KR101342941B1 - Menufacture of high specific surface area and heteroatom-activated carbons - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폴리(비닐리덴 플루오라이드)와 멜라민 수지의 혼합물을 전구체로 이용한 탄소체의 제조방법에 관한 것으로서, 단일 탄화공정만으로 간단하게 이종원자 함량이 조절된 고용량 커패시터 전극용 탄소체의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 화학적 활성화 공정이 필요 없는 단일공정을 통한 고비표면적의 활성탄소를 제조할 수 있고, 관능기를 갖는 두 가지의 고분자 전구체 혼합물(폴리(비닐리덴 플루오라이드)/멜라민)을 이용하여 활성탄소 표면에 이종원자를 함유하는 활성탄소를 제조하는 방법 및 이를 이용하여 전기화학적 특성이 향상된 슈퍼커패시터용 전극을 제조할 수 있는 효과가 있다. The present invention relates to a method for producing a carbon body using a mixture of poly (vinylidene fluoride) and melamine resin as a precursor, and to a method for producing a carbon body for a high capacity capacitor electrode in which heteroatomic content is simply controlled by a single carbonization process. To provide.
According to the present invention as described above, it is possible to produce a high specific surface area of the activated carbon through a single process that does not require a chemical activation process, and a mixture of two polymer precursors having a functional group (poly (vinylidene fluoride) / melamine) By using the method for producing activated carbon containing heteroatoms on the surface of the activated carbon, and using the same, there is an effect of producing an electrode for a supercapacitor having improved electrochemical properties.
Description
본 발명은 고용량 커패시터를 위한 탄소전극 소재의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 미세기공을 통해 높은 비표면적을 갖는 탄소체를 위한 전구체로 폴리(비닐리덴 플루오라이드)와 이종원자의 도입을 위한 전구체로 멜라민 수지의 혼합물을 이용하여 이종원자를 함유한 탄소체의 제조방법에 관한 것이며, 고용량의 에너지저장용 탄소체를 위해 폴리(비닐리덴 플루오라이드)/멜라민 혼합물의 함량을 변화시켜 단일 탄화공정만으로 간단하게 이종원자 함량이 조절된 고용량 커패시터 전극용 탄소체의 제조에 관한 것이다. 또한 기존의 고비표면적 활성탄소의 제조를 위하여 추가적인 활성화제를 이용한 활성화 단계가 필요 없는 단일 탄화공정을 통하여 매우 높은 비표면적과 이종원자를 갖는 탄소체의 제조방법에 관한 것이다. 최종적으로 고비표면적과 이종원자를 갖는 탄소체를 이용하여 우수한 에너지저장 용량을 갖는 탄소전극의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing a carbon electrode material for a high capacity capacitor, more specifically, a precursor for the introduction of poly (vinylidene fluoride) and heteroatoms as precursors for carbon bodies having a high specific surface area through micropores. The present invention relates to a method for producing carbon atoms containing heteroatoms using a mixture of low melamine resins, and to simplifying a single carbonization process by changing the content of poly (vinylidene fluoride) / melamine mixture for high capacity energy storage carbon bodies. It relates to the production of a carbon body for a high capacity capacitor electrode is heteroatomic content is controlled. In addition, the present invention relates to a method for producing a carbon body having a very high specific surface area and heteroatoms through a single carbonization process that does not require an activation step using an additional activator for the production of the existing high specific surface area activated carbon. Finally, the present invention relates to a method for producing a carbon electrode having an excellent energy storage capacity using a carbon body having a high specific surface area and heteroatoms.
슈퍼커패시터는 기존의 콘덴서와 비교하여 축전용량이 대단히 큰 커패시터로 울트라 캐패시터(Ultra Capacitor) 또는 초고용량 커패시터라고 불린다. 이러한 슈퍼커패시터는 전해콘덴서와 이차전지의 중간적인 특징을 갖는 에너지 저장장치로서, 급속 충방전이 가능하며 높은 효율과 반영구적인 수명, 그리고 2차전지 보다 100배 이상의 고출력으로 이차전지의 병용 및 대체할 수 있는 에너지 저장장치로 각광을 받고 있다. 이러한 특성으로 슈퍼커패시터는 소용량 전자기기부터 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 또는 연료전지자동차(Fuel Cell Vehicle, FCV) 등과 같은 대용량 제품까지 응용이 가능하여 슈퍼커패시터의 효용성은 날로 증가하고 있다. A super capacitor is a capacitor having a very large capacitance as compared with a conventional capacitor, and is called an ultra capacitor or an ultra high capacity capacitor. The supercapacitor is an energy storage device having an intermediate characteristic between an electrolytic capacitor and a secondary battery. The supercapacitor is capable of rapid charging and discharging. Energy storage devices are in the spotlight. Due to these characteristics, supercapacitors can be applied from small-capacity electronic devices to large-capacity products such as electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and fuel cell vehicles (FCVs). The utility of capacitors is increasing day by day.
슈퍼캐패시터는 전해콘덴서와 리튬이차전지와 비교하여 1980년대부터 상용화되어 개발의 역사는 비교적 짧지만 전극소재로써 기존의 활성탄을 포함한 금속산화물, 전도성고분자 등의 신규 전극재료와 비대칭 전극을 사용하는 하이브리드형 제품의 개발로 그 발전 속도는 매우 빠르다. 또한, 최근에는 에너지밀도가 Ni-MH 배터리를 넘어서는 제품도 개발되어 높은 파워밀도와 함께 기존의 슈퍼커패시터의 단점으로 알려진 낮은 에너지 밀도역시 크게 향상되어 2차전지의 대체 에너지 시스템으로써 크게 각광받고 있다.The super capacitor is commercialized since the 1980s compared to electrolytic capacitors and lithium secondary batteries, and its development history is comparatively short. However, as a electrode material, a novel electrode material such as metal oxide including conductive carbon, conductive polymer, etc. and a hybrid type using asymmetric electrode The development speed of the product is very fast. In recent years, a product having an energy density exceeding that of a Ni-MH battery has also been developed, and a high power density and a low energy density, which is known as a disadvantage of a conventional supercapacitor, are greatly improved.
그러나 여전히 슈퍼커패시터의 낮은 에너지 밀도로 인하여 다양한 분야에 적용이 제한적인 실정이다. 따라서 기존의 탄소소재 (이론 용량: 372 Fg??1)의 에너지 저장량의 향상을 위하여 표면개질과 전이 금속 및 전도성 고분자화 함께 사용을 하는 하이브리드 시스템에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 이러한 다양한 개질방법 중 전이 금속과 전도성 고분자의 사용은 상대적으로 높은 비용이 소요되어 표면개질을 통한 에너지 밀도 향상에 대한 많은 연구가 진행 중이며, 특히 질소원자와 같은 이종원자를 탄소 표면에 도입하여 탄소소재의 기본 특성인 전기 이중층 커패시턴스와 함께 슈도커패시턴스를 도입하고자 하는 많은 연구가 보고된 바 있다.However, due to the low energy density of supercapacitors, application to various fields is still limited. Therefore, research is being actively conducted on hybrid systems using surface modification, transition metals, and conductive polymerization to improve energy storage of existing carbon materials (theoretical capacity: 372 Fg ?? 1 ). Among these various reforming methods, the use of transition metals and conductive polymers is relatively expensive, and many studies are underway to improve energy density through surface modification. In particular, heteroatoms such as nitrogen atoms may be introduced to the carbon surface to improve carbon materials. Many studies have been reported to introduce the pseudocapacitance with the basic characteristics of electric double layer capacitance.
하지만 탄소소재의 표면개질 역시 표면 활성화와 같은 2차적인 공정이 필요하고 표면처리 공정시 고가의 장비 사용 또는 화학 시약의 사용으로 인하여 환경오염에 대한 문제로 추가적인 정화 공정이 필요한 단점을 갖는다. 이에 본 발명자들은 전술한 탄소소재의 표면처리에 대한 단점을 보완하고자 두 가지 고분자 전구체의 혼합물을 이용하여 1차 탄화공정만을 통하여 고비표면적과 이종원자가 함유된 탄소소재의 제조시 우수한 에너지 저장용량과 충ㆍ방전 싸이클 특성을 나타내는 것을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.However, the surface modification of the carbon material also requires a secondary process such as surface activation, and due to the problem of environmental pollution due to the use of expensive equipment or chemical reagents in the surface treatment process has an additional purification process. Accordingly, the present inventors have excellent energy storage capacity and filling capacity when manufacturing a carbon material containing a high specific surface area and heteroatoms only through the first carbonization process using a mixture of two polymer precursors to compensate for the above disadvantages of the surface treatment of the carbon material. The inventors have found that they exhibit discharge cycle characteristics and have completed the present invention.
한편, 활성탄소 및 캐퍼시터용 전극의 제조방에 관한 선행기술로서 한국 등록특허 제10-0517021호(정전 방사에 의한 카본나노파이버의 제조와 이의 전기이중층 캐퍼시터용 전극 제조), 한국 등록특허 제10-0650618호(캐패시터 전극용 고 비표면적을 갖는 활성탄 제조방법) 등이 있다.
Meanwhile, Korean Patent No. 10-0517021 (Preparation of Carbon Nanofibers by Electrostatic Radiation and Electrode of Electrode for Double Layer Capacitors) as a prior art relating to the preparation of electrodes for activated carbon and capacitor, Korean Patent No. 10- 0650618 (a method for producing activated carbon having a high specific surface area for capacitor electrodes).
본 발명의 목적은, 미세기공을 통해 높은 비표면적을 갖는 탄소체를 위한 전구체로 폴리(비닐리덴 플루오라이드)와 이종원자의 도입을 위한 전구체로 멜라민 수지의 혼합물을 이용하여 이종원자를 함유한 탄소체의 제조방법을 제공함으로써, 이를 이용하여 전기화학적 특성과 싸이클 특성이 우수한 슈퍼커패시티용 탄소전극의 제조방법을 제공함에 있다.
An object of the present invention is to provide heteroatoms containing heteroatoms using a mixture of poly (vinylidene fluoride) and melamine resin as precursors for the introduction of heteroatoms as precursors for carbon atoms having a high specific surface area through micropores. The present invention provides a method for manufacturing a supercapacitive carbon electrode having excellent electrochemical and cycle characteristics using the method.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (1) 폴리(비닐리덴 플루오라이드)(poly(vinylidenefluoride))와 멜라민을 N-메틸피롤리돈(N-methyl pyrrolidone)에 용해시키고 교반한 후, 몰드에 넣고 건조하여 활성탄소 전구체를 제조하는 단계;와 (2) 상기 (1)단계에 의해 건조된 활성탄소 전구체를 튜브형 전기 노를 이용하여 탄화시키는 단계; 및 (3) 상기 (2)단계에 의해 탄화된 활성탄소를 몰타르를 이용하여 미세 분쇄하는 단계;를 포함하는 단일공정에 의해 고비표면적과 이종원자를 포함하는 활성탄소의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention (1) poly (vinylidene fluoride) and melamine is dissolved in N-methyl pyrrolidone (N-methyl pyrrolidone) and stirred, and then Putting and drying to prepare an activated carbon precursor; and (2) carbonizing the activated carbon precursor dried by the step (1) using a tubular electric furnace; It provides a method for producing activated carbon comprising a high specific surface area and heteroatoms in a single process comprising a; and (3) fine grinding the activated carbon carbonized in the step (2) using a mortar.
상기 (1)단계에서 폴리(비닐리덴 플루오라이드)(poly(vinylidenefluoride)) 100중량부에 대하여 멜라민을 25 내지 200중량부로 혼합하는 것을 특징으로 한다.Melamine is mixed in an amount of 25 to 200 parts by weight based on 100 parts by weight of poly (vinylidenefluoride) in the step (1).
상기 (1)단계에서 폴리(비닐리덴 플루오라이드)(poly(vinylidenefluoride))와 멜라민을 N-메틸피롤리돈(N-methyl pyrrolidone)에 용해시키고 상온에서 12 내지 24시간 동안 교반하고, 몰드에 넣고 80 내지 120℃에서 건조하는 것을 특징으로 한다.In step (1), poly (vinylidene fluoride) and melamine are dissolved in N-methylpyrrolidone and stirred at room temperature for 12 to 24 hours, and placed in a mold. It is characterized by drying at 80 to 120 ℃.
상기 (2)단계에서 건조된 활성탄소 전구체를 튜브형 전기 노를 이용하여 800 내지 900℃에서 90분 내지 150분 동안 탄화시키는 것을 특징으로 한다. 단, 승온 속도는 10℃/min로 한다.The activated carbon precursor dried in the step (2) is characterized in that carbonized for 90 minutes to 150 minutes at 800 to 900 ℃ using a tubular electric furnace. However, a temperature increase rate shall be 10 degree-C / min.
또한, 본 발명은 (1) 상기 단일공정에 의해 고비표면적과 이종원자를 포함하는 활성탄소의 제조방법에 의해 제조된 활성탄소, 카본블랙 및 폴리(비닐리덴 플루오라이드)를 혼합하는 단계;와 (2) 상기 (1)단계에 의해 혼합된 혼합물을 N-메틸피롤리돈을 이용하여 슬러리화 시키는 단계;와 (3) 상기 (2)단계에 의해 제조된 혼합물 슬러리를 필름 캐스팅 방법을 이용하여 서스메쉬에 도포하는 단계; 및 (4) 상기 (3)단계에 의해 제조된 전극를 건조하는 단계;를 포함하는 슈터커패시터 전극의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of (1) mixing the activated carbon, carbon black and poly (vinylidene fluoride) prepared by the method for producing an activated carbon containing a high specific surface area and heteroatoms by the single process; and (2) Slurrying the mixture mixed by the step (1) using N-methylpyrrolidone; and (3) mixing the mixture slurry prepared by the step (2) on the susmesh using a film casting method. Applying; And (4) drying the electrode prepared by the step (3).
상기 (1)단계에서 사용되는 활성탄소, 카본블랙 및 폴리(비닐리덴 플루오라이드)는 각각 60 내지 80중량%, 10 내지 30중량% 및 5 내지 15중량%로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
Activated carbon, carbon black and poly (vinylidene fluoride) used in the step (1) is characterized in that consisting of 60 to 80% by weight, 10 to 30% by weight and 5 to 15% by weight, respectively.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 폴리(비닐리덴 플루오라이드)를 전구체로 이용하여 기존의 활성탄소와 달리 화학적 활성화 공정이 필요 없는 단일공정을 통한 고비표면적의 활성탄소를 제조할 수 있고, 관능기를 갖는 두 가지의 고분자 전구체 혼합물(폴리(비닐리덴 플루오라이드)/멜라민)을 이용하여 활성탄소 표면에 이종원자를 함유하는 활성탄소를 제조하는 방법을 제공함으로써, 이를 이용하여 전기화학적 특성이 향상된 슈퍼커패시터용 전극을 제조할 수 있는 효과가 있다.
According to the present invention as described above, using a poly (vinylidene fluoride) as a precursor, unlike the existing activated carbon, it is possible to produce a high specific surface area of activated carbon through a single process, which does not require a chemical activation process, having a functional group Using a mixture of two polymer precursors (poly (vinylidene fluoride) / melamine) to provide a method for producing activated carbon containing heteroatoms on the surface of the activated carbon, by using this electrode for supercapacitors with improved electrochemical properties There is an effect that can be prepared.
도 1 은 이종원자를 포함한 미세기공 탄소체의 TEM 이미지.
도 2 는 이종원자를 포함한 미세기공 탄소체의 표면분석 결과를 나타낸 그래프.
도 3 은 이종원자를 포함한 미세기공 탄소체의 기공 특성을 나타낸 그래프.
도 4 는 이종원자를 포함한 미세기공 탄소체로부터 제조된 전극의 충방전 그래프.
도 5 는 이종원자를 포함한 미세기공 탄소체로부터 제조된 전극의 에너지 저장량을 나타낸 그래프.
도 6 은 이종원자를 포함한 미세기공 탄소체로부터 제조된 전극의 싸이클 특성을 나타낸 그래프.1 is a TEM image of a microporous carbon body including heteroatoms.
2 is a graph showing the results of surface analysis of microporous carbon bodies including heteroatoms.
3 is a graph showing the pore characteristics of the microporous carbon body including heteroatoms.
4 is a charge and discharge graph of an electrode prepared from microporous carbon bodies including heteroatoms.
5 is a graph showing an energy storage amount of an electrode prepared from microporous carbon bodies including heteroatoms.
6 is a graph showing the cycle characteristics of the electrode prepared from the microporous carbon body including heteroatoms.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본원발명은 활성탄소의 전구체로서 폴리(비닐리덴 플루오라이드)와 멜라민 혼합물을 이용하여 활성탄소 제조시 단일 탄화공정으로 높은 비표면적을 갖으며 이종원자의 함량을 쉽게 조절할 수 있는 방법을 제공한다. 활성탄소의 미세기공은 전구체로 사용된 폴리(비닐리덴 플루오라이드)에 의존하며, 이종원자의 함량은 또 다른 전구체로 사용되는 멜라민의 함량에 의존한다. 두 전구체의 혼합물을 탄화공정을 거쳐 탄소화시킬 경우 기존 활성탄소와 달리 추가적인 화학적 활성화 공정 없이 고비표면적을 갖는 활성탄소를 제조할 수 있다. 또한, 이렇게 제조된 활성탄소를 이용하여 슈퍼커패시터용 전극을 제조하여 전극의 전기화학적 특성을 측정할 수 있다.The present invention provides a method of easily controlling the content of heteroatoms having a high specific surface area in a single carbonization process in the production of activated carbon using a poly (vinylidene fluoride) and melamine mixture as a precursor of activated carbon. The micropores of activated carbon depend on the poly (vinylidene fluoride) used as precursor, and the content of heteroatoms depends on the content of melamine used as another precursor. When carbonizing a mixture of two precursors through carbonization, activated carbon having a high specific surface area can be produced without additional chemical activation, unlike conventional activated carbon. In addition, an electrode for a supercapacitor may be manufactured using the activated carbon, and the electrochemical characteristics of the electrode may be measured.
본원발명 단일공정에 의해 고비표면적과 이종원자를 포함하는 활성탄소의 제조방법은 (1) 폴리(비닐리덴 플루오라이드)(poly(vinylidenefluoride))와 멜라민을 N-메틸피롤리돈(N-methyl pyrrolidone)에 용해시키고 교반한 후, 몰드에 넣고 건조하여 활성탄소 전구체를 제조하는 단계;와 (2) 상기 (1)단계에 의해 건조된 활성탄소 전구체를 튜브형 전기 노를 이용하여 탄화시키는 단계; 및 (3) 상기 (2)단계에 의해 탄화된 활성탄소를 몰타르를 이용하여 미세 분쇄하는 단계;로 구성될 수 있다.According to the present invention, a method for preparing activated carbon containing a high specific surface area and heteroatoms by (1) poly (vinylidene fluoride) and melamine to N-methyl pyrrolidone Dissolving and stirring, putting in a mold and drying to prepare an activated carbon precursor; and (2) carbonizing the activated carbon precursor dried by the step (1) using a tubular electric furnace; And (3) fine grinding the activated carbon carbonized by the step (2) using mortar.
상기 (1)단계에서 폴리(비닐리덴 플루오라이드)(poly(vinylidenefluoride)) 100중량부에 대하여 멜라민을 25 내지 200중량부로 혼합할 수 있다.Melamine may be mixed in an amount of 25 to 200 parts by weight based on 100 parts by weight of poly (vinylidenefluoride) in step (1).
상기 (1)단계에서 폴리(비닐리덴 플루오라이드)(poly(vinylidenefluoride))와 멜라민을 N-메틸피롤리돈(N-methyl pyrrolidone)에 용해시키고 상온에서 12 내지 24시간 동안 교반하고, 몰드에 넣고 80 내지 120℃에서 건조할 수 있다. 한편, 용매로 사용되는 N-메틸피롤리돈(N-methyl pyrrolidone)은 끊는점(boiling point)이 매우 높은 용매로서 건조온도가 80℃ 미만일 경우에 건조 후에도 용매가 완전히 건조되지 않고 고분자 필름 사이에 남아 전기 노를 이용한 탄화시 균일한 탄소샘플을 만들 수 없는 문제가 있으며, 건조온도가 120℃를 초과하는 경우에도 탄화시 균일한 탄소샘플을 만들 수 없는 문제가 있습니다. In step (1), poly (vinylidene fluoride) and melamine are dissolved in N-methylpyrrolidone and stirred at room temperature for 12 to 24 hours, and placed in a mold. May be dried at 80 to 120 ° C. Meanwhile, N-methyl pyrrolidone, which is used as a solvent, is a solvent having a very high boiling point. When the drying temperature is less than 80 ° C., the solvent is not completely dried even after drying, There is a problem that uniform carbon samples cannot be made when carbonizing using electric furnaces, and even when the drying temperature exceeds 120 ℃, there is a problem that no uniform carbon samples can be produced when carbonizing.
상기 (2)단계에서 건조된 활성탄소 전구체를 튜브형 전기 노를 이용하여 800 내지 900℃에서 90분 내지 150분 동안 승온 속도는 10℃/min로 하여 탄화시킬 수 있다. 다만, 850℃에서 120분 동안 승온 속도를 10℃/min로 하여 탄화시키는 것이 바람직하다.The activated carbon precursor dried in the step (2) may be carbonized at a temperature increase rate of 10 ° C./min for 90 minutes to 150 minutes at 800 to 900 ° C. using a tubular electric furnace. However, it is preferable to carbonize at a temperature rising rate of 10 ° C./min at 850 ° C. for 120 minutes.
또한, 본원발명은 (1) 상기 단일공정에 의해 고비표면적과 이종원자를 포함하는 활성탄소의 제조방법에 의해 제조된 활성탄소, 카본블랙 및 폴리(비닐리덴 플루오라이드)를 혼합하는 단계;와 (2) 상기 (1)단계에 의해 혼합된 혼합물을 N-메틸피롤리돈을 이용하여 슬러리화 시키는 단계;와 (3) 상기 (2)단계에 의해 제조된 혼합물 슬러리를 필름 캐스팅 방법을 이용하여 서스메쉬에 도포하는 단계; 및 (4) 상기 (3)단계에 의해 제조된 전극를 건조하는 단계;를 포함하는 슈터커패시터 전극의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of (1) mixing the activated carbon, carbon black and poly (vinylidene fluoride) prepared by the method for producing activated carbon comprising a high specific surface area and heteroatoms by the single process; and (2) Slurrying the mixture mixed by the step (1) using N-methylpyrrolidone; and (3) mixing the mixture slurry prepared by the step (2) on the susmesh using a film casting method. Applying; And (4) drying the electrode prepared by the step (3).
상기 (1)단계에서 사용되는 활성탄소, 카본블랙 및 폴리(비닐리덴 플루오라이드)는 각각 60 내지 80중량%, 10 내지 30중량% 및 5 내지 15중량%로 이루어질 수 있다. 바람직하게는 활성탄소 70중량%, 카본블랙 20중량%, 및 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 10중량%로 구성될 수 있다.
Activated carbon, carbon black and poly (vinylidene fluoride) used in step (1) may be composed of 60 to 80% by weight, 10 to 30% by weight and 5 to 15% by weight, respectively. Preferably 70% by weight activated carbon, 20% by weight carbon black, and 10% by weight poly (vinylidene fluoride).
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are merely illustrative of the present invention and that the scope of the present invention is not construed as being limited by these embodiments.
(1) 활성탄소 전구체 혼합물의 제조(1) Preparation of Activated Carbon Precursor Mixtures
본 발명에서 사용된 활성탄소의 전구체 혼합물은 고상 혼합 또는 액상 혼합이 모두 가능하며, 바람직하게는 균일한 혼합을 위하여 액상 혼합을 사용한다. 전구체로서 폴리(비닐리덴 플루오라이드)와 멜라민은 용매로서 N-메틸피롤리돈에 용해시키고 상온에서 12시간 내지 24 시간 교반한 후 균일한 혼합물은 몰드에 넣고 80 내지 120℃에서 건조하여 활성탄소를 위한 전구체로 사용하였다.
The precursor mixture of activated carbon used in the present invention can be either a solid phase mixing or a liquid phase mixing, and preferably liquid phase mixing is used for uniform mixing. Poly (vinylidene fluoride) and melamine as precursors were dissolved in N-methylpyrrolidone as a solvent and stirred at room temperature for 12 to 24 hours, and then the homogeneous mixture was put in a mold and dried at 80 to 120 ° C to obtain activated carbon. Used as precursor for.
(2) 단일 탄화공정을 통한 고비표면적과 이종원자를 갖는 활성탄소의 제조(2) Preparation of activated carbon with high specific surface area and heteroatoms through single carbonization process
건조된 고분자 전구체는 튜브형 전기 노를 이용한 탄화공정을 통해 활성 탄소를 제조하였다. 고분자 전구체는 튜브형 전기 노의 중심 부분에 넣고 질소분위기하에서 850℃에서 2시간동안 탄화시켜 제조하였고, 승온 속도는 10℃/min으로 고정하였다. 탄화 후 제조된 활성탄소는 몰타르를 이용하여 미세분쇄 하였다. 이러한 방법으로 제조된 활성탄소의 비표면적과 이종원자의 함량은 폴리(비닐리덴 플루오라이드)와 멜라민의 함량비로 조절이 가능하다. 또한, 고비표면적의 활성탄소를 위하여 폴리(비닐리덴 플루오라이드)의 함량이 높아야하며, 멜라민의 함량 증가와 함께 이종 원자의 함량은 증가된다.
The dried polymer precursor was prepared by the carbonization process using a tubular electric furnace. The polymer precursor was placed in the center of the tubular electric furnace and carbonized under nitrogen atmosphere at 850 ° C. for 2 hours, and the temperature increase rate was fixed at 10 ° C./min. The activated carbon prepared after carbonization was finely ground using mortar. The specific surface area and the hetero atom content of the activated carbon prepared in this way can be controlled by the content ratio of poly (vinylidene fluoride) and melamine. In addition, the content of poly (vinylidene fluoride) must be high for high specific surface area activated carbon, and the content of heteroatoms increases with increasing melamine content.
(3) 고비표면적과 이종원자를 갖는 활성탄소를 이용한 슈퍼커패시티 전극의 제조(3) Fabrication of supercapacitive electrodes using activated carbon with high specific surface area and heteroatoms
슈퍼커패시터의 전극 제조를 위하여 고비표면적과 이종원자를 갖는 활성탄소, 카본블랙, 그리고 폴리(비닐리덴 플루오라이드)는 70중량%, 20중량%, 및 10중량%와 용매로서 N-메틸피롤리돈을 혼합하여 필름 캐스팅 방법을 이용하여 집전체로 사용된 서스 메쉬에 도포하여 제조하였다. 제조된 음극은 110℃에서 하루동안 건조하여 N-메틸피롤리돈을 완전히 제거 후 사용하였다.
Activated carbon, carbon black, and poly (vinylidene fluoride) having a high specific surface area and heteroatoms for the production of electrodes of supercapacitors contain 70% by weight, 20% by weight, and 10% by weight of N-methylpyrrolidone as a solvent. It was prepared by mixing and applying to the sus mesh used as the current collector using a film casting method. The prepared negative electrode was dried at 110 ° C. for one day to completely remove N-methylpyrrolidone and used.
실시예 1.Example 1.
폴리(비닐리덴 플루오라이드)/멜라민 혼합물의 무게비를 1:0.25로 하여 용매로서 N-메틸피롤리돈에 용해시키고 상온에서 12시간 내지 24 시간 교반한 후 균일한 혼합물은 몰드에 넣고 80 내지 120℃에서 건조하여 활성탄소를 위한 전구체로 사용하였으며, 상기 건조된 전구체를 튜브형 전기 노를 이용하여 탄화공정을 통해 활성탄소를 제조하였다. 전구체를 튜브형 전기 노의 중심 부분에 넣고 질소분위기하에서 850℃에서 2시간동안 탄화시켜 제조하였고, 승온 속도는 10℃/min으로 고정하였다. 탄화 후 제조된 활성탄소는 몰타르를 이용하여 미세 분쇄 하였다. The poly (vinylidene fluoride) / melamine mixture was dissolved in N-methylpyrrolidone as a solvent with a weight ratio of 1: 0.25, and stirred at room temperature for 12 to 24 hours, and then the uniform mixture was put into a mold at 80 to 120 ° C. The dried precursor was used as a precursor for activated carbon, and the dried precursor was used to prepare activated carbon through a carbonization process using a tubular electric furnace. The precursor was placed in the center of the tubular electric furnace and carbonized under nitrogen atmosphere at 850 ° C. for 2 hours, and the temperature increase rate was fixed at 10 ° C./min. Activated carbon produced after carbonization was finely pulverized using mortar.
슈퍼커패시터의 음극 제조를 위하여 상기에서 제조한 활성탄소, 카본블랙, 그리고 폴리(비닐리덴 플루오라이드)는 70중량%, 20중량% 및 10중량%와 용매로서 N-메틸피롤리돈을 함께 혼합하여 필름 캐스팅 방법을 이용하여 집전체로 사용된 서스 메쉬에 도포하여 제조하였다. 제조된 음극은 110℃에서 하루동안 건조하여 N-메틸피롤리돈을 완전히 제거 후 사용하였다.
Activated carbon, carbon black, and poly (vinylidene fluoride) prepared above for preparing the negative electrode of the supercapacitor were mixed with 70% by weight, 20% by weight, and 10% by weight of N-methylpyrrolidone as a solvent. It was prepared by applying to the sus mesh used as the current collector using the film casting method. The prepared negative electrode was dried at 110 ° C. for one day to completely remove N-methylpyrrolidone and used.
실시예 2.Example 2.
폴리(비닐리덴 플루오라이드)/멜라민 혼합물의 무게비를 1:0.5로 하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고비표면적ㆍ이종원자를 포함하는 활성탄소를 제조하고 이를 이용하여 슈퍼커패시터용 전극을 제조하였다.
Activated carbon containing a high specific surface area and heteroatoms was prepared in the same manner as in Example 1 with the weight ratio of the poly (vinylidene fluoride) / melamine mixture being 1: 0.5, and a supercapacitor electrode was prepared using the same.
실시예 3.Example 3.
폴리(비닐리덴 플루오라이드)/멜라민 혼합물의 무게비를 1:1로 하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고비표면적ㆍ이종원자를 포함하는 활성탄소를 제조하고 이를 이용하여 슈퍼커패시터용 전극을 제조하였다.
Activated carbon containing a high specific surface area and heteroatoms was prepared in the same manner as in Example 1 with a weight ratio of poly (vinylidene fluoride) / melamine mixture 1: 1, to prepare an electrode for a supercapacitor.
실시예 4.Example 4.
폴리(비닐리덴 플루오라이드)/멜라민 혼합물의 무게비를 0.5:1로 하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고비표면적ㆍ이종원자를 포함하는 활성탄소를 제조하고 이를 이용하여 슈퍼커패시터용 전극을 제조하였다. An active carbon including a high specific surface area and heteroatoms was prepared in the same manner as in Example 1 with the weight ratio of the poly (vinylidene fluoride) / melamine mixture being 0.5: 1, to prepare an electrode for a supercapacitor.
한편, 이종원자를 포함하지 않는 고비표면적 활성탄소의 표면특성, 기공특성 및 전기화학적 특성을 알아보기 위하여 다음과 같은 비교예를 제조하였다.
On the other hand, to compare the surface characteristics, pore characteristics and electrochemical characteristics of high specific surface area activated carbon containing no hetero atoms, the following comparative examples were prepared.
비교예 1.Comparative Example 1
폴리(비닐리덴 플루오라이드)을 전구체로 하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고비표면적 활성탄소를 제조하고 이를 이용하여 슈퍼커패시터용 전극을 제조하였다.
Using poly (vinylidene fluoride) as a precursor, a high specific surface area activated carbon was prepared in the same manner as in Example 1, and an electrode for a supercapacitor was prepared using the same.
상기 실시예 1 내지 4와 비교예 1과 같이 제조된 고비표면적 활성탄소, 고비표면적ㆍ이종원자를 포함하는 활성탄소의 표면과 기공 특성, 그리고 커패시턴스 값을 표 1과 2에 각각 나타내었다.
Tables 1 and 2 show the surface, pore characteristics, and capacitance values of the high specific surface area activated carbon prepared as in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1, the active carbon including the high specific surface area and heteroatoms, respectively.
상기 표 1에서 보는바와 같이 멜라민의 함량의 증가와 함께 탄화 후 활성탄소에 함유된 질소 그룹의 함량이 증가함을 확인할 수 있었다.
As shown in Table 1, it was confirmed that the content of the nitrogen group contained in the activated carbon increases with the increase of the content of melamine.
상기 표 2에서 알 수 있듯이 멜라민의 함량 증가와 함께 활성탄소의 비표면적은 감소하였지만, 에너지 저장량은 증가하는 것을 확인하였으며, 이는 질소그룹의 도입에 따른 슈도커패시턴스의 효과에 기인하는 것으로 판단된다. 하지만 상대적으로 과량의 멜라민의 첨가시 활성탄소의 에너지 저장량은 크게 감소하는 것을 확인하였으며, 이는 활성탄소의 매우 낮은 비표면적과 기공 특성의 감소로 인한 전해질 이온의 이동성의 감소에 의한 것으로 판단된다.
As can be seen from Table 2, the specific surface area of activated carbon decreased with increasing melamine content, but the energy storage amount increased, which may be due to the effect of pseudocapacitance according to the introduction of nitrogen groups. However, it was confirmed that the energy storage amount of activated carbon is significantly decreased when the excessive amount of melamine is added, which may be due to the decrease in mobility of electrolyte ions due to the very low specific surface area and the decrease of pore characteristics of activated carbon.
또한, 상기 실시예 2. 샘플을 이용하여 전극의 싸이클 특성을 확인한 결과, 1000회의 충ㆍ방전 실험 후에도 커패시턴스의 값의 감소는 약 5.8%로 매우 낮음을 확인하였고, 이로부터 단일 공정을 통하여 높은 비표면적과 이종원자를 함유하는 활성탄소 전극의 우수한 싸이클 특성을 확인하였다.(도 1 내지 도 6 참조)
In addition, as a result of confirming the cycle characteristics of the electrode using the sample of Example 2, it was confirmed that even after 1000 charge / discharge experiments, the decrease in capacitance value was very low, about 5.8%, from which a high ratio was obtained through a single process. The excellent cycle characteristics of the activated carbon electrode containing the surface area and heteroatoms were confirmed (see FIGS. 1 to 6).
이상, 본 발명내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.
Having described specific portions of the present invention in detail, it will be apparent to those skilled in the art that this specific description is only a preferred embodiment and that the scope of the present invention is not limited thereby. It will be obvious. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.
Claims (6)
(2) 상기 (1)단계에 의해 제조된 혼합물을 N-메틸피롤리돈(N-methyl pyrrolidone)에 용해시키고 상온에서 12 내지 24시간 동안 교반한 후, 80 내지 120℃에서 건조하여 활성탄소 전구체를 제조하는 단계;
(3) 상기 (2)단계에 의해 제조된 활성탄소 전구체를 튜브형 전기 노를 이용하여 탄화시키는 단계;
(4) 상기 (3)단계에 의해 탄화된 활성탄소를 몰타르를 이용하여 미세 분쇄하는 단계;
(5) 상기 (4)단계에 의해 분쇄된 활성탄소 70중량%, 카본블랙 20중량% 및 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 10중량%를 혼합하는 단계;
(6) 상기 (5)단계에 의해 제조된 혼합물을 N-메틸피롤리돈을 이용하여 슬러리화 시키는 단계;
(7) 상기 (6)단계에 의해 제조된 혼합물 슬러리를 필름 캐스팅 방법을 이용하여 서스메쉬에 도포하는 단계; 및
(8) 상기 (7)단계에 의해 제조된 전극을 건조하는 단계;를 포함하는 슈퍼커패시터 전극의 제조방법.
(1) mixing 50 parts by weight of melamine with respect to 100 parts by weight of poly (vinylidenefluoride);
(2) The mixture prepared in step (1) was dissolved in N-methyl pyrrolidone and stirred at room temperature for 12 to 24 hours, and then dried at 80 to 120 ° C to activate an activated carbon precursor. Preparing a;
(3) carbonizing the activated carbon precursor prepared by step (2) using a tubular electric furnace;
(4) finely grinding the activated carbon carbonized in step (3) using mortar;
(5) mixing 70% by weight of activated carbon pulverized by step (4), 20% by weight of carbon black and 10% by weight of poly (vinylidene fluoride);
(6) slurrying the mixture prepared in step (5) using N-methylpyrrolidone;
(7) applying the mixture slurry prepared by step (6) to the susmesh using a film casting method; And
(8) drying the electrode produced by the step (7); manufacturing method of a supercapacitor electrode comprising a.
상기 (3)단계에서 건조된 활성탄소 전구체를 튜브형 전기 노를 이용하여 800 내지 900℃에서 90분 내지 150분 동안 탄화시키는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극의 제조방법
단, 승온 속도는 10℃/min로 한다.
The method of claim 1,
Method for producing a supercapacitor electrode, characterized in that the carbonized activated carbon precursor in step (3) using a tubular electric furnace carbonized for 90 minutes to 150 minutes at 800 to 900 ℃
However, a temperature increase rate shall be 10 degree-C / min.
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