KR102350937B1 - Electrode having porous carbon including inorganic nanoparticles, supercapacitor comprising the electrode, and method of manufacturing the same - Google Patents

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KR102350937B1 KR1020200071452A KR20200071452A KR102350937B1 KR 102350937 B1 KR102350937 B1 KR 102350937B1 KR 1020200071452 A KR1020200071452 A KR 1020200071452A KR 20200071452 A KR20200071452 A KR 20200071452A KR 102350937 B1 KR102350937 B1 KR 102350937B1
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Abstract

본 발명은 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극, 상기 전극을 포함하는 슈퍼커패시터 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극은 a) 탄소체 전구물질 및 질소함유 화합물을 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계; b) 상기 제조된 혼합용액에 비용매를 추가하여 상분리하는 단계; c) 상기 상분리된 혼합용액을 건조 및 탄화하여 질소 도핑된 다공성 탄소체를 얻는 단계; 및 d) 상기 질소 도핑된 다공성 탄소체에 무기 나노입자를 형성하는 단계; 로부터 제조될 수 있으며, 상기 무기 나노입자는 금속 나노입자 또는 금속 수산화물 나노입자일 수 있다.The present invention relates to a porous carbon electrode containing inorganic nanoparticles, a supercapacitor including the electrode, and a method for manufacturing the same, wherein the porous carbon electrode containing inorganic nanoparticles includes a) mixing a carbon precursor and a nitrogen-containing compound preparing a solution; b) phase separation by adding a non-solvent to the prepared mixed solution; c) drying and carbonizing the phase-separated mixed solution to obtain a nitrogen-doped porous carbon body; and d) forming inorganic nanoparticles on the nitrogen-doped porous carbon body; It may be prepared from, and the inorganic nanoparticles may be metal nanoparticles or metal hydroxide nanoparticles.

Description

무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극 및 이를 포함하는 슈퍼커패시터 및 이의 제조방법 {Electrode having porous carbon including inorganic nanoparticles, supercapacitor comprising the electrode, and method of manufacturing the same}Electrode having porous carbon including inorganic nanoparticles, supercapacitor comprising the electrode, and method of manufacturing the same

본 발명은 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극, 상기 전극을 포함하는 슈퍼커패시터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a porous carbon electrode containing inorganic nanoparticles, a supercapacitor including the electrode, and a method for manufacturing the same.

고출력을 요구하는 하이브리드 자동차 및 전기 소자들은 효율적인 에너지 저장 시스템으로서 슈퍼커패시터를 점차 채용하고 있다. 슈퍼커패시터는 고용량뿐만 아니라 높은 전력 밀도 및 장시간의 수명을 제공할 수 있다.Hybrid vehicles and electric devices that require high output are gradually adopting supercapacitors as an efficient energy storage system. Supercapacitors can provide not only high capacity but also high power density and long lifetime.

슈퍼커패시터의 성능은 전극 및 전해질에 의하여 결정되며, 특히 축전용량 등 주요성능은 전극물질에 의하여 대부분 결정된다. 이러한 전극물질로는 다공성 탄소가 주로 사용되고 있다. 다공성의 탄소는 높은 전기전도도 및 넓은 표면적을 가지므로 이온의 물리적 흡착과 탈착으로 용량을 발현하는 슈퍼커패시터용 전극 물질로써 널리 사용되고 있다.The performance of a supercapacitor is determined by the electrode and electrolyte, and in particular, the main performance such as capacitance is mostly determined by the electrode material. As such an electrode material, porous carbon is mainly used. Since porous carbon has high electrical conductivity and a large surface area, it is widely used as an electrode material for supercapacitors that exhibits capacity through physical adsorption and desorption of ions.

그러나, 다공성 탄소 기반 슈퍼커패시터는 전기 이중층의 표면 상에서 충/방전이 수행되는 특수한 저장 메카니즘으로 인해 상대적으로 제한된 에너지 밀도를 가지며, 이에 따라 Li 이온 배터리, NiMH 배터리 및 NiZn 배터리와 같은 기존의 배터리를 대체하지 못하고 있다. However, porous carbon-based supercapacitors have relatively limited energy density due to the special storage mechanism in which charge/discharge is performed on the surface of the electric double layer, and thus replace conventional batteries such as Li-ion batteries, NiMH batteries and NiZn batteries. can't do it

최근에는 높은 에너지 밀도의 구현이 가능한 수산화니켈(Ni(OH)2)을 이용한 슈퍼커패시터가 연구되고 있다. 적층 나노 구조의 수산화니켈은 격자 사이의 층간 간격이 넓어서, 이온을 저장할 수 있는 지점이 많은 장점이 있다. 그러나, 수산화니켈은 전도도가 낮기 때문에, 고전류 밀도와 같은 조건에서 전하 포획(charge trap)이 자주 일어나는 단점이 있다. Recently, a supercapacitor using nickel hydroxide (Ni(OH) 2 ) capable of realizing high energy density has been studied. The stacked nanostructured nickel hydroxide has a wide interlayer spacing between the lattices, so there are many advantages in which ions can be stored. However, since nickel hydroxide has low conductivity, there is a disadvantage in that charge traps frequently occur under conditions such as high current density.

이에 따라, 높은 에너지 밀도 및 전기화학적 성능을 나타내는 전극물질의 개발이 요구되고 있다.Accordingly, the development of electrode materials exhibiting high energy density and electrochemical performance is required.

KR 10-1537953 B1 (2015.07.14)KR 10-1537953 B1 (2015.07.14)

본 발명의 목적은 고에너지 밀도 및 고전력 밀도와 함께 우수한 안정성을 갖는 슈퍼커패시터용 전극 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an electrode for a supercapacitor and a method for manufacturing the same having excellent stability with high energy density and high power density.

본 발명은the present invention

a) 탄소체 전구물질 및 질소함유 화합물을 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계;a) preparing a mixed solution by mixing a carbon precursor and a nitrogen-containing compound;

b) 상기 제조된 혼합용액에 비용매를 추가하여 상분리하는 단계;b) phase separation by adding a non-solvent to the prepared mixed solution;

c) 상기 상분리된 혼합용액을 건조 및 탄화하여 질소 도핑된 다공성 탄소체를 얻는 단계; 및 c) drying and carbonizing the phase-separated mixed solution to obtain a nitrogen-doped porous carbon body; and

d) 상기 질소 도핑된 다공성 탄소체에 무기 나노입자를 형성하는 단계;d) forming inorganic nanoparticles on the nitrogen-doped porous carbon body;

를 포함하며, 상기 무기 나노입자는 금속 나노입자 또는 금속 수산화물 나노입자인 것인 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극의 제조방법을 제공한다. It provides a method for manufacturing a porous carbon electrode containing inorganic nanoparticles, wherein the inorganic nanoparticles are metal nanoparticles or metal hydroxide nanoparticles.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 d) 단계에서 상기 무기 나노입자는 전기화학 증착을 이용하여 질소 도핑된 다공성 탄소체에 형성되는 것일 수 있다. In one embodiment according to the present invention, in step d), the inorganic nanoparticles may be formed on a nitrogen-doped porous carbon body using electrochemical deposition.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 탄소체 전구물질은 질소 함유 고분자일 수 있다. In one embodiment according to the present invention, the carbon precursor may be a nitrogen-containing polymer.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 질소 함유 고분자는 폴리아믹산일 수 있다. In one embodiment according to the present invention, the nitrogen-containing polymer may be polyamic acid.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 질소함유 화합물은 탄소:질소의 원자 비가 1:1 내지 1:5인 탄화수소계 화합물일 수 있다. In one embodiment according to the present invention, the nitrogen-containing compound may be a hydrocarbon-based compound having an atomic ratio of carbon:nitrogen of 1:1 to 1:5.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 b) 단계에서 상분리된 혼합용액은 고분자-풍부 상 (Polymer-rich Phase)이 연속상을 형성하는 다공질 고분자 구조를 가지는 것일 수 있다. In one embodiment according to the present invention, the mixed solution phase-separated in step b) may have a porous polymer structure in which a polymer-rich phase forms a continuous phase.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 무기 나노입자는 니켈 (Ni), 코발트 (Co), 철 (Fe), 수산화니켈 (Ni(OH)2), 수산화코발트 (Co(OH)2) 및 수산화철 (Fe(OH)3)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 조합일 수 있다. In one embodiment according to the present invention, the inorganic nanoparticles are nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), nickel hydroxide (Ni(OH) 2 ), cobalt hydroxide (Co(OH) 2 ) and It may be one or a combination of two or more selected from the group consisting of iron hydroxide (Fe(OH) 3 ).

본 발명은 또한 질소 도핑된 다공성 탄소체; 및 The present invention also relates to a nitrogen-doped porous carbon body; and

상기 다공성 탄소체에 도포된 무기 나노입자를 포함하며, Including inorganic nanoparticles applied to the porous carbon body,

상기 무기 나노입자는 금속 나노입자 또는 금속 수산화물 나노입자인 것인 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극을 제공한다.The inorganic nanoparticles provide a porous carbon electrode containing inorganic nanoparticles that are metal nanoparticles or metal hydroxide nanoparticles.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 다공성 탄소체는 2 내지 10㎛의 평균 기공크기를 가질 수 있다. In one embodiment according to the present invention, the porous carbon body may have an average pore size of 2 to 10㎛.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극은 다공성 탄소체 100 중량부에 대하여, 무기 나노입자 1 내지 25 중량부를 포함할 수 있다. In one embodiment according to the present invention, the inorganic nanoparticles-containing porous carbon body electrode may contain 1 to 25 parts by weight of inorganic nanoparticles based on 100 parts by weight of the porous carbon body.

본 발명은 또한 본 발명의 일 실시예에 따른 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극을 포함하는 슈퍼커패시터를 제공한다. The present invention also provides a supercapacitor including an inorganic nanoparticle-containing porous carbon body electrode according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 제조방법에 따른 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극은 우수한 전기화학적 특성 및 산화/환원 가역성을 나타낼 수 있을 뿐만 아니라, 높은 용량을 나타낼 수 있는 장점이 있다. The porous carbon electrode containing inorganic nanoparticles according to the method of the present invention has the advantage of exhibiting excellent electrochemical properties and oxidation/reduction reversibility as well as high capacity.

본 발명에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 명세서에서 기재된 효과 및 그 내재적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다. Even if the effects are not explicitly mentioned in the present invention, the effects described in the specification expected by the technical features of the present invention and the inherent effects thereof are treated as if they were described in the specification of the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극의 제조과정을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극 표면의 주사전자현미경 이미지를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극의 주사전자현미경 이미지를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극에 대한 XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) 분석결과를 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극의 스캔 속도 에 따른 순환전압전류 (CV) 곡선을 나타낸 도면이다.
도 11 내지 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극을 포함하는 슈퍼커패시터의 스캔 속도에 따른 순환전압전류 곡선을 나타낸 도면이다.
1 is a view showing a manufacturing process of an inorganic nano-particle-containing porous carbon electrode according to the present invention.
2 is a view showing a scanning electron microscope image of the surface of the inorganic nano-particle-containing porous carbon body electrode according to the present invention.
3 is a view showing a scanning electron microscope image of a porous carbon body electrode containing inorganic nanoparticles according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis result of an inorganic nanoparticle-containing porous carbon electrode according to an embodiment of the present invention.
5 to 10 are diagrams showing cyclic voltammetry (CV) curves according to the scan speed of the inorganic nanoparticle-containing porous carbon electrode according to an embodiment of the present invention.
11 to 16 are diagrams showing cyclic voltammetry curves according to the scan speed of a supercapacitor including an inorganic nanoparticle-containing porous carbon electrode according to an embodiment of the present invention.

본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.Unless otherwise defined in technical terms and scientific terms used in this specification, those of ordinary skill in the art to which this invention belongs have the meanings commonly understood, and in the following description and accompanying drawings, the subject matter of the present invention Descriptions of known functions and configurations that may unnecessarily obscure will be omitted.

또한, 본 명세서에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.Also, the singular form used herein may be intended to include the plural form as well, unless the context specifically dictates otherwise.

또한, 본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 단위는 중량을 기준으로 하며, 일 예로 % 또는 비의 단위는 중량% 또는 중량비를 의미하고, 중량%는 달리 정의되지 않는 한 전체 조성물 중 어느 하나의 성분이 조성물 내에서 차지하는 중량%를 의미한다.In addition, in the present specification, the unit used without special mention is based on the weight, for example, the unit of % or ratio means weight % or weight ratio, and the weight % means any one component of the entire composition unless otherwise defined. It means the weight % occupied in the composition.

또한, 본 명세서에서 사용되는 수치 범위는 하한치와 상한치와 그 범위 내에서의 모든 값, 정의되는 범위의 형태와 폭에서 논리적으로 유도되는 증분, 이중 한정된 모든 값 및 서로 다른 형태로 한정된 수치 범위의 상한 및 하한의 모든 가능한 조합을 포함한다. 본 발명의 명세서에서 특별한 정의가 없는 한 실험 오차 또는 값의 반올림으로 인해 발생할 가능성이 있는 수치범위 외의 값 역시 정의된 수치범위에 포함된다.In addition, the numerical range used herein includes the lower limit and upper limit and all values within the range, increments logically derived from the form and width of the defined range, all values defined therein, and the upper limit of the numerical range defined in different forms. and all possible combinations of lower limits. Unless otherwise defined in the specification of the present invention, values outside the numerical range that may occur due to experimental errors or rounding of values are also included in the defined numerical range.

본 명세서의 용어, '포함한다'는 '구비한다', '함유한다', '가진다' 또는 '특징으로 한다' 등의 표현과 등가의 의미를 가지는 개방형 기재이며, 추가로 열거되어 있지 않은 요소, 재료 또는 공정을 배제하지 않는다.As used herein, the term 'comprising' is an open-ended description having an equivalent meaning to expressions such as 'comprising', 'containing', 'having' or 'characterized', and elements not listed in addition; Materials or processes are not excluded.

또한, 본 명세서의 용어, '실질적으로'는 특정된 요소, 재료 또는 공정과 함께 열거되어 있지 않은 다른 요소, 재료 또는 공정이 발명의 적어도 하나의 기본적이고 신규한 기술적 사상에 허용할 수 없을 만큼의 현저한 영향을 미치지 않는 양 또는 정도로 존재할 수 있는 것을 의미한다.In addition, as used herein, the term 'substantially' means that other elements, materials, or processes not listed together with the specified element, material or process are unacceptable for at least one basic and novel technical idea of the invention. It means that it can be present in an amount or degree that does not significantly affect it.

본 발명은 a) 탄소체 전구물질 및 질소함유 화합물을 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계; b) 상기 제조된 혼합용액에 비용매를 추가하여 상분리하는 단계; c) 상기 상분리된 혼합용액을 건조 및 탄화하여 질소 도핑된 다공성 탄소체를 얻는 단계; 및 d) 상기 질소 도핑된 다공성 탄소체에 무기 나노입자를 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 무기 나노입자는 금속 나노입자 또는 금속 수산화물 나노입자인 것인 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극의 제조방법을 제공한다. The present invention comprises the steps of: a) preparing a mixed solution by mixing a carbon precursor and a nitrogen-containing compound; b) phase separation by adding a non-solvent to the prepared mixed solution; c) drying and carbonizing the phase-separated mixed solution to obtain a nitrogen-doped porous carbon body; and d) forming inorganic nanoparticles on the nitrogen-doped porous carbon body, wherein the inorganic nanoparticles are metal nanoparticles or metal hydroxide nanoparticles. provides

본 발명에 따른 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극은 비용매 유도 상분리를 통하여 형성된 매크로 기공(macro-pore) 구조를 기반으로 한 다공성 탄소체에 질소 도핑 및 무기 나노입자 형성한 것으로, 높은 전도도, 높은 기공률 및 비표면적뿐만 아니라, 우수한 산화/환원 반응 가역성을 나타낼 수 있어, 우수한 전기화학적 특성 및 높은 용량을 나타낼 수 있다.The inorganic nanoparticle-containing porous carbon body electrode according to the present invention is a porous carbon body based on a macro-pore structure formed through non-solvent induced phase separation, which is doped with nitrogen and formed with inorganic nanoparticles, and has high conductivity and high conductivity. It can exhibit excellent oxidation/reduction reaction reversibility as well as porosity and specific surface area, thereby exhibiting excellent electrochemical properties and high capacity.

상기 매크로 기공(macro-pore) 구조는 비대칭성 매크로 기공 (asymmetric macro-pore) 구조일 수 있다.The macro-pore structure may be an asymmetric macro-pore structure.

도 1을 참조하여 설명하면, 상기 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극의 제조방법은 크게, 단계 (1) 질소 도핑된 다공성 탄소체를 제조하는 단계 및 단계 (2) 상기 질소 도핑된 다공성 탄소체에 무기 나노입자를 증착하여 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극을 제조하는 단계로 나눌 수 있다. Referring to FIG. 1 , the method for manufacturing the inorganic nanoparticle-containing porous carbon body electrode is largely comprised of steps (1) preparing a nitrogen-doped porous carbon body and step (2) to the nitrogen-doped porous carbon body. It can be divided into a step of manufacturing a porous carbon electrode containing inorganic nanoparticles by depositing inorganic nanoparticles.

구체적으로, 상기 단계 (1)의 a) 단계는 탄소체 전구물질 및 질소함유 화합물을 혼합하여 탄소체 전구물질 및 질소함유 화합물을 포함하는 혼합용액을 제조하는 단계로서, 상기 탄소체 전구물질 및 질소함유 화합물은 몰비로 1: 0.25 내지 1: 2, 좋게는 1: 0.5 내지 1: 2로 혼합할 수 있다. 구체적으로, 상기 혼합용액에서 탄소체 전구물질은 5 내지 20 wt%, 좋게는 8 내지 18 wt%의 농도로 존재할 수 있으며, 상기 질소함유 화합물은 1 내지 20 wt%, 좋게는 1 내지 15 wt%의 농도로 존재할 수 있다. 상기 범위에서 탄소체 전구물질 및 질소함유 화합물이 충분히 잘 혼합될 수 있을 뿐만 아니라, 더 나아가, 다공성 탄소체에 충분한 양의 질소 원자가 균일하게 도핑될 수 있다. Specifically, step a) of step (1) is a step of preparing a mixed solution containing a carbon precursor and a nitrogen-containing compound by mixing a carbon precursor and a nitrogen-containing compound, wherein the carbon precursor and nitrogen The containing compound may be mixed in a molar ratio of 1:0.25 to 1:2, preferably 1:0.5 to 1:2. Specifically, in the mixed solution, the carbon precursor may be present in a concentration of 5 to 20 wt%, preferably 8 to 18 wt%, and the nitrogen-containing compound is 1 to 20 wt%, preferably 1 to 15 wt% may be present at a concentration of In the above range, the carbon precursor and the nitrogen-containing compound can be mixed sufficiently well, and furthermore, the porous carbon body can be uniformly doped with a sufficient amount of nitrogen atoms.

또한 상기 혼합용액은 용매로 유기용매를 사용할 수 있으며 탄소체 전구물질과 질소함유 화합물을 균일하게 용해시킬 수 있는 용매라면 제한받지 않고 사용될 수 있다. 구체적인 예로, 다이옥산 (dioxane), m-크레졸, N-메틸-2-피롤리돈 (NMP), 디메틸포름아미드 (DMF), 디메틸아세트아미드 (DMAc), 디메틸설폭사이드 (DMSO), 테트라히드로푸란 (THF) 및 에틸아세테이트 중에서 하나이상 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In addition, the mixed solution may use an organic solvent as a solvent, and any solvent capable of uniformly dissolving the carbon precursor and the nitrogen-containing compound may be used without limitation. Specific examples, dioxane, m-cresol, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc), dimethyl sulfoxide (DMSO), tetrahydrofuran ( THF) and at least one of ethyl acetate may be selected, but the present invention is not limited thereto.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 탄소체 전구물질은 질소 함유 고분자 일 수 있으며, 구체적으로 질소 함유 방향족 고분자 및 질소 함유 지환족 고분자에서 선택되는 어느 하나 또는 둘의 조합일 수 있다. 바람직하게 상기 질소 함유 고분자는 폴리아믹산, 폴리피롤 및 폴리아닐린 중에서 선택되는 하나 일 수 있다. 상기 질소 함유 고분자의 분자량은 중량평균분자량으로 5,000 내지 1,000,000 g/mol일 수 있으나 이는 일 예일뿐 이에 제한받지 않는다.In one embodiment according to the present invention, the carbon precursor may be a nitrogen-containing polymer, specifically, any one or a combination of two selected from a nitrogen-containing aromatic polymer and a nitrogen-containing alicyclic polymer. Preferably, the nitrogen-containing polymer may be one selected from polyamic acid, polypyrrole and polyaniline. The molecular weight of the nitrogen-containing polymer may be 5,000 to 1,000,000 g/mol as a weight average molecular weight, but this is only an example and is not limited thereto.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 질소함유 화합물은 하나의 분자내에 다수의 질소 원자를 포함하는 화합물이 바람직하다. 상기 질소함유 화합물의 탄소 및 질소의 원자 비는 1:1 내지 1:5인 탄화수소계 화합물일 수 있으며, 구체적으로, 멜라민 (Melamine), 요소 (Urea), 티오요소 (Thiourea), 시스테인 (L-Cystein), 시아누릭산 (Cyanuric acid), 디시안디아미드 (Dicyandiamide) 및 시안아마이드 (Cyanamide)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the nitrogen-containing compound is preferably a compound containing a plurality of nitrogen atoms in one molecule. The nitrogen-containing compound may be a hydrocarbon-based compound having an atomic ratio of carbon and nitrogen of 1:1 to 1:5, and specifically, melamine, urea, thiourea, cysteine (L- Cystein), cyanuric acid (Cyanuric acid), dicyandiamide (Dicyandiamide), and may be at least one selected from the group consisting of cyanamide (Cyanamide).

상기 단계 (1)의 a) 단계에서는 혼합 용액의 제조 후 상기 혼합 용액을 기판 상에 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 기판은 혼합 용액에 포함되는 용매에 용해되지 않는 기판이라면 제한되지 않고 공지의 기판을 사용할 수 있다. 상기 기판 상에 도포하는 단계는 공지의 도포 수단이 제한없이 사용될 수 있으며, 일 예로 혼합 용액을 기판 상에 캐스팅한 후 닥터블레이드로 제막하는 방법 또는 스핀코팅하는 방법일 수 있으나 이에 제한받지 않는다.Step a) of step (1) may further include applying the mixed solution on a substrate after preparing the mixed solution. The substrate is not limited as long as it is a substrate that does not dissolve in a solvent included in the mixed solution, and a known substrate may be used. In the step of applying on the substrate, a known application means may be used without limitation, and for example, a method of forming a film with a doctor blade after casting a mixed solution on the substrate or a method of spin coating, but is not limited thereto.

비한정적인 일 예에 있어서, 상기 스핀코팅 과정을 통하여, 상기 탄소체 전구물질 및 질소함유 화합물을 포함하는 혼합용액을 10 내지 50㎛ 두께로 균일하게 도포할 수 있으며, 이를 통해 질소 도핑된 다공성 탄소체 제조를 위한 b) 단계 및 c) 단계가 더욱 효율적으로 수행될 수 있다. 상기 스핀코팅은 500 내지 2000 rpm의 회전속도로 수행할 수 있으나 이에 제한받지 않는다. In a non-limiting example, through the spin coating process, the mixed solution including the carbon precursor and the nitrogen-containing compound may be uniformly applied to a thickness of 10 to 50 μm, through which the nitrogen-doped porous carbon Steps b) and c) for preparing the sieve can be performed more efficiently. The spin coating may be performed at a rotation speed of 500 to 2000 rpm, but is not limited thereto.

다음, b) 단계에서는 상기 스핀코팅된 혼합용액에 비용매를 추가하여 고분자-풍부 상 (Polymer-rich Phase) 및 고분자-결핍 상 (Polymer-poor Phase)으로 상분리를 유도한다. 상기 상분리된 혼합용액은 고분자-풍부 상이 연속상을 형성하는 다공질 고분자 구조를 가질 수 있으며, 구체적으로, 표면은 기공이 작은 고분자층, 또는 활성층 (active layer)이 형성되고, 그 하부에는 손가락 형태 (finger-like)의 마크로기공 (macroporous)을 포함하는 다공성 구조, 즉 지지층 (supported layer)를 포함하는 비대칭 구조를 가질 수 있다. 상기 다공질 고분자 구조의 기공율은 상기 비용매의 양에 따라 조절될 수 있다. 구체적으로, 상기 비용매 및 상기 a) 단계에서의 용매의 부피비는 30:1 내지 300:1일 수 있으며, 상기 범위에서 상기 혼합용액의 상분리가 더욱 잘 일어날 수 있을 뿐만 아니라, 고분자가 연속상을 가지며 높은 공극율의 다공성을 가지는 고분자 구조를 얻을 수 있다. Next, in step b), a nonsolvent is added to the spin-coated mixed solution to induce phase separation into a polymer-rich phase and a polymer-poor phase. The phase-separated mixed solution may have a porous polymer structure in which the polymer-rich phase forms a continuous phase, and specifically, a polymer layer with small pores or an active layer is formed on the surface, and a finger shape ( It may have a porous structure including finger-like macropores, that is, an asymmetric structure including a supported layer. The porosity of the porous polymer structure may be adjusted according to the amount of the non-solvent. Specifically, the volume ratio of the non-solvent and the solvent in step a) may be 30:1 to 300:1, and in the above range, phase separation of the mixed solution may occur more easily, and the polymer may form a continuous phase It is possible to obtain a polymer structure having high porosity and porosity.

마지막 c) 단계에서는 상기 상분리된 혼합용액을 건조 및 탄화하여 질소 도핑된 다공성 탄소체를 얻을 수 있다. 상기 건조는 20 내지 120 ℃의 온도 범위에서 12 내지 48 시간 동안 수행될 수 있으며, 건조를 통해 상기 상분리된 혼합용액에 포함되어 있는 용매 및 비용매를 제거할 수 있다. 상기 한정된 온도 및 시간은 용매 및 비용매를 제거하기 위한 일 예시일 뿐으로 이에 제한받지 않음은 물론이다. In the last step c), the phase-separated mixed solution is dried and carbonized to obtain a nitrogen-doped porous carbon body. The drying may be performed for 12 to 48 hours at a temperature range of 20 to 120° C., and the solvent and non-solvent included in the phase-separated mixed solution may be removed through drying. Of course, the limited temperature and time are not limited thereto as only an example for removing the solvent and the non-solvent.

상기 건조가 완료된 후 경화과정을 추가로 수행할 수 있다. 구체적으로, 상기 경화과정은 3단계로 나누어서 진행할 수 있으며, 구체적으로, 1단계에서 140 내지 170℃에서 2 내지 4시간, 2단계에서 170 내지 220℃에서 0.5 내지 2시간, 3단계에서 220 내지 280℃에서 0.5 내지 2시간 동안 열처리를 거쳐 수행할 수 있다. After the drying is completed, a curing process may be additionally performed. Specifically, the curing process can be carried out in three stages, specifically, in the first stage at 140 to 170 ° C for 2 to 4 hours, in the second stage at 170 to 220 ° C for 0.5 to 2 hours, in the third stage 220 to 280 It can be carried out through heat treatment at ℃ for 0.5 to 2 hours.

상기 건조 및 경화가 완료된 후 다공질 고분자 구조체가 얻어지며, 이어서 탄화가 수행될 수 있다. 상기 탄화는 200 내지 1000℃, 좋게는 250 내지 900℃에서 5 내지 12 시간 동안 열처리하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 탄화과정은 상기 다공질 고분자 구조체를 탄화로에 장입하고 비활성기체 (Inert gas)인 질소 또는 아르곤 분위기에서 온도를 점차적으로 상승시키고, 200 내지 1000에서 5 내지 12 시간 동안 온도를 유지함으로써 수행될 수 있으나 이는 일 예시일 뿐 이에 제한받지 않는다. After the drying and curing are completed, a porous polymer structure is obtained, and then carbonization may be performed. The carbonization may be a heat treatment at 200 to 1000 ℃, preferably at 250 to 900 ℃ for 5 to 12 hours. Specifically, the carbonization process is carried out by charging the porous polymer structure into a carbonization furnace, gradually increasing the temperature in an inert gas nitrogen or argon atmosphere, and maintaining the temperature at 200 to 1000 for 5 to 12 hours. may be, but this is only an example and is not limited thereto.

탄화가 완료된 후 실온까지 자연 냉각할 수 있으며, 이를 통해 높은 비표면적 및 기공률을 가지는 질소 도핑된 다공성 탄소체를 얻을 수 있으며, 이때, 탄소 및 질소의 원자비는 10:1 내지 25:1, 좋게는 13:1 내지 20:1 일 수 있다. 구체적으로, 상기 비대칭 다공질 고분자 구조에 의해, 표면에는 상대적으로 높은 농도의 질소가 도핑되고, 내부에는 마크로기공에 의해 상대적으로 낮은 농도의 질소가 도핑되어 상기 탄소체 내부에서 표면으로 갈수록 질소 함량이 증가되는 농도구배를 나타낼 수 있다. After carbonization is completed, it can be naturally cooled to room temperature, and through this, a nitrogen-doped porous carbon body having a high specific surface area and porosity can be obtained. At this time, the atomic ratio of carbon and nitrogen is 10:1 to 25:1, preferably may be 13:1 to 20:1. Specifically, by the asymmetric porous polymer structure, a relatively high concentration of nitrogen is doped on the surface, and a relatively low concentration of nitrogen is doped on the inside by macropores, so that the nitrogen content increases from the inside of the carbon body toward the surface. A concentration gradient can be shown.

상기 단계 (1)에서 제조된 질소 도핑된 다공성 탄소체는 후속적으로 단계 (2)를 통하여 상기 질소 도핑된 다공성 탄소체에 무기 나노입자가 도포될 수 있으며, 상기 무기 나노입자가 도포된 질소 도핑된 다공성 탄소체는 전극의 용도로 바람직하게 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 단계 (2)에서 질소 도핑된 다공성 탄소체에 무기 나노입자를 도포하기 위해 전기화학 증착법이 이용될 수 있으며, 전기화학 증착을 통해 상기 질소 도핑된 다공성 탄소체에 상기 무기 나노입자를 형성하는 것일 수 있다. 보다 구체적으로, 질소 도핑된 다공성 탄소체의 표면 및 기공 내에 전기화학 증착을 통해 균일하게 무기 나노입자가 증착된 것일 수 있다.In the nitrogen-doped porous carbon body prepared in step (1), inorganic nanoparticles may be subsequently applied to the nitrogen-doped porous carbon body through step (2), and the inorganic nanoparticles are coated with nitrogen doping The porous carbon body can be preferably used for the purpose of the electrode. Specifically, an electrochemical vapor deposition method may be used to apply the inorganic nanoparticles to the nitrogen-doped porous carbon body in step (2), and the inorganic nanoparticles are applied to the nitrogen-doped porous carbon body through electrochemical deposition. may be forming. More specifically, inorganic nanoparticles may be uniformly deposited through electrochemical deposition on the surface and pores of the nitrogen-doped porous carbon body.

상기 전기화학 증착은 외부로부터 전기에너지를 가하여 질소 도핑된 다공성 탄소체에 무기 나노입자를 증착시키는 과정으로, 3 전극 시스템을 사용하여 수행될 수 있다. 상기 3 전극 시스템은 작업전극 (working electrode), 상대전극 (counter electrode), 기준전극 (reference electrode) 및 전해액으로 이루어진 시스템일 수 있다. 상기 작업전극은 상기 단계 1)에서 제조된 질소 도핑된 다공성 탄소체를 사용하며, 상기 상대전극은 백금전극을 사용하고, 상기 기준전극은 Ag/AgCl 전극 또는 SCE 전극을 사용하며, 상기 전해액은 증착하고자 하는 금속전구체 화합물을 포함하는 용액을 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 금속전구체 화합물은 니켈 (Ni), 코발트 (Co) 및 철 (Fe)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 금속을 포함하는 전구체 화합물일 수 있으며, 전해액 내 상기 금속전구체 화합물의 농도는 0.1M 내지 0.5M 일 수 있다. 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 전기화학 증착에 의해 무기 나노입자가 상기 다공성 탄소체 표면에 높은 밀도로 증착된 것을 확인할 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 무기 나노입자는 니켈 (Ni), 코발트 (Co), 철 (Fe), 수산화니켈 (Ni(OH)2), 수산화코발트 (Co(OH)2) 및 수산화철 (Fe(OH)3)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 조합일 수 있다.The electrochemical deposition is a process of depositing inorganic nanoparticles on a nitrogen-doped porous carbon body by applying electric energy from the outside, and may be performed using a three-electrode system. The three-electrode system may be a system including a working electrode, a counter electrode, a reference electrode, and an electrolyte. The working electrode uses the nitrogen-doped porous carbon body prepared in step 1), the counter electrode uses a platinum electrode, the reference electrode uses an Ag/AgCl electrode or an SCE electrode, and the electrolyte is deposited A solution containing the desired metal precursor compound may be used. Specifically, the metal precursor compound may be a precursor compound including one or more metals selected from the group consisting of nickel (Ni), cobalt (Co) and iron (Fe), and the concentration of the metal precursor compound in the electrolyte may be 0.1M to 0.5M. Specifically, as shown in FIG. 2 , it can be confirmed that inorganic nanoparticles are deposited at a high density on the surface of the porous carbon body by the electrochemical deposition. More specifically, the inorganic nanoparticles include nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), nickel hydroxide (Ni(OH) 2 ), cobalt hydroxide (Co(OH) 2 ) and iron hydroxide (Fe(OH) 3 ) may be one or a combination of two or more selected from the group consisting of.

상기 금속전구체가 환원되어 생성된 무기 나노입자의 평균 입자크기는 0.5 내지 20㎚, 좋게는 1 내지 10㎚를 가질 수 있으며, 상기 질소 도핑된 다공성 탄소체의 표면뿐만 아니라, 기공 내부에도 균일하게 증착된 것이 바람직하다. 구체적으로, 상술한 비대칭 다공질 구조에 의해, 상기 질소 도핑된 다공성 탄소체의 내부에서 표면으로 갈수록 상기 무기 나노입자의 함량이 증가되는 농도구배를 나타낼 수 있다. 또한, 상기 질소 도핑된 다공성 탄소체는 기공크기 분포도에서 평균 기공크기가 1 내지 100㎛, 구체적으로 2 내지 10㎛일 수 있으며, 비표면적은 200 내지 600 m2/g, 좋게는 250 내지 500 m2/g을 가질 수 있다. 상기 범위에서 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극의 비활성영역의 비율을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 우수한 기계적 안정성을 나타낼 수 있다.The average particle size of the inorganic nanoparticles produced by reducing the metal precursor may have an average particle size of 0.5 to 20 nm, preferably 1 to 10 nm, and uniformly deposited not only on the surface of the nitrogen-doped porous carbon body, but also inside the pores it is preferable to have Specifically, due to the above-described asymmetric porous structure, a concentration gradient in which the content of the inorganic nanoparticles increases from the inside to the surface of the nitrogen-doped porous carbon body may be exhibited. In addition, the nitrogen-doped porous carbon body may have an average pore size of 1 to 100 μm, specifically 2 to 10 μm in the pore size distribution, and a specific surface area of 200 to 600 m 2 /g, preferably 250 to 500 m 2 /g. In the above range, the ratio of the inactive region of the porous carbon electrode containing inorganic nanoparticles can be reduced, and excellent mechanical stability can be exhibited.

상기 전기화학 증착은 -500 내지 -1500mV의 전압을 가하여 수행할 수 있다. 상기 범위에서, 나노 사이즈의 무기 나노입자가 질소 도핑된 다공성 탄소체에 더욱 균일하게 증착될 수 있을 뿐만 아니라, 더욱 많은 무기 나노입자를 상기 질소 도핑된 다공성 탄소체에 형성할 수 있어, 산화/환원 가역성을 향상시킬 수 있다. The electrochemical deposition may be performed by applying a voltage of -500 to -1500 mV. In the above range, not only nano-sized inorganic nanoparticles can be more uniformly deposited on the nitrogen-doped porous carbon body, but also more inorganic nanoparticles can be formed on the nitrogen-doped porous carbon body, so that oxidation/reduction Reversibility can be improved.

본 발명은 또한 질소 도핑된 다공성 탄소체; 및 상기 다공성 탄소체에 도포된 무기 나노입자를 포함하며, 상기 무기 나노입자는 금속 나노입자 또는 금속 수산화물 나노입자인 것인 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극을 제공한다. 구체적으로, 상기 다공성 탄소체 전극은 비대칭성 매크로 기공 구조를 가지며, 구체적으로, 표면은 조밀한 층 (dense layer)이 형성되고, 그 하부에는 마크로기공 (macroporous)이 형성된 구조를 가질 수 있다. 상기 비대칭 구조에 의해, 상기 탄소체 전극의 내부에서 표면으로 갈수록 질소 및 무기 나노입자의 함량이 증가되는 농도구배를 나타낼 수 있다. The present invention also relates to a nitrogen-doped porous carbon body; and inorganic nanoparticles applied to the porous carbon body, wherein the inorganic nanoparticles are metal nanoparticles or metal hydroxide nanoparticles. Specifically, the porous carbon electrode may have an asymmetric macropore structure, and specifically, a dense layer may be formed on the surface, and a macroporous structure may be formed under the porous carbon electrode. Due to the asymmetric structure, a concentration gradient in which the content of nitrogen and inorganic nanoparticles increases from the inside of the carbon electrode toward the surface may be exhibited.

상기 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극은 다공성 탄소체에 의한 높은 비표면적 및 높은 기공률로 인해 더욱 많은 반응공간을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 이온 수송 경로를 단축시켜 전해질의 접근성을 향상시킬 수 있다. 이와 동시에 상기 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극은 전기화학 증착에 의한 무기 나노입자를 함유함으로써, 우수한 산화/환원 가역성을 나타낼 수 있으며, 더 나아가, 높은 용량을 나타낼 수 있다. 구체적으로, 상기 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극에 대한 순환전압전류 분석을 통해, 현저히 향상된 전기화학적 특성 및 산화/환원 가역성을 확인할 수 있다. The inorganic nanoparticle-containing porous carbon body electrode can provide more reaction space due to the high specific surface area and high porosity of the porous carbon body, and shorten the ion transport path to improve the accessibility of the electrolyte. At the same time, the inorganic nanoparticle-containing porous carbon electrode may exhibit excellent oxidation/reduction reversibility and, further, high capacity by containing inorganic nanoparticles by electrochemical deposition. Specifically, through cyclic voltammetry analysis of the inorganic nanoparticle-containing porous carbon electrode, remarkably improved electrochemical properties and oxidation/reduction reversibility can be confirmed.

상기 다공성 탄소체는 2 내지 10 ㎛의 평균 기공크기를 가질 수 있으며, 250 내지 500 m2/g의 비표면적을 가질 수 있다. 또한 상기 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극은 다공성 탄소체 100 중량부에 대하여, 무기 나노입자 1 내지 25 중량부, 좋게는 2 내지 20 중량부를 포함할 수 있다. 상기 범위에서 더욱 많은 반응공간을 제공할 수 있는 동시에, 높은 전기전도도를 유지할 수 있다. The porous carbon body may have an average pore size of 2 to 10 μm, and a specific surface area of 250 to 500 m 2 /g. In addition, the inorganic nanoparticles-containing porous carbon body electrode may contain 1 to 25 parts by weight of inorganic nanoparticles, preferably 2 to 20 parts by weight, based on 100 parts by weight of the porous carbon body. In the above range, it is possible to provide more reaction space and at the same time maintain high electrical conductivity.

본 발명은 또한 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극을 포함하는 슈퍼커패시터를 제공한다.The present invention also provides a supercapacitor comprising an inorganic nanoparticle-containing porous carbon body electrode.

본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터는 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극을 양극 및 음극으로 사용하며, 상기 양극과 음극의 사이에 상기 양극과 음극의 단락을 방지하기 위한 세퍼레이터가 배치되고, 상기 양극, 세퍼레이터 및 음극은 전해액에 함침되어 있을 수 있으며, 상기 양극 및 음극의 바깥쪽에 집전체를 더 포함할 수 있다. A supercapacitor according to an embodiment of the present invention uses an inorganic nanoparticle-containing porous carbon electrode as a positive electrode and a negative electrode, and a separator is disposed between the positive electrode and the negative electrode to prevent a short circuit between the positive electrode and the negative electrode, The positive electrode, the separator, and the negative electrode may be impregnated in the electrolyte, and may further include a current collector on the outside of the positive electrode and the negative electrode.

상기 전해액은 A+B-와 같은 구조의 염으로서, A+는 Li+, Na+, K+ 등과 같은 알칼리 금속 양이온 및 수소이온 등에서 선택되는 하나 이상의 이온을 포함하고, B-는 PF6 -, BF4 -, Cl-, Br-, I-, ClO4 -, AsF6 -, CH3CO2 -, CF3SO3 -, N(CF3SO2)2 -, C(CF2SO2)3 -, SO3 2-등과 같은 음이온에서 선택되는 하나 이상의 이온을 포함하는 것 일 수 있다. 바람직하게는 H2SO4을 포함하는 산계 전해액, KOH를 포함하는 알칼리계 전해액 및 Na2SO4를 포함하는 중성 전해액 등에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The electrolyte is a salt having the same structure as A + B - , A + is Li + , Na + , K + and the like, and contains one or more ions selected from alkali metal cations and hydrogen ions, B - is PF 6 - , BF 4 - , Cl - , Br - , I - , ClO 4 - , AsF 6 - , CH 3 CO 2 - , CF 3 SO 3 - , N(CF 3 SO 2 ) 2 - , C(CF 2 SO 2 ) 3 - , SO 3 2 - It may include one or more ions selected from anions such as 2-. Preferably, it may be selected from an acid-based electrolyte containing H 2 SO 4 , an alkali-based electrolyte containing KOH, and a neutral electrolyte containing Na 2 SO 4 , but is not limited thereto.

상기 전해액의 주입은 최종 제품의 제조 공정 및 요구 물성에 따라, 전지 제조 공정 중 적절한 단계에서 행해질 수 있으며, 상기 전해액은 아르곤 가스 분위기의 글로브 박스 내 등에서 상기 양극 및 음극을 함침된 것일 수 있다.The injection of the electrolyte may be performed at an appropriate stage during the battery manufacturing process according to the manufacturing process and required physical properties of the final product, and the electrolyte may be impregnated with the positive electrode and the negative electrode in a glove box in an argon gas atmosphere.

상기 집전체는 화학적 및 전기화학적으로 내식성이 있는 것이라면 한정되지 않으며, 비한정적인 일예로는 스테인리스, 알루미늄, 티타늄 또는 탄탈을 사용할 수 있다. 슈퍼커패시터의 특성과 가격을 고려하면 상기 집전체로는 스테인리스 또는 알루미늄이 특히 바람직한 재료이다. The current collector is not limited as long as it is chemically and electrochemically resistant to corrosion, and as a non-limiting example, stainless steel, aluminum, titanium or tantalum may be used. Considering the characteristics and price of the supercapacitor, stainless steel or aluminum is particularly preferable as the current collector.

본 발명의 일 실시예에 따른 세퍼레이터로서는, 종래 공지의 재료와 구성의 것이라면 제한되지 않는다. 이의 비한정적인 일예로는, 폴리에틸렌 다공질막, 폴리프로필렌 섬유나 유리 섬유, 셀룰로오스 섬유의 부직포 등을 들 수 있다.The separator according to an embodiment of the present invention is not limited as long as it has a conventionally known material and configuration. Non-limiting examples thereof include a polyethylene porous membrane, polypropylene fibers or glass fibers, and nonwoven fabrics of cellulose fibers.

이하 본 발명을 실시예를 통해 상세히 설명하나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but these are for describing the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited by the Examples below.

전극 제조: Electrode Fabrication :

Pyromellitic Dianhydride(PMDA)와 4,4′-oxydianiline (ODA)를 1:1의 몰비로 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 용매에 혼합하여 탄소체 전구물질인 폴리아믹산을 합성하였다. 이때 용액 내 폴리아믹산의 함량은 12 중량%이었다. 질소함유 화합물로 멜라민(Melamine)을 상기 폴리아믹산 용액에 첨가하여 혼합용액을 제조하였고, 이때 폴리아믹산을 구성하는 PMDA/ODA의 총 몰수와 멜라민의 몰수비는 1:2가 되도록 조정하였다. 상기 혼합용액을 24시간 동안 질소 분위기에서 반응시킨 후 상기 혼합용액을 유리판에 스핀코팅한 후 아세톤 용액에 담지하여 상분리 시켰다. 상분리된 혼합용액은 160 °C에서 3 시간, 200 °C에서 1 시간 및 250 °C에서 1 시간 동안 순차적으로 열처리를 통해 질소 도핑된 다공성 고분자를 제조하였다. 이후, 상기 고분자를 아르곤 대기 하에서 290°C로 승온시키고, 450°C까지 일반 대기하에서 승온시킨 후, 다시 아르곤 대기 하에서 900°C까지 승온시키고 30분간 온도를 유지시키며 열처리하여 질소 도핑된 다공성 탄소체를 제조하였다.Pyromellitic Dianhydride (PMDA) and 4,4′-oxydianiline (ODA) were mixed in an N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solvent in a molar ratio of 1:1 to synthesize polyamic acid, a carbon precursor. At this time, the content of the polyamic acid in the solution was 12% by weight. Melamine as a nitrogen-containing compound was added to the polyamic acid solution to prepare a mixed solution, and at this time, the total number of moles of PMDA/ODA constituting the polyamic acid and the mole ratio of melamine were adjusted to be 1:2. After reacting the mixed solution in a nitrogen atmosphere for 24 hours, the mixed solution was spin-coated on a glass plate, and then phase-separated by supporting it in an acetone solution. The phase-separated mixed solution was sequentially heat treated at 160 °C for 3 hours, 200 °C for 1 hour, and 250 °C for 1 hour to prepare a nitrogen-doped porous polymer. Thereafter, the polymer was heated to 290 °C under argon atmosphere, heated to 450 °C under general atmosphere, and then heated again to 900 °C under argon atmosphere, maintained at the temperature for 30 minutes, and heat treated to form a nitrogen-doped porous carbon body was prepared.

이어서, 작업전극을 상기 질소 도핑된 다공성 탄소체로 사용하며, 상대전극을 백금전극으로 사용하고, 기준전극으로 Ag/AgCl 전극을 사용하며, 전해액으로 Ni 전구체인 Ni(SO3NH2)2가 농도 0.2M로 물에 용해된 용액을 사용하여 전압 -900 내지 -1000 mV에서 300 mC 만큼의 전기화학적 증착과정을 통해 Ni 함유 다공성 탄소체 전극을 제조하였다. Next, a working electrode is used as the nitrogen-doped porous carbon body, a counter electrode is used as a platinum electrode, an Ag/AgCl electrode is used as a reference electrode, and a Ni precursor Ni(SO 3 NH 2 ) 2 concentration is used as an electrolyte. A Ni-containing porous carbon electrode was prepared through an electrochemical deposition process of 300 mC at a voltage of -900 to -1000 mV using a 0.2M solution in water.

제조된 Ni 함유 다공성 탄소체 전극은 주사전자현미경을 통해 이미지를 관찰하였으며 EDS (Energy Dispersive Spectrometry) 분석을 진행하였고, 그 결과를 도 3에 도시하였다. The prepared Ni-containing porous carbon electrode was imaged through a scanning electron microscope and EDS (Energy Dispersive Spectrometry) analysis was performed, and the results are shown in FIG. 3 .

도 3에서 확인할 수 있듯이, Ni 함유 다공성 탄소체 전극에 ㎛ 단위의 기공이 형성된 것을 확인할 수 있었으며 Ni 입자가 3.13 중량% 증착된 것을 확인할 수 있다. As can be seen in FIG. 3 , it was confirmed that pores of μm unit were formed in the Ni-containing porous carbon electrode, and it was confirmed that the Ni particles were deposited in 3.13 wt%.

상기 실시예 1에서 질소 화합물로 멜라민(Melamine) 대신 티오요소 (Thiourea)를 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하여 Ni 함유 다공성 탄소체 전극을 제조하였다.A Ni-containing porous carbon electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that thiourea was used instead of melamine as the nitrogen compound.

상기 실시예 1에서 Ni 전구체 대신 Co 전구체인 CoCl2를 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하여 Co 함유 다공성 탄소체 전극을 제조하였다. A Co-containing porous carbon electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that CoCl 2 as a Co precursor was used instead of the Ni precursor.

상기 실시예 3에서 질소 화합물로 멜라민(Melamine) 대신 티오요소 (Thiourea)를 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하여 Co 함유 다공성 탄소체 전극을 제조하였다.A Co-containing porous carbon electrode was prepared in the same manner as in Example 3, except that thiourea was used instead of melamine as the nitrogen compound.

상기 실시예 1에서 Ni 전구체 대신 Ni 및 Co 전구체인 NiSO4 및 CoCl2가 50:50 몰비로 혼합된 전해액을 사용하며, 전하량을 300 mC 대신 80 mC로 전기화학적 증착을 수행한 것을 제외하고는 동일하게 실시하여 Ni(OH)2 및 Co(OH)2 함유 다공성 탄소체 전극을 제조하였다.In Example 1, instead of the Ni precursor, Ni and Co precursors, NiSO 4 and CoCl 2 , were used as an electrolyte in a 50:50 molar ratio, and the electrochemical deposition was performed at 80 mC instead of 300 mC. Ni(OH) 2 and Co(OH) 2 containing porous carbon electrode was prepared.

상기 제조된 Ni(OH)2 및 Co(OH)2 함유 다공성 탄소체 전극에 대해 XPS 분석을 진행하였으며, 그 결과를 도 4에 도시하였다. XPS analysis was performed on the prepared Ni(OH) 2 and Co(OH) 2 containing porous carbon electrode, and the results are shown in FIG. 4 .

도 4에서 볼 수 있듯이, 전기증착을 통해, Ni 및 Co의 수산화물 Ni(OH)2 및 Co(OH)2가 증착된 것을 확인할 수 있다.As can be seen in FIG. 4 , it can be confirmed that the hydroxides Ni(OH) 2 and Co(OH) 2 of Ni and Co are deposited through electrodeposition.

상기 실시예 5에서 질소 화합물로 멜라민(Melamine) 대신 티오요소 (Thiourea)를 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하여 Ni(OH)2 및 Co(OH)2 함유 다공성 탄소체 전극을 제조하였다.A porous carbon electrode containing Ni(OH) 2 and Co(OH) 2 was prepared in the same manner as in Example 5, except that thiourea was used instead of melamine as the nitrogen compound.

(실시예 7 내지 10)(Examples 7 to 10)

상기 실시예 1에서 Ni 전구체 대신 Fe 전구체(FeSO4) (실시예 7), Ni 전구체 대신 50:50 중량비로 혼합된 Ni 및 Fe의 전구체 혼합물 (실시예 8), Ni 전구체 대신 50:50 혼합된 Co 및 Fe의 전구체 혼합물 (실시예 9) 및 Ni 대신 30:35:35 중량비로 혼합된 Ni:Co:Fe의 전구체 혼합물 (실시예 10)을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 전극을 제조하였으며, 제조된 전극에 대한 EDS 분석 결과를 아래 표 1에 나타내었다. In Example 1 instead of the Ni precursor, Fe precursor (FeSO 4 ) (Example 7), Ni precursor mixture of Ni and Fe precursor mixture in a 50:50 weight ratio instead of Ni precursor (Example 8), Ni precursor 50:50 instead of mixed An electrode was prepared in the same manner except for using a precursor mixture of Co and Fe (Example 9) and a precursor mixture of Ni:Co:Fe mixed in a weight ratio of 30:35:35 (Example 10) instead of Ni (Example 10). Table 1 below shows the results of EDS analysis for the used electrodes.

EDSEDS 중량%weight% 실시예 1Example 1 NiNi 3.13%3.13% 실시예 3Example 3 CoCo 1.92%1.92% 실시예 5Example 5 NiNi 9.16%9.16% CoCo 1.74%1.74% 실시예 7Example 7 FeFe 10.80%10.80% 실시예 8Example 8 NiNi 0.97%0.97% FeFe 0.40%0.40% 실시예 9Example 9 CoCo 1.62%1.62% FeFe 2.13%2.13% 실시예 10Example 10 NiNi 3.97%3.97% CoCo 1.08%1.08% FeFe 0.22%0.22%

시험예 1: 전극 분석Test Example 1: Electrode analysis

실시예 1 내지 6에 따라 제조된 전극을 증류수: 이소프로판올: Nafion이 1: 3: 0.1의 비율로 혼합된 용매에 농도 5 g/L로 분산시킨 후, GCE (glassy carbon electrode, d = 5 mm, S = 0.20 cm2) 전극 위에 0.02 mg 떨어뜨려 건조하여 작업전극으로 사용하였다. 상대전극으로 Pt wire, 기준전극으로 Hg/HgO 전극을 사용하였으며, 6M KOH 전해질 및 0~0.5V 전압 범위내에서 스캔 속도를 10mV 및 20~200mV까지 20mV 간격으로 증가시키며 스캔 속도에 따른 순환전압전류 분석을 진행하였고, 그 결과를 도 5내지 도 10에 도시하였으며, 구체적인 결과값을 하기 표 2에 나타내었다. 구체적으로, 도 5는 실시예 1, 도 6은 실시예 2, 도 7은 실시예 3, 도 8은 실시예 4, 도 9는 실시예 5 및 도 10은 실시예 6에 대한 결과를 나타낸 도면이다.The electrodes prepared according to Examples 1 to 6 were dispersed in a solvent in which distilled water: isopropanol: Nafion was mixed in a ratio of 1: 3: 0.1 at a concentration of 5 g/L, and then GCE (glassy carbon electrode, d = 5 mm, S = 0.20 cm 2 ) After dropping 0.02 mg on the electrode, it was dried and used as a working electrode. Pt wire as the counter electrode and Hg/HgO electrode as the reference electrode were used. Within the 6M KOH electrolyte and 0~0.5V voltage range, the scan speed was increased to 10mV and 20~200mV at 20mV intervals, and the cyclic voltage current according to the scan speed The analysis was performed, and the results are shown in FIGS. 5 to 10, and the specific results are shown in Table 2 below. Specifically, FIG. 5 is a view showing the results for Example 1, FIG. 6 is Example 2, FIG. 7 is Example 3, FIG. 8 is Example 4, FIG. 9 is Example 5 and FIG. 10 is Example 6 to be.

중량대비 용량 (F/g)Capacity to weight (F/g) 실시예 1Example 1 38.038.0 실시예 2Example 2 17.417.4 실시예 3Example 3 27.327.3 실시예 4Example 4 17.317.3 실시예 5Example 5 72.072.0 실시예 6Example 6 115.5115.5

표 2에서 볼 수 있듯이, 실시예 5 및 6에 의해 제조된 Ni 및 Co 함유 다공성 탄소체 전극이 가장 높은 용량을 나타낸 것을 알 수 있다.As can be seen in Table 2, it can be seen that the Ni and Co-containing porous carbon electrode prepared in Examples 5 and 6 showed the highest capacity.

시험예 2: 슈퍼커패시터 분석:Test Example 2: Supercapacitor Analysis:

상기 실시예 1 내지 6에 따라 제조된 전극을 증류수: 이소프로판올: Nafion이 1: 3: 0.1 비율로 혼합된 용매에 농도 5 g/L로 분산 시킨 후, 스테인리스판 위에 0.1 mg 떨어뜨려 건조하여 지름 0.8 cm 크기의 원형으로 제작하여 양극으로 사용하였으며, 다공성 탄소체를 동일한 크기의 스테인리스판과 결합하여 제작한 후 음극으로 사용하고 전해질로 6M KOH 수용액, 및 세퍼레이터로 유리 섬유를 사용하여 슈퍼커패시터를 제작하였다. 다음, 0 내지 1.2 V 전압 범위 내에서 스캔 속도를 10mV 및 20~200mV까지 20mV 간격으로 증가시키며 스캔 속도에 따른 순환전압전류 분석을 진행하였으며, 그 결과를 도 11 내지 도 16에 도시하였고, 구체적인 결과값을 하기 표 3에 나타내었다. 구체적으로, 도 11는 실시예 1, 도 12은 실시예 2, 도 13은 실시예 3, 도 14는 실시예 4, 도 15는 실시예 5 및 도 16은 실시예 6에 대한 결과를 나타낸 도면이다.The electrodes prepared according to Examples 1 to 6 were dispersed in a solvent in which distilled water: isopropanol: Nafion was mixed in a ratio of 1: 3: 0.1 at a concentration of 5 g/L, and then 0.1 mg was dropped on a stainless steel plate and dried to have a diameter of 0.8 A circular shape of cm size was used as an anode, and a porous carbon body was combined with a stainless steel plate of the same size and used as a cathode. . Next, the cyclic voltammetry analysis was performed according to the scan speed while increasing the scan speed to 10 mV and 20 to 200 mV within the voltage range of 0 to 1.2 V at intervals of 20 mV, and the results are shown in FIGS. 11 to 16 , and specific results The values are shown in Table 3 below. Specifically, FIG. 11 is a view showing the results for Example 1, FIG. 12 is Example 2, FIG. 13 is Example 3, FIG. 14 is Example 4, FIG. 15 is Example 5 and FIG. 16 is Example 6 to be.

중량대비 용량 (F/g)Capacity to weight (F/g) 실시예 1Example 1 87.587.5 실시예 2Example 2 127.0127.0 실시예 3Example 3 65.265.2 실시예 4Example 4 101.0101.0 실시예 5Example 5 104.9104.9 실시예 6Example 6 111.1111.1

표 3에서 볼 수 있듯이, 실시예 2에 의해 제조된 Ni 함유 다공성 탄소체 전극을 사용한 슈퍼커패시터가 가장 높은 용량을 나타낸 것을 알 수 있다.As can be seen in Table 3, it can be seen that the supercapacitor using the Ni-containing porous carbon electrode prepared in Example 2 showed the highest capacity.

Claims (11)

a) 탄소체 전구물질 및 질소함유 화합물을 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계;
b) 상기 제조된 혼합용액에 비용매를 추가하여 상분리하는 단계;
c) 상기 상분리된 혼합용액을 건조 및 탄화하여 질소 도핑된 다공성 탄소체를 얻는 단계; 및
d) 상기 질소 도핑된 다공성 탄소체에 무기 나노입자를 형성하는 단계;
를 포함하며,
상기 무기 나노입자는 금속 나노입자 또는 금속 수산화물 나노입자이고,
상기 무기 나노입자는 상기 질소 도핑된 다공성 탄소체의 표면 및 기공 내부에 증착되며,
상기 질소 도핑된 다공성 탄소체 내부에서 표면으로 갈수록 상기 무기 나노입자의 함량이 증가하는 농도구배를 갖는, 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극의 제조방법.
a) preparing a mixed solution by mixing a carbon precursor and a nitrogen-containing compound;
b) phase separation by adding a non-solvent to the prepared mixed solution;
c) drying and carbonizing the phase-separated mixed solution to obtain a nitrogen-doped porous carbon body; and
d) forming inorganic nanoparticles on the nitrogen-doped porous carbon body;
includes,
The inorganic nanoparticles are metal nanoparticles or metal hydroxide nanoparticles,
The inorganic nanoparticles are deposited on the surface and inside the pores of the nitrogen-doped porous carbon body,
A method of manufacturing an inorganic nanoparticle-containing porous carbon body electrode having a concentration gradient in which the content of the inorganic nanoparticles increases from the inside of the nitrogen-doped porous carbon body toward the surface.
제1항에 있어서,
상기 d) 단계에서 상기 무기 나노입자는 전기화학 증착을 이용하여 질소 도핑된 다공성 탄소체에 형성되는 것인 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극의 제조방법.
According to claim 1,
In step d), the inorganic nanoparticles are formed on a nitrogen-doped porous carbon body using electrochemical deposition.
제1항에 있어서,
상기 탄소체 전구물질은 질소 함유 고분자인 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극의 제조방법.
According to claim 1,
The method for producing a porous carbon electrode containing inorganic nanoparticles, wherein the carbon precursor is a nitrogen-containing polymer.
제3항에 있어서,
상기 질소 함유 고분자는 폴리아믹산인 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극의 제조방법.
4. The method of claim 3,
The nitrogen-containing polymer is a method for producing an inorganic nano-particle-containing porous carbon body electrode of polyamic acid.
제1항에 있어서,
상기 질소함유 화합물은 탄소:질소의 원자 비가 1:1 내지 1:5인 탄화수소계 화합물인 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극의 제조방법.
According to claim 1,
The method for producing a porous carbon electrode containing inorganic nanoparticles, wherein the nitrogen-containing compound is a hydrocarbon-based compound having an atomic ratio of carbon:nitrogen of 1:1 to 1:5.
제1항에 있어서,
상기 b) 단계에서 상분리된 혼합용액은 고분자-풍부 상 (Polymer-rich Phase)이 연속상을 형성하는 다공질 고분자 구조를 가지는 것인 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극의 제조방법.
According to claim 1,
The method for producing a porous carbon electrode containing inorganic nanoparticles in which the phase-separated mixed solution in step b) has a porous polymer structure in which a polymer-rich phase forms a continuous phase.
제1항에 있어서,
상기 무기 나노입자는 니켈 (Ni), 코발트 (Co), 철 (Fe), 수산화니켈 (Ni(OH)2), 수산화코발트 (Co(OH)2) 및 수산화철 (Fe(OH)3)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 조합인 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극의 제조방법.
According to claim 1,
The inorganic nanoparticles include nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), nickel hydroxide (Ni(OH) 2 ), cobalt hydroxide (Co(OH) 2 ) and iron hydroxide (Fe(OH) 3 ). A method for producing a porous carbon electrode containing inorganic nanoparticles, which is one or a combination of two or more selected from the group.
질소 도핑된 다공성 탄소체; 및
상기 다공성 탄소체에 도포된 무기 나노입자를 포함하며,
상기 무기 나노입자는 금속 나노입자 또는 금속 수산화물 나노입자이고,
상기 무기 나노입자는 상기 질소 도핑된 다공성 탄소체의 표면 및 기공 내부에 증착되며,
상기 질소 도핑된 다공성 탄소체 내부에서 표면으로 갈수록 상기 무기 나노입자의 함량이 증가하는 농도구배를 갖는, 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극.
Nitrogen-doped porous carbon body; and
Including inorganic nanoparticles applied to the porous carbon body,
The inorganic nanoparticles are metal nanoparticles or metal hydroxide nanoparticles,
The inorganic nanoparticles are deposited on the surface and inside the pores of the nitrogen-doped porous carbon body,
An inorganic nanoparticle-containing porous carbon body electrode having a concentration gradient in which the content of the inorganic nanoparticles increases from the inside of the nitrogen-doped porous carbon body toward the surface.
제8항에 있어서,
상기 다공성 탄소체는 2 내지 10㎛의 평균 기공크기를 가지는 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극.
9. The method of claim 8,
The porous carbon body is a porous carbon body electrode containing inorganic nanoparticles having an average pore size of 2 to 10㎛.
제8항에 있어서,
상기 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극은 다공성 탄소체 100 중량부에 대하여, 무기 나노입자 1 내지 25 중량부를 포함하는 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극.
9. The method of claim 8,
The inorganic nanoparticle-containing porous carbon body electrode is an inorganic nanoparticle-containing porous carbon body electrode comprising 1 to 25 parts by weight of inorganic nanoparticles based on 100 parts by weight of the porous carbon body.
제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 무기 나노입자 함유 다공성 탄소체 전극을 포함하는 슈퍼커패시터.
A supercapacitor comprising an inorganic nanoparticle-containing porous carbon body electrode according to any one of claims 8 to 10.
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