KR101038869B1 - 커패시터용 전극 및 이를 포함하는 전기 이중층 커패시터 - Google Patents

커패시터용 전극 및 이를 포함하는 전기 이중층 커패시터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 커패시터용 전극 및 이를 포함하는 전기 이중층 커패시터에 관한 것으로, 본 발명에 따른 전극은 활성탄 및 상기 100 중량부의 활성탄에 대하여 25 내지 75 중량부의 카본 에어로젤을 포함한다. 본 발명에 따른 전극은 전극물질 간에 결합력이 우수하여 뭉침 현상 및 크랙 등의 결함이 없다. 이를 포함하는 전기 이중층 커패시터는 높은 정전용량 및 낮은 내부저항을 나타낸다.
활성탄, 카본 에어로젤, 케젠블랙, 전극, 전기 이중층 커패시터.

Description

커패시터용 전극 및 이를 포함하는 전기 이중층 커패시터{Electrode for capacitor and electric double layer capacitor comprising the same}
본 발명은 커패시터용 전극 및 이를 포함하는 전기 이중층 커패시터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정전용량이 우수하고, 낮은 내부저항 특성을 나타내는 커패시터용 전극 및 이를 포함하는 전기 이중층 커패시터에 관한 것이다.
슈퍼 커패시터는 전해 커패시터와 이차 전지의 중간 특성을 갖는 것으로, 이차 전지에 비해 충전 시간이 짧고, 수명이 길며, 고출력이 가능하고, 에너지 밀도가 높은 시스템이다.
이에 따라, 최근에는 대전류로 충방전 할 수 있는 슈퍼 커패시터가 핸드폰용 보조 전원, 전기 자동차용 보조 전원, 태양 전지용 보조 전원 등과 같이 충방전 빈도가 높은 축전 장치로 각광받고 있다.
슈퍼 커패시터는 전극/전해질의 계면에 이온의 정전기적 흡착과 탈착을 통해 전기를 저장하는 전기 이중층 커패시터(electric double layer capacitor: EDLC), 산화-환원 반응을 통하여 전기를 축적하는 의사커패시터(pseudo capacitor)와 비대칭 전극 형태를 가지는 하이브리드(hybrid capacitor)로 나눌 수 있다.
전기 이중층 커패시터는 일반적으로 한 쌍의 분극성 전극층과 분극성 전극층 사이에 이온 투과성 분리막을 개재하고, 각 분극성 전극층에는 전해액을 함침한다. 외부로부터 전계를 가하면 전해액 내의 양이온 및 음이온이 각각 분극성 전극에 흡착되어 충전되고, 전계를 제거하면 흡착된 이온이 탈착하면서 방전되는 물리적인 흡착 및 탈착을 이용한 장치이다.
전기 이중층 커패시터는 화학반응을 이용하는 이차 전지와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면화학반응에 의하여 충전 현상을 이용한 것이다. 이에 따라 높은 충방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명 특성을 갖는다. 그러나, 전기 이중층 커패시터는 낮은 용량으로 인하여 활용에 제약을 받고 있으며, 전기 이중층 커패시터의 용량을 개선하기 위한 노력이 계속되고 있다.
전기 이중층 커패시터의 성능을 결정하는 가장 핵심이 되는 부분은 전극에 사용되는 재료의 선택이라 할 수 있는데, 전극재료는 전기 전도성이 크고, 비표면적이 높아야 하며, 전기화학적으로 안정하고, 가격이 저렴해야 한다.
현재 다공성 탄소계 전극재료만이 전기 이중층 커패시터로 상업화에 성공하여 제작되고 있는데, 전극 재료의 적절한 선택에 의하여 저항이 낮고, 에너지 밀도가 높은 전극을 제작하여 커패시터의 용량을 개선할 필요가 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 우수한 정전용량 및 낮은 내부저항을 나타내는 커패시터용 전극 및 이를 포함하는 전기 이중층 커패시터를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시형태는 활성탄; 및 상기 100 중량부의 활성탄에 대하여 25 내지 75 중량부의 카본 에어로젤을 포함하는 커패시터용 전극을 제공한다.
상기 활성탄에 대한 상기 카본 에어로젤의 직경 비는 0.4 내지 0.8 일 수있다.
상기 커패시터용 전극은 100 중량부의 활성탄에 대하여 5 내지 25 중량부의 케젠 블랙을 추가로 포함할 수 있다.
상기 활성탄에 대한 케젠 블랙의 직경 비는 0.1 내지 0.6 일 수 있다.
상기 커패시터용 전극은 폴리머 바인더를 추가로 포함할 수 있고, 폴리머 바인더는 카르복시메틸 셀룰로스, 스티렌부타디엔고무 및 폴리테트라플루오르에틸렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태는 10 내지 30 중량부의 활성탄 및 카본 에어로젤을 포함하는 활물질, 1 내지 5 중량부의 폴리머 바인더, 60 내지 80 중량부의 용매를 혼합하는 단계; 및 상기 혼합물을 금속의 집전체에 도포 및 건조하는 단계;를 포함하는 커패시터용 전극의 제조방법을 제공한다.
상기 활물질은 100 중량부의 활성탄 및 25 내지 75 중량부의 카본 에어로젤을 포함할 수 있다.
상기 활물질은 100 중량부의 활성탄에 대하여 5 내지 25 중량부의 케젠 블랙을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태는 활성탄 및 상기 100 중량부의 활성탄에 대하여 25 내지 75 중량부의 카본 에어로젤을 포함하는 제1 및 제2 전극; 상기 제1 및 제2 전극 사이에 형성된 이온 투과성 분리막; 및 상기 제1 및 제2 전극층에 함침된 전해액;을 포함하는 전기 이중층 커패시터를 제공한다.
상기 제1 및 제2 전극은 상기 100 중량부의 활성탄에 대하여 5 내지 25 중량부의 케젠 블랙을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 커패시터용 전극은 비표면적이 넓은 활성탄 및 전기 전도도가 높은 카본 에어로젤을 포함하여 고속 충방전 및 고출력의 특성을 갖고, 집전체와의 접촉 저항이 낮아 내부저항을 낮출 수 있다. 또한 전극물질 간에 결합력이 우수하여 뭉침 현상 및 크랙 등의 결함이 없는 전극을 제조할 수 있다. 따라서, 이를 포함하는 전기 이중층 커패시터는 높은 정전용량 및 낮은 내부저항을 가져 우수한 성능을 나타낼 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전기 이중층 커패시터를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 1를 참조하면, 본 실시형태에 따른 전기 이중층 커패시터는 제1 및 제2 전극(10a, 10b); 상기 제1 및 제2 전극 사이에 형성된 이온 투과성 분리막(30); 및 상기 제1 및 제2 전극층에 함침된 전해액(미도시)을 포함한다. 이들은 하나의 기본 셀을 구성한다.
상기 제1 및 제2 전극(10a, 10b)에는 제1 및 제2 집전체(20a, 20b)가 각각 형성될 수 있고, 제1 및 제2 집전체(20a, 20b)에는 제1 및 제2 금속 케이스(40a, 40b)가 각각 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 금속 케이스(40a, 40b)가 서로 접촉하는 것을 방지하는 제1 및 제2 가스켓(50a, 50b)을 포함할 수 있다.
상기 분리막(30)은 제1 및 제2 전극의 물리적 접촉을 막아 단락을 방지하고, 상기 한 쌍의 집전체(20a, 20b)는 외부에서 전계가 가해졌을 때, 각각 양전하와 음전하를 저장한다. 집전체는 특별히 제한되지 않고, Al, Cu 또는 Ni-Cr 등의 금속 물질을 사용할 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극은 활성탄(Activated Carbon) 및 상기 100 중량부의 활성탄에 대하여 25 내지 75 중량부의 카본 에어로젤(Carbon Aerogel)을 포함할 수 있다.
도 2는 본 실시형태에 따른 전극 영역(A)을 나타내는 확대 단면도이다. 도 2를 참조하면, 전극은 활성탄(11) 및 카본 에어로 젤(12)이 혼합되어 있다.
활성탄(11)은 특별히 제한되지 않으며, 식물계(목질, 야자팍 곽), 석탄/석유 피치(pitch)계, 고분자계, 또는 바이오매스(bio-mass) 등 다양한 원료에 의하여 제조될 수 있다. 또한, 활성탄의 비표면적은 특별히 제한되지 않으나, 1500-2500m2/g인 것을 사용할 수 있다. 또한 메조포어(meso pore)의 비율이 높을수록 고속 충방전, 고출력의 커패시터를 제조할 수 있다.
카본 에어로젤(12)은 비표면적이 활성탄에 비하여 상대적으로 낮으나, 기공 크기가 균일할 뿐만 아니라 기공 사이즈의 조절이 가능하여 우수한 전기 전도도를 갖는다. 카본 에어로젤(12)은 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 수용액 내에서 레조르시놀(resorcinol)과 포름알데히드의 가수분해 및 중합 반응에 의하여 습윤 겔을 제조하고, 습윤 겔의 구조가 유지되도록 건조 한 후, RF-에어로겔을 제조하고, 이를 열분해하여 제조될 수 있다.
일반적으로 활성탄 및 카본에어로젤은 서로 혼합되기 어렵고, 이들의 혼합물 은 발림성이 떨어져 전극 형성에 어려움이 있다.
그러나, 활성탄(11) 및 카본 에어로젤(12)의 혼합비를 조절하여 전극물질 간의 결합력을 증가시킬 수 있다. 카본 에어로젤의 함량은 활성탄 100 중량부에 대하여 25 내지 75 중량부일 수 있고, 바람직하게는 35 내지 60 중량부일 수 있으며, 가장 바람직하게는 50 중량부일 수 있다. 상기 함량이 25 중량부 미만이면 전극 표면에 크랙이 발생하고 낮은 전기전도도로 인하여 내부저항이 증가될 우려가 있다. 또한 상기 함량이 75 중량부를 초과하면 전극표면이 서로 뭉치고 낮은 비표면적으로 인하여 정전용량이 저하될 우려가 있다.
활성탄(11)에 비하여 작은 직경을 가지는 카본 에어로젤(12)을 포함하여, 전극의 충진 밀도를 높일 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 활성탄(11)에 대한 카본 에어로젤(12)의 직경 비는 0.4 내지 0.8일 수 있다. 상기 범위를 벗어나는 경우 충진 밀도가 낮아질 수 있고, 내부저항이 증가할 수 있다.
도시되지는 않았으나, 상기 제1 및 제2 전극은 전기 전도도를 향상시키기 위하여 도전재를 추가로 포함할 수 있다. 도전재는 특별히 제한되지 않으며, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙 또는 흑연 등을 사용할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 전극(10a, 10b)은 케젠 블랙(Ketjen black)을 추가로 포함할 수 있다. 케젠 블랙은 세공의 크기가 균일하고, 전기전도도가 우수한 물질로써, 이를 포함하는 경우 추가적으로 도전재를 포함하지 않을 수 있다. 이에 제한 되는 것은 아니나, 케젠 블랙은 비표면적이 800 내지 1500m2/g 일 수 있다.
케젠 블랙은 상기 100 중량부의 활성탄에 대하여 5 내지 25 중량부를 포함할 수 있고, 바람직하게는 10 내지 15중량부를 포함할 수 있고, 15 중량부를 포함하는 것이 가장 바람직하다. 상기 함량이 5 중량부 미만이면 전극 표면에 크랙이 발생하고 전기전도도 향상효과가 미비할 수 있고, 상기 함량이 25 중량부를 초과하는 경우 전극표면이 서로 뭉치고 정전용량이 저하될 우려가 있다.
케젠 블랙을 포함하는 경우 상기 100 중량부의 활성탄에 대하여 카본 에어로 젤은 35중량부를 포함하는 것이고, 케젠 블랙은 15 중량부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 활성탄에 대한 케젠 블랙의 직경 비는 0.1 내지 0.6 인 것이 바람직하다. 상기 범위를 벗어나는 경우 충전 밀도가 낮아질 수 있고, 전기 전도도 향상의 효과가 미비할 수 있다.
제1 및 제2 전극(10a, 10b)은 폴리머 바인더를 추가로 포함할 수 있다. 폴리머 바인더는 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들면, 카르복시메틸 셀룰로스(Carboxylmetyl Celluose), 스티렌부타디엔고무(Styrene Butadiene Rubber) 또는 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene) 등이 있고, 이들로부터선택된 하나 이상의 폴리머 바인더를 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 전극의 제조방법을 설명한다.
우선, 10 내지 30 중량부의 활성탄 및 카본 에어로젤을 포함하는 활물질, 1 내지 5 중량부의 폴리머 바인더를 60 내지 80 중량부의 용매에 혼합한다. 바람직하게는 16 중량부의 활물질, 2중량부의 바인더를 혼합할 수 있다.
이때, 상기 활물질은 100 중량부의 활성탄 및 25 내지 75 중량부의 카본 에어로젤을 포함할 수 있다. 상기 용매는 특별히 제한되지 않으나, 초순수(DI water) 또는 유기 용매를 사용할 수 있고, 상기 유기 용매는 특별히 제한되지 않고, 메틸 알코올, 에틸 알코올, 이소 프로필 알코올 등을 사용할 수 있다.
이후, 상기 슬러리 혼합물을 금속의 집전체에 도포하고, 건조하여 전극을 제조할 수 있다.
상기 슬러리 혼합물을 집전체에 도포하는 방법은 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 닥터 블레이드 코터(doctor blade coater), 콤마 코터(comma coater), 다이 코터(die coater), 그라비아 코터(gravure coater), 또는 마이크로 그라비아 코터(micro gravure coater) 등을 사용할 수 있다.
상기 활물질은 100 중량부의 활성탄에 대하여 5 내지 25 중량부의 케젠 블랙을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 전기 이중층 커패시터의 제조방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 집전체에 제조된 전극을 제1 및 제2 전극으로 하고, 제1 및 제2 전극층 사이에 이온 투과성 분리막을 적층한다. 이후, 제1 및 제2 전극층에 전해액을 함침 한 후 봉인한다. 상기 분리막을 적층한 후에는 제 1 및 제2 전극과 집전체의 결합력을 향상시키기 위하여 가압하는 것이 바람직하다. 상기 집전체에 제1 및 제2 금속 케이스를 각각 형성하고, 상기 제1 및 제2금속 케이스 사이에는 가스켓을 형성할 수 있다.
[실시예 1]
활물질(활성탄 100 중량부, 카본 에어로젤 50중량부) 16 중량부, 아세틸렌 블랙 2 중량부 및 폴리머 바인더 2 중량부를 초순수(DI water)에 혼합하였다. 상기 슬러리 혼합물을 알루미늄 호일에 도포한 후 48시간 건조시켜 전극을 제조하였다. 도 4는 상기 전극의 SEM 사진이다.
[실시예 2]
활물질(활성탄 100 중량부, 카본 에어로젤 35 중량부, 케젠 블랙 15 중량부) 16 중량부, 및 폴리머 바인더 2 중량부를 초순수(DI water)에 혼합하여 슬러리 혼합물을 제조하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전극을 제조하였다.
[비교예 1]
활물질로 활성탄 100 중량부를 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전극을 제조하였다.
[비교예 2]
활물질로 활성탄 100 중량부, 카본 에어로젤 22.5 중량부를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전극을 제조하였다.
[비교예 3]
활물질로 활성탄 100 중량부, 카본 에어로젤 300 중량부를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전극을 제조하였다.
상기 실시예 1(B), 실시예 2(A) 및 비교예 1(C)에 따라 제조된 전극의 전기적 특성을 측정(WonAtech사의 WMPG-1000 장비)하고, 이의 결과를 도 3에 나타내었다. 이를 참조하면, 실시예에서 제조된 전극은 비교예에 비하여 우수한 전기적 특성을 나타냄을 확인할 수 있다.
또한, 도 5 내지 도 8은 상기 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 2 및 3에서 제조된 혼합 전극의 표면사진이다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 실시예 1 및 2에 따른 전극 표면은 뭉침 현상이나 크랙 등의 결함이 없다. 도 7 및 도 8을 참조하면, 비교예 2 및 3에서 제조된 전극표면은 뭉침현상이나 크랙이 발생함을 확인할 수 있었다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이며, 이 또한 첨부된 청구범위에 기재된 기술적 사상에 속한다 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전기 이중층 커패시터를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 전극을 나나태는 확대 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 전극의 전기적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 전극 표면의 SEM 사진이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 전극의 표면사진이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10a, 10b: 제1 및 제2 전극 20a, 20b: 제1 및 제2 집전체
30: 분리막 40a, 40b: 제1 및 제2 금속 케이스
50a, 50b: 제1 및 제2 가스켓

Claims (11)

  1. 활성탄; 및
    상기 활성탄 100 중량부에 대하여 카본 에어로젤 25 내지 75 중량부;를 포함하고, 상기 활성탄에 대한 상기 카본 에어로젤의 직경비는 0.4 내지 0.8인 것을 특징으로 하는 커패시터용 전극.
  2. 삭제
  3. 활성탄;
    상기 활성탄 100 중량부에 대하여 카본 에어로젤 25 내지 75 중량부; 및 케젠 블랙 5 내지 25 중량부;를 포함하고, 상기 활성탄에 대한 상기 케젠 블랙의 직경비는 0.1 내지 0.6 인 것을 특징으로 하는 커패시터용 전극.
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    폴리머 바인더를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터용 전극.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 폴리머 바인더는 카르복시메틸 셀룰로스, 스티렌부타디엔고무 및 폴리테트라플루오르에틸렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 커패시터용 전극.
  7. 활성탄 및 카본 에어로젤을 포함하는 활물질 10 내지 30 중량부, 폴리머 바인더 1 내지 5 중량부, 및 용매 60 내지 80 중량부를 혼합하되, 상기 활물질은 상기 활성탄 100 중량부에 대하여 상기 카본 에어로젤 25 내지 75 중량부를 포함하고, 상기 활성탄에 대한 상기 카본 에어로젤의 직경비는 0.4 내지 0.8인 혼합물을 마련하는 단계; 및
    상기 혼합물을 금속 호일에 도포 및 건조하는 단계;
    를 포함하는 커패시터용 전극의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 활성탄, 카본 에어로젤 및 케젠 블랙을 포함하는 활물질 10 내지 30 중량부, 폴리머 바인더 1 내지 5 중량부, 및 용매 60 내지 80 중량부를 혼합하되, 상기 활물질은 상기 활성탄 100 중량부에 대하여 상기 카본 에어로젤 25 내지 75 중량부 및 상기 케젠 블랙 5 내지 25 중량부를 포함하고, 상기 활성탄에 대한 상기 케젠 블랙의 직경비는 0.1 내지 0.6인 혼합물을 마련하는 단계; 및
    상기 혼합물을 금속 호일에 도포 및 건조하는 단계;
    를 포함하는 커패시터용 전극의 제조방법.
  10. 활성탄 및 상기 활성탄 100 중량부에 대하여 카본 에어로젤 25 내지 75 중량부를 포함하고, 상기 활성탄에 대한 상기 카본 에어로젤의 직경비는 0.4 내지 0.8인 제1 및 제2 전극;
    상기 제1 및 제2 전극 사이에 형성된 이온 투과성 분리막; 및
    상기 제1 및 제2 전극층에 함침된 전해액;
    을 포함하는 전기 이중층 커패시터.
  11. 활성탄 및 상기 활성탄 100 중량부에 대하여 카본 에어로젤 25 내지 75 중량부 및 케젠 블랙 5 내지 25를 포함하고, 상기 활성탄에 대한 상기 케젠 블랙의 직경비는 0.1 내지 0.6인 제1 및 제2 전극;
    상기 제1 및 제2 전극 사이에 형성된 이온 투과성 분리막; 및
    상기 제1 및 제2 전극층에 함침된 전해액;
    을 포함하는 전기 이중층 커패시터.
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