KR20180125292A - 전극 재료, 전극 재료를 이용한 전기 화학 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
실시예는 전극 재료, 전극 재료를 이용한 전기 화학 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제1 전극, 상기 제1 전극과 이격하여 배치되는 제2 전극 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치되는 분리막을 포함하고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 베이스 기판 및 상기 베이스 기판의 적어도 일 면에 배치된 전극합제층을 포함하며, 상기 전극합제층은 전극 재료로 형성되고 상기 전극 재료는 탄소원을 포함하며 상기 탄소원은 복수 개의 탄소 입자를 포함하고 상기 복수 개의 탄소 입자는 특정 수학식으로 표시되는 Aspect ratio(종횡비)가 0.1 이상 0.5 이하인 탄소 입자를 포함하도록 함으로써 충진 밀도를 향상시킬 수 있는 전극 재료로 형성된 전극합제층을 포함하여 높은 정전 용량을 확보함에 따라 고 에너지 밀도의 구현이 가능한 전극 재료, 전극 재료를 이용한 전기 화학 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
Description
실시예는 전극 재료, 전극 재료를 이용한 전기 화학 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 단축과 장축의 길이 비가 특정 범위를 갖는 탄소 입자를 전극 재료로 포함함으로써 충진 밀도를 높여 에너지 밀도가 향상된 전극 재료, 전극 재료를 이용한 전기 화학 소자에 관한 것이다.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다.
휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기 화학 소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다.
전기 화학 소자는 전기 에너지와 화학 에너지 상호간에 변환이 가능하도록 하는 것으로, 구체적인 예로는 슈퍼 캐패시터(전기 이중층 캐패시터, EDLC), 리튬 이온 2차 전지, 하이브리드 캐패시터 등이 있다.
전기 화학 소자는 충방전이 가능하고 에너지 밀도가 높다는 측면에서 주목 받고 있는 분야이며, 응용 분야의 확대에 따라 높은 정전 용량과 에너지 밀도가 요구되고 있다.
슈퍼 캐패시터는 전극 및 도전체가 함침된 전해질 용액의 계면에 각각 부호가 상이한 전기이중층이 생성되어 전하를 축적하는 것이다.
그러나, 슈퍼 캐패시터는 반복된 충방전에도 열화가 작고 이차 전지, 납축 전지 등 다른 에너지 저장 장치에 비하여 충전 속도가 우수하고 출력 밀도가 높아 최근 폭넓게 응용되고 있으나, 상대적으로 에너지 밀도가 낮다는 단점이 있다.
정전 용량 또는 작동 전압이 증가할수록 슈퍼 캐패시터의 에너지 밀도가 향상되는바, 슈퍼 캐패시터의 단점을 극복하기 위하여 정전 용량을 증가시키거나 작동 전압을 증가시키는 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
한편, 슈퍼 캐패시터의 성능은 주로 전극 활물질, 전해질에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 전극에의 결함 발생 없이 슈퍼 캐패시터의 에너지 밀도를 높일 수 있는 전극 활물질에 대한 대안이 필요한 실정이다.
실시예는 전극합제층의 충진 밀도를 향상시킬 수 있는 전극 재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.
실시예는 상기 전극 재료로 형성된 전극합제층을 포함함으로써 높은 정전 용량을 확보함에 따라 에너지 밀도가 향상된 전기 화학 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 실시예는 상기 전극 재료로 형성된 전극합제층을 포함함에 따라 내부 저항이 감소된 전기 화학 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
실시예의 전극 재료는 탄소원을 포함하고, 상기 탄소원은 복수 개의 탄소 입자를 포함하며 상기 복수 개의 탄소 입자는 하기 수학식 1로 표시되는 Aspect ratio(종횡비)가 0.1 이상 0.5 이하인 탄소 입자를 포함할 수 있다.
[수학식 1]
탄소 입자의 Aspect ratio(종횡비)= (탄소 입자 단축의 길이)/(탄소 입자 장축의 길이)
일 실시예에 따르면, 상기 Aspect ratio(종횡비)가 0.1 이상 0.5 이하인 탄소 입자는 상기 탄소원 전체 부피에 대하여 50 부피% 이상으로 포함될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 Aspect ratio(종횡비)가 0.5 초과 1.0 이하인 탄소 입자는 상기 탄소원 전체 부피에 대하여 0 부피% 초과 30 부피% 이하로 포함될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 탄소원의 비표면적은 800 m2/g 이상 2000 m2/g 이하일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 탄소원의 탭 밀도는 0.3 g/cm3 내지 0.65 g/cm3 일 수 있다.
실시예의 전기 화학 소자는 제1 전극, 상기 제1 전극과 이격하여 배치되는 제2 전극 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치되는 분리막을 포함하고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 베이스 기판 및 상기 베이스 기판의 적어도 일 면에 배치된 전극합제층을 포함하며, 상기 전극합제층은 전극 재료로 형성되고 상기 전극 재료는 탄소원을 포함하며 상기 탄소원은 복수 개의 탄소 입자를 포함하고 상기 복수 개의 탄소 입자는 하기 수학식 1로 표시되는 Aspect ratio(종횡비)가 0.1 이상 0.5 이하인 탄소 입자를 포함할 수 있다.
[수학식 1]
탄소 입자의 Aspect ratio(종횡비)= (탄소 입자 단축의 길이)/(탄소 입자 장축의 길이).
일 실시예에 따르면, 상기 Aspect ratio(종횡비)가 0.1 이상 0.5 이하인 탄소 입자는 상기 탄소원 전체 부피에 대하여 50 부피% 이상으로 포함될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 Aspect ratio(종횡비)가 0.5 초과 1.0 이하인 탄소 입자는 상기 탄소원 전체 부피에 대하여 0 부피% 초과 30 부피% 이하로 포함될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전극합제층은 제1 전극합제층 및 상기 제1 전극합제층 상부에 배치된 제2 전극합제층을 포함하고, 상기 제1 전극합제층에 존재하는 상기 기공이 갖는 지름의 최빈값(mode)은 상기 제2 전극합제층에 존재하는 상기 기공이 갖는 지름의 최빈값(mode)보다 작을 수 있다.
실시예의 전극 재료는 전극합제층의 충진 밀도를 향상시킬 수 있다.
실시예의 전기 화학 소자는 상기 전극 재료로 형성된 전극합제층을 포함함으로써 높은 정전 용량을 확보함에 따라 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 실시예의 전기 화학 소자는 상기 전극 재료로 형성된 전극합제층을 포함함으로써 내부 저항을 감소시킬 수 있는바, 고 에너지 밀도의 구현이 가능하다.
도 1은 일 실시예의 전기 화학 소자를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따라 전해질 이온이 탄소원의 기공에 삽입된 것을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 전극 재료의 제조 공정도이다.
도 4는 열처리 및 활성화 처리에 따른 탄소원의 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 실시예 1 내지 실시예 5에 따른 탄소원의 종횡비 및 각 종횡비에 해당하는 탄소원의 부피비에 관한 그래프이다.
도 6은 실시예 3에 따른 탄소 입자의 SEM 관측 사진이다.
도 7은 실시예 4에 따른 탄소 입자의 SEM 관측 사진이다.
도 2는 일 실시예에 따라 전해질 이온이 탄소원의 기공에 삽입된 것을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 전극 재료의 제조 공정도이다.
도 4는 열처리 및 활성화 처리에 따른 탄소원의 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 실시예 1 내지 실시예 5에 따른 탄소원의 종횡비 및 각 종횡비에 해당하는 탄소원의 부피비에 관한 그래프이다.
도 6은 실시예 3에 따른 탄소 입자의 SEM 관측 사진이다.
도 7은 실시예 4에 따른 탄소 입자의 SEM 관측 사진이다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층, 막, 전극, 판 또는 기판 등이 각 층, 막, 전극, 판 또는 기판 등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한 각 구성요소의 상, 옆 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 일 실시예의 전기 화학 소자를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 일 실시예에 따라 전해질 이온이 탄소원의 기공에 삽입된 것을 개략적으로 도시한 도면이다.
상기 전기 화학 소자(100)는 전기 에너지와 화학 에너지 상호 변환이 가능한 것으로써 본 발명의 목적을 벗어나지 않는 범위 내라면 특별히 제한되지 않는다. 구체적인 예를 들면 상기 전기 화학 소자(100)는 슈퍼 캐패시터, 이차 전지 등 일 수 있다. 이하에서는 상기 전기 화학 소자(100)로 슈퍼 캐패시터를 예로 든 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.
실시예의 전기 화학 소자(10)는 제1 전극(2), 상기 제1 전극(2)에 이격하여 배치되는 제2 전극(4), 상기 제1 전극(2) 및 상기 제2 전극(4) 사이에 배치되는 분리막(3)을 포함 할 수 있다.
상기 제1 전극(2) 및 상기 제2 전극(4)의 단자는 조합된 형태일 수 있다.
또한, 상기 제1 전극(2) 및 제2 전극(4)은 베이스 기판 및 상기 베이스 기판의 적어도 일 면에 배치된 전극합제층(9)을 포함 할 수 있다.
상기 전극합제층(9)은 전극 재료로 형성될 수 있다.
보다 상세하게 설명하면, 실시예의 전기 화학 소자(10)는 제1 전극(2), 제2 전극(4) 및 상기 제1 전극(2) 및 상기 제2 전극(4) 사이에 배치되는 분리막(3)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극(2)은 양극일 수 있고, 상기 제2 전극(4)은 음극일 수 있다. 이하에서는 상기 제1 전극(2)이 양극, 상기 제2 전극(4)은 음극인 경우로 실시예의 전기 화학 소자를 전제하고 이에 관해 설명한다.
상기 분리막(3)은 상기 제1 전극(2) 및 상기 제2 전극(4) 사이에 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 분리막(3)은 상기 제1 전극(2) 및 상기 제2 전극(4)과 접촉하며 배치될 수 있다. 상기 분리막(3)의 일면 및 타면은 상기 제1 전극(2) 및 상기 제2 전극(4)과 직접 접촉하며 배치될 수 있다.
상기 제1 전극(2), 제2 전극(4) 및 분리막(3)은 전해액에 함침될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전해액은 비수계 전해액일 수 있다.
보다 구체적으로, 비수계 전해액이 사용되는 경우 전해질 양이온은 TEA+, TEMA+, Li+, EMIM+, Na+ 등일 수 있고, 전해질 음이온은 BF4 -, PF6 -, TFSI-, FSI- 등일 수 있다. 일 실시예에 따르면, TEA+을 포함한 양이온 및 BF4 - 를 포함한 음이온이 사용되는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 전해액 용매는 유기성 전해액, 보다 구체적으로는 ACN, PC, GBL, DMK 등일 수 있다.
상기 전해액의 농도는 용매와 전해질 이온의 종류마다 상이할 수 있다.
필요에 따라, 상기 전기 화학 소자(10)는 2 이상의 분리막을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전기 화학 소자(10)가 복수의 분리막을 포함하는 경우, 제1 전극(2)과 제2 전극(4) 사이에 배치되는 분리막(3) 이외의 분리막(1)은 상기 제1 전극(2)의 상부에 배치될 수 있다.
상기 제1 전극(2) 및 제2 전극(4)은 탄소원(200)을 포함하는 전극 재료로 형성된 전극합제층(9)을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 전극(2) 및 상기 제2 전극(4)에는 베이스 기판(8) 및 상기 베이스 기판(8)의 적어도 일 면에 상기 전극 재료가 도포된 전극합제층(9)이 포함될 수 있다.
상기 베이스 기판(8)은 구체적인 예를 들면 금속 호일(알루미늄 호일) 등 일 수 있다.
상기 전극합제층(9)은 후술하는 실시예의 전극 재료로 형성될 수 있다.
실시예에 따른 전극합제층(9)은 탄소원(200)을 포함하고, 상기 탄소원(200)은 결정질 구조(21) 및 비정질 구조(11)를 포함하며, 상기 비정질 구조(11)는 복수 개의 기공(12)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전극합제층(9)은 복수의 서브 전극합제층이 적층된 형태일 수 있고, 각 서브 전극합제층에 존재하는 기공(12)의 지름 및 특정 지름을 갖는 기공(12)의 부피비는 상이할 수 있다.
본 명세서에서 기공(12)의 지름(d)이란 기공(12) 측벽의 어느 한 점을 잡아 대향하는 다른 측벽으로 수직 선을 그었을 때 당해 수직 선의 길이를 의미한다. 만일, 수직 선의 길이가 다양할 경우 그 길이 값의 평균 값을 의미한다.
상기 기공(12)의 지름(d) 및 해당 지름(d)을 갖는 기공(12)의 부피는 BET 측정법에 의해 측정할 수 있으나, 본 발명의 목적을 벗어나지 않는 범위 내라면 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
실시예의 전기 화학 소자에서, 상기 복수 개의 기공(12) 중 일정 지름(d)을 갖는 기공(12)의 부피비는 전극 재료의 제조 공정에서 조절될 수 있다. 보다 구체적으로, 탄소원(200)의 알칼리 활성화 처리 온도, 전극 재료에 포함되는 물질의 종류 또는 각 물질의 비율 등을 조절함으로써 복수 개의 기공(12) 중 일정 지름(d)이 갖는 기공(12)의 부피비가 조절될 수 있다.
따라서, 동일한 종류의 활성탄을 탄소원(200)으로 하여 제1 전극(2) 및 제2 전극(4)을 형성하는 경우라도 각 전극의 전극 재료 형성 시 특정 조건을 달리 하여 일정 지름(d)이 갖는 기공(12)의 부피를 달리 조절 할 수 있다. 즉, 기공(12)의 지름(d)은 특정한 값으로 정해져 변하지 않는 것이 아니라 탄소원(200)의 종류 및 전극 재료 제조 공정 조건에 따라 일정 범위 내에서 변화할 수 있는 값이다.
베이스 기판을 통하여 전류가 흐르면 전극합제층이 전하를 띄게 되고, 이 때 전극에 걸리는 전하량에 따라 전해질에 존재하는 이온이 비정질 탄소의 기공 또는 인접하는 결정질 탄소 사이에 유입된다. 이 때, 베이스 기판에서 멀어질수록 저항에 의하여 전하량이 작아지는바 상부에 배치된 서브 전극합제층에 큰 지름을 갖는 기공(12)이 다수의 비율로 존재하는 경우 낮은 전하량에도 불구하고 전해질 이온이 기공에 용이하게 유입될 수 있다.
따라서, 일 실시예에 따르면 전극합제층이 제1 전극합제층 및 상기 제1 전극합제층 상부에 배치된 제2 전극합제층을 포함하고, 상기 제1 전극합제층에 존재하는 상기 기공이 갖는 지름의 최빈값(mode)은 상기 제2 전극합제층에 존재하는 상기 기공이 갖는 지름의 최빈값(mode)보다 작을 수 있다.
본 명세서에서 기공(12)이 갖는 지름(d)의 최빈값(mode)이란 상기 기공(12)의 지름(d) 중 가장 많은 경우의 수로 측정되는 지름(d) 값을 의미한다.
상기 제1 전극합제층(9a) 및 상기 제2 전극합제층(9b)에 존재하는 복수 개의 기공(12)들은 다양한 길이의 지름(d)을 가질 수 있다. 한편, 특정 길이의 지름(d)을 갖는 기공(12)이 제1 전극합제층(9a) 및 제2 전극합제층(9b) 모두에 형성된 경우라면, 제1 전극합제층(9a)은 제2 전극합제층(9b)에 비하여 지름(d)이 큰 기공(12)이 더 많은 비율로 형성되도록 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극합제층(9a)에 존재하는 상기 기공(12)이 갖는 지름(d)의 최빈값(mode)은 상기 제2 전극합제층(9b)에 존재하는 상기 기공(12)이 갖는 지름(d)의 최빈값(mode)보다 작을 수 있다. 다시 말해, 상기 제1 전극합제층(9a)에 상기 제2 전극합제층(9b)보다 더 많은 비율로 지름(d)이 작은 미세 기공(12)들이 형성될 수 있다. 이 경우 상기 베이스 기판(8)으로부터 먼 거리에 배치되어 적은 양의 전하가 부하되는 제2 전극합제층(9b)에 지름(d)이 큰 기공(12)들이 제1 전극합제층(9a)에 비하여 많은 비율로 형성될 수 있어 기공(12)에의 전해질 이온 유입이 보다 유용하다. 따라서, 높은 정전 용량 확보가 가능해지는바 고 에너지 밀도의 전기 화학 소자를 구현할 수 있어 바람직하다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극(2)에 존재하는 상기 복수의 기공이 갖는 지름의 최빈값(mode)이 상기 제2 전극(4)에 존재하는 상기 복수의 기공이 갖는 지름의 최빈값(mode)보다 작을 수 있다. 전해액에 존재하는 이온 중 양이온의 크기가 음이온의 크기에 비하여 상대적으로 크므로 상기 제1 전극(2)에 상기 제2 전극(4)보다 큰 지름(d)이 다수의 비율로 형성되면 기공(12)의 지름(d)이 각 전극에 삽입되는 전해질 이온(13)의 크기에 적합한 바 높은 정전 용량 확보에 바람직하다.
일 실시예에 따르면, 상기 탄소원(200)의 비표면적은 800 m2/g 이상 2000 m2/g 이하 일 수 있다. 상기 탄소원(200)의 기공(12)의 비표면적이 전술한 범위 내이면 결정질 구조(21)의 결정 격자 사이 또는 비정질 구조(11)의 기공(12)에 전해질 이온(13)의 유입이 용이하여 정전 용량 향상 효과가 극대화될 수 있다. 또한, 탄소원(200)의 비표면적이 800 m2/g 미만이면 전해질 이온보다 기공(12)의 지름(d)이 작아 전해질 이온이 삽입되지 못할 수 있고, 탄소원(200)의 비표면적이 2000 m2/g를 초과하면 정전 용량이 오히려 감소될 수 있다.
비표면적은 BET 측정법에 의해 측정할 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
본 명세서에서 탭 밀도란 분체검체를 용기에 넣고 측정용 용기를 기계적으로 일정한 높이에서 일정한 속도로 반복하여 낙하시켜 용기중의 분체의 용적이 거의 일정하게 될 때까지 치밀하게 충전하여 얻은 겉보기 밀도로, 탭 밀도는 정전 용량에 영향을 줄 수 있다. 구체적으로, 탭 밀도가 지나치게 큰 경우 정전 용량이 감소하는 문제가 있고, 겉보기 밀도가 지나치게 작으면 에너지 저장 특성이 저하될 수 있다.
일 실시예로, 상기 탄소원(200)의 탭 밀도는 0.3 g/cm3 내지 0.65 g/cm3 일 수 있다. 탭 밀도가 전술한 범위 내의 값이면 탄소원(200)의 정전 용량 증가 정도가 현저하여 고 에너지 밀도의 전기 화학 소자 구현에 바람직하다.
일 실시예에 따르면 상기 제1 전극(2) 및 제2 전극(4) 중 적어도 하나의 전극은 베이스 기판(8) 상에서, 탄소원(200)를 포함하는 전극 재료가 롤링으로 압연되어 형성된 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극(2) 및/또는 제2 전극(4)은 상기 탄소원(200)를 포함하는 전극 재료가 베이스 기판(8) 상에 코팅되거나 또는 되거나 전극 재료를 시트 상태로 만들어 베이스 기판(8)에 붙여서 형성된 것일 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 제1 전극(2) 및/또는 제2 전극(4)은 상기 전극 형성용 물질을 시트 상태로 만들어 베이스 기판(8)에 붙인 후 건조하여 형성된 것일 수 있으나, 본 발명이 반드시 그 실시예 들에 제한되는 것은 아니다.
도 3은 일 실시예에 따른 전극 재료의 제조 공정도이며, 도 4는 열처리 및 활성화 처리에 따른 탄소원의 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하 도 3 및 도 4를 참조하면, 실시예에 따른 전극 재료는 탄소원(200)을 포함하고, 상기 탄소원(200)은 복수 개의 탄소 입자(100)를 포함 할 수 있다.
상기 탄소 입자(100)의 Aspect ratio(종횡비)는 하기 수학식 1로 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
탄소 입자의 Aspect ratio(종횡비)= (탄소 입자 단축의 길이)/(탄소 입자 장축의 길이)
본 명세서에 있어, 탄소 입자(100)의 장축이란 상기 탄소 입자(100)를 관통하는 선 중 가장 길이가 긴 부분으로 정의하고, 탄소 입자(100)의 단축이란 상기 탄소 입자(100)의 장축과 직교하는 선 중 가장 길이가 짧은 부분을 의미한다.
전극 재료에 포함되는 탄소원 고유의 형상에 의하여, 전극합제층 형성 시에 충진 밀도가 달라질 수 있다. 특히, 탄소원이 구형에 가까운 경우 다수의 탄소 입자들 간 공극이 발생하기에 용이한 바 전극합제층의 충진 밀도가 낮아지는 문제가 있어왔다.
이에, 실시예는 탄소 입자(100)의 Aspect ratio(종횡비)를 조절하여 전술한 문제점을 해결할 수 있다.
보다 상세하게 설명하면, 상기 탄소 입자(100)의 Aspect ratio(종횡비)는 0.1 이상 0.5 이하일 수 있다.
상기 탄소 입자(100)의 Aspect ratio(종횡비)가 0.5 초과이면 상기 탄소 입자(100)의 형상이 구형에 가까운바 상기 탄소 입자(100)의 표면과 내부가 동일하게 활성화 되기 어려운 문제가 있다. 또한, 상기 탄소 입자(100)의 Aspect ratio(종횡비)가 0.1 미만이면 이를 구현하는 공정이 용이하지 않아 이론적 충진 밀도와 실제 구현되는 충진 밀도의 차이가 커지는 문제점이 있다.
실시예에 따른 탄소 입자(100)의 Aspect ratio(종횡비)는 구체적인 예를 들면 탄소원 제조 중 코킹 공정 시 RPM을 제어하는 방법 등으로 조절할 수 있다.
상기 탄소 입자(100)의 Aspect ratio(종횡비)가 0.1 이상 0.5 이하 범위 내이면 탄소원(200)이 후술하는 알칼리 활성화 처리에 적합하여 전극 재료로 바람직할 수 있다.
또한, 탄소 입자(100)의 Aspect ratio(종횡비)가 전술한 범위 내인 경우 다수의 탄소 입자(100)들이 전극합제층 내에 촘촘히 패킹(packing) 될 수 있어 전극합제층의 충진 밀도가 향상되는바 전기 화학 소자의 정전 용량이 증가될 수 있다.
뿐만 아니라, 탄소 입자(100) 간의 접촉 양상이 점접촉에서 선접촉으로 변화됨에 따라 내부 저항이 감소될 수 있다. 이에 따라, 실시예의 전극 재료로 형성된 전기 화학 소자는 고 에너지 밀도 구현이 가능할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 복수 개의 탄소 입자(100)는 Aspect ratio(종횡비)가 0.5 초과 1.0 이하인 탄소 입자(100)를 더 포함할 수 있다. 즉, 실시예에 따른 복수 개의 탄소 입자(100)는 Aspect ratio(종횡비)가 0.1 이상 0.5 이하 범위 내이면 탄소 입자(100)와 0.5 초과 1.0 이하인 탄소 입자(100)를 동시에 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 Aspect ratio(종횡비)가 0.1 이상 0.5 이하인 탄소 입자(100)는 상기 탄소원 전체 부피에 대하여 50 부피% 이상으로 포함될 수 있다. 또한, 일 실시예에 따르면 상기 Aspect ratio(종횡비)가 0.1 이상 0.5 이하인 탄소 입자(100)는 상기 탄소원 전체 부피에 대하여 70 부피% 이상으로 포함될 수 있다. 뿐만 아니라, 일 실시예에 따르면 상기 Aspect ratio(종횡비)가 0.1 이상 0.5 이하인 탄소 입자(100)는 상기 탄소원 전체 부피에 대하여 90 부피% 이상으로 포함될 수 있다. 복수 개의 탄소 입자(100) 중 상기 Aspect ratio(종횡비)가 0.1 이상 0.5 이하인 탄소 입자(100)가 차지하는 비율이 증가할수록 전극합제층에 있어 충진 밀도 향상 효과 및 내부 저항 감소 효과가 극대화 되어 고 에너지 밀도의 전기 화학 소자 구현에 유리할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 Aspect ratio(종횡비)가 0.5 초과 1.0 이하인 탄소 입자(100)는 상기 탄소원 전체 부피에 대하여 0 부피% 초과 30 부피% 이하로 포함될 수 있다.
상기 탄소원(200)은 결정질 구조(21)를 포함할 수 있다.
상기 결정질 구조(21)는 탄소원을 특정 조건에서 열처리 함으로써 탄소원 내에 형성된다. 보다 구체적으로 설명하면, 상기 결정질 구조(21)는 불순물이 분리된 탄소원을 600 내지 900 의 온도에서 열처리 시에 상기 탄소원(200)에 부분 결정화가 진행됨에 따라 형성된다.
열처리의 온도가 600 ℃ 미만이면 탄소원(200)에 결정질 구조(21)가 형성되지 않을 수 있다. 또한, 열처리 온도가 900 ℃를 초과하면 탄소원(200)에 비정질 구조(11) 없이 결정질 구조(21)만이 존재할 수 있다. 이 경우, 비표면적이 감소하므로 높은 정전 용량을 구현할 수 없는 문제가 있다. 즉, 탄소원(200)을 600 ℃ 내지 900 ℃의 온도에서 열처리하여 상기 탄소원(200) 내에 결정질 구조(21)를 형성하는바, 탄소원(200)이 결정질 구조(21) 및 비정질 구조(11)를 모두 포함할 수 있게 된다.
일 실시예로, 상기 열처리 온도는 650 ℃ 내지 850 ℃일 수 있다.
상기 탄소원(200)의 단위 중량(g)에 대한 상기 결정질(21)의 비율은 상기 탄소원(200)의 열처리 온도에 의해 조절될 수 있다.
상기 탄소원(200)의 열처리 온도에 따라 상기 탄소원(200)의 단위 중량(g)에 대한 상기 결정질 구조(21)의 비율이 달라지며, 상기 결정질 구조 (21)의 비율이 탄소원(200)의 비표면적에 영향을 주어 정전 용량 값을 변화시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 탄소원(200)의 열처리 온도가 낮을수록 비정질 구조(11)의 비율이 높아져 탄소원(200)의 비표면적이 증가되고, 상기 탄소원(200)의 열처리 온도가 높을수록 결정질 구조(21)의 비율이 높아져 탄소원(200)의 비표면적이 감소할 수 있다.
상기 열처리 공정이 수행되는 시간은 반응조의 크기에 따라 달라질 수 있다.
상기 열처리는 불활성 기체 분위기에서 수행될 수 있다. 불활성 기체의 구체적인 예를 들면 헬륨, 아르곤, 질소 등일 수 있다. 상기 불활성 기체는 전술한 예들 중 적어도 하나를 포함하여 사용될 수 있으나, 실시예가 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
실시예에 따르면, 상기 결정질 구조(21)는 전해질 이온(13)이 용이하게 흐를 수 있도록 전해질 이온(13)의 이동 통로 역할을 할 수 있다. 이에 따라, 전기 저항이 낮아지는바 탄소원(200) 및 상기 탄소원(200)를 포함하여 형성되는 전기 화학 소자의 전기 전도도 및/또는 정전 용량이 향상될 수 있다.
상기 탄소원(200)이 결정질 구조(21)를 포함하는지 여부는 X선 회절 분석법(X-ray diffraction, XRD)으로 확인할 수 있다.
결정에 X선 조사 시 결정 일부에서 회절이 일어날 수 있는데, 그 회절각과 강도는 물질마다 고유한 것으로서 X선 회절을 이용하여 시료에 함유된 결정성 물질의 종류와 양에 관계되는 정보를 알 수 있다. 즉, X선 회절 분석법에 의하면 결정성 구조 물질의 구조에 관한 정보를 알 수 있다. 보다 자세하게 설명하면, X선 회절 패턴에서 피크는 결정질 구조의 존재를 의미하고 피크 세기는 결정질 구조의 비율과 연관된다. 또한, X선 회절 패턴으로 비정질 구조의 비율도 알 수 있는데, 반치폭(half-width)의 너비가 비정질 구조의 비율과 연관된다.
따라서, X선 회절 패턴의 특정 위치에서 피크(Intensity)가 나타나면 결정질 구조가 포함되는 경우이고, 피크가 높게 나타날수록 결정질 구조가 많이 포함됨을 의미한다. 또한, X선 회절 패턴에서 반치폭이 넓을수록 탄소원에 비정질 구조가 많이 포함되는 경우이다.
또한, 상기 탄소원(200)은 비정질 구조(11)를 포함할 수 있다. 탄소원에 특정한 공정이 수행되지 않은 경우라도 상기 비정질 구조(11)는 탄소원(200) 내에 포함될 수 있다.
즉, 열처리 된 탄소원(200)은 결정질 구조(21) 및 비정질 구조(11)를 포함하는바, 탄소원(200)에는 결정질 구조(21)와 비정질 구조(11)가 혼재되어 존재할 수 있다.
상기 비정질 구조(11)는 복수 개의 기공(12)들을 포함할 수 있다. 실시예에 따른 탄소원(200)은 전술한 바와 같이 특정한 공정 없이도 비정질 구조(11)를 포함하나, 상기 비정질 구조(11)는 후술하는 알칼리 활성화 처리에 의하여 복수 개의 기공(12)을 포함할 수 있다.
열처리 된 탄소원을 700 ℃ 내지 900 ℃의 온도에서 알칼리를 포함하는 물질(활성화제)로 활성화 처리하며, 탄소원과 알칼리 포함 활성화제는 1:1.5 내지 1:4의 중량비로 혼합 된다.
상기 활성화 처리 단계에서는 비정질 구조(11)의 일부가 깨져 기공(12)이 형성될 수 있다. 또한, 활성화 처리에 의하여 상기 탄소원의 열처리 단계에서 형성된 결정질 구조(21)의 층간 거리가 벌어질 수 있다(d1에서 d2로 층간 거리 증가). 이에 따라, 상기 탄소원(200)의 비표면적이 증가할 수 있다.
상기 기공(12)은 상기 탄소원(200)에 다공성을 부여하는 것으로 전술한 바와 같이 상기 기공(12)에 전해질 이온(13)이 삽입될 수 있다.
상기 비정질 구조(11)에서 기공(12)의 유무, 기공(12)의 지름(d) 길이 및 해당 지름(d)을 갖는 기공(12)의 부피 등은 탄소원(200)의 비표면적에 영향을 주는 요소일 수 있다.
실시예에 따른 탄소원(200)는 상기 비정질 구조(11)에 적어도 하나의 기공(12)을 포함하는바, 탄소원에 복수 개의 기공(12)이 존재하는 경우 각각의 기공(12)마다 지름(d)의 길이는 동일하거나 또는 상이할 수 있다.
일 실시예에 따르면 상기 탄소원(200)는 동일한 길이의 지름(d)을 갖는 기공(12)들을 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 상기 탄소원(200)는 상이한 길이의 지름(d)을 갖는 기공(12)들을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면 상기 탄소원(200)는 길이가 동일한 지름(d)을 갖는 기공(12)들과 길이가 상이한 지름(d)을 갖는 기공(12)들을 모두 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 탄소원(200)의 평균 입자 크기(D50)은 6 ㎛ 이상 8 ㎛ 이하일 수 있다. 상기 탄소원(200)의 평균 입자 크기가 6 ㎛ 내지 8 ㎛ 범위 내이면 상기 탄소원(200)을 포함하는 전극 재료의 베이스 기판 상에 도포 공정이 용이할 수 있다.
한편, 탄소원(200)이 활성화 처리 되면 비정질 구조(11)에 기공(12)이 형성되는 것은 별론, 상기 결정질 구조(21)에 있어 002 방향으로의 결정 성장이 우세해질 수 있다. 이는 곧 상기 탄소원(200)에서 비정질 구조(11)의 비율의 증가 및 결정질 구조(21)의 비율의 감소를 가져온다.
한편, 상기 결정질 구조(21)에 있어 층간 거리(d)는 활성화 온도 및/또는 탄소원과 활성화제의 함량비로 조절될 수 있다.
상기 탄소원과 활성화제의 중량비가 1:1.5 미만이면 탄소원을 충분히 활성화 하지 못하므로 전해질 이온 삽입에 충분한 층간 거리를 가지는 결정질 구조(21)가 형성되지 못할 수 있다. 또한, 상기 탄소원과 활성화제의 중량비가 1:4를 초과하면 인접하는 결정층 사이의 거리가 멀어져, 결정층 간 반데르발스 힘이 작용할 수 없어 탄소원(200)가 결정성을 상실할 수 있다. 뿐만 아니라, 탄소원과 활성화제의 중량비가 전술한 범위를 벗어나면 특정 범위의 지름(d)을 갖는 기공(12) 비율을 조절하는 것이 어려울 수 있다.
바람직하게는 상기 탄소원(200)과 활성화제는 1:1.5 내지 1:3의 중량비로 혼합될 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 탄소원(200)과 활성화제는 1:1.7 내지 1:3의 중량비로 혼합될 수 있다.
또한, 활성화 처리 온도가 700 ℃ 미만이거나 900 ℃를 초과하면 특정 범위의 지름(d)을 갖는 기공(12) 비율을 조절하는 것이 어려워지는 문제가 있다.
상기 활성화 처리 단계에서 사용되는 상기 알칼리 물질의 구체적인 예를 들면 리튬, 나트륨, 칼륨 등일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 활성화 처리는 불활성 기체 분위기에서 수행될 수 있다. 상기 불활성 기체의 구체적인 예를 들면 헬륨, 아르곤, 질소 등 일 수 있고 전술한 예들 중 적어도 하나를 포함하여 불활성 기체로 사용할 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 결정질 구조(21)의 층간 거리(d)는 당 분야에 널리 알려진 방법에 의해 측정할 수 있고, 구체적인 예를 들면 X선 회절 분석법 또는 TEM 사진 등에 의할 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 탄소원(200)은 구체적인 예를 들면 활성탄, 생 코크스(그린 코크스), 칼시네이션(Calcination) 코크스 등의 물질을 포함할 수 있다. 활성탄은 전하의 물리적 흡탈착에 이용될 수 있는 영역을 다수 포함한다는 측면에서 상기 탄소원(200)이 활성탄을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 탄소원(200)과 알칼리 포함 활성화제를 혼합하여 활성화 처리한 후에는 알칼리를 포함하는 물질의 제거를 위하여 중화 공정을 거칠 수 있다. 중화 공정에 사용되는 중화제의 구체적인 예를 들면 염산, 질산 등일 수 있다.
이어서, 중화 처리된 결과물은 세정 공정을 거칠 수 있다.
상기 탄소원(200)의 제조 방법은 당 분야에 널리 알려진 것으로 본 발명의 목적을 벗어나지 않는 범위 내라면, 필요에 따라 해당 공정을 더 포함할 수 있다.
실시예에 따른 전극 재료는 총 100 중량%에 대하여 상기 탄소원(200)을 10 중량% 이상 95 중량% 이하로 포함할 수 있다.
한편, 실시예에 따른 전극 재료는 상기 탄소원(200) 외에 바인더, 도전재를 포함하고, 선택적으로 용매를 더 포함할 수 있다. 또한, 각 성분은 혼합 후 슬러리 형태로 전기 화학 소자(10)에 적용될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 바인더는 전극 재료에 접착성을 부여한다. 상기 바인더의 구체적인 예를 들면 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리비닐알콜(PVA) 등일 수 있다. 상기 바인더는 전술한 예들 중 적어도 하나를 포함하여 사용될 수 있으나, 실시예가 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
일 실시예에 따르면, 상기 바인더는 전극 재료 총 100 중량%에 대하여 1 내지 45 중량%로 포함될 수 있다.
상기 도전재는 전극 재료에 전도성을 부여 한다. 상기 도전재의 구체적인 예를 들면 카본 블랙(carbon black), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(CNT), 탄소나노섬유(CNF) 등일 수 있다. 상기 도전재는 전술한 예들 중 적어도 하나를 포함하여 사용될 수 있으나, 실시예가 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
일 실시예에 따르면, 상기 도전재는 전극 재료 총 100 중량%에 대하여 1 내지 45 중량%로 포함될 수 있다.
필요에 따라, 상기 전극 재료는 용매를 더 포함할 수 있다. 상기 용매의 구체적인 예를 들면 물 또는 유기 용매 등일 수 있으나, 실시예가 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
일 실시예에 따르면, 상기 용매는 전극 재료 총 100 중량%에 대하여 10 내지 97 중량%로 포함될 수 있다.
상기 베이스 기판(8)은 전도성 물질을 포함하여 형성된 것일 수 있다. 전도성 물질의 구체적인 예를 들면 금속 등일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 금속은 구리, 알루미늄 등 일 수 있으나 본 발명이 반드시 그 실시예들에 제한되는 것은 아니다.
상기 베이스 기판(8)은 박막 형상일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극(2) 및 상기 제2 전극(4) 각각에 리드선(6, 7)이 부착될 수 있다. 또한, 상기 제1 전극(2), 제2 전극(4) 및 그 사이에 배치된 분리막(3)은 덮개(5) 내에 배치된 구조일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 덮개(5)는 전도성 물질을 포함하여 형성된 것일 수 있다. 상기 전도성 물질은 금속 등을 포함할 수 있다. 상기 금속의 구체적인 예를 들면 알루미늄 등 일 수 있다.
이하, 구체적인 실시예 및 비교예를 통해서, 본 발명에 따른 작용과 효과를 더욱 상세히 설명하기로 한다.
실시예
1
NCC(Naphta Cracking Center) 공정에서 나오는 잔사 오일을 350 ℃의 온도에서 열처리하여 분자량 1000 내지 2500 범위의 고체상태 피치(pitch)로 만들어 탄소원으로 사용하였다.
전술한 방법으로 제조된 탄소원을 아르곤 분위기 하에서 750 ℃의 온도로 1 시간동안 60 Φ * 120 cm의 핫스팟에서 열처리하였다.
이어서, 아르곤 분위기 하에서 800 ℃에서 3 시간 동안 탄소원 1과 KOH 활성화제의 함량비를 1:3으로 하여 활성화 처리 하였다.
코킹 공정 시 RPM을 100으로 하여 Aspect ratio(종횡비)가 0.1 이상 0.5 이하인 탄소원의 부피비가 54 %, Aspect ratio(종횡비)가 0.5 초과 1.0 이하인 탄소원의 부피비가 46 %가 되도록 하였다.
이 때, Sysmex FPIA-3000 장비를 이용하여 자동 이미지 기술로 Aspect ratio(종횡비)를 측정하였으며, 분석 결과 얻어지는 그래프를 이용하여 각 Aspect ratio(종횡비)를 갖는 탄소원의 부피비를 측정하였다.
전술한 방법으로 제조된 탄소원 90 중량%, 바인더 5 중량%, 도전재 5 중량%를 혼합하여 전극 재료를 제조한 후, 알루미늄 호일의 베이스 기판 상에 롤러로 전극 재료를 압착하여 시트 상태로 만든 후 건조하여 건조하여 제1 전극 및 제2 전극을 제조하고 전극 각각에 리드선을 부착하였다.
제1 분리막, 제1 전극, 제2 분리막 및 제2 전극을 적층 후 권취하고, 이에 실링 고무를 부착 후 알루미늄 덮개 내에 삽입하였다. 이어서, 전해액(1M TEABF4 in ACN)을 상기 권취 소자가 함침 되도록 주입 후 밀봉하여 슈퍼 캐패시터를 제조하였다
실시예
2
코킹 공정 시 RPM을 120으로 하여 Aspect ratio(종횡비)가 0.1 이상 0.5 이하인 탄소원의 부피비가 74%, Aspect ratio(종횡비)가 0.5 초과 1.0 이하인 탄소원의 부피비가 26%인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 슈퍼 캐패시터를 제조하였다.
실시예
3
코킹 공정 시 RPM을 130으로 하여 Aspect ratio(종횡비)가 0.1 이상 0.5 이하인 탄소원의 부피비가 85%, Aspect ratio(종횡비)가 0.5 초과 1.0 이하인 탄소원의 부피비가 15%인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 슈퍼 캐패시터를 제조하였다.
실시예
4
코킹 공정 시 RPM을 20으로 하여 Aspect ratio(종횡비)가 0.1 이상 0.5 이하인 탄소원의 부피비가 15%, Aspect ratio(종횡비)가 0.5 초과 1.0 이하인 탄소원의 부피비가 85%인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 슈퍼 캐패시터를 제조하였다.
실시예
5
코킹 공정 시 RPM을 40으로 하여 Aspect ratio(종횡비)가 0.1 이상 0.5 이하인 탄소원의 부피비가 45%, Aspect ratio(종횡비)가 0.5 초과 1.0 이하인 탄소원의 부피비가 55%인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 슈퍼 캐패시터를 제조하였다.
실험예
1: Aspect ratio(종횡비) 측정
실시예 1 내지 5에 따른 탄소원의 종횡비 및 각 종횡비에 해당하는 탄소원의 부피비를 그래프로 나타내었으며 이는 도 4와 같다.
실험예
2:
SEM
관측
실시예 3 및 실시예 4에 따른 탄소 입자를 SEM 관측하였으며, 그 결과는 각각 도 6 및 도 7과 같다. 도 6은 실시예 3에 따른 탄소 입자의 SEM 관측 사진이고, 도 7은 실시예 4에 따른 탄소 입자의 SEM 관측 사진이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 실시예 3에 따른 탄소 입자들이 비교예에 따른 탄소 입자에 비하여 얇고 긴 침상형을 나타내는바, 실시예 4의 종횡비가 비교예의 종횡비에 비해 작음을 확인 할 수 있었다.
실험예
3: 정전 용량 평가
단위 부피당 정전용량을 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 1과 같다.
| 구분 | 정전 용량[F/cc] |
| 실시예 1 | 24 |
| 실시예 2 | 26 |
| 실시예 3 | 27 |
| 실시예 4 | 19 |
| 실시예 5 | 20 |
상기 표 1을 참조하면, Aspect ratio(종횡비)가 0.1 이상 0.5 이하인 탄소 입자를 다수의 비율로 포함하는 실시예들이 상대적으로 높은 정전 용량 값을 나타냄을 확인할 수 있었다.
이는 구형에 유사한 형상의 탄소 입자들을 다수로 포함하는 경우에 비하여 긴 형상을 갖는 탄소 입자들을 포함하는 경우 전극합제층 형성시에 보다 빼곡하게 패킹될 수 있어 전극합제층의 충진 밀도가 높아지는 것에 기인한 효과이다.
에너지 밀도는 하기 수학식 2로 산출될 수 있는바,
[수학식 2]
에너지 밀도(E)= {정전 용량(C)}*{작동전압(V)}2/2
실시예들이 비교예에 비해 고 에너지 밀도의 구현이 가능함을 알 수 있었다.
또한, 실시예들 간의 정전 용량 값을 비교할 때, Aspect ratio(종횡비)가 0.1 이상 0.5 이하인 탄소 입자의 비율이 탄소원 전체 부피에 대하여 70 부피%에서 100 부피%에 가깝게 증가할수록 전극합제층의 충진 밀도 증가 효과가 현저히 향상됨을 알 수 있었다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 탄소 입자 200: 탄소원
10: 전기 화학 소자
11: 비정질
12: 기공 13: 전해질 이온
21: 결정질 d: 결정질의 층간 거리
1: 제1 분리막 2: 제1 전극
3: 제2 분리막 4: 제2 전극
5: 덮개 d: 기공의 지름
6: 제 1 리드선 7: 제 2 리드선
8: 베이스 기판 9: 전극합제층
10: 전기 화학 소자
11: 비정질
12: 기공 13: 전해질 이온
21: 결정질 d: 결정질의 층간 거리
1: 제1 분리막 2: 제1 전극
3: 제2 분리막 4: 제2 전극
5: 덮개 d: 기공의 지름
6: 제 1 리드선 7: 제 2 리드선
8: 베이스 기판 9: 전극합제층
Claims (9)
- 탄소원을 포함하고,
상기 탄소원은 복수 개의 탄소 입자를 포함하며
상기 복수 개의 탄소 입자는 하기 수학식 1로 표시되는 Aspect ratio(종횡비)가 0.1 이상 0.5 이하인 탄소 입자를 포함하는, 전극 재료:
[수학식 1]
탄소 입자의 Aspect ratio(종횡비)= (탄소 입자 단축의 길이)/(탄소 입자 장축의 길이).
- 청구항 1에 있어서,
상기 Aspect ratio(종횡비)가 0.1 이상 0.5 이하인 탄소 입자는 상기 탄소원 전체 부피에 대하여 50 부피% 이상으로 포함되는, 전극 재료.
- 청구항 2에 있어서,
상기 Aspect ratio(종횡비)가 0.5 초과 1.0 이하인 탄소 입자는 상기 탄소원 전체 부피에 대하여 0 부피% 초과 30 부피% 이하로 포함되는, 전극 재료.
- 청구항 1에 있어서,
상기 탄소원의 비표면적은 800 m2/g 이상 2000 m2/g 이하인, 전극 재료.
- 청구항 1에 있어서,
상기 탄소원의 탭 밀도(Tapping density)는 0.3 g/cm3 내지 0.65 g/cm3인, 전극 재료.
- 제1 전극;
상기 제1 전극과 이격하여 배치되는 제2 전극; 및
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치되는 분리막;을 포함하고,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 베이스 기판 및 상기 베이스 기판의 적어도 일 면에 배치된 전극합제층을 포함하며,
상기 전극합제층은 전극 재료로 형성되고
상기 전극 재료는 탄소원을 포함하며
상기 탄소원은 복수 개의 탄소 입자를 포함하고
상기 복수 개의 탄소 입자는 하기 수학식 1로 표시되는 Aspect ratio(종횡비)가 0.1 이상 0.5 이하인 탄소 입자를 포함하는, 전기 화학 소자:
[수학식 1]
탄소 입자의 Aspect ratio(종횡비)= (탄소 입자 단축의 길이)/(탄소 입자 장축의 길이).
- 청구항 6에 있어서,
상기 Aspect ratio(종횡비)가 0.1 이상 0.5 이하인 탄소 입자는 상기 탄소원 전체 부피에 대하여 50 부피% 이상으로 포함되는, 전기 화학 소자.
- 청구항 7에 있어서,
상기 Aspect ratio(종횡비)가 0.5 초과 1.0 이하인 탄소 입자는 상기 탄소원 전체 부피에 대하여 0 부피% 초과 30 부피% 이하로 포함되는, 전기 화학 소자.
- 청구항 6에 있어서,
상기 전극합제층은 제1 전극합제층 및 상기 제1 전극합제층 상부에 배치된 제2 전극합제층을 포함하고,
상기 제1 전극합제층에 존재하는 상기 기공이 갖는 지름의 최빈값(mode)은 상기 제2 전극합제층에 존재하는 상기 기공이 갖는 지름의 최빈값(mode)보다 작은, 전기 화학 소자.
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