KR20240066569A - Manufacturing method of nitrogen doped activated carbon using nitrogen containing organic material as doping source, supercapacitor using the same and manufacturing method of the supercapacitor - Google Patents
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- C01P2002/52—Solid solutions containing elements as dopants
- C01P2002/54—Solid solutions containing elements as dopants one element only
-
- 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
- C01P2006/12—Surface area
Abstract
본 발명은 탄소 및 질소 성분이 풍부한 콜라겐 분말 및 젤라틴 분말과 같은 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용하여 활성탄과 용액 교반한 후 열처리하는 것에 의해, 공정 간소화로 질소 도핑된 활성탄을 제조할 수 있는 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용한 질소도핑 활성탄 제조 방법과, 이를 이용한 슈퍼커패시터 및 이의 제조 방법에 대하여 개시한다.The present invention utilizes nitrogen-containing organic materials such as collagen powder and gelatin powder, which are rich in carbon and nitrogen components, as a doping source, stirs the solution with activated carbon, and then heat-treats it, thereby producing nitrogen-doped activated carbon with a simplified process. A method for manufacturing nitrogen-doped activated carbon using organic substances contained therein as a doping source, a supercapacitor using the same, and a method for manufacturing the same are disclosed.
Description
본 발명은 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용한 질소도핑 활성탄 제조 방법과, 이를 이용한 슈퍼커패시터 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소 및 질소 성분이 풍부한 콜라겐 분말 및 젤라틴 분말과 같은 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용하여 활성탄과 용액 교반한 후 열처리하는 것에 의해, 공정 간소화로 질소 도핑된 활성탄을 제조할 수 있는 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용한 질소도핑 활성탄 제조 방법과, 이를 이용한 슈퍼커패시터 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing nitrogen-doped activated carbon using a nitrogen-containing organic material as a doping source, a supercapacitor using the same, and a method for producing the same. More specifically, it relates to a method for producing nitrogen-doped activated carbon such as collagen powder and gelatin powder rich in carbon and nitrogen components. A method of producing nitrogen-doped activated carbon using a nitrogen-containing organic material as a doping source, which can produce nitrogen-doped activated carbon by simplifying the process by mixing the solution with activated carbon and heat treating it, and It relates to a supercapacitor used and a method of manufacturing the same.
차세대 에너지 저장장치들 중 슈퍼커패시터는 빠른 충전 및 방전 속도, 높은 안정성, 그리고 친환경적 특성으로 인해, 차세대 에너지 저장장치로 각광받고 있다. 일반적인 슈퍼커패시터는 다공성 전극, 집전체, 분리막, 그리고 전해액 등으로 구성된다. Among next-generation energy storage devices, supercapacitors are attracting attention as next-generation energy storage devices due to their fast charging and discharging speeds, high stability, and eco-friendly characteristics. A typical supercapacitor consists of a porous electrode, a current collector, a separator, and an electrolyte.
슈퍼커패시터는 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC), 울트라커패시터(Ultra-capacitor) 라고도 일컬어지며, 이는 전극 및 도전체와, 그것에 함침된 전해액의 계면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기이중층)이 생성된 것을 이용하는 것으로, 충전 동작 및 방전 동작의 반복으로 인한 열화가 매우 작아 보수가 필요 없는 소자이다.A supercapacitor is also called an Electric Double Layer Capacitor (EDLC) or an ultra-capacitor. It consists of a pair of charge layers (each with a different sign) at the interface of an electrode, a conductor, and an electrolyte impregnated with it. It is a device that does not require maintenance as the deterioration due to repetition of charging and discharging operations is very small by using the created electric double layer.
이에 따라, 슈퍼커패시터는 각종 전기 및 전자기기의 IC(integrated circuit) 백업을 하는 형태로 주로 사용되고 있다. 최근, 슈퍼커패시터는 그의 용도가 확대되어 장난감, 태양열 에너지 저장, HEV(hybrid electric vehicle) 전원 등에까지 폭넓게 응용되고 있다.Accordingly, supercapacitors are mainly used as IC (integrated circuit) backup for various electrical and electronic devices. Recently, the uses of supercapacitors have expanded and are being widely applied to toys, solar energy storage, and HEV (hybrid electric vehicle) power sources.
이와 같은 슈퍼커패시터는 일반적으로 전해액이 함침된 양극 및 음극의 두 전극과, 이러한 두 전극 사이에 개재되어 이온(ion) 전도만 가능케 하고 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)과, 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓(gasket), 그리고 이들을 포장하는 도전체로서의 금속 캡으로 구성된 단위셀을 갖는다. 그리고 위와 같이 구성된 단위셀 1개 이상(통상, 코인형의 경우 2~6개)을 직렬로 적층하고 양극과 음극의 두 단자(terminal)를 조합하여 완성된다.Such a supercapacitor generally consists of two electrodes, an anode and a cathode, impregnated with an electrolyte, a separator made of a porous material interposed between these two electrodes to enable only ion conduction and to insulate and prevent short circuits, and an electrolyte. It has a unit cell consisting of a gasket to prevent liquid leakage, insulation and short circuit prevention, and a metal cap as a conductor to package them. It is completed by stacking one or more unit cells (usually 2 to 6 in the case of coin type) configured as above in series and combining the two terminals of the anode and cathode.
슈퍼커패시터의 성능은 전극활물질, 전해액 등에 의하여 결정되며, 특히 축전용량 등 주요성능은 전극활물질에 의하여 대부분 결정된다. 따라서, 최근에는 전극활물질의 전기전도도를 향상시켜 고출력 특성을 발휘할 수 있는 고출력 슈퍼커패시터 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.The performance of a supercapacitor is determined by the electrode active material, electrolyte, etc., and in particular, major performance such as storage capacity is largely determined by the electrode active material. Therefore, recently, research has been actively conducted on the development of high-output supercapacitors that can exhibit high-output characteristics by improving the electrical conductivity of electrode active materials.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0079546호(2018.07.11. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 바이오매스를 이용한 활성탄의 제조방법 및 이를 이용한 필터 제조방법이 기재되어 있다.Related prior literature includes Korean Patent Publication No. 10-2018-0079546 (published on July 11, 2018), which describes a method of manufacturing activated carbon using biomass and a method of manufacturing a filter using the same.
본 발명의 목적은 탄소 및 질소 성분이 풍부한 콜라겐 분말 및 젤라틴 분말과 같은 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용하여 활성탄과 용액 교반한 후 열처리하는 것에 의해, 공정 간소화로 질소 도핑된 활성탄을 제조할 수 있는 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용한 질소도핑 활성탄 제조 방법과, 이를 이용한 슈퍼커패시터 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to use nitrogen-containing organic materials such as collagen powder and gelatin powder, which are rich in carbon and nitrogen components, as a doping source, stir the solution with activated carbon, and then heat treat, thereby producing nitrogen-doped activated carbon with a simplified process. The present invention provides a method for producing nitrogen-doped activated carbon using nitrogen-containing organic materials as a doping source, a supercapacitor using the same, and a method for producing the same.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용한 질소도핑 활성탄 제조 방법은 (a) 활성탄을 용매에 혼합한 후, 1차 교반하는 단계; (b) 상기 1차 교반된 활성탄 용액에 질소함유 유기물질을 첨가한 후, 2차 교반하는 단계; (c) 상기 2차 교반된 혼합물을 건조하는 단계; 및 (d) 상기 건조된 혼합물을 비활성 가스 분위기에서 열처리하여 질소 도핑된 활성탄을 수득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.To achieve the above object, a method for producing nitrogen-doped activated carbon using a nitrogen-containing organic material as a doping source according to an embodiment of the present invention includes the steps of (a) mixing activated carbon with a solvent and primary stirring; (b) adding a nitrogen-containing organic material to the first stirred activated carbon solution and then second stirring; (c) drying the secondary stirred mixture; and (d) heat-treating the dried mixture in an inert gas atmosphere to obtain nitrogen-doped activated carbon.
상기 (a) 단계에서, 상기 1차 교반은 300 ~ 2,000rpm의 속도로 10 ~ 180분 동안 실시한다.In step (a), the primary stirring is performed for 10 to 180 minutes at a speed of 300 to 2,000 rpm.
상기 (b) 단계에서, 상기 질소함유 유기물질은 콜라겐 분말 및 젤라틴 분말 중 적어도 하나 이상을 포함한다.In step (b), the nitrogen-containing organic material includes at least one of collagen powder and gelatin powder.
상기 (b) 단계에서, 상기 2차 교반은 20 ~ 60℃에서 실시한다.In step (b), the secondary stirring is performed at 20 to 60°C.
상기 (b) 단계에서, 상기 2차 교반은 300 ~ 2,000rpm의 속도로 1 ~ 10시간 동안 실시한다.In step (b), the secondary stirring is performed for 1 to 10 hours at a speed of 300 to 2,000 rpm.
상기 (c) 단계에서, 상기 건조는 70 ~ 90℃에서 10 ~ 40시간 동안 실시한다.In step (c), the drying is performed at 70 to 90°C for 10 to 40 hours.
상기 (d) 단계에서, 상기 열처리는 상기 비활성 가스 분위기에서 800 ~ 1,000℃ 조건으로 30 ~ 180분 동안 실시한다.In step (d), the heat treatment is performed for 30 to 180 minutes at 800 to 1,000°C in the inert gas atmosphere.
상기 열처리시, 승온 속도는 5 ~ 15℃/min으로 실시한다.During the heat treatment, the temperature increase rate is 5 to 15°C/min.
상기 비활성 가스는 Ar, He 및 N2 중 1종 이상을 이용한다.The inert gas uses one or more of Ar, He, and N 2 .
상기 (d) 단계 이후, 상기 질소 도핑된 활성탄은 질소가 0.1 ~ 1.0 원자%로 도핑되어 있다.After step (d), the nitrogen-doped activated carbon is doped with nitrogen at 0.1 to 1.0 atomic%.
상기 (d) 단계 이후, 상기 질소 도핑된 활성탄은 500 ~ 3,500 m2/g의 비표면적을 갖는다.After step (d), the nitrogen-doped activated carbon has a specific surface area of 500 to 3,500 m 2 /g.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터는 양극과 음극이 서로 이격되게 배치되어 있고, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막이 배치되며, 상기 양극 및 음극은 슈퍼커패시터의 전해액에 함침되어 있고, 상기 양극 및 음극 각각은 전극활물질, 도전재 및 바인더를 포함하며, 상기 양극 및 음극의 전극활물질 중 적어도 하나는, 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용한 질소도핑 활성탄 제조 방법에 의해 제조된 질소 도핑된 활성탄이 이용되며, 상기 질소 도핑된 활성탄은 질소가 0.1 ~ 1.0 원자%로 도핑된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a supercapacitor according to an embodiment of the present invention has an anode and a cathode arranged to be spaced apart from each other, and a separator is disposed between the anode and the cathode to prevent short circuit between the anode and the cathode, The anode and cathode are impregnated in the electrolyte of the supercapacitor, each of the anode and cathode includes an electrode active material, a conductive material, and a binder, and at least one of the electrode active materials of the anode and cathode is a nitrogen-containing organic material as a doping source. Nitrogen-doped activated carbon produced by the nitrogen-doped activated carbon production method is used, and the nitrogen-doped activated carbon is characterized by being doped with nitrogen at 0.1 to 1.0 atomic%.
상기 질소 도핑된 활성탄은 500 ~ 3,500 ㎡/g의 비표면적을 갖는다.The nitrogen-doped activated carbon has a specific surface area of 500 to 3,500 m2/g.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터 제조 방법은 (a) 전극활물질, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계; (b) 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계; (c) 상기 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 음극 사이에 상기 양극과 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 양극 및 음극을 제1항에 기재된 전해액에 함침시키는 단계;를 포함하며, 상기 (a) 단계에서, 상기 전극활물질은, 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용한 질소도핑 활성탄 제조 방법에 의해 제조된 질소 도핑된 활성탄이 이용되며, 상기 질소 도핑된 활성탄은 질소가 0.1 ~ 1.0 원자%로 도핑된 것을 특징으로 한다.A supercapacitor manufacturing method according to an embodiment of the present invention to achieve the above object includes the steps of (a) mixing an electrode active material, a conductive material, a binder, and a dispersion medium to prepare a composition for a supercapacitor electrode; (b) compressing the supercapacitor electrode composition to form an electrode, coating the supercapacitor electrode composition on a metal foil to form an electrode, or pressing the supercapacitor electrode composition with a roller to form a sheet. Forming an electrode by attaching it to a metal foil or current collector; (c) drying the resulting electrode-shaped product to form a supercapacitor electrode; and (d) using the supercapacitor electrode as an anode and a cathode, disposing a separator between the anode and the cathode to prevent short circuit between the anode and the cathode, and impregnating the anode and the cathode with the electrolyte solution according to claim 1. It includes; In step (a), nitrogen-doped activated carbon produced by a nitrogen-doped activated carbon production method using a nitrogen-containing organic material as a doping source is used as the electrode active material, and the nitrogen-doped Activated carbon is characterized by being doped with nitrogen at 0.1 to 1.0 atomic percent.
상기 질소 도핑된 활성탄은 500 ~ 3,500 ㎡/g의 비표면적을 갖는다.The nitrogen-doped activated carbon has a specific surface area of 500 to 3,500 m2/g.
본 발명에 따른 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용한 질소도핑 활성탄 제조 방법과, 이를 이용한 슈퍼커패시터 및 이의 제조 방법은 탄소 및 질소 성분이 풍부한 콜라겐 분말 및 젤라틴 분말과 같은 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용하여 활성탄과 용액 교반한 후 탄화하는 것에 의해, 공정 간소화를 통하여 경제적으로 질소 도핑된 활성탄을 쉽게 제조할 수 있게 된다.The method for producing nitrogen-doped activated carbon using nitrogen-containing organic materials as a doping source according to the present invention, the supercapacitor using the same, and the method for manufacturing the same use nitrogen-containing organic materials such as collagen powder and gelatin powder rich in carbon and nitrogen components as the doping source. By using activated carbon and stirring the solution and then carbonizing it, nitrogen-doped activated carbon can be easily manufactured economically through process simplification.
이와 같이, 본 발명에 따른 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용한 질소도핑 활성탄 제조 방법과, 이를 이용한 슈퍼커패시터 및 이의 제조 방법은 활성탄을 물에 녹인 후 질소함유 유기물질을 첨가하여 강한 점성을 갖도록 함으로써, 질소함유 유기물질이 활성탄에 달라붙도록 유도한 상태에서 건조 및 열처리가 이루어지는 것에 의해, 질소가 도핑된 활성탄을 쉽게 얻을 수 있게 된다.As such, the method for manufacturing nitrogen-doped activated carbon using a nitrogen-containing organic material as a doping source according to the present invention, the supercapacitor using the same, and the method for manufacturing the same include dissolving activated carbon in water and then adding a nitrogen-containing organic material to obtain strong viscosity. By doing so, drying and heat treatment are carried out while the nitrogen-containing organic material is induced to stick to the activated carbon, making it possible to easily obtain nitrogen-doped activated carbon.
이 결과, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 질소 도핑된 활성탄은 500 ~ 3,500 ㎡/g의 비표면적을 가지며, 질소가 0.1 ~ 1.0 원자%로 도핑되어 있으므로, 전극활물질로 활용시 전기전도도를 향상시킬 수 있어 전해액의 전하 전달을 용이하게 하여 슈퍼커패시터의 출력 특성을 향상시킬 수 있게 된다.As a result, the nitrogen-doped activated carbon produced by the method according to the present invention has a specific surface area of 500 to 3,500 ㎡/g and is doped with nitrogen at 0.1 to 1.0 atomic percent, so it can improve electrical conductivity when used as an electrode active material. This facilitates charge transfer of the electrolyte and improves the output characteristics of the supercapacitor.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용한 질소도핑 활성탄 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 코인형 슈퍼커패시터를 나타낸 단면도.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 권취형 슈퍼커패시터를 나타낸 모식도.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 활성탄에 대한 질소 흡-탈착 실험 결과를 나타낸 그래프.
도 9는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 활성탄에 대한 열처리 전후의 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프.Figure 1 is a process flow chart showing a method for producing nitrogen-doped activated carbon using a nitrogen-containing organic material as a doping source according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a process flow chart showing a supercapacitor manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a cross-sectional view showing a coin-type supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
4 to 7 are schematic diagrams showing a wound-type supercapacitor according to another embodiment of the present invention.
Figure 8 is a graph showing the results of a nitrogen adsorption-desorption experiment on activated carbon prepared according to Example 1 and Comparative Example 1.
Figure 9 is a graph showing the results of XPS analysis before and after heat treatment of activated carbon prepared according to Example 1 and Comparative Example 1.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.The advantages and features of the present invention and methods for achieving them will become clear by referring to the embodiments described in detail below along with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and will be implemented in various different forms. The present embodiments only serve to ensure that the disclosure of the present invention is complete and that common knowledge in the technical field to which the present invention pertains is provided. It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용한 질소도핑 활성탄 제조 방법과, 이를 이용한 슈퍼커패시터 및 이의 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, a method for manufacturing nitrogen-doped activated carbon using a nitrogen-containing organic material as a doping source according to a preferred embodiment of the present invention, a supercapacitor using the same, and a method for manufacturing the same will be described in detail as follows.
질소도핑 활성탄 제조 방법Method for producing nitrogen-doped activated carbon
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용한 질소도핑 활성탄 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.Figure 1 is a process flow chart showing a method for producing nitrogen-doped activated carbon using a nitrogen-containing organic material as a doping source according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용한 질소도핑 활성탄 제조 방법은 1차 교반 단계(S10), 2차 교반 단계(S20), 건조 단계(S30) 및 열처리 단계(S40)를 포함한다.As shown in Figure 1, the method for producing nitrogen-doped activated carbon using a nitrogen-containing organic material as a doping source according to an embodiment of the present invention includes a first stirring step (S10), a second stirring step (S20), and a drying step ( S30) and heat treatment step (S40).
1차 교반1st stirring
1차 교반 단계(S10)에서는 활성탄을 용매에 혼합한 후, 1차 교반한다.In the first stirring step (S10), activated carbon is mixed with the solvent and then first stirred.
여기서, 용매는 활성탄을 잘 녹일 수 있는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있으며, 물(H2O)을 이용하는 것이 경제적이다.Here, the solvent can be used without limitation as long as it can dissolve activated carbon well, and it is economical to use water (H 2 O).
활성탄은 바이오매스 기반으로 열처리하여 비표면적이 500㎡/g 이상이고, 미세기공율이 90% 이상을 갖는 것을 이용하는 것이 바람직하다. 바이오매스로는 톱밥(sawdust), 볏짚, 폐목의 잔가지, 나뭇가지 및 우드 스크랩, 땅콩 껍질, 벌채 부산물 등의 목질계 바이오매스, 녹조류 등을 그 예로 들 수 있다. 이러한 바이오매스는 주변에서 흔히 구할 수 있는 물질로서, 원료 확보가 용이한 장점이 있다.It is preferable to use activated carbon based on biomass, which is heat-treated and has a specific surface area of 500 m2/g or more and a microporosity of 90% or more. Examples of biomass include lignocellulosic biomass such as sawdust, rice straw, twigs of waste wood, twigs and wood scraps, peanut shells, logging by-products, and green algae. Such biomass is a material that is commonly available nearby, and has the advantage of being easy to secure as a raw material.
이러한 바이오매스의 경우, 셀룰로즈, 헤미셀룰로즈 및 리그닌으로 구성되어 있다. 바이오매스는 펄프나 바이오 연료 등의 다양한 산업에서 그 쓰임새가 증가하는 추세이다. 바이오 연료 산업에서는 바이오매스 구성성분 중 셀룰로즈만이 당화를 거쳐 사용될 수 있는데, 헤미셀룰로즈의 경우에는 생산 중 제거가 되며, 이때 헤미셀룰로즈가 빠져 나가면서 구조가 풀어지고 공극이 생겨 활성탄 제조시 유리한 상태가 되어, 잔사 리그닌을 효과적으로 이용할 수 있다.This biomass consists of cellulose, hemicellulose and lignin. The use of biomass is increasing in various industries such as pulp and biofuel. In the biofuel industry, among the biomass components, only cellulose can be used after saccharification. In the case of hemicellulose, it is removed during production. At this time, as the hemicellulose escapes, the structure is loosened and voids are created, making it an advantageous state for producing activated carbon. This allows residual lignin to be effectively used.
본 단계에서, 1차 교반은 300 ~ 2,000rmp의 속도로 10 ~ 180분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 1차 교반 속도가 300rpm 미만이거나, 1차 교반 시간이 10분 미만일 경우에는 활성탄이 용매 내에 균일하게 혼합되지 못할 우려가 있다. 반대로, 1차 교반 속도가 2,000rpm을 초과하거나, 1차 교반 시간이 180분을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 없이 제조 비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.In this step, the primary stirring is preferably performed for 10 to 180 minutes at a speed of 300 to 2,000 rmp. If the primary stirring speed is less than 300 rpm or the primary stirring time is less than 10 minutes, there is a risk that the activated carbon may not be uniformly mixed in the solvent. Conversely, if the primary stirring speed exceeds 2,000 rpm or the primary stirring time exceeds 180 minutes, it may act as a factor that only increases manufacturing costs without any further effect, making it uneconomical.
2차 교반2nd stirring
2차 교반 단계(S20)에서는 1차 교반된 활성탄 용액에 질소함유 유기물질을 첨가한 후, 2차 교반한다.In the second stirring step (S20), a nitrogen-containing organic material is added to the first stirred activated carbon solution, and then second stirring is performed.
2차 교반은 20 ~ 60℃에서 300 ~ 2,000rpm의 속도로 1 ~ 10시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게, 2차 교반은 30 ~ 50℃에서 1,000 ~ 1,500rpm의 속도로 4 ~ 7시간 동안 실시하는 것이 좋다.Secondary stirring is preferably performed at 20 to 60°C at a speed of 300 to 2,000 rpm for 1 to 10 hours. More preferably, secondary stirring is performed at 30 to 50°C at a speed of 1,000 to 1,500 rpm for 4 to 7 hours.
2차 교반 온도가 20℃ 미만일 경우에는 질소함유 유기물질이 활성탄 용액 내에 잘 녹지 않아 질소함유 유기물질이 활성탄에 잘 달라붙지 못할 우려가 있다. 반대로, 2차 교반 온도가 60℃를 초과할 경우에는 더 이상의 효과 없이 공정 온도만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.If the secondary stirring temperature is less than 20°C, there is a risk that the nitrogen-containing organic material will not adhere well to the activated carbon because the nitrogen-containing organic material does not dissolve well in the activated carbon solution. Conversely, if the secondary stirring temperature exceeds 60°C, it may act as a factor in increasing the process temperature without any further effect, making it uneconomical.
아울러, 2차 교반 속도가 300rpm 미만이거나, 2차 교반 시간이 1시간 미만일 경우에는 질소함유 유기물질이 활성탄 용액 내에 균일하게 혼합되지 못하여 분산성 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 2차 교반 속도가 2,000rpm을 초과하거나, 2차 교반 시간이 10시간을 초과할 경우에는 과도한 교반 처리로 인하여 활성탄이 손상될 우려가 있으므로, 바람직하지 못하다.In addition, if the secondary stirring speed is less than 300 rpm or the secondary stirring time is less than 1 hour, nitrogen-containing organic substances may not be uniformly mixed in the activated carbon solution, which may lead to difficulties in ensuring dispersibility. Conversely, if the secondary stirring speed exceeds 2,000 rpm or the secondary stirring time exceeds 10 hours, the activated carbon may be damaged due to excessive stirring, so it is not preferable.
본 단계에서, 질소함유 유기물질은 콜라겐 분말 및 젤라틴 분말 중 적어도 하나 이상을 포함한다. 이러한 콜라겐 분말 및 젤라틴 분말은 탄소 및 질소 성분이 풍부한 유기물질로 용매인 물과 만나면 점성을 가지는 특징이 있다.In this step, the nitrogen-containing organic material includes at least one of collagen powder and gelatin powder. These collagen powders and gelatin powders are organic substances rich in carbon and nitrogen components and have the characteristic of becoming viscous when they come in contact with water, a solvent.
따라서, 활성탄을 물에 녹인 후 콜라겐 분말 및 젤라틴 분말 중 1종 이상을 넣으면 강한 점성을 가지게 되고, 이때 질소도핑 소스인 콜라겐 분말 및 젤라틴 분말 중 1종 이상이 활성탄에 달라붙은 상태가 된다. 이 결과, 질소도핑 소스인 질소함유 유기물질이 활성탄에 달라붙은 상태에서 후속 공정으로 건조 및 열처리를 실시하게 되면 질소가 도핑된 활성탄을 쉽게 얻을 수 있게 된다.Therefore, if activated carbon is dissolved in water and then added with one or more of collagen powder and gelatin powder, it becomes highly viscous, and at this time, one or more of collagen powder and gelatin powder, which are nitrogen doping sources, stick to the activated carbon. As a result, nitrogen-doped activated carbon can be easily obtained by performing drying and heat treatment in the subsequent process while the nitrogen-containing organic material, which is the nitrogen doping source, is attached to the activated carbon.
이러한 질소함유 유기물질은 활성탄 100 중량부에 대하여, 0.5 ~ 20 중량부로 첨가되는 것이 바람직하다. 질소함유 유기물질이 활성탄 100 중량부에 대하여, 0.5 중량부 미만으로 너무 적게 첨가될 경우에는 열처리후 활성탄에 도핑되는 질소 도핑량이 목표 값을 만족하지 못할 수 있다. 반대로, 질소함유 유기물질이 활성탄 100 중량부에 대하여, 20 중량부를 초과하여 과다 첨가될 경우에는 열처리후 활성탄의 기공을 막아 비표면적을 감소시키는 요인으로 작용할 수 있다.These nitrogen-containing organic substances are preferably added in an amount of 0.5 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of activated carbon. If the nitrogen-containing organic material is added too little (less than 0.5 parts by weight per 100 parts by weight of activated carbon), the amount of nitrogen doped into the activated carbon after heat treatment may not satisfy the target value. Conversely, if the nitrogen-containing organic material is added in excess of 20 parts by weight per 100 parts by weight of activated carbon, it may act as a factor in reducing the specific surface area by blocking the pores of the activated carbon after heat treatment.
건조dry
건조 단계(S30)에서는 2차 교반된 혼합물을 건조한다.In the drying step (S30), the secondary stirred mixture is dried.
본 단계에서, 건조는 70 ~ 90℃에서 10 ~ 40시간 동안 실시하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 75 ~ 85℃에서 15 ~ 30시간 동안 실시하는 것이 좋다.In this step, drying is preferably performed at 70 to 90°C for 10 to 40 hours, and more preferably at 75 to 85°C for 15 to 30 hours.
건조 온도가 70℃ 미만이거나, 건조 시간이 10시간 미만일 경우에는 충분한 건조가 이루어지지 않아 기계적 강도 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 건조 온도가 90℃를 초과하거나, 건조 시간이 40시간을 초과할 경우에는 더 이상이 효과 상승 없이 제조비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.If the drying temperature is less than 70°C or the drying time is less than 10 hours, sufficient drying may not occur, which may lead to difficulties in securing mechanical strength. Conversely, if the drying temperature exceeds 90°C or the drying time exceeds 40 hours, it may act as a factor that increases manufacturing costs without further increasing the effectiveness, making it uneconomical.
열처리heat treatment
열처리 단계(S40)에서는 건조된 혼합물을 비활성 가스 분위기에서 열처리하여 질소 도핑된 활성탄을 수득한다.In the heat treatment step (S40), the dried mixture is heat treated in an inert gas atmosphere to obtain nitrogen-doped activated carbon.
여기서, 열처리는 비활성 가스 분위기에서 800 ~ 1,000℃ 조건으로 30 ~ 180분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 열처리시, 승온 속도는 5 ~ 15℃/min으로 실시하는 것이 바람직하다.Here, the heat treatment is preferably performed for 30 to 180 minutes at 800 to 1,000°C in an inert gas atmosphere. During heat treatment, the temperature increase rate is preferably 5 to 15°C/min.
이러한 열처리시 비활성 가스는 Ar, He 및 N2 중 1종 이상을 이용하고, 비활성 가스는 200 ~ 700cc/mm의 속도로 공급하는 것이 바람직하다.During this heat treatment, it is preferable to use one or more of Ar, He, and N 2 as the inert gas, and to supply the inert gas at a rate of 200 to 700 cc/mm.
열처리 온도가 800℃ 미만이거나, 열처리 시간이 30분 미만일 경우에는 충분한 열처리가 이루어지지 못하는데 기인하여 기공 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 열처리 온도가 1,000℃를 초과하거나, 열처리 시간이 180분을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 제조 비용 및 시간만을 증가시킬 우려가 있으므로, 경제성 측면에서 바람직하지 못하다.If the heat treatment temperature is less than 800°C or the heat treatment time is less than 30 minutes, there may be difficulties in securing pores due to insufficient heat treatment. Conversely, if the heat treatment temperature exceeds 1,000°C or the heat treatment time exceeds 180 minutes, it is undesirable from an economic perspective because there is a risk of increasing manufacturing cost and time without further increasing the effect.
이와 같이, 본 발명에서는 활성탄을 물에 녹인 후 질소함유 유기물질을 첨가하여 강한 점성을 갖도록 함으로써, 질소함유 유기물질이 활성탄에 달라붙도록 유도한 상태에서 건조 및 열처리가 이루어지는 것에 의해, 질소가 도핑된 활성탄을 쉽게 얻을 수 있게 된다.As such, in the present invention, activated carbon is dissolved in water and then nitrogen-containing organic materials are added to give it strong viscosity, and drying and heat treatment are carried out in a state in which the nitrogen-containing organic materials are induced to stick to the activated carbon, thereby causing nitrogen doping. You can easily obtain activated carbon.
이러한 열처리 단계(S40) 이후, 질소 도핑된 활성탄은 질소가 0.1 ~ 1.0 원자%로 도핑된다. 아울러, 질소 도핑된 활성탄은 500 ~ 3,500 ㎡/g의 비표면적을 갖는다.After this heat treatment step (S40), the nitrogen-doped activated carbon is doped with 0.1 to 1.0 atomic% of nitrogen. In addition, nitrogen-doped activated carbon has a specific surface area of 500 to 3,500 m2/g.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용한 질소도핑 활성탄 제조 방법은 탄소 및 질소 성분이 풍부한 콜라겐 분말 및 젤라틴 분말과 같은 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용하여 활성탄과 용액 교반한 후 탄화하는 것에 의해, 공정 간소화를 통하여 경제적으로 질소 도핑된 활성탄을 쉽게 제조할 수 있게 된다.The method of manufacturing nitrogen-doped activated carbon using nitrogen-containing organic materials as a doping source according to the above-described embodiment of the present invention uses nitrogen-containing organic materials such as collagen powder and gelatin powder rich in carbon and nitrogen components as a doping source to produce activated carbon and By carbonizing the solution after stirring it, nitrogen-doped activated carbon can be easily manufactured economically through process simplification.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용한 질소도핑 활성탄 제조 방법은 활성탄을 물에 녹인 후 질소함유 유기물질을 첨가하여 강한 점성을 갖도록 함으로써, 질소함유 유기물질이 활성탄에 달라붙도록 유도한 상태에서 건조 및 열처리가 이루어지는 것에 의해, 질소가 도핑된 활성탄을 쉽게 얻을 수 있게 된다.As such, the method for producing nitrogen-doped activated carbon using a nitrogen-containing organic material as a doping source according to an embodiment of the present invention dissolves the activated carbon in water and then adds a nitrogen-containing organic material to give it strong viscosity, so that the nitrogen-containing organic material Nitrogen-doped activated carbon can be easily obtained by drying and heat treatment in a state where it is induced to stick to activated carbon.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 질소 도핑된 활성탄은 500 ~ 3,500 ㎡/g의 비표면적을 가지며, 질소가 0.1 ~ 1.0 원자%로 도핑되어 있으므로, 전극활물질로 활용시 전기전도도를 향상시킬 수 있어 전해액의 전하 전달을 용이하게 하여 슈퍼커패시터의 출력 특성을 향상시킬 수 있게 된다.As a result, the nitrogen-doped activated carbon produced by the method according to the embodiment of the present invention has a specific surface area of 500 to 3,500 ㎡/g and is doped with nitrogen at 0.1 to 1.0 atomic%, so when used as an electrode active material, the electrical conductivity is low. It is possible to improve the output characteristics of the supercapacitor by facilitating charge transfer of the electrolyte.
슈퍼커패시터 및 그 제조 방법Supercapacitor and its manufacturing method
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.Figure 2 is a process flow chart showing a supercapacitor manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터 제조 방법은 슈퍼커패시터 전극용 조성물 형성 단계(S110), 전극 형태로 형성 단계(S120), 슈퍼커패시터 전극 형성 단계(S130) 및 전해액 함침 단계(S140)를 포함한다.As shown in FIG. 2, the method for manufacturing a supercapacitor according to an embodiment of the present invention includes a step of forming a composition for a supercapacitor electrode (S110), a step of forming into an electrode shape (S120), a step of forming a supercapacitor electrode (S130), and an electrolyte solution. Includes an impregnation step (S140).
슈퍼커패시터 전극용 조성물 형성Formation of compositions for supercapacitor electrodes
슈퍼커패시터 전극용 조성물 형성 단계(S110)에서는 전극활물질, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조한다.In the step of forming a composition for supercapacitor electrodes (S110), a composition for supercapacitor electrodes is prepared by mixing an electrode active material, a conductive material, a binder, and a dispersion medium.
전극활물질, 도전재, 바인더, 및 분산매를 포함하는 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조한다.A composition for a supercapacitor electrode containing an electrode active material, a conductive material, a binder, and a dispersion medium is prepared.
슈퍼커패시터 전극용 조성물은 전극활물질, 전극활물질 100 중량부에 대하여 도전재 2 ~ 20 중량부, 전극활물질 100 중량부에 대하여 바인더 2 ~ 20 중량부, 전극활물질 100 중량부에 대하여 분산매 200 ~ 300 중량부를 포함하는 것이 바람직하다.The composition for supercapacitor electrodes includes an electrode active material, 2 to 20 parts by weight of a conductive material per 100 parts by weight of the electrode active material, 2 to 20 parts by weight of a binder per 100 parts by weight of the electrode active material, and 200 to 300 parts by weight of a dispersion medium per 100 parts by weight of the electrode active material. It is desirable to include wealth.
이러한 슈퍼커패시터 전극용 조성물은 반죽 상이므로 균일한 혼합(완전 분산)이 어려울 수 있는데, 플래니터리 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기(mixer)를 사용하여 소정 시간(예컨대, 10분 ~ 12시간) 동안 교반시키면 전극 제조에 적합한 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 얻을 수 있다. 플래니터리 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기는 균일하게 혼합된 슈퍼커패시터 전극용 조성물의 제조를 가능케 한다.Since this composition for supercapacitor electrodes is in the form of a paste, uniform mixing (complete dispersion) may be difficult. It may be difficult to mix (completely disperse) the composition for a predetermined period of time (e.g., 10 minutes to 12 hours) using a mixer such as a planetary mixer. By stirring for a while, a composition for supercapacitor electrodes suitable for electrode production can be obtained. Mixers such as planetary mixers enable the preparation of uniformly mixed compositions for supercapacitor electrodes.
전극활물질은, 도 1을 참조하여 설명한 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용한 질소도핑 활성탄 제조 방법에 의해 제조된 질소 도핑된 활성탄이 이용된다. 이와 같이, 전극활물질은 활성탄을 물에 녹인 후 질소함유 유기물질을 첨가하여 강한 점성을 갖도록 함으로써, 질소함유 유기물질이 활성탄에 달라붙도록 유도한 상태에서 건조 및 열처리하는 것에 의해 제조된 질소가 도핑된 활성탄이 이용된다.As the electrode active material, nitrogen-doped activated carbon produced by the nitrogen-doped activated carbon production method using a nitrogen-containing organic material as a doping source described with reference to FIG. 1 is used. In this way, the electrode active material is doped with nitrogen, which is prepared by dissolving activated carbon in water and then adding nitrogen-containing organic materials to obtain strong viscosity, followed by drying and heat treatment while causing the nitrogen-containing organic materials to stick to the activated carbon. Activated carbon is used.
이에 따라, 질소 도핑된 활성탄은 질소가 0.1 ~ 1.0 원자%로 도핑되어 있다. 이와 같이, 본 발명의 전극활물질은 질소가 0.1 ~ 1.0 원자%로 도핑되는 것에 의해, 전극활물질의 전기전도도 향상으로 전해액의 전하 전달을 용이하게 하여 슈퍼커패시터의 출력 특성을 향상시킬 수 있게 된다.Accordingly, nitrogen-doped activated carbon is doped with nitrogen at 0.1 to 1.0 atomic percent. In this way, the electrode active material of the present invention is doped with nitrogen at 0.1 to 1.0 atomic percent, thereby improving the electrical conductivity of the electrode active material, facilitating charge transfer in the electrolyte solution and improving the output characteristics of the supercapacitor.
바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene), 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF; polyvinylidenefloride), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC; carboxymethylcellulose), 폴리비닐알코올(PVA; poly vinyl alcohol), 폴리비닐부티랄(PVB; poly vinyl butyral), 폴리비닐피롤리돈(PVP; poly-N-vinylpyrrolidone), 스티렌부타디엔고무(SBR; styrene butadiene rubber), 폴리아마이드-이미드(Polyamide-imide), 폴리이미드(polyimide) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.The binder is polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidenefloride (PVdF), carboxymethylcellulose (CMC), polyvinyl alcohol (PVA), and polyvinyl butyral (PVB). ; polyvinylpyrrolidone (PVP; poly-N-vinylpyrrolidone), styrene butadiene rubber (SBR), polyamide-imide, polyimide, etc. One selected type or a mixture of two or more types can be used.
도전재는 화학 변화를 야기하지 않는 전자 전도성 재료이면 특별히 제한되지 않으며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 슈퍼-피(Super-P) 블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등이 가능하다.The conductive material is not particularly limited as long as it is an electronically conductive material that does not cause chemical changes. Examples include natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, Ketjen black, Super-P black, carbon fiber, copper, nickel, Metal powders such as aluminum and silver or metal fibers can be used.
분산매는 에탄올(EtOH), 아세톤, 이소프로필알콜, N-메틸피롤리돈(NMP), 프로필렌글리콜(PG) 등의 유기 용매 또는 물을 사용할 수 있다.The dispersion medium may be an organic solvent such as ethanol (EtOH), acetone, isopropyl alcohol, N-methylpyrrolidone (NMP), propylene glycol (PG), or water.
전극 형태로 형성Formed in the form of an electrode
전극 형태로 형성 단계(S120)에서는 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성한다.In the forming step (S120), the supercapacitor electrode composition is compressed to form an electrode, the supercapacitor electrode composition is coated on a metal foil to form an electrode, or the supercapacitor electrode composition is pressed with a roller to form a sheet. It is made into a state and attached to a metal foil or current collector to form an electrode.
전극 형태로 형성하는 단계의 예를 보다 구체적으로 설명하면, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤프레스 성형기를 이용하여 압착하여 성형할 수 있다. 롤프레스 성형기는 압연을 통한 전극밀도 향상 및 전극의 두께 제어를 목적으로 하고 있으며, 상단과 하단의 롤과 롤의 두께 및 가열 온도를 제어할 수 있는 컨트롤러와, 전극을 풀어주고 감아줄 수 있는 와인딩부로 구성된다. 롤 상태의 전극이 롤프레스를 지나면서 압연공정이 진행되고, 이것이 다시 롤 상태로 감겨서 전극이 완성된다. 이때, 프레스의 가압 압력은 5 ~ 20 ton/㎠로 롤의 온도는 0 ~ 150℃로 하는 것이 바람직하다.To describe an example of the forming step in the form of an electrode in more detail, the composition for supercapacitor electrodes can be molded by compression using a roll press molding machine. The purpose of the roll press forming machine is to improve electrode density and control the thickness of the electrode through rolling. It has a controller that can control the thickness and heating temperature of the upper and lower rolls and the roll, and a winding device that can unwind and wind the electrode. It is made up of parts. The rolling process proceeds as the electrode in the roll state passes through the roll press, and then it is wound again in the roll state to complete the electrode. At this time, it is desirable that the pressing pressure of the press is 5 to 20 ton/cm2 and the temperature of the roll is 0 to 150°C.
또한, 전극 형태로 형성하는 다른 예를 살펴보면, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 티타늄 호일(Ti foil), 알루미늄 호일(Al foil), 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil)과 같은 금속 호일(metal foil)에 코팅하거나, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일 또는 금속 집전체에 붙여서 전극 형상으로 제조할 수도 있다. 여기서, 알루미늄 에칭 호일이라 함은 알루미늄 호일을 요철 모양으로 에칭한 것을 의미한다.In addition, looking at another example of forming in the form of an electrode, the composition for supercapacitor electrodes is coated on metal foil such as titanium foil (Ti foil), aluminum foil (Al foil), and aluminum etching foil (Al etching foil). Alternatively, the composition for supercapacitor electrodes can be pushed with a roller into a sheet (rubber type) and attached to a metal foil or metal current collector to form an electrode. Here, aluminum etching foil means aluminum foil etched into a concavo-convex shape.
슈퍼커패시터 전극 형성Supercapacitor electrode formation
슈퍼커패시터 전극 형성 단계(S130)에서는 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성한다.In the supercapacitor electrode forming step (S130), the resulting electrode-shaped product is dried to form a supercapacitor electrode.
프레스 압착 공정을 거친 슈퍼커패시터 전극용 조성물은 건조 공정을 거친다. 건조 공정은 100 ~ 350℃, 바람직하게는 150℃ ~ 300℃의 온도에서 수행된다. 이때, 건조 온도가 100℃ 미만인 경우 분산매의 증발이 어려워 바람직하지 않으며, 350℃를 초과하는 고온 건조 시에는 도전재의 산화가 일어날 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 건조 온도는 적어도 100℃ 이상이고, 350℃를 넘지 않는 것이 바람직하다. 그리고, 건조 공정은 위와 같은 온도에서 10분 ~ 6시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 성형된 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 슈퍼커패시터 전극의 강도를 향상시킨다.The composition for supercapacitor electrodes that has gone through the press compression process goes through a drying process. The drying process is performed at a temperature of 100 to 350°C, preferably 150°C to 300°C. At this time, if the drying temperature is less than 100°C, it is undesirable because evaporation of the dispersion medium is difficult, and if the drying temperature exceeds 350°C, it is undesirable because oxidation of the conductive material may occur. Therefore, it is preferable that the drying temperature is at least 100°C or higher and does not exceed 350°C. Additionally, the drying process is preferably carried out at the above temperature for 10 minutes to 6 hours. This drying process dries (evaporates the dispersion medium) the molded supercapacitor electrode composition and simultaneously binds the powder particles to improve the strength of the supercapacitor electrode.
한편, 전극 형태로 형성하는 다른 예에 의해 전극을 형성한 경우에는 100 ~ 250℃, 바람직하게는 150 ~ 200℃의 온도 조건으로 건조하는 것이 바람직하다.On the other hand, when the electrode is formed in another example in the form of an electrode, it is preferable to dry at a temperature of 100 to 250°C, preferably 150 to 200°C.
상기의 과정(S110 ~ S130)에 의해 제조되는 슈퍼커패시터 전극은 고용량으로서 소형의 코인형 슈퍼커패시터에 유용하게 적용될 수 있다.The supercapacitor electrode manufactured through the above process (S110 to S130) has high capacity and can be usefully applied to small coin-type supercapacitors.
전해액 함침Electrolyte impregnation
전해액 함침 단계(S140)에서는 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 양극과 음극 사이에 양극과 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 양극 및 음극을 슈퍼커패시터의 전해액에 함침시킨다.In the electrolyte impregnation step (S140), supercapacitor electrodes are used as the anode and cathode, a separator is placed between the anode and cathode to prevent short circuit of the anode and cathode, and the anode and cathode are impregnated with the electrolyte solution of the supercapacitor.
여기서, 슈퍼커패시터의 전해액은, 상술한 바와 같이, 비수계 전해액과, 비수계 전해액 100 중량부에 대하여, 1 ~ 25 중량부로 첨가된 이온성 액체를 포함하는 것이 이용된다.Here, the electrolyte solution of the supercapacitor is used, as described above, containing a non-aqueous electrolyte solution and an ionic liquid added in an amount of 1 to 25 parts by weight based on 100 parts by weight of the non-aqueous electrolyte solution.
이에 따라, 본 발명에서는 비수계 전해액 및 이온성 액체에 첨가제를 투입시킨 전해액을 사용하는 것에 의해 높은 비축전용량을 갖는 슈퍼커패시터를 제조할 수 있게 된다.Accordingly, in the present invention, it is possible to manufacture a supercapacitor with a high specific capacitance by using an electrolyte solution in which additives are added to a non-aqueous electrolyte solution and an ionic liquid.
이에 대해서는 이하 첨부된 도면들을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.This will be described in more detail with reference to the attached drawings below.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 코인형 슈퍼커패시터를 나타낸 단면도이다.Figure 3 is a cross-sectional view showing a coin-type supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
도 3에서 도면부호 190은 도전체로서의 금속캡이고, 도면부호 160은 양극(120)과 음극(110) 간의 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)이며, 도면부호 192는 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓이다. 이때, 양극(120)과 음극(110)은 금속캡(190)과 접착제에 의해 견고하게 고정된다.In FIG. 3,
코인형 슈퍼커패시터는 양극(120) 및 음극(110)과, 양극(120) 및 음극(110) 사이에 배치되고 양극(120)과 음극(120)의 단락을 방지하기 위한 분리막(seperator)(160)을 금속캡(190) 내에 배치하고, 양극(120)와 음극(110) 사이에 전해액을 주입한 후, 가스켓(192)으로 밀봉하여 제조할 수 있다. The coin-type supercapacitor is disposed between the
분리막(160)은 폴리올레핀, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등 배터리 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.The
한편, 도 4 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 권취형 슈퍼커패시터를 나타낸 모식도로, 이를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 권취형 슈퍼커패시터를 제조하는 방법을 구체적으로 설명한다.Meanwhile, Figures 4 to 7 are schematic diagrams showing a wound-type supercapacitor according to another embodiment of the present invention, and with reference to this, a method of manufacturing a wound-type supercapacitor according to another embodiment of the present invention will be described in detail.
슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 제조하는 방법은 앞서 설명한 방법과 동일하다.The method of manufacturing the cathode and anode compositions for supercapacitors is the same as the method described above.
슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 구리 호일(Cu foil), 알루미늄 호일(Al foil), 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil)과 같은 금속 호일(metal foil)에 코팅하거나, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 양극 및 음극 형상으로 제조한다. The cathode and anode compositions for supercapacitors are coated on metal foil such as copper foil, aluminum foil, or aluminum etching foil, or the composition for supercapacitor electrodes is applied with a roller. It is pushed into a sheet (rubber type) and attached to a metal foil or current collector to form the positive and negative electrodes.
이러한 공정을 거친 양극 및 음극 형상에 대하여 건조 공정을 거친다. 건조 공정은 100 ~ 350℃, 바람직하게는 150 ~ 300℃의 온도에서 수행된다. 이때, 건조 온도가 100℃ 미만인 경우 분산매의 증발이 어려워 바람직하지 않으며, 350℃를 초과하는 고온 건조 시에는 도전재의 산화가 일어날 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 건조 온도는 적어도 100℃ 이상이고, 350℃를 넘지 않는 것이 바람직하다.The anode and cathode shapes that have gone through these processes undergo a drying process. The drying process is performed at a temperature of 100 to 350°C, preferably 150 to 300°C. At this time, if the drying temperature is less than 100°C, it is undesirable because evaporation of the dispersion medium is difficult, and if the drying temperature exceeds 350°C, it is undesirable because oxidation of the conductive material may occur. Therefore, it is preferable that the drying temperature is at least 100°C or higher and does not exceed 350°C.
그리고, 건조 공정은 위와 같은 온도에서 10분 ~ 6시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 슈퍼커패시터 전극의 강도를 향상시킨다.Additionally, the drying process is preferably carried out at the above temperature for 10 minutes to 6 hours. This drying process dries the composition for supercapacitor electrodes (evaporates the dispersion medium) and at the same time binds the powder particles to improve the strength of the supercapacitor electrode.
도 4에 도시된 바와 같이, 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 금속 호일에 코팅하거나 시트 상태로 만들어 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 제조한 양극(120) 및 음극(110)에 각각 리드선(130, 140)을 부착한다.As shown in FIG. 4, lead
다음으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 분리막(150), 양극(120), 제2 분리막(160) 및 음극(110)을 적층하고, 코일링(coling)하여 롤(roll) 형태의 권취소자(175)로 제작한 후, 롤(roll) 주위로 접착 테이프(170) 등으로 감아 롤 형태가 유지될 수 있게 한다.Next, as shown in FIG. 5, the
양극(120)과 음극(110) 사이에 구비된 제2 분리막(160)은 양극(120)과 음극(110)의 단락을 방지하는 역할을 한다. 제1 및 제2 분리막(150,160) 각각은 폴리올레핀, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등 배터리 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.The
다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 롤(roll) 형태의 결과물에 실링 고무(sealing rubber)(180)를 장착하고, 금속캡(예컨대, 알루미늄 케이스)(190)에 삽착시킨다. Next, as shown in FIG. 6, a sealing
롤 형태의 권취소자(175)가 함침되 전해액을 주입하고, 밀봉한다. The roll-shaped winding
이와 같이, 제작된 슈퍼커패시터를 도 7에 개략적으로 나타내었다.In this way, the manufactured supercapacitor is schematically shown in FIG. 7.
상술한 바와 같이 제조된 슈퍼커패시터(100)는 양극(120)과 음극(110)이 서로 이격되게 배치되어 있고, 양극(120)과 음극(110) 사이에 양극(120)과 음극(110)의 단락을 방지하기 위한 분리막(150, 160)이 배치되며, 양극(120) 및 음극(110)은 전해액에 함침되어 있다.In the
여기서, 전해액은, 비수계 전해액과, 비수계 전해액 100 중량부에 대하여 이온성 액체 1 ~ 25 중량부를 포함하며, 비수계 전해액은 유기용매와, 리튬 염 LiPF6(lithium hexafluorophosphate), LiBF4(lithium tetrafluoroborate), LiClO4(lithium perchlorate), LiFSI(lithium bis(fluorosulfonyl)imide)와, 소듐 염 NaPF6(sodium hexafluorophosphate), NaDFOB(sodium difluoro(oxalate)borate)와, 포타슘 염 KFSI(potassium bis(fluorosulfonyl)imide), KPF6(potassium hexafluorophosphate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전해질 염을 포함한다. 유기용매는 아세토니트릴(acetonitrile), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란, 부티로락톤 및 디메틸포름아미드으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.Here, the electrolyte solution includes a non-aqueous electrolyte solution and 1 to 25 parts by weight of an ionic liquid based on 100 parts by weight of the non-aqueous electrolyte solution, and the non-aqueous electrolyte solution includes an organic solvent and lithium salt LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate) and LiBF 4 (lithium tetrafluoroborate), LiClO 4 (lithium perchlorate), LiFSI (lithium bis(fluorosulfonyl)imide), sodium salt NaPF 6 (sodium hexafluorophosphate), NaDFOB (sodium difluoro(oxalate)borate) and potassium salt KFSI (potassium bis(fluorosulfonyl) imide) and KPF 6 (potassium hexafluorophosphate). Organic solvents include acetonitrile, propylene carbonate, ethylene carbonate, ethylmethyl carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, tetrahydrofuran, 1,2-dioxane, 2 -It may contain one or more substances selected from the group consisting of methyltetrahydrofuran, butyrolactone, and dimethylformamide.
이온성 액체는 EMITf2N(1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), BMITf2N(1-Butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), EMITFSI(1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), BMIMBF4(1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMBF4(1-Methyl-3-octylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMTf2N(1-Methyl-3-octylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), MEMPBF4(N-(2-Methoxyethyl)-N-methylpyrrolidinium tetraflioroborate) 및 DEMEBF4(N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium tetraflioroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.Ionic liquids include EMITf 2 N (1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), BMITf 2 N (1-Butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), EMITFSI (1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), and BMIMBF 4. (1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMBF 4 (1-Methyl-3-octylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMTf 2 N(1-Methyl-3-octylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), MEMPBF 4 (N-(2-Methoxyethyl)-N -methylpyrrolidinium tetrafloroborate) and DEMEBF 4 (N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium tetrafloroborate).
실시예Example
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail through preferred embodiments of the present invention. However, this is presented as a preferred example of the present invention and should not be construed as limiting the present invention in any way.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.Any information not described here can be technically inferred by anyone skilled in the art, so description thereof will be omitted.
1. 활성탄 제조1. Activated carbon production
실시예 1Example 1
상용 활성탄인 CEP21KS 15g을 물 1,000mL에 첨가하여 혼합한 후, 800rpm의 속도로 1시간 동안 1차 교반하였다.15 g of CEP21KS, a commercially available activated carbon, was added to 1,000 mL of water and mixed, followed by primary stirring at a speed of 800 rpm for 1 hour.
다음으로, 1차 교반된 활성탄 용액에 젤라틴 분말 1.2g을 첨가한 후, 45℃ 조건에서 1,200rpm의 속도로 5시간 동안 2차 교반하였다.Next, 1.2 g of gelatin powder was added to the first stirred activated carbon solution, and then second stirred for 5 hours at a speed of 1,200 rpm at 45°C.
다음으로, 2차 교반된 혼합물을 80℃에서 24시간 동안 건조하였다.Next, the second stirred mixture was dried at 80°C for 24 hours.
다음으로, 건조된 혼합물에 300cc/min의 유량으로 Ar 가스를 흘려 비활성 가스 분위기로 유지시킨 상태에서, 10℃/min의 승온 속도로 900℃까지 승온시킨 상태에서 1시간 동안 열처리하여 질소도핑된 활성탄을 제조하였다.Next, Ar gas was flowed through the dried mixture at a flow rate of 300 cc/min to maintain an inert gas atmosphere, and the temperature was raised to 900°C at a temperature increase rate of 10°C/min and heat treated for 1 hour to produce nitrogen-doped activated carbon. was manufactured.
실시예 2Example 2
젤라틴 분말 대신 콜라겐 분말 1.5g을 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 질소도핑된 활성탄을 제조하였다.Nitrogen-doped activated carbon was prepared in the same manner as Example 1, except that 1.5 g of collagen powder was added instead of gelatin powder.
실시예 3Example 3
열처리시, 15℃/min의 승온 속도로 1,000℃까지 승온시킨 상태에서 1시간 동안 열처리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 질소도핑된 활성탄을 제조하였다.Nitrogen-doped activated carbon was prepared in the same manner as in Example 1, except that during heat treatment, the temperature was raised to 1,000°C at a rate of 15°C/min and heat treatment was performed for 1 hour.
비교예 1Comparative Example 1
상용 활성탄인 CEP21KS 10g을 300cc/min의 유량으로 Ar 가스를 흘려 비활성 가스 분위기로 유지시킨 후, 10℃/min의 승온 속도로 900℃까지 승온시킨 상태에서 1시간 동안 열처리하여 다공성 활성탄을 제조하였다.Porous activated carbon was prepared by maintaining 10 g of CEP21KS, a commercial activated carbon, in an inert gas atmosphere by flowing Ar gas at a flow rate of 300 cc/min, and heat-treating the mixture for 1 hour while raising the temperature to 900°C at a temperature increase rate of 10°C/min.
2. 비표면적 측정2. Specific surface area measurement
표 1은 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1에 따라 제조된 활성탄에 대한 물성 평가 결과를 나타낸 것이고, 도 8은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 활성탄에 대한 질소 흡-탈착 실험 결과를 나타낸 그래프이다. 이때, 활성탄의 기공 구조를 확인하고자 가스 분석기(Belsorp-Mini II, BEL, Japan)를 사용하였고, 질소 흡-탈착 등온선으로부터 BET 방법(Brunauer-Emmett-Teller method)을 이용하여 비표면적과 기공사이즈 분포도를 얻었다.Table 1 shows the physical property evaluation results for the activated carbon prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, and Figure 8 shows the results of the nitrogen adsorption-desorption experiment for the activated carbon prepared according to Example 1 and Comparative Example 1. This is the graph shown. At this time, a gas analyzer (Belsorp-Mini II, BEL, Japan) was used to check the pore structure of activated carbon, and the specific surface area and pore size distribution were determined from the nitrogen adsorption-desorption isotherm using the BET method (Brunauer-Emmett-Teller method). got it
[표 1] [Table 1]
표 1 및 도 8에 도시된 바와 같이, 실시예 1 ~ 3에 따라 제조된 활성탄이 비교예 1에 따라 제조된 활성탄에 비하여 비표면적이 소폭 감소하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 질소도핑 소스인 콜라겐 또는 젤라틴이 활성탄의 기공 내에 잘 달라붙어 질소도핑이 이루어진데 기인한 것으로 판단된다.As shown in Table 1 and Figure 8, it can be seen that the specific surface area of the activated carbon prepared according to Examples 1 to 3 is slightly reduced compared to the activated carbon prepared according to Comparative Example 1, which is due to the nitrogen doping source of collagen or It is believed that this is because gelatin adheres well to the pores of activated carbon and nitrogen doping occurs.
3. XPS 분석3. XPS analysis
표 2는 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1에 따라 제조된 활성탄에 대한 XPS 분석 결과를 나타낸 것이고, 도 9는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 활성탄에 대한 열처리 전후의 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프이다.Table 2 shows the XPS analysis results for the activated carbon prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, and Figure 9 shows the XPS analysis results for the activated carbon prepared according to Example 1 and Comparative Example 1 before and after heat treatment. This is the graph shown.
[표 2][Table 2]
표 2 및 도 9에 도시된 바와 같이, XPS 분석 결과에서 알 수 있듯이, 실시예 1 ~ 3에 따라 제조된 활성탄은 C, O 및 N이 검출되었으며, N이 0.4 원자% 이상 도핑된 것을 확인하였다.As shown in Table 2 and Figure 9, as can be seen from the XPS analysis results, C, O, and N were detected in the activated carbon prepared according to Examples 1 to 3, and it was confirmed that N was doped by more than 0.4 atomic%. .
반면, 비교예 1에 따라 제조된 활성탄은 C 및 O만 검출되고, N이 검출되지 않았다.On the other hand, in the activated carbon prepared according to Comparative Example 1, only C and O were detected, and N was not detected.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.Although the above description focuses on embodiments of the present invention, various changes or modifications can be made by a person skilled in the art in the technical field to which the present invention pertains. These changes and modifications can be said to belong to the present invention as long as they do not depart from the scope of the technical idea provided by the present invention. Therefore, the scope of rights of the present invention should be determined by the claims described below.
S10 : 1차 교반 단계
S20 : 2차 교반 단계
S30 : 건조 단계
S40 : 열처리 단계S10: 1st stirring step
S20: Second stirring step
S30: Drying stage
S40: Heat treatment step
Claims (15)
(b) 상기 1차 교반된 활성탄 용액에 질소함유 유기물질을 첨가한 후, 2차 교반하는 단계;
(c) 상기 2차 교반된 혼합물을 건조하는 단계; 및
(d) 상기 건조된 혼합물을 비활성 가스 분위기에서 열처리하여 질소 도핑된 활성탄을 수득하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용한 질소도핑 활성탄 제조 방법.
(a) mixing activated carbon with a solvent and performing primary stirring;
(b) adding a nitrogen-containing organic material to the first stirred activated carbon solution and then second stirring;
(c) drying the secondary stirred mixture; and
(d) heat-treating the dried mixture in an inert gas atmosphere to obtain nitrogen-doped activated carbon;
A method of producing nitrogen-doped activated carbon using a nitrogen-containing organic material as a doping source, comprising:
상기 (a) 단계에서,
상기 1차 교반은
300 ~ 2,000rpm의 속도로 10 ~ 180분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용한 질소도핑 활성탄 제조 방법.
According to paragraph 1,
In step (a) above,
The first stirring is
A method of producing nitrogen-doped activated carbon using a nitrogen-containing organic material as a doping source, characterized in that it is carried out for 10 to 180 minutes at a speed of 300 to 2,000 rpm.
상기 (b) 단계에서,
상기 질소함유 유기물질은
콜라겐 분말 및 젤라틴 분말 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용한 질소도핑 활성탄 제조 방법.
According to paragraph 1,
In step (b) above,
The nitrogen-containing organic material is
A method of producing nitrogen-doped activated carbon using a nitrogen-containing organic material as a doping source, comprising at least one of collagen powder and gelatin powder.
상기 (b) 단계에서,
상기 2차 교반은
20 ~ 60℃에서 실시하는 것을 특징으로 하는 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용한 질소도핑 활성탄 제조 방법.
According to paragraph 1,
In step (b) above,
The secondary stirring is
A method of producing nitrogen-doped activated carbon using nitrogen-containing organic substances as a doping source, characterized in that it is carried out at 20 ~ 60℃.
상기 (b) 단계에서,
상기 2차 교반은
300 ~ 2,000rpm의 속도로 1 ~ 10시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용한 질소도핑 활성탄 제조 방법.
According to clause 4,
In step (b) above,
The secondary stirring is
A method of producing nitrogen-doped activated carbon using a nitrogen-containing organic material as a doping source, characterized in that it is carried out for 1 to 10 hours at a speed of 300 to 2,000 rpm.
상기 (c) 단계에서,
상기 건조는
70 ~ 90℃에서 10 ~ 40시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용한 질소도핑 활성탄 제조 방법.
According to paragraph 1,
In step (c) above,
The drying is
A method of producing nitrogen-doped activated carbon using a nitrogen-containing organic material as a doping source, characterized in that it is carried out at 70 ~ 90 ℃ for 10 ~ 40 hours.
상기 (d) 단계에서,
상기 열처리는
상기 비활성 가스 분위기에서 800 ~ 1,000℃ 조건으로 30 ~ 180분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용한 질소도핑 활성탄 제조 방법.
According to paragraph 1,
In step (d) above,
The heat treatment is
A method for producing nitrogen-doped activated carbon using a nitrogen-containing organic material as a doping source, characterized in that it is carried out in the inert gas atmosphere at 800 to 1,000°C for 30 to 180 minutes.
상기 열처리시,
승온 속도는 5 ~ 15℃/min으로 실시하는 것을 특징으로 하는 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용한 질소도핑 활성탄 제조 방법.
In clause 7,
During the heat treatment,
A method of producing nitrogen-doped activated carbon using a nitrogen-containing organic material as a doping source, characterized in that the temperature increase rate is carried out at 5 to 15°C/min.
상기 비활성 가스는
Ar, He 및 N2 중 1종 이상을 이용하는 것을 특징으로 하는 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용한 질소도핑 활성탄 제조 방법.
In clause 7,
The inert gas is
A method of producing nitrogen-doped activated carbon using a nitrogen-containing organic material as a doping source, characterized by using one or more of Ar, He, and N 2 .
상기 (d) 단계 이후,
상기 질소 도핑된 활성탄은
질소가 0.1 ~ 1.0 원자%로 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용한 질소도핑 활성탄 제조 방법.
According to paragraph 1,
After step (d) above,
The nitrogen-doped activated carbon is
A method of producing nitrogen-doped activated carbon using a nitrogen-containing organic material as a doping source, characterized in that nitrogen is doped at 0.1 to 1.0 atomic percent.
상기 (d) 단계 이후,
상기 질소 도핑된 활성탄은
500 ~ 3,500 m2/g의 비표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용한 질소도핑 활성탄 제조 방법.
According to paragraph 1,
After step (d) above,
The nitrogen-doped activated carbon is
A method of producing nitrogen-doped activated carbon using a nitrogen-containing organic material as a doping source, characterized by having a specific surface area of 500 to 3,500 m 2 /g.
상기 양극 및 음극 각각은 전극활물질, 도전재 및 바인더를 포함하며,
상기 양극 및 음극의 전극활물질 중 적어도 하나는,
제1항 내지 제11항 중 어느 항에 따른 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용한 질소도핑 활성탄 제조 방법에 의해 제조된 질소 도핑된 활성탄이 이용되며, 상기 질소 도핑된 활성탄은 질소가 0.1 ~ 1.0 원자%로 도핑된 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
The anode and cathode are arranged to be spaced apart from each other, a separator is disposed between the anode and the cathode to prevent short circuit between the anode and the cathode, and the anode and cathode are impregnated in the electrolyte of the supercapacitor,
Each of the positive and negative electrodes includes an electrode active material, a conductive material, and a binder,
At least one of the electrode active materials of the positive and negative electrodes is,
Nitrogen-doped activated carbon produced by the nitrogen-doped activated carbon production method using the nitrogen-containing organic material as a doping source according to any one of claims 1 to 11 is used, and the nitrogen-doped activated carbon has a nitrogen content of 0.1 to 1.0. A supercapacitor characterized by doping with atomic percent.
상기 질소 도핑된 활성탄은
500 ~ 3,500 ㎡/g의 비표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
According to clause 12,
The nitrogen-doped activated carbon is
A supercapacitor characterized by having a specific surface area of 500 to 3,500 ㎡/g.
(b) 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계;
(c) 상기 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성하는 단계; 및
(d) 상기 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 음극 사이에 상기 양극과 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 양극 및 음극을 제1항에 기재된 전해액에 함침시키는 단계;를 포함하며,
상기 (a) 단계에서, 상기 전극활물질은,
제1항 내지 제11항 중 어느 항에 따른 질소함유 유기물질을 도핑소스로 활용한 질소도핑 활성탄 제조 방법에 의해 제조된 질소 도핑된 활성탄이 이용되며, 상기 질소 도핑된 활성탄은 질소가 0.1 ~ 1.0 원자%로 도핑된 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터의 제조 방법.
(a) preparing a composition for a supercapacitor electrode by mixing an electrode active material, a conductive material, a binder, and a dispersion medium;
(b) compressing the supercapacitor electrode composition to form an electrode, coating the supercapacitor electrode composition on a metal foil to form an electrode, or pressing the supercapacitor electrode composition with a roller to form a sheet. Forming an electrode by attaching it to a metal foil or current collector;
(c) drying the resulting electrode-shaped product to form a supercapacitor electrode; and
(d) using the supercapacitor electrode as an anode and a cathode, disposing a separator between the anode and the cathode to prevent short circuit between the anode and the cathode, and impregnating the anode and the cathode with the electrolyte solution according to claim 1. It includes steps;
In step (a), the electrode active material is,
Nitrogen-doped activated carbon produced by the nitrogen-doped activated carbon production method using the nitrogen-containing organic material as a doping source according to any one of claims 1 to 11 is used, and the nitrogen-doped activated carbon has a nitrogen content of 0.1 to 1.0. Method for manufacturing a supercapacitor, characterized in that it is doped in atomic percent.
상기 질소 도핑된 활성탄은
500 ~ 3,500 ㎡/g의 비표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터의 제조 방법.According to clause 14,
The nitrogen-doped activated carbon is
A method of manufacturing a supercapacitor, characterized in that it has a specific surface area of 500 to 3,500 ㎡/g.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240066569A true KR20240066569A (en) | 2024-05-16 |
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