KR102157384B1 - Electrical double layer capacitor including granular activated carbon-carbon nanotube composite - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체를 포함하는 전기이중층 커패시터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체를 전극 활물질로 적용하는 것에 의해 전도성 및 ESR 특성을 개선하고, 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체를 포함하는 전기이중층 커패시터에 관한 것이다.The present invention relates to an electric double layer capacitor comprising a granular activated carbon-carbon nanotube composite, and more particularly, by applying a granular activated carbon-carbon nanotube composite as an electrode active material, improving conductivity and ESR characteristics, and energy It relates to an electric double layer capacitor comprising a granular activated carbon-carbon nanotube composite capable of improving the density.
전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor : EDLC)는 세퍼레이터(Separator, 분리막 또는 격리막)를 두고 양극과 음극이 서로 대향하게 배치되어 대향면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기이중층)이 생성된 것을 이용한 에너지 저장 매체로서, 이는 계속적인 충전/방전이 가능한 소자이다.Electric Double Layer Capacitor (EDLC) has a separator (separator, separator or separator), and the anode and cathode are arranged opposite to each other, so that a pair of charge layers (electric double layers) with different codes are created on the opposite surface. As an energy storage medium using the device, it is a device capable of continuous charging/discharging.
이러한 전기이중층 커패시터는 각종 전기 및 전자기기의 보조전원, IC 백업전원 등으로 주로 사용되고 있다. 최근, 전기이중층 커패시터는 장난감, 산업용 전원, UPS(Uninterrupted Power Supply), 태양열 에너지 저장, HEV/EV sub power 등에까지 폭넓게 응용되고 있다.Such electric double layer capacitors are mainly used as auxiliary power supplies for various electric and electronic devices, and IC backup power supplies. Recently, electric double layer capacitors have been widely applied to toys, industrial power supplies, uninterrupted power supply (UPS), solar energy storage, HEV/EV sub power, and the like.
전기이중층 커패시터는 활성탄소와 같이 표면적이 넓은 물질을 전극의 활물질로 하여 전극물질의 표면과 전해질의 접촉면에 전기이중층을 형성하게 된다. 전기이중층 커패시터는 전기를 저장하는 메커니즘이 화학반응을 이용하는 축전지와 달리 전해질의 계면에 형성되는 전기이중층에 전하를 저장하므로, 즉 물리적인 전하의 축적에 의한 축전현상을 이용하므로, 반복사용에 따른 열화현상이 없으며, 높은 가역특성과 긴 사용 수명을 가진다. In the electric double layer capacitor, a material with a large surface area such as activated carbon is used as an active material of an electrode to form an electric double layer on the surface of the electrode material and the contact surface of the electrolyte. Electric double layer capacitors store electric charges in the electric double layer formed at the interface of the electrolyte, unlike storage batteries that use chemical reactions in the mechanism of storing electricity, i.e., due to the use of a storage phenomenon due to the accumulation of physical charges, deterioration due to repeated use No phenomenon, high reversibility and long service life.
전기이중층 커패시터의 전극 활물질로 활성탄이 보편적으로 사용되고 있으며, 전기이중층 커패시터 활성탄을 제조하는 방법으로, 용이하게 흑연화 가능한 탄소재를 이용하고 탄소재를 생산하기 위해 산화 기체의 대기 분위기에서 출발 물질을 소성하고, 탄소재의 입자크기를 조절하며 그 후 활성화 과정을 거쳐 활성탄을 제조하고 있다.Activated carbon is commonly used as an electrode active material for electric double-layer capacitors. This is a method of manufacturing activated carbon for electric double-layer capacitors. A carbon material that can be easily graphitized is used, and the starting material is fired in an atmosphere of oxidizing gas to produce the carbon material. Then, the particle size of the carbon material is adjusted, and then activated carbon is manufactured through an activation process.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0039537호(2016.04.11. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 전기이중층 커패시터용 시트전극 및 그 제조방법이 기재되어 있다.As a related prior document, there is Korean Laid-Open Patent Publication No. 10-2016-0039537 (published on April 11, 2016), which describes a sheet electrode for an electric double layer capacitor and a method of manufacturing the same.
본 발명의 목적은 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체를 전극 활물질로 적용하는 것에 의해 전도성 및 ESR 특성을 개선하고, 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체를 포함하는 전기이중층 커패시터를 제공하는 것이다.An object of the present invention is an electric double layer capacitor comprising a granular activated carbon-carbon nanotube composite capable of improving conductivity and ESR characteristics and improving energy density by applying a granular activated carbon-carbon nanotube composite as an electrode active material Is to provide.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체를 포함하는 전기이중층 커패시터는 상부가 개방되며, 내부에 전해액이 함침되는 케이스; 상기 케이스의 내부에 삽입 배치되며, 음극 및 양극과 상기 음극 및 양극 사이에 배치되어, 상기 음극 및 양극을 전기적으로 분리시키는 세퍼레이터를 갖는 권취 소자; 및 상기 케이스의 상측에 결합되어, 상기 케이스의 내부를 밀봉하는 밀봉 고무;를 포함하며,상기 음극 및 양극 각각의 활물질로는 평균 입경이 10 ~ 50㎛를 갖는 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체가 사용되는 것을 특징으로 한다.An electric double layer capacitor including a granular activated carbon-carbon nanotube composite according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is a case in which an upper portion is opened and an electrolyte solution is impregnated therein; A winding element inserted into the case, disposed between a cathode and an anode, and between the cathode and anode, and having a separator electrically separating the cathode and anode; And a sealing rubber bonded to the upper side of the case to seal the inside of the case, wherein the active material of each of the negative electrode and the positive electrode includes a granular activated carbon-carbon nanotube composite having an average particle diameter of 10 to 50 μm. It is characterized by being used.
상기 음극 및 양극 각각의 활물질은 상기 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체 : 60 ~ 90 중량%; 도전재 1 ~ 15 중량%; 및 바인더 1 ~ 10 중량%;를 포함하는 것이 바람직하다.The active material of each of the negative and positive electrodes is the granular activated carbon-carbon nanotube composite: 60 to 90% by weight; 1 to 15% by weight of a conductive material; And 1 to 10% by weight of a binder; it is preferable to include.
여기서, 상기 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체는 활성탄 및 탄소나노튜브를 포함하되, 상기 탄소나노튜브가 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체 전체 중량의 1 ~ 10 중량%로 첨가되는 것이 보다 바람직하다.Here, the granular activated carbon-carbon nanotube composite includes activated carbon and carbon nanotubes, and the carbon nanotubes are more preferably added in an amount of 1 to 10% by weight of the total weight of the granular activated carbon-carbon nanotube composite.
상기 탄소나노튜브는 5 ~ 30nm의 평균 직경 및 10 ~ 40㎛의 평균 길이를 갖는다.The carbon nanotubes have an average diameter of 5 to 30 nm and an average length of 10 to 40 μm.
또한, 상기 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체는 1 ~ 10㎛의 평균 입경을 갖는 활성탄으로 이루어진 1차 입자에 탄소나튜브가 결합되어 10 ~ 50㎛의 평균 입경을 갖는 2차 입자를 구성한다.In addition, in the granular activated carbon-carbon nanotube composite, carbon nanotubes are bonded to primary particles made of activated carbon having an average particle diameter of 1 to 10 μm to form secondary particles having an average particle diameter of 10 to 50 μm.
상기 음극은 음극집전체 및 상기 음극집전체 상에 형성된 음극 활물질층을 포함하고, 상기 양극은 양극집전체 및 상기 양극집전체 상에 형성된 양극 활물질층을 포함하며, 상기 음극 및 양극 활물질층 각각은 상기 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체를 사용한 것이 바람직하다.The negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer formed on the negative electrode current collector, the positive electrode includes a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer formed on the positive electrode current collector, and each of the negative electrode and the positive electrode active material layer It is preferable to use the granular activated carbon-carbon nanotube composite.
본 발명에 따른 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체를 포함하는 전기이중층 커패시터는 과립형 활성탄-탄소나노튜브를 전극 활물질로 적용하는 것에 의해 균일한 분산성을 확보할 수 있으며, 우수한 도전성 특성을 확보할 수 있어 ESR 특성을 개선할 수 있다.The electric double layer capacitor including the granular activated carbon-carbon nanotube composite according to the present invention can secure uniform dispersibility by applying the granular activated carbon-carbon nanotube as an electrode active material, and secure excellent conductive properties. Can improve ESR characteristics.
또한, 본 발명에 따른 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체를 포함하는 전기이중층 커패시터는 과립형태의 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체를 전극 활물질로 적용하는 것을 통하여 분말의 탭 밀도 향상과 탄소나노튜브의 적용 효과로 도전재의 사용을 감소시키면서도 전극 밀도를 향상시킬 수 있으므로, 이에 따른 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.In addition, the electric double layer capacitor including the granular activated carbon-carbon nanotube composite according to the present invention is applied to the granular activated carbon-carbon nanotube composite as an electrode active material to improve the tap density of the powder and the carbon nanotubes. As an applied effect, it is possible to improve the electrode density while reducing the use of the conductive material, so that the energy density can be improved accordingly.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체를 포함하는 전기이중층 커패시터를 나타낸 정면도.
도 2는 도 1의 권취소자를 확대하여 나타낸 분해 사시도.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 절단하여 나타낸 단면도.
도 4은 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 전기이중층 커패시터에 대한 용량 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프.
도 5는 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 전기이중층 커패시터에 대한 저항 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프.1 is a front view showing an electric double layer capacitor including a granular activated carbon-carbon nanotube composite according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is an exploded perspective view showing an enlarged winding element of Figure 1;
3 is a cross-sectional view taken along line Ⅲ-Ⅲ' of FIG. 2;
4 is a graph showing a result of measuring a change in capacity of an electric double layer capacitor manufactured according to Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 2;
5 is a graph showing a result of measuring a change in resistance for an electric double layer capacitor manufactured according to Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 2;
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention, and a method of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in a variety of different forms, only this embodiment is intended to complete the disclosure of the present invention, and the general knowledge in the technical field to which the present invention pertains. It is provided to completely inform the scope of the invention to those who have it, and the invention is only defined by the scope of the claims. The same reference numerals refer to the same elements throughout the specification.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체를 포함하는 전기이중층 커패시터에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, an electric double layer capacitor including a granular activated carbon-carbon nanotube composite according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체를 포함하는 전기이중층 커패시터를 나타낸 정면도이고, 도 2는 도 1의 권취소자를 확대하여 나타낸 분해 사시도이다.1 is a front view showing an electric double layer capacitor including a granular activated carbon-carbon nanotube composite according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an exploded perspective view showing an enlarged winding element of FIG. 1.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체를 포함하는 전기이중층 커패시터(100)는 케이스(110), 권취 소자(120) 및 밀봉 고무(130)를 포함한다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체를 포함하는 전기이중층 커패시터(100)는 음극 외부 단자(142) 및 양극 외부 단자(144)를 더 포함할 수 있다.1 and 2, the electric
케이스(110)는 상부가 개방되며, 내부에 전해액이 함침된다. 이때, 케이스(110)는 상측이 개방되는 원통 형상을 갖거나, 직육면체, 육각기둥 등의 각형 형상으로 설계될 수 있다. 이러한 케이스(110)의 재질로는 스테인리스강이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The upper part of the
권취소자(120)는 케이스(110)의 내부에 삽입된다. 이러한 권취 소자(120)는 원통형 타입이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 권취 소자(120)는 라미네이트 타입, 코인 타입 등 다양한 형태가 적용될 수 있다. 따라서, 권취 소자(120)는 형상에 대해서도 특별히 제한되는 것은 아니다.The winding
이러한 권취 소자(120)는 음극(122), 양극(124) 및 세퍼레이터(126)를 갖는다. 이때, 권취 소자(120)는 음극(124), 세퍼레이터(126) 및 양극(124)을 권취기로 와인딩하여 롤 형태로 제작한 후, 롤 주위에 접착테이프 등을 부착하는 것에 의해 제조될 수 있다.This
한 쌍의 음극 외부 단자(142) 및 양극 외부 단자(144)는 각각 음극(122) ?? 양극(124)에 연결된다. 음극 외부 단자(142) 및 양극 외부 단자(144)의 재질로는 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등의 전기전도성이 우수한 금속 또는 이들을 포함하는 합금 등의 재질이 이용될 수 있다.A pair of negative
이러한 음극 외부 단자(142) 및 양극 외부 단자(144)는 밀봉 고무(130)를 통해 외부까지 연결되어 있다. 이때, 케이스(110)의 내부에 봉입된 음극(122), 양극(124) 및 세퍼레이터(126)는 전해액에 함침되어 있다.The negative
밀봉 고무(130)는 케이스(110)의 상측에 결합되어, 케이스(110)의 내부를 밀봉한다. 이러한 밀봉 고무(130)는 케이스(110) 내부의 전해액이 누설되는 것을 방지하기 위해 음극 외부 단자(142) 및 양극 외부 단자(144)에 끼움 결합 형태로 결합되어 케이스(110)를 밀봉한다.The sealing
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 절단하여 나타낸 단면도로, 도 2와 연계하여 설명하도록 한다.FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III' of FIG. 2, and will be described in connection with FIG. 2.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 음극(122)은 음극집전체(122a) 및 음극집전체(122a) 상에 형성된 음극 전극 물질층(122b, 122c)을 포함한다. 또한, 양극(124)은 양극집전체(124a) 및 양극집전체(124a) 상에 형성된 양극 전극물질층(124b, 124c)을 포함한다.As shown in FIGS. 2 and 3, the
도 3에서는 음극 집전체(122a) 및 양극 집전체(124a)의 양면에 음극 전극물질층(122b, 122c) 및 양극 전극물질층(124b, 124c)이 각각 배치되는 것으로 도시하였으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.3 shows that the negative
여기서, 음극(122) 및 양극(124) 각각은 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체, 도전재 및 바인더를 포함하는 활물질을 용제와 함께 혼합기를 이용해 혼합하여 슬러리화하여 전극 슬러리를 형성한 후, 이 전극 슬러리를 음극 및 양극 집전체(122a, 124a)에 콤마 코터 등의 코팅 설비를 이용하여 얇게 도포한 후, 대류 건조하여 용제를 증발시켜 양극 및 음극집전체(122a, 124a)에 부착시키는 것에 의해 형성될 수 있다.Here, each of the
이때, 본 발명에서, 음극 전극물질층(122b, 122c) 및 양극 전극물질층(124b, 124c)에 사용되는 활물질은 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체가 사용된다. 이러한 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체는 활성탄 분말과 탄소나노튜브 분산액을 교반 탱크를 이용하여 혼합한 후 분무건조방식을 이용해 건조시켜 과립형 분말로 제조한 것이다.At this time, in the present invention, the active material used for the negative
여기서, 활성탄 분말은 평균 입경이 1 ~ 10㎛인 것이 사용되는 것이 바람직하다.Here, it is preferable to use activated carbon powder having an average particle diameter of 1 to 10 μm.
또한, 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체는 활성탄 및 탄소나노튜브를 포함하되, 탄소나노튜브가 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체 전체 중량의 1 ~ 10 중량%로 첨가되는 것이 보다 바람직하다. 탄소나노튜브의 첨가량이 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체 전체 중량의 1 중량% 미만일 경우에는 도전성 향상 효과를 제대로 발휘하기 어렵다. 반대로, 탄소나노튜브의 첨가량이 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체 전체 중량의 10 중량%를 초과하여 다량 첨가될 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 제조비용만을 증가시킬 수 있으므로, 경제적이지 못하다.In addition, the granular activated carbon-carbon nanotube composite includes activated carbon and carbon nanotubes, but the carbon nanotubes are more preferably added in an amount of 1 to 10% by weight of the total weight of the granular activated carbon-carbon nanotube composite. When the amount of carbon nanotubes added is less than 1% by weight of the total weight of the granular activated carbon-carbon nanotube composite, it is difficult to properly exhibit the effect of improving conductivity. Conversely, when the amount of carbon nanotubes is added in a large amount exceeding 10% by weight of the total weight of the granular activated carbon-carbon nanotube composite, it is not economical because only the manufacturing cost can be increased without further increase in effect.
또한, 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체는 10 ~ 50㎛의 평균 입경을 갖는 것을 이용하는 것이 바람직하다. 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체의 평균 입경이 10㎛ 미만일 경우에는 에너지 밀도 향상 효과를 제대로 발휘하기 어렵다. 반대로, 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체의 평균 입경이 50㎛를 초과할 경우에는 불혼화가 일어날 수 있다.In addition, it is preferable to use a granular activated carbon-carbon nanotube composite having an average particle diameter of 10 to 50 μm. When the average particle diameter of the granular activated carbon-carbon nanotube composite is less than 10 μm, it is difficult to properly exhibit the energy density improvement effect. Conversely, when the average particle diameter of the granular activated carbon-carbon nanotube composite exceeds 50 μm, immiscibility may occur.
여기서, 음극 및 양극 각각의 활물질은 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체 : 60 ~ 90 중량%, 도전재 1 ~ 15 중량% 및 바인더 1 ~ 10 중량%를 포함하는 것이 보다 바람직하다.Here, the active material of each of the negative electrode and the positive electrode is more preferably a granular activated carbon-carbon nanotube composite: 60 to 90% by weight, 1 to 15% by weight of a conductive material, and 1 to 10% by weight of a binder.
이때, 탄소나노튜브는 5 ~ 30nm의 평균 직경 및 10 ~ 40㎛의 평균 길이를 갖는 것을 이용하는 것이 보다 바람직하다.At this time, it is more preferable to use carbon nanotubes having an average diameter of 5 to 30 nm and an average length of 10 to 40 μm.
과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체에 첨가되는 활성탄으로는 목분계, 야자수계, 코코넛계, 석유피치계 및 페놀계 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.As the activated carbon added to the granular activated carbon-carbon nanotube composite, at least one selected from wood powder, palm tree, coconut, petroleum pitch, and phenol may be used.
도전재는 슈퍼-P(Super-P), 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 그라파이트 등의 도전성 분말을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The conductive material may include conductive powder such as Super-P, Ketjen black, acetylene black, carbon black, graphite, etc., but is not limited thereto.
바인더는 이종의 바인더를 이용하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 바인더는 폴리테트라플로로에틸렌(PTFE), 고무계 수지 및 아크릴계 수지와 함께 첨가된 것을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 바인더의 부 바인더로 셀룰로오즈계 수지, 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF)를 포함하는 불소계 수지, 폴리이미드, 폴리아마이드, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌을 포함하는 열가소성 수지와, 카복시메틸셀룰로우즈(CMC) 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 1종 이상을 더 포함할 수 있다.It is preferable to use a different type of binder as the binder. Specifically, it is preferable to use the binder added together with polytetrafluoroethylene (PTFE), rubber-based resin, and acrylic resin. In addition, as a secondary binder of the binder, a cellulose resin, a fluorine resin including polyvinylidene fluoride (PVDF), a thermoplastic resin including polyimide, polyamide, polyethylene and polypropylene, and a carboxymethylcellulose (CMC) And it may further include one or more selected from a mixture thereof.
세퍼레이터(126)는 음극(122) 및 양극(124)이 서로 물리적으로 접촉하는 것을 방지한다. 또한, 세퍼레이터(126)는 다공성이 바람직하며, 기공 내에 전해액을 유지시켜 음극(122) 및 양극(124) 사이의 전도성 경로가 형성된다. 세퍼레이터(126)의 재질은 특별히 한정되는 것을 아니다. 예를 들면, 세퍼레이터(126)의 재질로는 다공성 셀룰로오스, 폴리 프로필렌, 폴리에틸렌, 불소계 수지 등에서 선택될 수 있다.The
또한, 금속박으로 이루어진 음극 집전체(122a) 및 양극 집전체(124a)의 표면에는 필요에 따라 각각 도전성 접착제 및 전도성 코팅층이 더 형성되어 있을 수 있다.In addition, a conductive adhesive and a conductive coating layer may be further formed on the surfaces of the negative electrode
음극 및 양극 집전체(122a, 124a)에 사용되는 금속박으로는 도전성을 나타내는 금속으로 이루어질 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것을 아니며, 알루미늄 또는 구리가 바람직하다. 금속박의 크기나 두께 등의 치수는 특별히 한정되는 것은 아니다.The metal foil used for the anode and cathode
전술한 본 발명의 실시예에 따른 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체를 포함하는 전기이중층 커패시터는 과립형 활성탄-탄소나노튜브를 전극 활물질로 적용하는 것에 의해 균일한 분산성을 확보할 수 있으며, 우수한 도전성 특성을 확보할 수 있어 ESR 특성을 개선할 수 있다.The electric double layer capacitor including the granular activated carbon-carbon nanotube composite according to the above-described embodiment of the present invention can secure uniform dispersibility by applying the granular activated carbon-carbon nanotube as an electrode active material. Conductive properties can be secured, and ESR properties can be improved.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체를 포함하는 전기이중층 커패시터는 과립형태의 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체를 전극 활물질로 적용하는 것을 통하여 분말의 탭 밀도 향상과 탄소나노튜브의 적용 효과로 도전재의 사용을 감소시키면서도 전극 밀도를 향상시킬 수 있으므로, 이에 따른 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.In addition, the electric double layer capacitor including the granular activated carbon-carbon nanotube composite according to an embodiment of the present invention uses the granular activated carbon-carbon nanotube composite in the form of granules as an electrode active material to improve the tap density and carbon The application effect of the nanotubes can improve the electrode density while reducing the use of the conductive material, and thus the energy density can be improved.
실시예Example
이하, 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 통해 본발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail through preferred embodiments and comparative examples of the present invention. However, this is presented as a preferred example of the present invention and cannot be construed as limiting the present invention in any sense.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.Contents not described herein can be sufficiently technically inferred by those skilled in the art, and thus description thereof will be omitted.
1. 활물질 제조1. Active material manufacturing
과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체의 제조Preparation of granular activated carbon-carbon nanotube composite
평균 입경 5㎛인 활성탄 분말에 직경 10nm 및 길이 25㎛의 탄소나노튜브를 증류수와 함께 교반 탱크에 넣어 2시간 동안 교반을 진행하였다. 이때, 분산성 향상을 위하여 유기분산제를 소량 투입하였다.Carbon nanotubes having a diameter of 10 nm and a length of 25 μm were placed in an activated carbon powder having an average particle diameter of 5 μm in a stirring tank together with distilled water, followed by stirring for 2 hours. At this time, a small amount of an organic dispersant was added to improve dispersibility.
다음으로, 교반이 완료된 슬러리를 밀링 설비를 이용하여 활성탄과 탄소나노튜브를 최종 혼합한 후, 분무건조를 이용하여 과립화시켰다.Next, the agitated slurry was finally mixed with activated carbon and carbon nanotubes using a milling facility, and then granulated by spray drying.
다음으로, 질소분위기 하에서 700℃ 조건으로 열처리하여 평균 입경 30㎛인 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체를 제조하였다.Next, heat treatment was performed at 700° C. in a nitrogen atmosphere to prepare a granular activated carbon-carbon nanotube composite having an average particle diameter of 30 μm.
2. 전기이중층 커패시터 제조2. Electric double layer capacitor manufacturing
실시예 1Example 1
전극 제조Electrode manufacturing
평균 입경 30㎛인 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체, 도전재 및 바인더를 순수에 혼합 및 교반시켜 전극 슬러리를 제조한 후, 알루미늄 호일 집전체 위에 콤마 코터를 이용하여 도포 및 건조한 후, 전극 슬러리와 집전체의 접촉 특성을 향상시키기 위해 롤 프레싱 공정을 진행하여 전극을 제조하였다.After preparing an electrode slurry by mixing and stirring a granular activated carbon-carbon nanotube composite having an average particle diameter of 30 μm, a conductive material, and a binder in pure water, coating and drying the aluminum foil current collector using a comma coater, the electrode slurry and In order to improve the contact characteristics of the current collector, an electrode was manufactured by performing a roll pressing process.
이때, 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체 84wt%, 도전재 10wt% 및 바인더 6wt%로 조성되었으며, 도전재로는 슈퍼-P, 그리고 바인더로는 폴리테트라플로로에틸렌, 메틸 셀룰로오스 및 스틸렌부타이엔고무가 혼합된 것을 사용하였다.At this time, it was composed of 84 wt% of granular activated carbon-carbon nanotube composite, 10 wt% of conductive material and 6 wt% of binder, and Super-P as a conductive material, and polytetrafluoroethylene, methyl cellulose and styrene butyene rubber as a binder. A mixture of was used.
셀 제조Cell manufacturing
양극 및 음극 각각에 양극 및 음극 외부 단자를 부착한 후, 양극과 음극 사이에 세퍼레이터를 배치하고, 롤 형태로 권취하여 권취소자를 제조하였다. 다음으로, 권취소자를 150℃ 오븐에서 24시간 동안 건조시켰다.After attaching the positive and negative external terminals to each of the positive and negative electrodes, a separator was disposed between the positive and negative electrodes, and wound in a roll shape to manufacture a winding element. Next, the winding element was dried in an oven at 150° C. for 24 hours.
다음으로, 건조된 권취소자를 원통형의 케이스 내부에 삽입한 후, 1M 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트/아세토나이트를 용매(TEABF4/ACN)을 사용하여 함침시켰다.Next, after the dried winding element was inserted into the cylindrical case, 1M tetraethylammonium tetrafluoroborate/acetonite was impregnated using a solvent (TEABF 4 /ACN).
다음으로, 음극 외부 단자 및 양극 외부 단자에 밀봉 고무를 삽입한 후, 케이스를 커링하여 10 × 25mm 사이즈의 셀을 제조하였다.Next, after inserting the sealing rubber into the negative external terminal and the positive external terminal, the case was curled to prepare a cell having a size of 10 × 25 mm.
실시예 2Example 2
전극 제조시, 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체 88wt%, 도전재 6wt% 및 바인더 6wt%로 조성을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 셀을 제조하였다.When preparing the electrode, a cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that a composition of 88 wt% of a granular activated carbon-carbon nanotube composite, 6 wt% of a conductive material, and 6 wt% of a binder was used.
비교예 1Comparative Example 1
전극 제조시, 탄소나노튜브가 포함되어 있지 않으며, 과립형태가 아닌 평균 입경이 15㎛의 활성탄을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 셀을 제조하였다. When manufacturing the electrode, a cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that carbon nanotubes were not included and activated carbon having an average particle diameter of 15 μm was used instead of granular form.
비교예 2Comparative Example 2
전극 제조시, 탄소나노튜브가 포함되어 있지 않으며, 평균 입경 30um의 과립형 활성탄을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 셀을 제조하였다.When manufacturing the electrode, a cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that carbon nanotubes were not included and granular activated carbon having an average particle diameter of 30 μm was used.
3. 평가 방법3. Evaluation method
표 1은 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 전기이중층 커패시터의 초기 특성으로 정전 용량 및 내부 저항을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 이때, 정전 용량은 충방전 시험기를 이용하여 전기이중층 커패시터를 100mA에서 2.7V까지 충전 후 정전압으로 30분 유지한 후 100mA에서 0.1V까지 방전시켰을 때의 방전 곡선의 기울기로부터 산출하였다. 여기서, 내부 저항은 1 kHz AC 저항을 측정하였다.Table 1 shows the results of measuring capacitance and internal resistance as initial characteristics of the electric double layer capacitors manufactured according to Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 2. At this time, the capacitance was calculated from the slope of the discharge curve when the electric double layer capacitor was charged from 100mA to 2.7V using a charge/discharge tester, maintained at a constant voltage for 30 minutes, and then discharged from 100mA to 0.1V. Here, the internal resistance was measured at 1 kHz AC resistance.
[표 1][Table 1]
표 1에 도시된 바와 같이, 실시예 1 ~ 2에 따라 제조된 전기이중층 커패시터는 0.58 ~ 0.59g/cc의 밀도와 10.5F 이상의 용량을 가지면서, 18.5mΩ 이하의 ESR을 나타내는 것을 확인할 수 있다.As shown in Table 1, it can be seen that the electric double layer capacitors manufactured according to Examples 1 to 2 have a density of 0.58 to 0.59 g/cc and a capacity of 10.5 F or more, and an ESR of 18.5 mΩ or less.
반면, 비교예 1에 따라 제조된 전기이중층 커패시터는 밀도 및 용량이 상당히 낮고, ESR은 19.6 mΩ으로 나타내어 도전성이 좋지 않은 것을 확인할 수 있다.On the other hand, the electric double layer capacitor manufactured according to Comparative Example 1 had a considerably low density and capacity, and the ESR was 19.6 mΩ, indicating poor conductivity.
또한, 비교예 2에 따라 제조된 전기이중층 커패시터는 밀도는 실시예 1과 유사하였으나, 용량이 10.2F로 낮게 측정되었으며, 특히 ESR이 22.4mΩ으로 측정되어 도전성이 매우 나쁜 것을 확인할 수 있다.In addition, the electric double layer capacitor manufactured according to Comparative Example 2 had a density similar to that of Example 1, but the capacity was measured as low as 10.2F, and in particular, the ESR was measured as 22.4mΩ, indicating very poor conductivity.
4. 고온 부하 테스트4. High temperature load test
도 4은 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 전기이중층 커패시터에 대한 용량 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이고, 도 5는 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 전기이중층 커패시터에 대한 저항 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 이때, 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 전기이중층 커패시터에 대하여 2.7V 65℃ 조건에서 1,000시간 동안 고온 테스트를 실시한 결과를 나타낸 것이다.4 is a graph showing the result of measuring the capacity change for the electric double layer capacitor manufactured according to Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 2, and FIG. 5 is a graph according to Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 2 It is a graph showing the result of measuring the resistance change for the manufactured electric double layer capacitor. At this time, it shows the results of performing a high-temperature test for 1,000 hours at 2.7V 65°C for the electric double layer capacitors manufactured according to Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 2.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 실시예 1 ~ 2에 따라 제조된 전기이중충 커패시터가 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 전기이중층 커패시터에 비하여 고온(65℃)에서의 저항 및 용량 변화가 작은 것을 확인할 수 있다.4 and 5, the electric double charge capacitor manufactured according to Examples 1 to 2 changed the resistance and capacity at a high temperature (65°C) compared to the electric double layer capacitor manufactured according to Comparative Examples 1 to 2 You can see that is small.
위의 실험 결과를 토대로 알 수 있듯이, 실시예 1 ~ 2에 따라 제조된 전기이중층 커패시터와 같이 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체를 전극 활물질로 적용할 시, 저항 및 용량변화율을 현저히 낮출 수 있음을 확인하였다.As can be seen on the basis of the above experimental results, it is possible to significantly reduce the rate of change of resistance and capacity when applying the granular activated carbon-carbon nanotube composite as an electrode active material, such as the electric double layer capacitor manufactured according to Examples 1 to 2. Confirmed.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.In the above, the embodiments of the present invention have been described mainly, but various changes or modifications can be made at the level of those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. Such changes and modifications can be said to belong to the present invention as long as they do not depart from the scope of the technical idea provided by the present invention. Therefore, the scope of the present invention should be determined by the claims set forth below.
100 : 전기이중층 커패시터 110 : 케이스
120 : 권취 소자 122 : 음극
124 : 양극 126 : 세퍼레이터
130 : 밀봉 고무 142 : 음극 외부 단자
144 : 양극 외부 단자100: electric double layer capacitor 110: case
120: winding element 122: cathode
124: anode 126: separator
130: sealing rubber 142: negative external terminal
144: positive external terminal
Claims (6)
상기 케이스의 내부에 삽입 배치되며, 음극 및 양극과 상기 음극 및 양극 사이에 배치되어, 상기 음극 및 양극을 전기적으로 분리시키는 세퍼레이터를 갖는 권취 소자; 및
상기 케이스의 상측에 결합되어, 상기 케이스의 내부를 밀봉하는 밀봉 고무;를 포함하는 전기이중층 커패시터로서,
상기 음극 및 양극 각각의 활물질로는 평균 입경이 10 ~ 50㎛를 갖는 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체가 사용되며,
상기 음극 및 양극 각각의 활물질은 상기 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체 : 60 ~ 90 중량%; 도전재 1 ~ 15 중량%; 및 바인더 1 ~ 10 중량%;를 포함하고,
상기 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체는 활성탄 및 탄소나노튜브를 포함하되, 상기 탄소나노튜브가 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체 전체 중량의 1 ~ 10 중량%로 첨가되고,
상기 전기이중층 커패시터는 0.58 ~ 0.59g/cc의 밀도, 10.7 ~ 11.1F의 용량 및 16.3 ~ 18.1mΩ의 ESR을 나타내는 것을 특징으로 하는 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체를 포함하는 전기이중층 커패시터.
A case in which the upper part is opened and the electrolyte is impregnated therein;
A winding element inserted into the case, disposed between a cathode and an anode, and between the cathode and anode, and having a separator electrically separating the cathode and anode; And
As an electric double layer capacitor comprising; a sealing rubber coupled to the upper side of the case to seal the inside of the case,
As the active material of each of the negative electrode and the positive electrode, a granular activated carbon-carbon nanotube composite having an average particle diameter of 10 to 50 μm is used,
The active material of each of the negative and positive electrodes is the granular activated carbon-carbon nanotube composite: 60 to 90% by weight; 1 to 15% by weight of a conductive material; And 1 to 10% by weight of a binder; and,
The granular activated carbon-carbon nanotube composite includes activated carbon and carbon nanotubes, wherein the carbon nanotubes are added in an amount of 1 to 10% by weight of the total weight of the granular activated carbon-carbon nanotube composite,
The electric double layer capacitor has a density of 0.58 to 0.59 g/cc, a capacity of 10.7 to 11.1 F, and an ESR of 16.3 to 18.1 mΩ. An electric double layer capacitor comprising a granular activated carbon-carbon nanotube composite.
상기 탄소나노튜브는
5 ~ 30nm의 평균 직경 및 10 ~ 40㎛의 평균 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체를 포함하는 전기이중층 커패시터.
The method of claim 1,
The carbon nanotubes are
Electric double-layer capacitor comprising a granular activated carbon-carbon nanotube composite, characterized in that it has an average diameter of 5 ~ 30nm and an average length of 10 ~ 40㎛.
상기 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체는
1 ~ 10㎛의 평균 입경을 갖는 활성탄으로 이루어진 1차 입자에 탄소나튜브가 결합되어 10 ~ 50㎛의 평균 입경을 갖는 2차 입자를 구성하는 것을 특징으로 하는 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체를 포함하는 전기이중층 커패시터.
The method of claim 1,
The granular activated carbon-carbon nanotube composite
A granular activated carbon-carbon nanotube composite characterized in that carbon nanotubes are bonded to primary particles made of activated carbon having an average particle diameter of 1 to 10 μm to form secondary particles having an average particle diameter of 10 to 50 μm. Electric double layer capacitor containing.
상기 음극은 음극집전체 및 상기 음극집전체 상에 형성된 음극 활물질층을 포함하고, 상기 양극은 양극집전체 및 상기 양극집전체 상에 형성된 양극 활물질층을 포함하며,
상기 음극 및 양극 활물질층 각각은 상기 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체를 사용한 것을 특징으로 하는 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체를 포함하는 전기이중층 커패시터.The method of claim 1,
The negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer formed on the negative electrode current collector, and the positive electrode includes a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer formed on the positive electrode current collector,
Each of the anode and cathode active material layers is an electric double layer capacitor comprising a granular activated carbon-carbon nanotube composite, characterized in that the granular activated carbon-carbon nanotube composite is used.
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