KR101766143B1 - Preparing method of aligned activative carbon nanofibers using electrospinning - Google Patents

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심상은
김민재
이은수
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Abstract

The present invention relates to a method for preparing aligned activated carbon nanofibers using an electrospinning method, and the preparation method presents a novel method. The preparation method can prepare the aligned activated carbon nanofibers having improved electrical characteristics by adjusting the degree of alignment according to the driving speed of a rotating current collector, and especially, when the rotating current collector is driven in one direction, providing an excellent path for increasing the ion transport speed. When the activated carbon nanofibers prepared by the preparation method are used as an electrode for a super capacitor, excellent electrochemical characteristics can be exhibited at the time of rapid charging and discharging.

Description

전기방사법을 이용한 정렬된 활성탄소나노섬유 제조방법{Preparing method of aligned activative carbon nanofibers using electrospinning}[0001] The present invention relates to an aligned activated carbon nanofibers using electrospinning,

본 발명은 전기방사법을 이용한 정렬된 활성탄소나노섬유 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for preparing an aligned activated carbon nanofiber by electrospinning.

최근 고성능 전기에너지저장(Electrical Energy Storage System; EES)에 대한 연구는 휴대용 전기 디바이스 및 대형 전기 장치에 적용할 수 있는 친환경적 기술에 집중되고 있다. 효율적인 전기에너지의 저장 및 방출은 간헐적 에너지원으로부터 발생되는 전류의 지속적인 활용을 가능하게 할 수 있다. 특히 전기에너지저장 장치 중에서도 슈퍼커패시터는 그것의 고유한 전기화학적 특성 때문에 다양한 휴대용 디바이스에 전기적 에너지를 제공하기 위해 가장 유망한 현대 에너지 저장 시스템 중 하나로 상당한 관심을 받고 있다.Recent research on high-performance electrical energy storage systems (EES) has focused on eco-friendly technologies that can be applied to portable electric devices and large electric devices. The efficient storage and release of electrical energy can enable continuous utilization of currents generated from intermittent energy sources. Especially among electric energy storage devices, supercapacitors have received considerable attention as one of the most promising modern energy storage systems to provide electrical energy to various portable devices due to its unique electrochemical characteristics.

슈퍼커패시터는 전기적 충전 및 방전을 발생하기 위한 반응 메카니즘에 따라 전기 이중층 커패시터(electrical double layer capacitors; EDLCs) 및 의사-커패시터(pseudo-capacitors)로 분류되어 질 수 있다. Supercapacitors can be classified as electrical double layer capacitors (EDLCs) and pseudo-capacitors depending on the reaction mechanism for generating electrical charge and discharge.

상기 전기 이중층 커패시터는 전해질과 전극 표면 사이에 전기 이중층의 비-페러데이 반응(non-faradaic reaction)을 통해 전기적 에너지를 저장하고 방출한다. 상기 전기 이중층 커패시터는 산화환원 페러데이 반응을 포함하지 않기 때문에 반응 메카니즘은 매우 빠르고 안정적이며, 우수한 장기 순환안정성(long-term cycling stability) 및 높은 속도특성뿐만 아니라, 낮은 비축전용량을 가지고 있다.The electric double layer capacitor stores and emits electrical energy through a non-faradic reaction of the electric double layer between the electrolyte and the electrode surface. Since the electric double layer capacitor does not include the redox FERRADE reaction, the reaction mechanism is very fast and stable, has excellent long-term cycling stability and high speed characteristics, and low non-storage capacity.

슈퍼커패시터의 다른 타입인 의사-커패시터는 전기화학적 반응 메카니즘을 가지며, 의사-커패시터는 전극 표면과 전해질 사이에 산화환원 페러데이 반응을 통해 전기 에너지를 얻으며 방출한다. Another type of supercapacitor, a pseudo-capacitor, has an electrochemical reaction mechanism, in which a pseudo-capacitor acquires and emits electrical energy through a redox ferrete reaction between the electrode surface and the electrolyte.

일반적으로, 상기 의사-커패시터는 높은 에너지 밀도를 가지고 있으나, 높은 전력밀도를 얻을 수 없는 단점이 있다. 상기 전기 이중층 커패시터 및 의사커패시터의 장점을 활용하기 위해, 하이브리드 전극은 산업 적용을 위해 일반적으로 사용되어 지고 있으며, 복합 전극인 금속 산화물 및 전도성 고분자는 산화환원 페러데이 반응 메카니즘을 통해 전기 에너지를 저장 하며, 하이브리드 슈퍼커패시터는 전이금속과 전해질 사이에 산화환원 페러데이 반응에 의해 발생된 높은 전기 에너지를 효율적으로 이동할 수 있도록, 지지된 재료는 높은 전기전도성 및 전자 또는 이온의 이동을 지지하는 구조를 가질 필요가 있다. In general, the pseudo-capacitor has a high energy density, but a high power density can not be obtained. To utilize the advantages of the electric double layer capacitors and the pseudo capacitors, hybrid electrodes are generally used for industrial applications. Metal oxides and conductive polymers, which are composite electrodes, store electric energy through a redox ferrode reaction mechanism, Hybrid supercapacitors need to have a structure that supports high electrical conductivity and transfer of electrons or ions so that the high electrical energy generated by the redox FERRARDI reaction between the transition metal and the electrolyte can be efficiently transferred .

전하 이동을 위한 다양한 탄소 재료들 사이에 탄소나노튜브(carbon nanotubes; 'CNT'), 탄소나노코일, 및 탄소나노섬유와 같은 1차원 탄소 재료는 높은 종횡비 및 우수한 전자 이동 특성을 가지기 때문에 전기화학적 반응의 동력을 촉진할 수 있다.One-dimensional carbon materials such as carbon nanotubes (CNTs), carbon nano-coils, and carbon nanofibers between various carbon materials for charge transfer have high aspect ratio and excellent electron mobility, Can be accelerated.

더욱이, 상기 탄소나노섬유는 그들의 높은 종횡비, 전기 전도성, 및 우수한 생산성 때문에 전하 이동을 위한 유명한 재료로서 연구되고 있다. 상기 탄소나노섬유를 제작하기 위한 하나의 기술로서 전기방사법(electrospinning)이 있으며, 전기방사는 간단한 공정 때문에 오랜 시간동안 사용되어 왔다. Moreover, the carbon nanofibers are being studied as a famous material for charge transfer because of their high aspect ratio, electrical conductivity, and good productivity. One technique for fabricating the carbon nanofibers is electrospinning, and electrospinning has been used for a long time due to a simple process.

최근 나노섬유의 정렬에 관한 다양한 연구는 그들의 우수한 구조적 특성에 의해 상당한 관심을 받고 있으며, 특히 복합체 재료, 보강제, 전기화학적 센서 등은 정렬된 구조에 의한 성능 개선 효과로 인해 전기방사를 이용한 정렬된 나노섬유가 사용되고 있다.Recently, various researches on the alignment of nanofibers have received considerable attention due to their excellent structural characteristics. In particular, composite materials, reinforcing agents, electrochemical sensors, etc., Fibers are used.

최근까지 산학연 각 분야에서 정렬된 탄소나노섬유의 연구가 활발히 진행되고 있으나 에너지 저장소재로서 사용되고 있지 않으며 특히 정렬된 구조에 따른 표면적, 기공 부피, 전기전도도, 및 전기화학적 특성의 변화에 관한 연구는 아직까지 진행되고 있지 않다. Recently, studies on carbon nanofibers aligned in industry, academia, and research fields have been actively conducted, but they are not used as energy storage materials. Particularly, research on the change of surface area, pore volume, electrical conductivity, and electrochemical characteristics .

따라서 에너지 저장 시스템 중 하나인 슈퍼커패시터용 전극에 적용하기 위해 전기방사를 이용하여 표면 특성 및 전기전도도를 향상시킨 정렬된 탄소나노섬유 전극을 제작하여 고성능 전기에너지저장장치에 적용하기 위한 연구 개발이 필요한 상황이다.Therefore, it is necessary to develop an aligned carbon nanofiber electrode having improved surface characteristics and electrical conductivity by using electrospinning for application to an electrode for supercapacitor, which is one of energy storage systems, and to apply it to a high-performance electric energy storage device It is a situation.

대한민국 공개특허 제2013-0073481호Korea Patent Publication No. 2013-0073481

본 발명의 목적은 높은 속도로 회전 집전체를 가동하여 한방향으로 정렬시킴으로써 비표면적 및 기공부피를 증가시킬 수 있고, 이온 수송 속도를 높이기 위한 우수한 경로를 제공할 수 있는 전기방사법을 이용한 정렬된 활성탄소나노섬유 제조방법을 제공하는 데에 있다. It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing an activated carbon having an ordered electrospinning process capable of increasing the specific surface area and the pore volume by aligning the rotating current collector in one direction at a high speed and providing an excellent path for increasing the ion transport rate, And a method for manufacturing nanofibers.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전기방사 용액을 준비하는 단계(제1단계); 상기 준비된 전기방사 용액을 시린지 펌프에 연결한 후 회전 집전체(rotary collector)를 250 내지 2000 rpm의 속도로 작동시켜 정렬된 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 제작하는 단계(제2단계); 상기 제작된 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 건조한 후 가열하여 안정화시키는 단계(제3단계); 상기 안정화된 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 탄화시켜 정렬된 탄소나노섬유를 제작하는 단계(제4단계); 및 상기 제작된 탄소나노섬유를 활성화시켜 활성탄소나노섬유를 제작하는 단계(제5단계);를 포함하는, 정렬된 탄소나노섬유를 이용한 활성탄소섬유 제조방법을 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a method of manufacturing an electrospinning solution, comprising the steps of: (1) preparing an electrospinning solution; Connecting the prepared electrospinning solution to a syringe pump, and then operating a rotary collector at a speed of 250 to 2000 rpm to prepare aligned polyacrylonitrile nanofibers (second step); Drying and stabilizing the prepared polyacrylonitrile nanofibers (step 3); Carbonizing the stabilized polyacrylonitrile nanofibers to produce aligned carbon nanofibers (Step 4); And activating the carbon nanofibers to produce activated carbon nanofibers (step 5). The present invention also provides a method for producing activated carbon fibers using the aligned carbon nanofibers.

또한 본 발명은 상기 제조방법에 따라 제조된 것을 특징으로 하는, 정렬된 활성탄소나노섬유를 제공한다.The present invention also provides aligned activated carbon nanofibers, which are produced according to the above-mentioned production method.

본 발명에 따른 제조방법은 회전 집전체 가동 속도에 따라 정렬도를 조절할 수 있으며, 특히 높은 속도로 회전 집전체를 가동할 경우 표면 성질 및 전기적 특성이 향상된 활성탄소나노섬유를 제조할 수 있으며, 상기 제조방법에 의해 제조된 활성탄소나노섬유는 한방향으로 정렬됨으로써 이온 수송 속도를 높이기 위한 우수한 경로를 제공할 수 있어, 슈퍼커패시터용 전극에 이용할 경우 빠른 충방전 시 높은 전기화학적 특성을 나타낼 수 있다.The manufacturing method according to the present invention can adjust the degree of alignment according to the operation speed of the rotating current collector, and in particular, when the rotating current collector is operated at a high speed, the activated carbon nanofiber having improved surface properties and electrical characteristics can be produced. The activated carbon nanofibers prepared by the production method can be aligned in one direction to provide an excellent path for increasing the ion transport speed and can exhibit high electrochemical characteristics at the time of fast charging / discharging when used for a supercapacitor electrode.

도 1은 전기방사에 의한 CNFs의 제작을 나타내는 개략도이다.
도 2는 회전 집전체의 250 rpm, 500 rpm, 1000 rpm, 및 2000 rpm의 다양한 속도에 의해 제작된 CNFs의 SEM 이미지를 나타낸 것으로서, CNFs 250 (a), CNFs 500 (b), CNFs 1000 (c), 및 CNFs 2000 (d)의 SEM 이미지이다.
도 3은 CNFs 250(a), CNFs 500(b), CNFs 1000(c), 및 CNFs 2000(d)의 정렬도를 나타낸 도면이다.
도 4는 회전 집전체의 속도를 증가함에 따라 CNFs의 N2 흡착/탈착 분석(a), 표면적(b), 평균 직경(c), 및 전기전도도(d)를 나타낸 도면이다.
도 5는 회전 집전체의 속도를 증가함에 따라 CNFs의 CV 곡선(a), 정전류 충전-방전 곡선(b), 10 mV/s에서 50 mV/s로 스캔 속도를 증가함에 따른 잔여 축전용량(c), 및 속도특성의 요약(d)을 나타낸 도면이다.
도 6은 10 mV/s에서 50 mV/s까지 다양한 스캔 속도에서 CNFs 250 전극(a), CNFs 500 전극(b), CNFs 1000 전극(c), 및 CNFs 2000 전극(d)의 CV 곡선을 나타낸 도면이다.
도 7은 1000회 동안 CNFs 250 전극(a), CNFs 500 전극(b), CNFs 1000 전극(c), 및 CNFs 2000 전극(d)의 나이퀴스트선도(a), 및 순환안정성(b)을 나타낸 도면이다.
도 8은 ACNFs 250 (a, c) 및 ACNFs 2000 (b, d)의 SEM 이미지 및 정렬도를 나타낸 도면이다.
도 9는 BET 등온선(a), 10 mV/s 스캔 속도에서 CV 곡선(b), 1 A/g 전류밀도에서 정전류 충전-방전 곡선(c), 비축전용량(d), 및 ACNFs 전극의 10 mV/s에서 50 mV/s까지 스캔 속도의 함수로서 CV 곡선(ACNFs 250 (e), 및 ACNFs 2000 (f))을 나타낸 도면이다.
도 10은 1000회 동안 ACNFs 250 전극 및 ACNFs 2000 전극의 나이퀴스트 선도(a) 및 순환안정성(b)을 나타낸 도면이다.
1 is a schematic view showing the production of CNFs by electrospinning.
2 shows SEM images of CNFs produced at various rpm of 250 rpm, 500 rpm, 1000 rpm, and 2000 rpm of a rotating current collector. CNFs 250 (a), CNFs 500 (b), CNFs 1000 ), And CNFs 2000 (d).
3 is a view showing an alignment chart of CNFs 250 (a), CNFs 500 (b), CNFs 1000 (c), and CNFs 2000 (d).
4 is a graph showing N 2 adsorption / desorption analysis (a), surface area (b), average diameter (c), and electric conductivity (d) of CNFs as the speed of the rotating current collector is increased.
FIG. 5 shows the relationship between the CV curve (a) of the CNFs, the constant current charge-discharge curve (b), the remaining storage capacity (c) as the scan speed increases from 10 mV / s to 50 mV / ), And a summary (d) of velocity characteristics.
Figure 6 shows the CV curves of CNFs 250 electrode (a), CNFs 500 electrode (b), CNFs 1000 electrode (c), and CNFs 2000 electrode (d) at various scan rates from 10 mV / s to 50 mV / FIG.
7 shows the Nyquist plot (a) and cyclic stability (b) of CNFs 250 electrode (a), CNFs 500 electrode (b), CNFs 1000 electrode (c), and CNFs 2000 electrode Fig.
8 is an SEM image and an alignment diagram of ACNFs 250 (a, c) and ACNFs 2000 (b, d).
Figure 9 shows the BET isotherm (a), the CV curve b at a scan rate of 10 mV / s, the constant current charge-discharge curve c at a 1 A / g current density, (ACNFs 250 (e), and ACNFs 2000 (f)) as a function of scan speed from mV / s to 50 mV / s.
10 is a graph showing a Nyquist plot (a) and circulation stability (b) of ACNFs 250 and ACNFs 2000 electrodes for 1000 times.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명자들은 전기방사를 통한 활성탄소나노섬유 제조 시, 회전 집전체를 고속으로 가동할 경우, 활성탄소나노섬유는 한방향으로 정렬됨으로써 이온 수송 속도를 높이기 위한 우수한 경로를 제공할 수 있어, 활성탄소나노섬유를 슈퍼커패시터용 전극으로 이용할 경우 빠른 충방전 시 우수한 전기화학적 특성을 나타낼 수 있음을 밝혀내어 본 발명을 완성하였다.The present inventors have found that when the rotating current collector is operated at a high speed in manufacturing activated carbon nanofibers by electrospinning, the activated carbon nanofibers are aligned in one direction, thereby providing an excellent path for increasing the ion transport speed, It has been found that when fibers are used as an electrode for a supercapacitor, they can exhibit excellent electrochemical characteristics at the time of fast charging and discharging, thereby completing the present invention.

본 발명은 전기방사 용액을 준비하는 단계(제1단계); 상기 준비된 전기방사 용액을 시린지 펌프에 연결한 후 회전 집전체(rotary collector)를 250 내지 2000 rpm의 속도로 작동시켜 정렬된 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 제작하는 단계(제2단계); 상기 제작된 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 건조한 후 가열하여 안정화시키는 단계(제3단계); 상기 안정화된 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 탄화시켜 정렬된 탄소나노섬유를 제작하는 단계(제4단계); 및 상기 제작된 탄소나노섬유를 활성화시켜 활성탄소나노섬유를 제작하는 단계(제5단계);를 포함하는, 전기방사법을 이용한 정렬된 활성탄소나노섬유 제조방법을 제공한다.The present invention relates to a method of preparing an electrospinning solution, Connecting the prepared electrospinning solution to a syringe pump, and then operating a rotary collector at a speed of 250 to 2000 rpm to prepare aligned polyacrylonitrile nanofibers (second step); Drying and stabilizing the prepared polyacrylonitrile nanofibers (step 3); Carbonizing the stabilized polyacrylonitrile nanofibers to produce aligned carbon nanofibers (Step 4); And activating the carbon nanofibers to produce activated carbon nanofibers (step 5). The present invention also provides a method of manufacturing aligned activated carbon nanofibers using electrospinning.

상기 전기방사 용액은 폴리아크릴로나이트릴과 N,N-디메틸포름아마이드(N,N-dimethylformamide)를 1 : 7 내지 10의 중량비로 혼합할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The electrospinning solution may be prepared by mixing polyacrylonitrile with N, N-dimethylformamide in a weight ratio of 1: 7 to 10, but is not limited thereto.

상기 회전 집전체는 2000 rpm의 속도로 작동될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The rotating current collector may be operated at a speed of 2000 rpm, but is not limited thereto.

상기 제3단계는 제작된 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 건조한 후 250 내지 350℃까지 가열하여 안정화시킬 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.In the third step, the fabricated polyacrylonitrile nanofiber may be dried and stabilized by heating to 250 to 350 ° C, but is not limited thereto.

상기 제4단계는 질소 분위기하에서 안정화된 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 800 내지 1000℃까지 가열하여 탄화시킬 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.In the fourth step, the polyacrylonitrile nanofiber stabilized in a nitrogen atmosphere may be carbonized by heating to 800 to 1000 ° C, but is not limited thereto.

상기 제5단계는 CO2 분위기하에 제작된 탄소나노섬유를 800 내지 1000℃ 온도에서 활성화시킬 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.In the fifth step, the carbon nanofibers produced in a CO 2 atmosphere may be activated at a temperature of 800 to 1000 ° C, but are not limited thereto.

또한 본 발명은 상기 제조방법에 따라 제조된 것을 특징으로 하는, 정렬된 활성탄소나노섬유를 제공한다.The present invention also provides aligned activated carbon nanofibers, which are produced according to the above-mentioned production method.

이하, 하기 실시예에 의해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 다만, 이러한 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the present invention is not limited by these examples.

<실시예 1> 탄소나노섬유(CNFs 250) 및 활성탄소나노섬유(ACNFs 250) 합성Example 1 Synthesis of Carbon Nanofibers (CNFs 250) and Activated Carbon Nanofibers (ACNFs 250)

1. 재료의 준비1. Preparation of materials

폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile; PAN, Mw = 150,000 g/mol)은 시그마 알드리치사로부터 구입하였으며, N,N-디메틸폼아마이드(N,N-dimethylformamide; MF, assay 99.0% min) 및 황산(H2SO4, 95%)은 OCI사(한국)로부터 구입하였다.Polyacrylonitrile (PAN, Mw = 150,000 g / mol) was purchased from Sigma-Aldrich and N, N-dimethylformamide (MF, assay 99.0% min) and sulfuric acid 2 SO 4 , 95%) were purchased from OCI (Korea).

2. 탄소나노섬유(CNFs 250) 합성2. Synthesis of carbon nanofibers (CNFs 250)

CNFs를 제작하기 위해, 우선 12 중량%의 PAN(2.4 g)/DMF(20 g) 용액을 제조하였고, 제조된 용액을 전기방사장치(Nano NC, South Korea)를 이용하여 방사하였다. 도 1을 참조하면, 상기 전기방사하기 위한 PAN/DMF 용액을 시린지 펌프에 연결하였고, 1 mL/h 속도로 밀어주었다.To prepare the CNFs, a 12 wt% PAN (2.4 g) / DMF (20 g) solution was first prepared and the prepared solution was spun using an electrospinning apparatus (Nano NC, South Korea). Referring to FIG. 1, the PAN / DMF solution for electrospinning was connected to a syringe pump and pushed at a rate of 1 mL / h.

니들의 말단과 회전 집전체(rotary collector) 기질 사이의 거리는 18 cm로 고정하였고, 적용된 전압은 18 kV이었으며, 회전 집전체의 직경은 25 cm이었고, 나노섬유를 포집하기 위한 폭은 1.7 cm로 고정하였다. 이후, 회전 집전체의 속도를 250 rpm으로 고정하여 회전 집전체를 작동시킴으로써 정렬된 전기방사 PAN 나노섬유를 제작하였다.The distance between the tip of the needle and the rotary collector substrate was fixed at 18 cm, the applied voltage was 18 kV, the diameter of the rotating current collector was 25 cm, and the width for capturing nanofibers was fixed at 1.7 cm Respectively. Then, the electrospun PAN nanofibers were fabricated by operating the rotating current collector by fixing the speed of the rotating current collector at 250 rpm.

정렬된 전기방사 PAN 나노섬유를 60℃에서 24시간 동안 진공 오븐에서 건조시키고, 1.5 ℃/min 가열속도로 튜브 노(Korea Furnace Development Co., Ltd., 한국)의 온도를 300℃까지 가열한 후 대기 중에서 1시간 동안 300℃의 온도를 유지하여 안정화시켰다.The aligned electrospun PAN nanofibers were dried in a vacuum oven at 60 DEG C for 24 hours and heated to 300 DEG C in a tube furnace (Korea Furnace Development Co., Ltd., Korea) at a heating rate of 1.5 DEG C / min And stabilized by keeping the temperature at 300 캜 for 1 hour in the atmosphere.

이후 안정화된 전기방사 PAN 나노섬유를 튜브 노에서 5 ℃/min 가열속도로 300℃에서 900℃까지 가열하여 탄화시켰으며, 1시간 동안 900℃를 유지한 후 N2 가스를 취입(blowing)하면서 상온에서 냉각시켜 탄소나노섬유를 합성하였다. 상기 방법에 의해 합성된 탄소나노섬유를 'CNFs 250'으로 명명하였다.The stabilized electrospun PAN nanofibers were then carbonized by heating from 300 ° C to 900 ° C at a heating rate of 5 ° C / min in a tube furnace. After maintaining the temperature at 900 ° C for 1 hour, N 2 gas was blown, To synthesize carbon nanofibers. The carbon nanofibers synthesized by the above method were named 'CNFs 250'.

3. 활성탄소나노섬유(ACNFs 250) 합성3. Synthesis of activated carbon nanofibers (ACNFs 250)

상기 합성된 CNFs 250을 1시간 동안 900℃를 유지한 후, N2 가스를 CO2 가스로 교환함으로써 활성탄소나노섬유(ACNFs)를 제작하였으며, 상기 방법에 의해 합성된 활성탄소나노섬유를 'ACNFs 250'으로 명명하였다.Activated carbon nanofibers (ACNFs) were prepared by exchanging N 2 gas with CO 2 gas after maintaining the synthesized CNFs 250 at 900 ° C. for 1 hour. Activated carbon nanofibers synthesized by the above method were called 'ACNFs 250 &quot;.

<실시예 2> 탄소나노섬유(CNFs 500) 및 활성탄소나노섬유(ACNFs 500) 합성Example 2 Synthesis of Carbon Nanofibers (CNFs 500) and Activated Carbon Nanofibers (ACNFs 500)

회전 집전체의 속도를 500 rpm으로 고정한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 조건이었으며, 상기 방법에 의해 합성된 탄소나노섬유, 및 활성탄소나노섬유를 각각 'CNFs 500' 및 'ACNFs 500'으로 명명하였다.The carbon nanofibers and activated carbon nanofibers synthesized by the above method were referred to as 'CNFs 500' and 'ACNFs 500', respectively, except that the speed of the rotating current collector was fixed at 500 rpm. Respectively.

<실시예 3> 탄소나노섬유 및 활성탄소나노섬유 합성Example 3 Synthesis of Carbon Nanofibers and Activated Carbon Nanofibers

회전 집전체의 속도를 1000 rpm으로 고정한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 조건이었으며, 상기 방법에 의해 합성된 탄소나노섬유, 및 활성탄소나노섬유를 각각 'CNFs 1000' 및 'ACNFs 1000'으로 명명하였다.Except that the speed of the rotating current collector was fixed at 1000 rpm. The carbon nanofibers and the activated carbon nanofibers synthesized by the above method were respectively referred to as 'CNFs 1000' and 'ACNFs 1000' Respectively.

<실시예 4> 탄소나노섬유 및 활성탄소나노섬유 합성Example 4 Synthesis of Carbon Nanofibers and Activated Carbon Nanofibers

회전 집전체의 속도를 2000 rpm으로 고정한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 조건이었으며, 상기 방법에 의해 합성된 탄소나노섬유, 및 활성탄소나노섬유를 각각 'CNFs 2000' 및 'ACNFs 2000'으로 명명하였다.Except that the speed of the rotating current collector was fixed at 2000 rpm. The carbon nanofibers synthesized by the above method and the activated carbon nanofibers were respectively referred to as 'CNFs 2000' and 'ACNFs 2000' Respectively.

<실험예 1> 형태학적 분석<Experimental Example 1> Morphological analysis

앞선 실시예 1 내지 실시예 4에 따라 제조된 CNFs의 형태학적 특성을 분석하기 위하여, 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; 이하 'SEM')분석은 SEM(Hitachi, S-4300)을 이용하여 15 kV로 수행하였고, 모든 샘플들은 분석하기 전에 백금으로 스퍼터 코팅되었다.The morphology of CNFs prepared according to the preceding Examples 1 to 4 In order to analyze the characteristics, Scanning Electron Microscope (SEM) analysis was performed at 15 kV using SEM (Hitachi, S-4300) and all samples were sputter coated with platinum before analysis.

상기 모든 샘플들의 비표면적 및 기공 크기 분포는 Brunauere-Emmette-Teller(이하 'BET') 방정식에 따라 기구(ASAP 2020, Micromeritics)를 이용하여 측정하였다. 총 기공 부피는 0.99의 P/P0에서 흡수된 양을 의미한다.The specific surface area and pore size distribution of all the samples were measured using an instrument (ASAP 2020, Micromeritics) according to the Brunauere-Emmette-Teller (hereinafter 'BET') equation. The total pore volume is the amount absorbed at P / P 0 of 0.99.

도 2는 전기방사, 안정화 및 탄소화 공정에 의해 준비된 탄소나노섬유의 대표적인 형태학적 SEM 이미지를 나타낸 것으로서, 도 2(a) 내지 도 2(d)는 회전 집전체의 속도를 다양한 속도(250 rpm, 500 rpm, 1000 rpm 및 2000 rpm)로 하여 전기방사한 탄소나노섬유의 SEM 이미지이다.FIG. 2 shows a representative morphological SEM image of carbon nanofibers prepared by electrospinning, stabilizing and carbonizing processes. FIGS. 2 (a) -2 (d) , 500 rpm, 1000 rpm, and 2000 rpm) of the carbon nanofibers.

도 2에 나타낸 바와 같이, 회전 집전체의 속도가 증가할 경우, 탄소나노섬유는 한방향으로 점차 정렬되었음을 알 수 있다. 더욱이, 도 2(d)를 참조하면, 상기 탄소나노섬유는 회전 집전체의 속도를 2000 rpm으로 하였을 때 한방향으로 보다 정렬되었음을 알 수 있다. 인가되는 정전기력이 고분자 용액의 표면장력을 극복할 때, 전기적으로 하전된 폴리머 젯(polymer jet)을 생성할 수 있으며, 폴리머 젯을 건조한 후에, 마이크로 또는 나노 크기의 직경을 갖는 하전된 섬유를 형성할 수 있었다. 이러한 잔류 전하는 증착 섬유에 척력(repelling force)을 발휘하기에 충분하였다. As shown in FIG. 2, when the speed of the rotating current collector increases, it can be seen that the carbon nanofibers are gradually aligned in one direction. Further, referring to FIG. 2 (d), it can be seen that the carbon nanofibers were aligned in one direction when the speed of the rotating current collector was 2000 rpm. When the applied electrostatic force overcomes the surface tension of the polymer solution, it is possible to produce an electrically charged polymer jet, which, after drying the polymer jet, forms a charged fiber having a micro or nano-sized diameter I could. These residual charges were sufficient to exert a repelling force on the deposited fibers.

회전 집전체의 하전된 표면 상에 하전된 섬유가 무작위로 배열할 수 있는 시간을 감소시키기 위해 회전 집전체의 속도를 증가시켰다. 결과적으로, 회전 집전체의 속도가 2000 rpm에 도달 하였을 때, 섬유들은 더욱 정렬하게 배열되었다.The speed of the rotating current collector was increased to reduce the time that the charged fibers could be randomly arranged on the charged surface of the rotating current collector. As a result, when the speed of the rotating current collector reached 2000 rpm, the fibers were arranged more aligned.

<실험예 2> 정렬도 분석&Lt; Experimental Example 2 >

도 3은 회전 집전체의 다양한 속도(250, 500, 1000, 및 2000 rpm)를 이용하여 합성된 탄소나노섬유의 정렬도를 나타낸 것이다. 도 3(a)는 상기 실시예 1에 따라 합성된 CNFs 250의 정렬도를 나타낸 것으로서, CNFs 250는 넓은 범위의 정렬도를 나타내었다. 반면에, 회전 집전체의 속도를 증가시킨 경우, 나타내는 그래프의 형상이 수렴하는 형태임을 알 수 있다. 이러한 결과는 도 2에 나타낸 형태학적 형상과 유사함을 알 수 있으며, 도 2와 마찬가지로, CNFs의 정렬도는 2000 rpm에 도달하였을 때 최고치(93.8%)를 기록하였다.FIG. 3 shows alignment of carbon nanofibers synthesized using various speeds (250, 500, 1000, and 2000 rpm) of a rotating current collector. FIG. 3 (a) shows an alignment chart of the CNFs 250 synthesized according to the first embodiment, and CNFs 250 shows a wide range of alignment. On the other hand, when the speed of the rotating current collector is increased, it can be seen that the shape of the graph to be represented is a convergent shape. These results are similar to the morphological shape shown in FIG. 2. As in FIG. 2, the degree of alignment of CNFs reached a maximum value (93.8%) when reaching 2000 rpm.

<실험예 3> 합성된 CNFs의 표면특성, 미세구조, 및 전기전도성 분석Experimental Example 3 Surface Characterization, Microstructure, and Electrical Conductivity of Synthesized CNFs

상기 모든 샘플들의 미세 구조는 푸리에 변환 라만(Fourier Transform Raman; 이하 'FT-Raman', Bruker RFS-100/S) 분석 및 고분해능 X선 회절(X-ray diffraction; 이하 'XRD', Phillips X'Pert-PRO MRD) 분석을 이용하였다.The microstructure of all the samples was analyzed by Fourier Transform Raman (FT-Raman), Bruker RFS-100 / S analysis and X-ray diffraction (XRD), Phillips X'Pert -PRO MRD) analysis.

40 kV, 30 mA로 CuKa radiation을 이용하여 가동되는 X선 튜브(파장 l ㅌ 0.154 nm)를 이용하였고, 5˚/min의 스캔속도에서, 2˚에서 60˚에 이르는 2 θ 각도로 XRD 패턴을 기록하였다. 고유저항 측정기(resistivity meter, Loresta-GP, Mitsubishi Chemical Co., Japan)를 이용하여 상기 각각 샘플의 전기전도도를 측정하였다.An X-ray tube (wavelength: 0.154 nm) operated with CuKa radiation at 40 kV, 30 mA was used and the XRD pattern at a 2θ angle of 2 ° to 60 ° at a scan rate of 5 ° / . Electrical conductivity of each sample was measured using a resistivity meter (Loresta-GP, Mitsubishi Chemical Co., Japan).

CNFs에 대한 정렬도는 하기 수학식 1을 이용하여 산출하였다.The degree of alignment for CNFs was calculated using the following equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112016049775902-pat00001
Figure 112016049775902-pat00001

상기 Nθ NT는 각각 특정 각(specific angle)을 포함하는 섬유의 수, 및 탄소나노섬유의 총계를 의미한다.The N and θ N T means the number of fibers each containing a specific angle, and the total number of carbon nanofibers.

도 2의 SEM 이미지를 참조하면, 탄소나노섬유의 정렬도를 계산하기 위한 해당하는 통계학적 분석은 이미지의 가장자리와 섬유의 장 축 사이에 각도를 이용하여 수행하였다. 또한, 통계학적 분석은 500개의 탄소나노섬유로 수행하였다.Referring to the SEM image of FIG. 2, the corresponding statistical analysis for calculating the degree of alignment of the carbon nanofibers was performed using an angle between the edge of the image and the longitudinal axis of the fiber. The statistical analysis was also performed with 500 carbon nanofibers.

도 4(a)는 회전 집전체의 다양한 속도(250 rpm, 500 rpm, 1000 rpm, 및 2000 rpm)를 이용하여 수행된 CNFs의 질소 흡착 등온선(N2 adsorption isotherms)을 나타낸 것으로서, 도 4(a)를 참조하면, 중간 값에 대해서는 상대적으로 일정하게 유지하는 반면 낮거나 높은 부분의 압력에서 상당히 변화하였음을 알 수 있다.4 (a) shows N 2 adsorption isotherms of CNFs performed at various speeds (250 rpm, 500 rpm, 1000 rpm, and 2000 rpm) of a rotating current collector. ), It can be seen that while the median value is kept relatively constant, it varies considerably at low and high pressure.

샘플
Sample
비표면적
(m2/g)
Specific surface area
(m 2 / g)
전 기공부피
(cm3/g)
Total pore volume
(cm &lt; 3 &gt; / g)
기공부피(cm3/g)Pore volume (cm 3 / g)
마이크로 기공Micro-porous 메조 기공Meso CNFs 250CNFs 250 533533 0.260.26 0.190.19 0.080.08 CNFs 500CNFs 500 542542 0.260.26 0.190.19 0.080.08 CNFs 1000CNFs 1000 573573 0.350.35 0.210.21 0.140.14 CNFs 2000CNFs 2000 635635 0.500.50 0.240.24 0.260.26

상기 표 1은 다양한 회전 속도를 이용하여 제작된 CNFs의 비표면적, 전 기공부피, 마이크로 또는 마크로 기공부피를 나타낸 것으로서, 도 4(b)를 참조하면, BET법을 이용하여 산출된 CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, 및 CNFs 2000의 비표면적은 각각 533 m2/g , 542 m2/g , 573 m2/g , 및 635 m2/g 이었으며, 전 기공부피는 각각 0.26 ㎝3/g, 0.26 ㎝3/g, 0.35 ㎝3/g, 및 0.50 ㎝3/g이었다.Table 1 shows the specific surface area, total pore volume, micro or macro pore volume of CNFs manufactured using various rotational speeds. Referring to FIG. 4 (b), CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, and CNFs 2000 were 533 m 2 / g, 542 m 2 / g, 573 m 2 / g, and 635 m 2 / g, respectively. The total pore volume was 0.26 cm 3 / 0.26 cm 3 / g, 0.35 cm 3 / g, and 0.50 cm 3 / g.

도 4(c)를 참조하면, CNFs의 평균 직경은 522 nm에서 441 nm로 감소하였다. 평균 직경은 500개의 SEM 이미지를 이용한 Scion 이미지 프로그램으로부터 산출된 평균값이였다. 이러한 결과는 PAN 나노섬유를 합성할 때 회전 집전체 속도의 변화와 관련 있음을 알 수 있다. 일반적으로, 직물 생산을 위한 방적 공정에서, 고분자 결정을 증가시키고 섬유 평균 직경을 감소시키기 위해 회전 집전체의 속도를 증가시켰다. 회전 집전체의 속도를 증가시킴으로써, 섬유들은 회전 집전체의 표면으로부터 강한 인장강도를 받는다. 결과적으로, 더 높은 회전 집전체 속도에 의해 발생된 강한 인장강도 때문에 섬유들은 더 작은 평균직경을 가지게 된다.Referring to FIG. 4 (c), the average diameter of CNFs decreased from 522 nm to 441 nm. The average diameter was the mean value calculated from the Scion image program using 500 SEM images. These results show that the PAN nanofibers are related to the change of the rotating current velocity. Generally, in the spinning process for fabric production, the speed of the rotating current collector is increased to increase polymer crystals and decrease fiber average diameter. By increasing the speed of the rotating current collector, the fibers receive a strong tensile strength from the surface of the rotating current collector. As a result, the fibers have a smaller average diameter due to the higher tensile strength generated by the higher rotating current velocities.

나노섬유를 정렬하기 위해, 회전 집전체의 속도를 250 rpm에서 2000 rpm까지 증가시켰으며, 방적 공정과 유사하게 나노섬유들과 회전 집전체의 표면적 사이의 인장강도 때문에 나노섬유의 직경은 감소하였다.In order to align the nanofibers, the speed of the spinning current was increased from 250 rpm to 2000 rpm, and the diameter of the nanofibers was reduced due to the tensile strength between the nanofibers and the surface area of the rotating current collector, similar to the spinning process.

도 4(d)는 다양한 속도(250 rpm, 500 rpm, 1000 rpm, 및 2000 rpm)에서 회전 집전체를 이용한 CNFs의 전기전도도를 나타낸 것으로서, CNFs의 전기전도도는 수직 및 수평 방향에서 측정하였다. 수직방향은 CNFs의 정렬되는 방향과 같은 방향이며, 수평방향은 반대방향이다. 도 4(d)에서, 회전 집전체의 속도가 250 rpm에서 2000 rpm으로 증가할 경우 CNFs의 수직방향의 전기전도도는 342 S/cm에서 626 S/cm까지 증가하였다. 4 (d) shows the electrical conductivities of CNFs using a rotating current collector at various speeds (250 rpm, 500 rpm, 1000 rpm, and 2000 rpm), and the electrical conductivities of CNFs were measured in the vertical and horizontal directions. The vertical direction is the same as the aligned direction of the CNFs, and the horizontal direction is the opposite direction. 4 (d), the electric conductivity of the CNFs in the vertical direction increased from 342 S / cm to 626 S / cm when the speed of the rotating current collector increased from 250 rpm to 2000 rpm.

이러한 결과는 1차원 구조의 정렬도와 관련이 있다. 탄소나노튜브, 탄소나노와이어, 및 탄소나노섬유와 같은 1차원 구조를 갖는 탄소 재료들은 높은 종횡비를 가지고 있으며, 이러한 결과는 높은 전기전도도를 야기한다. 더욱이, 한방향으로 재료들을 정렬함으로써 이온 수송 속도를 높이기 위한 우수한 경로를 제공하며, 전기 저항을 줄일 수 있다.These results are related to the alignment of one-dimensional structures. Carbon materials having a one-dimensional structure such as carbon nanotubes, carbon nanowires, and carbon nanofibers have high aspect ratios, and these results lead to high electrical conductivity. Furthermore, aligning the materials in one direction provides an excellent path for increasing the ion transport rate and reduces electrical resistance.

도 4(d)를 참조하면, 수평방향에 대한 CNFs의 전기전도도는 수직방향에 비해 상대적으로 약간 증가하였으며, 수평방향은 전자를 이동하기 위한 우수한 경로를 제공함을 의미한다. 전기방사 공정을 수행하는 동안 척력과 관련 있다.Referring to FIG. 4 (d), the electrical conductivity of the CNFs with respect to the horizontal direction is slightly increased relative to the vertical direction, and the horizontal direction provides an excellent path for moving the electrons. It is related to repulsion during the electrospinning process.

동일한 전하를 포함하는 섬유들 때문에, 회전 집전체 표면 상에서 서로 잡아 당길 수 있으며, 이로 인하여 섬유들 사이의 공간이 증가하였다. 이러한 발생된 공간들은 전자 및 이온의 이동을 제한할 수 있다. 반면에, 회전 집전체의 속도를 증가시킴으로써 섬유들 사이에 척력이 발생할 수 있는 시간을 감소시킬 수 있기 때문에 척력은 최소화 되었다. 따라서, 정렬된 CNFs는 섬유들 사이의 공간이 상대적으로 좁기 때문에 임의로 배향된 CNFs에 비해 전기전도도가 높음을 알 수 있다.Due to the fibers containing the same charge, they can be attracted to each other on the rotating current collector surface, thereby increasing the space between the fibers. These generated spaces can limit the movement of electrons and ions. On the other hand, by increasing the speed of the rotating current collector, the repulsive force is minimized since it is possible to reduce the time that the repulsive force can occur between the fibers. Therefore, it can be seen that the aligned CNFs have a higher electrical conductivity than the CNFs oriented arbitrarily because the space between the fibers is relatively narrow.

<실험예 4> 전기화학적 분석<Experimental Example 4> Electrochemical analysis

모든 준비된 샘플들을 전기화학적 분석을 위해 전극으로서 직접 이용하였으며, 상기 샘플들의 전기화학적 특성은 3-전극계를 갖는 정전압기(potentiostat, Bio-Logic Science Instruments, France)에서 수행되었고, 상기 3-전극계는 전해질로 1 M H2SO4, 백금 플레이트(platinum plate)와 Ag/AgCl를 각각 상대전극 및 기준전극으로 구성되었다.All prepared samples were directly used as electrodes for electrochemical analysis and the electrochemical properties of the samples were performed in a 3-electrode system potentiostat (Bio-Logic Science Instruments, France) Was composed of 1 MH 2 SO 4 , a platinum plate and Ag / AgCl as a counter electrode and a reference electrode, respectively.

1. 순환전압전류법(cyclic voltammetry; CV) 분석1. Cyclic voltammetry (CV) analysis

다양한 스캔속도(10 mV/s, 20 mV/s, 30 mV/s, 40 mV/s, 및 50 mV/s)로 -0.2 V에서 0.8 V 사이의 전위창(potential windows) 내에서 전극의 순환전압전류법(cyclic voltammetry; CV)을 수행하였다.The circulation of the electrodes in potential windows between -0.2 V and 0.8 V with various scan rates (10 mV / s, 20 mV / s, 30 mV / s, 40 mV / s, and 50 mV / s) Cyclic voltammetry (CV) was performed.

도 5(a)는 10 mV/s 스캔 속도 및 1 M H2SO4 전해액 용액을 이용하여 CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, 및 CNFs 2000의 CV 곡선을 나타낸 것으로서, 100회 사용 후에 모든 CV 곡선들을 얻었으며, CNFs에 대한 모든 CV 곡선들은 어떠한 산화환원 곡선을 나타내지 않았다.5 (a) shows the CV curves of CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, and CNFs 2000 using a 10 mV / s scan rate and a 1 MH 2 SO 4 electrolyte solution. , And all CV curves for CNFs did not show any redox curve.

하기 수학식 2를 이용하여 각각의 비축전용량을 산출하였다.The respective non-storage capacities were calculated using the following equation (2).

[수학식 2]&Quot; (2) &quot;

Figure 112016049775902-pat00002
Figure 112016049775902-pat00002

상기 C, ΔV, q, 및 m은 각각 비축전용량(F/g), 전기화학적 창에 의해 허용되는 최대 전위 범위(V), 발생된 전하의 양(C), 및 전극의 무게(g)를 의미한다. Wherein C ,? V, q , and m are respectively the ratio of the total capacitance (F / g), the maximum potential range (V) allowed by the electrochemical window, the amount of generated charge (C) .

산출된 CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, 및 CNFs 2000의 비축전용량은 각각 122 F/g, 125 F/g, 134 F/g, 및 165 F/g이었다. CNFs의 증가하는 정렬에 따라, 비축전용량이 증가하였으며, 10 mV/s의 스캔 속도에서 CNFs 250의 비축전용량과 비교하여, CNFs 2000의 비축전용량은 35.5% 개선되었다. 상기 결과는 회전 집전체 속도가 증가함에 따라 유발되는 인장강도에 의해 발생된 표면 특성 강화와 관련이 있음을 알 수 있다.The calculated storage capacities of CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, and CNFs 2000 were 122 F / g, 125 F / g, 134 F / g, and 165 F / g, respectively. With increasing alignment of CNFs, the reserve capacity increased and the non-storage capacity of CNFs 2000 was improved by 35.5% compared to the non-storage capacity of CNFs 250 at a scan rate of 10 mV / s. The above results are related to the enhancement of the surface properties caused by the tensile strength caused by the increase of the rotating current collector speed.

상기 표 1을 참조하면, CNFs의 표면적 및 전 기공부피는 회전 집전체의 속도 증가에 의해 개선되었으며, 이러한 결과에 대해, 마이크로기공 부피도 증가하였고, CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, 및 CNFs 2000의 마이크로기공 부피는 각각 0.19 cm3/g, 0.19 cm3/g, 0.21 cm3/g 및 0.24 cm3/g이었다.Referring to Table 1, the surface area and the pore volume of the CNFs were improved by the increase of the speed of the rotating current collector. As a result, the micropore volume was increased, and CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, and CNFs 2000 Were 0.19 cm 3 / g, 0.19 cm 3 / g, 0.21 cm 3 / g, and 0.24 cm 3 / g, respectively.

EDLCs와 같은 다양한 탄소 재료 전극에서, 마이크로기공 부피는 비축전용량에 대한 중요한 요소로 작용하며, 마이크로기공(2 nm 이하)은 이온에 대한 풍부한 흡착 공간을 제공할 수 있기 때문에 CNFs 2000의 마이크로기공 및 표면적이 CNFs 250에 비해 증가하여 CNFs 2000의 비축전용량은 CNFs 250에 비해 훨씬 높은 값을 나타내었다. 전기방사에 의한 정렬 처리를 통해 강화된 표면 특성은 CNFs의 비축전용량을 향상시킬 수 있었다.In a variety of carbon material electrodes, such as EDLCs, the micropore volume serves as an important factor for the non-accumulation capacity, and micropores (below 2 nm) can provide a rich adsorption space for ions, The surface area was increased compared to CNFs 250, and the non-storage capacity of CNFs 2000 was much higher than that of CNFs 250. The enhanced surface properties through the electrospinning alignment process could improve the non-storage capacity of CNFs.

2. 정전류 충전-방전 분석2. Constant current charge-discharge analysis

-0.2 V에서 0.8 V 사이의 전위 창 내에서 1 A/g의 전류밀도에서 전극의 비축전용량을 측정하여 정전류 충방전 곡선을 나타내었다.The constant current charging / discharging curve was shown by measuring the non-accumulating capacity of the electrode at a current density of 1 A / g in a potential window between -0.2 V and 0.8 V.

도 5(b)는 1 A/g의 전류밀도에서 CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, 및 CNF 2000의 정전류 충전-방전 곡선을 나타내고 있다. 100회 사용 후 모든 정전류 충전-방전 곡선을 얻었다.5 (b) shows the constant current charge-discharge curves of CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, and CNF 2000 at a current density of 1 A / g. After 100 cycles, all constant current charge-discharge curves were obtained.

상기 모든 샘플에 대한 충전-방전 곡선은 거의 선형이었으며, -0.2 V와 0.8 V 사이에 삼각형 모양을 나타내었다. 이는 CNFs의 모든 전극들은 이상적인 이중층 충전용량 활동을 나타냄을 암시한다.The charge-discharge curves for all the samples were nearly linear and showed a triangular shape between -0.2 V and 0.8 V. This suggests that all electrodes of CNFs exhibit the ideal bilayer charge capacity activity.

하기 수학식 3을 이용하여 도 5(b)에서 충전-방전 곡선으로부터 상기 모든 샘플들의 비축전용량을 산출하였다.The non-accumulation capacity of all the samples was calculated from the charge-discharge curve in Fig. 5 (b) using the following equation (3).

[수학식 3]&Quot; (3) &quot;

Figure 112016049775902-pat00003
Figure 112016049775902-pat00003

상기 I, Δt, ΔV, m은 각각 방전 전류(A), 방전 시간(s), 전위 범위(V), 및 샘플 무게(m)을 의미한다.I ,? T ,? V, and m mean discharge current (A), discharge time (s), potential range (V), and sample weight (m).

상기 CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, 및 CNF 2000의 산출된 비축전용량은 각각 98.7 F/g, 99.5 F/g, 108 F/g, 및 135 F/g이었다. CV 곡선과 유사한 경향을 나타내었으며, CNFs의 정전류 충전-방전 곡선으로부터 얻어진 상기 비축전용량은 CNFs의 정렬도가 증가함으로써 향상되었다.The calculated non-storage capacities of the CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, and CNF 2000 were 98.7 F / g, 99.5 F / g, 108 F / g, and 135 F / g, respectively. CV curve, and the non-accumulation capacity obtained from the constant current charge-discharge curve of CNFs was improved by increasing the degree of alignment of CNFs.

3. 속도특성3. Speed characteristics

하기 수학식 4를 이용하여 속도특성(rate capability)을 산출하였다.The rate capability was calculated using the following equation (4).

[수학식 4]&Quot; (4) &quot;

Figure 112016049775902-pat00004
Figure 112016049775902-pat00004

상기 C10 및 C50은 각각 10 mV/s 및 50 mV/s 스캔속도에서 비축전용량을 의미한다. 도 5(c)는 1M H2SO4 전해액 용액 내에서 10 mV/s에서 50 mV/s까지 다양한 스캔속도에 대하여 CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, 및 CNFs 2000의 비축전용량을 나타내고 있다.The C 10 and C 50 represent the non-accumulating capacities at scan rates of 10 mV / s and 50 mV / s, respectively. Figure 5 (c) shows the non-storage capacities of CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, and CNFs 2000 for various scan rates from 10 mV / s to 50 mV / s in a 1M H 2 SO 4 electrolyte solution.

도 6은 10 mV/s에서 50mV/s까지 스캔 속도 변화에 따른 CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, 및 CNFs 2000의 각각의 CV 곡선을 나타낸 것으로서, 도 6(d)를 참조하면, CNFs 250의 곡선보다 CNFs 2000 곡선이 더 큰 면적을 가지고 있음을 알 수 있다. CNFs 2000은 다른 CNFs과 비교하여 더 많은 활성 면적을 가지고 있으며, 이상적인 EDLC임을 의미한다. 상기 표 1을 참조하면, 향상된 표면 특성은 CNFs 2000의 이상적인 형상의 형성에 영향을 미친다.6 shows the CV curves of CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, and CNFs 2000 according to the scan speed change from 10 mV / s to 50 mV / s. Referring to FIG. 6 (d) It can be seen that the CNFs 2000 curve has a larger area than the curve. CNFs 2000 has more active area compared to other CNFs and is an ideal EDLC. Referring to Table 1 above, the improved surface properties affect the formation of CNFs 2000's ideal shape.

도 5(d)를 참조하면, 스캔 속도 변화에 따른 100회 사용 후 CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, 및 CNFs 2000의 잔여값들(remaining values)은 각각 52.4%, 54.2%, 57.8%, 및 67.3%이었다.Referring to FIG. 5D, the remaining values of CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, and CNFs 2000 after 100 times of use according to a change in scan speed are 52.4%, 54.2%, 57.8%, and 67.3%.

그 결과, 정렬도의 증가로 인하여 CNFs 전극의 속도특성은 28.4% 향상되었다. 게다가, CNFs 2000은 낮은 스캔 속도에서 가장 높은 비축전용량을 나타낼 뿐만 아니라 50 mV/s의 가장 빠른 스캔 속도에서 111 F/g의 비축전용량 값을 나타내었다. CNFs 2000 전극은 빠른 이온 확산을 가능하게 하며, 다른 전극들에 비해 더 나은 전기화학적 특성을 나타내었다. 이러한 결과는 CNFs 2000의 표면 특성 및 전기전도도에 의해 설명되어 질 수 있다.As a result, the speed characteristic of the CNFs electrode was improved by 28.4% due to the increase of the degree of alignment. In addition, CNFs 2000 exhibited the highest non-storage capacity at low scan rates, as well as a non-storage capacity value of 111 F / g at the fastest scan rate of 50 mV / s. The CNFs 2000 electrode enabled rapid ion diffusion and showed better electrochemical properties than the other electrodes. These results can be explained by the surface properties and electrical conductivity of CNFs 2000.

상기 표 1은 회전 집전체의 속도를 250 rpm에서 2000 rpm으로 증가하였을 때 증가된 비표면적을 나타내었다. 또한, CNFs의 각각의 메조기공 부피(2-50 nm)는 정렬도가 증가함에 따라 0.08 cm3/g에서 0.26 cm3/g으로 증가하였다.Table 1 shows the specific surface area increased when the speed of the rotating current collector was increased from 250 rpm to 2000 rpm. In addition, the mesopore volume (2-50 nm) of CNFs increased from 0.08 cm 3 / g to 0.26 cm 3 / g as the degree of alignment increased.

증가된 메조기공 부피는 전기방사에 의한 정렬처리에 의해 발생된 인장강도와 관련이 있다. 메조기공의 기공 크기 비율은 CNFs의 정렬에 의해 29.6%에서 52.1%로 증가하였다. 메조기공 체널들은 전극 재료 내로 전해질 이온 확산을 가능하게 한다. 정렬된 1차원 구조는 높은 전류밀도계 하에서 이온 접근성의 향상에 영향을 미친다. 따라서, 정렬도 증가에 의해 유발된 CNFs에 대한 메조기공 부피의 증가 때문에 속도특성은 52.4%에서 67.3%로 증가하였다.The increased mesopore volume is related to the tensile strength generated by the electrospinning process. The mesopore pore size ratio increased from 29.6% to 52.1% due to the alignment of CNFs. The mesopore channels enable electrolyte ion diffusion into the electrode material. The ordered one-dimensional structure affects the improvement of ion accessibility under a high current density meter. Therefore, the rate characteristic increased from 52.4% to 67.3% due to the increase of the mesopore volume for the CNFs induced by the increase in alignment.

또한, 전기전도도는 EDLCs의 속도특성을 향상시키기 위해 매우 중요한 요소임을 알 수 있다. 높은 전기전도도는 전극표면과 전해질 사이에 충전-방전 과정에 의해 발생된 빠른 전하 이동을 보조하고 있다. 도 4(d)를 참조하면, CNFs의 정렬도 증가에 따라 전기전도도는 증가하였다. 결과적으로, 증가된 표면 특성은 기공 크기 분포 및 개선된 전기전도도와 관련이 있으며, 정렬된 일차원 구조는 CNFs의 강화된 속도특성에 영향을 미친다.In addition, electrical conductivity is a very important factor for improving the speed characteristics of EDLCs. High electrical conductivity assists in the rapid charge transfer generated by the charge-discharge process between the electrode surface and the electrolyte. Referring to FIG. 4 (d), the electrical conductivity increases with increasing alignment of CNFs. As a result, the increased surface properties are related to the pore size distribution and the improved electrical conductivity, and the aligned one-dimensional structure affects the enhanced speed characteristics of the CNFs.

4. 전기화학임피던스분광법(EIS) 분석4. Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) Analysis

전기화학임피던스분광법(Electrochemical impedance spectroscopy; EIS)은 개방회로전위(open-circuit potential) 대 10 mV의 혼란진폭(perturbation amplitude)과, 100 kHz 내지 10 mHz의 주파수 범위에서 수행하였다.Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was performed with an open-circuit potential of 10 mV perturbation amplitude and a frequency range of 100 kHz to 10 mHz.

도 7(a)는 CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, 및 CNFs 2000의 나이퀴스트 선도(Nyquist plots)를 나타낸 것으로서, 모든 나이퀴스트 선도는 낮은 주파수 영역에서 선형을 나타내었으나, 높은 주파수 영역에서는 반원형(semicircle shape)을 나타내지 못하였다. 이러한 결과는 유도전류의 영향이 없으며, 재현할 수 있는 거동임을 의미한다. 이러한 나이퀴스트 선도의 유형은 전형적인 EDLCs 거동임을 알 수 있다.7 (a) shows Nyquist plots of CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, and CNFs 2000. All Nyquist plots showed linearity in the low frequency range, but in the high frequency range And did not show a semicircle shape. These results indicate that there is no influence of induction current and it is reproducible behavior. It can be seen that the type of Nyquist plot is a typical EDLCs behavior.

높은 주파수에서 실제 축의 절편, 활물질과 전류 집전체 사이의 접촉저항 계면을 포함하는 내부저항(internal resistance; Rs), 전해액의 저항, 및 고유저항과 같이 4가지 선도 사이의 명확한 차별점이 존재한다.There is a clear distinction between the four lines, such as the internal resistance (Rs), the resistance of the electrolyte, and the resistivity, including the intercept of the actual axis at high frequencies, the contact resistance interface between the active material and the current collector.

회전 집전체의 속도를 250 rpm에서 2000 rpm으로 증가함에 따라 Rs는 7.43 Ω에서 7.09 Ω로 감소하였다. 이것은 CNFs 2000의 증가된 표면 특성 및 전기전도도와 관련되어 있다. 중간 주파수 영역의 와버그임피던스(Warburg impedance)는 CNFs의 정렬에 의해 감소하였으며, 와버그임피던스의 변화는 다른 CNFs 전극에 비해 더 작은 와버그임피던스에 기여하여 CNFs 기공의 빠른 전해질 확산, 및 전극 표면으로 손쉬운 전해질 확산을 나타낸다.The Rs decreased from 7.43 Ω to 7.09 Ω as the speed of the rotating current increased from 250 rpm to 2000 rpm. This is related to the increased surface properties and electrical conductivity of CNFs 2000. The warband impedance in the intermediate frequency region was reduced by the alignment of the CNFs and the change in the bug impedance contributed to the smaller and bug impedance of the CNFs pores compared to other CNFs electrodes, It shows easy electrolyte diffusion.

이것은 CNFs 2000의 정렬된 구조의 강화된 다공성(porosity) 및 전기전도도와 관련있다. 특히, 증가된 메조기공 및 전기전도도는 중간영역에서 우수한 이온 유동성에 영향을 미친다. This is related to the enhanced porosity and electrical conductivity of the ordered structure of CNFs 2000. In particular, increased mesopore and electrical conductivity affect the ionic fluidity in the mid-range.

도 7(a)를 참조하면, CNFs 2000 전극의 중간 주파수 영역에서의 기울기는 다른 CNFs 전극에 비해 거의 수직에 가까움을 알 수 있다. 이것은 향상된 표면적, 마이크로기공 부피, 및 정렬된 구조에 기여할 수 있다. CNFs 2000의 강화된 표면적, 및 마이크로기공 부피는 다수의 활성 면적을 가짐을 의미하며, 정렬된 구조는 CNFs 2000 전극의 기공으로 이온들이 이동하기 위한 우수한 경로를 제공한다.Referring to FIG. 7 (a), it can be seen that the slope of the CNFs 2000 electrode in the intermediate frequency region is almost perpendicular to that of the CNFs electrode. This can contribute to improved surface area, micropore volume, and ordered structure. The enhanced surface area of CNFs 2000, and the micropore volume, mean that they have multiple active areas, and the aligned structure provides an excellent path for ions to move into the pores of the CNFs 2000 electrode.

<실험예 5> 순환안정성 분석<Experimental Example 5> Circulation stability analysis

도 7(b)를 참조하면, 1000회 동안 1M H2SO4 전해액에서 1 A/g 전류밀도로 CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, 및 CNFs 2000의 순환안정성 테스트를 수행하였다.Referring to FIG. 7 (b), cyclic stability tests of CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, and CNFs 2000 were performed at 1 A / g current density in 1 M H 2 SO 4 electrolyte for 1000 cycles.

1000회 동안, 비축전용량은 시간이 지남으로써 일반적으로 감소하였고, 1000회 후에 CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, 및 CNFs 2000의 비축전용량은 각각 18.1%, 17.2%, 15.4%, 및 10.8% 감소하였다. CNFs는 산화환원 페러데이 반응 없는 EDLCs이기 때문에, 상기 결과는 -0.2 V와 0.8 V 사이의 전압 범위 내에 비-페러데이 반응에 의해 유발된 전극 중 하나에서 거의 구조적 변화가 없다는 것을 시사하고 있다.During 1000 cycles, the non-accumulation capacity decreased generally over time, and after 1000 cycles the non-storage capacities of CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, and CNFs 2000 were 18.1%, 17.2%, 15.4%, and 10.8% Respectively. Since CNFs are EDLCs without redox ferreday reactions, the above results suggest that there is almost no structural change in one of the electrodes caused by the non-Ferdey reaction within the voltage range between -0.2 V and 0.8 V.

결과적으로, 긴 순환안정성 분석을 통해, 모든 CNFs는 슈퍼커패시터용 전극재료로서 우수함을 나타내었고, 특히 CNFs 2000은 보다 우수한 순환안정성을 제공하는 재료임을 알 수 있다.As a result, through the analysis of long circulation stability, it was found that all the CNFs were excellent as an electrode material for a supercapacitor, and in particular, CNFs 2000 is a material providing better circulation stability.

<실험예 6> 활성화 영향 분석&Lt; Experimental Example 6 >

탄소 재료의 표면적을 개선시키기 위한 일반적으로 이용되는 활성화 공정에서 전기방사에 의한 정렬의 영향을 분석하였다. 표면적을 개선시키기 위해, CO2 분위기 하에서 1시간 동안 900℃ 튜브 노(tube furnace)에서 활성화 공정을 수행하였다. 도 8은 다양한 회전 집전체의 속도(250 및 2000 rpm)를 이용하여 전기방사함으로써 제작된 활성탄소나노섬유(ACNFs 250 및 ACNFs 2000)의 형태학 및 정렬도를 나타내고 있다.The effect of alignment by electrospinning was analyzed in a commonly used activation process to improve the surface area of the carbon material. To improve the surface area, the activation process was performed in a 900 ° C tube furnace under a CO 2 atmosphere for 1 hour. 8 shows the morphology and alignment of the activated carbon nanofibers (ACNFs 250 and ACNFs 2000) fabricated by electrospinning using the speeds of the various rotating current collectors (250 and 2000 rpm).

도 3과 유사하게, 회전 집전체의 속도를 250 rpm에서 2000 rpm으로 증가시켰을 때, 도 8에 나타낸 ACNFs의 정렬도는 14.8%에서 91.1%로 증가하였다. 2000 rpm의 속도에 도달하였을 때, ACNFs은 한방향으로 성공적으로 정렬되었다.Similar to FIG. 3, when the speed of the rotating current collector was increased from 250 rpm to 2000 rpm, the degree of alignment of ACNFs shown in FIG. 8 increased from 14.8% to 91.1%. When the speed of 2000 rpm was reached, ACNFs were successfully aligned in one direction.

샘플
Sample
비표면적
(m2/g)
Specific surface area
(m 2 / g)
전 기공부피
(cm3/g)
Total pore volume
(cm &lt; 3 &gt; / g)
기공부피
(cm3/g)
Pore volume
(cm &lt; 3 &gt; / g)
전기전도도
(S/cm)
Electrical conductivity
(S / cm)
평균직경
(nm)
Average diameter
(nm)
마이크로
기공
Micro
pore
메조
기공
Meso
pore
수직 방향Vertical direction 수평 방향Horizontal direction
ACNFs 250ACNFs 250 808808 0.510.51 0.190.19 0.080.08 0.290.29 0.100.10 364364 ACNFs 2000ACNFs 2000 10971097 0.620.62 0.240.24 0.260.26 1.421.42 0.890.89 246246

BET 분석을 이용하여 ACNFs의 표면 특성을 분석하였다. 상기 표 2는 ACNFs의 표면적, 전 기공부피, 전기전도도, 및 평균직경을 나타내고 있다. BET 분석법을 이용하여 산출된 ACNFs 250 및 ANCFs 2000의 얻어진 비표면적은 각각 815 m2/g 및 1097 m2/g이었다.The surface properties of ACNFs were analyzed by BET analysis. Table 2 shows the surface area, the pore volume, the electric conductivity, and the average diameter of ACNFs. The obtained specific surface areas of ACNFs 250 and ANCFs 2000 calculated using the BET method were 815 m 2 / g and 1097 m 2 / g, respectively.

이러한 경향은 CNFs에서 관찰된 것과 동일함을 알 수 있다. 회전 집전체의 속도가 2000 rpm에 도달하였을 때, 표면 특성은 나노섬유들과 집전체 표면 사이에 인장강도에 의해 강화되었다.This tendency is identical to that observed in CNFs. When the speed of the rotating current collector reached 2000 rpm, the surface properties were enhanced by the tensile strength between the nanofibers and the collector surface.

CO2 활성화 공정 때문에, ACNFs의 표면적은 CNFs의 표면적보다 큼을 알 수 있다. 상기 표 2는 ACNFs 250 및 ACNFs 2000의 평균직경 및 전기전도도를 나타내고 있다.Due to the CO 2 activation process, the surface area of ACNFs is greater than the surface area of CNFs. Table 2 above shows the average diameter and electrical conductivity of ACNFs 250 and ACNFs 2000.

회전 집전체의 속도가 증가함에 따라 발생된 인장강도 때문에 ACNFs 평균 직경은 364 nm에서 246 nm으로 감소하였다. 이러한 평균직경 값은 CNFs의 값보다 작음을 알 수 있다. 상기 CO2 활성화 공정이 ACNFs 직경을 감소시킴을 의미한다.The ACNFs average diameter decreased from 364 nm to 246 nm due to the tensile strength generated as the speed of the rotating current increased. This mean diameter value is smaller than the value of CNFs. This means that the CO 2 activation process reduces the ACNFs diameter.

회전 집전체 속도를 250 rpm에서 2000 rpm으로 증가시킴에 따라 ACNFs의 전기 전도도는 증가하였다. 정렬된 CNFs 2000와 같이, ACNFs 2000의 정렬된 1차원 구조는 이온들 및 전자들의 이동하기 위한 우수한 경로를 제공할 수 있다. 그러나, ACNFs의 전기전도도는 CNFs의 전기전도도보다 감소하였다. 이러한 결과는 CO2 이용한 물리적 활성화 공정과 연결된다.The electrical conductivity of ACNFs increased as the spinning speed increased from 250 rpm to 2000 rpm. Aligned one-dimensional structures of ACNFs 2000, like aligned CNFs 2000, can provide an excellent path for migration of ions and electrons. However, the electrical conductivity of ACNFs was lower than that of CNFs. These results suggest that CO 2 Is connected to the physical activation process used.

물리적 활성화 공정은 통제된 가스화 때문에 탄소 기질의 변형을 포함하고 있으며, 이것은 일반적으로 CO2 조건하에서 높은 온도(700-1100℃)로 수행되며, 가스화를 진행하는 동안 통제된 탄소 연소(burn off) 및 휘발성 열분해 생성물의 제거를 통해 CO2 분위기는 탄소 재료의 표면적 및 기공부피를 증가시킨다. 높은 활성화도는 탄소 강도, 낮은 재료 밀도, 및 전기전도도를 감소시키는데 결정적인 역할을 한다.The physical activation process involves deformation of the carbon substrate due to controlled gasification, which is generally carried out at high temperatures (700-1100 ° C) under CO 2 conditions, and during controlled gas burning, Through the removal of volatile pyrolysis products, the CO 2 atmosphere increases the surface area and pore volume of the carbon material. The high degree of activation plays a crucial role in reducing carbon strength, low material density, and electrical conductivity.

도 9(b)는 10 mV/s 스캔 속도 및 1 M H2SO4 전해액을 이용하여 ACNFs 250 및 ACNFs 2000의 CV 곡선을 나타낸 것으로서, ACNFs 250 및 ACNFs 2000의 CV 곡선은 산화환원 피크를 나타내고 있지 않다. 도 9(b)를 참조하면, ACNFs 2000의 CV 곡선은 ACNFs 250의 것보다 CV 곡선의 면적이 넓음을 알 수 있으며, CV 곡선으로부터 산출된ACNFs 250 및 ACNFs 2000의 비축전용량은 각각 203 F/g 및 254 F/g이었다.9 (b) shows the CV curves of ACNFs 250 and ACNFs 2000 using a 10 mV / s scan rate and 1 MH 2 SO 4 electrolyte, and the CV curves of ACNFs 250 and ACNFs 2000 do not show redox peaks . Referring to FIG. 9 (b), the CV curve of ACNFs 2000 is larger than that of ACNFs 250, and the non-accumulating capacities of ACNFs 250 and ACNFs 2000 calculated from CV curves are 203 F / g and 254 F / g, respectively.

도 9(c)는 1.0 M H2SO4 용액에서 1 A/g 전류밀도로 ACNFs 250 및 ACNFs 2000의 정전류 충전-방전 곡선을 나타낸 것으로서, 도 9(c)를 참조하면, 곡선의 형상은 거의 선형에 가까웠으며, -0.2 V와 0.8 V 사이에 삼각형 모양을 나타내었는 바, 이것은 CNFs와 같이 이상적인 이중층 축전용량 활성을 의미하며, 정전류 충전-방전 곡선으로부터 얻어진 ACNFs 250 및 ACNFs 2000의 비축전용량은 각각 204 및 230 F/g이었다.FIG. 9 (c) shows the constant current charge-discharge curves of ACNFs 250 and ACNFs 2000 at a current density of 1 A / g in a 1.0 MH 2 SO 4 solution. Referring to FIG. 9 (c) And a triangular shape between -0.2 V and 0.8 V indicating an ideal bilayer capacitive capacity activity like CNFs and the non-storage capacities of ACNFs 250 and ACNFs 2000 obtained from constant current charge-discharge curves are respectively 204 and 230 F / g, respectively.

CV 곡선 및 정전류 충전-방전 곡선으로부터 얻어진 비축전용량을 통해 ACNFs 2000 전극은 ACNFs 250 전극에 비해 우수한 전기적 특성을 가짐을 알 수 있으며, ACNFs의 정렬에 따르면, 축전용량의 증가는 강화된 표면적, 마이크로기공 부피(0.19 cm3/g에서 0.24 cm3/g)와 관련되어 있다. 결과적으로, 향상된 표면 특성 및 전기전도도는 ACNFs의 축전용량의 증가에 영향을 미친다.The non-capacitances obtained from the CV curves and the constant current charge-discharge curves show that the ACNFs 2000 electrode has better electrical properties than the ACNFs 250 electrode. According to the alignment of the ACNFs, pore volume (from 0.19 cm 3 / g 0.24 cm 3 / g) is associated with. As a result, improved surface properties and electrical conductivity affect the increase in the storage capacity of ACNFs.

도 9(d)는 10 mV/s에서 50 mV/s로 스캔 속도에 따른 ACNFs 250 및 ACNFs 2000의 비축전용량을 나타낸 것으로서, ACNFs 250 및 ACNFs 2000의 비축전용량은 각각 39.6% 및 33.6% 감소하였다. ACNFs 2000 전극은 ACNFs 250 전극에 비해 보다 높은 속도특성을 가지고 있으며, 이것은 정렬 공정에 의해 강화된 전기전도도 및 메조기공 부피와 관련되어 있다.FIG. 9 (d) shows the non-storage capacities of ACNFs 250 and ACNFs 2000 according to the scan speed from 10 mV / s to 50 mV / s. The non-storage capacities of ACNFs 250 and ACNFs 2000 were 39.6% and 33.6% Respectively. The ACNFs 2000 electrode has a higher rate characteristic than the ACNFs 250 electrode, which is related to the electrical conductivity and mesopore volume enhanced by the alignment process.

도 10(a)은 ACNFs 250 및 ACNFs 2000의 나이퀴스트 선도를 나타낸 것으로서, 도 10(a)를 참조하면, 높은 주파수에서, 반원형은 일반적으로 충전-방전 반응 공정에 기여하며, 반원형의 직경은 전하 이동 저항(Rct)을 의미한다. 상기 ACNFs 250 및 ACNFs 2000의 Rct 값은 각각 1.18 Ω 및 0.67 Ω이었다.10 (a) shows a Nyquist plot of ACNFs 250 and ACNFs 2000. Referring to FIG. 10 (a), at high frequencies, the semicircle generally contributes to the charge-discharge reaction process, Means a charge transfer resistance (Rct). The Rct values of ACNFs 250 and ACNFs 2000 were 1.18? And 0.67?, Respectively.

또한, 정렬도가 증가함에 따라 Rs는 7.96 Ω에서 7.43 Ω로 감소하였다. 또한, 중간 주파수 영역의 와버그 저항은 감소하였으며, 낮은 주파수 영역에서, 나이퀴스트 선도의 기울기는 250 rpm에서 2000 rpm으로 회전 집전체의 속도를 증가시킴에 따라 90˚에 가까웠다. 따라서, ANCFs의 정렬된 구조는 임의로 배향된 ANCFs보다 전하 이동이 수월하며, 보다 높은 비축전용량을 나타내기 때문에 표면 특성 및 전기전도도는 강화되었다.Also, as the degree of alignment increased, Rs decreased from 7.96 Ω to 7.43 Ω. In addition, in the low frequency region, the slope of the Nyquist line was close to 90 degrees as the speed of the rotating current increased from 250 rpm to 2000 rpm in the intermediate frequency region. Thus, the ordered structure of ANCFs is easier to transport than randomly oriented ANCFs, and exhibits higher non-accumulation capacities, thus enhancing surface properties and electrical conductivity.

도 10(b)를 참조하면, 1000회 동안 1M H2SO4 전해액에서 1 A/g 전류밀도로 ACNFs 250 및 ACNFs 2000의 순환안정성 테스트를 수행하였다. 1000회 동안 정전류 충전-방전 테스트를 수행하였을 때, 비축전용량은 지속적으로 감소하였으며, ACNFs 250 및 ACNFs 2000에 대해 각각 8.04% 및 3.51% 감소하였다. 따라서, ACNFs 250 및 ACNFs 2000에 대한 긴 순환안정성 테스트로부터, 슈퍼커패시터 적용을 위한 우수한 전극 재료임을 알 수 있다. 게다가, 1차원 정렬된 구조를 포함하고 있는 ACNFs 2000은 고유의 전기적 특성을 나타내었다.Referring to FIG. 10 (b), cyclic stability tests of ACNFs 250 and ACNFs 2000 were performed at 1 A / g current density in a 1 M H 2 SO 4 electrolyte for 1000 cycles. When the constant current charge-discharge test was performed for 1000 cycles, the non-accumulating capacity was continuously decreased and decreased by 8.04% and 3.51% for ACNFs 250 and ACNFs 2000, respectively. Therefore, from the long circulation stability test for ACNFs 250 and ACNFs 2000, it can be seen that it is an excellent electrode material for supercapacitor application. In addition, ACNFs 2000, which contains a one-dimensional aligned structure, exhibited inherent electrical properties.

높은 속도의 회전 집전체를 이용한 전기방사에 의해 정렬된 CNFs를 제작하였다. 속도를 증가시킬 경우, CNFs의 정렬도는 증가하였다. 회전 집전체의 속도가 2000 rpm에 도달하였을 때, 섬유들은 정렬되었다. 전기방사 공정에 대한 회전 집전체의 표면과 섬유들 사이의 증가된 인장강도는 회전 집전체의 속도가 증가하여 CNFs의 평균 직경의 감소를 유발시킴으로써 정렬도가 증가되었다. CNFs의 정렬에 의해 표면적은 533 m2/g에서 635 m2/g로 증가하였다. 더욱이, CNFs 2000의 전기전도도는 고유의 1차원 배향구조에 의해 증가하였다.Aligned CNFs were fabricated by electrospinning using a high speed rotating current collector. When the speed was increased, the degree of alignment of CNFs increased. When the speed of the rotating current collector reached 2000 rpm, the fibers were aligned. The increased tensile strength between the surface and the fibers of the rotating current collector for the electrospinning process was increased by increasing the speed of the rotating current collector to cause a decrease in the average diameter of the CNFs. Alignment of CNFs increased the surface area from 533 m 2 / g to 635 m 2 / g. Moreover, the electrical conductivity of CNFs 2000 has been increased by its inherent one-dimensional orientation structure.

CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, 및 CNFs 2000의 전기화학적 특성을 CV, 정전류 충전-방전 곡선, 및 EIS 분석에 의해 측정하였다. CNFs의 정렬 때문에 CV 곡선으로부터 얻어진 비축전용량은 35.4%까지 증가하였다. The electrochemical properties of CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, and CNFs 2000 were measured by CV, constant current charge-discharge curve, and EIS analysis. Due to the alignment of the CNFs, the non-accumulation capacity obtained from the CV curve increased to 35.4%.

10 mV/s에서 50 mV/s까지 다양한 스캔 속도에서 CV에 의한 속도특성을 분석하였다. CNFs 2000의 속도특성은 CNFs 250의 속도특성보다 14.9% 높았다. The CV characteristics were analyzed at various scan rates from 10 mV / s to 50 mV / s. The speed characteristics of CNFs 2000 were 14.9% higher than those of CNFs 250.

나이퀴스트 선도는 낮은 주파수 영역에서 Rs 감소, 중간 주파수 영역에서 와버그 저항, 및 높은 주파수 영역에서 선도의 증가된 기울기에 의해 CNFs의 향상된 전기화학적 특성을 나타내었다. The Nyquist plot showed improved electrochemical properties of CNFs due to Rs reduction in the low frequency region, bug resistance in the intermediate frequency region, and a leading slope in the high frequency region.

1차원 정렬된 구조가 고유의 전기화학적 특성의 개선에 영향을 미치기 때문에 이러한 결과는 CNFs 2000의 강화된 전기전도도 및 표면 특성을 의미한다. 더욱이, CNFs 2000은 우수한 순환안정성을 나타내었으며, 1000회 사용 후 축전용량은 10.8% 감소하였다. This result implies enhanced electrical conductivity and surface properties of CNFs 2000 because the one-dimensional ordered structure affects the improvement of the inherent electrochemical properties. Moreover, CNFs 2000 exhibited excellent cyclic stability, and the capacity after 1000 cycles was reduced by 10.8%.

표면적을 향상시키기 위해, 1시간 동안 900℃에서 CO2 처리에 의한 활성화 공정을 수행하였다. CNFs의 경향과 유사하게, 정렬도는 회전 집전체의 속도가 2000 rpm에 도달하였을 때 최대(91.1%)였으며, 표면적 및 전기전도도는 임의로 배향된 ACNFs의 것보다 높음을 알 수 있었다. In order to improve the surface area, an activation process by CO 2 treatment was performed at 900 ° C for 1 hour. Similar to the tendency of CNFs, the degree of alignment was highest (91.1%) when the speed of the rotating current collector reached 2000 rpm, and the surface area and electrical conductivity were higher than those of arbitrarily oriented ACNFs.

CV 곡선으로부터 산출된 ACNFs 2000의 비축전용량 및 속도특성은 ACNFs 250보다 각각 25.1% 및 9.8% 증가하였다. 결과적으로, 전기방사에 의해 정렬화를 통하여 향상된 표면특성 및 전기전도도에 의해 CNFs 및 ACNFs의 전기화학적 특성이 향상되었다.The non - storage capacity and velocity characteristics of ACNFs 2000 calculated from CV curves were 25.1% and 9.8% higher than ACNFs 250, respectively. As a result, electrochemical properties of CNFs and ACNFs were improved by improved surface properties and electrical conductivity through alignment by electrospinning.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It is to be understood that various modifications and changes may be made without departing from the scope of the appended claims.

Claims (7)

전기방사 용액을 준비하는 단계(제1단계);
상기 준비된 전기방사 용액을 시린지 펌프에 연결한 후 회전 집전체(rotary collector)를 2000 rpm의 속도로 작동시켜 정렬된 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 제작하는 단계(제2단계);
상기 제작된 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 건조한 후 가열하여 안정화시키는 단계(제3단계);
상기 안정화된 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 탄화시켜 정렬된 탄소나노섬유를 제작하는 단계(제4단계); 및
상기 제작된 탄소나노섬유를 활성화시켜 활성탄소나노섬유를 제작하는 단계(제5단계);를 포함하는, 전기방사법을 이용한 정렬된 활성탄소나노섬유 제조방법.
Preparing an electrospinning solution (first step);
Connecting the prepared electrospinning solution to a syringe pump, and then operating a rotary collector at a speed of 2000 rpm to produce aligned polyacrylonitrile nanofibers (second step);
Drying and stabilizing the prepared polyacrylonitrile nanofibers (step 3);
Carbonizing the stabilized polyacrylonitrile nanofibers to produce aligned carbon nanofibers (Step 4); And
And activating the carbon nanofibers to produce active carbon nanofibers (Step 5). The method of manufacturing an activated carbon nanofibers according to any one of claims 1 to 5,
청구항 1에 있어서, 상기 전기방사 용액은 폴리아크릴로나이트릴과 N,N-디메틸포름아마이드(N,N-dimethylformamide)를 1 : 7 내지 10의 중량비로 혼합한 것을 특징으로 하는, 전기방사법을 이용한 정렬된 활성탄소나노섬유 제조방법.The electrospinning solution according to claim 1, wherein the electrospinning solution is prepared by mixing the polyacrylonitrile with N, N-dimethylformamide at a weight ratio of 1: 7 to 10, Lt; RTI ID = 0.0 &gt; of activated carbon nanofibers. 삭제delete 청구항 1에 있어서, 상기 제3단계는 제작된 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 건조한 후 250 내지 350℃까지 가열하여 안정화시키는 것을 특징으로 하는, 전기방사법을 이용한 정렬된 활성탄소나노섬유 제조방법.[2] The method of claim 1, wherein the polyacrylonitrile nanofibers are dried and stabilized by heating to 250 to 350 [deg.] C. 청구항 1에 있어서, 상기 제4단계는 질소 분위기하에서 안정화된 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 800 내지 1000℃까지 가열하여 탄화시키는 것을 특징으로 하는, 전기방사법을 이용한 정렬된 활성탄소나노섬유 제조방법. The method according to claim 1, wherein the fourth step is carbonization of the polyacrylonitrile nanofibers stabilized in a nitrogen atmosphere by heating to 800 to 1000 ° C. 청구항 1에 있어서, 상기 제5단계는 CO2 분위기하에 제작된 탄소나노섬유를 800 내지 1000℃ 온도에서 활성화시키는 것을 특징으로 하는, 전기방사법을 이용한 정렬된 활성탄소나노섬유 제조방법.[6] The method according to claim 1, wherein the step 5) activates the carbon nanofibers produced under a CO 2 atmosphere at a temperature of 800 to 1000 ° C. 청구항 1, 청구항 2 및 청구항 4 내지 청구항 6 중 어느 한 항의 제조방법에 따라 제조된 것을 특징으로 하는, 정렬된 활성탄소나노섬유.The aligned activated carbon nanofibers produced according to the process of any one of claims 1, 2 and 4 to 6.
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