KR20030081776A

KR20030081776A - 전기이중층 캐패시터 전극 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR20030081776A
Application number: KR1020020020154A
Authority: KR
Inventors: 박정기; 신승식; 최남순; 이백현
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2002-04-12
Filing date: 2002-04-12
Publication date: 2003-10-22
Also published as: KR100476300B1

Abstract

본 발명은 전기이중층 캐패시터 전극 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 전기이중층 캐패시터 전극의 제조방법은 공지의 전기이중층 캐패시터 전극의 제조에 있어서, 활성탄소 분말, 도전제 및 결착제로서 카르복시메틸셀룰로오스(Carboxymethylcellulose)를 혼합하고 이들의 혼합물을 집전체에 도포하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명은 결착제로 카르복시메틸셀룰로즈(carboxymethylcellulose)를 사용하고 활성탄소와 도전제의 함량을 조절함으로써 전극의 저항을 최소화하고 전극의 표면적을 최대화할 수 있도록 하여 전극의 두께를 100㎛ 이내 보다 좋게는 20∼40㎛로 제조함으로써 단위 부피 또는 단위 무게당 기존에 비하여 많은 단위 캐패시터를 적층할 수 있게 하여 캐패시터의 용량을 극대화하고, 높은 에너지밀도의 캐패시터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

Description

전기이중층 캐패시터 전극 및 그의 제조방법{Method for Preparing Electrode of Electric Double Layer Capacitor}

에너지 저장을 위한 최근의 리튬 이차전지(Lithium Rechargeable Battery)는 산화환원의 반응과정이 있는 열역학적(thermodynamic)인 메커니즘을 기본 작동원리로 하기 때문에 충방전 시간이 길고, 충방전 반복 사용수명이 1,000회 미만이며, 충방전 효율이 겨우 90%를 도달하는 수준이다. 따라서 급속충전이 요구되거나 순간적으로 높은 전류(high current)를 요구하는 시스템, 에너지 저장 및 활용 환경이 비폭발성이어야 하는 시스템, 작동온도 조건이 -50℃ 또는 80℃ 등의 극한조건에서 충방전 효율이 최소 80% 이상을 유지해야 하는 시스템 등에서는 기존의 이차전지의 사용이 거의 불가능한 상황이다.

한편, 전기이중충 캐패시터(Electric Double Layer Capacitor: EDLC), 초고용량 캐패시터(Supercapacitor or Ultracapacitor)는 단위중량당의 에너지 저장량의 측면에서는 이차전지에 미치지 못하지만 상기에서 언급한 리튬 이차전지가 갖는한계들을 극복할 수 있는 많은 장점들을 가지고 있다. 즉, 매우 빠르고 가역적인 이온들의 운동학적(kinetic)인 메카니즘을 에너지 저장의 기본 작동원리로 하기 때문에, 충방전 속도가 빠르고, 높은 전류를 순간적으로 공급할 수 있으며, 넓은 작동온도 범위에서도 충방전 효율이 이차전지보다 월등히 우수하고, 폭발의 우려가 없는 안전한 장치이고, 환경 친화적인 소재를 사용하며, 충방전의 반복 사용수명이 매우 길다.

전기이중층 캐패시터는 일반적으로 활성탄소(activated carbon)와 도전제인 카본블랙을 결착제를 이용해 집전체에 부착하여 전극으로 사용한다. 이와 같은 결착제로는 테트라플루오로에틸렌 공중합체(PTFE) 같은 불소계 수지가 많이 사용되고 있다. 그러나 상기의 결착제를 적용하여 전극을 제조할 경우 제조 공정이 복잡하고 전극의 두께 균일성이 떨어지며 전극의 두께도 100㎛ 이상으로 두껍게 되고 캐패시터의 내부저항이 증가하는 단점이 있다. 이런 이유로 단위 캐패시터의 무게 및 두께가 증가하게 되고 이는 단위 무게 또는 단위 부피당 캐패시터의 고에너지 밀도를 달성하기 어려워지게 한다. 또한 카르복시메틸셀룰로즈(carboxymethylcellulose)만을 전극 바인더로 적용하면 brittle하여 부타디엔계의 바인더를 혼합하기도 하는데 카르복시메틸셀룰로즈(carboxymethylcellulose)만을 사용하여 전극층의 두께를 20∼40㎛로 얇게 제조하면 전극층이 브리틀(brittle) 하지 않고 플렉서블(flexible) 하여 여러 가지 형태로 전극을 변형하여도 크랙(crack) 등의 현상이 발생하지 않고 고에너지 밀도의 캐패시터를 제조할 수 있다.

또한 본 발명은 상기의 방법에 의해 제조한 전기이중층 캐패시터 전극을 제공한다.

이하 본 발명의 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 전기이중층 캐패시터 전극의 제조에 있어서 집전체에 도포하는 물질인 활성탄소는 비표면적인 1000∼3500m²/g, 세공의 크기가 20∼500Å인 것을 70∼90wt% 사용하고, 도전제는 아세틸렌블랙 또는 카본블랙을 4∼20wt% 사용하고,활성탄소와 도전제의 결착제로 사용하는 카르복시메틸셀룰로오스는 6∼10wt% 사용할 수 있다.

다양한 비표면적 및 세공의 크기를 가지는 활성탄소를 본 발명에서 사용한바 비표면적인 1000∼3500m²/g, 세공의 크기가 20∼500Å인 것을 사용시 본 발명의 전기이중층 캐패시터 전극의 활물질로의 적용이 적당하다.

본 발명에서 활성탄소는 70wt% 미만 사용하면 캐패시터의 축전용량이 작아지는 문제가 있고, 90wt% 초과 사용하면 전극이 저항이 크고 전극형성이 되지않는 문제가 있으며, 도전제는 4wt% 미만 사용하면 전극 저항이 크고 축전용량이 앉아지는 문제가 있고, 20wt% 초과 사용하면 활성탄소의 양이 줄어 축전용량이 작아지는 문제가 있으며, 카르복시메틸셀룰로오스는 6wt% 미만 사용하면 전극형성이 되지 않는 문제가 있고, 10wt% 초과 사용하면 축전용량이 작아지는 문제가 있어 본 발명에서 활성탄소는 70∼90wt%, 도전제는 4∼20wt%, 카르복시메틸셀룰로오스는 6∼10wt% 사용하는 것이 좋다.

한편 활성탄소 분말, 도전제 및 카르복시메틸셀룰로오스의 혼합물을 집전체에 도포시 집전체에 100㎛ 이내로 도포할 수 있는데 보다 좋게는 20∼40㎛ 이내의 두께로 도포하여 단위 무게당 다수의 캐패시터를 적층할 수 있도록 함으로써 캐패시터의 용량을 극대화 할 수 있다.

이하 본 발명을 다음의 실시예 및 시험예에 의하여 설명하고자 한다. 그러나이들은 본 발명의 일실시예에 불과한 것으로 이들이 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.

<실시예 1>

비표면적인 3200m²/g, 세공의 크기가 20.6Å인 활성탄소 90wt%와 미리 물에 녹인 카르복시메틸셀룰로오스 10wt%를 균일하게 혼합하여 슬러리를 만들고 닥터블레이드(doctor blade)를 이용하여 전기의 슬러리를 집전체에 30㎛의 두께로 균일하게 캐스팅한 후 물을 핫플레이트(hot plate)에서 건조한 다음 진공오븐에서 완전히 수분을 건조하여 전기이중층 캐패시터 전극을 제조하였다.

<실시예 2>

비표면적인 3200m²/g, 세공의 크기가 20.6Å인 활성탄소 85wt%, 전도성 카본블랙 5wt%를 균일하게 혼합하고 미리 물에 녹인 카르복시메틸셀룰로오스 10wt%를 전기의 활성탄소와 전도성 카본블랙의 혼합물에 재차 균일하게 혼합하여 슬러리를 만들었다.

닥터블레이드(doctor blade)를 이용하여 전기의 슬러리를 집전체에 30㎛의 두께로 균일하게 캐스팅한 후 물을 핫플레이트(hot plate)에서 건조한 다음 진공오븐에서 완전히 수분을 건조하여 전기이중층 캐패시터 전극을 제조하였다.

<실시예 3>

활성탄소 80wt%, 전도성 카본블랙 10wt%, 카르복시메틸셀룰로오스 10wt%를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 전기이중층 캐패시터 전극을 제조하였다.

<실시예 4>

활성탄소 70wt%, 전도성 카본블랙 20wt%, 카르복시메틸셀룰로오스 10wt%를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 전기이중층 캐패시터 전극을 제조하였다.

<시험예 1>

상기 실시예 1 내지 실시예 4의 방법에 의해 제조한 전기이중층 캐패시터 전극 및 이 전극을 구비하는 전기이중층 캐패시터를 공지의 방법을 이용하여 축전용량, 전극저항, ESR(Equivalent Series Resistance)와 같은 항목의 성능을 측정하여 그 결과를 아래의 표 1에 정리하여 나타내었다.

표 1. 실시예 1 내지 실시예 4의 전극 및 캐패시터의 성능

	축전용량(F/g, 1cycle)	축전용량(F/g, 100cycle)	전극저항(Ω)	ESR(Ω)
실시예 1	0	0	585	-
실시예 2	159.8	130.5	7.03	18
실시예 3	140.1	117.3	4.38	14
실시예 4	127.4	108.1	4.05	7

상기 표 1에서처럼 실시예 1의 경우 도전제가 첨가되지 않으면 활물질인 활성탄소가 90wt%가 되어 전극표면의 표면적이 가장크나 전극이 저항이 크고 이로인하여 캐패시터의 축전용량이 거의 제로가 된다.

실시예 2 내지 4는 결착제의 함량이 10wt% 이고 도전제의 함량이 5wt% 내지 20wt%인 전극 및 캐패시터의 성능이다. 도전제의 함량이 증가함에 따라 전극의 저항이 낮아짐으로 인하여 ESR도 낮아진다. 또한 도전제 함량이 증가함에 따라 활성탄소의 함량이 감소하여 전극의 표면적은 줄어들게 되어 캐패시터의 축전용량은 감소한다.

<시험예 2>

상기 실시예 2에서 제조한 캐패시터 전극과, 상기 실시예 2와 동일한 방법을 이용하지만 활성탄소, 전도성 카본블랙, 카르복시메틸셀룰로오스가 혼합된 슬러리를 집전체에 100㎛ 및 130㎛의 두께로 캐스팅 한 전극을 각각 비교예 1 내지 비교예 2로 하고 이들 각각의 전극에 충격을 주어 크랙(crack)이 발생하는 시간을 5회 측정한 후 그 평균시간을 아래의 표 2에 나타내었다.

표 2. 전극의 크랙 발생 여부 측정

	실시예 2	비교예 1	비교예 2
크랙 발생 시간	35분 20초	11분 15초	8분 50초

상기 표 2의 결과에서처럼 활성탄소, 전도성 카본블랙, 카르복시메틸셀룰로오스가 혼합된 슬러리를 집전체에 30㎛의 두께로 캐스팅 한 본 발명의 캐패시터 전극은 슬러리를 집전체에 100㎛ 및 130㎛의 두께로 캐스팅 한 캐패시터 전극에 비해 크랙이 발생하는 시간이 오래 소요됨을 알 수 있었다.

본 발명은 활성탄소, 도전제 및 결착제를 이용한 캐패시터 전극의 제조에 있어서, 결착제로 수용성인 카르복시메틸셀룰로즈를 사용하여 전극의 두께를 20 내지 40㎛로 얇고 균일하게 제조할 수 있고 이 전극을 사용한 단위 캐패시터의 축전용량 또한 우수하여 단위 캐패시터를 여러 개 적층할 경우 단위 부피 또는 단위 무게당 캐패시터의 에너지밀도를 최대화할 수 있다.

Claims

공지의 전기이중층 캐패시터 전극의 제조에 있어서,

활성탄소 분말, 도전제 및 결착제로서 카르복시메틸셀룰로오스를 혼합하고 이들의 혼합물을 집전체에 도포하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 전기이중층 캐패시터 전극의 제조방법
제 1항에 있어서, 활성탄소는 비표면적인 1000∼3500m²/g, 세공의 크기가 20∼500Å인 것을 70∼90wt% 포함하는 것을 특징으로 하는 전기이중층 캐패시터 전극의 제조방법
제 1항에 있어서, 도전제는 아세틸렌블랙 또는 전도성 카본블랙을 4∼20wt% 이내로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기이중층 캐패시터 전극의 제조방법
제 1항에 있어서, 카르복시메틸셀룰로즈는 6∼10wt% 포함하는 것을 특징으로 하는 전기이중층 캐패시터 전극의 제조방법
제 1항에 있어서, 활성탄소 분말, 도전제, 카르복시메틸셀룰로즈 혼합물을 집전체에 100㎛ 이내의 두께로 도포하는 것을 특징으로 하는 전기이중층 캐패시터전극의 제조방법
제 1항에 있어서, 활성탄소 분말, 도전제, 카르복시메틸셀룰로즈 혼합물을 집전체에 20∼40㎛ 이내의 두께로 도포하는 것을 특징으로 하는 전기이중층 캐패시터 전극의 제조방법
특허청구범위 제 1항 내지 제 6항중 선택된 어느 한항의 방법으로 제조한 전기이중층 캐패시터 전극