KR102495330B1 - 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법과, 이를 이용한 고출력 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법 - Google Patents

질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법과, 이를 이용한 고출력 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

질소 및 불소를 전극활물질에 공동 도핑하는 것에 의해 전극활물질의 전기전도도 향상으로 전해액의 전하 전달을 용이하게 하여 고출력 특성을 발휘할 수 있는 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법과, 이를 이용한 고출력 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법은 (a) 슈퍼커패시터용 전극활물질을 준비하는 단계; (b) 질소 및 불소 소스를 준비하는 단계; 및 (c) 상기 슈퍼커패시터용 전극활물질에 질소 및 불소 소스를 반응시켜 상기 슈퍼커패시터용 전극활물질에 질소 및 불소를 공동 도핑하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법과, 이를 이용한 고출력 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법{MANUFACTURING METHOD OF ELECTRODE ACTIVE MATERIAL FOR SUPERCAPACITOR CO-DOPED WITH NITROGEN AND FLUORINE AND HIGH POWER SUPERCAPACITOR USING THE SAME AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법과, 이를 이용한 고출력 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 질소 및 불소를 전극활물질에 공동 도핑하는 것에 의해 전극활물질의 전기전도도 향상으로 전해액의 전하 전달을 용이하게 하여 고출력 특성을 발휘할 수 있는 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법과, 이를 이용한 고출력 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
차세대 에너지 저장장치들 중 슈퍼커패시터는 빠른 충전 및 방전 속도, 높은 안정성, 그리고 친환경적 특성으로 인해, 차세대 에너지 저장장치로 각광받고 있다. 일반적인 슈퍼커패시터는 다공성 전극, 집전체, 분리막, 그리고 전해액 등으로 구성된다.
슈퍼커패시터는 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC), 울트라커패시터(Ultra-capacitor) 라고도 일컬어지며, 이는 전극 및 도전체와, 그것에 함침된 전해액의 계면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기이중층)이 생성된 것을 이용하는 것으로, 충전 동작 및 방전 동작의 반복으로 인한 열화가 매우 작아 보수가 필요 없는 소자이다.
이에 따라, 슈퍼커패시터는 각종 전기 및 전자기기의 IC(integrated circuit) 백업을 하는 형태로 주로 사용되고 있다. 최근, 슈퍼커패시터는 그의 용도가 확대되어 장난감, 태양열 에너지 저장, HEV(hybrid electric vehicle) 전원 등에까지 폭넓게 응용되고 있다.
이와 같은 슈퍼커패시터는 일반적으로 전해액이 함침된 양극 및 음극의 두 전극과, 이러한 두 전극 사이에 개재되어 이온(ion) 전도만 가능케 하고 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)과, 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓(gasket), 그리고 이들을 포장하는 도전체로서의 금속 캡으로 구성된 단위셀을 갖는다. 그리고 위와 같이 구성된 단위셀 1개 이상(통상, 코인형의 경우 2~6개)을 직렬로 적층하고 양극과 음극의 두 단자(terminal)를 조합하여 완성된다.
슈퍼커패시터의 성능은 전극활물질, 전해액 등에 의하여 결정되며, 특히 축전용량 등 주요성능은 전극활물질에 의하여 대부분 결정된다. 따라서, 최근에는 전극활물질의 전기전도도를 향상시켜 고출력 특성을 발휘할 수 있는 고출력 슈퍼커패시터 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0113828호(2018.10.17. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 분쇄 및 혼합 조건에 의해 개선된 전기화학적 특성을 갖는 양극 활물질 제조 방법이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 질소 및 불소를 전극활물질에 공동 도핑하는 것에 의해 전극활물질의 전기전도도 향상으로 전해액의 전하 전달을 용이하게 하여 고출력 특성을 발휘할 수 있는 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법과, 이를 이용한 고출력 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법은 (a) 슈퍼커패시터용 전극활물질을 준비하는 단계; (b) 질소 및 불소 소스를 준비하는 단계; 및 (c) 상기 슈퍼커패시터용 전극활물질에 질소 및 불소 소스를 반응시켜 상기 슈퍼커패시터용 전극활물질에 질소 및 불소를 공동 도핑하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 슈퍼커패시터용 전극활물질은 그라핀(Graphene), 탄소나노튜브(Carbon nanotubes) 및 활성탄(Activated carbons) 중 선택된 1종 이상을 포함한다.
상기 질소 및 불소 소스는 암모늄플루오라이드(ammonium fluoride, NH4F), 나이트로젠 트리플루오라이드(nitrogen trifluoride, NF3), 테트라플루오로하이드라진(tetrafluorohydrazine, N2F4), 디플오로라민(difluoramine, NF2H), 암모늄플루오로보레이트(aAmmonium fluoroborate, NH4BF4) 및 니트로실플루오라이드(nitrosyl fluoride, FNO) 중 선택된 1종 이상을 포함한다.
상기 (c) 단계는, (c-1) 질소 및 불소 소스 50 ~ 250g을 용매 5 ~ 8L에 용해시키는 단계; (c-2) 상기 질소 및 불소 소스가 용해된 혼합 용액을 80 ~ 100℃로 가열하는 단계; (c-3) 가열된 상기 혼합 용액에 슈퍼커패시터용 전극활물질 100 ~ 500g을 투입하고, 6 ~ 10시간 동안 300 ~ 800rpm으로 교반시킨 후, 중탕하는 단계; 및 (c-4) 상기 (c-3) 단계의 결과물을 60 ~ 90℃에서 건조시킨 후, 건조가 완료된 시료를 반응기에 100 ~ 500g 투입하고, 비활성 가스를 사용하여 700 ~ 1,500℃에서 열처리하는 단계;를 포함한다.
상기 (c-3) 단계에서, 상기 중탕은 100 ~ 120℃에서 10 ~ 12 시간 동안 실시하는 것이 바람직하다.
상기 (c-4) 단계 이후, (c-5) 상기 열처리가 끝난 후, 상기 비활성 가스 분위기를 유지하면서, 상온까지 냉각하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 (c) 단계 이후, 상기 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질은 전체 100 원자%에 대하여, 상기 질소 및 불소가 합산으로 0.5 ~ 3.0 원자%의 농도로 공동 도핑된다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질을 이용한 고출력 슈퍼커패시터는 음극활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 음극; 상기 음극과 이격 배치되며, 양극활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 양극; 상기 음극 및 양극 사이에 배치되어, 상기 음극과 양극의 단락을 방지하기 위한 분리막; 및 상기 음극 및 양극에 함침된 전해액;을 포함하며, 상기 음극활물질 및 양극활물질 중 적어도 하나는, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 의해 제조된 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질이 이용된 것을 특징으로 한다.
상기 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질은 전체 100 원자%에 대하여, 상기 질소 및 불소가 합산으로 0.5 ~ 3.0 원자%의 농도로 공동 도핑된다.
상기 고출력 슈퍼커패시터는 50 mA/cm2의 전류밀도 조건에서 90% 이상의 용량유지율을 나타낸다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질을 이용한 고출력 슈퍼커패시터 제조 방법은 (a) 전극활물질, 도전재 및 바인더를 분산매에 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계; (b) 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계; (c) 상기 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 음극 사이에 상기 양극과 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 전해액에 함침시키는 단계;를 포함하며, 상기 (a) 단계에서, 상기 전극활물질은, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 의해 제조된 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질을 이용하는 것을 특징으로 한다.
상기 (a) 단계에서, 상기 전극활물질 100 중량부에 대하여, 도전재 1 ~ 20 중량부, 바인더 1 ~ 20 중량부 및 분산매 100 ~ 300 중량부로 혼합한다.
상기 (a) 단계에서, 상기 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질은 전체 100 원자%에 대하여, 상기 질소 및 불소가 합산으로 0.5 ~ 3.0 원자%로 공동 도핑된다.
본 발명에 따른 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법과, 이를 이용한 고출력 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법은 질소 및 불소를 전극활물질에 공동 도핑하는 것에 의해 전극활물질의 전기전도도 향상으로 전해액의 전하 전달을 용이하게 하여 고출력 특성을 발휘할 수 있다.
이 결과, 본 발명에 따른 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법과, 이를 이용한 고출력 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법은 50 mA/cm2의 전류밀도 조건에서 90% 이상의 높은 용량유지율을 나타내게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질을 이용한 고출력 슈퍼커패시터 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 코인형 슈퍼커패시터를 나타낸 단면도.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 권취형 슈퍼커패시터를 나타낸 모식도.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 전류밀도별 비정전용량 값을 측정한 결과를 나타낸 그래프.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법과, 이를 이용한 고출력 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법은 슈퍼커패시터용 전극활물질 준비 단계(S10), 질소 및 불소 소스 준비 단계(S20) 및 공동 도핑 단계(S30)를 포함한다.
슈퍼커패시터용 전극활물질 준비
슈퍼커패시터용 전극활물질 준비 단계(S10)에서는 슈퍼커패시터용 전극활물질을 준비한다.
여기서, 슈퍼커패시터용 전극활물질은 그라핀(Graphene), 탄소나노튜브(Carbon nanotubes) 및 활성탄(Activated carbons) 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 슈퍼커패시터용 전극활물질로는 그라핀, 탄소나노튜브 및 활성탄 이외에도, 슈퍼커패시터용으로 사용되는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있다.
질소 및 불소 소스 준비
질소 및 불소 소스 준비 단계(S20)에서는 질소 및 불소 소스를 준비한다.
질소 및 불소 소스는 슈퍼커패시터용 전극활물질에 질소 및 불소를 공동 도핑하여 슈퍼커패시터용 전극활물질의 전기전도도를 향상시키기 위한 원료 물질이다.
이를 위해, 질소 및 불소 소스로는 질소 및 불소를 함께 포함하는 물질을 이용해야 한다. 보다 구체적으로, 질소 및 불소 소스로는 암모늄플루오라이드(ammonium fluoride, NH4F), 나이트로젠 트리플루오라이드(nitrogen trifluoride, NF3), 테트라플루오로하이드라진(tetrafluorohydrazine, N2F4), 디플오로라민(difluoramine, NF2H), 암모늄플루오로보레이트(aAmmonium fluoroborate, NH4BF4) 및 니트로실플루오라이드(nitrosyl fluoride, FNO) 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
공동 도핑
공동 도핑 단계(S30)에서는 슈퍼커패시터용 전극활물질에 질소 및 불소 소스를 반응시켜 슈퍼커패시터용 전극활물질에 질소 및 불소를 공동 도핑한다.
이러한 공동 도핑 처리에 의해, 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질이 제조된다.
이때, 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질은 전체 100 원자%에 대하여, 질소 및 불소가 합산으로 0.5 ~ 3.0 원자%로 공동 도핑되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 1.0 ~ 2.5 원자%를 제시할 수 있다.
만일, 질소 및 불소가 합산으로 슈퍼커패시터용 전극활물질 전체 100 원자%에 대하여, 0.5 원자% 미만의 농도로 도핑될 경우에는 그 농도가 너무 낮아 슈퍼커패시터용 전극활물질의 전기전도도 향상 효과를 제대로 발휘하지 못할 수 있다. 반대로, 질소 및 불소가 합산으로 슈퍼커패시터용 전극활물질 전체 100 원자%에 대하여, 3.0 원자%의 농도를 초과하여 과다하게 도핑될 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 질소 및 불소 소스의 사용량만을 과다하게 필요로 하는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.
이러한 공동 도핑 단계(S30)에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 질소 및 불소 소스 50 ~ 250g을 용매 5 ~ 8L에 완전히 용해시킨다. 여기서, 용매로는 질소 및 불소 소스를 완전히 용해시킬 수 있는 것이라면 제한이 없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 증류수를 이용하는 것이 바람직하다.
다음으로, 질소 및 불소 소스가 용해된 혼합 용액을 80 ~ 100℃로 가열한다. 여기서, 가열 온도가 80℃ 미만일 경우에는 질소 및 불소 소스가 용매에 완전히 용해되지 못할 우려가 있다. 반대로, 가열 온도가 100℃를 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 공정 비용 및 시간만을 증가시키는 요인으로 작용하므로, 경제적이지 못하다.
다음으로, 가열된 혼합 용액에 슈퍼커패시터용 전극활물질 100 ~ 500g을 투입하고, 6 ~ 10시간 동안 300 ~ 800rpm으로 교반시킨 후, 100 ~ 120℃에서 10 ~ 12 시간 동안 중탕한다.
여기서, 교반 속도가 300rpm 미만이거나, 교반 시간이 6시간 미만일 경우에는 혼합 용액과 슈퍼커패시터용 전극활물질 간의 균일한 혼합이 이루어지지 못하여 분산안정성 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 교반 속도가 800rpm을 초과하거나, 교반 시간이 10시간을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 공정 비용 및 시간만을 증가시키는 요인으로 작용하므로, 경제적이지 못하다.
다음으로, 중탕이 완료된 결과물을 60 ~ 90℃에서 건조시킨 후, 건조가 완료된 시료를 반응기에 100 ~ 500g 투입하고, 비활성 가스를 사용하여 700 ~ 1,500℃에서 열처리한다. 여기서, 비활성 가스로는 Ar 및 N2 중 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 열처리가 끝난 후, 비활성 가스 분위기를 유지하면서, 상온까지 냉각하는 과정을 더 포함할 수 있다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법은 질소 및 불소를 전극활물질에 공동 도핑하는 것에 의해 전극활물질의 전기전도도 향상으로 전해액의 전하 전달을 용이하게 하여 고출력 특성을 발휘할 수 있다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질을 이용한 고출력 슈퍼커패시터는 50 mA/cm2의 전류밀도 조건에서 90% 이상의 높은 용량유지율을 나타내게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질을 이용한 고출력 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질을 이용한 고출력 슈퍼커패시터 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질을 이용한 고출력 슈퍼커패시터 제조 방법은 슈퍼커패시터 전극용 조성물 형성 단계(S110), 전극 형태로 형성 단계(S120), 슈퍼커패시터 전극 형성 단계(S130) 및 전해액 함침 단계(S140)를 포함한다.
슈퍼커패시터 전극용 조성물 형성
슈퍼커패시터 전극용 조성물 형성 단계(S110)에서는 전극활물질, 도전재 및 바인더를 분산매에 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조한다.
슈퍼커패시터 전극용 조성물은 전극활물질, 전극활물질 100 중량부에 대하여 도전재 1 ~ 20 중량부, 전극활물질 100 중량부에 대하여 바인더 1 ~ 20 중량부, 전극활물질 100 중량부에 대하여 분산매 100 ~ 300 중량부를 포함하는 것이 바람직하다.
이러한 슈퍼커패시터 전극용 조성물은 반죽 상이므로 균일한 혼합(완전 분산)이 어려울 수 있는데, 플래니터리 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기(mixer)를 사용하여 소정 시간(예컨대, 10분 ~ 12시간) 동안 교반시키면 전극 제조에 적합한 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 얻을 수 있다. 플래니터리 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기는 균일하게 혼합된 슈퍼커패시터 전극용 조성물의 제조를 가능케 한다.
전극활물질은 도 1을 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법에 의해 제조된 것이 이용된다. 이와 같이, 본 발명의 전극활물질은 질소 및 불소가 공동 도핑된 것이 이용되는 것에 의해 전극활물질의 전기전도도 향상으로 전해액의 전하 전달을 용이하게 하여 고출력 특성을 발휘할 수 있게 된다.
바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene), 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF; polyvinylidenefloride), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC; carboxymethylcellulose), 폴리비닐알코올(PVA; poly vinyl alcohol), 폴리비닐부티랄(PVB; poly vinyl butyral), 폴리비닐피롤리돈(PVP; poly-N-vinylpyrrolidone), 스티렌부타디엔고무(SBR; styrene butadiene rubber), 폴리아마이드-이미드(Polyamide-imide), 폴리이미드(polyimide) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
도전재는 화학 변화를 야기하지 않는 전자 전도성 재료이면 특별히 제한되지 않으며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 슈퍼-피(Super-P) 블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등이 가능하다.
분산매는 에탄올(EtOH), 아세톤, 이소프로필알콜, N-메틸피롤리돈(NMP), 프로필렌글리콜(PG) 등의 유기 용매 또는 물을 사용할 수 있다.
전극 형태로 형성
전극 형태로 형성 단계(S120)에서는 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성한다.
전극 형태로 형성하는 단계의 예를 보다 구체적으로 설명하면, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤프레스 성형기를 이용하여 압착하여 성형할 수 있다. 롤프레스 성형기는 압연을 통한 전극밀도 향상 및 전극의 두께 제어를 목적으로 하고 있으며, 상단과 하단의 롤과 롤의 두께 및 가열 온도를 제어할 수 있는 컨트롤러와, 전극을 풀어주고 감아줄 수 있는 와인딩부로 구성된다. 롤 상태의 전극이 롤프레스를 지나면서 압연공정이 진행되고, 이것이 다시 롤 상태로 감겨서 전극이 완성된다. 이때, 프레스의 가압 압력은 5 ~ 20 ton/㎠로 롤의 온도는 0 ~ 150℃로 하는 것이 바람직하다.
또한, 전극 형태로 형성하는 다른 예를 살펴보면, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 티타늄 호일(Ti foil), 알루미늄 호일(Al foil), 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil)과 같은 금속 호일(metal foil)에 코팅하거나, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일 또는 금속 집전체에 붙여서 전극 형상으로 제조할 수도 있다. 여기서, 알루미늄 에칭 호일이라 함은 알루미늄 호일을 요철 모양으로 에칭한 것을 의미한다.
슈퍼커패시터 전극 형성
슈퍼커패시터 전극 형성 단계(S130)에서는 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성한다.
프레스 압착 공정을 거친 슈퍼커패시터 전극용 조성물은 건조 공정을 거친다. 건조 공정은 100℃ ~ 350℃, 바람직하게는 150℃ ~ 300℃의 온도에서 수행된다. 이때, 건조 온도가 100℃ 미만인 경우 분산매의 증발이 어려워 바람직하지 않으며, 350℃를 초과하는 고온 건조 시에는 도전재의 산화가 일어날 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 건조 온도는 적어도 100℃ 이상이고, 350℃를 넘지 않는 것이 바람직하다. 그리고, 건조 공정은 위와 같은 온도에서 10분 ~ 6시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 성형된 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 슈퍼커패시터 전극의 강도를 향상시킨다.
한편, 전극 형태로 형성하는 다른 예에 의해 전극을 형성한 경우에는 100 ~ 250℃, 바람직하게는 150 ~ 200℃의 온도 조건으로 건조하는 것이 바람직하다.
전해액 함침
전해액 함침 단계(S140)에서는 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 양극과 음극 사이에 양극과 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 양극 및 음극을 슈퍼커패시터의 전해액에 함침시킨다.
여기서, 슈퍼커패시터의 전해액은비수계 전해액과, 비수계 전해액 100 중량부에 대하여, 1 ~ 25 중량부로 첨가된 이온성 액체를 포함할 수 있다.
상기의 과정(S110 ~ S140)에 의해 제조되는 코인형 슈퍼커패시터는 질소 및 불소가 공동 도핑된 전극활물질의 적용으로 전극활물질의 전기전도도를 크게 향상시킬 수 있어, 전해액의 전하 전달을 용이하게 하여 고출력 특성을 발휘할 수 있게 된다.
이에 대해서는 이하 첨부된 도면들을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 코인형 슈퍼커패시터를 나타낸 단면도이다.
도 3에서 도면부호 190은 도전체로서의 금속캡이고, 도면부호 160은 양극(120)과 음극(110) 간의 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)이며, 도면부호 192는 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓이다. 이때, 양극(120)과 음극(110)은 금속캡(190)과 접착제에 의해 견고하게 고정된다.
코인형 슈퍼커패시터는 양극(120) 및 음극(110)과, 양극(120) 및 음극(110) 사이에 배치되고 양극(120)과 음극(120)의 단락을 방지하기 위한 분리막(seperator)(160)을 금속캡(190) 내에 배치하고, 양극(120)와 음극(110) 사이에 전해액을 주입한 후, 가스켓(192)으로 밀봉하여 제조할 수 있다.
분리막(160)은 폴리올레핀, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등 배터리 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.
한편, 도 4 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 권취형 슈퍼커패시터를 나타낸 모식도로, 이를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 권취형 슈퍼커패시터를 제조하는 방법을 구체적으로 설명한다.
슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 제조하는 방법은 앞서 설명한 방법과 동일하다.
슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 구리 호일(Cu foil), 알루미늄 호일(Al foil), 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil)과 같은 금속 호일(metal foil)에 코팅하거나, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 양극 및 음극 형상으로 제조한다.
이러한 공정을 거친 양극 및 음극 형상에 대하여 건조 공정을 거친다. 건조 공정은 100 ~ 350℃, 바람직하게는 150 ~ 300℃의 온도에서 수행된다. 이때, 건조 온도가 100℃ 미만인 경우 분산매의 증발이 어려워 바람직하지 않으며, 350℃를 초과하는 고온 건조 시에는 도전재의 산화가 일어날 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 건조 온도는 적어도 100℃ 이상이고, 350℃를 넘지 않는 것이 바람직하다.
그리고, 건조 공정은 위와 같은 온도에서 10분 ~ 6시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 슈퍼커패시터 전극의 강도를 향상시킨다.
도 4에 도시된 바와 같이, 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 금속 호일에 코팅하거나 시트 상태로 만들어 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 제조한 양극(120) 및 음극(110)에 각각 리드선(130, 140)을 부착한다.
다음으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 분리막(150), 양극(120), 제2 분리막(160) 및 음극(110)을 적층하고, 코일링(coling)하여 롤(roll) 형태의 권취소자(175)로 제작한 후, 롤(roll) 주위로 접착 테이프(170) 등으로 감아 롤 형태가 유지될 수 있게 한다.
양극(120)과 음극(110) 사이에 구비된 제2 분리막(160)은 양극(120)과 음극(110)의 단락을 방지하는 역할을 한다. 제1 및 제2 분리막(150,160) 각각은 폴리올레핀, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등 배터리 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.
다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 롤(roll) 형태의 결과물에 실링 고무(sealing rubber)(180)를 장착하고, 금속캡(예컨대, 알루미늄 케이스)(190)에 삽착시킨다.
롤 형태의 권취소자(175)가 함침되 전해액을 주입하고, 밀봉한다.
이와 같이, 제작된 슈퍼커패시터를 도 7에 개략적으로 나타내었다.
상술한 바와 같이 제조된 슈퍼커패시터(100)는 양극(120)과 음극(110)이 서로 이격되게 배치되어 있고, 양극(120)과 음극(110) 사이에 양극(120)과 음극(110)의 단락을 방지하기 위한 분리막(150, 160)이 배치되며, 양극(120) 및 음극(110)은 전해액에 함침되어 있다.
여기서, 전해액은, 비수계 전해액과, 비수계 전해액 100 중량부에 대하여 이온성 액체 1 ~ 25 중량부를 포함하며, 비수계 전해액은 유기용매와, 리튬 염 LiPF6(lithium hexafluorophosphate), LiBF4(lithium tetrafluoroborate), LiClO4(lithium perchlorate), LiFSI(lithium bis(fluorosulfonyl)imide)와, 소듐 염 NaPF6(sodium hexafluorophosphate), NaDFOB(sodium difluoro(oxalate)borate)와, 포타슘 염 KFSI(potassium bis(fluorosulfonyl)imide), KPF6(potassium hexafluorophosphate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전해질 염을 포함한다. 유기용매는 아세토니트릴(acetonitrile), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란, 부티로락톤 및 디메틸포름아미드으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
이온성 액체는 EMITf2N(1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), BMITf2N(1-Butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), EMITFSI(1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), BMIMBF4(1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMBF4(1-Methyl-3-octylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMTf2N(1-Methyl-3-octylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), MEMPBF4(N-(2-Methoxyethyl)-N-methylpyrrolidinium tetraflioroborate) 및 DEMEBF4(N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium tetraflioroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 시료 제조
실시예 1
질소 및 불소 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조
상용 활성탄인 CEP21KS와 질소 및 불소 소스인 NH4F를 각각 준비하였다.
이후, 상용 활성탄인 CEP21KS에 질소와 불소를 동시에 공동 도핑하기 위해, 증류수 7L에 질소 및 불소 소스인 NH4F 150g을 완전히 용해시켰다.
다음으로, 질소 및 불소 소스가 완전히 용해된 용액을 80℃로 가열한 후, CEP21KS 300g을 넣고 8 시간 동안 600rpm으로 교반시킨 후, 120℃로 12시간 동안 중탕시켰다.
다음으로, 중탕이 완료된 시료를 80℃ 오븐에서 건조시킨 후, 건조가 완료된 시료를 반응기(쿼츠관)에 300g 투입하고 열처리기(로터리킬른)를 사용하여, 비활성 가스 N2를 사용하여 900℃에서 열처리하였다.
다음으로, 열처리가 끝난 뒤, N2 분위기를 유지하여 상온(15℃)까지 냉각하여 질소 및 불소가 공동 도핑된 고출력 슈퍼커패시터용 전극활물질 시료를 제조하였다.
고출력 슈퍼커패시터 제조
질소 및 불소가 공동 도핑된 고출력 슈퍼커패시터용 전극활물질 0.9g, 도전재인 카본블랙(super-p) 0.05g, 바인더인 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 0.05g을 분산매인 에탄올에 넣고, 플래니터리 믹서(planetary mixer)로 3분간 혼합하여 슬러리로 제조한 뒤, 손반죽 8회를 진행하여 슈퍼커패시터용 전극 조성물을 제조하였다.
다음으로, 슈퍼커패시터용 전극 조성물을 가압 압력 10 ton/㎠ 및 롤 온도 60℃ 조건으로 롤프레스로 압연 공정을 실시하여 시트 상태로 만들어 집전체에 붙인 후, 150℃의 진공 건조대에 넣고 12시간 건조시켜 150㎛ 두께의 슈퍼커패시터용 전극을 제조하였다.
다음으로, 진공 건조된 슈퍼커패시터용 전극을 음극 및 양극으로 각각 이용하고, 2032 코인 셀(2032 coin cell)로 조립한 후, 전해액을 함침시켜 하이브리드 슈퍼커패시터를 제조하였다. 이때, 사용한 분리막은 TF4035이고, 전해액은 슈퍼커패시터용 전해액인 1 M TEABF4/ACN이다.
비교예 1
상용 활성탄인 CEP21KS에 질소 및 불소를 공동 도핑하는 것 없이, 상용 활성탄인 CEP21KS를 슈퍼커패시터용 전극활물질로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 슈퍼커패시터를 제조하였다.
2. XPS 분석
표 1은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터용 전극활물질에 대한 XPS 분석 결과를 나타낸 것이다.
[표 1]
Figure 112020108853179-pat00001
표 1에 도시된 바와 같이, XPS 분석 결과에서 알 수 있듯이, 실시예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터용 전극활물질은 질소 및 불소가 동시 도핑된 것을 확인할 수 있다.
반면, 비교예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터용 전극활물질은 질소 및 불소가 검출되지 않았다.
3. 전기화학성능 평가
표 2는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터에 대한 전기전도도 측정 결과를 나타낸 것이다. 또한, 도 8은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 전류밀도별 비정전용량 값을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
이때, 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 축전비용량, 다양한 전류밀도에 따른 비율 특성, 누설전류, 그리고 방전 시 전압 강하(IR-drop) 등의 측정을 위하여 정전류 충방전법(Galvanostatic Charge/Discharge test)을 진행하였다. 측정을 위하여 사용된 장비는 Potentiostat(VSP, EC-Lab, France)를 사용하였으며, 상온에서 0 ~ 2.7V 전압범위로 0.5, 1, 2, 5, 10, 20, 30, 50 mA/cm2 의 다양한 전류밀도에서 전기화학성능을 측정하였다.
[표 2]
Figure 112020108853179-pat00002
표 2에 도시된 바와 같이, 전기전도도 측정 결과, 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터에 대한 전기전도도 비교 결과, 실시예 1의 경우가 비교예 1에 비하여 전반적으로 전기전도도가 개선된 것을 확인할 수 있다.
아울러, 도 8에 도시된 바와 같이, 0.5, 1, 2, 5, 10, 20, 30, 50 mA/cm2 의 다양한 전류밀도에서 전기화학성능을 측정한 결과에서도 알 수 있듯이, 실시예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터가 비교예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터에 비하여 전류밀도별 비정전용량 값이 높게 측정된 것을 확인할 수 있다.
위의 실험 결과를 통해 알 수 있듯이, 질소 및 불소를 전극활물질에 공동 도핑한 실시예 1의 경우, 전극활물질의 전기전도도 향상으로 전해액의 전하 전달을 용이하게 하여 고출력 특성을 발휘하는 것을 입증하였다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
S10 : 슈퍼커패시터용 전극활물질 준비 단계
S20 : 질소 및 불소 소스 준비 단계
S30 : 공동 도핑 단계

Claims (13)

  1. (a) 슈퍼커패시터용 전극활물질을 준비하는 단계;
    (b) 질소 및 불소 소스를 준비하는 단계; 및
    (c) 상기 슈퍼커패시터용 전극활물질에 질소 및 불소 소스를 반응시켜 상기 슈퍼커패시터용 전극활물질에 질소 및 불소를 공동 도핑하는 단계;를 포함하며,
    상기 질소 및 불소 소스는 암모늄플루오라이드(ammonium fluoride, NH4F)가 이용되고,
    상기 (c) 단계는, (c-1) 질소 및 불소 소스 50 ~ 250g을 용매 5 ~ 8L에 용해시키는 단계; (c-2) 상기 질소 및 불소 소스가 용해된 혼합 용액을 80 ~ 100℃로 가열하는 단계; (c-3) 가열된 상기 혼합 용액에 슈퍼커패시터용 전극활물질 100 ~ 500g을 투입하고, 6 ~ 10시간 동안 300 ~ 800rpm으로 교반시킨 후, 중탕하는 단계; 및 (c-4) 상기 (c-3) 단계의 결과물을 60 ~ 90℃에서 건조시킨 후, 건조가 완료된 시료를 반응기에 100 ~ 500g 투입하고, 비활성 가스를 사용하여 700 ~ 1,500℃에서 열처리하는 단계;를 포함하고,
    상기 (c-3) 단계에서, 상기 중탕은 100 ~ 120℃에서 10 ~ 12 시간 동안 실시하고,
    상기 (c) 단계 이후, 상기 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질은 전체 100 원자%에 대하여, 상기 질소 및 불소가 합산으로 1.0 ~ 2.5 원자%의 농도로 공동 도핑된 것을 특징으로 하는 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 슈퍼커패시터용 전극활물질은
    그라핀(Graphene), 탄소나노튜브(Carbon nanotubes) 및 활성탄(Activated carbons) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (c-4) 단계 이후,
    (c-5) 상기 열처리가 끝난 후, 상기 비활성 가스 분위기를 유지하면서, 상온까지 냉각하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법.
  7. 삭제
  8. 음극활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 음극;
    상기 음극과 이격 배치되며, 양극활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 양극;
    상기 음극 및 양극 사이에 배치되어, 상기 음극과 양극의 단락을 방지하기 위한 분리막; 및
    상기 음극 및 양극에 함침된 전해액;을 포함하는 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질을 이용한 고출력 슈퍼커패시터로서,
    상기 음극활물질 및 양극활물질 중 적어도 하나는, 제1항 내지 제2항과, 제6항 중 어느 한 항에 의해 제조된 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질이 이용되되,
    상기 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시티용 전극활물질은 질소 및 불소 소스로 암모늄플루오라이드(ammonium fluoride, NH4F)가 이용되고,
    상기 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질은 전체 100 원자%에 대하여, 상기 질소 및 불소가 합산으로 1.0 ~ 2.5 원자%의 농도로 공동 도핑되고,
    상기 고출력 슈퍼커패시터는 50 mA/cm2의 전류밀도 조건에서 90% 이상의 용량유지율을 나타내고, 100 ~ 120kgf·㎝-2 조건에서 2.9 ~ 3.2 S·㎝-1의 전기전도도를 나타내는 것을 특징으로 하는 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질을 이용한 고출력 슈퍼커패시터.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. (a) 전극활물질, 도전재 및 바인더를 분산매에 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계;
    (b) 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계;
    (c) 상기 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 음극 사이에 상기 양극과 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 전해액에 함침시키는 단계;를 포함하며,
    상기 (a) 단계에서, 상기 전극활물질은, 제1항 내지 제2항과, 제6항 중 어느 한 항에 의해 제조된 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질을 이용하되,
    상기 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시티용 전극활물질은 질소 및 불소 소스로 암모늄플루오라이드(ammonium fluoride, NH4F)가 이용되고,
    상기 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질은 전체 100 원자%에 대하여, 상기 질소 및 불소가 합산으로 1.0 ~ 2.5 원자%의 농도로 공동 도핑되고,
    상기 고출력 슈퍼커패시터는 50 mA/cm2의 전류밀도 조건에서 90% 이상의 용량유지율을 나타내고,100 ~ 120kgf·㎝-2 조건에서 2.9 ~ 3.2 S·㎝-1의 전기전도도를 나타내는 것을 특징으로 하는 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질을 이용한 고출력 슈퍼커패시터 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서,
    상기 전극활물질 100 중량부에 대하여, 도전재 1 ~ 20 중량부, 바인더 1 ~ 20 중량부 및 분산매 100 ~ 300 중량부로 혼합하는 것을 특징으로 하는 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질을 이용한 고출력 슈퍼커패시터 제조 방법.
  13. 삭제
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