KR20130085548A - 개선된 저항 특성을 가지는 슈퍼 커패시터용 전극 슬러리 제조 방법과, 이를 이용하여 제조되는 슈퍼 커패시터 및 제조 방법 - Google Patents
개선된 저항 특성을 가지는 슈퍼 커패시터용 전극 슬러리 제조 방법과, 이를 이용하여 제조되는 슈퍼 커패시터 및 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 슈퍼 커패시터에 관한 것으로, 특히 본 발명은 전극 활물질과 바인더를 일정 비율로 혼합하는 바인더 혼합 단계, 혼합된 전극 활물질과 바인더에 도전재를 일정 비율로 혼합하는 도전재 혼합 단계, 상기 혼합된 도전재 혼합물에 용매를 일정 비율로 제공하여 전극 슬러리를 제조하는 단계를 포함하는 개선된 저항 특성을 가지는 전극 슬러리 제조 방법, 이 제조 방법으로 마련된 슈퍼 커패시터 및 상기 슈퍼 커패시터의 제조 방법의 구성을 개시한다.
Description
본 발명은 슈퍼 커패시터에 관한 것으로, 특히 내부 저항성을 낮출 수 있도록 지원하는 개선된 저항 특성을 가지는 슈퍼 커패시터용 전극 슬러리 제조 방법과, 이를 이용하여 제조되는 슈퍼 커패시터 및 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 슈퍼 커패시터는 정전기적(electrostatic) 특성을 이용하기 때문에 전기 화학적 반응을 이용하는 배터리에 비하여 충방전 회수가 거의 무한대이고 반영구적으로 사용 가능하며, 에너지의 충방전 속도가 매우 빨라 그 출력 밀도가 배터리의 수십 배 이상이다.
따라서 기존의 화학전지 배터리로는 구현하지 못하는 슈퍼 커패시터의 특성으로 인하여, 산업계 전반에 걸쳐 슈퍼 커패시터의 응용 분야가 점차 확대되는 추세이다. 특히, 요즘과 같은 고유가 시대에 전기자동차(electric vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle, HEV) 또는 연료전지자동차(fuel cell vehicle, FCV) 등과 같은 차세대 환경 친화 차량 개발 분야에 있어 에너지 버퍼로서 슈퍼 커패시터의 효용성은 날로 증가하고 있다.
슈퍼 커패시터는 보조 에너지 저장장치로서 화학전지 배터리와 병용됨으로써, 순간적인 에너지의 공급과 흡수는 슈퍼 커패시터가 담당하고, 평균적인 차량의 에너지 공급은 배터리가 담당함으로써 전반적인 차량 시스템의 효율 개선과 에너지 저장 시스템의 수명 연장 등의 효과를 기대할 수 있다. 또한, 이동전화나 동영상 레코더와 같은 휴대용 전자 부품에서 보조 전원으로 사용될 수 있어, 그 중요성 및 용도가 날로 증가하고 있다.
이와 같은 슈퍼 커패시터는 크게 전기 이중층 커패시터(electric double layer capacitor, 이하 'EDLC 커패시터'라 한다)와 산화ㅇ환원 커패시터(pseudo capacitor, 이하 '수도 커패시터'라 한다)로 분류된다. 상기 EDLC 커패시터는 표면에 전기 이중층이 생성되어 전하를 축적하고, 수도 커패시터는 활물질로 사용되는 금속 산화물의 산화ㅇ환원 반응에 의해 전하를 축적한다.
먼저, 수도 커패시터는 금속 산화물로 사용되는 재료 특히, 루테늄 산화물의 가격이 고가이고, 또한 사용 후 폐기 시 상기 재료가 친환경적이지 못하기 때문에 환경오염을 유발하는 문제가 있었다. 이에 반해, EDLC 커패시터는 전극 물질 자체가 갖는 뛰어난 안정성과 함께 친환경적인 탄소 재료를 이용한다.
EDLC 커패시터는 전류 집전체, 전극, 전해질 및 분리막으로 구성되며, 분리막으로 인해 서로 전기적으로 분리된 두개의 전극 사이에 전해질이 충진되어 있고 전류 집전체는 전극에 효과적으로 전하를 충전시키거나 방전시키는 역할을 한다. 이러한 EDLC 커패시터의 전극재료로 사용되는 활성탄소 전극은 미세기공으로 이루어진 다공질로서 넓은 비표면적을 가지고 있어, 활성탄소 전극에 (-)를 걸어주면 전해질로부터 해리되어 나온 (+)이온이 활성탄소 전극의 기공 내로 들어가서 (+)층을 이루고, 이는 활성탄소 전극의 계면에 형성된 (-)층과 전기이중층을 형성하면서 전하를 충전시키게 된다.
EDLC 커패시터의 축전용량은 활성탄소 전극의 구조 및 물성에 크게 의존하는데, 요구되는 특성으로는 비표면적이 클 것, 물질 자체의 내부저항이 작을 것, 탄소소재의 밀도가 높을 것 등이 있다.
예를 들어, EDLC 커패시터의 전극의 경우, 폴리 아크릴로나이트릴(PAN)을 염기 활성화시켜 1500~3000 ㎡/g가 넘는 높은 비표면적을 갖는 활성화 탄소 나노섬유(ACNF)가 얻어지지만, 그 밀도가 낮아 등가직렬저항(equivalent series resistance, 이하 'ESR'이라 한다)이 다소 높은 편이며 축전용량도 활성 탄소 분말(ACP)로 제조된 전극보다 낮은 편이다. 이처럼 전극 활물질의 밀도가 낮으면 일반적으로 저항은 커지며 축전 용량은 감소하게 된다.
한편, 활물질의 도전성 부여를 위한 도전재로 이루어진 전극물질과 집전체 간 또는 전극 재료 간 접착특성을 향상시키기 위해 바인더를 사용하게 된다. 여기서 바인더의 사용 함량이 낮아지면 상대적으로 도전재나 활물질의 함량이 높아져 단기적인 용량의 증대를 기대할 수는 있지만 전극물질이 집전체에 효율적으로 결착되지 않아 전극물질 층이 무너져 용량이 급격히 감소하여 내부저항이 크게 증대 될 수 있다.
이와 반대로 활물질과 도전재의 함량을 낮추고 바인더의 양을 증가 시키면 용량을 발현할 수 있는 활물질의 양과 함께 전도도를 증가시키는 도전재의 양이 감소하게 된다. 특히 바인더의 양이 많아지면 물리적인 특성과 함께 집전체와의 결착력은 증대되지만 전도도가 낮아지며 활물질의 밀도가 낮아져 저항은 증가하게 되고 용량은 감소하게 된다.
따라서 전극물질을 구성할 때 활물질과, 도전재 및 바인더의 함량을 적절히 조절함으로서 물리적 특성과 함께 전도도, 용량과 같은 전기적인 특성을 고려하여야 한다. 그러나 이러한 함량 조절은 다양한 시행착오를 요구하게 된다. 즉 활물질, 도전재와 바인더의 함량 등을 모두 고려하여 일정한 조합을 만들고 그 조합을 통하여 전극을 형성한 다음 물리적 특성을 검사하게 됨으로 각각의 구성들의 함량에 대한 많은 데이터가 필요하며, 결과적으로 이러한 요구는 다양한 실험을 동반할 수밖에 없다. 이에 따라 뚜렷한 특성을 보다 쉽고 명확하게 획득할 수 있는 방안의 모색이 필요한 실정이다.
따라서 본 발명의 목적은 저항 특성이 감소된 전극 형성을 위한 보다 간단한 전극 슬러리 제조 방법을 제공함으로써 보다 손쉽게 특정 특성이 필요한 전극을 형성할 수 있는 개선된 저항 특성을 가지는 슈퍼 커패시터용 전극 슬러리 제조 방법 및 이를 이용하여 제조되는 슈퍼 커패시터 및 제조 방법을 제공함에 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전극 활물질과 바인더를 일정 비율로 혼합하는 바인더 혼합 단계, 혼합된 전극 활물질과 바인더에 도전재를 일정 비율로 혼합하는 도전재 혼합 단계, 상기 혼합된 도전재 혼합물에 용매를 일정 비율로 제공하여 전극 슬러리를 제조하는 단계를 포함하는 개선된 저항 특성을 가지는 전극 슬러리 제조 방법의 구성을 개시한다.
여기서 상기 바인더 혼합 단계는 상기 전극 활물질과 상기 바인더의 비율이 6:4가 되도록 혼합하는 단계 또는 상기 전극 활물질과 상기 바인더의 비율이 7:3이 되도록 혼합하는 단계 중 어느 하나의 단계가 될 수 있다.
또한 상기 전극 슬러리를 제조하는 단계는 상기 도전재 혼합물에 물로 된 용매를 400wt% 첨가하는 단계가 될 수 있다.
한편 상기 전극 활물질은 활성 탄소분말(ACP ; Activated Carbon Powder), 탄소 나노튜브 (CNT ; carbon nano tube), 흑연, 기상 성장 탄소섬유(VGCF ; vapor grown carbon Fiber), 탄소 에어로겔(carbon aerogel), 폴리 아크릴로나이트릴(PAN ; poly acrylonitrile) 및 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF ; polyvinylidenefluoride)와 같은 고분자를 탄화하여 제조하는 탄소 나노섬유(CNF ; carbon nano fiber) 및 활성화탄소 나노 섬유(ACNF ; activated carbon nano fiber) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 바인더는 CMC(carboxy methyl cellulose), 폴리비닐피롤리돈 (PVP ; polyvinylpyrrolidone), 불소계의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE ; poly tetra fluoroethylene) 분말이나 에멀젼, 고무계의 스티렌 부타디엔 러버(SBR ; styrene butadiene rubber), 폴리비닐리덴플루오라이드, 카르복시메틸셀룰로오즈, 하이드로프로필메틸셀룰로오즈, 폴리비닐알콜로 및 폴리아닐린 중 적어도 하나로 구성될 수 있다.
그리고 상기 도전재는 카본 블랙(CB ; carbon black), 아세틸렌 블랙(acetylene black), 캐첸 블랙(ketjen black), 흑연 또는 슈퍼-피(super-p) 중 어느 하나가 될 수 있다.
본 발명은 또한, 앞서 설명한 상기 전극 슬러리를 이용하여 형성된 전극, 상기 전극이 형성되는 집전체, 상기 전극 상에 배치되는 분리막, 상기 분리막과 전극 사이에 주입되는 전해액을 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터의 구성을 개시한다.
본 발명은 또한, 앞서 설명한 상기 전극 슬러리를 마련하는 단계, 상기 전극 슬러리를 이용하여 집전체에 캐스팅하여 전극을 형성하는 단계, 상기 전극 상에 분리막에 배치하는 단계, 상기 전극과 분리막 사이에 전해액을 주입하여 밀봉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 제조 방법의 구성을 개시한다.
본 발명의 실시 예에 따른 개선된 저항 특성을 가지는 슈퍼 커패시터용 전극 슬러리 제조 방법 및 이를 이용하여 제조되는 슈퍼 커패시터 및 제조 방법에 따르면, 본 발명은 저항 특성이 감소된 전극을 보다 간편하고 용이한 방법으로 형성할 수 있도록 지원한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전극 슬러리 제조 방법을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 전극 슬러리를 기반으로 제작될 수 있는 슈퍼 커패시터의 일 형태를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 전극 슬러리를 이용한 슈퍼 커패시터 제조 방법을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 전극 슬러리를 기반으로 제작될 수 있는 슈퍼 커패시터의 일 형태를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 전극 슬러리를 이용한 슈퍼 커패시터 제조 방법을 설명하기 위한 도면.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 본 발명의 기능과 관련된 구성들과 구성들의 역할에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다. 여기서 본 발명의 특징이 상술한 예시들로 한정되는 것은 아니다. 즉 본 발명은 특징은 상술한 예시들뿐만 아니라 이하에서 설명하는 각 구성들의 형태 변경이나, 추가적인 기능들까지도 포함하는 형태로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전극 슬러리 형성 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전극 슬러리 형성 방법은 먼저 S101 단계에서와 같이 전극 활물질로 사용되는 활성탄에 바인더를 투입하여 페이스트(Paste)를 생성한다. 활성탄과 바인더의 비율은 7:3 또는 6:4가 될 수 있다.
전극 활물질로 사용되는 활성탄은 높은 전기전도성, 열전도성, 낮은 밀도, 적합한 내부식성, 낮은 열팽창율 그리고 높은 순도를 지닌 다공성 탄소계 물질이 이용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 전극 활물질은 활성 탄소분말(ACP ; Activated Carbon Powder), 탄소 나노튜브 (CNT ; carbon nano tube), 흑연, 기상 성장 탄소섬유(VGCF ; vapor grown carbon Fiber), 탄소 에어로겔(carbon aerogel), 폴리 아크릴로나이트릴(PAN ; poly acrylonitrile) 및 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF ; polyvinylidenefluoride)와 같은 고분자를 탄화하여 제조하는 탄소 나노섬유(CNF ; carbon nano fiber) 및 활성화탄소 나노 섬유(ACNF ; activated carbon nano fiber) 등이 사용될 수 있다.
바인더는 전극물질을 이루는 전극 활물질과 도전재의 결합 및 전극 활물질의 집전체 결착을 위한 가교역할을 하는 것으로, 바인더의 종류로는 CMC(carboxy methyl cellulose), 폴리비닐피롤리돈 (PVP ; polyvinylpyrrolidone), 불소계의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE ; poly tetra fluoroethylene) 분말이나 에멀젼, 및 고무계의 스티렌 부타디엔 러버(SBR ; styrene butadiene rubber) 등이 있다. 본 발명의 바인더는 상술한 다양한 종류의 바인더를 결착 목적이나 특성 획득을 위하여 적어도 하나 이상이 혼합된 형태로 마련될 수 있다.
CMC(carboxy methyl cellulose)는 전극 슬러리의 점도를 풀과 비슷한 상태로 유지하면서 집전체와 결착력을 높이는 역할을 한다. CMC는 결착력을 높이지만 전극 슬러리가 캐스팅(casting) 된 후에는 전극물질층의 취성(embrittlement)을 증가시킨다. 이러한 CMC는 집전체와 전극 슬러리의 결착력을 얻기 위해 사용될 수 있다. 폴리비닐피롤리돈(PVP)은 분산제로 작용하며 전극 슬러리를 이루고 있는 입자들의 분산을 도와주는 역할을 한다. 이러한 폴리비닐피롤리돈은 첨가량이 적고 분산에 도움을 줄 수 있는 다른 물질이 있다면 대체 가능하다. 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 전극 슬러리 내부에서 에멀젼 상태로 포진하고 있다가 용융점(327℃)이상에서 용융되면 거미줄과 같이 폴리머가 입자들을 감싸 안게 된다. 이러한 폴리테트라플루오로에틸렌은 입자간의 결합력을 안정적으로 높여줄 수 있다. 고무계의 스티렌 부타디엔 러버(SBR)는 입자들의 표면을 코팅하여 표면을 보호하는 역할을 한다. 상술한 바와 같이 다양한 물질이 각 특성 획득을 위하여 바인더로서 적어도 하나가 혼입되어 전극 활물질과 페이스팅(Pasting) 될 수 있다.
추가로 상기 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드, 카르복시메틸셀룰로오즈, 하이드로프로필메틸셀룰로오즈 및 폴리비닐알콜로 등을 더 포함할 수 있다. 이러한 구성들 또한 각 물질 특성에 따라 전극의 특성 지원을 위해 상술한 각 물질들과 적어도 하나가 혼합되어 바인더로서 이용될 수 있다. 또한 본 발명의 바인더로 이용되는 물질은 전기 전도도를 일정량 가지는 물질이 이용될 수 있다. 예를 들어 바인더는 액상 도핑한 폴리아닐린이 이용될 수 있다. 이 폴리아닐린은 전도성 활물질로서 결착제로서 이용될 수도 있는 물질이다.
한편, 본 발명의 바인더의 량은 전극 활물질의 량 대비 6:4 이하로 형성될 수 있다. 바인더의 양은 바인더의 물리적 특성 획득과 결착력 획득 및 충전 효율 저하 등을 고려하여 전체 전극 물질 대비 30wt%이하로 구성되는 것을 감안할 때 전극 활물질과의 대비는 7:3 정도로 형성될 수 있으며, 도전재의 추가 상태를 고려할 경우 전극 활물질과의 비율은 6:4 정도의 비율까지도 허용 가능하다. 궁극적으로 본 발명의 전극 슬러리는 전극 활물질과 바인더를 선행적으로 혼합한 후에 도전재 혼합을 수행하여 도전재가 바인더에 결합되는 비율을 줄이도록 유도할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 전극 슬러리 제조 방법은 바인더와 전극 활물질과의 혼합 이후 도전재의 첨가를 통해 전극 활물질에 바인더가 혼입된 상태를 선행하도록 함과 아울러 전극 슬러리를 일정 중량으로 만드는 과정에서 바인더에 결합되는 도전재의 비율을 감소시킬 수 있다. 결과적으로 본 발명의 전극 슬러리 제조 방법은 바인더에 의한 전극 활물질의 결착력 및 자체 물리적 특성 확보를 충분히 획득하면서 도전재의 혼입 비율을 저감시켜 도전재의 비중 감소를 통하여 전극의 내부 저항을 감소시키도록 지원할 수 있다.
전극 활물질과 바인더 특히 액상의 바인더를 일정 비율로 혼합한 다음, S103 단계에서와 같이 도전재를 페이스팅된 전극 활물질과 바인더에 일정 중량의 중량비율이 100이 되도록 첨가한다.
여기서 도전성을 부여하기 위한 도전재로는 카본 블랙(CB ; carbon black), 아세틸렌 블랙(acetylene black), 캐첸 블랙(ketjen black), 흑연 또는 슈퍼-피(super-p) 등이 사용될 수 있다.
전극 활물질에 액상 바인더가 우선적으로 혼합된 상태에서 도전재가 추가 첨가되어 혼합되는 경우, 전극 슬러리의 전체 비중에서 바인더에 결합되는 도전재의 비중이 감소하게 된다. 이에 따라 전극 형성 시 저항 역할을 하는 도전재의 비중을 줄여 동일 중량대비 바인더에 결합되는 도전재 감소에 따른 내부 저항 감소를 달성할 수 있다.
다음으로 본 발명의 전극 슬러리 제조 방법은 S105 단계에서 용매로 물을 일정 비율 예를 들면 400wt%를 첨가하여 전극 슬러리를 제조한다. 제조된 전극 슬러리는 집전체에 도포하여 전극을 형성하는데 이용될 수 있다.
상술한 본 발명의 전극 슬러리 제조 방식은 전극 활물질, 바인더, 도전재 재료들 간의 페이스팅을 통한 전극 슬러리 제조에서 우선적으로 일정 비율로 조절된 전극 활물질과 바인더를 페이스트하고 이후 전극 활물질과 바인더가 페이스팅된 재료와 도전재를 혼합하여 도전재가 바인더에 결착되는 량을 줄여 도전재에 의한 내부 저항을 감소시킬 수 있다. 결과적으로 본 발명의 전극 슬러리 제조 방법은 저항성이 감소된 전극 슬러리를 손쉽게 마련할 수 있도록 지원한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전극 슬러리를 이용하여 생성된 슈퍼 커패시터의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 슈퍼 커패시터(10)는 제1 집전체(11), 제1 전극(21), 전해액(30), 분리막(40), 제2 전극(22), 제2 집전체(12), 케이스(50)를 포함하여 구성될 수 있다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명의 슈퍼 커패시터(10)는 제1 전극(21) 및 제2 전극(22) 중 적어도 하나는 앞서 설명한 본 발명의 전극 슬러리 제조 방법에 따라 제조된 전극 슬러리를 이용하여 생성될 수 있다. 즉 제1 전극(21) 형성 시 전극 활물질에 바인더를 먼저 페이스팅한 후 도전재를 혼합한 전극 조성물을 마련한 후, 용매를 섞어 전극 슬러리를 생성할 수 있다. 그리고 생성된 전극 슬러리를 이용하여 제1 집전체(11)에 도포하여 제1 전극(21)을 형성할 수 있다. 또는 제2 전극(22) 형성 시 전극 활물질에 바인더를 먼저 페이스팅한 후 도전재 및 용매를 혼합한 본 발명의 전극 슬러리를 제2 집전체(12)에 도포하여 제2 전극(22)을 형성할 수 있다.
한편 제1 전극(21) 및 제2 전극(22)이 각각 제1 집전체(11) 및 제2 집전체(12) 상에 마련된 구조에서 중앙에 분리막(40)을 배치함과 아울러 전해액을 빈 공간에 주입할 수 있다. 이와 같은 구조에서 전해액(30) 등의 누수를 방지함과 아울러 상술한 각 구성들이 배치되는 내부 공간을 케이스(50)가 제공할 수 있다. 분리막(40)은 제1 전극(21)과 제2 전극(22)이 전기적으로 연결되는 것을 방지하면서 전해액(30)의 이온들이 투과하여 접전에 따라 제1 전극(21) 및 제2 전극(22)으로 해당 이온들이 이동하도록 지원한다. 제1 집전체(11) 및 제2 집전체(12)는 외부에서 전계가 가해졌을 때 각각 양전하 및 음전하를 저장하는 역할을 수행한다. 이에 따라 본 발명의 제1 전극(21) 및 제2 전극(22)은 전해액(30) 내의 양이온 및 음이온과 전기적인 흡착 및 탈착을 한다. 즉, 외부로부터 전계를 가하면 양극과 음극의 계면에 각각 양이온과 음이온이 흡착되어 충전되고, 전계를 제거하면 흡착된 이온이 탈착하면서 방전된다.
이와 같은 구성의 본 발명의 슈퍼 커패시터는 제1 전극(21) 및 제2 전극(22) 중 적어도 하나가 바인더가 전극 활물질에 우선적으로 혼합되면서 도전재가 바인더에 결합되는 양이 줄어들어 도전재에 의한 내부 저항 특성이 현저히 감소될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전극 슬러리를 이용하여 슈퍼 커패시터를 형성하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 슈퍼 커패시터 형성 방법은 S201 단계에서 앞서 도 1에서 설명한 전극 슬러리를 생성한다. 이를 보다 상세히 설명하면, 전극 활물질로 이용되는 활성탄과 액상 형태의 바인더를 7:3 또는 6:4의 비율로 페이스팅한다. 그리고 페이스팅된 전극 활물질 및 바인더에 도전재를 혼입하여 일정 중량의 전극 조성 혼합물을 생성하고, 생성된 혼합물에 용매를 첨가하여 전극 슬러리를 생성한다. 여기서 용매는 물이 될 수 있으며, 400wt% 비율로 첨가될 수 있다.
상술한 바와 같은 전극 슬러리가 마련되면, S203 단계에서 해당 전극 슬러리를 제1 집전체(11) 및 제2 집전체(12) 중 적어도 하나에 캐스팅(casting)하여 제1 전극(21) 및 제2 전극(22) 중 적어도 하나를 제조한다. 본 발명에서 사용되는 제1 집전체(11) 및 제2 집전체(12)는 특별히 제한되지 않고, Al, Cu 또는 Ni-Cr 등의 금속 물질을 사용할 수 있다. 또한 본 발명에서 사용되는 캐스팅 방법은 특정 방법으로 제한되지 않고, 예를 들면 닥터 블레이드 코터(doctor blade coater), 콤마 코터(comma coater), 다이 코터(die coater), 그라비아 코터(gravure coater), 또는 마이크로 그라비아 코터(micro gravure coater) 등이 사용될 수 있다.
상기 제1 집전체(11) 및 제2 집전체(12)의 형태는 발포 금속(foamed metal), 금속 파이버(metal fiber), 다공성 금속(porous metal), 에칭된 금속(etched metal), 앞뒤로 요철화된 금속 등으로 이루어질 수 있다. 여기서 요철화된 금속은 제1 집전체(11) 및 제2 집전체(12)의 상하부면이 요철화되어 있는 상태를 의미할 수 있다. 그리고 제1 집전체(11) 및 제2 집전체(12)의 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) 중 적어도 하나로 구성될 수 있다.
다음으로, S205 단계에서 상기 제1 집전체(11) 및 제2 집전체(12)에 코팅된 제1 전극(21) 및 제2 전극(22) 사이에 전해액 투과성 분리막(40)을 적층하고 전해액(30)을 주입한 후 봉인한다.
상기 분리막(40)을 적층한 후 제1 전극(21) 및 제2 전극(22)과 제1 집전체(11) 및 제2 집전체(12)의 결합력을 향상시키기 위하여 가압하는 과정이 더 추가될 수 있다. 또한, 전극 슬러리를 캐스팅하기 전에 상기 전극 슬러리에 열을 가하는 과정이 더 추가될 수 있다.
이와 같은 구성의 전극 슬러리로 구성된 슈퍼 커패시터(10)는 바인더에 도전재가 덜 붙게 됨으로 전체 용량대비 액상 바인더에 혼입된 도전재의 용량이 감소하여 내부 저항을 낮출 수 있다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시 예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시 예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 균등론에 따라 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
10 : 슈퍼 커패시터 11 : 제1 집전체
12 : 제2 집전체 21 : 제1 전극
22 : 제2 전극 30 : 전해액
40 : 분리막 50 : 케이스
12 : 제2 집전체 21 : 제1 전극
22 : 제2 전극 30 : 전해액
40 : 분리막 50 : 케이스
Claims (8)
- 전극 활물질과 바인더를 일정 비율로 혼합하는 바인더 혼합 단계;
상기 혼합된 전극 활물질과 바인더에 도전재를 일정 비율로 혼합하는 도전재 혼합 단계;
상기 도전재가 혼합된 혼합물에 용매를 일정 비율로 제공하여 전극 슬러리를 제조하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 저항 특성을 가지는 전극 슬러리 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 바인더 혼합 단계는
상기 전극 활물질과 상기 바인더의 비율이 6:4가 되도록 혼합하는 단계; 또는
상기 전극 활물질과 상기 바인더의 비율이 7:3이 되도록 혼합하는 단계;
중 어느 하나의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 저항 특성을 가지는 전극 슬러리 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 전극 슬러리를 제조하는 단계는
상기 도전재가 혼합된 혼합물에 물로 된 용매를 400wt% 첨가하는 단계;
를 포함하는 특징으로 하는 개선된 저항 특성을 가지는 전극 슬러리 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 전극 활물질은
활성 탄소분말(ACP ; Activated Carbon Powder), 탄소 나노튜브 (CNT ; carbon nano tube), 흑연, 기상 성장 탄소섬유(VGCF ; vapor grown carbon Fiber), 탄소 에어로겔(carbon aerogel), 폴리 아크릴로나이트릴(PAN ; poly acrylonitrile) 및 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF ; polyvinylidenefluoride)와 같은 고분자를 탄화하여 제조하는 탄소 나노섬유(CNF ; carbon nano fiber) 및 활성화탄소 나노 섬유(ACNF ; activated carbon nano fiber) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 저항 특성을 가지는 전극 슬러리 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 바인더는
CMC(carboxy methyl cellulose), 폴리비닐피롤리돈 (PVP ; polyvinylpyrrolidone), 불소계의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE ; poly tetra fluoroethylene) 분말이나 에멀젼, 고무계의 스티렌 부타디엔 러버(SBR ; styrene butadiene rubber), 폴리비닐리덴플루오라이드, 카르복시메틸셀룰로오즈, 하이드로프로필메틸셀룰로오즈, 폴리비닐알콜로 및 폴리아닐린 중 적어도 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 개선된 저항 특성을 가지는 전극 슬러리 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 도전재는
카본 블랙(CB ; carbon black), 아세틸렌 블랙(acetylene black), 캐첸 블랙(ketjen black), 흑연 또는 슈퍼-피(super-p) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 개선된 저항 특성을 가지는 전극 슬러리 제조 방법. - 제1항 내지 제6항에 있어서,
상기 전극 활물질과 바인더가 상기 도전재에 비하여 먼저 혼합되어 구성되는 전극 슬러리를 이용하여 형성된 전극;
상기 전극이 형성되는 집전체;
상기 전극 상에 일정 간격 이격되어 배치되는 분리막;
상기 분리막과 전극 사이에 주입되는 전해액;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터. - 제1항 내지 제6항에 있어서,
상기 전극 활물질과 바인더가 상기 도전재에 비하여 먼저 혼합되어 구성되는 전극 슬러리를 마련하는 단계;
상기 전극 슬러리를 이용하여 집전체에 캐스팅하여 전극을 형성하는 단계;
상기 전극 상에 분리막에 배치하는 단계;
상기 전극과 분리막 사이에 전해액을 주입하여 밀봉하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 제조 방법.
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| KR1020110137872A KR20130085548A (ko) | 2011-12-20 | 2011-12-20 | 개선된 저항 특성을 가지는 슈퍼 커패시터용 전극 슬러리 제조 방법과, 이를 이용하여 제조되는 슈퍼 커패시터 및 제조 방법 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110137872A KR20130085548A (ko) | 2011-12-20 | 2011-12-20 | 개선된 저항 특성을 가지는 슈퍼 커패시터용 전극 슬러리 제조 방법과, 이를 이용하여 제조되는 슈퍼 커패시터 및 제조 방법 |
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| KR1020110137872A KR20130085548A (ko) | 2011-12-20 | 2011-12-20 | 개선된 저항 특성을 가지는 슈퍼 커패시터용 전극 슬러리 제조 방법과, 이를 이용하여 제조되는 슈퍼 커패시터 및 제조 방법 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10304637B2 (en) | 2014-09-23 | 2019-05-28 | University-Industry Cooperation Group Of Kyung Hee University | Electrode comprising organic semiconductor material, method for manufacturing electrode, and supercapacitor comprising electrode |
| WO2022119059A1 (ko) * | 2020-12-01 | 2022-06-09 | 전북대학교산학협력단 | 에너지 저장장치용 탄소나노섬유 복합체, 이를 포함하는 전극, 그리고 이의 제조방법 |
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2011
- 2011-12-20 KR KR1020110137872A patent/KR20130085548A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10304637B2 (en) | 2014-09-23 | 2019-05-28 | University-Industry Cooperation Group Of Kyung Hee University | Electrode comprising organic semiconductor material, method for manufacturing electrode, and supercapacitor comprising electrode |
| WO2022119059A1 (ko) * | 2020-12-01 | 2022-06-09 | 전북대학교산학협력단 | 에너지 저장장치용 탄소나노섬유 복합체, 이를 포함하는 전극, 그리고 이의 제조방법 |
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