KR102068203B1 - Edlc의 전극 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발포 금속을 지지체로 하여 집전체를 제조함으로써 집전체의 표면적을 용이하게 증가시킬 수 있으며, 발포 금속을 이용한 집전체를 전극에 적용 시 전극의 표면적을 용이하게 증가시킬 수 있어 EDLC의 에너지 밀도를 개선시킬 수 있는 EDLC의 전극 제조방법에 관한 것으로, 집전체를 형성하는 단계; 및 집전체가 형성되면 집전체의 일면이나 타면에 전극물질을 도포하여 전극물질층을 형성하는 단계를 포함하고, 집전체를 형성하는 단계는 발포 금속을 준비하는 단계와, 발포 금속의 전면에 금속층을 형성하는 단계를 구비하며, 전극물질층을 형성하는 단계에서 전극물질층은 발포 금속의 일면이나 타면에 위치되도록 금속층의 표면에 전극물질을 도포하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 EDLC의 전극 제조방법에 관한 것으로, 특히 발포 금속(metal foam)을 지지체로 하여 집전체를 제조함으로써 집전체의 표면적을 용이하게 증가시킬 수 있으며, 발포 금속을 이용한 집전체를 전극에 적용 시 전극의 표면적을 용이하게 증가시킬 수 있어 EDLC의 에너지 밀도를 개선시킬 수 있는 EDLC의 전극 제조방법에 관한 것이다.
EDLC(electric double layer capacitor)는 전극으로 활성탄을 사용하고 있으며, EDLC의 전극으로 사용되는 활성탄에 관련된 기술이 한국공개특허공보 제10-2011-0063472호(특허문헌 1)에 공개되어 있다.
한국공개특허공보 제10-2011-0063472호는 EDLC의 전극에 사용되는 활성탄 제조 방법으로 평균 입경이 작고 입자 크기가 균일하며 비표면적이 비교적 큰 활성탄을 용이하고 생산성이 있도록 제조하기 위한 것이다. 한국공개특허공보 제10-2011-0063472호에 기재된 EDLC의 전극에 사용되는 활성탄 제조 방법은 출발 물질로서 석유 코크스나 석탄 코크스와 같은 용이하게 흑연화 가능한 탄소재를 이용하고, 탄소재는 산화 기체 대기하에서 출발 물질을 소성하고, 탄소재의 입자 크기 조절 및 활성화시켜 제조한다.
한국공개특허공보 제10-2011-0063472호에 기재된 것과 같이 종래의 EDLC의 전극은 활물질로 활성탄을 사용하고 있다. 이와 같이 한국공개특허공보 제10-2011-0063472호에 기재된 것과 같은 종래의 EDLC는 전극을 전술한 활성탄을 금속 포일에 도포하여 제조되고 있으며, 금속 포일을 이용함으로써 표면적 증가가 용이하지 않아 에너지 밀도 개선이 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 발포 금속(metal foam)을 지지체로 하여 집전체를 제조함으로써 집전체의 표면적을 용이하게 증가시킬 수 있으며, 발포 금속을 이용한 집전체를 전극에 적용 시 전극의 표면적을 용이하게 증가시킬 수 있어 EDLC의 에너지 밀도를 개선시킬 수 있는 EDLC의 전극 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 발포 금속을 지지체로 하여 집전체를 제조함에 따라 발포 금속을 지지체로 사용한 집전체를 전극에 적용 시 전극의 무게를 줄임으로써 EDLC를 경량화시킬 수 있는 EDLC의 전극 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 발포 금속을 지지체로 하여 집전체를 제조함에 따라 발포 금속을 지지체로 사용한 집전체를 전극에 적용 시 전극의 강도를 개선시킬 수 있는 EDLC의 전극 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 EDLC의 전극 제조방법은 집전체를 형성하는 단계; 및 상기 집전체가 형성되면 집전체의 일면이나 타면에 전극물질을 도포하여 전극물질층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 집전체를 형성하는 단계는 발포 금속을 준비하는 단계와, 상기 발포 금속의 전면에 금속층을 형성하는 단계를 구비하며, 상기 전극물질층을 형성하는 단계에서 전극물질층은 상기 발포 금속의 일면이나 타면에 위치되도록 상기 금속층의 표면에 전극물질을 도포하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 EDLC의 전극 제조방법은 발포 금속(metal foam)을 지지체로 하여 집전체를 제조함으로써 집전체의 표면적을 용이하게 증가시킬 수 있으며, 발포 금속을 이용한 집전체를 전극에 적용 시 전극의 표면적을 용이하게 증가시킬 수 있어 EDLC의 에너지 밀도를 개선시킬 수 있는 이점이 있고, 발포 금속을 지지체로 하여 집전체를 제조함에 따라 발포 금속을 지지체로 사용한 집전체를 전극에 적용 시 전극의 무게를 줄임으로써 EDLC를 경량화시킬 수 있는 이점이 있으며, 발포 금속을 지지체로 하여 집전체를 제조함에 따라 발포 금속을 지지체로 사용한 집전체를 전극에 적용 시 전극의 강도를 개선시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 EDLC의 전극 제조방법을 나타낸 공정 흐름도,
도 2는 도 1에 도시된 EDLC의 전극 제조방법으로 제조된 전극의 단면도,
도 3은 도 2에 도시된 발포 금속의 사시도,
도 4는 도 2에 도시된 전극이 적용된 EDLC의 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 EDLC의 전극 제조방법으로 제조된 전극의 단면도,
도 3은 도 2에 도시된 발포 금속의 사시도,
도 4는 도 2에 도시된 전극이 적용된 EDLC의 단면도.
이하, 본 발명의 EDLC의 전극 제조방법의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 및 도 2에서와 같이 본 발명의 EDLC의 전극 제조방법은 먼저, 집전체(10)를 형성한다(S110). 집전체(10)를 형성하는 단계(S110)에서 집전체(10)를 형성하기 위해 발포 금속(11)을 준비한다(S10). 발포 금속(11)이 준비되면 발포 금속(11)의 전면에 금속층(12)을 형성한다(S20).집전체(10)가 형성되면 집전체(10)의 일면이나 타면에 전극물질을 도포하여 전극물질층(20)을 형성한다(S120). 이러한 전극물질층(20)을 형성하는 단계(S120)에서 전극물질층(20)은 발포 금속(11)의 일면이나 타면에 위치되도록 금속층(12)의 표면에 전극물질을 도포하여 형성된다.
본 발명의 EDLC의 전극 제조방법의 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
집전체(10)를 형성하는 단계(S110) 중 집전체(10)를 형성하기 위해 발포 금속(11)을 준비하는 단계(S10)는 도 1에서와 같이 금속괴(도시 않음)를 도가니(도시 않음)에 투입한 후 용융시켜 용융 금속을 제조한다(S11). 용융 금속을 제조하는 단계(S11)에서 금속괴의 재질은 알루미늄(Al)이 사용된다. 즉, 금속괴는 알루미늄괴(aluminum ingot)가 사용되며, 금속괴를 용융시키는 도가니는 공지된 도가니가 사용됨으로 설명을 생략한다.
용융 금속이 제조되면 용융 금속에 증점제를 혼합하여 용융 금속의 점도를 증가시킨다(S12). 용융 금속의 점도를 증가시키는 단계(S12)에서 증점제는 칼슘(Ca)이 사용되며, 칼슘(Ca)은 용융 금속 대비 5 내지 15wt％가 첨가되어 용융 금속 즉, 용융 알루미늄(Al)의 점도를 증가시킨다. 용융 금속의 점도가 증가되면 점도가 증가된 용융 금속에 발포제를 혼합한 후 600 내지 700℃로 유지하여 용융 금속을 발포시킨다(S13). 용융 금속을 발포시키는 단계(S13)에서 발포제는 수산화 티타늄(TiH2)이 사용되며, 발포 금속(11)의 기공율이 40 내지 60％가 되도록 수산화 티타늄(TiH2)은 용융 금속 대비 10 내지 20wt％가 첨가된다.
용융 금속이 발포되면 용융 금속을 주형(도시 않음)에 투입시킨 후 냉각시켜 발포 금속(11)을 제조한다(S14). 발포 금속(11)을 제조하는 단계(S14)에서 용융 금속이 투입되는 주형(도시 않음)은 발포 금속(11)의 두께가 10 내지 300㎛가 되도록 내측의 두께가 10 내지 300㎛인 것이 사용되며, 발포 금속(11)은 기공율이 40 내지 60％가 되도록 형성된다. 발포 금속(11)은 기공율이 40 내지 60％가 되도록 형성됨으로써 집전체(10)로 적용 시 강도가 저하되는 것을 방지할 수 있으며, 슬러리나 페이스트를 이용해 금속층(12)이나 전극물질층(20)을 용이하게 도포할 수 있도록 한다.
발포 금속(11)을 제조하는 단계(S14)에서 제조된 발포 금속(11)은 금속괴 즉, 알루미늄괴(aluminum ingot)를 용해한 후 증점제와 발포제를 첨가하여 스폰지 형상으로 발포시켜 제조됨으로써 초경량을 가지도록 제조할 수 있다. 즉, 발포 금속(11)은 내부에 많은 공기방울 격자를 가진 금속 소재로 공지된 금속을 이용해 만든 다공성 소재에 비해 경량화가 가능하고 표면적을 용이하게 증가시킬 수 있는 반면에, 열이나 전기에 대한 전도성이 저하된다. 열이나 전기에 대한 전도성이 저하를 방지하기 위해 발포 금속(11)의 표면 전체적으로 금속층(12)이 형성된다.
금속층(12)을 형성하는 방법은 도 1 및 도 2에서와 같이 발포 금속(11)이 준비되면 발포 금속(11)의 전면에 금속층(12)을 형성한다(S20). 금속층(12)을 형성하는 단계(S20)에서 금속층(12)은 금속 페이스트를 이용해 두께가 1 내지 10㎛가 되도록 형성되며, 금속 페이스트는 금속재질을 포함한다. 금속재질은 알루미늄(Al)과 니켈(Ni) 중 하나가 사용되며, 금속 페이스트에 포함되는 추가 구성은 공지된 기술이 적용된다. 금속층(12)을 형성하는 단계(S20)에서 형성된 금속층(12)은 발포 금속(11)에 형성된 다수개의 기공(11a: 도 3에 도시된)으로 표면적 증가, 강도 개선이나 경량화를 용이하게 구현하였으나 열이나 전기에 대한 전도성이 저하를 방지하기 위해 형성된다.
전극물질층(20)을 형성하는 단계(S20)에서 제조되는 전극물질층(20)은 전극물질로 형성된다. 전극물질은 활성탄 80 내지 90wt％와 도전제 8 내지 15wt％와 바인더 2 내지 5wt％로 이루어지고, 도전제는 슈퍼-피(Super-P), 케쳔블랙(ketjen black) 및 카본블랙(carbon black) 중 하나가 사용되며, 바인더는 PVDF(polyvinylidene difluoride), PTFE(polytetrafluoroethylene), SBR(styrene butadiene rubber) 및 CMC(carboxymethylcellulose) 중 하나가 사용된다.
전술한 본 발명의 EDLC의 전극 제조방법에 의해 제조된 전극(111: 도 2에 도시됨)의 전기적인 시험을 위해 EDLC를 제조하였다. 본 발명의 전극 제조방법에 의해 제조된 전극(111: 도 2에 도시됨)을 이용한 EDLC는 도 2 내지 도 4에서와 같이 제1전극(110), 제2전극(120) 및 분리막(130)을 포함하여 구성된다. 여기서, 도 4에 도시된 제1전극(110)과 제2전극(120)은 각각 도 2에 도시된 전극(111)과 동일하게 제조된다.
제1전극(110)은 케이스(160)의 내측에 배치되고, 제2전극(120)은 케이스(160)의 내측에 제1전극(110)과 대향되도록 배치되며, 분리막(130)은 제1전극(110)과 제2전극(120) 사이에 배치된다. 분리막(130)을 사이에 두고 배치되는 제1전극(110) 및 제2전극(120)은 각각 집전체(10)와 전극물질층(20)을 구비된다. 집전체(10)는 발포 금속(11)과 금속층(12)을 구비하고, 발포 금속(11)은 집전체(10)를 전반적으로 지지하며, 금속층(12)은 공지된 인쇄방법을 이용해 발포 금속(11)의 전면에 형성하였다. 전극물질층(20)은 집전체(10)의 일면이나 타면에 전극물질을 도포하여 형성하였다. 즉, 전극물질층(20)은 발포 금속(11)의 일면이나 타면에 위치되도록 금속층(12)의 표면에 전극물질을 도포하여 형성하였다.
제1전극(110)과 제2전극(120)은 각각 도 2에 도시된 전극(111)과 동일하게 제조된 것으로, 도 2 및 도 3에서와 같이 집전체(10)와 전극물질층(20)을 포함하여 구비된다. 제1전극(110)과 제2전극(120)에 각각 구비되는 집전체(10)는 일측에 외부단자(140,150)가 연결되고, 발포 금속(11)과 금속층(12)을 포함하여 구성된다.
발포 금속(11)은 집전체(10)를 전반적으로 지지한다. 이러한 발포 금속(10)은 도가니(도시 않음)를 이용해 금속괴를 용융시켜 형성되는 용융 금속을 이용해 형성하였다. 여기서, 금속괴의 재질은 알루미늄(Al)이 사용된다. 예를 들어, 발포 금속(11)의 제조는 용융 금속이 형성되면 용융 금속에 증점제를 혼합하여 용융 금속의 점도를 증가시킨다. 여기서, 증점제는 칼슘(Ca)이 사용되며 칼슘(Ca)은 용융 금속 대비 10wt％를 첨가하였었다. 증점제에 의해 용융 금속의 점도를 증가시킨 후 점도가 증가된 용융 금속에 발포제를 혼합한 상태에서 650℃로 유지하여 용융 금속을 발포시킨 후 용융 금속이 발포되면 주형(도시 않음)에 투입시킨 후 냉각시켜 발포 금속(11)을 형성하였다. 즉, 증점제에 의해 용융 금속의 점도가 증가되면 발포제를 이용해 발포 금속(11)을 형성하였다.
발포 금속(11)은 증점제에 의해 용융 금속의 점도가 증가되면 용융 금속에 발포제를 혼합한 상태에서 650℃로 유지하여 용융 금속을 발포시킨다. 여기서, 발포제는 수산화 티타늄(TiH2)이 사용되며, 수산화 티타늄(TiH2)은 용융 금속 대비 15wt％가 첨가하였다. 발포제에 의해 용융 금속이 발포되면 용융 금속을 주형(도시 않음)에 투입시킨 후 냉각시켜 발포 금속(11)을 형성하였다. 여기서, 주형(도시 않음)은 공지된 기술이 적용되며, 주형을 이용해 형성된 발포 금속(11)은 도 2에서와 같이 다수개의 기공(11a)이 형성된 스폰지 형상으로 발포되어 기공율이 50％으로 형성되었다. 즉, 본 발명의 EDLC의 전극은 발포 금속(11)이 스폰지 형상으로 발포되어 기공율이 50％인 것을 사용하였다.
금속층(12)은 공지된 인쇄방법을 이용해 발포 금속(11)의 전면에 형성하였으며, 금속층(12)을 형성하기 위한 금속 페이스트는 알루미늄(Al) 페이스트를 사용하여 금속층(12)의 두께가 실시예 1인 경우에 두께가 1㎛가 되도록 형성하였으며, 실시예 2의 경우에 10㎛가 되도록 형성하였다. 즉, 본 발명의 EDLC의 전극 제조방법에 의해 제조된 전극(111: 도 2에 도시됨)의 전기적인 시험을 위해 표 1에서와 같이 EDLC를 실시예 1 및 2로 제조하였고, 각각의 실시예 1 및 2의 차이는 금속층(12)의 두께에 차이를 두어 제조하였다. 여기서, 알루미늄(Al) 페이스트 제조는 공지된 방법을 이용해 형성되며, 알루미늄(Al) 페이스트가 제조되면 알루미늄(Al) 페이스트를 인쇄방법 등을 이용해 발포 금속(11)의 전면에 도포하여 금속층(12)을 형성하였다. 이러한 금속층(12)은 발포 금속(11)이 표면적 증가, 강도 개선이나 경량화를 용이하게 구현하는 반면에 열이나 전기에 대한 전도성이 저하됨으로 이를 개선하기 위해 사용된다. 즉, 금속층(12)은 발포 금속(11)의 전면에 형성되어 본 발명의 EDLC 전극에 적용되는 집전체(10)가 열이나 전기에 대한 전도성이 저하되는 것을 방지한다.
제1전극(110)과 제2전극(120)에 각각 구비되는 전극물질층(20)은 집전체(10)의 일면이나 타면에 전극물질을 도포하여 형성하였다. 즉, 전극물질층(20)은 발포 금속(11)의 일면이나 타면에 위치되도록 금속층(12)의 표면에 전극물질을 도포하여 형성하였다. 이러한 전극물질층(20)은 전극물질로 형성되며, 전극물질은 활성탄 80wt％와 도전제 8wt％와 바인더 2wt％로 이루어지며, 도전제는 슈퍼-피(Super-P), 케쳔블랙(ketjen black) 및 카본블랙(carbon black) 중 하나가 사용되며, 바인더는 PVDF(polyvinylidene difluoride), PTFE(polytetrafluoroethylene), SBR(styrene butadiene rubber) 및 CMC(carboxymethylcellulose) 중 하나가 사용된다.
제1전극(110)과 제2전극(120) 사이에 배치되는 분리막(130)은 다공성 셀룰로스(cellulose)가 사용되며, 외부전극(140,150)은 각각 제1전극(110)과 제2전극(120)과 서로 전기적으로 도통되도록 연결된다. 즉, 외부전극(140,150)은 각각 제1전극(110)과 제2전극(120)에 각각 구비되는 집전체(10) 중 전극물질층(20)이 도포되지 않은 영역에 배치되어 집전체(10)와 연결된다. 예를 들어, 외부전극(140,150)은 각각 집전체(10)에 구비되는 금속층(12)과 접합되도록 연결되어 제1전극(110)이나 제2전극(120)과 전기적으로 연결된다. 케이스(150)는 공지된 캔형이나 파우치형이 사용된다.
상기와 같이 금속층(12)의 두께에 따라 실시예 1 및 2로 제조된 EDLC에 대해 ESR(equivalent series resistance) 특성을 테스트한 결과가 표 1에 도시되어 있다.
| 금속층의 두께(㎛) | ESR(mΩ) | |
| 실시예1 | 1 | 12 |
| 실시예2 | 10 | 10 |
표 1에서와 같이 금속층(12)의 두께가 1㎛로 제조된 EDLC는 ESR의 특성의 전기적인 시험한 결과, 12mΩ으로 측정되었으며, 금속층(12)의 두께가 10㎛로 제조된 EDLC는 ESR의 특성의 전기적인 시험한 결과, 10mΩ으로 측정되었다. 즉, 금속층(12)의 두께에 따라 ESR의 특성이 다소 차이가 있으며, 금속층(12)의 두께가 큰 것이 ESR의 특성이 개선되는 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 EDLC의 전극 제조방법으로 제조된 전극(111)을 이용해 제조된 EDLC는 집전체(10)의 지지체로 발포 금속(11)을 사용하고 발포 금속(11)에 금속층(12)을 형성함으로써 열이나 전기 전도성의 저하를 방지한 상태에서 발포 금속(11)에 형성된 다수개의 기공(11a)에 의해 집전체(10)의 표면적을 용이하게 증가시킬 수 있으며, 전극(111)의 무게를 줄임으로써 EDLC를 경량화시킬 수 있으며, 전극의 강도를 개선시킬 수 있게 된다.
본 발명의 EDLC의 전극 제조방법은 EDLC의 제조산업 분야에 적용할 수 있다.
10: 집전체 11: 발포 금속
12: 금속층 20: 전극물질층
110: 제1전극 120: 제2전극
130: 분리막 140,150: 외부단자
160: 케이스
12: 금속층 20: 전극물질층
110: 제1전극 120: 제2전극
130: 분리막 140,150: 외부단자
160: 케이스
Claims (5)
- 집전체를 형성하는 단계; 및
상기 집전체가 형성되면 집전체의 일면이나 타면에 전극물질을 도포하여 전극물질층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 집전체를 형성하는 단계는 발포 금속을 준비하는 단계와, 상기 발포 금속의 전면에 금속층을 형성하는 단계를 구비하며, 상기 전극물질층을 형성하는 단계에서 전극물질층은 상기 발포 금속의 일면이나 타면에 위치되도록 상기 금속층의 표면에 전극물질을 도포하여 형성되며,
상기 발포 금속을 준비하는 단계는 금속괴를 도가니에 투입한 후 용융시켜 용융 금속을 제조하는 단계와, 상기 용융 금속에 증점제를 혼합하여 용융 금속의 점도를 증가시키는 단계와, 상기 점도가 증가된 용융 금속에 발포제를 혼합한 후 600 내지 700℃로 유지하여 용융 금속을 발포시키는 단계와, 상기 용융 금속이 발포되면 용융 금속을 주형에 투입시킨 후 냉각시켜 발포 금속을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 용융 금속의 점도를 증가시키는 단계에서 상기 금속괴의 재질은 알루미늄이 사용되고 상기 증점제는 칼슘(Ca)이 사용되며 상기 칼슘(Ca)은 용융 금속 대비 5 내지 15wt％가 첨가되며, 상기 용융 금속을 발포시키는 하는 단계에서 상기 발포제는 수산화 티타늄(TiH2)이 사용되며, 상기 수산화 티타늄(TiH2)은 용융 금속 대비 10 내지 20wt％가 첨가되며, 상기 발포 금속을 제조하는 단계에서 상기 발포 금속은 기공율이 40 내지 60％이며, 상기 금속층을 형성하는 단계에서 상기 금속층은 인쇄방법을 이용해 형성되고 금속 페이스트를 두께가 1 내지 10㎛가 되도록 형성하며, 상기 금속 페이스트는 금속재질을 포함하며, 상기 금속재질은 알루미늄(Al)과 니켈(Ni) 중 하나인 EDLC(electric double layer capacitor)의 전극 제조방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 전극물질층을 형성하는 단계에서 상기 전극물질층은 전극물질로 형성되며, 상기 전극물질은 활성탄 80 내지 90wt％와 도전제 8 내지 15wt％와 바인더 2 내지 5wt％로 이루어지며, 상기 도전제는 슈퍼-피(Super-P), 케쳔블랙(ketjen black) 및 카본블랙(carbon black) 중 하나가 사용되며, 상기 바인더는 PVDF(polyvinylidene difluoride), PTFE(polytetrafluoroethylene), SBR(styrene butadiene rubber) 및 CMC(carboxymethylcellulose) 중 하나가 사용되는 EDLC의 전극 제조방법.
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