KR102084131B1 - 원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 물질 및 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 물질 및 제조 방법을 공개한다. 이 방법은 (a) 정극 활물질, 부극 활물질, 도전재 분말, 전해질, 정극 집전체 및 부극 집전체를 전처리하여 준비하는 단계; (b) 전처리된 상기 정극 활물질 및 상기 부극 활물질을 각각 상기 정극 집전체 및 상기 부극 집전체에 고정시키는 바인더 용액을 제조하고, 상기 정극 집전체 및 상기 부극 집전체 상부에 슬러리를 도포 및 코팅하여 정극 극판 및 부극 극판을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 정극 극판 및 상기 부극 극판을 절단하여 리튬 전극을 형성하고, 상기 전해질을 주입한 상부에 상기 리튬 전극을 적층하여 셀을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 리튬 이온 커패시터에 관한 것으로서, 특히 제조 원가 절감형 및 친환경 소재를 활물질과 첨가제에 사용하고, 높은 전력과 에너지 밀도 특성을 지니고, 급속 충방전시 발화 위험의 안전성이 확보되어 다양한 분야에서 활용 가능한 원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 물질 및 제조 방법에 관한 것이다.
전 세계적으로 화석 및 핵연료에 대한 대안으로서 풍력, 태양력과 같은 신 재생 에너지에 대한 요구가 급격하게 증대되어 왔고, 이와 더불어 신 재생 에너지의 효율적인 사용과 에너지 저장이라는 또 다른 문제가 현실적으로 대두되고 있다.
이에 대한 주요 해결수단으로서 최근에 리튬 이온 커패시터(Lithium-Ion Capacitor, LIC)에 대한 연구가 집중적으로 진행되고 있다.
리튬 이온 커패시터는 고용량 고밀도의 리튬 이온 전지(Lithium ion battery, LIB)와 연속적으로 충방전이 가능한 전기 이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor, EDLC)의 장점을 혼합한 신개념의 하이브리드 형(Hybrid Type) 에너지 저장 장치이다.
리튬 이온 커패시터는 전기 이중층 커패시터의 높은 전력 밀도와 리튬 이온 전지의 높은 에너지 특성을 결합한 전력 저장 장치이기 때문에 에너지 밀도 면에서 전기 이중층 커패시터보다 4배 이상 높고, 전력 밀도 면에서 리튬 이온 전지에 비해서 2배 이상 높은 값을 갖는다.
도 1은 일반적인 리튬 이온 전지 및 전기 이중층 커패시터의 동작 원리를 리튬 이온 커패시터의 동작 원리와 비교하기 위한 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 리튬 이온 커패시터의 동작 원리를 설명하기 위한 구성도이다.
리튬 이온 커패시터는 도 1에서 보는 바와 같이, 리튬 이온 전지의 음극과 전기 이중층 커패시터의 양극이 결합된 하이브리드 혼합구조를 이루고 있다.
일반적으로 정극(Anode) 재료로서는 대부분 리튬(Li) 산화물이 기본적으로 사용되며, 에너지 밀도를 최대화하기 위해 흑연 탄소 재료가 사용되고 있다.
부극(cathode) 재료로서는 카드늄(Cd) 성분이 사용되고 이에 활성 탄소 재료를 혼입하여 탄소와 전해질 사이의 계면에 전기 이중층을 형성한다.
특히, 리튬 이온 커패시터는 열 폭주 반응이 발생할 수 있는 리튬 이온 배터리보다 사용하기에 안전하고, 전기 이중층 커패시터에 비해 높은 출력 전압을 갖는다.
즉, 리튬 이온 커패시터는 높은 전력 밀도와 높은 에너지 밀도로 결합되기 때문에 각종 어플리케이션에 추가적으로 부가되는 전력 저장 장치가 필요 없게 되어, 우수한 생산성과 내구성을 필요로 하는 응용장치 등에 매우 적합하다.
리튬 이온 커패시터는 도 2에서 보는 바와 같이, 양극인 정극, 음극인 부극, 전해질, 분리막, 집전체 및 케이스를 구비한다.
리튬 이온이 정극과 부극에서 삽입 및 탈리되어 반복적으로 왕복하고, 동시에 전자가 왕복하면서 충전되거나 방전하게 된다.
정극의 활물질이 LiCoO2 이고, 부극의 활물질이 흑연인 경우, 정극과 부극에서 일어나는 반응은 다음의 반응식과 같다.
1) 정극
2) 부극
3) 전체반응
즉, 충전시 정극에서는 리튬 이온과 전자가 음극으로 이동한다.
리튬 이온은 전해질을 통해서 이동하고, 전자는 전지 외부에 연결된 전선을 따라 이동한다.
이 반응은 비자발적 반응이기 때문에 전자를 정극 활물질에서 끄집어내기 위해서 전위차를 주어야 한다.
한편, 방전할 때에는 음극에서 리튬 이온과 전자가 나오며, 리튬 이온은 전해질을 통해서, 전자는 외부 전선을 통해서 양극으로 이동한다.
이 반응은 자발적 반응이기 때문에 외부 전선을 따라 나온 전자가 일을 할 수 있다.
한편, 양극을 이루는 정극 활물질은 리튬 이온 이차 전지의 원가에서 가장 큰 비중인 약 30%를 차지하는데, 전지의 용량, 구동전압 등의 특성에 가장 큰 영향을 미치는 물질이다.
현재 상용화되어 사용되고 있는 대표적인 정극 활물질로 LiCoO2, LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2, LiNi0.5Co0.3Mn0.2O2, LiMn2O4, LiFePO4가 있다.
이 중에서 코발트(Co)는 희토류로서 매장량이 적을 뿐만 아니라 생산지가 일부 국가에 편재되어 있어, 수요가 늘어남에 따라서 공급 면에서 불안정할 것이라는 인식이 있었으며, 실제로 2000년대 중반부터 가격이 폭등하였다.
따라서, 코발트를 사용하지 않거나 적게 사용한 양극활 물질 개발이 지금까지 활발히 진행되고 있으며, 그 중에서 LiCoO2와 동일한 층상 구조를 가지는 것의 하나로 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2가 개발되었다.
또한, 음극을 이루는 부극 활물질을 살펴보면, 리튬 이온 전지가 개발되기 전에는 리튬 금속을 음극으로 사용한 리튬 이차 전지가 개발되었다.
리튬 금속의 부피당 이론 용량은 2062 mAh/cc로 매우 높아, 부피 당 이론 용량이 855 mAh/cc인 탄소를 부극 활물질로 사용하는 리튬 이온 전지보다 고용량의 전지를 만들 수 있는 장점이 있다.
그러나, 리튬 이차 전지는 충방전을 할 때마다 새로운 리튬 금속이 음극 표면에 불균일하게 석출하여 수지상(dendrite)을 형성하고, 새로이 석출된 리튬은 전해질을 다시 분해시키며 불균일한 표면 피막을 형성하기 때문에 싸이클 특성이 급격히 감소한다.
그 뿐 아니라, 성장한 수지상이 분리막을 뚫고 내부 단락을 일으키는 등의 문제가 발생하기 때문에 거의 사용되지 않고 있다.
전해질은 리튬 이온이 두 개의 전극을 왕복하는 통로로서, 리튬염과 용매로 구성된다.
전극 반응은 리튬 이온과 전자가 항상 동시에 움직이므로 전극 재료와 전해질 재료의 계면에서 전극 내의 전자와 리튬 이온이 만나거나 헤어져야 반응이 일어난다.
현재 대부분의 리튬 이온 이차 전지에서는 LiPF6를 리튬염으로 사용하고 있으며, 용매로는 리튬염의 용해도와 온도에 따른 전해질의 점도 및 안전성을 고려하여 EC(ethyl carbonate), DMC(dimethyl carbonate), DEC(diethyl carbonate), EMC(ethylmethyl carbonate)등을 특정 비율로 혼합하여 사용하고 있다.
리튬 이온 이차 전지용 분리막은 정극과 부극이 접촉하여 전자가 직접 전달되는 단락 현상이 일어나는 것을 방지하고 리튬 이온을 원활하게 이동할 수 있게 한다.
또한, 분리막은 전지의 단락에 의한 이상 전류, 급격한 내압 및 온도 상승, 발화 등을 방지하는 역할이 추가적으로 요구되고 있다.
현재 두께 25㎛ 내외의 미세 기공을 가진 다공성 PE(poly ethylene)와 PC(poly carbonate)계 수지가 주로 사용되고 있다.
바인더(binder)는 절연체이며 전극의 구조를 유지시키는데, 활물질 분말과 도전재 분말을 결착시켜 집전체인 금속 집전체에 고정시키는 역할을 수행한다.
일반적으로 고분자 소재를 사용하며, PVDF(Polyvinylidene difluoride)가 가장 보편적으로 사용되고 있다.
한편, 합제 전극 내에 전자 전도 채널을 형성하여 전자 전도도를 향상시킬 목적으로 소량 첨가하는 미세 탄소 분말을 도전재(conducting agent)라 한다.
도전재로는 주로 탄소계 물질이 사용되어 왔는데, 현재 가장 널리 사용되고 있는 도전재는 탄소 블랙류이다.
또한, 합제 슬러리는 집전체라고 하는 금속 호일에 도포하여 극판을 제조하게 되는데, 집전체는 박막 극판을 제조하는데 중요한 구성요소로서, 활물질에서 전기 화학 반응이 일어나도록 전자를 외부에서 전달하거나 또는 활물질에서 전자를 받아 외부로 흘려 보내는 통로 역할을 한다.
리튬 이차 전지에서 집전체는 양극에서 알루미늄(Al), 음극에서 구리(Cu)를 사용한다.
그런데, 활물질의 재료로 리튬을 대량 사용하는 종래의 기술은 제조 원가와 친환경 측면에서 매우 취약한 결함을 안고 있다.
즉, 리튬은 은백색의 광택이 있는 희귀 금속으로서 고가일 뿐 아니라, 화학적으로 매우 불안정하여 공기 중에서 즉시 산화되고 독성이 있으며, 물에 넣으면 물을 분해하여 수소를 발생시킨다.
또한, 다른 금속을 단단하게 하는 합금 재료로서 사용되기도 하는데, 열적으로 불안정하고 합금이 즉시 산화되며, 전기 전도도 및 에너지 밀도가 낮기 때문에 실용적이지 않은 단점이 있다.
따라서, 재생 에너지를 견인하는데 있어서 가장 큰 핵심 내용은 위험성이 크면서 고가인 리튬을 최소한으로 줄이거나 리튬을 대체할 전극 물질을 개발하는 것이다.
본 발명자는 이에 대한 대안으로서, 전극 활성 물질에 대하여 원가 절감과 친환경적 재료를 선택함으로써, 경제적으로 경쟁력을 갖추면서 효율과 안정성 면에서 뛰어난 원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 물질 및 제조 방법을 착안하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 제조 원가 절감형 및 친환경 소재를 활물질과 첨가제를 사용하여 종래의 리튬 물질의 원자재의 희귀성과 불안정성을 높이고 재료 조달이 용이한 원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 물질을 제공하는 것이다.
또한, 높은 전력과 에너지 밀도 특성을 지니고, 열 폭주 반응의 안전성 문제와 각종 어플리케이션마다 전력 저장 장치가 추가적으로 부가되어야 하는 부담이 없는 원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 물질을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 목적을 달성하기 위한 원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 물질의 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 물질은 전처리된 정극 활물질 및 도전재 분말을 혼합하여 제조된 슬러리를 전처리된 정극 집전체 상부에 바인더 용액을 이용하여 도포 및 코팅하고, 압연기를 이용하여 압연시킨 정극 극판; 전처리된 부극 활물질 및 도전재 분말을 혼합하여 제조된 슬러리를 전처리된 부극 집전체 상부에 바인더 용액을 이용하여 도포 및 코팅하고, 압연기를 이용하여 압연시킨 부극 극판; 및 상기 정극 극판 및 상기 부극 극판 간에 전자 전도 채널을 형성하기 위해 소량 첨가되는 미세 분말 성분의 도전재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 물질의 상기 바인더 용액은 폴리비닐리덴 불화물 용질을 n-메틸-2-피롤리돈 용매에 용해시켜 제조되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 물질의 상기 슬러리는 진공 펌프를 이용하여 가스가 제거되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 물질의 상기 코팅은 상기 가스가 제거된 슬러리가 도포된 상기 정극 집전체 및 상기 부극 집전체를 닥터 블레이드를 통과시켜 정극 코팅 및 부극 코팅되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 물질의 상기 정극 활물질은 리튬-코발트-망간 화합물 또는 니켈-코발트-알루미늄 화합물인 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 물질의 상기 부극 활물질은 카본 또는 나노 카본인 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 물질의 상기 도전재는 탄소 블랙류가 사용되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 물질의 상기 정극 집전체 및 상기 부극 집전체는 두께가 10 내지 20 ㎛ 인 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 물질의 제조 방법은 (a) 정극 활물질, 부극 활물질, 도전재 분말, 전해질, 정극 집전체 및 부극 집전체를 전처리하여 준비하는 단계; (b) 전처리된 상기 정극 활물질 및 상기 부극 활물질을 각각 상기 정극 집전체 및 상기 부극 집전체에 고정시키는 바인더 용액을 제조하고, 상기 정극 집전체 및 상기 부극 집전체 상부에 슬러리를 도포 및 코팅하여 정극 극판 및 부극 극판을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 정극 극판 및 상기 부극 극판을 절단하여 리튬 전극을 형성하고, 상기 전해질을 주입한 상부에 상기 리튬 전극을 적층하여 셀을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 물질의 제조 방법은 상기 (b) 단계는 (b-1) 폴리비닐리덴 불화물 용질을 n-메틸-2-피롤리돈 용매에 용해시켜 상기 바인더 용액을 제조하는 단계; (b-2) 상기 바인더 용액에 전처리된 상기 정극 활물질 및 상기 부극 활물질과 상기 도전재 분말을 혼합하여 상기 슬러리를 제조하는 단계; (b-3) 진공 펌프를 이용하여 상기 제조된 슬러리의 가스를 제거하는 단계; (b-4) 유리판 위에 올린 상기 정극 집전체 및 상기 부극 집전체 표면을 이소프로필 알콜로 세척하는 단계; (b-5) 세척된 상기 정극 집전체 및 상기 부극 집전체 상부에 상기 가스가 제거된 슬러리를 도포하고, 닥터 블레이드를 통과시켜 정극 코팅 및 부극 코팅하는 단계; (b-6) 코팅된 상기 정극 극판 및 상기 부극 극판을 건조시키는 단계; 및 (b-7) 건조된 상기 정극 극판 및 상기 부극 극판을 압연기를 이용하여 압연시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 물질의 제조 방법의 상기 (c) 단계는 (c-1) 상기 압연된 정극 극판 및 부극 극판을 펀칭기로 절단하는 단계; (c-2) 상기 절단된 정극 극판 및 부극 극판 일부분에서 전극 물질을 제거하고 캡에 용접하는 단계; (c-3) 용접된 상기 정극 극판 및 상기 부극 극판과 상기 캡을 진공 건조시키는 단계; (c-4) 상기 건조된 정극 극판 및 부극 극판에 상기 리튬 전극을 형성하는 단계; (c-5) 상기 용접된 캡 위에 분리막을 올리고 상기 전해질을 주입하는 단계; (c-6) 상기 전해질이 주입된 상부에 상기 리튬 전극을 적층하여 상기 셀을 형성하는 단계; (c-7) 상기 형성된 셀을 진공 데시케이터로 옮겨 상기 셀 내의 가스를 제거하는 단계; 및 (c-8) 상기 가스가 제거된 셀을 크림핑 장비로 실링하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 물질의 제조 방법의 상기 (c-1) 단계는 상기 절단된 정극 극판 및 부극 극판의 중량을 측정하는 단계; 상기 절단된 정극 극판 및 부극 극판의 합제 밀도 및 로딩 레벨을 계산하는 단계; 및 상기 계산된 합제 밀도에 맞게 상기 압연기의 압연 강도를 조절하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 물질의 제조 방법의 상기 (c-4) 단계는 상기 건조된 캡에 니켈 메쉬를 용접하는 단계; 상기 용접된 캡을 이소프로필 알코올 및 물로 세척하는 단계; 상기 세척된 캡을 진공 오븐에서 재건조하는 단계; 상기 재건조된 캡을 글러브박스로 이동시키는 단계; 및 상기 이동된 캡에 소정 크기의 리튬을 부착시켜 상기 리튬 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
기타 실시예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.
본 발명에 의할 경우, 리튬 물질의 양을 대폭 줄일 수 있어 제조 원가를 현저히 줄일 수 있고 조성 비율을 중심으로 친환경적 효과가 있을 뿐 아니라, 급속 충방전시 발화 위험의 안전성이 확보된다.
또한, 출력 전압 및 에너지 밀도가 높기 때문에 태양광 발전과 풍력 발전 서브 시스템에 사용시 효율성이 향상되고, 각종 어플리케이션에 별도의 전력 저장 장치 추가가 불필요하여 개인, 가정, 의료계, 해양, 군사용 등 다양한 분야에서 활용 가능함에 따라 생산성이 향상된다.
도 1은 일반적인 리튬 이온 전지 및 전기 이중층 커패시터의 동작 원리를 리튬 이온 커패시터의 동작 원리와 비교하기 위한 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 리튬 이온 커패시터의 동작 원리를 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 물질 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4는 도 3에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S200 내지 S400)의 부분 공정을 나타내는 순서도이다.
도 5는 도 3에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S500 내지 S600)의 부분 공정을 나타내는 순서도이다.
도 6은 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S510)의 부분 공정을 나타내는 순서도이다.
도 7은 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S540)의 부분 공정을 나타내는 순서도이다.
도 8은 도 4에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S210)의 바인더 용액 제조 공정의 외부(a) 및 내부(b)의 사진이다.
도 9는 도 4에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S230)의 슬러리의 가스 제거 공정을 수행하고 있는 진공 펌프의 외부 사진이다.
도 10은 도 4에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S330)의 정극 코팅 공정(a) 및 정극 코팅 완성품(b)의 사진이다.
도 11은 도 4에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S330)의 부극 코팅 공정(a) 및 부극 코팅 완성품(b)의 사진이다.
도 12는 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S510)의 정극 극판의 절단(notching) 공정을 수행하고 있는 펀칭기의 외부 사진이다.
도 13은 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S510)의 부극 극판의 절단(notching) 공정을 수행하고 있는 펀칭기의 외부 사진이다.
도 14는 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S510)의 정극 극판의 절단 공정 중 쪼갬(slitting) 과정을 나타내는 외부 사진이다.
도 15는 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S510)의 부극 극판의 절단 공정 중 쪼갬(slitting) 과정을 나타내는 외부 사진이다.
도 16은 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S520)의 용접 공정이 완료된 정극 극판 및 부극 극판의 외부 사진이다.
도 17은 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S620)의 적층 공정이 완료된 정극 극판 및 부극 극판의 외부 사진이다.
도 18은 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S630)의 가스 제거 공정이 완료된 정극 극판 및 부극 극판의 외부 사진이다.
도 19는 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S640)의 실링 공정이 완료된 정극 극판 및 부극 극판의 외부 사진이다.
도 20은 도 3에 도시된 전극 물질 제조 방법의 전 공정이 완료된 리튬 이온 커패시터 완제품의 사시도이다.
도 21은 본 발명에 따른 전극 물질 제조 방법으로 제조된 원가 절감형 리튬 이온 커패시터의 성능 평가 방법 및 평가 항목을 나타낸 표이다.
도 22는 본 발명에 따른 전극 물질 제조 방법으로 제조된 원가 절감형 리튬 이온 커패시터의 성능 평가 결과를 나타낸 표이다.
도 23은 본 발명에 따른 전극 물질 제조 방법으로 제조된 원가 절감형 리튬 이온 커패시터의 성능 평가 내용을 나타낸 표이다.
도 2는 도 1에 도시된 리튬 이온 커패시터의 동작 원리를 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 물질 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4는 도 3에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S200 내지 S400)의 부분 공정을 나타내는 순서도이다.
도 5는 도 3에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S500 내지 S600)의 부분 공정을 나타내는 순서도이다.
도 6은 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S510)의 부분 공정을 나타내는 순서도이다.
도 7은 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S540)의 부분 공정을 나타내는 순서도이다.
도 8은 도 4에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S210)의 바인더 용액 제조 공정의 외부(a) 및 내부(b)의 사진이다.
도 9는 도 4에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S230)의 슬러리의 가스 제거 공정을 수행하고 있는 진공 펌프의 외부 사진이다.
도 10은 도 4에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S330)의 정극 코팅 공정(a) 및 정극 코팅 완성품(b)의 사진이다.
도 11은 도 4에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S330)의 부극 코팅 공정(a) 및 부극 코팅 완성품(b)의 사진이다.
도 12는 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S510)의 정극 극판의 절단(notching) 공정을 수행하고 있는 펀칭기의 외부 사진이다.
도 13은 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S510)의 부극 극판의 절단(notching) 공정을 수행하고 있는 펀칭기의 외부 사진이다.
도 14는 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S510)의 정극 극판의 절단 공정 중 쪼갬(slitting) 과정을 나타내는 외부 사진이다.
도 15는 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S510)의 부극 극판의 절단 공정 중 쪼갬(slitting) 과정을 나타내는 외부 사진이다.
도 16은 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S520)의 용접 공정이 완료된 정극 극판 및 부극 극판의 외부 사진이다.
도 17은 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S620)의 적층 공정이 완료된 정극 극판 및 부극 극판의 외부 사진이다.
도 18은 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S630)의 가스 제거 공정이 완료된 정극 극판 및 부극 극판의 외부 사진이다.
도 19는 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S640)의 실링 공정이 완료된 정극 극판 및 부극 극판의 외부 사진이다.
도 20은 도 3에 도시된 전극 물질 제조 방법의 전 공정이 완료된 리튬 이온 커패시터 완제품의 사시도이다.
도 21은 본 발명에 따른 전극 물질 제조 방법으로 제조된 원가 절감형 리튬 이온 커패시터의 성능 평가 방법 및 평가 항목을 나타낸 표이다.
도 22는 본 발명에 따른 전극 물질 제조 방법으로 제조된 원가 절감형 리튬 이온 커패시터의 성능 평가 결과를 나타낸 표이다.
도 23은 본 발명에 따른 전극 물질 제조 방법으로 제조된 원가 절감형 리튬 이온 커패시터의 성능 평가 내용을 나타낸 표이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.
본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.
더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.
반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.
마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에 있어서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.
더욱이, 본 발명의 명세서에서는, "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는, 사용된다면, 하나 이상의 기능이나 동작을 처리할 수 있는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있음을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.
본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.
또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있다.
도 3은 본 발명에 따른 원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 물질 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3을 참조하여 본 발명에 따른 원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 물질 제조 방법의 전체 공정을 간략하게 설명하면 다음과 같다.
정극 활물질, 부극 활물질, 도전재 분말, 전해질, 정극 집전체 및 부극 집전체를 전처리하여 준비한다(S100).
전처리된 정극 활물질 및 부극 활물질을 각각 정극 집전체 및 부극 집전체에 고정시키는 바인더 용액을 제조하고(S200), 정극 집전체 및 부극 집전체 상부에 슬러리를 도포 및 코팅하여(S300) 정극 극판 및 부극 극판을 제조한다(S400).
정극 극판 및 부극 극판을 절단하여 리튬 전극을 형성하고(S500), 전해질을 주입한 상부에 리튬 전극을 적층하여 셀을 제조한다(S600).
도 4는 도 3에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S200 내지 S400)의 부분 공정을 나타내는 순서도이다.
도 5는 도 3에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S500 내지 S600)의 부분 공정을 나타내는 순서도이다.
도 6은 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S510)의 부분 공정을 나타내는 순서도이다.
도 7은 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S540)의 부분 공정을 나타내는 순서도이다.
도 8은 도 4에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S210)의 바인더 용액 제조 공정의 외부(a) 및 내부(b)의 사진이다.
도 9는 도 4에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S230)의 슬러리의 가스 제거 공정을 수행하고 있는 진공 펌프의 외부 사진이다.
도 10은 도 4에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S330)의 정극 코팅 공정(a) 및 정극 코팅 완성품(b)의 사진이다.
도 11은 도 4에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S330)의 부극 코팅 공정(a) 및 부극 코팅 완성품(b)의 사진이다.
도 12는 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S510)의 정극 극판의 절단(notching) 공정을 수행하고 있는 펀칭기의 외부 사진이다.
도 13은 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S510)의 부극 극판의 절단(notching) 공정을 수행하고 있는 펀칭기의 외부 사진이다.
도 14는 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S510)의 정극 극판의 절단 공정 중 쪼갬(slitting) 과정을 나타내는 외부 사진이다.
도 15는 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S510)의 부극 극판의 절단 공정 중 쪼갬(slitting) 과정을 나타내는 외부 사진이다.
도 16은 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S520)의 용접 공정이 완료된 정극 극판 및 부극 극판의 외부 사진이다.
도 17은 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S620)의 적층 공정이 완료된 정극 극판 및 부극 극판의 외부 사진이다.
도 18은 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S630)의 가스 제거 공정이 완료된 정극 극판 및 부극 극판의 외부 사진이다.
도 19는 도 5에 도시된 전극 물질 제조 방법 중 단계(S640)의 실링 공정이 완료된 정극 극판 및 부극 극판의 외부 사진이다.
도 20은 도 3에 도시된 전극 물질 제조 방법의 전 공정이 완료된 리튬 이온 커패시터 완제품의 사시도이다.
도 3 내지 도 20을 참조하여 본 발명에 따른 원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 물질 제조 방법의 공정을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명의 전극 물질 제조 방법의 극판 및 셀 제조 공정 전에 재료의 전처리 공정이 필요한 이유는 다음과 같다.
전지의 전극에서 진행하는 전기 화학 반응은 전자 전도체와 이온 전도체가 접촉하는 계면에서 진행한다.
이 반응을 빠르게 하기 위해서는 반응 속도를 크게 하는 것이 바람직하다. 금속의 석출 및 용해 반응은 그 반응 속도가 크지만, 다른 전극의 경우에는 반응 자체의 속도가 느린 경우가 많다.
이와 같은 경우에는 다공성 전극과 같은 구조로 제조하여 접촉 계면을 증대시킨다.
즉, 입경이 작은 분말을 활물질로 이용하여 이것을 집전체 위에 도포하여 다공성 전극의 형태로 하여 전극 표면적을 비약적으로 증대시킨다.
이때, 전자 전도성이 낮은 활물질의 경우에는 접촉 저항을 포함하여 저항이 커지고, 충방전할 때에 전위 분포가 생겨 분말 활물질의 이용률이 낮아진다.
이것을 피하기 위하여 탄소 재료 등을 도전재로서 첨가한다.
또한, 분말을 안정되게 도포하기 위하여 안정한 고분자를 일종의 결착재인 바인더로서 이용한다.
활물질과 도전재 분말과 바인더를 유기용매로 섞어서 반죽한 것을 전극 합제라 한다.
따라서, 본 발명의 전극 물질 제조 방법에서 집전체 위에 도포하여 전극을 제조하기 전에 상기 전극 합제의 재료가 되는 정극 활물질, 부극 활물질 및 도전재 분말, 전해질, 집전체를 전처리하여 준비한다.
전극 합제의 재료가 되는 상기 물질들을 준비하는데 있어서 본 발명에서는 다음과 같은 사항들을 고려하였다.
에너지 밀도 향상을 위하여 정극 활물질의 경우, 단위 중량 당 용량(mAh/g)이 높은 고 니켈(High Ni)계 니켈-코발트-망간(NCM) 화합물 또는 니켈-코발트-알루미늄(NCA)을 사용하고, 두께가 얇은 집전체를 사용한다.
이는 단위 극판에 로딩량을 높이고, 합제 밀도(고압연)를 높여 에너지 밀도를 향상시키는 효과가 있다.
제조 원가 절감을 위하여 부극 활물질의 경우, 가격이 비교적 저렴한 천연 흑연이나 리튬 망간 산화물(LMO)을 사용하는데, 특히 고출력 전지에는 활성탄을 사용하는 것이 바람직하다.
배터리 온도 안정성을 위하여 정극 활물질의 경우 리튬 인산철(LFP)을 사용하고,
부극 활물질의 경우 리튬 티타늄 산화물(LTO)을 사용하며, 전해질은 저온특성 향상을 위해서 녹는점이 낮은 니트릴(Nitrile) 계열의 용매와 첨가제를 사용한다.
충전 속도 향상을 위하여 정극 활물질로서 고 니켈(High Ni)계 물질을 사용하고, 부극 활물질로서 리튬 티타늄 산화물(LTO)을 사용한다.
또한, 점도 컨트롤을 고려하여 도전재 비율을 최적화하여 높이고, 에너지 밀도를 고려하여 집전체의 두께를 증가시킨다.
전극 합제의 재료가 되는 물질의 상기 사항들을 고려하여 본 발명의 일 실시예인 리튬 이온 커패시터 전극 물질은 다음과 같은 물질을 포함한다.
정극 활물질의 경우, 제조 원가 절감을 위하여 니켈-코발트-망간(NCM) 화합물 또는 니켈-코발트-알루미늄(NCA) 화합물을 사용하고, 에너지 밀도 향상을 위하여 단의 중량당 용량(Ah/kg)이 높은 고 니켈 계 니켈-코발트-망간(NCM) 화합물을 사용한다.
이를 통하여 단위 극판의 로딩량을 높이고 합제 밀도(고압연)를 높여서 에너지 밀도의 향상을 기하였다.
또한, 친환경성을 고려하여 활성탄을 사용하는데, 이는 리튬 이온 커패시터 특성의 발현 물질로 전류 밀도를 향상시킨다.
정극 바인더의 용질로서 친환경성 및 작업 용이성을 고려하여 비수계인 폴리비닐리덴 불화물(Polyvinylidene Fluoride, PVDF)을 사용한다.
부극 활물질의 경우, 친환경성을 고려하여 천연 흑연 계열의 카본 또는 나노 카본을 재료로 선택하였다.
또한, 부극 바인더의 용질로서 친환경 재료를 고려하여 수계인 저가의 SBR(styrene-butadiene rubber)에 CMC(carboxy methyl cellulose)를 혼합하여 사용한다.
또는 정극 바인더와 동일하게 친환경성 및 작업 용이성을 고려하여 폴리비닐리덴 불화물(Polyvinylidene Fluoride, PVDF)을 사용할 수도 있다.
SBR 바인더는 폴리비닐리덴 불화물 바인더보다 극판과의 접착력이 우수하여 환경 및 설비상의 단점을 극복할 수 있다.
또한, 바인더 함량을 낮출 수 있어서 합제 내 활물질의 함량을 증가시켜 전지의 용량을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
분리막은 정극과 부극이 접촉하여 전자가 직접 전달되는 단락 현상이 일어나는 것을 방지하여 이상 전류, 급격한 내압 및 온도 상승, 발화 등을 예방한다.
본 발명에서는 두께 25㎛ 내외의 미세 기공을 가진 다공성 PE(poly ethylene)와 PC(poly carbonate)계 수지가 사용된다.
도전재는 합제 전극 내에 전자 전도 채널을 형성하여 전자 전도도를 향상시키기 위해 소량 첨가하는 미세 탄소 분말로서, 전도성이 높고 가격이 낮은 탄소 블랙류가 사용된다.
집전체는 극판을 도포하는 금속 호일로서, 활물질에서 전기 화학 반응이 일어나도록 전자를 외부에서 전달하거나 또는 활물질에서 전자를 받아 외부로 흘려 보낸다.
정극에서 알루미늄(Al)을 사용하고, 음극에서 구리(Cu)를 사용한다.
다음으로, 본 발명의 전극 물질 제조 방법 중 극판 제조 공정을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 8에서 보는 바와 같이, 아게이트 막자 사발에 폴리비닐리덴 불화물(Polyvinylidene Fluoride, PVDF) 0.15g과 n-메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP) 6mL를 넣고 용해시켜 바인더 용액을 제조한다(S210).
여기에서, 바인더(binder)란 전극의 구조를 유지시키는 절연 기능을 수행하는 고분자 소재를 의미한다.
본 실시예에서는 바인더의 용질로서 PVDF(Polyvinylidene difluoride)가 사용되는데, 이는 불소 수지의 일종으로 기계적 성질이 뛰어나 결정성 및 유전율이 높은 수지를 만들고, 압전성과 같은 특수한 성질을 가지고 있다.
또한, 부극의 경우 바인더의 용질로서 친환경 재료를 고려하여 SBR(styrene-butadiene rubber)에 증점제인 CMC(carboxy methyl cellulose)를 혼합하여 사용할 수 있다.
바인더 용액에 80℃에서 건조된 리튬-코발트-망간 화합물의 정극 활물질(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)과 도전재(Super P)를 15분 이상 혼합하여 슬러리를 제조한다(S220).
또한, 부극의 경우에는 활물질로서 카본 또는 나노 카본과 같은 흑연(Graphite)을 사용한다.
여기에서, 활물질이란 전지의 전극 반응에 관여하는 물질을 의미하는데, 특히, 정극 활물질은 리튬 이온 전지에서 용량과 전압을 결정하는 역할을 한다.
즉, 정극 활물질에 포함되어 있는 리튬 성분은 전해질에 용해되어 리튬 이온으로 변화되고, 그 과정에서 방출되는 전자들은 도선을 통해 부극으로 이동한다. 활물질의 종류마다 얼마나 많은 리튬이 리튬 이온으로 변화될 수 있는지에 따라 전지의 용량 및 전압이 달라진다.
도전재(conducting agent)란 합제 전극에서 전자 전도도를 향상시키기 위하여 소량 첨가하는 미세 탄소 분말을 의미한다.
본 실시예에서는 도전재로 탄소계 물질인 탄소 블랙류를 사용한다.
단계(S220)에서 제조된 슬러리에 녹아 있는 가스나 기포를 제거하기 위해 슬러리가 들어있는 아게이트 막자 사발을 데시케이터에 넣고 도 9에서 보는 바와 같이, 진공 펌프를 이용하여 슬러리의 기포가 빠져 나올 때까지 탈포한다(S230).
청결한 유리판 위에 정극 집전체 및 부극 집전체를 올린 후 이소프로필 알콜로 집전체 표면을 잘 닦아 극판을 세척한다(S310).
여기에서, 집전체(current collecting layer)란 활물질에서 전기 화학 반응이 일어나도록 전자를 외부에서 전달하거나 전자를 받아 외부로 흘려 보내는 통로 역할을 하는 금속 호일을 의미한다.
집전체의 재료로는 정극에는 알루미늄(Al), 부극에서 구리(Cu)를 사용하는데, 두께는 10~20㎛ 정도가 바람직하다.
왜냐하면, 권취 공정을 통해 전극 합제가 후술하는 바와 같이 코팅이 되기 때문에 집전체의 장력이 어느 정도 있어야 하므로 집전체의 두께를 너무 얇게 할 수는 없기 때문이다.
도 10 및 도 11에서 보는 바와 같이, 정극 집전체 및 부극 집전체 위에 슬러리를 도포한 후(S320), 영점에서 20㎛ 높이로 조절된 닥터 블레이드를 일정한 속도를 유지하면서 통과시켜 일정한 두께로 집전체에 정극 코팅 및 부극 코팅한다(S330).
코팅된 정극 극판 및 부극 극판에서 NMP를 제거하기 위해 70℃ 로 1일간 건조한다(S410).
건조된 정극 극판 및 부극 극판을 압연기를 이용하여 목표로 하는 두께로 압연시킨다(S420).
다음으로, 본 발명의 전극 물질 제조 방법 중 셀 제조 공정을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
단계(S170)에서 압연된 정극 극판 및 부극 극판을 도 12 및 도 13에서 보는 바와 같이, 펀칭기(punching machine)로 절단(notching)한다(S510).
이때, 정극 극판 및 부극 극판을 도 14 및 도 15에서 보는 바와 같이, 일정 크기로 쪼개서(slitting), 저울로 중량을 측정한 후에(S511), 합제 밀도 및 로딩 레벨을 계산한다(S512).
계산된 합제 밀도에 맞게 압연기의 압연 강도를 조절한다(S513).
정극 극판 및 부극 극판 일부분에서 전극 물질을 제거한 다음, 도 16에서 보는 바와 같이, 캡에 스팟 용접기(spot welding machine)를 이용하여 극판을 용접한다(S520).
용접된 정극 극판 및 부극 극판과 캡을 100℃ 진공 오븐에 12 시간 이상 진공 건조(S530)시킨 후에, 글러브 박스로 옮긴다.
그 다음 아래와 같은 공정을 통해 리튬 전극을 형성한다(S540).
캡에 니켈 메쉬를 용접하고(S541), 이소프로필 알코올 및 물로 세척한 후에(S542), 진공 오븐에서 재건조시키고(S543), 글러브박스로 재이동시켜(S544) 단계(S541)에서 용접된 캡에 적당한 크기의 리튬을 부착하여(S545) 리튬 전극을 형성한다.
단계(S520)에서 정극 극판 및 부극 극판이 용접된 캡 위에 분리막을 올리고 전해질을 주입한 후에(S610), 도 17에서 보는 바와 같이, 그 상부에 리튬 전극을 적층하여 셀을 형성한다(S620).
셀을 진공 데시케이터로 옮긴 후에, 도 18에서 보는 바와 같이, 셀 내의 가스나 버블을 제거한다(S630).
크림핑 장비로 셀로 옮긴 후 도 19에서 보는 바와 같이 실링(S640)하여, 도 20과 같은 완성된 리튬 이온 커패시터 전극 물질을 제조한다.
도 21은 본 발명에 따른 전극 물질 제조 방법으로 제조된 원가 절감형 리튬 이온 커패시터의 성능 평가 방법 및 평가 항목을 나타낸 표이다.
도 22는 본 발명에 따른 전극 물질 제조 방법으로 제조된 원가 절감형 리튬 이온 커패시터의 성능 평가 결과를 나타낸 표이다.
도 23은 본 발명에 따른 전극 물질 제조 방법으로 제조된 원가 절감형 리튬 이온 커패시터의 성능 평가 내용을 나타낸 표이다.
도 21 내지 도 23을 참조하여 본 발명에 따라 제조된 원가 절감형 리튬 이온 커패시터의 성능 평가 결과를 설명하면 다음과 같다.
도 21 및 도 22에 기재된 리튬 이온 커패시터의 주요 성능 지표를 설명하면 다음과 같다.
용량(capacity)은 단위가 [Ah]로서, 1[Ah]의 용량은 1[A]의 전류를 1 시간 동안 흐르게 할 수 있는 전하량을 말한다.
시험 샘플의 규격은 폭ㅧ길이ㅧ두께가 157(W)ㅧ276(L)ㅧ7.5mm(t)로서, 상시 전지 용량 15(Ah) 이상의 성능으로 평가한다.
비 에너지(specific energy)는 단위가 [Wh/Kg]로서, 단위 중량당의 전력량[Wh]을 말하며, 얼마만큼 가벼운 전지를 만들 수 있는가에 대한 척도로 사용한다.
단위 중량당의 전력량으로서 140(Wh/kg) 이상의 성능을 평가한다.
개방 전압(OCV)은 단위가 [V]로서, 커패시터에 부하를 연결하지 않았을 때의 전압을 말하며, 전극 물질의 적정성을 평가하는 기준이 된다.
최대 충전 시 3.8(V) 이상의 성능을 평가한다.
전력량(Power)은 단위가 [Wh]로서, 커패시터가 방전에 의해 부하로 공급하는 에너지지의 양을 말한다.
충전이 완료된 커패시터로부터 방출되는 전력량의 크기(Wh)와 전자 로드 부하에 따른 전압-전류 특성으로 평가한다.
도 21 내지 도 23에서 보는 바와 같이, 현재 우리나라 리튬 이온 커패시터 성능이 기술 수준이 세계 최고 수준인 일본의 태양 유전 사의 리튬 이온 커패시터 성능보다 이하이다.
하지만, 본 발명에 따라 제조된 원가 절감형 리튬 이온 커패시터의 성능 평가 결과, 세계 최고 수준의 성능을 초과하였음을 알 수 있다.
이를 위하여 본 발명에서는 제조 원가 절감형 활물질의 사용과 친환경 소재를 채택하여 기존 기술과 차별성을 확보함으로써, 원자재의 희귀 성분이 적고 안정성이 뛰어난 장수명의 리튬 이온 커패시터를 개발하였다.
즉, 종래의 2차 전지의 경우, 정극에 고가의 코발트를 사용하고 있지만, 본 발명에서는 니켈-코발트-망간의 3 성분계 조성 물질 및 카본을 사용하고, 도전재로 카본을 미량 사용함으로써, 리튬 물질의 양을 대폭 줄일 수 있게 됨에 따라 경제적 효과를 높일 수 있다.
또한, 부극의 경우 종래에는 활물질로 카드늄을 사용하고 있지만, 본 발명에서는 카본 또는 나노 카본과 같은 흑연(Graphite)을 사용함으로써, 제조 원가를 현저히 줄일 수 있기 때문에 재료 조달이 용이하면서 친환경적인 장점이 있다.
실제로, 본 발명의 전극 물질 제조 방법에 따라 극판 및 셀을 제조하여 측정해 본 결과, 기존 제품 대비 30% 이상 원가 절감 효과가 있었고, 조성 비율을 중심으로 20% 이상 친환경 효과가 있었을 뿐 아니라, 급속 충방전시 발화 위험의 안전성이 확보됨을 알 수 있었다.
한편, 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 리튬 이온 커패시터는 높은 양극(Anode) 용량, 고 에너지 밀도(14 Wh/kg), 높은 전력 밀도, 높은 신뢰성, -20 ?C에서 70 ?C까지 넓은 온도 작동 범위, 낮은 자기 방전(3개월 간 25?C에서 5 % 미만의 전압 강하)의 특성을 가진다.
따라서, 다른 배터리에 비해 높은 전력 밀도를 가지며, 열 폭주 반응이 발생할 수 있는 리튬 이온 배터리보다 사용하기에 안전함을 확인할 수 있었다.
그리고, 전기 이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor, EDLC)와 비교할 때 전력 밀도는 유사하지만, 출력 전압 및 에너지 밀도가 훨씬 높기 때문에, 태양광 발전과 풍력 발전 서브 시스템에 있어서 효율성이 우수한 것으로 평가되었다.
이처럼 높은 전력 밀도와 고 에너지 밀도 특성을 모두 지니고 있기 때문에, 각종 어플리케이션에 추가적으로 부가되는 전력 저장 장치가 필요 없게 되므로 제조 비용의 절감 효과로 이어진다.
이에 따라, 기존의 에너지 저장 장치를 대체하여 개인, 가정을 물론이고 병원, 해양, 군사용 등 어느 분야를 막론하고 매우 폭넓게 활용할 수 있다.
따라서, 최근에 자동차, 산업 기기의 에너지 회생 및 저장 등 대용량 전원 장치, 스마트폰, 태플릿 단말기, 휴대 전화, 디지털 카메라, PC와 같은 소용량 전원 장치로의 사용이 적극적으로 검토되고 있다.
즉, 개인용으로는 휴대폰, 게임기, 노트북 충전용 전원으로 사용 가능하고, 산업용으로는 전압 강하 보상 장치, 무정전 전원 시스템(UPS), 풍력 발전, 태양광 발전, 반송 시스템, 미래형 자동차 전지, 건설 기계 등의 전원으로 사용 가능하다.
또한, 이동용으로는 섬 지역이나 산간 벽지의 TV, 라디오, 조명용 전원으로 사용 가능하고, 군사용으로는 무전기, 야간 탐조, 탐색 조명, 통신 및 정보 장비용 전원으로 사용 가능하며, 비상용으로 재난이나 정전 사고시 장비 전원 및 조명용으로 사용이 확장될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 제조 원가 절감형 및 친환경 소재를 활물질과 첨가제를 사용하여 종래의 리튬 물질의 원자재의 희귀성과 불안정성을 높이고 재료 조달이 용이한 원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 물질 및 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 높은 전력과 에너지 밀도 특성을 지니고, 열 폭주 반응의 안전성 문제와 각종 어플리케이션마다 전력 저장 장치가 추가적으로 부가되어야 하는 부담이 없는 원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 물질 및 제조 방법을 제공한다.
이를 통하여, 본 발명은 리튬 물질의 양을 대폭 줄일 수 있어 제조 원가를 현저히 줄일 수 있고, 조성 비율을 중심으로 친환경적 효과가 있을 뿐 아니라, 급속 충방전시 발화 위험의 안전성이 확보된다.
또한, 출력 전압 및 에너지 밀도가 높기 때문에 태양광 발전과 풍력 발전 서브 시스템에 사용시 효율성이 향상되고, 각종 어플리케이션에 별도의 전력 저장 장치 추가가 불필요하여 개인, 가정, 의료계, 해양, 군사용 등 다양한 분야에서 활용 가능함에 따라 생산성이 향상된다.
이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.
또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.
Claims (13)
- 전처리된 정극 활물질 및 도전재 분말을 혼합하여 제조된 정극 슬러리를 전처리된 정극 집전체 상부에 정극 바인더를 이용하여 도포 및 정극 코팅하고, 압연기를 이용하여 압연시킨 정극 극판;
전처리된 부극 활물질 및 도전재 분말을 혼합하여 제조된 부극 슬러리를 전처리된 부극 집전체 상부에 부극 바인더를 이용하여 도포 및 부극 코팅하고, 압연기를 이용하여 압연시킨 부극 극판; 및
상기 정극 극판 및 상기 부극 극판 간에 전자 전도 채널을 형성하기 위해 소량 첨가되는 미세 탄소 분말 성분으로 전해질에 용해되는 상기 도전재 분말;
을 포함하고,
상기 정극 바인더는 폴리비닐리덴 불화물 용질 0.15 g을 n-메틸-2-피롤리돈 용매 6 mL에 용해시켜 제조되며,
상기 부극 바인더는 SBR(styrene-butadiene rubber)에 CMC(carboxy methyl cellulose)를 혼합하여 용질로 사용되는 것을 특징으로 하는,
원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 장치.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 정극 슬러리 및 상기 부극 슬러리는
진공 펌프를 이용하여 가스가 제거되는 것을 특징으로 하는,
원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 장치.
- 제 3 항에 있어서,
상기 정극 코팅 및 상기 부극 코팅은
상기 가스가 제거된 상기 정극 슬러리 및 상기 부극 슬러리 각각이 도포된 상기 정극 집전체 및 상기 부극 집전체를 닥터 블레이드를 통과시켜 각각 정극 코팅 및 부극 코팅되는 것을 특징으로 하는,
원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 정극 활물질은
리튬-코발트-망간 화합물 또는 니켈-코발트-알루미늄 화합물인 것을 특징으로 하는,
원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 부극 활물질은
카본 또는 나노 카본인 것을 특징으로 하는,
원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 도전재 분말은
탄소 블랙류가 사용되는 것을 특징으로 하는,
원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 정극 집전체 및 상기 부극 집전체는
두께가 10 내지 20 ㎛ 인 것을 특징으로 하는,
원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 장치.
- (a) 정극 활물질, 부극 활물질, 도전재 분말, 전해질, 정극 집전체 및 부극 집전체를 전처리하여 준비하는 단계;
(b) 전처리된 상기 정극 활물질 및 상기 부극 활물질을 각각 상기 정극 집전체 및 상기 부극 집전체 각각에 고정시키는 바인더 용액을 제조하고, 상기 정극 집전체 및 상기 부극 집전체 상부 각각에 슬러리를 도포 및 코팅하여 정극 극판 및 부극 극판 각각을 제조하는 단계; 및
(c) 상기 정극 극판 및 상기 부극 극판을 절단하여 정극 리튬 전극 및 부극 리튬 전극 각각을 형성하고, 상기 전해질을 주입한 리튬 이온 커패시터 전극 장치 내 상기 정극 극판 및 상기 부극 극판의 상부에 리튬 박막을 적층하여 셀을 제조하는 단계;
를 포함하고,
상기 바인더 용액은
폴리비닐리덴 불화물 용질 0.15 g을 n-메틸-2-피롤리돈 용매 6 mL에 용해시켜 제조되어 상기 정극 활물질을 상기 정극 집전체에 고정시키는 정극 바인더; 및
SBR(styrene-butadiene rubber)에 CMC(carboxy methyl cellulose)를 혼합하여 상기 부극 활물질을 각각 상기 부극 집전체에 고정시키는 부극 바인더;
를 포함하는 것을 특징으로 하는,
원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 장치 제조 방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 (b) 단계는
(b-1) 상기 정극 바인더 또는 상기 부극 바인더를 용질로 하여 상기 바인더 용액을 제조하는 단계;
(b-2) 상기 바인더 용액에 전처리된 상기 정극 활물질 및 상기 부극 활물질과 상기 도전재 분말을 혼합하여 상기 슬러리를 제조하는 단계;
(b-3) 진공 펌프를 이용하여 상기 제조된 슬러리의 가스를 제거하는 단계;
(b-4) 유리판 위에 올린 상기 정극 집전체 및 상기 부극 집전체 표면을 이소프로필 알콜로 세척하는 단계;
(b-5) 세척된 상기 정극 집전체 및 상기 부극 집전체 상부에 상기 가스가 제거된 슬러리를 도포하고, 닥터 블레이드를 통과시켜 정극 코팅 및 부극 코팅하는 단계;
(b-6) 코팅된 상기 정극 극판 및 상기 부극 극판을 건조시키는 단계; 및
(b-7) 건조된 상기 정극 극판 및 상기 부극 극판을 압연기를 이용하여 압연시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는,
원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 장치 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 (c) 단계는
(c-1) 상기 압연된 정극 극판 및 부극 극판을 펀칭기로 절단하는 단계;
(c-2) 상기 절단된 정극 극판 및 부극 극판 일부분에서 전극 물질을 제거하고 캡의 하부면에 용접하는 단계
(c-3) 용접된 상기 정극 극판 및 상기 부극 극판과 상기 캡의 하부면을 진공 건조시키는 단계;
(c-4) 상기 건조된 정극 극판 및 부극 극판 각각에 상기 정극 리튬 전극 및 부극 리튬 전극 각각을 형성하는 단계;
(c-5) 상기 용접된 캡의 하부면 위에 분리막을 올리고 캡의 상부면이 덮혀 하우징되어 상기 전해질을 주입하는 단계;
(c-6) 상기 전해질이 주입된 리튬 이온 커패시터 전극 장치 내 상기 정극 극판 및 상기 부극 극판의 상부에 상기 리튬 박막을 적층하여 상기 셀을 형성하는 단계;
(c-7) 상기 형성된 셀을 진공 데시케이터로 옮겨 상기 셀 내의 가스를 제거하는 단계; 및
(c-8) 상기 가스가 제거된 셀을 크림핑 장비로 실링하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는,
원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 장치 제조 방법.
- 제 11 항에 있어서,
상기 (c-1) 단계는
상기 절단된 정극 극판 및 부극 극판의 중량을 측정하는 단계;
상기 절단된 정극 극판 및 부극 극판의 합제 밀도 및 로딩 레벨을 계산하는 단계; 및
상기 계산된 합제 밀도에 맞게 상기 압연기의 압연 강도를 조절하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 장치 제조 방법.
- 제 11 항에 있어서,
상기 (c-4) 단계는
상기 건조된 캡의 하부면에 니켈 메쉬를 용접하는 단계;
상기 용접된 캡의 하부면을 이소프로필 알코올 및 물로 세척하는 단계;
상기 세척된 캡의 하부면을 진공 오븐에서 재건조하는 단계;
상기 재건조된 캡의 하부면을 글러브박스로 이동시키는 단계; 및
상기 이동된 캡의 하부면에 용접된 상기 정극 극판 및 상기 부극 극판 각각에 소정 크기의 상기 리튬 박막을 부착시켜 상기 정극 리튬 전극 및 상기 부극 리튬 전극 각각을 형성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는,
원가 절감형 리튬 이온 커패시터 전극 장치 제조 방법.
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Cited By (2)
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| KR20230174091A (ko) | 2022-06-20 | 2023-12-27 | 나노캡 주식회사 | 복합전극 및 이를 이용한 전기에너지 저장장치 |
| KR20230174088A (ko) | 2022-06-20 | 2023-12-27 | 나노캡 주식회사 | 고전도성 전극의 제조방법 |
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-
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Non-Patent Citations (2)
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|---|
| M. Singh et al., ‘Thick Electrodes for High Energy Lithium Ion Batteries’, Journal of The Electrochemical Society, 162(2015) A1196-A1201 (2015.04.01.) 1부.* |
| M. Wang et al., ‘Internal-short-mitigating current collector for lithium-ion battery’, Journal of Power Sources, 349(2017) 84-93 (2017.03.10.) 1부.* |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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