KR101571679B1

KR101571679B1 - Carbon nanofiber-ionic liquids composite, manufacturing method of the same, ultra-capacitor using the composite and manufacturing method of the ultra-capacitor

Info

Publication number: KR101571679B1
Application number: KR1020140056874A
Authority: KR
Inventors: 노광철; 박선민; 김목화
Original assignee: 한국세라믹기술원
Priority date: 2014-05-13
Filing date: 2014-05-13
Publication date: 2015-11-25
Also published as: KR20150129977A

Abstract

본 발명은, 탄소나노섬유와 질소 성분을 포함하는 이온성액체가 복합화된 것으로서, 비표면적이 1,000∼2,000 m²/g 범위이고, 질소 관능기를 함유하며, 전해질 이온이 유입되거나 배출되는 통로를 제공하는 복수의 기공들을 갖는 탄소나노섬유-이온성액체 복합체, 그 제조방법, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체를 이용한 울트라커패시터 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 탄소나노섬유-이온성액체 복합체를 양극과 음극의 전극활물질로 사용함으로써 높은 비축전용량과 에너지밀도를 갖는 울트라커패시터를 제조할 수 있다.The present invention provides a passage in which a carbon nanofiber and an ionic liquid containing a nitrogen component are combined and has a specific surface area in the range of 1,000 to 2,000 m ² / g, contains a nitrogen functional group, And an ultracapacitor using the carbon nanofiber-ionic liquid composite, and a method of manufacturing the same. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a carbon nanofiber-ionic liquid composite having a plurality of pores. According to the present invention, an ultracapacitor having a high non-storage capacity and an energy density can be manufactured by using the carbon nanofiber-ionic liquid composite as an electrode active material for the positive electrode and the negative electrode.

Description

탄소나노섬유-이온성액체 복합체, 그 제조방법, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체를 이용한 울트라커패시터 및 그 제조방법{Carbon nanofiber-ionic liquids composite, manufacturing method of the same, ultra-capacitor using the composite and manufacturing method of the ultra-capacitor}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a carbon nanofiber-ionic liquid composite, a method of manufacturing the same, an ultra-capacitor using the carbon nanofiber-ionic liquid composite, and a manufacturing method thereof and manufacturing method of the ultra-capacitor}

본 발명은 탄소나노섬유-이온성액체 복합체, 그 제조방법, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체를 이용한 울트라커패시터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소나노섬유와 질소 성분을 포함하는 이온성액체가 복합화된 것으로서 비표면적이 1,000∼2,000 m²/g 범위이고, 질소 관능기를 함유하며, 전해질 이온이 유입되거나 배출되는 통로를 제공하는 복수의 기공들을 갖고, 높은 비축전용량을 나타내는 탄소나노섬유-이온성액체 복합체, 그 제조방법, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체를 이용한 울트라커패시터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a carbon nanofiber-ionic liquid composite, a method for producing the carbon nanofiber-ionic liquid composite, and an ultracapacitor using the carbon nanofiber-ionic liquid composite and a method for preparing the same. More particularly, Having a specific surface area of 1,000 to 2,000 m < ² > / g, containing nitrogen functional groups, having a plurality of pores providing a passage through which electrolyte ions are introduced or discharged, The present invention relates to a nanofiber-ionic liquid composite, a method of manufacturing the same, and an ultracapacitor using the carbon nanofiber-ionic liquid composite and a method of manufacturing the same.

일반적으로 슈퍼커패시터는 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC), 슈퍼커패시터(Super-capacitor) 또는 울트라커패시터(Ultra-capacitor)라고도 일컬어지며, 이는 전극 및 도전체와, 그것에 함침된 전해질 용액의 계면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기이중층)이 생성된 것을 이용하는 것으로, 충전/방전 동작의 반복으로 인한 열화가 매우 작아 보수가 필요없는 소자이다. 이에 따라 슈퍼커패시터는 각종 전기ㆍ전자기기의 IC(integrated circuit) 백업을 하는 형태로 주로 사용되고 있으며, 최근에는 그 용도가 확대되어 장난감, 태양열 에너지 저장, HEV(hybrid electric vehicle) 전원 등에까지 폭넓게 응용되고 있다.Generally, a supercapacitor is also referred to as an electric double layer capacitor (EDLC), a super-capacitor, or an ultra-capacitor, which is an electrode and a conductor, and an interface (Electric double layer) in which the sign is different from each other is used, and the deterioration due to the repetition of the charging / discharging operation is very small, so that the device is not required to be repaired. As a result, supercapacitors are widely used in IC (integrated circuit) backup of various electric and electronic devices. Recently, they have been widely used for toys, solar energy storage, HEV (hybrid electric vehicle) have.

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 세퍼레이터(separator)와, 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 of a positive electrode and a negative electrode impregnated with an electrolytic solution, a separator of a porous material interposed between the two electrodes to enable ion conduction only and to prevent insulation and short circuit, A gasket for preventing leakage of electricity and preventing insulation and short-circuit, and a metal cap as a conductor for packaging them. Then, one or more unit cells (normally 2 to 6 in the case of the coin type) are stacked in series and the two terminals of the positive and negative electrodes are combined.

슈퍼커패시터의 성능은 전극활물질 및 전해질에 의하여 결정되며, 특히 축전용량 등 주요성능은 전극활물질에 의하여 대부분 결정된다. 이러한 전극활물질로는 활성탄이 주로 사용되고 있으며, 상용제품의 전극 기준으로 비축전용량은 최고 19.3 F/cc 정도로 알려져 있다. 일반적으로 슈퍼커패시터의 전극활물질로 사용되는 활성탄은 1500㎡/g 이상의 고비표면적 활성탄이 사용되고 있다. The performance of the supercapacitor is determined by the electrode active material and the electrolyte. In particular, the main performance such as the capacitance is largely determined by the electrode active material. Activated carbon is mainly used as the electrode active material, and the non-storage capacity based on the electrode of commercial products is known to be about 19.3 F / cc. Generally, activated carbon used as an electrode active material of a supercapacitor is activated carbon having a surface area of 1500 m2 / g or more.

활성탄 분말을 전극으로서 이용한 슈퍼커패시터는, 일본 특허공개공보 특개평4-44407호에 제시되어 있다. 이 공보에 제시된 전극은, 활성탄 분말을 페놀수지 등의 열경화성수지와 혼합하여 고형화한 고체 활성탄 전극이다.A supercapacitor using activated carbon powder as an electrode is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-44407. The electrode disclosed in this publication is a solid activated carbon electrode solidified by mixing activated carbon powder with a thermosetting resin such as phenol resin.

슈퍼커패시터의 응용 분야의 확대에 따라 보다 높은 비축전용량과 에너지밀도가 요구되고 있어 보다 높은 축전용량을 발현하는 전극활물질의 개발이 요구되고 있다.
As the applications of supercapacitors are expanded, higher non-storage capacities and energy densities are required, and it is required to develop electrode capacitors exhibiting higher capacitive capacities.

대한민국 특허등록번호 10-1137719Korea Patent Registration No. 10-1137719

본 발명이 해결하려는 과제는 탄소나노섬유와 질소 성분을 포함하는 이온성액체가 복합화된 것으로서 비표면적이 1,000∼2,000 m²/g 범위이고, 질소 관능기를 함유하며, 전해질 이온이 유입되거나 배출되는 통로를 제공하는 복수의 기공들을 갖고, 높은 비축전용량을 나타내는 탄소나노섬유-이온성액체 복합체, 그 제조방법, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체를 이용한 울트라커패시터 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
A problem to be solved by the present invention is to provide a carbon nanofiber composite material comprising a composite of carbon nanofibers and an ionic liquid containing a nitrogen component and having a specific surface area of 1,000 to 2,000 m ² / g, containing a nitrogen functional group, And an ultra capacitor using the carbon nanofiber-ionic liquid composite, and a method of manufacturing the same. The present invention also provides a carbon nanofiber-ionic liquid composite having a plurality of pores providing a high non-storage capacity.

본 발명은, 탄소나노섬유와 질소 성분을 포함하는 이온성액체가 복합화된 것으로서, 비표면적이 1,000∼2,000 m²/g 범위이고, 질소 관능기를 함유하며, 전해질 이온이 유입되거나 배출되는 통로를 제공하는 복수의 기공들을 갖는 탄소나노섬유-이온성액체 복합체를 제공한다. The present invention provides a passage in which a carbon nanofiber and an ionic liquid containing a nitrogen component are combined and has a specific surface area in the range of 1,000 to 2,000 m ² / g, contains a nitrogen functional group, A carbon nanofiber-ionic liquid composite having a plurality of pores to be formed therein.

상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 비축전용량은 14∼22 F/g을 나타낸다.The non-storage capacity of the carbon nanofiber-ionic liquid composite is 14 to 22 F / g.

상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 질소 함량은 1.0∼3.0 원자%를 나타낸다.The nitrogen content of the carbon nanofiber-ionic liquid composite is from 1.0 to 3.0 atomic%.

상기 탄소나노섬유는 지름이 10∼900㎚ 이고, 종횡비가 10보다 큰 것일 수 있다.The carbon nanofibers may have a diameter of 10 to 900 nm and an aspect ratio of 10 or more.

상기 이온성액체는 에틸메틸이미다졸리움 클로라이드(EMIM Cl), 에틸메틸이미다졸리움 디시아나미드(EMIM DCA), 에틸메틸이미다졸리움 트리플루오르메탄설포네이트(EMIM Otf), 에틸메틸이미다졸리움 트리플루오르메틸 설포닐이마이드(EMIM TFSI), 에틸메틸이미다졸리움 아세테이트(EMIM Ac), 에틸메틸이미다졸리움 수화물(EMIM OH), 에틸메틸이미다졸리움 디에틸포스페이트(EMIM DEP), 에틸메틸이미다졸리움 메틸 카보네이트(EMIM MeOCO₂), 에틸메틸이미다졸리움 락테이트(EMIM Lactate), 부틸메틸이미다졸리움 클로라이드(BMIM Cl), 부틸메틸이미다졸리움 메틸카보네이트 용액(BMIM MeOCO₂), 부틸메틸이미다졸리움 트리플루오르메탄설포네이트(BMIM Otf), 부틸메틸이미다졸리움 트리플루오르메틸설포닐이마이드(EMIM TFSI), 부틸메틸이미다졸리움 트리플루오르아세테이트(BMIM CF₃CO₂) 및 디메틸이미다졸리움 메탄설포네이트(MMIM CH₃SO₃) 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.The ionic liquid is selected from the group consisting of ethylmethylimidazolium chloride (EMIM Cl), ethylmethylimidazolium dicyanamide (EMIM DCA), ethylmethylimidazolium trifluoromethanesulfonate (EMIM Otf), ethylmethylimidazolium tri (EMIM TFSI), ethylmethylimidazolium acetate (EMIM Ac), ethylmethylimidazolium hydrate (EMIM OH), ethylmethylimidazolium diethylphosphate (EMIM DEP), ethylmethylimide (EMIM Lactate), butyl methyl imidazolium chloride (BMIM Cl), butyl methylimidazolium methyl carbonate solution (BMIM MeOCO ₂ ), butyl methylimide (DMEM MeOCO ₂ ), ethyl methylimidazolium lactate (EMIM TFSI), butylmethylimidazolium trifluoroacetate (BMIM CF ₃ C < RTI ID = 0.0 > O ₂ ) and dimethylimidazolium methanesulfonate (MMIM CH ₃ SO ₃ ).

또한, 본 발명은, 질소 성분을 포함하는 이온성액체에 탄소나노섬유를 침적시키는 단계와, 탄소나노섬유가 이온성액체에 침적된 결과물을 500∼1000℃ 범위의 온도에서 비활성 분위기에서 탄화처리하는 단계와, 탄화처리된 결과물을 알칼리와 혼합하여 활성화 처리하는 단계 및 활성화 처리된 결과물을 산(acid)으로 중화처리하고 세정하여 질소 관능기를 함유하는 탄소나노섬유-이온성액체 복합체를 얻는 단계를 포함하며, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 비표면적이 1,000∼2,000 m²/g 범위이고, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체는 전해질 이온이 유입되거나 배출되는 통로를 제공하는 복수의 기공들을 갖는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing carbon nanofibers, comprising the steps of: depositing carbon nanofibers in an ionic liquid containing a nitrogen component; and carbonizing the resultant obtained by immersing the carbon nanofibers in an ionic liquid in an inert atmosphere at a temperature in the range of 500 to 1000 占 폚 Mixing the resulting carbonized product with an alkali to perform an activation treatment, and neutralizing the activated product with an acid to obtain a carbon nanofiber-ionic liquid composite containing a nitrogen functional group Wherein the carbon nanofiber-ionic liquid composite has a specific surface area of 1,000 to 2,000 m ² / g, and the carbon nanofiber-ionic liquid composite has a plurality of pores providing a passage through which electrolyte ions are introduced or discharged The present invention provides a method for producing a carbon nanofiber-ionic liquid composite.

상기 활성화 처리하는 단계는, 상기 탄화처리된 결과물과 상기 알칼리를 1:1∼10의 중량비로 혼합하는 단계와, 혼합된 결과물을 분쇄하는 단계 및 분쇄된 결과물을 600∼1000℃의 온도에서 비활성 분위기에서 열처리하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 알칼리는 수산화칼륨(KOH) 및 수산화나트륨(NaOH) 중에서 선택된 1종 이상의 물질일 수 있다.Wherein the activating step comprises mixing the carbonized product and the alkali at a weight ratio of 1: 1 to 10, pulverizing the mixed product, and pulverizing the pulverized product at an inert atmosphere , And the alkali may be at least one substance selected from potassium hydroxide (KOH) and sodium hydroxide (NaOH).

상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 비축전용량은 14∼22 F/g을 나타내고, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 질소 함량은 1.0∼3.0 원자%를 나타내며, 상기 탄소나노섬유는 지름이 10∼900㎚ 이고 종횡비가 10보다 큰 것일 수 있다.Wherein the carbon nanofiber-ionic liquid composite has a non-storage capacity of 14 to 22 F / g, a nitrogen content of the carbon nanofiber-ionic liquid composite of 1.0 to 3.0 atomic%, and the carbon nanofiber has a diameter May be 10 to 900 nm and the aspect ratio may be larger than 10.

또한, 본 발명은, 탄소나노섬유와 질소 성분을 포함하는 이온성액체가 복합화된 것으로서 비표면적이 1,000∼2,000 m²/g 범위이고 질소 관능기를 함유하며 전해질 이온이 유입되거나 배출되는 통로를 제공하는 복수의 기공들을 갖는 탄소나노섬유-이온성액체 복합체를 포함하고, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체는 양극과 음극의 전극활물질로 사용하며, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막이 배치되며, 상기 양극, 상기 분리막 및 상기 음극은 전해액에 함침되어 있고, 상기 전해액은 비수계 전해액으로 이루어진 울트라커패시터를 제공한다.The present invention also provides a passage in which an ionic liquid containing carbon nanofibers and a nitrogen component is complexed and has a specific surface area in the range of 1,000 to 2,000 m ² / g and contains a nitrogen functional group and contains electrolyte ions And a carbon nanofiber-ionic liquid composite having a plurality of pores, wherein the carbon nanofiber-ionic liquid composite is used as an electrode active material for the positive electrode and the negative electrode, and the positive electrode and the negative electrode A separator for preventing a short circuit is disposed, the positive electrode, the separator, and the negative electrode are impregnated with an electrolytic solution, and the electrolytic solution is a non-aqueous electrolytic solution.

또한, 본 발명은, 탄소나노섬유와 질소 성분을 포함하는 이온성액체가 복합화된 것으로서 비표면적이 1,000∼2,000 m²/g 범위이고 질소 관능기를 함유하며 전해질 이온이 유입되거나 배출되는 통로를 제공하는 복수의 기공들을 갖는 탄소나노섬유-이온성액체 복합체, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 울트라커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계와, 상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계와, 전극 형태로 형성된 결과물을 100℃∼350℃의 온도에서 건조하여 울트라커패시터 전극을 형성하는 단계 및 상기 울트라커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 양극, 상기 분리막 및 상기 음극을 비수계 전해액에 함침시키는 단계를 포함하며, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체는, 질소 성분을 포함하는 이온성액체에 탄소나노섬유를 침적시키는 단계와, 탄소나노섬유가 이온성액체에 침적된 결과물을 500∼1000℃ 범위의 온도에서 비활성 분위기에서 탄화처리하는 단계와, 탄화처리된 결과물을 알칼리와 혼합하여 활성화 처리하는 단계 및 활성화 처리된 결과물을 산(acid)으로 중화처리하고 세정하는 단계를 통해 얻어지는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a passage in which an ionic liquid containing carbon nanofibers and a nitrogen component is complexed and has a specific surface area in the range of 1,000 to 2,000 m ² / g and contains a nitrogen functional group and contains electrolyte ions A method for manufacturing an ultracapacitor electrode, comprising the steps of: preparing a composition for an ultracapacitor electrode by mixing a carbon nanofiber-ionic liquid composite having a plurality of pores, a conductive material, a binder and a dispersion medium; Forming an electrode in the form of an electrode by coating a composition for an ultracapacitor electrode on the metal foil to form an electrode; pushing the composition for the ultracapacitor electrode into a sheet state and attaching the composition to a metal foil to form an electrode; Lt; 0 > C to 350 < 0 > C to form an ultracapacitor electrode; and A separator for preventing a short circuit between the positive electrode and the negative electrode is disposed between the positive electrode and the negative electrode, and a step for impregnating the positive electrode, the separator, and the negative electrode with the non- Wherein the carbon nanofiber-ionic liquid composite comprises: depositing carbon nanofibers in an ionic liquid containing a nitrogen component; and immersing the carbon nanofibers in an ionic liquid in a range of 500 to 1000 占 폚 A step of carbonizing the carbonized product in an inert atmosphere at a temperature of from 0 to 100 ° C, activating the carbonized product by mixing with the alkali, and neutralizing and treating the activated product with an acid. A method of manufacturing a capacitor is provided.

상기 활성화 처리하는 단계는, 상기 탄화처리된 결과물과 상기 알칼리를 1:1∼10의 중량비로 혼합하는 단계와, 혼합된 결과물을 분쇄하는 단계 및 분쇄된 결과물을 600∼1000℃의 온도에서 비활성 분위기에서 열처리하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 알칼리는 수산화칼륨(KOH) 및 수산화나트륨(NaOH) 중에서 선태된 1종 이상의 물질일 수 있다.Wherein the activating step comprises mixing the carbonized product and the alkali at a weight ratio of 1: 1 to 10, pulverizing the mixed product, and pulverizing the pulverized product at an inert atmosphere , And the alkali may be one or more materials selected from potassium hydroxide (KOH) and sodium hydroxide (NaOH).

상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 비축전용량은 14∼22 F/g을 나타내고, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 질소 함량은 1.0∼3.0 원자%를 나타내며, 상기 탄소나노섬유는 지름이 10∼900㎚ 이고 종횡비가 10보다 큰 것일 수 있다.
Wherein the carbon nanofiber-ionic liquid composite has a non-storage capacity of 14 to 22 F / g, a nitrogen content of the carbon nanofiber-ionic liquid composite of 1.0 to 3.0 atomic%, and the carbon nanofiber has a diameter May be 10 to 900 nm and the aspect ratio may be larger than 10.

본 발명의 탄소나노섬유-이온성액체 복합체는 탄소나노섬유와 질소 성분을 포함하는 이온성액체가 복합화된 것으로서, 비표면적이 1,000∼2,000 m²/g 범위이고, 질소 관능기를 함유하며, 전해질 이온이 유입되거나 배출되는 통로를 제공하는 복수의 기공들을 갖고, 높은 비축전용량을 나타낸다.The carbon nanofiber-ionic liquid composite of the present invention is a composite of carbon nanofibers and an ionic liquid containing a nitrogen component, and has a specific surface area of 1,000 to 2,000 m ² / g, contains a nitrogen functional group, Has a plurality of pores providing a passage through which it enters or exits and exhibits a high non-accumulating capacity.

상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체를 양극과 음극의 전극활물질로 사용함으로써 높은 비축전용량과 에너지밀도를 갖는 울트라커패시터를 제조할 수 있다.
By using the carbon nanofiber-ionic liquid composite as an electrode active material for the positive electrode and the negative electrode, an ultracapacitor having a high non-storage capacity and an energy density can be manufactured.

도 1은 울트라커패시터 전극의 사용 상태도이다.
도 2는 양극과 음극에 리드선을 부착하는 모습을 도시한 도면이다.
도 3은 권취소자를 형성하는 모습을 도시한 도면이다.
도 4는 권취소자를 금속캡에 삽착시키는 모습을 도시한 도면이다.
도 5는 울트라커패시터를 일부 절취하여 도시한 도면이다.
도 6은 실험예에서 사용된 탄소나노섬유와 실험예에 따라 제조된 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 X-선 광전자 분광(X-ray photoelectron spectroscopy; XPS) 분석 결과를 보여주는 그래프이다.
도 7은 실험예에 따라 제조된 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 전계방사 주사전자현미경(field emission-scanning electron microscope; FE-SEM) 사진이다.
도 8은 실험예에 따라 제조된 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 전류밀도(current density)에 따른 비축전용량(specific capacitance) 변화를 보여주는 그래프이다. 1 is a use state diagram of an ultracapacitor electrode.
2 is a view showing a state where a lead wire is attached to the positive electrode and the negative electrode.
3 is a view showing a state in which a book revoker is formed.
4 is a view showing a state in which the bookbinding canceller is inserted into the metal cap.
5 is a partially cut-away view of an ultracapacitor.
FIG. 6 is a graph showing X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis results of the carbon nanofibers-ionic liquid composite prepared according to Experimental Example.
7 is a field emission-scanning electron microscope (FE-SEM) photograph of carbon nanofiber-ionic liquid composite prepared according to Experimental Example.
FIG. 8 is a graph showing a specific capacitance change according to a current density of a carbon nanofiber-ionic liquid composite prepared according to Experimental Example.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, it should be understood that the following embodiments are provided so that those skilled in the art will be able to fully understand the present invention, and that various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. It is not. Wherein like reference numerals refer to like elements throughout.

본 발명은 탄소나노섬유와 이온성액체를 이용하여 탄화 및 활성화 공정을 통하여 합성되는 탄소나노섬유-이온성액체 복합체, 그 제조방법, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체를 이용한 울트라커패시터 및 그 제조방법을 제시한다.The present invention relates to a carbon nanofiber-ionic liquid composite which is synthesized through carbonization and activation using carbon nanofibers and an ionic liquid, a method for producing the same, an ultracapacitor using the carbon nanofiber-ionic liquid composite, and a production thereof We suggest a method.

본 발명에 따르면 이온성액체가 갖는 질소에 의해 질소 관능기를 함유하는 탄소나노섬유-이온성액체 복합체를 쉽게 제조할 수 있으며, 탄화 및 활성화 공정 제어에 의해 질소 함량, 기공 구조 등을 적절하게 제어할 수 있다.According to the present invention, it is possible to easily produce a carbon nanofiber-ionic liquid composite containing a nitrogen functional group by nitrogen contained in an ionic liquid, and to control the nitrogen content, the pore structure and the like properly by controlling the carbonization and the activation process .

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소나노섬유-이온성액체 복합체는 탄소나노섬유와 질소 성분을 포함하는 이온성액체가 복합화된 것으로서, 비표면적이 1,000∼2,000 m²/g 범위이고, 질소 관능기를 함유하며, 전해질 이온이 유입되거나 배출되는 통로를 제공하는 복수의 기공들을 갖는다. A carbon nanofiber-ionic liquid composite according to a preferred embodiment of the present invention is a composite of carbon nanofibers and an ionic liquid containing a nitrogen component. The carbon nanofiber-ionic liquid composite has a specific surface area in the range of 1,000 to 2,000 m ² / g, And has a plurality of pores that provide a passage through which electrolyte ions may enter or exit.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 제조방법, 질소 성분을 포함하는 이온성액체에 탄소나노섬유를 침적시키는 단계와, 탄소나노섬유가 이온성액체에 침적된 결과물을 500∼1000℃ 범위의 온도에서 비활성 분위기에서 탄화처리하는 단계와, 탄화처리된 결과물을 알칼리와 혼합하여 활성화 처리하는 단계 및 활성화 처리된 결과물을 산(acid)으로 중화처리하고 세정하여 질소 관능기를 함유하는 탄소나노섬유-이온성액체 복합체를 얻는 단계를 포함하며, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 비표면적이 1,000∼2,000 m²/g 범위이고, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체는 전해질 이온이 유입되거나 배출되는 통로를 제공하는 복수의 기공들을 갖는다. 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체는 이온성액체가 갖는 질소에 의해 질소 관능기를 함유한다. A method of manufacturing a carbon nanofiber-ionic liquid composite according to a preferred embodiment of the present invention, a step of immersing carbon nanofibers in an ionic liquid containing a nitrogen component, and a step of immersing the carbon nanofibers in an ionic liquid A step of performing carbonization treatment in an inert atmosphere at a temperature in the range of 500 to 1000 占 폚, a step of activating the carbonized product by mixing with the alkali, and a step of neutralizing and treating the activated product with an acid to prepare a nitrogen- Wherein the carbon nanofiber-ionic liquid composite has a specific surface area in the range of 1,000 to 2,000 m ² / g, and the carbon nanofiber-ionic liquid composite has an electrolyte And has a plurality of pores that provide a passage through which ions may enter or exit. The carbon nanofiber-ionic liquid composite contains a nitrogen functional group by nitrogen contained in the ionic liquid.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 울트라커패시터는, 탄소나노섬유와 질소 성분을 포함하는 이온성액체가 복합화된 것으로서 비표면적이 1,000∼2,000 m²/g 범위이고 질소 관능기를 함유하며 전해질 이온이 유입되거나 배출되는 통로를 제공하는 복수의 기공들을 갖는 탄소나노섬유-이온성액체 복합체를 포함하고, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체는 양극과 음극의 전극활물질로 사용하며, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막이 배치되며, 상기 양극, 상기 분리막 및 상기 음극은 전해액에 함침되어 있고, 상기 전해액은 비수계 전해액으로 이루어진다.An ultracapacitor according to a preferred embodiment of the present invention is a composite of carbon nanofibers and an ionic liquid containing a nitrogen component and has a specific surface area in the range of 1,000 to 2,000 m ² / g and contains a nitrogen functional group, Wherein the carbon nanofiber-ionic liquid composite is used as an electrode active material for the positive electrode and the negative electrode, and the carbon nanofiber-ionic liquid composite is used as an electrode active material for the positive electrode and the negative electrode, A separator for preventing a short circuit between the positive electrode and the negative electrode is disposed, and the positive electrode, the separator, and the negative electrode are impregnated with an electrolyte, and the electrolyte is a non-aqueous electrolyte.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 울트라커패시터의 제조방법은, 탄소나노섬유와 질소 성분을 포함하는 이온성액체가 복합화된 것으로서 비표면적이 1,000∼2,000 m²/g 범위이고 질소 관능기를 함유하며 전해질 이온이 유입되거나 배출되는 통로를 제공하는 복수의 기공들을 갖는 탄소나노섬유-이온성액체 복합체, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 울트라커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계와, 상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계와, 전극 형태로 형성된 결과물을 100℃∼350℃의 온도에서 건조하여 울트라커패시터 전극을 형성하는 단계 및 상기 울트라커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 양극, 상기 분리막 및 상기 음극을 비수계 전해액에 함침시키는 단계를 포함하며, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체는, 질소 성분을 포함하는 이온성액체에 탄소나노섬유를 침적시키는 단계와, 탄소나노섬유가 이온성액체에 침적된 결과물을 500∼1000℃ 범위의 온도에서 비활성 분위기에서 탄화처리하는 단계와, 탄화처리된 결과물을 알칼리와 혼합하여 활성화 처리하는 단계 및 활성화 처리된 결과물을 산(acid)으로 중화처리하고 세정하는 단계를 통해 얻어진다.A method of fabricating an ultracapacitor according to a preferred embodiment of the present invention is a composite of carbon nanofibers and an ionic liquid containing a nitrogen component, which has a specific surface area in the range of 1,000 to 2,000 m ² / g and contains a nitrogen functional group, Preparing a composition for an ultracapacitor electrode by mixing a carbon nanofiber-ionic liquid composite, a conductive material, a binder and a dispersion medium having a plurality of pores for providing a passage through which the ultracapacitor electrode is introduced or discharged; Forming an electrode in the form of an electrode by pressing the composition for the ultracapacitor electrode by coating the composition for the ultracapacitor electrode by rolling the composition for the electrode of the ultracapacitor electrode into a sheet state and attaching the composition to a metal foil And the resultant product formed in an electrode form is dried at a temperature of 100 ° C to 350 ° C Forming an ultracapacitor electrode, and using the ultracapacitor electrode as an anode and a cathode, wherein a separation membrane for preventing the short circuit between the anode and the cathode is disposed between the anode and the cathode, And impregnating the negative electrode with a non-aqueous liquid electrolyte, wherein the carbon nanofiber-ionic liquid composite comprises: depositing carbon nanofibers in an ionic liquid containing a nitrogen component; A step of carbonizing the deposited resultant in an inert atmosphere at a temperature in the range of 500 to 1000 占 폚, a step of activating the carbonized product by mixing with the alkali, and a step of neutralizing and treating the activated product with an acid &Lt; / RTI >

이하에서, 탄소나노섬유-이온성액체 복합체를 제조하는 방법을 보다 구체적으로 설명한다. Hereinafter, a method for producing a carbon nanofiber-ionic liquid composite will be described in more detail.

질소 성분을 포함하는 이온성액체를 준비한다. 상기 이온성액체는 에틸메틸이미다졸리움 클로라이드(EMIM Cl), 에틸메틸이미다졸리움 디시아나미드(EMIM DCA), 에틸메틸이미다졸리움 트리플루오르메탄설포네이트(EMIM Otf), 에틸메틸이미다졸리움 트리플루오르메틸 설포닐이마이드(EMIM TFSI), 에틸메틸이미다졸리움 아세테이트(EMIM Ac), 에틸메틸이미다졸리움 수화물(EMIM OH), 에틸메틸이미다졸리움 디에틸포스페이트(EMIM DEP), 에틸메틸이미다졸리움 메틸 카보네이트(EMIM MeOCO₂), 에틸메틸이미다졸리움 락테이트(EMIM Lactate), 부틸메틸이미다졸리움 클로라이드(BMIM Cl), 부틸메틸이미다졸리움 메틸카보네이트 용액(BMIM MeOCO₂), 부틸메틸이미다졸리움 트리플루오르메탄설포네이트(BMIM Otf), 부틸메틸이미다졸리움 트리플루오르메틸설포닐이마이드(EMIM TFSI), 부틸메틸이미다졸리움 트리플루오르아세테이트(BMIM CF₃CO₂) 및 디메틸이미다졸리움 메탄설포네이트(MMIM CH₃SO₃) 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다. An ionic liquid containing a nitrogen component is prepared. The ionic liquid is selected from the group consisting of ethylmethylimidazolium chloride (EMIM Cl), ethylmethylimidazolium dicyanamide (EMIM DCA), ethylmethylimidazolium trifluoromethanesulfonate (EMIM Otf), ethylmethylimidazolium tri (EMIM TFSI), ethylmethylimidazolium acetate (EMIM Ac), ethylmethylimidazolium hydrate (EMIM OH), ethylmethylimidazolium diethylphosphate (EMIM DEP), ethylmethylimide (EMIM Lactate), butyl methyl imidazolium chloride (BMIM Cl), butyl methylimidazolium methyl carbonate solution (BMIM MeOCO ₂ ), butyl methylimide (DMEM MeOCO ₂ ), ethyl methylimidazolium lactate (EMIM TFSI), butylmethylimidazolium trifluoroacetate (BMIM CF ₃ C < RTI ID = 0.0 > O ₂ ) and dimethylimidazolium methanesulfonate (MMIM CH ₃ SO ₃ ).

탄소나노섬유를 준비한다. 상기 탄소나노섬유는 지름이 10∼900㎚ 이고, 종횡비가 10보다 큰(예컨대, 종횡비가 10.1∼300) 것이 바람직하다.Carbon nanofibers are prepared. The carbon nanofibers preferably have a diameter of 10 to 900 nm and an aspect ratio of more than 10 (for example, an aspect ratio of 10.1 to 300).

질소 성분을 포함하는 이온성액체에 탄소나노섬유를 침적시킨다. 상기 탄소나노섬유와 상기 이온성액체는 1:1∼20의 중량비를 이루도록 침적시키는 것이 바람직하다.The carbon nanofibers are immersed in an ionic liquid containing a nitrogen component. The carbon nanofibers and the ionic liquid are preferably immersed in a weight ratio of 1: 1 to 20.

탄소나노섬유가 이온성액체에 침적된 결과물을 탄화처리한다. 상기 이온성액체를 탄화처리한다. 상기 탄화처리는 500∼1000℃ 정도의 온도에서 10분∼12시간 동안 비활성 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 비활성 가스 분위기는 질소(N₂), 아르콘(Ar), 헬륨(He)과 같은 가스 분위기를 의미한다. Carbon nanofibers are carbonized as a result of immersion in an ionic liquid. The ionic liquid is carbonized. The carbonization is preferably performed in an inert atmosphere at a temperature of about 500 to 1000 DEG C for 10 minutes to 12 hours. The inert gas atmosphere means a gas atmosphere such as nitrogen (N ₂ ), argon (Ar), and helium (He).

탄화처리된 결과물에 대하여 분쇄 공정을 수행한다. 상기 분쇄는 볼 밀링, 제트밀 등을 이용할 수 있다. 분쇄 공정의 구체적인 예로서 볼밀링 공정을 설명하면, 탄화처리된 결과물을 볼밀링기(ball milling machine)에 장입하고, 볼밀링기를 이용하여 일정 속도로 회전시켜 분쇄한다. 볼의 크기, 밀링 시간, 볼밀링기의 회전속도 등을 조절하여 목표하는 입자의 크기로 분쇄한다. 밀링 시간이 증가함에 따라 입도가 점차 감소하고, 이에 따라 비표면적이 증가하게 된다. 볼밀링에 사용되는 볼은 알루미나(Al₂O₃), 지르코니아(ZrO₂)와 같은 세라믹 재질의 볼을 사용할 수 있으며, 볼은 모두 같은 크기의 것일 수도 있고 2가지 이상의 크기를 갖는 볼을 함께 사용할 수도 있다. 볼의 크기, 밀링 시간, 볼 밀링기의 분당 회전속도 등을 조절하는데, 예를 들면, 볼의 크기는 1∼30㎜ 정도의 범위로 설정하고, 볼밀링기의 회전속도는 50∼500rpm 정도의 범위로 설정하며, 볼밀링은 1∼48 시간 동안 실시할 수 있다. The pulverized product is subjected to a carbonization treatment. The milling may be performed by ball milling, jet milling or the like. As a specific example of the milling process, the ball milling process will be described. The carbonized product is charged into a ball milling machine, and is pulverized by rotating it at a constant speed using a ball milling machine. The size of the balls, the milling time, the rotation speed of the ball miller, and the like are adjusted so as to be crushed to the target particle size. As the milling time increases, the particle size gradually decreases, thereby increasing the specific surface area. The balls used for ball milling can be ceramic balls such as alumina (Al ₂ O ₃ ), zirconia (ZrO ₂ ), and the balls may be all the same size or may be used together with balls having two or more sizes It is possible. The size of the ball, the milling time, and the rotation speed per minute of the ball mill are adjusted. For example, the size of the ball is set in a range of about 1 to 30 mm, and the rotation speed of the ball mill is about 50 to 500 rpm And ball milling can be performed for 1 to 48 hours.

분쇄된 결과물에 대하여 활성화 처리를 수행한다. 상기 활성화 처리는 탄화처리된 결과물과 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH) 등과 같은 알칼리를 1:1∼10의 중량비로 혼합하고 분쇄한 후, 600∼1000℃ 정도의 온도에서 10분∼12시간 동안 비활성 분위기에서 열처리를 수행하는 것이 바람직하다. Activation treatment is performed on the pulverized product. In the activation treatment, the carbonized product is mixed with an alkali such as potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH) and the like at a weight ratio of 1: 1 to 10, and the mixture is pulverized. It is preferable to perform the heat treatment in an inert atmosphere for a period of time.

상기 활성화 처리 후에는 알칼리 성분을 제거하기 위하여 염산(HCl), 질산(HNO₃), 황산(H₂SO₄), 인산(H₃PO₄)과 같은 산(acid)으로 중화 처리하고, 증류수로 충분히 세정한다. 세정 후에는 100∼180℃ 정도의 온도에서 10분∼6시간 동안 충분히 건조한다. After the activation treatment, an acid such as hydrochloric acid (HCl), nitric acid (HNO ₃ ), sulfuric acid (H ₂ SO ₄ ) or phosphoric acid (H ₃ PO ₄ ) is neutralized to remove the alkali component, Clean thoroughly. After cleaning, sufficiently dry at a temperature of about 100 to 180 DEG C for 10 minutes to 6 hours.

상술한 공정으로 비표면적이 1,000∼2,000 m²/g 범위이고, 질소 관능기를 함유하며, 전해질 이온이 유입되거나 배출되는 통로를 제공하는 복수의 기공들을 갖는 탄소나노섬유-이온성액체 복합체를 얻을 수 있다. The carbon nanofiber-ionic liquid composite having a plurality of pores providing a passage through which the electrolyte ions are introduced or discharged can be obtained by the above-described process, which has a specific surface area in the range of 1,000 to 2,000 m ² / g and contains nitrogen functional groups have.

이하에서, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체를 이용하여 울트라커패시터를 제조하는 방법을 설명한다. Hereinafter, a method of manufacturing an ultracapacitor using the carbon nanofiber-ionic liquid composite will be described.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 울트라커패시터의 제조방법은, 질소 관능기를 갖는 탄소나노섬유-이온성액체 복합체, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 울트라커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계와, 상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계와, 전극 형태로 형성된 결과물을 100℃∼350℃의 온도에서 건조하여 울트라커패시터 전극을 형성하는 단계 및 상기 울트라커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 양극, 상기 분리막 및 상기 음극을 비수계 전해액에 함침시키는 단계를 포함한다. A method of manufacturing an ultracapacitor according to a preferred embodiment of the present invention comprises the steps of: preparing a composition for an ultracapacitor electrode by mixing a carbon nanofiber-ionic liquid composite having a nitrogen functional group, a conductive material, a binder and a dispersion medium; The composition for the capacitor electrode may be formed into an electrode shape by pressing the composition for the capacitor electrode, or the electrode composition may be formed by coating the composition for the ultracapacitor electrode on the metal foil, or the composition for the electrode of the ultracapacitor may be rolled into a sheet state, Forming an ultracapacitor electrode by drying the resultant product in an electrode form at a temperature of 100 ° C to 350 ° C, and using the ultracapacitor electrode as an anode and a cathode, A separator for preventing short-circuit between the positive electrode and the negative electrode , And the positive electrode, the separator and the negative electrode includes the step of impregnating the non-aqueous liquid electrolyte.

상기 울트라커패시터 전극용 조성물은 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체 100중량부, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체 100중량부에 대하여 도전재 2∼20중량부, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체 100중량부에 대하여 바인더 2∼20중량부, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체 100중량부에 대하여 분산매 200∼300중량부를 포함할 수 있다.The composition for the ultracapacitor electrode comprises 100 parts by weight of the carbon nanofiber-ionic liquid composite, 2 to 20 parts by weight of the conductive material, 100 parts by weight of the carbon nanofiber-ionic liquid composite, 2 to 20 parts by weight of a binder with respect to 100 parts by weight of the composite, and 200 to 300 parts by weight of a dispersion medium with respect to 100 parts by weight of the carbon nanofiber-ionic liquid composite.

상기 비수계 전해액은 프로필렌카보네이트, 아세토니트릴 및 술포란 중에서 선택된 1종 이상의 용매에 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoborate) 중에서 선택된 1종 이상의 염이 용해된 전해액일 수 있다.The non-aqueous liquid electrolyte may be an electrolytic solution in which at least one salt selected from TEABF4 (tetraethylammonium tetrafluoborate) and TEMABF4 (triethylmethylammonium tetrafluoborate) is dissolved in at least one solvent selected from propylene carbonate, acetonitrile and sulfolane.

또한, 상기 비수계 전해액은 EMIBF4(1-ethyl-3-methyl imidazolium tetrafluoborate) 및 EMITFSI(1-ethyl-3-methyl imidazolium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide) 중에서 선택된 1종 이상의 이온성액체로 이루어진 것일 수 있다.The non-aqueous liquid electrolyte may be composed of at least one ionic liquid selected from 1-ethyl-3-methyl imidazolium tetrafluoroborate (EMIBF4) and 1-ethyl-3-methyl imidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide .

이하에서, 도 1을 참조하여 울트라커패시터의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing an ultracapacitor will be described in more detail with reference to FIG.

상술한 탄소나노섬유-이온성액체 복합체, 도전재, 바인더, 및 분산매를 포함하는 울트라커패시터 전극용 조성물을 제조한다. 상기 울트라커패시터 전극용 조성물은 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체 100중량부, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체 100중량부에 대하여 도전재 2∼20중량부, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체 100중량부에 대하여 바인더 2∼20중량부, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체 100중량부에 대하여 분산매 200∼300중량부를 포함할 수 있다. 상기 울트라커패시터 전극용 조성물은 반죽 상이므로 균일한 혼합(완전 분산)이 어려울 수 있는데, 행성 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기(mixer)를 사용하여 소정 시간(예컨대, 10분∼12시간) 동안 교반시키면 전극 제조에 적합한 울트라커패시터 전극용 조성물을 얻을 수 있다. 행성 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기는 균일하게 혼합된 울트라커패시터 전극용 조성물의 제조를 가능케 한다.A composition for an ultracapacitor electrode comprising the carbon nanofiber-ionic liquid composite, the conductive material, the binder, and the dispersion medium is prepared. The composition for the ultracapacitor electrode comprises 100 parts by weight of the carbon nanofiber-ionic liquid composite, 2 to 20 parts by weight of the conductive material, 100 parts by weight of the carbon nanofiber-ionic liquid composite, 2 to 20 parts by weight of a binder with respect to 100 parts by weight of the composite, and 200 to 300 parts by weight of a dispersion medium with respect to 100 parts by weight of the carbon nanofiber-ionic liquid composite. The composition for the ultracapacitor electrode may be difficult to uniformly mix (completely disperse) because it is a dough phase. It may be stirred for a predetermined time (for example, 10 minutes to 12 hours) using a mixer such as a planetary mixer A composition for an ultracapacitor electrode suitable for electrode production can be obtained. Mixers such as planetary mixers enable the preparation of compositions for uniformly mixed ultracapacitor electrodes.

상기 바인더는 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 폴리비닐리덴플로라이드(polyvinylidenefloride; PVdF), 카르복시메틸셀룰로오스(carboxymethylcellulose; CMC), 폴리비닐알코올(poly vinyl alcohol; PVA), 폴리비닐부티랄(poly vinyl butyral; PVB), 폴리비닐피롤리돈(poly-N-vinylpyrrolidone; PVP), 스티렌부타디엔고무(styrene butadiene rubber; SBR), 폴리아마이드-이미드(Polyamide-imide), 폴리이미드(polyimide) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. The binder may be selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidenefluoride (PVdF), carboxymethylcellulose (CMC), polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl butyral vinyl butyral (PVB), poly-N-vinylpyrrolidone (PVP), styrene butadiene rubber (SBR), polyamide-imide, polyimide One or more selected ones may be used in combination.

상기 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 which does not cause a chemical change. Examples of the conductive material include natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, Ketjen black, Super-P black, carbon fiber, , Metal powder such as aluminum and silver, or metal fiber.

상기 분산매는 에탄올(EtOH), 아세톤, 이소프로필알콜, N-메틸피롤리돈(NMP), 프로필렌글리콜(PG) 등의 유기 용매 또는 물을 사용할 수 있다.The dispersion medium may be an organic solvent such as ethanol (EtOH), acetone, isopropyl alcohol, N-methylpyrrolidone (NMP), propylene glycol (PG) or water.

탄소나노섬유-이온성액체 복합체, 바인더, 도전재 및 분산매를 혼합한 울트라커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태로 만들고 금속 호일에 붙여서 전극 형태로 형성하고, 전극 형태로 형성된 결과물을 100℃∼350℃의 온도에서 건조하여 전극을 형성한다.A composition for an ultracapacitor electrode in which a carbon nanofiber-ionic liquid composite, a binder, a conductive material, and a dispersion medium are mixed may be formed into an electrode form, or the composition for the ultracapacitor electrode may be coated on a metal foil to form an electrode, The composition for the ultracapacitor electrode is rolled into a sheet state and attached to a metal foil to form an electrode. The resultant electrode is dried at a temperature of 100 ° C to 350 ° C to form an electrode.

전극을 형성하는 단계의 예를 보다 구체적으로 설명하면, 울트라커패시터 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. 롤상태의 전극이 롤프레스를 지나면서 압연공정이 진행되고 이것이 다시 롤상태로 감겨서 전극이 완성된다. 이때, 프레스의 가압 압력은 5∼20 ton/㎠로 롤의 온도는 0∼150℃로 하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 프레스 압착 공정을 거친 울트라커패시터 전극용 조성물은 본 발명에 따라서 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 약 10분∼6시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 성형된 울트라커패시터 전극용 조성물을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 울트라커패시터 전극의 강도를 향상시킨다.More specifically explaining an example of the step of forming the electrode, the composition for an ultracapacitor electrode can be pressed and formed by using a roll press molding machine. The roll press molding machine aims at improving the electrode density through rolling and controlling the thickness of the electrode. The roll press molding machine includes a controller capable of controlling the thickness and the heating temperature of the rolls and rolls at the upper and lower ends, the winding &Lt; / RTI > As the electrode in the roll state passes the roll press, the rolling process is carried out and the roll is rolled again to complete the electrode. At this time, the pressing pressure of the press is preferably 5 to 20 ton / cm 2, and the roll temperature is preferably 0 to 150 ° C. The composition for an ultracapacitor electrode that has undergone the above press-bonding process is subjected to a drying process according to the present invention. The drying process is carried out at a temperature of 100 ° C to 350 ° C, preferably 150 ° C to 300 ° C. If the drying temperature is less than 100 ° C, evaporation of the dispersion medium is difficult and it is not preferable because oxidation of the conductive material may occur during drying at a high temperature exceeding 350 ° C. Therefore, the drying temperature is preferably at least 100 캜 and not exceeding 350 캜. The drying process is preferably carried out at the above temperature for about 10 minutes to 6 hours. Such a drying process improves the strength of the ultracapacitor electrode by drying (dispersing evaporation) the composition for the formed ultracapacitor electrode and binding the powder particles together.

상기와 같이 제조된 울트라커패시터 전극은 고용량으로서 소형의 코인형 울트라커패시터에 유용하게 적용될 수 있다. The ultracapacitor electrode manufactured as described above can be applied to a small coin type ultracapacitor with a high capacity.

도 1은 울트라커패시터 전극의 사용 상태도로서, 상기 울트라커패시터 전극(10)이 적용된 코인형 울트라커패시터의 단면도를 보인 것이다. 도 1에서 도면부호 50은 도전체로서의 금속 캡이고, 도면부호 60은 울트라커패시터 전극(10) 간의 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)이며, 도면부호 70은 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓이다. 이때, 상기 울트라커패시터 전극(10)은 금속 캡(50)과 접착제에 의해 견고하게 고정된다.1 is a sectional view of a coin type ultracapacitor to which the ultracapacitor electrode 10 is applied, as a state of use of the ultracapacitor electrode. In FIG. 1, reference numeral 50 denotes a metal cap as a conductor, reference numeral 60 denotes a porous separator for insulation and short-circuit prevention between the electrodes 10, reference numeral 70 denotes an electrolyte solution It is a gasket for insulation and short circuit protection. At this time, the ultracapacitor electrode 10 is firmly fixed to the metal cap 50 by an adhesive.

상기 코인형 울트라커패시터는, 상술한 울트라커패시터 전극으로 이루어진 양극과, 상술한 울트라커패시터 전극으로 이루어진 음극과, 상기 양극과 음극 사이에 배치되고 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막(seperator)을 금속 캡 내에 배치하고, 상기 양극와 상기 음극 사이에 전해질이 용해되어 있는 전해액을 주입한 후, 가스켓으로 밀봉하여 제조할 수 있다. The coin type ultracapacitor includes a positive electrode made of the above-mentioned ultracapacitor electrode, a negative electrode made of the above-mentioned ultracapacitor electrode, a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode and for preventing a short circuit between the positive electrode and the negative electrode, Is placed in a metal cap, and an electrolyte solution in which an electrolyte is dissolved is injected between the anode and the cathode, followed by sealing with a gasket.

상기 분리막은 폴리에틸렌 부직포, 폴리프로필렌 부직포, 폴리에스테르 부직포, 폴리아크릴로니트릴 다공성 격리막, 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 헥사플루오로프로판 공중합체 다공성 격리막, 셀룰로스 다공성 격리막, 크라프트지 또는 레이온 섬유 등 전지 및 커패시터 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.The separator may be a battery such as a polyethylene nonwoven fabric, a polypropylene nonwoven fabric, a polyester nonwoven fabric, a polyacrylonitrile porous separator, a poly (vinylidene fluoride) hexafluoropropane copolymer porous separator, a cellulose porous separator, a kraft paper or a rayon fiber, And is not particularly limited as long as it is a membrane commonly used in the field.

한편, 본 발명의 울트라커패시터에 충전되는 전해액은 비수계로서 프로필렌카보네이트(propylene carbonate; PC), 아세토니트릴(acetonitrile; AN) 및 술포란(sulfolane; SL) 중에서 선택된 1종 이상의 용매에 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoborate) 중에서 선택된 1종 이상의 염이 용해된 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 전해액은 EMIBF4(1-ethyl-3-methyl imidazolium tetrafluoborate) 및 EMITFSI(1-ethyl-3-methyl imidazolium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide) 중에서 선택된 1종 이상의 이온성액체로 이루어진 것일 수도 있다. The electrolytic solution to be filled in the ultracapacitor of the present invention may be a nonaqueous electrolyte solution containing at least one selected from the group consisting of propylene carbonate (PC), acetonitrile (AN) and sulfolane (SL), tetraethylammonium tetrafluoborate ) And TEMABF4 (triethylmethylammonium tetrafluoborate) may be used. The electrolytic solution may be composed of at least one ionic liquid selected from 1-ethyl-3-methyl imidazolium tetrafluoroborate (EMIBF4) and 1-ethyl-3-methyl imidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide.

도 2 내지 도 5는 본 발명의 다른 예에 따른 울트라커패시터를 보여주는 도면으로서, 도 2 내지 도 5를 참조하여 울트라커패시터를 제조하는 방법을 구체적으로 설명한다.FIGS. 2 to 5 are views showing an ultracapacitor according to another example of the present invention, and a method of manufacturing the ultracapacitor will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 5. FIG.

상술한 탄소나노섬유-이온성액체 복합체, 바인더, 도전재 및 분산매를 혼합하여 울트라커패시터 전극용 조성물을 제조하는 방법은 앞서 설명한 방법과 동일하다. The method for preparing the composition for an ultracapacitor electrode by mixing the carbon nanofiber-ionic liquid composite, the binder, the conductive material, and the dispersion medium is the same as that described above.

상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 알루미늄 호일(Al foil), 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil)과 같은 금속 호일(metal foil)에 코팅하거나, 상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일에 붙여서 양극 및 음극 형상으로 제조한다. 상기 알루미늄 에칭 호일이라 함은 알루미늄 호일을 요철 모양으로 에칭한 것을 의미한다. The composition for the ultracapacitor electrode may be coated on a metal foil such as an aluminum foil or an aluminum etching foil or the composition for the ultracapacitor electrode may be rolled in a sheet state Rubber type) and attached to a metal foil to produce an anode and a cathode. The aluminum etched foil means that the aluminum foil is etched in a concavo-convex shape.

상기와 같은 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. 그리고 건조 공정은 위와 같은 온도에서 약 10분∼6시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 울트라커패시터 전극용 조성물을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 울트라커패시터 전극의 강도를 향상시킨다.The anode and cathode shapes as described above are subjected to a drying process. The drying process is carried out at a temperature of 100 ° C to 350 ° C, preferably 150 ° C to 300 ° C. If the drying temperature is less than 100 ° C, evaporation of the dispersion medium is difficult and it is not preferable because oxidation of the conductive material may occur during drying at a high temperature exceeding 350 ° C. Therefore, the drying temperature is preferably at least 100 캜 and not exceeding 350 캜. The drying process is preferably carried out at the above temperature for about 10 minutes to 6 hours. Such a drying process improves the strength of the ultracapacitor electrode by drying (dispersing evaporation) the composition for the ultracapacitor electrode and binding the powder particles.

도 2에 도시된 바와 같이, 울트라커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하거나 시트 상태로 만들어 금속 호일에 붙여서 제조한 양극(120) 및 음극(110)에 각각 리드선(130, 140)을 부착한다. As shown in FIG. 2, the lead wires 130 and 140 are attached to the positive electrode 120 and the negative electrode 110, respectively, which are prepared by coating a composition for an ultracapacitor electrode on a metal foil or by making it into a sheet state and attaching it to a metal foil.

도 3에 도시된 바와 같이, 제1 분리막(150), 양극(120), 제2 분리막(160) 및 작업전극(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. 3, the first separator 150, the anode 120, the second separator 160, and the working electrode 110 are laminated and coiled to form a roll- (175), and wound around the roll with an adhesive tape (170) or the like so that the roll shape can be maintained.

상기 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)은 폴리에틸렌 부직포, 폴리프로필렌 부직포, 폴리에스테르 부직포, 폴리아크릴로니트릴 다공성 격리막, 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 헥사플루오로프로판 공중합체 다공성 격리막, 셀룰로스 다공성 격리막, 크라프트지 또는 레이온 섬유 등 전지 및 커패시터 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.The second separator 160 between the anode 120 and the cathode 110 prevents shorting between the anode 120 and the cathode 110. The first and second separation membranes 150 and 160 may be formed of any one of a polyethylene nonwoven fabric, a polypropylene nonwoven fabric, a polyester nonwoven fabric, a polyacrylonitrile porous separator, a poly (vinylidene fluoride) hexafluoropropane copolymer porous separator, a cellulose porous separator, Or a separator commonly used in the field of batteries and capacitors such as rayon fibers.

도 4에 도시된 바와 같이, 롤(roll) 형태의 결과물에 실링 고무(sealing rubber)(180)를 장착하고, 금속캡(예컨대, 알루미늄 케이스(Al Case))(190)에 삽착시킨다. As shown in Fig. 4, a sealing rubber 180 is mounted on a roll-shaped product and is mounted on a metal cap 190 (e.g., an aluminum case).

롤 형태의 권취소자(175)와 리튬 호일(195)이 함침되게 전해액을 주입하고, 밀봉한다. 전해액은 비수계로서 프로필렌카보네이트(propylene carbonate; PC), 아세토니트릴(acetonitrile; AN) 및 술포란(sulfolane; SL) 중에서 선택된 1종 이상의 용매에 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoborate) 중에서 선택된 1종 이상의 염이 용해된 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 전해액은 EMIBF4(1-ethyl-3-methyl imidazolium tetrafluoborate) 및 EMITFSI(1-ethyl-3-methyl imidazolium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide) 중에서 선택된 1종 이상의 이온성액체로 이루어진 것일 수도 있다. The electrolytic solution is injected so that the rolled element 175 and the lithium foil 195 are impregnated and sealed. The electrolytic solution may be a nonaqueous one or more selected from among tetraethylammonium tetrafluoborate (TEABF4) and triethylmethylammonium tetrafluoborate (TEABF4) in at least one solvent selected from the group consisting of propylene carbonate (PC), acetonitrile (AN) and sulfolane Or a salt in which more than two kinds of salts are dissolved can be used. The electrolytic solution may be composed of at least one ionic liquid selected from 1-ethyl-3-methyl imidazolium tetrafluoroborate (EMIBF4) and 1-ethyl-3-methyl imidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide.

이와 같이 제작된 울트라커패시터를 도 5에 개략적으로 나타내었다.
The ultracapacitor thus manufactured is schematically shown in Fig.

이하에서, 본 발명에 따른 실험예를 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, experimental examples according to the present invention will be specifically shown, and the present invention is not limited to the following experimental examples.

탄소나노섬유(Carbon nano-materials tech. Co.) 3g을 질소 성분을 포함하는 이온성액체인 에틸메틸이미다졸리움 디시아나미드(EMIM DCA) 30g에 혼합하여 5시간 동안 침적시켰다. 3 g of carbon nanofibers (Carbon nano-materials tech. Co.) were mixed in 30 g of ethylmethylimidazolium dicyanamide (EMIM DCA) which is an ionic liquid containing a nitrogen component and immersed for 5 hours.

탄소나노섬유가 에틸메틸이미다졸리움 디시아나미드에 침적된 결과물을 질소 분위기에서 탄화처리하였다. 상기 탄화처리는 900℃의 온도(탄화온도)에서 1시간 동안 수행하였다. The carbon nanofibers were immersed in ethylmethylimidazolium dicyanamide and carbonized in a nitrogen atmosphere. The carbonization treatment was carried out at a temperature of 900 DEG C (carbonization temperature) for 1 hour.

탄화처리된 결과물과 수산화칼륨(KOH)을 1:4의 중량비로 혼합하고, 건식 볼밀링 공정을 이용하여 분쇄하였다. 상기 볼밀링 공정은 지르코니아 볼을 이용하였고, 볼의 크기는 5㎜ 정도 였으며, 볼밀링기의 회전속도는 100rpm 정도로 설정하였고, 볼밀링은 2시간 동안 수행하였다. The carbonized product and potassium hydroxide (KOH) were mixed at a weight ratio of 1: 4 and pulverized using a dry ball milling process. The ball milling process used zirconia balls, the size of the balls was about 5 mm, the rotation speed of the ball milling machine was set to about 100 rpm, and the ball milling was performed for 2 hours.

탄화처리된 결과물과 수산화칼륨이 혼합된 활성화용 시료를 니켈(Ni) 반응기에 장입하고, 아르곤(Ar) 분위기에서 900℃에서 1시간 동안 활성화 처리를 수행하였다. Activation samples mixed with carbonized product and potassium hydroxide were charged into a nickel (Ni) reactor and activation treatment was carried out in an argon (Ar) atmosphere at 900 ° C for 1 hour.

활성화 처리된 시료를 염산(HCl)으로 중화처리하고, 증류수로 세정하여 울트라커패시터용 전극활물질인 탄소나노섬유-이온성액체 복합체를 얻었다. The activated sample was neutralized with hydrochloric acid (HCl) and washed with distilled water to obtain a carbon nanofiber-ionic liquid composite as an electrode active material for an ultracapacitor.

이렇게 제조된 탄소나노섬유-이온성액체 복합체는 이온성액체가 갖는 질소에 의해 질소 관능기를 함유하며, 전해질 이온, 분산매 등이 유입되거나 배출되는 통로를 제공하는 수많은 기공을 갖는 다공성으로 이루어지며, 비표면적이 1,000∼2,000 ㎡/g 범위이다.
The carbon nanofiber-ionic liquid composite thus prepared contains nitrogen functional groups by the nitrogen of the ionic liquid and is made of porous material having numerous pores for providing a passage through which electrolyte ions, dispersion medium, etc. are introduced or discharged, The surface area is in the range of 1,000 to 2,000 m 2 / g.

도 6은 실험예에서 사용된 탄소나노섬유와 실험예에 따라 제조된 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 X-선 광전자 분광(X-ray photoelectron spectroscopy; XPS) 분석 결과를 보여주는 그래프이다. 도 6에서 (a)는 실험예에서 사용된 탄소나노섬유의 X-선 광전자 분광(XPS) 결과이고, (b)는 실험예에 따라 제조된 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 X-선 광전자 분광(XPS) 결과이다. FIG. 6 is a graph showing X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis results of the carbon nanofibers-ionic liquid composite prepared according to Experimental Example. 6 (a) is a result of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of the carbon nanofibers used in Experimental Example, and (b) is the X-ray photoelectron spectrum of the carbon nanofiber-ionic liquid composite prepared according to Experimental Example Spectral (XPS) results.

아래의 표 1에 실험예에서 사용된 탄소나노섬유와 실험예에 따라 제조된 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 X-선 광전자 분광 분석 결과를 나타내었다. Table 1 below shows the X-ray photoelectron spectroscopic results of the carbon nanofibers used in the experimental examples and the carbon nanofibers-ionic liquid composite prepared according to the experimental examples.

구분division 탄소(C) 함량(원자%)Carbon (C) content (atomic%) 산소(O) 함량(원자%)Oxygen (O) content (atomic%) 질소(N) 함량(원자%)Nitrogen (N) content (atom%) 탄소나노섬유Carbon nanofiber 97.297.2 2.82.8 탄소나노섬유-이온성액체 복합체Carbon nanofibers - ionic liquid complex 90.790.7 7.17.1 2.22.2

도 6 및 표 1을 참조하면, 실험예에서 사용된 탄소나노섬유에는 질소 관능기가 함유되어 있지 않은 것으로 나타났으며, 실험예에 따라 제조된 탄소나노섬유-이온성액체 복합체에는 질소 관능기가 도입되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 질소 함량은 2.2 원자%를 나타내었다.
Referring to FIG. 6 and Table 1, it was found that the carbon nanofibers used in the Experimental Example did not contain nitrogen functional groups, and the nitrogen functional groups were introduced into the carbon nanofiber-ionic liquid composite prepared according to Experimental Example . The nitrogen content of the carbon nanofiber - ionic liquid composite was 2.2 atomic%.

도 7은 실험예에 따라 제조된 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 전계방사 주사전자현미경(field emission-scanning electron microscope; FE-SEM) 사진이다.
7 is a field emission-scanning electron microscope (FE-SEM) photograph of carbon nanofiber-ionic liquid composite prepared according to Experimental Example.

도 8은 실험예에 따라 제조된 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 전류밀도(current density)에 따른 비축전용량(specific capacitance) 변화를 보여주는 그래프이다. FIG. 8 is a graph showing a specific capacitance change according to a current density of a carbon nanofiber-ionic liquid composite prepared according to Experimental Example.

도 8을 참조하면, 전류밀도가 증가함에 따라 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 비축전용량은 약간 감소하는 것으로 나타났다. 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 비축전용량은 17∼20 F/g을 나타내었다.
Referring to FIG. 8, as the current density increases, the non-storage capacity of the carbon nanofiber-ionic liquid composite decreases slightly. The non-storage capacity of the carbon nanofiber-ionic liquid composite was 17-20 F / g.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, This is possible.

10: 울트라커패시터 전극 50: 금속 캡
60: 분리막 70: 가스켓
110: 작업전극 120: 양극
130: 제1 리드선 140: 제2 리드선
150: 제1 분리막 160: 제2 분리막
170: 접착 테이프 175: 권취소자
180: 실링 고무 190: 금속캡
195: 리튬 호일10: ultracapacitor electrode 50: metal cap
60: Membrane 70: Gasket
110: working electrode 120: positive electrode
130: first lead wire 140: second lead wire
150: first separator 160: second separator
170: Adhesive tape 175: Winding element
180: sealing rubber 190: metal cap
195: Lithium foil

Claims

탄소나노섬유와 질소 성분을 포함하는 이온성액체가 복합화된 것으로서,
상기 탄소나노섬유는 지름이 10∼900㎚ 이고, 종횡비가 10보다 크며,
비표면적이 1,000∼2,000 m²/g 범위이고,
질소 관능기를 함유하며,
전해질 이온이 유입되거나 배출되는 통로를 제공하는 복수의 기공들을 갖는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유-이온성액체 복합체.
Carbon nanofibers and an ionic liquid containing a nitrogen component,
Wherein the carbon nanofibers have a diameter of 10 to 900 nm, an aspect ratio of more than 10,
The specific surface area is in the range of 1,000 to 2,000 m ² / g,
Containing a nitrogen functional group,
Wherein the carbon nanofibers have a plurality of pores providing a passage through which electrolyte ions are introduced or discharged.

제1항에 있어서, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 비축전용량은 14∼22 F/g을 나타내는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유-이온성액체 복합체.
The carbon nanofiber-ionic liquid composite according to claim 1, wherein the non-storage capacity of the carbon nanofiber-ionic liquid composite is 14 to 22 F / g.

제1항에 있어서, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 질소 함량은 1.0∼3.0 원자%를 나타내는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유-이온성액체 복합체.
The carbon nanofiber-ionic liquid composite according to claim 1, wherein the carbon nanofiber-ionic liquid composite has a nitrogen content of 1.0 to 3.0 atomic%.

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제1항에 있어서, 상기 이온성액체는 에틸메틸이미다졸리움 클로라이드(EMIM Cl), 에틸메틸이미다졸리움 디시아나미드(EMIM DCA), 에틸메틸이미다졸리움 트리플루오르메탄설포네이트(EMIM Otf), 에틸메틸이미다졸리움 트리플루오르메틸 설포닐이마이드(EMIM TFSI), 에틸메틸이미다졸리움 아세테이트(EMIM Ac), 에틸메틸이미다졸리움 수화물(EMIM OH), 에틸메틸이미다졸리움 디에틸포스페이트(EMIM DEP), 에틸메틸이미다졸리움 메틸 카보네이트(EMIM MeOCO₂), 에틸메틸이미다졸리움 락테이트(EMIM Lactate), 부틸메틸이미다졸리움 클로라이드(BMIM Cl), 부틸메틸이미다졸리움 메틸카보네이트 용액(BMIM MeOCO₂), 부틸메틸이미다졸리움 트리플루오르메탄설포네이트(BMIM Otf), 부틸메틸이미다졸리움 트리플루오르메틸설포닐이마이드(EMIM TFSI), 부틸메틸이미다졸리움 트리플루오르아세테이트(BMIM CF₃CO₂) 및 디메틸이미다졸리움 메탄설포네이트(MMIM CH₃SO₃) 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유-이온성액체 복합체.
The process of claim 1, wherein the ionic liquid is selected from the group consisting of ethylmethylimidazolium chloride (EMIM Cl), ethylmethylimidazolium dicyanamide (EMIM DCA), ethylmethylimidazolium trifluoromethanesulfonate (EMIM Otf) (EMIM TFSI), ethylmethylimidazolium acetate (EMIM Ac), ethylmethylimidazolium hydrate (EMIM OH), ethylmethylimidazolium diethylphosphate (EMIM DEP ), Ethyl methyl imidazolium methyl carbonate (EMIM MeOCO ₂ ), ethyl methyl imidazolium lactate (EMIM Lactate), butyl methyl imidazolium chloride (BMIM Cl), butyl methyl imidazolium methyl carbonate solution (BMIM MeOCO ₂ ), Butylmethylimidazolium trifluoromethanesulfonate (BMIM Otf), butylmethylimidazolium trifluoromethylsulfonylimide (EMIM TFSI), butylmethylimidazolium trifluoride Tate (BMIM CF ₃ CO _2), and dimethyl imidazolium methane sulfonate (MMIM CH _₃ SO _3), characterized in that it comprises one or more materials that are selected from carbon nanofibres-ionic liquid composites.

질소 성분을 포함하는 이온성액체에 탄소나노섬유를 침적시키는 단계;
탄소나노섬유가 이온성액체에 침적된 결과물을 500∼1000℃ 범위의 온도에서 비활성 분위기에서 탄화처리하는 단계;
탄화처리된 결과물을 알칼리와 혼합하여 활성화 처리하는 단계; 및
활성화 처리된 결과물을 산(acid)으로 중화처리하고 세정하여 질소 관능기를 함유하는 탄소나노섬유-이온성액체 복합체를 얻는 단계를 포함하며,
상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 비표면적이 1,000∼2,000 m²/g 범위이고,
상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체는 전해질 이온이 유입되거나 배출되는 통로를 제공하는 복수의 기공들을 갖는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 제조방법.
Immersing the carbon nanofibers in an ionic liquid containing a nitrogen component;
Carbonizing the resultant of the carbon nanofibers immersed in the ionic liquid in an inert atmosphere at a temperature in the range of 500 to 1000 占 폚;
Mixing the carbonized product with an alkali to perform an activation treatment; And
Neutralizing the activated product with an acid and washing to obtain a carbon nanofiber-ionic liquid composite containing a nitrogen functional group,
Wherein the carbon nanofiber-ionic liquid composite has a specific surface area in the range of 1,000 to 2,000 m ² / g,
Wherein the carbon nanofiber-ionic liquid composite has a plurality of pores for providing a passage through which electrolyte ions are introduced or discharged.

제6항에 있어서, 상기 이온성액체는 에틸메틸이미다졸리움 클로라이드(EMIM Cl), 에틸메틸이미다졸리움 디시아나미드(EMIM DCA), 에틸메틸이미다졸리움 트리플루오르메탄설포네이트(EMIM Otf), 에틸메틸이미다졸리움 트리플루오르메틸 설포닐이마이드(EMIM TFSI), 에틸메틸이미다졸리움 아세테이트(EMIM Ac), 에틸메틸이미다졸리움 수화물(EMIM OH), 에틸메틸이미다졸리움 디에틸포스페이트(EMIM DEP), 에틸메틸이미다졸리움 메틸 카보네이트(EMIM MeOCO₂), 에틸메틸이미다졸리움 락테이트(EMIM Lactate), 부틸메틸이미다졸리움 클로라이드(BMIM Cl), 부틸메틸이미다졸리움 메틸카보네이트 용액(BMIM MeOCO₂), 부틸메틸이미다졸리움 트리플루오르메탄설포네이트(BMIM Otf), 부틸메틸이미다졸리움 트리플루오르메틸설포닐이마이드(EMIM TFSI), 부틸메틸이미다졸리움 트리플루오르아세테이트(BMIM CF₃CO₂) 및 디메틸이미다졸리움 메탄설포네이트(MMIM CH₃SO₃) 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 제조방법.
7. The method of claim 6, wherein the ionic liquid is selected from the group consisting of ethylmethylimidazolium chloride (EMIM Cl), ethylmethylimidazolium dicyanamide (EMIM DCA), ethylmethylimidazolium trifluoromethanesulfonate (EMIM Otf) (EMIM TFSI), ethylmethylimidazolium acetate (EMIM Ac), ethylmethylimidazolium hydrate (EMIM OH), ethylmethylimidazolium diethylphosphate (EMIM DEP ), Ethyl methyl imidazolium methyl carbonate (EMIM MeOCO ₂ ), ethyl methyl imidazolium lactate (EMIM Lactate), butyl methyl imidazolium chloride (BMIM Cl), butyl methyl imidazolium methyl carbonate solution (BMIM MeOCO ₂ ), Butylmethylimidazolium trifluoromethanesulfonate (BMIM Otf), butylmethylimidazolium trifluoromethylsulfonylimide (EMIM TFSI), butylmethylimidazolium trifluoride The method of the ionic liquid complex-Tate (BMIM CF ₃ CO _2), and dimethyl imidazolium methane sulfonate (MMIM CH _₃ SO ₃₎ in the carbon nanofiber comprising the one or more materials that are selected.

제6항에 있어서, 상기 활성화 처리하는 단계는,
상기 탄화처리된 결과물과 상기 알칼리를 1:1∼10의 중량비로 혼합하는 단계;
혼합된 결과물을 분쇄하는 단계; 및
분쇄된 결과물을 600∼1000℃의 온도에서 비활성 분위기에서 열처리하는 단계를 포함하며,
상기 알칼리는 수산화칼륨(KOH) 및 수산화나트륨(NaOH) 중에서 선택된 1종 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 제조방법.
7. The method according to claim 6,
Mixing the carbonized product with the alkali at a weight ratio of 1: 1 to 10;
Pulverizing the mixed product; And
Heat treating the pulverized product in an inert atmosphere at a temperature of 600 to 1000 DEG C,
Wherein the alkali is at least one material selected from potassium hydroxide (KOH) and sodium hydroxide (NaOH).

제6항에 있어서, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 비축전용량은 14∼22 F/g을 나타내고,
상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 질소 함량은 1.0∼3.0 원자%를 나타내며,
상기 탄소나노섬유는 지름이 10∼900㎚ 이고, 종횡비가 10보다 큰 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 제조방법.
7. The method of claim 6, wherein the non-storage capacity of the carbon nanofiber-ionic liquid composite is from 14 to 22 F / g,
The nitrogen content of the carbon nanofiber-ionic liquid composite is from 1.0 to 3.0 atomic%
Wherein the carbon nanofibers have a diameter of 10 to 900 nm and an aspect ratio of 10 or more.

탄소나노섬유와 질소 성분을 포함하는 이온성액체가 복합화된 것으로서, 상기 탄소나노섬유는 지름이 10∼900㎚ 이고, 종횡비가 10보다 크며, 비표면적이 1,000∼2,000 m²/g 범위이고 질소 관능기를 함유하며 전해질 이온이 유입되거나 배출되는 통로를 제공하는 복수의 기공들을 갖는 탄소나노섬유-이온성액체 복합체를 포함하고,
상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체는 양극과 음극의 전극활물질로 사용하며,
상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막이 배치되며,
상기 양극, 상기 분리막 및 상기 음극은 전해액에 함침되어 있고,
상기 전해액은 비수계 전해액으로 이루어진 것을 특징으로 하는 울트라커패시터.
Wherein the carbon nanofibers have a diameter of 10 to 900 nm, an aspect ratio of more than 10, a specific surface area of 1,000 to 2,000 m ² / g and a nitrogen functional group A carbon nanofiber-ionic liquid composite having a plurality of pores for providing a passage through which electrolyte ions are introduced or discharged,
The carbon nanofiber-ionic liquid composite is used as an electrode active material for the positive electrode and the negative electrode,
A separation membrane for preventing a short circuit between the anode and the cathode is disposed between the anode and the cathode,
Wherein the anode, the separator, and the cathode are impregnated with an electrolytic solution,
Wherein the electrolyte is made of a non-aqueous liquid electrolyte.

제10항에 있어서, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 비축전용량은 14∼22 F/g을 나타내는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터.
The ultracapacitor of claim 10, wherein the non-storage capacity of the carbon nanofiber-ionic liquid composite is from 14 to 22 F / g.

제10항에 있어서, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 질소 함량은 1.0∼3.0 원자%를 나타내는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터.
The ultracapacitor of claim 10, wherein the carbon nanofiber-ionic liquid composite has a nitrogen content of 1.0 to 3.0 atomic%.

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제10항에 있어서, 상기 이온성액체는 에틸메틸이미다졸리움 클로라이드(EMIM Cl), 에틸메틸이미다졸리움 디시아나미드(EMIM DCA), 에틸메틸이미다졸리움 트리플루오르메탄설포네이트(EMIM Otf), 에틸메틸이미다졸리움 트리플루오르메틸 설포닐이마이드(EMIM TFSI), 에틸메틸이미다졸리움 아세테이트(EMIM Ac), 에틸메틸이미다졸리움 수화물(EMIM OH), 에틸메틸이미다졸리움 디에틸포스페이트(EMIM DEP), 에틸메틸이미다졸리움 메틸 카보네이트(EMIM MeOCO₂), 에틸메틸이미다졸리움 락테이트(EMIM Lactate), 부틸메틸이미다졸리움 클로라이드(BMIM Cl), 부틸메틸이미다졸리움 메틸카보네이트 용액(BMIM MeOCO₂), 부틸메틸이미다졸리움 트리플루오르메탄설포네이트(BMIM Otf), 부틸메틸이미다졸리움 트리플루오르메틸설포닐이마이드(EMIM TFSI), 부틸메틸이미다졸리움 트리플루오르아세테이트(BMIM CF₃CO₂) 및 디메틸이미다졸리움 메탄설포네이트(MMIM CH₃SO₃) 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터.
11. The method of claim 10, wherein the ionic liquid is selected from the group consisting of ethyl methyl imidazolium chloride (EMIM Cl), ethyl methyl imidazolium dicyanamide (EMIM DCA), ethyl methyl imidazolium trifluoromethanesulfonate (EMIM Otf) (EMIM TFSI), ethylmethylimidazolium acetate (EMIM Ac), ethylmethylimidazolium hydrate (EMIM OH), ethylmethylimidazolium diethylphosphate (EMIM DEP ), Ethyl methyl imidazolium methyl carbonate (EMIM MeOCO ₂ ), ethyl methyl imidazolium lactate (EMIM Lactate), butyl methyl imidazolium chloride (BMIM Cl), butyl methyl imidazolium methyl carbonate solution (BMIM MeOCO ₂ ), Butylmethylimidazolium trifluoromethanesulfonate (BMIM Otf), butylmethylimidazolium trifluoromethylsulfonylimide (EMIM TFSI), butylmethylimidazolium trifluoride Tate (BMIM CF ₃ CO _2), and dimethyl imidazolium methane sulfonate (MMIM CH _₃ SO ₃₎ ultracapacitor comprising the one or more materials that are selected from.

탄소나노섬유와 질소 성분을 포함하는 이온성액체가 복합화된 것으로서 비표면적이 1,000∼2,000 m²/g 범위이고 질소 관능기를 함유하며 전해질 이온이 유입되거나 배출되는 통로를 제공하는 복수의 기공들을 갖는 탄소나노섬유-이온성액체 복합체, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 울트라커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계;
상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 울트라커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계;
전극 형태로 형성된 결과물을 100℃∼350℃의 온도에서 건조하여 울트라커패시터 전극을 형성하는 단계; 및
상기 울트라커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 양극, 상기 분리막 및 상기 음극을 비수계 전해액에 함침시키는 단계를 포함하며,
상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체는,
질소 성분을 포함하는 이온성액체에 탄소나노섬유를 침적시키는 단계;
탄소나노섬유가 이온성액체에 침적된 결과물을 500∼1000℃ 범위의 온도에서 비활성 분위기에서 탄화처리하는 단계;
탄화처리된 결과물을 알칼리와 혼합하여 활성화 처리하는 단계; 및
활성화 처리된 결과물을 산(acid)으로 중화처리하고 세정하는 단계를 통해 얻어지는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터의 제조방법.
Carbon having a plurality of pores which have carbon nanofibers and ionic liquids containing nitrogen components and which have a specific surface area of 1,000 to 2,000 m ² / g and contain nitrogen functional groups and which provide a passage through which electrolyte ions are introduced or discharged Preparing a composition for an ultracapacitor electrode by mixing a nanofiber-ionic liquid composite, a conductive material, a binder, and a dispersion medium;
The composition for the ultracapacitor electrode may be formed into an electrode form by pressing the composition for the ultracapacitor electrode or may be formed into an electrode form by coating the composition for the ultracapacitor electrode with a metal foil, To form an electrode;
Drying the resultant product in an electrode form at a temperature of 100 ° C to 350 ° C to form an ultracapacitor electrode; And
A separator for preventing the short circuit between the positive electrode and the negative electrode is disposed between the positive electrode and the negative electrode and the positive electrode and the negative electrode are impregnated with the non- &Lt; / RTI >
In the carbon nanofiber-ionic liquid composite,
Immersing the carbon nanofibers in an ionic liquid containing a nitrogen component;
Carbonizing the resultant of the carbon nanofibers immersed in the ionic liquid in an inert atmosphere at a temperature in the range of 500 to 1000 占 폚;
Mixing the carbonized product with an alkali to perform an activation treatment; And
And neutralizing the activated product with an acid and cleaning the resultant product.

제15항에 있어서, 상기 이온성액체는 에틸메틸이미다졸리움 클로라이드(EMIM Cl), 에틸메틸이미다졸리움 디시아나미드(EMIM DCA), 에틸메틸이미다졸리움 트리플루오르메탄설포네이트(EMIM Otf), 에틸메틸이미다졸리움 트리플루오르메틸 설포닐이마이드(EMIM TFSI), 에틸메틸이미다졸리움 아세테이트(EMIM Ac), 에틸메틸이미다졸리움 수화물(EMIM OH), 에틸메틸이미다졸리움 디에틸포스페이트(EMIM DEP), 에틸메틸이미다졸리움 메틸 카보네이트(EMIM MeOCO₂), 에틸메틸이미다졸리움 락테이트(EMIM Lactate), 부틸메틸이미다졸리움 클로라이드(BMIM Cl), 부틸메틸이미다졸리움 메틸카보네이트 용액(BMIM MeOCO₂), 부틸메틸이미다졸리움 트리플루오르메탄설포네이트(BMIM Otf), 부틸메틸이미다졸리움 트리플루오르메틸설포닐이마이드(EMIM TFSI), 부틸메틸이미다졸리움 트리플루오르아세테이트(BMIM CF₃CO₂) 및 디메틸이미다졸리움 메탄설포네이트(MMIM CH₃SO₃) 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터의 제조방법.
16. The method of claim 15, wherein the ionic liquid is selected from the group consisting of ethyl methyl imidazolium chloride (EMIM Cl), ethyl methyl imidazolium dicyanamide (EMIM DCA), ethyl methyl imidazolium trifluoromethanesulfonate (EMIM Otf) (EMIM TFSI), ethylmethylimidazolium acetate (EMIM Ac), ethylmethylimidazolium hydrate (EMIM OH), ethylmethylimidazolium diethylphosphate (EMIM DEP ), Ethyl methyl imidazolium methyl carbonate (EMIM MeOCO ₂ ), ethyl methyl imidazolium lactate (EMIM Lactate), butyl methyl imidazolium chloride (BMIM Cl), butyl methyl imidazolium methyl carbonate solution (BMIM MeOCO ₂ ), Butylmethylimidazolium trifluoromethanesulfonate (BMIM Otf), butylmethylimidazolium trifluoromethylsulfonylimide (EMIM TFSI), butylmethylimidazolium trifluoride Tate (BMIM CF ₃ CO _2), and dimethyl imidazolium methane sulfonate (MMIM CH _₃ SO ₃₎ The method of ultracapacitor comprising the one or more materials that are selected from.

제15항에 있어서, 상기 활성화 처리하는 단계는,
상기 탄화처리된 결과물과 상기 알칼리를 1:1∼10의 중량비로 혼합하는 단계;
혼합된 결과물을 분쇄하는 단계; 및
분쇄된 결과물을 600∼1000℃의 온도에서 비활성 분위기에서 열처리하는 단계를 포함하며,
상기 알칼리는 수산화칼륨(KOH) 및 수산화나트륨(NaOH) 중에서 선태된 1종 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 울트라커패시터의 제조방법.
16. The method according to claim 15,
Mixing the carbonized product with the alkali at a weight ratio of 1: 1 to 10;
Pulverizing the mixed product; And
Heat treating the pulverized product in an inert atmosphere at a temperature of 600 to 1000 DEG C,
Wherein the alkali is at least one selected from potassium hydroxide (KOH) and sodium hydroxide (NaOH).

제15항에 있어서, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 비축전용량은 14∼22 F/g을 나타내고,
상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체의 질소 함량은 1.0∼3.0 원자%를 나타내며,
상기 탄소나노섬유는 지름이 10∼900㎚ 이고, 종횡비가 10보다 큰 것을 특징으로 하는 울트라커패시터의 제조방법.16. The method of claim 15, wherein the non-storage capacity of the carbon nanofiber-ionic liquid composite is from 14 to 22 F / g,
The nitrogen content of the carbon nanofiber-ionic liquid composite is from 1.0 to 3.0 atomic%
Wherein the carbon nanofibers have a diameter of 10 to 900 nm and an aspect ratio of 10 or more.