KR102411615B1 - Flexible super capacitor and manufacturing method thereof - Google Patents
Flexible super capacitor and manufacturing method thereof Download PDFInfo
- Publication number
- KR102411615B1 KR102411615B1 KR1020200159574A KR20200159574A KR102411615B1 KR 102411615 B1 KR102411615 B1 KR 102411615B1 KR 1020200159574 A KR1020200159574 A KR 1020200159574A KR 20200159574 A KR20200159574 A KR 20200159574A KR 102411615 B1 KR102411615 B1 KR 102411615B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- carbon fiber
- fiber bundle
- ssee
- supercapacitor
- group
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 title description 4
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims abstract description 137
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims abstract description 137
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 121
- 239000011245 gel electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 35
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 22
- 239000003929 acidic solution Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 12
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 30
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 30
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 30
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 claims description 24
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 18
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 claims description 9
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 claims description 9
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 claims description 9
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 125000002915 carbonyl group Chemical group [*:2]C([*:1])=O 0.000 claims description 7
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 claims description 5
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 claims description 4
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 3
- AXCZMVOFGPJBDE-UHFFFAOYSA-L calcium dihydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[Ca+2] AXCZMVOFGPJBDE-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 3
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-N carbonic acid Chemical compound OC(O)=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- VTHJTEIRLNZDEV-UHFFFAOYSA-L magnesium dihydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[Mg+2] VTHJTEIRLNZDEV-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 3
- 239000000347 magnesium hydroxide Substances 0.000 claims description 3
- 229910001862 magnesium hydroxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-N perchloric acid Chemical compound OCl(=O)(=O)=O VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 claims 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 39
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 11
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 11
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 10
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 10
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 9
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 9
- 238000000157 electrochemical-induced impedance spectroscopy Methods 0.000 description 8
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 8
- 238000004833 X-ray photoelectron spectroscopy Methods 0.000 description 7
- 238000001994 activation Methods 0.000 description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 7
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 7
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 7
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 5
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 5
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 5
- 238000002411 thermogravimetry Methods 0.000 description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 4
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 4
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 238000012351 Integrated analysis Methods 0.000 description 2
- 229910019440 Mg(OH) Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 2
- 239000013305 flexible fiber Substances 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 description 2
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 2
- 238000013112 stability test Methods 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 239000004753 textile Substances 0.000 description 2
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 2
- 230000004580 weight loss Effects 0.000 description 2
- 238000000026 X-ray photoelectron spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 238000013473 artificial intelligence Methods 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 1
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000037427 ion transport Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000004660 morphological change Effects 0.000 description 1
- QPJSUIGXIBEQAC-UHFFFAOYSA-N n-(2,4-dichloro-5-propan-2-yloxyphenyl)acetamide Chemical compound CC(C)OC1=CC(NC(C)=O)=C(Cl)C=C1Cl QPJSUIGXIBEQAC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000002336 sorption--desorption measurement Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
- 210000000707 wrist Anatomy 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/84—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
- D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
- D01F9/00—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
- D01F9/08—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
- D01F9/12—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D02—YARNS; MECHANICAL FINISHING OF YARNS OR ROPES; WARPING OR BEAMING
- D02G—CRIMPING OR CURLING FIBRES, FILAMENTS, THREADS, OR YARNS; YARNS OR THREADS
- D02G3/00—Yarns or threads, e.g. fancy yarns; Processes or apparatus for the production thereof, not otherwise provided for
- D02G3/22—Yarns or threads characterised by constructional features, e.g. blending, filament/fibre
- D02G3/26—Yarns or threads characterised by constructional features, e.g. blending, filament/fibre with characteristics dependent on the amount or direction of twist
- D02G3/28—Doubled, plied, or cabled threads
- D02G3/286—Doubled, plied, or cabled threads with alternatively "S" and "Z" direction of twist, e.g. Self-twist process
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
- H01G11/32—Carbon-based
- H01G11/36—Nanostructures, e.g. nanofibres, nanotubes or fullerenes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/54—Electrolytes
- H01G11/56—Solid electrolytes, e.g. gels; Additives therein
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/66—Current collectors
- H01G11/68—Current collectors characterised by their material
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/13—Energy storage using capacitors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Textile Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
Abstract
본 발명은 슈퍼 커패시터 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면은, 2 이상의 탄소섬유가 꼬인 형태의 1차 탄소섬유 다발을 준비하는 단계; 상기 1차 탄소섬유 다발을 산성 용액으로 표면 처리하는 단계; 상기 표면 처리된 1차 탄소섬유 다발의 표면을 겔 전해질로 1차 코팅하여 캡슐화된 탄소섬유 다발을 형성시키는 단계; 및 2개 이상의 상기 캡슐화된 탄소섬유 다발을 꼬아서 2차 탄소섬유 다발을 형성하고, 겔 전해질로 2차 코팅하는 단계;를 포함하는, 플렉시블 슈퍼 커패시터의 제조방법을 제공한다.The present invention relates to a supercapacitor and a method for manufacturing the same, and one aspect of the present invention includes the steps of preparing a primary carbon fiber bundle in which two or more carbon fibers are twisted; surface-treating the primary carbon fiber bundle with an acidic solution; forming an encapsulated carbon fiber bundle by first coating the surface of the surface-treated primary carbon fiber bundle with a gel electrolyte; and twisting two or more of the encapsulated carbon fiber bundles to form a secondary carbon fiber bundle, and secondary coating with a gel electrolyte.
Description
본 발명은 슈퍼 커패시터 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표면 활성화된 탄소섬유 기반의 슈퍼 커패시터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a supercapacitor and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a surface-activated carbon fiber-based supercapacitor and a manufacturing method thereof.
최근 인공지능(AI), 클라우드컴퓨팅, 사물인터넷(IoT), 빅데이터 등의 기술 확산과 반도체, 센서, 디스플레이 등 부품소재 기술이 발전하면서 다양한 형태의 웨어러블 디바이스가 등장하고 있다. 스마트폰과 연계해 손목에 차는 스마트 워치와 헬스 밴드는 이미 대중적인 인기를 얻고 있으며, 점진적으로 조끼, 신발 형태의 의류형, 애플의 에어팟과 같은 이어웨어, 마이크로소프트의 홀로렌즈, 구글 글래스 등 다양한 형태의 신체에 착용하는 웨어러블 디바이스가 개발되고 있다. 향후에는 전문의료서비스와 같은 특수한 임무를 수행할 수 있는 생체 이식형 디바이스로 제품이 확대될 것으로 예상된다.Recently, various types of wearable devices are emerging as technologies such as artificial intelligence (AI), cloud computing, Internet of Things (IoT), and big data develop, and parts and materials technologies such as semiconductors, sensors, and displays develop. Smart watches and fitness bands worn on the wrist in connection with smartphones are already gaining popularity, gradually becoming vests, shoes-type clothing, earwear such as Apple's AirPods, Microsoft's HoloLens, Google Glass, etc. Wearable devices worn on various types of bodies are being developed. In the future, it is expected that the products will be expanded to bioimplantable devices that can perform special tasks such as specialized medical services.
웨어러블 전자장치에 전력을 공급하기 위해서는 직접적으로 통합된 에너지 저장 장치와 높은 에너지 및 전력 밀도와 함께 기계적 유연성을 가진 재료가 필요하다. 최근 개발되고 있는 스마트 섬유는 다기능 웨어러블 전자장치에 적용될 수 있는 새로운 소재로, 뛰어난 신축성을 가지며, 다양한 모양으로 제작이 용이해 미래형 섬유 및 의류에 적용이 확대될 전망이다.Powering wearable electronics requires directly integrated energy storage devices and materials with mechanical flexibility along with high energy and power densities. Smart textiles, which are being recently developed, are new materials that can be applied to multifunctional wearable electronic devices, have excellent elasticity, and are easy to manufacture in various shapes, so their application to future textiles and clothing is expected to expand.
한편, 다양한 에너지 저장 장치 중 슈퍼 커패시터는, 배터리에 비해 급속한 충·방전이 가능하고 긴 수명 주기를 가져, 웨어러블 전자기기의 에너지 저장 장치로 사용되기에 적합하며, 스마트 섬유의 적용이 가능한 분야 중 하나이다.On the other hand, among various energy storage devices, supercapacitors can be charged and discharged faster than batteries and have a long life cycle, so they are suitable for use as energy storage devices for wearable electronic devices, and it is one of the fields where smart fibers can be applied. .
슈퍼 커패시터는 일반적으로 에너지 저장 메커니즘에 따라 전기 이중층 커패시터(EDLC), 유사 커패시터, 하이브리드 슈퍼 커패시터로 나눌 수 있는데, 최근 개발된 웨어러블 에너지 저장 장치의 대부분은 높은 출력 밀도와 제조의 용이성 때문에 EDLC를 사용하고 있다. Supercapacitors can be generally divided into electric double layer capacitors (EDLCs), pseudocapacitors, and hybrid supercapacitors according to the energy storage mechanism. Most of the recently developed wearable energy storage devices use EDLCs and have.
그러나 EDLC의 경우, 전하가 탄소기반의 전극 재료 표면 영역에서 전해질 이온의 흡착/탈착에 의해 간단하게 저장되기 때문에 큰 에너지 밀도를 제공하지 못하는 단점이 있다.However, in the case of EDLC, there is a disadvantage in that it cannot provide a large energy density because the electric charge is simply stored by the adsorption/desorption of electrolyte ions in the surface region of the carbon-based electrode material.
따라서, 고에너지 저장 성능을 구현할 수 있는 유연한 섬유 기반 소재의 슈퍼 커패시터의 개발이 필요하다.Therefore, it is necessary to develop a supercapacitor made of a flexible fiber-based material capable of realizing high energy storage performance.
전술한 배경기술은 발명자가 본원의 개시 내용을 도출하는 과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.The above-mentioned background art is possessed or acquired by the inventor in the process of deriving the disclosure of the present application, and cannot necessarily be said to be a known technology disclosed to the general public prior to the present application.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 고에너지 저장 성능을 구현하면서 유연성을 가진 슈퍼 커패시터 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a supercapacitor having flexibility while realizing high energy storage performance and a method for manufacturing the same.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to those mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명의 일 측면은, 2 이상의 탄소섬유가 꼬인 형태의 1차 탄소섬유 다발을 준비하는 단계; 상기 1차 탄소섬유 다발을 산성 용액으로 표면 처리하는 단계; 상기 표면 처리된 1차 탄소섬유 다발의 표면을 겔 전해질로 1차 코팅하여 캡슐화된 탄소섬유 다발을 형성시키는 단계; 및 2개 이상의 상기 캡슐화된 탄소섬유 다발을 꼬아서 2차 탄소섬유 다발을 형성하고, 겔 전해질로 2차 코팅하는 단계;를 포함하는, 플렉시블 슈퍼 커패시터의 제조방법을 제공한다.One aspect of the present invention, comprising the steps of preparing a primary carbon fiber bundle in the form of two or more carbon fibers twisted; surface-treating the primary carbon fiber bundle with an acidic solution; forming an encapsulated carbon fiber bundle by first coating the surface of the surface-treated primary carbon fiber bundle with a gel electrolyte; and twisting two or more of the encapsulated carbon fiber bundles to form a secondary carbon fiber bundle, and secondary coating with a gel electrolyte.
일 실시형태에 따르면, 상기 1차 탄소섬유 다발은, 2 이상의 탄소섬유가 Z자 모양 또는 S자 모양으로 꼬아서 조여진 형태인 것일 수 있다.According to an embodiment, the primary carbon fiber bundle may be in a form in which two or more carbon fibers are twisted in a Z-shape or S-shape and tightened.
일 실시형태에 따르면, 상기 산성 용액은, 질산(HNO3), 황산(H2SO4), 인산(H3PO4), 과염소산(HClO4), 아세트산(CH3COOH) 및 탄산(H2CO3)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the acidic solution is nitric acid (HNO 3 ), sulfuric acid (H 2 SO 4 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ), perchloric acid (HClO 4 ), acetic acid (CH 3 COOH) and carbonic acid (H 2 ) CO 3 ) It may include one or more selected from the group consisting of.
일 실시형태에 따르면, 상기 표면 처리된 1차 탄소섬유 다발은, 산소 포함 작용기를 포함하고, 상기 산소 포함 작용기는, 카르보닐기, 카르복실기 및 하이드록시기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment, the surface-treated primary carbon fiber bundle includes an oxygen-containing functional group, and the oxygen-containing functional group includes at least one selected from the group consisting of a carbonyl group, a carboxyl group and a hydroxyl group. .
일 실시형태에 따르면, 상기 표면 처리된 1차 탄소섬유 다발은, 산소를 10 원자% 내지 40 원자%로 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment, the surface-treated primary carbon fiber bundle may include oxygen in an amount of 10 atomic% to 40 atomic%.
일 실시형태에 따르면, 상기 겔 전해질은, 폴리비닐알코올(PVA), 인산(H3PO4), 황산(H2SO4), 수산화 나트륨(NaOH), 수산화 칼륨(KOH), 수산화 칼슘(Ca(OH)2) 및 수산화 마그네슘(Mg(OH)2)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the gel electrolyte, polyvinyl alcohol (PVA), phosphoric acid (H 3 PO 4 ), sulfuric acid (H 2 SO 4 ), sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ) and magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ) may include one or more selected from the group consisting of.
일 실시형태에 따르면, 상기 2차 탄소섬유 다발은, 2개 이상의 상기 캡슐화된 탄소섬유 다발이 S자 모양 또는 Z자 모양으로 꼬아진 것일 수 있다.According to one embodiment, the secondary carbon fiber bundle, two or more of the encapsulated carbon fiber bundle may be twisted in an S-shape or Z-shape.
일 실시형태에 따르면, 상기 캡슐화된 탄소섬유 다발은, 양극, 음극 또는 집전체로 작용하는 것일 수 있다.According to an embodiment, the encapsulated carbon fiber bundle may act as a positive electrode, a negative electrode, or a current collector.
일 실시형태에 따르면, 상기 2차 코팅된 겔 전해질의 두께는, 상기 2차 탄소섬유 다발의 직경 대비 1 배 내지 2 배로 형성되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the thickness of the secondary coated gel electrolyte may be formed to be 1 to 2 times the diameter of the secondary carbon fiber bundle.
일 실시형태에 따르면, 상기 캡슐화된 탄소섬유 다발의 직경은, 300 μm 내지 800 μm인 것일 수 있다.According to an embodiment, the diameter of the encapsulated carbon fiber bundle may be 300 μm to 800 μm.
본 발명의 다른 측면은, 2 이상의 캡슐화된 탄소섬유 다발이 꼬아진 2차 탄소섬유 다발을 포함하는 전극; 및 상기 2차 탄소섬유 다발의 표면에 형성된 겔 전해질 코팅층;을 포함하고, 상기 캡슐화된 탄소섬유 다발은, 2 이상의 1차 탄소섬유가 꼬아져 전해질 겔로 코팅된 것인, 플렉시블 슈퍼 커패시터를 제공한다.Another aspect of the present invention provides an electrode comprising a secondary carbon fiber bundle in which two or more encapsulated carbon fiber bundles are twisted; and a gel electrolyte coating layer formed on the surface of the secondary carbon fiber bundle, wherein the encapsulated carbon fiber bundle is coated with an electrolyte gel by twisting two or more primary carbon fibers.
일 실시형태에 따르면, 상기 캡슐화된 탄소섬유 다발은, 표면에 산소 포함 작용기가 존재하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the encapsulated carbon fiber bundle may have an oxygen-containing functional group on the surface.
일 실시형태에 따르면, 물에 대한 접촉각은, 104 °이하인 것일 수 있다.According to an embodiment, the contact angle with respect to water may be 104° or less.
일 실시형태에 따르면, 0 V 내지 1 V의 전압 및 2 μA/cm2 내지 15 μA/cm2의 전류 밀도에서 비용량(specific capacitance)이 2 mF/cm2 내지 30 mF/cm2인 것일 수 있다.According to an embodiment, the specific capacitance at a voltage of 0 V to 1 V and a current density of 2 μA/cm 2 to 15 μA/cm 2 may be 2 mF/cm 2 to 30 mF/cm 2 have.
본 발명에 따른 플렉시블 슈퍼 커패시터의 제조방법은, 표면이 활성화된 탄소섬유를 사용함으로써, 에너지 밀도, 전력밀도, 열 안정성 및 기계적 물성이 향상된 슈퍼 커패시터를 제조할 수 있는 효과가 있다. The method for manufacturing a flexible supercapacitor according to the present invention has an effect of manufacturing a supercapacitor with improved energy density, power density, thermal stability, and mechanical properties by using carbon fiber with an activated surface.
또한, 본 발명에 따른 플렉시블 슈퍼 커패시터는, 다기능 웨어러블 기기의 에너지 저장 장치에 적용될 수 있는 효과가 있다.In addition, the flexible supercapacitor according to the present invention has an effect that can be applied to an energy storage device of a multifunctional wearable device.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 슈퍼 커패시터 전극의 제조방법을 간략히 도식화한 그림이다.
도 2는, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30)의 저배율 SEM 이미지(상단) 및 고배율 SEM 이미지(하단)를 나타낸 것이다.
도 3은, 제조된 슈퍼 커패시터의 사진 및 실시예 3(F-SSEE@30)의 저배율 단면 및 고배율 단면의 SEM 이미지이다.
도 4는, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터의 TGA 분석 결과이다.
도 5는, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터의 XRD분석 결과이다.
도 6은, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터의 XPS 분석 결과이다.
도 7은, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터의 XPS 통합 분석 결과이다.
도 8은, 산소 포함 작용기가 도입된 탄소섬유 표면을 나타낸 그림이다.
도 9는, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터 계면에서의 접촉각을 나타낸 것이다.
도 10은, 본 발명 일 실시형태에 따른 슈퍼 커패시터의 개략적 구성을 보여주는 것이다.
도 11은, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터 EIS 분석에 따른 Nyquist 플롯이다.
도 12는, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터의 Bode 플롯이다.
도 13은, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터의 2 μA/cm2전류 밀도에서의 충방전 곡선이다.
도 14는, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터의 0 V 내지 1 V의 포텐셜 및 2 μA/cm2내지 15 μA/cm2 전류 밀도에서의 비용량을 나타낸 것이다.
도 15는, 4 μW/cm2 내지 30 μW/cm2 범위의 에너지 밀도 및 전력 밀도와 관련된 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터의 Ragone 플롯이다.
도 16은, 본 발명 일 실시형태에 따른 플렉시블 슈퍼 커패시터를 다양한 형태로 변경시켰을 때의 용량 유지율을 나타낸 것이다.
도 17은, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터의 2 μA/cm2 전류 밀도에서의 사이클링 안정성 테스트 결과이다.
도 18은, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터의 가열 후, EIS 분석에 따른 Nyquist 플롯이다.
도 19는, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터의 가열 후, 10,000 사이클 동안의 용량 유지율을 나타낸 것이다.
도 20은, 본 발명 일 실시형태에 따른 슈퍼 커패시터의 전기 화학적 저장 메커니즘을 나타낸 것이다.1 is a diagram schematically illustrating a method of manufacturing a supercapacitor electrode according to an embodiment of the present invention.
2 is a comparative example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), Example 3 (F-SSEE@30) of low magnification SEM images (top) and A high-magnification SEM image (bottom) is shown.
3 is a photograph of the manufactured supercapacitor and SEM images of a low-magnification cross-section and a high-magnification cross-section of Example 3 (F-SSEE@30).
4 is a TGA analysis result of the comparative example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), Example 3 (F-SSEE@30) supercapacitors.
5 is an XRD analysis result of the supercapacitors of Comparative Example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), and Example 3 (F-SSEE@30).
6 is an XPS analysis result of the supercapacitors of Comparative Example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), and Example 3 (F-SSEE@30).
7 is an XPS integrated analysis result of a comparative example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), Example 3 (F-SSEE@30) supercapacitors .
8 is a diagram showing the surface of the carbon fiber into which oxygen-containing functional groups are introduced.
9 is a comparative example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), Example 3 (F-SSEE@30) showing the contact angle at the supercapacitor interface will be.
10 shows a schematic configuration of a supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
11 is a Nyquist plot according to the comparative example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), Example 3 (F-SSEE@30) supercapacitor EIS analysis. to be.
12 is a Bode plot of the supercapacitors of Comparative Example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), and Example 3 (F-SSEE@30).
13 is a comparative example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), Example 3 (F-SSEE@30) 2 μA / cm 2 of supercapacitors This is the charge/discharge curve at the current density.
14 is a comparative example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), Example 3 (F-SSEE@30) 0 V to 1 V of supercapacitors The potential and specific capacity at 2 μA/cm 2 to 15 μA/cm 2 current density are shown.
15 is a Ragone plot of Example 3 (F-SSEE@30) supercapacitors associated with energy and power densities ranging from 4 μW/cm 2 to 30 μW/cm 2 .
16 shows the capacity retention rate when the flexible supercapacitor according to an embodiment of the present invention is changed into various shapes.
Figure 17 is a comparative example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), Example 3 (F-SSEE@30) 2 μA / cm2 current of supercapacitors Cycling stability test results at density.
18 is a comparative example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), Example 3 (F-SSEE@30) After heating the supercapacitors, EIS analysis It is a Nyquist plot according to
19 is a comparative example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), Example 3 (F-SSEE@30) After heating the supercapacitor, 10,000 cycles capacity retention rate during the
20 shows an electrochemical storage mechanism of a supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, since various changes may be made to the embodiments, the scope of the patent application is not limited or limited by these embodiments. It should be understood that all modifications, equivalents and substitutes for the embodiments are included in the scope of the rights.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the examples are used for the purpose of description only, and should not be construed as limiting. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or a combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the embodiment belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same components are given the same reference numerals regardless of the reference numerals, and the overlapping description thereof will be omitted. In describing the embodiment, if it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the gist of the embodiment, the detailed description thereof will be omitted.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In addition, in describing the components of the embodiment, terms such as first, second, A, B, (a), (b), etc. may be used. These terms are only for distinguishing the elements from other elements, and the essence, order, or order of the elements are not limited by the terms. When it is described that a component is "connected", "coupled" or "connected" to another component, the component may be directly connected or connected to the other component, but another component is between each component. It will be understood that may also be "connected", "coupled" or "connected".
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.Components included in one embodiment and components having a common function will be described using the same names in other embodiments. Unless otherwise stated, descriptions described in one embodiment may be applied to other embodiments as well, and detailed descriptions within the overlapping range will be omitted.
본 발명의 일 측면은, 2 이상의 탄소섬유가 꼬인 형태의 1차 탄소섬유 다발을 준비하는 단계; 상기 1차 탄소섬유 다발을 산성 용액으로 표면 처리하는 단계; 상기 표면 처리된 1차 탄소섬유 다발의 표면을 겔 전해질로 1차 코팅하여 캡슐화된 탄소섬유 다발을 형성시키는 단계; 및 2개 이상의 상기 캡슐화된 탄소섬유 다발을 꼬아서 2차 탄소섬유 다발을 형성하고, 겔 전해질로 2차 코팅하는 단계;를 포함하는, 플렉시블 슈퍼 커패시터의 제조방법을 제공한다.One aspect of the present invention, comprising the steps of preparing a primary carbon fiber bundle in the form of two or more carbon fibers twisted; surface-treating the primary carbon fiber bundle with an acidic solution; forming an encapsulated carbon fiber bundle by first coating the surface of the surface-treated primary carbon fiber bundle with a gel electrolyte; and twisting two or more of the encapsulated carbon fiber bundles to form a secondary carbon fiber bundle, and secondary coating with a gel electrolyte.
본 발명에 따른 플렉시블 슈퍼 커패시터의 제조방법은, 복수의 탄소섬유가 꼬인 형태의 1차 탄소섬유 다발을 사용하여 캡슐화된 탄소섬유 다발을 얻고, 2 이상의 캡슐화된 탄소섬유 다발을 다시 꼬아 2차 탄소섬유 다발을 형성시킴으로써, 전극을 형성시키며, 꼬여진 2차 탄소섬유 다발의 표면을 겔 전해질로 코팅하여 겔 전해질 층을 형성시킴으로써 플렉시블 슈퍼 커패시터를 제조한다.In the method for manufacturing a flexible supercapacitor according to the present invention, an encapsulated carbon fiber bundle is obtained by using a primary carbon fiber bundle in which a plurality of carbon fibers are twisted, and a secondary carbon fiber is obtained by twisting two or more encapsulated carbon fiber bundles again. By forming a bundle, an electrode is formed, and a flexible supercapacitor is manufactured by coating the surface of the twisted secondary carbon fiber bundle with a gel electrolyte to form a gel electrolyte layer.
또한, 탄소섬유 표면을 활성화시킴으로써, 전극 계면에서의 습윤성을 향상시켜 이온 확산을 촉진하고, 열 안정성을 향상시키며, 의사용량성 페러데이 산화환원반응을 발생시켜, 고에너지 및 고전력 밀도를 확보함과 동시에 우수한 유연성 및 열안정성을 확보할 수 있는 특징이 있다.In addition, by activating the carbon fiber surface, wettability at the electrode interface is improved to promote ion diffusion, improve thermal stability, and generate a pseudocapacitive Faraday redox reaction to secure high energy and high power density. It has the characteristics to secure excellent flexibility and thermal stability.
이하, 본 발명에 따른 플렉시블 슈퍼 커패시터의 제조방법을 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the manufacturing method of the flexible supercapacitor according to the present invention will be described in detail step by step.
본 발명에 따른 플렉시블 슈퍼 커패시터의 제조방법에 있어서, 첫번째 단계는, 2 이상의 탄소섬유가 꼬인 형태의 1차 탄소섬유 다발을 전극 재료로 준비하는 단계이다.In the method for manufacturing a flexible supercapacitor according to the present invention, the first step is to prepare a primary carbon fiber bundle in which two or more carbon fibers are twisted as an electrode material.
탄소섬유는, 탄소가 주성분인 매우 가는 섬유로, 탄소섬유를 구성하는 원자들은 섬유의 길이방향을 따라 육각 고리 결정의 형태로 붙어 있으며, 이러한 분자 배열 구조로 인해 강한 물리적 속성을 띠게 된다. 또한, 탄소섬유는, 높은 인장 강도, 가벼운 무게, 낮은 열팽창율 등의 특성을 가지고 있어 다양한 분야의 소재로 사용될 수 있다.Carbon fiber is a very thin fiber whose main component is carbon, and the atoms constituting the carbon fiber are attached in the form of hexagonal ring crystals along the length direction of the fiber, and have strong physical properties due to this molecular arrangement structure. In addition, carbon fiber has characteristics such as high tensile strength, light weight, and low coefficient of thermal expansion, and thus can be used as a material in various fields.
상기 1차 탄소섬유 다발은, 복수의 탄소섬유가 꼬아진 형태로, 우수한 에너지 저장 능력과 유연성을 얻기 위한 전극 재료이다. 또한, 높은 전기 전도성을 가져 집전체로도 작동할 수 있다.The primary carbon fiber bundle, in the form of a plurality of carbon fibers twisted, is an electrode material for obtaining excellent energy storage ability and flexibility. In addition, it has high electrical conductivity and can operate as a current collector.
일 실시형태에 따르면, 상기 1차 탄소섬유 다발은, 3K 필라멘트로 구성된 탄소섬유 다발을 사용할 수 있다.According to one embodiment, the primary carbon fiber bundle may use a carbon fiber bundle composed of 3K filaments.
일 실시형태에 따르면, 상기 1차 탄소섬유 다발은, 2 이상의 탄소섬유가 Z자 모양 또는 S자 모양으로 꼬아서 조여진 형태인 것일 수 있다.According to an embodiment, the primary carbon fiber bundle may be in a form in which two or more carbon fibers are twisted in a Z-shape or S-shape and tightened.
상기 1차 탄소섬유 다발은, 탄소섬유가 Z자 모양 또는 S자 모양으로 꼬아서 조여짐으로써, 표면적을 유연성 및 기계적 안정성을 향상시킬 수 있다.In the primary carbon fiber bundle, the carbon fiber is twisted in a Z-shape or S-shape and tightened, thereby improving the flexibility and mechanical stability of the surface area.
다음으로, 상기 1차 탄소섬유 다발을 산성 용액으로 표면 처리하는 단계는, 상기 준비된 1차 탄소섬유 다발은, 산성 용액으로 표면 처리함으로써, 표면을 활성화시키는 단계이다.Next, the step of surface-treating the primary carbon fiber bundle with an acidic solution is a step of activating the surface by surface-treating the prepared primary carbon fiber bundle with an acidic solution.
일례로, 상기 1차 탄소섬유 다발을 산성 용액에 담근 후, 일정 시간 동안 유지시킴으로써 표면 처리할 수 있다, 이 때, 탄소섬유 다발이 산성용액에 담가짐으로써, 탄소섬유 표면 활성화가 충분히 이루어질 수 있다.For example, after immersing the primary carbon fiber bundle in an acidic solution, the surface can be treated by maintaining it for a certain time. At this time, by immersing the carbon fiber bundle in the acidic solution, the carbon fiber surface activation can be sufficiently achieved. .
일 실시형태에 따르면, 상기 산성 용액은, 산소원자를 가진 화합물을 포함할 수 있으며, 이를 통해 탄소섬유 표면에 산소 포함 작용기를 도입할 수 있다.According to an embodiment, the acidic solution may include a compound having an oxygen atom, and through this, an oxygen-containing functional group may be introduced to the surface of the carbon fiber.
일 실시형태에 따르면, 상기 산성 용액은, 질산(HNO3), 황산(H2SO4), 인산(H3PO4), 과염소산(HClO4), 아세트산(CH3COOH) 및 탄산(H2CO3)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the acidic solution is nitric acid (HNO 3 ), sulfuric acid (H 2 SO 4 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ), perchloric acid (HClO 4 ), acetic acid (CH 3 COOH) and carbonic acid (H 2 ) CO 3 ) It may include one or more selected from the group consisting of.
일 실시형태에 따르면, 상기 산성 용액은, 불산(HF) 및 염산(HCl) 중 하나 이상을 추가적으로 포함할 수 있다.According to an embodiment, the acidic solution may further include at least one of hydrofluoric acid (HF) and hydrochloric acid (HCl).
일 실시형태에 따르면, 상기 표면 처리하는 단계는, 1 분 내지 30분 동안 수행될 수 있다.According to one embodiment, the surface treatment step may be performed for 1 minute to 30 minutes.
상기 표면 처리하는 단계의 시간 범위가 상기 범위 미만인 경우 표면에 산소 포함 작용기가 충분히 도입되지 않을 수 있고, 상기 범위를 초과할 경우 표면 처리에 따른 효과 상의 차이가 크지 않아 불필요한 공정 시간이 소요될 수 있고, 탄소섬유에 기계적 물성을 변화시킬 수 있다.If the time range of the surface treatment step is less than the above range, the oxygen-containing functional group may not be sufficiently introduced to the surface, and if it exceeds the above range, the difference in effect due to the surface treatment is not large, so unnecessary process time may be taken, It is possible to change the mechanical properties of carbon fibers.
일 실시형태에 따르면, 상기 표면 처리된 1차 탄소섬유 다발은, 산소 포함 작용기를 포함하고, 상기 산소 포함 작용기는, 카르보닐기, 카르복실기 및 하이드록시기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment, the surface-treated primary carbon fiber bundle includes an oxygen-containing functional group, and the oxygen-containing functional group includes at least one selected from the group consisting of a carbonyl group, a carboxyl group and a hydroxyl group. .
상기 산소 포함 작용기는, 탄소섬유 표면에서 습윤성을 향상시켜 전극 계면에서 이온 확산을 촉진함으로써 고전류 밀도에서 전하 연결을 개선할 수 있다. 또한, 전극 및 겔 전해질 사이의 안정된 계면을 형성시킴으로써 열 안정성을 향상시킬 수 있으며, 탄소섬유 표면에서 전해질의 양성자와 의사용량성 페러데이 산화환원반응을 함으로써 슈퍼 커패시터의 비용량을 증가시킬 수 있다.The oxygen-containing functional group may improve wettability on the carbon fiber surface to promote ion diffusion at the electrode interface, thereby improving charge connection at high current density. In addition, thermal stability can be improved by forming a stable interface between the electrode and the gel electrolyte, and the specific capacity of the supercapacitor can be increased by performing a pseudocapacitive Faraday redox reaction with protons of the electrolyte on the carbon fiber surface.
일 실시형태에 따르면, 상기 표면 처리된 1차 탄소섬유 다발은, 산소를 10 원자% 내지 40 원자%로 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment, the surface-treated primary carbon fiber bundle may include oxygen in an amount of 10 atomic% to 40 atomic%.
만일, 상기 산소가 상기 범위 미만으로 포함될 경우, 산소 포함 작용기에 따른 전기화학적 성능 향상 효과가 미미할 수 있고, 상기 범위를 초과하여 포함될 경우, 산소 포함 작용기의 감소로 플렉시블 슈퍼 커패시터의 기계적 물성 또는 유연성이 감소할 수 있다.If the oxygen is included below the above range, the effect of improving the electrochemical performance according to the oxygen-containing functional group may be insignificant. can decrease.
다음 단계는, 상기 캡슐화된 탄소섬유 다발을 형성시키는 단계는, 상기 표면 처리된 1차 탄소섬유 다발의 표면을 겔 전해질로 1차 코팅하는 단계이다.The next step, forming the encapsulated carbon fiber bundle, is a step of first coating the surface of the surface-treated primary carbon fiber bundle with a gel electrolyte.
상기 캡슐화된 탄소섬유 다발은, 최종적으로, 슈퍼 커패시터의 양극과 음극 및 집전체로 작용할 수 있다. The encapsulated carbon fiber bundle, finally, may act as a positive electrode and a negative electrode of a supercapacitor, and a current collector.
일 실시형태에 따르면, 상기 겔 전해질은, 폴리비닐알코올(PVA), 인산(H3PO4), 황산(H2SO4), 수산화 나트륨(NaOH), 수산화 칼륨(KOH), 수산화 칼슘(Ca(OH)2) 및 수산화 마그네슘(Mg(OH)2)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the gel electrolyte, polyvinyl alcohol (PVA), phosphoric acid (H 3 PO 4 ), sulfuric acid (H 2 SO 4 ), sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ) and magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ) may include one or more selected from the group consisting of.
상기 겔 전해질로의 1차 코팅은, 슈퍼 커패시터 내의 빈 공간을 줄임으로써 전기화학적 성능을 최대화하고, 기계적 안정성을 향상시킬 수 있다.The primary coating with the gel electrolyte can maximize electrochemical performance and improve mechanical stability by reducing the void space in the supercapacitor.
일 실시형태에 따르면, 상기 1차 코팅된 겔 전해질의 두께는, 0.01 mm 내지 5.00 mm 일 수 있다.According to an embodiment, the thickness of the first coated gel electrolyte may be 0.01 mm to 5.00 mm.
만일, 상기 1차 코팅된 겔 전해질의 두께가 상기 범위 미만일 경우, 탄소섬유 다발이 코팅된 전해질을 ?箚? 노출되어 슈퍼커패시터의 전기적 단락을 일으킬 수 있고, 상기 범위를 초과할 경우, 쉽게 꼬이지 않아 2차 탄소섬유 다발의 형성이 어려울 수 있다.If, if the thickness of the first coated gel electrolyte is less than the above range, the carbon fiber bundle coated electrolyte? It may be exposed and cause an electrical short of the supercapacitor, and if it exceeds the above range, it may not be easily twisted and it may be difficult to form a secondary carbon fiber bundle.
이어지는 단계는, 2개 이상의 상기 캡슐화된 탄소섬유 다발을 꼬아서 2차 탄소섬유 다발을 형성하고, 겔 전해질로 2차 코팅하는 단계이다.A subsequent step is a step of twisting two or more of the encapsulated carbon fiber bundles to form a secondary carbon fiber bundle, and secondary coating with a gel electrolyte.
일 실시형태에 따르면, 상기 2차 탄소섬유 다발은, 2개 이상의 상기 캡슐화된 탄소섬유 다발이 S자 모양 또는 Z자 모양으로 꼬아진 것일 수 있다.According to one embodiment, the secondary carbon fiber bundle, two or more of the encapsulated carbon fiber bundle may be twisted in an S-shape or Z-shape.
상기 캡슐화된 탄소섬유 다발이 꼬아진 2차 탄소섬유 다발은, 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다.The secondary carbon fiber bundle in which the encapsulated carbon fiber bundle is twisted may improve structural stability.
또한, 탄소섬유의 두 번 이상의 꼬임(비틀림) 과정을 통해, 기계적 안정성뿐만 아니라, 슈퍼 커패시터 내에 빈공간을 최소화하여 활성화 영역을 극대화할 수 있다.In addition, through two or more twisting (twisting) processes of the carbon fiber, it is possible to maximize the activation area by minimizing the void space in the supercapacitor as well as mechanical stability.
일 실시형태에 따르면, 상기 캡슐화된 탄소섬유 다발은, 양극, 음극 또는 집전체로 작용하는 것일 수 있다.According to an embodiment, the encapsulated carbon fiber bundle may act as a positive electrode, a negative electrode, or a current collector.
일 실시형태에 따르면, 상기 2차 탄소섬유 다발은, 2개의 상기 캡슐화된 탄소섬유 다발을 S자 모양으로 꼬아서 형성된 것일 수 있다.According to an embodiment, the secondary carbon fiber bundle may be formed by twisting the two encapsulated carbon fiber bundles in an S shape.
이 때, 상기 캡슐화된 탄소섬유 다발 중 하나는 음극으로, 나머지 하나는 양극으로 작용할 수 있다.At this time, one of the encapsulated carbon fiber bundles may act as a cathode, and the other may act as an anode.
일 실시형태에 따르면, 상기 2차 코팅된 겔 전해질의 두께는, 상기 2차 탄소섬유 다발의 직경 대비 1 배 내지 2 배로 형성되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the thickness of the secondary coated gel electrolyte may be formed to be 1 to 2 times the diameter of the secondary carbon fiber bundle.
일 실시형태에 따르면, 상기 캡슐화된 탄소섬유 다발의 직경은, 300 μm 내지 800 μm인 것일 수 있다.According to an embodiment, the diameter of the encapsulated carbon fiber bundle may be 300 μm to 800 μm.
바람직하게는, 상기 캡슐화된 탄소섬유 다발의 직경은, 400 μm 내지 700 μm인 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 450 μm 내지 600 μm인 것일 수 있다.Preferably, the diameter of the encapsulated carbon fiber bundle may be 400 μm to 700 μm, and more preferably, 450 μm to 600 μm.
상기 캡슐화된 탄소섬유 다발은, 슈퍼 커패시터의 전극으로 작용할 수 있다.The encapsulated carbon fiber bundle may act as an electrode of a supercapacitor.
본 발명에 따른 플렉시블 슈퍼 커패시터의 제조방법은, 전극을 형성하는 캡슐화된 탄소섬유 다발의 직경 및 겔 전해질 층의 두께를 상기 범위로 조절함으로써, 슈퍼 커패시터의 전기화학적 성능, 기계적 물성 및 유연성을 최적화할 수 있다.The method for manufacturing a flexible supercapacitor according to the present invention can optimize the electrochemical performance, mechanical properties and flexibility of the supercapacitor by adjusting the diameter of the encapsulated carbon fiber bundle forming the electrode and the thickness of the gel electrolyte layer within the above ranges. can
본 발명의 다른 측면은, 2 이상의 캡슐화된 탄소섬유 다발이 꼬아진 2차 탄소섬유 다발을 포함하는 전극; 및 상기 2차 탄소섬유 다발의 표면에 형성된 겔 전해질 코팅층;을 포함하고, 상기 캡슐화된 탄소섬유 다발은, 2 이상의 1차 탄소섬유가 꼬아져 전해질 겔로 코팅된 것인, 플렉시블 슈퍼 커패시터를 제공한다.Another aspect of the present invention provides an electrode comprising a secondary carbon fiber bundle in which two or more encapsulated carbon fiber bundles are twisted; and a gel electrolyte coating layer formed on the surface of the secondary carbon fiber bundle, wherein the encapsulated carbon fiber bundle is coated with an electrolyte gel by twisting two or more primary carbon fibers.
일 실시형태에 따르면, 상기 캡슐화된 탄소섬유 다발은, 표면에 산소 포함 작용기가 존재하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the encapsulated carbon fiber bundle may have an oxygen-containing functional group on the surface.
일 실시형태에 따르면, 물에 대한 접촉각은, 104 °이하인 것일 수 있다.According to an embodiment, the contact angle with respect to water may be 104° or less.
일 실시형태에 따르면, 물에 대한 접촉각은, 95 °이하인 것일 수 있고, 바람직하게는, 62 °이하인 것일 수 있다.According to an embodiment, the contact angle with respect to water may be 95° or less, and preferably, 62° or less.
즉, 계면에서 물에 대한 접촉각이 표면 처리하지 않은 탄소섬유 보다 낮아짐으로써 습윤성이 향상되고, 습윤성의 향상은 전극 및 전해질 사이에 이온 확산을 촉진시켜 슈퍼 커패시터의 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있다.That is, the wettability is improved because the contact angle for water at the interface is lower than that of the carbon fiber without surface treatment, and the improvement of the wettability promotes ion diffusion between the electrode and the electrolyte, thereby improving the electrochemical performance of the supercapacitor.
일 실시형태에 따르면, 상기 표면 처리된 1차 탄소섬유 다발은, 산소 포함 작용기를 포함하고, 상기 산소 포함 작용기는, 카르보닐기, 카르복실기 및 하이드록시기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment, the surface-treated primary carbon fiber bundle includes an oxygen-containing functional group, and the oxygen-containing functional group includes at least one selected from the group consisting of a carbonyl group, a carboxyl group and a hydroxyl group. .
일 실시형태에 따르면, 0 V 내지 1 V의 전압 및 2 μA/cm2 내지 15 μA/cm2의 전류 밀도에서 비용량(specific capacitance)이 2 mF/cm2 내지 30 mF/cm2인 것일 수 있다.According to an embodiment, the specific capacitance at a voltage of 0 V to 1 V and a current density of 2 μA/cm 2 to 15 μA/cm 2 may be 2 mF/cm 2 to 30 mF/cm 2 have.
일 실시형태에 따르면, 250 μA/cm2의 전류 밀도에서 10,000회 충방전 사이클 후 용량 유지율이 90 % 이상인 것일 수 있다.According to an embodiment, the capacity retention rate after 10,000 charge/discharge cycles at a current density of 250 μA/cm 2 may be 90% or more.
일 실시형태에 따르면, 50 ℃ 내지 80 ℃에서 30 분 내지 120 분 동안 가열한 후, 250 μA/cm2의 전류 밀도에서 10,000회 충방전 사이클 후 용량 유지율이 92 % 이상인 것일 수 있다.According to one embodiment, after heating at 50° C. to 80° C. for 30 minutes to 120 minutes, the capacity retention rate after 10,000 charge/discharge cycles at a current density of 250 μA/cm 2 may be 92% or more.
본 발명에 따른 슈퍼 커패시터는, 사이클링 안정성이 우수하며, 특히, 가열 후에도 우수한 사이클링 안정성을 나타냄으로써, 향상된 열적 안정성을 보인다.The supercapacitor according to the present invention has excellent cycling stability and, in particular, exhibits excellent cycling stability even after heating, thereby exhibiting improved thermal stability.
일 실시형태에 따르면, 상기 플렉시블 슈퍼 커패시터는, 전기 이중층 커패시터(EDLC, Electric Double Layer Capacitor)인 것일 수 있다.According to an embodiment, the flexible supercapacitor may be an electric double layer capacitor (EDLC).
본 발명에 따른 플렉시블 슈퍼 커패시터는, 전기 이중층 거동 및 의사 용량성 페러데이 산화환원반응이 동시에 나타남으로써, 전기 활성 부위의 양을 증가시켜 에너지 저장 능력을 향상시킬 수 있다. The flexible supercapacitor according to the present invention exhibits an electric double layer behavior and a pseudocapacitive Faraday redox reaction at the same time, thereby increasing the amount of electroactive sites to improve energy storage ability.
본 발명에 따른, 플렉시블 슈퍼 커패시터는, 직선, 벤딩, 매듭, 접힘 또는 롤링 상태와 같은 형태 변형에도, 전기화학적 성능 및 유연성을 유지할 수 있는 특징이 있다. 따라서, 다양한 웨어러블 전자 어플리케이션에 적용될 수 있는 장점을 갖는다.The flexible supercapacitor according to the present invention has characteristics of maintaining electrochemical performance and flexibility even in a shape deformation such as a straight line, bending, knotting, folding or rolling state. Therefore, it has the advantage of being applicable to various wearable electronic applications.
이하, 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of Examples and Comparative Examples.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are only for illustrating the present invention, and the content of the present invention is not limited to the following examples.
<실시예> <Example>
탄소섬유를 Z자 모양으로 꼬아서 조인 탄소섬유 다발을 질산(HNO3)에 일정 시간 동안 담근 후(5분, 15분, 30분) 증류수로 헹구었다. 질산으로 표면 처리된 탄소섬유 다발에 겔 전해질(PVA, H3PO4)을 도포한 후, 건조하였다. 이 후, 겔 전해질로 캡슐화된 탄소섬유 다발을 다시 꼬아서 겔 전해질로 코팅하여 슈퍼 커패시터를 제조하였다.The carbon fiber bundles were twisted in a Z-shape and immersed in nitric acid (HNO 3 ) for a certain time (5 minutes, 15 minutes, 30 minutes) and then rinsed with distilled water. A gel electrolyte (PVA, H 3 PO 4 ) was applied to the carbon fiber bundle surface-treated with nitric acid, and then dried. After that, the carbon fiber bundle encapsulated with the gel electrolyte was twisted again and coated with the gel electrolyte to prepare a supercapacitor.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 슈퍼 커패시터 전극의 제조방법을 간략히 도식화한 그림이다.1 is a diagram schematically illustrating a method of manufacturing a supercapacitor electrode according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 먼저 탄소섬유들을 꼬아서 조인 형태의 1차 탄소섬유 다발을 준비하고, 이를 산성 용액에 담가 표면을 활성화한다. 표면이 활성화된 1차 탄소섬유 다발을 세척한 후, 브러시로 PVA-H3PO4 겔 전해질을 도포하여 캡슐화된 탄소섬유 다발을 얻는다. 이후, 캡슐화된 탄소섬유 다발을 다시 꼬은 후, 브러시로 PVA-H3PO4 겔 전해질을 도포하여 최종적인 슈퍼 커패시터를 얻는다.Referring to FIG. 1 , first, a primary carbon fiber bundle in a tightened form is prepared by twisting carbon fibers, and immersing it in an acidic solution to activate the surface. After washing the surface-activated primary carbon fiber bundle, PVA-H 3 PO 4 gel electrolyte is applied with a brush to obtain an encapsulated carbon fiber bundle. Then, after twisting the encapsulated carbon fiber bundle again, PVA-H 3 PO 4 gel electrolyte is applied with a brush to obtain a final supercapacitor.
<비교예><Comparative example>
양극, 음극 또는 집전체로 탄소섬유를 사용하고, 전해질로 폴리비닐알코올(PVA)과 인산(H3PO4)으로 구성된 폴리머 겔을 사용하여 슈퍼 커패시터를 제조하였다.A supercapacitor was manufactured using a polymer gel composed of polyvinyl alcohol (PVA) and phosphoric acid (H 3 PO 4 ) as an electrolyte and carbon fiber as a positive electrode, negative electrode, or current collector.
<실험예 1> 슈퍼 커패시터의 형태적 특성 확인 <Experimental Example 1> Confirmation of morphological characteristics of supercapacitors
슈퍼 커패시터의 형태적 특성을 확인하기 위해, 비교예 및 실시예의 형태를 SEM 이미지로 확인하였다.In order to confirm the morphological characteristics of the supercapacitors, the morphologies of Comparative Examples and Examples were confirmed by SEM images.
실시예의 경우 표면 처리 시간에 따라 각기 제조된 슈퍼 커패시터의 SEM 이미지를 확인하였다.In the case of Examples, SEM images of supercapacitors each manufactured according to the surface treatment time were checked.
도 2는, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30)의 저배율 SEM 이미지(상단) 및 고배율 SEM 이미지(하단)를 나타낸 것이고, 도 3은, 제조된 슈퍼 커패시터의 사진 및 실시예 3(F-SSEE@30)의 저배율 단면 및 고배율 단면의 SEM 이미지이다.2 is a comparative example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), Example 3 (F-SSEE@30) of low magnification SEM images (top) and A high magnification SEM image (bottom) is shown, and FIG. 3 is a photograph of the manufactured supercapacitor and an SEM image of a low magnification cross section and a high magnification cross section of Example 3 (F-SSEE@30).
도 2를 참조하면, 제조된 커패시터를 이루는 개별 탄소섬유의 직경이 약 8 μm 내지 9 μm임을 확인할 수 있고, 표면 처리에 의해 어떠한 형태적 변화도 발생하지 않았음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 2 , it can be confirmed that the diameter of the individual carbon fibers constituting the manufactured capacitor is about 8 μm to 9 μm, and it can be confirmed that no morphological change occurs due to the surface treatment.
도 3을 참조하면, 실시예 3(F-SSEE@30)에서 각 전극의 직경이 450 μm 내지 600 μm이고, 겔 전해질 코팅층을 포함한 슈퍼 커패시터의 전체 외경은 1.5 mm인 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 3 , it can be seen that in Example 3 (F-SSEE@30), the diameter of each electrode is 450 μm to 600 μm, and the total outer diameter of the supercapacitor including the gel electrolyte coating layer is 1.5 mm.
또한, 탄소섬유로 구성된 전극과 겔 전해질 사이의 계면이 빈 공간 없이 조밀하게 부착되어 있는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 우수한 기계적 물성을 확보할 수 있음을 알 수 있다.In addition, it can be confirmed that the interface between the electrode composed of carbon fibers and the gel electrolyte is densely attached without empty space, and thus it can be seen that excellent mechanical properties can be secured.
<실험예 2> 슈퍼 커패시터의 성분 및 결정구조 분석<Experimental Example 2> Analysis of components and crystal structure of supercapacitors
슈퍼 커패시터의 성분 및 결정 구조를 확인하기 위해, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터에 대해 열중량 분석(TGA), X-ray 회절분석(XRD)을 실시하였다.In order to confirm the composition and crystal structure of the supercapacitor, Comparative Example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), Example 3 (F-SSEE@30) Thermogravimetric analysis (TGA) and X-ray diffraction analysis (XRD) were performed on the supercapacitor.
상기 열중량 분석은, 공기 중 200 ℃ 내지 900 ℃ 사이 온도에서 수행되었다.The thermogravimetric analysis was performed at a temperature between 200 °C and 900 °C in air.
도 4는, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터의 TGA 분석 결과이다.4 is a TGA analysis result of the comparative example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), Example 3 (F-SSEE@30) supercapacitors.
도 4를 참조하면, 모든 섬유의 100 % 중량 손실이 발생한 것을 확인할 수 있으며, 이는 불순물없이 단 하나의 탄소 상만이 존재함을 보여준다. Referring to FIG. 4 , it can be seen that 100% weight loss of all fibers occurs, which shows that only one carbon phase exists without impurities.
또한, 중량 손실 곡선은 온도가 증가함에 따라 이동하는 것으로 나타났는데, 이를 통해 탄소섬유 표면에 산소 포함 작용기가 도입되었음을 알 수 있다.In addition, the weight loss curve was found to shift as the temperature increased, indicating that oxygen-containing functional groups were introduced to the carbon fiber surface.
도 5는, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터의 XRD분석 결과이다.5 is an XRD analysis result of the supercapacitors of Comparative Example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), and Example 3 (F-SSEE@30).
도 5를 참조하면, 모든 슈퍼 커패시터의 결정구조는 약 26 °에서 회절 피크가 나타났으며, 이는 흑연의 (002) 평면에 해당하는 것이다.Referring to FIG. 5 , the crystal structures of all supercapacitors exhibited diffraction peaks at about 26°, which corresponds to the (002) plane of graphite.
<실험예 3> 슈퍼 커패시터의 XPS 스펙트럼<Experimental Example 3> XPS spectrum of supercapacitor
표면 개질에 따른 탄소섬유 표면의 화학 결합 상태를 분석하기 위해, X선 광전자 분광법 (XPS, X-ray Photoelectron Spectroscopy)을 실시하였다.In order to analyze the chemical bonding state of the carbon fiber surface according to the surface modification, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, X-ray Photoelectron Spectroscopy) was performed.
도 6은, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터의 XPS 분석 결과이다.6 is an XPS analysis result of the comparative example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), and Example 3 (F-SSEE@30) supercapacitors.
도 6을 참조하면, 상단의 C 1s 스펙트럼에서 표면 활성화 시간이 증가합에 따라 산소 원자의 농도가 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 특히, C=O 그룹의 증가가 현저하게 나타나는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 6 , in the
또한, 하단의 O 1s 스펙트럼을 보면, 535.3 eV 에서 화학 흡착된 산소, 531.3 eV에서 C=O 결합, 533.5 eV에서 C-O 결합으로 피크가 분해되는 것을 확인할 수 있고, 비교예(F-S) 보다 실시예 3(F-SSEE@30) 스펙트럼에서 C=O 결합 피크의 강도가 명확하게 증가함을 확인할 수 있으며, 이는 해당 C 1s 스펙트럼과 일치한다.In addition, looking at the
도 7은, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터의 XPS 통합 분석 결과이다.7 is an XPS integrated analysis result of a comparative example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), Example 3 (F-SSEE@30) supercapacitors .
도 7을 참조하면, 표면 활성화 시간이 증가함에 따라, 산소 포함 작용기의 비율이 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15) 및 실시예 3(F-SSEE@30) 순으로 33 %, 43 %, 55 %, 65 %로 점차 증가하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7 , as the surface activation time increased, the ratio of oxygen-containing functional groups decreased in Comparative Examples (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15) and Examples. It can be seen that 3 (F-SSEE@30) gradually increases to 33 %, 43 %, 55 %, and 65 % in the order.
또한, 표면 활성화 시간이 증가함에 따라 카르보닐기의 백분율이 점차 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 표면 활성화 공정이 탄소섬유의 표면에 카르보닐기, 카르복실기를 효과적으로 도입시킴을 보여준다.In addition, it can be seen that the percentage of carbonyl groups gradually increases as the surface activation time increases. These results show that the surface activation process effectively introduces carbonyl and carboxyl groups to the surface of carbon fibers.
도 8은, 산소 포함 작용기가 도입된 탄소섬유 표면을 나타낸 그림이다.8 is a diagram showing the surface of the carbon fiber into which oxygen-containing functional groups are introduced.
도 8을 참조하면, 표면에 산소 포함 작용기의 도입이 산성 전해질에서 양성자와의 산화 환원 반응을 촉진함으로써, 높은 정전 용량으로 이어짐을 보여준다.Referring to FIG. 8 , it is shown that introduction of oxygen-containing functional groups on the surface promotes redox reaction with protons in an acidic electrolyte, leading to high capacitance.
<실험예 4> 슈퍼 커패시터 계면에서의 습윤성 평가<Experimental Example 4> Evaluation of wettability at the supercapacitor interface
표면 개질에 따른 습윤성 향상 효과를 확인하기 위해, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터 계면에서 물에 대한 접촉각을 확인하였다.In order to confirm the wettability improvement effect according to the surface modification, Comparative Example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), Example 3 (F-SSEE@30) The contact angle with respect to water at the supercapacitor interface was confirmed.
도 9는, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터 계면에서의 접촉각을 나타낸 것이다.9 is a comparative example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), Example 3 (F-SSEE@30) showing the contact angle at the supercapacitor interface will be.
도 9를 참조하면, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터 계면에서의 접촉각이 각각 115 °, 104 °, 93 °, 62 °로 나타나는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 9 , the contact angle at the interface of the comparative example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), Example 3 (F-SSEE@30) supercapacitor It can be seen that these appear as 115 °, 104 °, 93 °, and 62 °, respectively.
이는, 산소 포함 그룹의 증가가 전극과 전해질 사이의 습윤성을 향상시켜, 사이클링 동안 유리한 이온 수송을 유도함으로써, 정전용량을 향상시킨다.This is because the increase in oxygen-containing groups improves the wettability between the electrode and the electrolyte, leading to favorable ion transport during cycling, thereby improving capacitance.
<실험예 5> 슈퍼 커패시터의 전기 화학적 성능 평가<Experimental Example 5> Evaluation of electrochemical performance of supercapacitors
슈퍼 커패시터의 전기 화학적 성능을 평가하기 위해, 전기화학 임피던스 분광법(EIS)을 통해 분석하였다.To evaluate the electrochemical performance of the supercapacitor, it was analyzed through electrochemical impedance spectroscopy (EIS).
EIS는 5 mV의 AC 신호로 105 내지 10-2Hz의 주파수 범위에서 수행되었고, 전위차/갈바노스타트(potentiostat/galvanostat)를 사용하여 순환전압전류법(CV)을 수행하였다.EIS was performed in a frequency range of 10 5 to 10 -2 Hz with an AC signal of 5 mV, and cyclic voltammetry (CV) was performed using a potentiostat/galvanostat.
도 10은, 본 발명 일 실시형태에 따른 슈퍼 커패시터의 개략적 구성을 보여주는 것이다.10 shows a schematic configuration of a supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
도 10을 참조하면, 본 발명 일 실시형태에 따른 슈퍼 커패시터는 캡슐화된 탄소섬유 다발이 두개의 전극을 구성하여, 전기 이중층 거동을 보이고, 표면에 산소 포함 작용기에 의해 산화 환원 반응이 수행되는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 10 , in the supercapacitor according to an embodiment of the present invention, it is confirmed that the encapsulated carbon fiber bundle constitutes two electrodes, exhibits an electric double layer behavior, and a redox reaction is performed by an oxygen-containing functional group on the surface. can
도 11은, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터 EIS 분석에 따른 Nyquist 플롯이다.11 is a Nyquist plot according to the comparative example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), Example 3 (F-SSEE@30) supercapacitor EIS analysis. to be.
도 11을 참조하면, 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터는 저주파 영역에서 직선 기울기를 나타내어 전해질과 전극사이의 계면에서 이온 확산을 보여주며, 특히, 실시예 3(F-SSEE@30)에서 가장 가파른 기울기를 나타냄으로써 이온 확산 성능이 가장 우수함을 알 수 있다.Referring to FIG. 11 , Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), Example 3 (F-SSEE@30) supercapacitors exhibited a linear slope in the low-frequency region, so that the electrolyte and It shows ion diffusion at the interface between the electrodes, and in particular, Example 3 (F-SSEE@30) shows the steepest slope, so it can be seen that the ion diffusion performance is the best.
도 12는, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터의 Bode 플롯이다.12 is a Bode plot of the supercapacitors of Comparative Example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), and Example 3 (F-SSEE@30).
도 12를 참조하면, 저주파에서의 정전 용량 동작(capacitive behavior)은 이온 확산과 관련되며, -90°에 접근하는 위상 각은 이상적인 정전 용량 동작을 나타냄을 알 수 있다.Referring to FIG. 12 , it can be seen that capacitive behavior at low frequencies is related to ion diffusion, and a phase angle approaching -90° represents an ideal capacitive behavior.
방정식 τ0 = 1/f0를 사용하여 이완 시간 상수(τ0)를 계산하면, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 순으로, 1.2초, 0.8초, 0.5초, 0.2초로 감소되어, 향상된 습윤성으로 전하 이동이 빨라진 결과 빠른 응답 시간이 나타남을 알 수 있다.When the relaxation time constant (τ 0 ) is calculated using the equation τ 0 = 1/f 0 , Comparative Example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), Example 3 (F-SSEE@30) was reduced to 1.2 sec, 0.8 sec, 0.5 sec, and 0.2 sec in the order, and it can be seen that a fast response time was obtained as a result of faster charge transfer due to improved wettability.
도 13은, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터의 2 μA/cm2전류 밀도에서의 충방전 곡선이다.13 is a comparative example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), Example 3 (F-SSEE@30) 2 μA / cm 2 of supercapacitors This is the charge/discharge curve at the current density.
도 13을 참조하면, 실시예의 충방전 곡선은 슈퍼 커패시터의 일반적인 곡선 특성을 나타내고, 충청 및 방전 프로세스에서 거의 유사한 시간을 가지므로 뛰어난 가역성을 나타냄을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 13 , it can be confirmed that the charging/discharging curve of the embodiment shows the general curve characteristics of the supercapacitor, and shows excellent reversibility because the charging and discharging processes have almost the same time.
도 14는, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터의 0 V 내지 1 V의 포텐셜 및 2 μA/cm2내지 15 μA/cm2 전류 밀도에서의 비용량을 나타낸 것이다.14 is a comparative example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), Example 3 (F-SSEE@30) 0 V to 1 V of supercapacitors The potential and specific capacity at 2 μA/cm 2 to 15 μA/cm 2 current density are shown.
도 14를 참조하면, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터의 2 μA/cm2에서 비용량은, 각각, 5 mF/cm2, 16 mF/cm2, 20 mF/cm2 및 26 mF/cm2로 계산되어, 표면 처리 시간이 증가함에 따라 비용량이 증가함을 확인할 수 있다. 이는 산소 포함 작용기의 의사 용량 반응(pseudocapacitive reaction)에 기인한다.14, Comparative Example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), Example 3 (F-SSEE@30) 2 μA / of supercapacitors The specific capacity at cm 2 was calculated as 5 mF/cm 2 , 16 mF/cm 2 , 20 mF/cm 2 , and 26 mF/cm 2 , respectively, confirming that the specific capacity increased as the surface treatment time increased. have. This is due to the pseudocapacitive reaction of the oxygen-containing functional group.
또한, 전류 밀도가 증가함에 따라 비용량이 감소되지만, 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터의 비용량은 14 mF/cm2로 고성능을 유지함을 알 수 있으며, 용량 유지율이 실시예 3(F-SSEE@30)에서 가장 높게 나타남을 확인할 수 있다.In addition, although the specific capacity decreases as the current density increases, the specific capacity of the supercapacitor of Example 3 (F-SSEE@30) is 14 mF/cm 2 It can be seen that high performance is maintained, and the capacity retention rate is It can be seen that F-SSEE@30) shows the highest value.
이러한 결과는, 탄소섬유의 표면 개질에 의한 것으로, 습윤성이 개선됨에 따라 이온 확산이 촉진되어 고전류 밀도에서 전하 연결을 개선함을 나타낸다.These results indicate that the surface modification of the carbon fiber promotes ion diffusion as the wettability is improved, thereby improving the charge connection at high current density.
<실험예 4> 슈퍼 커패시터의 에너지 밀도, 전력 밀도 및 사이클링 안정성 평가<Experimental Example 4> Evaluation of energy density, power density and cycling stability of supercapacitors
슈퍼 커패시터의 에너지 밀도 및 전력밀도는 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터에서 얻은 충방전 곡선 및 비용량을 사용하여 계산하였다.The energy density and power density of the supercapacitor were calculated using the charge/discharge curve and specific capacity obtained in Example 3 (F-SSEE@30) supercapacitor.
도 15는, 4 μW/cm2 내지 30 μW/cm2 범위의 에너지 밀도 및 전력 밀도와 관련된 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터의 Ragone 플롯이다.15 is a Ragone plot of Example 3 (F-SSEE@30) supercapacitors associated with energy and power densities ranging from 4 μW/cm 2 to 30 μW/cm 2 .
도 15를 참조하면, 실시예 3(F-SSEE@30)은 3.5 - 2.0 μWh/cm2 범위의 높은 에너지 밀도와 보고된 슈퍼 커패시터 보다 훨씬 높은 4 - 30 μW/cm2 범위의 우수한 전력 밀도를 갖는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 15 , Example 3 (F-SSEE@30) exhibits high energy densities in the range of 3.5 - 2.0 μWh/cm 2 and excellent power densities in the range of 4 - 30 μW/cm 2 , much higher than the reported supercapacitors. You can check what you have.
도 16은, 본 발명 일 실시형태에 따른 플렉시블 슈퍼 커패시터를 다양한 형태로 변경시켰을 때의 용량 유지율을 나타낸 것이다.16 shows the capacity retention rate when the flexible supercapacitor according to an embodiment of the present invention is changed into various shapes.
도 16을 참조하면, 직선, 굽힙, 매듭, 접힘 및 감긴 상태에서 슈퍼 커패시터의 용량이 유지됨으로써, 탁월한 기계적 유연성을 나타냄을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 16 , it can be confirmed that the capacity of the supercapacitor is maintained in a straight line, bent, knotted, folded, and wound state, thereby exhibiting excellent mechanical flexibility.
또한, 표면 활성화 방법은, 전기 화학적 성능의 손상 없이 유연한 섬유 기반 슈퍼 커패시터를 제조할 수 있는 방법임을 알 수 있다.In addition, it can be seen that the surface activation method is a method capable of manufacturing a flexible fiber-based supercapacitor without impairing electrochemical performance.
도 17은, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터의 2 μA/cm2 전류 밀도에서의 사이클링 안정성 테스트 결과이다.17 is a comparative example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), Example 3 (F-SSEE@30) 2 μA / cm 2 of supercapacitors Cycling stability test results at current density.
도 17을 참조하면, 실시예 모두 비교예 보다 사이클링 안정성이 우수하며, 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터의 경우 10,000회 사이클 이후에도 95 %의 용량을 유지함으로써 우수한 사이클링 안정성을 나타냄을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 17 , it can be seen that all examples have excellent cycling stability than comparative examples, and in the case of Example 3 (F-SSEE@30) supercapacitors exhibit excellent cycling stability by maintaining 95% capacity even after 10,000 cycles. can
이는, 향상된 습윤성을 통해 이온 확산이 향상됨에 따른 결과이다.This is a result of improved ion diffusion through improved wettability.
<실험예 5> 슈퍼 커패시터의 열적 안정성 평가<Experimental Example 5> Evaluation of thermal stability of supercapacitors
슈퍼 커패시터의 열적 안정성을 평가하기 위해, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터를 70 ℃의 오븐에서 1시간 동안 유지하여 가열한 후, EIS 분석을 통해 전기화학적 성능을 평가하였다.To evaluate the thermal stability of the supercapacitors, Comparative Examples (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), Example 3 (F-SSEE@30) supercapacitors was heated in an oven at 70 ° C. for 1 hour, and then electrochemical performance was evaluated through EIS analysis.
도 18은, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터의 가열 후, EIS 분석에 따른 Nyquist 플롯이다.18 is a comparative example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), Example 3 (F-SSEE@30) After heating the supercapacitor, EIS analysis It is a Nyquist plot according to
도 18을 참조하면, 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터의 경우 초기 이온 확산 성능이 유지되는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 18 , it can be seen that the initial ion diffusion performance is maintained in the case of the supercapacitor of Example 3 (F-SSEE@30).
도 19는, 비교예(FS), 실시예 1(F-SSEE@5), 실시예 2(F-SSEE@15), 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터의 가열 후, 10,000 사이클 동안의 용량 유지율을 나타낸 것이다.19 is a comparative example (FS), Example 1 (F-SSEE@5), Example 2 (F-SSEE@15), Example 3 (F-SSEE@30) After heating the supercapacitor, 10,000 cycles capacity retention during the period.
도 19를 참조하면, 실시예 모두 비교예 보다 용량 유지율이 높게 나타나며, 특히, 실시예 3(F-SSEE@30) 슈퍼 커패시터의 경우 가열 후에도 92 %의 높은 용량 유지율을 나타내는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 19 , it can be seen that the capacity retention ratio of all examples is higher than that of the comparative example, and in particular, in the case of Example 3 (F-SSEE@30) supercapacitor, it can be seen that the supercapacitor exhibits a high capacity retention ratio of 92% even after heating.
이를 통해, 탄소섬유 표면에 산소 포함 작용기의 증가는 전극과 젤 전해질 사이의 계면에서 열적 안정성을 개선함을 알 수 있다.Through this, it can be seen that the increase in oxygen-containing functional groups on the carbon fiber surface improves the thermal stability at the interface between the electrode and the gel electrolyte.
도 20은, 본 발명 일 실시형태에 따른 슈퍼 커패시터의 전기 화학적 저장 메커니즘을 나타낸 것이다.20 shows an electrochemical storage mechanism of a supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
도 20을 참조하면, 전기 이중층과 의사 커패시턴스의 조합은 전기 활성화 부위의 양을 실질적으로 증가시켜 에너지 저장 능력을 향상시키며, 표면 처리된 탄소섬유의 습윤성 향상은 사이클링 동안 이온 확산을 촉진하여 높은 전류 밀도에서 전하 연결을 개선함으로써 고속 성능, 사이클 수명 및 열 안정성을 개선할 수 있음을 알 수 있다.Referring to FIG. 20 , the combination of the electric double layer and the pseudocapacitance substantially increases the amount of electrically active sites to improve the energy storage capacity, and the improved wettability of the surface-treated carbon fiber promotes ion diffusion during cycling, resulting in high current density. It can be seen that the high-speed performance, cycle life and thermal stability can be improved by improving the charge connection in
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with reference to the limited drawings, those skilled in the art may apply various technical modifications and variations based on the above. For example, the described techniques are performed in an order different from the described method, and/or the described components of the system, structure, apparatus, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components Or substituted or substituted by equivalents may achieve an appropriate result.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.
Claims (11)
상기 1차 탄소섬유 다발을 산성 용액으로 표면 처리하는 단계;
상기 표면 처리된 1차 탄소섬유 다발의 표면을 겔 전해질로 1차 코팅하여 캡슐화된 탄소섬유 다발을 형성시키는 단계; 및
2개 이상의 상기 캡슐화된 탄소섬유 다발을 S자 모양 또는 Z자 모양으로 꼬아서 2차 탄소섬유 다발을 형성하고, 겔 전해질로 2차 코팅하는 단계;를 포함하고,
상기 표면 처리된 1차 탄소섬유 다발은, 표면에 산소 포함 작용기를 포함하고,
상기 산소 포함 작용기는, 카르보닐기, 카르복실기 및 하이드록시기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인,
플렉시블 슈퍼 커패시터의 제조방법.
Preparing a primary carbon fiber bundle in the form of two or more carbon fibers twisted in a Z-shape or S-shape;
surface-treating the primary carbon fiber bundle with an acidic solution;
forming an encapsulated carbon fiber bundle by first coating the surface of the surface-treated primary carbon fiber bundle with a gel electrolyte; and
Twisting two or more of the encapsulated carbon fiber bundles in an S-shape or Z-shape to form a secondary carbon fiber bundle, and secondary coating with a gel electrolyte;
The surface-treated primary carbon fiber bundle includes an oxygen-containing functional group on the surface,
The oxygen-containing functional group will include at least one selected from the group consisting of a carbonyl group, a carboxyl group and a hydroxyl group,
A method for manufacturing a flexible supercapacitor.
상기 산성 용액은,
질산(HNO3), 황산(H2SO4), 인산(H3PO4), 과염소산(HClO4), 아세트산(CH3COOH) 및 탄산(H2CO3)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인,
플렉시블 슈퍼 커패시터의 제조방법.
According to claim 1,
The acidic solution is
At least one selected from the group consisting of nitric acid (HNO 3 ), sulfuric acid (H 2 SO 4 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ), perchloric acid (HClO 4 ), acetic acid (CH 3 COOH), and carbonic acid (H 2 CO 3 ) which includes,
A method for manufacturing a flexible supercapacitor.
상기 표면 처리된 1차 탄소섬유 다발은, 표면에 산소를 10 원자% 내지 40 원자%로 포함하는 것인,
플렉시블 슈퍼 커패시터의 제조방법.
According to claim 1,
The surface-treated primary carbon fiber bundle, which includes oxygen in an amount of 10 to 40 atomic% on the surface,
A method for manufacturing a flexible supercapacitor.
상기 겔 전해질은,
폴리비닐알코올(PVA), 인산(H3PO4), 황산(H2SO4), 수산화 나트륨(NaOH), 수산화 칼륨(KOH), 수산화 칼슘(Ca(OH)2) 및 수산화 마그네슘(Mg(OH)2)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인,
플렉시블 슈퍼 커패시터의 제조방법.
According to claim 1,
The gel electrolyte is
Polyvinyl alcohol (PVA), phosphoric acid (H 3 PO 4 ), sulfuric acid (H 2 SO 4 ), sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ), and magnesium hydroxide (Mg( OH) 2 ) comprising at least one selected from the group consisting of,
A method for manufacturing a flexible supercapacitor.
상기 캡슐화된 탄소섬유 다발은,
양극, 음극 또는 집전체로 작용하는 것인,
플렉시블 슈퍼 커패시터의 제조방법.
According to claim 1,
The encapsulated carbon fiber bundle,
Which acts as a positive electrode, negative electrode or current collector,
A method for manufacturing a flexible supercapacitor.
상기 2차 코팅된 겔 전해질의 두께는,
상기 2차 탄소섬유 다발의 직경 대비 1 배 내지 2 배로 형성되는 것인,
플렉시블 슈퍼 커패시터의 제조방법.
According to claim 1,
The thickness of the secondary coated gel electrolyte is,
Which is formed in 1 to 2 times the diameter of the secondary carbon fiber bundle,
A method for manufacturing a flexible supercapacitor.
상기 캡슐화된 탄소섬유 다발의 직경은,
300 μm 내지 800 μm인 것인,
플렉시블 슈퍼 커패시터의 제조방법.
According to claim 1,
The diameter of the encapsulated carbon fiber bundle is,
300 μm to 800 μm,
A method for manufacturing a flexible supercapacitor.
상기 2차 탄소섬유 다발의 표면에 형성된 겔 전해질 코팅층;을 포함하고,
상기 캡슐화된 탄소섬유 다발은, 1차 탄소섬유 다발이 겔 전해질로 코팅된 것이고,
상기 1차 탄소섬유 다발은, 2 이상의 1차 탄소섬유가 S자 모양 또는 Z자 모양으로 꼬아서 조여진 형태이고,
상기 1차 탄소섬유 다발은, 표면에 산소 포함 작용기를 포함하고,
상기 산소 포함 작용기는, 카르보닐기, 카르복실기 및 하이드록시기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인,
플렉시블 슈퍼 커패시터.an electrode comprising a secondary carbon fiber bundle in which two or more encapsulated carbon fiber bundles are twisted in an S-shape or a Z-shape; and
Including; a gel electrolyte coating layer formed on the surface of the secondary carbon fiber bundle;
The encapsulated carbon fiber bundle, the primary carbon fiber bundle is coated with a gel electrolyte,
The primary carbon fiber bundle is a form in which two or more primary carbon fibers are twisted into an S-shape or a Z-shape,
The primary carbon fiber bundle includes an oxygen-containing functional group on the surface,
The oxygen-containing functional group will include at least one selected from the group consisting of a carbonyl group, a carboxyl group and a hydroxyl group,
Flexible supercapacitors.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020200159574A KR102411615B1 (en) | 2020-11-25 | 2020-11-25 | Flexible super capacitor and manufacturing method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020200159574A KR102411615B1 (en) | 2020-11-25 | 2020-11-25 | Flexible super capacitor and manufacturing method thereof |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20220072214A KR20220072214A (en) | 2022-06-02 |
KR102411615B1 true KR102411615B1 (en) | 2022-06-22 |
Family
ID=81985206
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020200159574A KR102411615B1 (en) | 2020-11-25 | 2020-11-25 | Flexible super capacitor and manufacturing method thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR102411615B1 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR102669565B1 (en) * | 2022-09-28 | 2024-05-28 | 경상국립대학교산학협력단 | Fiber-based hybrid energy device and the manufacturing method thereof |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101846946B1 (en) * | 2014-12-26 | 2018-05-24 | 재단법인 차세대융합기술연구원 | Nano/micro composite fiber capable of performance electrochemical energy storage and method for fabricating thereof |
KR101910391B1 (en) * | 2017-07-14 | 2019-01-07 | 한양대학교 산학협력단 | Fiber-typed Supercapacitors Using Fiber Bundles and Method for Fabricating the Same |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101668912B1 (en) * | 2014-02-06 | 2016-10-24 | 한양대학교 산학협력단 | Two-ply carbon nanotube actuator |
KR102411723B1 (en) * | 2017-10-27 | 2022-06-21 | 한양대학교 산학협력단 | Asymmetric super capacitor and method of fabricating of the same |
-
2020
- 2020-11-25 KR KR1020200159574A patent/KR102411615B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101846946B1 (en) * | 2014-12-26 | 2018-05-24 | 재단법인 차세대융합기술연구원 | Nano/micro composite fiber capable of performance electrochemical energy storage and method for fabricating thereof |
KR101910391B1 (en) * | 2017-07-14 | 2019-01-07 | 한양대학교 산학협력단 | Fiber-typed Supercapacitors Using Fiber Bundles and Method for Fabricating the Same |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20220072214A (en) | 2022-06-02 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Gu et al. | High-performance all-solid-state asymmetric stretchable supercapacitors based on wrinkled MnO 2/CNT and Fe 2 O 3/CNT macrofilms | |
Zhang et al. | Polypyrrole film based flexible supercapacitor: mechanistic insight into influence of acid dopants on electrochemical performance | |
Pan et al. | Novel wearable energy devices based on aligned carbon nanotube fiber textiles. | |
Xu et al. | Carbon Nanotube Fiber Based Stretchable Wire-Shaped Supercapacitors. | |
KR101886871B1 (en) | Nitrogen-doped graphene, ultracapacitor using the same and doping methode of the same | |
Dai et al. | A Flexible micro-supercapacitor based on a pen ink-carbon fiber thread | |
Li et al. | Hydrated ruthenium dioxides@ graphene based fiber supercapacitor for wearable electronics | |
Dong et al. | Matching electrode lengths enables the practical use of asymmetric fiber supercapacitors with a high energy density | |
Gao et al. | Versatile origami micro-supercapacitors array as a wind energy harvester | |
WO2008005431A2 (en) | Energy storage devices and composite articles associated with the same | |
KR101910391B1 (en) | Fiber-typed Supercapacitors Using Fiber Bundles and Method for Fabricating the Same | |
WO2014135877A1 (en) | Supercapacitor | |
Yang et al. | High‐Performance Yarn Supercapacitor Based on Metal–Inorganic–Organic Hybrid Electrode for Wearable Electronics | |
KR20230040724A (en) | Surface-activated carbon fiber electrode, manufacturing method of the same, flexible fibrous supercapacitor comprising the same and manufacturing method of flexible fibrous supercapacitor | |
Su et al. | Flexible two-ply yarn supercapacitors based on carbon nanotube/stainless steel core spun yarns decorated with Co3O4 nanoparticles and MnOx composites | |
Wesling et al. | Enhanced Electrochemical Performance of Nanocellulose/PPy· CuCl 2 Electrodes for All-Cellulose-Based Supercapacitors | |
CN110790277A (en) | Preparation method and application of HHK-CC @ MXenes composite flexible electrode material | |
KR102411615B1 (en) | Flexible super capacitor and manufacturing method thereof | |
Xia et al. | Rheology Engineering for Dry‐Spinning Robust N‐Doped MXene Sediment Fibers toward Efficient Charge Storage | |
Lai et al. | Hydrophilically engineered polyacrylonitrile nanofiber aerogel as a soft template for large mass loading of mesoporous poly (3, 4-ethylenedioxythiophene) network on a bare metal wire for high-rate wire-shaped supercapacitors | |
Chang et al. | The properties of highly compressible electrochemical capacitors based on polypyrrole/melamine sponge-carbon fibers | |
CN108470634B (en) | One kind being pyrolyzed carbon-coated graphene micro super capacitor production method based on N doping | |
Chen et al. | Electrochemical properties of cellulose nanofiber/graphenenanosheet/polyaniline composite film | |
KR102493630B1 (en) | Flexible fibrous super capacitor and manufacturing method thereof | |
Meng | A review of flexible and weaveable fiber-like supercapacitors |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
E701 | Decision to grant or registration of patent right |