KR100376729B1 - 전기화학 캐패시터용 전극 및 그 제조 방법 - Google Patents

전기화학 캐패시터용 전극 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기화학 캐패시터용 전극 및 그 제조 방법에 관한 것으로 더 상세하게는 분말상의 활성탄소로서 만들어진 활성탄소 박판과 집전체인 판상의 다공성 니켈 폼을 압착하여 전기화학 캐패시터용 전극을 제조하는 방법 및 전극에 관한 것이다.
전기화학 캐패시터는 독자적으로 저용량의 에너지 저장시스템으로 사용되거나, 동력기기의 구동시와 같이 짧은 시간동안 많은 에너지를 필요로 하는 시스템, 전기자동차(EV)에서와 같이 밧데리(2차전지)를 주 에너지 공급원으로 하고 보조 에너지 공급원으로 하이브리드 형태로 장착하여 사용한다. 전기화학 캐패시터에서 높은 출력 성능을 보이기 위해서는 높은 운전 전압과 함께 낮은 전극 저항이 요구된다.
본 발명에서는 활성탄소 분말(ACP; Activated Carbon Powder)를 기본 재료로 활성탄소 박판을 제조하여 전극재료로 사용하고, 니켈 폼을 집전체로 사용하는 전기화학 캐패시터를 제조하여, 캐패시터의 축전용량을 키우고, 전극 저항을 줄여 출력 특성이 우수한 전기화학 캐패시터를 개발하였다.
본 발명에서 개발된 전기화학 캐패시터는 수용성 전해액과 함께 사용하여 단위 셀로 0.9 V까지 충전하고 5 ㎃/㎠으로 정전류 방전하였을 때 298 F/g(e)의 축전용량을 보이고, DC 및 AC 전극 저항은 각각 0.68과 0.63 Ω㎠로 낮은 저항 특성을 보인다. 또 유기성 전해액을 사용하여 단위 셀로 2.3 V까지 전압을 높일 수 있으며, 10 ㎃/㎠으로 정전류 방전을 하였을 때 178 F/g(e)의 축전용량은 갖고, DC 및 AC 전극 저항은 각각 3.49와 1.03 Ω㎠의 낮은 저항특성을 보이는 전기화학 캐패시터이다. 또 1∼40 ㎃/㎠으로 정전류 방전에서도 축전용량의 감소가 크지 않는 특징을 보인다.

Description

전기화학 캐패시터용 전극 및 그 제조 방법{The electrodes for the electro chemical capacitors and the method of preparing the same}
본 발명은 전기화학 캐패시터용 전극 및 그 제조 방법에 관한 것으로 더 상세하게는 분말상의 활성탄소로서 만들어진 활성탄소 박판과 집전체인 판상의 다공성 니켈 폼을 압착하여 전기화학 캐패시터용 전극을 제조하는 방법과 전극에 관한것이다.
전기화학 캐패시터는 단위 중량당 에너지 저장양의 척도인 에너지 밀도(energy density) 면에서 밧데리(2차전지)의 약 1/10 수준을 보이나, 충방전 능력을 표시하는 캐패시터 단위 중량당 캐패시터가 단위 시간당 공급할 수 있는 에너지량을 의미하는 동력밀도(power density) 면에서 약 100배 가까운 수준으로 그 기술 수준이 향상되었다.
전기화학 캐패시터의 방전 특성은 시간에 대해 직선적인 전압강하를 보이며, 이는 양극과 음극 재료의 산화환원 전위차로 셀의 전압이 결정되는 전지의 방전 특성과 차이를 보인다. 전기화학 캐패시터의 충방전 사이클은 10만회 이상으로 오랜 기간동안 안정하게 사용할 수 있는 장점이 있고, 짧은 시간에 많은 에너지를 방출할 수 있어 출력특성이 우수하다.
전기화학 캐패시터에 축적되는 에너지(W)는 다음 식 (1)로 계산할 수 있다.
그러므로 전기화학 캐패시터의 사용 가능 에너지를 높이기 위해서는 축전용량(C)을 키우고, 사용 전압 범위를 높여야 한다. 전기화학 캐패시터의 축전용량을 높이기 위한 시도로 비표면적이 크고 세공크기가 큰 탄소 소재의 개발, RuO2, IrO2, MnO2, Co(OH)2등의 금속산화물을 이용하는 기술 개발, 전도성 고분자 화합물을 이용하는 기술 등이 개발되고 있다.
캐패시터의 출력(P)은 다음 식 (2)의 방법으로 계산되고, DC 저항값은 식(3)로 계산된다.
..................(2)
...............(3)
식 (2)에서 캐패시터의 출력 특성을 높이기 위해서는 사용전압을 높이거나 전극 내부저항을 줄여야한다.
전기화학 캐패시터는 독자적으로 저용량의 에너지 저장시스템이나 동력기기의 구동시와 같이 짧은 시간동안 많은 에너지를 필요로 하는 시스템, 전기자동차 (EV)에서와 같이 밧데리를 주 에너지 저장장치로 하고 보조 에너지 공급장치로 활용하는 하이브리드 형태로 장착하여 사용한다. 전기화학 캐패시터에서 높은 출력 성능을 보이기 위해서는 식 (3)에 보인바와 같이 높은 사용 전압과 함께 낮은 전극 저항이 요구된다.
전기화학 캐패시터를 이용하는 시스템에서 사용 가능 전압을 높이는 방법으로 낮은 전압에서 구동하는 전기화학 캐패시터의 단셀을 직렬로 연결하여 사용, 각 전극을 적층 구조를 이루도록 설계 및 제작 사용, 높은 전압에서 사용 가능한 전극과 전해질의 개발 등 많은 시도가 행해지고 있다.
전기화학 캐패시터는 그 기능 발현의 방법, 즉 전하의 축적 방법에 따라 유사용량 캐패시터(pseudocapacitor)와 전기이중층 캐패시터로 분류되는데, 유사용량 캐패시터는 전극과 전해질간에 산화환원반응(redox 반응)에 의해 하전이 되는 밧데리와 유사한 반응 매카니즘의 것이고, 전기이중층 캐패시터는 미세한 공기구멍이 많아 표면적이 크고 전기전도성이 높은 활성탄, 활성섬유 등 전극이 분리막을 사이에 두고 마주보는 전극에 전하를 인가하면, 전해질 이온이 각기 다른 극을 갖는 전극 표면에 전기이중층을 형성함으로써 생성되는 전위차를 이용하는 기술이다. 이는 기존의 밧데리와 같은 전해질이 전극 표면에서 산화/환원과 같은 화학 반응을 수반하지 않고, 전해질 이온의 가역적 흡착/탈착인 물리적 메카니즘에 의존하기 때문에 충·방전 횟수 증가에 따른 성능 저하가 없어 반영구적으로 사용할 수 있다.
일반적으로 서로 사른 상(예 고체와 액체) 표면에서 형성되는 전위차는 다음과 같이 쓸 수 있다.
................(4)
여기에서 ε는 전해액의 유전율, δ는 전극 표면으로부터 이온 중심까지의 거리로, 전기이중층의 두께에 해당하고, S는 전극 계면의 표면적이다. 예를 들어 수용액과 수은과의 계면에 형성되는 전기이중층 용량은 약 20∼40μF/cm2이 됨으로 비표면적이 클수록 또, 유전성이 높을수록 큰 전기이중층 용량(축전용량)을 얻을 수 있다.
활성탄소와 같이 전기 전도성이 좋고 비표면적이 큰 (활성탄소 비표면적 1000 - 3500㎡/g) 물질을 전기이중층 캐패시터(전기화학캐패시터, supercapacitor)의 전극 재료로 사용하면 이론적으로 최고 1400F/g (40㎌/㎠ ×3500㎡/g = 1400F/g)의 비축전용량을 갖는 축전기(supercapacitor)를 만들 수 있다.
활성탄소 이외에도 활성탄소섬유, aerogel carbon, 카본블랙 등을 이용한 연구도 많이 발표되어 있으나, 제조가 용이하고 가격이 저렴하다는 점에서 활성탄소를 이용한 연구와 함께 활성탄소와 금속 또는 전도성 고분자 재료를 혼합하여 제조한 캐패시터가 보고되고 있다.
기존의 활성탄을 이용하는 전기화학캐패시터의 제조기술은 활성탄소 분말과 바인더를 슬러리 형태로 만들어 집전체에 코팅하는 방식이 주로 연구되었다. 이 경우 카본의 코팅량이 적기 때문에 캐패시터 단위 팩이 낼 수 있는 축전용량이 그 다지 크지 않고 100 - 180 F/g 정도의 수준이다. 또 집전체와 전극인 카본의 닫는 면적이 크지 않아 전극저항 수-수십 Ω㎠로 크다.
이에 최근 프랑스의 P. Simon 등은 두께가 0.8 mm인 Ni-foam을 집전체로 사용하여 캐패시터를 만들었다. 이때 사용된 전극은 비표면적이 1200m2/g인 활성탄소를 PVDF(poly- vinylidenefluoride)와 CMC(carboxymethylcellulose)를 바인더로 섞은 후 니켈-foam에 뿌려(스프레이) 제조한 캐패시터에서 축전용량 65-77 F/g과 1.12-1.28 Ω㎠의 저항을 갖는 캐패시터를 제조한바 있다(1).
(1)저자: 시몬 외 4인
(P. Simmon, L. Bonnefoi, J.F. Fauvarque, C. Sarrazin and A. Dugast)
제목:카본 파우더 슈퍼캐패시터전극의 최적화
(Electrode optimisation for carbon power supercapacitors)
출처: 저널 오브 파워 소스, 볼륨 79, 발행년도 1999년
(J. Power Source, 79(1999) 37-42)
프랑스의 I. Bispo-fonseca 등은 또 니켈 폼을 사용하는 전극에 활성탄소 전극 슬러리를 필터링(filtering) 또는 필터링과 압착(pressing)의 방법으로 전기화학캐패시터를 제조하여 전극 저항이 2.4-10.75 Ω으로 많이 낮출 수 있음을 보인바 있다(2).
(2)저자: 비스포-폰시 외 4인
(I. Bispo-Fonsea, J. Aggar, C. Sarrazin, P. Simmon and J. F. Fauvarque)
제목: 유기 전해질을 이용하는 카본전극 사용 슈퍼캐패시터의 적절한 성능 향상 방법
(Possible improvements in making carbon electrodes for organic superc apacitors)
출처: 저널 오브 파워 소스, 볼륨 79, 발행년도 1999년
(J. Power Source, 79(1999) 238-241)
본 발명에 따른 전기화학 캐패시터(전기이중층 캐패시터)는 분말상의 활성탄소와 니켈 폼으로 전극을 제조함에 있어 활성탄소를 0.5 mm 이하의 얇은 박판(薄板)으로 가공하여 , 다공성의 니켈폼의 집전체에 압착하여 전극을 제조하여 캐패시터 단셀의 내부저항을 줄이도록 하는데 그 특징이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전기화학 캐패시터용 전극이 구비된 단위 셀의 조립상태 설명도이다.
***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***
1 : 니켈 폼 양극 리드선 2 : 활성탄소 박판 양전극
3 : 분리막 4 : 활성탄소 박판 음전극
5 : 전해액 6 : 알루미늄 4중지
전기화학 캐패시터는 도 1에 도시된 바와 같은 구조로 되어 있는데, 전기화학 캐패시터에 사용되는 본 발명에 따른 전기화학 캐패시터용 전극은 집전체 재료로 니켈 폼을 사용하였고, 질소흡착 비이티(BET) 비표면적이 1000 m2/g 이상이고 미세 세공의 크기가 15 Å 이상인 활성탄소 파우더로 제조된 활성탄소 박판을 니켈 폼에 압착시킨 전극이다.
본 발명에 따른 전기화학 캐패시터용 전극을 제조하기 위하여는 먼저 활성탄소 박판을 만들어야 하는데 활성탄소 박판은 활성탄소 분말에 용매에 혼합된 바인더용액을 만들어 활성탄소 분말에 혼합교반하여 활성탄소 및 바인더용액이 혼합된 혼합 슬러리를 제조한다.
상기 바인더는 PVDF(poly-vinylidenefluoride), PTFE(poly-tetrafluoroethy lene), PVA(polyvinylalcohol), PVB(polyvinylbutadien) 등이 적당한데, 이들 바인더를 활성탄소 분말에 첨가함에 있어 전극의 무게를 감소시키고, 전극 저항을 줄이기 위해 바인더의 양은 가능한 한 줄이는 것이 우수한 축전용량 특성을 보이나, 바인더(PVDF, PTFE, PVA, PVB)의 양이 활성탄소 분말 무게의 2% 이내가 되면 활성탄소 판의 성형이 어렵기에 그 이상이 되게 한다.
이와 같이 적절하게 조절된 양의 바인더를 활성탄소 분말에 혼합하여 슬러리를 제조함에 있어, 상기 바인더를 적당한 용매에 녹여 사용한다. 즉 용매에 녹인 바인더에 활성탄소 분말을 섞어 교반하여 균질의 활성탄소 바인더 혼합 슬러리를 만든다. 이렇게 만들어진 활성탄소 분말과 바인더, 용매로 이루어진 혼합 슬러리를 평평한 고분자 필름이나 유리판등 평평한 판위에 부어 유리봉 등으로 균일하게 펼친 다음 , 용매를 휘발시키면 두깨가 얇은 활성탄소 박판이 제조된다. 이렇게 만들어진 활성탄소 박판을 적당한 크기로 제단 절단한다.
그리고 집전체로 사용하고자 하는 다공성 니켈을 일정두께로 하여 상기 활성탄소 박판과 같은 크기로 절단 다공성 니켈판(이하 니켈폼이라 함)을 제작한다.
일정 두께와 크기로 제작돤 상기 활성탄소 박판을 집전체 재료인 니켈폼과 겹쳐 놓고 유압식 압착프레스나 롤 프레스로 압착하여 전극을 제조하게 되는데, 압착 과정을 통해 활성탄소 박판과 니켈 폼의 경계층에서 활성탄소 박판의 일부는 다공성인 니켈 폼의 빈 공간 즉 공극으로 들어가 니켈 폼과 물리적으로 잘 결합하게 되며 활성탄소 박판과 니켈폼의 접촉 면적을 넓혀주는 효과가 있게 된다. 이렇게 제조된 본 발명에 따른 전기화학 캐패시터용 전극은 집전체로서 니켈 폼과 활성탄소 박판이 층상으로 결합된 구조를 취하게 되는 것이다.
이상과 같은 방법으로 본 발명에 따른 전극을 제조하고, 제조된 본 발명에 따른 전기화학 캐패시터용 두 개의 전극을 고온의 건조 오븐에서 상당 시간 동안 건조하여 용매를 완전 휘발시킨 후 분리막(폴리프로필렌 필름)을 사이에 둔 상태로 [도 1]과 같이 조립하고, 조립된 전극에 전해액을 넣고 알루미늄 4중지로 밀봉하면 본 발명에 따른 전기화학 캐패시터용 전극이 사용된 전기화학 캐패시터 단위 셀이 제조된다.
[도 1]에서 부호 1은 니켈 폼 양극 리드선이고, 부호 2는 활성탄소 박판 양전극이며, 부호 3은 분리막이고, 부호 4는 활성탄소 박판 음전극이고, 부호 5는 전해액이고, 부호 6은 알루미늄 4중지이다.
이상에서 서술한 바와 같은 본 발명에 따른 전기화학 캐패시터용 전극의 효과를 검증하기 위하여 본 발명에 따른 전극 및 기타 다른 방법으로 제조된 전극의 전기적 특성을 다음과 같은 방법으로 시험하고 그 결과를 얻었다.
(시험조건)
(1) 시험조건 1. (본 발명에 따른 전기화학 캐패시터용 전극의 구체적 일 실시예)
질소흡착 비표면적이 약 3000 ㎡/g이고, 평균 입자크기가 약 21 ㎛, 평균세공 크기가 18 Å인 활성탄소 분말을 유기바인더(PTFE)를 용매(이소프로필알콜)에 녹인 용액과 6시간 동안 교반하여 슬러리를 만들었다. 혼합된 슬러리를 유리판 또는 평평한 판 위에서 용매를 휘발시키면서 유리 봉을 이용하여 두께가 약 230 ㎛가 되고 균일하게 퍼지도록 하였다. 용매가 충분히 휘발되면 활성탄소 박판을 가로와 세로가 모두 3 ㎝로 동일한 정사각형으로 절단한 후 유리 표면에서 활성탄소 박판을 떼어내는 방법으로 제조하였다.
활성탄소 박판과 같은 크기로 두께가 1.3 mm이고 단위 면적당 무게가 500 g/m2인 집전체용 니켈 폼을 절단하고, 활성탄소 박판과 니켈 폼을 함께 겹친 후 고압 프레스를 이용하여 7 ton/㎠의 압착 압력으로 압착하였다. 압착 과정을 통해 활성탄소 박판의 일부는 다공성 니켈의 빈 공간 즉 공극으로 들어가 다공성 니켈과 물리적으로 잘 결합하게 된다. 또 활성탄소 박판과 다공성 니켈의 접촉 면적을 넓혀주는 효과가 있다.
제조된 두 개의 전극을 120℃ 건조 오븐에서 12시간 동안 건조하여 용매를 휘발시킨 후 분리막(폴리프로필렌 필름)을 사이에 둔 상태로 [도 1]과 같이 조립하였다. 조립된 전극에 전해액(KOH, NaOH, LiOH가 7.5 M로 혼합된 수용액)을 넣고 알루미늄 4중지로 밀봉하여 전기화학 캐패시터 단위 셀을 제조하여 전극 특성을 조사하였다.
(2) 시험조건 2.
시험조건 1과 동일한 방법으로 제조된 활성탄소 박판을 전극 재료로 하고 두께가 50 ㎛인 니켈 호일(foil)을 집전체로 하여 제조하여 전기화학 캐패시터의 특성을 조사하였다.
(3) 시험조건 3.
집전체인 니켈 폼을 일정한 크기로 잘라 7 ton/㎠의 압착 압력으로 누른 후, 시험조건 1과 동일한 방법으로 제조된 활성탄소 박판과 함께 겹쳐 시험조건 1과 동일한 방법으로 전기화학 캐패시터의 단위 셀을 제조하여 특성을 조사하였다.
(4) 시험조건 4.
시험조건 1과 동일한 방법으로 니켈 폼 집전체와 활성탄소 박판 전극을 제조하고 약 15 ton/㎠의 압력으로 압착하여 제조된 전극을 이용하여 캐패시터를 조립한 후, 아세토나이트릴에 1몰 테트라에칠암모늄테트라플로로보레이트(1M TEABF4/AN)이 녹아있는 유기 전해액을 주입하여 전기화학 캐패시터 단위 셀을 제조하고 전기적 특성을 조사하였다.
(5) 시험조건 5.
집전체로 두께가 70 ㎛인 알루미늄 호일을 사용하고, 시험조건 1과 동일한 방법으로 전기화학 캐패시터 단위 셀을 제조하였으며, 시험조건 4와 동일한 전해액을 사용하여 전기화학 캐패시터을 제조하고 전극특성을 조사하였다.
(6) 시험조건 6.
전극 재료로 비표면적이 약 2000 ㎡/g인 활성탄소 섬유을 전극재료로 사용하였으며, 두께가 30 ㎛인 알루미늄 호일을 집전체로 사용하여 전극을 조립하였으며, 시험조건 4와 동일한 전해액을 사용하여 전기화학 캐패시터을 제조하고 전기화학 캐패시터의 특성을 조사하였다.
(7) 시험조건 7.
시험조건 6과 동일한 방법으로 캐패시터를 제조하였으며, 전극 물질로 사용된 활성탄소 섬유의 표면을 저온아크증착 (LTAVD, Low Temperature Arc Vapor deposition) 방식으로 알루미늄을 증착시켜 전기화학 캐패시터를 제조하여 특성을 조사하였다.
이상과 같은 시험조건하에서 제조된 각 전극의 전기적 특성을 조사하기 위하여 다음과 같이 유도된 관계식에 의하여 각 전기적 특성에 대한 정보를 얻도록 한다.
제조된 단위 셀의 두 전극을 충방전 싸이클 측정기의 단자에 연결하여 정전류 충방전 테스트를 0.01-0.9 V의 전압 범위에서 20회 이상 수행하고, 최종 충방전 싸이클의 측정 결과의 전압 강하, 전류, 방전 소요시간을 조사하여, 전극의 축전용량(F/g(e), 단셀 무게에 대한 축전용량)을 다음 식 (5)의 방법으로 계산하였다.
.........(5)
식 (4)에서 4배를 한 것은 측정된 단위셀의 축전용량에 대해 두 개의 동일한 전극이 사용되었으므로 한 개의 전극에 대한 무게를 고려한 것이며, 또 양전극과 음전극이 직렬로 배열한 형태이므로 다음 식 (6)로 표현할 수 있다.
................(6)
식 (6)에서 C(+)와 C(-)는 동일하므로 다음 식 (7)과 식(8)로 계산된다.
...................(7)
......................(8)
또 단위 면적당 축전용량(F/㎠)은 방전곡선으로부터 계산한 축전용량을 전극의 면적으로 나눈 값으로 정의하였다.
제작된 전기화학 캐패시터의 단위 셀 저항 특성은 충방전 특성 조사의 방전시 발생하는 초기전압강하(IR drop)으로부터 다음식 (9)와 같이 DC 저항을 계산하였다.
................(9)
또 교류저항 특성 조사 장치를 이용하여 교류주파수 1 kHz에서의 저항을 AC 전극저항으로 하였다.
다음 [표-1]은 상기에 열거한 각 시험조건에 의하여 제조된 전기화학 캐패시터용 전극의 전기적 특성을 테스트하여 도표화 한 것이다.
전극소재 집전체 전해질 측정전압(V) 방전전류(㎃/㎠) 축전용량 전극저항(Ω㎠) 비고
F/g(e) F/㎠ DC AC
시험조건 1 활성탄소박판 니켈폼 7.5M KOH혼합 0.01-0.9 5 298 1.29 0.68 0.63 압착압력 7ton/㎠
시험조건 2 활성탄소박판 니켈호일 7.5M KOH혼합 0.01-0.9 5 226 1.13 4.67 2.17 Ni-foil 집전체(두께 50㎛)
시험조건 3 활성탄소박판 니켈폼 7.5M KOH혼합 0.01-0.9 5 266 1.25 2.11 0.90 Ni-foam 압착 후 전극적층/압착압착압력: 7ton/㎠
시험조건 4 활성탄소박판 니켈폼 1MTEABF4/AN 0.01-2.3 10 178 0.869 3.49 1.03 압착압력: 15ton/㎠
시험조건 5 활성탄소박판 알루미늄호일 1MTEABF4/AN 0.01-2.3 10 133 0.590 71.7 33.8 집전체 두께: 70㎛압착압력: 15ton/㎠
시험조건 6 활성탄소섬유 알루미늄호일 1MTEABF4/AN 0.01-2.3 10 96.8 0.780 26.2 25.7 집전체 두께: 30㎛
시험조건 7 활성탄소섬유 알루미늄호일 1MTEABF4/AN 0.01-2.3 10 61.1 0.780 1.60 1.40 알루미늄 코팅활성탄소섬유집전체 두께: 30㎛
[표-1]에서 시험조건 4과 시험조건 5에서 다공성 니켈 폼을 집전체로 하는 전기화학 캐패시터의 DC 및 AC 전극 저항은 각각 3.49와 1.03 Ω㎠로 알루미늄 호일을 집전체로 하는 전기화학 캐패시터의 전극 저항보다 AC 및 DC 모두에서 크게 낮음을 알 수 있다. 또 시험조건 4과 시험조건 5에서 알루미늄 호일을 집전체로 하는 전기화학 캐패시터 전극에서보다 다공성 니켈 폼을 집전체로 하는 전극에서 전극 중량당 축전용량이 크게 향상되었음을 알 수 있다. 활성탄 박판을 전극 재료로 하고 다공성 니켈 폼을 집전체로 하는 전극에서 활성탄소 섬유를 전극 재료로 하고 알루미늄 호일을 집전체로 하는 전기화학 캐패시터 보다 큰 축전용량과 낮은 AC전극 저항 특성을 보임을 알 수 있다.
다음 [표-2]에 니켈 폼을 집전체로 하고 활성탄 박판을 전극으로 사용하여 제작한 본 발명에 따른 전극을 사용한 전기화학 캐패시터 단위 셀의 방전전류를 달리하며 측정한 축전용량과 전극 저항을 도표로 나타내었다. 이때 사용된 전해액은 7.5 M KOH 혼합 수용액이고, 정전류 충방전은 0.01∼0.9V 까지 측정하였다.
방전전류(㎃/㎠) 축전용량 전극저항(Ω㎠) 비고
F/g(e) F/㎠ DC AC
실시예 1 1 318 1.38 13.6 0.63 (Ni-foam +AC sheet) 압착압착압력: 7ton/㎠
5 298 1.29 0.68
10 296 1.28 0.76
20 295 1.28 0.85
40 300 1.30 0.98
실시예 2 1 284 1.33 15.2 0.90 (Ni-foam(pressed)+ AC sheet) 압착압착압력: 7ton/㎠
5 266 1.25 2.11
10 263 1.24 2.27
20 259 1.21 2.40
40 264 1.24 2.37
[표-2]에 제시된 전극의 제조시 니켈 폼을 활성탄소 박판과 조립 전에 7 ton/cm2의 압착 압력으로 압착 후 제조한 것과 압착하지 않은 상태에서 제조한 상기시험조건 1의 전극 특성 조사결과에서 방전 전류를 1, 5, 10, 20, 40 ㎃/㎠로 높여도 축전용량은 크게 차이가 없음을 확인할 수 있다. 또 방전 전류를 5∼40㎃/㎠로 한 경우에서 DC 및 AC 전극 저항이 모두 1Ω㎠ 미만의 낮은 전극 저항 특성을 보이고 있음을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 전기화학 캐패시터용 전극의 제조방법 및 전극의 특징은 전극제조에 있어 활성탄소를 박판화 함에 있고, 집전체를 압착되지 않은 다공성의 니켈 폼으로 하고, 활성탄소 박판과 니켈 폼을 적정압력으로 압착 결합하여 층상을 이루도록 함에 있다 할 것인데, 이같은 방법으로 제조된 전극은 상기 [표-1]과 [표-2]에 의하여 증거되듯이 높은 에너지 밀도와 매우 낮은 전극 저항 특성을 갖게되어 높은 출력밀도를 구현할 수 있는 매우 뛰어난 전기화학 캐패시터용 전극인 것이다. 즉 즉 본 발명의 일 실시예에 따른 전극을 사용한 전기화학 캐패시터는 수용성 전해액과 함께 사용하여 단위 셀로 0.9 V까지 충전하고 5 ㎃/㎠으로 정전류 방전하였을 때 298 F/g(e)의 축전용량을 보이고 DC 및 AC 전극 저항은 각각 0.68과 0.63 Ω㎠로 우수한 전극 특성을 보인다. 또 유기성 전해액을 사용하여 단위 셀로 2.3 V까지 전압을 높일 수 있으며, 10 ㎃/㎠으로 정전류 방전을 하였을 때 178 F/g(e)의 축전용량은 갖고, DC 및 AC 전극 저항은 각각 3.49와 1.03 Ω㎠으로 낮은 저항특성을 보이는 전기화학 캐패시터이다. 또 1∼40 ㎃/㎠으로 정전류 방전에서도 축전용량의 감소가 크지 않는 특징을 보인다.

Claims (3)

  1. 질소 흡착 비이티(BET) 비표면적이 1000 m2/g 이상이고 미세 세공의 크기가 15Å이상인 활성탄소 분말을 포함하는 활성탄소 박판과 다공성 니켈폼을 압착하여 층상으로 결합됨을 특징으로 하는 전기화학 캐패시터용 전극
  2. 삭제
  3. 질소 흡착 비이티(BET) 비표면적이 1000 m2/g 이상이고 미세 세공의 크기가 15Å이상인 분말상의 활성탄소 입자를 용매에 섞은 유기 또는 무기 바인더 용액과 혼합하여 혼합슬러리를 만들고, 이 슬러리를 평편한 판상위에 부어 얇게 하여 건조시키어 활성탄소 박판을 제조하고, 일정두께를 갖는 박판상의 다공성 재질인 니켈폼과 활성탄소 박판을 겹쳐 압착하고, 활성탄소 박판과 니켈폼의 압착 결합된 판을 건조오븐(건조로)에 상당시간 방치하여 활성탄소 박판에 존재하는 휘발분을 완전 제거하여 전기화학 캐패시터용 전극을 제조하는 방법
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