KR20230174091A - 복합전극 및 이를 이용한 전기에너지 저장장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기이중층커패시터(EDLC)나 리튬이차전지 등의 전기에너지 저장장치에 사용되는 복합전극(100) 및 이를 이용한 전기에너지 저장장치에 관한 것이다. 본 발명은 집전체층(10); 상기 집전체층(10) 상에 형성된 전극 활물질층(20); 및 상기 전극 활물질층(20)의 표면에 탄소체가 코팅되어 형성된 표면 탄소체층(30)을 포함하는 복합전극(100) 및 이를 포함하는 전기에너지 저장장치를 제공한다. 상기 복합전극(100)은 집전체층(10)과 전극 활물질층(20)의 사이에 형성된 하부 탄소체층(40)을 더 포함할 수 있으며, 상기 탄소체는 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀 등으로부터 선택될 수 있다. 본 발명에 따르면, 복합전극(100)의 최외각 표면에 형성된 표면 탄소체층(30)에 의해, 적어도 전극의 자체 저항이 감소되어 전기에너지 저장장치의 성능 개선(에너지밀도 및 출력 특성 등의 향상)을 도모할 수 있다.
Description
본 발명은 전기이중층커패시터 및 리튬이차전지 등과 같은 전기에너지 저장장치에 사용되는 복합전극 및 이를 이용한 전기에너지 저장장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀(Graphene) 등으로부터 선택된 하나 이상의 탄소체를 전극 활물질층의 표면에 코팅함으로써, 전기에너지 저장장치의 성능(에너지밀도 및 출력 특성)을 향상시킬 수 있는 복합전극 및 이를 이용한 전기에너지 저장장치에 관한 것이다.
충/방전이 가능한 전기에너지 저장장치는 여러 산업분야에서 널리 사용되고 있다. 이러한 전기에너지 저장장치로는 전기이중층커패시터(EDLC ; Electric Double Layer Capacitor) 및 리튬이차전지 등의 전기 화학 소자가 대표적이다.
전기이중층커패시터(EDLC) 및 리튬이차전지 등의 전기에너지 저장장치는 단위셀(unit cell)의 기본 구성요소로서 양극 및 음극의 두 전극과, 상기 양극과 음극의 사이에 개재되어 이들을 절연함과 더불어 이온의 선택적 투과 역할을 하는 분리막(separator)으로 구성된 전극 구성체를 포함한다. 전기에너지 저장장치는 전극 구성체를 지지하고 외부로의 단자를 인출하기 위한 집전체 및 인출단자를 포함하며, 이들은 전극과 접속된다. 또한, 전기에너지 저장장치는 외장재를 포함하며, 외장재는 권취형(Cylinderical Type), 코인형(Coin type) 및 파우치형(Pouch type) 형태가 대표적이다.
전기에너지 저장장치의 전기적 특성 중에서 많은 양의 에너지를 저장하기 위한 에너지밀도와 순간적으로 많은 에너지를 방출하기 위한 출력 특성이 가장 중요한 요소이며, 이들은 전기에너지 저장장치의 제품 성능을 결정한다. 최근 전기자동차 및 신재생에너지 등의 분야에서 전기에너지 저장장치의 수요가 증가함에 따라 높은 에너지밀도와 더불어 높은 출력을 발현할 수 있는 내부저항의 감소가 가장 요구되는 특성으로 대두되고 있다. 특히 제품 자체의 내부저항을 감소시키기 위해서는 내부저항의 요인을 확인하여야 한다. 내부저항의 요인은 전극 저항(전극 자체의 저항), 전해액의 저항 및 외장재의 접촉저항 등으로 크게 구분될 수 있으며, 이중에서 가장 큰 요인은 전극 저항이다. 더욱이 전기에너지 저장장치를 높은 전압으로 사용하기 위하여 단위셀(unit cell)을 직렬로 다수개 연결하여 사용함에 따라 전극 저항의 합이 제품의 저항으로 나타내게 되므로 전극 저항을 줄이는 것이 당면한 주요 과제로 여겨지고 있다.
일반적으로, 전극은 전극의 에너지를 저장하는 전극 활물질, 전극 자체의 저항을 줄이기 위한 도전성(전기전도성)의 도전재, 및 이들의 물리적 결합을 위한 바인더(binder)로 구성되며, 이들을 용매와 혼합한 다음 칼렌더링하여 시트화하거나 집전체에 코팅하여 전극을 제조하고 있다. 예를 들어, 한국 공개특허 제10-2016-0039537호, 한국 공개특허 제10-2016-0040873호, 한국 등록특허 제10-0542804호, 한국 등록특허 제10-1198297호 및 한국 등록특허 제10-2084131호 등에는 위와 관련한 기술에 제안되어 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 일반적인 전극 제조과정으로서 시트전극과 코팅전극을 제조하는 과정을 보인 공정도이다. 도 1을 참고하면, 일반적으로 전극을 제조함에 있어서는, 먼저 전극 활물질, 도전재 및 용매를 혼합한 후, 여기에 첨가제(증점제 및 분산제 등) 및 바인더를 투입한 다음 믹서기를 통해 교반 혼합하여 전극 조성물(시트전극 제조용 페이스트, 또는 코팅전극 제조용 전극활물질 슬러리)을 제조한다. 이후, 상기 전극 조성물을 혼련 및 칼렌더링하여 시트전극으로 제조하거나 집전체에 코팅하여 코팅전극으로 제조하고 있다.
현재, 적용되고 있는 전기에너지 저장장치 중에서 리튬이온전지의 낮은 출력을 보완하기 위한 고출력의 소자로서 전기이중층커패시터(EDLC)가 각광을 받고 있다. 그러나 전기이중층커패시터(EDLC)의 경우 발현 가능한 에너지밀도가 5~10Wh/Kg으로 매우 낮기 때문에 리튬이온전지를 대체하는 것은 거의 불가능하다. 최근, 이러한 문제점을 보완하기 위한 방안으로 전기이중층커패시터(EDLC)에 복합전극을 적용하는 기술이 제안되고 있다.
상기 복합전극은 대부분의 경우 전극 활물질(활성탄)에 탄소나노튜브(CNT)나 환원 그래핀과 같은 탄소체를 혼합 분산한 복합 분말을 얻고, 이를 용매 및 바인더와 혼합한 다음 집전체에 코팅하여 제조하고 있다. 이와 관련하여, 한국 등록특허 제10-0895267호에는 활성탄과 탄소나노튜브(CNT)의 혼합 용액을 이용한 활성탄/탄소나튜브 복합전극의 제조방법이 제시되어 있다.
그러나 일반적으로 활성탄과 탄소나노튜브(CNT)는 입자 간의 크기 차이가 크게 발생하는데, 종래 기술에 따른 복합전극의 경우 활성탄 입자와 탄소나노튜브(CNT) 입자간의 크기 차이가 큼으로 인하여 에너지밀도 및 출력 특성의 성능 향상에 거의 기여하지 못하고 있다. 이를 해결하기 위해서는 활성탄과 탄소나노튜브(CNT)의 입자간은 물론이고 도전재 입자간의 균형적인 조절이 필요한데, 이는 기술적으로 매우 어려운 것이 현실이다. 이에 따라, 종래의 복합전극은 자체적인 물성에 있어서는 매우 우수한 전기적 특성을 가지는 탄소나노튜브(CNT)를 적용함에도 불구하고, 적어도 위와 같은 입자간 불균형의 제약 조건으로 전기에너지 저장장치의 성능(에너지밀도 및 출력 특성) 향상에 한계가 있다.
이에, 본 발명은 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀 등과 같은 탄소체를 전극 활물질층의 표면에 코팅함으로써, 방전 초기의 저항을 감소시켜 전기에너지 저장장치의 성능(에너지밀도 및 출력 특성 등)을 향상시킬 수 있는 전기에너지 저장장치용 복합전극 및 이를 이용한 전기에너지 저장장치를 제공하는 데에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
집전체층(10);
상기 집전체층(10) 상에 형성된 전극 활물질층(20); 및
상기 전극 활물질층(20)의 표면에 탄소체가 코팅되어 형성된 표면 탄소체층(30)을 포함하는 전기에너지 저장장치용 복합전극(100)을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따라서, 복합전극(100)은 집전체층(10)과 전극 활물질층(20)의 사이에 형성된 하부 탄소체층(40)을 더 포함할 수 있다. 상기 하부 탄소체층(40)은 집전체층(10)의 표면에 탄소체가 코팅되어 형성될 수 있다.
또한, 본 발명은,
집전체층(10) 상에 하부 탄소체층(40)을 형성하는 제1단계;
상기 하부 탄소체층(40) 상에 전극 활물질층(20)을 형성하는 제2단계; 및
상기 전극 활물질층(20) 상에 표면 탄소체층(30)을 형성하는 제3단계를 포함하는 전기에너지 저장장치용 복합전극(100)의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따라서, 상기 제3단계에서는 탄소체 용액을 전극 활물질층(20)의 표면에 스프레이 코팅(spray coating)으로 얇게 코팅하여 표면 탄소체층(30)을 형성할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라서, 상기 탄소체는 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
아울러, 본 발명은, 상기 복합전극(100)을 포함하는 전기에너지 저장장치를 제공한다. 상기 복합전극(100)은 전기에너지 저장장치의 양극 및/또는 음극으로 사용된다.
본 발명에 따르면, 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀 등과 같은 탄소체가 전극 활물질층(20)의 표면에 코팅(복합전극(100)의 최외각 표면을 형성)되어, 적어도 방전 초기(초기 방전 시)의 전극 저항을 감소시켜 전기에너지 저장장치의 성능(에너지밀도 및 출력 특성 등)을 향상시키는 효과를 갖는다.
도 1은 종래 기술에 따른 일반적인 전극 제조과정을 보인 공정도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 복합전극의 단면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 복합전극의 단면 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 복합전극의 SEM 이미지이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 복합전극의 단면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 복합전극의 단면 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 복합전극의 SEM 이미지이다.
본 발명에서 사용되는 용어 "및/또는"은 전후에 나열한 구성요소들 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 의미로 사용된다. 본 발명에서 사용되는 용어 "하나 이상"은 하나 또는 둘 이상의 복수를 의미한다.
본 발명은 전기에너지 저장장치의 양극 및/또는 음극으로 사용될 수 있는 복합전극 및 그 제조방법을 제공한다. 또한, 본 발명은, 본 발명에 따른 복합전극을 포함하는 전기에너지 저장장치 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명에서, 전기에너지 저장장치는 에너지를 저장하는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 본 발명에서, 전기에너지 저장장치는, 충/방전이 가능한 전기 화학 소자로서, 이는 예를 들어 전기이중층커패시터(EDLC ; Electric Double Layer Capacitor), 리튬이온전지, 리튬이온 커패시터(LiC ; Lithium Ion Capacitor), 의사 커패시터(Pseudo Capacitor) 및 하이브리드 커패시터(Hybrid Capacitor) 등으로부터 선택될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 전기에너지 저장장치는 경우에 따라서 전기이중층커패시터(이하, "EDLC"라 함)를 예로 들어 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 실시예를 도시한 것으로, 이는 단지 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공된다. 첨부된 도면에서, 각 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위해 두께는 확대하여 나타낸 것일 수 있고, 도면에 표시된 두께, 크기 및 비율 등에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지의 범용적인 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 복합전극(100)의 단면 구성도이고, 도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 복합전극(100)의 단면 구성도이다.
먼저, 도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 복합전극(100)은, 본 발명의 제1실시예에 따라서 집전체층(10)과, 상기 집전체층(10) 상에 형성된 전극 활물질층(20)과, 상기 전극 활물질층(20) 상에 형성된 표면 탄소체층(30)을 포함한다. 상기 표면 탄소체층(30)은 전극 활물질층(20)의 표면에 탄소체가 코팅되어 형성된다. 본 발명에 따라서, 상기 표면 탄소체층(30)은 복합전극(100)의 최외각 표면을 형성한다.
또한, 도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 복합전극(100)은, 본 발명의 제2실시예에 따라서 상기 집전체층(10)과 전극 활물질층(20)의 사이에 형성된 하부 탄소체층(40)을 더 포함한다. 상기 하부 탄소체층(40)은 집전체층(10)의 표면에 탄소체가 코팅되어 형성된다. 본 발명의 제2실시예에 따른 복합전극(100)은 집전체층(10)과, 상기 집전체층(10) 상에 형성된 하부 탄소체층(40)과, 상기 하부 탄소체층(40) 상에 형성된 전극 활물질층(20)과, 상기 전극 활물질층(20) 상에 형성된 표면 탄소체층(30)을 포함하는 적층 구조를 가지며, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸다.
상기 집전체층(10)을 제외한 각 층들(20)(30)(40)은 집전체층(10)의 한 면 또는 양면에 형성된다. 상기 각 층들(20)(30)(40)은, 바람직하게는 집전체층(10)의 양면에 대칭 구조로 형성된다. 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 중앙의 집전체층(10)을 기준으로 하여, 상기 집전체층(10)의 양면에 각각 전극 활물질층(20) 및 표면 탄소체층(30)이 순차적으로 형성된 적층 구조를 갖는다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 중앙의 집전체층(10)을 기준으로 하여, 상기 집전체층(10)의 양면에 각각 하부 탄소체층(40), 전극 활물질층(20) 및 표면 탄소체층(30)이 순차적으로 형성된 적층 구조를 갖는다. 그리고 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 복합전극(100)의 최외각 표면은 상기 표면 탄소체층(30)으로 구성된다.
상기 표면 탄소체층(30) 및 하부 탄소체층(40)을 구성하는 탄소체는, 상기 전극 활물질층(20)을 구성하는 전극 활물질(예를 들어, 활성탄 등)보다 우수한 전기적 특성(예를 들어, 저항 특성이나 밀도 등)을 가지는 것으로부터 선택된다. 본 발명의 실시예에 따라서, 상기 탄소체는 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀(Graphene) 등으로부터 선택된 하나 이상을 포함한다. 이때, 상기 그래핀은 환원 그래핀을 사용할 수 있다.
또한, 상기 표면 탄소체층(30)을 구성하는 탄소체와 상기 하부 탄소체층(40)을 구성하는 탄소체는 동일하거나 서로 다른 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 표면 탄소체층(30)과 하부 탄소체층(40)을 모두 탄소나노튜브(CNT)로 사용하여 동일한 탄소체로 구성하거나, 상기 표면 탄소체층(30)의 경우에는 탄소나노튜브(CNT)을 사용하고 하부 탄소체층(40)의 경우에는 환원 그래핀을 사용하여 서로 다른 탄소체로 구성할 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 일반적으로 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀 등과 같은 탄소체는, 그의 자체적인 물성으로는 전극 활물질(예를 들어, 활성탄 등)보다 우수한 전기적 특성(예를 들어, 저항 특성이나 밀도 등)을 갖는다. 본 발명은 위와 같은 탄소체를 전극 활물질과 복합하여 복합전극(100)의 주요 구성요소로 사용하되, 전극 활물질과 탄소체를 각각 별도의 코팅 공정을 통해 별개의 코팅층으로 형성함으로써, 탄소체의 우수한 전기적 특성을 효율적으로 활용한 것이다. 즉, 본 발명은 종래와 대비하여 전극 활물질에 탄소체를 혼합 분산하지 않고, 상기 탄소체를 복합전극(100)의 최외각 표면층으로 구성함으로써, 전기에너지 저장장치의 에너지밀도 및 출력 특성 등을 개선한 것임에 기술적 의의가 있다.
전기이중층커패시터(EDLC)나 리튬이온전지 등의 전기에너지 저장장치는 방전 초기에 나타나는 전압강하에 의해 출력 특성이 발현된다. 이때, 출력 특성의 경우 방전 초기에 발생된 전하와 우선적으로 접촉하는 전극 표면에서 나타나는 전압강하에 의해 발현된다. 이에, 본 발명에 따르면, 위와 같은 방전 초기 고출력시의 전압강하를 전극 활물질층(20)보다 전기적 특성(저항 특성 등)이 우수한 상기 표면 탄소체층(30)을 통해 진행되게 함으로써, 적어도 출력 특성을 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따르면, 방전 초기에 전해질에서 발생된 전하와 우선적으로 접촉되는 복합전극(100)의 최외각 표면층이 높은 저항 특성을 가지는 탄소나노튜브(CNT) 등의 표면 탄소체층(30)으로 구성되어, 적어도 방전 초기의 전극 저항이 감소된다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 표면 탄소체층(30)을 구성하는 탄소체(CNT 등)는 전극 활물질에 혼합 분산되지 않고, 별개의 층으로서 복합전극(100)의 표면에 배치되어 있음으로 인하여, 탄소체(CNT 등) 자체의 에너지밀도 성능이 충분히 발현된다. 이에 따라, 본 발명은 전기에너지 저장장치의 에너지밀도 및 출력 특성 등의 향상을 도모하여 성능 개선을 이룰 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기 표면 탄소체층(30)을 전극 활물질층(20)의 표면에 스프레이 코팅(spray coating) 방식으로 얇게 코팅하고, 이와 함께 진공 함침으로 전해액을 함침시킴으로써, 상기 표면 탄소체층(30) 및 전극 활물질층(20)에는 물론이고 하부 탄소체층(40)에도 전해액이 충분히/수월하게 함침되고, 상기 탄소체(CNT 등)의 로딩 양 및 농도 조절을 통해 성능을 개선할 수 있다. 이에 대해서는 후술하는 본 발명의 제조방법을 통해 설명한다.
또한, 상기 하부 탄소체층(40)은 집전체층(10)과 전극 활물질층(20)의 사이에 형성되어, 이는 적어도 상기 집전체층(10)과 전극 활물질층(20) 간의 접촉저항을 감소시킨다. 이러한 하부 탄소체층(40)에 의해, 적어도 복합전극(100)의 자체 저항이 감소되어 전기에너지 저장장치의 출력 특성이 향상될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 복합전극(100)의 제조방법은, 집전체층(10) 상에 하부 탄소체층(40)을 형성하는 제1단계, 상기 하부 탄소체층(40) 상에 전극 활물질층(20)을 형성하는 제2단계, 및 상기 전극 활물질층(20) 상에 표면 탄소체층(30)을 형성하는 제3단계를 포함한다. 이때, 상기 제1단계 내지 제3단계에서, 상기 각 층들(20)(30)(40)의 형성은 전술한 바와 같이 집전체층(10)의 양면에 대칭 구조로 형성하는 것이 좋다.
상기 집전체층(10)은 금속 집전체로 구성될 수 있으며, 이는 예를 들어 금속 포일(metal foil)로부터 선택될 수 있다. 상기 금속 집전체는, 구체적인 예를 들어 알루미늄(Al), 구리(Cu), 티탄(Ti), 니켈(Ni), 스테인레스 스틸(SUS) 또는 이들의 합금으로부터 선택될 수 있으며, 일례로 알루미늄(Al) 에칭 포일을 사용할 수 있다.
상기 전극 활물질층(20)은 하부 탄소체층(40)의 표면에 전극 활물질 조성물을 코팅한 다음 건조시켜 형성할 수 있다. 상기 전극 활물질 조성물은 전극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함할 수 있으며, 필요에 따라 용매 및/또는 첨가제 등을 더 포함할 수 있다. 상기 전극 활물질 조성물을 구성하는 각 성분들은 통상적으로 사용되는 것을 사용할 수 있으며, 예를 들어 EDLC의 경우에는 활성탄을 주성분으로 하는 활성탄 슬러리를 사용할 수 있다.
상기 전극 활물질은 전기에너지 저장장치의 종류나, 양극 및 음극에 따라 다양한 성분으로부터 선택될 수 있다. 상기 전극 활물질은 금속산화물(리튬산화물 등) 및 활성탄 등을 포함할 수 있다. 상기 금속산화물은, 예를 들어 리튬망간옥사이드, 리튬코발트옥사이드, 리튬니켈옥사이드 및/또는 리튬니켈코발트망간옥사이드 등의 리튬이차전지용 전극 활물질이 사용될 수 있다. 상기 활성탄은, 예를 들어 석유계나 식물계의 다공질 활성탄으로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, EDLC의 경우, 상기 전극 활물질로는 평균입자 약 8㎛ ~ 13㎛의 활성탄을 사용할 수 있다.
상기 도전재는, 예를 들어 도전성의 카본블랙 및/또는 아세틸렌블랙 등으로부터 선택될 수 있으며, 구체적인 예를 들어 도전성이 우수한 케첸블랙(Ketjenblack)이나 상용 제품(예를 들어, SUPER-P) 등의 카본블랙을 사용할 수 있다. 상기 도전재는, 예를 들어 약 0.5㎛ ~ 40㎛의 평균입자, 또는 3㎛ ~ 20㎛의 평균입자 크기를 가지는 것을 사용할 수 있다.
상기 바인더는 접착성을 가지는 것이면 좋으며, 이는 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 아크릴산, 아크릴 고무, 니트릴-부타디엔 고무(NBR), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 부틸 고무(BR) 및 폴리비닐알콜(PVA) 등으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.
상기 용매는, 예를 들어 물(증류수나 정제수 등) 및/또는 유기 용제 등으로부터 선택될 수 있다. 상기 유기 용제로는, 예를 들어 메틸알콜, 에틸알콜 및 프로필알콜 등의 알콜계; 메틸에틸케톤(MEK) 등의 케톤류; 및/또는 N-메틸피롤리돈(NMP) 등을 들 수 있다. 상기 첨가제는 증점제 및/또는 분산제 등으로부터 선택될 수 있으며, 이들은 당업계에서 통상적으로 사용되는 것을 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
한편, 상기 제3단계에서는 탄소체 용액을 상기 전극 활물질층(20)의 표면에 스프레이 코팅(spray coating)하여, 상기 표면 탄소체층(30)을 얇은 박막으로 형성하는 것이 좋다. 이때, 상기 탄소체 용액은 적어도 탄소체를 포함하며, 이는 구체적으로 탄소체 및 분산 용매를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 탄소체는 탄소나노튜브(CNT) 및/또는 그래핀 등으로부터 선택된다. 상기 분산 용매는 탄소체를 분산시킬 수 있는 것이면 좋으며, 이는 예를 들어 물(증류수나 정제수 등) 및/또는 유기 용제 등으로부터 선택될 수 있다. 상기 유기 용제로는, 예를 들어 메틸알콜, 에틸알콜 및 프로필알콜 등의 알콜계; 메틸에틸케톤(MEK) 등의 케톤류; 및/또는 N-메틸피롤리돈(NMP) 등을 들 수 있다. 또한, 상기 탄소체 용액은, 경우에 따라 바인더 및/또는 분산제 등을 더 포함할 수 있다. 상기 바인더는, 예를 들어 전도성 고분자를 사용할 수 있다, 상기 바인더는, 구체적인 예를 들어 폴리피롤, 폴리아세틸렌, 폴리싸이오펜, 폴리아닐린 및/또는 폴리테트라플루오로에틸렌 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 상기 제3단계에서는 0.5중량% ~ 10중량%의 탄소체를 포함하는 탄소체 용액을 스프레이 코팅하여 표면 탄소체층(30)을 형성하되, 코팅 두께 및/또는 코팅 회수 등의 조절을 통해 약 0.2㎛ ~ 5㎛의 두께를 가지는 표면 탄소체층(30)을 형성하는 것이 좋다. 이때, 상기 표면 탄소체층(30)의 두께가 0.2㎛ 미만으로서 너무 얇으면, 상기 표면 탄소체층(30)의 형성에 따른 성능 개선효과가 미미할 수 있다. 또한, 상기 탄소체의 함량이 너무 낮은 경우에도 표면 탄소체층(30)의 형성에 따른 성능 개선효과가 미미할 수 있다. 그리고 상기 표면 탄소체층(30)의 두께가 5㎛를 초과하여 너무 두꺼우면, 전해액의 함침이 충분하게 이루어지지 않거나 전해액의 함침 시간이 증가될 수 있다. 상기 탄소체의 함량이 너무 높은 경우에도 위와 같은 전해액의 함침 문제가 발생될 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 상기 제3단계에서는 표면 탄소체층(30)이 약 0.5㎛ ~ 3㎛의 두께를 갖도록 탄소체의 농도(중량%), 코팅 두께 및/또는 코팅 회수 등을 조절하여 진행하는 것이 좋다. 상기 탄소체의 농도(중량%)는, 예를 들어 0.5중량% ~ 8중량%, 또는 0.8중량% ~ 5중량%가 될 수 있다.
상기 하부 탄소체층(40)은 표면 탄소체층(30)과 동일한 방법을 통해 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1단계에서는 집전체층(10)의 표면에 탄소체 용액을 코팅하여 하부 탄소체층(40)을 형성하되, 상기 제3단계와 동일한 방법으로 진행할 수 있다. 상기 하부 탄소체층(40)은, 예를 들어 0.5중량% ~ 10중량%의 탄소체 용액이 사용되어 약 0.2㎛ ~ 5㎛의 두께를 갖거나, 약 0.5㎛ ~ 3㎛의 두께를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 전기에너지 저장장치는, 상기한 바와 같은 본 발명의 복합전극(100)을 포함하는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 상기 복합전극(100)은 전기에너지 저장장치의 양극 또는 음극으로 적용되거나, 양극 및 음극 모두에 적용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전기에너지 저장장치의 제조방법은, 복합전극(100)의 제조공정과, 상기 제조된 복합전극(100)을 포함하는 전극 구성체를 형성하는 셀 조립공정과, 상기 전극 구성체를 전해액에 함침하는 함침공정을 포함한다. 상기 복합전극(100)의 제조공정은 전술한 바와 같으며, 이는 구체적으로 상기 제1단계 내지 제3단계를 포함한다.
상기 셀 조립공정은 양극; 음극; 및 상기 양극과 음극의 사이에 개재된 분리막으로 구성된 전극 구성체를 형성하는 공정으로서, 이는 통상과 같다. 상기 전극 구성체는, 예를 들어 젤리롤 형태로 권취(winding)되어 원통형의 형태를 갖거나 파우치형(각형) 등의 형태를 가질 수 있다. 이때, 상기 전극 구성체를 형성함에 있어서는, 상기 양극 및 음극 중에서 선택된 적어도 하나 이상을 상기 제조된 복합전극(100)으로 사용한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라서, 상기 함침공정은 진공 함침으로 진행할 수 있다. 상기 진공 함침공정은, 예를 들어 상기 셀 조립공정에서 형성된 전극 구성체를 외장재(예를 들어, 파우치)에 수납한 후, 상기 외장재 내에 전해액을 주입한 다음, 이를 진공실에 넣어 진공을 유지하는 방법으로 진행할 수 있다. 상기 진공 함침공정은, 다른 예를 들어 진공을 유지할 수 있는 진공 함침조에 전해액을 넣어 수용시키고, 상기 전해액이 수용된 진공 함침조에 상기 셀 조립공정에서 형성된 전극 구성체를 함침시킨 다음, 진공을 유지하는 방법으로 진행할 수 있다.
상기 복합전극(100)의 최외각 표면이 표면 탄소체층(30)으로 구성되어, 경우에 따라서는 함침 시간이 길어질 수 있지만, 상기와 같은 진공 함침공정으로 전해액을 함침시키는 경우, 상기 표면 탄소체층(30) 및 전극 활물질층(20)에는 물론 하부 탄소체층(40)에까지 전해액이 충분한 양으로 수월하게/빠르게/균일하게 함침될 수 있다.
이하, 본 발명의 구체적인 실험 실시예 및 비교예를 예시한다. 하기의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 하기의 비교예는 종래 기술을 의미하는 것은 아니며, 이는 단지 실시예와의 비교를 위해 제공된다.
[비교예 1 내지 3]
< EDLC용 복합전극의 제조 >
양극 및 음극의 전극으로서 활성탄을 전극 활물질로 적용한 복합전극을 다음과 같이 제조하였다.
먼저, 평균입경 약 1㎛의 고출력용 페놀수지 분말 활성탄으로서, 약 2,000㎡/g의 비표면적을 갖는 활성탄을 준비하였다. 상기 활성탄 82중량%, 도전재(SUPER-P) 10중량%, 카르복시메틸셀룰로오즈(CMC) 3중량% 및 스티렌-부타디엔 고무(SBR) 5중량%의 비율(고형분 기준)로 혼합한 활성탄 슬러리를 준비하였다. 또한, 증류수에 탄소나노튜브(CNT)가 약 2중량%의 농도로 분산된 CNT 수용액을 준비하였다.
다음으로, 두께 약 20㎛의 알루미늄(Al) 집전체에 상기 CNT 수용액을 1차 코팅한 후, 120℃에서 10시간 동안 건조시켜 Al 집전체층의 표면에 두께 약 1.5㎛의 하부 CNT층을 형성하였다. 이후, 상기 하부 CNT층의 표면에 통상의 방법에 따라 활성탄 슬러리를 2차 코팅/건조시켜 활성탄층을 형성하였다. 이때, 상기 각 코팅은 양면 코팅이다. 이와 같은 과정을 통해, Al 집전체층의 양면에 하부 CNT층 및 활성탄층이 순차적으로 형성된 적층 구조를 가지되, 최외각 표면이 활성탄층으로 구성된 복합전극 시편을 제조하였다. 또한, 상기 활성탄 슬러리의 코팅 시에는 각 비교예에 따라 약 30㎛(비교예 1), 약 40㎛(비교예 2) 및 약 60㎛(비교예 3)의 전극층 두께를 갖도록 코팅 두께를 달리하였다. 여기서, 전극층 두께는 Al 집전체층의 두께를 제외한 전극층(하부 CNT층 + 활성탄층)의 두께이며, 이는 또한 양면으로 코팅된 전극층 전체의 두께이다.
< EDLC 셀 제조 >
상기 제조된 복합전극 시편을 폭 7mm, 길이 100mm로 절단한 다음, 이를 양극 및 음극으로 사용하고, 통상의 방법에 따라 젤리롤 형태로 권취하여 EDLC 셀을 제조하였다. 이때, 분리막은 약 40㎛의 두께를 가지는 셀룰로우즈 계열의 분리막을 사용하였으며, 전극의 인출단자로는 니켈 리드탭을 사용하여 초음파 용접시켜 파우치 형태로 제작하였다. 전해액의 함침은 파우치 내에 전해액을 주입한 후, 진공실에서 진공 상태를 유지하는 진공 함침공정으로 진행하여, 활성탄층에는 물론 하부 CNT층에도 전해액이 충분히 함침되게 하였다. 전해액은 1Mol의 TEABF4/PC(테트라에틸암모늄테트라플루오로보레이트/프로필렌카보네이트)를 사용하였다.
[실시예 1 내지 3]
상기 비교예와 대비하여, 복합전극의 제조과정에서 표면 CNT층을 더 형성한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. 구체적으로, Al 집전체층의 양면에 하부 CNT층 및 활성탄층을 형성한 다음, 상기 활성탄층 상에 표면 CNT층을 더 형성하였다. 이때, 상기 표면 CNT층은 증류수에 탄소나노튜브(CNT)가 약 2중량%의 농도로 분산된 CNT 수용액을 사용하되, 상기 CNT 수용액을 활성탄층의 표면에 스프레이 코터(Spray Coater)를 사용하여 스프레이 방식으로 코팅하였다. 이후, 120℃에서 10시간 동안 건조시켜 활성탄층의 표면에 두께 약 1.5㎛의 표면 CNT층을 형성하였으며, 별도의 롤 프레스 공정은 시행하지 않았다.
위와 같은 과정을 통해, Al 집전체층의 양면에 하부 CNT층, 활성탄층 및 표면 CNT층이 순차적으로 형성된 적층 구조를 가지되, 최외각 표면이 상기 표면 CNT층으로 구성된 복합전극 시편을 제조하였다. 이때, 활성탄 슬러리의 코팅 시에는 각 실시예에 따라 약 30㎛(실시예 1), 약 40㎛(실시예 2) 및 약 60㎛(실시예 3)의 전극층 두께를 갖도록 코팅 두께를 달리하였다.
첨부된 도 4는 실시예 1에 따라 제조된 복합전극의 SEM 이미지로서, 이는 복합전극의 일부 단면을 보인 것이다. 또한, EDLC 셀의 제조과정에서 전해액을 함침시킴에 있어서는 비교예와 동일하게 진공 함침공정으로 진행하여, 표면 CNT층 및 활성탄층에는 물론 하부 CNT층에도 전해액이 충분히 함침되게 하였다.
[실시예 4]
상기 실시예 1과 대비하여, 복합전극의 제조과정에서 탄소나노튜브(CNT) 대신에 환원 그래핀을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. 구체적으로, 본 실시예에서는 Al 집전체층의 양면에 하부 CNT층, 활성탄층 및 표면 그래핀층이 순차적으로 형성된 적층 구조를 가지되, 최외각 표면이 상기 표면 그래핀층으로 구성된 복합전극 시편을 제조하였다. 이때, 상기 표면 그래핀층은 증류수에 환원 그래핀이 약 0.3중량%의 농도로 분산된 환원 그래핀 수용액으로서, 환원 그래핀의 농도를 낮게 하여 사용하였다.
[특성 평가]
상기 각 실시예(1 ~ 4) 및 비교예(1 ~ 3)에 따른 EDLC 셀 시편에 대해 2.5V, 10mA로 충방전을 실시하여 전기적 성능을 평가하였다. 전기적 성능은 각 EDLC 셀 시편에 대한 정전용량(CAP)과 등가직결저항(ESR)을 측정하여 평가하였으며, 그 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다. 모든 측정은 당업계의 통상적인 방법에 따라 진행하였다. 또한, 실시예는 비교예에 대한 증가율(△CAP, △ESR)을 평가(계산)하여, 하기 [표 1]에 함께 나타내었다.
| 비 고 | 전극층 두께(㎛) |
최외각 표면 | CAP (F) |
ESR (Ω) |
△CAP (%) |
△ESR (%) |
| 비교예 1 | 30 | 활성탄층 | 0.2685 | 0.132 | - | - |
| 실시예 1 | 30 | CNT층 (CNT 2wt%) |
0.2904 | 0.103 | 8.2% (비교예 1 대비) |
-22.0% (비교예 1 대비) |
| 비교예 2 | 40 | 활성탄층 | 0.3684 | 0.146 | - | - |
| 실시예 2 | 40 | CNT층 (CNT 2wt%) |
0.3948 | 0.118 | 7.2% (비교예 2 대비) |
-19.2% (비교예 2 대비) |
| 비교예 3 | 60 | 활성탄층 | 0.6543 | 0.172 | - | - |
| 실시예 3 | 60 | CNT층 (CNT 2wt%) |
0.6812 | 0.136 | 4.1% (비교예 3 대비) |
-20.9% (비교예 3 대비) |
| 실시예 4 | 30 | 그래핀층 (그래핀 0.3wt%) |
0.2701 | 0.127 | 0.6% (비교예 1 대비) |
-3.8% (비교예 1 대비) |
상기 [표 1]에 보인 바와 같이, 활성탄층의 표면에 CNT 수용액을 스프레이 코팅하여 표면 CNT층을 더 형성한 경우(실시예 1 ~ 3)가 그렇지 않은 경우(비교예 1 ~ 3)에 비하여 약 4% 이상, 많게는 8% 이상의 정전용량(CAP) 증대효과를 가지며, 이와 함께 약 20% 정도의 내부저항(ESR) 감소효과도 가짐을 알 수 있었다. 이를 통해 복합전극의 최외각 표면에 CNT층을 형성시킴으로써, 내부저항(ESR)의 감소를 통한 고출력 특성의 전기에너지 저장장치를 구현할 수 있으며, 추가적으로 에너지밀도의 향상에 의한 정전용량(CAP)이 증대되는 성능 개선을 이룰 수 있음을 확인할 수 있다.
또한, 실시예 4에 따른 추가적인 실험을 통하여, 하부 CNT층 및 활성탄층을 형성한 후, 상기 활성탄층 상에 표면 그래핀층을 형성한 경우에도 정전용량(에너지밀도)의 증대 및 내부저항(ESR)의 감소효과가 있음을 알 수 있었다. 다만 실시예 4의 경우, 환원 그래핀의 농도가 0.3wt%로서 매우 낮아 비교예 1보다 크게 개선되지는 않았으나, 환원 그래핀의 농도를 증대시키는 경우 보다 큰 개선 효과를 나타낼 수 있다.
10 : 집전체층 20 : 전극 활물질층
30 : 표면 탄소체층 40 : 하부 탄소체층
100 : 복합전극
30 : 표면 탄소체층 40 : 하부 탄소체층
100 : 복합전극
Claims (6)
- 집전체층(10);
상기 집전체층(10) 상에 형성된 전극 활물질층(20); 및
상기 전극 활물질층(20)의 표면에 탄소체가 코팅되어 형성된 표면 탄소체층(30)을 포함하고,
상기 표면 탄소체층(30)이 최외각 표면을 형성하는 전기에너지 저장장치용 복합전극(100).
- 제1항에 있어서,
상기 전기에너지 저장장치용 복합전극(100)은,
상기 집전체층(10)과 전극 활물질층(20)의 사이에 형성된 하부 탄소체층(40)을 더 포함하고,
상기 하부 탄소체층(40)은 집전체층(10)의 표면에 탄소체가 코팅되어 형성된 전기에너지 저장장치용 복합전극(100).
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 탄소체는 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀으로부터 선택된 하나 이상을 포함하고,
상기 표면 탄소체층(30)은 0.2㎛ ~ 5㎛의 두께를 가지는 전기에너지 저장장치용 복합전극(100).
- 집전체층(10) 상에 하부 탄소체층(40)을 형성하는 제1단계;
상기 하부 탄소체층(40) 상에 전극 활물질층(20)을 형성하는 제2단계; 및
상기 전극 활물질층(20) 상에 표면 탄소체층(30)을 형성하는 제3단계를 포함하고,
상기 제3단계에서는 0.5중량% ~ 10중량%의 탄소체를 포함하는 탄소체 용액을 상기 전극 활물질층(20)의 표면에 스프레이 코팅하여, 0.2㎛ ~ 5㎛의 두께를 가지는 표면 탄소체층(30)을 형성하는 전기에너지 저장장치용 복합전극(100)의 제조방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 따른 복합전극(100)을 포함하는 전기에너지 저장장치.
- 복합전극(100)의 제조공정;
양극과 음극 중에서 선택된 하나 이상을 상기 제조된 복합전극(100)으로 사용한 전극 구성체를 형성하는 셀 조립공정; 및
상기 전극 구성체를 전해액에 함침하는 함침공정을 포함하고,
상기 복합전극(100)의 제조공정은,
집전체층(10) 상에 하부 탄소체층(40)을 형성하는 제1단계;
상기 하부 탄소체층(40) 상에 전극 활물질층(20)을 형성하는 제2단계; 및
상기 전극 활물질층(20) 상에 표면 탄소체층(30)을 형성하는 제3단계를 포함하며,
상기 제3단계에서는 0.5중량% ~ 10중량%의 탄소체를 포함하는 탄소체 용액을 상기 전극 활물질층(20)의 표면에 스프레이 코팅하여, 0.2㎛ ~ 5㎛의 두께를 가지는 표면 탄소체층(30)을 형성하고,
상기 함침공정에서는 진공 함침으로 진행하는 전기에너지 저장장치의 제조방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020220075158A KR20230174091A (ko) | 2022-06-20 | 2022-06-20 | 복합전극 및 이를 이용한 전기에너지 저장장치 |
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| KR20230174091A true KR20230174091A (ko) | 2023-12-27 |
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2022
- 2022-06-20 KR KR1020220075158A patent/KR20230174091A/ko unknown
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