KR101621884B1 - 슈퍼커패시터 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 슈퍼커패시터에 관한 것으로, 고체상태의 고분자전해질층의 상부 또는 하부에 밀착형성되는 전극층으로 형성되되, 상기 전극층은 활성탄소, 도전재, 바인더로 형성되는 활물질 전극층을 포함하며, 상기 전류 집전체에 금속물질로 형성되는 단자(lead)와 슈퍼커패시터 전체 면을 감싸는 구조의 보호부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 슈퍼커패시터를 구성함에 있어서, 고체의 전해질을 사용하고 폴리머를 이용한 보호부를 형성함으로써, 종래의 상부 및 하부의 금속재질로 이루어지는 케이스와 그 연결부위에 실링의 목적으로 사용되는 가스켓을 제거함으로써, 이로 인한 비용절감 및 누액을 원천적으로 차단하여 안정성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 전극과 고체 전해질의 적층구조를 일체화한 후에 가공하는 가공공정으로 인해 원하는 형상 및 크기로 슈퍼커패시터를 제조할 수 있어, 가공의 편의성을 구현할 수 있는 효과도 있다.

초고용량 커패시터, 전극, 보호부

Description

슈퍼커패시터 및 그 제조방법{Supercapacitor and manufacture method of the same}

본 발명은 슈퍼커패시터에 관한 것으로, 특히 종래의 커패시터의 구조에서 사용되는 상하부의 금속케이스와 가스켓을 사용하지 않고도 누액의 위험이 없으며, 종래의 전극 간 쇼트방지를 위해 삽입되던 세퍼레이터의 구성이 없이도 안정성을 확보할 수 있으며, 밀폐력과 내열, 내충격성 및 내화학성이 강한 슈퍼커패시터를 제공하는 것에 관한 것이다.

초고용량 커패시터(supercapacitor 또는 ultracapacitor)로 알려져 있는 전기화학 커패시터(EC, electrochemical capacitor)는 전해콘덴서와 이차전지의 중간적인 특징을 갖는 에너지 저장장치로서, 급속 충방전이 가능하며 높은 효율과 반영구적인 수명으로 이차전지의 병용 및 대체가 가능한 에너지 저장장치로 각광을 받고 있다.

슈퍼커패시터는 종래의 커패시터에 사용되고 있는 고유물질인 유전체는 없고, 또한 전지와 같이 충방전에 화학반응을 이용하지도 않는다. 그 특징은 표면적이 큰 활성탄을 사용하고 유전체의 거리를 짧게 하여 소형으로 F 단위의 매우 큰 정전 용량을 얻을 수 있으며, 과충전, 과방전을 해도 전지와 같이 수명에 영향을 주는 일이 없을 뿐만 아니라, 환경성이 뛰어나다. 전자 부품으로서 땜납으로 붙일 수 있으므로 2차 전지와 같이 단락이나 접속 불안정이 일어나지 않는다. 종래의 전기 화학 반응을 이용하는 2차 전지에 비해, 슈퍼커패시터는 전하 자체를 물리적으로 축전하는 방법을 이용하고 있어 충방전 시간의 조절이 가능하고, 긴 수명, 높은 에너지 밀도 등을 얻을 수 있다.

슈퍼커패시터는 내부저항이 높을수록 충전시간은 길어지지만, 슈퍼커패시터의 단점인 제한된 부피당 에너지 밀도를 높일 수 있다. 따라서 슈퍼커패시터는 10~15분 정도의 충전으로 단시간용 전력 피크의 보상이나 몰입전류를 공급할 수 있으며, 2시간 정도의 충전으로 장시간 전력 보상을 할 수 있다. 정전압 충전의 경우 내부저항에 상관없이 약 50%의 효율을 보여주고 있으나, 내부저항값에 따라 더 좋은 충전 효율도 얻을 수 있다.

이러한 슈퍼컴퓨터는 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 또는 연료전지자동차(Fuel Cell Vehicle, FCV) 등과 같은 차세대 환경친화 차량 개발 분야에 있어 에너지 버퍼로써 슈퍼커패시터의 효용성은 날로 증가하고 있다.

슈퍼커패시터의 용도는 크기 및 용도에 따라 분류할 수도 있는데, 소형은 전원 차단시의 전자기기의 메모리 백업용 전원으로 사용되며, 중형 및 대형 제품에서는 하이브리드 전원시스템, 자동차의 스타터용 전원, 배기가스 촉매 가열의 보조전원이나 HEV의 회생 전원, 완구용 모터구동전지 대체용 전원 등과 같이 용도가 다양 하다.

도 1은 종래 슈퍼커패시터의 구조를 보인 개념도이다.

종래의 슈퍼커패시터는 리드(Lead, 1), 캡(Cap, 2), 접착제 페이스트(Adhesive Paste, 3) 전극(electrode, 4), 세퍼레이터(Separator, 5), 가스켓(Gasket, 7), 케이스(Case, 8)로 구성된다. 특히 이러한 종래의 인쇄기판 등에 주전원 혹은 보조전원용으로 사용되는 슈퍼커패시터는 주로 금속재질로 이루어진 상부의 캡(2) 및 하부의 케이스(8)가 필요하고, 캡(2)과 케이스(8)의 조립시 실링의 목적으로 사용하는 가스켓(7)이 필요하다.

그러나 가스켓(7)의 노화나 조립시 이물질에 의한 갭이 발생할 수 있는데, 이는 슈퍼커패시터 내부의 재료들이 외부환경에 노출됨을 의미하고, 이에 따라 슈퍼커패시터로서의 성능열화를 가져 오게 될 위험성이 있으며, 나아가 이로 인해 슈퍼커패시터로서의 성능을 상실하는 문제가 발생하게 된다. 또한, 종래의 슈퍼커패시터는 액상의 전해질을 전극(4)으로 사용하는데, 이 때문에 액상의 전해질에 의한 누액 발생시 타 전자부품들에게 치명적인 악영향을 미칠 수 있는 단점도 있다.

나아가 미리 정해진 상부의 캡(2)과 하부의 케이스(8)에 의해 조립되어지는 종래의 슈퍼커패시터는 사용용도에 따라 모양이나 치수를 변형시키기 어려운 문제점도 있었다. 아울러 기존의 칩형 슈퍼커패시터나 에너지 저장장치 등은 전극 간의 쇼트 방지를 위해 분리막인 세퍼레이터(5)가 삽입되어야 하며, 누액 등의 방지를 위해 측벽이 따로 구성되어 제조공정상의 불편함을 초래함은 물론 비용의 증가를 가져 오는 문제도 발생하였다.

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 슈퍼커패시터를 구성함에 있어서, 고체의 전해질을 사용하고 폴리머를 이용한 보호부를 형성함으로써, 종래의 상부 및 하부의 금속재질로 이루어지는 케이스와 그 연결부위에 실링의 목적으로 사용되어지는 가스켓을 제거함으로써, 이로 인한 비용절감 및 누액을 원천적으로 차단하여 안정성을 극대화할 수 있으며, 전극과 고체 전해질의 적층구조를 일체화한 후에 가공하는 가공공정으로 인해 원하는 형상 및 크기로 슈퍼커패시터를 제조할 수 있어, 가공의 편의성을 구현할 수 있는 슈퍼커패시터 및 그 제조공정을 제공하는 데 있다.

본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위한 구성으로, 고체상태의 고분자전해질층의 상부 또는 하부에 밀착형성되는 전극층으로 형성되되, 상기 전극층은 활성탄소, 도전재, 바인더로 형성되는 활물질전극층을 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터를 제공할 수 있도록 한다. 이로 인해 종래의 커패시터에 필수적이던 상하부의 금속케이스와 가스켓의 부수적인 구성요소가 제거되어 간소한 구조로 제조할 수 있어, 비용의 절감 및 누액을 원천적으로 차단할 수 있게 된다.

또한, 상기 전극층은, 상기 상하 전극층이 서로 다른 종류의 금속산화물과 전도성 고분자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터를 제공할 수 있도록 한다.

또한, 본 발명에서의 상기 전극층은 상기 활물질전극층이 전류집전체에 밀착되는 적층구조로 형성되는 것을 특징으로 하며, 상기 전류집전체에 금속물질로 형성되는 단자(lead)를 적어도 1 이상 형성하는 것을 특징으로 한다.

상술한 단자는 다른 실시태양으로 제조될 수 있으며, 특히, 상기 전류집전체를 가공하여 외부단자로 형성시키는 일체형 단자로 형성할 수도 있다.

상술한 상기 단자는 알루미늄, 니켈, 구리, 스테인리스 중 선택되는 어느 하나로 형성될 수 있다.

또한, 상술한 본 발명에서는 상기 슈퍼커패시터의 외부 전체 면에, 가공이 용이한 전기절연특성을 갖는 절연내열성 피복물질로 피복되는 보호부를 형성하는 것이 바람직하다. 이 경우 상기 보호부는, 열경화성 또는 UV 경화성 폴리머로 이루어질 수 있다. 이 보호부의 존재로 인해 커패시터 전체를 외부 충격에서 보호하고 내열성 및 내화학성을 강화하며, 나아가 전체적인 형상을 다양화할 수 있어 적용범위를 확장할 수 있도록 한다.

상술한 구조의 슈퍼커패시터의 제조공정은 다음과 같은 단계로 형성된다.

본 발명에서는 슈퍼커패시터를 제조함에 있어, 전류집전체와 활물질전극층을 밀착하여 전극층을 형성하는 1단계; 상기 전극층의 상면에 고체 전해질을 코팅 건조하여 합착시키는 2단계; 상기 합착된 구조물을 절단 또는 펀칭하여 슈퍼커패시터를 형상화하는 3단계; 상기 슈퍼커패시터의 전체 면에 절연내열성 피복물질로 보호부를 형성하는 4단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

물론 이 경우, 상기 1단계는 전극층을 2개로 형성하는 단계이며, 상기 2단계는, 상기 2개의 전극층의 어느 한 면 또는 양쪽에 고체 전해질을 코팅하고 합착시키는 단계로 구성할 수도 있다.

또한, 본 발명에서는 4단계 전, 후에 상기 전류집전체 상에 단자(lead)를 형상화하는 a) 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터의 제조방법을 제공할 수 있다.

또한, 상술한 상기 a) 단계를 전류집전체를 가공하여 일체화한 구조로 단자(lead)를 형성하는 단계로 형성하는 것도 가능하다.

본 발명에 따르면, 슈퍼커패시터를 구성함에 있어서, 고체의 전해질을 사용하고 폴리머를 이용한 보호부를 형성함으로써, 종래의 상부 및 하부의 금속재질로 이루어지는 케이스와 그 연결부위에 실링의 목적으로 사용되어지는 가스켓을 제거함으로써, 이로 인한 비용절감 및 누액을 원천적으로 차단하여 안정성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 전극과 고체 전해질의 적층구조를 일체화한 후에 가공하는 가공공정으로 인해 원하는 형상 및 크기로 슈퍼커패시터를 제조할 수 있어, 가공의 편의성을 구현할 수 있는 효과도 있다.

특히, 전극의 두께조절을 통해 필요한 용량, 저항 등을 조절가능하며, 전류집전체에 단자를 접착하는 방식이나 전류집전체를 이용하여 단자를 일체로 형성하는 방식을 통해 원하는 형태나 사이즈의 단자를 추가함으로써, 구현방식의 범용성 을 제공할 수 있는 효과도 있다.

아울러, 슈퍼커패시터의 외부 전체 면에 보호부를 형성하여 외부충격에 보호하며 내열성 및 내화학성을 증강할 수 있으며, 보호부의 형상을 적용 개소에 따라 다양하게 제조할 수 있어 그 적용방식의 효율성을 증진할 수 있는 장점도 있다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 슈퍼커패시터의 구성 및 작용, 그리고 그 제조방법을 설명하기로 한다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 슈퍼커패시터의 바람직한 일 실시예의 태양을 도시한 개념도이다.

도 2a를 참조하면, 본 발명에 따른 슈퍼커패시터는 고체상태의 고분자전해질층(130)의 상부 또는 하부에 밀착형성되는 전극층(A, B)를 포함하여 구성된다. 즉 상부에 형성되는 전극층(A)와 고체상태의 고분자 전해질층(130)으로 형성되는 기본구조가 가능하며, 나아가 상기 기본구조에 전극층(B)가 더 형성되는 구조도 가능함은 물론이다.

구체적으로는, 상기 전극층은 전류집전체(110a)와 활물질전극(120a)이 적층된 구조로 형성될 수 있으며, 그리고 활물질전극(120a)의 하면에는 고체상태의 고분자 전해질층(130)이 형성된다. 이러한 기본적인 구조에 상기 고체전해질층(130)의 하부에 활물질전극(120b)과 전류집전체(110b)로 구성되는 전극층(B)가 밀착되는 구조로도 형성가능하다.

또한, 상기 전류집전체의 상면에는 단자(lead)(140)가 형성될 수 있다.

상기 전극 층(A, B)은 전류집전체와 활물질전극의 적층구조로 이루어지며, 상기 전류집전체(110a, 110b)는 일정한 두께를 지니는 도전성 금속층으로 구현할 수 있으며, 그 일례로는 알루미늄이나 니켈, 구리, 스테인리스 스틸 과 같은 금속층을 이용하여 제조될 수 있다. 또한, 두께는 다양하게 변형하여 제조가능하나, 바람직하게는 10㎛~1㎜의 두께로 제조될 수 있다.

상기 활물질전극층(120a, 120b)은 탄소재, 도전재, 바인더로 이루어질 수 있다. 나아가 상술한 2개의 전극(A, B) 각각에 대해 서로 다른 종류의 금속산화물이나 전도성 고분자로 형성하는 것도 가능하다. 이중 특히 탄소재는 활성탄소로 형성할 수 있으며, 전체 전극 중 60~97%를 포함하도록 구현할 수 있다.

상기 고체 고분자 전해질층(130)은 고분자, 이온전도성 물질로 형성할 수 있으며, 바람직한 일 형성례로는 상기 활물질전극층 면에 고체 전해질을 코팅하여 건조하는 것으로 형성할 수 있다.

상기 단자(140)은 상기 전류집전체(110a, 110b)에 독립적으로 형성되거나 또는 상기 전류집전체층을 변형가공하여 형성하는 것도 가능하다. 독립적으로 형성하는 경우에는 가공이 용이한 알루미늄이나 니켈, 구리, 스테인리스 스틸과 같은 금속물질 등을 활용할 수 있다.

도 2b는 상술한 슈퍼커패시터와는 다른 형상의 원통형(코인형) 구조를 예시한 것이다. 구성요소의 식별부호는 도 2a와 동일하며, 그 형상에 있어서의 변형을 준 것이다.

도 3a 및 도 3b는 상술한 도 2a 및 도 2b에서의 슈퍼커패시터에 보호부(150) 를 형성한 것을 도시한 것이다.

상기 보호부(150)는 절연 및 내열 특성을 가지는 피복물질로서, 폴리머물질로 형성할 수 있다. 이러한 보호부의 형성에 있어서, 폴리머 물질을 이용하는 경우에는 일정한 틀이나 치고 등을 이용하여 실링처리하는 형식으로 상기 슈퍼커패시터 전체 면을 커버할 수 있도록 형성하여, 외부충격으로부터 슈퍼커패시터를 보호하는 한편, 내열성 및 내화학성을 강화할 수 있도록 한다. 또한, 폴리머물질로 열경화성 또는 UV 경화성 물질을 이용하는 경우, 원하는 모양과 두께, 치수 등을 조절할 수 있게 되며, 따라서 상술한 일 실시예로서의 직육면체형이나 코인형의 슈퍼커패시터라도 상기 보호부를 다른 형상으로 구비시키는 경우, 다양한 개소에 사용상의 편의에 따라 적용이 가능한 장점이 있다.

도 4a 및 도 4b는 상술한 본 발명에 따른 슈퍼커패시터에 보호부를 형성한 후, 단자를 형성하고 변형한 일례를 도시한 것이다. 즉 본 발명에 따른 단자(140)는 보호부의 가공 전이나 가공 후에 원하는 형태나 구조로 조절하여 형상을 만들 수 있는 이용상의 편의성을 제공하게 된다. 특히, 도 4b의 경우, 도 3b의 원통형 슈퍼커패시터의 외부에 보호막을 형성하되, 그 보호막의 형상을 직육면체로 형성하여 내부 슈퍼커피서터의 형상과 다르게 제작한 결과를 도시한 것이다.

도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 슈퍼커패시터의 제조공정을 설명하기로 한다.

전류집전체와 활물질전극층을 밀착하여 전극층을 형성하고(S 1~S 3),

상기 전극층의 상면에 고체 전해질을 도포(코팅)하고, 건조하여 합착시키 며(S 4), 상기 합착된 구조물을 절단 또는 펀칭하여 슈퍼커패시터를 형상화하는 S 5단계를 통해 원하는 형상으로 구현하게 된다. 이후에 슈퍼커패시터의 전체 면에 보호부를 형성하여(S 6), 본 발명에 따른 슈퍼커패시터를 완성하게 된다(S 7). 이 경우, 상기 보호부를 형성하는 가공공정 전이나 후에 단자를 형성하는 공정(S 8)을 포함하여 제조될 수 있다. 물론 단자의 형성은 별도의 단자소재를 부착하거나, 또는 상기 전극의 상부층인 전류집전체를 변형하여 형성하여 가능함은 상술한 바와 같다.

이상과 같은 본 발명에 따른 슈퍼커패시터는 고체 전해질을 사용하여, 액체 전해질 사용시 빈번하게 발생하는 전해질 누액을 원천적으로 방지할 수 있으며, 종래기술에 제시된 것처럼, 고정된 금속케이스를 사용하지 않기 때문에 원하는 형태로 자유롭게 디자인이 가능하며, 휨강도도 개선되어 다양한 분야에 적용이 가능하게 되는 범용성이 구현된다. 나아가 본 발명은 종래의 금속케이스를 사용하는 코인셀에 비해 동일한 크기에서 전극, 전해질 양이 많아져서 용량확보와 저항감소를 구현할 수 있는 장점도 있게 된다.

특히, 전극의 두께조절을 통해 필요한 용량, 저항 등을 조절가능하며, 전류집전체에 단자를 접착하는 방식이나 전류집전체를 이용하여 단자를 일체로 형성하는 방식을 통해 원하는 형태나 사이즈의 단자를 추가함으로써, 구현방식의 범용성을 제공할 수 있으며, 아울러, 슈퍼커패시터의 외부 전체 면에 보호부를 형성하여 외부충격에 보호하며 내열성 및 내화학성을 증강시킬 수 있으며, 보호부의 형상을 적용 개소에 따라 다양하게 제조할 수 있어 그 적용방식의 효율성을 증진할 수 있 는 장점도 있다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 종래 슈퍼커패시터의 구조를 보인 개념도이다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 슈퍼커패시터의 구성을 도시한 개념도이며, 도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 슈퍼커패시터에 보호부를 형성한 후를 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 단자의 변형례를 도시한 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 슈퍼커패시터의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.

Claims (12)

1. 고체상태의 고분자전해질층;

   상기 고분자전해질층의 상면 및 하면에 배치되는 활물질전극층;

   상기 활물질전극층의 상부 및 하부에 배치되는 전류집전체층; 및

   상기 전류집전체층에서 연장되어 상기 전류집전체층과 일체로 구현되는 리드부;

   를 포함하는 슈퍼캐퍼시터.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 활물질전극층은,

   탄소재, 도전재, 바인더를 포함하며,

   상기 탄소재는 활성탄소가 전체 전극 중 60~97%로 포함되는 슈퍼캐퍼시터.
3. 청구항 2에 있어서,

   고분자전해질층, 활물질전극층, 전류집전체층 및 리드부의 일부를 매립하는 구조로 구현되는,

   열경화성 폴리머 또는 UV경화성폴리머 재질의 보호부;

   를 더 포함하는 슈퍼캐퍼시터.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 전류집전체층 및 상기 활물질전극층의 적층 구조물의 두께는 10um~1mm인 슈퍼캐퍼시터.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 전류집전체층는,

   알루미늄, 니켈, 구리, 스테인리스 중 선택되는 어느 하나로 이루어지는 슈퍼캐퍼시터.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 리드부는 상기 전류집전체층와 동일한 재료로 구현되는 슈퍼캐패시터.
7. 청구항 6에 있어서,

   상기 고체 상태의 고분자전해질층 및 상기 고체 상태의 고분자전해질층의 상하부에 적층되는 상기 전류집전체층 및 상기 활물질전극층의 적층 구조물의 형상이 원통형 구조인 슈퍼캐퍼시터.
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