KR20180125231A - 전극 재료 및 이의 제조 방법 - Google Patents

전극 재료 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

실시예에 따른 전극 재료는 결정질 및 기공을 포함하는 비정질을 포함하는 탄소원을 포함하고, 상기 결정질의 제 1 방향의 크기는 0.6 nm 내지 3.0 nm이고, 상기 제 1 방향은 상기 결정질을 형성하는 탄소의 공유 결합 방향이고, 상기 제 1 방향은 상기 결정질의 (100)면 방향이고, 상기 제 2 방향의 크기는 0.36 nm 내지 0.42 nm이고, 상기 제 2 방향은 상기 결정질의 층간 거리이고, 상기 제 2 방향은 상기 결정질의 (002)면 방향이다.
또한, 실시예에 따른 전기 화학 소자는 제 1 전극, 제 2 전극 및 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 배치되는 분리막을 포함하고, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 적어도 하나의 전극을 형성하는 전극 재료는 탄소원을 포함하고, 상기 탄소원은 결정질 및 기공을 포함하는 비정질을 포함하고, 상기 결정질의 제 1 방향의 크기는 0.6 nm 내지 3.0 nm 이고, 상기 제 1 방향은 상기 결정질을 형성하는 탄소의 공유 결합 방향이고, 상기 제 1 방향은 상기 결정질의 (100)면 방향이다.
또한, 실시예에 따른 전극 재료 제조 방법은, 탄소원을 열처리하는 단계 및 상기 탄소원을 알칼리를 포함하는 물질로 활성화 처리하는 단계를 포함하고, 상기 활성화 처리하는 단계 이후의 상기 탄소원은, 결정질 및 기공을 포함하는 비정질을 포함하고, 상기 결정질의 제 1 방향의 크기는 0.6 nm 내지 3.0 nm 이고, 상기 제 1 방향은 상기 결정질을 형성하는 탄소의 공유 결합 방향이고, 상기 제 1 방향은 상기 결정질의 (100)면 방향이다.

Description

전극 재료 및 이의 제조 방법{ELECTRODE MATETERIAL AND THE METHOD FOR THE SAME}
실시예는 전극 재료 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 화석연료에 고갈에 대한 문제 및 환경에 대한 관심이 대두되면서 고성능 전기 화학 소자에 대한 관심이 높아지고 있다.
상기 전기 화학 소자는 리튬이온 이차전지 및 슈퍼 캐패시터(super capacitor) 등이 있다. 그 중에서, 상기 슈퍼 캐패시터는 전기이중층 캐패시터(electric double layer capacitor, EDLC) 및 슈도 캐패시터(psedudo capacitor)로 구분될 수 있다.
상기 전기이중층 캐패시터는 전극과 전해질 계면과 인접한 전기이중층의 정전기적 인력에 의해 전하의 흡탈착에 의해서 에너지를 저장하는 캐패시터이며, 전체 슈퍼 캐패시터의 80% 이상을 점유하고 있다.
상기 전기이중층 캐패시터는 화학 반응을 이용하는 배터리와 달리 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용한다. 즉, 상기 전기이중층 캐패시터는 전해콘덴서와 이차전지의 중간적인 특성을 가지고 있는 전기 화학 소자이다. 이에 따라, 급속 충전 및 방전이 가능하고, 효율이 높은 특징이 있으며, 반영구적으로 사용할 수 있는 특징이 있어, 상기 전기이중층 캐패시터는 이차전지를 대체할 수 있는 에너지 저장 장치로 주목받고 있다.
상기 전기이중층 캐패시터는 전극 활물질로써 활성탄과 같은 탄소원의 소재가 사용되고 있다.
상기 전기이중층 캐패시터의 출력 에너지(E)는 전기용량(C)과 비례하며, 상기 전기용량(C)은 활물질의 표면적(A)과 비례한다. 자세하게, 상기 출력 에너지(E)는 전압(V) 및 상기 전기용량(C)과 비례하는 값을 가지고, 상기 전기용량(C)은 전해질의 유전상수(εr), 진공 유전율(ε0), 전하의 분리 거리(d) 및 전극의 표면적(A)에 의해 결정될 수 있다. 즉, 상기 출력 에너지(E) 및 전기용량(C)은 활물질과 직접적인 관계가 있다.
상기 출력 에너지(E) 및 전기용량(C)의 특성을 향상시키기 위해 단위 무게당 비표면적을 증가시킬 수 있는 전극 재료에 대한 연구가 진행되고 있다. 그러나, 비표면적이 증가된 값을 가지는 전극 재료는 전기 전도도가 낮은 문제점이 있고, 상대적으로 높은 전기 전도도를 가지는 전극 재료의 경우, 비표면적이 감소되어 전체적인 전기용량이 감소되는 문제점이 있다. 이에 따라, 상기 전극 재료를 이용하여 제조한 전기 화학 소자의 용량을 증가하는데 있어 한계가 있다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있는 새로운 전극 재료 및 제조 방법이 요구된다.
실시예는 높은 전기 전도도 및 정전 용량을 가지는 전극 재료 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 높은 전기 전도도 및 정전 용량을 가지는 전극 재료에 의해 도전재를 생략할 수 있는 전극 형성용 조성물을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 높은 전기 전도도 및 정전 용량을 가지는 전기 화학 소자를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 전극 재료는 결정질 및 기공을 포함하는 비정질을 포함하는 탄소원을 포함하고, 상기 결정질의 제 1 방향의 크기는 0.6 nm 내지 3.0 nm이고, 상기 제 1 방향은 상기 결정질을 형성하는 탄소의 공유 결합 방향이고, 상기 제 1 방향은 상기 결정질의 (100)면 방향이고, 상기 제 2 방향의 크기는 0.36 nm 내지 0.42 nm이고, 상기 제 2 방향은 상기 결정질의 층간 거리이고, 상기 제 2 방향은 상기 결정질의 (002)면 방향이다.
또한, 실시예에 따른 전기 화학 소자는 제 1 전극, 제 2 전극 및 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 배치되는 분리막을 포함하고, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 적어도 하나의 전극을 형성하는 전극 재료는 탄소원을 포함하고, 상기 탄소원은 결정질 및 기공을 포함하는 비정질을 포함하고, 상기 결정질의 제 1 방향의 크기는 0.6 nm 내지 3.0 nm 이고, 상기 제 1 방향은 상기 결정질을 형성하는 탄소의 공유 결합 방향이고, 상기 제 1 방향은 상기 결정질의 (100)면 방향이다.
또한, 실시예에 따른 전극 재료 제조 방법은, 탄소원을 열처리하는 단계 및 상기 탄소원을 알칼리를 포함하는 물질로 활성화 처리하는 단계를 포함하고, 상기 활성화 처리하는 단계 이후의 상기 탄소원은, 결정질 및 기공을 포함하는 비정질을 포함하고, 상기 결정질의 제 1 방향의 크기는 0.6 nm 내지 3.0 nm 이고, 상기 제 1 방향은 상기 결정질을 형성하는 탄소의 공유 결합 방향이고, 상기 제 1 방향은 상기 결정질의 (100)면 방향이다.
실시예에 따른 전극 재료는 탄소원에 형성되는 결정질의 (100)면 방향의 결정 크기를 조절할 수 있고, 상기 (100)면 방향의 결정 크기를 조절함으로써 상기 결정질의 (002)면 방향의 결정 크기를 조절할 수 있다. 이에 따라, 전극 재료의 전기 전도도 및 정전 용량을 향상시킬 수 있다.
또한, 실시예에 따른 전극 형성용 조성물은 상기 탄소원에 형성되는 상기 결정질의 (100)면 방향의 결정 크기 및 (002)면 방향의 결정 크기를 조절하여 전기적 특성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 전극 형성용 조성물은 전기적 특성 향상을 위해 첨가되는 도전재를 생략할 수 있어 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 전극 재료를 확대한 형상을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 실시예에 따른 전극 재료에서 결정질 영역(도 1의 A영역)의 결정 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 실시예에 따른 전기 화학 소자를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 실시예에 따른 전극 재료의 제조 공정을 설명하는 순서도이다.
도 5는 실시예에 따른 제조 공정 중 열처리 및 활성화 처리에 따라 변화하는 탄소원을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 실시예에 따른 전극 재료의 X선 회절 분석에 대한 그래프이다.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 “상/위(on)”에 또는 “하/아래(under)”에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
또한, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
이하 도면들을 참조하여 실시예에 따른 전극 재료를 설명한다.
도 1은 실시예에 따른 전극 재료를 확대한 형상을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 상기 전극 재료는 탄소원(1)을 포함할 수 있다. 상기 탄소원(1)은 석유계 또는 석탄계 피치(pitch), 생 코크스(그린 코크스), 칼시네이션(calcination) 코크스, 코크스 더스트, 활성탄, 카본 블랙(carbon balck) 및 풀러렌(fullerene, C60) 등의 물질을 포함할 수 있다. 그러나, 실시예는 이에 제한되지 않고, 상기 탄소원(1)에 요구되는 특성을 충족시킬 수 있는 물질을 포함할 수 있다.
상기 탄소원(1)은 비정질(10) 및 결정질(20)을 포함할 수 있다. 상기 비정질(10)은 원자 배열이 불규칙적인 구조를 가지며 기공(11)을 포함할 수 있고, 상기 결정질(20)은 sp2 구조를 가지는 결정일 수 있다.
상기 비정질(10) 및 상기 결정질(20)은 상기 탄소원(1) 내에 혼재되어 있을 수 있다. 상기 결정질(20)은 상기 탄소원(1) 내에 불규칙적으로 형성되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소원(1)에서 상기 결정질(20)은 상기 비정질(10)에 둘러싸여 있을 수 있다.
또한, 상기 탄소원(1)에는 전해질 이온(30)이 배치될 수 있다. 자세하게, 상기 전해질 이온(30)은 상기 결정질(20)을 통과하여 상기 비정질(10) 내에 배치될 수 있다. 더 자세하게, 상기 전해질 이온(30)은 상기 결정질(20)을 통과하여 상기 비정질(10)에 형성된 기공(11)에 배치될 수 있다.
즉, 상기 결정질(20)은 상기 전해질 이온(30)이 용이하게 흐를 수 있도록 하는 통로 역할을 할 수 있다. 이에 따라, 상기 전극 재료의 저항을 낮춰 전기 전도도를 개선시킬 수 있고 전체적인 정전 용량을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 비정질(10)은 상기 전해질 이온(30)을 저장하는 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 상기 전해질 이온(30)은 상기 비정질(10)에 흡착될 수 있다. 즉, 상기 비정질(10)은 상기 기공(11)을 포함하고, 상기 기공(11)에 의해 상기 비정질(10)의 비표면적은 향상될 수 있다.
실시예에 따른 상기 결정질(20)은 상기 전극 재료의 단위 중량(g)에 대해 약 40% 내지 약 91%일 수 있다. 상기 결정질(20)의 비율이 약 40% 미만인 경우, 상기 비정질(10)의 비율이 증가되어 비표면적이 증가될 수 있다. 이에 따라, 전기 전도도가 감소되고 정전 용량이 감소되는 문제가 있다. 또한, 상기 결정질(20)의 비율이 약 91%를 초과하는 경우, 상기 전극 재료의 비표면적이 지나치게 감소되어 전체적인 정전 용량이 감소되는 문제가 있다.
또한, 상기 전극 재료의 비표면적은 200 m2/g 내지 1200 m2/g 일 수 있다. 상기 전극 재료의 비표면적이 전술한 범위 내인 경우 결정 격자 사이 또는 비정질의 기공(12)에 전해질 이온의 유입이 용이하여 정전 용량이 현저히 향상될 수 있다.
상기 탄소원(1)에 포함된 상기 비정질(10) 및 상기 결정질(20)은 후술할 열처리 과정에서 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 열처리 과정에 의해 상기 비정질(10)이 부분적으로 결정화되어 상기 결정질(20)가 형성될 수 있다. 이와 관련하여서는 후술할 전극 재료 제조 방법에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
상기 비정질(10)은 적어도 하나의 기공(11)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소원(1) 내에 포함된 상기 기공(11)은 복수 개일 수 있다. 즉, 상기 탄소원(1)은 다공성 물질일 수 있다.
상기 탄소원(1)이 복수 개의 기공(11)들을 포함할 경우, 상기 기공(11)들의 크기는 서로 동일할 수 있다. 자세하게, 상기 기공(11)들은 서로 동일한 지름을 가질 수 있다. 이와 다르게, 상기 기공(11)들의 크기는 서로 상이할 수 있다. 자세하게, 상기 기공(11)들은 서로 상이한 지름을 가질 수 있다. 이와 또 다르게, 상기 탄소원(1)은 서로 동일한 지름을 가지는 기공(11)들 및 서로 상이한 지름을 가지는 기공(11)들을 모두 포함할 수 있다. 즉, 상기 탄소원(1)은 상기 비정질(10)에 포함된 상기 기공(11)에 의해 비표면적이 향상될 수 있다.
상기 비정질(10)에서 상기 기공(11)의 유무 및/또는 상기 기공(11)의 크기는 전극 재료의 비표면적에 영향을 주는 요인일 수 있다. 상기 기공(11)의 크기는 상기 기공(11)의 평균 지름 길이일 수 있다. 상기 기공(11)의 크기 및 상기 기공(11)의 분포 특성은 상기 기공(11) 내에 배치되는 상기 전해질 이온(30)의 양 및/또는 이동도에 영향을 주는 요인일 수 있다.
실시예에 따른 상기 전극 재료의 상기 기공(11)은 약 1 nm 이하의 크기를 가질 수 있다. 또한, 상기 기공(11)은 상기 비정질(10) 전체 부피의 약 60% 내지 약 85%일 수 있다. 상기 기공(11)의 부피가 상기 비정질(10) 전체 부피의 약 60% 미만일 경우, 비표면적이 감소되어 정전 용량이 감소될 수 있다. 또한, 상기 기공(11)의 부피가 상기 비정질(10) 전체 부피의 약 85% 초과할 경우, 비표면적이 증가되어 상기 전해질 이온(30)의 접근성이 저하될 수 있고, 이에 따라 전기 이동도가 저하되어 전체적인 전기적 특성이 저하될 수 있다.
상기 기공(11)은 후술할 활성화 처리 과정에서 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 활성화 처리 과정에 의해 상기 기공(11)의 크기 및 비율은 조절될 수 있다. 이와 관련하여서는 후술할 전극 재료 제조 방법에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 실시예에 따른 전극 재료에서 결정질 영역(도 1의 A영역)의 결정 구조를 도시한 도면이다.
상기 전극 재료의 탄소원(1)에 포함된 상기 결정질(20)은 열처리 과정에서 형성될 수 있다. 상기 탄소원(1)이 결정질(20)을 포함하는지 여부는 X선 회절 분석법(X-ray diffraction, XRD)에 의해 확인할 수 있다. 결정에 X선 조사 시 일부에서 회절이 일어나는데, 그 회절각과 강도는 물질 구조마다 고유한 것으로서 회절 X선을 이용하여 시료에 함유된 결정성 물질의 종류와 양에 관계되는 정보를 알 수 있다. 즉, X선 회절 분석법에 의하면 결정성 물질의 구조에 관한 정보를 알 수 있다.
도 2를 참조하면, 실시예에 따른 상기 결정질(20)은 복수 개의 결정층을 포함하는 층상 구조일 수 있다. 자세하게, 상기 결정질(20)은 sp2 구조의 흑연(graphite)을 포함할 수 있다.
일반적으로 흑연은 내열성, 내열충격성, 내식성이 강하고, 전기 전도성 및 열 전도성이 우수한 물질이다. 상기 흑연은 여섯 개의 탄소로 이루어진 고리가 연결되어 층을 이룬 모양을 가지며, 2차원적인 평면들이 약한 힘으로 결합되어 3차원으로 쌓여 있는 구조를 하고 있다. 흑연은 도 2에 도시된 바와 같이 a축, b축 및 c축 방향으로 결합된 구조를 가진다. 일반적인 흑연에서 탄소간 결합을 형성하는 a축 및 b축의 탄소간 결합 길이는 약 1.42Å이고, 층간 거리인 c축의 탄소간 결합 길이는 약 6.696Å이다. 상기 a축 방향 및 b축 방향은 상기 c축 방향과 교차하는 방향일 수 있다. 자세하게, 상기 a축 방향 및 b축 방향은 상기 c축 방향과 수직을 형성할 수 있다.
실시예에 따른 흑연은 도 2에 도시된 바와 같이 결정층이 층상 구조를 이룬 형태를 가질 수 있다. 이때, 상기 결정층에서 고리를 형성하는 상기 탄소는 공유 결합(covalent bond)으로 연결되며, 상기 공유 결합으로 연결된 탄소간의 결합 길이(l)는 약 1.42Å일 수 있다. 즉, 상기 a축 및 b축의 탄소간 결합 길이는 약 1.42Å일 수 있다.
또한, 결정층과 결정층 사이, 즉, 결정질(20)의 층간 사이는 반데르발스 힘(van der waals force)에 의해 연결되며, 상기 반데르발스 힘에 의해 연결된 상기 결정질(20)의 층간 거리(d2)는 약 0.36 nm 내지 약 0.42 nm일 수 있다. 자세하게, 상기 결정질(20)의 (002)면 방향의 결정 크기는 약 0.36 nm 내지 약 0.42 nm일 수 있다. 즉, 상기 c축의 탄소간 결합 길이는 약 0.36 nm 내지 약 0.42 nm일 수 있다.
상기 결정질(20)의 층간 거리(d2)가 약 0.36 nm 미만인 경우, 상기 결정질(20)의 층과 층 사이로 상기 전해질 이온(30)이 삽입되고 이동하는 것이 용이하지 않을 수 있다. 또한, 상기 결정질(20)의 층간 거리(d2)가 약 0.42 nm를 초과하는 경우, 상기 결정질(20)의 층과 층 사이의 거리가 멀어져 결정성을 상실할 수 있다. 이에 따라, 정전 용량이 저하되는 문제가 있다.
실시예에 따른 상기 결정질(20)의 제 1 방향의 길이(d1)는 약 0.6 nm 내지 약 3.0 nm 일 수 있다. 상기 제 1 방향은, 상기 육각 판 모양의 결정층이 연장되는 방향으로, 상기 결정층을 형성하는 탄소들이 고리를 형성하는 방향일 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 방향은 상기 결정층의 탄소들이 공유 결합을 형성하는 방향일 수 있다. 더 자세하게, 상기 제 1 방향은 상기 결정질(20)의 (100)면 방향일 수 있다.
상기 결정질(20)의 제 1 방향의 길이(d1), 즉, 상기 결정질(20)의 (100)면 방향의 결정 크기가 0.6 nm 미만인 경우 정전 용량 및 전기 전도도가 향상되는 효과가 미미할 수 있다. 또한, 상기 결정질(20)의 층과 층 사이의 거리를 조절하는 활성화 처리 시, 상기 결정질(20)의 층과 층 사이의 거리(d2)가 멀어져 결정성을 상실할 수 있다. 이에 따라, 정전 용량이 저하되는 문제가 있다.
또한, 상기 결정질(20)의 제 1 방향의 길이(d1), 즉, 상기 결정질(20)의 (100)면 방향의 결정 크기가 3.0 nm를 초과하는 경우, 상기 탄소원(1)을 활성화 처리 시 상기 결정질(20)의 층간 거리(d2)가 확대되지 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 전해질 이온(30)이 상기 결정질(20)의 층과 층 사이로 삽입되고 이동하는 것이 용이하지 않을 수 있다. 이에 따라, 전체적인 정전 용량이 저하되는 문제가 있다.
또한, 상기 결정질(20)의 제 2 방향의 길이(d2)는 약 0.36 nm 내지 약 0.42 nm 일 수 있다. 상기 제 2 방향은 상기 결정질(20)을 형성하는 결정층과 결정층 사이의 거리로, 상술한 반데르발스 힘에 의해 연결된 층간 거리일 수 있다.
상기 제 1 방향 및 상기 제 2 방향은 서로 교차하는 방향일 수 있다. 예를 들어, 상기 상기 제 1 방향 및 상기 제 2 방향은 서로 수직인 방향으로 교차할 수 있다.
즉, 실시예에 따른 전극 재료는 결정질(20)의 (100)면 방향의 결정 크기 및 (002)면 방향의 결정 크기를 조절할 수 있다. 자세하게, 상기 결정질(20)의 (100)면 방향의 결정 크기를 약 0.6 nm 내지 약 3.0 nm로 조절할 수 있고, 이에 따라, 상기 결정질(20)의 (002)면 방향의 결정 크기를 약 0.36 nm 내지 약 0.42 nm로 효과적으로 조절할 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 전극 재료는 전기 전도도 및 정전 용량이 향상될 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 전기 화학 소자(1000)를 개략적으로 도시한 도면이다. 상기 전기 화학 소자(1000)는 전기 에너지와 화학 에너지 상호 변환이 가능한 것으로써 본 발명의 목적을 벗어나지 않는 범위 내라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 전기 화학 소자(1000)는 슈퍼 캐패시터, 이차 전지 등 일 수 있다. 실시예에 따른 전기 화학 소자(1000)는 슈퍼 캐패시터 일 수 있다. 상기 전기 화학 소자에 대한 설명에서는 앞서 설명한 실시예에 따른 전극 재료와 동일 또는 유사한 설명에 대해서는 설명을 생략한다.
도 3을 참조하면, 상기 전기 화학 소자(1000)는 제 1 전극(100), 제 2 전극(200) 및 상기 제 1 전극(100), 상기 제 2 전극(200) 사이에 배치되는 제 1 분리막(300) 및 덮개(500)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제 1 전극(100) 및 상기 제 2 전극(200) 중 적어도 하나의 전극은 앞서 상술한 전극 재료를 포함할 수 있다.
상기 제 1 전극(100) 및 상기 제 2 전극(200) 중 적어도 하나의 전극을 형성하는 전극 재료는 탄소원(1)을 포함할 수 있고, 상기 탄소원(1)은 결정질(20) 및 기공(11)을 포함하는 비정질(10)을 포함할 수 있다. 즉, 상기 탄소원(1)을 포함하는 전극 재료가 전기 화학 소자의 전극으로 사용되는 경우, 상기 전기 화학 소자의 충방전 과정에서 상기 전해질 이온(30)은 상기 기공(11) 내에 삽입될 수 있다.
상기 탄소원(1)의 결정질(20)은 상기 전극 재료의 단위 중량(g)에 대해 약 40% 내지 약 91%일 수 있다. 또한, 상기 기공(11)은 약 1 nm 이하의 크기를 가질 수 있고, 상기 기공(11)은 상기 비정질(10) 전체 부피의 약 60% 내지 약 85%일 수 있다. 이에 따라, 상기 전극 재료의 비표면적은 200 m2/g 내지 1200 m2/g 일 수 있다.
또한, 상기 결정질(20)에서 상기 결정층의 탄소들이 공유 결합을 형성하는 거리(d1), 즉, 상기 결정질(20)의 (100)면 방향의 거리(d1)는 약 0.6 nm 내지 약 3.0 nm 일 수 있다.
또한, 상기 결정질(20)에서 결정층과 결정층 사이의 거리(d2), 즉, 반데르발스 힘에 의해 연결된 상기 결정질(20)의 (002)면 방향의 거리(d2)는 약 0.36 nm 내지 약 0.42 nm일 수 있다.
따라서, 상기 전극 재료는 상기 제 1 전극(100) 및 상기 제 2 전극(200) 중 적어도 하나의 전극에 포함되어 전극 활물질로 이용될 수 있다.
상기 제 1 전극(100)은 양극일 수 있고, 상기 제 2 전극(200)은 음극일 수 있다. 이와 다르게, 상기 제 1 전극(100)은 음극일 수 있고, 상기 제 2 전극(200)은 양극일 수 있다. 상기 제 1 분리막(300)은 상기 제 1 전극(100) 및 상기 제 2 전극(200) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제 1 분리막(300)은 상기 제 1 전극(100) 및 상기 제 2 전극(200)과 접촉하며 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 분리막(300)의 일면 및 타면은 상기 제 1 분리막(300)의 상기 일면 및 상기 타면과 각각 마주하는 상기 제 1 전극(100) 및 상기 제 2 전극(200)과 직접 접촉하며 배치될 수 있다.
상기 제 1 전극(100) 및 상기 제 2 전극(200) 및 상기 제 1 분리막(300)은 전해액에 함침될 수 있다. 상기 전해액은 비수계 전해액일 수 있다. 자세하게, 상기 비수계 전해액에 사용되는 전해질 양이온은 TEA+, TEMA+, Li+, EMIM+, Na+ 등일 수 있고, 상기 비수계 전해액에 사용되는 전해질 음이온은 BF4 -, PF6 -, TFSI-, FSI- 등일 수 있다. 또한, 전해액 용매는 유기성 전해액, 보다 구체적으로는 ACN, PC, GBL, DMK 등일 수 있다. 상기 전해액의 농도는 용매와 전해질 이온(30)의 종류마다 상이할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 전기 화학 소자(1000)는 복수 개의 분리막을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전기 화학 소자(1000)는 상기 제 1 전극(100) 및 상기 제 2 전극(200) 사이에 배치되는 상기 제 1 분리막(300) 이외에 제 2 분리막(400)을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 제 2 분리막(400)은 상기 제 1 전극(100)의 상부에 배치될 수 있다. 즉, 상기 제 1 전극(100)은 상기 제 1 분리막(300) 및 상기 제 2 분리막(400) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제 2 분리막(400)의 일면은 상기 제 1 전극(100)과 직접 접촉하며 배치될 수 있다.
상기 제 1 전극(100) 및 상기 제 2 전극(200) 중 적어도 하나의 전극은 베이스 기판 상에 상술한 전극 재료를 포함하는 전극 형성용 조성물이 롤링으로 압연되어 형성될 수 있다.
이와 다르게, 상기 제 1 전극(100) 및 상기 제 2 전극(200) 중 적어도 하나의 전극은 상기 전극 재료를 포함하는 전극 형성용 조성물이 베이스 기판 상에 코팅되어 형성될 수 있다.
이와 또 다르게, 상기 제 1 전극(100) 및 상기 제 2 전극(200) 중 적어도 하나의 전극은 상기 전극 형성용 물질을 시트 형태로 만들어 상기 베이스 기판에 붙인 후 건조하여 형성될 수 있다.
그러나 실시예는 이에 제한되지 않고, 상기 제 1 전극(100) 및/또는 상기 제 2 전극(200)에 요구되는 특성을 충족시킬 수 있는 방법으로 형성될 수 있다.
상기 베이스 기판은 박막 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 베이스 기판은 전도성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 물질은 금속 등일 수 있다. 자세하게, 상기 금속은 구리, 알루미늄, 금 및 은을 포함할 수 있다. 그러나, 실시예는 이에 제한되지 않고, 상기 베이스 기판은 요구되는 특성을 충족시킬 수 있는 전도성 물질로 형성될 수 있다.
상기 전극 형성용 조성물은 상기 전극 재료 외에 바인더 및 도전재를 포함할 수 있다. 또한, 각 성분은 혼합 후 슬러리로써 전기 화학 소자(1000)에 적용될 수 있다.
상기 바인더는 전극 형성용 조성물에 접착성을 부여할 수 있다. 예를 들어, 상기 바인더는 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리비닐알콜(PVA) 등 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 실시예는 이에 제한되지 않고, 상기 바인더에 요구되는 특성을 충족시킬 수 있는 소재를 포함할 수 있다.
상기 바인더는 전극 형성용 조성물 전체 100 중량%에 대하여 약 1 중량% 내지 약 45 중량%만큼 포함될 수 있다. 상기 바인더가 상기 전극 형성용 조성물 전체 100 중량%에 대하여 약 1 중량% 미만인 경우, 물리적 접착력이 감소되어 바인더로서의 역할을 제대로 수행할 수 없다. 또한, 상기 바인더가 상기 전극 형성용 조성물 전체 100 중량%에 대하여 약 45 중량%를 초과하는 경우, 상기 도전재 및 상기 용매의 함량이 감소되어 전도성이 저하될 수 있다.
상기 도전재는 전극 형성용 조성물에 전도성을 부여할 수 있다. 예를 들어, 상기 도전재는 카본 블랙(carbon black), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(CNT) 및 탄소나노섬유(CNF) 등 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 실시예는 이에 제한되지 않고, 상기 도전재에 요구되는 특성을 충족시킬 수 있는 소재를 포함할 수 있다.
상기 도전재는 전극 형성용 조성물 전체 100 중량%에 대하여 약 1 중량% 내지 약 45 중량%만큼 포함될 수 있다. 상기 도전재가 상기 전극 형성용 조성물 전체 100 중량%에 대하여 약 1 중량% 미만인 경우, 상기 전극 형성용 조성물의 전도성이 저하될 수 있다. 또한, 상기 도전재가 상기 전극 형성용 조성물 전체 100 중량%에 대하여 약 45 중량%를 초과하는 경우, 상기 바인더 및 상기 용매의 함량이 감소되어 접착성이 저하될 수 있다.
이와 다르게, 실시예에 따른 전극 형성용 조성물은 상기 도전재를 생략할 수 있다. 자세하게, 실시예는 상기 전극 재료의 상기 탄소원(1)에서 결정질(20)의 (100)면 방향의 결정 크기 및 (002)면 방향의 결정 크기를 조절하여 전기 전도도를 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 도전재는 생략될 수 있다. 따라서, 전체적인 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 전극 형성용 조성물은 상기 전극 재료, 상기 바인더 및 상기 도전재 외에 용매를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 용매는 물 또는 유기 용매일 수 있다. 또한, 상기 용매는 전극 형성용 조성물 전체 100 중량%에 대하여 약 10 중량% 내지 약 97 중량%만큼 포함될 수 있다. 그러나, 실시예는 이에 제한되지 않고, 상기 용매에 요구되는 특성을 충족시킬 수 있는 물질을 포함할 수 있다.
또한, 상기 덮개(500)는 상기 제 1 전극(100), 상기 제 2 전극(200), 상기 제 1 분리막(300) 및 상기 제 2 분리막(400)을 수용할 수 있다. 즉, 상기 덮개(500)는 내부에 수용된 상기 제 1 전극(100), 상기 제 2 전극(200), 상기 제 1 분리막(300) 및 상기 제 2 분리막(400)을 외부의 충격으로부터 보호할 수 있다.
상기 덮개(500)는 전도성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 덮개(500)는 금속 등을 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 덮개(500)는 알루미늄을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전기 화학 소자(1000)는 리드선을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 리드선은 제 1 리드선(600) 및 제 2 리드선(700)을 포함할 수 있다. 상기 제 1 리드선(600)은 상기 제 1 전극(100)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 리드선(600)은 상기 제 1 전극(100)에 직접 접촉하며 연결될 수 있다. 또한, 상기 제 2 리드선(700)은 상기 제 2 전극(200)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 리드선(700)은 상기 제 2 전극(200)에 직접 접촉하며 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 제 1 리드선(600) 및 상기 제 2 리드선(700)은 상기 덮개(500) 외부로 연장되어 형성될 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 전극 재료의 제조 공정을 설명하는 순서도이고, 도 5는 열처리 및 활성화 처리에 따라 변화하는 탄소원을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면 실시예에 따른 전극 재료의 제조 공정은, 탄소원(1)을 열처리하는 단계, 활성화 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 탄소원(1)을 열처리하는 단계에서 상기 탄소원(1)은 열처리될 수 있다. 이때, 상기 탄소원(1)을 열처리하는 단계는 제 1 열처리 단계 및 제 2 열처리 단계를 포함할 수 있다.
상기 제 1 열처리 단계는 약 450℃ 내지 약 550℃의 온도에서 진행될 수 있다. 상기 제 1 열처리 단계는 상기 결정질(20)의 제 1 방향의 길이(d1), 즉, 상기 결정질(20)의 (100)면 방향의 결정 크기를 조절하기 위해 수행되는 단계일 수 있다.
상기 제 1 열처리 단계의 열처리 온도가 약 450℃ 미만인 경우, 후술할 제 2 열처리 단계에서 형성되는 상기 결정질(20)이 결정 성장 시 (100)면 방향으로 성장하지 않을 수 있다. 또한, 상기 제 1 열처리 단계의 열처리 온도가 550℃를 초과하는 경우, 후술할 제 2 열처리 단계에서 형성되는 상기 결정질(20)이 결정 성장 시 (100)면 방향으로 지나치게 성장할 수 있다.
상기 제 2 열처리 단계는 약 650℃ 내지 약 750℃의 온도에서 진행될 수 있다. 상기 제 2 열처리 단계는 상기 탄소원(1)에 결정질(20)을 형성하기 위한 단계일 수 있다.
상기 제 2 열처리 단계의 열처리 온도가 약 650℃ 미만이면 상기 탄소원(1)에 결정질(20)이 형성되지 않을 수 있다. 또한, 상기 열처리 온도가 약 750℃를 초과하면 상기 결정질(20)의 (100)면 방향의 결정 크기가 3 mm를 초과할 수 있고, 후술할 활성화 처리시 상기 결정질(20)의 층간 거리가 확대되지 않을 수 있다. 또한, 상기 열처리 온도가 약 750℃를 초과하면 결정질(20)의 비율이 증가하고 비정질(10)의 비율이 감소되어 전극 재료의 전체적인 비표면적이 감소될 수 있다. 이에 따라, 정전 용량이 감소될 수 있다.
또한, 상기 제 1 열처리 단계 및 상기 제 2 열처리 단계는 불활성 기체 분위기에서 진행될 수 있다. 예를 들어, 상기 불활성 기체는 헬륨, 아르곤 및 질소 등일 수 있다. 그러나, 실시예는 이에 제한되지 않고, 상기 열처리는 요구되는 특성을 충족시킬 수 있는 분위기에서 진행될 수 있다.
또한, 상기 제 1 열처리 단계는 약 0.5시간 내지 약 1.5시간 동안 진행될 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 열처리 단계는 약 0.75시간 내지 약 1.25시간 동안 진행될 수 있다. 바람직하게, 상기 제 1 열처리 단계는 약 1시간 동안 진행될 수 있다. 즉, 상기 제 1 열처리 단계는 상술한 제 1 열처리 온도 범위에서 약 1시간 동안 진행될 수 있다.
또한, 상기 제 2 열처리 단계는 약 0.5시간 내지 약 1.5시간 동안 진행될 수 있다. 자세하게, 상기 제 2 열처리 단계는 약 0.75시간 내지 약 1.25시간 동안 진행될 수 있다. 바람직하게, 상기 제 2 열처리 단계는 약 1시간 동안 진행될 수 있다. 즉, 상기 제 2 열처리 단계는 상술한 제 2 열처리 온도 범위에서 약 1시간 동안 진행될 수 있다.
즉, 상기 열처리 단계는 약 1시간 내지 약 3시간 동안 진행될 수 있다. 바람직하게, 상기 열처리 단계는 약 2시간 동안 진행될 수 있다. 이때, 상기 제 1 열처리 단계 및 상기 제 2 열처리 단계의 열처리 시간은 서로 동일할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 열처리 단계가 1시간 진행되는 경우, 상기 제 2 열처리 단계 역시 1시간 진행될 수 있다. 이와 다르게, 상기 제 1 열처리 단계 및 상기 제 2 열처리 단계의 열처리 시간은 서로 상이할 수 있다.
또한, 상기 제 1 열처리 단계 및 상기 제 2 열처리 단계의 승온 속도는 약 10℃/min 내지 약 40℃/min 일 수 있고, 상기 제 1 열처리 단계 및 상기 제 2 열처리 단계는 연속적으로 진행될 수 있다.
즉, 상기 전극 재료의 단위 중량(g)에 대한 상기 결정질(20)의 비율은 상기 탄소원(1)의 열처리 단계에 의해 조절될 수 있다. 자세하게, 상기 열처리 온도가 높으면 상기 결정질(20)의 비율이 증가될 수 있고, 상기 열처리 온도가 낮으면 상기 결정질(20)의 비율이 감소되어 상기 비정질(10)의 비율이 증가될 수 있다.
실시예에 따른 전극 재료의 제조 방법은 약 450℃ 내지 약 550℃의 온도에서 진행되는 제 1 열처리 단계 및 약 650℃ 내지 약 750℃의 온도에서 진행되는 제 2 열처리 단계를 포함함에 따라, 전극 재료의 비정질(10) 및 결정질(20)의 비율을 조절할 수 있다.
즉, 상기 열처리를 통해 상기 결정질(20)은 상기 전극 재료의 단위 중량(g)에 대해 약 40% 내지 약 91%일 수 있고, 이에 따라 전체적인 정전 용량 값은 향상될 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 열처리를 통해 상기 결정질(20)의 (100)면 방향의 결정 크기(d1)는 약 0.6 nm 내지 약 3.0 nm일 수 있다. 이에 따라, 활성화 처리시 상기 결정질(20)의 층간 거리(d2), 즉, 상기 결정질(20)의 (002)면 방향의 결정 크기를 용이하게 확대할 수 있다.
이어서, 상기 탄소원(1)을 활성화 처리 단계가 진행될 수 있다. 상기 활성화 처리 단계는 알칼리를 포함하는 활성화제를 이용하여 상기 탄소원(1)을 활성화 처리하는 단계일 수 있다. 이때, 상기 알칼리를 포함하는 물질은 리튬, 나트륨, 칼륨 금속 등일 수 있다.
상기 활성화 처리 단계는 상기 탄소원(1)에 상기 기공(11)을 형성하고, 층간 거리(d2)를 확보하는 단계일 수 있다. 자세하게, 상기 활성화 처리 단계에서 상기 탄소원(1)의 상기 비정질(10)은 깨져 기공(11)이 형성될 수 있고, 상기 결정질(20)의 결정층과 결정층 사이의 간격이 증가될 수 있다. 이에 따라, 상기 탄소원(1)의 비표면적은 증가될 수 있다.
상기 활성화 처리 단계는 약 800℃ 내지 약 1000℃의 온도에서 진행될 수 있다. 상기 활성화 처리 온도가 약 800℃ 미만이거나, 약 1000℃를 초과하는 경우, 상기 탄소원(1)의 결정질(20)의 층간 거리, 즉, 상기 결정질(20)의 (002)면 방향의 결정 크기는 약 0.36 nm 보다 작거나, 약 0.42 nm를 초과할 수 있다. 이에 따라, 상기 전해질 이온(30)이 통과할 수 있는 경로가 형성되지 않아 전기 전도도가 감소될 수 있고, 정전 용량 또한 감소될 수 있다.
또한, 실시예에 따른 상기 탄소원(1)은 약 800℃ 내지 약 1000℃의 온도에서 활성화 처리가 진행됨에 따라 상기 기공(11)은 약 1 nm 이하의 크기를 가질 수 있고, 상기 기공(11)은 상기 비정질(10) 전체 부피의 약 60% 내지 약 85%일 수 있다. 그러나, 상기 활성화 처리 온도가 약 800℃ 내지 1000℃ 범위를 벗어나는 경우, 상기 기공(11)의 크기 및/또는 비율을 조절하기 어려울 수 있다. 이에 따라, 전체적인 전기적 특성이 저하될 수 있다.
상기 활성화 처리 단계는 불활성 기체 분위기에서 진행될 수 있다. 상기 불활성 기체는 헬륨, 아르곤 및 질소 등일 수 있다. 그러나, 실시예는 이에 제한되지 않고, 상기 활성화 처리는 요구되는 특성을 충족시킬 수 있는 분위기에서 진행될 수 있다.
상기 활성화 처리 단계에서, 상기 탄소원(1) 및 상기 활성화제는 약 1:0.8 내지 약 1:5.5의 중량비로 혼합될 수 있다. 상기 탄소원(1) 및 상기 활성화제의 중량비가 약 1:0.8 미만인 경우, 상기 탄소원(1)을 충분히 활성화 할 수 없다. 이에 따라, 전극 재료 내에 상기 결정질(20)이 존재하더라도 상기 전해질 이온(30)이 삽입되기에 충분한 결정질(20)의 층간 거리가 확보될 수 없는 문제가 있다.
또한, 상기 탄소원(1) 및 상기 활성화제의 중량비가 약 1:5.5를 초과하는 경우, 인접하는 결정층들 사이의 거리가 멀어질 수 있다. 즉, 반데르발스 힘에 의해 결합된 결정층들 사이의 거리가 멀어져 반데르발스 힘이 작용할 수 없을 수 있다. 이에 따라, 결정성을 상실할 수 있다.
또한, 상기 탄소원(1) 및 상기 활성화제의 중량비가 약 1:0.8 내지 약 1:5.5를 벗어나는 경우, 약 1 nm 이하의 크기를 가지고, 상기 비정질(10) 전체 부피의 약 60% 내지 약 85%를 차지하는 기공(11)을 구현하기 어려울 수 있다. 즉, 상기 기공(11)의 크기 및/또는 비율을 조절하기 어려울 수 있다. 이에 따라, 전극 재료의 전체적인 전기적 특성이 저하될 수 있다.
이어서, 중화 단계가 진행될 수 있다. 상기 중화 단계는 상기 활성화 처리 단계에 사용된 상기 알칼리를 포함하는 물질을 제거하기 위해 중화하는 단계일 수 있다. 상기 중화 단계는 염산, 질산 등이 사용될 수 있다.
상기 중화 단계 이후에는 세정하는 단계가 진행될 수 있다. 상기 세정하는 단계는 증류수를 이용하여 세정하는 단계일 수 있다.
상기 세정하는 단계 이후에는 건조 단계가 진행될 수 있다. 상기 건조 단계에 의해 상기 전극 재료는 건조될 수 있다.
이하, 실시예들 및 비교예들에 전극 재료를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실시예는 본 발명을 좀더 상세하게 설명하기 위하여 예시로 제시한 것에 불과하다. 따라서, 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
상술한 방법으로 탄소원을 열처리하였다. 상기 열처리는 불활성 기체 분위기에서 진행하였으며, 제 1 열처리 및 제 2 열처리를 포함한다.
상기 제 1 열처리는 550℃의 온도에서 1시간동안 진행하였으며, 20℃/min의 승온 속도로 열처리하였다. 상기 제 2 열처리는 700℃의 온도에서 1시간동안 진행하였으며, 20℃/min의 승온 속도로 열처리하였다. 상기 제 1 열처리 및 상기 제 2 열처리는 연속적으로 진행하였다.
상기 열처리를 마친 상기 탄소원과 활성화제를 혼합하여 활성화처리 하여 전극 재료를 제조한 후, 상기 전극 재료를 이용하여 전기 화학 소자(슈퍼 캐패시터)를 제조하였다.
이어서 실시예에 따른 전극 재료의 결정질 유뮤, 상기 결정질의 (100)면 방향의 결정 크기, 정전 용량 및 전기 전도도를 측정하였다.
실시예 2
상기 제 1 열처리는 500℃의 온도에서 1시간동안 진행하였으며, 20℃/min의 승온 속도로 열처리하였다. 상기 제 2 열처리는 700℃의 온도에서 1시간동안 진행하였으며, 20℃/min의 승온 속도로 열처리하였다. 이를 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 3
상기 제 1 열처리는 500℃의 온도에서 1시간동안 진행하였으며, 40℃/min의 승온 속도로 열처리하였다. 상기 제 2 열처리는 700℃의 온도에서 1시간동안 진행하였으며, 40℃/min의 승온 속도로 열처리하였다. 이를 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 4
상기 제 1 열처리는 500℃의 온도에서 1시간동안 진행하였으며, 10℃/min의 승온 속도로 열처리하였다. 상기 제 2 열처리는 700℃의 온도에서 1시간동안 진행하였으며, 10℃/min의 승온 속도로 열처리하였다. 이를 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
비교예 1
상기 제 1 열처리는 350℃의 온도에서 1시간동안 진행하였으며, 20℃/min의 승온 속도로 열처리하였다. 상기 제 2 열처리는 700℃의 온도에서 1시간동안 진행하였으며, 20℃/min의 승온 속도로 열처리하였다. 이를 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
비교예 2
상기 제 1 열처리는 400℃의 온도에서 1시간동안 진행하였으며, 20℃/min의 승온 속도로 열처리하였다. 상기 제 2 열처리는 600℃의 온도에서 1시간동안 진행하였으며, 20℃/min의 승온 속도로 열처리하였다. 이를 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
비교예 3
상기 제 1 열처리는 500℃의 온도에서 0.5시간동안 진행하였으며, 20℃/min의 승온 속도로 열처리하였다. 상기 제 2 열처리는 700℃의 온도에서 0.5시간동안 진행하였으며, 20℃/min의 승온 속도로 열처리하였다. 이를 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
비교예 4
상기 제 1 열처리는 500℃의 온도에서 2시간동안 진행하였으며, 20℃/min의 승온 속도로 열처리하였다. 상기 제 2 열처리는 700℃의 온도에서 2시간동안 진행하였으며, 20℃/min의 승온 속도로 열처리하였다. 이를 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
비교예 5
상기 제 1 열처리는 500℃의 온도에서 1시간동안 진행하였으며, 5℃/min의 승온 속도로 열처리하였다. 상기 제 2 열처리는 700℃의 온도에서 1시간동안 진행하였으며, 5℃/min의 승온 속도로 열처리하였다. 이를 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
비교예 6
상기 제 1 열처리는 500℃의 온도에서 1시간동안 진행하였으며, 60℃/min의 승온 속도로 열처리하였다. 상기 제 2 열처리는 700℃의 온도에서 1시간동안 진행하였으며, 60℃/min의 승온 속도로 열처리하였다. 이를 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
비교예 7
상기 제 1 열처리는 650℃의 온도에서 1시간동안 진행하였으며, 20℃/min의 승온 속도로 열처리하였다. 상기 제 2 열처리는 700℃의 온도에서 1시간동안 진행하였으며, 20℃/min의 승온 속도로 열처리하였다. 이를 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
비교예 8
상기 제 1 열처리는 650℃의 온도에서 1시간동안 진행하였으며, 20℃/min의 승온 속도로 열처리하였다. 상기 제 2 열처리는 800℃의 온도에서 1시간동안 진행하였으며, 20℃/min의 승온 속도로 열처리하였다. 이를 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
결정질 (100)면 방향의 결정 크기 (nm) 정전 용량 (F/cc) 전기 전도도 (S/cm)
실시예 1 2.772 23 19.2
실시예 2 1.836 38 13.8
실시예 3 2.367 21 16.2
실시예 4 0.786 20 1.2
비교예 1 0.3855 13 0.8
비교예 2 0.223 8 0.2
비교예 3 0.447 10 0.5
비교예 4 3.958 9 60.2
비교예 5 0.318 15 0.3
비교예 6 3.958 9 60.2
비교예 7 3.719 7 56.0
비교예 8 0.958 9 53.0
상술한 실시예들 및 비교예들에 따른 전극 재료의 결정질 유무, 상기 결정질의 (100)면 방향의 결정 크기 및 상기 결정질 (002)면 방향의 결정 크기는 X선 회절 분석법을 이용하여 확인하였다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 X선 회절 분석에 대한 그래프이다. 도 6을 참조하면, 2θ(Two-Theta) 값이 약 26°인 지점에서 피크 값을 가지고, 2θ(Two-Theta) 값이 약 43°인 지점에서 피크 값을 가지는 것을 알 수 있다. 자세하게, 상기 피크 값은 결정질을 의미하며, 실시예에 따른 전극 재료는 결정질을 포함하는 것을 확인할 수 있다.
상기 2θ(Two-Theta) 값이 약 26°인 지점에서 피크값을 가지는 것은, 상기 결정질이 (002)면 방향으로 성장한 것을 의미하며, 표 1에는 작성하지 않았으나, 실시예들 및 비교예의 결정질의 (002)면 방향의 결정 크기는 약 0.36 nm 내지 약 0.42 nm를 만족하는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 상기 2θ(Two-Theta) 값이 약 43°인 지점에서 피크 값을 가지는 것은 상기 결정질이 (100)면 방향으로 성장한 것을 의미한다.
표 1을 참조하면, 상기 결정질이 (100)면 방향으로 성장할수록 전기 전도도 값이 향상되는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 결정질이 (100)면 방향으로 지나치게 성장하거나 성장하지 않을수록 정전 용량 값이 감소하는 것을 알 수 있다.
즉, 상기 결정질이 (100)면 방향으로 약 0.6 nm 내지 약 3.0 nm 성장함에 따라, 정전 용량 및 전기 전도도가 향상되는 것을 알 수 있다. 자세하게, 상기 결정질은 (100)면 방향으로 성장함과 동시에 (002)면 방향으로 성장할 수 있다. 즉, (100)면 방향으로 성장함에 따라 전기 전도도를 개선시킬 수 있고, 반데르발스 힘으로 연결된 결정질의 층과 층 사이의 층간 거리를 확보하여, 상기 결정질의 층과 층 사이로 전해질 이온이 삽입되고 이동하는 것이 용이하고, 상기 층과 층 사이가 서로 멀어져 결정성을 상실하는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 실시예에 따른 전극 재료는 정전 용량 및 전기 전도도가 크게 개선되는 것을 알 수 있고, 상기 전극 재료를 이용하여 전극 형성용 조성물을 제조할 경우, 전기적 특성을 향상시키기 위해 첨가되는 도전재를 생략할 수 있다.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 결정질 및 기공을 포함하는 비정질을 포함하는 탄소원을 포함하고,
    상기 결정질의 제 1 방향의 크기는 0.6 nm 내지 3.0 nm이고,
    상기 제 1 방향은 상기 결정질을 형성하는 탄소의 공유 결합 방향이고,
    상기 제 1 방향은 상기 결정질의 (100)면 방향이고,
    상기 제 2 방향의 크기는 0.36 nm 내지 0.42 nm이고,
    상기 제 2 방향은 상기 결정질의 층간 거리이고,
    상기 제 2 방향은 상기 결정질의 (002)면 방향인 전극 재료.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기공의 크기는 1 nm 이하인 전극 재료.
  3. 제 1 전극;
    제 2 전극; 및
    상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 배치되는 분리막을 포함하고,
    상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 적어도 하나의 전극을 형성하는 전극 재료는 탄소원을 포함하고,
    상기 탄소원은 결정질 및 기공을 포함하는 비정질을 포함하고,
    상기 결정질의 제 1 방향의 크기는 0.6 nm 내지 3.0 nm 이고,
    상기 제 1 방향은 상기 결정질을 형성하는 탄소의 공유 결합 방향이고,
    상기 제 1 방향은 상기 결정질의 (100)면 방향인 전기 화학 소자
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 결정질의 제 2 방향의 크기는 0.36 nm 내지 0.42 nm이고,
    상기 제 2 방향은, 상기 제 1 방향과 교차하는 방향이며 상기 결정질의 층간 거리이고,
    상기 제 2 방향은 상기 결정질의 (002)면 방향인 전기 화학 소자.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 기공의 크기는 1 nm 이하인 전극 재료.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 전극 재료의 비표면적은 200 m2/g 내지 1200 m2/g 인 전극 재료.
  7. 탄소원을 열처리하는 단계; 및
    상기 탄소원을 알칼리를 포함하는 물질로 활성화 처리하는 단계를 포함하고,
    상기 활성화 처리하는 단계 이후의 상기 탄소원은, 결정질 및 기공을 포함하는 비정질을 포함하고,
    상기 결정질의 제 1 방향의 크기는 0.6 nm 내지 3.0 nm 이고,
    상기 제 1 방향은 상기 결정질을 형성하는 탄소의 공유 결합 방향이고,
    상기 제 1 방향은 상기 결정질의 (100)면 방향인 전극 재료 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 탄소원을 열처리하는 단계는,
    제 1 열처리 단계; 및
    상기 제 1 열처리 단계보다 높은 온도에서 진행되는 제 2 열처리 단계를 포함하는 전극 재료 제조 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 탄소원을 열처리하는 단계는, 상기 탄소원을 1시간 내지 3시간 열처리하는 전극 재료 제조 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 활성화 처리하는 단계는, 상기 탄소원을 800℃ 내지 1000℃의 온도에서 활성화 처리하는 전극 재료 제조 방법.
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