KR102192291B1 - A method of manufacturing an electrode for a super capacitor including crumpled graphene and an electrode for a supercapacitor prepared thereby - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구겨진 그래핀을 포함하는 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법 및 이에 의해 제조된 슈퍼커패시터용 전극에 관한 것으로, 보다 상세하게는 할로겐 원소를 포함하는 환원제 용액에 2차원 산화그래핀 용액을 스프레이 방법으로 주입함에 따라, 스프레이 노즐을 통해 나가는 극소량의 2차원 산화그래핀 용액들이 할로겐 원소를 포함하는 환원제 용액에 비산되어, 입자들이 각각 다르게 용액에서 빠른 시간 내에 환원되면서, 수용액 상에서의 소수성의 증가로 인한 수축이 일어나, 3차원의 구겨진 그래핀 입자를 대량으로 생산할 수 있어, 기존의 2차원 그래핀의 제조공정에서 발생했던 응집 및 적층으로 인한 전기적, 기계적 물성의 감소를 해결할 수 있다. 또한, 상기의 방법으로 제조된 3차원의 구겨진 그래핀 입자와 탄소나노튜브 및 잔탄검 적절한 조성비로 혼합하여, 구겨진 그래핀의 큰 부피와 3차원 형상으로 인하여 기존의 전극에서 발생하는 문제점을 해결할 수 있다.The present invention relates to a method of manufacturing an electrode for a supercapacitor containing crumpled graphene, and to an electrode for a supercapacitor manufactured thereby, and more particularly, a method of spraying a two-dimensional graphene oxide solution in a reducing agent solution containing a halogen element As a result of the injection, a very small amount of two-dimensional graphene oxide solutions exiting through the spray nozzle are scattered into the reducing agent solution containing the halogen element, and the particles are reduced in a short time in the solution differently, due to the increase in hydrophobicity in the aqueous solution. As shrinkage occurs, it is possible to mass-produce three-dimensional crumpled graphene particles, thereby solving the reduction in electrical and mechanical properties due to aggregation and lamination occurring in the conventional two-dimensional graphene manufacturing process. In addition, by mixing the three-dimensional crumpled graphene particles prepared by the above method with the carbon nanotubes and xanthan gum at an appropriate composition ratio, problems occurring in the existing electrodes due to the large volume and three-dimensional shape of the crumpled graphene can be solved. have.

Description

구겨진 그래핀을 포함하는 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법 및 이에 의해 제조된 슈퍼커패시터용 전극{A method of manufacturing an electrode for a super capacitor including crumpled graphene and an electrode for a supercapacitor prepared thereby}A method of manufacturing an electrode for a supercapacitor including crumpled graphene, and an electrode for a supercapacitor manufactured thereby. {A method of manufacturing an electrode for a super capacitor including crumpled graphene and an electrode for a supercapacitor prepared thereby}

본 발명은 구겨진 그래핀을 포함하는 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법 및 이에 의해 제조된 슈퍼커패시터용 전극에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing an electrode for a supercapacitor including crumpled graphene, and to an electrode for a supercapacitor manufactured thereby.

그래핀은 흑연(Graphite)에서 박리된 한 층을 의미한다. 원자 수준의 두께를 가져 비표면적이 매우 높으며(> 2600 ㎡/g) 전도성이 매우 높은 특성을 지니고 있다. Graphene refers to a layer exfoliated from graphite. It has an atomic-level thickness, has a very high specific surface area (> 2600 ㎡/g) and has very high conductivity.

흑연(Graphite)을 한 층으로 박리시키기 위한 방법으로는 기계적 박리법, 화학증착법, 에피텍셜 합성법, 화학적 박리법이 있다. 이 4가지 박리법 중에서 화학적 박리법은 산화그래핀 형태로 얻을 수 있으며, 대면적과 대량생산이 용이하며, 흑연(Graphite)의 산화-환원 특성을 이용한 것이다. 이러한 산화그래핀(graphene oxide, GO)의 제조는 용액 공정이 용이하고, 전도도 및 용해도 등 물성의 제어가 쉽다. Methods for peeling graphite into one layer include mechanical peeling, chemical vapor deposition, epitaxial synthesis, and chemical peeling. Among these four exfoliation methods, the chemical exfoliation method can be obtained in the form of graphene oxide, and is easy to produce in large area and mass, and utilizes the oxidation-reduction properties of graphite. In the production of graphene oxide (GO), the solution process is easy, and physical properties such as conductivity and solubility are easily controlled.

하지만 산화그래핀 자체에는 매우 높은 빈도로 결함이 존재하여 전도도가 없으므로 환원공정을 거쳐야 하는데, 이 때 환원 그래핀 간의 강한 반데르발스 상호작용에 의해 일반적으로 비가역성 응집 및 나노층 간의 적층 현상이 생겨나고, 비표면적을 크게 감소시키며 공정성도 떨어지게 하므로 산화그래핀의 응용에 있어서 방해요소가 된다.However, since the graphene oxide itself has defects at a very high frequency and does not have conductivity, it must undergo a reduction process.In this case, irreversible aggregation and stacking between nanolayers generally occur due to strong Van der Waals interactions between the reduced graphene. As a result, the specific surface area is greatly reduced and fairness is also deteriorated, which is a hindrance factor in the application of graphene oxide.

한편, 슈퍼커패시터(Super capacitor)는 축전용량이 큰 커패시터로써, 전극과 전해질 사이 계면에서의 이온 이동이나 표면화학반응에 의한 충전 및 방전 현상을 이용한다. Meanwhile, a super capacitor is a capacitor having a large storage capacity, and uses a charge and discharge phenomenon due to ion migration or surface chemical reaction at an interface between an electrode and an electrolyte.

이와 같은 슈퍼커패시터는 전력밀도가 높고, 충방전 속도가 빠르다. 또한, 충반전 사이클 수명이 50만 사이클 이상으로 매우 길다는 특성을 가지며, 커패시터의 구조는 다공성 전극(electrode: 양극 및 음극), 분리막(separator), 전해질(electrolyte), 집전체(current collector: 구리 및 알루미늄)으로 이루어져 있다. Such a supercapacitor has a high power density and a fast charging and discharging speed. In addition, the charge/discharge cycle life is very long, more than 500,000 cycles, and the structure of the capacitor is a porous electrode (electrode: positive electrode and negative electrode), a separator, electrolyte, and current collector: copper. And aluminum).

슈퍼커패시터는 사용되는 전해질에 따라서 수용성과 비수용성으로 구분되며, 수용성 전해질의 예로 H2SO4가 있다. 수용성 전해질은 출력특성은 높지만 셀 당 1 V 정도의 낮은 작동전압을 나타내기 때문에, 에너지밀도가 낮다는 단점을 가지고 있다. 유기성 전해질의 경우 ESR(Equivalent Series Resistance:등가 직렬 저항)라고 하는 캐패시터가 가지고 있는 고유한 저항값 때문에 불리하지만, 셀당 약 2.3 V 내지 3 V의 작동전압을 가지므로 에너지밀도 특성이 우수하다.Supercapacitors are classified into water-soluble and non-aqueous depending on the electrolyte used, and H 2 SO 4 is an example of a water-soluble electrolyte. Although the water-soluble electrolyte has high output characteristics, it has a disadvantage of low energy density since it exhibits a low operating voltage of about 1 V per cell. In the case of an organic electrolyte, it is disadvantageous because of the inherent resistance value of a capacitor called ESR (Equivalent Series Resistance), but it has excellent energy density characteristics because it has an operating voltage of about 2.3 V to 3 V per cell.

슈퍼커패시터는 EDLC, Pseudo capacitor, Hybrid super capacitor로 나누어서 설명할 수 있다. EDLC(electric double-layer capacitors)는 전기이중층 매커니즘을 적용한 것으로, 전극재료는 활성탄(activated carbon), 카본 에어로젤 등이 쓰이며, 에너지 밀도 200 Wh/kg, 출력밀도 3 kW/kg 정도의 값을 가진다. Pseudo capacitor는 전극재료로 금속 산화물과 전도성 고분자 등이 쓰이며, 산화-환원 반응을 이용하여 화학 반응을 전기적 에너지로 전환하여 저장하는 방법이다. 마지막으로, 하이브리드 슈퍼커패시터(Hybrid supercapacitor)는 탄소/활성탄, 금속산화물, 리튬 이온 등을 전극 재료로 이용하며, 전기이중층과 산화-환원 반응, intercalation 방법을 사용한다.Supercapacitors can be divided into EDLC, pseudo capacitor, and hybrid super capacitor. EDLC (electric double-layer capacitors) employ an electric double-layer mechanism, and electrode materials are activated carbon, carbon aerogels, etc., and have an energy density of 200 Wh/kg and an output density of 3 kW/kg. Pseudo capacitors use metal oxides and conductive polymers as electrode materials, and are a method of converting and storing chemical reactions into electrical energy using oxidation-reduction reactions. Lastly, hybrid supercapacitors use carbon/activated carbon, metal oxide, lithium ions, etc. as electrode materials, and use an electric double layer, oxidation-reduction reaction, and intercalation method.

한편, 슈퍼커패시터의 성능을 향상시키기 위해서는 전극 소재에 이온을 흡착할 수 있는 유효면적을 늘려야하는데, 그래핀의 경우 앞에서 서술하였듯이, 건조 및 환원 공정 시에 층간 적층이 발생하여 비표면적이 크게 감소하거나 물성이 감소하여 슈퍼커패시터용 전극에 응용되는데 한계가 있다.On the other hand, in order to improve the performance of the supercapacitor, the effective area for adsorbing ions to the electrode material must be increased. As described above, in the case of graphene, the specific surface area is greatly reduced due to interlayer deposition during drying and reduction processes. Due to the decrease in physical properties, there is a limit to application to the supercapacitor electrode.

이를 위해 환원 그래핀의 나노구조를 제어하여 유효 비표면적을 크게 유지시키고, 층간 적층을 방지하는 방향으로 많은 연구가 진행되었으며, 구겨진 그래핀 나노구조가 대표적이다. 이를 위해서 제안된 구겨진 그래핀을 만들 수 있는 방법으로 스프레이 노즐을 통해 만들어진 산화그래핀 액적을 열을 통해 건조하며 환원시키는 방법과, 산화철 마이크로 입자를 주형으로 화학적으로 환원시키며 구김을 형성하는 방법이 있다. To this end, many studies have been conducted in the direction of controlling the nanostructure of reduced graphene to maintain a large effective specific surface area and preventing interlayer stacking, and crumpled graphene nanostructures are representative. For this, the proposed method for making crumpled graphene includes a method of drying and reducing graphene oxide droplets made through a spray nozzle through heat, and a method of chemically reducing iron oxide microparticles into a template to form wrinkles. .

하지만, 이러한 방법을 공정이 복잡하고, 구겨진 그래핀을 대량생산하는 방법으로는 적합하지 않으며, 열을 통한 환원 시 비가역적인 재적층 현상이 구겨진 그래핀에서도 일어나 높은 성능을 가지는 슈퍼커패시터의 전극으로 적합하지 못하다는 단점을 지니고 있다. However, this method is complicated in the process and is not suitable for mass production of crumpled graphene, and irreversible re-stacking phenomenon occurs even in crumpled graphene when reducing through heat, making it suitable as an electrode of a supercapacitor with high performance. It has the disadvantage of not being able to do so.

또한, 기존의 방법으로 제조된 구겨진 그래핀을 활물질로 이용하여 슈퍼커패시터용 전극은 구겨진 그래핀 입자가 부피가 크고 3차원 형상을 가짐으로 인하여 그래핀 입자 간의 연결이 부족하고, 집전체에서 구겨진 그래핀이 박리되는 등 전기화학적 성능과 전극의 내구성이 저하되는 문제점이 있다.In addition, since the crumpled graphene produced by the conventional method is used as an active material, the electrode for a supercapacitor lacks connection between the graphene particles due to the large volume of the crumpled graphene particles and having a three-dimensional shape. There is a problem in that the electrochemical performance and durability of the electrode are deteriorated, such as peeling of the pin.

한국 등록특허 제10-1716256호Korean Patent Registration No. 10-1716256

1. Small, 2012, 8, 2458-24631.Small, 2012, 8, 2458-2463 2. Nanoscale, 2012, 4, 5549-55632. Nanoscale, 2012, 4, 5549-5563 3. Advanced Functional Materials, 2015, 25, 3606-3614.3. Advanced Functional Materials, 2015, 25, 3606-3614.

따라서 본 발명자는 기존의 2차원 그래핀의 제조공정에서 발생했던 응집 및 적층으로 인한 전기적, 기계적 물성의 감소를 해결할 수 있는 3차원의 구겨진 그래핀을 간단한 공정으로 대량 생산 가능하면서도 단시간 내에 제조할 수 있는 공정을 개발하고, 이를 이용하여 높은 충방전 용량 및 안정적인 수명특성을 갖는 슈퍼커패시터용 전극으로 응용하고자 한다.Therefore, the present inventors can mass-produce three-dimensional crumpled graphene that can solve the reduction in electrical and mechanical properties due to agglomeration and lamination that occurred in the conventional two-dimensional graphene manufacturing process, but can be manufactured in a short time. It is intended to develop a process that has been developed and use it as an electrode for supercapacitors with high charge/discharge capacity and stable lifespan characteristics.

또한, 기존의 3차원의 구겨진 그래핀 입자를 이용하여 제조한 슈퍼커패시터용 전극이 갖는 전기화학적 성능 및 내구성의 저하를 해결할 수 있는 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.In addition, it is intended to provide a method of manufacturing an electrode for a supercapacitor capable of solving the deterioration of the electrochemical performance and durability of the electrode for a supercapacitor manufactured using conventional three-dimensional crumpled graphene particles.

본 발명의 일 측면은 (A) 환원제 용액에 산화그래핀 용액을 투입하는 단계; (B) 상기 산화그래핀 용액이 투입된 환원제 용액에 대해 반응을 수행하여 구겨진 그래핀 입자를 제조하는 단계; (C) 상기 구겨진 그래핀 입자, 탄소나노튜브, 잔탄검을 포함하는 바인더를 볼밀에 투입하고 분쇄하면서 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 및 (D) 상기 슬러리로 집전체를 코팅하고 건조하는 단계를 포함하는 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법에 관한 것이다.An aspect of the present invention is (A) adding a graphene oxide solution to a reducing agent solution; (B) preparing crumpled graphene particles by performing a reaction on the reducing agent solution into which the graphene oxide solution is added; (C) preparing a slurry by adding a binder including the crumpled graphene particles, carbon nanotubes, and xanthan gum to a ball mill and mixing while pulverizing; And (D) coating a current collector with the slurry and drying the electrode for a supercapacitor.

본 발명의 다른 측면은 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 슈퍼커패시터용 전극에 관한 것이다.Another aspect of the present invention relates to an electrode for a supercapacitor manufactured by the manufacturing method of the present invention.

본 발명에 따르면, 할로겐 원소를 포함하는 환원제 용액에 2차원 산화그래핀 용액을 스프레이 방법으로 주입함에 따라, 스프레이 노즐을 통해 나가는 극소량의 2차원 산화그래핀 용액들이 할로겐 원소를 포함하는 환원제 용액에 비산되어, 입자들이 각각 다르게 용액에서 빠른 시간 내에 환원되면서, 수용액 상에서의 소수성의 증가로 인한 수축이 일어나, 3차원의 구겨진 그래핀 입자를 대량으로 생산할 수 있어, 기존의 2차원 그래핀의 제조공정에서 발생했던 응집 및 적층으로 인한 전기적, 기계적 물성의 감소를 해결할 수 있다.According to the present invention, as a two-dimensional graphene oxide solution is injected into a reducing agent solution containing a halogen element by a spray method, a very small amount of two-dimensional graphene oxide solutions exiting through the spray nozzle is scattered on the reducing agent solution containing the halogen element. As the particles are reduced differently in a solution within a short time, shrinkage occurs due to the increase in hydrophobicity in the aqueous solution, and thus, three-dimensional crumpled graphene particles can be produced in large quantities, in the conventional two-dimensional graphene manufacturing process. It is possible to solve the reduction of electrical and mechanical properties due to aggregation and lamination that occurred.

또한, 상기의 방법으로 제조된 3차원의 구겨진 그래핀 입자와 탄소나노튜브 및 잔탄검 적절한 조성비로 혼합하여, 구겨진 그래핀의 큰 부피와 3차원 형상으로 인하여 기존의 전극에서 발생하는 문제점을 해결할 수 있다.In addition, by mixing the three-dimensional crumpled graphene particles prepared by the above method with the carbon nanotubes and xanthan gum at an appropriate composition ratio, problems occurring in the existing electrodes due to the large volume and three-dimensional shape of the crumpled graphene can be solved. have.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터용 전극을 제조 과정을 나타낸 이미지이다.
도 2a는 본 발명에 의해 제조된 구겨진 그래핀(CG)의 SEM 이미지이다.
도 2b는 본 발명의 비교예 2를 통하여 제조된 슈퍼커패시터용 전극(CG/PVDF/CNT)의 SEM 이미지이다.
도 2c는 본 발명의 실시예를 통하여 제조된 슈퍼커패시터용 전극(CG/XG/CNT)의 SEM 이미지이다.
도 3a는 비교예 1로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 GCD 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3b는 비교예 1로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 CV 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3c는 비교예 1로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 비축전용량 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4a는 비교예 2로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 GCD 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4b는 비교예 2로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 CV 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4c는 비교예 2로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 비축전용량 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5a는 실시예로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 GCD 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5b는 실시예로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 CV 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5c는 실시예로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 비축전용량 측정 결과를 나타내는 그래프이다.1 is an image showing a manufacturing process of an electrode for a supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
2A is a SEM image of crumpled graphene (CG) prepared by the present invention.
2B is an SEM image of an electrode for a supercapacitor (CG/PVDF/CNT) manufactured through Comparative Example 2 of the present invention.
2C is a SEM image of an electrode for a supercapacitor (CG/XG/CNT) manufactured through an embodiment of the present invention.
3A is a graph showing GCD measurement results of an electrode for a supercapacitor prepared from Comparative Example 1. FIG.
3B is a graph showing CV measurement results of an electrode for a supercapacitor prepared from Comparative Example 1. FIG.
3C is a graph showing a measurement result of specific storage capacity of an electrode for a supercapacitor prepared from Comparative Example 1. FIG.
4A is a graph showing GCD measurement results of an electrode for a supercapacitor prepared from Comparative Example 2. FIG.
4B is a graph showing CV measurement results of an electrode for a supercapacitor prepared from Comparative Example 2. FIG.
4C is a graph showing a measurement result of specific storage capacity of an electrode for a supercapacitor prepared from Comparative Example 2. FIG.
5A is a graph showing a GCD measurement result of an electrode for a supercapacitor prepared from Example.
5B is a graph showing the CV measurement result of the electrode for a supercapacitor prepared from the Example.
5C is a graph showing a measurement result of specific storage capacity of an electrode for a supercapacitor prepared from the Example.

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 설명한다.Hereinafter, various aspects and various embodiments of the present invention will be described in more detail.

종래의 2차원 그래핀은 슈퍼커패시터용 전극으로 제조함에 있어서, 그래핀과 그래핀 간의 강한 반데르발스 상호작용으로 인하여 비가역성 응집 및 적층 현상이 발생하고, 이러한 성질로 인하여 그래핀의 우수한 성질인 전기적, 기계적 물성이 저하되는 문제점이 있어왔다. 3차원 형태의 구겨진 그래핀 입자는 비표면적이 넓을 뿐만 아니라, 응집 및 적층 현상을 해결할 수 있기 때문에 슈퍼커패시터 전극에 쓰이기 적합하지만, 큰 부피와 3차원의 형상은 전극의 내구성 및 전기화학적 성능을 저하시키게 되었다. 따라서 본 발명에서는 간단한 공정으로 대량 생산이 가능하면서도 단시간 내에 구겨진 그래핀을 제조하고, 상기 구겨진 그래핀을 이용하여 우수한 전기화학적 성능을 갖는 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법을 제공한다.Conventional two-dimensional graphene is produced as an electrode for a supercapacitor, and irreversible aggregation and lamination occurs due to the strong Van der Waals interaction between graphene and graphene. , There has been a problem in that mechanical properties are deteriorated. Crumpled graphene particles in three-dimensional shape are suitable for use in supercapacitor electrodes because they not only have a large specific surface area, but also can solve agglomeration and lamination, but their large volume and three-dimensional shape degrade the durability and electrochemical performance of the electrode. I was told. Accordingly, the present invention provides a method of manufacturing an electrode for a supercapacitor having excellent electrochemical performance by manufacturing crumpled graphene within a short time while allowing mass production through a simple process, and using the crumpled graphene.

본 발명의 일 측면은, (A) 환원제 용액에 산화그래핀 용액을 투입하는 단계; (B) 상기 산화그래핀 용액이 투입된 환원제 용액에 대해 반응을 수행하여 구겨진 그래핀 입자를 제조하는 단계; (C) 상기 구겨진 그래핀 입자, 탄소나노튜브, 잔탄검을 포함하는 바인더를 볼밀에 투입하고 분쇄하면서 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 및 (D) 상기 슬러리로 집전체를 코팅하고 건조하는 단계를 포함하는 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법을 제공한다.One aspect of the present invention, (A) adding a graphene oxide solution to a reducing agent solution; (B) preparing crumpled graphene particles by performing a reaction on the reducing agent solution into which the graphene oxide solution is added; (C) preparing a slurry by adding a binder including the crumpled graphene particles, carbon nanotubes, and xanthan gum to a ball mill and mixing while pulverizing; And (D) it provides a method of manufacturing a supercapacitor electrode comprising the step of coating and drying a current collector with the slurry.

환원제 용액에 산화그래핀 용액을 투입하는 방식은 산화그래핀 용액에 환원제 용액을 투입하는 방식에 비해 형성되는 구겨진 그래핀의 응집도를 크게 낮출 수 있어 바람직하다. 두 용액을 바꾸어 실험을 진행하게 되면, 다른 모든 조건이 동일하더라도(물론 가열과 교반은 바뀐 산화그래핀 용액에 대해서 이루어진다), 훨씬 응집도가 높아진 상태로 구겨진 그래핀이 생성된다는 점을 확인하였다.The method of adding the graphene oxide solution to the reducing agent solution is preferable because the degree of aggregation of the crumpled graphene formed can be greatly reduced compared to the method of adding the reducing agent solution to the graphene oxide solution. It was confirmed that when the experiment was conducted by changing the two solutions, even if all other conditions were the same (of course, heating and stirring were performed for the changed graphene oxide solution), crumpled graphene was produced with a much higher degree of aggregation.

상기 탄소나노튜브는 구겨진 그래핀 입자 사이를 연결하여 전자 이동을 용이하게 하는 역할을 하여 구겨진 그래핀의 3차원 형상에 의해 그래핀 간의 연결이 부족했던 문제점을 해결할 수 있다. The carbon nanotubes serve to facilitate electron transfer by connecting the crumpled graphene particles, thereby solving the problem that the connection between graphenes is insufficient due to the three-dimensional shape of the crumpled graphene.

또한 상기 잔탄검은 점도가 좋고, 다양한 pH 범위에서도 점도를 유지하는 특성을 가져, 구겨진 그래핀과 탄소나노튜브 및 그래핀과 탄소나노튜브를 포함하는 전극 활물질과 집전체를 연결하는 바인더로 사용된다. 후술하는 실시예에서 확인할 수 있듯이, 다른 바인더를 사용한 전극에 비하여 잔탄검을 이용하는 경우 고율특성을 포함하는 전기화학적 성능이 크게 개선됨을 확인할 수 있었다.In addition, the xanthan gum has a good viscosity and maintains the viscosity even in various pH ranges, and is used as a binder connecting the electrode active material including crumpled graphene and carbon nanotubes, and graphene and carbon nanotubes, and a current collector. As can be seen in the examples to be described later, it was confirmed that the electrochemical performance including high rate characteristics was significantly improved when xanthan gum was used compared to the electrode using other binders.

일 구현예에 따르면, 상기 환원제는 할로겐 포함 환원제일 수 있다. 본 발명에서 환원제 중에서도 특히 할로겐 포함 환원제를 사용하는 경우 환원된 구겨진 그래핀의 기계적인 측면과 구겨진 구조적인 측면에서 유리하다. 본 발명에서 사용 가능한 할로겐 포함 환원제의 예에는 아이오딘화수소 등이 포함되나, 이에 한정되지 않는다.According to one embodiment, the reducing agent may be a halogen-containing reducing agent. In the present invention, in the case of using a reducing agent including halogen, among the reducing agents, it is advantageous in terms of mechanical and crumpled structural aspects of the crumpled reduced graphene. Examples of the halogen-containing reducing agent usable in the present invention include, but are not limited to, hydrogen iodide.

다른 구현예에 따르면, 상기 (A) 단계의 투입은 100 내지 800 mL/h의 공급속도로 스프레이 노즐을 통한 분사에 의해 수행되고, 상기 분사에 의해서 투입되는 액적의 평균 입경은 1 내지 100 ㎛일 수 있다.According to another embodiment, the injection of step (A) is performed by spraying through a spray nozzle at a supply rate of 100 to 800 mL/h, and the average particle diameter of the droplets injected by the spraying is 1 to 100 μm. I can.

상기 스프레이 노즐을 통한 분사는 주사기에 의한 첨가 또는 적가(dropwise addition)에 비해 형성된 그래핀의 입경 크기를 낮게 유지할 수 있어 유리하다.Spraying through the spray nozzle is advantageous because the particle size of the formed graphene can be kept low compared to the addition or dropwise addition by a syringe.

또한 공급속도가 만일 100 mL/h 미만인 경우 공정이 너무 느려지는 문제가 있을 수 있고, 800 mL/h를 초과하는 경우에는 구겨진 그래핀이 잘 형성되지 않는 문제가 있을 수 있어 바람직하지 않다.In addition, if the feed rate is less than 100 mL/h, there may be a problem that the process is too slow, and if it exceeds 800 mL/h, there may be a problem that crumpled graphene is not well formed, which is not preferable.

상기 액적의 평균 입경의 수치 범위를 벗어나는 경우에는 분산성 문제가 있을 수 있어 바람직하지 않다.If it is outside the numerical range of the average particle diameter of the droplet, there may be a dispersibility problem, which is not preferable.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 (A) 단계는 상기 환원제 용액이 40 내지 100 ℃로 승온되어 있고, 600 내지 1000 rpm으로 교반되고 있는 상태에서 수행되는 것이 바람직하다. 만일 40 ℃ 미만이면 반응 속도가 현저하게 감소하는 문제가 있을 수 있고, 100 ℃를 초과하면 용액의 증발 문제가 있을 수 있어 바람직하지 않다. 또한 600 rpm 미만이면 불균일한 구겨진 그래핀의 제조가 이루어질 수 있으며, 1000 rpm을 초과하면 반응기의 물리적 문제가 있을 수 있어 바람직하지 않다.According to another embodiment, the step (A) is preferably performed in a state in which the reducing agent solution is heated to 40 to 100° C. and stirred at 600 to 1000 rpm. If it is less than 40°C, there may be a problem that the reaction rate is significantly reduced, and if it exceeds 100°C, there may be a problem of evaporation of the solution, which is not preferable. In addition, if it is less than 600 rpm, non-uniform crumpled graphene may be prepared, and if it exceeds 1000 rpm, there may be a physical problem of the reactor, which is not preferable.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 산화그래핀 용액의 농도는 0.1 내지 15 g/L일 수 있다. 만일 0.1 g/L 미만이면 용매의 사용량이 너무 많은 문제가 있을 수 있고, 15 g/L를 초과하면 그래핀의 응집이 발생할 수 있어 바람직하지 않다.According to another embodiment, the concentration of the graphene oxide solution may be 0.1 to 15 g/L. If it is less than 0.1 g/L, there may be a problem in that the amount of solvent is too much, and if it exceeds 15 g/L, aggregation of graphene may occur, which is not preferable.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 반응은 산화그래핀 용액이 투입된 환원제 용액을 40 내지 100 ℃의 온도에서 4 내지 16 시간동안 교반함으로써 수행되는 것이 바람직하다. 만일 상기 온도 또는 수치 범위를 벗어나는 경우에는 불균일한 반응 문제가 있을 수 있어 바람직하지 않다.According to another embodiment, the reaction is preferably carried out by stirring the reducing agent solution into which the graphene oxide solution is added at a temperature of 40 to 100 °C for 4 to 16 hours. If it is out of the above temperature or numerical range, there may be a non-uniform reaction problem, which is not preferable.

본 발명에 따라 환원제 용액에 산화그래핀 용액을 투입하고 이 혼합 용액에 대해 반응을 수행함에 있어서 가장 바람직한 구현예에 따르면, (1) 아이오딘화수소를 환원제로 사용하고, (2) 상기 투입은 스프레이 노즐을 통한 분사에 의해 (3) 투입은 100 내지 800 mL/h의 공급속도로 수행하며, (4) 상기 환원제 용액이 40 내지 100 ℃로 승온되어 있고, (5) 600 내지 1,000 rpm으로 교반되는 상태에서 산화그래핀 용액을 분사하며, (6) 상기 산화그래핀 용액의 농도는 1 내지 10 g/L로 조절된 상태로 분사하는 것이 매우 중요하다.According to the most preferred embodiment in adding a graphene oxide solution to a reducing agent solution and performing a reaction on the mixed solution according to the present invention, (1) hydrogen iodide is used as a reducing agent, and (2) the injection is sprayed. By spraying through a nozzle (3) input is carried out at a supply rate of 100 to 800 mL/h, (4) the reducing agent solution is heated to 40 to 100 °C, and (5) stirred at 600 to 1,000 rpm. It is very important that the graphene oxide solution is sprayed in the state, and (6) the graphene oxide solution is sprayed in a state in which the concentration of the graphene oxide solution is adjusted to 1 to 10 g/L.

위 (1) 내지 (6)의 경우를 모두 만족하는 경우에는, 투입되는 산화그래핀 용액의 액적과 초기 운동속도에 영향을 받지 않고 균일한 입경의 구겨진 그래핀 입자를 얻을 수 있는 반면, 만일 위 (1) 내지 (6) 중에서 어느 하나라도 충족하지 않는 경우에는, 구겨진 그래핀 입자 크기가 투입되는 산화그래핀 용액의 액적과 초기 운동속도에 매우 민감하게 의존하기 때문에, 균일한 입경의 구겨진 그래핀 입자를 얻기 위해서는 투입되는 산화그래핀 용액의 액적과 초기 운동속도를 매우 세밀하게 최적화하는 단계를 추가로 거쳐야 하는 문제가 발생할 수 있어, 바람직하지 않다.If all of the above cases (1) to (6) are satisfied, it is possible to obtain crumpled graphene particles having a uniform particle size without being affected by the droplets of the graphene oxide solution and the initial motion speed to be injected. If any of (1) to (6) is not satisfied, the crumpled graphene particle size is very sensitive to the droplets of the graphene oxide solution to be introduced and the initial motion speed, so that the crumpled graphene of a uniform particle diameter In order to obtain the particles, there may be a problem in that an additional step of optimizing the droplets of the graphene oxide solution to be introduced and the initial motion speed very finely may occur, which is not preferable.

본 발명에서는 상기 (A) 및 (B) 단계를 거쳐 3차원 형태의 그래핀 입자를 대량 제조함으로써 그래핀의 응집 및 적층 현상을 해결하여 고비표면적 및 고전기전도도를 발현할 수 있다는 장점을 가질 뿐만 아니라, 제조 공정이 환원제 수용액에 직접 비산하는 단일 공정으로 이루어져있어, 고농도에서도 작업이 가능하며 scale-up을 진행하는데 용이하여 대량 생산에 적합한 점 또한 확인하였다. In the present invention, by mass-producing graphene particles in a three-dimensional form through the steps (A) and (B), not only has the advantage that a high specific surface area and high electric conductivity can be expressed by solving the phenomenon of aggregation and lamination of graphene. It was also confirmed that the manufacturing process consists of a single process that directly scatters the reducing agent solution, so that it is possible to work even at high concentrations and that it is easy to scale-up and is suitable for mass production.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 (C) 단계 이전에, 에탄올에 분산된 탄소나노튜브, 탈이온수(DI water)에 분산된 바인더를 준비하는 단계를 추가적으로 포함하고, 상기 에탄올에 분산된 탄소나노튜브는 에탄올을 제거한 상태로 상기 볼밀에 투입할 수 있다. 상기 탄소나노튜브는 원활한 분산을 위해 에탄올을 사용해야하지만, 상기 잔탄검은 에탄올에는 분산되지 않기 때문에, 에탄올이 포함될 경우 잔탄검의 점도가 감소할 위험이 있기 때문에 탄소나노튜브를 에탄올을 이용하여 분산시킨 후 에탄올을 제거하고 투입하는 것이 바람직하다.According to another embodiment, prior to the step (C), the carbon nanotubes dispersed in ethanol and a binder dispersed in DI water are additionally prepared, and the carbon nanotubes dispersed in ethanol May be added to the ball mill in a state where ethanol is removed. Ethanol should be used for smooth dispersion of the carbon nanotubes, but since the xanthan gum is not dispersed in ethanol, there is a risk that the viscosity of xanthan gum decreases when ethanol is included, so after dispersing the carbon nanotubes using ethanol It is preferable to remove and add ethanol.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 (C) 단계의 상기 볼밀에 투입되는 구겨진 그래핀 : 도전재 : 바인더의 중량비는 20:2.5:1 내지 13:1.5:1일 수 있다. 후술하는 실시예에서 확인할 수 있듯이, 잔탄검의 비율이 상기 범위보다 높은 경우, 전체 질량에서 전극 활물질이 차지하는 비율이 감소함에 따라 성능저하가 발생하게 되며, 잔탄검의 비율이 상기 범위보다 낮은 경우 집전체와 활물질간의 접착이 충분하지 못함에 따라 전극이 안정적으로 제조될 수 없다.According to another embodiment, the weight ratio of the crumpled graphene: conductive material: binder added to the ball mill in step (C) may be 20:2.5:1 to 13:1.5:1. As can be seen in the examples to be described later, when the ratio of xanthan gum is higher than the above range, performance degradation occurs as the proportion of the electrode active material in the total mass decreases, and when the ratio of xanthan gum is lower than the above range As adhesion between the whole and the active material is insufficient, the electrode cannot be stably manufactured.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 코팅은 닥터 블레이드법에 의해 수행될 수 있다. 상기 슬러리는 잔탄검을 포함하기 때문에 점도가 높아 스프레이 코팅, 스핀코팅에 비해 닥터 블레이드법에 의해 수행되는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to another embodiment, the coating may be performed by a doctor blade method. Since the slurry contains xanthan gum, it is preferably performed by a doctor blade method compared to spray coating and spin coating because of high viscosity, but is not limited thereto.

본 발명의 슈퍼커패시터용 전극을 제조함에 있어서, 본 발명의 가장 바람직한 구현예에 따르면, 상술한 환원제 용액에 산화그래핀 용액을 투입하고 이 혼합 용액에 대해 반응을 수행함에 있어서 바람직한 구현예로 요구되었던 (1) 내지 (6)의 조건에 더하여 (7) 상기 (C) 단계 이전에, 에탄올에 분산된 탄소나노튜브, 탈이온수(DI water)에 분산된 바인더를 준비하는 단계를 추가적으로 포함하고, 상기 에탄올에 분산된 탄소나노튜브는 에탄올을 제거한 상태로 상기 볼밀에 투입하며, (8) 그래핀 : 도전재 : 잔탄검을 포함하는 바인더의 중량비는 20:2.5:1 내지 13:1.5:1인 것 (9) 코팅은 닥터블레이드(Doctor Blade)법에 의해 수행의 (7) 및 (9)의 조건을 추가로 충족하는 것이 중요하다.In manufacturing the electrode for a supercapacitor of the present invention, according to the most preferred embodiment of the present invention, the graphene oxide solution was added to the above-described reducing agent solution and the reaction was performed on the mixed solution, which was required as a preferred embodiment. In addition to the conditions of (1) to (6), (7) before step (C), further comprising the step of preparing a carbon nanotube dispersed in ethanol and a binder dispersed in DI water, the Carbon nanotubes dispersed in ethanol are added to the ball mill while ethanol is removed, and (8) graphene: conductive material: the weight ratio of the binder containing xanthan gum is 20:2.5:1 to 13:1.5:1 ( 9) It is important that the coating additionally meets the conditions of (7) and (9) of the performance by the Doctor Blade method.

위 (1) 내지 (9)의 경우를 모두 만족하는 경우에는, 상기한 (1) 내지 (6)의 조건이 만족되었을 때, 투입되는 산화그래핀 용액의 액적과 초기 운동속도에 영향을 받지 않고 균일한 입경의 구겨진 그래핀 입자를 얻을 수 있는 효과와 더불어, 제조되는 슈퍼커패시터용 전극을 구동함에 있어서, 높은 전류밀도 조건(4 A/g 이상)에서 비축전용량 이 감소하는 문제가 해결됨과 동시에 전극활물질이 집전체로부터 박리되는 문제점을 해결할 수 있었다. 만일 위 (1) 내지 (9) 중에서 어느 하나라도 충족하지 않는 경우에는 (1) 내지 (6)에서 발생하는 산화그래핀 용액의 액적과 초기 운동속도를 최적화하는 단계를 추가로 거쳐야 하는 문제점 이외의, 높은 전류밀도 조건(4 A/g 이상)에서 비축전용량이 감소하고, 집전체에 코팅된 전극활물질이 박리되는 문제점이 발생할 수 있어, 바람직하지 않다.When all of the above cases (1) to (9) are satisfied, when the conditions of (1) to (6) are satisfied, the droplets of the graphene oxide solution and the initial motion speed are not affected. In addition to the effect of obtaining crumpled graphene particles having a uniform particle diameter, the problem of the reduction in reserve capacity under high current density conditions (4 A/g or more) in driving the manufactured supercapacitor electrode is solved. It was possible to solve the problem that the electrode active material was peeled from the current collector. If any of the above (1) to (9) is not satisfied, other than the problem of additional steps of optimizing the droplets and initial motion speed of the graphene oxide solution generated in (1) to (6). , In high current density conditions (4 A/g or more), the specific storage capacity decreases, and the electrode active material coated on the current collector may be peeled off, which is not preferable.

본 발명의 다른 측면은 상기 제조방법으로 제조된 슈퍼커패시터용 전극을 제공한다.Another aspect of the present invention provides an electrode for a supercapacitor manufactured by the above manufacturing method.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않고, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.Hereinafter, a preferred embodiment is presented to aid the understanding of the present invention. However, these examples are for describing the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited thereto, and various changes and modifications are possible within the scope and spirit of the present invention. It will be self-evident to those who have knowledge.

실시예. 잔탄검 바인더를 적용한 슈퍼커패시터용 전극의 제조(CG/XG/CNT)Example. Manufacture of electrodes for supercapacitors using xanthan gum binder (CG/XG/CNT)

구겨진 그래핀 입자의 제조Preparation of crumpled graphene particles

물에 분산된 산화그래핀 용액을 5 g/L의 농도로 희석시킨 후, Bath Sonication을 1 내지 2시간 처리하였다. 이는 산화그래핀을 더욱 우수하게 분산시키기 위함이며, 균일한 3차원의 구겨진 그래핀 입자를 얻는데 필요하다.After the graphene oxide solution dispersed in water was diluted to a concentration of 5 g/L, Bath Sonication was treated for 1 to 2 hours. This is to better disperse graphene oxide, and is necessary to obtain uniform three-dimensional crumpled graphene particles.

할로겐 원소를 포함하는 환원제는 3 중량%로 맞추어 제조하였다. 히팅멘틀(Heating Mantle) 또는 Oil Bath에서 3 중량%의 아이오딘화수소(hydrogen iodide, HI)가 담긴 3구 플라스크를 가열하였다. 가열은 60 내지 100 ℃에서 실시하였다.The reducing agent containing a halogen element was prepared according to 3% by weight. A three-necked flask containing 3% by weight of hydrogen iodide (HI) was heated in a heating mantle or an oil bath. Heating was performed at 60 to 100°C.

아이오딘화수소 분산 용액의 온도가 안정화되면, 산화 그래핀 용액을 50 내지 200 mL 주사기에 담고, 스프레이 노즐(Spray Nozzle)을 통해 60 내지 100 ℃로 온도가 안정화된 아이오딘화수소 분산 용액을 향해 분사시켰다. 600 내지 800 mL/h의 속도로 분사시켰으며, 이때 교반속도는 600 내지 1000 rpm으로 3구 플라스크에 들어간 산화그래핀 용액의 양에 따라 교반속도를 증가시키며 적절하게 조절하였다.When the temperature of the hydrogen iodide dispersion solution was stabilized, the graphene oxide solution was put in a 50 to 200 mL syringe, and sprayed toward the hydrogen iodide dispersion solution having a temperature stabilized at 60 to 100 °C through a spray nozzle. . It was sprayed at a rate of 600 to 800 mL/h, and at this time, the stirring speed was appropriately adjusted by increasing the stirring speed at 600 to 1000 rpm depending on the amount of the graphene oxide solution entered into the three-necked flask.

산화그래핀 용액이 다 분산되고 나면, 산화그래핀의 양에 따라 적게는 4시간 길게는 24시간 반응을 유지해주었다. 산화그래핀이 아이오딘화수소에 의해 환원되면서 3차원의 구겨진 그래핀 입자가 만들어졌다.After the graphene oxide solution was completely dispersed, the reaction was maintained for as little as 4 hours or as long as 24 hours depending on the amount of graphene oxide. As graphene oxide was reduced by hydrogen iodide, three-dimensional crumpled graphene particles were formed.

반응이 완료된 3차원 구겨진 그래핀 입자 용액은 에탄올, 증류수 등을 이용하여 정제과정을 거쳤다. 이때, 불순물이나 높은 산도를 중화시키기 위해 5 내지 10번 정도 에탄올로 Vacuum Filtration을 실시하였다. 그 후, 증류수를 이용하여 3번 이상 헹궈주었다. 이렇게 얻은 3차원의 구겨진 그래핀 입자용액은 적적 용기에 담아 액체질소를 이용해 얼려주었다. 동결이 끝난 3차원의 구겨진 그래핀 입자 용액은 동결 건조기에서 3 내지 7일 동안 내부의 증류수들이 기화되어 최종적으로 3차원의 구겨진 그래핀 입자 파우더의 형태로 얻을 수 있었다.The 3D crumpled graphene particle solution after the reaction was completed was purified using ethanol, distilled water, etc. At this time, vacuum filtration was performed with ethanol about 5 to 10 times to neutralize impurities or high acidity. Then, it was rinsed three or more times with distilled water. The three-dimensional crumpled graphene particle solution thus obtained was placed in a suitable container and frozen with liquid nitrogen. The frozen three-dimensional crumpled graphene particle solution was finally obtained in the form of three-dimensional crumpled graphene particle powder by evaporating internal distilled water for 3 to 7 days in a freeze dryer.

구겨진 그래핀 입자를 포함하는 슈퍼커패시터용 전극의 제조Preparation of electrode for supercapacitor containing crumpled graphene particles

단일벽 탄소나노튜브(Single-Wall Carbon Nanotube, SWNT) 50 ㎎을 100 ㎖의 에탄올에 팁 소니케이터를 이용하여 분산시켜 에탄올에 분산된 탄소나노튜브를 준비하였다. 탈이온수(DI water)에 잔탄검(Xanthan Gum, XG)에 2 중량%의 농도로 포함되도록하고, 50 ℃에서 24시간동안 분산시켰다. Single-walled carbon nanotubes (Single-Wall Carbon Nanotubes, SWNT) 50 mg was dispersed in 100 ml of ethanol using a tip sonicator to prepare carbon nanotubes dispersed in ethanol. Deionized water (DI water) was included in Xanthan Gum (XG) at a concentration of 2% by weight, and dispersed at 50° C. for 24 hours.

수득한 구겨진 그래핀 입자 80 mg, 상기 탄소나노튜브 10 mg(에탄올에 분산된 탄소나노튜브의 에탄올을 제거한 후 추가), 잔탄검 5 mg(탈이온수에 분산된 용액을 넣되, 잔턴검 자체의 중량이 5 mg이 분산된 용액)을 볼밀에 한꺼번에 넣었다. 볼밀은 직경 1 cm의 볼을 10개를 이용하여 400 rpm에서 20분간 수행하였으며, 슬러리의 농도에 따라 볼밀을 수행하는 시간은 조절될 수 있으며, 상기 슬러리의 농도는 DI water로 조절할 수 있다. 믹싱이 완료된 슬러리 시료를 바이알에 옮겨 paste mixer에서 추가적인 믹싱 및 기포를 제거하는 과정을 거친다. 이 때, paste mixer의 조건은 2000 rpm에서 10 분간 수행하였다. 완성된 슬러리 시료는 집전체 위에 적당량을 올려준 후, 닥터 블레이드 방법을 이용하여 얇은 형태의 전극을 제조하였다. 슬러리 전극을 제조한 후 12 시간 이상 상온에서 건조시켰고, 80% 이상 건조된 후에는 진공오븐에서 4시간 동안 마무리 건조를 실시하여 슈퍼커패시터용 전극을 수득하였다.The obtained crumpled graphene particles 80 mg, the carbon nanotubes 10 mg (added after removing the ethanol of the carbon nanotubes dispersed in ethanol), xanthan gum 5 mg (add the solution dispersed in deionized water, but the weight of the xanton gum itself The solution in which 5 mg was dispersed) was put into a ball mill at once. The ball mill was performed for 20 minutes at 400 rpm using 10 balls having a diameter of 1 cm, and the time to perform the ball mill may be adjusted according to the concentration of the slurry, and the concentration of the slurry may be adjusted with DI water. After mixing, the slurry sample is transferred to a vial and further mixing and air bubbles are removed in a paste mixer. At this time, the conditions of the paste mixer were performed at 2000 rpm for 10 minutes. After placing an appropriate amount of the finished slurry sample on the current collector, a thin electrode was manufactured using a doctor blade method. After preparing the slurry electrode, it was dried at room temperature for 12 hours or more, and after drying at least 80%, finish drying was performed in a vacuum oven for 4 hours to obtain an electrode for a supercapacitor.

그 후, 전극을 테스트셀에 들어갈 사이즈로 펀칭하였고, 전극, 세퍼레이터, 전극 순으로 적층하고 밀봉하여 테스트셀을 제작하였다. 이때, 전해질은 TEABF4(Tetraethylammonium tetrafluoroborate)이며, PC(Propylene Carbonate)에 분산시켜 사용하였다. 제조된 전극을 전해질에 담가두어 전극 내부로 전해질이 잘 스며들 수 있도록 하였다.After that, the electrodes were punched into the size to fit into the test cell, and the electrodes, separators, and electrodes were stacked in order and sealed to prepare a test cell. At this time, the electrolyte was TEABF 4 (Tetraethylammonium tetrafluoroborate), and was used by dispersing in PC (Propylene Carbonate). The prepared electrode was immersed in the electrolyte so that the electrolyte could well penetrate into the electrode.

비교예 1. 바인더가 적용되지 않은 슈퍼커패시터용 전극의 제조(CG/CNT)Comparative Example 1. Preparation of a supercapacitor electrode to which no binder was applied (CG/CNT)

잔탄검을 추가하지 않고, 구겨진 그래핀 입자를 80 mg, 탄소나노튜브를 20 mg 사용한 것을 제외하고는 실시예와 동일하게 슈퍼커패시터용 전극을 제조하였다.An electrode for a supercapacitor was manufactured in the same manner as in Example except that 80 mg of crumpled graphene particles and 20 mg of carbon nanotubes were used without adding xanthan gum.

비교예 2. PVDF 바인더를 적용한 슈퍼커패시터용 전극의 제조(CG/PVDF/CNT)Comparative Example 2. Preparation of a supercapacitor electrode to which PVDF binder is applied (CG/PVDF/CNT)

탈이온수에 분산시킨 잔탄검 대신, 일반적으로 사용되는 도전재인 폴리비닐리딘플로라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF)를 NMP에 분산시켜 사용한 것을 제외하고는 실시예와 동일하게 슈퍼커패시터용 전극을 제조하였다.An electrode for a supercapacitor was manufactured in the same manner as in the Example, except that polyvinylidene fluoride (PVDF), which is a commonly used conductive material, was dispersed in NMP instead of xanthan gum dispersed in deionized water.

시험예 1. 주사전자현미경 표면 분석Test Example 1. Scanning electron microscope surface analysis

실시예 및 비교예 2의 표면을 주사전자현미경(Scanning electron microscope, SEM)을 통하여 분석하였다.The surfaces of Examples and Comparative Example 2 were analyzed through a scanning electron microscope (SEM).

도 2a는 본 발명에 의해 제조된 구겨진 그래핀(CG)의 SEM 이미지, 도 2b는 본 발명의 비교예 2를 통하여 제조된 슈퍼커패시터용 전극(CG/PVDF/CNT)의 SEM 이미지, 도 2c는 본 발명의 실시예를 통하여 제조된 슈퍼커패시터용 전극(CG/XG/CNT)의 SEM 이미지이다.Figure 2a is a SEM image of the crumpled graphene (CG) prepared by the present invention, Figure 2b is a SEM image of the supercapacitor electrode (CG / PVDF / CNT) prepared through Comparative Example 2 of the present invention, Figure 2c is This is a SEM image of an electrode for a supercapacitor (CG/XG/CNT) manufactured through an embodiment of the present invention.

도면에는 직접적으로 나타내지는 않았으나, 비교예 1의 방법으로 제조된 전극의 경우, 바인더가 없기 때문에 완전히 건조된 전극이 집전체에서 일부분 또는 전체가 박리됨이 확인되었다.Although not shown directly in the drawings, in the case of the electrode manufactured by the method of Comparative Example 1, it was confirmed that the completely dried electrode partially or completely peeled off the current collector because there was no binder.

상기 도 2c에서, 도 2a에서 확인되는 구겨진 그래핀 입자, 잔탄검 및 탄소나노튜브가 잘 섞여서 빈 공간 없이 전극을 잘 형성하고 있음을 확인할 수 있다.In FIG. 2C, it can be seen that the crumpled graphene particles, xanthan gum, and carbon nanotubes identified in FIG. 2A are well mixed to form an electrode without empty space.

시험예 2. 전기화학적 성능평가Test Example 2. Electrochemical performance evaluation

상기 실시예, 비교예 1 및 2로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 전기화학적 성능을 평가하기 위하여 GCD(Galvanostatic charge-discharge), 사이클릭 볼타메트리(Cyclic voltammetry,CV), 비축전용량(Specific capacitance)을 측정하였다.In order to evaluate the electrochemical performance of the electrodes for supercapacitors prepared from Examples and Comparative Examples 1 and 2, galvanostatic charge-discharge (GCD), cyclic voltammetry (CV), and specific capacitance ) Was measured.

도 3a는 비교예 1로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 GCD 측정 결과를 나타내는 그래프, 도 3b는 CV 측정 결과를 나타내는 그래프, 도 3c는 비축전용량 측정 결과를 나타내는 그래프이다.3A is a graph showing a GCD measurement result of an electrode for a supercapacitor prepared from Comparative Example 1, FIG. 3B is a graph showing a CV measurement result, and FIG. 3C is a graph showing a measurement result of specific storage capacity.

상기 비축전용량 측정 결과로부터, 전류밀도 1 A/g에서 69 F/g의 비축전용량(Specific capacitance) 값을 가지고 있음을 확인할 수 있으며, 또한 상기 CV 측정 그래프에서 scan rate에 따른 CV 커브 모양이 일그러진 것으로 보아 안정적인 전극이 제조되지 않음을 확인할 수 있었다.From the result of the specific capacitance measurement, it can be confirmed that the specific capacitance value is 69 F/g at a current density of 1 A/g, and the CV curve shape according to the scan rate in the CV measurement graph is As it was distorted, it could be confirmed that a stable electrode was not manufactured.

상기 전기화학적 성능평가로부터, 슈퍼커패시터용 전극이 안정적으로 제조되지 않았음을 확인할 수 있다. 비교예 1의 슈퍼커패시터용 전극은 구겨진 그래핀 입자와 탄소나노튜브만으로 이루어져 있기 때문에, 구겨진 그래핀 입자들 사이는 탄소나노튜브가 연결 역할을 하였더라도, 집전체와 전극 사이의 결합력이 부족하기 때문이다.From the electrochemical performance evaluation, it can be confirmed that the electrode for a supercapacitor was not stably manufactured. Since the electrode for a supercapacitor of Comparative Example 1 consists only of crumpled graphene particles and carbon nanotubes, even though the carbon nanotubes serve as a connection between the crumpled graphene particles, the bonding force between the current collector and the electrode is insufficient. .

도 4a는 비교예 2로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 GCD 측정 결과를 나타내는 그래프, 도 4b는 CV 측정 결과를 나타내는 그래프, 도 4c는 비축전용량 측정 결과를 나타내는 그래프이다.4A is a graph showing a GCD measurement result of an electrode for a supercapacitor prepared from Comparative Example 2, FIG. 4B is a graph showing a CV measurement result, and FIG. 4C is a graph showing a measurement result of specific storage capacity.

상기 비축전용량 측정 결과로부터, 전류밀도 1 A/g에서 103 F/g의 비축전용량을 가지나, 전류밀도가 2 A/g로 증가함에 따라 비축전용량 값이 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있었다. From the result of measuring the specific storage capacity, it was confirmed that the specific storage capacity value was rapidly decreased as the current density increased from 1 A/g to 103 F/g, but the current density increased to 2 A/g. .

상기 전기화학적 성능평가로부터, 구겨진 그래핀을 슈퍼커패시터용 전극으로 제조하기 위해선 PVDF 이외의 다른 바인더가 적용되어야 함을 확인할 수 있었다.From the electrochemical performance evaluation, it was confirmed that a binder other than PVDF should be applied to prepare crumpled graphene as an electrode for a supercapacitor.

도 5a는 실시예로부터 제조된 슈퍼커패시터용 전극의 GCD 측정 결과를 나타내는 그래프, 도 5b는 CV 측정 결과를 나타내는 그래프, 도 5c는 비축전용량 측정 결과를 나타내는 그래프이다.5A is a graph showing a GCD measurement result of an electrode for a supercapacitor prepared from the example, FIG. 5B is a graph showing a CV measurement result, and FIG. 5C is a graph showing a measurement result of specific storage capacity.

상기 비축전용량 측정 결과에서 확인할 수 있듯이, 전류밀도가 1 A/g일 때, 172 F/g의 비축전용량 값을 가지며, 전류밀도 증가에 따른 비축전용량 값의 저하가 적게 일어남을 확인할 수 있었다. 또한 앞서 서술한 비교에 1 및 2의 결과와는 달리, IR Drop이 보이지 않았으며, CV 측정 결과에서도 scan rate가 300 mV/s에서도 직사각형 모양을 유지하고 있음이 확인되었다. 따라서 잔탄검을 바인더로 사용하여 제조한 전극이 다른 바인더를 사용하거나, 바인더를 사용하지 않은 경우보다 안정적으로 전극이 제조되며, 월등한 전기화학적 성능을 보임을 확인할 수 있었다.As can be seen from the result of measuring the specific storage capacity, when the current density is 1 A/g, it has a specific storage capacity value of 172 F/g, and it can be confirmed that the decrease in the specific storage capacity value due to the increase in current density occurs less. there was. In addition, unlike the results of 1 and 2 in the comparison described above, IR Drop was not observed, and it was confirmed that the CV measurement result maintained a rectangular shape even at a scan rate of 300 mV/s. Accordingly, it was confirmed that the electrode manufactured using xanthan gum as a binder was more stable than the case where another binder was used or the binder was not used, and showed superior electrochemical performance.

상기 실시예나 비교예에 명시적으로 기재하지는 않았으나, 사용되는 잔탄검의 양을 변화시켜 전극을 제조하고, 전기화학적 성능을 평가하였다. Although not explicitly described in the above Examples or Comparative Examples, electrodes were prepared by varying the amount of xanthan gum used, and electrochemical performance was evaluated.

상기 성능 평가로부터 볼밀에 투입되는 구겨진 그래핀 : 탄소나노튜브 : 바인더의 중량비가 20:2.5:1 내지 13:1.5:1인 경우가 바람직함을 확인할 수 있었다.From the performance evaluation, it was confirmed that the weight ratio of the crumpled graphene: carbon nanotube: binder added to the ball mill is preferably 20:2.5:1 to 13:1.5:1.

잔탄검의 비율이 상기 범위보다 높은 경우, 전체 질량에서 전극 활물질이 차지하는 비율이 감소함에 따라 성능 저하가 발생하였으며, 잔탄검의 비율이 상기 범위보다 낮은 경우 집전체와 활물질간의 접착이 충분하지 못함에 따라 슈퍼커패시터용 전극이 안정적으로 제조되지 못하기 때문이다.When the ratio of xanthan gum is higher than the above range, performance degradation occurs as the proportion of the electrode active material in the total mass decreases, and when the ratio of xanthan gum is lower than the above range, adhesion between the current collector and the active material is insufficient. This is because the electrode for supercapacitors cannot be stably manufactured.

전술한 실시예 및 비교예는 본 발명을 설명하기 위한 예시로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형하여 본 발명을 실시하는 것이 가능할 것이므로, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.The above-described Examples and Comparative Examples are examples for explaining the present invention, and the present invention is not limited thereto. Since those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to implement the present invention by various modifications therefrom, the technical protection scope of the present invention should be determined by the appended claims.

Claims (10)

(A) 환원제 용액에 산화그래핀 용액을 투입하는 단계;
(B) 상기 산화그래핀 용액이 투입된 환원제 용액에 대해 반응을 수행하여 구겨진 그래핀 입자를 제조하는 단계;
(C) 상기 구겨진 그래핀 입자, 탄소나노튜브, 탈이온수(DI water)에 분산된 바인더를 볼밀에 투입하고 분쇄하면서 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 및
(D) 상기 슬러리로 집전체를 코팅하고 건조하는 단계를 포함하며,
상기 (C) 단계 이전에, 에탄올에 분산된 탄소나노튜브, 탈이온수(DI water)에 분산된 바인더를 준비하는 단계를 추가적으로 포함하고,
상기 바인더는 잔탄검을 포함하며,
상기 에탄올에 분산된 탄소나노튜브는 에탄올을 제거한 상태로 상기 볼밀에 투입하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법.(A) adding a graphene oxide solution to a reducing agent solution;
(B) preparing crumpled graphene particles by performing a reaction on the reducing agent solution into which the graphene oxide solution is added;
(C) preparing a slurry by adding the crumpled graphene particles, carbon nanotubes, and a binder dispersed in DI water into a ball mill and mixing while grinding; And
(D) coating the current collector with the slurry and drying it,
Prior to the step (C), the carbon nanotubes dispersed in ethanol and a binder dispersed in DI water are additionally included,
The binder includes xanthan gum,
The method of manufacturing an electrode for a supercapacitor, characterized in that the carbon nanotubes dispersed in ethanol are added to the ball mill while ethanol is removed. 제1항에 있어서,
상기 환원제는 할로겐 포함 환원제인 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법.The method of claim 1,
The reducing agent is a halogen-containing reducing agent, a method of manufacturing a supercapacitor electrode. 제1항에 있어서,
상기 (A) 단계의 투입은 100 내지 800 mL/h의 공급속도로 스프레이 노즐을 통한 분사에 의해 수행되고,
상기 분사에 의해서 투입되는 액적의 평균 입경은 1 내지 100 ㎛인 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법.The method of claim 1,
The input of step (A) is carried out by spraying through a spray nozzle at a supply rate of 100 to 800 mL/h,
The method of manufacturing an electrode for a supercapacitor having an average particle diameter of 1 to 100 µm of droplets injected by the spraying. 제1항에 있어서,
상기 (A) 단계는 상기 환원제 용액이 40 내지 100 ℃로 승온되어 있고, 600 내지 1000 rpm으로 교반되고 있는 상태에서 수행되는 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법.The method of claim 1,
The step (A) is a method of manufacturing an electrode for a supercapacitor, which is performed while the reducing agent solution is heated to 40 to 100° C. and stirred at 600 to 1000 rpm. 제1항에 있어서,
상기 산화그래핀 용액의 농도는 0.1 내지 15 g/L인 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법.The method of claim 1,
The concentration of the graphene oxide solution is 0.1 to 15 g / L of a method of manufacturing an electrode for a supercapacitor. 제1항에 있어서,
상기 반응은 산화그래핀 용액이 투입된 환원제 용액을 40 내지 100 ℃의 온도에서 4 내지 16시간동안 교반함으로써 수행되는 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법.The method of claim 1,
The reaction is carried out by stirring the reducing agent solution into which the graphene oxide solution is added at a temperature of 40 to 100° C. for 4 to 16 hours. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 (C) 단계의 상기 볼밀에 투입되는 구겨진 그래핀 : 도전재 : 잔탄검을 포함하는 바인더의 중량비는 20:2.5:1 내지 13:1.5:1인 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법.The method of claim 1,
The method of manufacturing an electrode for a supercapacitor in which the weight ratio of the crumpled graphene added to the ball mill of the step (C): the conductive material: the binder including xanthan gum is 20:2.5:1 to 13:1.5:1. 제1항에 있어서,
상기 코팅은 닥터 블레이드(Doctor Blade)법에 의해 수행되는 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법.The method of claim 1,
The coating is a method of manufacturing an electrode for a supercapacitor performed by a doctor blade method. 제1항 내지 제6항, 제8항 내지 제9항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조된, 슈퍼커패시터용 전극.

An electrode for a supercapacitor manufactured by the manufacturing method of any one of claims 1 to 6 and 8 to 9.
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