KR20230068652A - Manufacturing method of nitrogen-doped activated carbon and supercapacitor using the same and method of manufacturing the supercapacitor - Google Patents
Manufacturing method of nitrogen-doped activated carbon and supercapacitor using the same and method of manufacturing the supercapacitor Download PDFInfo
- Publication number
- KR20230068652A KR20230068652A KR1020210154664A KR20210154664A KR20230068652A KR 20230068652 A KR20230068652 A KR 20230068652A KR 1020210154664 A KR1020210154664 A KR 1020210154664A KR 20210154664 A KR20210154664 A KR 20210154664A KR 20230068652 A KR20230068652 A KR 20230068652A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- nitrogen
- activated carbon
- electrode
- supercapacitor
- doped activated
- Prior art date
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 149
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 49
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 54
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims abstract description 46
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 39
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 31
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 31
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 31
- 229920005610 lignin Polymers 0.000 claims abstract description 30
- 239000003513 alkali Substances 0.000 claims abstract description 23
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims abstract description 17
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 claims abstract description 16
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000012692 Fe precursor Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000010000 carbonizing Methods 0.000 claims abstract description 6
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 5
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 32
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 claims description 22
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 20
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 claims description 19
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims description 18
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 14
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 13
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 claims description 10
- 239000002612 dispersion medium Substances 0.000 claims description 10
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 9
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 8
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 claims description 7
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 7
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 7
- 229960002413 ferric citrate Drugs 0.000 claims description 6
- NPFOYSMITVOQOS-UHFFFAOYSA-K iron(III) citrate Chemical compound [Fe+3].[O-]C(=O)CC(O)(CC([O-])=O)C([O-])=O NPFOYSMITVOQOS-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 6
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims description 5
- 229940044631 ferric chloride hexahydrate Drugs 0.000 claims description 4
- NQXWGWZJXJUMQB-UHFFFAOYSA-K iron trichloride hexahydrate Chemical compound O.O.O.O.O.O.[Cl-].Cl[Fe+]Cl NQXWGWZJXJUMQB-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 4
- 229920000128 polypyrrole Polymers 0.000 claims description 4
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- SURQXAFEQWPFPV-UHFFFAOYSA-L iron(2+) sulfate heptahydrate Chemical compound O.O.O.O.O.O.O.[Fe+2].[O-]S([O-])(=O)=O SURQXAFEQWPFPV-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 3
- NPLZZSLZTJVZSX-UHFFFAOYSA-L iron(2+);oxalate;dihydrate Chemical compound O.O.[Fe+2].[O-]C(=O)C([O-])=O NPLZZSLZTJVZSX-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 3
- LZKLAOYSENRNKR-LNTINUHCSA-N iron;(z)-4-oxoniumylidenepent-2-en-2-olate Chemical compound [Fe].C\C(O)=C\C(C)=O.C\C(O)=C\C(C)=O.C\C(O)=C\C(C)=O LZKLAOYSENRNKR-LNTINUHCSA-N 0.000 claims description 3
- 229920002239 polyacrylonitrile Polymers 0.000 claims description 3
- 229920000767 polyaniline Polymers 0.000 claims description 3
- 239000005955 Ferric phosphate Substances 0.000 claims 1
- 238000013019 agitation Methods 0.000 claims 1
- 229940032958 ferric phosphate Drugs 0.000 claims 1
- WBJZTOZJJYAKHQ-UHFFFAOYSA-K iron(3+) phosphate Chemical compound [Fe+3].[O-]P([O-])([O-])=O WBJZTOZJJYAKHQ-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims 1
- 229910000399 iron(III) phosphate Inorganic materials 0.000 claims 1
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 15
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 abstract description 4
- -1 and CaCl 2 Substances 0.000 description 11
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 10
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 7
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- DNIAPMSPPWPWGF-UHFFFAOYSA-N Propylene glycol Chemical compound CC(O)CO DNIAPMSPPWPWGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 6
- 239000011255 nonaqueous electrolyte Substances 0.000 description 6
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 6
- 239000000047 product Substances 0.000 description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 239000002608 ionic liquid Substances 0.000 description 4
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 4
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical group CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920002488 Hemicellulose Polymers 0.000 description 3
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 3
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 3
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 3
- 229920002037 poly(vinyl butyral) polymer Polymers 0.000 description 3
- 239000005060 rubber Substances 0.000 description 3
- 229920003048 styrene butadiene rubber Polymers 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- YEJRWHAVMIAJKC-UHFFFAOYSA-N 4-Butyrolactone Chemical compound O=C1CCCO1 YEJRWHAVMIAJKC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 2
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 2
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 2
- WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N Tetrahydrofuran Chemical compound C1CCOC1 WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000002551 biofuel Substances 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 2
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 2
- 150000004683 dihydrates Chemical class 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 2
- 238000010294 electrolyte impregnation Methods 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- VDVLPSWVDYJFRW-UHFFFAOYSA-N lithium;bis(fluorosulfonyl)azanide Chemical compound [Li+].FS(=O)(=O)[N-]S(F)(=O)=O VDVLPSWVDYJFRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 2
- 229920000098 polyolefin Polymers 0.000 description 2
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 2
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 2
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 2
- 229920000036 polyvinylpyrrolidone Polymers 0.000 description 2
- 235000013855 polyvinylpyrrolidone Nutrition 0.000 description 2
- MHEBVKPOSBNNAC-UHFFFAOYSA-N potassium;bis(fluorosulfonyl)azanide Chemical compound [K+].FS(=O)(=O)[N-]S(F)(=O)=O MHEBVKPOSBNNAC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 2
- 238000002336 sorption--desorption measurement Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 2
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 2
- ZZXUZKXVROWEIF-UHFFFAOYSA-N 1,2-butylene carbonate Chemical compound CCC1COC(=O)O1 ZZXUZKXVROWEIF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OIXUJRCCNNHWFI-UHFFFAOYSA-N 1,2-dioxane Chemical compound C1CCOOC1 OIXUJRCCNNHWFI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VAYTZRYEBVHVLE-UHFFFAOYSA-N 1,3-dioxol-2-one Chemical compound O=C1OC=CO1 VAYTZRYEBVHVLE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- IDTCZPKYVMKLRZ-UHFFFAOYSA-N 1-(2-methoxyethyl)-1-methylpyrrolidin-1-ium Chemical compound COCC[N+]1(C)CCCC1 IDTCZPKYVMKLRZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LKLCJMMVEGXNPP-UHFFFAOYSA-N 1-butyl-3-methylimidazol-3-ium trifluoromethylsulfonylazanide Chemical compound FC(S(=O)(=O)[NH-])(F)F.C(CCC)[N+]1=CN(C=C1)C LKLCJMMVEGXNPP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NHEADKJXYVBAPL-UHFFFAOYSA-N 1-ethyl-3-methylimidazol-3-ium trifluoromethylsulfonylazanide Chemical compound CCn1cc[n+](C)c1.[NH-]S(=O)(=O)C(F)(F)F NHEADKJXYVBAPL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MQNGISQHOFRHQP-UHFFFAOYSA-N 1-methyl-3-octylimidazol-1-ium trifluoromethylsulfonylazanide Chemical compound FC(S(=O)(=O)[NH-])(F)F.C[N+]1=CN(C=C1)CCCCCCCC MQNGISQHOFRHQP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HZNVUJQVZSTENZ-UHFFFAOYSA-N 2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone Chemical compound ClC1=C(Cl)C(=O)C(C#N)=C(C#N)C1=O HZNVUJQVZSTENZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JWUJQDFVADABEY-UHFFFAOYSA-N 2-methyltetrahydrofuran Chemical compound CC1CCCO1 JWUJQDFVADABEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000017060 Arachis glabrata Nutrition 0.000 description 1
- 244000105624 Arachis hypogaea Species 0.000 description 1
- 235000010777 Arachis hypogaea Nutrition 0.000 description 1
- 235000018262 Arachis monticola Nutrition 0.000 description 1
- 238000004438 BET method Methods 0.000 description 1
- BTBUEUYNUDRHOZ-UHFFFAOYSA-N Borate Chemical compound [O-]B([O-])[O-] BTBUEUYNUDRHOZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 239000006245 Carbon black Super-P Substances 0.000 description 1
- 229920002134 Carboxymethyl cellulose Polymers 0.000 description 1
- 241000195628 Chlorophyta Species 0.000 description 1
- OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N Diethyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OCC OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N Ethylene carbonate Chemical compound O=C1OCCO1 KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910013063 LiBF 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910013684 LiClO 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010941 LiFSI Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910013870 LiPF 6 Inorganic materials 0.000 description 1
- WHNWPMSKXPGLAX-UHFFFAOYSA-N N-Vinyl-2-pyrrolidone Chemical compound C=CN1CCCC1=O WHNWPMSKXPGLAX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 240000007594 Oryza sativa Species 0.000 description 1
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 description 1
- MUBZPKHOEPUJKR-UHFFFAOYSA-N Oxalic acid Chemical compound OC(=O)C(O)=O MUBZPKHOEPUJKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004962 Polyamide-imide Substances 0.000 description 1
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 1
- 239000002174 Styrene-butadiene Substances 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006230 acetylene black Substances 0.000 description 1
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 239000002390 adhesive tape Substances 0.000 description 1
- 229910021383 artificial graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- LRESCJAINPKJTO-UHFFFAOYSA-N bis(trifluoromethylsulfonyl)azanide;1-ethyl-3-methylimidazol-3-ium Chemical compound CCN1C=C[N+](C)=C1.FC(F)(F)S(=O)(=O)[N-]S(=O)(=O)C(F)(F)F LRESCJAINPKJTO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229930188620 butyrolactone Natural products 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000013065 commercial product Substances 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- BXHHZLMBMOBPEH-UHFFFAOYSA-N diethyl-(2-methoxyethyl)-methylazanium Chemical compound CC[N+](C)(CC)CCOC BXHHZLMBMOBPEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N dimethyl carbonate Chemical compound COC(=O)OC IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N ethyl methyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OC JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000003273 ketjen black Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- MHCFAGZWMAWTNR-UHFFFAOYSA-M lithium perchlorate Chemical compound [Li+].[O-]Cl(=O)(=O)=O MHCFAGZWMAWTNR-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910001486 lithium perchlorate Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003002 lithium salt Inorganic materials 0.000 description 1
- 159000000002 lithium salts Chemical class 0.000 description 1
- 229910001496 lithium tetrafluoroborate Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021382 natural graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000696 nitrogen adsorption--desorption isotherm Methods 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 235000020232 peanut Nutrition 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 229920000191 poly(N-vinyl pyrrolidone) Polymers 0.000 description 1
- 229920002312 polyamide-imide Polymers 0.000 description 1
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 1
- 239000001267 polyvinylpyrrolidone Substances 0.000 description 1
- XAEFZNCEHLXOMS-UHFFFAOYSA-M potassium benzoate Chemical compound [K+].[O-]C(=O)C1=CC=CC=C1 XAEFZNCEHLXOMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N propylene carbonate Chemical compound CC1COC(=O)O1 RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 159000000000 sodium salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 239000010902 straw Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N tetrahydrofuran Natural products C=1C=COC=1 YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/30—Active carbon
- C01B32/312—Preparation
- C01B32/318—Preparation characterised by the starting materials
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
- H01G11/32—Carbon-based
- H01G11/34—Carbon-based characterised by carbonisation or activation of carbon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
- C01P2006/12—Surface area
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/13—Energy storage using capacitors
Abstract
리그닌 분말을 전도성 고분자 용액 및 알칼리 수용액으로 합성하고 탄화 처리하여 한번에 질소를 도핑시킨 활성탄을 제조하는 것에 의해 제조 비용 및 공정 간소화를 도모할 수 있는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법과, 그 슈퍼커패시터 및 이의 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 질소 도핑된 활성탄 제조 방법은 (a) 리그닌 분말을 알칼리 수용액에 첨가하고 교반한 후, 필터링하는 단계; (b) 상기 알칼리 수용액에 담지된 리그닌 분말을 질소를 함유한 전도성 고분자 용액에 첨가하고 교반한 후, 철 전구체 용액을 첨가하여 중합하는 단계; (c) 상기 중합된 합성물을 필터링한 후, 세척하고 건조하는 단계; 및 (d) 상기 건조된 결과물을 탄화 처리하여 질소 도핑된 활성탄을 수득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method for preparing nitrogen-doped activated carbon capable of simplifying the manufacturing cost and process by synthesizing lignin powder with a conductive polymer solution and an aqueous alkali solution and carbonizing the activated carbon doped with nitrogen at once, and a supercapacitor and manufacturing thereof Introducing the method.
A method for producing nitrogen-doped activated carbon according to the present invention includes the steps of (a) adding lignin powder to an aqueous alkali solution, stirring, and then filtering; (b) adding the lignin powder supported in the alkaline aqueous solution to a conductive polymer solution containing nitrogen, stirring, and adding an iron precursor solution to polymerize; (c) filtering the polymerized compound, followed by washing and drying; and (d) carbonizing the dried product to obtain nitrogen-doped activated carbon.
Description
본 발명은 질소 도핑된 활성탄 제조 방법과, 그 슈퍼커패시터 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리그닌 분말을 전도성 고분자 용액 및 알칼리 수용액으로 합성하고 탄화 처리하여 한번에 질소를 도핑시킨 활성탄을 제조하는 것에 의해 제조 비용 및 공정 간소화를 도모할 수 있는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법과, 그 슈퍼커패시터 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing nitrogen-doped activated carbon, a supercapacitor therefor, and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a method for producing activated carbon doped with nitrogen at once by synthesizing lignin powder with a conductive polymer solution and an aqueous alkali solution and carbonizing it. It relates to a method for preparing nitrogen-doped activated carbon capable of reducing manufacturing cost and process simplification, a supercapacitor therefor, and a method for manufacturing the same.
차세대 에너지 저장장치들 중 슈퍼커패시터는 빠른 충전 및 방전 속도, 높은 안정성, 그리고 친환경적 특성으로 인해, 차세대 에너지 저장장치로 각광받고 있다. 일반적인 슈퍼커패시터는 다공성 전극, 집전체, 분리막, 그리고 전해액 등으로 구성된다. Among next-generation energy storage devices, supercapacitors are attracting attention as next-generation energy storage devices due to their fast charging and discharging speed, high stability, and eco-friendly characteristics. A typical supercapacitor is composed of a porous electrode, a current collector, a separator, and an electrolyte.
슈퍼커패시터는 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC), 울트라커패시터(Ultra-capacitor) 라고도 일컬어지며, 이는 전극 및 도전체와, 그것에 함침된 전해액의 계면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기이중층)이 생성된 것을 이용하는 것으로, 충전 동작 및 방전 동작의 반복으로 인한 열화가 매우 작아 보수가 필요 없는 소자이다.A supercapacitor is also called an Electric Double Layer Capacitor (EDLC) or an ultra-capacitor, which is a pair of charge layers with different signs ( electrical double layer) is generated, and the deterioration due to repetition of charging and discharging operations is very small and does not require maintenance.
이에 따라, 슈퍼커패시터는 각종 전기 및 전자기기의 IC(integrated circuit) 백업을 하는 형태로 주로 사용되고 있다. 최근, 슈퍼커패시터는 그의 용도가 확대되어 장난감, 태양열 에너지 저장, HEV(hybrid electric vehicle) 전원 등에까지 폭넓게 응용되고 있다.Accordingly, supercapacitors are mainly used in the form of backing up integrated circuits (ICs) of various electrical and electronic devices. Recently, supercapacitors have been expanded in their use and are widely applied to toys, solar energy storage, HEV (hybrid electric vehicle) power sources, and the like.
이와 같은 슈퍼커패시터는 일반적으로 전해액이 함침된 양극 및 음극의 두 전극과, 이러한 두 전극 사이에 개재되어 이온(ion) 전도만 가능케 하고 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)과, 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓(gasket), 그리고 이들을 포장하는 도전체로서의 금속 캡으로 구성된 단위셀을 갖는다. 그리고 위와 같이 구성된 단위셀 1개 이상(통상, 코인형의 경우 2~6개)을 직렬로 적층하고 양극과 음극의 두 단자(terminal)를 조합하여 완성된다.Such a supercapacitor generally includes two electrodes, an anode and a cathode, impregnated with an electrolyte, and a porous separator interposed between these two electrodes to enable only ion conduction and to insulate and prevent short circuits, and an electrolyte It has a unit cell composed of a gasket for preventing leakage of liquid, insulation and short circuit, and a metal cap as a conductor for packaging them. In addition, one or more unit cells configured as above (usually, 2 to 6 in the case of a coin type) are stacked in series, and the two terminals of the positive and negative electrodes are combined to complete.
슈퍼커패시터의 성능은 전극활물질 및 전해질에 의하여 결정되며, 특히 축전용량 등 주요성능은 전극활물질에 의하여 대부분 결정된다. 이러한 전극활물질로는 활성탄이 주로 사용되고 있으며, 상용제품의 전극 기준으로 비 축전용량은 최고 19.3 F/cc 정도로 알려져 있다. 일반적으로, 슈퍼커패시터의 전극활물질로 사용되는 활성탄은 대략 1,500㎡/g 정도의 고비표면적 활성탄이 사용되고 있다.The performance of a supercapacitor is determined by the electrode active material and the electrolyte, and in particular, the main performance such as capacitance is mostly determined by the electrode active material. Activated carbon is mainly used as such an electrode active material, and the specific capacitance is known to be about 19.3 F/cc at the maximum based on commercial product electrodes. In general, activated carbon used as an electrode active material for supercapacitors has a high specific surface area of about 1,500 m 2 /g.
그러나, 슈퍼커패시터의 응용 분야의 확대에 따라 보다 높은 비축전용량과 에너지밀도가 요구되고 있어 보다 높은 축전용량을 발현하는 활성탄의 개발이 요구되고 있다.However, with the expansion of the application field of supercapacitors, higher specific capacitance and energy density are required, so the development of activated carbon that exhibits higher capacitance is required.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0079546호(2018.07.11. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 바이오매스를 이용한 활성탄의 제조방법 및 이를 이용한 필터 제조방법이 기재되어 있다.As a related prior literature, there is Korean Patent Publication No. 10-2018-0079546 (published on July 11, 2018), which describes a method for producing activated carbon using biomass and a method for manufacturing a filter using the same.
본 발명의 목적은 리그닌 분말을 전도성 고분자 용액 및 알칼리 수용액으로 합성하고 탄화 처리하여 한번에 질소를 도핑시킨 활성탄을 제조하는 것에 의해 제조 비용 및 공정 간소화를 도모할 수 있는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법과, 그 슈퍼커패시터 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is a method for preparing nitrogen-doped activated carbon capable of simplifying the manufacturing cost and process by synthesizing lignin powder with a conductive polymer solution and an aqueous alkali solution and carbonizing the activated carbon doped with nitrogen at once, and It is to provide a supercapacitor and a manufacturing method thereof.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 질소 도핑된 활성탄 제조 방법은 (a) 리그닌 분말을 알칼리 수용액에 첨가하고 교반한 후, 필터링하는 단계; (b) 상기 알칼리 수용액에 담지된 리그닌 분말을 질소를 함유한 전도성 고분자 용액에 첨가하고 교반한 후, 철 전구체 용액을 첨가하여 중합하는 단계; (c) 상기 중합된 합성물을 필터링한 후, 세척하고 건조하는 단계; 및 (d) 상기 건조된 결과물을 탄화 처리하여 질소 도핑된 활성탄을 수득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method for producing nitrogen-doped activated carbon according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes (a) adding lignin powder to an aqueous alkali solution, stirring, and filtering; (b) adding the lignin powder supported in the alkaline aqueous solution to a conductive polymer solution containing nitrogen, stirring, and adding an iron precursor solution to polymerize; (c) filtering the polymerized compound, followed by washing and drying; and (d) carbonizing the dried product to obtain nitrogen-doped activated carbon.
상기 (a) 단계에서, 상기 리그닌 분말은 10 ~ 150 mesh의 평균 직경을 갖는 바이오매스가 파쇄된 것을 이용한다.In step (a), as the lignin powder, biomass having an average diameter of 10 to 150 mesh is crushed.
상기 (a) 단계에서, 상기 알칼리 수용액의 용질은 KOH, NaOH 및 CaCl2 중 선택된 1종 이상을 포함한다.In the step (a), the solute of the aqueous alkali solution includes at least one selected from KOH, NaOH, and CaCl 2 .
상기 (b) 단계에서, 상기 질소를 함유한 전도성 고분자는 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline) 및 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile) 중 선택된 1종 이상을 포함한다.In step (b), the nitrogen-containing conductive polymer includes at least one selected from polypyrrole, polyaniline, and polyacrylonitrile.
상기 철 전구체 용액은 염화제2철6수화물(FeCl3·6H2O), 구연산 제2철(FeC6H5O7), 구연산 제2철 수화물(FeC6H5O7·nH2O), 황산 제1철 7수화물(FeSO4·H2O), 옥살산 철 2수화물(FeC2O4·H2O), 철 아세틸아세토네이트(Fe(C5H7O2)3) 및 인산 제2철 2수화물(FePO4·H2O) 중 선택된 1종 이상을 포함한다.The iron precursor solution is ferric chloride hexahydrate (FeCl 3 6H 2 O), ferric citrate (FeC 6 H 5 O 7 ), ferric citrate hydrate (FeC 6 H 5 O 7 nH 2 O) , ferrous sulfate heptahydrate (FeSO 4 H 2 O), iron oxalate dihydrate (FeC 2 O 4 H 2 O), iron acetylacetonate (Fe(C 5 H 7 O 2 ) 3 ) and a phosphoric acid agent It includes at least one selected from ferric dihydrate (FePO 4 H 2 O).
상기 (b) 단계에서, 상기 교반은 300 ~ 2,000rpm의 속도로 10 ~ 180분 동안 실시한다.In the step (b), the stirring is performed for 10 to 180 minutes at a speed of 300 to 2,000 rpm.
상기 (c) 단계에서, 상기 건조는 50 ~ 80℃에서 10 ~ 40시간 동안 실시한다.In step (c), the drying is performed at 50 to 80° C. for 10 to 40 hours.
상기 (d) 단계에서, 상기 탄화 처리는 비활성 가스 분위기에서 800 ~ 1,000℃ 조건으로 30 ~ 180분 동안 실시한다.In the step (d), the carbonization treatment is performed for 30 to 180 minutes at 800 to 1,000 ° C. in an inert gas atmosphere.
상기 탄화 처리시, 승온 속도는 5 ~ 15℃/min으로 실시한다.During the carbonization treatment, the temperature increase rate is carried out at 5 to 15 °C/min.
상기 비활성 가스는 Ar, He 및 N2 중 1종 이상을 이용한다.As the inert gas, at least one of Ar, He, and N 2 is used.
상기 (d) 단계 이후, 상기 질소 도핑된 활성탄은 질소가 0.1 ~ 5.0 원자%로 도핑된다.After the step (d), the nitrogen-doped activated carbon is doped with nitrogen in an amount of 0.1 to 5.0 atomic %.
상기 (d) 단계 이후, 상기 질소 도핑된 활성탄은 500 ~ 3,500 m2/g의 비표면적을 갖는다.After step (d), the nitrogen-doped activated carbon has a specific surface area of 500 to 3,500 m 2 /g.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터는 양극과 음극이 서로 이격되게 배치되어 있고, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막이 배치되며, 상기 양극 및 음극은 슈퍼커패시터의 전해액에 함침되어 있고, 상기 양극 및 음극 각각은 전극활물질, 도전재 및 바인더를 포함하며, 상기 양극 및 음극의 전극활물질 중 적어도 하나는, 질소 도핑된 활성탄이 이용되며, 상기 질소 도핑된 활성탄은 질소가 0.1 ~ 5.0 원자%로 도핑된 것을 특징으로 한다.In the supercapacitor according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, an anode and a cathode are disposed to be spaced apart from each other, and a separator is disposed between the anode and the cathode to prevent a short circuit between the anode and the cathode, The positive electrode and the negative electrode are impregnated with an electrolyte of a supercapacitor, each of the positive electrode and the negative electrode includes an electrode active material, a conductive material, and a binder, and at least one of the electrode active materials of the positive electrode and the negative electrode is nitrogen-doped activated carbon. , The nitrogen-doped activated carbon is characterized in that nitrogen is doped with 0.1 to 5.0 atomic %.
상기 질소 도핑된 활성탄은 500 ~ 3,500 m2/g의 비표면적을 갖는다.The nitrogen-doped activated carbon has a specific surface area of 500 to 3,500 m 2 /g.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터 제조 방법은 (a) 전극활물질, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계; (b) 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계; (c) 상기 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 음극 사이에 상기 양극과 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 양극 및 음극을 제1항에 기재된 전해액에 함침시키는 단계;를 포함하며, 상기 (a) 단계에서, 상기 전극활물질은, 질소 도핑된 활성탄이 이용되며, 상기 질소 도핑된 활성탄은 질소가 0.1 ~ 5.0 원자%로 도핑된 것을 특징으로 한다.To achieve the above object, a method for manufacturing a supercapacitor according to an embodiment of the present invention includes (a) preparing a composition for a supercapacitor electrode by mixing an electrode active material, a conductive material, a binder, and a dispersion medium; (b) pressing the composition for a supercapacitor electrode to form an electrode, coating the composition for a supercapacitor electrode on a metal foil to form an electrode, or pushing the composition for a supercapacitor electrode with a roller to form a sheet Forming an electrode form by attaching it to a metal foil or a current collector; (c) forming a supercapacitor electrode by drying the product formed in the form of the electrode; and (d) using the supercapacitor electrode as an anode and a cathode, disposing a separator between the anode and cathode to prevent a short circuit between the anode and cathode, and impregnating the anode and cathode with the electrolyte solution according to claim 1. In the step (a), nitrogen-doped activated carbon is used as the electrode active material, and the nitrogen-doped activated carbon is doped with nitrogen in an amount of 0.1 to 5.0 atomic %.
상기 질소 도핑된 활성탄은 500 ~ 3,500 m2/g의 비표면적을 갖는다.The nitrogen-doped activated carbon has a specific surface area of 500 to 3,500 m 2 /g.
본 발명에 따른 질소 도핑된 활성탄 제조 방법과, 그 슈퍼커패시터 및 이의 제조 방법은 리그닌 분말을 활성화 반응시 사용되는 알칼리 수용액으로 담지 처리한 후, 알칼리 수용액에 담지된 리그닌 분말을 질소를 함유한 전도성 고분자 용액과 중합시켜 합성한 다음 탄화 처리를 실시함으로써, 별도의 활성화 처리 없이 한번에 질소 도핑된 활성탄을 제조하는 것이 가능하므로 제조 비용 및 공정 간소화를 도모할 수 있게 된다.The method for producing nitrogen-doped activated carbon, the supercapacitor, and the method for producing the same according to the present invention are carried out by supporting lignin powder in an aqueous alkali solution used in the activation reaction, and then converting the lignin powder supported in the aqueous alkali solution into a nitrogen-containing conductive polymer. By synthesizing by polymerization with a solution and then performing carbonization treatment, it is possible to manufacture nitrogen-doped activated carbon at once without a separate activation treatment, so that manufacturing cost and process simplification can be sought.
이 결과, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 질소 도핑된 활성탄은 500 ~ 3,500 m2/g의 고 비표면적을 확보할 수 있으면서, 질소가 0.1 ~ 5.0 원자%로 도핑되는 것에 의해, 전극활물질의 전기전도도 향상으로 전해액의 전하 전달을 용이하게 하여 슈퍼커패시터의 출력 특성을 향상시킬 수 있게 된다.As a result, the nitrogen-doped activated carbon prepared by the method according to the present invention can secure a high specific surface area of 500 to 3,500 m 2 /g, and is doped with nitrogen at 0.1 to 5.0 atomic %, thereby making the electrode active material electrically The improved conductivity facilitates the charge transfer of the electrolyte, thereby improving the output characteristics of the supercapacitor.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질소 도핑된 활성탄 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 코인형 슈퍼커패시터를 나타낸 단면도.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 권취형 슈퍼커패시터를 나타낸 모식도.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 활성탄에 대한 탄화 처리 전후의 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프.
도 9는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 활성탄에 대한 질소 흡-탈착 실험 결과를 나타낸 그래프.1 is a process flow chart showing a method for preparing nitrogen-doped activated carbon according to an embodiment of the present invention.
2 is a process flow chart illustrating a method of manufacturing a supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view showing a coin-type supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
4 to 7 are schematic diagrams showing a wound-type supercapacitor according to another embodiment of the present invention.
8 is a graph showing XPS analysis results of activated carbons prepared according to Example 1 and Comparative Example 1 before and after carbonization treatment.
9 is a graph showing nitrogen adsorption-desorption test results for activated carbon prepared according to Example 1 and Comparative Example 1;
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention, and methods of achieving them, will become clear with reference to the detailed description of the following embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various different forms, and only these embodiments make the disclosure of the present invention complete, and common knowledge in the art to which the present invention belongs. It is provided to fully inform the holder of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numbers designate like elements throughout the specification.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질소 도핑된 활성탄 제조 방법과, 그 슈퍼커패시터 및 이의 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a method for preparing nitrogen-doped activated carbon according to a preferred embodiment of the present invention, a supercapacitor thereof, and a method for manufacturing the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
질소 도핑된 활성탄 제조 방법Method for preparing nitrogen-doped activated carbon
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질소 도핑된 활성탄 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.1 is a process flow chart showing a method for preparing nitrogen-doped activated carbon according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 질소 도핑된 활성탄 제조 방법은 혼합 및 필터링 단계(S10), 중합 단계(S20), 세척 및 건조 단계(S30)와 탄화 처리 단계(S40)를 포함한다.As shown in FIG. 1, the method for preparing nitrogen-doped activated carbon according to an embodiment of the present invention includes a mixing and filtering step (S10), a polymerization step (S20), a washing and drying step (S30), and a carbonization step (S40). includes
혼합 및 필터링mixing and filtering
혼합 및 필터링 단계(S10)에서는 리그닌 분말을 알칼리 수용액에 첨가하고 교반한 후, 필터링한다.In the mixing and filtering step (S10), lignin powder is added to an aqueous alkali solution, stirred, and then filtered.
여기서, 리그닌 분말은 10 ~ 150 mesh의 평균 직경을 갖는 바이오매스가 파쇄된 것을 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 바이오매스로는 톱밥(sawdust), 볏짚, 폐목의 잔가지, 나뭇가지 및 우드 스크랩, 땅콩 껍질 등의 목질계 바이오매스, 녹조류 등을 그 예로 들 수 있다. 이러한 바이오매스는 주변에서 흔히 구할 수 있는 물질로서, 원료 확보가 용이한 장점이 있다.Here, it is preferable to use lignin powder obtained by crushing biomass having an average diameter of 10 to 150 mesh. Examples of such biomass include wood-based biomass such as sawdust, rice straw, twigs of waste trees, twigs and wood scraps, peanut shells, and green algae. Such biomass is a material that can be commonly obtained in the surroundings, and has the advantage of easy securing of raw materials.
바이오매스의 경우, 셀룰로즈, 헤미셀룰로즈 및 리그닌으로 구성되어 있다. 바이오매스는 펄프나 바이오 연료 등의 다양한 산업에서 그 쓰임새가 증가하는 추세이다. 바이오 연료 산업에서는 바이오매스 구성성분 중 셀룰로즈만이 당화를 거쳐 사용될 수 있는데, 헤미셀룰로즈의 경우에는 생산 중 제거가 되며, 이때 헤미셀룰로즈가 빠져 나가면서 구조가 풀어지고 공극이 생겨 활성탄 제조시 유리한 상태가 되어, 잔사 리그닌을 효과적으로 이용할 수 있다.In the case of biomass, it consists of cellulose, hemicellulose and lignin. Biomass tends to be increasingly used in various industries such as pulp and biofuel. In the biofuel industry, only cellulose among biomass constituents can be used through saccharification. In the case of hemicellulose, it is removed during production, and at this time, as hemicellulose escapes, the structure is loosened and pores are formed, which is advantageous in the production of activated carbon. As a result, the residual lignin can be effectively used.
본 단계에서, 알칼리 수용액은 리그닌 분말에 담지되어, 탄화 처리시 활성화 반응을 촉진시키는 역할을 한다. 이를 위해, 알칼리 수용액은 0.8 ~ 1.2M의 농도를 갖는 것을 이용하는 것이 바람직하다.In this step, the aqueous alkali solution is supported on the lignin powder and serves to accelerate the activation reaction during carbonization. For this purpose, it is preferable to use an aqueous alkali solution having a concentration of 0.8 to 1.2M.
알칼리 수용액의 용질로는 KOH, NaOH 및 CaCl2 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 알칼리 수용액의 용매로는 물을 포함할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에서는 리그닌 분말을 알칼리 수용액에 첨가하고 교반한 후, 필터링하는 것에 의해 알칼리 수용액이 담지된 리그닌 분말을 수득할 수 있게 된다.A solute of the aqueous alkali solution may include at least one selected from KOH, NaOH, and CaCl 2 , and water may be included as a solvent of the aqueous alkali solution. As such, in the present invention, lignin powder loaded with an aqueous alkali solution can be obtained by adding lignin powder to an aqueous alkali solution, stirring, and then filtering the lignin powder.
본 단계에서, 교반은 200 ~ 1,000rmp의 속도로 교반하는 것이 바람직하다. 교반 속도가 200rpm 미만일 경우에는 리그닌 분말의 표면에 알칼리 수용액이 균일하게 담지되지 못할 우려가 있다. 반대로, 교반 속도가 1,000rpm을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 없이 제조 비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.In this step, stirring is preferably performed at a speed of 200 to 1,000 rmp. When the stirring speed is less than 200 rpm, there is a concern that the aqueous alkali solution may not be uniformly supported on the surface of the lignin powder. Conversely, when the stirring speed exceeds 1,000 rpm, it is not economical because it may act as a factor that only increases manufacturing cost without further effect.
중합polymerization
중합 단계(S20)에서는 알칼리 수용액에 담지된 리그닌 분말을 질소를 함유한 전도성 고분자 용액에 첨가하고 교반한 후, 철 전구체 용액을 첨가하여 중합한다.In the polymerization step (S20), lignin powder supported in aqueous alkali solution is added to a conductive polymer solution containing nitrogen, stirred, and then polymerized by adding an iron precursor solution.
여기서, 질소를 함유한 전도성 고분자 용액은 질소를 함유한 전도성 고분자를 물에 혼합한 것이 이용될 수 있다. 이러한 질소를 함유한 전도성 고분자 용액은 0.1 ~ 0.3M의 농도를 갖는 것을 이용하는 것이 바람직하다.Here, as the conductive polymer solution containing nitrogen, a conductive polymer solution containing nitrogen mixed with water may be used. It is preferable to use such a nitrogen-containing conductive polymer solution having a concentration of 0.1 to 0.3M.
이때, 질소를 함유한 전도성 고분자는 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline) 및 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile) 중 선택된 1종 이상을 포함한다.At this time, the conductive polymer containing nitrogen includes at least one selected from polypyrrole, polyaniline, and polyacrylonitrile.
아울러, 철 전구체 용액은 염화제2철6수화물(FeCl3·6H2O), 구연산 제2철(FeC6H5O7), 구연산 제2철 수화물(FeC6H5O7·nH2O), 황산 제1철 7수화물(FeSO4·H2O), 옥살산 철 2수화물(FeC2O4·H2O), 철 아세틸아세토네이트(Fe(C5H7O2)3) 및 인산 제2철 2수화물(FePO4·H2O) 중 선택된 1종 이상을 포함한다. 이러한 철 전구체 용액은 0.3 ~ 0.7M의 농도를 갖는 것을 이용하는 것이 바람직하다.In addition, the iron precursor solution is ferric chloride hexahydrate (FeCl 3 6H 2 O), ferric citrate (FeC 6 H 5 O 7 ), ferric citrate hydrate (FeC 6 H 5 O 7 nH 2 O ), ferrous sulfate heptahydrate (FeSO 4 H 2 O), iron oxalate dihydrate (FeC 2 O 4 H 2 O), iron acetylacetonate (Fe(C 5 H 7 O 2 ) 3 ) and phosphoric acid It includes at least one selected from ferric dihydrate (FePO 4 H 2 O). The iron precursor solution preferably has a concentration of 0.3 to 0.7M.
본 단계에서, 교반은 300 ~ 2,000rpm의 속도로 10 ~ 180분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 교반 속도가 300rpm 미만이거나, 교반 시간이 10분 미만일 경우에는 분산안정성 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 교반 속도가 2,000rpm을 초과하거나, 교반 시간이 180분을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 공정 비용 및 시간만을 증가시키는 요인으로 작용하므로, 경제적이지 못하다.In this step, stirring is preferably performed for 10 to 180 minutes at a speed of 300 to 2,000 rpm. When the stirring speed is less than 300 rpm or the stirring time is less than 10 minutes, it may be difficult to secure dispersion stability. Conversely, when the stirring speed exceeds 2,000 rpm or the stirring time exceeds 180 minutes, it is not economical because it acts as a factor that only increases process cost and time without further increasing the effect.
세척 및 건조wash and dry
세척 및 건조 단계(S30)에서는 중합된 합성물을 필터링한 후, 세척하고 건조한다.In the washing and drying step (S30), the polymerized compound is filtered, washed, and dried.
본 단계에서, 세척은 증류수를 이용하여 적어도 3회 이상 반복 실시하는 것이 바람직하다.In this step, washing is preferably repeated at least three times using distilled water.
아울러, 건조는 50 ~ 80℃에서 10 ~ 40시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 건조 온도가 50℃ 미만이거나, 건조 시간이 10시간 미만일 경우에는 충분한 건조가 이루어지지 않아 기계적 강도 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 건조 온도가 80℃를 초과하거나, 건조 시간이 40시간을 초과할 경우에는 더 이상이 효과 상승 없이 제조비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.In addition, drying is preferably carried out at 50 ~ 80 ℃ for 10 ~ 40 hours. When the drying temperature is less than 50° C. or the drying time is less than 10 hours, sufficient drying may not be achieved, resulting in difficulties in securing mechanical strength. Conversely, when the drying temperature exceeds 80 ° C or the drying time exceeds 40 hours, it is not economical because it may act as a factor that only increases manufacturing cost without increasing the effect.
탄화 처리carbonization treatment
탄화 처리 단계(S40)에서는 건조된 결과물을 탄화 처리하여 질소 도핑된 활성탄을 수득한다.In the carbonization treatment step (S40), nitrogen-doped activated carbon is obtained by carbonization of the dried product.
여기서, 탄화 처리는 비활성 가스 분위기에서 800 ~ 1,000℃ 조건으로 30 ~ 180분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 탄화 처리시, 승온 속도는 5 ~ 15℃/min으로 실시하는 것이 바람직하다.Here, the carbonization treatment is preferably performed for 30 to 180 minutes under conditions of 800 to 1,000° C. in an inert gas atmosphere. During the carbonization treatment, the temperature increase rate is preferably 5 to 15°C/min.
이러한 탄화 처리시 비활성 가스는 Ar, He 및 N2 중 1종 이상을 이용하고, 비활성 가스는 200 ~ 700cc/mm의 속도로 공급하는 것이 바람직하다.During the carbonization process, it is preferable to use at least one of Ar, He, and N 2 as an inert gas, and supply the inert gas at a rate of 200 to 700 cc/mm.
이와 같이, 본 발명에서는 리그닌 분말을 활성화 반응시 사용되는 알칼리 수용액으로 담지 처리한 후, 알칼리 수용액에 담지된 리그닌 분말을 질소를 함유한 전도성 고분자 용액과 중합시켜 합성한 다음 탄화 처리를 실시함으로써, 한번에 질소 도핑된 활성탄을 제조하는 것이 가능하므로 제조 비용 및 공정 간소화를 도모할 수 있게 된다.As described above, in the present invention, after the lignin powder is supported in an aqueous alkali solution used in the activation reaction, the lignin powder supported in the aqueous alkali solution is synthesized by polymerization with a conductive polymer solution containing nitrogen, and then carbonized at once. Since it is possible to manufacture nitrogen-doped activated carbon, it is possible to promote manufacturing cost and process simplification.
이러한 탄화 처리 단계(S40) 이후, 질소 도핑된 활성탄은 질소가 0.1 ~ 5.0 원자%로 도핑된다. 아울러, 질소 도핑된 활성탄은 500 ~ 3,500 m2/g의 비표면적을 갖는다.After the carbonization treatment step (S40), the nitrogen-doped activated carbon is doped with nitrogen in an amount of 0.1 to 5.0 atomic %. In addition, the nitrogen-doped activated carbon has a specific surface area of 500 to 3,500 m 2 /g.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 질소 도핑된 활성탄 제조 방법은 리그닌 분말을 활성화 반응시 사용되는 알칼리 수용액으로 담지 처리한 후, 알칼리 수용액에 담지된 리그닌 분말을 질소를 함유한 전도성 고분자 용액과 중합시켜 합성한 다음 탄화 처리를 실시함으로써, 별도의 활성화 처리 없이 한번에 질소 도핑된 활성탄을 제조하는 것이 가능하므로 제조 비용 및 공정 간소화를 도모할 수 있게 된다.In the above-described method for preparing nitrogen-doped activated carbon according to an embodiment of the present invention, lignin powder is supported in an aqueous alkali solution used in the activation reaction, and then the lignin powder supported in the aqueous alkali solution is polymerized with a conductive polymer solution containing nitrogen. By carrying out the carbonization treatment after synthesis, it is possible to manufacture nitrogen-doped activated carbon at once without a separate activation treatment, so that the manufacturing cost and process simplification can be sought.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 질소 도핑된 활성탄은 500 ~ 3,500 m2/g의 고 비표면적을 확보할 수 있으면서, 질소가 0.1 ~ 5.0 원자%로 도핑되는 것에 의해, 전극활물질의 전기전도도 향상으로 전해액의 전하 전달을 용이하게 하여 슈퍼커패시터의 출력 특성을 향상시킬 수 있게 된다.As a result, the nitrogen-doped activated carbon prepared by the method according to the embodiment of the present invention can secure a high specific surface area of 500 to 3,500 m 2 /g, and is doped with nitrogen at 0.1 to 5.0 atomic %, thereby making the electrode electrode The improvement in the electrical conductivity of the active material facilitates charge transfer in the electrolyte, thereby improving the output characteristics of the supercapacitor.
슈퍼커패시터 및 그 제조 방법Supercapacitor and manufacturing method thereof
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.2 is a process flow chart illustrating a method of manufacturing a supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터 제조 방법은 슈퍼커패시터 전극용 조성물 형성 단계(S110), 전극 형태로 형성 단계(S120), 슈퍼커패시터 전극 형성 단계(S130) 및 전해액 함침 단계(S140)를 포함한다.As shown in FIG. 2, the supercapacitor manufacturing method according to an embodiment of the present invention includes forming a composition for a supercapacitor electrode (S110), forming an electrode shape (S120), forming a supercapacitor electrode (S130), and an electrolyte solution. It includes an impregnation step (S140).
슈퍼커패시터 전극용 조성물 형성Formation of composition for supercapacitor electrode
슈퍼커패시터 전극용 조성물 형성 단계(S110)에서는 전극활물질, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조한다.In the step of forming a composition for a supercapacitor electrode (S110), a composition for a supercapacitor electrode is prepared by mixing an electrode active material, a conductive material, a binder, and a dispersion medium.
전극활물질, 도전재, 바인더, 및 분산매를 포함하는 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조한다.A composition for a supercapacitor electrode including an electrode active material, a conductive material, a binder, and a dispersion medium is prepared.
슈퍼커패시터 전극용 조성물은 전극활물질, 전극활물질 100 중량부에 대하여 도전재 2 ~ 20 중량부, 전극활물질 100 중량부에 대하여 바인더 2 ~ 20 중량부, 전극활물질 100 중량부에 대하여 분산매 200 ~ 300 중량부를 포함하는 것이 바람직하다.The composition for a supercapacitor electrode includes an electrode active material, 2 to 20 parts by weight of a conductive material based on 100 parts by weight of the electrode active material, 2 to 20 parts by weight of a binder based on 100 parts by weight of the electrode active material, and 200 to 300 parts by weight of a dispersion medium based on 100 parts by weight of the electrode active material. It is desirable to include wealth.
이러한 슈퍼커패시터 전극용 조성물은 반죽 상이므로 균일한 혼합(완전 분산)이 어려울 수 있는데, 플래니터리 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기(mixer)를 사용하여 소정 시간(예컨대, 10분 ~ 12시간) 동안 교반시키면 전극 제조에 적합한 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 얻을 수 있다. 플래니터리 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기는 균일하게 혼합된 슈퍼커패시터 전극용 조성물의 제조를 가능케 한다.Such a composition for a supercapacitor electrode may be difficult to uniformly mix (completely disperse) because it is in the form of dough, and it may be difficult to mix it uniformly (completely disperse) for a predetermined time (eg, 10 minutes to 12 hours) using a mixer such as a planetary mixer. While stirring, a composition for a supercapacitor electrode suitable for manufacturing an electrode can be obtained. A mixer such as a planetary mixer enables the preparation of a uniformly mixed composition for a supercapacitor electrode.
전극활물질은, 도 1을 참조하여 설명한 질소 도핑된 활성탄 제조 방법에 의해 제조된 질소 도핑된 활성탄이 이용된다. 이러한 질소 도핑된 활성탄은 질소가 0.1 ~ 5.0 원자%로 도핑된다. 이와 같이, 본 발명의 전극활물질은 질소가 0.1 ~ 5.0 원자%로 도핑되는 것에 의해, 전극활물질의 전기전도도 향상으로 전해액의 전하 전달을 용이하게 하여 슈퍼커패시터의 출력 특성을 향상시킬 수 있게 된다.As the electrode active material, nitrogen-doped activated carbon manufactured by the nitrogen-doped activated carbon manufacturing method described with reference to FIG. 1 is used. Such nitrogen-doped activated carbon is doped with nitrogen in an amount of 0.1 to 5.0 atomic %. As described above, the electrode active material of the present invention is doped with nitrogen at 0.1 to 5.0 atomic %, thereby improving the electrical conductivity of the electrode active material and facilitating charge transfer in the electrolyte solution, thereby improving the output characteristics of the supercapacitor.
바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene), 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF; polyvinylidenefloride), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC; carboxymethylcellulose), 폴리비닐알코올(PVA; poly vinyl alcohol), 폴리비닐부티랄(PVB; poly vinyl butyral), 폴리비닐피롤리돈(PVP; poly-N-vinylpyrrolidone), 스티렌부타디엔고무(SBR; styrene butadiene rubber), 폴리아마이드-이미드(Polyamide-imide), 폴리이미드(polyimide) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.Binders include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidenefloride (PVdF), carboxymethylcellulose (CMC), polyvinyl alcohol (PVA), and polyvinyl butyral (PVB). ; poly vinyl butyral), polyvinylpyrrolidone (PVP; poly-N-vinylpyrrolidone), styrene butadiene rubber (SBR; styrene butadiene rubber), polyamide-imide, polyimide, etc. One selected type or a mixture of two or more types may be used.
도전재는 화학 변화를 야기하지 않는 전자 전도성 재료이면 특별히 제한되지 않으며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 슈퍼-피(Super-P) 블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등이 가능하다.The conductive material is not particularly limited as long as it is an electron conductive material that does not cause chemical change, and examples thereof include natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, Ketjen black, Super-P black, carbon fiber, copper, nickel, Metal powder or metal fiber, such as aluminum and silver, is possible.
분산매는 에탄올(EtOH), 아세톤, 이소프로필알콜, N-메틸피롤리돈(NMP), 프로필렌글리콜(PG) 등의 유기 용매 또는 물을 사용할 수 있다.As the dispersion medium, an organic solvent such as ethanol (EtOH), acetone, isopropyl alcohol, N-methylpyrrolidone (NMP), or propylene glycol (PG) or water may be used.
전극 형태로 형성formed in the form of an electrode
전극 형태로 형성 단계(S120)에서는 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성한다.In the step of forming an electrode (S120), the composition for a supercapacitor electrode is compressed to form an electrode, the composition for a supercapacitor electrode is coated on a metal foil to form an electrode, or the composition for a supercapacitor electrode is pushed with a roller to form a sheet. It is made into a state and attached to a metal foil or a current collector to form an electrode form.
전극 형태로 형성하는 단계의 예를 보다 구체적으로 설명하면, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤프레스 성형기를 이용하여 압착하여 성형할 수 있다. 롤프레스 성형기는 압연을 통한 전극밀도 향상 및 전극의 두께 제어를 목적으로 하고 있으며, 상단과 하단의 롤과 롤의 두께 및 가열 온도를 제어할 수 있는 컨트롤러와, 전극을 풀어주고 감아줄 수 있는 와인딩부로 구성된다. 롤 상태의 전극이 롤프레스를 지나면서 압연공정이 진행되고, 이것이 다시 롤 상태로 감겨서 전극이 완성된다. 이때, 프레스의 가압 압력은 5 ~ 20 ton/㎠로 롤의 온도는 0 ~ 150℃로 하는 것이 바람직하다.To describe an example of the step of forming the electrode shape in more detail, the composition for a supercapacitor electrode may be compressed and molded using a roll press molding machine. The purpose of the roll press molding machine is to improve electrode density and control the thickness of electrodes through rolling. consists of parts As the rolled electrode passes through the roll press, the rolling process proceeds, and this is wound into a roll again to complete the electrode. At this time, the pressing pressure of the press is preferably 5 to 20 ton/cm 2 and the temperature of the roll is 0 to 150° C.
또한, 전극 형태로 형성하는 다른 예를 살펴보면, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 티타늄 호일(Ti foil), 알루미늄 호일(Al foil), 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil)과 같은 금속 호일(metal foil)에 코팅하거나, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일 또는 금속 집전체에 붙여서 전극 형상으로 제조할 수도 있다. 여기서, 알루미늄 에칭 호일이라 함은 알루미늄 호일을 요철 모양으로 에칭한 것을 의미한다.In addition, looking at another example in the form of an electrode, the composition for a supercapacitor electrode is coated on a metal foil such as titanium foil, aluminum foil, or aluminum etching foil. Alternatively, the composition for a supercapacitor electrode may be pushed with a roller to form a sheet (rubber type) and attached to a metal foil or a metal current collector to form an electrode shape. Here, the aluminum etching foil means that the aluminum foil is etched in a concavo-convex shape.
슈퍼커패시터 전극 형성Formation of supercapacitor electrodes
슈퍼커패시터 전극 형성 단계(S130)에서는 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성한다.In the supercapacitor electrode forming step (S130), a supercapacitor electrode is formed by drying the product formed in the form of an electrode.
프레스 압착 공정을 거친 슈퍼커패시터 전극용 조성물은 건조 공정을 거친다. 건조 공정은 100 ~ 350℃, 바람직하게는 150℃ ~ 300℃의 온도에서 수행된다. 이때, 건조 온도가 100℃ 미만인 경우 분산매의 증발이 어려워 바람직하지 않으며, 350℃를 초과하는 고온 건조 시에는 도전재의 산화가 일어날 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 건조 온도는 적어도 100℃ 이상이고, 350℃를 넘지 않는 것이 바람직하다. 그리고, 건조 공정은 위와 같은 온도에서 10분 ~ 6시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 성형된 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 슈퍼커패시터 전극의 강도를 향상시킨다.The composition for a supercapacitor electrode that has undergone the press pressing process is subjected to a drying process. The drying process is performed at a temperature of 100 to 350°C, preferably 150°C to 300°C. At this time, when the drying temperature is less than 100 ° C., it is difficult to evaporate the dispersion medium, which is not preferable, and when drying at a high temperature exceeding 350 ° C., oxidation of the conductive material may occur. Therefore, the drying temperature is preferably at least 100°C or higher and does not exceed 350°C. And, it is preferable to proceed with the drying process for 10 minutes to 6 hours at the same temperature as above. In this drying process, the molded supercapacitor electrode composition is dried (dispersion medium evaporation) and at the same time the powder particles are bound to improve the strength of the supercapacitor electrode.
한편, 전극 형태로 형성하는 다른 예에 의해 전극을 형성한 경우에는 100 ~ 250℃, 바람직하게는 150 ~ 200℃의 온도 조건으로 건조하는 것이 바람직하다.On the other hand, when the electrode is formed by another example formed in the form of an electrode, it is preferable to dry at a temperature condition of 100 to 250 ° C, preferably 150 to 200 ° C.
상기의 과정(S110 ~ S130)에 의해 제조되는 슈퍼커패시터 전극은 고용량으로서 소형의 코인형 슈퍼커패시터에 유용하게 적용될 수 있다.The supercapacitor electrode manufactured by the above processes (S110 to S130) has a high capacity and can be usefully applied to a small coin-type supercapacitor.
전해액 함침electrolyte impregnation
전해액 함침 단계(S140)에서는 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 양극과 음극 사이에 양극과 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 양극 및 음극을 슈퍼커패시터의 전해액에 함침시킨다.In the electrolyte impregnation step (S140), supercapacitor electrodes are used as anodes and cathodes, a separator is placed between the anodes and cathodes to prevent a short circuit between the anodes and cathodes, and the anodes and cathodes are impregnated with the electrolyte of the supercapacitor.
여기서, 슈퍼커패시터의 전해액은, 상술한 바와 같이, 비수계 전해액과, 비수계 전해액 100 중량부에 대하여, 1 ~ 25 중량부로 첨가된 이온성 액체를 포함하는 것이 이용된다.Here, the electrolyte solution of the supercapacitor, as described above, is used to include a nonaqueous electrolyte solution and an ionic liquid added in an amount of 1 to 25 parts by weight based on 100 parts by weight of the nonaqueous electrolyte solution.
이에 따라, 본 발명에서는 비수계 전해액 및 이온성 액체에 첨가제를 투입시킨 전해액을 사용하는 것에 의해 높은 비축전용량을 갖는 슈퍼커패시터를 제조할 수 있게 된다.Accordingly, in the present invention, a supercapacitor having a high specific capacitance can be manufactured by using an electrolyte solution in which additives are added to a non-aqueous electrolyte solution and an ionic liquid.
이에 대해서는 이하 첨부된 도면들을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.This will be described in more detail with reference to the accompanying drawings below.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 코인형 슈퍼커패시터를 나타낸 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing a coin-type supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
도 3에서 도면부호 190은 도전체로서의 금속캡이고, 도면부호 160은 양극(120)과 음극(110) 간의 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)이며, 도면부호 192는 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓이다. 이때, 양극(120)과 음극(110)은 금속캡(190)과 접착제에 의해 견고하게 고정된다.In FIG. 3,
코인형 슈퍼커패시터는 양극(120) 및 음극(110)과, 양극(120) 및 음극(110) 사이에 배치되고 양극(120)과 음극(120)의 단락을 방지하기 위한 분리막(seperator)(160)을 금속캡(190) 내에 배치하고, 양극(120)와 음극(110) 사이에 전해액을 주입한 후, 가스켓(192)으로 밀봉하여 제조할 수 있다. The coin-type supercapacitor has a
분리막(160)은 폴리올레핀, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등 배터리 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.The
한편, 도 4 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 권취형 슈퍼커패시터를 나타낸 모식도로, 이를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 권취형 슈퍼커패시터를 제조하는 방법을 구체적으로 설명한다.Meanwhile, FIGS. 4 to 7 are schematic diagrams showing a wound-type supercapacitor according to another embodiment of the present invention, and a method of manufacturing the wound-type supercapacitor according to another embodiment of the present invention will be described in detail with reference to these diagrams.
슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 제조하는 방법은 앞서 설명한 방법과 동일하다.Methods for preparing the anode and cathode compositions for supercapacitors are the same as those described above.
슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 구리 호일(Cu foil), 알루미늄 호일(Al foil), 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil)과 같은 금속 호일(metal foil)에 코팅하거나, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 양극 및 음극 형상으로 제조한다. Anode and cathode compositions for supercapacitors are coated on metal foil such as Cu foil, Al foil, and aluminum etching foil, or the composition for supercapacitor electrodes is applied with a roller. It is made into a sheet state (rubber type) by pushing and attached to a metal foil or a current collector to form an anode and a cathode.
이러한 공정을 거친 양극 및 음극 형상에 대하여 건조 공정을 거친다. 건조 공정은 100 ~ 350℃, 바람직하게는 150 ~ 300℃의 온도에서 수행된다. 이때, 건조 온도가 100℃ 미만인 경우 분산매의 증발이 어려워 바람직하지 않으며, 350℃를 초과하는 고온 건조 시에는 도전재의 산화가 일어날 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 건조 온도는 적어도 100℃ 이상이고, 350℃를 넘지 않는 것이 바람직하다.A drying process is performed for the anode and cathode shapes that have undergone this process. The drying process is performed at a temperature of 100 to 350°C, preferably 150 to 300°C. At this time, when the drying temperature is less than 100 ° C., it is difficult to evaporate the dispersion medium, which is not preferable, and when drying at a high temperature exceeding 350 ° C., oxidation of the conductive material may occur. Therefore, the drying temperature is preferably at least 100°C or higher and does not exceed 350°C.
그리고, 건조 공정은 위와 같은 온도에서 10분 ~ 6시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 슈퍼커패시터 전극의 강도를 향상시킨다.And, it is preferable to proceed with the drying process for 10 minutes to 6 hours at the same temperature as above. In this drying process, the composition for the supercapacitor electrode is dried (evaporation of the dispersion medium) and at the same time, the strength of the supercapacitor electrode is improved by binding the powder particles.
도 4에 도시된 바와 같이, 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 금속 호일에 코팅하거나 시트 상태로 만들어 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 제조한 양극(120) 및 음극(110)에 각각 리드선(130, 140)을 부착한다. As shown in FIG. 4, lead
다음으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 분리막(150), 양극(120), 제2 분리막(160) 및 음극(110)을 적층하고, 코일링(coling)하여 롤(roll) 형태의 권취소자(175)로 제작한 후, 롤(roll) 주위로 접착 테이프(170) 등으로 감아 롤 형태가 유지될 수 있게 한다.Next, as shown in FIG. 5, the
양극(120)과 음극(110) 사이에 구비된 제2 분리막(160)은 양극(120)과 음극(110)의 단락을 방지하는 역할을 한다. 제1 및 제2 분리막(150,160) 각각은 폴리올레핀, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등 배터리 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.The
다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 롤(roll) 형태의 결과물에 실링 고무(sealing rubber)(180)를 장착하고, 금속캡(예컨대, 알루미늄 케이스)(190)에 삽착시킨다. Next, as shown in FIG. 6 , a sealing
롤 형태의 권취소자(175)가 함침되 전해액을 주입하고, 밀봉한다.The winding
이와 같이, 제작된 슈퍼커패시터를 도 7에 개략적으로 나타내었다.As such, the fabricated supercapacitor is schematically shown in FIG. 7 .
상술한 바와 같이 제조된 슈퍼커패시터(100)는 양극(120)과 음극(110)이 서로 이격되게 배치되어 있고, 양극(120)과 음극(110) 사이에 양극(120)과 음극(110)의 단락을 방지하기 위한 분리막(150, 160)이 배치되며, 양극(120) 및 음극(110)은 전해액에 함침되어 있다.In the
여기서, 전해액은, 비수계 전해액과, 비수계 전해액 100 중량부에 대하여 이온성 액체 1 ~ 25 중량부를 포함하며, 비수계 전해액은 유기용매와, 리튬 염 LiPF6(lithium hexafluorophosphate), LiBF4(lithium tetrafluoroborate), LiClO4(lithium perchlorate), LiFSI(lithium bis(fluorosulfonyl)imide)와, 소듐 염 NaPF6(sodium hexafluorophosphate), NaDFOB(sodium difluoro(oxalate)borate)와, 포타슘 염 KFSI(potassium bis(fluorosulfonyl)imide), KPF6(potassium hexafluorophosphate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전해질 염을 포함한다. 유기용매는 아세토니트릴(acetonitrile), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란, 부티로락톤 및 디메틸포름아미드으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.Here, the electrolyte includes a non-aqueous electrolyte and 1 to 25 parts by weight of an ionic liquid based on 100 parts by weight of the non-aqueous electrolyte, and the non-aqueous electrolyte includes an organic solvent, lithium salt LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate), LiBF 4 (lithium tetrafluoroborate), LiClO 4 (lithium perchlorate), LiFSI (lithium bis(fluorosulfonyl)imide), sodium salt NaPF 6 (sodium hexafluorophosphate), NaDFOB (sodium difluoro(oxalate)borate), potassium salt KFSI (potassium bis(fluorosulfonyl) imide), and at least one electrolyte salt selected from the group consisting of KPF 6 (potassium hexafluorophosphate). The organic solvent is acetonitrile, propylene carbonate, ethylene carbonate, ethylmethyl carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, tetrahydrofuran, 1,2-dioxane, 2 - It may contain one or more substances selected from the group consisting of methyltetrahydrofuran, butyrolactone and dimethylformamide.
이온성 액체는 EMITf2N(1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), BMITf2N(1-Butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), EMITFSI(1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), BMIMBF4(1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMBF4(1-Methyl-3-octylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMTf2N(1-Methyl-3-octylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), MEMPBF4(N-(2-Methoxyethyl)-N-methylpyrrolidinium tetraflioroborate) 및 DEMEBF4(N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium tetraflioroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.Ionic liquids include EMITf 2 N (1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), BMITf 2 N (1-Butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), EMITFSI (1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), BMIMBF 4 (1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMBF 4 (1-Methyl-3-octylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMTf 2 N (1-Methyl-3-octylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), MEMPBF 4 (N-(2-Methoxyethyl)-N -methylpyrrolidinium tetraflioroborate) and DEMEBF 4 (N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium tetraflioroborate).
실시예Example
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail through preferred embodiments of the present invention. However, this is presented as a preferred example of the present invention and cannot be construed as limiting the present invention by this in any sense.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.Contents not described herein can be technically inferred by those skilled in the art, so descriptions thereof will be omitted.
1. 시료 제조1. Sample Preparation
실시예 1Example 1
리그닌 분말을 1M KOH 수용액에 첨가하고 1시간 동안 교반한 후, 필터링하였다.The lignin powder was added to an aqueous 1M KOH solution and stirred for 1 hour, then filtered.
다음으로, KOH 수용액에 담지된 리그닌 분말을 0.2M 폴리피롤(polypyrrole) 용액에 첨가하고 1,000rpm의 속도로 60분 동안 교반한 후, 0.5M 의 염화제2철6수화물(FeCl3·6H2O)을 추가로 첨가하고 교반하여 2시간 동안 중합하였다.Next, the lignin powder supported in the KOH aqueous solution was added to a 0.2M polypyrrole solution and stirred at a speed of 1,000 rpm for 60 minutes, followed by 0.5M ferric chloride hexahydrate (FeCl 3 6H 2 O). was further added and stirred to polymerize for 2 hours.
다음으로, 중합된 합성물을 필터링한 후 증류수로 5회 세척한 후, 60℃에서 24시간 동안 건조하였다.Next, the polymerized compound was filtered, washed 5 times with distilled water, and dried at 60° C. for 24 hours.
다음으로, 건조된 결과물을 도가니에 장입한 상태에서, 300cc/min의 유량으로 Ar 가스를 흘려 비활성 분위기로 유지시킨 후, 10℃/min의 승온속도로 900℃까지 승온시킨 상태에서 1시간 동안 탄화 처리를 실시하여 질소 도핑된 활성탄을 제조하였다.Next, in the state where the dried product was loaded into the crucible, Ar gas was flowed at a flow rate of 300 cc/min to maintain an inert atmosphere, and then the temperature was raised to 900° C. at a temperature increase rate of 10° C./min and carbonized for 1 hour. The treatment was performed to prepare nitrogen-doped activated carbon.
비교예 1Comparative Example 1
리그닌 분말을 바로 도가니에 장입한 상태에서, 300cc/min의 유량으로 Ar 가스를 흘려 비활성 분위기로 유지시킨 후, 10℃/min의 승온속도로 900℃까지 승온시킨 상태에서 1시간 동안 탄화 처리를 실시하여 활성탄을 제조하였다.In the state where lignin powder was immediately charged into the crucible, Ar gas was flowed at a flow rate of 300cc/min to maintain an inert atmosphere, and then carbonization was performed for 1 hour in a state where the temperature was raised to 900℃ at a heating rate of 10℃/min. Thus, activated carbon was prepared.
2. XPS 분석2. XPS analysis
표 1은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 활성탄에 대한 XPS 분석 결과를 나타낸 것이고, 도 8은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 활성탄에 대한 탄화 처리 전후의 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프이다.Table 1 shows the results of XPS analysis of activated carbons prepared according to Example 1 and Comparative Example 1, and FIG. 8 shows the results of XPS analysis of activated carbons prepared according to Example 1 and Comparative Example 1 before and after carbonization treatment. it's a graph
[표 1][Table 1]
표 1 및 도 8에 도시된 바와 같이, XPS 분석 결과에서 알 수 있듯이, 실시예 1에 따라 제조된 활성탄은 C, O 및 N이 검출되었으며, N이 2.1at%로 도핑된 것을 확인하였다.As shown in Table 1 and FIG. 8, as can be seen from the XPS analysis results, C, O, and N were detected in the activated carbon prepared according to Example 1, and it was confirmed that N was doped at 2.1 at%.
반면, 비교예 1에 따라 제조된 활성탄은 C 및 O만 검출되고, N이 검출되지 않았다.On the other hand, in the activated carbon prepared according to Comparative Example 1, only C and O were detected, and N was not detected.
3. 물성 평가3. Property evaluation
표 2는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 활성탄에 대한 물성 평가 결과를 나타낸 것이고, 도 9는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 활성탄에 대한 질소 흡-탈착 실험 결과를 나타낸 그래프이다. 이때, 활성탄의 기공 구조를 확인하고자 가스 분석기(Belsorp-Mini II, BEL, Japan)를 사용하였고, 질소 흡-탈착 등온선으로부터 BET 방법(Brunauer-Emmett-Teller method)을 이용하여 비표면적과 기공사이즈 분포도를 얻었다.Table 2 shows the evaluation results of physical properties of the activated carbons prepared according to Example 1 and Comparative Example 1, and FIG. 9 is a graph showing the results of nitrogen adsorption-desorption experiments on the activated carbons prepared according to Example 1 and Comparative Example 1. am. At this time, a gas analyzer (Belsorp-Mini II, BEL, Japan) was used to confirm the pore structure of the activated carbon, and the specific surface area and pore size distribution were calculated using the BET method (Brunauer-Emmett-Teller method) from the nitrogen adsorption-desorption isotherm. got
[표 2] [Table 2]
표 2 및 도 9에 도시된 바와 같이, 실시예 1에 따라 제조된 활성탄이 비교예 1에 따라 제조된 활성탄에 비하여 비표면적 값이 확연히 증가한 것을 확인할 수 있다.As shown in Table 2 and FIG. 9, it can be confirmed that the specific surface area value of the activated carbon prepared according to Example 1 is significantly increased compared to the activated carbon prepared according to Comparative Example 1.
아울러, 실시예 1에 따라 제조된 활성탄이 비교예 1에 따라 제조된 활성탄에 비하여, 질소 흡착량이 상당히 증가한 것을 확인할 수 있다.In addition, it can be confirmed that the nitrogen adsorption amount of the activated carbon prepared according to Example 1 is significantly increased compared to the activated carbon prepared according to Comparative Example 1.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.Although the above has been described based on the embodiments of the present invention, various changes or modifications may be made at the level of a technician having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs. Such changes and modifications can be said to belong to the present invention as long as they do not deviate from the scope of the technical idea provided by the present invention. Therefore, the scope of the present invention will be determined by the claims described below.
S10 : 혼합 및 필터링 단계
S20 : 중합 단계
S30 : 세척 및 건조 단계
S40 : 탄화 처리 단계S10: mixing and filtering step
S20: polymerization step
S30: washing and drying step
S40: carbonization treatment step
Claims (16)
(b) 상기 알칼리 수용액에 담지된 리그닌 분말을 질소를 함유한 전도성 고분자 용액에 첨가하고 교반한 후, 철 전구체 용액을 첨가하여 중합하는 단계;
(c) 상기 중합된 합성물을 필터링한 후, 세척하고 건조하는 단계; 및
(d) 상기 건조된 결과물을 탄화 처리하여 질소 도핑된 활성탄을 수득하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법.
(a) adding lignin powder to aqueous alkali solution, stirring, and filtering;
(b) adding the lignin powder supported in the alkaline aqueous solution to a conductive polymer solution containing nitrogen, stirring, and adding an iron precursor solution to polymerize;
(c) filtering the polymerized compound, followed by washing and drying; and
(d) carbonizing the dried product to obtain nitrogen-doped activated carbon;
A method for producing nitrogen-doped activated carbon comprising a.
상기 (a) 단계에서,
상기 리그닌 분말은
10 ~ 150 mesh의 평균 직경을 갖는 바이오매스가 파쇄된 것을 이용하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법.
According to claim 1,
In step (a),
The lignin powder is
A method for producing nitrogen-doped activated carbon, characterized in that using crushed biomass having an average diameter of 10 to 150 mesh.
상기 (a) 단계에서,
상기 알칼리 수용액의 용질은
KOH, NaOH 및 CaCl2 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법.
According to claim 1,
In step (a),
The solute of the aqueous alkali solution is
A method for producing nitrogen-doped activated carbon, characterized in that it comprises at least one selected from KOH, NaOH and CaCl 2 .
상기 (b) 단계에서,
상기 질소를 함유한 전도성 고분자는
폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline) 및 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법.
According to claim 1,
In step (b),
The conductive polymer containing the nitrogen
A method for preparing nitrogen-doped activated carbon, comprising at least one selected from polypyrrole, polyaniline, and polyacrylonitrile.
상기 (b) 단계에서,
상기 철 전구체 용액은
염화제2철6수화물(FeCl3·6H2O), 구연산 제2철(FeC6H5O7), 구연산 제2철 수화물(FeC6H5O7·nH2O), 황산 제1철 7수화물(FeSO4·H2O), 옥살산 철 2수화물(FeC2O4·H2O), 철 아세틸아세토네이트(Fe(C5H7O2)3) 및 인산 제2철 2수화물(FePO4·H2O) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법.
According to claim 1,
In step (b),
The iron precursor solution is
Ferric chloride hexahydrate (FeCl 3 6H 2 O), ferric citrate (FeC 6 H 5 O 7 ), ferric citrate hydrate (FeC 6 H 5 O 7 nH 2 O), ferrous sulfate Heptahydrate (FeSO 4 H 2 O), iron oxalate dihydrate (FeC 2 O 4 H 2 O), iron acetylacetonate (Fe(C 5 H 7 O 2 ) 3 ) and ferric phosphate dihydrate ( A method for producing nitrogen-doped activated carbon comprising at least one selected from FePO 4 ·H 2 O).
상기 (b) 단계에서,
상기 교반은
300 ~ 2,000rpm의 속도로 10 ~ 180분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법.
According to claim 1,
In step (b),
The agitation is
A method for producing nitrogen-doped activated carbon, characterized in that carried out for 10 to 180 minutes at a speed of 300 to 2,000 rpm.
상기 (c) 단계에서,
상기 건조는
50 ~ 80℃에서 10 ~ 40시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법.
According to claim 1,
In step (c),
The drying
A method for producing nitrogen-doped activated carbon, characterized in that carried out at 50 to 80 ℃ for 10 to 40 hours.
상기 (d) 단계에서,
상기 탄화 처리는
비활성 가스 분위기에서 800 ~ 1,000℃ 조건으로 30 ~ 180분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법.
According to claim 1,
In step (d),
The carbonization treatment
A method for producing nitrogen-doped activated carbon, characterized in that carried out for 30 to 180 minutes under conditions of 800 to 1,000 ℃ in an inert gas atmosphere.
상기 탄화 처리시,
승온 속도는 5 ~ 15℃/min으로 실시하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법.
According to claim 8,
During the carbonization treatment,
A method for producing nitrogen-doped activated carbon, characterized in that the temperature increase rate is carried out at 5 to 15 ° C / min.
상기 비활성 가스는
Ar, He 및 N2 중 1종 이상을 이용하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법.
According to claim 8,
The inert gas is
A method for producing nitrogen-doped activated carbon, characterized in that using at least one of Ar, He and N 2 .
상기 (d) 단계 이후,
상기 질소 도핑된 활성탄은
질소가 0.1 ~ 5.0 원자%로 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법.
According to claim 1,
After step (d),
The nitrogen-doped activated carbon is
A method for producing nitrogen-doped activated carbon, characterized in that nitrogen is doped with 0.1 to 5.0 atomic%.
상기 (d) 단계 이후,
상기 질소 도핑된 활성탄은
500 ~ 3,500 m2/g의 비표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 활성탄 제조 방법.
According to claim 1,
After step (d),
The nitrogen-doped activated carbon is
A method for producing nitrogen-doped activated carbon, characterized in that it has a specific surface area of 500 to 3,500 m 2 /g.
상기 양극 및 음극 각각은 전극활물질, 도전재 및 바인더를 포함하며,
상기 양극 및 음극의 전극활물질 중 적어도 하나는,
제1항 내지 제12항 중 어느 항에 의해 제조된 질소 도핑된 활성탄이 이용되며, 상기 질소 도핑된 활성탄은 질소가 0.1 ~ 5.0 원자%로 도핑된 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
A positive electrode and a negative electrode are spaced apart from each other, a separator is disposed between the positive electrode and the negative electrode to prevent a short circuit between the positive electrode and the negative electrode, and the positive electrode and the negative electrode are impregnated with an electrolyte of a supercapacitor,
Each of the positive electrode and the negative electrode includes an electrode active material, a conductive material, and a binder,
At least one of the electrode active materials of the positive and negative electrodes,
A supercapacitor characterized in that the nitrogen-doped activated carbon manufactured by any one of claims 1 to 12 is used, and the nitrogen-doped activated carbon is doped with nitrogen in an amount of 0.1 to 5.0 atomic %.
상기 질소 도핑된 활성탄은
500 ~ 3,500 m2/g의 비표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
According to claim 13,
The nitrogen-doped activated carbon is
A supercapacitor characterized by having a specific surface area of 500 to 3,500 m 2 /g.
(b) 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계;
(c) 상기 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성하는 단계; 및
(d) 상기 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 음극 사이에 상기 양극과 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 양극 및 음극을 제1항에 기재된 전해액에 함침시키는 단계;를 포함하며,
상기 (a) 단계에서, 상기 전극활물질은,
제1항 내지 제12항 중 어느 항에 의해 제조된 질소 도핑된 활성탄이 이용되며, 상기 질소 도핑된 활성탄은 질소가 0.1 ~ 5.0 원자%로 도핑된 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터의 제조 방법.
(a) preparing a composition for a supercapacitor electrode by mixing an electrode active material, a conductive material, a binder, and a dispersion medium;
(b) pressing the composition for a supercapacitor electrode to form an electrode, coating the composition for a supercapacitor electrode on a metal foil to form an electrode, or pushing the composition for a supercapacitor electrode with a roller to form a sheet Forming an electrode form by attaching it to a metal foil or a current collector;
(c) forming a supercapacitor electrode by drying the product formed in the form of the electrode; and
(d) using the supercapacitor electrode as an anode and a cathode, disposing a separator between the anode and cathode to prevent a short circuit between the anode and cathode, and impregnating the anode and cathode with the electrolyte solution according to claim 1 Step; including,
In the step (a), the electrode active material,
A method for manufacturing a supercapacitor, wherein nitrogen-doped activated carbon prepared according to any one of claims 1 to 12 is used, and the nitrogen-doped activated carbon is doped with nitrogen in an amount of 0.1 to 5.0 atomic %.
상기 질소 도핑된 활성탄은
500 ~ 3,500 m2/g의 비표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터의 제조 방법.According to claim 15,
The nitrogen-doped activated carbon is
A method for manufacturing a supercapacitor, characterized in that it has a specific surface area of 500 to 3,500 m 2 /g.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210154664A KR102660994B1 (en) | 2021-11-11 | 2021-11-11 | Manufacturing method of nitrogen-doped activated carbon and supercapacitor using the same and method of manufacturing the supercapacitor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210154664A KR102660994B1 (en) | 2021-11-11 | 2021-11-11 | Manufacturing method of nitrogen-doped activated carbon and supercapacitor using the same and method of manufacturing the supercapacitor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230068652A true KR20230068652A (en) | 2023-05-18 |
| KR102660994B1 KR102660994B1 (en) | 2024-04-25 |
Family
ID=86545533
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210154664A KR102660994B1 (en) | 2021-11-11 | 2021-11-11 | Manufacturing method of nitrogen-doped activated carbon and supercapacitor using the same and method of manufacturing the supercapacitor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102660994B1 (en) |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6288663B2 (en) | 2013-07-04 | 2018-03-07 | 国立大学法人九州工業大学 | Method for producing porous carbon material |
| KR101958645B1 (en) | 2017-10-12 | 2019-07-02 | 한국세라믹기술원 | Manufacturing method of partially crystaline porous active carbon using water vapor activation and manufacturing method of the supercapacitor usig the partially crystaline porous active carbon |
-
2021
- 2021-11-11 KR KR1020210154664A patent/KR102660994B1/en active IP Right Grant
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102660994B1 (en) | 2024-04-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101079317B1 (en) | Manufacturing method of graphene electrode for supercapacitor and supercapacitor graphene electrode manufactured by the method | |
| KR101137719B1 (en) | Manufacturing method of active carbon electrode for supercapacitor | |
| KR101793040B1 (en) | Manufacturing method of electrode active material for ultracapacitor, manufacturing method of ultracapacitor electrode using the electrode active material and ultracapacitorusing the electrode active material | |
| KR20170124700A (en) | Lithium-sulfur ultracapacitor and manufacturing method of the same | |
| KR102371851B1 (en) | Manufacturing method of partially crystaline porous active carbon and super capacitor using the same and method of manufacturing thereof | |
| KR102495330B1 (en) | Manufacturing method of electrode active material for supercapacitor co-doped with nitrogen and fluorine and high power supercapacitor using the same and method of manufacturing thereof | |
| KR102013173B1 (en) | Composite for ultracapacitor electrode, manufacturing method of ultracapacitor electrode using the composite, and ultracapacitor manufactured by the method | |
| KR102486669B1 (en) | Manufacturing method of porous activated carbon performing spray activation after acid treatment | |
| KR101166701B1 (en) | Composite for electrode of supercapacitor, method for manufacturing supercapacitor electrode using the composite, and supercapacitor using the method | |
| KR101394743B1 (en) | Lithium-ion capacitor and manufacturing method of therof | |
| KR101860755B1 (en) | Composite for ultracapacitor electrode, manufacturing method of ultracapacitor electrode using the composite, and ultracapacitor manufactured by the method | |
| KR102660994B1 (en) | Manufacturing method of nitrogen-doped activated carbon and supercapacitor using the same and method of manufacturing the supercapacitor | |
| KR102379507B1 (en) | High-density hybrid supercapacitor with phosphorine-based negative electrode and method of manufacturing thereof | |
| KR102188237B1 (en) | Composite for supercapacitor electrode, manufacturing method of supercapacitor electrode using the composite, and supercapacitor manufactured by the method | |
| KR102188242B1 (en) | Composite for supercapacitor electrode, manufacturing method of supercapacitor electrode using the composite, and supercapacitor manufactured by the method | |
| KR102013179B1 (en) | Manufacturing method of electrode active material for supercapacitor, manufacturing method of supercapacitor electrode and manufacturing method of supercapacitor | |
| KR101137721B1 (en) | Manufacturing method of positive electrode for hybrid supercapacitor cell and hybrid supercapacitor cell manufactured by the method | |
| KR102540653B1 (en) | Manufacturing method of electrode active material for supercapacitor using hydrostatic pressurization and high power supercapacitor using the same and method of manufacturing thereof | |
| KR20160109552A (en) | Ultra capacitor using partially graphitic activated carbon and manufacturing method of the same | |
| KR102639923B1 (en) | Manufacturing method of nitrogen doped electrode active material with reduced chemical amount by using surface modifier, and supercapacitor using the same and method of manufacturing thereof | |
| KR102361162B1 (en) | Manufacturing method of anode active material for hybrid supercapacitor having high output characteristics and hybrid supercapacitor including the same and method of manufacturing thereof | |
| KR20240066569A (en) | Manufacturing method of nitrogen doped activated carbon using nitrogen containing organic material as doping source, supercapacitor using the same and manufacturing method of the supercapacitor | |
| KR102440637B1 (en) | Manufacturing method of porous activated carbon using hydrothermal pretreatment and supercapacitor using the same and method of manufacturing thereof | |
| KR102143773B1 (en) | Manufacturing method of porous active carbon using lignocellulose biomass and manufacturing method of the supercapacitor usig the active carbon | |
| KR102657951B1 (en) | Electrolyte for high energy and superstable zinc ion hybrid supercapacitor and the zinc ion hybrid supercapacitor comprising the same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |