KR100745193B1 - 수퍼캐패시터용 ｃｎｆ／ｄａａｑ 복합전극의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 슈퍼커패시터용 전극 활물질의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 슈퍼커패시터를 제조하는데 있어서 사용되는 탄소나노섬유(carbon nanofiber) 활물질의 문제점으로 대두되고 있는 용량 및 내부저항, 사이클 성능에 관한 사항을 개선하고자 복합전극을 제조하는 방법이다.
본 발명에서는 탄소나노섬유를 이용한 슈퍼커패시터용 전극활물질의 제조하는데 있어서, 탄소나노섬유를 황산에 분산시켜 초음파를 이용하여 전도성 고분자인 1,5-diaminoanthraquinone을 코팅하는 것을 특징으로 하여, 제조 후 60℃ 진공오븐에서 건조하여 혼합물을 제조한 후, 유기 용매인 NMP(N-Metyl-2-Pyrrolidione)에 분산시켜 미반응 된 모노머를 제거하고 이를 카본 페이퍼에 코팅 후 다시 진공오븐에서 건조 시키는 것으로, 순수 탄소나노섬유를 이용한 전극 제조시 발생되는 문제점인 용량의 한계성을 극복하고 또한 발생할 수 있는 응집(aggregation)현상을 방지 및 내부저항이 적으며 안정하여 성능이 향상된 수퍼커패시터용 전극을 제공할 수 있으며, 기존 활성탄에 의존하고 있는 EDLC(Electric Double Layer Capacitor)와 비교하여 성능 및 수명이 향상된 슈퍼커패시터용 전극을 제공한다.
캐패시터, 수퍼캐패시터, 탄소나노섬유, 디아미노안트라퀴논, 복합전극
Description
제 1도는 본 발명에 따른 코팅 전 탄소나노섬유의 실재 사진
제 2도는 본 발명에 따른 코팅 후 복합물의 실재 사진
제 3도는 본 발명에 따른 탄소나노섬유와 diamioanthraquinone의 코팅 개략도
제 4도는 본 발명에 따른 코팅된 복합물질의 코팅을 증빙하는 X-Ray 회절분석도.
제 5도는 본 발명에 따른 코팅된 복합물질의 코팅을 증빙하는 시차열량분석도.
제 6도는 본 발명에 따른 코팅된 복합물질의 전위주사법도(cyclic voltammogram)
본 발명은 각종 전자제품에 있는 회로기판 내의 전기흐름을 안정화하는 역할 을 하는 수퍼캐패시터용 전극에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소나노섬유를 황산에 분산시켜 초음파를 이용하여 전도성 고분자인 1,5-diaminoanthraquinone을 코팅하는 것을 특징으로 하는 수퍼캐패시터용 전극 활물질에 관한 것이다.
고도의 정보화 사회에서는 각종 정보, 통신기기를 통해 다양하고 유용한 정보를 실시간으로 수집 및 활용하는 고부가가치 산업을 주도하고 있으며, 이러한 시스템의 신뢰성 확보를 위해서는 안정적인 에너지의 공급이 중요한 요소로 자리잡고 있다.
이러한 정보, 통신기기 및 각종 전자제품에는 전기 회로기판이 장착되어 있는데, 각각의 회로기판에는 전력을 모아서 필요에 따라 방출하는 개패시터(capacitor)라는 부품이 있고, 이 캐패시터는 전자회로를 안정되게 동작시키기 위해서는 반드시 필요한 부품의 하나이다.
상기 캐패시터는 기본적으로 2장의 전극판을 대향시킨 구조로 되어 있고, 두 극판의 전극 간에 절연체를 넣어 만드는데, 전극의 재질에 따라 알루미늄, 탄탈륨, 세라믹, 적층, 필름, 수퍼캐패시터 등 다양한 종류로 각각의 특성에 맞게 사용되고 있다. 이러한 캐패시터의 구조와 종류 및 시장동향에 관해서는 문헌 [참조: 초용량 캐패시터 시장 전망, 알앤디비즈, 2005.05.27]에 기재되어 있다.
이 중에서 수퍼캐패시터는 환경친화적인 재료를 사용하고 있으면서도 초대용량의 특성과 충·방전속도 및 사이클 수명이 우수해 2차전지의 병용 및 대체가 가능한 에너지 저장장치로 기대되고 있으며, 기존의 수퍼캐패시터의 기본구조는 다공성 전극(Electrode), 전해질(Electrolyte), 집진체(Current Collector), 격리막(Separator)으로 이루어져 있으며, 단위셀 전극의 양단에 수 볼트의 전압을 가해 전해액 내의 이온들이 전기장을 따라 이동하여 전극 표면에 흡착되어 발생 되는 전기 화학적 메카니즘을 작동원리로 하는데, 크게 ①전기이중층 캐패시터(EDLC), ②Redox 캐패시터, ③하이브리드 캐패시터로 구분되어 진다.
상기와 같이 구분되어지는 수퍼캐패시터를 보다 상세히 설명하면, 그 첫번째가 전기이중층 캐패시터(이하, 'EDLC'라 함)인데, 여기서 전기이중층이란, 전극이 정전하를 띄고 있는 경우에서는 전하를 보상하기 위해 용액 중의 음이온이 배열되는데 이 배열에 의해 생기는 층을 말하는 것으로, 전기이중층은 전극과 이온 사이에 전자의 이동을 동반하지 않은 반응에 의해 형성된다. 이러한 전기이중층의 형성에 동반하는 전극계면에 생기는 용량을 전기이중층 용량(electric double layer capacitance)이라 하며 이것을 이용한 캐패시터가 EDLC인 것이다.
그리고, 기존 EDLC은 전극/전해질 계면의 전기이중층에 전하를 저장하는데 전하량은 15-40㎌/㎠으로 전극재료는 넓은 표면적을 갖는 재료일수록 더 큰 캐패시터를 가질 수 있다. 현재 전자부품에서 EDLC가 새로운 소재와 기술이 합쳐져 대용 량화되어 일반 산업용에 응용되면서 배터리 기능을 대체하고 있는 실정이다.
상기에서 구분되어지는 수퍼캐패시터 중 그 두번째로, EDLC에서 흡착반응 또는 Redox반응 등의 패럿(farad)반응에서도 용량이 생기는데, 이때 생기는 용량을 유사용량(pseudo-capacitance)이라 하고, 이를 이용한 캐패시터를 Redox 캐패시터(pseudo capacitor 또는 ultra capacitor)라 불린다.
이와 같은 Redox 캐패시터는 배터리에 가깝다고 할 수 있으며, 이 Redox 캐패시터의 전하는 금속산화물의 표면에 금속이온의 산화수 변화가 함께 일어나면서 저장된다. 따라서, EDLC가 전극표면에 형성된 이중층에만 전하를 저장하는데 비해 Redox 캐패시터의 저장범위는 전극재료의 표면 근처 벌크(bulk)까지이므로 저장 용량이 EDLC에 비해 약 5배정도 크기 때문에 에너지밀도 또한 크다.
마지막으로, EDLC와 전해 캐패시터의 중간적인 특성을 지닌 하이브리드 캐패시터로 구분되어 진다. 상기 수퍼캐패시터의 기본 구조 및 분류에 관하여는 문헌 [참조: ①수퍼캐패시터의 기본 구조, KETI, KISTI, 2004.06, ②대용량 Supercapacitor의 특성 및 개술 개발 동향, 한국전기화학회:학술대회지, 1999년 전지기술심포지움, pp.147-170, 1999]에 제시되어 있다.
그러나, 이러한 최첨단 에너지 절약형 수퍼캐패시터도 해결해야 할 문제가 있는데, 이는 에너지밀도는 높은 반면 출력이 낮고, 내부저항이 크다는 점이다. 기존의 수퍼캐패시터에 사용되는 전극은 활성탄소 전극으로, 크림핑 공정(Crimping Process)에 의하여 제조된다. 이 크림핑 공정은 탄소를 적층시켜서 제조하는 공정으로서, 제조공정이 간단하다는 장점이 있지만 탄소 입자들 사이에는 높은 Gab이 있으며 이는 저항을 증가시키는 주요한 원인이 되고 있다.
따라서, 기존 수퍼캐패시터의 출력이 낮고, 내부저항이 크다는 문제점을 해소하여 출력밀도의 희생 없이 에너지 밀도를 향상시키고, 내부저항을 줄임과 동시에 흐르는 전류량을 증가시키기 위하여 탄소 재질에 대한 개선이 필요하며 이에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제시된 것으로, 열화학 기상 증착법(TCVD; Thermal Chemical Vapor Deposition)에 의해 제조된 나선(sprial)형태의 탄소나노섬유를 지지체로 하고, 그 위에 전도성 고분자를 정전기적으로 코팅하여 하이브리드 형태의 전극을 제조함으로 에너지밀도를 향상시킬 뿐 아니라, 내부저항을 줄여 전류량을 증가시켜 산업적, 상업적 이용가치를 높일 수 있는 수퍼캐패시터용 CNF/DAAQ 복합전극의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 열화학 기상 증착법(TCVD)에 의해 제조된 나선형태의 탄소나노섬유를 황산에 분산시켜 초음파를 이용하여 전도성 고분자인 1,5-diaminoanthraquinone을 코팅하는 것을 특징으로 하여, 제조 후 60℃ 진공오븐에서 건조하여 혼합물을 제조한 후, 유기 용매인 NMP(N-Metyl-2-Pyrrolidione)에 분산시켜 미반응된 모노머를 제거하고 이를 카본 페이퍼에 코팅 후 다시 진공오븐에서 건조 시키는 것을 특징으로 한다.
상기와 관련하여 본 발명의 수퍼캐패시터용 CNF/DAAQ 복합전극은 열화학 기상 증착법에 의해 나선형태의 탄소나노섬유를 제조하는 제조단계;와
제조된 탄소나노섬유를 황산의 용매에 분산시켜 탄소나노섬유의 활성을 증대시키는 활성단계;와
상기 탄소나노섬유에 소니케이션(Sonication)을 실시하여 전도성 고분자인 1,5-diaminoanthraquinone을 코팅하는 코팅단계;와
코팅된 전도성 고분자를 진공오븐에 건조하여 CNF/DAAQ 분말을 얻는 분말제조단계;와
건조제조된 CNF/DAAQ분말을 NMP의 용액에 분산시켜 미반응된 모노머를 제거하는 제거단계;와
상기 제거단계를 거쳐 분산된 용액을 카본페이퍼 위에 마이크로 피펫으로 떨어뜨려 드롭코팅(Drop Coating)하는 드롭코팅단계;와
마지막으로, 드롭코팅된 CNF/DAAQ 복합전극을 진공오븐에서 건조하는 건조단계;를 거쳐 이루어지는 것을 그 구성으로 한다.
이하, 과전위 신소재 전극의 제조방법에 관한 본 발명의 기술적 구성을 설명한다.
[제조단계]
본 발명에서 사용하는 탄소나노섬유는 열화학 기상 증착법(이하, 'TCVD'라 함)에 의해 제조되는데, 이 TCVD는 저온에서 수직배양, 성장시키는 방법으로 정밀 성장 제어가 가능하며, 균일한 직경의 탄소나노튜브를 형성할 수 있는 장점이 있는 방법이다.
즉, 본 발명에서는 Ni 촉매를 지지체로 사용하여 C2H2가스를 고온에서 분해시켜서 생성되는 탄소물질을 촉매 위에 성장시키고, 제조된 Ni 촉매를 상온의 전기로 중심부에 넣고 아르곤 가스를 주입하면서 전기로의 온도를 600℃~700℃ 정도까지 승온 시킨다. 아르곤 가스를 계속적으로 주입하면서 수소가스를 주입시키고 Ni 촉매의 표면이 형성되면 아르곤 가스를 차단하고 수소와 탄화수소 가스(hydrocarbon gas)를 주입하여 탄소나노섬유를 제조한다.
이렇게 제조된 탄소나노섬유를 HNO3 처리를 하여 Ni 촉매를 제거하여 순수한 나선(sprial)형태의 탄소나노섬유를 얻는다(S10).
여기서 탄소나노섬유를 나선형태로 하는 이유는 2차원이나 3차원적인 입체 형태를 지니기 때문에 비표면적이 넓어 단위 면적당 직선형태의 탄소나노섬유 보다 높은 용량을 가질 수 있기 때문이다.
[활성단계]
이렇게 만들어진 나선형태의 탄소나노섬유(CNF)를 0.1M 황산의 용매에 넣는다(S20). 이는 황산으로 인해 탄소나노섬유를 분산시켜 탄소나노섬유 끝의 카르복시기 및 하이드록시기를 활성화 시켜 활성을 증대시키기 위하여 실시하는 것이다.
여기에서 0.1M 황산의 사용은 약산으로 카르복시기 및 하이드록시기를 활성만을 증대시키기 위함이며, 0.1M이상을 사용할 시 탄소나노섬유가 손상을 입기 때문에 황산에 분산시키는 것은 0.1M이 바람직하다.
[코팅단계]
상기 활성화된 탄소나노섬유에 DAAQ (1,5-diaminoanthraquinone) 모노머를 넣고 소니케이션(Sonication)를 약 1시간 한다. 이는 탄소나노섬유의 충분한 분산과 활성을 띄게 하기 위함이며, 상기 소니케이션 후에는 전도성 고분자인 1,5-diaminoan-thraquinone을 각각의 wt%비로 동등한 양을 넣는다.
이때, 잘 분산된 탄소와 고분자물질의 합성을 돕기 위해 산화제로 (NH4)2S2O8(Ammonium persulfate)를 사용하고, 산화제 주입 후 반응온도는 5℃이하로 유지하며 48시간 동안 계속적으로 소니케이션을 실시하여 코팅한다(S30).
여기서, 산화제의 양은 중량비율로 DAAQ (1,5-diaminoanthraquinone)를 기준으로 하여 DAAQ와 산화제의 비율은 1:3으로 하며, 산화제의 양이 3배 이상인 경우는 반응속도가 빨라서 탄소나노섬유 위에 코팅이 되는 양보다 DAAQ 모노머들 간에 고분자화가 많이 이루어지면서 응집되는 양이 많아짐과 동시에 전도도가 저하되고 용량도 저하되는 문제점이 있으며, 3배 이하일 경우는 반응이 이루어지는 속도가 느려지면서 미반응된 모노머의 양이 증가하는 문제가 있으므로, 산화제 비율은 1:3이 가장 바람직하다.
또한, 반응온도가 5℃이상일 경우 반응속도가 증가하면서 코팅이 잘 이루어지지 않고 DAAQ 모노머 간의 고분자화 되는 양, 다시말해 탄소나노섬유 위에 균일한 코팅이 잘 이루어지지 않아 덩어리가 지는 문제점이 생기므로 반응온도는 5℃이하로 하며, 상기 소니케이션을 48시간을 하는 이유는 분산이 잘 되지않은 상태에서 반응이 빨리 진행될 경우 한 부분에 많이 코팅되는 현상이 발생하여 전도도 저하가 생기기 때문이다.
이상에서 언급된 소니케이션은 분산을 시키거나 세척을 할 때 사용하는 방법으로 표면에 낮은 강도의 초음파가 가해질 경우 순간적으로 진공이 생기게 되는데, 그때 발생하는 진공으로 장시간 충분히 분산을 시킴으로써 정전기적인 인력을 발생시켜 천천히 코팅을 시키는 방법이다.
[분말제조단계]
이와 같이 코팅된 전도성 고분자를 48시간 후에 셀룰로오스 필터를 사용하여 여과시킨다. 그 후 증류수 및 에탄올로 약 50회 이상 세척을 한다. 세척 후 pH를 측정하여 pH 7이 되도록 한다.
48시간 후 여과시켜 합성분말을 60℃ 진공오븐에서 24시간을 건조시켜 CNF/DAAQ 분말을 얻는다(S40).
상기의 진공오븐 온도는 60℃이상일 경우 코팅된 전도성 고분자가 분자량이 1000 이하이기 때문에 용매가 급격히 증발되며 손상되므로 60℃의 진공오븐에서 건조시킨다.
[제거단계]
상기와 같이 제조된 CNF/DAAQ 분말을 전극활물질로 사용하기 위해 NMP(N-Methylpyrrolidone)의 용액에 균일하게 분산을 시킨다(S50).
현재 일반적으로 사용되고 있는 분산제로는 CMF(Dimethyl-formamide), NMP(N-Methylpyrrolidone), Butylalcohol, Ethyl alcohol, aectone 등이 이용되고 있으나, 본 발명에서는 미반응된 DAAQ 모노머를 1차적으로는 에탄올을 사용하고 2차적으로 완전히 제거하기 위해 극성용매인 NMP(N-Methylpyrrolidone)를 사용하였다.
이와 같이 분산시킴은 미반응된 모노머를 제거하기 위하여 실시하는 것이다.
[드롭코팅단계]
상기에서와 같이 분산된 용액을 탄소지(carbon plate)위에 반응 면적 1×1(cm2)의 크기로 드롭 코팅(drop coating)한다(S60). 이 드롭코팅은 물방을 형태로 코팅을 시키는 것으로 코팅된 물질에 손상을 주지 않으며, 진공으로 충분한 압착을 시켜주기 위함이다.
이와 같은 드롭코팅단계는 진공에 의한 인력에 의해 코팅 강도와 압착 정도를 증가시켜 저항을 최소화하는 공정이다.
[건조단계]
마지막으로 진공오븐에서 15~35℃, 24~48시간 건조한다(S70).
여기에서, 상기 진공오븐의 온도가 15℃ 이하일 경우는 수분이 남아있어 전극의 반응 시 저항이 유발되며, 35℃이상일 경우는 건조가 빨리 이루어져 표면의 변화가 일어나므로, 진공오븐의 온도는 15~35℃가 바람직하며, 가장 바람직하게는 25℃이다.
또한, 건조시간을 24시간 이하로 두면 건조가 잘 이루어지지 않으며, 48시간 이상을 두면 표면 코팅되어 있는 DAAQ 폴리머들이 구조적인 변화가 일어나므로, 건조시간은 24~48시간이 적당하다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 보다 상세히 서술하고자 한다.
제1도는 본 발명에 따른 코팅 전 탄소나노섬유의 실재 사진으로, 열화학 기상 증착법에 의해 제조된 탄소나노섬유가 나선형태임을 확인할 수 있다.
이어서, 제2도는 본 발명에 따른 코팅 후 복합물의 실재 사진으로서, 나선형태의 탄소나노섬유의 주위에 DAAQ(1,5-diaminoanthraquinone)가 감싸고 있는 것을 확인할 수 있고 더이상 나선형태가 나타나지 않는 것을 확인할 수 있으며, 이는 코팅이 이루어져 형태가 변화한 것을 알 수 있다.
제3도는 본 발명에 따른 탄소나노섬유와 diamioanthraquinone의 코팅 개략도로서, 열화학 기상 증착법에 의해 나선형태의 탄소나노섬유를 제조하는 제조단계(S10);와
제조된 탄소나노섬유를 황산의 용매에 분산시켜 탄소나노섬유의 활성을 증대시키는 활성단계(S20);와
상기 탄소나노섬유에 소니케이션(Sonication)을 실시하여 전도성 고분자인 1,5-diaminoanthraquinone을 코팅하는 코팅단계(S30);와
코팅된 전도성 고분자를 진공오븐에 건조하여 CNF/DAAQ 분말을 얻는 분말제조단계(S40);와
건조제조된 CNF/DAAQ분말을 NMP의 용액에 분산시켜 미반응된 모노머를 제고하는 제거단계(S50);와
상기 제거단계를 거쳐 분산된 용액을 카본페이퍼 위에 마이크로 피펫으로 떨어뜨려 드롭코팅(Drop Coating)하는 드롭코팅단계(S60);와
마지막으로, 드롭코팅된 CNF/DAAQ 복합전극을 진공오븐에서 건조하는 건조단계(S70);를 구성으로 하여 제조되는 공정을 도시한 것이다.
제4도는 본 발명에 따른 코팅된 복합물질의 코팅을 증빙하는 X-Ray 회절분석도를 나타낸 것으로, 구조적인 해석을 하기 위하여 시차열량분석(DSC)과 X-ray 회절분석을 통해 관찰하였는데, X-ray 회절분석에서도 관찰할 수 있는 것은 탄소나노섬유(CNF)와 DAAQ의 혼합된 물질이 각각의 피크를 나타내고 있다는 것이다.
이는 CNF주위에 코팅되어 있는 것이 DAAQ이며 또한 균일한 코팅이 이루어 졌음을 알 수 있다. 또한 5내지 15℃의 범위에서 모노머 상태에서는 주피크(약 11도에서 가장 큰 피크) 주위에 작은 피크 2개가 나타나는데, 이후 코팅이 되면서 고분자화가 이루어졌을 때 이 피크가 관찰되지 않는다.
이러한 이유는 DAAQ 모노머 스팩트럼의 주요한 피크는 분명히 2θ = 11.06 이다. 피크의 각도로부터 이 틈의 거리는 7.99Å이다. 이것은 π-π선회 구조를 가지며 구성된다. 코팅 후 DAAQ가 모노머와 모노머 사이의 틈 거리는 선회 확장한다. 이러한 이유로 각 모노머 간의 거리가 변화하기 때문이다.
제5도는 탄소나노섬유 주위에 DAAQ(1,5-diaminoanthraquinone)가 코팅되어졌음 시차열량분석(DSC)의 피크의 변화를 통해서 코팅이 이루어졌음을 확인할 수 있다. DSC 분석에서 복합전극 활물질은 CNF의 90℃에서 나타나는 구조적 변화를 보이지 않고 DAAQ의 330℃에서 보이는 구조적 변화만을 나타내는 것은 CNFs를 DAAQ가 감싸고 있어서 나타나는 현상이다.
또한, 피크의 강도는 결정화 정도를 나타내는데 코팅이 이루어지면서 DAAQ의 결정화도는 작아진 것을 확인하였으며 이는 코팅이 비교적 얇게 이루어졌음을 확인 할 수 있다.
제6도는 본 발명에 따른 코팅된 복합물질의 전위주사법도(cyclic voltammogram)로서, 탄소나노섬유 주위에 DAAQ (1,5-diaminoanthraquinone)가 코팅된 활물질 효과를 확인하였다. 전위주사법(Cyclic voltammetry)은 물질의 산화,환원 거동 및 전위창 그리고 용량등을 확인할 수 있는 기본전인 전기화학 측정법으로써, 본 발명에서는 DAAQ (1,5-diaminoanthraquinone)가 산성 전해질에서 활성을 띄기 때문에 4 M의 황산을 사용하였다.
또한, 전형적인 half cell을 구성하여 측정을 한 결과 초기용량 약 3 cycle 후 DAAQ (1,5-diaminoanthraquinone)의 용량이 75 F/g, 탄소나노섬유(carbon nanofiber) 용량이 141 F/g, 그리고 코팅후의 용량이 약 195 F/g 으로 증가한 것을 확인하였다. 질량 대비 상당히 우수한 용량을 보이는 것을 확인할 수 있다.
이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하며, 실시예는 단지 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위는 이들에 국한되지 않는다.
<
실시예1
>
Ni 촉매를 지지체로 사용하여 C2H2가스를 고온에서 분해시켜서 생성되는 탄소물질을 촉매 위에 성장시키고, 제조된 Ni 촉매를 상온의 전기로 중심부에 넣고 아르곤 가스를 주입하면서 전기로의 온도를 600℃까지 승온 시킨다. 아르곤 가스를 계속적으로 주입하면서 수소가스를 주입시키고 Ni 촉매의 표면이 형성되면 아르곤 가스를 차단하고 수소와 탄화수소 가스(hydrocarbon gas)를 주입하여 탄소나노섬유를 제조한다.
이렇게 제조된 탄소나노섬유를 HNO3 처리를 하여 Ni 촉매를 제거하여 순수한 나선(sprial)형태의 탄소나노섬유를 제조한다(S10).
비이커에 0.1M의 황산을 100mL 넣고 각각 탄소나노섬유와 DAAQ 모노머를 0.3g 넣어서 초음파를 1시간 가해준다(S20).
그 후 잘 분산된 탄소나노섬유와 DAAQ 모노머를 삼구 플라스크에 넣고 혼합하여 200mL를 만든 후 산화제인 (NH4)2S2O8(Ammonium persulfate)를 0.9g을 넣고 48시간동한 초음파를 가해주며 강력 교반기로 교반을 지속시킨다. 반응 시에 온도는 4℃로 한다(S30).
반응이 끝난 후에는 셀룰로오스 필터를 사용하여 필터링을 시킨다. 그 후 증류수 및 에탄올로 수차례(약 50회 이상) 세척을 한다. 세척 후 pH를 측정하여 pH 7이 되도록 한다. 그 후 진공오븐 60℃에서 24시간 건조시킨 후 이 분말을 NMP 10mL에 분산시켜 이를 마이크로 피펫을 사용하여 50㎕를 드롭코팅 시킨다(S60).
그 후 다시 20℃에서 24시간 건조(S70)하여 전극 제조를 완료한다.
<
실시예2
>
Ni 촉매를 지지체로 사용하여 C2H2가스를 고온에서 분해시켜서 생성되는 탄소물질을 촉매 위에 성장시키고, 제조된 Ni 촉매를 상온의 전기로 중심부에 넣고 아르곤 가스를 주입하면서 전기로의 온도를 700℃까지 승온 시킨다. 아르곤 가스를 계속적으로 주입하면서 수소가스를 주입시키고 Ni 촉매의 표면이 형성되면 아르곤 가스를 차단하고 수소와 탄화수소 가스(hydrocarbon gas)를 주입하여 탄소나노섬유를 제조한다.
이렇게 제조된 탄소나노섬유를 HNO3 처리를 하여 Ni 촉매를 제거하여 순수한 나선(sprial)형태의 탄소나노섬유를 제조한다(S10).
비이커에 0.1M의 황산을 100mL 넣고 각각 탄소나노섬유와 DAAQ 모노머를 0.3g 넣어서 초음파를 1시간 가해준다(S20).
그 후 잘 분산된 탄소나노섬유와 DAAQ 모노머를 삼구 플라스크에 넣고 혼합하여 200mL를 만든 후 산화제인 (NH4)2S2O8(Ammonium persulfate)를 0.9g을 넣고 48시간동한 초음파를 가해주며 강력 교반기로 교반을 지속시킨다. 반응 시에 온도는 3℃로 한다(S30).
반응이 끝난 후에는 셀룰로오스 필터를 사용하여 필터링을 시킨다. 그 후 증류수 및 에탄올로 수차례(약 50회 이상) 세척을 한다. 세척 후 pH를 측정하여 pH 7이 되도록 한다. 그 후 진공오븐 60℃에서 24시간 건조시킨 후 이 분말을 NMP 10mL에 분산시켜 이를 마이크로 피펫을 사용하여 50㎕를 드롭코팅 시킨다(S60).
그 후 다시 30℃에서 48시간 건조(S70)하여 전극 제조를 완료한다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 수퍼캐패시터용 CNF/DAAQ 복합전극은, 제6도에서 확인할 수 있듯이 코팅 후 복합전극의 용량이 증가한 것을 확인할 수 있을 뿐만 아니라, 발생할 수 있는 응집(aggregation)현상을 방지 및 내부저 항이 적으므로, 기존 활성탄에 의존하고 있는 EDLC(Electric Double Layer Capacitor)와 비교하여 성능 및 수명 측면에서도 향상되고 안정하여 성능이 우수한 수퍼커패시터용 전극을 제공할 수 있다.
Claims (5)
- 열화학 기상 증착법에 의해 나선형태의 탄소나노섬유를 제조하는 제조단계(S10);와제조된 탄소나노섬유를 황산의 용매에 분산시켜 탄소나노섬유의 활성을 증대시키는 활성단계(S20);와상기 탄소나노섬유에 소니케이션(Sonication)을 실시하여 전도성 고분자인 1,5-diaminoanthraquinone을 코팅하는 코팅단계(S30);와코팅된 전도성 고분자를 진공오븐에 건조하여 CNF/DAAQ 분말을 얻는 분말제조단계(S40);와건조제조된 CNF/DAAQ분말을 NMP의 용액에 분산시켜 미반응된 모노머를 제고하는 제거단계(S50);와상기 제거단계를 거쳐 분산된 용액을 카본페이퍼 위에 마이크로 피펫으로 떨어뜨려 드롭코팅(Drop Coating)하는 드롭코팅단계(S60);와드롭코팅된 CNF/DAAQ 복합전극을 진공오븐에서 건조하는 건조단계(S70);를 포함하여 제조하는 것을 특징으로 하는 수퍼캐패시터용 CNF/DAAQ 복합전극의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,활성단계(S20)는 탄소나노섬유(carbon nanofiber)와 DAAQ (1,5-diaminoan- thraquinone)를 0.1 M의 황산에 분산시켜 초음파를 가해주어 전처리하는 것을 특징으로 하는 수퍼캐패시터용 CNF/DAAQ 복합전극의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,코팅단계(S30)에서 분산된 탄소와 고분자물질의 합성을 돕기 위해 첨가되는 산화제는 (NH4)2S2O8(Ammonium persulfate)이며 DAAQ (1,5-diaminoanthraquinone) 양의 3배를 넣는 것을 특징으로 하는 수퍼캐패시터용 CNF/DAAQ 복합전극의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,코팅단계(S30)에서 산화제 주입 후 반응온도를 5℃ 이하로 유지하고, 반응시간을 48시간으로 하는 것을 특징으로 하는 수퍼캐패시터용 CNF/DAAQ 복합전극의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,제거단계(S50)에서 유기용매인 NMP(N-Methylpyrrolidone)를 사용하여 분산시켜 미반응된 DAAQ (1,5-diaminoanthraquinone)를 최종적으로 제거하는 것을 특징으로 하는 수퍼캐패시터용 CNF/DAAQ 복합전극의 제조방법.
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| KR1020060048865A KR100745193B1 (ko) | 2006-05-30 | 2006-05-30 | 수퍼캐패시터용 ｃｎｆ／ｄａａｑ 복합전극의 제조방법 |
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| KR1020060048865A KR100745193B1 (ko) | 2006-05-30 | 2006-05-30 | 수퍼캐패시터용 ｃｎｆ／ｄａａｑ 복합전극의 제조방법 |
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| KR1020060048865A KR100745193B1 (ko) | 2006-05-30 | 2006-05-30 | 수퍼캐패시터용 ｃｎｆ／ｄａａｑ 복합전극의 제조방법 |
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