도전재의 종류와 첨가량에 따른 카본 슈퍼캐패시터의 충·방전 특성에 관한 연구

양천모, 조병원*, 손상기**, 윤경석*, 임병오

홍익대학교 화학공학과, KIST 전지·연료전지 센터*

연세대학교 화학공학과**

A Study on Charge·Discharge Property of Supercapacitor in respect of Kind and Addition of Conductor

Chun-Mo Yang, Byung-Won Cho*, Sang-Ki Son**, Kyung-Suk Yun*, Byung-O Rim

Dept. of Chemical Engineering, Hong-Ik University

Korea Institute of Science and Technology Battery ＊ Fuel Cell Research Center*, Dept. of Chemical Engineering, Yon-Sei University**

서론

전기화학 capacitor는 전기이중층 capacitor(Electric Double Layer Capacitor : 이하 EDLC로서 약칭함)와 redox capacitor라고 부를 수 있는 두 형태로 분류될 수 있다. 고체전극과 전해질용액과 같이 두상의 계면에 있어서 정□부의 전하는 굉장히 짧은 거리를 배열, 분포한다. 이 전하의 배열에 의해 생기는 층이 전기이중층이다. 전기이중층은 전극과 이온사이에 전자의 이동을 동반하지 않은 non-faradaic 반응에 의해 형성된다. 전기이중층의 형성에 동반하는 전극계면에 생기는 용량을 전기이중층용량(electric double layer capacitance)이라고 하며, 이것을 이용한 capacitor가 EDLC이다.  이것에 대해서 전자의 수수를 동반하는 흡착반응 또는 redox반응 등의 faradaic 반응에 있어서도 용량이 생긴다. 이 용량을 유사용량(pseudo-capacitance)이라고 하며 이것을 이용한 capacitor를 redox capacitor, pseudocapacitor 또는 ultracapacitor라고 한다.

이에 본 연구에서는 EDLC로 activated cabon을 활물질로 하고, 결합재로서 PVdF(polyvinylidene fluoride), 도전재로서 acetylene balck, super_p, sfg6를 사용하고, 도전재의 첨가량을 각각 5%, 10%, 15%로 하여 정전류법으로 충·방전 실험을 하였다. 이때 사용한 유기전해질은 1M-LiPF6/PC(propylene

carbonate)+DMC(dimethyl carbonate) 이다.

실험

1. 슈퍼캐패시터 용 카본 전극제조

슈퍼캐패시터 용 카본 전극(2×2□)은 dip-coating 법을 사용하여 제조하였다. 활물질(activated carbon, Kuraray Chemical Co., Ltd., 비표면적:2500□/g)과 도전재로서 acethylene black, super_p, sfg6를 5%, 10%, 15%로 첨가하였다. 결합재로는 PVdF(polyvinylidene fluoride)을 활물질과 도전재에 대하여 10%를 사용하였다. 그림 1은 전극제조의 공정을 나타내었으며, 표 1은 슈퍼캐패시터 용 carbon 전극으로 본 연구에 사용한 전극의 조성을 나타내었다.

Table.  The Composition of Electrode for supercapacitor.

Electrode	Composition
1	[eqn: 90%~AC~+~15%~acethylene~black~+~10%~PVdF]
2	[eqn: 90%~AC~+~15%~sfg6~+~10%~PVdF]
3	[eqn: 90%~AC~+~15%~s u p e r-p~+~10%~PVdF]
4	[eqn: 90%~AC~+~10%~acethylene~black~+~10%~PVdF]
5	[eqn: 90%~AC~+~10%~sfg6~+~10%~PVdF]
6	[eqn: 90%~AC~+~10%~s u p e r-p~+~10%~PVdF]
7	[eqn: 90%~AC~+~5%~acethylene~black~+~10%~PVdF]
8	[eqn: 90%~AC~+~5%~sfg6~+~10%~PVdF]
9	[eqn: 90%~AC~+~5%~s u p e r-p~+~10%~PVdF]

2. 슈퍼캐패시터의 조립

슈퍼캐패시터의 조립은 습도가 0.3% 이하인 dry room에서 행하였다. 양쪽 전극에 동일한 조성을 가지고, 분리막은 전해질이 wetting된 PE(poly-ethylene)를 사용하였다. 전해질 염으로 1M-LiPF6를 사용하고, 유기용매로는 PC+DMC(1:1)를 사용하였다. 그림 2는 슈퍼캐패시터 용 전지의 조립구성을 나타낸 그림이다.

3. 충·방전 실험

제조된 슈퍼캐패시터는 충·방전 실험을 하기 위해 cycler(WBCS 3000 battery cycler, Won A Tech)에서 충전전류는 10mA로 0V∼3.5V까지 충전한 뒤, 방전전류 10mA로 정전류 방전하여 방전시의 전압변화를 측정하였다.

결과 및 고찰

1. sfg6를 도전재로 사용한 슈퍼캐패시터의 충·방전 실험

그림 3(a)는 도전재(sfg6)의 함량을 5%, 10%, 15%로 하여 제작한 슈퍼캐패시터의 비축전용량의 결과를 나타낸 그림이다. 보는 바와 같이 5%의 sfg5를 첨가하여 만든 슈퍼캐패시터의 비축전용량이 10%와 15%의 sfg6를 사용한 슈퍼캐패시터보다 우수한 경향을 나타내었고, 충·방전이 진행될수록 비축전용량의 변화 면에서도 우수하게 나타내었다.

2. super_p를 도전재로 사용한 슈퍼캐패시터의 충·방전 실험

그림 3(b)는 도전재(super_p)의 함량을 활물질에 대하여 5%, 10%, 15%로 하여 제작한 슈퍼캐패시터의 비축전용량의 결과를 나타낸 그림이다. 보는 바와 같이 sfg6의 경우와 동일하게 10%의 함량을 가진  슈퍼캐패시터가 우수한 경향을 나타내었다. 5%의 super_p와 15%의 super_p를 첨가한 슈퍼캐패시터가 비축전용량 면에서 10%의 super_p를 첨가한 슈퍼캐패시터보다 낮은 이유는 5%의 super_p는 전도성 면에서 다소 떨어져 저항의 증가를 초래하고, 15%는 전극의 성형성 면에서 좋지 않기 때문에 비축전용량이 10% super_p보다 낮다고 판단된다.

3. acethylene black을 도전재로 사용한 슈퍼캐패시터의 충·방전 실험

그림 3(c)는 도전재(acethylene black)의 함량을 5%, 10%, 15%로 하여 제작한 슈퍼캐패시터의 충·방전 실험을 한 결과를 나타낸 그림이다. 보는 바와 같이 10%의 acethylene black을 첨가하여 만든 슈퍼캐패시터의 비축전용량이 다른 슈퍼캐패시터보다 우수한 경향을 나타내었다, 그러나 충·방전이 진행될수록 용량의 변화면에서는 다른 도전재에 비해 비축전용량의 감소가 다소 크게 나타내었다. 이로 볼 때 전도성이 낮은 활성탄에 acethylene black을 10% 첨가한 슈퍼캐패시터가 전도성을 향상시켜 비축전용량 면에서도 우수한 결과를 나타내었다. 이는 acethylene black을 10% 첨가한 슈퍼캐패시터 전극의 세공크기가 크고, 전도성, 저항 면에서 5%, 15%의 acethylene black을 첨가하여 만든 슈퍼캐패시터보다 우수하기 때문이라고 판단된다.

결과

1. 활성탄을 활물질로 하고, 결합재로는 PVdF, 도전재로는 5%, 10%, 15% sfg6

를 사용한 슈퍼캐패시터 중 5% sfg6가 비축전용량이 70F/g으로 가장 우수

하였다.

2. 활성탄을 활물질로 하고, 결합재로는 PVdF, 도전재로는 super_p를 사용한

슈퍼캐패시터 중 10% super_p가 비축전용량이 100F/g으로 가장 우수하였다.

3. 활성탄을 활물질로 하고, 결합재로는 PVdF, 도전재로는 acethylene black을

사용한 슈퍼캐패시터 중 10% acethylene black가 용량이 130F/gdm로 가장 우    수하였다.

4. 활성탄을 활물질로 하고, 결합재로는 PVdF, 도전재로는 acethylene black을

10% 사용한 슈퍼캐패시터의 비축전용량이 다른 도전제에 비해 가장 우수

하였다.

Fig. 1. Fabrication Process of electrode.

Fig. 2. Fabrication process of cell.

Fig. 3. Effect of conductor type on the capacitance of cell fabricated with

activated carbon in LiPF6/PC+DMC solution.

(a) sfg6 (b) super_p (c) acethylene black