KR102348930B1 - Electrode struscture and electrochemical device using the same - Google Patents
Electrode struscture and electrochemical device using the same Download PDFInfo
- Publication number
- KR102348930B1 KR102348930B1 KR1020170093226A KR20170093226A KR102348930B1 KR 102348930 B1 KR102348930 B1 KR 102348930B1 KR 1020170093226 A KR1020170093226 A KR 1020170093226A KR 20170093226 A KR20170093226 A KR 20170093226A KR 102348930 B1 KR102348930 B1 KR 102348930B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- electrode
- electrochemical device
- conductive material
- base material
- composition layer
- Prior art date
Links
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 71
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 69
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 68
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 19
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 31
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 92
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 21
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 14
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 9
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 7
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N lead(0) Chemical compound [Pb] WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 5
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 3
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 3
- -1 carbononion Chemical compound 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 2
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 2
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000002134 carbon nanofiber Substances 0.000 description 2
- 239000011258 core-shell material Substances 0.000 description 2
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 2
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 2
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 2
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 239000011255 nonaqueous electrolyte Substances 0.000 description 2
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 2
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 2
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 2
- 229920000036 polyvinylpyrrolidone Polymers 0.000 description 2
- 239000001267 polyvinylpyrrolidone Substances 0.000 description 2
- 235000013855 polyvinylpyrrolidone Nutrition 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 2
- 229920002134 Carboxymethyl cellulose Polymers 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- IMROMDMJAWUWLK-UHFFFAOYSA-N Ethenol Chemical compound OC=C IMROMDMJAWUWLK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000012093 Myrtus ugni Nutrition 0.000 description 1
- 244000061461 Tema Species 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- 229910021401 carbide-derived carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000009396 hybridization Methods 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000005486 organic electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 230000002250 progressing effect Effects 0.000 description 1
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 229920003048 styrene butadiene rubber Polymers 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/13—Energy storage using capacitors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
Abstract
실시예에 따른 전기화학 소자의 전극구조는 베이스 기판과, 상기 베이스 기판 상에 배치되는 전극용 조성물층을 포함하는 전극 구조에 있어서, 상기 전극용 조성물층은, 모재와 상기 모재 상에 배치되는 도전재를 포함하고, 상기 전극용 조성물층에서의 상기 모재의 밀도는 상기 도전재의 밀도보다 높을 수 있다.The electrode structure of the electrochemical device according to the embodiment is an electrode structure comprising a base substrate and an electrode composition layer disposed on the base substrate, wherein the electrode composition layer is a base material and a conductive material disposed on the base material Including a material, the density of the base material in the electrode composition layer may be higher than the density of the conductive material.
Description
실시예는 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자에 관한 것이다.The embodiment relates to an electrode structure and an electrochemical device including the same.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. Recently, interest in energy storage technology is increasing.
휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기 화학 소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. Efforts for research and development of electrochemical devices are becoming more and more concrete as the field of application is expanded to the energy of mobile phones, camcorders, notebook PCs, and even electric vehicles.
전기화학 소자는 충방전이 가능하고 에너지 밀도가 높다는 측면에서 주목 받고 있는 분야이며, 응용 분야의 확대에 따라 높은 정전 용량과 에너지 밀도가 요구되고 있다.Electrochemical devices are attracting attention in terms of being able to charge and discharge and have high energy density, and high capacitance and energy density are required according to the expansion of application fields.
전기화학 소자는 전기 에너지와 화학 에너지 상호간에 변환이 가능하도록 하는 것으로, 구체적인 예로는 슈퍼 캐패시터, 리튬 이온 2차 전지, 하이브리드 캐패시터 등이 있다. An electrochemical device enables conversion between electrical energy and chemical energy, and specific examples thereof include a super capacitor, a lithium ion secondary battery, a hybrid capacitor, and the like.
슈퍼 캐패시터는 이온의 정전기적 흡착과 탈착을 통해 전기를 축적하는 전기 이중층 캐패시터(Electric Double Layer Capacitor), 산화-환원 반응을 통하여 전기를 축적하는 의사 캐패시터(Pseudo capacitor) 그리고 비대칭(Asymmetric) 전극 형태를 가지는 하이브리드 캐패시터(Hybrid capacitor)로 나눌 수 있다.Supercapacitors are electric double layer capacitors that accumulate electricity through electrostatic adsorption and desorption of ions, pseudo capacitors that accumulate electricity through oxidation-reduction reactions, and asymmetric electrode shapes. Branches can be divided into hybrid capacitors.
전기 이중층 슈퍼 캐패시터는 전해액에 함침된 양극 및 음극, 두 전극 사이에 구비되는 분리막, 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락 방지를 위한 가스켓, 금속 케이스 등을 포함하여 단위 셀이 이루어지며, 이러한 단위 셀을 적층하고 양극 및 음극의 단자를 조합하여 구성되며, 전극 형성용 조성물로 전극 활물질 외에 바인더, 도전재가 포함될 수 있으며 각 성분은 혼합 후 슬러리 형태로 슈퍼 캐패시터에 적용될 수 있다.An electric double-layer supercapacitor consists of a unit cell including an anode and a cathode impregnated in an electrolyte, a separator provided between the two electrodes, a gasket for preventing electrolyte leakage and insulation and short-circuit prevention, a metal case, etc., such a unit cell is laminated and the terminals of the positive electrode and the negative electrode are combined, and the composition for forming an electrode may include a binder and a conductive material in addition to the electrode active material, and each component may be applied to the supercapacitor in the form of a slurry after mixing.
이러한 슈퍼 캐패시터는 기존 배터리로 대응이 어려운 고출력이 필요한 회생제동 부품이나, 순간 정전에 대비할 수 있는 메모리 보호 기능에 활용될 수 있다.Such supercapacitors can be used for regenerative braking components that require high output that are difficult to respond to with conventional batteries, or for memory protection functions to prepare for momentary power failure.
예를 들어, 슈퍼 캐패시터는 화학반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면으로의 이온의 이동이나 표면 화학반응에 의한 충전현상을 이용한다. 이에 따라 급속 충방전이 가능하고, 높은 충방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명 특성으로 보조 배터리나 배터리 대체용으로 사용될 수 있는 차세대 에너지 저장장치로 각광받고 있다.For example, unlike a battery that uses a chemical reaction, a supercapacitor uses the movement of ions to the electrode and electrolyte interface or a charging phenomenon by a surface chemical reaction. Accordingly, rapid charge/discharge is possible, and due to high charge/discharge efficiency and semi-permanent cycle life characteristics, it is in the spotlight as a next-generation energy storage device that can be used as a substitute for an auxiliary battery or a battery.
한편, 2차 전지는 에너지 밀도가 높은 장점이 있으나, 충전속도가 낮은 단점이 있는 반면에, 슈퍼 캐패시터는 출력밀도가 높고 충전속도가 높은 장점이 있으나, 에너지 밀도가 낮은 단점이 있다.On the other hand, the secondary battery has the advantage of high energy density, but has the disadvantage of low charging speed, whereas the super capacitor has the advantage of high output density and high charging speed, but has the disadvantage of low energy density.
이러한 슈퍼캐패시터의 낮은 에너지 밀도는 에너지 저장 장치로써 이차전지 또는 납축전지 대비 열세가 되는 단점이다.The low energy density of such a supercapacitor is a disadvantage in that it is inferior to a secondary battery or a lead-acid battery as an energy storage device.
이에 따라 종래기술의 슈퍼 캐패시터는 기술적 단점인 낮은 에너지 밀도를 높이기 위한 방향으로 기술개발이 진행되고 있다. 예를 들어, 전극부분 활성탄의 비표면적을 증가시키거나 고전압에서 사용가능한 전해액을 개발하고 있다.Accordingly, the technology development of the prior art supercapacitor is progressing in the direction to increase the low energy density, which is a technical disadvantage. For example, an electrolyte solution that can be used at high voltage or increase the specific surface area of activated carbon in the electrode part is being developed.
한편, 슈퍼캐패시터로 충전할 수 있는 총 에너지량인 에너지 밀도(E)는 정전용량(C)에 비례하므로 정전용량(C)을 증가시켜 에너지 밀도(E)를 향상시키는 노력이 필요한 실정이나 적절한 기술적 해결방안이 도출되지 못하는 상황이다.On the other hand, since the energy density (E), which is the total amount of energy that can be charged with the supercapacitor, is proportional to the capacitance (C), it is necessary to make an effort to improve the energy density (E) by increasing the capacitance (C), but appropriate technology It is a situation where no solution can be found.
도 1은 종래기술에 따른 전기화학 소자의 전극 구조 단면 사진이다.1 is a cross-sectional photograph of an electrode structure of an electrochemical device according to the prior art.
종래기술에서 전기화학 소자, 예를 들어 슈퍼캐퍼시터의 내부 구조는 도 1과 같다. 구체적으로, 포러스(Porous)한 활성탄(A)들을 전도성을 갖는 도전재(Conductive aid)들이 일종의 브리지(Bridge)를 형성하며, 이러한 구조체를 지지하는 바인더(Binder)들로 이루어져 있다.In the prior art, the internal structure of an electrochemical device, for example, a supercapacitor is shown in FIG. 1 . Specifically, porous activated carbons (A) with conductive materials (Conductive aids) form a kind of bridge (Bridge), and consists of binders (Binders) supporting this structure.
한편, 이온의 흡착은 활성탄(A)이 주요하게 작용하며, 이는 슈퍼캐퍼시터의 성능을 좌우한다. 이때, 바인더나 도전재가 활성탄의 이러한 역할을 방해하는 요인으로 작용할 수 있는 기술적 문제점이 있다.On the other hand, activated carbon (A) mainly acts on the adsorption of ions, which influences the performance of the supercapacitor. In this case, there is a technical problem in that the binder or the conductive material may act as a factor that interferes with this role of the activated carbon.
즉, 필요이상으로 바인더나 도전재가 존재하는 경우 활성탄의 비율이 낮아지게 되고, 활성탄의 이온흡착력이 저하되어 전정용량이 저하되는 문제가 있다.That is, when the binder or the conductive material is present more than necessary, the ratio of the activated carbon is lowered, and there is a problem in that the ion adsorption power of the activated carbon is lowered, thereby lowering the capacitance.
또한 도전재가 활성탄의 표면에 균일하게 배치되지 못하면, 전극과 전해질 간의 임피던스(impedance)가 높아져서 전정용량이 저하되는 문제가 있다.In addition, if the conductive material is not uniformly disposed on the surface of the activated carbon, there is a problem in that the impedance (impedance) between the electrode and the electrolyte increases and the capacitance is lowered.
실시예는 정전용량(C)을 증가시켜 에너지 밀도(E)를 향상시킬 수 있는 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공하고자 한다.The embodiment is intended to provide an electrode structure capable of improving the energy density (E) by increasing the capacitance (C) and an electrochemical device including the same.
또한 실시예는 전기적 특성이 향상된 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공하고자 한다.Another object of the embodiment is to provide an electrode structure with improved electrical properties and an electrochemical device including the same.
예를 들어, 실시예는 불필요하게 바인더나 도전재가 존재하여 활성탄의 비율이 낮아짐에 따라 활성탄의 이온흡착력이 저하되어 전정용량이 저하되는 문제를 해결할 수 있는 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공하고자 한다.For example, the embodiment provides an electrode structure capable of solving the problem of unnecessarily the presence of a binder or a conductive material and, as the ratio of activated carbon is lowered, the ion adsorption power of activated carbon is lowered and the capacitance is lowered, and an electrochemical device including the same. want to
또한 실시예는 도전재가 활성탄의 표면에 균일하게 배치되지 못함에 따라 전극과 전해질 간의 임피던스(impedance)가 높아져서 전기적 특성의 저하에 따른 전정용량이 저하되는 문제를 해결할 수 있는 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공하고자 한다.In addition, the embodiment provides an electrode structure capable of solving the problem of a decrease in capacitance due to a decrease in electrical characteristics due to an increase in impedance between an electrode and an electrolyte as the conductive material is not uniformly disposed on the surface of the activated carbon, and an electrode structure including the same To provide a chemical device.
실시예의 해결하고자 하는 기술적 과제는 본 항목에 기재된 것에 한정되지 않으며, 발명의 설명 전체를 통해 파악될 수 있다.The technical problems to be solved in the embodiments are not limited to those described in this item, and may be understood through the entire description of the invention.
실시예에 따른 전기화학 소자의 전극구조는 베이스 기판과, 상기 베이스 기판 상에 배치되는 전극용 조성물층을 포함하는 전극 구조에 있어서, 상기 전극용 조성물층은, 모재와 상기 모재 상에 배치되는 도전재를 포함하고, 상기 전극용 조성물층에서의 상기 모재의 밀도는 상기 도전재의 밀도보다 높을 수 있다.The electrode structure of the electrochemical device according to the embodiment is an electrode structure comprising a base substrate and an electrode composition layer disposed on the base substrate, wherein the electrode composition layer is a base material and a conductive material disposed on the base material Including a material, the density of the base material in the electrode composition layer may be higher than the density of the conductive material.
실시예에서, 상기 전극용 조성물층에서의 상기 모재의 탭 밀도는 상기 도전재의 탭 밀도의 5 배 이상일 수 있다.In an embodiment, the tap density of the base material in the electrode composition layer may be 5 times or more of the tap density of the conductive material.
또한 상기 모재는 상기 도전재에 비해 5~7배의 탭 밀도비를 가질 수 있다.In addition, the base material may have a tap density ratio of 5 to 7 times that of the conductive material.
또한 상기 전극용 조성물층에서의 상기 모재는 상기 도전재에 비해 35 배 내지 40배 범위의 질량비를 구비할 수 있다.In addition, the base material in the electrode composition layer may have a mass ratio of 35 to 40 times that of the conductive material.
또한 실시예는 상기 전극용 조성물층이 상기 모재, 상기 도전재 외에 바인더를 더 포함하고, 상기 전극 조성물층에서 질량 비율은, 모재: 도전재: 바인더= 93 내지 97: 2 내지 3.5: 2 내지 3.5일 수 있다.In an embodiment, the electrode composition layer further includes a binder in addition to the base material and the conductive material, and the mass ratio in the electrode composition layer is, base material: conductive material: binder = 93 to 97: 2 to 3.5: 2 to 3.5 can be
또한 실시예는 상기 전극용 조성물층이 상기 모재, 상기 도전재 외에 바인더를 더 포함하고, 상기 전극 조성물층에서 탭 밀도를 기준으로 한 부피비는, 모재: 도전재: 바인더= 83~87: 12~15: 1.0~2.0일 수 있다.In an embodiment, the electrode composition layer further includes a binder in addition to the base material and the conductive material, and the volume ratio based on the tap density in the electrode composition layer is, base material: conductive material: binder = 83-87: 12- 15: It may be 1.0-2.0.
또한 상기 전극용 조성물층에서의 상기 모재의 밀도는 0.75 (g/cc) 이상일 수 있다.In addition, the density of the base material in the electrode composition layer may be 0.75 (g/cc) or more.
또한 상기 전극용 조성물층 중에 상기 모재가 차지하는 밀도는 0.758(g/cc) 내지 0.772(g/cc)일 수 있다.또한 실시예에 따른 전기화학 소자는 상기 전극구조를 포함할 수 있다.In addition, the density occupied by the base material in the electrode composition layer may be 0.758 (g/cc) to 0.772 (g/cc). In addition, the electrochemical device according to the embodiment may include the electrode structure.
실시예는 정전용량(C)을 증가시켜 에너지 밀도(E)를 향상시킬 수 있는 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공할 수 있는 기술적 효과가 있다.The embodiment has a technical effect that can provide an electrode structure capable of improving the energy density (E) by increasing the capacitance (C) and an electrochemical device including the same.
예를 들어, 실시예는 활성탄과 활성탄 사이의 불필요한 바인더와 도전재의 양이 최소화 되었기 때문에 활성탄의 비율이 높아짐에 따라 활성탄의 이온흡착력이 향상되어 전정용량이 증가되는 기술적 효과가 있는 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공할 수 있다.For example, in the embodiment, since the amount of unnecessary binder and conductive material between the activated carbon and the activated carbon is minimized, as the ratio of the activated carbon increases, the ion adsorption power of the activated carbon is improved and the electrostatic capacity is increased. It is possible to provide an electrochemical device that
또한 실시예는 전기적 특성이 향상된 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공하고자 한다.Another object of the embodiment is to provide an electrode structure with improved electrical properties and an electrochemical device including the same.
예를 들어, 실시예는 도전재가 활성탄의 표면에 균일하게 배치됨에 따라 전극과 전해질 간의 임피던스(impedance)가 낮아져서 전기적 특성의 향상에 따른 전정용량 증대의 기술적 효과가 있는 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공할 수 있다.For example, in the embodiment, as the conductive material is uniformly disposed on the surface of the activated carbon, the impedance (impedance) between the electrode and the electrolyte is lowered, so that the electrode structure having the technical effect of increasing the capacitance according to the improvement of the electrical properties and the electrochemical including the same devices can be provided.
실시예의 기술적 효과는 본 항목에 기재된 것에 한정되지 않으며, 명의 설명 전체를 통해 파악될 수 있다.The technical effect of the embodiment is not limited to that described in this item, and can be grasped through the entire description of the name.
도 1은 종래기술에 따른 전기화학 소자의 전극 구조 단면 사진.
도 2는 실시예에 따른 전기화학 소자의 개략도.
도 3는 실시예에 따른 전기화학 소자의 단면도.
도 4a는 실시예에 따른 전기화학 소자의 전극 구조에서 전극용 조성물층의 개념도.
도 4b는 실시예에 따른 전기화학 소자의 전극 구조에서 전극용 조성물층의 사진.
도 4c는 실시예에 따른 전기화학 소자의 전극 구조에서 전극용 조성물층의 확대 개념도.
도 5는 실시예에 따른 전기화학 소자의 전극 구조에서 전극용 조성물층의 제조공정 개념도.
도 6은 실시예와 종래기술에 따른 전기화학 소자의 CV 데이터.
도 7은 실시예와 종래기술에 따른 전기화학 소자의 EIS(Electrochemical impedance analysis) 데이터.
도 8은 실시예와 종래기술에 따른 전기화학 소자의 정정용량 데이터.1 is a cross-sectional photograph of an electrode structure of an electrochemical device according to the prior art.
2 is a schematic diagram of an electrochemical device according to an embodiment;
3 is a cross-sectional view of an electrochemical device according to an embodiment.
Figure 4a is a conceptual diagram of a composition layer for an electrode in the electrode structure of the electrochemical device according to the embodiment.
Figure 4b is a photograph of a composition layer for an electrode in the electrode structure of the electrochemical device according to the embodiment.
Figure 4c is an enlarged conceptual view of a composition layer for an electrode in the electrode structure of the electrochemical device according to the embodiment.
5 is a conceptual diagram of a manufacturing process of a composition layer for an electrode in an electrode structure of an electrochemical device according to an embodiment.
6 is a CV data of the electrochemical device according to the embodiment and the prior art.
7 is an electrochemical impedance analysis (EIS) data of the electrochemical device according to the embodiment and the prior art.
Fig. 8 is capacitance data of an electrochemical device according to the embodiment and the prior art.
이하 상기의 과제를 해결하기 위한 구체적으로 실현할 수 있는 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, embodiments that can be specifically realized for solving the above problems will be described with reference to the accompanying drawings.
실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.In the description of the embodiment, in the case where it is described as being formed on "on or under" of each element, the upper (upper) or lower (on or under) is The two elements are in direct contact with each other or one or more other elements are disposed between the two elements indirectly. In addition, when expressed as "up (up) or down (on or under)", it may include the meaning of not only an upward direction but also a downward direction based on one element.
(실시예)(Example)
도 2는 실시예에 따른 전기화학 소자(100)의 개략도이며, 도 3는 실시예에 따른 전기화학 소자의 단면도이다.Figure 2 is a schematic view of the
실시예의 전기화학 소자는 전기에너지와 화학에너지의 상호변환이 가능한 것으로서, 실시예의 목적을 벗어나지 않는 범위 내라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 실시예의 전기화학 소자는 슈퍼 캐패시터, 이차 전지 등 일 수 있으며, 이하에서는 전 기화학 소자로 슈퍼 캐패시터를 예로 설명하나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.The electrochemical device of the embodiment is not particularly limited as long as it is within a range that does not deviate from the purpose of the embodiment as an interconversion of electrical energy and chemical energy is possible. For example, the electrochemical device of the embodiment may be a supercapacitor, a secondary battery, etc. Hereinafter, a supercapacitor as an electrochemical device will be described as an example, but the embodiment is not limited thereto.
실시예의 전기화학 소자(100)는 제1 전극(110), 제2 전극(120), 분리막(130, 135), 전해액, 제1 리드선(151), 제2 리드선(152) 및 덮개(140) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.The
도 3을 참조하여 설명하면, 실시예에 따른 전기화학 소자(100)는 제1 베이스 기판(110a)과 제2 베이스 기판(120a) 상에 각각 전극 전극용 조성물층인 제1 전극용 조성물층(110b)과 제2 전극용 조성물층(120b)을 도포하여 형성된 제1 전극(110)과 제2 전극(120)이 소정의 분리막(130)을 사이에 두고 결합될 수 있다. 상기 제1 전극(110)은 양극일 수 있고, 상기 제2 전극(120)은 음극일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제2 전극용 조성물층(120b)은 상기 제2 베이스 기판(120a) 아래에 배치될 수 있다.Referring to FIG. 3 , the
다시 도 2를 참조하면, 상기 제1 전극(110)/분리막(130)/제2 전극(120)을 포함하는 전극구조를 소정의 덮개(140)에 수납한 다음, 여기에 소정의 전해액을 주입시킬 수 있다. 상기 제1 전극(110)과 상기 제2 전극(120)은 각각 제1 리드선(151) 및 제2 리드선(152)과 전기적으로 연결될 수 있다.Referring back to FIG. 2 , the electrode structure including the
실시예의 전기화학 소자(100)에서, 제1 리드선(151) 및 제2 리드선(152)을 통해 제1 전극(110), 제2 전극(120)의 양단에 연결된 제1 베이스 기판(110a) 및 제2 베이스 기판(120a)에 수 볼트의 전압이 가해지면, 전기장이 형성되고 이에 따라 전해액 내의 이온들이 이동하여 제1, 제2 전극(110, 120) 표면에 흡착되어 전기가 저장되는 전기 화학적 메커니즘의 원리에 의해 전기가 충전될 수 있다.In the
다음으로 도 3을 참조하면, 실시예에서 제1 전극(110) 및 제2 전극(120) 중 적어도 하나는 제1, 제2 베이스 기판(110a, 120a) 상에서 제1, 제2 전극용 조성물층(110b, 120b)이 각각 배치된 것이다. Next, referring to FIG. 3 , in the embodiment, at least one of the
예를 들어, 제1 전극(110) 및 제2 전극(120) 중 적어도 하나의 전극은 제1, 제2 베이스 기판(110a, 120a) 상에서 전극 형성용 조성물이 롤링으로 압연된 것일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. For example, at least one of the
또한, 상기 제1 전극(110) 및/또는 제2 전극(120)은 전극 형성용 조성물이 제1, 제2 베이스 기판(110a, 120a) 상에 코팅된 것일 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 제1 전극(110) 및/또는 제2 전극(120)은 전극 형성용 조성물을 시트 상태로 만들어 제1, 제2 베이스 기판(110a, 120a)에 붙인 후 건조하여 형성된 것일 수 있다.In addition, the
상기 제1, 제2 베이스 기판(110a, 120a)은 전도성 물질을 포함하여 형성되어 전기적 전도성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 제1, 제2 베이스 기판(110a, 120a)은 구리, 알루미늄 등의 금속을 포함할 수 있다. The first and second base substrates 110a and 120a may include a conductive material to improve electrical conductivity. For example, the first and second base substrates 110a and 120a may include a metal such as copper or aluminum.
도 4a는 실시예에 따른 전기화학 소자의 전극 구조에서 전극용 조성물층의 개념도이며, 도 4b는 실시예에 따른 전기화학 소자의 전극 구조에서 전극용 조성물층의 사진이다.4A is a conceptual diagram of a composition layer for an electrode in an electrode structure of an electrochemical device according to an embodiment, and FIG. 4B is a photograph of a composition layer for an electrode in an electrode structure of an electrochemical device according to an embodiment.
예를 들어, 실시예에서 상기 제1, 제2 전극용 조성물층(110b, 120b)은 전극 형성용 조성물로서 모재, 바인더, 도전재 중 하나 이상을 포함할 수 있고, 선택적으로 용매를 더 포함할 수 있다. 또한, 각 성분은 혼합 후 슬러리 형태로 상기 전기 화학 소자(100)에 적용될 수 있다. 상기 제1, 제2 전극용 조성물층(110b, 120b)은 제1, 제2 전극(110, 120)의 활물질로서 기능할 수 있다.For example, in the embodiment, the first and second electrode composition layers 110b and 120b may include one or more of a base material, a binder, and a conductive material as a composition for forming an electrode, and optionally further include a solvent. can In addition, each component may be applied to the
예를 들어, 상기 제2 전극용 조성물층(120b)은 제2 모재(120b1), 제2 도전재(120b2), 제2 바인더(미도시)를 포함할 수 있다. 또한 상기 제1 전극용 조성물층(110b)은 제1 모재(미도시), 제1 도전재(미도시), 제1 바인더(미도시)를 포함할 수 있다.For example, the second electrode composition layer 120b may include a second base material 120b1 , a second conductive material 120b2 , and a second binder (not shown). In addition, the first electrode composition layer 110b may include a first base material (not shown), a first conductive material (not shown), and a first binder (not shown).
이하 제2 전극용 조성물층(120b)에 대한 제2 모재(120b1), 제2 도전재(120b2), 제2 바인더(미도시)를 중심으로 설명하되, 이러한 기술적 특징은 제1 전극용 조성물층(110b)에 적용될 수 있다.Hereinafter, the second base material 120b1, the second conductive material 120b2, and the second binder (not shown) for the second electrode composition layer 120b will be mainly described, but these technical features are the first electrode composition layer (110b) can be applied.
도 4a를 참조하면, 실시예에서 제2 모재(120b1)는 소정의 탄소원일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 모재(120b1)는 다공성 활성탄, 탄소오니언(carbononion), 탄소나노튜브, 그래핀(graphene), 카바이드 유도 탄소(carbide derived carbon), 주형화된 탄소(mesoporous carbon) 중 어느 하나 이상의 탄소원을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4A , in the embodiment, the second base material 120b1 may be a predetermined carbon source. For example, the second base material 120b1 may be selected from among porous activated carbon, carbononion, carbon nanotube, graphene, carbide derived carbon, and mesoporous carbon. It may contain any one or more carbon sources.
상기 탄소원은 결정질 구조(미도시) 및 비정질 구조(미도시)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 비정질 구조는 복수 개의 기공들을 포함하고, 기공에 전해질 이온의 유입이 용이하여 정전 용량이 향상되어 출력 밀도가 증대될 수 있다.The carbon source may include a crystalline structure (not shown) and an amorphous structure (not shown). In addition, the amorphous structure may include a plurality of pores, and since electrolyte ions are easily introduced into the pores, the electrostatic capacity may be improved, and thus the output density may be increased.
실시예에서 제2 도전재(120b2)는 전극 형성용 조성물에 전도성을 부여할 수 있다. 상기 제2 도전재(120b2)의 예로는 카본 블랙(carbon black), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(CNT), 탄소나노섬유(CNF) 등일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. In an embodiment, the second conductive material 120b2 may impart conductivity to the composition for forming an electrode. Examples of the second conductive material 120b2 may be carbon black, graphene, carbon nanotube (CNT), carbon nanofiber (CNF), or the like, but is not limited thereto.
실시예에서 제2 바인더(미도시)는 전극 형성용 조성물에 접착성을 부여할 수 있다. 상기 바인더의 예로는 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리비닐알콜(PVA) 등일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. In an embodiment, the second binder (not shown) may impart adhesion to the composition for forming an electrode. Examples of the binder include carboxymethyl cellulose (CMC), polyvinylpyrrolidone (PVP), styrene-butadiene rubber (SBR), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylene (PE), polypropylene (PP) and poly It may be vinyl alcohol (PVA), but is not limited thereto.
실시예는 전극 형성용 조성물은 용매를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 실시예에서 전극 형성용 조성물은 물 또는 유기 용매 등의 용매를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. In an embodiment, the composition for forming an electrode may further include a solvent. For example, in the embodiment, the composition for forming an electrode may include a solvent such as water or an organic solvent, but is not limited thereto.
실시예의 기술적 과제 중의 하나는 정전용량(C)을 증가시켜 에너지 밀도(E)를 향상시킬 수 있는 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공하고자 한다. 예를 들어, 실시예는 불필요하게 바인더나 도전재가 존재하여 활성탄의 비율이 낮아짐에 따라 활성탄의 이온흡착력이 저하되어 전정용량이 저하되는 문제를 해결할 수 있는 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공하고자 한다.One of the technical problems of the embodiment is to provide an electrode structure capable of improving the energy density (E) by increasing the capacitance (C) and an electrochemical device including the same. For example, the embodiment provides an electrode structure capable of solving the problem of unnecessarily the presence of a binder or a conductive material and, as the ratio of activated carbon is lowered, the ion adsorption power of activated carbon is lowered and the capacitance is lowered, and an electrochemical device including the same. want to
또한 실시예의 기술적 과제 중의 하나는 전기적 특성이 향상된 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공하고자 한다. 예를 들어, 실시예는 도전재가 활성탄의 표면에 균일하게 배치되지 못함에 따라 전극과 전해질 간의 임피던스(impedance)가 높아져서 전기적 특성의 저하에 따른 전정용량이 저하되는 문제를 해결할 수 있는 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공하고자 한다.In addition, one of the technical problems of the embodiment is to provide an electrode structure with improved electrical properties and an electrochemical device including the same. For example, the embodiment provides an electrode structure capable of solving the problem of a decrease in capacitance due to a decrease in electrical characteristics due to an increase in impedance between the electrode and the electrolyte as the conductive material is not uniformly disposed on the surface of the activated carbon, and An object of the present invention is to provide an electrochemical device comprising
이러한 기술적 과제를 해결하기 위해, 실시예에 따른 전기화학 소자(100)는 베이스 기판(110a, 120a)과, 상기 베이스 기판(110a, 120a) 상에 배치되는 전극용 조성물층(110b, 120b)을 포함하는 전극 구조를 구비할 수 있으며, 상기 전극용 조성물층은 모재와 상기 모재 상에 배치되는 도전재를 포함하고, 상기 전극용 조성물층에서의 상기 모재의 밀도는 상기 도전재의 밀도보다 높을 수 있다.In order to solve this technical problem, the
도 4c는 실시예에 따른 전기화학 소자의 전극 구조에서 전극용 조성물층의 확대 개념도이다.4C is an enlarged conceptual diagram of a composition layer for an electrode in an electrode structure of an electrochemical device according to an embodiment.
실시예에 따른 전기화학 소자의 전극 구조에서 전극용 조성물층에서 제2 모재(120b1)의 사이즈는 D(5,0)기준 약 10㎛, 제2 도전재(120b2)의 사이즈는 D(5,0)기준 약 40nm일 수 있다.In the electrode structure of the electrochemical device according to the embodiment, the size of the second base material 120b1 in the electrode composition layer is about 10 μm based on D(5,0), and the size of the second conductive material 120b2 is D(5, 0) It may be about 40 nm as a reference.
이 때, 제2 모재(120b1)를 제2 도전재(120b2)가 한층(one layer)으로 이상적인 코어쉘(core-shell) 구조를 형성한다고 하면, 도 4c와 같이 제2 모재(120b1)의 반지름(R)과 제2 도전재(120b2)의 반지름(r)만큼의 밑변에 해당되는 직각삼각형의 빗변의 각도(Θ)를 구할 수 있다.At this time, assuming that the second base material 120b1 and the second conductive material 120b2 are one layer to form an ideal core-shell structure, the radius of the second base material 120b1 is as shown in FIG. 4C . (R) and the angle Θ of the hypotenuse of the right triangle corresponding to the base by the radius r of the second conductive material 120b2 may be obtained.
예를 들어, 빗변의 각도(Θ)가 약 0.23°인 경우, 제2 도전재(120b2)가 지름 약 250배 차이의 제2 모재(120b1)를 균일하게 덮는다고 가정하면, 대략 245만개가 필요할 수 있다.For example, if the angle Θ of the hypotenuse is about 0.23°, assuming that the second conductive material 120b2 uniformly covers the second base material 120b1 having a diameter of about 250 times difference, approximately 2.45 million pieces are required. can
실시예에 의하면, 모재인 활성탄과 활성탄 사이의 불필요한 바인더와 도전재의 양이 최소화 되었기 때문에 모재인 활성탄의 비율이 높아짐에 따라 활성탄의 이온흡착력이 향상되어 전정용량이 증가되는 기술적 효과가 있는 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공할 수 있다.According to the embodiment, since the amount of unnecessary binder and conductive material between the activated carbon and the active carbon, which is the base material, is minimized, as the ratio of the activated carbon as the base material increases, the ion adsorption power of the activated carbon is improved to increase the electrostatic capacity of the electrode structure and An electrochemical device including the same may be provided.
도 5는 실시예에 따른 전기화학 소자의 전극 구조에서 전극용 조성물층의 제조공정 개념도이다.5 is a conceptual diagram of a manufacturing process of a composition layer for an electrode in an electrode structure of an electrochemical device according to an embodiment.
실시예는 전극용 조성물층을 형성하기 위해, 제2 모재(120b1)인 활성탄과 제2 도전재(120b2)를 고속기류 안에 분산시키면서 충격력을 주체로 한 힘을 이용하여, 건식상태에서 호스트(host) 입자 표면인 제2 모재(120b1)를 게스트(guest)입자로 하여 복합화한다(embedding).In the embodiment, in order to form a composition layer for an electrode, the second base material 120b1, activated carbon and the second conductive material 120b2, are dispersed in a high-speed airflow, and the impact force is used as the main force to form a dry state host (host). ) The second base material 120b1, which is the particle surface, is used as a guest particle to be composited (embedding).
이때, 실시예에서 고속혼합기(High-speed mixer)의 공정시간에 따라 Embedding-Coreshell로 진행되므로 슈퍼캐퍼시터에 적용되기 위한 적당한 공정조건은 활성탄과 도전재의 종류에 따라 상이할 수 있다.At this time, since the embedding-coreshell proceeds according to the process time of the high-speed mixer in the embodiment, suitable process conditions for application to the supercapacitor may be different depending on the type of activated carbon and the conductive material.
실시예에 의하면 모재 표면에 균일하게 혼합화된 도전재가 같은 공간 내에서 활성탄은 최대로, 도전재는 최소한의 비율로 존재할 수 있게 된다. 이에 따라 슈퍼캐퍼시터 전극시트에서 사용되는 바인더의 양도 최소한으로 사용될 수 있게 된다.According to the embodiment, in the same space of the conductive material uniformly mixed on the surface of the base material, the activated carbon can be present at the maximum and the conductive material can be present in the minimum ratio. Accordingly, the amount of the binder used in the supercapacitor electrode sheet can be used to a minimum.
도 6은 실시예와 종래기술에 따른 전기화학 소자의 CV 데이터이다.6 is CV data of the electrochemical device according to the embodiment and the prior art.
도 6의 데이터에 의하면, 실시예(E1)과 비교예(R1)의 화학적 안정성과 정전용량을 비교하기 위해 50mV/s의 sweep rate로 CV를 측정한 것이다.According to the data of FIG. 6 , CV was measured at a sweep rate of 50 mV/s to compare the chemical stability and capacitance of Example (E1) and Comparative Example (R1).
도 6의 데이터에서 보는 바와 같이 실시예의 CV window 넓이가 더 넓은 것으로 보아 더 높은 캐패시턴스를 가지는 것을 확인 할 수 있다.As shown in the data of FIG. 6 , it can be confirmed that the CV window of the embodiment has a higher capacitance because the width is wider.
이에 따라 실시예는 활성탄과 활성탄 사이의 불필요한 바인더와 도전재의 양이 최소화 되었기 때문에 활성탄의 비율이 높아짐에 따라 활성탄의 이온흡착력이 향상되어 전정용량이 증가되는 기술적 효과가 있는 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공할 수 있다.Accordingly, in the embodiment, since the amount of unnecessary binder and conductive material between the activated carbon and the activated carbon is minimized, as the ratio of the activated carbon increases, the ion adsorption power of the activated carbon is improved to increase the electrostatic capacity. A chemical element may be provided.
또한 실시예에 의하면 비교예에 비하여 대칭성이 더 좋으므로 더 좋은 가역특성을 가지는 것을 확인 할 수 있다.In addition, it can be confirmed that the Example has better reversibility characteristics because the symmetry is better than that of the Comparative Example.
도 7은 실시예와 종래기술에 따른 전기화학 소자의 EIS(Electrochemical impedance analysis) 데이터이다.7 is an electrochemical impedance analysis (EIS) data of the electrochemical device according to the embodiment and the prior art.
도 7의 데이터는 실시예(E2)와 비교예(R2)를 사용하여 제조한 슈퍼캐퍼시터 코인셀의 EIS(Electrochemical impedance analysis)로부터 얻은 Nyquist plot이다. The data of FIG. 7 is a Nyquist plot obtained from electrochemical impedance analysis (EIS) of supercapacitor coin cells manufactured using Example (E2) and Comparative Example (R2).
Semi-circle의 지름크기는 전극과 계면의 저항을 나타낸다. 데이터에서 볼 수 있듯이 실시예(E2)의 x축 반원지름이 비교예(R2)보다 작은데, 이는 곧 전극과 전해질 간의 임피던스(impedance)가 낮다는 것을 의미한다. 이는 실시예의 활성탄과 활성탄 사이의 불필요한 바인더와 도전재의 양이 최소화 되었기 때문이다.The diameter of the semi-circle indicates the resistance between the electrode and the interface. As can be seen from the data, the x-axis semicircular diameter of Example (E2) is smaller than that of Comparative Example (R2), which means that the impedance between the electrode and the electrolyte is low. This is because the amount of unnecessary binder and conductive material between the activated carbon and the activated carbon of the embodiment is minimized.
이에 따라 실시예에 의하면, 도전재가 활성탄의 표면에 균일하게 배치됨에 따라 전극과 전해질 간의 임피던스(impedance)가 낮아져서 전기적 특성의 향상에 따른 전정용량 증대의 기술적 효과가 있는 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공할 수 있다.Accordingly, according to the embodiment, as the conductive material is uniformly disposed on the surface of the activated carbon, the impedance between the electrode and the electrolyte is lowered, so that the electrode structure having the technical effect of increasing the capacitance according to the improvement of the electrical characteristics and the electrochemical including the same devices can be provided.
구체적으로, 실시예에서 전극용 조성물층은 모재와 상기 모재 상에 배치되는 도전재를 포함하고, 상기 전극용 조성물층에서의 상기 모재의 밀도는 상기 도전재의 밀도보다 높을 수 있다.Specifically, in an embodiment, the composition layer for an electrode includes a base material and a conductive material disposed on the base material, and the density of the base material in the composition layer for an electrode may be higher than the density of the conductive material.
예를 들어, 도전재의 탭 밀도(Tap density)가 약 0.1g/ml인 경우, 모재인 활성탄의 탭 밀도(Tap density)는 약 0.5~0.7g/ml일 수 있다. 즉, 모재는 도전재에 비해 약 5~7배의 탭 밀도비를 가질 수 있다.For example, when the tap density of the conductive material is about 0.1 g/ml, the tap density of the activated carbon serving as the base material may be about 0.5 to 0.7 g/ml. That is, the base material may have a tap density ratio of about 5 to 7 times that of the conductive material.
이를 반영하여 모재인 활성탄과 도전재의 투입량(g)을 계산하면, 도전재 1g당 활성탄을 약 35~40g을 투입하여 고속혼합기(High speed mixer)로 혼합(hybridization) 시킬 수 있다. 즉, 모재는 도전재에 비해 약 35~40배의 질량비를 가질 수 있다.Reflecting this, if the input amount (g) of the base material activated carbon and the conductive material is calculated, about 35-40 g of activated carbon per 1 g of the conductive material can be added and mixed with a high speed mixer. That is, the base material may have a mass ratio of about 35 to 40 times that of the conductive material.
실시예에서 모재인 활성탄과 도전재의 입도분포에 영향이 있으나, 상기 탭 밀도비, 질량비의 하한 미만일 경우 모재 간의 접점에서 도전재가 존재할 확률이 줄어서 저항이 증가하게 되는 문제가 있으며, 그 상한의 초과로 과량의 도전재가 모재를 덮을 경우 종래기술과 같이 높은 저항을 가지게 되는 기술적 문제가 있다.In the embodiment, although the particle size distribution of the active carbon and the conductive material as the base material is affected, when the tap density ratio and the mass ratio are less than the lower limit, there is a problem that the probability of the presence of the conductive material at the contact point between the base materials is reduced, thereby increasing the resistance, and exceeding the upper limit When an excessive amount of conductive material covers the base material, there is a technical problem in that it has a high resistance as in the prior art.
또한 실시예에서 전극용 조성물층이 모재, 도전재, 바인더를 포함하는 경우, 전극 조성물층에서 질량 비율은 모재: 도전재: 바인더= 약 93 내지 97: 약 2 내지 3.5: 약 2 내지 3.5 일 수 있다.In addition, in an embodiment, when the composition layer for an electrode includes a base material, a conductive material, and a binder, the mass ratio in the electrode composition layer may be base material: conductive material: binder = about 93 to 97: about 2 to 3.5: about 2 to 3.5 have.
한편, 전극용 조성물층에서 상기 탭 밀도(tap density)를 바탕으로 계산할 때, 부피비는 모재: 도전재: 바인더=약 83~87: 약 12~15: 약 1.0~2.0 일 수 있다.Meanwhile, when calculated based on the tap density in the composition layer for an electrode, the volume ratio may be: base material: conductive material: binder = about 83 to 87: about 12 to 15: about 1.0 to 2.0.
실시예에서 질량비 또는 부피비의 하한 미만일 경우 모재 간의 접점에서 도전재가 존재할 확률이 줄어서 저항이 증가하게 되는 기술적인 문제가 있으며, 그 상한의 초과로 과량의 도전재 또는 바인더가 모재를 덮을 경우 저항이 높아지는 기술적 문제가 있다.In the embodiment, when the mass ratio or volume ratio is less than the lower limit, the probability of the presence of a conductive material at the contact point between the base materials is reduced, and there is a technical problem that the resistance increases, and when an excess of the conductive material or binder covers the base material in excess of the upper limit, the resistance increases There is a technical problem.
도 8은 실시예와 종래기술에 따른 전기화학 소자의 정정용량 데이터이다.8 is capacitance data of the electrochemical device according to the embodiment and the prior art.
앞서 설명한 바와 같이, 이온의 흡탈착에 관여하는 주물질인 모재인 활성탄이 hybridization을 통해, 비교예보다 같은 부피 내에 더 많이 존재하게 된다.As described above, through hybridization, activated carbon, which is the main material involved in ion adsorption and desorption, is present in a larger amount in the same volume than in the comparative example.
이는 곧 밀도증가를 의미하며, 전극의 밀도증가는 슈퍼캐퍼시터의 주요기능인 정전용량이 증가함을 의미한다. 도 8은 그 데이터에 해당하며, 실시예(E3)는 비교예(R3)에 비해 정전용량이 기존대비 약 20% 향상된 것을 알 수 있다.This means that the density increases, and the increase in the density of the electrode means that the capacitance, which is the main function of the supercapacitor, increases. Fig. 8 corresponds to the data, and it can be seen that the capacitance of Example (E3) is improved by about 20% compared to that of Comparative Example (R3).
아울러, 종래기술인 비교예(R3)에서와 같이, 전극용 조성물층 중에 모재가 차지하는 밀도의 한계는 약 0.73(g/cc)인 상태이다.In addition, as in Comparative Example (R3) of the prior art, the limit of the density occupied by the base material in the electrode composition layer is about 0.73 (g/cc).
예를 들어, 도 8은 코팅타입의 실험데이터로서, 다양한 모재로 테스트 한 결과 종래기술에서 코팅타입의 전극시트 밀도는 약 0.73(g/cc)정도가 최대값에 가까운 상태이다.For example, FIG. 8 shows experimental data of the coating type. As a result of testing with various base materials, the density of the electrode sheet of the coating type in the prior art is about 0.73 (g/cc) close to the maximum value.
그런데, 실시예를 적용하는 경우 전극용 조성물층 중에 모재가 차지하는 밀도는 약 0.75(g/cc) 이상을 확보할 수 있다. 예를 들어, 실시예를 적용하는 경우 전극용 조성물층 중에 모재가 차지하는 밀도는 약 0.758(g/cc) 내지 최대 0.772(g/cc)까지의 확보가 가능하며, 이를 통해 정전용량이 현저히 향상되는 기술적 효과가 있다. 이때, 실시예의 모재는 탭 밀도(tap density)가 약 0.5~0.7g/ml 활성탄을 사용하여 본 실험을 진행하였을 때의 결과이다. However, when the embodiment is applied, the density occupied by the base material in the electrode composition layer may be about 0.75 (g/cc) or more. For example, if the embodiment is applied, the density occupied by the base material in the electrode composition layer can be secured from about 0.758 (g/cc) to a maximum of 0.772 (g/cc), through which the capacitance is significantly improved. There is a technical effect. At this time, the base material of the embodiment is a result when the present experiment is performed using activated carbon having a tap density of about 0.5 to 0.7 g/ml.
실시예에서 전극용 조성물층 중에 모재가 차지하는 밀도 범위의 하한의 미달하는 경우, 정전용량이 낮거나 전극소재의 박리가 발생될 수 있어 장기신뢰성에 문제가 발생할 수 있다. In the embodiment, when the lower limit of the density range occupied by the base material in the electrode composition layer is less than the lower limit, the capacitance may be low or peeling of the electrode material may occur, thereby causing a problem in long-term reliability.
다시, 도 2를 참조하면, 실시예에서 상기 전기화학 소자(100)는 복수의 분리막을 포함할 수 있다. 일 실시예 따르면, 상기 전기화학 소자(100)가 복수의 분리막을 포함하는 경우, 제1 전극(110)과 제2 전극(120) 사이에 배치되는 분리막(130) 이외의 제2 분리막(135)은 상기 제1 전극(110)의 상부에 배치될 수 있다.Again, referring to FIG. 2 , in the embodiment, the
실시예에서 분리막(130)은 상기 제1 전극(110) 및 상기 제2 전극(120) 사이에 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 분리막(130)은 상기 제1 전극(110) 및 상기 제2 전극(120)과 접촉하며 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 전극(110), 분리막(130), 제2 전극(120)은 순차적으로 적층되어 실시예에 따른 전기화학 소자(100)를 형성할 수 있다.In an embodiment, the
상기 제1 전극(110), 제2 전극(120) 및 분리막(130)을 포함하여 적층 형성된 전기화학 소자(100)는 전해액에 함침될 수 있다.The
실시예에서 전해액은 비수계 전해액일 수 있다. 예를 들어, 실시예에서 전해액으로 비수계 전해액이 사용되는 경우 전해질 양이온은 TEA+, TEMA+, Li+, EMIM+, Na+ 등일 수 있고, 전해질 음이온은 BF4 -, PF6 -, TFSI-, FSI- 등일 수 있다. 또한, 전해액 용매는 유기성 전해액, 보다 구체적으로는 ACN, PC, GBL, DMK 등일 수 있다. In an embodiment, the electrolyte may be a non-aqueous electrolyte. For example, when a non-aqueous electrolyte is used as the electrolyte in the embodiment, the electrolyte cation may be TEA + , TEMA + , Li + , EMIM + , Na + , and the like, and the electrolyte anion is BF 4 - , PF 6 - , TFSI - , FSI - and the like. In addition, the electrolyte solvent may be an organic electrolyte, more specifically, ACN, PC, GBL, DMK, or the like.
상기 전해액의 농도는 용매와 전해질 이온의 종류마다 상이할 수 있다. The concentration of the electrolyte may be different for each type of solvent and electrolyte ions.
실시예에서 상기 제1 전극(110), 제2 전극(120) 및 그 사이에 배치된 분리막(130)은 덮개(140) 내에 배치된 구조일 수 있다. 상기 덮개(140)는 전도성 물질을 포함하여 형성된 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 덮개(140)는 알루미늄 등의 전도성 물질을 포함할 수 있다.In an embodiment, the
실시예는 정전용량(C)을 증가시켜 에너지 밀도(E)를 향상시킬 수 있는 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공할 수 있는 기술적 효과가 있다.The embodiment has a technical effect that can provide an electrode structure capable of improving the energy density (E) by increasing the capacitance (C) and an electrochemical device including the same.
예를 들어, 실시예는 활성탄과 활성탄 사이의 불필요한 바인더와 도전재의 양이 최소화 되었기 때문에 활성탄의 비율이 높아짐에 따라 활성탄의 이온흡착력이 향상되어 전정용량이 증가되는 기술적 효과가 있는 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공할 수 있다.For example, in the embodiment, since the amount of unnecessary binder and conductive material between the activated carbon and the activated carbon is minimized, as the ratio of the activated carbon increases, the ion adsorption power of the activated carbon is improved and the electrostatic capacity is increased. It is possible to provide an electrochemical device that
또한 실시예는 전기적 특성이 향상된 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공하고자 한다.Another object of the embodiment is to provide an electrode structure with improved electrical properties and an electrochemical device including the same.
예를 들어, 실시예는 도전재가 활성탄의 표면에 균일하게 배치됨에 따라 전극과 전해질 간의 임피던스(impedance)가 낮아져서 전기적 특성의 향상에 따른 전정용량 증대의 기술적 효과가 있는 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공할 수 있다.For example, in the embodiment, as the conductive material is uniformly disposed on the surface of the activated carbon, the impedance (impedance) between the electrode and the electrolyte is lowered, so that the electrode structure having the technical effect of increasing the capacitance according to the improvement of the electrical properties and the electrochemical including the same devices can be provided.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 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 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Features, structures, effects, etc. described in the above embodiments are included in at least one embodiment, and are not necessarily limited to only one embodiment. Furthermore, features, structures, effects, etc. illustrated in each embodiment can be combined or modified for other embodiments by those of ordinary skill in the art to which the embodiments belong. Accordingly, the contents related to such combinations and variations should be interpreted as being included in the scope of the embodiments.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 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, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.In the above, the embodiment has been mainly described, but this is only an example and does not limit the embodiment, and those of ordinary skill in the art to which the embodiment belongs are provided with several examples not illustrated above in the range that does not deviate from the essential characteristics of the embodiment. It can be seen that the transformation and application of branches are possible. For example, each component specifically shown in the embodiment can be implemented by modification. And the differences related to these modifications and applications should be interpreted as being included in the scope of the embodiments set forth in the appended claims.
Claims (9)
상기 전극용 조성물층은,
모재와 상기 모재 상에 배치되는 도전재를 포함하고,
상기 전극용 조성물층에서의 상기 모재의 밀도는 상기 도전재의 밀도보다 높고,
상기 전극용 조성물층에서의 상기 모재의 탭 밀도는 상기 도전재의 탭 밀도의 5 배 이상인 전기화학 소자의 전극 구조.In the electrode structure comprising a base substrate and a composition layer for electrodes disposed on the base substrate,
The composition layer for the electrode,
It includes a base material and a conductive material disposed on the base material,
The density of the base material in the composition layer for the electrode is higher than the density of the conductive material,
The electrode structure of the electrochemical device in which the tap density of the base material in the composition layer for the electrode is 5 times or more of the tap density of the conductive material.
상기 모재는 상기 도전재에 비해 5~7배의 탭 밀도비를 가지는 전기화학 소자의 전극 구조.According to claim 1,
The base material is an electrode structure of an electrochemical device having a tap density ratio of 5 to 7 times that of the conductive material.
상기 전극용 조성물층에서의 상기 모재는 상기 도전재에 비해 35 배 내지 40배 범위의 질량비를 구비하는 전기화학 소자의 전극 구조.According to claim 1,
The electrode structure of the electrochemical device having a mass ratio in the range of 35 times to 40 times that of the base material in the composition layer for the electrode compared to the conductive material.
상기 전극용 조성물층이 상기 모재, 상기 도전재 외에 바인더를 더 포함하고,
상기 전극 조성물층에서 질량 비율은,
모재: 도전재: 바인더= 93 내지 97: 2 내지 3.5: 2 내지 3.5인 전기화학 소자의 전극 구조.According to claim 1,
The electrode composition layer further comprises a binder in addition to the base material and the conductive material,
The mass ratio in the electrode composition layer is,
Base material: Conductive material: Binder = 93 to 97: 2 to 3.5: Electrode structure of the electrochemical device of 2 to 3.5.
상기 전극용 조성물층이 상기 모재, 상기 도전재 외에 바인더를 더 포함하고,
상기 전극 조성물층에서 탭 밀도를 기준으로 한 부피비는,
모재: 도전재: 바인더= 83~87: 12~15: 1.0~2.0인 전기화학 소자의 전극 구조.According to claim 1,
The electrode composition layer further comprises a binder in addition to the base material and the conductive material,
The volume ratio based on the tap density in the electrode composition layer,
Base material: Conductive material: Binder = 83~87: 12~15: Electrode structure of an electrochemical device with 1.0~2.0.
상기 전극용 조성물층에서의 상기 모재의 밀도는 0.75 (g/cc) 이상인 전기화학 소자의 전극 구조.According to claim 1,
The electrode structure of the electrochemical device having a density of 0.75 (g/cc) or more of the base material in the composition layer for the electrode.
상기 전극용 조성물층 중에 상기 모재가 차지하는 밀도는 0.758(g/cc) 내지 0.772(g/cc)인 전기화학 소자의 전극 구조.8. The method of claim 7,
The electrode structure of the electrochemical device having a density of 0.758 (g/cc) to 0.772 (g/cc) of the base material in the composition layer for the electrode.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170093226A KR102348930B1 (en) | 2017-07-24 | 2017-07-24 | Electrode struscture and electrochemical device using the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170093226A KR102348930B1 (en) | 2017-07-24 | 2017-07-24 | Electrode struscture and electrochemical device using the same |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20190010944A KR20190010944A (en) | 2019-02-01 |
| KR102348930B1 true KR102348930B1 (en) | 2022-01-11 |
Family
ID=65367745
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020170093226A KR102348930B1 (en) | 2017-07-24 | 2017-07-24 | Electrode struscture and electrochemical device using the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102348930B1 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102567479B1 (en) * | 2021-02-20 | 2023-08-17 | 주식회사 리브스메드 | End tool for Surgical instrument and Surgical instrument for electrocautery therewith |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101513458B1 (en) * | 2012-11-30 | 2015-04-20 | 한국전기연구원 | high power carbon electrode, its manufacturing method and energy storage device thereby |
-
2017
- 2017-07-24 KR KR1020170093226A patent/KR102348930B1/en active IP Right Grant
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 인용발명 1: 공개특허공보 제10-2014-0075851호(2014.06.20.) 1부.* |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20190010944A (en) | 2019-02-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101060828B1 (en) | Hybrid Supercapacitor | |
| JP2007081384A (en) | Electrochemical capacitor and electrode material used for the same | |
| JP4924966B2 (en) | Lithium ion capacitor | |
| JP2007280803A (en) | Hybrid laminated electrode and hybrid secondary power source using the same | |
| US20120099246A1 (en) | Lithium ion capacitor | |
| US20130037756A1 (en) | Electrodes for electrochemical capacitor and electrochemical capacitor including the same | |
| WO2007074639A1 (en) | Lithium ion capacitor | |
| US20120293912A1 (en) | Hybrid capacitor | |
| US20110002085A1 (en) | Electrode for capacitor and electric double layer capacitor having the same | |
| Prabu et al. | Binder‐Free Electro‐Deposited MnO2@ 3D Carbon Felt Network: A Positive Electrode for 2V Aqueous Supercapacitor | |
| KR102348930B1 (en) | Electrode struscture and electrochemical device using the same | |
| KR102163165B1 (en) | Method for preparing graphene-activated carbon composite and graphene-activated carbon composite prepared by the same | |
| KR20220009280A (en) | Electrode for secondary battery and method for preparing the same | |
| JP2007019108A (en) | Lithium ion capacitor | |
| Liu et al. | A Flexible, Binder‐Free Graphene Oxide/Copper Sulfides Film for High‐Performance Sodium Ion Batteries | |
| US20180082797A1 (en) | Electrode material for electronic device and electronic device comprising the same | |
| WO2011161832A1 (en) | Electrode collector material and production method for same | |
| KR20220144605A (en) | Negative electrode and secondary battery comprising the same | |
| CN107591249B (en) | Electrochemical energy storage device | |
| KR102302822B1 (en) | Electrode struscture and electrochemical device using the same | |
| KR102028677B1 (en) | Multilayer lithium-ion capacitor comprising graphene electrode | |
| JP4705404B2 (en) | Lithium ion capacitor | |
| KR101211667B1 (en) | Super capacitor type of pouch and manufacturing method | |
| KR102327752B1 (en) | Manufacturing method for porous electrode, porous electrode thereby and electrochemical capacitor comprising the porous electrode | |
| KR20130021735A (en) | Active agent for electrodes, method for manufacturing the same, and electrochemical capacitor using the same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |