KR20220114240A - 플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터 및 이의 제조방법 - Google Patents

플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면은, 2 이상의 탄소섬유가 꼬아진 형태의 탄소섬유 다발을 준비하는 단계; 상기 탄소섬유 다발을 겔 전해질로 코팅하여, 겔 전해질로 코팅된 탄소섬유 다발을 제조하는 단계; 상기 겔 전해질로 코팅된 탄소섬유 다발 2 개를 꼬아서 섬유형 슈퍼 커패시터를 형성시키는 단계; 및 상기 섬유형 슈퍼 커패시터를 가열하여 에이징(aging) 공정을 수행하는 단계;를 포함하는, 플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터의 제조방법을 제공한다.

Description

플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터 및 이의 제조방법 {FLEXIBLE FIBROUS SUPER CAPACITOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
웨어러블 전자장치는 저중량, 저모듈러스, 고성능 및 우수한 기계적 유연성으로 인해 센싱, 인간과 스마트폰의 상호작용, 헬스케어 및 인간 활동 모니터링과 같은 어플리케이션에 널리 사용되고 있다. 이러한 웨어러블 전자장치에 전력을 공급하기 위해서는 슈퍼 커패시터 및 배터리와 같은 유연한 에너지 저장 장치가 필수적이다.
이 중, 슈퍼 커패시터는 높은 전력 밀도, 장기적인 주기 안정성, 용이한 제조 공정 및 짧은 충전 시간으로 인해 많은 관심을 받고 있다.
이에 따라, 고성능의 유연한 슈퍼 커패시터를 얻기 위해 섬유 상에 전극을 코팅하거나 기존 섬유에 종래 사용되고 있는 슈퍼 커패시터를 직접 적용하는데 많은 노력이 집중되고 있다.
그러나 이러한 방식은 기계적 안정성, 유연성, 접촉성, 벌키성, 안정성 등에 심각한 문제를 나타내어 새로운 접근 방식이 요구되었으며, 에너지 저장 재료와 집전체를 유연한 슈퍼 커패시터의 기능성 섬유에 직접 통합하는 방식이 대두되었다.
이러한 섬유기반 슈퍼 커패시터는 뛰어난 기계적 유연성과 착용성, 가벼운 무게 및 작은 부피로 점점 더 많은 관심을 받고 있으며, 기존의 강성 슈퍼 커패시터와 달리 웨어러블 섬유/직물 전자 제품의 유연한 전원으로 직접 사용될 수 있는 장점이 있다. 특히, 전기 이중층 커패시터(EDLC)를 기반으로 하는 섬유기반 슈퍼 커패시터는 쉽게 맞춤 제작할 수 있는 제조 공정, 높은 전력밀도 및 장기적인 순환성으로 인해 유연한 시스템에서 통합 에너지 저장장치로 사용되기에 더욱 적합하다.
그러나, 섬유기반 슈퍼 커패시터는 기존의 강성 슈퍼 커패시터에 비해 훨씬 낮은 비정전 용량을 가지며 기계적 유연성 측면에서도 심각한 문제를 나타내고 있다.
비정전 용량은 전극과 전해질 사이의 전기 화학적 활성 부위에 크게 의존한다. 이에 따라, 에너지 저장 성능과 안정적인 기계적 유연성을 위해서 섬유기반 슈퍼 커패시터에서 전극 및 전해질의 계면을 엔지니어링하는 연구에 대한 관심이 증가하고 있으며, 표면적이 넓은 기능성 탄소, 폴리머, 금속 또는 복합 섬유를 개발하기 위해 수많은 연구가 수행되었다.
그럼에도 불구하고, 전극-전해질 계면의 비효율적인 이용으로 인한 상대적으로 낮은 비정전 용량은 여전히 본질적인 문제로 남아있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본원의 개시 내용을 도출하는 과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 비정전 용량, 고속 성능, 장기 사이클링 안정성 및 기계적 유연성이 향상된 섬유기반의 플렉시블 슈퍼 커패시터 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면은, 2 이상의 탄소섬유가 꼬아진 형태의 탄소섬유 다발을 준비하는 단계; 상기 탄소섬유 다발을 겔 전해질로 코팅하여, 겔 전해질로 코팅된 탄소섬유 다발을 제조하는 단계; 상기 겔 전해질로 코팅된 탄소섬유 다발 2 개를 꼬아서 섬유형 슈퍼 커패시터를 형성시키는 단계; 및 상기 섬유형 슈퍼 커패시터를 가열하여 에이징(aging) 공정을 수행하는 단계;를 포함하는, 플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터의 제조방법을 제공한다.
일 실시형태에 따르면, 상기 2 이상의 탄소섬유가 꼬아지는 방향과 상기 겔 전해질로 코팅된 탄소섬유 다발 2 개가 꼬아지는 방향은 서로 반대인 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 겔 전해질은 폴리비닐알코올(PVA); 및 인산(H3PO4), 황산(H2SO4), 수산화 나트륨(NaOH), 수산화 칼륨(KOH), 수산화 칼슘(Ca(OH)2) 및 수산화 마그네슘(Mg(OH)2)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 화합물;을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 화합물의 농도는, 0.1 M 내지 5.0 M인 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 에이징 공정은, 50 ℃ 내지 100 ℃의 온도로 0.5 시간 내지 3 시간 동안 수행되는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 에이징 공정을 통해, 상기 겔 전해질을 상기 탄소섬유 사이의 공간으로 확산시키는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소섬유의 직경은 5 ㎛ 내지 10 ㎛이고, 상기 탄소섬유 다발의 직경은 400 ㎛ 내지 600 ㎛이고, 상기 섬유형 슈퍼 커패시터의 직경은 800 ㎛ 내지 3,000 ㎛인 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소섬유는, 메조 기공을 포함하고, 상기 메조 기공의 직경은, 1 nm 내지 10 nm인 것일 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 겔 전해질로 코팅된 탄소섬유 다발을 포함하는, 양극; 및 겔 전해질로 코팅된 탄소섬유 다발을 포함하는, 음극;을 포함하고, 상기 탄소섬유 다발은, 2 이상의 탄소섬유가 꼬아진 형태이고, 상기 양극 및 상기 음극은 서로 꼬아져 있는 것인, 플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터를 제공한다.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소섬유 사이의 공간에 상기 겔 전해질이 패킹된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터의 제조방법은, 탄소섬유 전극 내부 영역에 겔 전해질을 조밀하게 패킹함으로써, 슈퍼 커패시터의 전기 화학적 활성 반응 영역을 증가시키고, 이온 확산 능력을 향상시킬 수 있다.
또한, 조립 공정이나 별도의 첨가제를 필요로 하지 않고, 탄소섬유 및 겔 전해질만으로 구축될 수 있어 비교적 간단한 방법으로 슈퍼 커패시터를 제조할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터는, 비정전 용량, 고속 성능, 장기 사이클링 안정성 및 기계적 유연성이 우수한 효과가 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 슈퍼 커패시터의 제조방법을 간략히 도식화한 그림이다.
도 2는, 전극재료 및 집전체로서 탄소섬유의 물리적 화학적 특성 분석 결과이다.
도 3은, 겔 전해질을 담은 바이알의 사진, 전단 속도에 대한 전해질 점도 플롯 및 제조된 섬유형 슈퍼 커패시터의 사진이다.
도 4는, 제조된 슈퍼 커패시터의 구조 및 원소 분포를 SEM 및 EDS 맵핑 분석 결과를 나타낸 이미지이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 슈퍼 커패시터의 TGA 곡선, DSC 분석 결과 및 겔 전해질 투과 메커니즘의 개략도를 나타낸 것이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 슈퍼 커패시터의 스캔 속도에 따른 CV 곡선을 나타낸 것이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 슈퍼 커패시터의 EIS Nyquist 플롯 및 2 μAcm-2 내지 15 μAcm-2의 전류 밀도 범위에서의 비정전 용량을 나타낸 것이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 슈퍼 커패시터를 다양한 형태로 변형시켰을 때 비정전 용량을 나타낸 것이다.
도 9는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 슈퍼 커패시터의 장기 사이클링 안정성 테스트 결과 및 EIS 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 10은, 전극 코어 영역에 겔 전해질이 조밀하게 패킹된 섬유형 슈퍼 커패시터의 향상된 전기화학적 활성부위 및 이온 확산 능력을 개략적으로 표현한 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 일 측면은, 2 이상의 탄소섬유가 꼬아진 형태의 탄소섬유 다발을 준비하는 단계; 상기 탄소섬유 다발을 겔 전해질로 코팅하여, 겔 전해질로 코팅된 탄소섬유 다발을 제조하는 단계; 상기 겔 전해질로 코팅된 탄소섬유 다발 2 개를 꼬아서 섬유형 슈퍼 커패시터를 형성시키는 단계; 및 상기 섬유형 슈퍼 커패시터를 가열하여 에이징(aging) 공정을 수행하는 단계;를 포함하는, 플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터의 제조방법은, 에이징 공정을 통해 탄소섬유 전극 내부 영역에 겔 전해질을 조밀하게 패킹함으로써, 슈퍼 커패시터의 비정전 용량, 고속 성능, 장기 사이클링 안정성을 향상시킴과 동시에 우수한 기계적 유연성을 갖는 특징이 있다.
이하, 본 발명에 따른 플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터의 제조방법을 단계별로 상세히 설명한다.
탄소섬유 다발의 제조
본 발명에 따른 플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터의 제조방법에 있어서, 첫번째 단계는 2 개 이상의 탄소섬유가 꼬아진 형태의 탄소섬유 다발을 준비하는 단계이다.
상기 탄소섬유 다발은 슈퍼 커패시터의 전극 재료임과 동시에 집전체로 작용할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소섬유 다발은, 2 이상의 탄소섬유가 Z자 모양(오른쪽 꼬임) 또는 S자 모양(왼쪽 꼬임)으로 꼬아서 조아진 형태일 수 있다.
이는, 상기 탄소 섬유 다발의 유연성을 유지하면서, 높은 패킹 밀도를 달성하기 위함이다.
겔 전해질 코팅 단계
본 발명에 따른 플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터의 제조방법에 있어서, 준비된 탄소섬유 다발의 표면은 겔 전해질로 코팅된다.
일 실시형태에 따르면, 상기 겔 전해질은, 폴리비닐알코올(PVA); 및 인산(H3PO4), 황산(H2SO4), 수산화 나트륨(NaOH), 수산화 칼륨(KOH), 수산화 칼슘(Ca(OH)2) 및 수산화 마그네슘(Mg(OH)2)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 화합물;을 포함하는 것일 수 있다.
상기 겔 전해질은, 인산(H3PO4), 황산(H2SO4), 수산화 나트륨(NaOH), 수산화 칼륨(KOH), 수산화 칼슘(Ca(OH)2) 및 수산화 마그네슘(Mg(OH)2)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 화합물의 농도 조절을 통해 점도가 조절될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 화합물의 농도는, 0.1 M 내지 5.0 M인 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 화합물의 농도는, 0.3 M 내지 3.0 M인 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 0.3 M 내지 1.0 M인 것일 수 있으며, 더욱 더 바람직하게는, 0.4 M 내지 0.6 M인 것일 수 있다.
만일, 상기 겔 전해질 내 포함된 상기 화합물의 농도가 상기 범위 미만일 경우, 낮은 농도로 인하여 충/방전 과정이 일어나지 않을 수 있고, 겔 전해질의 점도가 낮아져 탄소섬유 다발 표면에 코팅된 겔 전해질이 유지되지 않을 수 있다.
반면, 상기 겔 전해질 내 포함된 상기 화합물의 농도가 상기 범위를 초과할 경우, 높은 점도로 인하여 슈퍼 커패시터 제조가 어렵고, 에이징 공정 수행 시 탄소섬유 사이 공간으로 겔 전해질의 확산이 충분히 이루어지지 않을 수 있다.
상기 겔 전해질은, 열 안정성을 가지고 있어 에이징 공정 수행 시 용융되지 않는 특징이 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 겔 전해질은, 폴리비닐알코올 및 인산(H3PO4)을 포함하고, 상기 인산(H3PO4)의 농도는, 0.1 M 내지 5.0 M인 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 인산(H3PO4)의 농도는, 0.3 M 내지 3.0 M인 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 0.3 M 내지 1.0 M인 것일 수 있으며, 더욱 더 바람직하게는, 0.4 M 내지 0.6 M인 것일 수 있다.
만일, 상기 겔 전해질 내 포함된 상기 인산(H3PO4)의 농도가 상기 범위 미만일 경우, 낮은 농도로 인하여 충/방전 과정이 일어나지 않을 수 있고, 겔 전해질의 점도가 낮아져 탄소섬유 다발 표면에 코팅된 겔 전해질이 유지되지 않을 수 있다.
반면, 상기 겔 전해질 내 포함된 상기 인산(H3PO4)의 농도가 상기 범위를 초과할 경우, 높은 점도로 인하여 슈퍼 커패시터 제조가 어렵고, 에이징 공정 수행 시 탄소섬유 사이 공간으로 겔 전해질의 확산이 충분히 이루어지지 않을 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 겔 전해질의 점도는, 800 cP 내지 1,600 cP인 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 겔 전해질의 점도는, 1,000 cP 내지 1,500 cP인 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 1,000 cP 내지 1,400 cP인 것일 수 있으며, 더욱 더 바람직하게는, 1,000 cP 내지 1,200 cP인 것일 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 상기 겔 전해질의 점도는, 탄소섬유 다발 내부 공간, 즉, 탄소섬유 사이 공간에 겔 전해질을 조밀하게 패킹하고, 탄소섬유 표면의 코팅층을 유지하는데 핵심적인 요소이다.
일 실시형태에 따르면, 상기 코팅은, 브러시 코팅 방법을 사용하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 겔 전해질로 코팅된 탄소섬유 다발 2 개는, S 자 모양 또는 Z자 모양으로 꼬아지는 것일 수 있다.
이는, 슈퍼 커패시터 내부의 빈 공간을 줄이기 위함이다.
섬유형 슈퍼 커패시터 형성 단계
상기 섬유형 커패시터 형성 단계는, 상기 겔 전해질로 코팅된 탄소섬유 다발 2 개를 꼬아 별도의 음극 및 양극을 형성시킴으로써, 1차적으로 플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터를 형성시키는 단계이다.
여기서, 상기 꼬아진 2개의 탄소섬유 다발은 각각 양극 및 음극을 형성하고, 표면에 코팅된 겔 전해질을 통해 명확히 분리됨으로써, 사이클링 중 단락 가능성을 방지할 수 있다.
상기 탄소섬유 다발은 집전체의 역할을 동시 수행하므로, 별도의 조립 과정이나 첨가제 없이 섬유형 슈퍼 커패시터가 제조될 수 있는 장점이 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 겔 전해질로 코팅된 탄소섬유 다발 2 개는, S 자 모양 또는 Z자 모양으로, 인치 당 2 바퀴 내지 3 바퀴씩 꼬아지는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 2 이상의 탄소섬유가 꼬아지는 방향과 상기 겔 전해질로 코팅된 탄소섬유 다발 2 개가 꼬아지는 방향은 서로 반대인 것일 수 있다.
상기 탄소섬유 다발이 꼬아지는 방향과 상기 겔 전해질로 코팅된 탄소섬유 다발이 꼬아지는 방향은 서로 반대인 경우, 패킹 밀도 및 기계적 유연성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
구체적인 일례로, 상기 탄소섬유 다발은, 2 이상의 탄소섬유가 Z 자 모양(오른쪽 꼬임)으로 꼬아진 형태이고, 상기 겔 전해질로 코팅된 탄소섬유 다발 2 개는, S 자 모양(왼쪽 꼬임)으로 꼬아지는 것일 수 있다.
또 다른 일례로, 상기 탄소섬유 다발은, 2 이상의 탄소섬유가 S자 모양(왼쪽 꼬임)으로 꼬아진 형태이고, 상기 겔 전해질로 코팅된 탄소섬유 다발 2 개는, Z자 모양(오른쪽 꼬임)으로 꼬아지는 것일 수 있다.
에이징(aging) 공정을 수행하는 단계
상기 에이징 공정을 수행하는 단계는, 일차적으로 제조된 플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터에 일정 시간 열을 가하여, 탄소섬유 사이 공간으로 겔 전해질을 확산시킴으로써, 탄소섬유 전극 내부로 겔 전해질 패킹이 이루어질 수 있도록 하는 단계이다. 또한, 상기 에이징 공정을 통해 탄소섬유 사이 사이에 겔 전해질이 계층적으로 상호 연결될 수 있다.
상기 에이징 공정을 수행하는 단계는, 전해질-전극 계면의 이용 효율을 극대화하는데 핵심적인 기술 요소이다.
일 실시형태에 따르면, 상기 에이징 공정은, 50 ℃ 내지 100 ℃의 온도로 0.5 시간 내지 3 시간 동안 수행되는 것일 수 있다.
만일, 상기 에이징 공정이 상기 범위 미만의 온도에서 수행되거나 상기 범위 미만의 시간 동안 수행될 경우, 겔 전해질이 탄소섬유 다발 내부 즉, 탄소섬유 사이 공간으로 충분히 침투하지 못하여 탄소섬유 전극 내부에 겔 전해질이 조밀하게 패킹되지 않을 수 있다.
또한, 상기 에이징 공정이 상기 범위를 초과한 온도에서 수행되거나 상기 범위를 초과한 시간 동안 수행될 경우, 탄소섬유의 손실이 발생할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 에이징 공정을 통해, 상기 겔 전해질을 상기 탄소섬유 사이의 공간으로 확산시키는 것일 수 있다.
즉, 상기 탄소섬유 다발 내부의 탄소섬유 사이의 공간으로 겔 전해질이 확산되어, 탄소섬유 다발 내부에 조밀하게 패킹됨으로써, 전극과 전해질의 계면의 이용 효율을 최대화할 수 있다.
이는, 슈퍼 커패시터의 전기화학적 활성 부위를 증가시켜 궁극적으로는 비정전 용량을 향상시킨다.
또한, 탄소섬유 사이에 겔 전해질이 계층적으로 연결됨에 따라 이온 확상 능력이 향상되어 슈퍼 커패시터의 전기화학적 성능을 향상시킨다.
일 실시형태에 따르면 상기 탄소섬유의 직경은 5 ㎛ 내지 10 ㎛이고, 상기 탄소섬유 다발의 직경은 400 ㎛ 내지 600 ㎛이고, 상기 섬유형 슈퍼 커패시터의 직경은 800 ㎛ 내지 3,000 ㎛인 것일 수 있다.
만일, 상기 섬유형 슈퍼 커패시터의 직경이 800 ㎛ 미만일 경우, 양극과 음극으로 사용되는 탄소섬유 다발의 접촉으로 인한 전기적 단락이 발생 할 수 있다.
또한, 상기 섬유형 슈퍼 커패시터의 직경이 3,000 ㎛를 초과할 경우에는 섬유형 슈퍼 커패시터의 부피 대비 에너지 저장 용량이 낮아질 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소섬유는, 메조 기공을 포함하고, 상기 메조 기공의 직경은, 1 nm 내지 10 nm인 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 메조 기공의 직경은, 1 nm 내지 5 nm인 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 2 nm 내지 4 nm인 것일 수 있다.
상기 메조 기공은, 사이클링 동안 더 짧은 이온 확산 경로를 확보하는데 중요한 역할을 하며, 이를 통해 이온 확산 능력을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터의 제조방법은, 음극, 양극, 집전체, 분리막, 전해질을 별도로 조립하는 과정을 포함하지 않음으로써, 비교적 간단한 방식으로 손쉽게 슈퍼 커패시터를 제조할 수 있는 장점이 있다.
플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터
본 발명의 다른 측면은, 겔 전해질로 코팅된 탄소섬유 다발을 포함하는, 양극; 및 겔 전해질로 코팅된 탄소섬유 다발을 포함하는, 음극;을 포함하고, 상기 탄소섬유 다발은, 2 이상의 탄소섬유가 꼬아진 형태이고, 상기 양극 및 상기 음극은 서로 꼬아져 있는 것인, 플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터를 제공한다.
상기 꼬여진 양극 및 음극은, 표면 코팅된 겔 전해질을 통해 서로 명확히 분리됨으로써, 사이클링 중 단락 발생 가능성을 방지할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소섬유 사이의 공간에 상기 겔 전해질이 패킹된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터는, 탄소섬유 사이의 공간에 겔 전해질이 조밀하게 패킹됨으로써 전극-전해질 계면의 이용 효율을 극대화할 수 있으며, 전기화학적 활성 부위를 증가시키고 이온 확산 능력을 향상시켜 슈퍼 커패시터의 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 직선, 벤딩, 매듭, 접힘 또는 롤링 상태와 같은 형태 변형에도, 전기화학적 성능 및 유연성을 유지할 수 있는 특징이 있어, 다양한 웨어러블 전자 어플리케이션에 적용될 수 있는 장점을 갖는다.
일 실시형태에 따르면, 상기 플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터는, 전기 이중층 커패시터(EDLC, Electric Double Layer Capacitor)인 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 0 V 내지 1V의 전압 및 2 μA/cm2 내지 15 μA/cm2의 전류밀도에서 비정전 용량(specific capacitance)이 5 mF/cm2 내지 10 mF/cm2인 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 10 μA/cm2의 전류 밀도에서 10,000회 충방전 사이클링 후 용량 유지율이 97 % 이상인 것일 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
꼬인 탄소섬유는 양극, 음극 및 집전체로 사용되었고, 겔 전해질은 폴리비닐알콜(PVA)과 0.5 M 또는 1.0 M의 인산(H3PO4)으로 구성된 폴리머 겔을 사용하였다.
먼저, 3,000개의 탄소섬유를 오른쪽으로 꼬아 Z자 모양으로 조여 탄소섬유 다발을 형성한 후, 겔 전해질을 브러시 페인팅으로 탄소섬유 다발 표면에 펴 발랐다.
겔 전해질이 코팅된 탄소섬유 다발은 별도의 양극과 음극을 구성하기 위해 왼쪽으로(S 자 모양) 꼬았다.
슈퍼 커패시터의 전기화학적 성능을 향상시키기 위해, 1차적으로 형성된 슈퍼 커패시터를 대류식 오븐(convection oven)에서 1 시간 동안 70 ℃로 가열하여 에이징 공정을 수행하여 최종 플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터를 얻었다.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 슈퍼 커패시터의 제조방법을 간략히 도식화한 그림이다.
도 1을 참조하면, 탄소섬유를 꼬아 형성된 탄소섬유 다발의 표면을 PVA-H3PO4겔 전해질로 코팅하고, 겔 전해질로 코팅된 탄소섬유 다발을 다시 꼬아 1차적으로 형성된 슈퍼 커패시터를 얻은 다음, 에이징 공정을 통해 겔 전해질을 탄소섬유 전극 내부로 확산시켜 탄소섬유 내부에 겔 전해질을 조밀하게 패킹함으로써 최종 섬유형 슈퍼 커패시터가 제조되는 것을 이해할 수 있다.
<실험예 1> 탄소섬유의 물리적 특성 및 화학적 특성 분석
전극 재료 및 집전체로 사용되는 탄소섬유의 물리적 및 화학적 특성을 SEM, XRD, XPS, TGA, BJH 분석을 통해 확인하였다.
탄소섬유의 형태와 구조적 특성은 주사전자현미경(SEM)을 통해 확인하였고, 탄소섬유의 결정 구조와 화학적 결합 상태는 X선 회절법(XRD) 및 X선 광전자 분광법(XPS)으로 조사되었다.
탄소섬유와 섬유형 슈퍼 커패시터의 조성은 주변 대기 하에서 200 ℃ 내지 900 ℃의 열중량분석(TGA)에 의해 조사되었고, 탄소섬유의 기공 크기 분포 및 부피는 Barrett-Joyner-Halenda (BJH) 측정을 사용하여 조사되었다.
도 2는, 전극재료 및 집전체로서 탄소섬유의 물리적 화학적 특성 분석 결과이다.
도 2a는, 탄소섬유의 저배율 SEM 이미지이고, 도 2b는, 탄소섬유의 고배율 SEM 이미지이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 탄소섬유는 매끄러운 표면을 가지면 8 ㎛ 내지 9 ㎛의 직경을 가지고 있음을 확인할 수 있다.
도 2c는, 탄소섬유의 XRD 패턴이다.
도 2c를 참조하면, 탄소섬유의 XRD 패턴에서 약 26 ° 및 43 °에서 두 개의 넓은 피크가 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 이는 각각 비정질 탄소의 (002) 및 (100) 평면에 기인하는 것이다.
도 2d는, 탄소섬유의 XPS 스펙트럼이다.
도 2d를 참조하면, 각각 C-C, C-O 및 C = O 그룹으로 인해 284.5 eV, 285.5 eV 및 287.0 eV에서 세 개의 피크가 관찰되는 것을 확인할 수 있다.
도 2e는, 탄소섬유의 TGA 결과이다.
도 2e를 참조하면, 100 % 중량 손실을 나타냄으로써 불순물 없이 단 하나의 탄소 상만이 존재함을 확인할 수 있다.
도 2f는, 탄소섬유의 Barrett-Joyner-Halenda (BJH) 플롯이다.
도 2f를 참조하면, 탄소섬유에 중간 크기의 기공(2 nm 내지 4 nm)을 확인할 수 있다. 메조 포어의 존재는, 사이클링 동안 더 짧은 이온 확산 경로를 획득하는데 중요한 요소이다.
<실험예 2> 겔 전해질 점도 분석
겔 전해질 조성에 따른 점도를 50 s-1 ~ 250 s-1의 스캔 속도에서 측정하였다.
도 3은, 겔 전해질을 담은 바이알의 사진, 전단 속도에 대한 전해질 점도 플롯 및 제조된 섬유형 슈퍼 커패시터의 사진이다.
도 3a는, 탈이온수 및 상이한 조성의 겔 전해질 제조 용액을 담은 바이알의 사진이다.
도 3b는, 겔 전해질의 전단 속도에 따른 전해질 점도를 나타낸 것이다.
도 3b를 참조하면, 0.5M PVA-H3PO4 겔 전해질은 전체 전단 범위에서 1.0 M PVA-H3PO4 겔 전해질보다 낮은 점도를 나타냄으로써, 에이징 공정에 최적화된 조건임을 알 수 있다.
도 3c는, 제조된 섬유형 슈퍼 커패시터의 사진이다.
도 3c를 참조하면, 제조된 섬유형 슈퍼 커패시터는 에너지 저장 성능을 위한 활성 영역과 전기적 기능을 위한 리드 영역으로 구성되어 있음을 확인할 수 있다.
의 노화 과정을위한 최적의 조건을 나타냅니다.
<실험예 3> 에이징 공정이 슈퍼 커패시터에 미치는 영향
에이징 공정이 슈퍼 커패시터에 미치는 영향을 확인하기 위해, 상이한 조성의 겔 전해질을 사용하여 제조된 슈퍼 커패시터의 단면 구조 및 원소 분포를 에너지 분산 분광법(SEM-EDS)을 통해 확인하였다.
도 4는, 제조된 슈퍼 커패시터의 구조 및 원소 분포를 SEM 및 EDS 맵핑 분석 결과를 나타낸 이미지이다.
도 4a 내지 도 4c는, 0.5 M 인산(H3PO4)이 첨가된 PVA-H3PO4 겔 전해질을 사용하고, 에이징 공정을 수행하지 않은 경우의 단면 SEM 이미지 및 EDS 맵핑 분석 결과이다.
도 4d 내지 도 4f는, 0.5 M 인산(H3PO4)이 첨가된 PVA-H3PO4 겔 전해질을 사용하고, 에이징 공정을 수행한 경우의 단면 SEM 이미지 및 EDS 맵핑 분석 결과이다.
도 4g 내지 도 4i는, 1.0 M 인산(H3PO4)이 첨가된 PVA-H3PO4 겔 전해질을 사용하고, 에이징 공정을 수행하지 않은 경우의 단면 SEM 이미지 및 EDS 맵핑 분석 결과이다.
도 4j 내지 도 4l은, 1.0 M 인산(H3PO4)이 첨가된 PVA-H3PO4 겔 전해질을 사용하고, 에이징 공정을 수행한 경우의 단면 SEM 이미지 및 EDS 맵핑 분석 결과이다.
도 4a 내지 도4l을 참조하면, 각 섬유형 슈퍼 커패시터 전극은 450 ㎛ 내지 550 ㎛ 의 직경을 가지며, 양극 및 음극은 겔 전해질에 의해 명확하게 분리되어 사이클링 중 전기 단락의 가능성을 방지할 수 있음을 확인할 수 있다.
또한, 탄소 섬유는 겔 전해질에 의해 단단히 싸여 있고 조밀하게 압축되어 있어 우수한 기계적 특성을 제공할 수 있음을 알 수 있다.
도 4b를 참조하면, 0.5 M 인산(H3PO4)이 첨가된 PVA-H3PO4 겔 전해질을 사용하고, 에이징 공정을 수행하지 않은 경우에 코어 영역은 탄소섬유 사이에 깨끗한 표면을 확인할 수 있다.
그러나, 도 4c의 원소 맵핑 결과를 보면, 코어 영역에서 원소 O와 P의 분포가 좋지 않게 나타나 전극과 전해질 사이의 계면이 비효율적으로 사용됨을 알 수 있다.
이와 비교하여, 도 4e를 참조하면, 0.5 M 인산(H3PO4)이 첨가된 PVA-H3PO4 겔 전해질을 사용하고, 에이징 공정을 수행한 경우, 탄소섬유 사이에 가시적으로 표면 상호 연결을 확인할 수 있고, 도 4f를 보면, 코어 영역 전체에서 H3PO4의 구성 요소의 균일한 분포를 확인할 수 있다,
이를 통해, 에이징 공정 후 전극과 전해질 사이의 계면이 효율적으로 사용되 수 있음을 확인할 수 있으며, 에이징 공정을 통해 겔 전해질이 코어 영역에 잘 침투되고 조밀하게 패킹되어, 잠재적으로 비정전 용량, 고속 성능 및 장기 사이클링과 같은 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
대조적으로, 도 4g 내지 도4l을 참조하면, 1.0 M 인산(H3PO4)이 첨가된 PVA- H3PO4 겔 전해질을 사용할 경우, 겔 전해질의 높은 점도가 겔 전해질의 코어 영역으로의 확산에 관여하여 에이징 공정 유무에 따른 극적인 변화는 관찰되지 않았다.
<실험예 4> 겔 전해질의 열 안정성 확인
에이징 공정 중 겔 전해질의 열 안정성을 확인하기 위해, 열중량분석(TGA) 및 시차주사열량분석(DSC)을 수행하였다.
DSC 분석은 공기 중에서 30 ℃ 내지 120 ℃ 온도 범위로 수행되었다.
도 5는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 슈퍼 커패시터의 TGA 곡선, DSC 분석 결과 및 겔 전해질 투과 메커니즘의 개략도를 나타낸 것이다.
도 5a는, 슈퍼 커패시터의 TGA 곡선이다.
도 5a를 참조하면, 각 섬유형 슈퍼 커패시터는, 탄소섬유의 존재로 인해 60 %의 중량손실을 나타냄을 확인할 수 있다.
도 5b는, 슈퍼 커패시터의 DSC 분석결과이다.
도 5b를 참조하면, 각 DSC 플롯은 용융으로 인하 피크가 나타나지 않았으며, 이는 에이징 과정에서 각 전해질의 우수한 열 안정성을 보여주는 것이다.
도 5c는, 슈퍼 커패시터의 전극의 코어 영역에 조밀하게 패킹된 겔 전해질을 얻기 위한 투과 메커니즘의 개략도이다.
도 5c를 , 탄소섬유의 화학적 변화없이 에이징 공정을 통해 겔 전해질이 탄소섬유 사이의 공간으로 성공정으로 패킹됨으로써, 전극을 효율적으로 사용할 수 있음을 알 수 있다.
<실험예 5> 플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터의 전기화학적 성능 평가
섬유형 슈퍼 커패시터의 전기화학적 성능은 풀 셀 시스탬을 사용하여 평가되었다.
순환전압전류법(CV)은 10 mV s-1 ~ 200 mV s-1의 스캔 속도 및 0.0 V ~ 1.0 V 범위의 전압에서 전위차/갈바노스타트(potentiostat/galvanostat)를 사용하여 수행되었다.
전기화학적 거동을 검사하기 위해 105 ~ 10-2Hz의 주파수 범위에서 5mV의 AC 신호로 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)을 수행하였고, 충전 및 방전 테스트는 0.0 V - 1.0 V의 전위 범위에서 다양한 전류밀도(2 μA/cm2 내지 15 μA/cm2)로 수행되었다.
마지막으로, 장기 사이클링 안정성은, 최대 10,000 회 동안 10 mA/cm2의 전류 밀도에서 테스트를 수행하였다.
도 6은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 슈퍼 커패시터의 스캔 속도에 따른 CV 곡선을 나타낸 것이다.
도 6a 내지 도 6d는, 인산(H3PO4) 농도가 0.5 M인 PVA-H3PO4 겔 전해질을 사용한 경우, 각각, (a) 10 mV s-1, (b) 50 mV s-1, (c) 100 mV s-1 및 (d) 200 mV s-1의 스캔 속도로 가각 측정된 순환 곡선이다.
도 6e 내지 도 6h는, 인산(H3PO4) 농도가 1.0 M인 PVA-H3PO4 겔 전해질을 사용한 경우, (e) 10 mV s-1, (f) 50 mV s-1, (g) 100 mV s-1 및 (h) 200 mV s-1의 스캔 속도로 각각 측정된 순환 곡선이다.
도 6을 참조하면, 다양한 섬유 슈퍼 커패시터의 전기화학적 거동은 이상적인 직사각형의 CV 곡선을 나타내어 전기 이중층의 존재를 확인할 수 있다.
도 6a 내지 도 6d를 참조하면, 에이징 과정을 통해 사이클링 동안 전기 화학적 활성부위의 수가 증가했음을 알 수 있다.
이와 비교하여, 도 6e 내지 도 6h를 참조하면, 에이징 과정으로 인해 CV 영역이 약간 증가한 것을 확인할 수 있으며, 이는 코어 영역으로 겔 전해질이 제한적으로 확산되었음을 나타낸다.
도 7은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 슈퍼 커패시터의 EIS Nyquist 플롯 및 2 μA/cm2 내지 15 μA/cm2의 전류 밀도 범위에서의 비정전 용량을 나타낸 것이다.
도 7a는, 인산(H3PO4) 농도가 0.5 M인 PVA-H3PO4 겔 전해질을 사용한 경우 EIS Nyquist 플롯이고, 도 7b는, 인산(H3PO4) 농도가 1.0 M인 PVA-H3PO4 겔 전해질을 사용한 경우 EIS Nyquist 플롯이다.
여기서, 여기에서 저주파 영역의 직선 기울기는 전극과 겔 전해질 사이의 계면에서의 이온 확산 거동을 나타낸다(Warburg 임피던스라고 함).
도 7a를 참조하면, 에이징 공정을 수행한 경우 더 가파른 기울기가 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 더 낮은 Warburg 임피던스를 가지고 있음을 볼 수 있다. 이를 통해, 코어 영역에서 계층적으로 상호 연결된 겔 전해질로 인해 슈퍼 커패시터의 우수한 이온 확산 거동이 보장됨을 확인할 수 있다.
이와 비교하여, 도 7b를 참조하면, 인산(H3PO4) 농도가 1.0 M인 경우에는 에이징 공정을 수행한 경우 Warburg 임피던스가 약간 개선된 것을 확인할 수 있다.
도 7c는, 인산(H3PO4) 농도가 0.5 M인 PVA-H3PO4 겔 전해질을 사용한 경우 2 μA/cm2 내지 15 μA/cm2 의 전류밀도 범위에서의 비정전 용량을 나타낸 것이고, 도 7d는, 인산(H3PO4) 농도가 1.0 M인 PVA-H3PO4 겔 전해질을 사용한 경우 2 μA/cm2 내지 15 μA/cm2의 전류 밀도 범위에서의 비정전 용량을 나타낸 것이다.
도 7c 및 도 7d를 참조하면, 에이징 공정을 수행하지 않은 경우와 비교하여 에이징 공정을 수행한 경우 비정전 용량이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
이를 통해, 탄소전극 코어 영역에 조밀하게 패킹된 겔 전해질이 전기화학적 활성 부위의 수를 크게 증가시킴을 확인할 수 있다.
또한, 인산(H3PO4) 농도가 1.0 M인 PVA-H3PO4 겔 전해질을 사용한 경우에 인산(H3PO4) 농도가 0.5 M인 PVA-H3PO4 겔 전해질을 사용한 경우 보다 낮은 비정전 용량을 나타냄을 확인할 수 있는데, 이는 겔 전해질이 탄소전극 코어로 잘 침투하지 않아 전극 표면의 전기화학적 활성 부위의 수를 잠재적으로 감소시켰기 때문이다.
또한, 속도 성능에 있어서, 인산(H3PO4) 농도가 0.5 M인 PVA-H3PO4 겔 전해질을 사용하고, 에이징 공정을 수행한 경우에 속도 유지값이 65 %로 가장 높게 나타난 것을 확인할 수 있다.
이는, 탄소전극 코어 영역에서 계층적으로 상호 연결된 겔 전해질이 향상된 이온 확산 능력을 제공하여 우수한 고속 성능을 나타낼 수 있음을 나타내는 것이다.
즉, 에이징 공정은 슈퍼 커패시터의 전극 코어 영역에서 겔 전해질을 상호 연결함으로써 에너지 저장 능력을 높이는데 유리하게 작용함을 알 수 있다.
도 8은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 슈퍼 커패시터를 다양한 형태로 변형시켰을 때 비정전 용량을 나타낸 것이다.
도 8을 참조하면, 인산(H3PO4) 농도가 0.5 M인 PVA-H3PO4 겔 전해질을 사용하고, 에이징 공정을 수행한 경우에는, 구부러지거나 매듭지거나 감긴 상태에서도 에너지 저장 성능이 일관되게 유지됨을 확인할 수 있다.
이와 비교하여, 인산(H3PO4) 농도가 0.5 M인 PVA-H3PO4 겔 전해질을 사용하고 에이징 공정을 수행하지 않은 경우, 인산(H3PO4) 농도가 1.0 M인 PVA- H3PO4 겔 전해질을 사용하고, 에이징 공정을 수행하거나 수행하지 않은 경우에는 비정전 용량이 불규칙적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 9는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 슈퍼 커패시터의 장기 사이클링 안정성 테스트 결과 및 EIS 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 9a는, 최대 10,000 사이클 동안 10 μA/cm2의 전류 밀도에서 섬유형 슈퍼 커패시터의 사이클링 안정성을 나타낸 것이다.
도 9b내지 도9e는, 사이클링 테스트 이후, 각 슈퍼 커패시터의 EIS 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 9a를 참조하면, 인산(H3PO4) 농도가 0.5 M인 PVA- H3PO4 겔 전해질을 사용하고, 에이징 공정을 수행한 경우에 97 %의 비정전 용량 유지율을 나타내 놀라운 주기 안정성을 나타냄을 확인할 수 있다.
또한, 도 9c를 참조하면, 장기 사이클링 테스트 후 수행된 EIS 분석에서 인산(H3PO4) 농도가 0.5 M인 PVA- H3PO4 겔 전해질을 사용하고, 에이징 공정을 수행한 경우에 10,000 사이클 이후에도 초기 이온확산 성능이 유지됨을 확인할 수 있다.
이와 비교하여, 도 9b, 도 9d 및 도9e를 참조하면, 인산(H3PO4) 농도가 0.5 M인 PVA- H3PO4 겔 전해질을 사용하고 에이징 공정을 수행하지 않은 경우, 인산(H3PO4) 농도가 1.0 M인 PVA-H3PO4 겔 전해질을 사용하고 에이징 공정을 수행하거나 수행하지 않은 경우에는 이온 확산 능력이 현저히 감소하였음을 확인할 수 있다.
이러한 결과는, 섬유형 슈퍼 커패시터의 전극 코어 영역에서 계층적으로 상호 연결된 겔 전해질이 충분한 전해질-이온 접촉을 제공함으로써 이온 확산 동역학을 개선하고 뛰어나 장기 사이클링 안정성을 제공할 수 있음을 보여주는 것이다.
즉, 전극 코어 영역에 조밀하게 패킹된 겔 전해질은 안정적인 기계적 유연성 및 높은 에너지 저장 성능을 제공하며, 에이징 공정은 이를 구현하기 위한 핵심적 요소임을 이해할 수 있다.
도 10은, 전극 코어 영역에 겔 전해질이 조밀하게 패킹된 섬유형 슈퍼 커패시터의 향상된 전기화학적 활성부위 및 이온 확산 능력을 개략적으로 표현한 도면이다.
도 10을 참조하면, (i) 코어 영역의 조밀하게 패킹된 겔 전해질은 전기 이중층의 전기화학적 활성 부위의 수를 증가시켜 비정전 용량을 향상시키고, (ii) 전극과 상호 연결된 겔 전해질 사이의 우수하고 안정적인 이온 확산 동역학은 향상된 고속 성능, 장기 사이클링 안정성 및 안정적인 기계적 유연성을 제공함을 이해할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (10)

  1. 2 이상의 탄소섬유가 꼬아진 형태의 탄소섬유 다발을 준비하는 단계;
    상기 탄소섬유 다발을 겔 전해질로 코팅하여, 겔 전해질로 코팅된 탄소섬유 다발을 제조하는 단계;
    상기 겔 전해질로 코팅된 탄소섬유 다발 2 개를 꼬아서 섬유형 슈퍼 커패시터를 형성시키는 단계; 및
    상기 섬유형 슈퍼 커패시터를 가열하여 에이징(aging) 공정을 수행하는 단계;를 포함하는,
    플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 2 이상의 탄소섬유가 꼬아지는 방향과 상기 겔 전해질로 코팅된 탄소섬유 다발 2 개가 꼬아지는 방향은 서로 반대인 것인,
    플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 겔 전해질은,
    폴리비닐알코올(PVA); 및 인산(H3PO4), 황산(H2SO4), 수산화 나트륨(NaOH), 수산화 칼륨(KOH), 수산화 칼슘(Ca(OH)2) 및 수산화 마그네슘(Mg(OH)2)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 화합물;을 포함하는 것인,
    플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 화합물의 농도는, 0.1 M 내지 5.0 M인 것인,
    플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 에이징 공정은,
    50 ℃ 내지 100 ℃의 온도로 0.5 시간 내지 3 시간 동안 수행되는 것인,
    플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 에이징 공정을 통해, 상기 겔 전해질을 상기 탄소섬유 사이의 공간으로 확산시키는 것인,
    플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유의 직경은 5 ㎛ 내지 10 ㎛이고, 상기 탄소섬유 다발의 직경은 400 ㎛ 내지 600 ㎛이고, 상기 섬유형 슈퍼 커패시터의 직경은 800 ㎛ 내지 3,000 ㎛인 것인,
    플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유는, 메조 기공을 포함하고,
    상기 메조 기공의 직경은, 1 nm 내지 10 nm인 것인,
    플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터의 제조방법.
  9. 겔 전해질로 코팅된 탄소섬유 다발을 포함하는, 양극; 및
    겔 전해질로 코팅된 탄소섬유 다발을 포함하는, 음극;을 포함하고,
    상기 탄소섬유 다발은, 2 이상의 탄소섬유가 꼬아진 형태이고,
    상기 양극 및 상기 음극은 서로 꼬아져 있는 것인,
    플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 탄소섬유 사이의 공간에 상기 겔 전해질이 패킹된 것인,
    플렉시블 섬유형 슈퍼 커패시터.
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