KR101486429B1 - 전극의 초기저항을 낮출 수 있는 슈퍼커패시터 전극용 조성물, 이를 이용한 슈퍼커패시터 전극의 제조방법 및 상기 제조방법에 의해 제조된 슈퍼커패시터 전극을 이용한 슈퍼커패시터 - Google Patents

전극의 초기저항을 낮출 수 있는 슈퍼커패시터 전극용 조성물, 이를 이용한 슈퍼커패시터 전극의 제조방법 및 상기 제조방법에 의해 제조된 슈퍼커패시터 전극을 이용한 슈퍼커패시터 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 전극활물질인 다공성 활성탄 분말과, 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 도전재 0.1∼20중량부와, 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 불소 함유 바인더 1∼20중량부와, 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 메틸메타크릴레이트를 단량체로 하는 폴리머 0.01∼10중량부 및 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 분산매 100∼300중량부를 포함하는 슈퍼커패시터 전극용 조성물, 이를 이용한 슈퍼커패시터 전극의 제조방법 및 상기 제조방법에 의해 제조된 슈퍼커패시터 전극을 이용한 슈퍼커패시터에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 성형성이 우수하여 성형시간의 단축이 가능하고, 내구성, 전극 밀도 및 전극의 유연성을 높일 수 있으며, 전극의 초기저항과 임피던스를 낮출 수 있고, 에너지 밀도가 높아 고용량 특성을 발현할 수 있다.

Description

전극의 초기저항을 낮출 수 있는 슈퍼커패시터 전극용 조성물, 이를 이용한 슈퍼커패시터 전극의 제조방법 및 상기 제조방법에 의해 제조된 슈퍼커패시터 전극을 이용한 슈퍼커패시터{Composite for supercapacitor electrode with low initial resistance, manufacturing method of supercapacitor electrode using the composite and supercapacitor using the supercapacitor electrode manufactured by the method}
본 발명은 슈퍼커패시터 전극용 조성물, 이를 이용한 슈퍼커패시터 전극의 제조방법 및 상기 제조방법에 의해 제조된 슈퍼커패시터 전극을 이용한 슈퍼커패시터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 성형성이 우수하여 성형시간의 단축이 가능하고, 내구성, 전극 밀도 및 전극의 유연성을 높일 수 있으며, 전극의 초기저항과 임피던스를 낮출 수 있고, 에너지 밀도가 높아 고용량 특성을 발현할 수 있는 슈퍼커패시터 전극용 조성물, 이를 이용한 슈퍼커패시터 전극의 제조방법 및 상기 제조방법에 의해 제조된 슈퍼커패시터 전극을 이용한 슈퍼커패시터에 관한 것이다.
일반적으로 슈퍼커패시터는 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC), 슈퍼커패시터(Super-capacitor) 또는 울트라커패시터(Ultra-capacitor)라고도 일컬어지며, 이는 전극 및 도전체와, 그것에 함침된 전해질 용액의 계면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기이중층)이 생성된 것을 이용하는 것으로, 충전/방전 동작의 반복으로 인한 열화가 매우 작아 보수가 필요없는 소자이다. 이에 따라 슈퍼커패시터는 각종 전기ㆍ전자기기의 IC(integrated circuit) 백업을 하는 형태로 주로 사용되고 있으며, 최근에는 그 용도가 확대되어 장난감, 태양열 에너지 저장, HEV(hybrid electric vehicle) 전원 등에까지 폭넓게 응용되고 있다.
이와 같은 슈퍼커패시터는 일반적으로 전해액이 함침된 양극 및 음극의 두 전극과, 이러한 두 전극 사이에 개재되어 이온(ion) 전도만 가능케 하고 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 세퍼레이터(separator)와, 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓(gasket), 그리고 이들을 포장하는 도전체로서의 금속 캡으로 구성된 단위셀을 갖는다. 그리고 위와 같이 구성된 단위셀 1개 이상(통상, 코인형의 경우 2∼6개)을 직렬로 적층하고 양극과 음극의 두 단자(terminal)를 조합하여 완성된다.
슈퍼커패시터의 성능은 전극활물질 및 전해질에 의하여 결정되며, 특히 축전용량 등 주요성능은 전극활물질에 의하여 대부분 결정된다. 이러한 전극활물질로는 활성탄이 주로 사용되고 있다.
최근에는 내구성 및 에너지밀도가 높은 고용량 슈퍼커패시터의 필요성이 대두되고 있으며, 내구성 및 에너지밀도가 높은 고용량 슈퍼커패시터를 구현하기 위한 방안에 대한 연구가 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 성형성이 우수하여 성형시간의 단축이 가능하고, 내구성, 전극 밀도 및 전극의 유연성을 높일 수 있으며, 전극의 초기저항과 임피던스를 낮출 수 있고, 에너지 밀도가 높아 고용량 특성을 발현할 수 있는 슈퍼커패시터 전극용 조성물, 이를 이용한 슈퍼커패시터 전극의 제조방법 및 상기 제조방법에 의해 제조된 슈퍼커패시터 전극을 이용한 슈퍼커패시터를 제공함에 있다.
본 발명은, 전극활물질인 다공성 활성탄 분말과, 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 도전재 0.1∼20중량부와, 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 불소 함유 바인더 1∼20중량부와, 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 메틸메타크릴레이트를 단량체로 하는 폴리머 0.01∼10중량부 및 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 분산매 100∼300중량부를 포함하는 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제공한다.
상기 메틸메타크릴레이트를 단량체로 하는 폴리머는 폴리메틸메타크릴레이트로 이루어질 수 있다.
상기 불소 함유 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드 및 폴리테트라플루오로에틸렌 중에서 선택된 1종 이상의 물질일 수 있다.
상기 다공성 활성탄 분말의 비표면적은 1000∼3300㎡/g 범위인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 전극활물질인 다공성 활성탄 분말, 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 도전재 0.1∼20중량부, 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 불소 함유 바인더 1∼20중량부, 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 메틸메타크릴레이트를 단량체로 하는 폴리머 0.01∼10중량부 및 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 분산매 100∼300중량부를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계와, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계 및 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성하는 단계를 포함하는 슈퍼커패시터 전극의 제조방법을 제공한다.
상기 메틸메타크릴레이트를 단량체로 하는 폴리머는 폴리메틸메타크릴레이트로 이루어질 수 있다.
상기 불소 함유 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드 및 폴리테트라플루오로에틸렌 중에서 선택된 1종 이상의 물질일 수 있다.
상기 다공성 활성탄 분말의 비표면적은 1000∼3300㎡/g 범위인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 상기 슈퍼커패시터 전극의 제조방법으로 제조된 슈퍼커패시터 전극을 이용하고, 교류 임피던스 측정 결과의 나이키스트 플롯에 있어서 100mHz에서의 임피던스의 실수 성분(Z2)과 고주파측 임피던스 곡선의 실축과의 절편의 임피던스(Z1)의 차(Z0)를 Z2-Z1로 할 때, 1＜Z0＜11의 범위를 만족하는 슈퍼커패시터를 제공한다.
본 발명의 슈퍼커패시터 전극용 조성물에 의하면, 성형성이 우수하여 성형시간의 단축이 가능하고, 내구성, 전극 밀도 및 전극의 유연성을 높일 수 있으며, 전극의 초기저항과 임피던스를 낮출 수 있고, 에너지 밀도가 높아 고용량 특성을 발현할 수 있다.
본 발명에 의하면, 메틸메타크릴레이트를 단량체로 하는 폴리머를 사용함으로써 내구성과 전극 밀도를 증가시킬 수 있으며, 전극의 유연성을 높일 수 있는 장점이 있다. 또한, 메틸메타크릴레이트를 단량체로 하는 폴리머는 전극활물질인 다공성 활성탄 입자들 사이, 다공성 활성탄 입자와 도전재 입자 사이를 전기적 및 물리적으로 연결하는 바인더 역할을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 불소 함유 바인더를 사용함으로써 성형시간을 단축시킬 수 있고, 내구성과 전극의 유연성을 높일 수 있는 장점이 있다.
슈퍼커패시터는 교류 임피던스 측정 결과의 나이키스트 플롯에 있어서 100mHz에서의 임피던스의 실수 성분(Z2)과 고주파측 임피던스 곡선의 실축과의 절편의 임피던스(Z1)의 차(Z0)를 Z2-Z1로 할 때, 1＜Z0＜11의 범위를 만족한다.
도 1은 코인형 슈퍼커패시터를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 권취형 슈퍼커패시터 제조를 위해 양극과 음극에 리드선을 부착하는 모습을 도시한 도면이다.
도 3은 권취소자를 형성하는 모습을 도시한 도면이다.
도 4는 권취소자를 금속캡에 삽착시키는 모습을 도시한 도면이다.
도 5는 권취형 슈퍼커패시터를 일부 절취하여 도시한 도면이다.
도 6은 실시예 1과 비교예에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 가상 임피던스(imaginary impedance)와 실제 임피던스(real impedance)를 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 슈퍼커패시터 전극용 조성물은, 전극활물질인 다공성 활성탄 분말과, 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 도전재 0.1∼20중량부와, 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 불소 함유 바인더 1∼20중량부와, 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 메틸메타크릴레이트를 단량체로 하는 폴리머 0.01∼10중량부와, 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 분산매 100∼300중량부를 포함한다.
메틸메타크릴레이트(methyl methacrylate; MMA)는 가격이 저렴하고, 전기적 및 기계적 특성이 우수하다. 메틸메타크릴레이트 단량체를 포함하는 폴리머의 예로는 폴리메틸메타크릴레이트(Poly(methyl methacrylate); PMMA)를 들 수 있다. 아래의 구조식은 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)의 구조를 보여주고 있다.
[구조식]
Figure 112013116831682-pat00001
메틸메타크릴레이트를 단량체로 하는 폴리머를 사용하게 되면 내구성과 전극 밀도를 증가시킬 수 있으며, 전극의 유연성을 높일 수 있는 장점이 있고, 전극의 초기저항과 임피던스를 낮출 수 있다. 또한, 메틸메타크릴레이트 단량체를 포함하는 폴리머는 전극활물질인 다공성 활성탄 입자들 사이, 다공성 활성탄 입자와 도전재 입자 사이를 전기적 및 물리적으로 연결하는 바인더 역할을 수행할 수 있다.
상기 불소 함유 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드 및 폴리테트라플루오로에틸렌 중에서 선택된 1종 이상의 물질일 수 있다. 이러한 불소 함유 바인더를 사용하게 되면 성형시간을 단축시킬 수 있고, 내구성과 전극의 유연성을 높일 수 있는 장점이 있다.
상기 다공성 활성탄 분말의 비표면적은 1000∼3300㎡/g 범위인 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 슈퍼커패시터 전극의 제조방법은, 전극활물질인 다공성 활성탄 분말, 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 도전재 0.1∼20중량부, 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 불소 함유 바인더 1∼20중량부, 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 메틸메타크릴레이트를 단량체로 하는 폴리머 0.01∼10중량부 및 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 분산매 100∼300중량부를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계와, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계 및 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
이하에서, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 이용하여 슈퍼커패시터 전극을 제조하는 방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
다공성 활성탄 분말, 도전재, 불소 함유 바인더, 메틸메타크릴레이트를 단량체로 하는 폴리머 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조한다.
상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물은 다공성 활성탄 분말, 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 도전재 0.1∼20중량부, 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 불소 함유 바인더 1∼20중량부, 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 메틸메타크릴레이트를 단량체로 하는 폴리머 0.01∼10중량부 및 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 분산매 100∼300중량부를 포함할 수 있다.
상기 다공성 활성탄 분말의 비표면적은 1000∼3300㎡/g 범위인 것이 바람직하다. 상기 다공성 활성탄 분말에 형성된 기공들은 전해질 이온이 유입되거나 배출되는 통로를 제공하는 역할을 한다.
상기 도전재는 화학 변화를 야기하지 않는 전자 전도성 재료이면 특별히 제한되지 않으며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 슈퍼-피(Super-P) 블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등이 가능하다. 상기 도전재는 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물에 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 0.1∼20중량부 함유되는 것이 바람직하다.
상기 불소 함유 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드 및 폴리테트라플루오로에틸렌 중에서 선택된 1종 이상의 물질일 수 있다. 이러한 불소 함유 바인더를 사용하게 되면 성형시간을 단축시킬 수 있고, 내구성과 전극의 유연성을 높일 수 있는 장점이 있다. 상기 불소 함유 바인더는 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물에 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 1∼20중량부 함유되는 것이 바람직하다.
상기 메틸메타크릴레이트를 단량체로 하는 폴리머로는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)를 그 예로 들 수 있다. 메틸메타크릴레이트를 단량체로 하는 폴리머를 사용하게 되면 내구성과 전극 밀도를 증가시킬 수 있으며, 전극의 유연성을 높일 수 있는 장점이 있으며, 전극의 초기저항과 임피던스를 낮출 수 있다. 또한, 메틸메타크릴레이트를 단량체로 하는 폴리머는 전극활물질인 다공성 활성탄 입자들 사이, 다공성 활성탄 입자와 도전재 입자 사이를 전기적 및 물리적으로 연결하는 바인더 역할을 수행할 수 있다. 메틸메타크릴레이트를 단량체로 하는 폴리머는 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물에 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 0.01∼10중량부 함유되는 것이 바람직하다.
상기 분산매는 에탄올(EtOH), 아세톤, 이소프로필알콜, N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone; NMP), 프로필렌글리콜(PG) 등의 유기 용매 또는 물을 사용할 수 있다. 상기 분산매는 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물에 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 100∼300중량부 함유되는 것이 바람직하다.
상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물은 반죽 상이므로 균일한 혼합(완전 분산)이 어려울 수 있는데, 행성 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기(mixer)를 사용하여 소정 시간(예컨대, 10분∼12시간) 동안 교반시키면 전극 제조에 적합한 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 얻을 수 있다. 행성 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기는 균일하게 혼합된 슈퍼커패시터 전극용 조성물의 제조를 가능케 한다.
다공성 활성탄 분말, 도전재, 불소 함유 바인더, 메틸메타크릴레이트를 단량체로 하는 폴리머 및 분산매를 혼합한 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태로 만들고 금속 호일에 붙여서 전극 형태로 형성하고, 전극 형태로 형성된 결과물을 100℃∼350℃의 온도에서 건조하여 전극을 형성한다.
전극을 형성하는 예를 보다 구체적으로 설명하면, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤프레스 성형기를 이용하여 압착하여 성형할 수 있다. 롤프레스 성형기는 압연을 통한 전극밀도 향상 및 전극의 두께 제어를 목적으로 하고 있으며, 상단과 하단의 롤과 롤의 두께 및 가열 온도를 제어할 수 있는 컨트롤러와, 전극을 풀어주고 감아줄 수 있는 와인딩부로 구성된다. 롤상태의 전극이 롤프레스를 지나면서 압연공정이 진행되고 이것이 다시 롤상태로 감겨서 전극이 완성된다. 이때, 프레스의 가압 압력은 1∼20 ton/㎠로 롤의 온도는 0∼150℃로 하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 프레스 압착 공정을 거친 슈퍼커패시터 전극용 조성물은 건조 공정을 거친다. 건조 공정은 100℃∼350℃, 바람직하게는 150℃∼300℃의 온도에서 수행된다. 이때, 건조 온도가 100℃ 미만인 경우 분산매의 증발이 어려워 바람직하지 않으며, 350℃를 초과하는 고온 건조 시에는 도전재의 산화가 일어날 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서 건조 온도는 100℃ 이상이고, 350℃를 넘지 않는 것이 바람직하다. 그리고 건조 공정은 위와 같은 온도에서 약 10분∼12시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 상기 불소 함유 바인더의 연속적인 탈불화수소 반응을 발생시켜 폴리엔 결합을 생성시키고 전극활물질 및 도전재 입자를 결속시켜 전극의 강도를 향상시킨다.
또한, 전극을 형성하는 다른 예를 살펴보면, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 티타늄 호일(Ti foil), 알루미늄 호일(Al foil), 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil)과 같은 금속 호일(metal foil)에 코팅하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일에 붙여서 양극 또는 음극 형상으로 제조할 수도 있다. 상기 알루미늄 에칭 호일이라 함은 알루미늄 호일을 요철 모양으로 에칭한 것을 의미한다. 상기와 같은 공정을 거친 양극 또는 음극 형상에 대하여 건조 공정을 거친다. 건조 공정은 100℃∼350℃, 바람직하게는 150℃∼300℃의 온도에서 수행된다. 이때, 건조 온도가 100℃ 미만인 경우 분산매의 증발이 어려워 바람직하지 않으며, 350℃를 초과하는 고온 건조 시에는 도전재의 산화가 일어날 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서 건조 온도는 100℃ 이상이고, 350℃를 넘지 않는 것이 바람직하다. 그리고 건조 공정은 위와 같은 온도에서 약 10분∼6시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 상기 건조공정을 통해 상기 불소 함유 바인더의 연속적인 탈불화수소 반응을 발생시켜 폴리엔 결합을 생성시키고 전극활물질 및 도전재 입자를 결속시켜 전극의 강도를 향상시킨다.
상기와 같이 제조된 슈퍼커패시터 전극은 도 1에 도시된 바와 같은 소형의 코인형 슈퍼커패시터, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같은 권취형 슈퍼커패시터 등에 유용하게 적용될 수 있다.
상기 슈퍼커패시터 전극의 제조방법으로 제조된 슈퍼커패시터 전극을 이용한 슈퍼커패시터는, 교류 임피던스 측정 결과의 나이키스트 플롯에 있어서 100mHz에서의 임피던스의 실수 성분(Z2)과 고주파측 임피던스 곡선의 실축과의 절편의 임피던스(Z1)의 차(Z0)를 Z2-Z1로 할 때, 1＜Z0＜11의 범위를 만족한다.
이하에서, 도 1을 참조하여 코인형 슈퍼커패시터를 제조하는 방법을 예를 들어 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 슈퍼커패시터 전극의 사용 상태도로서, 상기 슈퍼커패시터 전극(10)이 적용된 코인형 슈퍼커패시터의 단면도를 보인 것이다. 도 1에서 도면부호 50은 도전체로서의 금속 캡이고, 도면부호 60은 슈퍼커패시터 전극(10) 간의 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)이며, 도면부호 70은 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓이다. 이때, 상기 슈퍼커패시터 전극(10)은 금속 캡(50)과 접착제에 의해 견고하게 고정된다.
상기 코인형 슈퍼커패시터는, 상술한 슈퍼커패시터 전극으로 이루어진 양극과, 상술한 슈퍼커패시터 전극으로 이루어진 음극과, 상기 양극과 음극 사이에 배치되고 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막(seperator)을 금속 캡 내에 배치하고, 상기 양극와 상기 음극 사이에 전해질이 용해되어 있는 전해액을 주입한 후, 가스켓으로 밀봉하여 제조할 수 있다.
상기 분리막은 폴리에틸렌 부직포, 폴리프로필렌 부직포, 폴리에스테르 부직포, 폴리아크릴로니트릴 다공성 격리막, 폴리(비닐리덴플루오라이드) 헥사플루오로프로판 공중합체 다공성 격리막, 셀룰로스 다공성 격리막, 크라프트지 또는 레이온 섬유 등 전지 및 커패시터 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.
상기 전해액은 일반적으로 알려져 있는 물질을 사용할 수 있으며, 그 사용에 제한이 있는 것은 아니다.
이하에서, 도 2 내지 도 5를 참조하여 권취형 슈퍼커패시터를 제조하는 방법을 예를 들어 설명한다. 도 2 내지 도 5는 권취형 슈퍼커패시터를 보여주는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하거나 시트 상태로 만들어 금속 호일에 붙여서 제조한 양극(120) 및 음극(110)에 각각 리드선(130, 140)을 부착한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 분리막(150), 양극(120), 제2 분리막(160) 및 작업전극(110)을 적층하고, 코일링(coling)하여 롤(roll) 형태의 권취소자(175)로 제작한 후, 롤(roll) 주위로 접착 테이프(170) 등으로 감아 롤 형태가 유지될 수 있게 한다.
상기 양극(120)과 음극(110) 사이에 구비된 제2 분리막(160)은 양극(120)과 음극(110)의 단락을 방지하는 역할을 한다. 제1 및 제2 분리막(150,160)은 폴리에틸렌 부직포, 폴리프로필렌 부직포, 폴리에스테르 부직포, 폴리아크릴로니트릴 다공성 격리막, 폴리(비닐리덴플루오라이드) 헥사플루오로프로판 공중합체 다공성 격리막, 셀룰로스 다공성 격리막, 크라프트지 또는 레이온 섬유 등 전지 및 커패시터 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.
도 4에 도시된 바와 같이, 롤(roll) 형태의 결과물에 실링 고무(sealing rubber)(180)를 장착하고, 금속캡(예컨대, 알루미늄 케이스(Al Case))(190)에 삽착시킨다.
롤 형태의 권취소자(175)가 함침되게 전해액을 주입하고, 밀봉한다. 상기 전해액은 일반적으로 알려져 있는 물질을 사용할 수 있으며, 그 사용에 제한이 있는 것은 아니다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예를 더욱 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실시예에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 0.45g과, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)(Aldrich, 분자량 15,000) 0.05g을 분산매인 증류수 20g에 첨가하고 고속 믹서기를 이용하여 2000rpm의 속도로 고속 교반하였다.
전극활물질로 폐놀계 다공성 활성탄 분말인 MSP20(Kansai Coke & Chemicals Co.) 9g과, 도전재인 슈퍼-P(super-P) 0.05g를 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 증류수가 혼합되어 교반된 결과물에 첨가한 후 고속 믹서기를 이용하여 2000rpm의 속도로 20분 동안 교반하여 반죽 상태의 슈퍼커패시터 전극용 조성물로 제조하였다.
반죽 상태의 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤 프레스(roll pres) 성형기에서 표면이 매끈해질 때까지 성형하였다. 상기 롤 프레스 성형기는 상단의 롤과 하단의 롤을 포함하여 구비된 것으로, 상단의 롤과 하단의 롤 사이로 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 통과시켜 성형하였다. 상단 롤과 하단의 롤 사이를 통과한 결과물을 반으로 접고 다시 상단의 롤과 하단의 롤 사이를 통과시키는 과정을 15회 반복하여 매끈한 표면을 갖는 전극용 조성물 시트를 얻을 수 있었다. 상기 롤 프레스 성형기의 압연을 통하여 전극 밀도를 향상시킬 수 있고 전극의 두께도 제어할 수 있다. 전극용 조성물에 인가되는 가압 압력은 10 ton/㎠ 정도 였고, 가열 온도는 60℃ 정도였다.
롤프레스 성형기를 이용하여 형성된 슈퍼커패시터 전극용 조성물 시트를 직경 12mm의 크기로 펀칭하였다.
펀칭되어 형성된 결과물을 진공건조기에서 건조하였다. 상기 건조는 150℃의 온도에서 24시간 동안 수행하였다.
이렇게 제조된 전극 시트를 슈퍼커패시터 전극으로 사용하였다.
제조된 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하여 직경 20mm, 높이 3.2mm를 갖는 코인셀 형태의 슈퍼커패시터를 제조하였다. 이때, 코인셀을 제작함에 있어 전해액은 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate; PC) 용매에 1M의 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate)로 이루어진 것을 사용하였으며, 분리막은 TF4035(일본 NKK사 제품)을 사용하였다.
상기의 실시예 1의 특성을 보다 용이하게 파악할 수 있도록 본 발명의 실시예 1과 비교할 수 있는 비교예를 제시한다. 후술하는 비교예는 실시예 1의 특성과 단순히 비교하기 위하여 제시하는 것으로 본 발명의 선행기술이 아님을 밝혀둔다.
<비교예>
폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)를 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 공정으로 진행하여 코인셀 형태의 슈퍼커패시터를 제조하였다. 이하에서, 구체적인 제조 공정은 다음과 같다.
폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 0.45g을 분산매인 증류수 20g에 첨가하고 고속 믹서기를 이용하여 2000rpm의 속도로 고속 교반하였다.
전극활물질로 폐놀계 다공성 활성탄 분말인 MSP20(Kansai Coke & Chemicals Co.) 9g와, 도전재인 슈퍼-P(super-P) 0.05g를 폴리테트라플루오로에틸렌과 증류수가 혼합되어 교반된 결과물에 첨가한 후 고속 믹서기를 이용하여 2000rpm의 속도로 20분 동안 교반하여 반죽 상태의 슈퍼커패시터 전극용 조성물로 제조하였다.
반죽 상태의 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤 프레스(roll pres) 성형기에서 표면이 매끈해질 때까지 성형하였다. 상기 롤 프레스 성형기는 상단의 롤과 하단의 롤을 포함하여 구비된 것으로, 상단의 롤과 하단의 롤 사이로 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 통과시켜 성형하였다. 상단 롤과 하단의 롤 사이를 통과한 결과물을 반으로 접고 다시 상단의 롤과 하단의 롤 사이를 통과시키는 과정을 15회 반복하여 매끈한 표면을 갖는 전극용 조성물 시트를 얻을 수 있었다. 상기 롤 프레스 성형기의 압연을 통하여 전극 밀도를 향상시킬 수 있고 전극의 두께도 제어할 수 있다. 전극용 조성물에 인가되는 가압 압력은 10 ton/㎠ 정도 였고, 가열 온도는 60℃ 정도였다.
롤프레스 성형기를 이용하여 형성된 슈퍼커패시터 전극용 조성물 시트를 직경 12mm의 크기로 펀칭하였다.
펀칭되어 형성된 결과물을 진공건조기에서 건조하였다. 상기 건조는 150℃의 온도에서 24시간 동안 수행하였다.
이렇게 제조된 전극 시트를 슈퍼커패시터 전극으로 사용하였다.
제조된 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하여 직경 20mm, 높이 3.2mm를 갖는 코인셀 형태의 슈퍼커패시터를 제조하였다. 이때, 코인셀을 제작함에 있어 전해액은 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate; PC) 용매에 1M의 EABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate)로 이루어진 것을 사용하였으며, 분리막은 TF4035(일본 NKK사 제품)을 사용하였다.
아래의 표 1은 실시예 1과 비교예에 따라 제조된 슈퍼커패시터 전극용 조성물의 성형성, 슈퍼커패시터 전극의 초기저항, 임피던스, 전극밀도 및 코인셀 형태의 슈퍼커패시터의 비정전용량을 측정하여 나타낸 결과이다.
성형성 혼합시간
(분)		 초기저항
(Ω)		 임피던스
(Ω)		 전극밀도
(g/cc)		 비정전용량
(F/cc)
비교예 보통 20 10.2 15.5 0.5 16.1
실시예 1 매우좋음 10 6.9 10.2 0.7 19.4
표 1을 참조하면, 실시예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터 전극용 조성물이 비교예에 따라 제조된 슈퍼커패시터 전극용 조성물에 비하여 성형성이 우수한 것으로 나타났다.
실시예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터 전극의 초기저항이 비교예에 따라 제조된 슈퍼커패시터 전극에 비하여 낮은 것으로 나타났다.
또한, 실시예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터 전극의 임피던스가 비교예에 따라 제조된 슈퍼커패시터 전극에 비하여 낮은 것으로 나타났다.
또한, 실시예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터 전극의 전극밀도가 비교예에 따라 제조된 슈퍼커패시터 전극에 비하여 높은 것으로 나타났다.
또한, 실시예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 비정전용량이 비교예에 따라 제조된 슈퍼커패시터에 비하여 높은 것으로 나타났다.
도 6은 실시예 1과 비교예에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 가상 임피던스(imaginary impedance)와 실제 임피던스(real impedance)를 보여주는 그래프이다. 도 6에서 (a)는 비교예에 따라 제조된 슈퍼커패시터 전극을 이용하여 슈퍼커패시터를 제조한 경우이고, (b)는 실시예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터 전극을 이용하여 슈퍼커패시터를 제조한 경우이다.
도 6을 참조하면, 가상 임피던스의 특정값을 기준으로 볼 때 실시예 1에 따라 제조된 코인셀 형태의 슈퍼커패시터의 실제 임피던스 변화가 비교예에 따라 제조된 코인셀 형태의 슈퍼커패시터의 실제 임피던스 변화보다 작은 것으로 나타났다. 이로부터 실시예 1에 따라 메틸메타크릴레이트를 단량체로 하는 폴리머를 첨가하여 제조된 슈퍼커패시터는 임피던스의 차가 작음을 확인할 수 있다.
실시예 1에 따라 제조된 코인셀 형태의 슈퍼커패시터는 교류 임피던스 측정 결과의 나이키스트 플롯에 있어서 100mHz에서의 임피던스의 실수 성분(Z2)과 고주파측 임피던스 곡선의 실축과의 절편의 임피던스(Z1)의 차(Z0)를 Z2-Z1로 할 때, 1＜Z0＜11의 범위를 만족한다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
10: 슈퍼커패시터 전극 50: 금속 캡
60: 분리막 70: 가스켓
110: 작업전극 120: 양극
130: 제1 리드선 140: 제2 리드선
150: 제1 분리막 160: 제2 분리막
170: 접착 테이프 175: 권취소자
180: 실링 고무 190: 금속캡

Claims (9)

  1. 전극활물질인 다공성 활성탄 분말;
    상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 도전재 0.1∼20중량부;
    상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 불소 함유 바인더 1∼20중량부;
    상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 메틸메타크릴레이트를 단량체로 하는 폴리머 0.01∼10중량부; 및
    상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 분산매 100∼300중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극용 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 메틸메타크릴레이트를 단량체로 하는 폴리머는 폴리메틸메타크릴레이트로 이루어진 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극용 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 불소 함유 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드 및 폴리테트라플루오로에틸렌 중에서 선택된 1종 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극용 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 다공성 활성탄 분말의 비표면적은 1000∼3300㎡/g 범위인 것을 특징을 하는 슈퍼커패시터 전극용 조성물.
  5. 전극활물질인 다공성 활성탄 분말, 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 도전재 0.1∼20중량부, 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 불소 함유 바인더 1∼20중량부, 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 메틸메타크릴레이트를 단량체로 하는 폴리머 0.01∼10중량부 및 상기 다공성 활성탄 분말 100중량부에 대하여 분산매 100∼300중량부를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계;
    상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계; 및
    전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 메틸메타크릴레이트를 단량체로 하는 폴리머는 폴리메틸메타크릴레이트로 이루어진 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 불소 함유 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드 및 폴리테트라플루오로에틸렌 중에서 선택된 1종 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 다공성 활성탄 분말의 비표면적은 1000∼3300㎡/g 범위인 것을 특징을 하는 슈퍼커패시터 전극의 제조방법.
  9. 제5항에 기재된 제조방법으로 제조된 슈퍼커패시터 전극을 이용하고, 교류 임피던스 측정 결과의 나이키스트 플롯에 있어서 100mHz에서의 임피던스의 실수 성분(Z2)과 고주파측 임피던스 곡선의 실축과의 절편의 임피던스(Z1)의 차(Z0)를 Z2-Z1로 할 때, 1＜Z0＜11의 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
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