KR20030025037A - 박막형 전기 이중층 캐패시터 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 활성탄, 전도성 개량제 및 바인더를 분산매와 혼합하여 제조되는 전극(10)을 포함하여 이루어진 박막형 전기 이중층 캐패시터(100) 제조방법에 있어서, 상기 전극의 바인더는 PVdF(polyvinylidenefluoride)와 PVP(polyvinylpyrrolidone)를 혼합한 혼합 바인더인 것을 그 기술적 방법상의 기본 특징으로 하고, 이에 따라 전극(10)의 구성이 되는 바인더를 PVdF와 PVP의 혼합으로 된 혼합 바인더를 제공하므로써 박막형 전기 이중층 캐패시터(100)의 충·방전 특성, 비정전용량, ESR, 에너지 밀도 및 비표면적 등이 우수하게 되어 전기화학적으로 고용량·고효율을 요구하는 시스템에 적합하게 사용될 수 있는 탁월한 효과가 있다.
Description
본 발명은 박막형 전기 이중층 캐패시터 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유연성을 갖게 하는 PVdF와 기계적 강도를 높이기 위하여 가교 결합력이 우수하고 환경 친화적인 PVP를 첨가한 전극을 제공하여 전기 이중층 캐패시터의 전기화학적인 특성을 크게 향상시킬 수 있는 박막형 전기 이중층 캐패시터 제조방법에 관한 것이다.
근래 들어 전자기술의 발달로 각종 휴대용 전자기기를 비롯하여 하이브리드 전기 자동차 등과 같이 독립된 전원장치를 요구하고 있는 시스템, 그리고 순간적인 과부하를 감당하여야만 하는 시스템 등에서 갈수록 고용량·고효율의 에너지 저장장치를 필요로 하고 있다.
이에 따라 Ni-Cd 전지, Ni-MH 전지 및 Li 전지 등 2차 전지가 제안되고 있으나, 수은 전지 또는 Ni-Cd 전지 등은 전극소재가 환경오염을 유발시키는 중금속으로 구성되어 있어 오히려 자제하고 있는 실정이고, Ni-MH 전지는 전극 가격이 고가이고 그 무게가 무거우며, Ni-Cd 전지 및 Li 전지 등과 같은 2차 전지는 과충전(over charge) 또는 고온상태에서의 폭발 위험성 방지 또는 제조공정의 단순화 등의 개선할 점 등이 과제로 남아 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 최근 들어 캐패시터와 전지의 단점을 보완하고자 hybrid pulse power용 전기 이중층 캐패시터(EDLC; Electric DoubleLayer Capacitor)의 개발이 주목을 받고 있다.
전기 이중층 캐패시터는 전지와 비교하여 사용 가능한 온도범위와 전압범위가 상대적으로 넓고 충전시간이 짧은 특성이 있다. 특히 물리적인 전하의 흡·탈착에 의한 에너지 저장 원리인 산화·환원반응을 이용하는 전지에 비해 반영구적인 수명특성을 나타내고, 이에 따라 사용 중 유지보수가 필요 없으며 환경 친화적 소재를 사용하고 있기 때문에 폐기할 경우에는 공해유발의 위험성이 극히 적어 그 장점으로 인정받고 있다.
더불어, 전해 콘덴서와 전지의 중간특성을 나타내고 있는 전기 이중층 캐패시터는 충전특성과 수명특성에 있어서 종래 전해 콘덴서와 동등하지만 방전특성은 전지특성과 오히려 유사하여 상대적으로 오랜 시간동안 사용할 수 있고, 에너지 밀도가 큰 전지에 비해 출력밀도가 우수하여 고용량·고효율의 시스템에 적합하다 할 수 있다.
한편, 에너지 저장성능을 평가하는 요소로는 크게 단위 무게당 또는 단위 부피당 저장할 수 있는 에너지량을 나타내는 에너지밀도(energy density)와 단위 시간당 사용할 수 있는 에너지량을 나타내는 동력밀도(power density)를 들 수 있는 데, 2차 전지가 우수한 에너지밀도를 보유하고 있지만 고성능의 동력원의 필수 요소인 동력특성이 취약한 반면 전기 이중층 캐패시터는 고출력이 요구되는 응용분야에 단독 혹은 2차 전지와 병합하여 하이브리드 시스템 형태로 사용할 수 있는 장점이 있다.
따라서, 본 출원인은 이러한 장점을 갖는 박막형 전기 이중층 캐패시터의 제조방법을 더욱 개선하여 이하에 제안하고자 한다.
본 발명은 상기와 같은 제안을 통하여 기획된 것으로, 그 목적으로 하는 바는 유연성을 갖게 하는 PVdF와 기계적 강도를 높이기 위하여 가교 결합력이 우수하고 환경 친화적인 PVP를 첨가한 전극을 제공하여 전기 이중층 캐패시터의 전기화학적 특성을 크게 향상시킬 수 있으며 고출력 POWER를 높여 핸드폰, 노트북 등 휴대정보통신기기의 보조 전원 등에 다양하게 활용할 수 있는 박막형 전기 이중층 캐패시터 제조방법을 제공함에 있다.
도 1은 박막형 전기 이중층 캐패시터의 구조를 나타내는 개략도.
도 2는 박막형 전기 이중층 캐패시터의 충전원리를 설명하기 위한 개략도.
도 3은 박막형 전기 이중층 캐패시터의 충방전원리를 설명하기 위한 회로도.
도 4는 박막형 전기 이중층 캐패시터의 충방전원리를 설명하기 위한 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 박막형 전기 이중층 캐패시터 제조방법을 나타내는 흐름도.
도 6은 활성탄(activated carbon; BP-20) 94wt% 및 바인더(PVdF; Kynar 731) 6wt%의 시간에 대한 voltage의 그래프.
도 7은 활성탄(BP-20) 94wt% 및 바인더(PVdF; Kynar 731) 6wt%의 Nyquist 그래프.
도 8은 활성탄(BP-20) 89wt%, 전도성 개량제(super P) 5wt%에 대하여 혼합 바인더[PVdF; Kynar 731, Kynar 2801 - PVP] 6wt%의 시간에 대한 voltage의 그래프.
도 9는 활성탄(BP-20) 89wt%, 전도성 개량제 5wt%에 대하여 혼합 바인더[PVdF; Kynar 731, Kynar 2801 - PVP] 6wt%의 Nyquist 그래프.
도 10은 활성탄(BP-20) 82wt%, 전도성 개량제 12wt%에 대하여 혼합 바인더[PVdF; Kynar 731 - PVP] 6wt% 시간에 대한 voltage의 그래프.
도 11은 활성탄(BP-20) 82wt%, 전도성 개량제 12wt%에 대하여 혼합 바인더[PVdF; Kynar 731 - PVP] 6wt% 의 Nyquist 그래프.
도 12는 활성탄(BP-20) 82wt%, 전도성 개량제 12wt%에 대하여 혼합 바인더[PVdF; Kynar 731, Kynar 2801 - PVP] 6wt%의 unit cell 2개를 병렬 연결한 경우의 방전시간에 대한 voltage 그래프.
도 13은 활성탄(BP-20) 82wt%, 전도성 개량제 12wt%에 대하여 혼합 바인더[PVdF; Kynar 731, Kynar 2801 - PVP] 6wt%의 unit cell 2개를 병렬 연결한 경우의 Nyquist 그래프.
도 14는 박막형 전기 이중층 캐패시터의 구조를 설명하기 위한 개략도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 전극 20 : 전해액
30 : 집전체 40 : 격리막
50 : 가스켓 60 : 케이스
70 : 단자 100 : 박막형 전기 이중층 캐패시터
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 활성탄, 전도성 개량제 및 바인더를 혼합하여 제조되는 전극을 포함하여 이루어진 박막형 전기 이중층 캐패시터 제조방법에 있어서, 상기 전극의 바인더는 PVdF(polyvinylidenefluoride)와 PVP(polyvinylpyrrolidone)를 혼합한 혼합 바인더인 것을 그 기술적 방법상의 기본 특징으로 하여 전기 이중층 캐패시터의 전기화학적 성능을 크게 향상시키는 것을 제안한다.
이하, 본 발명에 따른 박막형 전기 이중층 캐패시터를 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 박막형 전기 이중층 캐패시터(100)의 구조를 나타내는 개략도로서 전극(10), 전해액(20), 집전체(30) 및 격리막(40)으로 이루어진 모습을 보여주고 있다.
박막형 전기 이중층 캐패시터(100)는 서로 다른 두 전극(10) 사이에 존재하는 계면에서 +, - 전하가 단거리에 접하여 배열된 분포를 이용하여 에너지를 저장하고, farad 단위의 높은 정전용량 특성을 나타내며 충·방전 사이클에 의한 성능변화 및 열화가 극히 작은 특성이 있다.
전극(10)은 비표면적이 큰 활성탄(activated carbon)을 사용하여 전해액(20)과의 계면에서 형성된 전기 이중층에 의한 전하를 저장하고, 이러한 전극(10)은 전기적 특성 중 정전용량(capacitance)과 내부저항 특성이 가장 중요한 성능평가의 기준이 되므로 그 소재의 자체 비저항이 낮아야 하고 다공질 구조체이어야 하며, 다공질 구조 중 세공크기 및 분포가 단순하고 일정범위에 편중되어야 한다. 이러한 전극(10) 소재의 특성은 박막형 전기 이중층 캐패시터(100)의 고유 충·방전 특성을 지배한다.
따라서, 현재 전극(10)으로 비표면적이 넓고 가격이 저렴한 활성탄소계를 많이 사용하고 있으며 에너지 밀도를 높이기 위하여 금속산화물 및 전도성고분자를 이용한 연구가 증가되고 있다.
전해액(20)은 유기용매와 4급 암모늄염(유기계), 황산수용액(수용액계) 등을 사용한다. 유기용매 전해액 중에서 propylene carbonate(PC)와 ethylmethyl carbonate(EMC) 그리고 PC와 dimethoxyethane(DME)을 일정비율 혼합시켜 전기 전도도를 향상시킬 수 있다.
유기계 전해액을 사용한 박막형 전기 이중층 캐패시터(100)의 면적당 정전용량은 4∼6㎌/㎠이며, 유기계보다 수용액계의 전기 전도도가 높기 때문에 수용액계 전해액의 경우에는 5∼10㎌/㎠으로 수용액계 전해액이 우수한 특성을 나타내기도 하나 potential window가 좁고 분해가 일어나는 등의 단점이 있기도 한다.
격리막(40)으로는 부직포, 다공질 polyethylene(PE), polypropylene(PP) film 등을 사용한다.
박막형 전기 이중층 캐패시터(100)의 충전원리는 도 1에 도시된 바와 같이 격리막(40)을 사이에 두고 두 전극(10)과 전해액(20)이 대립하고 있는 상황에서 도 2의 박막형 전기 이중층 캐패시터(100)의 충전원리를 설명하기 위한 개략도에 도시된 바와 같이 외부로부터 전기 에너지의 공급이 없는 상태에서는 내부의 전하분포가 불균일한 bulk 상태가 되어 전극(10)간 전위차가 0이 되고, 도 3의 박막형 전기 이중층 캐패시터(100)의 충방전원리를 설명하기 위한 회로도에 도시된 바와 같이 외부로부터 전기 에너지가 공급되면 내부의 전하분포가 균일하게 형성되어 도 2에 도시된 바와 같이 두 전극(10) 사이에 전위차 2Φ1전압의 에너지가 충전된다.
이때, 전기 에너지의 공급이 중단되더라도 이미 형성된 전기 이중층은 소멸되지 않으며 충전된 전기 에너지는 그대로 유지 보존된다.
이러한 박막형 전기 이중층 캐패시터(100)의 전기 화학적인 충·방전 원리를 수학식으로 표현하면 다음과 같다.
여기서, Es는 탄소전극 표면을 나타내고 //는 전기 이중층을 나타내며, 전하가 이러한 이중층 양면에 충전되고, C+와 A-는 전해질에서의 양이온과 음이온을 각각 나타낸다.
충전된 전기 에너지를 산술적으로 나타낸 것이 정전용량이며, 일반적으로 박막형 전기 이중층 캐패시터(100)의 정전용량은 아래의 수학식 4와 같이 두 개의 다른 전극(10) 간의 거리(d)에 반비례하고 전해액(20)의 유전상수(ε), 전극(10)의 비표면적(A)에 비례한다.
따라서, 두 전극(10) 사이의 간격이 작을수록 전해액(20)의 유전상수 및 전극(10)의 비표면적이 클수록 박막형 전기 이중층 캐패시터(100)의 정전용량은 증가하고, 특히 활성탄 전극(10)의 세공크기, 분포 및 비저항 등의 특성과 활성물질,전해액(20)의 전기 화학적 특성에 의하여 박막형 전기 이중층 캐패시터(100)는 좌우된다.
한편, 박막형 전기 이중층 캐패시터(100)의 정전용량은 도 3에 도시된 바와 같은 회로도를 구성한 다음, 도 4의 박막형 전기 이중층 캐패시터(100)의 충방전원리를 설명하기 위한 그래프에 도시된 바와 같이 외부로부터 전기 에너지를 공급하여 전압이 V2가 될 때까지 일정시간(10여분) 충전한 후 I만큼의 정전류로 V1전압까지 방전을 진행하고, 방전시간 Δt를 측정하여 아래의 수학식 5와 같이 계산할 수 있다.
여기서, 내부저항 R과 방전전류 I의 곱은 방전시작 부분에서 전압강하(IR drop)를 형성하여 방전시간을 단축시키며 등가직렬저항(ESR; Equivalent Series Resistance)의 크기(값)를 예측할 수 있다.
또한, V2의 전압은 박막형 전기 이중층 캐패시터(100)의 전해액(20)의 종류에 따라 변화하며 H2SO4, KOH 수용액 등을 사용하는 수용액계 전해액의 경우에는 전해액(20)의 분해전압이 1.20∼1.23V 범위이며, 이때 V2전압은 분해전압보다 낮은 1.0V 이하로 하며, PC(propylene carbonate), N, N-dimethylformamide(DMF) 및 γ-butyrolatone(GBL) 등을 용매로 사용하는 유기계 전해액의 경우에는 전해액(20)의 분해전압이 3.0V 이상으로 V2전압은 2.7V 이하의 범위에서 측정된다.
박막형 전기 이중층 캐패시터(100)의 에너지 밀도는 정전용량 값을 이용하여 아래의 수학식 6으로 계산할 수 있다.
여기서, ED는 에너지 밀도, C는 비정전용량, V는 전압차를 나타낸다.
이러한 특성은 박막형 전기 이중층 캐패시터(100)에 사용되는 전극(10)과 전해액(20)의 종류에 따라 구분되고, 전극(10)은 박막형 전기 이중층 캐패시터(100)의 정전용량, 내부저항 등에 영향을 주며, 전극(10)표면의 세공크기와 분포 등과 전해질의 이온 반경과 밀접한 관계를 가진다.
도 5는 본 발명에 따른 박막형 전기 이중층 캐패시터 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
본 발명에 따른 박막형 전기 이중층 캐패시터(100)는 전극(10), 전해액(20), 집전체(30) 및 격리막(40)으로 이루어지고, 이중 전극(10)은 활성탄, 전도성 개량제 및 바인더로 제조된다.
활성탄은 BP-20(phenol resin)을 사용하고, 바인더는 polyvinylidenefluoride(PVdF)인 Kynar 731(homopolymer) 또는 Kynar 2801(copolymer) 바인더를 사용하거나, PVdF 및 polyvinylpyrrolidone(PVP)를 혼합한 혼합 바인더를 사용할 수 있고, 전도성 개량제는 super P를 사용한다.
전극(10)의 제조는 분산매인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone) 20∼50g에 바인더를 3∼10wt％로 하고, 혼합 바인더[PVdF; Kynar 2801, Kynar 731 - PVP]의 중량비를 5∼30으로 혼합시킨 후 활성탄 75 내지 92wt％, 전도성 개량제 5 내지 15wt％를 첨가하여 mechanical stir로 100∼600rpm의 일정속도로 혼합한다(S10).
슬러리(slurry) 상태인 활성탄 혼합물을 집전체(알루미늄 포일; 30) 위에 코터(coater)를 이용하여 두께 300㎛의 두께로 양면 코팅을 함과 동시에 롤 프레스(roll press)로 균일하게 압착한다(S20).
이렇게 코팅된 활성탄 슬러리를 80∼200℃ dry oven에서 1차 건조시킨 다음 120∼250℃의 Hot press를 이용하여 일정한 두께로 열압착시켜 punching기를 이용하여 전극(10)의 크기가 30×50mm가 되도록 집전체(30)를 커팅한다(S30).
그 후, 전극(10)에 welding기를 사용하여 단자(70)를 연결하고, 진공도 60∼86cmHg, 온도 100∼180℃의 vacuum dry oven에서 2차 건조시킨다(S40).
2차 건조된 전극(10)을 glove box 속에서 격리막(separator(40); celgard 3501)으로 두 전극(10)의 단락을 방지하고, 전해액(20) 1N PC/tetraethylammouiumtetrafluoroborate(TEABE4)에 함침시킨 후 진공 포장기를 이용하여 실링(sealing)하여 unit cell을 제작한다(S50).
여기서, 전극(10) 제조의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
전극 제조 실시예 1
활성탄(BP-20, Kuraray Chemical) 94wt%, 바인더(Kyanrflux 731, Elf, Atochem) 6wt％, NMP 30g로 하여 도 5에 도시된 바와 같은 공정으로 전극(10)을 제조하였으며, 전해액(20)은 1N PC/TEABF4을 사용하였다.
ESR 측정은 IM6(ZAHNER elektrik, German)을 이용하여 2.5m㎐∼100㎑의 주파수 범위에서 AC impedance 시험을 행하였다. 또한 박막형 전기 이중층 캐패시터(100)를 정전압 시험법으로 2.3V 10분간 충전하고, 방전은 10mA 정전류로 하였으며 30회 충방전 후 정저항으로 완전 방전시켜 비정전용량 및 에너지 밀도를 측정하였다.
이때, 활성탄(activated carbon; BP-20)과 바인더(PVdF; Kynar 731)의 시간에 대한 voltage의 그래프는 도 6에 도시된 바와 같이 나타났고, 활성탄(activated carbon; BP-20)과 바인더(PVdF; Kynar 731)의 Nyquist 그래프는 도 7에 도시된 바와 같았으며, 활성탄(activated carbon; BP-20)과 바인더(PVdF; Kynar 731)의 비정전용량 36F/g, 에너지밀도 2.3 W·hr/kg이며 ESR(1kHZ) 1.87을 나타내었다.
전극 제조 실시예 2
활성탄(BP-20, Kuraray Chemical) 89wt％, 전도성 개량제 5wt％ 혼합 바인더 6wt％로 하고, 혼합 바이더인 PVdF(Kyanr 2081, Kynar 731, Elf, Atochem)와 PVP(K-120, ISP)의 중량비 80:20으로 하고, NMP 30g로 하여 도 5에 도시된 바와 같은 방법으로 전극(10)을 제조하였으며, 전해액(20)은 1N PC/TEABF4을 사용하였다.
ESR 측정은 IM6을 이용하여 2.5m㎐∼100㎑의 주파수 범위에서 AC impedance 시험을 행하였다. 또한 박막형 전기 이중층 캐패시터(100)를 정전압 시험법으로 2.3V 10분간 충전하고 방전은 10mA 정전류로 하여, 30회 충방전 후 정저항으로 완전 방전시켜 비정전용량 및 에너지 밀도를 측정하고, 비정전용량 및 에너지 밀도를 측정하였다.
이때, 활성탄(BP-20)과 전도성 개량제에 대하여 혼합 바인더 PVdF 2801 - PVP의 방전시간에 대한 voltage의 그래프는 도 8에 도시된 바와 같이 나타났고, 활성탄과 전도성 개량제에 대하여 혼합 바인더의 Nyquist 그래프는 도 9에 도시된 바와 같았으며, 활성탄과 전도성 개량제에 대하여 혼합 바인더(Kynar731-PVP)의 비정전용량 46F/g 에너지밀도 3.5W-hr/kg이였으며, ESR 값은 401mΩ으로 나타났다.
전극 제조 실시예 3
활성탄(BP-20, Kuraray Chemical) 82wt％, 전도성 개량제 12wt％, 혼합 바인더 6wt％로 하고 혼합 바이더인 PVdF(Kyanr 731, Elf, Alochem)와 PVP(K-120, ISP)의 중량비 80:20로 하고, NMP 30g로 하여 도 5에 도시된 바와 같은 방법으로 전극(10)을 제조하였으며, 전극(10)의 크기는 20×30mm, 전해액(20)은 1N PC/TEABF4을 사용하였다. ESR 측정은 IM6을 이용하여 2.5m㎐∼100㎑의 주파수 범위에서 AC impedance 시험을 행하였다. 또한 박막형 전기 이중층 캐패시터(100)를 정전압 시험법으로 2.3V 10분간 충전하고 방전은 10, 100mA 정전류로 하여, 30회 충방전 후 정저항으로 완전 방전시켜 비정전용량 및 에너지 밀도를 측정하였다. 비정전용량96 F/g, 에너지 밀도를 5.3W·hr/kg이였으며 ESR 283mΩ으로 나타났다.
이때, 활성탄(BP-20)과 전도성 개량제(super P)에 대하여 혼합 바인더 방전시간에 대한 voltage의 그래프는 도 10에 도시된 바와 같이 나타났고, 활성탄(BP-20)과 전도성 개량제에 대하여 혼합 바인더 Nyquist 그래프는 도 11에 도시된 바와 같았다.
전극 제조 실시예 4
활성탄(BP-20, Kuraray Chemical) 82wt％, 전도성 개량제 12wt％, 혼합 바인더 6wt％로 하고 혼합 바이더인 PVdF(Kyanrflux 2081,731, Elf, Alochem)와 PVP(K-120, ISP)의 중량비 80:20로 하고, NMP 30g로 하여 도 5에 도시된 바와 같은 방법으로 전극(10)을 제조하였으며, 면적은 20×30mm이다. 전해액(20)은 1N PC/TEABF4을 사용하였다. unit cell 2개를 병렬로 연결하여 다음과 같이 측정하였다.
ESR 측정은 IM6을 이용하여 2.5m㎐∼100㎑의 주파수 범위에서 AC impedance 시험을 행하였다. 또한 박막형 전기 이중층 캐패시터(100)를 정전압 시험법 2.3V까지 충전하여 1A, 500㎃의 고전류에서 방전실험을 하였다.
이때, 방전 시간에 대한 voltage의 그래프는 도 12에 도시된 바와 같이 나타났고, Nyquist 그래프는 도 13에 도시된 바와 같았다.
혼합 바인더 중 PVdF가 kynar 2801보다는 kynar 731이 더 우수한 방전 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있었으며, 고출력 power용 supercapacitor를 제작할 수있었다.
이와 같은 전극(10) 제조 실시예 1 내지 4를 통하여 알 수 있듯이 분말상태의 활성탄을 판상으로 제작하기 위해서는 일정양의 바인더를 사용하여야만 하는 데, 종래에는 주로 내산성, 내열성 및 내화성이 우수한 PTFE를 사용하였으나, 이 PTFE는 고유 응집성과 불용성의 특성으로 인하여 본딩특성이 불량하고 많은 양을 첨가해야 하는 등의 문제점을 안고 있고, 다른 한편으로 CMC는 집전체(30)와 반응한 후 부식을 초래하여 바인더로서 적합하지 않다는 점이 노정되어, 본 발명에서는 전극(10)의 유연성을 갖게 하는 PVdF와 전극(10)의 기계적 강도를 높이기 위하여 가교 결합력이 우수하고 환경 친화적이며 단단한 성질의 PVP를 적정비율로 혼합한 혼합 바인더를 제안하여 박막형 전기 이중층 캐패시터(100)의 성능을 크게 향상시키고자 하는 것이 핵심이라 할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 박막형 전기 이중층 캐패시터(100)에 채용되는 전해액(20)은 Tetraethylammoniumtetrafluoroborate(TEABF4)를 용매(PC; propylene carbonate)에 용해시켜 1.0N 농도로 제조하여 사용하고, 이때의 전기 전도도는 20∼35℃에서 13mS/㎝, 비중은 1.195정도이다.
이때, 전해액(20) 내의 수분 함수율이 50ppm 이상일 때 도 14에 도시된 바와 같이 기본 단위 cell 내부에 1.23V 이상의 전압을 인가할 경우 수분(H2O)의 전기분해에 의하여 H2와 O2가스가 발생하여 cell 자체가 단락되어 전기적 성능을 나타낼 수 없는 상태가 될 수 있다.
따라서, 전해액(20)의 수분 함수율을 50ppm 이하로 제습시킨 후 사용하기 위하여 molecular sieve(sodium aluminosilicate, Sigma)에 24시간 이상 침적시켜 제습하고, moisture titrator를 이용하여 수분 함수율을 별도로 체크한다.
본 발명에 따른 박막형 전기 이중층 캐패시터(100)에 채용되는 집전체(30)는 외부의 전기 에너지를 내부 전극(10)에 전달하는 역할을 하기 때문에 비저항이 낮은 금속소재, 전도성 고분자 등을 사용한다. 하나의 실시예로서 알루미늄 포일(aluminium foil)을 사용할 수 있다.
박막형 전기 이중층 캐패시터(100)의 이론 정전용량(C)은 앞서 정의한 수학식 4와 같이 양극간 거리(d)에 반비례하고 전극(10) 비표면적(a) 및 전해액(20) 유전율(ε)과 비례하므로 양극간 거리(d)는 최소화하여야 한다.
그리고, 격리막(40)은 두 전극(10)간의 접촉에 의한 단락을 방지하기 위하여 사용되며 이온의 흐름이 원활하고 고체상 전극(10)의 접촉을 방지할 수 있는 소재이어야 한다. 바람직한 실시예로서 저밀도이며 다공질인 PP/PE laminate film을 격리막(40)으로 사용할 수 있다.
이상에서와 같은 설명에 의한 본 발명에 따른 박막형 전기 이중층 캐패시터(100)의 단위 셀(unit cell)은 격리막(40)을 전극(10)과 전극(10)사이에 위치시킨 후 전해액(20) 속에 함침시키고 도 14에 도시된 바와 같이 절연성가스켓(gasket; 50)으로 밀봉하여 케이스(60)로 씌우므로써 제조될 수 있으며, 필요에 따라서 병렬로 단위 셀을 적층 연결하여 하나의 stack cell로서 사용할 수도 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 박막형 전기 이중층 캐패시터 제조방법은 전극(10)의 구성이 되는 바인더를 PVdF와 PVP의 혼합으로 된 혼합 바인더를 제공하여 박막형 전기 이중층 캐패시터(100)의 충·방전 특성, 비정전용량, ESR, 에너지 밀도 및 비표면적 등이 우수하게 되어 전기화학적으로 고용량·고효율을 요구하는 시스템에 적합하게 사용될 수 있는 탁월한 효과가 있다.
Claims (3)
- 활성탄, 전도성 개량제 및 바인더를 혼합하여 제조되는 전극(10)을 포함하여 이루어진 박막형 전기 이중층 캐패시터(100) 제조방법에 있어서,상기 전극의 바인더는 PVdF(polyvinylidenefluoride)와 PVP(polyvinylpyrrolidone)를 혼합한 혼합 바인더인 것을 특징으로 하는 박막형 전기 이중층 캐패시터(100) 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 혼합 바인더는 전극(10)의 전체 중량부에서 5∼30wt%의 중량비율로 조성되는 것을 특징으로 하는 박막형 전기 이중층 캐패시터(100) 제조방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 혼합 바인더는 PVdF(polyvinylidenefluoride) 70∼98wt％ 대 PVP(polyvinylpyrrolidone) 2∼30wt％의 중량비율로 조성되는 것을 특징으로 하는 박막형 전기 이중층 캐패시터(100) 제조방법.
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