KR20050092976A - Electrodes and capacitors composed with porous 3-dimensional current collector, and their fabrication methods - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다공성 3차원 집전체의 기공 내에 전극 활물질이 균일하게 분포되어 있는 전극과 이를 이용한 캐패시터, 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전극은 전기 전도도가 우수하고, 전극 표면의 전위 분포도가 일정하게 유지되며, 전극 활물질의 이탈이 방지되므로 전극 활물질의 이용률, 사이클 수명 및 고율 충방전 특성이 우수하다.The present invention relates to an electrode in which an electrode active material is uniformly distributed in pores of a porous three-dimensional current collector, a capacitor using the same, and a method of manufacturing the same. The electrode according to the present invention is excellent in electrical conductivity, the potential distribution on the surface of the electrode is maintained constant, and the separation of the electrode active material is prevented, so the utilization rate, cycle life and high rate charge and discharge characteristics of the electrode active material is excellent.
Description
본 발명은 다공성의 3차원 집전체를 이용한 전극 및 캐패시터, 이의 제조방법에 관한 것으로 구리, 니켈, 스텐레스 스틸, 알루미늄, 또는 은 등의 다공성 3차원 집전체의 기공 내에 전극활물질 입자를 도전재, 결합제, 용매와 함께 페이스트화하여 페이스트 도포방식으로 집전체 기공 내에 균일하게 충진시키고, 압착을 하여 전극활물질이 3차원 집전체의 기공 내에 균일하게 분포되어 있는 전극을 제조함으로써, 전극의 전도도를 증대시키고 전극 표면의 전위 분포도를 일정하게 유지시키며 전극활물질의 이탈을 방지시켜 줌으로써 활물질의 이용율 및 싸이클 수명을 증대시키고, 고율 충방전 특성을 향상시킨 다공성의 3차원 집전체를 이용한 전극 및 캐패시터, 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode and a capacitor using a porous three-dimensional current collector, and a method for manufacturing the same. Electrode active material particles in the pores of a porous three-dimensional current collector, such as copper, nickel, stainless steel, aluminum, or silver, a conductive material, a binder , Paste together with solvent to uniformly fill the pores of the current collector by paste application method, and press to prepare electrodes in which the electrode active material is uniformly distributed in the pores of the three-dimensional current collector, thereby increasing the conductivity of the electrodes and Electrodes and capacitors using porous three-dimensional current collectors that increase the utilization and cycle life of active materials and improve high rate charge and discharge characteristics by maintaining the potential distribution on the surface and preventing the separation of electrode active materials. It is about.
종래의 전기화학 캐패시터(Electrochemical capacitor)는 슈도우캐패시터(Pseudo capacitor)와 전기이중층캐패시터(Electric double layer capacitor)로 대별할 수 있다. 슈도우캐패시터는 전극활물질로 금속산화물을 사용하는 것으로, 금속 산화물을 이용한 슈도우캐패시터의 개발을 해온 지는 10년을 넘고 있으며, 대부분의 연구는 루테늄 산화물(ruthenium oxide)과 이리듐 산화물(Iridium oxide), 탄탈륨 산화물(tantalum oxide), 바나듐 산화물(vanadium oxide) 등을 이용한 것이다. 슈도우캐패시터는 금속 산화물 전극의 전위분포의 불균일화가 일어나 전극활물질의 이용률이 저하되는 단점이 있다. 또한 전극은 2차원 구조인 확장된 박판(expanded foil), 구멍 뚫린 박판(punched foil) 또는 기공 없는 박판을 집전체로 사용하므로, 고율 충방전특성 및 전극활물질의 이용률이 저하되는 단점이 있다. Conventional electrochemical capacitors can be roughly classified into pseudo capacitors and electric double layer capacitors. Pseudocapacitors use metal oxides as electrode active materials, and over 10 years of development of pseudocapacitors using metal oxides, most of the studies are made of ruthenium oxide, iridium oxide, Tantalum oxide, vanadium oxide, and the like are used. The pseudocapacitor has a disadvantage in that the dislocation of the potential distribution of the metal oxide electrode is uneven and the utilization rate of the electrode active material is lowered. In addition, since the electrode uses an expanded foil, a punched foil, or a non-porous foil as a current collector, which has a two-dimensional structure, there is a disadvantage in that high rate charge and discharge characteristics and utilization rate of the electrode active material are reduced.
전기이중층캐패시터의 경우는 현재 전극활물질로서 높은 전기전도성, 열전도성, 낮은 밀도, 적합한 내부식성, 낮은 열팽창율 그리고 높은 순도를 지닌 다공성 탄소계 물질이 사용되고 있다. 그러나 캐패시터의 성능을 높이기 위하여, 전극활물질의 이용률과 싸이클 수명을 증대시키고, 고율 충방전 특성을 향상시키기 위한 새로운 전극활물질의 제조, 전극활물질의 표면개질, 분리막과 전해질의 성능 향상, 유기용매 전해질의 성능향상 등에 대하여 많은 연구가 이루어지고 있다. In the case of an electric double layer capacitor, porous carbon-based materials having high electrical conductivity, thermal conductivity, low density, suitable corrosion resistance, low thermal expansion rate, and high purity are used as electrode active materials. However, in order to increase the performance of the capacitor, the production of a new electrode active material, the surface modification of the electrode active material, the performance of the membrane and electrolyte, the performance of the organic solvent electrolyte, to increase the utilization rate and cycle life of the electrode active material, and to improve the high rate charge and discharge characteristics Many studies have been conducted on performance improvement.
현재 연구되고 있는 캐패시터의 경우 양쪽 전극의 집전체로는 알루미늄 혹은 티타늄 박판(aluminium or titanium foil), 확장된 알루미늄 혹은 티타늄 박판(expanded aluminium or titanium foil) 집전체가 사용되고 있으며, 그 밖에 구멍 뚫린 알루미늄 혹은 티타늄 박판(punched aluminium or titanium foil) 등 여러 가지 형태의 집전체가 사용되고 있다. 이러한 집전체들은 2차원적 집전체로서, 전극활물질과 집전체와의 결합력을 높이기 위하여 전극 제조 시에 결합제를 많이 사용하여야 한다거나, 집전체 표면을 개질 처리하여야 한다는 점과, 전극활물질을 두껍게 할 수 없는 것과 같은 단점이 있다. 이로 인하여 전극활물질의 이용률과 싸이클 수명의 한계를 드러내고 있고, 고율 충방전 특성이 다소 저조하여 이의 개선이 필요하다.In the case of capacitors currently being studied, current collectors of both electrodes are made of aluminum or titanium foil, expanded aluminum or titanium foil current collectors, and other perforated aluminum or Punched aluminum or titanium Various types of current collectors such as foil are used. These current collectors are two-dimensional current collectors, and in order to increase the binding force between the electrode active material and the current collector, a large amount of binder must be used in the manufacture of the electrode, or the surface of the current collector must be modified, and the electrode active material can be thickened. It has the same disadvantage as none. As a result, the utilization rate and cycle life of the electrode active material are revealed, and the high rate charge / discharge characteristics are somewhat low, and the improvement thereof is necessary.
따라서, 본 발명의 목적은 결합제의 양을 줄이는 반면 전극활물질의 양을 증가 시켜 활물질의 이용율을 향상시킨 새로운 캐패시터용 전극을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a new electrode for a capacitor which improves the utilization of the active material by reducing the amount of the binder while increasing the amount of the electrode active material.
또한, 본 발명의 다른 목적은 싸이클 수명을 증대시키고, 고율 충방전 특성을 향상시킨 새로운 캐패시터를 제공하는 것이다. In addition, another object of the present invention is to provide a new capacitor which increases the cycle life and improves high rate charge and discharge characteristics.
기타, 본 발명의 다른 목적 및 특징은 이하의 상세한 설명에서 보다 구체적으로 나타날 것이다.Other objects and features of the present invention will appear more specifically in the following detailed description.
본 발명은 다공성 3차원 집전체와, 상기 집전체의 기공 내에 충진되어 있는 전극활물질, 결합제 및 도전재의 혼합물을 포함하여 구성되는 캐패시터용 전극을 제공한다. The present invention provides a capacitor electrode comprising a porous three-dimensional current collector and a mixture of an electrode active material, a binder and a conductive material filled in the pores of the current collector.
상기 다공성 3차원 집전체의 형태는 예를 들어, 발포체, 파이버구조체, 다공질구조체, 에칭된 구조체 및 앞뒤로 요철화된 구조체 등이 있다.The porous three-dimensional current collector may be in the form of, for example, a foam, a fiber structure, a porous structure, an etched structure, and a recessed structure.
상기 혼합물의 함량은 전극의 총 중량에 대하여 70 - 95 중량%인 것이 적당하다. 또한, 상기 혼합물은 전극활물질, 결합제 및 도전재의 함량이 각각 70 - 99 중량%, 0.5 - 10 중량% 및 0.5 - 20 중량%의 범위를 갖는다. 이와 같은 결합재 및 도전재의 함량은 종래기술과 비교할 때 결합제는 약 1~5%, 도전재는 약 5~10% 감소된 것이다.The content of the mixture is suitably 70-95% by weight relative to the total weight of the electrode. In addition, the mixture has a range of 70 to 99% by weight, 0.5 to 10% by weight and 0.5 to 20% by weight of the electrode active material, the binder and the conductive material, respectively. The content of the binder and the conductive material is about 1 to 5%, the conductive material is reduced by about 5 to 10% compared with the prior art.
또한, 본 발명은 다공성 3차원 집전체를 준비하고, 전극활물질, 결합제 및 도전재의 혼합물을 용매를 사용하여 균일한 상태로 페이스트화하고, 상기 다공성 3차원 집전체의 기공 내에 상기 페이스트를 충진하고, 상기 다공성 3차원 집전체를 건조 및 고온 압착하는 것을 포함하여 구성되는 캐패시터용 전극 제조방법을 제공한다. In addition, the present invention is to prepare a porous three-dimensional current collector, paste the mixture of the electrode active material, the binder and the conductive material in a uniform state using a solvent, filling the paste into the pores of the porous three-dimensional current collector, It provides a method for manufacturing an electrode for a capacitor comprising the drying and high temperature compression of the porous three-dimensional current collector.
본 발명에 따르면, 전극의 전도도를 증대시키고 전극 표면의 전위 분포도를 일정하게 유지시키며 전극활물질의 이탈을 방지시켜 줌으로써 활물질의 이용율 및 싸이클 수명을 증대시키고, 고율 충방전 특성을 향상시킨다. 또한, 본 발명은 전극활물질을 다공성 3차원 집전체의 기공 내에 용이하게 충진할 수 있고, 결합제의 양을 줄이는 반면 전극활물질의 양을 증가 시킬 수 있으며, 경우에 따라서는 도전재의 양도 줄일 수 있는 장점이 있다. According to the present invention, by increasing the conductivity of the electrode, maintaining the potential distribution of the electrode surface is constant, and preventing the separation of the electrode active material to increase the utilization and cycle life of the active material, and improves the high-rate charge and discharge characteristics. In addition, the present invention can be easily filled with the electrode active material in the pores of the porous three-dimensional current collector, while reducing the amount of the binder can increase the amount of the electrode active material, in some cases the amount of the conductive material can also be reduced There is this.
본 발명에 따른 다공성의 3차원 집전체를 이용한 전극 및 캐패시터, 이의 제조방법을 자세히 설명하면 다음과 같다.An electrode and a capacitor using a porous three-dimensional current collector according to the present invention will be described in detail as follows.
도 1a 및 1b는 본 발명의 전극의 평면 및 단면을 각각 나타낸 모식도로, 전극활물질(1, 3)이 다공성 3차원 집전체(2, 4)의 기공 내에 균일하게 분포되어 있는 것을 나타낸다. 전극제조 방법은 우선 구리, 니켈, 스텐레스 스틸, 알루미늄, 티타늄, 은 등의 물질로 다공성 3차원 집전체를 제조한다. 1A and 1B are schematic views showing planes and cross sections of the electrode of the present invention, respectively, showing that the electrode active materials 1 and 3 are uniformly distributed in the pores of the porous three-dimensional current collectors 2 and 4. In the electrode manufacturing method, a porous three-dimensional current collector is manufactured from materials such as copper, nickel, stainless steel, aluminum, titanium, and silver.
다공성의 3차원 집전체의 형태는 발포 금속(foamed metal), 금속 파이버(metal fiber), 다공성 금속(porous metal), 에칭된 금속(etched metal), 앞뒤로 요철화된 금속(metal) 등으로 이루어지며 (앞뒤로 요철화된 형태는 집전체 위 아랫면 혹은 앞뒷면이 요철화되어 있는 것을 의미한다.), 그의 재질은 니켈(Ni), 구리(Cu), 스텐레스 스틸(SUS), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 아연(Zn), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 은(Ag), 금(Au), 루테늄(Ru), 플레티늄(Pt), 이리듐(Ir), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 비스무스(Bi), 안티모니(Sb) 등으로 이루어진다. The porous three-dimensional current collector is formed of a foamed metal, a metal fiber, a porous metal, an etched metal, a back and forth uneven metal, and the like. (The uneven shape of the front and back means that the bottom or front and back surfaces of the current collector are uneven.) The material is nickel (Ni), copper (Cu), stainless steel (SUS), titanium (Ti), and vanadium. (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), zinc (Zn), molybdenum (Mo), tungsten (W), silver (Ag), gold (Au), ruthenium (Ru), platinum (Pt), iridium (Ir), aluminum (Al), tin (Sn), bismuth (Bi), antimony (Sb), and the like.
상기 다공성 3차원 집전체의 기공 내에 전극활물질 입자를 도전재, 결합제, 유기용매와 함께 페이스트화하여 페이스트 도포방식으로 집전체 기공 내에 균일하게 충진시킨다. 이를 건조시킨후 80℃ - 150℃의 고온에서 롤 프레스나 평판 프레스를 사용하여 10 kg/㎠ - 100 ton/㎠의 압력으로 압착하여 전극을 제조한다.Electrode active material particles are formed in the pores of the porous 3D current collector together with a conductive material, a binder, and an organic solvent to be uniformly filled in the current collector pores by a paste coating method. After drying it, the electrode is manufactured by pressing at a pressure of 10 kg / cm 2 -100 ton / cm 2 using a roll press or a flat press at a high temperature of 80 ° C. to 150 ° C.
결합제의 예로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 카르복시메틸셀룰로오즈(CMC), 하이드로프로필메틸셀룰로오즈 (HPMC), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리비닐클로라이드(PVC) 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 통상의 전극 제조에 사용될 수 있는 어떠한 종류의 결합제도 사용될 수 있다. Examples of binders include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), carboxymethylcellulose (CMC), hydropropylmethylcellulose (HPMC), polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl chloride (PVC) And the like, but is not limited to this, any kind of binder that can be used in the manufacture of conventional electrodes may be used.
도전재로는 아세틸렌 블랙(acetylene black), 캐챈 블랙(ketjen black), 흑연 (sfg 6) 또는 슈퍼-피 (super-P) 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. As the conductive material, acetylene black, ketjen black, graphite (sfg 6) or super-P may be used, but is not limited thereto.
유기용매로는 에틸 알콜, 메틸 알콜, 이소프로필 알콜, 아세톤 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The organic solvent may be ethyl alcohol, methyl alcohol, isopropyl alcohol, acetone and the like, but is not limited thereto.
본 발명의 전극을 제조하면, 전극의 전기전도성이 향상되어 전류 및 전위분포도가 일정하게 되어 국부적인 과충전 반응이 억제되고 전극활물질의 이탈이 방지되므로 전극의 이용율 및 싸이클 수명이 증대되며, 고율 충방전 특성이 향상된다. 특히 대형 캐패시터와 전지에서 그 효과가 크게 된다. When the electrode of the present invention is manufactured, the electrical conductivity of the electrode is improved, the current and potential distribution are constant, local overcharge reaction is suppressed, and the separation of the electrode active material is prevented, thereby increasing the utilization rate and cycle life of the electrode, and high rate charge and discharge. Characteristics are improved. In particular, the effect is large in large capacitors and batteries.
본 발명의 전극에 사용되는 전극활물질로는 캐패시터 활물질로서 종래에 알려진 어떠한 활물질도 사용할 수 있다. 예를 들면, 전기이중층캐패시터의 경우 활성 탄소, 탄소 에어로젤, 탄소 나노 튜브, 탄소 나노 섬유 등의 다공성 탄소 소재가 사용될 수 있으며, 슈도우캐패시터의 경우에는 루테늄 산화물, 이리듐 산화물, 탄탈륨 산화물, 바나듐 산화물 등의 금속 산화물, 전도성고분자캐패시터인 경우에는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리아센 등 전도성고분자가 사용될 수 있다. As the electrode active material used for the electrode of the present invention, any active material known in the art as a capacitor active material can be used. For example, porous carbon materials such as activated carbon, carbon aerogels, carbon nanotubes, and carbon nanofibers may be used in the electric double layer capacitor, and ruthenium oxide, iridium oxide, tantalum oxide, vanadium oxide, and the like in the case of pseudocapacitors. In the case of a metal oxide and a conductive polymer capacitor, a conductive polymer such as polyaniline, polypyrrole, and polyacene may be used.
제조된 전극을 조합함으로써 캐패시터를 제조할 수 있다. 본 발명에 의한 전극은 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene) 등의 분리막을 사용하는 캐패시터용, 수용액 또는 유기용액이 함침된 고분자전해질을 사용하는 고분자전해질형 캐패시터용, 및 고체전해질을 사용하는 전고체형 캐패시터용 전극으로 사용할 수 있는 장점이 있다.The capacitor can be manufactured by combining the prepared electrodes. Electrode according to the present invention is a capacitor using a separator such as polypropylene (polypropylene), polyethylene (polyethylene), for a polymer electrolyte type capacitor using a polymer electrolyte impregnated with an aqueous solution or an organic solution, and a solid electrolyte using a solid electrolyte There is an advantage that can be used as an electrode for a body capacitor.
본 발명의 다공성 3차원 집전체는 나노 소재 활물질인 경우 그 효과가 크게 된다. 나노 소재 활물질인 경우, 활물질이 나노화됨에 따라 활물질 표면적이 증가하게 되고 이에 따라 도전재와 결합제의 양이 많아짐으로 전극활물질의 양이 상대적으로 작아지고 저항이 커져서 전극용량이 저하되고 고율 충방전 특성이 저하될 가능성이 있다. 반면, 본 발명에 따른 다공성의 3차원 집전체를 사용하면 결합제의 양을 적게 하여 전극을 제조할 수 있고 전기전도가 3차원적으로 일어나 도전재도 적게 사용할 수 있기 때문에 나노 소재 활물질을 사용하여 전극용량 및 고율 충방전 특성을 향상시킬 수 있다. 따라서 향후 나노 소재 활물질이 개발되어 상용화되면 본 발명의 다공성의 3차원 집전체의 역할이 매우 중요하고 그 효과도 매우 클 것으로 사료된다. When the porous three-dimensional current collector of the present invention is a nano material active material, the effect is great. In the case of a nano-material active material, as the active material is nano-ized, the surface area of the active material increases, and accordingly, the amount of the conductive material and the binder increases, so that the amount of the electrode active material is relatively small and the resistance is increased, thereby reducing the electrode capacity and high rate charge / discharge characteristics. There is a possibility of deterioration. On the other hand, when the porous three-dimensional current collector according to the present invention can be used to produce an electrode by reducing the amount of the binder and the electrical conductivity occurs in three dimensions, so the conductive material can be used less electrode capacity using the nano-material active material And high rate charge / discharge characteristics can be improved. Therefore, if the nano-material active material is developed and commercialized in the future, the role of the porous three-dimensional current collector of the present invention is considered to be very important and its effect is also very large.
다음은 본 발명의 제조방법을 사용하여 전극 및 캐패시터를 제조하고 성능시험을 실시한 실시예 및 비교예로서, 이에 의하여 본 발명이 보다 구체적으로 설명되지만, 이러한 실시예는 본 발명의 예시에 불과할 뿐 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. The following are examples and comparative examples in which electrodes and capacitors are manufactured using the manufacturing method of the present invention and performance tests are performed. However, the present invention will be described in more detail, but these examples are only illustrative of the present invention. This is not limited to this.
실시예 1Example 1
활성 탄소 5.5 g과 아세틸렌블랙 0.4 g, 그리고 폴리테트라플루오르에틸렌 0.5 g을 적당량의 1-메틸-2-피롤리딘온 및 아세톤과 혼합하고, 적당한 점도가 얻어졌을 때, 이 페이스트를 발포 니켈(foamed Ni) 집전체의 기공 내에 충진하여 건조시킨 후, 가열 압연하여 탄소 전극을 얻었다. 5.5 g of activated carbon, 0.4 g of acetylene black, and 0.5 g of polytetrafluoroethylene are mixed with an appropriate amount of 1-methyl-2-pyrrolidinone and acetone, and when the appropriate viscosity is obtained, the paste is foamed nickel ) After filling in the pores of the current collector and drying, heat rolling was performed to obtain a carbon electrode.
탄소 전극, PP 분리막 및 탄소 전극을 적층하여 캐패시터를 구성하고, 1M LiPF6가 용해된 에틸렌카보네이트(EC)/ 디메틸카보네이트(DMC)/ 에틸메틸카보네이트 (EMC) 용액을 주입한 다음, 각각 240 mA(10 mA/cm2)과 480 mA(20 mA/cm2) 의 정전류로 1-2 V까지 충전하여 전극 용량 및 전압 강하를 조사하였다.A capacitor was formed by stacking a carbon electrode, a PP separator, and a carbon electrode, and injected an ethylene carbonate (EC) / dimethyl carbonate (DMC) / ethylmethyl carbonate (EMC) solution in which 1 M LiPF 6 was dissolved, and then 240 mA (each). 10 mA / cm 2 ) and 480 mA (20 mA / cm 2 ) of constant current were charged to 1-2 V to investigate electrode capacity and voltage drop.
실시예 2Example 2
활성 탄소 5.5 g과 아세틸렌블랙 0.4 g, 그리고 폴리테트라플루오르에틸렌 0.5 g을 적당량의 1-메틸-2-피롤리딘온 및 아세톤과 혼합하고, 적당한 점도가 얻어졌을 때, 이 페이스트를 니켈파이버(Ni fiber) 집전체의 기공 내에 충진하여 건조시킨 후, 가열 압연하여 탄소 전극을 얻었다. 5.5 g of activated carbon, 0.4 g of acetylene black, and 0.5 g of polytetrafluoroethylene were mixed with an appropriate amount of 1-methyl-2-pyrrolidinone and acetone, and when the appropriate viscosity was obtained, the paste was mixed with nickel fiber (Ni fiber ) After filling in the pores of the current collector and drying, heat rolling was performed to obtain a carbon electrode.
탄소 전극, PP 분리막 및 탄소 전극을 적층하여 캐패시터를 구성하고, 1M LiPF6가 용해된 에틸렌카보네이트(EC)/디메틸카보네이트(DMC)/에틸메틸카보네이트 (EMC) 용액을 주입한 다음, 각각 240 mA(10 mA/cm2)과 480 mA(20 mA/cm2)의 정전류로 1-2 V까지 충전하여 전극 용량 및 전압 강하를 조사하였다.A capacitor was formed by stacking a carbon electrode, a PP separator, and a carbon electrode, and injected an ethylene carbonate (EC) / dimethyl carbonate (DMC) / ethyl methyl carbonate (EMC) solution in which 1 M LiPF 6 was dissolved, and then 240 mA ( 10 mA / cm 2 ) and 480 mA (20 mA / cm 2 ) were charged to 1-2 V to investigate the electrode capacity and voltage drop.
실시예 3Example 3
활성 탄소 5.5 g과 아세틸렌블랙 0.4 g, 그리고 폴리테트라플루오르에틸렌 0.5 g을 적당량의 1-메틸-2-피롤리딘온 및 아세톤과 혼합하고, 적당한 점도가 얻어졌을 때, 이 페이스트를 다공성 알루미늄(porous Al) 집전체의 기공 내에 충진하여 건조시킨 후, 가열 압연하여 탄소 전극을 얻었다. 5.5 g of activated carbon, 0.4 g of acetylene black, and 0.5 g of polytetrafluoroethylene are mixed with an appropriate amount of 1-methyl-2-pyrrolidinone and acetone, and when the appropriate viscosity is obtained, the paste is made of porous aluminum. ) After filling in the pores of the current collector and drying, heat rolling was performed to obtain a carbon electrode.
탄소 전극, PP 분리막 및 탄소 전극을 적층하여 캐패시터를 구성하고, 1M LiPF6가 용해된 에틸렌카보네이트(EC)/디메틸카보네이트(DMC)/에틸메틸카보네이트 (EMC) 용액을 주입한 다음, 각각 240 mA(10 mA/cm2)과 480 mA(20 mA/cm2)의 정전류로 1-2 V까지 충전하여 전극 용량 및 전압 강하를 조사하였다.A capacitor was formed by stacking a carbon electrode, a PP separator, and a carbon electrode, and injected an ethylene carbonate (EC) / dimethyl carbonate (DMC) / ethyl methyl carbonate (EMC) solution in which 1 M LiPF 6 was dissolved, and then 240 mA ( 10 mA / cm 2 ) and 480 mA (20 mA / cm 2 ) were charged to 1-2 V to investigate the electrode capacity and voltage drop.
실시예 4Example 4
활성 탄소 5.5 g과 아세틸렌블랙 0.4 g, 그리고 폴리테트라플루오르에틸렌 0.5 g을 적당량의 1-메틸-2-피롤리딘온 및 아세톤과 혼합하고, 적당한 점도가 얻어졌을 때, 이 페이스트를 에칭된 알루미늄(etched Al) 집전체의 기공 내에 충진하여 건조시킨 후, 가열 압연하여 탄소 전극을 얻었다. 5.5 g of activated carbon, 0.4 g of acetylene black, and 0.5 g of polytetrafluoroethylene are mixed with an appropriate amount of 1-methyl-2-pyrrolidinone and acetone, and when the appropriate viscosity is obtained, the paste is etched Al) was filled in the pores of the current collector and dried, and then heated and rolled to obtain a carbon electrode.
탄소 전극, PP 분리막 및 탄소 전극을 적층하여 캐패시터를 구성하고, 1M LiPF6가 용해된 에틸렌카보네이트(EC)/디메틸카보네이트(DMC)/에틸메틸카보네이트 (EMC) 용액을 주입한 다음, 각각 240 mA(10 mA/cm2)과 480 mA(20 mA/cm2)의 정전류로 1-2 V까지 충전하여 전극 용량 및 전압 강하를 조사하였다.A capacitor was formed by stacking a carbon electrode, a PP separator, and a carbon electrode, and injected an ethylene carbonate (EC) / dimethyl carbonate (DMC) / ethyl methyl carbonate (EMC) solution in which 1 M LiPF 6 was dissolved, and then 240 mA ( 10 mA / cm 2 ) and 480 mA (20 mA / cm 2 ) were charged to 1-2 V to investigate the electrode capacity and voltage drop.
실시예 5Example 5
활성 탄소 5.5 g과 아세틸렌블랙 0.4 g, 그리고 폴리테트라플루오르에틸렌 0.5 g을 적당량의 1-메틸-2-피롤리딘온 및 아세톤과 혼합하고, 적당한 점도가 얻어졌을 때, 이 페이스트를 앞뒤로 요철화된 티타늄 집전체의 기공 내에 충진하여 건조시킨 후, 가열 압연하여 탄소 전극을 얻었다. 5.5 g of activated carbon, 0.4 g of acetylene black, and 0.5 g of polytetrafluoroethylene were mixed with an appropriate amount of 1-methyl-2-pyrrolidinone and acetone, and when the appropriate viscosity was obtained, the paste was unevenly rolled back and forth. After filling and drying in the pores of an electrical power collector, it heat-rolled and obtained the carbon electrode.
탄소 전극, PP 분리막 및 탄소 전극을 적층하여 캐패시터를 구성하고, 1M LiPF6가 용해된 에틸렌카보네이트(EC)/디메틸카보네이트(DMC)/에틸메틸카보네이트 (EMC) 용액을 주입한 다음, 각각 240 mA(10 mA/cm2)과 480 mA(20 mA/cm2)의 정전류로 1-2 V까지 충전하여 전극 용량 및 전압 강하를 조사하였다.A capacitor was formed by stacking a carbon electrode, a PP separator, and a carbon electrode, and injected an ethylene carbonate (EC) / dimethyl carbonate (DMC) / ethyl methyl carbonate (EMC) solution in which 1 M LiPF 6 was dissolved, and then 240 mA ( 10 mA / cm 2 ) and 480 mA (20 mA / cm 2 ) were charged to 1-2 V to investigate the electrode capacity and voltage drop.
실시예 6Example 6
활성 탄소 5.5 g과 아세틸렌블랙 0.4 g, 그리고 폴리테트라플루오르에틸렌 0.5 g을 적당량의 1-메틸-2-피롤리딘온 및 아세톤과 혼합하고, 적당한 점도가 얻어졌을 때, 이 페이스트를 앞뒤로 요철화된 SUS 집전체의 기공 내에 충진하여 건조시킨 후, 가열 압연하여 탄소 전극을 얻었다. 5.5 g of activated carbon, 0.4 g of acetylene black, and 0.5 g of polytetrafluoroethylene were mixed with an appropriate amount of 1-methyl-2-pyrrolidinone and acetone, and when the appropriate viscosity was obtained, the paste was unevenly rolled back and forth. After filling and drying in the pores of an electrical power collector, it heat-rolled and obtained the carbon electrode.
탄소 전극, PP 분리막 및 탄소 전극을 적층하여 캐패시터를 구성하고, 1M LiPF6가 용해된 에틸렌카보네이트(EC)/디메틸카보네이트(DMC)/에틸메틸카보네이트 (EMC) 용액을 주입한 다음, 각각 240 mA(10 mA/cm2)과 480 mA(20 mA/cm2)의 정전류로 1-2 V까지 충전하여 전극 용량 및 전압 강하를 조사하였다.A capacitor was formed by stacking a carbon electrode, a PP separator, and a carbon electrode, and injected an ethylene carbonate (EC) / dimethyl carbonate (DMC) / ethyl methyl carbonate (EMC) solution in which 1 M LiPF 6 was dissolved, and then 240 mA ( 10 mA / cm 2 ) and 480 mA (20 mA / cm 2 ) were charged to 1-2 V to investigate the electrode capacity and voltage drop.
비교예 1Comparative Example 1
활성 탄소 5.5 g과 아세틸렌블랙 0.4 g, 그리고 폴리테트라플루오르에틸렌(이하, "PTFE"라 한다) 0.5 g을 적당량의 1-메틸-2-피롤리딘온(이하, "NMP"라 한다) 및 아세톤과 혼합하고, 적당한 점도가 얻어졌을 때, 이 페이스트를 확장된 알루미늄 박판(expanded aluminium foil) 집전체의 기공 내에 충진하여 건조시킨 후, 가열 압연하여 탄소 전극을 얻었다. 5.5 g of activated carbon, 0.4 g of acetylene black, and 0.5 g of polytetrafluoroethylene (hereinafter referred to as "PTFE") with an appropriate amount of 1-methyl-2-pyrrolidinone (hereinafter referred to as "NMP") and acetone When the mixture was mixed and the proper viscosity was obtained, the paste was filled into the pores of the expanded aluminum foil current collector and dried, and then heated and rolled to obtain a carbon electrode.
탄소 전극, PP 분리막 및 탄소 전극을 적층하여 캐패시터를 구성하고, 1M LiPF6가 용해된 에틸렌카보네이트(EC)/디메틸카보네이트(DMC)/에틸메틸카보네이트 (EMC) 용액을 주입한 다음, 각각 240 mA(10 mA/cm2)과 480 mA(20 mA/cm2)의 정전류로 1-2 V까지 충전하여 전극 용량 및 전압 강하를 조사하였다.A capacitor was formed by stacking a carbon electrode, a PP separator, and a carbon electrode, and injected an ethylene carbonate (EC) / dimethyl carbonate (DMC) / ethyl methyl carbonate (EMC) solution in which 1 M LiPF 6 was dissolved, and then 240 mA ( 10 mA / cm 2 ) and 480 mA (20 mA / cm 2 ) were charged to 1-2 V to investigate the electrode capacity and voltage drop.
실시예 1 내지 6의 캐패시터(s1 ~ s6)와, 비교예 1(b1)의 캐패시터의 240 mA에서 충전과 방전 결과를 도 2에 나타내었다. 이로부터, 본 발명에 따른 캐패시터의 전극 용량 특성이 비교예의 캐패시터에 비하여 우수하다는 것을 알 수 있다. The results of charging and discharging at 240 mA of the capacitors s1 to s6 of Examples 1 to 6 and the capacitors of Comparative Example 1 (b1) are shown in FIG. 2. From this, it can be seen that the electrode capacitance characteristics of the capacitor according to the present invention are superior to those of the capacitor of the comparative example.
실시예 1 내지 6의 캐패시터(s1 ~ s6)와, 비교예 1(b1)의 캐패시터의 480 mA에서 충전과 방전 결과를 도 3에 나타내었다. 본 발명에 따른 캐패시터의 고율 방전특성이 비교예 1의 캐패시터에 비하여 우수하다는 것을 알 수 있다The results of charging and discharging at 480 mA of the capacitors s1 to s6 of Examples 1 to 6 and the capacitors of Comparative Example 1 (b1) are shown in FIG. 3. It can be seen that the high rate discharge characteristic of the capacitor according to the present invention is superior to that of the capacitor of Comparative Example 1.
실시예 1 내지 6의 캐패시터(s1 ~ s6)와, 비교예 1(b1)의 캐패시터의 용량을 비교하여 도 4에 나타내었다. 본 발명에 따른 캐패시터의 용량 특성이 비교예 1의 캐패시터에 비하여 우수하다는 것을 알 수 있다The capacitances of the capacitors s1 to s6 of Examples 1 to 6 and the capacitors of Comparative Example 1 (b1) are compared with each other, and are shown in FIG. 4. It can be seen that the capacity characteristics of the capacitor according to the present invention are superior to those of the capacitor of Comparative Example 1.
실시예 1 내지 6의 캐패시터(s1 ~ s6)와, 비교예 1(b1)의 캐패시터의 전압 강하 특성을 표 1에 나타내었다. 본 발명에 따른 캐패시터의 전압 강하 현상이 현저히 감소하였다는 것을 알 수 있다. Table 1 shows the voltage drop characteristics of the capacitors s1 to s6 of Examples 1 to 6 and the capacitors of Comparative Example 1 (b1). It can be seen that the voltage drop phenomenon of the capacitor according to the present invention is significantly reduced.
[표 1] 실시예와 비교예에 따른 캐패시터의 전압 강하 특성 [단위 : V] [Table 1] Voltage drop characteristics of capacitors according to Examples and Comparative Examples [unit: V]
본 발명에 따라 전극활물질이 다공성 3차원 집전체의 기공 내에 균일하게 분포되어 있는 전극과 이를 이용한 캐패시터 및 그 제조방법이 제공되었다. 본 발명에 따른 전극은 전기전도성, 전극활물질의 이용률, 싸이클 수명 및 고율 충방전 특성이 우수하므로, 각종 소형전자기기, 통신기기 및 전기자동차의 전원용 등 다양한 산업분야에 응용할 수 있고, 각종기기의 국산화, 수입대체 및 수출증대 효과를 기할 수 있다.According to the present invention, an electrode in which an electrode active material is uniformly distributed in pores of a porous three-dimensional current collector, a capacitor using the same, and a method of manufacturing the same are provided. Electrode according to the present invention is excellent in electrical conductivity, utilization of electrode active materials, cycle life and high rate charge and discharge characteristics, can be applied to various industrial fields, such as for various small electronic devices, communication devices and power supply of electric vehicles, localization of various devices This can lead to import substitution and export increase.
도 1a 및 1b는 본 발명의 다공성 3차원 집전체로 구성된 전극의 단면 모식도이다. 1A and 1B are schematic cross-sectional views of an electrode composed of a porous three-dimensional current collector of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 캐패시터와, 비교예 1의 캐패시터의 240 mA에서 충전과 방전 결과를 나타낸 그래프이다.2 is a graph showing charge and discharge results at 240 mA of a capacitor and a capacitor of Comparative Example 1 according to the embodiments of the present invention.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 캐패시터와, 비교예 1의 캐패시터의 480 mA에서 충전과 방전 결과를 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing charge and discharge results at 480 mA of a capacitor according to the embodiments of the present invention and a capacitor of Comparative Example 1. FIG.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 캐패시터와, 비교예 1의 캐패시터의 축전 용량 특성을 비교한 그래프이다.4 is a graph comparing capacitance characteristics of a capacitor according to embodiments of the present invention and a capacitor of Comparative Example 1. FIG.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ****** Explanation of symbols for main parts of drawing ***
1:전극활물질 2:다공성 3차원 집전체1: electrode active material 2: porous 3D current collector
3:전극활물질 4:다공성 3차원 집전체3: electrode active material 4: porous 3D current collector
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