KR101416803B1 - 전기화학 에너지 저장장치용 전극 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기화학 에너지 저장장치용 전극 및 그 제조방법에 관한 것으로, 도전성 접착물질을 포함하는 전극 활물질 시트를 집전체의 표면에 형성하도록 하여 전극 활물질 시트가 집전체에 쉽게 부착되도록 하여 전극의 제조를 용이하게 하고, 집전체의 표면에 형성된 전극 활물질 시트가 양호한 접착성을 가져 집전체로부터 쉽게 떨어지지 않도록 함으로써 전극의 수명을 향상시키기 위한 것이다. 본 발명에 따른 전기화학 에너지 저장장치용 전극은 집전체, 및 집전체의 표면에 형성되되, 접착성이 있는 전극 활물질 시트를 포함하는 전기화학 에너지 저장장치용 전극으로서, 전극 활물질 시트는 고분자 수지, 활성탄, 및 도전성 접착물질로 이루어진 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 전기화학 에너지 저장장치용 전극 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 전극의 제작을 용이하게 하고, 전극 활물질 시트가 양호한 접착성을 갖도록 하는 집전체, 및 접착성이 있는 전극 활물질 시트를 포함하는 전기화학 에너지 저장장치용 전극 및 그 제조방법에 관한 것이다.
전해 콘덴서, 슈퍼 커패시터(Super Capacitor), 전기 이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC), 리튬 이온 커패시터(Lithium Ion Capacitor; LIC) 등과 같은 전기화학 에너지 저장장치는 그 형태에 따라 파우치형, 캔형 등이 있다. 캔형은 원통형(권취형), 각형 등을 포함한다. 이때, 원통형은 축전 소자를 젤리롤 형태로 와인딩(Winding)한 다음, 원통형 케이스에 내장하여 제작하고 있다.
원통형(권취형)의 전기화학 에너지 저장장치 예를 들어, 원통형(권취형) 전기이중층 커패시터(EDLC) 및 원통형 리튬 이온 커패시터 등은 주로 알루미늄(Al) 재질의 원통형 케이스와 원통형 케이스에 내장된 축전 소자를 포함한다. 이러한 원통형(권취형) 전기이중층 커패시터(EDLC)는 주로 풍력, 쏠라, 전기 자동차 또는 하이브리드(Hybrid) 자동차의 모터 구동 등의 목적으로 적용되고 있다. 이때 축전 소자는 띠 형상의 전극 적층체, 구체적으로 양극 및 음극의 전극소자, 양극과 음극의 전극소자의 사이에 개재된 전해지로 이루어지는 띠 형상의 전극 적층체를 원통형으로 와인딩(Winding)한 후, 와인딩된 형태가 풀리지 않도록 외부 둘레를 테이핑(Taping)하여 구성되고 있다. 이와 같이 와인딩된 축전 소자는 전해액에 함침된 다음, 원통형 케이스 내부에 내장된다. 그리고 와인딩된 축전 소자의 상부에는 축전 소자를 외부와 전기적으로 연결시키는 단자판이 배치된다.
또한, 케이스의 상부에는 단자판이 아래로 밀리는 것을 방지하는 목부가 형성되어 있으며, 와인딩된 축전 소자는 케이스에 목부가 형성된 후 내장된다. 축전 소자와 외부단자는 단자에 의해 전기적으로 연결된다. 이후, 케이스의 상부 말단을 구부리는 컬링(Curling) 공정을 통해 단자판이 케이스에 고정되면서 완성된다.
전기화학 에너지 저장장치에 있어서, 전극은 집전체 및 전극 활물질로 형성되며, 집전체는 전기를 모아주는 역할을 하며, 전극 활물질은 전지의 전극 반응에 관여하는 물질이다.
종래에는 주로 활성탄을 주재료로 하는 전극 활물질을 제조한 후, 집전체에 전극 활물질을 입힌 다음, 롤 프레스로 압착하여 전극을 제조하였으나, 이렇게 제조된 전극은 전극 활물질이 벗겨지는 문제점이 있다.
또한 종래의 전극은 집전체에 전극 활물질을 접착시키기 위해 롤 프레싱 단계를 거치고, 압착 단계를 수행하는 등 그 제조 방법이 복잡한 문제점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 전극 활물질 시트가 집전체에 쉽게 부착되도록 하며, 집전체에 도포된 전극 활물질이 양호한 접착성을 갖도록 하기 위해 집전체, 및 집전체의 표면에 형성되되, 도전성 접착물질을 포함하는 전극 활물질 시트를 포함하는 전기화학 에너지 저장장치용 전극 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 집전체, 및 상기 집전체의 표면에 형성되되, 접착성이 있는 전극 활물질 시트를 포함하는 전기화학 에너지 저장장치용 전극으로서, 상기 전극 활물질 시트는 고분자 수지, 활성탄, 및 도전성 접착물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기화학 에너지 저장장치용 전극을 제공한다.
여기서 집전체는, 금속박, 금속 에칭박 및 금속 펀칭박으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것일 수 있다.
그리고 상기 금속박, 상기 금속 에칭박 및 상기 금속 펀칭박의 재료는, 알루미늄 또는 구리일 수 있다.
또한 그리고 상기 고분자 수지는, 카르복시메틸셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 히드록시프로필셀룰로오스, 폴리비닐알코올 및 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것일 수 있다.
또한 상기 집전체는 두께가 5 내지 100㎛인 것일 수 있다.
또한 그리고 상기 도전성 접착물질은, 도전성 물질, 및 접착제 조성물을 포함하는 것일 수 있다.
또한 그리고 상기 도전성 물질은, 구리, 금, 납, 니켈, 몰리브덴, 백금, 아연, 알루미늄, 은, 철, 텅스텐 및 팔라듐으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것일 수 있다.
또한 그리고 상기 접착제 조성물은, 아크릴 수지, 에폭시 수지, 폴리이미드 수지, 멜라민 수지, 폴리에스테르 수지, 페놀 수지, 폴리실리콘 수지로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학 에너지 저장장치용 전극은 도전성 접착물질을 포함하는 전극 활물질 시트를 집전체의 표면에 형성함으로써 전극 활물질 시트가 집전체에 쉽게 부착되도록 하여 전극의 제조를 용이하게 한다.
또한 본 발명에 따른 전기화학 에너지 저장장치용 전극은, 집전체의 표면에 형성된 전극 활물질 시트가 양호한 접착성을 가져 집전체로부터 쉽게 떨어지지 않도록 함으로써 전극의 수명을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 도전성 접착물질 등으로 이루어진 전극 활물질 시트 및 집전체를 포함하는 전기화학 에너지 저장장치용 전극을 보여주는 도면이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
또한 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 도전성 접착물질 등으로 이루어진 전극 활물질 시트(11) 및 집전체(10)를 포함하는 전기화학 에너지 저장장치용 전극(100)을 보여주는 도면이다.
여기서 집전체(10)는 금속박, 금속 에칭박 및 금속 펀칭박으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것일 수 있다. 한편, 집전체는 도전성 재료로 구성되는 것이면 특별히 제한되지 않는다.
또한 금속박, 금속 에칭박 및 금속 펀칭박의 재료로서, 알루미늄 또는 구리를 사용할 수 있다. 바람직하게는 알루미늄 또는 알루미늄 합금제의 것을 사용할 수 있는데, 통상적으로는 A1085, A3003재 등이 많이 사용된다.
집전체(10)는 두께에 의해 특별히 제한받지 않지만, 보통 5 내지 100㎛의 것이 바람직하다. 두께가 5㎛ 미만으로 지나치게 얇으면 기계적 강도가 작아 집전체(10)에 파손이 생길 수 있고, 두께가 100㎛를 초과하게 되면 전기화학 에너지 저장장치의 체적 중 집전체(10)가 차지하는 부피가 커져서 전기화학 에너지 저장장치의 부피당 전기용량이 낮아질 수 있다.
여기서 전극 활물질 시트(11)는 집전체(10)의 표면에 형성되며, 집전체(10)의 양면에 형성될 수 있다.
그리고 전극 활물질 시트(11)는 고분자 수지, 활성탄, 및 도전성 접착물질로 이루어진다.
여기서 고분자 수지는, 카르복시메틸셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 히드록시프로필셀룰로오스, 폴리비닐알코올 및 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것일 수 있다.
카르복시메틸셀룰로오스(Carboxymethyl Cellulose)는 셀룰로오스(cellulose)를 구성하고 있는 글루코오스잔기의 C6위의 히드록시기를 카르복시메틸기(-CH2COOH) 로 치환한 것(celluose-O-CH2COOH)이다. 이러한 히드록시기의 40% 이상을 카르복시메틸기로 치환한 것은 물에 녹아 안정된 젤을 만든다. 공업적으로는 펄프에 수산화나트륨과 클로로 아세트산을 반응시켜 만든다.
메틸셀룰로오스(Methyl Cellulose)는 알칼리 존재하에서 셀룰로오스에 다이메틸황산을 작용시켜 합성하는데, 제조 조건에 따라 치환도가 다른 여러 가지의 메틸셀룰로오스가 생긴다.
그리고 폴리비닐 알코올(Polyvinyl Alcohol)은 폴리초산비닐을 검화 탈초산하여 얻어지는 고분자화합물로서, 수산기를 포함하기 때문에 물에 녹는 성질을 지닌다.
한편, 폴리테트라플루오로불화에틸렌 그 자체는 수용성은 아니지만, 미리 물 등의 용제 중에 에멀젼 상태로서 분산시킴으로써 전극 활물질의 제조 및 취급이 용이해진다. 이러한 에멀젼 형의 폴리테트라플루오로에틸렌의 경우, 순수한 물에 계면 활성제 등을 이용하여 분산되어 있는 경우가 많다. 그로 인해 완성된 폴리테트라플루오로에틸렌의 종류에 따라 pH가 상이하다. 전기화학 에너지 저장장치용 전극(100)에 사용되는 전극 활물질은 중성 또는 약알칼리성인 것이 바람직하다.
여기서, 전기화학 에너지 저장장치용 전극(100)의 제조에 사용되는 활성탄의 종류에 따라서는, 활성탄의 처리에 의해서는 표면 화학 물질로서 카르복실기가 잔류물로서 남아 있는 경우가 있다. 이러한 활성탄은 약알칼리성인 수지 용액 중에 분산시키는 것이 용이하다. 그러나 수지용액의 산성도가 높은 경우 활성탄을 균일하게 분산시키기 어렵게 된다. 이로 인해 폴리테트라플루오로에틸렌의 분산액의 pH는 5 내지 12가 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 전기화학 에너지 저장장치용 전극(100)의 제조에 사용되는 도전성 접착물질은 도전성 물질, 및 접착제 조성물을 포함할 수 있다.
여기서 도전성 물질은 구리, 금, 납, 니켈, 몰리브덴, 백금, 아연, 알루미늄, 은, 철, 텅스텐 및 팔라듐으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 또한 여기에 전기 전도도를 높이기 위해서 탄소나노튜브 등과 같은 탄소 물질이 더 포함될 수 있다.
또한, 여기서 접착제 조성물은 아크릴 수지, 에폭시 수지, 폴리이미드 수지, 멜라민 수지, 폴리에스테르 수지, 페놀 수지, 폴리실리콘 수지로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
한편, 전술한 도전성 접착물질을 제조함에 있어서, 도전성 물질 및 접착제 조성물에 용매 및 첨가제 등이 첨가될 수 있다.
전술한 용매나 첨가제로는 접착제 조성물에 통상적으로 사용되는 것들을 사용할 수 있다. 예컨대, 접착제 조성물로 에폭시 수지를 사용하는 경우에는 용매로 메틸에틸케톤을 사용할 수 있고, 경화제로는 메틸 테트라 하이드로프탈산 무수물, 촉매로는 2 에틸 4 메틸 이미다졸을 쓰는 것이 바람직하나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
도전성 접착물질의 제조에 있어서, 접착제 조성물, 도전성 물질 및 첨가제의 종류는 도전성 접착물질의 내열성, 안정성 등에 영향을 줄 수 있다.
전술한 접착성이 있는 전극 활물질 시트(11)는 집전체(10)의 표면에 형성될 때, 종래의 열 압착공정 등이 없더라도 쉽게 집전체(10)의 표면에 부착될 수 있어, 전기화학 에너지 저장장치용 전극(100)의 제조가 용이할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10 : 집전체
11 : 전극 활물질 시트
100 : 전기화학 에너지 저장장치용 전극
11 : 전극 활물질 시트
100 : 전기화학 에너지 저장장치용 전극
Claims (8)
- 집전체;
상기 집전체의 표면에 부착되되, 접착제 조성물을 포함하여 접착성이 있는 전극 활물질 시트; 를 포함하는 전기화학 에너지 저장장치용 전극으로서,
상기 전극 활물질 시트는 고분자 수지, 활성탄 및 도전성 접착물질로 이루어지고,
상기 고분자 수지는,
카르복시메틸셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 히드록시프로필셀룰로오스, 폴리비닐알코올 및 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되고,
상기 도전성 접착물질은,
도전성 물질, 및 접착제 조성물을 포함하고,
상기 도전성 물질은,
구리, 금, 납, 니켈, 몰리브덴, 백금, 아연, 알루미늄, 은, 철, 텅스텐 및 팔라듐으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되고,
상기 접착제 조성물은,
아크릴 수지, 에폭시 수지, 폴리이미드 수지, 멜라민 수지, 폴리에스테르 수지, 페놀 수지, 폴리실리콘 수지로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되어, 용매 및 경화제를 첨가하여 제조되고,
상기 용매 및 상기 경화제로는 상기 에폭시 수지를 사용하는 경우에는 용매로 메틸에틸케톤을 사용하고, 경화제로는 메틸 테트라 하이드로프탈산 무수물, 촉매로는 2 에틸 4 메틸 이미다졸을 사용하는 것을 특징으로 하는 전기화학 에너지 저장장치용 전극. - 제1항에 있어서, 상기 집전체는,
금속박, 금속 에칭박 및 금속 펀칭박으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 전기화학 에너지 저장장치용 전극. - 제2항에 있어서,
상기 금속박, 상기 금속 에칭박 및 상기 금속 펀칭박의 재료는,
알루미늄 또는 구리인 것을 특징으로 하는 전기화학 에너지 저장장치용 전극. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 집전체는,
두께가 5 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 전기화학 에너지 저장장치용 전극. - 삭제
- 삭제
- 집전체를 준비하는 단계;
준비된 상기 집전체의 표면에 접착제 조성물을 포함하여 접착성이 있는 전극 활물질 시트를 부착하는 단계; 를 포함하고,
상기 전극 활물질 시트는 고분자 수지, 활성탄 및 도전성 접착물질로 이루어지고,
상기 고분자 수지는,
카르복시메틸셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 히드록시프로필셀룰로오스, 폴리비닐알코올 및 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되고,
상기 도전성 접착물질은,
도전성 물질, 및 접착제 조성물을 포함하고,
상기 도전성 물질은,
구리, 금, 납, 니켈, 몰리브덴, 백금, 아연, 알루미늄, 은, 철, 텅스텐 및 팔라듐으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되고,
상기 접착제 조성물은,
아크릴 수지, 에폭시 수지, 폴리이미드 수지, 멜라민 수지, 폴리에스테르 수지, 페놀 수지, 폴리실리콘 수지로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되어 용매 및 경화제를 첨가하여 제조되고,
상기 용매 및 상기 경화제로는 상기 에폭시 수지를 사용하는 경우에는 용매로 메틸에틸케톤을 사용하고, 경화제로는 메틸 테트라 하이드로프탈산 무수물, 촉매로는 2 에틸 4 메틸 이미다졸을 사용하는 것을 특징으로 하는 전기화학 에너지 저장장치용 전극 제조방법.
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