KR20190099523A - Shape Adaptive Rope Flexible Supercapacitor - Google Patents

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KR20190099523A
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나노텍 인스트러먼츠, 인코포레이티드
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Abstract

(a) 세공을 갖는 제1 전도성 다공질 막대 및 제1 다공질 막대의 세공 내에 존재하는 제1 전극 활물질(예를 들어, 활성탄 또는 단리된 그래핀 시트) 및 제1 전해질의 제1 혼합물을 포함하는 제1 전극; (b) 제1 전극을 케이싱하여 세퍼레이터-보호된 제1 전극을 형성하는 다공질 세퍼레이터; (c) 세공을 갖는 제2 전도성 다공질 막대 및 제2 다공질 막대의 세공 내에 존재하는 제2 전극 활물질 및 제2 전해질의 제2 혼합물을 포함하는 제2 전극; 및 (d) 브레이드 또는 얀을 감싸거나 케이싱하는 보호 외피를 포함하는 로프형 수퍼커패시터가 제공되며, 상기 세퍼레이터-보호된 제1 전극 및 제2 전극은 조합되어 브레이드 또는 연사를 형성한다.(a) a first conductive porous rod having pores and a first electrode active material (eg, activated carbon or an isolated graphene sheet) present in the pores of the first porous rod and a first mixture of first electrolyte 1 electrode; (b) a porous separator casing the first electrode to form a separator-protected first electrode; (c) a second electrode comprising a second conductive porous bar having pores and a second mixture of the second electrode active material and the second electrolyte present in the pores of the second porous bar; And (d) a protective sheath surrounding the casing or casing of the braid or yarn, wherein the separator-protected first and second electrodes are combined to form a braid or twisted yarn.

Description

형상 적응성 로프형 플렉시블 수퍼커패시터Shape Adaptive Rope Flexible Supercapacitor

관련 출원에 대한 상호 참조Cross Reference to Related Application

본 출원은, 2017년 1월 4일 출원된 미국 특허 출원 15/398,416, 및 2017년 1월 4일 출원된 미국 특허 출원 15/398,421에 대한 우선권을 주장하며, 이들은 본 명세서에 참고문헌으로 포함된다.This application claims priority to US Patent Application 15 / 398,416, filed January 4, 2017, and US Patent Application 15 / 398,421, filed January 4, 2017, which is incorporated herein by reference. .

기술 분야Technical field

본 발명은 대체로 수퍼커패시터 또는 울트라커패시터 분야에 관한 것으로, 보다 구체적으로 플렉시블하고 형상 적응성(shape-conformal)인 로프형 수퍼커패시터에 관한 것이다.The present invention relates generally to the field of supercapacitors or ultracapacitors, and more particularly to rope-type supercapacitors that are flexible and shape-conformal.

종래의 수퍼커패시터 및 전지(예를 들어, 18650 타입 원통형 셀, 직사각형 파우치 셀, 및 각형 셀)는 기계적으로 강성이고, 이러한 비플렉시블 특징은 제한된 공간에서의 구현이나 웨어러블 장치에서의 사용에 대한 적응성 또는 가능성을 심각하게 제한하였다. 이러한 설계상의 한계를 극복하기 위해 형상 적응성 플렉시블 전력원이 사용될 수 있다. 이러한 새로운 전력원은 스마트 모바일 장치, 롤업 디스플레이, 웨어러블 장치, 및 바이오메디컬 센서와 같은 차세대 전자 장치의 개발을 가능하게 할 것이다. 형상 적응성 플렉시블 전력원은 또한 전기 차량의 무게 및 공간을 절약할 것이다.Conventional supercapacitors and batteries (e.g., 18650 type cylindrical cells, rectangular pouch cells, and square cells) are mechanically rigid, and these non-flexible features can be adapted for use in confined spaces or for use in wearable devices, or The possibilities have been severely limited. Shape adaptive flexible power sources can be used to overcome these design limitations. This new power source will enable the development of next generation electronic devices such as smart mobile devices, roll-up displays, wearable devices, and biomedical sensors. The shape adaptive flexible power source will also save the weight and space of the electric vehicle.

울트라커패시터 또는 수퍼커패시터로도 알려진, 전기화학 커패시터(EC)는 하이브리드 전기 차량(EV)에서의 사용이 고려되고 있으며, 여기에서 전기화학 커패시터는, 전지-전력 차를 상업적으로 실행가능하도록 만드는 데 가장 큰 기술적 장애물인, 신속한 가속화에 요구되는 전력의 버스트(burst)를 제공하기 위해 전기차에 사용되는 전지를 보조할 수 있다, 전지는 주행에 여전히 사용될 것이지만, (전지보다 훨씬 더 빨리 에너지를 방출하는 능력을 갖는) 수퍼커패시터는 합류, 통과, 긴급 기동, 및 언덕 등반을 위해 차의 가속화가 필요할 때마다 효과를 낼 것이다. EC는 또한 허용가능한 드라이빙 범위를 제공하기에 충분한 에너지를 저장해야만 한다. 추가의 전지 용량에 비해 비용, 부피, 및 중량 효과적이기 위해, 이들은 적절한 에너지 밀도(부피 및 중량) 및 전력 밀도와 긴 사이클 수명을 조합하여야 하며, 비용 목표도 충족시켜야만 한다.Electrochemical capacitors (EC), also known as ultracapacitors or supercapacitors, are being considered for use in hybrid electric vehicles (EVs), where the electrochemical capacitors are best used to make cell-power differences commercially viable. A large technical obstacle, which can assist the battery used in electric vehicles to provide the burst of power required for rapid acceleration, will still be used for driving, but (the ability to release energy much faster than the battery). Supercapacitors will have an effect whenever the vehicle needs to be accelerated for joining, passing, emergency maneuvers, and hill climbing. The EC must also store enough energy to provide an acceptable driving range. To be cost, volume, and weight effective relative to additional cell capacity, they must combine adequate energy density (volume and weight) and power density with long cycle life, and must also meet cost goals.

EC는, 또한 시스템 설계자들이 EC의 속성 및 장점에 친숙해짐에 따라, 전자 산업에서도 받아들여지고 있다. EC는 원래 오비탈 레이저를 위한 구동 에너지의 큰 버스트를 제공하기 위해 개발되었다. 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 메모리 백업 적용분야에서, 예를 들어 단지 1/2 입방인치의 부피를 갖는 1 패럿의 EC는 니켈-카드뮴 또는 리튬 전지를 대체할 수 있고, 수 개월의 백업 전력을 제공할 수 있다. 소정의 인가된 전압에 있어서, 소정의 충전과 연관된 EC에서 저장된 에너지는 동일 충전 경로를 위한 상응하는 전지 시스템에서 저장가능한 에너지의 절반이다. 그럼에도 불구하고, EC는 극히 매력적인 전력원이다. 전지에 비해, 이들은 유지를 필요로 하지 않으며, 훨씬 더 높은 사이클 수명을 제공하고, 매우 간단한 충전 회로를 필요로 하며, "메모리 효과"가 없고, 일반적으로 훨씬 더 안전하다. 화학 에너지 저장보다는 물리적인 것이 이들의 안전한 작동 및 뛰어나게 높은 사이클 수명의 주요 원인이다. 아마도 가장 중요하게는, 커패시터는 전지보다 더 높은 전력 밀도를 제공한다.EC is also accepted in the electronics industry as system designers become familiar with the attributes and benefits of EC. EC was originally developed to provide a large burst of driving energy for orbital lasers. In complementary metal oxide semiconductor (CMOS) memory backup applications, for example, one parrot EC with a volume of only 1/2 cubic inch can replace nickel-cadmium or lithium cells and can provide months of backup power. Can provide. For a given applied voltage, the energy stored in the EC associated with a given charge is half the energy that can be stored in the corresponding cell system for the same charge path. Nevertheless, EC is an extremely attractive power source. Compared to batteries, they do not require maintenance, provide much higher cycle life, require very simple charging circuits, have no "memory effect" and are generally much safer. Physical rather than chemical energy storage is a major cause of their safe operation and exceptionally high cycle life. Perhaps most importantly, the capacitor provides a higher power density than the cell.

종래의 커패시터에 비해 EC의 높은 부피 전기용량 밀도(종래 커패시터보다 10 내지 100배 더 큼)는, 다공질 전극을 사용하여 매우 효과적인 "플레이트 면적"을 창출하는 것 및 확산 이중층에 에너지를 저장하는 것으로부터 유래된다. 전압이 부가될 때 고체-전해질 계면에서 자연적으로 만들어지는 이러한 이중층은 단지 약 1 nm의 두께를 가지며, 이에 따라 매우 효과가 작은 "플레이트 분리"를 형성한다. 그러한 수퍼커패시터는 일반적으로 전기 이중층 커패시터(EDLC)로서 지칭된다. 이중층 커패시터는, 액체 전해질 내에 침지된, 활성탄과 같은 높은 표면적의 전극 물질을 기초로 한다. 분극화된 이중층은 높은 전기용량을 제공하는 전극-전해질 계면에서 형성된다. 이는 수퍼커패시터의 비전기용량이 전극 물질의 비표면적에 정비례함을 의미한다. 이러한 표면적은 전해질에 의해 접근가능하여야 하며, 생성된 계면 영역은 소위 전기 이중층 전하들을 수용하기에 충분히 커야만 한다.The high volumetric capacitance density of EC (10-100 times larger than conventional capacitors) compared to conventional capacitors results from the use of porous electrodes to create a very effective "plate area" and from storing energy in the diffusion bilayer. Is derived. These bilayers, which are made naturally at the solid-electrolyte interface when voltage is added, have only a thickness of about 1 nm, thus forming a very effective "plate separation". Such supercapacitors are generally referred to as electric double layer capacitors (EDLC). Bilayer capacitors are based on high surface area electrode materials, such as activated carbon, immersed in a liquid electrolyte. Polarized bilayers are formed at the electrode-electrolyte interface providing high capacitance. This means that the noncapacitance of the supercapacitor is directly proportional to the specific surface area of the electrode material. This surface area must be accessible by the electrolyte and the resulting interfacial region must be large enough to accommodate the so-called electrical double layer charges.

일부 EC에서, 저장된 에너지는 유사전기용량(pseudocapacitance) 효과에 의해 추가로 증대되어, 산화환원 전하 이동과 같은 전기화학 현상으로 인해, 고체-전해질 계면에서 다시 발생한다.In some ECs, the stored energy is further increased by the pseudocapacitance effect, which again occurs at the solid-electrolyte interface due to electrochemical phenomena such as redox charge transfer.

그러나, EC 또는 수퍼커패시터의 최신 기술과 연관된 몇몇 심각한 기술적 문제가 존재한다:However, there are some serious technical issues associated with the latest technologies in EC or supercapacitors:

(1) 활성탄 전극을 기초로 한 EC를 이용한 경우, 실험적으로 측정된 전기용량은 이극자 층의 측정된 표면적 및 폭으로부터 계산된 기하학적 전기용량보다 언제나 훨씬 더 낮음을 나타낸다. 매우 높은 표면적의 탄소의 경우, 통상적으로 "이론적" 전기용량의 단지 약 10 내지 20 퍼센트만이 관찰되었다. 이러한 실망스러운 성능은 미세세공(2 nm 미만, 대개 1 nm 미만)의 존재와 관련되며, 이는 전해질의 일부 세공에 대한 비접근성, 습윤 결핍, 및/또는 반대 하전된 표면이 약 1 내지 2 nm 미만 떨어진 세공들에서 이중층의 성공적인 형성 불능으로 인한 것이다. 활성탄에서는, 탄소원과 열처리 온도에 따라, 표면의 놀라운 양이 그러한 미세세공 형상일 수 있다.(1) With EC based on activated carbon electrodes, the experimentally measured capacitance is always much lower than the geometric capacitance calculated from the measured surface area and width of the dipole layer. For very high surface areas of carbon, typically only about 10 to 20 percent of the "theoretical" capacitance has been observed. This disappointing performance is related to the presence of micropores (less than 2 nm, usually less than 1 nm), which means that inaccessibility to some pores of the electrolyte, lack of wetness, and / or oppositely charged surfaces are less than about 1 to 2 nm. This is due to the inability to successfully form the bilayer in the distant pores. In activated carbon, depending on the carbon source and the heat treatment temperature, surprising amounts of surface may be such microporous shapes.

(2) 공개 문헌 및 특허 문헌에서 종종 주장되는 바와 같은 전극 수준(활물질 중량에만 기준으로 함)에서 높은 중량 전기용량에도 불구하고, 이들 전극은 유감스럽게도 수퍼커패시터 셀에서 높은 용량 또는 팩 수준(총 셀 중량 또는 팩 중량을 기준으로 함)을 갖는 에너지 저장 장치를 제공하지 못한다. 이는, 이들 보고에서, 전극의 실질적인 질량 공급량 및 활물질에 대한 겉보기 밀도가 너무 낮다는 생각으로 인한 것이다. 대부분의 경우에서, 전극의 활물질 질량 공급량(면적 밀도)은 10 mg/cm2보다 현저히 낮고(면적 밀도 = 전극 두께 방향을 따른 전극 단면적 당 활물질의 양) 활물질의 겉보기 부피 밀도 또는 탭 밀도는, 상대적으로 큰 입자의 활성탄의 경우에도 통상적으로 0.75 g/cm-3 미만(더 통상적으로 0.5 g/cm-3 미만, 가장 통상적으로 0.3 g/cm-3 미만)이다.(2) Despite the high weight capacities at the electrode level (based only on the active material weight) as often claimed in the publications and patent literature, these electrodes unfortunately have a high capacity or pack level (total cell) in the supercapacitor cell. Energy storage device) by weight or pack weight). This is due to the idea in these reports that the actual mass feed of the electrode and the apparent density for the active material are too low. In most cases, the active material mass supply (area density) of the electrode is significantly lower than 10 mg / cm 2 (area density = amount of active material per electrode cross-sectional area along the electrode thickness direction) and the apparent bulk density or tap density of the active material is In the case of large particles of activated carbon, it is usually less than 0.75 g / cm -3 (more typically less than 0.5 g / cm -3 , most typically less than 0.3 g / cm -3 ).

질량 공급량이 낮은 것은 주로, 종래의 슬러리 코팅 절차를 사용해 더 두꺼운(100 내지 200 μm보다 두꺼운) 전극을 얻을 수 없기 때문이다. 이는 생각할 수 있는 만큼 사소한 일이 아니며, 실제로, 전극 두께는 셀 성능을 최적화하기 위해 임의로 자유롭게 변경될 수 있는 설계 파라미터가 아니다. 반대로, 더 두꺼운 샘플은 극도로 취성이 되거나 구조적 완전성이 나빠지는 경향이 있으며, 다량의 바인더 수지의 사용을 또한 필요로 할 것이다. 이들 문제는 그래핀 물질을 기초로 한 전극에 있어서 특히 심하다. 150 ㎛보다 두껍고, 액체 전해질이 완전히 접근가능하게 잔류하는 세공을 갖는 매우 다공질으로 남는 그래핀계 전극을 생산하는 것은 이전에는 가능하지 않았다. (얇은 전극 및 불량한 패킹 밀도에 관련된) 낮은 면적 밀도 및 낮은 부피 밀도는 수퍼커패시터 셀의 상대적으로 낮은 부피 전기용량 및 낮은 부피 에너지 밀도를 초래한다.The low mass feed is mainly due to the inability to obtain thicker (thicker than 100-200 μm) electrodes using conventional slurry coating procedures. This is not as trivial as one might think, and in practice, electrode thickness is not a design parameter that can be arbitrarily changed freely to optimize cell performance. In contrast, thicker samples tend to be extremely brittle or poor in structural integrity, and will also require the use of large amounts of binder resin. These problems are particularly acute for electrodes based on graphene materials. It has not previously been possible to produce very porous graphene-based electrodes that are thicker than 150 μm and have pores in which the liquid electrolyte remains fully accessible. Low area density and low volume density (related to thin electrodes and poor packing density) result in a relatively low volumetric capacity and low volumetric energy density of the supercapacitor cell.

더 작은 휴대형의 에너지 저장 시스템에 대한 요구가 증가함에 따라, 에너지 저장 장치의 부피의 이용을 증가시키는 것에 대한 큰 관심이 존재한다. 높은 부피 전기용량 및 높은 질량 공급량을 가능하게 하는 신규 전극 물질 및 설계가 개선된 셀 부피 전기용량 및 에너지 밀도를 달성하는 데 필수적이다.As the demand for smaller portable energy storage systems increases, there is a great interest in increasing the utilization of the volume of energy storage devices. New electrode materials and designs that allow for high volumetric capacitance and high mass feed are essential for achieving improved cell volumetric capacitance and energy density.

(3) 지난 십년 동안, 그래핀, 탄소 나노튜브를 기초로 한 복합재, 다공질 흑연 산화물, 및 다공질 메소탄소와 같은 다공질 탄소를 기초로 한 물질을 이용하여 증가된 부피 전기용량을 갖는 전극 물질을 개발하기 위해 많은 작업이 수행되어 왔다. 그러한 전극 물질을 특징으로하는 이들 실험적 수퍼커패시터들은 고속으로 충전 및 방전될 수 있고, 또한 큰 부피 전극 전기용량(대부분의 경우, 전극 부피를 기준으로, 100 내지 200 F/cm3)을 나타내지만, 이들의 통상적인 1 mg/cm2 의 미만의 활물질 질량 공급량, 0.2 g/cm-3 미만의 탭 밀도, 및 수십 마이크로미터 이하(<< 100 ㎛)의 전극 두께는, 대부분의 상업적으로 입수가능한 전기화학 커패시터(즉, 10 mg/cm2, 100 내지 200 ㎛)에서 사용되는 것들보다 현저히 훨씬 더 낮으며, 그 결과 에너지 저장 장치는 상대적으로 낮은 면적 및 부피 전기용량 및 낮은 부피 에너지 밀도를 갖게 된다.(3) Over the past decade, electrode materials with increased volumetric capacitance have been developed using materials based on porous carbon such as graphene, carbon nanotube-based composites, porous graphite oxide, and porous mesocarbons. Much work has been done to accomplish this. These experimental supercapacitors featuring such electrode materials can be charged and discharged at high speed and also exhibit large volume electrode capacitance (100-200 F / cm 3 , in most cases based on electrode volume), Their typical 1 mg / cm 2 Active material mass feeds of less than 0.2 g / cm -3 , tap density of less than 0.2 g / cm -3 , and electrode thicknesses of tens of micrometers or less (<< 100 μm) are most commercially available electrochemical capacitors (ie, 10 mg / cm 2 , 100-200 μm), which is significantly lower than those used, resulting in a relatively low area and volume capacitance and low volume energy density.

(4) 그래핀계 수퍼커패시터의 경우, 해결되어야 할 추가의 문제가 존재하며, 아래에 설명된다:(4) In the case of graphene supercapacitors, there are additional problems to be solved, which are described below:

나노그래핀 물질은 특히 높은 열 전도성, 높은 전기 전도성, 및 고강도를 나타내는 것으로 최근 발견되었다. 그래핀의 또 다른 뛰어난 특징은 그의 특히 높은 비표면적이다. 단일 그래핀 시트는, 상응하는 단일벽 CNT(내측 표면이 전해질에 의해 접근불가함)에 의해 제공되는 대략 1,300 m2/g의 외측 표면적에 대조적으로, 대략 2,675 m2/g(액체 전해질에 의해 접근가능함)의 외측 비표면적을 제공한다. 그래핀의 전기 전도성은 CNT 보다 약간 더 높다.Nanographene materials have recently been found to exhibit particularly high thermal conductivity, high electrical conductivity, and high strength. Another outstanding feature of graphene is its particularly high specific surface area. The single graphene sheet is approximately 2,675 m 2 / g (by liquid electrolyte) in contrast to the approximately 1,300 m 2 / g outer surface area provided by the corresponding single wall CNT (inner surface is inaccessible by electrolyte). Accessible) outside specific surface area. The electrical conductivity of graphene is slightly higher than CNTs.

본 출원인(A. Zhamu 및 B. Z. Jang) 및 그 동료들은 수퍼커패시터 적용을 위한 그래핀 및 기타 다른 나노흑연을 기초로 한 나노물질을 최초로 연구하였다[하기 참고문헌 1 내지 5 참조; 첫번째 특허 출원은 2006년에 제출되었으며, 2009년에 발행됨]. 2008년 이후, 연구자들은 수퍼커패시터 응용을 위한 나노그래핀 물질의 중요성을 깨닫기 시작하였다.Applicants (A. Zhamu and B. Z. Jang) and their colleagues first studied nanomaterials based on graphene and other nanographite for supercapacitor applications [see references 1 to 5 below; The first patent application was filed in 2006 and issued in 2009]. Since 2008, researchers have begun to realize the importance of nanographene materials for supercapacitor applications.

참고문헌 목록:List of references:

1. Lulu Song, A. Zhamu, Jiusheng Guo, and B. Z. Jang "Nano-scaled Graphene Plate Nanocomposites for Supercapacitor Electrodes" US Pat. No. 7,623,340 (11/24/2009).One. Lulu Song, A. Zhamu, Jiusheng Guo, and B. Z. Jang "Nano-scaled Graphene Plate Nanocomposites for Supercapacitor Electrodes" US Pat. No. 7,623,340 (11/24/2009).

2. Aruna Zhamu and Bor Z. Jang, "Process for Producing Nano-scaled Graphene Platelet Nanocomposite Electrodes for Supercapacitors," U.S. Patent Appl. No. 11/906,786 (10/04/2007).2. Aruna Zhamu and Bor Z. Jang, "Process for Producing Nano-scaled Graphene Platelet Nanocomposite Electrodes for Supercapacitors," U.S. Patent Appl. No. 11 / 906,786 (10/04/2007).

3. Aruna Zhamu and Bor Z. Jang, "Graphite-Carbon Composite Electrodes for Supercapacitors" US Pat. Appl. No. 11/895,657 (08/27/2007).3. Aruna Zhamu and Bor Z. Jang, "Graphite-Carbon Composite Electrodes for Supercapacitors" US Pat. Appl. No. 11 / 895,657 (08/27/2007).

4. Aruna Zhamu and Bor Z. Jang, "Method of Producing Graphite-Carbon Composite Electrodes for Supercapacitors" US Pat. Appl. No. 11/895,588 (08/27/2007).4. Aruna Zhamu and Bor Z. Jang, "Method of Producing Graphite-Carbon Composite Electrodes for Supercapacitors" US Pat. Appl. No. 11 / 895,588 (08/27/2007).

5. Aruna Zhamu and Bor Z. Jang, "Graphene Nanocomposites for Electrochemical cell Electrodes," U.S. Patent Appl. No. 12/220,651 (07/28/2008). 5. Aruna Zhamu and Bor Z. Jang, "Graphene Nanocomposites for Electrochemical Cell Electrodes," U.S. Patent Appl. No. 12 / 220,651 (07/28/2008).

그러나, 각각의 나노그래핀 시트는 그들 스스로 재적층하는 경향이 커서, 수퍼커패시터 전극 내 전해질이 접근가능할 수 있는 비표면적을 효과적으로 감소시킨다. 이러한 그래핀 시트 중첩 문제의 중요성은 다음과 같이 예시될 수 있다: l(길이) Х w(너비) Х t(두께)의 크기 및 밀도 ρ의 크기를 갖는 나노그래핀 평판 (platelet)의 경우, 단위 질량 당 예측 표면적은 S/m = (2/ρ) (1/l + 1/w +1/t)이다. ρ

Figure pct00001
2.2 g/cm3, l = 100 nm, w = 100 nm, 및 t = 0.34 nm(단일 층)을 이용하여, 본 발명자들은 2,675 m2/g이라는 인상적인 S/m 값을 얻었으며, 이는 대부분의 상업적으로 입수가능한 카본블랙 또는 최신 기술의 수퍼커패시터에서 사용된 활성탄 물질보다 훨씬 더 크다. 두 개의 단일층 그래핀 시트가 적층되어 이중층 그래핀을 형성한다면, 비표면적은 1,345 m2/g으로 감소된다. 3층 그래핀의 경우, t =1 nm이고, S/m = 906 m2/g이다. 더 많은 층이 함께 적층된 경우, 비표면적은 더 현저히 감소될 것이다.However, each nanographene sheet tends to re-lay itself, effectively reducing the specific surface area that the electrolyte in the supercapacitor electrode can access. The importance of this graphene sheet overlap problem can be illustrated as follows: l (length) Х w (width) For nanographene platelets with a size of Х t (thickness) and a density ρ, the predicted surface area per unit mass is S / m = (2 / ρ) (1 / l + 1 / w + 1 / t ). ρ
Figure pct00001
Using 2.2 g / cm 3 , l = 100 nm, w = 100 nm, and t = 0.34 nm (single layer), we obtained an impressive S / m value of 2,675 m 2 / g, which is the most It is much larger than the activated carbon materials used in commercially available carbon black or state of the art supercapacitors. If two single layer graphene sheets are stacked to form double layer graphene, the specific surface area is reduced to 1345 m 2 / g. For three-layer graphene, t = 1 nm and S / m = 906 m 2 / g. If more layers are stacked together, the specific surface area will be significantly reduced.

이들 계산은, 개별적인 그래핀 시트가 재적층되는 것을 방지하는 방법을 발견하는 것이 매우 중요하며, 이들이 부분적으로 재적층된다 하더라도, 생성된 다층 구조는 여전히 적절한 크기의 내부층 세공을 가질 것임을 제시한다. 이들 세공은 전해질에 의한 접근성을 허용하고, 전기 이중층 전하의 형성을 가능하게 하기에 충분히 커야만 하며, 이는 통상적으로 적어도 1 nm, 더 바람직하게는 적어도 2 nm의 세공 크기를 요구한다. 그러나, 이들 세공 또는 내부그래핀 공간은 또한 큰 탭 밀도를 보장하도록 충분히 작아야만 한다. 유감스럽게도, 그래핀계 전극의 통상적인 탭 밀도는 0.3 g/cm3 미만이고, 가장 통상적으로는 << 0.1 g/cm3이다. 대체로 큰 세공 크기 및 높은 다공질 수준이라는 요건 및 높은 탭 밀도라는 요건은 수퍼커패시터에서 상호배타적인 것으로 여겨진다.These calculations suggest that it is very important to find a way to prevent individual graphene sheets from relaminating, and even if they are partially relaminated, the resulting multilayer structure will still have inner layer pores of the appropriate size. These pores must be large enough to allow access by the electrolyte and to allow the formation of an electric double layer charge, which typically requires a pore size of at least 1 nm, more preferably at least 2 nm. However, these pore or internal graphene spaces must also be small enough to ensure a large tap density. Unfortunately, the typical tap density of graphene-based electrodes is less than 0.3 g / cm 3 , most typically << 0.1 g / cm 3 . The requirements of large pore sizes and high porosity levels and of high tap density are generally considered mutually exclusive in supercapacitors.

수퍼커패시터 전극 활물질로서 그래핀 시트를 사용하는 것에 대한 또 다른 주요한 기술적 장애는, 종래의 그래핀-용매 슬러리 코팅 절차를 사용하여 두꺼운 활물질 층을 고체 집전체(예를 들어, Al 호일)의 표면 상에 증착시키는 것의 어려움이다. 그러한 전극에서, 그래핀 전극은 통상적으로는 다량의 바인더 수지(이에 따라, 현저히 감소된 활물질 비율 대 비활성 또는 오버헤드 물질/성분)를 필요로 한다. 추가적으로, 50 ㎛ 보다 두꺼운 이러한 방식으로 제조된 임의의 전극은 취성이고 약하다. 이러한 문제에 효과적인 해결 방안이 없었다.Another major technical obstacle to the use of graphene sheets as supercapacitor electrode active materials is that thicker active material layers can be deposited on the surface of a solid current collector (eg Al foil) using conventional graphene-solvent slurry coating procedures. Difficult to deposit on. In such electrodes, graphene electrodes typically require large amounts of binder resin (and thus significantly reduced active material ratio to inert or overhead material / component). In addition, any electrode made in this manner thicker than 50 μm is brittle and weak. There was no effective solution to this problem.

따라서, 높은 활물질 질량 공급량(높은 면적 밀도), 높은 겉보기 밀도(높은 탭 밀도)를 갖는 활물질, 전자 및 이온 운반 속도를 현저히 감소시키지 않으면서(예를 들어, 긴 전자 운반 거리 없이) 높은 전극 두께, 높은 부피 전기용량, 및 높은 부피 에너지 밀도를 갖는 수퍼커패시터에 대한 명확하고 긴급한 필요가 존재한다. 그래핀계 전극의 경우, 그래핀 시트의 재적층, 바인더 수지의 큰 비율에 대한 요구, 및 두꺼운 그래핀 전극 층 생산에서의 어려움과 같은 문제 또한 극복되어야 한다.Thus, high active material mass feed (high area density), active material with high apparent density (high tap density), high electrode thickness without significantly reducing electron and ion transport rates (eg, without long electron transport distance), There is a clear and urgent need for supercapacitors with high volumetric capacitance, and high volumetric energy density. In the case of graphene-based electrodes, problems such as the relamination of graphene sheets, the demand for a large proportion of the binder resin, and the difficulty in producing thick graphene electrode layers must also be overcome.

추가적으로, 종래의 수퍼커패시터에서 두꺼운 전극은 또한 기계적으로 견고하지만, 유연하지 않고, 굽힘가능하지 않으며, 원하는 형상으로 적응하지 않는다. 그와 같이, 종래의 수퍼커패시터에서 높은 부피/중량 에너지 밀도 및 기계적 유연성은 상호배타적인 것으로 나타난다.Additionally, thick electrodes in conventional supercapacitors are also mechanically robust, but not flexible, not bendable, and do not adapt to the desired shape. As such, high volume / weight energy densities and mechanical flexibility appear to be mutually exclusive in conventional supercapacitors.

더 작은 휴대형의 에너지 저장 시스템에 대한 요구가 증가함에 따라, 수퍼커패시터의 부피의 이용도를 증가시키는 것에 대한 관심이 크다. 높은 부피 용량 및 높은 질량 공급량을 가능하게 하는 신규 전극 물질 및 설계가 수퍼커패시터에 대해 개선된 셀 부피 용량 및 에너지 밀도를 달성하는 데 필수적이다.As the demand for smaller portable energy storage systems increases, there is a great interest in increasing the utilization of the volume of supercapacitors. New electrode materials and designs that enable high volume capacity and high mass feed are essential for achieving improved cell volume capacity and energy density for supercapacitors.

따라서, 높은 활물질 질량 공급량(높은 면적 밀도), 높은 겉보기 밀도(높은 탭 밀도)를 갖는 활물질, 전자 및 이온 운반 속도를 현저히 감소시키지 않으면서(예를 들어, 높은 전자 운반 저항성 또는 긴 이온 확산 경로 없이) 높은 전극 두께, 높은 중량 에너지 밀도, 및 높은 부피 에너지 밀도를 갖는 수퍼커패시터에 대한 명확하고 긴급한 필요가 존재한다. 이들 속성은, 생성되는 수퍼커패시터의 개선된 유연성 및 형상 적응성과 함께, 달성되어야 한다.Thus, active materials with high active material mass feed (high area density), high apparent density (high tap density), without significantly reducing electron and ion transport rates (eg, without high electron transport resistance or long ion diffusion paths) There is a clear and urgent need for supercapacitors with high electrode thickness, high weight energy density, and high volumetric energy density. These properties must be achieved, with improved flexibility and shape adaptability of the resulting supercapacitors.

본 발명은 조합되어 브레이드(braid) 또는 연사(twist yarn) 형상을 형성하는(예를 들어, 2겹, 3겹, 4겹, 5겹 연사 또는 브레이드, 등) 필라멘트 또는 막대형 애노드 및 캐소드 전극을 함유하는 로프형 수퍼커패시터를 제공한다. 수퍼커패시터는 전기 이중층 커패시터(EDLC, 대칭 또는 비대칭), 유사커패시터, 리튬 이온 커패시터, 또는 나트륨 이온 커패시터일 수 있다. 리튬 이온 커패시터 또는 나트륨 이온 커패시터는, 활성탄 또는 그래핀 시트와 같은 높은 표면적의 탄소 물질을 함유하는 사전리튬화 또는 사전나트륨화 애노드 활물질(즉, 전지형 애노드) 및 캐소드(즉, EDLC형 캐소드)를 함유한다.The present invention combines filament or rod anode and cathode electrodes that combine to form a braid or twist yarn shape (e.g., 2-ply, 3-ply, 4-ply, 5-ply yarn or braid, etc.). A rope-type supercapacitor is provided. The supercapacitor may be an electric double layer capacitor (EDLC, symmetrical or asymmetrical), pseudocapacitor, lithium ion capacitor, or sodium ion capacitor. Lithium ion capacitors or sodium ion capacitors may be used to pre-lithiated or pre-sodiumated anode active materials (i.e., terrestrial anodes) and cathodes (i.e., EDLC type cathodes) containing high surface area carbon materials such as activated carbon or graphene sheets. It contains.

수퍼커패시터는, (a) 세공을 갖는 제1 전기 전도성 다공질 막대(또는 필라멘트), 및 제1 전극 활물질 및 제1 전해질의 제1 혼합물을 포함하고, 상기 제1 혼합물은 제1 다공질 막대(예를 들어, 필라멘트 형상의 발포체)의 세공 내에 존재하는 것인, 제1 전극; (b) 제1 전극을 감싸거나 케이싱하여(encasing) 세퍼레이터-보호된 제1 전극을 형성하는 다공질 세퍼레이터; (c) 세공을 갖는 제2 전기 전도성 다공질 막대(예를 들어, 필라멘트 형상의 발포체), 및 제2 전극 활물질 및 제2 전해질의 제2 혼합물을 포함하고, 상기 제2 혼합물은 제2 다공질 막대의 세공 내에 존재하고, 상기 세퍼레이터-보호된 제1 전극 및 제2 전극은 나선형 방식으로 조합되어 브레이드 또는 연사를 형성하는 것인, 제2 전극; 및 (d) 브레이드 또는 연사를 감싸거나 케이싱하는 보호 케이싱(casing) 또는 외피를 포함한다. 제2 전해질은 제1 전해질과 동일하거나 상이할 수 있다. 제1 또는 제2 전극에서 세공은 바람직하게는 서로 연결된 세공을 함유하고, 다공질 막대/필라멘트는 바람직하게는 개방형 셀 발포체(open-cell foam)이다.The supercapacitor comprises (a) a first electrically conductive porous rod (or filament) having pores, and a first mixture of the first electrode active material and the first electrolyte, the first mixture comprising a first porous rod (eg For example, the first electrode, which is present in the pores of the filament-shaped foam; (b) a porous separator surrounding or encasing the first electrode to form a separator-protected first electrode; (c) a second electrically conductive porous rod having pores (e.g., filament shaped foam), and a second mixture of a second electrode active material and a second electrolyte, wherein the second mixture is formed of a second porous rod A second electrode, present in the pores, wherein the separator-protected first and second electrodes are combined in a helical manner to form a braid or twisted yarn; And (d) a protective casing or sheath surrounding or casing the braid or yarn. The second electrolyte may be the same or different than the first electrolyte. The pores in the first or second electrode preferably contain pores connected to one another and the porous rod / filament is preferably an open-cell foam.

제1 활물질 및/또는 제2 활물질은 다수의 입자의 탄소 물질 및/또는 다수의 단리된 그래핀 시트를 함유하고, 여기서 다수의 그래핀 시트는 단일층 그래핀 또는 각각 1 내지 10개의 그래핀 면을 갖는 소수 층의 그래핀을 함유하고, 상기 다수의 입자의 탄소 물질 또는 그래핀 시트는 건조 상태에서 측정시 500 m2/g 이상의 비표면적(바람직하게는 1,000 m2/g 초과, 더 바람직하게는 2,000 m2/g 초과)을 갖는다. 이들 단리된 그래핀 시트는 (다공질 막대가 그래핀계 발포 구조체의 경우) 그래핀 발포체의 일부가 아니다. 이들 단리된 그래핀 시트는 다공질 막대와 별도로, 또는 그에 추가된 진정(true) 전극 활물질이다.The first active material and / or the second active material contain a plurality of particles of carbon material and / or a plurality of isolated graphene sheets, wherein the plurality of graphene sheets are single layer graphene or 1 to 10 graphene faces each, respectively. Containing a hydrophobic layer of graphene, wherein the plurality of particles of carbon material or graphene sheet have a specific surface area of at least 500 m 2 / g (preferably greater than 1,000 m 2 / g, more preferably measured in the dry state) Is greater than 2,000 m 2 / g). These isolated graphene sheets are not part of the graphene foam (where the porous rod is for graphene-based foam structures). These isolated graphene sheets are true electrode active materials, separately or in addition to the porous rod.

일부 바람직한 구현예에서, 제1 또는 제2 전극 활물질은, 제1 또는 제2 전극의 세공 내로 용이하게 함침시키기 위하여 1 ㎛보다 작은 길이 또는 폭을 갖는 활성탄 입자 또는 단리된 그래핀 시트를 함유하며, 상기 그래핀 시트는 순수(pristine) 그래핀, 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 불화 그래핀, 질소화 또는 질소 도핑된 그래핀, 수소화 또는 수소 도핑된 그래핀, 붕소 도핑된 그래핀, 화학 작용기화된 그래핀, 또는 이들의 조합으로부터 선택된다.In some preferred embodiments, the first or second electrode active material contains activated carbon particles or isolated graphene sheets having a length or width less than 1 μm for easy impregnation into the pores of the first or second electrode, The graphene sheet includes pristine graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, nitrogenated or nitrogen doped graphene, hydrogenated or hydrogen doped graphene, boron doped graphene, chemical Functionalized graphene, or a combination thereof.

일부 구현예에서, 제1 또는 제2 전극은 금속 산화물, 전도성 중합체, 유기 물질, 비-그래핀 탄소 물질, 무기 물질, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 산화환원 쌍 파트너 물질을 추가로 함유할 수 있다. 파트너 물질은, 그래핀 또는 활성탄과 조합되어, 유사전기용량을 제공하기 위한 산화환원 쌍을 형성한다.In some embodiments, the first or second electrode may further contain a redox pair partner material selected from metal oxides, conductive polymers, organic materials, non-graphene carbon materials, inorganic materials, or combinations thereof. . The partner material is combined with graphene or activated carbon to form redox pairs to provide pseudocapacitance.

특정 구현예에서, 제1 또는 제2 전극은, (a) 그래핀 시트 단독; (b) 다공질 탄소 물질(예를 들어, 활성탄)와 혼합된 그래핀 시트; (c) 유사전기용량을 발달시키기 위하여 그래핀 시트와 산화환원 쌍을 형성하는 파트너 물질와 혼합된 그래핀 시트; 또는 (d) 유사전기용량을 발달시키기 위하여 그래핀 시트 또는 다공질 탄소 물질와 산화환원 쌍을 형성하는 파트너 물질와 혼합된 다공질 탄소 물질 및 그래핀 시트를, 제1 또는 제2 전극에서 유일한 전극 활물질로서 함유하고, 상기 제1 또는 제2 전극에 기타 다른 전극 활물질은 존재하지 않는다.In certain embodiments, the first or second electrode, (a) graphene sheet alone; (b) graphene sheets mixed with a porous carbon material (eg, activated carbon); (c) graphene sheets mixed with partner material to form redox pairs with graphene sheets to develop pseudocapacitance; Or (d) a porous carbon material and a graphene sheet mixed with a graphene sheet or a partner material forming a redox pair with the porous carbon material to develop pseudocapacitance as the only electrode active material in the first or second electrode and There is no other electrode active material in the first or second electrode.

본 발명의 수퍼커패시터는 제2 전극을 감싸거나 케이싱하여 세퍼레이터 보호된 제2 전극을 형성하는 다공질 세퍼레이터를 추가로 포함할 수 있다. 그와 같이, 제1 및 제2 전극 모두(이들은 각각 다공질 막대의 세공 내로 예비함침된 활물질-전해질 혼합물을 가짐)는 브레이드되거나 서로 꼬여서 브레이드 또는 연사를 형성하기 전에 다공질 세퍼레이터에 의해 케이싱된다. 바람직하게는, 두 개의 전극은 가능한 한 밀접하게 패킹되어 전극들 사이의 접촉 또는 계면 면적을 최대화한다.The supercapacitor of the present invention may further include a porous separator surrounding or casing the second electrode to form a separator-protected second electrode. As such, both the first and second electrodes, each with an active material-electrolyte mixture pre-impregnated into the pores of the porous rod, are cascaded by the porous separator before braiding or twisting together to form braids or twisted yarns. Preferably, the two electrodes are packed as closely as possible to maximize the contact or interface area between the electrodes.

특정 구현예에서, 로프형 수퍼커패시터는 브레이드 또는 얀과 보호 외피 사이에 배치된 제3 전해질을 추가로 포함한다. 제3 전해질은 제1 전해질 또는 제2 전해질과 동일하거나 상이할 수 있다.In certain embodiments, the rope-type supercapacitor further comprises a third electrolyte disposed between the braid or yarn and the protective sheath. The third electrolyte may be the same as or different from the first electrolyte or the second electrolyte.

이러한 수퍼커패시터에서, 제1 전극은 음전극(또는 애노드)일 수 있고 제2 전극은 양전극(또는 캐소드)일 수 있다. 대안적으로, 제2 전극은 음전극 또는 애노드이고, 제1 전극은 양전극 또는 캐소드이다.In such a supercapacitor, the first electrode may be a negative electrode (or anode) and the second electrode may be a positive electrode (or cathode). Alternatively, the second electrode is a negative electrode or anode and the first electrode is a positive electrode or cathode.

수퍼커패시터는 복수의 제1 전극 및/또는 복수의 제2 전극을 포함할 수 있다. 즉, 수퍼커패시터는 함께 조합되어 브레이드 또는 연사 구조를 형성하는 다수의 애노드 및/또는 다수의 캐소드 필라멘트/막대를 가질 수 있다. 적어도 하나의 전극은 애노드이고, 적어도 하나의 전극은 캐소드이다.The supercapacitor may include a plurality of first electrodes and / or a plurality of second electrodes. That is, the supercapacitors may have a plurality of anodes and / or a plurality of cathode filaments / rods that are combined together to form a braid or twisted structure. At least one electrode is an anode and at least one electrode is a cathode.

특정 구현예에서, 로프형 수퍼커패시터는 길이 대 직경 또는 길이 대 두께 종횡비(aspect ratio)가 적어도 5, 바람직하게는 적어도 10이고, 더 바람직하게는 적어도 20인 길이 및 직경 또는 두께를 갖는다. In certain embodiments, rope-type supercapacitors have a length and diameter or thickness with a length to diameter or length to thickness aspect ratio of at least 5, preferably at least 10, and more preferably at least 20.

일부 구현예에서, 수퍼커패시터는 (a) (다공질 발포체가 아닌) 제1 전기 전도성 막대 및 제1 전극 활물질 및 제1 전해질의 제1 혼합물을 포함하고, 여기서 제1 혼합물은 제1 전극 막대 상에 또는 내에 증착된 것인, 제1 전극; (b) 제1 전극을 감싸거나 케이싱하여 세퍼레이터-보호된 제1 전극을 형성하는 다공질 세퍼레이터; (c) 다공질이고 세공들을 갖는 제2 전기 전도성 막대 및 제2 전극 활물질 및 제2 전해질의 제2 혼합물을 포함하고, 여기서 제2 혼합물은 다공질인 제2 막대의 세공 내에 존재하고, 세퍼레이터-보호된 제1 전극 및 제2 전극은 서로 꼬이거나 나선형 또는 트위스트 방식으로 조합되어 브레이드 또는 연사를 형성하는 것인, 제2 전극; 및 (d) 상기 얀 또는 브레이드를 감싸거나 케이싱하는 보호 케이싱 또는 외피를 포함한다.In some embodiments, the supercapacitor comprises (a) a first electrically conductive rod (not a porous foam) and a first mixture of the first electrode active material and the first electrolyte, wherein the first mixture is on the first electrode rod. Or deposited in the first electrode; (b) a porous separator surrounding or casing the first electrode to form a separator-protected first electrode; (c) a second electrically conductive rod that is porous and has pores and a second mixture of the second electrode active material and the second electrolyte, wherein the second mixture is present in the pores of the porous second rod and is separator-protected The first electrode and the second electrode being twisted together or combined in a spiral or twisted manner to form a braid or twisted yarn; And (d) a protective casing or sheath surrounding or casing the yarn or braid.

제1 활물질 및/또는 제2 활물질은, 높은 비표면적(500 m2/g 이상, 바람직하게는 1,000 m2/g 초과, 더 바람직하게는 2,000 m2/g 초과)을 갖는, 다수 입자의 탄소 물질 및/또는 다수의 단리된 그래핀 시트를 함유할 수 있다. 다시, 이들 단리된 그래핀 시트는 (다공질 막대가 그래핀계 발포 구조체라면) 그래핀 발포체의 일부가 아니다. 이들 단리된 그래핀 시트는 다공질 막대와 별도로, 또는 그에 추가된 진정 전극 활물질이다. 또한, 제1 또는 제2 전극은 금속 산화물, 전도성 중합체, 유기 물질, 비-그래핀 탄소 물질, 무기 물질, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 산화환원 쌍 파트너 물질을 추가로 함유할 수 있다. 파트너 물질은 그래핀 또는 활성탄과 조합되어, 유사전기용량을 제공하기 위한 산화환원 쌍을 형성한다.The first active material and / or the second active material has a high specific surface area (500 m 2 / g or more, preferably more than 1,000 m 2 / g, more preferably more than 2,000 m 2 / g) of a plurality of particles of carbon Material and / or a plurality of isolated graphene sheets. Again, these isolated graphene sheets are not part of the graphene foam (if the porous rod is a graphene-based foam structure). These isolated graphene sheets are truly electrode active materials separately from, or in addition to, the porous rod. In addition, the first or second electrode may further contain a redox pair partner material selected from metal oxides, conductive polymers, organic materials, non-graphene carbon materials, inorganic materials, or combinations thereof. The partner material is combined with graphene or activated carbon to form redox pairs to provide pseudocapacitance.

마찬가지로 본 발명의 수퍼커패시터는 제2 전극을 감싸거나 케이싱하여 세퍼레이터 보호된 제2 전극을 형성하는 다공질 세퍼레이터를 추가로 포함할 수 있다. 특정 구현예에서, 수퍼커패시터는 브레이드 또는 얀과 보호 외피 사이에 배치된 제3 전해질을 추가로 포함한다. 제3 전해질은 제1 전해질 또는 제2 전해질과 동일하거나 상이할 수 있다.Likewise, the supercapacitor of the present invention may further include a porous separator that surrounds or casks the second electrode to form a separator-protected second electrode. In certain embodiments, the supercapacitor further comprises a third electrolyte disposed between the braid or yarn and the protective sheath. The third electrolyte may be the same as or different from the first electrolyte or the second electrolyte.

본 발명의 일부 구현예에서, 제1 또는 제2 전극(둘 모두는 아님)은 전도성 막대(발포체 아님)를 포함하고, 제1 또는 제2 혼합물은 이러한 전도성 막대의 표면 상에 코팅 또는 증착된다. 이러한 막대는 간단하게는 금속 와이어, 전도성 중합체 섬유 또는 얀, 탄소 또는 흑연 섬유 또는 얀, 다수의 와이어, 섬유 또는 얀일 수 있다.In some embodiments of the invention, the first or second electrode (but not both) comprises a conductive rod (not a foam) and the first or second mixture is coated or deposited on the surface of such conductive rod. Such rods may simply be metal wires, conductive polymer fibers or yarns, carbon or graphite fibers or yarns, multiple wires, fibers or yarns.

특정 구현예에서, 로프형의 수퍼커패시터는 제1 단부 및 제2 단부를 갖고, 제1 전극은 제1 전극에 내장되거나, 연결되거나, 일체화된 적어도 하나의 금속 와이어, 전도성 탄소/흑연 섬유, 또는 전도성 중합체 섬유를 포함하는 제1 단자 커넥터를 함유한다. 바람직한 특정 구현예에서, 적어도 하나의 금속 와이어, 전도성 탄소/흑연 섬유, 또는 전도성 중합체 섬유는 대략 제1 단부에서 제2 단부까지 이어진다. 바람직하게, 이 와이어 또는 섬유는 전자 장치 또는 외부 회로 또는 부하에 연결하기 위한 단자 탭이 되도록 제1 단부 또는 제2 단부로부터 돌출된다.In certain embodiments, the rope-shaped supercapacitor has a first end and a second end, and the first electrode is at least one metal wire, conductive carbon / graphite fiber, or embedded in, connected to, or integrated with the first electrode. And a first terminal connector comprising conductive polymer fibers. In certain preferred embodiments, the at least one metal wire, conductive carbon / graphite fibers, or conductive polymer fibers run approximately from the first end to the second end. Preferably, the wire or fiber protrudes from the first or second end to be a terminal tab for connecting to an electronic device or an external circuit or load.

대안적으로 또는 추가적으로, 로프형의 수퍼커패시터는 제1 단부 및 제2 단부를 갖고, 제2 전극은 제2 전극에 내장되거나, 연결되거나, 일체화된 적어도 하나의 금속 와이어, 전도성 탄소/흑연 섬유, 또는 전도성 중합체 섬유를 포함하는 제2 단자 커넥터를 함유한다. 특정 구현예에서, 적어도 하나의 금속 와이어, 전도성 탄소/흑연 섬유, 또는 전도성 중합체 섬유는 대략 제1 단부에서 제2 단부까지 이어진다. 바람직하게, 이 와이어 또는 섬유는 전자 장치 또는 외부 회로 또는 부하에 연결하기 위한 단자 탭이 되도록 제1 단부 또는 제2 단부로부터 돌출된다.Alternatively or additionally, the rope-shaped supercapacitor has a first end and a second end, the second electrode comprising at least one metal wire, conductive carbon / graphite fibers, embedded, connected or integrated in the second electrode, Or a second terminal connector comprising conductive polymer fibers. In certain embodiments, the at least one metal wire, conductive carbon / graphite fibers, or conductive polymer fibers run approximately from the first end to the second end. Preferably, the wire or fiber protrudes from the first or second end to be a terminal tab for connecting to an electronic device or an external circuit or load.

제1 또는 제2 전기 전도성 다공질 막대는 금속 발포체, 금속 웹, 금속 섬유 매트, 금속 나노와이어 매트, 금속 와이어 브레이드, 전도성 중합체 섬유 매트, 전도성 중합체 발포체, 전도성 중합체 섬유 브레이드, 전도성 중합체 코팅된 섬유 발포체, 탄소 발포체, 흑연 발포체, 탄소 에어로겔, 그래핀 에어로겔, 탄소 제로겔, 그래핀 발포체, 그래핀 산화물 발포체, 환원된 그래핀 산화물 발포체, 탄소 섬유 발포체, 흑연 섬유 발포체, 박리 흑연 발포체, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 다공질 발포체를 함유할 수 있다. 이들 발포체는 매우 잘 변형되는 형상 적응성 구조로 제조될 수 있다.The first or second electrically conductive porous rod can be a metal foam, metal web, metal fiber mat, metal nanowire mat, metal wire braid, conductive polymer fiber mat, conductive polymer foam, conductive polymer fiber braid, conductive polymer coated fiber foam, From carbon foam, graphite foam, carbon aerogel, graphene aerogel, carbon zero gel, graphene foam, graphene oxide foam, reduced graphene oxide foam, carbon fiber foam, graphite fiber foam, exfoliated graphite foam, or combinations thereof It may contain the porous foam of choice. These foams can be made into shape adaptable structures that deform very well.

이들 발포체 구조는 50% 초과, 통상적으로 바람직하게는 70% 초과, 더 통상적으로 바람직하게는 80% 초과, 훨씬 더 통상적으로 바람직하게는 90% 초과, 가장 바람직하게는 95% 초과의 공극률 수준으로 용이하게 제조될 수 있다(그래핀 에어로겔은 99% 공극률 수준을 초과할 수 있음). 이들 발포체의 골격 구조(세공 벽)는 전자 전도 경로의 3D 네트워크를 형성하는 한편, 세공은 전도성 첨가제 또는 바인더 수지의 사용 없이 전극 활물질(애노드의 애노드 활물질 또는 캐소드의 캐소드 활물질)의 많은 부분을 수용할 수 있다.These foam structures are readily available at porosity levels of greater than 50%, usually preferably greater than 70%, more typically greater than 80%, even more usually preferably greater than 90%, most preferably greater than 95%. (Graphene aerogels can exceed 99% porosity levels). The skeletal structure (pore walls) of these foams form a 3D network of electron conduction paths, while the pores will receive a large portion of the electrode active material (anode active material of anode or cathode active material of cathode) without the use of conductive additives or binder resins. Can be.

발포체 막대/필라멘트는 원형, 타원형, 직사각형, 정사각형, 육각형, 중공형, 또는 불규칙한 형상의 단면을 가질 수 있다. 발포체 구조의 단면 형상에 대한 특별한 제한은 없다. 수퍼커패시터는 길이와 직경 또는 두께 및 종횡비(길이/두께 또는 길이/직경 비)가 10을 초과, 바람직하게는 15를 초과, 더 바람직하게는 20을 초과, 더 바람직하게는 30을 초과, 훨씬 더 바람직하게는 50 또는 100을 초과하는 로프형을 갖는다. 로프 전지의 길이 또는 직경(또는 두께)에 대한 제한은 없다. 두께 또는 직경은 통상적으로 바람직하게 100 nm 내지 10 cm, 더 바람직하게 통상적으로는 1 μm 내지 1 cm, 가장 통상적으로는 10 μm 내지 1 mm이다. 길이는 1 μm 내지 수 십 미터 또는 (원하는 경우) 심지어 수 백 미터까지 이어질 수 있다.The foam rods / filaments may have a cross section of circular, oval, rectangular, square, hexagonal, hollow, or irregular shapes. There is no particular limitation on the cross-sectional shape of the foam structure. Supercapacitors have a length and diameter or thickness and aspect ratio (length / thickness or length / diameter ratio) of greater than 10, preferably greater than 15, more preferably greater than 20, more preferably greater than 30, even more Preferably it has a rope shape of more than 50 or 100. There is no restriction on the length or diameter (or thickness) of the rope cell. The thickness or diameter is usually preferably 100 nm to 10 cm, more preferably 1 μm to 1 cm, most typically 10 μm to 1 mm. The length can range from 1 μm to tens of meters or (if desired) even hundreds of meters.

본 발명의 특정 구현예에서, 수퍼커패시터는 (a) 천연 흑연, 인조 흑연, 메소탄소 마이크로비드(MCMB), 및 탄소의 입자; (b) 규소(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 철(Fe), 및 카드뮴(Cd); (c) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, 또는 Cd와 기타 다른 원소와의 화학양론적 또는 비화학양론적 합금 또는 금속간 화합물; (d) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ni, Co, Ti, Mn, 또는 Cd, 및 이들의 혼합물 또는 복합체의 산화물, 탄화물, 질화물, 황화물, 인화물, 셀렌화물, 및 텔루르화물; 및 이들의 조합의 사전리튬화 또는 사전나트륨화 형태로 이루어진 군으로부터 선택되는 애노드 활물질을 갖는 리튬 이온 커패시터 또는 나트륨 이온 커패시터이다.In certain embodiments of the invention, the supercapacitor comprises (a) particles of natural graphite, artificial graphite, mesocarbon microbeads (MCMB), and carbon; (b) silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), lead (Pb), antimony (Sb), bismuth (Bi), zinc (Zn), aluminum (Al), nickel (Ni), cobalt ( Co), manganese (Mn), titanium (Ti), iron (Fe), and cadmium (Cd); (c) stoichiometric or nonstoichiometric alloys or intermetallic compounds of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, or Cd with other elements; (d) oxides, carbides, nitrides, sulfides, phosphides, seleniums of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ni, Co, Ti, Mn, or Cd, and mixtures or complexes thereof Cargo, and telluride; And a lithium ion capacitor or sodium ion capacitor having an anode active material selected from the group consisting of a prelithiated or presodiumated form of a combination thereof.

리튬 이온 커패시터 또는 나트륨 이온 커패시터는 애노드 활물질로서, 순수 그래핀, 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화 그래핀, 질소화 그래핀, 붕소 도핑된 그래핀, 질소 도핑된 그래핀, 화학 작용기화된 그래핀, 물리적으로 또는 화학적으로 활성화된 또는 이들의 에칭된 형태, 또는 이들의 조합의 사전리튬화 또는 사전나트륨화 형태로부터 선택되는, 사전리튬화 또는 사전나트륨화 그래핀 시트를 함유할 수 있다. Lithium ion capacitors or sodium ion capacitors are anode active materials, pure graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, nitrogenated From prelithiated or pre-sodiumated forms of graphene, boron doped graphene, nitrogen doped graphene, chemically functionalized graphene, physically or chemically activated or etched forms thereof, or combinations thereof Optionally, it may contain prelithiated or pre-sodiumated graphene sheets.

일부 구현예에서, 수퍼커패시터는 석유 코크스, 카본블랙, 무정형 탄소, 활성탄, 경질 탄소, 연질 탄소, 주형 탄소, 중공 탄소 나노와이어, 중공 탄소 구체, 티탄산나트륨, NaTi2(PO4)3, Na2Ti3O7, Na2C8H4O4, Na2TP, NaxTiO2(x = 0.2 내지 1.0), Na2C8H4O4, 카르복실레이트계 물질, C8H4Na2O4, C8H6O4, C8H5NaO4, C8Na2F4O4, C10H2Na4O8, C14H4O6, C14H4Na4O8, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 애노드 활물질을 갖는 나트륨 이온 커패시터이다.In some embodiments, the supercapacitors are petroleum coke, carbon black, amorphous carbon, activated carbon, hard carbon, soft carbon, template carbon, hollow carbon nanowires, hollow carbon spheres, sodium titanate, NaTi 2 (PO 4 ) 3 , Na 2 Ti 3 O 7 , Na 2 C 8 H 4 O 4 , Na 2 TP, Na x TiO 2 (x = 0.2 to 1.0), Na 2 C 8 H 4 O 4 , carboxylate, C 8 H 4 Na 2 O 4 , C 8 H 6 O 4 , C 8 H 5 NaO 4 , C 8 Na 2 F 4 O 4 , C 10 H 2 Na 4 O 8 , C 14 H 4 O 6 , C 14 H 4 Na 4 O 8 , or a sodium ion capacitor having an anode active material selected from the combination thereof.

일부 바람직한 구현예에서, 제2 또는 제1 전극 활물질은 리튬 코발트 산화물, 도핑된 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물, 도핑된 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 산화물, 도핑된 리튬 망간 산화물, 리튬 바나듐 산화물, 도핑된 리튬 바나듐 산화물, 리튬 혼합 금속 산화물, 리튬 철 인산염, 리튬 바나듐 인산염, 리튬 망간 인산염, 리튬 혼합 금속 인산염, 금속 황화물, 리튬 셀렌화물, 리튬 폴리설파이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 리튬 삽입 화합물 또는 리튬 흡수 화합물을 함유한다.In some preferred embodiments, the second or first electrode active material is lithium cobalt oxide, doped lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, doped lithium nickel oxide, lithium manganese oxide, doped lithium manganese oxide, lithium vanadium oxide, doped Lithium intercalation compounds selected from the group consisting of lithium vanadium oxide, lithium mixed metal oxide, lithium iron phosphate, lithium vanadium phosphate, lithium manganese phosphate, lithium mixed metal phosphate, metal sulfides, lithium selenide, lithium polysulfide and combinations thereof It contains a lithium absorbing compound.

특정 구현예에서, 제2 또는 제1 전극 활물질은 NaFePO4, Na(1-x)KxPO4, KFePO4, Na0.7FePO4, Na1 . 5VOPO4F0 .5, Na3V2(PO4)3, Na3V2(PO4)2F3, Na2FePO4F, NaFeF3, NaVPO4F, KVPO4F, Na3V2(PO4)2F3, Na1 . 5VOPO4F0 .5, Na3V2(PO4)3, NaV6O15, NaxVO2, Na0 . 33V2O5, NaxCoO2, Na2/3[Ni1/3Mn2/3]O2, Nax(Fe1/2Mn1/2)O2, NaxMnO2,

Figure pct00002
-MnO2, NaxK(1-x)MnO2, Na0 . 44MnO2, Na0.44MnO2/C, Na4Mn9O18, NaFe2Mn(PO4)3, Na2Ti3O7, Ni1 / 3Mn1 / 3Co1 / 3O2, Cu0 . 56Ni0.44HCF, NiHCF, NaxMnO2, NaCrO2, KCrO2, Na3Ti2(PO4)3, NiCo2O4, Ni3S2/FeS2, Sb2O4, Na4Fe(CN)6/C, NaV1 - xCrxPO4F, SezSy(y/z = 0.01 내지 100), Se, 나트륨 폴리설파이드, 황, 알루오석, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 나트륨 삽입 화합물 또는 칼륨 삽입 화합물을 함유한다(x는 0.1 내지 1.0임).In certain embodiments, the second or first electrode active material is NaFePO 4 , Na (1-x) K x PO 4 , KFePO 4 , Na 0.7 FePO 4 , Na 1 . 5 VOPO 4 F 0 .5, Na 3 V 2 (PO 4) 3, Na 3 V 2 (PO 4) 2 F 3, Na 2 FePO 4 F, NaFeF 3, NaVPO 4 F, KVPO 4 F, Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 , Na 1 . 5 VOPO 4 F 0 .5, Na 3 V 2 (PO 4) 3, NaV 6 O 15, Na x VO 2, Na 0. 33 V 2 O 5 , Na x CoO 2 , Na 2/3 [Ni 1/3 Mn 2/3 ] O 2 , Na x (Fe 1/2 Mn 1/2 ) O 2 , Na x MnO 2 ,
Figure pct00002
-MnO 2 , Na x K (1-x) MnO 2 , Na 0 . 44 MnO 2 , Na 0 . 44 MnO 2 / C, Na 4 Mn 9 O 18, NaFe 2 Mn (PO 4) 3, Na 2 Ti 3 O 7, Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2, Cu 0. 56 Ni 0 . 44 HCF, NiHCF, Na x MnO 2 , NaCrO 2 , KCrO 2 , Na 3 Ti 2 (PO 4 ) 3 , NiCo 2 O 4 , Ni 3 S 2 / FeS 2 , Sb 2 O 4 , Na 4 Fe (CN) 6 / C, NaV 1 - x Cr x PO 4 F, Se z S y (y / z = 0.01 to 100), Se, sodium polysulfide, sulfur, aluminate ohseok, or a sodium insertion compound, or selected from combinations of these Potassium insertion compound ( x is from 0.1 to 1.0).

제1 전해질 및/또는 제2 전해질은 액체 용매에 용해된 리튬염 또는 나트륨염을 함유할 수 있고, 액체 용매는 물, 유기 용매, 이온성 액체, 또는 유기 용매와 이온성 액체의 혼합물이다. 액체 용매는 중합체와 혼합되어 중합체 겔을 형성할 수 있다.The first electrolyte and / or the second electrolyte may contain a lithium salt or sodium salt dissolved in a liquid solvent, and the liquid solvent is water, an organic solvent, an ionic liquid, or a mixture of an organic solvent and an ionic liquid. The liquid solvent may be mixed with the polymer to form a polymer gel.

바람직하게, 제1 전해질 및/또는 제2 전해질은 2.5 M 초과(바람직하게는 3.0 M 초과, 더 바람직하게는 3.5 M 초과, 훨씬 더 바람직하게는 5.0 M 초과, 훨씬 더 바람직하게는 7.0 M 초과, 가장 바람직하게는 10 M 초과, 최대 15 M)의 염 농도를 갖는 액체 용매에 용해된 리튬염 또는 나트륨염을 함유한다.Preferably, the first electrolyte and / or the second electrolyte is greater than 2.5 M (preferably greater than 3.0 M, more preferably greater than 3.5 M, even more preferably greater than 5.0 M, even more preferably greater than 7.0 M, Most preferably it contains a lithium salt or sodium salt dissolved in a liquid solvent having a salt concentration above 10 M, up to 15 M).

본 발명의 알칼리 금속 전지에서, 제1 또는 제2 전극의 전기 전도성 다공질 막대는 적어도 90 부피%의 세공을 갖고, 제1 또는 제2 전극은 200 μm 이상의 직경 또는 두께를 갖거나 전체 전지 셀의 적어도 30 중량% 또는 부피%를 차지하는 활물질 질량 공급량(애노드 또는 캐소드 활물질)을 갖거나, 제1 전극 활물질과 제2 전극 활물질의 합은 전체 전지 셀의 적어도 50 중량% 또는 부피%를 차지한다.In the alkali metal battery of the present invention, the electrically conductive porous rod of the first or second electrode has at least 90% by volume of pores, and the first or second electrode has a diameter or thickness of 200 μm or more or at least of the entire battery cell. The active material mass supply amount (anode or cathode active material) occupies 30% by weight or volume%, or the sum of the first electrode active material and the second electrode active material comprises at least 50% by weight or volume% of the entire battery cell.

일부 바람직한 구현예에서, 제1 또는 제2 전기 전도성 다공질 막대는 적어도 95 부피%의 세공을 갖고, 제1 또는 제2 전극은 300 μm 이상의 직경 또는 두께를 갖거나 전체 전지 셀의 적어도 35 중량% 또는 부피%를 차지하는 활물질 질량 공급량을 갖거나, 제1 전극 활물질과 제2 전극 활물질의 합은 전체 전지 셀의 적어도 60 중량% 또는 부피%를 차지한다.In some preferred embodiments, the first or second electrically conductive porous rod has at least 95% by volume pores and the first or second electrode has a diameter or thickness of at least 300 μm or at least 35% by weight of the entire battery cell or It has an active material mass supply amount that occupies volume%, or the sum of the first electrode active material and the second electrode active material accounts for at least 60 wt% or volume% of the entire battery cell.

일부 바람직한 구현예에서, 제1 또는 제2 전극 활물질은 무기 물질, 유기 또는 중합체 물질, 금속 산화물/인산염/황화물, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 알칼리 금속 삽입 화합물 또는 알칼리 금속 흡수 화합물을 포함한다. 이 화합물은 리튬 이온 커패시터에서 애노드 활물질(예를 들어, 티탄산리튬 또는 리튬화 흑연)일 수 있으며, 상기 캐소드는 높은 비표면적을 갖는 EDLC 형(예를 들어, 활성탄)이다. 금속 산화물/인산염/황화물은 VO2, LixVO2, V2O5, LixV2O5, V3O8, LixV3O8, LixV3O7, V4O9, LixV4O9, V6O13, LixV6O13, 이들의 도핑된 형태, 이들의 유도체, 및 이들의 조합으로부터 이루어진 군으로부터 선택되는 산화 바나듐을 함유한다(식에서 0.1 < x < 5임).In some preferred embodiments, the first or second electrode active material comprises an alkali metal insertion compound or an alkali metal absorbing compound selected from inorganic materials, organic or polymeric materials, metal oxides / phosphates / sulfides, or combinations thereof. This compound may be an anode active material (eg lithium titanate or lithiated graphite) in a lithium ion capacitor, the cathode being of EDLC type (eg activated carbon) with a high specific surface area. Metal oxides / phosphates / sulfides are VO 2 , Li x VO 2 , V 2 O 5 , Li x V 2 O 5 , V 3 O 8 , Li x V 3 O 8 , Li x V 3 O 7 , V 4 O 9 Vanadium oxide selected from the group consisting of Li x V 4 O 9 , V 6 O 13 , Li x V 6 O 13 , doped forms thereof, derivatives thereof, and combinations thereof (wherein 0.1 <x <5).

이 화합물은 전이 금속 디칼코게나이드, 전이 금속 트리칼코게나이드, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 무기 물질일 수 있다. 바람직하게는, 무기 물질은 TiS2, TaS2, MoS2, NbSe3, MnO2, CoO2, 산화 철, 산화 바나듐, 또는 이들의 조합으로부터 선택된다. 일부 특정 구현예에서, 무기 물질은 (a) 비스무트 셀레나이드 또는 비스무트 텔룰라이드, (b) 전이금속 디칼코게나이드 또는 트리칼코게나이드, (c) 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 코발트, 망간, 철, 니켈 또는 전이 금속의 황화물, 셀렌화물, 또는 텔루르화물; (d) 질화붕소, 또는 (e) 이들의 조합으로부터 선택된다.This compound may be an inorganic material selected from transition metal dichalcogenides, transition metal trichalcogenides, or combinations thereof. Preferably, the inorganic material is selected from TiS 2 , TaS 2 , MoS 2 , NbSe 3 , MnO 2 , CoO 2 , iron oxide, vanadium oxide, or a combination thereof. In some specific embodiments, the inorganic material comprises (a) bismuth selenide or bismuth telluride, (b) transition metal dichalcogenide or trichalcogenide, (c) niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium Sulfides, selenides, or tellurides of cobalt, manganese, iron, nickel or transition metals; (d) boron nitride, or (e) combinations thereof.

산화환원 쌍 파트너 물질은 금속 탄화물, 금속 질화물, 붕소화 금속, 금속 디칼코게나이드, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 알칼리 금속 삽입 화합물 또는 알칼리 금속 흡수 화합물로부터 선택될 수 있다. 더 구체적으로, 캐소드는, 나노와이어, 나노디스크, 나노리본, 또는 나노평판 형상인, 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 바나듐, 크롬, 코발트, 망간, 철 또는 니켈의 산화물, 디칼코게나이드, 트리칼코게나이드, 황화물, 셀렌화물, 또는 텔루르화물로부터 선택되는, 알칼리 금속 삽입 화합물 또는 알칼리 금속 흡수 화합물을 함유한다.The redox pair partner material may be selected from alkali metal insertion compounds or alkali metal absorbing compounds selected from metal carbides, metal nitrides, metal borides, metal dichalcogenides, or combinations thereof. More specifically, the cathode is an oxide of niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium, vanadium, chromium, cobalt, manganese, iron or nickel, which is nanowire, nanodisk, nanoribbon, or nanoplate shaped, It contains an alkali metal insertion compound or an alkali metal absorbing compound, selected from dichalcogenides, trichalcogenides, sulfides, selenides, or tellurides.

일부 구현예에서, 산화환원 쌍 파트너 물질은, (a) 비스무트 셀렌화물 또는 비스무트 텔루르화물, (b) 전이 금속 디칼코게나이드 또는 트리칼코게나이드, (c) 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 코발트, 망간, 철 또는 니켈, 또는 전이 금속의 황화물, 셀렌화물, 또는 텔루르화물; (d) 질화붕소, 또는 (e) 이들의 조합으로부터 선택되는 무기 물질의 나노디스크, 나노평판, 나노코팅 또는 나노시트를 함유하며, 여기서, 디스크, 평판, 또는 시트는 높은 비표면적을 보장하기 위해 100 nm 미만(바람직하게는 10 nm 미만, 더 바람직하게는 3 nm 미만)의 두께를 갖는다.In some embodiments, the redox pair partner material comprises (a) bismuth selenide or bismuth telluride, (b) transition metal dichalcogenide or trichalcogenide, (c) niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, Sulfides, selenides, or tellurides of tungsten, titanium, cobalt, manganese, iron or nickel, or transition metals; (d) a nanodisk, nanoplate, nanocoating or nanosheet of inorganic material selected from boron nitride, or (e) combinations thereof, wherein the disc, plate, or sheet is used to ensure a high specific surface area. It has a thickness of less than 100 nm (preferably less than 10 nm, more preferably less than 3 nm).

도 1a는 애노드 집전체(예를 들어, 탄소-코팅된 Al 호일), 애노드 전극(예를 들어, 수지 바인더에 의해 결합된, 활성탄 입자 및 전도성 첨가제의 층), 다공질 세퍼레이터, 캐소드 전극(예를 들어, 수지 바인더에 의해 결합된, 활성탄 입자 및 전도성 첨가제의 층), 및 캐소드 집전체(예를 들어, Al 호일)로 구성된, 선행 기술의 수퍼커패시터의 개략도이다.
도 1b는 로프형의, 플렉시블 형상 적응성 수퍼커패시터의 제조 방법의 개략도이다.
도 1c는 연속적인 자동화 방식으로 전극(막대 형상의 애노드 또는 캐소드)을 제조하는 절차의 4가지 예이다.
도 1d는 알칼리 금속-이온 전지 전극을 연속적으로 제조하는 본 발명의 공정의 개략도이다.
도 2는 단리된 그래핀 시트의 전자 현미경 이미지이다.
도 3a는 전도성 다공질 층(금속 그리드/메쉬 및 탄소 나노섬유 매트)의 예이다.
도 3b는 전도성 다공질 층(그래핀 발포체 및 탄소 발포체)의 예이다.
도 3c는 전도성 다공질 층(흑연 발포체 및 Ni 발포체)의 예이다.
도 3d는 전도성 다공질 층(Cu 발포체 및 스테인리스강 발포체)의 예이다.
도 4a는 박리 흑연, 팽창 흑연 플레이크(두께 100 nm 초과) 및 그래핀 시트(두께 100 nm 미만, 더 통상적으로는 10 nm 미만이며, 0.34 nm만큼 얇을 수 있음)의 제조에 일반적으로 사용되는 공정의 개략도이다.
도 4b는 박리 흑연, 팽창 흑연 플레이크, 및 단리된 그래핀 시트의 제조 공정을 설명하기 위한 개략도이다.
도 5는 전극 활물질로서 환원된 그래핀 산화물(RGO) 시트 및 EMIMBF4 이온성 액체 전해질을 함유하는 대칭 수퍼커패시터(EDLC) 셀의 라곤 도표(중량 및 부피 전력 밀도 대 에너지 밀도)이다. 데이터는 로프형 수퍼커패시터 및 비교를 위해 종래의 전극 슬러리 코팅에 의해 제조된 선행 기술의 수퍼커패시터 모두로부터 수득되었다.
도 6은 전극 활물질로서 활성탄(AC) 입자 및 유기 액체 전해질을 함유하는 대칭 수퍼커패시터(EDLC) 셀의 라곤 도표(중량 및 부피 전력 밀도 대 에너지 밀도)이다.
도 7a는 전극 활물질로서 순수 그래핀 시트 및 리튬염-PC/DEC 유기 액체 전해질을 함유하는 리튬 이온 커패시터(LIC) 셀의 라곤 도표(중량 및 부피 전력 밀도 대 에너지 밀도)이다.
도 7b는 전극 활물질로서 순수 그래핀 시트 및 나트륨염-PC/DEC 유기 액체 전해질을 함유하는 나트륨 이온 커패시터(NIC) 셀의 라곤 도표(중량 및 부피 전력 밀도 대 에너지 밀도)이다.
도 8은 종래의 방법 및 본 발명의 방법을 통해 제조된 AC계 EDLC 수퍼커패시터의 달성가능한 전극 직경 범위에 대한 셀-수준 중량 및 부피 에너지 밀도의 도표이다. 본 발명의 방법을 이용하면, 달성될 수 있는 전극 직경에 이론적 한계는 없다. 통상적으로, 실질적인 전극 두께는 10 ㎛ 내지 5,000 ㎛, 더 통상적으로는 100 ㎛ 내지 1,000 ㎛, 가장 통상적으로는 200 ㎛ 내지 800 ㎛이다.
도 9는 종래의 방법을 통해 제조된 RGO계 EDLC 수퍼커패시터(유기 액체 전해질) 및 본 발명의 방법에 의해 제조된 로프형의 셀(대략 0.75 g/cm3의 전극 탭 밀도를 용이하게 달성함)의 달성가능한 전극 두께 범위에 대한 셀 수준 중량 및 부피 에너지 밀도의 도표이다.
도 10은 종래의 방법을 통해 제조된 순수 그래핀계 EDLC 수퍼커패시터(유기 액체 전해질) 및 본 발명의 방법에 의한 로프형의 셀(대략 0.85 g/cm3의 전극 탭 밀도)의 달성가능한 전극 두께 범위에 대한 셀 수준 중량 및 부피 에너지 밀도의 도표이다.
도 11은 종래의 방법을 통해 제조된 순수 그래핀계 EDLC 수퍼커패시터(이온성 액체 전해질) 및 본 발명의 방법에 의한 로프형의 셀(대략 0.85 g/cm3의 전극 탭 밀도)의 달성가능한 전극 두께 범위에 대한 셀 수준 중량 및 부피 에너지 밀도의 도표이다.
도 12는 활성탄계 EDLC 수퍼커패시터(유기 액체 전해질 이용)에 대해 달성가능한 활물질 비(활물질 중량/총 셀 중량)에 대한 셀 수준 중량 에너지 밀도의 도표이다.
도 13은 일련의 두 개의 순수 그래핀계 EDLC 수퍼커패시터(모두 유기 액체 전해질 이용)에 대한 수퍼커패시터 셀 내에서 달성가능한 활물질 비(활물질 중량/총 셀 중량)에 대한 셀-수준 중량 에너지 밀도의 도표이다.
1A shows an anode current collector (eg, carbon-coated Al foil), an anode electrode (eg, a layer of activated carbon particles and conductive additives bound by a resin binder), a porous separator, a cathode electrode (eg For example, a schematic of a prior art supercapacitor, consisting of activated carbon particles and a layer of conductive additives, bonded by a resin binder, and a cathode current collector (eg, Al foil).
1B is a schematic diagram of a method for manufacturing a rope-shaped, flexible shape adaptive supercapacitor.
1C is four examples of procedures for manufacturing electrodes (rod-shaped anodes or cathodes) in a continuous automated manner.
1D is a schematic diagram of the process of the present invention for continuously producing an alkali metal-ion battery electrode.
2 is an electron microscope image of an isolated graphene sheet.
3A is an example of a conductive porous layer (metal grid / mesh and carbon nanofiber mat).
3B is an example of a conductive porous layer (graphene foam and carbon foam).
3C is an example of a conductive porous layer (graphite foam and Ni foam).
3D is an example of a conductive porous layer (Cu foam and stainless steel foam).
FIG. 4A shows a process commonly used to prepare exfoliated graphite, expanded graphite flakes (greater than 100 nm thick) and graphene sheets (less than 100 nm thick, more typically less than 10 nm thick, which may be as thin as 0.34 nm). Schematic diagram.
4B is a schematic diagram illustrating a manufacturing process of exfoliated graphite, expanded graphite flakes, and isolated graphene sheets.
FIG. 5 is a ragon diagram (weight and volumetric power density versus energy density) of a symmetric supercapacitor (EDLC) cell containing a reduced graphene oxide (RGO) sheet and an EMIMBF 4 ionic liquid electrolyte as electrode active material. Data was obtained from both rope-type supercapacitors and prior art supercapacitors prepared by conventional electrode slurry coating for comparison.
FIG. 6 is a Ragon diagram (weight and volumetric power density vs. energy density) of a symmetric supercapacitor (EDLC) cell containing activated carbon (AC) particles and an organic liquid electrolyte as electrode active material.
FIG. 7A is a Ragon diagram (weight and volumetric power density versus energy density) of a lithium ion capacitor (LIC) cell containing a pure graphene sheet and a lithium salt-PC / DEC organic liquid electrolyte as electrode active material.
FIG. 7B is a Ragon plot (weight and volumetric power density versus energy density) of a sodium ion capacitor (NIC) cell containing a pure graphene sheet and sodium salt-PC / DEC organic liquid electrolyte as electrode active material.
FIG. 8 is a plot of cell-level weight and volumetric energy density over a range of achievable electrode diameters of AC-based EDLC supercapacitors made through conventional methods and methods of the present invention. Using the method of the present invention, there is no theoretical limit on the electrode diameter that can be achieved. Typically, the substantial electrode thickness is between 10 μm and 5,000 μm, more typically between 100 μm and 1,000 μm and most typically between 200 μm and 800 μm.
9 is an RGO-based EDLC supercapacitor (organic liquid electrolyte) prepared by a conventional method and a rope-shaped cell prepared by the method of the present invention (easily achieves an electrode tap density of about 0.75 g / cm 3 ). Is a plot of cell level weight and volume energy density over a range of electrode thicknesses that can be achieved.
10 is achievable electrode thickness ranges of pure graphene-based EDLC supercapacitors (organic liquid electrolyte) and rope-shaped cells (approximately 0.85 g / cm 3 electrode tab density) prepared by conventional methods. Plot of cell level weight and volume energy density for.
FIG. 11 shows achievable electrode thicknesses of pure graphene-based EDLC supercapacitors (ionic liquid electrolytes) prepared by conventional methods and rope-shaped cells (electrode tap density of approximately 0.85 g / cm 3 ) by the method of the present invention. Plot of cell level weight and volume energy density over range.
12 is a plot of cell level weight energy density versus active material ratio (active material weight / total cell weight) achievable for activated carbon based EDLC supercapacitors (using organic liquid electrolyte).
FIG. 13 is a plot of cell-level weight energy density versus achievable active material ratio (active material weight / total cell weight) in a supercapacitor cell for a series of two pure graphene-based EDLC supercapacitors, both with organic liquid electrolyte. .

본 발명은, 종래의 수퍼커패시터에 비해 특히 높은 부피 에너지 밀도 및 높은 중량 에너지 밀도를 나타내는 형상 적응성 로프 유사 플렉시블 수퍼커패시터에 관한 것이다. 이러한 수퍼커패시터는 EDLC 수퍼커패시터(대칭 또는 비대칭), 산화환원 또는 유사커패시터, 리튬 이온 커패시터(리튬 이온 전지 아님), 또는 나트륨 이온 커패시터(나트륨 이온 전지 아님)일 수 있다. 수퍼커패시터는 수성 전해질, 비수성 또는 유기 전해질, 겔 전해질, 이온성 액체 전해질, 또는 유기 및 이온성 액체의 혼합물을 기초로 한다.The present invention relates to shape adaptive rope-like flexible supercapacitors which exhibit particularly high volumetric energy density and high weight energy density compared to conventional supercapacitors. Such supercapacitors may be EDLC supercapacitors (symmetric or asymmetrical), redox or pseudocapacitors, lithium ion capacitors (not lithium ion cells), or sodium ion capacitors (not sodium ion cells). Supercapacitors are based on aqueous electrolytes, non-aqueous or organic electrolytes, gel electrolytes, ionic liquid electrolytes, or mixtures of organic and ionic liquids.

도 1a에 개략적으로 예시한 바와 같이, 선행 기술의 수퍼커패시터 셀은 통상적으로 애노드 집전체(202)(예를 들어, 12 내지 15 ㎛ 두께의 Al 호일), 집전체 상에 코팅된 애노드 활물질층(204)(활성탄 입자와 같은 애노드 활물질(232), 및 PVDF와 같은 수지 바인더에 의해 결합된 전도성 첨가제 함유), 다공질 세퍼레이터(230), 캐소드 활물질층(208)(활성탄 입자와 같은 캐소드 활물질(234), 및 미도시된 수지 바인더에 의해 모두 결합된 전도성 첨가제 함유), 캐소드 집전체(206)(예를 들어, Al 호일), 및 애노드 활물질층(204)(간단히 "애노드 층"으로도 언급됨) 및 캐소드 활물질층(208)(또는 간단히 "캐소드 층") 모두에 배치된 액체 전해질로 구성된다. 전체 셀은 얇은 플라스틱-알루미늄 호일 라미네이트 기재의 외장(envelop)과 같은 보호 하우징 내에 케이싱된다. 선행 기술의 수퍼커패시터 셀은 통상적으로 다음 단계들을 포함하는 방법에 의해 제조된다:As schematically illustrated in FIG. 1A, prior art supercapacitor cells typically comprise an anode current collector 202 (eg, 12 to 15 μm thick Al foil), an anode active material layer coated on the current collector ( 204 (containing an anode active material 232 such as activated carbon particles, and a conductive additive bonded by a resin binder such as PVDF), a porous separator 230, a cathode active material layer 208 (cathode active material such as activated carbon particles 234) , And conductive additives all bound by a resin binder, not shown), cathode current collector 206 (eg, Al foil), and anode active material layer 204 (also referred to simply as " anode layer "). And a liquid electrolyte disposed on both the cathode active material layer 208 (or simply " cathode layer "). The entire cell is cascaded in a protective housing, such as an envelope of thin plastic-aluminum foil laminate substrate. Prior art supercapacitor cells are typically manufactured by a method comprising the following steps:

a) 제1 단계는 용매(예를 들어, NMP) 내에서 애노드 활물질(예를 들어, 활성탄), 전도성 충전제(예를 들어, 흑연 플레이크), 수지 바인더(예를 들어, PVDF)의 입자를 혼합하여 애노드 슬러리를 형성하는 것이다. 개별적으로, 캐소드 활물질(예를 들어, 활성탄)의 입자, 전도성 충전제(예를 들어, 아세틸렌 블랙), 수지 바인더(예를 들어, PVDF)를 혼합하고, 용매(예를 들어, NMP) 내에 분산시켜 캐소드 슬러리를 형성한다.a) The first step involves mixing particles of an anode active material (e.g. activated carbon), a conductive filler (e.g. graphite flakes), a resin binder (e.g. PVDF) in a solvent (e.g. NMP). To form an anode slurry. Individually, particles of cathode active material (e.g., activated carbon), conductive filler (e.g., acetylene black), resin binder (e.g., PVDF) are mixed and dispersed in a solvent (e.g., NMP) Form a cathode slurry.

b) 제2 단계는 애노드 집전체(예를 들어, Cu 또는 Al 호일)의 1차 표면 중의 하나 또는 둘 다에 애노드 슬러리를 코팅하고, 용매(예를 들어, NMP)를 기화시킴으로써 이 코팅된 층을 건조시켜 Cu 도는 Al 호일에 코팅된 건조 애노드 전극을 형성하는 단계를 포함한다. 마찬가지로, 캐소드 슬러리를 코팅하고 건조시켜, Al 호일에 코팅된 건조 캐소드 전극을 형성한다. b) The second step is coating this anode layer by coating the anode slurry on one or both of the primary surfaces of the anode current collector (eg Cu or Al foil) and vaporizing the solvent (eg NMP) Drying to form a dry anode electrode coated on Cu or Al foil. Likewise, the cathode slurry is coated and dried to form a dry cathode electrode coated on Al foil.

c) 제3 단계는 애노드/Al 호일 시트, 다공질 세퍼레이터층, 및 캐소드/Al 호일 시트를 함께 라미네이팅하여 3층 또는 5층 조립체를 형성하고, 이를 원하는 크기로 절단하거나 자르고 적층하여 (형상의 하나의 예로서) 장방형 구조체를 형성하거나 원통형 셀 구조체로 권취하는 단계를 포함한다. c) The third step involves laminating the anode / Al foil sheet, the porous separator layer, and the cathode / Al foil sheet together to form a three or five layer assembly, which is cut or cut and laminated to the desired size (one of the shape By way of example) forming a rectangular structure or winding it into a cylindrical cell structure.

d) 이어서, 장방형 또는 원통형 라미네이트 구조체를 알루미늄-플라스틱 라미네이트 외장 또는 스틸 케이싱에 넣는다.d) The rectangular or cylindrical laminate structure is then placed in an aluminum-plastic laminate sheath or steel casing.

e) 그 후 액체 전해질을 라미네이트된 구조체 내로 주입하여 수퍼커패시터 셀을 제조한다.e) A liquid electrolyte is then injected into the laminated structure to produce a supercapacitor cell.

이러한 종래의 방법 및 생성된 수퍼커패시터 셀과 연관된 몇몇 심각한 문제들이 존재한다:There are some serious problems associated with this conventional method and the resulting supercapacitor cell:

1) 100 ㎛보다 두꺼운 활성탄을 기초로 한 전극 층(애노드 층 또는 캐소드 층)을 생산하는 것이 매우 어려우며, 200 ㎛보다 두꺼운 전극 층을 생산하는 것은 실질적으로 불가능하거나 비현실적이다. 이에 대한 몇 가지 이유가 존재한다:1) It is very difficult to produce electrode layers (anode layers or cathode layers) based on activated carbon thicker than 100 μm, and it is practically impossible or impractical to produce electrode layers thicker than 200 μm. There are several reasons for this:

a. 100 ㎛ 두께의 전극은 슬러리 코팅 설비에서 30 내지 50 미터 길이의 가열 영역을 통상적으로 필요로 하며, 이는 지나치게 시간 소비적, 지나치게 에너지 집약적이며 비용-효과적이지 않다.a. 100 μm thick electrodes typically require 30 to 50 meter long heating zones in slurry coating equipment, which is too time consuming, too energy intensive and not cost-effective.

b. 보다 두꺼운 전극은 박리되고 균열되는 경향이 크다.b. Thicker electrodes tend to peel and crack.

c. 그래핀 시트와 같은 일부 전극 활물질의 경우, 실제 제조 환경에서 연속적으로 50 ㎛보다 두꺼운 전극을 생산하는 것은 가능하지 않았다. 일부 더 두꺼운 전극이 공개 또는 특허 문헌에서 주장되어 온 개념임에도 불구하고; 이들 전극은 실험실에서 작은 규모로 제조되었다. 실험실 상황에서는, 아마도 새로운 물질이 반복적으로 층에 첨가될 수 있었을 것이고, 수동으로 층을 통합하여 전극의 두께를 증가시킬 수 있었을 것이다. 그러나, 그러한 수동식 절차(대량 생산하기 어려움)를 이용하여도, 생성되는 전극은 매우 깨지기 쉽고 취성이다.c. For some electrode active materials, such as graphene sheets, it was not possible to produce electrodes thicker than 50 μm continuously in actual manufacturing environments. Although some thicker electrodes are a concept that has been claimed in published or patent literature; These electrodes were made on a small scale in the laboratory. In a laboratory situation, new material could have been added to the layer repeatedly, possibly by incorporating the layer manually to increase the thickness of the electrode. However, even with such a manual procedure (difficult to mass produce), the resulting electrode is very brittle and brittle.

d. 이러한 문제는 그래핀계 전극의 경우 더 좋지 않은데, 이는 반복된 압착이 그래핀 시트의 재적층, 및 이에 따라 현저히 감소된 비표면적 및 감소된 비전기용량을 유도하기 때문이다.d. This problem is worse for graphene-based electrodes because repeated compaction leads to re-lamination of the graphene sheet, and thus to a significantly reduced specific surface area and reduced non-electrostatic capacity.

2) 종래의 방법을 이용하면, 도 1a에 묘사된 바와 같이, 전극의 실제 질량 공급량 및 활물질에 대한 겉보기 밀도는 너무 낮다. 대부분의 경우에, 전극의 활물질 질량 공급량(면적 밀도)은 10 mg/cm2 보다 현저히 낮으며, 활물질의 겉보기 부피 밀도 또는 탭 밀도는 상대적으로 큰 활성탄의 입자의 경우에도, 통상적으로 0.75 g/cm3 미만(더 통상적으로는 0.5 g/cm3 미만, 가장 통상적으로는 0.3 g/cm3 미만)이다. 추가적으로, 셀 용량에 기여하지 않고 전극에 추가적 중량 및 부피를 가하는 기타 다른 비활성 물질(예를 들어, 전도성 첨가제 및 수지 바인더)이 존재한다. 이러한 낮은 면적 밀도 및 낮은 부피 밀도는 상대적으로 낮은 부피 전기용량 및 낮은 부피 에너지 밀도를 초래한다.2) Using conventional methods, the actual mass feed of the electrode and the apparent density for the active material are too low, as depicted in FIG. 1A. In most cases, the active material mass supply (area density) of the electrode is significantly lower than 10 mg / cm 2 , and the apparent bulk density or tap density of the active material is typically 0.75 g / cm, even for particles of relatively large activated carbon. Less than 3 (more typically less than 0.5 g / cm 3 , most typically less than 0.3 g / cm 3 ). Additionally, there are other inert materials (eg, conductive additives and resin binders) that add additional weight and volume to the electrode without contributing to cell capacity. Such low area density and low volume density result in relatively low volumetric capacity and low volumetric energy density.

3) 종래의 공정은 액체 용매(예를 들어, NMP)에 전극 활물질(애노드 활물질 및 캐소드 활물질)을 분산시켜 슬러리를 제조하는 단계를 필요로 하며, 집전체 표면에 코팅시 액체 용매는 전극층을 건조시키기 위해 제거되어야 한다. 애노드층과 캐소드층을 세퍼레이터층과 함께 라미네이팅하고 하우징 내에 패키징하여 수퍼커패시터 셀을 제조하면, 셀 내에 액체 전해질을 주입한다. 실제로, 두 개의 전극을 습윤시키고, 이어서 전극을 건조시키고, 마지막으로 다시 습윤시킨다. 이러한 습윤-건조-습윤 공정이 전혀 좋은 공정인 것 같지는 않다.3) The conventional process requires dispersing the electrode active material (anode active material and cathode active material) in a liquid solvent (for example, NMP) to prepare a slurry, and when coating the current collector surface, the liquid solvent dries the electrode layer. To be removed. When the anode layer and the cathode layer are laminated together with the separator layer and packaged in a housing to prepare a supercapacitor cell, a liquid electrolyte is injected into the cell. In practice, the two electrodes are wetted, then the electrodes are dried and finally wet again. This wet-dry-wet process does not seem to be a good process at all.

4) NMP는 환경 친화적 용매가 아니며; 이는 잠재적으로 선천적 결손증을 유발하는 것으로 알려져 있다.4) NMP is not an environmentally friendly solvent; It is known to cause potentially birth defects.

5) 현재의 수퍼커패시터(예를 들어, 대칭 수퍼커패시터 또는 전기 이중층 커패시터, EDLC)는 여전히 상대적으로 낮은 중량 에너지 밀도 및 낮은 부피 에너지 밀도의 문제를 겪는다. 상업적으로 입수가능한 EDLC는 대략 6 Wh/kg의 중량 에너지 밀도를 나타내고, 어떤 실험적인 EDLC 셀도 실온에서 10 Wh/kg(총 셀 중량을 기준으로)보다 더 높은 에너지 밀도를 나타내는 것은 보고된 바 없다. 실험적인 수퍼커패시터는 (셀 수준이 아닌) 전극 수준에서 큰 부피 전극 전기용량(대부분의 경우에 100 내지 200 F/cm3)을 나타내지만, 이들의 통상적인 1 mg/cm2 미만의 활물질 질량 공급량, 0.1 g/cm-3 미만의 탭 밀도, 및 수십 마이크로미터 이하의 전극 두께는 대부분의 상업적으로 입수가능한 전기화학 커패시터에서 사용된 것들보다 현저히 더 낮게 유지되며, 에너지 저장 장치가 셀(장치) 중량을 기준으로 비교적 낮은 면적 및 부피 용량 및 낮은 부피 에너지 밀도를 갖게 된다. 5) Current supercapacitors (eg symmetric supercapacitors or electric double layer capacitors, EDLCs) still suffer from relatively low weight energy density and low volumetric energy density. Commercially available EDLCs show a weight energy density of approximately 6 Wh / kg, and no experimental EDLC cells show higher energy densities than 10 Wh / kg (based on total cell weight) at room temperature. . Experimental supercapacitors exhibit large volume electrode capacities (100-200 F / cm 3 in most cases) at the electrode level (not at the cell level), but their typical mass feeds of active materials below 1 mg / cm 2 , Tap densities of less than 0.1 g / cm -3 , and electrode thicknesses of several tens of micrometers or less remain significantly lower than those used in most commercially available electrochemical capacitors, the energy storage device being the cell (device) weight It has relatively low area and volume capacity and low volume energy density.

문헌에서, 활물질 중량 단독 또는 전극 중량을 기준으로 보고된 에너지 밀도 데이터는 실제 수퍼커패시터 셀 또는 장치의 에너지 밀도로 직접 변환될 수 없다. "오버헤드 중량" 또는 기타 다른 장치 구성요소(바인더, 전도성 첨가제, 집전체, 세퍼레이터, 전해질, 및 패키징)의 중량도 고려되어야 한다. 종래의 제조 방법에서는 결과적으로 활물질의 비가 총 셀 중량의 30 중량% 미만(일부 경우에서, 예를 들어 그래핀계 활물질의 경우 15% 미만)이 된다.In the literature, the energy density data reported based on the active material weight alone or on the electrode weight cannot be converted directly to the energy density of the actual supercapacitor cell or device. The weight of "overhead weight" or other device components (binder, conductive additive, current collector, separator, electrolyte, and packaging) should also be considered. In conventional manufacturing methods, the result is that the ratio of active material is less than 30% by weight of the total cell weight (in some cases, for example less than 15% for graphene-based active materials).

본 발명은 로프형, 높은 활물질 질량 공급량, 낮은 오버헤드 중량 및 부피, 높은 중량 에너지 밀도, 및 높은 부피 에너지 밀도를 갖는 형상 적응성 플렉시블 수퍼커패시터의 제조 방법을 제공한다. 추가적으로, 본 발명의 방법에 의해 제조된 수퍼커패시터의 제조 비용은 종래의 방법에 의한 것들보다 현저히 낮을 수 있으며, 환경적으로도 훨씬 더 양호하다.The present invention provides a method of making a shape adaptive flexible supercapacitor having a rope type, high active material mass feed, low overhead weight and volume, high weight energy density, and high bulk energy density. In addition, the manufacturing cost of the supercapacitors produced by the process of the present invention can be significantly lower than those by conventional methods and are much better environmentally.

본 발명의 일 구현예에서, 도 1c에 예시된 바와 같이, 브레이드 형상 또는 얀 형상 전극을 함유하는 본 발명의 로프형 수퍼커패시터는, 제1 전극 활물질(예를 들어, 다공질 막대의 세공 크기보다 작은 크기를 갖는, 활성탄 입자 또는 단리된/분리된 그래핀 시트) 및 제1 전해질의 혼합물로 부분적으로 또는 완전히 공급된 세공들을 갖는 전기 전도성 다공질 막대(예를 들어, 탄소 발포체, 그래핀 발포체, 금속 나노와이어 매트 등)로 구성된, 제1 전극(11)을 공급하는 제1 단계를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다. 전도성 첨가제 또는 수지 바인더가 혼합물에 선택적으로 첨가될 수 있지만, 이는 필요하지 않거나 심지어 바람직하지 않다. 이 제1 전극(11)은 외부 부하에 수퍼커패시터를 연결하기 위한 단자 탭 역할을 할 수 있는 활물질 부재 전해질 부재의 단부(13)를 선택적으로 함유할 수 있다. 이 제1 전극은 임의의 형상, 예를 들어 원형, 직사각형, 타원형, 정사각형, 육각형, 중공형, 또는 불규칙한 형상의 단면을 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, as illustrated in FIG. 1C, the rope-type supercapacitor of the present invention containing a braided or yarn-shaped electrode is characterized in that it is smaller than the pore size of the first electrode active material (eg, the porous rod). Electrically conductive porous rod (eg, carbon foam, graphene foam, metal nano) having pores partially or fully supplied with a mixture of activated carbon particles or an isolated / separated graphene sheet having a size and a first electrolyte Wire mat, etc.), which may include a first step of supplying the first electrode 11. Conductive additives or resin binders may optionally be added to the mixture, but this is not necessary or even undesirable. The first electrode 11 may optionally contain an end portion 13 of the active material member electrolyte member, which may serve as a terminal tab for connecting a supercapacitor to an external load. The first electrode may have a cross section of any shape, for example round, rectangular, elliptical, square, hexagonal, hollow, or irregularly shaped.

대안적으로, 제1 단계에서, 제1 전극은 (다공질 발포체가 아닌) 전도성 막대를 포함하고, 제1 혼합물은 이 전도성 막대의 표면에 코팅되거나 증착된다. 이 막대는 금속 와이어, 전도성 중합체 섬유 또는 얀, 탄소 또는 흑연 섬유 또는 얀, 또는 다수의 얇은 와이어, 섬유, 또는 얀처럼 단순할 수 있다. 그러나, 이러한 상태에서, 제2 전극은 다공질 발포체 구조를 포함해야 한다.Alternatively, in the first step, the first electrode comprises a conductive rod (not a porous foam) and the first mixture is coated or deposited on the surface of the conductive rod. This rod can be as simple as a metal wire, conductive polymer fiber or yarn, carbon or graphite fiber or yarn, or a plurality of thin wires, fibers, or yarns. In this state, however, the second electrode must comprise a porous foam structure.

제2 단계는 전해질 내 이온에 대해 침투가능한 박층의 다공질 세퍼레이터(15)(예를 들어, 다공질 플라스틱 필름, 종이, 섬유 매트, 부직물, 유리 섬유 천 등)로 제1 전극(11)을 감싸거나 케이싱하는 것을 포함한다. 이 단계는 얇은 다공질 플라스틱 테이프로 제1 전극을 완전히 한 바퀴 또는 한 바퀴보다 약간 더 많이, 또는 나선형으로 감싸는 것처럼 단순할 수 있다. 주 목적은 내부 단락을 방지하기 위해 애노드와 캐소드를 전기적으로 분리하는 것이다. 다공질 세퍼레이터 층은 분무, 인쇄, 코팅, 딥 캐스팅 등에 의해 제1 전극 전체 둘레에 간단히 증착될 수 있다.The second step is to wrap the first electrode 11 with a thin porous separator 15 (e.g., porous plastic film, paper, fiber mat, nonwoven, glass fiber cloth, etc.) permeable to ions in the electrolyte, or Casing. This step can be as simple as wrapping the first electrode entirely with a thin, porous plastic tape, or slightly more than one wheel, or spirally. The main purpose is to electrically isolate the anode and cathode to prevent internal short circuits. The porous separator layer can simply be deposited around the first electrode by spraying, printing, coating, dip casting, or the like.

제3 단계는 제2 활물질 및 제2 전해질의 혼합물, 및 선택적으로 전도성 첨가제 또는 수지 바인더(필수는 아니며, 바람직한 것은 아님)를 포함하는 제2 전극(17)을 제조하는 단계를 포함한다. 이러한 제2 전극(17)은 외부 부하에 연결하기 위한 단자 탭의 역할을 할 수 있는, 활물질 부재 전해질 부재의 단부를 선택적으로 함유할 수 있다. 제2 전극은 선택적으로 그러나 바람직하게는 다공질 세퍼레이터 층(18)에 의해 케이싱되거나 감싸질 수 있다.The third step includes preparing a second electrode 17 comprising a mixture of a second active material and a second electrolyte, and optionally a conductive additive or resin binder (not required, but not preferred). The second electrode 17 may optionally contain an end portion of the active material member electrolyte member, which may serve as a terminal tab for connecting to an external load. The second electrode may optionally be cascaded or enclosed by, but preferably by the porous separator layer 18.

케이싱 다공질 세퍼레이터 층을 이용하거나 이용하지 않는, 이러한 제2 전극은 브레이딩 또는 얀-제작 절차를 사용하여 제1 전극과 조합하여 2겹 연사 또는 브레이드로 제조된다. 제1 전극이 애노드인 경우, 제2 전극은 캐소드이거나; 그 반대도 가능하다. 얀 또는 브레이드는 하나의 단일 캐소드 또는 다수의 캐소드와 조합된 다수의 애노드(즉, 애노드 활물질 및 전해질을 각각 함유하는 다수의 필라멘트 또는 막대)를 함유할 수 있다. 얀 또는 브레이드는 하나의 단일한 애노드 또는 다수의 애노드 필라멘트와 조합된 다수의 캐소드(즉, 캐소드 활물질 및 전해질을 각각 함유하는 다수의 필라멘트 또는 막대)를 함유할 수 있다. 최종 단계로서, 이러한 브레이드 또는 얀 구조는 전기적으로 절연된 보호 케이싱 또는 외피(19)(예를 들어, 플라스틱 외피 또는 고무 쉘)에 의해 케이싱되거나 보호된다.This second electrode, with or without a casing porous separator layer, is made of double-ply twisted yarn or braid in combination with the first electrode using a braiding or yarn-making procedure. If the first electrode is an anode, the second electrode is a cathode; The reverse is also possible. The yarn or braid may contain one single cathode or multiple anodes in combination with multiple cathodes (ie, multiple filaments or rods each containing an anode active material and an electrolyte). The yarn or braid may contain a plurality of cathodes (ie, a plurality of filaments or rods each containing a cathode active material and an electrolyte) in combination with one single anode or a plurality of anode filaments. As a final step, this braid or yarn structure is cased or protected by an electrically insulated protective casing or sheath 19 (eg a plastic sheath or rubber shell).

일부 추가적인 전해질이 n겹 브레이드/얀(n≥2) 및 보호 외피 사이에 혼입될 수 있음에 유의할 수 있다. 그러나, 모든 전극 막대 또는 필라멘트는 그 세공 내에 이미 활물질 및 전해질을 함유하기 때문에 이는 필수사항은 아니다.It may be noted that some additional electrolyte may be incorporated between the n-ply braid / yarn (n ≧ 2) and the protective sheath. However, this is not necessary because all electrode rods or filaments already contain active materials and electrolytes in their pores.

일부 구현예에서, 전극 중 하나는 활물질-전해질 혼합물을 수용하기 위한 세공을 갖는 다공질 막대를 포함하고, 전극 중 적어도 하나는 그의 표면 상에 코팅된 활물질-전해질 혼합물을 갖는 비다공질 막대(필라멘트, 섬유, 와이어 등)이다.In some embodiments, one of the electrodes comprises a porous rod having pores for receiving the active material-electrolyte mixture, and at least one of the electrodes has a non-porous rod (filament, fiber having an active material-electrolyte mixture coated on its surface) , Wire, etc.).

본 수퍼커패시터의 전극은 롤-투-롤 방식으로 생산될 수 있다. 일 구현예에서, 도 1c 및 도 1d에 예시된 바와 같이, 본 발명의 방법은, 공급장치 롤러(미도시)로부터 전기 전도성 다공질 막대/필라멘트(예를 들어, 304, 310, 322, 또는 330)를 활물질 함침 영역 내로 연속적으로 공급하는 것을 포함하며, 여기서 전극 활물질(예를 들어, 활성탄 입자 및/또는 그래핀 시트) 및 전해질을 함유하는 습윤 활물질-전해질 혼합물(예를 들어, (306a, 306b, 312a, 312b)와 같은 슬러리, 현탁액, 또는 겔-유사 덩어리)은 함께 잘 혼합되고, 선택적인 전도성 첨가물은 다공질 층의 다공질 표면으로 전달된다(예를 들어, 도 1c 중 각각 개략도 A 및 개략도 B에서(304 또는 310)). 예로서 개략도 A를 사용하여, 습윤 활물질-전해질 혼합물(306a, 306b)은 한 쌍 또는 두 쌍의 롤러(302a, 302b, 302c 및 302d)를 사용하여 양면으로부터 다공질 층 내로 강제로 함침되어, 함침된 활성 전극(308)(애노드 또는 캐소드)을 형성한다. 전도성 다공질 층은 상호연결된 전자-전도 경로 및 바람직하게는 적어도 70 부피%(바람직하게는 80% 초과, 더 바람직하게는 90% 초과)의 세공을 함유한다. 발포체 막대/필라멘트는 통상적으로 50% 내지 대략 99%의 세공 부피를 갖는다.The electrodes of this supercapacitor can be produced in a roll-to-roll manner. In one embodiment, as illustrated in FIGS. 1C and 1D, the method of the present invention provides an electrically conductive porous rod / filament (eg, 304, 310, 322, or 330) from a feeder roller (not shown). Continuously feeding into the active material impregnation region, wherein the wetted active material-electrolyte mixture (eg, (306a, 306b,) containing an electrode active material (eg, activated carbon particles and / or graphene sheets) and an electrolyte Slurries, suspensions, or gel-like agglomerates, such as 312a, 312b) are well mixed together and optional conductive additives are transferred to the porous surface of the porous layer (eg, in schematic A and schematic B, respectively, in FIG. 1C). (304 or 310)). Using schematic A as an example, the wetted active material-electrolyte mixture 306a, 306b is forcibly impregnated into the porous layer from both sides using one or two pairs of rollers 302a, 302b, 302c and 302d An active electrode 308 (anode or cathode) is formed. The conductive porous layer contains interconnected electron-conducting pathways and preferably at least 70% by volume (preferably greater than 80%, more preferably greater than 90%) pores. Foam rods / filaments typically have a pore volume of 50% to approximately 99%.

개략도 B에서, 두 개의 공급장치 롤러(316a, 316b)가 사용되어, 습윤 활물질-전해질 혼합물 막대/필라멘트(312a, 312b)를 지지하는 두 개의 보호 필름(314a, 314b)을 연속적으로 풀어낸다. 이들 습윤 활물질-전해질 혼합물 막대/필라멘트(312a, 312b)는, 다양한 절차(예로서, 인쇄, 분무, 캐스팅, 코팅 등 당업계에서 잘 알려진 것)를 사용하여 보호(지지) 필름(314a, 314b)으로 전달될 수 있다. 전도성 다공질 층(110)은 두 세트의 롤러(318a, 318b, 318c, 318d) 사이의 간격을 통해 이동함에 따라, 상기 습윤 활물질-전해질 혼합물은 다공질 막대 또는 필라멘트(310)의 세공 내로 함침되어, 두 개의 보호 필름(314a, 314b)에 의해 잠정적으로 덮인 활물질 전극(320)(애노드 또는 캐소드 전극)을 형성한다. In schematic B, two feeder rollers 316a and 316b are used to successively release two protective films 314a and 314b supporting the wet active material-electrolyte mixture rods / filaments 312a and 312b. These wet active material-electrolyte mixture rods / filaments 312a, 312b may be protected (supported) films 314a, 314b using a variety of procedures (eg, those well known in the art, such as printing, spraying, casting, coating, etc.). Can be delivered. As the conductive porous layer 110 moves through the gap between two sets of rollers 318a, 318b, 318c, 318d, the wet active material-electrolyte mixture is impregnated into the pores of the porous rod or filament 310, The active material electrode 320 (anode or cathode electrode) which is tentatively covered by the two protective films 314a and 314b is formed.

개략도 C를 다른 예로 들면, 두 개의 분무 장치(324a, 324b)를 사용해 습윤 활물질-전해질 혼합물(325a, 325b)을 전도성 다공질 층(322)의 두 개의 대향 다공질 표면에 분배시킨다. 습윤 활물질-전해질 혼합물은 한 쌍 또는 두 쌍의 롤러를 사용해 양면으로부터 다공질 막대에 강제로 함침되어, 함침된 활성 전극(326)(애노드 또는 캐소드)을 형성한다. 마찬가지로, 개략도 D에서, 두 개의 분무 장치(332a, 332b)를 사용해 습윤 활물질-전해질 혼합물(333a, 333b)을 전도성 다공질 막대(330)의 다공질 표면에 분배시킨다. 습윤 활물질-전해질 혼합물은 한 쌍 또는 두 쌍의 롤러를 사용해 다공질 막대에 강제로 함침되어, 함침된 활성 전극(338)(애노드 또는 캐소드)을 형성한다.As another example of schematic C, two spraying devices 324a, 324b are used to distribute the wetted active material-electrolyte mixture 325a, 325b to two opposing porous surfaces of the conductive porous layer 322. The wet active material-electrolyte mixture is forcibly impregnated the porous rod from both sides using a pair or two pairs of rollers to form the impregnated active electrode 326 (anode or cathode). Likewise, in schematic D, two spraying devices 332a, 332b are used to distribute the wetted active material-electrolyte mixture 333a, 333b to the porous surface of the conductive porous rod 330. The wet active material-electrolyte mixture is forcibly impregnated the porous rod using a pair or two pairs of rollers to form an impregnated active electrode 338 (anode or cathode).

다른 예로서, 도 1d의 개략도 E에 예시된 바와 같이, 전극 제조 공정은 공급 롤러(340)로부터 전도성 다공질 막대(356)를 연속적으로 공급함으로써 시작된다. 다공질 막대(356)는 롤러(342)에 의해 유도되어 용기(344) 내의 습윤 활물질-전해질 혼합물 물질(346)(슬러리, 현탁액, 겔 등)에 침지된다. 활물질-전해질 혼합물이 롤러(342b)를 향해 이동함에 따라 다공질 막대(356)의 세공에 함침되기 시작하고, 용기로부터 나와 두 개의 롤러(348a, 348b) 사이의 간극에 공급된다. 두 개의 보호 필름(350a, 350b)은 두 개의 각각의 롤러(352a, 352b)로부터 동시에 공급되어, 함침된 다공질 막대(354)를 덮고, 이는 회전 드럼(권취 롤러(355)) 상에 연속으로 회수될 수 있다. 이 공정은 애노드 및 캐소드 전극 모두에 적용될 수 있다.As another example, as illustrated in schematic E of FIG. 1D, the electrode manufacturing process begins by continuously feeding the conductive porous rod 356 from the feed roller 340. Porous rod 356 is guided by roller 342 and immersed in wet active material-electrolyte mixture material 346 (slurry, suspension, gel, etc.) in vessel 344. As the active material-electrolyte mixture moves toward roller 342b, it begins to impregnate the pores of the porous rod 356 and is fed out of the container into the gap between the two rollers 348a, 348b. Two protective films 350a and 350b are simultaneously supplied from two respective rollers 352a and 352b, covering the impregnated porous rod 354, which is continuously recovered on the rotating drum (winding roller 355). Can be. This process can be applied to both anode and cathode electrodes.

생성된 전극 막대 또는 필라멘트(애노드 또는 캐소드 전극)는 100 nm 내지 수 센티미터(원하는 경우, 그 이상)의 두께 또는 직경을 가질 수 있다. (예를 들어, 마이크로 전자 장치용 플렉시블 전력원으로서의) 마이크로 케이블의 경우, 전극의 두께 또는 직경은 100 nm 내지 100 μm, 더 통상적으로는 1 μm 내지 50 μm, 가장 통상적으로는 10 μm 내지 30 μm이다. (예를 들어, 전기 차량(EV)의 제한된 공간에서 사용하기 위한) 거시적인 형상 적응성 플렉시블 케이블 전지의 경우, 전극은 통상적으로 그리고 바람직하게 100 μm 이상(바람직하게는 200 μm 초과, 더 바람직하게는 300 μm 초과, 더 바람직하게는 400 μm 초과, 훨씬 더 바람직하게는 500 μm, 600 μm 초과, 또는 심지어 1,000 μm 초과)의 두께를 가지며, 전극 두께에 대한 이론적 한계는 없다.The resulting electrode rod or filament (anode or cathode electrode) may have a thickness or diameter of 100 nm to several centimeters (or more, if desired). In the case of micro cables (eg, as flexible power sources for microelectronic devices), the thickness or diameter of the electrodes is between 100 nm and 100 μm, more typically between 1 μm and 50 μm, most typically between 10 μm and 30 μm. to be. In the case of macroscopic shape adaptive flexible cable cells (eg for use in confined spaces of electric vehicles (EVs)), the electrodes are typically and preferably at least 100 μm (preferably greater than 200 μm, more preferably More than 300 μm, more preferably more than 400 μm, even more preferably more than 500 μm, more than 600 μm, or even more than 1,000 μm) and there is no theoretical limit to the electrode thickness.

상기 내용은 본 발명의 형상 적응성 로프형 플렉시블 알칼리 금속 전지가 어떻게 제조될 수 있는지를 예시하기 위한 단지 몇 가지 예이다. 이 예들이 본 발명의 범위를 제한하기 위해 사용되어서는 안 된다.The above are only a few examples to illustrate how the shape-adaptive rope type flexible alkali metal cell of the present invention can be manufactured. These examples should not be used to limit the scope of the present invention.

전기 전도성 다공질 막대 또는 필라멘트는 금속 발포체, 금속 웹 또는 스크린, 천공된 금속 시트-기반 구조체, 금속 섬유 매트, 금속 나노와이어 매트, 전도성 중합체 나노섬유 매트, 전도성 중합체 발포체, 전도성 중합체-코팅 섬유 발포체, 탄소 발포체, 흑연 발포체, 탄소 에어로겔, 탄소 제로겔, 그래핀 에어로겔, 그래핀 발포체, 그래핀 산화물 발포체, 환원된 그래핀 산화물 발포체, 탄소 섬유 발포체, 흑연 섬유 발포체, 박리 흑연 발포체, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 다공질 막대 또는 필라멘트는 탄소, 흑연, 금속, 금속-코팅 섬유, 전도성 중합체, 또는 전도성 중합체-코팅 섬유와 같은 전기 전도성 물질(고다공질 매트, 스크린/그리드, 부직포, 발포체 등의 형상)로 제조되어야 한다. 전도성 다공질 층의 예는 도 3a, 도 3b, 도 3c, 및 도 3d에 제시되어 있다. 공극률 수준은 적어도 50 부피%, 바람직하게는 70 부피% 초과, 더 바람직하게는 90 부피% 초과, 가장 바람직하게는 95 부피% 초과이어야 한다. 발포체 또는 발포체 벽의 백본은 전자-전도 경로의 전체 3D 네트워크를 형성한다.The electrically conductive porous rods or filaments may be metal foams, metal webs or screens, perforated metal sheet-based structures, metal fiber mats, metal nanowire mats, conductive polymer nanofiber mats, conductive polymer foams, conductive polymer-coated fiber foams, carbon Selected from foam, graphite foam, carbon aerogel, carbon zero gel, graphene airgel, graphene foam, graphene oxide foam, reduced graphene oxide foam, carbon fiber foam, graphite fiber foam, exfoliated graphite foam, or combinations thereof Can be. Porous rods or filaments must be made of electrically conductive materials (such as porous mats, screens / grids, nonwovens, foams, etc.) such as carbon, graphite, metals, metal-coated fibers, conductive polymers, or conductive polymer-coated fibers. . Examples of conductive porous layers are shown in FIGS. 3A, 3B, 3C, and 3D. The porosity level should be at least 50% by volume, preferably greater than 70% by volume, more preferably greater than 90% by volume and most preferably greater than 95% by volume. The backbone of the foam or foam wall forms the entire 3D network of electron-conducting paths.

그래핀 발포체, 그래핀 산화물 발포체, 또는 그래핀 에어로겔 발포체 구조에서 그래핀 또는 그래핀 산화물 물질은 발포체의 세공 벽을 구성함에 유의할 수 있다. 이 형상의 이러한 그래핀 또는 그래핀 산화물 물질은 단리 또는 분리된 그래핀 시트를 함유하지 않는다. 발포체에서 이러한 그래핀 또는 그래핀 산화물 물질은 발포체의 세공 내로 함침된 활물질-전해질 혼합물의 일부가 아니다. 이 혼합물은 발포체 구조의 일부가 아닌 활성탄 입자 또는 단리된 그래핀 시트를 함유할 수 있다. 이들 활성탄 입자 또는 단리된 그래핀 시트는 수퍼커패시터의 1차 전극 활물질이다.It may be noted that the graphene or graphene oxide material in the graphene foam, graphene oxide foam, or graphene airgel foam structure constitutes the pore wall of the foam. Such graphene or graphene oxide materials of this shape do not contain isolated or separated graphene sheets. Such graphene or graphene oxide material in the foam is not part of the active material-electrolyte mixture impregnated into the pores of the foam. This mixture may contain activated carbon particles or isolated graphene sheets that are not part of the foam structure. These activated carbon particles or isolated graphene sheets are primary electrode active materials of supercapacitors.

이들 발포체 구조는 임의의 단면 형상으로 용이하게 제조될 수 있다. 이들은 또한 매우 플렉시블할 수 있으며; 통상적으로, 비금속성 발포체는 금속 발포체보다 더 플렉시블하다. 그러나, 금속 나노섬유는 고도로 플렉시블한 발포체으로 제조될 수 있다. 전해질은 액체 또는 겔 상태이므로, 생성된 케이블 전지는 매우 플렉시블할 수 있고, 본질적으로 임의의 특이한 형상에 부합되도록 만들어질 수 있다. 액체 용매 중의 염 농도가 높은(예를 들어 2.5 M 내지 15 M) 경우에도, 세공 내부에 전해질을 함유한 발포 구조체는 여전히 변형될 수 있고, 구부릴 수 있고, 비틀릴 수 있고, 특이한 형상에도 부합될 수 있다.These foam structures can be readily produced in any cross-sectional shape. They can also be very flexible; Typically, nonmetallic foams are more flexible than metal foams. However, metal nanofibers can be made into highly flexible foams. Since the electrolyte is in a liquid or gel state, the resulting cable cell can be very flexible and can be made to essentially conform to any unique shape. Even when the salt concentration in the liquid solvent is high (for example 2.5 M to 15 M), the foamed structure containing the electrolyte inside the pores can still be deformed, bent, twisted and matched to the unusual shape. Can be.

일부 구현예에서, 제1 또는 제2 전극에서 전기 전도성 다공질 막대는 전도성 중합체 섬유 매트, 탄소/흑연 섬유 매트, 섬유들 사이에 세공을 갖는 섬유 토우(tow), 전도성 섬유 니트 구조체 또는 다수의 섬유 또는 세공을 갖는 부직 구조체를 함유한다. 이들 다수의 섬유는 전도성 중합체 섬유, 금속 코팅된 섬유, 탄소 코팅된 중합체 섬유, 탄소 섬유, 또는 흑연 섬유를 함유할 수 있다.In some embodiments, the electrically conductive porous rod in the first or second electrode is a conductive polymer fiber mat, a carbon / graphite fiber mat, a fiber tow with pores between the fibers, a conductive fiber knit structure or a plurality of fibers or It contains a nonwoven structure having pores. Many of these fibers may contain conductive polymer fibers, metal coated fibers, carbon coated polymer fibers, carbon fibers, or graphite fibers.

바람직하게는, 원래의 전도성 다공질 막대 또는 필라멘트 내 실질적으로 모든 세공은 전극 활물질(애노드 또는 캐소드), 전해질, 및 선택적인 전도성 첨가제(바인더 수지 불필요)로 충전된다. 세공 벽 또는 전도성 경로(1 내지 30%)에 비해 많은 양의 세공이 존재하기 때문에(더 통상적으로는 70 내지 99% 또는 바람직하게는 더 통상적으로 85% 내지 99%), 매우 적은 공간이 낭비되어("낭비된다"는 의미는 전극 활물질 및 전해질에 의해 점유되지 않음을 의미함), 높은 비의 전극 활물질-전해질 혼합물을 초래한다(높은 활물질 공급 질량).Preferably, substantially all pores in the original conductive porous rod or filament are filled with an electrode active material (anode or cathode), an electrolyte, and an optional conductive additive (no binder resin required). Because of the large amount of pores present (more typically 70-99% or preferably more typically 85% -99%) relative to the pore walls or conductive paths (1-30%), very little space is wasted (“Wasted” means not occupied by the electrode active material and the electrolyte), resulting in a high ratio of electrode active material-electrolyte mixture (high active material feed mass).

이러한 수퍼커패시터 전극 구성(예를 들어, 도 1b)에서, 전체 전극 구조에 걸쳐 어디에나 세공 벽이 존재하므로, 전자는 세공 벽에 의해 집전되기 전에 짧은 거리(평균적으로 세공 크기의 절반, 예를 들어, 나노미터 또는 수 마이크로미터)를 이동하기만 하면 된다(전도성 발포체가 집전체 역할을 함). 이러한 세공 벽은 저항이 최소인 상호 연결된 전자 전달 경로의 3D 네트워크를 형성한다. 추가로, 각각의 애노드 전극 또는 캐소드 전극에서, 모든 전극 활물질 입자는 액체 전해질에 미리 분산되어(습윤성 문제 없음), 습윤 코팅, 건조, 패킹, 및 전해질 주입의 종래의 공정에 의해 제조된 전극에 일반적으로 존재하는 드라이 포켓(dry pocket)의 존재를 제거한다. 따라서, 본 발명의 공정은 종래의 수퍼커패시터 셀 제조 공정에 비해 전혀 예상치 못한 이점을 가져온다.In this supercapacitor electrode configuration (e.g., Figure 1b), there are pore walls everywhere throughout the entire electrode structure, so that the electrons have a short distance (on average half the pore size, e.g., before being collected by the pore wall). Just move in nanometers or micrometers (conductive foam acts as a current collector). These pore walls form a 3D network of interconnected electron transfer paths with minimal resistance. In addition, at each anode electrode or cathode electrode, all electrode active material particles are pre-dispersed in the liquid electrolyte (no wettability problem), which is common for electrodes made by conventional processes of wet coating, drying, packing, and electrolyte injection. Eliminate the presence of dry pockets that exist. Thus, the process of the present invention brings an unexpected advantage over the conventional supercapacitor cell manufacturing process.

바람직한 구현예에서, (활성탄 대신) 그래핀 전극 활물질은 순수 그래핀, 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화 그래핀, 질소화 그래핀, 화학 작용기화된 그래핀, 또는 이들의 조합으로부터 선택된다. 상기 그래핀 물질들 중 어느 하나의 생산을 위한 출발 흑연 물질은 천연 흑연, 인공 흑연, 메소상(mesophase) 탄소, 메소상 피치, 메소탄소 마이크로비드, 연질 탄소, 경질 탄소, 코크스, 탄소 섬유, 탄소 나노섬유, 탄소 나노튜브, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. In a preferred embodiment, the graphene electrode active material (instead of activated carbon) is pure graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, Nitrogenated graphene, chemically functionalized graphene, or a combination thereof. Starting graphite materials for the production of any one of the graphene materials are natural graphite, artificial graphite, mesophase carbon, mesophase pitch, mesocarbon microbeads, soft carbon, hard carbon, coke, carbon fiber, carbon Nanofibers, carbon nanotubes, or combinations thereof.

본 발명은 또한 리튬 이온 커패시터(LIC) 또는 나트륨 이온 커패시터(NIC)를 제공하며, 셀에서 두 전극 중 적어도 하나는 본 발명의 방법에 의해 생산된다. 더 바람직하게는, 본 발명의 LIC 또는 NIC를 위한 애노드 전극 및 캐소드 전극 모두는 상기 기재된 본 발명의 방법에 의해 제조된다. 이러한 본 발명의 방법은, (A) 전기 전도성 다공질 막대/필라멘트를 애노드 물질 함침 영역으로 연속적으로 공급하는 단계로, 여기서 전도성 다공질 막대/필라멘트는 다공질 표면을 갖고, 상호연결된 전자-전도 경로, 바람직하게는 적어도 70 부피%의 세공을 함유하는 것인 단계; 및 (B) 습식 애노드 활물질-전해질 혼합물을 적어도 하나의 다공질 표면으로부터 전기 전도성 다공질 막대 내로 함침하여 전극을 형성하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 습식 애노드 활물질 혼합물은 흑연 입자, 탄소 입자, Si 나노입자, Sn 나노입자, 또는 리튬 이온 전지 또는 나트륨 이온 전지 용으로 흔히 사용되는 임의의 기타 다른 애노드 활물질의 사전리튬화 또는 사전나트륨화 형태로부터 바람직하게 선택되는 애노드 활물질 및 액체 전해질을 함유한다. 이들 애노드 활물질은 미세 입자 형태로 제조될 수 있으며, 전도성 첨가제 입자와 함께 다수의 입자는 액체 전해질과 용이하게 혼합되어 전도성 다공질 층 내로의 함침을 위한 습윤 애노드 활물질 혼합물(예를 들어, 슬러리 형태)을 형성할 수 있다. 상응하는 캐소드는, 산화환원 쌍 파트너 물질(예컨대, 본질적으로 전도성인 컨쥬게이트 중합체 또는 전이 금속 산화물) 없이 또는 이와 함께, EDLC 유형의 활물질(예를 들어, 활성탄 또는 단리된 그래핀 시트)를 함유할 수 있다.The invention also provides a lithium ion capacitor (LIC) or sodium ion capacitor (NIC), wherein at least one of the two electrodes in the cell is produced by the method of the invention. More preferably, both anode and cathode electrodes for the LIC or NIC of the invention are prepared by the method of the invention described above. This method of the present invention comprises the steps of (A) continuously feeding the electrically conductive porous rod / filament into the anode material impregnation region, wherein the conductive porous rod / filament has a porous surface and is interconnected electron-conducting pathway, preferably Contains at least 70% by volume pores; And (B) impregnating a wet anode active material-electrolyte mixture from at least one porous surface into an electrically conductive porous rod to form an electrode. For example, a wet anode active material mixture may be prelithiated or presodiumated of graphite particles, carbon particles, Si nanoparticles, Sn nanoparticles, or any other anode active material commonly used for lithium ion batteries or sodium ion batteries. An anode active material and a liquid electrolyte which are preferably selected from the forms. These anode active materials can be prepared in the form of fine particles, wherein the plurality of particles together with the conductive additive particles are easily mixed with the liquid electrolyte to form a wet anode active material mixture (e.g. in the form of a slurry) for impregnation into the conductive porous layer. Can be formed. Corresponding cathodes may contain active materials of the EDLC type (eg, activated carbon or isolated graphene sheets), with or without redox pair partner materials (eg, inherently conductive conjugate polymers or transition metal oxides). Can be.

리튬 이온 커패시터(LIC)에서, 애노드 활물질은, (a) 천연 흑연, 인공 흑연, 메소탄소 마이크로비드(MCMB), 및 탄소의 사전리튬화 입자; (b) 규소(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 철(Fe), 및 카드뮴(Cd)의 사전리튬화 입자 또는 코팅; (c) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, 또는 Cd와 기타 다른 원소와의 화학양론적 또는 비화학양론적 사전리튬화 합금 또는 금속간 화합물; (d) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ni, Co, Ti, Mn, 또는 Cd, 및 이들의 혼합물 또는 복합재의 사전리튬화 산화물, 탄화물, 질화물, 황화물, 인화물, 셀렌화물, 및 텔루르화물; 및 (e) 사전리튬화 그래핀 시트; 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 사전리튬화는 작업 전극으로서 작은 질량의 그래핀 시트 및 상대 전극으로서 리튬 금속을 사용하여 전기화학적으로 달성될 수 있다. 사전리튬화는 또한 리튬 분말 또는 칩을 애노드 활물질(예를 들어, Si 입자) 및 전도성 첨가제 입자와 함께 액체 전해질 내로 첨가함으로써 달성될 수 있다.In lithium ion capacitors (LIC), the anode active material includes (a) prelithiated particles of natural graphite, artificial graphite, mesocarbon microbeads (MCMB), and carbon; (b) silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), lead (Pb), antimony (Sb), bismuth (Bi), zinc (Zn), aluminum (Al), nickel (Ni), cobalt ( Prelithiated particles or coatings of Co), manganese (Mn), titanium (Ti), iron (Fe), and cadmium (Cd); (c) stoichiometric or nonstoichiometric prelithiated alloys or intermetallic compounds of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, or Cd with other elements; (d) prelithiated oxides, carbides, nitrides, sulfides of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ni, Co, Ti, Mn, or Cd, and mixtures or composites thereof; Phosphides, selenides, and tellurides; And (e) prelithiated graphene sheets; And combinations thereof. Prelithiation can be accomplished electrochemically using small mass graphene sheets as working electrodes and lithium metal as counter electrodes. Prelithiation can also be achieved by adding lithium powder or chips into the liquid electrolyte along with the anode active material (eg Si particles) and conductive additive particles.

나트륨 이온 커패시터에서, 애노드 활물질은 석유 코크스, 카본블랙, 무정형 탄소, 활성탄, 경질 탄소, 연질 탄소, 주형 탄소, 중공 탄소 나노와이어, 중공 탄소 구체, 또는 티타네이트의 사전나트륨화 형태, 또는 NaTi2(PO4)3, Na2Ti3O7, Na2C8H4O4, Na2TP, NaxTiO2(x = 0.2 내지 1.0), Na2C8H4O4, 카르복실레이트계 물질, C8H4Na2O4, C8H6O4, C8H5NaO4, C8Na2F4O4, C10H2Na4O8, C14H4O6, C14H4Na4O8, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 나트륨 삽입 화합물을 함유한다.In sodium ion capacitors, the anode active material is a petroleum coke, carbon black, amorphous carbon, activated carbon, hard carbon, soft carbon, template carbon, hollow carbon nanowires, hollow carbon spheres, or pre-sodiumated forms of titanate, or NaTi 2 ( PO 4 ) 3 , Na 2 Ti 3 O 7 , Na 2 C 8 H 4 O 4 , Na 2 TP, Na x TiO 2 (x = 0.2 to 1.0), Na 2 C 8 H 4 O 4 , carboxylate Substance, C 8 H 4 Na 2 O 4 , C 8 H 6 O 4 , C 8 H 5 NaO 4 , C 8 Na 2 F 4 O 4 , C 10 H 2 Na 4 O 8 , C 14 H 4 O 6 , C 14 H 4 Na 4 O 8 , or a combination thereof.

나트륨 이온 커패시터에서, 애노드 활물질은 다음 물질 군으로부터 선택되는 나트륨 삽입 화합물을 함유한다: (a) 나트륨 도핑된 규소(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 카드뮴(Cd), 및 이들의 혼합물; (b) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, 및 이들의 혼합물의 나트륨 함유 합금 또는 금속간 화합물; (c) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, 및 이의 혼합물 또는 복합재의 나트륨 함유 산화물, 탄화물, 질화물, 황화물, 인화물, 셀렌화물, 텔루르화물, 또는 안티몬화물; (d) 나트륨염; 및 (e) 나트륨 또는 칼륨으로 예비부하된 그래핀 시트. 사전나트륨화는 작업 전극으로서 작은 질량의 그래핀 시트를 및 상대 전극으로서 나트륨 금속을 사용함으로써 전기화학적으로 달성될 수 있다. 사전나트륨화는 또한 리튬 분말 또는 칩을 애노드 활물질(예를 들어, Sn 입자) 및 전도성 첨가제 입자와 함께 액체 전해질 내로 첨가함으로써 달성될 수도 있다.In sodium ion capacitors, the anode active material contains a sodium insertion compound selected from the following group of materials: (a) sodium doped silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), lead (Pb), antimony (Sb) ), Bismuth (Bi), zinc (Zn), aluminum (Al), titanium (Ti), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), cadmium (Cd), and mixtures thereof; (b) sodium-containing alloys or intermetallic compounds of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures thereof; (c) Sodium-containing oxides, carbides, nitrides, sulfides, phosphides, seleniums of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures or composites thereof Cargo, telluride, or antimony cargo; (d) sodium salts; And (e) graphene sheets preloaded with sodium or potassium. Pre-sodiumation can be accomplished electrochemically by using small mass graphene sheets as working electrodes and sodium metal as counter electrodes. Pre-sodiumation may also be achieved by adding lithium powder or chips into the liquid electrolyte along with the anode active material (eg Sn particles) and conductive additive particles.

벌크 천연 흑연은 이웃하는 흑연 단일 결정의 경계를 구분하는 결정립 경계(무정형 또는 결손 영역)를 갖는 다수의 결정립(흑연 단결정 또는 미세결정)으로 구성된 각각의 흑연 입자를 갖는 3-D 흑연 물질이다. 각각의 결정립은 서로 평행하게 배향된 다수의 그래핀 면으로 구성된다. 흑연 미세결정에서 그래핀 면은 2차원의 육각형 격자를 점유하는 탄소 원자로 구성된다. 소정의 결정립 또는 단결정에서, 그래핀 면들은 결정학적 c-방향(그래핀 면 또는 기저 면에 대해 수직)에서 반데르발스 힘을 통해 적층 및 결합된다. 하나의 결정립에서 모든 그래핀 면은 서로 평행하지만, 통상적으로 하나의 결정립에서의 그래핀 면들과 인접 결정립에서 그래핀 면들은 상이한 배향으로 기울어진다. 즉, 흑연 입자에서 각종 결정립의 배향은 통상적으로 서로 상이하다.Bulk natural graphite is a 3-D graphite material having each graphite particle composed of a plurality of grains (graphite single crystal or microcrystal) having grain boundaries (amorphous or missing regions) that separate the boundaries of neighboring graphite single crystals. Each grain consists of a plurality of graphene faces oriented parallel to each other. In graphite microcrystals, the graphene plane consists of carbon atoms occupying a two-dimensional hexagonal lattice. In certain grains or single crystals, the graphene faces are stacked and bonded through van der Waals forces in the crystallographic c -direction (perpendicular to the graphene plane or base plane). All graphene faces in one grain are parallel to each other, but typically the graphene faces in one grain and the graphene faces in adjacent grains are inclined in different orientations. That is, the orientations of the various crystal grains in the graphite particles are usually different from each other.

면간 반 데르 발스 힘이 극복될 수 있다면, 천연 또는 인조 흑연 입자 내 흑연 미세결정의 구성요소인 그래핀 면이 박리 및 추출 또는 단리되어 단원자 두께인, 육방정 탄소 원자의 개별 그래핀 시트를 얻을 수 있다. 단리된, 탄소 원자의 개별 그래핀 면을 일반적으로 단일층 그래핀이라고 한다. 대략 0.3354 nm의 그래핀 면간 간격을 가지고 두께 방향으로 반 데르 발스 힘을 통해 결합된 다수의 그래핀 면으로 이루어진 스택을 일반적으로 다층 그래핀이라고 한다. 다층 그래핀 판은 300층 이하의 그래핀 면(100 nm 미만의 두께)을 갖지만, 통상적으로는 30개 이하의 그래핀 면(10 nm 미만의 두께), 훨씬 더 통상적으로는 20개 이하의 그래핀 면(7 nm 미만의 두께), 가장 통상적으로는 10개 이하의 그래핀 면(일반적으로 과학계에서 소수 층(few-layer) 그래핀이라고 함)을 갖는다. 단일층 그래핀과 다층 그래핀 시트를 총칭하여 도 2에 나타낸 바와 같이 "나노그래핀 판"(NGP)이라고 한다. 그래핀 시트/판(총칭하여, NGP)은 0-D 풀러렌, 1-D CNT 또는 CNF, 및 3-D 흑연과는 구별되는 새로운 종류의 탄소 나노물질(2-D 나노카본)이다. 청구범위를 정의하기 위해 그리고 당업계에서 일반적으로 이해되는 바와 같이, 그래핀 물질(단리된 그래핀 시트)은 탄소 나노튜브(CNT) 또는 탄소 나노섬유(CNF)가 아니다(또한 이를 포함하지 않음).If the interplanetary van der Waals forces can be overcome, the graphene plane, which is a component of the graphite microcrystals in natural or artificial graphite particles, is stripped and extracted or isolated to obtain individual graphene sheets of hexagonal carbon atoms, which are monoatomic thick. Can be. Individual graphene faces of carbon atoms isolated are generally referred to as single layer graphene. Stacks of multiple graphene planes coupled through van der Waals forces in the thickness direction with a graphene interplanar spacing of approximately 0.3354 nm are generally referred to as multilayer graphene. Multilayer graphene plates have up to 300 layers of graphene faces (less than 100 nm thick), but typically have up to 30 graphene faces (less than 10 nm thick), and even more typically up to 20 graphene faces. It has a fin face (less than 7 nm thick), most commonly no more than 10 graphene faces (commonly referred to in science as the few-layer graphene). Single layer graphene and multilayer graphene sheets are collectively referred to as " nanographene plates " (NGP) as shown in FIG. Graphene sheets / plates (collectively NGP) are a new class of carbon nanomaterials (2-D nanocarbons) distinguished from 0-D fullerenes, 1-D CNTs or CNFs, and 3-D graphite. To define the claims and as generally understood in the art, the graphene material (isolated graphene sheet) is not (and does not include) carbon nanotubes (CNT) or carbon nanofibers (CNF). .

본 연구 그룹은 2002년이라는 이른 시기에 그래핀 재료의 개발 및 관련 제조 공정에서 선구자적인 역할을 했다: 문헌 [(1) B. Z. Jang and W. C. Huang, "Nano-scaled Graphene Plates," U.S. Pat. No. 7,071,258 (07/04/2006), application submitted on October 21, 2002; (2) B. Z. Jang, et al. "Process for Producing Nano-scaled Graphene Plates," U.S. Patent Application No. 10/858,814 (06/03/2004); 및 (3) B. Z. Jang, A. Zhamu, and J. Guo, "Process for Producing Nano-scaled Platelets and Nanocomposite," US Pat. Application No. 11/509,424(08/25/2006). The research group played a pioneering role in the development of graphene materials and related manufacturing processes in the early years of 2002: (1) B. Z. Jang and W. C. Huang, "Nano-scaled Graphene Plates," U.S. Pat. No. 7,071,258 (07/04/2006), application submitted on October 21, 2002; (2) B. Z. Jang, et al. "Process for Producing Nano-scaled Graphene Plates," U.S. Patent Application No. 10 / 858,814 (06/03/2004); And (3) B. Z. Jang, A. Zhamu, and J. Guo, "Process for Producing Nano-scaled Platelets and Nanocomposite," US Pat. Application No. 11 / 509,424 (08/25/2006).

하나의 공정에서, 그래핀 물질은, 도 4a 및 도 4b(개략도)에 예시된 바와 같이, 강산 및/또는 산화제로 천연 흑연 입자를 삽입 처리하여 흑연 삽입 화합물(GIC) 또는 흑연 산화물(GO)을 얻음으로써 얻어진다. GIC 또는 GO에서 그래핀 면 사이의 틈새 공간에 화학종 또는 작용기가 존재하면 그래핀 간 간격(X-선 회절에 의해 측정되는 d 002)을 증가시키는 역할을 하여, 그렇지 않을 경우 c축 방향을 따라 그래핀 면을 서로 결합시키는 반 데르 발스 힘을 상당히 감소시킨다. GIC 또는 GO는 대부분의 경우 황산, 질산(산화제), 및 또 다른 산화제(예를 들어, 과망간산칼륨 또는 과염소산나트륨)의 혼합물에 천연 흑연 분말(도 4b의 100)을 침지시켜 생성된다. 삽입 과정 중에 산화제가 존재할 경우, 생성된 GIC(102)는 실제로 일부 유형의 흑연 산화물(GO) 입자이다. 이어서, 이 GIC 또는 GO를 물에서 반복 세척하고 세정하여 과량의 산을 제거함으로써, 물에 분산된 시각적으로 식별 가능한 이산 흑연 산화물 입자를 함유하는 흑연 산화물 현탁액 또는 분산액이 생성된다. 그래핀 물질을 제조하기 위해, 이러한 세정 단계 후, 이하 간략히 설명된 두 가지 프로세싱 경로 중 하나를 따를 수 있다.In one process, the graphene material, as illustrated in FIGS. 4A and 4B (Schematic), inserts natural graphite particles with a strong acid and / or oxidant to incorporate graphite intercalation compounds (GIC) or graphite oxides (GO). Obtained by The presence of species or functional groups in the interstitial spaces between the graphene planes in GIC or GO increases the gap between graphenes ( d 002 as measured by X-ray diffraction), otherwise along the c axis direction Significantly reduces the van der Waals forces that bind the graphene faces together. GIC or GO is in most cases produced by immersing natural graphite powder (100 in FIG. 4B) in a mixture of sulfuric acid, nitric acid (oxidant), and another oxidant (eg, potassium permanganate or sodium perchlorate). If oxidant is present during the insertion process, the resulting GIC 102 is actually some type of graphite oxide (GO) particles. This GIC or GO is then repeatedly washed and washed in water to remove excess acid, resulting in a graphite oxide suspension or dispersion containing visually identifiable discrete graphite oxide particles dispersed in water. To prepare the graphene material, after this cleaning step, one of the two processing paths outlined below can be followed.

경로 1은 현탁액으로부터 물을 제거하여 본질적으로 다량의 건조된 GIC 또는 건조된 흑연 산화물 입자인 "팽창 가능한 흑연"을 얻는 단계를 포함한다. 팽창 가능한 흑연을 통상적으로 800 내지 1,050

Figure pct00003
범위의 온도에 대략 30초 내지 2분 동안 노출시키면, GIC는 30 내지 300배로 급속한 부피 팽창을 겪어, 박리되었지만 크게 분리되지 않은 상호 연결된 상태의 흑연 플레이크의 집합체인 "흑연 웜(graphite worm)"(104)을 형성한다.Path 1 includes removing water from the suspension to obtain "expandable graphite" which is essentially a large amount of dried GIC or dried graphite oxide particles. 800 to 1,050 for expandable graphite
Figure pct00003
When exposed to temperatures in the range of approximately 30 seconds to 2 minutes, the GIC undergoes a rapid volume expansion of 30 to 300 times, causing the "graphite worm", which is a collection of interconnected graphite flakes that have been peeled off but not largely separated ( 104).

경로 1A에서, 이들 흑연 웜(박리 흑연 또는 "상호 연결된/분리되지 않은 흑연 플레이크의 네트워크")은 재압축되어 통상적으로 0.1 mm(100 μm) 내지 0.5 mm(500 μm) 범위의 두께를 갖는 플렉시블 흑연 시트 또는 호일(106)을 얻을 수 있다. 대안적으로, 주로 100 nm보다 두꺼운 흑연 플레이크 또는 판을 함유하는 소위 "팽창 흑연 플레이크"(108)(따라서, 정의에 의하면 나노물질이 아님)를 제조할 목적으로 저강도 에어 밀 또는 전단기를 사용하여 흑연 웜을 단순히 파괴하는 것을 선택할 수 있다.In path 1A, these graphite worms (a network of exfoliated graphite or “interconnected / unseparated graphite flakes”) are recompressed and are typically flexible graphite having a thickness ranging from 0.1 mm (100 μm) to 0.5 mm (500 μm) Sheet or foil 106 may be obtained. Alternatively, low intensity air mills or shears may be used for the purpose of producing so-called "expanded graphite flakes" 108 (hence by definition not nanomaterials) containing graphite flakes or plates thicker than 100 nm. You can choose to simply destroy the graphite worm.

경로 1B에서, 본 출원인의 미국 출원 10/858,814(2004년 6월 3일)에 개시된 바와 같이, 박리 흑연은 (예를 들어, 초음파기, 고전단 믹서, 고강도 에어 제트 밀, 또는 고에너지 볼밀을 사용해) 고강도 기계적 전단 처리되어, 분리된 단일층 및 다층 그래핀 시트(총칭하여 NGP라 함, 112)를 형성한다. 단일층 그래핀은 0.34 nm만큼 얇을 수 있는 반면, 다층 그래핀은 100 nm 이하, 하지만 더 통상적으로는 10 nm 미만의 두께를 가질 수 있다(일반적으로 소수 층 그래핀이라 함). 제지 공정을 사용해 다수의 그래핀 시트 또는 판을 NGP 종이 시트로 제조할 수 있다. 이 NGP 종이 시트는 본 발명의 공정에서 사용되는 다공질 그래핀 구조 층의 일례이다.In Route 1B, as disclosed in Applicant's U.S. Application No. 10 / 858,814 (June 3, 2004), exfoliated graphite is used (eg, using an ultrasonicator, high shear mixer, high intensity air jet mill, or high energy ball mill). ) High strength mechanical shearing to form separate monolayer and multilayer graphene sheets (collectively NGP 112). Single layer graphene may be as thin as 0.34 nm, while multilayer graphene may have a thickness of less than 100 nm, but more typically less than 10 nm (generally referred to as hydrophobic graphene). Papermaking processes can be used to make a number of graphene sheets or plates into NGP paper sheets. This NGP paper sheet is an example of a porous graphene structure layer used in the process of the present invention.

경로 2는, 흑연 산화물 입자로부터 개별 그래핀 산화물 시트를 분리/단리할 목적으로 흑연 산화물 현탁액(예를 들어, 물에 분산된 흑연 산화물 입자)을 초음파 처리하는 단계를 수반한다. 이는, 그래핀간 면간 분리가 천연 흑연에서 0.3354 nm로부터 고도로 산화된 흑연 산화물에서 0.6 내지 1.1 nm로 증가되어, 인접 면을 서로 결합시키는 반 데르 발스 힘을 상당히 약화시켰다는 개념을 기초로 한다. 초음파 파워는 그래핀 면 시트를 더 분리하여 완전히 분리, 단리, 또는 이산된 그래핀 산화물(GO) 시트를 형성하기에 충분할 수 있다. 이들 그래핀 산화물 시트는 이어서 화학적 또는 열적으로 환원되어, 통상적으로 0.001 중량% 내지 10 중량%, 더 통상적으로는 0.01 중량% 내지 5 중량%의 산소 함량, 가장 통상적으로 바람직하게는 2 중량% 미만의 산소를 갖는 "환원된 그래핀 산화물"(RGO)을 얻을 수 있다.Path 2 involves sonicating the graphite oxide suspension (eg, graphite oxide particles dispersed in water) for the purpose of separating / isolating the individual graphene oxide sheets from the graphite oxide particles. This is based on the concept that the intergraphene interplanar separation increased from 0.3354 nm in natural graphite to 0.6 to 1.1 nm in highly oxidized graphite oxide, significantly weakening the van der Waals forces that bond adjacent surfaces to each other. The ultrasonic power may be sufficient to further separate the graphene face sheet to form a fully separated, isolated, or discrete graphene oxide (GO) sheet. These graphene oxide sheets are then chemically or thermally reduced, typically with an oxygen content of 0.001% to 10% by weight, more typically 0.01% to 5% by weight, most typically less than 2% by weight. A "reduced graphene oxide" (RGO) with oxygen can be obtained.

본 출원의 청구범위를 정의하기 위해, NGP 또는 그래핀 물질은 단일층 및 다층(통상적으로는 10개 미만의 층) 순수 그래핀, 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물(RGO), 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화 그래핀, 질소화 그래핀, 화학적으로 작용화된 그래핀, 도핑된(예를 들어, B 또는 N으로 도핑된) 그래핀의 이산 시트/판을 포함한다. 순수 그래핀은 본질적으로 0%의 산소를 갖는다. RGO는 통상적으로 0.001 중량% 내지 5 중량%의 산소 함량을 갖는다. 그래핀 산화물(RGO를 포함)은 0.001 중량% 내지 50 중량%의 산소를 가질 수 있다. 순수 그래핀 외에, 모든 그래핀 물질은 0.001 중량% 내지 50 중량%의 비탄소 원소(예를 들어, O, H, N, B, F, Cl, Br, I 등)를 갖는다. 이러한 물질은 본원에서 비순수 그래핀 물질로 지칭된다.In order to define the claims of the present application, NGP or graphene materials are single and multilayer (typically less than 10 layers) pure graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide (RGO), graphene fluoride Diacids of graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, nitrogenated graphene, chemically functionalized graphene, doped (eg doped with B or N) graphene Sheet / plate. Pure graphene has essentially 0% oxygen. RGO typically has an oxygen content of 0.001% to 5% by weight. Graphene oxide (including RGO) may have from 0.001% to 50% by weight of oxygen. In addition to pure graphene, all graphene materials have from 0.001% to 50% by weight of non-carbon elements (eg, O, H, N, B, F, Cl, Br, I, etc.). Such materials are referred to herein as non-pure graphene materials.

더 작은 이산 그래핀 시트(통상적으로 0.3 μm 내지 10 μm) 내의 순수 그래핀은 흑연 입자의 초임계 유체 박리 또는 (액상 박리 또는 제조로도 알려진) 직접 초음파 처리에 의해 생성될 수 있다. 이러한 공정은 당업계에 잘 알려져 있다.Pure graphene in smaller discrete graphene sheets (typically 0.3 μm to 10 μm) can be produced by supercritical fluid exfoliation of graphite particles or direct sonication (also known as liquid exfoliation or preparation). Such processes are well known in the art.

그래핀 산화물(GO)은, 반응 용기 내에서 산화 액체 매질(예를 들어, 황산, 질산, 및 과망간산칼륨의 혼합물)에 출발 흑연 물질의 분말 또는 필라멘트(예를 들어, 천연 흑연 분말)를 원하는 온도에서 일정 시간(출발 물질의 성질 및 사용된 산화제의 유형에 따라 통상적으로 0.5 내지 96시간) 동안 침지시켜 얻을 수 있다. 전술한 바와 같이, 생성된 흑연 산화물 입자는 이어서 열 박리 또는 초음파-유도 박리 처리되어, 단리된 GO 시트를 생성할 수 있다. 이들 GO 시트는 이어서 -OH기를 기타 다른 화학기(예를 들어, -Br, NH2 등)로 치환함으로써 다양한 그래핀 물질로 변환될 수 있다.Graphene oxide (GO) is the desired temperature of a powder or filament of a starting graphite material (eg a natural graphite powder) in an oxidizing liquid medium (eg, a mixture of sulfuric acid, nitric acid, and potassium permanganate) in a reaction vessel. Can be obtained by soaking for a period of time (typically 0.5 to 96 hours depending on the nature of the starting material and the type of oxidant used). As mentioned above, the resulting graphite oxide particles may then be subjected to thermal peeling or ultrasonic-induced peeling to produce an isolated GO sheet. These GO sheets can then be converted to various graphene materials by substituting -OH groups with other chemical groups (eg -Br, NH 2, etc.).

불화 그래핀 또는 그래핀 불화물은 본원에서 할로겐화 그래핀 물질 군의 일례로 사용된다. 불화 그래핀을 제조하기 위한 두 가지 상이한 접근법이 존재한다. (1) 미리 합성된 그래핀의 불화: 이 접근법은 기계적 박리 또는 CVD 성장에 의해 제조된 그래핀을 XeF2와 같은 불화제, 또는 F계 플라즈마로 처리하는 단계를 수반한다; (2) 다층 흑연 불화물의 박리: 흑연 불화물의 기계적 박리 및 액상 박리 모두 용이하게 달성될 수 있다.Graphene fluoride or graphene fluoride is used herein as an example of a group of halogenated graphene materials. There are two different approaches for preparing graphene fluoride. (1) Fluorination of presynthesized graphene: This approach involves treating graphene prepared by mechanical exfoliation or CVD growth with a fluorinating agent, such as XeF 2 , or an F-based plasma; (2) Peeling of the multilayer graphite fluoride: Both mechanical peeling and liquid phase peeling of the graphite fluoride can be easily achieved.

고온에서 F2가 흑연과 상호작용하면 공유 흑연 불화물 (CF) n 또는 (C2F) n 이 형성되는 반면, 저온에서는 흑연 삽입 화합물(GIC) C x F(2 ≤ x ≤ 24)가 형성된다. (CF) n 에서 탄소 원자는 sp3-하이브리드화 되므로, 플루오로카본층은 트랜스-연결된 사이클로헥산 사슬로 이루어진 파형이다. (C2F) n 에서는 C 원자의 절반만이 불화되고, 인접한 탄소 시트의 모든 쌍은 C-C 공유 결합에 의해 서로 연결된다. 불소화 반응에 대한 체계적인 연구에 따르면, 생성된 F/C 비는 불소화 온도, 불소화 가스 내 불소의 분압, 및 흑연 전구체의 물리적 특성(흑연화 정도, 입자 크기 및 비표면적을 포함)에 크게 의존하는 것으로 나타났다. 대부분의 이용 가능한 문헌은 (때로는 불화물의 존재 하에서) F2 가스로 불소화하는 것을 포함하지만, 불소(F2) 이외에도 기타 다른 불화제가 사용될 수 있다.At high temperatures, F 2 interacts with graphite to form covalent graphite fluorides (CF) n or (C 2 F) n , whereas at low temperatures, graphite intercalation compounds (GIC) C x F (2 ≦ x ≦ 24) are formed. . Since the carbon atom at (CF) n is sp3-hybridized, the fluorocarbon layer is a waveform consisting of trans-linked cyclohexane chains. In (C 2 F) n only half of the C atoms are fluorinated and all pairs of adjacent carbon sheets are connected to each other by CC covalent bonds. A systematic study of the fluorination reaction indicates that the resulting F / C ratio is highly dependent on the fluorination temperature, the partial pressure of fluorine in the fluorination gas, and the physical properties of the graphite precursor (including degree of graphitization, particle size and specific surface area). appear. Most available literature includes fluorination with F 2 gas (sometimes in the presence of fluoride), but other fluorides may be used in addition to fluorine (F 2 ).

층상 전구체 물질을 개별층 또는 소수 층의 상태로 박리하기 위해서는, 인접한 층들 사이의 인력을 극복하고 이들 층을 더 안정화시키는 것이 필요하다. 이는 작용기에 의한 그래핀 표면의 공유결합 변형에 의해 또는 특정 용매, 계면활성제, 중합체, 또는 공여체-수용체 방향족 분자를 사용한 비공유결합 변형에 의해 달성될 수 있다. 액상 박리 공정은 액체 매질에서의 흑연 불화물의 초음파 처리를 포함한다.In order to peel off the layered precursor material in the state of individual layers or minority layers, it is necessary to overcome the attraction between adjacent layers and to further stabilize these layers. This can be achieved by covalent modification of the graphene surface by functional groups or by non-covalent modification using specific solvents, surfactants, polymers, or donor-receptor aromatic molecules. The liquid phase stripping process includes sonication of graphite fluoride in a liquid medium.

그래핀의 질화는 그래핀 산화물과 같은 그래핀 물질을 고온(200 내지 400

Figure pct00004
에서 암모니아에 노출시켜 수행될 수 있다. 질소화 그래핀은 또한 저온에서 수열법에 의해, 예를 들어, GO와 암모니아를 오토클레이브에서 밀봉한 다음 온도를 150 내지 250
Figure pct00005
로 증가시켜 형성될 수 있다. 질소 도핑된 그래핀의 합성을 위한 기타 다른 방법은 그래핀에 대한 질소 플라즈마 처리, 암모니아의 존재 하에서의 흑연 전극 간의 아크-방전, CVD 조건 하에서의 그래핀 산화물의 암모니아 분해, 및 상이한 온도에서의 그래핀 산화물과 요소의 수열 처리를 포함한다.Nitriding of graphene can lead to high temperature (200 to 400)
Figure pct00004
It can be carried out by exposure to ammonia at. Nitrogenated graphene can also be hydrothermally sealed at low temperatures, for example by sealing GO and ammonia in an autoclave and then raising the temperature from 150 to 250.
Figure pct00005
It can be formed by increasing. Other methods for the synthesis of nitrogen doped graphene include nitrogen plasma treatment of graphene, arc-discharge between graphite electrodes in the presence of ammonia, ammonia decomposition of graphene oxide under CVD conditions, and graphene oxide at different temperatures. And hydrothermal treatment of urea.

전술한 특징들은 다음과 같이 상세하게 더 기술되고 설명된다: 도 4b에 예시된 바와 같이, 흑연 입자(예를 들어, 100)는 통상적으로는 많은 흑연 미세결정 또는 결정립으로 구성된다. 흑연 미세결정은 탄소 원자의 육방정 네트워크의 층상 평면으로 이루어져 있다. 육방정으로 배열된 탄소 원자들의 이러한 층상 평면은 실질적으로 편평하며, 특정 미세결정에서 서로 실질적으로 평행하고 등거리가 되도록 배향되거나 정렬된다. 일반적으로 그래핀층 또는 기저면으로 지칭되는 이러한 육방정 구조의 탄소 원자층은 약한 반 데르 발스 힘에 의해 두께 방향(결정학적 c축 방향)으로 서로 약하게 결합되어 있으며, 이들 그래핀층의 군은 미세결정으로 배열된다. 흑연 미세결정 구조는 일반적으로 2개의 축 또는 방향, 즉 c축 방향 및 a축(또는 b축) 방향의 관점에서 특징지어진다. c축은 기저면에 수직인 방향이다. a축 또는 b축은 기저면에 평행한(c축 방향에 수직인) 방향이다.The foregoing features are further described and described in detail as follows: As illustrated in FIG. 4B, the graphite particles (eg, 100) are typically composed of many graphite microcrystals or grains. Graphite microcrystals consist of a layered plane of hexagonal networks of carbon atoms. These layered planes of hexagonally arranged carbon atoms are substantially flat and are oriented or aligned such that they are substantially parallel and equidistant from one another in certain microcrystals. The hexagonal carbon atoms layer, generally referred to as graphene layer or base surface, is weakly bound to each other in the thickness direction (crystallographic c- axis direction) by weak van der Waals forces, and the group of graphene layers is microcrystalline. Are arranged. Graphite microcrystalline structures are generally characterized in terms of two axes or directions, namely the c-axis direction and the a- axis (or b- axis) direction. The c axis is in a direction perpendicular to the base surface. The a or b axis is in a direction parallel to the base plane (perpendicular to the c axis direction).

고차 흑연 입자는, 결정학적으로 a-축 방향을 따른 길이 L a , 결정학적으로 b-축 방향을 따른 폭 L b , 및 결정학적으로 c-축 방향을 따른 두께 L c 를 갖는 상당한 크기의 미세결정로 이루어질 수 있다. 미세결정의 구성성분 그래핀 면은 서로에 대해 고도로 정렬 또는 배향되며, 이에 따라 이들 이방성 구조는 고도로 방향성인 많은 특성을 일으킨다. 예를 들어, 미세결정의 열 및 전기 전도성은 면 방향(a- 또는 b-축 방향)을 따라 큰 규모지만, 수직 방향(c-축)에서는 비교적 낮다. 도 4b의 상부 왼쪽 부분에 예시된 바와 같이, 흑연 입자에서 상이한 미세결정은 통상적으로 상이한 방향으로 배향되고, 이에 따른 다중-미세결정 흑연 입자의 특성은 모든 구성성분 미세결정의 방향 평균 값이다.The higher order graphite particles are crystallites of considerable size with a length L a along the a -axis direction crystallographically, a width L b along the b -axis direction crystallographically, and a thickness L c along the crystallographic c -axis direction. Can be made with a crystal. The constituent graphene faces of the microcrystals are highly aligned or oriented with respect to each other, so that these anisotropic structures give rise to many highly directional properties. For example, the thermal and electrical conductivity of microcrystals is large along the plane direction ( a- or b -axis direction), but relatively low in the vertical direction ( c -axis). As illustrated in the upper left portion of FIG. 4B, different microcrystals in the graphite particles are typically oriented in different directions, and thus the properties of the multi-microcrystalline graphite particles are the direction average values of all component microcrystals.

평행한 그래핀층들을 결합시키는 약한 반 데르 발스 힘으로 인해, 천연 흑연은 c축 방향으로 현저한 팽창을 제공하도록 그래핀 층간 간격이 상당히 넓어질 수 있게 처리되어, 탄소층의 층상 특성이 실질적으로 유지되는 팽창 흑연 구조를 형성할 수 있다. 플렉시블 흑연의 제조 공정은 당업계에 잘 알려져 있다. 일반적으로, 천연 흑연의 플레이크(예를 들어, 도 4b의 100)를 산성 용액에서 삽입 처리하여 흑연 삽입 화합물(GIC, 102)을 제조한다. GIC는 세척, 건조되고 나서 짧은 시간 동안 고온에 노출되어 박리된다. 이는 플레이크가 흑연의 c축 방향으로 원래 치수의 80 내지 300배까지 팽창 또는 박리되도록 한다. 박리된 흑연 플레이크는 외관이 벌레 모양이므로, 일반적으로 흑연 웜(104)이라고 한다. 크게 팽창된 이러한 흑연 플레이크 웜은, 대부분의 용도에서 통상적으로 약 0.04 내지 2.0 g/cm3의 밀도를 갖는, 팽창 흑연의 응집 또는 통합된 시트, 예를 들어, 웹, 종이, 스트립, 테이프, 호일, 매트 등(통상적으로 "플렉시블 흑연"(106)이라고 함)으로 바인더를 사용하지 않고 형성될 수 있다.Due to the weak van der Waals forces that bond the parallel graphene layers, the natural graphite is treated to allow the graphene interlayer spacing to be significantly widened to provide significant expansion in the c- axis direction, thereby substantially maintaining the layered properties of the carbon layer. Expanded graphite structures can be formed. Processes for producing flexible graphite are well known in the art. Generally, flakes of natural graphite (eg, 100 in FIG. 4B) are intercalated in an acidic solution to produce graphite intercalation compounds (GIC, 102). GIC is washed, dried and then exfoliated by exposure to high temperatures for a short time. This causes the flakes to expand or delaminate up to 80 to 300 times their original dimensions in the c- axis direction of the graphite. The exfoliated graphite flakes are generally referred to as graphite worms 104 because they are worm-shaped in appearance. Such largely expanded graphite flake worms are agglomerated or integrated sheets of expanded graphite, such as webs, papers, strips, tapes, foils, which have a density of typically about 0.04 to 2.0 g / cm 3 in most applications. , Mat, or the like (commonly referred to as "flexible graphite" 106), without the use of a binder.

황산과 같은 산이 GIC를 얻기 위해 그래핀 면 사이의 공간으로 침투하는 삽입 제제(삽입제)의 유일한 유형은 아니다. 알칼리 금속(Li, K, Na, Cs, 및 이들의 합금 또는 공융물(eutectics))과 같은 많은 기타 다른 유형의 삽입 제제가 스테이지 1, 스테이지 2, 스테이지 3 등으로 흑연을 삽입 처리하는 데 사용될 수 있다. 스테이지 nn개의 그래핀 면 마다 하나의 삽입제 층이 있음을 의미한다. 예를 들어, 스테이지-1 칼륨-삽입 GIC는 모든 그래핀 면 마다 하나의 K층이 있음을 의미하거나, G/K/G/K/G/KG ... 순서(G는 그래핀 면이고 K는 칼륨 원자 면임)로 두 개의 인접한 그래핀 면 사이에 삽입된 하나의 K 원자층을 발견할 수 있음을 의미한다. 스테이지-2 GIC는 GG/K/GG/K/GG/K/GG ...의 순서를 가질 것이고, 스테이지-3 GIC는 GGG/K/GGG/K/GGG ... 등의 순서를 가질 것이다. 이들 GIC는 이어서 물 또는 물-알코올 혼합물과 접촉되어 박리 흑연 및/또는 분리/단리된 그래핀 시트를 생성할 수 있다.Acids such as sulfuric acid are not the only type of intercalating agent (insert) that penetrates into the spaces between the graphene faces to obtain GIC. Many other types of intercalating agents, such as alkali metals (Li, K, Na, Cs, and their alloys or eutectics) can be used to insert graphite into stage 1, stage 2, stage 3, and the like. have. Stage n means that there is one layer of insert for every n graphene faces. For example, a stage-1 potassium-inserted GIC means that there is one K layer for every graphene face, or the G / K / G / K / G / KG ... sequence (G is the graphene face and K Is a potassium atom plane), meaning that one layer of K atoms can be found between two adjacent graphene planes. Stage-2 GIC will have the order GG / K / GG / K / GG / K / GG ... Stage-3 GIC will have the order GGG / K / GGG / K / GGG ... . These GICs may then be contacted with water or a water-alcohol mixture to produce exfoliated graphite and / or separated / isolated graphene sheets.

박리 흑연 웜은 고강도 에어 제트 밀, 고강도 볼밀, 또는 초음파 장치를 사용해 고강도 기계적 전단/분리 처리되어, 모든 그래핀 판이 100 nm보다 얇으며, 대부분은 10 nm보다 얇고, 많은 경우 단일층 그래핀인 분리된 나노그래핀 판(NGP)을 생성할 수 있다(또한 도 4b에 112로 예시됨). NGP는 그래핀 시트 또는 복수의 그래핀 시트(각각의 시트는 탄소 원자의 2차원 육방정 구조임)로 구성된다. (단일층 및/또는 소수 층 그래핀 또는 그래핀 산화물의 이산 시트/판을 포함하는) 다량의 여러 NGP는 필름 또는 종이 제조 공정을 사용해 그래핀 필름/종이(도 4b의 114)으로 제조될 수 있다. 대안적으로, 저강도 전단을 이용하면, 흑연 웜은 100 nm 초과의 두께를 갖는 소위 팽창 흑연 플레이크(도 4b의 108)로 분리되는 경향이 있다. 이들 플레이크는, 수지 바인더 없이 또는 이와 함께, 종이 또는 매트 제조 공정을 이용하여 흑연 종이 또는 매트(106)로 형성될 수 있다.The exfoliated graphite worms are subjected to high-strength mechanical shear / separation using high-intensity air jet mills, high-intensity ball mills, or ultrasonic devices so that all graphene plates are thinner than 100 nm, mostly thinner than 10 nm, and in many cases single layer graphene. Nanographene plates (NGP) can be produced (also illustrated as 112 in FIG. 4B). NGP consists of a graphene sheet or a plurality of graphene sheets, each sheet having a two-dimensional hexagonal structure of carbon atoms. Large quantities of several NGPs (including single and / or minor layer graphene or discrete sheets / plates of graphene oxide) can be made into graphene films / paper (114 in FIG. 4B) using a film or paper making process. have. Alternatively, using low intensity shear, the graphite worms tend to separate into so-called expanded graphite flakes (108 in FIG. 4B) having a thickness greater than 100 nm. These flakes can be formed of graphite paper or mat 106 using a paper or mat manufacturing process, with or without a resin binder.

개별적인 그래핀 시트는 특별히 높은 비표면적을 가짐에도 불구하고, 그래핀 시트는 함께 재적층되거나 서로 중첩되는 경향이 크며, 이에 따라 전해질에 의해 접근가능한 비표면적이 현저히 감소됨으로 인해, 비전기용량이 급격히 감소된다. 이러한 재적층 경향은 수퍼커패시터 셀 전극 생산 공정 동안 특히 심하다. 이 공정에서, 기타 다른 전도성 첨가제 및 수지 바인더(예를 들어, PVDF)와 함께, 그래핀 시트는 용매(통상적으로 NMP) 내에 분산되어 슬러리를 형성하며, 이는 이후 고체 집전체(예를 들어, Al 호일)의 표면 상에 코팅된다. 용매는 이후 제거(기화)되어 활물질 전극의 건조 층을 형성하고, 이는 압착기 내 롤러 쌍을 통해 공급되어 전극 층을 굳힌다. 이들 건조 및 압착 절차는 심각한 그래핀 재적층을 유도한다. 많은 과학 레포트에서, 원래의 분말 형태의 그래핀 시트가 뛰어나게 높은 비표면적을 나타내는 것을 알아냈지만, 생성된 전극은 단지 예기치않게 더 낮은 비전기용량을 나타낸다. 이론적으로, 단일층 그래핀계 수퍼커패시터의 최대 비전기용량은 550 F/g로 높지만(EDLC 구조에 기초함, 산화환원 쌍 또는 유사전기용량 없음), 실험적으로 달성된 값은 단지 90 내지 170 F/g의 범위에 있었다. 이는 수퍼커패시터 분야에서 오랫동안 걸쳐온 문제이다.Although individual graphene sheets have a particularly high specific surface area, graphene sheets tend to re-laminate together or overlap each other, resulting in a sharp reduction in non-electrostatic capacity due to a significant reduction in the specific surface area accessible by the electrolyte. Is reduced. This re-lamination tendency is especially severe during the supercapacitor cell electrode production process. In this process, together with other conductive additives and resin binders (e.g. PVDF), the graphene sheets are dispersed in a solvent (usually NMP) to form a slurry, which is then subjected to a solid current collector (e.g. Al On the surface of the foil). The solvent is then removed (vaporized) to form a dry layer of the active material electrode, which is fed through a pair of rollers in the compactor to harden the electrode layer. These drying and pressing procedures lead to severe graphene relamination. In many scientific reports, it has been found that the graphene sheet in its original powder form exhibits an exceptionally high specific surface area, but the resulting electrode only unexpectedly exhibits a lower non-electrostatic capacity. Theoretically, the maximum non-electromagnetic capacity of single layer graphene supercapacitors is as high as 550 F / g (based on EDLC structure, no redox pair or pseudocapacitance), but the experimentally achieved values are only 90 to 170 F / was in the range of g. This is a longstanding problem in the field of supercapacitors.

본 발명은 이러한 그래핀 시트 재적층 문제를 극복하기 위해 매우 혁신적이고 명쾌한 공정을 제공한다. 본 발명의 방법은 슬러리 코팅, 건조, 및 압착 절차를 거칠 필요를 완전히 없앤다. 환경적으로 바람직하지 않은 용매(즉, NMP)를 함유하는 슬러리를 형성하는 대신, 본 방법은 액체 전해질 내에서 그래핀 시트를 분산시켜 전극 활물질-액체 전해질 혼합물의 슬러리를 형성하는 것을 수반한다. 이러한 혼합물 슬러리는 이후 전도성 발포체를 기초로 한 집전체의 세공 내로 주입되며; 이후의 건조 및 압착은 요구되지 않고, 그래핀 시트가 함께 재적층할 가능성은 매우 적거나 없다. 추가로, 그래핀 시트는 액체 전해질 내에 이미 예비분산되고, 이는 본질적으로 모든 그래핀 표면은 전해질에 자연적으로 접근가능하여, "건조 포켓"을 남기지 않음을 의미한다. 이 방법은 또한 본 발명자들이 고도로 밀집한 방식으로 그래핀 시트를 패킹(그 사이에 전해질을 가짐)하는 것을 가능하게 하며, 이는 예기치 않게 높은 전극 활물질 탭 밀도를 유발한다.The present invention provides a very innovative and clear process to overcome this graphene sheet relamination problem. The process of the present invention completely eliminates the need to undergo slurry coating, drying, and compression procedures. Instead of forming a slurry containing an environmentally undesirable solvent (ie, NMP), the method involves dispersing the graphene sheet in a liquid electrolyte to form a slurry of the electrode active material-liquid electrolyte mixture. This mixture slurry is then injected into the pores of the current collector based on the conductive foam; Subsequent drying and compaction is not required, and there is very little or no chance that the graphene sheets will relaminate together. In addition, the graphene sheets are already predispersed in the liquid electrolyte, which essentially means that all graphene surfaces are naturally accessible to the electrolyte, leaving no “dry pockets”. This method also enables the inventors to pack the graphene sheets (with electrolyte in between) in a highly dense manner, which leads to unexpectedly high electrode active material tap densities.

앞서 언급된 방법에서 사용된 그래핀 시트는, 별개로 또는 조합되어, 하기로 처리될 수 있다:The graphene sheets used in the aforementioned methods, separately or in combination, can be treated as follows:

(a) 원자, 이온, 또는 분자 종으로 화학 작용기화 또는 도핑됨. 유용한 표면 작용기는 퀴논, 하이드로퀴논, 4급화 방향족 아민, 머캡탄, 또는 디설파이드를 포함할 수 있다. 이러한 부류의 작용기는 그래핀계 수퍼커패시터에 유사전기용량을 부여할 수 있다.(a) Chemical functionalization or doping with atoms, ions, or molecular species. Useful surface functionalities can include quinones, hydroquinones, quaternized aromatic amines, mercaptans, or disulfides. This class of functional groups can impart pseudocapacitance to graphene-based supercapacitors.

(b) 본질적으로 전도성인 중합체(전도성 중합체, 예컨대 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 및 이들의 유도체는 본 발명에서의 사용에 좋은 선택임)로 코팅 또는 그래프팅됨; 이들 처리는 산화환원 반응과 같은 유사전기용량 효과를 통해 전기용량 값을 추가로 증가시키기 위한 것이다.(b) coated or grafted with an inherently conductive polymer (conductive polymers such as polyacetylene, polypyrrole, polyaniline, polythiophene, and derivatives thereof are good choices for use in the present invention); These treatments are intended to further increase capacitance values through pseudocapacitive effects such as redox reactions.

(c) 그래핀 시트를 이용하여 산화환원 쌍을 형성하여 유사전기용량을 전극에 부여하는 목적을 위해, 전이금속 산화물 또는 황화물, 예컨대 RuO2, TiO2, MnO2, Cr2O3, 및 Co2O3를 이용한 증착; 및(c) transition metal oxides or sulfides, such as RuO 2 , TiO 2 , MnO 2 , Cr 2 O 3 , and Co, for the purpose of forming redox pairs using graphene sheets to impart similar capacitances to the electrodes. Deposition with 2 O 3 ; And

(d) 활성화 처리(카본블랙 물질의 활성화와 유사)로 추가의 표면을 만들고 가능하게는 화학 작용기를 이들 표면에 부여한다. 활성화 처리는 CO2 물리적 활성화, KOH 화학적 활성화, 또는 질산, 플루오린, 또는 암모니아 플라즈마에의 노출을 통해 달성될 수 있다.(d) Activation treatments (similar to the activation of carbon black materials) create additional surfaces and possibly impart chemical functionalities to these surfaces. The activation treatment can be accomplished through CO 2 physical activation, KOH chemical activation, or exposure to nitric acid, fluorine, or ammonia plasma.

본 발명자들은 광범위한 종류의 2차원(2D) 무기 물질이 본 발명의 활물질-전해질 혼합물 함침 공정에 의해 제조된 본 발명의 수퍼커패시터에서 사용될 수 있음을 발견하였다. 층상(layered) 물질은, 수퍼커패시터 응용에서 중요한 예기치 못한 전자 특성 및 높은 비표면적을 나타낼 수 있는 2D 시스템의 다양한 공급원을 대표한다. 흑연은 가장 잘 알려진 층상 물질이지만, 전이 금속 디칼코게나이드(TMD), 전이 금속 산화물(TMO), 및 광범위한 기타 다른 화합물, 예컨대 BN, Bi2Te3, 및 Bi2Se3, 또한 2D 물질의 가능한 공급원이다. The inventors have found that a wide variety of two-dimensional (2D) inorganic materials can be used in the supercapacitors of the invention produced by the active material-electrolyte mixture impregnation process of the invention. Layered materials represent various sources of 2D systems that can exhibit unexpected electronic properties and high specific surface areas that are important in supercapacitor applications. Graphite is the best known layered material, but the transition metal dichalcogenide (TMD), transition metal oxide (TMO), and a wide variety of other compounds such as BN, Bi 2 Te 3 , and Bi 2 Se 3 , also possible 2D materials It is a source.

비그래핀 2D 나노물질, 단일층 또는 소수 층(20층 이하)은 여러 방법에 의해 제조될 수 있다: 기계적 절단, 레이저 삭마(예를 들어, 레이저 펄스를 사용해 TMD를 단일층으로까지 삭마), 액상 박리, 및 박막 기법, 예컨대 PVD(예를 들어 스퍼터링), 증발, 기상 에피택시, 액상 에피택시, 화학 기상 에피택시, 분자빔 에피택시(MBE), 원자층 에피택시(ALE), 및 이들의 플라즈마-보조 형태에 의한 합성.Non-graphene 2D nanomaterials, monolayers or hydrophobic layers (up to 20 layers) can be prepared by several methods: mechanical cutting, laser ablation (eg, ablation of TMD to monolayer using laser pulses), Liquid phase separation, and thin film techniques such as PVD (eg sputtering), evaporation, vapor phase epitaxy, liquid phase epitaxy, chemical vapor phase epitaxy, molecular beam epitaxy (MBE), atomic layer epitaxy (ALE), and their Synthesis by Plasma-Assisted Form.

본 발명자들은 놀랍게도 이들 무기 물질의 대부분이 2D 나노디스크, 나노평판, 나노벨트, 또는 나노리본 형상인 경우, 이들 무기 물질이 보통 전기적으로 비전도성이고, 이에 따라 후보 수퍼커패시터 전극 물질이 아닌 것으로 간주되지만, 현저한 EDLC 값을 나타낸다는 것을 발견하였다. 수퍼전기용량 값은 이들 2D 나노물질이 소량의 나노그래핀 시트(특히, 단일층 그래핀)와 조합되어 사용되는 경우 특히 높다. 요구되는 단일층 그래핀은 0.1 중량% 내지 50 중량%, 더 바람직하게는 0.5 중량% 내지 25 중량%, 가장 바람직하게는 1 중량% 내지 15 중량%일 수 있다.The inventors surprisingly find that when most of these inorganic materials are 2D nanodisk, nanoplate, nanobelt, or nanoribbon shapes, these inorganic materials are usually electrically nonconductive and thus are not considered candidate supercapacitor electrode materials. , It was found to exhibit significant EDLC values. Supercapacitive values are particularly high when these 2D nanomaterials are used in combination with small amounts of nanographene sheets (especially monolayer graphene). The required monolayer graphene may be 0.1 wt% to 50 wt%, more preferably 0.5 wt% to 25 wt%, most preferably 1 wt% to 15 wt%.

본 발명에서, 수퍼커패시터에서 사용될 수 있는 액체 전해질의 유형에 대한 제한은 없다: 수성, 유기, 겔, 및 이온성 액체. 통상적으로, 수퍼커패시터용 전해질은 용매 및 양의 이온(양이온) 및 음성 이온(음이온)으로 분해되어 전해질을 전기 전도성으로 만드는, 용해된 화학물질(예를 들어, 염)으로 이루어진다. 전해질이 더 많은 이온을 함유할수록, 그 전도성은 더 양호하며, 이는 또한 전기용량에 영향을 미친다. 수퍼커패시터에서, 전해질은 헬름홀츠(Helmholtz) 이중층(전기 이중층)에서 단층을 분리하기 위한 분자를 제공하고, 유사전기용량을 위한 이온을 전달한다.In the present invention, there is no limitation on the type of liquid electrolyte that can be used in the supercapacitors: aqueous, organic, gel, and ionic liquids. Typically, electrolytes for supercapacitors consist of dissolved chemicals (eg, salts) that decompose into solvents and positive ions (cations) and negative ions (anions), making the electrolyte electrically conductive. The more ions the electrolyte contains, the better its conductivity, which also affects the capacitance. In supercapacitors, the electrolyte provides molecules for separating monolayers in the Helmholtz bilayer (electrical bilayer) and delivers ions for pseudocapacitance.

물은 무기 화학물질의 용해에 비교적 양호한 용매이다. 황산(H2SO4)과 같은 산, 수산화칼륨(KOH)과 같은 알칼리, 또는 4급 포스포늄 염, 나트륨 퍼클로레이트(NaClO4), 리튬 퍼클로레이트(LiClO4) 또는 리튬 헥사플루오라이드 아르세네이트(LiAsF6)와 같은 염과 함께 첨가되는 경우, 물은 상대적으로 높은 전도성 값을 제공한다. 수성 전해질은 전극 당 1.15 V의 분해 전압 및 상대적으로 낮은 작업 온도 범위를 갖는다. 물 전해질을 기초로 한 수퍼커패시터는 낮은 에너지 밀도를 나타낸다.Water is a relatively good solvent for dissolving inorganic chemicals. Acids such as sulfuric acid (H 2 SO 4 ), alkalis such as potassium hydroxide (KOH), or quaternary phosphonium salts, sodium perchlorate (NaClO 4 ), lithium perchlorate (LiClO 4 ) or lithium hexafluoride arsenate (LiAsF When added together with a salt such as 6 ), water gives a relatively high conductivity value. Aqueous electrolytes have a decomposition voltage of 1.15 V per electrode and a relatively low operating temperature range. Supercapacitors based on water electrolytes exhibit low energy density.

대안적으로, 전해질은 유기 용매, 예컨대 아세토니트릴, 프로필렌 카보네이트, 테트라하이드로푸란, 디에틸 카보네이트, γ-부티로락톤, 및 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트(N(Et)4BF4) 또는 트리에틸 (메틸) 테트라플루오로보레이트(NMe(Et)3BF4)와 같은 4급 암모늄 염 또는 알킬 암모늄 염을 갖는 용질을 함유할 수 있다. 유기 전해질은 수성 전해질보다 더 비싸지만, 이들은 전극 당 통상적으로 1.35 V의 더 높은 분해 전압(2.7 V 커패시터 전압), 및 더 높은 온도 범위를 갖는다. 유기 용매의 더 낮은 전기 전도성(10 내지 60 mS/cm)은 더 낮은 전력 밀도, 그러나 더 높은 에너지 밀도를 유도하며, 이는 에너지 밀도가 전압의 제곱에 비례하기 때문이다.Alternatively, the electrolyte may be an organic solvent such as acetonitrile, propylene carbonate, tetrahydrofuran, diethyl carbonate, γ-butyrolactone, and tetraethylammonium tetrafluoroborate (N (Et) 4 BF 4 ) or triethyl It may contain a solute having a quaternary ammonium salt or alkyl ammonium salt such as (methyl) tetrafluoroborate (NMe (Et) 3 BF 4 ). Organic electrolytes are more expensive than aqueous electrolytes, but they have a higher decomposition voltage (2.7 V capacitor voltage), and a higher temperature range, typically 1.35 V per electrode. Lower electrical conductivity (10-60 mS / cm) of the organic solvent leads to lower power density, but higher energy density, because the energy density is proportional to the square of the voltage.

이온성 액체는 이온만으로 구성된다. 이온성 액체는 소정 온도보다 높을 때 용융 또는 액체 상태인 저융점 염이다. 예를 들어, 융점이 100

Figure pct00006
미만이면 염은 이온성 액체로 간주된다. 융점이 실온(25℃ 이하인 경우, 염은 실온 이온성 액체(RTIL)로 지칭된다. IL 염은 큰 양이온과 전하-비편재화 음이온의 조합으로 인한 약한 상호작용을 특징으로 한다. 그 결과 유연성(음이온) 및 비대칭성(양이온)으로 인해 결정화 경향이 낮아진다.Ionic liquids consist only of ions. Ionic liquids are low melting salts that are in the molten or liquid state when they are above a predetermined temperature. For example, the melting point is 100
Figure pct00006
If less than salt is considered an ionic liquid. If the melting point is room temperature (up to 25 ° C.), the salt is referred to as room temperature ionic liquid (RTIL) .IL salts are characterized by a weak interaction due to the combination of large cations and charge-unlocalized anions. ) And asymmetry (cationic) lowers the tendency of crystallization.

잘 알려진 일반적인 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨(EMI) 양이온과 N,N-비스(트리플루오로메탄)설폰아미드(TFSI) 음이온의 조합에 의해 형성된다. 이러한 조합은 많은 유기 전해질 용액에 필적하는 이온 전도도 및 약 300 내지 400℃까지 낮은 분해 경향 및 낮은 증기압을 갖는 유체를 제공한다. 이는 일반적으로 낮은 휘발성 및 불연성을 의미하고, 따라서 전지용으로 훨씬 더 안전한 전해질을 의미한다.Commonly known ionic liquids are formed by the combination of 1-ethyl-3-methylimidazolium (EMI) cations with N , N -bis (trifluoromethane) sulfonamide (TFSI) anions. This combination provides a fluid with ionic conductivity comparable to many organic electrolyte solutions and low decomposition tendencies up to about 300-400 ° C. and low vapor pressure. This generally means low volatility and nonflammability and therefore means a much safer electrolyte for batteries.

기본적으로 이온성 액체는, 매우 다양한 성분의 제조 용이성으로 인해 본질적으로 제한 없는 개수의 구조적 변형이 가해지는 유기 이온들로 구성된다. 따라서, 다양한 종류의 염을 사용하여 주어진 용도에 대해 원하는 특성을 갖는 이온성 액체를 설계할 수 있다. 이들은 특히, 양이온으로서 이미다졸륨, 피롤리디늄 및 4급 암모늄 염, 및 음이온으로서 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드, 비스(플루오로설포닐)이미드, 및 헥사플루오로포스페이트를 포함한다. 이온성 액체는 조성에 기초하여 기본적으로 비양성자, 양성자 및 쌍성이온 유형을 포함하는 상이한 부류들로 나뉘며, 이들 각각은 특정 용도에 적합하다.Basically, ionic liquids consist of organic ions which are subjected to an essentially unlimited number of structural modifications due to the ease of preparation of a wide variety of components. Thus, various types of salts can be used to design ionic liquids with desired properties for a given application. These include, inter alia, imidazolium, pyrrolidinium and quaternary ammonium salts as cations, and bis (trifluoromethanesulfonyl) imides as anions, bis (fluorosulfonyl) imides, and hexafluorophosphate do. Ionic liquids are divided into different classes based on their composition, basically including the aprotic, proton and zwitterionic types, each of which is suitable for a particular application.

실온 이온성 액체(RTIL)의 공통 양이온은 테트라알킬암모늄, 디-, 트리-, 및 테트라-알킬이미다졸륨, 알킬피리디늄, 디알킬피롤리디늄, 디알킬피페리디늄, 테트라알킬포스포늄, 및 트리알킬설포늄을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. RTIL의 공통 음이온은 BF4 -, B(CN)4 -, CH3BF3 -, CH2CHBF3 -, CF3BF3 -, C2F5BF3 -, n-C3F7BF3 -, n-C4F9BF3 -, PF6 -, CF3CO2 -, CF3SO3 -, N(SO2CF3)2 -, N(COCF3)(SO2CF3)-, N(SO2F)2 -, N(CN)2 -, C(CN)3 -, SCN-, SeCN-, CuCl2 -, AlCl4 -, F(HF)2.3 - 등을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상대적으로 말하면, 이미다졸륨계 또는 설포늄계 양이온과 복합 할라이드 음이온, 예컨대 AlCl4 -, BF4 -, CF3CO2 -, CF3SO3 -, NTf2 -, N(SO2F)2 -, 또는 F(HF)2.3 -의 조합으로 인해 우수한 작용 전도도를 갖는 RTIL이 생성된다.Common cations of room temperature ionic liquids (RTIL) include tetraalkylammonium, di-, tri-, and tetra-alkylimidazolium, alkylpyridinium, dialkylpyrrolidinium, dialkylpiperidinium, tetraalkylphosphonium, And trialkylsulfonium. Common anions RTIL is BF 4 -, B (CN) 4 -, CH 3 BF 3 -, CH 2 CHBF 3 -, CF 3 BF 3 -, C 2 F 5 BF 3 -, n -C 3 F 7 BF 3 -, n -C 4 F 9 BF 3 -, PF 6 -, CF 3 CO 2 -, CF 3 SO 3 -, N (SO 2 CF 3) 2 -, N (COCF 3) (SO 2 CF 3) - , N (SO 2 F) 2 -, N (CN) 2 -, C (CN) 3 -, SCN -, SeCN -, CuCl 2 -, AlCl 4 -, F (HF) 2.3 - and the like, but this It is not limited. Relatively speaking, imidazole ryumgye or sulfo nyumgye cations and complex halide anions, such as AlCl 4 -, BF 4 -, CF 3 CO 2 -, CF 3 SO 3 -, NTf 2 -, N (SO 2 F) 2 -, Or a combination of F (HF) 2.3 results in an RTIL with good functional conductivity.

RTIL은 높은 고유 이온 전도도, 높은 열 안정성, 낮은 휘발성, 낮은(실질적으로는 0인) 증기압, 불연성, 실온 이상 및 이하의 넓은 온도 범위에서 액체를 유지하는 능력, 높은 극성, 높은 점성, 및 광범위한 전기화학적 윈도우와 같은 통상적 특성을 가질 수 있다. 높은 점도를 제외하고는, 이들 특성은 RTIL을 수퍼커패시터에서 전해질 성분(염 및/또는 용매)으로 사용할 때 바람직한 속성이다.RTIL has high intrinsic ionic conductivity, high thermal stability, low volatility, low (substantially zero) vapor pressure, nonflammability, ability to hold liquids over a wide temperature range above and below room temperature, high polarity, high viscosity, and extensive electrical It may have conventional properties such as chemical windows. Except for the high viscosity, these properties are desirable attributes when using RTIL as an electrolyte component (salt and / or solvent) in a supercapacitor.

유사커패시터(산화환원 쌍 형성을 통한 유사전기용량의 발달에 작용하는 수퍼커패시터)의 제조를 위하여, 애노드 활물질 또는 캐소드 활물질은 그래핀 시트, 및 금속 산화물, 전도성 중합체, 유기 물질, 비-그래핀 탄소 물질, 무기 물질, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 산화환원 쌍 파트너 물질을 함유하도록 설계될 수 있다. 환원된 그래핀 산화물 시트와 짝을 형성할 수 있는 많은 물질이 당업계에 잘 알려져 있다. 이 연구에서, 본 발명자들은 그래핀 할로겐화물(예를 들어, 그래핀 불화물), 그래핀 수소화물, 및 질소화 그래핀은 광범위한 각종 파트너 물질과 작용하여 유사전기용량 개발을 위한 산화환원 쌍을 형성할 수 있다는 것을 깨달았다.For the production of quasi-capacitors (supercapacitors that act on the development of quasi-capacitance through the formation of redox pairs), the anode active material or cathode active material is composed of graphene sheets and metal oxides, conductive polymers, organic materials, non-graphene carbon It can be designed to contain a redox pair partner material selected from materials, inorganic materials, or combinations thereof. Many materials that are capable of mating with reduced graphene oxide sheets are well known in the art. In this study, we found that graphene halides (eg, graphene fluorides), graphene hydrides, and nitrified graphene work with a wide variety of partner materials to form redox pairs for pseudocapacitance development. I realized I could.

예를 들어, 그러한 역할을 하는 금속 산화물 또는 무기 물질은 RuO2, IrO2, NiO, MnO2, VO2, V2O5, V3O8, TiO2, Cr2O3, Co2O3, Co3O4, PbO2, Ag2O, MoCx, Mo2N, 또는 이들의 조합을 포함한다. 일반적으로, 무기 물질은 금속 탄화물, 금속 질화물, 금속 붕화물, 금속 디칼코게나이드, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 바람직하게는, 원하는 금속 산화물 또는 무기 물질은, 나노와이어, 나노디스크, 나노리본, 또는 나노평판 형상인, 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 바나듐, 크롬, 코발트, 망간, 철 또는 니켈의 산화물, 디칼코게나이드, 트리칼코게나이드, 황화물, 셀렌화물, 또는 텔루르화물로부터 선택된다. 이들 물질은 그래핀 물질의 시트와의 단순 혼합물 형상일 수 있지만, 바람직하게는 습윤 활물질 혼합물로 형성되고(예를 들어, 슬러리 형태로), 전도성 다공질 층의 세공들 내로 함침되기 전에, 그래핀 시트의 표면에 물리적 또는 화학적으로 결합되는 나노입자 또는 나노코팅 형상일 수 있다.For example, metal oxides or inorganic materials that play such roles include RuO 2 , IrO 2 , NiO, MnO 2 , VO 2 , V 2 O 5 , V 3 O 8 , TiO 2 , Cr 2 O 3 , Co 2 O 3 , Co 3 O 4 , PbO 2 , Ag 2 O, MoC x , Mo 2 N, or a combination thereof. In general, the inorganic material may be selected from metal carbides, metal nitrides, metal borides, metal dichalcogenides, or combinations thereof. Preferably, the desired metal oxide or inorganic material is niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium, vanadium, chromium, cobalt, manganese, iron, which is nanowire, nanodisk, nanoribbon, or nanoplate shaped. Or oxides of nickel, dichalcogenide, trichalcogenide, sulfides, selenides, or tellurides. These materials may be in the form of a simple mixture with a sheet of graphene material, but are preferably formed of a wetted active material mixture (eg in the form of a slurry) and before being impregnated into the pores of the conductive porous layer. It may be in the form of nanoparticles or nano-coating physically or chemically bonded to the surface of the.

본 발명의 로프형의 전지는 많은 독특한 특징을 갖고, 이들 특징 및 장점들 중 일부는 아래 요약된다:The rope-shaped cell of the present invention has many unique features, some of which are summarized below:

정의하면, 로프형 수퍼커패시터는, 브레이드 또는 연사로 조합된, 적어도 막대 형상 또는 필라멘트 형상의 애노드, 및 막대 형상 또는 필라멘트 형상의 캐소드를 함유하는 수퍼커패시터를 의미한다. 수퍼커패시터는 종횡비(길이 대 직경 또는 길이 대 두께의 비)가 적어도 10, 바람직하게는 적어도 20인, 길이 및 직경 또는 두께를 갖는다. 로프형 수퍼커패시터는 1 m 초과의 길이, 또는 심지어 100 m 초과의 길이를 가질 수 있다. 길이는 1 μm 정도로 짧을 수 있지만, 통상적으로 10 μm 내지 10 m, 더 통상적으로는 마이크로미터 내지 수 미터일 수 있다. 실제로, 이러한 유형의 로프형의 수퍼커패시터의 길이에는 이론적 제한이 없다.By definition, a rope-type supercapacitor means a supercapacitor containing at least a rod or filament shaped anode and a rod or filament shaped cathode, combined in braid or twisted yarn. Supercapacitors have a length and diameter or thickness, with an aspect ratio (length to diameter or length to thickness ratio) of at least 10, preferably at least 20. Rope type supercapacitors may have a length greater than 1 m, or even greater than 100 m. The length may be as short as 1 μm, but typically 10 μm to 10 m, more typically micrometers to several meters. Indeed, there is no theoretical limit to the length of this type of rope type supercapacitor.

본 발명의 로프형의 수퍼커패시터는 매우 플렉시블해서 10 cm보다 큰 곡률 반경을 갖도록 용이하게 구부러질 수 있다. 수퍼커패시터는 차량의 빈 공간 또는 내부 구획의 형상에 실질적으로 부합되도록 구부릴 수 있다. 빈 공간 또는 내부 구획은 트렁크, 도어, 해치, 스페어 타이어 구획, 시트 아래 영역 또는 대시보드 아래 영역일 수 있다. 수퍼커패시터는 차량으로부터 분리 가능하고, 다른 빈 공간 또는 내부 구획의 형상에 부합되도록 구부릴 수 있다.The rope-type supercapacitor of the present invention is very flexible and can be easily bent to have a radius of curvature greater than 10 cm. The supercapacitor can be bent to substantially conform to the shape of the interior space or interior compartment of the vehicle. The empty space or interior compartment may be a trunk, a door, a hatch, a spare tire compartment, an area under the seat or an area under the dashboard. The supercapacitor is detachable from the vehicle and can be bent to conform to the shape of other voids or interior compartments.

본 발명의 로프형의 수퍼커패시터의 하나 이상의 유닛은 의류, 벨트, 운반 스트랩(carrying strap), 수하물 스트랩, 무기 스트랩, 악기 스트랩, 헬멧, 모자, 부츠, 발 커버, 장갑, 손목 커버, 시계 밴드, 보석 물품, 동물용 목줄 또는 동물용 하네스에 통합될 수 있다.One or more units of the rope-type supercapacitors of the present invention may comprise clothing, belts, carrying straps, luggage straps, weapon straps, instrument straps, helmets, hats, boots, foot covers, gloves, wrist covers, watch bands, It can be integrated into jewelry articles, animal collars or animal harnesses.

본 발명의 로프형의 수퍼커패시터의 하나 이상의 유닛은 의류, 벨트, 운반 스트랩, 수하물 스트랩, 무기 스트랩, 악기 스트랩, 헬멧, 모자, 부츠, 발 커버, 장갑, 손목 커버, 시계 밴드, 보석 물품, 동물용 목줄 또는 동물용 하네스에 착탈식으로 통합될 수 있다.One or more units of the rope-type supercapacitor of the present invention may be a garment, belt, carrying strap, baggage strap, weapon strap, instrument strap, helmet, hat, boots, foot cover, gloves, wrist cover, watch band, jewelry article, animal It can be detachably integrated into a collar or animal harness.

추가로, 본 발명의 로프 수퍼커패시터는 중공 자전거 프레임의 내부 반경에 부합된다.In addition, the rope supercapacitors of the invention correspond to the inner radius of the hollow bicycle frame.

이하, 본 발명자는 본 발명의 최선의 구현예를 설명하기 위해 여러 상이한 유형의 애노드 활물질, 캐소드 활물질, 및 전도성 다공질 막대(예를 들어, 흑연 발포체, 그래핀 발포체, 및 금속 발포체)에 대한 실시예를 제공한다. 이들 예시적인 실시예 및 본 명세서의 기타 다른 부분 및 도면은, 개별적으로 또는 조합하여, 당업자가 본 발명을 실시할 수 있게 하는 데 충분히 적절하다. 그러나, 이 실시예들이 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.Hereinafter, the inventors have provided examples for several different types of anode active materials, cathode active materials, and conductive porous rods (eg, graphite foams, graphene foams, and metal foams) to illustrate the best embodiments of the present invention. To provide. These exemplary embodiments and other parts and figures herein are suitably suitable to enable those skilled in the art to practice the invention, either individually or in combination. However, these examples should not be construed as limiting the scope of the invention.

실시예 1: 활물질-전해질 혼합물을 수용하기 위한 다공질 집전체로서 전기 전도성 다공질 막대 또는 필라멘트의 예시적인 예Example 1 Illustrative Examples of Electrically Conductive Porous Rods or Filaments as Porous Current Collectors for Accommodating an Active Material-Electrolyte Mixture

애노드 또는 캐소드에서 전도성 다공질 막대로 사용하기 위해, (집전체 역할을 하는) 다양한 유형의 금속 발포체, 탄소 발포체, 및 미세한 금속 웹, 예를 들어, Ni 발포체, Cu 발포체, Al 발포체, Ti 발포체, Ni 메쉬/웹, 스테인리스강 섬유 메쉬 등이 상업적으로 이용 가능하다. 금속-코팅 중합체 발포체 및 탄소 발포체도 집전체로 사용될 수 있다. 거시적인 형상 적응성 로프형의 플렉시블 수퍼커패시터를 제조함에 있어서, 이러한 전도성 다공질 막대의 가장 바람직한 두께/직경 범위는 50 내지 1000 μm, 바람직하게는 100 내지 800 μm, 더 바람직하게는 200 내지 600 μm이다. (예를 들어, 100 nm 내지 100 μm의 직경을 갖는) 미시적인 로프형의 수퍼커패시터를 제조함에 있어서, 전극 활물질-전해질의 혼합물을 수용하기 위해 그래핀 발포체, 그래핀 에어로겔 발포체, 다공질 탄소 섬유(예를 들어, 중합체 섬유의 전기방사, 중합체 섬유의 탄화, 및 생성된 탄소 섬유의 활성화에 의해 제조됨), 및 다공질 흑연 섬유가 사용될 수 있다.For use as a conductive porous rod at the anode or cathode, various types of metal foams (which serve as current collectors), carbon foams, and fine metal webs such as Ni foams, Cu foams, Al foams, Ti foams, Ni Mesh / web, stainless steel fiber mesh and the like are commercially available. Metal-coated polymer foams and carbon foams can also be used as current collectors. In making the flexible supercapacitors of the macroscopic shape adaptive rope type, the most preferable thickness / diameter range of such conductive porous rods is 50 to 1000 μm, preferably 100 to 800 μm, more preferably 200 to 600 μm. In preparing microscopic rope-shaped supercapacitors (eg, having a diameter of 100 nm to 100 μm), graphene foams, graphene airgel foams, porous carbon fibers ( For example, electrospinning of polymer fibers, carbonization of polymer fibers, and activation of the resulting carbon fibers), and porous graphite fibers can be used.

실시예 2: Ni 발포체 주형 상에 지지된 Ni 발포체 및 CVD 그래핀 발포체-기반 다공질 막대Example 2: Ni foam and CVD graphene foam-based porous rod supported on Ni foam mold

CVD 그래핀 발포체의 제조 방법은 공개문헌[Chen, Z. et al. "Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapor deposition", Nature Materials, 10, 424-428 (2011)]에 개시된 방법으로부터 조정되었다. 상호 연결된 3D 니켈 스캐폴드를 갖춘 다공질 구조인 니켈 발포체를 그래핀 발포체의 성장을 위한 주형으로서 선택하였다. 간략히 설명하면, 상압 하에 1,000

Figure pct00007
에서 CH4를 분해함으로써 니켈 발포체에 탄소를 도입한 후, 니켈 발포체의 표면에 그래핀 필름을 증착시켰다. 니켈과 그래핀 간의 열 팽창 계수 차이로 인해, 그래핀 필름 상에 리플(ripples)과 주름(wrinkles)이 형성되었다. 본 실시예에서 제조된 네 가지 유형의 발포체, 즉 Ni 발포체, CVD 그래핀-코팅 Ni 발포체, CVD 그래핀 발포체(Ni은 에칭 제거됨), 및 전도성 중합체 결합된 CVD 그래핀 발포체를 본 발명의 리튬 전지에서 집전체로 사용하였다.Methods of making CVD graphene foams are disclosed in Chen, Z. et al. "Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapor deposition", Nature Materials, 10, 424-428 (2011). Nickel foam, a porous structure with interconnected 3D nickel scaffolds, was selected as a template for the growth of graphene foams. Briefly, 1,000 under atmospheric pressure
Figure pct00007
Carbon was introduced into the nickel foam by decomposing CH 4 at , followed by depositing a graphene film on the surface of the nickel foam. Due to the difference in thermal expansion coefficient between nickel and graphene, ripples and wrinkles were formed on the graphene film. The four types of foams produced in this example, namely Ni foams, CVD graphene-coated Ni foams, CVD graphene foams (Ni is etched removed), and conductive polymer-bonded CVD graphene foams were described. Was used as the current collector.

지지용 Ni 발포체로부터 그래핀 발포체를 회수(분리)하기 위해, Ni 프레임을 에칭 제거하였다. Chen외 다수가 제안한 방법에서, 고온의 HCl(또는 FeCl3) 용액으로 니켈 골격을 에칭 제거하기 전에, 니켈 에칭시 그래핀 네트워크가 붕괴되는 것을 방지하기 위해 지지체로서의 그래핀 필름의 표면에 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA)의 박층을 증착시켰다. 고온의 아세톤으로 PMMA층을 조심스럽게 제거한 후, 취약한 그래핀 발포체 샘플을 얻었다. PMMA 지지층의 사용은 그래핀 발포체의 독립형 필름을 제조하는 데 중요한 것으로 고려되었다. 대신, Ni을 에칭 제거하면서 전도성 중합체를 바인더 수지로 사용하여 그래핀을 서로 결합시켰다. 그래핀 발포체 또는 Ni 발포체의 두께/직경 범위는 35 μm 내지 600 μm였다.In order to recover (separate) the graphene foam from the supporting Ni foam, the Ni frame was etched away. In the method proposed by Chen et al., A poly (methyl) film on the surface of the graphene film as a support to prevent the graphene network from collapsing during nickel etching, prior to etching away the nickel skeleton with a hot HCl (or FeCl 3 ) solution. A thin layer of methacrylate (PMMA) was deposited. After carefully removing the PMMA layer with hot acetone, a weak graphene foam sample was obtained. The use of the PMMA support layer was considered to be important for making standalone films of graphene foam. Instead, graphene was bonded to each other using a conductive polymer as the binder resin while etching away Ni. The thickness / diameter range of the graphene foam or Ni foam ranged from 35 μm to 600 μm.

본원에서 사용된 Ni 발포체 또는 CVD 그래핀 발포체는 애노드 또는 캐소드 또는 둘 다를 위한 성분(애노드 또는 캐소드 활물질 + 선택적 전도성 첨가제 + 액체 전해질)을 수용하기 위한 전도성 다공질 막대(CPR)로서 의도된다. 예를 들어, 유기 액체 전해질(예를 들어, PC-EC 내 용해된 LiPF6 1 내지 5.5 M) 내에 분산된 (리튬 이온 커패시터용 애노드 활물질로서) 사전리튬화 Si 나노입자는 겔-유사 덩어리로 만들어졌으며, 이는 애노드 전극을 제조하기 위하여 공급장치 롤러로부터 연속적으로 공급되는 Ni 발포체의 다공질 표면으로 전달되었다(도 1d의 개략도 E에서와 같음).Ni foam or CVD graphene foam as used herein is intended as a conductive porous rod (CPR) for receiving components (anode or cathode active material + optional conductive additive + liquid electrolyte) for the anode or cathode or both. For example, prelithiated Si nanoparticles (as an anode active material for lithium ion capacitors) dispersed in an organic liquid electrolyte (eg, LiPF 6 1 to 5.5 M dissolved in PC-EC) may be made into a gel-like mass. Which was transferred from the feeder roller to the porous surface of the Ni foam continuously fed to produce the anode electrode (as in schematic E in FIG. 1D).

동일한 액체 전해질 내에 분산된 그래핀 시트(300 내지 750 nm 길이)는 캐소드 슬러리로 제조되었으며, 이는 캐소드 전극을 형성하기 위하여 연속적인 Ni 발포체 막대의 다공질 표면 상에 분무되었다. 발포체 세공 내로 함침된 사전리튬화 Si 나노입자-전해질 혼합물을 함유하는 다공질 발포체 막대(제1 전극)는 다공질 세퍼레이터 층(다공질 PE-PP 공중합체)에 의해 감싸진다. 두 개의 전극은 이후 연사로 조합되고, 이후 얇은 중합체 외피로 케이싱되어 로프형의 리튬 이온 커패시터를 수득한다.Graphene sheets (300-750 nm long) dispersed in the same liquid electrolyte were made of cathode slurry, which was sprayed onto the porous surface of continuous Ni foam rods to form cathode electrodes. The porous foam rod (first electrode) containing the prelithiated Si nanoparticle-electrolyte mixture impregnated into the foam pores is wrapped by a porous separator layer (porous PE-PP copolymer). The two electrodes are then combined into twisted yarns and then cased into a thin polymer shell to obtain a rope-type lithium ion capacitor.

별개로, 단리된 그래핀 시트와 액체 전해질의 혼합물은 그래핀 발포체 막대의 세공 내로 함침되었으며, 이는 이후 세퍼레이터 필름으로 감싸서 하나의 전극을 만들었다. 동일한 다공질 막대 및 동일 혼합물의 또 다른 전극을 유사한 방식으로 제조하였다. 두 개의 막대를 이후 조합하여 연사를 제조하였으며, 이는 이후 플라스틱 외피로 케이싱되었다.Separately, the mixture of isolated graphene sheets and liquid electrolyte was impregnated into the pores of the graphene foam rods, which were then wrapped in a separator film to make one electrode. Another electrode of the same porous rod and the same mixture was prepared in a similar manner. Two bars were then combined to make a twisted yarn, which was then cascaded into a plastic sheath.

실시예 3: 피치계 탄소 발포체로부터의 흑연 발포체-기반 전도성 다공질 막대Example 3 Graphite Foam-Based Conductive Porous Rods from Pitch-Based Carbon Foam

원하는 발포체의 최종 형상을 가진 알루미늄 금형에 피치 분말, 과립, 또는 펠릿을 넣는다. Mitsubishi ARA-24 메소상 피치를 사용하였다. 샘플을 1 torr 미만으로 배기한 후, 대략 300

Figure pct00008
의 온도까지 가열하였다. 이 시점에, 진공을 질소 블랭킷(blanket)으로 해제한 후, 최대 1,000 psi의 압력을 가하였다. 이어서, 시스템의 온도를 800
Figure pct00009
까지 올렸다. 2
Figure pct00010
분의 속도로 이를 수행하였다. 적어도 15분 동안 온도를 유지하여 침액(soak)을 달성한 후, 노 전원을 끄고, 대략 2 psi/분의 속도로 압력을 해제하면서 대략 1.5
Figure pct00011
분의 속도로 실온까지 냉각시켰다. 최종 발포체의 온도는 630
Figure pct00012
및 800
Figure pct00013
였다. 냉각 사이클 동안, 압력을 점차적으로 대기 상태로 해제한다. 이어서, 발포체를 질소 블랭킷 하에 1050
Figure pct00014
로 열처리(탄화)한 후, 흑연 도가니에서 아르곤 하에 2500
Figure pct00015
및 2800
Figure pct00016
로 개별적으로 열처리(흑연화) 하였다. 흑연 발포 막대는 75 내지 500 μm의 두께 범위에서 이용 가능하였다.Pitch powder, granules, or pellets are placed in an aluminum mold having the final shape of the desired foam. Mitsubishi ARA-24 mesophase pitch was used. Approximately 300 after evacuating the sample to less than 1 torr
Figure pct00008
Heated to temperature. At this point, the vacuum was released with a nitrogen blanket and then a pressure of up to 1,000 psi was applied. Then, the temperature of the system is 800
Figure pct00009
Raised up. 2
Figure pct00010
This was done at the rate of minutes. After maintaining the temperature for at least 15 minutes to achieve soak, turn off the furnace and release the pressure at approximately 2 psi / min to approximately 1.5
Figure pct00011
Cool to room temperature at the rate of minutes. The final foam temperature is 630
Figure pct00012
And 800
Figure pct00013
It was. During the cooling cycle, the pressure is gradually released to the atmosphere. The foam is then 1050 under a nitrogen blanket
Figure pct00014
After heat treatment (carbonization), 2500 under argon in graphite crucible
Figure pct00015
And 2800
Figure pct00016
The furnaces were individually heat treated (graphitized). Graphite foam bars were available in the thickness range of 75-500 μm.

실시예 4: 천연 흑연 분말로부터 그래핀 산화물(GO) 및 환원된 그래핀 산화물(RGO) 나노시트의 제조Example 4 Preparation of Graphene Oxide (GO) and Reduced Graphene Oxide (RGO) Nanosheets from Natural Graphite Powders

Huadong Graphite Co.(중국, 청도)의 천연 흑연을 출발 물질로 사용하였다. 두 개의 산화 단계를 포함하는 잘 알려진 변형된 허머스(Hummers) 방법에 따라 GO를 얻었다. 일반적인 절차에서, 제1 산화는 다음 조건에서 달성하였다: 1100 mg의 흑연을 1000 ml 비등 플라스크에 넣었다. 이어서, 20 g의 K2S2O8, 20 g의 P2O5, 및 400 mL의 H2SO4 농축 수용액(96%)을 플라스크에 첨가하였다. 혼합물을 환류 하에 6시간 동안 가열한 후, 실온에서 20시간 동안 방해 없이 방치하였다. 산화된 흑연을 여과하고, 중성 pH가 될 때까지 충분한 증류수로 세정하였다. 이 제1 산화의 종료시 습윤 케이크형 물질을 회수하였다.Natural graphite from Huadong Graphite Co. (Qingdao, China) was used as starting material. GO was obtained according to the well-known modified Hummers method which included two oxidation steps. In a general procedure, first oxidation was achieved under the following conditions: 1100 mg of graphite was placed in a 1000 ml boiling flask. Then 20 g K 2 S 2 O 8 , 20 g P 2 O 5 , and 400 mL H 2 SO 4 concentrated aqueous solution (96%) were added to the flask. The mixture was heated at reflux for 6 hours and then left undisturbed at room temperature for 20 hours. The oxidized graphite was filtered and washed with sufficient distilled water until neutral pH. At the end of this first oxidation, the wet cake-like material was recovered.

제2 산화 공정을 위해, 앞서 회수한 습윤 케이크를 69 mL의 H2SO4 농축 수용액(96%)이 들어있는 비등 플라스크에 넣었다. 9 g의 KMnO4를 서서히 첨가하면서 플라스크를 빙욕에 두었다. 과열을 방지하기 위해 주의를 기울였다. 생성된 혼합물을 35

Figure pct00017
에서 2시간 동안 교반하고(샘플 색이 짙은 녹색으로 변함), 이어서 140 mL의 물을 첨가하였다. 15분 후, 물 420 mL와 30 wt% H2O2의 수용액 15 mL를 첨가하여 반응을 정지시켰다. 이 단계에서 샘플 색이 밝은 노란색으로 변했다. 금속 이온을 제거하기 위해, 혼합물을 여과하고 1:10 HCl 수용액으로 세정하였다. 회수된 물질을 2700 g로 약하게 원심분리하고 탈이온수로 세정하였다. 최종 생성물은, 건조 추출물로부터 추정할 때, 1.4 wt%의 GO를 함유하는 습윤 케이크였다. 이어서, 습윤 케이크 물질을 약하게 초음파 처리하여 GO 시트의 액체 분산액을 얻고, 이를 탈이온수에서 희석하였다.For the second oxidation process, the previously recovered wet cake was placed in a boiling flask containing 69 mL of H 2 SO 4 concentrated aqueous solution (96%). The flask was placed in an ice bath with the slow addition of 9 g KMnO 4 . Care was taken to prevent overheating. The resulting mixture was 35
Figure pct00017
Was stirred for 2 h (sample color turned dark green), and then 140 mL of water was added. After 15 minutes, the reaction was stopped by adding 420 mL of water and 15 mL of an aqueous solution of 30 wt% H 2 O 2 . At this stage, the sample color turned bright yellow. To remove metal ions, the mixture was filtered and washed with 1:10 HCl aqueous solution. The recovered material was lightly centrifuged at 2700 g and washed with deionized water. The final product was a wet cake containing 1.4 wt% GO, estimated from the dry extract. The wet cake material was then slightly sonicated to give a liquid dispersion of the GO sheet, which was diluted in deionized water.

순수 대신 계면활성제의 수용액에서 습윤 케이크를 희석하여 계면활성제-안정화 RGO(RGO-BS)를 얻었다. Sigma Aldrich에서 제공한 콜레이트 나트륨(50 wt%)과 데옥시콜레이트 나트륨(50 wt%) 염의 상업적으로 이용 가능한 혼합물을 사용하였다. 계면활성제의 중량 분율은 0.5 wt%였다. 모든 샘플에서 이 분율을 일정하게 유지하였다. 13 mm 스텝 디스럽터 혼(step disruptor horn) 및 3 mm 테이퍼드 마이크로팁이 장착된 20 kHz 주파수에서 작동하는 Branson Sonifier S-250A를 이용해 초음파 처리를 수행하였다. 예를 들어, 0.1 wt%의 GO를 함유하는 수용액 10 mL를 10분 동안 초음파 처리한 후, 2700 g로 30분 동안 원심분리하여 용해되지 않은 큰 입자, 응집물, 및 불순물을 제거하였다. 얻어진 상태의 GO를, 50 mL의 비등 플라스크에 0.1 wt% GO 수용액 10 mL을 넣는 것을 포함하는 방법에 따라 화학적으로 환원시켜 RGO를 얻었다. 이어서, 35 wt%의 N2H4(히드라진) 수용액 10 μL 및 28 wt%의 NH4OH(암모니아) 수용액 70 mL를 혼합물에 첨가하고, 이를 계면활성제에 의해 안정화시켰다. 용액을 90

Figure pct00018
로 가열하고 1시간 동안 환류시켰다. 반응 후 측정된 pH 값은 약 9였다. 환원 반응 동안 샘플의 색이 진한 검은색으로 변하였다.The wet cake was diluted in an aqueous solution of surfactant instead of pure water to obtain surfactant-stabilized RGO (RGO-BS). A commercially available mixture of sodium cholate (50 wt%) and sodium deoxycholate (50 wt%) provided by Sigma Aldrich was used. The weight fraction of surfactant was 0.5 wt%. This fraction was kept constant in all samples. Sonication was performed using a Branson Sonifier S-250A operating at a 20 kHz frequency equipped with a 13 mm step disruptor horn and a 3 mm tapered microtip. For example, 10 mL of an aqueous solution containing 0.1 wt% GO was sonicated for 10 minutes and then centrifuged at 2700 g for 30 minutes to remove large particles, aggregates, and impurities that did not dissolve. The GO in the obtained state was chemically reduced in accordance with a method comprising adding 10 mL of 0.1 wt% GO aqueous solution to a 50 mL boiling flask to obtain an RGO. Then 10 μL of a 35 wt% N 2 H 4 (hydrazine) aqueous solution and 70 mL of 28 wt% aqueous NH 4 OH (ammonia) solution were added to the mixture, which was stabilized with a surfactant. 90 solution
Figure pct00018
Heated to and refluxed for 1 h. The pH value measured after the reaction was about 9. The color of the sample turned dark black during the reduction reaction.

RGO는, 본 발명의 몇몇 수퍼커패시터에서 애노드 및 캐소드 중 어느 하나 또는 이 둘 모두에서 전극 활물질(단독 또는 산화환원 쌍 파트너 물질와 함께)로서 사용되었다. 습식 애노드 활물질-전해질 혼합물 및 캐소드 활물질-전해질 혼합물은 애노드 및 캐소드를 형성하기 위하여 흑연 발포체의 표면으로 각각 별개로 전달되었다. 그 후 로프형 전지를 제작하였으며, 여기서 하나의 필라멘트성 전극(예를 들어, 애노드) 및 하나의 필라멘트성 전극(캐소드)을 조합하여 브레이드, 연사, 등을 형성하였다.RGO has been used as an electrode active material (with a single or redox pair partner material) in either or both of the anode and cathode in some supercapacitors of the present invention. The wet anode active material-electrolyte mixture and the cathode active material-electrolyte mixture were respectively delivered separately to the surface of the graphite foam to form the anode and the cathode. A rope-type battery was then fabricated, where one filamentary electrode (eg, anode) and one filamentary electrode (cathode) were combined to form braids, twisted yarns, and the like.

비교를 위해, 슬러리 코팅 및 건조 절차를 수행하여 종래의 전극을 제조하였다. 이어서, 전극 및 두 개의 건조된 전극 사이에 배치된 세퍼레이터를 조립하고, Al-플라스틱 라미네이트 패키징 외장에 넣은 후, 액체 전해질을 주입하여 종래의 수퍼커패시터 셀을 형성하였다.For comparison, slurry coating and drying procedures were performed to prepare conventional electrodes. The separator disposed between the electrode and the two dried electrodes was then assembled, placed in an Al-plastic laminate packaging sheath, and then injected with a liquid electrolyte to form a conventional supercapacitor cell.

실시예 5: 순수 그래핀 시트(0% 산소)의 제조Example 5 Preparation of Pure Graphene Sheet (0% Oxygen)

개별적인 그래핀 면의 전도성을 감소시키는 작용을 하는 GO 시트에서의 높은 결함의 개체군의 가능성을 인식하여, 본 발명자들은 순수 그래핀 시트(산화되지 않은 무산소, 비-할로겐화 무할로겐, 등)의 이용이 전기 이중층 커패시터(EDLC 수퍼커패시터)에서 높은 전기 전도성 및 열전도성을 갖는 활물질의 구현을 유도할 수 있는지의 여부를 연구하기로 결정하였다. 사전 리튬화된 순수 그래핀 및 사전 나트륨화된 순수 그래핀을 또한 각각 리튬-이온 커패시터 및 나트륨-이온 커패시터용 애노드 활물질로 사용하였다. 직접 초음파 처리 또는 액상 제조 공정을 이용하여 순수 그래핀 시트를 제조하였다.Recognizing the possibility of a high defect population in GO sheets that acts to reduce the conductivity of individual graphene faces, the inventors have found that the use of pure graphene sheets (unoxidized oxygen free, non-halogenated halogen free, etc.) It was decided to study whether the implementation of an active material having high electrical conductivity and thermal conductivity in an electric double layer capacitor (EDLC supercapacitor) can be induced. Pre-lithiated pure graphene and pre-sodiumated pure graphene were also used as anode active materials for lithium-ion capacitors and sodium-ion capacitors, respectively. Pure graphene sheets were prepared using direct sonication or liquid phase manufacturing.

일반적인 절차에서, 약 20 μm 이하의 크기로 분쇄된 5 g의 흑연 플레이크를 (0.1중량%의 분산제(DuPont의 Zonyl® FSO)를 함유한) 탈이온수 1,000 mL에 분산시켜 현탁액을 얻었다. 85 W(Branson S450 초음파기)의 초음파 에너지 레벨을 사용해 15분 내지 2시간 동안 그래핀 시트를 박리, 분리, 및 분쇄(size reduction)시켰다. 생성된 그래핀 시트는 산화된 적이 없고 산소를 함유하지 않으며 비교적 결함이 없는 순수 그래핀이다. 순수 그래핀은 본질적으로 비탄소 원소를 함유하지 않는다.In a general procedure, 5 g of graphite flakes ground to a size of about 20 μm or less were dispersed in 1,000 mL of deionized water (containing 0.1 wt% dispersant (Zonyl ® FSO from DuPont)) to obtain a suspension. The graphene sheets were peeled, separated, and sized for 15 minutes to 2 hours using an ultrasonic energy level of 85 W (Branson S450 sonicator). The resulting graphene sheet is pure graphene that has never been oxidized, contains no oxygen and is relatively free of defects. Pure graphene is essentially free of non-carbon elements.

전해질과 함께 순수 그래핀 시트는, 본 발명의 절차 및 슬러리 코팅, 건조 및 층 라미네이팅과 같은 통상의 절차를 모두 이용하여 수퍼커패시터 내에 혼입되었다.Pure graphene sheets with electrolyte were incorporated into supercapacitors using both the procedures of the present invention and conventional procedures such as slurry coating, drying and layer laminating.

실시예 6: 유사-수퍼커패시터의 캐소드 활물질로서 MoS2/RGO 하이브리드 물질의 제조Example 6: Preparation of MoS 2 / RGO Hybrid Materials as Cathode Active Materials of Pseudo-Supercapacitors

본 실시예에서는 다양한 무기 물질을 조사했다. 예를 들어, 산화된 그래핀 산화물(GO)의 N,N-디메틸포름아미드(DMF) 용액 내 (NH4)2MoS4와 히드라진의 200

Figure pct00019
에서의 단일 단계 용매열합성 반응에 의해 초박형 MoS2/RGO 하이브리드를 합성하였다. 일반적인 절차에서, 10 ml의 DMF에 분산된 10 mg의 GO에 22 mg의 (NH4)2MoS4를 첨가하였다. 투명하고 균질한 용액이 얻어질 때까지 혼합물을 실온에서 약 10분 동안 초음파 처리하였다. 그 후, 0.1 ml의 N2H4*?*H2O를 첨가하였다. 반응 용액을 40 mL의 테프론-라이닝 오토클레이브로 옮기기 전에 30분 동안 추가로 초음파 처리하였다. 이 시스템을 200
Figure pct00020
의 오븐에서 10시간 동안 가열하였다. 생성물을 8000 rpm으로 5분 동안 원심분리하여 회수하고, 탈이온수로 세척하고 원심분리로 다시 회수하였다. 세척 단계는 대부분의 DMF가 확실히 제거되도록 적어도 5회 반복하였다. 마지막으로, 생성물을 건조시키고, 액체 전해질과 혼합하여 탄소 발포체로의 함침을 위한 활성 캐소드 혼합물 슬러리를 제조하였다.In this example, various inorganic materials were investigated. For example, 200 of (NH 4 ) 2 MoS 4 and hydrazine in an N , N -dimethylformamide (DMF) solution of oxidized graphene oxide (GO)
Figure pct00019
Ultra-thin MoS 2 / RGO hybrids were synthesized by a single step solvent thermosynthesis reaction at. In a general procedure, 22 mg (NH 4 ) 2 MoS 4 was added to 10 mg GO dispersed in 10 ml DMF. The mixture was sonicated at room temperature for about 10 minutes until a clear and homogeneous solution was obtained. Thereafter, 0.1 ml of N 2 H 4 *? * H 2 O was added. The reaction solution was further sonicated for 30 minutes before being transferred to 40 mL of Teflon-lining autoclave. This system 200
Figure pct00020
Heated in an oven for 10 hours. The product was recovered by centrifugation at 8000 rpm for 5 minutes, washed with deionized water and recovered again by centrifugation. The washing step was repeated at least five times to ensure that most of the DMF was removed. Finally, the product was dried and mixed with the liquid electrolyte to prepare an active cathode mixture slurry for impregnation with carbon foam.

실시예 7: 수퍼커패시터 활물질로서 불화 그래핀(GF) 시트의 제조Example 7: Preparation of Graphene Fluoride (GF) Sheet as Supercapacitor Active Material

본 발명자들은 GF 제조를 위해 몇 가지 방법을 사용하여 왔지만, 본 명세서에서는 단지 하나의 방법을 예로서 설명한다. 통상적인 절차에서, 고도의 박리 흑연(HEG)은 삽입 화합물 Ρ2xClF3로부터 제조되었다. HEG는 삼불화염소 증기에 의해 추가로 플루오린화되어 플루오린화된 고도의 박리 흑연(FHEG)을 생성하였다. 예비냉각된 테플론(Teflon) 반응기를 20 내지 30 mL의 액체 예비 냉각된 ClF3로 충전하였으며, 반응기를 밀폐하고, 액체 질소 온도로 냉각시켰다. 이후, 1 g 이하의 HEG를 ClF3 가스가 반응기 내부로 접근 및 위치되도록 구멍을 갖는 용기 내로 넣었다. 7 내지 10일 후, 대략 C2F의 식을 갖는 황회색빛 생성물이 형성되었다.We have used several methods for GF preparation, but we describe only one method as an example here. In a conventional procedure, highly exfoliated graphite (HEG) was prepared from the intercalating compound Ρ 2 F · × ClF 3 . HEG was further fluorinated by chlorine trifluoride vapor to produce fluorinated highly exfoliated graphite (FHEG). The precooled Teflon reactor was charged with 20-30 mL of liquid precooled ClF 3 and the reactor was sealed and cooled to liquid nitrogen temperature. Thereafter, less than 1 g of HEG was placed into a vessel having a hole such that ClF 3 gas was approached and positioned inside the reactor. After 7-10 days, a yellowish-grey product with a formula of approximately C 2 F was formed.

이어서, 소량의 FHEG(대략 0.5 mg)를 20 내지 30 mL의 유기 용매(메탄올 및 에탄올 각각)와 혼합하고, 30분 동안 초음파 처리하여(280 W), 균질한 황색 빛의 분산액의 형성을 유도하였다. 용매 제거시, 분산액은 갈색빛의 GF 분말이 되었다.A small amount of FHEG (approximately 0.5 mg) was then mixed with 20-30 mL of organic solvent (methanol and ethanol respectively) and sonicated for 30 minutes (280 W) to induce the formation of a homogeneous yellowish dispersion. . Upon removal of the solvent, the dispersion became a brownish GF powder.

실시예 8: 수퍼커패시터 전극 활물질로서 질소화 그래핀 시트의 제조Example 8: Preparation of Nitrogenated Graphene Sheet as Supercapacitor Electrode Active Material

실시예 2에서 합성된 그래핀 산화물(GO)을 상이한 비의 우레아와 함께 미세하게 분쇄하고, 펠렛화된 혼합물을 마이크로파 반응기(900 W) 내에서 30초 동안 가열하였다. 생성물을 탈이온수로 수 회 세척하고, 진공 건조시켰다. 이 방법에서, 그래핀 산화물은 동시에 질소로 환원 및 도핑되었다. 그래핀:우레아 질량 비 1:0.5, 1:1 및 1:2로 수득된 생성물은 각각 NGO-1, NGO-2 및 NGO-3로 명명되고, 이들 샘플의 질소 함량은 원소 분석에 의해 각각 14.7 중량%, 18.2 중량% 및 17.5 중량%로 나타난다. 이들 질소화 그래핀 시트는 물에 분산가능하게 잔류한다. 결과의 현탁액을 건조하여 질소화 그래핀 분말을 수득하였다. 분말은 액체 전해질 내에 혼합되어, 전도성 다공질 막대/필라멘트의 세공 내로의 함침을 위한 슬러리를 형성하였다.Graphene oxide (GO) synthesized in Example 2 was ground finely with different ratios of urea and the pelletized mixture was heated in a microwave reactor (900 W) for 30 seconds. The product was washed several times with deionized water and dried in vacuo. In this method, graphene oxide was simultaneously reduced and doped with nitrogen. The products obtained in graphene: urea mass ratios of 1: 0.5, 1: 1 and 1: 2 are named NGO-1, NGO-2 and NGO-3, respectively, and the nitrogen content of these samples is 14.7 by elemental analysis, respectively. Weight percent, 18.2 weight percent and 17.5 weight percent. These nitrogenated graphene sheets remain dispersible in water. The resulting suspension was dried to yield nitrified graphene powder. The powder was mixed in the liquid electrolyte to form a slurry for the impregnation of the conductive porous rod / filament into the pores.

실시예 9: 2차원(2D) 층상 Bi2Se3 칼코겐화물 나노리본의 제조Example 9 Preparation of Two-dimensional (2D) Layered Bi 2 Se 3 Chalcogenide Nanoribbons

(2D) 층상 Bi2Se3 칼코겐화물 나노리본의 제조는 당업계에 잘 알려져 있다. 예를 들어, 증기-액체-고체(VLS) 방법을 이용해 Bi2Se3 나노리본을 성장시켰다. 본원에서 제조된 나노리본은 평균적으로, 두께가 30 내지 55 nm이고 폭과 길이가 수백 나노미터 내지 수 마이크로미터 범위이다. 더 큰 나노리본은 횡 방향 치수(길이 및 폭)를 200 nm 미만으로 감소시키기 위해 볼밀 처리를 하였다. (그래핀 시트 또는 박리 흑연 플레이크의 존재 하에 또는 부재 하에) 이러한 방법에 의해 제조된 나노리본을 수퍼커패시터 전극 활물질로 사용하였다.The preparation of (2D) layered Bi 2 Se 3 chalcogenide nanoribbons is well known in the art. For example, Bi 2 Se 3 nanoribbons were grown using the vapor-liquid-solid (VLS) method. The nanoribbons prepared herein, on average, range from 30 to 55 nm in thickness and range from hundreds of nanometers to several micrometers in width and length. Larger nanoribbons were ball milled to reduce the transverse dimension (length and width) to less than 200 nm. The nanoribbons prepared by this method (with or without graphene sheets or exfoliated graphite flakes) were used as supercapacitor electrode active materials.

실시예 10: MXenes 분말 + 화학적 활성화 RGOExample 10 MXenes Powder + Chemically Activated RGO

선택된 MXenes는, Ti3AlC2와 같은 탄화 금속의 적층 구조로부터 특정 원소를 부분적으로 에칭해냄으로써 생성되었다. 예를 들어, 수성 1 M NH4HF2를 실온에서 Ti3AlC2용 부식액으로서 사용하였다. 통상적으로, MXene 표면은 O, OH, 및/또는 F 기에 의해 말단화되며, 이로 인해 이들은 대개 M n + 1X n T x 로 지칭되고, 식에서 M은 앞전이금속이고, X는 C 및/또는 N이고, T는 종결기를 나타내고(O, OH, 및/또는 F), n = 1, 2 또는 3이고, x는 종결기의 수이다. 연구된 MXene 물질은 Ti2CT x , Nb2CT x , V2CT x , Ti3CNT x , 및 Ta4C3T x 을 포함한다. 통상적으로, 35 내지 95% MXene 및 5 내지 65% 그래핀 시트가 액체 전해질 내에서 혼합되었으며, 전도성 다공질 필라멘트의 세공 내로 함침되었다.Selected MXenes were produced by partially etching certain elements from a laminated structure of metal carbide, such as Ti 3 AlC 2 . For example, aqueous 1 M NH 4 HF 2 was used as a corrosion solution for Ti 3 AlC 2 at room temperature. Typically, the MXene surface is terminated by O, OH, and / or F groups, whereby they are usually referred to as M n + 1 X n T x, where M is a transition metal and X is C and / or N, T represents terminators (O, OH, and / or F), n = 1, 2 or 3 and x is the number of terminators. The MXene materials studied include Ti 2 CT x , Nb 2 CT x , V 2 CT x , Ti 3 CNT x , and Ta 4 C 3 T x . Typically, 35-95% MXene and 5-65% graphene sheets were mixed in the liquid electrolyte and impregnated into the pores of the conductive porous filaments.

실시예 11: 유사전기용량 활물질로서 MnO2-그래핀 산화환원 쌍의 제조Example 11: Preparation of MnO 2 -graphene redox pairs as pseudocapacitive active materials

두 가지 방법으로 (각각 그래핀 시트의 존재 하에 또는 부재 하에) MnO2 분말을 합성하였다. 하나의 방법에서, 탈이온수에 과망간산칼륨을 용해시켜 0.1 mol/L의 KMnO4 수용액을 제조하였다. 한편, 고순도 나트륨 비스(2-에틸헥실) 설포숙시네이트 계면활성제 13.32 g을 300 mL의 이소옥탄(오일)에 첨가하고 잘 교반하여 광학적으로 투명한 용액을 얻었다. 이어서, 이 용액에 0.1 mol/L의 KMnO4 용액 32.4 mL와 선택된 양의 GO 용액을 첨가하고, 30분 동안 초음파 처리하여 진한 갈색 침전물을 제조하였다. 생성물을 분리하고, 증류수와 에탄올로 수회 세척하고, 80

Figure pct00021
에서 12시간 동안 건조시켰다. 샘플은 분말 형상의 그래핀-지지 MnO2이고, 이를 액체 전해질에 분산시켜 슬러리를 형성하고 발포 집전체의 세공에 함침시켰다.MnO 2 powders were synthesized in two ways (with or without graphene sheets, respectively). In one method, 0.1 mol / L aqueous KMnO 4 solution was prepared by dissolving potassium permanganate in deionized water. Meanwhile, 13.32 g of high purity sodium bis (2-ethylhexyl) sulfosuccinate surfactant was added to 300 mL of isooctane (oil) and stirred well to obtain an optically clear solution. To this solution was then added 32.4 mL of 0.1 mol / L KMnO 4 solution and a selected amount of GO solution and sonicated for 30 minutes to give a dark brown precipitate. The product was separated, washed several times with distilled water and ethanol, 80
Figure pct00021
Dried for 12 h. The sample is powdered graphene-supported MnO 2 , which was dispersed in a liquid electrolyte to form a slurry and impregnated into the pores of the foam current collector.

실시예 12: 각종 수퍼커패시터 셀의 평가Example 12 Evaluation of Various Supercapacitor Cells

연구된 대부분의 실시예에서, 본 발명의 수퍼커패시터 셀 및 이들의 통상적인 카운터파트 둘 모두를 제작 및 평가하였다. 비교 목적을 위한 후자의 셀은 전극의 슬러리 코팅, 전극의 건조, 애노드 층, 세퍼레이터, 및 캐소드 층의 조립, 조립된 라미네이트의 포장, 및 액체 전해질의 주입이라는 통상의 절차에 의해 제조되었다. 통상의 셀에서, 전극(캐소드 또는 애노드)은 통상적으로 85%의 전극 활물질(예를 들어, 그래핀, 활성탄, 무기 나노디스크, 등), 5% Super-P(아세틸렌 블랙 계 전도성 첨가제), 및 10% PTFE로 구성되었으며, 이들은 혼합되어 Al 호일 상에 코팅되었다. 전극의 두께는 대략 100 ㎛이다. 각각의 샘플을 위해, 동전 크기 및 파우치 셀 둘 모두를 글로브 박스 내에서 조립하였다. 용량은 Arbin SCTS 전기화학 시험 기기를 이용하여 정전류 실험으로 측정하였다. 순환 전압전류(CV) 및 전기화학 임피던스 분광학 (EIS)을 전기화학 워크스테이션(CHI 660 System, USA) 상에서 수행하였다.In most of the examples studied, both the supercapacitor cells of the present invention and their conventional counterparts were fabricated and evaluated. The latter cell for comparison purposes was prepared by conventional procedures such as slurry coating of electrodes, drying of electrodes, assembly of anode layers, separators, and cathode layers, packaging of assembled laminates, and injection of liquid electrolyte. In a typical cell, the electrode (cathode or anode) typically contains 85% of the electrode active material (eg, graphene, activated carbon, inorganic nanodisks, etc.), 5% Super-P (acetylene black based conductive additive), and It consisted of 10% PTFE, which were mixed and coated on Al foil. The thickness of the electrode is approximately 100 μm. For each sample, both coin size and pouch cell were assembled in a glove box. Capacity was measured by constant current experiments using an Arbin SCTS electrochemical test instrument. Cyclic voltammetry (CV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) were performed on an electrochemical workstation (CHI 660 System, USA).

정전식 충전/방전 시험은 전기화학 성능을 평가하기 위해 샘플 상에서 수행되었다. 정전류 시험을 위해, 비용량 (q)은 하기 식 (1)로서 계산된다:Capacitive charge / discharge tests were performed on the samples to assess electrochemical performance. For the constant current test, the specific quantity q is calculated as the following equation (1):

q = I*t/m (1) q = I * t / m (1)

식에서, I은 정전류(mA), t는 시간(h), 및 m은 캐소드 활물질 질량(그램)이다. 전압 V을 이용하여, 비에너지(E)는 하기 식 (2)로서 계산된다:Where I is the constant current (mA), t is the time (h), and m is the mass of the cathode active material (grams). Using the voltage V , the specific energy E is calculated as follows:

E =

Figure pct00022
Vdq (2) E =
Figure pct00022
Vdq (2)

비전력 (P)은 하기 식 (3)으로서 계산된다:The specific power P is calculated as the following formula (3):

P = (E/t) (W/kg) (3) P = ( E / t ) (W / kg) (3)

식에서, t는 총 충전 또는 방전 단계 시간(h)이다.Where t is the total charge or discharge step time (h).

셀의 비전기용량 (C)은 전압 대 비용량 그래프의 각 지점에서의 기울기로 표시된다:The cell's non-capacitance ( C ) is expressed as the slope at each point in the voltage versus specific capacity graph:

C = dq/dV (4) C = dq/ dV (4)

각 샘플에 대해, 몇몇 전류 밀도(충전/방전 속도를 나타냄)가 전기화학 반응을 결정하기 위해 부가되어, 라곤 도표(전력 밀도 대 에너지 밀도)의 구축에 요구되는 에너지 밀도 및 전력 밀도 값의 계산을 가능하게 한다.For each sample, several current densities (indicative of charge / discharge rates) were added to determine the electrochemical reaction, allowing calculation of the energy density and power density values required to build the ragon plot (power density vs. energy density). Make it possible.

도 5에는 전극 활물질로서 환원된 그래핀 산화물(RGO) 시트 및 전해질로서 EMIMBF4 이온성 액체를 함유하는 두 세트의 대칭 수퍼커패시터(EDLC) 셀의 라곤 도표(중량 및 부피 전력 밀도 대 에너지 밀도)를 나타낸다. 두 개의 일련의 수퍼커패시터 중 하나는 본 발명의 구현예에 따라 제조되었으며, 다른 하나는 전극의 통상의 슬러리 코팅에 의해 제조되었다. 이들 데이터로부터 몇몇 중요한 관찰이 이루어질 수 있다:FIG. 5 shows a ragon diagram (weight and volumetric power density vs. energy density) of two sets of symmetric supercapacitor (EDLC) cells containing a reduced graphene oxide (RGO) sheet as electrode active material and EMIMBF4 ionic liquid as electrolyte. . One of two series of supercapacitors was made according to an embodiment of the present invention, and the other was made by conventional slurry coating of the electrode. Several important observations can be made from these data:

(A) 본 발명의 방법에 의해 제조된 수퍼커패시터 셀(로프형 셀)의 중량 및 부피 에너지 밀도 및 전력 밀도는 통상의 방법을 통해 제조된 이의 카운터파트("통상"으로서 나타냄)보다 현저히 더 높다. 차이는 매우 극적이며, 이는 주로 본 발명의 셀과 관련된 높은 활물질 질량 공급량(20 mg/cm2 초과), 활물질 중량/부피에 대해 오버헤드(비활성) 성분의 감소된 비, 바인더 수지의 불필요, 발포된 집전체의 세공 내로 그래핀 시트를 더 효과적으로 패킹하는 본 발명의 방법의 능력으로 인한 것이다.(A) The weight and volumetric energy density and power density of the supercapacitor cells (rope-shaped cells) produced by the method of the present invention are significantly higher than their counterparts (denoted as "normal") produced by conventional methods. . The difference is very dramatic, which is mainly due to the high active material mass feed (greater than 20 mg / cm 2 ) associated with the cells of the present invention, the reduced ratio of overhead (inactive) components relative to the active material weight / volume, the need for binder resin, foaming This is due to the ability of the method of the present invention to more effectively pack the graphene sheet into the pores of the current collector.

(B) 통상의 방법에 의해 제조된 셀의 경우, 부피 에너지 밀도 및 부피 전력 밀도의 절대적인 크기는, 그의 중량 에너지 밀도 및 중량 전력 밀도보다 현저히 작은데, 이는 통상의 슬러리 코팅 방법에 의해 제조된 RGO계 전극의 매우 낮은 탭 밀도(0.25 g/cm3의 패킹 밀도)로 인한 것이다.(B) For cells produced by conventional methods, the absolute magnitudes of the volumetric energy density and the volumetric power density are significantly smaller than their weight energy density and the weight power density, which are RGO systems prepared by conventional slurry coating methods. This is due to the very low tap density (packing density of 0.25 g / cm 3 ) of the electrode.

(C) 대조적으로, 본 발명의 방법에 의해 제조된 셀의 경우, 부피 에너지 밀도(23.8 Wh/L) 및 부피 전력 밀도(9,156 W/L)의 절대적인 크기는 그의 중량 에너지 밀도 및 중량 전력 밀도보다 크며, 이는 본 발명의 방법에 의해 제조된 RGO계 전극의 상대적으로 높은 탭 밀도(1.05 g/cm3의 패킹 밀도)로 인한 것이다.(C) In contrast, for a cell produced by the method of the present invention, the absolute magnitude of the volumetric energy density (23.8 Wh / L) and the volumetric power density (9,156 W / L) is greater than its weight energy density and weight power density. This is due to the relatively high tap density (packing density of 1.05 g / cm 3 ) of the RGO-based electrode produced by the method of the present invention.

(D) 통상의 공정에 의해 제조된 상응하는 수퍼커패시터의 부피 에너지 밀도 및 부피 전력 밀도는 각각 3.1 Wh/L 및 1,139 W/L이며, 이는 한자릿수가 더 낮다. 이들은 극적이며 예기치 않은 것이다.(D) The volumetric energy density and the volumetric power density of the corresponding supercapacitors produced by conventional processes are 3.1 Wh / L and 1,139 W / L, respectively, which are lower by one digit. These are dramatic and unexpected.

도 6은 전극 활물질로서 활성탄(AC) 입자 및 유기 액체 전해질을 함유하는 대칭 수퍼커패시터(EDLC) 셀의 (중량 및 부피 전력 밀도 대 에너지 밀도 모두) 라곤 도표(중량 및 부피 전력 밀도 대 에너지 밀도)를 보여준다. 실험 데이터는 본 발명의 방법에 의해 제조된 수퍼커패시터(로프형 셀) 및 전극의 통상의 슬러리 코팅에 의한 것들로부터 수득되었다. FIG. 6 shows a Ragon diagram (both weight and volume power density versus energy density) of a symmetric supercapacitor (EDLC) cell containing activated carbon (AC) particles and an organic liquid electrolyte as electrode active material (weight and volume power density versus energy density). Shows. Experimental data were obtained from those by conventional slurry coating of supercapacitors (rope-shaped cells) and electrodes made by the process of the invention.

이들 데이터는 본 발명의 방법에 의해 제조된 수퍼커패시터 셀의 중량 및 부피 에너지 밀도 및 전력 밀도 모두가 통상의 방법을 통해 제조된 이들의 카운터파트보다 현저히 더 높음을 또한 나타낸다. 역시 그 차이는 크며, 이는 주로 본 발명의 로프형 셀과 관련된 높은 활물질 질량 공급량(15 mg/cm2 초과), 활물질 중량/부피에 대해 오버헤드(비활성) 성분의 감소된 비, 바인더 수지의 불필요, 발포된 집전체의 세공 내로 그래핀 시트를 더 효과적으로 패킹하는 본 발명의 방법의 능력으로 인한 것이다. 고도로 다공질인 활성탄 입자는 그래핀 시트만큼 더 밀집하게 패킹하기 쉽지 않다. 결과적으로, AC계 수퍼커패시터의 경우, 부피 에너지 밀도 및 부피 전력 밀도의 절대적인 크기는 상응하는 중량 에너지 밀도 및 중량 전력 밀도의 크기보다 작다. 그러나, 본 발명의 방법은 또한 놀랍게도 본 연구에서 AC 입자가 통상의 슬러리 코팅 공정으로 달성된 것(0.55 g/cm3)보다 현저히 더 높은 탭 밀도(0.75 g/cm3)로 패킹되는 것을 가능하게 한다These data also show that both the weight and volumetric energy density and power density of the supercapacitor cells produced by the method of the present invention are significantly higher than their counterparts produced via conventional methods. Again the difference is large, which is mainly due to the high active material mass feed (greater than 15 mg / cm 2 ) associated with the rope cells of the present invention, the reduced ratio of overhead (inactive) components relative to the active material weight / volume, the need for binder resins This is due to the ability of the method of the present invention to more effectively pack the graphene sheet into the pores of the foamed current collector. Highly porous activated carbon particles are not as easy to pack as densely as graphene sheets. As a result, in the case of AC-based supercapacitors, the absolute magnitude of the volumetric energy density and the volumetric power density is smaller than the magnitude of the corresponding gravimetric energy density and the gravimetric power density. However, the method of the present invention also surprisingly enables the AC particles to be packed with significantly higher tap densities (0.75 g / cm 3 ) than those achieved with conventional slurry coating processes (0.55 g / cm 3 ) in this study. do

도 7a에 캐소드 활물질로서 순수 그래핀 시트, 애노드 활물질로서 사전리튬화 흑연 입자, 및 유기 액체 전해질로서 리튬염 (LiPF6)-PC/DEC을 함유하는 리튬 이온 커패시터(LIC) 셀의 라곤 도표를 나타낸다. 상기 데이터는 본 발명의 방법에 의해 제조된 LIC 및 통상의 전극의 슬러리 코팅에 의한 것들 둘 모두에 대한 것이다. 이들 데이터는 본 발명의 방법에 의해 제조된 LIC 셀의 중량 및 부피 에너지 밀도 및 전력 밀도 모두가 통상의 방법에 의해 제조된 이들의 카운터파트보다 현저히 더 높음을 나타낸다. 역시 그 차이는 크며, 이는 주로 본 발명의 로프형 셀과 관련된 높은 활물질 질량 공급량(애노드쪽에서 > 15 mg/cm2 및 캐소드 쪽에서 > 25 mg/cm2 ), 활물질 중량/부피에 대해 오버헤드(비활성) 성분의 감소된 비, 바인더 수지의 결여, 발포된 집전체의 세공 내로 그래핀 시트를 더 효과적으로 패킹하는 본 발명의 방법의 능력으로 인한 것이다.FIG. 7A shows a Ragon diagram of a lithium ion capacitor (LIC) cell containing pure graphene sheet as cathode active material, prelithiated graphite particles as anode active material, and lithium salt (LiPF 6 ) -PC / DEC as organic liquid electrolyte. . The data are for both LICs produced by the process of the invention and those by slurry coating of conventional electrodes. These data indicate that both the weight and volumetric energy density and power density of the LIC cells produced by the method of the present invention are significantly higher than their counterparts prepared by conventional methods. Again the difference is large, which is mainly due to the high active mass feed (> 15 mg / cm 2 at the anode side) associated with the rope cells of the present invention. > 25 mg / cm 2 on the and cathode side ), Reduced ratio of overhead (inactive) components to active material weight / volume, lack of binder resin, ability of the present invention to more effectively pack graphene sheets into pores of foamed current collectors.

통상의 방법에 의해 제조된 LIC 셀의 경우, 부피 에너지 밀도 및 부피 전력 밀도의 절대적인 크기는 그의 중량 에너지 밀도 및 중량 전력 밀도보다 현저히 더 작으며, 이는 통상의 슬러리 코팅 방법에 의해 제조된 순수 그래핀계 캐소드의 매우 낮은 탭 밀도(0.75 g/cm3의 평균 패킹 밀도)로 인한 것이다. 대조적으로, 본 발명의 방법에 의해 제조된 로프형 LIC 셀의 경우, 부피 에너지 밀도 및 부피 전력 밀도의 절대적인 크기는 그의 중량 에너지 밀도 및 중량 전력 밀도의 값보다 더 크며, 이는 본 발명의 방법에 의해 제조된 순수 그래핀계 캐소드의 상대적으로 높은 탭 밀도로 인한 것이다.In the case of LIC cells produced by conventional methods, the absolute magnitude of the volumetric energy density and the volumetric power density is significantly smaller than their weight energy density and the weight power density, which is pure graphene based produced by conventional slurry coating methods. This is due to the very low tap density of the cathode (average packing density of 0.75 g / cm 3 ). In contrast, for rope-type LIC cells produced by the method of the present invention, the absolute magnitude of the volumetric energy density and the volumetric power density is greater than the values of their weighted energy density and the weighted power density, which are determined by the method of the present invention. This is due to the relatively high tap density of the pure graphene based cathodes produced.

도 7b에 캐소드 활물질로서 순수 그래핀 시트, 애노드 활물질로서 사전나트륨화 흑연 입자, 및 유기 액체 전해질로서 나트륨염 (NaPF6)-PC/DEC를 함유하는 나트륨 이온 커패시터(NIC) 셀의 라곤 도표를 나타낸다. 데이터는 본 발명의 방법에 의해 제조된 LIC 및 통상의 전극의 슬러리 코팅에 의해 제조된 것들 둘 모두에 대한 것이다. 이들 데이터는 본 발명의 방법에 의해 제조된 NIC 셀(로프형 셀)의 중량 및 부피 에너지 밀도 및 전력 밀도 모두가 통상의 방법에 의해 제조된 이들의 카운터파트보다 현저히 더 높음을 나타낸다. 역시 그 차이는 극적이며, 이는 주로 본 발명의 셀과 관련된 높은 활물질 질량 공급량(애노드쪽에서 > 15 mg/cm2 및 캐소드 쪽에서 > 25 mg/cm2 ), 활물질 중량/부피에 대해 오버헤드(비활성) 성분의 감소된 비, 바인더 수지의 불필요, 발포된 집전체의 공극 내로 그래핀 시트를 더 효과적으로 패킹하는 본 발명의 방법의 능력으로 인한 것이다.FIG. 7B shows a Ragon diagram of a sodium ion capacitor (NIC) cell containing pure graphene sheet as cathode active material, pre-sodiumated graphite particles as anode active material, and sodium salt (NaPF 6 ) -PC / DEC as organic liquid electrolyte. . The data are for both LIC made by the process of the invention and those made by slurry coating of conventional electrodes. These data indicate that both the weight and volumetric energy density and power density of the NIC cells (rope-shaped cells) produced by the method of the present invention are significantly higher than their counterparts produced by conventional methods. Again the difference is dramatic, which is mainly due to the high active mass feed (> 15 mg / cm 2 at the anode) associated with the cells of the invention. > 25 mg / cm 2 on the and cathode side ), A reduced ratio of overhead (inactive) components to active material weight / volume, no need for binder resins, and the ability of the method of the present invention to more effectively pack the graphene sheet into the voids of the foamed current collector.

많은 연구자들이 보고한 바와 같이, 라곤 도표에서 활물질만의 중량당 에너지 및 전력 밀도를 보고하는 것은 조립된 수퍼커패시터 셀의 성능에 대한 현실적인 그림을 제공하지 못할 수 있음을 지적하는 것은 중요하다. 다른 장치 구성요소의 중량도 고려해야 한다. 집전체, 전해질, 세퍼레이터, 바인더, 커넥터 및 패키징을 포함한 이러한 오버헤드 구성요소는 비활성 물질이며 전하 저장량에 기여하지 않는다. 이들은 장치에 중량 및 부피만 추가한다. 따라서, 오버 헤드 구성요소 중량의 상대적 비율을 감소시키고 활물질 비율을 증가시키는 것이 바람직하다. 그러나, 종래의 수퍼커패시터 제조 공정을 이용해 이러한 목표를 달성하는 것은 불가능하였다. 본 발명은 수퍼커패시터 분야에서 이러한 오랫동안 지속된 가장 심각한 문제를 극복한다.As many researchers have reported, it is important to point out that reporting energy and power density per weight of active material only in the Ragon plot may not provide a realistic picture of the performance of the assembled supercapacitor cell. The weight of other device components must also be taken into account. These overhead components, including current collectors, electrolytes, separators, binders, connectors and packaging, are inert materials and do not contribute to charge storage. They add only weight and volume to the device. Therefore, it is desirable to reduce the relative proportions of the overhead component weights and to increase the proportion of the active material. However, it was not possible to achieve this goal using conventional supercapacitor manufacturing processes. The present invention overcomes this long lasting most serious problem in the field of supercapacitors.

150 내지 200 ㎛(Al 호일 집전체의 각각의 면 위에서 75 내지 100 ㎛)의 전극 두께를 갖는 상용 수퍼커패시터에서, 활물질(즉, 활성탄)의 중량은 패키징된 셀의 총 질량의 약 25% 내지 30%를 차지한다. 따라서, 활물질 중량만을 기준으로 한 특성으로부터 장치(셀)의 에너지 또는 전력 밀도를 외삽하기 위해 3 내지 4의 계수가 종종 사용된다. 대부분의 과학 논문에서, 보고된 특성은 통상적으로 활물질 중량만을 기준으로 하며 전극은 통상적으로 매우 얇다(<< 100 μm, 대부분 << 50 μm). 활물질 중량은 통상적으로 총 장치 중량의 5% 내지 10%이며, 이는, 실제 셀(장치) 에너지 또는 전력 밀도가, 상응하는 활물질 중량을 기준으로 한 값을 10 내지 20의 계수로 나누어 얻어질 수 있음을 의미한다. 이러한 계수를 고려하면, 이들 논문에서 보고된 특성은 상업용 수퍼커패시터의 특성보다 실제로 전혀 우수해 보이지 않다. 따라서, 과학 논문과 특허 출원에 보고된 수퍼커패시터의 성능 데이터를 읽고 해석할 때는 매우 신중해야 한다.In a commercial supercapacitor having an electrode thickness of 150 to 200 μm (75 to 100 μm on each side of an Al foil current collector), the weight of the active material (ie, activated carbon) is about 25% to 30% of the total mass of the packaged cell. Occupies% Thus, coefficients of 3 to 4 are often used to extrapolate the energy or power density of the device (cell) from properties based solely on the weight of the active material. In most scientific papers, the reported properties are typically based only on the active material weight and the electrodes are typically very thin (<< 100 μm, mostly << 50 μm). The active material weight is typically 5% to 10% of the total device weight, which can be obtained by dividing the actual cell (device) energy or power density by a factor of 10 to 20 based on the corresponding active material weight. Means. Considering these coefficients, the properties reported in these papers do not actually look any better than those of commercial supercapacitors. Therefore, great care should be taken when reading and interpreting the performance data of supercapacitors reported in scientific papers and patent applications.

실시예 13: 달성가능한 전극 두께 및 수퍼커패시터 셀의 전기화학 성능에 대한 이의 영향Example 13: Achievable Electrode Thickness and Its Effect on the Electrochemical Performance of Supercapacitor Cells

수퍼커패시터의 전극 두께는 장치 성능의 최적화를 위해 자유롭게 조절될 수 있는 설계 파라미터인 것으로 생각하기 쉬울 수 있다; 그러나, 사실 수퍼커패시터 두께는 제조상 제한되는 것이며, 특정 두께 수준을 초과하는 양호한 구조적 온전성의 전극을 생산할 수는 없다. 본 연구는 또한, 이러한 문제가 그래핀계 전극에서 훨씬 더 심하다는 것을 나타낸다. 본 발명은 수퍼커패시터와 관련된 이러한 매우 중요한 문제를 해결한다.The electrode thickness of a supercapacitor can be thought of as a design parameter that can be freely adjusted to optimize device performance; In fact, however, supercapacitor thicknesses are limited in manufacturing and cannot produce electrodes of good structural integrity above a certain thickness level. The study also shows that this problem is even worse with graphene electrodes. The present invention solves this very important problem associated with supercapacitors.

도 8에, 통상의 방법을 통해 제조된 활성탄계 대칭 EDLC 수퍼커패시터 및 본 발명의 방법에 의해 제조된 로프형 셀의 달성가능한 전극 두께 범위에 대한 셀 수준 중량(Wh/kg) 및 부피 에너지 밀도(Wh/L)를 도표로 나타낸다. 활성탄계 전극은 통상의 슬러리 코팅 공정을 이용하여 100 내지 200 ㎛에 달하는 두께로 제작될 수 있다. 그러나, 대조적으로, 본 발명의 방법을 이용하여 달성될 수 있는 전극 두께에 대한 이론적 제한은 존재하지 않는다. 통상적으로, 실질적인 전극 두께는 10 ㎛ 내지 5000 ㎛, 더 통상적으로는 50 ㎛ 내지 2,000 ㎛, 더 통상적으로는 100 ㎛ 내지 1,000 ㎛, 및 가장 통상적으로는 200 ㎛ 내지 800 ㎛이다.In Figure 8, cell level weight (Wh / kg) and volumetric energy density (A) for the range of achievable electrode thicknesses of activated carbon-based symmetric EDLC supercapacitors produced by conventional methods and rope cells produced by the method of the present invention Wh / L) is plotted. Activated carbon-based electrode can be manufactured to a thickness of 100 to 200 ㎛ using a conventional slurry coating process. In contrast, however, there is no theoretical limitation on electrode thickness that can be achieved using the method of the present invention. Typically, the substantial electrode thickness is between 10 μm and 5000 μm, more typically between 50 μm and 2,000 μm, more typically between 100 μm and 1,000 μm and most typically between 200 μm and 800 μm.

이들 데이터는, 이전에는 달성가능하지 않았던 초(ultra) 두께의 수퍼커패시터 전극 제조에 있어서 본 발명의 방법의 놀라운 효과를 추가로 확인시켜준다. 이들 초 두께의 전극은 예외적으로 높은 활물질 질량 공급량, 통상적으로는 10 mg/cm2를 상당히 초과하는 것(더 통상적으로 15 mg/cm2 초과, 보다 통상적으로 20 mg/cm2 초과, 종종 25 mg/cm2 초과, 및 심지어는 30 mg/cm2 초과)으로 이어진다. 이들 높은 활물질 질량 공급량은 슬러리 코팅 공정에 의해 제조된 통상 수퍼커패시터를 이용하여 수득가능하지 않았다.These data further confirm the surprising effect of the method of the present invention on the manufacture of ultra-thick supercapacitor electrodes, which was not previously achievable. These ultra-thick electrodes significantly exceed the exceptionally high active material mass feed, typically 10 mg / cm 2 (more typically more than 15 mg / cm 2 , more typically more than 20 mg / cm 2 , often 25 mg) more than / cm 2 , and even more than 30 mg / cm 2 ). These high active material mass feeds were not obtainable using conventional supercapacitors prepared by slurry coating processes.

더욱 현저히는, 상용 AC계 수퍼커패시터의 통상적인 셀 수준의 에너지 밀도는 3 내지 8 Wh/kg 및 1 내지 4 Wh/L이다. 대조적으로, 본 발명의 방법은 동일한 유형의 전극 활물질 (AC)를 함유하는 수퍼커패시터가 최대 19.5 Wh/kg 또는 14.6 Wh/L의 에너지 밀도를 전달하는 것을 가능하게 한다. 이러한 에너지 밀도의 증가는 수퍼커패시터 산업에서 가능한 것으로 여겨지지 않았었다.More strikingly, typical cell level energy densities of commercial AC based supercapacitors are 3 to 8 Wh / kg and 1 to 4 Wh / L. In contrast, the method of the present invention enables supercapacitors containing the same type of electrode active material (AC) to deliver energy densities of up to 19.5 Wh / kg or 14.6 Wh / L. This increase in energy density was not considered possible in the supercapacitor industry.

환원된 그래핀 산화물계 EDLC 수퍼커패시터에 대해 도 9에서 요약된 데이터는 또한 매우 현저하고 예측되지 않은 것이다. 셀 수준 중량 및 부피 에너지 밀도를, 통상의 방법에 의해 제조된 RGO계 EDLC 수퍼커패시터(유기 액체 전해질) 및 본 발명의 방법에 의해 제조된 것들의 달성가능한 전극 두께 범위에 대해 도표로 나타내었다. 이 도면에서, 통상 수퍼커패시터의 중량(◆) 및 부피(▲) 에너지 밀도는 대략 0.25 g/cm3의 최고로 달성된 전극 탭 밀도를 기준으로 하며, 본 발명의 로프형 수퍼커패시터의 중량(■) 및 부피(X) 에너지 밀도는 최고는 아닌, 대략 0.75 g/cm3의 전극 탭 밀도를 갖는 것이다. 비처리된, 비활성화 RGO 전극에 대해 그러한 높은 탭 밀도는 이전에 보고된 바가 없다.The data summarized in FIG. 9 for the reduced graphene oxide based EDLC supercapacitor is also very significant and unexpected. Cell level weight and volumetric energy density are plotted against achievable electrode thickness ranges of RGO-based EDLC supercapacitors (organic liquid electrolytes) prepared by conventional methods and those made by the method of the present invention. In this figure, the weight (◆) and volume (▲) energy densities of the supercapacitors are usually based on the highest achieved electrode tap density of approximately 0.25 g / cm 3 , and the weight (■) of the rope-type supercapacitors of the present invention. And the volume (X) energy density is not the highest but has an electrode tap density of approximately 0.75 g / cm 3 . Such high tap densities have not been reported previously for untreated, inactive RGO electrodes.

이들 데이터는, 통상의 슬러리 코팅 방법에 의해 생산된 RGO계 EDLC 수퍼커패시터 셀을 이용하여 달성된 최고 중량 에너지 밀도는 대략 12 Wh/kg이지만, 본 발명의 방법에 의해 제조된 것은 실온에서 25.6 Wh/kg 만큼의 높은 중량 에너지 밀도를 나타낸다는 것을 표시한다. 이는 EDLC 수퍼커패시터에서 전례없이 높은 에너지 밀도 값이다(전극 중량 또는 활물질 중량 단독이 아닌, 총 셀 중량 기준). 본 발명의 수퍼커패시터 셀의 부피 에너지 밀도가 19.2 Wh/L만큼 높다는 관찰은 더 인상적이며, 이는 통상의 카운터파트에 의해 달성되는 3.0 Wh/L보다 6배 더 크다.These data show that the highest weight energy density achieved using an RGO-based EDLC supercapacitor cell produced by a conventional slurry coating method is approximately 12 Wh / kg, but that produced by the method of the present invention is 25.6 Wh / at room temperature. Indicates high weight energy density by kg. This is an unprecedented high energy density value in EDLC supercapacitors (based on total cell weight, not on electrode weight or active material weight alone). The observation that the volumetric energy density of the supercapacitor cell of the present invention is as high as 19.2 Wh / L is more impressive, which is six times larger than the 3.0 Wh / L achieved by conventional counterparts.

도 10에서는 통상의 방법을 통해 제조된 순수 그래핀계 EDLC 수퍼커패시터(유기 액체 전해질) 및 본 발명의 방법에 의해 제조된 로프형 셀의 달성가능한 전극 두께 범위에 대한 셀 수준 중량 및 부피 에너지 밀도의 데이터가 도표로 요약되어 있다. 범례는 통상적인 수퍼커패시터의 중량(◆) 및 부피(▲) 에너지 밀도(대략 0.25 g/cm3의 최고 달성된 전극 탭 밀도) 및 본 발명의 수퍼커패시터의 중량(■) 및 부피(X) 에너지 밀도(대략 0.85 g/cm3의 전극 탭 밀도)를 포함한다.10 shows data of cell level weight and volume energy density for achievable electrode thickness ranges of pure graphene-based EDLC supercapacitors (organic liquid electrolyte) prepared by conventional methods and rope cells prepared by the method of the present invention. Is summarized in the diagram. The legends show the weight (◆) and volume (▲) energy densities of the conventional supercapacitors (the highest achieved electrode tap density of approximately 0.25 g / cm 3 ) and the weight (■) and volume (X) energy of the supercapacitors of the present invention. Density (electrode tap density of approximately 0.85 g / cm 3 ).

상당히 현저히, 이들 EDLC 수퍼커패시터(임의의 산화환원 또는 유사 용량 없이)는, 이미 고급 납-산 전지의 에너지 밀도(20 내지 40 Wh/kg)인, 32.3 Wh/kg로 높은 중량 에너지 밀도를 전달한다. EDLC 수퍼커패시터는, 납-산 전지의 통상적인 100 내지 400 사이클에 대조적으로, 250,000 내지 500,000 사이클 동안 충전 및 방전될 수 있기 때문에, 이는 이용 가치가 높다. 이러한 달성은 수퍼커패시터 기술 분야에서 매우 극적이고 전혀 예측하지 못한 것이다. 추가적으로, 탄소계 또는 그래핀계 EDLC 수퍼커패시터는, 납-산 전지에서 요구되는 통상적인 수시간의 재충전 시간과 대조적으로 수초 내에 재충전될 수 있다. 납-산 전지는 그의 매우 부정적인 환경에의 영향으로 유명하지만, 본 발명의 수퍼커패시터는 환경적으로 유익하다.Remarkably, these EDLC supercapacitors (without any redox or similar capacity) deliver high weight energy densities at 32.3 Wh / kg, which is already the energy density (20-40 Wh / kg) of high-grade lead-acid cells. . EDLC supercapacitors are of high value because they can be charged and discharged for 250,000 to 500,000 cycles, as opposed to the typical 100 to 400 cycles of lead-acid batteries. This achievement is very dramatic and unpredictable in the field of supercapacitor technology. Additionally, carbon-based or graphene-based EDLC supercapacitors can be recharged in seconds, in contrast to the typical several hours of recharge time required for lead-acid cells. Although lead-acid batteries are known for their very negative environmental impacts, the supercapacitors of the present invention are environmentally beneficial.

추가의 중요한 예들은, 통상의 방법을 통해 제조된 순수 그래핀계 EDLC 수퍼커패시터(이온성 액체 전해질) 및 본 발명의 방법에 의해 제작된 로프형 셀의 달성가능한 전극 두께 범위에 대한 셀 수준 중량 및 부피 에너지 밀도에 대해 도 11에 도표로 요약된 데이터를 포함한다. 중량(◆) 및 부피(▲) 에너지 밀도는 통상적인 수퍼커패시터(대략 0.25 g/cm3의 최고로 달성된 전극 탭 밀도)에 대한 것이며, 중량(■) 및 부피(X) 에너지 밀도는 대략 0.85 g/cm3의 전극 탭 밀도를 갖는 본 발명의 수퍼커패시터에 대한 것이다. 본 발명의 순수 그래핀계 EDLC 수퍼커패시터는 38.6 Wh/kg의 셀 수준 에너지 밀도를 저장가능하고, 이는 통상의 AC계 EDLC 수퍼커패시터에 의해 달성될 수 있는 것보다 6 배 더 큰 것이다. 32.8 Wh/L의 부피 에너지 밀도 값 역시 전례없는 것이며, 상용 AC계 수퍼커패시터의 3 내지 4 Wh/L보다 10 배 더 큰 것이다.Further important examples are cell level weight and volume for achievable electrode thickness ranges of pure graphene-based EDLC supercapacitors (ionic liquid electrolytes) prepared by conventional methods and rope cells made by the method of the present invention. The data summarized graphically in FIG. 11 for energy density is included. The weight (◆) and volume (▲) energy densities are for conventional supercapacitors (the highest achieved electrode tap density of approximately 0.25 g / cm 3 ), and the weight (■) and volume (X) energy densities are approximately 0.85 g. For a supercapacitor of the invention having an electrode tap density of / cm 3 . The pure graphene-based EDLC supercapacitors of the present invention are capable of storing cell-level energy densities of 38.6 Wh / kg, which are six times larger than can be achieved by conventional AC-based EDLC supercapacitors. Volumetric energy density values of 32.8 Wh / L are also unprecedented, 10 times greater than 3 to 4 Wh / L of commercial AC based supercapacitors.

실시예 14: 셀에서 달성가능한 활물질 중량 퍼센트 및 그의 수퍼커패시터 셀의 전기화학 성능에의 영향Example 14: Influence on the weight percent of active material achievable in a cell and its electrochemical performance

활물질 중량은 포장된 상용 수퍼커패시터의 총 질량의 최대 약 30%를 차지하기 때문에, 30%라는 인자는 활물질 단독의 성능 데이터로부터 장치의 에너지 또는 전력 밀도를 추정하는데 사용되어야 한다. 이에 따라, 20 Wh/kg의 활성탄의 에너지 밀도(즉, 활물질 중량 단독 기준)는 약 6 Wh/kg의 포장된 셀로 바뀔 것이다. 그러나, 이러한 추정은 상용 전극(150 ㎛ 또는 약 10 mg/cm2의 탄소 전극)과 유사한 두께 및 밀도를 갖는 전극에만 유효하다. 더 얇거나 가벼운 동일한 활물질의 전극은 셀 중량을 기준으로 하여, 훨씬 더 낮은 에너지 또는 전력 밀도를 의미할 것이다. 이에 따라, 높은 활물질 비를 갖는 수퍼커패시터 셀을 생산하는 것이 바람직할 수 있다. 유감스럽게도, 활성탄계 수퍼커패시터의 경우 30 중량% 초과 또는 그래핀계 수퍼커패시터의 경우 15 중량% 초과의 활물질 비를 달성하는 것이 이전에는 가능하지 않았다.Since the active material weight accounts for up to about 30% of the total mass of the packaged commercial supercapacitor, a factor of 30% should be used to estimate the energy or power density of the device from the performance data of the active material alone. Accordingly, the energy density of activated carbon of 20 Wh / kg (ie, based on the active material weight alone) will change to a packed cell of about 6 Wh / kg. However, this estimation is valid only for electrodes having a thickness and density similar to that of commercial electrodes (150 μm or carbon electrodes of about 10 mg / cm 2 ). Thinner or lighter electrodes of the same active material will mean much lower energy or power density, based on cell weight. Accordingly, it may be desirable to produce a supercapacitor cell with a high active material ratio. Unfortunately, it has not previously been possible to achieve active material ratios of greater than 30% by weight for activated carbon based supercapacitors or greater than 15% by weight for graphene based supercapacitors.

본 발명의 방법은 수퍼커패시터가 연구된 모든 활물질에 대한 이들 한계를 충분히 넘는 것을 가능하게 한다. 사실, 본 발명은 원하는 경우 활물질 비를 90% 초과로 올리는 것을 가능하게 하지만; 통상적으로는 15% 내지 85%, 더 통상적으로는 30% 내지 80%, 더더욱 통상적으로는 40% 내지 75%, 및 가장 통상적으로는 50% 내지 70%이다.The method of the present invention allows the supercapacitor to sufficiently exceed these limits for all active materials studied. In fact, the present invention makes it possible to raise the active material ratio by more than 90% if desired; Usually 15% to 85%, more typically 30% to 80%, even more typically 40% to 75%, and most usually 50% to 70%.

도 12에 나타낸 바와 같이, 활성탄계 EDLC 수퍼커패시터(유기 액체 전해질 이용)의 셀 수준 중량 에너지 밀도를 달성가능한 활물질 비에 대해 도표화하였으며(활물질 중량/총 셀 중량), 이는 4.2% 내지 33.3%이고, 에너지 밀도 1.3 내지 8.4 Wh/kg를 결과로서 초래한다. 본 발명은, 본 발명자들이 수퍼커패시터 셀에서 17.5 중량% 내지 79 중량%의 순수 그래핀 함량을 달성하는 것을 가능하게 하며, 이는 중량 에너지 밀도 4.9 내지 19.5 Wh/kg를 결과로서 초래한다. 예를 들어, 도 13은 두 개의 일련의 순수 그래핀계 EDLC 수퍼커패시터(모두 유기 액체 전해질 이용)를 위한 수퍼커패시터 셀에서 달성가능한 활물질 비(활물질 중량/총 셀 중량)에 대한 셀 수준 중량 에너지 밀도를 도표로 나타낸다. 마찬가지로, 활물질-전해질 혼합물로 예비함침된 필라멘트 전극을 함유하는 본 발명의 로프형 셀은 예외적으로 높은 활물질 비 및 이에 따라 예외적으로 높은 에너지 밀도를 갖도록 제조될 수 있다.As shown in FIG. 12, the cell level weight energy density of activated carbon based EDLC supercapacitors (using organic liquid electrolyte) was plotted against achievable active material ratio (active material weight / total cell weight), which is 4.2% to 33.3%, This results in an energy density of 1.3 to 8.4 Wh / kg. The present invention enables the inventors to achieve a pure graphene content of 17.5% to 79% by weight in the supercapacitor cell, which results in a weight energy density of 4.9 to 19.5 Wh / kg. For example, FIG. 13 shows the cell level weight energy density versus achievable active material ratio (active material weight / total cell weight) in a supercapacitor cell for two series of pure graphene-based EDLC supercapacitors (both with organic liquid electrolyte). Graphically. Likewise, rope-type cells of the present invention containing a filament electrode impregnated with an active material-electrolyte mixture can be manufactured to have exceptionally high active material ratios and thus exceptionally high energy densities.

실시예 15: 각종 전극 활물질 및/또는 집전체로서 상이한 다공질 또는 발포 구조를 기초로 한 수퍼커패시터 셀의 전기화학 성능Example 15 Electrochemical Performance of Supercapacitor Cells Based on Different Porous or Foamed Structures as Various Electrode Active Materials and / or Current Collectors

폼 구조의 효과를 평가하기 위하여, 본 발명자들은 전극 활물질의 예로서 RGO를 사용하기로 선택하지만, 집전체의 유형 및 성질은 다양하다(다공질 막대 또는 필라멘트). 금속 발포체(예를 들어, Ni 및 Ti 발포체), 금속 웹(예를 들어, 스테인리스강 웹), 발포 금속 시트를 기초로 한 3D 구조, 금속 섬유 매트(강섬유), 금속 나노와이어 매트(Cu 나노와이어), 전도성 중합체 나노-섬유 매트(폴리아닐린), 전도성 중합체 발포체(예를 들어, PEDOT), 전도성 중합체 코팅된 섬유 발포체(폴리피롤 코팅된 나일론 섬유), 탄소 발포체, 흑연 발포체, 탄소 에어로겔, 탄소 제로겔, 그래핀 발포체(Ni-지지된 CVD 그래핀), 그래핀 산화물 발포체(동결건조 GO-수용액을 통해 수득됨), 환원된 그래핀 산화물 발포체(중합체와 혼합되고 그 후 탄화된 RGO), 탄소 섬유 발포체, 흑연 섬유 발포체, 및 박리 흑연 발포체(탄화 수지에 의해 결합된 박리 흑연 웜(worms))에 이르는, 다양한 각종 발포체가 선택되었다. 이러한 광범위하고 심도있는 연구는 하기의 중요한 관찰을 이끌어내었다:In order to evaluate the effect of the foam structure, we choose to use RGO as an example of the electrode active material, but the type and properties of the current collector vary (porous rods or filaments). Metal foams (eg Ni and Ti foams), metal webs (eg stainless steel webs), 3D structures based on foamed metal sheets, metal fiber mats (steel fibers), metal nanowire mats (Cu nanowires) ), Conductive polymer nano-fiber mat (polyaniline), conductive polymer foam (e.g. PEDOT), conductive polymer coated fiber foam (polypyrrole coated nylon fiber), carbon foam, graphite foam, carbon aerogel, carbon zero gel, Graphene foam (Ni-supported CVD graphene), graphene oxide foam (obtained via freeze-dried GO-aqueous solution), reduced graphene oxide foam (RGO mixed with polymer and then carbonized), carbon fiber foam Various foams were chosen, ranging from graphite fiber foams, and exfoliated graphite foams (exfoliated graphite worms bonded by carbonized resin). This extensive and in-depth study led to the following important observations:

(A) 발포체 물질의 전기 전도성은, 더 높은 전력 밀도 및 빠른 수퍼커패시터 반응 시간을 결과로서 초래하는 경향이 있는 더 높은 전도성을 갖는 중요한 파라미터이다.(A) The electrical conductivity of the foam material is an important parameter with higher conductivity, which tends to result in higher power density and faster supercapacitor reaction time.

(B) 다공질 수준은 또한 동일한 부피를 고려할 때 더 높은 세공 함량과 함께 많은 양의 활물질을 결과로서 초래하는 중요한 파라미터로, 더 높은 에너지 밀도를 유도한다. 그러나, 더 높은 다공질 수준은, 더 낮은 전자전도성 능으로 인해, 반응 시간을 더 느리게 할 가능성이 있다.(B) Porous levels are also important parameters that result in higher amounts of active materials with higher pore contents when considering the same volume, leading to higher energy densities. However, higher porosity levels are likely to slow the reaction time due to lower electron conductivity performance.

(C) 흑연 발포체 및 그래핀 발포체는 수퍼커패시터의 더 양호한 반응 시간을 제공한다. 그러나, 금속 발포체는 탭(단자 리드)의 더 용이한 형성 또는 접속을 가능하게 한다. 두 개의 리드가 각 셀에 요구된다.(C) Graphite foams and graphene foams provide better reaction times of supercapacitors. However, metal foams allow for easier formation or connection of tabs (terminal leads). Two leads are required for each cell.

EDLC 및 산화환원 수퍼커패시터 모두를 위한 다양한 전극 활물질이 연구되었으며, 이는 유기 및 무기 물질을 망라하며, 수성, 유기 및 이온성 액체 전해질과 조합된다. 상이한 부류의 수퍼커패시터의 일부 예가 예시적 목적을 위해 하기 표(표 1)에 요약된다. 이들은 본 발명의 출원의 범주를 제한하는 것으로서 해석되어서는 안된다.Various electrode active materials have been studied for both EDLCs and redox supercapacitors, covering organic and inorganic materials and combined with aqueous, organic and ionic liquid electrolytes. Some examples of different classes of supercapacitors are summarized in the table below (Table 1) for illustrative purposes. They should not be construed as limiting the scope of the present application.

신규 방법에 의해 제조된 수퍼커패시터의 예 및 통상의 슬러리 코팅 방법에 의해 제조된 그의 카운터파트Examples of supercapacitors produced by the novel method and their counterparts produced by conventional slurry coating methods 샘플 IDSample ID 활물질Active material 전해질Electrolyte 전극 직경 (㎛) 및 방법Electrode Diameter (μm) and Method 활물질 질량 공급량 (g/㎠)Active material mass supply amount (g / ㎠) 중량 에너지 밀도 (Wh/kg)Weight Energy Density (Wh / kg) 부피 에너지 밀도 (Wh/L)Volumetric Energy Density (Wh / L) PPy-1PPy-1 폴리피롤-셀룰로스 Polypyrrole-cellulose H2O 중 4.5 M NaCl4.5 M NaCl in H 2 O 503, 로프503, rope 3838 4141 2222 PPy-cPPy-c 폴리피롤-셀룰로스Polypyrrole-cellulose H2O 중 4.5 M NaCl4.5 M NaCl in H 2 O 185, 통상185, typical 12.812.8 8.68.6 3.23.2 RuO2-AC-1RuO 2 -AC-1 RuO2 +ACRuO 2 + AC H2O 중 3.5 M NaCl3.5 M NaCl in H 2 O 348, 로프348, rope 1515 35.635.6 24.724.7 RuO2-AC-cRuO 2 -AC-c RuO2 +ACRuO 2 + AC H2O 중 3.5 M NaCl3.5 M NaCl in H 2 O 160, 통상160, typical 7.27.2 11.611.6 7.77.7 NiO-RGO-1NiO-RGO-1 NiO + 활성화 GONiO + Activate GO H2O 중 5.5 M LiOH5.5 M LiOH in H 2 O 551, 로프551, rope 26.226.2 40.540.5 33.233.2 NiO-RGO-cNiO-RGO-c NiO + 활성화 GONiO + Activate GO H2O 중 5.5 M LiOH5.5 M LiOH in H 2 O 160, 통상160, typical 4.64.6 9.29.2 7.37.3 V2O5-NGn-1V 2 O 5 -NGn-1 V2O5 + 질소화 그래핀V 2 O 5 + Nitrogenated Graphene THF + N(Et)4BF4 THF + N (Et) 4 BF 4 624, 로프624, rope 27.127.1 41.141.1 35.235.2 V2O5-NGn-cV 2 O 5 -NGn-c V2O5 + 질소화 그래핀V 2 O 5 + Nitrogenated Graphene THF + N(Et)4BF4 THF + N (Et) 4 BF 4 175, 통상175, typical 5.65.6 7.27.2 5.65.6 MnO2-RGO -1MnO 2 -RGO -1 MnO2 + RGOMnO 2 + RGO 3.5 MNa2SO4 3.5 MNa 2 SO 4 405, 로프405, rope 16.616.6 7474 8181 MnO2-RGO -cMnO 2 -RGO -c MnO2 + RGOMnO 2 + RGO 3.5 MNa2SO4 3.5 MNa 2 SO 4 187, 통상187, typical 6.26.2 2929 2323 MoS2-1MoS 2 -1 MoS2/RGOMoS 2 / RGO 아세토니트릴 +N(Et)4BF4 Acetonitrile + N (Et) 4 BF 4 355, 로프355, rope 24.724.7 38.438.4 33.233.2 MoS2-cMoS 2 -c MoS2/RGOMoS 2 / RGO 아세토니트릴 N(Et)4BF4 Acetonitrile N (Et) 4 BF 4 155, 통상155, typical 8.88.8 13.213.2 9.69.6 Ti2CT x -1Ti 2 CT x -1 Ti2C(OH) 2 / 퀴논 GOTi 2 C (OH) 2 / Quinone GO H2O 중 3 M LiOH3 M LiOH in H 2 O 331, 로프331, rope 13.813.8 13.413.4 11.211.2 Ti2CT x -cTi 2 CT x -c Ti2C(OH) 2 / 퀴논 GOTi 2 C (OH) 2 / Quinone GO H2O 중 3 M LiOH3 M LiOH in H 2 O 167, 통상167, typical 4.54.5 6.76.7 4.24.2 CNT-1CNT-1 초핑된 MWCNTChopped MWCNT EMI-TFSIEMI-TFSI 275, 로프275, rope 12.312.3 24.324.3 15.215.2 CNT-cCNT-c 초핑된 MWCNTChopped MWCNT EMI-TFSIEMI-TFSI 9595 2.32.3 6.26.2 3.23.2

이들 데이터는, 질량 공급량 (비), 전극 직경/두께, 중량 에너지 밀도, 및 부피 에너지 밀도의 극적 개선 측면에서, 본 발명의 로프형 수퍼커패시터 전지 및 제조 방법의 놀라운 우월성을 추가로 확인시켜준다. 활물질/전해질-예비함침된 브레이드/얀 전극을 갖는 본 발명의 로프형 수퍼커패시터는 전기화학 특징에서 통상의 수퍼커패시터보다 일관되게 더 양호하다. 그 차이는 놀랍게도 극적이다.결론적으로, 본 발명자들은 유연한 형상 적응성이고, (이전에는 달성되지 않은) 예기치않게 큰 활물질 질량 공급량, (이전에는 달성되지 않은) 뛰어난 중량 에너지 밀도, 및 전례없던 높은 부피 에너지 밀도를 갖는 신규의 새로운 부류의 수퍼커패시터를 성공적으로 개발하였다. 본 발명의 활물질-전해질 혼합물을 발포된 집전체 내로 예비함침하여 전극을 제조하는 방법은, 그래핀 시트를 기초로 한 수퍼커패시터와 관련된 오랜 문제들(즉, 두꺼운 전극 제조 불능성, 그래핀 시트 재적층 방지에서의 어려움, 낮은 탭 밀도, 및 낮은 부피 에너지 밀도) 또한 극복한다.These data further confirm the surprising superiority of the rope-type supercapacitor cell and manufacturing method of the present invention in terms of dramatic improvements in mass feed amount (ratio), electrode diameter / thickness, weight energy density, and volume energy density. Rope type supercapacitors of the present invention having active material / electrolyte-preimpregnated braid / yarn electrodes are consistently better than conventional supercapacitors in electrochemical characterization. The difference is surprisingly dramatic. In conclusion, the inventors are flexible shape adaptation, unexpectedly large active material mass feed (not previously achieved), excellent weight energy density (not previously achieved), and unprecedented high volumetric energy. We have successfully developed a new class of supercapacitors with density. The method of preparing an electrode by pre-impregnating the active material-electrolyte mixture of the present invention into a foamed current collector is a long time problem associated with graphene sheet-based supercapacitors (ie, thick electrode cannot be manufactured, graphene sheet loading). Difficulties in layer protection, low tap density, and low volumetric energy density) are also overcome.

Claims (55)

(a) 세공들을 갖는 제1 전기 전도성 다공질 막대 및 제1 전극 활물질 및 제1 전해질의 제1 혼합물을 포함하고, 상기 제1 혼합물은 상기 제1 전기 전도성 다공질 막대의 상기 세공들 내에 존재하는, 제1 전극;
(b) 상기 제1 전극을 감싸거나 케이싱(encasing)하여 세퍼레이터-보호된 제1 전극을 형성하는 다공질 세퍼레이터;
(c) 세공들을 갖는 제2 전기 전도성 다공질 막대 및 제2 전극 활물질 및 제2 전해질의 제2 혼합물을 포함하는 제2 전극으로서, 상기 제2 혼합물은 제2 전기 전도성 다공질 막대의 세공에 존재하고, 상기 세퍼레이터-보호된 제1 전극 및 제2 전극은 조합되거나 함께 서로 꼬여 브레이드 또는 실을 형성하는 제2 전극; 및
(d) 상기 브레이드 또는 얀을 감싸거나 케이싱하는 보호 케이싱 또는 외피;
를 포함하는 로프형 수퍼커패시터로서,
상기 제1 및/또는 상기 제2 전극 활물질은 다수의 입자의 탄소 물질 및/또는 다수의 그래핀 시트를 함유하고, 상기 다수의 그래핀 시트는 단일 층 그래핀 또는 각각 1 내지 10개의 그래핀 면을 갖는 소수 층의 그래핀을 함유하고, 상기 다수의 입자의 탄소 물질 또는 그래핀 시트는 건조 상태에서 측정시 500 m2/g 이상의 비표면적을 갖는, 수퍼커패시터.
(a) a first electrically conductive porous rod having pores and a first mixture of a first electrode active material and a first electrolyte, wherein the first mixture is present in the pores of the first electrically conductive porous rod; 1 electrode;
(b) a porous separator surrounding or encasing the first electrode to form a separator-protected first electrode;
(c) a second electrode comprising a second electrically conductive porous rod having pores and a second mixture of second electrode active material and second electrolyte, wherein the second mixture is present in the pores of the second electrically conductive porous rod, The separator-protected first electrode and the second electrode being combined or twisted together to form a braid or seal; And
(d) a protective casing or sheath surrounding or casing the braid or yarn;
As a rope type supercapacitor comprising:
The first and / or second electrode active material contains a plurality of particles of carbon material and / or a plurality of graphene sheets, wherein the plurality of graphene sheets are single layer graphene or 1 to 10 graphene faces each, respectively. And a hydrophobic layer of graphene, wherein the plurality of particles of carbon material or graphene sheet have a specific surface area of at least 500 m 2 / g as measured in the dry state.
제1항에 있어서, 복수의 상기 제1 전극 및/또는 복수의 상기 제2 전극을 포함하고, 상기 전극 중 적어도 하나는 애노드이고 적어도 하나는 캐소드인 로프형 수퍼커패시터.The rope type supercapacitor of claim 1 comprising a plurality of said first electrodes and / or a plurality of said second electrodes, at least one of said electrodes being an anode and at least one being a cathode. 제1항에 있어서, 상기 제2 전극을 감싸거나 케이싱하여 세퍼레이터-보호된 제2 전극을 형성하는 다공질 세퍼레이터를 추가로 포함하는 로프형 수퍼커패시터.The rope type supercapacitor of claim 1, further comprising a porous separator surrounding or casing the second electrode to form a separator-protected second electrode. 제3항에 있어서, 상기 브레이드 또는 얀과 상기 보호 케이싱 또는 외피 사이에 배치된 제3 전해질을 추가로 포함하는 로프형 수퍼커패시터.4. The rope type supercapacitor of claim 3 further comprising a third electrolyte disposed between the braid or yarn and the protective casing or sheath. 제1항에 있어서, 상기 제1 또는 제2 전극 활물질은, 제1 또는 제2 전극의 세공 내로 함침시키기 위하여 1 ㎛보다 작은 길이 또는 폭을 갖는 활성탄 입자 또는 단리된 그래핀 시트를 함유하며, 상기 그래핀 시트는 순수(pristine) 그래핀, 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 불화 그래핀, 질소화 또는 질소 도핑된 그래핀, 수소화 또는 수소 도핑된 그래핀, 붕소 도핑된 그래핀, 화학 작용기화된 그래핀, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 로프형 수퍼커패시터.The method of claim 1, wherein the first or second electrode active material contains activated carbon particles or an isolated graphene sheet having a length or width smaller than 1 μm for impregnation into pores of the first or second electrode. Graphene sheets include pristine graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, nitrogenated or nitrogen doped graphene, hydrogenated or hydrogen doped graphene, boron doped graphene, chemistry Rope type supercapacitor selected from the group consisting of vaporized graphene, and combinations thereof. 제1항에 있어서, 제1 또는 제2 전극은, (a) 그래핀 시트 단독; (b) 다공질 탄소 물질와 혼합된 그래핀 시트; (c) 유사전기용량을 발달시키기 위하여 상기 그래핀 시트와 산화환원 쌍을 형성하는 파트너 물질와 혼합된 그래핀 시트; 또는 (d) 유사전기용량을 발달시키기 위하여 그래핀 시트 또는 다공질 탄소 물질과 산화환원 쌍을 형성하는 파트너 물질과 혼합된 상기 그래핀 시트 및 상기 다공질 탄소 물질을, 상기 제1 또는 제2 전극 내에서 유일한 전극 활물질로서 함유하고, 여기서 상기 제1 또는 제2 전극에는 다른 전극 활물질은 존재하지 않는 로프형 수퍼커패시터.The method of claim 1, wherein the first or second electrode comprises: (a) a graphene sheet alone; (b) graphene sheets mixed with the porous carbon material; (c) a graphene sheet mixed with a partner material forming a redox pair with the graphene sheet to develop pseudocapacitance; Or (d) the graphene sheet and the porous carbon material mixed with a graphene sheet or a partner material forming a redox pair with the porous carbon material to develop a pseudocapacitance in the first or second electrode. A rope type supercapacitor containing as the only electrode active material, wherein no other electrode active material is present in the first or second electrode. 길이 대 직경 또는 길이 대 두께의 종횡비(aspect ratio)가 10 초과인 로프형 수퍼커패시터로서,
(a) 제1 전기 전도성 막대 및 제1 전극 활물질 및 제1 전해질의 제1 혼합물을 포함하는 제1 전극으로서, 여기서 상기 제1 혼합물은 상기 제1 전기 전도성 막대 상에 또는 그 안에 증착되는, 제1 전극;
(b) 상기 제1 전극을 감싸거나 케이싱하여 세퍼레이터 보호된 제1 전극을 형성하는 다공질 세퍼레이터;
(c) 세공을 갖는 제2의 전기 전도성 다공질 막대 및 제2 전극 활물질 및 제2 전해질의 제2 혼합물을 포함하는 제2 전극으로서, 여기서 상기 제2 혼합물은 상기 제2 전기 전도성 다공질 막대의 상기 세공에 존재하며; 상기 세퍼레이터 보호된 제1 전극 및 상기 제2 전극은 서로 꼬이거나 트위스트 또는 나선형 방식으로 조합되어 브레이드 또는 얀을 형성하는, 제2 전극; 및
(d) 상기 브레이드 또는 얀을 감싸거나 케이싱하는 보호 케이싱 또는 외피;
를 포함하고,
상기 제1 활물질 및/또는 상기 제2 활물질은 다수의 입자의 탄소 물질 및/또는 다수의 그래핀 시트를 함유하고, 여기서 상기 다수의 그래핀 시트는 단일층 그래핀 또는 각각 1 내지 10 개의 그래핀 면을 갖는 소수 층의 그래핀을 함유하고, 상기 다수의 입자의 탄소 물질 또는 상기 그래핀 시트는 건조 상태에서 측정시 500 m2/g 이상의 비표면적을 갖는 로프형 수퍼커패시터.
A rope type supercapacitor having a length-to-diameter or length-to-thick aspect ratio of greater than 10,
(a) a first electrode comprising a first electrically conductive rod and a first mixture of first electrode active material and a first electrolyte, wherein the first mixture is deposited on or in the first electrically conductive rod; 1 electrode;
(b) a porous separator surrounding or casing the first electrode to form a separator-protected first electrode;
(c) a second electrode comprising a second electrically conductive porous rod having pores and a second mixture of second electrode active material and second electrolyte, wherein the second mixture is the pores of the second electrically conductive porous rod Present in; A second electrode, wherein the separator protected first electrode and the second electrode are twisted, twisted or helically combined with each other to form a braid or yarn; And
(d) a protective casing or sheath surrounding or casing the braid or yarn;
Including,
The first active material and / or the second active material contains a plurality of particles of carbon material and / or a plurality of graphene sheets, wherein the plurality of graphene sheets are single layer graphene or 1 to 10 graphene each, respectively. A rope-type supercapacitor containing a hydrophobic layer of graphene having a surface, wherein the plurality of particles of carbonaceous material or the graphene sheet have a specific surface area of at least 500 m 2 / g as measured in a dry state.
제7항에 있어서, 상기 제2 전극을 감싸거나 케이싱하여 세퍼레이터 보호된 제2 전극을 형성하는 다공질 세퍼레이터를 추가로 포함하는 로프형 수퍼커패시터.8. The rope type supercapacitor of claim 7, further comprising a porous separator surrounding or casing the second electrode to form a separator-protected second electrode. 제8항에 있어서, 상기 브레이드 또는 얀과 상기 보호 외피 사이에 배치된 제3 전해질을 추가로 포함하는 로프형 수퍼커패시터.9. The rope type supercapacitor of claim 8 further comprising a third electrolyte disposed between the braid or yarn and the protective sheath. 제1항에 있어서, 상기 로프형 전지는 제1 말단 및 제2 말단을 갖고, 상기 제1 전극은 상기 제1 전극 내에 매립되거나 이에 접속되거나 또는 이와 일체형인 적어도 하나의 금속 와이어, 전도성 탄소/흑연 섬유, 또는 전도성 중합체 섬유를 포함하는 제1 단자 커넥터를 함유하는 로프형 수퍼커패시터.The at least one metal wire, conductive carbon / graphite of claim 1, wherein the rope-type battery has a first end and a second end, and the first electrode is embedded in, connected to, or integral with the first electrode. A rope type supercapacitor comprising a first terminal connector comprising fibers, or conductive polymer fibers. 제10항에 있어서, 상기 적어도 하나의 금속 와이어, 전도성 탄소/흑연 섬유, 또는 전도성 중합체 섬유는 대략 상기 제1 말단에서 상기 제2 말단까지 이어지는 로프형 수퍼커패시터.11. The rope-type supercapacitor of claim 10, wherein the at least one metal wire, conductive carbon / graphite fibers, or conductive polymer fibers extend approximately from the first end to the second end. 제1항에 있어서, 상기 제1 또는 제2 전기 전도성 다공질 막대는 금속 발포체, 금속 웹, 금속 섬유 매트, 금속 나노와이어 매트, 전도성 중합체 섬유 매트, 전도성 중합체 발포체, 전도성 중합체 코팅된 섬유 발포체, 탄소 발포체, 흑연 발포체, 탄소 에어로겔, 탄소 제로겔, 그래핀 에어로겔, 그래핀 발포체, 그래핀 산화물 발포체, 환원된 그래핀 산화물 발포체, 탄소 섬유 발포체, 흑연 섬유 발포체, 박리 흑연 발포체, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 다공질 발포체를 함유하는 로프형 수퍼커패시터.The method of claim 1, wherein the first or second electrically conductive porous rod is a metal foam, metal web, metal fiber mat, metal nanowire mat, conductive polymer fiber mat, conductive polymer foam, conductive polymer coated fiber foam, carbon foam Selected from graphite foam, carbon aerogel, carbon zero gel, graphene aerogel, graphene foam, graphene oxide foam, reduced graphene oxide foam, carbon fiber foam, graphite fiber foam, exfoliated graphite foam, and combinations thereof Rope type supercapacitors containing porous foam. 제12항에 있어서, 상기 다공질 발포체는 원형, 타원형, 직사각형, 정사각형, 육각형, 중공 또는 불균일한 형상의 단면을 갖는 로프형 수퍼커패시터.13. The rope-type supercapacitor of claim 12, wherein the porous foam has a cross section of circular, oval, rectangular, square, hexagonal, hollow or non-uniform shape. 제1항에 있어서, 상기 수퍼커패시터는 10 초과의 길이/두께 또는 길이/직경 종횡비를 갖는 로프형을 갖는 로프형 수퍼커패시터.The rope type supercapacitor of claim 1, wherein the supercapacitor has a rope shape having a length / thickness or a length / diameter aspect ratio of greater than ten. 제5항에 있어서, 상기 제1 또는 제2 전극은, 금속 산화물, 전도성 중합체, 유기 물질, 비-그래핀 탄소 물질, 무기 물질, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 산화환원 쌍 파트너 물질을 추가로 함유하며, 여기서 상기 파트너 물질은, 그래핀 또는 활성탄과 조합되어 유사전기용량을 위한 산화환원 쌍을 형성하는, 로프형 수퍼커패시터.6. The method of claim 5, wherein the first or second electrode further contains a redox pair partner material selected from metal oxides, conductive polymers, organic materials, non-graphene carbon materials, inorganic materials, or combinations thereof. Wherein the partner material is combined with graphene or activated carbon to form a redox pair for pseudocapacitance. 제15항에 있어서, 상기 금속 산화물은 RuO2, IrO2, NiO, MnO2, VO2, V2O5, V3O8, TiO2, Cr2O3, Co2O3, Co3O4, PbO2, Ag2O 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 로프형 수퍼커패시터.The method of claim 15, wherein the metal oxide is RuO 2 , IrO 2 , NiO, MnO 2 , VO 2 , V 2 O 5 , V 3 O 8 , TiO 2 , Cr 2 O 3 , Co 2 O 3 , Co 3 O 4 , PbO 2 , Ag 2 O and a rope type supercapacitor selected from the group consisting of a combination thereof. 제15항에 있어서, 상기 무기 물질은 금속 탄화물, 금속 질화물, 붕소화 금속, 금속 디칼코게나이드 및 이들의 조합으로부터 선택되는 로프형 수퍼커패시터.The rope type supercapacitor of claim 15, wherein the inorganic material is selected from metal carbides, metal nitrides, metal borides, metal dichalcogenides, and combinations thereof. 제15항에 있어서, 상기 금속 산화물 또는 무기 물질은, 나노와이어, 나노디스크, 나노리본, 또는 나노평판(nanoplatelet) 형상인, 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 바나듐, 크롬, 코발트, 망간, 철, 니켈 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 원소의, 산화물, 디칼코게나이드, 트리칼코게나이드, 황화물, 셀렌화물, 또는 텔루르화물로부터 선택되는 로프형 수퍼커패시터.The method of claim 15, wherein the metal oxide or inorganic material is niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium, vanadium, chromium, in the form of nanowires, nanodisks, nanoribbons, or nanoplatelets. A rope type supercapacitor selected from oxides, dichalcogenides, trichalcogenides, sulfides, selenides, or tellurides of an element selected from the group consisting of cobalt, manganese, iron, nickel and combinations thereof. 제15항에 있어서, 상기 무기 물질은, 비스무트 셀렌화물, 비스무트 텔루르화물, 전이 금속 디칼코게나이드, 전이 금속 트리칼코게나이드, 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 코발트, 망간, 철, 니켈 또는 전이 금속의 황화물, 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 코발트, 망간, 철, 니켈 또는 전이 금속의 셀렌화물, 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 코발트, 망간, 철, 니켈 또는 전이 금속의 텔루르화물, 질화붕소, 및 이들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택되는 무기 물질의 나노디스크, 나노평판, 나노코팅, 또는 나노시트로부터 선택되고; 상기 나노디스크, 나노평판, 나노코팅 또는 나노시트는 100 nm 미만의 두께를 갖는 로프형 수퍼커패시터.The method of claim 15, wherein the inorganic material is bismuth selenide, bismuth telluride, transition metal dichalcogenide, transition metal trichalcogenide, niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium, cobalt, manganese, Sulfides of iron, nickel or transition metals, niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium, cobalt, manganese, selenides of iron, nickel or transition metals, niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium And nanodisks, nanoplates, nanocoats, or nanosheets of inorganic materials selected from the group comprising cobalt, manganese, iron, nickel or transition metals, tellurides, boron nitride, and combinations thereof; The nanodisk, nanoplate, nanocoat or nanosheet is a rope type supercapacitor having a thickness of less than 100 nm. 제1항에 있어서, 상기 제1 또는 제2 전극 활물질은 비스무트 셀렌화물, 비스무트 텔루르화물, 전이 금속 디칼코게나이드, 전이 금속 트리칼코게나이드, 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 코발트, 망간, 철, 니켈 또는 전이 금속의 황화물, 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 코발트, 망간, 철, 니켈 또는 전이 금속의 셀렌화물, 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 코발트, 망간, 철, 니켈 또는 전이 금속의 텔루르화물, 질화붕소, 및 이들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택되는 무기 물질의 나노디스크, 나노평판, 나노코팅 또는 나노시트를 함유하고, 상기 디스크, 평판, 코팅, 또는 시트는 건조 상태로 측정시, 100 nm 미만의 두께 및 200 m2/g 이상의 비표면적을 갖는 로프형 수퍼커패시터.The method of claim 1, wherein the first or second electrode active material is bismuth selenide, bismuth telluride, transition metal dichalcogenide, transition metal trichalcogenide, niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium, Sulfides of cobalt, manganese, iron, nickel or transition metals, niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium, cobalt, manganese, iron, nickel or transition metals selenide, niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum Contains nanodisks, nanoplates, nanocoats or nanosheets of inorganic materials selected from the group comprising, tungsten, titanium, cobalt, manganese, iron, nickel or transition metals, tellurides, boron nitride, and combinations thereof the disk, plate, coat, or sheet as measured in the dry state, rope-type super capacitor having at least less than 100 nm thick and 200 m 2 / g specific surface area Emitter. 제1항에 있어서, 리튬 이온 커패시터 또는 나트륨 이온 커패시터로, 상기 제1 또는 제2 전극 활물질은
(a) 천연 흑연, 인공 흑연, 메소탄소 마이크로비드(MCMB), 및 탄소의 사전리튬화 및 사전나트륨화 입자;
(b) 사전리튬화 및 사전나트륨화 규소(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 철(Fe), 및 카드뮴(Cd);
(c) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, 또는 Cd의 다른 원소와의 사전리튬화 및 사전나트륨화 합금 또는 금속간 화합물, 여기서 상기 합금 또는 화합물은 화학양론적 또는 비-화학양론적임;
(d) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ni, Co, Ti, Mn, 또는 Cd의 사전리튬화 및 사전나트륨화 산화물, 탄화물, 질화물, 황화물, 인화물, 셀렌화물, 및 텔루르화물, 및 이들의 혼합물 또는 복합재; 및
(e) 이들의 조합
로 이루어지는 군으로부터 선택되는 애노드인, 로프형 수퍼커패시터.
The method of claim 1, wherein the lithium ion capacitor or sodium ion capacitor, wherein the first or second electrode active material
(a) pre-lithiated and pre-sodiumated particles of natural graphite, artificial graphite, mesocarbon microbeads (MCMB), and carbon;
(b) prelithiated and pre-sodiumated silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), lead (Pb), antimony (Sb), bismuth (Bi), zinc (Zn), aluminum (Al), Nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), titanium (Ti), iron (Fe), and cadmium (Cd);
(c) prelithiated and pre-sodiumated alloys or intermetallic compounds with other elements of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, or Cd, wherein the alloys or compounds are stoichiometric or non- Stoichiometric;
(d) prelithiated and presodiumated oxides, carbides, nitrides, sulfides, phosphides, selenium of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ni, Co, Ti, Mn, or Cd; Cargoes, and tellurides, and mixtures or composites thereof; And
(e) combinations thereof
A rope type supercapacitor, which is an anode selected from the group consisting of:
제1항에 있어서, 리튬 이온 커패시터 또는 나트륨 이온 커패시터로, 상기 제1 전극 또는 제2 전극은 순수 그래핀, 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화 그래핀, 질소화 그래핀, 붕소 도핑된 그래핀, 질소 도핑된 그래핀, 화학 작용기화된 그래핀, 이들의 물리적으로 또는 화학적으로 활성화되거나 에칭된 형태, 및 이들의 조합의 사전리튬화 또는 사전나트륨화 형태를 함유하는 애노드인 로프형 수퍼커패시터.The method of claim 1, wherein the lithium ion capacitor or sodium ion capacitor, wherein the first electrode or the second electrode is pure graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide , Graphene iodide, hydrogenated graphene, nitrogenated graphene, boron doped graphene, nitrogen doped graphene, chemically functionalized graphene, physically or chemically activated or etched forms thereof, and their A rope type supercapacitor which is an anode containing a combination of prelithiated or presodiumated forms. 제1항에 있어서, 나트륨 이온 커패시터로, 제1 또는 제2 전극은 석유 코크스(coke), 카본블랙, 무정형 탄소, 활성탄, 경질 탄소, 연질 탄소, 주형 탄소, 중공 탄소 나노와이어, 중공 탄소 구체, 또는 티탄산나트륨, NaTi2(PO4)3, Na2Ti3O7, Na2C8H4O4, Na2TP, NaxTiO2(x = 0.2 내지 1.0), Na2C8H4O4, 카르복실레이트계 물질, C8H4Na2O4, C8H6O4, C8H5NaO4, C8Na2F4O4, C10H2Na4O8, C14H4O6, C14H4Na4O8, 및 이들의 조합의 사전나트륨화 형태로부터 선택되는 애노드 활물질을 함유하는 애노드인 로프형 수퍼커패시터.The method of claim 1, wherein the sodium ion capacitor, wherein the first or second electrode is petroleum coke, carbon black, amorphous carbon, activated carbon, hard carbon, soft carbon, template carbon, hollow carbon nanowires, hollow carbon spheres, Or sodium titanate, NaTi 2 (PO 4 ) 3 , Na 2 Ti 3 O 7 , Na 2 C 8 H 4 O 4 , Na 2 TP, Na x TiO 2 (x = 0.2 to 1.0), Na 2 C 8 H 4 O 4 , carboxylate, C 8 H 4 Na 2 O 4 , C 8 H 6 O 4 , C 8 H 5 NaO 4 , C 8 Na 2 F 4 O 4 , C 10 H 2 Na 4 O 8 , A rope type supercapacitor which is an anode containing an anode active material selected from pre-sodiumated forms of C 14 H 4 O 6 , C 14 H 4 Na 4 O 8 , and combinations thereof. 제1항에 있어서, 상기 제1 또는 제2 전기 전도성 다공질 막대는 70 부피% 내지 99 부피%의 세공을 갖는 로프형 수퍼커패시터.The rope type supercapacitor of claim 1, wherein the first or second electrically conductive porous rod has a pore of 70% to 99% by volume. 제1항에 있어서, 상기 수퍼커패시터의 길이는 1 m 초과인 로프형 수퍼커패시터.The rope type supercapacitor of claim 1, wherein the length of the supercapacitor is greater than 1 m. 제1항에 있어서, 상기 수퍼커패시터는 10 cm 초과의 곡률 반경으로 구부러진 로프형 수퍼커패시터.The rope type supercapacitor of claim 1 wherein the supercapacitor is bent to a radius of curvature of greater than 10 cm. 제1항에 있어서, 상기 수퍼커패시터는 차량에서 실질적으로 빈 공간 또는 실내 구역의 형상을 따라 굽힘가능하며, 상기 빈 공간 또는 실내 구역은 트렁크, 문, 해치, 스페어타이어 구역, 좌석 아래 영역 또는 계기판 아래 영역을 포함하는 로프형 수퍼커패시터.2. The supercapacitor of claim 1 wherein the supercapacitor is bendable substantially in the shape of an empty space or interior area in a vehicle, the empty space or interior area being a trunk, door, hatch, spare tire area, sub-seat area or under instrument panel. Rope type supercapacitors comprising a region. 제27항에 있어서, 상기 수퍼커패시터는 차량으로부터 제거가능하고, 상이한 빈 공간 또는 실내 구역의 형상을 따라 굽힘가능한 로프형 수퍼커패시터.28. The rope type supercapacitor of claim 27 wherein said supercapacitor is removable from the vehicle and bendable along the shape of a different void or interior zone. 제1항에 있어서, 상기 전지의 하나 이상의 유닛은 의류, 벨트, 운반 스트랩, 수하물 스트랩, 무기 스트랩, 악기 스트랩, 헬멧, 모자, 부츠, 발 커버, 장갑, 손목 커버, 시계 밴드, 보석 물품, 동물용 목줄 또는 동물용 하네스(harness) 내에 포함되는 로프형 수퍼커패시터.The apparatus of claim 1, wherein the one or more units of the battery comprise clothing, belts, carrying straps, luggage straps, weapon straps, instrument straps, helmets, hats, boots, foot covers, gloves, wrist covers, watch bands, jewelry articles, animals Rope-type supercapacitors contained in collars or animal harnesses. 제1항에 있어서, 상기 전지의 하나 이상의 유닛은 의류, 벨트, 운반 스트랩, 수하물 스트랩, 무기 스트랩, 악기 스트랩, 헬멧, 모자, 부츠, 발 커버, 장갑, 손목 커버, 시계 밴드, 보석 물품, 동물용 목줄 또는 동물용 하네스에 제거가능한 방식으로 포함되는 로프형 수퍼커패시터.The apparatus of claim 1, wherein the one or more units of the battery comprise clothing, belts, carrying straps, luggage straps, weapon straps, instrument straps, helmets, hats, boots, foot covers, gloves, wrist covers, watch bands, jewelry articles, animals Rope type supercapacitors included in the collar or animal harness in a removable manner. 제1항에 있어서, 상기 전지는 중공 자전거 프레임의 안쪽 반경에 따른 로프형 수퍼커패시터.The rope type supercapacitor of claim 1, wherein the battery has an inner radius of the hollow bicycle frame. 로프형 수퍼커패시터의 제조방법으로서,
(e) 제1 전극 활물질 및 제1 전해질의 제1 혼합물을 제1 전기 전도성 다공질 막대의 세공 내로 함침하여 제1 전극을 형성하는 단계;
(f) 상기 제1 전극을 다공질 세퍼레이터로 감싸거나 케이싱하여 세퍼레이터 보호된 제1 전극을 형성하는 단계;
(g) 제2 전극 활물질 및 제2 전해질의 제2 혼합물을 제2 전기 전도성 다공질 막대의 세공 내로 함침시켜 제2 전극을 형성하는 단계;
(h) 상기 세퍼레이터 보호된 제1 전극 및 상기 제2 전극을 함께 조합하거나 또는 서로 꼬아서 브레이드(braid) 또는 연사(twist yarn)를 형성하는 단계; 및
(i) 보호 케이싱 또는 외피로 상기 브레이드 또는 연사를 감싸거나 케이싱하여 상기 로프형 수퍼커패시터를 형성하는 단계;
를 포함하고,
상기 제1 및/또는 상기 제2 전극 활물질은 다수 입자의 탄소 물질 및/또는 다수의 그래핀 시트를 함유하고, 상기 다수의 그래핀 시트는 단일층 그래핀 또는 각각 1 내지 10개의 그래핀 면을 갖는 소수 층의 그래핀을 함유하고, 상기 다수의 입자의 탄소 물질 또는 그래핀 시트는 건조 상태에서 측정시 비표면적이 500 m2/g 이상인 제조 방법.
As a method of manufacturing a rope type supercapacitor,
(e) impregnating a first mixture of the first electrode active material and the first electrolyte into the pores of the first electrically conductive porous rod to form a first electrode;
(f) wrapping or casing the first electrode with a porous separator to form a separator-protected first electrode;
(g) impregnating a second mixture of the second electrode active material and the second electrolyte into the pores of the second electrically conductive porous rod to form a second electrode;
(h) combining the separator protected first electrode and the second electrode together or twisting together to form a braid or twist yarn; And
(i) wrapping or casing the braid or twisted yarn with a protective casing or sheath to form the rope type supercapacitor;
Including,
The first and / or the second electrode active material contains a plurality of particles of carbon material and / or a plurality of graphene sheets, and the plurality of graphene sheets have single layer graphene or 1 to 10 graphene faces respectively. And a hydrophobic layer having graphene, wherein the carbon material or graphene sheet of the plurality of particles has a specific surface area of at least 500 m 2 / g as measured in the dry state.
제32항에 있어서, 복수의 상기 제1 전극 및/또는 복수의 상기 제2 전극을 조합하여 상기 수퍼커패시터를 형성하는 절차를 포함하고, 상기 전극들 중 적어도 하나는 애노드이고, 적어도 하나는 캐소드인 제조 방법.33. The method of claim 32, comprising combining the plurality of first electrodes and / or the plurality of second electrodes to form the supercapacitor, wherein at least one of the electrodes is an anode and at least one is a cathode. Manufacturing method. 제32항에 있어서, 다공질 세퍼레이터로 상기 제2 전극을 감싸거나 케이싱하여 세퍼레이터 보호된 제2 전극을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.33. The method of claim 32, further comprising wrapping or casing the second electrode with a porous separator to form a separator protected second electrode. 제34항에 있어서, 상기 브레이드 또는 얀 및 상기 보호 외피 사이에 제3 전해질을 배치하는 단계를 추가로 포함하는 방법.35. The method of claim 34, further comprising disposing a third electrolyte between the braid or yarn and the protective sheath. 제32항에 있어서, 제1 또는 제2 전극 활물질은, 제1 또는 제2 전극의 세공 내로 함침시키기 위하여 1 ㎛보다 작은 길이 또는 폭을 갖는 활성탄 입자 또는 단리된 그래핀 시트를 함유하며, 상기 그래핀 시트는 순수 그래핀, 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 불화 그래핀, 질소화 또는 질소 도핑된 그래핀, 수소화 또는 수소 도핑된 그래핀, 붕소 도핑된 그래핀, 화학 작용기화된 그래핀, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 방법.33. The method of claim 32, wherein the first or second electrode active material contains activated carbon particles or an isolated graphene sheet having a length or width of less than 1 μm for impregnation into the pores of the first or second electrode. The pin sheets are pure graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, nitrogenated or nitrogen doped graphene, hydrogenated or hydrogen doped graphene, boron doped graphene, chemically functionalized graphene Or combinations thereof. 10 초과의 길이 대 직경 또는 길이 대 두께 종횡비를 갖는 로프형 수퍼커패시터의 제조 방법으로서;
상기 방법은
(e) 제1 전기 전도성 막대 및 제1 전극 활물질 및 제1 전해질의 제1 혼합물을 포함하는 제1 전극으로서, 여기서 상기 제1 혼합물은 상기 제1 전기 전도성 막대 상에 또는 그 안에 증착되는 제1 전극을 제공하는 단계;
(f) 다공질 세퍼레이터로 상기 제1 전극을 둘러싸거나 케이싱하여 세퍼레이터 보호된 제1 전극을 형성하는 단계;
(g) 제2 전극 활물질 및 제2 전해질의 제2 혼합물을 제2 전기 전도성 다공질 막대의 세공 내로 함침시켜 제2 전극을 형성하는 단계;
(h) 상기 세퍼레이터 보호된 제1 전극과 상기 제2 전극을 트위스트 또는 나선형 방식으로 조합하거나 꼬아서 브레이드 또는 얀을 형성하는 단계; 및
(i) 보호 케이싱 또는 외피로 상기 브레이드 또는 얀을 감싸거나 케이싱하여 상기 수퍼커패시터를 형성하는 단계;
를 포함하고,
상기 제1 활물질 및/또는 상기 제2 활물질은 다수의 입자의 탄소 물질 및/또는 다수의 그래핀 시트를 함유하고, 여기서 상기 다수의 그래핀 시트는 단일층 그래핀 또는 각각 1 내지 10개의 그래핀 면을 갖는 소수 층의 그래핀을 함유하고, 상기 다수의 입자의 탄소 물질 또는 그래핀 시트는 건조 상태에서 측정시 500 m2/g 이상의 비표면적을 갖는 제조 방법.
A method of making a rope type supercapacitor having a length to diameter or length to thickness aspect ratio of greater than 10;
The method is
(e) a first electrode comprising a first electrically conductive rod and a first mixture of first electrode active material and a first electrolyte, wherein the first mixture is deposited on or in the first electrically conductive rod Providing an electrode;
(f) surrounding or casing the first electrode with a porous separator to form a separator-protected first electrode;
(g) impregnating a second mixture of the second electrode active material and the second electrolyte into the pores of the second electrically conductive porous rod to form a second electrode;
(h) combining or twisting the separator protected first electrode and the second electrode in a twisted or helical manner to form a braid or yarn; And
(i) wrapping or casing the braid or yarn with a protective casing or sheath to form the supercapacitor;
Including,
The first active material and / or the second active material contain a plurality of particles of carbon material and / or a plurality of graphene sheets, wherein the plurality of graphene sheets are single layer graphene or 1 to 10 graphene each, respectively. And a hydrophobic layer of graphene having a surface, wherein the carbon material or graphene sheet of the plurality of particles has a specific surface area of at least 500 m 2 / g as measured in the dry state.
제37항에 있어서, 다공질 세퍼레이터로 상기 제2 전극을 감싸거나 케이싱하여 세퍼레이터 보호된 제2 전극을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.38. The method of claim 37, further comprising wrapping or casing the second electrode with a porous separator to form a separator protected second electrode. 제32항에 있어서, 상기 로프형 전지는 제1 말단 및 제2 말단을 갖고, 상기 방법은 제1 단자 커넥터를 상기 제1 전극에 접속하는 단계를 추가로 포함하고, 여기서 상기 제1 단자 커넥터는 상기 제1 전극 내에 매립되거나 이에 접속되거나 또는 이와 일체형인 적어도 하나의 금속 와이어, 전도성 탄소/흑연 섬유, 또는 전도성 중합체 섬유를 포함하는 방법.33. The method of claim 32, wherein the rope-type battery has a first end and a second end, and the method further comprises connecting a first terminal connector to the first electrode, wherein the first terminal connector is At least one metal wire, conductive carbon / graphite fibers, or conductive polymer fibers embedded in, connected to or integral with the first electrode. 제39항에 있어서, 상기 적어도 하나의 금속 와이어, 전도성 탄소/흑연 섬유, 또는 전도성 중합체 섬유는 대략 상기 제1 말단에서 상기 제2 말단까지 이어지는 방법.40. The method of claim 39, wherein the at least one metal wire, conductive carbon / graphite fiber, or conductive polymer fiber runs approximately from the first end to the second end. 제32항에 있어서, 상기 제1 또는 제2 전기 전도성 다공질 막대는 금속 발포체, 금속 웹, 금속 섬유 매트, 금속 나노와이어 매트, 전도성 중합체 섬유 매트, 전도성 중합체 발포체, 전도성 중합체 코팅된 섬유 발포체, 탄소 발포체, 흑연 발포체, 탄소 에어로겔, 탄소 제로겔, 그래핀 에어로겔, 그래핀 발포체, 그래핀 산화물 발포체, 환원된 그래핀 산화물 발포체, 탄소 섬유 발포체, 흑연 섬유 발포체, 박리 흑연 발포체 및 이들의 조합으로부터 선택되는 다공질 발포체를 함유하는 방법.33. The method of claim 32, wherein the first or second electrically conductive porous rod is a metal foam, metal web, metal fiber mat, metal nanowire mat, conductive polymer fiber mat, conductive polymer foam, conductive polymer coated fiber foam, carbon foam Porous selected from graphite foam, carbon aerogel, carbon zero gel, graphene aerogel, graphene foam, graphene oxide foam, reduced graphene oxide foam, carbon fiber foam, graphite fiber foam, exfoliated graphite foam and combinations thereof Method containing a foam. 제32항에 있어서, 상기 수퍼커패시터는 길이/두께 또는 길이/직경 종횡비가 10 초과인 로프형을 갖는 방법.33. The method of claim 32, wherein the supercapacitor has a rope shape having a length / thickness or length / diameter aspect ratio greater than 10. 제36항에 있어서, 상기 제1 또는 제2 전극은 금속 산화물, 전도성 중합체, 유기 물질, 비-그래핀 탄소 물질, 무기 물질, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 산화환원 쌍 파트너 물질을 추가로 함유하고, 여기서 상기 파트너 물질은 그래핀 또는 활성탄과 조합되어 유사전기용량을 위한 산화환원 쌍을 형성하는 방법.37. The method of claim 36, wherein the first or second electrode further comprises a redox pair partner material selected from metal oxides, conductive polymers, organic materials, non-graphene carbon materials, inorganic materials, or combinations thereof. Wherein said partner material is combined with graphene or activated carbon to form a redox pair for pseudocapacitance. 제43항에 있어서, 상기 금속 산화물은 RuO2, IrO2, NiO, MnO2, VO2, V2O5, V3O8, TiO2, Cr2O3, Co2O3, Co3O4, PbO2, Ag2O 및 이들의 조합으로부터 선택되는 방법.The method of claim 43, wherein the metal oxide is RuO 2 , IrO 2 , NiO, MnO 2 , VO 2 , V 2 O 5 , V 3 O 8 , TiO 2 , Cr 2 O 3 , Co 2 O 3 , Co 3 O 4 , PbO 2 , Ag 2 O and combinations thereof. 제43항에 있어서, 상기 무기 물질은 탄화 금속, 질화 금속, 붕소화 금속, 금속 디칼코게나이드 및 이들의 조합으로부터 선택되는 방법.The method of claim 43, wherein the inorganic material is selected from metal carbides, metal nitrides, metal borides, metal dichalcogenides, and combinations thereof. 제43항에 있어서, 상기 금속 산화물 또는 무기 물질은, 나노와이어, 나노디스크, 나노리본, 또는 나노평판 형상인, 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 바나듐, 크롬, 코발트, 망간, 철, 또는 니켈의 산화물, 디칼코게나이드, 트리칼코게나이드, 황화물, 셀렌화물, 또는 텔루르화물로부터 선택되는 방법.45. The method of claim 43, wherein the metal oxide or inorganic material is niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium, vanadium, chromium, cobalt, manganese in the form of nanowires, nanodisks, nanoribbons, or nanoplates. , Iron, or nickel oxides, dichalcogenides, trichalcogenides, sulfides, selenides, or tellurides. 제43항에 있어서, 상기 무기 물질은 비스무트 셀렌화물, 비스무트 텔루르화물, 전이 금속 디칼코게나이드, 전이 금속 트리칼코게나이드, 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 코발트, 망간, 철, 니켈 또는 전이 금속의 황화물, 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 코발트, 망간, 철, 니켈 또는 전이 금속의 셀렌화물, 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 코발트, 망간, 철, 니켈 또는 전이 금속의 텔루르화물, 질화붕소, 및 이들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택되는 무기 물질의 나노디스크, 나노평판, 나노코팅 또는 나노시트로부터 선택되고; 상기 디스크, 평판, 또는 시트는 100 nm 미만의 두께를 갖는 방법.45. The method of claim 43, wherein the inorganic material is bismuth selenide, bismuth telluride, transition metal dichalcogenide, transition metal trichalcogenide, niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium, cobalt, manganese, iron Sulfides, niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium, cobalt, manganese, iron, nickel or transition metals, selenides, niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium, Selected from nanodisks, nanoplates, nanocoats or nanosheets of inorganic materials selected from the group comprising cobalt, manganese, iron, nickel or transition metals, tellurides, boron nitride, and combinations thereof; The disk, plate, or sheet has a thickness of less than 100 nm. 제32항에 있어서, 상기 제1 또는 제2 전극 활물질은 비스무트 셀렌화물, 비스무트 텔루르화물, 전이 금속 디칼코게나이드, 전이 금속 트리칼코게나이드, 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 코발트, 망간, 철, 니켈 또는 전이 금속의 황화물, 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 코발트, 망간, 철, 니켈 또는 전이 금속의 셀렌화물, 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 코발트, 망간, 철, 니켈 또는 전이 금속의 텔루르화물, 질화붕소, 및 이들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택되는 무기 물질의 나노디스크, 나노평판, 나노코팅 또는 나노시트를 함유하고, 상기 디스크, 평판, 코팅 또는 시트는 건조 상태에서 측정시 두께가 100 nm 미만이고, 비표면적이 200 m2/g 이상인 방법.33. The method of claim 32, wherein the first or second electrode active material is bismuth selenide, bismuth telluride, transition metal dichalcogenide, transition metal trichalcogenide, niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium, Sulfides of cobalt, manganese, iron, nickel or transition metals, niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium, cobalt, manganese, iron, nickel or transition metals selenide, niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum Contains nanodisks, nanoplates, nanocoats or nanosheets of inorganic materials selected from the group comprising, tungsten, titanium, cobalt, manganese, iron, nickel or transition metals, tellurides, boron nitride, and combinations thereof The disk, plate, coating or sheet has a thickness of less than 100 nm and a specific surface area of at least 200 m 2 / g as measured in the dry state. 제32항에 있어서, 상기 제1 또는 제2 전기 전도성 다공질 막대는 70 부피% 내지 99 부피%의 세공을 갖는 방법.33. The method of claim 32, wherein the first or second electrically conductive porous rod has 70% to 99% by volume pores. 제32항에 있어서, 상기 단계 (a)는 (i) 상호 연결된 전자 전도 경로를 포함하고 적어도 하나의 다공질 표면을 갖는 상기 전기 전도성 다공질 막대를 제1 전극 활물질 함침 구역에 연속적으로 공급하는 단계; 및 (ii) 상기 적어도 하나의 다공질 표면으로부터 상기 전기 전도성 다공질 막대 내로 상기 제1 혼합물을 함침시켜 상기 제1 전극을 형성하는 단계를 포함하는 방법.33. The method of claim 32, wherein step (a) comprises the steps of: (i) continuously feeding the electrically conductive porous rod to the first electrode active material impregnation zone comprising an interconnected electron conductive path and having at least one porous surface; And (ii) impregnating the first mixture from the at least one porous surface into the electrically conductive porous rod to form the first electrode. 제50항에 있어서, 상기 단계 (a)는 분무, 인쇄, 코팅, 캐스팅, 컨베이어 필름 전달, 및/또는 롤러 표면 전달을 통해 상기 적어도 하나의 다공질 표면에 상기 제1 혼합물을 연속적으로 또는 요구에 따라 간헐적으로 전달하는 단계를 포함하는 방법.51. The method of claim 50, wherein step (a) continuously or as desired provides the first mixture to the at least one porous surface through spraying, printing, coating, casting, conveyor film transfer, and / or roller surface transfer. Intermittently delivering. 제32항에 있어서, 상기 단계 (c)는 (i) 상호 연결된 전자 전도 경로를 포함하고 적어도 하나의 다공질 표면을 갖는 상기 전기 전도성 다공질 막대를 상기 제2 전극 활물질의 함침 구역에 연속적으로 공급하는 단계; 및 (ii) 상기 적어도 하나의 다공질 표면으로부터 상기 전기 전도성 다공질 막대 내로 상기 제2 혼합물을 함침시켜 상기 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 방법.33. The method of claim 32, wherein step (c) comprises: (i) continuously supplying the electrically conductive porous rod to the impregnation zone of the second electrode active material comprising an interconnected electron conducting path and having at least one porous surface ; And (ii) impregnating the second mixture from the at least one porous surface into the electrically conductive porous rod to form the second electrode. 제52항에 있어서, 상기 단계 (c)는 분무, 인쇄, 코팅, 캐스팅, 컨베이어 필름 전달, 및/또는 롤러 표면 전달을 통해 상기 적어도 하나의 다공질 표면에 상기 제2 혼합물을 연속적으로 또는 요구에 따라 간헐적으로 전달하는 단계를 포함하는 방법.53. The method of claim 52, wherein step (c) comprises continuously or as desired the second mixture on the at least one porous surface through spraying, printing, coating, casting, conveyor film transfer, and / or roller surface transfer. Intermittently delivering. 제32항에 있어서, 상기 단계 (b)는 상기 제1 전극을 다공질 세퍼레이터 밴드로 코일 또는 나선형 방식으로 둘러싸 상기 다공질 세퍼레이터-보호 제1 전극을 형성하는 단계를 포함하는 방법.33. The method of claim 32, wherein step (b) comprises forming the porous separator-protected first electrode in a coiled or helical fashion with the porous separator band surrounding the first electrode. 제32항에 있어서, 상기 단계 (b)는 전기 절연 물질을 분무하여 상기 제1 전극을 감싸 상기 제1 전극을 덮는 다공질 쉘 구조를 형성하여 상기 다공질 세퍼레이터-보호 구조를 형성하는 단계를 포함하는 방법.33. The method of claim 32, wherein step (b) comprises spraying an electrically insulating material to form a porous shell structure surrounding the first electrode to cover the first electrode to form the porous separator-protecting structure. .
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