KR101384663B1

KR101384663B1 - 수퍼캐패시터 및 이를 이용한 정수용 전기 화학 장치

Info

Publication number: KR101384663B1
Application number: KR1020070055249A
Authority: KR
Inventors: 강효랑; 양호정
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2007-06-05
Filing date: 2007-06-05
Publication date: 2014-04-14
Anticipated expiration: 2027-06-05
Also published as: US7835137B2; US20090086409A1; KR20080107214A

Abstract

본 발명은 캐소드; 애노드; 상기 캐소드와 애노드 사이에 개재된 분리막; 상기 캐소드와 애노드 사이에 존재하여 전류를 흐르게 하는 전해질을 포함하며, 상기 캐소드가, 슈도캐패시터 특성을 갖는 촉매 촉매; 및 바인더를 포함하는 수퍼캐패시터 및 이를 포함한 정수용 전기화학장치를 제공한다. 본 발명에 따르면, 캐소드에 슈도캐패시터 특성을 나타내는 물질을 이용한 촉매 반응을 활용하여 기존 EDLC 재료를 사용한 경우에 비하여 용량을 크게 증대할 수 있고, 캐소드에서 진행되는 촉매 반응의 전위를 더 높은 쪽으로 진행하여 시스템의 작동전압을 높여 추가로 용량을 높일 수 있다. 또한 촉매가 담지된 캐소드의 경우, 그 전극 저항이 매우 작아지므로 전체적인 시스템의 저항이 감소되어 출력 특성을 개선하면서 추가로 용량이 높아진다. 또한 전체 시스템의 부피를 1/2 이하로 줄일 수 있고, 사용되는 집전체, 분리막 등의 형성재료를 절반 이하로 줄일 수 있게 되어 제조비용이 절감되는 효과를 얻을 수 있다.

Description

수퍼캐패시터 및 이를 이용한 정수용 전기 화학 장치 {Supercapacitor and electrochemical apparatus for water purification using the same}

도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼캐패시터를 나타낸 도면이고,

도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼캐패시터에 있어서 포텐셜을 인가한 경우에 대하여 나타낸 것이고,

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼캐패시터를 이용한 연수용 전기화학장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이고,

도 3은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따른 셀의 방전 특성을 조사한 그래프이고,

도 4는 상기 실시예 1에 따른 셀의 사이크로볼타메트리 특성을 나타낸 도면이다.

본 발명은 수퍼캐패시터 및 이를 이용한 정수용 전기화학장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 출력 및 에너지 밀도를 구현할 수 있는 수퍼캐패시터 및 이를 이용하여 정수에 효율적으로 사용가능한 전기화학장치에 관한 것이다.

오늘날 우리사회가 본격적으로 고도 정보화 사회가 되어감에 따라, 상업적인 정보는 물론 개인정보의 부가가치가 점차 높아지고 있다. 이에 따라 신뢰성이 높은 정보통신 시스템이 요구되어 졌고, 이와 함께 안정적인 전기에너지 확보가 절대적으로 필요하게 되었다. 또한 최근 노트북 컴퓨터, 휴대전화 등 소형 혹은 휴대전자기기의 급속한 시장 확대에 따라, 이들에 사용되는 전지에 대해서 고에너지 밀도화, 장수명화, 초소형화, 경량화, 안전성 확보, 환경 친화성 보장 등의 조건에 대한 요구가 높아지고 있다. 이와 같은 요구에 부응하기 위해, 최근 안정적인 전기에너지의 확보를 만족하는 에너지원 시스템인 에너지 저장형 캐패시터가 관심의 대상이 되고 있다.

에너지 저장형 캐패시터란 기존 캐패시터의 기능을 하면서 에너지를 저장할 수 있는 메커니즘을 가지고 있는 캐패시터로서 배터리와 캐패시터의 가교역할을 할 수 있는 에너지 저장 장치로서, 에너지 밀도와 파워밀도 측면에서 전해 콘덴서와 이차 전지의 중간 특성을 갖고 있고 이차 전지에 비해 충전 시간이 짧고, 수명이 길며, 고 출력이 가능하며, 기존의 전해 콘덴서 보다 100 배 이상의 에너지 밀도가 높은 시스템이다.

즉, 전해 콘덴서의 파워 특성과 이차 전지의 높은 에너지 저장 특성의 장점만을 조합한 시스템을 의미한다.

한편, 다공성 활성 나노탄소 고체 전극과 전해질 용액과 같이 두상의 계면에 있어서 정(+), 부(-)의 전하는 굉장히 짧은 거리에 배열 분포한다.

이 때, 다공성 활성나노탄소 고체전극이 정전하(+)를 띄고 있는 경우에서는 전하를 보상하기 위해 용액중의 전해질 음이온(-)이 배열하고, 다공성 활성나노탄소 고체전극이 부전하(-)를 띄고 있는 경우에서는 전하를 보상하기 위해 용액중의 전해질 양이온(+)이 배열하는데, 이 전하의 배열에 의해 전기 이중층이 생기게 되며, 여기에서, 전기 이중층은 다공성 활성나노탄소 전극과 전해질 이온 사이에 전자의 이동을 동반하지 않은 비 유도전류(faradic) 반응에 의해 형성된다.

이와 같이 상기 에너지 저장형 캐패시터는 전극/전해질 계면에서 이온들의 정전기적 배향 (전기화학이중층 : electrochemical double-layer)을 이용하여 화학반응을 전기에너지로 전환하여 저장하는 전기에너지 저장장치의 일종이다. 따라서 기존 캐패시터에서 캐패시턴스(capacitance)(C) 값은 접촉하는 면적에 비례하고 양전하와 음전하간의 거리 즉 유전층의 두께에 반비례하게 된다. 이에 비해 에너지 저장형 캐패시터에서는 면적면에서 나노스케일의 다공성 탄소 전극 재료를 사용함으로서 그 면적이 획기적으로 증가하였다. 또한 유전층의 두께면에서는 기존 캐패시터가 마이크로미터(μm) 오더인데 반해 상기 에너지 저장형 캐패시터는 유전층의 두께가 10Å의 이온층 (ionic layer)으로 감소하여 결국 캐패시턴스(C)의 값이 초고용량으로 증가될 수 있다. 이러한 에너지 저장형 캐패시터는 다른 말로 “슈퍼 캐패시터”(super capacitor)라는 개념으로 설명이 되고 있다.

이와 같은 에너지 저장형 캐패시터는 그 작동원리에 따라 크게 두 종류로 구분이 되는데 그 중 하나는 전극/전해질 계면의 전기 이중층에 전하를 저장하는 것이고 (electrochemical double-layer capacitors: EDLC), 다른 하나는 가상 캐패시터(pseudo capacitor)라 불리는 것으로 전이금속산화물(transition metal oxide)의 표면에서 전이금속이온의 산화수(valance) 변화가 수반되며 전하 또는 전자가 저장된다. 그러나, 전기 이중층을 이용하는 에너지 저장형 캐패시터는 전극에서 활성탄소를 이용하여 이론적으로 넓은 비표면적을 가짐에도 불구하고 실제 캐패시턴스(c)값으로 계산되어 사용될 수 있는 면적은 전체의 20-30%에 불과하다. 이는 활성탄소 내에 부착되기 위한 전해질 내의 이온의 크기 및 흡착정도와 관련이 있다.

즉, 다공성의 활성탄소는 마이크로(micro<20Å), 매조(meso : 20Å<pore size<100Å) 및 매크로포어(macropore>100Å)등 이 세 가지로 분류가 될 수 있다. 이중 매크로포어(macropore)의 경우 그 크기가 커서 전해질 내의 이온이 기공 안으로 들어가기에 적합한 크기가 될 수 없게 된다. 따라서, 활성탄소 내에 매크로포어가 많을 경우 활성탄소 이용의 장점인 획기적으로 증가된 비표면적이 감소되는 결과를 가져온다. 그러므로 정해진 전해질 이온의 크기에 맞는 기공구조 즉, 매조포어(mesopore)를 유지하는 것만이 에너지 저장형 캐패시터의 파워 밀도를 올릴 수 있게 된다.

기존의 EDLC는 캐소드와 애노드에 모두 활성탄을 사용하여 캐소드에서는 음이온을, 애노드에서는 양이온을 흡착하는 구조로 되어 있다. 이런 경우 시스템 안에 2 개의 캐패시터가 직렬로 연결 되어 있는 구조를 띄게 된다. 그러므로 캐소드나 애노드 모두 자기가 가지고 있는 용량의 ½ 정도 밖에 사용을 못하게 된다. 이러한 문제점을 극복하여 캐패시터(capacitor)의 용량을 극대화한 하이브리드 시스템이 공지되어 있다. (EP 0864166, US 20030035982, US6195252).

지금까지 알려진 하이브리드시스템의 경우 전해액으로 보통 수 몰의 KOH 용 액 이나 유기용매 등을 사용하고 있어 부식 문제가 심각하게 발생하고 있고, 특히 수돗물의 연수화 시스템으로는 사용이 매우 어려워 개선의 여지가 많다.

이에 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 문제점을 해결하여 높은 출력 및 에너지 밀도를 구현할 수 있는 수퍼캐패시터 및 이를 이용한 정수용 전기화학장치를 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명은 캐소드; 애노드; 상기 캐소드와 애노드 사이에 개재된 분리막; 상기 캐소드와 애노드 사이에 존재하여 전류를 흐르게 하는 전해질을 포함하며,

상기 캐소드가,

슈도캐패시터(pseudocapacitor) 특성을 갖는 촉매; 및 바인더를 포함하는 수퍼캐패시터를 제공한다.

상기 촉매는 전해질내의 하이드록시기와 산소중에서 선택된 하나 이상을 가역적으로 산화 및 환원시킬 수 있는 물질로서, 나노 금속과 금속 산화물중에서 선택된 하나 이상을 사용하거나 또는 나노 금속이 전도성 담체에 담지된 담지 촉매이다.

상기 전도성 담체는 비표면적이 10 m²/g 이상인 카본블랙, 전도성 분체 (TiC ) 또는 전도성 분말인 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 나노금속은 평균 입경이 2 내지 20nm인 백금, 루테늄, 금, 은, 이리듐, 팔라듐, 코발트, 바나듐, 철로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이다.

본 발명에서 애노드는 카본계 물질 및 바인더를 포함하며, 상기 카본계 물질이 활성탄, CNT, 메조포러스 카본(mesoporous carbon)으로 이루어진 군으로부터 선택된다.

본 발명의 다른 기술적 과제는 상술한 슈퍼캐패시터를 포함하는 정수용 전기화학장치에 의하여 이루어진다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 살펴 보기로 한다.

본 발명에서 사용하는 용어 “수퍼캐패시터”는 초고용량 커패시터로서 매우 큰 용량을 갖는 캐패시터를 지칭하는 것이다.

본 발명의 수퍼캐패시터는 캐소드, 애노드, 상기 캐소드와 애노드 사이에 개재된 분리막 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 존재되어 전류를 흐르게 하는 전해질을 구비하며, 캐소드에 슈도캐패시터 특성을 나타내는 촉매와 바인더를 함유하여 캐소드의 매우 빠른 촉매 반응을 이용하여 캐소드의 반응용량이 애노드의 반응 용량에 비하여 매우 크게 만들어줌으로써 전체적인 셀 시스템의 용량을 증대시킨다.

본 발명에 있어서, 슈도캐패시터 특성은 전해질내의 하이드록시기나 산소가 반응물로 사용되며, 이런 반응물이 촉매위에서 가역적으로 산화/환원되는 촉매반응 특성을 말한다.

상기 촉매는 전해질내의 하이드록시기와 산소중에서 선택된 하나 이상을 가 역적으로 산화 및 환원시킬 수 있는 물질로서, 나노금속과 금속 산화물중에서 선택된 하나 이상을 사용하거나 나노금속이 전도성 담체에 담지된 담지 촉매를 사용한다.

상기 나노금속으로는 백금(Pt), 루테늄(Ru), 금(Au), 은(Ag), 이리듐(Ir), 팔라듐(Pd) 코발트(Co), 바나듐(V), 철(Fe)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용한다. 그리고 상기 나노 금속의 평균 입경은 2 내지 20nm인 것이 바람직하다. 만약 나노 금속의 평균 입경이 2 nm 미만이면 제조가 어렵고, 20nm를 초과하면 촉매의 유효 비표면적이 감소하고, 촉매사용량이 증가하여 바람직하지 못하다.

상기 금속 산화물은 슈도캐패시터(pseudocapacitor) 특성을 나타내는 물질로서, CaTiO₃, NaWO₃, MnO₂, PbO₂, RuO₂, TiO₂중에서 선택된 하나 이상을 사용한다.

상기 전도성 담체로는 비표면적이 10 m²/g 이상, 특히 50 내지 2000 m²/g인 카본블랙, 전도성 분체인 TiC, 전도성 분말 등을 사용한다.

본 발명의 촉매로 사용되는 담지 촉매로는 특히 Pt/C, Pt-Co/C 등을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 담지 촉매에 있어서, 나노 금속 및 나노 금속 산화물의 함량은 나노금속과 전도성 담체의 총중량 즉 담지 촉매 100 중량부를 기준으로 하여 2 내지 70 중량부이다.

본 발명의 슈퍼 캐패시터에 있어서 애노드는 카본계 물질 및 바인더를 함유한다. 여기에서 상기 카본계 물질로는 활성탄, 카본나노튜트(CNT), 메조포러스 카 본(mesoporous carbon)중에서 선택된 하나 이상의 물질을 사용한다.

본 발명에 따른 캐소드 및 애노드에 함유된 바인더는 집전체상에 대한 캐소

드 및 애노드 구성성분의 결착력을 부여할 수 있는 물질이라면 모두 다 사용가능하다. 상기 바인더의 비제한적인 예로서, FEP(fluorinated ethylene propylene), 스티렌 부타디엔 러버(SBR), 카르복시메틸셀룰로오즈(Carboxymethylcellulose: CMC) 등을 들 수 있다.

본 발명에 있어서, 전해질은 염이 용해되어 있는 수용액계 전해질을 사용하

며, 그 구체적인 예로서 염화나트륨 수용액, 황산마그네슘 수용액, 황산칼슘 수용액 각각 0.5 ~ 6 M 등을 사용하거나, 진한 농도 (5중량% ~ 100 중량%) 황산이나 인산 등을 들 수 있다.

본 발명에 있어서, 전해질은 수돗물도 사용이 가능하다.

도 1a는 상술한 캐소드 및 애노드를 이용한 슈퍼캐패시터를 나타낸 도면이

다.

이를 참조하면, 슈퍼캐패시터는 정전극을 갖는 캐소드와 상기 캐소드와 소정

간격을 갖고 서로 대칭되게 형성되어 부전극을 갖는 애노드와 상기 캐소드와 애노드 사이에 형성되어 두 극이 서로 붙는 것을 방지하는 분리막과 상기 캐소드와 애노드 사이에 형성되어 전류를 흐르게 하는 전해질과 상기 전해질의 외부 유출을 막는 개스킷으로 구성된다.

상기 캐소드는 전도성을 갖는 넓고 편평한 판으로 이루어진 집전체와 상기 집전체 상부에 촉매 및 바인더가 코팅된 캐소드용 전극부를 포함하여 구성되는 것 이 바람직하다.

상기 애노드는 캐소드와 마찬가지로 넓고 편평한 판으로 이루어진 집전체와 상기 집전체 상부에 카본계 물질 및 바인더가 코팅된 애노드용 전극부를 포함하여 이루어진다.

본 발명에서 캐소드 및 애노드를 구성하는 집전체는 그 형태가 카본판, 카본페이퍼, 금속판, 금속 메쉬, 금속 폼중에서 선택된 하나를 갖고, 그 형성재료는 알루미늄, 니켈, 구리, 타이타늄, 스테인레스, 철 등인 것을 사용한다. 본 발명의 집전체는 바람직하게는 카본 페이퍼를 사용한다.

이하, 본 발명에 따른 슈퍼캐패시터의 제조방법을 살펴 보면 다음과 같다.

먼저, 캐소드는 하기 과정에 따라 제조한다.

캐소드 전극부를 구성하는 활물질인 슈도캐패시터 특성을 갖는 촉매, 바인더 및 용매를 혼합하여 캐소드 전극부 형성용 조성물을 준비한다.

상기 용매로는 물, 알코올 등을 사용하며, 상기 알코올로는 이소프로필 알코올, 에탄올, 부탄올, 펜탄올, 헵탄올, 프로판올, 헥산올 등을 사용한다. 그리고 상기 용매의 함량은 촉매 100 중량부를 기준으로 하여 2 내지 70 중량부인 것이 바람직하다.

이어서, 상기 조성물을 집전체상에 코팅 및 건조하고 이를 열처리하여 캐소드를 제조하였다. 이와 같이 캐소드는 집전체와 그 상부에 형성된 캐소드 전극부로 이루어진다.

상기 건조는 20 내지 120 ℃에서 실시하며, 특히 상온(20-25℃)에서 실시한 다. 그리고 상기 열처리는 80 내지 250 ℃에서 실시한다. 만약 건조 및 열처리가 상기 범위를 벗어나면 캐소드의 방전 특성 등의 성능이 저하되어 바람직하지 못하다.

이와 별도로 애노드는 캐소드에서 촉매 대신 카본계 물질을 사용하는 것을 제외하고는 거의 동일하게 실시하여 애노드를 제조한다. 여기서 애노드는 캐소드와 마찬가지로 집전체와 애노드 전극부로 구성된다.

상기 과정에 따라 얻은 캐소드와 애노드 사이에 분리막을 개재하고, 전해질을 캐소드와 애노드 사이에 존재하여 전류를 흐르도록 배치하여 수퍼캐패시터를 완성한다.

상기 분리막으로는 셀룰로오즈계막, 테프론계막, PP(폴리프로필렌)계막, PE(폴리에틸렌)계막 등을 사용한다.

상기 전해질로는 상술한 바와 같이 염이 용해되어 있는 수용액계 전해질을 사용하며, 그 구체적인 예로서 염화나트륨 수용액 등을 사용한다.

도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼캐패시터에 있어서, 포텐셜을 인가한 경우에 대한 도면이다. 도 1b의 캐패시터 전체 용량을 계산하여 하기 표 1에 나타내었다. 도 1b의 C_DL 는 이중층 캐패시턴스(double layer capacitance )을 나타내고, 및 Rs은 용액 저항을 나타내고, 하기 표 1에서 C1은 캐소드 캐패시터를, C2는 애노드 캐패시터를 각각 나타낸다. 그리고 도 1b에서 카본은 활성탄을 나타낸다.

[표 1]

C1 용량	C2 용량	Ct 용량 (F/g)
1	1	0.50
2	1	0.67
4	1	0.80
5	1	0.83
10	1	0.91
20	1	0.95
50	1	0.98
100	1	0.99

상기 표 1에서 전체 용량 C_T는 하기식 1에 의하여 계산된다.

[식 1]

본 발명의 슈퍼캐패시터는 캐소드와 전해질, 애노드와 전해질 사이에 각각 1개의 캐패시터가 존재하여 총 2개의 캐패시터가 존재하는 시스템으로서, 두 개의 캐패시터가 서로 직렬로 연결되어 있는 구조를 가지므로 상기 표 1에 나타난 바와 같이 캐소드의 용량을 애노드의 용량에 비하여 크게 조절해주어야 전체적인 캐패시터의 용량이 커지게 된다. 이에 본 발명에서는 애노드로서 활성탄 전극을 사용하고 캐소드로서 애노드에 비하여 그 용량이 100배 이상 큰 촉매 반응을 이용하여 슈퍼캐패시터의 전체적인 용량을 크게 개선시킨 것이다.

본 발명에 슈퍼캐패시터는 캐소드안에 함유된 촉매로서 비표면적이 넓은 전도성 물질로 된 전도성 담체에 촉매 금속이 담지된 담지 촉매를 사용하는 경우 전해질속에 존재하는 하이드록시기나 산소를 산화 및 환원시킬 수 있어 전극의 용량을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라 전극의 내부 저항값을 줄일 수 있게 됨으로써 에 너지 저장 능력을 향상시킬 수 있게 된다. 따라서 종래기술에 따른 에너지 저장형 캐패시터가 갖고 있는 에너지 저장 능력을 2배 이상 증가시킬 수 있고 집전체 및 분리막 등의 비용을 줄일 수 있게 된다.

본 발명에 따른 슈퍼캐패시터는 그 적용 분야가 크게 한정되지는 않으나, 바

람직하게는 정수용 전기화학장치에 매우 유용하다. 특히 상기 전기화학장치는 물속의 양이온을 제거하여 경수를 연수화시키는 연수기에 적합하다.

연수기는 경수를 연수로 만들어주는 시스템으로서, 물속에 들어 있는 양이온 특히 2가 이온(Ca² ⁺, Mg2+ 등)을 60ppm 이하로 만들어 주는 시스템을 말한다.

본 발명에 따른 연수기에 있어서, 전해액은 수용액 시스템인 것이 바람직하며, 특히 수돗물인 것이 바람직하다.

도 2a-도 2b를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼캐패시터를 이용한

정수용 전기화학장치 특히 연수기에 대하여 설명하기로 한다.

도 2a는 써어펜테인타입(Serpentine type)이고, 도 2b는 평면타입(planar type)의 연수용 전기화학장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.

이를 참조하면, 연수용 전기화학장치는 본 발명의 슈퍼캐패시터를 포함하는 CDI 스택 (Capacitive Deionization stack)과 이에 전원을 공급하는 전원장치(power supply), 상기 CDI 스택에 경수를 공급하는 경수 주입관, 상기 CDI 스택을 통하여 연수화된 연수 출구관을 구비한다. 그리고 상기 캐소드와 애노드가 서로 붙는 것을 방지하는 분리막이 개재되어 있다. 도 2a에서 다공성 물질은 전극 활물 질을 의미한다.

본 발명의 도 2a 및 도 2b의 연수기는 경수를 연수로 만들기 위하여 CDI(capacitive dionization) 기술을 이용하는데, 나노 기공 탄소 전극에 전압을 인가하여 극성을 걸어중 매질중의 이온 물질을 전극 표면에 흡착제거한다. 그리고 재생시에는 전극에 역전압을 걸어중 흡착된 이온 물질을 물과 함께 배출하는 시스템을 이용하며, 이 시스템을 이용하면 종래기술에 따른 연수기를 사용한 경우와 달리 재생에 화학약품/교환수지 그리고 고가의 필터 및 멤브레인이 필요없고 경수 성분과 유해 이온까지 제거가능할 뿐만 아니라 단열 성능과 축전 용량이 뛰어나다.

이하, 본 발명을 하기 실시예를 들어 보다 상세하게 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

캐소드 및 애노드는 각각 하기 과정에 따라 제조하였다.

먼저 담지 촉매로 45.8 중량% Pt(평균 입경: 3~5 nm) /Vulcan XC-72(비표면적: 약 250 m²/g) 1g을 사용하여, 이를 물 2g, 이소프로필알코올 0.2g, 및 바인더로서 FEP(fluorinated ethylene propylene) 에멀젼 0.2g과 혼합하고 초음파 배쓰(sonic bath)에서 2시간 동안 혼합하여 캐소드용 슬러리를 제조하였다. 상기와 같이 제조한 슬러리를 집전체인 카본 페이퍼 위에 코팅하고 이를 상온에서 1시간 동안 건조하였다. 이어서, 상기 결과물을 150℃ 온도에서 5시간 동안 열처리하여 캐소드를 완성하였다.

이와 별도로 활물질인 활성탄(비표면적: 1500 m²/g) 1g, 2% 카르복시메틸셀룰로오즈(CMC) 수용액(CMC는 바인더 및 증점제 역할) 2.5g, 30 wt% SBR 수분산액 0.167g을 혼합하고 여기에 물을 5g 첨가하여 애노드 슬러리를 제조하여 이를 집전체인 카본 페이퍼 위에 코팅하고, 이를 상온에서 1시간 동안 건조하였다. 이어서, 상기 결과물을 150℃ 온도에서 5시간 동안 열처리하여 애노드를 완성하였다.

상기 캐소드와 애노드를 각각 3x3 cm 크기로 절단하여 사용하였고, 상기 캐소드와 애노드 사이에 개재된 분리막으로 셀룰로우즈막을 사용하였으며, 전해질로는 500 ppm NaCl 수용액을 사용하여 셀을 완성하였다.

상기 셀의 성능 평가를 실시하였고, 그 평가 결과는 도 3에 나타내었다. 여기에서 성능 평가 조건은 셀을 20 mA로 1.4V 까지 정전류 충전을 한 후, 1.4V에서 정전위로 2mA를 컷오프(cut-off)로 하여 충전을 실시하였다. 방전은 20 mA의 전류로 0V를 컷-오프(cut-off)로 하여 진행하여 테스트하였다.

도 3에 나타난 바와 같이, 캐소드에 촉매 전극을 사용한 경우가 일반적인 활성탄 전극을 사용한 비교예의 경우와 비교하여 3배 정도의 용량이 향상되는 결과를 보였으며, 이로부터 실시예에 따르면 용량 증대에 효과가 있음을 알 수 있었다.

상기 실시예에 따른 셀의 사이크로볼타메트리 특성을 조사하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.

도 4를 참조하여, 촉매인 백금을 포함하는 캐소드를 이용하면 백금 촉매 위에서 산화 반응이 일어난 후 그에 상응하는 환원 반응이 일어나는 것으로부터 반응 이 가역적으로 일어난다는 것을 알 수 있었다. 도 4에서 위쪽 도면은 전압범위를 -1 ~ 1 Volt (Ag/AgCl 기준전극), 아래쪽 도면은 -0.7 ~ 0.7 Volt로 하였을 때에 대한 것이고, 이 테스트는 안정한 전압범위를 알아내기 위한 실험으로서 본 시스템의 경우 -0.7 ~ 0.7 V 범위에서 안정함을 알 수 있었다.

[비교예 1]

활성탄(비표면적이 1500 m²/g) 1g을 사용하고 2% CMC 2.5g, 30 wt% SBR 0.167g을 혼합하고 여기에 물을 5g 첨가하여 캐소드 슬러리 및 애노드 슬러리를 제조하여 이를 카본페이퍼 위에 각각 코팅하고, 이를 상온에서 1시간 동안 건조하였다. 이어서, 상기 결과물을 150℃ 온도에서 5시간 동안 열처리하여 캐소드 및 애노드를 완성하였다.

상기 과정에 얻은 캐소드와 애노드를 각각 3x3 cm 크기로 절단하여 사용하였고, 상기 캐소드와 애노드 사이에 개재된 분리막으로 셀룰로우즈막을 사용하였으며, 전해질로는 NaCl 500 ppm 수용액을 사용하여 셀을 완성하였다.

상기 셀의 성능을 조사하여 도 1에 나타내었고, 성능 평가는 20 mA로 1.2V 까지 정전류 충전을 한 후, 1.2V에서 정전위로 2mA를 cut-off로 하여 충전하고 방전은 20 mA의 전류로 0V를 cut-off로 하여 진행하여 실시하였다.

비교예 1에 따른 셀은 1.2V를 넘어서면 부반응이 일어나서 컷-오프(cut-off) 전압을 1.2V로 하였다.

본 발명에 따르면, 캐소드에 슈도캐패시터 특성을 나타내는 물질을 이용한 촉매 반응을 활용하여 기존 EDLC 재료를 사용한 경우에 비하여 용량을 크게 증대할 수 있고, 캐소드에서 진행되는 촉매 반응의 전위를 더 높은 쪽으로 진행하여 시스템의 작동전압을 높여 추가로 용량을 높일 수 있다. 또한 촉매가 담지된 캐소드의 경우, 그 전극 저항이 매우 작아지므로 전체적인 시스템의 저항이 감소되어 출력 특성을 개선하면서 추가로 용량이 높아진다. 또한 전체 시스템의 부피를 1/2 이하로 줄일 수 있고, 사용되는 집전체, 분리막 등의 형성재료를 절반 이하로 줄일 수 있게 되어 제조비용이 절감되는 효과를 얻을 수 있다.

상기와 같은 실시예를 통해서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상에 의해 다양한 슈퍼캐퍼시터 또는 정수용 전기화학 장치를 제조할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

Claims

캐소드; 애노드; 상기 캐소드와 애노드 사이에 개재된 분리막; 상기 캐소드와 애노드 사이에 존재하여 전류를 흐르게 하는 전해질을 포함하며,

상기 캐소드가 슈도캐패시터 특성을 갖는 촉매; 및 바인더를 포함하며,

상기 촉매가 전해질내의 하이드록시기와 산소중에서 선택된 하나 이상을 가역적으로 산화 및 환원시킬 수 있는 물질이며,

상기 애노드가 카본계 물질 및 바인더를 포함하는 수퍼캐패시터.
삭제
제1항에 있어서, 상기 촉매가 나노 금속과 금속 산화물중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 수퍼캐패시터.
제1항에 있어서, 상기 촉매가 나노 금속 또는 금속 산화물이 전도성 담체에 담지된 담지 촉매인 것을 특징으로 하는 수퍼캐패시터.
제4항에 있어서, 상기 전도성 담체가 비표면적이 10m²/g 이상이며,

카본블랙, TiC, 또는 전도성 분말인 것을 특징으로 하는 수퍼캐패시터.
제3항에 있어서, 상기 나노금속이 백금, 루테늄, 금, 은, 이리듐, 팔라듐, 코발트, 바나듐, 철로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 수퍼캐패시터.
제3항에 있어서, 상기 나노금속의 평균 입경이 2 내지 20nm인 것을 특징으로 하는 수퍼캐패시터.
제3항에 있어서, 상기 금속 산화물이 CaTiO₃, NaWO₃, MnO₂, PbO₂, RuO₂, TiO₂중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 수퍼캐패시터.
삭제
제1항에 있어서, 상기 카본계 물질이 활성탄, 카본나노튜브(CNT), 메조포러스 카본(mesoporous carbon)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 수퍼캐패시터.
제1항에 있어서, 상기 전해질이 염이 용해되어 있는 수용액인 것을 특징으로 하는 수퍼캐패시터.
제1항, 제3항 내지 제8항, 제10항 및 제11항 중 어느 한 항의 슈퍼캐패시터를 포함하는 정수용 전기화학장치.