KR102446707B1 - 열적 안정성이 향상된 캐패시터의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 캐패시터 - Google Patents

열적 안정성이 향상된 캐패시터의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 캐패시터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열적 안정성이 향상된 캐패시터의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 캐패시터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전극, 분리막을 미리 전해질 조성물에 함침시킨 후에 큐어링하여 캐패시터를 제조하는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 캐패시터에 관한 것이다.

Description

열적 안정성이 향상된 캐패시터의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 캐패시터{MANUFACTURING METHOD OF SUPERCAPACITOR FOR IMPROVED THERMAL STABILITY, AND SUPERCAPACITOR MADE BY THE SAME}
본 발명은 열적 안정성이 향상된 캐패시터의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 캐패시터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전극, 분리막을 미리 전해질 조성물에 함침후 큐어링한 후, 이와 같이 함침 처리된 전극, 분리막을 이용하여 캐패시터를 제조하는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 캐패시터에 관한 것이다.
최근 휴대폰, 캠코더, 노트북 PC 및 전기 자동차까지 에너지 저장 기술 적용 분야가 확대되면서, 전지의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다.
전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목받고 있는 분야이고, 특히 최근 전자기기의 소형화 및 경량화 추세에 따라, 소형, 경량화 및 고용량으로 충방전 가능한 리튬 이차전지 및 캐패시터를 포함한 전기화학 소자의 개발은 관심의 초점이 되고 있다.
리튬 이차전지 및 캐패시터를 포함한 전기화학 소자는 일반적으로 리튬 이온을 삽입/방출할 수 있는 전극활물질을 포함하는 양극과 음극, 및 리튬이온의 전달 매질인 전해질을 이용하여 제조될 수 있다.
종래에는 상기 전해질로서 액체 상태의 전해질, 특히 비수계 유기용매에 염을 용해한 이온 전도성 유기 액체 전해질이 주로 사용되어 왔다. 그러나 이러한 액체 전해질은 작동 중에 누액 될 염려가 있고, 사용하는 비수계 유기용매의 높은 인화성으로 인해 발화, 폭발 등이 유발되는 문제점이 야기되고 있다. 더욱이, 액체 전해질은 리튬 이차전지의 충,방전 시에 카보네이트 유기용매가 분해되거나, 또는 전극과 부반응을 일으켜 전지 내부에서 가스를 발생시킨다. 이러한 반응은 고온 저장시에는 더욱 가속화되기 때문에 가스 발생량이 증가한다. 이와 같이 지속적으로 발생된 가스는 전지의 내압 증가를 유발시켜 전지의 두께를 팽창시키는 등 전지의 변형을 초래할 뿐만 아니라, 전지 내 전극면에서 밀착성에 국부적인 차이점을 발생시켜 전극 반응이 전체 전극면에서 동일하게 일어나지 못하는 문제를 야기한다.
이에, 최근 상기 액체 상태의 전해질의 안전성 문제를 극복하기 위하여, 누액 등의 염려가 없는 겔 폴리머 전해질을 사용하는 방법이 제안되고 있다. 상기 겔 폴리머 전해질은 중합성 단량체와 중합개시제의 중합 반응에 의해 형성된 고분자 매트릭스에 전해질 염 및 비수계 유기용매를 포함하는 전해액을 함침시킨 후 겔화하여 제조한다.
상기 겔 폴리머 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지는 도 1에 표시된 파우치 타입으로 제조가 가능하였다. 도 1에 표시된 파우치 타입으로 제조하는 방법으로는 먼저 염, 용매, 모노머 및 개시제를 포함하는 전해질 조성물을 준비하고, 전극, 분리막 및 외장재 준비하여 먼저 조전지를 조립한다. 파우치 타입의 조전지 내부로 전해액을 주액한 후, 감압하여 함침시키고, 밀봉후 큐어링시키고, 탈기(degassing) 후 감압 실링하여 전지를 제조하였다.
그러나, 이러한 종래 파우치 타입의 겔 폴리머 전지 제조 공정에서는 AIBN, BPO등의 개시제를 사용하고, 밀봉후 큐어링 시키기 때문에 큐어링 과정에서 개시제가 분해되어 N2 또는 CO2 기체가 발생하고, 발생한 기체가 전해질 내부에 잔존하여 전기 화학 특성을 열화시키는 문제점이 있었다.
한편 도 2에 표시된 액체 전해질을 사용하는 코인셀 타입으로 제조하는 방법에서는 조전지를 주입 후 주액하고, 감압 함침하게 되며, 파우치 타입과 달리 큐어링 후 별도의 탈기공정(degassing) 이 없기 때문에 전지 내부 압력이 압력이 높아져 전해액이 누액되고, 전지 성능이 열화되는 문제점이 있을 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 겔폴리머 전해질을 적용하는 공정에 있어서, 전극, 세퍼레이터를 포함하는 캐패시터의 주요 구성부품을 미리 전해질 조성물에 함침시키고 큐어링 공정을 거친 후 밀봉하여, 종래 큐어링 이후 발생되나 외부로 배출되지 못하는 기체등의 저분자 화합물에 의한 캐패시터 성능 열화를 미리 방지시킬 수 있는 새로운 캐패시터의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한, 본 발명의 제조 방법에 의하여 제조된 캐패시터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여
모노머, 개시제, 전해질염 및 유기용매를 포함하는 전해질 조성물을 준비하는 단계;
전극, 분리막을 준비하는 단계;
상기 전극, 분리막을 외장재에 삽입하는 단계;
상기 외장재 내부로 상기 전해질 조성물을 주입하여, 상기 외장재에 삽입된 전극, 분리막을 함침시키는 단계;
상기 전해질 조성물에 함침된 상기 전극 및 분리막을 큐어링 시키는 단계;
상기 전해질 함침 및 큐어링 처리된 전극, 분리막이 삽입된 외장재를 밀봉하는 단계; 를 포함하는 캐패시터의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 의한 캐패시터의 제조 방법에 있어서 , 상기 전해질 조성물에는 i) 중합 또는 가교에 의하여 겔상으로 변화될 수 있는 분자량 50 ~ 5000 범위의 아크릴레이트계 모노머가 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 아크릴레이트계 모노머로는 테트라에틸렌 글리콜 디아크릴레이트 (tetraethylene glycol diacrylate ), 폴리 에틸렌 글리콜 디아크릴레이트 ( Poly ethylene glycol diacrylate , 분자량 50 ~ 5,000), 1,4- 부탄디올 디아크릴레이트 (1,4-butanediol diacrylate ), 1,6- 헥산디올 디아크릴레이트 (1,6- hexanediol diacrylate), 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트 ( trimethylolpropane triacrylate), 트리메틸올 프로판 에톡시레이트 트리아크릴레이트 (trimethylolpropane ethoxylate triacrylate ), 트리메틸올 프로판 프로폭시레이트트리아크릴레이트 (trimethylolpropane propoxylate triacrylate ), 디트리메틸올프로판 테트라아크릴레이트 ( ditrimethylolpropane tetraacrylate ), 펜타에리트리톨 테트라아크릴레이트(pentaerythritol tetraacrylate ), 펜타에리트리톨 에톡시레이트 테트라아크릴레이트 ( pentaerythritol ethoxylate tetraacrylate ), 디펜타에리트리톨 펜타아크릴레이트 ( dipentaerythritol pentaacrylate ), 디펜타에리트리톨 헥사아크릴레이트 (dipentaerythritol hexaacrylate ), 글리시딜 메타아크릴레이트 (glycidyl methacrylate ), 폴리에틸렌글리콜 메틸에테르 메타아크릴레이트 (poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate (분자량 50 ~ 5000) 등이 있으나, 이에 한정하지 않으며, 이들 화합물은 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 모노머는 상기 전해액 용매와 전해질 염의 혼합물 100 중량부에 대하여 0.01~20 중량부로 포함될 수 있다. 모노머가 20 중량부를 초과하면 겔 폴리머 전해질용 조성물을 전지 내에 주액하는 도중 겔화가 너무 빨리 일어나거나 너무 조밀하게 되어 저항이 큰 겔이 얻어지는 단점이 있고, 반대로 모노머가 0.01 중량부 미만이면 겔화가 잘 이루어지지 않는 문제가 발생할 수 있다.
개시제
본 발명에 의한 캐패시터의 제조 방법에 있어서, 상기 전해질 조성물에는 아래 화학식 1 로 대표될 수 있는 퍼옥사이드계 화합물 또는 화학식 2 로 표시되는 아조계 화합물의 개시제를 포함하는 것을 특징으로 한다.
[화학식 1]
Figure 112015113453658-pat00001
상기 화학식 1에서 R 은 알킬, 아릴계 관능기, 또는 BENZOYL PEROXIDE, Di(4-methylbenzoyl) peroxide 등을 나타낸다.
[화학식 2]
Figure 112015113453658-pat00002
상기 화학식 2에서 R1과 R2는 알킬기, 2,2-Azobis(2-methylbutyronitrile), 2,2'-Azobisisobutyronitrile, 2,2'-Azobis (2,4 dimethylvaleronitrile) 등을 나타낸다.
본 발명에 의한 캐패시터의 제조 방법에 있어서, 상기 전해질 조성물에는 전해질염을 더 포함하는 것이 가능하다. 본 발명에 의한 캐패시터의 제조 방법에 있어서, 상기 전해질염으로서는, 제4급 암모늄염 또는 리튬염으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 전해질염을 포함하는 것이 바람직하다. 제4급 암모늄 이온이나 리튬 이온을 생성할 수 있는 전해질이면, 모든 제4급 암모늄염 또는 리튬염을 사용할 수 있다. 제4급 암모늄염 및 리튬염으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 사용하는 것이 보다 바람직하다. 특히, 에틸트리메틸암모늄 BF4, 디에틸디메틸암모늄 BF4, 트리에틸메틸암모늄 BF4, 테트라에틸암모늄 BF4, 스피로-(N,N')-비피롤리디늄 BF4, 에틸트리메틸암모늄 PF6, 디에틸디메틸암모늄 PF6, 트리에틸메틸암모늄 PF6, 테트라에틸암모늄 PF6, 스피로-(N,N')-비피롤리디늄 PF6, 테트라메틸암모늄비스(옥살레이토)보레이트,에틸트리메틸암모늄비스(옥살레이토)보레이트, 디에틸디메틸암모늄비스(옥살레이토)보레이트, 트리에틸메틸암모늄비스(옥살레이토)보레이트, 테트라에틸암모늄비스(옥살레이토)보레이트, 스피로-(N,N')-비피롤리디늄비스(옥살레이토)보레이트, 테트라메틸암모늄디플루오로옥살레이토보레이트, 에틸트리메틸암모늄디플루오로옥살레이토보레이트, 디에틸디메틸암모늄디플루오로옥살레이토보레이트, 트리에틸메틸암모늄디플루오로옥살레이토보레이트, 테트라에틸암모늄디플루오로옥살레이토보레이트, 스피로-(N,N')-비피롤리디늄디플루오로옥살레이토보레이트, LiBF4, LiPF6, 리튬비스(옥살레이토)보레이트, 리튬디플루오로옥살레이토보레이트, 메틸에틸피롤리디늄테트라플루오로보레이트 등이 바람직하다.
본 발명에 의한 캐패시터의 제조 방법에 있어서, 상기 전해질 조성물을 위한 유기 용매로서는 에틸렌카르보네이트, 프로필렌카르보네이트, 비닐렌카르보네이트, 부틸렌카르보네이트, 디메틸카르보네이트, 에틸메틸카르보네이트, 디에틸카르보네이트, 에틸이소프로필술폰, 에틸메틸 술폰, 에틸이소부틸술폰 등의 쇄상 술폰, 술포란, 3-메틸술포란, γ-부티로락톤, 아세토니트릴, 1,2-디메톡시에탄, N-메틸피롤리돈, N-메틸 포름아미드, 디메틸포름아미드, N-메틸아세트아미드, 디메틸술폭시드, 디메틸 설파이트, 테트라히드로푸란, 2-메틸테트라히드로푸란, 1,3-디옥솔란, 니트로메탄, 에틸렌글리콜, 에틸렌글리콜디메틸에테르, 에틸렌글리콜디에틸에테르, 물 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
본 발명에 의한 캐패시터의 제조 방법에 있어서, 상기 전극은 당 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들면, 전극활물질에 용매, 필요에 따라 바인더, 도전재, 분산재를 혼합 및 교반하여 슬러리를 제조한 후 이를 금속 재료의 집전체에 도포(코팅)하고 압축한 뒤 건조하여 전극을 제조할 수 있다.
본 발명에 의한 캐패시터의 제조 방법에 있어서, 상기 외장재 내부로 상기 전해질 조성물을 주입하여, 상기 외장재에 삽입된 전극, 분리막을 함침시키는 단계에서는 상온에서 감압 함침 방식으로 함침을 진행하며, 전해질 조성물에 포함되는 용매의 비점에 따라 감압도를 -60 내지 -90kPa 로, 함침 시간은 2분 내지 30분 으로 조절하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 캐패시터의 제조 방법에 있어서, 상기 외장재에 삽입된 전극, 분리막을 함침시키는 단계에서는 외장재가 밀봉 상태가 아니기 때문에 공기중의 산소, 수분 차단이 필요하며, 이를 위해 N2나 Ar 분위기에서 수행되는 것이 필요하다.
본 발명에 의한 캐패시터의 제조 방법에 있어서, 상기 전해질 조성물에 함침된 상기 전극 및 분리막을 큐어링 시키는 단계에서는 열을 가하여 큐어링 시키는 것이 바람직하다. 큐어링 온도는 50 내지 120 ℃ 인 것이 바람직하며, 50℃ 이하인 경우 큐어링에 시간이 많이 소요되며, 120 ℃ 이상인 경우 용매가 분해되는 문제점이 있다.
본 발명에 의한 캐패시터의 제조 방법에 있어서, 상기 전해질 조성물에 함침된 상기 전극 및 분리막을 큐어링 시키는 단계에서는 외장재가 밀봉 상태가 아니기 때문에 공기중의 산소, 수분 차단이 필요하며, 이를 위해 N2나 Ar 분위기에서 수행되는 것이 필요하다.
본 발명에 의한 캐패시터의 제조 방법은 상기 전극, 분리막을 미리 전해질 조성물에 함침시킨 후 큐어링 공정을 수행 이후 외장재를 밀봉하여 캐패시터를 제조하기 때문에, 외장재를 밀봉후에 큐어링 공정을 수행시 개시제가 분해되어 발생되는 가스 등이 제조된 셀 내부에 잔존하지 않게 되고, 액상 전해질 성분이 구조내에 갇혀 있게 되어 고온 성능이 개선된 캐패시터를 제조할 수 있다.
도 1은 종래 파우치 타입의 겔폴리머 전해질이 적용된 이차 전지를 제조하는 공정을 나타낸다.
도 2는 종래 코인 타입의 캐패시터를 제조하는 공정을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 제조된 제조된 겔폴리머 전해질 사진을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에서 제조된 캐패시터에 대한 누액 테스트 결과를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에서 제조된 캐패시터에 대한 전기 화학 특성을 측정한 결과를 나타낸다.
이하에서는 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 이하의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1> 캐패시터의 제조
실시예로서 2.0 M SBPBF4(spiro-(1,1′)-bipyrrolidium tetrafluoroborate) / Sulfolane 의 기본 전해질에 모노머로써 Poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate (PEGMEM, Mw=1100)를 5, 10, 15 중량부와 개시제로서 Azobisisobutyronitrile(AIBN)을 모노머의 2 중량부 첨가하여 겔폴리머 전해질용 조성물 3.30 g을 제조하였다.
일반 활성탄 대칭전극으로 양극과 음극을 구성하여 외장재에 부착하고 사이에 세퍼레이터를 삽입한 후, 상기에서 제조된 겔폴리머 전해질용 조성물에 함침시켰다.
이후, 상기 전해액에 함침시켰던 양극, 음극 및 세퍼레이터를 60 ℃ 4시간 가열 조건으로 큐어링 공정을 진행한 후, 외장재를 밀봉하여 캐패시터를 제조하였다.
< 비교예 1> 캐패시터의 제조
비교예로서 상기의 실시예 1과 동일한 조건의 겔폴리머 전해질용 프리겔 조성물을 제조한 후, 전극 및 세퍼레이터에 대해 미리 큐어링 시키는 과정 없이, 일반 활성탄 대칭전극으로 양극과 음극을 구성하고 외장재에 부착하고 사이에 세퍼레이터를 삽입하고, 상기 전해질 조성물을 외장재에 주액 후 밀봉한 후, 60 ℃ 4시간 가열 조건으로 큐어링 공정을 진행하여 캐패시터를 제조하였다.
도 3은 상기 비교예 1에서 제조된 프리겔 조성물 중 단위체를 15 중량% 첨가한 조성물을 바이알에 담아 별도로 큐어링한 겔폴리머 전해질을 나타낸다.
도 3 (a)는 큐어링 이후를 나타내며, 큐어링 과정 중 개시제의 분해로 생성된 N2 기체가 겔폴리머 내에 갇혀 기포를 형성한 것을 보여준다. 도 3(b)는 도 3(a) 상태의 바이알 뚜껑을 개봉한 것이다.
< 비교예 2> 캐패시터의 제조
비교예로서 2.0 M SBPBF4(spiro-(1,1′)-bipyrrolidium tetrafluoroborate) / Sulfolane 의 전해질 조성물을 준비하였다.
전극 및 세퍼레이터에 대해 미리 함침시키는 과정 없이, 일반 활성탄 대칭전극으로 양극과 음극을 구성하여 외장재에 부착하고 사이에 세퍼레이터를 삽입한 후, 상기에서 준비된 전해질 조성물에 함침시키고, 외장재를 밀봉하여 캐패시터를 제조하였다.
< 실험예 1> 전기 화학 특성 평가
저항측정기(AC 1.0kHz)를 이용하여 상기 실시예 1, 비교예 1, 및 비교예 2 에서 제조된 셀의 ESR을 측정하였다. 셀의 충전은 100 C 정전류로 3.3 V까지 충전 후 충전전압을 30분간 유지, 이후 10 C 정전류로 0 V까지 방전하여 capacitance를 측정하고 도 4에 나타내었다.
도 4a는 Capacitance, 도 4b는 ESR을 나타낸 그래프이다. 도 4a에서 비교예 2에 비해 비교예 1, 실시예 1의 Capacitance가 감소한 것을 확인할 수 있다. 비교예 1에서는 단위체의 함량이 증가할수록 Capacitance가 감소하는 반면, 실시예 1은 동등수준을 유지하였음을 알 수 있다.
도 4b에서 비교예 2에 비해 비교예 1, 실시예 1의 ESR이 증가하였음을 알 수 있다. 비교예 1의 단위체 함량 증가에 따른 ESR 증가폭에 비해 실시예 1의 ESR 증가폭이 작다는 것을 확인할 수 있다.
< 실험예 2> 누액 테스트
상기 실시예 1, 비교예 1, 및 비교예 2 에서 제조된 캐패시터의 누액여부를 비교하기 위해서 50 ℃, 상대습도(Relative Humidity (RH)) 95% 환경에서 3.3 V 인가 조건으로 일정기간 방치 후 외관 검사를 실시하고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5에서 보는 바와 같이 전해질 조성물을 사용하지만 함침 과정 없이 제조된 비교예 1의 셀에 비해 전해질 조성물을 사용하여 미리 함침시킨 본 발명의 실시예 1의 셀에서 누액 발생 비율이 감소하였다.

Claims (8)

  1. 모노머, 개시제, 전해질염 및 유기용매를 포함하는 전해질 조성물을 준비하는 단계;
    전극, 분리막을 준비하는 단계;
    상기 전극, 분리막을 외장재에 삽입하는 단계;
    상기 외장재 내부로 상기 전해질 조성물을 주입하여, 상기 외장재에 삽입된 전극, 분리막을 함침시키는 단계;
    상기 전해질 조성물에 함침된 상기 전극 및 분리막을 큐어링 시키는 단계;
    상기 전해질 조성물에 함침 및 큐어링 처리된 전극, 분리막이 삽입된 외장재를 밀봉하는 단계; 를 포함하고,
    상기 외장재 내부로 상기 전해질 조성물을 주입하여, 상기 외장재에 삽입된 전극, 분리막을 함침시키는 단계에서는 질소 또는 아르곤을 포함하는 비활성 기체 분위기에서 수행되는 캐패시터의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 모노머는 분자량이 50~5000 범위인 아크릴레이트계 모노머인 것을 특징으로 하는 캐패시터의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 개시제는 아래 화학식 1 또는 화학식 2 로 표시되는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 제조 방법.
    [화학식 1]
    Figure 112022030654129-pat00003

    상기 화학식 1에서 R 은 알킬 또는 아릴계 관능기를 나타낸다.

    [화학식 2]
    Figure 112022030654129-pat00004

    상기 화학식 2에서 R1과 R2는 알킬기를 나타낸다.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질 조성물은 제4급 암모늄염 또는 리튬염으로 이루어지는 군에서 선택되는 전해질염을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 제조 방법.


  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 외장재 내부로 상기 전해질 조성물을 주입하여, 상기 외장재에 삽입된 전극, 분리막을 함침시키는 단계에서는 감압도를 -60 내지 -90kPa 로, 함침 시간은 2분 내지 30분으로 조절하는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질 조성물에 함침된 상기 전극 및 분리막을 큐어링 시키는 단계 에서는 질소 또는 아르곤을 포함하는 비활성 기체 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질 조성물에 함침된 상기 전극 및 분리막을 큐어링 시키는 단계에서는 50 내지 120 ℃ 로 큐어링 시키는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 제조 방법
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