KR101567693B1 - Self-charging supercapacitor device and fabricated method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 자가 충전 슈퍼커패시터 장치 및 제작방법에 관한 것으로, 특히 전기에너지를 기계에너지로 바로 변환할 수 있는 하이브리드 전극을 기반으로 하여 오산화바나듐(V2O5) 고정 그래핀(G-V2O5) 나노시트와 세퍼레이터로 PVDF-ZnO를 이용하여 전기에너지로의 변환과 동시에 저장시킬 수 있도록 하는 자가 충전 슈퍼커패시터 장치 및 제작방법에 관한 것이다.
The present invention is self-fixing graphene (GV 2 O 5) charging the super capacitor to an apparatus and a manufacturing method, particularly to a hybrid electrode to directly convert electrical energy into mechanical energy, based on a vanadium pentoxide (V 2 O 5) The present invention relates to a self-charged supercapacitor device and a fabrication method thereof, which can be converted into electric energy and stored at the same time by using PVDF-ZnO as a nanosheet and a separator.
현재, 급속히 발전하는 세계 경제는 인류의 생존과 발전에 중요한 위협요소로 작용할 수 있는 심각한 지구 온난화와 화석 연료의 부족을 유발 하고 있다. 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해 과학자들과 엔지니어들은 지속 가능한 청정 에너지를 활용하는 효율적인 에너지 변환 및 저장 기술의 설계 및 제조 에 강한 연구 활동을 실시하고 있다. Today, the rapidly developing world economy is causing serious global warming and a shortage of fossil fuels, which can be a significant threat to the survival and development of mankind. Therefore, to address this problem, scientists and engineers are conducting intensive research into the design and manufacture of efficient energy conversion and storage technologies that utilize sustainable clean energy.
보통 에너지 변환 및 저장은 2개의 다른 기술 및 분리된 물리적 유닛과 같은 2개의 다른 프로세스에 의해서 이루어진다. 에너지 변환 방법 가운데 나노 발전기는 압전 및 마찰 대전 공정을 통해 저주파 진동을 생성시키는 장치로 효과적인 장치이다.Usually energy conversion and storage is done by two different processes, two different technologies and separate physical units. Among the energy conversion methods, the nanogenerator is an effective device for generating low frequency vibration through the piezoelectric and friction charging processes.
한편 전기화학식 슈퍼커패시터는 종래의 유전체 커패시터보다 에너지 밀도가 높고 배터리보다 전력밀도가 높기 때문에 가장 중요한 차세대 에너지 저장장치 중 하나로 고려되어지고 있다. On the other hand, electrochemical super capacitors are considered to be one of the most important next generation energy storage devices because they have higher energy density than conventional dielectric capacitors and higher power density than batteries.
이러한 에너지 변환 및 저장 장치의 다른 유형은 시장에서 사용할 수 있지만 전자 장치의 연속 운전 기능이 부족하다는 문제점이 있다. 이러한 문제를 극복하기 위해 연구팀은 자체 전원 공급 작업을 수행하기 위해 저장 장치와 함께 에너지 변환 장치를 통합하여 새로운 하이브리드 시스템을 개발하기 위해 노력했다.While other types of such energy conversion and storage devices are available in the marketplace, there is a problem in that the continuous operation function of the electronic device is insufficient. To overcome this problem, the team worked to develop a new hybrid system by integrating an energy conversion device with a storage device to perform its own power supply operations.
이러한 개발 노력으로 제작된 집적 하이브리드 장치는 전기화학 에너지를 전기에너지로 변환시키고, 전기에너지를 기계적 에너지로 변환시킨다. 그러나, 집적 하이브리드 장치는 교류(AC)를 직류(DC)로 변환시키기 위한 외부 회로를 필요로 한다는 문제점 뿐만 아니라 전류 생성이 부족하여 원하는 만큼의 에너지를 저장시켜 공급할 수 없다는 문제점이 있다.
An integrated hybrid device fabricated with this development effort converts electrochemical energy into electrical energy and converts electrical energy into mechanical energy. However, the integrated hybrid device has a problem in that it requires an external circuit for converting AC to DC, and also can not supply and store as much energy as desired due to insufficient current generation.
이와 같은 필요성을 충족시키기 위해 본 발명은 전기에너지를 기계에너지로 바로 변환할 수 있는 하이브리드 전극을 기반으로 하여 오산화바나듐(V2O5) 고정 그래핀(G-V2O5) 나노시트와 세퍼레이터로 PVDF-ZnO를 이용하여 전기에너지로의 변환과 동시에 저장시킬 수 있도록 하는 자가 충전 슈퍼커패시터 장치 및 제작방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
To meet this need, such as the present invention, a vanadium pentoxide, on the basis of the hybrid electrode to directly convert electrical energy to mechanical energy (V 2 O 5) fixed graphene (GV 2 O 5) PVDF as a nano-sheets and separator -ZnO to be stored simultaneously with the conversion into electric energy, and a manufacturing method of the self-charged super capacitor device.
본 발명의 실시예에 따른 자가 충전 슈퍼커패시터 장치는 세퍼레이터를 중심으로 상부에 양전극이 마련되어 있고 하부에 음전극이 마련되어 있는 자가 충전 슈퍼커패시터 장치에 있어서, 양전극 및 음전극은 오산화바나듐(V2O5) 고정 그래핀 나노시트로 이루어져 있을 수 있다.
Self charge super capacitor according to an exemplary embodiment of the present invention is an upper self-charge the super capacitor device that provides a positive electrode, and provided with a negative electrode at the lower in the center of the separator, the positive electrode and negative electrode is vanadium (V 2 O 5) pentoxide fixed It may consist of graphene nanosheets.
본 발명과 관련된 실시예로서, 오산화바나듐(V2O5) 고정 그래핀 나노시트는 N-메탈 피롤리디논(NMP)의 존재하에 활성물질 80중량%, 카본블랙 10중량%, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF) 10중량%으로 이루어질 수 있다.
As an embodiment related to the present invention, a vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) fixed graphene nanosheet is prepared by mixing 80 wt% of active material, 10 wt% of carbon black, 1 wt% of polyvinylidene di And 10% by weight of fluoride (PVDF).
본 발명과 관련된 실시예로서, 세퍼레이터는 전해질 및 세퍼레이터로 이루어진 전해질 세퍼레이터이며, 세퍼레이터는 디메틸폴름아미드(DMF)에서 비율 1:0.1(PVDF:ZnO)로 이루어진 용액에 의해 제조된 PVDF-ZnO 필름 세퍼레이터이며, 전해질은 탈 이온수 30ml에 3g의 H3PO4 및 3g의 PVA를 혼합액에 혼합시켜 형성될 수 있다.
As an embodiment related to the present invention, the separator is an electrolyte separator composed of an electrolyte and a separator, and the separator is a PVDF-ZnO film separator manufactured by a solution of dimethylformamide (DMF) in a ratio of 1: 0.1 (PVDF: ZnO) , And the electrolyte can be formed by mixing 3 g of H3PO4 and 3 g of PVA in 30 ml of deionized water into a mixed solution.
본 발명과 관련된 실시예로서, 전해질 세퍼레이터는 2개의 ZnO 나노와이어 사이에 PVDF 필름이 마련될 수 있다.
As an embodiment related to the present invention, the electrolyte separator may be provided with a PVDF film between two ZnO nanowires.
본 발명과 관련된 실시예로서, 전해질 세퍼레이터는 상부를 통해 가해지는 충격 또는 외부로부터 발생되는 진동에 의해 압전필드가 형성되고, 상기 압전필드를 통해 충전이 이루어지도록 할 수 있다.
As an embodiment related to the present invention, a piezoelectric field is formed by an impact applied through an upper portion or a vibration generated from the outside of the electrolyte separator, and charging can be performed through the piezoelectric field.
본 발명의 실시예에 따른 자가 충전 슈퍼커패시터 장치의 제조방법은 세퍼레이터를 중심으로 상부에 양전극이 마련되어 있고 하부에 음전극이 마련되어 있는 자가 충전 슈퍼커패시터 장치의 제조방법에 있어서, V2O5 고정 그래핀 나노시트를 제작하는 단계; V2O5 고정 그래핀 나노시트를 제작한 후 전극을 제작하는 단계 및 전해질 세퍼레이터를 제작하는 단계로 이루어지며, V2O5 고정 그래핀 나노시트를 제작하는 단계는, 그래핀 옥사이드(GO)를 해머방법을 이용하여 팽창 흑연 분말을 제조하는 단계; 제조된 그래핀 옥사이드(GO) 70mg을 증류수에 혼합시켜 30분 동안 교반시키는 단계; 30분 동안 연속 교반되는 용액에 V2O5 나노입자 75mg을 넣어 혼합시키는 단계; 혼합물이 150℃로 유지되는 마이크로 전자파 발생장치로 이송시키고 마이크로전자파가 15분 동안 조사되도록 하는 단계; 혼합물로부터 침전물을 10분동안 10,000rpm에서 원심분리하여 수집하고 증류수로 세척하는 단계 및 세척된 침전물을 60℃에서 건조시키는 단계로 이루어질 수 있다.
Features a self-production method of charging a super capacitor according to an embodiment of the present invention is a positive electrode at the top around the separators and the method of manufacturing a self-filling super capacitor device that provides a negative electrode to the lower, V 2 O 5 fixed graphene Fabricating a nanosheet; V 2 O 5 fixed Yes made of a step of manufacturing steps and the electrolyte separator to produce an electrode and then produce a pin nanosheets, V 2 O 5 fixed yes the method comprising making a pin nano-sheet, a graphene oxide (GO) Preparing an expanded graphite powder by a hammer method; Mixing 70 mg of the prepared graphene oxide (GO) into distilled water and stirring for 30 minutes; Adding 75 mg of V 2 O 5 nanoparticles to the solution which is continuously stirred for 30 minutes and mixing; Transferring the mixture to a microwave generating device maintained at 150 캜 and causing microwave electromagnetic waves to be irradiated for 15 minutes; Collecting the precipitate from the mixture by centrifugation at 10,000 rpm for 10 minutes, washing with distilled water, and drying the washed precipitate at 60 < 0 > C.
본 발명과 관련된 실시예로서, 전극을 제작하는 단계는, N-메탈 피롤리디논(NMP)의 존재하에 활물질 80중량%, 카본블랙 10중량%, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF) 10중량%을 혼합하여 슬러리를 형성시키는 단계 및 슬러리를 알루미늄 호일 상에 페이스트시키고, 진공하에서 80℃의 열처리가 이루어지도록 하는 단계로 이루어질 수 있다.
In an embodiment related to the present invention, the step of fabricating the electrode comprises the steps of: 80 wt% of active material, 10 wt% of carbon black, 10 wt% of polyvinylidene difluoride (PVDF) in the presence of N-metal pyrrolidinone (NMP) To form a slurry, and a step of pasting the slurry on the aluminum foil and causing a heat treatment at 80 ° C under vacuum.
본 발명과 관련된 실시예로서, 전해질 세퍼레이터 제작 단계에서 PVA-H3PO4 전해질 제조 단계는, 탈 이온수 30ml에 3g의 H3PO4 및 3g의 PVA를 혼합하는 단계 및 혼합물이 맑은 용액이 될 때까지 교반시키면서 85℃의 열처리가 이루어지도록 하는 단계로 이루어질 수 있다.
As an embodiment related to the present invention, the PVA-H3PO4 electrolyte preparation step in the electrolyte separator manufacturing step comprises mixing 3 g of H3PO4 and 3 g of PVA in 30 ml of deionized water and heating the mixture to 85 DEG C And a heat treatment is performed.
본 발명은 전기에너지를 기계에너지로 바로 변환할 수 있는 하이브리드 전극을 기반으로 하여 오산화바나듐(V2O5) 고정 그래핀(G-V2O5) 나노시트와 세퍼레이터로 PVDF-ZnO를 이용하여 전기에너지로의 변환과 동시에 저장시킬 수 있도록 하는 효과과 있다.
The present invention is based on a hybrid electrode capable of directly converting electrical energy into mechanical energy, using PVDF-ZnO as a vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) fixed graphene (GV 2 O 5 ) nanosheet and a separator, And can be stored simultaneously with conversion.
도 1은 본 발명에 따른 자가 충전 슈퍼커패시터 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 자가 충전 슈퍼커패시터 장치의 제조방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
도 3은 도 2에 적용된 V2O5 고정 그래핀 나노시트를 제작하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 외부 충격에 따라 기계적 변형에 의해 작동되는 자가 충전 슈퍼커패시터 장치의 작동 메카니즘을 도시한 도면이다.
도 5는 외부 충격에 따른 충전, 충방전, 충전되지 않는 상태를 도시한 그래프이다.1 is a view for explaining a self-charging supercapacitor device according to the present invention.
2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a self-charging supercapacitor device according to the present invention.
FIG. 3 is a view for explaining a method of manufacturing the V 2 O 5 fixed graphene nanosheet applied to FIG. 2.
Fig. 4 is a diagram showing an operating mechanism of a self-charged supercapacitor device operated by mechanical deformation in response to an external impact. Fig.
5 is a graph showing a state where charging, charging / discharging, and charging are not performed due to an external impact.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.It is noted that the technical terms used in the present invention are used only to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. In addition, the technical terms used in the present invention should be construed in a sense generally understood by a person having ordinary skill in the art to which the present invention belongs, unless otherwise defined in the present invention, Should not be construed to mean, or be interpreted in an excessively reduced sense. In addition, when a technical term used in the present invention is an erroneous technical term that does not accurately express the concept of the present invention, it should be understood that technical terms can be understood by those skilled in the art. In addition, the general terms used in the present invention should be interpreted according to a predefined or prior context, and should not be construed as being excessively reduced.
또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
Furthermore, the singular expressions used in the present invention include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present invention, terms such as "comprising" or "comprising" and the like should not be construed as encompassing various elements or various steps of the invention, Or may further include additional components or steps.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to like or similar elements throughout the several views, and redundant description thereof will be omitted.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail. It is to be noted that the accompanying drawings are only for the purpose of facilitating understanding of the present invention, and should not be construed as limiting the scope of the present invention with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 자가 충전 슈퍼커패시터 장치를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a self-charging supercapacitor device according to the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이 자가 충전 슈퍼커패시터 장치는 세퍼레이터인 나노와이어 필름(130)을 중심으로 상하부에 알루미늄 호일(110)로 형성된 양전극 및 음전극이 각각 마련되어 있다. 그리고 양전극 및 음전극은 오산화바나듐(V2O5) 고정 그래핀 나노시트로 이루어져 있다.As shown in FIG. 1, the self-charging supercapacitor includes a positive electrode and a negative electrode formed on the upper and lower sides of the
오산화바나듐(V2O5) 고정 그래핀 나노시트는 N-메탈 피롤리디논(NMP)의 존재하에 활성물질 80중량%, 카본블랙 10중량%, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF) 10중량%으로 이루어진다. 여기서, 오산화 바나듐(V2O5)은 층구조, 낮은 비용, 합성의 용이성, 높은 용량 및 V2+로부터 V5+까지 다양한 산화상태의 넓은 범위를 가지고 있으며, 그래핀은 높은 표면적, 높은 유연성 및 향상된 전도성, 높은 열 및 화학적 안정성을 확보하고 있기 때문에 슈퍼커패시터, 배터리 및 광전자를 포함하는 다양한 응용에 적용되고 있는 재료이다.The vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) fixed graphene nanosheets were prepared by mixing 80 wt% active material, 10 wt% carbon black, 10 wt% polyvinylidene difluoride (PVDF) in the presence of N-metal pyrrolidinone (NMP) Lt; / RTI > Here, vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) has a wide range of oxidation states from layer structure, low cost, ease of synthesis, high capacity and
세퍼레이터(130)는 전해질 및 세퍼레이터로 이루어진 전해질 세퍼레이터이며, 세퍼레이터는 디메틸폴름아미드(DMF)에서 비율 1:0.1(PVDF:ZnO)로 이루어진 용액에 의해 제조된 PVDF-ZnO 필름 세퍼레이터이며, 전해질은 탈 이온수 30ml에 3g의 H3PO4 및 3g의 PVA를 혼합액에 혼합시켜 형성될 수 있다.The
전해질 세퍼레이터(130)는 도 3에 도시된 바와 같이 2개의 ZnO 나노와이어 사이에 PVDF 필름이 위치하고 있다.The
전해질 세퍼레이터(130)는 상부를 통해 가해지는 충격 또는 외부로부터 발생되는 진동에 의해 압전필드가 형성되고, 압전필드를 통해 충전이 이루어진다.
The
여기서, 세퍼레이터(130)의 부극재료로 활성탄, 탄소 나노튜브, 그래 핀의 MoO3, V2O5 가 사용될 수 있다.Here, as the negative electrode material of the
그리고, 양극 재료로는 MnO2, NiO2, NiO로, Co3O4, 니켈 공동 산화물과 산화 루테늄, SnO2, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리 티 오펜이 사용될 수 있다.As the cathode material, MnO 2 , NiO 2 , NiO, Co 3 O 4 , nickel oxides and ruthenium oxide, SnO 2 , polyaniline, polypyrrole and polythiophene may be used.
더불어, 압전필드를 형성하기 위해 사용되는 재로로는 PVDF, PVDF-ZnO, BTO, PZT, 캡톤 필름 등의 압전 재료가 사용될 수 있다.In addition, piezoelectric materials such as PVDF, PVDF-ZnO, BTO, PZT, and Capton films can be used as the ash used to form the piezoelectric field.
또한, 전해질로는 PVA-H3PO4, LiPF6, PVA-H2SO4, PVA-KOH가 사용될 수 있다.As the electrolyte, PVA-H 3 PO 4 , LiPF 6 , PVA-H 2 SO 4 and PVA-KOH may be used.
그리고, 수성 전해질로는 H2SO4, KOH, 황산나트륨, 과염소산 나트륨, 과염소산 리튬, 리튬 핵사 플루오 라이드 비산이 사용될 수 있고, 유기 전해액으로는 아세토 니트릴, 프로필렌 카보네이트, 디 에틸 카보네이트, Y-부티로 락톤이 사용될 수 있다.
Examples of the aqueous electrolyte include H 2 SO 4 , KOH, sodium sulfate, sodium perchlorate, lithium perchlorate, and lithium hexafluoroarsenate. As the organic electrolytic solution, acetonitrile, propylene carbonate, diethyl carbonate, Y-butyrolactone Can be used.
상기와 같이 구성된 자가 충전 슈퍼커패시터 장치의 제조방법에 대해서 설명하면 다음과 같다.A manufacturing method of the self-charging supercapacitor having the above configuration will now be described.
도 2는 본 발명에 따른 자가 충전 슈퍼커패시터 장치의 제조방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다. 도 3은 도 2에 적용된 V2O5 고정 그래핀 나노시트를 제작하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a self-charging supercapacitor device according to the present invention. FIG. 3 is a view for explaining a method of manufacturing the V 2 O 5 fixed graphene nanosheet applied to FIG. 2.
도 2에 도시된 바와 같이 세퍼레이터를 중심으로 상부에 양전극이 마련되어 있고 하부에 음전극이 마련되어 있는 자가 충전 슈퍼커패시터 장치의 제조방법은 V2O5 고정 그래핀 나노시트를 제작(S100)하고, 전극을 제작(S200)한 후 전해질 세퍼레이터를 제작(S300)하여 자가 충전 슈퍼커패시터 장치를 제조하게 된다.As shown in FIG. 2, a method of manufacturing a self-charged supercapacitor having a positive electrode on an upper part and a negative electrode on a lower part with a separator as a center is performed by forming a V 2 O 5 fixed graphene nanosheet (S100) After the fabrication (S200), an electrolyte separator is fabricated (S300) to fabricate a self-charging super capacitor device.
S100 단계에서 V2O5 고정 그래핀 나노시트를 제작하는 방법을 좀 더 상세히 기술하면 도 3에 도시된 바와 같이 그래핀 옥사이드(GO)를 해머방법을 이용하여 팽창 흑연 분말을 제조(S110)하고, 제조된 그래핀 옥사이드(GO) 70mg을 증류수에 혼합시켜 30분 동안 교반시키는 단계; 30분 동안 연속 교반되는 용액에 V2O5 나노입자 75mg을 넣어 혼합(S120)시킨 후 혼합물이 150℃로 유지되는 마이크로 전자파 발생장치로 이송시키고 마이크로전자파가 15분 동안 조사(S130)되도록 하고, 혼합물을 원심분리장치로 이송시킨 후 침전물을 10분 동안 10,000rpm에서 원심분리하여 수집하고 증류수로 세척(S140)하고, 세척된 침전물을 60℃에서 건조(S150)시키는 공정으로 이루어지며 그 결과물로 V2O5 고정 그래핀 나노시트를 얻을 수 있게 된다.In step S100, a method of fabricating a V 2 O 5 fixed graphene nanosheet will be described in more detail. As shown in FIG. 3, an expanded graphite powder is manufactured using graphen oxide (GO) by a hammer method (S 110) , Mixing 70 mg of the prepared graphene oxide (GO) with distilled water and stirring for 30 minutes; 75 mg of V 2 O 5 nanoparticles were added to the solution which was continuously stirred for 30 minutes and mixed (S 120). The mixture was transferred to a microwave generator maintained at 150 ° C., and microwave was irradiated for 15 minutes (S 130) The mixture is centrifuged at 10,000 rpm for 10 minutes, washed with distilled water (S140), and the washed precipitate is dried at 60 DEG C (S150). As a result, V 2 O 5 fixed graphene nanosheets.
S200 단계에서 전극을 제작하는 방법은 N-메탈 피롤리디논(NMP)의 존재하에 활물질 80중량%, 카본블랙 10중량%, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF) 10중량%을 혼합하여 슬러리를 형성시키고, 슬러리를 알루미늄 호일 상에 페이스트 시키고, 진공하에서 80℃의 열처리가 이루어지도록 한다. 일반적으로 전극 및 세퍼레이터를 제작하는 방법에 대해서 간단히 설명하면 전극 및 세퍼레이터를 5분간 PVA-H3PO4 용액에 침지한 후, 전해질에서 과다한 물을 기화시키기 위해 12시간동안 실온을 유지하면서 하나하나 조립해야 하기 때문에, 조립시간이 많이 소요되며, 제작과정이 번거롭다는 문제점이 있었다.In step S200, a slurry is formed by mixing 80 wt% of active material, 10 wt% of carbon black and 10 wt% of polyvinylidene difluoride (PVDF) in the presence of N-methyl pyrrolidinone (NMP) , The slurry is pasted on an aluminum foil, and a heat treatment at 80 DEG C is carried out under vacuum. Generally, a method of fabricating an electrode and a separator will be briefly described. After the electrode and the separator are immersed in a PVA-H 3 PO 4 solution for 5 minutes, the electrolyte is allowed to stand at room temperature for 12 hours It takes a long time to assemble, and there is a problem that the manufacturing process is troublesome.
다음으로 이루어지는 전해질 세퍼레이터 제작 단계(S300)에서 PVA-H3PO4 전해질 제조 단계에 대해서 설명하면 탈 이온수 30ml에 3g의 H3PO4 및 3g의 PVA를 혼합한 후 혼합물이 맑은 용액이 될 때까지 교반시키면서 85℃의 열처리가 이루어지도록 한다.In the next step of preparing the electrolyte separator (S300), the steps of preparing the PVA-H 3 PO 4 electrolyte are described. To 30 ml of deionized water, 3 g of H 3 PO 4 and 3 g of PVA are mixed and the mixture is stirred until a clear solution Followed by heat treatment at 85 ° C while stirring.
이렇게 제작된 자가 충전용 슈퍼커패시터의 자가 충전 방법에 대해서 도 4를 참조하여 설명하면, 먼저 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 방전된 상태에서 상부면을 손바닥으로 때려 충격을 가해주게 되면 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 PVDF-ZnO의 세퍼레이터 필름(130) 상에 압전 필드가 생성되고, 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이 이 압전 필드에서 H+ 이온은 2개의 전극에서 충전반응 하에 PVDF-ZnO 세퍼레이터를 통해 음극에서 양극으로 이동되면서 충전기능이 이루어지며, 이러한 과정은 외부 변형이 해제 될 때까지 지속된다. 즉 압전 세퍼레이터(PVDF-ZnO)는 PVDF 필름(130) 뿐만 아니라 ZnO 나노와이어에서 이온의 분극화가 일어나는 음극측의 압축력을 느게 되고, 이온 분극은 PVDF 필름(130)의 표면을 따라 전위차를 생성한다. 그뿐만 아니라 PVDF 필름(130)의 ZnO 나노와이어의 존재는 압전 효과를 통해 전위차를 향상시킨다. 이때 전해액(PVA-H3PO4)에서 캐소드 및 애노드를 향해 이온 H+가 이동하게 되고, 이에 따라 양 및 음 압전 전위는 PVDF 필름(130)의 상부 및 하부에서 발생된다. 압전 유도를 위한 이온 H+의 이동은 캐소드 및 애노드에서 전해액의 전기 화학적 불균형에서 발생된다. 전극에서의 화학 평형을 얻기 위한 산화 및 환원 반응은 양극과 음극 각각에서의 전극물질이 위치한 영역에서 일어난다.The self-charging method of the self-charging super capacitor manufactured as described above will be described with reference to FIG. 4. First, as shown in FIG. 4 (a), when the upper surface is discharged in a discharged state, 4 (b), a piezoelectric field is generated on the
이렇게 전극에서 이루어지는 산화 환원 반응에 의해 이온 H+은 전극 표면에 흡착된다. 이에 따라, 전극 물질 및 전해질 계면 상에서 전기 이중층을 형성한다. 전극 표면상의 전기 이중층의 구조는 디바이스의 충전을 나타낸다. 자유 전자는 산화를 통해 애노드로부터 자유로와 지고, 자유 전자는 충전 프로세스의 충전 중립성 및 연속성을 유지하기 위해 캐소드로 이동된다. 연속적으로 이루어지는 상부면에 충격이 가해져서 기계적 변형이 일어나고 있는 동안 충전 과정은 압전 전위와 두 전극의 화학적 평형을 달성할 때까지 반복적으로 이루어진다. 이때, 디바이스에서의 이온 분극현상은 없다.The ion H + is adsorbed on the surface of the electrode by the oxidation-reduction reaction carried out in the electrode. Thus, an electric double layer is formed on the electrode material and the electrolyte interface. The structure of the electric double layer on the electrode surface indicates charging of the device. The free electrons are freed from the anode through oxidation and the free electrons are transferred to the cathode to maintain the charge neutrality and continuity of the charging process. The charging process is performed repeatedly until the piezoelectric potential and the chemical equilibrium of the two electrodes are achieved while the continuous top surface is subjected to impact and mechanical deformation is occurring. At this time, there is no ion polarization in the device.
도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 자가 충전 슈퍼커패시터 상부를 사람이 손바닥으로 내려쳐 충격을 가할 때의 자체 충전이 이루어지고 있음을 알 수 있다. 즉 자가 충전 슈퍼커패시터 장치의 셀프 충전 용량을 알아보기 위해 지속적인 사람이 손바닥을 이용하여 충격을 가하면 자가 충전 슈퍼커패시터의 전압은 500초에서 9mv에서 41mv로 증가하였다. 손바닥으로 내리치는 동작을 중지하였을 때 저장된 에너지는 1000초 동안 유지되었다. 자가 충전 슈퍼커패시터 장치는 기계적 변형/진동하에 셀프 충전 능력을 가짐을 알 수 있다.As shown in FIG. 5 (a), it can be seen that self-charging is performed when an upper portion of the self-charging supercapacitor is impacted by a person's hand. That is, in order to determine the self-charging capacity of the self-charged super-capacitor device, the voltage of the self-charged super-capacitor increased from 9 mV to 41 mV at 500 sec. The stored energy was maintained for 1000 seconds when the palm-down action was stopped. It can be seen that the self-charging supercapacitor device has self-charging ability under mechanical deformation / vibration.
또한 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 초음파 진동기가 작동하여 진동이 발생하는 경우 진동에 의해 자가 충전 슈퍼커패시터가 충전되고 있음을 알 수 있으며 초음파 진동기의 작동이 중지되면 방전됨을 알 수 있다. 즉 초음파 진동기가 설치되어 있는 용기에 자가 충전 슈퍼커패시터 장치를 넣은 후 초음파 진동기를 작동시키면 진동하에서 자가 충전 슈퍼커패시터 장치의 전압은 3750초에 15.8mv에서 21mv로 증가하였으며, 자가 충전 후 자가 충전 슈퍼커패시터에 외부 장치를 연결할 경우 방전이 이루어지기 시작했으면 2000초후 원래의 전압에 도달하였다.Also, as shown in FIG. 5 (b), when the ultrasonic vibrator is operated to generate vibration, it can be seen that the self-charged supercapacitor is being charged by the vibration and discharged when the operation of the ultrasonic vibrator is stopped. That is, when an ultrasonic vibrator is operated after putting a self-charged super capacitor device in a container equipped with an ultrasonic vibrator, the voltage of the self-charged super capacitor device under vibration is increased from 15.8 mv to 21 mv in 3750 seconds, When the external device was connected, the original voltage was reached 2000 seconds after the discharge started.
그리고 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이 일반적인 세퍼레이터를 가지는 제작된 슈퍼커패시터는 외부로부터 충격이 가해져 기계적 변형이 일어나는 경우에도 충전이 일어나지 않음을 알 수 있다. 이때 상부면으로부터 가해지는 충격이 제거되면 압전 전위와 두 전극 사이의 화학적 평형이 깨지게 되고, 도 4의 (d) 및 (e)에 도시된 바와 같이 세퍼레이터에서 압전 필드는 없어지고, 전극의 양측에 역반응이 발생하여 H+ 이온은 원래의 위치로 재배치된다.
As shown in FIG. 5 (c), the fabricated super capacitor having a general separator can be found not to be charged even if mechanical deformation occurs due to external impact. At this time, if the impact applied from the upper surface is removed, the chemical equilibrium between the piezoelectric potential and the two electrodes is broken, and as shown in FIGS. 4D and 4E, the piezoelectric field disappears in the separator, The reverse reaction occurs and the H + ions are relocated to their original positions.
전술한 내용은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or essential characteristics thereof. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.
110 : 알루미늄 호일
120 : 전해질
130 : 나노와이어 필름110: aluminum foil
120: electrolyte
130: nanowire film
Claims (8)
상기 양전극 및 음전극은 오산화바나듐(V2O5) 고정 그래핀 나노시트로 이루어져 있고,
상기 오산화바나듐(V2O5) 고정 그래핀 나노시트는 N-메탈 피롤리디논(NMP)의 존재하에 활성물질 80중량%, 카본블랙 10중량%, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF) 10중량%으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자가 충전 슈퍼커패시터 장치.
A self-charging supercapacitor in which a positive electrode is provided on an upper portion of a separator, and a negative electrode is provided on a lower portion of the separator,
The positive electrode and the negative electrode are composed of vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) fixed graphene nanosheet,
The vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) fixed graphene nanosheet was prepared by mixing 80 wt% of active material, 10 wt% of carbon black, 10 wt% of polyvinylidene difluoride (PVDF) in the presence of N-metal pyrrolidinone %. The self-charging supercapacitor device of claim 1,
상기 세퍼레이터는 전해질 및 세퍼레이터로 이루어진 전해질 세퍼레이터이며,
상기 세퍼레이터는 디메틸폴름아미드(DMF)에서 비율 1:0.1(PVDF:ZnO)로 이루어진 용액에 의해 제조된 PVDF-ZnO 필름 세퍼레이터이며,
상기 전해질은 탈 이온수 30ml에 3g의 H3PO4 및 3g의 PVA를 혼합액에 혼합시켜 형성된 것을 특징으로 하는 자가 충전 슈퍼커패시터 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the separator is an electrolyte separator comprising an electrolyte and a separator,
The separator is a PVDF-ZnO film separator produced by a solution of dimethylformamide (DMF) in a ratio of 1: 0.1 (PVDF: ZnO)
Wherein the electrolyte is formed by mixing 30 g of deionized water with 3 g of H 3 PO 4 and 3 g of PVA in a mixed solution.
상기 전해질 세퍼레이터는 2개의 ZnO 나노와이어 사이에 PVDF 필름이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 자가 충전 슈퍼커패시터 장치.
The method of claim 3,
Characterized in that the electrolyte separator is provided with a PVDF film between two ZnO nanowires.
상기 전해질 세퍼레이터는 상부를 통해 가해지는 충격 또는 외부로부터 발생되는 진동에 의해 압전필드가 형성되고, 상기 압전필드를 통해 충전이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 자가 충전 슈퍼커패시터 장치.
The method of claim 3,
Wherein the electrolyte separator has a piezoelectric field formed by an impact applied from an upper portion or a vibration generated from the outside, and charging is performed through the piezoelectric field.
V2O5 고정 그래핀 나노시트를 제작하는 단계;
상기 V2O5 고정 그래핀 나노시트를 제작한 후 전극을 제작하는 단계 및
전해질 세퍼레이터를 제작하는 단계로 이루어지며,
상기 V2O5 고정 그래핀 나노시트를 제작하는 단계는,
그래핀 옥사이드(GO)를 해머방법을 이용하여 팽창 흑연 분말을 제조하는 단계;
제조된 그래핀 옥사이드(GO) 70mg을 증류수에 혼합시켜 30분 동안 교반시키는 단계;
상기 30분 동안 연속 교반되는 용액에 V2O5 나노입자 75mg을 넣어 혼합시켜 혼합물이 되도록 하는 단계;
상기 혼합물이 150℃로 유지되는 마이크로 전자파 발생장치로 이송시키고 마이크로전자파가 15분 동안 조사되도록 하는 단계;
상기 혼합물로부터 침전물을 10분동안 10,000rpm에서 원심분리하여 수집하고 증류수로 세척하는 단계; 및
세척된 침전물을 60℃에서 건조시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자가 충전 슈퍼커패시터 장치의 제조방법.
A method of manufacturing a self-charging supercapacitor device in which a positive electrode is provided on an upper portion of a separator, and a negative electrode is provided on a lower portion of the separator,
Fabricating a V 2 O 5 fixed graphene nanosheet;
Preparing an electrode by preparing the V 2 O 5 fixed graphene nanosheet, and
And a step of producing an electrolyte separator,
The step of fabricating the V 2 O 5 fixed graphene nanosheet comprises:
Preparing an expanded graphite powder by graphen oxide (GO) using a hammer method;
Mixing 70 mg of the prepared graphene oxide (GO) into distilled water and stirring for 30 minutes;
Adding 75 mg of V 2 O 5 nanoparticles to the solution, which is continuously stirred for 30 minutes, so as to form a mixture;
Transferring the mixture to a microwave generating device maintained at 150 DEG C and causing microwave electromagnetic waves to be irradiated for 15 minutes;
Collecting the precipitate from the mixture by centrifugation at 10,000 rpm for 10 minutes, and washing with distilled water; And
And drying the washed precipitate at 60 占 폚.
상기 전극을 제작하는 단계는,
N-메탈 피롤리디논(NMP)의 존재하에 활물질 80중량%, 카본블랙 10중량%, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF) 10중량%을 혼합하여 슬러리를 형성시키는 단계; 및
상기 슬러리를 알루미늄 호일 상에 페이스트시키고, 진공하에서 80℃의 열처리가 이루어지도록 하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자가 충전 슈퍼커패시터 장치의 제조방법.
The method according to claim 6,
The step of fabricating the electrode may include:
Mixing 80 wt% active material, 10 wt% carbon black, and 10 wt% polyvinylidene difluoride (PVDF) in the presence of N-methyl pyrrolidinone (NMP) to form a slurry; And
Wherein the slurry is pasted on an aluminum foil, and heat treatment is performed at 80 캜 under vacuum. The method of manufacturing a self-charging supercapacitor device according to claim 1,
상기 전해질 세퍼레이터 제작 단계에서 PVA-H3PO4 전해질 제조 단계는,
탈 이온수 30ml에 3g의 H3PO4 및 3g의 PVA를 혼합하는 단계; 및
상기 혼합물이 맑은 용액이 될 때까지 교반시키면서 85℃의 열처리가 이루어지도록 하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 자가 충전 슈퍼커패시터 장치의 제조방법.
The method according to claim 6,
In the step of producing the electrolyte separator, the step of preparing the PVA-H 3 PO 4 electrolyte includes:
Mixing 3 g of H 3 PO 4 and 3 g of PVA in 30 ml of deionized water; And
And heating the mixture to 85 ° C while stirring until the mixture becomes a clear solution. The method for manufacturing a self-charging supercapacitor device according to claim 1,
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|---|---|---|---|
| KR1020140058435A KR101567693B1 (en) | 2014-05-15 | 2014-05-15 | Self-charging supercapacitor device and fabricated method |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107195478A (en) * | 2017-04-26 | 2017-09-22 | 同济大学 | A kind of graphene/magnesium phosphate cement structure ultracapacitor |
| CN110070990A (en) * | 2019-04-09 | 2019-07-30 | 南京邮电大学 | A kind of high energy storage flexible compound film and preparation method thereof based on temperature regulation |
| CN112259381A (en) * | 2020-10-01 | 2021-01-22 | 桂林理工大学 | Preparation and application of non-woven multifunctional diaphragm |
| KR20220000213A (en) | 2020-06-25 | 2022-01-03 | 제주대학교 산학협력단 | Probing method for monitoring the charge-storage in self-charging supercapacitor comprising a piezoelectric fiber and a method for manufacturing the same |
-
2014
- 2014-05-15 KR KR1020140058435A patent/KR101567693B1/en active IP Right Grant
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