KR20210121441A - Graphene cell and manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 그래핀 셀 및 제조방법에 관한 것으로 더욱 자세하게는 그래핀을 이용한 전기 저장장치 및 이에 대한 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a graphene cell and a manufacturing method, and more particularly, to an electrical storage device using graphene and a manufacturing method therefor.
그래핀(Graphene) 이란 탄소 원자들이 육각형의 벌집모양으로 서로 연결되어 2차원 평면 구조를 이루는 고분자 탄소 동소체를 의미한다. Graphene refers to a polymer carbon allotrope in which carbon atoms are connected to each other in a hexagonal honeycomb shape to form a two-dimensional planar structure.
이러한 그래핀의 분체 성형 기술은 레이저 성형, 전리 기술 등으로, 그래핀 분말을 무 접착제 코팅, 솔루션, 매스터배치, 섬유, 잉크, 페이스트, 투명 필름 등으로 제조하는 것인데 그래핀 분말은 1차 가공 없이 다른 소재와 섞이지 않는다. 따라서 그래핀 분말을 여러 가지 형식으로 효과적으로 가공하는 것은 그래핀 산업화에서 매우 중요한 연결 고리이다.The powder molding technology of graphene is laser molding and ionization technology, and the graphene powder is manufactured by adhesive-free coating, solution, masterbatch, fiber, ink, paste, transparent film, etc., but graphene powder is produced without primary processing. Do not mix with other materials. Therefore, the effective processing of graphene powder into various formats is a very important link in the industrialization of graphene.
예를 들면, 그래핀 멤브레인(Graphene Membrane)은 특정성분을 선택적으로 통과시킴으로써 혼합물을 분리할 수 있는 액체 혹은 고체의 막으로서 필터 역할을 함으로써 오염된 물의 정수, 오·폐수 정화, 바닷물의 담수화 등에 사용되고, 식품·의약품·화학공업·섬유·발전분야 등에 광범위하게 적용된다. 멤브레인 필터는 막상(膜狀)의 필터로 막에 균일한 미세 구멍이 있어서, 이것의 구멍(pore)의 지름보다 큰 입자는 완전히 포집되고, 0.0001 미크론의 중금속과 바이러스 이온성분 미생물 등의 오염물질을 제거하는 장치로서 정수처리와 폐수 처리의 핵심부품이다. For example, graphene membrane is a liquid or solid membrane that can separate mixtures by selectively passing specific components through them. , food, medicine, chemical industry, textile, power generation, etc. are widely applied. A membrane filter is a membrane filter with uniform micropores in the membrane, so particles larger than the diameter of the pores are completely captured, and contaminants such as 0.0001 microns of heavy metals and virus ion component microorganisms are removed. As a removal device, it is a key part of water purification and wastewater treatment.
그래핀 멤브레인 필터에서 그래핀은 탄소들이 벌집 모양의 육각형 그물처럼 배열된 평면의 형태로 이루어져 있으며, 이와 같은 그래핀 입자들을 모아 규모가 큰 얇은 평면 형태의 그래핀 시트를 제작하면, 그래핀 시트도 그래핀 단일 입자와 같은 물질적 특성을 지니게 된다. 그래핀 시트 평면에 나노 수준의 구멍(nanopore)을 인위적으로 만들 수 있고, 그래핀 포어를 활용하여 분자 단위의 물질을 검출할 수 있으며, 해수담수화 막, 수처리 필터, 분리막 등에 두루 응용될 수 있다. 이외에, 그래핀 센서, 미용 의료, 방열제품, 윤활유, 엔진오일, 그래핀 잉크 등으로 활용될 수 있다.In the graphene membrane filter, graphene consists of a flat shape in which carbons are arranged like a honeycomb hexagonal network. It has the same material properties as single graphene particles. Nanopores can be artificially made on the graphene sheet plane, and molecules can be detected using graphene pores, and can be applied to desalination membranes, water treatment filters, separation membranes, and the like. In addition, it can be used as a graphene sensor, cosmetic medicine, heat dissipation products, lubricants, engine oil, graphene ink, and the like.
그래핀은 높은 전도성 성질, 높은 열 전도성 및 뛰어난 가요성을 갖는 물질이고, 최근 들어 이러한 그래핀은 특히 전지 분야에서 수요자들의 많은 관심을 끌고 있다. 그래핀은 큰 비표면적을 갖는 매우 박막 물질이고, 중량 당 그래핀 박편의 수가 크며, 따라서 이것은 배터리용 전극에서 전도성 첨가제로서 높은 잠재력을 갖는다. 그러나 그래핀 표면은 탄소원자의 육각형 고리가 연속적으로 연결되는 구조를 갖기 때문에, 그래핀 박편이 π-π 결합을 통해 독특한 전기적 특성을 보유하게 된다.Graphene is a material having high conductive properties, high thermal conductivity and excellent flexibility, and recently, such graphene has attracted a lot of attention from consumers, especially in the field of batteries. Graphene is a very thin material with a large specific surface area, and the number of graphene flakes per weight is large, so it has high potential as a conductive additive in electrodes for batteries. However, since the graphene surface has a structure in which hexagonal rings of carbon atoms are continuously connected, the graphene flakes have unique electrical properties through π-π bonds.
그래핀의 구조는 탄소원자가 벌집모양으로 연결된 물질로 2D 결정체이며 벌집구조의 두께는 0.2~0.3nm. 그래핀이 쌓여 적층구조를 이루면 흑연이 되고, 반대로 흑연을 박리하면 그래핀이 된다. 이때 각 탄소 원자는 sp2 혼성 구조이고, 0.142 nm의 원자간 거리를 갖고 3개 이웃 원자에 결합되어 있다. The structure of graphene is a 2D crystal with carbon atoms connected in a honeycomb shape, and the thickness of the honeycomb structure is 0.2-0.3 nm. When graphene is stacked to form a layered structure, it becomes graphite, and when graphite is peeled off, it becomes graphene. At this time, each carbon atom has an sp 2 hybrid structure, has an interatomic distance of 0.142 nm, and is bonded to three neighboring atoms.
그래핀의 탄소 결합의 특징은 그래핀을 구성하는 벌집(honeycomb)의 격자구조는 겉으로 동일한 것처럼 보이지만 단위격자구조가 서로 구별된다. 그래핀을 구성하고 있는 탄소의 최외각 전자 4 개 중 3개는 sp² 하이브리드 오비탈을 형성하여 모든 결점에서 공통적으로 강한 공유결합인 σ결합을 이루어 기계적 강도가 매우 높다. 4개의 전자 중 σ공유결합을 이루지 못하고 남은 1 개의 전자는 주변의 다른 탄소와 π결합을 형성하게 된다. 이 π전자는 벌집 구조의 육각형 고리 위를 자유롭게 움직일 수 있어서 그래핀은 전자 이동도가 매우 높다.The characteristic of carbon bonding in graphene is that the lattice structure of the honeycomb constituting graphene appears to be the same on the outside, but the unit lattice structure is distinct from each other. Three of the four outermost electrons of carbon composing graphene form sp² hybrid orbitals, forming a σ bond, a strong covalent bond, common to all defects, resulting in very high mechanical strength. Among the 4 electrons, the remaining 1 electron does not form a σ covalent bond and forms a π bond with other carbons nearby. These π electrons can freely move on the hexagonal ring of the honeycomb structure, so graphene has very high electron mobility.
그래핀의 전기적 특성은 하기 표 1과 같다.The electrical properties of graphene are shown in Table 1 below.
*기존 CNT 필름 : 4~500
*기존 TSP : 50Less than 35% of Cu
* Existing CNT film: 4~500
*Existing TSP: 50
상기 그래핀의 특징을 이용하여 그래핀 전기 저장장치를 제조할 수 있는데 이에 앞서 전기 저장장치의 일실시 예에 해당하는 축전기의 구조 및 특징을 살펴보도록 한다. 일반적으로 축전기는 절연체를 사이에 두 개의 도체를 서로 마주 보게 만들어 전하 혹은 전기에너지를 저장할 수 있는 전기 저장장치를 말한다. 축전기의 용량을 확장하려면 기본적으로 마주 보는 전극의 표면적을 늘려야 한다. 축전기와 축전기의 정전용량(capacity)은 도 1과 같이 절연된 도체 간에서 전위를 주었을 때 축전기가 전하를 축적하는 용량(C)은 다음과 같이 표시된다. A graphene electrical storage device can be manufactured by using the characteristics of the graphene. Prior to this, the structure and characteristics of a capacitor corresponding to an embodiment of the electrical storage device will be described. In general, a capacitor refers to an electrical storage device that can store electric charge or electric energy by placing two conductors facing each other with an insulator interposed therebetween. In order to expand the capacity of the capacitor, it is basically necessary to increase the surface area of the opposite electrode. The capacitance (capacity) of the capacitor and the capacitor is expressed as follows when a potential is applied between the insulated conductors as shown in FIG.
S : 전극표면적(㎥)S : Electrode surface area (㎥)
d : 전극간 거리(m)d: distance between electrodes (m)
ε : 유전체의 유전 상수(F/m)ε : dielectric constant of dielectric (F/m)
ε0 : 진공에서 유전상수(8.855×10-12 F/m)ε 0 : dielectric constant in vacuum (8.855×10 -12 F/m)
εr : 유전체의 상대적 유전상수ε r : Relative dielectric constant of dielectric
그래핀을 이용한 전기 저장장치는 축전기의 내부 전극의 도체로 그래핀을 사용할 경우 다음과 같이 축전기의 성능이 향상되어 고성능 전기 저장장치로 이용이 가능하다. 그래핀을 이용한 전기 저장장치는 축전 용량이 획기적으로 증대된다. 화재나 폭발할 위험이 없다. 충전 시간이 매우 짧다. 방전 효율이 증대된다. 기존 전기 저장장치보다 훨씬 더 많은 횟수의 충전이 가능하다. An electrical storage device using graphene can be used as a high-performance electrical storage device because the performance of the capacitor is improved as follows when graphene is used as a conductor of the internal electrode of the capacitor. The electrical storage device using graphene dramatically increases the storage capacity. There is no risk of fire or explosion. The charging time is very short. The discharge efficiency is increased. It can be charged much more times than conventional electrical storage devices.
이에, 본 발명자들은 종래에 그래핀을 이용한 전기 저장장치를 제조하고자 노력하던 중, 종래에는 내부전극에 금속이 주재료이고, 그래핀은 부가적인 첨가물에 불과하였으나, 그래핀을 내부 전극의 주재료로 이용하여 충전시간과 용량이 크게 증진된 전기 저장장치가 제조됨을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.Accordingly, while the present inventors were trying to manufacture an electrical storage device using graphene in the prior art, metal is the main material for the internal electrode, and graphene is only an additional additive, but graphene is used as the main material for the internal electrode Thus, the present invention was completed by confirming that an electric storage device with greatly improved charging time and capacity was manufactured.
대한민국 공개특허공보 10-2016-0135970 (공개일자 2016.11.29.)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2016-0135970 (published on November 29, 2016)
본 발명의 목적은 그래핀을 사용하여 충전시간의 감소 및 전기 저장용량이 크게 증진된 셀을 제공하는 데에 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a cell in which charging time is reduced and electric storage capacity is greatly improved by using graphene.
본 발명에 따른 그래핀 셀(Cell)은 극성을 갖는 그래핀 및 상기 그래핀 사이에 유전체로 이루어진다. The graphene cell according to the present invention is made of graphene having polarity and a dielectric between the graphene.
상기에서, 금속박막이 추가되고, 그래핀은 금속박막에 코팅된다.In the above, a metal thin film is added, and graphene is coated on the metal thin film.
본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 셀(Cell)은 음극과 양극으로 이루어진 전극, 상기 전극의 내측 단면에 코팅된 그래핀 및 상기 그래핀 사이에 위치한 유전체로 이루어진다.A graphene cell according to another embodiment of the present invention includes an electrode comprising a cathode and an anode, graphene coated on an inner end surface of the electrode, and a dielectric positioned between the graphene.
상기에서, 유전체 내부에 그래핀 시트가 더 포함된다.In the above, the graphene sheet is further included in the dielectric.
상기에서, 그래핀은 표면적 확장 형상을 갖는다.In the above, graphene has a surface area expansion shape.
상기에서, 표면적 확장 형상은 다공성 스펀지 형상에 해당한다.In the above, the surface area expansion shape corresponds to the porous sponge shape.
상기에서, 표면적 확장 형상은 표면이 주름진 형태로 이루어진다.In the above, the surface area expansion shape is made in the form of a corrugated surface.
상기에서, 그래핀 및 그래핀 시트는 표면적 확장 형상을 갖는다.In the above, graphene and graphene sheets have a surface area expansion shape.
상기에서, 그래핀 및 그래핀 시트는 800℃ 이상의 진공상태로 20분 이상 열을 가하여 환원처리 및 불순물을 제거한다.In the above, the graphene and graphene sheet are reduced by applying heat in a vacuum state of 800° C. or more for 20 minutes or more to remove impurities.
그래핀 또는 그래핀 및 그래핀 시트를 800℃ 이상의 진공상태로 20분 이상 열을 가하여 환원처리 및 불순물을 제거하는 단계, 스프레이(Spray) 또는 스탬프(Stamp)의 압착 방식을 통해 상기 그래핀을 금속 박막에 코팅하는 단계, 상기 박막 사이에 유전체 시트 또는 유전체 시트와 상기 유전체 시트 사이에 적층되는 그래핀 시트를 삽입한 뒤 압착하여 셀(Cell)을 형성하는 단계로 이루어진 그래핀 셀(Cell) 제조방법이 개시된다.Reduction treatment and removal of impurities by applying heat to graphene or graphene and a graphene sheet in a vacuum state of 800° C. or higher for 20 minutes or more, and spraying or stamping the graphene into a metal A method of manufacturing a graphene cell comprising the steps of coating a thin film, inserting a dielectric sheet or a graphene sheet laminated between the dielectric sheet and the dielectric sheet between the thin films and then pressing to form a cell This is initiated.
그래핀 또는 그래핀 및 그래핀 시트를 800℃ 이상의 진공상태로 20분 이상 열을 가하여 환원처리 및 불순물을 제거하는 단계, 카본블랙 또는 아세틸렌 블랙을 상기 그래핀, 파라핀과 함께 코팅하여 전극 시트를 제조하는 단계, 상기 전극 시트 사이에 유전체 시트 또는 유전체 시트와 상기 유전체 시트 사이에 적층되는 그래핀 시트를 삽입한 뒤 압착하여 셀(Cell)을 형성하는 단계 및 상기 셀(Cell)에 열을 가하여 상기 파라핀이 용융되어 상기 전극 시트 외부로 빠져 나간 위치에 공동이 형성되는 다공성 형성 단계로 이루어지는 그래핀 셀(Cell) 제조방법이 개시된다.Reduction treatment and removing impurities by applying heat to graphene or graphene and graphene sheets in a vacuum state of 800° C. or higher for 20 minutes or more, carbon black or acetylene black is coated with the graphene and paraffin to prepare an electrode sheet forming a cell by inserting a dielectric sheet or a graphene sheet laminated between the dielectric sheet and the dielectric sheet between the electrode sheets and then pressing to form a cell, and applying heat to the cell to apply the paraffin A graphene cell manufacturing method comprising a porous forming step in which a cavity is formed at a location where the melted and exited the electrode sheet is disclosed is disclosed.
본 발명에 따른 그래핀 셀은 높은 전도성 성질을 유지하면서 3분 이내의 완전 충전 시간, 일반 리튬이온 배터리에 비해 2.8배의 용량, 5,000회 이상 충전 및 방전이 가능한 성능을 갖기 때문에 전기 저장장치로써의 성능이 매우 높다.Since the graphene cell according to the present invention has a full charge time of less than 3 minutes, a capacity 2.8 times that of a general lithium-ion battery, and a performance capable of charging and discharging more than 5,000 times while maintaining high conductivity, it can be used as an electrical storage device. The performance is very high.
도 1은 그래핀 및 그래핀 사이에 유전체로 이루어진 셀(Cell)의 사시도 및 단면도,
도 2는 금속박막에 그래핀이 코팅된 셀(Cell) 사이에 유전체가 삽입된 사시도 및 단면도,
도 3은 그래핀 사이의 유전체에 그래핀 시트가 더 포함된 셀(Cell)의 사시도 및 단면도,
도 4는 금속박막에 그래핀이 코팅된 셀(Cell) 사이의 유전체 사이에 그래핀 시트가 더 포함된 셀(Cell)의 사시도 및 단면도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 셀(Cell) 제조방법 순서도,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 셀(Cell) 제조방법 순서도,
도 7은 그래핀 셀(Cell)의 전하 배치 및 내부 구조도,
도 8은 그래핀의 전기 저항을 도시한 그래프,
도 9는 그래핀과 CNT(carbon nanotube)의 그램 부피를 테스트하여 100 사이클 후에 보유정도를 비교한 그래프,
도 10은 금속 분말에 그래핀이 결합된 경우에 전기 저장장치의 성능의 유지 정도를 나타낸 사진과 그래프에 해당한다.1 is a perspective view and a cross-sectional view of a cell made of a dielectric between graphene and graphene;
2 is a perspective view and a cross-sectional view in which a dielectric is inserted between cells coated with graphene on a metal thin film;
3 is a perspective view and a cross-sectional view of a cell in which a graphene sheet is further included in a dielectric between graphene;
4 is a perspective view and a cross-sectional view of a cell in which a graphene sheet is further included between the dielectric between the cells coated with graphene on a metal thin film;
5 is a flowchart of a graphene cell manufacturing method according to an embodiment of the present invention;
6 is a flowchart of a graphene cell manufacturing method according to another embodiment of the present invention;
7 is a charge arrangement and internal structure diagram of a graphene cell (Cell);
8 is a graph showing the electrical resistance of graphene;
9 is a graph comparing the retention degree after 100 cycles by testing the gram volume of graphene and CNT (carbon nanotube);
10 corresponds to a photograph and a graph showing the degree of maintaining the performance of the electrical storage device when graphene is bonded to the metal powder.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 더욱 구체적으로 제시하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 상기와 같은 실시 예들에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail by presenting more specifically. However, the following examples are provided so that those of ordinary skill in the art can fully understand the present invention, and may be modified in various other forms, and the present invention is not limited by the above examples. .
본 발명에서 사용된 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 발명의 설명에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함된다.The terms used in the present invention are for describing the embodiments and are not intended to limit the present invention. In the description of the present invention, the singular form includes the plural form unless specifically stated in the text.
본 발명의 설명에서 서술할 셀(Cell)의 개념은 물질의 화학적·물리적 반응을 이용하여 이들의 변화로 방출되는 에너지를 전기에너지로 변환하는 소형 장치로 정의한다.The concept of a cell to be described in the description of the present invention is defined as a small device that converts energy emitted by the change into electrical energy using chemical and physical reactions of substances.
이하, 도면을 참고하여 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 그래핀 및 그래핀 사이에 유전체로 이루어진 셀(Cell)의 사시도 및 단면도이고, 도 2는 금속박막에 그래핀이 코팅된 셀(Cell) 사이에 유전체가 삽입된 사시도 및 단면도이며, 도 3은 그래핀 사이의 유전체에 그래핀 시트가 더 포함된 셀(Cell)의 사시도 및 단면도이고, 도 4는 금속박막에 그래핀이 코팅된 셀(Cell) 사이의 유전체 사이에 그래핀 시트가 더 포함된 셀(Cell)의 사시도 및 단면도이다.1 is a perspective view and cross-sectional view of a cell made of a dielectric between graphene and graphene, and FIG. 3 is a perspective view and cross-sectional view of a cell in which a graphene sheet is further included in the dielectric between graphene, and FIG. 4 is a graphene sheet between the dielectric between the cells in which graphene is coated on a metal thin film. It is a perspective view and a cross-sectional view of an included cell.
본 발명에 따른 그래핀 셀(Cell)의 경우 일반적으로 극성을 갖는 그래핀(100) 및 그래핀(100) 사이에 유전체(200)가 삽입되면서 형성된다. 그래핀(100) 자체가 전극이 될 수 있고, 그래핀(100)의 지지대 역할을 하기 위해 금속박막(110)이 추가되며 그래핀(100)이 금속박막에 코팅되는 형태를 이룰 수도 있다. 금속박막(110)의 경우 전기전도성과 표면적을 넓히기 위해 매쉬 구조로 형성 가능하며, 마찬가지로 그래핀(100) 자체가 전극이 되는 경우 그래핀 또한 상기와 같은 매쉬 구조의 형성이 가능하다.In the case of the graphene cell according to the present invention, the dielectric 200 is inserted between the
전극(10)은 외부전극과 내부전극으로 구분 지을 수 있으나, 외면과 내면을 분리하여 표현한 것에 지나지 아니하므로 본 발명의 설명에서는 통합하여 전극(10)으로 표현하며 내부전극의 경우 전극(10)의 내측 단면으로 대체하여 표현한다. 이러한 전극(10)에 도선이 연결되어 전기저장 장치의 역할이 수행되는 것이다.The
금속박막의 경우 일반적으로 구리(Cu)박막 또는 알루미늄(Al) 박막이 사용되지만 이러한 금속 종류에 특별한 제한을 두지는 않는다. 유전체의 경우 일반적으로 세라믹 또는 기타 폴리머가 이용되지만 이 역시 재료에 특별히 제한을 두지는 않는다. 구리(Cu)박막에 그래핀(100)이 코팅되는 경우 코팅되는 그래핀(100)은 분말과 같은 입자 또는 페이퍼와 같은 부드러운 물성을 가져도 무방하다. In the case of a metal thin film, a copper (Cu) thin film or an aluminum (Al) thin film is generally used, but there is no particular limitation on the type of metal. For the dielectric, ceramics or other polymers are generally used, but again, the material is not particularly limited. When the
이러한 코팅 층은 임의의 적합한 두께로 형성되는데 전형적으로 5 내지 25μm의 두께 또는 10 내지 20μm의 두께를 가질 수 있다. 또한 코팅 층을 포함하는 전극은 임의의 적합한 두께로 형성되는데 전형적으로 5 내지 200μm의 두께를 가질 수 있다.This coating layer is formed to any suitable thickness and may typically have a thickness of 5 to 25 μm or a thickness of 10 to 20 μm. Also, the electrode comprising the coating layer is formed to any suitable thickness and may typically have a thickness of 5 to 200 μm.
또한 이러한 그래핀(100)을 본격적으로 셀(Cell)화 시켜보면 양극과 음극으로 이루어진 전극의 내측 단면에 그래핀(100)을 코팅시키고, 그래핀(100) 사이에 유전체(200)가 위치하여 하나의 기본 그래핀 셀(Cell)이 되는 것이다. 양극과 음극 각각에 도선이 연결되어 전기저장 장치의 역할이 수행된다. 이 경우, 유전체(200) 내부에는 그래핀 시트(300)가 더 포함되면서 결과적으로 축전지 사이 거리가 줄어들게 되는 결과를 도출하며 전기용량을 증가시킬 수 있는데 본 발명의 경우 상기와 같은 그래핀 셀(Cell)이 추후 설명할 스펀지 모양의 다공성 형상을 갖는 것에 가장 큰 기술적 특징이 존재한다.In addition, when the
종합적으로 그래핀 셀(Cell)의 형태는 상기에서 설명한 것처럼 다양한 실시예로 나타날 수 있는데, 첫 번째가 그래핀(100) 자체로 전극(10)이 형성되며 상기 그래핀(100) 사이에 유전체(200)가 삽입되는 구조의 그래핀 셀(Cell), 두 번째가 그래핀(100)이 금속박막(110)에 코팅되어 그래핀(100)과 금속박막(100)의 적층체가 전극(10)이 되며 양극과 음극의 전극(10)사이에 유전체(200)가 삽입되는 구조, 세 번째는 상기 첫 번째 구조와 두 번째 구조에 포함된 유전체(200) 사이에 그래핀 시트(300)를 삽입시키면서 유전체-그래핀 시트-유전체 형상의 내부 구조를 갖는 그래핀 셀(Cell)로 나타날 수 있다.In general, the shape of the graphene cell may appear in various embodiments as described above. The first is that the
일반적으로 전자기 물리학 법칙에 따라 축전기의 전기용량은 유전체의 유전율이 높고 전극의 면적이 넓고, 전극사이의 간격이 좁을수록 커지기 때문에 그래핀 셀(Cell) 또한 배경기술에서 설명한 전기용량 관련 물리학 법칙이 적용된다. 그래핀 시트(300)를 중간에 삽입하면서 전기용량을 증가시키는 방법 외에 전극의 표면적을 증가시키기 위해 상기 그래핀 셀(Cell)의 그래핀(100)은 표면적 확장 형상의 형태로 이루어질 수 있다.In general, according to the laws of electromagnetic physics, the capacitance of a capacitor increases as the dielectric constant of the dielectric is high, the electrode area is wide, and the distance between the electrodes is narrower. do. In addition to the method of increasing the capacitance while inserting the
일반적으로 표면적 확장 형상의 경우 1)다공성 스펀지 형상 및 2)표면이 주름진 형태로 이루어질 수 있는데 다공성 스펀지 형상의 경우 그래핀(100) 표면에 공동이 형성되어 스펀지와 같은 적층 구조를 가지면서 표면적을 넓혀줌과 동시에 전기 전도율을 증대시킬 수 있다. 특히 그래핀(100)이 금속박막(110)에 코팅되는 경우, 전극(10)의 전체 중량% 중 20중량% 이상을 함유하는 다공성 스펀지 형상을 갖는 경우 셀(Cell)로써의 기능이 우수해진다. 바람직하게는 전극(10) 전체 중량%의 60중량% 이상일 것을 요한다. 마찬가지로 주름진 형태의 표면 형상 또한 이와 동일한 원리로 적용 가능하다.In general, in the case of a surface area expansion shape, 1) a porous sponge shape and 2) a surface may be formed in a wrinkled shape. In the case of a porous sponge shape, a cavity is formed on the surface of the
상기와 같은 그래핀 셀(Cell)이 전기 저장장치로 사용되는 경우 완전 충전 시간은 3분 이내로 단축되며, 일반 리튬이온 배터리에 비해 2.8배의 확장된 용량을 가지고, 5,000회 이상 충전 및 방전이 가능한 내구성까지 슈퍼 전기 저장장치로서의 역할을 수행한다. 따라서 상기와 같은 그래핀 셀(Cell)의 제조방법에 대해 하기와 같은 실시예를 통하여 자세하게 설명한다. When the graphene cell as described above is used as an electrical storage device, the full charge time is reduced to less than 3 minutes, has a capacity 2.8 times larger than that of a general lithium-ion battery, and can be charged and discharged more than 5,000 times. It also serves as a super electric storage device for durability. Therefore, a method of manufacturing the graphene cell as described above will be described in detail through the following examples.
<실시예 1> 그래핀 셀(Cell)의 제조 공정 1<Example 1>
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 셀(Cell) 제조방법 순서도이다.5 is a flowchart of a method for manufacturing a graphene cell according to an embodiment of the present invention.
우선적으로 그래핀(100) 및 그래핀 시트(300)의 내부 저항을 감소시켜 전기 전도성을 향상시키기 위하여 그래핀(100) 및 그래핀 시트(300)를 800℃ 이상의 소성로에서 진공상태로 20분 이상 열을 가한다. 이를 통해 환원처리 및 불순물을 제거하여 순수 그래핀(100) 형태를 보존함으로써 전기 전도도가 향상된다.First, in order to improve the electrical conductivity by reducing the internal resistance of the
그 다음으로, 그래핀(100) 고유의 물성을 활용하여 전극(10)에 전하를 최대한 보존할 수 있도록 그래핀(100)을 금속박막(110)에 코팅하되, 표면적을 넓게 활용할 수 있는 코팅방법을 사용한다. 금속박막(110)의 경우 그래핀(100)의 지지대 역할을 하는 것으로 구리(Cu)가 유용하게 사용되나, 구리(Cu) 외 알루미늄(Al)의 사용도 가능하며 특별히 금속의 종류에 제한을 두지는 않는다. 금속박막(110)과 그래핀(100)으로 이루어지는 전극(10)이 형성되며 그래핀(100)의 중량은 전체 전극(10) 중량의 약 60 중량%에 해당하는 것이 실험 결과 상 가장 바람직하다. Next, the
코팅 방법은 그래핀(100)을 금속박막(110)에 스프레이(Spray) 형태로 분사시켜서 부착시키는 형태 또는 스탬프(Stamp) 방식으로 금속박막(110)에 그래핀(100)을 찍어내는 방식 중 택일적으로 코팅이 이루어진다.The coating method is one of a method of spraying and attaching
그 후, 상기 그래핀(100)이 코팅된 금속박막(110)을 상, 하로 위치시킨 후 그 사이에 유전체(200) 시트 또는 유전체(200) 시트와 유전체(200) 시트 사이에 삽입된 그래핀 시트(300)를 삽입한 뒤 상기 3개의 시트를 압착하여 하나의 셀(Cell)을 형성한다. 유전체(200) 시트는 세라믹 또는 기타 중합체로 이루어질 수 있으나 특별히 물질의 종류에 제한을 두지 않는다. 그래핀 시트(300)의 경우 전체적으로 셀(Cell) 중심부에 배치되는 그래핀 심의 형태로 전하를 응집하여 저장하고 방전하는 역할을 한다. After that, the graphene 100-coated metal
이때, 그래핀(100)이 코팅된 금속박막(110)과 유전체(200) 시트 또는 유전체(200)와 유전체 시트 사이에 삽입된 그래핀 시트(300)는 롤(Roll) 형태로 보관할 수 있으며, 상기 3개의 시트를 압착하는 과정에서 말려 있던 시트들이 펼쳐지며 금속박막-유전체 또는 유전체와 그래핀 시트-금속박막의 3층 적층구조를 이루며 압착기로 들어가 하나의 셀(Cell)로 압착된다. 압착되고 난 후에도 평면 형상 또는 롤(Roll) 형태로의 보관이 가능하며 롤(Roll) 형상의 경우 상기 형상 자체가 전기 저장장치로 바로 응용 될 수 있다.At this time, the
<실시예 2> 그래핀 셀(Cell)의 제조 공정 2<Example 2> Manufacturing process 2 of graphene cell (Cell)
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 셀(Cell) 제조방법 순서도에 해당한다.6 is a graphene cell (Cell) manufacturing method flow chart according to another embodiment of the present invention.
우선적으로 그래핀(100) 및 그래핀 시트(300)의 내부 저항을 감소시켜 전기 전도성을 향상시키기 위하여 그래핀(100) 및 그래핀 시트(300)를 800℃ 이상의 소성로에서 진공상태로 20분 이상 열을 가한다. 이를 통해 환원처리 및 불순물을 제거하여 순수 그래핀(100) 형태를 보존함으로써 전기 전도도가 향상된다.First, in order to improve the electrical conductivity by reducing the internal resistance of the
그 다음, 그래핀(100)의 표면적을 극대화시키기 위하여 품질이 양호한 카본블랙이나 아세틸렌블랙을 그래핀(100) 코팅하고 이를 파라핀으로 굳혀 전극(10) 시트를 완성시킨다. Then, in order to maximize the surface area of the
그 후, 상기 전극(10) 시트를 상, 하로 하여 그 사이에 유전체(200) 시트 또는 유전체(200) 시트와 유전체(200) 시트 사이에 삽입된 그래핀 시트(300)를 삽입한 뒤 압착하여 셀(Cell)을 형성한다.After that, the
마지막으로 상기 셀(Cell)에 열을 가하여 함께 코팅되었던 접착 역할을 했던 파라핀이 용융되어 셀(Cell) 외부로 빠져나가게 되면, 파라핀이 빠져나간 위치에는 공동이 형성된다. 이를 통해 다공성 스펀지 형태의 적층 구조를 가지는 그래핀 셀(Cell)이 완성되며 전술한 바와 같이 이러한 스펀지 형태의 구조로 인해 그래핀의 표면적을 극대화 시킬 수 있으며, 전기전도도 또한 향상시킬 수 있다. Finally, when heat is applied to the cell and the paraffin, which has been coated together, is melted and discharged to the outside of the cell, a cavity is formed at the position where the paraffin is discharged. Through this, a graphene cell having a porous sponge-type laminated structure is completed, and as described above, the surface area of graphene can be maximized due to this sponge-type structure, and electrical conductivity can also be improved.
이하, 하기와 같이 기술한 실시예 및 첨부된 표를 통해 본 발명에 따라 제조된 그래핀 셀(Cell)의 응용 및 성능에 대해 설명해 본다.Hereinafter, the application and performance of the graphene cell (Cell) prepared according to the present invention will be described through the examples described below and the accompanying tables.
<실시예 3> 그래핀 셀(Cell)의 전기 저장 성능<Example 3> Electricity storage performance of graphene cells (Cell)
그래핀 셀(Cell)의 전하 배치 및 자세한 구조도에 대해서는 도 7을 통해 표기하였으며, 그래핀 셀(Cell)의 전기 저장장치로서의 성능은 하기 표 2와 같다.The charge arrangement and detailed structural diagram of the graphene cell are shown in FIG. 7, and the performance of the graphene cell as an electrical storage device is shown in Table 2 below.
그래핀의 전기 저장 성능을 측정한 결과, 그래핀의 경우 리튬이온보다 1.25배 높은 것으로 확인되었다. 따라서 그래핀으로 슈퍼 전기 저장장치를 제조하여, 이를 배터리 산업분야에 응용할 수 있기 때문에 순수 그래핀 전기 저장장치의 제조가 가능함을 확인하였다.As a result of measuring the electrical storage performance of graphene, it was confirmed that graphene was 1.25 times higher than that of lithium ion. Therefore, it was confirmed that it is possible to manufacture a pure graphene electrical storage device because it is possible to manufacture a super electric storage device with graphene and apply it to the battery industry.
<실시예 4> 그래핀 전도체의 응용 1<Example 4>
그래핀 전도체의 전기 저항은 하기 표 3과 같다.The electrical resistance of the graphene conductor is shown in Table 3 below.
상기 표 3에 기재된 각 물질의 저항을 도 7에 기재하였다.The resistance of each material listed in Table 3 is shown in FIG. 7 .
<실시예 5> 그래핀 전도체의 응용 2<Example 5> Application 2 of graphene conductor
하기 표 4에 그래핀과 CNT(carbon nanotube)의 그램 부피를 테스트하여 100 사이클 후에 보유정도를 비교하였으며 이는 도 8에 기재하였다.The gram volume of graphene and carbon nanotube (CNT) was tested in Table 4 below to compare retention after 100 cycles, which is described in FIG. 8 .
또한, 금속 분말에 그래핀이 결합된 경우에 축전기의 성능의 유지 정도를 나타낸 사진과 그래프를 도 9에 기재하였다.In addition, photographs and graphs showing the degree of maintenance of the performance of the capacitor when graphene is bonded to the metal powder are described in FIG. 9 .
또한, 리튬코발트 산화물(LCO)에 그래핀을 첨가한 경우의 전기 저장장치 성능의 유지를 표 5에 기재하였다.In addition, the maintenance of electrical storage device performance when graphene is added to lithium cobalt oxide (LCO) is shown in Table 5.
또한, 인산철리튬(LFP)에 그래핀을 첨가한 경우의 전기 저장장치 성능의 유지를 표 6에 기재하였다.In addition, the maintenance of electrical storage device performance when graphene was added to lithium iron phosphate (LFP) is described in Table 6.
테스트 방법: coin cell, 단위 : mAh/gTest method: coin cell, unit: mAh/g
<실시예 6> 그래핀 셀(Cell)의 성능 테스트<Example 6> Performance test of graphene cell (Cell)
상기 실시예의 방법으로 제조된 그래핀 셀(Cell)의 충전시간과 용량을 확인한 결과, 완전 충전 시간은 3분 이내, 일반 리튬이온 배터리에 비해 2.8배의 용량을 가지며, 5,000회 이상 충전 및 방전이 가능함을 확인하였다.As a result of confirming the charging time and capacity of the graphene cell (Cell) prepared by the method of the above embodiment, the full charging time is less than 3 minutes, has a capacity 2.8 times that of a general lithium-ion battery, and charging and discharging more than 5,000 times It was confirmed that it is possible.
이상, 바람직한 실시 예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.Above, the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made by those skilled in the art within the scope of the technical spirit of the present invention. This is possible.
10: 전극
100: 그래핀
110: 금속박막
200: 유전체
300: 그래핀 시트10: electrode
100: graphene
110: metal thin film
200: dielectric
300: graphene sheet
Claims (14)
상기 그래핀 사이에 유전체로 이루어진 셀(Cell).polar graphene and
A cell made of a dielectric between the graphene.
금속박막이 추가되고, 상기 그래핀은 금속박막에 코팅된 것을 특징으로 하는 셀(Cell).According to claim 1,
A cell, characterized in that a metal thin film is added, and the graphene is coated on the metal thin film.
상기 전극의 내측 단면에 코팅된 그래핀 및
상기 그래핀 사이에 위치한 유전체로 이루어진 셀(Cell).An electrode consisting of a cathode and an anode;
Graphene coated on the inner end surface of the electrode and
A cell made of a dielectric located between the graphene.
상기 유전체 내부에 그래핀 시트가 더 포함된 것을 특징으로 하는 셀(Cell).4. The method according to any one of claims 1 to 3,
Cell (Cell), characterized in that the graphene sheet is further included in the dielectric.
상기 그래핀은 표면적 확장 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 셀(Cell).4. The method according to any one of claims 1 to 3,
The graphene is a cell (Cell), characterized in that it has a surface area expansion shape.
상기 표면적 확장 형상은 다공성 스펀지 형상인 것을 특징으로 하는 셀(Cell). 6. The method of claim 5,
The surface area expansion shape is a cell (Cell), characterized in that the porous sponge shape.
상기 표면적 확장 형상은 표면이 주름진 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 셀(Cell).6. The method of claim 5,
The surface area expansion shape is a cell (Cell), characterized in that the surface is made in a corrugated form.
상기 그래핀 및 그래핀 시트는 표면적 확장 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 셀(Cell).5. The method of claim 4,
The graphene and the graphene sheet are cell (Cell), characterized in that having a surface area expansion shape.
상기 표면적 확장 형상은 다공성 스펀지 형상인 것을 특징으로 하는 셀(Cell).9. The method of claim 8,
The surface area expansion shape is a cell (Cell), characterized in that the porous sponge shape.
상기 표면적 확장 형상은 표면이 주름진 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 셀(Cell).9. The method of claim 8,
The surface area expansion shape is a cell (Cell), characterized in that the surface is made in a corrugated form.
상기 그래핀은 800℃ 이상의 진공상태로 20분 이상 열을 가하여 환원처리 및 불순물을 제거한 것을 특징으로 하는 셀(Cell).4. The method according to any one of claims 1 to 3,
The graphene is a cell (Cell), characterized in that the reduction treatment and removal of impurities by applying heat in a vacuum state of 800 °C or higher for 20 minutes or more.
상기 그래핀 및 그래핀 시트는 800℃ 이상의 진공상태로 20분 이상 열을 가하여 환원처리 및 불순물을 제거한 것을 특징으로 하는 셀(Cell).5. The method of claim 4,
The graphene and graphene sheet is a cell (Cell), characterized in that the reduction treatment and removal of impurities by applying heat in a vacuum state of 800 °C or higher for 20 minutes or more.
스프레이(Spray) 또는 스탬프(Stamp)의 압착 방식을 통해 상기 그래핀을 금속 박막에 코팅하는 단계,
상기 그래핀이 코팅된 금속박막 사이에 유전체 시트 또는 유전체 시트와 상기 유전체 시트 사이에 적층되는 그래핀 시트를 삽입한 뒤 압착하여 셀(Cell)을 형성하는 단계로 이루어진 그래핀 셀(Cell) 제조방법.Reduction treatment and removal of impurities by applying heat to graphene or graphene and graphene sheets in a vacuum state of 800° C. or higher for 20 minutes or more;
coating the graphene on a metal thin film through a compression method of spray or stamp;
A graphene cell manufacturing method comprising the step of inserting a dielectric sheet or a graphene sheet laminated between the dielectric sheet and the dielectric sheet between the graphene-coated metal thin film and then pressing to form a cell .
카본블랙 또는 아세틸렌 블랙을 상기 그래핀, 파라핀과 함께 코팅하여 전극 시트를 제조하는 단계,
상기 전극 시트 사이에 유전체 시트 또는 유전체 시트와 상기 유전체 시트 사이에 적층되는 그래핀 시트를 삽입한 뒤 압착하여 셀(Cell)을 형성하는 단계 및
상기 셀(Cell)에 열을 가하여 상기 파라핀이 용융되어 상기 전극시트 외부로 빠져 나간 위치에 공동이 형성되는 다공성 형성 단계로 이루어지는 그래핀 셀(Cell) 제조방법.Reduction treatment and removal of impurities by applying heat to graphene or graphene and graphene sheets in a vacuum state of 800° C. or higher for 20 minutes or more;
preparing an electrode sheet by coating carbon black or acetylene black with the graphene and paraffin;
Forming a cell by inserting a dielectric sheet or a graphene sheet laminated between the dielectric sheet and the dielectric sheet between the electrode sheets and pressing and pressing;
A graphene cell manufacturing method comprising a porous forming step in which a cavity is formed at a position where the paraffin is melted and exited to the outside of the electrode sheet by applying heat to the cell.
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