KR101549481B1 - 복합 기공을 갖는 커패시터 전극 및 그 제조방법 - Google Patents

복합 기공을 갖는 커패시터 전극 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복합 기공을 갖는 커패시터 전극 및 그 제조방법에 관한 것으로, 자세하게는 균일한 매크로 기공을 갖는 메조포러스 물질을 이중 템플리팅(dual templating)을 통한 간단한 방법으로 제조하고 커패시터 전극에 이를 도입함으로써, 메조 기공이 갖는 장점인 넓은 표면적에 의한 높은 흡착 능력과 매크로 기공이 갖는 장점인 물질전달의 용이성을 복합적으로 얻을 수 있는 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 메조/매크로포러스 물질을 커패시터 전극에 적용하여 높은 수열 안정성과 유효 비표면적을 얻을 수 있고, 물질전달의 용이성을 확보함으로써 전해질 이온의 흡착과 탈착에서 큰 장점을 보이며, 나아가 이에 따른 충전 및 방전 속도의 향상 효과를 얻을 수 있다.

Description

복합 기공을 갖는 커패시터 전극 및 그 제조방법{Capacitor Electrodes With Composite Pores, And Manufacturing Method thereof}
본 발명은 복합 기공을 갖는 커패시터 전극 및 그 제조방법에 관한 것으로, 자세하게는 균일한 매크로 기공을 갖는 메조포러스 물질을 이중 템플리팅(dual templating)을 통한 간단한 방법으로 제조하고 커패시터 전극에 이를 도입함으로써, 메조 기공이 갖는 장점인 넓은 표면적에 의한 높은 흡착 능력과 매크로 기공이 갖는 장점인 물질전달의 용이성을 복합적으로 얻을 수 있는 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 메조/매크로포러스 물질을 커패시터 전극에 적용하여 높은 수열 안정성과 유효 비표면적을 얻을 수 있고, 물질전달의 용이성을 확보함으로써 전해질 이온의 흡착과 탈착에서 큰 장점을 보이며, 나아가 이에 따른 충전 및 방전 속도의 향상 효과를 얻을 수 있다.
일반적으로 다공성 물질은 포어(pore)의 직경 크기에 따라 마이크로포러스(microporous, 2nm이하), 메조포러스(mesoporous, 2nm초과 50nm미만) 및 매크로포러스(macroporous, 50이상)로 분류된다.
일정한 크기의 기공이 규칙적으로 배열된 다공성 물질은 넓은 표면적 등의 여러 장점들을 가지므로 흡착이나 촉매분야에서 응용 가능성이 매우 크다. 그 중에서 다른 기공 크기 영역의 기공들을 복합적으로 가지는 다공성 물질의 경우는 각 기공 크기 영역으로부터 오는 장점들 또한 복합적으로 작용하기 때문에 많은 연구가 이루어지고 있다.
그러나, 다른 기공 크기 영역의 기공들을 가지는 다공성 물질은 그 제조과정이 복잡하고, 각 기공의 크기 및 물질의 전체적인 형태를 조절하기 어려우며, 수열 안정성(hydrothermal stability)이 낮다는 문제 등으로 인하여 실제 흡착제나 촉매제 분야에 적용하는 데 한계가 있었다.
한편, 커패시터는 정전 용량을 얻기 위해 사용하는 부품으로 슈퍼 커패시터, 울트라 커패시터, 전기이중층 커패시터 또는 리튬이온 커패시터 등 여러 분야에 다양한 형태로 응용되고 있다. 커패시터의 구성을 간략히 살펴보면, 도 1에 도시된 것과 같이 집전체, 전극, 전해액 및 격리막으로 구성되어 있는 것이 일반적이다.
상기 전극은 활성탄소분말, 활성탄소섬유 또는 탄소나노튜브 등과 같이 유효 비표면적이 큰 활물질(active material)과 전도성을 부여하기 위한 도전재 및 각 성분들 간의 결착력을 위한 바인더로 구성된다. 전해액으로는 수용액계의 전해액과 비수용액계의 전해액이 사용되며, 격리막은 폴리프로필렌 또는 테프론 등이 사용되고, 전극 간의 접촉에 의한 단락을 방지하는 역할을 한다.
이때, 충전 시에는 전해액 안의 전해질 이온이 정전적으로 전극 표면에 흡착하여 전극과 전해액 계면에 전하를 축적하고, 방전 때에는 역으로 흡착됐던 이온이 전해액 안으로 확산됨으로써 전하를 외부로 꺼내는 것이 가능하다. 따라서, 전해질 이온의 전극 표면에의 흡착 및 전해액 안으로의 확산 성능이 상기 커패시터 성능 향상에 가장 핵심적인 부분이다.
이에, 본 발명에서는 커패시터 전극에 서로 다른 크기 영역의 기공들을 복합적으로 가지는 다공성 물질을 적용하여 커패시터 성능을 향상시킬 수 있는 기술을 개발하였다.
상술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 메조/매크로포러스 물질을 커패시터 전극에 적용하여 높은 수열 안정성과 유효 비표면적을 얻을 수 있고, 물질전달의 용이성을 확보함으로써 전해질 이온의 흡착과 탈착에서 큰 장점을 보이며, 나아가 이에 따른 충전 및 방전 속도의 향상 효과를 얻을 수 있는 복합 기공을 갖는 커패시터 전극 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 매크로 기공이 규칙적으로 배열된 메조포러스 물질을 이중 템플릿(dual template)을 사용하여 간단하게 제조할 수 있으며, 각 기공의 크기 및 물질의 전체적인 형태를 조절하기 용이한 복합 기공을 갖는 커패시터 전극 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 유화중합법(emulsion polymerization)에 의해 매크로 고분자 구형입자를 합성하는 단계; 상기 합성된 매크로 고분자 구형입자를 얼음결정법(ice-crystallization)에 의해 균일하게 정렬시켜 콜로이달 결정 템플릿(colloidal crystal template)을 제조하는 단계; 상기 균일하게 정렬된 고분자 구형입자를 액정 템플릿(liquid crystal template)을 형성시키기 위한 혼합용액과 혼합하여 이중 템플릿(dual template)을 제조하는 단계; 상기 제조된 이중 템플릿의 공극에 전극용 무기물질을 주입하여 유무기 복합체를 형성하는 단계; 및 상기 유무기 복합체로부터 이중 템플릿만을 제거하기 위하여 건조 및 소성하는 단계를 포함하는 복합 기공을 갖는 커패시터 전극의 제조방법을 제공한다. 이때, 상기 고분자 구형입자를 합성하는 단계에서, 상기 고분자 구형 입자의 크기를 100~1000nm로 조절하는 것을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 이중 템플릿을 제조하는 단계에서, 상기 액정 템플릿을 형성시키기 위한 혼합용액은 고분자 입자 표면에 메조 기공을 형성할 수 있는 혼합용액이 사용될 수 있으며, 일 실시예로 i) 산 수용액과 삼블럭 공중합체(triblock copolymer)의 혼합용액, 또는 ⅱ) 물과 계면활성제의 혼합용액이 사용될 수 있다.
그리고, 상기 전극용 무기물질을 주입하는 단계에서, 일 실시예로 전극용 무기물질로서 실리카 소스를 주입하여 이중 템플릿의 공극에서 졸-젤(sol-gel) 반응을 유도할 수 있으며, 이때 상기 실리카 소스로서 TEOS(tetraethyl orthosilicate) 또는 규산나트륨(sodium silicate)이 사용될 수 있다.
한편, 상기 건조 및 소성단계에서, 상기 이중 템플릿과 이를 둘러싼 전극용 무기물질로 구성된 유무기 복합물에서 구조의 붕괴 없이 이중 템플릿만이 제거되어 균일한 매크로기공이 형성된 메조포러스 물질이 얻어지는 것을 특징으로 한다.
상기 건조 및 소성단계 후에는 다공성 탄소소재와 혼합하여 복합체를 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 이때 상기 다공성 탄소소재는 활성탄, 탄소나노튜브(CNT), 탄소나노섬유(CNF) 및 그래핀(graphene) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 제조방법으로 제조된 커패시터 전극으로서, 균일한 매크로기공이 형성된 메조기공 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 커패시터 전극을 제공한다. 상기 커패시터 전극은 다공성 탄소소재와 복합체를 형성하여 사용될 수도 있으며, 이때 상기 다공성 탄소소재는 활성탄, 탄소나노튜브(CNT), 탄소나노섬유(CNF) 및 그래핀(graphene) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 커패시터 전극은, 매우 간단한 제조 과정을 통하여 제조된 메조/매크로포러스 물질을 통하여 뛰어난 수열 안정성과 높은 유효 비표면적의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 매크로 기공의 도입에 따라 전해질 분자와 결합하여 이동하는 전해질 이온의 물질전달을 용이하게 함으로써, 전해질 이온의 흡/탈착 효율이 높아지며, 나아가 커패시터의 충전 및 방전 속도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 커패시터 전극은 기공의 크기 및 형태를 조절하기 용이하여 슈퍼 커패시터, 울트라 커패시터, 하이브리드 커패시터, 리튬이온 커패시터(LIC), 전기이중층 커패시터(EDLC) 등 여러 종류의 커패시터에 다양한 형태로 응용될 수 있다.
도 1 - 전기이중층 커패시터의 동작 원리 및 기본 구조를 나타내는 개념도
도 2 - 콜로이달 결정 템플릿(colloidal crystal template)과 액정 템플릿(liquid crystal template)으로 구성된 듀얼 템플레이팅을 설명하는 개념도
도 3 - 메조/매크로 포러스 물질을 통한 전해질 이온/전해질 용매 결합체의 이동경로에 대한 개념도
도 4 - 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 메조/매크로포러스 SBA-15의 SEM, TEM 사진
도 5 - 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 메조/매크로포러스 MCM-41의 SEM, TEM 사진
도 6 - 메조/매크로포러스 SBA-15를 흡착제로 이용한 자일렌의 매크로 기공의 크기(PS1 = 250 nm, PS2 = 500 nm)에 따른 등온 흡착 곡선(a)과 TPD 곡선(b)
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 복합 기공을 갖는 커패시터 전극은 유화중합법(emulsion polymerization)에 의해 매크로 고분자 구형입자를 합성하는 단계; 상기 합성된 매크로 고분자 구형입자를 얼음결정법(ice-crystallization)에 의해 균일하게 정렬시켜 콜로이달 결정 템플릿(colloidal crystal template)을 제조하는 단계; 상기 균일하게 정렬된 고분자 구형입자를 액정 템플릿(liquid crystal template)을 형성시키기 위한 혼합용액과 혼합하여 이중 템플릿(dual template)을 제조하는 단계; 상기 제조된 이중 템플릿의 공극에 전극용 무기물질을 주입하여 유무기 복합체를 형성하는 단계; 및 상기 유무기 복합체로부터 이중 템플릿만을 제거하기 위하여 건조 및 소성하는 단계를 통하여 제조되어, 균일한 매크로기공이 형성된 메조기공 물질로 이루어진 것을 특징으로 한다. 이하에서는 각 단계를 상세히 살펴본다.
일차적으로 매크로 기공을 형성하기 위하여, 유화중합법(emulsion polymerizton)에 의해 고분자 구형입자를 합성하였다. 이때, 상기 입자의 크기는 100 nm 내지 1000 nm인 것이 바람직하며, 이보다 적으면 기공이 거의 형성되지 않으며, 큰 경우에는 입자들이 서로 연결되지 않고 분리되기 쉽다.
이와 같이 합성된 고분자 구형 입자는 얼음 결정법(icecrystallization)에 의해 정렬되어 콜로이달 결정 템플릿(colloidal crystal template)을 형성하게 된다. 상기 얼음 결정법은 어는점 차를 이용한 방법으로 물이 먼저 벽면과 표면에서부터 얼어 점점 공간이 줄어들기 때문에 구형입자가 자기조립(self-assembling)되면서 균일하게 정렬하게 된다. 이때 고분자 구형 입자의 크기는 중합반응 개시제나 물과 고분자 단량체의 양을 조절하여 조절할 수 있다.
이와 같이 정렬된 일정한 크기의 매크로 고분자 구형입자는 고분자 용액과 혼합되어 표면에 액정 템플릿(liquid crystal template)을 형성시키기 위한 메조입자들을 형성하게 된다. 상기 혼합용액은 균일한 액정 템플릿을 형성하기 위한 다양한 물질이 사용될 수 있으나, 일 실시예로 산 수용액과 삼블럭 공중합체(triblock copolymer)의 혼합용액이나 물과 계면활성제(surfactant)의 혼합용액 등이 사용될 수 있다.
이와 같이 콜로이달 결정 템플릿과 액정 템플릿으로 이루어진 이중 템플릿이 완성되면, 상기 이중 템플릿의 공극에 전극용 무기물질을 주입하여 유무기 복합체를 형성하게 된다. 이때, 상기 전극용 무기물질은 전극을 구성하는 다양한 무기물질이 사용될 수 있으나, 일 실시예로 TEOS(tetraethyl orthosilicate) 또는 규산나트륨(sodium silicate)와 같은 실리카 소스가 사용될 수 있으며, 상기 실리카 소스는 이중 템플릿의 공극에서 졸-젤(sol-gel) 반응을 일으키게 된다.
이후, 상기 유무기 복합체는 건조 및 소성 과정을 거치면서 구조의 붕괴없이 이중 템플릿만이 제거되어 최종적으로 균일한 매크로기공이 형성된 메조기공 물질로 이루어진 전극 활물질이 얻어지게 된다. 상기 합성된 메조/매크로 전극 활물질, 바인더(PTFE) 및 도전제(super P)를 조합하여 커패시터용 전극을 제조하였다. 3 전극셀(counter: Li metal, reference: Li metal)을 통해 전극 특성을 확인하였다.
충전 시, 이온(Li+)이 전해질 용액에서 확산되어 전극 표면(SiO2)으로 흡착 및 삽입(intercalation)되고, 방전 시 전극으로 부터 분리 되어 나오게 된다. 전해질 이온이 전극 내부로 삽입되는 반응식은 아래와 같다고 보고되고 있다.
5SiO2 + 4Li + 4e- 2Li2Si2O2 + Si
Si + xLi LixSi
[참조 Qian Sun et al., Applied Surface Science, 254 (2008) 3774-3779]
도 3과 같이 전해질 이온(Li+)은 흡착 및 확산되어질 때 용매에 의해 용매화(solvation)되어 이동된다. 메조 기공만 존재하는 전극의 경우 이러한 전해질 이온의 이동속도는 메조 기공에 의해 제한되므로 메조 기공과 더불어 보다 큰 매크로 기공을 도입하여 용매화된 리튬이온의 이동을 더욱 용이하게 만들었다.
이하 본 발명의 내용을 실시예 및 비교예를 통하여 구체적으로 설명한다. 그러나 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로 본 발명의 권리범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1] 균일하게 정렬된 고분자 구형 입자의 제조
스타이렌 단량체(styrene monomer)를 물과 균일한 상태가 될 때까지 잘 혼합한 다음, 개시제(initiator)인 K2S2O8과 완충물(buffer)인 NaHCO3의 첨가를 통해 중합반응이 시작되고, 이는 질소 분위기 70℃에서 24시간 동안 계속 진행되었다.
이와 같이 제조된 일정한 크기의 고분자 구형 입자는 얼음 결정법에 의해 정렬되며, 이때 고분자 구형 입자의 크기는 개시제의 양이 많아질수록 작아졌고 스타이렌 단량체와 물의 비율이 높을수록 커짐을 알 수 있었으며 이를 통하여 그 크기를 조절하였다.
[실시예 2a] 메조/매크로포러스 SBA-15의 제조
상기 실시예 1로부터 수득한 고분자 구형 입자를 염산 수용액에 삼블럭 공중합체를 잘 혼합하여 액정 템플릿이 형성된 후에 넣고 균일한 상태가 될 때까지 혼합시켜 이중 템플릿을 형성한다. 그 후 실리카 소스를 넣고 SBA-15 합성법에 따라 수열처리 후 여과와 100℃ 건조 후 550℃에서 5시간 동안 소성에 의해 메조/매크로포러스 SBA-15를 제조하여 도 4에 나타내었다.
[실시예 2b] 메조/매크로포러스 MCM-41의 제조
상기 실시예 1로부터 수득한 고분자 구형 입자를 정제수에 계면활성제를 잘 혼합하여 액정 템플릿이 형성된 후에 넣고 균일한 상태가 될 때까지 혼합시켜 이중 템플릿을 형성한다. 그 후 실리카 소스를 넣고 MCM-41의 합성법에 따라 수열처리 후 여과와 100℃ 건조 후 550℃에서 5시간 동안 소성에 의해 메조/매크로포러스 MCM-41를 제조하여 도 5에 나타내었다.
[비교예 1a] 메조포러스 SBA-15의 제조
삼블럭 공중합체인 P123(EO20PO70EO20)을 1.6M의 염산 수용액에 녹인 후, 이 혼합물이 투명해지면 실리카 소스인 TEOS를 천천히 넣어주고 1시간 정도 혼합한 후 35℃에서 24시간 동안 수열처리하고, 100℃에서 12시간 수열처리하였다. 그 후 여과와 100℃ 건조 후 550℃에서 5시간동안 소성에 의해 메조포러스 SBA-15를 제조하였다.
[비교예 1b] 메조포러스 MCM-41의 제조
계면활성제인 CTACl(cetyltrimethylammoniumchloride)을 물에 녹여준 후, 이 혼합물이 투명해지면 실리카 소스인 9 wt% 규산나트륨 수용액을 천천히 넣어주고 1시간 정도 혼합 후 100℃에서 6일 동안 졸-젤(sol-gel) 반응을 일으켰다. 이때 이틀에 한 번씩 2번 pH 10 정도로 적정을 하여 반응에 적합한 조건을 만들어주었다. 그 후 여과와 100℃ 건조 후 550℃에서 5시간동안 소성에 의해 메조포러스 MCM-41를 제조하였다.
[실시예 3] 메조/매크로포러스 SBA-15 또는 MCM-41을 흡착제로 이용한 휘발성 유기화합물(톨루엔 및 자일렌)의 흡착실험
각각 관형반응기(tubular reactor)에 흡착제인 메조/매크로포러스 SBA-15 또는 MCM-41을 0.2 g을 넣고 헬륨을 흘려주면서 300℃에서 3시간 동안 전처리를 해준다. 이 과정 후 대표적인 휘발성 유기화합물인 1,000 ppm의 톨루엔이나 자일렌을 35℃에서 흡착시켜준다. 그리고 출구의 흐름을 사중극 질량분석기(quadrupole mass spectrometer)를 통하여 분석하였다.
[비교예 2] 메조포러스 SBA-15 또는 MCM-41을 흡착제로 이용한 휘발성 유기화합물의 흡착실험
상기 실시예 3과 동일한 방법으로 실험하되, 흡착제를 메조포러스 SBA-15 또는 MCM-41로 변경하여 실험을 수행하였다.
[실시예 4] 메조/매크로포러스 SBA-15 또는 MCM-41을 흡착제로 이용한 흡착된 휘발성 유기화합물의 탈착(TPD, temperature programmed desorption)실험
상기 실시예 3에서 흡착이 진행되어진 후, 35℃에서 300℃로 10℃/min으로 승온시키면서 탈착실험을 수행하였다. 이 또한 출구의 흐름을 사중극 질량분석기를 통하여 분석하였다.
[비교예 3] 메조포러스 SBA-15 또는 MCM-41을 흡착제로 이용한 흡착된 휘발성 유기화합물의 탈착실험
상기 실시예 4와 동일한 방법으로 실험하되, 흡착제를 SBA-15 또는 MCM-41로 변경하여 실험을 수행하였다.
[실시예 5] 메조/매크로포러스 SBA-15과 메조포러스 SBA-15를 전극으로 이용한 캐퍼시티의 충전속도 실험
상기 실시예에서 제조한 메조/매크로포러스 SBA-15(PS1 = 250 nm, PS2 = 500 nm)과 메조포러스 SBA-15를 전극물질로 사용하여 도 1의 기본 구성을 가지는 슈퍼 캐퍼시터를 제조하여 방전조건 0.02 A/cm2에서 방전용량 및 순환속도(10 mV/s ~ 1000mV/s)가 높아짐에 따른 초기 비축전용량 값의 감소 비율을 하기와 같이 측정하였다.
방전용량(mAh/g) 비축전용량 값 대비 감소 비율 (%)
메조/매크로포러스 SBA-15(PS1) 180 4.3
메조/매크로포러스 SBA-15(PS2) 185 3.3
메조포러스 SBA-15 175 12.3
상기 실시예에 따라 제조된 메조/매크로포러스 물질의 SEM 이미지(도 4, 5)를 살펴보면, 매크로 기공의 벽이 메조 기공으로 이루어져 있음을 확인할 수 있다.
또한, 휘발성 유기물질을 흡착 및 탈착시킨 결과를 보면 메조 기공만 있는 경우보다 매크로 기공이 도입되었을 경우 흡착 파과곡선은 더 가파른 기울기를 가졌고, TPD 곡선에서는 더 낮은 온도에서 탈착이 일어남을 확인할 수 있다(도 6).
이는 매크로 기공이 도입되었을 경우 메조 기공만 있을 경우에 비해 큰 분자인 자일렌이 보다 적게 방해를 받고 흡착점으로 접근한 후 완전히 흡착이 이루어지고, 그 후 지체 없이 바로 빠져나오기 때문으로 보인다.
또한 메조 기공만 있을 경우와 메조 기공과 매크로 기공이 공존할 두 경우 모두 탈착되어지는 성질 자체에는 큰 차이가 없으나, 매크로 기공이 도입됨으로써 더 낮은 온도에서 탈착이 이루어지는 것을 볼 수 있다.
이는 두 경우 모두 비슷한 온도에서 탈착이 이루어질지라도 메조 기공만 존재하는 경우에는 자일렌 분자가 물질 전달에 있어서 어려움을 겪어 바로 빠져나오지 못하기 때문으로 보이며, 이러한 경향성은 매크로 기공의 크기가 커질수록 더 뚜렷이 나타남을 이하 확인할 수 있다.(PS1 = 250 nm, PS2 = 500 nm)
또한, 메조 기공만 있는 전극과 메조 기공과 매크로 기공이 공존하는 전극을 캐퍼시티에 적용하는 경우, 복합 기공을 갖는 전극이 메조기공만 있는 전극에 비해 매크로 기공에 따른 물질전달 향상특성으로 인하여 순환속도(10 mV/s ~ 1000 mV/s)가 높아짐에 따라 초기 비축전용량 값에 비해서 감소 비율이 작아지는 것을 확인할 수 있다. 이는 수행된 순환전위전류 속도 내에서 전해질의 이온들이 충분히 빠르게 기공 속으로 전달되어 전극 표면위에서 전하들이 저장되었기 때문이다. 이로 인하여 충방전 속도가 빨라지는 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 메조 기공에 매크로 기공을 도입하여 메조포러스 물질의 특성인 높은 유효 비표면적의 장점을 그대로 유지하면서, 동시에 매크로 기공으로 인해 전해질 이온과 전해질 용매의 결합체가 흡착 및 탈착을 함에 있어, 전극 표면에 있는 흡착 및 탈착 지점으로의 물질 전달을 통한 이동성이 향상되는 효과를 얻을 수 있게 되어, 결과적으로 커패시터의 충전 및 방전 속도의 큰 향상 효과를 얻게 된다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

Claims (11)

  1. 메조 기공에 매크로 기공을 도입하여 메조포러스 물질의 특성인 높은 유효 비표면적의 장점을 그대로 유지하면서, 동시에 매크로 기공으로 인해 전해질 이온과 전해질 용매의 결합체가 흡착 및 탈착을 함에 있어 전극 표면에 있는 흡착 및 탈착 지점으로의 물질 전달을 통한 이동성이 향상되는 커패시터 전극의 제조방법에 있어서,
    유화중합법(emulsion polymerization)에 의해 매크로 고분자 구형입자를 합성하는 단계;
    상기 합성된 매크로 고분자 구형입자를 얼음결정법(ice-crystallization)에 의해 균일하게 정렬시켜 콜로이달 결정 템플릿(colloidal crystal template)을 제조하는 단계;
    상기 균일하게 정렬된 고분자 구형입자를 액정 템플릿(liquid crystal template)을 형성시키기 위한 혼합용액과 혼합하여 이중 템플릿(dual template)을 제조하는 단계;
    상기 제조된 이중 템플릿의 공극에 전극용 무기물질을 주입하여 유무기 복합체를 형성하는 단계;
    상기 유무기 복합체로부터 이중 템플릿만을 제거하기 위하여 건조 및 소성하는 단계; 및
    활성탄, 탄소나노튜브(CNT), 탄소나노섬유(CNF) 및 그래핀(graphene) 중 어느 하나 이상을 포함하는 다공성 탄소소재와 혼합하여 복합체를 형성하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 복합체는 (i) 상기 매크로 기공의 크기가 250 ㎚일 때, 방전조건 0.02 A/cm2에서 방전용량 값이 180 mAh/g이고, 순환속도가 10 mV/s에서 1000 mV/s로 높아짐에 따른 초기 비축전용량 값 대비 감소 비율이 4.3 %이며, (ii) 상기 매크로 기공의 크기가 500 nm일 때, 방전조건 0.02 A/cm2에서 방전용량 값이 185 mAh/g이고, 순환속도가 10 mV/s에서 1000 mV/s로 높아짐에 따른 초기 비축전용량 값 대비 감소 비율이 3.3 %인 것을 특징으로 하는 복합 기공을 갖는 커패시터 전극의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    고분자 구형입자를 합성하는 단계에서, 상기 고분자 구형 입자의 크기를 100~1000nm로 조절하는 것을 특징으로 하는 복합 기공을 갖는 커패시터 전극의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이중 템플릿을 제조하는 단계에서, 상기 액정 템플릿을 형성시키기 위한 혼합용액이 i) 산 수용액과 삼블럭 공중합체(triblock copolymer)의 혼합용액 또는 ⅱ) 물과 계면활성제의 혼합용액인 것을 특징으로 하는 복합 기공을 갖는 커패시터 전극의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극용 무기물질을 주입하는 단계에서, 전극용 무기물질로서 실리카 소스를 주입하여 이중 템플릿의 공극에서 졸-젤(sol-gel) 반응을 유도하는 것을 특징으로 하는 복합 기공을 갖는 커패시터 전극의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 실리카 소스로서 TEOS(tetraethyl orthosilicate) 또는 규산나트륨(sodium silicate)이 사용되는 것을 특징으로 하는 복합 기공을 갖는 커패시터 전극의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 건조 및 소성단계에서, 상기 이중 템플릿과 이를 둘러싼 전극용 무기물질로 구성된 유무기 복합물에서 구조의 붕괴 없이 이중 템플릿만이 제거되어 균일한 매크로기공이 형성된 메조포러스 물질이 얻어지는 것을 특징으로 하는 복합 기공을 갖는 커패시터 전극의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 제조된 커패시터 전극으로서, 균일한 매크로기공이 형성된 메조기공 물질로 이루어져, 물질 전달 능력이 향상된 것을 특징으로 하는 커패시터 전극.
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