KR102447851B1 - Ultra-thin electric double layer capacitor of high voltage using gel electrolyte and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 겔전해질(gel electrolyte)을 이용한 고전압의 초박형 전기이중층 커패시터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 하나의 실시형태에 따라서 겔전해질을 이용하되, 리드 탭(Lead tab)에 고정된 탭 필름(Tab film)을 제거하고 각 구성요소의 두께를 최소화함으로써, 두께 0.3mm 이하의 초박형이면서 전기적 특성을 개선하여 신용카드 및 스마트카드 등의 박형 소자에 유용하게 적용할 수 있는 초박형 전기이중층 커패시터 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a high voltage ultra-thin electric double layer capacitor using a gel electrolyte and a method for manufacturing the same, and a tab film fixed to a lead tab using a gel electrolyte according to one embodiment. film) and minimizing the thickness of each component, an ultra-thin electric double-layer capacitor with a thickness of 0.3 mm or less and a method for manufacturing the same that can be usefully applied to thin devices such as credit cards and smart cards by improving electrical properties is about
충/방전이 가능한 전기에너지 저장장치로서의 전기이중층 커패시터(EDLC ; Electric Double Layer Capacitor)는 여러 산업분야에 널리 사용되고 있다. 전기이중층 커패시터(EDLC)는 일반적인 이차전지와는 달리 고출력 및 반영구적인 장수명을 가지며, 이는 또한 충방전의 반복으로 인한 열화가 작고 보수가 거의 필요 없어 고출력 전원 및 보조전원 등으로 많이 사용되고 있다. Electric double layer capacitors (EDLCs) as electric energy storage devices capable of charging/discharging are widely used in various industrial fields. Unlike general secondary batteries, electric double layer capacitors (EDLCs) have high output and semi-permanent long lifespan, and they do not deteriorate due to repeated charging and discharging and require little maintenance.
일반적으로, 전기이중층 커패시터(EDLC)는, 양극 및 음극이 대칭구조로 구성된 전극과, 상기 두 전극의 사이에 개재되어 이온(ion) 전도만 가능케 하고 단락 방지(절연)를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)과, 양극과 음극 간에 이온(ion)을 전도시키는 전해질을 포함한다. 상기 양극과 음극은 동일하게 구성되며, 이들은 주로 금속집전체(Al 등) 상에 활성탄을 주성분으로 하는 전극 활물질을 코팅하여 구성하고 있다. In general, an electric double layer capacitor (EDLC) includes an electrode having a symmetrical structure of an anode and a cathode, and a separator made of a porous material that is interposed between the two electrodes to allow only ion conduction and prevent short circuit (insulation). separator) and an electrolyte that conducts ions between the anode and the cathode. The positive electrode and the negative electrode are configured in the same way, and they are mainly formed by coating an electrode active material containing activated carbon as a main component on a metal current collector (Al, etc.).
또한, 전기이중층 커패시터(EDLC)는 위와 같은 구성요소들을 지지하고 수납하는 외장재를 포함하며, 외장재에는 인출단자(또는, 전극단자라고도 함)가 외부로 인출되어 있다. 전기이중층 커패시터(EDLC)는 외장재의 형태에 따라 구분되며, 이는 권취형(Cylinderical Type), 코인형(Coin Type) 및 파우치형(Pouch Type)이 가장 일반적이다. 파우치형은 권취형이나 코인형에 비해 얇은 두께와 넓은 면적을 가지며, 고출력을 가질 수 있다. 이에 따라, 파우치형은 주로 제품의 두께에 제한을 받는 박형의 제품이나 고출력이 요구되는 제품에 적용되고 있다. In addition, the electric double layer capacitor (EDLC) includes a casing for supporting and accommodating the above components, and a lead-out terminal (or also referred to as an electrode terminal) is drawn out of the casing. Electric double layer capacitors (EDLCs) are classified according to the shape of the exterior material, and these are the most common of a cylindrical type, a coin type, and a pouch type. The pouch type has a thinner thickness and a larger area than a coil type or a coin type, and can have high output. Accordingly, the pouch type is mainly applied to thin products that are limited by the thickness of the product or products requiring high output.
첨부된 도 1은 종래의 일반적인 파우치형의 전기이중층 커패시터(EDLC)를 보인 것이고, 도 2는 인출단자를 보인 것이다. 도 1 및 도 2를 참고하면, 파우치형의 전기이중층 커패시터(EDLC)는 파우치 필름(주로, 알루미늄 라이네이트 필름)으로 구성된 외장재(1)와, 상기 외장재(1) 내에 내장된 양극(2) 및 음극(3)의 두 전극과, 상기 양극(2)과 음극(3)의 사이에 개재된 분리막(4)과, 상기 외장재(1) 내에 내장되어 양극(2)과 음극(3) 간의 이온을 전도시키는 전해질을 포함한다. 또한, 각 전극(2)(3)에는 인출단자로서의 리드 탭(Lead tab)(2a)(3a)이 결합되어 있다. 1 shows a conventional pouch-type electric double layer capacitor (EDLC), and FIG. 2 shows a lead-out terminal. 1 and 2 , a pouch-type electric double layer capacitor (EDLC) includes an
상기 외장재(1)의 가장 중요한 목적은 내부에 수납된 전극(2)(3), 분리막(4) 및 전해질이 외부와 접촉되지 않도록 밀봉하고 전해질의 누액을 방지하는 데에 있다. 이를 위해, 외장재(1)와 리드 탭(2a)(3a) 간의 밀봉성을 위해 리드 탭(2a)(3a)에는 탭 필름(Tab film)(5)이 고정되고 있다. 도 2에 보인 바와 같이, 상기 탭 필름(5)은 리드 탭(2a)(3a)의 양면을 감싼 형태로 벤딩(bending)되어 리드 탭(2a)(3a)에 고정되어 있다. 이러한 탭 필름(5)은 파우치 필름에 열융착되어 외장재(1)와 리드 탭(2a)(3a) 간을 밀봉시킨다. The most important purpose of the exterior material (1) is to seal the electrodes (2) (3), the separator (4), and the electrolyte accommodated therein so that they do not come into contact with the outside, and to prevent the electrolyte from leaking. To this end, a
예를 들어, 한국 공개특허 제10-2014-0035605호, 한국 공개특허 제10-2015-0041291호 및 한국 공개특허 제10-2018-0050842호 등에는 위와 관련한 기술이 제시되어 있다. For example, Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2014-0035605, Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2015-0041291, and Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2018-0050842 disclose the above-related technology.
최근 전자기기의 박형화에 따라 보다 얇은 형태의 전기이중층 커패시터(EDLC)의 요구가 확산되고 있다. 특히, 최근에 급격히 시장을 확대하고 있는 신용카드 및 스마트카드 등의 박형 소자에 적용되는 부품의 경우 국제적인 표준에 의거하여 장착되는 부품의 두께에 그 제한을 두고 있다. 국제적인 카드의 표준은 그 두께가 0.76mm로 제한되어 있다. 이는 사용되는 여타의 기기와의 호환성을 위해 변경이 어렵다. Recently, as electronic devices become thinner, the demand for a thinner electric double layer capacitor (EDLC) is spreading. In particular, in the case of components applied to thin devices such as credit cards and smart cards, which are rapidly expanding the market recently, the thickness of the mounted components is limited according to international standards. The international card standard is limited to 0.76mm in thickness. It is difficult to change for compatibility with other devices used.
전기이중층 커패시터(EDLC)가 신용카드 등의 박형 소자에 적용되기 위해서는 신용카드를 구성하는 플라스틱 및 필름 재질의 구성에 따라 다를 수 있지만, 최대 0.4mm 이하의 두께를 가져야 하며, 고객의 구성방법에 따라서는 0.3mm 이하의 초박형 두께가 요구되고 있다. 파우치형 전기이중층 커패시터(EDLC)의 두께를 결정하는 요소는 전극(2)(3)의 두께 및 분리막(4)의 두께 및 파우치 필름의 두께로 구성될 수 있다. 그러나 이러한 구성요소들 중에서 전극(2)(3) 및 분리막(4)의 두께를 최소화하여도 인출단자의 두께가 두꺼워질 경우 두께의 박형화는 한계가 있을 수밖에 없다. 즉, 종래 기술에 따른 인출단자의 리드 탭(2a)(3a)은 알루미늄(Al) 금속으로 구성되고, 이는 그의 양면에 탭 필름(5)이 고정된 상태에서 전극(2)(3)과 납땜을 통해 결합되는 데, 전극(2)(3)과의 납땜을 위해서는 소정의 두께를 가져야 한다. 이때, 인출단자 측의 전체 두께는 리드 탭(2a)(3a)의 두께와 탭 필름(5)의 두께를 합한 두께가 된다. In order for an electric double layer capacitor (EDLC) to be applied to a thin device such as a credit card, it may vary depending on the composition of the plastic and film materials constituting the credit card, but it must have a thickness of at most 0.4mm or less, and depending on the customer's configuration method, is required to have an ultra-thin thickness of 0.3 mm or less. Factors determining the thickness of the pouch-type electric double layer capacitor (EDLC) may include the thickness of the
신용카드 및 스마트카드 등의 박형 소자용 전기이중층 커패시터(EDLC)의 경우, 일반적으로 파우치 필름, 리드 탭(2a)(3a) 및 탭 필름(5)의 두께에 의해 제품의 두께가 결정된다. 외장재(1)에 내장된 전극(2)(3) 및 분리막(4)의 두께를 아무리 최소화하여도 파우치 필름, 리드 탭(2a)(3a) 및 탭 필름(5)의 두께를 낮추지 않고서는 초박형의 제품 구성이 불가능하다. In the case of an electric double layer capacitor (EDLC) for thin devices such as credit cards and smart cards, the thickness of the product is generally determined by the thickness of the pouch film, the
현재 시판되고 있는 박형 소자용 파우치형 전기이중층 커패시터(EDLC)의 경우, 일반적으로 양극(2) 1장, 음극(3) 1장, 분리막(4) 1장 및 외장재(1)로서의 파우치 필름 2장(상/하부 파우치 필름)으로 구성되고 있다. 파우치 필름은 대부분 경우 약 75 ~ 80㎛의 두께를 가지는 알루미늄 라미네이트 필름을 사용하고 있고, 인출단자(2a)(3a)(5)의 두께는 0.05 ~ 0.1mm의 리드 탭(2a)(3a)의 두께와 50㎛의 탭 필름(5)의 두께를 가지고 있으므로 전체적인 인출단자(2a)(3a)(5)의 두께는 최소 0.15 ~ 0.2mm의 두께를 가지게 된다. 이에 따라, 외장재(1)의 가장자리 최소 두께, 즉 인출단자(2a)(3a)(5)가 형성된 부분의 최소 두께는 파우치 필름의 두께를 고려하면 약 0.3 ~ 0.36mm의 두께를 가지는 것이 한계로 되어 있다. 이는 이론적인 최소 두께이며, 실제 가장 얇은 두께의 제품을 적용할 경우, 그 밀봉성의 저하가 우려되고 있어 일반적으로 시판되는 제품은 약 0.4mm 두께의 제품이 가장 얇은 두께의 제품으로 출시되고 있다. 그러나 이러한 제품의 경우에는 리드 탭(2a)(3a)의 두께를 최소화하기 위해 얇은 알루미늄으로 구성하고 있어, 리드 탭(2a)(3a)과 전극(2)(3) 간의 실제 납땜공정이 불가능한 경우가 많아 사용상의 문제점으로 지적되고 있다. In the case of a pouch-type electric double layer capacitor (EDLC) for thin devices currently on the market, in general, 1 sheet of positive electrode (2), 1 sheet of negative electrode (3), 1 sheet of separator (4), and 2 sheets of pouch film as exterior material (1) (upper/lower pouch film). In most cases, the pouch film uses an aluminum laminate film having a thickness of about 75 to 80 μm, and the
또한, 파우치형 전기이중층 커패시터(EDLC)는 유기용매에 전해질을 용해시킨 액상의 액체전해질이 사용되고 있다. 그러나 액체전해질을 사용하는 경우 고온 및/또는 고습 등의 사용 환경이나 장시간 사용에 따른 외장재(1)의 밀봉성 약화로 인하여 전해액의 누출(누액)이라는 고질적인 문제점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위해, 고체전해질을 적용하는 경우를 고려해 볼 수 있지만, 고체전해질은 액체전해질에 비해 전기전도도가 매우 낮아 고출력을 위한 낮은 내부저항의 구현이 어려운 문제점이 있다. In addition, in the pouch-type electric double layer capacitor (EDLC), a liquid electrolyte obtained by dissolving the electrolyte in an organic solvent is used. However, in the case of using a liquid electrolyte, there is a chronic problem of leakage (leakage) of the electrolyte due to weakening of the sealing property of the
이에, 본 발명은 겔전해질을 이용하되, 리드 탭(Lead tab)에 고정된 탭 필름(Tab film)을 제거하고 파우치 필름에 밀봉 필름을 열융착하여 밀봉성을 갖게 하며, 각 구성요소의 두께를 최소화하여, 두께 0.3mm 이하의 초박형이면서 전기적 특성을 개선함으로써, 신용카드 및 스마트카드 등의 박형 소자에 유용하게 적용할 수 있는 고출력의 초박형 전기이중층 커패시터(EDLC) 및 그 제조방법을 제공하는 데에 목적이 있다. Accordingly, the present invention uses a gel electrolyte, but removes the tab film fixed to the lead tab, heat-seals the sealing film to the pouch film to have sealing properties, and adjusts the thickness of each component. To provide a high-output ultra-thin electric double layer capacitor (EDLC) and a method for manufacturing the same, which can be usefully applied to thin devices such as credit cards and smart cards by improving electrical properties while being ultra-thin with a thickness of 0.3 mm or less by minimizing it There is a purpose.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, In order to achieve the above object, the present invention
파우치 필름으로 구성된 외장재; exterior material consisting of a pouch film;
상기 외장재에 내장된 전극 구성체; 및 an electrode structure embedded in the exterior material; and
상기 외장재에 내장된 전해질을 포함하고, Containing an electrolyte built into the exterior material,
상기 전극 구성체는 양극 및 음극의 두 전극과, 상기 양극과 음극의 사이에 개재된 분리막과, 상기 양극 및 음극에 결합되고 일측이 상기 외장재의 외부로 인출된 리드 탭을 포함하는 초박형의 전기이중층 커패시터를 제공한다. 이때, 상기 전해질은, 전해액이 겔화되어 형성된 겔전해질이고, 상기 파우치 필름과 리드 탭은 밀봉 필름에 의해 밀봉된다. The electrode assembly is an ultra-thin electric double layer capacitor comprising two electrodes, a positive electrode and a negative electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and a lead tab coupled to the positive electrode and the negative electrode and having one side drawn out of the exterior material. provides In this case, the electrolyte is a gel electrolyte formed by gelling the electrolyte, and the pouch film and the lead tab are sealed by a sealing film.
또한, 본 발명은, In addition, the present invention,
양극 및 음극의 두 전극과, 상기 양극과 음극의 사이에 개재된 분리막과, 상기 양극 및 음극에 결합되고 일측이 외장재의 외부로 인출되는 리드 탭을 포함하는 전극 구성체를 준비하는 제1단계; A first step of preparing an electrode assembly including two electrodes of a positive electrode and a negative electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and a lead tab coupled to the positive electrode and the negative electrode and having one side drawn out of the exterior material;
외장재를 구성하는 하부 파우치 필름과 상부 파우치 필름의 일측에 밀봉 필름을 부착하는 제2단계; a second step of attaching a sealing film to one side of the lower pouch film and the upper pouch film constituting the exterior material;
상기 하부 파우치 필름에 전극 구성체를 설치한 다음, 상기 전극 구성체 상에 상부 파우치 필름을 적층한 후, 상기 상부/하부 파우치 필름의 3개 측면을 열융착하여 파우치형의 외장재를 형성하는 제3단계; a third step of installing an electrode assembly on the lower pouch film, laminating an upper pouch film on the electrode assembly, and thermally sealing three sides of the upper/lower pouch film to form a pouch-type exterior material;
상기 외장재 내에 전해액을 주입한 다음, 진공 상태에서 열융착하여 상기 상부/하부 파우치 필름과 리드 탭이 밀봉 필름에 의해 밀봉되게 하는 제4단계; 및 a fourth step of injecting an electrolyte into the exterior material and then heat-sealing it in a vacuum to seal the upper/lower pouch film and the lead tab with a sealing film; and
상기 외장재를 열압착하여, 상기 전해액의 겔화에 의해 겔전해질이 형성되게 하고, 상기 겔전해질과 전극 구성체이 압착되게 하는 제5단계를 포함하는 초박형 전기이중층 커패시터의 제조방법을 제공한다. It provides a method of manufacturing an ultra-thin electric double layer capacitor comprising a fifth step of thermocompression bonding the exterior material, forming a gel electrolyte by gelation of the electrolyte, and compressing the gel electrolyte and the electrode assembly.
본 발명에 따르면, 두께 0.3mm 이하의 초박형이면서 전기적 특성이 개선된 효과를 갖는다. 이에 따라, 신용카드 및 스마트카드 등의 박형 소자에 유용하게 적용될 수 있다. According to the present invention, it has an effect of improving electrical properties while being ultra-thin with a thickness of 0.3 mm or less. Accordingly, it can be usefully applied to thin devices such as credit cards and smart cards.
도 1은 종래의 파우치형 전기이중층 커패시터(EDLC)를 보인 절단 사시도이다.
도 2는 종래의 인출단자로서, 리드 탭에 탭 필름이 고정된 모습을 보인 것이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 전기이중층 커패시터(EDLC)의 제조과정을 설명하기 위한 평면도이다.
도 4은 본 발명의 실시형태에 따른 전기이중층 커패시터(EDLC)의 평면도이다.
도 5는 실시예에서 사용된 활성탄의 SEM 사진이다.
도 6은 비교예에서 사용된 활성탄의 SEM 사진이다. 1 is a cut-away perspective view showing a conventional pouch-type electric double layer capacitor (EDLC).
2 is a conventional drawing terminal, showing a state in which the tab film is fixed to the lead tab.
3 is a plan view illustrating a manufacturing process of an electric double layer capacitor (EDLC) according to an embodiment of the present invention.
4 is a plan view of an electric double layer capacitor (EDLC) according to an embodiment of the present invention.
5 is an SEM photograph of the activated carbon used in Examples.
6 is an SEM photograph of activated carbon used in Comparative Example.
본 발명에서 사용되는 용어 "및/또는"은 전후에 나열한 구성요소들 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 의미로 사용된다. 본 발명에서 사용되는 용어 "하나 이상"은 하나 또는 둘 이상의 복수를 의미한다. The term "and/or" used in the present invention is used in the sense of including at least one or more of the components listed before and after. As used herein, the term “one or more” refers to one or a plurality of two or more.
또한, 본 발명에서 "상에 형성", "상부에 형성", "상에 설치" 및 "상부에 설치" 등은 당해 구성요소들이 직접 접하여 적층 형성(설치)되는 것만을 의미하는 것은 아니고, 당해 구성요소들 간의 사이에 다른 구성요소가 더 형성(설치)되어 있는 의미를 포함한다. 예를 들어, "상에 형성된다." 및 "상에 설치된다."라는 것은, 제1구성요소에 제2구성요소가 직접 접하여 형성(설치)되는 의미는 물론, 상기 제1구성요소와 제2구성요소의 사이에 제3구성요소가 더 형성(설치)될 수 있는 의미를 포함한다. In addition, in the present invention, "formed on", "formed on", "installed on", and "installed on", etc. do not mean only that the components are laminated (installed) in direct contact with each other, It includes the meaning that other components are further formed (installed) between the components. For example, "formed on." and "Installed on." means that the second component is formed (installed) in direct contact with the first component, as well as the third component is formed between the first component and the second component. It includes meanings that can be further formed (installed).
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 전기이중층 커패시터(EDLC)의 제조과정을 설명하기 위한 평면도를 보인 것이고, 도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 전기이중층 커패시터(EDLC)의 평면도를 보인 것이다. 도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 전기이중층 커패시터(EDLC)는 파우치 필름(11)(12)으로 구성된 외장재(10); 상기 외장재(10)에 내장(수납)된 전극 구성체(20); 및 상기 외장재(10)에 내장된 전해질을 포함한다. 3 is a plan view illustrating a manufacturing process of an electric double layer capacitor (EDLC) according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a plan view of an electric double layer capacitor (EDLC) according to an embodiment of the present invention. 3 and 4 , an electric double layer capacitor (EDLC) according to the present invention includes a
상기 전극 구성체(20)는 양극(21) 및 음극(도시하지 않음)의 두 전극과, 상기 양극(21))과 음극의 사이에 개재된 분리막(도시하지 않음)과, 상기 양극(21) 및 음극에 결합되고 일측이 상기 외장재(10)의 외부로 인출된 리드 탭(21a)(22a)을 포함한다. 이때, 상기 리드 탭(21a)(22a)은 양극(21)에 결합된 양극 리드 탭(21a)과 음극에 결합된 음극 리드 탭(22a)으로 구성된다. 상기 전해질은, 전해액이 겔화되어 형성된 겔전해질(gel electrolyte)이고, 상기 파우치 필름(11)(12)과 리드 탭(21a)(22a) 간은 밀봉 필름(30)에 의해 밀봉된다. The
또한, 본 발명에 따른 전기이중층 커패시터(EDLC)의 제조방법은, 전극 구성체(20)를 제조하는 제1단계; 파우치 필름(11)(12)에 밀봉 필름(30)을 부착하는 제2단계; 상기 전극 구성체(20)가 내장된 파우치형의 외장재(10)를 형성하는 제3단계; 상기 외장재(10) 내에 전해액을 주입한 다음, 밀봉하는 제4단계; 및 상기 외장재(10)를 열압착하는 제5단계를 포한한다. 이때, 제1단계는 순서에 한정되지 않으며, 이는 제3단계 이전에 진행될 수 있다. 상기 제5단계의 열압착에 의해, 상기 전해액이 겔화되어 겔전해질이 형성되고, 이와 함께 상기 겔전해질과 전극 구성체(20)가 압착(밀착)되어 전기적 특성이 개선된다. In addition, the manufacturing method of the electric double layer capacitor (EDLC) according to the present invention, the first step of manufacturing the
본 발명에 따른 전기이중층 커패시터(EDLC)는 초박형의 파우치형으로서, 이는 구체적으로 상기 전극 구성체(20) 및 겔전해질이 파우치형의 외장재(10)에 내장(수납)된 외장 형태를 갖는다. 본 발명은 하나의 실시형태에 따라서, 종래와 같이 리드 탭(21a)(22a)에 두꺼운 탭 필름(5, 도 2)이 부착되지 않고, 얇은 밀봉 필름(30)을 통해 실링되어 밀봉성을 가지면서 초박형의 두께를 갖는다. The electric double layer capacitor (EDLC) according to the present invention is an ultra-thin pouch type, and specifically has an exterior form in which the
일반적으로, 파우치형 전기이중층 커패시터(EDLC)는, 리드 탭(21a)(22a) 부분의 두께가 제품의 전체 두께를 결정하고 있다. 본 발명에서, 상기 리드 탭(21a)(22a) 부분의 두께란 리드 탭(21a)(22a)이 형성된 부분(도면에서 상단)의 두께로서, 이는 도 4에서 "T"로 표시한 부분의 두께(T)를 의미한다. 이는 구체적으로 상부 파우치 필름(11)의 두께, 하부 파우치 필름(12)의 두께, 양극 및 음극 리드 탭(21a)(22a) 중에서 선택된 하나의 두께 및 밀봉 필름(30) 2장의 두께를 합한 것을 의미한다. In general, in the pouch-type electric double layer capacitor (EDLC), the thickness of the
본 발명에 따른 전기이중층 커패시터(EDLC)는 적어도 상기 리드 탭(21a)(22a) 부분의 두께(T)가 최소화되어 초박형을 두께를 갖는다. 본 발명에 따른 전기이중층 커패시터(EDLC)는, 예를 들어 0.3mm 이하, 또는 0.27mm 이하의 초박형 두께(T)를 가질 수 있다. 본 발명에 따른 전기이중층 커패시터(EDLC)는, 예를 들어 0.25mm ~ 0.3mm의 두께(T)를 가질 수 있다. The electric double layer capacitor (EDLC) according to the present invention has an ultra-thin thickness by minimizing the thickness T of at least portions of the
또한, 본 발명은 전해질로서 겔전해질을 사용하되, 외장재(10)에 전해액을 주입한 후, 겔화시켜 겔전해질을 형성하고, 이와 함께 압착을 통해 각 구성요소들의 밀집도를 향상시켜 전기적 특성을 개선시킨 것임에 기술적 의의가 있다. 아울러, 본 발명은 전해액(액체전해질)을 겔화시킬 수 있는 특정의 가교 중합체를 첨가한 후, 겔화시켜 겔전해질을 구성함으로써, 낮은 저항과 고출력을 갖게 하고 전해질의 누출을 방지한 것임에도 기술적 의의가 있다. In addition, the present invention uses a gel electrolyte as an electrolyte, and after injecting the electrolyte into the
본 발명에 따른 전기이중층 커패시터(EDLC)는 0.3mm 이하의 초박형 두께(T)를 가지면서 4.2Ω 이하의 내부 저항을 가질 수 있다. 본 발명에 따른 전기이중층 커패시터(EDLC)는, 예를 들어 3.5Ω ~ 4.2Ω의 내부 저항을 가질 수 있다. 본 발명에 따른 전기이중층 커패시터(EDLC)는, 바람직하게는 4.0Ω 이하의 내부 저항을 가질 수 있다. 이러한 내부 저항값은 당업계에서 통상적으로 사용되는 측정방법(예를 들어, 저항계를 이용하여 측정)에 의해 측정된 값이다. The electric double layer capacitor (EDLC) according to the present invention may have an ultra-thin thickness T of 0.3 mm or less and an internal resistance of 4.2 Ω or less. The electric double layer capacitor (EDLC) according to the present invention may have an internal resistance of, for example, 3.5Ω to 4.2Ω. The electric double layer capacitor (EDLC) according to the present invention may preferably have an internal resistance of 4.0 Ω or less. This internal resistance value is a value measured by a measurement method commonly used in the art (eg, measurement using an ohmmeter).
이하, 본 발명의 실시형태에 따른 전기이중층 커패시터(EDLC)의 제조방법을 설명하면서 본 발명의 실시형태에 따른 전기이중층 커패시터(EDLC)를 함께 설명한다. 본 발명의 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지의 범용적인 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. Hereinafter, an electric double layer capacitor (EDLC) according to an embodiment of the present invention will be described together while describing a method of manufacturing an electric double layer capacitor (EDLC) according to an embodiment of the present invention. In describing the embodiments of the present invention, detailed descriptions of related well-known general-purpose functions and/or configurations will be omitted.
(1) 전극 구성체(20)의 제조(1) Preparation of the
전극 구성체(20)는 통상과 같이 양극(21) 1장, 음극 1장, 및 양극(21)과 음극의 사이에 개재된 분리막 1장으로 구성된다. 양극(21) 및 음극의 상단에는 각각 양극 리드 탭(21a) 및 음극 리드 탭(22a)이 결합되어 있다. 이러한 전극 구성체(20)는 통상의 방법에 따라 제조될 수 있다. The
상기 양극(21) 및 음극은 동일한 구성되며, 이들은 알루미늄 등의 금속 집전체에 전극 활물질층이 형성된 구조를 갖는다. 전극 활물질층은 적어도 활성탄을 포함하는 조성물(슬러리 형태)이 금속 집전체에 코팅되어 형성될 수 있다. 이때, 상기 활성탄은 제트 밀 및/또는 볼 밀 등의 미세 분쇄 공정을 통해, 예를 들어 0.5 ~ 3㎛의 평균입자 크기를 가지는 것이 바람직하다. 이러한 미립자의 활성탄에 의해 전극의 두께를 최소화할 수 있다. The
상기 리드 탭(21a)(22a)은 니켈금속으로 구성된 것으로서, 이는 예를 들어 75 ~ 95㎛의 두께를 가지는 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 분리막은, 예를 들어 부직포 분리막을 사용할 수 있으며, 이는 20 ~ 40㎛의 두께를 가지는 것을 사용할 수 있다. The
(2) 밀봉 필름(30)의 부착 (2) Attachment of the sealing
먼저, 외장재(10)를 구성하는 하부 파우치 필름(11)과 상부 파우치 필름(12)을 준비한다. 이러한 하부/상부 파우치 필름(11)(12)는 동일한 크기(가로 세로)를 가질 수 있으며, 이들은 알루미늄 라미네이트 필름을 사용하되, 예를 들어 70 ~ 80㎛의 두께를 가지는 것을 사용할 수 있다. First, the
상기 하부 파우치 필름(11) 및 상부 파우치 필름(12)에 각각 밀봉 필름(30)을 부착하여 고정한다. 도 3에 보인 바와 같이, 밀봉 필름(30)을 하부/상부 파우치 필름(11)(12)의 일측(도 3에서 상부 말단)에 부착한다. 밀봉 필름(30)은, 예를 들어 열융착이나 접착제를 통해 파우치 필름(11)(12)에 부착할 수 있다. 하나의 예시에서, 밀봉 필름(30)의 양 말단을 열융착시켜 형성되는 고정부(32)를 통해 파우치 필름(11)(12)에 밀봉 필름(30)을 부착 고정할 수 있다. A sealing
상기 밀봉 필름(30)에 의해 밀봉성을 가지면서 파우치 필름(11)(12)의 열 수축이 방지된다. 구체적으로, 밀봉 필름(30)을 부착하지 않고 파우치 필름(11)(12)을 열융착하여 리드 탭(21a)(22a)에 라미네이팅할 경우, 파우치 필름(11)(12)이 열 수축되어 밀착 밀봉성이 저하될 수 있다. 밀봉 필름(30)은 위와 같은 열 수축을 방지하고 밀봉성을 갖게 한다. Heat shrinkage of the
상기 밀봉 필름(30)은 폴리에틸렌(PE ; Poly Ethylene), 폴리프로필렌(PP ; Poly Propylene), 폴리이미드(PI ; Poly Imide) 및/또는 캐스트 폴리프로필렌(CPP ; Cast Poly Propylene) 등으로부터 선택된 필름을 사용할 수 있다. 상기 밀봉 필름(30)은, 바람직하게는 캐스트 폴리프로필렌(CPP) 필름을 사용할 수 있다. 상기 캐스트 폴리프로필렌(CPP) 필름을 사용하는 경우, 폴리에틸렌(PE)이나 폴리프로필렌(PP) 등의 필름을 사용하는 경우보다 밀봉성에 유리하다. The sealing
상기 밀봉 필름(30)은 1㎛ ~ 12㎛의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 이때, 밀봉 필름(30)의 두께가 1㎛ 미만인 경우, 밀봉성이 떨어져 전해질의 누액이 발생될 수 있다. 그리고 밀봉 필름(30)의 두께가 12㎛를 초과하는 경우, 본 발명에서 목적하는 초박형의 두께, 예를 들어 0.3mm(300㎛) 이하의 두께(T)가 구현되기 어려울 수 있다. The sealing
본 발명의 바람직한 실시형태에 따라서, 상기 밀봉 필름(30)은 1㎛ ~ 5㎛의 두께를 가지는 캐스트 폴리프로필렌(CPP) 필름을 사용하는 것이 좋다. 이러한 두께의 캐스트 폴리프로필렌(CPP)을 사용하는 경우, 밀봉성이 우수하고 0.3mm 이하의 두께(T), 바람직하게는 0.27mm 이하의 초박형 두께(T)를 구현할 수 있으며, 이는 또한 전기적 특성의 향상에도 바람직하다. According to a preferred embodiment of the present invention, the sealing
(3) 외장재(10)의 형성 (3) Formation of the exterior material (10)
도 3을 참고하면, 상기 밀봉 필름(30)이 부착된 하부 파우치 필름(11) 상에 전극 구성체(20)를 설치(적층)한 다음, 상기 전극 구성체(20) 상에 상부 파우치 필름(12)을 적층한다. 이후, 상부/하부 파우치 필름의 3개 측면(10a)(10b)(10c)을 열융착하여 파우치형의 외장재(10)를 형성한다. 열융착은, 예를 들어 150 ~ 200℃의 온도에서 진행할 수 있다. Referring to FIG. 3 , the
(4) 전해액의 주입 및 밀봉 (4) Injection and sealing of electrolyte
다음으로, 상기 외장재(10) 내에 전해액을 주입한다. 이후, 진공 상태에서 열융착하여 밀봉부(35)를 형성한다. 구체적으로, 외장재(10) 내에 전해액을 적정량 주입한 다음, 외장재(10)의 내부를 진공 상태로 유지시키고, 이후 상기 상부/하부 파우치 필름(11)(12)과 리드 탭(21a)(22a)이 밀봉 필름(30)에 의해 밀봉되도록, 리드 탭(21a)(22a)이 형성된 부분(도 3 및 도 4에서 상부 말단)을 열융착하여 밀봉부(35)를 형성한다. 이에 따라, 외장재(10)의 4개의 면은 밀봉되어 밀봉성이 도모된다. Next, the electrolyte is injected into the
또한, 본 발명에서, 상기 전해액은 겔전해질을 형성할 수 있는 겔전해질용 전해액으로서, 이는 고분자와 전해용액을 포함한다. 상기 고분자는 전해용액과 겔화될 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라서, 상기 고분자는 아크릴레이트계 모노머와 티올-엔 모노머(Thiol-ene monomer)의 가교 중합체를 포함한다. 구체적으로, 상기 고분자는 본 발명에 따라서 아크릴레이트계 모노머와 티올-엔 모노머가 가교 중합된 아크릴레이트-티올 공중합체로부터 선택된다. Further, in the present invention, the electrolyte is an electrolyte for a gel electrolyte capable of forming a gel electrolyte, and includes a polymer and an electrolyte solution. The polymer is not particularly limited as long as it can gel with the electrolyte solution. According to a preferred embodiment of the present invention, the polymer comprises a crosslinked polymer of an acrylate-based monomer and a thiol-ene monomer. Specifically, the polymer is selected from an acrylate-thiol copolymer in which an acrylate-based monomer and a thiol-ene monomer are crosslinked according to the present invention.
본 발명에 따르면, 상기 아크릴레이트-티올 공중합체는, 예를 들어 폴리비닐알코올(PVA)이나 폴리우레탄(PU) 등의 다른 고분자와 대비하여, 전해용액과 콜로이드네트워크 구조를 양호하게 형성하고, 이는 또한 계면 안정성 및 유연성 등이 향상된다. 이에 따라, 상기 아크릴레이트-티올 공중합체는 폴리비닐알코올(PVA)이나 폴리우레탄(PU) 등을 사용하는 경우보다 낮은 저항 및 높은 정전용량 등을 가져 전기이중층 커패시터(EDLC)의 전기적 특성을 개선한다. According to the present invention, the acrylate-thiol copolymer, for example, in comparison with other polymers such as polyvinyl alcohol (PVA) or polyurethane (PU), forms a good electrolyte solution and a colloidal network structure, which In addition, interfacial stability and flexibility are improved. Accordingly, the acrylate-thiol copolymer has lower resistance and higher capacitance than the case of using polyvinyl alcohol (PVA) or polyurethane (PU), thereby improving the electrical properties of the electric double layer capacitor (EDLC). .
상기 아크릴레이트계 모노머는, 예를 들어 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트(Trimethylolpropane triacrylate), 폴리(에틸렌 글리콜)디메타아크릴레이트(Poly(ethylene glycol)dimethacrylate), 트리메틸올프로판 프로포실레이트 트리아크릴레이트(Trimethylolpropane propoxylate(2PO/OH)triacrylate) 및 비스페놀 A 에톡실레이트 디메타크릴레이트(Bisphenol A ethoxylate(15EO/phenol)dimethacrylate) 등으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. The acrylate-based monomer is, for example, trimethylolpropane triacrylate, poly (ethylene glycol) dimethacrylate, trimethylolpropane propoxylate triacrylate (Trimethylolpropane) At least one selected from propoxylate (2PO/OH) triacrylate) and bisphenol A ethoxylate (15EO/phenol) dimethacrylate may be used.
또한, 상기 티올-엔 모노머는 분자 내에 하나 이상의 티올기(-SH)를 가지는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 상기 티올-엔 모노머는, 예를 들어 알킬-3-메르캅토프로피오네이트(Alkyl-3-mercaptopropionate), 알킬티오글리코레이트(Alkylthioglycolate) 및 알킬티올(Alkylthiol) 등으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 상기 티올-엔 모노머는, 구체적인 예를 들어 메틸-3-메르캅토프로피오네이트, 에틸-3-메르캅토프로피오네이트, 부틸-3-메르캅토프로피오네이트, 메틸티오글리코레이트, 에틸티오글리코레이트, 부틸티오글리코레이트 및 2-부틸-4-에틸벤젠-1-티올 등으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. In addition, the thiol-ene monomer is not particularly limited as long as it has one or more thiol groups (-SH) in the molecule. The thiol-ene monomer may be, for example, one or more selected from alkyl-3-mercaptopropionate, alkylthioglycolate, and alkylthiol. The thiol-ene monomer is, for example, methyl-3-mercaptopropionate, ethyl-3-mercaptopropionate, butyl-3-mercaptopropionate, methylthioglycolate, ethylthioglycolate At least one selected from , butylthioglycolate and 2-butyl-4-ethylbenzene-1-thiol may be used.
본 발명에서, 상기 아크릴레이트-티올 공중합체는 위와 같은 아크릴레이트계 모노머와 티올-엔 모노머의 가교 중합체로서, 이는 반응 개시제의 존재 하에서 가교 중합될 수 있다. 이때, 상기 티올-엔 모노머가 가교제로 작용하거나 상기 아크릴레이트계 모노머가 가교제로 작용할 수 있다. In the present invention, the acrylate-thiol copolymer is a cross-linked polymer of the acrylate-based monomer and the thiol-ene monomer as described above, which may be cross-linked in the presence of a reaction initiator. In this case, the thiol-ene monomer may act as a crosslinking agent or the acrylate-based monomer may act as a crosslinking agent.
또한, 상기 반응 개시제는 아크릴레이트계 모노머와 티올-엔 모노머의 가교 반응을 도모할 수 있는 것이면 제한되지 않으며, 이는 예를 들어 벤조일퍼옥사이드(benzoyl peroxide), 아세틸퍼록사이드(acetyl peroxide), 디라우릴퍼옥사이드(dilauryl peroxide), 디-tert-부틸퍼옥사이드(di-tert-butyl peroxide), 쿠밀하이드로퍼옥사이드(cumyl hydroperoxide), 하오드로젠퍼옥사이드(hydrogen peroxide) 및 포타슘퍼술페이트(potassium persulfate) 등으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. In addition, the reaction initiator is not limited as long as it can promote a crosslinking reaction between the acrylate-based monomer and the thiol-ene monomer, for example, benzoyl peroxide, acetyl peroxide, dilauryl Peroxide (dilauryl peroxide), di-tert-butyl peroxide (di-tert-butyl peroxide), cumyl hydroperoxide (cumyl hydroperoxide), hydrogen peroxide (hydrogen peroxide) and potassium persulfate (potassium persulfate), etc. One or more selected from may be used.
하나의 실시형태에 따라서, 상기 아크릴레이트-티올 공중합체는 아크릴레이트계 모노머와 티올-엔 모노머를 2 ~ 8 : 8 ~ 2의 중량비로 사용하여 합성할 수 있다. 즉, 상기 아크릴레이트-티올 공중합체는 아크릴레이트계 모노머 : 티올-엔 모노머 = 2 ~ 8 : 8 ~ 2의 중량비로 합성된 가교 중합체일 수 있으며, 구체적인 예를 들어 아크릴레이트계 모노머 : 티올-엔 모노머 = 4 ~ 6 : 6 ~ 4의 중량비로 합성된 가교 중합체일 수 있다. According to one embodiment, the acrylate-thiol copolymer may be synthesized using an acrylate-based monomer and a thiol-ene monomer in a weight ratio of 2-8:8-2. That is, the acrylate-thiol copolymer may be a crosslinked polymer synthesized in a weight ratio of acrylate-based monomer: thiol-ene monomer = 2 to 8: 8 to 2, for example, acrylate-based monomer: thiol-ene Monomer = 4 to 6: It may be a crosslinked polymer synthesized in a weight ratio of 6 to 4.
또한, 상기 반응 개시제는 아크릴레이트계 모노머와 티올-엔 모노머의 혼합 모노머 총량에 대해 약 0.2중량% ~ 5중량%로 사용될 수 있다. 상기 반응 개시제는, 구체적인 예를 들어 혼합 모노머 총량에 대해 0.5중량% ~ 2중량%로 사용될 수 있다. In addition, the reaction initiator may be used in an amount of about 0.2 wt % to 5 wt % based on the total amount of the mixed monomer of the acrylate-based monomer and the thiol-ene monomer. The reaction initiator may be used, for example, in an amount of 0.5 wt% to 2 wt% based on the total amount of the mixed monomers.
한편, 상기 전해용액은 전해염(용질)과 용매를 포함하는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 상기 전해용액은, 구체적으로 용매에 전해염이 용해된 것으로서, 이는 당업계에서 통상적으로 사용되고 있는 것을 사용할 수 있다. On the other hand, the electrolyte solution is not particularly limited as long as it contains an electrolyte salt (solute) and a solvent. The electrolytic solution is, specifically, an electrolytic salt dissolved in a solvent, which may be commonly used in the art.
상기 전해염은 이온성을 가지는 것으로서, 이는 유기물, 무기물 및/또는 유-무기 복합물 등으로부터 선택된 이온성의 염으로부터 선택된다. 상기 전해염은, 예를 들어 테트라에틸암모늄, 트리에틸메틸암모늄 등의 4급 암모늄염; (C2H5)4NBF4 등의 4불화 붕소 암모늄염; N-에틸-N-메틸피롤리디늄, N,N-테트라메틸렌 피롤리디늄 등의 지방족 고리형 암모늄염; 1,3-디메틸이미다졸, 1-에틸-3-메틸이미다졸 등의 4급 이미다졸; 및/또는 이들의 유도체 등으로부터 선택될 수 있다. The electrolytic salt has ionicity, and is selected from ionic salts selected from organic substances, inorganic substances and/or organic-inorganic complexes. Examples of the electrolytic salt include quaternary ammonium salts such as tetraethylammonium and triethylmethylammonium; (C 2 H 5 ) ammonium tetrafluoride salts such as 4 NBF 4 ; aliphatic cyclic ammonium salts such as N-ethyl-N-methylpyrrolidinium and N,N-tetramethylene pyrrolidinium; quaternary imidazoles such as 1,3-dimethylimidazole and 1-ethyl-3-methylimidazole; and/or derivatives thereof.
상기 전해염은, 구체적인 예를 들어 테트라에틸암모늄테트라플루오로보레이트, 테트라메틸암모늄테트라플루오로보레이트, 테트라포스포늄테트라플루오로보레이트 및 테트라에틸메틸암모늄테트라플루오로보레이트 등으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 아울러, 상기 전해염은, 전해액 내에 예를 들어 0.1 ~ 4.0mol/L, 바람직하게는 0.5 ~ 3.0mol/L으로 포함(용해)될 수 있다. As the electrolytic salt, for example, one or more selected from tetraethylammonium tetrafluoroborate, tetramethylammonium tetrafluoroborate, tetraphosphonium tetrafluoroborate and tetraethylmethylammonium tetrafluoroborate may be used. . In addition, the electrolyte salt may be included (dissolved) in the electrolyte in an amount of, for example, 0.1 to 4.0 mol/L, preferably 0.5 to 3.0 mol/L.
상기 용매는 유기 용매로서, 이는 전해염을 용해(희석)시킬 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 상기 용매는, 예를 들어 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 아세토니트릴, 감마부티로락톤, 테트라히이드로퓨란, 디메틸설폭사이드, 설포란, 디메틸폼아미드, 디메틸아세트아미드, 인산트리에스테르, 무수말레산, 석신산 무수물, 무수프탈산, 1,3-프로판설톤, 니트로벤젠, 1,2-디메톡시에탄, 니트로메탄 및/또는 이들의 유도체 등으로부터 선택될 수 있다. The solvent is an organic solvent, which is not particularly limited as long as it can dissolve (dilute) the electrolyte salt. The solvent is, for example, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, acetonitrile, gamma butyrolactone, tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, sulfolane, dimethyl form selected from amide, dimethylacetamide, phosphoric acid triester, maleic anhydride, succinic anhydride, phthalic anhydride, 1,3-propanesultone, nitrobenzene, 1,2-dimethoxyethane, nitromethane and/or derivatives thereof, etc. can be
본 발명의 실시형태에 따라서, 상기 아크릴레이트-티올 공중합체와 전해용액(전해염 + 용매)을 0.5 ~ 3 : 7 ~ 9.5의 중량비로 혼합하여 사용할 수 있다. 즉, 상기 겔 형태의 전해질을 형성하기 위한 겔전해질용 전해액은 상기 아크릴레이트-티올 공중합체 : 전해용액(전해염 + 용매) = 0.5 ~ 3 : 7 ~ 9.5의 중량비로 포함할 수 있다. 이때, 전해용액의 사용량(중량비)이 낮은 경우에는 저항 특성이 양호하지 않을 수 있으며, 전해용액의 사용량(중량비)이 높은 경우에는 상대적으로 아크릴레이트-티올 공중합체의 사용량이 낮아져 겔화 특성이 낮아질 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the acrylate-thiol copolymer and the electrolyte solution (electrolyte salt + solvent) may be mixed and used in a weight ratio of 0.5 to 3: 7 to 9.5. That is, the electrolyte solution for a gel electrolyte for forming the gel electrolyte may include the acrylate-thiol copolymer: the electrolyte solution (electrolyte salt + solvent) = 0.5 to 3: 7 to 9.5 in a weight ratio. At this time, when the amount (weight ratio) of the electrolyte solution is low, the resistance property may not be good, and when the amount (weight ratio) of the electrolyte solution is high, the amount of the acrylate-thiol copolymer is relatively low, and the gelation characteristic can be lowered. have.
위와 같은 전해액을 외장재(10)에 주입한 후, 진공 상태를 유지하여 전극 구성체(20)에 균일하게 진공 함침되도록 한다. 진공 함침에 의해, 전해액은 양극(21), 음극 및 분리막에 충분히 분산되어 전기적 특성이 개선될 수 있다. 함침된 전해액은 열에 의해 겔화되어 겔전해질을 형성한다. After the above electrolyte is injected into the
(5) 열압착 (5) thermocompression bonding
위와 같이 전해액의 주입과 밀봉을 진행한 후에는 상기 외장재(10)를 열압착한다. 이러한 열압착에 의해, 상기 전해액은 겔화되어 겔전해질로 형성되고, 상기 겔전해질과 전극 구성체(20)이 압착(밀착)되어 전기적 특성이 개선된다. After the electrolyte is injected and sealed as described above, the
상기 열압착 시에 가해지는 열은 전해액의 겔화가 가능한 온도이면 좋으며, 이는 예를 들어 60℃ ~ 80℃의 온도로 30분 내지 3시간 동안 열을 가하는 방법으로 진행할 수 있다. The heat applied during the thermocompression bonding may be any temperature capable of gelling the electrolyte, which may be performed by, for example, applying heat at a temperature of 60° C. to 80° C. for 30 minutes to 3 hours.
또한, 상기 열압착 시에 가해지는 압력은 겔전해질과 전극 구성체(20)가 잘 밀착될 수 있는 정도의 압력이면 좋다. 상기 외장재(10)는, 예를 들어 2kgf/cm2 이상, 또는 5kgf/cm2 이상의 압력으로 가압될 수 있다. 이러한 가압에 의해 겔전해질과 전극 구성체(20)가 밀착되고, 이와 함께 전극 구성체(20)를 구성하는 양극(21), 음극 및 분리막이 상호간 밀착되어 전기적 특성이 개선되고, 두께가 최소화될 수 있다. In addition, the pressure applied at the time of the thermocompression bonding may be enough to allow the gel electrolyte and the
이상에서 설명한 본 발명에 따르면, 두께(T) 0.3mm 이하, 바람직하게는 0.27mm 이하로서 초박형의 두께(T)를 가지면서 전기적 특성이 개선된다. 본 발명에 따른 전기이중층 커패시터(EDLC)는, 예를 들어 신용카드 및 스마트카드 등의 박형 소자에 유용하게 적용될 수 있다. According to the present invention described above, the thickness (T) 0.3mm or less, preferably 0.27mm or less, while having an ultra-thin thickness (T) is improved. The electric double layer capacitor (EDLC) according to the present invention may be usefully applied to, for example, a thin device such as a credit card and a smart card.
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 예시한다. 하기의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 하기의 비교예는 종래 기술을 의미하는 것이 아니며, 이는 단지 실시예들과의 비교를 위해 제공된다. Hereinafter, Examples and Comparative Examples of the present invention are exemplified. The following examples are provided for illustrative purposes only to help the understanding of the present invention, and the technical scope of the present invention is not limited thereby. In addition, the following comparative examples do not mean the prior art, and are provided only for comparison with the examples.
[실시예 1 ~ 5][Examples 1 to 5]
(1) 전극 구성체(20) 제조 (1) Preparation of the
금속 집전체로서 두께 약 20㎛의 알루미늄(Al) 포일을 준비하였다. 상기 준비된 알루미늄(Al) 포일에 슬러리화된 전극 활물질 조성물을 코팅한 후, 롤링 압연하여, 알루미늄(Al) 포일 상에 두께 약 28㎛의 전극 활물질층을 형성한 전극 시트를 제조하였다. 이후, 전극 시트를 적정 크기의 2개로 절단하여 양극 1장과 음극 1장의 전극을 준비하였다. 이때, 상기 전극 활물질층은 활성탄 슬러리를 사용하되, 상기 활성탄은 평균입자 크기가 약 1㎛인 것을 사용하였다. 도 5는 본 실시예에서 사용된 활성탄의 SEM 사진이다. As a metal current collector, an aluminum (Al) foil having a thickness of about 20 μm was prepared. After coating the slurried electrode active material composition on the prepared aluminum (Al) foil, rolling rolling was performed to prepare an electrode sheet in which an electrode active material layer having a thickness of about 28 μm was formed on the aluminum (Al) foil. Thereafter, the electrode sheet was cut into two of an appropriate size to prepare one positive electrode and one negative electrode. In this case, the electrode active material layer used an activated carbon slurry, and the activated carbon had an average particle size of about 1 μm. 5 is an SEM photograph of the activated carbon used in this example.
다음으로, 상기 각 양극(21)과 음극의 상단을 스트리핑(stripping)하고, 스트리핑된 부분에 초음파 융착을 통해 인출단자로서 리드 탭(21a)(22a)을 부착하였다. 이때, 리드 탭(21a)(22a)은 종래와 같은 탭 필름(5)이 부착되지 않은 것으로서, 이는 90㎛ 두께의 니켈금속(탭 필름이 없음)을 사용하였다. 상기 제조된 양극 1장과 음극 1장의 사이에 분리막을 적층하여 양극 1장, 분리막 1장 및 음극 1장으로 구성된 박형의 전극 구성체(20)를 제조하였다. 분리막은 40㎛ 두께의 부직포 분리막을 사용하였다. Next, the upper ends of each of the
(2) 밀봉 필름(30)의 부착 (2) Attachment of the sealing
하부 파우치 필름(11)과 하부 파우치 필름(12)을 준비하고, 각 필름의 상단에 밀봉 필름(30)을 부착하였다. 파우치 필름(11)(12)은 15 x 15mm(가로 x 세로)의 크기로서, 두께 76㎛의 알루미늄 라미네이트 필름을 사용하였다. 밀봉 필름(30)의 양 말단을 열융착시켜 형성되는 고정부(32)를 통해 파우치 필름(11)(12)에 밀봉 필름(30)을 부착 고정하였다. 이때, 밀봉 필름(30)은 PE(Poly Ethylene) : 10㎛, PP(Poly Propylene) : 10㎛, CPP(Cast Poly Propylene) : 10㎛, CPP(Cast Poly Propylene) : 3㎛ 및 PI(Poly Imide) : 20㎛로서, 각 실시예에 따라 밀봉 필름(30)의 재질과 두께가 다른 것을 사용하였다. 각 실시예(1 ~ 5)에 따른 밀봉 필름(30)의 재질과 두께를 하기 [표 1]에 나타내었다. A
(3) 외장재(10) 형성(3) Forming the exterior material (10)
먼저, 하부 파우치 필름(11)의 상단으로 리드 탭(21a)(22a)의 일측이 인출되도록 하부 파우치 필름(11)에 전극 구성체(20)를 적층한 다음, 상기 전극 구성체(20) 상에 상부 파우치 필름(12)을 적층하였다. 이후, 파우치 필름(11)(12)의 3개 측면(10a)(10b)(10c)을 열융착시켜 파우치형의 외장재(10)를 형성하였다. First, an
(4) 밀봉 (4) sealing
외장재(10) 내에 전해액을 주입한 다음, 진공 상태로 유지시킨 후, 열융착하여 파우치 필름(11)(12)과 리드 탭(21a)(22a)을 밀봉시켰다. 이때, 밀봉 필름(30)이 각 필름(11)(12)과 리드 탭(21a)(22a)에 융착되도록 약 180℃에서 열융착시켰다. 한편, 전해액은 다음과 같이 제조된 것을 사용하였다. After injecting the electrolyte into the
교반기가 달린 반응기에 아크릴레이트계 모노머로서 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트(Trimethylolpropane triacrylate)와 티올-엔(Thiol-ene) 모노머로서 에틸-3-메르캅토프로피오네이트(ethyl-3-mercaptopropionate)를 6 : 4의 중량비율로 첨가하고 1시간 동안 교반, 혼합한 후, 여기에 반응 개시제를 두 모노머의 총 중량에 대해 1중량%로 첨가한 다음 1시간 동안 교반, 반응시켜 아크릴레이트-티올 공중합체를 합성하였다. 상기 반응 개시제는 벤조일퍼옥사이드(benzoyl peroxide)를 사용하였다. In a reactor equipped with a stirrer, trimethylolpropane triacrylate as an acrylate-based monomer and ethyl-3-mercaptopropionate as a thiol-ene monomer 6: After adding in a weight ratio of 4, stirring and mixing for 1 hour, a reaction initiator is added here in an amount of 1% by weight based on the total weight of the two monomers, followed by stirring and reaction for 1 hour to synthesize an acrylate-thiol copolymer did. As the reaction initiator, benzoyl peroxide was used.
다음으로, 상기 합성된 아크릴레이트-티올 공중합체에 전해용액(액체전해질)을 첨가, 혼합하되, 아크릴레이트-티올 공중합체 : 전해용액 = 1.5 : 8.5의 중량비로 첨가 혼합하였다. 이때, 상기 전해용액은 용매로서 프로필렌카보네이트(PC)에 전해염으로서 테트라에틸암모늄테트라플루오로보레이트(1.0M)를 용해시킨 용액을 사용하였다. 이와 같이 아크릴레이트-티올 공중합체에 전해용액을 첨가한 후, 1시간 동안 혼합, 교반하여 겔전해질용 전해액을 제조하였다. 이러한 겔전해질용 전해액은 외장재(10) 내에 적정량 주입되었다. Next, an electrolyte solution (liquid electrolyte) was added to the synthesized acrylate-thiol copolymer and mixed, but the acrylate-thiol copolymer: electrolyte solution = 1.5: 8.5 was added and mixed in a weight ratio. In this case, as the electrolyte solution, a solution obtained by dissolving tetraethylammonium tetrafluoroborate (1.0M) as an electrolyte salt in propylene carbonate (PC) as a solvent was used. After adding the electrolytic solution to the acrylate-thiol copolymer as described above, the electrolytic solution for the gel electrolyte was prepared by mixing and stirring for 1 hour. An appropriate amount of this electrolyte solution for a gel electrolyte was injected into the
(5) 열압착 - EDLC 셀 제조 (5) Thermocompression bonding - EDLC cell manufacturing
상기 전해액이 주입된 외장재(10)를 열압착하여 파우치형 EDLC 셀의 제조가 완성되었다. 구체적으로, 외장재(10)에 약 60℃의 열을 1시간 동안 가함으로서, 전해액을 겔화(경화)시켜 겔전해질이 형성되게 하였다. 이와 동시에 외장재(10)에 압력을 가하여 겔전해질이 전극 구성체(20)에 잘 침투되게 하면서 전극 구성체(20)를 구성하는 양극/분리막/음극이 압착(밀착)되게 하였다. 이와 같은 과정을 통해, 초박형의 파우치형 EDLC 셀을 제조하였다. The manufacturing of the pouch-type EDLC cell was completed by thermocompression bonding the
[비교예 1][Comparative Example 1]
(a) 전극 구성체 제조 (a) Preparation of electrode assembly
금속 집전체로서 두께 약 20㎛의 알루미늄(Al) 포일을 준비하였다. 상기 준비된 알루미늄(Al) 포일에 슬러리화된 전극 활물질 조성물을 코팅한 후, 롤링 압연하여, 알루미늄(Al) 포일 상에 두께 약 40㎛의 전극 활물질층을 형성한 전극 시트를 제조하였다. 이후, 전극 시트를 적정 크기의 2개로 절단하여 양극 1장과 음극 1장의 전극을 준비하였다. 이때, 상기 전극 활물질층은 활성탄 슬러리를 사용하되, 상기 활성탄은 평균입자 크기가 약 11㎛인 것을 사용하였다. 도 6은 본 비교예에서 사용된 활성탄의 SEM 사진이다. As a metal current collector, an aluminum (Al) foil having a thickness of about 20 μm was prepared. After coating the slurried electrode active material composition on the prepared aluminum (Al) foil, rolling rolling was performed to prepare an electrode sheet in which an electrode active material layer having a thickness of about 40 μm was formed on the aluminum (Al) foil. Thereafter, the electrode sheet was cut into two of an appropriate size to prepare one positive electrode and one negative electrode. In this case, the electrode active material layer used an activated carbon slurry, and the activated carbon had an average particle size of about 11 μm. 6 is an SEM photograph of the activated carbon used in this comparative example.
다음으로, 상기 각 양극과 음극의 상단을 스트리핑(stripping)하고, 스트리핑된 부분에 인출단자로서 리드 탭(2a)(3a)을 납땜을 통해 부착하였다. 이때, 리드 탭(2a)(3a)은 종래와 같이 탭 필름(5)이 고정된 것으로서, 90㎛ 두께의 알루미늄금속에 50㎛ 두께의 탭 필름(5)이 부착된 것을 사용하였다. 상기 제조된 양극 1장과 음극 1장의 사이에 분리막을 적층하여, 양극/분리막/음극으로 구성된 전극 구성체를 제조하였으며, 분리막은 40㎛ 두께의 부직포 분리막을 사용하였다. Next, the upper ends of each of the positive and negative electrodes were stripped, and lead
(b) 외장재 형성(b) Formation of exterior material
하부 파우치 필름에 전극 구성체를 적층한 다음, 상기 전극 구성체 상에 상부 파우치 필름을 적층하였다. 이후, 파우치 필름의 3개 측면을 열융착시켜 파우치형의 외장재를 형성하였다. An electrode assembly was laminated on the lower pouch film, and then an upper pouch film was laminated on the electrode assembly. Thereafter, three sides of the pouch film were heat-sealed to form a pouch-type exterior material.
(c) 밀봉 및 EDLC 셀 제조 (c) Sealing and EDLC cell fabrication
외장재 내에 전해액을 주입한 다음, 종래와 같이 탭 필름(5)을 열융착하여 파우치 필름과 리드 탭(2a)(3a)을 밀봉시켰다. 이때, 전해액은 용매로서 프로필렌카보네이트(PC)에 전해염으로서 테트라에틸암모늄테트라플루오로보레이트(1.0M)를 용해시킨 액체전해질을 사용하였다. After injecting the electrolyte into the exterior material, the pouch film and the
위와 같이 제조된 각 실시예 및 비교예에 따른 파우치형 EDLC 셀에 대하여, 두께, 용량, 내부 저항 및 밀봉성을 평가하였다. 그 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다. 하기 [표 1]에 보인 두께는 인출단자 부분, 즉 리드 탭(21a)(22a)이 형성된 부분의 두께(T)를 나타낸다. 용량(mF)과 내부 저항(Ω)은 당업계의 통상적인 방법에 따라 용량계 및 저항계를 이용하여 측정하였다. 한편, 밀봉성은 육안 평가로 진행하였하였다. 구체적으로, 밀봉성은 상기 열압착(전해액의 겔화 및 압착)하는 과정이나 열압착(EDLC 셀 제조) 후에 전해액의 누액이 눈에 띄게 관찰되는 경우에는 "X", 아주 소량이 관찰되는 경우에는 "△", 전해액의 누액이 전혀 관찰되지 않는 경우에는 "◎"로 평가하여 [표 1]에 나타내었다. For the pouch-type EDLC cells according to each of Examples and Comparative Examples prepared as above, thickness, capacity, internal resistance, and sealing properties were evaluated. The results are shown in [Table 1] below. The thickness shown in Table 1 below represents the thickness (T) of the lead-out terminal portion, that is, the portion where the
(㎛)thickness
(μm)
(mF)Volume
(mF)
(Ω)internal resistance
(Ω)
(탭 필름 고정)Existing Leads tab
(Fixed tab film)
상기 [표 1]에 보인 바와 같이, 실시예에 따라 밀봉 필름(30)을 이용하여 리드 탭(21a)(22a)을 밀봉시킨 EDLC 셀(실시예 1 ~ 5)은 약 300㎛(0.3mm) 이하로서 초박형 두께(T)를 가짐을 알 수 있었다. 이에 반하여, 종래와 같이 탭 필름(5)이 고정된 리드 탭(2a)(3a)을 사용하는 경우, 370㎛로서 실시예들보다 두꺼운 두께를 가졌다. As shown in [Table 1], the EDLC cells (Examples 1 to 5) in which the
한편, 실시예들을 대비하여 보면, 밀봉 필름(30)의 종류에 따라 밀봉성 및 전기적 특성(용량 및 내부 저항)이 달라짐을 알 수 있었다. 밀봉 필름(30)으로서 CPP를 사용한 실시예 3 및 4의 경우가 PE, PP 및 PI를 사용한 경우(실시예 1, 2, 5)에 비해 밀봉성 및 전기적 특성이 우수함을 알 수 있었다. 내부 저항의 경우, 실시예 3 및 4는 4.2Ω 이하로서 기존의 액체전해질을 사용한 경우(비교예 1)보다 향상된 결과를 보였다. 이는 밀봉성이 우수하여 충분한 열압착이 이루어졌기 때문인 것으로 판단된다. Meanwhile, it can be seen that the sealing properties and electrical properties (capacitance and internal resistance) vary depending on the type of the sealing
특히, 3㎛ 두께의 CPP를 사용한 실시예 4의 경우에는 270㎛ 이하(약 267㎛)의 초박형 두께(T)를 가지면서 밀봉성이 우수하고, 이는 또한 내부 저항에서 가장 우수한 결과를 보임을 알 수 있었다. 즉, 3㎛ 두께의 CPP를 사용한 실시예 4는 3.8Ω로서 내부 저항이 현저히 개선됨을 알 수 있었다. In particular, in the case of Example 4 using CPP having a thickness of 3 μm, it has an ultra-thin thickness T of 270 μm or less (about 267 μm) and excellent sealing properties, which also shows the best results in internal resistance. could That is, in Example 4 using CPP having a thickness of 3 μm, it was found that the internal resistance was significantly improved as 3.8 Ω.
이상의 결과를 통해, 본 발명에 따르면 기존의 탭 필름(5)을 사용하지 않고도 우수한 밀봉성을 가지며, 두께(T) 300㎛ 이하, 바람직하게는 270㎛ 이하로서 초박형화가 구현되며, 이와 함께 종래(비교예 1)보다 내부 저항의 현저한 감소(실시예 4)를 통해 고출력 특성을 가짐을 알 수 있었다. 이에 따라, 신용카드나 스마트카드 등의 박형 소자는 물론, 초박형화가 요구되는 헬스용 패치 및 유연 커패시터 등의 시장으로도 진출이 가능할 것으로 전망된다. Through the above results, according to the present invention, it has excellent sealing properties without using the
10 : 외장재 11, 12 : 파우치 필름
20 : 전극 구성체 21 : 양극
21a, 22a : 리드 탭 30 : 밀봉 필름
32 : 밀봉 필름 고정부 T : 두께 10:
20: electrode structure 21: positive electrode
21a, 22a: lead tab 30: sealing film
32: sealing film fixing part T: thickness
Claims (5)
상기 외장재(10)에 내장된 전극 구성체(20); 및
상기 외장재(10)에 내장된 전해질을 포함하고,
상기 전극 구성체(20)는 양극(21) 및 음극의 두 전극과, 상기 양극(21)과 음극의 사이에 개재된 분리막과, 상기 양극(21) 및 음극에 결합되고 일측이 상기 외장재(10)의 외부로 인출된 리드 탭(21a)(22a)을 포함하며,
상기 전해질은, 전해액이 겔화되어 형성된 겔전해질이고,
상기 파우치 필름(11)(12)과 리드 탭(21a)(22a)은 밀봉 필름(30)에 의해 밀봉되며,
상기 밀봉 필름(30)은 1㎛ ~ 12㎛의 두께를 가지는 캐스트 폴리프로필렌(CPP) 필름인 것을 특징으로 하는 파우치형 전기이중층 커패시터.
an exterior material 10 composed of pouch films 11 and 12;
an electrode assembly 20 embedded in the exterior material 10; and
Including an electrolyte built into the exterior material (10),
The electrode assembly 20 includes two electrodes, a positive electrode 21 and a negative electrode, a separator interposed between the positive electrode 21 and the negative electrode, and the positive electrode 21 and the negative electrode coupled to one side of the exterior material 10 Includes lead tabs (21a) and (22a) drawn to the outside of
The electrolyte is a gel electrolyte formed by gelling the electrolyte,
The pouch films 11 and 12 and the lead tabs 21a and 22a are sealed by a sealing film 30 ,
The sealing film 30 is a pouch-type electric double layer capacitor, characterized in that it is a cast polypropylene (CPP) film having a thickness of 1㎛ to 12㎛.
상기 밀봉 필름(30)은 1㎛ ~ 5㎛의 두께를 가지는 캐스트 폴리프로필렌(CPP) 필름이고,
상기 리드 탭(21a)(22a)이 형성된 부분의 두께(T)는 0.3mm 이하이며,
상기 파우치형 전기이중층 커패시터는 4.0Ω 이하의 내부 저항을 가지는 것을 특징으로 하는 파우치형 전기이중층 커패시터.
According to claim 1,
The sealing film 30 is a cast polypropylene (CPP) film having a thickness of 1 μm to 5 μm,
The thickness (T) of the portion where the lead tabs 21a and 22a are formed is 0.3 mm or less,
The pouch-type electric double-layer capacitor is a pouch-type electric double-layer capacitor, characterized in that it has an internal resistance of 4.0Ω or less.
외장재(10)를 구성하는 하부 파우치 필름(11)과 상부 파우치 필름(12)의 일측에 밀봉 필름(30)을 부착하는 제2단계;
상기 하부 파우치 필름(11)에 전극 구성체(20)를 설치한 다음, 상기 전극 구성체(20) 상에 상부 파우치 필름(12)을 적층한 후, 상기 상부/하부 파우치 필름(11)(12)의 3개 측면(10a)(10b)(10c)을 열융착하여 파우치형의 외장재(10)를 형성하는 제3단계;
상기 외장재(10) 내에 전해액을 주입한 다음, 진공 상태에서 열융착하여 상기 상부/하부 파우치 필름(11)(12)과 리드 탭(21a)(22a)이 밀봉 필름(30)에 의해 밀봉되게 하는 제4단계; 및
상기 외장재(10)를 열압착하여, 상기 전해액의 겔화에 의해 겔전해질이 형성되게 하고, 상기 겔전해질과 전극 구성체(20)이 압착되게 하는 제5단계를 포함하며,
상기 밀봉 필름(30)은 1㎛ ~ 12㎛의 두께를 가지는 캐스트 폴리프로필렌(CPP) 필름인 것을 특징으로 하는 파우치형 전기이중층 커패시터의 제조방법.
Two electrodes of the positive electrode 21 and the negative electrode, a separator interposed between the positive electrode 21 and the negative electrode, and a lead tab coupled to the positive electrode 21 and the negative electrode and having one side drawn out of the casing 10 ( a first step of preparing an electrode assembly 20 including 21a) and 22a;
a second step of attaching the sealing film 30 to one side of the lower pouch film 11 and the upper pouch film 12 constituting the exterior material 10;
After installing the electrode assembly 20 on the lower pouch film 11 , and then laminating the upper pouch film 12 on the electrode assembly 20 , the upper/lower pouch films 11 and 12 are A third step of heat-sealing the three side surfaces (10a, 10b, 10c) to form a pouch-shaped exterior material (10);
After injecting an electrolyte into the exterior material 10, heat-sealing in a vacuum state to seal the upper/lower pouch films 11 and 12 and the lead tabs 21a and 22a by the sealing film 30 Step 4; and
A fifth step of thermocompression bonding the exterior material 10 to form a gel electrolyte by gelation of the electrolyte, and compressing the gel electrolyte and the electrode assembly 20;
The sealing film 30 is a method of manufacturing a pouch-type electric double layer capacitor, characterized in that the cast polypropylene (CPP) film having a thickness of 1㎛ ~ 12㎛.
상기 전해액은 겔전해질을 형성할 수 있는 겔전해질용 전해액을 사용하되,
상기 전해액은 고분자와 전해용액을 포함하고,
상기 고분자는 아크릴레이트계 모노머와 티올-엔 모노머가 가교 중합된 아크릴레이트-티올 공중합체를 포함하며,
상기 아크릴레이트-티올 공중합체는 아크릴레이트계 모노머와 티올-엔 모노머가 반응 개시제 존재 하에서 2 ~ 8 : 8 ~ 2의 중량비로 사용하여 합성되고,
상기 티올-엔 모노머는 알킬-3-메르캅토프로피오네이트, 알킬티오글리코레이트 및 알킬티올로부터 선택된 하나 이상이 사용된 것을 특징으로 하는 파우치형 전기이중층 커패시터의 제조방법.
4. The method of claim 3,
The electrolyte uses an electrolyte for a gel electrolyte capable of forming a gel electrolyte,
The electrolyte includes a polymer and an electrolyte,
The polymer includes an acrylate-thiol copolymer in which an acrylate-based monomer and a thiol-ene monomer are crosslinked,
The acrylate-thiol copolymer is synthesized using an acrylate-based monomer and a thiol-ene monomer in a weight ratio of 2 to 8: 8 to 2 in the presence of a reaction initiator,
The thiol-ene monomer is a method of manufacturing a pouch-type electric double layer capacitor, characterized in that at least one selected from alkyl-3-mercaptopropionate, alkylthioglycolate and alkylthiol is used.
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인용발명 1: 공개특허공보 제10-2015-0098178호(2015.08.27.) 1부.* |
인용발명 2: 국제공개공보 WO2021/006350(2021.01.14.) 1부.* |
인용발명 3: 일본 공개특허공보 특개2005-019418호(2005.01.20.) 1부.* |
인용발명 4: 등록특허공보 제10-2093129호(2020.03.25.) 1부.* |
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