KR100480195B1 - 인돌 화합물을 사용하는 2차 전지 및 커패시터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 인돌 및 인돌 유도체로부터 선택된 1종 이상의 인돌 화합물 구조 단위를 3개 포함하는 삼량체 구조를 가지면서 3개의 인돌 화합물 구조 단위들의 2위치 원자들과 3위치 원자들로 이루어진 6원 환을 갖는 축합된 폴리사이클릭 구조의 화합물을 전극 활성 물질로서 포함하고, 전극 활성 물질이, 인돌 화합물 구조 단위들 사이의 결합이 한 가지 구조 단위의 2위치와 다른 구조 단위의 3위치 사이에서 형성되는 삼량체 구조를 갖는 제1 화합물과 한 가지 구조 단위의 2위치와 다른 구조 단위의 2위치 사이에서 형성되는 결합을 포함하는 삼량체 구조를 갖는 제2 화합물을 포함하며, 제1 화합물과 제2 화합물의 전하 캐리어로서 양성자를 사용하는 2차 전지 및 커패시터에 관한 것이다.

Description

인돌 화합물을 사용하는 2차 전지 및 커패시터 {Secondary battery and capacitor utilizing indole compounds}
1. 발명의 분야
본 발명은 2차 전지 및 커패시터, 보다 특히, 전극 활성 물질로서 인돌 화합물을 사용하고 전하 캐리어로서 양성자를 사용하는 2차 전지 및 커패시터에 관한 것이다.
2. 관련 기술의 설명
인돌 중합체는 기전력 및 용량 측면에서 전극 활성 물질을 위한 탁월한 재료로서 공지되어 있다. 그러나, 인돌 중합체를 활성 물질로서 사용하는 전지는 급속한 충전과 방전 및 사이클 특성 측면에서 만족스럽지 못하였다.
본 발명자들은 앞서 일본 특허원 제2000-282309호에서 인돌 또는 인돌 유도체의 삼량체 화합물을 전극 활성 물질로서 사용한 전기화학 전지를 제안한 바 있으며, 그후에도 전지의 성능 향상을 위해 연구해왔다.
본 발명의 목적은 충분한 기전력과 용량을 가질 뿐만 아니라 탁월한 고속 특성(high rate characteristic) 및 사이클 특성을 갖는 2차 전지 및 커패시터를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 인돌 및 인돌 유도체로부터 선택된 1종 이상의 인돌 화합물 구조 단위를 3개 포함하는 삼량체 구조를 가지면서 3개의 인돌 화합물 구조 단위들의 2위치 원자들과 3위치 원자들로 이루어진 6원 환을 갖는 축합된 폴리사이클릭 구조의 화합물을 전극 활성 물질로서 포함하고,
전극 활성 물질이, 인돌 화합물 구조 단위들 사이의 결합이 한 가지 구조 단위의 2위치와 다른 구조 단위의 3위치 사이에서 형성되는 삼량체 구조를 갖는 제1 화합물과 한 가지 구조 단위의 2위치와 다른 구조 단위의 2위치 사이에서 형성되는 결합을 포함하는 삼량체 구조를 갖는 제2 화합물을 포함하며,
제1 화합물과 제2 화합물의 전하 캐리어로서 양성자를 사용하는 2차 전지가 제공된다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 화학식 1의 제1 화합물과 화학식 2의 제2 화합물을 전극 활성 물질로서 포함하고,
제1 화합물과 제2 화합물의 전하 캐리어로서 양성자를 사용하는 2차 전지가 제공된다.
위의 화학식 1 및 2에서,
R은 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐 원자, 하이드록실 그룹, 카복실 그룹, 설폰산 그룹, 황산 그룹, 니트로 그룹, 시아노 그룹, 알킬 그룹, 아릴 그룹, 알콕실 그룹, 아미노 그룹, 알킬티오 그룹 또는 아릴티오 그룹을 나타낸다.
본 발명의 제3 양태에 따르면, 제1 화합물과 제2 화합물의 함량비(중량 기준)가, 당해 화합물들의 총량 100%를 기준으로 하여, 제1 화합물의 함량이 10% 이상인, 상기한 바와 같은 2차 전지가 제공된다.
본 발명의 제4 양태에 따르면, 인돌 및 인돌 유도체로부터 선택된 1종 이상의 인돌 화합물 구조 단위를 3개 포함하는 삼량체 구조를 가지면서 3개의 인돌 화합물 구조 단위들의 2위치 원자들과 3위치 원자들로 이루어진 6원 환을 갖는 축합된 폴리사이클릭 구조의 화합물을 전극 활성 물질로서 포함하고,
축합된 폴리사이클릭 구조의 화합물이, 인돌 화합물 구조 단위들 사이의 결합이 한 가지 구조 단위의 2위치와 다른 구조 단위의 3위치 사이에서 형성되는 삼량체 구조를 가지며,
축합된 폴리사이클릭 구조의 화합물의 전하 캐리어로서 양성자를 사용하는 2차 전지가 제공된다.
본 발명의 제5 양태에 따르면, 화학식 1의 화합물을 전극 활성 물질로서 포함하고,
화학식 1의 화합물의 전하 캐리어로서 양성자를 사용하는 2차 전지가 제공된다.
화학식 1
위의 화학식 1에서,
R은 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐 원자, 하이드록실 그룹, 카복실 그룹, 설폰산 그룹, 황산 그룹, 니트로 그룹, 시아노 그룹, 알킬 그룹, 아릴 그룹, 알콕실 그룹, 아미노 그룹, 알킬티오 그룹 또는 아릴티오 그룹을 나타낸다.
본 발명의 제6 양태에 따르면, 축합된 폴리사이클릭 구조의 화합물(들)의 산화환원 반응에 따른 전자의 주고 받음이 축합된 폴리사이클릭 구조의 화합물(들)의 양성자의 흡탈착만으로 수행되는, 상기한 바와 같은 2차 전지가 제공된다.
본 발명의 제7 양태에 따르면, 전해액으로서 양성자 10-3 내지 18mol/ℓ를 함유하는 수용액 또는 비수용액을 포함하는, 상기한 바와 같은 2차 전지가 제공된다.
본 발명의 제8 양태에 따르면, 인돌 및 인돌 유도체로부터 선택된 1종 이상의 인돌 화합물 구조 단위를 3개 포함하는 삼량체 구조를 가지면서 3개의 인돌 화합물 구조 단위들의 2위치 원자들과 3위치 원자들로 이루어진 6원 환을 갖는 축합된 폴리사이클릭 구조의 화합물을 전극 활성 물질로서 포함하고,
전극 활성 물질이, 인돌 화합물 구조 단위들 사이의 결합이 한 가지 구조 단위의 2위치와 다른 구조 단위의 3위치 사이에서 형성되는 삼량체 구조를 갖는 제1 화합물과 한 가지 구조 단위의 2위치와 다른 구조 단위의 2위치 사이에서 형성되는 결합을 포함하는 삼량체 구조를 갖는 제2 화합물을 포함하며,
제1 화합물과 제2 화합물의 전하 캐리어로서 양성자를 사용하는 커패시터가 제공된다.
본 발명의 제9 양태에 따르면, 화학식 1의 제1 화합물과 화학식 2의 제2 화합물을 전극 활성 물질로서 포함하고,
제1 화합물과 제2 화합물의 전하 캐리어로서 양성자를 사용하는 커패시터가 제공된다.
화학식 1
화학식 2
위의 화학식 1 및 2에서,
R은 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐 원자, 하이드록실 그룹, 카복실 그룹, 설폰산 그룹, 황산 그룹, 니트로 그룹, 시아노 그룹, 알킬 그룹, 아릴 그룹, 알콕실 그룹, 아미노 그룹, 알킬티오 그룹 또는 아릴티오 그룹을 나타낸다.
본 발명의 제10 양태에 따르면, 제1 화합물과 제2 화합물의 함량비(중량 기준)가, 당해 화합물들의 총량 100%를 기준으로 하여, 제1 화합물의 함량이 10% 이상인, 상기한 바와 같은 커패시터가 제공된다.
본 발명의 제11 양태에 따르면, 인돌 및 인돌 유도체로부터 선택된 1종 이상의 인돌 화합물 구조 단위를 3개 포함하는 삼량체 구조를 가지면서 3개의 인돌 화합물 구조 단위들의 2위치 원자들과 3위치 원자들로 이루어진 6원 환을 갖는 축합된 폴리사이클릭 구조의 화합물을 전극 활성 물질로서 포함하고,
축합된 폴리사이클릭 구조의 화합물이, 인돌 화합물 구조 단위들 사이의 결합이 한 가지 구조 단위의 2위치와 다른 구조 단위의 3위치 사이에서 형성되는 삼량체 구조를 가지며,
축합된 폴리사이클릭 구조의 화합물의 전하 캐리어로서 양성자를 사용하는 커패시터가 제공된다.
본 발명의 제12 양태에 따르면, 화학식 1의 화합물을 전극 활성 물질로서 포함하고,
화학식 1의 화합물의 전하 캐리어로서 양성자를 사용하는 커패시터가 제공된다.
화학식 1
위의 화학식 1에서,
R은 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐 원자, 하이드록실 그룹, 카복실 그룹, 설폰산 그룹, 황산 그룹, 니트로 그룹, 시아노 그룹, 알킬 그룹, 아릴 그룹, 알콕실 그룹, 아미노 그룹, 알킬티오 그룹 또는 아릴티오 그룹을 나타낸다.
본 발명의 제13 양태에 따르면, 축합된 폴리사이클릭 구조의 화합물(들)의 산화환원 반응에 전자의 주고 받음이 축합된 폴리사이클릭 구조의 화합물(들)의 양성자의 흡탈착만으로 수행되는, 상기한 바와 같은 커패시터가 제공된다.
본 발명의 제14 양태에 따르면, 전해액으로서 양성자 10-3 내지 18mol/ℓ를 함유하는 수용액 또는 비수용액을 포함하는, 상기한 바와 같은 커패시터가 제공된다.
이하, 적절하게는, 화학식 1의 화합물을 포함하는 상기한 제1 화합물을 "대칭형 삼량체"로서 표기하고, 화학식 2의 화합물을 포함하는 제2 화합물을 "비대칭형 삼량체"로서 표기한다. 또한, 이러한 대칭 삼량체 및 비대칭 삼량체를 일반적으로 "인돌 삼량체"로서 표기한다.
본 발명에 따라, 충분한 기전력과 용량 뿐만 아니라 탁월한 고속 특성과 사이클 특성을 갖는 전지 및 커패시터가 제공될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 양태에 대해 기재할 것이다.
본 발명에 사용되는 대칭 화합물 및 비대칭 화합물은 공지된 전기화학적 방법 또는 화학적 방법, 예를 들면, 전기화학적 산화, 화학적 산화, 축합 반응 및 치환 반응에 의해, 예를 들면, 인돌 및/또는 인돌 유도체(이하, "인돌 단량체"라고 함) 및 인돌린 및/또는 인돌린 유도체(이하, "인돌린 단량체"라고 함)로부터 제조할 수 있다. 인돌 유도체로는 인돌의 축합 환을 형성하는 원자(질소 제외)에 결합된 임의의 수소원자가 치환된 것을 들 수 있고, 인돌린 유도체로는 인돌린의 축합 환(5원 환 제외)을 형성하는 원자에 결합된 임의의 수소원자가 치환된 것을 들 수 있다.
화학식 3의 인돌 또는 인돌 유도체를 인돌 단량체로서 사용할 수 있고, 화학식 4의 인돌린 또는 인돌린 유도체를 인돌린 단량체로서 사용할 수 있다.
위의 화학식 3 및 4에서,
R은 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐 원자, 하이드록실 그룹, 카복실 그룹, 설폰산 그룹, 황산 그룹, 니트로 그룹, 시아노 그룹, 알킬 그룹, 아릴 그룹, 알콕실 그룹, 아미노 그룹, 알킬티오 그룹 또는 아릴티오 그룹을 나타낸다.
전극 재료로서 사용되는 대칭형 삼량체 또는 비대칭형 삼량체는 1종의 인돌 단량체 또는 인돌린 단량체로부터 제조할 수 있으며, 2종 이상의 인돌 단량체 또는 인돌린 단량체로부터 제조할 수도 있다.
화학식 1의 대칭형 삼량체 및 화학식 2의 비대칭형 삼량체를 본 발명에서 인돌 삼량체로서 사용할 수 있다. 각각의 화학식에서, R은 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐 원자, 하이드록실 그룹, 카복실 그룹, 설폰산 그룹, 황산 그룹, 니트로 그룹, 시아노 그룹, 알킬 그룹, 아릴 그룹, 알콕실 그룹, 아미노 그룹, 알킬티오 그룹 또는 아릴티오 그룹을 나타낸다. 화학식 1 및 화학식 2에 나타낸 치환체는 원료로서 사용되는 인돌 단량체 또는 인돌린 단량체로부터 유도된다. 인돌 삼량체는 1종의 인돌 단량체 또는 인돌린 단량체로부터 제조하거나, 2종 이상의 인돌 단량체 또는 인돌린 단량체로부터 제조할 수 있다.
화학식 1 및 화학식 2에서 R의 할로겐 원자는, 예를 들면, 불소, 염소, 브롬 및 요오드이다. 이러한 화학식에서 R의 알킬 그룹은, 예를 들면, 메틸 그룹, 에틸 그룹, 프로필 그룹, 이소프로필 그룹, n-부틸 그룹, s-부틸 그룹, 이소부틸 그룹, t-부틸 그룹, n-펜틸 그룹, n-헥실 그룹, n-헵틸 그룹 및 n-옥틸 그룹이다. 화학식에서 R의 알콕실 그룹은 -OX로 나타내어지는 치환체이며, 여기서, X는, 예를 들면, 상기한 바와 같은 알킬 그룹이다. 화학식에서 아릴 그룹은, 예를 들면, 페닐 그룹, 나프틸 그룹 및 안트릴 그룹이다. 화학식에서 R의 알킬티오 그룹 중의 알킬 그룹은, 예를 들면, 상기한 알킬 그룹이다. 화학식에서 R의 아릴티오 그룹 중의 아릴 그룹은, 예를 들면, 상기한 아릴 그룹이다.
도 1은 본 발명에 따르는 2차 전지 또는 커패시터의 단면도이다. 양극 재료층(2)(양극) 및 음극 재료층(4)(음극)은 각각 집전체(1) 상에 형성되며, 이들은 세퍼레이터(3)를 통해 대향배치되고; 세퍼레이터(3)를 통해 양극 재료(2)와 음극 재료(4)가 적층되어 있는 층의 양면에 절연 고무로 이루어진 개스킷(5)이 제공되어 있다. 양극 재료(2)와 음극 재료(4)에는 각각, 양성자를 함유하는 전해액이 함침되거나 양성자를 함유하는 겔 전해질 또는 고체 전해질이 함유되어 있다. 음극 재료는 양성자의 존재하에서 활성인 한 특별히 제한하지 않는다.
필요에 따라, 전기전도성을 제공하기 위해 전극에 전도성 보조재를 첨가한다. 전도성 보조재는, 예를 들면, 결정성 탄소, 무정형 탄소, 카본 블랙 및 흑연과 같은 전기전도재이다. 또한, 전극의 성형성을 유지하거나 전극을 집전체에 고정시키기 위해 결합제를 첨가할 수도 있다.
상기한 전극에서의 구성 재료의 혼합비는 요구되는 특성이 수득되는 한 임의적일 수 있다. 그러나, 단위 중량 또는 단위 용적당 효율 측면에서는, 인돌 삼량체 30 내지 95중량%, 전도성 보조재 5 내지 50중량% 및 결합제 0 내지 20중량%의 조성 범위가 바람직하며, 인돌 삼량체 함량이 60 내지 90중량%인 것이 보다 바람직한데, 그 이유는 인돌 함량이 30중량% 미만인 경우에는 용적당 반응 효율이 감소되는 경향이 있고, 인돌 함량이 95중량% 이상인 경우에는 전극으로서 충분한 전기전도성을 보유하기가 곤란해지는 경향이 있기 때문이다.
인돌 삼량체로서 대칭형 삼량체 및 비대칭형 삼량체를 병용하는 경우에, 사이클 특성 측면에서, 혼합비(중량 기준)는, 인돌 삼량체 총량 100%를 기준으로 하여, 대칭형 삼량체가 10% 이상인 것이 바람직하며, 20% 이상이 보다 바람직하고, 30% 이상이 훨씬 더 바람직하며, 50% 이상이 특히 바람직하다. 용량 측면에서, 혼합비는, 인돌 삼량체의 총량 100%를 기준으로 하여, 비대칭형 삼량체가 10% 이상인 것이 바람직하고, 20% 이상인 것이 보다 바람직하며, 30% 이상인 것이 훨씬 더 바람직하고, 50% 이상인 것이 특히 바람직하다. 사이클 특성과 용량 측면에서, 혼합비를 적절하게 조정할 수 있으며, 예를 들면, 혼합비(대칭형/비대칭형)를 10/90 내지 90/10, 또한 20/80 내지 90/10 또는 20/80 내지 80/20으로 조정할 수 있다.
양성자를 함유하는 수용액 또는 비수용액을 본 발명의 전해액으로서 사용할 수 있다. 양성자 함량이 10-3 내지 18mol/ℓ인 것이 바람직하고, 10-1 내지 7mol/ℓ인 것이 보다 바람직하다. 양성자 함량이 10-3mol/ℓ 미만인 경우에는 양성자 농도가 낮기 때문에 전극 재료의 반응성이 감소되는 경향이 있고, 양성자 함량이 18mol/ℓ 이상인 경우에는 산성이 강해지므로 전극 재료의 활성이 저하되거나 전극 재료가 용해되는 경향이 있으므로, 바람직한 범위 이외의 양성자 농도는 적당하지 않다. 필요에 따라, 양성자를 함유하는 상기 전해액에 알칼리 금속염, 알칼리 토금속염, 유기 설폰산염, 황산염, 질산염, 과염소산염, 붕산염 및 표면 활성제를 첨가할 수 있다. 수용액 또는 비수용액에 첨가되는 염의 종 및 농도는 적절하게 결정할 수 있다.
전기 절연성을 갖고 이온 전도성을 갖거나 제공하는 재료, 예를 들면, 테플론 또는 폴리에틸렌으로 제조된 다공성 필름을 세퍼레이터로서 사용한다. 양성자 전도성을 갖는 필름을 사용할 수도 있다. 겔 전해질 또는 고체 전해질과 같은 전해질을 전극 사이에 샌드위칭시켜 세퍼레이터를 대체할 수 있다.
본 발명에서 비대칭형 삼량체는 하기 반응식 1-1에 도시되어 있는 바와 같이 전기화학적 방법 또는 화학적 방법으로 도핑된다. 반응식에서 X-는 도펀트 이온, 예를 들면, 설페이트 이온, 할라이드 이온, 과염소산 이온 및 트리플루오로아세테이트 이온을 나타내며, 도핑에 의해 비대칭 삼량체에 전기화학적 활성을 제공하는 한 이들 이온으로 제한되는 것은 아니다. 또한, 이러한 방법으로 도핑된 비대칭형 삼량체는 다음 반응식 1-2에 도시되어 있는 바와 같이 양성자의 흡탈착을 동반하는 전기화학 반응을 일으킨다. 본 발명의 2차 전지 및 커패시터는 산화환원 반응을 동반하는 전자의 주고 받음에 양성자의 흡탈착 만이 관여하는 전기화학 반응을 일으키는 비대칭형 삼량체를 전극 재료로서 사용한다. 충전 및 방전 동안의 이동 물질이 양성자뿐이기 때문에, 2차 전지 및 커패시터는 반응에 수반되는 전극의 용적 변화가 덜하여 사이클 특성이 우수하다. 2차 전지 및 커패시터는 양성자의 이동도가 높고 반응 속도가 빠르기 때문에, 탁월한 고속 특성, 즉 탁월한 급속 충전 및 방전 특성을 나타낸다.
위의 반응식 1에서,
R은 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐 원자, 하이드록실 그룹, 카복실 그룹, 설폰산 그룹, 황산 그룹, 니트로 그룹, 시아노 그룹, 알킬 그룹, 아릴 그룹, 알콕실 그룹, 아미노 그룹, 알킬티오 그룹 또는 아릴티오 그룹을 나타낸다.
비대칭형 삼량체의 경우에서와 같이, 본 발명의 대칭형 삼량체는 하기 반응식 2-1에 도시되어 있는 바와 같이 전기화학적 방법 또는 화학적 방법으로 도핑된다. 반응식에서 X-는 도펀트 이온, 예를 들면, 설페이트 이온, 할라이드 이온, 과염소산염 이온 및 트리플루오로아세테이트 이온을 나타내며, 도핑에 의해 대칭성 삼량체에 전기화학적 활성을 제공하는 한 이들 이온으로 제한되는 것은 아니다. 또한, 이러한 방법으로 도핑된 대칭형 삼량체는 다음 반응식 2-2에 도시되어 있는 바와 같이 양성자의 흡탈착을 동반하는 전기화학 반응을 일으킨다. 비대칭형 삼량체의 경우에서와 같이, 본 발명의 2차 전지 및 커패시터는 산화환원 반응을 동반하는 전자의 주고 받음에 양성자의 흡탈착 만이 관여하는 전기화학 반응을 일으키는 비대칭형 삼량체를 전극 재료로서 사용한다. 충전 및 방전 동안의 이동 물질이 양성자뿐이기 때문에, 2차 전지 및 커패시터는 반응에 수반되는 전극의 용적 변화가 덜하여 사이클 특성이 우수하다. 2차 전지 및 커패시터는 양성자의 이동도가 높고 반응 속도가 빠르기 때문에, 탁월한 고속 특성을 나타낸다.
위의 반응식 2에서,
R은 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐 원자, 하이드록실 그룹, 카복실 그룹, 설폰산 그룹, 황산 그룹, 니트로 그룹, 시아노 그룹, 알킬 그룹, 아릴 그룹, 알콕실 그룹, 아미노 그룹, 알킬티오 그룹 또는 아릴티오 그룹을 나타낸다.
일정한 분자량과 분자 크기를 갖는 인돌 삼량체는 분자량 분포를 갖는 중합체의 활성 물질과는 다르며, 전극 내에서 결정 구조 또는 이와 유사한 상태로 존재할 수 있다. 인돌 삼량체는 주 골격의 전체에 걸쳐 공명 구조를 갖는 축합된 폴리사이클릭 구조를 가지므로, 이러한 구조를 갖지 않는 전극 재료보다 화학적 안정성이 높다. 또한, 인돌 삼량체 중에서도 대칭형 삼량체의 분자 구조는 대칭이기 때문에, 대칭형 삼량체는 규칙적으로 배열되어, 비대칭형 삼량체에 비해 고도로 결정화된 구조 또는 이와 유사한 상태로 존재할 수 있으므로, 대칭형 삼량체의 결정화도는 매우 높다. 따라서, 인돌 삼량체, 특히 대칭형 삼량체는 충전 및 방전을 반복한 후에도 덜 열화되고 용량 감소가 매우 낮다는 특징이 있으며, 즉 사이클 특성이 탁월한 전지를 제조할 수 있다.
인돌 삼량체는 결정 구조 또는 이와 유사한 상태로 존재할 수 있기 때문에, 전도성이 높고, 또한 반응 이온(즉, 양성자)의 이동 경로가 일직선에 가까워 양성자의 이동도의 저하가 덜하다. 다른 한편으로, 전극 내에서 중합체 재료는 무정형 상태이며, 랜덤하게 배열된 중합체 쇄에 의한 반응 이온의 이동 경로는 양성자의 진로를 강제적으로 전환시키지 않는다. 따라서, 인돌 삼량체, 특히 결정화도가 높은 대칭형 삼량체는 전도성이 높고 이온 및 전자의 이동 속도가 빠르기 때문에, 고속 특성이 탁월한 전지를 제조할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 전지의 실시예를 구체적으로 기재할 것이지만, 또한, 대칭형 삼량체와 비대칭형 삼량체 간의 혼합비 및 충전-방전 속도를 적절하게 설정함으로써 커패시터에 적합한 구조를 구성할 수도 있다.
실시예 1
도 1은 통상적인 방법에 따라 제조한 상기의 구조를 갖는 전지를 나타낸다. 절연 고무로 이루어진 개스킷(5)이 외장재로서 사용되고, 집전체(1)는 전도성 고무로 이루어진다. 40% 황산 전해액으로 함침시킨 다공성 필름으로 구성된 세퍼레이터를 사용한다.
양극 재료층(2)에 있어서, 다음의 재료들을 혼합한다: 전극 활성 물질로서, 대칭형 삼량체, 즉 3개의 인돌 구조 단위의 6위치의 각각의 R이 니트로 그룹이고 나머지 R이 수소원자인 화학식 1의 6-니트로인돌 삼량체 15중량%, 비대칭형 삼량체, 즉 3개의 인돌 구조 단위의 6위치의 각각의 R이 니트로 그룹이고 나머지 R이 수소원자인 화학식 2의 6-니트로인돌 삼량체 60중량%(즉, 대칭형 삼량체 대 비대칭형 삼량체의 중량비는 2:8이다), 전도성 보조재로서의 기상 성장한 탄소 섬유 20중량% 및 유기 결합제 5중량%.
화학식 의 퀴녹살린 중합체가 음극 전극 재료층(4)의 활성 물질로서 사용되고, 카본 블랙이 전도성 보조재로서 사용된다. 인돌 삼량체가 양극에 사용되는 경우, 음극에 사용되는 활성 물질은 전기화학적으로 활성이고 가역적 산화환원 반응에 착수하는 것이라면 이에 한정되지 않는다. 전극을 구성하는 활성 물질과 전도성 보조재의 혼합비는 양극과 음극 둘 다에서 중량비 75:25(활성 물질:전도성 보조재)로서 선택한다.
도 2는 산 수용액 중에서의 양극 재료층(2)의 사이클릭 볼타모그램(이하, "CV"라고 함)을 나타낸다. 반응 영역 1(200 내지 800mV vs Ag/AgCl)에서는, 반응식 1-1 또는 2-1에 도시된 바와 같이 도펀트 이온의 도핑 및 탈도핑이 일어나고, 이에 따른 전류가 관찰된다. 반응 영역 2(800 내지 1200mV vs Ag/AgCl)에서는, 반응식 1-2에 도시된 바와 같이 양성자의 흡탈착이 일어난다.
제조한 전지를 평가하기 위해 방전 및 충전 시험을 수행한다. 충전은 10mA/㎠의 정전류에서 1.2V까지 수행하고, 방전은 1 내지 200mA/㎠의 정전류에서 수행한다. 시험 결과가 도 3에 도시되어 있다. 방전 용량은 활성 물질의 중량을 기준으로 한다. 0.9V까지의 방전 용량의 시험 결과가 표 1에 제시되어 있다.
방전 전류를 1mA/㎠에서 200mA/㎠으로 상승시키면, 방전 용량은 77mAh/g에서 65mAh/g으로 감소하며, 감소율은 불과 16%이다. 실시예 1에서 1mA/㎠의 방전 전류에서의 용량은 비교실시예 1의 전지와 비교하여 약간 감소하지만, 200mA/㎠에서의 비교 실시예 1에서의 감소율은 21%이기 때문에 고속 특성은 5% 향상된다. 대칭형 삼량체와 비대칭형 삼량체 간의 중량비가 2:8로 되도록 양극에 대칭형 삼량체 15중량%를 혼합시킨 본 발명의 전지는 탁월한 고속 특성을 나타낸다.
10mA/㎠의 충전방전 정전류에서 1.2V까지 충전, 0.9V까지 방전을 반복하여 사이클 시험을 수행한다. 시험 결과, 최종 용량이 초기 용량의 80%에 도달할 때까지의 사이클 횟수는 32000회였다. 대칭형 삼량체와 비대칭형 삼량체 간의 중량비가 2:8로 되도록 양극에 대칭형 삼량체 15중량%를 혼합시킨 본 발명의 전지는 탁월한 사이클 특성을 나타낸다.
대칭형 삼량체의 분자 구조의 대칭성이 매우 높기 때문에, 대칭형 삼량체는 규칙적으로 배열된다. 따라서, 대칭형 삼량체는 결정 구조 또는 이와 유사한 상태로 존재할 수 있어, 대칭형 삼량체는 결정화도가 매우 높다. 다른 한편으로, 비대칭형 삼량체의 분자 구조의 대칭성은 보다 낮으므로 이의 결정화도는 낮아진다. 따라서, 대칭형 삼량체의 전도성은 비대칭형 삼량체보다 높다. 전극 내에서 대칭형 삼량체는 결정 구조 또는 이와 유사한 상태로 존재하기 때문에, 전극 내에서의 반응 이온(즉, 양성자)의 이동 경로가 일직선에 가까워 양성자의 이동도의 저하가 덜하다. 따라서, 높은 전도성과 이온 및 전자의 높은 이동 속도로 인해, 고속 특성이 탁월한 전지를 제조할 수 있다.
전극 내에서 대칭형 삼량체는 결정 구조 또는 이와 유사한 상태로 존재하기 때문에, 전지를 충전시키기 위해 필요한 도핑 처리를 수행하는 경우에 도펀트가 결정화도가 높은 대칭형 삼량체에 도핑되기가 더욱 어려운 것으로 여겨진다. 따라서, 대칭형 삼량체의 용량이 비대칭형 삼량체보다 낮다. 그러나, 대칭형 삼량체는 결정화도가 높고 고속 특성이 탁월하기 때문에, 대전류에서의 방전시에는 대칭형 삼량체의 용량이 비대칭형 삼량체의 용량보다 높다.
전극 내에서 대칭형 삼량체는 결정 구조 또는 이와 유사한 상태로 존재하기 때문에, 대칭형 삼량체의 화학적 안정성이 매우 높고 쉽게 열화되지 않는다. 따라서, 사이클 특성이 탁월한 전지를 제조할 수 있다.
실시예 2
양극 재료층(2)에 있어서, 다음의 재료들을 혼합한다: 전극 활성 물질로서, 대칭형 삼량체, 즉 6-니트로인돌 삼량체 60중량%, 비대칭형 삼량체, 즉 6-니트로인돌 삼량체 15중량%(즉, 대칭형 삼량체 대 비대칭형 삼량체의 중량비는 8:2이다), 전도성 보조재로서의 기상 성장한 탄소 섬유 20중량% 및 유기 결합제 5중량%.
전지를, 상기한 바와 같은 양극 재료층을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 방법에 따라 제조하여, 충전 및 방전 시험을 수행한다. 시험 결과가 도 4에 도시되어 있으며, 0.9V까지의 방전 용량의 시험 결과가 표 1에 제시되어 있다. 방전 전류를 1mA/㎠에서 200mA/㎠으로 상승시키면, 방전 용량은 74mAh/g에서 67mAh/g으로 감소하며, 감소율은 불과 9%이다.
10mA/㎠의 충전방전 정전류에서 1.2V까지 충전, 0.9V까지 방전을 반복하여 사이클 시험을 수행한다. 시험 결과, 최종 용량이 초기 용량의 80%에 도달할 때까지의 사이클 횟수는 36000회였다.
대칭형 삼량체와 비대칭형 삼량체 간의 중량비가 8:2로 되도록 양극에 대칭형 삼량체 60중량%를 혼합시킨 실시예 2의 전지에 있어서, 방전 전류를 1mA/㎠에서 200mA/㎠으로 상승시키면, 방전 용량의 감소율은 불과 9%이고, 비교 실시예 1의 전지와 비교하여 고속 특성이 12% 향상된다. 사이클 특성은 36000사이클이며, 비교 실시예 1의 전지와 비교하여 5000사이클 향상된다.
실시예 3
전해액으로서 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트 1mol/ℓ와 트리플루오로아세트산 0.1mol/ℓ가 용해되어 있는 프로필렌카보네이트 용액(이하, "PC 용액"이라 함)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2에서와 같이 유사한 전지를 제조한다.
제조한 전지를 평가하기 위해 방전 및 충전 시험을 수행한다. 전지를 10mA/㎠의 정전류에서 2.2V까지 충전하고, 1 내지 200mA/㎠의 정전류에서 방전한다. 시험 결과가 도 5에 도시되어 있고, 0.5V까지의 방전 용량의 데이타가 표 1에 제시되어 있다. 방전 전류를 1mA/㎠에서 200mA/㎠으로 상승시키면, 방전 용량은 67mAh/g에서 45mAh/g으로 감소하며, 용량의 감소율은 33%이다.
10mA/㎠의 충전방전 정전류에서 2.2V까지 충전, 0.5V까지 방전을 반복하여 사이클 시험을 수행한다. 시험 결과, 최종 용량이 초기 용량의 80%에 도달할 때까지의 사이클 횟수는 21000회였다.
대칭형 삼량체와 비대칭형 삼량체 간의 중량비가 8:2로 되도록 양극에 대칭형 삼량체 60중량%를 혼합시킨 실시예 3의 전지에 있어서, 방전 전류를 1mA/㎠에서 200mA/㎠으로 상승시키면, 방전 용량의 감소율은 33%이지만, 동일한 프로필렌카보네이트 용액을 사용하는 비교 실시예 2의 전지와 비교하여 당해 실시예의 전지의 고속 특성은 11% 향상된다. 사이클 특성은 21000사이클이며, 비교 실시예 2의 전지와 비교하여 2000사이클 향상된다.
실시예 4
양극 재료층(2)에 있어서, 다음의 재료들을 혼합한다: 전극 활성 물질로서, 대칭형 삼량체, 즉 6-니트로인돌 삼량체 75중량%, 전도성 보조재로서의 기상 성장한 탄소 섬유 20중량% 및 유기 결합제 5중량%.
전지를, 상기한 바와 같은 양극 재료층을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 방법에 따라 제조하여, 충전 및 방전 시험을 수행한다. 0.9V까지의 방전 용량의 시험 결과가 표 1에 제시되어 있다. 방전 전류를 1mA/㎠에서 200mA/㎠으로 상승시키면, 방전 용량은 73mAh/g에서 70mAh/g으로 감소하며, 감소율은 불과 4%이다.
10mA/㎠의 충전방전 정전류에서 1.2V까지 충전, 0.9V까지 방전을 반복하여 사이클 시험을 수행한다. 시험 결과, 최종 용량이 초기 용량의 80%에 도달할 때까지의 사이클 횟수는 41000회였다.
대칭형 삼량체와 비대칭형 삼량체 간의 중량비가 10:0로 되도록 양극에 대칭형 삼량체 75중량%를 혼합시킨 실시예 4의 전지에 있어서, 방전 전류를 1mA/㎠에서 200mA/㎠으로 상승시키면, 방전 용량의 감소율은 불과 4%이고, 비교 실시예 1의 전지와 비교하여 고속 특성이 17% 향상된다. 사이클 특성은 41000사이클이며, 비교 실시예 1의 전지와 비교하여 10000사이클 향상된다.
비교 실시예 1
양극 재료층(2)에 있어서, 다음의 재료들을 혼합한다: 전극 활성 물질로서, 비대칭형 삼량체, 즉 6-니트로인돌 삼량체 75중량%, 전도성 보조재로서의 기상 성장한 탄소 섬유 20중량% 및 유기 결합제 5중량%.
전지를, 상기한 바와 같은 양극 재료층을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 방법에 따라 제조하여, 충전 및 방전 시험을 수행한다. 시험 결과가 도 6에 도시되어 있으며, 0.9V까지의 방전 용량의 시험 결과가 표 1에 제시되어 있다. 방전 전류를 1mA/㎠에서 200mA/㎠으로 상승시키면, 방전 용량은 78mAh/g에서 62mAh/g으로 감소하며, 감소율은 21%이다.
10mA/㎠의 충전방전 정전류에서 1.2V까지 충전, 0.9V까지 방전을 반복하여 사이클 시험을 수행한다. 시험 결과, 최종 용량이 초기 용량의 80%에 도달할 때까지의 사이클 횟수는 31000회였다.
비교 실시예 2
전해액으로서 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트 1mol/ℓ와 트리플루오로아세트산 0.1mol/ℓ가 용해되어 있는 프로필렌카보네이트 용액(이하, "PC 용액"이라 함)을 사용하는 것을 제외하고는 비교 실시예 1에서와 같이 유사한 전지를 제조한다.
실시예 3에서와 동일한 방법에 따라 충전 및 방전 시험을 수행한다. 시험 결과가 도 7에 도시되어 있고, 0.5V까지의 방전 용량의 시험 결과가 표 1에 제시되어 있다. 방전 전류를 1mA/㎠에서 200mA/㎠으로 상승시키면, 방전 용량은 70mAh/g에서 39mAh/g으로 감소하며, 용량의 감소율은 44%이다.
10mA/㎠의 충전방전 정전류에서 2.2V까지 충전, 0.9V까지 방전을 반복하여 사이클 시험을 수행한다. 시험 결과, 최종 용량이 초기 용량의 80%에 도달할 때까지의 사이클 횟수는 19000회였다.
혼합비[대칭형/비대칭형] 전극전도율[S/cm] 전해액 전압[V] 용량[mAh/g] 사이클 특성[사이클]
충전방전 전류 밀도1mA/㎠ 충전방전 전류 밀도10mA/㎠ 충전방전 전류 밀도100mA/㎠ 충전방전 전류 밀도200mA/㎠
실시예 1 2/8 4.4 수용액 1.2 77 76 69 65 32000
실시예 2 8/2 6.1 수용액 1.2 74 74 70 67 36000
실시예 3 8/2 6.1 PC 용액 2.2 67 66 63 45 21000
실시예 4 10/0 7.1 수용액 1.2 73 73 72 70 41000
비교실시예 1 0/10 4.2 수용액 1.2 78 76 68 62 31000
비교실시예 2 0/10 4.2 PC 용액 2.2 70 68 60 39 19000
본 발명에 따르면, 충분한 기전력과 용량을 가질 뿐만 아니라 탁월한 고속 특성 및 사이클 특성을 갖는 전지 및 커패시터를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 전지 및 커패시터의 예를 나타내는 개략 단면도이다.
도 2는 실시예 1의 전지의 양극의 사이클릭 볼타모그램(voltamogram)이다.
도 3은 실시예 1의 전지의 충전 및 방전 시험 결과(방전 곡선)를 나타내는 그래프이다.
도 4는 실시예 2의 전지의 충전 및 방전 시험 결과(방전 곡선)를 나타내는 그래프이다.
도 5는 실시예 3의 전지의 충전 및 방전 시험 결과(방전 곡선)를 나타내는 그래프이다.
도 6은 비교 실시예 1의 전지의 충전 및 방전 시험 결과(방전 곡선)를 나타내는 그래프이다.
도 7은 비교 실시예 2의 전지의 충전 및 방전 시험 결과(방전 곡선)를 나타내는 그래프이다.

Claims (18)

  1. 인돌 및 인돌 유도체로부터 선택된 1종 이상의 인돌 화합물 구조 단위를 3개 포함하는 삼량체 구조를 가지면서 3개의 인돌 화합물 구조 단위들의 2위치 원자들과 3위치 원자들로 이루어진 6원 환을 갖는 축합된 폴리사이클릭 구조의 화합물을 전극 활성 물질로서 포함하고,
    전극 활성 물질이, 인돌 화합물 구조 단위들 사이의 결합이 한 가지 구조 단위의 2위치와 다른 구조 단위의 3위치 사이에서 형성되는 삼량체 구조를 갖는 제1 화합물과 한 가지 구조 단위의 2위치와 다른 구조 단위의 2위치 사이에서 형성되는 결합을 포함하는 삼량체 구조를 갖는 제2 화합물을 포함하며,
    제1 화합물과 제2 화합물의 전하 캐리어로서 양성자를 사용하는 2차 전지.
  2. 화학식 1의 제1 화합물과 화학식 2의 제2 화합물을 전극 활성 물질로서 포함하고,
    제1 화합물과 제2 화합물의 전하 캐리어로서 양성자를 사용하는 2차 전지.
    화학식 1
    화학식 2
    위의 화학식 1 및 2에서,
    R은 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐 원자, 하이드록실 그룹, 카복실 그룹, 설폰산 그룹, 황산 그룹, 니트로 그룹, 시아노 그룹, 알킬 그룹, 아릴 그룹, 알콕실 그룹, 아미노 그룹, 알킬티오 그룹 또는 아릴티오 그룹을 나타낸다.
  3. 제1항에 있어서, 제1 화합물과 제2 화합물의 중량을 기준으로 한 함량비가, 당해 화합물들의 총량 100%를 기준으로 하여, 제1 화합물의 함량이 10% 이상인 2차 전지.
  4. 인돌 및 인돌 유도체로부터 선택된 1종 이상의 인돌 화합물 구조 단위를 3개 포함하는 삼량체 구조를 가지면서 3개의 인돌 화합물 구조 단위의 2위치 원자들과 3위치 원자들로 이루어진 6원 환을 갖는 축합된 폴리사이클릭 구조의 화합물을 전극 활성 물질로서 포함하고,
    축합된 폴리사이클릭 구조의 화합물이, 인돌 화합물 구조 단위들 사이의 결합이 한 가지 구조 단위의 2위치와 다른 구조 단위의 3위치 사이에서 형성되는 삼량체 구조를 가지며,
    축합된 폴리사이클릭 구조의 화합물의 전하 캐리어로서 양성자를 사용하는 2차 전지.
  5. 화학식 1의 화합물을 전극 활성 물질로서 포함하고,
    화학식 1의 화합물의 전하 캐리어로서 양성자를 사용하는 2차 전지.
    화학식 1
    위의 화학식 1에서,
    R은 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐 원자, 하이드록실 그룹, 카복실 그룹, 설폰산 그룹, 황산 그룹, 니트로 그룹, 시아노 그룹, 알킬 그룹, 아릴 그룹, 알콕실 그룹, 아미노 그룹, 알킬티오 그룹 또는 아릴티오 그룹을 나타낸다.
  6. 제1항에 있어서, 축합된 폴리사이클릭 구조의 화합물의 산화환원 반응에 따른 전자의 주고 받음이 축합된 폴리사이클릭 구조의 화합물의 양성자의 흡탈착만으로 수행되는 2차 전지.
  7. 제4항에 있어서, 축합된 폴리사이클릭 구조의 화합물의 산화환원 반응에 따른 전자의 주고 받음이 축합된 폴리사이클릭 구조의 화합물의 양성자의 흡탈착만으로 수행되는 2차 전지.
  8. 제1항에 있어서, 전해액으로서 양성자 10-3 내지 18mol/ℓ를 함유하는 수용액 또는 비수용액을 포함하는 2차 전지.
  9. 제4항에 있어서, 전해액으로서 양성자 10-3 내지 18mol/ℓ를 함유하는 수용액 또는 비수용액을 포함하는 2차 전지.
  10. 인돌 및 인돌 유도체로부터 선택된 1종 이상의 인돌 화합물 구조 단위를 3개 포함하는 삼량체 구조를 가지면서 3개의 인돌 화합물 구조 단위들의 2위치 원자들과 3위치 원자들로 이루어진 6원 환을 갖는 축합된 폴리사이클릭 구조의 화합물을 전극 활성 물질로서 포함하고,
    전극 활성 물질이, 인돌 화합물 구조 단위들 사이의 결합이 한 가지 구조 단위의 2위치와 다른 구조 단위의 3위치 사이에서 형성되는 삼량체 구조를 갖는 제1 화합물과 한 가지 구조 단위의 2위치와 다른 구조 단위의 2위치 사이에서 형성되는 결합을 포함하는 삼량체 구조를 갖는 제2 화합물을 포함하며,
    제1 화합물과 제2 화합물의 전하 캐리어로서 양성자를 사용하는 커패시터.
  11. 화학식 1의 제1 화합물과 화학식 2의 제2 화합물을 전극 활성 물질로서 포함하고,
    제1 화합물과 제2 화합물의 전하 캐리어로서 양성자를 사용하는 커패시터.
    화학식 1
    화학식 2
    위의 화학식 1 및 2에서,
    R은 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐 원자, 하이드록실 그룹, 카복실 그룹, 설폰산 그룹, 황산 그룹, 니트로 그룹, 시아노 그룹, 알킬 그룹, 아릴 그룹, 알콕실 그룹, 아미노 그룹, 알킬티오 그룹 또는 아릴티오 그룹을 나타낸다.
  12. 제10항에 있어서, 제1 화합물과 제2 화합물의 중량을 기준으로 한 함량비가, 당해 화합물들의 총량 100%를 기준으로 하여, 제1 화합물의 함량이 10% 이상인 커패시터.
  13. 인돌 및 인돌 유도체로부터 선택된 1종 이상의 인돌 화합물 구조 단위를 3개 포함하는 삼량체 구조를 가지면서 3개의 인돌 화합물 구조 단위들의 2위치 원자들과 3위치 원자들로 이루어진 6원 환을 갖는 축합된 폴리사이클릭 구조의 화합물을 전극 활성 물질로서 포함하고,
    축합된 폴리사이클릭 구조의 화합물이, 인돌 화합물 구조 단위들 사이의 결합이 한 가지 구조 단위의 2위치와 다른 구조 단위의 3위치 사이에서 형성되는 삼량체 구조를 가지며,
    축합된 폴리사이클릭 구조의 화합물의 전하 캐리어로서 양성자를 사용하는 커패시터.
  14. 화학식 1의 화합물을 전극 활성 물질로서 포함하고,
    화학식 1의 화합물의 전하 캐리어로서 양성자를 사용하는 커패시터.
    화학식 1
    위의 화학식 1에서,
    R은 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐 원자, 하이드록실 그룹, 카복실 그룹, 설폰산 그룹, 황산 그룹, 니트로 그룹, 시아노 그룹, 알킬 그룹, 아릴 그룹, 알콕실 그룹, 아미노 그룹, 알킬티오 그룹 또는 아릴티오 그룹을 나타낸다.
  15. 제10항에 있어서, 축합된 폴리사이클릭 구조의 화합물의 산화환원 반응에 따른 전자의 주고 받음이 축합된 폴리사이클릭 구조의 화합물의 양성자의 흡탈착만으로 수행되는 커패시터.
  16. 제13항에 있어서, 축합된 폴리사이클릭 구조의 화합물의 산화환원 반응에 따른 전자의 주고 받음이 축합된 폴리사이클릭 구조의 화합물의 양성자의 흡탈착만으로 수행되는 커패시터.
  17. 제10항에 있어서, 전해액으로서 양성자 10-3 내지 18mol/ℓ를 함유하는 수용액 또는 비수용액을 포함하는 커패시터.
  18. 제13항에 있어서, 전해액으로서 양성자 10-3 내지 18mol/ℓ를 함유하는 수용액 또는 비수용액을 포함하는 커패시터.
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