KR101416814B1 - 전해액 함침장치, 이를 이용한 슈퍼 커패시터 제조시스템 및 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전해액 함침장치에 관한 것으로서, 롤 형태의 전극시트가 감겨져 있는 전극시트롤과, 롤 투 롤 방식에 의해 진행되는 전극시트에 전해액을 분무하여 함침시키는 적어도 하나의 분사장치를 포함하여, 양극시트 및 음극시트에 전해액을 함침시킨 후 전해액이 함침된 양극시트 및 음극시트와 분리막으로 이루어진 커패시터 소자를 권취하기 때문에 전해액이 커패시터 소자에 균일하게 분포할 수 있다.

Description

전해액 함침장치, 이를 이용한 슈퍼 커패시터 제조시스템 및 제조방법{Electrolyte impregnation system, manufacturing system and manufacturing method of super capacitor thereof}
본 발명은 슈퍼 커패시터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 슈퍼 커패시터를 제조할 때, 전극을 형성한 이후 전극에 전해액을 함침하는 과정에서 전해액을 전극들 사이에 균일하게 분포시킬 수 있는 전해액 함침장치, 이를 이용한 슈퍼 커패시터 제조시스템 및 제조방법에 관한 것이다.
정보화 시대에는 각종 정보통신기기를 통해 다양하고 유용한 정보를 실시간으로 수집 및 활용하는 고부가가치 산업이 주도하고 있으며, 이러한 시스템의 신뢰성 확보를 위해서는 안정적인 에너지의 공급이 중요한 요소로 인식되고 있다.
안정적인 에너지 확보의 일환으로서, 가장 일반적인 에너지 저장장치인 배터리는 비교적 작은 부피와 중량으로 상당히 많은 에너지를 저장할 수 있고, 여러 용도에서 적당한 출력을 내어 줄 수 있기 때문에 널리 사용되고 있다. 그러나 배터리는 종류에 무관하게 저장특성 및 사이클 수명이 낮은 공통적인 문제점이 있다. 이는 배터리에 내포되어 있는 화학물질의 자연적인 열화현상 또는 사용에 따른 열화현상 때문이다. 이러한 배터리 단점은 자연적인 현상이어서 별다른 대안이 제시되고 못하고 있는 실정이다.
한편 커패시터를 고용량으로 개선시킨 슈퍼 커패시터(super capacitor)는 화학반응을 이용하는 배터리와는 달리 전극과 전해액 사이에 형성되는 전기 이중층을 이용한 에너지 저장 장치이다. 이러한 슈퍼 커패시터는 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전 현상을 이용한다. 이에 따라 급속 충방전이 가능하며 높은 충방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명 특성으로 인해, 보조 배터리나 배터리 대체용으로 사용될 수 있는 차세대 에너지 저장 장치로서 각광받고 있다.
슈퍼 커패시터의 기본구조는 전극(electrode), 전해질(electrolyte), 집전체(current collector), 분리막(separator)으로 이루어져 있으며, 단위 셀 전극의 양단에 수 볼트의 전압을 가해 전해액 내의 이온들이 전기장을 따라 이동하여 전극표면에 흡착되는 일련의 전기 화학적 메커니즘을 작동원리로 한다.
실제 슈퍼 커패시터의 전극 제작에는 다양한 물질들이 사용되고 있다. 전극의 가장 기본적인 재료인 탄소전극재료(활물질)와 도전재 및 고분자 결합제가 그것이며, 이들을 슬러리(slurry)로 만들어 집전체에 도포하여 전극을 제조하게 된다. 여기서 결합제는 활물질끼리의 결합 형성 및 집전체와 전극재료들 간의 결합력을 제공하는 중요한 역할을 한다.
슈퍼 커패시터의 하나인 권취형 슈퍼 커패시터는 분리막과 분리막 양면에 양극과 음극을 적층하여 나선형으로 감아 제조한다. 이러한 권취형 슈퍼 커패시터를 제조하는 과정에서 전극들 사이에 전해질을 분포시키는 과정, 즉 전해질을 함침시키는 과정을 거치게 된다.
종래 커패시터 소자에 전해질을 분포시키는 과정은 진공상태를 가지는 공간에서, 양극과 음극이 분리막으로 기준으로 권취시킨 커패시터 소자에 전해액을 공급하여 커패시터 소자에 전해질을 함침시켰다. 하지만 이와 같은 과정은 전해액이 커패시터 소자 전체적으로 균일하게 분포되지 않는 문제점이 있다.
따라서 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 양극시트, 음극시트 및 분리막으로 이루어진 커패시터 소자를 권취하기 전 양극시트 및 음극시트에 전해액을 함침시키 때문에 전해액이 커패시터 소자에 균일하게 분포할 수 있는 전해액 함침장치, 이를 이용한 슈퍼 커패시터 제조시스템 및 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 롤 형태의 전극시트가 감겨져 있는 전극시트롤, 롤 투 롤 방식에 의해 진행되는 상기 전극시트에 상기 전해액을 분무하여 함침시키는 적어도 하나의 분사장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전해액 함침장치를 제공한다.
본 발명의 전해액 함침장치에 있어서, 상기 분사장치는 상기 전해액을 수용하는 제1저장탱크 및 상기 제1저장탱크에 설치되어 상기 전해액을 분무하는 제1분사노즐을 포함하는 제1분사장치와, 상기 전해액을 수용하는 제2저장탱크 및 상기 제2저장탱크에 설치되어 상기 전해액을 분무하는 제2분사노즐을 포함하는 제2분사장치를 포함하고, 상기 전극시트롤은 롤 형태의 양극시트가 감겨져 있는 양극시트롤 및 롤 형태의 음극시트가 감겨져있는 음극시트롤을 포함하고, 상기 양극시트는 롤 투 롤 방식에 의해 진행되어 상기 제1분사장치의 분무에 의해 상기 전해액이 함침되고, 상기 음극시트는 롤 투 롤 방식에 의해 진행되어 상기 제2분사장치의 분무에 의해 상기 전해액이 함침되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 전해액 함침장치에 있어서, 상기 양극시트는 양극 집전체와 상기 양극 집전체 양면 또는 일면에 구비된 양극 활물질을 포함하고, 상기 음극시트는 음극 집전체와 상기 음극 집전체 양면 또는 일면에 구비된 음극 활물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 전해액 함침장치에 있어서, 상기 양극 집전체 및 상기 음극 집전체의 재질은 PC(polycarbonate)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 전해액 함침장치에 있어서, 상기 전해액을 수용하고, 롤 투 롤 방식에 의해 진행되어 내부로 투입되는 상기 양극시트에 상기 전해액을 함침시키는 제1배트, 상기 전해액을 수용하고, 롤 투 롤 방식에 의해 진행되어 내부로 투입되는 상기 음극시트에 상기 전해액을 함침시키는 제2배트를 더 포함하고, 상기 제1배트는 상기 제1분사장치를 기준으로 앞 또는 뒤에 위치하고, 상기 제2배트는 상기 제2분사장치를 기준으로 앞 또는 뒤에 위치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 전해액 함침장치에 있어서, 상기 제1배트 및 제2배트는 각각 상부에 개폐가능하게 설치되고 인출홀 및 인입홀이 형성된 뚜껑을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 전해액 함침장치에 있어서, 상기 제1배트 및 제2배트는 각각 내부에 설치되어, 초음파에 의해 상기 제1배트 및 제2배트에 수용되는 상기 전해액을 진동시키는 초음파 발생부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 롤 형태의 양극시트가 감겨져 있는 양극시트롤, 롤 형태의 음극시트가 감겨져 있는 음극시트롤, 전해액을 수용하는 제1저장탱크와, 상기 제1저장탱크에 설치되어 상기 전해액을 분무하는 제1분사노즐을 포함하고, 롤 투 롤 방식에 의해 진행되는 상기 양극시트에 상기 전해액을 분무하여 함침시키는 적어도 하나의 제1분사장치, 상기 전해액을 수용하는 제2저장탱크와, 상기 제2저장탱크에 설치되어 상기 전해액을 분무하는 제2분사노즐을 포함하고, 롤 투 롤 방식에 의해 진행되는 상기 음극시트에 상기 전해액을 분무하여 함침시키는 적어도 하나의 제2분사장치, 상기 전해액이 분무된 상기 양극시트, 상기 전해액이 분무된 상기 음극시트 및 상기 양극시트와 상기 음극시트 사이에 위치하여 이들을 전기적으로 절연시켜주는 분리막을 적층 후 압착하여 커패시터 소자를 형성하는 압착롤러, 상기 압착롤러를 통해 형성된 상기 커패시터 소자를 권취하는 권취롤을 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 제조시스템을 제공한다.
본 발명의 슈퍼 커패시터 제조시스템에 있어서, 상기 전해액을 수용하고, 롤 투 롤 방식에 의해 진행되어 내부로 투입되는 상기 양극시트에 상기 전해액을 함침시키는 제1배트, 상기 전해액을 수용하고, 롤 투 롤 방식에 의해 진행되어 내부로 투입되는 상기 음극시트에 상기 전해액을 함침시키는 제2배트를 더 포함하고, 상기 제1배트는 상기 제1분사장치를 기준으로 앞 또는 뒤에 위치하고, 상기 제2배트는 상기 제2분사장치를 기준으로 앞 또는 뒤에 위치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 전해액을 수용하는 제1저장탱크와 상기 제1저장탱크에 설치되어 상기 전해액을 분무하는 제1분사노즐을 포함하는 적어도 하나의 제1분사장치를 구비하여, 롤 투 롤 방식에 의해 진행되는 양극시트에 상기 전해액을 분무하여 함침시키는 제1함침단계, 상기 전해액을 수용하는 제2저장탱크와 상기 제2저장탱크에 설치되어 상기 전해액을 분무하는 제2분사노즐을 포함하는 적어도 하나의 제2분사장치를 구비하여, 롤 투 롤 방식에 의해 진행되는 음극시트에 상기 전해액을 분무하여 함침시키는 제2함침단계, 압착롤러가 상기 전해액이 함침된 상기 양극시트, 상기 전해액이 함침된 상기 음극시트 및 상기 양극시트와 상기 음극시트 사이에 위치하여 이들을 전기적으로 절연시켜 주는 분리막을 적층 후 압착하여 커패시터 소자를 형성하는 적층단계, 상기 커패시터 소자를 권취하는 권취단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 제조방법을 제공한다.
본 발명의 슈퍼 커패시터 제조방법에 있어서, 상기 제1함침단계는 상기 전해액을 수용하는 제1배트에서 롤 투 롤 방식에 의해 진행되어 내부로 투입되는 상기 양극시트에 상기 전해액을 함침시키는 제3함침단계를 더 포함하고, 상기 제2함침단계는 상기 전해액을 수용하는 제2배트에서 롤 투 롤 방식에 의해 진행되어 내부로 투입되는 상기 음극시트에 상기 전해액을 함침시키는 제4함침단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 슈퍼 커패시터 제조방법에 있어서, 케이스가 상기 권취된 커패시터 소자의 외관을 감싸는 완성단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 전해액 함침장치, 이를 이용한 슈퍼 커패시터 제조시스템 및 제조방법에 따르면, 양극시트 및 음극시트에 전해액을 함침시킨 후 전해액이 함침된 양극시트 및 음극시트와 분리막으로 이루어진 커패시터 소자를 권취하기 때문에 전해액이 커패시터 소자에 균일하게 분포할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전해액 함침장치를 나타낸 도면이다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼 커패시터 제조시스템을 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼 커패시터 제조시스템을 설명하는 도면으로서,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 양극시트, 음극시트 및 분리막이 적층되어 커패시터 소자를 형성하는 것을 설명하는 도면이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 커패시터 소자가 권취되는 것을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼 커패시터 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전해액 함침장치를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 슈퍼 커패시터 제조시스템을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 슈퍼 커패시터 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 슈퍼 커패시터 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 완성단계를 설명하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 뚜껑이 구비된 제1배트 및 제2배트를 나타낸 도면이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
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 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.
본 발명에 따라 제조되는 슈퍼 커패시터는 화학반응을 이용하는 배터리와는 달리 전극과 전해액 사이에 형성되는 전기 이중층을 이용한 에너지 저장 장치이다. 즉, 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전 현상을 이용한 에너지 저장 장치이다.
이하 참조된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 슈퍼 커패시터 제조시스템 및 제조방법을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전해액 함침장치를 나타낸 도면이다.
도 1을 참도하면, 본 발명의 실시예에 따른 전해액 함침장치(100)는 전극시트롤, 적어도 하나의 분사장치를 포함한다.
전해액 함침장치(100)는 롤 투 롤 방식이 적용되는데, 이와 관련해서는 후술하기로 한다.
전극시트롤은 롤 형태의 전극시트가 감겨져 있다. 전극시트롤은 롤 형태의 양극시트(30)가 감겨져 있는 양극시트롤(35) 또는 홀 형태의 음극시트(40)가 감겨져 있는 음극시트롤(45)를 포함할 수 있다.
분사장치는 제1분사장치(1) 및 제2분사장치(2)를 포함한다.
제1분사장치(1)는 전해액(15)을 수용하는 제1저장탱크(2)와 제1저장탱크(2)에 설치되어 전해액(15)을 분무하는 제1분사노즐(3)을 포함할 수 있다.
제1분사장치(1)는 롤 투 롤 방식에 의해 진행되는 전극시트에 전해액(15)을 분무하여 전해액(15)을 함침시킬 수 있다. 예를 들어, 전극시트 중 하나의 양극시트(30)는 롤 투 롤 방식에 의해 진행되어 양극시트(30) 일면 또는 타면과 마주보는 곳에 적어도 하나의 제1분사노즐(3)이 위치하게 되고, 제1분사노즐(3)을 통해 제1저장탱크(2)에 저장되어 있던 전해액(15)이 분무되어 양극시트(30)에 함침될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전해액 함침장치(100)는 양극시트(30) 일면 및 타면과 마주보는 곳에 각각 하나의 제1분사장치(1)가 위치하고 있지만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니고, 양극시트(30) 일면 및 타면과 마주보는 곳에 두 개 이상의 제1분사장치(1)가 위치하여 양극시트(30) 양면 또는 일면에 전해액(15)이 충분히 함침되도록 할 수 있다.
제2분사장치(5)는 전해액(15)을 수용하는 제2저장탱크(6)와 제2저장탱크(6)에 설치되어 전해액(15)을 분무하는 제2분사노즐(7)을 포함할 수 있다.
제2분사장치(5)는 롤 투 롤 방식에 의해 진행되는 전극시트에 전해액(15)을 분무하여 전해액(15)을 함침시킬 수 있다. 예를 들어, 전극시트 중 하나의 음극시트(40)는 롤 투 롤 방식에 의해 진행되어 음극시트(40) 일면 또는 타면과 마주보는 곳에 적어도 하나의 제2분사노즐(7)이 위치하게 되고, 제2분사노즐(7)을 통해 제2저장탱크(6)에 저장되어 있던 전해액(15)이 분무되어 음극시트(40)에 함침될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전해액 함침장치(100)는 음극시트(40) 일면 및 타면과 마주보는 곳에 각각 하나의 제2분사장치(5)가 위치하고 있지만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니고, 음극시트(40) 일면 및 타면과 마주보는 곳에 두 개 이상의 제2분사장치(5)가 위치하여 음극시트(40) 양면 또는 일면에 전해액(15)이 충분히 함침되도록 할 수 있다.
양극시트(30) 및 음극시트(40)는 외부에서 전계가 가해졌을 때 각각 양전하 및 음전하를 저장하는 역할을 수행한다. 이에 따라, 양극시트(30) 및 음극시트(40)는 전해액(15) 내의 양이온 및 음이온과 전기적인 흡착 및 탈착을 한다. 즉, 외부로부터 전계를 가하면 양극시트(30) 및 음극시트(40)의 계면에 각각 양이온과 음이온이 흡착되어 충전되고, 전계를 제거하면 흡착된 이온이 탈착하면서 방전된다.
양극시트(30)는 양극 집전체와 양극 집전체 양면 또는 일면에 구비된 슬러리(slurry)로 만들어진 양극재료를 포함하고, 음극시트(30)는 음극 집전체와 음극 집전체 양면 또는 일면에 구비된 슬러리(slurry)로 만들어진 음극재료를 포함할 수 있다.
양극 집전체 및 음극 집전체는 슈퍼 커패시터에서 활물질의 전기화학반응으로 생성된 전자를 축적하여 외부회로에 전달하는 역할을 한다. 본 발명의 실시예에 따른 양극 집전체 및 음극 집전체는 폴리카보네이트(polycabonate, PC)를 사용하고 있으나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니고, 양극 집전체 및 음극 집전체로 알루미늄, 니켈, 티타늄, 동, 금, 은, 백금, 코발트 등의 단체, 합금 혹은 화합물이 사용될 수 있고, 도전성 카본, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리프로필 등의 도전성 폴리머 등이 사용될 수 있다.
슬러리(slurry)로 만들어진 음극재료 및 양극재료는 전극 활물질, 도전재 및 바인더가 사용된다.
전극 활물질로 활성탄이 사용될 수 있는데, 활성탄은 높은 전기전도성, 열전도성, 낮은 밀도, 적합한 내부식성, 낮은 열팽창율 그리고 높은 순도를 지닌 다공성 탄소계 물질이 이용될 수 있다. 예를 들어, 전극 활물질로 사용될 수 있는 물질로 활성 탄소분말(ACP ; Activated Carbon Powder), 탄소 나노튜브 (CNT ; carbon nano tube), 흑연, 기상 성장 탄소섬유(VGCF ; vapor grown carbon Fiber), 탄소 에어로겔(carbon aerogel), 폴리 아크릴로나이트릴(PAN ; poly acrylonitrile) 및 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF ; polyvinylidenefluoride)와 같은 고분자를 탄화하여 제조하는 탄소 나노섬유(CNF ; carbon nano fiber) 및 활성화탄소 나노 섬유(ACNF ; activated carbon nano fiber) 등이 사용될 수 있다.
도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위한 물질로서, 카본 블랙(CB ; carbon black), 아세틸렌 블랙(acetylene black), 캐첸 블랙(ketjen black), 흑연 또는 슈퍼-피(super-p) 등이 사용될 수 있다.
바인더는 전극 활물질과 도전재의 결합 및 전극 활물질과 양극 집전체 및 음극 집전체 결착을 위한 가교역할을 한다. 바인더로 사용될 수 있는 물질로는 CMC(carboxy methyl cellulose), 폴리비닐피롤리돈 (PVP ; polyvinylpyrrolidone), 불소계의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE ; poly tetra fluoroethylene) 분말이나 에멀젼, 및 고무계의 스티렌 부타디엔 러버(SBR ; styrene butadiene rubber) 등이 사용될 수 있고, 이와 같은 물질이 적어도 하나 이상이 혼합된 형태로 사용될 수 있다. CMC(carboxy methyl cellulose)는 전극 슬러리의 점도를 풀과 비슷한 상태로 유지하면서 양극 집전체 및 음극 집전체와 결착력을 높이는 역할을 한다. CMC는 결착력을 높이지만 전극 슬러리가 캐스팅(casting) 된 후에는 전극물질층의 취성(embrittlement)을 증가시킨다. 이러한 CMC는 집전체와 전극 슬러리의 결착력을 얻기 위해 사용될 수 있다. 폴리비닐피롤리돈(PVP)은 분산제로 작용하며 전극 슬러리를 이루고 있는 입자들의 분산을 도와주는 역할을 한다. 이러한 폴리비닐피롤리돈은 첨가량이 적고 분산에 도움을 줄 수 있는 다른 물질이 있다면 대체 가능하다. 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 전극 슬러리 내부에서 에멀젼 상태로 포진하고 있다가 용융점이상에서 용융되면 거미줄과 같이 폴리머가 입자들을 감싸 안게 된다. 이러한 폴리테트라플루오로에틸렌은 입자간의 결합력을 안정적으로 높여줄 수 있다. 고무계의 스티렌 부타디엔 러버(SBR)는 입자들의 표면을 코팅하여 표면을 보호하는 역할을 한다. 추가로 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드, 카르복시메틸셀룰로오즈, 하이드로프로필메틸셀룰로오즈 및 폴리비닐알콜로 등을 더 포함할 수 있다.
전해액(15)은 양극시트(30) 및 음극시트(40)에서 발생하는 전하가 원할하게 이동하게 할 수 있으며, 액체 상태의 용매로 양이온과 음이온으로 이루어진 염으로 구성할 수 있다.
전해액(15)은 비수 용매가 사용될 수 있으며, 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 락톤, 에테르, 에스테르, 케톤, 및/또는 물을 사용할 수 있다.
환형 카보네이트의 예로는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC) 등이 있고, 선형 카보네이트의 예로는 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디프로필 카보네이트(DPC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 및 메틸 프로필 카보네이트(MPC) 등이 있다. 락톤의 예로는 감마부티로락톤(GBL)이 있으며, 에테르의 예로는 디부틸에테르, 테트라히드로푸란, 2-메틸테트라히드로푸란, 1,4-디옥산, 1,2-디메톡시에탄 등이 있다. 또한 에스테르의 예로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 메틸 피발레이트 등이 있으며, 케톤으로는 폴리메틸비닐 케톤이 있으나, 이에 한정하지 않는다. 이들 비수 용매는 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 전해액(15)으로 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온이나 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하고, PF6 -, BF4 -, Cl-, Br-, I-, ClO4 -, ASF6 -, CH3CO2 -, CF3SO3 -, N(CF3SO2)2 -, C(CF2SO2)3 -와 같은 음이온이나 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하는 염인 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 디프로필카보네이트(DPC), 디메틸설폭사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 테트라하이드로퓨란, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 에틸메틸카보네이트(EMC), 감마 부티로락톤 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 유기 용매에 용해, 해리되어 있는 것 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 액체 상태의 용매로 양이온과 음이온으로 이루어진 염으로 구성된 다양한 물질이 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼 커패시터 제조시스템을 나타낸 도면이다. 도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼 커패시터 제조시스템을 설명하는 도면으로서, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 양극시트, 음극시트 및 분리막이 적층되어 커패시터 소자를 형성하는 것을 설명하는 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 커패시터 소자가 권취되는 것을 설명하는 도면이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼 커패시터 제조시스템(300)은 양극시트롤(35), 음극시트롤(45), 제1분사장치(1), 제2분사장치(5), 압착롤러(80) 및 권취롤(85)을 포함한다.
도 2에 있어서, 양극시트롤(35), 음극시트롤(45), 제1분사장치(1), 제2분사장치(5)는 도 1의 양극시트롤(35), 음극시트롤(45), 제1분사장치(1), 제2분사장치(5)와 동일하다. 따라서, 이하에서는 압착롤러(80) 및 권취롤(85)을 위주로 설명한다.
앞서 설명한 것처럼, 전해액 함침장치는 롤 투 롤 방식이 적용되는데, 이를 이용한 슈퍼 커패시터 제조시스템(300)도 롤 투 롤 방식이 적용된다. 롤 투 롤 방식이란 롤 형태의 모재를 공급받고, 슈퍼 커패시터 제조시스템(300)의 진행에 따라 연속적으로 모재를 가공하여 롤 형태의 완전 제품을 만드는 방식이다. 즉, 본 발명의 슈퍼 커패시터 제조시스템(300)에서는 모재로 양극시트(30), 음극시트(40), 제1분리막(50), 제2분리막(52), 제3분리막(54)이 사용되고, 양극시트(30)는 양극시트롤(35)에 음극시트(40)는 음극시트롤(45)에 제1분리막(50)은 제1분리막롤(51)에 제2분리막(52)은 제2분리막롤(53)에 제3분리막(54)은 제3분리막롤(55)에 롤 형태로 감겨져 있다. 양극시트롤(35), 음극시트롤(45), 제1분리막롤(51), 제2분리막롤(53) 또는 제3분리막롤(55)로 구동롤러가 사용될 수 있다. 이런 모재는 후술할 각각의 과정을 통해 가공하여 롤 형태, 즉 권취된 커패시터 소자가 만들어질 수 있다.
압착롤러(80a, 80b)는 전해액(15)이 함침된 양극시트(10), 전해액(25)이 함침된 음극시트(20) 및 양극시트(10)와 음극시트(20) 사이에 위치하여 이들을 전기적으로 절연시켜주는 분리막(50)을 적층 후 압착하여 커패시터 소자(90)를 형성한다.
양극시트(10), 음극시트(20) 및 분리막(50)으로 형성되는 커패시터 소자(90)는 압착롤러(80a, 90b) 사이를 통과함으로서 양극시트(10), 음극시트(20) 및 분리막(50)이 압착롤서(80a, 90b) 사이를 통과하지 않고 적층될 때보다 더 얇은 두께를 가질 수 있고, 양극시트(30), 음극시트(40) 및 분리막(52)은 더욱 결착될 수 있다.
분리막(50)은 양극시트(30)의 양면 또는 음극시트(40)의 양면에 적층될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에서는 음극시트(40)와 양극시트(30)를 전기적으로 절연시켜 주기 위해, 양극시트(30)를 사이에 두고 양극시트(30) 양면에 제1분리막(50) 및 제2분리막(52)이 적층되고, 음극시트(40)를 사이에 두고 음극시트(40) 양면에 제1분리막(50) 및 제3분리막(54)이 적층되어 커패시터 소자(90)를 형성하고 있지만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않고, 양극시트(30)와 음극시트(40) 사이에 위치한 분리막(50)과 분리막(50)이 적층되어 있지 않은 양극시트(30) 일면 또는 분리막(50)이 적층되어 있지 않은 음극시트(40) 일면 중 한 곳에만 분리막(52)이 적층되어 커패시터 소자를 형성할 수 있다.
분리막(50, 52, 54)은 특정 형태로 한정되는 것은 아니지만, 다공성 분리막을 사용하는 것이 바람직하며, 일예로서 폴리프로필렌계, 폴리에틸렌계, 또는 폴리올레핀계 다공성 분리막 등이 이용될 수 있다.
커패시터 소자(90)는 일단이 양극시트(30)에 부착되고 타단이 일정방향으로 돌출되어 형성되는 양극단자(32)와 일단이 음극시트(40)에 부착되고 타단이 일정방향으로 돌출되어 형성되는 음극단자(42)를 구비할 수 있다. 즉, 커패시터 소자(90)는 양극시트(30) 및 음극시트(40)와 수직한 방향으로 배치된 양극단자(32) 및 음극단자(42)를 구비할 수 있다.
양극단자(32) 및 음극단자(42)의 재질 알루미늄 또는 스틸(Steel) 또는 스테인레스 스틸 중의 하나가 사용될 수 있으며, 양극단자(32) 및 음극단자(42)의 표면은 니켈 또는 주석에 의해 코팅 형성될 수 있다.
양극단자(32) 및 음극단자(42)는 외부전력과 연결해주는 역할을 한다.
권취롤(85)은 압착롤러(80)를 통해 형성된 커패시터 소자(90)를 권취한다. 즉, 권취롤(85)은 회전하여 시트형태의 커패시터 소자(90)를 나선형으로 감을 수 있다. 이를 통해 권취형 슈퍼 커패시터가 제조된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼 커패시터 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼 커패시터 제조방법은 전해액을 수용하는 제1저장탱크와 제1저장탱크에 설치되어 전해액을 분무하는 제1분사노즐을 포함하는 적어도 하나의 제1분사장치를 구비하여, 롤 투 롤 방식에 의해 진행되는 양극시트에 전해액을 분무하여 함침시키는 제1함침단계(S1) 및 전해액을 수용하는 제2저장탱크와 제2저장탱크에 설치되어 전해액을 분무하는 제2분사노즐을 포함하는 적어도 하나의 제2분사장치를 구비하여, 롤 투 롤 방식에 의해 진행되는 음극시트에 전해액을 분무하여 함침시키는 제2함침단계(S2)를 포함한다.
제1함침단계(S1)는, 우선 양극시트를 사이에 두고 제1분사노즐을 위치시킨다. 즉, 양극시트 일면 또는 타면과 마주보는 곳에 각각 적어도 하나의 제1분사노즐을 위치시킨다. 양극시트는 슈퍼 커패시터 제조시스템의 진행에 따라 한방향으로 이동하는데, 이 때, 양극시트 일면 또는 타면과 마주보는 곳에 위치하고 있는 적어도 하나의 제1분사노즐을 통해 제1저장탱크에 저장되어 있는 전해액을 분무되고, 이로 인해 전해액은 양극시트 양면 또는 일면에 함침된다. 양극시트는 일정한 속도로 진행하고, 전해액은 작은 입자 상태로 분무되기 때문에, 양극시트는 전체적으로 균일하게 분포된 전해액이 함침될 수 있다.
제2함침단계(S2)는, 우선 음극시트를 사이에 두고 제2분사노즐을 위치시킨다. 즉, 음극시트 일면 또는 타면과 마주보는 곳에 각각 적어도 하나의 제2분사노즐을 위치시킨다. 음극시트는 슈퍼 커패시터 제조시스템의 진행에 따라 한방향으로 이동하는데, 이 때, 음극시트 일면 또는 타면과 마주보는 곳에 위치하고 있는 적어도 하나의 제2분사노즐을 통해 제2저장탱크에 저장되어 있는 제2전해액을 분무되고, 이로 인해 전해액은 음극시트 양면 또는 일면에 함침된다. 음극시트는 일정한 속도로 진행하고, 전해액은 작은 입자 상태로 분무되기 때문에, 음극시트는 전체적으로 균일하게 분포된 전해액이 함침될 수 있다.
종래는 양극시트, 음극시트 및 분리막을 적층하여 형성된 커패시터 소자를 적층하고 권취한 후 전해액을 투입하는 과정으로 양극시트 및 음극시트에 전해액을 함침시켰다. 커패시터 소자를 권취한 후 커패시터 소자에 전해액을 함침시키면 양극시트 및 음극시트는 권취되어 있기 때문에 양극시트 및 음극시트에 전해액이 닿는 면적이 일정치 않아 전해액이 양극시트 및 음극시트에 균일하게 분포되지 않는다.
하지만, 본 발명은 제1함침단계(S1) 및 제2함침단계(S2)를 통해 양극시트 및 음극시트에 전해액을 함침, 즉 권취하기 전에 양극시트 및 음극시트에 전해액을 함침하기 때문에, 전해액이 양극시트 및 음극시트에 균일하게 분포되어 함침될 수 있다.
다음으로, 압착롤러가 전해액이 함침된 양극시트, 전해액이 함침된 음극시트 및 양극시트와 음극시트 사이에 위치하여 이들을 전기적으로 절연시켜 주는 분리막을 적층 후 압착하여 커패시터 소자를 형성하는 적층단계(S20)가 수행된다.
적층단계(S20)에서 분리막은 양극시트의 양면 또는 음극시트의 양면에 적층될 수 있다. 즉, 분리막은 양극시트를 사이에 두고 양극시트 양면에 제1분리막 및 제2분리막이 적층될 수 있고, 음극시트를 사이에 두고 음극시트 양면에 제1분리막 및 제2분리막이 적층될 수 있다.
또한, 양극시트를 사이에 두고 양극시트 양면에 제1분리막 및 제2분리막이 적층되고, 음극시트를 사이에 두고 음극시트 양면에 제1분리막 및 제2분리막이 적층될 수 있다. 즉, 커패시터 소자는 제1분리막, 제2분리막 및 제3분리막을 포함할 수 있다.
적층된 커패시터 소자는 압착롤러 사이를 통과할 수 있다. 압착롤러를 통과한 커패시터 소자는 압착롤러를 통과하기 전보다 얇은 두께를 가질 수 있고, 양극시트, 음극시트 및 분리막이 압착롤러를 통과하기 전보다 더욱 결착될 수 있다.
적층단계(S20)가 수행되고 후술할 권취단계(S30)가 수행되기 전에 커패시터 소자는 일단이 양극시트에 부착되고 타단이 일정방향으로 돌출되어 형성되는 양극단자와 일단이 음극시트에 부착되고 타단이 일정방향으로 돌출되어 형성되는 음극단자를 구비할 수 있다. 즉, 커패시터 소자는 양극시트 및 음극시트와 수직한 방향으로 배치된 양극단자 및 음극단자를 구비할 수 있다.
다음으로, 커패시터 소자를 권취하는 권취단계(S30)가 수행된다.
권취단계(S30)를 통해 커패시터 소자를 나선형으로 감아 제조하면 권취형 슈퍼 커패시터를 제조할 수 있다. 슈퍼 커패시터를 권취형으로 제조하면 권취된 양극시트 및 음극시트의 길이에 따라 용량조절이 용이하고, 동일 체적당 전극활물질 충진율이 높으며, 내부구조상 내압성이 뛰어나 중대용량 전기이중층 커패시터로 사용될 수 있다.
권취될 때 양극시트 및 음극시트의 선단은 대략적으로 동일한 위치에 정렬 배치되어 권취될 수 있다. 따라서, 양극시트 및 음극시트가 대략적으로 동일한 위치에 대면된 상태에서 커패시터 소자를 형성하면 슈퍼 커패시터의 전력 용량 효율을 상승시킬 수 있으며, 불필요한 전력의 낭비를 방지할 수 있다.
커패시터 소자를 권취한 후 테이프 등으로 커패시터 소자를 고정하게 되는데, 이 경우 상대적으로 내인장성이 우수한 분리막에 테이프 등이 접촉고정되도록 함으로써, 양극시트 및 음극시트의 파열을 방지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전해액 함침장치를 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전해액 함침장치는 양극시트롤(35), 음극시트롤(45), 적어도 하나의 제1분사장치(1), 적어도 하나의 제2분사장치(5), 제1배트(10) 및 제2배트(20)를 포함한다. 즉, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전해액 함침장치는 앞서 설명한 양극시트롤(35), 음극시트롤(45), 적어도 하나의 제1분사장치(1), 적어도 하나의 제2분사장치(5)를 포함하고, 제1배트(10) 및 제2배트(20)를 더 포함한다. 따라서, 이하에서는 제1배트(10) 및 제2배트(20)를 위주로 설명한다.
제1배트(10) 및 제2배트(20)는 전해액(15)을 수용하고, 롤 투 롤 방식에 의해 진행되어 내부로 투입되는 전극시트에 전해액(15)을 함침시킬 수 있다. 예를 들어, 전극시트 중 하나인 양극시트(30)는 롤 투 롤 방식에 의해 진행되어 제1배트(10) 내부로 투입되어 전해액(15)이 함침될 수 있고, 전극시트 중 하나인 음극시트(40)는 롤 투 롤 방식에 의해 진행되어 제2배트(20) 내부로 투입되어 전해액(15)이 함침될 수 있다.
앞서 언급한 것처럼 제1배트(10)는 전해액(15)을 수용할 수 있다. 즉, 제1배트(10)는 한쪽에 개방부가 형성된 관형의 구조를 가지며, 개방부를 통해 전해액(15)을 수용할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 제1배트(10)는 직사각관 구조로 형성되어 있으나. 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니며, 원통관, 삼각관, 사각관, 오각관 등의 다양한 관형구조를 가질 수 있다.
앞서 언급한 것처럼 전해액(15)이 수용된 제1배트(10)에서 양극시트(30)에 전해액(15)을 함침시킬 수 있다. 즉, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전해액 함침장치의 진행에 따라 양극시트(30)는 전해액(15)이 수용된 제1배트(10)에 투입되고, 일정시간이 흐른후 인출되면 양극시트(30) 양면 또는 일면에는 전해액(15)이 함침될 수 있다.
앞서 언급한 것처럼 제2배트(20)는 전해액(15)을 수용할 수 있다. 즉, 제2배트(20)는 한쪽에 개방부가 형성된 관형의 구조를 가지며, 개방부를 통해 전해액(15)을 수용할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 제2배트(20)는 직사각관 구조로 형성되어 있으나. 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니며, 원통관, 삼각관, 사각관, 오각관 등의 다양한 관형구조를 가질 수 있다.
앞서 언급한 것처럼 전해액(15)이 수용된 제2배트(20)에서 음극시트(40)에 전해액(15)을 함침시킬 수 있다. 즉, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전해액 함침장치(200)의 진행에 따라 음극시트(40)는 전해액(15)이 수용된 제2배트(20)에 투입되고, 일정시간이 흐른후 인출되면 음극시트(40) 양면 또는 일면에는 전해액(15)이 함침된다.
제1배트(10)는 제1배트(10) 내부에 설치되어, 초음파에 의해 제1배트(10)에 수용되는 전해액(15)을 진동시키는 초음파 발생부(17)를 포함할 수 있다. 즉, 초음파 발생부(17)는 초음파를 발생시켜 진동하여 제1배트(10)에 수용된 전해액(15)을 진동시키면 전해액(15)은 미세한 입자로 분해될 수 있다. 따라서, 미세한 입자로 분해된 전해액(15)은 전해액(15)이 미세한 입자로 분해되기 전보다 용이하게 양극시트(30)에 함침될 수 있다.
제2배트(20)는 제2배트(20) 내부에 설치되어, 초음파에 의해 제2배트(20)에 수용되는 전해액(15)을 진동시키는 초음파 발생부(17)를 포함할 수 있다. 즉, 초음파 발생부(17)는 초음파를 발생시켜 진동하여 제2배트(20)에 수용된 전해액(15)을 진동시키면 전해액(15)은 미세한 입자로 분해될 수 있다. 따라서, 미세한 입자로 분해된 전해액(15)은 전해액(15)이 미세한 입자로 분해되기 전보다 용이하게 음극시트(40)에 함침될 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 전해액 함침장치에서, 제1배트(10)는 제1분사장치(1)를 기준으로 뒤에 위치할 수 있다. 따라서, 양극시트(30)는 제1분사장치(1)를 통해 일차적으로 전해액(15)이 함침되고, 제1배트(10)를 통해 이차적으로 전해액(15)이 함침될 수 있다. 또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전해액 함침장치에서, 제1배트(10)는 제1분사장치(1)를 기준으로 앞에 위치할 수 있다. 따라서, 제1배트(10)를 통해 일차적으로 전해액(15)이 함침되고, 제1분사장치(1)를 통해 이차적으로 전해액(15)이 함침될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전해액 함침장치는 제1분사장치(1) 및 제1배트(10)를 통해 양극시트(30)에 전해액(15)이 함침될 수 있어, 양극시트(10)는 제1분사장치(1)를 통해서만 전해액(15)이 함침될 때 보다 많은 양의 전해액(15)이 함침될 수 있고, 전해액(15)이 양극시트(10) 전체적으로 균일하게 분포되어 함침될 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 전해액 함침장치에서, 제2배트(20)는 제2분사장치(5)를 기준으로 뒤에 위치할 수 있다. 따라서, 음극시트(40)는 제2분사장치(5)를 통해 일차적으로 전해액(15)이 함침되고, 제2배트(20)를 통해 이차적으로 전해액(15)이 함침될 수 있다. 또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전해액 함침장치에서, 제2배트(20)는 제2분사장치(5)를 기준으로 앞에 위치할 수 있다. 따라서, 제2배트(20)를 통해 일차적으로 전해액(15)이 함침되고, 제2분사장치(5)를 통해 이차적으로 전해액(15)이 함침될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전해액 함침장치는 제2분사장치(5) 및 제2배트(20)를 통해 음극시트(40)에 전해액(15)이 함침될 수 있어, 음극시트(10)는 제1분사장치(5)를 통해서만 전해액(15)이 함침될 때 보다 많은 양의 전해액(15)이 함침될 수 있고, 전해액(15)이 음극시트(20) 전체적으로 균일하게 분포되어 함침될 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 슈퍼 커패시터 제조시스템을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 슈퍼 커패시터 제조시스템(400)은 양극시트롤(35), 음극시트롤(45), 적어도 하나의 제1분사장치(1), 적어도 하나의 제2분사장치(5), 압착롤러(80), 권취롤(85), 제1배트(10) 및 제2배트(20)를 포함한다. 즉, 본 발명의 제2 실시예에 따른 슈퍼 커패시터 제조시스템(400)는 도 2에서 설명한 양극시트롤(35), 음극시트롤(45), 적어도 하나의 제1분사장치(1), 적어도 하나의 제2분사장치(5)를 포함하고, 제1배트(10) 및 제2배트(20)를 더 포함한다. 또한, 제1배트(10) 및 제2배트(20)는 도 6에서 설명한 제1배트(10) 및 제2배트(20)와 동일하다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 슈퍼 커패시터 제조시스템(400)에서, 제1배트(10)는 제1분사장치(1)를 기준으로 뒤에 위치하기 때문에, 양극시트(30)는 제1분사장치(1)를 통해 일차적으로 전해액(15)이 함침되고, 제1배트(10)를 통해 이차적으로 전해액(15)이 함침되지만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니고, 제1배트(10)가 제1분사장치(1)를 기준으로 앞에 위치할 수 있어 양극시트(30)는 제1배트(10)를 통해 일차적으로 전해액(15)이 함침되고, 제1분사장치(1)를 통해 이착적으로 제1전해액(15)이 함침될 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 슈퍼 커패시터 제조시스템(400)에서, 제2배트(20)는 제2분사장치(5)를 기준으로 뒤에 위치하기 때문에, 음극시트(40)는 제2분사장치(5)를 통해 일차적으로 전해액(15)이 함침되고, 제2배트(20)를 통해 이차적으로 전해액(15)이 함침되지만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니고, 제2배트(20)가 제2분사장치(5)를 기준으로 앞에 위치할 수 있어 음극시트(40)는 제2배트(20)를 통해 일차적으로 전해액(15)이 함침되고, 제2분사장치(5)를 통해 이차적으로 전해액(15)이 함침될 수 있다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 슈퍼 커패시터 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 슈퍼 커패시터 제조방법은 제1함침단계(S1), 제3함침단계(S11), 제2함침단계(S2), 제4함침단계(S12), 적층단계(S20) 및 권취단계(S30)를 포함한다.
도 8에 있어서, 제1함침단계(S1), 제2함침단계(S2), 적층단계(S20) 및 권취단계(S30)는 도 5와 동일하다. 따라서, 이하에서는 제3함침단계(S11) 및 제4함침단계(S12)를 위주로 설명한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 슈퍼시터 제조방법은 전해액을 수용하는 제1배트에서 롤 투 롤 방식에 의해 진행되어 내부로 투입되는 양극시트에 전해액을 함침시키는 제3함침단계(S11) 및 전해액을 수용하는 제1배트에서 롤 투 롤 방식에 의해 진행되어 내부로 투입되는 음극시트에 전해액을 함침시키는 제4함침단계(S12)를 포함한다.
제3함침단계(S11)는, 우선 전해액을 수용하고 있는 제1배트를 준비한다. 준비된 제1배트에 롤 투 롤 방식에 의해 진행되고, 앞서 언급했던 물질로 구성된 양극시트가 투입된다. 투입된 양극시트는 제1배트 내부에 수용되어 있던 전해액과 접촉하게 되고 전해액은 양극시트에 함침된다. 일정 시간이 흐른후 제1배트에서 양극시트가 인출하면 양극시트는 전체적으로 균일하게 분포된 전해액이 함침될 수 있다.
제4함침단계(S12)는, 우선 전해액을 수용하고 있는 제2배트를 준비한다. 준비된 제2배트에 롤 투 롤 방식에 의해 진행되고, 앞서 언급했던 물질로 구성된 음극시트가 투입된다. 투입된 음극시트는 제2배트 내부에 수용되어 있던 전해액과 접촉하게 되고 전해액은 음극시트에 함침된다. 일정 시간이 흐른후 제2배트에서 음극시트를 인출하면 음극시트는 전체적으로 균일하게 분포된 전해액이 함침될 수 있다.
종래는 양극시트, 음극시트 및 분리막을 적층하여 형성된 커패시터 소자를 적층하고 권취한 후 전해액을 투입하는 과정으로 양극시트 및 음극시트에 전해액을 함침시켰다. 커패시터 소자를 권취한 후 커패시터 소자에 전해액을 함침시키면 양극시트 및 음극시트는 권취되어 있기 때문에 양극시트 및 음극시트에 전해액이 닿는 면적이 일정치 않아 전해액이 양극시트 및 음극시트에 균일하게 분포되지 않는다.
하지만, 본 발명은 제3함침단계(S11) 및 제4함침단계(S12)를 통해 양극시트 및 음극시트에 전해액을 함침, 즉 권취하기 전에 양극시트 및 음극시트에 전해액을 함침하기 때문에, 전해액이 양극시트 및 음극시트에 균일하게 분포되어 함침될 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 슈퍼 커패시터 제조방법에서, 양극시트는 제1함침단계(S1)를 통해 일차적으로 제1전해액이 함침되고, 제3함침단계(S11)를 통해 이차적으로 제1전해액이 함침된다. 즉, 제1함침단계(S1) 및 제3함침단계(S11)를 통해 양극시트에 제1전해액이 함침될 수 있어, 양극시트는 제1함침단계(S1)를 통해서만 제1전해액이 함침될 때 보다 많은 양의 제2전해액이 함침될 수 있고, 제1전해액이 양극시트 전체적으로 균일하게 분포되어 함침될 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 슈퍼 커패시터 제조방법은 제1함침단계(S1)가 수행된 다음으로 제3함침단계(S11)가 수행되지만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니고, 제3함침단계(S11)가 수행된 다음 제1함침단계(S1)가 수행될 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 슈퍼 커패시터 제조방법에서, 음극시트는 제2함침단계(S2)를 통해 일차적으로 제2전해액이 함침되고, 제4함침단계(S12)를 통해 이차적으로 제2전해액이 함침된다. 즉, 제2함침단계(S2) 및 제4함침단계(S12)를 통해 음극시트에 제2전해액이 함침될 수 있어, 음극시트는 제2함침단계(S2)를 통해서만 제2전해액이 함침될 때 보다 많은 양의 제2전해액이 함침될 수 있고, 제2전해액이 음극시트 전체적으로 균일하게 분포되어 함침될 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 슈퍼 커패시터 제조방법은 제2함침단계(S2)가 수행된 다음으로 제4함침단계(S12)가 수행되지만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니고, 제4함침단계(S12)가 수행된 다음 제2함침단계(S2)가 수행될 수 있다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 슈퍼 커패시터 제조방법을 나타낸 흐름도이고, 도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 완성단계를 설명하는 도면이다.
도 9 내지 도10을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 슈퍼 커패시터 제조방법은 제1함침단계(S1), 제2함침단계(S2), 적층단계(S20), 권취단계(S30) 및 완성단계(S40)를 포함할 수 있다.
도 9에 있어서, 제1함침단계(S1), 제2함침단계(S2), 적층단계(S20), 권취단계(S30)는 도 5의 제1함침단계(S11), 제2함침단계(S12), 적층단계(S20), 권취단계(S30)와 동일하다. 따라서, 이하에서는 완성단계(S40)을 위주로 설명한다.
완성단계(S40)는 케이스(70)가 상기 권취된 커패시터 소자(90)의 외관을 감싼다. 즉, 사용자가 슈퍼 커패시터를 안전하게 사용하기 위해 본 발명의 제3 실시예에 따라 권취된 커패시터 소자(90)의 외관을 케이스(70)로 감쌀 수 있다.
케이스(70)는 원통형으로 형성되어 권취된 커패시터 소자(90)를 감쌀수 있는 크기로 형성될 수 있다. 커패시터 소자(90)의 일면에는 양극단자(32) 및 음극단자(42)가 돌출되어 형성되어 있는데, 양극단자(32) 및 음극단자(42)가 돌출되어 형성되어 있는 면을 감싸는 케이스(70)면은 양극단자(32) 및 음극단자(42)가 케이스(70) 외부로 돌출될 수 있게 양극단자홀(72) 및 음극단자홀(74)이 형성될 수 있다. 따라서, 양극단자(32) 및 음극단자(42)는 케이스(70) 외부로 돌출될 수 있어 양극단자(32) 및 음극단자(42)를 통해 커패시터 소자(90)는 외부전력과 연결될 수 있다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 뚜껑이 구비된 제1배트 및 제2배트를 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 제1배트(10)는 상부에 개폐가능하게 설치되고 인입홀(62) 및 인출홀(64)이 형성된 뚜껑(60)이 구비될 수 있다.
예를 들어, 제1배트(10)에 뚜껑(60) 구비되어 있지 않다면, 제1배트(10) 내부에 수용된 전해액(15)으로 외부 공기의 먼지나 세균, 기타 이물질들이 투입 될 수 있다. 하지만, 본 발명의 제4 실시예에 따른 제1배트(10)는 제1배트(10) 내부를 개폐하고 인입홀(62) 및 인출홀(64)이 형성된 뚜껑(60)을 구비하고 있어, 제1배트(10)가 뚜껑(60)을 구비하고 있지 않을 때보다 전해액(15)에 외부 공기의 먼지나 세균, 기타 이물질들의 투입이 적을 수 있고, 양극시트(30)가 인입홀(62)을 통해 제1배트(10) 내부로 투입되고 인출홀(64)을 통해 제1배트(10)에서 인출될 수 있다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 제2배트(20)는 상부에 개폐가능하게 설치되고 인입홀(62) 및 인출홀(64)이 형성된 뚜껑(60)이 구비될 수 있다.
예를 들어, 제2배트(20)에 뚜껑(60) 구비되어 있지 않다면, 제2배트(20) 내부에 수용된 전해액(15)으로 외부 공기의 먼지나 세균, 기타 이물질들이 투입 될 수 있다. 하지만, 본 발명의 제3 실시예에 따른 제2배트(20)는 제2배트(20) 내부를 개폐하고 인입홀(62) 및 인출홀(64)이 형성된 뚜껑(60)을 구비하고 있어, 제2배트(20)가 뚜껑(60)을 구비하고 있지 않을 때보다 전해액(15)에 외부 공기의 먼지나 세균, 기타 이물질들의 투입이 적을 수 있고, 음극시트(40)가 인입홀(62)을 통해 제2배트(20) 내부로 투입되고 인출홀(64)을 통해 제2배트(20)에서 인출될 수 있다.
한편, 본 도면에 개시된 실시예는 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
1 : 제1분사장치
2 : 제1저장탱크
3 : 제1분사노즐
5 : 제2분사장치
6 : 제2저장탱크
7 : 제2분사노즐
10 : 제1배트
17 : 초음파 발생부
15 : 전해액
20 : 제2배트
30 : 양극시트
35 : 양극시트롤
32 : 양극단자
40 : 음극시트
45 : 음극시트롤
42 : 음극단자
50 : 제1분리막
51 : 제1분리막롤
52 : 제2분리막
53 : 제2분리막롤
54 : 제3분리막
55 : 제3분리막롤
60 : 뚜껑
62 : 인입홀
64 : 인출홀
70 : 케이스
72 : 양극단자홀
74 : 음극단자홀
80a, 80b : 압착롤러
85 : 권취롤
90 : 커패시터 소자
100 : 전해액 함침 장치
300, 400 : 슈퍼 커패시터 제조시스템

Claims (12)

  1. 롤 형태의 전극시트가 감겨져 있는 전극시트롤;
    롤 투 롤 방식에 의해 진행되는 전극시트에 전해액을 분무하여 함침시키는 적어도 하나의 분사장치;를 포함하고,
    상기 분사장치는 상기 전해액을 수용하는 제1저장탱크 및 상기 제1저장탱크에 설치되어 상기 전해액을 분무하는 제1분사노즐을 포함하는 제1분사장치와, 상기 전해액을 수용하는 제2저장탱크 및 상기 제2저장탱크에 설치되어 상기 전해액을 분무하는 제2분사노즐을 포함하는 제2분사장치;
    상기 전극시트롤은 롤 형태의 양극시트가 감겨져 있는 양극시트롤 및 롤 형태의 음극시트가 감겨져있는 음극시트롤;
    상기 양극시트는 롤 투 롤 방식에 의해 진행되어 상기 제1분사장치의 분무에 의해 상기 전해액이 함침되고,
    상기 음극시트는 롤 투 롤 방식에 의해 진행되어 상기 제2분사장치의 분무에 의해 상기 전해액이 함침되고,
    상기 전해액을 수용하고, 롤 투 롤 방식에 의해 진행되어 내부로 투입되는 상기 양극시트에 상기 전해액을 함침시키는 제1배트;
    상기 전해액을 수용하고, 롤 투 롤 방식에 의해 진행되어 내부로 투입되는 상기 음극시트에 상기 전해액을 함침시키는 제2배트;를 포함하고,
    상기 제1배트는 상기 제1분사장치를 기준으로 앞 또는 뒤에 위치하고, 상기 제2배트는 상기 제2분사장치를 기준으로 앞 또는 뒤에 위치하는 것을 특징으로 하는 전해액 함침장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 양극시트는 양극 집전체와 상기 양극 집전체 양면 또는 일면에 구비된 양극 활물질을 포함하고,
    상기 음극시트는 음극 집전체와 상기 음극 집전체 양면 또는 일면에 구비된 음극 활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전해액 함침장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 양극 집전체 및 상기 음극 집전체의 재질은 PC(polycarbonate)인 것을 특징으로 하는 전해액 함침장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1배트 및 제2배트는 각각 상부에 개폐가능하게 설치되고 인출홀 및 인입홀이 형성된 뚜껑을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전해액 함침장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1배트 및 제2배트는 각각 내부에 설치되어, 초음파에 의해 상기 제1배트 및 제2배트에 수용되는 상기 전해액을 진동시키는 초음파 발생부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전해액 함침장치.
  8. 롤 형태의 양극시트가 감겨져 있는 양극시트롤;
    롤 형태의 음극시트가 감겨져 있는 음극시트롤;
    전해액을 수용하는 제1저장탱크와, 상기 제1저장탱크에 설치되어 상기 전해액을 분무하는 제1분사노즐을 포함하고, 롤 투 롤 방식에 의해 진행되는 상기 양극시트에 상기 전해액을 분무하여 함침시키는 적어도 하나의 제1분사장치;
    상기 전해액을 수용하는 제2저장탱크와, 상기 제2저장탱크에 설치되어 상기 전해액을 분무하는 제2분사노즐을 포함하고, 롤 투 롤 방식에 의해 진행되는 상기 음극시트에 상기 전해액을 분무하여 함침시키는 적어도 하나의 제2분사장치;
    상기 전해액이 분무된 상기 양극시트, 상기 전해액이 분무된 상기 음극시트 및 상기 양극시트와 상기 음극시트 사이에 위치하여 이들을 전기적으로 절연시켜주는 분리막을 적층 후 압착하여 커패시터 소자를 형성하는 압착롤러;
    상기 압착롤러를 통해 형성된 상기 커패시터 소자를 권취하는 권취롤;
    상기 전해액을 수용하고, 롤 투 롤 방식에 의해 진행되어 내부로 투입되는 상기 양극시트에 상기 전해액을 함침시키는 제1배트;
    상기 전해액을 수용하고, 롤 투 롤 방식에 의해 진행되어 내부로 투입되는 상기 음극시트에 상기 전해액을 함침시키는 제2배트;를 포함하고,
    상기 제1배트는 상기 제1분사장치를 기준으로 앞 또는 뒤에 위치하고, 상기 제2배트는 상기 제2분사장치를 기준으로 앞 또는 뒤에 위치하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 제조시스템.
  9. 삭제
  10. 전해액을 수용하는 제1저장탱크와 상기 제1저장탱크에 설치되어 상기 전해액을 분무하는 제1분사노즐을 포함하는 적어도 하나의 제1분사장치를 구비하여, 롤 투 롤 방식에 의해 진행되는 양극시트에 상기 전해액을 분무하여 함침시키는 제1함침단계;
    상기 제1함침단계는 상기 전해액을 수용하는 제1배트에서 롤 투 롤 방식에 의해 진행되어 내부로 투입되는 상기 양극시트에 상기 전해액을 함침시키는 제3함침단계;
    상기 전해액을 수용하는 제2저장탱크와 상기 제2저장탱크에 설치되어 상기 전해액을 분무하는 제2분사노즐을 포함하는 적어도 하나의 제2분사장치를 구비하여, 롤 투 롤 방식에 의해 진행되는 음극시트에 상기 전해액을 분무하여 함침시키는 제2함침단계;
    상기 제2함침단계는 상기 전해액을 수용하는 제2배트에서 롤 투 롤 방식에 의해 진행되어 내부로 투입되는 상기 음극시트에 상기 전해액을 함침시키는 제4함침단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 제조방법.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    케이스가 상기 권취된 커패시터 소자의 외관을 감싸는 완성단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 제조방법.
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