KR101138502B1 - 리튬 이온 커패시터의 제조 방법 - Google Patents

리튬 이온 커패시터의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리튬 이온 커패시터의 제조 방법에 관한 것으로, 음극에 리튬 공급원을 직접적으로 접촉시키는 단계; 상기 음극 및 리튬 공급원을 도핑 전해액에 함침하여 상기 음극에 리튬 이온을 프리도핑하는 단계; 사이에 세퍼레이터를 두고 상기 리튬 이온이 프리도핑된 음극과 양극을 순차적으로 적층하여 전극 셀을 형성하는 단계; 상기 전극 셀의 단자들에 흡착된 도핑 전해액을 세정하는 단계; 상기 단자들을 융착하는 단계; 및 상기 융착된 단자를 노출하며 상기 전극 셀을 밀봉하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

리튬 이온 커패시터의 제조 방법{Method of manufacturing lithium ion capacitor}
본 발명은 리튬 이온 커패시터에 관한 것으로, 음극에 리튬 공급원을 직접 접촉하여 리튬 이온을 프리도핑공정을 수행한 후, 단자의 세정공정을 수행하는 리튬 이온 커패시터의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전기화학적 에너지 저장장치는 모든 휴대용 정보통신기기, 전자기기에 필수적으로 사용되는 완제품 기기의 핵심부품이다. 또한, 전기화학적 에너지 저장장치는 미래형 전기자동차 및 휴대용 전자장치등에 적용될 수 있는 신재생 에너지 분야의 고품질 에너지원으로써 확실하게 사용될 것이다.
전기화학적 에너지 저장장치 중 전기화학 커패시터는 전기이중층 원리를 이용하는 전기이중층 커패시터(Electrical double layer)와 전기화학적 산환-환원 반응을 이용하는 하이브리드 슈퍼 커패시터(Hybrid supercapacitor)로 구분될 수 있다.
여기서, 전기이중층 커패시터는 고출력 에너지 특성을 필요로 하는 분야에서 많이 사용되고 있으나, 전기이중층 커패시터는 작은 용량과 같은 문제점을 가지고 있다. 이에 비하여, 하이브리드 슈퍼 커패시터는 전기이중층 커패시터의 용량 특성을 개선할 새로운 대안으로 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히, 하이브리드 슈퍼 커패시터 중 리튬 이온 커패시터(Lithium ion capacitor; LIC)는 전기이중층 커패시터에 비해 3 내지 4배 정도의 축적용량을 가질 수 있다.
리튬 이온 커패시터를 형성하기 위한 공정은 시트형태를 갖는 양극, 분리막 및 음극을 순차적으로 적층하여 전극 적층체를 형성하는 적층공정, 양극의 단자들과 음극의 단자들을 각각 용접하는 용접공정, 전극 적층체를 전해액에 함침하여 음극에 리튬이온을 프리 도핑하기 위한 전처리 도핑공정 및 전극 적층체를 알루미늄으로 실링하는 실링공정을 포함할 수 있다.
여기서, 음극에 리튬이온을 프리 도핑하기 위한 공정은 전극 적층체의 최상단층과 최하단층에 각각 리튬 금속막을 구비시킨 후, 전해질 용액에 침지시킴으로써 이뤄질 수 있다.
이때, 프리 도핑 공정에서 리튬 이온이 음극에 원활하게 공급되기 위해, 양극 및 음극에 구비된 집전체는 메쉬형태로 가질 수 밖에 없어, 리튬 이온 캐패시터의 내부 저항이 높아지는 문제점이 있었다.
또한, 리튬 금속막은 전극 적층체의 양단에 각각 구비되므로, 적층된 음극 전체에 리튬이온이 균일하게 도핑되는데 어려움이 있었다.
또한, 리튬이온이 전극 적층체의 내부에 구비된 음극에 균일하게 도핑되기 까지의 시간이 20일 정도가 소요되어, 양산 적용에 어려움이 있었다.
따라서, 본 발명은 리튬 이온 커패시터의 제조 방법에서 발생될 수 있는 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 구체적으로 음극에 리튬 공급원을 직접 접촉하여 리튬 이온을 프리도핑공정을 수행한 후, 단자의 세정공정을 수행하는 리튬 이온 커패시터의 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 리튬 이온 커패시터의 제조 방법을 제공하는 것이다. 상기 제조 방법은 음극에 리튬 공급원을 직접적으로 접촉시키는 단계; 상기 음극 및 리튬 공급원을 도핑 전해액에 함침하여 상기 음극에 리튬 이온을 프리도핑하는 단계; 사이에 세퍼레이터를 두고 상기 리튬 이온이 프리도핑된 음극과 양극을 순차적으로 적층하여 전극 셀을 형성하는 단계; 상기 전극 셀의 단자들에 흡착된 도핑 전해액을 세정하는 단계; 상기 단자들을 융착하는 단계; 및 상기 융착된 단자를 노출하며 상기 전극 셀을 밀봉하는 단계;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 전극 셀의 단자들에 흡착된 도핑 전해액을 세정하는 단계는 상기 전극 셀을 세정액에 함침한 후 초음파 세정을 통해 수행될 수 있다.
또한, 상기 세정액은 아세톤 및 디에틸 카보네이트 중 어느 하나 또는 둘을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전극 셀의 단자들에 흡착된 도핑 전해액을 세정하는 단계는 상기 단자에 흡착된 염을 제거하는 제 1 차 초음파 세정 단계; 및 상기 단자에 흡착된 용매를 제거하는 제 2 차 초음파 세정 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 리튬 공급원은 리튬 메탈, 리튬을 함유하는 산화물 및 리튬을 함유하는 합금 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 음극은 음극 집전체와 상기 음극 집전체의 양면에 각각 구비된 음극 활물질층을 구비하며, 상기 음극 집전체는 무공(無孔)의 시트형태를 가질 수 있다.
또한, 상기 양극은 양극 집전체와 상기 양극 집전체의 양면에 각각 구비된 양극 활물질층을 구비하며, 상기 양극 집전체는 무공(無孔)의 시트형태를 가질 수 있다.
또한, 상기 음극에 리튬 공급원을 직접적으로 접촉시키는 단계에서, 상기 음극 및 상기 리튬 공급원을 교대로 적층하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전극 셀의 단자들에 흡착된 도핑 전해액을 세정하는 단계이후에 상기 전극 셀을 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 리튬 이온 커패시터는 음극에 리튬 공급원을 직접적으로 접촉시켜 리튬 이온을 프리 도핑시킴으로써, 프리도핑공정 시간을 단축할 수 있어, 양산적용이 가능해질 수 있다.
또한, 본 발명의 리튬 이온 커패시터는 음극에 리튬 공급원을 직접적으로 접촉시켜 리튬 이온을 프리 도핑시킴으로써, 집전체를 무공의 형태로 가져갈 수 있으므로, 리튬 이온 커패시터의 내부 저항을 낮출 수 있다.
또한, 본 발명의 리튬 이온 커패시터는 음극에 리튬 공급원을 직접적으로 접촉시켜 리튬 이온을 프리 도핑시킨 후 적층셀을 형성함에 따라, 각 음극에 균일하게 리튬 이온을 프리 도핑시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 리튬 이온 커패시터는 리튬 이온의 프리 도핑 공정을 진행한 후, 단자의 세척 공정을 통해 단자에 흡착된 도핑 전해액을 제거함에 따라, 단자의 융착 불량을 방지할 수 있다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이온 커패시터의 제조 공정을 설명하기 위해 도시한 사시도들이다.
본 발명의 실시예들은 리튬 이온 커패시터의 제조 공정을 설명하기 위한 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다.
따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이온 커패시터의 제조 공정을 설명하기 위해 도시한 사시도들이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이온 커패시터를 제조하기 위해, 먼저 음극(120) 및 리튬 공급원(130)을 서로 접촉시킨다.
여기서, 음극(120)은 음극 집전체(121)와 음극 집전체(121)의 양면에 각각 배치된 음극 활물질층(122)을 포함할 수 있다.
음극 집전체(121)는 구리 및 니켈 중 적어도 어느 하나로 이루어진 포일로 이루어질 수 있다. 이때, 음극 집전체(121)는 리튬 이온 커패시터의 내저항을 낮추기 위해 메쉬형태가 아닌, 즉 무공(無孔)의 시트 형태를 가질 수 있다.
음극 활물질층(122)은 리튬 이온을 가역적으로 도핑 및 탈도핑할 수 있는 탄소재질, 예컨대 그라파이터(graphite)로 이루어질 수 있다. 이에 더하여, 음극 활물질층(122)은 바인더를 더 포함할 수도 있다.
음극(120)은 외부전원과 접촉되는 음극 단자(123)를 구비할 수 있다. 여기서, 음극 단자(123)는 음극 집전체(121)의 일측에서 연장되어 형성될 수 있다.
또한, 리튬 공급원(130)은 음극(120)으로 리튬 이온을 공급하는 역할을 할 수 있다. 여기서, 리튬 공급원(130)은 리튬 메탈, 리튬을 함유하고 있는 리튬 산화물 및 리튬을 함유하고 있는 리튬 합금 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
음극(120)은 음극 집전체(121)의 양면에 음극 활물질층(122)을 구비할 경우, 리튬 공급원(130)은 음극(120)의 양면에 각각 접촉하고 있을 수 있다. 이때, 적층 지그를 이용하여, 음극(120)과 리튬 공급원(130)을 교대로 적층할 수 있다. 이에 따라, 다수의 음극(120)에 한번의 공정으로 리튬이온을 프리도핑할 수 있다.
한편, 도핑 전해액(210)을 수용하고 있는 도핑배스(200)를 제공한다. 여기서, 도핑 전해액(210)은 리튬이온의 프리도핑공정에서 리튬 이온을 이동시킬 수 있는 매질의 역할을 할 수 있다.
도핑 전해액(210)은 전해질 및 용매를 포함할 수 있다. 전해질은 염의 상태로, 예컨대 리튬염 또는 암모늄염등일 수 있다. 용매의 예로서는 프로필렌카보네이트, 디에틸카보네이트, 에틸렌카보네이트, 술포란, 아세토니트릴, 디메톡시에탄 및 테트라하이드로푸란등일 수 있다. 여기서, 용매는 하나 또는 둘 이상을 혼합하여 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에서, 도핑 전해액의 재질에 대해서 한정하는 것은 아니며, 리튬 이온을 이동시킬 수 있으면 어떠한 재질이어도 무방하다.
이후, 서로 접촉하고 있는 음극(120) 및 리튬 공급원(130)을 도핑 전해액(210)에 함침한다. 여기서, 음극(120)과 리튬 공급원(130)은 전위차를 가짐에 따라, 음극(120)과 리튬 공급원(130)이 서로 접촉, 즉 전기적으로 단락될 경우 리튬 이온은 리튬 공급원(130)으로부터 음극(120)으로 도핑될 수 있다. 이때, 음극(120)과 리튬 공급원(130)은 직접적으로 접촉함에 따라, 종래 충방전을 통한 리튬이온의 프리도핑공정보다 도핑시간을 단축할 수 있다.
또한, 음극(120)에 각각 리튬 이온을 프리도핑한 후 전극 셀을 형성할 수 있으므로, 종래 전극 셀을 형성한 후 리튬 이온을 음극에 프리도핑하는 경우보다 음극(120)에 균일하게 리튬 이온을 프리도핑할 수 있다.
이후, 음극(120)에 리튬 이온의 프리도핑 공정을 완료한 후, 리튬 공급원(130)이 잔존할 경우 음극으로부터 리튬 공급원(130)을 분리하는 공정을 더 수행할 수 있다.
도 2를 참조하면, 음극(120)에 리튬 이온을 프리도핑한 후, 사이에 세퍼레이터(150)를 두고 리튬 이온이 프리도핑된 음극(120)과 양극(140)을 순차적으로 적층하여 전극 셀(100a)을 형성한다.
여기서, 세퍼레이터(150)는 음극(120)과 양극(140)을 서로 전기적으로 분리하는 역할을 할 수 있다. 세퍼레이터(150)는 종이 또는 부직포일 수 있으나, 본 발명의 실시예에서 세퍼레이터(150)의 종류에 대해서 한정하는 것은 아니다.
양극(140)은 양극 집전체(141)와 양극 집전체(141)의 양면에 각각 배치된 양극 활물질층(142)을 포함할 수 있다. 여기서, 양극 집전체(141)는 알루미늄, 티탄, 니오브 및 탄탈 중 적어도 어느 하나 중 적어도 어느 하나로 이루어진 포일로 이루어질 수 있다. 이때, 양극 집전체(141)는 리튬 이온 커패시터의 내저항을 낮추기 위해 메쉬형태가 아닌, 즉 무공(無孔)의 시트 형태를 가질 수 있다.
또한, 양극 활물질층(142)은 리튬 이온을 가역적으로 도핑 및 탈도핑할 수 있는 탄소재료, 즉 활성탄을 포함할 수 있다. 이에 더하여, 양극 활물질층(142)은 바인더를 더 포함할 수 있다.
양극(140)은 외부 전원과 연결되기 위한 양극 단자(143)를 구비할 수 있다. 이때, 양극 단자(143)는 양극 집전체(141)의 일측으로부터 연장되어 형성될 수 있다.
전극 셀(100a)을 형성하기 위한 양극(140) 및 음극(120)의 적층으로, 양극 단자(143)들과 음극 단자(123)들은 각각 순차적으로 적층될 수 있다. 이때, 양극 단자(143)들과 음극 단자(123)들은 서로 이격되도록 배치되어 전기적으로 분리될 수 있다.
여기서, 음극 단자(123)에 음극(120)의 프리도핑공정에서 도핑 전해액이 흡착될 수 있다. 후속공정인 단자들의 융착공정에서 도핑 전해액으로 인해 음극 단자(123)들의 융착불량을 야기할 수 있다.
도 3을 참조하면, 전극 셀(100a)의 음극 단자(123)들을 초음파 세정하여 음극 단자(123)들에 흡착되어 있는 도핑 전해액을 제거할 수 있다.
여기서, 초음파 세정은 전극 셀(100a)의 음극 단자(123)들을 세정배스(300)에 수용된 세정액(310)에 함침시킨후 수행될 수 있다. 이때, 세정액(310)은 아세톤 및 디에틸 카보네이트 중 어느 하나 또는 둘의 혼합용액일 수 있다.
초음파 세정은 적어도 2회, 예컨대 제 1 차 초음파 세정 공정과 제 2 차 초음파 세정공정을 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 차 초음파 세정 공정은 도핑 전해액의 염을 제거하기 위해 음극 단자(123)들을 디에틸 카보네이트에 함침한 상태로 진행될 수 있다. 또한, 제 2 차 초음파 세정 공정은 도핑 전해액의 용매를 제거하기 위하여 음극 단자(123)들을 아세톤에 함침한 상태로 진행될 수 있다.
이에 더하여, 초음파 세정은 양극 단자(143)들에도 동시에 수행되어, 양극 단자(143)들에 부착되어 있는 오염물질도 함께 제거될 수 있어, 오염물질로 인한 양극 단자들의 융착 불량을 방지할 수 있다.
이후, 전극 셀(100a)의 단자들을 초음파 세정후 단자들에 흡착된 세정액을 제거하기 위한 건조공정을 더 수행할 수 있다.
도 4를 참조하면, 초음파 세정을 통해 음극 단자(123)들에 흡착된 도핑 전해액을 제거한 후, 다수로 적층된 음극 단자(123)들 및 다수로 적층된 양극 단자(143)들을 각각 융착하여 일체화시킨다. 초음파 세정으로 음극 단자(123)들에 흡착된 도핑 전해액을 제거함에 따라, 음극 단자(123)들의 융착 불량을 방지할 수 있다.
융착공정 방법의 예로서는 초음파 용접, 레이저 용접 및 스폿 용접등일 수 있으며, 본 발명의 실시예에서 이를 한정하는 것은 아니다.
이후, 외장 라미네이트 필름(160)을 이용하여 전극 셀(100a)을 밀봉한다. 여기서, 외장 라미네이트 필름(160)은 알루미늄으로 이루어질 수 있으며, 본 발명의 실시예에서 이를 한정하는 것은 아니다.
구체적으로, 전극 셀의 밀봉 공정을 설명하면, 먼저, 전극 셀(100a)을 사이에 두고 상, 하부에 각각 외장 라미네이트 필름(160)을 제공한다. 이후, 두 외장 라미네이트 필름(160)을 열융착함으로써, 전극 셀(100a)은 외장 라미네이트 필름(160)에 의해 밀봉될 수 있다. 이때, 융착된 양극 단자(143)들 및 음극 단자(123)들은 외부 전원과 전기적으로 연결되기 위해 외장 라미네이트 필름(160)으로부터 노출되어 있다.
여기서, 열 융착 공정은 두 외장 라미네이트 필름(160)의 에지를 따라 진행하되, 두 외장 라미네이트 필름(160)사이에 개재된 전극 셀(100a)에 전해액을 투입하기 위한 틈새를 남겨두도록 진행된다.
여기서, 전해액은 리튬 이온을 이동시킬 수 있는 매질의 역할을 하는 것으로, 고전압에서 전기분해를 일으키지 않아 리튬 이온을 안정하게 존재할 수 있는 재질로 이루어질 수 있다. 전해액은 전해질 및 용매를 포함할 수 있다. 전해질은 염의 상태로, 예컨대 리튬염 또는 암모늄염등일 수 있다. 용매의 예로서는 프로필렌카보네이트, 디에틸카보네이트, 에틸렌카보네이트, 술포란, 아세토니트릴, 디메톡시에탄 및 테트라하이드로푸란등일 수 있다. 여기서, 용매는 하나 또는 둘 이상을 혼합하여 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에서, 전해액의 재질에 대해서 한정하는 것은 아니며, 리튬 이온을 이동시킬 수 있으면 어떠한 재질이어도 무방하다. 여기서, 전해액은 리튬 이온의 프리 도핑공정에서 사용된 도핑 전해액과 동일한 재질 또는 다른 재질을 이용할 수 있다.
틈새로 전해액을 투입한 후, 틈새를 진공 밀봉시킴으로써, 리튬 이온 커패시터(100)를 형성할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서와 같이, 음극에 리튬 공급원을 직접적으로 접촉시켜 리튬 이온을 프리 도핑시킴으로써, 프리도핑공정 시간을 단축할 수 있어, 양산적용이 가능해질 수 있다.
또한, 본 발명의 리튬 이온 커패시터는 음극에 리튬 공급원을 직접적으로 접촉시켜 리튬 이온을 프리 도핑시킴으로써, 집전체를 무공의 형태로 가져갈 수 있으므로, 리튬 이온 커패시터의 내부 저항을 낮출 수 있다.
또한, 본 발명의 리튬 이온 커패시터는 음극에 리튬 공급원을 직접적으로 접촉시켜 리튬 이온을 프리 도핑시킨 후 적층셀을 형성함에 따라, 각 음극에 균일하게 리튬 이온을 프리 도핑시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 리튬 이온 커패시터는 리튬 이온의 프리 도핑 공정을 진행한 후, 단자의 세척 공정을 통해 단자에 흡착된 전해액을 제거함에 따라, 단자의 융착 불량을 방지할 수 있다.
100 : 리튬 이온 커패시터 120 : 음극
123 : 음극 단자 130 : 리튬 공급원
140 : 양극 143 : 양극 단자
150 : 세퍼레이터 160 : 외장 라미네이트 필름
200 : 도핑 배스 210 : 도핑 전해액
300 : 세정 배스 310 : 세정액

Claims (9)

  1. 음극에 리튬 공급원을 직접적으로 접촉시키는 단계;
    상기 음극 및 리튬 공급원을 도핑 전해액에 함침하여 상기 음극에 리튬 이온을 프리도핑하는 단계;
    사이에 세퍼레이터를 두고 상기 리튬 이온이 프리도핑된 음극과 양극을 순차적으로 적층하여 전극 셀을 형성하는 단계;
    상기 전극 셀의 단자들에 흡착된 도핑 전해액을 세정하는 단계;
    상기 전극 셀을 건조하는 단계;
    상기 단자들을 융착하는 단계; 및
    상기 융착된 단자를 노출하며 상기 전극 셀을 밀봉하는 단계;
    를 포함하는 리튬 이온 커패시터의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극 셀의 단자들에 흡착된 도핑 전해액을 세정하는 단계는
    상기 전극 셀을 세정액에 함침한 후 초음파 세정을 통해 수행되는 리튬 이온 커패시터의 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 세정액은 아세톤 및 디에틸 카보네이트 중 어느 하나 또는 둘을 포함하는 리튬 이온 커패시터의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극 셀의 단자들에 흡착된 도핑 전해액을 세정하는 단계는
    상기 단자에 흡착된 염을 제거하는 제 1 차 초음파 세정 단계; 및
    상기 단자에 흡착된 용매를 제거하는 제 2 차 초음파 세정 단계;
    를 포함하는 리튬 이온 커패시터의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 리튬 공급원은 리튬 메탈, 리튬을 함유하는 산화물 및 리튬을 함유하는 합금 중 어느 하나를 포함하는 리튬 이온 커패시터의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극은 음극 집전체와 상기 음극 집전체의 양면에 각각 구비된 음극 활물질층을 구비하며,
    상기 음극 집전체는 무공(無孔)의 시트형태를 갖는 리튬 이온 커패시터의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극은 양극 집전체와 상기 양극 집전체의 양면에 각각 구비된 양극 활물질층을 구비하며,
    상기 양극 집전체는 무공(無孔)의 시트형태를 갖는 리튬 이온 커패시터의 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극에 리튬 공급원을 직접적으로 접촉시키는 단계에서,
    상기 음극 및 상기 리튬 공급원을 교대로 적층하는 단계를 포함하는 리튬 이온 커패시터의 제조 방법.
  9. 삭제
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