KR20070069281A - 에너지 저장 장치의 전극 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 결합재 특히 PTFE(PolyTetraFluoroEthylene)를 사용하여 활물질 및 도전재를 혼합, 압연하여 시트를 제조하고 이를 분쇄하여 미세입자를 형성한 후에 이를 집전체에 도포하는 방법으로 에너지 저장 장치의 전극을 제조하는 방법 및 전극을 제공하여, 전극의 두께 조절이 용이하면서도 전극의 전기적 저항이 낮아, 본 발명에서 제공된 전극을 사용한 전기이중층 커패시터 등의 에너지 저장 장치는 높은 용량과 출력특성을 나타내는 효과가 있다.
에너지 저장 장치, 전극
Description
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 저장 장치의 전극 제조방법에 관한 수순 블럭도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 저장 장치의 전극 단면도이다.
** 도면의 주요부호에 대한 설명 **
1: 미세입자 2: 바인더
3: 집전체 10: 전극
본 발명은 에너지 저장 장치의 전극 및 그 제조방법에 관한 것이다.
현재 사용되고 있는 에너지 저장장치의 예로는, 전기이중층 캐패시터, 하이 브리드 캐패시터, 리튬이차전지, 태양전지, 또는 연료전지 등을 들 수 있으며, 대표적으로는 리튬이차전지와 수퍼캐피시터로 대표적인 전기이중층 캐패시터(Electorchemical Double Layer Capacitor: EDLC)를 들 수 있다. 리튬이차전지는 에너지밀도가 20∼120Wh/kg로 높다는 장점이 있으나, 출력밀도가 50∼250W/kg으로 낮으며, 싸이클 수명특성이 500회 정도로 낮다는 단점이 있다.
전기이중층 캐패시터는 일반적으로 한 쌍을 이루는 분극성 전극 또는 전해액의 이중층 전극이 절연성이 우수한 격리막(Separator)을 사이에 두고 배치한 형태로 구성된다. 일반전지와는 달리 에너지를 단시간에 입, 출력할 수 있어 정류회로, 잡음감쇠 및 전원용 펄스 발생 등에 응용되고 있다. 전자기기에 사용되고 있는 기존의 전기화학 커패시터에 비하여 비약적으로 용량이 증대된 전기이중층 커패시터가 최근 개발되었으며, 고출력 펄스 파워 능력과 고용량 에너지저장 능력으로 인하여 전지와 더불어 소형 경량의 전기 화학적 에너지 저장장치, 대출력 펄스 파워 및 피크 파워의 부하 평준화용으로의 응용을 추진하고 있다. 뿐만 아니라 여러 가지 에너지 저장장치 중 환경 친화적 재료의 사용, 장 수명 및 고 충방전 효율 등으로 인하여 환경, 경제적인 측면에서 기술의 중요성이 부각되고 있는 전기이중층 커패시터의 활용으로서는 군사용, 우주항공용, 의료용, 전기자동차 (HEV) 등의 고부가 장비의 대출력 펄스 파워의 주전원 및 보조전원으로 사용될 것이 전망된다.
상기 리튬이차전지와 전기이중층 캐패시터는 단위전지의 구조 및 작동원리에 서 매우 유사하지만, 전하의 저장 메커니즘에서 차이를 보인다. 즉, 리튬이차전지에서는 충방전에 따라 전자와 이온이 전극물질의 벌크(bulk)내로 전달되며 패러데이 반응(Faradaic reaction)에 의존하기 때문에 전극물질의 상변이가 수반되는데 비해, 전기이중층 캐패시터에서는 이러한 패러데이 반응이 개재되지 않기 때문에(non-Faradaic process) 활물질의 상변이 없이 전기 전극/전해질의 계면(전기이중층)에서만 충방전 반응이 일어난다는 특징이 있다.
한편, 상기 리튬이차전지와 전기이중층 캐패시터의 단점을 보완한 하이브리드 캐패시터가 제안되고 있다.
이러한 에너지 저장 장치의 전극은 일반적으로 활물질과 전기전도도가 우수한 도전재 및 결합재로 구성되고, 이들 성분은 정전용량 및 전극저항을 고려하여 일정한 비율로 배합한 후 집전체에 접착된다. 전극의 제조방법은 일반적으로 일정비율의 활성탄소분말 또는 섬유를 용매에 용해시킨 결합재와 카본 블랙 등과 같은 도전재를 혼합하여 슬러리 상태로 만들어 금속 호일 위에 도포(Coating)하여 제조하는 도포방식과, 활성탄소와 도전재를 결합재와 함께 페이스트 상태에서 시트(sheet) 형태로 제조한 후 집전체에 결착시키거나 또는 집전체에 도전성 접착제를 통해 붙이는 압연방식으로 나눌 수 있다.
도포방식의 경우 가격적인 면에서 상용화가 먼저 진행되고 있다. 이 경우 전극의 전기전도도, 유연성 및 전해액의 함침성을 확보하기 위해 활물질과 도전재들 은 최소한 2종류 이상의 혼합 바인더를 사용하는 것이 보편적이다. 바인더는 적게는 2종류, 많게는 5종류 이내의 혼합 바인더가 사용되고, 이를 위해서는 바인더의 선정 , 배합방법, 배합순서 및 함량비가 중요한 변수로 작용한다.
이에 반해 압연방식은 단순히 활물질과 도전재를 결합제와 함께 반죽 (kneading)하고 압연하여 전극을 제조하므로 바인더의 선정이 단순한 장점이 있다.
그러나, 압연 방식은 전극의 구성 성분 수가 적고, 전극의 화학적, 열적 안정성 및 기계적 강도가 우수함에도 불구하고, 상용화에 적용시키기에는 많은 난점을 포함하고 있다.
압연 방식에 의해 제조한 전극은 전극 저항을 낮추기 위해서는 집전체에 도전성 접착제를 스프레이한 후 압연하여 제조된 시트를 부착시키고 압연 롤을 통해 밀착성을 증가시킨 후 건조해야 하고, 시트 부착시의 전극의 사양(전극의 비틀림 현상)을 감소시키기 위해서는 정밀 부착 방식을 개발하여야 한다.
한편, 전극의 두께가 두꺼울수록 전극 내 활물질의 전체 함량이 증가해서 전체 전극 용량은 증가하나 전해액의 함침성이 떨어지고 이온들의 확산 저항의 증가로 인해 전기이중층 커패시터의 내부저항이 증가하므로 일반적으로는 80～100μm의 두께로 조절하는 것이 바람직하다.
한편 압연 방식에 의해 제조한 전극은 압연을 통해 전극두께를 조절하나 전극의 두께를 100 ㎛이하로 조절하기가 용이하지 않다. 초기 압연에는 결합재의 섬유 수지가 늘어나 네트워크 구조를 형성하게 되지만, 두께를 100 ㎛이하로 조절하기 위하여 과도한 압연을 행하면 네트워크 구조가 파쇄되어 부분적인 균열이 발생하고, 이러한 미세 균열들은 활물질과 도전재들 간의 접촉저항을 증가시켜 전극의 저항 또는 전기이중층 커패시터의 내부저항을 증가시켜 전기이중층 커패시터의 전기적 출력 특성과 충방전 사이클 수명을 감소시키는 문제점이 있다.
따라서 본 발명에서는 결합재 특히 PTFE를 사용하면서 100㎛ 이하의 전극 두께 조절이 용이한 전극 제조방법의 개발을 통해 전기적 특성과 기계적 특성이 우수한 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
활물질, 도전재 및 결합제를 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물을 압연하여 시트(Sheet)를 제조하는 단계; 상기 시트를 분쇄하여 미세입자를 형성하는 단계; 및 상기 미세입자와 바인더를 혼합하여 집전체에 도포하는 단계;를 포함하여 이루어지는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 활물질은 활성탄소를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 활성탄소의 비표면적이 500 ~ 2500 ㎡/g 범위내인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 도전재는 카본 블랙, 흑연(Graphite), 카본나노섬유, 카본나노튜브, 및 금속 분말로 이루어지는 군에서 하나 이상 선택되어 이루어진 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 카본 블랙, 흑연(Graphite), 카본나노섬유 또는 카본나노튜브는 금속이 코팅된 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 결합제는 PTFE(PolyTetraFluoroEthylene)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 결합제는 CMC(Carboxymethylcellulose)가 더 포함된 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 혼합물을 제조하는 단계는, 분산매를 더 혼합하여 혼합물을 제조하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 분산매는 이소프로필 알콜인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법을 제공한다.
또한, 최종 제조된 전극에 포함된 활물질, 도전재 및 결합제의 중량비는 82~90 : 5~10 : 3~5인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 혼합물을 압연하여 시트를 제조하는 단계는, 압연 후 시트를 접고 다시 압연하는 것을 다수 반복하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 미세입자의 크기는 5~40㎛의 범위내인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 바인더는 CMC(Carboxymethylcellulose), PVA(Polyvinylalcohol), PVDF(Polyvinylidenefluoride), 및 PVP(Polyvinylpyrrolidone)으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 바인더는 부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 니트릴 부타디엔 고무, 우레탄 고무, 실리콘 고무, 및 아크릴 고무로 이루어진 군에서 하나 이상 더 선택되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법을 제공한다.
또한, 전극의 두께는 30~150㎛의 범위내로 제조되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 집전체는 알루미늄 또는 구리를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법
본 발명은 또한, 집전체;와 상기 집전체 일면에 바인더에 의해 결합되고 활물질, 도전재 및 결합재를 포함하여 이루어진 미세입자를 구비한 에너지 저장 장치의 전극을 제공한다.
또한, 상기 전극은 전술한 제조방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극을 제공한다.
또한, 전기이중층 캐패시터, 하이브리드 캐패시터, 리튬이차전지, 태양전지, 또는 연료전지의 전극에 사용되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극을 제공한다.
이하에서 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 저장 장치의 전극 제조방법의 일실시예에 대한 수순 블럭도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지 저장 장치의 전극 제조방법은, 활물질, 도전재 및 결합제를 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물을 압연하여 시트(Sheet)를 제조하는 단계(S10), 상기 시트를 분쇄하여 미세입자를 형성하는 단계(S20), 및 상기 미세입자와 바인더를 혼합하여 집전체에 도포하는 단계(S30)를 포함하여 이루어진다. 본 발명에 따른 전극 제조방법은, 에너지 저장장치의 전극 제조방법으로 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 특히 전기이중층 캐패시터, 하이브리드 캐패시터, 리튬이차전지, 태양전지, 또는 연료전지의 전극 제조방법으로 사용될 수 있다.
먼저, 활물질, 도전재 및 결합제를 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물을 압연하여 시트(Sheet)를 제조한다(S10). 최종 제조된 전극에 포함된 활물질, 도전재 및 결합제의 중량비는 82~90 : 5~10 : 3~5의 비율이 되도록 각 구성물의 양을 조절하는 것이 바람직하다.
상기 활물질은 본 기술분야에서 알려진 또는 사용될 수 있는 활물질이라면 제한되지 않고 선택, 적용될 수 있다. 리튬전이금속산화물이 포함될 수 있으며, 흑연이 포함될 수 있다. 특히 활성탄소를 포함하여 이루어진 것이 바람직하다. 상기 활성탄소는 비표면적이 500 ~ 2500 ㎡/g 범위내인 것이 보다 바람직하다. 특히 제한되지 않으나 1000 ~ 2000 ㎡/g의 범위내인 것이 좋다. 이는 1000 ㎡/g 이하에서는 전극의 충진밀도가 떨어져서 전극 부피당 용량이 저하되고, 2000 ㎡/g 이상에서는 2 nm 이하의 미세공이 발달하여 전해질 이온의 출입에 따른 저항이 커서 에너지 저장 장치의 내부저항을 증가시키기 때문이다.
상기 도전재는 카본 블랙, 흑연, 하드 카본(Hard carbon), 카본나노섬유, 카본나노튜브, 및 금속 분말로 이루어지는 군에서 하나 이상 선택되어 이루어질 수 있다. 또한, 상기 카본 블랙, 흑연(Graphite) 또는 카본나노섬유, 카본나노튜브는 금속이 코팅된 것을 사용할 수 있다. 상기 코팅은 무전해 도금으로 코팅되는 것이 좋다.
상기 결합제는 PTFE(PolyTetraFluoroEthylene) 단독, 또는 다른 결합제와 조합되어 이루어진 것이 바람직하다. PTFE는 우수한 내화학적, 내열성 및 기계적 강도가 우수하고 전극을 구성하여 압연을 반복할수록 PTFE의 섬유수지의 네트워크 구조가 발달하여 네트워크 구조 내부에 활물질, 특히 활성탄소와 도전재를 고착시키므로 활물질과 결합재의 충진 밀도를 높임과 동시에 활물질 또는 도전재들과의 접촉저항이 감소시켜 전극의 전기적 특성을 개선시킨다. 또한 전극내의 PTFE 중량비 를 3~5% 이내로 낮출 수 있으므로 활물질의 충진밀도를 증가시켜 전극 부피당 전체 용량을 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 상기 결합제는 본 발명의 기술분야에서 사용되는 결합제를 제한되지 않고 더 포함하여 이루어질 수 있으며, 일례로, CMC(Carboxymethylcellulose)가 더 포함될 수 있다.
상기 혼합물을 제조할 때에, 분산매를 더 혼합하여 혼합물을 제조할 수 있다. 상기 분산매로는 상기 혼합물이 고르게 혼합될 수 있도록 할 수 있는 분산재라면 제한되지 않으며, 특히 이소프로필 알콜을 사용하는 것이 좋다. 이소프로필 알콜은 결합제, 특히 PTFE 상호간의 뭉침현상을 방지하고 PTFE 수지의 섬유상의 네트워크 구조로의 변화를 촉진한다.
상기 제조된 혼합물을 압연하여 시트를 제조하는 방법으로는, 압연 후 시트를 접고 다시 압연하는 것을 다수 반복하는 것이 바람직하다. 이는 초기 압연에는 결합재 특히 PTFE의 섬유 수지가 늘어나 네트워크 구조를 형성하고 반복적으로 압연이 진행될수록 PTFE의 섬유 수지에 의한 치밀한 네트워크 구조가 발달하여 전극의 전기적, 기계적 특성이 개선되기 때문이다. 상기 압연은 10회 이상 50회 이하로 반복하는 것이 보다 바람직하다. 상기 압연은 압연롤을 이용하는 것이 좋으며 이에 제한되지 않는다.
다음, 상기 제조된 시트를 분쇄하여 미세입자를 형성한다(S20).
상기 제조된 시트를 분쇄하는 방법으로 본 기술분야에서 통용되는 방법을 이용할 수 있다. 보다 바람직하기로는 볼밀러를 이용하여 고속으로 회전하는 볼과의 충격에 의해 시트를 미세입자로 분쇄하거나, 날개의 끝이 날카로운 임펠러를 구비한 고속 믹스 내에서 임펠러의 고속 회전에 의해 시트를 미세입자로 분쇄하는 것이 좋다. 볼밀의 경우 회전밀, 진동밀, 아트리션밀 또는 행성밀 (planetary mill)과 같이 볼과 함께 시트를 용기 내에 분산매와 함께 투입하여 밀링을 행하고, 이 때 용기의 크기, 볼의 크기, 볼과 sheet의 중량비 및 밀링 시간에 따라 파쇄된 입자의 크기는 필요에 따라 조절될 수 있다. 또한 임펠러를 이용한 고속 믹스기에서 임펠러의 고속 회전에 의해서도 시트의 분쇄를 진행시킬 수 있다. 임펠러의 형태, 시트의 투입량, 회전 속도 및 회전 시간에 따라 분쇄된 입자의 크기는 조절될 수 있다.
상기 얻어진 미세입자의 크기는 입자는 5~40㎛의 범위내인 것이 바람직하다. 미세입자 내부는 압연 단계에서 생성된 PTFE 등의 결합재의 네트워크 구조가 잔존하고 네트워크 구조 내에 활성탄소 분말과 도전재를 포함하는 구조를 가진다.
다음, 상기 얻어진 미세입자와 바인더를 혼합하여 집전체에 도포한다(S30).
상기 미세입자는 도포 단계에서 바인더와 함께 혼합되고 교반되어 슬러리 상태로 제조하고, 슬러리는 집전체에 일정 두께로 도포된 후, 건조, 압착을 거쳐 최종적으로 전극이 제조된다. 도포 단계에서 전극의 최종 두께를 용이하게 조절할 수 있으며, 전극의 두께는 30~150㎛의 범위내로 제조되는 것이 바람직하다. 상기 바인더는 미세입자 및 바인더 총 100 중량부에 2~5 중량부 포함되는 것이 바람직하 다.
상기 바인더는 CMC(Carboxymethylcellulose), PVA(Polyvinylalcohol), PVDF(Polyvinylidenefluoride), 및 PVP(Polyvinylpyrrolidone)으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되어 이루어지는 것이 좋으며, 또한 Styrene Butadiene Rubber ( SBR ) 계열인 부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 니트릴 부타디엔 고무, 우레탄 고무, 실리콘 고무, 및 아크릴 고무로 이루어진 군에서 하나 이상 더 선택되어 이루어질 수 있다.
상기 집전체는 본 기술분야에서 사용되는 집전체를 사용할 수 있으며, 일례로, 알루미늄 또는 구리를 포함하여 이루어질 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 저장 장치의 전극의 단면도를 나타낸 도이다. 도시된 바와 같이, 집전체와 상기 집전체 일면에 바인더에 의해 결합되고 활물질, 도전재 및 결합재를 포함하여 이루어진 미세입자를 구비한 것을 특징으로 한다. 상기 집전체, 바인더, 활물질, 도전재 및 결합제는 전술한 특징을 갖는 것이 바람직하며 이미 상술하였으므로 설명을 생략한다.
상기 전극은 전술한 제조방법에 의해 제조되는 것이 바람직하며, 전기이중층 캐패시터, 하이브리드 캐패시터, 리튬이차전지, 태양전지, 또는 연료전지 등의 에너지 저장 장치의 전극으로 유용하게 사용될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명 보다 구체적으로 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.
<실시예>
활성탄소는 MSP20 (일본, 관서열화학사 제품, 비표면적 2000㎡/g), 도전재는 Super-p 블랙 (벨기에, MMM carbon사 제품), 결합재는 PTFE(PolyTetraFluoroEthylene), 및 바인더는 CMC(CarboxyMethylCellulose)를 사용하여 전극을 제조하였고, 구성 성분들 간의 중량비는 활성탄소가 90 중량%, 도전재가 5 중량%, PTFE가 3 중량% 및 CMC가 2 중량%이다.
우선 활성탄소와 도전재는 PTFE와 함께 충분히 반죽(Kneading)한 후 압연 롤을 통해 압연하여 시트(sheet) 형태로 제조하였다. 이때 시트를 반으로 접어서 다시 압연하는 과정을 10회 반복하였고, 시트는 고속 믹스기에서 30분간 2000rpm의 회전에 의해 평균입자가 10㎛의 혼합 분말 입자를 제조하였다. 혼합 분말 입자는 물에 용해시킨 CMC와 함께 교반하여 슬러리를 만들고, 제조된 슬러리는 에칭 알루미늄 호일의 집전체에 도포하여 전극을 제조하였다. 전극의 건조는 150℃의 진공로에 12시간 행하였고, 최종적으로 롤 프레싱을 통해 120℃의 열을 가하여 압착하였다.
<비교예 1>
활성탄소는 MSP20 (일본, 관서열화학사 제품, 비표면적 2000m2/g), 도전재는 Super-p 블랙 (벨기에, MMM carbon사 제품) 및 바인더는 PVDF(Polyvinylidene Fluoride)를 사용하여 도포 방식을 이용하여 전극을 제조하였다. 구성 성분들 간의 중량비는 활성탄소가 90 중량%, 도전재가 5 중량% 및 바인더가 5 중량%이다. 활성탄소와 도전재는 NMP(n-methyl-2-pyrrolidone)에 용해시킨 PVDF와 함께 행성밀 (planetary mill)에서 혼합한 후 에칭 알루미늄의 집전체에 도포한 후 150℃에서 건조하여 용매를 제거한 후 압연 롤을 통해 120℃의 열을 가하여 압착하여 전극을 제조하였다.
<비교예 2>
활성탄소는 MSP20 (일본, 관서열화학사 제품, 비표면적 2000m2/g), 도전재는 Super-p 블랙 (벨기에, MMM carbon사 제품) 및 PTFE를 사용하여 압연 방식을 이용하여 전극을 제조하였다. 구성 성분들 간의 중량비는 활성탄소가 90 중량%, 도전재가 5 중량% 및 PTFE가 5 중량%이다. 활성탄소와 도전재는 PTFE와 함께 충분히 반죽한 후 압연 롤을 통해 압연하여 sheet 형태로 제조하였다. Sheet을 반으로 접어서 다시 압연하는 과정을 15회 반복하였고, 최종 sheet은 알루미늄 매쉬에 압연을 통해 고착시켰다. 전극의 건조는 150℃의 진공로에 12시간 행하였다.
<실험예> 커패시터 셀의 제조
실시예 및 비교예 1, 2에서 각각 제조한 전극을 3×4 ㎠의 크기로 재단한 후 격리막(미국, Celgaed사 제품)을 사이에 두고 유리봉에 감은 후 봉과 함께 유리 튜브에 전해액인 아세토니트릴(Acetonitrile)에 1.2M의 TEABF4과 함께 삽입하고 고무 캡으로 밀봉하여 커패시터 셀을 제조하였다. 표 1은 각 전극을 사용한 커패시터 셀의 특성을 나타낸다.
[표 1]
| 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | |
| 전극두께 (㎛) | 80 | 150 | 80 |
| 전극밀도 (g/cc) | 0.5 | 0.6 | 0.6 |
| 비용량 (F/g) | 120 | 150 | 160 |
| 저항 (Ω) | 0.8 | 0.4 | 0.1 |
표 1에 나타낸 바와 같이, 비교예 1의 전극을 사용한 커패시터 셀은 비용량과 저항이 크고, 이는 PVDF가 활성탄소 표면을 도포하는 것에 의해 이온들의 접근이 용이하지 않고 분말들 간의 접촉저항이 증가하기 때문이다.
비교예 2의 전극은 두께의 조절이 용이하지 않고 비교예 2의 전극을 사용한 커패시터 셀의 저항은 비교예 1보다는 감소하나 실시예보다는 크다. 이는 전극 두께의 증가에 의해 이온들의 집전체 면까지의 충분한 확산이 부족하고 또한 전극과 매쉬와의 접촉 면적이 적어 저항이 증가한 것으로 판단된다.
그러나, 본 발명에서 개발한 공정을 사용하여 제조한 실시예의 전극은, 표 1에 나타낸 바와 같이, 두께의 조절이 용이하고, 커패시터 셀의 전기화학적 특성이 가장 우수하다는 것을 알 수 있다. 이는 용해 바인더가 혼합 분말 입자의 표면을 도포하는 것에 의해 혼합 분말 입자 들 간의 충분한 결착력과 함께 혼합 분말 입자 내부의 PTFE 수지의 섬유상 네트워크(network) 구조 내에 존재하는 활성탄소 분말 표면의 피복을 최소화하기 때문인 것으로 판단된다.
본 발명은 결합재 특히 PTFE를 사용하여 활물질 및 도전재를 혼합, 압연하여 시트를 제조하고 이를 분쇄하여 미세입자를 형성한 후에 이를 집전체에 도포하는 방법으로 에너지 저장 장치의 전극을 제조하는 방법 및 전극을 제공하여, 전극의 두께 조절이 용이하면서도 전극의 전기적 저항이 낮아, 본 발명에서 제공된 전극을 사용한 전기이중층 커패시터 등의 에너지 저장 장치는 높은 용량과 출력특성을 나타내는 효과가 있다.
Claims (20)
- 활물질, 도전재 및 결합제를 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물을 압연하여 시트(Sheet)를 제조하는 단계;상기 시트를 분쇄하여 미세입자를 형성하는 단계; 및상기 미세입자와 바인더를 혼합하여 집전체에 도포하는 단계;를 포함하여 이루어지는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 활물질은 활성탄소를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 활성탄소의 비표면적이 500 ~ 2500 ㎡/g 범위내인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 도전재는 카본 블랙, 흑연(Graphite), 카본나노섬유, 카본나노튜브, 및 금속 분말로 이루어지는 군에서 하나 이상 선택되어 이루어진 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법.
- 제4항에 있어서, 상기 카본 블랙, 흑연(Graphite), 카본나노섬유 또는 카본나노튜브는 금속이 코팅된 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 결합제는 PTFE(PolyTetraFluoroEthylene)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 결합제는 CMC(Carboxymethylcellulose)가 더 포함된 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 혼합물을 제조하는 단계는, 분산매를 더 혼합하여 혼합물을 제조하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 분산매는 이소프로필 알콜인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 활물질, 도전재 및 결합제의 중량비는 82~90 : 5~10 : 3~5인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 혼합물을 압연하여 시트를 제조하는 단계는, 압연 후 시트를 접고 다시 압연하는 것을 다수 반복하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 미세입자의 크기는 5~40㎛의 범위내인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 바인더는 CMC(Carboxymethylcellulose), PVA(Polyvinylalcohol), PVDF(Polyvinylidenefluoride), 및 PVP(Polyvinylpyrrolidone)으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법.
- 제13항에 있어서, 상기 바인더는 부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 니트릴 부타디엔 고무, 우레탄 고무, 실리콘 고무, 및 아크릴 고무로 이루어진 군에서 하나 이상 더 선택되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 바인더는 미세입자 및 바인더 총 100 중량부에 2~5 중량부 포함되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법.
- 제1항에 있어서, 전극의 두께는 30~150㎛의 범위내로 제조되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 집전체는 알루미늄 또는 구리를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극 제조방법.
- 집전체;와 상기 집전체 일면에 바인더에 의해 결합되고 활물질, 도전재 및 결합재를 포함하여 이루어진 미세입자를 구비한 에너지 저장 장치의 전극.
- 제18항에 있어서, 상기 전극은 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극.
- 제18항에 있어서, 전기이중층 캐패시터, 하이브리드 캐패시터, 리튬이차전지, 태양전지, 또는 연료전지의 전극에 사용되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전극.
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