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KR102423246B1 - 그래핀층을 포함하는 집전체, 이를 포함하는 리튬이온전지 및 슈퍼커패시터 - Google Patents

그래핀층을 포함하는 집전체, 이를 포함하는 리튬이온전지 및 슈퍼커패시터 Download PDF

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KR102423246B1
KR102423246B1 KR1020210178041A KR20210178041A KR102423246B1 KR 102423246 B1 KR102423246 B1 KR 102423246B1 KR 1020210178041 A KR1020210178041 A KR 1020210178041A KR 20210178041 A KR20210178041 A KR 20210178041A KR 102423246 B1 KR102423246 B1 KR 102423246B1
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South Korea
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graphene
graphene layer
layer
positive electrode
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KR1020210178041A
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양철민
김소연
위재형
Original Assignee
한국과학기술연구원
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Publication date
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Abstract

도전성 박막 및 해당 도전성 박막의 적어도 일면에 코팅된 그래핀층을 포함하는 집전체로서, 그래핀층은 단일 그래핀층이 5층 이하로 적층된 것인 집전체, 이를 포함하는 리튬이온전지 및 슈퍼커패시터가 제공된다.

Description

그래핀층을 포함하는 집전체, 이를 포함하는 리튬이온전지 및 슈퍼커패시터{Current collector comprising graphene layer and lithium ion battery and supercapacitor containing the electron collector}
본 명세서는 그래핀층을 포함하는 집전체, 이를 포함하는 리튬이온전지 및 슈퍼커패시터에 관하여 기술한다.　
화석 연료를 청정 에너지로 대체하기 위한 노력이 계속 진행되고 있으며, 이러한 변화에 부응하기 위해서는 에너지 저장을 위한 효율적인 기술을 먼저 시연하고 확보하여 전기 자동차(EV)와 같은 다양한 응용 분야에서 필요할 때 사용할 수 있어야 하나, 불행하게도, 현재 이용 가능한 전기 화학적 에너지 저장 장치는 낮은 전기 화학적 성능(예를 들어, 낮은 전력 및 짧은 수명)으로 인해 이러한 수요를 충족시킬 수 없다.
한편, 그래핀이 이러한 문제를 해결하기 위한 대안을 개발하는 데 연구되고 있으며, 특히, 활성층, 지지체 등의 재료로서 연구되어왔다. 그 중 액상 박리에 의해 생성된 그래핀 중 광물 흑연 혹은 환원된 그래핀 산화물의 플레이크에 주로 초점을 맞춰서 연구가 진행되었는데, 이들은 낮은 체적 밀도 및 낮은 사이클 수명을 가져 상업적으로 이용되기 어려운 문제점이 존재한다.
한편, 최근에는 기계적 강도, 내식성, 유연성, 접착력 및 우수한 전기/열 전도성과 같은 고유한 2차원 특성을 나타내는 대면적 그래핀을 롤투롤(roll-to-roll) 및 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD)에 기초하여 제조하는 기술이 연구되고 있으며, 이들 그래핀은 터치 패널, 디스플레이 및 광전지 장치의 투명 전극과 같은 응용 분야에서 가능성을 보였으나, 이들은 비용 측면에서 바람직하지 않다는 문제점이 존재한다.
그래핀 기반 재료의 활용 가능성은 상용화 및 비용에 크게 좌우되기 때문에 대면적 그래핀에 적합한 응용 분야의 설계 및 개발은 여전히 어려운 과제이다. 이에 따라, 보편적으로도 적용가능하면서도 비용효율적인 에너지 저장 장치용 그래핀 소재에 대한 개발 요구가 증대되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2014-0075845호
본 발명의 일 구현예에서는 그래핀층을 포함하는 집전체로서, 면저항이 우수하고 크랙(crack) 발생이 최소화된 집전체를 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 구현예들에서는 상기 집전체를 포함하는 슈퍼커패시터로서, 전기적 성능이 우수한 슈퍼커패시터를 제공하고자 한다.
본 발명의 또 다른 구현예들에서는 상기 집전체를 양극에 포함하는 리튬이온전지로서, 보다 개선된 용량 안정성 및 수명 안정성을 보이는 리튬이온전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는 도전성 박막; 및 상기 도전성 박막의 적어도 일면에 코팅된 그래핀층;을 포함하고, 상기 그래핀층은 단일 그래핀층이 5층 이하로 적층된 것인 집전체를 제공한다.
본 발명의 예시적인 구혠예들에서는 또한, 임시 기판 상에 그래핀층을 증착시키는 제1 단계; 및 상기 임시기판으로부터 그래핀층을 박리하여 도전성 박막의 적어도 일면에 그래핀층을 전사시키는 제2 단계; 를 포함하고, 상기 제1 단계 및 제2단계를 순차적으로 5회 이하로 수행하는 집전체의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 예시적인 구혠예들에서는 또한, 전술한 집전체; 및 상기 그래핀층 상에 형성된 활물질층을 포함하는 리튬이온전지 전극;을 포함하는 리튬이온전지를 제공한다.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는 또한, 전술한 집전체; 및 상기 그래핀층 상에 형성되며 전극활물질, 도전재 및 바인더를 함유하는 전극활물질층;을 포함하는 전극을 포함하는 슈퍼커패시터를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 그래핀층을 포함하는 집전체는 전도성 박막 상에 복수 층으로 적층된 단일 그래핀 층 예컨대 3층 이상의 그래핀층(즉, 1층 두께(예컨대 약 0.34nm)의 그래핀 단일층이 3층으로 적층된 그래핀층)을 포함할 수 있다. 이 경우, 전도성 박막의 부식이 최소화될 수 있으며, 전도성 박막과 그래핀층 간의 접착력이 가장 우수할 수 있다.
이에 따라, 상기 집전체를 포함하는 전극을 이용하여 이온전지를 제조하였을 때, 통상의 이온전지와 비교하여 보다 개선된 용량 안정성 및 수명 안정성을 보일 수 있으며, 특히 고출력밀도에서 현저히 개선된 용량 안정성을 보일 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 집전체를 포함하는 슈퍼커패시터를 제조하였을 때 역시 기존의 슈퍼커패시터와 비교하여 고출력밀도에서의 에너지밀도 감소 문제가 개선됨을 확인할 수 있었으며, 셀의 등가직렬저항이 감소됨을 확인할 수 있었다.
도 1a는 본 발명의 구현예에 따른 집전체의 제조 방법으로서 롤투롤 공정을 통해 제조된 집전체의 제조 방법을 나타내는 모식도이다.
도 1b는 3층의 그래핀층을 포함하는 집전체의 주사전자현미경(Scanning electron microscope, SEM)사진이다.
도 1c는 순수한 알루미늄 집전체(Bare substrate) 및 1층 내지 5층의 그래핀층을 포함하는 집전체들(1-Al, 2-Al, 3-Al, 4-Al 및 5-Al)의 SEM사진이다.
도 1d는 1층 내지 5층의 그래핀층을 포함하는 집전체들(1-Al, 2-Al, 3-Al, 4-Al 및 5-Al)의 라만 스펙트라이다.
도 1e는 순수한 알루미늄 집전체(Bare substrate), 1층 내지 5층의 그래핀층을 포함하는 집전체들(1-Al, 2-Al, 3-Al, 4-Al 및 5-Al)의 표면 저항(sheet resistance)을 나타내는 그래프이다.
도 1f는 순수한 알루미늄 집전체(Bare substrate) 및 1층 내지 5층의 그래핀층을 포함하는 집전체들(1-Al, 2-Al, 3-Al, 4-Al 및 5-Al)의 물 접촉각(water contact angle) 측정결과를 나타내는 그래프이다.
도 2는 순수한 알루미늄 집전체(Bare substrate) 및 1층 내지 5층의 그래핀층을 포함하는 집전체들(1-Al, 2-Al, 3-Al, 4-Al 및 5-Al)의 SEM사진이다.
도 3은 시트 형상의 구리에 그래핀을 직접 합성한 경우의 라만 스펙트라(a) 및 PMMA를 이용한 전사공정에 따라 전사된 그래핀의 라만 스펙트라(b)이다.
도 4는 순수한 알루미늄 집전체(Bare substrate) 및 1층 내지 5층의 그래핀층을 포함하는 집전체들(1-Al, 2-Al, 3-Al, 4-Al 및 5-Al)의 물 접촉각을 나타내는 사진이다.
도 5는 순수한 알루미늄 집전체(Bare substrate) 및 3층 그래핀층을 포함하는 집전체(3-Al)의 1 A/g 전류 밀도 하에서, 0 내지 2.5 V의 충/방전 커브를 나타낸다.
도 6은 순수한 알루미늄 집전체(Bare substrate) 및 1층 내지 5층의 그래핀층을 포함하는 집전체들(1-Al, 2-Al, 3-Al, 4-Al 및 5-Al)을 포함하는 슈퍼커패시터 셀의 스캔 속도 10-1000 mV/s에서의 순환 전압 전류 그래프를 나타낸다.
도 7a 내지 7d는 활성탄을 전극 재료로 사용하며, 그래핀층을 포함하지 않거나, 1층 내지 5층의 그래핀층을 포함하는 집전체들을 포함하는 슈퍼커패시터의 전기 화학적 성능을 나타내는 그래프이다(도 7a: 복소 평면 임피던스 플롯, 7b: 비중 정전 용량, 7c: 에너지 밀도, 7d: 캐패시턴스 보유력을 나타내는 그래프이다).
도 8은 본 발명에 따라 제조된 슈퍼커패시터에 대한 정전류 충/방전으로 얻은 내부 저항 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 전기 화학적 성능에 관한 실험값이 기재된 표이다.
도 10은 순수한 알루미늄 집전체(bare), 1층, 3층 및 5층의 그래핀층(1-Al, 3-Al 및 5-Al)을 포함하는 집전체들을 각각 포함하는 리튬이온전지의 리튬 코발트 산화물 전극의 정전류 충 방전 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 11a 내지 11c는 순수한 알루미늄 집전체(bare), 1층, 3층 및 5층의 그래핀층(1-Al, 3-Al 및 5-Al)을 포함하는 집전체들을 각각 포함하는 리튬이온전지의 리튬 코발트 산화물 전극의 음극 성능을 나타내는 그래프들이며, 구체적으로 도 11a는 100 사이클 동안 1C(150 mA/g)의 속도에서 3 및 4.3 V 사이의 성능을 나타내는 것을 보여주는 그래프이고, 도 11b는 총 28 사이클 동안 다양한 속도로 성능을 평가한 결과를 나타내는 그래프이고, 도 11c는 3층 그래핀층을 포함하는 집전체를 포함하는 리튬이온전지의 0.1C에서 1 사이클 후에 내부 저항 감소를 나타내는 그래프이다.
도 12a 및 12b는 본 발명에 따라 제조된 리튬이온전지 고전압 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 13a는 순수 알루미늄 집전체(bare), 3층 및 5층의 그래핀층(3-Al 및 5-Al)을 포함하는 집전체들을 각각 포함하는 리튬이온전지용 전극의 단면을 보여주는 SEM 이미지이며(삽입 사진은 상응하는 상면 이미지를 보여줌), 도 13b는 활성 물질과 집전체 사이의 그래핀의 기능에 관한 개략도이며, 도 13c는 순수 알루미늄 집전체(bare), 1층 내지 5층의 그래핀층(1-Al 내지 5-Al)을 포함하는 집전체들의 타펠(tafel) 플롯이며 도 13d는 원심 분리 기술을 사용하여 집전체와 활성 물질 사이의 계면 강도를 나타낸다.
도 14는 순수 알루미늄 집전체(bare), 1층 내지 5층의 그래핀층(1-Al 내지 5-Al)을 포함하는 집전체들에 대한 Tafel 플롯을 기반으로 한 반응 속도 매개 변수를 나타내는 표이다.
도 15a 및 15b는 순수 알루미늄 집전체(bare), 1층 내지 5층의 그래핀층(1-Al 내지 5-Al)을 포함하는 집전체들의 부식 테스트 전후의 SEM사진들이다.
도 16은 LiNi0.82Co0.06Mn0.12O2, NCM 에 순수 알루미늄 집전체(bare) 및 3층 그래핀층(3-Al)을 포함하는 집전체들을 적용하였을 때 전기화학적 성능을 나타내는 그래프들이다.
도 17은 LiNi0.8Co0.15Al0.05O2, NCA에 순수 알루미늄 집전체(bare) 및 3층 그래핀층(3-Al)을 포함하는 집전체들을 적용하였을 때 전기화학적 성능을 나타내는 그래프들이다.
이하, 본 발명의 구현예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 구현예들이 첨부된 도면을 참고로 설명되었으나 이는 예시를 위하여 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 구성 및 적용이 제한되지 않는다.
본 명세서에서, '단일 그래핀층'이란 1층의 그래핀층을 의미한다. 1층의 그래핀 층은 예컨대 약 0.34nm의 두께를 가질 수 있다.
본 명세서에서, '5층 이하의 단일 그래핀층'이란 단일 그래핀층이 5층 이하로 적층되어 형성된 그래핀층을 의미한다. 예컨대, 5층 이하의 단일 그래핀층은 5층 구조의 그래핀층, 4층 구조의 그래핀층, 3층 구조의 그래핀층, 2층 구조의 그래핀층 및 1층 구조의 그래핀층 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 도전성 박막; 및 상기 도전성 박막의 적어도 일면에 코팅된 그래핀층;을 포함하고, 상기 그래핀층은 5층 이하의 단일 그래핀층을 포함하는 집전체가 제공된다. 상기 그래핀층은 5층 이하의 단일 그래핀층을 포함하는 바, 집전체의 면저항이 낮아 전기적 성능이 향상될 수 있으며, 도전성 박막의 부식을 개선시킬 수 있을 뿐만 아니라, 커패시터, 리튬이온전지 등에 사용되었을 때 접착력을 개선시킬 수 있다.
예시적인 구현예예서, 상기 그래핀층은 3 내지 5층의 단일 그래핀층을 포함할 수 있다. 즉, 1층의 그래핀층이 3 내지 5층으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
일 구현예에서, 상기 그래핀층은 3층의 단일 그래핀층을 포함할 수 있으며, 즉, 단일 그래핀층이 3층으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 그래핀층은 0.7 내지 1.35 nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 범위 내의 두께를 갖는 경우 집전체의 성능이 가장 우수할 수 있다.
한편, 상기 그래핀층은 단일 그래핀층이 3층으로 적층된 경우 가장 우수한 효과를 보이는데, 이 경우 집전체의 높은 전기 전도성과 기계적 안정성으로 인해 커패시터, 전지 등에 사용시 최고의 전기 화학적 성능과 내부식성을 제공할 수 있기 때문이다. 아울러, 단일 그래핀층이 3층으로 적층된 경우 집전체가 커패시터 전지 등에 사용시 집전체와 활성 물질 사이의 접착 강도가 증대되어 전자 이동이 촉진되고, 기계적 응력이 증대될 수 있다. 이에 따라, 커패시터 및 전지의 수명이 증대될 수 있다. 아울러, 단일 그래핀층이 3층으로 적층된 경우 집전체의 도전성 박막의 부식을 개선시킬 수 있고 열전도도를 향상시킬 수 있다.
이 경우, 상기 그래핀층의 두께는 약 1 nm 이상일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 그래핀층은 상기 도전성 박막을 완전히 덮고 있을 수 있으며, 내부에 균열이 없는 구조(crack less)를 가질 수 있다.
한편, 상기 도전성 박막은 알루미늄, 구리, 니켈, 티탄, 및 스테인레스 스틸 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 도전성 박막은 알루미늄 호일 일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 도전성 박막은 10 내지 40μm의 두께를 가질 수 있다. 10μm 미만의 두께를 갖는 경우 고강도 물성을 갖기 어려울 수 있으며 40μm를 초과하는 경우 정해진 부피의 케이스 중에 많은 전극재를 넣을 수 없어, 전지 용량이 저하, 결착력이 떨어져 전해액의 움직임에 의해 코팅이 쉽게 벗겨질 수 있다.
한편, 상기 집전체는 0.5 내지 3 mΩ/sq의 면저항을 보일 수 있으며, 구체적으로는 0.5 내지 1 mΩ/sq의 면저항을 보일 수 있다. 0.5 mΩ/sq미만의 면저항을 보이는 경우 내지 3 mΩ/sq을 초과하는 면저항을 보이는 경우 전지 성능 저하 및 손상 발생으로 인한 수명 특성이 저하할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서는 상기 집전체의 제조 방법이 제조된다. 구체적으로, 상기 집전체는, 임시 기판에 단일 그래핀층을 증착시키는 제1단계; 및 상기 임시 기판으로부터 그래핀층을 박리하여 도전성 박막의 적어도 일면에 단일 그래핀층을 전사시키는 제2 단계; 를 포함하고 상기 제1단계 및 제2단계를 순차적으로 5회 이하로 수행하는 집전체의 제조 방법을 통해 제조될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 제1단계 및 제2단계를 3 내지 5회 순차적으로 수행하여 3 내지 5층의 단일 그래핀층이 적층된 그래핀층을 포함하는 집전체를 제조 할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 제1단계 및 제2단계를 순차적으로 3회 수행하여 3층의 단일 그래핀층이 적층된 그래핀층을 포함하는 집전체를 제조할 수 있다.
예시적인 구현예에서 상기 임시 기판은 30 내지 40 μm의 두께를 갖는 구리 호일일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 그래핀을 증착시키는 공정은 화학기상증착(CVD) 공정을 통해 수행될 수 있다.
예시적인 구현예에서 상기 도전성 박막은 알루미늄 호일 등 일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에서는 상기 집전체; 및 상기 그래핀층 상에 형성된 활물질층을 포함하는 리튬이온전지가 제공된다.
예시적인 구현예에서, 상기 전극은 양극(캐소드) 일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 활물질층은 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiCoPO4, 및 LiFePO4로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 양극 활물질을 포함할 수 있다.
한편, 상기 리튬이온전지에서는 5층 이하의 그래핀이 코팅된 알루미늄 호일을 전극의 집전체로 사용하는데, 이 경우, 전극의 내부 저항을 감소시키고 집전체의 전자 수집 능력이 증대되어 리튬이온전지의 전기 화학 반응 속도가 증대될 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 집전체의 그래핀층은 리튬 코발트 산화물(lithium cobalt oxide, LCO) 전극과 알루미늄 집전체 사이에 공유 결합을 형성할 수 있어 그 접착력을 향상시킬 수 있다.
그 중에서도, 3층의 그래핀이 코팅된 알루미늄 호일을 전극의 집전체로 사용하는 경우 리튬이온전지의 성능 및 수명성이 가장 증대될 수 있다.
예컨대, 상기 리튬이온전지는 1C(150 mA/g) 전류 조건에서 120 mAh/g 내지 200 mAh/g 범위의 용량 성능을 보일 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 집전체를 이용한 리튬이온전지의 경우 그 수명성이 기존 리튬이온전지 대비 증대되는데, 예컨대, 상기 리튬 이온전지는 100사이클 이후에 100 내지 120 mAl/g의 방전 용량 보유력을 보일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에서는 상기 집전체; 및 상기 그래핀층 상에 형성되며 전극활물질, 도전재 및 바인더를 함유하는 전극활물질층;을 포함하는 슈퍼커패시터가 제공된다. 구체적으로, 상기 슈퍼커패시터의 전극이 상기 집전체를 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 전극활물질은 니켈, 코발트, 백금, 금, 알루미늄, 크롬 및 구리로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 도전재는 슈퍼-P, 카본블랙, 아세틸렌블랙, 캐첸블랙, 활성탄소, 하드카본, 소프트카본, 탄소나노튜브, 그래핀 및 그라파이트로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 바인더는 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리 비닐리덴 플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴 및 폴리메틸메타크릴레이트로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
한편, 상기 그래핀층 및 전극활물질층 사이에 전도성 접착층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 구현예에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 전극에서는 5층 이하의 그래핀이 코팅된 알루미늄 호일을 전극의 집전체로 사용하는데, 이 경우, 전극의 내부 저항을 감소시키고 슈퍼커패시터의 전자 수집 능력이 증대될 수 있다. 아울러, 상기 슈퍼커패시터 전극의 부식도 완화되어 상기 슈퍼커패시터의 수명이 증대될 수 있다.
예컨대, 상기 슈퍼커패시터는 1 A/g 전류 밀도 조건에서 70 F/g 내지 82 F/g 범위의 용량 성능을 보일 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예들에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
실시예
집전체의 제조
촉매 기판으로 구리 호일(Cu, 35㎛ 두께, Nippon Mining Co., Japan)을 사용하여 화학 기상 증착(CVD)에 의해 대면적의 그래핀박막을 합성하였다. 한편, CVD 시스템에 8인치 너비의 외부 관형 석영 반응기를 사용하였는데, 석영 홀더에 Cu 호일(10cmХ10cm)을 매달아 그래핀 박막을 형성하였다. 일반적으로 튜브형 반응기 내부의 반경 방향 위치에 따라 온도 구배가 존재하기 때문에 Cu 호일은 튜브형 반응기의 중심에 배치되었다. 한편, Cu 호일에 그래핀이 균일하게 성장하도록 8인치 석영관 내부에 삽입된 6인치 내부 석영관에 Cu 호일을 위치시켰다.
합성의 첫 번째 단계에서, Cu 호일을 관형 석영 튜브에 삽입한 다음 10 mTorr에서 분당 10 표준 입방 센티미터(sccm)의 H2 흐름 하에서 990℃로 가열하였다. 이후, 유속 또는 압력을 변화시키지 않고 60 분 동안 Cu 호일을 가열 및 어닐링시켰다. CH4 및 H2 가스를 각각 30 sccm 및 10 sccm의 유속으로 180 mTorr에서 60 분간 흐르게 하였다. 최종적으로 샘플을 10 mTorr에서 H2 흐름 하에서 실온(50℃)으로 급속 냉각시켰다. 성장 후, Cu 호일상에 합성된 그래핀 필름은 롤러 사이에 부드러운 압력(~ 0.3 MPa)을 가함으로써 열 방출 테이프(TRT, 100㎛ 두께, Jinsung Chemical Co., South Korea)에 부착되었다. 이후, Cu 에칭액인 과황산암모늄((NH4)2S2O8)으로 충진된 배스에서 Cu 호일을 에칭한 후, TRT 상에 전사된 그래핀 박막을 탈 이온수로 세정하여 잔류에 제거하고 오븐에서 건조시켜 TRT 상으로 그래핀 박막을 이동시켰다. 이후, TRT상의 그래핀 필름을 두 개의 롤러 사이에 위치시킨 후, 그 사이에 알루미늄 호일(Al, 두께 20㎛, Nippon foil MFG Co., Japan)을 삽입한 후 약 95-130℃의 온도에서 100-200 mm/min의 속도로 그래핀 박막을 TRT에서 알루미늄 호일로 이동시킨다.
이후, 상기 방법을 반복 실시하여, 다양한 층(1층 내지 5층) 그래핀층으로 코팅된 집전체를 제조하였다. 그래핀 층의 수에 따라 샘플을 1-Al, 2-Al, 3-Al, 4-Al 및 5-Al(실시예 1 내지 5)로 표시하였다.
비교예(N-L 혹은 Bare로 표시)
비교예로서, 그래핀층을 코팅하지 않고, Al 호일을 집전체로서 사용하였다.
실험예
전기저항 확인 및 구조 특성 확인
알루미늄 (Al) 호일상의 롤투롤 기반 전사 그래핀의 전기 저항은 실온에서 4 점 탐침법(four-point probe method)을 사용하여 측정되었다. 활물질 및 LiCoO2 (Umicore Co. Ltd.)의 미세 구조 특성을 에너지 분산 X 선 분석법 및 전계 방출 주사 전자 현미경(FESEM, JEOL, JSM-7000F)(EDS)으로 측정하였으며, 전극의 단면은 JEOL SM-09010 단면 폴리셔(Cross Section Polisher)를 이용하여 측정하였다.
부식 측정
3 전극 시스템을 사용하여 1-Al, 2-Al, 3-Al, 4-Al 및 5-Al 및 N-L 집전체의 부식 방지 능력을 평가했다. 대극(counter electrode)으로 백금선을 사용하고, 참조 전극(reference electrode)으로는 Ag/AgCl을 사용하고, 작동 전극으로는 그래핀으로 코팅된 집전체(1-Al, 2-Al, 3-Al, 4-Al, 5-Al 및 N-L)를 포함하는 전극을 사용 하였다. 전해질로서, 3.5 질량% NaCl 용액 (0.598 M NaCl 용액)을 사용하였고, -2.4 내지 0.0 V의 전압을 인가하였다.
물 접촉각 측정
정적 물 접촉각(static water contact angle)을 측정하여 Phoenix 300 goniometer (Surface Electro Optic Co., Ltd., Korea)를 사용하여 실온에서 표면 소수성을 평가 하였다. 이때, 물방울의 양은 1 μL로 조정되었다.
계면 접착 측정
LF 200 접착 분석기(LUM Gmbh co., 독일)를 사용하여 전극과 집전체 사이의 계면 접착력을 측정하였다. 접착 분석기는 원심력을 이용하기 때문에 초당 10 rpm의 속도로 회전 속도를 가속시키면서 접착력을 분석하였다.
리튬이온전지의 음극 제조
비교예 및 실시예 1, 3 및 5에 따라 제조된 집전체가 리튬이온전지의 음극 상의 집전체로 사용되었다. 상기 리튬이온전지에서 작동 전극은 활성 물질로서 시판되는 LiCoO2(LCO, 95 중량 %), 전도제(Super-P, 2 중량 %) 및 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)에 용해된 폴리비닐리덴 플루오라이드 바인더(PVdF, 3 중량 %)를 함유하는 슬러리를 집전체 상에 제조하였다. 이후, 전극을 진공 오븐에서 120℃에서 12 시간 동안 건조시켜 용매(NMP)를 완전히 제거하고 19.6 MPa의 압력 하에서 가압하였다. 이때, 활물질 및 전극 면적은 각각 12 mg 및 1.13 cm2이었다. 이후, CR2032 코인형 하프 셀을 아르곤으로 채운 글러브 박스에서 조심스럽게 조립하여 전기 화학적 성능을 평가하였다. 이때, 폴리에틸렌 막을 분리막으로 사용하고 1 M LiPF6 내의 에틸렌 카보네이트(EC)와 디메틸 카보네이트(DMC)(1 M LiPF6+ EC/DMC(1:1 vol%), Soulbrain, 한국)를 포함시켜 제조된 혼합 용액을 사용하였다. 전기 화학적 성능을 평가하기 위해 Li/Li+ vs 3 ~ 4.5 V의 전압 범위에서 0.1 ~ 1C(150 mA/g)의 정전류로 정전류 충전(Li+방출) 및 방전 (Li+삽입)을 실시하였다. 충/방전 사이클링 후, 글로브 박스 내부의 코인형 셀로부터 전극을 꺼낸 후, 디메틸 카보네이트(DMC)로 세척하고 표면 분석을 위해 진공 건조하였다.
슈퍼커패시터의 셀 제조
활성탄은 고성능이고 경제적이기 때문에 상업용 슈퍼커패시터 제조시 활성 물질로 채택되었으나, 산업 작업 조건이 대개 매우 극심한 것을 고려할 때 그래핀 필름의 경우 고속 성능과 긴 사이클 수명을 보장해야 한다. 따라서, 그래핀층이 집전체 상에 코팅되었을 때의 효과를 평가하기 위해, 상업적으로 이용 가능한 활성탄을 활성 물질로서 사용하여 슈퍼커패시터를 제조하였다.
구체적으로, 활성 탄소(YP-50F, Kuraray Inc., Japan), PVdF(Aldrich) 바인더 및 전도제(Super-P)를 NMP 용매 하에 80:10:10 중량비로 혼합하여 슬러리를 제조한 후 상기 슬러리를 실시예 1, 3, 5 및 비교예에 따라 제조된 집전체 상에 도포한 후, 리튬이온 전극 제조시와 동일하게 건조시켜 전극을 제조하였다. 활성 물질의 중량은 약 3 mg이었고, 전극의 모양은 약 15 mm의 직경을 갖는 원형이었다. 아울러, 커패시터는 아르곤 충전 글러브 박스에서 제조되었다. 한편, 커패시터는 대면 배치된 두 개의 전극과 이들 전극 사이에 삽입된 셀룰로오스 형 세퍼레이터로 구성되는데, 용량 성능은 상용 CR2032 유형 코인 셀을 사용하여 프로필렌 카보네이트(PC) 내의 1 M 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TEABF) 조건하에서 시험하였다. 전기 화학적 용량을 평가하기 위해 축전지 사이클러(WBCS3000, Won-A Tech. Co., Korea)를 사용하여 0 ~ 2.5 V에서 0.1 A/g ~ 10 A/g 사이의 정전류 밀도로 정적용량 충전/방전 실험이 진행되었다. 특정 용량은 정적용량 충전/방전 곡선의 방전 브랜치로부터 계산되었다. 특정용량은 'C=4 (I×△t)/(w ×△V)'와 같은 수학식으로 계산되었는데, 여기서, I는 방전 전류(A), △t는 방전 시간(sec), △V는 초기 전압 변화, w는 양 전극(바인더 및 도전성 물질을 제외)의 활성 물질의 중량이다. 에너지 밀도(E)(Wh/kg)는 'E=1/2CV'에 의해 계산되었고, 전력 밀도(P)(W / kg)는 'P=E/△t'에 의해 계산되었다. 전기 화학적 임피던스 분석기(ZIVE SP2, Won-A Tech. Co., Korea)를 사용하여 순환 전압 전류(10-1000 mV / s, 0-2.5 V)와 AC 임피던스 스펙트럼(진폭: 10 mV, 주파수 범위: 1 MHz ~ 100 mHz) 역시 측정되었다.
결과 및 논의
(1) 집전체의 표면 특성 확인
알루미늄 호일 상에 전사된 그래핀 필름의 표면 형태는 전계 방출 주사 전자 현미경으로 관찰되었다. 그래핀 전사과정에서 주름진 찢어진 수 층의 그래핀층이 얻어졌다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 알루미늄 포일 상에 0.5 nm의 층 간격을 갖는 3층 그래핀이 형성됨을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 그래핀 코팅 공정으로 인한 축적된 응력으로 설명할 수 있다. 롤-투-롤(roll-to-roll)기반의 전사 방법으로 인한 수 층 그래핀층의 구조 변화를 관찰하고 알루미늄 호일상의 층 수를 평가하기 위해 532 nm 레이저를 사용하여 라만 스펙트럼을 관찰하였다(도 1d). 모든 샘플에 대해 1579 cm-1 (G- 밴드) 및 2688 cm-1 (G'- 밴드)에서 두 개의 우세한 피크를 확인할 수 있었다. 그래핀층의 수를 증가 시키면 1350 cm-1에서의 D 밴드 세기와 IG/ID 값의 연속적인 증가가 관찰되었다. 한편, 구리 호일상에 합성된 그래핀 또는 PMMA 전사 방법에 의한 PET상에 전사된 그래핀의 라만 스펙트럼(도 3)에서는 D 대역이 관찰되지 않았다. 이와 같은 결과를 통해 롤투롤 전사 방법으로 제조된 적층 그래핀은 비 연성이며 기계적 전사 코팅 공정에서 단층 및 이중층 그래핀보다 전단 응력에 더 약해질 수 있다는 것을 알 수 있었으며, 이와 같은 경우 그래핀 샘플에 구조적인 결함이 생성됨을 알 수 있었다. 단일, 이중 및 삼중 적층 그래핀은 1보다 큰 G'/G 피크 비율을 나타내므로 이중층 그래핀의 존재를 확인할 수 있었으며, 대조적으로, 4층 그래핀은 상대적으로 작은 G'/G 피크 비율(1 미만)을 나타내며, 다층 그래핀 필름이 제조됨을 확인할 수 있었다.
(2) 집전체의 전기화학적 성능 분석
전기 화학 장치에 그래핀을 사용하려면, 전기 전도도 및 습윤 특성에 대한 정보가 중요하다. 따라서, 4-프로브 방법을 사용하여 알루미늄 호일 상에 전사된 그래핀층(1-AL 내지 5-AL 및 N-L(Bare))의 전기 전도도를 측정했다(그림 1e). 기계적으로 수득된 그래핀의 경우, 전기 전도도는 층수가 증가함에 따라 감소하며 예컨대, 단층 그래핀의 전기 저항은 ~ 1.0 mΩ/cm 이었고, 복수 개의 그래핀층을 포함하는 그래핀층의 전기 저항은 3.35 mΩ/cm이었다. 한편, 실시예에 따라 제조된 집전체는, 그래핀 층의 수가 3까지 증가함에 따라 면저항이 연속적으로 감소함을 확인할 수 있었으며, 층수가 증가함에 따라 전자 이동도가 크기 증가하여 전기저항이 감소되기 때문인 것으로 보인다. 그러나, 4 층 및 5 층 그래핀에서는 전사/코팅 공정 중에 발생하는 구조적 결함으로 전기저항이 오히려 증가함을 확인할 수 있었다.
한편, 물방울의 접촉각을 측정하여 그래핀 필름의 습윤 특성을 평가했다 (도 1f 및 4). 최근의 연구에 따르면 그래핀의 습윤성은 순수 알루미늄 호일보다 더 큰 값을 갖는데, 순수 알루미늄 호일의 물의 접촉각은 ~ 81.3 °이고, 그래핀 코팅된 알루미늄 호일의 접촉각은 89.9 내지 95.5 °범위의 값을 보임을 확인할 수 있었다. 성장 전사/코팅 공정에 따라 형성된 그래핀층의 표면은 서로 다른 결함 밀도를 가지며, 이에 따라 접촉각 값의 변화를 일으키는 것으로 확인되었다.
(3) 슈퍼커패시터 성능 분석
실시예에 따른 슈퍼커패시터를 이용하여 그래핀 필름의 코팅효과를 검토하였다. 먼저, 이들의 정전류 충전-방전 곡선에서는 전압과 시간의 선형 관계를 보여 예상대로 유도전류 반응(faradic reaction)이 없었으므로(도 5), 테트라에틸 암모늄테트라 플루오로보레이트(tetraethylammonium tetrafluoroborate)를 전해질로 사용하여 중량 전기 용량(gravimetric capacitance)과 에너지 밀도의 변화를 관찰하기 위해 순환 전압 전류계(cyclic voltammogram)를 이용하여 측정했다(도 6).
이를 살펴보면, 그래프의 모양은 직사각형(quasi-rectangular)을 보여, 유도전류 반응이 없음을 확인할 수 있었다. 한편, 그래핀으로 코팅된 집전체를 사용하면 비코팅된 경우와 대비하여, 전기 용량과 에너지 밀도가 증가됨을 확인할 수 있었으며(도 7a 및 7b), 3층 그래핀이 적층된 경우 최고의 전기 화학적 성능을 가진 슈퍼커패시터로 귀결됨을 확인할 수 있었으며, 10,000회 이상의 사이클 동안 모든 셀의 정전 용량 유지율에 대한 그래핀 코팅의 긍정적 효과를 확인할 수 있었다(도 7c). 뿐만 아니라, 전지의 저항과 용량을 구별하는 데 도움이 되는 AC 임피던스 스펙트럼(나이퀴스트(Nyquist)플롯, 도 7d)을 측정하여 셀의 주파수 거동을 검토하였는데, 그래핀 코팅된 집전체는 고주파 RC 루프가 감소하였으며, 저주파수에서의 경사각이 증가되어 내부 저항이 크게 감소됨을 확인할 수 있었다. 이 결과는 정전류 충방전 플롯(galvanostatic charge-discharge plots)으로 얻은 내부 저항과 매우 일치함을 확인할 수 있었다(도 8). 도 9의 표에서 볼 수 있듯이 3층 구조의 그래핀은 전기 전도도가 높기 때문에 전기 화학적 성능이 가장 우수함을 확인할 수 있었다.
(4) 리튬이온전지(lithium ion battery, LIB) 성능 분석
그래핀 코팅의 효과를 확인하기 위해 두께가 10 내지 20㎛의 두께를 갖는 얇은 호일이 리튬이온전지용 캐소드용 집전체로 선택되었다. 전지 제조시, 일반적으로 원하는 배터리 성능(예컨대, 높은 용량 및 수명 특성)에 따라 다양한 종류의 합금을 선택하며, 일반적으로 호일은 높은 전도성, 고강도 및 얇은 두께를 가져야한다. ~ 4V의 높은 전기 전위는 이러한 배터리 셀의 특징이며, 알루미늄 집전체는 높은 전압 및 전도성을 견디도록 절연 특성을 가져야 전자 경로를 제공할 수 있다. 절연층의 형성은 하기 수학식 1 에 도시되는데, 전하는 알루미늄 집전체를 파괴하지 않으면서 높은 내부식성을 유지할 수 있도록 포일 표면 상에 절연층을 형성한다.
[수학식 1]
Al + 3PF6 - -> AlF3 + 3PF5 + 3e-
이것은 3 층 그래핀이 코팅된 알루미늄 호일이 다른 것보다 낮은 저항을 가짐을 시사하며(도 1e), 즉, 3 층 그래핀이 코팅된 알루미늄 전극을 이용하는 경우, 전극의 내부 저항을 감소시키고 집전체의 전자 수집 능력을 향상시켜 전기 화학 반응 속도를 향상시킬 수 있음을 알려준다.
뿐만 아니라, 그래핀 코팅층은 리튬 코발트 산화물(lithium cobalt oxide, LCO) 전극과 알루미늄 집전체 사이에 공유 결합을 형성할 수 있어 그 접착력을 향상시키는데, 그래핀층의 수는 전도성 및 전기 화학적 성능 모두에 영향을 미치는 또 다른 주요 매개 변수이므로, 리튬이온전지의 캐소드 물질로 사용되는 LCO 전극의 전기 화학적 성질을 조사하였다. 제 1 및 제 2 사이클에 대한 LCO 물질의 정전류 충전(Li+방출) 및 방전 (Li+삽입) 프로파일이 도 10에 도시되어 있는데, LCO 재료는 ~ 162 mAh/g의 초기 충전 용량을 나타내며 ~155 mAh/g의 방전 용량을 제공하여 약 4%의 초기 용량 손실을 발생시킴을 확인할 수 있었다. 유사하게, 각 단위 전지의 사이클링 성능은 동일한 용량 및 초기 쿨롱 효율(initial coulombic efficiency, ICE) 경향을 나타내었다. 사이클링 성능은 LIB의 또 다른 중요한 요소인데, 도 11a는 전류 비율 1C에서의 LCO 캐소드의 사이클링 성능을 나타낸다. 3 층 그래핀이 코팅된 경우, 100 사이클 후에 4 개의 전극 중 가장 우수한 방전 용량 보유력(discharge capacity retention ability)(115 mAh/g; 초기 방전 용량의 75 %)을 보였다. 따라서, 사이클 성능을 더욱 향상시키기 위해 그래핀 층의 수를 최적화하는 것이 중요하다고 판단되며, 이러한 그래핀 층의 중요한 역할은 알루미늄 집전체를 LCO 캐소드와 양호하게 접촉하도록 도모하는 것이라고 생각된다. 이를 통해 반복적인 사이클링 동안 전극 물질의 전기 네트워크와 그래핀 집전체 사이의 안정적인 인터페이스가 유지될 수 있기 때문이다. 속도 성능(도 11b)과 관련하여, 집전체가 낮은 전류 속도로 테스트 된 경우 충/방전 용량에서 명백한 차이가 관찰되지 않았지만, 다른 전극과 대비하여 3층의 그래핀 코팅된 전극은 높은 전류율을 보여, 더 높은 가역 용량을 보임을 확인할 수 있었다. 즉, 3-Al(109.5 mAh/g at 5C)은 N-L(44.6 mAh/g at 5C), 1-Al(88.5 mAh/g at 5C) 및 5-Al (91.8mAh/g at 5C)과 대비하여 보다 우수한 속도 성능을 보임을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 3층 구조의 그래핀을 포함하는 집전체는 음극 물질과 더 나은 전자 접촉을 보임을 확인할 수 있으며, 3층 구조의 그래핀을 포함하는 집전체를 포함하는 전극의 IR 강하는 0.8677 V로 다른 것들보다 낮아(N-L: 0.8784 V, 1-Al: 0.8691 V 및 5-Al: 0.8683 V), 이와 같은 결과와도 일맥상통함을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 소수의 그래핀층을 포함하도록 제조되는 경우 전하 수송에 중요한 역할을 하고 사이클링 동안 분극을 감소시킴을 확인할 수 있었다.
한편, LiCoO2, LCO를 이용하여 제조된 집전체에 리튬이온전지-양극 전극 고전압 테스트(3-4.5 V)를 수행하였는데, 고전압을 사용함으로써 고용량을 얻을 수 있음을 확인할 수 있었으며, 고전압에서도 3층 구조의 그래핀층을 적층시킨 경우가 더 안정적으로 용량을 발현함을 확인할 수 있었다(도 12a 및 12b).
(5) 집전체를 이용한 내구성 실험
활성탄 기반의 슈퍼커패시터 및 리튬이온전지의 전기 화학적 성능 향상을 검토하기 위해 집전체를 이용한 내구성 실험을 수행했다.
먼저, 사이클링동안 LCO 전극의 형태학적 변화를 조사하기 위해 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 LCO 전극의 단면을 관찰하였는데(도 13a), 3개의 LCO 전극(N-Al, 3-Al 및 5-Al) 모두 사이클링 전에 유사한 형태적 특징을 가짐을 확인할 수 있었으나, 5-Al에서는 LCO 사이의 계면이 소수성 표면과 낮은 접착력으로 인해 분리되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 분리는 충/방전으로 인한 반복된 팽창/수축과 같은 사이클 특성에 영향을 미칠 것으로 판단된다. 1 사이클 후에, 그래핀층이 코팅되지 않은 전극(N-L)은 LCO 커다란 균열을 보였으나 이외의 전극(3-Al, 5-Al)은 그렇지 않음을 확인할 수 있었다. 또한, LCO 물질과 Al 집전체 사이의 명확한 분리가 N-L 및 5-Al 모두에 대해 관찰되었으나, 대조적으로, 3-Al 전극은 미세 균열을 보이지 않았으며, Al 집전체로부터 전극의 분리와 같은 분열의 징후를 보이지 않음을 확인할 수 있었다. 이에 따라 3-Al 전극을 사용할 경우 가장 수명이 우수할 것으로 예상된다.
한편, 그래핀 코팅된 Al은 높은 전기 전도도와 화학적 안정성 때문에 일반적인 알루미늄보다 우수한 전자 수집 능력을 보이는데, 리튬이온전지의 충/방전 과정에서 알루미늄 표면에 형성된 얇은 산화막은 집전체와 LCO 캐소드 사이의 전자 이동을 방해한다. 이러한 산화막은 절연 알루미늄과는 달리 반도체이지만, 고전류 속도에서 심각한 문제를 겪는다.
이때, 그래핀 코팅된 알루미늄은 보다 우수한 속도 성능을 나타내며, 그래핀층이 코팅된 알루미늄 막은 알루미늄 집전체와 LCO 음극 물질 사이의 계면에서 혼합을 효과적으로 방지할 수 있는 우수한 Li+계면 확산 배리어 역할을 수행할 수 있고, 구체적으로, 그래핀 필름으로 코팅할 때 형성되는 안정된 계면은 사이클 중 반복적인 계면 부정합으로 인한 문제를 효과적으로 완화할 수 있다. 따라서, 그래핀으로 코팅된 알루미늄의 안정한 계면은 배터리의 보다 우수한 사이클링 성능을 위한 요소라 할 것이다.
이에 따라, 그래핀으로 코팅된 알루미늄의 부식 방지 기능을 이해하기 위해 타팔(Tafel) 분석을 통해 부식 속도를 측정했다. 도 13c 및 도 14를 살펴보면, 전극 전위(electrode potential)에 대하여 전류밀도에 대한 대수(logarithm)를 플롯팅함으로써 부식 속도와 같은 반응 속도 매개 변수를 결정할 수 있는데, 흥미롭게도 3층 코팅된 그래핀은 최고의 부식 방지 능력을 보여주였으며, 도 15a 및 15b를 살펴보더라도 부식 시험 전과 후에 3층 코팅된 그래핀의 표면 특성에 특별한 변화는 관찰되지 않음을 확인할 수 있었다. 이에 반해, 기타 샘플의 경우 표면이 부식됨을 확인할 수 있었다.
(6) 표면 접착 실험 및 안정성 실험
슈퍼커패시터 및 리튬이온배터리를 제조할 때, 분말 형태의 활성 물질을 폴리머 바인더와 혼합하여 활성 물질과 집전체 사이에 적절한 접착을 제공하는데, 실시예들에 따라 제조된 집전체를 사용하는 전극의 정량적인 접착 시험으로부터 그래핀을 코팅한 경우, 높은 기계적 강도와 전극의 안정적인 전기 네트워크 모두에 기여하는 접착 강도의 큰 증가를 관찰했다(도 13d). 또한, 전기 화학 반응으로 생성된 열은 에너지 저장 장치의 안전을 유지하기 위해 효과적으로 소산되어야 하는데, 그래핀을 코팅하여 전극의 열 확산도를 크게 증가시키는 경우(3.8~ 4.2 m2/s) 에너지 저장 장치의 안전성이 크게 향상됨을 확인할 수 있었다.
(7) 기타 양극 소재에의 활용
이밖에도 기타 양극 소재인 LiNi0.82Co0.06Mn0.12O2, NCM(도 16) 및 LiNi0.8Co0.15Al0.05O2, NCA(도 17)에도 본 발명에 따른 집전체를 사용한 경우 우수한 효과를 보이는지 여부에 대해 확인하였는데, 3층 그래핀 적층 집전체를 다른 양극 소재에 적용하였을 때도 수명 안정성이 개선 되는 것을 확인할 수 있었다.
전술한 바와 같이 대면적의 5층 이하의 그래핀층을 집전체에 포함시킴으로서, 전기 화학적 에너지 저장 장치의 장기간 안정성뿐만 아니라 고효율을 달성할 수 있었다. CVD로 성장한 대면적의 그래핀 필름은 전기적 및 열적으로 전도성이 있으며, 고유한 2D 특성으로 인해 거칠거나 매끄러운 모든 유형의 기판에 대해 그래핀이 높은 피팅(또는 코팅) 능력을 나타낼 수 있다. 본 발명에서는 1, 2, 3, 4 및 5 층을 갖는 CVD 성장된 그래핀층이 롤-투-롤 전사 코팅 공정에 의해 알루미늄 박막으로 전사되었는데, 그래핀층을 포함하는 집전체의 성능은 탄소 기반 슈퍼커패시터의 전기 화학적 성능과 리튬이온전지의 캐소드 성능을 측정하여 실험적으로 확인되었는데, 그 중 3층 구조의 그래핀층이 높은 전기 전도성과 기계적 안정성으로 인해 최고의 전기 화학적 성능과 내부식성을 제공함을 확인할 수 있었다. 아울러, 집전체와 활성 물질 사이의 그래핀에 의한 접착 강도는 전극 자체의 높은 기계적 강도와 전극 내의 고밀도의 전기 경로에 기여하여 효과적인 전자 이동을 촉진하고 부피로 인한 기계적 응력을 견딜 수 있는 능력을 부여하며, 충/방전 과정에서 활물질의 변화가 일어나고 안정적인 에너지 저장 장치를 장기간 안정적으로 사용할 수 있도록 도모할 수 있음을 확인하였다. 뿐만 아니라, 3층 구조의 그래핀층은 집전체의 알루미늄 박막을 부식으로부터 보호하고 열전도도를 크게 향상 시킴을 확인할 수 있으며, 이에 따라 에너지 저장 장치의 안전성을 향상시킴을 확인할 수 있었다.
앞에서 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

Claims (15)

  1. 양극 집전체로서,
    알루미늄 도전성 박막; 및
    상기 알루미늄 도전성 박막의 적어도 일면에 전사된 그래핀층;을 포함하고,
    상기 그래핀층은 단일 그래핀층이 3층으로 적층된 것이고,
    상기 3층으로 적층된 그래핀 층의 두께는 0.7 내지 1.35nm인 양극 집전체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 박막은 10 내지 40μm의 두께를 갖는 양극 집전체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 집전체는 0.5 내지 1 mΩ/sq의 면저항을 보이는 양극 집전체.
  4. 제1항 내지 제3항 어느 한 항의 양극 집전체의 제조 방법으로서,
    임시 기판 상에 그래핀층을 증착시키는 제1 단계; 및
    상기 임시기판으로부터 그래핀층을 박리하여 알루미늄 도전성 박막의 적어도 일면에 그래핀층을 전사시키는 제2 단계; 를 포함하고,
    상기 제1 단계 및 제2단계를 순차적으로 3회로 수행하는 양극 집전체의 제조 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제4항에 있어서,
    상기 그래핀을 증착시키는 공정은 화학기상증착(CVD) 공정을 통해 수행되는, 양극 집전체의 제조 방법.
  8. 제1항 내지 제3항 어느 한 항에 따른 양극 집전체; 및
    상기 그래핀층 상에 형성된 양극 활물질층을 포함하는 리튬이온전지 양극;을 포함하는 리튬이온전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 양극 활물질층은 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiCoPO4, 및 LiFePO4로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 양극 활물질을 포함하는 리튬이온전지.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 리튬이온전지는 100사이클 이후에 100 내지 120 mAl/g의 방전 용량 보유력을 보이는, 리튬이온전지.
  11. 제1항 내지 제3항 어느 한 항에 따른 양극 집전체; 및
    상기 그래핀층 상에 형성되며 전극활물질, 도전재 및 바인더를 함유하는 전극활물질층;을 포함하는 전극을 포함하는 슈퍼커패시터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 도전재는 슈퍼-P, 카본블랙, 아세틸렌블랙, 캐첸블랙, 활성탄소, 하드카본, 소프트카본, 탄소나노튜브, 그래핀 및 그라파이트로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 슈퍼커패시터.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 바인더는 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리 비닐리덴 플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴 및 폴리메틸메타크릴레이트로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 슈퍼커패시터.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 전극활물질은 니켈, 코발트, 백금, 금, 알루미늄, 크롬 및 구리로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 이루어진 슈퍼커패시터.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 그래핀층 및 전극활물질층 사이에 전도성 접착층을 더 포함하는 슈퍼커패시터.
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