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KR101391136B1 - Method for manufacturing graphite film electro-deposited metal oxide for supercapacitor electrode and supercapacitor comprising the same - Google Patents

Method for manufacturing graphite film electro-deposited metal oxide for supercapacitor electrode and supercapacitor comprising the same Download PDF

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KR101391136B1
KR101391136B1 KR1020120052519A KR20120052519A KR101391136B1 KR 101391136 B1 KR101391136 B1 KR 101391136B1 KR 1020120052519 A KR1020120052519 A KR 1020120052519A KR 20120052519 A KR20120052519 A KR 20120052519A KR 101391136 B1 KR101391136 B1 KR 101391136B1
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electrode
metal oxide
graphite
manganese
nickel
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안영수
송찬주
권범진
김창구
이혜민
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아주대학교산학협력단
에쓰대시오일 주식회사
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Abstract

그라파이트 상에 금속 산화물층을 전기화학적으로 전착하는 단계를 포함하는 슈퍼커패시터용 금속 산화물/그라파이트 전극의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따르면 종래의 도전제와 바인더를 사용하여 전극을 제조하는 방법과 달리 그라파이트에 직접 금속 산화물을 전착하여 금속산화물/그라파이트 복합재 전극을 제조하고, 이를 전극으로 그대로 사용할 수 있기 때문에 제조 공정이 간단하고, 동시에 공정비용을 절감 효과를 가져온다. 또한, 그라파이트 전극 위에 전착되는 금속 산화물의 종류, 크기와 두께를 다양하게 조절하여 성능이 보다 향상된 전극의 제조가 가능하여, 슈퍼커패시터와 이차전지 등 다양한 분야에 활용할 수 있다.The present invention relates to a method of manufacturing an electrode using a conventional conductive agent and a binder, and a method of manufacturing a metal oxide / graphite electrode for a supercapacitor, which comprises electrochemically depositing a metal oxide layer on a graphite. Alternatively, the metal oxide / graphite composite electrode can be directly manufactured by electrodeposition of a metal oxide directly on the graphite, and the electrode can be used as an electrode, thereby simplifying the manufacturing process and reducing the process cost. Also, it is possible to manufacture electrodes with improved performance by variously controlling the kind, size and thickness of the metal oxide electrodeposited on the graphite electrode, and the present invention can be applied to various fields such as a super capacitor and a secondary battery.

Description

그라파이트에 금속 산화물이 전착된 슈퍼커패시터 전극의 제조방법 및 이를 이용한 슈퍼커패시터{Method for manufacturing graphite film electro-deposited metal oxide for supercapacitor electrode and supercapacitor comprising the same}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a supercapacitor electrode having a metal oxide deposited on graphite and a supercapacitor using the same,

본 발명은 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기화학적 방법으로 금속 산화물을 그라파이트 시트에 직접 전착하여 이를 전극으로 그대로 사용할 수 있는 금속산화물/그라파이트 전극의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing an electrode for a supercapacitor, and more particularly, to a method of manufacturing a metal oxide / graphite electrode by electrodepositing a metal oxide directly on a graphite sheet by an electrochemical method and using the electrode as an electrode.

슈퍼커패시터(supercapacitor) 혹은 울트라커패시터(ultracapacitor)라고 불리는 전기화학 커패시터(electrochemical capacitor)는 기존 커패시터보다 높은 에너지밀도(energy density), 이차전지보다 높은 출력밀도(power density), 기타 에너지 저장장치보다 훨씬 우수한 사이클 수명 특성 등으로 인하여 신규 에너지 저장장치로서 각광을 받고 있다.Electrochemical capacitors, called supercapacitors or ultracapacitors, have higher energy densities than conventional capacitors, higher power densities than secondary cells, and much better than other energy storage devices Cycle life characteristics, and the like.

슈퍼커패시터는 활성탄을 전극물질로 사용하는 전기이중층 커패시터(electric double layer capacitor, EDLC)와 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole) 등과 같은 전도성 고분자, RuO2, MnO2 등의 금속산화물 및 이들의 복합체(Mn-Ni, Mn-Co 등) 등을 전극물질로 사용하는 의사커패시터(pseudo-capacitor)로 나눌 수 있다.The super capacitor includes an electric double layer capacitor (EDLC) using activated carbon as an electrode material, a conductive polymer such as polyaniline and polypyrrole, a conductive polymer such as RuO 2 , MnO 2 (Mn-Ni, Mn-Co, etc.) and the like are used as an electrode material, and a pseudo-capacitor.

현재 사용되는 전기이중층 커패시터(EDLC)는 다공성 구조의 활성탄소(activated carbon) 계열의 물질을 전극으로 사용하고 있다. 활성탄소는 비표면적이 넓고 기공(pore)이 균일하여 커패시턴스(capacitance)가 높다. 또한, 전기전도성과 이온확산률이 높아서 낮은 등가직렬저항(equivalent series resistance, ESR)을 나타내고 넓은 전위범위에서 안정하다는 장점을 가진다. 그러나 축전용량의 한계로 인하여 에너지 밀도가 낮은 점이 제한요소로 작용하여 EDLC의 대안으로 EDLC에 비해 축전용량이 3-4 배 정도 큰 금속산화물을 이용한 의사커패시터(pseudo-capacitor)의 연구가 활발히 이루어지고 있다.Currently, electric double layer capacitors (EDLC) use an activated carbon material as a porous structure. Activated carbon has a large specific surface area and uniform pores and high capacitance. In addition, it has an advantage of having low equivalent series resistance (ESR) due to high electrical conductivity and high ion diffusion rate and stable in a wide potential range. However, due to the limitation of the storage capacity, the low energy density acts as a limiting factor. As an alternative to the EDLC, pseudo-capacitors using metal oxides with a storage capacity three to four times larger than EDLC are actively studied have.

의사커패시터의 전극재료로서 금속산화물을 제조하는 방법과 관련하여 종래 화학적 공침(coprecipitation)과 동결 건조(freeze-drying)에 의해 제조하는 방법, 알루미나 주형의 나노 기공에 스퍼터링하여 얻는 방법, 전도성 고분자를 코팅한 금속산화물 제조법, 또는 탄소나노튜브 나노복합소재를 사용하여 제조하는 방법 등이 있다.As a method for producing a metal oxide as an electrode material of a pseudo capacitor, there has been known a conventional method of preparing by coprecipitation and freeze-drying, a method of sputtering on nano pores of an alumina template, a method of coating a conductive polymer A method of manufacturing a metal oxide, or a method of manufacturing using a carbon nanotube nanocomposite material.

이러한 종래 기술로서, 선행 특허문헌, 한국등록특허 10-1064299에는 화학적 공침과 동결건조를 이용하여 제조한 니켈-망간 이성분계 복합 전극재료에 관한 내용이 기재되어 있으며, 한국등록특허 10-1102982에는 전기화학 중합법을 이용하여 전도성고분자를 코팅한 금속산화물 제조방법이 기재되어 있다. 또한, 비특허문헌 Yi-Shiun et al., Electrochemical and Solid-State Letters, 6 (10), A210-A213 (2003); Chi-Chang Hu et al., Electrochemical and Solid-State Letters, 5(3) A43-A46 (2002) 등에 금속 산화물을 이용한 슈퍼커패시터 전극의 제조방법에 관한 내용이 기재되어 있다.As such prior arts, Korean Patent Registration No. 10-1064299 discloses a nickel-manganese bicomponent composite electrode material prepared by chemical coagulation and freeze-drying, and Korean Patent No. 10-1102982 discloses a nickel- There is disclosed a method for producing a metal oxide by coating a conductive polymer using a chemical polymerization method. Also, non-patent documents Yi-Shiun et al., Electrochemical and Solid-State Letters, 6 (10), A210-A213 (2003); A method for manufacturing a supercapacitor electrode using a metal oxide is disclosed in, for example, Chi-Chang Hu et al., Electrochemical and Solid-State Letters, 5 (3) A43-A46 (2002)

상기의 방법에 따른 전극 물질들은 결과물이 파우더 상태이므로 그것을 항상 탄소계 도전제와 부착을 위하여 바인더와 혼합하여 알루미늄 호일(foil)에 부착하여 슈퍼커패시터용 전극을 다시 제조해야 하므로 제조공정 시간이 길고, 이에 따른 제조비용이 증가되어 비효율적인 문제점을 가지고 있다. 또한, 기존에 연구된 망간산화물의 전기화학적 전착법 역시 이때 사용된 전극들은 백금을 비롯한 니켈 호일, 탄소나노튜브와 같은 가격이 비싼 물질들이어서 여전히 비효율적인 문제점을 갖고 있다.Since the electrode material according to the above method is in a powder state, it is always mixed with a binder for adhesion with a carbon-based conductive agent and is attached to an aluminum foil to manufacture an electrode for a supercapacitor, The manufacturing cost is increased, which is an inefficient problem. Also, the electrochemical electrodeposition method of manganese oxide, which has been studied previously, is still inefficient because the electrodes used in this process are expensive materials such as platinum, nickel foil, and carbon nanotube.

[선행기술문헌][Prior Art Literature]

[특허문헌][Patent Literature]

한국등록특허공보 제10-1064299호 (2010.05.26.공개)Korean Patent Registration No. 10-1064299 (published on May 26, 2010)

한국등록특허공보 제10-1102982호 (2011.02.09 공개)Korean Patent Registration No. 10-1102982 (Published Feb., 2011)

[비특허문헌][Non-Patent Document]

Yi-Shiun et al., Electrochemical and Solid-State Letters, 6 (10), A210-A213 (2003);Yi-Shiun et al., Electrochemical and Solid-State Letters, 6 (10), A210-A213 (2003);

Chi-Chang Hu et al., Electrochemical and Solid-State Letters, 5(3) A43-A46 (2002)Chi-Chang Hu et al., Electrochemical and Solid-State Letters, 5 (3) A43-A46 (2002)

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 그라파이트 시트(graphite sheet)를 전극물질로 사용하고, 여기에 전기화학적인 방법으로 금속 산화물을 전착하여 이를 전극으로 직접 활용할 수 있어 공정 효율이 우수하며, 보다 성능이 향상된 금속 산화물/그라파이트 복합재 전극을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, a problem to be solved by the present invention is to use a graphite sheet as an electrode material, electrodeposition the metal oxide by an electrochemical method, and directly use the electrode as an electrode, And to provide a method for manufacturing the improved metal oxide / graphite composite electrode.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여,In order to solve the above problems,

그라파이트 상에 금속 산화물층을 전기화학적으로 전착하는 단계;를 포함하는 슈퍼커패시터용 금속 산화물/그라파이트 전극의 제조방법을 제공한다.And electrochemically depositing a metal oxide layer on the graphite. The present invention also provides a method of manufacturing a metal oxide / graphite electrode for a supercapacitor.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 전기화학적으로 전착하는 단계는, (a) 금속 산화물 전구체 용액을 포함하는 욕(bath)에 Ag/AgCl을 기준전극으로 하고, 작업전극과 대전극에 그라파이트 시트를 연결하여 3 전극계 욕(bath)을 구성하는 단계; 및According to an embodiment of the present invention, the electrochemical electrodepositing step includes the steps of: (a) using Ag / AgCl as a reference electrode in a bath containing a metal oxide precursor solution; To form a three-electrode system bath; And

(b) 상기 욕(bath)에서 30-180 초간 -1.2 V의 전원을 인가하여 금속 산화물층을 그라파이트에 직접 전착하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.(b) applying a power of -1.2 V for 30 to 180 seconds in the bath to electrodeposit the metal oxide layer directly on the graphite.

본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 금속 산화물은 니켈 산화물, 코발트 산화물, 철 산화물, 마그네슘 산화물, 구리 산화물, 아연 산화물, 인듐 산화물, 루테늄 산화물, 바나듐 산화물, 이리듐 산화물 및 납 산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속 산화물일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the metal oxide is selected from the group consisting of nickel oxide, cobalt oxide, iron oxide, magnesium oxide, copper oxide, zinc oxide, indium oxide, ruthenium oxide, vanadium oxide, iridium oxide and lead oxide And may be one or more selected metal oxides.

본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 금속 산화물 전구체 용액은 망간 아세테이트(Mn(CH3COO)2·4H2O)와 염화니켈(NiCl2·6H2O)을 포함하는 수용액으로서, 망간과 니켈의 몰비가 1 : 1 ~ 1 : 3일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the metal oxide precursor solution is an aqueous solution containing manganese acetate (Mn (CH 3 COO) 2 .4H 2 O) and nickel chloride (NiCl 2 .6H 2 O) Nickel molar ratio may be between 1: 1 and 1: 3.

본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 전기화학적 전착 단계 이전에, 그라파이트 시트를 전처리하는 단계;를 더 포함할 수 있으며,According to another embodiment of the present invention, before the electrochemical electrodeposition step, pre-treating the graphite sheet may further include:

상기 전처리 단계는 실리콘 카바이드 종이(SiC paper)로 그라파이트 시트를 문질러 표면의 거칠기를 증가시킨 후, 황산에 침지시켜서 화학적으로 에칭(etching)하고, 메탄올 용액에 침지시켜 불순물을 제거하는 것일 수 있다.The pretreatment step may include rubbing the graphite sheet with silicon carbide paper (SiC paper) to increase the roughness of the surface, chemically etching it by immersing it in sulfuric acid, and immersing it in a methanol solution to remove impurities.

본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 전기화학적 전착 단계 이후에, 그라파이트 시트에 전착된 금속 산화물을 열처리하여 금속 산화물을 결정화시키는 단계;를 더 포함할 수 있으며,According to another embodiment of the present invention, the method may further include crystallizing the metal oxide by heat-treating the metal oxide electrodeposited on the graphite sheet after the electrochemical electrodeposition step,

상기 열처리는 200-300 ℃에서 2-4 시간 동안 열처리하는 것일 수 있다.
The heat treatment may be a heat treatment at 200-300 ° C for 2-4 hours.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여,In order to solve the above problems,

상기 제조방법에 따라 제조되는 것을 특징으로 하는 금속 산화물/그라파이트 전극을 포함하는 슈퍼커패시터를 제공한다.The present invention also provides a super capacitor including the metal oxide / graphite electrode, which is manufactured according to the above-described method.

본 발명에 따르면 종래의 도전제와 바인더를 사용하여 전극을 제조하는 방법과 달리 그라파이트에 직접 금속 산화물을 전착하여 금속산화물/그라파이트 복합재 전극을 제조하고, 이를 전극으로 그대로 사용할 수 있기 때문에 제조 공정이 간단하고, 동시에 공정비용을 절감 효과를 가져온다. 또한, 그라파이트 전극 위에 전착되는 금속 산화물의 종류, 크기와 두께를 다양하게 조절하여 성능이 보다 향상된 전극의 제조가 가능하여, 슈퍼커패시터와 이차전지 등 다양한 분야에 활용할 수 있다.According to the present invention, a metal oxide / graphite composite electrode is manufactured by directly depositing a metal oxide on a graphite, unlike the conventional method of manufacturing an electrode using a conductive agent and a binder, and the electrode can be used as an electrode. And at the same time, reduces the cost of the process. Also, it is possible to manufacture electrodes with improved performance by variously controlling the kind, size and thickness of the metal oxide electrodeposited on the graphite electrode, and the present invention can be applied to various fields such as a super capacitor and a secondary battery.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 전기화학적으로 그라파이트 전극에 직접 망간-니켈 산화물 전착을 위한 욕(bath)과 전극의 구성을 보여주는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시에에 따라 전기화학적 전착시간을 60 초로 하고, 니켈과 망간의 몰비가 2 : 1인 욕에서 제조하여 그라파이트 시트에 전착된 망간-니켈 산화물의 SEM 이미지이다.
도 3a는 본 발명에 따라 전착된 망간-니켈 금속 산화물에 대한 열처리 전의 SEM 이미지이고, 도 3b는 열처리 후의 SEM 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시에에 따라 망간과 니켈의 몰비를 1 : 2로 하고, 전기화학적 전착 시간을 달리하여 제조한 전극에 대한 충방전 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시에에 따라 망간과 니켈의 몰비를 1 : 2로 하고, 전기화학적 전착 시간을 달리하여 제조한 전극에 대한 커패시턴스 측정값을 나타낸 그래프이다.
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a structure of a bath and an electrode for electrodeposition of manganese-nickel oxide directly on a graphite electrode according to an embodiment of the present invention.
2 is a SEM image of manganese-nickel oxide electrodeposited on a graphite sheet produced in a bath having a nickel / manganese molar ratio of 2: 1 with an electrochemical deposition time of 60 seconds according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3A is an SEM image of the electrodeposited manganese-nickel metal oxide according to the present invention before heat treatment, and FIG. 3B is an SEM image after heat treatment.
FIG. 4 is a graph of charge / discharge for an electrode manufactured by varying the electrochemical deposition time with a molar ratio of manganese and nickel of 1: 2 according to one embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing a capacitance measurement value for an electrode manufactured at a molar ratio of manganese and nickel of 1: 2 according to an embodiment of the present invention and having different electrochemical deposition times. FIG.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 슈퍼커패시터 물질인 금속 산화물, 특히 망간-니켈 금속산화물을 전기화학적인 방법을 이용하여 탄소계 기판, 특히 그라파이트 시트에 곧바로 전착하여 성능이 우수한 망간-니켈 이성분계 전극물질이 전착된 슈퍼커패시터용 전극을 빠른 시간 내에 간단한 공정으로 제조하는 방법을 제공한다.The present invention relates to a method for directly depositing a metal oxide, particularly a manganese-nickel metal oxide, on a carbon-based substrate, in particular, a graphite sheet, using an electrochemical method to form a supercapacitor The present invention provides a method for manufacturing an electrode for use in a simple process in a short time.

본 발명은 종래의 금속 산화물을 파우더 입자로 제조하여 전극을 제조했던 방법에서 공정 단계를 획기적으로 줄임으로써 공정비용의 절감을 유도할 수 있는 것을 특징으로 한다.The present invention is characterized in that the process steps are drastically reduced in the method of manufacturing the electrode by preparing the conventional metal oxide as the powder particle, thereby reducing the process cost.

또한, 전기화학적 전착시간, 금속 산화물 전구체의 금속 농도 및 금속 산화물 결정화 열처리 시간 등의 제조공정 변수를 조절하여 원하는 크기와 두께로 금속 산화물을 형성할 수 있는 것을 특징으로 한다.
In addition, the metal oxide can be formed in a desired size and thickness by adjusting manufacturing process parameters such as electrochemical deposition time, metal concentration of metal oxide precursor, and heat treatment time of metal oxide crystallization.

본 발명에 따른 슈퍼커패시터용 금속 산화물/그라파이트 전극의 제조방법은 (ⅰ) 금속 산화물, 특히 망간-니켈 산화물을 전착할 수 있는 니켈과 망간의 몰비 조절한 전구체 용액을 포함하는 욕(bath)을 준비하는 단계, (ⅱ) 금속 산화물의 전착에 사용되는 그라파이트 시트의 전처리 단계, (ⅲ) 전처리된 그라파이트 시트의 크기를 달리 하여 각각 작업전극과 대전극으로 구성하여 전기화학적으로 전착시키는 단계, (ⅳ) 전착된 금속 산화물을 열처리하여 결정화시키는 단계로 크게 구성된다.The method for preparing a metal oxide / graphite electrode for a supercapacitor according to the present invention comprises the steps of: (i) preparing a bath containing a precursor solution in which a molar ratio of nickel and manganese capable of electrodepositing a metal oxide, particularly a manganese- (Iii) electrochemically electrodepositing the working electrode and the counter electrode, respectively, by varying the size of the pretreated graphite sheet, (iv) electroplating the electrodeposited graphite sheet, And a step of crystallizing the electrodeposited metal oxide by heat treatment.

본 발명은 전착에 사용되는 전위와 전착시간, 열처리 시간 등의 공정 변수를 조절하여 전착되는 금속 산화물 입자의 크기, 금속 산화물층의 두께 등을 조절하여 슈퍼커패시터 전극의 성능을 다양하게 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다.
The present invention can control the performance of the supercapacitor electrode by adjusting the size of the metal oxide particles to be electrodeposited and the thickness of the metal oxide layer by adjusting process parameters such as dislocation, electrodeposition time, and heat treatment time used for electrodeposition .

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않고, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It will be clear to those who have knowledge.

<실시예><Examples>

실시예 1. 망간-니켈 산화물/그라파이트 전극의 제조Example 1. Preparation of manganese-nickel oxide / graphite electrode

(1) 그라파이트 시트의 준비(1) Preparation of graphite sheet

작업전극과 대전극에 사용할 그라파이트 시트는 작업전극용과 대전극용 크기를 각각 다르게 하여 미리 잘라두었다. 그리고 각각의 시트는 다음의 전처리 과정을 거쳤다.The graphite sheet to be used for the working electrode and the counter electrode was cut out in advance for different sizes for the working electrode and the counter electrode. Each sheet was subjected to the following pretreatment process.

먼저, SiC paper(실리콘 카바이드 종이)로 문질러서 물리적 polishing 작업으로 시트 표면의 거칠기를 증가시켰다. 이후, 20 wt% 황산에 20 초 동안 담그어 표면을 화학적으로 에칭(etching)하고 곧바로 2 M 메탄올 용액에 20 초 담그어 마이크로 수준의 결함과 불순물을 제거하였다. 메탄올에서 꺼낸 뒤 증류수로 표면을 깨끗이 씻어낸 뒤 65 ℃ 오븐에 6 시간 건조시켜 수분을 말끔히 제거하였다. 전착 전에 말끔히 건조된 시트를 준비하며 공기중의 노출을 최대한 피하였다.
First, the surface roughness of the sheet was increased by rubbing with SiC paper (silicon carbide paper) and physical polishing. Then, the surface was chemically etched by immersing in 20 wt% sulfuric acid for 20 seconds and immediately immersed in a 2 M methanol solution for 20 seconds to remove micro-level defects and impurities. After removing from the methanol, the surface was thoroughly rinsed with distilled water, and then dried in an oven at 65 ° C for 6 hours to remove moisture. Before the electrodeposition, the sheet was prepared to dryness and avoided exposure to the air as much as possible.

(2) 망간-니켈 수용액의 준비(2) Preparation of manganese-nickel aqueous solution

슈퍼커패시터용 Mn-Ni 산화물 전극제조를 위하여 전구체는 망간아세테이트(Mn(CH3COO)2·4H2O)와 염화니켈(NiCl2·6H2O)을 사용하였다. 그리고 망간과 니켈의 몰비가 1 : 2가 되도록 망간-니켈 수용액을 제조하였다.
Manganese acetate (Mn (CH 3 COO) 2 · 4H 2 O) and nickel chloride (NiCl 2 · 6H 2 O) were used as precursors for the preparation of Mn-Ni oxide electrodes for supercapacitors. A manganese-nickel aqueous solution was prepared so that the molar ratio of manganese to nickel was 1: 2.

(3) 그라파이트 시트에 망간-니켈 산화물의 전착(3) Electrodeposition of manganese-nickel oxide on the graphite sheet

준비된 그라파이트 시트를 크기별로 작은 것은 작업전극에 그보다 3 배 큰 크기의 시트는 대전극에 연결한 뒤 Ag/AgCl 전극을 기준전극으로 하여 욕에 설치하였다.(하기 도 1) 그 후. 일정전위전착법(potentiostatic method)으로 그라파이트 시트에 망간-니켈 산화물을 전착하였다. 즉, 일정전위(potentiostatic) 모드에서 -1.2 V를 인가하여 시간을 30, 60, 120, 180초로 달리하여 전착되는 망간-니켈 산화물의 양을 조절하면서 전착하였다.A prepared graphite sheet having a size smaller than that of the working electrode was connected to a counter electrode having a size three times larger than that of the working electrode, and the Ag / AgCl electrode was set as a reference electrode in the bath. The manganese-nickel oxide was electrodeposited on the graphite sheet by a constant potentiostatic method. That is, in the potentiostatic mode, -1.2 V was applied and the time was changed to 30, 60, 120, and 180 seconds to electrodeposition while controlling the amount of manganese-nickel oxide electrodeposited.

상기 일정전위전착법(potentiostatic method)에 의하면, 전위를 고정하고 시간에 따라서 전착량의 조절이 가능하고, 이에 따라서 망간-니켈 욕(bath)에서 원하는 커패시턴스를 가지는 전극을 제조할 수 있다.
According to the constant potential electrodeposition method, it is possible to control the electrodeposition amount by fixing the electric potential and the time, and accordingly, an electrode having a desired capacitance in a manganese-nickel bath can be manufactured.

(4) 열처리 단계(4) Heat treatment step

상기 (3)에 의한 망간-니켈 산화물의 전착 후에는 증류수로 표면을 세척하고 수분 제거 및 산화물 결정화를 위해 250 ℃에서 3 시간 동안 열처리(annealing)하였다.
After electrodeposition of the manganese-nickel oxide according to (3), the surface was washed with distilled water and annealed at 250 ° C for 3 hours to remove water and crystallize the oxide.

하기 도 2는 상기 실시예에 따라 전기화학적 전착시간을 60 초로 하고, 니켈과 망간의 몰비가 2 : 1인 욕에서 제조하여 그라파이트 시트에 전착된 망간-니켈 산화물의 SEM 이미지이고, 하기 도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 망간-니켈 금속 산화물은 결정화되어 fiber 형태를 가지며, 그 길이는 약 60-100 ㎚이다.
2 is an SEM image of a manganese-nickel oxide electrodeposited on a graphite sheet produced in a bath having a nickel / manganese molar ratio of 2: 1 with an electrochemical deposition time of 60 seconds according to the above embodiment, and FIG. 2 As can be seen, the manganese-nickel metal oxide according to the present invention is crystallized to have a fiber shape and its length is about 60-100 nm.

실험예 2. 열처리 전후의 산화물층의 결정화 변화 확인Experimental Example 2. Confirmation of crystallization change of oxide layer before and after heat treatment

하기 도 3a는 전착된 망간-니켈 금속 산화물에 대한 열처리 전의 SEM 이미지이고, 도 3b는 열처리 후의 SEM 이미지로서, 열처리 전에는 금속산화물의 형태가 보이는 듯 하나, 결정화가 이뤄지기 전이므로 fiber의 형태를 갖추고 있지 않으며, 열처리 후에는 결정화가 이루어져서 fiber 형태를 갖춘 금속 산화물 결정을 표면에서 확인할 수 있다.
FIG. 3A is an SEM image of the electrodeposited manganese-nickel metal oxide before heat treatment, FIG. 3B is an SEM image after heat treatment, which shows the shape of the metal oxide before the heat treatment but before the crystallization, And crystallization occurs after the heat treatment, so that a metal oxide crystal having a fiber shape can be confirmed on the surface.

실험예 2. 충방전 테스트EXPERIMENTAL EXAMPLE 2 Charging / discharging test

충방전 실험은 3전극 체계로 구성된 욕에서 진행하였다. 기준전극과 대전극은 각각 Ag/AgCl 전극, 백금 전극을 사용하였다. 0.5 M Na2SO4 용액을 전해질로 사용하였으며 제조한 니켈-망간 전극을 우선 0 V가 될 때까지 완전 방전을 시킨 후 0 ~ 0.85 V(vs. Ag/AgCl)의 전위범위에서 10 ㎃의 전류로 충전시킨 뒤 -10 ㎃로 완전 방전시켰다. 하기 도 4는 망간과 니켈의 몰비가 1 : 2인 욕에서 전기화학적 전착 시간을 다르게 하여 제조한 전극에 대한 충방전 실험 결과이다. 전착시간에 따른 커패시턴스가 다르듯 충방전 양상 역시 다름을 확인할 수 있다.
The charge and discharge tests were carried out in a bath consisting of a three electrode system. Ag / AgCl electrode and platinum electrode were used as the reference electrode and the counter electrode, respectively. 0.5 M Na 2 SO 4 The prepared nickel-manganese electrode was first fully discharged until it reached 0 V and then charged at a current of 10 mA in a potential range of 0 to 0.85 V (vs. Ag / AgCl) I was completely discharged with mA. FIG. 4 is a graph showing the results of charge and discharge tests for electrodes prepared by different electrochemical deposition times in a 1: 2 molar ratio of manganese and nickel. It can be seen that the charging and discharging behaviors are also different as the capacitances depend on the electrodeposition time.

실험예 3. CV 실험Experimental Example 3. CV Experiment

본 발명에 따라 제조한 전극의 커패시턴스(capacitance)를 계산하기 위하여 0.5 M Na2SO4 용액에서 기준전극으로 Ag/AgCl, 대전극으로 2×2 ㎠의 백금전극을 대전극을 이용하여 진행했다. CV 곡선은 -0.2 ~ 1.0 V 영역에서 20 ㎷/s의 주사속도를 인가하여 얻었다. 커패시턴스는 C=I/(dV/dt) 식을 이용하여 측정하였다. 본 발명에 따라 제조한 전극의 커패시턴스는 하기 도 5에 나타나 있는 바와 같이, 상기 실시예 1-(3)의 전착시간에 따라 490-270 F/g의 다양한 커패시턴스 값을 가진다.In order to calculate the capacitance of the electrode manufactured according to the present invention, 0.5 M Na 2 SO 4 Ag / AgCl was used as a reference electrode in the solution, and a platinum electrode of 2 × 2 cm 2 was used as a counter electrode by using a counter electrode. The CV curve was obtained by applying a scanning speed of 20 ㎷ / s in the range of -0.2 ~ 1.0 V. The capacitance was measured using the equation C = I / (dV / dt). As shown in FIG. 5, the capacitance of the electrode manufactured according to the present invention has various capacitance values of 490-270 F / g depending on the electrodeposition time of Example 1- (3).

Claims (7)

그라파이트 시트에 망간-니켈 복합 산화물을 전기화학적으로 전착하는 단계; 및
상기 그라파이트 시트에 전착된 망간-니켈 복합 산화물을 열처리하여 망간-니켈 복합 산화물을 결정화시키는 단계;를 포함하고,
상기 전기화학적으로 전착하는 단계는, (a) 망간-니켈 복합 산화물 전구체 용액을 포함하는 욕(bath)에 Ag/AgCl을 기준전극으로 하고, 작업전극과 대전극에 그라파이트 시트를 연결하여 3 전극계 욕(bath)을 구성하는 단계; 및
(b) 상기 욕(bath)에서 30-180 초간 -1.2 V의 전원을 인가하여 망간-니켈 복합 산화물을 그라파이트에 직접 전착하는 단계;를 포함하며,
상기 열처리는 200-300 ℃에서 2-4 시간 동안 수행되는 것을 특징으로하는 슈퍼커패시터용 금속 산화물/그라파이트 전극의 제조방법.
Electrochemically electrodepositing a manganese-nickel composite oxide on a graphite sheet; And
And a step of crystallizing the manganese-nickel composite oxide by heat-treating the manganese-nickel composite oxide electrodeposited on the graphite sheet,
Wherein the electrochemical electrodeposition step comprises the steps of: (a) using Ag / AgCl as a reference electrode in a bath containing a solution of a manganese-nickel composite oxide precursor, and connecting a graphite sheet to a working electrode and a counter electrode, Constituting a bath; And
(b) applying a power of -1.2 V for 30 to 180 seconds in the bath to directly electrodeposit the manganese-nickel complex oxide on the graphite,
Wherein the heat treatment is performed at 200-300 캜 for 2-4 hours. The method of manufacturing a metal oxide / graphite electrode for a supercapacitor according to claim 1,
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 금속 산화물 전구체 용액은 망간아세테이트(Mn(CH3COO)2·6H2O)와 염화니켈(NiCl2·4H2O)을 포함하는 수용액으로서, 망간과 니켈의 몰비가 1 : 1 ~ 1 : 3인 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터용 금속 산화물/그라파이트 전극의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal oxide precursor solution is an aqueous solution containing manganese acetate (Mn (CH 3 COO) 2 .6H 2 O) and nickel chloride (NiCl 2 .4H 2 O), wherein the molar ratio of manganese to nickel is 1: 3. The method for producing a metal oxide / graphite electrode for a supercapacitor according to claim 1,
제 1 항에 있어서,
상기 전기화학적 전착 단계 이전에, 그라파이트 시트를 전처리하는 단계;를 더 포함하고,
상기 전처리 단계는 실리콘 카바이드 종이(SiC paper)로 그라파이트 시트를 문질러 표면의 거칠기를 증가시킨 후, 황산에 침지시켜서 화학적으로 에칭(etching)하고, 메탄올 용액에 침지시켜 불순물을 제거하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터용 금속 산화물/그라파이트 전극의 제조방법.
The method according to claim 1,
Further comprising pretreating the graphite sheet prior to the electrochemical electrodeposition step,
Wherein the pretreatment step comprises rubbing the graphite sheet with silicon carbide paper (SiC paper) to increase the surface roughness, then immersing it in sulfuric acid, chemically etching it, and immersing it in a methanol solution to remove impurities. Method for the manufacture of metal oxide / graphite electrodes for capacitors.
삭제delete 제1항, 제4항 또는 제5항 중 어느 한 항에 따라 제조된 금속 산화물/그라파이트 전극을 포함하는 슈퍼커패시터.
A super capacitor comprising a metal oxide / graphite electrode produced according to any one of claims 1, 4 or 5.
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