KR20080080133A - 제어된 결합제 함량을 갖는 울트라캐패시터 전극 - Google Patents
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Abstract
활성 전극 물질의 입자는 활성탄, 임의의 전도성 탄소, 및 결합제의 혼합물을 블렌딩 또는 혼합함으로써 제조된다. 선택된 구현예에서, 전극 물질 중 결합제 함량은 상대적으로 낮고, 전형적으로 혼합물 중 결합제 함량은 약 3 중량% 내지 약 10 중량%이다. 전극 물질은 집전체에 부착되어 각종 전기 장치, 예컨대 이중층 캐패시터 (capacitor)에 사용하기 위한 전극을 얻을 수 있다. 혼합 조성물은 전극의 에너지 밀도 및 완전성을 증가시킨다.
이중층 캐패시터, 집전체, 전기 용량, 활성탄, 결합제
Description
본 발명은 일반적으로 전극 및 전극의 제조에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 에너지 저장 장치, 예컨대 전기화학적 이중층 캐패시터 (capacitor)에 사용되는 전극에 관한 것이다.
전극은 전기 에너지를 저장하는 다수의 장치, 예컨대 1차 (비-재충전) 배터리 전지, 2차 (재충전) 배터리 전지, 연료 전지, 및 캐패시터에 널리 이용된다. 전기 에너지 저장 장치의 중요한 특징으로서 에너지 밀도, 전력 밀도, 최대 충전 속도, 내부 누설 전류, 등가 직렬 저항 (ESR), 및/또는 내구성, 즉 여러 회의 충전/방전 사이클을 견디는 능력을 들 수 있다. 수많은 이유로, 슈퍼캐패시터 (supercapacitor) 및 울트라캐패시터 (ultracapacitor)로서도 공지된, 이중층 캐패시터가 수많은 에너지 저장 용도에서 대중성을 얻고 있다. 그 이유는 고 전력 밀도 (충전 및 방전 모드 모두에 있어서), 및 통상의 재충전 전지의 것에 근접한 에너지 밀도를 갖는 이중층 캐패시터의 이용가능성을 포함한다.
이중층 캐패시터는 전형적으로 그 에너지 저장 요소로서 전해질 (전해질 용액)에 침지된 전극을 사용한다. 이로써, 전해질에 침지되거나 이와 함께 함침된 다공성 격리판은 전극이 서로 접촉되지 않는 것을 보장하여, 전극 간에 전자 전류가 직접 흐르는 것을 방지할 수 있다. 동시에, 다공성 격리판은 이온성 전류가 전극 사이의 전해질을 통해 양방향으로 흐르는 것을 가능하게 한다. 하기 기술하는 바와 같이, 전하의 이중층이 고체 전극 및 전해질 사이의 계면에 형성된다.
전위가 이중층 캐패시터의 전극의 쌍 사이에 가해지는 경우, 전해질 내에 존재하는 이온은 반대로 하전된 전극의 표면으로 유인되어, 전극을 향해 이동한다. 반대로 하전된 이온층이 이에 따라 각 전극 표면 근처에 생성되고 유지된다. 전기 에너지가 해당 전극 표면의 상기 이온층 및 전하층 사이의 전하 격리층 내에 저장된다. 사실상, 전하 격리층은 본질적으로 정전 캐패시터로서 거동한다. 정전 에너지가 또한 전위에 의해 유도된 전기장의 영향 하에 전해질 용액의 분자의 배향 및 배열을 통해 이중층 캐패시터 내에 저장될 수 있다. 그러나, 이러한 에너지 저장 방식은 부차적이다.
통상의 캐패시터와 비교시, 이중층 캐패시터는 이의 부피 및 중량에 대하여 높은 전기 용량을 갖는다. 상기 부피 및 중량 효율에 대하여 2 가지 주된 이유가 있다. 먼저, 전하 격리층이 매우 좁다. 이의 너비는 전형적으로 나노미터의 차수이다. 두번째로, 전극은 단위 부피당 매우 큰 유효 표면적을 갖는, 다공성 물질로 이루어질 수 있다. 전기 용량은 전극 면적에 정비례하고 전하 격리층의 너비에 반비례하므로, 넓은 유효 표면적 및 좁은 전하 격리층의 조합된 효과는 유사한 크기 및 중량의 통상의 캐패시터의 것과 비교시 매우 높은 전기 용량이다. 이중층 캐패시터의 높은 전기 용량은 캐패시터가 다량의 전기 에너지를 수용하고, 저장하며, 방출하는 것을 가능하게 한다.
캐패시터 내에 저장된 전기 에너지는 잘 공지된 수학식의 이용으로 측정된다:
상기 식에서, E는 저장된 에너지를 나타내고, C는 전기 용량을 나타내며, V는 하전된 캐패시터의 전압이다. 따라서, 캐패시터 내에 저장될 수 있는 최대 에너지 (Em)는 하기 수학식에 의해 제공된다:
상기 식 중, Vr은 캐패시터의 정격 전압을 나타낸다. 그 결과 캐패시터의 에너지 저장 능력은 (1) 이의 전기 용량, 및 (2) 이의 정격 전압 양쪽에 의존한다. 상기 2 가지 파라미터를 증가시키는 것은 따라서 캐패시터 성능에 중요할 수 있다. 실제로, 총 에너지 저장 용량은 전기 용량에 따라 선형으로 그리고 전압 정격의 2차로서 변하므로, 전압 정격을 증가시키는 것이 2 가지 항목 중 더 중요할 수 있다.
이중층 전극의 제조를 위한 통상의 방법, 예컨대 압출 및 코팅은 전형적으로 10 중량% 또는 15 중량% 초과의 높은 결합제 함량을 요구한다. 집전체 상에 압출물을 적층하거나 슬러리를 코팅하는 것을 요구하는 상기 방법은 전형적으로 결합제 물질의 실질적으로 불균일한 분산을 제공하고, 다량의 결합제는 전극에 사용하기 위해 이용가능한 활성탄의 양을 감소시킨다. 이는 상대적으로 낮은 에너지 밀도를 제공할 수 있다.
따라서, 더 높은 상대량의 활성탄 및 더 높은 에너지 밀도를 갖는 전극에 대한 필요성이 존재한다. 또한 상기 전극, 및 상기 전극을 이용하는, 이중층 캐패시터를 비롯한 전기 장치를 제조하기 위한 방법 및 물질에 대한 필요성도 존재한다.
<개요>
본원의 각종 구현예는 상기 필요성 중 하나 이상에 관한 것이거나 또는 이를 충족시킬 수 있는 방법, 전극, 전극 어셈블리, 및 전기 장치에 관한 것이다. 본원에 개시된 전형적 구현예는 활성 전극 물질의 입자의 제조 방법이다. 상기 방법에 따르면, 활성탄 입자, 임의의 전도성 탄소, 및 결합제가 혼합될 수 있다. 본원의 측면에서, 활성 전극 물질의 결합제 함량은 결합제 성분을 약 3 중량% 내지 약 10 중량%로 가질 수 있다. 본원의 측면에서, 결합제 함량은 건조 혼합 공정 동안 결합제의 양을 감소시킴을 통해 조절될 수 있다.
본원의 일부 대안적 측면에 따르면, 결합제는 전기화학적 불활성 결합제, 예컨대 PTFE이다. 불활성 결합제의 비율은 약 3 중량% 내지 약 10 중량%일 수 있다. 본원의 추가의 대안적 측면에 따르면, 활성탄, 임의의 전도성 탄소, 및 결합제의 혼합은 상기 성분의 건조-블렌딩에 의해 수행될 수 있다. 본원의 일부 추가의 대안적 측면에 따르면, 혼합은 활성탄, 임의의 전도성 탄소, 및 결합제에 비-윤활 고 전단력 또는 고 충격력 기술을 시행함으로써 수행될 수 있다. 본원의 더욱 또다른 대안적 측면에 따르면, 활성 전극 물질의 필름은 본원에 기술된 바와 같이 제조된 활성 전극 물질의 입자로 이루어질 수 있다. 필름은 집전체에 부착되어 각종 전기 장치, 예를 들어, 이중층 캐패시터에 이용될 수 있다.
하나의 구현예에서, 활성 전극 물질의 입자의 제조 방법은 활성탄을 제공하는 단계; 결합제를 제공하는 단계; 및 활성탄 및 결합제를 혼합하여 혼합물을 수득하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 일부 선택 사항에 있어서 전도성 탄소 입자를 제공하는 것을 더 포함할 수 있다. 하나의 구현예에서, 결합제는 PTFE이거나 또는 이를 포함할 수 있다. 하나의 구현예에서, 혼합 작업은 활성탄, 전도성 탄소, 및 결합제를 건조 블렌딩하는 것을 포함할 수 있다. 하나의 구현예에서, 혼합 작업은 가공 첨가제 없이 수행될 수 있다.
하나의 구현예에서, 전극은 집전체; 및 집전체에 부착된 활성 전극 물질의 필름을 포함할 수 있고; 여기서 활성 전극 물질은 약 3 중량% 내지 약 10 중량%를 구성하는 결합제를 포함할 수 있다. 활성 전극 물질은 전도성 탄소 입자를 포함할 수 있다.
하나의 구현예에서, 활성 전극 물질의 입자의 제조 방법은 활성탄을 제공하는 단계; 임의의 저 오염 수준의 전도성 탄소 입자를 제공하는 단계; 총 혼합물의 약 3 중량% 내지 약 10 중량%를 구성하는 결합제를 제공하는 단계; 및, 활성탄, 전도성 탄소, 및 결합제를 혼합하여 혼합물을 수득하는 단계를 포함할 수 있다.
하나의 구현예에서, 전기화학적 이중층 캐패시터는, 제 1 필름은 제 1 표면 및 제 2 표면을 포함하고, 제 1 집전체는 제 1 필름의 제 1 표면에 부착된, 제 1 집전체 및 활성 전극 물질의 제 1 필름을 포함하는 제 1 전극; 제 2 필름은 제 3 표면 및 제 4 표면을 포함하고, 제 2 집전체는 제 2 필름의 제 3 표면에 부착된, 제 2 집전체 및 활성 전극 물질의 제 2 필름을 포함하는 제 2 전극; 제 1 필름의 제 2 표면 및 제 2 필름의 제 4 표면 사이에 배치된 다공성 격리판; 용기; 전해질을 포함할 수 있고; 여기서, 제 1 전극, 제 2 전극, 다공성 격리판, 및 전해질은 용기 내에 배치되고; 제 1 필름은 적어도 부분적으로 전해질 내에 침지되고; 제 2 필름은 적어도 부분적으로 전해질 내에 침지되고; 다공성 격리판은 적어도 부분적으로 전해질 내에 침지되고; 제 1 필름 및 제 2 필름 각각은 활성 탄소 및 약 3 중량% 내지 약 10 중량%를 구성하는 결합제의 혼합물을 포함할 수 있다. 하나의 구현예에서, 전극 필름은 전도성 탄소를 더 포함할 수 있다. 하나의 구현예에서, 필름은 전도성 부착층을 통해 각 집전체에 부착된다.
본 발명의 상기 및 기타 특징 및 측면은 하기 설명, 도면, 및 첨부된 특허청구범위를 참고로 하여 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 본원의 일부 측면에 따른 활성 전극 물질의 제조 공정의 선택된 작업을 예시하고;
도 2는 하위 항목인 도 2A 및 2B를 포함하며, 울트라캐패시터에 이용될 수 있는 각 전극 어셈블리의 단면을 예시하고;
도 3은 본원의 저 결합제 전극의 미세 구조도이며;
도 4는 고 결합제 전극의 미세 구조도이다.
본 명세서에서, 단어 "구현예" 및 "별형"은 특정 장치, 공정, 또는 제조 물품을 일컫기 위해 사용될 수 있으며, 반드시 항상 하나 및 동일한 장치, 공정, 또는 제조 물품을 일컫지는 않는다. 따라서, 하나의 위치 또는 문맥에 사용된 "하나의 구현예" (또는 유사한 표현)는 하나의 특정 장치, 공정, 또는 제조 물품을 일컬을 수 있고; 상이한 위치에서의 동일하거나 유사한 표현은 동일하거나 상이한 장치, 공정, 또는 제조 물품을 일컬을 수 있다. 유사하게, 하나의 위치 또는 문맥에 사용된 "일부 구현예", "특정 구현예", 또는 유사한 표현은 하나 이상의 특정 장치, 공정, 또는 제조 물품을 일컬을 수 있고; 상이한 위치 또는 문맥에서의 동일하거나 유사한 표현은 동일하거나 상이한 장치, 공정, 또는 제조 물품을 일컬을 수 있다. 표현 "대안적 구현예" 및 유사한 문구는 다수의 상이한 가능한 구현예 중 하나를 나타내기 위해 사용된다. 가능한 구현예의 수는 반드시 2 개 또는 임의의 기타 수량에 국한되지 않는다. "전형적" 또는 "대표적"으로서의 구현예의 특성화는 구현예가 예로서 사용됨을 의미한다. 상기 특성화는 구현예가 바람직한 구현예임을 반드시 의미하는 것이 아니며; 구현예는 본원의 바람직한 구현예일 필요가 없을 것이다.
표현 "활성 전극 물질" 및 유사한 문구는, 대략적으로 전극의 가시적 외부 표면의 크기인 접촉 또는 반응 면적을 단순히 제공하는 것을 넘어서, 전극의 기능을 제공하거나 강화시키는 물질을 의미한다. 이중층 캐패시터 전극에 있어서, 예를 들어, 활성 전극 물질의 필름은 고 다공성을 갖는 입자를 포함하여, 전극이 침지되는 전해질에 노출된 전극의 표면적은 가시적 외부 표면적을 훨씬 넘어서 증가될 수 있으며; 사실상, 전해질에 노출된 표면적은 활성 전극 물질로 이루어진 필름의 부피의 함수가 된다.
단어 "필름"의 의미는 단어 "층" 및 "시트"의 의미와 유사하며; 단어 "필름"은 반드시 특정 두께 또는 얇기의 물질을 의미하는 것은 아니다. 활성 전극 물질 필름의 제조를 기술하기 위해 사용되는 경우, 용어 "분말", "입자" 등은 복수 개의 작은 과립을 일컫는다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 미립자 물질은 종종 분말, 낟알, 알갱이, 먼지로서, 또는 기타 명칭에 의해 일컬어진다. 본 명세서에 걸쳐 탄소 및 결합제 분말에 대한 언급은 따라서 본 구현예를 제한하고자 하는 것이 아니다.
본 명세서 내에서 "결합제"에 대한 언급은 탄소에 대한 결합을 제공할 수 있는 중합체, 공중합체, 및 유사한 초고 분자량의 물질에 대한 의미를 전달하기 위한 의도이다. 상기 물질은 느슨하게 조립된 미립자 물질, 즉 특정 용도에 있어서 일부 유용한 기능을 수행하는 활성 충전제 물질에 있어서 점착을 촉진하기 위한 결합제로서 이용될 수 있다.
단어 "캘린더 (calender)", "닙 (nip)", "라미네이터 (laminator)", 및 유사한 표현은 가압 및 압축을 위해 개조된 장치를 의미한다. 가압은, 반드시 그런 것은 아니나, 롤러의 이용으로 수행될 수 있다. 동사로서 사용되는 경우, "캘린더" 및 "라미네이트"는, 롤러를 포함할 수 있으나 그럴 필요는 없는, 프레스 내에서의 가공을 의미한다. 본원에서 사용시, 혼합 또는 블렌딩은 성분 요소를 혼합물에 함께 도입하는 것을 포함하는 가공을 의미할 수 있다. 고 전단력 또는 고 충격력이 상기 혼합을 위해 이용될 수 있으나, 반드시 그런 것은 아니다. 본원의 건조 분말(들)을 제조/혼합하기 위해 이용될 수 있는 예시적 장비의 비제한적인 예로서 볼 밀 (ball mill), 전자기 볼 밀, 디스크 밀, 핀 밀, 고 에너지 임팩트 밀 (impact mill), 유체 에너지 임팩트 밀, 대립 노즐 제트 밀, 유동층 제트 밀, 해머 밀 (hammer mill), 프리츠 밀 (fritz mill), 와링 블렌더 (Warring blender), 롤 밀, 기계융합 (mechanofusion) 가공기 (예를 들어, 호소카와 AMS (Hosokawa AMS)), 또는 임팩트 밀을 들 수 있다.
기타 및 추가의 정의 및 정의의 설명은 본 명세서에 걸쳐 찾을 수 있다. 정의는 본 개시 내용 및 첨부된 특허청구범위의 이해를 돕기 위한 의도이며, 본 발명의 범위 및 의미가 본 명세서에 기술된 특정 예에 엄격히 국한되는 것으로 해석되어서는 않된다.
첨부된 도면에 예시된 본 발명의 몇몇 실례에 대하여 이제 상세히 언급될 것이다. 동일하거나 실질적으로 동일한 부품 또는 작업을 일컫기 위하여 도면 및 명세서에 있어서 동일한 참조 숫자가 사용된다. 도면은 간략화된 형태이고 정확한 비율이 아니다. 오로지 편의 및 명료성을 위하여, 방향 용어, 예컨대 상부, 하부, 좌, 우, 위로, 아래로, 걸쳐, 상에, 아래에, 밑에, 후방, 및 전방이 첨부된 도면에 대하여 사용될 수 있다. 상기 및 유사한 방향 용어는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 않된다.
도면을 더 구체적으로 언급하면, 도 1은 활성 전극 물질을 제조하기 위한 공정 (100)의 선택된 작업을 예시한다. 비록 공정 작업은 실질적으로 순차적으로 기술되었지만, 특정 작업은 또한 대안적 순서로, 함께 또는 동시에, 파이프라인 방식으로, 또는 달리 수행될 수 있다. 명시적으로 지시되거나, 그렇지 않으면 문맥으로부터 명백하거나, 또는 내재적으로 요구되는 경우를 제외하고는, 작업이 본 명세서가 그를 열거하는 동일한 순서로 수행되어야 하는 특정 요건은 존재하지 않는다. 모든 예시된 작업이 엄격하게 필요한 것은 아닌 한편, 기타 임의의 작업이 공정 (100)에 추가될 수 있다. 공정 (100)의 고차적 개관이 하기에 바로 제공된다. 공정 (100)의 작업 및 작업의 별형에 대한 더 상세한 설명은 하기 개관에 제공된다.
공정 (100)의 하나의 구현예에서, 작업 (105)은 활성탄 입자를 제공할 수 있고, 임의의 작업 (110)에 있어서, 저 오염 수준 및 고 전도도를 갖는 임의의 전도성 탄소 입자가 제공될 수 있다. 작업 (115)에 있어서, 결합제가 제공될 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, 비록 1종 이상의 다양한 결합제가 본원의 다른 곳에 기술된 바와 같이 사용될 수 있지만, 결합제는 폴리테트라플루오로에틸렌 (또한 PTFE로서 또는 상표명 "테플론 (Teflon)®"에 의해 공지되어 있음)을 포함할 수 있다. 본원의 혼합 또는 블렌딩 작업 (120)에 있어서, 1종 이상의 활성탄, 전도성 탄소, 및 결합제가 블렌딩 또는 혼합될 수 있고; 전형적으로 2종 이상이 함께 혼합될 수 있으며, 가장 전형적으로는, 활성탄은 결합제와 함께 혼합된다. 대안으로, 특정 구현예에 있어서, 활성탄 또는 전도성 탄소 성분 및/또는 작업 중 하나는 생략될 수 있다. 어떠한 구현예도 탄소, 결합제, 또는 기타 물질의 특정 상표 또는 공급업체에 국한되지 않음이 이해되어야 한다.
저 결합제 전극 구조 및 그에 의해 이것이 제조될 수 있는 공정에 대한 더 상세한 설명이 본원에서 제공된다. 더 낮은 결합제 함량 및 더 높은 활성탄 함량으로 제조된 전극이 더 높은 결합제 함량 및 더 낮은 활성탄 함량으로 제조된 전극보다 더 우수한 에너지 밀도를 갖는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 본원의 일부 실시양태에서, 결합제 함량은 전극의 총 중량의 약 3 중량% 내지 약 10 중량%이다.
하기 표 I은 고 결합제 전극 및 2 개의 대안적 저 결합제 전극의 에너지 밀도의 비교를 보여준다:
| 전극의 결합제 양 (중량%) | F/CC |
| ∼ 25% | 16.3 |
| 10% | 17.3 |
| 5% | 15.96 |
표 I의 에너지 밀도 표시는 대안적 결합제 함량의 전극의 입방 센티미터당 패럿 (F/CC)의 각 전기 용량의 양으로 나타내어진다. 더 높은 패럿의 전기 용량은 더 우수한 에너지 저장성 및 더 낮은 유효 직렬 저항 (ESR)에 의해 더 우수한 효능의 전극을 제공할 것이다. 대략 25%의 결합제 함량은 16.3의 패럿/cc 값을 제공하며, 이는 10%의 결합제 함량의 수율이 17.3인 것과 비교시 덜 유리하다. 유리하지는 않으나, 5%의 결합제 함량의 예도 비슷한 및/또는 그렇지 않은 경우 허용가능한 15.96 F/CC를 여전히 제공함에 주목하라. 그렇다 하더라도, 더 적은 결합제가 사용되면, ESR이 더 낮으며, 결합제는 저항성이므로, 이에 따라 훨씬 더 효과적인 전극이 제공될 수 있다. 더 적은 결합제의 역은 더 많은 활성 물질, 예컨대 활성탄의 첨가이며, 이는 더 높은 에너지 밀도 (표 I의 25% 및 10%의 결합제 함량 간의 차이를 참고하라), 및 이에 따라 더 우수한 에너지 저장성을 제공할 수 있다.
결합제의 제공에 있어서, 1종 이상의 광범위한 대안적 결합제가 제공될 수 있고, 예로서 하기를 들 수 있다: 과립 분말 형태의 PTFE, 및/또는 1종 이상의 각종 기타 불소중합체 입자, 또는 폴리프로필렌, 또는 폴리에틸렌, 또는 공중합체, 및/또는 기타 중합체 블렌드. 불활성 결합제, 예컨대 PTFE의 사용은 상기 불활성 결합제를 포함하는 전극이 작업될 수 있는 전압을 증가시키는 경향이 있는 것으로 확인되었다. 상기 증가는 부분적으로는 전극이 이어서 침지되는 전해질과의 감소된 상호 작용으로 인해 발생할 수 있다. 하나의 구현예에서, PTFE 입자의 전형적인 직경은 500 ㎛ 범위일 수 있다.
혼합 공정에서, 활성탄 입자 및 결합제 입자는 각종 비율로 함께 블렌딩 또는 혼합될 수 있다. 각종 구현예에서, 활성탄 및 결합제의 비율은 하기와 같을 수 있다: 약 90 내지 약 97 중량%의 활성탄, 약 3 내지 약 10 중량%의 PTFE. 임의의 전도성 탄소가 약 0 내지 약 15 중량%의 범위로 첨가될 수 있다. 구현예는 약 94.5%의 활성탄, 약 5%의 PTFE, 및 약 0.5%의 전도성 탄소를 함유할 수 있다. 기타 범위도 본원의 범위 이내에 있다. 모든 백분율은 본원에서 중량 기준으로 제공되나, 기타 기준의 기타 백분율도 사용될 수 있음에 주목하라. 전도성 탄소는 바람직하게는 혼합물 중 낮은 백분율로 유지되는데, 왜냐하면 전도성 탄소의 증가된 비율은 전도성 탄소 입자로 이루어진 전극이 이어서 침지되는 전해질의 항복 전압을 낮추는 경향이 있을 수 있기 때문이다.
혼합 공정 (100)의 구현예에 있어서, 블렌딩 작업 (120)은 "건조-블렌딩" 작업일 수 있고, 즉, 활성탄, 전도성 탄소 및/또는 결합제의 블렌딩은 임의의 용매, 액체, 가공 보조제 등을 입자 혼합물에 첨가하지 않고 수행된다. 건조 블렌딩은, 균일한 건조 혼합물이 형성될 때까지, 밀, 혼합기, 또는 블렌더 (예컨대 고 강도 혼합 막대가 장착된 V-블렌더, 또는 하기 더 설명되는 바와 같은 기타 대안적 장비) 내에서, 예를 들어, 약 1 내지 약 10 분 동안 수행될 수 있다. 당업자는, 본 명세서의 정독 이후에, 블렌딩 시간이 배치 크기, 물질, 입자 크기, 밀도, 뿐만 아니라 기타 특성에 기초하여 변할 수 있으나, 여전히 본원의 범위 이내에 존재함을 이해할 것이다.
상기 소개한 바와 같이, 블렌딩된 분말 물질은 또한 또는 대안으로 기타 장비의 이용으로 형성/혼합/블렌딩될 수 있다. 본원의 건조 분말(들)을 제조/혼합하기 위해 사용될 수 있는 상기 장비의 비제한적인 예로서 롤링 블렌더 및 와링 블렌더를 비롯한 수많은 종류의 블렌더, 및 볼 및, 전자기 볼 밀, 디스크 밀, 핀 밀, 고 에너지 임팩트 밀, 유체 에너지 임팩트 밀, 대립 노즐 제트 밀, 유동층 제트 밀, 해머 밀, 프리츠 밀, 롤 밀, 기계융합 가공 (예를 들어, 호소카와 AMS), 또는 임팩트 밀을 비롯한 수많은 종류의 밀을 들 수 있다. 구현예에 있어서, 건조 분말 물질은 비-윤활 고 전단력 또는 고 충격력 기술의 이용으로 혼합될 수 있다. 하나의 구현예에서, 고 전단력 또는 고 충격력은 상기 기술한 것 중 하나와 같은 밀에 의해 제공될 수 있다. 분말 물질, 결합제 및 탄소가 밀에 도입될 수 있고, 여기서 높은 속도 및/또는 큰 힘이 그 후 분말 물질에 향해지거나 또는 이에 부과되어 분말 물질 내부의 결합제에 고 전단 또는 고 충격의 적용을 실시할 수 있다. 건조 혼합 공정 동안 발생하는 전단력 또는 충격력은 결합제에 물리적으로 영향을 미쳐, 결합제가 결합제에 및/또는 물질 내부의 기타 입자와 함께 결합되게 할 수 있다. 건조 혼합 공정은 동시 계류중인 공동 양도된 미국 특허 출원 제 11/116,882호에 더 상세하게 기술되어 있다. 상기 출원은 모든 도면, 표, 및 특허청구범위를 포함하여, 전문이 본원에 제공되어 있는 것처럼, 그것이 개시하는 모든 내용을 본원에서 참고로 인용한다. 또한, 활성 전극 물질 및/또는 필름의 제조에 사용된 건조 혼합, 건조 블렌딩, 건조 입자, 및 기타 건조 물질 및 공정에 대한 언급은 건조 공정 이외의 용도를 배제하지 않으며, 예를 들어, 이는 가공 보조제, 액체, 용매 등의 이용으로 제조될 수 있는 입자 및 필름의 건조 이후에 달성될 수 있음이 주목되어야 한다.
상기 기술한 바와 같이 성분 물질이 그에 의해 혼합될 수 있는 혼합 공정은 예비 혼합된 결합제의 더 큰 중합체 결합제 덩어리를 더 작은 중합체 덩어리 및/또는 일차 입자로 분해시킨다. 혼합 공정으로부터 발생한 더 작은 중합체 결합제 덩어리 및/또는 일차 입자는 혼합 공정의 과정 동안 분말 혼합물을 통해 실질적으로 균일하게 분산될 수 있다. 더 작은 덩어리로의 분해 및/또는 더 작은 중합체 덩어리, 및 더 작은 크기의 중합체 덩어리의 실질적으로 균일한 분산 중 어느 하나 또는 양쪽은 결합제 전체의 증가된 표면적을 제공할 수 있는데, 왜냐하면 기정 부피 내부의 다수의 더 작은 입자는 더 적고 더 큰 입자보다 더 큰 표면적을 제공하기 때문이다. 더 작은 덩어리 또는 입자의 더 큰 표면적, 뿐만 아니라 서로에 대한 이의 더 균일하고 더 근접한 배치의 결과는 각 결합제 덩어리 또는 입자에 대한 강화된 결합 특성일 수 있다. 더 작은 덩어리 또는 입자의 강화된 결합 능력은 혼합물 중 중량 기준으로 더 다량의 결합제에 대한 필요성을 감소시킬 수 있다.
도 3은 본원의 혼합 공정으로부터 제조된 저 결합제 전극 (300)의 단면을 예시한다. 실질적으로 균일하게 분산된 결합제 물질 (302)이 활성탄의 입자 (304) 상 및/또는 사이에 도시되어 있다. 도시된 전극 (300)의 활성탄 함량은 약 90 중량% 내지 약 91 중량%이고, 여기서 결합제는 약 6 중량% 내지 약 7 중량%이다 (도시된 예에서 더 구체적으로는, 활성탄은 약 90.87%로 존재하고 결합제는 약 6.89%로 존재하며, 이때 비율은 약 13.19:1이다). 저 결합제 전극의 제조는 상기 더 기술한 수많은 혼합 공정 중 한 가지 이상에 의한 것일 수 있다. 대조로서, 도 4는 압출 공정으로부터 제조된 고 결합제 전극 (400)의 단면을 예시한다. 실질적으로 불균일하게 분산된 결합제 물질 (402)이 활성탄의 입자 (404) 상 및/또는 사이에 나타난다. 결합제 (402)의 하부 좌측 코너에 나타난 것은 특히 본 예에서 비-분산되어 있다. 고 결합제 전극 중 결합제는 더 큰 단위로 존재하므로, 전극 중 중량 기준으로 더 많은 결합제가 존재한다. 따라서, 더 다량의 결합제 물질은 전극 중 활성탄의 양을 감소시키고, 따라서 에너지 밀도를 증가시킨다. 여기서 더 구체적으로는, 도시된 전극 (400)의 활성탄 함량은 약 77 중량% 내지 약 78 중량%이고, 여기서 결합제는 약 20 중량%로 존재한다 (도시된 예에서 더 구체적으로는, 활성탄은 약 77.17%로 존재하고 결합제는 약 20.09%로 존재하며, 이때 비율은 약 3.84:1이다).
상기 혼합 공정을 통해 수득된 생성물은 전극 필름의 제조에 사용될 수 있다. 필름은 그 후 집전체, 예컨대 알루미늄 또는 또다른 전도체로 이루어진 포일에 결합될 수 있다. 집전체는 연속 금속 포일, 금속 메쉬, 또는 부직포 금속 직물일 수 있다. 금속 집전체는 전극 필름에 연속 도전성 기판을 제공한다. 집전체는 결합 이전에 전처리되어 이의 부착 특성을 강화시킬 수 있다. 집전체의 전처리로서 당업자에게 공지된 기계적 조압 (roughing), 화학적 피팅 (pitting), 및/또는 표면 활성 처리, 예컨대 코로나 방전, 활성 플라스마, 자외선, 레이저, 또는 고주파 처리 방법의 이용을 들 수 있다. 하나의 구현예에서, 전극 필름은 당업자에게 공지된 전도성 부착제의 중간층을 통해 집전체에 결합될 수 있다.
하나의 구현예에서, 혼합 공정으로부터 수득된 생성물은 가공 보조제와 함께 혼합되어 집전체 상에 전극 필름을 코팅하기 위해 당업자에 의해 사용되는 슬러리 유사 조성물을 수득할 수 있다 (즉, 코팅 공정). 슬러리는 그 후 집전체의 하나 또는 양쪽 측면 상에 침착될 수 있다. 건조 작업 이후, 활성 전극 물질의 필름 또는 필름들이 집전체 상에 형성될 수 있다. 필름을 갖는 집전체는 1 회 이상 캘린더링되어 필름을 치밀화하고 집전체에 대한 필름의 부착성을 개선할 수 있다.
하나의 구현예에서, 혼합 공정으로부터 수득된 생성물은 가공 보조제와 혼합되어 페이스트 유사 물질을 수득할 수 있다. 페이스트 유사 물질은 그 후 압출되고, 필름으로 형성되며, 집전체의 하나 또는 양쪽 측면 상에 침착될 수 있다. 건조 작업 이후, 활성 전극 물질의 필름 또는 필름들이 집전체 상에 형성될 수 있다. 건조된 필름을 갖는 집전체는 1 회 이상 캘린더링되어 필름을 치밀화하고 집전체에 대한 필름의 부착성을 개선할 수 있다.
더욱 또다른 구현예에서, 본원의 혼합 공정을 통해 수득된 생성물에 있어서, 결합제 입자는 열가소성 또는 열경화성 입자를 포함할 수 있다. 열가소성 또는 열경화성 입자를 포함하는, 본원의 혼합 공정을 통해 수득된 생성물이 사용되어 전극 필름을 제조할 수 있다. 상기 필름은 그 후 본원의 집전체, 예컨대 알루미늄 또는 또다른 전도체로 이루어진 포일에 결합될 수 있다. 필름은 가열된 캘린더 장치 내에서 집전체에 결합될 수 있다. 집전체는 결합 이전에 전처리되어 이의 부착성을 강화시킬 수 있다. 집전체의 전처리로서 당업자에게 공지된 기계적 조압, 화학적 피팅, 및/또는 표면 활성 처리, 예컨대 코로나 방전, 활성 플라스마, 자외선, 레이저, 또는 고주파 처리 방법의 이용을 들 수 있다.
집전체 및/또는 다공성 격리판에 부착된 활성 전극 필름을 포함하는 전극 생성물은 울트라캐패시터 또는 이중층 캐패시터 및/또는 기타 전기 에너지 저장 장치에 이용될 수 있다. 활성 전극 물질 필름을 형성하고 상기 필름을 집전체에 부착시키는 기타 방법도 이용될 수 있다.
하위 도면 2A 및 2B를 포함하는, 도 2는 울트라캐패시터 또는 이중층 캐패시터에 이용될 수 있는 전극 어셈블리 (200)의 각 단면도를 고위 방식으로 예시한다. 도 2A에서, 어셈블리 (200)의 성분은 하기 방식으로 배열된다: 제 1 집전체 (205), 제 1 활성 전극 필름 (210), 다공성 격리판 (220), 제 2 활성 전극 필름 (230), 및 제 2 집전체 (235). 일부 구현예에서, 전도성 부착층 (도시되지 않음)은 전극 필름 (210)의 결합 이전에 집전체 (205) 상에 배치될 수 있다 (또는 마찬가지로 필름 (230)에 대하여 집전체 (235) 상에). 도 2B에서, 필름 (210 및 210)의 이중층이 집전체 (205)에 대하여 도시되어 있고, 이중층 (230, 230A)이 집전체 (235)에 대하여 도시되어 있다. 이러한 방식으로, 이중층 캐패시터가 형성될 수 있으며, 즉 이때 각 집전체는 양쪽 측면에 부착된 탄소 필름을 갖는다. 추가의 다공성 격리판 (220A)이 또한 이어서, 특히 젤리롤 (jellyroll) 적용의 경우 포함될 수 있으며, 이때 다공성 격리판 (220A)은, 도시된 바와 같이, 상부 필름 (210A)에 부착되거나 이에 인접하여 배치되거나, 또는 하부 필름 (230A)에 부착되거나 이에 인접하여 배치된다 (도시되지 않음). 필름 (210 및 230) (및 사용시, (210A 및 230A))이 도 1에 대하여 기술된 공정 (100)을 통해 수득된 활성 전극 물질의 입자의 이용으로 제조될 수 있다. 전극 어셈블리 (200)를 이용하는 대표적 이중층 캐패시터는 추가로 전해질 및 전해질을 보유하는 용기, 예를 들어, 밀봉된 캔을 포함할 수 있다. 어셈블리 (200)는 용기 (캔) 내부에 배치되고 전해질 내에 침지될 수 있다. 다수의 구현예에서, 집전체 (205 및 235)는 알루미늄 포일로 이루어질 수 있고, 다공성 격리판 (220)은 하나 이상의 세라믹, 종이, 중합체, 중합체 섬유, 유리 섬유로 이루어질 수 있으며, 전해질 용액은 일부 예에서 유기 용액, 예컨대 PC 또는 아세토니트릴 용매 중 1.5 M의 테트라메틸암모늄 테트라플루오로보레이트를 포함할 수 있다.
전극, 특히 다수의 예에 있어서, 이중층 전극은 이에 따라 본원에서 활성탄 분말에 대하여 결합제 물질을 실질적으로 균일하게 분산시킴으로써, 전형적으로는 건조 공정 또는 방법에 의해 제조되는 것으로 보여졌다. 큰 전단력 또는 충격력, 또는 양쪽의 이용으로, 10 중량% 미만의 결합제 함량이 형성될 수 있다. 3 중량% 만큼 적은 결합제가 전극의 완전성을 손상시키지 않고 이용되어 왔다. 큰 힘의 혼합의 이용시 결합제가 더 분산되므로, 더 적은 결합제가 사용되어 이에 따라 더 큰 에너지 밀도가 가능하다. 일부 이점으로서, 심지어 전형적인, 통상의 활성탄 물질에 의해서도, 저비용 공정, 더 높은 에너지 밀도 및/또는 더 낮은 ESR 전극이 수득될 수 있음을 들 수 있다. 통상의 슈퍼캐패시터는 종종 저 에너지 밀도의 문제가 있어서; 이에 따라 더 높은 백분율의 활성탄을 전극에 채워 넣는 것은 전극의 에너지 밀도를 개선할 수 있음에 주목하라. 더욱이, 일부 경우, 결합제와 탄소와의 혼합물에 걸쳐 결합제 물질이 더 많이 분산되어 훨씬 더 높은 완전성의 전극이 생성될 수 있다.
활성 전극 물질, 상기 물질의 필름, 상기 필름으로 제조된 전극, 및 상기 전극을 이용하는 이중층 캐패시터를 제조하는 본 발명의 방법은 상기에 상당히 상세히 설명되었다. 이는 예시적 목적으로 행해졌다. 본 발명의 특정 구현예의 전체, 또는 이의 특징 중 어느 것도 본 발명의 근거가 되는 일반적 원리를 제한하지 않는다. 특히, 본 발명은 전극의 제조에 이용된 특정 성분 물질 및 성분 물질의 비율에 반드시 국한되지 않는다. 본 발명은 또한 이중층 캐패시터에 이용된 전극에만 반드시 국한되지 않으며, 기타 전극 용도에 확장된다. 본원에 기술된 구체적 특징은 제공된 본 발명의 의미 및 범위로부터 벗어나지 않고, 일부 구현예에 이용될 수 있으나 다른 구현예에는 이용될 수 없다. 다수의 추가의 변형이 전술한 개시 내용에서 의도되며, 일부 경우에 있어서, 본 발명의 일부 특징은 기타 특징의 부재 하에 이용될 것임이 당업자에게 이해될 것이다. 따라서 예시적 예는 본 발명의 한계 및 경계를 한정하지 않으며, 특허청구범위 및 이의 등가물에 의해 그 기능이 작용하는 본 발명을 법적으로 보호한다.
Claims (20)
- 활성탄을 제공하는 단계;결합제를 제공하는 단계; 및활성탄 및 결합제를 혼합하여 혼합물을 수득하는 단계를 포함하며, 여기서 혼합물은 총 혼합물의 약 3 중량% 내지 약 10 중량% 범위의 결합제 함량을 갖도록 생성되는, 활성 전극 물질의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 활성탄의 제공 작업이 활성탄을 약 90 내지 약 97 중량%의 양으로 제공하는 것을 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 결합제의 제공 작업이 불소중합체 입자; 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE); 과립 분말 형태의 PTFE; 폴리프로필렌; 폴리에틸렌; 공중합체, 및/또는 중합체 블렌드 중 1종 이상을 제공하는 것을 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 추가의 첨가제 성분인 전도성 탄소를 제공하는 것을 더 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 혼합 작업이 활성탄 및 결합제의 건조 블렌딩을 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 혼합 작업이 결합제를 활성탄 내에 실질적으로 균일하게 분산시키는 것을 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 혼합 작업이 고 전단력 및 고 충격력 중 하나 이상을 활성탄 및 결합제에 도입하여 활성 전극 물질의 혼합물을 수득하는 것을 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 혼합 작업이 고 전단력 및 고 충격력 중 하나 이상을 활성탄 및 결합제에 도입하여 활성 전극 물질의 혼합물 내의 결합제의 실질적 분산을 달성하는 것을 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 혼합 작업이 결합제의 더 큰 중합체 덩어리를 더 작은 중합체 덩어리 및 일차 입자 중 하나 또는 양쪽으로 분해하는 것을 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 혼합 작업이 결합제의 더 큰 중합체 덩어리를 더 작은 중합체 덩어리 및 일차 입자 중 하나 또는 양쪽으로 분해하는 것을 포함하고, 이때 어느 하나 또는 양쪽은 결합제 전체의 증가된 표면적 및 혼합물 내의 결합제의 실질적으로 균일한 분산 중 하나 또는 양쪽을 제공하는 방법.
- 제10항에 있어서, 강화된 결합능을 더 제공하는 방법.
- 제1항에 있어서, 혼합 작업이 블렌더 및 밀 중 하나 또는 양쪽을 이용하는 것을 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 혼합 작업이 볼 밀 (ball mill), 전자기 볼 밀, 디스크 밀, 핀 밀, 고 에너지 임팩트 밀 (impact mill), 유체 에너지 임팩트 밀, 대립 노즐 제트 밀, 유동층 제트 밀, 해머 밀 (hammer mill), 프리츠 밀 (fritz mill), 와링 블렌더 (Warring blender), 롤 밀, 기계융합 (mechanofusion) 가공기, 호소카와 AMS (Hosokawa AMS), 또는 임팩트 밀 중 하나 이상을 이용하는 것을 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 혼합 작업이 혼합 동안 활성탄, 결합제 및 혼합물 중 하나 이상과 접촉된 하나 이상의 세라믹 표면을 갖는 혼합 장치의 이용으로 수행되는 방법.
- 집전체; 및집전체에 부착된 활성 전극 물질의 필름을 포함하며, 여기서 활성 전극 물질은 활성탄 성분 및 전도성 탄소 성분 중 하나 또는 양쪽을 포함하는 혼합물을 갖고; 결합제 성분과 혼합되며, 이때 결합제 성분은 활성 전극 물질의 총 혼합물의 약 3 중량% 내지 약 10 중량%의 범위로 존재 하는, 전극.
- 제15항에 있어서, 활성 전극 물질이 활성탄 및 결합제를 포함하고, 여기서 활성탄은 약 90 내지 약 97 중량%의 양으로 존재하고, 결합제는 약 3 내지 약 10 중량%의 양으로 존재하는 전극.
- 제15항에 있어서, 활성 전극 물질이 활성탄 및 결합제의 혼합물로부터 형성되고, 이때 혼합물은 건조 공정에 의한 혼합을 통해 형성된 전극.
- 제15항에 있어서, 결합제가 작은 중합체 덩어리 및 일차 입자 중 하나 이상이고, 이때 어느 하나 또는 양쪽은 결합제 전체에 대한 증가된 표면적 및 혼합물 내의 결합제의 실질적으로 균일한 분산 중 하나 또는 양쪽을 제공하는 전극.
- 제 1 필름은 제 1 표면 및 제 2 표면을 포함하고, 제 1 집전체는 제 1 필름의 제 1 표면에 부착된, 제 1 집전체 및 활성 전극 물질의 제 1 필름을 포함하는 제 1 전극;제 2 필름은 제 3 표면 및 제 4 표면을 포함하고, 제 2 집전체는 제 2 필름의 제 3 표면에 부착된, 제 2 집전체 및 활성 전극 물질의 제 2 필름을 포함하는 제 2 전극;제 1 필름의 제 2 표면 및 제 2 필름의 제 4 표면 사이에 배치된 다공성 격 리판;용기;전해질을 포함하고;여기서,제 1 전극, 제 2 전극, 다공성 격리판, 및 전해질은 용기 내에 배치되고;제 1 필름은 적어도 부분적으로 전해질 내에 침지되고;제 2 필름은 적어도 부분적으로 전해질 내에 침지되고;다공성 격리판은 적어도 부분적으로 전해질 내에 침지되며;제 1 필름 및 제 2 필름 각각은 탄소 및 결합제의 혼합물을 포함하고, 이때 결합제 함량은 약 3 중량% 내지 약 10 중량%인,전기화학적 이중층 캐패시터 (capacitor).
- 제19항에 있어서, 활성 전극 물질이 활성탄 및 결합제를 포함하고, 여기서 활성탄은 약 90 내지 약 97 중량%의 양으로 존재하고, 결합제는 약 3 내지 약 10 중량%의 양으로 존재하는 것인 캐패시터.
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