KR101922116B1 - Electrode for electrochemical capacitor and electrochemical capacitor including the electrode - Google Patents
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Abstract
개시된 전기화학 커패시터용 전극은, 직물형 도전성 기판과, 상기 직물형 도전성 기판 상에 마련되는 복수의 나노와이어와, 상기 나노와이어들의 표면에 형성되는 나노입자층을 포함한다. The disclosed electrode for an electrochemical capacitor includes a woven conductive substrate, a plurality of nanowires provided on the woven conductive substrate, and a nanoparticle layer formed on the surface of the nanowires.
Description
전기화학 커패시터에 관한 것으로, 상세하게는 전기화학 커패시터용 전극에 관한 것이다. More particularly, to an electrode for an electrochemical capacitor.
초고용량 커패시터(supercapacitor 또는 ultracapacitor)로 알려져 있는 전기화학 커패시터는 전해질과 전극 사이의 계면에서 발생되는 전하 저장을 이용한 에너지 저장장치이다. 이러한 전기화학 커패시터는 전해 콘덴서와 이차전지의 중간적인 특성을 갖는 것으로, 급속 충방전이 가능하며, 높은 효율, 반영구적인 수명 특성으로 이차전지의 병용 및 대체 가능한 에너지 저장장치로 각광을 받고 있다. 1980년대에는 활성 탄소재료의 고비표면적을 이용한 소형 전기이중층 커패시터(EDLC; Electric Double Layer Capacitor)가 각종 전자기기의 메모리 백업용으로 상용화되었으며, 최근 들어 전극 재료와 제조기술의 발달로 고출력 특성의 중,대형 제품이 개발되어 효율적인 에너지 사용을 위해 군용, 우주 항공 및 의료용 등의 고부가 장비의 대출력 전원, HEV(Hybrid Electric Vehicle), FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)의 추진 동력시스템, 대체에너지 부하변동 대응 전원 시스템 등 차세대 고신뢰성 에너지 저장장치로서 중요성이 크게 부각되고 있다.Electrochemical capacitors, known as supercapacitors or ultracapacitors, are energy storage devices that use charge storage at the interface between the electrolyte and the electrode. Such electrochemical capacitors have intermediate characteristics between an electrolytic capacitor and a secondary battery, and can be rapidly charged and discharged. As a result of their high efficiency and semi-permanent lifetime characteristics, they are attracting attention as a combined use of secondary batteries and replaceable energy storage devices. In the 1980s, electric double layer capacitors (EDLC) using high specific surface area of activated carbon materials were commercialized for memory backup of various electronic devices. In recent years, due to development of electrode material and manufacturing technology, The products have been developed and used for high energy use such as military, aerospace and medical equipment, HEV (Hybrid Electric Vehicle), FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle) propulsion power system, The importance of energy storage devices has increased.
활성 탄소계 전기화학 커패시터는 가장 먼저 상용화되어 각종 전자기기의 메모리 백업용으로 사용되고 있으며, 유기 전해질 시스템에서는 알루미늄-활성탄소 복합 전극의 제조기술 도입으로 ESR(Equivalent Series Resistance)이 현저하게 감소된 커패시터가 개발됨으로써 출력 특성을 향상시킨 중대형의 제품 개발에 관심이 집중되고 있다. 활성 탄소를 전극으로 사용하는 전기화학 커패시터를 전기 이중층 커패시터라고 부르며, 알루미늄 전해 콘덴서에 비해 용량이 비약적으로 증가되었으며 극성이 바뀌어도 파괴되지 않는 장점이 있다. 활성탄소 전극재료의 경우 비정전용량은 비표면적에 비례하므로 다공성을 부여하여 전극재료의 고용량화에 따라 에너지 밀도의 향상을 꾀하고 있다. 그러나, 활성 탄소의 비저항을 낮추기 위하여 다공성을 감소시키면 비표면적이 감소하게 되어 에너지 밀도가 낮아지게 된다. Active carbon-based electrochemical capacitors are first commercialized and used for memory backup of various electronic devices. In the organic electrolyte system, capacitors with remarkably reduced ESR (Equivalent Series Resistance) were developed by adopting the manufacturing technology of aluminum-activated carbon composite electrode There is a growing interest in developing mid- to large-sized products that have improved output characteristics. An electrochemical capacitor using an activated carbon as an electrode is called an electric double layer capacitor. The capacity of the electrochemical capacitor is remarkably increased compared to an aluminum electrolytic capacitor, and is not destroyed even if the polarity is changed. In the case of the activated carbon electrode material, since the non-ionic capacity is proportional to the specific surface area, porosity is imparted to improve the energy density according to the capacity of the electrode material. However, if the porosity is reduced to lower the specific resistance of the activated carbon, the specific surface area is decreased, and the energy density is lowered.
전도성 고분자는 경량 소재로서 각광을 받고 있는 전극 재료이지만, 현재까지 고분자의 열화 특성을 제어하기가 용이하지 않기 때문에 상용화에는 다소 시간이 걸리 예정이다. 그리고, 금속 산화물 전극 재료의 경우에는 RuO2는 박막 전극으로 제조할 경우 저항이 낮아 고출력 특성의 초고용량 커패시터를 제조할 수 있으며, 비정질의 수화물(RuO2XH2O)을 전극 재료로 사용하면 비정전용량이 월등하게 증가된다고 보고되고 있다. 다만, 루테늄의 높은 가격이 단점으로 지적되고 있어 가격이 싼 니켈 등을 사용하는 전극 재료의 개발 연구가 많이 시도되고 있으며, 전극 재료의 특성을 제어함으로써 용도에 따른 차별화된 특성을 갖는 전극 재료 개발에 대한 연구도 진행되고 있다.
The conductive polymer is an electrode material that is spotlighted as a lightweight material. However, since it is not easy to control the deterioration characteristics of the polymer up to now, it will take some time for commercialization. In the case of the metal oxide electrode material, RuO 2 can be manufactured as a thin-film electrode, so that a very high-capacity capacitor with high output characteristics can be manufactured. When amorphous hydrate (RuO 2 XH 2 O) is used as an electrode material, It is reported that the capacity is significantly increased. However, since the high price of ruthenium is pointed out as a disadvantage, researches on development of electrode materials using nickel and the like which are inexpensive are being widely tried. By controlling the characteristics of electrode materials, development of electrode materials having different characteristics Research is also underway.
본 발명의 실시예는 전기화학 커패시터용 전극 및 이를 포함하는 전기화학 커패시터를 제공한다.An embodiment of the present invention provides an electrode for an electrochemical capacitor and an electrochemical capacitor including the same.
본 발명의 일 측면에 있어서, In one aspect of the present invention,
직물형 도전성 기판;A woven-type conductive substrate;
상기 직물형 도전성 기판 상에 마련되는 복수의 나노와이어; 및A plurality of nanowires provided on the woven conductive substrate; And
상기 나노와이어들의 표면에 형성되는 나노입자층;을 포함하는 전기화학 커패시터용 전극이 제공된다.And a nanoparticle layer formed on the surface of the nanowires.
상기 나노와이어들은 예를 들면, ZnO, SnO2, Co3O4, Mn3O4, MnO, Fe2O3, Fe3O4, NiO, MoO3, MoO2, TiO2, CuO, Cu2O, LiFePO4, CeO2, RuO2, MnO2, Li4Ti5O12 또는 Li3V2(PO4)3 등 같은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 이러한 나노와이어들은 상기 직물형 도전성 기판 상에 수직 또는 일정한 각도로 경사지게 마련될 수 있다. The nanowires are, for example, ZnO, SnO 2, Co 3 O 4, Mn 3 O 4, MnO, Fe 2 O 3, Fe 3 O 4, NiO, MoO 3, MoO 2, TiO 2, CuO, Cu 2 O, LiFePO 4 , CeO 2 , RuO 2 , MnO 2 , Li 4 Ti 5 O 12, or Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 . These nanowires may be provided on the fabricated conductive substrate at an angle or at an angle.
상기 나노입자층은 예를 들면, Ni(OH)2 또는 Co(OH)2 등과 같은 금속 수산화물(metal hydroxide) 이나 전이금속을 포함할 수 있다. The nanoparticle layer may comprise, for example, a metal hydroxide such as Ni (OH) 2 or Co (OH) 2 , or a transition metal.
상기 직물형 도전성 기판은 직물 섬유(textile fiber)와, 상기 직물 섬유의 표면에 코팅된 도전층을 포함할 수 있다. The woven conductive substrate may include a textile fiber and a conductive layer coated on the surface of the fabric fiber.
상기 직물 섬유는 폴리머를 포함할 수 있으며, 상기 도전층은 하나 이상의 금속층을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 금속층은 Ni, Cu 및 Au 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The fabric fiber may comprise a polymer, and the conductive layer may comprise one or more metal layers. Here, the metal layer may include at least one of Ni, Cu, and Au.
본 발명의 다른 측면에 있어서,In another aspect of the present invention,
한 쌍의 제1 및 제2 전극;A pair of first and second electrodes;
상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 채워지는 전해질(electrolyte); 및An electrolyte filled between the first electrode and the second electrode; And
상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 마련되는 분리막(separator);을 포함하고,And a separator provided between the first electrode and the second electrode,
상기 제1 및 제2 전극은 각각, 직물형 도전성 기판과, 상기 직물형 도전성 기판 상에 마련되는 복수의 나노와이어와, 상기 나노와이어들의 표면에 형성되는 나노입자층;을 포함하는 전기화학 커패시터가 제공된다.Wherein the first and second electrodes each comprise an electrochemical capacitor including a woven conductive substrate, a plurality of nanowires provided on the woven conductive substrate, and a nanoparticle layer formed on the surface of the nanowires do.
본 발명의 다른 측면에 있어서,In another aspect of the present invention,
직물 섬유의 표면에 도전층을 코팅하는 단계;Coating a conductive layer on the surface of the fabric fiber;
상기 도전층 상에 복수의 나노와이어를 성장시키는 단계; 및Growing a plurality of nanowires on the conductive layer; And
상기 나노와이어들 표면에 나노입자층을 증착하는 단계;를 포함하는 전기화학 커패시터용 전극의 제조방법이 제공된다. And depositing a nanoparticle layer on the surface of the nanowires.
본 발명의 실시예에 의하면, 전기화학 커패시터용 전극이 유연한 재질의 직물형 도전성 기판과 상기 직물형 도전성 기판 상에 마련되는 나노구조체를 포함한다. 따라서, 상기 직물형 도전성 기판이 단단한 재질의 기판에 비하여 비표면적이 상대적으로 크며, 또한 그 유연성으로 인해 커패시터의 충방전 사이클시 발생하는 스트레스 및 소자의 지속적인 움직임으로 인해 발생되는 물리적인 스트레스에 대해 강한 내구성을 가질 수 있다. 그리고, 상기 직물형 도전성 기판 상에 성장된 복수의 나노와이어는 높은 비표면적을 제공하고, 높은 정전용량값을 가지는 물질을 포함하는 나노입자층이 나노와이어들 표면에 비교적 균일하게 증착됨으로써 고품질의 전기화학 커패시터를 제작할 수 있다. 이에 따라, 대용량, 고에너지, 고전력밀도를 가진 슈퍼 커패시터를 구현할 수 있으며, 이러한 슈퍼 커패시터는 군사용, 우주 항공용 및 의료용 등의 고부가 장비의 대출력 파워의 전원으로 사용될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, an electrode for an electrochemical capacitor includes a cloth-type conductive substrate of a flexible material and a nanostructure provided on the cloth-type conductive substrate. Therefore, the cloth-type conductive substrate has a relatively large specific surface area as compared with a rigid substrate, and the flexibility of the cloth-type conductive substrate is strong against the stress generated in the charging / discharging cycle of the capacitor and the physical stress caused by the continuous movement of the device. Durability. A plurality of nanowires grown on the woven conductive substrate provide a high specific surface area and a nanoparticle layer containing a material having a high capacitance value is deposited relatively uniformly on the surfaces of the nanowires, A capacitor can be manufactured. Accordingly, a super capacitor having a large capacity, a high energy, and a high power density can be realized. Such a super capacitor can be used as a power source for high output power of high value equipment such as military, aerospace, and medical.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 전기화학 커패시터의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 제1 전극(제2 전극)의 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 제1 전극(제2 전극)의 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 직물형 도전성 기판을 보여주는 사진들이다.
도 4c 및 도 4d는 직물형 도전성 기판에 성장된 ZnO 나노와이어들을 보여주는 사진들이다.
도 4e는 상기 ZnO 나노와이어들 표면에 증착된 Ni(OH)2 나노입자층을 보여조는 사진이다.
도 5는 도 1에 도시된 직물형 도전성 기판을 구성하는 직물 섬유 및 도전층을 도시한 것이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 전기화학 커패시터에서, 시간에 따른 충전-방전 사이클 및 전류 밀도에 따른 비정전용량을 도시한 것이다. 1 schematically shows a configuration of an electrochemical capacitor according to an exemplary embodiment of the present invention.
2 is a perspective view of the first electrode (second electrode) shown in FIG.
3 is a cross-sectional view of the first electrode (second electrode) shown in Fig.
4A and 4B are photographs showing a woven type conductive substrate.
4C and 4D are photographs showing ZnO nanowires grown on a woven conductive substrate.
4E is a photograph showing a layer of Ni (OH) 2 nanoparticles deposited on the surface of the ZnO nanowires.
Fig. 5 shows fabric fibers and conductive layers constituting the woven conductive substrate shown in Fig. 1. Fig.
FIGS. 6A and 6B illustrate the non-discharging capacity according to the charge-discharge cycle and the current density with time in the electrochemical capacitor according to the exemplary embodiment of the present invention, respectively.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, like reference numerals refer to like elements, and the size and thickness of each element may be exaggerated for clarity of explanation.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 전기화학 커패시터의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.1 schematically shows a configuration of an electrochemical capacitor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 전기화학 커패시터(100)는 서로 이격되게 마련되는 한 쌍의 제1 및 제2 전극(110,120)과, 상기 제1 전극(110)과 제2 전극(120) 사이를 채우는 전해질(electrolyte,140)과, 상기 제1 전극(110)과 제2 전극(120) 사이에 마련되어 상기 제1 및 제2 전극(110,120) 사이의 단락을 방지하기 위한 분리막(separator,130)을 포함한다. 여기서, 상기 제1 및 제2 전극(110,120)은 각각 양극 및 음극이 될 수 있다. 한편, 상기 제1 및 제2 전극(110,120)은 각각 음극 및 양극이 될 수도 있다. 이러한 제1 및 제2 전극(110,120) 상에는 각각 전류를 모아주는 제1 및 제2 집전체(151,152)가 더 마련될 수 있다. 1, an
상기 전해질(140) 이나 분리막(130)은 전기화학 커패시터에 통상적으로 사용되는 물질로 이루어질 수 있다. 상기 전해질(140)로는 수성 또는 유성 전해질, 예를 들면, 30 내지 35% KOH, 아세톤니트릴 중의 1M 테트라에틸암모늄 플루오로보레이트(TEABF4), 프로필렌 카르보네이트 중의 1M TEABF4 또는 1M LiPF6 등이 사용될 수 있다. 하지만 이는 단지 예시적인 것으로 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고, 상기 분리막(130)은 예를 들면, 종이(셀룰로오스계), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, PET, PTFE 또는 폴리아미드 등으로 제조된 중합체성 분리막이 사용될 수 있다. 하지만 이는 단지 예시적인 것으로 이에 한정되는 것은 아니다. The
도 2는 도 1에 도시된 제1 전극(제2 전극)의 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 제1 전극(제2 전극)의 단면도이다. FIG. 2 is a perspective view of the first electrode (second electrode) shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a sectional view of the first electrode (second electrode) shown in FIG.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 전기화학 커패시터(100)에 사용되는 제1 및 제2 전극(110,120)은 동일한 구조를 가지고 있다. 구체적으로, 상기 제1 및 제2 전극(110,120)은 각각 직물형 도전성 기판(111)과, 상기 직물형 도전성 기판(111) 상에 마련되는 복수의 나노구조체(112)를 포함한다. 상기 직물형 도전성 기판(111)은 유연한(flexible) 재질의 직물 섬유(textile fiber,111a)와, 상기 직물 섬유(111a)의 표면에 코팅된 도전층(111b)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 직물 섬유(111a)는 다수의 섬유 가닥들이 서로 소정 패턴으로 짜여진 2차원적 형상을 가질 수 있다. 이러한 직물 섬유(111a)는 예를 들면 폴리스티렌(polystyrene), 폴리에스터(polyester) 또는 폴리우레탄(polyurethane) 등과 같은 폴리머(polymer)를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 직물 섬유(111a)는 이외에도 다양한 재질로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 직물 섬유(111a)의 직경을 필요에 따라 다양하게 조절될 수 있으며, 예를 들면 대략 20~150㎛ 정도가 될 수 있다. 그러나, 이는 단지 예시적인 것으로 이외에도 상기 직물 섬유(111a)는 얼마든지 다른 직경을 가질 수 있다. Referring to FIGS. 2 and 3, the first and
상기 도전층(111b)은 상기 직물 섬유(111a)의 외면 전체를 덮도록 코팅될 수 있다. 여기서, 상기 도전층(111b)은 무전해 도금 또는 스퍼터링 방법 등을 통해 직물 섬유(111a)의 표면에 코팅될 수 있다. 이러한 도전층(111b)은 예를 들면 대략 100nm ~ 1㎛ 정도의 두께로 형성될 수 있다. 그러나, 이는 단지 예시적인 것으로 상기 도전층(111b)은 이외에도 다른 다양한 두께로 형성될 수도 있다. 상기 도전층(111b)은 하나 이상의 금속층으로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 금속층은 예를 들면, Ni, Cu 및 Au 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로, 상기 도전층(111b)은 이외에도 다른 다양한 도전성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 도전층(111b)은 상기 직물 섬유(111a) 상에 코팅된 Ni층 구조, 상기 직물 섬유(111a) 상에 코팅된 Cu층 구조, 상기 직물 섬유(111a) 상에 순차적으로 코팅된 Ni층 및 Cu층 구조나, Ni층 및 Au층 구조 등을 가질 수 있다. 하지만, 본 실시예는 이에 한정되는 것은 아니며 상기 도전층(111b)은 전술한 물질 이외에도 다른 다양한 금속 물질을 포함할 수 있으며, 또한 다양한 층 구조를 가질 수 있다. The
상기 직물형 도전성 기판(111) 상에는 복수의 나노구조체(112)가 마련되어 있다. 여기서, 상기 나노구조체들(112)은 직물형 도전성 기판(111) 상에 마련되는 복수의 나노와이어(112a)와, 상기 나노와이어들(112a) 표면에 형성되는 나노입자층(112b)을 포함한다. 여기서, 상기 나노와이어들(112a)은 직물형 도전성 기판(111) 상에 수직 또는 일정한 각도로 경사지게 마련될 수 있다. 상기 복수의 나노와이어(112a)는 제1 및 제2 전극(110,120)의 비표면적을 증대시키는 역할을 한다. 이러한 나노와이어들(112a)은 예를 들면, ZnO, SnO2, Co3O4, Mn3O4, MnO, Fe2O3, Fe3O4, NiO, MoO3, MoO2, TiO2, CuO, Cu2O, LiFePO4, CeO2, RuO2, MnO2, Li4Ti5O12, Li3V2(PO4)3 등과 같은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로 이외에 다른 물질을 포함할 수도 있다. 그리고, 상기 나노와이어들(112a)의 표면에는 높은 정전용량(capacitance) 값을 가지는 물질을 포함하는 나노입자층(112b)이 증착되어 있다. 상기 나노입자층(112b)은 높은 비표면적을 제공하는 나노와이어들(112a)의 표면에 비교적 균일하게 증착될 수 있다. 이러한 나노입자층(112b)은 전이금속(transition metal) 또는 금속 수산화물(metal hydroxide)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 금속 수산화물은 예를 들면, Ni(OH)2또는 Co(OH)2를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. A plurality of
도 4a 및 도 4b에는 다수의 섬유가닥들이 소정 패턴으로 짜여진 직물 섬유(111a) 의 표면에 도전층(111b)이 증착되어 형성된 직물형 도전성 기판(111)의 예시적인 모습이 도시되어 있다. 그리고, 도 4c 및 도 4d에는 도 4a 및 도 4b에 도시된 직물형 도전성 기판(111) 상에 복수의 ZnO 나노와이어들(112a)이 성장된 모습이 예시적으로 도시되어 있으며, 도 4e에는 도 4d에 도시된 ZnO 나노와이어들(112a)의 표면에 Ni(OH)2 나노입자층(112b)이 증착된 모습이 예시적으로 도시되어 있다. 그리고, 도 5에는 직물형 도전성 기판(111)의 직물 섬유(111a)로서 폴리에스터가 사용되고, 도전층(111b)이 폴리에스터의 표면에 Ni층, Cu층, Ni층 및 Au층이 순차적으로 적층된 구조를 가지는 경우가 예시적으로 도시되어 있다. Figs. 4A and 4B show an example of a woven
도 6a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 전기화학 커패시터의 시간에 따른 충전-방전 사이클을 도시한 것이며, 도 6b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 전기화학 커패시터의 전류 밀도에 따른 비정전용량을 도시한 것이다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 결과는 폴리에스터 표면에 Au층이 증착된 직물형 전도성 기판 상에 ZnO 나노와이을 성장시킨 다음, ZnO 나노와이어들 표면에 Ni(OH)2 나노입자층을 증착하여 제1 및 제2 전극을 제작하고, Ag/AgCl를 전해질로 사용한 전기화학 커패시터로부터 얻어진 것이다. 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 전기화학 커패시터에서는 충방전 사이클이 시간이 지나도 일정하고, 전류 밀도에 따른 비정전용량 값의 변화도 적으므로, 충방전의 재현성이 우수하다는 것을 알 수 있다. FIG. 6A illustrates a charge-discharge cycle over time of an electrochemical capacitor according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 6B illustrates a non-discharge capacity according to current density of an electrochemical capacitor according to an exemplary embodiment of the present invention. FIG. The results shown in FIGS. 6A and 6B are obtained by growing ZnO nanowires on a fabric-type conductive substrate on which an Au layer is deposited on a polyester surface, and then depositing a Ni (OH) 2 nanoparticle layer on the surfaces of ZnO nanowires 1 and the second electrode were fabricated and obtained from an electrochemical capacitor using Ag / AgCl as an electrolyte. 6A and 6B, in the electrochemical capacitor according to the exemplary embodiment of the present invention, the charging / discharging cycle is constant over time, and the variation of the non-discharging capacity value according to the current density is also small. It can be seen that it is excellent.
이상과 같이, 본 실시예에 따른 전기화학 커패시터(100)에 사용되는 제1 및 제2 전극(110,120)은 각각 직물형 도전성 기판(111)과 상기 직물형 도전성 기판(111) 상에 마련되는 나노구조체들(112)를 포함한다. 여기서, 상기 직물형 도전성 기판(111)은 유연한 재질로 이루어져 있으므로 단단한 재질의 기판에 비하여 비표면적이 상대적으로 크며, 또한 그 유연성으로 인해 커패시터의 충방전 사이클시 발생하는 스트레스 및 소자의 지속적인 움직임으로 인해 발생되는 물리적인 스트레스에 대해 강한 내구성을 가질 수 있다. 그리고, 상기 직물형 도전성 기판(111) 상에 성장된 복수의 나노와이어(112a)는 높은 비표면적을 제공하고, 높은 정전용량값을 가지는 물질(예를 들면, Ni(OH)2 등)을 포함하는 나노입자층(112b)이 나노와이어들(112a) 표면에 비교적 균일하게 증착됨으로써 고품질의 전기화학 커패시터, 즉 슈퍼 커패시터를 구현할 수 있다. As described above, the first and
이하에서는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 전기화학 커패시터용 전극을 제작하는 방법을 설명한다. 한편, 이하에서 설명되는 전극의 제작방법은 단지 예시적인 것으로, 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, a method of manufacturing an electrode for an electrochemical capacitor according to an exemplary embodiment of the present invention will be described. On the other hand, the method of manufacturing the electrode described below is merely illustrative and not restrictive.
먼저, 폴리머 계열의 직물 섬유 상에 Au층이 증착된 직물형 전도성 기판을 에탄올에 용해된 5mM의 zinc acetate dehydrate 용액에 담궈서 3~4 번 코팅한 다음, 170℃에서 약 10분 동안 열처리한다. 이어서, 200ml의 12mM zinc nitrate hexahydrate 수용액과 12mM hexamethyleneetetramine(HMTA)이 포함된 유리 용기 안에서 상기 직물형 전도성 기판을 대략 95℃ 정도에서 2시간 정도 가열하여 ZnO 나노와이어들을 합성한다. 합성 후에는 증류수에 의한 세척 과정을 거쳐 다시 100℃에서 4시간 정도 건조한다.First, a cloth-type conductive substrate on which an Au layer is deposited on a polymer-based woven fabric is dipped in a 5 mM zinc acetate dehydrate solution dissolved in ethanol, coated three to four times, and then heat-treated at 170 ° C for about 10 minutes. The fabricated conductive substrate is then heated in a glass container containing 200 ml of a 12 mM zinc nitrate hexahydrate aqueous solution and 12 mM hexamethyleneetetramine (HMTA) at about 95 ° C. for about 2 hours to synthesize ZnO nanowires. After the synthesis, it is washed with distilled water and dried again at 100 ° C for about 4 hours.
다음으로, 0.1 mM의 Ni(NO3)2 수용액을 준비한 다음, nickel nitrate의 완만한 가수분해 반응을 유도하기 위해 0.01 nM의 NH4(OH)2 용액 0.1mL를 일정간격을 첨가하여 겔 용액을 얻고, 이를 일정기간 숙성시킨다. 그리고, 이 용액에 ZnO 나노와이어들이 성장된 직물형 전도성 기판을 4시간 담게 되면, ZnO 나노와이어들 표면에 Ni(OH)2 나노입자층이 균일하게 증착된다. 이후, 세척 과정을 거쳐 하루 정도 80℃에서 건조하게 되면 본 실시예에 따른 전기화학 커패시터용 전극이 완성된다. Next, a 0.1 mM Ni (NO 3 ) 2 aqueous solution was prepared, and 0.1 mL of 0.01 nM NH 4 (OH) 2 solution was added at constant intervals to induce a gentle hydrolysis reaction of nickel nitrate. And aged for a certain period of time. Then, when the fabric-type conductive substrate on which the ZnO nanowires are grown is immersed in this solution for 4 hours, the Ni (OH) 2 nanoparticle layer is uniformly deposited on the surface of the ZnO nanowires. Thereafter, the substrate is dried at 80 캜 for about one day through a washing process, thereby completing the electrode for an electrochemical capacitor according to this embodiment.
이상에서 본 발명의 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the scope of the invention as defined by the appended claims.
100... 전기화학 커패시터 110... 제1 전극
111... 직물형 도전성 기판 111a... 직물 섬유
111b... 도전층 112... 나노구조체
112a... 나노와이어 112b... 나노입자층
120... 제2 전극 130... 분리막
140... 전해질 151... 제1 집전체
152.. 제2 집전체100 ...
111 ... woven
111b ...
112a ...
120 ...
140 ...
152 .. 2nd Total
Claims (18)
상기 직물형 도전성 기판 상에 마련되는 것으로, 금속 산화물을 포함하는 복수의 나노와이어; 및
상기 나노와이어들의 표면에 형성되는 것으로, 금속 수산화물(metal hydroxide)을 포함하는 나노입자층;을 포함하는 전기화학 커패시터용 전극.A woven-type conductive substrate;
A plurality of nanowires provided on the woven type conductive substrate, the nanowires including a metal oxide; And
And a nanoparticle layer formed on the surface of the nanowires, the nanoparticle layer including metal hydroxide.
상기 금속 산화물은 ZnO, SnO2, Co3O4, Mn3O4, MnO, Fe2O3, Fe3O4, NiO, MoO3, MoO2, TiO2, CuO, Cu2O, LiFePO4, CeO2, RuO2, MnO2, Li4Ti5O12, 및 Li3V2(PO4)3 중 적어도 하나를 포함하는 전기화학 커패시터용 전극.The method according to claim 1,
The metal oxide may be selected from the group consisting of ZnO, SnO 2 , Co 3 O 4 , Mn 3 O 4 , MnO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , NiO, MoO 3 , MoO 2 , TiO 2 , CuO, Cu 2 O, LiFePO 4 , CeO 2 , RuO 2 , MnO 2 , Li 4 Ti 5 O 12 , and Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 .
상기 나노와이어들은 상기 직물형 도전성 기판 상에 수직 또는 일정한 각도로 경사지게 마련되는 전기화학 커패시터용 전극. The method according to claim 1,
Wherein the nanowires are provided on the woven conductive substrate at an angle or at an angle.
상기 금속 수산화물은 Ni(OH)2 또는 Co(OH)2를 포함하는 전기화학 커패시터용 전극.The method according to claim 1,
Wherein the metal hydroxide comprises Ni (OH) 2 or Co (OH) 2 .
상기 직물형 도전성 기판은 직물 섬유(textile fiber)와, 상기 직물 섬유의 표면에 코팅된 도전층을 포함하는 전기화학 커패시터용 전극.The method according to claim 1,
Wherein the woven conductive substrate comprises a textile fiber and a conductive layer coated on the surface of the woven fiber.
상기 직물 섬유는 폴리머를 포함하는 전기화학 커패시터용 전극.8. The method of claim 7,
Wherein the fabric fiber comprises a polymer.
상기 도전층은 하나 이상의 금속층을 포함하는 전기화학 커패시터용 전극.8. The method of claim 7,
Wherein the conductive layer comprises at least one metal layer.
상기 금속층은 Ni, Cu 및 Au 중 적어도 하나를 포함하는 전기화학 커패시터용 전극.10. The method of claim 9,
Wherein the metal layer comprises at least one of Ni, Cu, and Au.
상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 채워지는 전해질(electrolyte); 및
상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 마련되는 분리막(separator);을 포함하고,
상기 제1 및 제2 전극은 각각, 직물형 도전성 기판과, 상기 직물형 도전성 기판 상에 마련되는 것으로 금속 산화물을 포함하는 복수의 나노와이어와, 상기 나노와이어들의 표면에 형성되는 것으로 금속 수산화물을 포함하는 나노입자층;을 포함하는 전기화학 커패시터.A pair of first and second electrodes;
An electrolyte filled between the first electrode and the second electrode; And
And a separator provided between the first electrode and the second electrode,
Wherein the first electrode and the second electrode each comprise a woven conductive substrate, a plurality of nanowires provided on the woven conductive substrate, the nanowires including a metal oxide, and a metal hydroxide formed on the surface of the nanowires An electrochemical capacitor comprising: a nanoparticle layer;
상기 직물형 도전성 기판은 직물 섬유와, 상기 직물 섬유의 표면에 코팅된 도전층을 포함하는 전기화학 커패시터.12. The method of claim 11,
Wherein the woven conductive substrate comprises woven fabric and a conductive layer coated on the surface of the woven fabric.
상기 직물 섬유는 폴리머를 포함하고, 상기 도전층은 하나 이상의 금속층을 포함하는 전기화학 커패시터. 15. The method of claim 14,
Wherein the fabric fiber comprises a polymer, and wherein the conductive layer comprises at least one metal layer.
상기 도전층 상에 복수의 나노와이어를 성장시키는 단계; 및
상기 나노와이어들 표면에 나노입자층을 증착하는 단계;를 포함며,
상기 복수의 나노와이어는 금속 산화물을 포함하고,
상기 나노입자층은 금속 수산화물을 포함하는 전기화학 커패시터용 전극의 제조방법. Coating a conductive layer on the surface of the fabric fiber;
Growing a plurality of nanowires on the conductive layer; And
And depositing a nanoparticle layer on the surface of the nanowires,
Wherein the plurality of nanowires comprise a metal oxide,
Wherein the nanoparticle layer comprises a metal hydroxide.
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| KR20130126796A (en) | 2013-11-21 |
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