KR20100086742A - 슈퍼커패시터 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 슈퍼커패시터 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 전류 집전체와; 상기 전류 집전체에 접합되는 활물질 전극층과; 상기 활물질 전극층에 도포되는 고분자 전해질층;을 포함하여 구성함으로서, 고체 전해질을 사용하여 상부 및 하부의 금속재질 케이스와 가스켓을 사용하지 않고도 누액위험이 원천적으로 제거된 슈퍼커패시터를 제공할 수 있게 되는 것이다.
슈퍼커패시터, 초고용량 커패시터, 전기이중층 커패시터, 전극, 전해질, 폴리머
Description
본 발명은 슈퍼커패시터에 관한 것으로, 특히 고체 전해질을 사용하여 상부 및 하부의 금속재질 케이스와 가스켓을 사용하지 않고도 누액위험이 원천적으로 제거된 슈퍼커패시터를 제공하기에 적당하도록 한 슈퍼커패시터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 커패시터는 전기를 저장할 수 있는 장치를 말하는 것으로, 커패시터는 기본적으로 2장의 전극판을 대향시킨 구조로 되어 있다. 여기에 직류전압을 걸면, 각 전극에 전하가 축적되며, 축적하고 있는 도중에는 전류가 흐르고, 축적된 상태에서는 전류는 흐르지 않게 된다.
또한 커패시터는 두 극판의 전극간에 절연체를 넣어 만드는데, 이 재질에 따라 여러 종류의 커패시터가 있다. 또한, 아무것도 삽입하지 않고 공기를 유전체로 하는 커패시터도 있다. 커패시터의 용량을 나타내는 단위는 패럿(약호:F)이 사용된다. 일반적으로 커패시터에 축적되는 전하용량은 매우 작기 때문에, uF의 단위가 사용되지만 최근에는 슈퍼커패시터로 인해 F 단위로 용량을 표기하는 경우도 생겨났다.
슈퍼커패시터(Supercapacitor)는 울트라커패시터(Ultracapacitor), 초고용량 커패시터, 전기화학적 커패시터(Electrical Double Layer Capacitor, EDLC) 등으로 불린다.
슈퍼커패시터는 종래의 커패시터에 사용되고 있는 고유물질인 유전체는 없고, 또한 전지와 같이 충방전에 화학반응을 이용하지도 않는다. 그 특징은 표면적이 큰 활성탄을 사용하고 유전체의 거리를 짧게 하여 소형으로 F 단위의 매우 큰 정전 용량을 얻을 수 있으며, 과충전, 과방전을 해도 전지와 같이 수명에 영향을 주는 일이 없을 뿐만 아니라, 환경성이 뛰어나다. 전자 부품으로서 땜납으로 붙일 수 있으므로 2차 전지와 같이 단락이나 접속 불안정이 일어나지 않는다. 종래의 전기 화학 반응을 이용하는 2차 전지에 비해, 슈퍼커패시터는 전하 자체를 물리적으로 축전하는 방법을 이용하고 있어 충방전 시간의 조절이 가능하고, 긴 수명, 높은 에너지 밀도 등을 얻을 수 있다.
슈퍼커패시터는 내부저항이 높을수록 충전시간은 길어지지만, 슈퍼커패시터의 단점인 제한된 부피당 에너지 밀도를 높일 수 있다. 따라서 슈퍼커패시터는 10~15분 정도의 충전으로 단시간용 전력 피크의 보상이나 몰입전류를 공급할 수 있으며, 2시간 정도의 충전으로 장시간 전력 보상을 할 수 있다. 정전압 충전의 경우 내부저항에 상관없이 약 50%의 효율을 보여주고 있으나, 내부저항 값에 따라 더 좋은 충전 효율도 얻을 수 있다.
이러한 슈퍼컴퓨터는 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 또는 연료전지자동차(Fuel Cell Vehicle, FCV) 등과 같은 차세대 환경친화 차량 개발 분야에 있어 에너지 버퍼로써 슈퍼커패시터의 효용성은 날로 증가하고 있다.
슈퍼커패시터의 용도는 크기 및 용도에 따라 분류할 수도 있는데, 소형은 전원 차단시의 전자기기의 메모리 백업용 전원으로 사용되며, 중형 및 대형 제품에서는 하이브리드 전원시스템, 자동차의 스타터용 전원, 배기가스 촉매 가열의 보조전원이나 HEV의 회생 전원, 완구용 모터구동전지 대체용 전원 등과 같이 용도가 다양하다.
도 1은 종래 슈퍼커패시터의 구조를 보인 개념도이다.
그래서 종래의 슈퍼커패시터는 리드(Lead, 1), 캡(Cap, 2), 접착제 페이스트(Adhesive Paste, 3) 전극(electrode, 4), 세퍼레이터(Separator, 5), 가스켓(Gasket, 7), 케이스(Case, 8)로 구성된다. 즉, 금속재질로 이루어진 상부의 캡(2) 및 하부의 케이스(8)가 필요하고, 캡(2)과 케이스(8)의 조립시 실링의 목적으로 사용하는 가스켓(7)이 필요하다.
그러나 가스켓(7)의 노화나 조립시 이물질에 의한 갭이 발생할 수 있는데, 이는 슈퍼커패시터 내부의 재료들이 외부환경에 노출됨을 의미하고, 이에 따라 슈퍼커패시터로서의 성능을 잃을 수 있는 문제점이 있게 된다.
또한 종래의 슈퍼커패시터는 액상의 전해질을 전극(4)으로 사용하는데, 이 때문에 액상의 전해질에 의한 누액 발생시 타 전자부품들에게 치명적인 악영향을 미칠 수 있는 단점도 있다.
나아가 미리 정해진 상부의 캡(2)과 하부의 케이스(8)에 의해 조립되어지는 종래의 슈퍼커패시터는 사용용도에 따라 모양이나 치수를 변형시키기 어려운 문제점도 있었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 고체 전해질을 사용하여 상부 및 하부의 금속재질 케이스와 가스켓을 사용하지 않고도 누액위험이 원천적으로 제거된 슈퍼커패시터를 제공할 수 있는 슈퍼커패시터 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 슈퍼커패시터의 구조를 보인 개념도이다.
이에 도시된 바와 같이, 전류 집전체(11)와; 상기 전류 집전체(11)에 접합되는 활물질 전극층(12)과; 상기 활물질 전극층(12)에 도포되는 고분자 전해질층(13);을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 전류 집전체(11)는, 10um ~ 1mm의 두께를 갖고, 알루미늄, 니켈, 구리, 또는 스테인리스 스틸 중에서 하나 이상의 금속으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 활물질 전극층(12)은, 60~97%의 활성탄소를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 슈퍼커패시터는, 상기 전류 집전체(11), 상기 활물질 전극층(12), 상기 고분자 전해질층(13)의 외부 측면에 폴리머 실링재(도면상에 미도시)가 도포되어 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 폴리머 실링재는, 열경화성 또는 UV 경화성 폴리머인 것을 특징으로 한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 슈퍼커패시터의 구조를 보인 개념도이다.
이에 도시된 바와 같이, 제 1 전류 집전체(21)와; 상기 제 1 전류 집전체(21)에 접합되는 제 1 활물질 전극층(22)과; 상기 제 1 활물질 전극층(22)에 도포되는 고분자 전해질층(23)과; 상기 고분자 전해질층(23)에 접합되는 제 2 활물질 전극층(24)과; 상기 제 2 활물질 전극층(24)에 접합되는 제 2 전류 집전체(25);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 및 제 2 전류 집전체(21, 25)는, 10um ~ 1mm의 두께를 갖고, 알루미늄, 니켈, 구리, 또는 스테인리스 스틸 중에서 하나 이상의 금속으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 및 제 2 활물질 전극층(22, 24)은, 60~97%의 활성탄소를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 슈퍼커패시터는, 상기 제 1 및 제 2 전류 집전체(21, 25), 상기 활물질 전극층(22, 24), 상기 고분자 전해질층(23)의 외부 측면에 폴리머 실링재(26)가 도포되어 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 폴리머 실링재(26)는, 열경화성 또는 UV 경화성 폴리머인 것을 특징으로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 슈퍼커패시터의 제조방법을 보인 흐름도이다.
이에 도시된 바와 같이, 전류 집전체에 전극층을 접합시켜 활물질 전극층을 제조하고, 겔(Gel) 상의 고분자 전해질층을 상기 활물질 전극층에 도포하여 접합시키는 제 1 단계(ST1 ~ ST3)와; 상기 제 1 단계 후 가열압착시키는 제 2 단계(ST4);를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 슈퍼커패시터의 제조방법은, 상기 제 2 단계 후 상기 전류 집전체, 상기 활물질 전극층, 상기 고분자 전해질층으로 이루어진 슈퍼커패시터의 외부 측면에 폴리머 실링재를 도포하는 제 3 단계(ST5);를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 슈퍼커패시터 및 그 제조방법은 폴리머를 이용한 실링으로 상부, 하부의 금속재질로 이루어진 케이스와 그 연결부위에 실링의 목적으로 사용되는 가스켓이 필요 없으며, 이로 인한 비용절감의 효과가 있다.
또한 본 발명은 고체 전해질의 사용에 따라 액체 전해질 사용시 빈번하게 발 생될 수 있는 전해질 누액을 원천적으로 방지할 수 있으며, 폴리머 실링재에 의해 외부 수분과의 접촉 위험도 제거할 수 있는 장점이 있다.
더불어 본 발명은 고정된 금속케이스를 사용하지 않기 때문에 원하는 형태로 디자인이 가능하며, 휨강도가 개선되어 다양한 분야에 적용하는 것이 훨씬 더 용이해지는 장점이 있다.
나아가 본 발명은 금속케이스를 사용하는 코인 셀에 비해 동일한 크기에서 전극, 전해질의 양이 많아져 용량확보와 저항감소의 효과도 있다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 슈퍼커패시터 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.
먼저 본 발명은 고체 전해질을 사용하여 상부 및 하부의 금속재질 케이스와 가스켓을 사용하지 않고도 누액위험이 원천적으로 제거된 슈퍼커패시터를 제공하고자 한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 슈퍼커패시터의 구조를 보인 개념도이 다.
그래서 슈퍼커패시터는 전류 집전체(11), 전류 집전체(11)에 접합되는 활물질 전극층(12), 활물질 전극층(12)에 도포되는 고분자 전해질층(13)으로 구성한다.
이때 전류 집전체(11)는 10um ~ 1mm의 두께를 갖고, 알루미늄, 니켈, 구리, 또는 스테인리스 스틸 중에서 하나 이상의 금속으로 이루어진다.
또한 활물질 전극층(12)은 60~97%의 활성탄소를 포함하여 구성된다. 그래서 활물질 전극층(12)은 이러한 활성탄소에 도전성 탄소재 및 형태를 유지하기 위한 바인더재를 더욱 포함하여 구성할 수 있다.
그리고 슈퍼커패시터는 전류 집전체(11), 활물질 전극층(12), 고분자 전해질층(13)으로 구성되며, 원통형 혹은 다양한 형태를 갖는다. 그래서 이러한 원통형 혹은 다양한 형태를 갖는 슈퍼커패시터의 외부 측면부에 폴리머 실링재(도 2에서는 미도시)가 고르게 도포되어 외부 환경으로부터 내부의 전극, 전해질 재료를 보호하게 된다. 이때 사용하는 폴리머 실링재는 열경화성 또는 UV 경화성 폴리머 등으로 구성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 슈퍼커패시터의 구조를 보인 개념도이다.
그래서 슈퍼커패시터는 제 1 전류 집전체(21), 제 1 전류 집전체(21)에 접합되는 제 1 활물질 전극층(22), 제 1 활물질 전극층(22)에 도포되는 고분자 전해질층(23), 고분자 전해질층(23)에 접합되는 제 2 활물질 전극층(24), 제 2 활물질 전극층(24)에 접합되는 제 2 전류 집전체(25)를 포함하여 구성할 수 있다.
그리고 제 1 및 제 2 전류 집전체(21, 25)는 10um ~ 1mm의 두께를 갖고, 알루미늄, 니켈, 구리, 또는 스테인리스 스틸 중에서 하나 이상의 금속으로 이루어진다.
또한 제 1 및 제 2 활물질 전극층(22, 24)은 60~97%의 활성탄소를 포함하여 구성된다. 그래서 제 1 및 제 2 활물질 전극층(22, 24)은 이러한 활성탄소에 도전성 탄소재 및 형태를 유지하기 위한 바인더재를 더욱 포함하여 구성할 수 있다.
그리고 슈퍼커패시터는 제 1 및 제 2 전류 집전체(21, 25), 활물질 전극층(22, 24), 고분자 전해질층(23)으로 구성되며, 원통형 혹은 다양한 형태를 갖는다. 그래서 이러한 원통형 혹은 다양한 형태를 갖는 슈퍼커패시터의 외부 측면부에 폴리머 실링재(26)가 고르게 도포되어 외부 환경으로부터 내부의 전극, 전해질 재료를 보호하게 된다. 이때 사용하는 폴리머 실링재(26)는 열경화성 또는 UV 경화성 폴리머 등으로 구성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 슈퍼커패시터의 제조방법을 보인 흐름도이다.
먼저 전류 집전체에 전극층을 접합시켜 활물질 전극층을 제조한다(ST1).
또한 겔(Gel) 상의 고분자 전해질층을 활물질 전극층에 도포하여(ST2), 활물질 전극층과 고분자 전해질층을 접합시켜 슈퍼커패시터를 형성시킨다(ST3).
그리고 이렇게 형성된 슈퍼커패시터를 가열압착시킨다(ST4).
그런 다음 전류 집전체, 활물질 전극층, 고분자 전해질층으로 이루어진 슈퍼커패시터는 원통형이나 혹은 다양한 형태를 갖는데, 이러한 슈퍼커패시터의 외부 측면에 폴리머 실링재를 도포한다(ST5).
이렇게 구성된 본 발명에 의한 슈퍼커패시터는 종래의 슈퍼커패시터에 사용되던 외부 케이스를 없애거나 저렴한 재료를 사용할 수 있게 함으로써 슈퍼커패시터의 제조시 비용절감이 가능하게 한다. 또한 고체상의 전해질과 폴리머를 이용한 실링으로 누액을 원천적으로 차단하여 슈퍼커패시터의 안정성을 개선하게 된다. 또한 종래에는 슈퍼커패시터의 모양이 코인 형태로 국한되어 있는데 반해, 본 발명에 의한 슈퍼커패시터는 그 모양을 사용되는 목적에 따라 자유롭게 디자인할 수 있게 한다. 또한 본 발명은 별도의 분리판을 사용하지 않고도 슈퍼커패시터를 제조할 수 있게 한다.
이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 종래 슈퍼커패시터의 구조를 보인 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 슈퍼커패시터의 구조를 보인 개념도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 슈퍼커패시터의 구조를 보인 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 슈퍼커패시터의 제조방법을 보인 흐름도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
11 : 전류 집전체
12 : 활물질 전극층
13 : 고분자 전해질층
21 : 제 1 전류 집전체
22 : 제 1 활물질 전극층
23 : 고분자 전해질층
24 : 제 2 활물질 전극층
25 : 제 2 전류 집전체
26 : 폴리머 실링재
Claims (12)
- 전류 집전체와;상기 전류 집전체에 접합되는 활물질 전극층과;상기 활물질 전극층에 도포되는 고분자 전해질층;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
- 청구항 1에 있어서,상기 전류 집전체는,10um ~ 1mm의 두께를 갖고, 알루미늄, 니켈, 구리, 또는 스테인리스 스틸 중에서 하나 이상의 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
- 청구항 1에 있어서,상기 활물질 전극층은,60~97%의 활성탄소를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
- 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 슈퍼커패시터는,상기 전류 집전체, 상기 활물질 전극층, 상기 고분자 전해질층의 외부 측면에 폴리머 실링재가 도포되어 형성된 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
- 청구항 4에 있어서,상기 폴리머 실링재는,열경화성 또는 UV 경화성 폴리머인 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
- 제 1 전류 집전체와;상기 제 1 전류 집전체에 접합되는 제 1 활물질 전극층과;상기 제 1 활물질 전극층에 도포되는 고분자 전해질층과;상기 고분자 전해질층에 접합되는 제 2 활물질 전극층과;상기 제 2 활물질 전극층에 접합되는 제 2 전류 집전체;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
- 청구항 6에 있어서,상기 제 1 및 제 2 전류 집전체는,10um ~ 1mm의 두께를 갖고, 알루미늄, 니켈, 구리, 또는 스테인리스 스틸 중에서 하나 이상의 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
- 청구항 6에 있어서,상기 제 1 및 제 2 활물질 전극층은,60~97%의 활성탄소를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
- 청구항 6 내지 청구항 8 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 슈퍼커패시터는,상기 제 1 및 제 2 전류 집전체, 상기 활물질 전극층, 상기 고분자 전해질층의 외부 측면에 폴리머 실링재가 도포되어 형성된 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
- 청구항 9에 있어서,상기 폴리머 실링재는,열경화성 또는 UV 경화성 폴리머인 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
- 전류 집전체에 전극층을 접합시켜 활물질 전극층을 제조하고, 겔 상의 고분자 전해질층을 상기 활물질 전극층에 도포하여 접합시키는 제 1 단계와;상기 제 1 단계 후 가열압착시키는 제 2 단계;를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터의 제조방법.
- 청구항 11에 있어서,상기 슈퍼커패시터의 제조방법은,상기 제 2 단계 후 상기 전류 집전체, 상기 활물질 전극층, 상기 고분자 전해질층으로 이루어진 슈퍼커패시터의 외부 측면에 폴리머 실링재를 도포하는 제 3 단계;를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터의 제조방법.
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2009
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