KR102288784B1 - 전기 화학 소자 - Google Patents

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Abstract

실시예의 전기 화학 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제1 전극과, 상기 제1 전극에 이격하여 배치되는 제2 전극과, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치되는 분리막을 포함하여 적층 형성된 권취 소자 및 상기 권취 소자의 말단부 중 적어도 하나에 배치된 전도성 실링부를 포함함으로써 절단면 손상에 따라 전극에 발생하는 박리 또는 크랙 현상을 방지할 수 있는 전기 화학 소자에 관한 것이다.

Description

전기 화학 소자{ELECTROCHEMICAL ELEMENT}
실시예는 전기 화학 소자에 관한 것으로, 특히 전기 화학 소자 제조 시 절단면에서의 박리 또는 크랙 현상을 방지하여 고 전압 환경에서의 제품 특성 및 정전 용량이 향상된 전기 화학 소자에 관한 것이다.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다.
휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기 화학 소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다.
전기 화학 소자는 전기 에너지와 화학 에너지 상호간에 변환이 가능하도록 하는 것으로, 구체적인 예로는 슈퍼 캐패시터(전기 이중층 캐패시터, EDLC), 리튬 이온 2차 전지, 하이브리드 캐패시터 등이 있다.
전기 화학 소자는 충방전이 가능하고 에너지 밀도가 높다는 측면에서 주목 받고 있는 분야이며, 응용 분야의 확대에 따라 높은 정전 용량과 에너지 밀도가 요구되고 있다.
특히, 슈퍼 캐패시터는 전해액에 함침된 양극 및 음극, 두 전극 사이에 구비되는 분리막, 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락 방지를 위한 가스켓, 금속 케이스 등을 포함하여 단위 셀이 이루어지며, 이러한 단위 셀을 적층하고 양극 및 음극의 단자를 조합하여 구성되는 것으로 충전 속도가 우수하고 출력 밀도가 높아 최근 폭넓게 응용되고 있다.
슈퍼 캐패시터에 적용되는 전극은 전극 활물질, 바인더, 도전재 등을 포함하는 전극 형성용 조성물을 집전체에 코팅하여 형성될 수 있는데, 코팅 및 권취 후 원하는 크기로 절단하는 과정에서 집전체와 전극 형성용 조성물간 접착면이 손상되어 박리되거나 크랙이 발생하는 문제가 있어왔다.
제품 초기의 크랙 및 박리 현상은 슈퍼 캐패시터의 저항을 증가시키거나 정전 용량의 유효면적을 감소시켜 제품의 수명 및 신뢰성을 저하할 수 있는바, 전술한 문제점들에 대한 해결책이 필요한 실정이다.
실시예는 절단면 손상에 따라 전극에 발생하는 박리 또는 크랙 현상을 방지할 수 있는 전기 화학 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
실시예의 전기 화학 소자는 제1 전극과, 상기 제1 전극에 이격하여 배치되는 제2 전극과, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치되는 분리막을 포함하여 적층 형성된 권취 소자 및 상기 권취 소자의 말단부 중 적어도 하나에 배치된 전도성 실링부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전도성 실링부는 적어도 하나의 상기 권취 소자 말단부 및 상기 권취 소자의 최외곽부에 배치될 수 있다.
상기 전도성 실링부가 적어도 하나의 상기 권취 소자 말단부 및 상기 권취 소자의 최외곽부에 배치된 경우, 상기 권취 소자의 말단부에 배치된 상기 전도성 실링부의 두께는 상기 권취 소자의 최외곽부에 배치된 상기 전도성 실링부의 두께보다 두꺼울 수 있다.
또한, 상기 전도성 실링부가 적어도 하나의 상기 권취 소자 말단부 및 상기 권취 소자의 최외곽부에 배치된 경우, 상기 권취 소자의 최외곽부에 배치된 상기 전도성 실링부의 두께는 상기 권취 소자의 말단부에 배치된 상기 전도성 실링부의 두께보다 두꺼울 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전도성 실링부는 적어도 하나의 상기 권취 소자 말단부 및 상기 권취 소자의 중심부에 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 하나는 베이스 기판과, 상기 베이스 기판의 대향하는 두 면에 각각 배치된 전극용 조성물층을 포함하고, 제1 리드부는 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되며 제2 리드부는 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되고, 상기 전도성 실링부는 상기 권취 소자의 말단부 중 상기 리드부가 배치된 영역을 제외한 영역에 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전도성 실링부는 다공성 활성탄, 도전재 및 바인더를 포함하는 물질로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전도성 실링부는 다공성 활성탄 및 바인더를 포함하는 물질로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전도성 실링부는 상기 말단부의 가장자리로부터 1 nm 이상 500 ㎛ 이하의 길이만큼 연장된 영역까지 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전도성 실링부의 두께는 1 nm 내지 1 mm일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전도성 실링부 절단면은 반원형, 반 타원형, 삼각형 및 사각형으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 형상일 수 있다.
실시예의 전기 화학 소자는 전극 중 베이스 기판 및 전극용 조성물의 접착 계면에서 절단에 의한 박리 또는 크랙 발생을 방지할 수 있다.
이에 따라, 제품의 저항 증가를 방지하여 고 전압 환경에서의 제품 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 실시예의 전기 화학 소자는 전해질 이온의 유효 흡착 면적을 향상시켜 장시간 사용에 따른 정전 용량 감소 특성을 개선할 뿐만 아니라, 정전 용량을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예의 전기 화학 소자를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 전극을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 전도성 실링부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4a는 일 실시예에 따른 전도성 실링부의 절단면 형상이 반원형인 경우의 절단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4b는 일 실시예에 따른 전도성 실링부의 절단면 형상이 반 타원형인 경우의 절단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4c는 일 실시예에 따른 전도성 실링부의 절단면 형상이 삼각형인 경우의 절단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4d 일 실시예에 따른 전도성 실링부의 절단면 형상이 사각형인 경우의 절단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 전도성 실링부의 절단면의 형상을 개략적으로 도시한 도면이다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층, 막, 전극, 판 또는 기판 등이 각 층, 막, 전극, 판 또는 기판 등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한 각 구성요소의 상, 옆 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 일 실시예의 전기 화학 소자를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 일 실시예에 따른 전극을 개략적으로 도시한 도면이며, 도 3은 일 실시예에 따른 전도성 실링부를 개략적으로 도시한 도면이다.
상기 전기 화학 소자(100)는 전기 에너지와 화학 에너지 상호 변환이 가능한 것으로써 본 발명의 목적을 벗어나지 않는 범위 내라면 특별히 제한되지 않는다. 구체적인 예를 들면 상기 전기 화학 소자(100)는 슈퍼 캐패시터, 이차 전지 등 일 수 있다. 이하에서는 상기 전기 화학 소자(100)로 슈퍼 캐패시터를 예로 든 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다.
실시예의 전기 화학 소자(100)는 제1 전극(2), 상기 제1 전극(2)에 이격하여 배치되는 제2 전극(4), 상기 제1 전극(2) 및 상기 제2 전극(4) 사이에 배치되는 분리막(3)을 포함하여 적층 형성된 권취 소자(10) 및 상기 권취 소자(10)의 말단부(a) 중 적어도 하나에 배치된 전도성 실링부(20)를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극(2)은 양극일 수 있고, 상기 제2 전극(4)은 음극일 수 있다. 그러나, 상기 제1 전극(2)은 음극일 수 있고, 상기 제2 전극(4)은 양극일 수도 있다.
상기 분리막(3)은 상기 제1 전극(2) 및 상기 제2 전극(4) 사이에 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 분리막(3)은 상기 제1 전극(2) 및 상기 제2 전극(4)과 접촉하며 배치될 수 있다. 상기 분리막(3)의 일면 및 타면은 상기 제1 전극(2) 및 상기 제2 전극(4)과 직접 접촉하며 배치될 수 있다. 따라서, 상기 제1 전극(2), 분리막(3), 제2 전극(4)은 순차적으로 적층 되어 실시예에 따른 권취 소자(10)를 형성할 수 있다.
상기 제1 전극(2), 제2 전극(4) 및 분리막(3)을 포함하여 적층 형성된 권취 소자(10)는 전해액에 함침될 수 있다.
일 실시예 따르면, 상기 전해액은 비수계 전해액일 수 있다.
보다 구체적으로, 비수계 전해액이 사용되는 경우 전해질 양이온은 TEA+, TEMA+, Li+, EMIM+, Na+ 등일 수 있고, 전해질 음이온은 BF4 -, PF6 -, TFSI-, FSI- 등일 수 있다. 또한, 전해액 용매는 유기성 전해액, 보다 구체적으로는 ACN, PC, GBL, DMK 등일 수 있다.
상기 전해액의 농도는 용매와 전해질 이온의 종류마다 상이할 수 있다.
필요에 따라, 상기 전기 화학 소자(100)는 2 이상의 분리막을 포함할 수 있다.
일 실시예 따르면, 상기 전기 화학 소자(100)가 복수의 분리막을 포함하는 경우, 제1 전극(2)과 제2 전극(4) 사이에 배치되는 분리막(3) 이외의 분리막(1)은 상기 제1 전극(2)의 상부에 배치될 수 있다.
상기와 같이 제1 전극(2), 분리막(3) 및 제2 전극(4)을 포함하는 적층체는 제품 특성에 맞추어 절단 공정 후 권취(rolling)됨에 따라 상기 권취 소자(10)를 형성할 수 있다.
그러나, 전술한 바와 같이 절단 공정 후에 전극에 있어 베이스 기판과 전극용 조성물층의 접착 면이 손상될 수 있다. 이러한 경우, 고온 또는 저온 등의 가혹한 환경 하에서 전기 화학 소자가 사용되거나 충방전 횟수가 증가함에 따라, 절단 공정에서 발생된 결함 부분이 베이스 기판과 전극용 조성물층의 접착면에 있어 박리 시점(始點)으로 작용하게 되어 저항이 증가하고 제품 특성이 감소 될 위험성이 있다. 또한, 접착층 간의 박리에 따라 전해질 이온의 흡착이 가능한 유효 면적이 감소하여 정전 용량이 감소할 수 있다.
이에 착안하여, 실시예의 전기 화학 소자(100)는 상기 권취 소자(10)의 말단부(a) 중 적어도 하나에 배치되는 전도성 실링부(20)를 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 권취 소자(10)의 말단부(a)란 제1 전극(2), 분리막(3) 및 제2 전극(4) 등을 포함하는 적층체를 절단 후 일 방향으로 권취 하였을 때 외부로 노출되는 절단면을 의미한다.
즉, 상기 전도성 실링부(20)는 후술하는 바와 같이 실링부 형성 물질을 상기 적층체의 절단면에 도포하여 형성될 수 있다.
실시예의 전기 화학 소자(100)는 전도성 실링부(20)를 포함하여 베이스 기판(11)과 전극용 조성물층(12)의 접착면을 견고하게 부착할 수 있다. 이에 따라 실시예의 전기 화학 소자(100)는 가혹한 환경에서 사용되는 경우에도 크랙 또는 박리 현상을 방지할 수 있어, 장시간 사용에도 불구하고 제품 특성이 저하되지 않는다.
또한, 실시예의 전기 화학 소자(100)는 상기 전도성 실링부(20)를 포함함으로써 제품의 저항 증가 현상을 방지하여 고 전압 하에서의 제품 특성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 실시예의 전기 화학 소자(100)는 상기 전도성 실링부(20)를 상기 권취 소자(10)의 말단부(a) 중 적어도 하나에 배치함에 따라 전술한 문제점들을 해결할 수 있다.
실시예의 전기 화학 소자(100)에 있어 상기 전도성 실링부(20)가 많이 포함될수록, 상기 베이스 기판(11)과 전극용 조성물층(12)의 접촉 계면을 견고하게 하여 박리 또는 크랙 발생 가능성을 현저히 낮출 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전도성 실링부(20)는 상기 권취 소자(10) 중 하나의 말단부(a) 상에 배치될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 전도성 실링부(20)는 상기 권취 소자(10)의 서로 대향하는 두 말단부(a) 상에 배치될 수 있고, 절단면 손상 방지 효과를 극대화 시킬 수 있다는 점에서 바람직하다.
본 명세서에서 권취 소자(10)의 중심부(c)란 제1 전극(2), 분리막(3) 및 제2 전극(4) 등을 포함하는 적층체를 일 방향으로 권취 하였을 때, 권취가 시작되는 중심축을 포함하는 부분을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 권취 소자(10)의 최외곽부(b)란 상기 중심부(c)를 기준으로 상기 적층체를 권취 하였을 때 권취되는 면 상에서 상기 중심부(c)와 가장 먼 거리를 이루는 부분을 의미하며, 상기 권취 소자(10)의 최외곽부(b)는 권취 소자(10)의 외부로 노출될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전도성 실링부(20)는 적어도 하나의 상기 권취 소자(10) 말단부(a) 및 상기 권취 소자(10)의 최외곽부(b)에 배치될 수 있다. 상기 실시예는 제1 전극(2), 분리막(3) 및 제2 전극(4)을 포함하는 상기 적층체를 원하는 크기로 절단한 후, 권취 소자(10)의 말단부(a) 및 최외곽부(b)에 해당될 부분에 전도성 실링부(20) 형성 물질을 도포한 후 상기 적층체를 권취 하는 방법으로 형성될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 전도성 실링부(20)는 적어도 하나의 상기 권취 소자(10) 말단부(a) 및 상기 권취 소자(10)의 중심부(c)에 배치될 수 있다. 상기 실시예는 제1 전극(2), 분리막(3) 및 제2 전극(4)을 포함하는 상기 적층체를 원하는 크기로 절단한 후, 권취 소자(10)의 중심부(c) 및 말단부(a)에 해당될 부분에 전도성 실링부(20) 형성 물질을 도포한 후 상기 적층체를 권취 하는 방법으로 형성될 수 있다.
실시예에 따른 전도성 실링부(20)가 상기 권취 소자(10)의 말단부(a)뿐만 아니라 최외곽부(b) 또는 중심부(c)에 함께 배치되는 경우, 상기 전도성 실링부(20)의 면적이 증가함에 따라 절단면 손상 방지 효과가 향상되어 접촉면의 박리 또는 크랙 발생의 방지 정도가 현저히 증가될 수 있다.
본 명세서에서, 전도성 실링부(20)의 두께란 상기 권취 소자(10)로부터 상기 전도성 실링부(20) 중 가장 높게 형성된 부분까지의 수직 거리를 의미한다.
일 실시예에 따르면, 상기 권취 소자(10)의 말단부(a)에 배치된 상기 전도성 실링부(20)의 두께는 상기 권취 소자(10)의 최외곽부(b)에 배치된 상기 전도성 실링부(20)의 두께보다 두꺼울 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 권취 소자(10)의 최외곽부(b)에 배치된 상기 전도성 실링부(20)의 두께는 상기 권취 소자(10)의 말단부(a)에 배치된 상기 전도성 실링부(20)의 두께보다 두꺼울 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극(2) 및 제2 전극(4) 중 적어도 하나는 베이스 기판(11)과, 상기 베이스 기판(11)의 대향하는 두 면에 각각 배치된 전극용 조성물층(12)을 포함하고, 제1 리드부(6)는 상기 제1 전극(2)과 전기적으로 연결되며 제2 리드부(7)는 상기 제2 전극(4)과 전기적으로 연결되고, 상기 전도성 실링부(20)는 상기 권취 소자(10)의 말단부(a) 중 상기 리드부(6, 7)가 배치된 영역을 제외한 영역에 배치될 수 있다.
구체적으로 설명하면, 상기 제1 전극(2) 및 제2 전극(4) 중 적어도 하나의 전극은 베이스 기판(11) 상에서 전극 형성용 조성물이 롤링으로 압연된 것일 수 있다. 또한, 상기 제1 전극(2) 및/또는 제2 전극(4)은 전극 형성용 조성물이 베이스 기판(11) 상에 코팅된 것일 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 제1 전극(2) 및/또는 제2 전극(4)은 전극 형성용 물질을 시트 상태로 만들어 베이스 기판(11) 에 붙인 후 건조하여 형성된 것일 수 있다.
상기 베이스 기판(11) 및 전극용 조성물층(12)의 두께는 본 발명의 목적을 벗어나지 않는 범위 내라면 특별히 제한되지는 않지만, 구체적인 예를 들면 상기 베이스 기판(11)의 두께는 30 ㎛ 내지 60 ㎛ 일 수 있다. 또한, 상기 전극용 조성물층(12)의 두께는 각각 독립적으로 100 ㎛ 내지 150 ㎛ 일 수 있다.
상기 베이스 기판(11)는 전도성 물질을 포함하여 형성된 것일 수 있다. 전도성 물질의 구체적인 예를 들면 금속 등일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 금속은 구리, 알루미늄 등 일 수 있으나 본 발명이 반드시 그 실시예 들에 제한되는 것은 아니다.
상기 베이스 기판(11)은 박막 형상일 수 있다.
상기 전극 형성용 조성물은 탄소원, 바인더, 도전재를 포함하고, 선택적으로 용매를 더 포함할 수 있다. 또한, 각 성분은 혼합 후 슬러리 형태로 상기 전기 화학 소자(100)에 적용될 수 있다.
상기 탄소원은 구체적인 예를 들면, 다공성 활성탄, 탄소오니언(carbononion), 탄소나노튜브, 그래핀(graphene), 카바이드 유도 탄소(carbide derived carbon), 주형화된 탄소(mesoporous carbon) 등일 수 있다.
상기 바인더는 전극 형성용 조성물에 접착성을 부여한다. 상기 바인더의 구체적인 예를 들면 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리비닐알콜(PVA) 등일 수 있다. 상기 바인더는 전술한 예들 중 적어도 하나를 포함하여 사용될 수 있으나, 실시예가 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
일 실시예 따르면, 상기 바인더는 전극 형성용 조성물 전체에 대하여 1 내지 45 중량%로 포함될 수 있다.
상기 도전재는 전극 형성용 조성물에 전도성을 부여 한다. 상기 도전재의 구체적인 예를 들면 카본 블랙(carbon black), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(CNT), 탄소나노섬유(CNF) 등일 수 있다. 상기 도전재는 전술한 예들 중 적어도 하나를 포함하여 사용될 수 있으나, 실시예가 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
일 실시예 따르면, 상기 도전재는 전극 형성용 조성물 전체에 대하여 1 내지 45 중량%로 포함될 수 있다.
필요에 따라, 상기 전극 형성용 조성물은 용매를 더 포함할 수 있다. 상기 용매의 구체적인 예를 들면 물 또는 유기 용매 등일 수 있으나, 실시예가 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
일 실시예 따르면, 상기 용매는 전극 형성용 조성물 전체에 대하여 10 내지 97 중량%로 포함될 수 있다.
실시예에 따른 전도성 실링부(20)는 전기 전도성을 가질 수 있는바, 전도성 실링부(20)의 형성 물질은 전기 전도성을 나타내는 물질을 포함할 수 있다. 상기 전도성 실링부(20)는 실시예의 전기 화학 소자(100)에서의 기능을 고려할 때 전기 전도성이 높을수록 바람직하다.
보다 구체적으로 설명하면, 실시예의 전기 화학 소자(100)는 상기 전도성 실링부(20)를 포함함에 따라 전해질 이온과의 유효 접촉 면적을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 장시간 사용에 따른 제품의 정전 용량 감소 특성을 개선하고 나아가 정전 용량을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면 상기 전도성 실링부(20)의 형성 물질은 상기 전극 형성용 조성물과 성분 및 함량비가 동일할 수 있다. 또한, 다른 실시예에 따르면, 상기 전도성 실링부(20)의 형성 물질은 상기 전극 형성용 조성물과 성분은 동일하되 함량비는 상이할 수 있다.
구체적인 예를 들면, 상기 전도성 실링부(20)는 다공성 활성탄 및 바인더를 포함하는 물질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 전도성 실링부(20)는 다공성 활성탄, 도전재 및 바인더를 포함하는 물질로 형성될 수 있으며, 도전재를 포함함으로써 전도성 실링부(20)의 전기 전도성을 보다 더 향상시킬 수 있다는 점에서 바람직하다.
상기 전도성 실링부(20)의 배치 형태와 관련하여, 상기 권취 소자(10)의 말단부(a) 중 상기 리드부(6, 7)가 배치된 영역을 제외한 영역에 배치될 수 있다.
구체적으로 상기 전도성 실링부(20)가 상기 권취 소자(10)의 말단부(a) 상에서 상기 리드부(6, 7)가 배치된 영역만을 제외한 영역에 배치될 수 있다. 또한, 상기 전도성 실링부(20)가 상기 권취 소자(10)의 말단부(a) 상에서 상기 리드부(6, 7)가 배치된 영역으로부터 일정 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 전도성 실링부(20)는 상기 권취 소자(10)의 말단부(a) 상에서 상기 리드부(6, 7)가 배치된 영역에도 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전도성 실링부(20)는 상기 말단부(a)의 가장자리로부터 1 nm 이상 500 ㎛ 이하의 길이만큼 연장된 영역까지 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 전도성 실링부(20)가 말단부(a)에 해당하는 영역보다 넓게 형성되므로 베이스 기판(11)과 전극용 조성물층(12)의 접촉면에서 발생하는 박리 또는 크랙 발생 방지 효과가 현저히 향상된다는 측면에서 바람직하다.
본 명세서에서 말단부(a)의 가장자리는, 상기 권취 소자(10)의 말단부(a)를 정면으로 바라보았을 때 원형 형상을 이루는 말단부(a)의 원주 부분을 의미한다.
일 실시예에 따르면, 상기 전도성 실링부(20)의 두께는 1 nm 내지 1 mm 일 수 있다. 상기 전도성 실링부(20)의 두께가 전술한 범위 내인 경우, 제조가 용이하고 박리 또는 크랙 발생 방지 효과가 극대화 될 수 있다.
도 4a 내지 4d 및 도 5는 각 실시예에 따른 전도성 실링부(20)의 절단면의 형상을 개략적으로 도시한 도면이다. 보다 구체적으로, 도 4a 내지 4d는 전도성 실링부(20)가 상기 권취 소자(10)의 절단면에만 형성된 경우에 관한 것이고, 도 5는 전도성 실링부(20)가 상기 권취 소자(10)의 절단면 및 최외곽부(b)에 형성된 경우에 관한 것이다.
본 명세서에 있어 전도성 실링부(20)의 절단면이란 상기 권취 소자(10)의 권취 방향에 수직하면서 최외곽부(b)를 포함하는 면으로 절단한 면을 의미한다.
일 실시예에 따르면, 상기 전도성 실링부(20)의 절단면은 반원형, 반 타원형(half-ellipsoid), 삼각형 및 사각형으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 형상일 수 있다. 그러나, 상기 전도성 실링부(20) 절단면의 형상은 전술한 실시예 들에 제한되지 않고, 본 발명의 목적을 벗어나지 않는 범위 내라면 그 형상의 종류는 특별히 제한되지 않는다.
일 실시예 따르면, 상기 제1 전극(2), 제2 전극(4) 및 그 사이에 배치된 분리막(3)은 덮개(5) 내에 배치된 구조일 수 있다.
일 실시예 따르면, 상기 덮개(5)는 전도성 물질을 포함하여 형성된 것일 수 있다. 상기 전도성 물질은 금속 등을 포함할 수 있다. 상기 금속의 구체적인 예를 들면 알루미늄 등 일 수 있다.
이하, 구체적인 실시예 및 비교예를 통해서, 본 발명에 따른 작용과 효과를 더욱 상세히 설명하기로 한다.
실시예 1
구리 베이스 기판 상에 롤러로 전극 형성용 조성물을 압착하여 시트 상태로 만든 후 건조하여 제1 전극 및 제2 전극을 제조하고 전극 각각에 리드선을 부착하였다.
제1 분리막, 제1 전극, 제2 분리막 및 제2 전극을 적층 후 권취하고, 권취 소자를 원하는 크기로 절단하였다.
권취 소자의 대향하는 두 말단부(a)에 다공성 활성탄 90 중량%, 바인더 0.5 중량% 및 도전재 0.5 중량%를 포함하는 물질로 전도성 실링부를 형성하였다.
이에 실링 고무를 부착 후 알루미늄 덮개 내에 삽입하였다. 이어서, 전해액(1M TEABF4 in ACN)을 상기 권취 소자가 함침 되도록 주입 후 밀봉하여 전기 화학 소자(슈퍼 캐패시터)를 제조하였다
실시예 2
전도성 실링부를 두 말단부(a) 및 최외곽부(b)에 배치한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 슈퍼 캐패시터를 제조하였다
비교예
전도성 실링부를 불포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 슈퍼 캐패시터를 제조하였다
실험예 1: 저항 측정
실시예 1,2 및 비교예의 비저항값을 측정하여 전기전도도 값을 산출하고 하기 표 1에 나타내었다.
구분 실시예 1 실시예 2 비교예
전기전도도[S/cm] 1.912 2.811 0.583
상기 표 1을 참조하면, 전도성 실링부를 많이 포함할수록 비저항값이 작아 전기전도도 값이 큰 경향을 나타내었다.
이를 통하여, 실시예의 슈퍼 캐패시터들은 고 전압 환경에서 제품 특성이 향상될 것임을 추측할 수 있다.
실험예 2: 정전 용량 측정
충방전장비를 이용하여 측정된 정전 용량 값으로 부피 당 정전 용량 값을 산출하여 하기 표 2에 나타내었다.
구분 실시예 1 실시예 2 비교예
정전 용량[F/cc] 19.5 21.5 15.2
상기 표 2를 참조하면, 전도성 실링부를 불포함한 비교예에 비하여 전도성 실링부를 포함한 실시예들의 정전 용량 값이 큰 바, 전도성 실링부를 많이 포함할수록 슈퍼 캐패시터의 부피당 정전 용량 값이 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 이를 통하여, 실시예의 전기 화학 소자는 전극 중 베이스 기판 및 전극용 조성물의 접착 계면에서 절단에 의한 박리 또는 크랙 발생을 방지하여 장시간 사용시에도 초기 정전용량 감소 특성을 개선할 수 있다.
또한, 실시예 1 및 실시예 2의 정전 용량 값을 비교할 때, 전도성 실링부가 더 많이 형성된 실시예 2는 전해질 이온이 흡착될 수 있는 유효 영역이 증가함에 따라 더 큰 정전 용량 값을 나타내는 것으로 추측할 수 있다.
실시예의 전기 화학 소자(100)는 상기 권취 소자(10)의 말단부(a)에 전도성 실링부(20)를 포함하여 베이스 기판(11)과 전극용 조성물층(12)의 접착면을 견고하게 부착할 수 있다. 이에 따라 실시예의 전기 화학 소자(100)는 고온 또는 저온의 가혹한 환경에서 사용되는 경우에도 크랙 또는 박리 현상을 방지할 수 있어, 장시간 사용에도 불구하고 제품 특성이 저하되지 않는다.
또한, 실시예의 전기 화학 소자(100)는 상기 전도성 실링부(20)를 포함함으로써 제품의 저항 증가 현상을 방지하여 고 전압 하에서의 제품 특성을 향상시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 실시예의 전기 화학 소자(100)는 상기 전도성 실링부(20)를 포함함에 따라 전해질 이온과의 유효 접촉 면적을 증가시킴으로써, 장시간 사용에 따른 제품의 정전 용량 감소 특성을 개선하면서 나아가 정전 용량을 향상시킬 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 전기 화학 소자
10: 권취 소자 20: 전도성 실링부
2: 제1 전극 3: 분리막
4: 제2 전극 6.7: 리드부
a: 말단부 b: 최외곽부
c: 중심부
11: 베이스 기판 12: 전극용 조성물층

Claims (11)

  1. 제1 전극과, 상기 제1 전극에 이격하여 배치되는 제2 전극과, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치되는 분리막을 포함하는 적층제를 포함하는 권취 소자; 및
    상기 권취 소자의 말단부 중 적어도 하나에 배치된 전도성 실링부;를 포함하고,
    상기 권취소자의 말단부는 상기 적층제를 절단한 후 일 방향으로 권취하였을 때 외부로 노출되는 절단면으로 정의되는, 전기 화학 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 권취소자는 상기 적층제를 일 방향으로 권취하였을 때 권취가 시작되는 중심축을 포함하는 중심부; 및 상기 중심부를 기준으로 상기 적층제를 권취하였을 때 권취되는 면 상에서 상기 중심부와 가장 먼거리를 이루는 최외곽부를 포함하고,
    상기 전도성 실링부는 상기 최외곽부에도 배치되는, 전기 화학 소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 권취소자는 상기 적층제를 일 방향으로 권취하였을 때 권취가 시작되는 중심축을 포함하는 중심부; 및 상기 중심부를 기준으로 상기 적층제를 권취하였을 때 권취되는 면 상에서 상기 중심부와 가장 먼거리를 이루는 최외곽부를 포함하고,
    상기 전도성 실링부는 상기 중심부에도 배치되는, 전기 화학 소자.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 권취 소자의 말단부에 배치된 상기 전도성 실링부의 두께는 상기 권취 소자의 최외곽부에 배치된 상기 전도성 실링부의 두께보다 두꺼운, 전기 화학 소자.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 권취 소자의 최외곽부에 배치된 상기 전도성 실링부의 두께는 상기 권취 소자의 말단부에 배치된 상기 전도성 실링부의 두께보다 두꺼운, 전기 화학 소자.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 하나는 베이스 기판과, 상기 베이스 기판의 대향하는 두 면에 각각 배치된 전극용 조성물층을 포함하고,
    제1 리드부는 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되며
    제2 리드부는 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되고,
    상기 전도성 실링부는 상기 권취 소자의 말단부 중 상기 리드부가 배치된 영역을 제외한 영역에 배치되는, 전기 화학 소자.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 실링부는 다공성 활성탄, 도전재 및 바인더를 포함하는 물질로 형성되는, 전기 화학 소자.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 실링부는 다공성 활성탄 및 바인더를 포함하는 물질로 형성되는, 전기 화학 소자.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 실링부는 상기 말단부의 가장자리로부터 1 nm 이상 500 ㎛ 이하의 길이만큼 연장된 영역까지 형성된 것인, 전기 화학 소자.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 실링부의 두께는 1 nm 내지 1 mm 인, 전기 화학 소자.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 실링부 절단면은 반원형, 반 타원형, 삼각형 및 사각형으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 형상인, 전기 화학 소자.
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