KR20130086955A - 초고용량 캐패시터용 다층 전극 - Google Patents

초고용량 캐패시터용 다층 전극 Download PDF

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키셔 피. 개드카리
제임스 알. 림
캄줄라 피. 레디
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Abstract

다층 전극은 대향하는 제1 및 제2 주표면을 갖는 전류 집전체, 하나 또는 모두의 상기 주표면에 대해 형성된 융합 탄소층, 각각의 융합 탄소층에 대해 형성된 전도성 접착층; 및 각각의 전도성 접착층에 대해 형성된 활성탄층을 포함한다. 상기 다층 전극은 전기 이중층 캐패시터와 같은 고에너지 밀도, 고출력 밀도 디바이스에 포함될 수 있다.

Description

초고용량 캐패시터용 다층 전극 {MULTI-LAYERED ELECTRODE FOR ULTRACAPACITORS}
본 출원은 2010년 5월 27일 출원된 미국특허출원 제12/788,425호의 우선권을 주장하며, 상기 특허의 내용은 전체적으로 참조문헌으로써 여기에 포함된다.
본 발명은 일반적으로 전기 이중층 캐패시터 (electric double layer capacitors)에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는, 이러한 디바이스에 포함되기 위해 낮은 등가 직렬 저항 (low equivalent series resistance)을 갖는 다-층 전극 구조에 관한 것이다.
초고용량 캐패시터 (ultracapacitors)와 같은 에너지 저장 디바이스는 이산 출력 펄스 (discrete power pulse)가 요구되는 많은 제품에 사용될 수 있다. 제품의 예로는 핸드폰에서 하이브리드 차량까지의 범위이다.
통상적으로 에너지 저장 디바이스는 다공성 분리막 (porous separator) 및/또는 탄소-계 전극의 쌍 사이에 샌드위치된 (sandwiched) 유기 전해질 (organic electrolyte)을 포함한다. 상기 에너지 저장은 상기 전해질 및 상기 전극 사이의 계면에서 전기화학적 이중 층에 전기적 전하를 분리 및 저장함으로 달성된다. 이러한 디바이스의 중요한 특성은 상기 탄소-계 전극의 특성에 의해 모두 크게 결정되는 상기 디바이스가 제공할 수 있는 에너지 밀도 및 출력 밀도이다.
고 에너지 밀도 디바이스에 포함을 위한 적절한 탄소-계 전극은 알려져 있다. 이러한 전극의 기본을 형성하는 물질인, 상기 탄소 물질은 천연의 또는 합성 전구체 물질로부터 제조될 수 있다. 알려진 천연 전구체 물질은 석탄, 견과류 껍질 (nut shells), 및 바이오매스 (biomass)를 포함하는 반면, 통상적으로 합성 전구체 물질은 페놀 수지 (phenolic resin)를 포함한다. 천연 및 합성 전구체 모두에서, 탄소 물질은 상기 전구체를 탄화시킨 다음, 상기 최종 탄소를 활성화시켜 형성될 수 있다. 상기 활성화는 물리적 (예를 들어, 증기) 또는 화학적 활성을 포함할 수 있다.
고 에너지 밀도를 달성하기 위해, 탄소-계 전극에 포함을 위한 상기 탄소 물질은 고 비정전용량 (high specific capacitance)를 가질 것이다. 더구나, 저 등가 직렬 저항 (ESR) 통한 상기 디바이스는 상기 디바이스의 출력 밀도를 증가시키기 위해 바람직하다.
전술한 관점에서, 저 등가 직렬 저항을 나타내지만 고 비정전용량을 갖는 탄소 물질을 포함하는 탄소-계 전극은 고출력, 고에너지 밀도 초고용량 캐패시터로 포함을 위해 바람직할 수 있다.
하나의 구체 예에 따르면, 전기 이중층 캐패시터용 다층 전극 (multilayer electrode)은 대향하는 주표면을 갖는 전류 집전체 (current collector), 하나 또는 모두의 상기 주표면에 대해 형성된 융합 탄소층 (fused carbon layer), 각각의 융합 탄소층에 대해 형성된 전도성 접착층 (conductive adhesion layer), 및 각각의 전도성 접착층에 대해 형성된 활성탄층 (activated carbon layer)을 포함한다. 상기 융합 탄소층 및 상기 전도성 접착층은 연속 또는 불연속 층 (discontinuous layers)일 수 있다.
상기 활성탄은 ≥ 0.3 ㎤/g의 합친 기공 부피를 제공하는, ≤ 1 nm의 크기를 갖는 기공; ≥ 0.05 ㎤/g의 합친 기공 부피를 제공하는, > 1 nm 내지 ≤ 2 nm의 크기를 갖는 기공; 및 < 0.15 ㎤/g 합친 기공 부피의 > 2 nm의 크기를 갖는 어떤 기공을 갖는, 기공 크기 분포를 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 특징 및 장점들은 당업자들이 용이하게 이해할 수 있도록 청구항 뿐만 아니라 첨부된 도면이 수반되는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 통하여 좀더 구체적으로 기술한다.
하기 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용 및 상기 일반적인 설명은 본 발명의 본질 및 특징을 이해하기 위해 제공된 것임을 이해하여야 한다. 첨부된 도면은 본 발명의 또 다른 이해를 위해 제공되며, 본 명세서에 포함되고, 일부를 구성한다. 도면은 본 발명의 다양한 구체 예를 설명하며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리 및 작동을 설명하기 위해 제공된다.
본 발명의 다층 전극은 전기 이중층 캐패시터와 같은 고에너지 밀도, 고출력 밀도 디바이스에 포함될 수 있다.
도 1은 어떤 구체 예에 따른 다-층 전극 구조를 개락적으로 설명하는 도면이다.
도 2는 융합 탄소층의 SEM 현미경의 사진이다.
도 3은 알루미늄 전류 집전체 표면에 형성된 융합탄소층의 SEM 현미경 단면 사진이다.
도 4는 알루미늄 전류 집전체에 대해 형성된 전도성 접착층 및 활성탄 층의 SEM 현미경 단면 사진이다.
도 5는 어떤 구체 예에 따른 다-층 전극의 SEM 현미경 단면 사진이다.
도 6은 등가 직렬 저항을 평가하기 위한 시험 기구를 설명하는 개략도이다.
도 1을 참조하면, EDLC용 전극과 같은, 다-층 전극 (10)은 대향하는 제1 및 제2 주표면 (22, 24)을 갖는 전류 집전체 (20), 하나 또는 모두의 상기 주표면에 대해 형성된 융합 탄소층 (30), 각각의 융합 탄소층 (30)에 대해 형성된 전도성 접착층 (40), 및 각각의 전도성 접착층 (40)에 대해 형성된 활성탄 층 (50)을 포함한다.
상기 전류 집전체 (20)는 금속 (예를 들어, 알루미늄) 또는 전도성 금속 합금을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전류 집전체 (20)는 20 내지 100 미크론 (예를 들어, 25-50 미크론)의 두께를 갖는 시트에 형성된 캐패시터 등급 알루미늄을 포함할 수 있다.
융합 탄소층 (30), 전도성 접착층 (40), 및 활성탄 층 (50)은 각각 상기 전류 집전체 (20)의 하나 또는 모두에 대해 형성된다. 여기에 사용된 바와 같이, 한 층이 다른 층에 대해 "형성된" 경우, 상기 각각 층은 서로 전기적 접촉되지만, 통상적으로 서로 직접적인 물리적 접촉이 필수적인 것은 아니다. 예를 들면, 어떤 층이 패턴 층이고, 또는 두께가 0인 범위를 포함하는 구체 예에 있어서, 상기 패턴층에 대해 형성된 층은 약간의 영역에서 상기 패턴 층에 직접적인 물리적 접촉이 있을 수 있지만, 다른 영역에서 다른 층 (예를 들어, 상기 패턴 층 이전에 형성된 층)과 직접적인 물리적 접촉이 있을 수 있다.
구체 예에 있어서, 상기 융합 탄소층 (30)은 상기 전류 집전체에 직적접으로 형성된다. 상기 융합 탄소층 (30)은 비록 어떤 주어진 포인트에서 실제 두께가 0.1 미크론 미만 또는 2 미크론 초과일 수도 있을 지라도, 0.1 내지 2 미크론의 평균 두께를 가질 수 있다. 상기 융합 탄소층 (30)은 일정한 두께를 갖는 평활한 층 (smooth layer)일 수 있는 반면, 구체 예에 있어서, 상기 융합 탄소층 (30)은 거친 표면을 갖고 변화하거나 또는 일정하지 않는 두께를 특징으로 한다. 상기 융합 탄소층 (30)의 실질적 두께는 0 내지 2 미크론 범위 (예를 들어, 0, 0.1, 0.2, 0.5, 1 또는 2 미크론) 또는 초과일 수 있다. 사실상 두께는 상기 하부층 (underlying layer)에 대해 어떤 특정 위치에서의 두께를 의미한다. 하나의 주표면에 대해 형성된 융합 탄소층 (30), 또는 주표면 모두에 대해 형성된 융합 탄소층 쌍을 포함하는 알루미늄 전류 집전체 (20)는 Toyo Tanso USA, Inc (Osaka, Japan)에서 제공받을 수 있다.
알루미늄 전류 집전체에 형성된 융합 탄소층 (30)의 평면도를 보여주는 스캐닝 전자 현미경 (scanning electron microscope; SEM) 사진은 도 2에 나타내었다. 상기 융합 탄소층 (30)은 주로 서브미크론-크기의 탄소 입자 (34)의 응집체를 포함한다. 알루미늄 전류 집전체 (20)의 주표면 모두에 형성된 대향하는 융합 탄소층의 단면 SEM 사진은 도 3에 나타내었다.
전도성 접착층은 상기 융합 탄소층에 대해 형성된다. 구체 예에 있어서, 상기 전도성 접착층은 카본블랙, 흑연 및 선택적 바인더의 혼합물을 포함한다. 상기 카본블랙 및 흑연은 어떤 적절한 비율로 조합될 수 있다. 본 발명의 실시 예는 카본 블랙 및 흑연의 대략 동일한 중량부를 갖는 전도성 접착층을 포함한다. 상기 전도성 접착층은 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 또는 90 ± 5 중량%의 카본블랙과 나머지는 흑연을 포함할 수 있다. 상기 전도성 접착층의 평균 두께는 0.25 내지 5 미크론의 범위 (예를 들어, 약 0.75 미크론과 같은 0.5 내지 1 미크론) 일 수 있다. 상기 융합 탄소층과 같이, 상기 전도성 접착층의 실질적인 두께는 일정하거나 변화할 수 있다. 상기 전도성 접착층의 실질적인 두께는 0 내지 10 미크론 (예를 들어, 0, 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 5 또는 10 미크론)범위일 수 있다. 상기 전도성 접착층을 형성하기 위해 사용된 물질은 슬러리 (예를 들어, 수성 슬러리)로 형성될 수 있고, 전류 집전체에 코팅된 융합 탄소층의 노출된 표면에 증착된다.
도 4에서 도시된 것은 전류 집전체 (20)에 대해 형성된 활성탄 층 (50) 및 전도성 접착층 (40)의 단면 SEM 사진이다. 상기 융합 탄소층은 투명도 (clarity)를 위해 본 실시 예에서 생략된다. 도 4는 상기 전도성 접착층 (40)이 약 0.3 내지 0.5 미크론의 평균 두께를 갖지만, 상기 전도성 접착층 (40)의 실질적 두께가 어떤 특정 영역에서, 상기 평균 두께보다 미만 또는 초과일 수 있다는 것을 보여준다. 상기 도의 상기 원형 영역에서, 탄소 입자 (52)는 상기 전도성 접착층의 실질적 두께가 거의 0인 상기 전류 집전체 (20)의 제1 주표면 (22)에 직접적으로 악영향을 미친다. 상기 활성탄 층 및 상기 전류 집전체 사이의 최소 거리로써 정의되는, 상호작용 영역 (interaction zone)은 0 내지 약 7 미크론 (예를 들어, 0, 0.1, 0.2, 0.5, 1, 1.5, 2, 3, 4, 5, 6 또는 7 미크론)의 범위 일 수 있다. 구체 예에 있어서, 상기 상호작용 영역은 0.1 내지 1 미크론 범위다.
상기 전도성 접착층에 대해 형성된 것은 활성탄 층이다. 상기 활성탄 층은 미세다공성 활성탄을 포함할 수 있다. 여기에 정의된 바와 같이, 미세규모 (microscale)의 기공은 2 ㎚ 이하의 기공 크기를 갖는다. 중간 규모 (Mesoscale)의 기공은 2 내지 50 ㎚ 범위의 기공 크기를 갖는다. 최대 규모 (Macroscale)의 기공은 50 ㎚를 초과하는 기공 크기를 갖는다. 구체 예에 있어서, 상기 다-층 전극에 포함된 활성탄 (예를 들어 상기 활성탄 층에)은 대부분 미세규모의 기공을 포함한다.
여기서 사용된 바와 같이, 상기 용어 "미세기공성 탄소" 및 이의 변형체 (variants)는 대부분 (즉, 적어도 50%)의 미세규모의 기공을 갖는 활성탄을 의미한다. 미세기공성, 활성탄 물질은 50% 초과 (예를 들어, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90 또는 95% 초과의 미세기공도 (microporosity))의 미세기공도를 포함할 수 있다.
상기 미세다공성 탄고는 약 300㎡/g 초과, 즉, 300, 350, 400, 500 또는 1000㎡/g 초과의 비표면적을 가질 수 있다. 실시 예로서, 상기 미세다공성 탄소는 2500㎡/g 미만, 즉, 2500, 2000, 1500, 1200 또는 1000㎡/g 미만의 비표면적을 가질 수 있다.
어떤 구체적인 실시 예에 있어서, 상기 미세다공성 탄소는 적어도 0.3 ㎤/g의 조합된 기공 부피를 제공하는 1 ㎚까지의 크기를 갖는 기공, 적어도 0.05 ㎤/g의 조합된 기공 부피를 제공하는 1 ㎚ 내지 2 ㎚의 크기를 갖는 기공, 및 2 ㎚ 초과의 크기를 갖는 0.15 ㎤/g 미만의 조합된 기공 부피의 어떤 기공을 포함한다.
EDLC의 성능은 상기 전극의 특성 및 실제로, 상기 탄소의 특성에 밀접하게 연관될 수 있다. 차세대 초고용량 캐패시터를 포함하는 EDLC의 개발의 도전은 상기 출력 밀도 레벨을 유지하는 동안 상기 에너지 밀도를 증가시키는 것이다. 이런 도전을 극복하기 위한 한가지 접근은 상기 전류 집전체 및 상기 활성탄 층 사이의 계면에 ESR을 낮추는 단계를 포함한다.
본 발명의 다-층 전극은 전도성 전극 구조에 대한 개선된 ESR을 갖는다. 바람직하게, 상기 다-층 전극 구조는 기계적 강성 (mechanical robustness), 예를 들면, 전해질 충전하기 이전에 상기 다-층 전극을 더욱 완전히 건조시키기 위한 능력 및 고온 안정성을 증진시킨다. 제조 후 또는 동안 상기 전극의 건조는, 디바이스 성능 및 장시간 안정성에 해로울 수 있는 흡수된 물의 제거를 촉진한다. 부가적으로, 상기 다-층 구조는 전기화학적 부식 (corrosion) 또는 사용동안 원하지 않는 기생반응 (parasitic reactions)으로부터 상기 하부 전류 집전체 (예를 들어, 알루미늄)를 보호한다.
상기 탄소 물질에 관하여, 상기 총 유용한 기공도 (porosity) 및 기공 크기 분포는 EDLC 성능에 영향을 줄 수 있다. 상당한 양의 중간 기공은 상기 탄소의 내부 표면에 전해질 이온 접근을 위해 필요하다는 것은 일반적인 생각이다. 그러나, 출원인은 중간기공 (mesoporosity)이 거의 없는 주로 미세다공성인 활성탄이 실질적인 양의 중간기공을 갖는 시판되는 탄소보다 EDLC에서 상당히 높은 부피당 비정전용량 (volumetric specific capacitance) (또는 에너지 밀도) 및 더 우수한 성능을 나타낸다는 것을 입증했다. 이러한 장점은 본 발명의 활성탄 물질의 독특한 기공 크기 분포 (unique pore size distribution)에 기인한다.
또 다른 구체 예에 따르면, 상기 활성탄 층은 0.4 ㎤/g을 초과하는 총 기공도 (porosity) (예를 들어, 0.4, 0.45, 0.5, 0.55, 0.6, 0.65 또는 0.7 ㎤/g 초과)를 갖는 활성탄물질을 포함한다. 미세기공 (d = 2 ㎚)으로부터 결과하는 상기 총 기공 부피의 부분은 95% 이상 (예를 들어, 적어도 95, 96, 97, 98 또는 99%)일 수 있고, 초미세기공 (d = 1 ㎚)으로부터 결과하는 상기 총 기공 부피의 부분은 60% 이상 (예를 들어, 적어도 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90 또는 95%)일 수 있다.
상기 활성탄의 상기 기공 크기 분포는 초미세기공, 미세기공, 중간기공 (mesopores), 및 최대기공을 포함할 수 있고, 유니모달 (unimodal), 바이모달 (bimodal), 또는 멀티-모달 (multi-modal) 기공 크기 분포를 갖는 것으로 특징될 수 있다. 상기 초미세기공은 상기 총 기공 부피의 0.3 ㎤/g 이상 (예를 들어, 0.4 ㎤/g 이상)을 포함할 수 있다. 1 < d = 2 ㎚의 범위의 기공 크기를 갖는 기공은 상기 총 기공 부피의 0.05 ㎤/g 이상 (예를 들어, 적어도 0.1, 0.15, 0.2 또는 0.25 ㎤/g)을 포함할 수 있다. 만약 존재하다면, 중간 기공 및/또는 최대 기공을 포함할 수 있는 2 ㎚를 초과하는 기공 크기를 갖는 어떤 기공은 상기 총 기공 부피의 0.15 ㎤/g 이하 (예를 들어, 0.1 또는 0.04 ㎤/g 미만)를 포함할 수 있다.
다양한 구체 예에 있어서, 미세다공성 활성탄은 리그노셀룰로오즈성 (lignocellulosic) 또는 비-리그노셀룰로오즈성 탄소 (non-lignocellulosic carbon) (NLC) 전구체로부터 형성될 수 있다. 활성탄 물질을 제조하기 위한 대표적인 방법은 제1 탄소물질을 형성하기 위해 불활성 또는 환원 분위기에서 천연의, 비-리그노셀룰로오즈성 탄소 전구체를 가열시키는 단계, 수성 혼합물을 형성하기 위해 무기 화합물과 상기 제1 탄소 물질을 혼합시키는 단계, 상기 제1 탄소 물질에 상기 무기 화합물을 포함하기 위해 불활성 또는 환원 분위기에서 상기 수성 혼합물을 가열시키는 단계, 및 미세다공성 활성탄 물질을 제조하기 위해 상기 제1 탄소 물질로부터 상기 무기 화합물을 제거하는 단계를 포함한다.
전술한 실시 예에 있어서, 상기 천연의 비-리그노셀룰로오즈성 탄소 전구체는 상기 전구체 물질이 탄화되기에 효과적인 온도에서 가열될 수 있다. 탄화 온도의 예는 약 450℃ 초과 (예를 들어, 적어도 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850 또는 900℃)이다. 상기 탄소 전구체의 탄화 동안 불활성 또는 환원 분위기는 수소, 질소, 암모니아, 헬륨 또는 아르곤 중 하나 이상의 가스 또는 가스 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 탄소 전구체의 탄화 후에, 상기 최종 제1 탄소 물질은 무기 화학 활성제와 함께 혼합될 수 있다. 상기 제1 탄소 물질을 활성화하기 위해 사용된 상기 무기 화합물은 알칼리 수산화물 (alkali hydroxide) 또는 염화물 (chloride) (예를 들어, NaOH, KOH, NaCl, KCl), 인산 (phosphoric acid), 또는 CaCl2 또는 ZnCl2과 같은 다른 적절한 염을 포함할 수 있다.
상기 제1 탄소 물질 및 무기 화합물은 어떤 적절한 비율로 조합될 수 있다. 제1 탄소 물질 대 무기 화합물의 비 (중량%/중량%)는 약 10 : 1 내지 1 : 10까지의 범위 (예를 들어, 9 : 1, 8 : 1, 7 : 1, 6 : 1, 5 : 1, 4 : 1, 3 : 1, 2 : 1, 1 : 1, 1 : 2, 1 : 3, 1 : 4, 1 : 5, 1 : 6, 1 : 7, 1 : 8 또는 1 : 9)일 수 있다.
바람직하게는, 상기 혼합 단계는 상기 무기 화합물의 수성 혼합물과 상기 제1 탄소 물질을 혼합시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 혼합 동안, 상기 무기 화합물은 상기 제1 탄소 물질과 균질하게 또는 실질적으로 균질하게 혼합될 수 있다. 어떤 접근법에 있어서, 상기 무기 화합물은 물과 같은 용매에 초기에 용해된다. 상기 무기 화합물을 포함하는 상기 용액은 그 다음 상기 제1 탄소 물질과 조합되고, 상기 최종 혼합물은 상기 제1 탄소 물질과 상기 무기 화합물의 혼합물의 혼합을 허용하기 위해 효과적인 시간동안 숙성시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 혼합물은 0.5, 1, 2, 4, 8 (예를 들어, 0.5 내지 8 시간) 또는 그 이상동안 숙성될 수 있다.
상기 무기 화합물은 상기 제1 탄소 물질과 혼합 한 후에 선택적으로 숙성되고, 상기 혼합물은 상기 제1 탄소 물질에 상기 무기 화합물을 포함하기 위해 효과적인 온도에서 가열된다. 상기 혼합물은 상기 탄소를 활성화하기 위해 미리 예정된 시간 (예를 들어, 0.5, 1, 2, 4, 8, 또는 그 이상의 시간)동안 불활성 또는 환원 분위기에서 약 300 ℃ 내지 1000 ℃의 온도에서 가열될 수 있다.
탄화/활성화 다음에, 상기 활성탄 제품은 상기 무기 화합물을 포함하는 반응으로부터 유도된 어떤 화학적 종 (species) 및 상기 무기 화합물을 제거하기 위해 세척, 건조, 및 선택적으로 미세다공성 활성탄 물질을 생성하기 위해 분쇄될 수 있다.
상기 무기 화합물을 추출하기 위한 바람직한 용매는 물이다. 선택적으로, 상기 추출 용매는 산을 포함할 수 있다. 상기 무기 화합물을 제거하기 위한 어떤 공정은 물과 산으로 상기 활성탄을 순차적으로 헹구는 단계를 포함한다. 상기 무기 화합물을 제거하기 위한 또 다른 공정은 수성 산 혼합물 (예를 들어, 산 및 물의 혼합물)로 상기 활성탄을 헹구는 단계를 포함한다. 상기 추출동안 사용된 산은 염산을 포함할 수 있다. 상기 무기 화합물을 추출하는 공정은 기공의 대부분이 상기 무기 화합물에 미리 충진된 부피에 의해 한정된 미세다공성, 활성탄 물질을 형성한다.
초고용량 캐패시터의 성능 (에너지 및 출력 밀도)은 상기 다-층 전극에 포함되는 상기 활성탄 물질의 특성에 크게 의존한다. 전술된 방법에 따라 형성된 상기 활성탄은 경제적으로 가능한, 고출력, 고에너지 밀도 디바이스를 위한 다-층 전극을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 상기 활성탄 물질의 특성은, 순차적으로, 상기 물질의 기공도 및 기공 크기 분포, 상기 산소 함량, 및 이러한 전극에 포함된 경우 상기 활성탄 물질의 전기적 특징를 평가하기 위해 측정될 수 있다. 연관된 전기적 특징은 면적-고유 저항 (area-specific resistance) 및 비 정전용량 (specific capacitance)를 포함한다.
선택적으로, 상기 활성탄에서 산소 함량은 저산소 함량 물질을 형성하기 위해 상기 활성탄을 가열시켜 감소될 수 있다. 상기 산소 함량을 감소시키는 열처리 단계는 상기 산소 함량을 감소하기 위해 효과적인 온도로 불활성 또는 환원 분위기에서 상기 미세다공성 활성탄을 가열시키는 단계를 포함한다.
상기 활성탄에서 상기 산소 함량을 감소시키기 위해 불활성 또는 환원 가스와 함께 사용될 수 있는 가열로 온도는 약 200℃ 내지 1200℃ (예를 들어, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000, 1050, 1100, 1150 또는 1200 ℃)의 범위이다. 적절한 불활성 가스는 질소 (N2) 및 아르곤 (Ar)을 포함한다. 구체 예에 있어서, 환원 가스는 수소 (H2), 암모니아 (NH3) 또는 수소 및 질소 (즉, 가스형성)를 포함하는 가스 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 가스 혼합물에서 질소 함량은 6% 이하 (예를 들어, 6, 5, 4, 3, 2, 또는 1% H2 이하)일 수 있다.
일단 형성되면, 상기 미세다공성 활성탄은 다-층 전극의 하나 이상 활성탄층에 포함될 수 있다. 통상적인 전기 이중층 캐패시터 (EDLC)에 있어서, 전극의 쌍은 다공성 분리막에 의해 분리되고, 상기 전극/분리막/전극 스택 (electrode/separator/electrode stack)은 액체 유기 또는 무기 전해질로 침윤된다. 상기 활성탄 층은 다른 첨가제 (예를 들어, 바인더)와 혼합되고, 얇은 시트 (thin sheet)로 압축 및 상기 전도성 접착층 및 융합 탄소층을 거쳐 상기 전류 집전체에 적층되는 활성탄 분말을 포함할 수 있다. 전기 이중층 캐패시터에 부가하여, 본 발명의 다-층 전극은 또한 배터리 (batteries) 또는 연료 전지 (fuel cell)와 같은 다른 전기화학적 전극/디바이스 구조에 포함될 수 있다.
예를 들어, 약 50 내지 300 마이크로미터의 범위에서 두께를 갖는 활성탄층은 80 내지 90 중량%의 미세다공성 활성탄, 0 내지 10 중량%의 카본블랙 및 5 내지 20 중량%의 바인더 (예를 들어, PTFE 또는 PVDF와 같은 플로오로카본 바인더 (fluorocarbon binder))를 포함하는 분말 혼합물을 롤링 (rolling) 및 압축 (pressing)하여 제조될 수 있다. 선택적으로, 용매는 시트로 압축되고 건조될 수 있는 페이스트 (paste)로 상기 분말 혼합물을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 활성탄-함유 시트는 다-층 전극을 형성하기 위해 전도성 접착층에 카렌더 (calendared), 스탬프 (stamped) 또는 그렇지 않으면 패턴 (patterned) 및 적층될 수 있다. 상기 다-층 전극에 포함하기 전에, 활성탄-함유 시트의 예는 각각 18 인치, 3.75 인치 및 250 미크론의 길이, 폭, 및 두께를 가질 수 있다. 상기 다-층 전극은 에너지 저장 디바이스에 포함될 수 있다.
다-층 전극 (10)의 단면 SEM 사진은 도 5에 보여진다. 상기 다-층 전극은 전류 집전체 (20), 상기 전류 집전체의 하나의 주표면에 대해 형성된 융합 탄소층 (30), 상기 융합 탄소층 (30)에 대해 형성된 전도성 접착층 (40), 및 상기 전도성 접착층 (40)에 대해 형성된 활성탄 층 (50)을 포함한다.
사용 동안, 전기적 이중층은 대향하는 전극에 축적되는 상기 저장된 전하를 통해 형성할 수 있다. 상기 전기적 이중 층에서 저장된 전하의 양은 상기 캐패시터의 달성할 수 있는 에너지 밀도 및 출력 밀도에 영향을 미친다. 미세다공성 활성탄 물질의 전기적 특성 (예를 들어, 부피당 정전용량 (volumetric capacitance) 및 중량당 정전용량 (gravimetric capacitance))은 탄소-계 복합 필름 (carbon-based composite films)의 특성을 측정하여 평가될 수 있다.
여기서 평가된 상기 활성탄 층은 85 중량%의 활성탄 물질, 5 중량%의 전도성 탄소 (예를 들어, Cabot Corporation, Boston, MA에서 시판되는 Black Pearls?), 및 10 중량%의 Teflon? (PTFE)을 포함한다. 상기 활성탄 층은 융합 탄소-코팅된 전류 집전체에 대해 형성된 전도성 접착층 (50 중량%의 흑연, 50 중량% 카본블랙)에 대해 적층된다.
버튼형 전지 (button cell)는 상기 복합 물질의 시트로부터 0.625 인치의 직경을 갖는 탄소 디스크를 펀칭하여 형성될 수 있다. 분리막은, 차례로, 두개의 전도성 탄소-코팅된 알루미늄 전류 집전체 사이에 샌드위치된 동일한 탄소 디스크 사이에 배치된다. 열경화성 중합체 고리 (thermoset polymer ring)는 아세토니트릴 (acetonitrile)에 테트라에틸암모늄-테트라플로로보레이트 (tetraethylammonium-tetrafluoroborate) (TEA-TFB)와 같은 유기 전해질로 채워진 상기 전지를 밀봉하기 위해 상기 어셈블리의 주변부 주위에 형성된다. 전해질의 적절한 농도는 1 내지 2M, 예를 들어, 1.25, 1.5, 1.75 또는 2M의 범위일 수 있다.
상기 전지 (Ccell)의 정전용량은 정전류 (galvanostatic) 방전으로부터 측정된다. 상기 전지는 원하는 전위 (예를 들어, 2.7 V)에 일정한 전류 (공급부, (icharge))로 먼저 충전된 다음, 일정한 전류 방전 (제거부 (idischarge))이 수반된다. 옴의 법칙 (Ohm's law)에 따르면, 캐패시터 전류 (i)는 하기 수학식 1에 따라 캐피시터 전압을 시간에 대해 미분한 값에 비례한다:
[수학식 1]
Figure pct00001
여기서 C는 정전용량 (Farads), V는 상기 전지 전압 (Volts) 및 t는 시간 (초)이다.
상기 정전류 방전 곡선 (전지 전압 대 시간)으로부터 기울기를 측정하여, 상기 전지 정전용량은 수학식 2와 같이 계산될 수 있다:
[수학식 2]
Figure pct00002
상기 전지 정전용량은 각각의 상기 탄소 디스크 (일련의 캐패시터)의 전기화학적 이중층 정전용량에 의해 표시되는 두 개의 개별적 정전용량의 조화의 합이다. 이러한 관계는 하기 수학식 3과 같이 표시될 수 있다:
[수학식 3]
Figure pct00003
여기서 C1 및 C2는 상기 전지에서 개별적인 탄소 디스크의 상기 이중층 정전용량이다.
이러한 정전 용량의 크기는 하기 수학식 4 및 5와 같이 상기 탄소 디스크의 부피당 비정전용량에 상응될 수 있다:
[수학식 4]
Figure pct00004
[수학식 5]
Figure pct00005
여기서 Csp ,1 및 Csp ,2는 상기 개별적인 탄소 디스크의 비정전용량 (F/㎤)이고, V1 및 V2는 상기 상응하는 전극 부피이다. 상기 시험 전지는 동일한 크기 및 조성을 갖는 디스크를 사용하기 때문에, C1 = C2, Csp ,1 = Csp ,2 (= Csp) 및 V1 = V2 (= Vtotal/2, 여기서 Vtotal는 상기 전지에서 탄소의 총 부피 (㎤))이다. 수학식 3, 4, 및 5는 Csp와 같이, 부피당 정전용량을 주기 위해 조합될 수 있다:
[수학식 6]
Figure pct00006
[수학식 7]
Figure pct00007
상기 에너지 저장 디바이스는 초고용량 캐패시터를 포함할 수 있다. 초고용량 캐패시터는 젤리 롤 디자인 (jelly roll design), 프리즘형 디자인 (prismatic design), 허니컴 디자인 (honeycomb design), 또는 다른 적절한 구조를 가질 수 있다. 미세다공성 탄소-함유 다-층 전극은 탄소-탄소 초고용량 캐패시터 또는 하이브리드 초고용량 캐패시터에 포함될 수 있다. 탄소-탄소 초고용량 캐패시터에 있어서, 양극 (positive electrode) 및 음극 (negative electrode) 모두는 활성탄을 포함한다. 하이브리드 초고용량 캐패시터에서, 상기 전극 중 하나는 탄소-계이고, 다른 전극은 산화 납, 산화 루테늄 (ruthenium oxide), 수산화 니켈 (nickel hydroxide), 산화 마그네슘, 산화 철과 같은 유사 정전 용량형 물질, 또는 전도성 중합체 (예를 들어, 파라플로오로페닐-티오펜)와 같은 또 다른 물질일 수 있다.
비-리그노셀룰로오즈성 전구체를 사용하여 제조된 미세다공성 활성탄은 대부분 시판되는 탄소와 비교하여 EDLC에 상당히 더 높은 에너지 저장 용량을 제공한다. 예를 들어, 본 발명에 따른 상기 미세다공성 활성탄이 다-층 전극의 활성탄 층에 포함될 때, 상기 부피당 비정전용량은 70 F/㎤ 이상 (예를 들어, 70, 75, 80, 85, 90, 92, 94, 96, 98 또는 100 F/㎤ 이상)이다.
본 발명에 따른 다-층 전극의 등가 직렬 저항은 관통-평면적-고유 저항 (thru-plane area-specific resistance) 측정을 이용하여 추론될 수 있다. 이론에 한정되는 것을 원하지는 않지만, 상기 융합 탄소층은 상기 계면에서 전기적 접촉 저항을 낮추는 상기 전류 집전체와 균질 접촉 (intimate contact)을 형성할 수 있다. 그러나, 상기 융합 탄소층은 상기 활성탄층과 잘 접착하지 않는다. 실제로, 상기 융합 탄소층-활성탄 층 계면의 다양한 시험 샘플은 기계적으로 약한 고 저항 갭 (high resistance gap)을 나타낸다. 상기 융합 탄소층 및 상기 활성탄 층 사이의 계면에서 전도성 접착층을 형성함으로서, 저 계면 접촉 저항 (low interfacial contact resistance)을 나타내는 기계적으로 안정한 다-층 전극이 형성될 수 있다.
프리-스탠딩 (free-standing) 탄소 전극의 수직 전기적 저항 (through-plane electrical resistance)은 도 6에서 개략적으로 보여준 시험 장치 (400)를 사용하여 측정될 수 있다. 상기 시험 장치 (400)는 각각 1 인치의 직경 및 0.5 mil의 두꺼운 은 포일 (thick silver foil)로 피복된 두 개의 세라믹 디스크 (412, 414)를 포함한다. 상기 세라믹 디스크 (412, 414)는 상부 및 하부 플래튼 (platens) (422, 424)을 갖는 Instron? Electromechanical Test System (Model 4202)이 장착된다. 상기 상부 플래튼 (422)에 힘 F를 적용시켜, 미리 측정된 하중 (load)은 상기 세라믹 디스크 (412, 414)를 통해 샘플 (430)에 적용될 수 있다.
시험될 각각의 다-층 전극 (430)의 직경은 측정되고, 상기 샘플은 상기 세라믹 디스크 (412, 414) 사이 중간에 위치된다. 상기 은 포일은 표준 4-선 구조 (standard four-wire configuration)에서 디지털 멀티미터 (모델 2700, Keithley Instruments) (440)에 연결된다. 100 lbs의 하중은 상기 다-층 전극에 적용되고, 상기 멀티미터 (440)는 상기 외부 두 개의 납 (446a) 및 (446b)에 알려진 크기의 전류 (i)를 적용시켜 상기 내부 두 개의 납 (448a) 및 (448b) 사이에 상기 최종 전압 (V)을 측정한다.
상기 측정된 전압은 저항으로 전환된다. 어떤 샘플없는 상기 은 포일사이의 저항에 상응하는, 백그라운드 저항 (background resistance)은 상기 측정된 저항으로부터 뺀다. 상기 멀티미터는 1 μΩ의 해상도 (resolution)을 갖는 저항을 측정할 수 있다. 보고된 값은 상기 동일한 다-층 전극의 적어도 세 개의 다른 샘플로부터 측정된 평균값이다.
각각의 다-층 전극의 측정된 저항 (Ω에서 R)은 알려진 하기 수학식 8에 따라 상기 전극 물질의 비저항 (resistivity) (Ω-cm에서 ρ), 상기 전극의 두께 (cm에서 l) 및 상기 은 포일 (㎠에서 A)와 접촉하는 전극의 기하학적 면적 (geometric area)과 상관될 수 있다:
[수학식 8]
Figure pct00008
상기 전극의 면적-고유 저항 (area-specific resistance) (Ω-㎠에서 Rsp)은 하기 수학식 9에 의해 주어진다:
[수학식 9]
Figure pct00009
상기 면적-고유 저항 측정을 위해서, 샘플은 형성-즉시 및 다시 150℃로 16 시간 동안 오븐에 노출한 후에 모두에 대해 시험된다.
실시 예
본 발명은 하기의 실시 예에 따라 더욱 명확해 질 것이다.
실시 예 1 (비교실시 예)
상업적으로 유용한 전류 집전체 (Exopack, Matthews, NC)는 기존 활성탄 층에 양면에 상온에서 적층된다. 상기 활성탄 층의 두께는 약 250 미크론이다. 이 뿐만 아니라 하기 실시 예에 사용된 상기 기준 활성탄 층은 85 중량%의 활성탄, 5 중량%의 카본블랙, 및 10 중량%의 Teflon? (PTFE)의 비율로 카본 블랙 및 바인더와 조합된 상업적으로 유용한 활성탄 물질 (Kuraray Carbon Inc., Osaka, Japan)을 포함한다.
측정된 관통-평면적-고유 저항 (through-plane area-specific resistance)은 0.25 ohm-㎠ (제조된 것)이고, 150℃로 16 시간동안 노출 후에는 0.90 ohm-㎠이다.
실시 예 2 (비교실시 예)
카본 블랙 및 흑연의 대략 동일한 중량부를 포함하는 전도성 잉크의 수성 슬러리는 알루미늄 1145 H19 포일의 양면에 딥-코팅된다. 각 전도성 접착층의 평균 두께는 약 1 내지 3 미크론이다. 기존 활성탄 층은 상기 전도성 접착층에 대해 200℃의 적층 온도 및 250 pli의 적층 압력으로 적층된다. 상기 활성탄 층은 약 250 미크론의 두께를 갖는다. 형성되었을 때, 상기 최종 전극의 관통-평면적-고유 저항은 0.04 ohm-㎠이다. 150℃로 16 시간 동안 노출 후에, 상기 관통-평면적-고유 저항은 0.05 ohm-㎠이다.
실시 예 3-5 (비교실시 예)
실시 예 2의 실험에서 KDK Corporation, Tokyo, Japan에 의해 시판되는 미리-에칭된 (pre-etched) 알루미늄 전류 집전체를 사용하여 반복된다. 상기 기판은 G571, C208 또는 C209의 각각의 에칭 프로토콜에 따라 디자인된다. G571에 상응되는 알루미늄은 약 75 미크론의 두께이지만, C208 및 C209에 대한 알루미늄은 약 50 미크론의 두께이다. 상기 기존 활성탄 층의 적층 후에, 관통-평면적-고유 저항은 형성-즉시 및 응력 시험 전극 모두에 대해 0.05∼0.06 ohm-㎠의 범위에 대해 변화한다.
실시 예 6
실시 예 2의 시험에서 종래의 전류 집전체 대신에 50 미크론 두께 융합-탄소 코팅된 알루미늄 시트 (Toyo Tanso, Osaka, Japan)를 사용하여 반복된다. 상기 융합-탄소 코팅된 평균 두께는 1 미크론 미만이다. 상기 관통-평면적-고유 저항은 150℃로 16시간 동안 응력 시험 전과 후 모두 0.03 ohm-㎠이다. 상기 다-층 전극 구조에 상기 융합-탄소 코팅된 전류 집전체의 포함은 실질적으로 상기 알루미늄 및 상기 활성탄 사이의 계면에 계면 저항을 감소시킨다. 구체 예에 있어서, 이중-면 다-층 전극의 상기 관통-평면적-고유 저항은 0.1 ohm-㎠ 미만이다.
실시 예 A 및 B (비교실시 예)
초고용량 캐패시터 시험 전지는 상기 활성탄 층 (85 중량%의 NLC 활성탄, 5 중량%의 카본블랙, 10 중량%의 PTFE 바인더)에서 NLC 활성탄을 사용하여 제조되었다. 상기 활성탄 층은 실시 예 2의 딥-코팅된 전류 집전체에 대해 적층된다. 상기 최종 전지의 RC 시간 상수는 1.3 및 1.5 초 사이이고, 거의 500 F의 정전 용량을 입증했다.
실시 예 C
실시 예 1-6의 상기 관통-평면적-고유 저항 데이터 및 실시 예 A 및 B의 실험적 시험 전지를 기초로, 본 발명의 다-층 전극을 포함하는 시험 전지는 모형화되고, 상응하는 시험 전지 통계는 계산된다. 다-층 전극을 포함하고, 상기 활성탄 층에 NLC 탄소를 포함하는 시험 전지에 대한 최종 RC 시간 상수는 놀랍고 바람직한 결과인 약 1초로 평가되고, 상기 모형화된 구조는 고에너지 밀도 및 고출력 밀도 모두를 갖는 디바이스가 가능할 것임을 암시한다.
실시 예 1-6에 대한 관통-평면적-고유 저항 데이터는 표 1에 요약되었다. 상기 데이터는 응력 시험 전 및 후의 Rsp 값을 기재한다. 각 측정에 대한 오차는 상기 Exopack 전극에 대한 후-응력 시험에 대한 0.09 ±.15 ohm-㎠ 값을 제외하고는 ± 0.01 ohm-㎠이다.
수직-평면적-고유저항 데이터
샘플 Rsp (ohm-㎠)
(제조-즉시)		 Rsp (ohm-㎠)
(150℃로 16시간동안 노출 후)
1 Exopack 전극 (비교 예) 0.25 0.90
2 1145 H19 포일 (비교 예) 0.04 0.05
3 G571 (비교 예) 0.06 0.05
4 C208 (비교 예) 0.05 0.06
5 C209 (비교 예) 0.05 0.05
6 다-층 전극 0.03 0.03
실시 예 A-C에서 평가되고 모형화된 상기 초고용량 캐패시터 시험전지에 대한 전기적 데이터는 하기 표 2에 기재된다.
초고용량 캐패시터 시험 전지 면적-고유 저항 데이터
Rsp (ohm-㎠)
(16시간동안, 150℃)		 전지 ESR
(ohm-㎠)		 전지 일치된
전극영역 (㎠)		 전지 ESR
(milli-ohms)		 전지용량 (Farads) RC-시간 상수
(초)
A 0.05 2.97 1150 2.58 496.0 1.28
B 0.06 3.40 1112 3.06 486.2 1.49
C 0.03 2.26 1131 2.00 500.0 1.00
본 발명의 다-층 전극을 포함하는 다층은 종래의 전극과 비교하여 상기 최종 전극 구조의 계면 저항을 감소 및 안정화시키고, 기계적 강성을 촉진시킨다. 다-층 전극을 형성하기 위한 관련 방법은 상기 전류 집전체의 세척, 에칭, 또는 부가적인 공정에서 종래의 방법에 의해 발생된 의존성을 감소시킨다.
본 명세서에 사용된 바와 같은, 단수적인 표현은 특별한 언급이 없는 한 복수 형태를 포함한다. 따라서, 예를 들어, "층"에 대한 기준은 별도의 언급이 없는 한 둘 이상의 "층들"을 갖는 실시 예를 포함한다.
범위는 하나의 특정 값의 "약"으로부터 다른 특정 값의 "약"까지 표현될 수 있다. 이러한 범위가 표현된 경우, 하나의 특정 값으로부터 다른 특정 값까지 포함한다. 유사하게, 값이 선행하는 "약"의 사용에 의해, 대략으로 표현된 경우, 특정 값이 다른 관점을 형성하는 것으로 이해할 수 있다. 상기 범위의 각각의 끝점은 다른 끝점과 관련되고, 독립적이다.
별도의 언급이 없다면, 여기에 기술된 어떤 방법이 이의 단계가 특정 순서로 수행되는 것을 요구하는 것으로 구성되는 것을 의도하지는 않는다. 따라서, 방법 청구항이 이의 단계에 따른 순서를 실질적으로 인용하지 않았거나, 또는 상기 단계가 특정 순서에 한정되는 것으로 청구항 및 상세한 설명에 특별히 언급하지 않는다면, 어떤 특정 순서로 추론되는 것을 의도하는 것은 아니다.
본 발명에서 인용 (recitations)은 특정 방법에서 기능하도록 "형성된" 또는 "적용된" 본 발명의 구성요소에 관한 것이다. 이러한 관점에서, 상기 구성요소는 특정 특성을 구체화, 또는 특정 수단에서 기능하도록 "형성된" 또는 "적용된" 것이고, 여기서 이러한 인용은 의도된 사용의 인용에 대립되는 것으로 구조적 인용이다. 좀더 구체적으로, 구성요소가 "형성된" 또는 "적용된" 방법에 대한 상기 참조번호는 상기 구성요소의 존재하는 물리적 조건을 표시하고, 상기 구성요소의 구조적 특징의 명확한 인용으로서 받아드릴 수 있다.
당업자들은 하기 청구항 및 본 발명의 발명 사상 및 범주를 벗어나지 않으면서 다양한 변형, 적용 및 변경이 가능할 수 있다. 본 발명의 사상 및 범주를 포함하는 본 발명의 구체 예의 변경, 결합, 준-결합 및 변형들은 당업자들에 의해 일어날 수 있으며, 본 발명은 하기 청구항 및 이들의 균등물의 범주내에서 모든 것을 포함하는 것으로 구성되는 것이다.
10: 다-층 전극 20: 전류 집전체
22: 제1 주표면 24: 제2 주표면
30: 융합 탄소층 40: 전도성 접착층
50: 활성탄 층 52: 탄소 입자
400: 시험 장치 412, 414: 세라믹 디스크
422: 상부 플래튼 424: 하부 플래튼
430: 샘플 또는 다층-전극 440: 디지털 멀티미터
446a, 446b, 448a, 448b: 납

Claims (21)

  1. 대향하는 주표면을 갖는 전류 집전체;
    하나 또는 모두의 상기 주표면에 대해 형성된 융합 탄소층;
    각각의 융합 탄소층에 대해 형성된 전도성 접착층; 및
    각각의 전도성 접착층에 대해 형성된 활성탄층을 포함하는 전기 이중층 캐패시터용 다층 전극.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 융합 탄소층은 상기 전류 집전체의 주표면 모두에 대해 형성된 것을 특징으로 하는 다층 전극.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 다층 전극은 0.1 ohm-㎠ 미만의 관통-평면적-고유 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 다층 전극.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 융합 탄소층은 약 0.1 내지 2 마이크로미터의 평균 두께를 가지며, 상기 전도성 접착층은 약 0.25 내지 5 마이크로미터의 평균 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 다층 전극.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 융합 탄소층은 0 마이크로미터의 최소 두께, 약 0.1 내지 2 마이크로미터의 평균 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 다층 전극.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 접착층은 카본블랙, 흑연 및 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 전극.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 접착층은 약 0.1 및 1 마이크로미터 사이의 평균 입자크기를 갖는 약 40-60 wt.%의 카본블랙 입자, 및 약 5 및 50 마이크로미터 사이의 평균 입자크기를 갖는 약 40-60 wt.%의 흑연을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 전극.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 융합 탄소층 및/또는 상기 전도성 접착층은 불연속 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 전극.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 융합 탄소층 및/또는 상기 전도성 접착층은 패턴층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 전극.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성탄 층은 미세다공성 활성탄을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 전극.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성탄 층은 활성탄, 카본블랙 및 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 전극.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성탄 층은 80-90 wt.%의 활성탄, 0-10 wt.%의 카본블랙 및 약 5-15 wt.%의 PTFE를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 전극.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성탄 층에서 활성탄은:
    ≥ 0.3 ㎤/g의 합친 기공 부피를 제공하는, ≤ 1 nm의 크기를 갖는 기공;
    ≥ 0.05 ㎤/g의 합친 기공 부피를 제공하는, > 1 nm 내지 ≤ 2 nm의 크기를 갖는 기공; 및
    < 0.15 ㎤/g 합친 기공 부피의 > 2 nm의 크기를 갖는 어떤 기공을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 전극.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류 집전체 및 상기 활성탄 층 사이의 상호작용 영역은 약 0 내지 7 미크론의 범위인 것을 특징으로 하는 다층 전극.
  15. 청구항 1에 따른 다층 전극을 포함하는 전기 이중층 캐패시터.
  16. 청구항 15에 따른 전기 이중층 캐패시터를 포함하는 디바이스.
  17. 대향하는 주표면을 갖는 전류 집전체를 제공하는 단계;
    하나 또는 모두의 상기 주표면에 대해 융합 탄소층을 형성시키는 단계;
    프리-전극 어셈블리 (pre-electrode assembly)를 형성하기 위해 각각의 융합 탄소층에 대해 전도성 접착층을 형성시키는 단계; 및
    각각의 전도성 접착층에 대해 활성탄 층을 형성시키는 단계를 포함하는 전기 이중층 캐패시터용 다층 전극을 형성하는 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 전도성 접착층은 딥-코팅 (dip-coating), 그라비아 코팅 (gravure coating), 테이프 캐스팅 (tape casting), 커튼 코팅 (curtain coating), 슬롯 다이 코팅 (slot die coating), 메니스커스 코팅 (meniscus coating) 및 스프레이 코팅 (spray coating)으로 이루어진 군으로부터 선택된 방법을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 전도성 접착층을 형성시키는 단계는 상기 전도성 접착층을 패턴닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 청구항 17에 있어서,
    상기 방법은 상기 활성탄 층을 형성 전의 흡수된 물 및/또는 형성하기 위한 잔여 유기물을 제거하기에 효과적인 온도에서 프리-전극 어셈블리를 가열하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 청구항 17에 있어서,
    상기 활성탄 층은 각각의 전도성 접착층에 대해 적층된 것을 특징으로 하는 방법.
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