KR20020045920A - Method for producing Al-coated activated carbon filament electrode and electrical double layer capacitor using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 알루미늄이 코팅된 활성탄소 필라멘트 전극 및 이를 사용한 전기 이중층 캐퍼시터의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 활성탄소섬유를 사용하여 저항이 낮으며 밀도가 높은 전극을 제조하고 이를 사용하여 전기이중층 캐퍼시터를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing an aluminum-coated activated carbon filament electrode and an electric double layer capacitor using the same, and more particularly, to fabricate an electrode having a low resistance and high density using an activated carbon fiber and using the electric double layer The present invention relates to a method of manufacturing a capacitor.
전기 이중층 캐퍼시터는 전극과 전해질 사이에 존재하는 전기 이중층에 전해질 이온의 흡착에 의한 에너지 저장을 하므로 기존의 2차 전지보다 출력밀도 특성이 뛰어나며, 비표면적이 큰 다공성 활성탄소 전극을 사용함으로써 기존의 전해 콘덴서보다 에너지 밀도가 월등하다.The electric double layer capacitor has a higher power density characteristic than a conventional secondary battery because it stores energy by adsorption of electrolyte ions in the electric double layer existing between the electrode and the electrolyte, and uses a porous activated carbon electrode having a large specific surface area. Better energy density than capacitor
일반적인 전기 이중층 캐퍼시터의 구조는 다공성 활성탄소섬유포가 집전체에 부착되어 있는 분극 전극을 양/음극에 동일하게 사용하고 전극사이에 고분자막으로 분리되어 있는 구조로서 내부에는 전해질이 채워져 있다.The structure of a general electric double layer capacitor is a structure in which a porous electrode having a porous activated carbon fiber cloth is attached to a current collector in the same manner as a positive / negative electrode, and a polymer membrane is separated between the electrodes, and an electrolyte is filled therein.
미국 특허 5,777,428호(명칭 : Aluminum-carbon composite electrode)에서는 전기 이중층 캐퍼시터의 출력 특성을 향상시키기 위한 목적으로 활성탄소섬유포 한면에 알루미늄을 코팅하고 알루미늄이 코팅된 면을 집전체에 부착시켜 전극으로 사용하였다. 이러한 종래의 전극 제조 방법은 활성탄소섬유포의 저항을 감소시켜 출력특성의 향상 효과는 있었지만, 활성탄소섬유포 자체의 낮은 밀도에 인하여 전극의 밀도가 낮고 따라서 전기이중층 캐퍼시터의 에너지 밀도가 낮은 단점이 있었다.In the US Patent No. 5,777,428 (named: Aluminum-carbon composite electrode), aluminum was coated on one side of activated carbon fiber cloth and the aluminum-coated side was attached to the current collector for the purpose of improving the output characteristics of the electric double layer capacitor. . Such a conventional electrode manufacturing method has an effect of improving the output characteristics by reducing the resistance of the activated carbon fiber cloth, but due to the low density of the activated carbon fiber cloth itself has a disadvantage of low density of the electrode and thus low energy density of the electric double layer capacitor.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 창작된 것으로서, 그 목적은 알루미늄이 코팅된 활성탄소섬유포를 적당한 크기로 분쇄하고, 바인더(binder)를 용해시킨 용액에 그 알루미늄이 코팅된 활성탄소 필라멘트를 분산시킨 혼합물을 알루미늄 박막 집전체에 코팅하여, 고밀도의 전극을 제조함으로서 에너지 밀도 특성이 향상하는, 알루미늄이 코팅된 활성탄소 필라멘트 전극 및 이를 사용한 전기 이중층 캐퍼시터의 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, the object of which is to crush the aluminum-coated activated carbon fiber cloth to a suitable size, and the activated carbon filament coated with the aluminum in a solution (binder) dissolved The present invention is to provide an aluminum-coated activated carbon filament electrode and a method of manufacturing an electric double layer capacitor using the same, by coating a dispersed mixture on an aluminum thin film current collector to improve energy density characteristics by producing a high density electrode.
도 1은 본 발명에 따른 알루미늄이 코팅된 활성탄소 필라멘트 전극의 제조물과 이를 사용한 전기 이중층 캐퍼시터를 개략적으로 도시한 것이다.1 schematically shows a preparation of an aluminum-coated activated carbon filament electrode and an electric double layer capacitor using the same according to the present invention.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※ Explanation of code for main part of drawing
1: 분극전극 2: 고분자막1: polarizing electrode 2: polymer membrane
3: 집전체3: house
4: 알루미늄이 코팅된 활성탄소 필라멘트4: activated carbon filament coated with aluminum
5: 활성탄소 필라멘트에 코팅된 알루미늄5: aluminum coated on activated carbon filament
6: 바인더 (binder) 7: 액체전해질6: binder 7: liquid electrolyte
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 알루미늄이 코팅된 활성탄소 필라멘트 (Al-coated activated carbon filament) 전극의 제조 방법은, 활성탄소섬유포에 알루미늄을 코팅시키는 제 1 단계; 상기 제 1 단계의 알루미늄이 코팅된 활성탄소섬유포를 자르고 분쇄시키는 제 2 단계; 바인더를 용매에 용해시킨 용액에 상기 제 2 단계의 알루미늄이 코팅된 활성탄소 필라멘트를 혼합하는 제 3 단계; 및 상기 제 3 단계의 혼합물을 집전체에 균일하게 도포하고 건조하여 전기 이중층 캐패시터용 전극을 완성하는 제 4단계를 포함하여 구성된다.In order to achieve the above object, a method of manufacturing an aluminum-coated activated carbon filament electrode according to the present invention includes a first step of coating aluminum on an activated carbon fiber cloth; A second step of cutting and pulverizing the activated carbon fiber cloth coated with aluminum of the first step; A third step of mixing the aluminum-coated activated carbon filament in a solution in which a binder is dissolved in a solvent; And a fourth step of uniformly applying the mixture of the third step to the current collector and drying to complete the electrode for the electric double layer capacitor.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 알루미늄이 코팅된 활성탄소 필라멘트 전극을 사용한 전기 이중층 캐퍼시터의 제조 방법은, 상기와같이 제조된 전기 이중층 캐패시터용 전극 두 장 사이에 고분자막(separator)을 위치시키고 케이스에 넣은 후 전해질 용액에 함침시키고 이를 밀봉하여 전기이중층 캐퍼시터를 제조하는 단계를 포함하여 구성된다.In addition, in order to achieve the above object, a method of manufacturing an electric double layer capacitor using an aluminum-coated activated carbon filament electrode according to the present invention, a polymer film (separator) between two sheets of the electrode for the electric double layer capacitor prepared as described above. And placing it in a case, impregnating the electrolyte solution and sealing it to produce an electric double layer capacitor.
상술된 바와 같이 본 발명에 따른 알루미늄이 코팅된 활성탄소 필라멘트 전극 및 이를 사용한 전기 이중층 캐퍼시터의 제조 방법은, 알루미늄이 코팅된 활성탄소섬유포를 분쇄에 의하여 알루미늄이 코팅된 활성탄소 필라멘트로 분쇄시켜 전극을 제조한다는 것에 그 특징이 있다.As described above, according to the present invention, an aluminum-coated activated carbon filament electrode and a method of manufacturing an electric double layer capacitor using the same are obtained by pulverizing an aluminum-coated activated carbon fiber cloth into an aluminum-coated activated carbon filament. It is characterized by manufacturing.
이하 본 발명에 따른 알루미늄이 코팅된 활성탄소 필라멘트 전극 및 이를 사용한 전기이중층 캐퍼시터의 제조 방법의 실시예에 대하여 상세히 설명토록 한다.Hereinafter, an embodiment of an aluminum-coated activated carbon filament electrode and a method of manufacturing an electric double layer capacitor using the same will be described in detail.
〔실시예1〕EXAMPLE 1
비표면적이 500∼3000m2/g 중 바람직하게 2000m2/g인 활성탄소섬유포의 한면에 이온 증착(ion vapor deposition)법으로 알루미늄을 5㎛ 두께로 코팅한다. 알루미늄이 코팅된 활성탄소섬유포를 커터(cutter)나 초퍼(chopper)로 자르고 분쇄기로 분쇄하여 그 길이가 0.1㎛ 내지 10㎛의 범위의 값을 가지는 알루미늄이 코팅된 활성탄소 필라멘트(Al-coated activated carbon filament)를 얻는다.A specific surface area of aluminum as 5㎛ 500~3000m 2 / g and preferably 2000m 2 / g of ion deposition on one surface of the activated carbon seomyupo (ion vapor deposition) method to a thickness of the coating will be. Aluminum-coated activated carbon fiber cloth is cut with a cutter or chopper and pulverized with a grinder, and an aluminum-coated activated carbon filament (Al-coated activated carbon) having a length ranging from 0.1 μm to 10 μm filament).
수용성 바인더로서 카르복시메틸 설룰로즈 나트륨 염(carboxymethylcellulose sodium salt : CMC) 0.7 g을 증류수 30㎖에 녹인 용액에 상기에서 얻어진 알루미늄이 코팅된 활성탄소 필라멘트 10g을 첨가하여 혼합한 후 알루미늄 박막에 닥터블레이드법으로 도포하고 80℃에서 4시간 건조하여 전기 이중층 캐패시터용 전극을 제조한다.0.7 g of carboxymethylcellulose sodium salt (CMC) as a water-soluble binder was dissolved in 30 ml of distilled water, and 10 g of the aluminum-coated activated carbon filament was added and mixed, followed by a doctor blade method. After application and drying at 80 ° C. for 4 hours, an electrode for an electric double layer capacitor was prepared.
상기와 같이 제조된 전극 두 장 사이에 고분자막(separator)을 위치시키고 케이스에 넣은 후 전해질 염으로서 1몰의 테트라에칠암모늄 테트라플루오로보레이트(Et4NBF4)를 유기 용매로서 아세토니트릴(acetonitrile)에 용해시킨 전해질 용액에 함침시킨다. 이를 알루미늄캔(can)이나 알루미늄-고분자 적층 방습필름으로 밀봉하여 최종적으로 전기이중층 캐퍼시터를 제조한다.A separator was placed between two electrodes prepared as described above, placed in a case, and 1 mol of tetraethylammonium tetrafluoroborate (Et4NBF4) was dissolved in acetonitrile as an organic solvent as an electrolyte salt. Immerse in electrolyte solution. It is sealed with an aluminum can or an aluminum-polymer laminated moisture-proof film to finally prepare an electric double layer capacitor.
이때, 액체 전해질의 농도는 0.5몰 내지 2.0몰 농도 범위에서 모두 사용이 가능하다. 또한 사용가능한 전해질 용액에 사용되는 염의 양이온은 4급 암모늄 양이온(R1R2R3R4N+), 리튬 양이온(Li+) 등이 사용 가능하며 음이온은 테트라플루오로보레이트 음이온(BF4-), 퍼클로레이트 음이온(ClO4-), 헥사플르오로포스패이트(PF6-) 등이 가능하므로, 이들 양이온과 음이온의 조합으로 이루어진 염을 전해질 염으로 사용 가능하다.At this time, the concentration of the liquid electrolyte can be used in both 0.5 mol to 2.0 mol concentration range. In addition, quaternary ammonium cations (R1R2R3R4N +), lithium cations (Li +), and the like may be used as the cations of the salts used in the electrolyte solution, and the anions are tetrafluoroborate anion (BF4-), perchlorate anion (ClO4-), and hexaflour. Since orophosphate (PF6-) is possible, the salt consisting of a combination of these cations and anions can be used as the electrolyte salt.
또한, 상기 4급 암모늄 양이온(R1R2R3R4N+) 및 4급 포스포늄 양이온(R1R2R3R4P+)의 알킬 그룹 R1, R2, R3, R4는, 각각 H, CH3, CH3CH2, CH3CH2CH2, (CH3)2CH, CH3CH2CH2CH2, (CH3)2CHCH2, CH3CH2(CH3)CH, (CH3)3C 중의 하나인 양이온으로서 고리를 포함하지 않는 제 1 전해질염의 양이온, 또는 두 개의 알킬그룹이 CH2CH2, CH2CH2CH2, CH2CH2CH2CH2, CH2CH(CH3)CH2CH2 중의 하나인 것을특징으로 하여 질소(N)원자 및 인(P)원자와 하나 이상의 고리를 형성하는 제 2 전해질염의 양이온 중 하나가 사용가능하다.In addition, alkyl groups R1, R2, R3, and R4 of the quaternary ammonium cation (R1R2R3R4N +) and quaternary phosphonium cations (R1R2R3R4P +) are H, CH3, CH3CH2, CH3CH2CH2, (CH3) 2CH, CH3CH2CH2CH2, and (CH3), respectively. A cation of a first electrolyte salt which does not contain a ring as a cation which is one of 2CHCH2, CH3CH2 (CH3) CH, and (CH3) 3C, or two alkyl groups are one of CH2CH2, CH2CH2CH2, CH2CH2CH2CH2, CH2CH (CH3) CH2CH2 One of the cations of the second electrolyte salt which forms one or more rings with nitrogen (N) atom and phosphorus (P) atom can be used.
상기 전해질 염을 용해시키는 유기 용매로는 아세토나이트릴(acetonitrile) 외에 에틸렌 카보네이트(Ethylene Carbonate), 프로필렌 카보네이트(Propylene Carbonate), 디에틸렌 카보네이트(Diethylene Carbonate), 디메틸렌 카보네이트(Dimethylene Carbonate), γ-부티롤락톤(γ-butyrolactone), 디프로필 카보네이트(Dipropyl Carbonate), 디에톡시 에탄(Diethoxy ethane) 또는 디메톡시 에탄(Dimethoxy ethane) 등의 유기용매 및 이들의 혼합 용매를 사용가능하다.As the organic solvent for dissolving the electrolyte salt, in addition to acetonitrile, ethylene carbonate (Ethylene Carbonate), propylene carbonate (Propylene Carbonate), diethylene carbonate (Diethylene Carbonate), dimethylene carbonate (Dimethylene Carbonate), γ-part Organic solvents such as tyrolactone (γ-butyrolactone), dipropyl carbonate (Dipropyl carbonate), diethoxy ethane or dimethoxy ethane and mixed solvents thereof may be used.
또한, 상기 알루미늄 코팅의 증착법은 이온 증착법 또는 진공 증착법이 사용가능하고, 상기 활성탄소섬유포를 대신하여 활성탄소부직포 또는 활성탄소 펠트(felt)가 사용가능하며, 상기 활성탄소섬유포에 코팅된 알루미늄의 무게비율은 활성탄소섬유포 무게 대비 0.1∼1 무게비 범위의 값을 가지도록 한다.In addition, the deposition method of the aluminum coating may be ion deposition or vacuum deposition, and an activated carbon nonwoven fabric or activated carbon felt may be used in place of the activated carbon fiber fabric, and the weight of the aluminum coated on the activated carbon fiber fabric The ratio should be in the range of 0.1 to 1 weight ratio to the weight of activated carbon fiber cloth.
〔실시예2〕EXAMPLE 2
비표면적이 500∼3000m2/g 중 바람직하게 2000m2/g인 활성탄소섬유포의 한면에 플라즈마 용사(plasma spray)법으로 알루미늄을 5㎛ 두께로 코팅한다. 알루미늄이 코팅된 활성탄소섬유포를 커터(cutter)나 초퍼(chopper)로 자르고 분쇄기로 분쇄하여 그 길이가 0.1㎛ 내지 10㎛의 범위의 값을 가지는 알루미늄이 코팅된 활성탄소 필라멘트(Al-coated activated carbon filament)를 얻는다.A specific surface area of aluminum as 5㎛ 500~3000m 2 / g and preferably 2000m 2 / g of active plasma spraying on one side of the carbon seomyupo (plasma spray) method and of the coating thickness. Aluminum-coated activated carbon fiber cloth is cut with a cutter or chopper and pulverized with a grinder, and an aluminum-coated activated carbon filament (Al-coated activated carbon) having a length ranging from 0.1 μm to 10 μm filament).
유기성 바인더로서 폴리비닐리덴 플루로라이드(Polyvinylidene difluoride) 0.7g을 용매로서 1-메틸-2-피롤리디논(1-methyl-2-pyrrolidinone) 25㎖에 녹인 용액에 알루미늄이 코팅된 활성탄소필라멘트 10g을 첨가하여 혼합한 후 알루미늄 박막에 닥터블레이드법으로 도포하고 100℃에서 3시간 건조하여 전기 이중층 캐패시터용 전극을 제조한다.10 g of activated carbon filament coated with aluminum in a solution of 0.7 g of polyvinylidene difluoride as an organic binder in 25 ml of 1-methyl-2-pyrrolidinone as a solvent After the addition and mixing, the aluminum thin film was applied by a doctor blade method and dried at 100 ° C. for 3 hours to prepare an electrode for an electric double layer capacitor.
상기와 같이 제조된 전극 두 장 사이에 고분자막을 위치시키고 케이스에 넣은 후, 전해질 염으로서 1몰의 테트라에칠암모늄 테트라플루오로보레이트(Et4NBF4)를 유기 용매로서 아세토니트릴(acetonitrile)에 용해시킨 전해질 용액에 함침시킨다. 이를 알루미늄캔(can)이나 알루미늄-고분자 적층 방습필름으로 밀봉하여 최종적으로 전기이중층 캐퍼시터를 제조한다.An electrolyte solution in which a polymer membrane was placed between two electrodes prepared as described above and placed in a case, and then 1 mol of tetraethylammonium tetrafluoroborate (Et4NBF4) was dissolved in acetonitrile as an organic solvent as an electrolyte salt. Impregnated in It is sealed with an aluminum can or an aluminum-polymer laminated moisture-proof film to finally prepare an electric double layer capacitor.
이때 액체 전해질의 농도는 0.5몰 내지 2.0몰 농도 범위에서 모두 사용이 가능하다. 또한 사용가능한 전해질 용액에 사용되는 염의 양이온은 4급 암모늄 양이온(R1R2R3R4N+), 리튬 양이온(Li+) 등이 사용 가능하며 음이온은 테트라플루오로보레이트 음이온(BF4-), 퍼클로레이트 음이온(ClO4-), 헥사플르오로포스패이트 음이온(PF6-) 등이 가능하므로, 이들 양이온과 음이온의 조합으로 이루어진 염을 전해질 염으로 사용 가능하다.At this time, the concentration of the liquid electrolyte can be used in both 0.5 mol to 2.0 mol concentration range. In addition, quaternary ammonium cations (R1R2R3R4N +), lithium cations (Li +), and the like may be used as the cations of the salts used in the electrolyte solution, and the anions are tetrafluoroborate anion (BF4-), perchlorate anion (ClO4-), and hexaflour. Since orophosphate anions (PF6-) are possible, salts consisting of a combination of these cations and anions can be used as the electrolyte salt.
상기 전해질 염을 용해시키는 유기 용매로는 상기 아세토나이트릴 외에 에틸렌 카보네이트(Ethylene Carbonate), 프로필렌 카보네이트(Propylene Carbonate), 디에틸렌 카보네이트(Diethylene Carbonate), 디메틸렌 카보네이트(Dimethylene Carbonate), γ-부티롤락톤(γ-butyrolactone), 디프로필 카보네이트(DipropylCarbonate), 디에톡시 에탄(Diethoxy ethane) 또는 디메톡시 에탄(Dimethoxy ethane) 등의 유기용매 및 이들의 혼합용매를 사용가능하다.As the organic solvent for dissolving the electrolyte salt, in addition to the acetonitrile, ethylene carbonate (Ethylene Carbonate), propylene carbonate (Propylene Carbonate), diethylene carbonate (Diethylene Carbonate), dimethylene carbonate (Dimethylene Carbonate), γ-butyrolactone Organic solvents such as (γ-butyrolactone), dipropyl carbonate (DipropylCarbonate), diethoxy ethane, or dimethoxy ethane, and mixed solvents thereof may be used.
또한, 상기 활성탄소섬유포를 대신하여 활성탄소부직포 또는 활성탄소 펠트(felt)가 사용가능하고, 상기 유기성 바인더로는 폴리비닐리덴 플루로라이드( polyvinylidene fluoride), 비닐리덴 플루오라이드-헥사플루로오프로필렌 코폴리머(polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), 폴리아크릴로나이트릴(polyacrilonitrile) , 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride), 폴리에팅렌 옥사이드(polyethylene oxide) , 폴리비닐리덴 클로라이드(polyvinylidene chloride) , 및 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene) 중 하나의 고분자 또는 이들의 혼합 고분자가 사용가능하며, 상기 활성탄소섬유포에 코팅된 알루미늄의 무게비율은 활성탄소섬유포 무게 대비 0.1∼1 무게비 범위의 값을 가지도록 한다.In addition, an activated carbon nonwoven fabric or activated carbon felt may be used in place of the activated carbon fiber cloth, and the organic binder may include polyvinylidene fluoride and vinylidene fluoride-hexafluropropylene. Polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene, polyacrylonitrile, polyvinyl chloride, polyethylene oxide, polyvinylidene chloride, and polytetrafluoro One polymer of polyethylene (polytetrafluoroethylene) or a mixed polymer thereof may be used, and the weight ratio of aluminum coated on the activated carbon fiber cloth may have a value in the range of 0.1 to 1 weight ratio based on the weight of the activated carbon fiber cloth.
상술된〔실시예 1〕및〔실시예 2〕에서 최종적으로 제조되는 전기이중층 캐퍼시터는 도 1에 도시된 바와 같이 한 쌍의 분극전극(1)이 다공성 고분자막(2)을 사이에 두고 적층되어 있으며, 집전체(3)가 상기 분극전극(1)에 부착되어 있는 구조로 되어 있다. 상기 분극전극(1)은 바인더(6), 알루미늄이 코팅된 활성탄소 필라멘트(4), 활성탄소섬유에 코팅된 알루미늄(5) 및 액체전해질(7)로 구성되어 있다.The electric double layer capacitor finally manufactured in the above-described [Example 1] and [Example 2] has a pair of polarizing electrodes 1 laminated with a porous polymer membrane 2 therebetween as shown in FIG. The current collector 3 is structured to be attached to the polarization electrode 1. The polarizing electrode 1 is composed of a binder 6, an activated carbon filament 4 coated with aluminum, an aluminum 5 coated on the activated carbon fiber, and a liquid electrolyte 7.
이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 알루미늄이 코팅된 활성탄소 필라멘트 전극 및 이를 사용한 전기 이중층 캐퍼시터의 제조 방법에 의하면, 기존의 알루미늄이 코팅된 활성탄소섬유포를 그대로 전극으로 사용하는 방법보다 알루미늄이 코팅된 활성탄소섬유포를 적당한 크기로 분쇄하여 바인더(binder)를 용해시킨 용액에 알루미늄이 코팅된 활성탄소 필라멘트를 분산시킨 혼합물을 알루미늄 박막 집전체에 코팅하여 전극을 제조함으로서 고밀도화된 전극을 제조할 수가 있으며, 이 전극을 사용한 전기 이중층 캐퍼시터의 제조시 에너지 밀도의 향상 효과가 창출된다.As described in detail above, according to the present invention, a method of manufacturing an aluminum-coated activated carbon filament electrode and an electric double layer capacitor using the same, wherein the aluminum-coated activated carbon fiber cloth is used as an electrode rather than the method of using an aluminum-coated activated carbon fiber cloth as an electrode By pulverizing the activated carbon fiber cloth to a suitable size, a mixture of aluminum-activated carbon filaments dispersed in a binder solution is coated on an aluminum thin film current collector to produce an electrode, which can be made denser. The effect of improving the energy density in the production of the electric double layer capacitor using this electrode is created.
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