KR101892984B1 - 전기 기기 - Google Patents

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야스히코 타케무라
타마에 모리와카
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가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
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Abstract

본 발명은, 전지에 사용되는 활물질 입자 등으로 이루어지는 전극의 도전성을 높인다.
종래, 사용해 왔던 그라파이트(graphite) 입자, 아세틸렌 블랙, 탄소 섬유 등의 1차원 이하의 범위로만 확장할 수 있는 도전조제 대신에 1장 내지 10장의 그라핀(graphene)으로 이루어지는 2차원 카본을 도전조제로서 사용한다. 2차원적으로 확장될 수 있는 도전조제는 활물질 입자나 다른 도전조제와 접하는 확률이 향상되기 때문에, 도전율을 개선할 수 있다.

Description

전기 기기{ELECTRICAL APPLIANCE}
본 발명은 입자 상태의 재료를 사용하는 각종 전기 기기, 그 중에서도 전지에 관한 것이다.
망간 전지, 알칼리 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 2차 전지 등에 있어서는, 전기를 저장하기 위한 활물질로 입자 형상의 재료를 사용하고 있고, 어떤 경우에서는, 그들의 입자 형상의 재료(활물질 입자)의 도전성이 낮기 때문에, 아세틸렌 블랙이나 그라파이트(graphite; 흑염) 입자, 탄소 섬유 등의 도전조제를 혼합하여 도전율을 높이고 있다(특허 문헌 1 참조).
구체적으로는, 활물질 입자와 이들의 도전조제와 바인더를 혼합하여 집전체 위에 도포하여 성형한 후, 건조시킨 것을 정극(positive electrode) 또는 부극(negative electrode) 등의 전극으로서 사용한다.
전지 이외에도, 입자 형상 물질을 사용하는 전기 기기에서는, 그 도전성을 높이기 위하여 상기와 같은 처치가 행해지고 있다.
일본국 특개평6-60870호 공보 미국 특허 공개 2009/0110627호 공보 미국 특허 공개 2007/0131915호 공보
"Graphene-Based Liquid Crystal Device" P. Blake et.al., Nano Lett. 8, 1704(2008)
망간 건전지 등에 있어서 도전조제로서 그라파이트 입자를 사용할 때는, 비용의 문제에 따라 천연(天然) 그라파이트를 사용하는 것이 일반적이지만, 그 때는, 그라파이트 입자 중에 불순물로서 함유되는 철, 납, 구리 등이 활물질이나 집전체와 반응하여 전지의 전위 저하나 용량 저하가 생기는 것이나, 천연 그라파이트의 전해액 유지 특성이 낮은 것에 기인하여 활물질의 이용 효율이 저하되는 문제가 있다.
또한, 리튬 이온 전지 등의 알칼리 이온을 이동시켜 충방전시키는 전지의 정극의 도전조제로서 그라파이트를 사용하면, 그라파이트 입자가 알칼리 이온을 흡수하기 때문에, 전류의 이용 효율이 악화되는 문제도 생긴다.
또한, 아세틸렌 블랙은 그라파이트 입자와 비교하여 불순물이 적고, 또한 체인 상태의 구조가 발달했기 때문에, 전해액의 유지성이 크기 때문에 활물질의 이용 효율을 향상시킬 수 있다. 그러나, 아세틸렌 블랙 표면에는 활물질에 대하여 환원성이 강한 관능기(functional group)가 존재하기 때문에, 이것을 도전조제에 사용한 전지는 전위 저하와 방전 용량 저하가 커진다는 결점(缺點)이 있다.
또한, 아세틸렌 블랙은 직경이 10nm 정도의 미립자이기 때문에, 전류는 활물질 입자로부터 아세틸렌 블랙 개개의 사이를 도약(hopping)하면서 전도된다. 즉, 도약할 때마다 저항이 생긴다. 도전조제로서 아세틸렌 블랙을 사용한 상태를 도 2에 모식적으로 도시한다. 도면 중, 사선(斜線)으로 도시되는 입자가 활물질 입자이고, 흑점이 아세틸렌 블랙 입자이다. 이와 같은 문제는, 그라파이트 입자를 사용한 경우라도 마찬가지다.
한편, 특허 문헌 1에 기재되는 바와 같은, 도전조제로서 탄소 섬유를 사용하는 경우에는, 상술한 바와 같은 과잉의 도약에 기인하는 도전율의 저하는 개선될 것으로 추정된다. 그러나, 1개의 탄소 섬유가 활물질과 집전체를 결합시키는 것이 아니라, 전류는 몇 개의 탄소 섬유를 도약하면서 전도한다.
가령 모든 탄소 섬유가 1 방향으로 향한 상태로 정렬해도, 탄소 섬유들이 접하는(또는 충분히 접근하는) 확률은 50% 미만이기 때문에, 도전성은 충분하지 않다.
또한, 바인더를 혼합하여 정형한 전극에 있어서, 모든 탄소 섬유가 1개의 방향을 향한 상태로 정렬하는 것은 어렵기 때문에, 실제로는 상기 가정(假定)보다 도전성은 저하한다.
1장 내지 100장, 바람직하게는, 1장 내지 10장의 그라핀(graphene)으로 이루어지는 2차원 카본을 도전조제로 함으로써, 도전성을 개선시킬 수 있다. 또한, 본 명세서에서는, 그라핀이란 sp2 결합을 갖는 두께가 1원자층인 탄소 분자의 시트를 가리킨다. 그러한 2차원적으로 확장되는 도전조제를 사용한 경우의 모식도를 도 1에 도시한다. 여기서는, 3장의 2차원 카본과 다수의 활물질 입자가 각각 복잡한 구조를 형성함으로써 도전성을 높일 수 있다.
후술(後述)하는 바와 같이, 2차원적으로 확장되어 두께를 고려하지 않는 재료를 도전조제로 하면, 도전조제의 체적을 적게 해도 동등한 효과가 얻어진다. 따라서, 전극 체적에 차지하는 도전조제의 체적을 삭감할 수 있고, 전극의 체적을 감소할 수 있다. 예를 들어, 10장의 그라핀으로 이루어지는 2차원 카본의 두께는 3nm 정도이다.
그라핀의 특징으로서는, 도핑 처리한 그라핀의 도전율이 높은 것을 들 수 있다. 106S/cm 이상이라는 값은, 은의 도전율 이상이다. 이것은, 도전조제로서 사용하는 데에 유리하다. 도핑은, 그라핀을 부분적으로 산화하는 것이나 칼륨 등의 알칼리 금속을 첨가함으로써 실시할 수 있다.
2차원 카본을 갖는 도전조제를 리튬이온 2차 전지 등의 알칼리 금속 이온 또는 알칼리 토류 금속 이온이 이동함으로써 충전 및 방전을 행하는 전기 기기에 사용하면 자동적으로 2차원 카본이 도핑되어 도전율이 향상되는 경우도 있다.
2차원 카본에 있어서는, 그라핀을 적층할수록 도전성이 향상된다. 그러나, 101장 이상 그라핀을 적층하도록 겹친 것은 그라파이트와 같은 성질이 강하게 되기 때문에, 바람직하지 않다.
도전조제로서 2차원적으로 확장되는 재료를 사용하는 데에, 그 전형적(典型的)인 길이는 100nm 이상 100μm 이하, 바람직하게는 1μm 이상 20μm 이하로 하면 좋다. 특히, 2차원 카본을 사용하는 경우에는, 전형적인 길이가 100nm 이하인 경우에는 반도체적인 성질이 되어 도전율이 저하한다. 또한, 100nm 이상에서는, 전기 특성은 양도체(良導體)와 같은 정도이지만, 도약 전도(hopping conduction; 2차원 카본으로부터 다른 2차원 카본의 전자 이동)의 횟수를 저감시키기 위하여 1μm 이상이 바람직하다.
또한, 본 명세서에서는, 전형적인 길이를 2차원 카본의 면적의 제곱근으로 정의한다. 실제로는, 2차원 카본은 다양한 형상이 될 수 있지만, 여기서는 모두 직사각형으로 가정하여 길이를 규정한다. 따라서, 예를 들어 장변(長邊)의 길이가 2mm, 단변(短邊)의 길이가 50nm(이들의 수치는 상술한 바람직한 범위로부터 벗어난다)인 직사각형의 2차원 카본의 전형적인 길이가 10μm(이 수치는 상술한 바람직한 범위 내이다)가 된다.
또한, 도전조제에는 2차원 카본 이외에 아세틸렌 블랙 입자나 1차원적으로 확장되는 카본 입자(카본 나노 파이버 등)를 2차원 카본의 체적의 0.1배 이상 10배 이하 가져도 좋다.
상기 구성을 가짐으로써, 전기 기기의 저항을 저감시킬 수 있다. 특히, 본 발명의 도전조제를 1차 전지 또는 2차 전지에 사용한 경우에는, 전극의 저항(내부 저항)이 작은 것이 유리하고, 이것은 일시적으로 큰 전력이 필요한 용도에 적합하다.
예를 들어, 전기 자동차의 전원은, 평탄한 지면을 주행(走行)할 때는 비교적 전력의 소비량이 적다. 그러나, 급속히 가속하는 경우나 고갯길을 오르는 경우에는 많은 전력을 소비한다. 그 때, 전원은 많은 전류를 흘릴 필요가 있는데, 내부 저항이 많으면, 전압 강하가 현저하게 되고, 또한 내부 저항에 기인하는 손실도 발생한다.
결과적으로, 원래 사용할 수 있는 전력의 몇 할의 전력은 손실된다. 즉, 축적된 전력은 평탄한 지면을 주행하면 대략 100% 사용할 수 있지만, 고갯길을 오를 때나 가속할 때는, 그 축적된 전력의 몇 할의 전력이 손실된다. 내부 저항을 낮춤으로써, 그러한 손실을 억제할 수 있다.
2차원적으로 확장되어 두께를 고려할 필요가 없는 재료를 사용함으로써, 도전성을 향상시킬 수 있는 이유를 도 3a 내지 도 3f를 사용하여 설명한다.
도 3a 내지 도 3d는, 1차원적으로 확장되는 재료, 예를 들어 탄소 섬유를 사용하여도 도전성이 충분히 개선되지 않는 이유를 설명하기 위한 도면이다. 도 3a는, 어느 이상적인 배치의 탄소 섬유(101)의 상태이다. 즉, 복수의 탄소 섬유(101)가 규칙적으로 정방 격자 상태로 배열된다. 탄소 섬유(101)의 길이 방향은 도면의 지면(紙面)에 대하여 수직인 방향이다.
1개의 탄소 섬유의 표면으로부터 다른 탄소 섬유의 표면은 길이가 x이다. 즉, 탄소 섬유의 직경은, 격자 간격에서 x를 뺀 값이다. 이 x는 활물질 등의 입자의 크기에 따라 최적의 값이 있다.
이와 같은 탄소 섬유를 도 3a의 화살표 a의 방향으로부터 관측한 상태를 도 3b에 도시한다. 도 3b에 있어서, 화살표 b는 도 3a를 관측한 방향이다. 이와 같은 탄소 섬유(101)가 상방의 탄소 섬유(102)와 접하는 경우를 고찰한다. 예를 들어, 도 3c에 도시하는 바와 같은 배치이면, 탄소 섬유(101)가 상방의 탄소 섬유(102)와 정확히 접함으로써 그 사이의 저항을 최소로 할 수 있다고 생각할 수 있다.
그러나, 다른 각도(화살표 b)로부터 보면, 도 3d에 도시하는 바와 같이, 탄소 섬유(101)와 상방의 탄소 섬유(102)가 전혀 겹치지 않을(접하지 않을) 가능성도 있다. 이와 같이, 규칙적으로 나란히 배치된 탄소 섬유 격자가 상방의 같은 탄소 섬유 격자와 겹치는 확률은 높지 않다.
도 3a 내지 도 3d에서는, 탄소 섬유(101) 및 탄소 섬유(102)의 직경을 격자 간격의 1/10로 한다. 이 경우, 탄소 섬유(101)와 상방의 탄소 섬유(102)가 일부분이라도 겹치는(접하는) 확률은 대략 12.6%이다.
그러나, 2차원적으로 확장되는 재료이면, 그 확률은 대폭 향상된다. 예를 들어, 도 3e에 도시하는 바와 같이, 2차원적으로 확장되는 재료가 도 3a와 같은 영역에 있어서 구부러진 구조(2차원 카본(103))로 가정한다. 여기서, 구부러지는 간격은 x로 한다. 이것은, 도 3a와 같은 효과를 얻기 위해서다.
그 상방에 2차원 카본(103)과 마찬가지로 구부러진 2차원 카본이 있다고 가정하면, 양쪽 모두는 반드시 접하는 것을 알 수 있다. 도 3c와 도 3d는 어느 각도로부터 보면, 접하고 있는 것처럼 보이지만, 다른 각도로부터 보면 접하지 않는 경우가 있는 예이지만, 도 3e에 도시하는 바와 같이, 2차원적으로 확장되는 재료에 관해서는, 한 각도로부터 볼 때 재료와 그 상방의 재료(upper material)가 접하고 있는 것처럼 보이면, 어느 각도로부터 봐도 상기 재료와 그 상방의 재료가 접하고 있는 것처럼 보인다. 결과적으로, 양자는 실제로 접하고 있다.
또한, 여기서 주목할 필요가 있는 것은, 2차원적으로 확장되는 재료의 체적이다. 예를 들어, 도 3e의 2차원 카본(103)의 면적은 같은 영역에 있는 도 3a의 탄소 섬유(101)의 표면적의 2.2배이지만, 그 두께가 충분히 작으면, 2차원 카본(103)의 체적은 도 3a의 탄소 섬유(101) 모두의 체적보다 작게 된다.
예를 들어, 2차원 카본(103)이 10층의 그라핀으로 이루어지는 경우에는, 그 두께는 3.4nm이고, 2차원 카본(103)이 보다 적은 그라핀으로 이루어지는 경우에는, 그 두께는 3.4nm 미만이다. 따라서, 탄소 섬유(101)의 반경이 3.86nm 이상이면, 탄소 섬유를 사용한 경우 쪽이 체적이 커진다. 실제로 탄소 섬유 또는 그 이외의 1차원적으로 확장되는 재료의 반경은 5nm보다 크기 때문에, 보다 큰 체적이 필요하다.
도 3e는 2차원적으로 확장되는 재료가 특수(特殊)한 형상으로 구부러진 구조를 갖는 경우이지만, 보다 일반적으로는, 광범위까지 2차원적으로 확장되는 구조이다. 예를 들어, 도 3f에 도시하는 바와 같이, a의 방향으로 동일한 간격으로 형성된 2차원 카본(104)이 무한으로 확대하는 경우이다. 이 경우, 상방에 같은 2차원적으로 확장되는 2차원 카본이 있다고 가정하여 어떤 상황에 있어서 접하는지를 고찰한다.
우선, 상방의 2차원 카본이 2차원 카본(104)과 같은 방향에 있는 경우는, 2차원 카본(104)과 겹치는 경우 이외는 접하는 것은 어렵다. 그러나, 상방의 2차원 카본이 2차원 카본(104)과 같은 방향에 있는 경우는 드물고, 보통은 어떤 각도를 가지기 때문에, 2차원 카본의 a 방향의 길이가 무한대(無限大)이면 대략 접한다고 생각하여도 좋다.
또한, 2차원 카본(104)의 a 방향의 길이가 한계가 있다고 해도 충분한 확률로 접할 수 있다. 예를 들어, 2차원 카본(104)의 길이가 길이 x와 동일한 경우는, 상방의 2차원 카본과 이루는 각도가 0° 이상 45° 미만이라면 겹치지 않지만, 45° 이상 90° 이하이면 겹친다. 따라서, 이와 같은 경우라도 50%의 확률로 겹친다고 말할 수 있다. 이 수치는 탄소 섬유의 경우의 12.6%와 비교하면 각별히 크다.
또한, 이 고찰에 따르면, 2차원 카본의 a 방향의 길이가 길이 x보다 5배 이상 크면, 대략 90%에 가까운 확률로 겹친다고 말할 수 있다. x는 활물질 입자의 1배 이상 5배 이하로 하는 것이 바람직하기 때문에, 2차원 카본의 길이도 그것에 따라 결정할 수 있다. 즉, 2차원 카본의 전형적인 길이는 활물질 입자의 입경의 평균값의 1배 이상, 바람직하게는 5배 이상으로 하면 좋다.
상술한 고찰은, 극히 간단한 모델을 사용한 설명이지만, 2차원적으로 확장되는 재료를 도전조제로 함으로써, 뛰어난 특성을 얻을 수 있는 것을 시사(示唆)한다. 그리고, 이와 같은 모델을 보면, 2차원적으로 확장되는 도전조제는 활물질 입자나 다른 도전조제와 접하는 확률이 향상되고, 이들을 갖는 전극의 도전율이 향상되는 것은 용이하게 이해할 수 있다. 이와 같은 원리에 따른 도전성의 향상은, 활물질 입자뿐만 아니라, 그 이외의 도전성이 낮은 입자에 대해서도 마찬가지로 향상될 수 있는 것은 물론이다.
도 1은 2차원 카본과 활물질 입자의 모식도.
도 2는 아세틸렌 블랙 입자와 활물질 입자의 모식도.
도 3a 내지 도 3f는 탄소 섬유와 2차원 카본의 도전성의 차이를 설명하는 도면.
도 4는 2차 전지의 예를 도시하는 도면.
이하, 실시형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 다만, 실시형태는 많은 다른 형태로 실시하는 것이 가능하고, 취지 및 그 범위에서 일탈하지 않고 그 형태 및 상세한 사항을 다양하게 변경할 수 있는 것은 당업자라면 용이하게 이해할 수 있다. 따라서, 본 발명은 이하의 실시형태의 기재 내용에 한정하여 해석되는 것은 아니다.
(실시형태 1)
본 실시형태에서는, 본 발명의 일 형태인 리튬 이온 2차 전지의 제작 방법에 대해서 설명한다. 우선, 도전조제로서 사용하는 2차원 카본을 제작한다. 2차원 카본의 제작 방법은, CVD법(특허 문헌 2), 도포법(특허 문헌 3), 또는 그라파이트로부터 2차원 카본을 화학적으로 분리하는 방법(비특허 문헌 1)을 사용하면 좋다.
예를 들어, CVD법을 사용하는 경우에는, 촉매가 되는 니켈, 철 등의 금속막을 기판 위에 형성하고, 이것을 챔버 내에 넣고, 600℃ 내지 1100℃로 가열하고, 메탄, 에탄 등의 탄화 수소를 포함하는 가스를 챔버에 도입함으로써 기판 위에 1장 내지 10장의 그라핀 시트로 이루어지는 2차원 카본막을 얻는다.
다음에, 금속막을 산 등으로 에칭함으로써, 2차원 카본막의 자립막(self-supported film)을 얻는다. 이것을 절단하여 1변의 길이가 1μm 내지 100μm인 직사각형으로 가공한다.
또한, 도포법을 사용하는 경우에는, 단결정 그라파이트 분말에 과망간산 칼륨의 황산 용액, 과산화수소수 등을 첨가하여 산화 반응시켜 산화 그라핀 수용액을 얻는다. 얻어진 산화 그라핀 수용액을 박리층을 형성한 적절한 기판 위에 도포하여 건조시킨다. 박리층으로서는, 1nm 내지 100nm의 산에 용해할 수 있는 금속을 사용하면 좋다.
또한, 진공 중에서의 고온 가열, 또는 히드라진 등의 환원 시약(試藥)의 첨가 등에 의하여 산화 그라핀을 환원시켜, 1장 내지 10장의 그라핀 시트로 이루어지는 2차원 카본막을 얻는다.
다음에, 박리층을 산 등으로 에칭함으로써, 2차원 카본막의 자립막을 얻는다. 이것을 절단하여 1변의 길이가 1μm 내지 100μm인 직사각형으로 가공한다. 또한, 산화 그라핀 수용액을 기판에 도포 및 건조한 단계에서, 상술한 직사각형 형상으로 가공하여도 좋다.
또한, 환원 시약을 사용하는 방법에서는, 환원 반응은 표면으로부터 진행되기 때문에, 반응 시간을 제어함으로써 적절한 깊이에서 환원 반응을 정지할 수 있다. 이 상태에서는, 표면에서는 환원된 2차원 카본이 얻어지지만, 그것보다 깊은 부분에서는 산화 그라핀인 채이다. 산화 그라핀은 물에 현탁(懸濁)하기 때문에, 기판을 물에 담그면, 2차원 카본(물에 불용(不溶))의 자립막을 얻을 수 있다. 물에 용해된 산화 그라핀은, 회수(回收)하여 기판에 다시 도포할 수도 있다.
또한, 화학적 분리법을 사용하여 그라파이트로부터 2차원 카본을 분리하는 경우에는, 클로로포름이나, N,N-디메틸포름아미드(DMF)나 N-메틸피롤리돈(NMP) 등의 극성 용매 중에 그라파이트를 넣고, 초음파 진동에 의하여 그라파이트의 층간 접합을 파괴함으로써 2차원 카본을 얻을 수 있다.
이 방법에서는, 평탄한 2차원 카본막을 얻는 것은 어렵다고 인식되어 있다. 그러나, 2차원 카본을 도전조제로서 사용하는 경우에는, 평탄성은 요구되지 않기 때문에, 장애는 전혀 없다. 오히려 양산성의 관점에서는 다른 방법보다 효율적이다.
또한, 2차원 카본의 자립막을 얻은 후에, 이것을 절단하는 데에 함께 혼합하는 활물질 입자 등의 층을 2차원 카본의 자립막의 한쪽 면에 10nm 내지 100nm의 두께로 도포하면 좋다. 절단된 2차원 카본은, 응집(凝集)하기 쉽지만, 그 한쪽 면에 다른 재료의 층이 형성되면 응집을 방지할 수 있다.
상술한 바와 같이 하여 제작된, 적절한 면적을 갖는 2차원 카본을 정극 활물질(positive electrode active material) 및 바인더와 혼합시켜 슬러리를 형성한다. 아세틸렌 블랙 등의 다른 도전조제를 적절히 혼합시켜도 좋다. 정극 활물질의 재료로서는, 인산 철 리튬, 인산 망간 리튬, 규산 망간 리튬, 규산 철 리튬 등을 사용할 수 있지만, 이것에 한정되지 않는다. 입경은 20nm 내지 100nm로 하면 좋다. 또한, 정극 활물질 입자의 소성시에 글루코스 등의 탄수화물을 혼합시켜 정극 활물질 입자에 카본이 코팅되도록 한다. 이 처리를 행함으로써, 도전성이 높아진다.
이하, 도 4를 사용하여 설명한다. 도 4는 코인형의 2차 전지의 구조를 도시하는 모식도이다. 정극 집전체(228; positive electrode current collector)에 상술한 슬러리를 도포하여 성형(成型)한 후, 건조시켜 정극 활물질층(230; positive electrode active material layer)을 형성한다. 정극 집전체(228)의 재료로서는, 알루미늄을 사용하면 좋다.
또한, 도 4에 도시하는 바와 같이, 코인형의 2차 전지는 부극(204), 정극(232), 세퍼레이터(210), 전해액(도시하지 않는다), 케이스(206) 및 케이스(244)를 갖는다. 이 이외에는, 링 형상의 절연체(220), 스페이서(240), 와셔(242)를 갖는다. 정극(232)은 상기 공정을 거쳐 얻어진 정극 집전체(228)에 정극 활물질층(230)이 형성된 것을 사용한다.
전해액으로서는, 에틸렌카보네이트(EC)와 디에틸카보네이트(DEC)의 혼합 용매에 LiPF6을 용해시킨 것을 사용하면 좋지만, 이것에 한정되지 않는다.
부극(204)은, 부극 집전체(200; negative electrode current collector) 위에 부극 활물질층(202; negative electrode active material layer)을 갖는다. 부극 집전체(200)로서는, 예를 들어 구리를 사용하면 좋다. 부극 활물질(negative electrode active material)로서는 그라파이트나 폴리아센 등을 사용하고, 이것을 단독으로 또는 바인더로 혼합한 것을 부극 활물질층(202)으로서 사용하면 좋다. 또는, 상술한 방법에 의하여 얻어지는 2차원 카본을 부극 활물질로서 사용하여도 좋다.
세퍼레이터(210)에는, 공공(空孔)이 형성된 절연체(예를 들어, 폴리프로필렌)를 사용하여도 좋지만, 리튬 이온을 투과시키는 고체 전해질을 사용하여도 좋다.
케이스(206), 케이스(244), 스페이서(240) 및 와셔(242)는, 금속(예를 들어, 스테인리스)제의 것을 사용하면 좋다. 케이스(206) 및 케이스(244)는 부극(204) 및 정극(232)을 외부와 전기적으로 접속하는 기능을 갖는다.
이들의 부극(204), 정극(232) 및 세퍼레이터(210)를 전해액에 함침(含浸)시켜, 도 4에 도시하는 바와 같이, 케이스(206) 내에 부극(204), 세퍼레이터(210), 링 형상의 절연체(220), 정극(232), 스페이서(240), 와셔(242), 케이스(244)를 이 순서대로 적층하고, 케이스(206)와 케이스(244)를 압착시켜 코인형의 2차 전지를 제작한다.
(실시형태 2)
본 발명의 전기 기기의 예로서, 각종 건전지, 충전지 등을 들 수 있다. 이들의 정극 또는 부극의 도전조제로서, 예를 들어 실시형태 1에서 나타낸 2차원 카본을 갖는 도전조제를 사용하면 좋다.
또한, 본 발명의 전기 기기의 예로서는, 예를 들어, 전기 자동차, 전동 공구, 퍼스널 컴퓨터, 휴대 전화기 등을 들 수 있다. 이들의 전기 기기는, 반드시 유선으로 전원이 공급되는 것이 아니기 때문에, 내부에 충전지를 갖는다. 그 충전지의 정극 또는 부극의 도전조제로서, 예를 들어 실시형태 1에서 나타낸 2차원 카본을 갖는 도전조제를 사용하면 좋다.
특히, 순간적으로 큰 전류를 흘리는 것이 필요한 용도(用途), 또는 필요되는 전류값이 크게 변동하는 용도에서는 내부 저항이 작은 충전지가 요구되기 때문에, 본 발명을 적용하면, 충분한 효과를 얻을 수 있다.
101: 탄소 섬유 102: 상방의 탄소 섬유
103: 2차원 카본(구부러진 경우)
104: 2차원 카본(평면적으로 확대된 경우)
200: 부극 집전체 202: 부극 활물질층
204: 부극 206: 케이스
210: 세퍼레이터 220: 링 형상 절연체
228: 정극 집전체 230: 정극 활물질층
232: 정극 240: 스페이서
242: 와셔 244: 케이스

Claims (22)

  1. 전기 기기에 포함되는 전극을 제조하는 방법에 있어서,
    상기 전기 기기는,
    활물질 입자와;
    바인더와;
    2차원 카본을 포함하는 도전조제를 포함하고,
    상기 전기 기기에 포함되는 전극을 제조하는 방법은,
    산화 그라핀을 포함하는 용액을 금속 위에 코팅하고 상기 용액을 건조하여 제 1 층을 형성하는 단계로서, 상기 제 1 층은 상기 산화 그라핀을 포함하고 상기 금속과 직접 접하는, 상기 단계와;
    상기 제 1 층에서 상기 2차원 카본을 얻기 위해 상기 산화 그라핀을 환원시키는 단계와;
    용매로 상기 활물질 입자들, 상기 바인더 및 상기 2차원 카본을 포함하는 슬러리를 형성하는 단계와;
    상기 슬러리를 집전체 상에 도포하고, 건조시키는 단계를 포함하는, 전기 기기에 포함되는 전극을 제조하는 방법.
  2. 전기 기기에 포함되는 전극을 제조하는 방법에 있어서,
    산화 그라핀을 포함하는 용액을 금속 위에 코팅하고 상기 용액을 건조하여 제 1 층을 형성하는 단계로서, 상기 제 1 층은 상기 산화 그라핀을 포함하고 상기 금속과 직접 접하는, 상기 단계와;
    상기 제 1 층의 도전성을 높이기 위해 상기 산화 그라핀을 환원시키는 단계와;
    용매로 활물질 입자들, 바인더 및 2차원 카본을 포함하는 슬러리를 형성하는 단계와;
    상기 슬러리를 집전체 상에 도포하고, 건조시키는 단계를 포함하는, 전기 기기에 포함되는 전극을 제조하는 방법.
  3. 전기 기기에 포함되는 전극을 제조하는 방법에 있어서,
    산화 그라핀을 포함하는 용액을 금속 위에 코팅하고 상기 용액을 건조하여 제 1 층을 형성하는 단계로서, 상기 제 1 층은 상기 산화 그라핀을 포함하고 상기 금속과 직접 접하는, 상기 단계와;
    상기 제 1 층의 표면에서 2차원 카본을 얻기 위해 상기 제 1 층의 상기 표면에 환원 시약을 부가하여 상기 제 1 층의 상기 표면을 환원시키는 한편 상기 금속과 접촉한 부분에서의 상기 제 1 층은 환원하지 않는 단계와;
    상기 2차원 카본의 자립막을 상기 금속으로부터 분리시키기 위해 물에 상기 금속을 담그고 물속의 상기 부분에서의 상기 산화 그라핀을 현탁하는 단계와;
    용매로 활물질 입자들, 바인더 및 2차원 카본을 포함하는 슬러리를 형성하는 단계와;
    상기 슬러리를 집전체 상에 도포하고, 건조시키는 단계를 포함하는, 전기 기기에 포함되는 전극을 제조하는 방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차원 카본을 포함하는 자립막을 얻기 위해 상기 금속을 에칭하는 단계를 더 포함하는, 전기 기기에 포함되는 전극을 제조하는 방법.
  6. 제 3 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 2차원 카본을 포함하는 상기 자립막을, 1변의 길이가 1마이크로미터 내지 100마이크로미터인 직사각형으로 절단하는 단계를 더 포함하는, 전기 기기에 포함되는 전극을 제조하는 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 2차원 카본을 포함하는 상기 자립막 상에 상기 활물질 입자들을 포함하는 제 2 층을 코팅하는 단계; 및
    상기 2차원 카본을 포함하는 상기 자립막을 절단하는 단계를 더 포함하는, 전기 기기에 포함되는 전극을 제조하는 방법.
  8. 삭제
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