KR20030000900A - 캐패시터의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고용량의 캐패시터를 제조하기 위하여 여러 개의 단위 셀을 제조하여 적층 할 필요가 없이 캐패시터 구성체의 길이와 넓이 및 감는 횟수의 조절로 용량을 쉽게 조절할 수 있을 뿐 아니라 형태를 자유로이 변형시킬 수 있는 캐패시터의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 캐패시터 제조방법은 집전체 양면에 전극을 코팅하는 단계와; 고분자 겔 전해질 필름을 제조하는 단계와; 상기 단계에서 제조한 전극 및 고분자 겔 전해질 필름을 제 1 전극, 제 1 고분자 겔 전해질 필름, 제 2 전극, 제 2 고분자 겔 전해질 필름을 순차적으로 배열하고 원형 또는 타원형으로 감는 단계와; 상기 원형 또는 타원형으로 감겨진 캐패시터를 압착하여 필름형태의 박형으로 제조하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 캐패시터의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 고용량의 캐패시터를 제조하기 위하여 여러 개의 단위 셀을 제조하여 적층 할 필요가 없이 캐패시터 구성체의 길이와 넓이 및 감는 횟수의 조절로 용량을 쉽게 조절할 수 있을 뿐 아니라 형태를 자유로이 변형시킬 수 있는 캐패시터의 제조방법에 관한 것이다.
최근 산업이 급속히 발전함에 따라 에너지 저장기기의 고성능화와 고기능화가 요구되고 있는데 이에 부응하여 초고용량 캐패시터는 에너지의 대량 저장과 고성능화가 요구되는 산업체 많은 관심의 대상이 되어지고 있다. 이에 캐패시터의 전극으로는 에너지 밀도가 높은 탄소를 전극소재로 사용하거나 동력 밀도를 증가시키기 위해 전도성 고분자를 사용한다. 또한 액체전해질 대신 고체 고분자 전해질이나 유기용매와 염을 고분자에 혼합한 겔상의 고분자 전해질을 캐패시터에 사용함으로써 고분자 특유의 특성을 이용하여 박형 등 캐패시터의 형태를 다양하게 제조할 수 있으며, 기술의 개선에 따라 제조공정도 혁신적으로 단순화시킬 수 있는 가능성 등 많은 장점이 있다.
그런데 지금까지 캐패시터에 사용되어온 고분자 전해질은 염과 가소제로서 유기용매를 포함한 고분자 겔형과 유기용매를 포함하지 않은 완전 고상의 고분자 전해질로 크게 두가지 형태로 분류할 수 있다. 후자는 기계적 물성이 우수하지만 이온전도도가 떨어져 상온에서 사용할 수 없는 단점이 있고, 전자는 상온에서 유기용매에서 얻어지는 이온전도도와 비슷한 높은 이온 전도도를 나타내지만 기계적 물성이 떨어져 전지의 제조공정을 어렵게 하는 단점이 있다. 특히, 고분자 겔이 유동성이 있어 충방전시 전극의 저항을 증가시켜 캐패시터의 수명이 떨어지는 단점이 나타나며, 또한 기계적 물성이 부족하여 고분자 겔 전해질을 필름상으로 만들기 어려워 조립공정을 어렵게 만드는 단점이 있다.
따라서, 일정한 크기의 용량을 갖는 단위 셀을 제조하는 공정을 어렵게 할 뿐 아니라 고용량의 캐패시터를 제조할 때는 단위 셀을 여러 장 적층하는 공정이 필수적으로 수반되어 캐패시터의 제조공정을 복잡하게 만들뿐만 아니라 다양하게 요구되는 캐패시터의 형태 및 용량 변화에 탄력적으로 대응할 수 없는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 상술한 캐패시터의 제조공정의 단점을 개선하여 용이하게 캐패시터를 제조할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 캐패시터 제조방법은 집전체 양면에 전극을 코팅하는 단계와; 고분자 겔 전해질 필름을 제조하는 단계와; 상기 단계에서 제조한 전극 및 고분자 겔 전해질 필름을 제 1 전극, 제 1 고분자 겔 전해질 필름, 제 2 전극, 제 2 고분자 겔 전해질 필름을 순차적으로 배열하고 원형 또는 타원형으로 감는 단계와; 상기 원형 또는 타원형으로 감겨진 캐패시터를 압착하여 필름형태의 박형으로 제조하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 캐패시터 조립을 위한 구성체의 배열을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 고분자 전해질 필름을 이용한 캐패시터의 제조공정도이다.
도 3은 <실시예 2>에서 샘플(Sample) 1 캐패시터의 충방전 싸이클에 대한 축전용량을 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 제 1 전극 2: 집전체
3: 제 1 고분자 전해질 필름 4: 제 2 전극
5: 집전체 6: 제 2 고분자 전해질 필름
본 발명의 캐패시터 제조방법은 집전체(2)(5) 양면에 전극(1)(4)을 코팅하는 단계와; 고분자 겔 전해질 필름(3)(6)을 제조하는 단계와; 상기 단계에서 제조한 전극 및 고분자 겔 전해질 필름을 제 1 전극(1), 제 1 고분자 겔 전해질 필름(3), 제 2 전극(4), 제 2 고분자 겔 전해질 필름(6)을 순차적으로 배열하고 원형 또는 타원형으로 감는 단계와; 상기 원형 또는 타원형으로 감겨진 캐패시터를 압착하여 필름형태의 박형으로 제조하는 단계를 포함한다.
상기에서 캐패시터 전극 내부의 집전체는 알루미늄, 탄탈륨, 티탄산 바륨(Titanium-Barium) 중에서 선택된 한가지를 사용할 수 있으며, 제 1 전극 또는 제 2 전극은 탄소, 전도성 고분자, 금속산화물 중에서 선택된 한가지를 사용하여 닥터브레이드법으로 코팅하고 압착하여 전극의 두께는 80∼140㎛로 제조한다. 전극의 두께를 80㎛ 미만으로 하면 축전용량이 작은 문제가 있고, 140㎛ 초과하면 저항이 커지는 문제가 있어 전극의 두께는 80∼140㎛로 유지하는 것이 좋다.
상기에서 캐패시터의 전극으로 사용하는 탄소는 천연 흑연, 키시흑연(Kish graphite), 열분해 탄소(pyrolytic carbon), 액정 피치계 탄소섬유(mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체(Meso-carbon microbeads), 액정피치(Mesophase pitches), 석유와 석탄계 코크스(petroleum or coal tar pitch derived cokes) 중에서 선택된 한가지를 사용한다.
한편 탄소이외에 본 발명의 캐패시터 전극으로 사용하는 전도성 고분자는 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리피롤(polypyyrole), 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리티오펜(polythiopene), 폴리(3-알킬-티오펜)(Poly(3-alkyl-thiophene)), 폴리페닐렌(Polyphenylene), 폴리페닐렌 설파이드(Polyphenylene sulfide), 폴리페닐렌 비닐렌(Polyphenylene vinylene) 중에서 선택된 한가지를 사용할 수 있으며,
탄소 및 전도성 고분자 이외에 캐패시터의 전극으로 사용할 수 있는 금속산화물은 루테늄산화물, 니켈산화물, 이산화망간, 이산화코발트 중에서 선택된 한가지를 사용한다.
상기에서 캐패시터의 제 1 고분자 겔 전해질 필름 및 제 2 고분자겔 전해질 필름은 폴리에틸렌옥사이드, 폴리에틸렌옥사이드 공중합체, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리아크릴로니트릴 공중합체, 폴리(비닐리덴 플루라이드), 폴리(비닐리덴 플루라이드) 공중합체(P(VdF-co-HFP)), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리비닐클로라이드(PVC)를 각각 단독으로 사용하거나 또는 2성분 이상 혼합물인 고분자 5∼30 중량%,
아세토나이트릴(AN), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 디에틸렌 카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC)를 각각 단독으로 사용하거나 또는 이들의 혼합물인 유기용매 70∼90 중량%,
TEABF4(tetraethylammonium tetrafluorborate), LiClO4(lithium perchlorate), LiPF6(lithium hexafluorophosphate), LiAsF6(lithiumhexafluoroarsenate) 중에서 선택된 한가지인 염 2∼10 중량%,
유기용매가 고분자필름 밖으로 빠져나가지 않게 하기 위하여 퓸화된 이산화규소(fumed SiO2) 0.1∼2.0 중량% 혼합하여 겔 조성물을 제조한 후, 보강제에 함침 또는 코팅하여 고분자 겔 전해질 필름을 제조한다.
고분자 겔 전해질 필름의 보강제는 다공성 폴리프로필렌 뿐만 아니라 직조(woven) 또는 비직조(non-woven) 형태의 폴리에스터, 나이론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 천연 폴리펩티드 등의 유기계 고분자 뿐만 아니라 유리섬유 등의 무기계 고분자를 사용하여도 좋다.
상기의 제 1 고분자 겔 전해질 필름 및 제 2 고분자 겔 전해질 필름 제조에 있어서 고분자를 5 중량% 미만 사용하면 기계적 강도가 약해지는 단점이 있고, 30 중량% 초과 사용하면 저항이 증가하는 문제가 있어 고분자는 5∼30 중량%를 유지하는 것이 좋으며, 유기용매를 70 중량% 미만 사용하면 이온전도도가 떨어지고, 90 중량%를 초과 사용하면 전극과의 계면 저항이 증가하는 문제가 있어 유기용매는 70∼90 중량% 유지하는 것이 좋다.
염은 2 중량% 미만 사용시 저항이 증가하는 문제가 있으며, 10 중량% 초과 사용하면 불필요한 중량이 증가하는 문제가 있어 염은 2∼10 중량% 유지하는 것이 좋으며, 퓸화된 이산화규소(fumed SiO2) 0.1 미만 사용하면 유기용매가 고분자필름밖으로 빠져나가지 않게 하는 역할이 미미한 문제가 있고, 2.0 중량% 초과 사용하면 저항이 증가하는 문제가 있어 퓸화된 이산화규소(fumed SiO2)는 0.1∼2.0 중량% 유지하는 것이 좋다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 아래 실시예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
전극은 MSC 30(Kansai Coke사 제품, Japan) 85 중량%, 도전재 SUPER P(MMM Carbon, Belgium) 5 중량%, 폴리(비닐리덴 플루라이드)(PVdF, Timcal co., Swiss) 10 중량%를 100㎖ 엔메틸피롤리디돈(NMP)에 녹여 제조한 슬러지를 집전체인 알루미늄 포일 위에 코팅한 후 90℃ 오븐에서 건조하고 롤프레스를 이용하여 압착하여 최종 두께는 80∼140㎛로 제조하였다.
분자 겔 전해질 필름은 10,000∼1,000,000의 분자량의 고분자 폴리아크릴로니트릴(PAN) 15 중량%, 에틸렌 카보네이트(EC) 42 중량%, 프로필렌 카보네이트(PC) 42 중량%, TEABF45 중량%, 및 퓸화(fumed) SiO21 중량% 혼합물을 120℃에서 2시간 동안 가열하여 제조한 고분자 겔을 보강제인 직포 또는 부직포 형태의 천연 폴리펩타이드계 고분자에 함침하여 제조하였다.
이렇게 제조된 고분자 겔 전해질 필름의 두께는 25㎛ 이었으며, 20℃에서 2.3×10-3S/cm의 이온전도도를 갖는다.
캐패시터는 상기와 같이 제조한 고분자 겔 전해질 필름, 전극을 사용하여 바이폴라 형태(bipolor type)로 도 1과 같이 배열하고 도 2에 도시된 바와 같이 순차적으로 제 1 전극(1), 제 1 고분자 겔 전해질 필름(3), 제 2 전극(4), 제 2 고분자 겔 전해질 필름(6)을 직경 3cm, 폭이 5cm 원통형 와인더를 이용하여 감은 후 80∼140㎛ 정도의 두께가 되도록 압착하여(10) 박형의 필름 형태로 캐패시터를 성형(20)한 후 탭을 붙이고(30) 알루미늄에 대전방지 고분자가 코팅된 봉투 형태의 4중지를 사용하여 진공 패킹하였다(40).
상기와 같이 성형된 캐패시터에 1mA/cm2의 전류를 가하면서 충방전 특성을 조사한 결과 축전용량(capacitance)이 110F/g으로 나타났다.
<실시예 2>
캐패시터에 사용된 고분자 겔 전해질 필름 및 전극은 실시예 1에서의 제조과정과 동일하고, 다만 고분자 겔 전해질 필름제조시 하기 표 1의 유기용매와 염의 종류에 따라 캐패시터를 제조하여 축전용량을 측정하여 그 결과를 아래의 표 1과 같이 나타났다.
한편 샘플(Sample) 1 캐패시터의 충방전 싸이클에 대한 축전용량을 측정하여그 결과를 도 3에 그래프로 나타내었다.
<표 1> 고분자 겔 전해질 필름제조시 유기용매 및 염의 차이에 따른 캐패시터 용량
| Sample | 유기용매 | 염 | capacitance (F/g) |
| 1 | EC/PC* | LiClO4 | 103 |
| 2 | EC/PC | TEABF4 | 110 |
| 3 | AN | TEABF4 | 112 |
| 4 | AN | LiClO4 | 105 |
*EC : 에틸렌 카보네이트, PC : 프로필렌 카보네이트, AN : 아세토나이트릴
<실시예 3>
캐패시터에 사용된 고분자 겔 전해질 필름 및 전극은 실시예 1에서의 제조한 것과 동일하고, 다만 고분자 겔 전해질 필름 제조시 보강제로서 폴리프로필렌 섬유를 사용한바 1.5×10-3S/cm의 이온전도도를 갖음을 알 수 있었다.
이들을 실시예 1과 같이 캐패시터를 성형하여 축전용량을 측정한 결과 113F/g으로 나타내었다.
<실시예 4>
캐패시터에 사용된 고분자 겔 전해질 필름 및 전극은 실시예 1에서의 제조한 것과 동일하고, 다만 고분자 겔 전해질 필름 제조시 보강제로서 폴리펩타이드 섬유를 사용한 경우 2.3×10-3S/cm의 이온전도도를 나타내었다. 이들을 실시예 1과 같이 캐패시터를 성형하여 축전용량을 측정한 결과 109F/g으로 나타내었다.
<실시예 5>
캐패시터에 사용된 고분자 겔 전해질 필름 및 전극은 실시예 1에서의 제조한 것과 동일하고, 다만 고분자 겔 전해질 필름 제조시 폴리아크릴로니트릴에 폴리(비닐리덴 플루라이드) 공중합체를 3∼5 중량% 첨가한 경우에도 3.3×10-3S/cm의 이온 전도도를 나타내었다. 이들을 실시예 1과 같이 캐패시터를 성형하여 축전용량을 측정한 결과 112F/g으로 나타내었다.
<실시예 6>
캐패시터에 사용된 고분자 겔 전해질 필름 및 전극은 실시예 1에서의 제조한 것과 동일하고, 다만 고분자 겔 전해질 제조시 전극위에 전체 또는 국부적으로 코팅하여 폴리프로필렌, 폴리(비닐리덴 플루라이드), 폴리에틸렌등의 다공성 고분자 필름을 접착하고, 도 1과 같이 배열하고, 원통형으로 감아 압착한 후 전해질 함침공정을 거쳐 캐패시터를 완성하였다. 이러한 공정을 거친 캐패시터는 110F/g의 축전용량을 나타내었다.
본 발명의 방법은 고용량의 캐패시터를 제조하기 위하여 여러 개의 단위 셀을 제조하여 적층할 필요가 없이 캐패시터 구성체의 길이와 넓이 및 감는 횟수의조절로 단위 셀의 용량을 쉽게 조절할 수 있을 뿐만 아니라 형태를 자유로이 변형시킬 수 있는 장점이 있다.
Claims (11)
- 캐패시터 제조방법에 있어서, 집전체 양면에 전극을 코팅하는 단계와;고분자 겔 전해질 필름을 제조하는 단계와;상기 단계에서 제조한 전극 및 고분자 겔 전해질 필름을 제 1 전극, 제 1 고분자 겔 전해질 필름, 제 2 전극, 제 2 고분자 겔 전해질 필름을 순차적으로 배열하고 원형 또는 타원형으로 감는 단계와;상기 원형 또는 타원형으로 감겨진 캐패시터를 압착하여 필름형태의 박형으로 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 제조방법
- 제 1항에 있어서, 집전체는 알루미늄, 탄탈륨, 티탄산 바륨(Titanium-Barium) 중에서 선택된 한가지임을 특징으로 하는 캐패시터의 제조방법
- 제 1항에 있어서, 제 1 전극 또는 제 2전극은 탄소, 전도성 고분자, 금속산화물 중에서 선택된 한가지 임을 특징으로 하는 캐패시터의 제조방법
- 제 1항에 있어서, 제 1 고분자겔 전해질 복합체 필름 및 제 2 고분자겔 전해질 복합체 필름은 고분자 5∼30 중량%, 유기용매 70∼90 중량%, 염 2∼10 중량%, 퓸화된 이산화규소(fumed SiO2) 0.1∼2.0 중량% 혼합한 후 보강제에 함침 또는 코팅하여 고분자 겔 전해질 필름을 제조하는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 제조방법
- 제 3항에 있어서, 탄소는 천연 흑연, 키시흑연(Kish graphite), 열분해 탄소(pyrolytic carbon), 액정 피치계 탄소섬유(mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체(Meso-carbon microbeads), 액정피치(Mesophase pitches), 석유와 석탄계 코크스(petroleum or coal tar pitch derived cokes) 중에서 선택된 한가지 임을 특징으로 하는 캐패시터의 제조방법
- 제 3항에 있어서, 전도성 고분자는 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리피롤(polypyyrole), 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리티오펜(polythiopene), 폴리(3-알킬-티오펜)(Poly(3-alkyl-thiophene)), 폴리페닐렌(Polyphenylene), 폴리페닐렌 설파이드(Polyphenylene sulfide), 폴리페닐렌 비닐렌(Polyphenylene vinylene) 중에서 선택된 한가지 임을 특징으로 하는 캐패시터의 제조방법
- 제 3항에 있어서, 금속산화물은 루테늄산화물, 니켈산화물, 이산화망간, 이산화코발트 중에서 선택된 한가지 임을 특징으로 하는 캐패시터 형성방법
- 제 4항에 있어서, 고분자는 폴리에틸렌옥사이드, 폴리에틸렌옥사이드 공중합체, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리아크릴로니트릴 공중합체, 폴리(비닐리덴 플루라이드), 폴리(비닐리덴 플루라이드) 공중합체(P(VdF-co-HFP)), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리비닐클로라이드(PVC)를 각각 단독으로 사용하거나 또는 2성분 이상 혼합물 임을 특징으로 하는 캐패시터의 제조방법
- 제 4항에 있어서, 유기용매는 아세토나이트릴(AN), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), 디에틸렌 카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC)를 각각 단독으로 사용하거나 또는 이들의 혼합물 임을 특징으로 하는 캐패시터의 제조방법
- 제 4항에 있어서, 염은 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluorborate), LiClO4(lithium perchlorate), LiPF6(lithium hexafluorophosphate), LiAsF6(lithium hexafluoroarsenate) 중에서 선택된 한가지 임을 특징으로 하는 캐패시터의 제조방법
- 제 4항에 있어서, 보강제는 다공성 폴리프로필렌, 직조(woven) 또는 비직조(non-woven) 형태의 폴리에스터, 나이론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 유리섬유 중에서 선택된 한가지 임을 특징으로 하는 캐패시터의 제조방법
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