KR100672310B1 - 에너지 저장형 캐패시터 및 그 제조방법 - Google Patents

에너지 저장형 캐패시터 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에너지 저장형 캐패시터의 양극 및 음극에 사용할 수 있는 전극재료의 구성을 새롭게 디자인함으로써 현재 발생되고 있는 에너지 저장형 캐패시터에서의 단점을 극복하고 그 기능을 향상시킬 수 있는 에너지 저장형 캐패시터를 제공하기 위한 것으로서, 양극과 음극 중 어느 하나의 성질을 갖고 활성탄소와 탄소나노튜브가 혼합되어 형성된 혼합형 전극이 적어도 하나 이상인 2개의 전극판과, 상기 2개의 전극판 사이 형성되어 전류를 흐르게 하는 전해질과, 상기 전해질의 중간에 위치하여 전해질을 분리하는 분리막을 포함하여 구성되는데 있다.
슈퍼 캐패시터, 혼합전극재, 활성탄소, 탄소나노튜브

Description

에너지 저장형 캐패시터 및 그 제조방법{energy storage capacitor and method for fabricating the same}
도 1 은 일반적인 슈퍼 캐패시터의 초고용량 발현원리를 나타낸 도면
도 2 는 본 발명에 따른 에너지 저장형 캐패시터의 구성도를 나타낸 도면
도 3 은 본 발명에 따른 에너지 저장형 캐패시터 전극재료의 구성 모식도
도 4 는 본 발명에 따른 에너지 저장형 캐패시터에 따른 전극재료를 제조하는 과정을 나타낸 흐름도
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 다공성 활성나노탄소 전극 20 : 전해질 음이온
30 : 전해질 양이온 100 : 전극판
110 : 활성탄소 120 : 탄소나노튜브
121 : 기공 200 : 전해질
300 : 분리막 400 : 금속막
본 발명은 에너지 저장형 캐패시터에 관한 것으로, 특히 높은 출력 및 에너 지 밀도를 구현하기 위해 적합한 전극재료를 이용한 에너지 저장형 캐패시터의 구성 및 그 제조방법에 관한 것이다.
에너지 저장형 캐패시터란 기존 캐패시터의 기능을 하면서 에너지를 저장할 수 있는 메커니즘을 가지고 있는 캐패시터로서 배터리와 캐패시터의 가교역할을 할 수 있는 에너지 저장장치이다.
에너지 밀도와 파워밀도 측면에서 전해 콘덴서와 이차 전지의 중간 특성을 갖는 에너지 저장형 캐패시터는 이차 전지에 비해 충전 시간이 짧고, 수명이 길며, 고출력이 가능하며, 기존의 전해 콘덴서 보다 10배 이상의 에너지 밀도가 높은 시스템이다. 즉, 전해 콘덴서의 파워 특성과 이차 전지의 높은 에너지 저장 특성의 장점만을 조합한 시스템을 의미한다.
이처럼 에너지 저장형 캐패시터가 배터리와 기존 캐패시터의 중간역할을 할 수 있는 이유, 즉 높은 에너지 밀도와 출력밀도를 동시에 가질 수 있는 이유는 다음과 같이 이해될 수 있다.
에너지 저장형 캐패시터는 전극/전해질 계면에서 이온들의 정전기적 배향(전기화학이중층(electrochemical double-layer))을 이용하여 화학반응을 전기에너지로 전환하여 저장하는 전기에너지 저장장치의 일종이다.
즉, 기존 캐패시터에서 캐패시턴스(C) 값은 접촉하는 면적에 비례하고 양전하와 음전하 간의 거리 즉 유전층의 두께에 반비례하게 된다.
이에 상기 에너지 저장형 캐패시터에서는 면적면에서 나노스케일의 다공성 탄소전극재료를 사용함으로서 그 면적이 획기적으로 증가하였고 또한 유전층의 두 께면에서는 기존 캐패시터가 ㎛ 오더인데 반해 에너지 저장형 캐패시터는 도 1에서 볼 수 있듯이 유전층의 두께가 10Å의 이온층(ionic layer)으로 감소하여 결국 캐패시턴스(capacitance)의 값이 초고용량으로 증가될 수 있다.
이와 같은 상기 에너지 저장형 캐패시터는 다른 말로 슈퍼 캐패시터(super capacitor)라는 개념으로 설명이 되고 있다.
상기 슈퍼 캐패시터는 그 작동원리에 따라 크게 두 종류로 구분이 되는데 그 중 하나는 전극/전해질 계면의 전기 이중층에 전하를 저장하는 전기 이중층 캐패시터(electrochemical double-layer capacitors)이고, 다른 하나는 가상 캐패시터(pseudo capacitor)라 불리는 것으로 전이금속산화물(transition metal oxide)의 표면에서 전이금속이온의 산화수(valance) 변화가 수반되며 전하 또는 전자를 저장하는 산화환원 캐패시터(redox capacitor)이다.
상기 전기 이중층 캐패시터는 활성탄소를 이용하여 이론적으로 넓은 비표면적을 가짐에도 불구하고 실제 캐패시턴스 값으로 계산되어 사용될 수 있는 면적은 전체의 20-30%에 불과하다.
왜냐하면, 활성탄소 내에 부착되기 위한 전해질 내의 이온의 크기 및 흡착정도와 관련이 있다.
즉, 상기 다공성의 활성탄소는 기공의 크기가 마이크로(20Å<), 매소(meso)(20Å<pore size<100Å) 및 매크로포어(macropore)(>100Å)등 이 세 가지로 분류가 될 수 있다. 이중 상기 기공의 크기가 마이크로포어의 경우 전해질 내의 이온이 기공안으로 들어가기에 적합한 크기가 될 수 없다. 따라서, 상기 활성탄소의 기공의 크기가 마이크로포어가 많을 경우 활성탄소 이용의 장점인 획기적으로 증가된 비표면적이 감소되는 결과를 가져온다.
따라서, 정해진 전해질 이온의 크기에 맞는 기공구조를 유지하는 것이 에너지 저장형 캐패시터의 파워밀도를 올릴 수 있는 방안이다. 하지만 이를 위해서는 여러 번의 열처리와 추가공정에 따른 많은 비용과 시간의 손실을 가져온다.
또한, 상기 산화환원 캐패시터(redox capacitor)는 단일형태의 전이금속산화물의 사용이 가격면과 효율면에서 크게 떨어지고 있다. 예를 들어 RuO2가 현재 가장 에너지 저장특성이 우수한 것으로 판명이 되고 있지만 가격이 높아 대량생산에 부적합한 단점이 있고, 효율면에서는 충방전 곡선이 비선형적이라는 단점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 에너지 저장형 캐패시터의 양극 및 음극에 사용할 수 있는 전극재료의 구성을 새롭게 디자인함으로써 현재 발생되고 있는 에너지 저장형 캐패시터에서의 단점을 극복하고 그 기능을 향상시킬 수 있는 에너지 저장형 캐패시터를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 표면적 이용효율의 증대와 성능향상 그리고 탄소나노튜브의 혼합에 따른 내부 저항값을 감소시킴으로서 에너지 저장효율을 증대시킬 수 있는 에너지 저장형 캐패시터를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 에너지 저장형 캐패시터의 특징은 양극과 음극 중 어느 하나의 성질을 갖고 활성탄소와 탄소나노튜브가 혼합되어 형성된 혼합형 전극이 적어도 하나 이상인 2개의 전극판과, 상기 2개의 전극판 사이 형성되어 전류를 흐르게 하는 전해질과, 상기 전해질의 중간에 위치하여 전해질을 분리하는 분리막을 포함하여 구성되는데 있다.
바람직하게 상기 혼합형 전극은 비표면적 1500
Figure 112005006734313-pat00001
이상 3000
Figure 112005006734313-pat00002
이하를 갖는 활성탄소와, 기공크기가 10 nm이하인 탄소나노튜브로 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 혼합형 전극은 200㎛ 이하의 두께로 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 혼합형 전극은 상기 활성탄소의 비율이 전체 비율에 50 wt%이상을 차지하도록 구성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 전해질은 수계 전해질 및 유기계 전해질 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 분리막은 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌 계열 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 에너지 저장형 캐패시터의 제조방법의 특징은 활성탄소와 탄소나노튜브를 혼합하여 전극재료를 슬러리(slurry) 형태로 제조하는 단계와, 집전체에 상기 슬러리 형태로 제조된 전극재료 를 코팅하는 단계와, 상기 코팅된 집전체를 롤러 혹은 프레이스로 일정 압력을 가해 소정 두께를 갖는 전극재를 형성하는 단계와, 상기 형성된 전극재 사이에 분리막을 두고 샌드위치 형태로 압착 후, 전해질을 주입하는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.
바람직하게 상기 전해질을 수계 전해질을 이용할 경우, 상기 수계 전해질의 용매는 증류수(Distilled water), 2-butoxy ethanol 및 iso-propyl alcohol 중 적어도 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 전해질을 유기계 전해질을 이용할 경우, 상기 유기계 전해질의 용매는 NMP(N-methyl pyrrolidinone)인 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 전해질이 수계 전해질을 이용하는 경우, 상기 활성탄소의 비표면적은 1500
Figure 112005006734313-pat00003
부터 3000
Figure 112005006734313-pat00004
을 갖고, 상기 탄소나노튜브의 혼합 함량이 5wt% 부터 50 wt%인 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 전해질이 유기계 전해질을 이용하는 경우, 상기 활성탄소의 비표면적이 1500
Figure 112005006734313-pat00005
부터 3000
Figure 112005006734313-pat00006
을 갖고, 상기 탄소나노튜브의 혼합 함량이 5wt% 부터 50 wt%인 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 전극재료를 제조하는 단계는 바인더와 가소제를 소정의 비율로 혼합하여 슬러리(slurry) 형태로 제조하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 전해질을 수계 전해질을 이용할 경우, 상기 바인더는 SBR(Stylene Butadien Rubber)인 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 전해질을 유기계 전해질을 이용할 경우, 상기 바인더는 PVdF(poly vinylidene fluoride) 및 PACo(polyacrylic vinyl copolymer)중 적어도 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 가소제는 PEG(Polyethylene glycol)인 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 바인더는 혼합비율이 10 wt%이하인 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 전극재의 소정 두께는 200㎛ 이내를 갖는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 집전체의 코팅은 분무법(spray) 또는 닥터 블레이드(doctor blade) 법을 사용하여 코팅하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 에너지 저장형 캐패시터 및 그 제조방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2 는 본 발명에 따른 에너지 저장형 캐패시터의 구성도를 나타낸 도면이다.
도 2와 같이, 양극과 음극 중 어느 하나의 성질을 갖고 활성탄소와 탄소나노튜브가 혼합되어 형성된 혼합형 전극이 적어도 하나 이상인 2개의 전극판(100)과, 상기 전극판(100) 중 혼합형 전극으로 구성된 전극판 위에 형성되는 금속막(400)과, 상기 2개의 전극판(100) 사이 형성되어 전류를 흐르게 하는 전해질(200)과, 상기 전해질(200)의 중간에 위치하여 전해질을 분리하는 분리막(300)으로 구성된다.
이때, 상기 금속막(400)은 수십 micrometer의 두께를 갖는 Al 또는 Cu로 구성된다.
그리고 도 3에서는 에너지 저장형 캐패시터의 전극재료의 구성을 위해 비표면적을 효율적 이용과 동시에 내부저항 감소를 위한 탄소나노튜브를 혼합한 전극재료의 구성을 나타내고 있다.
즉, 상기 혼합형 전극(100)은 도 3과 같이 비표면적 1500
Figure 112005006734313-pat00007
이상 3000
Figure 112005006734313-pat00008
이하를 갖는 활성탄소와, 기공크기가 10 nm이하인 탄소나노튜브를 사용하여 구성한다. 그리고 상기 혼합형 전극의 두께는 200㎛ 이내로 형성한다.
또한, 상기 혼합형 전극(100)은 활성탄소와 탄소나노튜브를 혼합할 때, 상기 활성탄소의 비율이 전체 비율에 50 wt%이상을 차지하도록 구성한다.
그리고 상기 전해질(200)은 수계 전해질 또는 유기계 전해질 모두 사용가능하며, 상기 분리막은 폴리프로필렌 혹은 폴리에틸렌 계열을 사용하는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성함으로써, 활성탄소 단독으로 사용할 때보다 탄소나노튜브를 혼합해서 사용함으로써, 비용의 지대한 증가 없이 에너지 저장 능력을 향상시킬 수 있게 되고, 특별히 내부저항을 줄이기 위한 금속재료 같은 도전재를 사용할 필요가 없다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 에너지 저장형 캐패시터에 따른 전극재료의 제조방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4 는 본 발명에 따른 에너지 저장형 캐패시터에 따른 전극재료를 제조하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 4를 참조하여 설명하면, 먼저, 혼합비율이 활성탄소가 전체 비율의 50wt% 이상이 되도록 하여 활성탄소와 탄소나노튜브를 혼합한다(S10).
이때, 상기 활성탄소와 탄소나노튜브 혼합조건에 따른 실시예로 다음과 같다.
실시예1
수계 전해질을 사용하는 경우,
비표면적이 1500
Figure 112005006734313-pat00009
부터 3000
Figure 112005006734313-pat00010
을 갖는 활성탄소와 혼합 함량이 5wt% 부터 50 wt%까지인 탄소나노튜브에 적절한 바인더와 가소제를 적당한 비율로 혼합하여 슬러리(slurry) 형태로 제조한다.
이때, 용매를 수계로 이용할 경우 증류수(Distilled water)와 2-butoxy ethanol 및 iso-propyl alcohol을 사용한다. 그리고, 상기 바인더로 SBR(Stylene Butadien Rubber)를 사용하고, 함량은 10 wt%이하로 혼합한다. 또한, 상기 가소제로는 Polyethylene glycol(PEG)를 사용한다.
실시예2
유기계 전해질을 사용하는 경우,
비표면적이 1500
Figure 112005006734313-pat00011
부터 3000
Figure 112005006734313-pat00012
을 갖는 활성탄소와, 탄소나노튜브 혼합 함량이 5wt% 부터 50 wt%까지인 탄소나노튜브에 적절한 바인더와 가소 제를 적당한 비율로 혼합하여 슬러리(slurry) 형태로 제조한다.
이때, 용매를 유기계로 사용할 경우 사용될 수 있는 용매는 N-methyl pyrrolidinone (NMP)를 사용한다. 그리고 상기 바인더로 poly vinylidene fluoride(PVdF) 혹은 polyacrylic vinyl copolymer(PACo)를 사용하고, 함량은 10 wt%이하로 혼합한다. 또한, 상기 가소제로는 Polyethylene glycol(PEG)를 사용한다.
이어, 집전체에 상기 슬러리 형태로 제조된 혼합형 전극과 얇은 금속막을 순차적으로 상부 및 하부 중 적어도 하나 이상에 코팅한다(S20).
이때, 상기 집전체에 코팅시 분무법(spray) 또는 테이프 캐스팅(Tape casting)의 일종인 닥터 블레이드(doctor blade) 법을 사용하여 코팅한다. 그리고 상기 금속막은 수십 micrometer의 두께를 갖는 Al 또는 Cu로 구성된다.
그리고 이렇게 코팅된 집전체를 롤러 혹은 프레이스로 일정 압력을 가해 두께가 200㎛ 이내를 갖는 전극재를 형성한다(S30).
마지막으로 분리막을 사이에 두고 샌드위치 형태로 압착후, 전해질을 주입함으로써, 에너지 저장형 캐패시터를 제조하게 된다(S40). 이때 주입되는 전해질의 용매는 수계 및 비수계 모두에 적용될 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 에너지 저장형 캐패시터 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명을 통해 종래 에너지 저장형 캐패시터가 가지고 있던 장점을 최대한 활용할 수 있는 전극재료의 구성을 통해 에너지 이용효율을 증대시키고 이차전지와 결합하여 사용할 경우 전지의 성능 및 기능향상의 극대화를 기대할 수 있다.
둘째, 본 발명을 적용하면 전극재료 디자인의 변형을 통해 에너지 저장형 캐패시터 활용을 극대화할 수 있고 이를 통해 전기에너지를 사용하는 다양한 동력시스템의 여러 요소에서 그 활용이 가능하므로 엄청난 규모의 수요잠재력을 가질 수 있다.
셋째, 가장 가까이에서는 이차전지와 교체되는 에너지원으로서의 활용에 그 무게를 두고 있다. 이 경우 모든 휴대형 소형 전자기기에 저렴하고 기능이 우수한 배터리 대체용 캐패시터로서 적용이 가능할 것으로 기대된다.

Claims (21)

  1. 활성탄소가 50% 이상이 되도록 하여, 상기 활성탄소와 탄소나노튜브가 혼합되어 형성된 혼합형 전극이 적어도 하나 이상인 2개의 전극판과,
    상기 2개의 전극판 사이 형성되어 전류를 흐르게 하는 전해질과,
    상기 전해질의 중간에 위치하여 전해질을 분리하는 분리막을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장형 캐패시터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합형 전극으로 구성된 전극판은 상부에 금속막을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장형 캐패시터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 금속막은 수십 ㎛(micrometer)의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 저장형 캐패시터.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 금속막은 Al 또는 Cu로 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장형 캐패시터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합형 전극은 비표면적 1500
    Figure 112005006734313-pat00013
    이상 3000
    Figure 112005006734313-pat00014
    이하를 갖는 활성탄소와, 기공크기가 10 nm이하인 탄소나노튜브로 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장형 캐패시터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합형 전극은 200㎛ 이하의 두께로 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장형 캐패시터.
  7. 삭제.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질은 수계 전해질 및 유기계 전해질 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장형 캐패시터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리막은 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌 계열 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장형 캐패시터.
  10. 활성탄소가 50% 이상이 되도록 하여, 상기 활성탄소와 탄소나노튜브를 혼합하여 전극재료를 슬러리(slurry) 형태로 제조하는 단계와,
    집전체의 상부 및 하부 중 적어도 하나 이상에 상기 슬러리 형태로 제조된 전극재료를 코팅하는 단계와,
    상기 코팅된 집전체를 일정 압력을 가해 소정 두께를 갖는 전극재를 형성하는 단계와,
    상기 형성된 전극재 사이에 분리막을 두고 압착 후, 전해질을 주입하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 에너지 저장형 캐패시터 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 코팅하는 단계는 전극재료 코팅 후 금속막을 더 포함하여 코팅하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장형 캐패시터 제조방법.
  12. 삭제.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 전해질을 수계 전해질을 이용할 경우,
    상기 수계 전해질의 용매는 증류수(Distilled water), 2-butoxy ethanol 및 iso-propyl alcohol 중 적어도 어느 하나를 이용되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장형 캐패시터.
  14. 제 10 항에 있어서, 상기 전해질을 유기계 전해질을 이용할 경우,
    상기 유기계 전해질의 용매는 NMP(N-methyl pyrrolidinone)인 것을 특징으로 하는 에너지 저장형 캐패시터.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 전극재료를 제조하는 단계는 바인더와 가소제를 소정의 비율로 혼합하여 슬러리(slurry) 형태로 제조하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장형 캐패시터 제조방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 전해질을 수계 전해질을 이용할 경우,
    상기 바인더는 SBR(Stylene Butadien Rubber)인 것을 특징으로 하는 에너지 저장형 캐패시터.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 전해질을 유기계 전해질을 이용할 경우,
    상기 바인더는 PVdF(poly vinylidene fluoride) 및 PACo(polyacrylic vinyl copolymer)중 적어도 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장형 캐패시터.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 가소제는 PEG(Polyethylene glycol)인 것을 특징으로 하는 에너지 저장형 캐패시터.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 바인더는 혼합비율이 10 wt%이하인 것을 특징으로 하는 에너지 저장형 캐패시터.
  20. 제 10 항에 있어서,
    상기 전극재의 소정 두께는 200㎛ 이내를 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 저장형 캐패시터 제조방법.
  21. 제 10 항에 있어서,
    상기 집전체의 코팅은 분무법(spray) 또는 닥터 블레이드(doctor blade) 법을 사용하여 코팅하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장형 캐패시터 제조방법.
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