KR101701317B1 - 그래핀을 적용한 도전성 접착제 및 이를 이용한 전극제조방법 - Google Patents

그래핀을 적용한 도전성 접착제 및 이를 이용한 전극제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고온환경하에서 집전체와 전극재 사이의 접합면에 삽입되어 전극 계면사이의 들뜸 현상 및 공극을 줄여주며, 전도성이 우수한 그래핀(Graphene)의 사용으로 전기전도도의 증대를 통한 전극자체의 전극저항을 감소시킴으로써 축전 용량을 증대시킬 수 있도록 하는, 140℃의 초고온용 커패시터 제조 공정 장치에 사용되는 전극용 도전성 접착제 및 이를 이용한 전극제조에 관한 것이다.

Description

그래핀을 적용한 도전성 접착제 및 이를 이용한 전극제조방법{ELECTRO-CONDUCTIVE ADHESIVE USING GRAPHENE AND PREPARATION OF ELECTRODE USING THE SAME}
본 발명은 고온환경하에서 집전체와 전극재 사이의 접합면에 삽입되어 전극 계면사이의 들뜸 현상 및 공극을 줄여주며, 전도성이 우수한 그래핀(Graphene)의 사용으로 전기전도도의 증대를 통한 전극자체의 전극저항을 감소시킴으로써 축전 용량을 증대시킬 수 있도록 하는, 140℃의 초고온용 커패시터 제조 공정 장치에 사용되는 전극용 도전성 접착제 및 이를 이용한 전극제조에 관한 것이다.
석유 및 가스 시추 시장은 지속으로 확대되고 있으며, 현재 오일 및 가스 탐사 및 시추장비용 전원은 고온, 고진동의 극단적인 사용 환경 특성으로 인해 고온 및 내구성 특성이 확보되고 에너지밀도가 높은 리튬 일차전기만이 사용되고 있다.
LWD(Logging While Drilling), MWD(Measurement While Drilling) 장비에 자기장 측정기기를 추가하여 Drilling하며 위치추적, 온도, 진동 등의 측정과 동시에 주위의 석유 또는 가스 Reservoir를 검색할 수 있는 고온 및 진동 상태에서의 안정적인 장비의 전원이 요구된다.
자원 시추장비는 100℃ 이상의 고온과 20~30G 이상의 내진성을 요구한다. 최근 시추 깊이 증가하고 실시간 위치 추적 기능 등 첨단 기능 탑재 장비된 장비는 수초에서 수백 마이크로 초 동안 수 Ampere(A) 방전할 수 있는 고출력 특성이 요구된다. 고출력 요구 전원 특성을 만족시키지 못해 장비 발전이 제한되어 있어, 출력 특성이 높고 고온 및 내구성이 확보되는 에너지 저장 장치가 요구된다.
커패시터는 종래의 전해 콘덴서보다 에너지 밀도가 우수하며 리튬 이차전지보다 출력 특성이 우수한 에너지 저장 장치로서, 리튬금속산화물 및 흑연의 전극 물질과 전해질의 화학반응을 이용하는 리튬 이차전지와 달리 다공성의 전극 표면과 전해질 사이에 계면에 이온의 물리적인 흡/탈착 과정이 생성되는 전기 이중층을 통해 전하를 측정하기 때문에 리튬 이차 전지보다 출력 밀도 및 충방전 효율 우수하다. 이러한 특성으로 반영구적 수명 특성이 있고 리튬 금속을 사용하지 않는 안정적이고 친환경적 장치인 커패시터가 적합하다.
기존 커패시터의 일반 온도환경(상온~65℃)에서는 집전체(Al)와 전극활물질 계면에서 들뜸현상이나 도전성 저하 현상이 일어나지 않지만 140℃의 고온환경에서 경시에 따라 집전체(Al)와 전극활물질 사이의 계면이 들뜨게 되어 저항 증가 및 더욱이 셀 열화로 이어진다.
본 발명의 도전성 접착제와 관련하여, 대한민국 등록특허 10-0939793(등록일자 2010.01.25)의 'CDI 전극용 도전성 접착제 및 이를 이용한 전극제조방법'과, 대한민국 공개특허 10-2012-0044489(공개일자 2012년 05월 08일)의 'CDI 전극용 도전성 접착제 및 그를 이용한 전극제조방법'에 대한 기술이 개시된 바 있다.
CDI용으로 제작했던 기존 도전성 접착제의 경우, 본래 도전성이 우수한 EDLC용으로 적용하였을 시에 도전성 접착제 적용 전 후의 성능적 차이를 확인하기 힘들다. 따라서, 보다 우수한 도전성을 가지는 도전재를 사용해서 전극 저항을 감소하도록 하여야 한다.
또한, 기존 도전성 접착제는 CDI용 그라파이트 박막에서는 우수한 접착력을 보였으나, EDLC 박막으로 사용하는 알루미늄 박막에서는 사용했을 시에 실온에서는 접착력에 문제가 없었으나, 고온상태에서는 전해액 상에서 전극물질이 탈리되는 현상이 나타났다.
따라서 초고온에서 EDLC용으로 사용되는 도전성 접착제의 경우, 가학적인 온도조건에 따라 기존 CDI용 도전성 접착제로는 적용이 어려우며, 이를 개선하기 위해선 도전재로써 Graphene을 적용하여 전극 전도성을 향상시켜 저항을 감소하는 효과를 볼 수 있다.
대한민국 등록특허 10-0939793(등록일자 2010.01.25) 대한민국 공개특허 10-2012-0044489(공개일자 2012년 05월 08일)
상기 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 고온환경하에서 도전성 접착제를 적용함으로써 전극 계면의 박리를 방지하고 도전성을 높일 수 있는 전도성이 우수한 그래핀(Graphene)을 도전재로 사용하여 140℃의 초고온용 커패시터 제조 공정 장치에 사용되는 전극용 도전성 접착제 및 이를 이용한 전극제조 방법을 제공하는 것을 발명의 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 그래핀(Graphene) 0.5 ~ 20wt%와,
은 코팅 구리 0.1~5wt%
알긴산나트륨, 알긴산칼륨 또는 알긴산암모늄의 알긴산염; 또는 알긴산프로필렌글리콜; 중 선택되는 어느 1종 이상의 결착제 1 ~ 15wt%와,
옥살산, 말론산, 말산, 주석산, 멜리트산, 구연산, 아디핀산, 말레인산, 피로멜리트산, 프탈산, 트리멜리트산, 무수석신산, 석신산의 다염기산 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 유기산 또는 그 유도체 중 선택되는 어느 1종 이상의 가교제 1 ~ 15wt%와,
증류수 50 ~ 96wt%의 혼합으로 조성된 140℃이상의 초고온용임을 특징으로 하는 초고온 커패시터 전극용 도전성 접착제를 제공한다.
그리고 상기 초고온 커패시터 전극용 도전성 접착제를 제조하기 위한 방법으로서,
탄소전구체로서 메탄가스를 사용하여 1,000℃의 고온과 10-3 torr의 고압에서 그래핀을 합성하는 단계와,
은 코팅 구리를 제조하는 단계와,
상기 그래핀(Graphene) 0.5 ~ 20wt%; 은 코팅 구리 0.1~5wt%; 알긴산염 또는 알긴산프로필렌글리콜 중 선택되는 어느 1종 이상의 결착제 1 ~ 15wt%; 유기산 또는 그 유도체 중 선택되는 어느 1종 이상의 가교제 1 ~ 15wt%; 증류수 50 ~ 96wt%;를 혼합하여 도전성 접착제를 제조하는 단계와,
상기 도전성 접착제를 카본 시트(sheet) 표면에 도포하고, 가열건조하여 건조두께 0.2 ~ 50㎛의 도전성 접착제층을 이루는 단계와,
전극재인 활성탄 슬러리를 도포한 후 건조하는 단계와,
전극의 균질성을 향상시키기 위해 프레스하는 프레싱 단계로 이루어진 고온 커패시터 전극용 도전성 접착제를 이용한 전극제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 도전성 접착제는 140℃ 이상의 초고온환경하에서 집전체와 전극재 사이의 접합면에 삽입되어 전극 계면사이의 들뜸 현상 및 공극을 줄여주며 전도성이 우수한 그래핀(Graphene)을 사용하여 전기전도도도 증대시킨다. 이로써 전극자체의 전극저항을 감소시켜 축전 용량을 증대시킨다.
이하, 상기의 기술 구성에 대한 구체적인 내용을 살펴보도록 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 초고온 커패시터 전극용 도전성 접착제는 그래핀(Graphene) 0.5 ~ 20wt%와,
은 코팅 구리 0.1~5wt%
알긴산나트륨, 알긴산칼륨 또는 알긴산암모늄의 알긴산염; 또는 알긴산프로필렌글리콜; 중 선택되는 어느 1종 이상의 결착제 1 ~ 15wt%와,
옥살산, 말론산, 말산, 주석산, 멜리트산, 구연산, 아디핀산, 말레인산, 피로멜리트산, 프탈산, 트리멜리트산, 무수석신산, 석신산의 다염기산 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 유기산 또는 그 유도체 중 선택되는 어느 1종 이상의 가교제 1 ~ 15wt%와,
증류수 50 ~ 96wt%의 혼합으로 조성된다.
상기 도전제인 그래핀(Graphene)은 입자크기 5~20㎛ 입자 사이즈 및 표면적 10~30㎡/g을 갖는 것으로서 도전성이 뛰어나다.
상기 그래핀(Graphene)의 사용량이 0.5wt% 미만인 경우에는 도전성능을 제대로 발현하기 어렵고, 20wt%를 초과하게 되는 경우에는 분산매의 대부분이 그래핀(Graphene)에 흡수되어 유동성이 현저히 상실되어 취급이 곤란하다는 문제가 발생하게 되므로, 상기 그래핀(Graphene)의 사용량은 도전성 접착제의 전체 함량에 대해 0.5 ~ 20wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 은 코팅 구리는 전기 전도성에 있어 우수한 특성을 갖는 반면 산화에 영향을 받기 쉬운 구리 분말에 은(silver)으로 코팅하여 산화적으로 안정화시킨 것으로서,
물과 에탄올(Ethanol)을 1:1 중량비율로 혼합하여 조성된 혼합용매에 구리 분말을 넣어, 75~85℃에서 20~30시간 동안 용매열 처리(solvothermal treatment)하여 구리 표면의 산화막을 제거하고,
이와 같이 산화막이 제거된 구리분말을 100~150배 중량의(NH4)2SO4 용액(solution)에 분산시키고 5~15분 동안 교반한 다음, NH4OH를 이용하여 pH를 10~12로 조정하고,
질소 분위기하에서 환원제로 C4H4O6KNa 용액(solution)을 첨가하고, 구리 표면에 은을 피복 시키기 위하여 0.1~2M 농도의 AgNO3 용액(solution)을 구리 표면으로 떨어뜨리면서 5~10분 동안 교반하여 제조된 것을 사용한다.
상기 은 코팅 구리의 사용량이 0.1wt% 미만인 경우에는 은 코팅 구리의 사용에 따른 전도성 향상을 기대하기 어렵고, 5wt%를 초과하게 되는 경우에는 비용 상승으로 인해 비경제적이므로, 상기 은 코팅 구리의 사용량은 도전성 접착제의 전체 함량에 대해 0.1~5wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 결착제인 알긴산염은 알긴산나트륨, 알긴산칼륨, 알긴산암모늄 또는 알긴산염끼리의 혼합물을 사용하거나,
상기 알긴산염과 알긴산프로필렌글리콜의 혼합물; 또는 알긴산프로필렌글리콜 단독의 형태를 사용하여도 무방하다.
상기 알긴산염 또는 알긴산프로필렌글리콜을 배합한 도전성 접착제 슬러리(slurry)에서는 알긴산염 또는 알긴산프로필렌글리콜 분자 중에 포함되어 있는 수산기(-OH)가 물 매채와의 친화성을, 그 외의 소수기 부분이 Graphene과의 친화성을 가지므로 슬러리 중의 Graphene 입자를 양호하게 분산시키는 것이 가능하다.
상기 결착제의 사용량이 1wt% 미만인 경우에는 안정된 결착층을 얻기 어렵고, 15wt%를 초과하게 되는 경우에는 도포성이 떨어지거나, 비용면에서 비경제적인 문제가 발생하게 되므로, 결착성과 비용적인 부분을 고려해 볼 때, 결착제의 사용량은 도전성 접착제의 전체 중량에 대해 1~15wt%의 범위 내에서 한정하는 것이 바람직하다.
상기 가교제는 유기산은 옥살산, 말론산, 말산, 주석산, 멜리트산, 구연산, 아디핀산, 말레인산, 피로멜리트산, 프탈산, 트리멜리트산, 무수석신산, 석신산의 다염기산 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합물에서 선택되는 것으로서,
상기 가교제의 유기산 유도체는 상기 다염기산의 산무수물, 다염기산의 일부 또는 전부의 카르복실기의 염, 특히 암모늄염이나 아민염 중에서 선택된다. 특히, 가교성 측면에서 3가 이상의 방향족 폴리카르복실산인 피로멜리트산, 트리멜리트산 또는 이의 산무술물 중에서 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 유기산 및 그 유도체는 알긴산염 또는 알긴산프로필렌글리콜 슬러리가 집전체와 전극재인 활성탄층의 결착제로서 사용되어 도전층을 형성하면, 가열 건조시에 알긴산염 또는 알긴산프로필렌글리콜의 가교제로서 작용하며, 가교된 알긴산염 및 알긴산프로필렌글리콜은 집전체와 전극재 사이의 뛰어난 밀착성을 부여하여 전극재의 박리현상을 방지하는 기능을 갖게 된다.
상기 가교제의 사용량이 1wt% 미만인 경우에는 알긴산염 또는 알긴산프로필렌글리콜의 가교밀도가 낮아, 형성되는 결착층이 집전체와 전극재사이의 밀착성을 떨어뜨리는 문제가 있고, 15wt%를 초과하게 되는 경우에는 가교성이 떨어지며 밀착성 또한 저해되는 문제가 있으므로, 상기 가교제의 사용량은 도전성 접착제의 전체 중량에 대해 1~15wt%의 범위 내에서 한정하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 분산매로서 증류수를 사용한다. 분산매의 종류는 주로 도전성 접착제의 용도에 의해 결정되는데, 본 발명에서는 도전성 접착제가 수계 슬러리로 제작됨으로 수계 분산매인 증류수를 사용한다.
상기 증류수의 사용량이 50wt% 미만인 경우에는 도전성 접착제의 도포성 즉, 점성이 증가하여 도막 형성에 어려움이 있고, 96wt%를 초과하게 되는 경우에도 너무 점성이 낮아 도막 형성에 어려움이 있으며, 또한 도전성 접착제의 접착성능이 떨어지므로, 상기 증류수의 사용량은 도전성 접착제의 전체 함량에 대해, 50~96wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명에 따른 도전성 접착제를 이용한 전극 제조방법에 대해 살펴보도록 한다.
상기 도전성 접착제를 이용한 전극 제조방법은,
탄소전구체로서 메탄가스를 사용하여 1,000℃의 고온과 10-3 torr의 고압에서 그래핀을 합성하는 단계와,
은 코팅 구리를 제조하는 단계와,
상기 그래핀(Graphene) 0.5~20wt%; 은 코팅 구리 0.1~5wt%; 알긴산염 또는 알긴산프로필렌글리콜 중 선택되는 어느 1종 이상의 결착제 1~15wt%; 유기산 또는 그 유도체 중 선택되는 어느 1종 이상의 가교제 1~15wt%; 증류수 50~96wt%;를 혼합하여 도전성 접착제를 제조하는 단계와,
상기 도전성 접착제를 카본 시트(sheet) 표면에 도포하고, 가열건조하여 건조두께 0.2 ~ 50㎛의 도전성 접착제층을 이루는 단계와,
전극재인 활성탄 슬러리를 도포한 후 건조하는 단계와,
전극의 균질성을 향상시키기 위해 프레스하는 프레싱 단계로 이루어진다.
상기 도전성 접착층 형성 단계는 커패시터 전극용 집전체인 에칭된 알루미늄 박막 표면에 상기 도전성 접착제를 도포함으로써 완성된다.
이때 도전성 접착제의 도포 두께는 도포 후 가열 건조하여 이루어지는 건조두께를 기준으로 0.2 ~ 50㎛이며, 바람직하게는 1.0 ~ 20㎛이다.
상기 도포방법은 그라비아 코트, 그라비아 리버스 코트, 슬라이드 다이 코트(Slide dye coating), 콤마 다이렉트 코터(Comma direct coating), 콤마 리버스 코터(Comma reverse coating), 다이 노즐(Dye nozzle) 코팅 중 선택되는 어느 1종의 방법을 이용한다.
상기 가열 건조는 알긴산염 및 알긴산프로필렌글리콜의 가교가 충분히 일어나도록 하기 위하여, 110℃에서 5 ~ 10분 동안 1차 가열건조한 후, 150℃에서 5 ~ 10분 동안 2차 가열건조한다.
상기 가열건조가 1차, 2차에 걸쳐 이루어지는 이유는 가교제의 충분한 가교밀도를 형성시켜 집전체에 대한 도전성 접착제의 밀착성을 증대시키는 한편, 도전성 접착층에 존재하는 잔여 분산매를 제거하는 데 있다.
상기 1차 가열건조는 110℃의 온도에서 이루어지며, 이때 가열건조 시간이 5분 미만인 경우에는 도전성 접착제의 가교제 성분에 의한 충분히 가교가 일어나지 않으며 집전체와의 밀착성이 결여되는 문제가 발생하게 되며,
10분을 초과하게 되는 경우에는 비용면에 있어 전극생산의 경제성이 떨어지는 문제가 있으므로, 상기 1차 가열건조는 110℃에서 5 ~ 10분 동안 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 2차 가열건조는 150℃의 온도에서 이루어지며, 이때 가열건조 시간이 5분 미만인 경우에는 도전성 접착층에 존재하는 잔여 분산매가 제거되지 않아 이후에 전극재와의 접착성이 떨어지는 문제가 있고, 10분을 초과하게 되는 경우에는 전극 생산을 위한 비용면에서 경제성이 떨어지는 문제가 있으므로, 상기 2차 가열건조는 150℃에서 5 ~ 10분 동안 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 전극재인 활성탄 슬러리는, 분극성 다공성 활물질로서 활성탄; 도전재인 카본블랙; 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리비닐피롤리돈(PVP)의 혼합으로 조성된 혼합바인더;로 조성된 혼합물의 고형분이 32%가 될 때까지 분산매인 증류수를 첨가하여 교반 혼합으로 조성된다.
보다 구체적으로, 상기 활성탄 슬러리는 10㎛의 크기를 갖는 활성탄 87wt%; 도전재인 카본블랙 5wt%; 바인더로서 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 3wt%, 고형분 60%의 폴리테트라플루오르에틸렌 용액(PTFE solution) 4wt%, 폴리비닐피롤리돈(PVP) 1wt%;로 조성된 혼합물에, 혼합물의 고형분이 32%가 될 때까지 증류수를 첨가하면서 플래니터리 디스퍼 믹서로 교반 혼합하여 제조한다.
그리고, 상기 프레싱 공정에서의 프레스(Press)방법으로는 콜드 프레스(Cold press) 또는 핫 프레스(Hot press) 중 선택되는 방법을 사용한다.
이하, 본 발명에 따른 도전성 접착제 및 이를 이용한 전극제조방법을 실시예를 통해 구체적으로 살펴보도록 한다.
먼저, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 커패시터 제조 공정 장치에 사용되는 전극에 그래핀(Graphene)을 적용한 도전성 접착제 및 이를 이용한 전극제조 방법을 상세하게 설명하지만 본 발명이 하기의 실시예에 의하여 제한되거나 한정된 것은 아니다.
[실시예 1]
[ 도전성 접착제를 이용한 전극의 제조 ]
1. 도전성 접착제의 제조
본 실시 예1의 도전성 접착제는 플래니터리 디스퍼(Planetary disper) 분산기에 탈이온수 810g을 넣고 여기에 결착제로서 알긴산프로필렌글리콜 40g과, 구연산 40g을 넣어 용해시킨 다음, 도전재인 그래핀(Graphene) 100g과 첨가제인 은 코팅 구리 10g을 첨가하여 제조하였다.(표 1)
2. 집전체 상의 도전성 접착층 형성
앞서 제조된 도전성 접착제를 커패시터 전극용 집전체인 에칭 알루미늄 박막의 표면 위에 콤마 다이렉트 코터를 사용하여 도포한 후, 드라이 존에서 110℃에서 5분, 150℃에서 5분 동안 가열건조처리하고, 그 건조막 두께가 1㎛의 층을 형성하였다.
3. 전극의 제조
상기 실시예 1을 통해 제조된 도전성 접착제를 커패시터 전극용 집전체인 에칭 알루미늄 박막의 표면 위에 콤마 다이렉트 코터를 사용하여 도포한 후, 드라이 존에서 110℃에서 5분, 150℃에서 5분을 가열건조처리하고 그 건조막 두께가 1㎛인 층을 형성한다.
다음으로 전극재인 활성탄 슬러리액을 이하의 방법에 의하여 제조한다.
평균 10㎛의 크기를 갖는 활성탄 87g, 도전재인 카본블랙 5g, 바인더로서 CMC 3g, PTFE solution(고형분 60%) 4g, PVP 1g을 플래니터리 디스퍼 믹서로 고형분 32%가 될 때까지 증류수를 첨가하고 교반, 혼합하여 슬러리를 얻는다.
이와 같이 얻어진 전극슬러리를 도전성 접착제층 표면에 콤마 다이렉트 코터를 사용하여 도포한 후, 드라이 존에서 처음 85℃에서 5분, 그 후 110℃에서 5분 동안 가열건조하여 도전성 접착층 위에 전극재층을 형성한다. 그리고 균일한 전극재를 얻기 위해 이 전극을 프레스한다.
4. 도전성 접착제의 용액안정성
상기 제조된 도전성 접착제를 밀봉하여 25℃ 실내 방치하여 용액의 상분리를 육안으로 관찰한 결과를 나타냄으로써 용액안정성을 평가하였다.(표 2)
5. 전극의 전기저항 측정시험
상기 제조된 전극의 전기저항 측정은 전극의 두께 방향의 저항값으로서 Φ13mm로 구멍을 뚫은 전극을 은판상에 놓고, 도막면에 Φ11mm의 은봉을 놓아 500gf의 하중을 가한 상태로 은판과 은봉사이의 저항값을 측정하였다.(표 3)
6. 전극의 내전해액 특성평가
상기 제조된 전극의 내전해액 특성은 140℃의 환경하에서 전극을 고온형 전해액에 300시간 함침하여 전극 물질 탈리 여부를 평가하였다.(표 3)
[실시예 2~4]
실시예 2 내지 4의 도전성 접착제를 이용한 전극 제조는 실시예 1에 제시된 바와 동일하게 이루어지나, 다만 그 성분 배합에 있어 표 1에 제시된 내용을 따른다.
이외에 실시예 1에 제시된 바와 동일하게 하여 시간 경과에 따른 도전성 코팅액의 용액안정성을 측정하였고, 그 결과를 표 2에 기재하였다.
또한 도전성 접착제를 이용하여 제조한 전극의 전기저항 및 내전해액 특성평가를 측정하였고, 그 결과를 표 3에 기재하였다.
[비교예 1~3]
비교예 1 내지 2의 도전성 접착제를 이용한 전극 제조는 실시예 1에 제시된 바와 동일하게 이루어지나, 다만 그 성분 및 성분 배합에 있어 표 1에 제시된 내용을 따른다.
이외에 실시예 1에 제시된 바와 동일하게 하여 시간 경과에 따른 도전성 접착제의 용액안정성을 측정하여 그 결과를 표 2에 기재하였고,
또한 비교예 3은 도전성 접착제 없이 제조한 전극의 전기저항 및 내전해액 특성평가를 측정하여 그 결과를 표 3에 기재하였다.
도전성 접착제 배합
결착제 도전재 첨가제 분산매
알긴산
프로필렌글리콜
유기산류
탄소재
은 코팅 구리
탈이온수
실시예 1 40g 구연산 40g Graphene 100g 10g 810g
실시예 2 40g 구연산 40g Graphene 100g 10g 810g
실시예 3 30g 말레인산 30g Graphene 100g 10g 830g
실시예 4 50g 무수석신산50g Graphene 100g 10g 790g
비교예 1 100g - Graphene 100g - 800g
비교예 2 CMC 100g - Graphene 100g - 800g
비교예 3 - - - - -
도전성 코팅액의 용액안정성
초기상태 1개월 후 3개월 후 6개월 후
실시예 1 ◎, ◇ ○, ◇ ○, ◇ ○, ◇
실시예 2 ◎, ◇ ○, ◇ ○, ◇ ○, ◇
실시예 3 ◎, ◇ ○, ◇ ○, ◇ ○, ◆
실시예 4 ◎, ◇ ◎, ◇ ○, ◇ ○, ◆
비교예 1 ○, ◇ ○, ◇ △, ◇ △, ◇
비교예 2 ◎, ◇ ○, ◇ △, ◇ △, ◇
비교예 3 - - - -
(※ 도전성 코팅액의 용액안정성 : ◎은 도전성 코팅액 슬러리 상태가 유동성이 있을 때, ○은 도전성 코팅액 슬러리 상태가 유동성이 양호할 때, △은 도전성 코팅액 슬러리 상태가 유동성이 조금 없을 때, ×은 도전성 코팅액 슬러리 상태가 유동성이 전혀 없을 때, ◇은 도전성 코팅액 슬러리 상태가 층분리가 없을 때, ◆ 도전성 코팅액 슬러리 상태가 충분리가 있을 때를 나타냄.)
전극의 전기저항 및 내전해액 특성평가
전극의 전기저항 전극의 내전해액 특성평가
실시예 1 ◎ ○
실시예 2 ◎ ○
실시예 3 ◎ ×
실시예 4 ◎ ×
비교예 1 ○ ×
비교예 2 × ×
비교예 3 × ×
(※ 전극의 전기저항 : ◎은 비교예 3보다 전기저항이 20%이상 작을 때, ○은 비교예 3보다 전기저항이 10% 이상, 20% 미만 작을 때, ×는 비교예 3과 전기 저항이 동등 이하일 때를 나타냄.)
(※ 전극의 내전해액 특성 : ○은 전극 물질 탈 리가 없을 때, ×는 비전극 물질 탈 리가 있을 때를 나타냄.)
상기 표 2와 표 3의 결과에서 알 수 있듯이, 본 발명에 의한 도전성 접착제를 도포한 전극을 사용하면 전극재의 박리가 방지되고 또한 전기저항을 줄일 수 있는 전극을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 그래핀을 적용한 도전성 접착제 및 이를 이용하여 제조된 전극은 고온환경하에서 집전체와 전극재 사이의 접합면에 삽입되어 전극 계면사이의 들뜸 현상 및 공극을 줄여주며 전도성이 우수한 그래핀(Graphene)을 사용하여 전기전도도를 증대시키며, 이로써 전극자체의 전극저항을 감소시켜 축전 용량을 증대킬 수 있어 산업상 이용가능성이 크다.

Claims (5)

  1. 그래핀(Graphene) 0.5~20wt%와,
    은 코팅 구리 0.1~5wt%
    알긴산나트륨, 알긴산칼륨 또는 알긴산암모늄의 알긴산염; 또는 알긴산프로필렌글리콜; 중 선택되는 어느 1종 이상의 결착제 1~15wt%와,
    옥살산, 말론산, 말산, 주석산, 멜리트산, 구연산, 아디핀산, 말레인산, 피로멜리트산, 프탈산, 트리멜리트산, 무수석신산, 석신산의 다염기산 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 유기산 또는 그 유도체 중 선택되는 어느 1종 이상의 가교제 1~15wt%와,
    증류수 50~96wt%의 혼합으로 조성된 140℃이상의 초고온용임에 있어서,

    상기 은 코팅 구리는,
    물과 에탄올(Ethanol)을 1:1 중량비율로 혼합하여 조성된 혼합용매에 구리 분말을 넣어, 75~85℃에서 20~30시간 동안 용매열 처리(solvothermal treatment)하여 구리 표면의 산화막을 제거하고,
    이와 같이 산화막이 제거된 구리분말을 100~150배 중량의(NH4)2SO4 용액(solution)에 분산시키고 5~15분 동안 교반한 다음, NH4OH를 이용하여 pH를 10~12로 조정하고,
    질소 분위기하에서 환원제로 C4H4O6KNa 용액(solution)을 첨가하고, 구리 표면에 은을 피복 시키기 위하여 0.1~2M 농도의 AgNO3 용액(solution)을 구리 표면으로 떨어뜨리면서 5~10분 동안 교반하여 제조된 것임을 특징으로 하는 초고온 커패시터 전극용 도전성 접착제.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 탄소전구체로서 메탄가스를 사용하여 1,000℃의 고온과 10-3 torr의 고압에서 그래핀을 합성하는 단계와,
    은 코팅 구리를 제조하는 단계와,
    상기 그래핀(Graphene) 0.5~20wt%; 은 코팅 구리 0.1~5wt%; 알긴산염 또는 알긴산프로필렌글리콜 중 선택되는 어느 1종 이상의 결착제 1~15wt%; 유기산 또는 그 유도체 중 선택되는 어느 1종 이상의 가교제 1~15wt%; 증류수 50~96wt%;를 혼합하여 도전성 접착제를 제조하는 단계와,
    상기 도전성 접착제를 카본 시트(sheet) 표면에 도포하고, 가열건조하여 건조두께 0.2~50㎛의 도전성 접착제층을 이루는 단계와,
    전극재인 활성탄 슬러리를 도포한 후 건조하는 단계와,
    전극의 균질성을 향상시키기 위해 프레스하는 프레싱 단계로 이루어진 것에 있어서,

    상기 활성탄 슬러리는 10㎛의 크기를 갖는 활성탄 87wt%; 도전재인 카본블랙 5wt%; 바인더로서 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 3wt%, 고형분 60%의 폴리테트라플루오르에틸렌 용액(PTFE solution) 4wt%, 폴리비닐피롤리돈(PVP) 1wt%;로 조성된 혼합물에, 혼합물의 고형분이 32%가 될 때까지 증류수를 첨가하면서 플래니터리 디스퍼 믹서로 교반 혼합하여 제조된 것임을 특징으로 하는 초고온 커패시터 전극용 도전성 접착제를 이용한 전극제조방법.

  5. 삭제
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