KR20140075836A - 전극 구조체 및 그 제조 방법, 그리고 상기 전극 구조체를 구비하는 에너지 저장 장치 - Google Patents

전극 구조체 및 그 제조 방법, 그리고 상기 전극 구조체를 구비하는 에너지 저장 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에너지 저장 장치를 위한 전극 구조체에 관한 것이다. 본 발명의 실시에에 따른 전극 구조체는 전류 집전체(current collector) 및 전류 집전체에 형성된 활물질층을 포함하되, 활물질층은 탄소 재료 및 탄소 재료에 형성된 금속 입자를 갖는 활물질을 포함한다.

Description

전극 구조체 및 그 제조 방법, 그리고 상기 전극 구조체를 구비하는 에너지 저장 장치{ELECTRODE STRUCTURE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE ELECTRODE STRUCTURE, AND APPARATUS FOR STORAGING ENERGY WITH THE ELECTRODE STRUCTURE}
본 발명은 전극 구조체 및 그 제조 방법, 그리고 상기 전극 구조체를 구비하는 에너지 저장 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고출력 및 고용량 구현이 가능한 전극 구조체 및 그 제조 방법, 그리고 상기 전극 구조체를 구비하는 에너지 저장 장치에 관한 것이다.
차세대 에너지 저장 장치들 중 울트라 캐패시터 또는 슈퍼 캐패시터라 불리는 장치는 빠른 충방전 속도, 높은 안정성, 그리고 친환경적 특성으로 인해, 차세대 에너지 저장 장치로 각광받고 있다. 현재, 대표적인 슈퍼 캐패시터들로는 리튬 이온 캐패시터(Lithium Ion Capacitor:LIC), 전기이중층 캐패시터(electric double layer capacitor:EDLC), 의사 캐패시터(pseudocapacitor), 그리고 하이브리드 캐패시터(hybrid capacitor) 등이 있다.
전기이중층 캐패시터는 양극과 음극의 재료로서 활성탄을 사용하고, 리튬 이온 캐패시터는 양극의 재료로서 활성탄을 사용하고 음극의 재료로서 흑연 또는 하드카본 등의 전지용 전극 재료를 사용한다. 그 밖에도, 양극의 재료로서 전지용 전극 재료인 리튬 금속 산화물을 사용하고, 음극의 재료로서 활성탄을 사용하는 형태의 슈퍼 캐패시터 및 양극과 음극을 서로 상이한 금속 산화물 재료로 구성하는 형태의 슈퍼 캐패시터 등이 있다.
한국공개특허번호 10-2009-0099980
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고출력 및 고용량 구현이 가능한 전극 구조체 및 이를 구비하는 에너지 저장 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 에너지 저장 장치의 출력 및 용량 특성을 향상시킬 수 있는 전극 구조체의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명에 따른 전극 구조체는 전류 집전체(current collector) 및 상기 전류 집전체에 형성된 활물질층을 포함하되, 상기 활물질층은 탄소 재료 및 상기 탄소 재료에 형성된 금속 입자를 갖는 활물질을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 금속 입자의 함량은 상기 활물질에 대해 40wt% 미만일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 금속 입자는 상기 활물질의 표면이 일부 노출되도록, 상기 활물질에 국부적으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 금속 입자는 상기 활물질의 표면 전체를 덮을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 금속 입자는 상기 탄소 재료에 대해 형성된 주석(Sn), 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 안티몬(Sb), 비스무스(Bi), 로듐(Rh), 니켈(Ni), 코발트(Co), 아연(Zn), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 규소(Si), 크롬(Cr), 그리고 망간(Mn) 중 적어도 어느 하나의 금속 무전해 도금 공정을 수행하여 형성된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 전극 구조체의 제조 방법은 전류 집전체를 준비하는 단계, 탄소 재료에 대해 도금 공정을 수행하여, 탄소 재료에 금속 입자가 형성된 활물질을 제조하는 단계, 상기 활물질, 도전재 및 바인더를 혼합하여 활물질 조성물을 제조하는 단계, 그리고 상기 전류 집전체 상에 상기 활물질 조성물을 도포하여, 상기 전류 집전체 상에 활물질층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 금속 도금 공정을 수행하는 단계는 상기 활물질에 대한 상기 금속 입자의 함량이 40wt% 미만이 되도록 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 금속 도금 공정을 수행하는 단계는 상기 활물질의 표면이 일부 노출되도록, 상기 활물질에 상기 금속 입자를 국부적으로 형성시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 금속 도금 공정을 수행하는 단계는 상기 금속 입자가 상기 활물질 표면 전체를 균일한 두께로 덮도록 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 금속 도금 공정을 수행하는 단계는 상기 탄소 재료에 대해 주석(Sn), 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 안티몬(Sb), 비스무스(Bi), 로듐(Rh), 니켈(Ni), 코발트(Co), 아연(Zn), 루테늄(Ru), 그리고 구리(Cu) 중 적어도 어느 하나의 금속 무전해 도금 공정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 저장 장치는 음극, 상기 음극에 대향되는 양극, 그리고 상기 음극과 양극 사이에 제공된 전해액을 포함하되, 상기 음극 및 상기 양극 각각은 전류 집전체(current collector) 및 상기 전류 집전체에 형성된 활물질층을 포함하고, 상기 활물질층은 탄소 재료 및 상기 탄소 재료에 형성된 금속 입자를 갖는 활물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 금속 입자의 함량은 상기 활물질에 대해 40wt% 미만일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 금속 입자는 상기 활물질의 표면이 일부 노출되도록, 상기 활물질에 국부적으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 금속 입자는 상기 활물질의 표면 전체를 덮을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 금속 입자는 상기 탄소 재료에 대해 형성된 주석(Sn), 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 안티몬(Sb), 비스무스(Bi), 로듐(Rh), 니켈(Ni), 코발트(Co), 아연(Zn), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 규소(Si), 크롬(Cr), 그리고 망간(Mn) 중 적어도 어느 하나의 금속 무전해 도금 공정을 수행하여 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전해액은 리튬염 및 암모늄염을 포함하되, 상기 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF5, LiClO4, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2, LiC(SO2CF3)3, LiPF4(CF3)2, LiPF3(C2F5)3, LiPF3(CF3)3, LiPF3(iso-C3F7)3, LiPF5(iso-C3F7), (CF2)2(SO2)2NLi, 그리고 (CF2)3(SO2)2NLi 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 암모늄염은 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로 보레이트(tetraethyl ammonium tetrafluoroborate:TEABF4), 트리에틸메틸 암모늄 테트라플루오로 보레이트(Triethylmethyl ammonium tetrafluoroborate:TEMABF4), 디에틸디메틸암모늄테트라플루오로보레이트(diethyldimethyl ammonium tetrafluoroborate: DEDMABF4, 디에틸메틸메톡시에틸 암모늄 테트라플루오로 보레이트(diethyl-methyl-methoxyethyl ammonium tetrafluoroborate:DEMEBF4), 스파이로바이 피롤리디니움 테트라플루오로 보레이트(spirobipyrrolidinium tetrafluoroborate:SBPBF4), 스파이로피페리딘피롤리디니움(spiropiperidinepyrrolidinium tetrafluoroborate:SPPBF4) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전해액은 리튬염 및 암모늄염을 포함하되, 상기 리튬염과 상기 암모늄염의 농도는 상기 전해액에 대해 0.1M 내지 2.0M일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전해액은 리튬염 및 암모늄염을 포함하되, 상기 리튬염과 상기 암모늄염의 농도 몰비는 5 : 5 내지 1 : 9일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전해액은 리튬염 및 암모늄염을 포함하되, 상기 리튬염과 상기 암모늄염의 농도 몰비는 9 : 1 내지 5 : 5일 수 있다.
본 발명에 따른 전극 구조체 및 이를 구비하는 에너지 저장 장치는 활물질 재료로 사용되는 탄소 재료에 대해 도금 공정 처리를 수행하여 금속 입자를 형성시켜, 활물질 자체의 전기 저항을 낮추고 전기 전도도를 높임으로써, 에너지 저장 장치의 축전 용량 및 전기 전도도 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 전극 구조체의 제조 방법은 활물질 재료인 탄소 재료에 도금 공정 처리를 수행하여 금속 입자를 형성시켜 활물질 조성물을 제조하여, 활물질 조성물 자체의 전기 저항을 낮추고 전기 전도도를 높임으로써, 에너지 저장 장치의 축전 용량 및 전기 전도도 특성을 향상시킬 수 있는 전극 구조체를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전극 구조체를 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 A 영역의 확대도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전극 구조체의 제조 방법을 보여주는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 저장 장치를 보여주는 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 기술 등은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 더불어, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공될 수 있다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명에 따른 전극 구조체 및 그 제조 방법, 그리고 상기 전극 구조체를 구비하는 에너지 저장 장치에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전극 구조체를 보여주는 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 A 영역의 확대도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전극 구조체(100)는 소정의 에너지 저장 장치를 위한 전극일 수 있다. 일 예로서, 상기 전극 구조체(100)는 소위 울트라 캐패시터 또는 슈퍼 캐패시터라 불리는 에너지 저장 장치의 양극(positive electrode) 또는 음극(negative electrode) 중 어느 하나일 수 있다. 다른 예로서, 상기 전극 구조체(100)는 리튬 이차 전지의 양극 또는 음극 중 어느 하나일 수 있다.
상기 전극 구조체(100)는 전류 집전체(current collector:110) 및 활물질층(activated material layer:120)을 가질 수 있다. 상기 전류 집전체(110)로는 다양한 종류의 금속 박판이 사용될 수 있다. 일 예로서, 상기 전류 집전체(110)로는 구리(Copper) 및 알루미늄(Aluminum) 중 적어도 어느 하나의 재질로 이루어진 금속 포일(metal foil)이 사용될 수 있다.
상기 활물질층(120)은 상기 전류 집전체(110) 상에 형성될 수 있다. 상기 활물질층(120)은 소정의 활물질 조성물을 슬러리(slurry) 형태로 제조한 후, 상기 슬러리를 상기 금속 포일의 표면에 도포시켜 형성된 막일 수 있다. 상기 활물질층(120)은 활물질(122), 도전재(124), 그리고 바인더(126) 등으로 이루어질 수 있다.
상기 활물질(122)은 탄소 재료(122a) 및 상기 탄소 재료(122a)에 형성된 금속 입자(122b)를 포함할 수 있다. 상기 탄소 재료(122a)는 활성 탄소(activated carbon), 그라파이트(graphite), 탄소 에어로겔(carbon aerogel), 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile:PAN), 탄소나노섬유(Carbon Nano Fiber:CNF), 활성화탄소나노섬유(Activating Carbon Nano Fiber:ACNF), 그리고 기상성장 탄소섬유(Vapor Grown Carbon Fiber:VGCF) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 금속 입자(122b)는 상기 활물질(122)의 전기 저항을 낮추고, 전기 전도도를 높이며, 용량 특성을 향상시키기 위해 제공되는 것일 수 있다. 상기 금속 입자(122b)는 주석(Sn), 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 안티몬(Sb), 비스무스(Bi), 로듐(Rh), 니켈(Ni), 코발트(Co), 아연(Zn), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 규소(Si), 크롬(Cr), 그리고 망간(Mn) 중 적어도 어느 하나의 금속 또는 이들의 합금 등을 포함할 수 있다.
상기 도전재(124)는 상기 활물질 조성물에 도전성을 부여하기 위한 것일 수 있다. 상기 도전재로는 전기전도도가 높은 탄소계 물질 및 다양한 종류의 금속 나노 입자가 사용될 수 있다. 일 예로서, 상기 도전재(124)로는 카본 블랙(carbon black), 케첸 블랙(ketjen black), 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube) 및 그라펜(Granphene) 중 적어도 어느 하나가 사용될 수 있다.
상기 바인더(126)는 상기 슬러리 조성물의 물질 특성을 향상시키기 위해 제공된다. 일 예로서, 상기 바인더(126)로는 폴리플루오린화비닐리덴(Polyvinylidene fluoride:PVDF) 또는 셀룰로오스 계열의 물질이 사용될 수 있다.
한편, 상기 금속 입자(122b)는 상기 활물질층(120) 내에 다양한 형태로 제공될 수 있다. 일 예로서, 상기 금속 입자(122b)는 상기 활물질(122a) 표면에 불규칙 또는 규칙적으로 분포된 형태로 제공될 수 있다. 상기 활물질(122a)이 탄소 재료, 특히 활성탄인 경우, 상기 활물질(122a)에는 미세 구멍들(122a')이 형성되어 있을 수 있다. 이러한 미세 구멍들(122a')은 상기 에너지 저장 장치의 충방전 메카니즘을 위한 캐리어 이온이 이동되기 위한 경로로 사용될 수 있다. 이에 따라, 상기 금속 입자(122b)는 상기 미세 구멍들(122a')을 막지 않는 형태로 제공되는 것이 바람직할 수 있다. 즉, 상기 금속 입자(122b)는 상기 활물질(122a) 표면을 완전히 덮는 피막 형태로 제공되지 않고, 상기 활물질(122a) 표면을 국부적으로 노출시키는 형태로 분포된 형태가 바람직할 수 있다.
그러나, 다른 예로서 상기 금속 입자(122b)는 상기 활물질(122a) 표면을 완전히 덮는 형태로 제공될 수도 있다. 상기 금속 입자(122b)는 입자 형태로 제공되므로, 상기 활물질(122a) 표면을 완전히 덮어도 상기 금속 입자(122b)로 이루어진 막은 상기 캐리어 이온의 이동을 방해하지 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 금속 입자(122b)는 상기 캐리어 이온의 이동을 방해하지 않는 조건 하에서 상기 활물질(122a) 표면 전체를 균일한 두께로 덮는 형태로 제공될 수 있다.
상기 금속 입자(122b)의 함량은 상기 활물질(122a)에 대해 대략 40wt% 미만으로 제공되는 것이 바람직할 수 있다. 상기 금속 입자(122b)는 충방전시 상대적으로 더 큰 부피변화가 있을 수도 있기 때문에, 상기 금속 입자(122b)의 함량이 상기 활물질(122a) 대비 40wt%를 초과하면, 부피 변화에 따른 에너지 저장 장치의 싸이클 수명 특성을 저하시킬 수 있다. 여기서, 상기 금속 입자(122b)의 함량이 상기 활물질(122a)에 대해 대략 20 내지 30wt% 이상이면 상기 활물질(122a) 표면을 균일한 두께로 완전히 덮는 구조가 이루어질 수 있다.
이에 더하여, 상기 금속 입자(122b)의 함량이 증가하면, 에너지 저장 장치의 제조 단가가 비싸질 수 있다. 이러한 에너지 저장 장치의 수명 특성 및 제조 단가 절감 측면을 고려하면, 상기 금속 입자(122b)의 함량은 상기 활물질(122)에 대해 대략 20wt% 미만으로 제공되는 것이 더 바람직할 수 있다. 이에 반해, 상기 금속 입자(122b)의 함량이 극도로 낮은 경우, 본 발명이 해결하고자 하는 활물질(120) 자체의 전기 저항을 낮추고 전기 전도도를 높이고자 하는 효과, 그리고 용량을 증가시키고자 하는 효과가 충분히 발휘될 수 없을 수 있다. 이에 따라, 상기 금속 입자(122b)의 함량은 상기 활물질(122)에 대해 대략 1wt% 이상이 되도록 제공되는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 상기 금속 입자(122b)는 상기 활물질(122) 자체의 전기 저항을 낮추고, 전기 전도도를 높이는 형태로 제공될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 활물질층(120)의 전기 전도도를 높이기 위한 방법으로는 상기 도전재(124)의 함량을 증가시키는 방법이 있을 수 있다. 그러나, 상기 도전재(124)의 함량을 증가시키는 경우 상대적으로 상기 활물질층(120) 내에서 상기 활물질(122)의 함량이 감소하게 되어 에너지 저장 장치의 축전 용량을 감소시킬 수 있다. 따라서, 에너지 저장 장치의 저항 및 용량 특성 측면에 있어서, 상기 활물질(122) 자체의 전기 저항을 낮추고, 전기 전도도를 높이는 방법이 바람직할 수 있다. 이를 위해, 상기 금속 입자(122b)가 상기 탄소 재료(122a)에 직접 형성되어 분포되는 형태를 구현하기 위해, 상기 활물질(122)로 사용되는 탄소 재료(122a)에 대해 직접 소정의 도금 공정을 수행할 수 있다. 이와 같은 활물질(120)의 제조 방법에 대한 구체적인 내용은 후술한다.
계속해서, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 전극 구조체의 제조 방법에 대해 상세히 설명한다. 여기서, 앞서 살펴본 전극 구조체(100)에 대해 중복되는 내용은 생략하거나 간소화될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전극 구조체의 제조 방법을 보여주는 순서도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 전류 집전체(110)를 준비할 수 있다(S110). 상기 전류 집전체(110)를 준비하는 단계는 알루미늄 포일 또는 구리 포일 중 어느 하나를 준비하는 단계를 포함할 수 있다.
탄소 재료(122a)에 금속 입자(122b)가 형성된 활물질(120)을 제조할 수 있다(S120). 상기 활물질(120)을 제조하는 단계는 활성 탄소(activated carbon), 그라파이트(graphite), 탄소 에어로겔(carbon aerogel), 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile:PAN), 탄소나노섬유(Carbon Nano Fiber:CNF), 활성화탄소나노섬유(Activating Carbon Nano Fiber:ACNF), 그리고 기상성장 탄소섬유(Vapor Grown Carbon Fiber:VGCF) 중 적어도 어느 하나의 탄소 재료를 준비하는 단계 및 상기 탄소 재료(122a)에 대해 도금 공정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 도금 공정을 수행하는 단계는 상기 탄소 재료에 대해 상기 도금 공정으로는 주석(Sn), 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 안티몬(Sb), 비스무스(Bi), 로듐(Rh), 니켈(Ni), 코발트(Co), 아연(Zn), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 규소(Si), 크롬(Cr), 그리고 망간(Mn) 중 적어도 어느 하나의 금속 무전해 도금 공정이 사용될 수 있다.
상기 활물질(122)에 도전재(124) 및 바인더(126)를 혼합하여 활물질 조성물을 형성할 수 있다(S130). 상기 도전재(124)로는 카본 블랙(carbon black), 케첸 블랙(ketjen black), 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube) 및 그라펜(Granphene) 중 적어도 어느 하나가 사용되고, 상기 바인더(126)로는 폴리플루오린화비닐리덴(Polyvinylidene fluoride:PVDF), SBR(Styrene Butadiene Rubber), 또는 카르복시메틸셀룰로오스(Carboxy Methyl Cellulose)와 같은 셀루루로오스 계열의 물질이 사용될 수 있다. 여기서, 상기 금속 입자(122b)는 상기 도전재(124)에 비해 상대적으로 전기 전도도가 매우 높기 때문에, 상기 도전재(124)의 함량을 상대적으로 감소시켜도, 상기 활물질(120)의 전기 전도도를 높일 수 있다. 따라서, 상기 도전재(124)의 함량은 상기 금속 입자(122b)의 함량을 고려하여 조절되되, 상기 금속 입자(122b)를 사용하지 않는 경우에 비해 상대적으로 감소될 수 있으며, 더 나아가, 상기 도전재(124)를 사용하지 않을 수도 있다.
상기 전류 집전체(110) 상에 활물질 조성물을 도포 및 건조시킬 수 있다(S140). 상기 활물질 조성물은 슬러리 형태로 제조되며, 상기 슬러리를 상기 전류 집전체(110) 상에 코팅시킬 수 있다. 그리고, 상기 슬러리를 일정 온도로 열처리하여 건조할 수 있다. 이에 따라, 상기 전류 집전체(110) 상에 활물질층(120)이 형성됨으로써, 전극 구조체(100)가 제조될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전극 구조체(100)는 전류 집전체(110) 및 상기 전류 집전체(110) 상에 형성된 활물질층(120)을 구비하되, 상기 활물질층(120)은 금속 입자(122b)가 형성된 탄소 재료(122a)로 이루어진 활물질(122)로서 활물질층(120)을 구현할 수 있다. 이 경우, 상기 금속 입자(122b)에 의해 상기 활물질(122) 자체의 전기 저항을 낮춤과 더불어, 전기 전도도를 향상시킬 수 있어, 이를 구비한 에너지 저장 장치(100)는 축전 용량이 크게 향상될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 전극 구조체는 활물질 재료로 사용되는 탄소 재료에 대해 도금 공정 처리를 수행하여 탄소 재료에 금속 입자를 형성시켜, 활물질 자체의 전기 저항을 낮추고 전기 전도도를 높임으로써, 에너지 저장 장치의 출력 및 용량 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전극 구조체의 제조 방법은 상기 탄소 재료(122a)에 대해 도금 공정을 수행하여 상기 탄소 재료(122a)에 상기 금속 입자(122b)가 형성된 상기 활물질(120)을 준비하고, 이를 상기 도전재(124)와 상기 바인더(126)와 함께 혼합하여 활물질 조성물을 제조한 후, 상기 활물질 조성물을 상기 전류 집전체(110) 상에 도포 및 건조시켜, 전극 구조체(100)를 제조할 수 있다. 이와 같이 제조된 전극 구조체(100)는 상기 금속 입자(122b)에 의해 상기 활물질(122) 자체의 전기 저항을 낮춤과 더불어, 전기 전도도를 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 전극 구조체의 제조 방법은 활물질 재료인 탄소 재료에 도금 공정 처리를 수행하여 금속 입자를 형성시켜 활물질 조성물을 제조하여, 활물질 조성물 자체의 전기 저항을 낮추고 전기 전도도를 높임으로써, 에너지 저장 장치의 축전 용량 및 전기 전도도 특성을 향상시킬 수 있는 전극 구조체를 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들에 따른 에너지 저장 장치들을 상세히 설명한다. 여기서, 앞서 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 전극 구조체(100)에 대해 중복되는 내용들은 생략하거나 간소화될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치를 보여주는 도면이다. 도 1, 도 2 및 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치(200)는 전극 구조체들(100a, 100b), 분리막(210), 그리고 전해액(220)을 포함할 수 있다.
상기 전극 구조체들(100a, 100b) 각각은 앞서 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 전극 구조체(100)와 대체로 동일한 구조를 가질 수 있다. 상기 전극 구조체들(100a, 100b)은 상기 분리막(210)을 사이에 두고 서로 마주보도록 배치될 수 있다. 상기 전극 구조체들(100a, 100b) 중 상기 분리막(210)의 일측에 배치되는 전극 구조체(100a)는 상기 에너지 저장 장치(200)의 음극(negative electrode)으로 사용되고, 상기 전극 구조체들(100a, 100b) 중 상기 분리막(210)의 타측에 배치되는 전극 구조체(100b)는 상기 에너지 저장 장치(200)의 양극(positive electrode)으로 사용될 수 있다.
상기 음극(100a) 및 상기 양극(100b)은 각각 전류 집전체(110) 및 상기 전류 집전체(110)에 코팅된 활물질층(120)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 전류 집전체(110)는 알루미늄 포일(Al foil)을 포함하고, 상기 활물질층(120)은 활물질로서 활성 탄소(activated carbon)를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 활물질층(120)은 앞서 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 활물질(122a) 및 상기 활물질(122a)에 대해 도금 공정을 수행하여 형성된 금속 입자(122b), 도전재(124), 그리고 바인더(126) 등으로 이루어질 수 있다.
상기 분리막(210)은 상기 전극 구조체들(100a, 100b) 사이에 배치될 수 있다. 상기 분리막(210)은 상기 음극(100a) 및 상기 양극(100b)을 전기적으로 분리시킬 수 있다. 상기 분리막(210)으로는 부직포, 폴리 테트라 플루오르에틸렌(Poly tetra fluorethylene:PTFE), 다공성 필름, 크래프트지, 셀룰로스계 전해지, 레이온 섬유, 그리고 그 밖의 다양한 종류의 시트들 중 적어도 어느 하나가 사용될 수 있다.
상기 전해액(220)은 소정의 용매에 전해질을 용해시켜 제조된 조성물일 수 있다. 상기 전해질은 상기 음극(100a)의 활물질층(120)의 표면에서 흡탈착되는 충방전 반응 메카니즘을 갖는 양이온들(222)을 포함할 수 있다. 이와 같은 상기 전해질염으로는 비리튬계 전해질염이 사용될 수 있다. 상기 비리튬계 전해질염은 상기 에너지 저장 장치(200)의 충방전 동작시 상기 음극(100a)과 상기 양극(100b) 간에 캐리어 이온으로 사용되는 비리튬 이온을 포함하는 염일 수 있다. 예컨대, 상기 비리튬계 전해질염은 암모늄계 양이온(NR4+)을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 비리튬계 전해질염(이하, '암모늄염'이라 함)은 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로 보레이트(tetraethyl ammonium tetrafluoroborate:TEABF4), 트리에틸메틸 암모늄 테트라플루오로 보레이트(Triethylmethyl ammonium tetrafluoroborate:TEMABF4), 디에틸디메틸암모늄테트라플루오로보레이트(diethyldimethyl ammonium tetrafluoroborate: DEDMABF4, 디에틸메틸메톡시에틸 암모늄 테트라플루오로 보레이트(diethyl-methyl-methoxyethyl ammonium tetrafluoroborate:DEMEBF4) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또는, 상기 비리튬계 전해질염은 스파이로바이 피롤리디니움 테트라플루오로 보네이트(spirobipyrrolidinium tetrafluoroborate:SBPBF4), 그리고 스파이로피페리딘피롤리디니움(spiropiperidinepyrrolidinium tetrafluoroborate:SPPBF4) 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전해질은 리튬계 전해질염(이하, '리튬염')이라 함을 더 포함할 수도 있다. 상기 리튬염은 에너지 저장 장치(200)의 충방전 동작시 상기 음극(110c) 및 상기 양극(100d) 간의 캐리어 이온으로서, 리튬 이온(Li+)을 포함하는 염일 수 있다. 상기 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF5, LiClO4, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2, LiC(SO2CF3)3, LiPF4(CF3)2, LiPF3(C2F5)3, LiPF3(CF3)3, LiPF3(iso-C3F7)3, LiPF5(iso-C3F7), (CF2)2(SO2)2NLi, 그리고 (CF2)3(SO2)2NLi 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기와 같이, 상기 전해질염은 상기 암모늄염과 리튬염 중 어느 하나를 단독으로 사용하거나, 두 가지 염을 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 암모늄염과 상기 리튬염을 혼합하여 사용하는 경우, 상기 리튬염과 상기 비리튬염은 대체로 유사한 몰농도 비율로 혼합하여 사용하되, 상기 에너지 저장장치(100)의 종류 및 응용 분야에 따라, 상기 리튬염과 상기 비리튬염의 상대적인 함량 비율이 조절될 수 있다. 예컨대, 상기 에너지 저장장치(200)가 출력 특성이 강조되는 분야에 사용되는 경우, 상기 암모늄염의 중량비(wt%)를 상기 리튬염의 중량비(wt%)에 비해 같거나 증가시키는 것이 바람직할 수 있다. 일 예로서, 상기 전해액(220) 중 상기 리튬염과 상기 암모늄염의 몰 농도는 각각 0.3mol/L 내지 1.5mol/L로 조절되되, 상기 리튬염의 중량비(wt%)와 상기 암모늄염의 몰비는 대략 5 : 5 내지 1 : 9 농도로 조절될 수 있다. 다른 예로서, 상기 에너지 저장 장치(100)가 용량 특성을 강조하는 분야에 사용되는 경우에는 상기 리튬염의 중량비(wt%)와 상기 암모늄염의 몰비는 대략 9 : 1 내지 5 : 5 농도로 조절될 수 있다.
상기 전해액(220) 내 상기 리튬염의 함량이 상기 비율 기준에 비해 적은 경우, 상기 에너지 저장 장치(200)의 용량이 감소될 수 있다. 특히, 상기 에너지 저장 장치(100)가 리튬 이온 캐패시커(LIC)인 경우, 초기 충방전시 초기 SEI film formation에 의한 리튬 이온의 소모로 인해, 전극의 비가역 용량이 커지고, 상기 에너지 저장장치(200)의 용액 안정성이 낮아질 수 있다. 이에 반해, 상기 전해액 조성물(220) 내 상기 리튬염의 함량이 상기 비율 기준에 비해 많은 경우, 상기 리튬염의 가수분해로 인해 상기 에너지 저장장치(200)의 충방전 특성이 저하되는 문제점이 발생될 수 있다. 또한, 일반적으로 리튬염을 사용한 경우가 암모늄염을 사용한 경우에 비해 전해액의 이온 전도도가 작으므로, 에너지 저장 장치의 출력 특성도 저하될 수 있다.
여기서, 상기 암모늄염과 상기 리튬염을 포함하는 전해질염의 농도는 2.0M 미만인 것이 바람직할 수 있다. 상기 전해액의 농도가 증가할수록 에너지 저장 장치(200)의 출력 및 용량 특성이 증가하지만, 2.0M를 초과하는 경우 오히려 전해질염의 용해도 및 전도도 상승이 포화되고, 에너지 저장 장치의 특성이 저하될 수 있다. 또한, 과도한 전해질염의 사용은 에너지 저장 장치의 제조 단가를 상승시키는 원인이 될 수 있다. 이에 반해, 상기 전해질염의 농도가 현저히 적은 경우, 에너지 저장 장치(200)의 출력 및 용량 특성을 충분히 발휘할 수 없으므로, 상기 전해질염의 농도는 0.1M 이상인 것이 바람직할 수 있다. 이에 따라, 상기 전해질염의 농도는 대략 0.1M 내지 2.0M으로 조절될 수 있다.
상기 용매는 환형 카보네이트 및 선형 카보네이트 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 환형 카보네이트로는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌카보네이트(BC), 그리고 비닐에틸렌 카보네이트(VEC) 중 적어도 어느 하나가 사용될 수 있다. 상기 선형 카보네이트로는 디메틸 카보네이트(DMC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸부틸 카보네이트(MBC), 그리고 디부틸 카보네이트(DBC) 중 적어도 어느 하나가 사용될 수 있다. 그 밖에도, 아세토니트릴(accetonitrile), 프로피오니트릴(propionitrile), 감마부티로락톤(Gammabutyrolactone), 설포란(sulfolane), 에틸아세테이트(ehtyl acetate), 메틸아세테이트(methyl acetate), 메틸 프로피오네이트(methyl propionate) 등 다양한 종류의 에테르, 에스테르, 그리고 아미드 계열의 용매가 사용될 수 있다.
상기와 같은 구조의 에너지 저장 장치(200)는 전류 집전체(110) 및 상기 전류 집전체(110)에 형성되며, 탄소 재료(122a)에 도금 공정을 수행하여 형성된 금속 입자(122b)가 형성된 활물질층(120)을 갖는 음극(110a) 및 양극(11b)을 구비하고, 상기 전류 집전체(110)로는 알루미늄 포일이 사용되며, 상기 활물질층(120)은 활성 탄소(122)를 포함할 수 있다. 이와 같은 구조의 에너지 저장 장치(100)는 활성 탄소를 이용하는 전기이중층 전하흡착(electric double layer charging)을 충방전 반응 메커니즘으로 하여 구동되는 전기이중층 캐패시터(electric double layer capacitor:EDLC)로 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 저장 장치를 보여주는 도면이다. 도 1, 도 2 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 저장 장치(300)는 전극 구조체들(100c, 100d), 분리막(310), 그리고 전해액(320)을 포함할 수 있다.
상기 전극 구조체들(100c, 100d) 각각은 앞서 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 전극 구조체(100)와 대체로 동일한 구조를 가지며, 상기 분리막(310)을 사이에 두고 서로 마주보도록 배치될 수 있다. 상기 전극 구조체들(100c, 100d) 중 어느 하나는 상기 에너지 저장 장치(300)의 음극(negative electrode:100c)으로 사용되고, 상기 전극 구조체들(100c, 100d) 중 다른 하나는 상기 에너지 저장 장치(300)의 양극(positive electrode:100d)으로 사용될 수 있다.
상기 음극(100c) 및 상기 양극(100d) 각각은 서로 상이한 종류의 전류 집전체 및 상기 전류 집전체에 코팅된 활물질층으로 구성될 수 있다. 일 예로서, 상기 음극(100c)은 구리 포일(copper foil)을 포함하는 전류 집전체(110c) 및 그라파이트를 포함하는 활물질층(120c)으로 구성될 수 있다. 이에 반해, 상기 양극(100d)은 알루미늄 포일(aluminum foil)을 포함하는 전류 집전체(110d) 및 활성 탄소를 포함하는 활물질층(120d)으로 구성될 수 있다.
상기 전해액(320)은 용매에 소정의 전해질염을 용해시켜 제조된 조성물일 수 있다. 상기 전해질염은 상기 음극(100c)의 활물질층(124)의 내부로 흡장되는 충전 반응 메카니즘을 갖는 양이온들(322)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 양이온들(322)은 상기 양극(100d)의 활물질층(124)의 표면에 흡착되는 충전 반응 메카니즘을 갖도록 동작될 수 있다. 이와 같은 상기 전해질염으로는 리튬염을 단독으로 사용할 수 있다. 또는, 선택적으로 상기 전해질염으로는 리튬염과 암모늄염을 일정 비율로 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 전해질염의 함량은 상기 전해액의 농도가 대략 0.1M 내지 2.0M가 되도록 조절될 수 있다. 상기 용매로는 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 다양한 종류의 에테르, 에스테르, 그리고 아미드 계열의 용매가 선택적으로 사용될 수 있다.
상기와 같은 구조의 에너지 저장 장치(300)는 구리 포일을 포함하는 전류 집전체(110c)와 그라파이트를 포함하는 활물질층(120c)으로 구성된 음극(100c), 알루미늄 포일을 포함하는 전류 집전체(110d)와 활성 탄소를 포함하는 활물질층(120d)으로 구성된 양극(100d), 그리고 리튬염을 갖는 전해액(320)을 구비할 수 있다. 이와 같은 구조의 에너지 저장 장치(300)는 리튬 이온(Li+)을 전기 화학 반응 메카니즘의 캐리어 이온으로 사용하는 리튬 이온 캐패시터(Lithium Ion Capacitor:LIC)으로 사용될 수 있다.
( 실시예1 )
활성탄 분말을 준비하고, 상기 활성탄 분말에 은(Ag) 무전해 도금 공정을 수행하였다. 은 무전해 도금 공정시 사용된 도금액으로는 질산은(AgNO3) 9.7g, 수산화암모늄(ammonium hydroxide) 4.4g, 하이드라인 황산염(hydrazine sulfate) 19.2g, 수산화나트륨(NaOH) 4.8g을 용해시킨 도금액을 사용하였다. 상기 활성탄 분말 62g을 상기 도금액에 반응시켜 무전해 도금 공정을 수행하였다. 그리고, 수세 및 필터링, 그리고 진공 건조 등의 작업을 차례로 수행하여, 활물질을 얻었다. 이렇게 얻은 활물질을 아세틸렌 블랙(Acetylene Black:AB) 도전재 및 폴리플루오린화비닐리덴(Polyvinylidene fluoride:PVDF) 바인더와 대략 80 : 10 :10 비율로 혼합하여 슬러리 형태의 활물질 조성물을 제조하였고, 이를 금속 포일 상에 코팅 및 건조하여 음극을 제조하였다. 한편, 양극은 무전해 도금 처리되지 않은 활성탄 분말을 사용하여 상기와 같은 음극의 제조 방법과 대체로 동일한 방법을 통해 제조하였다.
전해액은 암모늄염으로서 1M TEABF4과 리튬염으로서 0.5M LiBF4를 준비한 후, 이들 전해질들을 아세토니트릴(acetonitril:ACN) 용매에 용해시켜 전해액을 제조하였다. 상기와 같은 전극 구조물을 5cm×10cm 크기로 잘라 적층하고, 상기 전해액을 주입하여 파우치 형태의 전기이중층 캐패시터(EDLC)를 제조하였다. 이렇게 제조된 전기이중층 캐패시터에 대해 용량 및 저항 특성을 대략 0.1 내지 2.7V 전압 범위에서 평가하였다.
( 실시예2 )
앞서 실시예1과 비교하여, 도금 공정을 주석(Sn) 무전해 도금 공정을 수행하는 것 이외에 다른 조건을 모두 동일하게 하여 전기이중층 캐패시터를 제조하여, 동일한 조건으로 테스트를 진행하였다. 상기 주석 무전해 도금 공정에서 사용되는 도금액으로는 염화제1주석(SnCl2·2H2O) 4.9g, 수산화나트륨(NaOH) 5.2g, 시안화나트륨(sodium cyanide, NaCN) 50g을 용해시킨 도금액을 사용하였다.
( 비교예1 )
앞서 실시예1 및 2와 비교하여, 양극과 음극 모두를 무전해 도금 공정을 수행하지 않고, 오로지 활성탄만을 활물질로 한 후, 다른 조건을 모두 동일하게 하여 전기이중층 캐패시터를 제조하여 동일한 조건으로 테스트를 진행하였다.
( 실시예3 )
흑연 분말을 준비하고, 상기 흑연 분말에 은(Ag) 무전해 도금 공정을 수행하였다. 은 무전해 도금 공정시 사용된 도금액으로는 질산은(AgNO3) 9.7g, 수산화암모늄(Ammonium Hydroxide) 4.4g, 하이드라진 황산염(Hydrazine sulfate) 19.2g, 수산화나트륨(NaOH) 4.8g을 용해시킨 도금액을 사용하였다. 그 외의 다른 조건은 실시예1의 무전해 도금 공정 조건과 동일하게 진행하였다.
그리고, 수세 및 필터링, 그리고 진공 건조 등의 작업을 차례로 수행하여, 활물질을 얻었다. 이렇게 얻은 활물질을 아세틸렌 블랙(Acetylene Black:AB) 도전재 및 폴리플루오린화비닐리덴(Polyvinylidene fluoride:PVDF) 바인더와 대략 80 : 10 :10 비율로 혼합하여 슬러리 형태의 활물질 조성물을 제조하였고, 이를 금속 포일 상에 코팅하여 건조시켜 음극을 제조하였다. 한편, 양극은 무전해 도금 처리되지 않은 활성탄 분말을 사용하여 상기와 같은 음극의 제조 방법과 대체로 동일한 방법을 통해 제조하였다. 전해액은 암모늄염으로서 0.5M TEABF4, 리튬염으로서 1.0M LiPF6를 준비한 후, 이들 전해질을 용매로서 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸메틸 카보네이트(EMC)를 사용하였다.
상기와 같이 제조된 전극 구조물을 5cm×10cm 크기로 잘라 적층하고, 상기 전해액을 주입하여 파우치 형태의 리튬 이온 캐패시터(LIC)를 제조하였다. 이렇게 제조된 리튬 이온 캐패시터에 대해 용량 및 저항 특성을 대략 2.2 내지 3.8V 전압 범위에서 평가하였다.
( 실시예4 )
앞서 실시예3과 비교하여, 도금 공정을 주석(Sn) 무전해 도금 공정을 수행하는 것 이외에 다른 조건을 모두 동일하게 하여 리튬 이온 캐패시터를 제조하여, 동일한 조건으로 테스트를 진행하였다. 상기 주석 무전해 도금 공정에서 사용되는 도금액으로는 염화제1주석(SnCl2·2H2O) 4.9g, 수산화나트륨(NaOH) 5.2g, 시안화나트륨(sodium cyanide, NaCN) 50g을 용해시킨 도금액을 사용하였다.
( 비교예2 )
앞서 실시예3 및 4와 비교하여, 양극과 음극 모두를 무전해 도금 공정을 수행하지 않고, 오로지 흑연만을 활물질로 한 후, 다른 조건을 모두 동일하게 하여 리튬 이온 캐패시터를 제조하여 동일한 조건으로 테스트를 진행하였다.
상술한 실시예 1 내지 4, 그리고 비교예1 및 2에 대한 내용을 아래의 표1에 개략적으로 정리하였고, 그 테스트 결과를 아래의 표2에 정리하였다.
구분 음극 활물질 양극 활물질

EDLC
 실시예1 활성탄 + 은 분체 활성탄
실시예2 활성탄 + 주석 분체 활성탄
비교예1 활성탄 활성탄

LIC		 실시예3 흑연 + 은 분체 활성탄
실시예4 흑연 + 주석 분체 활성탄
비교예2 흑연 활성탄
구분 정전 용량(F) AC 저항(mΩ)

EDLC
 실시예1 283 3.2
실시예2 286 3.3
비교예1 249 3.8

LIC		 실시예3 564 4.8
실시예4 570 4.9
비교예2 496 5.7
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치(200)인 전기이중층 캐패시터는 대략 0.1 내지 2.7V 테스트 전압 범위에서 280F 이상의 높은 정전용량을 갖고, 3.5mΩ 미만의 낮은 AC 저항을 갖는 것을 확인하였다. 이는 탄소 재료에 도금 처리를 수행하지 않은 비교예1에 따른 전기이중층 캐패시터의 정전 용량이 249F이고, AC 저항이 3.8mΩ을 갖는 것에 비해, 정전 용량을 대략 15% 정도 향상시키고, 전기 저항을 16% 이상 감소시킨 효과를 발휘하였다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 저장 장치(300)인 리튬 이온 캐패시터는 대략 2.2 내지 3.8V 테스트 전압 범위에서 560F 이상의 높은 정전용량을 갖고, 5.0mΩ 미만의 낮은 AC 저항을 갖는 것을 확인하였다. 이는 탄소 재료에 도금 처리를 수행하지 않은 비교예2에 따른 리튬 이온 캐패시터의 정전 용량이 496F이고, AC 저항이 5.7mΩ을 갖는 것에 비해, 정전 용량을 대략 15% 정도 향상시키고, 전기 저항을 16% 이상 감소시킨 효과를 발휘하였다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 전극 구조체
110 : 전류 집전체
120 : 활물질층
122 : 활물질
124 : 도전재
126 : 바인더

Claims (19)

  1. 전류 집전체(current collector); 및
    상기 전류 집전체에 형성된 활물질층을 포함하되,
    상기 활물질층은 탄소 재료 및 상기 탄소 재료에 형성된 금속 입자를 갖는 활물질을 포함하는 전극 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 입자의 함량은 상기 활물질에 대해 40wt% 미만인 전극 구조체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 입자는 상기 활물질의 표면이 일부 노출되도록, 상기 활물질에 국부적으로 형성된 전극 구조체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 입자는 상기 활물질의 표면 전체를 덮는 전극 구조체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 입자는 상기 탄소 재료에 대해 형성된 주석(Sn), 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 안티몬(Sb), 비스무스(Bi), 로듐(Rh), 니켈(Ni), 코발트(Co), 아연(Zn), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 규소(Si), 크롬(Cr), 그리고 망간(Mn) 중 적어도 어느 하나의 금속 무전해 도금 공정을 수행하여 형성된 것인 전극 구조체.
  6. 전류 집전체를 준비하는 단계;
    탄소 재료에 대해 도금 공정을 수행하여, 탄소 재료에 금속 입자가 형성된 활물질을 제조하는 단계;
    상기 활물질, 도전재 및 바인더를 혼합하여 활물질 조성물을 제조하는 단계; 및
    상기 전류 집전체 상에 상기 활물질 조성물을 도포하여, 상기 전류 집전체 상에 활물질층을 형성하는 단계를 포함하는 전극 구조체의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 금속 도금 공정을 수행하는 단계는 상기 활물질에 대한 상기 금속 입자의 함량이 40wt% 미만이 되도록 하는 전극 구조체의 제조 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 금속 도금 공정을 수행하는 단계는 상기 활물질의 표면이 일부 노출되도록, 상기 활물질에 상기 금속 입자를 국부적으로 형성시키는 단계를 포함하는 전극 구조체의 제조 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 금속 도금 공정을 수행하는 단계는 상기 금속 입자가 상기 활물질 표면 전체를 균일한 두께로 덮도록 수행되는 전극 구조체의 제조 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 금속 도금 공정을 수행하는 단계는 상기 탄소 재료에 대해 주석(Sn), 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 안티몬(Sb), 비스무스(Bi), 로듐(Rh), 니켈(Ni), 코발트(Co), 아연(Zn), 루테늄(Ru), 그리고 구리(Cu) 중 적어도 어느 하나의 금속 무전해 도금 공정을 수행하는 단계를 포함하는 전극 구조체의 제조 방법.
  11. 음극;
    상기 음극에 대향되는 양극; 및
    상기 음극과 양극 사이에 제공된 전해액을 포함하되,
    상기 음극 및 상기 양극 각각은:
    전류 집전체(current collector); 및
    상기 전류 집전체에 형성된 활물질층을 포함하고,
    상기 활물질층은 탄소 재료 및 상기 탄소 재료에 형성된 금속 입자를 갖는 활물질을 포함하는 에너지 저장 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 금속 입자의 함량은 상기 활물질에 대해 40wt% 미만인 에너지 저장 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 금속 입자는 상기 활물질의 표면이 일부 노출되도록, 상기 활물질에 국부적으로 형성된 에너지 저장 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 금속 입자는 상기 활물질의 표면 전체를 덮는 에너지 저장 장치.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 금속 입자는 상기 탄소 재료에 대해 형성된 주석(Sn), 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 안티몬(Sb), 비스무스(Bi), 로듐(Rh), 니켈(Ni), 코발트(Co), 아연(Zn), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 규소(Si), 크롬(Cr), 그리고 망간(Mn) 중 적어도 어느 하나의 금속 무전해 도금 공정을 수행하여 형성된 것인 에너지 저장 장치.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 전해액은 리튬염 및 암모늄염을 포함하되,
    상기 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF5, LiClO4, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2, LiC(SO2CF3)3, LiPF4(CF3)2, LiPF3(C2F5)3, LiPF3(CF3)3, LiPF3(iso-C3F7)3, LiPF5(iso-C3F7), (CF2)2(SO2)2NLi, 그리고 (CF2)3(SO2)2NLi 중 적어도 어느 하나를 포함하고,
    상기 암모늄염은 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로 보레이트(tetraethyl ammonium tetrafluoroborate:TEABF4), 트리에틸메틸 암모늄 테트라플루오로 보레이트(Triethylmethyl ammonium tetrafluoroborate:TEMABF4), 디에틸디메틸암모늄테트라플루오로보레이트(diethyldimethyl ammonium tetrafluoroborate: DEDMABF4, 디에틸메틸메톡시에틸 암모늄 테트라플루오로 보레이트(diethyl-methyl-methoxyethyl ammonium tetrafluoroborate:DEMEBF4), 스파이로바이 피롤리디니움 테트라플루오로 보레이트(spirobipyrrolidinium tetrafluoroborate:SBPBF4), 그리고 스파이로피페리딘피롤리디니움(spiropiperidinepyrrolidinium tetrafluoroborate:SPPBF4) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 에너지 저장 장치.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 전해액은 리튬염 또는 암모늄염을 포함하되,
    상기 리튬염 또는 상기 암모늄염의 농도는 상기 전해액에 대해 0.1M 내지 2.0M인 에너지 저장 장치.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 전해액은 리튬염 및 암모늄염을 포함하되,
    상기 리튬염과 상기 암모늄염의 농도 몰비는 5 : 5 내지 1 : 9인 에너지 저 장 장치.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 전해액은 리튬염 및 암모늄염을 포함하되,
    상기 리튬염과 상기 암모늄염의 농도 몰비는 9 : 1 내지 5 : 5인 에너지 저장 장치.
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