KR101918309B1 - 전도성 코팅을 갖는 집전기를 포함하는 전기화학-전도성 물품 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

전도성 코팅(104a, 104b)을 갖는 집전기(102)를 포함하는 전기-전도성 물품이 제공된다. 집전기(102)는 에칭된 금속으로부터의 것과 같은 나노다공성 구조, 및 집전기(102)와 접촉하는 탄소 코팅(104a, 104b)을 갖는다. 탄소 코팅(104a, 104b)에는 결합제가 없다. 일부 실시예에서, 집전기(102)는 에칭된 알루미늄을 포함한다. 제공된 전기-전도성 물품은 전기화학 커패시터 또는 리튬-이온 전기화학 전지일 수 있다.

Description

전도성 코팅을 갖는 집전기를 포함하는 전기화학-전도성 물품 및 이를 제조하는 방법{ELECTROCHEMICALLY-CONDUCTIVE ARTICLES INCLUDING CURRENT COLLECTORS HAVING CONDUCTIVE COATINGS AND METHODS OF MAKING SAME}
본 발명은 전기화학 커패시터(electrochemical capacitor) 또는 전기화학 전지(electrochemical cell)와 같은 에너지 저장 장치에 유용할 수 있는 전기화학-전도성 물품에 관한 것이다.
감소하고 있는 화석 연료의 입수가능성에 대한 우려로 인해, 미래 에너지 수요를 위한 풍력 및 태양열과 같은 천연 전력 공급원을 사용하는 것에 대한 관심이 증가하고 있다. 이들 공급원 중 일부는 연속적인 에너지 생산을 이루지 못한다. 예를 들어, 바람은 항상 부는 것이 아니고, 태양은 어떤 때든 항상 비치는 것은 아니다. 따라서, 에너지 저장 장치 및 시스템에서는 에너지 생산의 정지 시간 동안 이들 천연 공급원으로부터 수집된 에너지의 사용을 가능하게 하고자 하는 요구가 증가하고 있다.
리튬-이온 전기화학 전지와 같은 전기화학 전지, 및 "수퍼커패시터"로서 알려진 전기화학 커패시터는 잠재적인 에너지 저장 장치로서 관심의 중심에 있다. 그러나, 이들 에너지 저장 장치의 성능은 휴대용 전자장치로부터 하이브리드 전기 차량 및 대형 산업 장비에 이르는 미래 전자 시스템의 보다 높은 수요를 충족시키기 위해 실질적으로 개선될 필요가 있다.
리튬-이온 전기화학 전지는 비록 이들이 고가이지만 고 에너지 밀도를 제공할 수 있다. 그러나, 리튬-이온 배터리는 비교적 전력 전달이 느리고 재충전이 느리다. 최근에, 수초 내에 완전 충전 또는 방전될 수 있는, 하지만 리튬-이온 배터리보다는 낮은 에너지 밀도를 갖는 전기화학 커패시터를 개발하는 것이 관심을 끌었다. 전기화학 커패시터는 예를 들어 무정전 전원 장치(uninterruptable power supplies), 정전에 대비하여 보호하기 위해 사용되는 백업 전원 장치(back-up supply), 및 부하-평준화(load-leveling)와 같은 에너지 저장 분야의 일부 응용에서 리튬-이온 전기화학 전지를 보완 또는 대체하는 데 있어서 중요한 역할을 할 수 있다.
리튬-이온 전기화학 전지 및 전기화학 커패시터 둘 모두는 집전기(current collector)를 포함하는 전극을 포함한다. 리튬-이온 전기화학 전지를 위한 전극은 전형적으로 알루미늄 또는 구리 포일(foil)과 같은 금속 포일을 포함한다. 이어서, 전기화학적-활성 복합 재료가 포일 상에 배치되어 전극을 형성한다. 그러면, 복합 재료의 고 표면적 또는 다공도는 활성 재료의 대부분으로의 리튬-이온의 이동을 가능하게 하며, 그에 따라 에너지 저장을 위한 큰 용량을 제공한다. 전기화학 커패시터는 에칭된 알루미늄과 같은 고 표면적 집전기를 이용함으로써 그들의 고 용량을 얻는다. 전형적으로, 전기화학 커패시터에 유용할 수 있는 통상적인 전극은 활성탄(activated carbon)에 집전기를 증착(vapor-depositing) 또는 접합시킴으로써 제조될 수 있다.
전기화학 커패시터를 위한 전극을 보다 소형화하고 보다 경량화하기 위한 노력으로서, 미국 특허 제7,046,503호(히노키(Hinoki) 등)는 전기 전도성 입자 및 결합제를 포함하는 언더코트(undercoat) 층을 코팅에 의해 집전기 상에 형성하고, 이어서 탄소 재료 및 결합제를 포함하는 전극 층을 코팅에 의해 언더코트 층 상에 형성하는 것을 개시한다. 전기-전도성 금속 스트립을 포함하고 이어서 집전기와의 전기 접촉을 향상시키는 전도성 코팅을 갖는 리튬 중합체 또는 리튬-이온 전기화학 전지를 위한 집전기가 예를 들어 미국 특허 출원 공개 제2010/0055569호(디비갈피티야(Divigalpitiya) 등)에서 개시되었다. 개시된 집전기는 약 200 나노미터 미만의 최대 두께를 갖는 실질적으로 균일한 나노-규모 탄소 코팅을 포함한다.
예를 들어, 리튬-이온 전기화학 전지 또는 전기화학 커패시터에서의 사용을 위한 고 전도율 및 고 표면적을 갖는 전도성 전극과 같은 전기-전도성 물품에 대한 필요성이 존재한다. 또한, 간단하고 경제적인 그러한 전기-전도성 물품을 제조하는 방법에 대한 필요성이 존재한다. 마지막으로, 고 에너지 용량 및 고율의 전력 전달을 제공하기 위해 에너지 저장 시스템에 사용될 수 있는 전기-전도성 물품에 대한 필요성이 존재한다.
일 태양에서, 집전기 및 집전기와 접촉하는 탄소 코팅을 포함하며, 탄소 코팅에는 결합제가 없고, 집전기는 다공성 금속을 포함하는 전기-전도성 물품이 제공된다. 다공성 금속은 알루미늄을 포함할 수 있고, 알루미늄은 에칭될 수 있다. 탄소 코팅은 흑연을 포함할 수 있고, 전기화학-전도성 물품은 전기화학 이중-층(double-layer) 커패시터일 수 있는 전기화학 커패시터를 포함할 수 있다.
다른 태양에서, 집전기 및 집전기와 접촉하고 본질적으로 탄소로 구성되는 코팅을 포함하며, 집전기는 다공성 알루미늄을 포함하는 전기-전도성 물품이 제공된다. 탄소는 흑연일 수 있고, 전기화학-전도성 물품은 전기화학 이중-층 커패시터일 수 있는 전기화학 커패시터를 포함할 수 있다.
또 다른 태양에서, 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 다공성 금속 포일을 제공하는 단계, 다공성 금속 포일의 제1 표면에 탄소 분말을 적용하는 단계, 및 다공성 금속 포일의 제1 표면을 진동 패드(oscillating pad)로 연마하는 단계를 포함하는, 전극을 제조하는 방법이 제공된다. 다공성 금속은 에칭된 알루미늄을 포함할 수 있고, 탄소 분말은 흑연을 포함할 수 있다. 탄소 분말은 다공성 금속의 제1 표면 상에 분말을 살포하고, 일 실시예에서 진동 패드를 손에 의해 전후로 이동시키거나 다른 실시예에서 전동 공구를 사용하여 제1 표면을 연마시킴으로써 적용될 수 있다. 제공된 방법은 또한 다공성 금속 필름의 제2 표면에 탄소 분말을 적용하는 단계 및 다공성 금속 포일의 제2 표면을 진동 패드로 연마하는 단계를 포함한다.
본 개시 내용에서,
"활성" 또는 "전기화학적-활성"은 리튬이 전기화학적 수단에 의해 가역적으로 삽입 및 제거될 수 있는 재료를 지칭한다.
제공된 전기-전도성 물품 및 이를 제조하는 방법은 리튬-이온 전기화학 전지 또는 전기화학 커패시터에 유용할 수 있는 고 전도율 및 고 표면적을 갖는 전도성 전극을 제공할 수 있다. 제공된 방법은 간단하고, 버핑 패드(buffing pad) 및 흑연 분말과 같은 저가의 장비를 필요로 하며, 경제적이다. 제공된 전기-전도성 물품은 고 에너지 용량 및 고율의 전력 전달을 제공하기 위해 에너지 저장 시스템에 사용될 수 있다.
상기 개요는 본 발명의 모든 구현예의 각각의 개시된 실시예를 기술하고자 하는 것은 아니다. 도면의 간단한 설명 및 후속하는 상세한 설명은 예시적인 실시예를 더욱 상세하게 예시한다.
<도 1>
도 1은 상업적 수퍼커패시터의 개략도.
<도 2>
도 2는 제공된 공정에 유용한 웨브-코팅 라인의 평면도.
<도 3>
도 3은 도 2에 예시된 웨브-코팅 라인의 측면도.
<도 4a 및 도 4b>
도 4a 및 도 4b는 에칭된 알루미늄 집전기의 평면도 및 스침각 도면.
<도 5a 및 도 5b>
도 5a 및 도 5b는 제공된 방법에 의해 제조된 제공된 전기화학-전도성 물품의 평면도 및 스침각 도면.
하기의 설명에서, 본 명세서의 설명의 일부를 형성하며 몇몇 특정 실시예가 예로서 도시되어 있는 첨부 도면 세트를 참조한다. 본 발명의 범주 또는 사상으로부터 벗어남이 없이 다른 실시예가 고려되고 이루어질 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서, 하기의 상세한 설명은 제한적인 의미로 취해져서는 안 된다.
달리 지시되지 않는 한, 본 명세서 및 특허청구범위에서 사용된 특징부의 크기, 양 및 물리적 특성을 표현하는 모든 수는 모든 경우 용어 "약"에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 지시되지 않는 한, 전술한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에 기재된 수치 파라미터는 본 명세서에 개시된 교시 내용을 이용하여 당업자가 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 달라질 수 있는 근사치이다. 종점(end point)에 의한 수치 범위의 사용은 그 범위 내의 모든 수(예를 들어, 1 내지 5는 1, 1.5, 2, 2.75, 3, 3.80, 4 및 5를 포함함) 및 그 범위 내의 임의의 범위를 포함한다.
리튬-이온 전기화학 전지는 전동 공구, 휴대폰, 개인용 디스플레이 장치, 캠코더, 장난감, 및 하이브리드 전기 차량과 같은 전자 장치를 위해 전력을 제공하는 데에 있어서 사용이 증가하고 있다. 리튬 전기화학 전지가 에너지를 저장하기 위한 고 용량을 가질 수 있지만, 이들은 리튬 이온이 전기화학적 활성 재료 내외로 확산될 필요가 있음으로 인해 방전 및 재충전이 느린 경향이 있다. 전형적인 전기화학적 활성 재료는 캐소드를 위한 혼합된 금속 산화물 및 애노드를 위한 흑연질 탄소 또는 규소나 주석의 합금을 포함할 수 있다.
수퍼-커패시터로도 불리는 전기화학 커패시터가 또한 에너지를 저장할 수 있다. 전기화학 커패시터는 리튬-이온 전기화학 전지보다 낮은 에너지 밀도를 갖지만 매우 신속하게 충전 및 방전될 수 있다. 이들 장치는 무정전 전원 장치가 요구되는 상황에서 또는 부하 평준화를 위해 유용하다는 것을 보여주었다. 전기화학 커패시터는 이온 흡수에 의해 기능할 수 있다. 이들 전기화학 커패시터는 전기화학 이중 층 커패시터(electrochemical double layer capacitor, EDLC)로서 알려져 있다. 신속한 표면 산화 환원 반응으로서 알려져 있는 다른 부류의 전기화학 커패시터가 있다. 이들 전기화학 커패시터는 의사-커패시터(pseudo-capacitor)로서 알려져 있다. 그에 사용되는 전기화학 커패시터 및 재료의 개관은 예를 들어, 문헌[P. Simon and Y. Gogotsi, Nature Materials, 7, 845-854 (2008)]에 의한 개관에서 확인될 수 있다.
전기화학 이중-층 커패시터 또는 EDLC는 전기화학적으로 안정하고 접근가능한 고 비표면적(specific surface area)을 갖는 활성 재료 상으로의 전해질의 이온의 가역 흡수를 사용하여 전기화학적으로 전하를 저장한다. EDLC에서, 전하 분리는 이중 층 커패시터를 형성하는 전극-전해질 계면에서의 분극(polarization) 시에 일어난다. 커패시터는 헬름홀츠(Helmholtz) 방정식을 따른다:
[수학식 1]
C = εrεoA/d
여기서, εr은 전해질의 유전 상수이고, εo는 진공의 유전 상수이며, d는 이중 층의 유효 두께(전하 분리 거리)이고, A는 전극 표면적이다. 커패시턴스 C의 크기는 전극 표면적에 정비례하고, 전하 분리 거리에 반비례한다.
EDLC에서, 전해질 내의 확산 층은 전극 표면에 근접한 이온의 축적으로 인해 형성된다. 따라서, 분리된 전하들 사이의 거리 d는 확산 층이 전극 표면에 매우 근접하여 놓일 수 있기 때문에 대략 확산 층의 치수 정도일 수 있다. 따라서, EDLC에서, 거리 d는 매우 작을 수 있다 - 대략 수 나노미터 정도. 전해질 내에 에너지를 저장하는 전기장은 전하 분리에 의해 생성된다. EDLC가 저장할 수 있는 에너지의 양은 커패시턴스와 직접 관련된다. 전극의 표면적 A가 클수록, EDLC 내에 저장될 수 있는 에너지가 많아진다.
EDLC에서 이중 층을 충전함으로써 고 커패시턴스에 도달하는 것의 핵심은 고 비표면적 전도성 전극 재료를 사용하는 것에 의한다. 이를 위해, 전형적인 전기화학 커패시터는 탄소, 또는 더 구체적으로는 흑연질 탄소를 사용한다. 흑연질 탄소는 고 전도율, 전기화학적 안정성, 및 노출 다공도(open porosity)를 갖는다. 전형적으로, 활성 및 카바이드-유래 탄소, 탄소 직물, 섬유, 나노튜브, 및 다른 형태의 탄소가 그들의 고 비표면적 및 그들의 낮은 가격으로 인해 EDLC에 사용된다.
울트라커패시터로도 알려져 있는 수퍼-커패시터, 또는 전기화학 커패시터(EC) 또는 전기 이중 층 커패시터(EDLC)는 고-표면적 탄소로 코팅된 2개의 전도성 포일 사이에 이온 전도성 막인 분리기(separator)를 개재시킴으로써 제조된다. 이러한 개재물은 전해질, 통상적으로 테트라에틸암모늄 테트라플루로보레이트(TEA BF4)와 같은 이온 전도체와 아세토니트릴의 혼합물인 유기 전해질로 채워진다. 고 표면적 탄소에서 형성되는 전기 이중 층은 고 커패시턴스를 제공한다. 전도성 금속 포일이 커패시터들을 함께 연결시키고 전하를 외부로 전달하는 데 사용된다. 집전기, 활성 재료(고 표면적 탄소) 및 전해질은 이온 및 전자를 통해 전기적으로 연결되고, 각각의 계면에서의 임피던스는 전하(전력)를 효율적으로 전달하기 위해 최소화되어야 한다. 임피던스에 관하여 가장 약한 계면들 중 하나는 집전기 포일과 활성 재료 사이이다.
집전기 및 집전기와 접촉하는 탄소 코팅을 포함하는 전기-전도성 물품이 제공된다. 탄소 코팅에는 결합제가 없으며, 집전기는 다공성 금속을 포함한다. 상기 수학식 1에 표현된 바와 같이, 전기화학 커패시터와 같은 전기 전도성 물품의 용량은 집전기(용량성 플레이트(capacitive plate)로서 알려짐)의 표면적에 정비례한다. 금속 포일과 같은 집전기의 표면적은 에칭에 의해 실질적으로 증가될 수 있다. 전형적으로, 금속 포일은 구리, 니켈, 스테인레스강, 또는 알루미늄일 수 있다. 알루미늄이 전형적으로 전기화학 커패시터에 사용된다. 그 표면 상의 자연 산화물 층에 의해 생성될 수 있는 절연성 고 계면 임피던스를 제거하기 위해, 알루미늄이 집전기로서 사용되기 전에 에칭되었다. 예를 들어, 미국 특허 제5,591,544호(판톡스(Fanteux) 등)는 자연 산화물 층을 제거하기 위해 염산 및 염화구리와 같은 에칭제로 알루미늄 집전기를 에칭하고, 이어서 표면을 부동태화하고 집전기 표면 상에 친수성 표면을 제공하기 위해 탄소 및 전이 금속 산화물을 포함하는 프라이머(primer)로 집전기의 에칭된 표면을 프라이밍(priming)하는 것을 교시한다. 전기화학 커패시터에 유용한 에칭된 알루미늄 포일은 예를 들어 미국 매사추세츠주 보스톤 소재의 히타치 케미칼 코., 아메리카, 엘티디.(Hitachi Chemical Co., America, Ltd.)로부터 또는 일본 도쿄 소재의 제이씨씨 그룹 오브 재팬 커패시터 인더스트리얼 코., 엘티디.(JCC group of Japan Capacitor Industrial Co., Ltd.)로부터 상표명 30CD로 구매가능하다. 에칭된 알루미늄은 약 100 나노미터 미만, 약 50 나노미터 미만, 또는 심지어 약 10 나노미터 미만의 평균 크기를 가진 미공을 갖는 나노다공성 구조를 갖는다.
제공된 전기-전도성 물품은 또한 집전기와 접촉하는 탄소 코팅을 갖는다. 탄소 코팅에는 결합제가 없다. 탄소 코팅은 탄소 및 추가 성분을 포함할 수 있다. 탄소는 임의의 형태 또는 유형의 탄소일 수 있다. 제공된 전극에 유용한 예시적인 탄소는 전도성 탄소, 예컨대 흑연, 카본 블랙(carbon black), 램프 블랙(lamp black), 또는 당업자에게 알려진 다른 전도성 탄소 재료를 포함한다. 전형적으로, 박리가능한 탄소 입자(즉, 전단력의 인가 시에 박편, 스케일(scale), 시트, 또는 층으로 분할되는 것)가 사용된다. 유용한 박리가능한 탄소 입자의 예는 스위스 보디오 소재의 팀칼 그래파이트 앤드 카본(Timcal Graphite and Carbon)으로부터 입수가능한 HSAG300이다. 다른 유용한 재료는 수퍼 피(SUPER P) 및 엔사코(ENSACO)(팀칼)를 포함하지만, 이로 제한되지 않는다.
탄소 코팅은 건조 조성물(용매가 실질적으로 존재하지 않음)로서 적용될 수 있다. 건조 조성물로서 탄소 코팅을 적용하기 위한 예시적인 공정은 예를 들어 미국 특허 제6,511,701호(디비갈피티야 등)에서 확인될 수 있다. 이후에 더 상세하게 기술되는 이러한 공정은 에칭된 금속 기재 상에 매우 얇은 나노-규모의 탄소 코팅을 제공할 수 있다. 놀랍게도, 탄소 코팅이 에칭된 알루미늄과 같은 나노다공도를 갖는 에칭된 금속 기재 상에 건조 조성물로서 적용될 때, 기재의 나노다공도는 탄소 코팅이 적용된 후에 실질적으로 유지된다.
다른 태양에서, 전기-전도성 물품은 전술된 것과 같은 집전기 및 집전기와 접촉하는 코팅을 포함할 수 있으며, 코팅은 본질적으로 탄소로 구성된다. 코팅에 다른 활성 재료 또는 결합제는 존재하지 않을 수 있다. 코팅은 흑연을 포함할 수 있고, 물품은 전기화학 이중-층 커패시터와 같은 전기화학 커패시터에 포함될 수 있다.
도 1은 구매가능한 전기화학 커패시터의 개략도이다. 전기화학 커패시터(100)는 알루미늄 포일 기재(102)를 포함하며, 기재는 기재의 양 면 상에 코팅되는 탄소 코팅(104a 및 104b)을 갖는다. 전해질에 대해 다공성인 임의의 절연 재료일 수 있는 분리기(106)가 탄소-코팅된 기재의 일 면의 상부에 배치된다. 전형적으로, 폴리(비닐리덴 플루오라이드)가 사용될 수 있다. 층상 구조물은 이어서, 전해질을 포함하는 캐니스터(canister) 또는 캔(can) 내에 후속하여 배치될 수 있는 스풀(108)을 형성하도록 롤링될 수 있다. 작동되기 위해서는, 전기-전도성 리드(lead)(도시 안됨)가 커패시터의 적절한 부분에 부착되어야 한다.
다른 태양에서, 알루미늄 또는 에칭된 알루미늄과 같은 다공성 금속 포일을 제공하는 단계를 포함하는, 전극을 제조하는 방법이 제공된다. 다공성 금속 포일은 제1 표면 및 제2 표면을 갖는다. 전형적으로, 금속이 포일이기 때문에, 제1 표면 및 제2 표면은 서로 대향한다. 탄소 분말이 금속 포일의 제1 표면에 적용된다. 탄소 분말은 손에 의해 분말을 살포함으로써, 기계에 의해 분말을 적용함으로써, 또는 분말이 다공성 금속 필름의 표면 상으로 도입되는 임의의 다른 적용 방식에 의해 적용될 수 있다. 일부 실시예에서, 분말은 다공성 금속 포일의 제1 표면 상으로 무작위적으로 살포될 수 있다. 모든 실시예에서, 탄소 분말은 코팅 용매 또는 결합제가 존재하지 않는 건조 분말로서 적용된다. 탄소 분말은 전술된 바와 같은 흑연일 수 있다.
탄소 분말이 금속 포일의 제1 표면에 적용된 후에, 이는 진동 패드로 연마된다. 진동 패드는 그 상에 분말화되어 살포된 탄소를 갖는 금속 포일의 제1 표면 위에서 이동될 수 있다. 패드는 금속 포일 표면 위에서 전후로 이동할 수 있거나, 금속 포일의 제1 표면에 수직한 축을 중심으로 회전식으로 이동될 수 있다. 일부 실시예에서, 진동 패드는 궤도 운동(orbital motion)을 사용하여 이동될 수 있으며, 연마 작업 동안 복수의 방향으로 이동할 수 있다. 진동 패드 또는 버핑 어플리케이터(buffing applicator)는 기재의 평면에 수직한 그의 회전 축을 갖고서 기재의 표면에 평행한 궤도 패턴으로 이동할 수 있다. 버핑 운동은 단순 궤도 운동 또는 무작위 궤도 운동일 수 있다. 사용되는 전형적인 궤도 운동은 분당 1,000 내지 10,000 궤도의 범위이다.
연마는 손 운동을 사용하여 탄소 분말을 함유하는 금속 포일 표면 상에서 진동 패드를 전후로 이동시킴으로써 수동으로 달성될 수 있다. 대안적으로, 연마는 전동 공구를 사용하여 달성될 수 있다. 마무리 샌더(finishing sander)와 같은 전동 공구가 제공된 방법의 목적에 유용할 수 있다. 마무리 샌더는 미국 캘리포니아주 라 미라다 소재의 마키타 유에스에이(Makita USA) 및 미국 메릴랜드주 볼티모어 소재의 블랙 앤드 데커(Black and Decker)를 비롯한 많은 제조업체로부터 구매가능하다.
제공된 방법에 사용하기 위한 진동 패드는 표면에 입자를 적용하기 위한 임의의 적절한 재료일 수 있다. 예를 들어, 진동 패드는 직포 또는 부직포 또는 셀룰로오스 재료일 수 있다. 대안적으로, 패드는 폐쇄 셀 또는 개방 셀 폼(closed cell or open cell foam) 재료일 수 있다. 또 다른 대안에서, 패드는 강모(bristle)의 브러시 또는 어레이일 수 있다. 바람직하게는, 그러한 브러시의 강모는 약 0.2 내지 1 ㎝의 길이 및 약 30 내지 100 마이크로미터의 직경을 갖는다. 강모는 바람직하게는 나일론 또는 폴리우레탄으로부터 제조된다. 전형적인 버핑 어플리케이터는 미국 특허 제3,369,268호(번스(Burns) 등)에 기술된 것과 같이, 단섬유 또는 모헤어(mohair)를 포함하는 도장용 공구, 램스 울 패드(lamb s wool pad), 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠(3M)으로부터 입수가능한 쓰리엠 퍼펙트-잇(3M PERPECT-IT) 연마 패드를 포함한다. 제공된 방법은 또한 상기 방법을 포함하고, 다공성 금속 포일의 제2 표면에 탄소 분말을 적용하는 단계 및 이어서 진동 패드로 다공성 금속 포일을 연마하는 단계를 추가로 포함한다.
코팅 및 연마 작업은 웨브-코팅 라인 상에서 자동화되어 수행될 수 있다. 제공된 방법을 위한 예시적인 웨브 코팅 라인이 도 2 및 도 3에 도시되어 있으며, 여기서 버프 공정은 기본 재료(다공성 금속 포일)의 롤을 위한 클러치드 오프-와인드 스테이션(clutched off-wind station)(10), 웨브 기본 재료 상으로 버핑될 재료를 제공하는 분말 공급 스테이션(12), 버핑 스테이션(30), 규칙적인 속도로 웨브를 구동시키는 웨브 페이서 구동 스테이션(web pacer drive station)(60), 및 클러치 구동식 테이크-업 롤(clutch driven take-up roll)(70)이다. 시스템은 또한 다양한 지향 및 아이들러 롤(도시 안됨)을 포함하고, 또한 비-버핑된 웨브 표면에 대한 후 버핑 와이핑(post buffing wiping) 수단 및/또는 웨브에 대해 버핑되는 재료의 융해를 개선하기 위한 가열 장치를 포함할 수 있다.
예시된 웨브 코팅 라인은 분말 분배 스테이션(12), 버핑 스테이션(30), 웨브 와이핑 스테이션(50)을 포함한다. 보다 느린 웨브 속도의 보다 정밀한 제어를 제공하도록 웨브 페이스 구동 시스템(60)에 30:1 기어 감속이 부가되었다. 대부분의 제어는 공정 제어 파라미터를 결정함에 있어서 최대의 유연성을 허용하도록 서로 독립적이다.
다공성 금속 웨브(8) 상에서 연마될 분말화된 재료는 그의 전달 능력 면에서 상당한 범위를 갖는 공급기 시스템(12)으로부터 웨브 상에 침착된다. 공급기 시스템(12)은 분말 저장소(16)가 부착된 튜브(14), 및 튜브 내측에 장착된 나선형 브러시(도시 안됨)로 구성된다. 브러시는 기어형 모터 구동부(도시 안됨)에 결합된다. 분말 공급부는 전형적으로 분말 저장소(16)의 회전의 속도 및 지속시간을 제어하는 2개의 타이머를 갖는다. 재료는 분말 공급기 상에 장착된 저장소(16) 내로 로딩된다. 저장소는 튜브 내에 장착된 튜브를 포함할 수 있다. 양 튜브 모두가 분말을 분배하는 오리피스를 포함한다. 적어도 하나의 오리피스, 또는 오리피스들의 세트가 웨브의 폭을 가로질러 원하는 농도로 분말을 분배하기 위해 웨브(8) 위에 위치된다. 분말 분배를 제어하는 것을 보조하기 위해 튜브들 사이에 메시 스크린이 포함될 수 있거나, 대안적으로 분말은 메시만을 통해 분배될 수 있다. 대안적으로, 변형된 요동식 공급부가 분말을 분배하는 데 채용될 수 있다. 예를 들어, 미국 펜실베이니아주 호머 시티 소재의 에프엠씨 코포레이션(FMC Corporation)으로부터의 모델 F-TO가 사용되었다. 이러한 요동식 공급부는 분말 적용의 균일성을 증가시키기 위해 변형될 수 있다. 요동기의 편향된 스프링 작용은 분배 튜브에서 분말을 전후로 흔들기 위해 수직으로 정렬되도록 변경될 수 있으며, 이로써 분말의 패킹을 방지한다. 요동기 작용의 수직 성분은 양 스트로크 방향에서 동일할 것이다.
회전식 버핑 작용은 웨브 표면에 평행하고, 특정 구성 및 재료의 버핑 패드(34)를 수용하도록 변형된 궤도 샌딩 장치(32)에 의해 달성된다. 이는 일련의 3개의 공기-구동식 궤도 샌딩 장치(32) 및 관련 버핑 패드(34)에 의해 공정 원형(process prototype)에 있어서 영향을 받는다.
대안적으로, 분당 4000 궤도 작동 및 2.54 ㎜ (0.1 인치)(전체적으로 5.1 ㎜ (0.2 인치))의 동심 스로(concentric throw)를 가진 블랙 앤드 데커 모델 5710과 같은 전기 궤도 샌더가 사용될 수 있다. 전형적으로, 패드의 동심 스로는 약 1.27 ㎜ (0.05 인치)(전체적으로 2.54 ㎜ (0.1 인치))보다 크다. 공정 원형에 사용되는 공압식 궤도 샌더는 블랙 앤드 데커 모델 5710과 유사한 작동 속도 및 동심 스로를 가지며, 621 킬로파스칼(㎪) 공기 압력에서 분당 8000 작동의 자유 속도를 갖는, 아일랜드 더블린 소재의 인게르솔-랜드(Ingersol-Rand)로부터의 모델 312 오비탈 샌더(Orbital Sander)이다. 감소된 공급 공기 압력 및 증가된 적용 압력을 이용하여, 실제 작동 속도는 분당 0 내지 4000 작동 범위에 있다. 3개의 샌더는 작업자가 버핑 속도를 조정할 수 있도록 하는 조정가능한 0 내지 689 ㎪ psi 공기 조절기(도시 안됨)에 연결된 공통 공기 라인(도시 안됨)으로부터 공급된다. 이들 샌더/버퍼를 작동시키기 위한 온-오프 공기 제어부가 존재한다. 기술된 모든 샌더는 대략 9 ㎝ x 15.25 ㎝의 직사각형 궤도 패드를 갖는다. 웨브 버핑 작업 시에, 웨브는 버핑 패드의 더 짧은 변이 웨브 방향에 평행하도록 이동된다. 따라서, 15.25 ㎝ 길이의 버핑 패드는 기계 방향에 대하여 횡방향이다.
3개의 궤도 샌더(32)는 위치가 고정된다. 이들 샌딩 장치 아래에는 매끄러운 플레이트(40)가 있으며, 이는 버핑 패드와 플레이트 사이에 웨브를 개재시키도록 상향으로 구동될 수 있으며, 그에 따라 버핑 압력이 웨브에 인가된다. 0 내지 345 ㎪의 정밀 공기 압력 조절기는 플레이트를 상향으로 구동시키도록 플레이트에 연결되는 공기 실린더(42)에 공기를 공급한다. 플레이트 중량은 대략 241 ㎪의 압력에서, 플레이트가 웨브 및 버핑 패드에 최소(거의 0) 압력을 인가하도록 공기 압력에 의해 보상된다. 345 ㎪에서, 웨브에 인가된 압력은 샌더의 중량과 더해진 수 파운드의 하향 손 압력이 사용되는 정상 샌더 작동 시에 인가될 압력과 동등하다. 이러한 유형의 압력의 이유는 버핑 공정이 원하는 결과를 달성하기 위해 웨브에 높은 압력이 인가될 것을 필요로 하지 않기 때문이다. 과도한 압력은 스크래치 및 마찰의 가열 효과로 인한 용융 또는 휨과 같은 손상을 비롯해 웨브 표면을 손상시킬 수 있다. 일반적으로, 웨브에 대한 샌더/패드의 과도한 압력은 웨브의 균일한 코팅을 생성하지 못한다. 2개의 정밀 가이드 베어링이 수직으로의 플레이트 주행을 유지시키고 플레이트를 안정화시키는 것을 보조하여, 버핑 작용 및 에너지가 플레이트 이동 시에 손실되지 않는다. 온-오프 공기 제어부가 작업자가 플레이트를 작동시킬 수 있게 한다.
예시된 공정에 사용된 궤도 샌더(32)는 웨브를 연마하거나 버핑하는 데 사용된다. 연마 재료는 사용되지 않는다. 샌더의 하부 궤도 압반은 역시 변형될 수 있는 버핑 패드(34)를 수용하도록 변형된다. 진동 패드(34)는 미국 특허 제3,369,268호(번스 등)에 기술되어 있다. 이들은 대략 20 ㎝ 길이 및 9 ㎝ 폭이며, 얇은 금속 배킹, 1.27 ㎝ 두께 층의 개방-셀형 폴리우레탄 폼과 0.5 ㎝ 두께의 부드럽고 매우 미세하며 밀집하게 적층된 나일론 강모의 활성 표면과의 라미네이트 구성물이다. 이들 패드는 페인트 어플리케이터로서 설계 및 판매된다. 패드는 이들이 궤도 샌더에 용이하게 장착될 수 있도록 변형된다. 공정 설계는 인게르솔-랜드 샌더의 측방향 스트로크를 1.27 ㎝까지 증가시키는 치수 능력을 포함하였다.
전형적으로, 패드(34)에의 통합을 용이하게 하기 위해, 대략 0.3 ㎝ 폭 및 3.8 ㎝ 길이의 홈들이 웨브 주행 방향으로 패드(34)의 선단 에지 강모 내에 커팅된다. 홈들은 대략 1.6 ㎝로 이격되어 하부 패드 표면에 빗과 유사한 외관을 생성하였다. 이러한 패드로 생성된 버핑된 웨브의 광학 스캐닝은 웨브에 걸쳐 명확한 변동 없이 매우 고른 코팅량을 보였다. 또한, 패드(34)는 웨브 표면에 대한 강모의 더욱 점진적인 접속을 생성하기 위해 패드의 선단 에지를 상향으로 만곡시킴으로써 변형될 수 있다. 이는 "빗" 스타일 패드에 통합되었다. 패드를 버핑 패드로 변환하기 위한 패드에 대한 이러한 변형은 공정에 채용된 제1 패드에 대해서만 요구되었다. 공정에서 후속하는 패드는 이들이 주로 버핑 공정을 마무리하기 때문에 변형되지 않았다. 대안적으로, 고정식 패드(stationary pad)가 궤도 패드와 분말 분배기 사이에 장착될 수 있다. 고정식 패드를 이용하여, 분말이 주위로 이동할 가능성을 갖기 전에 분배된 분말이 웨브 상으로 신속하게 적용되어, 과잉 분말이 기재 상에 유지되는 것을 확실히 하였다.
버핑된 웨브(8)의 표면으로부터 임의의 과잉 분말을 와이핑하기 위해, 페이서 롤(60) 앞에 페인트 롤러(50)가 제공되었다. 페이서 롤(60)은 그의 구동 표면 상에서 널링되었다(knurled). 널링부가 웨브 표면에 스크래치를 낼 가능성이 존재하였다. 페이서 롤(60)은 이러한 문제를 완화시키기 위해 고무로 코팅되었다.
제공된 방법에 의해 제조된 제공된 전기화학-전도성 물품은, 탄소 코팅을 갖고 전기화학 커패시터에서 전극으로서 우수하게 기능하는 고 표면적 집전기를 제조하는 신속하고 경제적인 방법을 가능하게 한다. 적용된 탄소는 표면 토포그래피(topography)를 실질적으로 감소시키지 않고서 실질적으로 집전기의 나노다공성 구조를 코팅한다. 코팅은 매우 얇다 - 가능하게는, 대부분의 위치에서 대략 100 ㎚ 이하 정도. 흑연은, 층상 탄소와 유사할 수 있으며 탄소 나노튜브 또는 그라핀의 단편을 포함할 수 있는 구조를 가질 수 있다. 임의의 경우에, 제공된 전기화학-전도성 물품은 전기화학 커패시터에서의 사용을 위해 요구되는 것과 같은 고 전도율 및 고 표면적을 갖는다.
본 발명의 목적 및 이점은 하기 예에 의해 추가로 예시되지만, 이들 예에서 언급된 특정 재료 및 그의 양뿐만 아니라 다른 조건 및 상세 사항도 본 발명을 부당하게 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
예
예 1.
20 마이크로미터 두께 시트의 에칭된 Al 포일(일본 소재의 도요 알루미늄 케이.케이(Toyo Aluminum K.K)로부터 입수가능한 15.3 ㎝ x 26.7 ㎝)을 접착 테이프로 유리 플레이트에 부착하였다. HSAG300 흑연 분말(스위스 보디오 소재의 팀칼로부터 입수가능함)을 포일 상에 무작위적으로 살포하였다. 페인트 패드(미국 노스캐롤라이나주 헌터스빌 소재의 셔-라인(Shur-Line)으로부터의 이지 페인트(EZ PAINTR))가 장착된 마키타 시트 마무리 샌더(캐나다 온타리오주 휘트비 소재의 마키타 컴퍼니(Makita Company)로부터의 모델 BO4900V) 및 2의 속도 설정을 사용하여, 샌더를 수동으로 전후로 이동시킴으로써 포일을 연마하였다. 균일한 회색 색상의 코팅이 포일 상에 침착된 것으로 관찰된 시간에서 8초 후에 샌더를 포일로부터 제거하였다.
샘플을 집전기로서 시험하였고, 수용가능한 성능으로 기능하는 것으로 확인되었다. 유사한 샘플을 이미지화하여, 생성된 코팅의 형태(morphology)를 결정하기 위해 주사-전자 현미경(SEM)을 사용하여 흑연으로 처리되지 않은 샘플과 비교하였다. 도 4a, 도 4b는 나노다공성 알루미늄 집전기를 도시한다. 도 4b의 샘플은 표면의 에지-상 관찰을 가능하게 하도록 샘플을 180°로 만곡시킴으로써 의도적으로 갈라지게 하였다. 나노다공성 집전기의 다공도는 표면으로부터 적어도 365 ㎚ 연장되어 있는 것으로 관찰된다. 도 5a 및 도 5b는 제공된 방법에 따라 분말 흑연이 나노-다공성 포일 상에서 (8초 동안) 연마된 후의 나노다공성 알루미늄 집전기의 이미지를 도시한다. 이들 SEM은 흑연의 적용 및 연마가 도 5a 및 도 5b에서 관찰되는 바와 같이 샘플의 토포그래피를 변경시키는 것으로 보이지는 않는다는 것을 나타낸다. 집전기 표면의 나노다공성 구조는 보존된다. 그리고 샘플은 전기화학 커패시터에서의 전극으로서 우수하게 기능한다.
예 2.
예에서와 동일한 방법을 사용하여 상이한 지속시간(8초, 15초 및 30초)의 버프 코팅을 사용하여 에칭된 알루미늄을 코팅하였다. 모든 샘플은 집전기로서 긍정적으로 시험되었다.
하기는 본 발명의 태양에 따른, 전도성 코팅을 갖는 집전기를 포함하는 전기화학-전도성 물품 및 이를 제조하는 방법의 예시적인 실시예이다.
실시예 1은 집전기; 및 집전기와 접촉하는 탄소 코팅을 포함하며, 탄소 코팅에는 결합제가 없고, 집전기는 다공성 금속을 포함하는 전기-전도성 물품이다.
실시예 2는 다공성 금속이 알루미늄을 포함하는, 실시예 1에 따른 전기-전도성 물품이다.
실시예 3은 다공성 금속이 에칭된 알루미늄을 포함하는, 실시예 2에 따른 전기-전도성 물품이다.
실시예 4는 탄소 코팅이 흑연을 포함하는, 실시예 1에 따른 전기-전도성 물품이다.
실시예 5는 물품이 전기화학 커패시터를 포함하는, 실시예 1에 따른 전기-전도성 물품이다.
실시예 6은 전기화학 커패시터가 전기화학 이중-층 커패시터인, 실시예 5에 따른 전기-전도성 물품이다.
실시예 7은 집전기; 및 집전기와 접촉하고 본질적으로 탄소로 구성되는 코팅을 포함하며, 집전기는 다공성 알루미늄을 포함하는 전기-전도성 물품이다.
실시예 8은 탄소가 흑연을 포함하는, 실시예 7에 따른 전기-전도성 물품이다.
실시예 9는 전기화학-전도성 물품이 전기화학 커패시터를 포함하는, 실시예 7에 따른 전기-전도성 물품이다.
실시예 10은 전기화학 커패시터가 전기화학 이중-층 커패시터인, 실시예 9에 따른 전기-전도성 물품이다.
실시예 11은 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 다공성 금속 포일을 제공하는 단계; 다공성 금속 포일의 제1 표면에 탄소 분말을 적용하는 단계; 및 다공성 금속 포일의 제1 표면을 진동 패드로 연마하는 단계를 포함하는, 전극을 제조하는 방법이다.
실시예 12는 다공성 금속 포일이 알루미늄을 포함하는, 실시예 11에 따른 전극을 제조하는 방법이다.
실시예 13은 다공성 금속이 에칭된 알루미늄을 포함하는, 실시예 12에 따른 전극을 제조하는 방법이다.
실시예 14는 탄소 분말이 흑연을 포함하는, 실시예 11에 따른 전극을 제조하는 방법이다.
실시예 15는 흑연 분말을 적용하는 단계가 다공성 금속의 제1 표면 상에 흑연 분말을 살포하는 단계를 포함하는, 실시예 14에 따른 전극을 제조하는 방법이다.
실시예 16은 연마하는 단계가 진동 패드를 손에 의해 전후로 이동시키는 단계를 포함하는, 실시예 11에 따른 전극을 제조하는 방법이다.
실시예 17은 연마하는 단계가 전동 공구를 사용하는 단계를 포함하는, 실시예 11에 따른 전극을 제조하는 방법이다.
실시예 18은 다공성 금속 포일의 제2 표면에 탄소 분말을 적용하는 단계; 및 다공성 금속 포일의 제2 표면을 진동 패드로 연마하는 단계를 추가로 포함하는, 실시예 11에 따른 전극을 제조하는 방법이다.
본 발명의 범주 및 사상으로부터 벗어남이 없이 본 발명에 대한 다양한 수정 및 변경이 당업자에게 명백하게 될 것이다. 본 발명은 본 명세서에 개시된 예시적 실시예 및 예로 부당하게 제한하도록 의도된 것이 아니며, 그러한 예 및 실시예는 단지 예로서 제시되고, 본 발명의 범주는 하기와 같이 본 명세서에 기재된 특허청구범위에 의해서만 제한되도록 의도된다는 것을 이해하여야 한다. 본 개시 내용에 인용된 모든 참고 문헌은 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다.

Claims (18)

  1. 집전기(current collector); 및
    집전기와 접촉하는 흑연 코팅을 포함하며,
    흑연 코팅에는 결합제가 없고,
    집전기는 다공성 금속을 포함하고,
    흑연 코팅은 다공성 금속의 나노다공도가 유지되도록 다공성 금속의 나노다공성 구조를 코팅하는 전기-전도성 물품.
  2. 제1항에 있어서, 다공성 금속은 에칭된 알루미늄을 포함하는 전기-전도성 물품.
  3. 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 다공성 금속 포일(foil)을 제공하는 단계;
    다공성 금속 포일의 제1 표면에 탄소 분말을 적용하는 단계;
    탄소 분말을 적용하는 단계 후에, 다공성 금속 포일의 제1 표면을 진동 패드(oscillating pad)로 연마하는 단계; 및
    다공성 금속 포일의 나노다공도가 유지되도록 다공성 금속 포일의 나노다공성 구조를 코팅하는 흑연 코팅을 형성하는 단계를 포함하고,
    탄소 분말은 코팅 용매 또는 결합제가 존재하지 않는 건조 분말로서 적용되는, 전극을 제조하는 방법.
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