[논문]EDLC용 활성탄소 전극의 전기화학적 기계적 특성에 미치는 바인더의 영향

전민제; 김익준; 양선혜; 문성인; 김현수; 오대희

doi:10.4313/jkem.2006.19.12.1167

EDLC용 활성탄소 전극의 전기화학적 기계적 특성에 미치는 바인더의 영향
Effect of Binders on Electrochemical and Mechanical Properties of Activated Carbon Electrode for Electric Double Layer Capacitor 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.19 no.12, 2006년, pp.1167 - 1171

전민제 (한국전기연구원 전지연구그룹) , 김익준 (한국전기연구원 전지연구그룹) , 양선혜 (한국전기연구원 전지연구그룹) , 문성인 (한국전기연구원 전지연구그룹) , 김현수 (한국전기연구원 전지연구그룹) , 오대희 (부경대학교 응용화학공학부 공업화학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This work describes the effect of binders, such as carboxymethylcellulose (CMC), CMC+ Polytetrafluoroethylene (PTFE) and PTFE, on the electrochemical and mechanical properties of activated carbon-electrode for electric double layer capacitor. The cell capacitors using the electrode bound with binary binder composed of CMC and PTFE, especially in composition CMC PTFE = 60 : 40 wt.%, has better rate capability and the lower internal resistance than those of the cell capacitor with CMC. On the other hand, the sheet type electrode kneaded with PTFE was bonded with conductive adhesive on Al foil. This cell capacitor using the electrode with PTFE exhibited the best mechanical properties and rate capability compared to the CMC and CMC+PTFE one. These behaviors could be explained by the well-developed network structure of PTFE fibrils doting the kneading process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

.본 연구에서는 전기이중층 커패시터의 용량과 출력 특성을 향상시키기 위한 방법으로 바인더 종류별 (Carboxymethylcellulose(이하 CMC), CMC+ PTFE, PTFE)에 따른 전극의 제조방법 및 이에 따른 전극의 기계적 특성 및 전기화학적 특성을' 조사하였다. 이 때 CMC와 CMC+PTFE의 혼합바인더를 사용한 활성탄소 전극은 Slury 코팅 방식을 적용하였으며, PTFE를 사용한 활성탄소 전극은 Kneading 방식을 적용하여 제조하였다.

제안 방법

그림 3. CMC, CMC+PTFE (CMC : PTFE = 60 : 40 wt.%) 및 PTFE를 사용하여 제조한 전 극의 전류밀도에 따른 축전 비용량의 변화.
Cell capacitor^ 축전 용량은 시간-전압 곡선에서 식⑵에 의해 계산하였다. Cell capacitor의 내부저항 (Equivalent Series Resis tance, 이하 ESR)은 방전곡선에서의 IR drop으로부터 구하였다.
그림 1. 각 종 바인더를 사용하여 제조한 전극의 전류밀도에 따른 축전 비용량의 변화.
임 피 던 스 분석 (Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS) 은 Impedance analyzer (Zahner IM6)를 사용하여 two - electrode system 으로 100 kHz에서 0.01 Hz의 주파수 범위에서 행하였다.
전극의 표면은 FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscope, S-2700, Hitachi Co.)을 사용하여 관찰하였다.
전기이중층 커패시터의 출력 특성을 향상시키기위한 방법으로 바인더 종류별 (CMC, CMC+PTFE, PTFE)에 따른 전극의 제조방법 및 이에 따른 전극의 기계적 특성 및 전기화학적 특성을 조사하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

이론/모형

본 연구에서는 전기이중층 커패시터의 용량과 출력 특성을 향상시키기 위한 방법으로 바인더 종류별 (Carboxymethylcellulose(이하 CMC), CMC+ PTFE, PTFE)에 따른 전극의 제조방법 및 이에 따른 전극의 기계적 특성 및 전기화학적 특성을' 조사하였다. 이 때 CMC와 CMC+PTFE의 혼합바인더를 사용한 활성탄소 전극은 Slury 코팅 방식을 적용하였으며, PTFE를 사용한 활성탄소 전극은 Kneading 방식을 적용하여 제조하였다.
전극의 굽힘 test는 전극을 반으로 접어서 균열의 정도를 관찰하였으며, 전극의 저항 (R)은 DC 4 단자법을 사용하여 측정하였으며 전극의 전기비저항은 식⑴에 의해 계산하였다.

성능/효과

1) CMC, PVDF, PVA 및 PVP의 바인더 중, CMC 를 사용한 전극을 이용하여 제조한 cell capacitor 가 가장 우수한 출력 특성을 나타내었으나, 굽힘 test에서 전극의 균열 및 집전체로부터의 박리현상이 발생하였다.
2) CMC에 PTFE를 첨가한 혼성 바인더를 사용할 경우, CMC : PTFE의 조성비 (wt, %)가 60 : 40 에서 CMC에 비해 향상된 출력 특성을 나타내었고, 전극의 굽힘 test에서는 집 전체로부터 의 박리현상은 발생하지 않았다.
3) PTFE를 사용하고 니딩 공정에 의해 제조한 전극은 슬러리 공정에 의해 제조한 CMC 및 CMC+ PTFE 전극에 비해 출력 특성과 기계적 특성이 우수하였고, 이는 니딩 공정에서 발달한 섬유상의 PTFE network 구조에 의한 것으로 사료된다.
CMC+PTFE의 혼합바인더를 사용한 경우 전극의 굽힘 test 후 미세 균열이 발생하기는 하나 집전체로부터의 전극의 박리현상은 억제되는 것을 알 수가 있다. 그러나 PTFE를 사용하여 니딩 공정 에 의 해 제조한 전극은 CMC 또는 CMC+PTFE의 전극에서 발견되는 균열은 시각적으로 관찰되지 않는 것으로부터 3가지 바인더 제조공정 중에서 가장 양호한 기계적 특성을 나타내는 것으로 판단된다.
이상의 결과로부터 CMC, CMC+PTFE 및 PTFE의 순으로 제조한 전극의 전기화학적 특성과 기계적 특성이 향상되는 것은 cell capacitor의 낮은 내부저항 (ESR)과 PTFE의 network 구조의 양호한 기계적 특성에 의한 것으로 슬러리 혼합 또는 니딩 공정에서의 PTFE 의 발달된 섬유상의 network 구조로 인한 결과라 사료된다. 일반적으로 전기이중층 커패시터의 내부저항 (ESIU은 전극 저 항 (Relectrode), 벌크 전해 질 저 항 (RbuQ과 활성 탄소의 pore 내부에서 전해질의 분리이온에 의한 출입 저항 (Rpore) 으로 구성된다.

후속연구

탈착에 기인하는 것으로, 많은 에너지를 모아두었다가 수 초 또는 수십 초 동안에 높은 출력의 에너지를 발산하는 특성을 지닌 것으로 높은 충방전 효율, 장수명 등의 특성을 가지고 있다[1-5]. 전기이중층 커패시터는 휴대통신 기기 및 가전제품의 메모리 백업용에서 최근에는 군사용, 의료용 및 하이브리드 전기자동차 (HEV) 등의 고부가 장비의 대출력 펄스 파워의 주전원 및 보조전원으로 사용될 것이 기대된다. 실제로 2002년 6월에 닛산 (Nissan) 디젤이 개발하고 판매 중인 커패시터 하이브리드 트럭 및 동년 12월에 혼다 (Honda)에서 출시한 연료전지승용차 FCX에커패시터를 장착하고 있고, 향후 전기자동차의 ISG용으로 커패시터가 채택될 경우 커패시터에 대한 수요는 기하급수적으로 증가할 것으로 예측되고 있다[6].

참고문헌 (9)

B. E. Conway, 'The electrolyte factor in supercapacitor design and performance : conductivity, ion-pairing and solvation', Proceedings of The 4th International Seminar on Double Layer' Capacitors and Similar Energy Storage Devices, Deerfield Beach, FL, p. 12, 1994
B. E. Conway, 'Transition from supercapacitor to battery behavior in electrochemical energy storage', J. Electrochem. Soc., Vol. 138, p. 1539, 1991
S. Sarangapani, B. V. Tilak, and C. P. Chen, 'Materials for electrochemical capacitprs', J. Electrochem. Soc., Vol. 143, p. 3791, 1996

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J. DeGaynor and R. Johnston, 'Double layer capacitors for automotive applications', Proceedings of The 4th International Seminar on Double Layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices, Deerfield Beach, FL, p. 12-14, 1994
김익준, 이선영, 도칠훈, 문성인, '전기이중층커패시터의 특성에 미치는 혼성 도전재의 영향', 전기전자재료학회논문지, 17권, p. 107, 2004

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'전기이중층 콘덴서 시장의 철저연구', 야노경제연구소편찬, 2002
J. Gamby, P. L. Taberna, P. Simon, J. F. Fauvarque, and M. Chesneau, 'Studies and characteristics of various activated carbons used for carbon/carbon supercapacitors', J. of Power Sources, Vol. 101, p. 109, 2001
도칠훈, 최상진, 문성인, '유기전해액에서 루테늄산화물 전극의 전기화학적 특성', 한국전기전자재료학회 2002하계학술대회논문집, p. 1125, 2002
김익준, 이선영, 문성인, 'EDLC용 CMC+PTFE 혼합바인더 전극의 전기적, 기계적 특성', 전기전자재료학회논문지, 17권, p. 1079, 2004

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