KR102678479B1 - Method for Preparing Supercapacitor Electrode by Using Nanoparticles with Improved Dispersibility, Electrode Prepared Thereby and Transparent Supercapacitor Using Same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 분산성이 개선된 나노입자를 이용한 슈퍼커패시터용 전극 제조방법, 이에 의해 제조된 전극 및 이를 이용한 투명 슈퍼커패시터에 관한 것이다.
본 발명에서는 유기산을 이용한 표면처리를 통해 금속산화물 나노입자의 분산성을 개선함으로써, 금속산화물 나노입자의 응집 문제를 해결하여 균질한 코팅을 형성할 수 있다. 또한, 전극 제조 시 열처리 공정을 통해 코팅의 균질성은 유지하면서 유기산을 효율적으로 제거할 수 있으므로, 유기산에 의해 전극의 전기저항이 상승하는 문제 및 전해액과의 상호작용 저해 문제를 해결할 수 있다. 따라서, 본 발명을 이용하면 투명성이 우수한 고성능의 슈퍼커패시터를 제조할 수 있다.The present invention relates to a method for manufacturing electrodes for supercapacitors using nanoparticles with improved dispersibility, electrodes manufactured thereby, and transparent supercapacitors using the same.
In the present invention, the dispersibility of metal oxide nanoparticles is improved through surface treatment using an organic acid, thereby solving the problem of agglomeration of metal oxide nanoparticles and forming a homogeneous coating. In addition, organic acids can be efficiently removed while maintaining the homogeneity of the coating through a heat treatment process when manufacturing electrodes, thereby solving the problem of organic acids increasing the electrical resistance of the electrode and inhibiting interaction with the electrolyte solution. Therefore, using the present invention, a high-performance supercapacitor with excellent transparency can be manufactured.
Description
본 발명은 분산성이 개선된 나노입자를 이용한 슈퍼커패시터용 전극 제조방법, 이에 의해 제조된 전극 및 이를 이용한 투명 슈퍼커패시터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유기산으로 표면처리되어 분산성이 우수한 금속산화물 나노입자를 이용하여 슈퍼커패시터용 전극을 제조하는 방법, 이에 의해 제조된 전극 및 이를 이용한 투명 슈퍼커패시터에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing an electrode for a supercapacitor using nanoparticles with improved dispersibility, an electrode manufactured thereby, and a transparent supercapacitor using the same. More specifically, it relates to a metal oxide nano-metal oxide nano particle with excellent dispersibility that is surface-treated with an organic acid. It relates to a method of manufacturing electrodes for supercapacitors using particles, electrodes manufactured thereby, and transparent supercapacitors using the same.
슈퍼커패시터(supercapacitor)는 에너지 저장 장치의 일종으로, 기존의 커패시터(capacitor)에 비해 축전 용량이 매우 크기 때문에 초고용량 커패시터라고도 한다. 화석연료의 한계성 및 환경오염으로 인하여 신재생 에너지가 개발되고 전기자동차 시장이 급격하게 성장하면서 고성능 에너지 저장 장치의 중요성이 대두됨에 따라, 슈퍼커패시터의 개발이 활발하게 이루어지고 있다.A supercapacitor is a type of energy storage device. It is also called an ultra-high capacity capacitor because its storage capacity is much larger than that of a conventional capacitor. Due to the limitations of fossil fuels and environmental pollution, the development of new renewable energy and the rapid growth of the electric vehicle market have raised the importance of high-performance energy storage devices, leading to the active development of supercapacitors.
현재 시장을 점유하고 있는 슈퍼커패시터는 활성탄과 같은 탄소계 전극재료를 사용한다. 이와 관련하여, 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0012681호에서는 탄소계 전극재료로서 다공성 금속 카바이드 입자를 이용하여 입자의 비표면적을 증가시키고 전기 전도도를 향상시키며, 비정전 용량이 높은 슈퍼커패시터를 제조할 수 있는 기술을 기재하고 있다. 그러나, 탄소계 전극재료는 고유의 색깔 때문에 전극층의 두께를 조금만 두껍게 형성하여도 전극의 투명도가 급격히 저하되므로, 고투명성 장치에 적용하기 어렵다는 한계가 있었다.Supercapacitors that currently dominate the market use carbon-based electrode materials such as activated carbon. In this regard, Republic of Korea Patent Publication No. 10-2017-0012681 uses porous metal carbide particles as a carbon-based electrode material to increase the specific surface area of the particles, improve electrical conductivity, and manufacture a supercapacitor with high specific capacitance. It describes possible technologies. However, due to the inherent color of carbon-based electrode materials, the transparency of the electrode rapidly decreases even if the thickness of the electrode layer is slightly thickened, so there is a limitation that it is difficult to apply it to high-transparency devices.
고투명성 슈퍼커패시터를 제조하기 위하여, 탄소계 전극재료를 대체할 수 있는 새로운 전극 재료로서 금속산화물의 이용이 제안되었다. 예를 들어, 대한민국 공개특허공보 제10-2021-0134369호에서는 산화루테늄과 같은 금속산화물을 이용하여 전극 재료를 형성하는 방법을 기재하고 있다.In order to manufacture highly transparent supercapacitors, the use of metal oxides has been proposed as a new electrode material that can replace carbon-based electrode materials. For example, Republic of Korea Patent Publication No. 10-2021-0134369 describes a method of forming an electrode material using a metal oxide such as ruthenium oxide.
이와 같이 슈퍼커패시터의 전극 재료로서 금속산화물 나노입자를 이용하면 높은 투명성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 높은 비표면적으로 인해 이론적으로는 전극의 정전용량을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다. 그런데 금속산화물 나노입자는 전기전도도가 낮고 증착시 응집되는 문제가 발생하여 균일한 초박막의 전극을 구성하기 어렵기 때문에, 금속산화물 나노입자의 고유한 장점을 발휘하기 어렵다는 문제가 있었다.In this way, using metal oxide nanoparticles as an electrode material for a supercapacitor not only ensures high transparency, but also has the advantage of theoretically improving the capacitance of the electrode due to its high specific surface area. However, metal oxide nanoparticles have low electrical conductivity and agglomeration problems occur during deposition, making it difficult to construct a uniform ultra-thin electrode, making it difficult to demonstrate the unique advantages of metal oxide nanoparticles.
이에 따라, 금속산화물 나노입자의 분산성을 개선하여 투명성 및 정전용량 성능이 모두 우수한 슈퍼커패시터용 전극을 제조할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.Accordingly, there is a demand for the development of technology that can improve the dispersibility of metal oxide nanoparticles to manufacture supercapacitor electrodes with excellent transparency and capacitance performance.
본 발명의 목적은 분산성이 우수한 금속산화물 나노입자를 이용하여 고성능의 슈퍼커패시터용 전극을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to provide a method for manufacturing high-performance supercapacitor electrodes using metal oxide nanoparticles with excellent dispersibility.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법으로 제조되어 우수한 균일성, 투명성 및 정전용량을 갖는 슈퍼커패시터용 전극을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an electrode for a supercapacitor manufactured by the above method and having excellent uniformity, transparency, and capacitance.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 슈퍼커패시터용 전극을 포함하는 고성능의 투명 슈퍼커패시터를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a high-performance transparent supercapacitor including the electrode for the supercapacitor.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 유기산으로 표면처리된 금속산화물 나노입자 분산액을 기판 상에 코팅하는 단계; 및 상기 분산액 코팅을 열처리함으로써 나노입자 표면의 유기산을 제거하여 용량성 물질층(capacitive material layer)을 형성하는 단계를 포함하는, 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention includes the steps of coating a dispersion of metal oxide nanoparticles surface-treated with an organic acid on a substrate; and heat-treating the dispersion coating to remove organic acids on the surface of the nanoparticles to form a capacitive material layer.
본 발명에서, 상기 금속산화물은 Ru, Mn, Co, Ti, Zn 및 Ni로 구성된 군에서 선택된 금속의 산화물일 수 있다.In the present invention, the metal oxide may be an oxide of a metal selected from the group consisting of Ru, Mn, Co, Ti, Zn, and Ni.
본 발명에서, 상기 유기산의 탄소수는 10 이상일 수 있다.In the present invention, the organic acid may have 10 or more carbon atoms.
본 발명에서, 상기 기판은 ITO (indium tin oxide), FTO (fluorine-doped tin oxide), IZO (indium zinc oxide) 및 AZO (aluminium-doped zinc oxide)로 구성된 군에서 선택된 집전체 물질이 코팅된 투명 기판일 수 있다.In the present invention, the substrate is a transparent substrate coated with a current collector material selected from the group consisting of indium tin oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), indium zinc oxide (IZO), and aluminum-doped zinc oxide (AZO). It may be a substrate.
본 발명에서, 상기 분산액의 농도는 0.1 내지 20mg/ml일 수 있다.In the present invention, the concentration of the dispersion may be 0.1 to 20 mg/ml.
본 발명에서, 상기 분산액의 코팅은 스핀 코팅(spin coating), 스프레이 코팅(spray coating), 닥터 블레이드(doctor blade) 또는 바 코팅(bar coating) 방법으로 수행될 수 있다.In the present invention, coating of the dispersion may be performed by spin coating, spray coating, doctor blade, or bar coating.
본 발명에서, 상기 열처리는 120 내지 300℃의 온도에서 수행될 수 있다.In the present invention, the heat treatment may be performed at a temperature of 120 to 300°C.
본 발명에서, 상기 용량성 물질층의 두께는 1 내지 100nm일 수 있다.In the present invention, the thickness of the capacitive material layer may be 1 to 100 nm.
본 발명에서, 상기 유기산으로 표면처리된 금속산화물 나노입자는 순수(pristine) 금속산화물 나노입자를 유기산과 반응시킴으로써 제조될 수 있다.In the present invention, metal oxide nanoparticles surface-treated with the organic acid can be produced by reacting pristine metal oxide nanoparticles with an organic acid.
본 발명에서, 상기 순수 금속산화물 나노입자의 평균 입경은 0.5 내지 5nm일 수 있다. In the present invention, the average particle diameter of the pure metal oxide nanoparticles may be 0.5 to 5 nm.
본 발명에서, 상기 순수 금속산화물 나노입자와 유기산의 반응은 10 내지 50℃의 온도에서 수행될 수 있다.In the present invention, the reaction between the pure metal oxide nanoparticles and the organic acid can be performed at a temperature of 10 to 50°C.
본 발명에서, 상기 순수 금속산화물 나노입자와 유기산의 반응은, 극성 용매 및 비극성 용매가 공존하는 조건에서 수행될 수 있다.In the present invention, the reaction between the pure metal oxide nanoparticles and the organic acid can be performed under conditions where a polar solvent and a non-polar solvent coexist.
본 발명에서, 상기 극성 용매는, 물, 에탄올, 아세톤, 암모니아 및 아세트산으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 용매를 포함할 수 있다.In the present invention, the polar solvent may include one or more solvents selected from the group consisting of water, ethanol, acetone, ammonia, and acetic acid.
본 발명에서, 상기 비극성 용매는, 헥산, 펜탄, 헵탄, 벤젠, 톨루엔, 자일렌 및 시클로헥산으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 용매를 포함할 수 있다.In the present invention, the non-polar solvent may include one or more solvents selected from the group consisting of hexane, pentane, heptane, benzene, toluene, xylene, and cyclohexane.
본 발명에서, 상기 순수 금속산화물 나노입자는 금속 할로겐화물 및 염기성 첨가제의 반응에 의해 제조될 수 있다.In the present invention, the pure metal oxide nanoparticles can be produced by the reaction of a metal halide and a basic additive.
본 발명에서, 상기 염기성 첨가제는 LiOH, NaOH 및 NH4OH로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.In the present invention, the basic additive may include one or more selected from the group consisting of LiOH, NaOH, and NH 4 OH.
본 발명은 또한, 상기 방법에 의해 제조된 슈퍼커패시터용 전극을 제공한다.The present invention also provides an electrode for a supercapacitor manufactured by the above method.
본 발명에서, 상기 전극의 가시광 투과도는 70% 이상일 수 있다.In the present invention, the visible light transmittance of the electrode may be 70% or more.
본 발명은 또한, 상기 슈퍼커패시터용 전극 및 전해질을 포함하는, 투명 슈퍼커패시터를 제공한다.The present invention also provides a transparent supercapacitor including the electrode and electrolyte for the supercapacitor.
본 발명에서, 상기 투명 슈퍼커패시터는 분리막을 더 포함할 수 있다.In the present invention, the transparent supercapacitor may further include a separator.
본 발명에서는 유기산을 이용한 표면처리를 통해 금속산화물 나노입자의 응집 문제를 해결하여 균질한 코팅을 형성할 수 있다. 또한, 전극 제조 시 열처리 공정을 통해 코팅의 균질성은 유지하면서 유기산을 효율적으로 제거할 수 있으므로, 유기산에 의해 전극의 전기저항이 상승하는 문제 및 전해액과의 상호작용 저해 문제를 해결할 수 있다. 따라서, 본 발명을 이용하면 투명성이 우수한 고성능의 슈퍼커패시터를 제조할 수 있다.In the present invention, a homogeneous coating can be formed by solving the aggregation problem of metal oxide nanoparticles through surface treatment using organic acid. In addition, organic acids can be efficiently removed while maintaining the homogeneity of the coating through a heat treatment process when manufacturing electrodes, thereby solving the problem of organic acids increasing the electrical resistance of the electrode and inhibiting interaction with the electrolyte solution. Therefore, using the present invention, a high-performance supercapacitor with excellent transparency can be manufactured.
도 1은 본 발명의 일 실시예에서 pristine RuO2 나노입자 분산액을 헥산 및 올레산과 혼합한 직후 및 15시간 이후에 촬영한 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 측정한 pristine RuO2 및 RuO2-OA 나노입자의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 제조된 RuO2-OA 나노입자를 다양한 농도로 분산시킨 후 촬영한 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 시간 경과에 따른 pristine RuO2 나노입자(a) 및 RuO2-OA 나노입자(b) 분산액의 변화를 촬영한 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 표면처리 전(a) 및 표면처리 후(b) 나노입자의 TEM 사진을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서 pristine RuO2 나노입자 분산액(a) 및 RuO2-OA 나노입자 분산액(b)으로 제조된 박막의 FE-SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에서 박막의 투과도를 측정한 지점을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에서 제조된 pristine RuO2 나노입자(a) 및 RuO2-OA 나노입자(b) 박막의 투과도 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 도 8의 투과도 측정 결과로부터 평균을 계산하여 그래프로 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 박막의 열처리 온도별 FT-IR 스펙트럼(a) 및 표면처리 전후 나노입자의 FT-IR 스펙트럼(b)을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 박막의 열처리 온도별 수접촉각을 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 박막의 열처리 온도에 따른 FT-IR 결과 및 수접촉각을 그래프로 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 RuO2-OA 나노입자 박막을 열처리한 후 FE-SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 RuO2-OA 나노입자 박막을 열처리한 후 XRD 결과를 나타낸 것이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 박막의 열처리 온도별 CV 컨투어(contour) 결과이다.
도 16은 도 15의 CV 컨투어 결과로부터 계산한 면적정전용량 그래프이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에서 분산액 농도 및 코팅 횟수에 따른 전극의 가시광 투과도 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에서 분산액 농도 및 코팅 횟수에 따른 전극의 평균 투과도를 나타낸 그래프이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전극의 투과도 그래프 및 각 투과도 조건의 전극 사진을 나타낸 것이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전극에서 RuO2 박막 두께를 흡광도의 함수로 나타낸 것이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에서 투과도가 유사한 전극의 면적정전용량을 비교한 그래프이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에서 투과도가 서로 다른 전극에 대해 측정한 CV 컨투어를 나타낸 것이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극과 종래 투명 전극의 면적정전용량을 비교한 그래프이다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전극에 대해 측정한 면적정전용량을 주사 속도의 함수로 나타낸 것이다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전극에 대한 디콘볼루션 결과이다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 2-전극 셀의 사진이다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 2-전극 셀의 투과도 그래프이다.
도 28은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 2-전극 셀의 CV 측정 결과이다.
도 29는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 2-전극 셀의 정전류 충방전(GCD) 커브이다.
도 30은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 2-전극 셀의 정전용량 유지율 그래프를 나타낸다.
도 31은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 2-전극 셀의 전기화학 임피던스 분광법(EIS) 측정 결과를 나타낸다.
도 32는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 2-전극 셀의 GCD 사이클 수에 따른 정전용량 유지율 그래프를 나타낸다.
도 33은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 full-cell의 사진이다.
도 34는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 full-cell의 투과도 측정 결과를 나타낸다.
도 35는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 full-cell의 CV 측정 결과이다.
도 36은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 full-cell의 면적정전용량 그래프이다.Figure 1 is a photograph taken immediately after and 15 hours after mixing a pristine RuO 2 nanoparticle dispersion with hexane and oleic acid in an example of the present invention.
Figure 2 shows FT-IR spectra of pristine RuO 2 and RuO 2 -OA nanoparticles measured in an example of the present invention.
Figure 3 is a photograph taken after dispersing RuO 2 -OA nanoparticles prepared in an example of the present invention at various concentrations.
Figure 4 is a photograph of changes in dispersions of pristine RuO 2 nanoparticles (a) and RuO 2 -OA nanoparticles (b) over time in an example of the present invention.
Figure 5 shows TEM images of nanoparticles before (a) and after (b) surface treatment in one embodiment of the present invention.
Figure 6 shows a FE-SEM photograph of a thin film prepared from pristine RuO 2 nanoparticle dispersion (a) and RuO 2 -OA nanoparticle dispersion (b) in one embodiment of the present invention.
Figure 7 schematically shows the points at which the transmittance of the thin film was measured in one embodiment of the present invention.
Figure 8 shows the transmittance measurement results of thin films of pristine RuO 2 nanoparticles (a) and RuO 2 -OA nanoparticles (b) prepared in an example of the present invention.
Figure 9 is a graph showing the average calculated from the transmittance measurement results of Figure 8.
Figure 10 shows the FT-IR spectrum (a) at each heat treatment temperature of a thin film manufactured according to an embodiment of the present invention and the FT-IR spectrum (b) of nanoparticles before and after surface treatment.
Figure 11 shows the water contact angle at each heat treatment temperature of a thin film manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figure 12 is a graph showing FT-IR results and water contact angle according to heat treatment temperature of a thin film manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figure 13 shows a FE-SEM photograph after heat treatment of a RuO 2 -OA nanoparticle thin film according to an embodiment of the present invention.
Figure 14 shows XRD results after heat treatment of a RuO 2 -OA nanoparticle thin film according to an embodiment of the present invention.
Figure 15 shows CV contour results for each heat treatment temperature of a thin film manufactured according to an embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a graph of area capacitance calculated from the CV contour results of FIG. 15.
Figure 17 shows the results of measuring the visible light transmittance of the electrode according to the dispersion concentration and number of coatings in one embodiment of the present invention.
Figure 18 is a graph showing the average transmittance of the electrode according to the dispersion concentration and number of coatings in one embodiment of the present invention.
Figure 19 shows a transmittance graph of an electrode manufactured according to an embodiment of the present invention and a photograph of the electrode at each transmittance condition.
Figure 20 shows the RuO 2 thin film thickness as a function of absorbance in an electrode manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figure 21 is a graph comparing the area capacitance of electrodes with similar transmittances in one embodiment of the present invention.
Figure 22 shows CV contours measured for electrodes with different transmittances in one embodiment of the present invention.
Figure 23 is a graph comparing the area capacitance of a transparent electrode according to an embodiment of the present invention and a conventional transparent electrode.
Figure 24 shows the area capacitance measured for the electrode manufactured according to an embodiment of the present invention as a function of scanning speed.
Figure 25 is a deconvolution result for an electrode manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figure 26 is a photograph of a two-electrode cell manufactured according to one embodiment of the present invention.
Figure 27 is a graph of the transmittance of a two-electrode cell manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figure 28 is a CV measurement result of a two-electrode cell manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figure 29 is a constant current charge/discharge (GCD) curve of a two-electrode cell manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figure 30 shows a graph of capacitance retention of a two-electrode cell manufactured according to one embodiment of the present invention.
Figure 31 shows electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurement results of a two-electrode cell manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figure 32 shows a graph of capacitance retention according to the number of GCD cycles of a two-electrode cell manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figure 33 is a photograph of a full-cell manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figure 34 shows the results of transmittance measurement of a full-cell manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figure 35 is a CV measurement result of a full-cell manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figure 36 is a graph of the area capacitance of a full-cell manufactured according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 구체적인 구현 형태에 대해서 보다 상세히 설명한다. 다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.Hereinafter, specific implementation forms of the present invention will be described in more detail. Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used in this specification have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art to which the present invention pertains. In general, the nomenclature used herein is well known and commonly used in the art.
본 발명은 분산성이 개선된 금속산화물 나노입자, 이를 이용하여 제조된 슈퍼커패시터용 전극 및 상기 전극을 포함하는 투명 슈퍼커패시터에 관한 것이다.The present invention relates to metal oxide nanoparticles with improved dispersibility, an electrode for a supercapacitor manufactured using the same, and a transparent supercapacitor including the electrode.
본 발명에서는 유기산을 이용한 표면처리를 통해 금속산화물 나노입자의 분산성을 개선함으로써, 금속산화물 나노입자의 응집 문제를 해결하여 균질한 코팅을 형성할 수 있다. 또한, 전극 제조 시 열처리 공정을 통해 코팅의 균질성은 유지하면서 유기산을 효율적으로 제거할 수 있으므로, 유기산에 의해 전극의 전기저항이 상승하는 문제 및 전해액과의 상호작용 저해 문제를 해결할 수 있다. 따라서, 본 발명을 이용하면 투명성이 우수한 고성능의 슈퍼커패시터를 제조할 수 있다.In the present invention, the dispersibility of metal oxide nanoparticles is improved through surface treatment using an organic acid, thereby solving the problem of agglomeration of metal oxide nanoparticles and forming a homogeneous coating. In addition, organic acids can be efficiently removed while maintaining the homogeneity of the coating through a heat treatment process when manufacturing electrodes, thereby solving the problem of organic acids increasing the electrical resistance of the electrode and inhibiting interaction with the electrolyte solution. Therefore, using the present invention, a high-performance supercapacitor with excellent transparency can be manufactured.
본 발명에서 사용되는 분산성이 개선된 금속산화물 나노입자는 유기산으로 표면처리된 것을 특징으로 한다. The metal oxide nanoparticles with improved dispersibility used in the present invention are characterized by surface treatment with an organic acid.
본 발명에서, 금속산화물 나노입자는 Ru, Mn, Co, Ti, Zn 및 Ni로 구성된 군에서 선택된 금속의 산화물, 예를 들어 RuO2, MnO2, Mn3O4, Co3O4, TiO2, ZnO 및 NiO로 구성된 군에서 선택되는 금속산화물의 나노입자일 수 있다. 상기 금속산화물들은 용량성 물질(capacitive material)에 해당하는 것으로, 슈퍼커패시터의 전극에 적용되어 전기화학적인 산화환원 반응을 유도할 수 있다. In the present invention, the metal oxide nanoparticle is an oxide of a metal selected from the group consisting of Ru, Mn, Co, Ti, Zn, and Ni, for example, RuO 2 , MnO 2 , Mn 3 O 4 , Co 3 O 4 , TiO 2 , may be nanoparticles of a metal oxide selected from the group consisting of ZnO and NiO. The metal oxides correspond to capacitive materials and can be applied to the electrodes of a supercapacitor to induce an electrochemical redox reaction.
본 발명에서, 유기산은 탄소수가 10 이상인 것일 수 있다. 바람직하게, 상기 유기산은 탄소수 13 이상, 예를 들어 탄소수 16 내지 20인 것일 수 있다.In the present invention, the organic acid may have 10 or more carbon atoms. Preferably, the organic acid may have 13 or more carbon atoms, for example, 16 to 20 carbon atoms.
본 발명에서, 상기 유기산은 지방산(fatty acid)을 포함할 수 있다. 상기 지방산은 분자 내 탄소-탄소 간 이중결합을 하나 이상 갖는 불포화지방산일 수 있다. In the present invention, the organic acid may include fatty acid. The fatty acid may be an unsaturated fatty acid having one or more carbon-carbon double bonds within the molecule.
구체적으로, 본 발명에서 이용되는 유기산은 미리스톨레산, 팔미톨레산, 사피엔산, 올레산, 엘라이드산, 박센산, 리놀레산, 리노엘라이드산, α-리놀렌산, 아라키돈산, 에이코사펜타엔산, 에루크산, 도코사헥사엔산 등을 포함할 수 있으며, 올레산, 엘라이드산, 박센산, 팔미톨레산, 사피엔산 등이 바람직하게 이용될 수 있다.Specifically, the organic acids used in the present invention include myristoleic acid, palmitoleic acid, sapienic acid, oleic acid, elaidic acid, vaccenic acid, linoleic acid, linoelaidic acid, α-linolenic acid, arachidonic acid, eicosapentaenoic acid, It may include erucic acid, docosahexaenoic acid, etc., and oleic acid, elaidic acid, vaccenic acid, palmitoleic acid, sapienic acid, etc. may be preferably used.
본 발명에서, 상기 유기산으로 표면처리된 금속산화물 나노입자는, 순수(pristine) 금속산화물 나노입자를 유기산과 반응시킴으로써 제조될 수 있다. 본 발명의 일 실시 형태에서, 상기 순수 금속산화물 나노입자는 금속 할로겐화물 및 염기성 첨가제의 반응에 의해 제조된 것일 수 있다.In the present invention, metal oxide nanoparticles surface-treated with the organic acid can be produced by reacting pristine metal oxide nanoparticles with an organic acid. In one embodiment of the present invention, the pure metal oxide nanoparticles may be produced by the reaction of a metal halide and a basic additive.
본 발명의 예시적인 실시 형태에서, 상기 순수 금속산화물 나노입자는, 금속 할로겐화물에 염기성 첨가제를 첨가하여 현탁액을 제조하는 단계; 및 상기 현탁액을 원심분리하여 금속산화물 나노입자를 수득하는 단계에 의해 제조될 수 있다.In an exemplary embodiment of the present invention, the pure metal oxide nanoparticles include preparing a suspension by adding a basic additive to a metal halide; and centrifuging the suspension to obtain metal oxide nanoparticles.
상기 현탁액 제조 단계에 이용되는 금속 할로겐화물은 금속산화물의 전구체로서, Ru, Mn, Co, Ti, Zn 및 Ni로 구성된 군에서 선택된 금속과 F, Cl, Br 및 I로 구성된 군에서 선택된 할로겐으로 이루어진 화합물을 1종 이상 포함할 수 있다. 예를 들어, 염화물의 경우 RuCl3, MnCl2, CoCl2, TiCl2, TiCl4, ZnCl2, NiCl2 등이 사용될 수 있다.The metal halide used in the suspension preparation step is a precursor of a metal oxide and consists of a metal selected from the group consisting of Ru, Mn, Co, Ti, Zn, and Ni, and a halogen selected from the group consisting of F, Cl, Br, and I. It may contain one or more types of compounds. For example, in the case of chloride, RuCl 3 , MnCl 2 , CoCl 2 , TiCl 2 , TiCl 4 , ZnCl 2 , NiCl 2, etc. may be used.
상기 현탁액 제조 단계에 이용되는 염기성 첨가제로는 LiOH, NaOH, NH4OH 등을 이용할 수 있다. 본 발명에서, 염기성 첨가제로 LiOH를 사용하는 경우 제조되는 금속산화물 나노입자의 비표면적을 향상시킬 수 있으므로 바람직하다.LiOH, NaOH, NH 4 OH, etc. can be used as basic additives used in the suspension preparation step. In the present invention, it is preferable to use LiOH as a basic additive because it can improve the specific surface area of the metal oxide nanoparticles produced.
상기 현탁액 제조 단계에서, 상기 금속 할로겐화물의 용매는 유기용매일 수 있으며, 염기성 첨가제는 수용액 형태로 첨가될 수 있다. 또한, 상기 금속 할로겐화물 용액 및 염기성 첨가제 용액의 몰농도 비율은 1:1 내지 1:10, 바람직하게는 1:3 내지 1:8일 수 있다.In the suspension preparation step, the solvent for the metal halide may be an organic solvent, and the basic additive may be added in the form of an aqueous solution. Additionally, the molar concentration ratio of the metal halide solution and the basic additive solution may be 1:1 to 1:10, preferably 1:3 to 1:8.
상기 금속 할로겐화물 및 염기성 첨가제의 혼합은 20℃ 이하의 온도 조건에서 수행될 수 있으며, 교반을 통해 현탁액을 제조할 수 있다. 이후, 제조된 현탁액을 원심분리하여 금속산화물 나노입자를 수득할 수 있다.Mixing of the metal halide and basic additive can be performed at a temperature of 20°C or lower, and a suspension can be prepared through stirring. Thereafter, the prepared suspension can be centrifuged to obtain metal oxide nanoparticles.
본 발명에서, 상기 원심분리는 1,000rpm 내지 10,000rpm 조건 내에서 수행될 수 있고, 1분 내지 10분 동안 수행될 수 있다. 원심분리를 통해 나노입자 형태의 금속산화물을 얻은 다음, 세척 후 후속 공정에 이용할 수 있다. In the present invention, the centrifugation may be performed within conditions of 1,000 rpm to 10,000 rpm and may be performed for 1 minute to 10 minutes. Metal oxide in the form of nanoparticles can be obtained through centrifugation, then washed and used in subsequent processes.
상기 방법으로 수득한 금속산화물 나노입자는 순수(pristine) 금속산화물 나노입자로서, 본 발명에서 상기 순수 금속산화물 나노입자란 표면에 유기산이 결합되지 않은 상태, 즉 표면처리 전의 나노입자를 의미한다.The metal oxide nanoparticles obtained by the above method are pure (pristine) metal oxide nanoparticles. In the present invention, the pure metal oxide nanoparticles refer to nanoparticles in a state in which no organic acid is bound to the surface, that is, before surface treatment.
본 발명에서, 순수 금속산화물 나노입자의 크기(평균 입경)는 0.5 내지 5nm, 바람직하게 1 내지 2nm일 수 있다. 이와 같이 크기가 작은 나노입자를 이용함으로써, 나노입자의 비표면적 향상에 의해 전극에 이온이 효율적으로 접촉할 수 있다.In the present invention, the size (average particle diameter) of pure metal oxide nanoparticles may be 0.5 to 5 nm, preferably 1 to 2 nm. By using such small-sized nanoparticles, ions can efficiently contact the electrode by improving the specific surface area of the nanoparticles.
금속산화물 나노입자는 탄소계 전극재료를 대체할 수 있는 슈퍼커패시터 전극 재료로서, 금속산화물 나노입자를 이용하면 탄소계 재료와 달리 투명성을 확보할 수 있고, 높은 비표면적으로 인해 전극의 비정전용량을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다. 그러나, 금속산화물 나노입자는 증착 과정에서 응집되는 문제로 인해 실제 슈퍼커패시터 제조에 이용 시 우수한 정전용량을 구현하기 어렵다는 한계가 있었다.Metal oxide nanoparticles are a supercapacitor electrode material that can replace carbon-based electrode materials. By using metal oxide nanoparticles, unlike carbon-based materials, transparency can be secured and the specific capacitance of the electrode is improved due to the high specific surface area. There is an advantage to being able to do it. However, metal oxide nanoparticles have a limitation in that it is difficult to achieve excellent capacitance when used in actual supercapacitor manufacturing due to the problem of agglomeration during the deposition process.
본 발명은 이와 같은 금속산화물 나노입자의 응집 문제를 해결하여 고성능의 슈퍼커패시터용 전극을 제조하기 위한 것으로, 순수(pristine) 금속산화물 나노입자를 유기산과 반응시켜 표면처리함으로써 분산성을 개선할 수 있다. The present invention is intended to solve the problem of agglomeration of metal oxide nanoparticles and manufacture high-performance electrodes for supercapacitors. Dispersibility can be improved by surface treating pristine metal oxide nanoparticles by reacting them with organic acid. .
상기 표면처리 단계에서, 순수 금속산화물 나노입자와 유기산의 반응은 교반을 통해 수행될 수 있으며, 10 내지 50℃, 예를 들어 20 내지 30℃의 온도에서 진행될 수 있다. 또한, 교반은 1 내지 24시간, 예를 들어 10 내지 18시간 동안 수행될 수 있다. 상기 반응에서, 순수 금속산화물 나노입자의 중량(g)과 유기산 부피(ml)의 비율은 1:100 내지 50:100, 바람직하게는 5:100 내지 20:100일 수 있다.In the surface treatment step, the reaction between pure metal oxide nanoparticles and organic acid may be performed through stirring and may be carried out at a temperature of 10 to 50°C, for example, 20 to 30°C. Additionally, stirring may be performed for 1 to 24 hours, for example, 10 to 18 hours. In the above reaction, the ratio of the weight (g) of pure metal oxide nanoparticles and the volume (ml) of organic acid may be 1:100 to 50:100, preferably 5:100 to 20:100.
본 발명에서, 상기 순수 금속산화물 나노입자와 유기산의 반응은 극성 용매 및 비극성 용매가 공존하는 조건에서 수행될 수 있다. 이로써, 비극성/극성 계면에서 반데르발스 상호작용에 의해 유기산이 금속산화물 나노입자의 표면에 쉽게 컨쥬게이션(conjugation)될 수 있다. 따라서, 가열 없이 실온에서도 표면처리 반응을 용이하게 진행할 수 있다. 이 때, 극성 용매와 비극성 용매는 1:5 내지 5:1, 예를 들어 1:2 내지 2:1의 부피비로 사용될 수 있다.In the present invention, the reaction between the pure metal oxide nanoparticles and the organic acid can be performed under conditions where a polar solvent and a non-polar solvent coexist. As a result, organic acids can be easily conjugated to the surface of metal oxide nanoparticles through van der Waals interactions at the nonpolar/polar interface. Therefore, the surface treatment reaction can easily proceed even at room temperature without heating. At this time, the polar solvent and the non-polar solvent may be used in a volume ratio of 1:5 to 5:1, for example, 1:2 to 2:1.
본 발명에서, 극성 용매는 물, 에탄올, 아세톤, 암모니아, 아세트산 등을 포함할 수 있고, 비극성 용매는 헥산, 펜탄, 헵탄, 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 시클로헥산 등을 포함할 수 있다.In the present invention, polar solvents may include water, ethanol, acetone, ammonia, acetic acid, etc., and non-polar solvents may include hexane, pentane, heptane, benzene, toluene, xylene, cyclohexane, etc.
본 발명의 예시적인 실시 형태에서, 상기 반응은 순수 금속산화물이 극성 용매에 분산된 분산액과 비극성 용매 및 유기산의 혼합에 의해 수행될 수 있다. 금속산화물 나노입자를 극성 용매에 분산시킨 분산액에 비극성 용매 및 유기산을 첨가하면, 금속산화물 나노입자가 비극성 용매 측으로 이동되는 현상이 나타나며 이를 통해 금속산화물 나노입자가 유기산으로 표면처리된다. In an exemplary embodiment of the present invention, the reaction may be performed by mixing a dispersion of pure metal oxide in a polar solvent, a non-polar solvent, and an organic acid. When a non-polar solvent and an organic acid are added to a dispersion in which metal oxide nanoparticles are dispersed in a polar solvent, a phenomenon occurs in which the metal oxide nanoparticles move toward the non-polar solvent, and through this, the metal oxide nanoparticles are surface treated with an organic acid.
본 발명에서, 상기 순수 금속산화물 나노입자 분산액으로는 1 내지 50mg/ml, 바람직하게는 5 내지 20mg/ml 농도의 분산액을 이용할 수 있다.In the present invention, the pure metal oxide nanoparticle dispersion may be used at a concentration of 1 to 50 mg/ml, preferably 5 to 20 mg/ml.
본 발명에서는 금속산화물 나노입자에 유기산을 처리함으로써 나노입자 간의 응집을 방지하고 분산성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 나노입자는 코팅이 용이하고 균질한 박막 제조가 가능하므로, 슈퍼커패시터 전극 제조에 이용하는 경우 균일성이 우수한 전극을 제조할 수 있다.In the present invention, agglomeration between nanoparticles can be prevented and dispersibility can be improved by treating metal oxide nanoparticles with an organic acid. Accordingly, the nanoparticles of the present invention are easy to coat and can produce a homogeneous thin film, so when used to manufacture a supercapacitor electrode, an electrode with excellent uniformity can be manufactured.
본 발명은 또한, 분산성이 개선된 금속산화물 나노입자를 이용하여 전극을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention also relates to a method of manufacturing an electrode using metal oxide nanoparticles with improved dispersibility.
유기산으로 표면처리된 금속산화물 나노입자는 분산성이 우수하므로 균질한 박막 제조가 가능하여 고성능의 슈퍼커패시터용 전극을 제조할 수 있고, 전극의 투명성을 확보할 수 있다.Metal oxide nanoparticles surface-treated with organic acid have excellent dispersibility, so it is possible to manufacture a homogeneous thin film, making it possible to manufacture high-performance supercapacitor electrodes and ensure transparency of the electrode.
본 발명에서, 슈퍼커패시터용 전극은 기판 상에 유기산으로 표면처리된 금속산화물 나노입자 분산액을 코팅하는 단계; 및 상기 분산액 코팅을 열처리하여 나노입자 표면의 유기산을 제거하는 단계에 의해 제조될 수 있다. 이에 따라, 기판, 및 상기 기판 상에 형성되고 금속산화물 나노입자를 포함하는 용량성 물질층(capacitive material layer)을 포함하는 구조의 전극을 제조할 수 있다.In the present invention, the electrode for a supercapacitor includes the steps of coating a dispersion of metal oxide nanoparticles surface-treated with an organic acid on a substrate; And it can be prepared by heat treating the dispersion coating to remove organic acids on the surface of the nanoparticles. Accordingly, an electrode having a structure including a substrate and a capacitive material layer formed on the substrate and containing metal oxide nanoparticles can be manufactured.
본 발명의 전극 제조에 사용되는 기판으로는 투명 슈퍼커패시터 제조에 사용될 수 있는 집전체 기판, 예를 들어 ITO (indium tin oxide), FTO (fluorine-doped tin oxide), IZO (indium zinc oxide), AZO (aluminium-doped zinc oxide) 등의 집전체 물질이 코팅된 투명 기판을 이용할 수 있다.The substrate used to manufacture the electrode of the present invention includes a current collector substrate that can be used to manufacture a transparent supercapacitor, such as ITO (indium tin oxide), FTO (fluorine-doped tin oxide), IZO (indium zinc oxide), and AZO. A transparent substrate coated with a current collector material such as aluminum-doped zinc oxide can be used.
상기 기판 상에 용량성 물질층을 형성하기 위하여, 먼저 유기산으로 표면처리된 금속산화물 나노입자 분산액을 코팅한다.To form a capacitive material layer on the substrate, a dispersion of metal oxide nanoparticles surface-treated with an organic acid is first coated.
상술한 바와 같이, 상기 금속산화물은 Ru, Mn, Co, Ti, Zn 및 Ni로 구성된 군에서 선택된 금속의 산화물을 의미할 수 있으며, 나노입자는 탄소수 10 이상의 유기산으로 표면처리된 것일 수 있다.As described above, the metal oxide may refer to an oxide of a metal selected from the group consisting of Ru, Mn, Co, Ti, Zn, and Ni, and the nanoparticles may be surface-treated with an organic acid having 10 or more carbon atoms.
본 발명에서, 금속산화물 나노입자의 분산에 사용되는 분산매는 유기 용매, 물 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 유기 용매로는 C1 내지 C10의 알코올, 바람직하게 C6 내지 C8의 알코올을 이용할 수 있다.In the present invention, the dispersion medium used to disperse metal oxide nanoparticles may include an organic solvent, water, or a mixture thereof. For example, the organic solvent may be a C1 to C10 alcohol, preferably a C6 to C8 alcohol.
상기 분산액 코팅 단계에서, 분산액의 농도를 조절함으로써 전극의 특성을 조절할 수 있으며, 예를 들어 0.1 내지 20mg/ml의 농도를 갖는 분산액을 사용할 수 있다. 분산액의 농도가 너무 높으면 전극의 투명성이 저하될 수 있고, 농도가 너무 낮으면 정전용량 등 슈퍼커패시터의 성능이 불충분할 수 있다.In the dispersion coating step, the properties of the electrode can be adjusted by adjusting the concentration of the dispersion. For example, a dispersion having a concentration of 0.1 to 20 mg/ml can be used. If the concentration of the dispersion is too high, the transparency of the electrode may decrease, and if the concentration is too low, the performance of the supercapacitor, such as electrostatic capacity, may be insufficient.
상기 분산액 코팅 단계에서, 분산액의 농도 및 코팅 횟수를 조절하여 전극의 투명성 및 정전용량 성능을 조절할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는, 유기산으로 표면처리된 금속산화물 나노입자 분산액을 이용하였을 때 특정 농도의 분산액을 1회 코팅하여 제조된 전극과, 상기 농도의 절반 농도를 갖는 분산액을 2회 코팅하여 제조된 전극이 투과도 및 정전용량 측면에서 거의 차이가 없는 것을 확인하였다. 이에 따라, 본 발명을 이용하면 나노입자 분산액의 농도 및 코팅 횟수를 조절함으로써 제조되는 전극의 투과도 및 정전용량을 쉽고 정확하게 제어할 수 있다는 점에서 이점이 있다.In the dispersion coating step, the transparency and capacitance performance of the electrode can be adjusted by adjusting the concentration of the dispersion and the number of coatings. In an embodiment of the present invention, when using a dispersion of metal oxide nanoparticles surface-treated with an organic acid, an electrode was manufactured by coating the dispersion once with a specific concentration, and an electrode was manufactured by coating the dispersion with a concentration half of the above concentration twice. It was confirmed that the electrodes had little difference in terms of transmittance and capacitance. Accordingly, the use of the present invention is advantageous in that the transmittance and capacitance of the electrode manufactured can be easily and accurately controlled by controlling the concentration and number of coatings of the nanoparticle dispersion.
상기 분산액의 코팅 방법으로는 스핀 코팅(spin coating), 스프레이 코팅(spray coating), 닥터 블레이드(doctor blade), 바 코팅(bar coating) 등을 이용할 수 있으며, 공정의 편의성 및 균일성 측면에서 스핀 코팅이 바람직하게 사용될 수 있고, 대면적 장치 제조를 위해 스프레이 코팅이 바람직하게 사용될 수 있다.As a coating method for the dispersion, spin coating, spray coating, doctor blade, bar coating, etc. can be used. Spin coating is used in terms of process convenience and uniformity. This can be preferably used, and spray coating can be preferably used to manufacture large-area devices.
본 발명에서, 분산액 코팅을 열처리하여 나노입자 표면의 유기산을 제거함으로써 용량성 물질층(capacitive material layer)을 형성할 수 있다. 상기 열처리를 통해, 정전용량 성능이 우수한 슈퍼커패시터용 전극을 제조할 수 있다.In the present invention, a capacitive material layer can be formed by heat treating the dispersion coating to remove the organic acid on the surface of the nanoparticles. Through the heat treatment, an electrode for a supercapacitor with excellent capacitance performance can be manufactured.
나노입자 표면에 존재하는 유기산은 분산액에서 나노입자의 분산성을 향상시키고 이에 따라 균일한 코팅의 형성이 가능한 효과를 발휘하나, 전극에 적용 시 유기산에 의해 저항 문제가 발생할 수 있고, 유기산의 소수성 부분이 전해액의 침투를 방해하여 전극의 성능을 저하시킬 수 있다. The organic acid present on the surface of the nanoparticle improves the dispersibility of the nanoparticle in the dispersion and thus enables the formation of a uniform coating. However, when applied to an electrode, resistance problems may occur due to the organic acid, and the hydrophobic part of the organic acid may occur. This may impede the penetration of the electrolyte and reduce the performance of the electrode.
본 발명은 이와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 분산액 코팅 후 열처리를 통해 박막의 모폴로지나 결정상을 손상시키지 않고 유기산을 제거하여 성능이 우수한 전극을 제조할 수 있다.The present invention is intended to solve this problem, and it is possible to manufacture an electrode with excellent performance by removing organic acids without damaging the morphology or crystal phase of the thin film through heat treatment after dispersion coating.
본 발명에서, 상기 열처리 단계는 120 내지 300℃, 바람직하게는 150 내지 250℃에서 수행될 수 있으며, 180 내지 220℃에서 열처리하는 경우 전극의 정전용량을 크게 향상시킬 수 있다는 측면에서 바람직하다. 상기 온도 범위에서 열처리를 수행하는 경우 유기산을 제거하면서 균질한 박막을 유지할 수 있는 반면, 열처리 온도가 낮은 경우 나노입자 표면에 유기산이 잔류하여 정전용량에 부정적인 영향을 미칠 수 있고, 열처리 온도가 너무 높은 경우에도 오히려 정전용량이 저하될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는, 분산액 코팅을 200℃에서 열처리하였을 때 표면 모폴로지나 결정성이 저하되지 않으면서 정전용량이 크게 향상되는 효과를 확인하였다.In the present invention, the heat treatment step may be performed at 120 to 300°C, preferably 150 to 250°C, and heat treatment at 180 to 220°C is preferred in that the electrostatic capacity of the electrode can be greatly improved. If heat treatment is performed in the above temperature range, a homogeneous thin film can be maintained while removing organic acids. However, if the heat treatment temperature is low, organic acids may remain on the surface of the nanoparticles, which may have a negative effect on capacitance, and if the heat treatment temperature is too high, Even in this case, the capacitance may actually decrease. In an example of the present invention, it was confirmed that when the dispersion coating was heat treated at 200°C, the capacitance was greatly improved without deteriorating the surface morphology or crystallinity.
본 발명에서, 상기 열처리 단계는 10 내지 120분, 바람직하게 30 내지 90분 동안 수행될 수 있다.In the present invention, the heat treatment step may be performed for 10 to 120 minutes, preferably 30 to 90 minutes.
상기 열처리 단계에 의해, 유기산이 제거된 금속산화물 나노입자를 포함하는 용량성 물질층(capacitive material layer)을 형성할 수 있다. 본 발명에 따라 형성된 용량성 물질층에는 유기산이 존재하지 않으므로 전기저항 증가 문제 및 전극 표면의 젖음성(wettability) 저하 문제가 발생하지 않아, 이를 이용하면 고성능의 슈퍼커패시터를 제조할 수 있다.Through the heat treatment step, a capacitive material layer containing metal oxide nanoparticles from which the organic acid has been removed can be formed. Since there is no organic acid in the capacitive material layer formed according to the present invention, problems of increasing electrical resistance and decreasing wettability of the electrode surface do not occur, and using this, a high-performance supercapacitor can be manufactured.
상기 용량성 물질층의 두께는 분산액의 농도, 코팅 횟수 등에 의해 달라질 수 있으며, 1 내지 100nm, 예를 들어 2 내지 50nm일 수 있다. 용량성 물질층의 두께가 너무 두꺼우면 전기전도도가 저하될 수 있으나, 본 발명을 이용하면 두께가 10nm 이하인 초박막 형태로 용량성 물질층을 형성하는 것이 가능하므로 성능이 우수하면서 투명성이 높은 전극을 제조할 수 있다.The thickness of the capacitive material layer may vary depending on the concentration of the dispersion, the number of coatings, etc., and may be 1 to 100 nm, for example, 2 to 50 nm. If the thickness of the capacitive material layer is too thick, electrical conductivity may decrease, but using the present invention, it is possible to form the capacitive material layer in the form of an ultra-thin film with a thickness of 10 nm or less, thereby manufacturing an electrode with excellent performance and high transparency. can do.
본 발명에 따라 제조된 투명 슈퍼커패시터용 전극은 70% 이상, 바람직하게 80% 이상의 가시광 투과도를 나타낼 수 있다. 또한, 본 발명을 이용하면 분산액의 농도에 따라 90% 이상, 바람직하게 95% 이상, 더 바람직하게는 97% 이상의 가시광 투과도를 구현하는 것도 가능하다. The electrode for a transparent supercapacitor manufactured according to the present invention can exhibit visible light transmittance of 70% or more, preferably 80% or more. In addition, using the present invention, it is possible to achieve visible light transmittance of 90% or more, preferably 95% or more, and more preferably 97% or more depending on the concentration of the dispersion.
이러한 방법을 이용하면 크기가 작은 금속산화물 나노입자로 균일한 용량성 물질층을 형성할 수 있고, 용량성 물질층에 유기산이 잔류하지 않아 유기산에 의한 전기저항 문제 및 전해질과의 접촉 저해 문제가 나타나지 않으므로, 금속산화물의 우수한 정전용량 특성을 효과적으로 발휘할 수 있다. Using this method, a uniform capacitive material layer can be formed with small-sized metal oxide nanoparticles, and since no organic acid remains in the capacitive material layer, problems with electrical resistance caused by organic acid and problems with contact with the electrolyte do not appear. Therefore, the excellent capacitance characteristics of the metal oxide can be effectively exhibited.
이에 따라, 본 발명은 또한, 상기 슈퍼커패시터용 전극을 포함하는 슈퍼커패시터를 제공할 수 있다. 본 발명의 슈퍼커패시터는 가시광 투과도가 높은 투명 슈퍼커패시터일 수 있다.Accordingly, the present invention can also provide a supercapacitor including the electrode for the supercapacitor. The supercapacitor of the present invention may be a transparent supercapacitor with high visible light transmittance.
본 발명의 투명 슈퍼커패시터는, 상기 전극 제조방법에 의해 제조된 전극을 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 투명 슈퍼커패시터는 집전체 및 용량성 물질층을 포함하는 투명 슈퍼커패시터용 전극, 및 전해질을 포함할 수 있다.The transparent supercapacitor of the present invention may include an electrode manufactured by the electrode manufacturing method. Specifically, the transparent supercapacitor of the present invention may include a transparent supercapacitor electrode including a current collector and a capacitive material layer, and an electrolyte.
본 발명의 투명 슈퍼커패시터용 전극에서, 집전체는 전자를 외부로 전달하는 역할을 하고, 용량성 물질은 산화-환원 반응을 통하여 슈퍼커패시터의 충방전을 가능하게 하는 역할을 할 수 있다.In the transparent supercapacitor electrode of the present invention, the current collector serves to transfer electrons to the outside, and the capacitive material can serve to enable charging and discharging of the supercapacitor through an oxidation-reduction reaction.
상기 전해질은 이온이 이동하는 통로 역할을 하는 물질로서, 본 발명의 슈퍼커패시터에는 수계 전해질이 사용될 수 있다. 상기 수계 전해질은 황산(H2SO4), 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 염화칼륨(KCl) 등의 산, 염기, 또는 무기염 등일 수 있으며, 증류수, 탈이온수 등에 용해된 형태로 사용될 수 있다. The electrolyte is a material that acts as a passage for ions to move, and an aqueous electrolyte can be used in the supercapacitor of the present invention. The aqueous electrolyte may be an acid, base, or inorganic salt such as sulfuric acid (H 2 SO 4 ), potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH), or potassium chloride (KCl), and may be dissolved in distilled water, deionized water, etc. can be used
본 발명의 투명 슈퍼커패시터는, 전극 사이에 분리막을 더 포함할 수 있다.The transparent supercapacitor of the present invention may further include a separator between electrodes.
상기 분리막은 양극 및 음극 사이에 배치되어 전극을 이격시키면서 전해질 내 이온들의 전달은 가능하게 하는 역할을 한다. 상기 분리막으로는 이온 투과도가 높고 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막, 예를 들어 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리에틸렌(polyethylene, PE) 등의 고분자 박막을 사용할 수 있다.The separator is disposed between the anode and the cathode and serves to enable the transfer of ions in the electrolyte while separating the electrodes. The separator may be an insulating thin film with high ion permeability and mechanical strength, for example, a polymer thin film such as polypropylene (PP) or polyethylene (PE).
본 발명에 따르면, 유기산 처리에 의해 금속산화물 나노입자의 분산성이 개선되어 표면이 균질한 박막을 제조할 수 있으며, 열처리로 유기산을 제거함으로써 박막의 균질성을 유지하면서 전극의 정전용량, 응답속도 및 전기적 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 나노입자 분산액 농도 및 코팅 횟수 조절에 따라, 제조되는 전극의 투명성 및 정전용량을 조절할 수 있다. 따라서, 본 발명을 슈퍼커패시터의 전극 제조에 이용하면, 정전용량 및 응답속도가 우수한 고투명성의 슈퍼커패시터를 제조할 수 있다.According to the present invention, the dispersibility of metal oxide nanoparticles is improved by treatment with organic acid, making it possible to manufacture a thin film with a homogeneous surface. By removing the organic acid through heat treatment, the homogeneity of the thin film is maintained while maintaining the capacitance, response speed, and Electrical performance can be greatly improved. Additionally, the transparency and capacitance of the manufactured electrode can be adjusted by adjusting the concentration of the nanoparticle dispersion and the number of coatings. Therefore, if the present invention is used to manufacture supercapacitor electrodes, a highly transparent supercapacitor with excellent capacitance and response speed can be manufactured.
실시예Example
이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 단, 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위하여 일부 실험방법과 구성을 나타낸 것으로, 본 발명의 범위가 이러한 실시예에 제한되는 것은 아니다.The present invention will be described in more detail through examples below. However, these examples show some experimental methods and configurations to illustratively illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples.
제조예 1: 유기산으로 표면처리된 금속산화물 나노입자 제조Preparation Example 1: Preparation of metal oxide nanoparticles surface treated with organic acid
금속산화물 나노입자의 표면처리:Surface treatment of metal oxide nanoparticles:
상이동(phase-transfer) 및 침전법을 이용하여, 유기산으로 표면처리된 금속산화물 나노입자를 합성하였다.Metal oxide nanoparticles surface-treated with organic acid were synthesized using phase-transfer and precipitation methods.
먼저, 0.02M의 염화루테늄 수화물(RuCl3·xH2O, Ru 함량 40-49%, Sigma-Aldrich) 메탄올 용액을, 아이스 배스(ice bath)에 위치한 0.1M의 수산화리튬(LiOH, 98%, Sigma-Aldrich) 수용액에 격렬한 교반 조건 하에서 천천히 첨가하여, 진갈색의 현탁액을 형성하였다. 생성물을 5,000rpm에서 5분간 원심분리하고 아세톤으로 3회 세척하였다. First , 0.02M ruthenium chloride hydrate (RuCl 3 · , Sigma-Aldrich) was slowly added to the aqueous solution under vigorous stirring to form a dark brown suspension. The product was centrifuged at 5,000 rpm for 5 minutes and washed three times with acetone.
수득한 순수 산화루테늄 나노입자(pristine RuO2 nanoparticles) 0.3g을 무수 에탄올 30ml에 분산시킨 후, 헥산 30ml 및 올레산(OA) 3ml를 첨가하였다.0.3 g of pure ruthenium oxide nanoparticles (pristine RuO 2 nanoparticles) was dispersed in 30 ml of absolute ethanol, and then 30 ml of hexane and 3 ml of oleic acid (OA) were added.
이후 실온에서 15시간 동안 지속적으로 교반하여 올레산으로 표면처리된 산화루테늄(RuO2-OA) 나노입자를 제조하였다.Afterwards, the mixture was continuously stirred at room temperature for 15 hours to prepare ruthenium oxide (RuO 2 -OA) nanoparticles surface-treated with oleic acid.
도 1은 나노입자의 표면처리 공정에서 순수 RuO2 나노입자가 분산된 에탄올 용액을 헥산 및 올레산과 혼합한 직후 및 15시간 이후의 사진을 촬영하여 나타낸 것이다.Figure 1 shows photographs taken immediately after and 15 hours after mixing an ethanol solution in which pure RuO 2 nanoparticles were dispersed with hexane and oleic acid in the surface treatment process of nanoparticles.
도 1을 참조하면, 하부 에탄올층에 분산된 RuO2 나노입자가 15시간 교반 후 상부 헥산층으로 완전히 이동한 것을 볼 수 있으며, 이를 통해 RuO2 나노입자가 올레산으로 표면처리된 것을 확인할 수 있다. Referring to Figure 1, it can be seen that the RuO 2 nanoparticles dispersed in the lower ethanol layer completely moved to the upper hexane layer after stirring for 15 hours, confirming that the RuO 2 nanoparticles were surface treated with oleic acid.
유기산 표면처리의 분광학적 확인:Spectroscopic confirmation of organic acid surface treatment:
나노입자 상의 유기산 리간드를 관찰하기 위하여, 푸리에 변환 IR 분광법(FT-IR spectrometer, Cary 630 FTIR, Agilent)을 수행하였다.To observe the organic acid ligands on the nanoparticles, Fourier transform IR spectroscopy (FT-IR spectrometer, Cary 630 FTIR, Agilent) was performed.
도 2는 pristine RuO2 및 OA로 표면처리된 RuO2 나노입자의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도 2의 결과를 참조하면, OA로 표면처리 공정을 수행한 후 C-H 스트레칭 밴드 강도가 급격히 증가하는 것을 관찰할 수 있으며, 이로부터 나노입자 표면의 OA 콘쥬게이션을 확인할 수 있다.Figure 2 shows the FT-IR spectrum of RuO 2 nanoparticles surface-treated with pristine RuO 2 and OA. Referring to the results in Figure 2, it can be observed that the CH stretching band intensity increases rapidly after performing the surface treatment process with OA, and from this, OA conjugation on the nanoparticle surface can be confirmed.
표면처리된 금속산화물 나노입자 분산액의 분산성 확인:Confirmation of dispersibility of surface-treated metal oxide nanoparticle dispersion:
제조된 RuO2-OA 나노입자에 에탄올을 첨가하여 침전시키고, 0.1부터 20mg/ml의 범위의 농도로 옥탄에 재분산시켜 RuO2-OA 나노입자 분산액을 제조하였다.The prepared RuO 2 -OA nanoparticles were precipitated by adding ethanol and redispersed in octane at a concentration ranging from 0.1 to 20 mg/ml to prepare a RuO 2 -OA nanoparticle dispersion.
도 3은 0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 2.0, 5.0, 10.0 및 20.0mg/ml 농도의 RuO2-OA 나노입자 분산액을 제조하고, 24시간이 경과했을 때 촬영한 사진을 나타낸 것이다. 도 3으로부터, RuO2-OA 나노입자는 전체 실험 농도에서 모두 우수한 분산성을 나타내는 것을 확인하였다.Figure 3 shows photographs taken 24 hours after preparing RuO 2 -OA nanoparticle dispersions at concentrations of 0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 2.0, 5.0, 10.0, and 20.0 mg/ml. From Figure 3, it was confirmed that RuO 2 -OA nanoparticles showed excellent dispersibility at all experimental concentrations.
제조예 2: 유기산으로 표면처리된 금속산화물 나노입자를 이용한 투명 전극 제조Preparation Example 2: Preparation of transparent electrode using metal oxide nanoparticles surface treated with organic acid
유기산으로 표면처리된 금속산화물 나노입자를 이용하여, 박막 형태의 투명 전극을 제조하였다.A transparent electrode in the form of a thin film was manufactured using metal oxide nanoparticles surface-treated with organic acid.
제조예 1의 RuO2-OA 나노입자 분산액을 ITO 코팅된 유리 기판(면저항 < 20 Ω cm-2)에 스핀 코팅하였다. 구체적으로, 100μl의 RuO2-OA NP 분산액(5.0mg/ml, octane)을 3,000rpm에서 30초 동안 스핀 코팅한 후, 200℃에서 열처리(annealing)하여 유기산을 제거함으로써 투과도가 97%에 달하는 전극을 제조하였다. The RuO 2 -OA nanoparticle dispersion of Preparation Example 1 was spin-coated on an ITO-coated glass substrate (sheet resistance < 20 Ω cm -2 ). Specifically, 100 μl of RuO 2 -OA NP dispersion (5.0 mg/ml, octane) was spin-coated at 3,000 rpm for 30 seconds, and then annealed at 200°C to remove organic acids, resulting in an electrode with a transmittance of 97%. was manufactured.
제조예 3: 투명 전극을 이용한 투명 슈퍼커패시터 제조Manufacturing Example 3: Manufacturing a transparent supercapacitor using transparent electrodes
제조예 2의 방법으로 제조된 투명 전극을 이용하여 슈퍼커패시터 장치를 제작하였다.A supercapacitor device was manufactured using the transparent electrode manufactured by the method of Preparation Example 2.
전극의 모서리를 따라 폴리머 스페이서(spacer)인 SurlynTM 테이프를 배치하여, 전극이 분리된 형태로 두개의 나노입자 전극을 적층함으로써 대칭형 슈퍼커패시터 장치를 제작하였다. 상기 테이프의 두께(즉, 전극 스페이스의 높이)는 120μm였으며, 100℃에서 열처리를 수행하여 장치를 밀봉하였다. A symmetrical supercapacitor device was fabricated by placing Surlyn TM tape, a polymer spacer, along the edge of the electrode and stacking two nanoparticle electrodes in a separated electrode form. The thickness of the tape (i.e., the height of the electrode space) was 120 μm, and heat treatment was performed at 100°C to seal the device.
미리 뚫어 놓은 작은 구멍을 통해 0.5M 수계 H2SO4 전해액(전기전도도 200mS/cm)을 스페이스 내에 주입한 후, Surlyn 폴리머로 구멍을 막아 슈퍼커패시터를 제조하였다.A supercapacitor was manufactured by injecting 0.5M water-based H 2 SO 4 electrolyte (electrical conductivity 200 mS/cm) into the space through a pre-drilled small hole, and then blocking the hole with Surlyn polymer.
실험예 1: 유기산 표면처리에 따른 나노입자의 분산성 비교Experimental Example 1: Comparison of dispersibility of nanoparticles according to organic acid surface treatment
도 4는 에탄올에 분산된 pristine RuO2 나노입자(a) 및 옥탄에 분산된 RuO2-OA 나노입자(b)에 대해, 시간 경과에 따른 변화를 촬영한 사진이다. 나노입자 분산액의 농도는 10mg/ml로 조절하였다.Figure 4 is a photograph of changes over time for pristine RuO 2 nanoparticles dispersed in ethanol (a) and RuO 2 -OA nanoparticles dispersed in octane (b). The concentration of the nanoparticle dispersion was adjusted to 10 mg/ml.
도 4로부터, 표면처리를 수행하지 않은 RuO2 나노입자는 1시간 후 침전되기 시작하는 반면, 유기산으로 표면처리된 RuO2 나노입자는 최소 24시간까지 비극성 용매(octane)에 균일하게 분산되는 것을 확인하였다.From Figure 4, it can be seen that RuO 2 nanoparticles without surface treatment begin to precipitate after 1 hour, while RuO 2 nanoparticles surface treated with organic acid are uniformly dispersed in a non-polar solvent (octane) for at least 24 hours. did.
이로부터, 유기산 표면처리에 의해 금속산화물 나노입자의 분산성이 크게 개선되는 것을 확인할 수 있었다.From this, it was confirmed that the dispersibility of metal oxide nanoparticles was greatly improved by organic acid surface treatment.
실험예 2: 유기산 표면처리에 따른 나노입자의 균질성 비교Experimental Example 2: Comparison of homogeneity of nanoparticles according to organic acid surface treatment
도 5는 표면처리 전(a) 및 표면처리 후(b) 나노입자의 TEM 사진을 나타낸 것이다. 나노입자 표면의 모폴로지는 고해상도 투과전자현미경(HR-TEM, JEM-2100F, JEOL Ltd)으로 관찰하였다.Figure 5 shows TEM images of nanoparticles before (a) and after surface treatment (b). The morphology of the nanoparticle surface was observed using a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM, JEM-2100F, JEOL Ltd).
도 5를 참조하면, 미처리 RuO2 나노입자의 경우 불균일한 응집에 의해 크기를 특정하기 어려운 것을 볼 수 있다. 반면, RuO2-OA 나노입자는 표면의 OA 사슬에 의해 균질하게 분포하고, 크기가 1 내지 2nm 범위 내로 관찰되었다.Referring to Figure 5, it can be seen that in the case of untreated RuO 2 nanoparticles, it is difficult to specify the size due to non-uniform aggregation. On the other hand, RuO 2 -OA nanoparticles were homogeneously distributed by OA chains on the surface, and the size was observed to be within the range of 1 to 2 nm.
이에 따라, 유기산 표면처리를 이용하면 금속산화물 나노입자의 응집 문제를 해결할 수 있음을 확인할 수 있었다.Accordingly, it was confirmed that the aggregation problem of metal oxide nanoparticles can be solved by using organic acid surface treatment.
실험예 3: 유기산 표면처리에 따른 박막 모폴로지 비교Experimental Example 3: Comparison of thin film morphologies according to organic acid surface treatment
10mg/ml 농도의 pristine RuO2 나노입자 에탄올 분산액(a) 및 RuO2-OA 옥탄 분산액(b)을 제조예 2의 방법으로 스핀 코팅하여 제조된 박막에 대해, 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM, JSM-7410F, JEOL Ltd)으로 표면 모폴로지 이미지를 얻어 도 6에 나타내었다.A thin film prepared by spin coating a 10 mg/ml concentration of pristine RuO 2 nanoparticle ethanol dispersion (a) and RuO 2 -OA octane dispersion (b) using the method of Preparation Example 2 was examined using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM). , JSM-7410F, JEOL Ltd), and the surface morphology image was obtained and shown in Figure 6.
도 6으로부터 확인 가능한 바와 같이, pristine RuO2 나노입자 코팅의 경우 불균일한 표면 모폴로지가 관찰되는 반면, RuO2-OA 나노입자는 ITO 집전체층에 스핀 코팅된 후 균일한 표면 모폴로지를 나타내었다. As can be seen from Figure 6, in the case of pristine RuO 2 nanoparticle coating, non-uniform surface morphology was observed, whereas RuO 2 -OA nanoparticles showed a uniform surface morphology after spin coating on the ITO current collector layer.
이에 따라, 유기산 표면처리를 이용하면 금속산화물 나노입자가 뭉치지 않고 균일한 박막을 형성하는 것을 확인할 수 있었다.Accordingly, it was confirmed that when organic acid surface treatment was used, metal oxide nanoparticles did not agglomerate and formed a uniform thin film.
실험예 4: 유기산 표면처리에 따른 박막의 투과도 비교Experimental Example 4: Comparison of permeability of thin films according to organic acid surface treatment
실험예 3의 각 박막에 대해, 도 7에 표시된 지점에서 투과도를 측정하여 그 결과를 도 8의 (a) 및 (b)에 나타내었으며, 가시광 영역에서 투과도의 평균을 계산하여 도 9에 나타내었다. 투과도 측정에는 US-Vis 분광법(Mega-800, SINCO)을 이용하였다.For each thin film in Experimental Example 3, the transmittance was measured at the point shown in FIG. 7 and the results are shown in (a) and (b) of FIG. 8, and the average transmittance in the visible light region was calculated and shown in FIG. 9. . US-Vis spectroscopy (Mega-800, SINCO) was used to measure transmittance.
투과도 비교 결과를 참조하면, pristine RuO2 나노입자 코팅 필름은 측정 지점에 따라 투과도에 약 10% 정도의 차이가 관찰되었으나, RuO2-OA 나노입자 코팅 필름은 다양한 지점에서 측정된 UV-vis 스펙트럼에 거의 차이가 없는 것을 확인할 수 있다.Referring to the transmittance comparison results, a difference of about 10% in transmittance was observed for the pristine RuO 2 nanoparticle coating film depending on the measurement point, but the RuO 2 -OA nanoparticle coating film showed a difference of about 10% in the UV-vis spectrum measured at various points. You can see that there is almost no difference.
투과도 측정 결과를 실험예 3의 모폴로지 측정 결과와 비교하면, 표면 모폴로지 균일도의 차이로 인해 전극의 투명성 균일도에 차이가 발생하는 것을 알 수 있었으며, 유기산 표면처리에 의해 투과도가 균일한 전극을 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.Comparing the transmittance measurement results with the morphology measurement results of Experimental Example 3, it was found that there was a difference in the transparency uniformity of the electrode due to the difference in surface morphology uniformity, and an electrode with uniform transmittance could be manufactured by organic acid surface treatment. I was able to confirm that it was there.
실험예 5: 열처리 온도에 따른 유기산 제거 결과 비교Experimental Example 5: Comparison of organic acid removal results according to heat treatment temperature
RuO2-OA 나노입자 코팅 필름을 제조한 후 다양한 온도에서 열처리를 수행하였으며, FT-IR 및 수접촉각 측정을 통해 유기산의 제거를 확인하였다. After manufacturing the RuO 2 -OA nanoparticle coating film, heat treatment was performed at various temperatures, and removal of organic acids was confirmed through FT-IR and water contact angle measurements.
도 10의 (a)는 열처리 온도별 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 것으로, 열처리 온도가 증가할수록 C-H 스트레칭 밴드의 강도가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 열처리 온도 100℃에서는 강도가 거의 변화하지 않는 반면 150℃에서는 약 절반으로 감소하였고, 200℃에서는 C-H 스트레칭 피크가 거의 관찰되지 않았다. Figure 10 (a) shows the FT-IR spectrum at each heat treatment temperature, and it can be seen that the intensity of the C-H stretching band decreases as the heat treatment temperature increases. Specifically, the strength barely changed at a heat treatment temperature of 100°C, but decreased by about half at 150°C, and the C-H stretching peak was barely observed at 200°C.
한편, 도 10의 (b)는 pristine RuO2 나노입자 및 RuO2-OA 나노입자의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 것으로, 도 10의 (a)와 (b)를 비교하면, 열처리 온도가 200℃인 경우 RuO2에 대응되는 스펙트럼이 관찰되었는 바, 200℃ 열처리 후 유기산이 제거된 것을 확인할 수 있었다. Meanwhile, Figure 10 (b) shows the FT-IR spectrum of pristine RuO 2 nanoparticles and RuO 2 -OA nanoparticles. Comparing Figure 10 (a) and (b), the heat treatment temperature is 200°C. In this case, the spectrum corresponding to RuO 2 was observed, confirming that the organic acid was removed after heat treatment at 200°C.
도 11은 열처리 온도별 수접촉각을 나타낸 것이다. 전극 표면에서 장쇄 지방산인 올레산 리간드가 제거되면 표면은 친수성을 갖게 되는데, 도 11을 참조하면 초기에는 수접촉각이 89.7°로 측정되었으나, 열처리 온도가 증가할수록 수접촉각이 점차적으로 감소하여 200℃ 열처리 후 36.9°에 달하는 것을 확인할 수 있다. Figure 11 shows the water contact angle at each heat treatment temperature. When the oleic acid ligand, a long-chain fatty acid, is removed from the electrode surface, the surface becomes hydrophilic. Referring to Figure 11, the water contact angle was initially measured at 89.7°, but as the heat treatment temperature increased, the water contact angle gradually decreased, and after heat treatment at 200°C. It can be confirmed that it reaches 36.9°.
RuO2-OA 나노입자 코팅 필름의 열처리 온도에 따른 FT-IR 결과 및 수접촉각은 표 1과 같으며, 도 12에 그래프로 나타내었다. The FT-IR results and water contact angle according to the heat treatment temperature of the RuO 2 -OA nanoparticle coating film are shown in Table 1 and are shown graphically in Figure 12.
표 1 및 도 12의 결과로부터, 열처리 온도에 따른 접촉각의 변화는 FT-IR 결과와 일치하는 것을 확인하였다. 이로부터 열처리에 의해 유기산이 제거되는 현상을 명확하게 관찰할 수 있었으며, 200℃ 열처리 후 유기산이 거의 모두 제거됨을 확인할 수 있었다.From the results in Table 1 and Figure 12, it was confirmed that the change in contact angle according to heat treatment temperature was consistent with the FT-IR results. From this, it was clearly observed that the organic acid was removed by heat treatment, and it was confirmed that almost all of the organic acid was removed after heat treatment at 200°C.
실험예 6: 열처리 온도에 따른 전극의 모폴로지 비교 관찰Experimental Example 6: Comparative observation of electrode morphology according to heat treatment temperature
도 13은 RuO2-OA 코팅 필름을 각 온도에서 1시간 열처리한 후 표면 FE-SEM 이미지를 나타낸 것이며, 도 14는 200℃에서 1시간 열처리 후 X선 회절 패턴을 나타낸 것이다. Figure 13 shows a surface FE-SEM image of the RuO 2 -OA coating film after heat treatment at each temperature for 1 hour, and Figure 14 shows an X-ray diffraction pattern after heat treatment at 200°C for 1 hour.
도 13 및 14의 모폴로지와 결정 분석 결과를 참고했을 때, 열처리 온도가 표면 모폴로지와 결정상에는 거의 영향을 미치지 않는 것을 확인할 수 있었다. Referring to the morphology and crystal analysis results of Figures 13 and 14, it was confirmed that the heat treatment temperature had little effect on the surface morphology and crystal phase.
실험예 7: 열처리 온도에 따른 전극의 정전용량 비교Experimental Example 7: Comparison of electrode capacitance according to heat treatment temperature
유기산 제거 시 열처리 온도에 따른 전극의 정전용량 차이를 측정하여 그 결과를 비교하였다. When removing the organic acid, the difference in capacitance of the electrode according to the heat treatment temperature was measured and the results were compared.
가시광 투과도(T vis)가 90%인 전극을 각각 100℃, 150℃, 200℃, 250℃ 및 300℃ 조건에서 열처리하고, 주사 속도 100mV/s에서 순환전압전류법(cyclic voltammetry, CV) 분석을 수행하였다. CV 분석은 0.5M 수계 H2SO4 전해액에서 실온 조건 하에 cyclic voltammeter (ZIVE SP2, WonATech)를 이용하여 수행하였고, 카운터 전극 및 레퍼런스 전극으로 각각 백금 플레이트 및 Ag/AgCl 전극(3M KCl)을 포함하는 3-전극 시스템을 이용하였다.Electrodes with a visible light transmittance ( T vis ) of 90% were heat treated at 100°C, 150°C, 200°C, 250°C, and 300°C, respectively, and cyclic voltammetry (CV) analysis was performed at a scanning speed of 100 mV/s. carried out. CV analysis is This was performed using a cyclic voltammeter (ZIVE SP2, WonATech) under room temperature conditions in 0.5M aqueous H 2 SO 4 electrolyte, using a 3-electrode device including a platinum plate and an Ag/AgCl electrode (3M KCl) as the counter and reference electrodes, respectively. The system was used.
열처리를 수행하지 않은 전극의 경우, CV 측정 시 증착된 RuO2 필름이 ITO 집전체에서 떨어지는 현상이 발생하여 정전용량 측정이 불가능하였다. In the case of electrodes without heat treatment, the deposited RuO 2 film fell off the ITO current collector during CV measurement, making capacitance measurement impossible.
도 15는 각 열처리 온도에 따른 CV 컨투어(contour) 결과이며, 아래 수학식으로 면적정전용량(areal capacitance, C A)을 계산하여 도 16 및 표 2에 나타내었다. Figure 15 shows the CV contour results according to each heat treatment temperature, and the area capacitance ( C A ) was calculated using the equation below and shown in Figure 16 and Table 2.
상기 식에서, J (mA/cm2)은 면적 전류(areal current), ΔV (V)는 전위창(potential window), dV/dt (mV/s)는 주사 속도(scan rate)를 의미한다. In the above formula, J (mA/cm 2 ) is the area current, Δ V (V) is the potential window, and d V /d t (mV/s) is the scan rate. do.
C A 측정 결과를 참조하면, 200℃까지는 열처리 온도 증가에 따라 C A가 현격하게 증가하였으나, 열처리 온도를 250℃ 및 300℃로 더 승온한 결과 C A가 떨어지는 것을 확인할 수 있었다. Referring to the C A measurement results, C A increased significantly as the heat treatment temperature increased up to 200°C, but as the heat treatment temperature was further increased to 250°C and 300°C, it was confirmed that C A decreased.
이로부터, 유기산 제거 시 열처리 온도가 정전용량에 크게 영향을 미치는 것을 확인하였으며, 고성능의 슈퍼커패시터용 전극을 제조하기 위하여 200℃ 열처리가 가장 바람직한 것을 확인할 수 있었다.From this, it was confirmed that the heat treatment temperature when removing organic acids greatly affects the capacitance, and that heat treatment at 200°C is most desirable to manufacture high-performance supercapacitor electrodes.
실험예 8: 나노입자 분산액의 농도 및 스핀 코팅 사이클 수에 따른 투과도 비교Experimental Example 8: Comparison of transmittance according to concentration of nanoparticle dispersion and number of spin coating cycles
나노입자 분산액의 농도 및 스핀 코팅 사이클 수를 조절하여 전극을 제조하고, 각 전극의 투명도를 비교하였다. Electrodes were manufactured by adjusting the concentration of the nanoparticle dispersion and the number of spin coating cycles, and the transparency of each electrode was compared.
농도가 2.5, 5, 7.5, 10, 15 및 20mg/ml인 RuO2-OA 나노입자 분산액을 이용하여, 스핀 코팅을 1회(single coating) 또는 2회(double coating) 수행함으로써 전극을 제조하고 각 전극의 가시광 투과도(T vis)를 도 17에 나타내었다. 도 17에서, (a)는 1회 코팅 전극의 투과도이며, (b)는 2회 코팅 전극의 투과도를 나타낸다. Using RuO 2 -OA nanoparticle dispersions with concentrations of 2.5, 5, 7.5, 10, 15, and 20 mg/ml, electrodes were prepared by performing spin coating once (single coating) or twice (double coating), and each The visible light transmittance ( T vis ) of the electrode is shown in Figure 17. In Figure 17, (a) shows the transmittance of the once-coated electrode, and (b) shows the transmittance of the twice-coated electrode.
도 17의 투과도 결과를 바탕으로, 각 전극의 농도별 평균 투과도를 비교한 결과를 도 18에 나타내었다.Based on the transmittance results in FIG. 17, the results of comparing the average transmittance for each concentration of each electrode are shown in FIG. 18.
도 18에서 알 수 있는 바와 같이, 가시광 파장 영역에서의 평균 투과도는 분산액의 농도와 반비례하였으며, 특정 농도의 분산액을 1회 코팅하였을 때의 투과도와, 농도가 절반인 분산액을 2회 코팅하였을 때의 투과도가 거의 동일하였다. As can be seen in Figure 18, the average transmittance in the visible light wavelength region was inversely proportional to the concentration of the dispersion, and the transmittance when a dispersion of a certain concentration was coated once and the transmittance when a dispersion of half the concentration was coated twice The transmittance was almost the same.
예를 들어, 5.0mg/ml 분산액으로 1회 코팅한 전극의 투과도는 97.5%로서, 2.5mg/ml 분산액으로 2회 코팅한 전극의 투과도인 97.1%와 거의 동일하였다. 또한, 20mg/ml 분산액을 1회 코팅한 전극 및 10mg/ml 분산액을 2회 코팅한 전극의 투과도는 각각 89.0% 및 88.6%로, 고농도에서도 상기와 같은 경향이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.For example, 5.0mg/ml The transmittance of the electrode coated once with the dispersion was 97.5%, which was almost the same as the transmittance of 97.1% for the electrode coated twice with the 2.5 mg/ml dispersion. Also, 20mg/ml Electrode coated with dispersion once and 10mg/ml The transmittance of the electrode coated with the dispersion twice was 89.0% and 88.6%, respectively, and it was confirmed that the above trend appears even at high concentrations.
도 19는 전극의 투과도 그래프 및 각 투과도 조건에서 전극 사진을 나타낸 것으로, 도 19를 참조하면 전극이 광학적으로 투명성을 갖는 것을 확인할 수 있다.Figure 19 shows a graph of the transmittance of the electrode and a photograph of the electrode under each transmittance condition. Referring to Figure 19, it can be seen that the electrode is optically transparent.
도 20은 RuO2 필름 두께의 측정치를 흡광도의 함수로 나타낸 그래프로서, 두께가 증가함에 따라 흡광도가 증가(투과도가 감소)하는 것을 확인할 수 있었다. Figure 20 is a graph showing the measured value of the RuO 2 film thickness as a function of absorbance, and it was confirmed that the absorbance increased (transmittance decreased) as the thickness increased.
두께가 10nm 이하인 경우 두께를 실질적으로 측정하기 어렵기 때문에, 상기 두께-투과도 결과의 그래프를 바탕으로 외삽법을 이용하여 두께를 도출하였다. 그 결과, 가시광 투과도가 97.1 및 93.9%인 전극에서 필름 두께가 약 3.3 및 7.2nm로, 본 발명을 이용하여 10nm 이하의 박막 형성이 가능한 것을 확인할 수 있었다. Since it is difficult to practically measure the thickness when the thickness is 10 nm or less, the thickness was derived using an extrapolation method based on the graph of the thickness-permeability results. As a result, it was confirmed that the film thickness was about 3.3 and 7.2 nm for electrodes with visible light transmittance of 97.1 and 93.9%, and that it was possible to form a thin film of 10 nm or less using the present invention.
전극 두께가 얇을수록 전기 저항이 감소하는바, 본 발명을 이용하는 경우 초박막 전극 형성이 가능하므로 슈퍼커패시터의 전기적 특성 향상 측면에서 유리함을 알 수 있었다.The thinner the electrode thickness, the lower the electrical resistance, and it was found that using the present invention is advantageous in terms of improving the electrical characteristics of a supercapacitor because it is possible to form an ultra-thin electrode.
실험예 9: 분산액 농도 및 코팅 사이클 수에 따른 전극의 정전용량 비교Experimental Example 9: Comparison of electrode capacitance according to dispersion concentration and number of coating cycles
실험예 8의 각 전극에 있어서, 투과도(T vis)가 유사한 전극의 물성 비교를 위하여 주사 속도 100mV/s 조건에서 CV 측정을 수행하고 면적정전용량(C A)을 계산하여 그 결과를 도 21에 나타내었다. For each electrode in Experimental Example 8, in order to compare the physical properties of electrodes with similar transmittances ( T vis ), CV measurements were performed under conditions of a scanning speed of 100 mV/s, and area capacitance ( C A ) was calculated, and the results are shown in FIG. 21 indicated.
도 21을 참조하면, 투과도가 유사한 두 전극은 CV 컨투어의 형태 및 면적정전용량에도 거의 차이가 없는 것을 확인할 수 있다. 전체 농도에서 측정한 결과, 2회 코팅한 전극 및 2배의 농도로 1회 코팅한 전극에서, T vis와 C A 값의 차이는 각각 0.5% 및 4%에 불과하였다. Referring to Figure 21, it can be seen that the two electrodes with similar transmittances have almost no difference in the shape of the CV contour and area capacitance. As a result of measurements at all concentrations, the difference in T vis and C A values for the electrode coated twice and the electrode coated once at twice the concentration was only 0.5% and 4%, respectively.
이에 따라, 본 발명의 방법을 이용하면 나노입자 분산액의 농도 및 코팅 횟수의 조절에 따라 전극의 성능을 용이하게 조절할 수 있음을 확인할 수 있었다.Accordingly, it was confirmed that using the method of the present invention, the performance of the electrode can be easily adjusted by adjusting the concentration of the nanoparticle dispersion and the number of coatings.
실험예 10: 전극의 정전용량 특성 비교Experimental Example 10: Comparison of electrostatic capacity characteristics of electrodes
실험예 8의 각 RuO2 전극에 대해, 0.0 내지 0.9V의 범위에서 CV를 이용하여 전기화학적 성능을 측정하였다. For each RuO 2 electrode in Experimental Example 8, electrochemical performance was measured using CV in the range of 0.0 to 0.9V.
T vis 범위가 79.1 내지 97.1%인 전극에 대해 주사 속도 100mV/s에서 측정한 CV 컨투어를 도 22에 나타내었다. 도 22를 참조하면, CV 컨투어가 거의 직사각 및 대칭형 형상을 나타내었다. The CV contour measured at a scan rate of 100 mV/s for electrodes with a T vis range of 79.1 to 97.1% is shown in Figure 22. Referring to Figure 22, the CV contour showed an almost rectangular and symmetrical shape.
이로부터, 본 발명에 따라 제조한 전극은 정전용량이 우수하고 산화 환원 반응에서 가역성(reversibility)이 우수한 것을 확인할 수 있었다. From this, it was confirmed that the electrode manufactured according to the present invention had excellent electrostatic capacity and excellent reversibility in redox reactions.
도 23은 본 발명에 따라 제조된 RuO2 나노입자 투명 전극의 면적정전용량을 종래 다른 연구의 투명 전극과 비교하여 나타낸 것으로, 본 발명을 이용하여 제조된 전극의 경우 투과도가 유사한 종래 기술의 전극들에 비해 정전용량이 뛰어난 것을 확인할 수 있다. Figure 23 shows the area capacitance of the RuO 2 nanoparticle transparent electrode manufactured according to the present invention compared with the transparent electrode of other conventional studies. The electrode manufactured using the present invention has a similar transmittance to the electrodes of the prior art. It can be seen that the capacitance is superior compared to .
또한, 도 24는 투명도에 따른 전극의 C A를 주사 속도에 대한 함수로 나타낸 것이다. Additionally, Figure 24 shows C A of the electrode according to transparency as a function of scanning speed.
도 24의 결과를 참조하면, 투과도가 97.1%인 전극의 경우 주사 속도 10mV/s에서 C A가 0.85였고, 1,000 mV/s에서 C A가 0.69로 감소하였다. 즉, 1,000mV/s의 높은 주사 속도에서도 C A 유지율이 81.2% 수준으로 매우 높은 결과를 확인하였다. C A는 투과도가 감소할수록 점차 감소하여, 79.1% 투과도의 전극에서 유지율은 67.2%로 계산되었다.Referring to the results in FIG. 24, in the case of an electrode with a transmittance of 97.1%, C A was 0.85 at a scanning speed of 10 mV/s, and C A decreased to 0.69 at 1,000 mV/s. In other words, even at a high scanning speed of 1,000 mV/s, the C A retention rate was confirmed to be very high at the level of 81.2%. C A gradually decreased as the transmittance decreased, and the retention rate was calculated to be 67.2% for an electrode with a transmittance of 79.1%.
이러한 실험 결과에 따라, 본 발명의 RuO2 나노입자 투명 전극은 높은 주사 속도에서도 C A가 상당 비율로 유지되어, 전위 응답(voltammetric response)이 매우 빠른 것을 확인할 수 있었다.According to these experimental results, it was confirmed that the RuO 2 nanoparticle transparent electrode of the present invention maintains a significant ratio of C A even at high scanning speeds, and has a very fast voltammetric response.
실험예 11: 디콘볼루션법을 이용한 정량 분석Experimental Example 11: Quantitative analysis using deconvolution method
가시광 투과도(T vis)가 97.1% 및 79.1%인 RuO2 투명 전극에 대해 디콘볼루션(deconvolution) 법을 이용하여 정량적으로 정전요소(capacitive element)를 분리하였다. 이를 통해, 우수한 면적정전용량과 높은 반응 속도를 확인하였다.Capacitive elements were quantitatively separated using a deconvolution method for RuO 2 transparent electrodes with visible light transmittance ( T vis ) of 97.1% and 79.1%. Through this, excellent area capacitance and high reaction speed were confirmed.
하기 수학식에 따라, 특정 전압 조건에서 측정된 전류를 두가지 요소, 즉 표면정전요소(surface capacitive element, k 1 v) 및 확산조절 삽입요소(diffusion-controlled insertion element, k 2 v)로 분리하였다. According to the equation below, the current measured under specific voltage conditions was separated into two elements: a surface capacitive element ( k 1 v ) and a diffusion-controlled insertion element ( k 2 v ).
상기 식에서, i(V)는 전류이고, v는 주사 속도이며, k 1 및 k 2는 상수이다.In the above equation, i ( V ) is the current, v is the scanning speed, and k 1 and k 2 are constants.
도 25는 디콘볼루션 결과를 나타낸 것으로, k 1 v 플롯의 컨투어(음영 영역)는 surface capacitive element를 나타내고, 그 외 영역은 insertion element에 해당한다. 도 25의 (a) 내지 (c)는 T vis 97.1%의 전극에 대한 디콘볼루션 결과를 나타낸 것이며, (d) 내지 (f)는 T vis 79.1%의 전극에 대한 디콘볼루션 결과이다.Figure 25 shows the deconvolution results, where the contour (shaded area) of the k 1 v plot represents the surface capacitive element, and the other areas correspond to the insertion element. Figures 25 (a) to (c) show the deconvolution results for the electrode with T vis 97.1%, and (d) to (f) show the deconvolution results for the electrode with T vis 79.1%.
도 25를 참조하면, surface capacitive element는 주사 속도와 사실상 독립적인 관계에 있는 반면, insertion element의 경우 주사 속도에 영향을 크게 받는 것으로 확인되었다. 또한, 본 발명에 따라 제조된 RuO2 나노입자 투명 전극의 surface capacitive element의 contribution이 종래의 슈도커패시터에 비해 상당히 크고, 주사 속도에 대한 의존성이 낮은 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 25, it was confirmed that the surface capacitive element has a virtually independent relationship with the scanning speed, while the insertion element is greatly affected by the scanning speed. In addition, it can be seen that the contribution of the surface capacitive element of the RuO 2 nanoparticle transparent electrode manufactured according to the present invention is significantly larger than that of the conventional pseudocapacitor, and the dependence on the scanning speed is low.
이러한 결과는 탄소계 전기 이중층 커패시터(EDLC)에 필적하는 것으로, RuO2 나노입자의 작은 크기 및 우수한 분산성에 의해 비표면적이 증가하고 전해질과 효율적으로 접촉하는 것을 확인할 수 있다.These results are comparable to carbon-based electric double layer capacitors (EDLC), confirming that the specific surface area increases and efficient contact with the electrolyte due to the small size and excellent dispersibility of RuO 2 nanoparticles.
실험예 12: 대칭형 2-전극 셀 제조 및 물성 측정Experimental Example 12: Symmetric 2-electrode cell manufacturing and physical property measurement
제조예 3의 방법으로 대칭형 2-전극 셀을 조립하여 고투명성 에너지 저장 장치를 제작하였다. A highly transparent energy storage device was manufactured by assembling a symmetrical two-electrode cell using the method of Preparation Example 3.
구체적으로, 폴리머(Surlyn film) 스페이서로 분리된 두 전극 사이의 스페이스에 전해액을 주입함으로써 활성 면적(active area)이 1.5 Х 1.2 cm2인 separator-free 장치를 제작하였다. 사용된 각 전극의 가시광 투과도(T vis)는 95.8%이고, 주사 속도 10mV/s에서 면적정전용량(C A)은 1.1mF/cm2였다. Specifically, a separator-free device with an active area of 1.5 Х 1.2 cm 2 was manufactured by injecting electrolyte into the space between two electrodes separated by a polymer (Surlyn film) spacer. The visible light transmittance ( T vis ) of each electrode used was 95.8%, and the area capacitance ( C A ) was 1.1 mF/cm 2 at a scanning speed of 10 mV/s.
제조된 장치의 사진을 도 26에 나타내었으며, 가시광 영역의 투과도 그래프를 도 27에 나타내었다. 도 26 및 27로부터 확인 가능한 바와 같이, 제조된 장치는 평균 T vis 92.3%의 고투명성을 나타내었다. A photograph of the manufactured device is shown in Figure 26, and a transmittance graph in the visible light region is shown in Figure 27. As can be seen from Figures 26 and 27, the manufactured device showed high transparency with an average T vis of 92.3%.
또한, -0.9 내지 0.9V의 전압 범위에서 CV 측정을 수행하고 그 결과를 도 28에 나타내었다. 도 28을 참조하면, CV 커브가 거의 대칭 및 직사각에 가까운 형태를 나타내며, 이로부터 장치의 가역성이 우수한 것을 확인할 수 있었다. Additionally, CV measurements were performed in the voltage range of -0.9 to 0.9V and the results are shown in Figure 28. Referring to Figure 28, the CV curve shows a nearly symmetrical and rectangular shape, confirming that the device has excellent reversibility.
도 29는 다양한 전류밀도에서 측정한 장치의 정전류 충방전(galvanostatic charge/discharge, GCD) 커브를 나타낸 것으로, 이상적인 삼각형 형태를 확인할 수 있다. Figure 29 shows the galvanostatic charge/discharge (GCD) curve of the device measured at various current densities, showing the ideal triangular shape.
도 30은 장치의 정전용량 유지율을 주사 속도에 대한 함수로 나타낸 것이다. 주사 속도가 높은 경우 장치의 전위 응답은 단일 전극에 비해 다소 낮았으나, 1,000mV/s의 주사 속도 조건에서, 10mV/s 대비 71.7%의 유지율을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.Figure 30 shows the capacitance retention of the device as a function of scan speed. When the scanning speed was high, the potential response of the device was somewhat lower than that of a single electrode, but under the scanning speed condition of 1,000 mV/s, a retention rate of 71.7% compared to 10 mV/s was confirmed.
도 31은 전기화학 임피던스 분광법(electrochemical impedance spectroscopy, EIS) 측정 결과를 나타낸 것이다. 도 31의 나이퀴스트 플롯으로부터 얻은 Z'및 Z'' 값은 각각 임피던스의 실수(real) 및 허수(imaginary) 부분을 나타낸다. 고주파 영역의 원호(circular arc)의 직선 영역으로부터 수득한 전하 전달 저항(charge transfer resistance, R ct)은 2.7Ω으로 계측되었다. Figure 31 shows the results of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurement. The Z' and Z'' values obtained from the Nyquist plot in Figure 31 represent the real and imaginary parts of the impedance, respectively. The charge transfer resistance ( R ct ) obtained from the straight region of the circular arc in the high frequency region was measured to be 2.7Ω.
본 발명을 이용한 장치는 종래 슈도커패시터에 비해 R ct 값이 매우 작은 것으로 측정되었고, 이로부터 전하 전달 특성이 매우 우수한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 직선의 기울기는 확산 저항(diffusive resistance, R d)에 반비례하는 바, 저주파 영역의 가파른 직선으로부터 장치의 확산 저항이 낮음을 알 수 있었다. The device using the present invention was measured to have a very small R ct value compared to the conventional pseudocapacitor, and from this, it was confirmed that the charge transfer characteristics were very excellent. In addition, the slope of the straight line is inversely proportional to diffusion resistance ( R d ), and it can be seen from the steep straight line in the low-frequency region that the diffusion resistance of the device is low.
도 32는 0.05mA/cm2의 전류밀도에서 GCD 사이클 수에 따른 정전용량 유지율을 나타낸 것이다. 도 32를 참조하면, 5,000 사이클 후 정전용량 유지율이 초기 값의 93.5%로 계산되었는 바, 주기 안정성(cycle stability)이 매우 우수한 것을 확인할 수 있었다.Figure 32 shows the capacitance retention rate according to the number of GCD cycles at a current density of 0.05 mA/cm 2 . Referring to FIG. 32, the capacitance retention rate after 5,000 cycles was calculated to be 93.5% of the initial value, confirming that cycle stability was very excellent.
실험예 13: 스프레이 코팅을 이용한 셀 제조 및 물성 측정Experimental Example 13: Cell manufacturing and physical property measurement using spray coating
나노입자 분산액 코팅 시 스핀 코팅 대신 스프레이 코팅을 이용하여 제조된 전극으로 에너지 저장 장치 셀을 제작하였다.An energy storage device cell was manufactured using electrodes manufactured using spray coating instead of spin coating when coating the nanoparticle dispersion.
구체적으로, 옥탄에 RuO2-OA 나노입자를 분산시킨 1.0mg/ml 농도의 분산액을 5 cm Х 5 cm ITO/glass 기판에 분사한 후, 200℃에서 열처리하였다. 스프레이 코팅 시 기판에서 노즐이 15cm 떨어지도록 배치하였으며, 분사에는 스프레이 건 시스템(spray gun system, Iwata, Eclipse HP-CS)을 이용하였다.Specifically, a dispersion solution containing RuO 2 -OA nanoparticles dispersed in octane at a concentration of 1.0 mg/ml was sprayed on a 5 cm Х 5 cm ITO/glass substrate and then heat treated at 200°C. During spray coating, the nozzle was placed 15cm away from the substrate, and a spray gun system (spray gun system, Iwata, Eclipse HP-CS) was used for spraying.
스프레이 코팅된 RuO2 나노입자 전극 두개를 조립하여, 대면적의 full-cell 장치를 제작하였다. 스프레이 코팅으로 제작된 대면적 full-cell의 사진을 도 33에 나타내었다. 도 34는 가시광 투과도(T vis)가 92.1%인 전극을 이용하였을 때 제조된 장치의 투과도를 나타낸 것으로, 장치의 가시광 투과도는 80.6%로 계산되었다.By assembling two spray-coated RuO 2 nanoparticle electrodes, a large-area full-cell device was manufactured. A photograph of a large-area full-cell produced by spray coating is shown in Figure 33. Figure 34 shows the transmittance of the device manufactured when an electrode with a visible light transmittance ( T vis ) of 92.1% was used, and the visible light transmittance of the device was calculated to be 80.6%.
상기 대면적 장치에 대해, 주사 속도 10mV/s 조건에서 CV 측정을 수행한 결과를 도 35에 나타내었다. 그 결과, 최대 면적정전용량(areal capacitance)은 0.83mF/cm2 로 측정되었으며, 직사각 및 대칭형의 CV 커브 형태를 확인하였다. 이로부터, 스프레이 코팅을 이용한 대면적 장치에서도 우수한 정전용량 특성 및 가역성이 유지됨을 확인할 수 있었다. For the large-area device, the results of CV measurements performed at a scanning speed of 10 mV/s are shown in FIG. 35. As a result, the maximum areal capacitance was measured to be 0.83mF/cm 2 , and the shape of the rectangular and symmetrical CV curve was confirmed. From this, it was confirmed that excellent capacitance characteristics and reversibility were maintained even in large-area devices using spray coating.
도 36은 주사 속도에 따른 면적정전용량을 그래프로 나타낸 것이다. 도 35에서 확인할 수 있는 바와 같이, 1,000mV/s의 높은 주사 속도에서 정전용량 유지율이 75.8%로 우수한 결과가 나타났다. 이로부터, 대면적 장치에서도 높은 주사 속도에서 신속한 응답이 가능한 것을 확인할 수 있었다.Figure 36 is a graph showing area capacitance according to scanning speed. As can be seen in Figure 35, excellent results were obtained with a capacitance retention rate of 75.8% at a high scanning speed of 1,000 mV/s. From this, it was confirmed that rapid response is possible at high scanning speeds even in large-area devices.
이상 본 발명의 일부 구현 형태에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 상술한 바와 같은 구현형태에 대해서만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있으며, 그러한 수정 및 변형이 가해진 형태 또한 본 발명의 기술적 사상에 속하는 것으로 이해되어야 한다.Although some implementation forms of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described implementation forms, but can be implemented with modifications and variations without departing from the gist of the present invention, and such modifications and variations can be made. This added form should also be understood as belonging to the technical idea of the present invention.
Claims (20)
상기 분산액 코팅을 120 내지 300℃에서 열처리함으로써 나노입자 표면의 유기산을 제거하여 용량성 물질층(capacitive material layer)을 형성하는 단계
를 포함하는, 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법.
Coating a dispersion of metal oxide nanoparticles surface-treated with an organic acid on a substrate; and
Forming a capacitive material layer by heat treating the dispersion coating at 120 to 300° C. to remove organic acids from the surface of the nanoparticles.
Method for manufacturing an electrode for a supercapacitor, including.
상기 금속산화물이 Ru, Mn, Co, Ti, Zn 및 Ni로 구성된 군에서 선택된 금속의 산화물인, 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법.
According to claim 1,
A method of manufacturing an electrode for a supercapacitor, wherein the metal oxide is an oxide of a metal selected from the group consisting of Ru, Mn, Co, Ti, Zn, and Ni.
상기 유기산의 탄소수가 10 이상인, 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법.
According to claim 1,
A method of manufacturing an electrode for a supercapacitor, wherein the organic acid has 10 or more carbon atoms.
상기 기판이 ITO (indium tin oxide), FTO (fluorine-doped tin oxide), IZO (indium zinc oxide) 및 AZO (aluminium-doped zinc oxide)로 구성된 군에서 선택된 집전체 물질이 코팅된 투명 기판인, 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법.
According to claim 1,
Super, wherein the substrate is a transparent substrate coated with a current collector material selected from the group consisting of indium tin oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), indium zinc oxide (IZO), and aluminum-doped zinc oxide (AZO). Method for manufacturing electrodes for capacitors.
상기 분산액의 농도가 0.1 내지 20mg/ml인, 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법.
According to claim 1,
A method of manufacturing an electrode for a supercapacitor, wherein the concentration of the dispersion is 0.1 to 20 mg/ml.
상기 분산액의 코팅이 스핀 코팅(spin coating), 스프레이 코팅(spray coating), 닥터 블레이드(doctor blade) 또는 바 코팅(bar coating) 방법으로 수행되는, 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법.
According to claim 1,
A method of manufacturing an electrode for a supercapacitor, wherein the coating of the dispersion is performed by spin coating, spray coating, doctor blade, or bar coating.
상기 용량성 물질층의 두께가 1 내지 100nm인, 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법.
According to claim 1,
A method of manufacturing an electrode for a supercapacitor, wherein the capacitive material layer has a thickness of 1 to 100 nm.
상기 유기산으로 표면처리된 금속산화물 나노입자가, 순수(pristine) 금속산화물 나노입자를 유기산과 반응시킴으로써 제조되는, 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법.
According to claim 1,
A method of manufacturing an electrode for a supercapacitor, wherein the metal oxide nanoparticles surface-treated with the organic acid are manufactured by reacting pristine metal oxide nanoparticles with an organic acid.
상기 순수 금속산화물 나노입자의 평균 입경이 0.5 내지 5nm인, 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법.
According to clause 9,
A method of manufacturing an electrode for a supercapacitor, wherein the pure metal oxide nanoparticles have an average particle diameter of 0.5 to 5 nm.
상기 순수 금속산화물 나노입자와 유기산의 반응이 10 내지 50℃의 온도에서 수행되는, 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법.
According to clause 9,
A method of manufacturing an electrode for a supercapacitor, wherein the reaction between the pure metal oxide nanoparticles and the organic acid is performed at a temperature of 10 to 50 ° C.
상기 순수 금속산화물 나노입자와 유기산의 반응이, 극성 용매 및 비극성 용매가 공존하는 조건에서 수행되는, 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법.
According to clause 9,
A method of manufacturing an electrode for a supercapacitor, wherein the reaction between the pure metal oxide nanoparticles and the organic acid is performed under conditions where a polar solvent and a non-polar solvent coexist.
상기 극성 용매가, 물, 에탄올, 아세톤, 암모니아 및 아세트산으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 용매를 포함하는, 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법.
According to claim 12,
A method of manufacturing an electrode for a supercapacitor, wherein the polar solvent includes at least one solvent selected from the group consisting of water, ethanol, acetone, ammonia, and acetic acid.
상기 비극성 용매가, 헥산, 펜탄, 헵탄, 벤젠, 톨루엔, 자일렌 및 시클로헥산으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 용매를 포함하는, 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법.
According to claim 12,
A method of manufacturing an electrode for a supercapacitor, wherein the non-polar solvent includes one or more solvents selected from the group consisting of hexane, pentane, heptane, benzene, toluene, xylene, and cyclohexane.
상기 순수 금속산화물 나노입자가 금속 할로겐화물 및 염기성 첨가제의 반응에 의해 제조되는, 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법.
According to clause 9,
A method of manufacturing an electrode for a supercapacitor, wherein the pure metal oxide nanoparticles are produced by reaction of a metal halide and a basic additive.
상기 염기성 첨가제가 LiOH, NaOH 및 NH4OH로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는, 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법.
According to claim 15,
A method of manufacturing an electrode for a supercapacitor, wherein the basic additive includes at least one selected from the group consisting of LiOH, NaOH, and NH 4 OH.
An electrode for a supercapacitor manufactured by the method of any one of claims 1 to 6 and 8 to 16.
상기 전극의 가시광 투과도가 70% 이상인, 슈퍼커패시터용 전극.
According to claim 17,
An electrode for a supercapacitor, wherein the electrode has a visible light transmittance of 70% or more.
A transparent supercapacitor comprising the supercapacitor electrode and electrolyte of claim 17.
상기 투명 슈퍼커패시터가 분리막을 더 포함하는, 투명 슈퍼커패시터.According to claim 19,
A transparent supercapacitor wherein the transparent supercapacitor further includes a separator.
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