KR102540653B1 - Manufacturing method of electrode active material for supercapacitor using hydrostatic pressurization and high power supercapacitor using the same and method of manufacturing thereof - Google Patents

Manufacturing method of electrode active material for supercapacitor using hydrostatic pressurization and high power supercapacitor using the same and method of manufacturing thereof Download PDF

Info

Publication number
KR102540653B1
KR102540653B1 KR1020210106485A KR20210106485A KR102540653B1 KR 102540653 B1 KR102540653 B1 KR 102540653B1 KR 1020210106485 A KR1020210106485 A KR 1020210106485A KR 20210106485 A KR20210106485 A KR 20210106485A KR 102540653 B1 KR102540653 B1 KR 102540653B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
supercapacitor
active material
electrode active
electrode
nitrogen
Prior art date
Application number
KR1020210106485A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20230024561A (en
Inventor
노광철
김주연
임건해
Original Assignee
한국세라믹기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국세라믹기술원 filed Critical 한국세라믹기술원
Priority to KR1020210106485A priority Critical patent/KR102540653B1/en
Publication of KR20230024561A publication Critical patent/KR20230024561A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102540653B1 publication Critical patent/KR102540653B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/84Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22Electrodes
    • H01G11/30Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32Carbon-based
    • H01G11/36Nanostructures, e.g. nanofibres, nanotubes or fullerenes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13Energy storage using capacitors

Abstract

정수압 가압을 이용하여 전극활물질에 질소를 효과적으로 도입하여, 전극활물질의 전기전도도를 향상시킬 수 있는 정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법과, 이를 이용한 고출력 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법은 (a) 슈퍼커패시터용 전극활물질을 준비하는 단계; (b) 질소 소스 용액을 준비하는 단계; 및 (c) 상기 슈퍼커패시터용 전극활물질에 정수압 가압 방식으로 질소 소스 용액을 반응시켜 상기 슈퍼커패시터용 전극활물질에 질소를 도핑하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Disclosed is a method for manufacturing an electrode active material for a high-power supercapacitor using hydrostatic pressurization capable of improving electrical conductivity of the electrode active material by effectively introducing nitrogen into the electrode active material using hydrostatic pressurization, and a high-power supercapacitor using the same and a method for manufacturing the same do.
A method for manufacturing an electrode active material for a high power supercapacitor using hydrostatic pressurization according to the present invention includes the steps of (a) preparing an electrode active material for a supercapacitor; (b) preparing a nitrogen source solution; and (c) doping the electrode active material for the supercapacitor with nitrogen by reacting a nitrogen source solution with the electrode active material for the supercapacitor in a hydrostatic pressure method.

Figure 112021093051331-pat00003
Figure 112021093051331-pat00003

Description

정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법과, 이를 이용한 고출력 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법{MANUFACTURING METHOD OF ELECTRODE ACTIVE MATERIAL FOR SUPERCAPACITOR USING HYDROSTATIC PRESSURIZATION AND HIGH POWER SUPERCAPACITOR USING THE SAME AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF}Electrode active material manufacturing method for high-power supercapacitor using hydrostatic pressurization, high-power supercapacitor using the same, and manufacturing method thereof

본 발명은 정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법과, 이를 이용한 고출력 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정수압 가압을 이용하여 전극활물질에 질소를 효과적으로 도입하여, 전극활물질의 전기전도도를 향상시킬 수 있는 정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법과, 이를 이용한 고출력 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing an electrode active material for a high-power supercapacitor using hydrostatic pressurization, a high-power supercapacitor using the same, and a method for manufacturing the same, and more particularly, to an electrode active material by effectively introducing nitrogen into the electrode active material using hydrostatic pressurization. It relates to a method for manufacturing an electrode active material for a high-power supercapacitor using hydrostatic pressurization capable of improving electrical conductivity, a high-power supercapacitor using the same, and a method for manufacturing the same.

차세대 에너지 저장장치들 중 슈퍼커패시터는 빠른 충전 및 방전 속도, 높은 안정성, 그리고 친환경적 특성으로 인해, 차세대 에너지 저장장치로 각광받고 있다. 일반적인 슈퍼커패시터는 다공성 전극, 집전체, 분리막, 그리고 전해액 등으로 구성된다. Among next-generation energy storage devices, supercapacitors are attracting attention as next-generation energy storage devices due to their fast charging and discharging speed, high stability, and eco-friendly characteristics. A typical supercapacitor is composed of a porous electrode, a current collector, a separator, and an electrolyte.

슈퍼커패시터는 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC), 울트라커패시터(Ultra-capacitor) 라고도 일컬어지며, 이는 전극 및 도전체와, 그것에 함침된 전해액의 계면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기이중층)이 생성된 것을 이용하는 것으로, 충전 동작 및 방전 동작의 반복으로 인한 열화가 매우 작아 보수가 필요 없는 소자이다.A supercapacitor is also called an Electric Double Layer Capacitor (EDLC) or an ultra-capacitor, which is a pair of charge layers with different signs ( electrical double layer) is generated, and the deterioration due to repetition of charging and discharging operations is very small and does not require maintenance.

이에 따라, 슈퍼커패시터는 각종 전기 및 전자기기의 IC(integrated circuit) 백업을 하는 형태로 주로 사용되고 있다. 최근, 슈퍼커패시터는 그의 용도가 확대되어 장난감, 태양열 에너지 저장, HEV(hybrid electric vehicle) 전원 등에까지 폭넓게 응용되고 있다.Accordingly, supercapacitors are mainly used in the form of backing up integrated circuits (ICs) of various electrical and electronic devices. Recently, supercapacitors have been expanded in their use and are widely applied to toys, solar energy storage, HEV (hybrid electric vehicle) power sources, and the like.

이와 같은 슈퍼커패시터는 일반적으로 전해액이 함침된 양극 및 음극의 두 전극과, 이러한 두 전극 사이에 개재되어 이온(ion) 전도만 가능하게 하고 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)과, 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓(gasket), 그리고 이들을 포장하는 도전체로서의 금속 캡으로 구성된 단위셀을 갖는다. 그리고 위와 같이 구성된 단위셀 1개 이상(통상, 코인형의 경우 2~6개)을 직렬로 적층하고 양극과 음극의 두 단자(terminal)를 조합하여 완성된다.Such a supercapacitor generally has two electrodes, an anode and a cathode, impregnated with an electrolyte, and a separator made of a porous material interposed between these two electrodes to enable only ion conduction and to insulate and prevent short circuits, It has a unit cell composed of a gasket for preventing leakage of electrolyte, insulation and short circuit, and a metal cap as a conductor for packaging them. In addition, one or more unit cells configured as above (usually, 2 to 6 in the case of a coin type) are stacked in series, and the two terminals of the positive and negative electrodes are combined to complete.

슈퍼커패시터의 성능은 전극활물질, 전해액 등에 의하여 결정되며, 특히 축전용량 등 주요성능은 전극활물질에 의하여 대부분 결정된다. 따라서, 최근에는 전극활물질의 전기전도도를 향상시켜 고출력 특성을 발휘할 수 있는 고출력 슈퍼커패시터 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.The performance of supercapacitors is determined by electrode active materials, electrolytes, etc., and in particular, major performance such as capacitance is mostly determined by electrode active materials. Therefore, in recent years, research on the development of high-power supercapacitors capable of exhibiting high-power characteristics by improving the electrical conductivity of electrode active materials has been actively conducted.

관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0113828호(2018.10.17. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 분쇄 및 혼합 조건에 의해 개선된 전기화학적 특성을 갖는 양극 활물질 제조 방법이 기재되어 있다.As a related prior literature, there is Korean Patent Publication No. 10-2018-0113828 (published on October 17, 2018), which describes a method for producing a positive electrode active material having improved electrochemical properties by grinding and mixing conditions .

본 발명의 목적은 정수압 가압을 이용하여 전극활물질에 질소를 효과적으로 도입하여, 전극활물질의 전기전도도를 향상시킬 수 있는 정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법과, 이를 이용한 고출력 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is a method for manufacturing an electrode active material for a high-power supercapacitor using hydrostatic pressurization capable of improving the electrical conductivity of the electrode active material by effectively introducing nitrogen into the electrode active material using hydrostatic pressurization, and a high-power supercapacitor using the same, and the same It is to provide a manufacturing method.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법은 (a) 슈퍼커패시터용 전극활물질을 준비하는 단계; (b) 질소 소스 용액을 준비하는 단계; 및 (c) 상기 슈퍼커패시터용 전극활물질에 정수압 가압 방식으로 질소 소스 용액을 반응시켜 상기 슈퍼커패시터용 전극활물질에 질소를 도핑하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.To achieve the above object, a method for manufacturing an electrode active material for a high power supercapacitor using hydrostatic pressurization according to an embodiment of the present invention includes the steps of (a) preparing an electrode active material for a supercapacitor; (b) preparing a nitrogen source solution; and (c) doping the electrode active material for the supercapacitor with nitrogen by reacting a nitrogen source solution with the electrode active material for the supercapacitor in a hydrostatic pressure method.

상기 슈퍼커패시터용 전극활물질은 그래핀(Graphene), 탄소나노튜브(Carbon nanotubes) 및 활성탄(Activated carbons) 중 선택된 1종 이상을 포함한다.The electrode active material for the supercapacitor includes at least one selected from graphene, carbon nanotubes, and activated carbons.

상기 질소 소스 용액은 질소 소스; 및 상기 질소 소스를 용해시키기 위한 용매;를 포함한다.The nitrogen source solution may include a nitrogen source; and a solvent for dissolving the nitrogen source.

상기 질소 소스와 용매는 1 : 5 ~ 1 : 15 부피비로 첨가하는 것이 바람직하다.The nitrogen source and the solvent are preferably added in a volume ratio of 1:5 to 1:15.

상기 질소 소스는 우레아(Urea), 멜라민(Melamine), 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile), 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리피롤(Polypyrrole), 폴리로다닌(Polyrhodanine), 퓨린(Purine), 아데닌(Adenine), 구아닌(Guanine), 히포크산틴(Hypoxanthine), 산틴(Xanthine), 테오브로민(Theobromine) 및 카페인(Caffeine) 중 선택된 1종 이상을 포함한다.The nitrogen source is urea, melamine, polyacrylonitrile, polyaniline, polypyrrole, polyrhodanine, purine, adenine, guanine (Guanine), hypoxanthine (Hypoxanthine), xanthine (Xanthine), theobromine (Theobromine) and caffeine (Caffeine) and includes at least one selected from.

상기 (c) 단계는, (c-1) 몰드에 전극활물질 1 ~ 100g과 질소 소스 0.5 ~ 50g을 용매 5 ~ 500mL에 용해시킨 질소 소스 용액을 공급하고, 교반하는 단계; 및 (c-2) 상기 교반이 완료된 몰드를 정수압 가압 장치에 투입하여 정수압 가압을 실시하는 단계;를 포함한다.The step (c) includes (c-1) supplying a nitrogen source solution in which 1 to 100 g of the electrode active material and 0.5 to 50 g of a nitrogen source are dissolved in 5 to 500 mL of a solvent to the mold and stirring; and (c-2) injecting the mold after completion of the stirring into a hydrostatic pressurization device to perform hydrostatic pressurization.

상기 (c-2) 단계에서, 상기 정수압 가압은 50 ~ 120℃의 반응 온도에서 7,000 kg/cm2 이하의 가압 조건으로 실시한다.In the step (c-2), the hydrostatic pressurization is performed under a pressurization condition of 7,000 kg/cm 2 or less at a reaction temperature of 50 to 120 °C.

상기 (c) 단계 이후, (d) 상기 정수압 가압이 완료된 몰드 내의 시료를 반응기에 1 ~ 100g을 투입하고, 비활성 가스 분위기에서 700 ~ 1,500℃ 조건으로 열처리하여, 질소가 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질을 형성하는 단계; 및 (e) 상기 열처리가 끝난 후, 상기 비활성 가스 분위기를 유지하면서, 상온까지 냉각하는 단계;를 더 포함한다.After step (c), (d) 1 to 100 g of the sample in the mold subjected to hydrostatic pressurization was put into a reactor, and heat treatment was performed at 700 to 1,500 ° C in an inert gas atmosphere to perform nitrogen-doped electrode active material for supercapacitors. forming a; and (e) cooling to room temperature while maintaining the inert gas atmosphere after the heat treatment is finished.

상기 (e) 단계 이후, 상기 질소가 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질은 전체 100 원자%에 대하여, 상기 질소가 0.5 ~ 2.0 원자%로 도핑된다.After the step (e), the nitrogen-doped electrode active material for a supercapacitor is doped with 0.5 to 2.0 atomic % of nitrogen based on 100 atomic % of the total.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터는 음극활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 음극; 상기 음극과 이격 배치되며, 양극활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 양극; 상기 음극 및 양극 사이에 배치되어, 상기 음극과 양극의 단락을 방지하기 위한 분리막; 및 상기 음극 및 양극에 함침된 전해액;을 포함하며, 상기 음극활물질 및 양극활물질 중 적어도 하나는, 질소가 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질이 이용된 것을 특징으로 한다.To achieve the above object, a high-power supercapacitor using hydrostatic pressurization according to an embodiment of the present invention includes a negative electrode including a negative electrode active material, a conductive material, and a binder; a positive electrode disposed spaced apart from the negative electrode and including a positive electrode active material, a conductive material, and a binder; a separator disposed between the negative electrode and the positive electrode to prevent a short circuit between the negative electrode and the positive electrode; and an electrolyte impregnated into the negative electrode and the positive electrode, wherein at least one of the negative electrode active material and the positive electrode active material is a nitrogen-doped supercapacitor electrode active material.

상기 질소가 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질은 전체 100 원자%에 대하여, 상기 질소가 0.5 ~ 2.0 원자%로 도핑된다.The nitrogen-doped electrode active material for a supercapacitor is doped with 0.5 to 2.0 atomic % of nitrogen based on 100 atomic % of the total.

상기 고출력 슈퍼커패시터는 50mA/cm2의 전류밀도 조건에서 90% 이상의 용량유지율을 나타낸다.The high-power supercapacitor exhibits a capacity retention rate of 90% or more under a current density condition of 50 mA/cm 2 .

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터 제조 방법은 (a) 전극활물질, 도전재 및 바인더를 분산매에 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계; (b) 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계; (c) 상기 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 음극 사이에 상기 양극과 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 전해액에 함침시키는 단계;를 포함하며, 상기 (a) 단계에서, 상기 전극활물질은 질소가 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질을 이용하는 것을 특징으로 한다.A method for manufacturing a high-power supercapacitor using hydrostatic pressurization according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes the steps of (a) preparing a composition for a supercapacitor electrode by mixing an electrode active material, a conductive material, and a binder in a dispersion medium; (b) pressing the composition for a supercapacitor electrode to form an electrode, coating the composition for a supercapacitor electrode on a metal foil to form an electrode, or pushing the composition for a supercapacitor electrode with a roller to form a sheet Forming an electrode form by attaching it to a metal foil or a current collector; (c) forming a supercapacitor electrode by drying the product formed in the form of the electrode; And (d) using the supercapacitor electrode as an anode and a cathode, disposing a separator between the anode and cathode to prevent a short circuit between the anode and cathode, and impregnating the supercapacitor electrode with an electrolyte solution; ) step, the electrode active material is characterized in that a nitrogen-doped electrode active material for a supercapacitor is used.

상기 (a) 단계에서, 상기 질소가 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질은 전체 100 원자%에 대하여, 상기 질소가 0.5 ~ 2.0 원자%로 도핑된다.In the step (a), the nitrogen-doped electrode active material for a supercapacitor is doped with 0.5 to 2.0 atomic % of nitrogen based on 100 atomic % of the total.

본 발명에 따른 정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법과, 이를 이용한 고출력 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법은 정수압 가압을 이용하여 전극활물질에 질소를 효과적으로 도핑하는 것에 의해, 전극활물질의 전기전도도를 향상시킬 수 있게 된다.The method for manufacturing an electrode active material for a high-power supercapacitor using hydrostatic pressurization according to the present invention, the high-power supercapacitor using the same, and the method for manufacturing the same, effectively dope the electrode active material with nitrogen using hydrostatic pressurization, thereby increasing the electrical conductivity of the electrode active material. be able to improve

따라서, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 슈퍼커패시터용 전극활물질을 슈퍼커패시터에 사용할 경우 전해액의 전하 전달을 용이하게 하여 고출력 특성을 구현할 수 있게 된다.Therefore, when the electrode active material for a supercapacitor manufactured by the method according to the present invention is used in a supercapacitor, it is possible to realize high power characteristics by facilitating charge transfer in an electrolyte solution.

이 결과, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 슈퍼커패시터용 전극활물질을 이용한 고출력 슈퍼커패시터는 50mA/cm2의 전류밀도 조건에서 90% 이상의 용량유지율을 나타낼 수 있게 된다.As a result, the high-power supercapacitor using the electrode active material for a supercapacitor manufactured by the method according to the present invention can exhibit a capacity retention rate of 90% or more under the condition of a current density of 50 mA/cm 2 .

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 코인형 슈퍼커패시터를 나타낸 단면도.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 권취형 슈퍼커패시터를 나타낸 모식도.
도 8은 비교예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터용 전극활물질의 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프.
도 9는 실시예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터용 전극활물질의 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프.
도 10은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 고출력 슈퍼커패시터의 전기화학특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프.
1 is a process flow chart showing a method for manufacturing an electrode active material for a high-power supercapacitor using hydrostatic pressurization according to an embodiment of the present invention.
2 is a process flow chart showing a method for manufacturing a high-power supercapacitor using hydrostatic pressurization according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view showing a coin-type supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
4 to 7 are schematic diagrams showing a wound-type supercapacitor according to another embodiment of the present invention.
8 is a graph showing the results of XPS analysis of the electrode active material for a supercapacitor prepared according to Comparative Example 1;
9 is a graph showing the results of XPS analysis of the electrode active material for a supercapacitor prepared according to Example 1;
10 is a graph showing the results of evaluating the electrochemical characteristics of the high-power supercapacitors prepared according to Example 1 and Comparative Example 1.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention, and methods of achieving them, will become clear with reference to the detailed description of the following embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various different forms, and only these embodiments make the disclosure of the present invention complete, and common knowledge in the art to which the present invention belongs. It is provided to fully inform the holder of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numbers designate like elements throughout the specification.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법과, 이를 이용한 고출력 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a method for manufacturing an electrode active material for a high-power supercapacitor using hydrostatic pressurization according to a preferred embodiment of the present invention, a high-power supercapacitor using the same, and a method for manufacturing the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.1 is a process flow chart showing a method for manufacturing an electrode active material for a high-power supercapacitor using hydrostatic pressure according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법은 슈퍼커패시터용 전극활물질 준비 단계(S10), 질소 소스 용액 준비 단계(S20), 정수압 가압으로 질소 도핑 단계(S30) 및 비활성 가스 분위기 열처리 단계(S40)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the method for manufacturing an electrode active material for a high-power supercapacitor using hydrostatic pressurization according to an embodiment of the present invention includes a step of preparing an electrode active material for a supercapacitor (S10), a step of preparing a nitrogen source solution (S20), and a step of preparing nitrogen by hydrostatic pressurization. A doping step (S30) and an inert gas atmosphere heat treatment step (S40) are included.

슈퍼커패시터용 전극활물질 준비Preparation of electrode active materials for supercapacitors

슈퍼커패시터용 전극활물질 준비 단계(S10)에서는 슈퍼커패시터용 전극활물질을 준비한다.In the step of preparing an electrode active material for a supercapacitor (S10), an electrode active material for a supercapacitor is prepared.

여기서, 슈퍼커패시터용 전극활물질은 그래핀(Graphene), 탄소나노튜브(Carbon nanotubes) 및 활성탄(Activated carbons) 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 슈퍼커패시터용 전극활물질로는 그래핀, 탄소나노튜브 및 활성탄 이외에도, 슈퍼커패시터용으로 사용되는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있다.Here, the electrode active material for the supercapacitor may include at least one selected from graphene, carbon nanotubes, and activated carbons, but is not limited thereto. That is, as an electrode active material for a supercapacitor, in addition to graphene, carbon nanotubes, and activated carbon, any material used for a supercapacitor may be used without limitation.

질소 소스 용액 준비Prepare nitrogen source solution

질소 소스 용액 준비 단계(S20)에서는 질소 소스 용액을 준비한다.In the nitrogen source solution preparation step (S20), a nitrogen source solution is prepared.

여기서, 질소 소스 용액은 질소 소스와, 질소 소스를 용해시키기 위한 용매를 포함한다.Here, the nitrogen source solution includes a nitrogen source and a solvent for dissolving the nitrogen source.

질소 소스는 슈퍼커패시터용 전극활물질에 질소를 도핑하여 슈퍼커패시터용 전극활물질의 전기전도도를 향상시키기 위한 원료 물질이다.The nitrogen source is a raw material for improving electrical conductivity of the electrode active material for a supercapacitor by doping nitrogen into the electrode active material for a supercapacitor.

이를 위해, 질소 소스는 우레아(Urea), 멜라민(Melamine), 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile), 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리피롤(Polypyrrole), 폴리로다닌(Polyrhodanine), 퓨린(Purine), 아데닌(Adenine), 구아닌(Guanine), 히포크산틴(Hypoxanthine), 산틴(Xanthine), 테오브로민(Theobromine) 및 카페인(Caffeine) 중 선택된 1종 이상을 포함한다.For this purpose, nitrogen sources are urea, melamine, polyacrylonitrile, polyaniline, polypyrrole, polyrhodanine, purine, and adenine. , Guanine, hypoxanthine, xanthine, theobromine, and caffeine.

본 단계에서, 질소 소스와 용매는 1 : 5 ~ 1 : 15 부피비로 첨가하는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 범위로는 1 : 8 ~ 1 : 12 부피비를 제시할 수 있다.In this step, the nitrogen source and the solvent are preferably added in a volume ratio of 1: 5 to 1: 15, and a more preferable range is 1: 8 to 1: 12 by volume.

정수압 가압으로 질소 도핑Nitrogen doping by hydrostatic pressurization

정수압 가압으로 질소 도핑 단계(S30)에서는 슈퍼커패시터용 전극활물질에 정수압 가압 방식으로 질소 소스 용액을 반응시켜 슈퍼커패시터용 전극활물질에 질소를 도핑한다.In the step of doping nitrogen with hydrostatic pressurization (S30), the electrode active material for a supercapacitor is doped with nitrogen by reacting a nitrogen source solution with the electrode active material for a supercapacitor in a hydrostatic pressurization method.

이때, 슈퍼커패시터용 전극활물질에 도핑되는 질소는 전체 100 원자%에 대하여, 0.5 ~ 2.0 원자%로 도핑하는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 범위로는 0.5 ~ 1.5 원자%를 제시할 수 있다.At this time, the nitrogen to be doped into the electrode active material for the supercapacitor is preferably doped at 0.5 to 2.0 atomic% with respect to the total 100 atomic%, and 0.5 to 1.5 atomic% can be suggested as a more preferable range.

만일, 질소가 슈퍼커패시터용 전극활물질 전체 100 원자%에 대하여, 0.5 원자% 미만의 농도로 도핑될 경우에는 그 농도가 너무 낮아 슈퍼커패시터용 전극활물질의 전기전도도 향상 효과를 제대로 발휘하지 못할 수 있다. 반대로, 질소가 슈퍼커패시터용 전극활물질 전체 100 원자%에 대하여, 2.0 원자%의 농도를 초과하여 과다하게 도핑될 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 질소 소스의 사용량만을 과다하게 필요로 하는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.If nitrogen is doped at a concentration of less than 0.5 atomic % with respect to 100 atomic % of the total of the electrode active material for a supercapacitor, the concentration is too low and the effect of improving the electrical conductivity of the electrode active material for a supercapacitor may not be exhibited properly. Conversely, if nitrogen is excessively doped by exceeding a concentration of 2.0 atomic% with respect to 100 atomic% of the total electrode active material for supercapacitors, it may act as a factor requiring an excessive amount of nitrogen source without further enhancing the effect. , not economical.

정수압 가압으로 질소 도핑 단계(S30)에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The nitrogen doping step (S30) by hydrostatic pressure is described in more detail as follows.

먼저, 몰드에 전극활물질 1 ~ 100g과 질소 소스 0.5 ~ 50g을 용매 5 ~ 500mL에 용해시킨 질소 소스 용액을 공급하고, 교반한다. 여기서, 용매로는 질소 소스를 완전히 용해시킬 수 있는 것이라면 제한이 없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 증류수, 에탄올, 메탄올 등에서 선택될 수 있다.First, a nitrogen source solution in which 1 to 100 g of an electrode active material and 0.5 to 50 g of a nitrogen source are dissolved in 5 to 500 mL of a solvent is supplied to the mold and stirred. Here, the solvent may be used without limitation as long as it can completely dissolve the nitrogen source, and may be preferably selected from distilled water, ethanol, methanol, and the like.

이때, 교반은 500 ~ 1,000rpm의 속도로 5 ~ 10시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 교반 속도가 50rpm 미만이거나, 교반 시간이 5시간 미만일 경우에는 슈퍼커패시터용 전극활물질과 질소 소스 용액 간의 균일한 혼합이 이루어지지 못할 우려가 있다. 반대로, 교반 속도가 1,000rpm을 초과하거나, 교반 시간이 10시간을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 공정 비용 및 시간만을 증가시키는 요인으로 작용하므로, 경제적이지 못하다.At this time, stirring is preferably performed for 5 to 10 hours at a speed of 500 to 1,000 rpm. When the stirring speed is less than 50 rpm or the stirring time is less than 5 hours, uniform mixing between the electrode active material for a supercapacitor and the nitrogen source solution may not be achieved. Conversely, when the stirring speed exceeds 1,000 rpm or the stirring time exceeds 10 hours, it is not economical because it acts as a factor that only increases process cost and time without further increasing the effect.

다음으로, 교반이 완료된 몰드를 정수압 가압 장치에 투입하여 정수압 가압을 실시한다.Next, the agitated mold is put into a hydrostatic pressurization device to perform hydrostatic pressurization.

정수압 가압 장치는 모든 방향에 균일하게 압력이 전달되게 하는 원리를 이용한 장비이다. 이러한 정수압 가압 장치는 동일하게 압력이 작용될 수 있도록, 물, 기름 등의 액체가 사용된다. 이때, 정수압 가압 장치는 물, 기름 등의 유체 내에 투입되는 물체, 즉 슈퍼커패시터용 전극활물질 및 질소 소스 용액이 채워진 몰드에 동일한 방향으로 같은 힘이 전달될 수 있도록 하는 것이다. 이를 위해, 정수압 가압 처리 장치는 처리하고자 하는 물질인 슈퍼커패시터용 전극활물질 및 질소 소스 용액을 몰드에 넣고 높은 압력을 가하면서 내부에 채워지는 유체에 의해 발생되는 압력으로 인해 슈퍼커패시터용 전극활물질 및 질소 소스 용액의 모든 면에 균일한 힘이 작용하여 짧은 시간 내에 이종 원소, 즉 질소를 도핑할 수 있게 되는 것이다.The hydrostatic pressurization device is a device that uses the principle that pressure is transmitted uniformly in all directions. Such a hydrostatic pressurizing device uses a liquid such as water or oil so that the same pressure can be applied. At this time, the hydrostatic pressurization device enables the same force to be transmitted in the same direction to an object injected into a fluid such as water or oil, that is, a mold filled with an electrode active material for a supercapacitor and a nitrogen source solution. To this end, the hydrostatic pressure treatment device puts the electrode active material for supercapacitor and nitrogen source solution, which are the materials to be treated, into a mold and applies high pressure to the electrode active material for supercapacitor and nitrogen due to the pressure generated by the fluid filled inside. A uniform force acts on all surfaces of the source solution, so that a heterogeneous element, that is, nitrogen, can be doped in a short time.

이러한 정수압 가압은 50 ~ 120℃의 반응 온도에서 7,000 kg/cm2 이하의 가압, 보다 구체적으로는 3,000 ~ 6,000kg/cm2 조건으로 실시하는 것이 바람직하다. 이러한 50 ~ 120℃의 반응 온도에서 7,000 kg/cm2 이하의 가압 조건으로 정수압 가압을 실시하게 되면, 60분 이내, 보다 구체적으로는 10 ~ 60분의 짧은 시간 내에 질소 도핑을 완료할 수 있게 된다.Such hydrostatic pressurization is preferably carried out under conditions of pressurization of 7,000 kg/cm 2 or less, more specifically, 3,000 to 6,000 kg/cm 2 at a reaction temperature of 50 to 120°C. When hydrostatic pressurization is performed under pressurization conditions of 7,000 kg/cm 2 or less at a reaction temperature of 50 to 120° C., nitrogen doping can be completed within 60 minutes, more specifically within a short time of 10 to 60 minutes. .

정수압 가압이 7,000 kg/cm2를 초과할 경우에는 과도한 압력으로 인하여 몰드에 손상이 가해질 우려가 있으므로, 정수압 가압의 상한치는 7,000 kg/cm2로 설정하는 것이 바람직하다.When the hydrostatic pressurization exceeds 7,000 kg/cm 2 , the mold may be damaged due to excessive pressure, so the upper limit of the hydrostatic pressurization is preferably set to 7,000 kg/cm 2 .

아울러, 정수압 가압시의 반응 온도가 50℃ 미만일 경우에는 높은 압력을 가하더라도 질소 도핑이 원활히 이루어지지 못하여, 질소 도핑 시간을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있다. 반대로, 정수압 가압시의 반응 온도가 120℃를 초과할 경우에는 더 이상의 효과 없이 제조 비용 및 시간만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.In addition, when the reaction temperature at the time of hydrostatic pressurization is less than 50° C., nitrogen doping cannot be performed smoothly even when a high pressure is applied, which may act as a factor in increasing the nitrogen doping time. Conversely, when the reaction temperature during hydrostatic pressurization exceeds 120° C., it is not economical because it may act as a factor that only increases manufacturing cost and time without further effect.

비활성 가스 분위기 열처리Heat treatment in an inert gas atmosphere

비활성 가스 분위기 열처리 단계(S40)에서는 정수압 가압이 완료된 몰드 내의 시료를 반응기에 1 ~ 100g을 투입하고, 비활성 가스 분위기에서 700 ~ 1,500℃ 조건으로 열처리하여, 질소가 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질을 형성한다. 여기서, 비활성 가스 분위기 열처리는 정수압 가압으로 질소 도핑을 실시한 후, 불순물을 제거하기 위해 실시된다. 이러한 비활성 가스 분위기를 생성하기 위해 사용되는 비활성 가스로는 Ar, N2 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In the inert gas atmosphere heat treatment step (S40), 1 to 100 g of the sample in the mold subjected to hydrostatic pressurization is put into a reactor, and heat treatment is performed under the condition of 700 to 1,500 ° C in an inert gas atmosphere to form a nitrogen-doped electrode active material for a supercapacitor. do. Here, heat treatment in an inert gas atmosphere is performed to remove impurities after performing nitrogen doping by hydrostatic pressurization. As the inert gas used to create such an inert gas atmosphere, at least one selected from Ar, N 2 , and the like may be used, but is not limited thereto.

또한, 비활성 가스 분위기 열처리가 끝난 후, 비활성 가스 분위기를 유지하면서, 상온까지 냉각하는 과정을 더 포함할 수 있다.In addition, after the heat treatment in an inert gas atmosphere is completed, a process of cooling to room temperature while maintaining an inert gas atmosphere may be further included.

전술한 본 발명의 실시예에 따른 정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법은 정수압 가압을 이용하여 전극활물질에 질소를 효과적으로 도핑하는 것에 의해, 전극활물질의 전기전도도를 향상시킬 수 있게 된다.The above-described method for manufacturing an electrode active material for a high power supercapacitor using hydrostatic pressurization according to an embodiment of the present invention can improve the electrical conductivity of the electrode active material by effectively doping nitrogen into the electrode active material using hydrostatic pressurization.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 슈퍼커패시터용 전극활물질을 슈퍼커패시터에 사용할 경우 전해액의 전하 전달을 용이하게 하여 고출력 특성을 구현할 수 있게 된다.Therefore, when the electrode active material for a supercapacitor manufactured by the method according to the embodiment of the present invention is used in a supercapacitor, it is possible to realize high power characteristics by facilitating charge transfer in the electrolyte solution.

이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 슈퍼커패시터용 전극활물질을 이용한 고출력 슈퍼커패시터는 50mA/cm2의 전류밀도 조건에서 90% 이상의 용량유지율을 나타낼 수 있게 된다.As a result, the high-power supercapacitor using the electrode active material for supercapacitor manufactured by the method according to the embodiment of the present invention can exhibit a capacity retention rate of 90% or more under the condition of a current density of 50 mA/cm 2 .

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법에 대하여 설명하도록 한다.Hereinafter, a high power supercapacitor using hydrostatic pressurization according to an embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof will be described with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.2 is a process flow chart showing a method for manufacturing a high-power supercapacitor using hydrostatic pressurization according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터 제조 방법은 슈퍼커패시터 전극용 조성물 형성 단계(S110), 전극 형태로 형성 단계(S120), 슈퍼커패시터 전극 형성 단계(S130) 및 전해액 함침 단계(S140)를 포함한다.As shown in FIG. 2, the method for manufacturing a high-power supercapacitor using hydrostatic pressurization according to an embodiment of the present invention includes forming a composition for a supercapacitor electrode (S110), forming an electrode shape (S120), and forming a supercapacitor electrode. (S130) and electrolyte impregnation step (S140).

슈퍼커패시터 전극용 조성물 형성Formation of composition for supercapacitor electrode

슈퍼커패시터 전극용 조성물 형성 단계(S110)에서는 전극활물질, 도전재 및 바인더를 분산매에 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조한다.In the step of forming a composition for a supercapacitor electrode (S110), a composition for a supercapacitor electrode is prepared by mixing an electrode active material, a conductive material, and a binder in a dispersion medium.

슈퍼커패시터 전극용 조성물은 전극활물질, 전극활물질 100 중량부에 대하여 도전재 1 ~ 20 중량부, 전극활물질 100 중량부에 대하여 바인더 1 ~ 20 중량부, 전극활물질 100 중량부에 대하여 분산매 100 ~ 300 중량부를 포함하는 것이 바람직하다.The composition for a supercapacitor electrode includes an electrode active material, 1 to 20 parts by weight of a conductive material based on 100 parts by weight of the electrode active material, 1 to 20 parts by weight of a binder based on 100 parts by weight of the electrode active material, and 100 to 300 parts by weight of a dispersion medium based on 100 parts by weight of the electrode active material. It is desirable to include wealth.

이러한 슈퍼커패시터 전극용 조성물은 반죽 상이므로 균일한 혼합(완전 분산)이 어려울 수 있는데, 플래니터리 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기(mixer)를 사용하여 소정 시간(예컨대, 10분 ~ 12시간) 동안 교반시키면 전극 제조에 적합한 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 얻을 수 있다. 플래니터리 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기는 균일하게 혼합된 슈퍼커패시터 전극용 조성물의 제조를 가능케 한다.Such a composition for a supercapacitor electrode may be difficult to uniformly mix (completely disperse) because it is in the form of dough, and it may be difficult to mix it uniformly (completely disperse) for a predetermined time (eg, 10 minutes to 12 hours) using a mixer such as a planetary mixer. While stirring, a composition for a supercapacitor electrode suitable for manufacturing an electrode can be obtained. A mixer such as a planetary mixer enables the preparation of a uniformly mixed composition for a supercapacitor electrode.

전극활물질은 도 1을 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법에 의해 제조된 것이 이용된다. 이와 같이, 본 발명의 전극활물질은 정수압 가압을 이용하여 전극활물질의 전 표면에 질소가 균일하게 도핑된 것을 이용하는 것에 의해, 전극활물질의 전기전도도를 향상시킬 수 있어 전해액의 전하 전달을 용이하게 하여 고출력 특성을 발휘할 수 있게 된다.As the electrode active material, one manufactured by the method for manufacturing an electrode active material for a high power supercapacitor using hydrostatic pressure according to an embodiment of the present invention described with reference to FIG. 1 is used. As described above, the electrode active material of the present invention is uniformly doped with nitrogen on the entire surface of the electrode active material using hydrostatic pressurization, thereby improving the electrical conductivity of the electrode active material and facilitating charge transfer in the electrolyte solution, resulting in high output characteristics can be exhibited.

바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene), 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF; polyvinylidenefloride), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC; carboxymethylcellulose), 폴리비닐알코올(PVA; poly vinyl alcohol), 폴리비닐부티랄(PVB; poly vinyl butyral), 폴리비닐피롤리돈(PVP; poly-N-vinylpyrrolidone), 스티렌부타디엔고무(SBR; styrene butadiene rubber), 폴리아마이드-이미드(Polyamide-imide), 폴리이미드(polyimide) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.Binders include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidenefloride (PVdF), carboxymethylcellulose (CMC), polyvinyl alcohol (PVA), and polyvinyl butyral (PVB). ; poly vinyl butyral), polyvinylpyrrolidone (PVP; poly-N-vinylpyrrolidone), styrene butadiene rubber (SBR; styrene butadiene rubber), polyamide-imide, polyimide, etc. One selected type or a mixture of two or more types may be used.

도전재는 화학 변화를 야기하지 않는 전자 전도성 재료이면 특별히 제한되지 않으며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 슈퍼-피(Super-P) 블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등이 가능하다.The conductive material is not particularly limited as long as it is an electron conductive material that does not cause chemical change, and examples thereof include natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, Ketjen black, Super-P black, carbon fiber, copper, nickel, Metal powder or metal fiber, such as aluminum and silver, is possible.

분산매는 에탄올(EtOH), 아세톤, 이소프로필알콜, N-메틸피롤리돈(NMP), 프로필렌글리콜(PG) 등의 유기 용매 또는 물을 사용할 수 있다.As the dispersion medium, an organic solvent such as ethanol (EtOH), acetone, isopropyl alcohol, N-methylpyrrolidone (NMP), or propylene glycol (PG) or water may be used.

전극 형태로 형성formed in the form of an electrode

전극 형태로 형성 단계(S120)에서는 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성한다.In the step of forming an electrode (S120), the composition for a supercapacitor electrode is compressed to form an electrode, the composition for a supercapacitor electrode is coated on a metal foil to form an electrode, or the composition for a supercapacitor electrode is pushed with a roller to form a sheet. It is made into a state and attached to a metal foil or a current collector to form an electrode form.

전극 형태로 형성하는 단계의 예를 보다 구체적으로 설명하면, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤프레스 성형기를 이용하여 압착하여 성형할 수 있다. 롤프레스 성형기는 압연을 통한 전극밀도 향상 및 전극의 두께 제어를 목적으로 하고 있으며, 상단과 하단의 롤과 롤의 두께 및 가열 온도를 제어할 수 있는 컨트롤러와, 전극을 풀어주고 감아줄 수 있는 와인딩부로 구성된다. 롤 상태의 전극이 롤프레스를 지나면서 압연공정이 진행되고, 이것이 다시 롤 상태로 감겨서 전극이 완성된다. 이때, 프레스의 가압 압력은 5 ~ 20 ton/㎠로 롤의 온도는 0 ~ 150℃로 하는 것이 바람직하다.To describe an example of the step of forming the electrode shape in more detail, the composition for a supercapacitor electrode may be compressed and molded using a roll press molding machine. The purpose of the roll press molding machine is to improve electrode density and control the thickness of electrodes through rolling. consists of parts As the rolled electrode passes through the roll press, the rolling process proceeds, and this is wound into a roll again to complete the electrode. At this time, the pressing pressure of the press is preferably 5 to 20 ton/cm 2 and the temperature of the roll is 0 to 150° C.

또한, 전극 형태로 형성하는 다른 예를 살펴보면, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 티타늄 호일(Ti foil), 알루미늄 호일(Al foil), 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil)과 같은 금속 호일(metal foil)에 코팅하거나, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일 또는 금속 집전체에 붙여서 전극 형상으로 제조할 수도 있다. 여기서, 알루미늄 에칭 호일이라 함은 알루미늄 호일을 요철 모양으로 에칭한 것을 의미한다.In addition, looking at another example in the form of an electrode, the composition for a supercapacitor electrode is coated on a metal foil such as titanium foil, aluminum foil, or aluminum etching foil. Alternatively, the composition for a supercapacitor electrode may be pushed with a roller to form a sheet (rubber type) and attached to a metal foil or a metal current collector to form an electrode shape. Here, the aluminum etching foil means that the aluminum foil is etched in a concavo-convex shape.

슈퍼커패시터 전극 형성Formation of supercapacitor electrodes

슈퍼커패시터 전극 형성 단계(S130)에서는 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성한다.In the supercapacitor electrode forming step (S130), a supercapacitor electrode is formed by drying the product formed in the form of an electrode.

프레스 압착 공정을 거친 슈퍼커패시터 전극용 조성물은 건조 공정을 거친다. 건조 공정은 100℃ ~ 350℃, 바람직하게는 150℃ ~ 300℃의 온도에서 수행된다. 이때, 건조 온도가 100℃ 미만인 경우 분산매의 증발이 어려워 바람직하지 않으며, 350℃를 초과하는 고온 건조 시에는 도전재의 산화가 일어날 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 건조 온도는 적어도 100℃ 이상이고, 350℃를 넘지 않는 것이 바람직하다. 그리고, 건조 공정은 위와 같은 온도에서 10분 ~ 6시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 성형된 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 슈퍼커패시터 전극의 강도를 향상시킨다.The composition for a supercapacitor electrode that has undergone the press pressing process is subjected to a drying process. The drying process is performed at a temperature of 100 ° C to 350 ° C, preferably 150 ° C to 300 ° C. At this time, when the drying temperature is less than 100 ° C., it is difficult to evaporate the dispersion medium, which is not preferable, and when drying at a high temperature exceeding 350 ° C., oxidation of the conductive material may occur. Therefore, the drying temperature is preferably at least 100°C or higher and does not exceed 350°C. And, it is preferable to proceed with the drying process for 10 minutes to 6 hours at the same temperature as above. In this drying process, the molded supercapacitor electrode composition is dried (dispersion medium evaporation) and at the same time the powder particles are bound to improve the strength of the supercapacitor electrode.

한편, 전극 형태로 형성하는 다른 예에 의해 전극을 형성한 경우에는 100 ~ 250℃, 바람직하게는 150 ~ 200℃의 온도 조건으로 건조하는 것이 바람직하다.On the other hand, when the electrode is formed by another example formed in the form of an electrode, it is preferable to dry at a temperature condition of 100 to 250 ° C, preferably 150 to 200 ° C.

전해액 함침electrolyte impregnation

전해액 함침 단계(S140)에서는 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 양극과 음극 사이에 양극과 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 양극 및 음극을 슈퍼커패시터의 전해액에 함침시킨다.In the electrolyte impregnation step (S140), supercapacitor electrodes are used as anodes and cathodes, a separator is placed between the anodes and cathodes to prevent a short circuit between the anodes and cathodes, and the anodes and cathodes are impregnated with the electrolyte of the supercapacitor.

여기서, 슈퍼커패시터의 전해액은비수계 전해액과, 비수계 전해액 100 중량부에 대하여, 1 ~ 25 중량부로 첨가된 이온성 액체를 포함할 수 있다.Here, the electrolyte of the supercapacitor may include a non-aqueous electrolyte and an ionic liquid added in an amount of 1 to 25 parts by weight based on 100 parts by weight of the non-aqueous electrolyte.

상기의 과정(S110 ~ S140)에 의해 제조되는 코인형 슈퍼커패시터는 정수압 가압을 이용하여 전극활물질의 전 표면에 질소가 균일하게 도핑된 것이 적용됨으로써, 전극활물질의 전기전도도를 크게 향상시킬 수 있어, 전해액의 전하 전달을 용이하게 하여 고출력 특성을 발휘할 수 있게 된다.The coin-type supercapacitor manufactured by the above processes (S110 to S140) is uniformly doped with nitrogen on the entire surface of the electrode active material using hydrostatic pressure, so that the electrical conductivity of the electrode active material can be greatly improved. It is possible to exhibit high output characteristics by facilitating charge transfer of the electrolyte.

이에 대해서는 이하 첨부된 도면들을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.This will be described in more detail with reference to the accompanying drawings below.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 코인형 슈퍼커패시터를 나타낸 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing a coin-type supercapacitor according to an embodiment of the present invention.

도 3에서 도면부호 190은 도전체로서의 금속캡이고, 도면부호 160은 양극(120)과 음극(110) 간의 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)이며, 도면부호 192는 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓이다. 이때, 양극(120)과 음극(110)은 금속캡(190)과 접착제에 의해 견고하게 고정된다.In FIG. 3, reference numeral 190 denotes a metal cap as a conductor, reference numeral 160 denotes a separator made of a porous material for insulating and preventing a short circuit between the anode 120 and the cathode 110, and reference numeral 192 denotes electrolyte leakage. It is a gasket for insulation and short circuit prevention. At this time, the positive electrode 120 and the negative electrode 110 are firmly fixed by the metal cap 190 and the adhesive.

코인형 슈퍼커패시터는 양극(120) 및 음극(110)과, 양극(120) 및 음극(110) 사이에 배치되고 양극(120)과 음극(120)의 단락을 방지하기 위한 분리막(seperator)(160)을 금속캡(190) 내에 배치하고, 양극(120)와 음극(110) 사이에 전해액을 주입한 후, 가스켓(192)으로 밀봉하여 제조할 수 있다.The coin-type supercapacitor has a positive electrode 120 and a negative electrode 110, and a separator 160 disposed between the positive electrode 120 and the negative electrode 110 to prevent a short circuit between the positive electrode 120 and the negative electrode 120. ) can be placed in the metal cap 190, an electrolyte solution is injected between the anode 120 and the cathode 110, and then sealed with a gasket 192.

분리막(160)은 폴리올레핀, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등 배터리 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.The separator 160 is not particularly limited as long as it is a separator generally used in the battery field, such as polyolefin, polyethylene, or polypropylene.

한편, 도 4 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 권취형 슈퍼커패시터를 나타낸 모식도로, 이를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 권취형 슈퍼커패시터를 제조하는 방법을 구체적으로 설명한다.Meanwhile, FIGS. 4 to 7 are schematic diagrams showing a wound-type supercapacitor according to another embodiment of the present invention, and a method of manufacturing the wound-type supercapacitor according to another embodiment of the present invention will be described in detail with reference to these diagrams.

슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 제조하는 방법은 앞서 설명한 방법과 동일하다.Methods for preparing the anode and cathode compositions for supercapacitors are the same as those described above.

슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 구리 호일(Cu foil), 알루미늄 호일(Al foil), 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil)과 같은 금속 호일(metal foil)에 코팅하거나, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 양극 및 음극 형상으로 제조한다. 이러한 공정을 거친 양극 및 음극 형상에 대하여 건조 공정을 거친다. 건조 공정은 100 ~ 350℃, 바람직하게는 150 ~ 300℃의 온도에서 수행된다. 이때, 건조 온도가 100℃ 미만인 경우 분산매의 증발이 어려워 바람직하지 않으며, 350℃를 초과하는 고온 건조 시에는 도전재의 산화가 일어날 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 건조 온도는 적어도 100℃ 이상이고, 350℃를 넘지 않는 것이 바람직하다.Anode and cathode compositions for supercapacitors are coated on metal foil such as Cu foil, Al foil, and aluminum etching foil, or the composition for supercapacitor electrodes is applied with a roller. It is made into a sheet state (rubber type) by pushing and attached to a metal foil or a current collector to form an anode and a cathode. A drying process is performed for the anode and cathode shapes that have undergone this process. The drying process is performed at a temperature of 100 to 350°C, preferably 150 to 300°C. At this time, when the drying temperature is less than 100 ° C., it is difficult to evaporate the dispersion medium, which is not preferable, and when drying at a high temperature exceeding 350 ° C., oxidation of the conductive material may occur. Therefore, the drying temperature is preferably at least 100°C or higher and does not exceed 350°C.

그리고, 건조 공정은 위와 같은 온도에서 10분 ~ 6시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 슈퍼커패시터 전극의 강도를 향상시킨다.And, it is preferable to proceed with the drying process for 10 minutes to 6 hours at the same temperature as above. In this drying process, the composition for the supercapacitor electrode is dried (evaporation of the dispersion medium) and at the same time, the strength of the supercapacitor electrode is improved by binding the powder particles.

도 4에 도시된 바와 같이, 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 금속 호일에 코팅하거나 시트 상태로 만들어 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 제조한 양극(120) 및 음극(110)에 각각 리드선(130, 140)을 부착한다. As shown in FIG. 4, lead wires 130 and 140 are attached to the positive electrode 120 and the negative electrode 110 prepared by coating the negative electrode and the positive electrode composition for a supercapacitor on metal foil or forming a sheet and attaching it to the metal foil or current collector. ) is attached.

다음으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 분리막(150), 양극(120), 제2 분리막(160) 및 음극(110)을 적층하고, 코일링(coling)하여 롤(roll) 형태의 권취소자(175)로 제작한 후, 롤(roll) 주위로 접착 테이프(170) 등으로 감아 롤 형태가 유지될 수 있게 한다.Next, as shown in FIG. 5, the first separator 150, the positive electrode 120, the second separator 160, and the negative electrode 110 are laminated and coiled to form a roll. After manufacturing the winding element 175, it is wound around the roll with an adhesive tape 170 or the like so that the roll shape can be maintained.

양극(120)과 음극(110) 사이에 구비된 제2 분리막(160)은 양극(120)과 음극(110)의 단락을 방지하는 역할을 한다. 제1 및 제2 분리막(150,160) 각각은 폴리올레핀, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등 배터리 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.The second separator 160 provided between the positive electrode 120 and the negative electrode 110 serves to prevent a short circuit between the positive electrode 120 and the negative electrode 110 . Each of the first and second separators 150 and 160 is not particularly limited as long as it is a separator generally used in the battery field, such as polyolefin, polyethylene, or polypropylene.

다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 롤(roll) 형태의 결과물에 실링 고무(sealing rubber)(180)를 장착하고, 금속캡(예컨대, 알루미늄 케이스)(190)에 삽착시킨다. Next, as shown in FIG. 6 , a sealing rubber 180 is mounted on the roll-shaped product and inserted into a metal cap (eg, an aluminum case) 190 .

롤 형태의 권취소자(175)가 함침되 전해액을 주입하고, 밀봉한다.The winding element 175 in the form of a roll is impregnated, injected with electrolyte, and sealed.

이와 같이, 제작된 슈퍼커패시터를 도 7에 개략적으로 나타내었다.As such, the fabricated supercapacitor is schematically shown in FIG. 7 .

상술한 바와 같이 제조된 슈퍼커패시터(100)는 양극(120)과 음극(110)이 서로 이격되게 배치되어 있고, 양극(120)과 음극(110) 사이에 양극(120)과 음극(110)의 단락을 방지하기 위한 분리막(150, 160)이 배치되며, 양극(120) 및 음극(110)은 전해액에 함침되어 있다.In the supercapacitor 100 manufactured as described above, the positive electrode 120 and the negative electrode 110 are spaced apart from each other, and the positive electrode 120 and the negative electrode 110 are disposed between the positive electrode 120 and the negative electrode 110. Separators 150 and 160 are disposed to prevent a short circuit, and the anode 120 and the cathode 110 are impregnated with electrolyte.

여기서, 전해액은, 비수계 전해액과, 비수계 전해액 100 중량부에 대하여 이온성 액체 1 ~ 25 중량부를 포함하며, 비수계 전해액은 유기용매와, 리튬 염 LiPF6(lithium hexafluorophosphate), LiBF4(lithium tetrafluoroborate), LiClO4(lithium perchlorate), LiFSI(lithium bis(fluorosulfonyl)imide)와, 소듐 염 NaPF6(sodium hexafluorophosphate), NaDFOB(sodium difluoro(oxalate)borate)와, 포타슘 염 KFSI(potassium bis(fluorosulfonyl)imide), KPF6(potassium hexafluorophosphate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전해질 염을 포함한다. 유기용매는 아세토니트릴(acetonitrile), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란, 부티로락톤 및 디메틸포름아미드으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.Here, the electrolyte includes a non-aqueous electrolyte and 1 to 25 parts by weight of an ionic liquid based on 100 parts by weight of the non-aqueous electrolyte, and the non-aqueous electrolyte includes an organic solvent, lithium salt LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate), LiBF 4 (lithium tetrafluoroborate), LiClO 4 (lithium perchlorate), LiFSI (lithium bis(fluorosulfonyl)imide), sodium salt NaPF 6 (sodium hexafluorophosphate), NaDFOB (sodium difluoro(oxalate)borate), potassium salt KFSI (potassium bis(fluorosulfonyl) imide), and at least one electrolyte salt selected from the group consisting of KPF 6 (potassium hexafluorophosphate). The organic solvent is acetonitrile, propylene carbonate, ethylene carbonate, ethylmethyl carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, tetrahydrofuran, 1,2-dioxane, 2 - It may contain one or more substances selected from the group consisting of methyltetrahydrofuran, butyrolactone and dimethylformamide.

이온성 액체는 BMITf2N(1-Butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), EMITFSI(1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), BMIMBF4(1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMBF4(1-Methyl-3-octylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMTf2N(1-Methyl-3-octylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), MEMPBF4(N-(2-Methoxyethyl)-N-methylpyrrolidinium tetraflioroborate) 및 DEMEBF4(N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium tetraflioroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.Ionic liquids include BMITf 2 N (1-Butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), EMITFSI (1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), BMIMBF 4 (1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMBF 4 ( 1-Methyl-3-octylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMTf 2 N (1-Methyl-3-octylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), MEMPBF 4 (N-(2-Methoxyethyl)-N-methylpyrrolidinium tetrafluoroborate) and DEMEBF 4 (N,N-Diethyl- N-methyl-N- (2-methoxyethyl) ammonium tetraflioroborate) may include one or more materials selected from the group consisting of.

실시예Example

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail through preferred embodiments of the present invention. However, this is presented as a preferred example of the present invention and cannot be construed as limiting the present invention by this in any sense.

여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.Contents not described herein can be technically inferred by those skilled in the art, so descriptions thereof will be omitted.

1. 시료 제조1. Sample Preparation

실시예 1Example 1

슈퍼커패시터용 전극활물질 제조Manufacture of electrode active materials for supercapacitors

상용 활성탄인 CEP21KS에 질소를 도입하기 위해 엘라스토머 몰드에 CEP21KS 10g과, 우레아 5g 및 에탄올 50mL의 혼합 용액인 질소 소스 용액을 투입하고, 700rpm의 속도로 6시간 동안 교반하였다.In order to introduce nitrogen into CEP21KS, a commercially available activated carbon, a nitrogen source solution, which is a mixed solution of 10 g of CEP21KS, 5 g of urea, and 50 mL of ethanol, was added to an elastomer mold, and stirred at 700 rpm for 6 hours.

다음으로, 교반이 완료된 엘라스토머 몰드를 정수압 가압 장치에 넣어 후, 반응 온도 120℃에서 5,000kg/cm2까지 30분 동안 가압하였다. 정수압 가압이 완료된 시료를 알루미나 반응기에 담고 N2 분위기에서 열처리기를 사용하여 900℃로 열처리하였다.Next, after the stirring was completed, the elastomer mold was put into a hydrostatic pressurization device, and then pressurized for 30 minutes from a reaction temperature of 120° C. to 5,000 kg/cm 2 . The sample subjected to hydrostatic pressurization was placed in an alumina reactor and heat-treated at 900° C. using a heat-treater in N 2 atmosphere.

다음으로, 열처리가 끝난 뒤, N2 분위기를 유지하여 상온(15℃)까지 냉각하여 질소가 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질 시료를 제조하였다.Next, after the heat treatment was completed, the sample was cooled to room temperature (15° C.) in an N 2 atmosphere to prepare a nitrogen-doped electrode active material sample for a supercapacitor.

고출력 슈퍼커패시터 제조Manufacture of high-power supercapacitors

질소가 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질 0.9g, 도전재인 카본블랙(super-p) 0.05g, 바인더인 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 0.05g을 분산매인 에탄올에 넣고, 플래니터리 믹서(planetary mixer)로 3분간 혼합하여 슬러리로 제조한 뒤, 손반죽 8회를 진행하여 슈퍼커패시터용 전극 조성물을 제조하였다.Put 0.9g of nitrogen-doped electrode active material for supercapacitor, 0.05g of carbon black (super-p) as a conductive material, and 0.05g of PTFE (Polytetrafluoroethylene) as a binder into ethanol as a dispersion medium, and mix with a planetary mixer for 3 minutes. After mixing to prepare a slurry, hand kneading was performed 8 times to prepare an electrode composition for a supercapacitor.

다음으로, 슈퍼커패시터용 전극 조성물을 가압 압력 10 ton/㎠ 및 롤 온도 60℃ 조건으로 롤프레스로 압연 공정을 실시하여 시트 상태로 만들어 집전체에 붙인 후, 150℃의 진공 건조대에 넣고 12시간 건조시켜 150㎛ 두께의 슈퍼커패시터용 전극을 제조하였다.Next, the electrode composition for supercapacitor is rolled with a roll press at a pressurized pressure of 10 ton/cm 2 and a roll temperature of 60° C. to form a sheet and attached to the current collector, then placed in a vacuum dryer at 150° C. and dried for 12 hours. to prepare electrodes for supercapacitors with a thickness of 150 μm.

다음으로, 진공 건조된 슈퍼커패시터용 전극을 음극 및 양극으로 각각 이용하고, 2032 코인 셀(2032 coin cell)로 조립한 후, 전해액을 함침시켜 슈퍼커패시터를 제조하였다. 이때, 사용한 분리막은 TF4035이고, 전해액은 슈퍼커패시터용 전해액인 1 M TEABF4/ACN이다.Next, the vacuum-dried supercapacitor electrode was used as a cathode and an anode, respectively, assembled into a 2032 coin cell, and then impregnated with an electrolyte to prepare a supercapacitor. At this time, the separator used was TF4035, and the electrolyte was 1 M TEABF 4 /ACN, an electrolyte for supercapacitors.

비교예 1Comparative Example 1

상용 활성탄인 CEP21KS에 질소 도핑을 실시하는 것 없이, 상용 활성탄인 CEP21KS를 슈퍼커패시터용 전극활물질로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 슈퍼커패시터를 제조하였다.A supercapacitor was manufactured in the same manner as in Example 1, except that CEP21KS, a commercially available activated carbon, was used as an electrode active material for the supercapacitor, without nitrogen doping the commercially available activated carbon, CEP21KS.

2. XPS 분석2. XPS analysis

표 1은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터용 전극활물질에 대한 XPS 분석 결과를 나타낸 것이다. 도 8은 비교예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터용 전극활물질의 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프이고, 도 9는 실시예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터용 전극활물질의 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프이다.Table 1 shows the results of XPS analysis of the electrode active materials for supercapacitors prepared according to Example 1 and Comparative Example 1. 8 is a graph showing the results of XPS analysis of the electrode active material for a supercapacitor prepared according to Comparative Example 1, and FIG. 9 is a graph showing the result of XPS analysis of the electrode active material for a supercapacitor prepared according to Example 1.

[표 1][Table 1]

Figure 112021093051331-pat00001
Figure 112021093051331-pat00001

표 1 및 도 8에 도시된 바와 같이, XPS 분석 결과에서 알 수 있듯이, 비교예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터용 전극활물질은 질소가 검출되지 않았다.As shown in Table 1 and FIG. 8, as can be seen from the results of the XPS analysis, nitrogen was not detected in the electrode active material for a supercapacitor prepared according to Comparative Example 1.

반면, 표 1 및 도 9에 도시된 바와 같이, XPS 분석 결과에서 알 수 있듯이, 실시예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터용 전극활물질은 정수압 가압으로 질소를 도핑하는 것에 의해, 질소가 검출된 것을 확인할 수 있다.On the other hand, as shown in Table 1 and FIG. 9, as can be seen from the results of the XPS analysis, it can be confirmed that the electrode active material for a supercapacitor prepared according to Example 1 is doped with nitrogen by hydrostatic pressurization, and nitrogen is detected. can

3. 전기화학성능 평가3. Electrochemical performance evaluation

표 2는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터에 대한 전기전도도 측정 결과를 나타낸 것이다. 또한, 도 10은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 전류밀도별 비정전용량 값을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.Table 2 shows the electrical conductivity measurement results of the supercapacitors prepared according to Example 1 and Comparative Example 1. 10 is a graph showing the results of measuring the specific capacitance values for each current density of the supercapacitors manufactured according to Example 1 and Comparative Example 1.

이때, 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 축전비용량, 다양한 전류밀도에 따른 비율 특성, 누설전류, 그리고 방전 시 전압 강하(IR-drop) 등의 측정을 위하여 정전류 충방전법(Galvanostatic Charge/Discharge test)을 진행하였다. 측정을 위하여 사용된 장비는 Potentiostat(VSP, EC-Lab, France)를 사용하였으며, 상온에서 0 ~ 2.7V 전압범위로 0.5, 1, 2, 5, 10, 20, 30, 50 mA/cm2 의 다양한 전류밀도에서 전기화학성능을 측정하였다.At this time, the constant current charging and discharging method was used to measure the capacitance of the supercapacitors prepared according to Example 1 and Comparative Example 1, ratio characteristics according to various current densities, leakage current, and voltage drop (IR-drop) during discharge. (Galvanostatic Charge/Discharge test) was performed. The equipment used for the measurement was a Potentiostat (VSP, EC-Lab, France), and the voltage range of 0 ~ 2.7V at room temperature was 0.5, 1, 2, 5, 10, 20, 30, 50 mA/cm 2 of The electrochemical performance was measured at various current densities.

[표 2][Table 2]

Figure 112021093051331-pat00002
Figure 112021093051331-pat00002

표 2에 도시된 바와 같이, 전기전도도 측정 결과, 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터에 대한 전기전도도 비교 결과, 실시예 1의 경우가 비교예 1에 비하여 전반적으로 전기전도도가 개선된 것을 확인할 수 있다.As shown in Table 2, as a result of measuring the electrical conductivity and comparing the electrical conductivity of the supercapacitors manufactured according to Example 1 and Comparative Example 1, the electrical conductivity of Example 1 was generally improved compared to Comparative Example 1. can confirm what has happened.

아울러, 도 10에 도시된 바와 같이, 0.5, 1, 2, 5, 10, 20, 30, 50 mA/cm2 의 다양한 전류밀도에서 전기화학성능을 측정한 결과에서도 알 수 있듯이, 실시예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터가 비교예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터에 비하여 전류밀도별 비정전용량 값이 높게 측정된 것을 확인할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 10, as can be seen from the results of measuring the electrochemical performance at various current densities of 0.5, 1, 2, 5, 10, 20, 30, and 50 mA/cm 2 , Example 1 It can be seen that the specific capacitance value for each current density was measured higher than that of the supercapacitor manufactured according to Comparative Example 1.

위의 실험 결과를 통해 알 수 있듯이, 정수압 가압을 이용하여 질소를 전극활물질의 전체 표면에 균일하게 도핑한 실시예 1의 경우, 전극활물질의 전기전도도 향상으로 전해액의 전하 전달을 용이하게 하여 고출력 특성을 발휘한다는 것을 입증하였다.As can be seen from the above experimental results, in the case of Example 1 in which nitrogen was uniformly doped on the entire surface of the electrode active material using hydrostatic pressurization, the electrical conductivity of the electrode active material was improved to facilitate charge transfer of the electrolyte, resulting in high output characteristics demonstrated that it works.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.Although the above has been described based on the embodiments of the present invention, various changes or modifications may be made at the level of a technician having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs. Such changes and modifications can be said to belong to the present invention as long as they do not deviate from the scope of the technical idea provided by the present invention. Therefore, the scope of the present invention will be determined by the claims described below.

S10 : 슈퍼커패시터용 전극활물질 준비 단계
S20 : 질소 소스 용액 준비 단계
S30 : 정수압 가압으로 질소 도핑 단계
S40 : 비활성 가스 분위기 열처리 단계
S10: Electrode active material preparation step for supercapacitor
S20: Nitrogen source solution preparation step
S30: Nitrogen doping step by hydrostatic pressurization
S40: Inert gas atmosphere heat treatment step

Claims (14)

(a) 슈퍼커패시터용 전극활물질을 준비하는 단계;
(b) 질소 소스 용액을 준비하는 단계; 및
(c) 상기 슈퍼커패시터용 전극활물질에 정수압 가압 방식으로 질소 소스 용액을 반응시켜 상기 슈퍼커패시터용 전극활물질에 질소를 도핑하는 단계;를 포함하며,
상기 (c) 단계는, (c-1) 몰드에 전극활물질 1 ~ 100g과 질소 소스 0.5 ~ 50g을 용매 5 ~ 500mL에 용해시킨 질소 소스 용액을 공급하고, 교반하는 단계; 및 (c-2) 상기 교반이 완료된 몰드를 정수압 가압 장치에 투입하여 정수압 가압을 실시하는 단계;를 포함하고,
상기 (c-2) 단계에서, 상기 정수압 가압은 50 ~ 120℃의 반응 온도에서 3,000 ~ 6,000kg/cm2의 가압 조건으로 10 ~ 60분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법.
(a) preparing an electrode active material for a supercapacitor;
(b) preparing a nitrogen source solution; and
(c) doping the electrode active material for the supercapacitor with nitrogen by reacting a nitrogen source solution with the electrode active material for the supercapacitor in a hydrostatic pressurization method;
The step (c) includes (c-1) supplying a nitrogen source solution in which 1 to 100 g of the electrode active material and 0.5 to 50 g of a nitrogen source are dissolved in 5 to 500 mL of a solvent to the mold and stirring; and (c-2) injecting the agitated mold into a hydrostatic pressurization device to perform hydrostatic pressurization;
In the step (c-2), the hydrostatic pressurization is performed for 10 to 60 minutes under a pressurization condition of 3,000 to 6,000kg/cm 2 at a reaction temperature of 50 to 120 °C. Electrode active material manufacturing method.
제1항에 있어서,
상기 슈퍼커패시터용 전극활물질은
그래핀(Graphene), 탄소나노튜브(Carbon nanotubes) 및 활성탄(Activated carbons) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법.
According to claim 1,
The electrode active material for the supercapacitor is
A method for manufacturing an electrode active material for a high-power supercapacitor using hydrostatic pressure, characterized in that it comprises at least one selected from among graphene, carbon nanotubes, and activated carbons.
제1항에 있어서,
상기 질소 소스 용액은
질소 소스; 및
상기 질소 소스를 용해시키기 위한 용매;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법.
According to claim 1,
The nitrogen source solution is
nitrogen source; and
a solvent for dissolving the nitrogen source;
Method for producing an electrode active material for a high-power supercapacitor using hydrostatic pressure, characterized in that it comprises a.
제1항에 있어서,
상기 질소 소스와 용매는
1 : 5 ~ 1 : 15 부피비로 첨가하는 것을 특징으로 하는 정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법.
According to claim 1,
The nitrogen source and solvent are
A method for manufacturing an electrode active material for a high-power supercapacitor using hydrostatic pressure, characterized in that it is added in a volume ratio of 1: 5 to 1: 15.
제1항에 있어서,
상기 질소 소스는
우레아(Urea), 멜라민(Melamine), 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile), 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리피롤(Polypyrrole), 폴리로다닌(Polyrhodanine), 퓨린(Purine), 아데닌(Adenine), 구아닌(Guanine), 히포크산틴(Hypoxanthine), 산틴(Xanthine), 테오브로민(Theobromine) 및 카페인(Caffeine) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법.
According to claim 1,
The nitrogen source is
Urea, Melamine, Polyacrylonitrile, Polyaniline, Polypyrrole, Polyrhodanine, Purine, Adenine, Guanine, A method for manufacturing an electrode active material for a high-power supercapacitor using hydrostatic pressure, characterized in that it contains at least one selected from hypoxanthine, xanthine, theobromine and caffeine.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 (c) 단계 이후,
(d) 상기 정수압 가압이 완료된 몰드 내의 시료를 반응기에 1 ~ 100g을 투입하고, 비활성 가스 분위기에서 700 ~ 1,500℃ 조건으로 열처리하여, 질소가 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질을 형성하는 단계; 및
(e) 상기 열처리가 끝난 후, 상기 비활성 가스 분위기를 유지하면서, 상온까지 냉각하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법.
According to claim 1,
After step (c),
(d) injecting 1 to 100 g of the sample in the mold in which the hydrostatic pressure has been completed into a reactor and heat-treating the sample in an inert gas atmosphere at 700 to 1,500 ° C to form a nitrogen-doped electrode active material for a supercapacitor; and
(e) cooling to room temperature while maintaining the inert gas atmosphere after the heat treatment is finished;
Method for producing an electrode active material for a high-power supercapacitor using hydrostatic pressurization, characterized in that it further comprises.
제8항에 있어서,
상기 (e) 단계 이후,
상기 질소가 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질은
전체 100 원자%에 대하여, 상기 질소가 0.5 ~ 2.0 원자%로 도핑된 것을 특징으로 하는 정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법.
According to claim 8,
After step (e),
The electrode active material for a supercapacitor doped with nitrogen is
A method for producing an electrode active material for a high-power supercapacitor using hydrostatic pressurization, characterized in that the nitrogen is doped at 0.5 to 2.0 atomic% with respect to the total 100 atomic%.
음극활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 음극;
상기 음극과 이격 배치되며, 양극활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 양극;
상기 음극 및 양극 사이에 배치되어, 상기 음극과 양극의 단락을 방지하기 위한 분리막; 및
상기 음극 및 양극에 함침된 전해액;을 포함하며,
상기 음극활물질 및 양극활물질 중 적어도 하나는, 제1항 내지 제5항과 제8항 내지 제9항 중 어느 한 항에 의해 제조된 질소가 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질이 이용되고,
상기 질소가 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질은 50 ~ 120℃의 반응 온도에서 3,000 ~ 6,000kg/cm2의 가압 조건으로 10 ~ 60분 동안 실시되는 정수압 가압을 이용하여 질소가 도핑되는 것에 의해,
상기 질소가 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질은 전체 100 원자%에 대하여, 상기 질소가 0.5 ~ 2.0 원자%로 도핑된 것을 특징으로 하는 정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터.
A negative electrode including a negative electrode active material, a conductive material and a binder;
a positive electrode disposed spaced apart from the negative electrode and including a positive electrode active material, a conductive material, and a binder;
a separator disposed between the negative electrode and the positive electrode to prevent a short circuit between the negative electrode and the positive electrode; and
Including; electrolyte impregnated in the cathode and anode,
At least one of the negative electrode active material and the positive electrode active material is an electrode active material for a supercapacitor doped with nitrogen prepared by any one of claims 1 to 5 and 8 to 9,
The nitrogen-doped electrode active material for a supercapacitor is nitrogen-doped using hydrostatic pressurization performed at a reaction temperature of 50 to 120 ° C. and a pressurization condition of 3,000 to 6,000 kg / cm 2 for 10 to 60 minutes,
The nitrogen-doped electrode active material for a supercapacitor is doped with 0.5 to 2.0 atomic % of nitrogen with respect to a total of 100 atomic %.
삭제delete 제10항에 있어서,
상기 고출력 슈퍼커패시터는
50mA/cm2의 전류밀도 조건에서 90% 이상의 용량유지율을 나타내는 것을 특징으로 하는 정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터.
According to claim 10,
The high-power supercapacitor
A high-power supercapacitor using hydrostatic pressurization, characterized in that it exhibits a capacity retention rate of 90% or more under a current density condition of 50 mA / cm 2 .
(a) 전극활물질, 도전재 및 바인더를 분산매에 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계;
(b) 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계;
(c) 상기 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성하는 단계; 및
(d) 상기 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 음극 사이에 상기 양극과 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 전해액에 함침시키는 단계;를 포함하며,
상기 (a) 단계에서, 상기 전극활물질은, 제1항 내지 제5항과 제8항 내지 제9항 중 어느 한 항에 의해 제조된 질소가 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질을 이용하고,
상기 질소가 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질은 50 ~ 120℃의 반응 온도에서 3,000 ~ 6,000kg/cm2의 가압 조건으로 10 ~ 60분 동안 실시되는 정수압 가압을 이용하여 질소가 도핑되는 것에 의해,
상기 질소가 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질은 전체 100 원자%에 대하여, 상기 질소가 0.5 ~ 2.0 원자%로 도핑된 것을 특징으로 하는 정수압 가압을 이용한 고출력 슈퍼커패시터 제조 방법.
(a) preparing a composition for a supercapacitor electrode by mixing an electrode active material, a conductive material, and a binder in a dispersion medium;
(b) pressing the composition for a supercapacitor electrode to form an electrode, coating the composition for a supercapacitor electrode on a metal foil to form an electrode, or pushing the composition for a supercapacitor electrode with a roller to form a sheet Forming an electrode form by attaching it to a metal foil or a current collector;
(c) forming a supercapacitor electrode by drying the product formed in the form of the electrode; and
(d) using the supercapacitor electrode as an anode and a cathode, disposing a separator between the anode and cathode to prevent a short circuit between the anode and cathode, and impregnating the anode with an electrolyte,
In the step (a), the electrode active material for a supercapacitor doped with nitrogen prepared by any one of claims 1 to 5 and 8 to 9 is used,
The nitrogen-doped electrode active material for a supercapacitor is nitrogen-doped using hydrostatic pressurization performed for 10 to 60 minutes at a reaction temperature of 50 to 120° C. under a pressurization condition of 3,000 to 6,000 kg/cm 2 ,
The nitrogen-doped electrode active material for a supercapacitor is doped with nitrogen in an amount of 0.5 to 2.0 atomic% with respect to a total of 100 atomic%.
삭제delete
KR1020210106485A 2021-08-12 2021-08-12 Manufacturing method of electrode active material for supercapacitor using hydrostatic pressurization and high power supercapacitor using the same and method of manufacturing thereof KR102540653B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210106485A KR102540653B1 (en) 2021-08-12 2021-08-12 Manufacturing method of electrode active material for supercapacitor using hydrostatic pressurization and high power supercapacitor using the same and method of manufacturing thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210106485A KR102540653B1 (en) 2021-08-12 2021-08-12 Manufacturing method of electrode active material for supercapacitor using hydrostatic pressurization and high power supercapacitor using the same and method of manufacturing thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230024561A KR20230024561A (en) 2023-02-21
KR102540653B1 true KR102540653B1 (en) 2023-06-05

Family

ID=85328371

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210106485A KR102540653B1 (en) 2021-08-12 2021-08-12 Manufacturing method of electrode active material for supercapacitor using hydrostatic pressurization and high power supercapacitor using the same and method of manufacturing thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102540653B1 (en)

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101274991B1 (en) * 2011-09-28 2013-07-30 재단법인 포항산업과학연구원 The method for manufacturing nitrogen doped graphene electrode for capacitor, electrode and electric double layer capacitor using the same
KR20200129519A (en) * 2019-05-09 2020-11-18 주식회사 엘지화학 Electrode for lithium sulfur battery and lithium sulfur battery comprising the same

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
K. Krylova et al., ‘Effect of Nanoparticle Size on the Mechanical Strength of Ni-Graphene Composites,’Materials 2021, 14, 3087 (2021,06.04.) 1부.*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20230024561A (en) 2023-02-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101137719B1 (en) Manufacturing method of active carbon electrode for supercapacitor
KR102380895B1 (en) Methods for solid electrolyte interphase formation and anode pre-lithiation of lithium ion capacitors
KR101793040B1 (en) Manufacturing method of electrode active material for ultracapacitor, manufacturing method of ultracapacitor electrode using the electrode active material and ultracapacitorusing the electrode active material
KR101166696B1 (en) Supercapacitor and manufacturing method of the same
KR102081616B1 (en) Supercapacitor having excellent stability for high voltage and method for manufacturing the same
KR101098240B1 (en) Manufacturing method of supercapacitor cell
KR101059934B1 (en) Manufacturing method of hybrid supercapacitor
KR102495330B1 (en) Manufacturing method of electrode active material for supercapacitor co-doped with nitrogen and fluorine and high power supercapacitor using the same and method of manufacturing thereof
KR102371851B1 (en) Manufacturing method of partially crystaline porous active carbon and super capacitor using the same and method of manufacturing thereof
KR102379507B1 (en) High-density hybrid supercapacitor with phosphorine-based negative electrode and method of manufacturing thereof
CN110100332B (en) Electrochemical device
KR20170124700A (en) Lithium-sulfur ultracapacitor and manufacturing method of the same
KR102540653B1 (en) Manufacturing method of electrode active material for supercapacitor using hydrostatic pressurization and high power supercapacitor using the same and method of manufacturing thereof
KR101860755B1 (en) Composite for ultracapacitor electrode, manufacturing method of ultracapacitor electrode using the composite, and ultracapacitor manufactured by the method
KR102639923B1 (en) Manufacturing method of nitrogen doped electrode active material with reduced chemical amount by using surface modifier, and supercapacitor using the same and method of manufacturing thereof
KR102188237B1 (en) Composite for supercapacitor electrode, manufacturing method of supercapacitor electrode using the composite, and supercapacitor manufactured by the method
KR102013179B1 (en) Manufacturing method of electrode active material for supercapacitor, manufacturing method of supercapacitor electrode and manufacturing method of supercapacitor
KR20220057948A (en) Manufacturing method of porous activated carbon performing spray activation after acid treatment and supercapacitor using the same and method of manufacturing thereof
KR101936044B1 (en) Supercapacitor electrode for high temperature, manufactureing method of the electrode, and Supercapacitor for high temperature using the electrode
KR101137721B1 (en) Manufacturing method of positive electrode for hybrid supercapacitor cell and hybrid supercapacitor cell manufactured by the method
KR102660994B1 (en) Manufacturing method of nitrogen-doped activated carbon and supercapacitor using the same and method of manufacturing the supercapacitor
KR102343771B1 (en) Electrolyte of supercapacitor, high voltage supercapacitor using the same and method of manufacturing thereof
KR102172605B1 (en) Electrolyte of supercapacitor, high voltage supercapacitor and manufacturing method of the high voltage supercapacitor using the electrolyte
KR102361162B1 (en) Manufacturing method of anode active material for hybrid supercapacitor having high output characteristics and hybrid supercapacitor including the same and method of manufacturing thereof
KR102172610B1 (en) Manufacturing method of electrode active material for supercapacitor, manufacturing method of supercapacitor electrode for high power and supercapacitor for high power

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant