KR20190087088A - 슈퍼 캐패시터 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 슈퍼 캐패시터는 제 1 전극, 상기 제 1 전극과 이격되어 배치되는 제 2 전극, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 배치되는 분리막 및 상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극 및 상기 분리막을 함침하는 전해액을 포함하고, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 적어도 하나의 전극은 활물질을 포함하는 전극합제층을 포함하고, 상기 활물질은 결정질 및 비정질이 혼재되어 복수 개의 기공을 포함하는 탄소 재료를 포함하고, 상기 활물질의 입도(D50)는 4㎛ 내지 6㎛이다.
또한, 실시예에 따른 슈퍼 캐패시터의 제조 방법은, 탄소 재료를 준비하는 단계, 상기 탄소 재료를 열처리 단계, 열처리된 상기 탄소 재료를 활성화 처리하여 활물질을 형성하는 단계 및 전극 형성 단계를 포함하고, 상기 전극 형성하는 단계는 집전체 상에 상기 활물질, 바인더 및 도전재를 혼합하여 전극합제층을 형성하는 단계이고, 상기 활물질은 결정질 및 비정질이 혼재되어 복수 개의 기공을 포함하는 탄소 재료를 포함하고, 상기 활물질의 입도(D50)는 4㎛ 내지 6㎛이다.
(입도(D50): 상기 활물질의 누적 입도 분포에 대한 곡선에서 누적 부피 비율이 50%일 때의 입도 크기)
또한, 실시예에 따른 슈퍼 캐패시터의 제조 방법은, 탄소 재료를 준비하는 단계, 상기 탄소 재료를 열처리 단계, 열처리된 상기 탄소 재료를 활성화 처리하여 활물질을 형성하는 단계 및 전극 형성 단계를 포함하고, 상기 전극 형성하는 단계는 집전체 상에 상기 활물질, 바인더 및 도전재를 혼합하여 전극합제층을 형성하는 단계이고, 상기 활물질은 결정질 및 비정질이 혼재되어 복수 개의 기공을 포함하는 탄소 재료를 포함하고, 상기 활물질의 입도(D50)는 4㎛ 내지 6㎛이다.
(입도(D50): 상기 활물질의 누적 입도 분포에 대한 곡선에서 누적 부피 비율이 50%일 때의 입도 크기)
Description
본 발명은 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 슈퍼 캐패시터 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 화석연료의 고갈에 따른 문제 및 환경에 대한 관심이 증가되면서 고성능 및 고효율의 전기 화학 소자에 대한 관심이 높아지고 있다.
전기 화학 소자는 크게 리튬이온 이차전지(LIB) 및 슈퍼 캐패시터(Super Capacitor) 등이 있으며, 슈퍼 캐패시터는 슈도 캐패시터(Psedudo Capacitor), 하이브리드 캐패시터(Hybrid Capacitor) 및 전기이중층 캐패시터(Electic Double Layer Capacitor: EDLC)로 크게 구분될 수 있다.
슈도 캐패시터는 전극 및 전해질 계면에서의 패러데이(Faradaic) 산화 및 환원 반응에 의해 에너지를 저장하는 캐패시터이며, 상기 하이브리드 캐패시터는 양극과 음극에 서로 다른 비대칭 전극을 사용한 캐패시터이다. 예를 들어, 상기 하이브리드 캐패시터의 양극 및 음극 중 하나의 전극은 고용량 구현을 위해 탄소를 포함하는 활성탄 등을 활물질로 포함하며 나머지 전극은 고출력 구현을 위해 금속 산화물 등과 같은 산화물을 활물질로 포함하고 이에 따라 고출력 및 고용량 특성을 구현할 수 있는 캐패시터이다. 즉, 상기 하이브리드 캐패시터는 화학 반응 및 표면 화학반응을 이용한 캐패시터이다.
상기 전기이중층 캐패시터는 화학 반응을 이용하는 배터리와 달리 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용한다. 상기 전기이중층 캐패시터는 활성탄 등과 같은 탄소 재료를 활물질로 사용하며, 전해콘덴서와 이차전지의 중간적인 특성을 가지고 있다. 이에 따라, 급속 충전 및 방전이 가능하고 효율이 높으며 반영구적으로 사용할 수 있는 특징이 있다. 따라서, 상기 전기이중층 캐패시터는 전체 슈퍼 캐패시터 시장의 80% 이상을 점유하고 있으며, 이차전지를 대체할 수 있는 에너지 저장 장치로 주목 받고 있다.
특히, 활성탄 등과 같은 탄소 재료를 활물질로 사용하는 슈퍼 캐패시터의 전극은 상기 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 전극형성용 조성물로 제조하며, 제조된 상기 전극은 상기 활물질의 밀도에 따라 전기적 특성이 변화하는 특징이 있다. 예를 들어, 예를 들어, 상기 활물질의 밀도가 상대적으로 낮을 경우 전체적인 정전 용량이 감소하는 문제가 있고, 상기 활물질의 밀도가 상대적으로 높을수록 저항이 증가하여 전기적 특성이 저하되는 문제가 있다.
즉, 상기 활물질의 입도 크기가 균일하지 않을수록 전극의 전기적 특성이 저하될 수 있고, 상기 전극을 포함하는 슈퍼 캐패시터의 전체적인 정전 용량이 감소할 수 있다. 이에 따라, 슈퍼 캐패시터의 에너지 밀도(Energy density) 및 파워 밀도(Power density) 특성이 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있는 새로운 슈퍼 캐패시터가 요구된다.
실시예는 활물질의 입도 크기 및 입도 크기별 부피 비율을 최적화하여 활물질의 밀도를 향상시킬 수 있는 슈퍼 캐패시터 및 슈퍼 캐패시터의 제조 방법을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 전극의 저항을 감소시킬 수 있고, 정전 용량을 향상시킬 수 있는 슈퍼 캐패시터 및 슈퍼 캐패시터의 제조 방법을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 에너지 밀도 및 파워 밀도를 향상시킬 수 있는 슈퍼 캐패시터 및 슈퍼 캐패시터의 제조 방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 슈퍼 캐패시터는 제 1 전극, 상기 제 1 전극과 이격되어 배치되는 제 2 전극, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 배치되는 분리막 및 상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극 및 상기 분리막을 함침하는 전해액을 포함하고, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 적어도 하나의 전극은 활물질을 포함하는 전극합제층을 포함하고, 상기 활물질은 결정질 및 비정질이 혼재되어 복수 개의 기공을 포함하는 탄소 재료를 포함하고, 상기 활물질의 입도(D50)는 4㎛ 내지 6㎛이다.
또한, 실시예에 따른 슈퍼 캐패시터의 제조 방법은, 탄소 재료를 준비하는 단계, 상기 탄소 재료를 열처리 단계, 열처리된 상기 탄소 재료를 활성화 처리하여 활물질을 형성하는 단계 및 전극 형성 단계를 포함하고, 상기 전극 형성하는 단계는 집전체 상에 상기 활물질, 바인더 및 도전재를 혼합하여 전극합제층을 형성하는 단계이고, 상기 활물질은 결정질 및 비정질이 혼재되어 복수 개의 기공을 포함하는 탄소 재료를 포함하고, 상기 활물질의 입도(D50)는 4㎛ 내지 6㎛이다.
(입도(D50): 상기 활물질의 누적 입도 분포에 대한 곡선에서 누적 부피 비율이 50%일 때의 입도 크기)
실시예에 따른 슈퍼 캐패시터는 전극에 활물질을 포함할 수 있고, 상기 활물질의 입도 크기 및 입도 크기의 분포를 최적화할 수 있다. 자세하게, 상기 활물질은 상기 활물질의 누적 입도 분포에 대한 곡선에서 상기 활물질의 D50 값은 4㎛ 내지 6㎛일 수 있고, D10 값은 0.5㎛ 내지 2.5㎛일 수 있고, D90 값은 9㎛ 내지 12㎛일 수 있다. 이에 따라, 상기 활물질의 탭 밀도 및 시트 밀도는 향상될 수 있고 슈퍼 캐패시터의 정전 용량은 향상될 수 있다.
또한, 실시예에 따른 슈퍼 캐패시터는 에너지 밀도(Energy density) 및 파워 밀도(Power density)는 향상될 수 있다. 자세하게, 상기 전극은 최적화된 입도 크기 및 입도 크기별 부피 비율을 가지는 활물질을 포함하기 때문에 상기 활물질의 밀도는 향상될 수 있고 전기적 저항은 감소할 수 있다. 이에 따라, 상기 슈퍼 캐패시터의 에너지 밀도 및 파워 밀도가 향상되어 고출력 및 고용량 특성을 구현할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 슈퍼 캐패시터를 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 실시예에 따른 슈퍼 캐패시터의 제 1 전극, 제 2 전극 및 분리막을 도시한 도면이다.
도 3은 실시예에 따른 활물질의 일부분(도 2의 A 영역)을 확대한 형상을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 실시예에 따른 활물질에서 결정질 영역(도 3의 B 영역)의 결정 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 실시예에 따른 제 1 전극 및 제 2 전극 중 하나의 전극의 일부분을 확대 도시한 도면이다.
도 6은 실시예에 따른 활물질의 입도 분포에 대한 곡선을 도시한 도면이다.
도 7은 실시예에 따른 슈퍼 캐패시터의 제조 방법을 설명하는 순서도이다.
도 8은 실시예에 따른 슈퍼 캐패시터의 제조 방법 중 열처리 및 활성화 처리에 의해 활물질이 형성되는 과정을 도시한 도면이다.
도 2는 실시예에 따른 슈퍼 캐패시터의 제 1 전극, 제 2 전극 및 분리막을 도시한 도면이다.
도 3은 실시예에 따른 활물질의 일부분(도 2의 A 영역)을 확대한 형상을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 실시예에 따른 활물질에서 결정질 영역(도 3의 B 영역)의 결정 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 실시예에 따른 제 1 전극 및 제 2 전극 중 하나의 전극의 일부분을 확대 도시한 도면이다.
도 6은 실시예에 따른 활물질의 입도 분포에 대한 곡선을 도시한 도면이다.
도 7은 실시예에 따른 슈퍼 캐패시터의 제조 방법을 설명하는 순서도이다.
도 8은 실시예에 따른 슈퍼 캐패시터의 제조 방법 중 열처리 및 활성화 처리에 의해 활물질이 형성되는 과정을 도시한 도면이다.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 “상/위(on)”에 또는 “하/아래(under)”에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
또한, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
이하 도면들을 참조하여 실시예예 따른 슈퍼 캐패시터를 설명한다.
도 1은 실시예에 따른 슈퍼 캐패시터(1000)를 개략적으로 도시한 분해 사시도이며, 도 2는 상기 슈퍼 캐패시터(1000)의 제 1 전극(100), 제 2 전극(200) 및 분리막(300)을 도시한 도면이다.
실시예에 따른 슈퍼 캐패시터(1000)는 전기이중층 캐패시터(EDLC) 일 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 슈퍼 캐패시터(1000)는 제 1 전극(100), 제 2 전극(200), 분리막(300) 및 커버 케이스(500)를 포함할 수 있다.
상기 커버 케이스(500)는 리지드한 물질을 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 커버 케이스(500)는 금속, 유리, 쿼츠 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 커버 케이스(500)는 알루미늄을 포함할 수 있고, 유리 또는 쿼츠를 포함하여 투명 또는 반투명할 수 있다. 또는, 상기 커버 케이스(500)는 플렉서블한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 커버 케이스(500)는 플라스틱을 포함할 수 있다.
또한, 상기 커버 케이스(500)는 원기둥 형상을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 커버 케이스(500)는 외부 충격으로부터 내부에 수용되는 상기 제 1 전극(100), 상기 제 2 전극(200) 및 상기 분리막(300)을 보호할 수 있다. 그러나, 실시예는 이에 제한되지 않고, 상기 커버 케이스(500)는 다양한 물질을 포함할 수 있고, 다양한 형상을 가질 수 있다.
상기 제 1 전극(100)은 상기 커버 케이스(500) 내에 배치될 수 있다. 상기 제 1 전극(100)은 제 1 집전체(110) 및 제 1 전극합제층(120)을 포함할 수 있다.
상기 제 1 전극(100)은 양극일 수 있다. 이 경우, 상기 제 1 집전체(110)는 양극 집전체 일 수 있고, 상기 제 1 전극합제층(120)은 양극 전극합제층 일 수 있다.
상기 제 1 집전체(110)는 도전성 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 집전체(110)는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 스테인리스스틸(STS), 탄탈럼(Ta), 티타늄(Ti), 나이오븀(Nb) 및 이들의 조합으로 이루어진 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이와 다르게, 상기 제 1 집전체(110)는 도전성 수지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 집전체(110)는 탄소 기반의 도전성 폴리머를 포함할 수 있다.
상기 제 1 집전체(110)는 호일(foil) 형태일 수 있다. 그러나 실시예는 이에 제한되지 않고, 상기 제 1 집전체(110)는 메쉬(mesh) 형태 등 다양한 형태를 가질 수 있다.
상기 제 1 전극합제층(120)은 상기 제 1 집전체(110) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 전극합제층(120)은 상기 제 1 집전체(110)의 적어도 어느 일 면 상에 배치될 수 있다. 상기 제 1 전극합제층(120)은 상기 제 1 집전체(110)와 직접 접촉할 수 있다.
상기 제 1 전극합제층(120)은 탄소를 포함하는 활물질(1)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 전극합제층(120)의 활물질(1)은 활성탄일 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 전극합제층(120)의 활물질(1)은 다공성 활성탄일 수 있다. 또한, 상기 제 1 전극합제층(120)은 바인더(121) 및 도전재(123)를 더 포함할 수 있다.
상기 제 2 전극(200)은 상기 커버 케이스(500) 내에 배치될 수 있다. 상기 제 2 전극(200)은 제 2 집전체(210) 및 상기 제 2 전극 합제층(220)을 포함할 수 있다.
상기 제 2 전극(200)은 음극일 수 있다. 이 경우, 상기 제 2 집전체(210)는 음극 집전체 일 수 있고, 상기 제 2 전극 합제층(220)은 음극 전극합제층 일 수 있다.
상기 제 2 집전체(210)는 도전성 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 집전체(210)는 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 스테인리스스틸(STS), 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 이들의 조합으로 이루어진 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이와 다르게, 상기 제 2 집전체(210)는 도전성 수지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 집전체(210)는 탄소 기반의 도전성 폴리머를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2 집전체(210)는 호일(foil) 형태일 수 있다. 그러나 실시예는 이에 제한되지 않고, 상기 제 2 집전체(210)는 메쉬(mesh) 형태 등 다양한 형태를 가질 수 있다.
상기 제 2 전극 합제층(220)은 상기 제 2 집전체(210) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 전극합제층(220)은 상기 제 2 집전체(210)의 적어도 어느 일 면 상에 배치될 수 있다. 상기 제 2 전극합제층(220)은 상기 제 2 집전체(210)와 직접 접촉할 수 있다.
상기 제 2 전극합제층(220)은 탄소를 포함하는 활물질(1)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 전극합제층(220)의 활물질(1)은 활성탄일 수 있다. 자세하게, 상기 제 2 전극합제층(220)의 활물질(1)은 다공성 활성탄일 수 있다. 또한, 상기 제 2 전극합제층(220)은 바인더(121) 및 도전재(123)를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 제 2 전극합제층(220)에 포함되는 바인더(121) 및 도전재(123)는 상기 제 1 전극합제층(120)에 포함되는 바인더(121) 및 도전재(123)와 동일할 수 있다.
상기 제 1 전극(100) 및 상기 제 2 전극(200) 중 적어도 하나의 전극은, 상기 집전체 상에 상기 활물질(1), 바인더(121) 및 도전재(123)를 포함하는 전극형성용 조성물이 롤링으로 압연되어 형성될 수 있다.
이와 다르게, 상기 제 1 전극(100) 및 상기 제 2 전극(200) 중 적어도 하나의 전극은, 상술한 집전체 상에 상기 활물질(1), 바인더(121) 및 도전재(123)를 포함하는 전극형성용 조성물이 코팅되어 형성될 수 있다.
이와 또 다르게, 상기 제 1 전극(100) 및 상기 제 2 전극(200) 중 적어도 하나의 전극은, 상술한 활물질(1), 바인더(121) 및 도전재(123)를 포함하는 전극형성용 조성물을 시트 형태로 제작하여 상기 집전체에 붙인 후 건조하여 형성될 수 있다.
그러나, 실시예는 이에 제한되지 않고, 상기 제 1 전극(100) 및/또는 상기 제 2 전극(200)은 요구되는 특성을 충족시킬 수 있는 방법으로 형성될 수 있다.
상기 분리막(300)은 상기 제 1 전극(100) 및 상기 제 2 전극(200) 사이에 배치될 수 있다. 상기 분리막(300)은 상기 제 1 전극(100) 및 상기 제 2 전극(200)과 접촉하며 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 분리막(300)은 상기 제 1 전극(100)의 제 1 전극합제층(120) 및 상기 제 2 전극(200)의 제 2 전극합제층(220)과 접촉하며 배치될 수 있다. 자세하게, 상기 분리막(300)의 일면 및 상기 일면과 반대되는 타면은, 상기 분리막(300)의 일면 및 타면과 각각 마주하는 상기 제 1 전극(100)의 일면 및 상기 제 2 전극(200)의 일면과 직접 접촉하며 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 분리막(300)의 일면 및 타면은, 상기 분리막(300)의 일면 및 타면과 각각 마주하는 상기 제 1 전극합제층(120)의 일면 및 상기 제 2 전극합제층(220)의 일면과 직접 접촉하며 배치될 수 있다. 상기 제 1 전극(100) 및 상기 제 2 전극(200)은 상기 분리막(300)에 의해 이격되어 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 제 1 전극(100) 및 상기 제 2 전극(200) 사이에서 쇼트가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
상기 분리막(300)은 폴리에틸렌 부직포, 폴리프로필렌 부직포, 폴리에스테르 부직포, 폴리아크릴로니트릴 다공성 격리막, 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 헥사플루오로프로판 공중합체 다공성 격리막, 셀룰로스 다공성 격리막, 크라프트지 및 레이온 섬유 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 실시예는 이에 제한되지 않고, 상기 분리막(300)은 슈퍼 캐패시터의 분리막에 요구되는 특성을 충족시킬 수 있는 물질을 포함할 수 있다.
상기 제 1 전극(100), 상기 분리막(300) 및 상기 제 2 전극(200)은 순차적으로 적층되어 권취될 수 있다. 예를 들어, 상기 분리막(300)이 상기 제 1 전극(100) 및 상기 제 2 전극(200) 사이에 위치하도록 적층되어 권취될 수 있다. 즉, 상기 제 1 전극(100), 상기 분리막(300) 및 상기 제 2 전극(200)은 순차적으로 적층되어 롤(Roll) 형태로 제작된 이후 상기 접착 부재에 의해 접착되어 롤 형태를 유지 할 수 있다. 즉, 상기 제 1 전극(100), 상기 분리막(300) 및 상기 제 2 전극은 롤 형태로 상기 커버 케이스(500) 내에 수용될 수 있다.
상기 제 1 전극(100), 상기 제 2 전극(200) 및 상기 분리막(300)은 전해액에 함침될 수 있다.
상기 전해액은 수계 전해액 및 비수계 전해액 중 하나일 수 있다. 상기 수계 전해액은 전기적 특성이 우수할 수 있다. 자세하게, 슈퍼 캐패시터의 전해액으로 상기 수계 전해액을 사용할 경우, 상기 수계 전해액의 우수한 전기 전도도 특성에 따라 슈퍼 캐패시터의 내부 저항은 감소할 수 있다. 그러나, 상기 수계 전해액을 사용할 경우, 상기 슈퍼 캐패시터의 사용 전압인 구동 전압이 낮아 에너지 밀도가 낮아지는 단점이 있다.
상기 비수계 전해액은 상기 수계 전해액에 비해 전기 전도도가 낮고 점도가 높지만, 적용 가능한 전위차가 높아 고온 및 고전압 환경의 슈퍼 캐패시터에 적용될 수 있다. 이에 따라, 상기 슈퍼 캐패시터를 소형화할 수 있고, 상기 슈퍼 캐패시터의 에너지 밀도 및 파워 밀도를 향상시킬 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 슈퍼 캐패시터(1000)의 고전압 특성, 에너지 밀도 및 파워 밀도 등의 특성 등을 고려하여 비수계 전해액을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 전해액은 용매(solvent) 및 전해질 염(salt)을 포함할 수 있다.
상기 용매는 유기성 전해액일 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는 아세토니트릴(ACN), 프로필렌카보네이트(PC), 술포란(SL), 아디포나이트릴(AND), 에틸렌카보네이트(EC), 디메틸카보네이트(DMC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 디메틸술폰(DMS), 에틸메탄설포네이트(EMS), 감마-부티로락톤(GBL), 포름아미드(DMF) 및 디메틸케톤(DMK) 등 중 적어도 하나일 수 있다. 이 가운데 아세토니트릴(ACN) 또는 프로필렌카보네이트(PC)는 상술한 다른 용매에 비해 전기적, 화학적으로 안정성이 높고, 슈퍼 캐패시터에 적용되어 고전압 특성을 구현할 수 있는 특징이 우수하여 용매에 요구되는 특성을 전반적으로 충족시킬 수 있다. 그러나, 실시예는 이에 제한되지 않고, 상기 슈퍼 캐패시터(1000)의 용매는 요구되는 특성을 충족시킬 수 있는 물질을 포함할 수 있다.
상기 용매는 상기 전해액 전체 부피에 대하여 약 78 부피% 내지 약 82 부피%만큼 포함될 수 있다. 바람직하게, 상기 용매는 상기 전해액 전체 부피에 대하여 약 79 부피% 내지 약 81 부피%만큼 포함될 수 있다. 가장 바람직하게, 상기 용매는 상기 전해액 전체 부피에 대하여 약 79.5 부피% 내지 약 80.5 부피%만큼 포함될 수 있다.
상기 용매의 부피가 상기 전해액 전체 부피의 약 78 부피% 미만인 경우, 상기 전해액에 첨가되는 상기 전해질 염을 용해시키기 어려울 수 있고, 상기 용매의 부피가 약 82 부피%를 초과할 경우 상기 전해액에 첨가되는 전해질 염이 감소되어 해리되는 양이온 및 음이온의 수가 감소할 수 있다. 즉, 상기 용매가 상술한 범위를 벗어날 경우, 슈퍼 캐패시터(1000)의 전체적인 정전 용량이 저하될 수 있다.
또한, 상기 전해질 염은 테트라에틸암모늄 테트라플로로보레이트(TEABF4), 트리메틸에틸암모늄 테트라플로로보레이트(TEMABF4), 비피로리지니움 테트라플루오르보레이트(SPBBF4), 헥사플로로 포스페이스트(EMIPF6) 및 1-부틸피리디늄 비스이미드(BPTFSI) 등 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 전해질 염은 상기 용매에 해리될 수 있다. 예를 들어, 상기 전해질 염은 상기 용매에 해리되어 양이온 및 음이온을 포함하는 전해질 이온(30)이 될 수 있다. 자세하게, 상기 용매 내에 해리된 양이온은 TMA+, TEA+, TBA+, TMEA+, TEMA+, SBP+, EMI+ 및 BPT+ 중 선택되는 적어도 하나일 수 있고, 상기 용매 내에 해리된 음이온은 BF4 -, PF6 -, TFSI-, FSI- 및 CF3SO3 - 중 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
즉, 상기 전해액은 상기 전해질 염이 상기 용매에 해리되어 형성된 양이온 및 음이온을 포함하는 전해액일 수 있다.
상기 전해질 염은 상기 전해액 전체 부피에 대하여 약 18 부피% 내지 약 22 부피%만큼 포함될 수 있다. 바람직하게, 상기 전해질 염은 상기 전해액 전체 부피에 대하여 약 19 부피% 내지 약 21 부피%만큼 포함될 수 있다. 가장 바람직하게, 상기 전해질 염은 상기 전해액 전체 부피에 대하여 약 19.5 부피% 내지 약 20.5 부피%만큼 포함될 수 있다.
상기 전해질 염의 부피가 상기 전해액 전체 부피의 약 18 부피% 미만인 경우, 상기 용매에 해리되는 양이온 및 음이온의 수가 적을 수 있고, 상기 전해질 염의 부피가 약 22 부피%를 초과할 경우 상기 용매의 양이 감소되어 상기 전해질 염 일부가 용매 내에 이온으로 해리되지 못할 수 있다.
실시예에 따른 슈퍼 캐패시터(1000)는 분리막을 더 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 슈퍼 캐패시터(1000)는 상기 제 1 전극(100) 및 상기 제 2 전극(200) 사이에 배치되는 분리막(300) 이외에 외부 분리막(400)을 더 포함할 수 있다.
상기 외부 분리막(400)은 상기 제 1 전극(100) 상에 배치될 수 있다. 자세하게, 상기 외부 분리막(400)은 상기 커버 케이스(500) 및 상기 제 1 전극(100) 사이에 배치될 수 있다. 상기 외부 분리막(400)은 상기 제 1 전극(100)과 접촉하며 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 외부 분리막(400)의 일면은 상기 제 1 전극(100)의 타면과 직접 접촉하며 배치될 수 있다.
또한, 상기 외부 분리막(400)이 상기 커버 케이스(500) 내부에서 롤(Roll) 형태로 권취되는 경우, 상기 외부 분리막(400)의 타면은 상기 제 2 전극(200)의 타면과 직접 접촉할 수 있다.
자세하게, 상기 제 1 전극(100), 상기 제 2 전극(200) 상기 분리막(300) 및 상기 외부 분리막(300)은, 상기 외부 분리막(400), 상기 제 1 전극(100), 상기 분리막(300) 및 상기 제 2 전극(200) 순서로 적층되어 적층체를 형성할 수 있고, 상기 적층체는 롤(Roll) 형태로 권취되어 상기 커버 케이스(500)에 수용될 수 있다. 이에 따라, 상기 외부 분리막(300)은 상술한 바와 같이 상기 제 2 전극(200)과 직접 접촉할 수 있다.
즉, 상기 외부 분리막(400)에 의해 상기 제 1 집전체(110) 및 상기 제 2 집전체(220) 각각은 일면 및 타면 모두에 전극합제층이 형성될 수 있다. 즉, 각각의 상기 집전체의 양면에 상기 전극합제층이 형성될 수 있어 향상된 정전 용량을 구현할 수 있으며, 롤(Roll) 형태로 권취 시 상기 제 1 전극(100) 및 상기 제 2 전극(200) 사이에 쇼트가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 외부 분리막(300)에 의해 상기 커버 케이스(500) 및 상기 제 1 전극(100) 사이에서 쇼트가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
상기 슈퍼 캐패시터(1000)는 리드선을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 슈퍼 캐패시터(1000)는 제 1 리드선(600) 및 제 2 리드선(700)을 포함할 수 있다.
상기 제 1 리드선(600)은 상기 제 1 전극(100)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 리드선(600)은 상기 제 1 전극(100)과 직접 접촉하며 연결될 수 있다. 또한, 상기 제 2 리드선(700)은 상기 제 2 전극(200)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 리드선(700)은 상기 제 2 전극(200)과 직접 접촉하며 연결될 수 있다.
상기 제 1 리드선(600) 및 상기 제 2 리드선(700)은 상기 커버 케이스(500)의 내부에서 상기 커버 케이스(500)의 외부로 연장되어 형성될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하여, 실시예에 따른 제 1 전극(100) 및 제 2 전극(200) 중 적어도 하나의 전극에 포함되는 활물질(1)에 대해 보다 자세히 설명하기로 한다.
도 3은 실시예에 따른 활물질(1)의 일부분(도 2의 A 영역)을 확대한 형상을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 4는 실시예에 따른 활물질(1)에서 결정질 영역(도 3의 B 영역)의 결정 구조를 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 활물질(1)은 탄소를 포함하는 탄소 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 활물질(1)은 석유계 피치(pitch), 석탄계 피치(pitch), 생 코크스(그린 코크스), 칼시네이션(calcination) 코크스 및 코크스 더스트 등의 탄소 재료를 이용하여 형성될 수 있다. 상기 탄소 재료로 형성된 상기 활물질(1)은 활성탄, 흑연(graphite), 풀러렌(fullerene, C60), 소프트 카본(soft carbons), 카본 블랙(carbon black) 등 중 하나일 수 있다. 그러나 실시예는 이에 제한되지 않고, 상기 활물질(1)에 요구되는 특성을 충족시킬 수 있는 물질을 포함할 수 있다.
상기 활물질(1)은 상기 활물질(1)은 비정질(10) 및 결정질(20)을 포함할 수 있다. 상기 비정질(10)은 원자 배열이 불규칙한 구조를 가질 수 있고, 상기 결정질(20)은 결정 격자를 가질 수 있다.
상기 활물질(1) 내에는 상기 결정질(20) 및 상기 비정질(10)이 혼재되어 있을 수 있다. 예를 들어, 상기 결정질(20)은 상기 활물질(1) 내에 불규칙적으로 형성되어 배치될 수 있다. 상기 활물질(1)에서 상기 결정질(20)은 상기 비정질(10)에 둘러싸여 있을 수 있다.
상기 결정질(20)은 상기 탄소 재료를 열처리하는 과정에서 형성될 수 있다. 자세하게, 상기 결정질(20)은 상기 열처리 과정에 의해 상기 탄소 재료의 비정질(10)이 부분적으로 결정화되어 형성될 수 있다.
상기 결정질(20)은 전해질 이온(30)이 용이하게 흐를 수 있도록 하는 통로 역할을 할 수 있다. 즉, 상기 활물질(1)은 상기 결정질(20)에 의해 전기적 저항이 낮아질 수 있고 전기 전도도를 향상시킬 수 있다.
상기 비정질(10)은 상기 전해질 이온(30)을 저장하는 역할을 할 수 있다. 자세하게, 상기 활물질(1)은 복수 개의 기공(11)들을 포함하는 비정질(10)을 포함할 수 있다. 상기 비정질(10)은 상기 기공(11)들에 의해 증가된 비표면적을 가질 수 있다. 즉, 상기 활물질(1)은 복수 개의 기공(11)들을 포함하는 물질로, 상기 전해질 이온(30)은 상기 결정질(20)을 통과하여 상기 비정질(10)에 흡착될 수 있다. 따라서, 상기 활물질(1)은 상기 비정질(10)에 의해 정전 용량을 향상시킬 수 있다.
상기 활물질(1)에서 상기 결정질(20)의 유무는 X선 회절 분석법(X-ray diffraction, XRD)을 이용하여 확인할 수 있다. 상기 X선 회절 분석법을 이용하여 재료의 결정에 X선 조사 시 일부에서 회절이 일어난다. 이때, 회절이 일어난 각도(angle) 및 강도(intensity)는 물질의 구조마다 고유한 것으로, 조사된 X선의 회절 데이터를 이용하여 시료에 함유된 결정성 물질의 종류 및 양에 대한 정보를 파악할 수 있다.
상기 결정질(20)은 상기 활물질(1)의 단위 중량(g)에 대해 약 40% 내지 약 91%일 수 있다. 상기 결정질(20)의 비율이 약 40% 미만인 경우, 상기 비정질(10)의 비율이 증가되어 비표면적이 증가될 수 있다. 이에 따라, 전기 전도도가 감소되고 전체적인 슈퍼 캐패시터(1000)의 정전 용량이 감소되는 문제가 있다. 또한, 상기 결정질(20)의 비율이 약 91%를 초과하는 경우, 상기 활물질(1)의 비표면적이 지나치게 감소되어 전체적인 정전 용량이 감소되는 문제가 있다.
상기 활물질(1)의 기공(11)은 약 1 nm 이하의 크기를 가질 수 있다. 상기 기공(11)의 크기는 평균 지름 길이일 수 있다. 상기 활물질(1)이 복수 개의 기공(11)들을 포함할 경우, 상기 기공(11)들의 크기는 서로 동일할 수 있다. 자세하게, 상기 기공(11)들은 서로 동일한 지름을 가질 수 있다. 이와 다르게, 상기 기공(11)들의 크기는 서로 상이할 수 있다. 자세하게, 상기 기공(11)들은 서로 상이한 지름을 가질 수 있다. 이와 또 다르게, 상기 활물질(1)은 서로 동일한 지름을 가지는 기공(11)들 및 서로 상이한 지름을 가지는 기공(11)들을 모두 포함할 수 있다. 상기 활물질(1)은 상기 기공(11)들, 즉, 상기 비정질(10)에 포함된 상기 기공(11)들에 의해 비표면적이 증가될 수 있다.
상기 활물질(1)에서 상기 기공(11)의 유무는 활물질(1)의 비표면적에 영향을 주는 요인일 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 기공(11)의 크기도 비표면적에 영향을 주는 요인일 수 있다. 즉, 상기 기공(11)의 크기 및 상기 기공(11)의 분포 특성은 상기 기공(11) 내에 배치되는 상기 전해질 이온(30)의 양 및/또는 이동도에 영향을 주는 요인일 수 있다.
또한, 상기 기공(11)은 상기 비정질(10) 전체 부피의 약 60% 내지 약 85%일 수 있다. 상기 기공(11)의 부피가 상기 비정질(10) 전체 부피의 약 60% 미만인 경우, 비표면적이 감소되어 정전 용량이 감소될 수 있다. 또한, 상기 기공(11)의 부피가 상기 비정질(10) 전체 부피의 약 85% 초과할 경우, 비표면적이 증가되어 상기 전해질 이온(30)의 접근성이 저하될 수 있고, 이에 따라 전기 이동도가 저하되어 전체적인 전기적 특성이 저하될 수 있다.
상기 활물질(1)의 비표면적은 약 200 m2/g 내지 약 1200 m2/g 일 수 있다. 상기 활물질(1)의 비표면적이 상술한 범위 내인 경우 상기 결정질(20)의 격자 사이 또는 상기 비정질(10)의 기공(11)에 상기 전해질 이온(30)의 유입이 용이하여 정전 용량이 향상될 수 있다.
상기 기공(11)들은 활성화 처리로 형성될 수 있다. 자세하게, 상기 기공(11)들은 상기 열처리한 상기 탄소 재료를 알칼리 활성화 처리하여 형성될 수 있다. 상기 알칼리 활성화 처리에 의해 상기 활물질(1)에 형성되는 기공(11)의 크기 및 비율을 조절할 수 있다.
실시예에 따른 활물질(1)은 탄소를 포함할 수 있다. 이때, 상기 활물질(1)은 층상 구조의 결정질(20)을 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 결정질(20)은 탄소 원자들이 공유 결합 및 반데르발스 결합으로 결합된 층상 구조를 가질 수 있다. 더 자세하게, 상기 결정질(20)은 탄소 원자가 동일 평면 상에서 인접한 위치에 배치되는 탄소 원자 3개와 공유 결합으로 결합되고, 상기 탄소 원자가 다른 평면 상에서, 즉, 다른 층에서 인접한 위치에 배치되는 탄소 원자와 반데르발스 결합으로 결합된 층상 구조를 가질 수 있다. 상기 공유 결합으로 결합되는 상기 탄소 원자들 사이의 결합 길이(l)는 약 1.42Å일 수 있다.
상기 공유 결합으로 결합된 상기 탄소 원자들은 제 1 방향으로 연장될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 방향은 상기 결정질(20)의 a축 방향일 수 있다. 자세하게, 상기 a축 방향은 상기 결정질(20)의 (100)면(plane)이 성장하는 방향일 수 있다. 또한, 반데르발스 결합으로 결합된 상기 탄소 원자들은 제 2 방향으로 연장될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 방향은 상기 결정질(20)의 c축 방향일 수 있다. 자세하게, 상기 c축 방향은 상기 결정질(20)의 (002)면(plane)이 성장하는 방향일 수 있다.
상기 제 1 방향 및 상기 제 2 방향은 서로 다른 방향일 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 방향 및 상기 제 2 방향은 교차할 수 있다. 더 자세하게, 상기 제 1 방향 및 상기 제 2 방향은 서로 수직을 형성할 수 있다.
상기 결정질(20)은 상술한 바와 같이 층상 구조를 가질 수 있다. 이때, 상술한 X선 회절 분석법(XRD)를 이용하면 상기 층상 구조에서 층과 층 사이의 간격, 즉 상기 결정질(20)의 면(plane)간 거리인 격자 간격을 알 수 있다. 예를 들어, 상기 결정질(20)의 격자 간격은 브래그(Bragg) 방정식인 아래 [수학식 1]을 이용하여 얻을 수 있다.
[수학식 1] nλ = 2dsinθ
(n= 반사 지수, λ= X선의 파장 값, d= 결정질의 밀러(Miller) 지수에 의한 면(plane)간 거리)
즉, 상기 X선 회절 분석법(XRD)에 대한 데이터와 상기 [수학식 1]을 이용하여 결정질(20)의 격자 간격을 파악할 수 있다. 실시예에 따른 상기 결정질(20)의 격자 간격(d0)은 약 0.37nm 내지 약 0.42nm 일 수 있다. 바람직하게, 상기 결정질(20)의 격자 간격(d0)은 약 0.37nm 내지 약 0.40nm 일 수 있다. 즉, 상기 결정질(20)의 (002)면(plane) 사이의 거리는 약 0.37nm 내지 약 0.42nm 일 수 있다.
상기 결정질(20)의 격자 간격(d0)이 약 0.37nm 미만인 경우, 상기 결정질(20)의 층과 층 사이로 상기 전해질 이온(30)이 삽입되고 이동하는 것이 용이하지 않을 수 있다. 또한, 상기 결정질(20)의 격자 간격(d0)이 약 0.42nm를 초과하는 경우, 상기 결정질(20)의 층과 층 사이의 거리가 멀어져 결정성을 상실할 수 있다. 즉, 탄소 원자 간의 반데르발스 결합이 끊어져 결정성을 상실할 수 있다. 이에 따라, 전기 전도도 또는 정전 용량이 저하되는 문제가 있다.
도 5는 실시예에 따른 제 1 전극(100) 및 제 2 전극(200) 중 하나의 전극의 일부분을 확대 도시한 도면이다. 예를 들어, 도 5는 실시예에 따른 제 1 전극(100)의 일부분을 확대 도시한 도면일 수 있다.
상기 제 1 전극(100)은 제 1 전극합제층(120)을 포함할 수 있다. 상기 제 1 전극합제층(120)은, 제 1 집전체(110)의 일면과 직접 접촉하며 배치될 수 있다. 상기 제 1 전극합제층(120)은 활물질(1), 바인더(121) 및 도전재(123)를 포함하는 전극형성용 조성물로 형성할 수 있다.
상기 바인더(121)는 전극형성용 조성물에 접착성을 부여할 수 있다. 예를 들어, 상기 바인더(121)는 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 선형(Linear) 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 가지(Branched) 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리비닐알콜(PVA) 등 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 실시예는 이에 제한되지 않고, 상기 바인더에 요구되는 특성을 충족시킬 수 있는 소재를 포함할 수 있다.
상기 바인더(121)는 전극형성용 조성물 전체 100 중량%에 대하여 약 1 중량% 내지 약 45 중량%만큼 포함될 수 있다. 상기 바인더(121)가 상기 전극형성용 조성물 전체 100 중량%에 대하여 약 1 중량% 미만인 경우, 물리적 접착력이 감소되어 바인더로서의 역할을 제대로 수행할 수 없다. 또한, 상기 바인더(121)가 상기 전극형성용 조성물 전체 100 중량%에 대하여 약 45 중량%를 초과하는 경우, 상기 도전재의 함량이 감소되어 전도성이 저하될 수 있다.
상기 도전재(123)는 전극형성용 조성물에 전도성을 부여할 수 있다. 예를 들어, 상기 도전재(123)는 인접한 활물질(1)들을 서로 전기적으로 연결시킬 수 있다. 자세하게, 상기 도전재(123)는 상기 활물질(1)들 사이에 분산되어 배치될 수 있다. 또한, 상기 도전재(123)는 상기 바인더(121)에 의해 인접한 상기 활물질(1)들 사이에 배치되어 상기 활물질(1)들을 서로 연결시킬 수 있다. 즉, 상기 도전재(123)는 상기 바인더(121)에 의해 상기 활물질(1)들을 연결시키는 브리지(Bridge) 역할을 수행할 수 있다.
상기 도전재(123)는 도전물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 도전재(123)는 카본 블랙(carbon black), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(CNT) 및 탄소나노섬유(CNF) 등 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 실시예는 이에 제한되지 않고, 상기 도전재에 요구되는 특성을 충족시킬 수 있는 소재를 포함할 수 있다.
상기 도전재(123)는 전극형성용 조성물 전체 100 중량%에 대하여 약 1 중량% 내지 약 45 중량%만큼 포함될 수 있다. 상기 도전재(123)가 상기 전극형성용 조성물 전체 100 중량%에 대하여 약 1 중량% 미만인 경우, 상기 전극형성용 조성물의 전도성이 저하될 수 있다. 또한, 상기 도전재(123)가 상기 전극형성용 조성물 전체 100 중량%에 대하여 약 45 중량%를 초과하는 경우, 상기 바인더의 함량이 감소되어 접착성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 전극형성용 조성물은 용매를 더 포함할 수 있다. 상기 용매는 물 또는 유기 용매일 수 있다. 또한, 상기 용매는 전극 형성용 조성물 전체 100 중량%에 대하여 약 10 중량% 내지 약 97 중량%만큼 포함될 수 있다. 상기 용매가 상술한 범위 외인 경우, 접착성 및 도전성이 저하될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 제 1 전극합제층(120)에 포함된 상기 활물질(1)들은 서로 연결될 수 있다. 예를 들어, 서로 인접한 상기 활물질(1)들은 상기 활물질(1)들 사이에 배치되는 적어도 하나의 도전재(123)에 의해 연결될 수 있다. 자세하게, 인접한 상기 활물질(1)들은 상기 바인더(121)에 의해 서로 연결될 수 있고, 상기 활물질(1) 및 상기 활물질(1)과 인접한 상기 도전재(123)는 상기 바인더(121)에 의해 서로 연결될 수 있다. 즉, 상기 활물질(1)들은 상기 도전재(123) 및 상기 바인더(121)에 의해 직접 및/또는 간접적으로 연결되어 전기적으로 연결될 수 있고, 상기 제 1 집전체(110) 상에 배치될 수 있다.
도 6은 실시예에 따른 활물질(1)의 입도 분포 곡선을 도시한 도면이다. 자세하게, 상기 입도 분포 곡선은 가장 작은 입도 크기에서부터 가장 큰 입도 크기 순서로 누적시킨 분포 곡선일 수 있다. 상기 입도 분포 곡선은 체(sieve), 현미경, 침강법, 전자대 감지법 또는 레이저 회절 등의 같은 방법으로 측정하여 얻을 수 있다.
실시예는 MALVERN사의 입도 분석 장비 Hydro2000S를 이용하여 활물질(1)의 입도를 분석하였다. 자세하게, 상기 입도 분석 장비는 레이저 회절을 이용한 장비로, 활물질(1)에 레이저를 조사하고 레이저가 상기 활물질(1)을 통과할 때 산란하는 빛의 강도에 따른 각도 변화를 측정하여 입도를 분석하는 장비이다. 또한, 입도가 작을수록 상기 활물질(1)을 통과하는 레이저의 빛이 산란하는 각도가 커지고, 입도가 작을수록 빛이 산란하는 각도가 작아지는 것을 통해 상기 활물질(1)의 입도를 분석할 수 있다. 또한, 상술한 입도 분석 방법으로 활물질의(1)의 입도(D10), 입도(D50) 및 입도(D90) 값을 구할 수 있다. 여기서 상기 입도(D10), 상기 입도(D50) 및 상기 입도(D90)는, 상기 활물질(1)의 전체 부피를 100%로 하여 입도에 대한 누적 부피 비율을 구하였을 때, 누적 부피 비율이 10%, 50% 및 90%가 되는 입도 크기를 의미할 수 있다. 이때, 상기 입도(D50)은 상기 활물질(1)의 평균 입도 크기를 의미할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 전극합제층에 포함된 상기 활물질(1)은 입도 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 활물질(1)의 입도 크기는 약 40㎛ 이하일 수 있다. 자세하게 상기 활물질(1)의 입도 크기는 약 0.1㎛ 내지 약 37㎛일 수 있다. 더 자세하게, 상기 활물질(1)의 입도 크기는 약 0.1㎛ 내지 약 35㎛일 수 있다. 상기 활물질(1)의 입도 크기가 약 40㎛를 초과할 경우, 전극에 포함되는 상기 활물질의 밀도가 낮아져 전체적인 정전 용량이 감소할 수 있다. 또한, 상기 입도 크기가 약 0.1㎛ 미만일 경우, 전극에 포함되는 상기 활물질의 밀도가 너무 높아질 수 있고 전기적 저항이 증가하여 전극의 전기적 특성이 저하될 수 있다.
상기 활물질(1)은 상술한 입도 크기 범위 내에서 다양한 입도 크기를 가질 수 있고, 입도 크기별 다양한 부피 비율로 혼합될 수 있다. 예를 들어, 입도 크기가 약 10㎛ 이하인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 95% 이하일 수 있다. 자세하게, 입도 크기가 약 10㎛ 이하인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 93% 이하일 수 있다. 더 자세하게, 입도 크기가 약 10㎛ 이하인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 90% 이하일 수 있다.
입도 크기가 약 8㎛ 이하인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 85% 이하일 수 있다. 자세하게, 입도 크기가 약 8㎛ 이하인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 83% 이하일 수 있다. 더 자세하게, 입도 크기가 약 8㎛ 이하인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 80% 이하일 수 있다.
입도 크기가 약 6㎛ 이하인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 65% 이하일 수 있다. 자세하게, 입도 크기가 약 6㎛ 이하인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 63% 이하일 수 있다. 더 자세하게, 입도 크기가 약 6㎛ 이하인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 60% 이하일 수 있다.
입도 크기가 약 4㎛ 이하인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 40% 이하일 수 있다. 자세하게, 입도 크기가 약 4㎛ 이하인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 38% 이하일 수 있다. 더 자세하게, 입도 크기가 약 4㎛ 이하인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 35% 이하일 수 있다.
입도 크기가 약 2㎛ 이하인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 25% 이하일 수 있다. 자세하게, 입도 크기가 약 2㎛ 이하인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 23% 이하일 수 있다. 더 자세하게, 입도 크기가 약 2㎛ 이하인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 20% 이하일 수 있다.
| 활물질의 입도 크기(㎛) | 비율 (%) |
| 1.1㎛ 미만 | 4.77 |
| 1.1㎛ 내지 2.2㎛ | 12.74 |
| 2.2㎛ 내지 3.3㎛ | 14.13 |
| 3.3㎛ 내지 4.4㎛ | 12.33 |
| 4.4㎛ 내지 5.8㎛ | 15.22 |
| 5.8㎛ 내지 7.6㎛ | 16.77 |
| 7.6㎛ 내지 10㎛ | 13.37 |
| 10㎛ 내지 13.2㎛ | 6.72 |
| 13.2㎛ 내지 17.4㎛ | 2.34 |
| 17.4㎛ 내지 35㎛ | 1.6 |
상기 표 1은 상술한 입도 분석 장비를 이용하여 실시예에 따른 활물질(1)의 입도 크기를 측정한 것이다. 상기 표 1을 참조하여 상기 활물질(1)은 입도별 부피 비율에 대해 보다 자세히 설명하면, 입도 크기가 약 1.1㎛ 미만인 상기 활물질(1)이 차지하는 부피 비율은 활물질 전체 부피에 대하여 약 6% 이하일 수 있다. 자세하게, 입도 크기가 약 1.1㎛ 미만인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 5% 이하일 수 있다. 더 자세하게, 입도 크기가 약 1.1㎛ 미만인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 4% 내지 약 5%일 수 있다.
입도 크기가 약 1.1㎛ 내지 약 2.2㎛인 상기 활물질(1)이 차지하는 부피 비율은 활물질 전체 부피에 대하여 약 14% 이하일 수 있다. 자세하게, 입도 크기가 약 1.1㎛ 내지 약 2.2㎛인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 13% 이하일 수 있다. 더 자세하게, 입도 크기가 약 1.1㎛ 내지 약 2.2㎛인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 12% 내지 약 13%일 수 있다.
입도 크기가 약 2.2㎛ 내지 약 3.3㎛인 상기 활물질(1)이 차지하는 부피 비율은 활물질 전체 부피에 대하여 약 16% 이하일 수 있다. 자세하게, 입도 크기가 약 2.2㎛ 내지 약 3.3㎛인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 15% 이하일 수 있다. 더 자세하게, 입도 크기가 약 2.2㎛ 내지 약 3.3㎛인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 14% 내지 약 15%일 수 있다.
입도 크기가 약 3.3㎛ 내지 약 4.4㎛인 상기 활물질(1)이 차지하는 부피 비율은 활물질 전체 부피에 대하여 약 14% 이하일 수 있다. 자세하게, 입도 크기가 약 3.3㎛ 내지 약 4.4㎛인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 13% 이하일 수 있다. 더 자세하게, 입도 크기가 약 3.3㎛ 내지 약 4.4㎛인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 12% 내지 약 13%일 수 있다.
입도 크기가 약 4.4㎛ 내지 약 5.8㎛인 상기 활물질(1)이 차지하는 부피 비율은 활물질 전체 부피에 대하여 약 17% 이하일 수 있다. 자세하게, 입도 크기가 약 4.4㎛ 내지 약 5.8㎛인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 16% 이하일 수 있다. 더 자세하게, 입도 크기가 약 4.4㎛ 내지 약 5.8㎛인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 15% 내지 약 16%일 수 있다.
입도 크기가 약 5.8㎛ 내지 약 7.6㎛인 상기 활물질(1)이 차지하는 부피 비율은 활물질 전체 부피에 대하여 약 18% 이하일 수 있다. 자세하게, 입도 크기가 약 5.8㎛ 내지 약 7.6㎛인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 17% 이하일 수 있다. 더 자세하게, 입도 크기가 약 5.8㎛ 내지 약 7.6㎛인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 16% 내지 약 17%일 수 있다.
입도 크기가 약 7.6㎛ 내지 약 10㎛인 상기 활물질(1)이 차지하는 부피 비율은 활물질 전체 부피에 대하여 약 15% 이하일 수 있다. 자세하게, 입도 크기가 약 7.6㎛ 내지 약 10㎛인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 14% 이하일 수 있다. 더 자세하게, 입도 크기가 약 7.6㎛ 내지 약 10㎛인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 13% 내지 약 14%일 수 있다.
입도 크기가 약 10㎛ 내지 약 13.2㎛인 상기 활물질(1)이 차지하는 부피 비율은 활물질 전체 부피에 대하여 약 8% 이하일 수 있다. 자세하게, 입도 크기가 약 10㎛ 내지 약 13.2㎛인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 7% 이하일 수 있다. 더 자세하게, 입도 크기가 약 10㎛ 내지 약 13.2㎛인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 6% 내지 약 7%일 수 있다.
입도 크기가 약 13.2㎛ 내지 약 17.4㎛인 상기 활물질(1)이 차지하는 부피 비율은 활물질 전체 부피에 대하여 약 4% 이하일 수 있다. 자세하게, 입도 크기가 약 13.2㎛ 내지 약 17.4㎛인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 3% 이하일 수 있다. 더 자세하게, 입도 크기가 약 13.2㎛ 내지 약 17.4㎛인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 2% 내지 약 3%일 수 있다.
입도 크기가 약 17.4㎛ 내지 약 35㎛인 상기 활물질(1)이 차지하는 부피 비율은 활물질 전체 부피에 대하여 약 3% 이하일 수 있다. 자세하게, 입도 크기가 약 17.4㎛ 내지 약 35㎛인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 2% 이하일 수 있다. 더 자세하게, 입도 크기가 약 17.4㎛ 내지 약 35㎛인 상기 활물질(1)은 활물질 전체 부피에 대하여 약 1% 내지 약 2%일 수 있다.
또한, 상기 활물질(1)의 입도 분포 곡선을 참조하면, 상기 활물질(1)은 입도(D10), 입도(D50) 및 입도(D90) 값을 가질 수 있다.
상기 활물질(1)의 평균 입도(D50)는 약 4㎛ 내지 약 6㎛일 수 있다. 자세하게, 상기 활물질(1)의 평균 입도(D50)는 약 4.5㎛ 내지 약 5.5㎛일 수 있다. 더 자세하게 상기 활물질(1)의 평균 입도(D50)는 약 4.7㎛ 내지 약 5.3㎛일 수 있다. 상기 활물질(1)의 평균 입도(D50) 값이 상술한 범위를 벗어날 경우, 상기 활물질(1)의 탭 밀도(Tap density)가 감소할 수 있고, 이에 따라, 상기 활물질(1)을 포함하는 전극의 시트 밀도(Sheet density) 역시 감소할 수 있다. 이에 따라, 전극의 전기적 저항이 증가할 수 있고 슈퍼 캐패시터의 전체적인 정전 용량이 감소할 수 있다.
상기 활물질(1)의 입도(D10)는 약 0.5㎛ 내지 약 2.5㎛일 수 있다. 자세하게, 상기 활물질(1)의 입도(D10)는 약 1㎛ 내지 약 2㎛일 수 있다. 더 자세하게, 상기 활물질(1)의 입도(D10)는 약 1.3㎛ 내지 약 1.7㎛일 수 있다.
상기 활물질(1)의 입도(D90)는 약 9㎛ 내지 약 12㎛일 수 있다. 자세하게, 상기 활물질(1)의 입도(D90)는 약 9.5㎛ 내지 약 11㎛일 수 있다. 더 자세하게, 상기 활물질(1)의 입도(D90)는 약 9.5㎛ 내지 약 10.5㎛일 수 있다. 상기 활물질의 입도(D10) 및 입도(D90) 값이 상술한 범위를 벗어날 경우, 상기 평균 입도(D50)의 값이 증가 또는 감소할 수 있고, 이에 따라 상기 활물질(1)의 탭 밀도 및 전극의 시트 밀도가 변화할 수 있다.
즉, 상기 활물질의 입도(D10), 입도(D50) 및 입도(D90)의 값이 상술한 범위를 만족할 경우, 슈퍼 캐패시터의 정전 용량은 효과적으로 향상할 수 있고 내부 전기 저항을 감소시킬 수 있어, 슈퍼 캐패시터의 전체적인 전기적 특성 향상을 극대화할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 슈퍼 캐패시터(1000)는 전기이중층 캐패시터(EDLC) 인 것에 대해 설명하였으나, 실시예는 이에 제한되지 않고, 전해액에 함침된 제 1 전극(100) 및 제 2 전극(200)이 서로 비대칭 전극인 하이브리드 캐패시터일 수 있다. 예를 들어, 상기 슈퍼 캐패시터(1000)는 상기 제 1 전극(100) 및 상기 제 2 전극(200) 중 하나의 전극은 상술한 활물질(1)을 포함하여 고용량 특성을 구현할 수 있고, 나머지 전극은 상기 활물질(1) 대신 산화물을 포함하여 고출력 특성을 구현할 수 있다. 즉, 상기 슈퍼 캐패시터(1000)가 하이브리드 캐패시터인 경우, 상기 활물질(1)을 포함하는 전극은 상술한 입도 크기의 활물질(1)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 슈퍼 캐패시터의 전기적 저항을 감소할 수 있고 정전 용량을 향상시킬 수 있어, 슈퍼 캐패시터의 전체적인 에너지 밀도 및 파워 밀도를 향상시킬 수 있다.
도 7은 실시예에 따른 슈퍼 캐패시터의 제조 방법을 설명하는 순서도이고, 도 8은 실시예에 따른 슈퍼 캐패시터의 제조 방법 중 열처리 및 활성화 처리에 의해 활물질이 형성되는 과정을 도시한 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 실시예에 따른 슈퍼 캐패시터(1000)의 제조 방법은 탄소 재료를 준비하는 단계, 열처리 단계, 활성화 처리 단계, 전극 형성 단계 및 셀 형성 단계를 포함할 수 있다.
상기 탄소 재료를 준비하는 단계는 활물질(1)을 형성하기 위한 탄소 재료를 준비하는 단계일 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소 재료는 석유계 피치(pitch), 석탄계 피치(pitch), 생 코크스(그린 코크스), 칼시네이션(calcination) 코크스 및 코크스 더스트 등일 수 있다.
이어서 상기 활물질(1)을 형성하기 위해 상기 탄소 재료를 열처리하는 단계를 진행할 수 있다. 상기 열처리 단계는 상기 활물질(1)에 결정질(20) 및 비정질(10)을 형성하는 단계일 수 있다.
상기 열처리 단계는 불활성 기체 분위기에서 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 열처리 단계는 헬륨, 아르곤 및 질소 분위기 등에서 수행할 수 있다. 그러나, 실시예는 이에 제한되지 않고, 상기 열처리 시 요구되는 특성을 충족시킬 수 있는 분위기에서 진행할 수 있다.
상기 열처리 단계는 약 650 ℃ 내지 약 900 ℃의 온도에서 열처리할 수 있다. 상기 열처리 온도가 약 650 ℃ 미만인 경우, 상기 활물질(1)에 상기 결정질(20)이 형성되지 않을 수 있다. 또한, 상기 열처리 온도가 약 900 ℃를 초과하는 경우, 상기 활물질(1)에 형성되는 결정질(20)의 비율이 지나치게 많을 수 있다. 즉, 열처리 온도에 따라 상기 활물질(1)의 단위 중량(g)에 대한 상기 결정질(20)의 비율이 달라지며, 상기 결정질(20)의 비율이 상기 활물질(1)의 비표면적에 영향을 주어 정전 용량 값을 변화시킬 수 있다. 자세하게, 상기 열처리 온도가 낮을수록 상기 결정질(20)의 비율은 감소하고, 상기 비정질(10)의 비율은 증가할 수 있다. 이에 따라, 상기 활물질(1)의 비표면적은 증가되어 정전 용량은 향상될 수 있다. 또한, 상기 열처리 온도가 높을수록 상기 결정질(20)의 비율은 증가하고, 상기 비정질(10)의 비율은 감소할 수 있다. 이에 따라 상기 활물질(1)의 전기 전도도는 향상될 수 있으나, 정전 용량은 감소될 수 있다.
즉, 실시예에 따른 열처리 단계는 상기 탄소 재료를 약 650 ℃ 내지 약 900 ℃의 온도로 열처리하여 상기 활물질(1) 내의 상기 결정질(20) 및 상기 비정질(10)의 비율을 최적화할 수 있다. 상기 열처리 온도가 상술한 범위 이내인 경우, 상기 결정질(20)은 상기 활물질(1)의 단위 중량(g)에 대해 약 40% 내지 약 91%일 수 있다.
이어서, 상기 활물질(1)을 활성화 처리하는 단계를 진행할 수 있다. 상기 활성화 처리 단계는 상기 활물질의 기공(11)의 크기 및 비율을 조절하는 단계일 수 있다. 자세하게, 상기 활성화 처리 단계에서 상기 비정질(10)은 깨져 상기 비정질(10)에는 기공(11)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 활성화 처리 단계는 상기 결정질(20)의 격자 간격을 조절할 수 있다. 자세하게, 상기 활성화 처리 단계는 상기 결정질(20)의 (002)면(plane) 사이의 간격을 조절할 수 있다. 이에 따라, 상기 활물질(1)의 비표면적은 증가할 수 있다.
상기 활성화 처리 단계는 알칼리를 포함하는 활성화제를 이용하여 상기 활물질(1)을 활성화하는 단계일 수 있다. 즉, 상기 활성화 처리 단계는 알칼리 활성화 처리 단계일 수 있다. 상기 알칼리는 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K) 금속 등일 수 있다. 이때, 상기 활물질(1) 및 상기 활성화제는 약 1:0.8 내지 약 1:5.5의 중량비로 혼합될 수 있다. 상기 활물질(1) 및 상기 활성화제의 중량비가 약 1:0.8 미만인 경우, 상기 활물질(1)을 충분히 활성화할 수 없다. 이에 따라, 활물질(1) 내에 상기 결정질(20)이 존재하더라도 상기 전해질 이온(30)이 이동할 수 있는 격자 간격이 확보되지 않을 수 있다. 또한, 상기 활물질(1) 및 상기 활성화제의 중량비가 약 1:5.5를 초과하는 경우, 상기 결정질(20)의 격자 간격이 지나치게 커질 수 있다. 즉, 반데르발스 결합에 의해 결합된 탄소 원자들 사이의 거리가 증가되어 반데르발스 결합이 끊어질 수 있다. 이에 따라 상기 결정질(20)은 결정성을 상실할 수 있다. 또한, 상기 활물질(1) 및 상기 활성화제의 중량비가 약 1:0.8 내지 약 1:5.5를 벗어나는 경우, 약 1 nm 이하의 크기를 가지고, 상기 비정질(10) 전체 부피의 약 60% 내지 약 85%를 차지하는 기공(11)을 구현하기 어려울 수 있다. 즉, 상기 기공(11)의 크기 및/또는 비율을 조절하기 어려울 수 있다. 이에 따라, 활물질(1)의 전체적인 전기적 특성이 저하될 수 있다.
상기 활물질(1)의 비표면적은 200 m2/g 내지 1200 m2/g 일 수 있다. 상기 활물질(1)의 비표면적이 상술한 범위 내인 경우 결정 격자 사이 또는 상기 비정질(10)의 기공(11)에 상기 전해질 이온(30)의 유입이 용이하여 정전 용량은 향상될 수 있다.
상기 활성화 처리 단계는 불활성 기체 분위기에서 진행할 수 있다. 상기 불활성 기체는 헬륨, 아르곤 및 질소 등일 수 있다. 그러나, 실시예는 이에 제한되지 않고, 상기 활성화 처리는 요구되는 특성을 충족시킬 수 있는 분위기에서 진행할 수 있다.
상기 활성화 처리 단계는 약 700℃ 내지 약 1000℃의 온도에서 열처리할 수 있다. 상기 활성화 처리 온도가 약 700℃ 미만이거나, 약 1000℃를 초과하는 경우, 상기 활물질(1)의 결정질(20)의 격자 간격이 약 0.37 nm 미만이거나 약 0.42nm를 초과할 수 있다. 이에 따라, 상기 전해질 이온(30)이 이동할 수 있는 경로가 형성되지 않아 슈퍼 캐패시터(1000)의 전기 전도도 및 정전 용량은 감소될 수 있다.
상기 활성화 처리 단계는 약 700℃ 내지 약 1000℃의 온도에서 진행됨에 따라 상기 기공(11)은 약 1 nm 이하의 크기를 가질 수 있고, 상기 기공(11)은 상기 비정질(10) 전체 부피의 약 60% 내지 약 85%일 수 있다. 그러나, 상기 활성화 처리 온도가 상술한 범위를 벗어나는 경우, 상기 기공(11)의 크기 및/또는 비율을 조절하기 어려울 수 있다. 이에 따라, 상기 슈퍼 캐패시터(1000)의 전기적 특성이 저하될 수 있다.
이어서, 중화 단계, 세정 단계 및 전조 단계를 더 진행할 수 있다.
상기 중화 단계는 상기 활성화 처리 단계 이후에 진행할 수 있다. 상기 중화 단계는 상기 활성화 처리 단계에 사용된 상기 알칼리를 포함하는 물질을 제거하기 위해 중화하는 단계일 수 있다. 상기 중화 단계는 염산, 질산 등을 사용할 수 있다.
상기 세정 단계는 상기 중화 단계 이후에 진행할 수 있다. 상기 세정 단계는 상기 활물질(1)을 세정하는 단계일 수 있다. 상기 세정 단계는 증류수를 이용할 수 있다.
상기 세정 단계 이후에는 상기 건조 단계를 진행할 수 있다. 상기 건조 단계에 의해 상기 활물질(1)은 건조될 수 있다.
상기 건조 단계 이후에 분쇄 단계 및 시빙 단계가 더 진행할 수 있다.
상기 분쇄 단계는 제조된 상기 활물질(1)을 분쇄하는 단계일 수 있다. 자세하게, 상기 분쇄 단계는 상기 활물질(1)의 입도 크기가 약 40㎛ 이하가 되도록 상기 활물질(1)을 분쇄하는 단계일 수 있다. 예를 들어, 상기 분쇄 단계는 초미분쇄기를 이용하여 상기 활물질(1)을 분쇄하는 단계일 수 있다. 상기 초미분쇄기는 제트밀(Jet mill), 진동 밀(Vibration mill), 콜로이드 밀(Colloid mill) 및 원판 분쇄기(Disk attrition mill) 등과 같은 분쇄기 중 하나일 수 있다.
상기 분쇄 단계는 약 30분 내지 약 90분동안 진행할 수 있다. 자세하게, 상기 분쇄 단계는 약 45분 내지 약 75분동안 진행할 수 있다. 상기 분쇄 단계의 진행 시간이 약 30분 미만인 경우, 상기 활물질(1)의 입도 크기가 약 40㎛를 초과할 수 있고, 상기 활물질(1)이 균일하게 분쇄되지 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 활물질()의 평균 입도(D50) 값이 증가할 수 있다. 또한, 상기 분쇄 단계의 진행 시간이 약 90분을 초과할 경우, 상기 활물질(1)의 평균 입도(D50) 값이 작아질 수 있다. 예를 들어, 상기 활물질(1)의 평균 입도(D50) 값이 약 4㎛ 미만이 될 수 있다.
상기 시빙 단계는 분쇄 단계를 거친 상기 활물질(1)을 체가름하는 단계일 수 있다. 예를 들어, 상기 시빙 단계는 분쇄된 상기 활물질(1)의 입도 크기가 약 40㎛ 이하가 되도록 체가름하는 단계일 수 있다. 상기 시빙 단계는 체눈의 크기(Mesh size)가 약 40㎛ 이하인 체가름장치를 사용할 수 있다. 자세하게, 상기 시빙 단계는 체눈의 크기가 약 35㎛ 이하인 체가름장치를 사용할 수 있다.
상기 시빙 단계에 마친 상기 활물질(1)은 앞서 서술한 범위의 입도 크기를 가질 수 있다. 즉, 상기 시빙 단계에 의해 평균 입도(D50) 값이 약 4㎛ 내지 약 6㎛인 활물질(1)을 얻을 수 있고, 입도(D10) 값이 약 0.5㎛ 내지 약 2.5㎛이고 입도(D90) 값이 약 9㎛ 내지 약 12㎛인 활물질(1)을 얻을 수 있다. 상기 활물질(1)의 입도 크기는 상술한 입도 분석 방법을 통해 확인할 수 있다.
이에 따라, 상기 활물질(1)은 약 0.3 g/mL 내지 약 0.65 g/mL 범위의 탭 밀도를 가질 수 있고, 상기 탭 밀도가 상술한 범위 내의 값이면 활물질(1)의 정전 용량이 증가할 수 있다.
이어서 전극 형성 단계를 진행할 수 있다. 상기 전극 형성 단계는 상술한 슈퍼 캐패시터(1000)의 제 1 전극(100) 및/또는 제 2 전극(200)을 형성하는 단계일 수 있다. 상기 전극 형성 단계는 상기 활물질(1), 상기 바인더(121) 및 상기 도전재(123) 등을 혼합하여 제 1 전극합제층(120) 및/또는 제 2 전극합제층(220)을 형성하는 단계일 수 있다. 상기 제 1 전극합제층(120)은 제 1 집전체(110) 상에 배치되어 양극 또는 음극의 역할을 수행할 수 있고, 상기 제 2 전극합제층(220)은 제 2 집전체 상에 배치되어 음극 또는 양극의 역할을 수행할 수 있다.
상기 전극 형성 단계에서, 상기 제 1 전극합제층(120) 및 상기 제 2 전극합제층(220)은 전극의 밀도 향상을 위해 일정 압력으로 가압되어 각각의 집전체들(110, 210) 상에 접착될 수 있고, 가열 및 건조 등의 추가 단계를 통해 상기 전극합제층과 상기 집전체 사이의 접착력을 향상시킬 수 있다.
이에 따라, 실시예에 따른 전극의 시트 밀도(Sheet density)는 약 0.6 g/mL 내지 약 1 g/mL일 수 있다. 여기서 시트 밀도는 합제 밀도를 의미할 수 있고, 상기 합제 밀도가 상술한 범위 내의 값이면, 전극의 저항은 감소될 수 있고 정전 용량은 향상될 수 있으며 에너지 밀도 및 파워 밀도는 증가할 수 있다.
이어서 셀 형성 단계를 진행할 수 있다. 상기 셀 형성 단계는 상기 제 1 전극(100), 분리막(300) 및 상기 제 2 전극(200) 등을 전해액에 함침시키는 단계일 수 있다. 즉, 상기 제 1 전극(100) 및 상기 제 2 전극(200) 사이에 전해질 염이 해리된 전해액을 제공하여 슈퍼 캐패시터의 셀을 형성하는 단계일 수 있다.
이때, 상기 제 1 전극(100), 상기 분리막(300) 및 상기 제 2 전극(200)은 순차적으로 적층하여 권취할 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 전극(100), 상기 분리막(300) 및 상기 제 2 전극(200)은 롤(Roll) 형태로 제작된 이후에 상기 롤 주위에 배치되는 접착 부재를 통해 형태를 유지할 수 있다. 이에 따라, 상기 제 1 전극(100), 상기 분리막(300) 및 상기 제 2 전극(200)은 롤(Roll) 형태로 상기 커버 케이스(500) 내에 수용할 수 있다.
그러나, 실시예는 이에 제한되지 않고, 상기 제 1 전극(100) 및 상기 제 2 전극 사이에 상기 분리막(300)이 배치된 상태에서 적층된 스택(Stack) 형태일 수 있다.
이어서, 리드선을 형성할 수 있다. 상기 리드선은 제 1 리드선(600) 및 제 2 리드선(700)을 포함할 수 있다. 상기 제 1 리드선(600)은 상기 제 1 전극(100)에 연결될 수 있고, 상기 제 2 리드선(700)은 상기 제 2 전극(200)에 연결될 수 있다. 이때, 상기 제 1 리드선(600) 및 상기 제 2 리드선(700)은 상기 커버 케이스(500)의 내부에서 외부로 연장되며 형성될 수 있다.
이하 실시예와 비교예를 통하여 본 발명의 작용 및 효과를 보다 상세하게 설명한다.
실시예
NCC(Naphta Cracking Center) 공정에서 나오는 잔사 오일을 열처리하여 탄소 재료를 준비하였다. 상기 탄소 재료를 아르곤(Ar) 분위기 하에서 750℃의 온도로 6시간동안 60 Φ * 120 cm의 핫스팟에서 열처리하였다. 이어서 상기 탄소 재료를 KOH 활성화제와 1:3의 함량비로 혼합하여 아르곤(Ar) 분위기 하에서 700℃의 온도로 2시간동안 활성화 처리하여 결정질의 비율이 상기 활물질의 단위 중량(g)에 대해 40% 내지 91%인 활물질을 제조하였다.
제조된 활물질을 상온에서 60분동안 제트밀(Jet mill)을 이용하여 분쇄하였고, 분쇄한 활물질을 체눈의 크기가 35㎛인 체가름장치를 이용하여 시빙(Sieving) 처리 하였다. 또한, 시빙 처리한 활물질을 입도 분석 장비(MALVERN사의 Hydro2000S)를 이용하여 입도를 분석을 하였으며, 분석 데이터를 바탕으로 입도 분포에 대한 곡선을 얻었다.
이어서 상기 활물질 90 중량%, 바인더 5 중량% 및 도전재 5 중량%를 혼합하여 전극형성용 조성물을 제조한 후, 알루미늄 호일의 집전체 상에 롤러로 상기 전극형성용 조성물을 압착하여 시트 상태로 만든 후 건조하여 전극을 제조하였다.
제조한 전극과 분리막 등을 원형 커버 케이스에 삽입하고, 상기 전극 및 상기 분리막 등이 함침되도록 아세토니트릴(ACN) 및 테트라에틸암모늄(TEABF4)을 포함하는 전해액을 주입하여 코인셀 슈퍼 캐패시터를 제조하였다.
비교예
실시예와 동일한 방법으로 활물질을 제조하였으며, 제조된 활물질을 분쇄하는 단계 및 시빙 처리하는 단계를 생략하고 실시예와 동일한 방법으로 활물질의 입도를 분석하고 입도 분포에 대한 곡선을 얻었으며, 상기 활물질을 포함하는 슈퍼 캐패시터를 제조하였다.
이어서, 실시예 및 비교예 각각에 포함된 활물질의 입도 분포를 측정하였다.
| 입도(D10) (㎛) | 입도(D50) (㎛) | 입도(D90) (㎛) | |
| 실시예 | 1.552 | 4.903 | 10.190 |
| 비교예 | 2.993 | 7.130 | 12.879 |
표 2를 참조하면, 실시예에 따른 활물질의 평균 입도(D50) 값은 6㎛ 이하인 반면, 비교예에 따른 활물질의 평균 입도(D50) 값은 6㎛를 초과하는 것을 알 수 있다.
또한, 실시예에 따른 활물질의 입도(D10), 입도(D50) 및 입도(D90) 값은 비교예에 따른 활물질보다 작은 것을 알 수 있다. 즉, 실시예의 경우 분쇄 단계 및 시빙 단계를 통해 보다 비교예에 비해 보다 작은 입도 크기의 활물질을 가지는 것을 알 수 있다.
| 활물질의 탭 밀도(g/mL) | 시트 밀도 (g/mL) | 등가직렬저항 (ESRdc) (mΩ) | 정전 용량 (F/cc) | |
| 실시예 | 0.371 | 0.75 | 14~16 | 21~24 |
| 비교예 | 0.265 | 0.5 | 20 | 18 |
표 3을 참조하면, 실시예에 따른 활물질의 평균 입도(D50) 값은 약 4㎛ 내지 약 6㎛이고, 입도(D10) 값은 약 0.5㎛ 내지 약 2.5㎛이고, 입도(D90) 값은 약 9㎛ 내지 약 12㎛임에 따라, 실시예는 비교예와 상이한 탭 밀도, 시트 밀도, 등가직렬저항 및 정전 용량 값을 가지는 것을 알 수 있다.
자세하게, 실시예에 따른 활물질의 탭 밀도는 비교예에 따른 활물질의 탭 밀도보다 약 1.4배 큰 것을 알 수 있고, 실시예의 시트 밀도는 비교예의 시트 밀도보다 약 1.5배 큰 것을 알 수 있다. 또한, 실시예의 등가직렬저항은 비교예의 등가직렬보다 약 1.25배 내지 약 1.43배 감소한 것을 알 수 있고, 결과적으로 실시예에 따른 슈퍼 캐패시터의 정전 용량은 비교예에 따른 슈퍼 캐패시터의 정전 용량에 비해 약 1.16배 내지 약 1.33배 상승한 것을 알 수 있다.
즉, 실시예에 따른 슈퍼 캐패시터(1000)는 입도 크기 및 입도 크기별 부피 비율을 최적화한 활물질(1)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 활물질의 탭 밀도 및 시트 밀도를 극대화할 수 있으며 상기 슈퍼 캐패시터(1000)의 전체적인 정전 용량을 향상시킬 수 있다.
또한, 실시예에 따른 슈퍼 캐패시터(1000)는 상기 활물질(1)에 의해 내부 전기적 저항은 감소할 수 있고 정전 용량은 향상될 수 있으며 이에 따라 슈퍼 캐패시터(1000)의 에너지 밀도 및 파워 밀도를 향상시킬 수 있다.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (5)
- 제 1 전극;
상기 제 1 전극과 이격되어 배치되는 제 2 전극;
상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 배치되는 분리막; 및
상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극 및 상기 분리막을 함침하는 전해액을 포함하고,
상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 적어도 하나의 전극은 활물질을 포함하는 전극합제층을 포함하고,
상기 활물질은, 결정질 및 비정질이 혼재되어 복수 개의 기공을 포함하는 탄소 재료를 포함하고,
상기 활물질의 입도(D50)는 4㎛ 내지 6㎛인 슈퍼 캐패시터.
(입도(D50): 상기 활물질의 누적 입도 분포에 대한 곡선에서 누적 부피 비율이 50%일 때의 입도 크기) - 제 1 항에 있어서,
상기 활물질의 입도(D10)는 0.5㎛ 내지 2.5㎛이며, 상기 활물질의 입도(D90)는 9㎛ 내지 12㎛인 슈퍼 캐패시터.
(입도(D10), 입도(D90): 상기 활물질의 누적 입도 분포에 대한 곡선에서 누적 부피 비율이 각각 10%, 90%일 때의 입도 크기) - 제 1 항에 있어서,
입도 크기가 2㎛ 이하인 상기 활물질은, 상기 활물질 전체 부피에 대하여 25% 이하인 슈퍼 캐패시터. - 탄소 재료를 준비하는 단계;
상기 탄소 재료를 열처리 단계;
열처리된 상기 탄소 재료를 활성화 처리하여 활물질을 형성하는 단계; 및
전극 형성 단계를 포함하고,
상기 전극 형성하는 단계는 집전체 상에 상기 활물질, 바인더 및 도전재를 혼합하여 전극합제층을 형성하는 단계이고,
상기 활물질은, 결정질 및 비정질이 혼재되어 복수 개의 기공을 포함하는 탄소 재료를 포함하고,
상기 활물질의 입도(D50)은 4㎛ 내지 6㎛인 슈퍼 캐패시터의 제조 방법.
(입도(D50): 상기 활물질의 누적 입도 분포에 대한 곡선에서 누적 부피 비율이 50%일 때의 입도 크기) - 제 4 항에 있어서,
상기 활물질을 형성하는 단계는 분쇄 공정 및 시빙 공정을 더 포함하는 슈퍼 캐패시터의 제조 방법.
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| KR1020180005447A KR20190087088A (ko) | 2018-01-16 | 2018-01-16 | 슈퍼 캐패시터 및 이의 제조 방법 |
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- 2018-01-16 KR KR1020180005447A patent/KR20190087088A/ko unknown
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