KR20230090896A - 신축성 리튬이온 커패시터 및 이의 제조방법 - Google Patents

신축성 리튬이온 커패시터 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 신축성 리튬이온 커패시터 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 신축성 리튬이온 커패시터는, 신축성을 가지는 캐소드층; 상기 캐소드층 상에 형성되며 신축성을 가지는 전해질층; 상기 전해질층 상에 형성되며 신축성을 가지는 애노드층; 및 상기 애노드층에 부착되는 리튬 메탈;을 포함하며, 상기 캐소드층과 상기 애노드층 중 적어도 애노드층은 서로 이격된 다수의 관통홀을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 신장률이 커지는 경우에도 커패시터의 성능을 유지하는 것이 가능하다.

Description

신축성 리튬이온 커패시터 및 이의 제조방법{Stretchable lithium ion capacitors and their manufacturing methods}
본 발명은 신축성 리튬이온 커패시터 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 큰 변형이 발생한 경우에도 커패시터의 성능을 유지하는 것이 가능한 신축성 리튬이온 커패시터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
리튬이온 커패시터(LIC; Li-Ion Capacitor)는 리튬-이온 축전지와 전기 이중층 커패시터(EDLC)의 장점들을 결합한 커패시터로서, (-)극은 리튬이온 축전지와 마찬가지로 리튬이 도핑된 활성탄소 또는 흑연으로 이루어지고 (+)극은 전기 이중층 커패시터와 마찬가지로 활성탄소로 이루어질 수 있다. 그리고 전해질에는 리튬이온 축전지와 마찬가지로 리튬염이 용해될 수 있다.
이러한 리튬이온 커패시터는 커패시터의 일반적인 특성을 유지하면서도 높은 전압을 발휘하는 축전지의 장점을 가질 수 있다.
한편, 최근에는 웨어러블 기기, 스마트 안경, 스마트 슈즈 등 신축성을 필요로하는 전자기기들이 많이 개발되고 있으며, 이에 따라 신축성 전자기기에 들어갈 커패시터 또한 필요하다.
신축성 커패시터에서 전극과 같이 도전성을 갖는 구성은 엘라스토머에 탄소 나노 재료를 분산하여 제조할 수 있다.
그러나 이러한 신축성을 가지는 도전성 구성도 신장률이 커지는 경우에는 그 성능을 유지하지 못하는 문제가 있다.
KR 10-2011-0113245 A
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 신장률이 커지는 경우에도 커패시터의 성능을 유지하는 것이 가능한 신축성 리튬이온 커패시터 및 이의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 위에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 신축성을 가지는 캐소드층; 상기 캐소드층 상에 형성되며 신축성을 가지는 전해질층; 상기 전해질층 상에 형성되며 신축성을 가지는 애노드층; 및 상기 애노드층에 부착되는 리튬 메탈;을 포함하며, 상기 캐소드층과 상기 애노드층 중 적어도 애노드층은 서로 이격된 다수의 관통홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 신축성 리튬이온 커패시터에 의해 달성된다.
상기 관통홀의 직경은 1 ~ 500㎛인 것이 바람직하다.
상기 관통홀은 ㎠ 당 10 ~ 14개가 형성되는 것이 바람직하다.
상기 관통홀의 단면은 사방으로 첨두부를 가질 수 있다.
상기 관통홀의 상기 첨두부들 중 인접한 것들은 상기 관통홀의 내측으로 볼록한 곡선에 의해 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 신축성을 가지는 캐소드층과 애노드층을 제조하는 전극 제조단계; 상기 캐소드층과 상기 애노드층 중 적어도 애노드층에 서로 이격된 다수의 관통홀을 형성하는 관통홀 형성단계; 상기 캐소드층, 신축성을 가지는 전해질층 및 상기 애노드층을 차례대로 적층하는 적층단계; 및 상기 애노드층에 리튬 메탈을 부착하는 리튬 메탈 부착단계;를 포함하는 신축성 리튬이온 커패시터의 제조방법이 제공된다.
상기 전극 제조단계는, 엘라스토머 기판을 신장하는 신장단계, 상기 엘라스토머 기판에 도전성 나노 와이어를 코팅하는 나노 와이어 코팅단계, 및 상기 엘라스토머 기판의 신장을 해제하는 신장 해제단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 신충성 리튬이온 커패시터에 의하면, 관통홀에 의해 애노드층에 대한 도핑 성능을 높일 수 있다.
그리고 본 발명에 의한 리튬이온 커패시터가 원활하게 신장되면서도 신장시 커패시터의 용량과 ESR 등의 성능을 유지하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명에 의한 신축성 리튬이온 커패시터의 개략적인 구성도,
도 2는 본 발명에 의한 신축성 리튬이온 커패시터를 구성하는 애노드층의 평면도,
도 3은 본 발명에 의한 신축성 리튬이온 커패시터의 제조방법의 순서도,
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예와 비교예의 실험결과에 관한 설명도이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참고하여 자세하게 설명하도록 한다.
본 발명에 의한 신축성 리튬이온 커패시터(1)는 캐소드층(20), 전해질층(30), 애노드층(40), 리튬 메탈(50)을 포함하여 이루어진다.
도 1에는 본 발명에 의한 신축성 리튬이온 커패시터(1)의 개략적인 구성도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명에 의한 신축성 리튬이온 커패시터(1)를 구성하는 애노드층(40)의 평면도가 도시되어 있다.
캐소드층(20)은 신축성을 가지도록 형성되며, 제1 기판(21)과 제1 도전성층(22)을 구비한다. 예를 들어, 캐소드층(20)은 엘라스토머 재질의 제1 기판(21)에 도전성 나노 와이어를 코팅하여 제1 도전성층(22)을 형성할 수 있다. 이때, 제1 기판(21)은 부틸 고무, 천연 고무, 에폭시, 페놀, 폴리이미드, 폴리에스텔, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 폴리에테르슬폰, 테프론, FR4, 실리콘, PDMS(polydimethylsiloxane), 폴리우레탄, 나일론, 케블라, 노멕스, 케르밀, 폴리아미드, 폴리에스터, 아크릴, 엘라스틴, 스판덱스, 폴리프로필렌, 비스코스, 레이온, 아세테이트, 모드아클릴릭, 라이오셀 등의 엘라스토머 재질로 이루어질 수 있으며, 제1 도전성층(22)을 이루는 도전성 나노 와이어는 은, 구리, 철, 금, 백금 등의 금속 재질 또는 CNT, Graphite 등의 탄소계 재질로 이루어질 수 있다.
전해질층(30)은 캐소드층(20) 상에 형성되며 신축성을 갖는다. 전해질층(30)은 젤-고분자 전해질로 이루어질 수 있다.
애노드층(40)은 전해질층(30) 상에 형성되며 신축성을 갖는다. 애노드층(40)은 제2 기판(41)과 제2 도전성층(42)을 구비한다. 애노드층(40)은 캐소드층(20)과 마찬가지로 엘라스토머 재질의 제2 기판(41)에 도전성 나노 와이어를 코팅하여 제2 도전성층(42)을 형성할 수 있다.
리튬 메탈(50)은 애노드층(40)의 제2 도전성층(42)에 부착되며, 구체적으로는 애노드층(40)의 리드부(43)의 일부분에 부착될 수 있다. 리튬 메탈(50)은 애노드층(40)에 리튬 이온을 공급하는 역할을 한다.
캐소드층(20)과 애노드층(40) 중 적어도 애노드층(40)은 서로 이격된 다수의 관통홀(h)을 구비할 수 있다.
이러한 관통홀(h)에 의해, 애노드층(40)에 대한 리튬이온 도핑시 관통홀(h)을 통해 리튬 이온이 원활하게 이동하는 것이 가능하여 애노드층(40)에 대한 도핑 성능이 우수하다.
그리고 본 발명에 의한 리튬이온 커패시터(1)가 원활하게 신장되면서도 신장시 커패시터(1)의 용량과 ESR 등의 성능을 유지하는 것이 가능하다. 즉, 리튬이온 커패시터(1)의 신장시 관통홀(h)의 주변으로 신장이 집중되기 때문에 관통홀(h) 사이에서는 도전성 물질들 사이의 연결 상태가 유지되어 커패시터(1)의 성능을 유지하는 것이 가능하다.
애노드층(40) 외에 캐소드층(20)에도 관통홀(h)이 형성된 경우에는 도핑 성능과 신장 성능을 보다 향상시키는 것이 가능하다.
캐소드층(20), 애노드층(40)은 신축시 서로 분리되거나 어느 한 층에 변형이 집중되지 않도록, 동일한 신장 성능을 가지는 것이 바람직하다.
관통홀(h)의 직경은 1 ~ 500㎛일 수 있으며, 바람직하게는 200 ~ 300㎛일 수 있다.
관통홀(h)의 직경이 1㎛ 보다 작은 경우에는 도핑 성능이 떨어질 수 있으며, 500㎛ 보다 큰 경우에는 애노드층(40)이나 캐소드층(20)의 강도와 도전성이 떨어질 수 있다.
관통홀(h)은 ㎠ 당 10 ~ 14개가 형성될 수 있다.
관통홀(h)이 ㎠ 당 10개 미만으로 형성되는 경우에는 도핑 성능이 떨어질 수 있으며, 14개를 초과하여 형성되는 경우에는 캐소드층(20)의 강도와 도전성이 떨어질 수 있다.
관통홀(h)의 단면은 사방으로 첨두부(a)를 가지며, 관통홀(h)의 첨두부들 중 인접한 것들은 관통홀(h)의 내측으로 볼록한 곡선에 의해 연결되는 형상으로 이루어질 수 있다.
이러한 형상의 관통홀(h)은, 관통홀(h)이 형성된 애노드층(40) 등이 신장되었을 때 관통홀(h)의 주변으로 주름이 발생하게 되는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라 본 발명의 리튬이온 커패시터(1)가 신축을 반복하면서 각 층들 사이의 간격이 달라지거나 각 층들이 벌어지는 것을 방지할 수 있다.
그리고 관통홀(h)을 형성하면서 애노드층(40) 또는 캐소드층(20)의 도전성 나노 와이어들 사이의 연결이 끊기게 되는 것을 최소화할 수 있다.
본 발명에 의한 신축성 리튬이온 커패시터(1)는 캐소드층(20), 전해질층(30) 및 애노드층(40)으로 이루어지는 단위 셀을 다수 개 구비할 수 있으며, 각 셀 사이에는 절연성 재질의 분리막층(미도시)이 배치될 수 있다.
본 발명에 의한 신축성 리튬이온 커패시터(1)는 상기한 것과 같은 구성 외에도 셀을 외부로부터 밀폐 및 보호하는 커버(미되시)를 더 구비할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 의한 신축성 리튬이온 커패시터의 제조방법에 대해 설명하도록 한다. 본 발명에 의한 신축성 리튬이온 커패시터의 제조방법에 대해 설명하면서 본 발명의 신축성 리튬이온 커패시터(1)의 설명시 언급한 부분에 대해서는 자세한 설명을 생략할 수 있다.
도 3에는 본 발명에 의한 신축성 리튬이온 커패시터의 제조방법의 순서도가 도시되어 있다.
본 발명에 의한 신축성 리튬이온 커패시터의 제조방법은 전극 제조단계(S10), 관통홀 형성단계(S20), 적층단계(S30) 및 리튬 메탈 부착단계(S40)를 포함하여 이루어질 수 있다.
전극 제조단계(S10)에서는 신축성을 가지는 캐소드층(20)과 애노드층(40)을 제조한다.
전극 제조단계(S10)는 보다 구체적으로, 신장단계(S11), 나노 와이어 코팅단계(S12) 및 신장 해제단계(S13)를 포함할 수 있다.
신장단계(S11)에서는 엘라스토머 기판의 양측을 잡아당겨 신장한다. 엘라스토머 기판은 에폭시, 페놀, 폴리이미드 등의 재질로 이루어질 수 있다.
나노 와이어 코팅단계(S12)에서는 엘라스토머 기판에 도전성 나노 와이어를 코팅한다. 도전성 나노 와이어는 금속 재질 또는 탄소 재질로 이루어질 수 있다.
신장 해제단계(S13)에서는 엘라스토머 기판의 신장을 해제한다. 엘라스토머 기판의 신장을 해제함에 따라 엘라스토머 기판 상에 코팅되었던 도전성 나노 와이어가 절곡된다.
이러한 방법에 의해 제조된 캐소드층(20)과 애노드층(40)은 리튬이온 커패시터의 사용시 신장되더라도 절곡되었던 도전성 나노 와이어가 펼쳐질 뿐 도전선 나노 와이어들 사이의 연결 상태가 유지될 수 있다. 따라서, 캐소드층(20)과 애노드층(40)의 도전성이 유지될 수 있다.
나노 와이어 코팅단계(S12)와 신장 해제단계(S13) 사이에는 용매 처리단계가 더 진행될 수 있다. 용매 처리단계에서는 코팅된 도전성 나노 와이어 상에 용매를 떨어뜨려 도전성 나노 와이어를 어닐링 한다. 어닐링된 도전성 나노 와이어들 사이에서는 마찰 저항이 작아져, 신장 해제단계(S13)에서 엘라스토머 기판이 본래 길이로 돌아가면서 도전성 나노 와이어들 마찰에 의해 도전성 나노 와이어가 엘라스토머 기판에서 들뜨는 문제를 방지할 수 있다.
용매로는 에탄올 또는 물 등이 사용될 수 있다.
관통홀 형성단계(S20)에서는 캐소드층(20)과 애노드층(40) 중 적어도 애노드층(40)에 서로 이격된 다수의 관통홀(h)을 형성한다. 관통홀(h)은 1 ~ 500㎛의 직경으로 ㎠ 당 10 ~ 14개 형성할 수 있다. 그리고 단면이 사방으로 첨두부를 갖는 형상으로 형성할 수 있다.
관통홀(h)은 예를 들어, 애노드층(40) 등에 이온 빔을 조사하거나 화학적으로 식각을 하는 방법으로 형성할 수 있다.
적층단계(S30)에서는 캐소드층(20), 신축성을 가지는 전해질층(30) 및 애노드층(40)을 차례대로 적층한다. 전해질층(30)은 젤-고분자 전해질로 이루어질 수 있다.
리튬 메탈 부착단계(S40)에서는 애노드층(40)에 리튬 메탈(50)을 부착한다. 리튬 메탈(50)은 애노드층(40)의 리드부에 부착될 수 있다.
리튬 메탈 부착단계(S40) 후에는 커패시터의 셀을 밀폐하고 애노드층(40)을 도핑하는 과정이 진행될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예와 실험예에 대해 설명하도록 한다.
실시예
캐소드층(20), 전해질층(30), 애노드층(40) 및 리튬 메탈(50)으로 이루어지는 신축성 리튬이온 커패시터를 제조하였다.
캐소드층(20)은 제1 기판(21)과 제1 도전성층(22)으로 이루어진다. 제1 기판(21)은 Isobutene-isoprene rubber 재질로 30 ~ 100㎛ 두께로 형성하였으며, 제1 도전성층(22)은 카본 활성탄, CNT nano wire 재질로 100 ~ 200㎛ 두께로 형성하였다. 전해질층(30)은 polymer gel electrolyte, EC, EMC 재질로 20 ~ 50㎛ 두께로 형성하였다. 애노드층(40)은 제2 기판(41)과 제2 도전성층(42)로 이루어진다. 제2 기판(41)은 Isobutene-isoprene rubber 재질로 30 ~ 100㎛ 두께로 형성하였으며, 제2 도전성층(42)은 Graphite 재질로 50 ~ 100㎛ 두께로 형성하였다. 리튬 메탈(50)은 Li-Matal film으로 형성하였다.
애노드층(40)에는 서로 이격된 다수 개의 관통홀(h)을 형성하였다. 관통홀(h)의 직경 50 ~ 150㎛의 것을 ㎠ 당 14개 형성하였다. 관통홀(h)의 단면은 사방으로 첨두부를 가지며, 첨두부들 중 인접한 것들은 관통홀(h)의 내측으로 볼록한 곡선에 의해 연결되는 형상으로 형성하였다.
비교예
상기 실시예와 다른 조건은 동일하되 캐소드층과 애노드층이 도전성층으로만 이루어지며 애노드층에 관통홀이 형성되지 않은 리튬이온 커패시터를 제조하였다.
실험예 1
실시예와 비교예의 신축성 리튬이온 커패시터에 대해, 신장률에 따른 용량 변화 실험을 수행하였다. 도 4에는 신장률에 따른 용량 변화 실험의 결과가 도시되어 있다. 실험 결과는 신장되지 않은 상태(신장률 : 1)의 용량을 기준으로 신장이 진행됨에 따라 해당 신장률에서 기준값에 대해 몇 %의 용량을 갖는지(용량유지율(%))로 나타내었다.
비교예에서는 신장률이 1.1 정도가 될 때까지 용량유지율이 조금씩 떨어지다가 1.1 정도를 넘어가면서 0%가 되어버리는 것에 비해, 실시예에서는 신장률이 1.3이 될 때까지 100%에 가깝게 유지되는 것을 볼 수 있다.
즉, 실시예의 신축성 리튬이온 커패시터는 길이가 미신장시 대비 30% 증가하더라도 용량에 거의 변화가 없다.
실험예 2
실시예와 비교예의 신축성 리튬이온 커패시터에 대해, 신장률에 따른 ESR 변화 실험을 수행하였다. 도 5에는 신장률에 따른 ESR 변화 실험의 결과가 도시되어 있다. 실험 결과는 신장되지 않은 상태(신장률 : 1)의 ESR 값을 기준으로 신장이 진행됨에 따라 해당 신장률에서 기준값에 대해 몇 %의 ESR 값을 갖는지(ESR 변화율(%))로 나타내었다.
비교예에서는 신장률이 1.1 정도가 될 때까지 ESR 변화율이 오히려 올라가지만 1.1 정도를 넘어가면서 0%가 되어버리는 것을 볼수 있다. 반면, 실시예에서는 신장률이 1.3%가 될 때까지 완만하게 증가하는 것을 볼 수 있다.
즉, 실시예의 신축성 리튬이온 커패시터는 길이가 미신장시 대비 30% 증가하더라도 ESR이 크게 변화하지 않는다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
1 : 신축성 리튬이온 커패시터
20 : 캐소드층
30 : 전해질층
40 : 애노드층
50 : 리튬 메탈
h : 관통홀

Claims (7)

  1. 신축성을 가지는 캐소드층;
    상기 캐소드층 상에 형성되며 신축성을 가지는 전해질층;
    상기 전해질층 상에 형성되며 신축성을 가지는 애노드층; 및
    상기 애노드층에 부착되는 리튬 메탈;을 포함하며,
    상기 캐소드층과 상기 애노드층 중 적어도 애노드층은 서로 이격된 다수의 관통홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 신축성 리튬이온 커패시터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 관통홀의 직경은 1 ~ 500㎛인 것을 특징으로 하는 신축성 리튬이온 커패시터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 관통홀은 ㎠ 당 10 ~ 14개가 형성되는 것을 특징으로 하는 신축성 리튬이온 커패시터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 관통홀의 단면은 사방으로 첨두부를 갖는 것을 특징으로 하는 신축성 리튬이온 커패시터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 관통홀의 상기 첨두부들 중 인접한 것들은 상기 관통홀의 내측으로 볼록한 곡선에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 신축성 리튬이온 커패시터.
  6. 신축성을 가지는 캐소드층과 애노드층을 제조하는 전극 제조단계;
    상기 캐소드층과 상기 애노드층 중 적어도 애노드층에 서로 이격된 다수의 관통홀을 형성하는 관통홀 형성단계;
    상기 캐소드층, 신축성을 가지는 전해질층 및 상기 애노드층을 차례대로 적층하는 적층단계; 및
    상기 애노드층에 리튬 메탈을 부착하는 리튬 메탈 부착단계;를 포함하는 신축성 리튬이온 커패시터의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전극 제조단계는,
    엘라스토머 기판을 신장하는 신장단계,
    상기 엘라스토머 기판에 도전성 나노 와이어를 코팅하는 나노 와이어 코팅단계, 및
    상기 엘라스토머 기판의 신장을 해제하는 신장 해제단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 신축성 리튬이온 커패시터의 제조방법.
KR1020210180060A 2021-12-15 2021-12-15 신축성 리튬이온 커패시터 및 이의 제조방법 KR102569260B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20110113245A (ko) 2010-04-09 2011-10-17 한국세라믹기술원 슈퍼커패시터 셀의 제조방법
KR102326633B1 (ko) * 2015-10-02 2021-11-17 나노텍 인스트러먼츠, 인코포레이티드 초고 에너지 밀도를 갖는 리튬 전지를 제조하기 위한 방법

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Non-Patent Citations (1)

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Title
인용발명 1: Kun Kelvin Fu et al., "Flexible Batteries: From Mechanics to Devices", ACS Energy Lett. 2016년 1월, 페이지 1065 - 1079. 1부.* *

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