에서 환원제 중에서도 특히 할로겐 포함 환원제를 사용하는 경우 환원된 구겨진 그래핀의 기계적인 측면과 구겨진 구조적인 측면에서 유리하다. 본 발명에서 사용 가능한 할로겐 포함 환원제의 예에는 아이오딘화수소 등이 포함되나, 이에 한정되지 않는다.
다른 구현예에 따르면, 상기 (A) 단계의 투입은 100 내지 800 mL/h의 공급속도로 스프레이 노즐을 통한 분사에 의해 수행되고, 상기 분사에 의해서 투입되는 액적의 평균 입경은 1 내지 100 ㎛일 수 있다.
상기 스프레이 노즐을 통한 분사는 주사기에 의한 첨가 또는 적가(dropwise addition)에 비해 형성된 그래핀의 입경 크기를 낮게 유지할 수 있어 유리하다.
또한 공급속도가 만일 100 mL/h 미만인 경우 공정이 너무 느려지는 문제가 있을 수 있고, 800 mL/h를 초과하는 경우에는 구겨진 그래핀이 잘 형성되지 않는 문제가 있을 수 있어 바람직하지 않다.
상기 액적의 평균 입경의 수치 범위를 벗어나는 경우에는 분산성 문제가 있을 수 있어 바람직하지 않다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 (A) 단계는 상기 환원제 용액이 40 내지 100 ℃로 승온되어 있고, 600 내지 1000 rpm으로 교반되고 있는 상태에서 수행되는 것이 바람직하다. 만일 40 ℃ 미만이면 반응 속도가 현저하게 감소하는 문제가 있을 수 있고, 100 ℃를 초과하면 용액의 증발 문제가 있을 수 있어 바람직하지 않다. 또한 600 rpm 미만이면 불균일한 구겨진 그래핀의 제조가 이루어질 수 있으며, 1000 rpm을 초과하면 반응기의 물리적 문제가 있을 수 있어 바람직하지 않다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 산화그래핀 용액의 농도는 0.1 내지 15 g/L일 수 있다. 만일 0.1 g/L 미만이면 용매의 사용량이 너무 많은 문제가 있을 수 있고, 15 g/L를 초과하면 그래핀의 응집이 발생할 수 있어 바람직하지 않다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 반응은 산화그래핀 용액이 투입된 환원제 용액을 40 내지 100 ℃의 온도에서 4 내지 16 시간동안 교반함으로써 수행되는 것이 바람직하다. 만일 상기 온도 또는 수치 범위를 벗어나는 경우에는 불균일한 반응 문제가 있을 수 있어 바람직하지 않다.
본 발명에 따라 환원제 용액에 산화그래핀 용액을 투입하고 이 혼합 용액에 대해 반응을 수행함에 있어서 가장 바람직한 구현예에 따르면, (1) 아이오딘화수소를 환원제로 사용하고, (2) 상기 투입은 스프레이 노즐을 통한 분사에 의해 (3) 투입은 100 내지 800 mL/h의 공급속도로 수행하며, (4) 상기 환원제 용액이 40 내지 100 ℃로 승온되어 있고, (5) 600 내지 1,000 rpm으로 교반되는 상태에서 산화그래핀 용액을 분사하며, (6) 상기 산화그래핀 용액의 농도는 1 내지 10 g/L로 조절된 상태로 분사하는 것이 매우 중요하다.
위 (1) 내지 (6)의 경우를 모두 만족하는 경우에는, 투입되는 산화그래핀 용액의 액적과 초기 운동속도에 영향을 받지 않고 균일한 입경의 구겨진 그래핀 입자를 얻을 수 있는 반면, 만일 위 (1) 내지 (6) 중에서 어느 하나라도 충족하지 않는 경우에는, 구겨진 그래핀 입자 크기가 투입되는 산화그래핀 용액의 액적과 초기 운동속도에 매우 민감하게 의존하기 때문에, 균일한 입경의 구겨진 그래핀 입자를 얻기 위해서는 투입되는 산화그래핀 용액의 액적과 초기 운동속도를 매우 세밀하게 최적화하는 단계를 추가로 거쳐야 하는 문제가 발생할 수 있어, 바람직하지 않다.
본 발명에서는 상기 (A) 및 (B) 단계를 거쳐 3차원 형태의 그래핀 입자를 대량 제조함으로써 그래핀의 응집 및 적층 현상을 해결하여 고비표면적 및 고전기전도도를 발현할 수 있다는 장점을 가질 뿐만 아니라, 제조 공정이 환원제 수용액에 직접 비산하는 단일 공정으로 이루어져있어, 고농도에서도 작업이 가능하며 scale-up을 진행하는데 용이하여 대량 생산에 적합한 점 또한 확인하였다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 (C) 단계 이전에, 에탄올에 분산된 탄소나노튜브, 탈이온수(DI water)에 분산된 바인더를 준비하는 단계를 추가적으로 포함하고, 상기 에탄올에 분산된 탄소나노튜브는 에탄올을 제거한 상태로 상기 볼밀에 투입할 수 있다. 상기 탄소나노튜브는 원활한 분산을 위해 에탄올을 사용해야하지만, 상기 잔탄검은 에탄올에는 분산되지 않기 때문에, 에탄올이 포함될 경우 잔탄검의 점도가 감소할 위험이 있기 때문에 탄소나노튜브를 에탄올을 이용하여 분산시킨 후 에탄올을 제거하고 투입하는 것이 바람직하다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 (C) 단계의 상기 볼밀에 투입되는 구겨진 그래핀 : 도전재 : 바인더의 중량비는 20:2.5:1 내지 13:1.5:1일 수 있다. 후술하는 실시예에서 확인할 수 있듯이, 잔탄검의 비율이 상기 범위보다 높은 경우, 전체 질량에서 전극 활물질이 차지하는 비율이 감소함에 따라 성능저하가 발생하게 되며, 잔탄검의 비율이 상기 범위보다 낮은 경우 집전체와 활물질간의 접착이 충분하지 못함에 따라 전극이 안정적으로 제조될 수 없다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 코팅은 닥터 블레이드법에 의해 수행될 수 있다. 상기 슬러리는 잔탄검을 포함하기 때문에 점도가 높아 스프레이 코팅, 스핀코팅에 비해 닥터 블레이드법에 의해 수행되는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 슈퍼커패시터용 전극을 제조함에 있어서, 본 발명의 가장 바람직한 구현예에 따르면, 상술한 환원제 용액에 산화그래핀 용액을 투입하고 이 혼합 용액에 대해 반응을 수행함에 있어서 바람직한 구현예로 요구되었던 (1) 내지 (6)의 조건에 더하여 (7) 상기 (C) 단계 이전에, 에탄올에 분산된 탄소나노튜브, 탈이온수(DI water)에 분산된 바인더를 준비하는 단계를 추가적으로 포함하고, 상기 에탄올에 분산된 탄소나노튜브는 에탄올을 제거한 상태로 상기 볼밀에 투입하며, (8) 그래핀 : 도전재 : 잔탄검을 포함하는 바인더의 중량비는 20:2.5:1 내지 13:1.5:1인 것 (9) 코팅은 닥터블레이드(Doctor Blade)법에 의해 수행의 (7) 및 (9)의 조건을 추가로 충족하는 것이 중요하다.
위 (1) 내지 (9)의 경우를 모두 만족하는 경우에는, 상기한 (1) 내지 (6)의 조건이 만족되었을 때, 투입되는 산화그래핀 용액의 액적과 초기 운동속도에 영향을 받지 않고 균일한 입경의 구겨진 그래핀 입자를 얻을 수 있는 효과와 더불어, 제조되는 슈퍼커패시터용 전극을 구동함에 있어서, 높은 전류밀도 조건(4 A/g 이상)에서 비축전용량 이 감소하는 문제가 해결됨과 동시에 전극활물질이 집전체로부터 박리되는 문제점을 해결할 수 있었다. 만일 위 (1) 내지 (9) 중에서 어느 하나라도 충족하지 않는 경우에는 (1) 내지 (6)에서 발생하는 산화그래핀 용액의 액적과 초기 운동속도를 최적화하는 단계를 추가로 거쳐야 하는 문제점 이외의, 높은 전류밀도 조건(4 A/g 이상)에서 비축전용량이 감소하고, 집전체에 코팅된 전극활물질이 박리되는 문제점이 발생할 수 있어, 바람직하지 않다.
본 발명의 다른 측면은 상기 제조방법으로 제조된 슈퍼커패시터용 전극을 제공한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않고, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
실시예. 잔탄검 바인더를 적용한 슈퍼커패시터용 전극의 제조(CG/XG/CNT)
구겨진 그래핀 입자의 제조
물에 분산된 산화그래핀 용액을 5 g/L의 농도로 희석시킨 후, Bath Sonication을 1 내지 2시간 처리하였다. 이는 산화그래핀을 더욱 우수하게 분산시키기 위함이며, 균일한 3차원의 구겨진 그래핀 입자를 얻는데 필요하다.
할로겐 원소를 포함하는 환원제는 3 중량%로 맞추어 제조하였다. 히팅멘틀(Heating Mantle) 또는 Oil Bath에서 3 중량%의 아이오딘화수소(hydrogen iodide, HI)가 담긴 3구 플라스크를 가열하였다. 가열은 60 내지 100 ℃에서 실시하였다.
아이오딘화수소 분산 용액의 온도가 안정화되면, 산화 그래핀 용액을 50 내지 200 mL 주사기에 담고, 스프레이 노즐(Spray Nozzle)을 통해 60 내지 100 ℃로 온도가 안정화된 아이오딘화수소 분산 용액을 향해 분사시켰다. 600 내지 800 mL/h의 속도로 분사시켰으며, 이때 교반속도는 600 내지 1000 rpm으로 3구 플라스크에 들어간 산화그래핀 용액의 양에 따라 교반속도를 증가시키며 적절하게 조절하였다.
산화그래핀 용액이 다 분산되고 나면, 산화그래핀의 양에 따라 적게는 4시간 길게는 24시간 반응을 유지해주었다. 산화그래핀이 아이오딘화수소에 의해 환원되면서 3차원의 구겨진 그래핀 입자가 만들어졌다.
반응이 완료된 3차원 구겨진 그래핀 입자 용액은 에탄올, 증류수 등을 이용하여 정제과정을 거쳤다. 이때, 불순물이나 높은 산도를 중화시키기 위해 5 내지 10번 정도 에탄올로 Vacuum Filtration을 실시하였다. 그 후, 증류수를 이용하여 3번 이상 헹궈주었다. 이렇게 얻은 3차원의 구겨진 그래핀 입자용액은 적적 용기에 담아 액체질소를 이용해 얼려주었다. 동결이 끝난 3차원의 구겨진 그래핀 입자 용액은 동결 건조기에서 3 내지 7일 동안 내부의 증류수들이 기화되어 최종적으로 3차원의 구겨진 그래핀 입자 파우더의 형태로 얻을 수 있었다.
구겨진 그래핀 입자를 포함하는 슈퍼커패시터용 전극의 제조
단일벽 탄소나노튜브(Single-Wall Carbon Nanotube, SWNT) 50 ㎎을 100 ㎖의 에탄올에 팁 소니케이터를 이용하여 분산시켜 에탄올에 분산된 탄소나노튜브를 준비하였다. 탈이온수(DI water)에 잔탄검(Xanthan Gum, XG)에 2 중량%의 농도로 포함되도록하고, 50 ℃에서 24시간동안 분산시켰다.
수득한 구겨진 그래핀 입자 80 mg, 상기 탄소나노튜브 10 mg(에탄올에 분산된 탄소나노튜브의 에탄올을 제거한 후 추가), 잔탄검 5 mg(탈이온수에 분산된 용액을 넣되, 잔턴검 자체의 중량이 5 mg이 분산된 용액)을 볼밀에 한꺼번에 넣었다. 볼밀은 직경 1 cm의 볼을 10개를 이용하여 400 rpm에서 20분간 수행하였으며, 슬러리의 농도에 따라 볼밀을 수행하는 시간은 조절될 수 있으며, 상기 슬러리의 농도는 DI water로 조절할 수 있다. 믹싱이 완료된 슬러리 시료를 바이알에 옮겨 paste mixer에서 추가적인 믹싱 및 기포를 제거하는 과정을 거친다. 이 때, paste mixer의 조건은 2000 rpm에서 10 분간 수행하였다. 완성된 슬러리 시료는 집전체 위에 적당량을 올려준 후, 닥터 블레이드 방법을 이용하여 얇은 형태의 전극을 제조하였다. 슬러리 전극을 제조한 후 12 시간 이상 상온에서 건조시켰고, 80% 이상 건조된 후에는 진공오븐에서 4시간 동안 마무리 건조를 실시하여 슈퍼커패시터용 전극을 수득하였다.
그 후, 전극을 테스트셀에 들어갈 사이즈로 펀칭하였고, 전극, 세퍼레이터, 전극 순으로 적층하고 밀봉하여 테스트셀을 제작하였다. 이때, 전해질은 TEABF4(Tetraethylammonium tetrafluoroborate)이며, PC(Propylene Carbonate)에 분산시켜 사용하였다. 제조된 전극을 전해질에 담가두어 전극 내부로 전해질이 잘 스며들 수 있도록 하였다.
비교예 1. 바인더가 적용되지 않은 슈퍼커패시터용 전극의 제조(CG/CNT)
잔탄검을 추가하지 않고, 구겨진 그래핀 입자를 80 mg, 탄소나노튜브를 20 mg 사용한 것을 제외하고는 실시예와 동일하게 슈퍼커패시터용 전극을 제조하였다.
비교예 2. PVDF 바인더를 적용한 슈퍼커패시터용 전극의 제조(CG/PVDF/CNT)
탈이온수에 분산시킨 잔탄검 대신, 일반적으로 사용되는 도전재인 폴리비닐리딘플로라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF)를 NMP에 분산시켜 사용한 것을 제외하고는 실시예와 동일하게 슈퍼커패시터용 전극을 제조하였다.
시험예 1. 주사전자현미경 표면 분석
실시예 및 비교예 2의 표면을 주사전자현미경(Scanning electron microscope, SEM)을 통하여 분석하였다.
도 2a는 본 발명에 의해 제조된 구겨진 그래핀(CG)의 SEM 이미지, 도 2b는 본 발명의 비교예 2를 통하여 제조된 슈퍼커패시터용 전극(CG/PVDF/CNT)의 SEM 이미지, 도 2c는 본 발명의 실시예를 통하여 제조된 슈퍼커패시터용 전극(CG/XG/CNT)의 SEM 이미지이다.
도면에는 직접적으로 나타내지는 않았으나, 비교예 1의 방법으로 제조된 전극의 경우, 바인더가 없기 때문에 완전히 건조된 전극이 집전체에서 일부분 또는 전체가 박리됨이 확인되었다.
상기 도 2c에서, 도 2a에서 확인되는 구겨진 그래핀 입자, 잔탄검 및 탄소나노튜브가 잘 섞여서 빈 공간 없이 전극을 잘 형성하고 있음을 확인할 수 있다.
시험예 2. 전기화학적 성능평가
상기 실시예, 비교예 1 및 2로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 전기화학적 성능을 평가하기 위하여 GCD(Galvanostatic charge-discharge), 사이클릭 볼타메트리(Cyclic voltammetry,CV), 비축전용량(Specific capacitance)을 측정하였다.
도 3a는 비교예 1로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 GCD 측정 결과를 나타내는 그래프, 도 3b는 CV 측정 결과를 나타내는 그래프, 도 3c는 비축전용량 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
상기 비축전용량 측정 결과로부터, 전류밀도 1 A/g에서 69 F/g의 비축전용량(Specific capacitance) 값을 가지고 있음을 확인할 수 있으며, 또한 상기 CV 측정 그래프에서 scan rate에 따른 CV 커브 모양이 일그러진 것으로 보아 안정적인 전극이 제조되지 않음을 확인할 수 있었다.
상기 전기화학적 성능평가로부터, 슈퍼커패시터용 전극이 안정적으로 제조되지 않았음을 확인할 수 있다. 비교예 1의 슈퍼커패시터용 전극은 구겨진 그래핀 입자와 탄소나노튜브만으로 이루어져 있기 때문에, 구겨진 그래핀 입자들 사이는 탄소나노튜브가 연결 역할을 하였더라도, 집전체와 전극 사이의 결합력이 부족하기 때문이다.
도 4a는 비교예 2로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 GCD 측정 결과를 나타내는 그래프, 도 4b는 CV 측정 결과를 나타내는 그래프, 도 4c는 비축전용량 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
상기 비축전용량 측정 결과로부터, 전류밀도 1 A/g에서 103 F/g의 비축전용량을 가지나, 전류밀도가 2 A/g로 증가함에 따라 비축전용량 값이 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
상기 전기화학적 성능평가로부터, 구겨진 그래핀을 슈퍼커패시터용 전극으로 제조하기 위해선 PVDF 이외의 다른 바인더가 적용되어야 함을 확인할 수 있었다.
도 5a는 실시예로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 GCD 측정 결과를 나타내는 그래프, 도 5b는 CV 측정 결과를 나타내는 그래프, 도 5c는 비축전용량 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
상기 비축전용량 측정 결과에서 확인할 수 있듯이, 전류밀도가 1 A/g일 때, 172 F/g의 비축전용량 값을 가지며, 전류밀도 증가에 따른 비축전용량 값의 저하가 적게 일어남을 확인할 수 있었다. 또한 앞서 서술한 비교에 1 및 2의 결과와는 달리, IR Drop이 보이지 않았으며, CV 측정 결과에서도 scan rate가 300 mV/s에서도 직사각형 모양을 유지하고 있음이 확인되었다. 따라서 잔탄검을 바인더로 사용하여 제조한 전극이 다른 바인더를 사용하거나, 바인더를 사용하지 않은 경우보다 안정적으로 전극이 제조되며, 월등한 전기화학적 성능을 보임을 확인할 수 있었다.
상기 실시예나 비교예에 명시적으로 기재하지는 않았으나, 사용되는 잔탄검의 양을 변화시켜 전극을 제조하고, 전기화학적 성능을 평가하였다.
상기 성능 평가로부터 볼밀에 투입되는 구겨진 그래핀 : 탄소나노튜브 : 바인더의 중량비가 20:2.5:1 내지 13:1.5:1인 경우가 바람직함을 확인할 수 있었다.
잔탄검의 비율이 상기 범위보다 높은 경우, 전체 질량에서 전극 활물질이 차지하는 비율이 감소함에 따라 성능 저하가 발생하였으며, 잔탄검의 비율이 상기 범위보다 낮은 경우 집전체와 활물질간의 접착이 충분하지 못함에 따라 슈퍼커패시터용 전극이 안정적으로 제조되지 못하기 때문이다.
전술한 실시예 및 비교예는 본 발명을 설명하기 위한 예시로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형하여 본 발명을 실시하는 것이 가능할 것이므로, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
Claims (10)
- (A) 환원제 용액에 산화그래핀 용액을 투입하는 단계;
(B) 상기 산화그래핀 용액이 투입된 환원제 용액에 대해 반응을 수행하여 구겨진 그래핀 입자를 제조하는 단계;
(C) 상기 구겨진 그래핀 입자, 탄소나노튜브, 잔탄검을 포함하는 바인더를 볼밀에 투입하고 분쇄하면서 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 및
(D) 상기 슬러리로 집전체를 코팅하고 건조하는 단계를 포함하는 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 환원제는 할로겐 포함 환원제인 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 (A) 단계의 투입은 100 내지 800 mL/h의 공급속도로 스프레이 노즐을 통한 분사에 의해 수행되고,
상기 분사에 의해서 투입되는 액적의 평균 입경은 1 내지 100 ㎛인 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 (A) 단계는 상기 환원제 용액이 40 내지 100 ℃로 승온되어 있고, 600 내지 1000 rpm으로 교반되고 있는 상태에서 수행되는 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 산화그래핀 용액의 농도는 0.1 내지 15 g/L인 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 반응은 산화그래핀 용액이 투입된 환원제 용액을 40 내지 100 ℃의 온도에서 4 내지 16시간동안 교반함으로써 수행되는 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 (C) 단계 이전에, 에탄올에 분산된 탄소나노튜브, 탈이온수(DI water)에 분산된 바인더를 준비하는 단계를 추가적으로 포함하고,
상기 에탄올에 분산된 탄소나노튜브는 에탄올을 제거한 상태로 상기 볼밀에 투입하는 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 (C) 단계의 상기 볼밀에 투입되는 구겨진 그래핀 : 도전재 : 잔탄검을 포함하는 바인더의 중량비는 20:2.5:1 내지 13:1.5:1인 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 코팅은 닥터 블레이드(Doctor Blade)법에 의해 수행되는 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법. - 제1항 내지 제9항의 제조방법에 의해 제조된, 슈퍼커패시터용 전극.
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| KR1020180155660A KR102192291B1 (ko) | 2018-12-06 | 2018-12-06 | 구겨진 그래핀을 포함하는 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법 및 이에 의해 제조된 슈퍼커패시터용 전극 |
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| KR1020180155660A KR102192291B1 (ko) | 2018-12-06 | 2018-12-06 | 구겨진 그래핀을 포함하는 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법 및 이에 의해 제조된 슈퍼커패시터용 전극 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112331380A (zh) * | 2020-11-03 | 2021-02-05 | 松山湖材料实验室 | 一种复合导电浆料及其制备方法和应用 |
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2018
- 2018-12-06 KR KR1020180155660A patent/KR102192291B1/ko active IP Right Grant
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| KR102404167B1 (ko) * | 2020-11-26 | 2022-05-31 | 한국생산기술연구원 | 아민으로 표면처리된 구겨진 산화그래핀 분말을 이용한 슈퍼커패시터 전극 및 이의 제조방법 |
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