KR20170012681A - Porous metal carbide particle, manufacturing method of the same, and electrode for electric double layer capacitor comprising the same - Google Patents
Porous metal carbide particle, manufacturing method of the same, and electrode for electric double layer capacitor comprising the same Download PDFInfo
- Publication number
- KR20170012681A KR20170012681A KR1020150103705A KR20150103705A KR20170012681A KR 20170012681 A KR20170012681 A KR 20170012681A KR 1020150103705 A KR1020150103705 A KR 1020150103705A KR 20150103705 A KR20150103705 A KR 20150103705A KR 20170012681 A KR20170012681 A KR 20170012681A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- metal carbide
- porous metal
- electrode
- particles
- double layer
- Prior art date
Links
Classifications
-
- C01B31/30—
-
- C01B31/303—
-
- C01B31/305—
-
- C01B31/34—
-
- C01B31/36—
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
- H01G11/32—Carbon-based
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
- C01P2006/16—Pore diameter
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
- C01P2006/40—Electric properties
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/13—Energy storage using capacitors
Abstract
Description
본 발명은 다공성 금속 카바이드 입자, 이를 제조방법 및 이를 포함하는 전기 이중층 커패시터용 전극에 관한 것이다.
The present invention relates to a porous metal carbide particle, a method of manufacturing the same, and an electrode for an electric double layer capacitor including the same.
전반적으로 커패시터는 정전기적(electrostatic) 특성을 이용하기 때문에 전기 화학적 반응을 이용하는 배터리에 비하여 충방전 회수가 거의 무한대이고 반영구적으로 사용 가능하며, 에너지의 충방전 속도가 매우 빨라 그 출력 밀도가 배터리의 수십 배 이상이다.In general, since capacitors utilize electrostatic characteristics, they are almost infinite in number of charge and discharge cycles compared with batteries using electrochemical reactions, and can be used semi-permanently. The charge / discharge speed of energy is very fast, It is more than double.
따라서 산업계 전반에 걸쳐 커패시터의 응용 분야가 점차 확대되는 추세이다. 특히, 요즘과 같은 고유가 시대에 전기자동차(electric vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle, HEV) 또는 연료전지자동차(fuel cell vehicle, FCV) 등과 같은 차세대 환경 친화 차량 개발 분야에 있어 에너지 버퍼로서 커패시터의 효용성은 날로 증가하고 있다.Therefore, the application fields of capacitors are gradually expanding throughout the industry. Particularly, in the field of next-generation environmentally friendly vehicles such as electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEV) or fuel cell vehicles (FCV) The utility of capacitors is increasing day by day.
즉, 커패시터는 보조 에너지 저장장치로서 화학전지 배터리와 병용됨으로써, 순간적인 에너지의 공급과 흡수는 전기 커패시터가 담당하고, 평균적인 차량의 에너지 공급은 배터리가 담당함으로써 전반적인 차량 시스템의 효율 개선과 에너지 저장 시스템의 수명 연장 등의 효과를 기대할 수 있다.That is, the capacitor is used as an auxiliary energy storage device in combination with a chemical battery battery, so that the momentary energy supply and absorption is performed by the electric capacitor, and the average vehicle energy supply is controlled by the battery, And extend the life of the system.
또한, 이동전화나 동영상 레코더와 같은 휴대용 전자 부품에서 보조 전원으로 사용될 수 있어, 그 중요성 및 용도가 날로 증가하고 있다.In addition, since it can be used as an auxiliary power source in portable electronic parts such as a mobile phone and a motion picture recorder, its importance and usage are increasing day by day.
전기 커패시터는 전극의 표면에 정전하를 걸어주어 전해질 이온이 전극 표면에 배열되어 형성되는 전기 이중층으로부터 용량을 얻어내는 커패시터이다. 따라서 고용량 특성을 얻기 위해서는 전극재료의 높은 비표면적과 전기전도도 성질이 중요한 요소이다. An electric capacitor is a capacitor that applies a static charge to the surface of an electrode to obtain capacitance from an electric double layer formed by arranging electrolyte ions on the surface of the electrode. Therefore, high specific surface area and electrical conductivity properties of electrode materials are important factors to obtain high capacity characteristics.
이와 같은 전극 재료로서, 기존에는 카본계 전극 재료가 개발되어 왔으나, 상기 카본계 전극 재료는 낮튼 전기 전도도 특성으로 인하여 커패시터의 충방전 시 정전하가 수월하게 걸리지 않고, 저항이 생기는 문제점이 있었다. Conventionally, a carbon-based electrode material has been developed as such an electrode material. However, since the carbon-based electrode material has low electric conductivity, static electricity can not easily be applied to the capacitor during charging and discharging of the capacitor.
따라서, 최근 들어, 높은 전기 전도도를 가지는 금속 카바이드가 전극 재료로서 주목 받았으나, 낮은 비표면적과 생산 단가가 높다는 문제점이 있었다.
Therefore, in recent years, although metal carbide having high electrical conductivity has attracted attention as an electrode material, there has been a problem that a low specific surface area and a high production cost are high.
본 발명은 다공성 금속 카바이드 입자, 이를 제조방법 및 이를 포함하는 전기 이중층 커패시터용 전극에 관한 것으로, 비표면적이 1300 m2/g 이상인 다공성 금속 카바이드 입자를 제공할 수 있다.
The present invention relates to a porous metal carbide particle, a process for producing the porous metal carbide particle, and an electrode for an electric double layer capacitor including the same, wherein porous metal carbide particles having a specific surface area of 1300 m 2 / g or more can be provided.
본 발명은 다공성 금속 카바이드 입자, 이를 제조방법 및 이를 포함하는 전기 이중층 커패시터용 전극을 제공할 수 있다.The present invention can provide a porous metal carbide particle, a method for manufacturing the same, and an electrode for an electric double layer capacitor including the porous metal carbide particle.
상기 다공성 금속 카바이드 입자의 하나의 예로서,As one example of the porous metal carbide particles,
비표면적이 1,000 내지 2,500m2/g 범위이고,The specific surface area is in the range of 1,000 to 2,500 m 2 / g,
단위 질량당 기공의 평균 부피는 0.1 내지 1.5 cm3/g 범위인 다공성 금속 카바이드 입자를 제공할 수 있다.The average volume of pores per unit mass is in the range of 0.1 to 1.5 cm < 3 > / g and can provide porous metal carbide particles.
또한, 상기 다공성 금속 카바이드 입자의 제조방법의 하나의 예로서,As an example of the method for producing the porous metal carbide particles,
금속 입자를 1000 내지 1500℃의 온도 조건 하에서 탄화시키는 단계를 포함하는 다공성 금속 카바이드 입자의 제조방법을 제공할 수 있다.And carbonizing the metal particles under a temperature condition of 1000 to 1500 占 폚.
또한, 상기 다공성 금속 카바이드 입자를 포함하는 전기 이중층 커패시터용 전극의 하나의 예로서,Further, as an example of the electrode for an electric double layer capacitor including the porous metal carbide particles,
기판; 및Board; And
기판의 일면 또는 양면에 형성된 청구항 제 1 항에 따른 다공성 금속 카바이드를 함유하는 금속 카바이드층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터용 전극을 포함할 수 있다.
And a metal carbide layer containing the porous metal carbide according to claim 1 formed on one or both sides of the substrate.
본 발명에 따른 다공성 금속 카바이드 입자는 넓은 비표면적 및 높은 전기 전도도를 가지며, 이를 포함하는 전기 이중층 커패시터는 높은 비정전 용량을 구현할 수 있다.
The porous metal carbide particles according to the present invention have a wide specific surface area and a high electric conductivity, and an electric double layer capacitor including the porous metal carbide particles can realize a high non-electric capacity.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In the present invention, the terms "comprising" or "having ", and the like, specify that the presence of a feature, a number, a step, an operation, an element, a component, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
또한, 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.
It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed.
이하, 본 발명에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 다공성 금속 카바이드 입자, 이를 제조방법 및 이를 포함하는 전기 이중층 커패시터용 전극에 관한 것으로, 상기 다공성 금속 카바이드 입자의 하나의 예로서,BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a porous metal carbide particle, a method of manufacturing the same, and an electrode for an electric double layer capacitor including the porous metal carbide particle,
비표면적이 1,000 내지 2,500m2/g 범위이고,The specific surface area is in the range of 1,000 to 2,500 m 2 / g,
단위 질량당 기공의 평균 부피는 0.1 내지 1.5 cm3/g 범위인 다공성 금속 카바이드 입자를 제공할 수 있다.The average volume of pores per unit mass is in the range of 0.1 to 1.5 cm < 3 > / g and can provide porous metal carbide particles.
상기 다공성 금속 카바이드 입자의 비표면적은 예를 들어, 1000 내지 2500 m2/g, 1200 내지 2000 m2/g 또는 1200 내지 1500 m2/g 범위일 수 있고,The specific surface area of the porous metal carbide particles may be in the range of, for example, 1000 to 2500 m 2 / g, 1200 to 2000 m 2 / g or 1200 to 1500 m 2 / g,
상기 단위 질량당 기공의 평균 부피는 0.1 내지 1.4 cm3/g, 0.3 내지 1.2 cm3/g, 0.35 내지 1.1 cm3/g, 0.41 내지 1.003 cm3/g, 0.48 내지 0.88 cm3/g 또는 0.48 내지 0.81 cm3/g 범위일 수 있다.The average volume of pores per unit mass is 0.1 to 1.4 cm 3 / g, 0.3 to 1.2 cm 3 / g, 0.35 to 1.1 cm 3 / g, 0.41 to 1.003 cm 3 / g, 0.48 to 0.88 cm 3 / To 0.81 cm < 3 > / g.
전기 이중층 커패시터에 있어서, 고용량 성능을 얻기 위해선 넓은 비표면적 및 전기 전도도가 중요한 역할을 한다. In an electric double layer capacitor, a wide specific surface area and electrical conductivity play an important role in obtaining high capacity performance.
상기 다공성 금속 카바이드 입자를 제조하는 과정에서, 미세 기공이 내지 메조 크기의 다양한 크기의 기공이 형성될 수 있다. In the process of preparing the porous metal carbide particles, pores having various sizes ranging from fine pores to meso sizes may be formed.
이를 통해, 본 발명에 따른 다공성 금속 카바이드 입자는 넓은 비표면적을 구현할 수 있고, 이를 이용한 전기 이중층 커패시터는 우수한 용량 및 전기 전도도를 구현할 수 있다.Accordingly, the porous metal carbide particles according to the present invention can realize a wide specific surface area, and an electric double layer capacitor using the porous metal carbide particles can realize excellent capacity and electric conductivity.
또한, 상기 범위내의 단위 질량당 기공의 평균 부피를 가짐으로써, 넓은 표면적의 입자를 제조할 수 있고, 넓은 기공 부피를 이용하여 촉매 담체 및 CO2 포집제와 같은 흡습제로서도 활용이 가능하다.By having an average volume of pores per unit mass within the above range, it is possible to produce particles having a large surface area and can be utilized as a catalyst carrier and a desiccant such as a CO 2 trapping agent by using a wide pore volume.
상기 다공성 금속 카바이드 입자는 베타형 폴리타입(β-poly)의 결정 구조를 가질 수 있다. The porous metal carbide particles may have a crystal structure of a beta-poly type.
입자의 결정 구조에는 알파, 베타 및 감마 구조가 존재하고, 이때, 베타형 폴리타입의 결정 구조를 가지는 입자는, 알파나 감마 형태의 결정 구조를 가지는 입자와 비교하여 열적으로 더 안정하고, 우수한 전기적 특성을 나타낸다. Beta, and gamma structures exist in the crystal structure of the particles, and the particles having a crystal structure of the beta type polytype are thermally more stable as compared with particles having an alpha or gamma type crystal structure, Lt; / RTI >
상기 다공성 금속 카바이드 입자는 전기 전도도가 60 S/cm 이상일 수 있다. The porous metal carbide particles may have an electrical conductivity of 60 S / cm or more.
예를 들어, 상기 다공성 금속 카바이드 입자는 전기 전도도는 60 내지 200 S/cm, 60 내지 150 S/cm 또는 60 내지 90 S/cm 범위일 수 있다. 상기 범위 내의 전기 전도도는, 기존의 카본계 전극 재료와 비교하여 현저히 우수한 것이다. 따라서 이를 전극 재료로 사용한 전자 장치의 경우, 우수한 효율을 구현할 수 있다.For example, the porous metal carbide particles may have an electrical conductivity in the range of 60 to 200 S / cm, 60 to 150 S / cm, or 60 to 90 S / cm. The electric conductivity within the above range is remarkably excellent as compared with the conventional carbon-based electrode material. Therefore, in the case of an electronic device using it as an electrode material, excellent efficiency can be realized.
상기 다공성 금속 카바이드 입자에 형성된 기공의 평균 입경은 0.1 내지 100 nm일 수 있다.The average particle diameter of the pores formed in the porous metal carbide particles may be 0.1 to 100 nm.
예를 들어, 상기 기공의 평균 입경은 0.1 내지 1 nm, 1 내지 5 nm, 5 내지 50 nm, 또는 50 내지 100 nm 범위일 수 있다. 상기 범위 내의 평균 입경의 기공이 형성된 다공성 금속 카바이드 입자는 넓은 표면적을 가질 수 있다. For example, the average particle size of the pores may range from 0.1 to 1 nm, from 1 to 5 nm, from 5 to 50 nm, or from 50 to 100 nm. Porous metal carbide particles having pores having an average particle diameter within the above range may have a large surface area.
상기 다공성 금속 카바이드 입자에 있어서, 금속은 높은 전기 전도도를 가지는 것이라면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 실리콘, 티타늄, 백금, 텅스텐 및 지르코늄 중 1 종 이상을 포함할 수 있다.In the porous metal carbide particles, the metal is not particularly limited as long as it has a high electrical conductivity. For example, the metal may include at least one of silicon, titanium, platinum, tungsten and zirconium.
구체적으로, 상기 금속은 실리콘일 수 있으며, 폐 실리콘 웨이퍼(waste silicon wafer)를 재사용하여 얻은 실리콘을 사용할 경우, 생산 단가가 현저히 줄일 수 있다.
Specifically, the metal may be silicon, and if silicon obtained by reusing waste silicon wafers is used, the production cost may be significantly reduced.
또한 본 발명은, 상기 다공성 금속 카바이드 입자의 제조방법의 하나의 예로서,Further, the present invention provides, as one example of the method for producing the porous metal carbide particles,
금속 입자를 1000 내지 1500℃의 온도 조건 하에서 탄화시키는 단계를 포함하는 다공성 금속 카바이드 입자의 제조방법을 제공할 수 있다.And carbonizing the metal particles under a temperature condition of 1000 to 1500 占 폚.
이때, 금속 입자는 상기 설명한 바와 같이 실리콘, 티타늄, 백금, 텅스텐 및 지르코늄 중 1 종 이상일 수 있고, 구체적으로, 실리콘 입자일 수 있다.At this time, the metal particles may be at least one of silicon, titanium, platinum, tungsten and zirconium as described above, and specifically may be silicon particles.
구체적으로, 실리콘 입자는 폐 실리콘 웨이퍼로부터 얻을 수 있고, 이렇게 얻은 실리콘 입자는 약 1 내지 100 ㎛의 평균 직경을 가질 수 있다. Specifically, the silicon particles can be obtained from waste silicon wafers, and the silicon particles thus obtained can have an average diameter of about 1 to 100 mu m.
상기 온도 조건에서 금속 입자를 탄소시킬 경우, 금속 입자에서 금속 원자가 부분 증발하게 되어 금속 입자 표면에 미세 기공 내지 메조 크기의 기공이 형성되고, 탄소원으로부터 분해된 탄소 원자와 금속 원자가 부분 증발된 금속 입자와 결합을 형성하여 다공성 금속 카바이드 입자를 형성할 수 있다.When the metal particles are carbonized under the above-mentioned temperature conditions, the metal atoms partially evaporate from the metal particles, and pores of fine pores or meso size are formed on the surface of the metal particles. The metal particles partially decomposed with carbon atoms and metal atoms decomposed from the carbon source Bonds can be formed to form porous metal carbide particles.
예를 들어, 탄화 온도는 1000 내지 1400℃, 1200 내지 1400℃ 또는 1200 내지 1300℃ 범위일 수 있다. 상기 온도 내에서 탄화 과정을 진행함으로써, 금속 입자에서 금속 원자의 부분 증발 및, 금속 입자와 탄소 원자의 결합을 촉진할 수 있다. 이때, 탄화 온도가 상기 온도 범위를 초과할 경우, 급격한 입자 성장으로 인하여 제조되는 금속 카바이드 입자의 결정 구조가 알파형 폴리타입 구조로 상변화를 일으킬 수 있다. 상기 탄화 과정은 약 3 내지 10 시간 동안 진행될 수 있다.For example, the carbonization temperature may be in the range of 1000 to 1400 ° C, 1200 to 1400 ° C, or 1200 to 1300 ° C. By carrying out the carbonization process within the temperature, partial evaporation of the metal atoms in the metal particles and the bonding of the metal particles to the carbon atoms can be promoted. At this time, when the carbonization temperature exceeds the above-mentioned temperature range, the crystal structure of the metal carbide particles produced due to abrupt particle growth may cause a phase change to the alpha type polytype structure. The carbonization process may proceed for about 3 to 10 hours.
상기 탄화시키는 단계에서 사용되는 탄소원은, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 벤젠 및 톨루엔 중 1 종 이상을 포함할 수 있다.The carbon source used in the carbonization step may include at least one of ethanol, methanol, propanol, benzene, and toluene.
상기 탄소원은, 아르곤 캐리어 가스를 이용하여 유입될 수 있다.The carbon source may be introduced using an argon carrier gas.
예를 들어, 금속 입자를 포함하는 반응기 내에 아르곤 캐리어 가스를 이용하여 탄소원을 유입시킴으로써, 금속 입자와 탄소원을 혼합할 수 있다. 아르곤 캐리어 가스를 이용함으로써, 부가 반응을 일으키지 않고, 안정적으로 다공성 금속 카바이드 입자를 제조할 수 있다.For example, the carbon source can be mixed with the metal particles by introducing a carbon source into the reactor containing the metal particles using an argon carrier gas. By using an argon carrier gas, the porous metal carbide particles can be stably produced without causing an addition reaction.
상기 탄화 단계에서 유입되는 탄소원의 유량은 50 내지 1000 cc/min 일 수 있다. 예를 들어, 상기 유량은 50 내지 100 cc/min, 100 내지 500 cc/min 또는 500 내지 1000 cc/min일 수 있다. 이렇게 탄소원의 유량을 제어함으로써, 금속 입자에 결합되는 탄소원의 양을 조절할 수 있고, 다량의 탄소원이 금속 입자에 결합되어 기공 형성을 저해하는 것을 방지할 수 있다.
The flow rate of the carbon source flowing in the carbonization step may be 50 to 1000 cc / min. For example, the flow rate may be 50 to 100 cc / min, 100 to 500 cc / min, or 500 to 1000 cc / min. By controlling the flow rate of the carbon source in this manner, the amount of the carbon source bonded to the metal particles can be controlled, and a large amount of the carbon source can be bonded to the metal particles to prevent the formation of pores.
또한, 본 발명은 상기 다공성 금속 카바이드 입자를 포함하는 전기 이중층 커패시터용 전극을 제공할 수 있다.In addition, the present invention can provide an electrode for an electric double layer capacitor comprising the porous metal carbide particles.
예를 들어, 상기 전기 이중층 커패시터용 전극은,For example, the electrode for the electric double-layer capacitor may be formed,
기판; 및Board; And
기판의 일면에 형성된 본 발명에 따른 금속 카바이드층을 포함할 수 있다.And a metal carbide layer according to the present invention formed on one side of the substrate.
상기 기판은 집천체(current collector)로 작동할 수 있는 기판이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 기판은 금속, ITO 및 IZO로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 금속은, 알루미늄, 은, 금, 구리, 아연 및 주석 등의 금속을 이용한 금속판 또는 금속 나노와이어 구조일 수 있다.The substrate is not particularly limited as long as it is a substrate that can operate as a current collector. For example, the substrate may include one or more selected from the group consisting of metal, ITO, and IZO. Specifically, the metal may be a metal plate or metal nanowire structure using metals such as aluminum, silver, gold, copper, zinc, and tin.
기판의 일면 또는 양면에 형성된 금속 카바이드층은 상기 설명한 본 발명에 따른 다공성 금속 카바이드를 포함할 수 있다. 이에 대한 설명은 상기와 동일하다. The metal carbide layer formed on one side or both sides of the substrate may include the porous metal carbide according to the present invention described above. The description thereof is the same as above.
상기 금속 카바이드층은 카본 재료를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 카본 재료로서, 그을음 (soot), 아세틸렌 블랙, 케트젠 (Ketjen) 블랙, 램프블랙, 퍼니스 블랙, 카본 블랙, 그라파이트, 탄소 섬유, 그라파이트 파이버, 나노파이버, 나노튜브, 콕스, 하드 카본 및 아모르포스 카본 등을 포함할 수 있다.The metal carbide layer may further include a carbon material. For example, carbon materials such as soot, acetylene black, Ketjen black, lamp black, furnace black, carbon black, graphite, carbon fiber, graphite fiber, nanofiber, nanotube, And amorphous carbon.
상기 금속 카바이드층은 유기물을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 유기물로서, 폴리비닐알코올, 폴리비닐 클로라이드, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리(에틸렌옥시드), 폴리(비닐리덴플루오라이드), 아크릴 수지 및 폴리아크릴로니트릴 중 1종 이상을 포함할 수 있다.The metal carbide layer may further include an organic material. For example, the organic material may include at least one of polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, polyethylene glycol, poly (ethylene oxide), poly (vinylidene fluoride), acrylic resin and polyacrylonitrile.
상기 금속 카바이드층은,Wherein the metal carbide layer comprises
다공성 금속 카바이드 80 내지 90 중량부;80 to 90 parts by weight of porous metal carbide;
카본 재료 5 내지 15 중량부; 및5 to 15 parts by weight of a carbon material; And
유기물 0.1 내지 10 중량부를 포함할 수 있다.0.1 to 10 parts by weight of an organic material.
상기 범위의 함량으로 혼합하여 금속 카바이드층을 형성함으로써, 코팅성이 우수할 수 있다.The metal carbide layer is formed by mixing with the above range of content, whereby the coating property can be excellent.
상기 전기 이중층 커패시터용 전극은 비정전 용량이 170 F/g 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 전기 이중층 커패시터용 전극의 비정전 용량은 170 내지 250 F/g, 170 내지 230 F/g 또는 170 내지 210 F/g 범위일 수 있다. 이와 같이 우수한 비정전 용량을 갖는 전극을 포함하는 전기 이중층 커패시터는 2차 전지에 비하여 동력 밀도, 에너지 밀도가 우수하고, 이로 인해, 다량의 에너지를 신속하게 저장 내지 공급할 수 있어, 차세대 에너지 동력원으로써 유용하게 사용될 수 있다.
The electrode for the electric double layer capacitor may have a non-discharge capacity of 170 F / g or more. For example, the non-electric capacity of the electrode for the electric double layer capacitor may be in the range of 170 to 250 F / g, 170 to 230 F / g, or 170 to 210 F / g. The electric double layer capacitor including the electrode having the excellent non-discharging capacity as described above is superior in power density and energy density to the secondary battery, and thus can store and supply a large amount of energy quickly, and is useful as a next generation energy source Can be used.
본 발명에 따른 상기 다공성 금속 카바이드 입자는 전기 이중층 커패시터 이외에도, 다양한 크기의 기공을 형성하여 여러 분야에 적용될 수 있다. 예를 들어, 미세 기공 내지 메조 크기의 기공이 다수 형성되어 높은 표면적을 가짐으로써, 전기 이중층 커패시터, 2차 전지와 같은 전자 소자의 전극 물질로 사용될 수 있고, 기공 크기를 조절하여 필터링을 요구하는 멤브레인, 넓은 기공 부피를 이용한 촉매 담체 내지 CO2 포집 등에 사용되는 흡습제로 사용될 수 있다.
The porous metal carbide particles according to the present invention may be applied to various fields by forming pores of various sizes in addition to electric double layer capacitors. For example, many pores having a fine pore size or a meso size are formed to have a high surface area. Thus, a membrane that can be used as an electrode material of an electronic device such as an electric double layer capacitor and a secondary battery, , And can be used as a hygroscopic agent used for catalyst carrier or CO 2 capture using a wide pore volume.
이하 본 발명에 따르는 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following Examples. However, the scope of the present invention is not limited by the following Examples.
실시예Example 1 내지 5 1 to 5
1) 실리콘 카바이드 입자 제조1) Production of silicon carbide particles
폐 실리콘 웨이퍼로부터 1 내지 2 ㎛의 크기를 갖는 실리콘 입자를 얻은 후, 상이 얻은 실리콘 입자를 관형 노 반응기(tubular furnace reactor)에 담고, 아르곤 캐리어 가스를 이용하여 에탄올 50 cc/min의 유량으로 흘려 주었고, 하기와 같은 온도에서 6 시간 동안 탄화시켜 다공성 실리콘 카바이드 입자(SiC)를 제조하였다. 이때, 상기 탄화 온도는 하기 표와 같이 조절하였다.Silicon particles having a size of 1 to 2 mu m were obtained from waste silicon wafers. The silicon particles thus obtained were placed in a tubular furnace reactor and flowed with an argon carrier gas at a flow rate of 50 cc / min of ethanol , And carbonized for 6 hours at the following temperature to prepare porous silicon carbide particles (SiC). At this time, the carbonization temperature was controlled as shown in the following table.
2) 전기 2) Electricity 이중층Double layer 커패시터용 전극 제조 Manufacture of electrodes for capacitors
이렇게 얻어진 다공성 실리콘 카바이드 입자들과, 카본 블랙(carbon black) 및 폴리(비닐리덴 플루오라이드(poly(vinylidenefluoride))를 85:10:5의 중량비로 혼합한 후 N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone)에 분산시켜 슬러리를 만들었다. 그런 다음, 이를 알루미늄 포일 기재(1cm x 1cm)에 코팅시켜 전기 이중층 커패시터용 전극을 만들었다.
The porous silicon carbide particles thus obtained were mixed with carbon black and poly (vinylidene fluoride) in a weight ratio of 85: 10: 5, and then mixed with N-methylpyrrolidone ) To form a slurry, which was then coated on an aluminum foil substrate (1 cm x 1 cm) to make an electrode for an electric double layer capacitor.
실험예Experimental Example 1: 실리콘 카바이드 입자의 기공 확인 1: Identification of pores of silicon carbide particles
상기 실시예에서 제조한 실리콘 카바이드에 대하여 비표면적, 기공 부피 및 평균 기공 크기를 각각 측정하였다. 측정 방법은 하기 기재하였으며, 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.The specific surface area, pore volume, and average pore size of the silicon carbide prepared in the above examples were measured. The measurement method is described below, and the results are shown in Table 2 below.
비표면적: 질소 흡착-탈착법을 이용하여 BET 비표면적을 측정하였다.Specific Surface Area: The BET specific surface area was measured using a nitrogen adsorption-desorption method.
기공 부피: 실리콘카바이드 표면에 질소 흡착-탈착의 거동을 DFT 방법을 통하여 기공크기의 분포도를 확인하였으며, 이를 통하여 기공의 부피를 변환하였다.Pore volume: The pore size distribution was confirmed by the DFT method on the nitrogen adsorption - desorption behavior on the silicon carbide surface, and the pore volume was changed through this.
상기 표 2를 통해, 본 발명에 따른 금속 카바이드 입자는 넓은 비표면적 및 기공 부피를 가지고 있다는 것을 확인할 수 있었다.
From Table 2, it can be seen that the metal carbide particles according to the present invention have a wide specific surface area and pore volume.
실험예Experimental Example 2: 실리콘 카바이드의 전기 전도도 측정 2: Conductivity measurement of silicon carbide
상기 실시예에서 제조한 실리콘 카바이드에 대하여 전기 전도도를 측정하였다. 측정 방법은 하기 기재하였으며, 그 결과는 하기 표 3에 나타내었다.The electrical conductivity of the silicon carbide prepared in the above example was measured. The measurement method is described below, and the results are shown in Table 3 below.
전기 전도도: 1 x 1 cm2(면적) x 0.1 내지 2 mm(두께) 크기의 펠렛(pellet)을 제작하여 4침법(four point probe)를 통하여 저항측정 후 전기전도도로 변환 하였다. Electrical conductivity: Pellets of 1 x 1 cm 2 (area) x 0.1 to 2 mm (thickness) were prepared and converted to electrical conductivity by measuring resistance through a four point probe.
상기 표 3을 통해, 본 발명에 따른 금속 카바이드 입자는 우수한 전기 전도도를 가지고 있다는 것을 확인할 수 있었다.
From Table 3, it can be seen that the metal carbide particles according to the present invention have excellent electrical conductivity.
실험예Experimental Example 3: 전극의 화학적 특성 측정 3: Measurement of chemical properties of electrodes
상기 실시예 1에서 제조된, 백금 포일(platinum foil) 및 Ag/AgCl 전극을 각각 작업 전극(working electrode), 상대 전극(counter electrode) 및 기준 전극(reference electrode)으로 각각 사용하여 3 전극 시스템(three electrode system) 하에서 순환 전압 전류법(cyclic voltammetry method)를 통하여, - 0.1 내지 0.9 V 조건 하에서 주사 속도를 5 내지 500 mV/s로 달리하여 비정전 용량(specific capacitance) 및 CV 커브 면적(CV curve area)을 측정하였다. 그 결과는 하기 표 4에 나타내었다.A platinum foil and an Ag / AgCl electrode prepared in Example 1 were used as a working electrode, a counter electrode, and a reference electrode, respectively, to form a three-electrode system (three the specific capacitance and the CV curve area are obtained by varying the scanning speed from 5 to 500 mV / s under the condition of -0.1 to 0.9 V through the cyclic voltammetry method under the electrode system. Were measured. The results are shown in Table 4 below.
(A V/g)CV curve area
(AV / g)
상기 표 4를 통해, 본 발명에 따른 다공성 금속 카바이드 입자를 포함하는 전극은 170 F/g 이상의 비정전 용량을 나타내는 것을 확인할 수 있었고, 주사 속도가 커질수록 CV 커브 면적이 넓어지는 것을 확인할 수 있었다. It can be seen from Table 4 that the electrode including the porous metal carbide particles according to the present invention exhibits a non-discharge capacity of 170 F / g or more, and it is confirmed that the CV curve area becomes wider as the scanning speed increases.
Claims (11)
단위 질량당 기공의 평균 부피는 0.1 내지 1.5 cm3/g 범위인 다공성 금속 카바이드 입자.
The specific surface area is in the range of 1,000 to 2,500 m 2 / g,
Porous metal carbide particles having an average volume of pores per unit mass ranging from 0.1 to 1.5 cm 3 / g.
상기 금속 카바이드 입자는 베타형 폴리타입의 결정 구조를 80% 이상 포함하는 다공성 금속 카바이드 입자.
The method according to claim 1,
Wherein the metal carbide particles comprise at least 80% of a crystal structure of a beta type polytype.
전기 전도도가 60 S/cm 이상인 것을 특징으로 하는 다공성 금속 카바이드 입자.
The method according to claim 1,
Wherein the porous metal carbide particles have an electrical conductivity of 60 S / cm or more.
다공성 금속 카바이드 입자에 형성된 기공의 평균 입경은 0.1 내지 100 nm인 것을 특징으로 하는 다공성 금속 카바이드 입자.
The method according to claim 1,
Wherein the porous metal carbide particles have an average particle diameter of 0.1 to 100 nm.
금속은 실리콘, 티타늄, 백금, 텅스텐 및 지르코늄 중 1 종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 금속 카바이드 입자.
The method according to claim 1,
A porous metal carbide particle characterized in that the metal comprises at least one of silicon, titanium, platinum, tungsten and zirconium.
And carbonizing the metal particles under a temperature condition of 1000 to 1500 占 폚.
탄화시키는 단계에서 사용되는 탄소원은, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 벤젠 및 톨루엔 중 1 종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 금속 카바이드 입자의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the carbon source used in the carbonization step comprises at least one of ethanol, methanol, propanol, benzene, and toluene.
탄소원은 아르곤 캐리어 가스를 이용하여 유입되는 것을 특징으로 하는 다공성 금속 카바이드 입자의 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the carbon source is introduced using an argon carrier gas.
유입되는 탄소원의 유량은 50 내지 1000 cc/min인 것을 특징으로 하는 다공성 금속 카바이드 입자의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the flow rate of the carbon source is 50 to 1000 cc / min.
기판의 일면 또는 양면에 형성된 청구항 제 1 항에 따른 다공성 금속 카바이드를 함유하는 금속 카바이드층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터용 전극.
Board; And
An electrode for an electric double layer capacitor, comprising a metal carbide layer containing a porous metal carbide according to claim 1 formed on one or both sides of a substrate.
비정전 용량이 170 F/g 이상인 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터용 전극.
11. The method of claim 10,
Wherein the non-conductive capacity is 170 F / g or more.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150103705A KR20170012681A (en) | 2015-07-22 | 2015-07-22 | Porous metal carbide particle, manufacturing method of the same, and electrode for electric double layer capacitor comprising the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150103705A KR20170012681A (en) | 2015-07-22 | 2015-07-22 | Porous metal carbide particle, manufacturing method of the same, and electrode for electric double layer capacitor comprising the same |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20170012681A true KR20170012681A (en) | 2017-02-03 |
Family
ID=58156473
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020150103705A KR20170012681A (en) | 2015-07-22 | 2015-07-22 | Porous metal carbide particle, manufacturing method of the same, and electrode for electric double layer capacitor comprising the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20170012681A (en) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20050092976A (en) | 2004-03-17 | 2005-09-23 | 한국과학기술연구원 | Electrodes and capacitors composed with porous 3-dimensional current collector, and their fabrication methods |
-
2015
- 2015-07-22 KR KR1020150103705A patent/KR20170012681A/en not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20050092976A (en) | 2004-03-17 | 2005-09-23 | 한국과학기술연구원 | Electrodes and capacitors composed with porous 3-dimensional current collector, and their fabrication methods |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Li et al. | Hierarchical Zn–Co–S nanowires as advanced electrodes for all solid state asymmetric supercapacitors | |
| Qiu et al. | Kinetics enhanced nitrogen‐doped hierarchical porous hollow carbon spheres boosting advanced potassium‐ion hybrid capacitors | |
| Dahal et al. | In-built fabrication of MOF assimilated B/N co-doped 3D porous carbon nanofiber network as a binder-free electrode for supercapacitors | |
| Zeng et al. | Crosslinked carbon nanotube aerogel films decorated with cobalt oxides for flexible rechargeable Zn–air batteries | |
| Xu et al. | A fast proton‐induced pseudocapacitive supercapacitor with high energy and power density | |
| Xue et al. | Boron element nanowires electrode for supercapacitors | |
| Han et al. | Reactivation of dissolved polysulfides in Li–S batteries based on atomic layer deposition of Al2O3 in nanoporous carbon cloth | |
| Cai et al. | Laser direct writing of heteroatom-doped porous carbon for high-performance micro-supercapacitors | |
| Salunkhe et al. | Fabrication of symmetric supercapacitors based on MOF-derived nanoporous carbons | |
| Abouali et al. | Electrospun carbon nanofibers with in situ encapsulated Co3O4 nanoparticles as electrodes for high-performance supercapacitors | |
| Zeng et al. | Metal–organic-framework-derived ZnO@ C@ NiCo 2 O 4 core–shell structures as an advanced electrode for high-performance supercapacitors | |
| Li et al. | A high-performance flexible fibre-shaped electrochemical capacitor based on electrochemically reduced graphene oxide | |
| JP5191483B2 (en) | Porous conductive carbon materials and their use | |
| Gong et al. | High-loading nickel cobaltate nanoparticles anchored on three-dimensional N-doped graphene as an efficient bifunctional catalyst for lithium–oxygen batteries | |
| KR101832663B1 (en) | three dimensional graphene structure having high density and capacity properties, manufacturing method thereof and electrode material comprising the same | |
| Wang et al. | Constructing Conductive Bridge Arrays between Ti3C2T x MXene Nanosheets for High-Performance Lithium-Ion Batteries and Highly Efficient Hydrogen Evolution | |
| US20130037756A1 (en) | Electrodes for electrochemical capacitor and electrochemical capacitor including the same | |
| KR20200067149A (en) | Hydrated carbon material powder and its use for the production of electrodes for electrical storage devices | |
| Ghanashyam et al. | Synthesis of plasma treated nitrogen-doped graphite oxide for supercapacitor applications | |
| Kong et al. | Ionic liquid directed construction of foam-like mesoporous boron-doped graphitic carbon nitride electrode for high-performance supercapacitor | |
| Liu et al. | Highly Uniform MnCo2O4 Hollow Spheres‐Based All‐Solid‐State Asymmetric Micro‐Supercapacitor via a Simple Metal‐Glycerate Precursor Approach | |
| CN104538596A (en) | Carbon material/covalent organic two-dimensional gird composite electrode material as well as preparation method and application thereof | |
| Kang et al. | Hierarchical Carbon Nanowire/Ni@ MnO2 Nanocomposites for High‐Performance Asymmetric Supercapacitors | |
| Rahman et al. | Exploring the functional properties of sodium phytate doped polyaniline nanofibers modified FTO electrodes for high-performance binder free symmetric supercapacitors | |
| Park et al. | Improved electrochemical performance of Fe3O4 nanoparticles decorated activated carbon supercapacitor electrodes |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |