[논문]EDLC용 Carbon-PTFE 전극에서의 도전재 조성 최적화

이선영; 김익준; 문성인

doi:10.4313/jkem.2004.17.9.973

EDLC용 Carbon-PTFE 전극에서의 도전재 조성 최적화
Optimum Condition of Conducting Materials on Carbon-PTFE Electrode for Electric Double Layer Capacitor 원문보기

이선영 (한국 전기 연구원 전지연구그룹) , 김익준 (한국 전기 연구원 전지연구그룹) , 문성인 (한국 전기 연구원 전지연구그)

This work describes the effect of conducting materials on the electrochemical performances of electric double layer capacitor. Three kinds of Carbon black, such as Acethylene Black, Super P Black, Ketjen black supplied by Denki Kagaku Kogyo, MMM Carbon, Ketjen Black International Co. respectively, was added in carbon-Polytetrafluoroethylene (PTFE) electrode, which composition is activated carbon : carbon black : PTFE = 80 : 15 : 5 wt.%, and were compared with their electrochemical properties. The electrode with Ketjen Black has showed the lowest resistance than other carbon black, and also exhibited the better rate capability between 0.5 mA/cm$^2$ ∼ 100 mA/cm$^2$ current density in unit cell capacitor. On the other hand, as increasing the composition of Ketjen Black, the specific resistances of electrodes were decreased and Ketjen Black content higher than 15 wt% increased. The best rate capability was obtained at the electrode with 15 wt.% of Ketjen Black in unit cell capacitor. This behaviors would be correlated with the dense structure of electrode.

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문제 정의

본 연구에서는 전기이중층 커패시터의 내부저항을 감소시켜 출력 특성을 향상시킬 목적으로 전극의 구성성분 중, 도전재의 영향을 조사하였다. 이때 전기전도성 이 우수한 carbon black 계 열 중, Acetylene Black (이하 AB, supplied by Denki Kagaku Kogyo Co.

가설 설정

표 2는 AB, SPB 및 KB의 ¥선 재를 초?가한 전営은 사용하고 제조한 cell capacitoiS?의 방전시 IR drop으로부터 기上한 DC 저항과 1 kHz에서 卄한 AC저항을 각각 나타낸다. DC 또上 AC 저항에서의 수치는 KB<SPB<AB 순으로 cell capacitoi■의 내부서항을 나타낸다.

제안 방법

전기이중층 커패시터의 조립은 Dew point가 -60 ℃ 이하인 Dry room에서 행하였다. Cell은 동일한 전극사이에 Celgard 3501의 격 리 막을 삽입한 후 Acetonitrig] 1.2 M의 TEABF4의 전해 질염이 함유된 전해액을 함침 하여 제조하였다.
함께 3000 rpm으로 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 슬러리는 80 ℃로 건조하여 용매를 제거한 후 적당량의 I.P.A. (Iso Prophyl Alcohol)와 함께 Roll Press로 반복 니딩 (Kneading)하여 특정 두께의 sheet 전극을 제조하였다. Sheet 전극은 150 ℃의 진공건조기에서 overnight하여 건조시키고, 도전성 접착제를 사용하여 에칭 Al foil에 접착하여 전극을 제조한 후, 3><4 (가로X세로, cmxon)로 재단하였다.
이때 전기전도성 이 우수한 carbon black 계 열 중, Acetylene Black (이하 AB, supplied by Denki Kagaku Kogyo Co.), Super P Black (이하 SPB, supplied by MMM Carbon), Ketjen Black (이하 KB, Ketjen Black International Co.)의 영향을 조사하였고, 선정된 도전재의 조성을 최적화하여 제조된 전기이중층 커패시터의 전기화학적 특성을 조사하였다.
임피던스 분석 (Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS) 은 Impedance analyzer(Zahner IM6)를 사용하여 two - electrode system으로 100 kHz에서 0.01 Hz의 주파수 범위에서 행하였다.
전극의 저항은 DC 4단자법을 사용하여 측정하였으며, Cell의 내부저항 (ESR)은 방전곡선에서의 IR drop으로부터 구하였다. 저항은 식 (2)에 의해 계산하 였다.
한편, 전극의 단면 또는 표면은 FE-SEM (Field Emission-Scanning Electron Microscope, S-2700, Hitachi Co.)을 사용하여 관찰하였다.

대상 데이터

그림 2. 도전재 별로 제조한 전극의 FE SEM표면 사진.
전기이중층 전극의 구성 성분 중, 활물질은 MSP-20 (비표면적 : 2000 m7g, Kansai Coke & Chemicals Co.), 바인더로는 Polytetrafluoroethylene emulsion (이하 PTFE)를 사용하였으며, 도전재는 AB, SPB 및 K⑦를 각각 사용하였다. 표 1.

성능/효과

KB의 조성이 증가할수록 전극의 구성 성분 중 전기전도도가 우수한 도전재에 의한 conducting path의 증가에 의해 전극의 전기 전도도는 증가하나, 15 wt.% 이상의 조성에서는 나노 크기 입자의 과도한 증가로 인한 계면 접촉저항에 의해 오히려 전기전도도가 증가하는 것으로 사료된다.
1) Sheet 전극은 Kneading 횟수에 상관없이 동일한 비저항을 아타내었고, 도전재 별로는 AB, SPB, 的순으로 낮은 비저항 값을 나타내었다.
2) KB를 첨가한 전극으로 제조된 capacitor는 다른 도전재를 첨가한 cell capacitor에 비해 고전류 밀도에서의 출력 특성이 우수하였다.
3) KB의 조성 을 5~25 wt%로 달리 하여 활성탄, 결합제와 혼합하여 전극을 만들었을 때, KB가 15wt%일 때 가장 낮은 비저항값을 나타내었고, 15wt% 이상의 조성에서는 증가하였다.
Kneading 횟수에 따른 전기 전도도의 변화는 관찰되지 않는 것으로부터 슬러리 제조시의 교반공정에서 전극 구성성분들 간의 혼합은 종료된 것을 의미하며, kneading 과정에서의 구성성분들 간의 혼합효과는 없는 것으로 사료된다. 단지 kneading 과정을 반복할수록 PTFE의 섬유화가 발달이 되어 sheet 전극의 기계적 특성은 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 도전재 별의 전기전도도는 KB>SPB>AB 순으로, 曲를 도전재로 사용한 sheet 전극의 비저항이 2시Qcm로 가장 낮은 수치를 나타내었다.
이들 결과들로부터 I®를 도전재로 사용한 전극의 전기전도도의 개선은 cell capacitor의 내부저항을 감소시켜 고 전류밀도에서 방전 시 높은 출력 특성을 가지게 하는 것을 알 수가 있었다.

후속연구

저장 기구를 말한다[이. 전기 이중층 커패시터는 이동용의 보조 전원장치 및 부하 평준 화용으로서의 사용이 기대되고 있으며, 전력 저장용, 전기자동차용 추진 장치, 전자 제품 및 파워 서플라이 등에서 수요량이 증대될 것으로 예상된다[7, 8丄 또한, 소형 경량 전기 전자 제품의 대출력을 필요로 하는 기기와 일반 가전제품에서부터 대전력 소모가 필요한 기기에 사용될 수 있으며, 순간적인 고출력이 필요한 산업용 기계와 군사, 우주 항공용 등 많은 응용이 기대된다.

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