KR20130085564A - 연성 구조의 슈퍼 커패시터 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연성 구조의 슈퍼 커패시터에 관한 것으로, 이러한 본 발명은 연성 기판들 상에 형성된 집전체들과 전극층들 및 상기 전극층들 상에 형성된 고체 전해질층들을 포함하는 전극 연성 구조물들, 및 상기 전극 연성 구조물들을 봉지하는 연성 케이스를 포함하는 연성 구조의 슈퍼 커패시터 및 이의 제조 방법의 구성을 개시한다.
Description
본 발명은 하이브리드 커패시터(hybrid capacitor)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 높은 전류 출력 밀도 제공이 가능한 리튬 이온 커패시터의 집전체 구조물, 이를 포함하는 전극 및 이를 포함하는 리튬 이온 커패시터에 관한 것이다.
전자제품의 디지털화와 고성능화 등으로 소비자의 요구가 바뀜에 따라 시장요구도 박형, 경량화와 고에너지 밀도에 의한 고용량을 지니는 전지의 개발로 흐름이 바뀌고 있는 상황이다. 또한, 미래의 에너지 및 환경 문제를 대처하기 위하여 하이브리드 전기 자동차나 전기 자동차, 및 연료전지 자동차의 개발이 활발히 진행되고 있는 바, 자동차 전원용으로 전지의 대형화가 요구되고 있다.
이러한 요구를 충족시키기 위하여 최근 들어 다양한 전기적 특성을 가진 슈퍼 커패시터가 개발되고 있다. 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.
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.
한편 상술한 전기 이중층 커패시터는 양극판과 음극판을 롤 타입으로 감아서 형성하는 권취형 커패시터와 일정 면적을 가지는 판형을 중첩하여 형성하는 파우치형 슈퍼 커패시터가 제작 판매되고 있다. 여기서 권취형 커패시터의 경우 커패시터 소자를 권취형을 제작하기 때문에 상대적으로 대용량 및 고전압 제공을 위해 이용되는 경향이 있다.
한편 파우치형 슈퍼 커패시터 또한 다수개의 판형 극판들을 수개 적층하여 일정 전압 이상을 공급하는 형태로 제작되고 있다. 특히 파우치형 슈퍼 커패시터의 경우 강성을 가지는 일정 크기의 극판 다수 개를 적층하여 구성하고, 이를 하드 케이스에 봉지하는 형태로 마련한다. 이에 따라 종래 파우치형 슈퍼 커패시터의 형태는 천편일률적으로 일정 형태로만 제작되는 경향이 높다. 여기서 종래 파우치형 슈퍼 커패시터의 형태를 제품 특성에 맞도록 변경하고자 할 경우 공정 라인의 모든 형태를 조정해야 하기 때문에 생산비의 증가나 공정상의 문제, 수요 측면 등에 따라 현실적으로 불가능한 문제가 있다. 이에 따라 현재는 표준적인 일정 규격에 맞는 형태로 제품을 제작하고 있으며, 결과적으로 다양한 수요 니즈를 충족시킬 수 없는 문제가 있다.
따라서 본 발명의 목적은 슈퍼 커패시터의 형태를 연성 구조로 마련함으로써 배치 위치나 배치 환경에 상대적으로 영향을 더 적게 받으면서도 적절한 전원 공급을 수행할 수 있는 연성 구조의 슈퍼 커패시터 및 이의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 연성 기판들 상에 형성된 집전체들과 전극층들 및 상기 전극층들 상에 형성된 고체 전해질층들을 포함하는 전극 연성 구조물들, 상기 전극 연성 구조물들을 봉지하는 연성 케이스를 포함하는 연성 구조의 슈퍼 커패시터의 구성을 개시한다.
여기서 상기 연성 기판은 전도성 재질이며 연성 특성을 가지는 재질로 형성될 수 있고, 이에 따라 상기 집전체는 상기 연성 기판 상에 일정 간격을 가지며 배치되는 전극체들로 구성될 수 있다.
또한 상기 연성 기판은 연성 재질의 비전도성 재질로 형성될 수 있고, 이 경우 상기 집전체는 상기 연성 기판 상에 일정 간격을 가지는 배치되는 집전체 모듈들, 상기 연성 기판 상에 형성되어 상기 집전체 모듈들을 연결하는 신호 라인, 상기 연성 기판 상에 형성되어 상기 신호 라인이 집합되는 패드를 포함할 수 있다.
한편 본 발명의 연성 구조의 슈퍼 커패시터는 상기 고체 전해질층들 사이에 배치되는 분리막을 더 포함할 수 있다. 상기 분리막의 전후면에 각각 형성되는 접착제층들을 더 포함할 수 있다.
여기서 상기 접착제층들은 상기 분리막을 부분적으로 노출시키는 메시 형태로 형성될 수 있다.
본 발명은 또한, 제1 연성 기판과 제2 연성 기판을 마련하는 단계, 상기 제1 연성 기판에 제1 집전체를 형성하고 상기 제2 연성 기판 상에 제2 집전체를 형성하는 단계, 상기 제1 집전체 상에 제1 전극층을 형성하고, 상기 제2 집전체 상에 제2 전극층을 형성하는 단계, 마주보는 상기 제1 및 제2 전극층 사이에 고체 전해질층을 형성하는 단계를 포함하는 연성 구조의 슈퍼 커패시터의 제조 방법의 구성을 개시한다.
여기서 상기 집전체는 Ag, Au, Al 중 적어도 하나의 금속 재질로 형성될 수 있다.
상기 고체 전해질층을 형성하는 단계는, 상기 제1 전극층 상에 제1 고체 전해질층을 형성하고, 상기 제2 전극층 상에 제2 고체 전해질층을 형성하는 단계와, 상기 제1 고체 전해질층과 상기 제2 고체 전해질층 사이에 분리막을 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 제1 및 제2 연상 기판에 제1 집전체, 제1 전극층, 고체 전해질층, 제2 전극층, 제2 집전체가 형성된 상태에서 연성 케이스로 봉지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 제1 고체 전해질층 및 상기 제2 고체 전해질층은 5um ~ 20um 범위 내에서 형성될 수 있다.
상기 방법은 상기 분리막의 전후면에 각각 형성되는 접착제층들을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 본 발명은 연성 구조를 채용하는 슈퍼 커패시터를 제공함으로써 해당 슈퍼 커패시터를 배치하고자 하는 위치나 주변 환경에 맞도록 적절히 조정하여 배치함으로써 다양한 제품에 별다른 제약 없이 전지 설치를 가능케 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연성 구조의 슈퍼 커패시터 외관을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 도 1의 A~A` 절단선을 기준으로 절단한 단면을 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 연성 기판과 집전체 구조의 다른 예를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 연성 기판과 집전체 사이의 또 다른 예를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연성 구조의 슈퍼 커패시터의 구조를 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 연성 구조의 슈퍼 커패시터 제조를 설명하기 위한 도면.
도 2는 도 1의 A~A` 절단선을 기준으로 절단한 단면을 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 연성 기판과 집전체 구조의 다른 예를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 연성 기판과 집전체 사이의 또 다른 예를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연성 구조의 슈퍼 커패시터의 구조를 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 연성 구조의 슈퍼 커패시터 제조를 설명하기 위한 도면.
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.
또한 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 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연성 구조의 슈퍼 커패시터 외관을 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 2는 도 1의 절단선 A~A`를 기준으로 절단한 단면을 나타낸 도면이다. 도 3은 본 발명의 제1 전극 연성 구조물(10)의 연성 기판과 집전체 구조의 다른 예를 보다 상세히 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 제1 전극 연성 구조물(10)의 연성 기판과 집전체 구조의 또 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 연성 구조의 슈퍼 커패시터(100)는 제1 전극 연성 구조물(10), 제2 전극 연성 구조물(20), 연성 케이스(60)를 포함하며, 분리막(50)을 더 포함하여 구성될 수 있다.
제1 전극 연성 구조물(10)은 제1 연성 기판(11), 제1 집전체(21), 제1 전극층(31), 제1 고체 전해질층(51)을 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 제1 연성 기판(11)은 일면에 제1 집전체(21)가 형성된다. 제1 집전체(21)는 제1 전극층(31)에 전하를 집중시키기 위한 구성으로서 도전성 재질로 형성될 수 있다. 이에 따라 제1 연성 기판(11) 상에 제1 집전체(21)가 형성될 경우 일정 고온 환경을 가지는 상태에서 도전성 재질이 도포될 수 있다. 따라서 제1 연성 기판(11)은 제1 집전체(21)가 형성되는 환경에 견딜 수 있는 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 이를 위하여 제1 연성 기판(11)은 설계자의 의도에 따라 전도성 재질을 가지면서 일정 두께 이하에서는 연성을 가지는 재질 예를 들면 구리 등의 금속 재질로 형성될 수 있다. 또한 제1 연성 기판(11)은 설계자의 의도에 따라 비전도성 재질을 가지면서 일정 두께 이하에서 연성을 가지는 재질 예를 들면 고무, 합성 고무, PVC 등 다양한 재료로 구성될 수 있다.
제1 연성 기판(11)이 금속 재질로 형성되는 경우 실질적으로 제1 연성 기판(11) 또한 제1 집전체(21)에 전원이 공급되는 과정에서 함께 전원이 공급되어 전원이 공급될 수 있다. 이 경우 제1 연성 기판(11)은 제1 집전체(21)에 연이어진 형태로 집전체 역할을 수행하게 된다. 한편 제1 집전체(21)가 일정 두께 이상을 가지는 경우 집전체의 저항이 감소하여 전원 공급이 커질 수 있으며, 이러한 기능은 제1 전극층(31)에 포집되는 전하량을 증가시킬 수 있다. 그러나 본 발명의 슈퍼 커패시터형 전지는 연성 구조로 제작되어 주변 환경이나 위치에 따라 접히거나, 굽혀지거나 말아지는 등의 다양한 물리적 가변 상황에서도 적절한 전위를 공급해야 하기 때문에 연성에 대한 물적 특성을 보완하는 것이 바람직하다. 이에 따라 제1 연성 기판(11)의 두께는 일정 두께 이하로 유지하도록 하면서 제1 집전체(21)가 연성 특성을 잘 유지하도록 지원하는 것이 바람직할 것이다. 따라서 제1 연성 기판(11)이 금속 재질로 형성되는 경우 제1 연성 기판(11)의 두께는 제1 집전체(21) 두께와 유사한 범위 내에서 마련하되, 제1 집전체(21)의 형태를 연성에 강한 형태로 마련하는 것이 바람직하다.
제1 집전체(21)는 제1 연성 기판(11) 상에 일정 금속으로 마련되어 공급되는 전원을 이용항 제1 전극층(31)에 특정 극성의 전하 또는 이온을 포집하는 역할을 수행한다. 이러한 제1 집전체(21)는 제1 연성 기판(11) 상에 다양한 방식 예를 들면 프린트 방식이나, 스퍼터링 방식, 접착 방식 등을 이용하여 형성될 수 있다. 한편 제1 집전체(21)는 본 발명의 연성 구조 슈퍼 커패시터 특성을 달성하기 위하여 연성이 강화된 형태로 마련될 수 있다. 예를 들어 제1 집전체(21)는 도 3에 도시된 바와 같이 일정 길이를 가지는 전극체(101)들을 일정 간극(102)을 사이에 두고 제1 연성 기판(11) 상에 배치하여 마련될 수 있다. 이 경우 제1 연성 기판(11)은 금속 재질로 형성된 경우가 될 수 있다.
한편 제1 연성 기판(11)이 연성 특성을 극대화하기 위하여 비금속 재질로 형성되는 경우 비금속 재질의 제1 연성 기판(11)에 일정 면적을 가지는 제1 집전체 모듈(103)들이 도 4에 도시된 바와 같이 배치되고, 제1 집전체 모듈(103)들을 연결하는 신호 라인이 제1 연성 기판(11) 상에 인쇄되어 형성될 수 있다. 각 신호 라인들은 일정 측면으로 집중되고, 집중된 신호 라인들은 끝단에서 하나의 패드(104)로 형성될 수 있다. 이 패드(104)에 전원이 공급되면, 각 전원은 신호 라인을 통하여 제1 집전체 모듈들(103)에 공급되면, 제1 집전체 모듈(103)들은 공급된 전원을 이용하여 상층에 형성된 제1 전극층(31)에 전하나 이온이 포집되도록 지원할 수 있다.
제1 전극층(31)은 제1 집전체(21)에 전원이 공급되는 경우 전하가 집중되는 전극층이다. 이러한 제1 전극층(31)은 위치에 따라 양극층 또는 음극층이 될 수 있다. 이에 따라 제1 전극층(31)은 전극 활물질 즉 양극 활물질 또는 음극 활물질, 도전재, 결착제 및 기타 첨가제 등을 포함하여 형성될 수 있다.
제1 고체 전해질층(51)을 구성하는 고체 전해질은 이온 전도성이 실온에서 1 mS/㎝ 이상이어야 한다. 고체 전해질이 상기 특성을 갖는 경우, 화학적 구조는 제한되지 않는다. 이러한 고체 전해질은 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리실록산 화합물, 폴리포스포겐 화합물, 폴리프로필렌 옥사이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리메타크릴로니트릴 또는 폴리에테르 화합물 등에 무기염을 용해하여 얻은 유기 고체 전해질, 이온 전도성 세라믹 재료 또는 이온 전도성 유리 등이 될 수 있다. 제1 고체 전해질층(51)은 제1 전극층(31) 상에 스퍼터 방식, 인쇄 방식, 사진 석판 방식 등 다양한 방식으로 형성될 수 있다. 제1 전극층(31) 상에 형성되는 제1 고체 전해질층(51)의 두께는 전극 반응 확보 및 전지의 에너지 밀도 출력 특성 저하 방지를 위하여 5um ~ 20um 범위내로 형성될 수 있다.
분리막(50)은 양극과 음극 사이에 설치되어 제1 전극층(31)과 제2 전극층(32)이 서로 접촉되는 것을 방지하여 제1 전극층(31)과 제2 전극층(32)이 서로 물리적으로 접촉되어 발생될 수 있는 단락현상을 차단한다. 이러한 분리막(50)은 다공성을 갖는 분리막이 사용되며, 다공성을 갖는 분리막은 폴리프로필렌계, 폴리에틸렌계 및는 폴리올레핀계로 이루어지는 군에서 하나가 선택되어 사용될 수 있다.
제2 전극 연성 구조물(20)은 제2 연성 기판(12), 제2 집전체(22), 제2 전극층(32) 및 제2 고체 전해질층(52)을 포함하여 구성될 수 있다.
제2 연성 기판(12)은 앞서 설명한 제1 연성 기판(11)과 동일한 재질과 두께를 가지며 형성될 수 있다. 실질적으로 제2 연성 기판(12)은 제1 연성 기판(11) 제작과 동일한 방법으로 제작된 후 제2 전극층(32) 형성 과정에 사용될 수 있다.
제2 집전체(22)는 제2 연성 기판(12) 상에 형성되어 공급되는 전원을 이용하여 전하나 이온을 포집하는 역할을 수행한다. 이러한 제2 집전체(22)는 Ag, Au, Al 등으로 일정 두께를 가지며 제2 연성 기판(12) 상에 코팅되어 형성될 수 있다. 이때 상기 제2 집전체(22)는 제1 집전체(21)와 동일한 재질 및 두께로 형성될 수 있다. 또는 사용되는 전지의 특성에 따라 제1 집전체(21)와 다른 두께를 가지며 형성될 수 도 있다.
제2 전극층(32)은 제2 집전체(22)에 전원이 공급되는 경우 전하가 집중되는 전극층이다. 이러한 제2 전극층(32)은 제1 전극층(31)에 대비되는 전극 특성을 가질 수 있으며, 예를 들면 음극층 또는 양극층으로 구성될 수 있다. 이에 따라 제2 전극층(32)은 음극 활물질 또는 양극 활물질, 도전재, 결착제 등으로 구성된 슬러리를 이용하여 성형될 수 있다.
상술한 제1 및 제2 전극층들(31, 32)은 전극 활물질, 도전재, 결착제 등의 조합으로 구성된 슬러리를 도포한 후 건식하거나 열처리하여 형성될 수 있다. 이를 위하여 전극 활물질과 도전재 및 결착제를 일정 비율로 혼합하여 슬러리를 제작하고 제작된 슬러리를 상술한 방식으로 제1 집전체(21) 및 제2 집전체(22) 상에 각각 배치하여 제1 및 제2 전극층들(31, 32)을 형성할 수 있다.
본 발명의 제1 및 제2 전극층들(31, 32)을 형성하기 위해 사용되는 전극 활물질은 리튬 이온과, 예를 들어, 테트라플루오로보레이트와 같은 아니온을 가역적으로 담지할 수 있는 물질이 될 수 있다. 예를 들어 상기 전극 활물질의 형성을 위하여 활성탄, 폴리아센 (PAS), 카본 위스커 및 그라파이트 등이 이용될 수 있으며, 이들의 분말 또는 섬유를 이용하여 형성될 수 있다. 특히 본 발명의 전극 활물질은 활성탄으로 형성될 수 있다. 활성탄은 페놀 수지, 레이온, 아크릴로니트릴 수지, 피치, 및 야자 껍질 등을 원료로 하는 활성탄을 포함할 수 있다.
양극층에 사용하는 전극 활물질로서, 상기 물질 이외에, 방향족계 축합 폴리머의 열처리물로서, 수소원자/탄소 원자의 원자비가 0.50 ∼ 0.05 인 폴리아센계 골격 구조를 갖는 폴리아센계 유기 반도체(PAS)도 이용될 수 있다.
음극층에 사용하는 전극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 담지할 수 있는 물질이 될 수 있다. 예를 들어 음극층에 사용되는 전극 활물질은 흑연, 난흑연화 탄소 등의 결정성 탄소 재료, 하드 카본, 코크스 등의 탄소 재료, 상기 양극의 전극 활물질로서도 기재한 폴리아센계 물질(PAS)이 사용될 수 있다.
상술한 전극 활물질의 형상은 입자 형상으로 정립된 것이 바람직하다. 또한, 입자의 형상이 구형이면, 전극 성형 시에 보다 고밀도인 전극을 형성할 수 있다. 상술한 전극 활물질들은 각각 단독으로 또는 2 종류 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
상기 제1 전극층(31) 및 제2 전극층(32) 형성에 사용하는 도전재는, 도전성을 갖고, 전기 이중층을 형성할 수 있는 세공을 갖지 않는, 입자 형상의 탄소의 동소체로 이루어지고, 구체적으로는, 퍼네이스 블랙, 아세틸렌 블랙, 및 케첸 블랙 등의 도전성 카본 블랙을 들 수 있다. 이들 중에서도, 아세틸렌 블랙 및 퍼네이스 블랙이 바람직하다. 상기 제1 전극층(31) 및 제2 전극층(32) 형성에 사용하는 도전재의 체적 평균 입자 직경은, 전극 활물질의 체적 평균 입자 직경보다 작은 것이 바람직하다. 상기 도전재의 양은 전극 활물질 100 wt% 대비 0.1 ∼ 50 wt%, 바람직하게는 1 ∼ 15 wt%의 범위를 가질 수 있다.
상기 제1 전극층(31) 및 제2 전극층(32) 형성에 사용되는 결착제는 전극 활물질 및 도전재를 서로 결착시킬 수 있는 화합물로서 다양한 재료들이 이용될 수 있다. 특히 상기 결착제는 용매에 분산되는 성질이 있는 분산형 결착제가 될 수 있다. 이러한 분산형 결착제는 예를 들어, 불소 중합체, 디엔 중합체, 아크릴레이트 중합체, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리우레탄 중합체 등의 고분자 화합물을 들 수 있고, 불소 중합체, 디엔 중합체 또는 아크릴레이트 중합체가 바람직하고, 디엔 중합체 또는 아크릴레이트 중합체 등이 될 수 있다. 이러한 결착제는 리튬 이온 커패시터의 내전압 및 에너지 밀도를 높게 할 수 있는 이점을 제공한다.
여기서 디엔 중합체는 폴리부타디엔이나 폴리이소프렌 등의 공액 디엔 단독 중합체, 카르복시 변성되는 스티렌ㅇ부타디엔 공중합체 (SBR) 등의 방향족 비닐ㅇ공액 디엔 공중합체, 아크릴로니트릴ㅇ부타디엔 공중합체 (NBR) 등의 시안화 비닐ㅇ공액 디엔 공중합체, 수소화 SBR, 수소화 NBR 등이 될 수 있다. 그리고 아크릴레이트 중합체는 아크릴산에틸, 아크릴산프로필, 아크릴산이소프로필, 아크릴산n-부틸, 아크릴산이소부틸, 아크릴산t-부틸, 아크릴산n-아밀, 아크릴산이소아밀, 아크릴산n-핵실, 아크릴산2-에틸핵실, 아크릴산핵실, 아크릴산노닐, 아크릴산라우릴, 아크릴산스테아릴 등의 아크릴레이트 ; 메타크릴산에틸, 메타크릴산프로필, 메타크릴산이소프로필, 메타크릴산n-부틸, 메타크릴산이소부틸, 메타크릴산t-부틸, 메타크릴산n-아밀, 메타크릴산이소아밀, 메타크릴산n-핵실, 메타크릴산2-에틸핵실, 메타크릴산옥틸, 메타크릴산이소데실, 메타크릴산라우릴, 메타크릴산트리데실, 메타크릴산스테아릴 등의 메타아크릴레이트 등이 될 수 있다.
상기 결착제의 형상은 집전체들과의 결착성이 양호하고, 또, 제조한 전극의 용량의 저하나 충방전의 반복에 의한 열화를 억제하기 위하여 입자 형상이 될 수 있다. 입자 형상의 결착제는 예를 들어 라텍스와 같은 결착제의 입자가 물에 분산된 상태인 것이나, 이와 같은 분산액을 건조시켜 얻어지는 분말 형상인 것이 될 수 있다. 상기 결착제의 양은 전극 활물질 100 wt%에 대비하여 0.1 ∼ 50 wt%, 바람직하게는 1 ∼ 20 wt% 범위가 될 수 있다. 이러한 결착제는 전극층과 집전체 구조물(10)과의 밀착성을 충분히 확보할 수 있고, 리튬 이온 커패시터의 내부 저항을 낮게 할 수 있다.
연성 케이스(60)는 상술한 제1 전극 연성 구조물(10)과 제2 전극 연성 구조물(20)을 분리막(50)을 사이에 두고 봉지하는 구성이다. 이러한 연성 케이스(60)는 제1 전극 연성 구조물(10)의 제1 연성 기판(11) 일부와 제1 집전체(21) 일부가 외부로 돌출되는 관통홀 및 제2 연성 기판(12) 일부와 제2 집전체(22) 일부가 외부로 돌출되는 관통홀을 포함하며, 상기 각 구성들을 봉지하되 일정 연성을 가지는 재질로 형성될 수 있다. 특히 연성 케이스(60)는 비전도성 재질을 가지며 형성되고, 일정 각도 이상으로 굽혀지거나 접혀지는 형태로 마련될 수 있도록 연성 특성이 강한 재질 예를 들면 고무 재질이나 내부에 절연 재질이 코팅된 주석이나 알루미늄 등의 연성을 가진 합금 재질 등으로 형성될 수 있다. 도시된 도면에서는 연성 케이스(60)의 형태를 직사각형의 형태로 도시하였으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉 상기 연성 케이스(60)는 앞서 설명한 전극 연성 구조물들(10, 20)의 형태에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 예를 들면, 타원형이나 다각형의 형태 등으로 마련될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 연성 구조의 슈퍼 커패시터는 굽힘이나 접힘 등이 가능한 연성 특성을 가지도록 구성함으로써 전지를 배치하는 위치나 주변 환경에 보다 적응적으로 배치하고 운용할 수 있도록 지원할 수 있다.
한편 본 발명의 실시예에서는 제1 및 제2 고체 전해질층(51,52) 사이에 분리막(50)이 개지된 구조를 개시하였지만, 제1 전극층(31)과 제2 전극층(32) 사이에 고체 전해질층만 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연성 구조의 슈퍼 커패시터의 단면을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연성 구조의 슈퍼 커패시터(100)는 제1 전극 연성 구조물(10), 제1 접착제층(71), 분리막(50), 제2 접착제층(72), 제2 전극 연성 구조물(20) 및 연성 케이스(60)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서 상기 제1 전극 연성 구조물(10), 제2 전극 연성 구조물(20) 및 연성 케이스(60)는 상술한 연성 구조의 슈퍼 커패시터(100) 구조에서 설명한 제1 및 제2 전극 연성 구조물들 및 연성 케이스와 실질적으로 동일한 구성임으로 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편 도 1 내지 도 4에서 설명한 본 발명의 실시 예에 따른 연성 구조의 슈퍼 커패시터(100)는 분리막(50)과 고체 전해질층들(51, 52) 사이에 접지력이 다소 저하될 수 있다. 본 발명의 연성 구조 슈퍼 커패시터(100)는 연성 특성 지원을 위하여 고체 전해질층들(51, 52)을 각 전극층들(31, 32) 상에 마련하기 때문에 고체 전해질층들(51, 52)과 분리막(50) 사이에 접지력 향상을 위한 추가 보조물이 더 마련될 수 있다. 예를 들면 상술한 바와 같이 제1 접착제층(71) 및 제2 접착제층(72)이 분리막(50)의 전후면에 각각 마련될 수 있다. 제1 접착제층(71) 및 제2 접착제층(72)은 제1 전극 연성 구조물(10) 및 제2 전극 연성 구조물(20)이 연성이 적용된 상태에서도 전기적으로 절연될 수 있도록 하며, 고체 전해질층들(51, 52) 내의 이온들이 분리막(50)을 투과하여 제1 전극층(31)과 제2 전극층(32) 사이를 오고 갈 수 있는 형태 예를 들면 메시 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어 제1 접착제층(71) 및 제2 접착제층(72)은 매트릭스 형태의 접착제층이 형성되데 분리막(50)의 표피에 일정 깊이로 삽입되어 실질적으로 제1 고체 전해질층(51)과 제2 고체 전해질층(52)이 분리막(50)에 직접적으로 접촉된 상태를 유지하도록 지원할 수 있다. 이러한 구조를 통하여 분리막(50)과 고체 전해질층들(51, 52)과의 접착력을 높이면서 분리막(50)에 의한 전기 저항도를 낮춰 전기 전도도를 개선할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 연성 구조의 슈퍼 커패시터 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 연성 구조의 슈퍼 커패시터 제조 방법은 먼저, S101 단계에서와 같이 제1 연성 기판(11) 및 제2 연성 기판(12)을 마련한다. 이때 제1 연성 기판(11) 및 제2 연성 기판(12)의 두께는 슈퍼 커패시터의 접힘 및 굽힘 등의 연성 동작이 가능한 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어 제1 연성 기판(11) 및 제2 연성 기판(12)은 수 um 두께로 형성되며 이때 재질은 전도성 또는 비 전도성 재질에 관계없이 연성이 가능한 재질로 마련될 수 있다.
다음으로, S103 단계에서 제1 연성 기판(11) 및 제2 연성 기판(12) 상에 제1 집전체(21) 및 제2 집전체(22)를 형성한다. 제1 집전체(21) 및 제2 집전체(22)는 Ag, Au, Al 등 전기 전도성이 뛰어난 재질 중 적어도 하나로 형성되며, 제1 연성 기판(11) 및 제2 연성 기판(12) 상에 스퍼터 방식이나 인쇄 방식 등 다양한 방식 중 어느 하나의 방식으로 형성될 수 있다. 이러한 제1 집전체(21) 및 제2 집전체(22)는 제1 집전체(21) 및 제2 집전체(22) 형성 과정에서 제1 연성 기판(11) 및 제2 연성 기판(12)의 재질 특성에 따라 기판 전체에 하나의 판형으로 마련되거나, 또는 다수개의 영역으로 분리되데 기판을 통하여 전기적으로 연결되거나 별도의 신호 라인을 마련하여 연결될 수 있다.
이후 S105 단계에서 제1 집전체(21) 상에 양극층으로 이용될 제1 전극층(31)을 형성하는 한편, 제2 집전체(22) 상에 음극층으로 이용될 제2 전극층(32)을 형성한다. 이를 위하여 양극층 형성을 위한 양극 활물질, 도전재, 결착제 등을 포함하는 양극 슬러리를 마련하며, 음극층 형성을 위한 음극 활물질, 도전재, 결착제 등을 포함하는 음극 슬러리를 마련할 수 있다. 그리고 마련된 슬러리를 각 집전체들(21, 22) 상에 도포하여 제1 전극층(31) 및 제2 전극층(32)을 마련할 수 있다.
그리고 S107 단계에서 제1 전극층(31)과 제2 전극층(32) 상에 각각 제1 고체 전해질층(51) 및 제2 고체 전해질층(52)을 형성한다. 이때 제1 고체 전해질층(51) 및 제2 고체 전해질층(52)은 전극 반응이 가능하면서도 전기 저항도를 허용할 수 있을 정도의 두께 예를 들면 5um ~ 20um 범위 내에서 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이 연성 기판, 집전체, 전극층 및 고체 전해질층 마련을 통하여 제1 전극 연성 구조물(10) 및 제2 전극 연성 구조물(20)이 형성되며, 다음으로 S109 단계에서 고체 전해질층들(51, 52) 사이에 분리막(50)을 배치하고 연성 케이스(60)에 봉지한다. 이때 분리막(50) 전후면에는 고체 전해질층들(51, 52)과의 접착력 증대를 위하여 접착제층들을 마련할 수 있다. 접착제층들(71, 72)은 전기 저항도를 낮추기 위하여 분리막(50) 상에 부분적으로 형성되어 분리막(50)이 고체 전해질층들(51, 52)에 대하여 직접 접촉되는 영역이 많이 분포하도록 마련될 수 있다. 이를 위하여 접착제층들(71, 72)은 메시 형태로 마련될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 연성 구조의 슈퍼 커패시터(100)는 전지 형태를 연성이 가능한 형태로 마련함으로써 굽히거나 접히더라도 전지 기능이 가능하도록 지원할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 슈퍼 커패시터(100)는 전지가 배치되는 환경이나 위치에 영향을 적게 받으며 보다 적응적으로 장착될 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10 : 제1 전극 연성 구조물 11 : 제1 연성 기판
12 : 제2 연성 기판 20 : 제2 전극 연성 구조물
21 : 제1 집전체 22 : 제2 집전체
31 : 제1 전극층 32 : 제2 전극층
50 : 분리막 51 : 제1 고체 전해질층
52 : 제2 고체 전해질층 60 : 케이스
71 : 제1 접착제층 72 : 제2 접착제층
100 : 슈퍼 커패시터
12 : 제2 연성 기판 20 : 제2 전극 연성 구조물
21 : 제1 집전체 22 : 제2 집전체
31 : 제1 전극층 32 : 제2 전극층
50 : 분리막 51 : 제1 고체 전해질층
52 : 제2 고체 전해질층 60 : 케이스
71 : 제1 접착제층 72 : 제2 접착제층
100 : 슈퍼 커패시터
Claims (15)
- 연성 기판들 상에 형성된 집전체들과 전극층들 및 상기 전극층들 상에 형성된 고체 전해질층들을 포함하는 전극 연성 구조물들;
상기 전극 연성 구조물들을 봉지하는 연성 케이스;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연성 구조의 슈퍼 커패시터. - 제1항에 있어서,
상기 연성 기판은
전도성 재질이며 연성 특성을 가지는 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 연성 구조의 슈퍼 커패시터. - 제2항에 있어서,
상기 집전체는
상기 연성 기판 상에 일정 간격을 가지며 배치되는 전극체들로 구성되는 것을 특징으로 하는 연성 구조의 슈퍼 커패시터. - 제1항에 있어서,
상기 연성 기판은
연성 재질의 비전도성 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 연성 구조의 슈퍼 커패시터. - 제4항에 있어서,
상기 집전체는
상기 연성 기판 상에 일정 간격을 가지는 배치되는 집전체 모듈들;
상기 연성 기판 상에 형성되어 상기 집전체 모듈들을 연결하는 신호 라인;
상기 연성 기판 상에 형성되어 상기 신호 라인이 집합되는 패드;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연성 구조의 슈퍼 커패시터. - 제1항에 있어서,
상기 고체 전해질층들 사이에 배치되는 분리막;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연성 구조의 슈퍼 커패시터. - 제6항에 있어서,
상기 분리막의 전후면에 각각 형성되는 접착제층들;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연성 구조의 슈퍼 커패시터. - 제7항에 있어서,
상기 접착제층들은
상기 분리막을 부분적으로 노출시키는 메시 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 연성 구조의 슈퍼 커패시터. - 제1 연성 기판과 제2 연성 기판을 마련하는 단계
상기 제1 연성 기판에 제1 집전체를 형성하고 상기 제2 연성 기판 상에 제2 집전체를 형성하는 단계;
상기 제1 집전체 상에 제1 전극층을 형성하고, 상기 제2 집전체 상에 제2 전극층을 형성하는 단계;
마주보는 상기 제1 및 제2 전극층 사이에 고체 전해질층을 형성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연성 구조의 슈퍼 커패시터의 제조 방법. - 제9항에 있어서,
상기 집전체는
Ag, Au, Al 중 적어도 하나의 금속 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 연성 구조의 슈퍼 커패시터의 제조 방법. - 제9항에 있어서,
상기 고체 전해질층을 형성하는 단계는,
상기 제1 전극층 상에 제1 고체 전해질층을 형성하고, 상기 제2 전극층 상에 제2 고체 전해질층을 형성하는 단계;
상기 제1 고체 전해질층과 상기 제2 고체 전해질층 사이에 분리막을 배치하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연성 구조의 슈퍼 커패시터의 제조 방법. - 제11항에 있어서,
상기 제1 고체 전해질층 및 상기 제2 고체 전해질층은
5um ~ 20um 범위 내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 연성 구조의 슈퍼 커패시터의 제조 방법. - 제11항에 있어서,
상기 분리막의 전후면에 각각 형성되는 접착제층들을 형성하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연성 구조의 슈퍼 커패시터의 제조 방법. - 제13항에 있어서,
상기 접착제층들은
상기 분리막을 부분적으로 노출시키는 메시 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 연성 구조의 슈퍼 커패시터의 제조 방법. - 제9항 또는 제11항에 있어서,
상기 제1 및 제2 연상 기판에 제1 집전체, 제1 전극층, 고체 전해질층, 제2 전극층, 제2 집전체가 형성된 상태에서 연성 케이스로 봉지하는 단계;
더 포함하는 것을 특징으로 하는 연성 구조의 슈퍼 커패시터의 제조 방법.
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