KR20210020991A - 탄소 나노튜브(ｃｎｔ)-금속 복합 제품 및 그 제조방법 - Google Patents

탄소 나노튜브(ｃｎｔ)-금속 복합 제품 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20210020991A
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리론 아이스칸
메이어 헤페츠
스테니스라브 코사치케비치
에어리어 마이타브
아이반 수르지크
모르 알버트
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토르텍 나노 파이버스 리미티드
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Abstract

본 발명은 CNT-금속 복합 기판을 이용한 효율적인 전류 수집을 위한 방법과 장치에 관한 것으로, 이 장치는 하나 이상의 폴리머 함침 탄소 나노튜브(CNT) 매트 또는 기판과 제 1 탭과 전기적으로 연결되고, 상기 적어도 하나의 탄소 나노튜브 매트에 결합된 고전도성 금속 요소를 포함하는 제1 집전기; 제 2 탭과 전기적으로 연결된 금속 전도 요소를 포함하는 제 2 집전기; 제 1 및 제 2 집전기 사이를 분리하는 세퍼레이터; 상기 제 1 집전기와 상기 제 2 집전기 사이에 배치된 전해액; 및 제 1 집전기, 제 2 집전기, 세퍼레이터 및 전해액을 수용하도록 구성된 하우징을 포함한다.

Description

탄소 나노튜브(ＣＮＴ)-금속 복합 제품 및 그 제조방법
본 발명은 탄소 나노튜브-금속 복합 제품과 그 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 CNT(carbon nanotube)-금속 복합 기판을 이용한 효율적인 전류 수집을 위한 방법과 장치에 관한 것이다.
많은 전력 장치가 전극의 중량과 단위 중량당 에너지공급 측면에서 비효율적이다.
배터리, 커패시터 및 연료전지와 같은 전원과, 전기화학 합성전지, 전자 차폐 장치, 발열체 및 피뢰침과 같은 비-에너지 저장장치의 설계를 개선하기 위한 노력이 있었다. 그러나 많은 상용 시스템은 여전히 비효율적이다.
따라서 전원과 비-에너지 저장장치의 효율개선의 필요성이 여전히 존재한다.
본 발명의 목적은 개선된 탄소 나노튜브(CNT)-금속 복합 기판을 제공하는데 있다.
본 발명은 CNT-금속 복합 기판을 포함한 개선된 제품을 제공한다.
본 발명은 또한 CNT-금속 복합 기판을 포함한 중량 감소 제품도 제공한다.
본 발명은 전류 수집을 위한 CNT-금속 복합 기판을 포함한 개선된 제품도 제공한다.
본 발명은 또한 비교적 높은 인장 강도를 갖는 경량, 전도성, 얇은 기판의 복합 재료를 포함하는 개선된 제품도 제공한다.
본 발명은 또한 전류 수집을 위한 CNT-금속 복합 기판을 포함하는 경량화 제품도 제공한다.
본 발명은 CNT-금속 복합 기판을 포함하는 제품을 생산하기 위한 개선된 방법도 제공한다.
본 발명은 전류 수집을 위한 CNT-금속 복합 기판을 포함하는 제품을 생산하는 개선된 방법도 제공한다.
본 발명은 고효율 전류 수집을 제공하는 방법과 장치도 제공한다.
본 발명은 경량화되고 효율적인 전류 수집을 위한 개선된 방법과 장치도 제공한다.
본 발명은 고효율 전류 수집을 제공하기 위한 방법과 시스템에 관한 것이기도 하다.
본 발명은 또한 저중량, 고효율 전류 수집을 위한 방법과 장치도 제공한다.
본 발명은 전력을 제공하기 위한 장치와 방법을 제공하며,이 장치는 하나 이상의 탄소 나노튜브(CNT) 매트 및 제 1 탭과 전기적으로 연결된 고전도성 금속 요소를 포함하는 제 1 집전기를 포함하고, 고전도성 금속 요소는 하나 이상의 탄소 나노튜브 매트, 제 2 탭과 전기적으로 연결된 금속 전도 요소를 포함하는 제 2 집전기, 제 1 집전기와 제 2 집전기 사이에서 분리되는 세퍼레이터, 제 1 집전기와 제 2 집전기 사이에 배치된 전해액 및 제 1 집전기, 제 2 집전기, 세퍼레이터 및 전해액을 수용하도록 구성된 하우징을 포함한다.
본 발명은 또한 탄소-나노튜브(CNT) 금속 복합 기판 제품을 제공하며, 각 제품은 하나 이상의 탄소 나노튜브(CNT) 매트를 포함하는 제 1 집전기, 제 1 활성물질 및 제 1 전극과 전기적으로 연결된 고전도성 금속 요소를 포함한다. 탭, 고전도성 금속 요소는 적어도 하나의 탄소 나노튜브 매트에 결합되고, 선택적으로 제 2 탭과 전기적으로 연결된 금속 전도성 요소를 포함하는 제 2 집전기, 제 1 및 제 2 집전기 사이를 분리하는 세퍼레이터를 포함하며, 제 1 집전기와 제 2 집전기 사이에 배치된 전해액 및 제 1 집전기, 제 2 집전기, 세퍼레이터 전해액 및 활성물질을 수용하도록 구성된 하우징을 포함한다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 장치는 전기화학 합성 셀, 전자 차폐 장치, EMI(전자기 간섭) 장치, 발열체 및 발광봉으로 구성된 그룹에서 선택된 비-에너지 저장장치이다.
본 발명의 일부 추가 실시예에 따르면, 본 발명의 CNT-금속 제품은 장치를 외부 전기 요소에 전기적으로 연결하기 위한 종단 요소로 사용된다.
본 발명의 일부 추가 실시예에 따르면, 본 발명의 CNT-금속 제품은 많은 실제 적용에 사용될 수 있다. 한 가지 비 제한적인 예는 브레이징, 용접, 납땜 및 기타 연결 방법과 같은 CNT-금속 접합 기술에 대한 것이다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전력 공급 장치가 제공되며, 상기 장치는 아래를 포함한다:
a. 1-20 mohm/sq 범위의 저항률을 갖는 제 1 집전기로서,
i. 하나 이상의 탄소 나노튜브(CNT) 매트; 및
ii. 제 1 탭과 전기적으로 연결된 제 1 금속을 포함하고, 적어도 하나의 탄소 나노튜브 매트에 결합된 고전도성 금속 요소를 포함하는 제1 집전기;
b. 제 2 탭과 전기적으로 연결된 제 2 금속을 포함하는 금속 전도 요소를 포함하는 제 2 집전기;
c. 상기 제 1 집전기와 제 2 집전기 사이를 분리하는 세퍼레이터 물질;
d. 상기 제 1 집전기와 제 2 집전기 사이에 배치된 전해액; 및
e. 제 1 집전기, 제 2 집전기, 세퍼레이터 및 전해액을 수용하도록 구성된 하우징.
본 발명은 다른 전력 공급 장치를 제공하는데, 이 장치는 아래를 포함한다:
a. 1-20 mohm/sq 범위의 저항률을 갖는 제 1 집전기로서,
i. 하나 이상의 탄소 나노튜브(CNT) 매트와,
ii. 적어도 하나의 탄소 나노튜브(CNT) 매트에 결합된 고전도성 금속요소로서, 제1 탭과 전기적 연결되고 4 g/㎤ 이상의 밀도의 제1 금속을 포함하는 고전도성 금속 요소와,
iii. 제 활성물질을 포함하는 제1 집전기;
b. 제 2 탭과 전기적으로 연결된 제2 금속을 포함한 금속 전도 요소와, 제2 활성물질을 포함하는 제 2 집전기;
c. 제 1 집전기와 제 2 집전기 사이에 배치된 세퍼레이터 물질;
d. 제 1 집전기와 제2 집전기 사이에 배치된 전해액; 및
e. 제 1 집전기, 제 2 집전기, 세퍼레이터 물질 및 전해핵을 수용하는 하우징.
본 발명은 또다른 전력 공급 장치를 제공하는데, 이 장치는 아래를 포함한다:
a. 1-20 mohm/sq 범위의 저항률을 갖는 제 1 집전기로서,
i. 하나 이상의 탄소 나노튜브(CNT) 매트와,
ii. 적어도 하나의 탄소 나노튜브(CNT) 매트에 결합된 고전도성 금속요소로서, 제1 탭과 전기적 연결되고 4 g/㎤ 이상의 밀도의 제1 금속을 포함하는 고전도성 금속 요소를 포함하는 제1 집전기;
b. 제 2 탭과 전기적으로 연결되고 4 g/㎤ 이상의 밀도의 제2 금속을 포함한 금속 전도 요소를 포함하는 제 2 집전기;
c. 제 1 집전기와 제 2 집전기 사이에 배치된 세퍼레이터 물질;
d. 제 1 집전기와 제2 집전기 사이에 배치된 전해액; 및
e. 제 1 집전기, 제 2 집전기, 세퍼레이터 물질 및 전해핵을 수용하는 하우징.
또, 제1 집전기는 단위면적당 평균중량이 1~4 mg/㎠일 수 있다.
또, 고전도성 금속요소가 구리를 포함하고, 니켈도 포함할 수도 있다. LIB 이외의 다른 장치나 배터리 유형에서, 양극이 다른 금속으로 이루어질 수도 있다.
또, 구리가 천공 호일 형태일 수 있다.
또, CNT 매트가 2개일 수 있다.
또, 고전도성 금속요소가 2개의 CNT 매트 사이에 배치되거나 하나의 CNT 미트에만 결합될 수 있다.
또, 본 발명의 장치가 적어도 하나의 매트에 코팅/도포된 활성물질을 더 포함할 수 있다.
또, 본 발명의 장치가 배터리, 커패시터 및 연료전지 중에서 선택된 전원일 수 있다.
배터리는 리튬이온 배터리일 수 있다.
제2 집전기는 알루미늄, 흑연, 실리콘, 인, 리튬, 산화물 및 이들의 조합 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 장치가 50~150 Wh/kg 또는 800 Wh/kg 이하의 단위중량당 에너지를 제공할 수 있다.
또, 본 발명의 장치가 200 W/kg 내지 5 kW/kg의 단위중량당 전력을 공급할 수도 있다.
본 발명은 다른 전력 공급 장치를 제공할 수 있고, 이 장치는 아래를 포함한다:
a. 1-20 mohm/sq 범위의 저항률을 갖는 제 1 집전기로서,
i. 하나 이상의 탄소 나노튜브(CNT) 매트나 기판과,
ii. 적어도 하나의 탄소 나노튜브(CNT) 매트에 결합된 고전도성 금속요소로서, 제1 탭과 전기적 연결되고 4 g/㎤ 이상의 밀도의 제1 금속을 포함하는 고전도성 금속 요소를 포함하는 제1 집전기;
b. 1-20 mohm/sq 범위의 저항률을 갖는 제 2 집전기로서,
i. 하나 이상의 탄소 나노튜브(CNT) 매트나 기판과,
ii. 적어도 하나의 탄소 나노튜브(CNT) 매트에 결합된 고전도성 금속요소로서, 제1 탭과 전기적 연결되고 4 g/㎤ 이상의 밀도의 제2 금속을 포함하는 고전도성 금속 요소를 포함하는 제2 집전기;;
c. 제 1 집전기와 제 2 집전기 사이에 배치된 세퍼레이터 물질;
d. 제 1 집전기와 제2 집전기 사이에 배치된 전해액; 및
e. 제 1 집전기, 제 2 집전기, 세퍼레이터 물질 및 전해핵을 수용하는 하우징.
본 발명은 또한 전력 및 에너지 중 적어도 하나를 제공하기 위한 장치를 제조하는 방법으로서:
a. 1-20 mohm/sq 범위의 저항률을 갖는 제 1 집전기를 형성하되,
1. 고전도성 금속요소를 갖는 적어도 하나의 탄소 나노튜브(CNT) 매트를 제1 탭에 전기적으로 연결되게 결합하고,
2. 적어도 하나의 탄소 나노튜브(CNT) 매트를 활성물질로 코팅/도포하는 단계;
b. 제 2 탭과 전기적으로 연결된 금속 전도 요소를 포함하는 제 2 집전기를 준비하고 상기 제 2 집전기를 활성물질로 코팅하는 단계 :
c. 상기 제 1 집전기와 상기 제 2 집전기 사이에 세퍼레이터를 배치하는 단계;
d. 상기 제 1 집전기, 상기 제 2 집전기 및 상기 세퍼레이터를 하우징에 도입하는 단계; 및
e. 상기 제 1 집전기와 상기 제 2 집전기 사이에 전해액을 첨가하여 상기 장치를 형성하는 단계.
, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 형성 단계는 샌드위치 방식 및 물리적 기상 증착(PVD) 방식으로부터 선택된다.
추가로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 결합 단계는 물리적 방법, 화학적 방법, 접착, 전기적 방법, 비-전기적 방법과 같은 방법을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 장치는 전기화학 합성 셀, 전자 차폐 유닛, 발열체 및 피뢰침으로 구성된 그룹에서 선택된 비-에너지 저장장치이다.
중요하게는, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 방법은 탄소 나노튜브(CNT) 매트의 공극률이나 습윤성 중의 적어도 하나를 낮추거나 소유성(발유성; oleophobicity)을 높이도록 탄소 나노튜브를 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 방법은 적어도 하나의 탄소 나노튜브(CNT) 매트를 폴리머 함침 처리하여 물성을 개선하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 방법은 적어도 하나의 탄소 나노튜브(CNT) 매트를 폴리머 함침으로 처리하여 탄소 나노튜브 매트를 전기적으로 절연시키는 단계를 추가로 포함한다.
추가로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 처리 단계는 적어도 하나의 탄소 나노튜브(CNT) 매트 또는 기판을 공기 중에서나 다른 적당한 산화환경에서 적어도 30 분 동안 300℃ 이상, 또는 적어도 400℃의 온도로 가열하는 것을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 공기 중 가열 단계는 적어도 하나의 탄소 나노튜브(CNT) 매트를 약 450 ℃의 온도로 약 1 시간 동안 가열하는 것을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 고전도성 금속 요소는 2 개의 탄소 나노튜브(CNT) 매트 사이에 배치된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 집전기 및 적어도 하나의 전도성 금속 요소를 포함하는 전자기 간섭(EMI) 차폐 장치가 제공된다.
도 1A는 종래 에너지셀의 구성 요소들의 전형적인 중량 분포 그래프;
도 1B는 종래 파워셀의 구성 요소들의 전형적인 중량 분포 그래프;
도 2A는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 5A의 탄소 나노튜브-구리 복합 샌드위치 집전기를 제조하는 방법의 순서도;
도 2B는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 5b의 탄소 나노튜브-구리 PVD-코팅 집전기를 제조하는 방법의 순서도;
도 3A는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 개략도;
도 3B는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 나노튜브(CNT) 매트의 이미지;
도 4A~D는 탄소 나노튜브(CNT) 매트의 개략도로서, (a) CNT 매트(프리스틴); (b) 3D 폴리머 함침이 있는 CNT 매트; (c) 폴리머로 함침된 스킨이 있는 CNT 매트; 및 (d) 본 발명의 실시예에 따른 스킨이 있는 CNT 매트;
도 5A~B는 본 발명의 실시예에 따른, 집전기를 제조하기 위한 두 가지 방법의 단순화된 개략도;
도 6A는 본 발명의 실시예에 따른, 집전기의 천공된 얇은 구리호일의 이미지;
도 6B는 본 발명의 일 실시예에 따라 전극의 천공된 구리호일에 결합된 CNT 매트의 스트립을 보여주는 도면;
도 6C는 본 발명의 일 실시예에 따라 전극의 음극 활성물질로 코팅된 도 7의 스트립을 보여주는 도면;
도 7은 본 발명의 실시예에 따라도 6B의 스트립으로부터 절단된 탭을 각각 갖는 다수의 애노드를 보여주는 도면;
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전극의 PVD-구리 코팅 CNT 매트를 도시한 도면;
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리스틴 CNT 및 Cu 호일 기반 집전기와 비교하여 폴리머 집전기로 함침된 CNT의 형성 용량의 그래프;
도 10A는 본 발명의 일 실시예에 따라 전극의 한면을 따라 구리호일 종단 홀드에 초음파 용접되는 적어도 하나의 CNT 요소를 갖는 장치의 단순화된 개략도;
도 10B는 본 발명의 일 실시예에 따라 구리호일 종단 레그에 초음파 용접되는 적어도 하나의 CNT 요소를 갖는 장치의 단순화된 개략도;
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 표준 종래 장치의 것과 비교한 본 발명의 EMI 차폐 장치의 전자기 주파수의 함수로서 전자기장의 감쇠를 비교한 그래프.
상세한 설명에서, 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 수많은 특정 세부 사항이 설명된다. 그러나, 이들은 특정 실시예이고 본 발명이 본 명세서에 기술되고 청구된 본 발명의 특징을 구현하는 다른 방식으로도 실시될 수 있다는 것을 당업자는 이해할 것이다.
본 발명의 일부 추가 실시 양태에서, CNT 기반 기재를 포함하는 개선된 제품이 제공된다.
본 발명의 일부 추가 실시 양태에서, CNT 기반 기재를 포함하는 중량 감소 제품이 제공된다.
본 발명의 일부 추가 실시 양태에서, 전류 수집을 위한 CNT 기반 기재를 포함하는 개선된 제품이 제공된다.
본 발명의 일부 추가 실시 양태에서, 전류 수집을 위한 CNT 기반 기재를 포함하는 중량 감소 제품이 제공된다.
본 발명의 일부 추가 실시 양태에서, CNT 기반 기재를 포함하는 제품을 생산하기 위한 개선된 방법이 제공된다.
본 발명은 배터리, 커패시터 및 연료전지와 같은 전원과, 전기화학 합성전지, 전자 차폐 장치, 가열요소 및 피뢰침과 같은 비-에너지 저장장치에 적용할 수 있는 CNT(탄소 나노튜브) 매트 기반의 새로운 집전기를 개시한다. 예를 들어, 배터리 시스템에서 새로운 집전기는 기존 시스템에 비해 무게와 비용을 절감하며 무게 절감은 단위 중량당 에너지를 직접적으로 향상시킨다.
1차 및/또는 충전식 리튬이온 배터리(LIB 또는 LB)를 참조하여 본 발명을 설명하되, 다른 배터리/전극 유형 또는 위에서 언급된 임의의 장치에도 본 발명을 적용할 수 있다.일반적인 리튬이온 전지는 리튬 음극(양극)과 산화물이나 인산염 양극(음극)으로 구성된다. 음극(양극)은 흑연, 실리콘 또는 기타 인터칼레이션계 리튬 활성물질 또는 금속 리튬으로 구성되며 구리 집전기인 호일이나 메쉬에 지지된다. 양극(음극)은일반적으로 알루미늄 집전기에 지지된 산화물이나 인산염 기반 활성물질로 구성된다.
활성물질이란 화학에너지와 방전을 제공하는 집전기에 증착된 물질을 의미한다(다른 물질은 불활성임).
양극의 경우, 활성물질은 리튬, 흑연, Si 또는 기타 양극 물질일 수 있다. 양극 활성물질은 금속산화물이나 인산염일 수 있다.
음극과 양극은 세퍼레이터로 감싸고, 젤리롤이나 스택으로 감거나 겹쳐서 예를 들어 원통형, 프리즘형 또는 파우치형 용기에 삽입된다.일반적으로 전극은 외부 접촉을 위해 탭이 있으며, 전해질이 셀에 추가되고 전기화학적인 형성이 이루어진 다음, 셀이 밀봉된다.
셀은 에너지나 전력에 최적화되어 있으며 집전기의 전류 인출 기능이 가장 중요하다. 예를 들어 리튬-인산설 화학을 이용한 전기자동차/하이브리드 응용 분야의 경우, 에너지셀은 단위 중량당 약 l50Wh/kg의 높은 에너지와 200W/kg의 단위 중량당 전력을 갖는다.
대조적으로, 이런 유형의 동일한 화학구조를 갖는 파워셀은 전력 수준이 최대 5kW/kg이지만 단위 중량당 에너지는 50Wh/kg에 불과한다. 실제로 이런 유형의 에너지셀의 활성물질은 이를 지지하는 호일 위의 두꺼운 층인 반면, 파워셀의 활성물질은 호일 위의 얇은 층인 경향이 있다. 도면에, 에너지셀과 파워셀에 대한 중량 분석이 나와 있다.
도 1A는 종래의 에너지셀의 구성 요소들의 중량분포도이다. 에너지셀에서 구리(양극) 집전기는 셀 무게의 7%만을 차지하며 이는 허용 가능한 수치이다.
도 1B는 종래의 파워셀의 구성 요소들의 중량분포도이다. 보다시피 구리 집전기(양극)의 무게는 셀 무게의 최대 23%로 과도하게 높은 수치이며 제품 비용에도 영향을 미친다. 8-20 미크론의 구리 집전기 두께는 종래에서일반적이다.
도 2A는 본 발명의 일 실시예에 따른,도 5A의 탄소 나노튜브-구리 복합 샌드위치 집전기를 제조하는 방법의 순서도(200)이다.
탄소-나노튜브(CNT) 매트를 제조하는 단계(202)에서, 여러 가스 성분이 반응기에 주입된다. 반응기는 900-1200 ℃의 온도 범위의 용광로 내부에 있다. 세라믹 튜브 반응기의 압력 범위는 0.5~1 bar 게이지이다. 기체 성분은 상기 조건에서 기체상태인 탄소 공급원을 포함하고, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 포화/불포화 탄화수소 및 이들의 조합일 수 있다. 다른 기체 성분은 페로센과 같은 촉매나 촉매 전구체이다. 헬륨, 수소, 질소 및 이들의 조합과 같은 캐리어 가스가일반적으로 사용된다. 경우에 따라, 이 공정을 부유 촉매 CVD(화학기상증착) 공정이라고 정의된다.
촉매는 가스에서 탄소 원자를 추출할 때 활성화 에너지를 낮추고 탄소 나노튜브는 나노 입자 형태일 수 있는 촉매 위에 핵을 형성하기 시작한다. 관형 반응기로 더 들어가면, 반응기에서 나오는 에어로젤과 같은 물질의 형태로 임계 질량이 형성될 때까지 CNT가 계속 늘어난다. 에어로젤과 같은 물질은 좌우로 움직이는 회전 드럼에 수집된다. 회전 드럼의 회전 속도와 기타 공정 조건 및 기간이 탄소 나노튜브 매트의 최종 두께와 특성을 결정한다. CNT 매트의 일반적인 두께 범위는 10-150 미크론이다.
폴리머로 CNT 매트를 함침하는 단계(204)에서, 적어도 하나의 열가소성 유기 폴리머가 사용된다. 이런 폴리머로 나트륨 카르복시메틸 셀룰로스(NaCMC), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), PVA, PVP 및 이들의 조합이 있지만, 이에한정되지 않는다.
함침 단계는 폴리머 침착, 폴리머 딥-코팅, CNT 매트에서의 중합, 폴리머 형성 또는 당업계에 공지된 임의의 다른 방법과 같은 공지의 공정으로 수행될 수 있다. 함침 단계에서일반적으로 다른 1-50 미크론, 3-30 미크론 또는 4-15 미크론 폴리머를 증착한다. 폴리머는 CNT의 인장 강도를 향상시킨다(아래 표 4 참조).
천공된 구리호일을 준비하는 단계(206)에서, 5-30 미크론, 6-25 미크론 또는 8-20 미크론 범위의 두께의 구리호일이 얻어진다. 천공은일반적으로 원형이다. 천공은 펀칭, 레이저 절단, 화학적 또는 물리적 에칭 등의 공지의 방법으로 형성될 수 있다. 제거된 면적의 비율은일반적으로 10-90 %, 20-80 %, 30-70 % 또는 40-60 %이다. 천공이 직사각형, 정사각형, 삼각형, 불규칙 및 이들의 조합과 같은 다른 모양이나 형태일 수도 있다. 어떤 경우에는 천공된 구리호일의 하나 이상의 테두리에 탭으로 사용할 목적 등으로 구멍이 없을 수도 있다(도 6A 참조).
2 개의 CNT-폴리머 매트와 그 사이에 천공된 구리호일을 배치한 샌드위치를 형성하는 단계(208)에서, 천공된 구리호일은 2 개의 CNT-폴리머 매트 사이에 배치되며, 구리호일의 테두리/여백(606, 608)은 CNT 폴리머 매트의 덮개 너머로 돌출되어 있다(도 5A, 6A 참조). 이들 층은 당 업계에 공지된 임의의 적절한 수단에 의해 압착, 결합, 접착될 수 있다.
도 2B는 도 5B의 탄소 나노튜브-구리 PVD-코팅 집전기를 제조하는 방법(250)의 주요 단계들의 순서도이다.
탄소 나노튜브(CNT) 매트를 제조하는 단계(252)에서, 여러 가스 성분들이 반응기에 주입된다. 반응기는 900-1200℃의 온도 범위의 용광로 내부에 있다. 세라믹 튜브 반응기의 압력 범위는 0.5~1 bar 게이지이다. 기체 성분은 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 포화 및 불포화 탄화수소 및 이들의 조합 등으로 상기 조건에서 기체상태인 탄소 공급원을 포함한다. 다른 기체 성분은 페로센과 같은 촉매나 촉매 전구체이다. 헬륨, 수소, 질소 및 이들의 조합과 같은 캐리어 가스가 일반적으로 사용된다. 경우에 따라 이 공정을 부유 촉매 CVD(화학기상증착) 공정이라고도한다.
촉매는 가스에서 탄소 원자를 추출할 때 활성화 에너지를 낮추고, 탄소 나노튜브는 촉매 위에 나노 입자 형태일 수 있는 핵을 형성하기 시작한다. 관형 반응기로 더 들어가면서 CNT가 길어지고, 반응기를 빠져 나가는 에어로젤과 같은 물질의 형태로 임계 질량이 형성될 때까지 계속 길어진다. 에어로젤과 같은 물질은 좌우로 움직이는 회전 드럼에 수집된다. 회전 드럼의 회전 속도와 기타 공정 조건 및 기간은 탄소 나노튜브 매트의 최종 두께와 특성을 결정한다. CNT 매트의 일반적인 두께 범위는 10-150 미크론이다.
폴리머로 CNT 매트를 함침하는 단계(254)에서, 적어도 하나의 열가소성 유기 폴리머가 사용된다. 폴리머로는 나트륨 카르복시메틸 셀룰로스(NaCMC), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), PVA, PVP 및 이들의 조합을 사용할 수 있다.
함침 단계는 폴리머 침착, 폴리머 딥-코팅, CNT 매트에서의 중합, 폴리머 형성 또는 당 업계에 공지된 임의의 다른 방법으로 수행될 수 있다. 함침 단계에서 일반적으로 다른 1-50 미크론, 3-30 미크론 또는 4-15 미크론 폴리머를 증착한다. 폴리머는 CNT의 인장 강도를 향상시킨다(아래 표 4 참조).
CNT-폴리머 매트의 금속화 단계(256)에서, PVD, CVD, 전해코팅, 무전해코팅과 같은 당 업계에 알려진 방법으로 CNT 매트는 양쪽면이나한쪽면에 구리 증착을한다. 증착된 구리의 두께는 일반적으로 10nm ~ 50 미크론, 30nm ~ 30 미크론, 40nm ~ 15 미크론, 또는 100nm ~ 10 미크론이다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 전해질과 CNT 섬유의 높은 표면영역 사이의 기생 반응을 낮추거나 없애기 위해 CNT 매트에 폴리머가 함침된다.
금속 코팅/도포 전 CNT에 폴리머 도포 :
1. 함침, 단계적 중합, 딥 코팅, 레이-업 등 여러 가지 방법으로 폴리머 도포를 할 수 있다. 이런 응용 기술의 목표는 CNT 매트와 코팅된 금속 사이를 전기절연하여, 예를 들어 전해질 감소를 포함해 배터리 작동 중의 기생 반응을 줄이는 데 있다.
다음 개발 단계는 두 가지 방식으로 수행할 수 있다:
(a) (금속화 전에) 폴리머를 3D CNT 매트에 함침하여 전해질 침투와 CNT와의 접촉을 제거.
(b) CNT 외부 표면에 "완벽한" 고분자 "스킨" 형성. 이 스킨은 스킨에 증착된 금속층과 CNT 사이의 전기적 접촉을 제거해야한다. 이 경우 전해질은 CNT 매트에 침투하지만 CNT는 전기적으로 절연되어 있기 때문에 CNT에서 전해질의 환원 과정이 없다. 이들 방법 둘다 도 4A-4D에 개략적으로 도시되어 있다.
이런 순서도와 도면들은 예를 든 것일 뿐이고, 일부 단계들은 바뀔 수 있다. 일부 단계가 생략될 수도 있다. 순서도(2A, 2B)의 일부나 전부가 다양하게 조합될 수도 있다.
이제 도 3A의 전극(300)에 대해 설명한다.
본 발명자들은 미국특허 7,323,157의 주제인 CNT 직포나 부직포 매트 섬유 응집체(302)가 개선된 음극 집전기(양극)(300)의 기초임을 발견했다. CNT 매트는 견고하고 독립적이며, 직경 5-7nm, 길이 최소 수백 미크론의 인터로킹 얇은 CNT 섬유 응집체를 포함하고, 이런 응집체는 바인더 재료 없이 가없는 고온 연속 웹 공정으로 생산된다. 바인더 재료의 부족은 순도와 전기화학적 안정성을 보장하는데 중요한다. 매트 두께는 일반적으로 10-20 미크론, 밀도는 5-10gr/m, 공극률은 75%이다. 두께와 공극률은 공정 조건에 따라 조정 가능하다.
2 개의 CNT 매트(302,306) 사이에 전극 기판 집전기(304)가 배치된다.
도 3B는 본 발명의 실시예에 따른 탄소 나노튜브(CNT) 매트(304)의 이미지(350)이다.
그러나 전지의 전류 전압 특성을 구축하고 테스트한 실험에 따르면, 음극 활성물질을 지지하는데 사용될 경우 CNT 매트 집전기는 전류인출 성능을 고려했을 때 전기 저항이 너무 높아 표준 구리호일 집전기와 경쟁할 수 없음이 밝혀졌다. 수명이 아주 긴 방전 셀(저속 셀)이나 전자 차폐와 같은 일부 응용 분야의 경우 CNT 매트만으로 충분할 수 있다(높은 저항 값).
금속 접촉에 대한 점용접이나 초음파 용접과 같은 일반적이고 편리한 기술은 CNT 단독과는 작용하지 않아 매트에 탭을 두는 기술적인 문제도 있다.
이제 탄소 나노튜브(CNT) 매트의 단순화된 개략도인 4A-4D에 대해 설명하는데: (a) 폴리머가 없는 CNT 매트(프리스틴)(410);(b) 3D 폴리머로 함침된(스킨 없음) CNT 매트(420);(c) 스킨(432)이 있고 3D 폴리머로 함침된 CNT 매트(430), (d) 폴리머 스킨(442)만 갖는 CNT 매트(440)이다.
CNT에 폴리머를 함침하면 CNT-폴리머 복합재가 형성되어 CNT 매트를 다루기 쉽고 CNT C.C의 인장 강도를 높일 수 있다. 함침 후 CNT-복합재에 Cu 박막 코팅을한다. 코팅은 PVD, 무전해코팅 또는 전해 구리 증착을 통해 할 수 있다. 다른 옵션은 CNT-천공 Cu 호일-CNT 샌드위치를 만드는 것이다.
공정 조건과 원자재에 따라 도 4B-4D와 같은 제품이 얻어진다. 폴리머의 분자량을 높이거나 폴리머의 다른 특성을 변경하면 경우에 따라 물리적/화학적 제한으로 인해 CNT 매트에 들어가는 것을 방지하여 폴리머 스킨이있는 CNT 매트가 형성되는 것을 방지할 수 있다(그림 4D). 폴리머가 3D 형태로 CNT 매트를 관통하지 않고.
표 1은 본 발명과 종래의 에너지셀과 파워셀의 비교를 보여준다. 본 발명에서는 종래의 구리 전극(양극)을 탄소-나노튜브-구리 전극으로 대체한다.
A
구리 C.C. 중량* %(종래) 		B
본 발명 중량* %		 A에서 B로 대체하여 비에너지 증가
LIB 에너지셀 6%~10% 1%~2% 5%~10%
LIB 파워셀 15%~30% 5%~10% 10%~30%
표 1. 본 발명과 종래의 에너지셀과 파워셀의 비교
* 중량은 모든 셀요소 포함, 셀 케이스/파우치는 배제
본 발명은 경량의 경제적인 집전기를 제공하고, 종래의 음극(구리) 집전기를 대체한다. 비용 효율성이 의심되기는 해도 중량 감소로 인한 이득은 분명하다.
본 발명의 전극은 단위 중량당 에너지 출력의 실질적인 증가 및 개선과 함께 종래에 비해 유지되는 전류인출 특성을 제공한다. 이것은 특히 파워셀과 관련이 있다.
사용된 집전기가 구리(밀도 8.9 gm/cc)에 비해 경량 알루미늄(밀도 2.7 gm/cc, 대체재를 제안하기 어려움)이기 때문에 이 문제는 양극과 관련이 적다. 천공된 알루미늄 호일이나 알루미늄-PVD를 통해 여전히 동일한 원리가 적용될 수 있다.
도 5A~B는 집전기를 제조하는 본 발명의 2가지 방법(500,550)의 개략도이다.
본 발명자들은 두 가지 주요 전략을 이용해 전술한 한계를 극복했다.
첫 번째 방식(샌드위치 방식, 500)에서, 2개의 CNT 매트(502,506) 사이에 얇고(8-20 미크론) 천공된 구리호일(504)을 결합해 집전기를 구성한다. 구리호일은 직조되거나 확장된 구리 메쉬와 같은 다른 지지대에 단단하고 경제적이다. 호일의 가장자리는 탭 영역을 제공하기 위해 천공되지 않고 CNT 매트와 활성물질이 없는 상태로 유지된다. CNT 매트는 물리적, 화학적, 전기적, 비전기적 방법 및 이들의 조합 중에서 선택된 방법으로 금속과 결합한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 먼저 구리호일을 산으로 에칭해 CNT 매트를 구리호일에 결합하고, 두번째로 CNT와 호일 사이의 기타 액체 강화 반데발스 힘이나 IPA(이소프로필 알코올)을 사용해 CNT와 호일을 물리적으로 접촉시켜 천공 구리호일의 양쪽면이나 한쪽면에 결합한다. 이 지지체 위로, 양면에 슬러리 도포를 하여 활성물질을 코팅한다. 집전기에 CNT 매트를 하나만 사용할 경우, 전극의 양쪽면에 적절한 용량 균형을 유지하기 위해 각 면의 활성물질 부하를 조정해야 한다.
두번째 방식(PVD 방법, 550)에서, CNT 매트(554) 양면에 얇은(일반적으로 0.1-1 미크론) 구리층(552,556)이 PVD(물리적기상증착)로 코팅된다. 활성물질 코팅은 평상시와 같고, 초음파 용접, 레이저 용접 등과 같은 공지의 방법으로 간단히 탭이 이루어진다. 일례로, 용접부(560)를 갖는 탭 접촉부(558)의 초음파 용접이 PVD 구리 층에 직접 이루어진다.
PVD 방법은 당 업계에 공지된 CNT 매트의 임의의 적합한 형태의 금속화를 포함할 수 있다. 공정이 다양할 수 있으므로, 일부 셀 유형의 경우 CNT 매트의 한면에만 구리가 있을 수 있다. 마찬가지로, PVD를 통한 구리증착 대신, 전기도금이나 무전해 도금, 마그네톤 스퍼터링, 전자빔 코팅, 씨딩, 물리적 증착 또는 예를 들어 열 감소 처리에 의한 화학적 증착이 사용될 수도 있다. 다른 배터리 유형이나 장치 유형의 경우, 구리 이외의 금속(예 : 니켈)이 CNT 매트에 증착될 수도 있다. 2가지 방법이 도 5에 개략적으로 도시되어 있다.
도 6A는 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 천공(604)을 갖는, 전극(600)의 천공된 얇은 구리호일(602)을 보여준다. 천공된 얇은 구리호일(8-20 미크론 두께)은 예를 들어 도 5의 샌드위치 방식에 사용된다. 다양한 천공 디자인(예를 들어 천공의 모양과 커버리지 비율을 바꿔 전도율은 최적화하면서도 순 호일중량을 줄임)이 가능하다.
도 6에서, 천공 영역(610)의 각 측면(605,607)에는 탭을 마련하기 위해 대응하는 미천공 테두리(606,608)가 제공된다. CNT 매트(502,506)와 활성물질은 천공 영역을 덮도록 위치한다.
도 6B는 본 발명의 일 실시예에 따라 전극(630)의 천공된 구리호일(634)에 CNT 매트(632) 스트립이 결합된 상태를 보여준다.
도 6C는 도 6B의 스트립이 흑연과 같은 전극(650)의 음극 활성물질(652)로 코팅된 것을 보여준다.
도 7은 도 6C의 스트립에서 절단된 다수의 양극(702,704,706,708,710,712)에 대응 탭(703,705,707,709,711,713)이 달린 이미지(700)를 보여준다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전극(800)의 PVD-구리코팅 CNT 매트(802)를 보여준다. 도 5의 PVD 방법(550)과 관련하여, PVD 구리코팅 CNT 매트(802)의 사진이도 8이다. PVD 집전기(800)는 활성물질로 코팅되고, PVD 구리 표면에 구리 스트립을 직접 용접하여 태빙을 할 수 있다(도 10 참조).
샘플 두께*
[μm]		 단위면적당 중량 [mg/cm2] 중량이득 [%] 면저항**
[mΩ/sq.]
CNT (pristine) 10* 0.35 96%/95% 1,800-2,200
CNT (pristine) 20* 0.7 92%/90% 700-900
Sandwich (2-side)
CNT/Cu/CNT
CNT - 10μm; Cu - 8μm
60$ perforated		 12 3.6 60%/49% 3-5
Sandwich (1-side)
CNT/Cu
CNT - 10μm; Cu - 8μm
60$ perforated		 10 3.2 64%/55% 3-5
PVD coating
Cu/CNT/Cu
CNT - 20μm
Cu - 0.4μm		 12-12 1.4 84%/80% 20
PVD coating
Cu/CNT/Cu
CNT - 10μm
Cu - 0.4μm		 5-7 1.1 88%/85% 20
Cu foil 10 8.9 0 4(1.7 Theor.)
Cu foil 8 7.1 0 4
표 2- 실험실의 면저항 측정치 - CNT-Cu(천공)-CNT 샌드위치 & PVD-CNT
* CNT 다공률 75~80 %, 실제 두께는 측정법에 따라 다름.
** 실험결과는 기판에 대한 2개 단자용접 포함. 10미크론 구리의 면저항은 1.7 mohm/sq.
도 5A의 샌드위치 방법(500)과 도 5B의 PVD 코팅 매트 방법(550)에 의거한 전극들의 저항특성을 표 2의 CNT 매트와 구리호일의 값과 비교한다.
표 2는 단자 용접(초음파)을 포함한 2 점 측정의 면저항을 제공한다. CNT 기반 매트에서는 종단이 도전이고 본 발명은 이 도전을 충족하는 기술을 제공하므로, 종단 기술과 해당 저항을 포함하는 것이 더 실용적이다.
주요 매개 변수 및 구성 세부 정보를 포함하여 다양한 집전 장치가 첫 번째 열에 나열된다. 두번째 열은 집전기의 "공칭" 두께를 미크론 단위로 제공하고 세 번째 열은 단위 면적당 중량을 mg/㎠ 단위로 제공하며 네 번째 열은 구리호일에 대한 각 집전기의 중량 증가를 제공한다. 마지막 열은 두 개의 프로브 측정에 대해 mohm/sq 단위의 면저항을 제공한다.
표 2에서 볼 수 있듯이, 10 미크론 비천공 구리는 (일반적인 리튬이온 파워셀의 성능 표준을 설정하는) 4 mohm/sq의 최저 저항률을 가지며 호일 천공율이 60% 인 경우에만 5 mohm/sq로 증가한다.
대조적으로, 10 미크론 두께의 CNT 매트 단독은 약 2,000mohm/sq의 비현실적으로 높은 면저항을 갖는다. 그러나 다양한 구성의 샌드위치 방식은 상당한 중량 절감(-60%)으로 구리 단독 성능과 동일할 수 있으며 10-20 mohms/sq에서의 PVD 방식은 비슷한 상당한 중량 절감(심지어는 더 높은 중량 절감)으로 구리 단독 성능에 도달할 가능성을 보여주고 있다.
처음에 샌드위치나 PVD 방식의 새로운 집전기로 제작된 리튬이온 전지는 일반 구리호일 집전기가 있는 표준 전지와 비교해 포메이션과 규칙적인 사이클링에서 현저한 비가역적 용량 손실을 보였다. 일반 구리호일에 비해 CNT 매트의 훨씬 큰 내부 표면적과 전해질 상호작용으로 인해 용량손실이 일어나는 것으로 나타났다. 포메이션시의 비가역적 용량은 모든 종래의 LIB에 공지되어 있다. 이 문제는 CNT 매트 내부로의 전해질 접근을 제한해 본 발명에서 해결된다(도 4A-4D 및 표 3 참조). 이는 전지 내부에 있는 유기 전해질에 의한 CNT 매트의 습윤을 낮추게 처리하여 이루어진다. 이런 처리는 공기중에서 450℃로 1시간 동안 CNT 매트를 오븐 가열하는 것을 포함한다. 유기 용매에 의한 CNT 매트의 습윤을 방지/최소화하기 위한 몇몇 다른 기술을 적용할 수도 있다.
다른 방식은 CNT계 전극의 사전 리튬화로, 셀을 전해질로 채우는 즉시 흑연과 CNT 표면에 부동태막(solid electrolyte interphase, SEI)을 순간 형성하는 것이다.
세번째 방법은 폴리머를 CNT 매트 빈공간에 함침시키는 것이다. 함침 후 함침된 폴리머를 운반하는 용매의 증발 전에 매트를 롤링하여 폴리머를 "압착"한다. 롤링/캘린더링(압출)은 세가지 기능을 갖는다:
a. CNT 매트를 얇게하기;
b. CNT 기공에 포함/함침된 폴리머의 중량 최소화; 및
c. CNT 매트의 양면 위에 얇은 폴리머 "스킨" 형성. 폴리머 "스킨"은 CNT 매트의 보다 안정적이고 쉬운 금속화 공정에서 발생한다. 또, 스킨을 형성하는 동안 금속 코팅과 CNT 섬유 사이에 전기절연이 형성된다. 이 절연은 CNT 섬유에서의 용매/전해질의 전기화학 반응을 없애는데 유용하다.
도 9는 Li; 본 발명의 일 실시예에 따른 프리스틴 CNT 집전기 및 순수 구리호일 집전기(종래)와 비교하여 폴리머 집전기가 함침된 CNT에 대한 다양한 집전기 구성의 형성 용량의 그래프이다.
폴리머로 함침된 CNT는 유망한 결과를 보여주었는데, 폴리머로 함침된 CNT는 대략 0.2 mAh/㎠의 형성 용량을 제공했다. 이는 CNT(1.2 mAh/㎠ 이하)에 비해 낮은 형성 용량이었다. 이것은 폴리머가 CNT에 함침되고 CNT 표면을 덮었음을 나타낸다. 이로 인해 CNT와 전해질 사이에 전기절연이 되고 비가역 용량이 감소한다.
고무적인 결과에도 불구하고, CNT 형성 용량의 값은 목표값인 구리(10pA/㎠)의 값과는 여전히 거리가 멀었다.
표 3과 같이 CNT-Cu 제품의 값이 Cu 호일의 종래 값과 유사하도록 프로세스 및 계측 최적화에 따라 훨씬 더 좋은 (작은) 형성 용량의 값을 구했다.
분극 사이클 1st 2nd 3rd
평균 잔류 전류
(Avg. μA/cm2 @ 10hr)
양극 조성
(처리된) 흑연/Cu C.C.(종래) 3.1 1.7 1.2
(처리된) 흑연/함침된 CNT - Cu(PVD) C.C. 6 3.3 2.1
표 3 - CNT(폴리머 기반 양극으로 함침) 및 Cu 호일 기반 양극을 갖는 전체 셀 형성 용량, 2세대
표 3에서, 3회 분극 사이클 후 함침된 CNT 기반 양극들로 구성된 전체 셀의 형성 용량이 표시되고 Cu 호일과 아주 근사한 값에 도달하여 함침된 CNT를 집전기로 실행 가능한 솔루션으로 만들고, 구리호일을 대체할 수 있다.
금속 및 폴리머 호일과 비교한 폴리머 함침 CNT 매트의 기계적 특성은 아래와 같다:
상용 Cu
호일		 열가소성
폴리머 필름		 프리스틴
CNT 매트		 함침된
CNT 매트
응력 [MPa] ~350 20-165 64 320
변형율 % ~7 10-500 15 14
10μm 두께 - 면적밀도 [mg/cm2] 8.9 1.2 0.4 1.8
표 4 - 프리스틴 CNT, 폴리머 함침 CNT 및 기타 대체품의 기계적 특성
표 4에 표시된 위의 결과는 폴리머를 CNT 매트에 함침 시키면 CNT의 강도는 높이되 변형율은 낮춘다는 것을 분명히 보여준다.
CNT의 기계적 성능을 a) Cu 호일 b) 폴리머 필름을 포함하는 가능한 대체재(표 4 참조)와 비교했을 때, 함침된 CNT는 고장에 대한 변형이 증가한 Cu 호일과 비슷한 강도를 보여주면서 경량 솔루션을 제공한다. 이는 폴리머 함침 후 CNT C.C.가 Cu 호일에서와 비슷한 힘을 가하는 롤-롤 배터리 조립 공정을 견딜 수 있으며, 최첨단(SOTA) 리튬이온 배터리(LIB)에 비해 증가된 에너지 밀도를 제공함을 나타낸다. 또, 함침된 CNT를 폴리머 필름과 비교했을 때, 폴리머가 경량 솔루션을 제공하더라도 매우 약하고(즉, 고장에 대한 상대적으로 낮은 응력을 나타냄) 배터리의 롤 조립공정시 핸들링 문제가 있음을 알 수 있다.
도 10A는 본 발명의 일 실시예에 따라 적어도 하나의 CNT 요소(1002)가 구리호일 레그에 초음파 용접된 장치(1000)의 개략도이다.
이런 태빙 절차에 수반되는 공정 단계는 도 10a에 설명된 형상에 따라 구리호일 종단 홀드(1006)를 준비하는 단계(이에 한정되지 않음) 및 종단 레그(1004)를 절단하는 단계를 포함한다. 또, 종단 홀드는 Cu PVD CNT 집전기(CNT 요소)(1002) 옆에 밀접하게 배치되고 종단 홀드를 따른 용접(1008)으로 초음파 용접된다. 이런 유형의 종단(태빙)은 높은 전류를 인출할 수 있는 능력과 낮은 전기 접촉 저항을 제공한다.
도 10B는 본 발명의 일 실시예에 따라 적어도 하나의 CNT 요소(1030)가 구리호일 레그(1034)에 초음파 용접된 장치의 개략도이다.
이런 태빙 절차에 포함된 공정 단계에는 Cu PVD CNT 집전기를 형상(1032)(도 5B의550)으로 절단한 다음, Cu 호일에서 종단 레그(1034)를 절단하고 마지막으로 두 부품을 용접(1036)을 통해 초음파 용접하는 것이 포함된다.
이런 유형의 종단(태빙)은 (도 10A의 장치에 비해) 높은 접촉 저항을 제공하므로 더 낮은 전류 인출을 요구하는 경우에 더 적합한다. 그러나, 이런 유형의 종단은 상당한 중량을 절감하여 장치의 더 높은 비에너지를 유지한다.
본 발명의 CNT-금속 제품은 많은 실제 적용에 사용될 수 있음을 알아야 한다. 일례로 브레이징, 용접, 납땜 및 기타 연결 방법과 같은 CNT-금속 접합 기술에 사용할 수 있다.
도 11은 전자기 주파수의 함수로서 EMI 차폐 재료의 감쇠를 나타내는 그래프이다. 이 그래프는 표준 상용 금속화 종래 장치의 감쇠와 비교한 본 발명의 EMI 차폐 장치의 감쇠를 보여준다.
도 11에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 구리 코팅 CNT 장치는 전체 주파수 범위에 걸쳐 낮은 감쇠를 나타내는 상업적인 종래 장치에 비해 전체 주파수 범위에 걸쳐 75dB의 감쇠를 보여준다. 또, 구리 코팅 CNT 장치는 70gr/sqm(gsm) 이상으로 더 무거운 종래의 상용 장치에 비해 면적밀도가 19gr/sqm(gsm)에 불과하다. 성능과 무게의 두 가지 속성을 결합할 때, 구리 코팅 CNT 장치는 무게 부분에서 종래의 장치에 비해 우수한 성능을 제공한다.

Claims (28)

  1. 하나 이상의 탄소 나노튜브(CNT) 기반 기판을 포함하는 장치로서, 1-20 mohm/sq 범위의 저항률을 갖는 제 1 집전기를 포함하고, 상기 제 1 집전기는 하나 이상의 폴리머 함침 탄소 나노튜브( 1 내지 4 mg/cm 범위의 면적당 평균 중량 및 200 MPa 초과의 인장 강도의 CNT) 기판, 및 상기 적어도 하나의 기판에 부착된 전도성 금속 요소를 포함하는 장치.
  2. 제 1 항에있어서, 전기화학적 합성 셀, EMI(전자기 간섭) 차폐 장치 또는 장치, 가열 요소 및 낙뢰 보호 요소로 구성된 그룹에서 선택되는 장치.
  3. 전력 및 에너지 중 적어도 하나를 제공하기 위한 적어도 하나의 탄소 나노튜브(CNT) 기반 기판을 포함하는 장치로서,
    a. 1-20 mohm/sq 범위의 저항률을 갖는 제 1 집전기로서, 상기 제 1 집전기는,
    i. 하나 이상의 폴리머 함침 탄소 나노튜브(CNT) 매트 또는 기판; 및
    ii. 제 1 탭과 전기적으로 연결되고, 상기 적어도 하나의 탄소 나노튜브 매트에 결합된 고전도성 금속 요소;를 포함하는 제1 집전기;
    b. 제 2 탭과 전기적으로 연결된 금속 전도 요소를 포함하는 제 2 집전기;
    c. 상기 제 1 및 제 2 집전기 사이를 분리하는 세퍼레이터;
    d. 상기 제 1 집전기와 상기 제 2 집전기 사이에 배치된 전해액; 및
    e. 제 1 집전기, 제 2 집전기, 세퍼레이터 및 전해액을 수용하도록 구성된 하우징을 포함하는 장치.
  4. 제 3 항에있어서, 상기 제 1 집전기는 1-50 미크론, 3-30 미크론 또는 4-15 미크론 두께의 폴리머를 포함하는 장치.
  5. 제 3 항에있어서, 상기 고전도성 금속 요소는 구리를 포함하는 장치.
  6. 제 5 항에있어서, 상기 구리는 천공된 호일에 배치되는 장치.
  7. 제 3 항에있어서, 상기 적어도 하나의 폴리머 함침 탄소 나노튜브(CNT) 매트는 2 개의 폴리머 함침 탄소 나노튜브(CNT) 매트를 포함하는 장치.
  8. 제 7 항에있어서, 상기 고전도성 금속 요소는 상기 2 개의 폴리머 함침 탄소 나노튜브(CNT) 매트 사이에 끼워지는 장치.
  9. 제 3 항에있어서, 상기 적어도 하나의 매트 상에 코팅된 활성물질을 추가로 포함하는 장치.
  10. 제 3 항에있어서, 상기 장치는 배터리, 커패시터 및 연료전지로부터 선택된 전원인 장치.
  11. 제 3 항에있어서, 상기 제 2 집전기는 알루미늄, 흑연, 실리케이트, 금속산화물, 인산염, 리튬, 산화물 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 장치.
  12. 제 3 항에있어서, 약 50 Wh/kg 내지 800 Wh/kg의 단위 중량당 에너지를 제공하도록 구성된 장치.
  13. 제 3 항에있어서, 약 200W/kg 내지 5kW/kg의 단위 중량당 전력을 제공하도록 구성된 장치.
  14. 전력 및 에너지 중 적어도 하나를 제공하기 위한 적어도 하나의 탄소 나노튜브(CNT) 기반 기판을 포함하는 장치를 제조하는 방법으로서:
    a. 1-20 mohm/sq 범위의 저항률을 갖는 제 1 집전기를 형성하되,
    i. 탄소 나노튜브(CNT) 매트 또는 기판에 하나 이상의 폴리머를 함침하여 하나 이상의 폴리머 함침 탄소 나노튜브(CNT) 매트 또는 기판을 형성함으로써 상기 폴리머 함침 CNT 매트 또는 기판의 인장 강도를 200MPa 이상으로 향상시키고;
    ii. 1 내지 4 mg/cm 범위의 면적당 평균 중량의 상기 하나 이상의 폴리머 함침 탄소 나노튜브(CNT) 매트 또는 기판을 제 1 탭과 전기적으로 연결된 고전도성 금속 요소와 결합하며;
    iii. 상기 하나 이상의 폴리머 함침 탄소 나노튜브(CNT) 매트 또는 기판을 활성물질로 코팅하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제 14 항에있어서,
    b. 제 2 탭과 전기적으로 연결된 금속 전도 요소를 포함하는 제 2 집전기를 준비하고 상기 제 2 집전기를 활성물질로 코팅하는 단계 :
    c. 상기 제 1 집전기와 상기 제 2 집전기 사이에 세퍼레이터를 배치하는 단계;
    d. 상기 제 1 집전기, 상기 제 2 집전기 및 상기 세퍼레이터를 하우징에 도입하는 단계; 및
    e. 상기 제 1 집전기와 상기 제 2 집전기 사이에 전해액을 첨가하여 상기 장치를 형성하는 단계;를 더 포함하는 방법.
  16. 제 14 항에있어서, 상기 형성 단계는 샌드위치 방식, 전해 증착, 무전해 증착 및 물리기상증착(PVD), CVD, 전기도금이나 무전해 도금, 마그네톤 스퍼터링, 전자빔 코팅, 시딩, 물리적 증착, 화학 증착, 열 감소 공정 및 이들의 조합 중에서 선택되는 방법.
  17. 제 14 항에있어서, 상기 장치는 배터리, 커패시터 및 연료전지로부터 선택된 전원인 방법.
  18. 제 17 항에있어서, 상기 배터리는 리튬이온 배터리인 방법.
  19. 제 14 항에있어서, 상기 장치는 전기화학적 합성 셀, 전자 차폐 유닛, 가열 요소 및 피뢰침으로 구성된 그룹에서 선택된 비-에너지 저장장치인 방법.
  20. 제 14 항에있어서, 상기 하나 이상의 탄소 나노튜브(CNT) 매트를 처리하여 다공성 및 이의 습윤 중 하나 이상을 감소 시키거나 이의 소유 성을 증가시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  21. 제 20 항에있어서, 상기 처리 단계는 상기 적어도 하나의 탄소 나노튜브(CNT) 매트를 적어도 30 분 동안 300 ℃ 이상의 온도로 가열하는 것을 포함하는 방법.
  22. 제 21 항에있어서, 상기 가열 단계는 약 1 시간 동안 약 450 ℃의 온도로 상기 적어도 하나의 탄소 나노튜브(CNT) 매트를 가열하는 것을 포함하는 방법.
  23. 제 14 항에있어서, 상기 고전도성 금속 요소는 2 개의 탄소 나노튜브(CNT) 매트 사이에 배치되는 방법.
  24. 제 2 항에있어서, 상기 제 1 집전기 및 구리호일을 포함하는 상기 전도성 금속 요소를 포함하는 전자기 간섭 차폐 장치.
  25. 제 1 항에있어서, 상기 하나 이상의 폴리머 함침 탄소 나노튜브(CNT) 기판은 하나 이상의 열가소성 유기 폴리머를 포함하는 장치.
  26. 제 25 항에있어서, 하나 이상의 열가소성 유기 폴리머가 나트륨 카르복시메틸 셀룰로스(NaCMC), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), PVA, PVP 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 장치.
  27. 제 14 항에있어서, 상기 적어도 하나의 폴리머 단계로 함침하는 단계는 최대 10 시간 동안 1-6 pA/cm 범위 내에서 CNT 매트 내부에 대한 전해질 접근을 제한함으로써 비가역적 용량을 감소시키는 방법.
  28. 제 14 항에있어서, 상기 고 도관 금속 요소는 구리호일 종단 홀드이고, 상기 결합 단계는 상기 구리호일 종단 홀드를 상기 적어도 하나의 폴리머 함침 탄소 나노튜브(CNT) 매트 또는 기판에 초음파 용접하는 단계를 더 포함하는 방법.
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