KR101197875B1 - 에너지 저장장치용 전극, 그 제조방법 및 이를 이용한 에너지 저장장치 - Google Patents

에너지 저장장치용 전극, 그 제조방법 및 이를 이용한 에너지 저장장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저(低)저항 에너지 저장장치용 전극, 그 제조방법 및 이를 이용한 에너지 저장장치에 관한 것이다. 구체적으로 덴드라이트가 형성된 금속막에 전극물질을 형성하여 에너지 저장장치용 전극을 제조한다. 본 발명에 따른 에너지 저장장치용 전극을 사용하는 에너지 저장장치는 저(低)저항 특성을 가진다.

Description

에너지 저장장치용 전극, 그 제조방법 및 이를 이용한 에너지 저장장치{AN ELECTRODE FOR ENERGY STORAGE DEVICE, A MANUFACTURING METHOD OF THE SAME, AND AN ENERGY STORAGE DEVICE USING THE SAME}
본 발명은 에너지 저장장치용 전극, 그 제조방법 및 이를 이용한 에너지 저장장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 저(低)저항 특성을 가지는 에너지 저장장치용 전극, 그 제조방법 및 이를 이용한 에너지 저장장치에 관한 것이다.
전자제품 기능의 고급화, 전기자동차, 가정 및 산업용 전자 기기에 안정적인 전원 공급을 위해 전기 이중층 캐패시터(EDLC, Electric Double Layer Capacitor)가 주로 사용되고 있다.
전기 이중층 캐패시터란 고체와 전해질 간의 계면에 형성되는 전기 이중층에서 발생하는 정전하 현상을 이용하여 전기 에너지를 축적하는 축전기이다.
전기 이중층 캐패시터는 고밀도 에너지의 급속 충전 및 방전 특성을 가짐에 따라 이동통신기기 및 노트북 컴퓨터 등을 포함하는 휴대용 전자제품의 보조전원 또는 주전원으로 광범위하게 이용되고 있다.
전기 이중층 캐패시터는 ① 과충전 / 과방전을 일으키지 않기 때문에 전기회로가 단순화되고, 제품 가격을 인하하는 요인을 제공하고, ② 전압으로부터 잔류용량의 파악이 가능하며, ③ 광범위의 내구온도특성(-30 ~ +90℃)을 나타내며, ④ 친환경적 재료로 구성되어 있는 등의 콘덴서나 이차전지에 없는 장점을 가지고 있다.
전자제품의 소형화 추세에 부응하기 위하여 그 제품에 탑재되는 각종 전자부품의 소형화, 칩화가 필수적으로 요청되고 있으며, 칩 타입(chip-type)과 코인 타입(coin-type)을 포함한 넓은 응용분야에서 전기 이중층 캐패시터의 사용을 확대하기 위해서는 높은 에너지 밀도 및 낮은 등가직렬저항(ESR, Equivalent Series Resistance)을 구현해야 한다.
일반적으로 중대형 제품의 경우 고용량화를 통한 낮은 등가직렬저항(ESR)의 구현이 가능하지만, 크기에 제한이 있는 소형 제품의 경우는 크기를 줄임에 따라 접촉저항이 증가한다. 따라서 전극의 구조 및 두께 등을 변경함으로써 용량을 저하시키면서 낮은 등가직렬저항(ESR)을 구현하는 것이 일반적이다.
또한 전극이 두꺼운 경우에는 접착성을 증가시키기 위하여 바인더의 양을 증가시켜야 하는데, 이로 인해 저항이 증가한다는 문제가 있다.
본 발명은 저(低)저항을 가지는 에너지 저장장치용 전극, 그 제조방법 및 이를 이용한 에너지 저장장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시형태로 일면에 덴드라이트가 형성된 금속막; 및 상기 금속막의 일면에 형성된 전극물질;을 포함하는 에너지 저장장치용 전극을 제공한다.
또한, 상기 금속막은 구리 또는 알루미늄인 에너지 저장장치용 전극을 제공한다.
또한, 상기 전극물질은 활물질 및 도전재를 포함하는 에너지 저장장치용 전극을 제공한다.
또한, 상기 전극물질은 바인더를 더 포함하는 에너지 저장장치용 전극을 제공한다.
또한, 상기 활물질은 활성 탄소분말, 탄소 나노튜브, 흑연, 기상성장 탄소섬유, 탄소 에어로젤, 폴리아크릴로나이트릴이나 폴리비닐리덴플로라이드와 같은 고분자를 탄화하여 제조하는 탄소 나노섬유 및 활성화 탄소 나노섬유로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나인 에너지 저장장치용 전극을 제공한다.
또한, 상기 도전재는 카본 블랙인 에너지 저장장치용 전극을 제공한다.
또한, 상기 바인더는 카르복실메틸셀룰로오스, 폴리비닐리덴플로라이드계, 불소계 폴리테트라플루오로에틸렌, 및 고무계의 스티렌부타디엔러버로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나인 에너지 저장장치용 전극을 제공한다.
본 발명의 다른 실시형태로 덴드라이트가 형성된 금속막을 준비하는 제1 단계; 및 상기 덴드라이트가 형성된 금속막에 전극물질 슬러리를 도포하는 제2 단계; 를 포함하는 에너지 저장장치용 전극의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 금속막은 구리 또는 알루미늄인 에너지 저장장치용 전극의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 전극물질은 활물질 및 도전재를 포함하는 에너지 저장장치용 전극의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 전극물질은 바인더를 더 포함하는 에너지 저장장치용 전극의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 제2 단계는 상기 전극물질 슬러리로 전극물질 시트를 형성하는 단계; 및 상기 전극물질 시트를 상기 덴드라이트가 형성된 금속막에 부착하는 단계;로 대체된 에너지 저장장치용 전극의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 활물질은 활성 탄소분말, 탄소 나노튜브, 흑연, 기상성장 탄소섬유, 탄소 에어로젤, 폴리아크릴로나이트릴이나 폴리비닐리덴플로라이드와 같은 고분자를 탄화하여 제조하는 탄소 나노섬유 및 활성화 탄소 나노섬유로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나인 에너지 저장장치용 전극의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 도전재는 카본 블랙인 에너지 저장장치용 전극의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 바인더는 카르복실메틸셀룰로오스, 폴리 비닐리덴 플로라이드계, 불소계 폴리테트라플루오로에틸렌, 및 고무계의 스티렌부타디엔러버로 이루어지는 그룹 중에서 선택된 어느 하나인 에너지 저장장치용 전극의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시형태로 서로 마주보도록 이격되어 배치된 제1 및 제2 전극; 및 상기 제1 및 제2 전극의 사이에 위치하여 제1 및 제2 전극을 분리하는 격리막;을 포함하고, 상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 어느 하나는 일면에 덴드라이트가 형성된 금속막 및 상기 금속막의 일면에 형성된 전극물질을 포함하는 에너지 저장장치용 전극인 에너지 저장장치를 제공한다.
또한, 상기 금속막은 구리 또는 알루미늄인 에너지 저장장치를 제공한다.
또한, 상기 전극물질은 활물질 및 도전재를 포함하는 에너지 저장장치를 제공한다.
또한, 상기 전극물질은 바인더를 더 포함하는 에너지 저장장치를 제공한다.
또한, 상기 활물질은 활성 탄소분말, 탄소 나노튜브, 흑연, 기상성장 탄소섬유, 탄소 에어로젤, 폴리아크릴로나이트릴이나 폴리비닐리덴플로라이드와 같은 고분자를 탄화하여 제조하는 탄소 나노섬유 및 활성화 탄소 나노섬유로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나인 에너지 저장장치를 제공한다.
또한, 상기 도전재는 카본블랙인 에너지 저장장치를 제공한다.
또한, 상기 바인더는 카르복실메틸셀룰로오스, 폴리 비닐리덴 플로라이드계, 불소계 폴리테트라플루오로에틸렌, 및 고무계의 스티렌부타디엔러버로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나인 에너지 저장장치를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태인 전기 이중층 캐패시터의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2은 본 발명의 일 실시형태에 따라 덴드라이트가 형성된 금속막의 단면도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시형태에 따른 에너지 저장장치용 전극의 제조공정 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태인 전기 이중층 캐패시터의 충전 및 방전의 원리를 나타낸 개략도이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하여 상세히 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 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명의 일 실시형태인 에너지 저장장치용 전극은 일면에 덴드라이트(dendrite)가 형성된 금속막; 및 상기 금속막의 일면에 형성되는 전극물질;을 포함한다.
에너지 저장장치에는 콘덴서, 2차 전지, 전기 이중층 캐패시터 등이 있는데, 에너지 저장장치용 전극이란 상기 에너지 저장장치에서 전극으로 사용될 수 있는 전극을 말한다. 상기 에너지 저장장치 중 전기 이중층 캐패시터를 예로 들어 본 실시형태에 관하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태인 전기 이중층 캐패시터의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 1을 참조하면, 전기 이중층 캐패시터는 크게 제1 전극(60), 제2 전극(70) 및 격리막(30)을 포함한다. 격리막(30)에 의하여 제1 전극(60)과 제2 전극(70)이 분리되어 있다.
제1 전극(60)은 다시 금속막(10), 전극물질(20)을 포함할 수 있고, 전극물질(20)은 다시 활물질(21), 도전재(22), 바인더(23)를 포함할 수 있다.
전기 이중층 캐패시터란 전극(60)과 전해질(미도시) 간 계면에 형성되는 전기 이중층에서 발생하는 정전하 현상을 이용하여 전기 에너지를 축적하는 축전기이다.
상기 금속막(10)과 전극물질(20) 간의 접촉 상태에 따라 에너지 저장장치의 ESR(Equivalent Series Resistance) 특성의 변화가 크다. 즉 금속막(10)과 전극물질(20) 간의 접촉 면적이 넓을수록 ESR 이 작으며, 에너지 저장장치로서 보다 우수한 특성을 발휘할 수 있다.
금속막(10)은 충전시 외부 전압이 캐패시터에 인가되는 통로이며, 방전시에는 캐패시터로부터 외부 부하 쪽으로 전하가 이동하는 통로이다.
금속막(10)은 전극반응에 참여하지 않고 전기 화학적으로 안정하며 전자전도도가 우수한 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 니켈(Ni) 또는 알루미늄(Al) 등의 금속이 사용될 수 있다.
하지만 제조공정과 단가를 고려하면 구리(Cu)나 알루미늄(Al) 포일(foil)을 사용하는 것이 바람직하다.
금속막(10)의 일면에 덴드라이트(11)가 형성될 수 있다.
도 2에 금속막(10)의 일면에 덴드라이트가 형성된 그림을 나타내었다. 도 2에는 덴드라이트가 형성된 금속막의 구조를 이해하는데 도움을 주기 위하여 덴드라이트가 일정 거리 이격되어 있는 것처럼 과장하여 표시하였다.
일반적으로 금속막(10)의 표면을 거칠게 하거나 또는 금속막(10)의 표면에 요철을 형성하여 금속막(10)의 표면적을 증가시킨다. 금속막(10)의 표면적을 증가시킴으로써 전극(20)과 금속막(10)의 접촉면적을 증가시키고자 하는 것이다.
전극물질(20)과 금속막(10) 간의 접촉면적이 크면 클수록 전극물질(20)과 금속막(10) 간 접촉 저항은 감소하게 되며, 또한 전극물질(20)과 금속막(10) 간의 부착력도 증가하게 된다.
본 실시형태에서는 금속막(10)의 표면에 덴드라이트(11)를 형성함으로써 금속막(10)의 표면적을 증가시키고자 한다.
여기서 덴드라이트(dendrite)란 수지상(樹脂狀)의 결정을 말하는데, 덴드라이트(11)는 일반적으로 금속 용융액이 응고하는 과정에서 형성되는 것을 쉽게 관찰할 수 있다.
용융액의 응고과정에서는 용융액 내에 먼저 결정핵이 생기고 결정핵이 성장하여 큰 결정이 되는데, 결정이 성장하는 과정에서 성장 속도의 차이로 인하여 결정이 마치 나뭇가지 모양으로 성장하는데 이를 덴드라이트(dendrite)라 한다.
덴드라이트(11)는 나뭇가지 같은 구조를 가지기 때문에 금속막(10)의 표면에 덴드라이트(11) 구조를 형성한다면 금속막(10)의 표면적을 증가시킬 수 있다. 이로써 금속막(10)과 전극물질(20)과의 접촉면적을 크게 할 수 있는 것이다.
더 나아가서는 전극물질(20) 제조시 전극물질의 구성요소로서 바인더(23)를 첨가하지 않을 수도 있다.
바인더(23)를 첨가하는 이유는 금속막(10)와 전극물질(20) 간의 접착력을 향상시키고자 하는 것인데, 덴드라이트(11)가 형성되어 금속막(10)의 표면이 나뭇가지의 형상으로 얽혀 있으면 전극물질(20)이 덴드라이트(11)의 나뭇가지 사이로 침투하게 되어 바인더(23)를 첨가하지 않더라도 금속막(10)과 전극물질(20) 간의 접착력이 유지될 수 있기 때문이다.
또한 전기적 부도체인 바인더(23)를 첨가하지 않음으로써 바인더(23)로 인하여 유발되는 저항 성분을 제거할 수 있으므로 전체적으로 캐패시터의 저항을 낮출 수 있다.
덴드라이트(11)는 금속막(10)과 동일한 재질로 형성될 수 있다. 즉 덴드라이트(11)는 구리 또는 알루미늄일 수 있다. 금속막(10)의 재질과 동일한 금속을 이용하여 덴드라이트(11)를 형성하는 것이 덴드라이트(11)와 금속막(10) 간의 연결이 견고하다.
금속막(10)의 표면에 덴드라이트(11)를 형성한 후 금속막(10)과 전극물질(20)을 접촉시킴으로써 금속막(10)과 전극물질(20) 사이의 접촉면적이 증가하면 다음과 같은 효과를 동시에 얻을 수 있다. 첫째, 금속막(10)과 전극물질(20) 간의 부착력을 크게 할 수 있다. 둘째, 금속막(10)와 전극물질(20) 간의 접촉저항을 작게 할 수 있다.
전극이란 회로 내의 도체로 전류를 흘러들어가게 하거나 흘러나오게 하는 단자를 말하며, 전원에서 전류를 내보내는 쪽을 양극, 전류를 받아들이는 쪽을 음극이라 한다.
본 실시형태에서의 전극(20)은 금속막(10)과 전극물질(20)을 포함할 수 있다. 전극물질(20)은 활(活)물질(21), 도전재(22) 및 바인더(23)를 포함할 수 있다.
전극물질(20)의 구조 및 물성에 따라 전기 이중층 커패시터의 축전용량은 달라질 수 있다. 즉 전극물질(20)의 비표면적이 크고, 활물질(21) 자체의 내부저항이 작고, 전극물질(20)의 밀도가 높아야 전기 이중층 캐패시터의 축전 용량이 크다.
활물질(21)은 유효 비표면적이 큰 물질이 바람직하다. 이러한 활물질로는 활성 탄소분말(ACP; Activated Carbon Powder), 탄소 나노튜브 (CNT;Carbon Nano Tube), 흑연, 기상성장 탄소섬유(VGCF; Vapor Grown Carbon Fiber), 탄소 에어로젤(Carbon aerogel), 폴리아크릴로나이트릴(PAN; Polyacrylonitrile)이나 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF; PolyVinylideneFluoride)와 같은 고분자를 탄화하여 제조하는 탄소 나노섬유(CNF; Carbon Nano Fiber) 및 활성화 탄소 나노섬유(ACNF; Activated Carbon Nano Fiber) 등이 사용된다.
도전재(22)는 전극물질(20)에 전기전도성을 부여하기 위하여 첨가하는 물질을 말한다. 도전재(22)로는 카본 블랙(CB; Carbon Black) 등이 사용될 수 있다.
바인더(23)는 활물질(21) 간의 접착과 금속막(10)과 전극물질(20) 간의 결합을 위하여 첨가하는 물질을 말한다.
이러한 바인더(23)에는 CMC(carboxymethyl cellulose), 폴리 비닐리덴 플로라이드(PVdF-co-HFP; poly vinylidene fluoride- co- hexa fluoropropylene)계, 불소계 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; poly tetra fluoroethylene) 분말이나 에멀젼, 및 고무계의 스티렌부타디엔러버(SBR; styrene butadiene rubber) 등이 있으며, 용매의 종류에 따라 선택적으로 사용할 수 있다.
바인더(23)는 활물질(21)과 금속막(10) 간 또는 활물질(21) 간의 접착 특성을 향상시키기 위하여 사용된다. 하지만, 바인더(23)는 활물질(21)인 탄소 재료와 달리 부도체이므로 함량이 증가할수록 저항이 증가한다.
또한 바인더(23)의 지나치게 함량이 많으면 전극물질(20)이 취성(brittle)을 갖게 되어 작업성이 저하될 수 있다.
따라서 바인더(23)의 함량은 적을수록 바람직하다. 바인더 측면에서 보면 바인더를 포함하지 않는 것이 전기 이중층 캐패시터의 특성에는 가장 유리하다.
앞에서 설명한 것처럼 덴드라이트(11)를 금속막(10)의 표면에 형성하여 전극물질(20)과 금속막(10) 간 접촉 면적을 충분히 크게 함으로써 전극물질(20)에는 바인더(23)를 포함시키지 않을 수도 있다.
전해질(electrolyte)(26)은 물 등의 용매에 녹아 이온으로 해리되어 전류를 흐르게 하는 물질을 말한다. 이러한 전해질(26)로는 염이 용해되어 있는 수용액계 전해질을 사용할 수 있다.
예를 들어 염화나트륨 수용액, 황산마그네슘 수용액, 황산칼슘 수용액 및 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함하는 것을 전해질(26)로 사용할 수 있다.
격리막(separator)(30)은 제1 전극(60)과 제2 전극(70)을 전기적으로 분리한다. 제1 전극(60)과 제2 전극(70)에는 각각 반대 극성의 전압이 인가되므로 제1 전극(60)과 제2 전극(70)을 전기적으로 분리하여 쇼트를 방지하기 위한 것이다.
이와 같은 격리막(30)으로는 폴리프로필렌 또는 테프론 등이 사용될 수 있다.
도 3에는 에너지 저장장치용 전극의 제조공정 흐름도를 나타내었다.
본 발명의 일 실시형태인 에너지 저장장치용 전극의 제조방법은 덴드라이트가 형성된 금속막을 준비하는 제1 단계; 및 상기 덴드라이트가 형성된 금속막에 전극물질 슬러리를 도포하는 제2 단계;를 포함한다.
에너지 저장장치용 전극은 덴드라이트(11)가 형성된 금속막(10) 상에 전극물질 슬러리를 도포한 후 건조하여 제조할 수 있다. 후술하겠지만 전극물질 고체시트를 별도로 제조한 후 전극물질 고체시트를 금속막(10)에 부착하여 에너지 저장장치용 전극을 제조할 수도 있다.
상기 금속막은 구리 또는 알루미늄일 수 있다.
상기 전극물질은 활물질 및 도전재를 포함할 수 있다.
즉 전극물질(20)의 구성요소로서 바인더(23)가 포함되지 않고, 전극물질(20)이 활물질(21) 및 도전재(22)로만 구성되는 경우이다.
이는 앞에서 살펴본 바와 같이 금속막(10)의 표면에 덴드라이트(11)를 형성하여 금속막(10)과 전극물질(20)의 접촉면적을 극대화함으로써 바인더(23)가 없더라도 금속막(10) 및 전극물질(20) 간의 부착력 및 접촉 저항에 있어서 성능이 저하되지 않는 경우에 해당된다.
상기 전극물질은 바인더를 더 포함할 수 있다.
전극물질의 구성요소로서 활물질(21), 도전재(22) 및 바인더(23)를 모두 포함하는 경우이다. 다만 이 경우에도 금속막(10)의 표면에 덴드라이트(11)를 형성함으로써 바인더(23)의 양을 현저히 줄일 수 있으며, 이로 인하여 금속막(10) 및 전극물질(20) 간의 부착력 향상 및 저(低)저항을 실현할 수 있다.
상기 제2 단계는 상기 전극물질 슬러리로 전극물질 시트를 형성하는 단계; 및 상기 전극물질 시트를 상기 덴드라이트가 형성된 금속막에 부착하는 단계로 대체될 수 있다.
이는 전극물질(20) 슬러리를 이용하여 전극물질 시트를 별도로 제조하고 이를 덴드라이트(11)가 형성된 금속막(10)에 접착제 등을 사용하여 부착할 수 있음을 의미한다.
전극물질(20) 시트를 별도로 제조하여 금속막(10)에 부착하는 방법은 전극물질(20) 슬러리를 덴드라이트(11)가 형성된 금속막(10) 상에 도포하여 전극(60)을 제조하는 경우보다 유리하다.
전극물질(20) 슬러리를 금속막(10)에 도포하여 전극(60)을 제조하는 경우 전극물질(20) 슬러리를 직접 다루어야 하는데 제조공정 중에서 전극물질(20) 슬러리를 직접 취급하는 것이 용이하지 않기 때문이다.
본 실시형태에 있어서 금속막(10), 활물질(21), 도전재(22) 등 각 구성요소에 관한 사항은 앞에서 설명한 바와 동일하다.
본 발명의 일 실시형태인 에너지 저장장치는 서로 마주보도록 이격되어 배치된 제1 및 제2 전극; 및 상기 제1 및 제2 전극의 사이에 위치하여 제1 및 제2 전극을 분리하는 격리막;을 포함하고, 상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 어느 하나는 일면에 덴드라이트가 형성된 금속막 및 상기 금속막의 일면에 형성된 전극물질을 포함한다.
도 1을 참조하면, 금속막(10)과 전극물질(20)을 통틀어 제1 전극(60)이라 하고, 금속막(50)과 전극물질(40)을 통틀어 제2 전극(70)이라 한다.
제1 전극(60)과 제2 전극(70)은 전극물질(30, 40)이 서로 마주보도록 이격되어 배치되어 있다. 제1 전극(60)과 제2 전극 사이에는 격리막(30)이 위치하며, 이 격리막에 의하여 제1 전극(60)과 제2 전극(70)이 분리된다.
상기 금속막(10)은 구리 또는 알루미늄일 수 있다.
상기 전극물질(20)은 활물질(21) 및 도전재(22)를 포함할 수 있다.
상기 전극물질(20)은 바인더(23)를 더 포함할 수 있다.
본 실시형태에 있어서 활물질, 도전재, 바인더 등에 관한 사항은 앞에서 설명한 바와 동일하다.
도 4는 본 실시형태에서 전기 이중층 캐패시터의 동작 원리를 나타낸 개략도이다. 도 4를 참조하여 전기 이중층 캐패시터의 충전 및 방전 과정에 대하여 설명한다.
활물질(21)로는 활성탄(24)이 사용되며, 활성탄(24)에는 수많은 기공(25)이 형성되어 있다. 상기 기공(25)에는 전해질(26)이 함침되어 있다.
우선, 전극(60, 70)에 직류 전압을 걸어주면 (+)로 분극된 전극에는 전해질(40) 중의 음이온이, (-)로 분극된 전극에는 전해질(40) 중의 양이온이 정전기적으로 유도되어 각 전극물질(20)의 활물질(21)에 흡착됨으로써 활물질(21)과 전해질(40)의 계면에 전기 이중층이 형성되게 된다.
즉, 미세기공이 형성되어 있는 다공성의 활성탄(24)에 (-)를 걸어주면 전해질(26)로부터 해리되어 나온 (+) 이온이 활성탄(24)의 기공(25) 내로 들어가서 (+) 층을 이루며, 활성탄(24)과 전해질(26) 간의 계면을 중심으로 하여 양쪽에 (+) 층과 (-) 층의 전기 이중층이 형성된다.
상기와 같이 전기 이중층 캐패시터에서는 활물질(21)과 전해질(26) 간의 계면에서는 화학적 반응이 일어나는 것이 아니라 단지 물리적인 반응만이 일어날 뿐이다. 이 점이 전기 이중층 캐패시터가 다른 전지와 비교하여 많은 장점을 가질 수 있는 근원이다.
상기 방식에 따라 활물질(21)의 계면에 전하가 축적된다. 특히 전극물질(20)은 다공성 물질로 이루어져 있어 비표면적이 매우 크기 때문에 전하 축적량이 매우 크다.
상기 원리에 의하여 전기 이중층에는 전기에너지가 축적되며, 이러한 과정을 충전(charge)이라고 한다. 충전이 완료되면 전기이중층 커패시터에는 더 이상의 전류가 흐르지 않게 된다.
다음으로, 캐패시터 외부에 제1 및 제2 전극(60, 70)과 부하(미도시)를 연결하는 회로(미도시)가 형성되면 활물질(21)과 전해질(26)의 계면에 충전되었던 전하는 도선을 따라 부하 쪽으로 이동하게 되며, 활성탄(24)의 기공(25)에 함침된 전해질(26) 내에서 전기 이중층을 형성하고 있던 이온들은 기공 밖으로 이동하게 되어 전기 이중층은 사라진다.
결국 전기 이중층에 저장된 전기에너지가 소모되어 부하에서 다른 형태의 에너지로 전환되는 것이다. 이를 방전(discharge)이라고 한다.
방전시 전극물질(20)은 점차 극성을 잃게 되고 활성탄(24)의 기공(25)에 흡착되어 있던 이온들이 탈착하게 된다. 따라서, 활성탄(24)은 표면의 활성을 다시 회복하게 된다.
전기 이중층 캐패시터는 활성탄(24) 표면에서 이온들의 물리적 흡착 탈착 원리를 이용하기 때문에 출력이 높고, 충방전 효율이 높으며, 반영구적이다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
10,50:금속막 11:덴드라이트
20,40:전극물질 21:활물질
22:도전재 23:바인더
24:활성탄 25:기공
26:전해질 30:격리막
60:제1 전극 70:제2 전극

Claims (22)

  1. 일면에 덴드라이트가 형성된 금속막; 및
    상기 금속막의 일면에 형성된 전극물질;
    을 포함하는 에너지 저장장치용 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속막은 구리 또는 알루미늄인 에너지 저장장치용 전극.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극물질은 활물질 및 도전재를 포함하는 에너지 저장장치용 전극.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전극물질은 바인더를 더 포함하는 에너지 저장장치용 전극.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 활물질은 활성 탄소분말, 탄소 나노튜브, 흑연, 기상성장 탄소섬유, 탄소 에어로젤, 폴리아크릴로나이트릴이나 폴리비닐리덴플로라이드와 같은 고분자를 탄화하여 제조하는 탄소 나노섬유 및 활성화 탄소 나노섬유로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 물질로 이루어지는 에너지 저장장치용 전극.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 도전재는 카본 블랙인 에너지 저장장치용 전극.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 바인더는 카르복실메틸셀룰로오스, 폴리비닐리덴플로라이드계, 불소계 폴리테트라플루오로에틸렌, 및 고무계의 스티렌부타디엔러버로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 물질로 이루어지는 에너지 저장장치용 전극.
  8. 덴드라이트가 형성된 금속막을 준비하는 제1 단계; 및
    상기 덴드라이트가 형성된 금속막에 전극물질 슬러리를 도포하는 제2 단계;
    를 포함하는 에너지 저장장치용 전극의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 금속막은 구리 또는 알루미늄인 에너지 저장장치용 전극의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 전극물질은 활물질 및 도전재를 포함하는 에너지 저장장치용 전극의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전극물질은 바인더를 더 포함하는 에너지 저장장치용 전극의 제조방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제2 단계는
    상기 전극물질 슬러리로 전극물질 시트를 형성하는 단계; 및
    상기 전극물질 시트를 상기 덴드라이트가 형성된 금속막에 부착하는 단계;
    로 대체된 에너지 저장장치용 전극의 제조방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 활물질은 활성 탄소분말, 탄소 나노튜브, 흑연, 기상성장 탄소섬유, 탄소 에어로젤, 폴리아크릴로나이트릴이나 폴리비닐리덴플로라이드와 같은 고분자를 탄화하여 제조하는 탄소 나노섬유 및 활성화 탄소 나노섬유로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 물질로 이루어지는 에너지 저장장치용 전극의 제조방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 도전재는 카본 블랙인 에너지 저장장치용 전극의 제조방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 바인더는 카르복실메틸셀룰로오스, 폴리 비닐리덴 플로라이드계, 불소계 폴리테트라플루오로에틸렌, 및 고무계의 스티렌부타디엔러버로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 물질로 이루어지는 에너지 저장장치용 전극의 제조방법.
  16. 서로 마주보도록 이격되어 배치된 제1 및 제2 전극; 및
    상기 제1 및 제2 전극의 사이에 위치하여 제1 및 제2 전극을 분리하는 격리막;을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 어느 하나는 일면에 덴드라이트가 형성된 금속막 및 상기 금속막의 일면에 형성된 전극물질을 포함하는 전극인 에너지 저장장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 금속막은 구리 또는 알루미늄인 에너지 저장장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 전극물질은 활물질 및 도전재를 포함하는 에너지 저장장치.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 전극물질은 바인더를 더 포함하는 에너지 저장장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 활물질은 활성 탄소분말, 탄소 나노튜브, 흑연, 기상성장 탄소섬유, 탄소 에어로젤, 폴리아크릴로나이트릴이나 폴리비닐리덴플로라이드와 같은 고분자를 탄화하여 제조하는 탄소 나노섬유 및 활성화 탄소 나노섬유로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 물질로 이루어지는 에너지 저장장치.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 도전재는 카본블랙인 에너지 저장장치.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 바인더는 카르복실메틸셀룰로오스, 폴리 비닐리덴 플로라이드계, 불소계 폴리테트라플루오로에틸렌, 및 고무계의 스티렌부타디엔러버로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 물질로 이루어지는 에너지 저장장치.
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