KR20160009090A - 전기 이중층 커패시터의 고전압 전극 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기 이중층 커패시터의 고전압 전극에 관한 것으로, 관통형 알루미늄 시트와; 관통형 알루미늄 시트의 일측으로 돌출되도록 형성되는 다수개의 제1중공형 돌출부재와; 관통형 알루미늄 시트의 타측으로 돌출되도록 형성되는 다수개의 제2중공형 돌출부재와; 관통형 알루미늄 시트와 다수개의 제1중공형 돌출부재와 다수개의 제2중공형 돌출부재에 각각 도포되는 금속산화층과; 관통형 알루미늄 시트의 일측면에 위치되도록 금속산화층에 접착되는 제1활물질 시트와; 관통형 알루미늄 시트의 타측면에 위치되도록 금속산화층에 접착되는 제2활물질 시트로 구성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 전기 이중층 커패시터의 고전압 전극에 관한 것으로, 특히 전기 이중층 커패시터의 전극에 사용되는 알루미늄 시트에 다수개의 관통홀을 형성할 때 알루미늄 시트의 표면적 손실을 방지하여 알루미늄 시트와 활물질 시트 사이의 접촉면적을 증가시키고, 알루미늄 시트의 전면에 금속산화층을 형성함으로써 고전압 전극을 구현할 수 있는 전기 이중층 커패시터의 고전압 전극에 관한 것이다.
전기 이중층 커패시터(EDLC; Electric Double Layer Capacitor)는 가역성이 있는 물리 흡착현상에 의해 전기 에너지를 저장함에 의해 충방전을 반복하더라도 수명에 미치는 영향이 적으며, 스마트폰, 하이브리드 자동차, 전기자동차나 태양광 발전에 적용되는 에너지 저장장치 분야에 적용되고 있다. 이러한 전기이중층 커패시터는 파워 밀도는 우수하나 에너지 밀도가 낮아 이를 개선하기 위한 전극 재료 개발이 요구된다.
한국등록특허 제1166148호(특허문헌 1)는 포토 리소그래피를 이용한 입체 패턴 구조를 갖는 알루미늄 집전체(current collector)의 제조방법에 관한 것이다. 특허문헌 1에 공개된 알루미늄 집전체의 제조방법은 먼저 알루미늄박 집전체를 세척한 후 질소 분위기에서 건조한다. 건조가 완료되면 건조된 알루미늄박 집전체 표면 위에 감광액을 도포한 후 건조하여 감광액이 선택적으로 노광되게 하여 경화시킨다.
경화가 완료되면 현상액을 노광된 알루미늄 집전체에 뿌려 노광되지 않은 감광액을 선택적으로 제거한 후 남은 감광액을 완전히 경화시켜 알루미늄 집전체 위에 패턴을 형성을 형성시킨다. 패턴 형성이 완료되면 두 개의 탄소판을 각각의 대향전극으로 하고 패턴이 형성된 알루미늄박 집전체를 두 개의 탄소판 사이에 위치시켜 교류전원을 인가하고 전해액에서 알루미늄 집전체를 1차 에칭한다.
1차 에칭이 완료되면 에칭된 알루미늄 집전체를 건조시킨다. 알루미늄 집전체의 건조가 완료되면 두 개의 탄소판을 대향전극으로 하고 1차에칭 후 건조된 알루미늄 집전체를 양 대향전극사이에 위치시켜 2차 에칭을 실시한다. 2차 에칭이 완료되면 2차 에칭된 알루미늄박을 세척 후 건조시킨다.
특허문헌 1과 같이 종래의 전기 이중층 커패시터의 전극은 포토 리소그래피 공정을 이용하여 알루미늄 집전체에 패턴 즉, 다수개의 관통공을 형성하여 알루미늄 집전체와 활물질과의 접촉면적을 증가시킴으로써 에너지 밀도를 개선하고 있다.
특허문헌 1과 같이 종래의 전기 이중층 커패시터의 전극에 사용되는 알루미늄 집전체에 다수개의 관통공을 형성하는 경우에 알루미늄 집전체의 전체 면적에서 관통공이 차지하는 면적만큼 알루미늄 집전체의 표면적 손실이 발생되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전기 이중층 커패시터의 전극에 사용되는 알루미늄 시트에 다수개의 관통홀을 형성할 때 알루미늄 시트의 표면적 손실을 방지하여 알루미늄 시트와 활물질 시트 사이의 접촉면적을 증가시키고, 알루미늄 시트의 전면에 금속산화층을 형성함으로써 고전압 전극을 구현할 수 있는 전기 이중층 커패시터의 고전압 전극을 제공함에 있다.
본 발명의 전기 이중층 커패시터의 고전압 전극은 서로 이격되도록 다수개의 관통홀이 형성되는 관통형 알루미늄 시트와; 상기 관통홀과 연통되도록 관통형 알루미늄 시트로부터 연장되어 관통형 알루미늄 시트의 일측으로 돌출되도록 형성되는 다수개의 제1중공형 돌출부재와; 상기 다수개의 제1중공형 돌출부재와 각각 이격되도록 형성되고, 상기 관통홀과 연통되도록 관통형 알루미늄 시트로부터 연장되어 관통형 알루미늄 시트의 타측으로 돌출되도록 형성되는 다수개의 제2중공형 돌출부재와; 상기 관통형 알루미늄 시트와 상기 다수개의 제1중공형 돌출부재와 상기 다수개의 제2중공형 돌출부재에 각각 도포되는 금속산화층과; 상기 다수개의 제1중공형 돌출부재가 매립되도록 관통형 알루미늄 시트의 일측면에 위치되도록 금속산화층에 접착되는 제1활물질 시트와; 상기 다수개의 제2중공형 돌출부재가 매립되며 다수개의 제1중공형 돌출부재와 다수개의 제2중공형 돌출부재를 통해 제1활물질 시트와 연결되도록 관통형 알루미늄 시트의 타측면에 위치되도록 금속산화층에 접착되는 제2활물질 시트로 구성되며, 상기 관통형 알루미늄 시트는 서로 이격되도록 다수개의 관통홀이 형성되며, 상기 다수개의 관통홀은 각각 알루미늄 시트의 일측면과 타측면이 관통되도록 형성되며, 각각의 직경은 50 내지 100㎛이고, 상기 제1활물질 시트와 상기 제2활물질 시트는 각각 서로 동일한 활물질 재질로 이루어지며, 두께는 100 내지 500㎛이며, 상기 활물질 재질은 활성탄이 사용되며, 상기 활성탄은 평균입경이 1 내지 10㎛이며, 비표면적은 1200 내지 2200㎡/g이며, 각각은 롤 프레스 방법을 2회 이상 반복하여 다수개의 제1중공형 돌출부재와 다수개의 제2중공형 돌출부재를 통해 서로 연결되도록 관통형 알루미늄 시트의 일측면과 타측에의 면에 위치되도록 동시에 가압되어 금속산화층에 접착되며, 롤 프레스 방법을 2회 이상 반복 수행 시 마지막번째 실시되는 롤 프레스 방법으로 가압된 제1활물질 시트의 두께와 제2활물질 시트의 두께는 각각 첫번째 실시되는 롤 프레스 방법으로 가압된 두께보다 2 내지 30％ 얇아지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 전기 이중층 커패시터의 고전압 전극은 전기 이중층 커패시터의 전극에 사용되는 알루미늄 시트에 다수개의 관통홀을 형성할 때 알루미늄 시트의 표면적 손실을 방지하여 알루미늄 시트와 활물질 시트 사이의 접촉면적을 증가시키고, 알루미늄 시트의 전면에 금속산화층을 형성함으로써 고전압 전극을 구현할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 전기 이중층 커패시터에 적용되는 고전압 전극의 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 관통형 알루미늄 시트에 활물질 시트를 접착하기 전 상태를 나타낸 단면도,
도 3은 도 2에 도시된 관통형 알루미늄 시트를 타측면에서 바라본 배면도,
도 4는 도 2에 도시된 제1중공형 돌출부재의 다양한 실시예 나타낸 표,
도 5는 본 발명의 전기 이중층 커패시터에 적용되는 고전압 전극의 제조방법을 나타낸 공정 흐름도,
도 6은 본 발명의 전기 이중층 커패시터에 적용되는 고밀도 전극의 제조에 사용되는 활성탄의 특성을 나타낸 표,
도 7은 본 발명의 전기 이중층 커패시터에 적용되는 고전압 전극을 제조하기 위한 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도.
도 2는 도 1에 도시된 관통형 알루미늄 시트에 활물질 시트를 접착하기 전 상태를 나타낸 단면도,
도 3은 도 2에 도시된 관통형 알루미늄 시트를 타측면에서 바라본 배면도,
도 4는 도 2에 도시된 제1중공형 돌출부재의 다양한 실시예 나타낸 표,
도 5는 본 발명의 전기 이중층 커패시터에 적용되는 고전압 전극의 제조방법을 나타낸 공정 흐름도,
도 6은 본 발명의 전기 이중층 커패시터에 적용되는 고밀도 전극의 제조에 사용되는 활성탄의 특성을 나타낸 표,
도 7은 본 발명의 전기 이중층 커패시터에 적용되는 고전압 전극을 제조하기 위한 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도.
이하, 본 발명의 전기 이중층 커패시터의 고전압 전극의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 및 도 2에서와 같이 본 발명의 전기 이중층 커패시터의 고전압 전극은 관통형 알루미늄 시트(10), 제1활물질 시트(20) 및 제2활물질 시트(30)로 구성된다.
관통형 알루미늄 시트(10)는 서로 이격되도록 다수개의 관통홀(11a,12a)이 형성되며, 다수개의 제1중공형 돌출부재(11), 다수개의 제2중공형 돌출부재(12) 및 금속산화층(13)이 구비된다. 다수개의 제1중공형 돌출부재(11)는 각각 다수개의 관통홀(11a)과 연통되도록 관통형 알루미늄 시트(10)로부터 연장되어 관통형 알루미늄 시트(10)의 일측으로 돌출되도록 형성되며, 다수개의 제2중공형 돌출부재(12)는 각각 다수개의 제1중공형 돌출부재(12)와 각각 이격되도록 형성되고, 관통홀(12a)과 연통되도록 관통형 알루미늄 시트(10)로부터 연장되어 관통형 알루미늄 시트(10)의 타측으로 돌출되도록 형성된다. 금속산화층(13)은 관통형 알루미늄 시트(10)와 다수개의 제1중공형 돌출부재(11)와 다수개의 제2중공형 돌출부재(12)에 각각 도포된다. 제1활물질 시트(20)는 다수개의 제1중공형 돌출부재(11)가 매립되도록 관통형 알루미늄 시트(10)의 일측면(10a)에 위치되도록 금속산화층(13)에 접착되며, 제2활물질 시트(30)는 다수개의 제2중공형 돌출부재(12)가 매립되며 다수개의 제1중공형 돌출부재(11)와 다수개의 제2중공형 돌출부재(12)를 통해 제1활물질 시트(20)와 연결되도록 관통형 알루미늄 시트(10)의 타측면(10b)에 위치되도록 금속산화층(13)에 접착된다.
상기 구성을 갖는 본 발명의 전기 이중층 커패시터의 고전압 전극의 구성을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
관통형 알루미늄 시트(10)는 도 1 내지 도 3에서와 같이 서로 이격되도록 다수개의 관통홀(11a,12a)이 형성되며, 각각 관통형 알루미늄 시트(10)의 일측면(10a)과 타측면(10b)이 관통되도록 형성된다. 이러한 다수개의 관통홀(11a,12a)의 직경(D1,D3)은 50 내지 100㎛이다. 다수개의 관통홀(11a,12a)이 형성되는 관통형 알루미늄 시트(10)의 두께(T1)는 10 내지 50㎛이며, 순도가 99.20 내지 99.99％인 것을 사용하여 비저항 특성을 개선시킴으로써 본 발명의 전기 이중층 커패시터에 적용되는 고전압 전극의 전기적인 특성을 개선시킨다. 여기서, 도 1은 도 7에 도시된 'Aa'부분을 확대한 단면도이며, 도 2에 도시된 관통형 알루미늄 시트(10)는 도 3에 도시된 'A-A'선 단면도를 나타낸다.
다수개의 제1중공형 돌출부재(11)와 다수개의 제2중공형 돌출부재(12)는 각각 도 2 및 도 3에서와 같이 바늘이나 송곳과 같은 끝단이 뽀족한 원통 기둥부재(도시 않음), 타원 기둥부재(도시 않음) 및 사각 기둥부재(도시 않음) 중 하나를 이용하여 관통형 알루미늄 시트(10)를 일측면(10a)이나 타측면(10b)에서 가압하여 뚫음에 의해 관통형 알루미늄 시트(10)에 다수개의 관통홀(11a,12a)이 형성되도록 하며, 다수개의 관통홀(11a,12a)과 각각 연통되도록 관통형 알루미늄 시트(10)로부터 연장되어 돌출되도록 형성된다. 다수개의 관통홀(11a,12a)은 각각 도 4에서와 같이 원통 기둥부재, 타원 기둥부재 및 사각 기둥부재 중 하나에 의해 원통형, 타원형 및 사각형 중 하나로 형성된다. 여기서, 도 4는 제1중공형 돌출부재(11)의 다양한 실시예를 나타낸 표이며, 제2중공형 돌출부재(12)는 도 4에 도시된 제1중공형 돌출부재(11)와 동일하게 적용됨으로 제2중공형 돌출부재(12)의 다양한 실시예의 도면과 설명을 생략했다.
예를 들어 다수개의 제1중공형 돌출부재(11)는 끝단이 뽀족한 원통 기둥부재, 타원 기둥부재 및 사각 기둥부재 중 하나를 관통형 알루미늄 시트(10)의 일측면(10a)을 향하는 방향으로 가압하여 뚫음에 의해 관통형 알루미늄 시트(10)에 다수개의 관통홀(11a)이 형성되도록 함과 아울러 관통형 알루미늄 시트(10)의 연성에 의해 관통홀(11a)로부터 연장되어 알루미늄 시트(10)의 일측으로 돌출되도록 형성된다. 여기서, 다수개의 관통홀(11a)은 원통 기둥부재, 타원 기둥부재 및 사각 기둥부재에 따라 도 4에서와 같이 원통형, 타원형 및 사각형 중 하나로 형성된다.
다수개의 관통홀(11a)은 원통 기둥부재, 타원 기둥부재 및 사각 기둥부재에 따라 도 4에서와 같이 원통형, 타원형 및 사각형 중 하나의 형상으로 형성된다. 예를 들어, 원통 기둥부재를 이용하는 경우에 다수개의 관통홀(11a)은 Y1열에서와 같이 원통형으로 형성되며, 타원 기둥부재를 이용하는 경우에 다수개의 관통홀(11a)은 Y2열에서와 같이 타원형으로 형성된다. 사각 기둥부재를 이용해 형성하는 경우에 다수개의 관통홀(11a)은 Y3열에서와 같이 사각형으로 형성되며, X3행에 기재된 제1중공형 돌출부재(11)는 X2행에 기재된 제1중공형 돌출부재(11)의 사시도를 나타낸다.
다수개의 제2중공형 돌출부재(12)는 끝단이 뽀족한 원통 기둥부재, 타원 기둥부재 및 사각 기둥부재 중 하나를 이용하여 관통형 알루미늄 시트(10)의 타측면(10b)을 향하는 방향으로 가압하여 뚫음에 의해 관통형 알루미늄 시트(10)에 다수개의 관통홀(12a)이 형성되도록 함과 아울러 관통형 알루미늄 시트(10)의 연성에 의해 관통홀(11a)로부터 연장되어 관통형 알루미늄 시트(10)의 타측으로 돌출되도록 형성된다. 여기서, 다수개의 관통홀(12a)은 도 4에 도시된 관통홀(11a)과 같이 원통 기둥부재, 타원 기둥부재 및 사각 기둥부재에 따라 도 4에서와 같이 원통형, 타원형 및 사각형 중 하나로 형성된다.
이러한 다수개의 제1중공형 돌출부재(11)와 다수개의 제2중공형 돌출부재(12)는 각각 끝단이 뽀족한 원통 기둥부재, 타원 기둥부재 및 사각 기둥부재 중 하나에 의해 하나 이상의 돌출버(extrude burr)부재(11b,11c,11d,12b,12c,12d)로 형성된다. 예를 들어, 제1중공형 돌출부재(11)와 제2중공형 돌출부재(12)는 각각 도 3에 도시된 바와 같이 하나의 돌출버(extrude burr)부재(11b,12b)로 형성되거나 둘 이상의 돌출버부재(11b,11c,11d,12b,12c,12d)로 형성된다. 즉, 하나의 관통형 알루미늄 시트(10)는 하나의 돌출버부재(11b,12b)로 형성되거나 둘 이상의 돌출버부재(11b,11c,11d,12b,12c,12d)로 형성되는 제1중공형 돌출부재(11)와 제2중공형 돌출부재(12)가 혼재되어 형성된다. 제1중공형 돌출부재(11)는 도 4에 도시된 제1중공형 돌출부재(11)와 같이 관통홀(11a)이 Y2 및 Y3열에와 같이 사각형이나 타원형으로 형성되는 경우에 4개의 돌출버부재(11b,11c,11d,11e)로 형성될 수 있으며, 제2중공형 돌출부재(12) 또한 제1중공형 돌출부재(11)와 동일하게 적용된다. 여기서, 도 4에 도시된 표에서 X1행은 제1중공형 돌출부재(11)에 2개의 돌출버부재(11b,11c)가 형성된 실시예를 나타내고, X2행은 제1중공형 돌출부재(11)에 3개나 4개의 돌출버부재(11b,11c,11d,11e)가 형성된 실시예를 나타내며, X3행은 X1행에 도시된 제1중공형 돌출부재(11)의 사시도를 나타낸다. 또한 도 1은 도 4의 X1행과 Y1열에 도시된 두 개의 돌출버부재(11b,11c,12b,12c)를 갖는 제1중공형 돌출부재(11)와 제2중공형 돌출부재(12)가 형성된 본 발명의 전기 이중층 커패시터의 고전압 전극의 단면도를 나타낸다.
하나 이상의 돌출버부재(11b,11c,11d,12b,12c,12d)는 각각 관통홀(11a,12a)에서 연장되도록 관통형 알루미늄 시트(10)에 서로 이격되어 일체로 형성되며, 각각의 높이(T2,T3)는 2 내지 70㎛가 되도록 형성된다. 예를 들어 도 2 및 도 4에서와 같이 돌출버부재(11b,12b)의 높이(T2,T3)는 관통형 알루미늄 시트(10)의 일측면(10a)이나 타측면(10b)을 기준으로 최대 높이이며, 다수개의 돌출버부재(11b,11c,11d,12b,12c,12d)는 각각 관통형 알루미늄 시트(10)의 일측면(10a)이나 타측면(10b)을 기준으로 서로 분리된 상태로 높이가 2㎛ 이상이 되도록 형성되는 것을 나타낸다. 이와 같이 다수개의 제1중공형 돌출부재(11)와 다수개의 제2중공형 돌출부재(12)는 하나 이상의 돌출버부재(11b,11c,11d,12b,12c,12d)를 갖도록 형성됨으로써 관통형 알루미늄 시트(10)의 표면적을 더욱 증가시킨다. 예를 들어, 제1중공형 돌출부재(11)와 제2중공형 돌출부재(12)는 원통형 기둥부재를 이용하여 형성 시 직경(D1,D3)이 서로 균일한 원통형 관통홀(11a,12a)을 형성함과 아울러 제1중공형 돌출부재(11)와 제2중공형 돌출부재(12)의 일측이나 타측의 내경(D2,D4)이 직경(D1,D3)과 같거나 작도록 형성되는 돌출버부재(11b,12b)로 형성됨으로써 관통형 알루미늄 시트(10)의 표면적을 더욱 증가시킨다.
금속산화층(13)은 관통형 알루미늄 시트(10)와 다수개의 제1중공형 돌출부재(11)와 다수개의 제2중공형 돌출부재(12)의 각각의 표면에 도포되어 관통형 알루미늄 시트(10)를 감싸도록 형성된다. 즉, 금속산화층(13)은 관통형 알루미늄 시트(10)의 표면과 다수개의 제1중공형 돌출부재(11)의 외주면과 내주면 및 다수개의 제2중공형 돌출부재(12)의 외주면과 내주면이 포함되도록 형성되어 본 발명의 전극이 적용된 전기 이중층 커패시터가 고전압을 구현할 수 있도록 한다. 여기서, 금속산화층(13)의 재질은 Al2O3가 사용되며, 양극산화방법을 이용하여 다수개의 제1중공형 돌출부재(11)와 다수개의 제2중공형 돌출부재(12)를 포함한 관통형 알루미늄 시트(10)의 전면에 형성된다.
제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)는 각각 도 1 및 도 2에서와 같이 롤 프레스 방법을 2회 이상 반복하여 다수개의 제1중공형 돌출부재(11)와 다수개의 제2중공형 돌출부재(12)를 통해 서로 연결되도록 관통형 알루미늄 시트(10)의 일측면(10a)과 타측면(10b)에 동시에 가압되어 금속산화층(13)에 접착되며, 롤 프레스 방법을 2회 이상 반복 수행 시 마지막번째 실시되는 롤 프레스 방법으로 가압된 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)의 두께(T4,T5)는 첫번째 실시되는 롤 프레스 방법으로 가압된 두께(T6,T7: 도 7에 도시됨)보다 2 내지 30％ 얇아지도록 형성된다.
제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)는 각각 롤 프레스 방법을 2회 이상 반복하여 관통형 알루미늄 시트(10)에 동시에 가압되어 접착됨으로써 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)를 접착하기 위한 가압력에 의해 다수개의 제1중공형 돌출부재(11)와 다수개의 제2중공형 돌출부재(12)의 외형이 변하거나 이로 인해 관통홀(11a,12a)이 막히는 등의 손상을 방지함과 아울러 등가직렬저항 특성이 저하되는 것을 방지하여 고전압을 갖는 전극을 구현할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 전기 이중층 커패시터의 고전압 전극은 도 7에 도시된 프레스부(140)을 이용하여 롤 프레스 방법을 2회 반복하여 형성된다.
첫번째 실시되는 롤 프레스 방법은 마지막번째 실시되는 롤 프레스 방법보다 낮은 압력으로 가압하여 관통형 알루미늄 시트(10)의 일측면(10a)과 타측면(10b)에 각각 위치되도록 금속산화층(13)에 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)를 접착시킨다. 즉, 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)는 각각 낮은 압력으로 관통형 알루미늄 시트(10)에 접착됨으로써 압력에 의해 다수개의 제1중공형 돌출부재(11)와 다수개의 제2중공형 돌출부재(12)의 외형이 변형되는 것을 방지한다. 이와 같이 첫번째 실시되는 롤 프레스 방법은 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)가 각각 제1중공형 돌출부재(11)나 제2중공형 돌출부재(12)에 부분적으로 충진되도록 하는 것이며, 이로 인해 첫번째 실시되는 롤 프레스 방법 시 사용되는 압력보다 높은 압력이 가해짐으로써 발생될 수 있는 제1중공형 돌출부재(11)나 제2중공형 돌출부재(12)의 외형 변형을 방지한다.
두번째 즉, 두번째가 마직막번째인 경우에 마지막번째 실시되는 롤 프레스 방법은 첫번째 실시되는 롤 프레스 방법보다 높은 압력으로 가압하여 관통형 알루미늄 시트(10)의 일측면(10a)과 타측면(10b)에 각각 위치되도록 금속산화층(13)에 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)를 접착시킨다. 마지막번째 실시되는 롤 프레스 방법은 첫번째 실시되는 롤 프레스 방법보다 높은 압력으로 가압해도 이미 어느 정도 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)가 각각 제1중공형 돌출부재(11)나 제2중공형 돌출부재(12)에 부분적으로 충진됨으로 인해 제1중공형 돌출부재(11)나 제2중공형 돌출부재(12)의 외형이 변형되는 것을 방지할 수 있다. 마지막번째 실시되는 롤 프레스 방법은 첫번째 실시되는 롤 프레스 방법보다 높은 압력으로 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)를 동시에 가압함으로써 다수개의 제1중공형 돌출부재(11)와 다수개의 제2중공형 돌출부재(12)에 충진된 상태에서 다수개의 관통홀(11a,12a)에 충진되어 서로 연결된다.
마지막번째 실시되는 롤 프레스 방법에 의해 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)는 다수개의 제1중공형 돌출부재(11)와 다수개의 제2중공형 돌출부재(12)에 충진되어 각각의 내주면이나 외주면에 접착된 상태로 다수개의 관통홀(11a,12a)에 충진됨으로써 관통형 알루미늄 시트(10)와 접촉되는 면적이 증가되어 등가직렬저항 특성의 저하를 방지한다. 이러한 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)는 각각 서로 동일한 활물질 재질로 이루어지고, 두께(T4,T5)가 두께(T6,T7)보다 2 내지 30％만큼 얇아지도록 가압시켜 형성함으로써 접촉면적을 증가시켜 등가직렬저항 특성을 개선시킨 고전압 전극을 제조할 수 있으며, 각각의 두께(T4,T5)는 100 내지 500㎛이다. 여기서, 활물질 재질은 활성탄이 사용되며, 활성탄의 평균입경은 1 내지 10㎛이며, 비표면적은 1200 내지 2200㎡/g인 것이 사용된다.
상기 구성을 갖는 본 발명의 전기 이중층 커패시터의 고전압 전극의 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 전기 이중층 커패시터의 고전압 전극의 제조방법은 도 5 및 도 7에서와 같이 먼저 일측면(10a)과 타측면(10b)에 각각 다수개의 제1중공형 돌출부재(11)와 다수개의 제2중공형 돌출부재(12)가 형성되며, 전면에 금속산화층(13)이 형성된 관통형 알루미늄 시트(10)를 제1롤러(110)에 권취하여 준비한다(S10). 제1롤러(110)의 준비와 아울러 제1활물질 시트(20)를 제2롤러(120)에 권취하여 준비하며(S20), 제2활물질 시트(30)를 제3롤러(130)에 권취하여 준비한다(S30). 제1롤러(110)와 제2롤러(120)와 제3롤러(130)가 각각 준비되면 관통형 알루미늄 시트(10)의 일측면(10a)의 상측에 제1활물질 시트(20)가 위치되도록 하며 타측면(10b)의 하측에 제2활물질 시트(30)가 위치되도록 하여 관통형 알루미늄 시트(10)와 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)를 각각 프레스부(140)로 이송시킨다(S40). 관통형 알루미늄 시트(10)와 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)를 각각 프레스부(140)로 이송되면 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)가 각각 관통형 알루미늄 시트(10)의 일측면(10a)과 타측면(10b)에 각각 위치되어 금속산화층(13)에 접착되도록 하며, 다수개의 제1중공형 돌출부재(11)와 다수개의 제2중공형 돌출부재(12)를 통해 서로 연결되도록 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)를 동시에 프레스부(140)로 가압한(S50) 후 공지된 건조 공정을 이용하여 본 발명의 전기 이중층 커패시터의 고전압 전극을 제조한다.
상기 구성 중 관통형 알루미늄 시트(10)를 제1롤러에 권취하여 준비하는 단계(S10)는 먼저, 관통형 알루미늄 시트(10)의 일측면(10a)과 타측면(10b)에 각각 다수개의 제1중공형 돌출부재(11)와 다수개의 제2중공형 돌출부재(12)를 형성한다(S11). 즉, 다수개의 제1중공형 돌출부재(11)와 다수개의 제2중공형 돌출부재(12)는 각각 관통형 알루미늄 시트(10)는 끝단이 뽀족한 원통 기둥부재(도시 않음), 타원 기둥부재(도시 않음) 및 사각 기둥부재(도시 않음) 중 하나로 관통형 알루미늄 시트(10)를 일측면(10a)이나 타측면(10b)에서 가압하여 뚫음에 의해 관통형 알루미늄 시트(10)에 다수개의 관통홀(11a,12a)이 형성되도록 함과 아울러 다수개의 관통홀(11a,12a)과 각각 연통되도록 관통형 알루미늄 시트(10)로부터 연장되어 돌출되도록 다수개의 제1중공형 돌출부재(11)나 다수개의 제2중공형 돌출부재(12)가 일체로 형성된다.
관통형 알루미늄 시트(10)에 형성되는 다수개의 제1중공형 돌출부재(11)와 다수개의 제2중공형 돌출부재(12)는 각각 관통형 알루미늄 시트(10)의 일측이나 타측 즉, 제1방향이나 제2방향으로 돌출되도록 형성되고, 제1방향은 관통형 알루미늄 시트(10)의 일측면(10a)을 향하는 방향이며, 제2방향은 제1방향과 반대방향으로 관통형 알루미늄 시트(10)의 타측면(10b)을 향하는 방향을 나타낸다.
다수개의 제1중공형 돌출부재(11)와 다수개의 제2중공형 돌출부재(12)가 형성되면 다수개의 제1중공형 돌출부재(11)와 다수개의 제2중공형 돌출부재(12)가 형성된 관통형 알루미늄 시트(10)를 양극산화시켜 금속산화층(13)을 형성하며, 금속산화층(13)이 형성되면 관통형 알루미늄 시트(10)를 제1롤러(110)에 권취하여 준비한다(S12). 여기서, 금속산화층(13)은 양극산화방법을 이용하여 형성되며, 양극산화방법으로 형성되는 금속산화층의 재질은 Al2O3가 사용된다.
제1활물질 시트(20)를 제2롤러(120)에 권취하여 준비하는 단계(S20)와 제2활물질 시트(30)를 제3롤러(130)에 권취하여 준비하는 단계(S30)에서 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)는 각각 서로 동일한 활물질 재질이 사용되며, 활물질 재질은 전극재 60 내지 80wt％와 점도조절물 20 내지 40wt％로 이루어져 점도가 5000 내지 10000cps(centi Poise)가 되도록 한다. 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)는 각각 전술한 점도를 유지함으로써 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)가 어느 정도 점도를 가진 상태에서 이송되어 관통형 알루미늄 시트(10)에 접착시킴으로써 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)의 접착력을 개선시킨다. 된다. 여기서, 전극재는 활성탄 85 내지 95wt％와 도전제 3 내지 8wt％와 바인더 2 내지 7wt％로 이루어지며, 점도조절물은 알코올 30 내지 60wt％와 순수 40 내지 70wt％로 이루어진다. 여기서, 활성탄은 수열합성방법을 이용해 제조된 탄소입자분말을 활성화처리하여 제조된다. 활성화처리는 탄소입자분말과 혼합 알카리의 wt％ 비를 1 : 2 내지 3이 되도록 혼합하여 건조한 후 질소 분위기의 관상로(tube furnace)에서 600 내지 1000℃로 열처리하여 수행되며, 혼합 알카리는 NaOH와 KOH의 wt％ 비가 1 : 9 내지 12가 되도록 혼합된다.
활성탄의 제조 방법을 구체적으로 설명하면 먼저, 공지된 수열합성방법을 이용해 제조된 탄소입자분말을 제조한다. 탄소입자분말은 공지된 원료가 사용되며, 원료는 피치 코크스(pitch coke), 야자 껍질이나 바이오물질이 사용되며, 바이오물질은 감자전분, 잣나무 열매 또는 옥수수 등이 사용된다. 탄소입자분말이 제조되면 탄소입자분말을 활성화처리한다. 활성화처리는 먼저, 탄소입자분말을 혼합 알카리 용액에 30분 내지 2시간 동안 진공함침 시킨 후 10 내지 15시간 동안 교반하여 탄소입자분말과 혼합 알카리를 혼합한다.
탄소입자분말을 혼합 알카리가 혼합되면 공지된 여과기를 이용해 여과한 후 100 내지 130℃에서 10 내지 15시간 동안 진공건조한다. 건조가 완료되면 질소 분위의 관상로(tube furnace)에서 600 내지 1000℃로 30분 내지 1시간 30분 동안 열처리하여 활성화시킨다. 활성화가 완료되면 혼합 알카리가 혼합된 탄소입자분말을 증류수로 1 내지 10회 반복 세척한 후 건조하여 활성탄을 제조한다.
활성탄 제조 시 NaOH와 KOH로 이루어지는 혼합 알카리는 활성탄에 NaOH와 KOH에 따른 2가지 크기의 기공(pore)을 형성한다. 즉, K 이온과 Na 이온은 서로 크기가 다르고 활성화 동작의 차이로 인해 활성탄에 서로 다른 크기의 기공(pore)을 형성한다. 예를 들어, K 이온은 Na 이온의 활성화에 의해 형성된 기공에 비해 좁고 깊은 기공을 형성하며, Na 이온은 K 이온의 활성화에 의해 형성된 기공에 비해 넓고 얕은 기공을 형성시킨다.
활성탄의 비표면적은 도 6에서와 같이 NaOH와 KOH의 wt％ 비가 1 : 9로 고정시킨 상태에서 탄화물과 혼합 알카리의 wt％ 비를 1:2, 1:2.3, 1:2.6 및 1:3으로 변환시켜 실험 시 증가된다. 이러한 실험의 실시예에서와 같이 혼합 알카리에서 KOH의 wt％ 비가 증가되는 경우에 활성탄의 비표면적은 도 6에서와 같이 1200㎡/g에서 2200㎡/g로 증가됨으로 평균입경이 1 내지 10㎛인 활성탄을 사용하는 것이 가능하게 된다. 즉, 활성탄은 평균입경이 작음에도 비표면적이 증가됨으로써 활성탄의 부피당 용량을 증가시키며, 이로 인해 활성탄과 금속산화층(13) 사이의 접촉면적을 증가시켜 낮은 등가직렬저항 특성을 갖는 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)를 제조할 수 있다.
활성탄에 잔존하는 금속 불순물은 6에서와 같이 NaOH와 KOH의 wt％ 비를 1 : 9로 고정시킨 상태에서 탄화물과 혼합 알카리의 wt％ 비를 1:3, 1:2.6, 1:2.3 및 1:2로 변환시켜 실험 시 감소된다. 예를 들어, Na 이온에 의해 형성된 기공에 의해 활성탄의 세정 시 도 6에서와 같이 금속 불순물 제거 효과가 개선된다. 여기서, 활성탄의 세정 후 잔존하는 금속 불순믈로는 Ni나 K 등이 있다.
이와 같이 활성탄은 탄화물과 혼합 알카리의 비에 따라 비표면적 증가와 금속 불순물의 감소가 서로 상반되는 상태를 보이고 있으나 활성탄의 사용 목적에 따라 최적의 탄화물과 혼합 알카리의 비를 선택하는 경우에 부피당 용량을 증가시키며 금속 불순물의 잔존량을 감소시킬 수 있다.
제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)를 동시에 프레스부(140)로 가압하는 단계(S50)는 도 7에서와 같이 먼저, 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)와 관통형 알루미늄 시트(10)가 한 쌍의 제1프레스 롤러(141)로 이송되면 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)가 각각 관통형 알루미늄 시트(10)의 일측면(10a)과 타측면(10b)에 위치되어 금속산화층(13)에 의해 접착되도록 한 쌍의 제1프레스 롤러(141)를 이용해 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)를 동시에 제1압력으로 1차 가압한다(S51).
제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)의 1차 가압이 완료된 관통형 알루미늄 시트(10)를 한 쌍의 제2프레스 롤러(142)로 이송되면 1차 가압된 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)가 각각 다수개의 제1중공형 돌출부재(11)와 다수개의 제2중공형 돌출부재(12)를 통해 서로 연결되도록 한 쌍의 제2프레스 롤러(142)를 이용해 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)를 동시에 제1압력보다 높은 제2압력으로 2차 가압한다(S52). 여기서, 제2압력은 관통형 알루미늄 시트(10)의 일측면(10a)과 타측면(10b)에 접착된 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)의 두께(T4,T5)가 제1압력에 의해 가압되어 관통형 알루미늄 시트(10)의 일측면(10a)과 타측면(10b)에 접착된 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)의 두께(T6,T7: 도 7에 도시됨)보다 2 내지 30％ 얇아지도록 가압한다.
전술한 제1압력은 도 7에서와 같이 한 쌍의 제1프레스 롤러(141) 사이의 이격 거리인 간격(M1)으로 설정되며, 제2압력은 도 7에서와 같이 한 쌍의 제2프레스 롤러(142) 사이의 이격 거리인 간격(M2)에 의해 설정된다. 즉, 한 쌍의 제1프레스 롤러(141)는 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)로 각각 제1압력이 가해지도록 간격(M1)으로 이격 배치되어 제1활물질 시트(20)가 두께(T6)로 형성되도록 함과 아울러 제2활물질 시트(30)가 두께(T7)로 형성되도록 한다. 한 쌍의 제2프레스 롤러(142)는 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)로 각각 제2압력이 가해지도록 간격(M2)으로 이격 배치되어 제1활물질 시트(20)가 두께(T4)로 형성되도록 함과 아울러 제2활물질 시트(30)가 두께(T5)로 형성하여 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)의 두께(T4,T5)가 두께(T6,T7)보다 2 내지 30％ 얇아지도록 형성한다. 여기서, 두께(T6,T7)는 서로 동일한 두께를 가지며, 두께(T4,T5) 또한 서로 동일한 두께를 가진다.
1차 가압한 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)의 두께(T6,T7)보다 2 내지 30％ 얇아지도록 2차 가압된 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)의 두께(T4,T5)는 한 쌍의 제1프레스 롤러(141) 사이의 간격(M1)과 한 쌍의 제2프레스 롤러(142) 사이의 간격(M2)의 간격 차이(M3＋M4)에서 발생된다. 즉, 제1압력과 제2압력은 프레스부(140)에 구비되는 한 쌍의 제1프레스 롤러(141)의 이격 거리(M1)와 한 쌍의 제2프레스 롤러(142)의 이격 거리(M2)로 설정되며, 제1압력과 제2압력의 차이는 한 쌍의 제1프레스 롤러(141)의 이격 거리(M1)와 한 쌍의 제2프레스 롤러(142)의 이격 거리(M2)의 차이(M3＋M4)에서 발생된다. 예를 들어 이격 거리(M1)는 간격(M2＋M3＋M4)과 동일하도록 설정됨에 의해 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)의 두께(T4,T5)는 두께(T6,T7)보다 2 내지 30％ 얇아지도록 형성하여 고전압을 갖는 전극을 용이하게 구현할 수 있게 된다. 여기서, 이격 거리(M1,M2)는 각각 한 쌍의 제1프레스 롤러(141)나 한 쌍의 제2프레스 롤러(142)의 배치 간격을 나타낸다.
금속산화층(13)과 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)의 접착력을 더욱 개선하기 위해 도전성 접착제가 사용된다. 도전성 접착제는 공지된 재질이 사용되며, 관통형 알루미늄 시트(10)의 일측면(10a)이나 타측면(10b)에 각각 위치되도록 금속산화층(13)에 흩뿌려진 상태로 도포된다. 금속산화층(13)에 도전성 접착제가 도포되면 프레스부(140)로 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)를 동시에 가압하여 제1활물질 시트(20)와 제2활물질 시트(30)가 도전성 접착제에 의해 금속산화층(13)에 보다 견고하게 접착되도록 하여 본 발명의 전기 이중층 커패시터의 고전압 전극을 제조한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 전기 이중층 커패시터의 고전압 전극은 전기 이중층 커패시터의 전극에 사용되는 알루미늄 시트에 다수개의 관통홀을 형성할 때 알루미늄 시트의 표면적 손실을 방지하여 알루미늄 시트와 활물질 시트 사이의 접촉면적을 증가시키고, 알루미늄 시트의 전면에 금속산화층을 형성함으로써 고전압 전극을 구현할 수 있다.
본 발명의 전기 이중층 커패시터의 고전압 전극은 전기 이중층 커패시터의 제조산업 분야에 적용할 수 있다.
10: 관통형 알루미늄 시트 11: 제1중공형 돌출부재
12: 제2중공형 돌출부재 13: 금속산화층
20: 제1활물질 시트 30: 제2활물질 시트
110: 제1롤러 120: 제2롤러
130: 제3롤러 140: 프레스 롤러
12: 제2중공형 돌출부재 13: 금속산화층
20: 제1활물질 시트 30: 제2활물질 시트
110: 제1롤러 120: 제2롤러
130: 제3롤러 140: 프레스 롤러
Claims (5)
- 서로 이격되도록 다수개의 관통홀이 형성되는 관통형 알루미늄 시트와;
상기 관통홀과 연통되도록 관통형 알루미늄 시트로부터 연장되어 관통형 알루미늄 시트의 일측으로 돌출되도록 형성되는 다수개의 제1중공형 돌출부재와;
상기 다수개의 제1중공형 돌출부재와 각각 이격되도록 형성되고, 상기 관통홀과 연통되도록 관통형 알루미늄 시트로부터 연장되어 관통형 알루미늄 시트의 타측으로 돌출되도록 형성되는 다수개의 제2중공형 돌출부재와;
상기 관통형 알루미늄 시트와 상기 다수개의 제1중공형 돌출부재와 상기 다수개의 제2중공형 돌출부재에 각각 도포되는 금속산화층과;
상기 다수개의 제1중공형 돌출부재가 매립되도록 관통형 알루미늄 시트의 일측면에 위치되도록 금속산화층에 접착되는 제1활물질 시트와;
상기 다수개의 제2중공형 돌출부재가 매립되며 다수개의 제1중공형 돌출부재와 다수개의 제2중공형 돌출부재를 통해 제1활물질 시트와 연결되도록 관통형 알루미늄 시트의 타측면에 위치되도록 금속산화층에 접착되는 제2활물질 시트로 구성되며,
상기 관통형 알루미늄 시트는 서로 이격되도록 다수개의 관통홀이 형성되며, 상기 다수개의 관통홀은 각각 알루미늄 시트의 일측면과 타측면이 관통되도록 형성되며, 각각의 직경은 50 내지 100㎛이고,
상기 제1활물질 시트와 상기 제2활물질 시트는 각각 서로 동일한 활물질 재질로 이루어지며, 두께는 100 내지 500㎛이며, 상기 활물질 재질은 활성탄이 사용되며, 상기 활성탄은 평균입경이 1 내지 10㎛이며, 비표면적은 1200 내지 2200㎡/g이며, 각각은 롤 프레스 방법을 2회 이상 반복하여 다수개의 제1중공형 돌출부재와 다수개의 제2중공형 돌출부재를 통해 서로 연결되도록 관통형 알루미늄 시트의 일측면과 타측에의 면에 위치되도록 동시에 가압되어 금속산화층에 접착되며, 롤 프레스 방법을 2회 이상 반복 수행 시 마지막번째 실시되는 롤 프레스 방법으로 가압된 제1활물질 시트의 두께와 제2활물질 시트의 두께는 각각 첫번째 실시되는 롤 프레스 방법으로 가압된 두께보다 2 내지 30％ 얇아지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터의 고전압 전극. - 제1항에 있어서,
상기 관통형 알루미늄 시트의 두께는 10 내지 50㎛인 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터의 고전압 전극. - 제1항에 있어서,
상기 다수개의 제1중공형 돌출부재와 상기 다수개의 제2중공형 돌출부재는 각각 끝단이 뽀족한 원통 기둥부재, 타원 기둥부재 및 사각 기둥부재 중 하나를 이용해 관통형 알루미늄 시트를 일측면이나 타측면에서 가압하여 뚫음에 의해 관통형 알루미늄 시트에 다수개의 관통홀이 형성되도록 하고, 다수개의 관통홀과 각각 연통되도록 관통형 알루미늄 시트로부터 연장되어 돌출되도록 형성되며, 상기 관통홀은 원통 기둥부재, 타원 기둥부재 및 사각 기둥부재 중 하나에 의해 원통형, 타원형 및 사각형 중 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터의 고전압 전극. - 제1항에 있어서,
상기 다수개의 제1중공형 돌출부재와 상기 다수개의 제2중공형 돌출부재는 각각 끝단이 뽀족한 원통 기둥부재, 타원 기둥부재 및 사각 기둥부재 중 하나에 의해 하나 이상의 돌출버(extrude burr)부재로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터의 고전압 전극. - 제4항에 있어서,
상기 하나 이상의 돌출버부재는 각각 관통홀에서 연장되도록 관통형 알루미늄 시트에 서로 이격되어 일체로 형성되며, 각각의 높이는 2 내지 70㎛인 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터의 고전압 전극.
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