KR20230129109A - 메조포러스 구리코발트 산화물 제조방법, 메조포러스 구리코발트 산화물 기반 슈퍼캐패시터 및 그 제조방법 - Google Patents
메조포러스 구리코발트 산화물 제조방법, 메조포러스 구리코발트 산화물 기반 슈퍼캐패시터 및 그 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 일 실시예는 높은 비표면적에 의해 축전 용량을 증가시켜 우수한 정전용량(capacitance) 특성을 가질 수 있도록, 구리전구체, 코발트전구체, 계면활성제, 질산 및 유기용매를 포함하는 혼합용액을 가열하여 중간상을 형성한 후 소결하여 형성된 메조포러스 구리코발트 산화물을 기반으로 하는 슈퍼캐패시터 제작 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 메조포러스 구리코발트 산화물(Mesoporous Copper-Cobalt oxide) 기반 슈퍼캐패시터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 메조포러스 구리코발트 산화물의 높은 비표면적에 의해 우수한 정전용량(capacitance) 특성을 가지는 메조포러스 구리코발트 산화물 제조방법, 메조포러스 구리코발트 산화물 기반 슈퍼캐패시터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 슈퍼캐패시터(super capacitor)는 전기화학 반응을 이용하는 2차전지와 달리 전하의 물리적 흡탈착을 활용하는 장치로, 순간적으로 많은 에너지를 저장 후 높은 전류를 순간적 혹은 연속적으로 공급하는 고출력 동력원이다.
표면적이 넓은 물질을 사용하고 유전체의 거리를 짧게 하여 소형으로 F 단위의 매우 큰 정전용량(capacitance)을 얻을 수 있으며, 과충전과 과방전을 지속해도 배터리와 같이 수명에 영향을 주는 일이 없다.
현재 상용화된 슈퍼캐패시터는 활성 탄소, 탄소나노튜브, 그래핀을 전극 소재로 사용한 전기이중층 캐패시터(Electric Double Layer Capacitor, EDLC)로서, 제조가 용이하나, 비정전용량(비축적용량, specific capacitance)이 낮은 문제점이 있다.
비정전용량을 증가시키기 위해 금속산화물을 사용한 슈퍼캐패시터를 의사캐패시터(Pseudo capacitor)라 한다. 상기 의사캐패시터는 탄소 소재 대비 단위 무게 부피당 약 10배 이상의 이론 용량과 고밀도 특성을 보유하고 있다, 그러나 마이크로 단위의 금속산화물의 경유 우수한 전기화학적 특성을 완전하게 사용하지 못하는 문제점이 있다.
이러한 전기이중층 캐패시터 및 의사캐패시터의 문제점을 해결하기 위해 탄소 소재와 금속산화물을 함께 사용하는 금속산화물 슈퍼캐패시터의 개발이 요구되었다.
그러나 금속산화물 캐패시터는 고가의 금속 산화물을 전극물질로 사용하는 것과 제조 난이도가 높은 문제점이 존재한다.
또한, 금속산화물 슈퍼캐패시터의 축전 용량을 증가시키기 위해 전극 소재로 사용되는 RuO2, MnO2, NiO, V2O5, Co3O4 등 금속산화물은 유독성 및 가격적인 문제로 상용화가 어려운 문제가 있다.
이에 따라, 슈퍼캐패시터의 제조를 용이하게 하고 비정전용량의 증가를 위해 메조포러스 구조의 전이금속 산화물 전극에 대한 연구가 수행되었다. 대표적인 메조포러스 물질인 메조포러스 실리카는 실리콘 전구체와 계면활성제를 사용하여 자기 조립(self-assembly) 과정을 통해 합성이 가능하다. 그러나 전이금속 산화물은 전구체와 계면활성제 간의 상호작용이 약하고 하이드롤리시스(hydrolysis) 반응의 조절이 어려워 메조포러스 실리카와 같은 합성법을 적용하는데 한계를 갖는 문제점이 있다.
유독성 및 가격적인 문제를 해결하면서도, 제조가 용이하며, 축전 용량을 증가시킬 수 있도록 하는 슈퍼캐패시터의 개발이 요구된다.
따라서 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 유독성 및 가격적인 문제를 해결하면서도, 높은 비표면적에 의해 축전 용량을 증가시켜 우수한 정전용량(capacitance) 특성을 가질 수 있도록 하는 메조포러스 구리코발트 산화물 제조방법, 메조포러스 구리코발트 산화물 기반 슈퍼캐패시터 및 그 제조방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 니켈 집전체, 상기 니켈 집전체에 코팅 형성되어 양극과 음극 전극을 형성하는 메조포러스 구리코발트 산화물 전극층, 분리막 및 전해질을 포함하고, 상기 메조포러스 구리코발트 산화물 전극층은 비표면적이 30.48m2/g 내지 104.52m2/g인 것을 특징으로 하는 슈퍼캐패시터를 제공한다.
상기 슈퍼캐패시터는 정전용량이 112 F/g 내지 130 F/g일 수 있다.
상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예는, 구리전구체, 코발트전구체, 계면활성제, 질산 및 유기용매를 포함하는 혼합용액을 준비하는 단계; 상기 혼합용액을 가열하여 중간상을 형성하는 단계; 및 상기 중간상을 소결하여 메조포러스 구리코발트 산화물을 형성하는 단계;를 포함하는 메조포러스 구리코발트 산화물 제조방법을 제공한다.
상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예는, 구리전구체, 코발트전구체, 계면활성제, 질산 및 유기용매를 포함하는 혼합용액을 준비하는 단계; 상기 혼합용액을 가열하여 중간상을 형성하는 단계; 상기 중간상을 소결하여 메조포러스 구리코발트 산화물을 형성하는 단계; 및 상기 메조포러스 구리코발트 산화물을 코팅하여 형성된 메조포러스 구리코발트 산화물 전극층을 가지는 슈퍼캐패시터를 제작하는 단계;를 포함하는 메조포러스 구리코발트 산화물 기반 슈퍼캐패시터 제작 방법을 제공한다.
상기 혼합용액을 준비하는 단계에서 상기 구리전구체는, 질산구리, 할로겐화구리, 아세트산구리, 인산구리, 구리알콕사이드를 포함할 수 있다.
상기 혼합용액을 준비하는 단계에서 상기 코발트전구체는, 질산코발트, 할로겐화코발트, 아세트산 코발트, 코발트알콕사이드 등일 수 있다.
상기 혼합용액을 준비하는 단계에서 상기 계면활성제는, 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide, 폴리리프로필렌옥사이드(polyethylenoxide), 폴리에틸렌옥사이드(polyproylenoxide, PPO), 삼블럭공중합체 (triblock copolymer) P123 등을 포함할 수 있다.
상기 혼합용액을 준비하는 단계에서 상기 유기용매는, 알코올, 톨루엔 또는 벤젠을 포함하는 것을 특징으로 한다. 예를 들어, 유기용매는 지방족, 치환족, 방향족 탄화수소 계열로 부탄올, 펜탄올, 헥사놀 및 더 많은 탄소가 포함된 알코올, 톨루엔, 벤젠 등을 포함할 수 있다.
상기 혼합용액을 준비하는 단계에서 준비되는 상기 혼합용액은 졸겔법으로 형성할 수 있다.
상기 혼합용액을 준비하는 단계에서, 상기 구리전구체와 코발트전구체 전체의 농도는 응집(condensation) 반응 및 수산화물 착물(hydroxide complex) 생성을 억제하기 위해 1X10-3M ~ 2X10-1M인 것을 특징으로 한다.
상기 혼합용액을 준비하는 단계에서, 상기 질산 농도는 가수분해(hydrolysis) 반응 억제를 위해 2M~8M인 것을 특징으로 한다.
상기 중간상을 형성하는 단계에서,
상기 혼합용액을 가열하는 온도는 120℃ 내지 170℃일 수 있다.
상기 중간상을 형성하는 단계에서 형성된 중간상은 구리 코발트 질산염 수산화물(copper cobalt nitrate hydroxide)인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 메조포러스 구리코발트 산화물을 형성하는 단계에서, 상기 중간상을 소결하는 온도는 230℃ 내지 270℃ 사이일 수 있다.
상기 메조포러스 구리코발트 산화물 전극층을 가지는 슈퍼캐패시터를 제작하는 단계는, 상기 메조포러스 구리코발트 산화물을 블랙카본(black carbon), 폴리비닐리딘(Polyvinylidene) 및 N-메틸 2 피로리돈(N-methyl-2-pyrrolidone)과 혼합한 후 니켈 포일에 코팅하여, 양극과 음극 전극을 형성하는 메조포러스 구리코발트 산화물 전극층이 코팅된 니켈 집전체를 제작한 후, 분리막 및 전해질을 조립하여 슈퍼캐패시터를 제작하는 단계인 것을 특징으로 한다.
상술한 구성을 가지는 본 발명의 실시예들은, 역마이셀 졸겔(inverse micelle sol-gel) 공정 기반을 이용한 메조포러스 구리코발트 산화물을 전극으로 가지는 것에 의해 유독성 및 가격적인 문제를 해결하면서도, 제조가 용이하며, 축전 용량이 현저히 증가된 슈퍼캐패시터를 제작할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예는 250℃ 열처리한 메조포러스 구리코발트 산화물을 코팅하여 형성된 메조포러스 구리코발트 산화물 전극층이 적용되어 제작된 슈퍼캐패시터가 112 내지 135F/g, 바람직하게는 130F/g 수준으로 현저히 향상된 정전용량 특성을 보유할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 슈퍼캐패시터(10)의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 메조포러스 구리코발트 산화물 제조 방법 및 슈퍼캐패시터 제작 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 3은 메조포러스 구리코발트 산화물의 TEM 사진이다.
도 4는 메조포러스 구리코발트 산화물의 중간상 소결을 위한 열처리 온도별 XRD 그래프이다.
도 5는 메조포러스 구리코발트 산화물의 열처리 온도에 따른 비표면적(specific surface area)을 나타내는 그래프이다.
도 6은 메조포러스 구리코발트 산화물을 전극으로 가지는 슈퍼캐패시터의 제작 모식도이다.
도 7은 메조포러스 구리코발트 산화물의 열처리 온도에 따른 슈퍼캐패시터의 순환전압전류 곡선(Cyclic Voltammetry (CV) curve)을 나타내는 그래프이다.
도 8은 메조포러스 구리코발트 산화물의 열처리 온도에 따른 슈퍼캐패시터의 정전류 충방전 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 9는 메조포러스 구리코발트 산화물의 열처리 온도에 따른 슈퍼캐패시터의 비정전용량(specific capacitance)을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 메조포러스 구리코발트 산화물 제조 방법 및 슈퍼캐패시터 제작 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 3은 메조포러스 구리코발트 산화물의 TEM 사진이다.
도 4는 메조포러스 구리코발트 산화물의 중간상 소결을 위한 열처리 온도별 XRD 그래프이다.
도 5는 메조포러스 구리코발트 산화물의 열처리 온도에 따른 비표면적(specific surface area)을 나타내는 그래프이다.
도 6은 메조포러스 구리코발트 산화물을 전극으로 가지는 슈퍼캐패시터의 제작 모식도이다.
도 7은 메조포러스 구리코발트 산화물의 열처리 온도에 따른 슈퍼캐패시터의 순환전압전류 곡선(Cyclic Voltammetry (CV) curve)을 나타내는 그래프이다.
도 8은 메조포러스 구리코발트 산화물의 열처리 온도에 따른 슈퍼캐패시터의 정전류 충방전 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 9는 메조포러스 구리코발트 산화물의 열처리 온도에 따른 슈퍼캐패시터의 비정전용량(specific capacitance)을 나타내는 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 슈퍼캐패시터(10)의 단면도이다.
도 1과 같이, 상기 슈퍼캐패시터(10)는 메조포러스 구리코발트 산화물 기반 슈퍼캐패시터(10)는 니켈 집전체(11), 상기 니켈 집전체(11)에 코팅 형성되어 양극과 음극 전극을 형성하는 메조포러스 구리코발트 산화물 전극층(13), 분리막(15) 및 전해질(17)을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 구비코발트 산화물 전극층(13)은 비표면적이 32.48m2/g 내지 104.52m2/g일 수 있다.
그리고 상기 슈퍼캐패시터(10)의 정전용량은 112 F/g 내지 130 F/g일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 메조포러스 구리코발트 산화물 제조 방법 및 슈퍼캐패시터 제작 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 2와 같이 본 발명의 일 실시예의 메조포러스 구리코발트 산화물 제조 방법은 혼합용액을 준비하는 단계(S10), 중간상을 형성하는 단계(S20) 및 메조포러스 구리코발트 산화물을 형성하는 단계(S30)를 포함하여 구성된다.
상술한 본 발명의 일 실시예의 메조포러스 구리코발트 산화물 제조방법은, 역마이셀 졸-겔 방법(Inverse micelle sol-gel process)을 적용하여 수행될 수 있다. 역마이셀은 일종의 나노반응기(nanoreactor)의 역할을 하여 수분에 민감한 금속 전구체의 수화 응축 반응(hydrolysis-condensation reaction)을 마이셀(micelle) 내부에 제한시켜 나노입자의 응집을 막으며 일정한 크기의 메조포러스를 형성시킨다.
그리고 본 발명의 일 실시예의 메조포러스 구리코발트 산화물 기반 슈퍼캐패시터 제작 방법은 메조포러스 구리코발트 산화물 제조 방법에 부가하여, 메조포러스 구리코발트 산화물 기반 슈퍼캐패시터 제작 단계(S40)를 더 포함하여 구성된다.
상기 혼합용액을 준비하는 단계(S10)는 구리전구체, 코발트전구체, 계면활성제, 질산 및 유기용매를 포함하는 혼합용액을 준비하는 단계이다.
여기서, 상기 구리전구체는, 질산구리, 할로겐화구리, 아세트산구리, 인산구리, 구리알콕사이드를 포함할 수 있다.
그리고 코발트전구체는, 질산코발트, 할로겐화코발트, 아세트산 코발트, 코발트알콕사이드 등 일 수 있다.
상기 계면활성제는, 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide, 폴리리프로필렌옥사이드(polyethylenoxide), 폴리에틸렌옥사이드(polyproylenoxide, PPO), 삼블럭공중합체 (triblock copolymer) P123 등을 포함할 수 있다.
상기 유기용매는, 알코올, 톨루엔 또는 벤젠을 포함하는 것을 특징으로 한다. 예를 들어, 유기용매는 지방족, 치환족, 방향족 탄화수소 계열로 부탄올, 펜탄올, 헥사놀 및 더 많은 탄소가 포함된 알코올, 톨루엔, 벤젠 등을 포함할 수 있다.
상기 혼합용액을 준비하는 단계(S10)에서 준비되는 상기 혼합용액은 졸겔법(sol-gel process)으로 형성할 수 있다. 이때, 상기 혼합용액을 준비하는 단계(S10)에서 응집(condensation) 반응 및 수산화물 착물(hydroxide complex) 생성을 억제하기 위해 혼합되는 상기 구리전구체와 코발트전구체의 농도는 1X10-3M ~ 2X10-1M일 수 있다. 그리고 가수분해(hydrolysis) 반응 억제를 위해 상기 질산 농도는 2M~8M일 수 있다.
상기 중간상을 형성하는 단계(S20)는 상기 혼합용액을 가열하여 중간상을 형성하는 단계이다. 상기 중간상을 형성하는 단계(S20)에서의 중간상 형성을 위한 상기 혼합용역을 가열 온도는 120℃ 내지 170℃일 수 있다. 상기 중간상 형성 단계(S20)에서 생성되는 상기 중간상은 구리코발트 질산염 수산화물(copper cobalt nitrate hydroxide)일 수 있다.
상기 메조포러스 구리코발트 산화물을 형성하는 단계(S30)는 상기 중간상을 소결하여 메조포러스 구리코발트 산화물을 형성하는 단계이다. 이때, 상기 중간상을 소결하는 온도는 230℃ 내지 270℃ 사이일 수 있다.
도 3은 상술한 메조포러스 구리코발트 산화물 제조 방법에 의해 제작된 메조포러스 구리코발트 산화물의 TEM 사진이다.
다시 도 2를 참조하여 설명하면, 상기 메조포러스 구리코발트 산화물 기반 슈퍼캐패시터 제작 단계(S40)는 상기 메조포러스 구리코발트 산화물 전극을 가지는 슈퍼캐패시터(10, 도 1 참조)를 제작하는 단계이다. 구체적으로, 상기 메조포러스 구리코발트 산화물 전극층을 가지는 슈퍼캐패시터를 제작하는 단계(S40)는 상기 메조포러스 구리코발트 산화물을 블랙카본(black carbon), 폴리비닐리딘(Polyvinylidene) 및 N-메틸 2 피로리돈(N-methyl-2-pyrrolidone)과 혼합한 후 니켈 포일에 코팅하여, 양극과 음극 전극으로 형성되는 메조포러스 구리코발트 산화물 전극층(13)이 코팅된 니켈 집전체(11)를 제작한 후, 분리막(15) 및 전해질(17)을 조립하여 슈퍼캐패시터(10)를 제작하는 단계이다. 이에 의해, 도 1과 같이, 니켈 집전체(11)에 코팅 형성되어 양극과 음극 전극으로 작용하는 메조포러스 구리코발트 산화물 전극층(13), 분리막(15) 및 전해질(17)을 포함하는 슈퍼캐패시터(10)가 제작될 수 있다.
도 4는 메조포러스 구리코발트 산화물의 중간상 소결을 위한 열처리 온도별 XRD 그래프이다.
도 4와 같이, 상기 메조포러스 구리코발트 산화물은 250℃, 350℃ 및 450℃의 서로 다른 중간상 소결을 위한 열처리 온도에서 중간상인 구리코발트 질산염 수산화물이 모두 동일한 메조포러스 구리코발트 산화물(CuCo2O4)로 상전환됨을 확인할 수 있었다.
도 5는 메조포러스 구리코발트 산화물의 열처리 온도에 따른 비표면적(specific surface area)을 나타내는 그래프이다.
도 5와 같이, 250℃, 350℃ 및 450℃의 서로 다른 중간상 소결을 위한 열처리 온도에서 생성된 메조포러스 구리코발트 산화물은 각각 104.52m2/g, 54.92m2/g 및 30.48m2/g의 비표면적을 가지는 것을 확인하였다.
도 6은 메조포러스 구리코발트 산화물을 전극으로 가지는 슈퍼캐패시터의 제작 모식도이다.
상술한 특성을 가지는 메조포러스 구리코발트 산화물 기반 슈퍼캐패시터의 제작을 위해, 메조포러스 구리코발트 산화물을 블랙카본(black carbon), 폴리비닐리딘(Polyvinylidene) 및 N-메틸 2 피로리돈(N-methyl-2-pyrrolidone)과 혼합하여 메조포러스 구리코발트 입자와 블랙카본이 혼합된 슬러리를 생성한 후 니켈 포일에 코팅하여 블랙카본에 메조포러스 구리코발트 입자가 혼합된 슈퍼캐패시터 전극으로서의 구리코발튼 산화물 전극층(13)이 형성된 니켈 집전체(11)를 제작한다. 그리고 이를 도 1과 같이, 양극과 음극을 형성하는 메조포러스 구리코발트 산화물 전극층(13)이 코팅된 니켈 집전체(11), 분리막(15) 및 전해질(17)을 가지도록 조립 구성하는 것에 의해 본 발명의 일 실시예의 메조포러스 구리코발트 산화물 기반 슈퍼캐패시터(10)가 제작된다.
도 7은 메조포러스 구리코발트 산화물의 열처리 온도에 따른 슈퍼캐패시터의 순환전압전류 곡선(Cyclic Voltammetry (CV) curve)을 나타내는 그래프이다.
도 7의 (1), (2) 및 (3)은 250℃, 350℃ 및 450℃로 열처리된 메조포러스 구리코발트 산화물이 적용된 슈퍼캐패시터의 순환전압전류 곡선을 나타내는 것으로서, 5 ~ 50 mVs-1의 다른 스캔 속도에서 0.41 V에서 양극 피크와 0.21 V에서 음극 피크를 나타나며, 이는 산화환원 반응에 의한 것이다.
도 8은 메조포러스 구리코발트 산화물의 열처리 온도에 따른 슈퍼캐패시터의 정전류 충방전 곡선(Galvanostatic charge-discharge curve, GCD 곡선)을 나타내는 그래프이다.
도 8은 각각 250℃, 350℃ 및 450℃로 열처리된 메조포러스 구리코발트 산화물이 적용된 슈퍼캐패시터의 성능을 살펴보기 위해서 일정한 전류 밀도를 인가해줬을 때 나타내는 특성을 볼 수 있다. 그래프의 모양이 거의 삼각형이며 슈퍼축전기와 같이 동작하는 것을 확인할 수 있다. 250℃, 350℃ 및 450℃ 열처리 온도 중 낮은 온도로 열처리된 메조포러스 구리코발트 산화물이 적용된 슈퍼캐패시터의 GCD 곡선이 더욱 확실한 삼각형 모양을 형성하는 것으로부터 성능이 우수한 것을 확인할 수 있었다.
도 9는 메조포러스 구리코발트 산화물의 열처리 온도에 따른 슈퍼캐패시터의 비정전용량(specific capacitance)을 나타내는 그래프이다.
도 9는 각각 250℃, 350℃ 및 450℃로 열처리된 메조포러스 구리코발트 산화물이 적용된 슈퍼캐패시터의 비정전용량을 나타내는 그래프이다. 도 9와 같이, 250℃, 350℃ 및 450℃로 열처리된 메조포러스 구리코발트 산화물이 적용된 슈퍼캐패시터의 비정전용량은 각각 130F/g, 121F/g 및 112F/g로 확인되었다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메조포러스 구리코발트 산화물은 우수한 전기전도도 특성 및 전기 화학적 촉매 특성을 가지므로, 슈퍼캐패시터 등 전기화학 기반 분야에서 응용이 가능하며, 높은 비표면적과 우수한 정전용량 특성을 가지는 슈퍼캐패시터의 제작을 가능하게 한다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 메조포러스 구리코발트 산화물로 제작된 슈퍼캐패시터는 매우 빠르고 완전한 충방전 효율과 긴 수명 특성을 나타내며, 저온에서도 성능 저하가 없어 친환경 에너지인 태양전지의 에너지 저장 장치와, BEV(Battery Electric Vehicle), HV(Hybrid Vehicle), PHEV(Plug In Hybrid Electric Vehicle) 및 FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle) 등의 배터리, 모터 또는 엑추에이터용, 전압변동 흡수용, 백업용 등으로 다양한 분야에서 사용될 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 슈퍼캐패시터
11: 니켈 집전체
13: 메조포러스 구리코발트 산화물 전극층
15: 분리막
17: 전해질
11: 니켈 집전체
13: 메조포러스 구리코발트 산화물 전극층
15: 분리막
17: 전해질
Claims (15)
- 니켈 집전체, 상기 니켈 집전체에 코팅 형성되어 양극과 음극 전극을 형성하는 메조포러스 구리코발트 산화물 전극층, 분리막 및 전해질을 포함하고,
상기 메조포러스 구리코발트 산화물 전극층은 비표면적이 30.48m2/g 내지 104.52m2/g인 것을 특징으로 하는 슈퍼캐패시터. - 제1항에 있어서,
정전용량이 112 F/g 내지 130 F/g인 것을 특징으로 하는 슈퍼캐패시터. - 구리전구체, 코발트전구체, 계면활성제, 질산 및 유기용매를 포함하는 혼합용액을 준비하는 단계;
상기 혼합용액을 가열하여 중간상을 형성하는 단계; 및
상기 중간상을 소결하여 메조포러스 구리코발트 산화물을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 메조포러스 구리코발트 산화물 제조 방법 - 제3항에 있어서, 상기 혼합용액을 준비하는 단계에서 상기 구리전구체는,
질산구리, 할로겐화구리, 아세트산구리, 인산구리, 구리알콕사이드 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 메조포러스 구리코발트 산화물 제조 방법 - 제3항에 있어서, 상기 혼합용액을 준비하는 단계에서, 상기 코발트전구체는, 질산코발트, 할로겐화코발트, 아세트산 코발트, 코발트알콕사이드 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 메조포러스 구리코발트 산화물 제조 방법
- 제3항에 있어서, 상기 혼합용액을 준비하는 단계에서,
상기 구리전구체와 코발트전구체의 농도는 1X10-3M ~ 2X10-1M인 것을 특징으로 하는 메조포러스 구리코발트 산화물 제조 방법 - 제3항에 있어서, 상기 혼합용액을 준비하는 단계에서,
상기 질산 농도는 2M~8M인 것을 특징으로 하는 메조포러스 구리코발트 산화물 제조 방법 - 제3항에 있어서,
상기 중간상을 형성하는 단계에 형성된 중간상은 구리코발트 질산염 수산화물(copper cobalt nitrate hydroxide)인 것을 특징으로 하는 메조포러스 구리코발트 산화물 제조 방법 - 제3항에 있어서,
상기 메조포러스 구리코발트 산화물을 형성하는 단계에서,
상기 중간상을 소결하는 온도는 230℃ 내지 270℃ 사이인 것을 특징으로 하는 메조포러스 구리코발트 산화물 제조 방법 - 구리전구체, 코발트전구체, 계면활성제, 질산 및 유기용매를 포함하는 혼합용액을 준비하는 단계;
상기 혼합용액을 가열하여 중간상을 형성하는 단계;
상기 중간상을 소결하여 메조포러스 구리코발트 산화물을 형성하는 단계; 및
상기 메조포러스 구리코발트 산화물로 코팅되어 형성된 메조포러스 구리코발트 산화물 전극층을 가지는 슈퍼캐패시터를 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 메조포러스 구리코발트 산화물 기반 슈퍼캐패시터 제작 방법. - 제10항에 있어서, 상기 혼합용액을 준비하는 단계에서,
상기 구리전구체와 코발트전구체의 농도는 1X10-3M ~ 2X10-1M인 것을 특징으로 하는 메조포러스 구리코발트 산화물 기반 슈퍼캐패시터 제작 방법 - 제10항에 있어서, 상기 혼합용액을 준비하는 단계에서,
상기 질산 농도는 2M~8M인 것을 특징으로 하는 메조포러스 구리코발트 산화물 기반 슈퍼캐패시터 제작 방법 - 제10항에 있어서,
상기 중간상을 형성하는 단계에 형성된 중간상은 구리코발트 질산염 수산화물(copper cobalt nitrate hydroxide)인 것을 특징으로 하는 메조포러스 구리코발트 산화물 기반 슈퍼캐패시터 제작 방법 - 제10항에 있어서,
상기 메조포러스 구리코발트 산화물을 형성하는 단계에서,
상기 중간상을 소결하는 온도는 230℃ 내지 270℃ 사이인 것을 특징으로 하는 메조포러스 구리코발트 산화물 기반 슈퍼캐패시터 제작 방법 - 제10항에 있어서, 상기 메조포러스 구리코발트 산화물 전극층을 가지는 슈퍼캐패시터를 제작하는 단계는,
상기 메조포러스 구리코발트 산화물을 블랙카본(black carbon), 폴리비닐리딘(Polyvinylidene) 및 N-메틸 2 피로리돈(N-methyl-2-pyrrolidone)과 혼합한 후 니켈 포일에 코팅하여, 양극과 음극 전극을 형성하는 메조포러스 구리코발트 산화물 전극층이 코팅된 니켈 집전체를 제작한 후, 분리막 및 전해질을 조립하여 슈퍼캐패시터를 제작하는 단계인 것을 특징으로 하는 메조포러스 구리코발트 산화물 기반 슈퍼캐패시터 제작 방법.
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Non-Patent Citations (2)
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| Date | Code | Title | Description |
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| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |