KR20210138431A - Hot-water therapy based supercapatteries and preparing method for the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 슈퍼커패터리 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 HWT 기반의 슈퍼커패터리 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a supercapacitor and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a HWT-based supercapacitor and a manufacturing method thereof.
플렉서블한 웨어러블 가전제품의 새로운 트렌드는 연구자들에게 기계적 유연성, 저비용 및 경량의 두드러진 특징을 가진 고성능의 유연한 에너지 저장 시스템을 설계하도록 동기를 부여했다.A new trend in flexible wearable consumer electronics has motivated researchers to design high-performance, flexible energy storage systems with outstanding features of mechanical flexibility, low cost and light weight.
웨어러블 및 휴대용 전자 기기에서 이러한 플렉서블한 에너지 저장 장치의 적응성을 달성하려면, 집전체(current collector)는 우수한 기계적 유연성과 형태 적합성을 가져야 한다.In order to achieve the adaptability of such a flexible energy storage device in wearable and portable electronic devices, the current collector must have excellent mechanical flexibility and shape conformability.
종래에는, 니켈(Ni) 폼/포일(foam/foil), 구리(Cu) 폼/포일, 티타늄 기판, 스테인리스 스틸 포일, 불소 도핑된 산화주석 기판 등과 같은 다양한 유형의 집전체가 에너지 저장 장치를 설계하는데 연구되어 왔다. Conventionally, various types of current collectors such as nickel (Ni) foam/foil, copper (Cu) foam/foil, titanium substrate, stainless steel foil, fluorine-doped tin oxide substrate, etc. have been designed for energy storage devices. has been studied to
그러나, 종래의 경우, 물리적 강성 또는 불편성으로 인해 플렉서블 에너지 저장 장치의 발전에 대한 문제점이 발생하였다. However, in the conventional case, there has been a problem in the development of a flexible energy storage device due to physical rigidity or inconvenience.
이러한 강성 문제를 해결하기 위해 금속 셀룰로오스 종이, 탄소 나노 튜브(CNT) 코팅지, 폴리에틸렌 테레 프탈레이트 기판 등과 같은 다양한 다목적 플렉서블 기판이 연구되었으나, 반복적인 폴딩, 비틀림 및 롤링 작동 조건에서 전극을 파열시킬 가능성이 있을 수 있으며, 이는 에너지 저장 장치의 성능 저하를 초래한다.To solve this stiffness problem, various versatile flexible substrates such as metal cellulose paper, carbon nanotube (CNT) coated paper, polyethylene terephthalate substrate, etc. have been studied. This may lead to degradation of the energy storage device performance.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, HWT 기반의 슈퍼커패터리 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention was created to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a HWT-based supercapacitor and a method for manufacturing the same.
또한, 본 발명은 표면에 금속층이 형성된 전도성 섬유(conductive fiber)를 탈이온수(de-ionized water)에 함침시키고 가열하여 전도성 섬유 상에 금속층 기반 수산화물 나노시트(layered double hydroxide nanosheet)를 형성하기 위한 슈퍼커패터리 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다. In addition, the present invention is a super for forming a metal layer-based hydroxide nanosheet (layered double hydroxide nanosheet) on the conductive fiber by impregnating a conductive fiber having a metal layer on its surface in de-ionized water and heating it. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a capacitor.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Objects of the present invention are not limited to the objects mentioned above, and other objects not mentioned will be clearly understood from the description below.
상기한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패터리 제조 방법은 (a) 표면에 금속층이 형성된 전도성 섬유(conductive fiber)를 탈이온수(de-ionized water)에 함침시키는 단계; 및 (b) 상기 탈이온수에 함침된 상기 금속층이 형성된 전도성 섬유를 가열하여 상기 전도성 섬유 상에 상기 금속층 기반 수산화물 나노시트를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다. In order to achieve the above objects, a method for manufacturing a supercapacitor according to an embodiment of the present invention includes the steps of: (a) impregnating a conductive fiber having a metal layer formed on its surface in de-ionized water; and (b) heating the conductive fiber with the metal layer impregnated in the deionized water to form the metal layer-based hydroxide nanosheet on the conductive fiber.
실시예에서, 상기 (b) 단계는, 상기 탈이온수에 함침된 상기 금속층이 형성된 전도성 섬유를 1시간 내지 3시간 동안 가열하여 상기 전도성 섬유 상에 상기 금속층 기반 수산화물 나노시트를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다. In an embodiment, the step (b) comprises: heating the conductive fiber with the metal layer impregnated in the deionized water for 1 hour to 3 hours to form the metal layer-based hydroxide nanosheet on the conductive fiber can do.
실시예에서, 상기 (b) 단계는, 상기 탈이온수에 함침된 상기 금속층이 형성된 전도성 섬유를 60
실시예에서, 상기 전도성 섬유는 수평 및 수직 다발로 형성된 직물 패턴으로 구성될 수 있다. In an embodiment, the conductive fiber may be composed of a fabric pattern formed in horizontal and vertical bundles.
실시예에서, 상기 금속층은, 니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co) 및 탄소(C) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. In an embodiment, the metal layer may include at least one of nickel (Ni), copper (Cu), cobalt (Co), and carbon (C).
실시예에서, 상기 슈퍼커패터리 제조 방법은 (c) 활성탄(activated carbon) 기반 슬러리를 형성하는 단계; (d) 카본 직물(carbon cloth) 상에 상기 활성탄 기반 슬러리를 로딩하는 단계; 및 (e) 상기 활성탄 기반 슬러리가 로딩된 카본 직물을 가열하여 건조시켜 상기 카본 직물 상에 활성탄층을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다. In an embodiment, the supercapacitor manufacturing method comprises the steps of (c) forming a slurry based on activated carbon; (d) loading the activated carbon based slurry onto a carbon cloth; and (e) heating and drying the carbon fabric loaded with the activated carbon-based slurry to form an activated carbon layer on the carbon fabric.
실시예에서, 상기 슈퍼커패터리 제조 방법은 상기 전도성 섬유와 상기 전도성 섬유 상에 형성된 상기 금속층 기반 수산화물 나노시트를 양극부로 형성하는 단계; 상기 카본 직물과 상기 카본 직물 상에 형성된 상기 활성탄층을 음극부로 형성하는 단계; 및 상기 양극부와 상기 음극부를 결합하는 단계;를 더 포함할 수 있다. In an embodiment, the supercapacitor manufacturing method comprises: forming the conductive fiber and the metal layer-based hydroxide nanosheet formed on the conductive fiber as an anode part; forming the carbon fabric and the activated carbon layer formed on the carbon fabric as a negative electrode part; and combining the anode part and the cathode part.
실시예에서, 상기 양극부와 상기 음극부 사이에 스페이서(spacer)가 추가될 수 있다. In an embodiment, a spacer may be added between the anode part and the cathode part.
상기한 목적들을 달성하기 위한 구체적인 사항들은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술될 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.Specific details for achieving the above objects will become clear with reference to the embodiments to be described in detail below in conjunction with the accompanying drawings.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하, "통상의 기술자")에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해서 제공되는 것이다.However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be configured in various different forms, and those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs ( Hereinafter, "a person skilled in the art") is provided to fully inform the scope of the invention.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 표면에 금속층이 형성된 전도성 섬유(conductive fiber)를 탈이온수(de-ionized water)에 함침시키고 가열하여 전도성 섬유 상에 금속층 기반 수산화물 나노시트(layered double hydroxide nanosheet)를 형성함으로써, 화학물질을 사용하지 않고 대규모 장비를 필요로 하지 않으면서도 친환경적인 슈퍼커패터리 제조 방법을 제공할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a conductive fiber having a metal layer formed on the surface is impregnated in de-ionized water and heated to form a metal layer-based hydroxide nanosheet on the conductive fiber. By forming, it is possible to provide an environmentally friendly supercapacitor manufacturing method without using chemicals and without requiring large-scale equipment.
본 발명의 효과들은 상술된 효과들로 제한되지 않으며, 본 발명의 기술적 특징들에 의하여 기대되는 잠정적인 효과들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the above-described effects, and potential effects expected by the technical features of the present invention will be clearly understood from the following description.
도 1a 및 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패터리의 제조 방법을 도시한 도면이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 탈이온수 함침의 예를 도시한 도면이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 섬유를 도시한 도면이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 섬유의 표면을 도시한 도면이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 섬유의 성분 그래프를 도시한 도면이다.
도 4a 내지 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 HWT 시간 동안의 금속층 기반 수산화물 나노시트의 형성을 도시한 도면이다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 HWT 온도에 대한 금속층 기반 수산화물 나노시트의 형성을 도시한 도면이다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 수산화물 나노시트의 금속 분포를 도시한 도면이다.
도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 XPS 스캔 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 6d는 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 XPS 스캔 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 TEM 분석을 도시한 도면이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노시트의 크기 및 높이를 도시한 도면이다.
도 7c 내지 7e는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노시트의 원소 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 CV 프로파일을 도시한 도면이다.
도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 충방전 프로파일을 도시한 도면이다.
도 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 HWT 시간에 대한 용량 성능을 도시한 도면이다.
도 8d는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 스위프 속도에 대한 CV 프로파일을 도시한 도면이다.
도 8e는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화 및 환원 전류에 대한 b 값의 산출을 도시한 도면이다.
도 8f는 본 발명의 일 실시예에 따른 매개 변수 k1 및 k2의 산출을 도시한 도면이다.
도 8g는 본 발명의 일 실시예에 따른 용량 제어 및 확산 제어 전류 기여의 백분율을 도시한 도면이다.
도 8h는 본 발명의 일 실시예에 따른 GCD 프로파일을 도시한 도면이다.
도 8i는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 전류 밀도에 대한 면적 용량 값을 도시한 도면이다.
도 8j는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 사이클링 테스트에 대한 안정성 평가 그래프를 도시한 도면이다.
도 8k는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속층 기반 수산화물 나노시트를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패터리의 음극부의 제조 방법을 도시한 도면이다.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른 AC/CC 전극의 CV 프로파일 그래프를 도시한 도면이다.
도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 AC/CC 전극의 GCD 프로파일 그래프를 도시한 도면이다.
도 10c는 본 발명의 일 실시예에 따른 AC/CC 전극의 면적 커패시턴스 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 11a는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패터리의 조립을 도시한 도면이다.
도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패터리의 기능적 구성을 도시한 도면이다.
도 11c는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패터리의 CV 프로파일 그래프를 도시한 도면이다.
도 11d는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 전위 윈도우에 대한 CV 프로파일 그래프를 도시한 도면이다.
도 11e는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 전위 윈도우에 대한 GCD 프로파일 그래프를 도시한 도면이다.
도 11f는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 스캔 속도에 대한 CV 프로파일 그래프를 도시한 도면이다.
도 11g는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 스캔 속도에 대한 충전 및 방전 그래프를 도시한 도면이다.
도 11h는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 전류 밀도에 대한 면적 커패시턴스 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 11i는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 및 전력 밀도 그래프를 도시한 도면이다.
도 11j는 본 발명의 일 실시예에 따른 수명 테스트 그래프를 도시한 도면이다.
도 11k는 본 발명의 일 실시예에 따른 나이퀴스트 그래프를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패터리의 적용을 도시한 도면이다.1A and 1B are diagrams illustrating a method of manufacturing a supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
2A is a diagram illustrating an example of deionized water impregnation according to an embodiment of the present invention.
2B is a view showing a conductive fiber according to an embodiment of the present invention.
3A is a view showing a surface of a conductive fiber according to an embodiment of the present invention.
3B is a diagram illustrating a component graph of a conductive fiber according to an embodiment of the present invention.
4A to 4C are diagrams illustrating the formation of metal layer-based hydroxide nanosheets during various HWT times according to an embodiment of the present invention.
5A and 5B are diagrams illustrating the formation of metal layer-based hydroxide nanosheets for various HWT temperatures according to an embodiment of the present invention.
6A and 6B are diagrams illustrating metal distribution of hydroxide nanosheets according to an embodiment of the present invention.
6C is a diagram illustrating an XPS scan spectrum according to an embodiment of the present invention.
6D is a diagram illustrating another XPS scan spectrum according to an embodiment of the present invention.
7A is a diagram illustrating a TEM analysis according to an embodiment of the present invention.
Figure 7b is a view showing the size and height of the nanosheet according to an embodiment of the present invention.
7c to 7e are diagrams illustrating elemental spectra of a nanosheet according to an embodiment of the present invention.
8A is a diagram illustrating a CV profile according to an embodiment of the present invention.
8B is a diagram illustrating a charging/discharging profile according to an embodiment of the present invention.
8C is a diagram illustrating capacity performance for various HWT times according to an embodiment of the present invention.
8D is a diagram illustrating CV profiles for various sweep speeds according to an embodiment of the present invention.
8e is a diagram illustrating the calculation of b values for oxidation and reduction currents according to an embodiment of the present invention.
8F is a diagram illustrating the calculation of parameters k1 and k2 according to an embodiment of the present invention.
8G is a diagram illustrating the percentage of capacitive control and diffusion control current contribution in accordance with an embodiment of the present invention.
8H is a diagram illustrating a GCD profile according to an embodiment of the present invention.
8I is a diagram illustrating areal capacitance values for various current densities according to an embodiment of the present invention.
8J is a diagram illustrating a stability evaluation graph for various cycling tests according to an embodiment of the present invention.
8K is a view showing a metal layer-based hydroxide nanosheet according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram illustrating a method of manufacturing a cathode part of a supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
10A is a diagram illustrating a CV profile graph of an AC/CC electrode according to an embodiment of the present invention.
10B is a diagram illustrating a GCD profile graph of an AC/CC electrode according to an embodiment of the present invention.
10C is a diagram illustrating an area capacitance performance graph of an AC/CC electrode according to an embodiment of the present invention.
11A is a view showing the assembly of a supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
11B is a diagram illustrating a functional configuration of a supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
11C is a diagram illustrating a CV profile graph of a supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
11D is a diagram illustrating a CV profile graph for various potential windows according to an embodiment of the present invention.
11E is a diagram illustrating a GCD profile graph for various potential windows according to an embodiment of the present invention.
11F is a diagram illustrating a CV profile graph for various scan rates according to an embodiment of the present invention.
11G is a diagram illustrating charging and discharging graphs for various scan rates according to an embodiment of the present invention.
11H is a diagram illustrating an areal capacitance performance graph for various current densities according to an embodiment of the present invention.
11I is a diagram illustrating an energy and power density graph according to an embodiment of the present invention.
11J is a diagram illustrating a life test graph according to an embodiment of the present invention.
11K is a diagram illustrating a Nyquist graph according to an embodiment of the present invention.
12 is a diagram illustrating application of a supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세히 설명하고자 한다. Since the present invention can have various changes and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail.
청구범위에 개시된 발명의 다양한 특징들은 도면 및 상세한 설명을 고려하여 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 명세서에 개시된 장치, 방법, 제법 및 다양한 실시예들은 예시를 위해서 제공되는 것이다. 개시된 구조 및 기능상의 특징들은 통상의 기술자로 하여금 다양한 실시예들을 구체적으로 실시할 수 있도록 하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 개시된 용어 및 문장들은 개시된 발명의 다양한 특징들을 이해하기 쉽게 설명하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.Various features of the invention disclosed in the claims may be better understood upon consideration of the drawings and detailed description. The apparatus, methods, preparations, and various embodiments disclosed herein are provided for purposes of illustration. The disclosed structural and functional features are intended to enable those skilled in the art to specifically practice the various embodiments, and are not intended to limit the scope of the invention. The terms and sentences disclosed are for the purpose of easy-to-understand descriptions of various features of the disclosed invention, and are not intended to limit the scope of the invention.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다. In order to clearly express various layers and regions in the drawings, the thicknesses are enlarged. And in the drawings, for convenience of description, the thickness of some layers and regions are exaggerated.
또한, 본 명세서에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에", "상에" 또는 "상부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.Also, in the present specification, when a part of a layer, film, region, plate, etc. is referred to as being “on,” “on,” or “on” another part, it is not only in the case of being “immediately on” another part, but also in the middle or in-between. Including cases where there are other parts. Conversely, when we say that a part is "just above" another part, we mean that there is no other part in the middle.
아울러, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에", "하에" 또는 "하부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에"있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.In addition, when a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be “under,” “under,” or “under” another part, it is not only when it is “under” another part, but also another part in between. This includes cases where Conversely, when a part is said to be "just below" another part, it means that there is no other part in the middle.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 HWT 기반의 슈퍼커패터리 및 이의 제조 방법을 설명한다.Hereinafter, an HWT-based supercapacitor and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described.
도 1a 및 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패터리의 제조 방법을 도시한 도면이다. 1A and 1B are diagrams illustrating a method of manufacturing a supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
도 1a 및 1b를 참고하면, S101 단계는, 표면에 금속층(120)이 형성된 전도성 섬유(conductive fiver, CF)(110)를 탈이온수(de-ionized water, DIW)에 함침시키는 단계이다. Referring to FIGS. 1A and 1B , step S101 is a step of impregnating a conductive fiber (CF) 110 having a
일 실시예에서, 전도성 섬유(110)는 수평 및 수직 다발로 형성된 직물 패턴으로 구성될 수 있다. In one embodiment, the
일 실시예에서, 금속층(120)은 니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co) 및 탄소(C) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. In an embodiment, the
일 실시예에서, 전도성 섬유(110)의 표면에 형성된 금속층(110)의 금속 이온(Ni2+, Cu2+ 및 Co2+)은 물 분자가 비점 조건(boiling point condition)에서 자극을 받을 수 있다. In one embodiment, the metal ions (Ni 2+ , Cu 2+ , and Co 2+ ) of the
S103 단계는, 탈이온수에 함침된 금속층(120)이 코팅된 전도성 섬유(110)를 가열하여 전도성 섬유(110) 상에 금속층(120) 기반 수산화물 나노시트(130)를 형성하는 단계이다. Step S103 is a step of forming the metal layer 120-based
일 실시예에서, 전도성 섬유(110)의 표면의 금속 이온은 탈이온수의 가수분해에 의해 방출되는 수산화물 이온(OH)과 반응할 수 있다. In one embodiment, metal ions on the surface of the
이어서, 금속층(120) 기반 수산화물 나노시트(130)가 계층적 연결 및 개방 다공도를 갖는 전도성 섬유(110)의 표면으로부터 생성될 수 있다. Subsequently, a metal layer 120-based
일 실시예에서, 금속층(120)이 코팅된 전도성 섬유(110)를 탈이온수에 함침시킨 후 가열하는 방식은 ‘온수 처리(Hot-Water Therapy, HWT)’ 또는 이와 동등한 기술적 의미를 갖는 용어로 지칭될 수 있다. In one embodiment, the method of heating the
HWT 방법은 매우 적은 성장 시간과 함께 화학 물질이 없고 경제적으로 생존할 수 있는 특유의 이점을 포함하여, 다공성 및 산화 환원 활성이 높은 전극 물질의 선택적 성장을 초래할 수 있다.The HWT method can lead to selective growth of electrode materials with high porosity and redox activity, including the unique advantages of being chemical free and economically viable with very little growth time.
또한, HWT는 대용량 전극 및 재료 개발을 위해 쉽게 확장할 수 있으며 실제 적용에 유리하며, 화학 물질을 사용하지 않고 탈이온수만으로도 금속층(120)상 전도성 섬유(110)의 표면의 금속층(120) 기반 수산화물 나노시트(130)의 생성에 중요한 역할을 할 수 있다.In addition, the HWT can be easily extended for the development of large-capacity electrodes and materials, and is advantageous for practical application, without using chemicals and only with deionized water on the
탈이온수의 가수분해 동안 방출된 금속 이온은 수산화이온과 반응하여 전도성 섬유(110)의 표면 상의 금속 수산화물 나노시트(130)로 재침착될 수 있다. Metal ions released during hydrolysis of deionized water may react with hydroxide ions to redeposit into
일 실시예에서, 금속층(120) 기반 수산화물 나노시트(130)는 ‘LDH NS(layered double hydroxide nanosheet)’ 또는 이와 동등한 기술적 특징을 갖는 용어로 지칭될 수 있다. In an embodiment, the metal layer 120-based
일 실시예에서, 금속층(120) 기반 수산화물 나노시트(130)는 나노시트에 분포된 개방형 다공성 특성과 계층적 연결을 갖는 2차원 나노시트 형태를 나타내는 것을 특징으로 하는 형성된 M(OH)2 복합체를 포함할 수 있다. In one embodiment, the metal layer 120-based hydroxide nanosheet 130 is formed M(OH) 2 composite, characterized in that it exhibits a two-dimensional nanosheet shape having an open porosity characteristic and hierarchical connection distributed in the nanosheet. may include
일 실시예에서, 탈이온수에 함침된 금속층(120)이 코팅된 전도성 섬유(110)를 1시간 내지 3시간 동안 가열하여 전도성 섬유(110) 상에 금속층(120) 기반 수산화물 나노시트(130)를 형성할 수 있다. In one embodiment, the metal layer 120-based
일 실시예에서, 탈이온수에 함침된 금속층(120)이 코팅된 전도성 섬유(110)를 60
일 실시예에서, 도 1a 및 1b의 방법에 의해 제조된 전도성 섬유(110)와 전도성 섬유(110) 상에 형성된 금속층(120) 기반 수산화물 나노시트(130)는 양극부로 형성될 수 있다. In one embodiment, the
일 실시예에서, 전도성 섬유(110)와 전도성 섬유(110) 상에 형성된 금속층(120) 기반 수산화물 나노시트(130)로 구성된 양극부는 ‘LDF NS/CF’, ‘LDF NS/CF 전극’ 또는 이와 동등한 기술적 특징을 갖는 용어로 지칭될 수 있다. In one embodiment, the anode portion composed of the
일 실시예에서, S101 단계 이전에, 전도성 섬유(110)를 에탄올로 세척하여 전도성 섬유(110)의 표면의 먼지 입자를 제거하고 오븐에서 건조시킬 수 있다. In one embodiment, before step S101, the
일 실시예에서, S103 단계 이후에, 형성된 금속층(120) 기반 수산화물 나노시트(130)를 실온(room temperature, RT)으로 냉각시키고, 질소 가스로 퍼지(purge)한 후, 진공 오븐에서 탈수시킬 수 있다. In one embodiment, after step S103, the formed metal layer 120-based
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 탈이온수 함침의 예를 도시한 도면이다. 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 섬유를 도시한 도면이다.2A is a diagram illustrating an example of deionized water impregnation according to an embodiment of the present invention. 2B is a view showing a conductive fiber according to an embodiment of the present invention.
도 2a를 참고하면, HWT의 경우, CF는 1x1cm2 면적이 DIW와 반응하도록 하기 위하여, 테이프를 이용하여 유리 슬라이드에 부착될 수 있다.Referring to FIG. 2A , in the case of HWT, CF may be attached to a glass slide using a tape so that an area of 1×1 cm 2 reacts with DIW.
이 경우, 테이프를 이용하여 유리 슬라이드에 부착함으로써 전도성 섬유의 후면에서 나노 구조의 성장을 억제할 수 있다. In this case, the growth of nanostructures on the back side of the conductive fiber can be suppressed by attaching it to the glass slide using a tape.
또한, DIW의 증발을 방해하기 위해 유리 바이알(vial)에 밀봉된 용기에 담긴 DIW에 전도성 섬유가 부착된 유리 슬라이드를 함침시킬 수 있다. In addition, in order to prevent evaporation of DIW, DIW contained in a sealed container in a glass vial may be impregnated with a glass slide with conductive fibers attached thereto.
CF에서 LDH NS의 현장 제작(in-situ preparation)에는 화학 물질이 없는 DIW만이 포함되므로 전체 합성 과정은 농지에서 식물을 재배하는 것과 유사할 수 있다. Since the in-situ preparation of LDH NS in CF involves only DIW without chemicals, the overall synthesis process can be similar to growing plants on farmland.
도 2b를 참고하면, 플렉서블 집전체는 웨어러블 및 휴대용 에너지 저장 장치 기반 전자 애플리케이션의 개발에서 실질적인 역할을 수행할 수 있다.Referring to FIG. 2B , the flexible current collector may play a practical role in the development of wearable and portable energy storage-based electronic applications.
여러 집전체 중에서, CF는 높은 전기 전도성, 경량, 간단한 제조 및 높은 유연성의 뛰어난 특징으로 인해 플렉서블한 에너지 저장 시스템의 제조에서 사용될 수 있다. Among various current collectors, CF can be used in the manufacture of flexible energy storage systems due to its outstanding features of high electrical conductivity, light weight, simple fabrication and high flexibility.
일 실시예에서, CF의 전기 전도도는 멀티미터로 테스트될 수 있다. In one embodiment, the electrical conductivity of CF can be tested with a multimeter.
섬유 위에 증착된 전도성이 높은 금속층과 CF로 인해 ~0.4Q cm-2의 낮은 저항이 나타났으며, 이는 빠른 전기 동력학을 가능하게 할 수 있다. A low resistance of ~0.4Q cm −2 was shown due to the highly conductive metal layer and CF deposited on the fiber, which could enable fast electrodynamics.
폴리에스테르 섬유의 짜여진 질감 및 비강성 특성으로 인해, CF 기판은 굽힘, 비틀림 및 심지어 롤링 조건을 효과적으로 나타낼 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 슈퍼커패터리의 제조에서 CF 기판이 집전체로 선택될 수 있다. Due to the woven texture and non-rigid nature of polyester fibers, CF substrates can effectively exhibit bending, torsion and even rolling conditions. Therefore, in the manufacture of the supercapacitor according to the present invention, the CF substrate can be selected as the current collector.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 섬유의 표면을 도시한 도면이다. 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 섬유의 성분 그래프를 도시한 도면이다.3A is a view showing a surface of a conductive fiber according to an embodiment of the present invention. 3B is a diagram illustrating a component graph of a conductive fiber according to an embodiment of the present invention.
도 3a를 참고하면, CF의 FE-SEM 이미지를 확인할 수 있다. Referring to FIG. 3A , an FE-SEM image of CF can be confirmed.
저배율에서 볼 수 있듯이, 금속층이 폴리에스테르 섬유의 수평 및 수직 다발이 서로 잘 짜여 있는 CF 상에 형성될 수 있다. As can be seen at low magnification, a metal layer can be formed on the CF where horizontal and vertical bundles of polyester fibers are well woven together.
배율을 증가시킬 때, 단일 CF의 표면은 거칠게 관찰됨을 확인할 수 있다. CF의 표면에 대한 배율이 증가함에 따라, 작은 금속 입자의 조밀한 패턴을 확인할 수 있다. It can be seen that when the magnification is increased, the surface of a single CF is observed to be rough. As the magnification on the surface of CF increases, a dense pattern of small metal particles can be confirmed.
도 3b를 참고하면, CF에 균일하게 분포된 요소를 조사하기 위해 EDX 분석을 수행할 수 있다. EDX 스펙트럼에서, CF의 금속층은 니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co) 및 탄소(C) 요소로 구성될 수 있다. Referring to FIG. 3b , EDX analysis can be performed to investigate elements uniformly distributed in CF. In the EDX spectrum, the metal layer of CF may be composed of nickel (Ni), copper (Cu), cobalt (Co) and carbon (C) elements.
금속 분포를 확보하기 위해 CF의 표면을 스캐닝하여 원소 맵핑 분석을 수행하여, CF에서 Ni, Cu, Co 및 C 성분의 균일한 분포를 확인할 수 있다.Element mapping analysis was performed by scanning the surface of CF to ensure metal distribution, thereby confirming the uniform distribution of Ni, Cu, Co, and C components in CF.
따라서, 금속층 기반 CF 기판은 플렉서블 에너지 저장 장치를 위한 잠재적 집전체로서 기능할 수 있음을 확인할 수 있다. Therefore, it can be confirmed that the metal layer-based CF substrate can function as a potential current collector for a flexible energy storage device.
도 4a 내지 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 HWT 시간 동안의 금속층 기반 수산화물 나노시트의 형성을 도시한 도면이다.4A to 4C are diagrams illustrating the formation of metal layer-based hydroxide nanosheets during various HWT times according to an embodiment of the present invention.
도 4a 내지 4c를 참고하면, LDH NS의 생성을 위한 가수분해 시간의 효과는 HWT의 온도(95
여기서, 0.5, 1, 2, 3 및 4의 다양한 가수분해 시간에 따라 수득된 다른 Ni-Cu-Co LDH NS/CF 샘플은 각각 LDH-0.5h, LDH-1h, LDH-2h, LDH-3h, LDH-4h으로 표시될 수 있다. Here, different Ni-Cu-Co LDH NS/CF samples obtained under various hydrolysis times of 0.5, 1, 2, 3 and 4 were LDH-0.5h, LDH-1h, LDH-2h, LDH-3h, LDH-3h, respectively. LDH-4h.
도 4(a)를 참고하면, LDH-0.5h 샘플의 저배율 FE-SEM 이미지는 CF의 표면이 노출된 CF의 표면에 비해 약간 거칠다는 것을 나타낸다. Referring to Fig. 4(a), the low magnification FE-SEM image of the LDH-0.5h sample shows that the surface of the CF is slightly rougher than that of the exposed CF.
확대된 이미지로부터, LDH NS가 CF 기판의 표면으로부터 성장하기 시작하는 것을 확인할 수 있다. 성장 시간이 매우 짧기 때문에(즉, 0.5시간), Ni-Cu-Co 금속 합금과 가수분해 수(hydrolyzed water)의 반응성도 제한되어 LDH NS의 부분 성장을 초래함을 확인할 수 있다.From the enlarged image, it can be seen that LDH NS begins to grow from the surface of the CF substrate. Since the growth time is very short (ie, 0.5 h), it can be confirmed that the reactivity of the Ni-Cu-Co metal alloy and hydrolyzed water is also limited, resulting in partial growth of LDH NS.
도 4(b)를 참고하면, HWT 시간이 1시간으로 연장되었을 때, LDH NS의 성장 속도는 점진적으로 증가하였고 LDH NS의 크기는 LDH-0.5h 샘플의 것보다 상대적으로 더 증가함을 확인할 수 있다. Referring to Figure 4(b), when the HWT time was extended to 1 hour, the growth rate of LDH NS gradually increased, and it was confirmed that the size of LDH NS increased relatively more than that of the LDH-0.5h sample. have.
이는 금속 합금과 가수분해된 물 분자 사이의 반응 속도가 향상되었기 때문일 수 있다.This may be due to the improved reaction rate between the metal alloy and the hydrolyzed water molecules.
그러나, LDH NS들 사이의 많은 빈 공간은 여전히 HWT 프로세스의 비효율적인 시간임을 나타낼 수 있다. However, a lot of empty space between the LDH NSs may still indicate an inefficient time of the HWT process.
도 4(c)를 참고하면, HWT 시간을 2시간으로 추가로 증가시키면 CF의 표면에서 LDH NS의 균일한 성장 및 크기가 더욱 향상됨을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 4(c), it can be seen that when the HWT time is further increased to 2 hours, the uniform growth and size of LDH NS on the surface of CF is further improved.
도 4(d)를 참고하면, NS의 성장에 대한 HWT 시간의 영향을 조사하기 위해, 가수분해 시간을 3시간으로 더 연장하였고, 상응하는 SEM 이미지를 확인할 수 있다. Referring to Figure 4(d), to investigate the effect of HWT time on the growth of NS, the hydrolysis time was further extended to 3 hours, and the corresponding SEM image can be confirmed.
이 경우, 3시간의 HWT 시간 동안 생성된 2D LDH NS가 상호 연결된 네트워크로 CF의 표면에 완전히 장식되어 있음을 알 수 있다.In this case, it can be seen that the 2D LDH NSs generated during the HWT time of 3 h are fully decorated on the surface of the CF with interconnected networks.
또한, LDH NS의 크기 및 이들 사이에 분포된 개방-다공성 형태(open-porous behavior)는 LDH-0.5h, LDH-1h 및 LDH-2h 샘플의 것보다 비교적 더 향상됨을 확인할 수 있다. In addition, it can be seen that the size of LDH NS and the open-porous behavior distributed therebetween are relatively better than those of LDH-0.5h, LDH-1h and LDH-2h samples.
LDH-3h 샘플의 획득된 나노 스케일 장점은 활성 물질의 내부로 전해질 이온의 용이한 깊은 확산을 용이하게 하여 훨씬 더 많은 산화 환원 반응을 향상시킬 수 있다.The obtained nanoscale advantage of the LDH-3h sample can facilitate the easy deep diffusion of electrolyte ions into the interior of the active material, thus enhancing the redox reaction even more.
그럼에도 불구하고, 도 4b를 참고하면, 4시간의 HWT 시간(LDH-4h)으로 처리된 CF는 표면에서 완전히 손상된 NS를 나타냄을 확인할 수 있다. Nevertheless, referring to FIG. 4b , it can be confirmed that the CF treated with the HWT time of 4 hours (LDH-4h) shows completely damaged NS on the surface.
따라서, 3시간의 HWT 공정은 상호 연결된 네트워크 및 개방 기공 특징을 갖는 잘 정의된 LDH NS를 달성하기에 최적인 것으로 결정될 수 있다. Therefore, a 3 h HWT process can be determined to be optimal to achieve well-defined LDH NSs with interconnected network and open pore characteristics.
도 4c를 참고하면, CF의 금속층으로부터 LDH NS의 진화에 대한 HWT 시간의 영향을 확인할 수 있다. Referring to Figure 4c, the effect of HWT time on the evolution of LDH NS from the metal layer of CF can be confirmed.
NS의 형성은 방출, 반응 및 재침착(release, reaction and re-deposition, RRR) 공정을 포함할 수 있다. Formation of NS may include release, reaction and re-deposition (RRR) processes.
금속층의 금속 이온은 가수분해 공정 동안 금속층으로부터 전자를 표면에 남겨 두어 금속층으로부터 방출될 수 있다. 그러나, 금속 양이온은 음의 전위로 인해 금속층으로부터 분리될 수 없다.Metal ions in the metal layer can be released from the metal layer by leaving electrons from the metal layer on the surface during the hydrolysis process. However, the metal cations cannot be separated from the metal layer due to the negative potential.
한편, 전자는 주변의 물 분자 및 산소와 반응하여 하이드록실 이온(OH)을 생성할 수 있다.On the other hand, electrons may react with surrounding water molecules and oxygen to generate hydroxyl ions (OH).
결국, 금속 양이온은 생성된 OH 이온과 반응하고 결합의 도움으로 CF의 표면에 금속 수산화물(M(0H)2) 분자로 재증착될 수 있다. Eventually, the metal cations can react with the generated OH ions and redeposit as metal hydroxide (M(0H)2) molecules on the surface of CF with the aid of bonding.
30분의 HWT 시간이 짧기 때문에, 금속 이온은 RRR 공정을 광범위하게 수행할 수 없었으며, 이는 작은 LDH NS의 생성으로 이어졌다. Due to the short HWT time of 30 min, the metal ions could not extensively undergo the RRR process, which led to the generation of small LDH NSs.
가수분해 시간을 1시간 내지 3시간으로 연장함에 따라 OH 이온과 금속 양이온의 반응성도 증가하여 핵 형성 및 2D LDH NS의 성장이 향상됨을 확인할 수 있다. As the hydrolysis time was extended from 1 hour to 3 hours, the reactivity of OH ions and metal cations also increased, confirming that nucleation and growth of 2D LDH NS were improved.
도 5a 및 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 HWT 온도에 대한 금속층 기반 수산화물 나노시트의 형성을 도시한 도면이다.5A and 5B are diagrams illustrating the formation of metal layer-based hydroxide nanosheets for various HWT temperatures according to an embodiment of the present invention.
도 5a 및 5b를 참고하면, LDH NS에 대한 온도의 영향은 동일한 시간(예: 3시간) 동안 60, 95 및 120
일 실시예에서, 60, 95 및 120
3시간의 동일한 HWT 시간 동안 60 및 120
60 및 120
도 6a 및 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 수산화물 나노시트의 금속 분포를 도시한 도면이다. 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 XPS 스캔 스펙트럼을 도시한 도면이다.6A and 6B are diagrams illustrating metal distribution of hydroxide nanosheets according to an embodiment of the present invention. 6C is a diagram illustrating an XPS scan spectrum according to an embodiment of the present invention.
도 6a를 참고하면, CF 상의 금속 원소의 균일한 분포를 확인하기 위해 LDH-3h에 대한 원소 맵핑 분석을 수행할 수 있다. Referring to FIG. 6A , element mapping analysis for LDH-3h may be performed to confirm a uniform distribution of metal elements on CF.
이 경우, CF 상에 형성된 NS는 표면에 Ni, Co, Cu 및 O 원소의 균일한 분포를 나타내어 LDH 물질의 성공적인 형성을 확인할 수 있다.In this case, the NS formed on the CF shows a uniform distribution of Ni, Co, Cu and O elements on the surface, confirming the successful formation of the LDH material.
도 6b를 참고하면, LDH-3h 샘플의 XRD 패턴을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 6b , the XRD pattern of the LDH-3h sample can be confirmed.
17-25
-47.8
또한 Cu(OH)2 위상으로 인해 강한 금속성 피크에 병합된 두 개의 작은 피크(-43.7 및 -74.2
따라서, XPS 분석은 LDH-3h 샘플에서 원소 및 원자가 상태를 검출하기 위해 표면 민감성 형태(나노미터 범위)으로 인해 추가로 수행될 수 있다. Therefore, XPS analysis can be further performed due to its surface sensitive morphology (nanometer range) to detect elemental and valence states in LDH-3h samples.
도 6c를 참고하면, XPS 전체 측량 스캔 스펙트럼에서 검출된 Ni 2p, Cu 2p, Co 2p 및 O 1s 피크는 Ni, Cu, Co 및 O 원소로 구성된 CF 섬유 상에서 생성된 LDH NS를 추가로 확인할 수 있다. 일 실시예에서, 이 결과는 EDX 스펙트럼과 일치할 수 있다.Referring to Figure 6c, the
도 6d는 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 XPS 스캔 스펙트럼을 도시한 도면이다.6D is a diagram illustrating another XPS scan spectrum according to an embodiment of the present invention.
도 6d의 (i)를 참고하면, 분리된 코어 레벨 Ni 2p XPS 스펙트럼은 4개의 피크를 나타내고, 이 중 854.1 및 871.8eV에서 관찰된 2개의 피크는 각각 Ni 2p3/2 및 Ni 2p1/2 에너지 레벨에 기인할 수 있다. Referring to (i) of Figure 6d, the separated core-
860 및 877.6eV의 결합 에너지 값에서 시작된 다른 두 피크는 해당 위성(Sat.) 피크를 나타낼 수 있다. The other two peaks starting at binding energy values of 860 and 877.6 eV may represent the corresponding satellite (Sat.) peaks.
도 6d의 (ii)를 참고하면, 각각 위성 피크가 940.1 및 960.2eV인 Cu 2p3/2 (932.8eV) 및 Cu 2p1/2(952.8eV) 피크로 구성된 고해상도 Cu 2p XPS 스펙트럼을 확인할 수 있다. Referring to (ii) of FIG. 6d, the high-
도 6d의 (iii)를 참고하면, Ni 2p 스펙트럼과 마찬가지로, 코어 레벨 Co 2p XPS 스펙트럼은 각각 779.5 및 795.2eV에서 Co 2p3/2 및 Co 2p1/2의 두 가지 주요 피크와 각각의 782.8 및 800eV에서 위성 피크를 나타낼 수 있다. Referring to (iii) of FIG. 6d, like the
Ni 2p, Co 2p 및 Cu 2p의 코어 레벨 XPS 스펙트럼은 준비된 LDH-3h 샘플에서 각각 Ni2+, Co2+ 및 Cu2+의 원자가 상태(valence states)를 나타낼 수 있다. Core-level XPS spectra of
도 6d의 (iv)를 참고하면, O 1s 스펙트럼은 529.6 및 530.2eV에서 두 개의 피크로 분리되어 샘플에 존재하는 금속-산소(MO) 및 OH 그룹에 기인하며, 금속 수산화물을 형성할 수 있다. Referring to (iv) of FIG. 6D , the
대체로, 물리적 특성 분석 기술은 CF에서 NS의 성공적인 성장이 Ni-Cu-Co LDH NS라는 것을 종합적으로 입증할 수 있다. All in all, the physical characterization technique can comprehensively demonstrate that the successful growth of NS in CF is Ni-Cu-Co LDH NS.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 TEM 분석을 도시한 도면이다.7A is a diagram illustrating a TEM analysis according to an embodiment of the present invention.
도 7a를 참고하면, 고유한 구조적 특성을 조사하기 위해, LDH-3h 샘플에 대해 TEM 분석을 수행할 수 있다. Referring to Figure 7a, in order to investigate the unique structural properties, TEM analysis can be performed on the LDH-3h sample.
도 7a의 (a)를 참고하면, LDH NS 샘플은 상호 연결된 네트워크를 가진 여러 NS로 구성될 수 있다. 또한 NS는 투명하게 보이며, 이는 NS의 두께가 얇다는 것을 나타낼 수 있다. Referring to (a) of FIG. 7A , the LDH NS sample may be composed of several NSs having interconnected networks. Also, the NS appears transparent, which may indicate that the thickness of the NS is thin.
도 7a의 (b)를 참고하면, 고해상도 TEM 이미지는 약 0.26nm의 평면 간 거리를 갖는 투명한 격자무늬를 나타내며, 이는 LDH상의 (012) 평면에 해당할 수 있다.Referring to (b) of FIG. 7a, the high-resolution TEM image shows a transparent grid pattern having an inter-plane distance of about 0.26 nm, which may correspond to the (012) plane on the LDH.
도 7a의 (c)를 참고하면, SAED(selected area electron diffraction) 패턴은 LDH NS의 다결정 거동을 나타내는 밝은 점이 있는 고리형 패턴을 나타냄을 확인할 수 있다. Referring to (c) of Figure 7a, it can be seen that the SAED (selected area electron diffraction) pattern represents a cyclic pattern with bright dots indicating the polycrystalline behavior of LDH NS.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노시트의 크기 및 높이를 도시한 도면이다. 도 7c 내지 7e는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노시트의 원소 스펙트럼을 도시한 도면이다.Figure 7b is a view showing the size and height of the nanosheet according to an embodiment of the present invention. 7c to 7e are diagrams illustrating elemental spectra of a nanosheet according to an embodiment of the present invention.
도 7b를 참고하면, LDH NS의 크기를 측정하기 위해 비접촉 모드를 사용하여 AFM 특성화를 수행할 수 있다. 이 경우, 높이 프로파일로부터 NS의 측면 크기 및 높이는 각각 -225nm 및 ~75nm인 것으로 추정될 수 있다. Referring to FIG. 7b , AFM characterization can be performed using a non-contact mode to measure the size of LDH NS. In this case, the lateral size and height of the NS can be estimated to be -225 nm and ∼75 nm, respectively, from the height profile.
도 7c를 참고하면, LDH NS에 제시된 원소를 검사하기 위해 EDX 분석을 수행했으며 해당 스펙트럼을 확인할 수 있다. 이 때, 도 7d 및 7e를 참고하면, 스펙트럼으로부터, Ni, Cu, Co 및 O 원소의 존재는 LDH NS의 성공적인 형성을 입증할 수 있다. Referring to Figure 7c, EDX analysis was performed to examine the elements presented in LDH NS, and the corresponding spectrum can be confirmed. At this time, referring to FIGS. 7d and 7e, from the spectra, the presence of Ni, Cu, Co and O elements can prove the successful formation of LDH NS.
또한, 라인 스캐닝 맵핑 이미지는 LDH NS가 Ni, Cu, Co 및 O 원소로 구성됨을 추가로 확인할 수 있다. HWT-유도된 계층적 Ni-Cu-Co LDH NS 전극의 전기 화학적 특성은 이들을 작동 전극으로서 직접 사용함으로써 3-전극 시스템에서 평가될 수 있다.In addition, the line scanning mapping image can further confirm that the LDH NS is composed of Ni, Cu, Co and O elements. The electrochemical properties of HWT-derived hierarchical Ni-Cu-Co LDH NS electrodes can be evaluated in a three-electrode system by directly using them as working electrodes.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 CV 프로파일을 도시한 도면이다.8A is a diagram illustrating a CV profile according to an embodiment of the present invention.
도 8a를 참고하면, 0.5, 1, 2, 3 및 4 시간의 상이한 HWT 시간에서 합성된 LDH NS/CF 전극의 CV 프로파일은 0-0.55V의 전압 범위 내에서 20mV s-1의 고정 스위프 속도로 기록될 수 있다. Referring to FIG. 8a , the CV profiles of LDH NS/CF electrodes synthesized at different HWT times of 0.5, 1, 2, 3 and 4 h were obtained with a fixed sweep rate of 20 mV s −1 within a voltage range of 0–0.55 V. can be recorded.
CV 프로파일로부터, 본 발명에 따른 LDH NS/CF 전극의 산화 및 환원 스윕에서의 강한 피크가 관찰되었으며, 이는 전기 화학적 산화 환원 반응이 LDH NS/CF 전극의 전하 저장 과정에 관여함을 나타낼 수 있다. From the CV profile, strong peaks were observed in the oxidation and reduction sweeps of the LDH NS/CF electrode according to the present invention, which may indicate that the electrochemical redox reaction is involved in the charge storage process of the LDH NS/CF electrode.
또한, LDH-3h 전극은 베어(bare) CF 전극 및 상이한 HWT 시간에서 합성된 다른 LDH 전극에 비해 폐쇄된 CV 영역과 함께 비교적 우수한 산화 환원 특성 및 향상된 전류 반응을 나타낼 수 있다. In addition, the LDH-3h electrode can exhibit relatively good redox properties and improved current response with a closed CV region compared to the bare CF electrode and other LDH electrodes synthesized at different HWT times.
LDH-3h 전극의 고도화된 전기 화학적 반응은 주로 NS들 사이에서 계층적 연결 및 개방된 다공성 구조를 갖는 잘 정의된 NS에 기인할 수 있다.The advanced electrochemical reaction of the LDH-3h electrode can be mainly attributed to the well-defined NS with hierarchical connections and open porous structures between the NSs.
이들 2개의 나노-특징은 전기 화학 활성 부위를 실질적으로 증가시켜, 풍부한 산화 환원 반응을 수행하고, 전해질 이온이 끊임없이 침투하여 전체 활물질을 적시 게(wet) 할 수 있다.These two nano-features can substantially increase the electrochemically active sites, perform abundant redox reactions, and allow the electrolyte ions to constantly permeate to wet the entire active material.
또한, GCD 분석은 0-0.5V의 전압 범위 내에서 조사되어 2mA cm-2의 고정 전류 밀도에서 모든 전극의 용량 성능을 추정할 수 있다.In addition, GCD analysis can be investigated within the voltage range of 0-0.5V to estimate the capacitive performance of all electrodes at a fixed current density of 2mA cm -2 .
한편, LDV-4h 전극의 GCD 테스트는 CV 프로파일에서 0.4V에서 산화 피크의 종료로 인해 단지 0-0.4V의 전위 윈도우 내에서 측정될 수 있다. On the other hand, the GCD test of the LDV-4h electrode can be measured within a potential window of only 0-0.4V due to the termination of the oxidation peak at 0.4V in the CV profile.
0.4V를 초과하여 충전 과정을 연장하면 0.4V를 초과하는 충전 곡선의 포화가 발생할 수 있다. Extending the charging process beyond 0.4V may result in saturation of the charging curve above 0.4V.
도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 충방전 프로파일을 도시한 도면이다.8B is a diagram illustrating a charging/discharging profile according to an embodiment of the present invention.
도 8b를 참고하면, CV 프로파일과 일관되게, 획득된 충전 및 방전 프로파일의 비선형 형태는 지배적인 패러데이 반응의 특징을 반영합니다.Referring to Figure 8b, consistent with the CV profile, the non-linear shape of the obtained charge and discharge profiles reflects the dominant Faraday response characteristics.
구체적으로, LDH-3h 전극은 다른 전극에 비해 연장된 충전 및 방전 시간을 나타냈다.Specifically, the LDH-3h electrode showed extended charge and discharge times compared to other electrodes.
도 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 HWT 시간에 대한 용량 성능을 도시한 도면이다.8C is a diagram illustrating capacity performance for various HWT times according to an embodiment of the present invention.
도 8c를 참고하면, 그림 4(c)는 2 mA cm-2에서 수학식 (2)를 사용하여 추정된 다른 전극의 용량 성능을 나타낸다.Referring to Fig. 8c, Fig. 4(c) shows the capacitance performance of the other electrode estimated using Equation (2) at 2 mA cm -2 .
CF는 섬유 상에 거친 표면을 갖는 금속층을 가졌지만, 42.7
0.5 시간의 HWT 성장 시간 동안 제조된 LDH 전극은 CF 섬유로부터 작은 NS의 개시로 인해 베어 CF 기판보다 71.6
HWT 시간을 1, 2 및 3 시간으로 연장함에 따라, 대응하는 LDH 전극의 면적 용량 성능 또한 점진적으로 증가하였고, 수득된 값은 각각 74.4, 101.1 및 104.2
그러나, LDH-4h 전극은 감소된 용량 성능, 즉 LDH-3h 전극과 비교하여 94.7
따라서, 개선된 산화 환원 특성, 확장된 충전-방전 시간 및 LDH-3h 전극의 우수한 용량 성능은 개선된 전기 활성 부위, 신속한 전기 동역학 및 높은 전하 저장 특성에 기인한다. 얻어진 비교 전기 화학 특성에 기초하여, 전하 저장 거동이 우수한 LDH-3h 전극이 최적의 전극으로 간주되었다.Therefore, the improved redox properties, extended charge-discharge time and good capacitive performance of the LDH-3h electrode are attributed to the improved electroactive sites, rapid electrodynamics and high charge storage properties. Based on the obtained comparative electrochemical properties, the LDH-3h electrode with excellent charge storage behavior was considered as the optimal electrode.
가역성 및 속도 성능 특징을 모니터링하기 위해 최적화된 전극(LDH-3h)의 추가 전기 화학적 특성을 면밀히 조사하였다.Further electrochemical properties of the optimized electrode (LDH-3h) were scrutinized to monitor the reversibility and rate performance characteristics.
도 8d는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 스위프 속도에 대한 CV 프로파일을 도시한 도면이다.8D is a diagram illustrating CV profiles for various sweep speeds according to an embodiment of the present invention.
도 8d를 참고하면, 각각 10 내지 50 mV s-1의 다양한 스위프 속도(sweep rate)로 기록된 LDH-3H 전극의 CV 프로파일을 나타낸다. Referring to FIG. 8D , the CV profiles of the LDH-3H electrodes recorded at various sweep rates of 10 to 50 mV s −1 are shown.
산화 환원 피크는 흡수된 전해질 이온과 활성종 사이에서 발생된 인터칼레이션/디인터칼레이션 반응을 지정할 수 있다. Redox peaks can specify the intercalation/deintercalation reaction that occurs between the absorbed electrolyte ions and the active species.
또한, CV 프로파일로부터 스위프 속도가 증가함에 따라 산화 환원 피크 강도 및 각 프로파일의 둘러싸인 면적이 점차 향상되는 것을 확인할 수 있다. In addition, it can be seen from the CV profile that as the sweep speed increases, the redox peak intensity and the enclosed area of each profile gradually improve.
더 높은 스캔 속도로 기록된 CV 프로파일은 우수한 형상 일관성 및 큰 산화 환원 피크를 보이며, LDH-3h 전극의 우수한 가역성 및 높은 속도 성능을 확인할 수 있다. CV profiles recorded at higher scan rates show good shape consistency and large redox peaks, confirming the excellent reversibility and high rate performance of the LDH-3h electrode.
또한, LDH-3h 전극의 표면 제어 및 확산 제어 커패시턴스 기여는 전력 법칙 
여기서 b 값은 특정 스캔 속도에서 지배적인 반응 메커니즘의 유형을 결정할 수 있다. 예를 들어, b 값이 0.5인 경우, 확산 제어 커패시턴스(diffusion-controlled capacitance)가 우세하고, b 값이 1인 경우, 용량 제어 커패시턴스(capacitive-controlled capacitance)가 우세할 수 있다.Here, the value of b can determine the type of reaction mechanism that dominates at a particular scan rate. For example, when the value of b is 0.5, diffusion-controlled capacitance may be dominant, and when the value of b is 1, capacitive-controlled capacitance may be dominant.
도 8e는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화 및 환원 전류에 대한 b 값의 산출을 도시한 도면이다.8e is a diagram illustrating the calculation of b values for oxidation and reduction currents according to an embodiment of the present invention.
도 8e를 참고하면, 상기 전력 법칙의 b 값은 피크 전류(z) 대(versus) 스캔 속도(v) 사이에 그려진 선형 그래프의 기울기에서 추정될 수 있다.Referring to FIG. 8E , the b value of the power law may be estimated from the slope of a linear graph drawn between the peak current (z) versus the scan rate (v).
산화 및 환원 전류에 대한 b 값은 각각 0.68 및 0.67로 추정될 수 있으며, 이는 지배적인 확산 제어 커패시턴스를 나타낼 수 있다. The b values for the oxidation and reduction currents can be estimated to be 0.68 and 0.67, respectively, which may represent the dominant diffusion control capacitance.
일 실시예에서, 상술한 전력 법칙은 두 가지 커패시턴스 기여를 정량화하기 위해 하기 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다.In one embodiment, the above-described power law can be expressed as
여기서, ip는 측정된 전류, v는 전압, k1과 k2는 두 개의 매개 변수를 나타낸다. Here, i p is the measured current, v is the voltage, and k 1 and k 2 are two parameters.
도 8f는 본 발명의 일 실시예에 따른 매개 변수 k1 및 k2의 산출을 도시한 도면이다.8F is a diagram illustrating calculation of parameters k 1 and k 2 according to an embodiment of the present invention.
도 8f를 참고하면, 상기 <수학식 1>의 k1와 k2의 값은 도 8f의 시작 부분에 그려진 선형 곡선의 기울기로부터 계산될 수 있다. Referring to FIG. 8F , values of k 1 and k 2 in <
이 경우, 산화 및 환원 전류 값 모두의 선형 피팅 값이 0.99에 도달함에 따라, 확산 제어된 하이드록실 이온 인터칼레이션이 지배적임을 확인할 수 있다. In this case, as the linear fit values of both oxidation and reduction current values reach 0.99, it can be confirmed that diffusion-controlled hydroxyl ion intercalation is dominant.
도 8g는 본 발명의 일 실시예에 따른 용량 제어 및 확산 제어 전류 기여의 백분율을 도시한 도면이다.8G is a diagram illustrating the percentage of capacitive control and diffusion control current contribution in accordance with an embodiment of the present invention.
도 8g를 참고하면, LDH-3h 전극에서 얻은 용량 제어 및 확산 제어 전류 기여의 백분율을 확인할 수 있다. 10mV s-1의 초기 스캔 속도에서 확산 제어 전류 기여는 총 전류 기여에서 74.2%로 지배적일 수 있다.Referring to FIG. 8G , the percentage of capacitance control and diffusion control current contribution obtained from the LDH-3h electrode can be confirmed. At an initial scan rate of 10 mV s -1 , the diffusion control current contribution can dominate with 74.2% of the total current contribution.
스캔 속도가 50 mV s-1에 도달했을 때, LDH-3h 전극은 여전히 55.6%의 확산 제어 전류 기여를 유지할 수 있다. 한편, 표면 제어 전류 기여율은 스캔 속도가 증가함에 따라 점진적으로 증가하지만, 높은 스캔 속도에서도 44.4%로 제한될 수 있다.When the scan rate reached 50 mV s −1 , the LDH-3h electrode could still maintain a diffusion control current contribution of 55.6%. On the other hand, the surface control current contribution increases gradually as the scan rate increases, but can be limited to 44.4% even at high scan rates.
도 8h는 본 발명의 일 실시예에 따른 GCD 프로파일을 도시한 도면이다.8H is a diagram illustrating a GCD profile according to an embodiment of the present invention.
도 8h를 참고하면, LDH-3h 전극의 GCD 프로파일은 2 내지 30 mA cm-2의 상이한 전류 밀도에서 측정될 수 있다.Referring to FIG. 8h , the GCD profile of the LDH-3h electrode can be measured at different current densities of 2 to 30 mA cm −2 .
CV 결과에 따라 모든 GCD 프로파일은 비선형 충전 및 방전 곡선을 나타낼 수 있다. 높은 전류 밀도에서 비선형 형태가 여전히 관찰될 수 있으며, 빠른 전하 저장 특성을 나타낼 수 있다.Depending on the CV results, all GCD profiles can show non-linear charge and discharge curves. At high current densities, a nonlinear morphology can still be observed, which can exhibit fast charge storage properties.
도 8i는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 전류 밀도에 대한 면적 용량 값을 도시한 도면이다.8I is a diagram illustrating areal capacitance values for various current densities according to an embodiment of the present invention.
도 8i를 참고하면, 방전 시간으로부터, LDH-3h 전극의 면적 용량 값은 하기 <수학식 2> 및 결과 값은 그림 8i에 제시된 바와 같이 측정된 전류 밀도에 대해 표시될 수 있다. Referring to FIG. 8i , from the discharge time, the areal capacity value of the LDH-3h electrode can be expressed with respect to the measured current density as shown in
여기서, Ca는 면적 용량(Ah cm-2), 
초기 전류 밀도(2mA cm-2)에서, LDH-3h 전극은 104.3
용량 성능 외에도, 전극의 수명은 슈퍼커패터리의 실제 탐사에 필수적인 요소일 수 있다. In addition to capacitive performance, the lifetime of the electrode may be an essential factor in the practical exploration of supercapacitors.
도 8j는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 사이클링 테스트에 대한 안정성 평가 그래프를 도시한 도면이다.8J is a diagram illustrating a stability evaluation graph for various cycling tests according to an embodiment of the present invention.
도 8j를 참고하면, LDH-3h 전극에 대한 수명 테스트는 5000 사이클까지 5mA cm-2의 고정 전류 밀도에서 수행될 수 있다.Referring to FIG. 8J , the lifetime test for the LDH-3h electrode can be performed at a fixed current density of 5 mA cm −2 up to 5000 cycles.
LDH-3h 전극은 페이딩 없이 사이클링 테스트가 끝날 때까지 탁월한 안정성을 나타냄을 확인할 수 있다. LDH-3h 전극은 5000 GCD 사이클을 반복 한 후에도 124.5%의 우수한 용량 유지력을 나타낼 수 있다. It can be seen that the LDH-3h electrode shows excellent stability until the end of the cycling test without fading. The LDH-3h electrode can exhibit excellent capacity retention of 124.5% even after repeating 5000 GCD cycles.
또한, 전극은 또한 수명 시험 종료 시 99.9%의 높은 쿨롱 효율을 나타내어 LDH-3h 전극의 우수한 전기 화학적 가역성을 확인할 수 있다. NS의 형태학적 지속성을 조사하기 위해 수명 시험 후 LDH-3h 전극에 대해 FE-SEM 분석을 추가로 수행할 수 있다.In addition, the electrode also showed a high coulombic efficiency of 99.9% at the end of the life test, confirming the excellent electrochemical reversibility of the LDH-3h electrode. FE-SEM analysis can be further performed on the LDH-3h electrode after the lifetime test to investigate the morphological persistence of the NS.
그림 8j의 (i)를 참고하면, 저배율 FE-SEM 이미지는 CF 섬유에 LDH NS가 존재함을 나타내며, CF 섬유와 NS의 강한 접착을 나타낼 수 있다. 확대된 FE-SEM 이미지로부터, 개방 기공 구조와 함께 NS는 물리적 구조를 악화시키지 않음을 확인할 수 있으며, 이는 LDH-3h 전극의 강력한 구조적 안정성을 나타낼 수 있다. Referring to (i) of Fig. 8j, the low-magnification FE-SEM image shows the presence of LDH NS in the CF fiber, which can indicate strong adhesion between the CF fiber and the NS. From the magnified FE-SEM image, it can be confirmed that NS with the open pore structure does not deteriorate the physical structure, which may indicate the strong structural stability of the LDH-3h electrode.
또한, 수명 시험 전후의 LDH-3h 전극에 대해 EIS 분석을 수행하여 전하 수송 특성뿐만 아니라 전기 화학적 전도도를 검사할 수 있다. In addition, EIS analysis can be performed on the LDH-3h electrode before and after the lifetime test to examine the electrochemical conductivity as well as the charge transport properties.
그림 8j의 (ii)를 참고하면, 0.01-100kHz의 주파수 범위 내에서 5mV의 진폭으로 수명 테스트 전후에 얻은 LDH-3h 전극의 두 개의 나이퀴스트(Nyquist) 플롯을 확인할 수 있다.Referring to (ii) of Figure 8j, two Nyquist plots of the LDH-3h electrode obtained before and after the lifetime test with an amplitude of 5 mV within the frequency range of 0.01-100 kHz can be confirmed.
나이퀴스트 플롯으로부터, 수명 시험을 수행하기 전후의 LDH-3h 전극에 대한 등가 직렬 저항(equivalent series resistance, RESR)은 거의 동일, 즉 1.85Q cm-2인 것으로 추정될 수 있다.From the Nyquist plot, it can be estimated that the equivalent series resistance (RESR) for the LDH-3h electrode before and after performing the lifetime test is almost the same, that is, 1.85Q cm -2 .
또한, 사이클 전후 테스트(0.95Q cm-2) 모두에 대해 전하 전달 저항(Rct)이 거의 유사한 것으로 관찰될 수 있다. 얻어진 낮은 Rs 및 Rct 값은 산화 환원 반응을 수행하는 동안 LDH 활성 물질의 우수한 전기 화학적 전도성 및 빠른 전하 이동 공정이 제시될 수 있다. Also, it can be observed that the charge transfer resistance (R ct ) is almost similar for both the before and after cycle tests (0.95Q cm −2 ). The obtained low R s and R ct values may suggest good electrochemical conductivity and fast charge transfer process of the LDH active material during redox reaction.
LDH-3h 전극의 확장된 산화 환원 화학, 높은 면적 용량 및 수명을 포함하는 결과적인 우수한 전기 화학적 성능은 하기 구조적 및 활성 물질 특징에 기인할 수 있다.The resulting good electrochemical performance including extended redox chemistry, high areal capacity and lifetime of the LDH-3h electrode can be attributed to the following structural and active material characteristics.
첫째로, 높은 전기 전도성 및 우수한 유연성을 갖는 금속성 층상 CF는 유연하고 착용 가능하며 경량인 에너지 저장 장치의 설계에서 유망한 집전체로서 기능할 수 있다.First, metallic layered CFs with high electrical conductivity and good flexibility can function as promising current collectors in the design of flexible, wearable and lightweight energy storage devices.
둘째로, 도입된 신규하고 경제적으로 실행 가능한 HWT 방법은 금속성 층상 CF 표면 상에 LDH NS의 제조에서 화학 물질을 완전히 제거할 수 있다. 더욱이, 이 많은 접근 방식은 HWT 방법의 친환경 특성을 입증하는 고에너지 시스템 또는 대규모 장비를 필요로 하지 않는다.Second, the introduced novel and economically viable HWT method can completely eliminate chemicals in the preparation of LDH NS on metallic layered CF surfaces. Moreover, many of these approaches do not require high-energy systems or large-scale equipment demonstrating the green properties of the HWT method.
셋째로, CF로부터 현장 유래 Ni-Cu-Co LDH NS는 계층적으로 연결된 NS로 인해 신속한 전하 수송을 제공하여, 우수한 전기 화학적 전도성을 초래할 수 있다.Third, in situ Ni-Cu-Co LDH NSs from CFs can provide rapid charge transport due to the hierarchically linked NSs, resulting in excellent electrochemical conductivity.
넷째, LDH 물질, 즉, Ni, Cu 및 Co에 존재하는 전기 화학적 활성 요소는 알칼리성 전해질에서 산화 환원 공정을 증가시켜 용량 성능을 향상시킬 수 있다.Fourth, electrochemically active elements present in LDH materials, namely Ni, Cu and Co, can enhance the capacity performance by increasing redox processes in alkaline electrolytes.
도 8k는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속층 기반 수산화물 나노시트를 도시한 도면이다.8K is a view showing a metal layer-based hydroxide nanosheet according to an embodiment of the present invention.
도 8k를 참고하면, NS 중에서 유리하게 생성된 개방 다공성 공극은 전해질 이온의 용이한 확산을 촉진할 뿐만 아니라 전체 활물질을 자극하기 위한 전해질 저장소로서 작용할 수 있다. Referring to FIG. 8K , the open porous pores advantageously created in the NS can not only promote the easy diffusion of electrolyte ions but also act as an electrolyte reservoir to stimulate the entire active material.
따라서, 배터리-모방 전하 저장 공정(battery-mimic charge storage process)을 갖는 LDH-3h 전극은 슈퍼커패터리의 양극으로 사용될 수 있다. Therefore, the LDH-3h electrode with a battery-mimic charge storage process can be used as the anode of a supercapacitor.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패터리의 음극부의 제조 방법을 도시한 도면이다.9 is a diagram illustrating a method of manufacturing a cathode part of a supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
도 9를 참고하면, S901 단계는, 활성탄(activated carbon, AC) 기반 슬러리를 형성하는 단계이다. 일 실시예에서, S901 단계 이전에, CC를 HNO3 산(acid)으로 12시간 동안 산 처리(acid-treated)하고 DIW로 세척할 수 있다. 이어서, CC를 오븐에서 건조시킬 수 있다.Referring to FIG. 9 , step S901 is a step of forming an activated carbon (AC)-based slurry. In one embodiment, prior to step S901, CC may be acid-treated with HNO 3 acid for 12 hours and washed with DIW. The CC can then be dried in an oven.
S903 단계는, 카본 직물(carbon cloth, CC) 상에 활성탄 기반 슬러리를 로딩하는 단계이다. 일 실시예에서, S903 단계 이전에, AC, 슈퍼 P 카본 블랙(super P carbon black) 및 PVdF를 80:10:10의 중량비로 분쇄하여 음극 재료를 제조할 수 있다. Step S903 is a step of loading the activated carbon-based slurry on a carbon cloth (CC). In one embodiment, before step S903, AC, super P carbon black and PVdF may be pulverized in a weight ratio of 80:10:10 to prepare an anode material.
그 후, 음극 재료에 일정 용량(ml)의 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone) 용매를 첨가하여 점성 슬러리를 제조할 수 있다.Thereafter, a viscous slurry may be prepared by adding a predetermined volume (ml) of NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) solvent to the negative electrode material.
S905 단계는, 활성탄 기반 슬러리가 로딩된 직물을 가열하여 건조시켜 카본 직물 상에 활성탄층을 형성하는 단계이다. 일 실시예에서, 상기 슬러리를 브러시를 사용하여 건조된 CC 상에 로딩하고, 80℃에서 12시간 동안 오븐에서 건조시킬 수 있다. Step S905 is a step of heating and drying the fabric loaded with the activated carbon-based slurry to form an activated carbon layer on the carbon fabric. In one embodiment, the slurry may be loaded onto a dried CC using a brush and dried in an oven at 80° C. for 12 hours.
건조 후, AC를 CC에 강력하게 접착시키기 위해 압착기로 AC/CC 전극을 3MPa까지 천천히 가압할 수 있다. After drying, the AC/CC electrode can be pressed slowly to 3 MPa with a presser to strongly bond the AC to the CC.
일 실시예에서, 도 9의 방법에 의해 제조된 활성탄과 활성탄 상에 형성된 카본 직물은 음극부로 형성될 수 있다. In one embodiment, the activated carbon prepared by the method of FIG. 9 and the carbon fabric formed on the activated carbon may be formed as a negative electrode part.
일 실시예에서, 활성탄과 활성탄 상에 형성된 카본 직물로 구성된 음극부는 ‘AC/CC’, ‘AC/CC 전극’ 또는 이와 동등한 기술적 의미를 갖는 용어로 지칭될 수 있다. In one embodiment, the negative electrode part composed of activated carbon and a carbon fabric formed on the activated carbon may be referred to as 'AC/CC', 'AC/CC electrode', or a term having an equivalent technical meaning.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른 AC/CC 전극의 CV 프로파일 그래프를 도시한 도면이다. 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 AC/CC 전극의 GCD 프로파일 그래프를 도시한 도면이다. 도 10c는 본 발명의 일 실시예에 따른 AC/CC 전극의 면적 커패시턴스 성능 그래프를 도시한 도면이다.10A is a diagram illustrating a CV profile graph of an AC/CC electrode according to an embodiment of the present invention. 10B is a diagram illustrating a GCD profile graph of an AC/CC electrode according to an embodiment of the present invention. 10C is a diagram illustrating an area capacitance performance graph of an AC/CC electrode according to an embodiment of the present invention.
도 10a를 참고하면, AC/CC 전극의 전기화학적 특성은 1M KOH 전해질의 3-전극 시스템에서 측정될 수 있다.Referring to FIG. 10A , the electrochemical properties of AC/CC electrodes can be measured in a 3-electrode system of 1M KOH electrolyte.
5-10mV s-1과 다른 스캔 속도로 측정된 AC/CC 전극의 CV 프로파일을 확인할 수 있다. You can check the CV profile of the AC/CC electrode measured at a scan rate different from 5-10mV s -1 .
이 경우, 모든 CV 프로파일이 산화 환원 피크의 존재 없이 의사-사각형 모양(pseudo-rectangular shape)을 나타내어 EDLC 형 형태(EDLC-type behavior)를 나타내는 것을 확인할 수 있다. In this case, it can be confirmed that all CV profiles exhibit a pseudo-rectangular shape without the presence of redox peaks to indicate EDLC-type behavior.
높은 스캔 속도에서도, AC/CC 전극은 CV 형태를 거의 유지하여 AC 재료의 우수한 전기 화학적 가역성을 나타낼 수 있다.Even at a high scan rate, the AC/CC electrode can almost maintain the CV shape, indicating good electrochemical reversibility of the AC material.
도 10b를 참고하면, GCD 곡선은 EDLC 형 형태의 특성인 거의 선형적인 충전 및 방전 곡선을 확인할 수 있으며, 이 결과는 CV 결과와 일치함을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 10B , it can be seen that the GCD curve shows an almost linear charge and discharge curve, which is characteristic of the EDLC type, and this result is consistent with the CV result.
도 10c를 참고하면, 상기 <수학식 2>에 따르면, 방전 시간을 기준으로 AC/CC 전극의 면적 커패시턴스 성능(areal capacitance performance)을 평가하고 평가된 값을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 10C , according to
2mA cm-2에서, AC/CC 전극은 최대 면적 커패시턴스 값 678mF cm-2를 전달했으며, 30mA cm-2의 높은 전류 밀도에서 계산된 483mF cm-2를 유지할 수 있다. At 2 mA cm -2 , the AC/CC electrode delivered a maximum areal capacitance value of 678 mF cm -2 , and can maintain the calculated 483 mF cm -2 at a high current density of 30 mA cm -2 .
수득된 상당한 전기 화학적 특성으로부터, AC는 슈퍼커패터리의 구성을 위한 음극 물질로서 사용될 수 있다.From the significant electrochemical properties obtained, AC can be used as a cathode material for the construction of supercapacitors.
도 11a는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패터리의 조립을 도시한 도면이다. 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패터리의 기능적 구성을 도시한 도면이다.11A is a view showing the assembly of a supercapacitor according to an embodiment of the present invention. 11B is a diagram illustrating a functional configuration of a supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
도 11a 및 11b를 참고하면, 슈퍼커패터리(1100)는 양극부(1110)와 음극부(1120)를 포함할 수 있다. 11A and 11B , the
양극부(1110)는 전도성 섬유(1112) 및 전도성 섬유(1112) 상에 형성된 금속층 기반 수산화물 나노시트(1114)를 포함할 수 있다. The
음극부(1120)는 카본 직물(1124) 및 카본 직물(1124) 상에 형성된 활성탄층(1122)을 포함할 수 있다. The
슈퍼커패터리의 제조 방법에 있어서, 전도성 섬유(1112)와 전도성 섬유(1112) 상에 형성된 금속층 기반 수산화물 나노시트(1114)를 양극부(1110)로 형성할 수 있다.In the method of manufacturing a supercapacitor, the
또한, 카본 직물(1124)과 카본 직물(1124) 상에 형성된 활성탄층(1122)을 음극부로 형성할 수 있다. In addition, the
일 실시예에서, 양극부(1110)와 음극부(1120)를 결합할 수 있다. 이 경우, 양극부(1110)의 금속층 기반 수산화물 나노시트(1114)와 음극부(1120)의 활성탄층(1122)이 서로 접하도록 결합될 수 있다. In one embodiment, the
일 실시예에서, 양극부(1110)와 음극부(1120) 사이에 스페이서(spacer)(1130)가 추가될 수 있다. In an embodiment, a
이 경우, 스페이서의 일면에 양극부(1110)의 금속층 기반 수산화물 나노시트(1114)가 결합되고, 스페이서의 타면에 음극부(1120)의 활성탄층(1122)이 결합될 수 있다. In this case, the metal layer-based
일 실시예에서, 처음에는 LDH-3h 기반 배터리 타입 전극과 AC/CC 기반 음극을 1M KOH 전해질에 약 12시간 동안 담그고, 단락(short circuit)을 억제하기 위해 두 전극 사이에 한 장의 스페이서, 즉, 여과지(filter paper)로 끼워 넣을 수 있다. In one embodiment, initially the LDH-3h based battery type electrode and the AC/CC based negative electrode are immersed in 1M KOH electrolyte for about 12 hours, and a sheet of spacer between the two electrodes, i.e., to suppress short circuit, It can be embedded with filter paper.
그런 다음, 슈퍼커패터리(1000)의 전체 시스템에 이물질이나 불순물이 들어가지 않도록 슈퍼커패터리(1000)를 필름, 즉, 하우징으로 패킹(pack)할 수 있다. Then, the
제조된 물질의 전기 화학적 반응을 수성 알칼리 전해질에서 조사할 수 있다. 양극부(1110) 및 음극부(1120)의 각각의 특징을 이용하여, 슈퍼커패터리(1000)는 높은 면적 커패시턴스, 최대 에너지 및 전력 밀도와 같은 우수한 전기 화학적 특성을 나타낼 수 있다.The electrochemical reaction of the prepared material can be investigated in an aqueous alkaline electrolyte. By using the respective characteristics of the
일 실시예에서, 본 발명에 따른 2개의 유연한 슈퍼커패터리는 직렬 연결로 연결되어 에너지 저장 모듈 (energy storage module (ESM))을 형성할 수 있다. In one embodiment, two flexible supercapacitors according to the present invention may be connected in series to form an energy storage module (ESM).
도 11c는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패터리의 CV 프로파일 그래프를 도시한 도면이다.11C is a diagram illustrating a CV profile graph of a supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
도 11c를 참고하면, LDH-3h 및 AC/CC 전극의 CV 프로파일을 각각의 전압 윈도우에서 10 mV/s의 일정한 스위프 속도로 기록한 것을 나타낼 수 있다. Referring to FIG. 11C , it can be seen that the CV profiles of the LDH-3h and AC/CC electrodes were recorded at a constant sweep rate of 10 mV/s in each voltage window.
AC/CC 전극의 EDLC 동작은 -1.0-0V의 전압 윈도우에서 관찰되었으며, LDH-3h 전극의 배터리 유사 반응은 0에서 0.55V를 확인할 수 있다. The EDLC operation of the AC/CC electrode was observed in a voltage window of -1.0-0V, and the battery-like response of the LDH-3h electrode was 0 to 0.55V.
따라서, 슈퍼커패터리의 최적 전위 윈도우(potential window)는 -1.55V일 수 있다. 이를 검증하기 위해, 슈퍼커패터리의 CV 및 GCD 테스트는 다양한 전위 윈도우에서 기록될 수 있다.Accordingly, the optimal potential window of the supercapacitor may be -1.55V. To verify this, the CV and GCD tests of the supercapacitor can be recorded at various potential windows.
도 11d는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 전위 윈도우에 대한 CV 프로파일 그래프를 도시한 도면이다. 도 11e는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 전위 윈도우에 대한 GCD 프로파일 그래프를 도시한 도면이다.11D is a diagram illustrating a CV profile graph for various potential windows according to an embodiment of the present invention. 11E is a diagram illustrating a GCD profile graph for various potential windows according to an embodiment of the present invention.
도 11d 및 11e를 참고하면, 고정 스위프 속도 및 전류 밀도에서 0-0.8V~0-1.65V의 전위 윈도우 내에서 측정된 조립된 슈퍼커패터리의 CV 및 GCD 프로파일을 확인할 수 있다. Referring to FIGS. 11D and 11E , the CV and GCD profiles of the assembled supercapacitors measured within a potential window of 0-0.8V to 0-1.65V at a fixed sweep speed and current density can be confirmed.
이들 수치로부터, 전위 윈도우가 1.55V 이상으로 확장되었을 때 슈퍼커패터리가 CV 및 GCD 응답에서 약간의 편차를 나타냈다는 것을 알 수 있다.From these figures, it can be seen that the supercapacitor exhibited slight deviations in CV and GCD responses when the potential window was extended beyond 1.55V.
따라서, 슈퍼커패터리의 최적 작동 전위 윈도우는 0-1.55V로 측정되었고, 동일한 전위에서 추가의 전기 화학적 특성이 검사될 수 있다.Therefore, the optimal operating potential window of the supercapacitor was measured to be 0-1.55V, and further electrochemical properties can be examined at the same potential.
도 11f는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 스캔 속도에 대한 CV 프로파일 그래프를 도시한 도면이다.11F is a diagram illustrating a CV profile graph for various scan rates according to an embodiment of the present invention.
도 11f를 참고하면, 20에서 100mV s-1의 서로 다른 스캔 속도로 기록된 슈퍼커패터리의 CV 곡선을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 11f , the CV curve of the supercapacitor recorded at different scan rates from 20 to 100 mV s −1 can be confirmed.
스캔 속도가 증가함에 따라, 산화 환원 피크 강도 및 CV 프로파일의 둘러싸인 영역은 또한 피크 위치의 약간의 이동으로 점진적으로 증가함을 확인할 수 있다.As the scan rate increases, it can be seen that the redox peak intensity and the enclosed region of the CV profile also gradually increase with a slight shift of the peak position.
높은 스캔 속도(100mV s-1)로 측정된 CV 곡선은 형상을 잘 유지함으로써 슈퍼커패터리의 우수한 가역성을 확인할 수 있다. 슈퍼커패터리의 GCD 플래토(plateaus)는 2 내지 25mA cm-2의 다양한 전류 밀도에서 속도 능력을 해독하기 위해 측정될 수 있다.The CV curve measured at a high scan rate (100mV s −1 ) can confirm the excellent reversibility of the supercapacitor by maintaining its shape well. The GCD plateau of the supercapacitor can be measured to decipher the rate capability at various current densities from 2 to 25 mA cm -2 .
도 11g는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 스캔 속도에 대한 충전 및 방전 그래프를 도시한 도면이다. 도 11h는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 전류 밀도에 대한 면적 커패시턴스 성능 그래프를 도시한 도면이다.11G is a diagram illustrating charging and discharging graphs for various scan rates according to an embodiment of the present invention. 11H is a diagram illustrating an areal capacitance performance graph for various current densities according to an embodiment of the present invention.
도 11g를 참고하면, 슈퍼커패터리는 비선형 충전 및 방전 곡선을 나타내었고, 이는 CV 결과와 잘 매칭될 수 있다.Referring to FIG. 11G , the supercapacitor showed a non-linear charge and discharge curve, which can be well matched with the CV result.
도 11h를 참고하면, 슈퍼커패터리의 면적 커패시턴스 성능은 하기 <수학식 3>을 사용하여 추정되었고, 얻어진 값은 다양한 전류 밀도를 확인할 수 있다. Referring to FIG. 11H , the areal capacitance performance of the supercapacitor was estimated using
여기서 CAC는 면적 용량(F cm-2), 
양극 및 음극 물질의 장점을 이용하여, 슈퍼커패터리는 2mA cm-2의 초기 전류 밀도에서 232mF cm-2의 최대 면적 커패시턴스를 전달할 수 있다.Taking advantage of the positive and negative electrode materials, the supercapacitor can deliver a maximum areal capacitance of 232 mF cm -2 at an initial current density of 2 mA cm -2.
전류 밀도가 거의 12(25mA cm-2)만큼 증가했을 때, 슈퍼커패터리는 여전히 커패시턴스 유지율이 92.5%인 214.6mF cm-2를 유지하여 장치의 뛰어난 가역성과 우수한 속도 성능을 나타낼 수 있다.When the current density is increased by almost 12 (25mA cm -2 ), the supercapacitor still maintains 214.6 mF cm -2 with a capacitance retention of 92.5%, which can indicate the excellent reversibility and good speed performance of the device.
도 11i는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 및 전력 밀도 그래프를 도시한 도면이다.11I is a diagram illustrating an energy and power density graph according to an embodiment of the present invention.
도 11i를 참고하면, 슈퍼커패터리의 에너지 및 전력 밀도 값은 각각 라곤(Ragone) 다이어그램에 표시된 것과 같이 하기 <수학식 4>와 <수학식 5>를 사용하여 계산될 수 있다. Referring to FIG. 11I , the energy and power density values of the supercapacitor may be calculated using the following <
여기서, E는 면적 에너지 밀도(Wh cm-2), 
LDH NS-3h 전극을 에너지 공급원으로 사용하고 AC/CC 전극을 전원 공급원으로 사용하여, 슈퍼커패터리는 1.51mW cm-2의 전력 밀도에서 0.0734mWh cm-2의 최대 면적 에너지 밀도를 전달할 수 있다.Using the LDH NS-3h electrode as the energy source and the AC/CC electrode as the power source, the supercapacitor can deliver a maximum areal energy density of 0.0734 mWh cm -2 at a power density of 1.51 mW cm -2 .
또한, 슈퍼커패터리는 15mW cm-2의 고출력 밀도에서도 여전히 0.042mW cm-2를 나타낼 수 있다.In addition, the super-capacitor battery can still represent a 0.042mW cm -2 in the high power density of 15mW cm -2.
도 11j는 본 발명의 일 실시예에 따른 수명 테스트 그래프를 도시한 도면이다.11J is a diagram illustrating a life test graph according to an embodiment of the present invention.
도 11j를 참고하면, 수명 테스트를 모니터링하기 위해, 7mA cm-2의 고정 전류 밀도에서 끊임없는 충전 및 방전 프로세스를 통해 슈퍼커패터리를 5000 배까지 순환시킬 수 있다. Referring to FIG. 11J , in order to monitor the lifetime test, the supercapacitor can be cycled up to 5000 times through a continuous charging and discharging process at a fixed current density of 7mA cm -2 .
수명 테스트 후, 슈퍼커패터리는 여전히 초기 커패시턴스의 93%를 유지했으며 99.1%의 뛰어난 쿨롱 효율을 나타낸다. After life testing, the supercapacitor still maintained 93% of its initial capacitance and exhibits excellent coulombic efficiency of 99.1%.
EIS 분석은 또한 전기 화학 전도도 및 표면 전기 동력학을 면밀히 조사하기 위해 수명 시험 전후의 슈퍼커패터리에 대해 수행될 수 있다.EIS analysis can also be performed on supercapacitors before and after lifetime testing to closely examine their electrochemical conductivity and surface electrodynamics.
도 11k는 본 발명의 일 실시예에 따른 나이퀴스트 그래프를 도시한 도면이다.11K is a diagram illustrating a Nyquist graph according to an embodiment of the present invention.
도 11k를 참고하면, 수명 시험 전후에 기록된 나이퀴스트 플롯은 두 개의 공통된 특성, 즉 고주파 및 저주파 섹션에서 각각 거의 반원 모양과 기울어 진 선을 나타낸다.Referring to FIG. 11K , the Nyquist plots recorded before and after the lifetime test exhibit two common characteristics, namely, an almost semicircular shape and a slanted line in the high and low frequency sections, respectively.
수명 시험 전후의 Resr 값은 각각 -3.34 및 -3.42Q cm-2인 것으로 분석될 수 있다. 한편, Rct 값은 수명 시험 전후에 각각 ~ 2.85 및 -2.86Q cm-2로 분석될 수 있다. The Re esr values before and after the life test can be analyzed as -3.34 and -3.42Q cm -2, respectively. On the other hand, the R ct value can be analyzed as ~2.85 and -2.86Q cm -2 before and after the life test, respectively.
사이클링 시험 전후에 얻어진 거의 유사한 Rct 값은 제조된 슈퍼커패터리에서 우수한 전기 화학적 전도성 및 더 빠른 전하 수송을 나타낼 수 있다. Almost similar R ct values obtained before and after the cycling test may indicate superior electrochemical conductivity and faster charge transport in the fabricated supercapacitors.
따라서, 유연한 형태를 갖는 집전체로서 전도성 직물/패브릭을 사용하는 것은 그러한 구성 요소의 설계에 적합할 수 있다.Therefore, using a conductive fabric/fabric as a current collector with a flexible shape may be suitable for the design of such a component.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패터리의 적용을 도시한 도면이다.12 is a diagram illustrating application of a supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
도 12를 참고하면, 슈퍼커패터리의 적용을 확인할 수 있다. 굽힘 조건(180
슈퍼커패터리의 실질적인 타당성을 입증하기 위해, 에너지 저장 모듈(energy storage module, ESM)은 두 개의 슈퍼커패터리를 직렬로 연결함으로써 구성될 수 있다. To demonstrate the practical feasibility of supercapacitors, an energy storage module (ESM) can be constructed by connecting two supercapacitors in series.
한편, 자연적으로 풍부하고 친환경 에너지 자원과 같은 풍력, 조력, 수력 및 태양 에너지로부터 에너지를 저장하는 것은 종래의 화석 연료에 대한 의존을 감소시키기 위해 관심이 증가하고 있다.On the other hand, storing energy from wind, tidal, hydro and solar energy, such as naturally abundant and environmentally friendly energy resources, is of increasing interest to reduce dependence on conventional fossil fuels.
태양 에너지는 깨끗하고 안전하며 재생 가능한 에너지를 제공하며, 태양 에너지는 다른 유형의 재생 에너지에 비해 본질적으로보다 균일하게 분포될 수 있다.Solar energy provides clean, safe and renewable energy, and solar energy can be distributed more evenly in nature compared to other types of renewable energy.
또한 낮에는 사무실로 걸어가기, 지면에서 놀기, 부지에서 일하기, 현장에서 농사짓기 등과 같이 낮/밤에 외출 장소로 나가는 것이 일반적이다. 또한, 상기 작업을 수행하는 동안에도 태양 에너지를 저장할 수 있다. Also, it is common to go out during the day/night, such as walking to the office during the day, playing on the ground, working on the site, or farming in the field. It is also possible to store solar energy while performing the above operation.
따라서, 플렉서블 태양 전지 패널과 함께 제공되는 본 발명에 따른 슈퍼커패터리 기반 충전 저장 스테이션은 모자의 상부에 설치될 수 있다. Thus, the supercapacitor-based charge storage station according to the present invention provided with a flexible solar panel can be installed on top of the hat.
또한, ESM의 양극 및 음극 터미널을 플렉서블 태양 전지 패널의 해당 단자에 연결할 수 있다. 충전 후, 디지털시계에 연결하여 ESM의 기능을 조사할 수 있다.Also, the positive and negative terminals of the ESM can be connected to the corresponding terminals of the flexible solar panel. After charging, the function of the ESM can be investigated by connecting it to the digital watch.
저장된 에너지로, ESM은 구부러진 상태에서도 디지털시계에 전원을 공급할 수 있다.With the stored energy, the ESM can power the digital watch even when it is bent.
또한, ESM은 녹색 LED 및 청색 LED 토치를 점등시키고, 최대 회전 속도로 모터 팬에 전원을 공급할 수 있다.The ESM can also light a green LED and a blue LED torch and power a motor fan at full rotational speed.
따라서, 본 발명에 따른 합리적이고 비용 효율적이며 친환경적인 배터리 유형 재료의 합리적인 설계로 제안된 독창적이고 비용 효율적이며 환경 친화적인 HWT 방법은 혁신적이고 단순하며 고효율 에너지 저장 장치를 위한 웨어러블 패브릭 기반 전극을 제공할 수 있다. Therefore, the novel, cost-effective and environmentally friendly HWT method proposed with a rational design of a reasonable, cost-effective and environmentally friendly battery type material according to the present invention will provide a wearable fabric-based electrode for an innovative, simple and high-efficiency energy storage device. can
즉, 본 발명에 따르면, 플렉서블 CF 기판 상에 계층적 및 산화 환원 화학 활성 Ni-Cu-Co LDH NS를 제조하기 위해 신규하고 비용 효율적이며 환경 친화적인 HWT 방법이 사용될 수 있다. That is, according to the present invention, a novel, cost-effective and environmentally friendly HWT method can be used to fabricate hierarchical and redox chemically active Ni-Cu-Co LDH NSs on flexible CF substrates.
LDH NS의 전체 합성 과정은 완전히 친환경적이었고 농지에서 식물을 재배하는 것과 유사할 수 있다. Ni-Cu-Co LDH NS는 RRR 공정을 준수하여 DIW의 가수분해 동안 금속성 층상 CF 섬유의 표면으로부터 현장(in-situ) 생성될 수 있다.The entire synthesis process of LDH NS was completely eco-friendly and could be similar to growing plants on farmland. Ni-Cu-Co LDH NS can be generated in situ from the surface of metallic layered CF fibers during hydrolysis of DIW in compliance with the RRR process.
특히, 3시간 동안 95
결과적으로, LDH-3h 전극은 높은 면적 용량(104.3
우수한 전하 저장 특성을 고려하여, 슈퍼커패터리는 전해질로서 1M KOH에서 각각 양극 및 음극으로서 LDH-3h 및 AC/CC를 사용하여 조립될 수 있다. Considering the excellent charge storage properties, supercapacitors can be assembled using LDH-3h and AC/CC as anode and cathode, respectively, in 1M KOH as electrolyte.
조립된 슈퍼커패터리는 또한 우수한 에너지 저장 특성을 나타낼 수 있으며, 1.51mW cm-2의 전력 밀도에서, 슈퍼커패터리는 0.0734mWh cm-2의 최대 에너지 밀도를 나타내고, 15mW cm-2의 높은 전력 밀도에서도 여전히 0.042mWh/cm2를 유지할 수 있다.The super capacitor battery assembly is also excellent, and can represent the energy storage characteristics, at a power density of 1.51mW cm -2, a super capacitor battery shows a maximum energy density of 0.0734mWh cm -2, high power density of 15mW cm -2 can still maintain 0.042mWh/cm 2 .
또한, 슈퍼커패터리는 5000 사이클 후 높은 쿨롱 효율로 93%의 인상적인 사이클링 안정성을 나타낼 수 있다. In addition, the supercapacitor can exhibit impressive cycling stability of 93% with high coulombic efficiency after 5000 cycles.
전기 에너지의 관점에서 태양 에너지를 저장한 후, 직렬로 연결된 슈퍼커패터리는 다양한 전자 부품에 잠재적으로 통전/전원을 공급할 수 있다. After storing solar energy in terms of electrical energy, supercapacitors connected in series can potentially energize/power various electronic components.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 통상의 기술자라면 본 발명의 본질적인 특성이 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical spirit of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention.
따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예들에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Accordingly, the embodiments disclosed in the present specification are not intended to limit the technical spirit of the present invention, but to illustrate, and the scope of the present invention is not limited by these embodiments.
본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.The protection scope of the present invention should be interpreted by the claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be understood to be included in the scope of the present invention.
110: 전도성 섬유
120: 금속층
130: 금속층 기반 수산화물 나노시트
1100: 슈퍼커패터리
1110: 양극부
1112: 전도성 섬유
1114: 금속층 기반 수산화물 나노시트
1120: 음극부
1122: 카본 직물
1124: 활성탄층
1130: 스페이서110: conductive fiber
120: metal layer
130: metal layer-based hydroxide nanosheet
1100: super capacitor
1110: positive electrode
1112: conductive fiber
1114: metal layer-based hydroxide nanosheet
1120: cathode
1122: carbon fabric
1124: activated carbon layer
1130: spacer
Claims (8)
(b) 상기 탈이온수에 함침된 상기 금속층이 형성된 전도성 섬유를 가열하여 상기 전도성 섬유 상에 상기 금속층 기반 수산화물 나노시트를 형성하는 단계;
를 포함하는,
슈퍼커패터리 제조 방법.
(a) impregnating a conductive fiber having a metal layer on its surface in de-ionized water; and
(b) heating the conductive fiber with the metal layer impregnated in the deionized water to form the metal layer-based hydroxide nanosheet on the conductive fiber;
containing,
Supercapacitor manufacturing method.
상기 (b) 단계는,
상기 탈이온수에 함침된 상기 금속층이 형성된 전도성 섬유를 1시간 내지 3시간 동안 가열하여 상기 전도성 섬유 상에 상기 금속층 기반 수산화물 나노시트를 형성하는 단계;
를 포함하는,
슈퍼커패터리 제조 방법.
According to claim 1,
Step (b) is,
forming the metal layer-based hydroxide nanosheet on the conductive fiber by heating the conductive fiber with the metal layer impregnated in the deionized water for 1 hour to 3 hours;
containing,
Supercapacitor manufacturing method.
상기 (b) 단계는,
상기 탈이온수에 함침된 상기 금속층이 형성된 전도성 섬유를 60
를 포함하는,
슈퍼커패터리 제조 방법.
According to claim 1,
Step (b) is,
60 the conductive fiber having the metal layer impregnated in the deionized water
containing,
Supercapacitor manufacturing method.
상기 전도성 섬유는 수평 및 수직 다발로 형성된 직물 패턴으로 구성된,
슈퍼커패터리 제조 방법.
According to claim 1,
The conductive fiber is composed of a fabric pattern formed in horizontal and vertical bundles,
Supercapacitor manufacturing method.
상기 금속층은, 니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co) 및 탄소(C) 중 적어도 하나를 포함하는,
슈퍼커패터리 제조 방법.
According to claim 1,
The metal layer includes at least one of nickel (Ni), copper (Cu), cobalt (Co) and carbon (C),
Supercapacitor manufacturing method.
(c) 활성탄(activated carbon) 기반 슬러리를 형성하는 단계;
(d) 카본 직물(carbon cloth) 상에 상기 활성탄 기반 슬러리를 로딩하는 단계; 및
(e) 상기 활성탄 기반 슬러리가 로딩된 카본 직물을 가열하여 건조시켜 상기 카본 직물 상에 활성탄층을 형성하는 단계;
를 더 포함하는,
슈퍼커패터리 제조 방법.
According to claim 1,
(c) forming an activated carbon-based slurry;
(d) loading the activated carbon based slurry onto a carbon cloth; and
(e) heating and drying the carbon fabric loaded with the activated carbon-based slurry to form an activated carbon layer on the carbon fabric;
further comprising,
Supercapacitor manufacturing method.
상기 전도성 섬유와 상기 전도성 섬유 상에 형성된 상기 금속층 기반 수산화물 나노시트를 양극부로 형성하는 단계;
상기 카본 직물과 상기 카본 직물 상에 형성된 상기 활성탄층을 음극부로 형성하는 단계; 및
상기 양극부와 상기 음극부를 결합하는 단계;
를 더 포함하는,
슈퍼커패터리 제조 방법.
7. The method of claim 6,
forming the conductive fiber and the metal layer-based hydroxide nanosheet formed on the conductive fiber as an anode part;
forming the carbon fabric and the activated carbon layer formed on the carbon fabric as a negative electrode part; and
combining the anode part and the cathode part;
further comprising,
Supercapacitor manufacturing method.
상기 양극부와 상기 음극부 사이에 스페이서(spacer)가 추가되는,
슈퍼커패터리 제조 방법.
8. The method of claim 7,
A spacer is added between the anode part and the cathode part,
Supercapacitor manufacturing method.
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|---|---|
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| KR101982539B1 (en) * | 2017-12-27 | 2019-05-27 | 울산과학기술원 | Na secondary battery |
| KR102013179B1 (en) | 2018-09-21 | 2019-08-22 | 한국세라믹기술원 | Manufacturing method of electrode active material for supercapacitor, manufacturing method of supercapacitor electrode and manufacturing method of supercapacitor |
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-
2020
- 2020-05-12 KR KR1020200056742A patent/KR102407763B1/en active IP Right Grant
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| KR102013179B1 (en) | 2018-09-21 | 2019-08-22 | 한국세라믹기술원 | Manufacturing method of electrode active material for supercapacitor, manufacturing method of supercapacitor electrode and manufacturing method of supercapacitor |
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| KR102407763B1 (en) | 2022-06-10 |
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