KR20100081538A - 일체화된 전기 흡착 탈이온화용 전극-집전체 시트, 및 이를구비하는 전기 흡착 탈이온 장치와 전기이중층 커패시터 - Google Patents
일체화된 전기 흡착 탈이온화용 전극-집전체 시트, 및 이를구비하는 전기 흡착 탈이온 장치와 전기이중층 커패시터 Download PDFInfo
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Abstract
전기 흡착 탈이온화용 전극-집전체 시트, 및 이를 구비하는 전기 흡착 탈이온 장치와 전기이중층 커패시터가 개시된다. 개시된 전기 흡착 탈이온화용 전극-집전체 시트는 집전체상에 코팅된 활물질층을 포함하며, 상기 집전체의 상기 전극과 접하는 면에는 요철이 형성되어 있다. 또한, 상기 전극-집전체 시트를 구비하는 전기 흡착 탈이온화 장치와 전기이중충 커패시터가 개시된다.
Description
전기 흡착 탈이온화용 전극-집전체 시트, 및 이를 구비하는 전기 흡착 탈이온 장치와 전기이중층 커패시터가 개시된다. 보다 상세하게는 일체화된 전기 흡착 탈이온화용 전극-집전체 시트, 및 이를 구비하는 전기 흡착 탈이온 장치와 전기이중층 커패시터가 개시된다. 상기 집전체의 상기 전극과 접하는 면에는 요철이 형성되어 있다.
CDI(Capacitive Deionization, 전기 흡착 탈이온화)는 나노 사이즈의 공극을 갖는 탄소전극에 전압을 인가하여 극성을 띠게함으로써 매질 중의 이온성 물질을 전극 표면에 흡착시켜 제거하는 기술이다. 또한, 상기 기술은 전극 재생을 위해서 전극에 역전압을 걸어 흡착된 이온성 물질을 탈착시킨 후 이를 물과 함께 외부로 배출시킨다. CDI는 재생시 화학약품을 필요로 하지 않으며, 이온교환수지와 고가의 필터 또는 멤브레인이 필요 없다는 장점이 있다. 또한 Ca2+, Mg2+ 등의 경도성분과 Cl- 등의 유해이온을 배출하지 않고 축전용량을 개선시키는 잇점을 갖는다.
CDI에 있어서 탄소전극 사이로 용존 이온을 함유하는 매질(즉, 전해질)이 흐를 경우 낮은 전위차의 직류 전원을 인가하게 되면 용존 이온 중에서 음이온 성분은 양극에, 양이온 성분은 음극에 흡착되어 농축되며, 직류 전원의 인가를 중단하게 되면 농축된 이온들이 전극으로부터 탈착된다.
여기서, 탄소전극은 전극 저항이 낮고 비표면적이 넓어야 하는 요구를 충족하여야 하므로, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 활성탄을 바인딩하여 탄소전극을 제조하거나, 레조르시놀포름알데하이드(resorcinol formaldehyde) 수지를 탄화시킨 후 복잡한 건조공정을 거쳐 판상의 탄소전극을 제조하기도 한다.
상용 CDI용 전극으로는 PTFE로 활성탄을 바인딩하여 시트상으로 제조한 전극시트가 주로 사용되고 있다. 이러한 전극시트와 그래파이트 호일 등의 집전체를 압착하여 CDI 장치용 셀을 제조한다. 그래파이트 호일은 다른 금속 집전체와는 달리 CDI 장치의 충방전 영역에서도 부식에 안정적인 장점이 있다. 그러나, 이와 같이 셀을 구성하게 되면 전극시트와 집전체가 각각 별개의 개체로 형성되어 이들간의 접촉면적이 작아 전기저항이 높아지는 문제점이 있다.
본 발명의 일 구현예는 일체화된 전기 흡착 탈이온화용 전극-집전체 시트를 제공한다. 상기 집전체의 상기 전극과 접하는 면에는 요철이 형성되어 있다.
본 발명의 다른 구현예는 상기 일체화된 전극-집전체 시트를 구비하는 전기 흡착 탈이온화 장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 구현예는 상기 일체화된 전극-집전체 시트를 구비하는 전기이중층 커패시터를 제공한다.
본 발명의 일 측면은,
적어도 일면에 형성된 요철을 구비하는 집전체; 및
상기 요철을 적어도 부분적으로 덮도록 상기 집전체 상에 코팅된 활물질층을 포함하는 일체화된 전기 흡착 탈이온화용 전극-집전체 시트를 제공한다.
상기 요철은 돌기부들 간의 평균 간격이 300㎛ 내지 2mm일 수 있다.
상기 요철은 스트라이프 형태 또는 매트릭스 형태로 형성될 수 있다.
상기 집전체는 그래파이트 호일이거나, 또는 Cu, Al, Ni, Fe, Co 및 Ti으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 금속, 금속 혼합물 또는 합금을 포함할 수 있다.
상기 활물질층은 활물질 및 바인더를 포함하고, 상기 바인더는 폴리우레탄을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은,
상기 전극-집전체 시트를 구비하는 전기 흡착 탈이온 장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면은,
적어도 일면에 형성된 요철을 구비하는 집전체; 및
상기 요철을 적어도 부분적으로 덮도록 상기 집전체 상에 코팅된 활물질층을 포함하는 일체화된 전기이중층 커패시터용 전극-집전체 시트를 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면은,
상기 전극-집전체 시트를 구비하는 전기이중층 커패시터를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 의하면, 일체화되고 집전체의 적어도 일면에 형성된 요철을 구비하는 전극-집전체 시트를 구비함으로써, 전극과 집전체 간의 접촉면적이 증가하여 전기저항이 감소하고 결착력이 증가하며, 성능이 개선된 전기 흡착 탈이온화용 장치와 전기이중층 커패시터가 제공될 수 있다.
이어서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 구현예에 따른 전극-집전체 시트 및 이를 구비하는 전기 흡착 탈이온화 장치와 전기이중층 커패시터에 관하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 전극-집전체 시트를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 전극-집전체 시트(1)는 집전체(100) 및 활물질층(200)을 포함한다.
집전체(100)는 전극-집전체 시트(1)를 구비하는 장치(도 2의 10, 도 3의 20, 도 4의 30)에서 발생하는 전기를 외부 도선(미도시)과 연결하는 부분으로서, 이의 적어도 일면에는 요철(100a)이 형성되어 있다. 이러한 요철(100a)은 이를 덮도록 배치된 활물질층(200)과의 접촉면적을 증가시켜 계면에서의 전기저항을 감소시키고, 집전체(100)와 활물질층(200) 간의 결착력 및 전극 용량을 증가시킨다. 또한, 요철(100a)과 활물질층(200) 사이에는 빈틈(voids)이 형성되게 되어 상기 빈틈이 전해액의 유로로 활용되므로 이러한 전극-집전체 시트(1)를 구비하는 장치(도 3의 20)의 처리용량을 향상시킬 수 있다. 즉, 전해액은 활물질층(200)의 표면뿐만아니라 요철(100a)과 활물질층(200) 사이의 빈틈을 통하여 활물질층(200)과 접촉한다.
이러한 요철(100a)은 집전체(100)의 일면 또는 양면에 복수개 형성된다. 구체적으로, 이러한 요철(100a)은 집전체(100)의 표면을 상기 요철(100a)과 반대 형상의 요철이 형성되어 있는 성형기(미도시)로 압착함으로써 형성될 수 있다. 요철(100a)의 돌기부들(100a1) 간의 평균 간격(d)은, 예를 들어 300㎛ 내지 2mm일 수 있다. 상기 간격(d)이 상기 범위이내이면 압력손실을 최소화하면서도 전해액의 유로 확보가 용이해진다. 여기서, 돌기부들(100a1)의 간격(d)이란 요철(100a)의 돌기부(100a1)와 이에 인접한 다른 돌기부(100a1) 사이의 간격, 즉 요철(100a)의 홈부(100a2)의 폭을 의미한다.
또한 본 구현예에서는, 요철(100a)의 돌기부(100a1)의 일단면 모양이 사각형인 것으로 도시되어 있으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 삼각형, 아치형, 사다리꼴, 또는 오각형 등 다른 다양한 형상의 단면 모양이 가능하다. 또한, 이러한 요철(100a)은 돌기부(100a1) 및 홈부(100a2)가 스트라이프 형태 또는 매트릭스 형태 등 다양한 배치 형태를 갖도록 형성될 수 있다.
집전체(100)는 그래파이트 호일이거나, 또는 Cu, Al, Ni, Fe, Co 및 Ti으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 금속, 금속 혼합물 또는 합금을 포함할 수 있다.
활물질층(200)은 요철(100a)을 적어도 부분적으로 덮도록 집전체(100) 상에 코팅된 것으로, 본 구현예에서는 활물질층(200)이 곧 전극이다. 이하, 활물질층(200) 또는 전극(200)으로 표시하며, 이는 결국 동일한 부재를 의미한다.
활물질층(200)은, 여기에서는 비록 구분되어 도시되지는 않았지만, 활물질 및 바인더를 포함하며, 도전제를 추가로 포함할 수 있다.
상기 활물질은 활성탄, 카본나노튜브(CNT), 메조포러스 카본(mesoporous carbon), 활성탄소 섬유, 흑연 산화물, 금속 산화물 및 그 복합물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종을 포함할 수 있다.
상기 바인더는 폴리우레탄을 포함할 수 있고, 상기 폴리우레탄은 물에 분산 가능한 것으로서, 폴리테트라메틸렌에테르글리콜 또는 폴리프로필렌글리콜과, 이소포론디이소시아네이트 또는 수소첨가 MDI(hydrogenated 4,4-diphenyl methane diisocyanate)의 반응으로 얻어진 것일 수 있다(대한민국특허출원 제2007-0071703호 참조).
상기 바인더의 함량은, 예를 들어 상기 활물질 100 중량부를 기준으로 하여 3 내지 20 중량부일 수 있다. 상기 바인더의 함량이 3 중량부 미만이면 활물질층(200)의 자체 결착력이 떨어지고, 20 중량부를 초과하면 활물질층(200)의 용량이 감소한다.
상기 도전제는 카본블랙, VGCF(Vapor Growth Carbon Fiber), 흑연 및 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
도 2는 도 1의 전극-집전체 시트(1) 및 이와 유사한 전극-집전체 시트(1')를 구비하는 본 발명의 일 구현예에 따른 전기 흡착 탈이온 장치(10)를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 2의 전기 흡착 탈이온 장치(10)는 사형 연수기(Serpentine type water softener)이다.
이하, 앞서 도시된 도면에서와 동일한 참조부호는 동일한 부재 또는 동일한 부재의 부분을 가리킨다.
도 2를 참조하면, 본 구현예에 따른 전기 흡착 탈이온 장치(10)는 전극-집전체 시트(1, 1') 및 세퍼레이터(300)를 구비한다.
전극-집전체 시트(1, 1')는 각각 집전체(100)의 일면 또는 양면에 코팅된 전극(200)을 포함하며, 이러한 전극-집전체 시트(1, 1')는 세퍼레이터(300)를 사이에 두고 복수층으로 적층되어 스택을 형성한다. 전극(200)이 배치되어 있지 않은 집전체(100)의 일단부 또는 타단부에는 홀(100b)이 형성되어 있다. 따라서, 유입구(11)를 통해 상기 스택에 유입된 경수는 전극(200) 사이의 유로 및 홀(100b)을 통해 사형(또는 지그재그형)으로 흐른다. 요철(100a)과 활물질층(200) 사이에 형성된 빈틈(voids)이 경수의 유로로 활용될 수 있으므로 처리용량이 증가하는 추가적인 잇 점을 갖는다.
상기 스택을 통과하면서 경수가 연화되어 연수로 변화되며, 생성된 연수는 유출구(12)를 통해 외부로 배출된다.
집전체(100)는 충전시(즉, 경수의 연화시) 전극(200)에 전하를 공급하고 방전시(즉, 전극 재생시) 전극(200)에 축적된 전하를 방출하는 통로로서 전원 공급장치(PS)와 전기적으로 연결되어 있다.
세퍼레이터(300)는 상하로 적층된 복수개의 전극들(200) 사이에 유로를 확보하고 아울러 전극들(200) 및 집전체들(100) 간의 전기적 접촉을 차단하는 역할을 수행하는 것으로, 예를 들어 아크릴계 섬유, 폴리에틸렌막 및/또는 폴리프로필렌막을 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 전기 흡착 탈이온 장치(10)는 집전체(100)와 전극(200) 사이의 접촉면적이 커서 이들 사이의 결착력이 클 뿐만 아니라 계면에서의 전기저항이 작아 전극 용량이 큰 잇점이 있다. 전극(200)의 용량이 커지면 전기 흡착 탈이온 장치(10)의 처리용량도 증가하게 된다.
이하, 상기 전기 흡착 탈이온 장치(10)의 작용 및 효과에 관하여 상세히 설명한다.
먼저, 경수의 연화 과정(이를 충전 과정이라고도 함)은 다음과 같이 진행된다.
전원공급장치(PS)에 의해 전극(200)에 직류 전압이 인가된 상태에서 유입구(11)를 통해 경수가 장치(10)의 스택에 유입된다. 이때, 전원 공급장치(PS)의 (+)극과 전기적으로 연결된 전극(200)은 (+)로 분극되고, 전원 공급장치(PS)의 (-)극과 전기적으로 연결된 전극(200)은 (-)로 분극된다. 도 2를 참조하면, 세퍼레이터(300)를 사이에 두고 (+)로 분극되는 전극(200)과 (-)로 분극되는 전극(200)이 서로 마주보도록 배치되어 있다. 따라서, 유입된 경수에 포함된 경수성분(Ca2+, Mg2+) 등의 양이온은 (-)로 분극된 전극(200)에 흡착되고 유해이온(Cl-) 등의 음이온은 (+)로 분극된 전극(200)에 흡착된다. 처리시간이 경과함에 따라 경수에 용존되어 있던 양이온 또는 음이온은 전극(200)에 흡착되어 계속 축적되게 된다. 따라서, 스택을 통과한 경수는 연화되어 연수로 변화되며, 아울러 경수 중에 포함되어 있던 유해이온도 제거된다. 그러나, 처리시간이 더욱 경과함에 따라 전극(200)에 포함된 활물질의 표면은 흡착된 양이온 또는 음이온으로 덮여 경수의 연화 효율이 점차 떨어지게 된다. 이러한 경수의 연화 효율은 유출구(12)로 유출되는 연수의 이온전도도를 시간별로 측정함으로써 확인할 수 있다. 즉, 배출된 연수의 이온전도도가 낮으면 경수에 포함되어 있던 양이온 및 음이온의 제거량이 많아 연화 효율이 높은 것이며, 반대로 배출된 연수의 이온전도도가 높으면 경수에 포함되어 있던 양이온 및 음이온의 제거량이 적어 연화 효율이 낮은 것이다.
배출된 연수의 이온전도도가 소정치 이상으로 증가할 경우에는 전극(200)을 재생시켜야 한다. 즉, 장치(10)에 전원 공급을 중단하고 장치(10)를 전기적으로 쇼트시켜 방전하게 되면 전극(200)은 극성을 잃게 되어 전극(200)의 활물질에 흡착되어 있던 이온들이 탈착하게 된다. 따라서, 전극(200)의 활물질은 다시 활성 표면을 회복하게 된다. 그러나 이 경우, 활물질의 표면에 흡착되었던 이온들이 전부 탈착하지는 않는데, 이는 흡착된 이온, 특히 경수성분 등의 양이온(Ca2+, Mg2+)이 다른 음이온들과 반응하여 스케일을 형성하기 때문이다.
도 3은 도 1의 전극-집전체 시트와 유사한 전극-집전체 시트(1')를 구비하는 본 발명의 다른 구현예에 따른 전기 흡착 탈이온 장치(20)를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 3의 전기 흡착 탈이온 장치(20)는 관통형 연수기(flow-through type water softener)이다.
도 3을 참조하면, 본 구현예에 따른 전기 흡착 탈이온 장치(20)는 전극-집전체 시트(1') 및 세퍼레이터(300)를 구비한다.
전극-집전체 시트(1')는 집전체(100)의 양면에 코팅된 전극(200)을 포함하며, 이러한 전극-집전체 시트(1)는 세퍼레이터(300)를 사이에 두고 복수층으로 적층되어 스택을 형성한다. 한편, 전극(200)은 집전체(100)의 일면에만 코팅될 수도 있다.
도 3의 장치(20)가 도 2의 장치(10)와 다른 점은 경수의 유로가 사형이 아닌 관통형으로 형성되어 있다는 것이다. 또한, 상기와 같이 각기 다른 형태의 유로를 형성하기 위해 두 장치(10, 20)에서 각 구성요소의 배치 시트가 상이함은 물론이다.
장치(20)에 포함된 각 구성요소의 구체적인 구성, 재질 및 역할과, 장치(20)의 작용 및 효과는 도 1의 장치(10)에 대하여 설명한 것과 대동소이하므로 여기에 서는 이에 대한 자세한 설명을 생략하기로 한다.
도 4는 도 1의 전극-집전체 시트(1)를 구비하는 본 발명의 일 구현예에 따른 전기이중층 커패시터(30)를 개략적으로 도시한 단면도이다. 이러한 전기이중층 커패시터(30)는 주로 전기 저장용으로 사용된다.
도 4를 참조하면, 본 구현예에 따른 전기이중층 커패시터(30)는 전극-집전체 시트(1), 세퍼레이터(300) 및 가스켓(400)을 구비한다.
전극-집전체 시트(1)는 집전체(100)의 일면에 코팅된 전극(200)을 포함한다.
구체적으로, 전기이중층 커패시터(30)는 세퍼레이터(300), 이 세퍼레이터(300)를 사이에 두고 서로 마주보며 이격되게 배치된 한쌍의 전극-집전체 시트(1), 상기 각 전극-집전체 시트(1)와 세퍼레이터(300) 사이의 공간에 충전된 전해질 및 상기 공간의 양 측면을 밀봉하여 전해질의 외부 유출을 방지하는 가스켓(400)을 구비한다. 보다 구체적으로, 상기 한쌍의 전극-집전체 시트(1)는 각각에 포함된 전극(100)이 세퍼레이터(300)쪽을 향하도록 배치된다.
요철(100a)은 매트릭스 형태로 형성될 수도 있고, 도 4에 도시된 형성방향에 나란하거나 이에 수직한 방향으로 스트라이프 형태로 형성될 수도 있다.
상기 전해질은 염이 용해되어 있는 수용액계 전해질을 포함할 수 있으며, 예를 들어 염화나트륨 수용액, 황산마그네슘 수용액, 황산칼슘 수용액 및 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 전기이중층 커패시터(30)는 집전체(100)와 전극(200) 사이의 접촉면적이 커서 이들 사이의 결착력이 클 뿐만 아니라 계면에서의 전기저항이 작아 전극 용량이 큰 잇점이 있다. 전극(200)의 용량이 커지면 전기이중층 커패시터(30)의 처리용량도 증가하게 된다.
이하, 상기 전기이중층 커패시터(30)의 작용 및 효과에 관하여 상세히 설명한다.
먼저, 한 쌍의 전극(200)에 직류 전압을 걸어주면 (+)로 분극된 전극(200)에는 전해질 중의 음이온이, (-)로 분극된 전극(200)에는 전해질 중의 양이온이 정전기적으로 유도되어 각 전극(200)의 활물질에 흡착함으로써 전극(200)과 전해질의 계면에 전기이중층이 형성되게 된다(이를 충전이라고 함). 충전이 완료되면 전기이중층 커패시터(30)에는 더 이상의 전류가 흐르지 않게 된다. 충전 완료 후 전극들(100)에 부하(미도시)를 포함하는 회로(미도시)가 형성되면 전기이중층의 전기에너지가 점차 소모되게 된다(이를 방전이라고 함).
방전시 전극(200)은 점차 극성을 잃게 되어 전극(200)의 활물질에 흡착되어 있던 이온들이 탈착하게 된다. 따라서, 전극(200)의 활물질은 다시 활성 표면을 회복하게 된다.
이하 실시예를 들어 본 발명을 상세히 설명하지만, 이는 예시적인 것에 불과하며 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1: 전극-집전체 시트 및 셀의 제조
1) 5중량%의 폴리우레탄 용액의 준비
대한민국특허출원 제2007-0071703호에 기재된 합성예 1에 따라 얻은 폴리우 레탄을 물에 분산하여 20 중량%의 폴리우레탄 수분산액을 얻었다. 이 폴리우레탄 수분산액 100 중량부에 1-부탄올 300 중량부을 부가하여 맑은 상태의 5 중량%의 폴리우레탄 용액을 제조하였다.
2) 전극 활물질층 형성용 슬러리의 제조
교반 용기에 활성탄(비표면적 1300 m2/g) 0.9g, 카본블랙 0.1g을 부가하고 상기 과정에 따라 얻은 5 중량%의 폴리우레탄 용액을 2g 첨가한 후, 고속 교반기를 사용하여 3분간 교반하였다. 이 결과물에 1-부탄올 1g을 첨가한 후 3분간 다시 교반하여 전극 활물질층 형성용 슬러리를 제조하였다.
3) 전극-집전체 시트의 제조
① 전극 활물질층 형성용 슬러리의 코팅
요철(돌기부들 간의 평균 간격: 0.5mm, 돌기부의 평균 높이 및 폭: 각각 1mm, 돌기부의 배치형태: 스트라이프 형태, 돌기부의 일단면 모양: 사각형)이 형성된 표면을 갖는 성형롤을 사용하여 그래파이트 호일(Qingdao GK, 380㎛)의 표면을 압착함으로써 상기 성형롤의 요철 형상과 반대 형상의 요철이 형성된 그래파이트 호일을 제조하였다. 이어서, 상기 요철이 형성된 그래파이트 호일 위에 상기 전극 활물질층 형성용 슬러리를 코팅하였다. 이때 코팅량을 10 mg/㎠로 조절하였다.
② 건조
상기 결과물을 상온에서 10분간 건조하고, 오븐에서 80℃로 2시간 건조하여 전극-집전체 시트를 완성하였다.
4) 셀의 제조
① 상기 과정에 따라 건조된 전극-집전체 시트를 면적 3cmx3cm(9㎠)의 크기로 잘라 2매를 준비하고 무게를 측정하였다.
② 전극-집전체 시트 2매를 전해액(1M NaCl 수용액)에 넣고 진공 함침시켰다.
③ ②의 전극-집전체 시트 중 1매 → 세퍼레이터(재질: 폴리올레핀, 제조사: 아사히) → ②의 전극-집전체 시트 중 나머지 1매의 순으로 적층하여 셀(cell)을 제조하였다.
④ 토크 렌치를 사용하여 셀에 가해지는 압력을 조절하였으며, 토크를 1.5N-m 토크(Torque)까지 증가시켜 셀을 조립하였다.
비교예 1
1) 5중량%의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 현탁액(suspension)의 준비
60중량%의 PTFE 수현탁액에 10중량% 프로필렌 글리콜 수용액을 부가하여 5중량%의 PTFE 현탁액을 제조하였다.
2) 전극의 제조
교반 용기에 활성탄(비표면적 1300 m2/g) 0.9g 및 카본블랙(Super P, Timcal) 0.1g을 넣은 후, 상기 과정에 따라 얻은 5중량%의 PTFE 현탁액 2g을 더 첨가하여 전극 활물질층 형성용 슬러리를 마련하였다. 이어서, 상기 슬러리를 반죽하여 시트상의 전극을 얻었다.
3) 전극의 건조
상기 전극을 오븐에서 80℃로 2시간, 120℃로 1시간 및 200℃로 1시간 건조하여 전극을 완성하였다.
4) 셀의 제조
상기 제조된 전극 및 요철이 없는 그래파이트 호일을 집전체로 사용하고, 그래파이트 호일 → 전극 1매 → 세퍼레이터 → 전극 1매 → 그래파이트 호일의 순으로 적층한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 셀을 제조하였다.
평가예
평가예 1: 셀의 커패시턴스 측정
실시예 1~2 및 비교예 1에서 제조한 각각의 셀을 하기 조건으로 운전하여, 셀의 커패시턴스을 측정한 후 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
① 셀의 운전은 상온에서, 전해액(1M NaCl 수용액)이 충분히 공급되는 상태에서 진행하였다.
② 정전류(18mA, 1.0V cutoff)/정전압(1.0V, 2mA cutoff) 충전을 수행하였으며, 정전류(18mA)로 방전하였다.
평가예 2: 전극의 전기저항 측정
실시예 1~2 및 비교예 1에서 제조한 각각의 전극의 전기저항을 4-point probe(4-slitter CTB10, Changmin Tech.)를 사용하여 측정한 다음, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
[표 1]
| 구분 | 커패시턴스(F/g) | 전기저항(Ohm) |
| 실시예 1 | 155 | 55.8 |
| 비교예 1 | 86 | 80.9 |
평가예
3: 전해액의 압력손실 평가
돌기부들 간의 평균 간격의 변화에 따른 전해액의 압력손실을 평가하기 위하여, 복수개의 돌기부가 스트라이프 형태로 배열되고 그 일단면 모양이 사각형인 요철을 구비하는 집전체 및 상기 집전체 상에 코팅된 활물질층으로 구성된, 도 1에 도시된 것과 같은, 5종의 전극-집전체 시트에 대하여 다음과 같은 방법으로 전해액의 압력손실을 평가하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
(1) 평가대상: 평가대상인 전극-집전체 시트들의 사양을 하기 표 2에 열거하였다.
(2) 압력손실의 평가방법: CFD 프로그램(Ansys사, Fluent)을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
(3) 시뮬레이션 파라미터
1) 전해액의 유입 유량: 1 lpm(liter per minute)
2) 유로의 길이(돌기부의 길이), 유로의 높이(전극과 집전체 사이의 빈틈의 높이) 및 유로의 평균 폭(돌기부들 간의 평균 간격): 하기 표 2 참조
[표 2]
| 평가대상 | 유로의 길이(mm) |
유로의 높이(mm) |
유로의 평균 폭 (mm) |
압력손실(kPa) |
| 전극-집전체 시트 1 | 50 | 0.1 | 0.05 | 14.45 |
| 전극-집전체 시트 2 | 50 | 0.1 | 0.2 | 14.38 |
| 전극-집전체 시트 3 | 50 | 0.1 | 0.5 | 12.33 |
| 전극-집전체 시트 4 | 50 | 0.1 | 1.0 | 12.34 |
| 전극-집전체 시트 5 | 50 | 0.1 | 2.0 | 12.33 |
이상에서 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 일체화된 전기 흡착 탈이온화용 전극-집전체 시트를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 전극-집전체 시트 및 이와 유사한 전극-집전체 시트를 구비하는 본 발명의 일 구현예에 따른 전기 흡착 탈이온 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1의 전극-집전체 시트와 유사한 전극-집전체 시트를 구비하는 본 발명의 다른 구현예에 따른 전기 흡착 탈이온 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 도 1의 전극-집전체 시트를 구비하는 본 발명의 일 구현예에 따른 전기이중층 커패시터를 개략적으로 도시한 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1, 1': 전극-집전체 시트 10: 사형 전기 흡착 탈이온 장치
20: 관통형 전기 흡착 탈이온 장치 30: 전기이중층 커패시터
100: 집전체 100a: 요철
100a1: 돌기부 100a2: 홈부
100b: 홀 200: 전극, 활물질층
300: 세퍼레이터 400: 가스켓
d: 돌기부의 간격
Claims (11)
- 적어도 일면에 형성된 요철을 구비하는 집전체; 및상기 요철을 적어도 부분적으로 덮도록 상기 집전체 상에 코팅된 활물질층을 포함하는 일체화된 전기 흡착 탈이온화용 전극-집전체 시트.
- 제1항에 있어서,상기 요철은 돌기부들 간의 평균 간격이 300㎛ 내지 2mm인 전기 흡착 탈이온화용 전극-집전체 시트.
- 제1항에 있어서,상기 요철은 스트라이프 형태 또는 매트릭스 형태로 형성된 전기 흡착 탈이온화용 전극-집전체 시트.
- 제1항에 있어서,상기 집전체는 그래파이트 호일이거나, 또는 Cu, Al, Ni, Fe, Co 및 Ti으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 금속, 금속 혼합물 또는 합금을 포함하는 전기 흡착 탈이온화용 전극-집전체 시트.
- 제1항에 있어서,상기 활물질층은 활물질 및 바인더를 포함하는 전기 흡착 탈이온화용 전극-집전체 시트.
- 제5항에 있어서,상기 활물질은 활성탄, 카본나노튜브(CNT), 메조포러스 카본(mesoporous carbon), 활성탄소 섬유, 흑연 산화물, 금속 산화물 및 그 복합물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종을 포함하는 전기 흡착 탈이온화용 전극-집전체 시트.
- 제5항에 있어서,상기 바인더는 폴리우레탄을 포함하고,상기 폴리우레탄은 물에 분산 가능한 것으로서,폴리테트라메틸렌에테르글리콜 또는 폴리프로필렌글리콜과,이소포론디이소시아네이트 또는 수소첨가 MDI(hydrogenated 4,4-diphenyl methane diisocyanate)의 반응으로 얻어진 전기 흡착 탈이온화용 전극-집전체 시트.
- 제5항에 있어서, 상기 바인더의 함량은 상기 활물질 100 중량부를 기준으로 하여 3 내지 20 중량부인 전기 흡착 탈이온화용 전극-집전체 시트.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 전극-집전체 시트를 구비하는 전기 흡착 탈이온 장치.
- 적어도 일면에 형성된 요철을 구비하는 집전체; 및상기 요철을 적어도 부분적으로 덮도록 상기 집전체 상에 코팅된 활물질층을 포함하는 일체화된 전기이중층 커패시터용 전극-집전체 시트.
- 제10항에 따른 전극-집전체 시트를 구비하는 전기이중층 커패시터.
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