KR100798429B1 - 고비표면적의 다공성 전극의 제조 방법 - Google Patents
고비표면적의 다공성 전극의 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 다공성 전극의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 (a) 활성 탄소, 전도성 입자 및 고분자 바인더를 포함하는 물질을 유기용매와 혼합하여 전극 슬러리를 제조하는 단계; (b) 상기 전극 슬러리를 집전체에 도포하는 단계; 및 (c) 상기 전극 슬러리가 도포된 집전체를 비용매에 침지시켜 고분자 바인더의 상전이 및 유기용매를 제거하는 단계;를 포함하여 제조되는 특징이 있다.
본 발명의 제조방법은 고분자 바인더의 상전이(solidification) 및 유기용매의 액상 분리를 통해 전극에 기공을 형성함으로써 전극의 비표면적을 획기적으로 증가시킬 수 있어 큰 축전 용량을 가지는 장점이 있다. 전극에 형성되는 기공의 양 및 기공의 크기를 손쉽게 조절할 수 있는 장점이 있으며, 균일한 분포의 기공을 얻을 수 있는 장점이 있다. 또한 전극의 전기 저항이 작으며, 대면적의 전극에서도 균일한 전기장이 형성되며, 전극 자체가 높은 물리적 강도를 갖는 장점이 있으며, 제조된 전극이 높은 탄성을 가지기 때문에 임의의 형상의 전극 또는 전기화학 셀을 제조할 수 있는 장점이 있다.
다공성 전극, 기공, 상전이, 전기 흡착,
Description
본 발명은 고비표면적을 갖는 다공성 전극의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 전기흡착 방법을 이용하여 수용액 중에 존재하는 이온성 물질을 제거하는데 효과적인 고비표면적을 갖는 다공성 전극의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전도성이 우수한 도체 박막이나 평직금망의 양면에 다공성의 전기활성 물질을 도포한 후 상전이(solidification) 방법에 의해 전극의 비표면적을 높일 수 있는 전극을 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 중금속이나 질산성 질소와 같은 이온성 물질들은 사람의 건강이나 생태계에 영향을 미칠 수 있다. 이들 오염물질들은 그 종류에 따라 건강에 피해를 주는 정도에 차이가 있지만 안전하게 사용할 수 있는 물을 공급하기 위해서는 이들 물질들을 제거하는 것이 필요하다.
현재 수용액 중의 이온성 물질을 제거하는 방법으로 이온교환법이 가장 많이 사용되고 있다. 이 방법은 대부분의 이온성 물질들을 효과적이면서도 경제적으로 분리할 수 있다는 장점을 갖고 있지만 이온교환이 완료된 수지를 재생하는 과정에서 다량의 산, 염기, 또는 염 폐액이 발생한다는 큰 단점을 갖고 있다.
이온교환법 이외에도 역삼투막법, 전기투석법 등의 분리막 기술이 적용되고 있지만 막을 주기적으로 교체해 주거나 운전과정에서 고압, 또는 전기를 공급해야 하는 공정의 특성상 경제성 측면에서 단점을 갖고 있다. 또한 이러한 분리막 공정은 운전 과정에서 발생되는 농축액의 처리 문제 등이 해결해야 할 과제로 남아 있다. 이처럼 이온성 물질들을 처리하는 기존 기술의 문제점들을 해결하고자 최근에 전극 계면의 전기이중층에서의 전기흡착을 이용하여 이온성 물질을 제거하는 기술이 연구되고 있다.
전기흡착법을 통해 효과적으로 이온을 제거하기 위해서는 전극의 비표면적을 높여 전극의 축전용량을 높이고 전극의 전기 저항을 줄여 전극 표면에 전기장이 균일하게 분포하도록 하는 것이 중요하다.
전극의 비표면적을 높이기 위한 방법으로 일반적으로 활성탄소 분말, 활성탄소섬유, 탄소나노 튜브, 탄소 에어로겔 등을 사용하여 전극을 제조하고 있다. 대한민국 특허 제 20-0379769호에는 다공성 전극 물질로 활성탄소천을 사용하여 발전소 폐수에 포함되어 있는 이온성 물질을 제거할 수 있는 장치가 제안되었으며, 미국 등록특허 제5,425,858호에는 레졸사이놀과 포름알데히드의 졸-겔 중합에 의해 만들어진 단일체 형태의 탄소 에에로겔을 전극소재로 이용한 기술이 제안된 바 있다. 탄소 에어로겔은 단일체 형태로 전기전도성이 높고 미세 기공 형성이 가능하여 비 표면적이 높은 장점이 있지만 집전체에 접착시켜야 하고 가격이 비싸다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하고자 대한민국 특허 제10-0442773호에는 제조 방법이 비교적 간단하고 가격이 저렴한 활성탄소 분말을 사용한 전극이 제안되었으며, 이 기술은 활성탄소 분말을 유기바인더가 녹아있는 용액과 교반하여 슬러리를 만들고 1∼3 mm 두께의 활성탄소 시트를 만든 후 전도성 고무나 금속 폼(foam)의 집전체에 고압프레스로 압착하여 전극을 제조함으로써 집전체와의 접합이 용이하고 제조비용을 줄일 수 있는 장점이 있다. 하지만 상기의 방법을 통해 제조한 전극은 고압 프레스로 압착을 하기 때문에 최종적으로 제조된 전극의 표면은 평면상에 활성탄소 분말이 분산되어 있는 구조를 갖는다. 결국 전극의 비표면적은 전극 제조에 사용된 활성탄소의 비표면적에 의존하게 된다.
최근 활성탄소 제조 기술이 발달하면서 비표면적이 3,000 m2/g가 되는 활성탄소 분말도 제조할 수 있는 것으로 보고되고 있다. 하지만 활성탄소의 비 표면적이 높은 경우 평균 세공크기가 5 nm 이하인 경우가 많다. 세공크기가 작은 활성탄소 분말을 사용한 전극의 경우 전기흡착 과정에서 세공 내부에서 전기장이 중첩되어 전기흡착 성능이 떨어지는 결과를 초래하는 것으로 보고되었다(Chia-Hung Hou et. al., J. of Colloid & Interface Science, 302, 2006). 따라서 비표면적인 높은 활성탄소 물질을 활용해서 전기흡착 용량을 높인 전극을 제조하는 데에는 한계가 있다. 따라서 전극의 비표면적을 향상시키기 위해서는 전극을 구성하는 물질의 성능을 높이는 연구와 별도로 새로운 방식의 전극제조 방법이 필요한 실정이다.
상술한 문제점들을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 전기흡착 용량을 향상시키기 위해 전극 표면의 물리적 구조를 제어하여 전극의 비표면적을 향상시킬 수 있는 새로운 전극 제조방법을 제공하는데 목적이 있다
본 발명의 다공성 전극의 제조방법은 (a) 활성 탄소, 전도성 입자 및 고분자 바인더를 포함하는 물질을 유기용매와 혼합하여 전극 슬러리를 제조하는 단계; (b) 상기 전극 슬러리를 집전체에 도포하는 단계; 및 (c) 상기 전극 슬러리가 도포된 집전체를 비용매에 침지시켜 고분자 바인더의 상전이(solidification) 및 유기용매를 제거하는 단계;를 포함하여 제조되는 특징이 있다.
(a) 단계의 상기 전극 슬러리는 활성 탄소 100 중량부에 대하여 전도성 입자 5 내지 30 중량부, 고분자 바인더 5 내지 50 중량부 및 유기 용매 100 내지 500 중량부를 포함하는 것이 바람직하며, 상기 전극 슬러리는 고분자 바인더 100 중량부에 대하여 0.1 내지 20 중량부의 계면활성제를 더 포함하는 것이 바람직하다.
(a) 단계의 상기 활성 탄소는 활성 탄소 분말, 활성 탄소 섬유, 카본 나노 튜브, 탄소 에어로겔 또는 이들의 혼합물이며, (a) 단계의 상기 고분자 바인더는 평균 분자량이 200,000 내지 500,000이고, 폴리이서설폰, 폴리설폰, 폴리비닐리덴 디플로라이드, 폴리아크릴로니트릴, 셀룰로오스아세테이트, 폴리이미드, 폴리이서이미드 또는 이들의 혼합물이며, (a) 단계의 상기 유기용매는 디메틸포름아마이드, 디메틸아세트아마이드, N-메틸-2-피롤리돈 아세톤, 클로로포름, 디클로로메탄, 트리클로로에틸렌, 에탄올, 메탄올, 노르말헥산, 또는 이들의 혼합물이다.
(b) 단계의 상기 집전체는 알루미늄, 니켈, 구리 , 티타늄, 철, 스테인레스 스틸 또는 이들의 혼합물을 포함하는 박막 또는 평직금망이며, (c) 단계의 상기 비용매는 증류수 또는 알코올, 디메틸포름아마이드, 디메틸아세트아마이드, N-메틸-2-피롤리돈, 아세톤에서 선택된 하나 이상의 물질과 증류수가 혼합된 혼합수용액이며, 증류수인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 다공성 전극의 제조방법은 고분자 바인더의 상전이(solidification) 및 유기용매의 액상 분리를 통해 전극에 기공을 형성함으로써 전극의 비표면적을 획기적으로 증가시킬 수 있어 큰 축전 용량을 가지는 장점이 있다. 또한 유기용매의 첨가량 및 고분자 바인더의 첨가량을 조절하여 기공의 양을 손쉽게 조절할 수 있는 장점이 있으며, 고분자 바인더의 종류, 계면활성제의 첨가량 및 비용매의 종류를 조절하여 형성되는 기공의 크기를 조절할 수 있고, 균일한 분포의 기공을 얻을 수 있는 장점이 있다. 또한 고분자 바인더의 상전이와 기공형성이 동시에 일어나게 되고, 상기 고분자 바인더의 상전이가 활성 탄소, 전도성 입자 및 집전체를 중심으로 일어나므로 기공의 형성에도 불구하고 전극 자체가 높은 물리적 강도를 갖는 다공성 전극을 얻을 수 있다. 또한 균일한 분포의 기공 및 첨가된 전도성 입자에 의해 전극 면적이 넓은 경우에도 매우 균일한 전기장을 형성시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 본 발명에 의해 제조된 다공성 전극은 물리적 휘어짐에 대한 높은 탄성을 갖게 되므로 전극 또는 전극을 포함하는 전기화학 셀이 임의의 형상으로 제조될 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 다공성 전극의 제조방법은 (a) 활성 탄소, 전도성 입자 및 고분자 바인더를 포함하는 물질을 유기용매와 혼합하여 전극 슬러리를 제조하는 단계; (b) 상기 전극 슬러리를 집전체에 도포하는 단계; 및 (c) 상기 전극 슬러리가 도포된 집전체를 비용매에 침지시켜 고분자 바인더의 상전이 및 유기용매를 제거하는 단계;를 포함하여 제조되는 특징이 있다.
도 1에 도시한 바와 같이 본 발명의 핵심 사상은 전극을 형성하는 물질인 활성 탄소, 전도성 입자 및 고분자 바인더를 고분자 바인더가 용해되는 유기용매와 혼합하여 전극 슬러리를 제조하고 제조된 전극 슬러리가 도포된 집전체를 고분자 바인더가 용해되지 못하는 비용매에 침치시켜 용매에 용해되어 있던 고분자 바인더의 상변이(solidification)를 일으키고 유기용매가 도포된 전극 슬러리에서 용출되며 다공성 전극이 제조되는 것이다.
이때, 고분자 바인더의 상변이에 의해 상기 집전체에 도포된 전극 슬러리 및 집전체가 물리적 강도를 가지며 결합하게 되는 것이며, 전극 슬러리 자체의 강도 또한 형성되게 된다. 또한 상기 고분자 바인더의 상변이 및 유기용매의 용출에 의해 균일한 분포를 갖는 기공이 형성되게 되는 것이다. 상기 고분자 바인더의 상변이는 활성 탄소, 전도성 입자 및 집전체에 의한 이종 핵생성(heterogeneous nucleation) 및 성장의 전형적인 상변이를 겪게 되므로, 유기용매가 전극 슬러리에서 용출될 때, 상변이된 고분자 바인더가 전극 외부로 용출되지 않으며 기공 형성에 의한 비표면적의 획기적인 증가에도 불구하고 전극 자체의 물리적 강도를 잃지 않을 수 있는 것이다.
도 2는 집전체 박막(110)의 양 면에 전극슬러리가 도포된 (b) 단계에 의한 제조물을 도시한 것으로 비표면적을 증가시키는 활성 탄소 입자(121), 제조된 전극의 전기 저항을 낮추고 균일한 전기장을 형성시키는 역할을 하는 전도성 입자(122) 및 고분자 바인더가 용해된 유기용매(123)를 포함하는 전극 슬러리 층(120)이 형성되어 있다. 상기 집전체 박막(110)에 도포된 전극 슬러리 층(120)이 비용매에 침지되게 되면 유기용매에 용해되어 있던 고분자 바인더가 상기 집전체 박막(110), 활성 탄소 입자(121) 및 전도성 입자(122)를 중심으로 고상으로 상변이(solidification)되고, 유기용매가 전극 슬러리 층(120)에서 빠져 나가며 도 3과 같이 기공에 의해 높은 비표면적을 가지며, 기계적 강도가 높고, 전기 저항이 작으며 대면적에 대해서도 균일한 전기장을 형성하는 전극이 제조되는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 핵심 사상에 의해, 상기 전극 슬러리에 함유된 유기용매의 첨가량 및 고분자 바인더의 첨가량에 의해 기공의 양이 조절되게 되며, 고분자 바인더의 종류, 계면활성제의 첨가량(또는 첨가 유/무) 및 비용매의 종류에 의해 형성되는 기공의 크기 및 분포를 좀 더 바람직하게 조절할 수 있다. 또한 본 발명의 핵심 사상에 따른 균일하며 넓은 비표면적을 야기하는 기공형성과 더불어 전극 슬러리에 첨가된 전도성 입자에 의해 전극 면적이 넓은 경우에도 매우 균일한 전기장을 형성시킬 수 있으며, 전극의 저항을 줄일 수 있게 되는 것이다.
이때, 상기 비용매의 종류는 고분자 바인더가 완전히 용해되지 않는 비용매(일예로 증류수) 또는 고분자 바인더가 일정량 용해되는 용매와 완전한 비용매가 혼합된 용액을 의미한다. 상기 비용매의 종류에 의해서도 고분자 바인더의 상변이 구동력(driving force), 상변이 속도 및 유기용매의 순간 용출 속도 등이 제어될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 핵심 사상은 고분자 바인더의 상전이 및 유기용매의 용출에 의해 다공성 전극을 제조하는 데 있으므로, 고분자 바인더의 물질, 고분자 바인더가 용해되는 유기용매의 물질, 고분자 바인더가 용해되지 않는 비용매의 물질, 전도성 입자의 물질 및 고분자 바인더의 첨가량, 용매의 첨가량, 계면활성제의 첨가량 및 도전성 입자의 첨가량, 활성 탄소의 첨가량, 활성 탄소의 크기, 전도성 입자의 크기 등이 한정되지 않으며, 다공성 전극의 물리적 형상 또는 쓰임에 적합하도록 조절되는 것이 바람직하다.
그러나, 본 발명의 우수함을 실험적으로 입증하기 위해 전기 흡착 방법을 이용하여 수용액 중에 존재하는 이온성 물질을 제거하기 위한 고비표면적의 다공성 전극 또는 수퍼 캐패시터를 그 쓰임으로 하여 본 발명의 핵심사상이 최적화된 다공 성 전극의 제조방법을 이하 상술한다.
(a) 단계의 상기 전극 슬러리는 활성 탄소 100 중량부에 대하여 전도성 입자 5 내지 30 중량부, 고분자 바인더 5 내지 50 중량부 및 유기 용매 100 내지 500 중량부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 활성 탄소는 전극의 비표면적을 높일 수 있는 가장 중요한 구성 성분이다. 사용 가능한 활성탄소 미세입자는 특별히 한정되지 않고 활성탄소 분말이나, 활성탄소 섬유, 카본 나노 튜브, 카본 에어로겔 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 분말로 만들어 사용하는 것이 바람직하다. 활성탄소 분말의 평균 입경은 50 μm이하의 크기가 바람직하며, 1 ~ 30 μm인 것이 더욱 바람직하다.
상기 전도성 입자는 활성탄소의 전도성이 다소 낮기 때문에 전도성 미립자를 첨가하여 전극의 전기전도도를 높이기 위함이며, 전기 저항이 낮은 전도성 입자는 모두 사용가능하나 아세틸렌 블랙, 케첸블랙 등의 카본 블랙 또는 티타늄, 탄탈륨, 산화루테늄, 산화바나듐, 질화티타늄, 니켈, 구리, 알루미늄 등의 금속 분말, 또는 상기 금속분말들의 혼합물을 사용할 수 있다. 상기 전도성 입자의 크기는 0.05 ∼ 1 μm의 미세한 분말을 사용하는 것이 바람직하며, 전극의 저항을 낮추기 위해 활성 탄소 100 중량부에 대하여 전도성 입자 5 내지 30 중량부를 포함하는 것이 바람직하다.
(a) 단계의 상기 고분자 바인더는 중량평균 분자량이 200,000 내지 500,000이고, 폴리이서설폰, 폴리설폰, 폴리비닐리덴디플로라이드, 폴리아크릴로니트릴, 셀룰로오스아세테이트, 폴리이미드, 폴리이서이미드, 또는 이들의 혼합물인 것이 바람직하며, 폴리비닐리덴디플로라이드를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 활성 탄소 100 중량부에 대하여 고분자 바인더가 5 내지 50 중량부인 것이 바람직하며, 고분자 바인더의 첨가량이 5 중량부 이하일 경우 활성탄소 분말이나 전도성 미립자와의 결합이 충분하지 않아 전극이 부서지기 쉽고 50 중량부 이상 사용할 경우 전극의 전기전도도가 낮아질 수 있다. 기계적 강도와 전극의 전기전도도 측면에서 더욱 바람직하게는 활성 탄소 100 중량부에 대하여 고분자 바인더 10 내지 30 중량부가 첨가되는 것이 더욱 바람직하다.
(a) 단계의 상기 유기용매는 고분자 바인더의 종류에 의해 결정되며 선택된 고분자 바인더가 용해되는 유기용매는 모두 가능하나, 상술한 바람직한 고분자 바인더의 유기용매로 디메틸포름아마이드, 디메틸아세트아마이드, N-메틸-2-피롤리돈 아세톤, 클로로포름, 디클로로메탄, 트리클로로에틸렌, 에탄올, 메탄올, 노르말헥산, 또는 이들의 혼합물이며, 활성 탄소 100 중량부에 대하여 유기 용매가 100 내지 500 중량부인 것이 바람직하다. 고분자 바인더의 용해와 전극 물질의 혼합을 위한 유기용매의 첨가량은 전극 슬러리의 점도와 상전이 과정에서 전극 표면의 기공 형성에 영향을 미치므로 유기 용매의 첨가량이 100 중량부 이하가 되면 전극 슬러리가 균일하게 혼합되지 않을 수 있으며 500중량부 이상이 되면 전극 표면에 기공 크기가 증가하여 전극의 정전용량이 감소하는 문제가 발생한다. 슬러리의 균일한 혼합과 기공의 적절한 크기 조절의 측면에서 더욱 바람직하게는 활성 탄소 100 중량부에 대하여 유기 용매가 150 내지 450 중량부인 것이 더욱 바람직하다.
(a) 단계의 상기 전극 슬러리는 고분자 바인더 100 중량부에 대하여 0.1 내 지 20 중량부의 계면활성제를 더 포함할 수 있는데, 이는 고분자 바인더로 더욱 바람직한 폴리비닐리덴디플로라이드와 같이 소수성이 매우 강한 물질의 고분자 바인더의 경우 매우 강한 소수성에 의해 상전이과정에서 기공형성이 불균일하게 일어날 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 계면활성제를 첨가하여 전극 표면의 소수성을 줄이고 기공형성을 균일하게 할 수 있다. 사용 가능한 계면활성제는 특별히 한정되지 않고 음이온계면활성제, 양이온계면활성제, 양쪽성 및 비이온 계면활성제 중에서 선택하여 사용할 수 있지만 활성탄소 분말의 표면 전하가 산성을 띠고 있기 때문에 음이온 계면활성제가 바람직하다.
(b) 단계의 전극 슬러리가 도포되는 집전체는 전원공급 장치를 통해 제조한 전극에 전류를 공급했을 때 전기장이 전극표면 전체에 균일하게 분포할 수 있도록 전도성이 우수한 알루미늄, 니켈, 구리 , 티타늄, 철, 스테인레스 스틸, 전도성 카본 또는 이들의 혼합물을 포함하는 박막 또는 평직금망인 것이 바람직하다. 이때, 상기 알루미늄, 니켈, 구리 , 티타늄 또는 철은 순수한 물질이 아닌 화학적, 기계적 안정성을 위해 의도적인 불순물을 함유하는 알루미늄, 니켈, 구리, 티타늄 또는 철일 수 있다. 더욱 바람직하게는 전도성 흑연 박막(graphite sheet)을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 집전체에 전극 슬러리를 도포하는 방법은 스프레이, 딥 코팅, 나이프 캐스팅, 스핀 코팅에 의해 도포될 수 있다. 집전체에 도포된 전극 슬러리 층의 두께는 100 ∼ 300 μm 가 바람직하다.
또한, 상기 (b) 및 (c)의 과정을 한번 이상 반복하여 제조하고자하는 특정 두께의 전극을 제조할 수도 있다.
(c) 단계의 상기 비용매는 증류수 또는 알코올, 디메틸포름아마이드, 디메틸아세트아마이드, N-메틸-2-피롤리돈, 아세톤에서 선택된 하나 이상의 물질과 증류수가 혼합된 혼합수용액이며, 증류수인 것이 바람직하다.
상기 (c) 단계에서 고분자 바인더의 상전이 및 유기용매의 용출에 의해 제조된 전극은 집전체 박막 양면에 전극 활성층이 있기 때문에 평판으로 적층하여 전기흡착 공정에 활용될 수 있으며, 또한 전극의 전체 두께가 300 ~ 500 μm로 제조될 수 있으며, 탄성이 있기 때문에 임의의 형상 특히 원통형의 전기화학 셀로 제조될 수 있는 장점이 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시형태를 실시예를 들어 상세하게 설명하나, 본 발명은 하기 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.
(실시예 1)
폴리비닐리덴디플로라이드(PVdF, Aldrich, Mw=275,000) 1.0g, 활성탄소 분말(RP-20, Kuraray Chemical Co., surface area = 1740 m2/g, 평균입경 = 8 μm) 5.0 g 및 카본 블랙(신우소재(주), HIBLACK 41Y, surface area = 150 m2/g, 평균 입경 = 19 nm) 1.0 g을 폴리비닐리덴디플로라이드가 용해되는 유기 용매인 N-메틸-2-피롤리돈(Aldrich, Cat. No. 328634) 14.0g에 혼합하여 전극 슬러리를 제조하였다. 제조된 전극 슬러리를 10 x 10 cm2의 전도성 흑연 박막(동방카본(주), Cat. No. F02511C) 위에 나이프 캐스팅 방법을 이용하여 200 μm 정도의 두께로 도포한 후 증류수에 침지하여 다공성 전극을 제조하였다.
상기 실시예 1에서 유기 용매인 N-메틸-2-피롤리돈(Aldrich, Cat. No. 328634)의 양만을 각각 16.8g(실시예 2), 19.6g(실시예 3)으로 하여 실시예 1과 동일한 방법 및 동일한 조건을 통해 다공성 전극을 제조하였다.
제조된 다공성 전극의 측정 결과를 도시한 하기의 도 3 내지 도 4에 도시된 NMP=14g, NMP=16.8g, NMP=19.6g는 각각 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3에 의해 제조된 다공성 전극에 의한 결과임을 의미한다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 내지 3에 의해 제조된 다공성 전극 표면의 주사전자현미경 사진이다. 도 3에서 알 수 있듯이 본 발명의 핵심 사상에 따라 제조된 다공성 전극은 작고 균일한 크기의 기공이 고르게 형성되는 것을 알 수 있으며, 유기용매(NMP)의 양이 증가함에 따라 기공의 양 및 기공의 크기가 증가한 것을 알 수 있다.
실시예 1 내지 3에 의해 제조된 다공성 전극에 대하여 3전극 시스템을 이용하여 cyclic voltammetry(CV)를 측정하여 전극의 축전 용량(capacitance)을 측정하였다. 전해질 용액으로는 0.1 M Na2SO4, 기준전극은 Ag/AgCl, 상대전극은 백금을 사용하였다. CV 측정은 -0.4 ∼ 0.3 V (vs. Ag/AgCl)의 전위 범위에서 전위주사속도를 1.0 mV/s로 측정하였다. 각각의 전극에 대한 cyclic voltammogram을 도 4에 도 시하였다. 도 4의 결과에서 알 수 있듯이 본 발명의 핵심사상에 따라 제조된 다공성 전극이 큰 비표면적을 가지며, 종래의 방법에 의해 제조된 다공성 전극에 비해 큰 축전 용량을 가짐을 알 수 있다.
본 발명의 다공성 전극 제조방법은 큰 비표면적을 가지며 전기저항이 작고 균일한 전기장이 형성되는 전극을 제공하므로 폐수처리 및 물 정화 장치에 사용되는 전극으로 활용될 수 있다.
또한 전도성 박막이나 평직금망의 양면에 전기활성 물질을 코팅하여 전극을 제작함으로써 전기화학 셀을 원통형을 포함하는 임의의 형상으로 손쉽게 제작할 수 있는 장점이 있어 기존의 전기화학적 물 정화 장치에 비해 시스템이 차지하는 공간을 획기적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라 간단한 제조방법 및 저렴한 소재를 사용하여 다공성 전극을 제공하므로 전기화학 셀의 제조비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명의 다공성 전극 제조방법은 다공성 구조로 비표면적이 크게 증가된 전극을 제공하므로 이온성 물질의 전기흡착 뿐만 아니라 에너지 저장 장치로 활용되고 있는 수퍼 캐패시터(super capacitor)로 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제조방법을 도시한 도면이며,
도 2는 본 발명의 제조방법에 의해 집전체 박막의 양 면에 전극슬러리가 도포된 (b) 단계에 의한 제조물을 도시한 일 예이며,
도 3은 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3에 의해 제조된 전극의 주사전자현미경 사진이며,
도 4는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3에 의해 제조된 전극의 전기 용량 측정 결과를 도시한 도면이다.
Claims (8)
- (a) 활성 탄소, 전도성 입자 및 고분자 바인더를 포함하는 물질을 유기용매와 혼합하여 전극 슬러리를 제조하는 단계;(b) 상기 전극 슬러리를 집전체에 도포하는 단계; 및(c) 상기 전극 슬러리가 도포된 집전체를 비용매에 침지시켜 고분자 바인더의 상전이(solidification) 및 유기용매를 제거하는 단계;를 포함하여 제조되는 다공성 전극의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,(a) 단계의 상기 전극 슬러리는 활성 탄소 100 중량부에 대하여 전도성 입자 5 내지 30 중량부, 고분자 바인더 5 내지 50 중량부 및 유기 용매 100 내지 500 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 전극의 제조방법.
- 제 2항에 있어서,(a) 단계의 상기 전극 슬러리는 고분자 바인더 100 중량부에 대하여 0.1 내지 20 중량부의 계면활성제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 전극의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,(a) 단계의 상기 활성 탄소는 활성 탄소 분말, 활성 탄소 섬유, 카본 나노 튜브, 탄소 에어로겔 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 다공성 전극의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,(a) 단계의 상기 고분자 바인더는 평균 분자량이 200,000 내지 500,000이고, 폴리이서설폰, 폴리설폰, 폴리비닐리덴디플로라이드, 폴리아크릴로니트릴, 셀룰로오스아세테이트, 폴리이미드, 폴리이서이미드 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 다공성 전극의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,(a) 단계의 상기 유기용매는 디메틸포름아마이드, 디메틸아세트아마이드, N-메틸-2-피롤리돈 아세톤, 클로로포름, 디클로로메탄, 트리클로로에틸렌, 에탄올, 메탄올, 노르말헥산, 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 다공성 전극의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,(b) 단계의 상기 집전체는 알루미늄, 니켈, 구리 , 티타늄, 철, 스테인레스 스틸, 전도성 카본 또는 이들의 혼합물로 구성된 박막 또는 평직금망인 것을 특징으로 하는 다공성 전극의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,(c) 단계의 상기 비용매는 증류수 또는 알코올, 디메틸포름아마이드, 디메틸아세트아마이드, N-메틸-2-피롤리돈, 아세톤에서 선택된 하나 이상의 물질과 증류수가 혼합된 혼합수용액인 것을 특징으로 하는 다공성 전극의 제조방법.
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