KR100830611B1 - Hybrid capacitor, and method for manufacturing the same - Google Patents

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KR100830611B1 KR1020060075743A KR20060075743A KR100830611B1 KR 100830611 B1 KR100830611 B1 KR 100830611B1 KR 1020060075743 A KR1020060075743 A KR 1020060075743A KR 20060075743 A KR20060075743 A KR 20060075743A KR 100830611 B1 KR100830611 B1 KR 100830611B1
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Abstract

본 발명은 하이브리드 커패시터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극 활물질을 포함하는 양극; 음극 활물질을 포함하는 음극; 및 이들 사이에 존재하는 전해질을 포함하고, 상기 양극 활물질이 리튬의 가역적인 인터칼레이션/디인터칼레이션이 가능한 화합물을 포함하는 하이브리드 커패시터에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid capacitor, and more particularly, a positive electrode including a positive electrode active material; A negative electrode including a negative electrode active material; And an electrolyte present between them, and the cathode active material relates to a hybrid capacitor comprising a compound capable of reversible intercalation / deintercalation of lithium.

상기 양극 활물질로 리튬의 가역적인 인터칼레이션/디인터칼레이션이 가능한 화합물을 사용함에 따라 과량의 에너지를 장시간 동안 보전할 수 있어, 종래 커패시터의 양극 활물질로 활성탄을 단독으로 사용시 발생되는 문제를 해소함으로써, 에너지 밀도 및 출력 밀도를 향상시켜 고율, 장수명 및 고용량의 하이브리드 커패시터의 제작을 가능하게 한다.By using a compound capable of reversible intercalation / de-intercalation of lithium as the cathode active material, it is possible to conserve excess energy for a long time, thereby eliminating the problems caused when using activated carbon alone as a cathode active material of a conventional capacitor. As a result, the energy density and the output density are improved to enable the manufacture of a high-capacity, long-life and high-capacity hybrid capacitor.

하이브리드 커패시터, 공침법, 탄산염 공침, 양극 활물질, 에너지밀도, 출력밀도 Hybrid Capacitor, Coprecipitation Method, Carbonate Coprecipitation, Cathode Active Material, Energy Density, Power Density

Description

하이브리드 커패시터, 및 이의 제조 방법{HYBRID CAPACITOR, AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}HYBRID CAPACITOR, AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME

도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 하이브리드 커패시터의 개략도. 1 is a schematic diagram of a hybrid capacitor according to an embodiment of the present invention.

도 2는 하이브리드 커패시터의 에너지 저장원리를 도식한 도면.2 is a diagram illustrating the energy storage principle of a hybrid capacitor.

도 3은 실시예 1에서 제조된 Li[Ni1 /3Co1 /3Mn1 /3]O2의 전계방출주사전자현미경 사진(6000 배 확대). Figure 3 is an embodiment of Li [Ni 1/3 Co 1 /3 Mn 1/3] Field emission scanning electron micrograph of the O 2 prepared in 1 (6000 times magnification).

도 4는 실시예 1에서 제조된 Li[Ni1 /3Co1 /3Mn1 /3]O2의 전계방출주사전자현미경 사진(15000 배 확대). Figure 4 is produced in Example 1, the Li [Ni 1/3 Co 1/ 3 Mn 1/3] The field emission scanning electron microscope (15,000 times enlarged) of O 2.

도 5는 실시예 1에서 제조된 Li[Ni1 /3Co1 /3Mn1 /3]O2의 투과전자현미경 사진.Figure 5 is a transmission electron micrograph of Li [Ni 1/3 Co 1/ 3 Mn 1/3] O 2 produced in Example 1.

도 6은 실시예 1에서 제조된 Li[Ni1 /3Co1 /3Mn1 /3]O2의 X-선 회절패턴이다. Figure 6 is a X- ray diffraction patterns of the Li [Ni 1/3 Co 1 /3 Mn 1/3] O 2 produced in Example 1.

도 7은 실시예 2에서 제조된 Li[Ni0 .5Mn1 .5]O3.95S0 .05의 전계방출주사전자현미경 사진(6000 배 확대).7 is prepared in Example 2 Li [Ni Mn 0 .5 1 .5] O 3.95 0 .05 S of the field emission scanning electron micrograph (6000 times magnification).

도 8은 실시예 2에서 제조된 Li[Ni0 .5Mn1 .5]O3.95S0 .05의 전계방출주사전자현미경 사진(15000 배 확대).8 is prepared in Example 2 Li [Ni Mn 0 .5 1 .5] O 3.95 0 .05 S of the field emission scanning electron microscope (enlargement 7000 X).

도 9는 실시예 2에서 제조된 Li[Ni0 .5Mn1 .5]O3.95S0 .05의 X-선 회절패턴.Figure 9 is a Li [Ni Mn 0 .5 1 .5] O 3.95 X- ray diffraction pattern of S 0 .05 prepared in Example 2.

도 10은 실시예 1에서 제조된 하이브리드 커패시터와, 비교예 1에서 제조된 전기 이중층 커패시터의 첫번째 싸이클의 충방전 곡선 그래프.10 is a graph showing charge and discharge curves of the first cycle of the hybrid capacitor prepared in Example 1 and the electric double layer capacitor prepared in Comparative Example 1. FIG.

도 11은 실시예 2 및 비교예 2에서 제조된 하이브리드 커패시터의 싸이클 변화에 따라 수명 특성을 보여주는 그래프. 11 is a graph showing the life characteristics according to the cycle change of the hybrid capacitors prepared in Example 2 and Comparative Example 2.

도 12는 실시예 1에서 제조된 하이브리드 커패시터와, 비교예 1에서 제조된 전기 이중층 커패시터의 싸이클에 따른 비방전용량(specific discharge capacity)을 보여주는 그래프.FIG. 12 is a graph showing specific discharge capacity according to a cycle of the hybrid capacitor prepared in Example 1 and the electric double layer capacitor prepared in Comparative Example 1. FIG.

도 13은 실시예 1에서 제조된 하이브리드 커패시터와, 비교예 1에서 제조된 전기 이중층 커패시터의 시간에 따른 자가 방전량을 보여주는 그래프.FIG. 13 is a graph showing the self discharge amount with time of the hybrid capacitor prepared in Example 1 and the electric double layer capacitor prepared in Comparative Example 1. FIG.

도 14는 실시예 1에서 제조된 하이브리드 커패시터와, 비교예 1에서 제조된 전기 이중층 커패시터의 시간에 따른 누전 전류의 변화를 보여주는 그래프.14 is a graph showing a change in the leakage current with time of the hybrid capacitor prepared in Example 1 and the electric double layer capacitor prepared in Comparative Example 1. FIG.

[산업상 이용분야][Industrial use]

본 발명은 하이브리드 커패시터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에너지 밀도 및 출력 밀도가 향상되어 고율, 장수명 및 고용량의 하이브리드 커패시터에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid capacitor, and more particularly, to a hybrid capacitor of high rate, long life, and high capacity by improving energy density and power density.

[종래기술][Private Technology]

비수 전해액계 전기 이중층 커패시터는 전극과 전해질간의 계면에서 발생되는 전기 이중층에 전하를 흡, 탈착하는 원리를 이용하여 전기 에너지를 저장하는 축전기로서 대전류로 충방전이 가능하다. 이에 전기자동차, 보조전원 등의 에너지 저장장치로서 유망하다. A nonaqueous electrolyte-based electric double layer capacitor is a capacitor that stores electric energy by using a principle of absorbing and desorbing electric charges at an electric double layer generated at an interface between an electrode and an electrolyte, and thus can be charged and discharged with a large current. Accordingly, it is promising as an energy storage device for electric vehicles and auxiliary power sources.

종래의 비수 전해액계 전기 이중층 커패시터는 활성탄 등의 탄소질 재료를 주체로 하는 양, 음극의 분극성 전극 및 비수 전해액으로 구성된다. 상기 비수 전해액계 전기 이중층 커패시터는 내전압성이나, 정전용량에는 비수계 전해액의 조성이 큰 영향을 미치는 것이 알려져 있다. 상기 비수 전해액은 전해질염과 비수계 유기 용매로 구성되고, 이들 전해질염 및 비수계 유기용매의 조합에 대해서는, 현재까지 여러 가지 검토되고 있다.Conventional nonaqueous electrolyte-based electric double layer capacitors are composed of positive and negative polarizable electrodes and nonaqueous electrolyte mainly composed of carbonaceous materials such as activated carbon. Although the nonaqueous electrolyte-based electric double layer capacitor has a high voltage resistance, it is known that the composition of the non-aqueous electrolyte has a large influence on the capacitance. The non-aqueous electrolyte solution is composed of an electrolyte salt and a non-aqueous organic solvent, and various combinations of these electrolyte salts and non-aqueous organic solvents have been studied to date.

일예로, 전해질염으로서는 4차 암모늄염(일본 특개소 61-32509호 공보, 일본 특개소 63-173312호 공보, 일본 특개평 10-55717호 공보 등)이나, 4차 포스포늄염(일본 특개소 62-252927호 공보 등) 등이 유기용매에서의 용해성, 해리도 및 전기화학적 안정역이 넓어 널리 사용되고 있다. 또한 이온성 액체인 디 알킬 이미다졸륨염을 전해질 염으로서 사용한 예도 보고되고 있다(일본 특개평 6-61095호 공보, 일본 특개 2002-110472호 공보).For example, as the electrolyte salt, a quaternary ammonium salt (Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-32509, Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-173312, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-55717, etc.) or a fourth phosphonium salt (Japanese Patent Laid-Open No. 62) -252927 and the like are widely used due to their wide solubility, dissociation degree and electrochemical stability in organic solvents. Moreover, the example which used the dialkyl imidazolium salt which is an ionic liquid as electrolyte salt is also reported (Japanese Unexamined-Japanese-Patent No. 6-61095, Japanese Unexamined-Japanese-Patent No. 2002-110472).

기존의 전기 이중층 커패시터는 컨덴서의 1종으로, 금속박 집전체에 전극 활물질 층을 형성하여 전극으로 하고, 상기 전극의 한 쌍의 사이에 세퍼레이터를 개재하여, 권취한 것이다. 상기 전기 이중층 커패시터는 소형이며 대용량이고, 또한 충전 방전에 견딜 수 있으며, 또한, 사용하는 재료적으로도 환경 부하가 적은 잇점이 있다.Conventional electric double layer capacitors are one type of capacitor, in which an electrode active material layer is formed on a metal foil current collector to form an electrode, and is wound between a pair of the electrodes via a separator. The electric double layer capacitor is advantageous in that it is small in size, large in capacity, can withstand charge discharge, and has a low environmental load in terms of materials used.

이에 전기 이중층 커패시터는 비디오, 오디오 등의 전자기기의 메모리의 백 업용, 휴대기기의 전지교환시의 보조전원, 태양전지를 사용하여 시계나 표시등 기기의 축전원 등에 이용되고 있다. 최근에는 소형, 대용량, 대전류를 활용하여, 자동차나 전자 기기의 소형모터나 셀 모터의 기동전원으로서 기대되고 있다.Accordingly, electric double layer capacitors are used for backing up memory of electronic devices such as video and audio, auxiliary power when replacing batteries in mobile devices, and storage power for clocks and indicator devices using solar cells. In recent years, small size, high capacity, and large current are utilized, and it is expected as a starting power source for small motors and cell motors of automobiles and electronic devices.

이러한 다양한 용도를 가지는 전기 이중층 커패시터의 전극은 넓은 비표면적을 통한 고 에너지화, 낮은 비저항을 통한 고 파워화, 그리고 계면에서의 전기화학 반응의 억제를 통한 전기화학적 안정성을 가지는 것이 중요한 과제이다.The electrode of the electric double layer capacitor having such various uses has high energy through a large specific surface area, high power through a low specific resistance, and electrochemical stability through suppression of an electrochemical reaction at an interface.

이를 위하여 대한민국특허공개 제10-2005-0088181호 및 제10-2006-0001658호에서는 활성탄을 소정의 패턴 형태로 도포하여 제조된 분극성 전극을 제안하였다. 또한 대한민국특허공개 제10-2005-0056971호는 전해질로 치환기가 알콕시알킬기를 적어도 1개 갖는 4차 암모늄염 및 4차 포스포늄염의 이온성 액체를 사용함을 제시하였다.To this end, Korean Patent Publication Nos. 10-2005-0088181 and 10-2006-0001658 propose polarizable electrodes prepared by coating activated carbon in a predetermined pattern. In addition, Korean Patent Publication No. 10-2005-0056971 suggested that an ionic liquid of a quaternary ammonium salt and a quaternary phosphonium salt having at least one alkoxyalkyl group as a substituent is used as an electrolyte.

이에 본 발명자는 상기 전술한 바와 같은 방식의 접근이 아니라 하나의 전극이 고용량 및 고율 특성을 가지는 리튬 이차전지용 양극 활물질을 사용하여 리튬 이차전지와 유사한 형태의 양극과, 전기 이중층 커패시터 형태의 음극의 하이브리드 커패시터를 제안한다. Therefore, the inventors of the present invention do not use the above-described approach, but a hybrid of a positive electrode similar to a lithium secondary battery and a negative electrode of an electric double layer capacitor type by using a cathode active material for a lithium secondary battery in which one electrode has high capacity and high rate characteristics. Propose a capacitor.

본 발명의 목적은 과량의 에너지를 장시간 동안 보전이 가능할 뿐만 아니라 에너지 밀도 및 출력 밀도가 향상되어 고율, 장수명 및 고용량 특성을 가지는 하이브리드 커패시터를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a hybrid capacitor having a high rate, a long life and a high capacity characteristic by not only the excess energy can be maintained for a long time, but also the energy density and the output density are improved.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 In order to achieve the above object, the present invention

양극 활물질을 포함하는 양극; 음극 활물질을 포함하는 음극; 및 이들 사이에 존재하는 전해질을 포함하고, A positive electrode including a positive electrode active material; A negative electrode including a negative electrode active material; And an electrolyte present between them,

상기 양극 활물질이 리튬의 가역적인 인터칼레이션/디인터칼레이션이 가능한 화합물을 포함하는 하이브리드 커패시터를 제공한다.The cathode active material provides a hybrid capacitor including a compound capable of reversible intercalation / deintercalation of lithium.

상기 리튬의 가역적인 인터칼레이션/디인터칼레이션이 가능한 화합물은 리튬 복합금속 산화물 또는 리튬 함유 칼코게나이드 화합물이다.Compounds capable of reversible intercalation / deintercalation of lithium are lithium composite metal oxides or lithium-containing chalcogenide compounds.

바람직하기로, 상기 양극 활물질은 적어도 하나의 Ni, Co 또는 Mn의 금속을 포함하고, 선택적으로 Mg, Al, Cr, V, Ti, Cr, Fe, Zr, Zn, Si, Y, Nb, Ga, Sn, Mo, W, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속을 포함한다.Preferably, the positive electrode active material comprises at least one metal of Ni, Co or Mn, optionally Mg, Al, Cr, V, Ti, Cr, Fe, Zr, Zn, Si, Y, Nb, Ga, It includes one metal selected from the group consisting of Sn, Mo, W, and combinations thereof.

이때 상기 양극 활물질은 탄산 가스의 존재 하에 적어도 하나의 니켈, 코발트 또는 망간을 함유하는 금속염 수용액, 염기성 킬레이팅제 및 염기성 수용액을 반응기에 동시에 혼합하여 금속 탄산염 침전물을 제조하는 단계; At this time, the positive electrode active material in the presence of carbonic acid gas at least one of a nickel salt, cobalt or manganese solution containing a metal salt aqueous solution, a basic chelating agent and a basic aqueous solution simultaneously to prepare a metal carbonate precipitate;

상기 금속 탄산염 침전물을 건조시키거나 열처리하여 금속 전구체를 제조하는 단계; 및Drying or heat treating the metal carbonate precipitate to prepare a metal precursor; And

상기 금속 전구체와 리튬염을 혼합한 후, 열처리하는 단계를 거쳐 제조된다.After mixing the metal precursor and the lithium salt, it is prepared through a heat treatment step.

이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

종래 커패시터의 양극 및 음극의 활물질로는 활성탄과 같은 탄소재가 가장 널리 사용되고 있다. 상기 탄소재는 빠른 충방전에서 장수명의 특성을 가지고 있으나 많은 에너지를 저장할 수 없는 특성을 가지고 있으며, 저장된 에너지를 오랫 동안 보존할 수 없는 단점이 있다. 이에 본 발명에서는 상기 탄소재의 단점을 보완하여 과량의 에너지를 저장할 수 있을 뿐만 아니라 저장된 에너지를 오랫동안 보존할 수 있는 양극 활물질을 포함하는 하이브리드 커패시터를 제조하였다.As the active material of the positive electrode and the negative electrode of the conventional capacitor, a carbon material such as activated carbon is most widely used. The carbon material has a characteristic of long life in fast charging and discharging, but has a property of not storing a lot of energy, and has a disadvantage of not storing the stored energy for a long time. Accordingly, in the present invention, a hybrid capacitor including a cathode active material which can not only store excess energy but also preserve stored energy for a long time by supplementing the shortcomings of the carbon material is manufactured.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 하이브리드 커패시터의 개략도이다.  도 1을 참조하면, 양극(6), 음극(8), 이 양극(6) 및 음극(8) 사이에 세퍼레이터(3)를 배치하여 커패시터를 제조하고, 이를 케이스(7) 내에 위치시키고 전해액(5)을 주입하여, 상기 양극(6), 음극(8), 및 세퍼레이터(3)가 전해액(5)에 함침되도록 한다.  이때 양극(6) 및 음극(8)은 전지 작용시 발생되는 전류를 집전하기 위한 역할로서 도전성 리드 부재(2, 4)가 각기 부착되고, 이 리드 부재는 각기 양, 음극(6, 8)에서 발생된 전류를 양, 음극 단자로 유도하게 된다.  1 is a schematic diagram of a hybrid capacitor according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a capacitor 3 is prepared by arranging a separator 3 between a positive electrode 6, a negative electrode 8, and a positive electrode 6 and a negative electrode 8. 5) is injected so that the positive electrode 6, the negative electrode 8, and the separator 3 are impregnated with the electrolyte 5. At this time, the positive electrode 6 and the negative electrode 8 serve to collect current generated during the action of the battery, and the conductive lead members 2 and 4 are attached to the positive electrode 6 and the negative electrode 6 and 8, respectively. The generated current is induced to the positive and negative terminals.

도 1에 도시한 하이브리드 커패시터는 일 실시 형태이며 본 발명의 하이브리드 커패시터가 이 형상으로 한정되는 것은 아니며, 커패시터로서 작동할 수 있는 어떠한 형상도 가능함은 당연하다.The hybrid capacitor shown in FIG. 1 is one embodiment, and the hybrid capacitor of the present invention is not limited to this shape, and any shape capable of acting as a capacitor is possible.

본 발명에 따른 하이브리드 커패시터는 양극 활물질을 포함하는 양극; 음극 활물질을 포함하는 음극; 및 이들 사이에 존재하는 전해질을 포함하고, 상기 양극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션/디인터칼레이션이 가능한 화합물을 사용한다. 이때 상기 음극 활물질로는 탄소재를 사용한다.The hybrid capacitor according to the present invention includes a positive electrode including a positive electrode active material; A negative electrode including a negative electrode active material; And an electrolyte present therebetween, and a compound capable of reversible intercalation / deintercalation of lithium is used as the cathode active material. At this time, a carbon material is used as the negative electrode active material.

바람직하기로 상기 리튬의 가역적인 인터칼레이션/디인터칼레이션이 가능한 화합물은 리튬 복합금속 산화물 또는 리튬 함유 칼코게나이드 화합물이다. Preferably, the compound capable of reversible intercalation / deintercalation of lithium is a lithium composite metal oxide or a lithium-containing chalcogenide compound.

더욱 바람직하기로, 상기 양극 활물질은 적어도 하나의 Ni, Co 또는 Mn의 금 속을 포함하며, 선택적으로 Mg, Al, Cr, V, Ti, Cr, Fe, Zr, Zn, Si, Y, Nb, Ga, Sn, Mo, W 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속을 포함한다.More preferably, the positive electrode active material comprises at least one metal of Ni, Co or Mn, optionally Mg, Al, Cr, V, Ti, Cr, Fe, Zr, Zn, Si, Y, Nb, One metal selected from the group consisting of Ga, Sn, Mo, W, and combinations thereof.

가장 바람직하기로, 상기 양극 활물질은 하기 화학식 1 또는 2로 표시되는 화합물이 가능하다:Most preferably, the cathode active material may be a compound represented by Formula 1 or 2 below:

[화학식 1][Formula 1]

LiaNi1 -x-y- zCoxMnyMzO2 Pδ Li a Ni 1 -xy- z Co x Mn y M z O 2 P δ

(상기 화학식 1에서, M은 Mg, Al, Cr, V, Ti, Cr, Fe, Zr, Zn, Si, Y, Nb, Ga, Sn, Mo 및 W로 이루어진 군에서 선택된 1종의 원소이고, P는 F 또는 S 중에서 선택된 원소이고, 0.95≤a≤1.2, 0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.3, 및 0≤δ≤0.1이다.)(In Formula 1, M is one element selected from the group consisting of Mg, Al, Cr, V, Ti, Cr, Fe, Zr, Zn, Si, Y, Nb, Ga, Sn, Mo and W, P is an element selected from F or S, and 0.95 ≦ a ≦ 1.2, 0 ≦ x ≦ 0.5, 0 ≦ y ≦ 0.5, 0 ≦ z ≦ 0.3, and 0 ≦ δ ≦ 0.1.)

[화학식 2][Formula 2]

LiaNixCoyMn2 -x-y- zMzO4 Pδ Li a Ni x Co y Mn 2 -xy- z M z O 4 P δ

(상기 화학식 2에서, M은 Mg, Al, Cr, V, Ti, Cr, Fe, Zr, Zn, Si, Y, Nb, Ga, Sn, Mo 및 W로 이루어진 군에서 선택된 1종의 원소이고, P는 F 또는 S 중에서 선택된 원소이고, 0.95≤a≤1.2, 0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.3 및 0≤δ≤0.1이다.)(In Formula 2, M is one element selected from the group consisting of Mg, Al, Cr, V, Ti, Cr, Fe, Zr, Zn, Si, Y, Nb, Ga, Sn, Mo and W, P is an element selected from F or S, and 0.95≤a≤1.2, 0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.3 and 0≤δ≤0.1.)

이때 상기 양극 활물질은 큐빅 결정 구조를 가지는 스피넬 화합물이다.At this time, the positive electrode active material is a spinel compound having a cubic crystal structure.

상기 양극 활물질은 입자 크기가 20 내지 500 nm로 표면적이 증가하여 양극 활물질의 입자와 전해액과의 반응 면적을 넓혀 빠른 충방전이 이루어질 때에도 용 량 및 수명 특성을 향상시킨다. 만약 상기 양극 활물질의 입자 크기가 상기 범위 미만이면 입자끼리 응집하여 입자 크기가 증가하고, 상기 범위를 초과하게 되면 낮은 비표면적으로 인해 고율 특성 및 수명 특성이 저하되어 커패시터의 활물질로 사용하기에 부적절한다.The cathode active material has a particle size of 20 to 500 nm, thereby increasing the surface area of particles of the cathode active material and the electrolyte, thereby improving capacity and life characteristics even when rapid charging and discharging is achieved. If the particle size of the positive electrode active material is less than the above range, the particles aggregate to increase the particle size, and if the particle size exceeds the above range, the low specific surface area decreases the high rate characteristic and the service life characteristics, making it inappropriate for use as an active material of a capacitor. .

이러한 양극 활물질은 적어도 3 m2/g 이상의 비표면적을 가지고, 바람직하기로 3 내지 100 m2/g의 비표면적을 가진다. 만약 상기 비표면적의 크기가 범위 미만이면 고율 특성 및 수명 특성이 현저히 저하된다.Such a positive electrode active material has a specific surface area of at least 3 m 2 / g or more, and preferably has a specific surface area of 3 to 100 m 2 / g. If the size of the specific surface area is less than the range, the high rate characteristic and the service life characteristic are significantly degraded.

따라서 본 발명의 양극활물질은 Ni, Co, 또는 Mn을 포함하는 리튬 전이 금속 복합 산화물로서 기존의 전기 이중층 커패시터의 활성탄의 단점인 낮은 비방전용량 및 자가방전률을 월등히 향상시켜 뛰어난 성능의 하이브리드 커패시터를 설계할 수 있다.Therefore, the positive electrode active material of the present invention is a lithium transition metal composite oxide containing Ni, Co, or Mn, and greatly improves the low specific discharge and self discharge rate, which are disadvantages of the activated carbon of the conventional electric double layer capacitor, to design a hybrid capacitor with excellent performance. can do.

이러한 양극 활물질은, Such a positive electrode active material,

탄산 가스의 존재하에 적어도 하나의 니켈, 코발트 또는 망간을 함유하는 금속염 수용액, 염기성 킬레이팅제 및 염기성 수용액을 반응기에 동시에 혼합하여 금속 탄산염 침전물을 제조하는 단계;Simultaneously mixing an aqueous metal salt solution, a basic chelating agent and a basic aqueous solution containing at least one nickel, cobalt or manganese in the presence of carbonic acid gas to a reactor to prepare a metal carbonate precipitate;

상기 금속 탄산염 침전물을 건조시키거나 열처리하여 전구체를 제조하는 단계; 및Drying or heat treating the metal carbonate precipitate to prepare a precursor; And

상기 전구체와 리튬염을 혼합한 후, 열처리하는 단계를 거쳐 제조된다.After mixing the precursor and the lithium salt, it is prepared through a heat treatment step.

먼저, 금속 탄산염 침전물의 제조단계로 반응기에 탄산 가스를 주입한 후, 여기에 적어도 하나의 니켈, 코발트 또는 망간을 함유하는 금속염 수용액, 염기성 킬레이팅제 및 염기성 수용액을 반응기에 혼합하여 금속 침전물을 얻는다.First, carbon dioxide gas is injected into the reactor in the step of preparing a metal carbonate precipitate, and then, a metal precipitate solution, a basic chelating agent and a basic aqueous solution containing at least one of nickel, cobalt or manganese are mixed in the reactor to obtain a metal precipitate. .

상기 금속염 수용액은 적어도 하나의 니켈염, 코발트염 및 망간염을 용매에 첨가하여 제조한다. 이때 상기 금속염 수용액은 선택적으로 Mg, Al, Cr, V, Ti, Cr, Fe, Zr, Zn, Si, Y, Nb, Ga, Sn, Mo, W 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 포함하는 염을 더욱 포함할 수 있다.The aqueous metal salt solution is prepared by adding at least one nickel salt, cobalt salt and manganese salt to a solvent. At this time, the aqueous metal salt solution is optionally selected from the group consisting of Mg, Al, Cr, V, Ti, Cr, Fe, Zr, Zn, Si, Y, Nb, Ga, Sn, Mo, W and combinations thereof It may further comprise a salt comprising.

상기 금속염으로는 황산염, 질산염, 초산염, 할라이드 등이 사용될 수 있으며 물에 용해될 수 있으면 되므로 특별히 한정되지는 않는다. As the metal salt, sulfates, nitrates, acetates, halides, and the like may be used, and are not particularly limited, as long as they can be dissolved in water.

또한, 상기 금속염 수용액은 고용량 특성을 가지도록 니켈, 코발트, 망간, 및 Mg, Al, Cr, V, Ti, Cr, Fe, Zr, Zn, Si, Y, Nb, Ga, Sn, Mo, W 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속의 몰 비를 조절하여 혼합한다. 이러한 몰 비는 얻고자 하는 양극 활물질의 금속 조성에 따라 용이하게 산출될 수 있다.In addition, the aqueous metal salt solution is nickel, cobalt, manganese, and Mg, Al, Cr, V, Ti, Cr, Fe, Zr, Zn, Si, Y, Nb, Ga, Sn, Mo, W and The molar ratio of one metal selected from the group consisting of these is adjusted and mixed. This molar ratio can be easily calculated according to the metal composition of the positive electrode active material to be obtained.

상기 금속염 수용액의 농도는 1 M 내지 3 M인 것이 바람직하다. 상기 염기성 킬레이팅제로는 암모니아 수용액, 황산 암모늄 수용액, 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있다. 상기 염기성 킬레이팅제와 금속염 수용액의 몰 비는 0.05 내지 0.5 : 1인 것이 바람직하다.It is preferable that the density | concentration of the said metal salt aqueous solution is 1M-3M. As the basic chelating agent, an aqueous ammonia solution, an aqueous ammonium sulfate solution, a mixture thereof, and the like may be used. It is preferable that the molar ratio of the said basic chelating agent and the metal salt aqueous solution is 0.05-0.5: 1.

상기 염기성 킬레이팅제의 몰 비를 금속 수용액 1몰에 대하여 0.05 내지 0.5몰로 한 것은 염기성 킬레이팅제는 금속과 1 대 1 이상으로 반응하여 착체를 형성하지만, 이 착체가 가성소다와 같은 염기성 수용액과 반응하고 남은 염기성 킬레이팅제가 중간 생성물로 변하여 염기성 킬레이팅제로 회수되어 사용될 수 있기 때문 이며, 나아가 이것이 양극 활물질의 결정성을 높이고 안정화하기 위한 최적의 조건이기 때문이다. When the molar ratio of the basic chelating agent is 0.05 to 0.5 moles with respect to 1 mole of the metal aqueous solution, the basic chelating agent reacts with the metal at least 1 to 1 to form a complex, but the complex is mixed with a basic aqueous solution such as caustic soda. This is because the basic chelating agent remaining after the reaction can be converted into an intermediate product and recovered and used as a basic chelating agent, which is also an optimal condition for increasing and stabilizing crystallinity of the positive electrode active material.

상기 염기성 수용액으로는, Na2CO3, K2CO3, 및 NH4HCO3로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다. As the basic aqueous solution, one or more selected from the group consisting of Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , and NH 4 HCO 3 can be used.

상기 염기성 수용액의 농도는 2 M 내지 4 M의 것을 사용하는 것이 바람직하다. It is preferable to use the thing of 2M-4M as the density | concentration of the said basic aqueous solution.

전술한 바의 금속염 수용액, 염기성 킬레이팅제 및 염기성 수용액은 탄산 가스의 존재하에 혼합되어 금속 탄산염으로 전환되고, 이러한 금속 탄산염은 반응기 하부로 침전하여 금속 탄산염 침전물이 제조된다. 이때 주입되는 탄산 가스는 금속 침전물이 탄산염으로 만들어질 수 있는 분위기를 만들어 준다.The aqueous metal salt solution, the basic chelating agent and the basic aqueous solution as described above are mixed in the presence of carbon dioxide gas to be converted to the metal carbonate, which is precipitated to the bottom of the reactor to prepare a metal carbonate precipitate. The carbon dioxide gas injected at this time creates an atmosphere in which the metal precipitate is made of carbonate.

이때 반응은 pH가 5 내지 9가 되도록 조절하고, 고밀도의 복합금속 탄산염을 얻기 위해 30 내지 80 ℃의 온도에서 수행한다. 상기 반응은 4 내지 30 시간, 바람직하기로 4 내지 12시간 동안 수행하며, 공침 반응은 반응이 정상상태에 도달 한 후에 상기 반응물에 대해 정상상태 지속시간을 주어 좀 더 밀도 높은 복합금속 탄산염 침전물을 얻을 수 있다. 이때 교반은 500 내지 2000 rpm의 속도로 수행하며, 이때 pH 조절은 염기성 용액을 더욱 첨가하여 조절한다.At this time, the reaction is adjusted to a pH of 5 to 9, and carried out at a temperature of 30 to 80 ℃ to obtain a high-density composite metal carbonate. The reaction is carried out for 4 to 30 hours, preferably 4 to 12 hours, and the coprecipitation reaction gives a steady state duration for the reactants after the reaction reaches steady state to obtain a denser complex metal carbonate precipitate. Can be. At this time, the stirring is performed at a speed of 500 to 2000 rpm, and the pH is adjusted by further adding a basic solution.

이와 같은 공침 반응이 수행되는 반응기는 이 분야에서 사용되는 통상적인 반응기가 가능하며, 본 발명에서 한정하지는 않는다. 대표적으로, 반응기 내부에 1 내지 4개의 배플(baffle)이 구비되고, 반응기 코어부의 상하부분의 혼합을 균일 하게 하기 위하여 원통을 구비하며, 역날개식의 회전 날개를 가진 교반 장치가 구비된 반응기가 바람직하다. 상기 배플은 각 반응물질의 혼합시 세기와 물질의 방향를 조절하며, 터블런트(turbulent) 효과를 증대시켜 반응액의 지역적 불균일성을 해결하기 위한 것으로, 반응기 내부로부터 2 내지 3 cm로 이격되어 위치한다. 이러한 반응기를 사용함으로써 공침 반응 후 얻어지는 복합금속 탄산염 공침 화합물의 탭 밀도를 약 10% 이상 향상시킨다. 그 결과 상기 제조된 복합금속 탄산염의 탭 밀도는 1.0 g/㎤이상, 바람직하게는 1.25 g/㎤이상, 보다 바람직하게는 1.5 g/㎤이상이다. The reactor in which such co-precipitation reaction is carried out may be a conventional reactor used in this field, but is not limited in the present invention. Typically, a reactor having 1 to 4 baffles inside the reactor, a cylinder for uniformly mixing the upper and lower portions of the reactor core portion, and a reactor equipped with a stirring device having a reverse wing rotary blade. desirable. The baffle is to control the intensity and direction of the material when mixing the respective reactants, to increase the turbulent effect to solve the local non-uniformity of the reaction solution, located 2 to 3 cm from the inside of the reactor. By using such a reactor, the tap density of the composite metal carbonate coprecipitation compound obtained after the coprecipitation reaction is improved by about 10% or more. As a result, the tap density of the prepared composite metal carbonate is 1.0 g / cm 3 or more, preferably 1.25 g / cm 3 or more, and more preferably 1.5 g / cm 3 or more.

다음으로, 상기 단계에서 얻어진 금속 탄산염 침전물을 통상의 여과 장치를 이용하여 여과한 다음 건조하거나 열처리하여 금속 전구체를 얻는다. 이때 건조만 수행하는 경우 금속 전구체는 탄산염 형태를 유지하며, 열처리를 수행하게 되면 산화물 형태로 전환된다.Next, the metal carbonate precipitate obtained in the above step is filtered using a conventional filtration apparatus and then dried or heat treated to obtain a metal precursor. In this case, when only drying is performed, the metal precursor maintains a carbonate form, and when the heat treatment is performed, the metal precursor is converted into an oxide form.

상기 건조는 50 내지 120 ℃에서 5 내지 18 시간 동안 수행하고, 상기 열처리는 400 내지 600 ℃에서 5 내지 15시간 동안 수행한다.The drying is performed for 5 to 18 hours at 50 to 120 ℃, the heat treatment is carried out for 5 to 15 hours at 400 to 600 ℃.

다음으로, 상기 단계에서 얻어진 금속 전구체와 리튬염을 얻어진 혼합물을 열처리하여 본 발명에 따른 양극 활물질을 제조한다. Next, the cathode active material according to the present invention is prepared by heat-treating the mixture obtained from the metal precursor and the lithium salt obtained in the above step.

이때 리튬염은 리튬 나이트레이트, 리튬 아세테이트, 리튬 카보네이트, 리튬 하이드록사이드 및 이들로 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 1종이 가능하다.In this case, the lithium salt may be one selected from the group consisting of lithium nitrate, lithium acetate, lithium carbonate, lithium hydroxide, and combinations thereof.

상기 리튬염은 금속 전구체와 0.4:1 내지 2.5:1의 몰비로 혼합하며, 이때 혼합은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며 통상적인 습식 혼합 또는 건식혼합 모두 가능하다.The lithium salt is mixed with the metal precursor in a molar ratio of 0.4: 1 to 2.5: 1, in which the mixing is not particularly limited in the present invention and may be both conventional wet mixing or dry mixing.

이때 선택적으로 금속 전구체 및 리튬염에 더하여 황 또는 플루오라이드를 포함하는 염을 더욱 혼합한다. 상기 플루오라이드를 포함하는 염은 NH4F, HF, AHF(Anhydrous hydrogen fluoride) 등이 가능하다.Optionally a salt comprising sulfur or fluoride is further mixed in addition to the metal precursor and lithium salt. Salts containing the fluoride may be NH 4 F, HF, AHF (Anhydrous hydrogen fluoride) and the like.

상기 첨가되는 황 또는 플루오라이드는 금속 전구체:리튬염: 황 또는 플루오라이드를 1:0.4:0 내지 1:2.5:0.05의 몰비로 혼합한다.The sulfur or fluoride added is mixed with a metal precursor: lithium salt: sulfur or fluoride in a molar ratio of 1: 0.4: 0 to 1: 2.5: 0.05.

상기 열처리는 700 내지 1100 ℃의 산화성 분위기에서 10 내지 30 시간 동안 수행하며, 필요에 따라 예비소성 및 어닐링 공정을 더욱 포함할 수 있다. 이때 상기 열처리 시 산화성 분위기는 산소, 또는 산소를 포함하는 공기를 유입시켜 수행한다. The heat treatment is performed for 10 to 30 hours in an oxidizing atmosphere of 700 to 1100 ℃, it may further comprise a pre-baking and annealing process if necessary. At this time, the oxidizing atmosphere during the heat treatment is performed by introducing oxygen or air containing oxygen.

상기 예비소성은 열처리 공정 전에 금속 전구체와 리튬염의 혼합물을 300 내지 550 ℃에서 2 내지 5시간 동안 수행할 수 있다. 또한 상기 열처리 공정 이후 600 내지 750 ℃에서 5 내지 20 시간 동안 어닐링 공정을 실시할 수 있다.The prebaking may be performed for 2 to 5 hours at 300 to 550 ° C. for a mixture of the metal precursor and the lithium salt before the heat treatment process. In addition, the annealing process may be performed at 600 to 750 ° C. for 5 to 20 hours after the heat treatment process.

이와 같은 단계를 거쳐 제조된 양극 활물질은 도전제, 및 바인더를 혼합하여 양극 형성용 조성물을 제조한 후, 이 조성물을 알루미늄 포일 등의 양극 전류 집전체에 도포한 후 압연하여 본 발명에 따른 하이브리드 커패시터의 양극으로 제조된다.The cathode active material manufactured through the above steps is prepared by mixing a conductive agent and a binder to prepare a composition for forming a cathode, and then applying the composition to a cathode current collector such as aluminum foil and rolling the hybrid capacitor according to the present invention. It is made of anode.

이때 상기 도전제는 화학 변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말, 또는 금속 섬유 등이 가능하다. In this case, the conductive agent may be used as long as it is an electron conductive material without causing chemical change, and examples thereof include metals such as natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, carbon fiber, copper, nickel, aluminum, and silver. Powder, metal fiber or the like.

또한 상기 바인더는 본 발명에서 특별하게 한정하지는 않으며, 이 분야에서 통상적으로 사용되는 것이 가능하다. 대표적으로 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 불소고무 등이 가능하다.In addition, the binder is not particularly limited in the present invention, it is possible to be commonly used in this field. Typically, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylene (PE), polypropylene (PP), fluororubber, and the like are possible.

한편 본 발명에 따른 하이브리드 커패시터의 음극은 음극 활물질, 도전제 및 바인더를 포함하고, 상기 양극과 동일한 공정으로 제조된다.Meanwhile, the negative electrode of the hybrid capacitor according to the present invention includes a negative electrode active material, a conductive agent, and a binder, and is manufactured in the same process as the positive electrode.

이때 음극 활물질은 활성탄이 사용된다. 상기 활성탄은 탄소재료를 수증기 부활처리법, 용융 KOH 부활처리법 등에 의하여 개질시킨 활성탄이 적합하며, 예를 들면, 야자껍질계 활성탄, 페놀계 활성탄, 석유코크스계 활성탄 등을 들 수 있고, 이들의 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. At this time, activated carbon is used as the negative electrode active material. The activated carbon is preferably activated carbon in which a carbon material is modified by steam activating treatment, molten KOH activating treatment, or the like, and examples thereof include palm shell activated carbon, phenol based activated carbon, petroleum coke based activated carbon, and the like. May be used alone or in combination of two or more thereof.

본 발명에 따른 하이브리드 커패시터에 사용가능한 세퍼레이터는 폴리에틸렌 부직포, 폴리프로필렌 부직포, 폴리에스테르 부직포, 폴리아크릴로니트릴 다공성 격리막, 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 헥사플루오로프로판 공중합체 다공성 격리막, 셀룰로스 다공성 격리막, 크라프트지 또는 레이온 섬유 등 전지 및 커패시터 분야에서 일반적으로 사용되는 세퍼레이터라면 특별히 제한되지 않는다.The separator usable in the hybrid capacitor according to the present invention is polyethylene nonwoven fabric, polypropylene nonwoven fabric, polyester nonwoven fabric, polyacrylonitrile porous separator, poly (vinylidene fluoride) hexafluoropropane copolymer porous separator, cellulose porous separator, kraft If the separator is generally used in the field of batteries and capacitors, such as paper or rayon fibers, it is not particularly limited.

한편 본 발명에 따른 하이브리드 커패시터에 충전되는 전해질로는 비수성 전해질 또는 공지된 고체 전해질 등이 사용 가능하며, 리튬염이 용해된 것을 사용한다. Meanwhile, as the electrolyte to be charged in the hybrid capacitor according to the present invention, a nonaqueous electrolyte or a known solid electrolyte may be used, and a lithium salt is used.

상기 리튬염은 커패시터에서 통상적으로 사용되는 리튬염으로서 특별히 제한되지는 않으며, 예를 들면 LiPF6, LiBF4, LiClO4, Li(CF3SO2)2, LiCF3SO3, LiSbF6 또는 LiAsF6 등이 있다.The lithium salt is not particularly limited as a lithium salt commonly used in capacitors, for example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 , LiCF 3 SO 3 , LiSbF 6, or LiAsF 6 Etc.

상기 비수성 전해질의 용매는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 비닐렌카보네이트 등의 환상 카보네이트; 디메틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 디에틸카보네이트 등의 쇄상 카보네이트; 아세트산메틸, 아세트산에틸, 아세트산프로필, 프로피온산메틸, 프로피온산에틸, γ-부티롤락톤 등의 에스테르류; 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란 등의 에테르류; 아세토니트릴 등의 니트릴류; 디메틸포름아미드 등의 아미드류 등을 사용할 수 있다. Although the solvent of the said non-aqueous electrolyte is not specifically limited, Cyclic carbonates, such as ethylene carbonate, a propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate; Chain carbonates such as dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate and diethyl carbonate; Esters such as methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate and γ-butyrolactone; Ethers such as 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, 1,2-dioxane and 2-methyltetrahydrofuran; Nitriles such as acetonitrile; Amides, such as dimethylformamide, etc. can be used.

또한 전해질로서, 폴리에틸렌옥시드, 폴리아크릴로니트릴 등의 중합체 전해질에 전해액을 함침한 겔상 중합체 전해질이나, LiI 및 Li3N 등의 무기 고체 전해질이 가능하다.As the electrolyte, a gel polymer electrolyte in which an electrolyte solution is impregnated with a polymer electrolyte such as polyethylene oxide or polyacrylonitrile, or an inorganic solid electrolyte such as LiI and Li 3 N can be used.

도 2는 하이브리드 커패시터의 에너지 저장원리를 도식한 도면이다.2 is a diagram illustrating an energy storage principle of a hybrid capacitor.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 하이브리드 커패시터는 리튬 이차전지와 유사한 형태의 양극(10)과, 전기 이중층 커패시터 형태의 음극(20)을 구비하여, 양극(10)에 리튬 이온(40)이 산화-환원에 의해 삽입 및 탈착이 되도록 하는 패러데이 반응에 의해 에너지를 충방전을 수행하고, 음극(20)은 전해액 내 음이온(50)이 축적되도록 한다.Referring to FIG. 2, the hybrid capacitor according to the present invention includes a positive electrode 10 similar to a lithium secondary battery and a negative electrode 20 in the form of an electric double layer capacitor, so that the lithium ion 40 is formed on the positive electrode 10. Energy charging and discharging is performed by a Faraday reaction allowing insertion and desorption by redox and redox, and the negative electrode 20 allows the negative electrode 50 to accumulate in the electrolyte.

구체적으로, 방전시에는 전해질 내 리튬 이온(40)이 양극(10)의 벌크 내부에 존재하고, 충전이 수행되면, 상기 리튬 이온(40)이 벌크 내부에서 나와 음극(20)의 계면에서 이중층을 형성하게 된다.Specifically, during discharge, lithium ions 40 in the electrolyte are present in the bulk of the positive electrode 10, and when charging is performed, the lithium ions 40 emerge from the bulk and form a double layer at the interface of the negative electrode 20. To form.

종래 전기 이중층 커패시터는 음극과 양극을 모두 활성탄을 사용하여 충전시에는 전해질 내의 양이온은 음극의 표면으로 음이온은 양극의 표면으로 이동하여 흡착되어 에너지를 저장하였다. In the conventional electric double layer capacitor, both the negative electrode and the positive electrode are activated carbon, and when charged, cations in the electrolyte move to the surface of the negative electrode and the negative ions move to the surface of the positive electrode to store energy.

그에 비해 본 발명에 따른 하이브리드 커패시터는 충전시에 양극활물질 내부에 있던 리튬 이온(40)이 디인터칼레이션 되어 나오며 전해질을 통하여 음극(20)의 표면으로 이동하게 된다. 이렇게 이동된 리튬 이온(40)은 음극(20)의 표면에 흡착되어 에너지를 저장하게 된다. In contrast, the hybrid capacitor according to the present invention deintercalates lithium ions 40 inside the cathode active material at the time of charging and moves to the surface of the cathode 20 through the electrolyte. The lithium ions 40 thus moved are adsorbed on the surface of the cathode 20 to store energy.

이에 본 발명에서의 양극 활물질은 높은 비표면적으로 기존의 전기 이중층 커패시터의 흡착 반응과 함께 리튬 이온의 디인터칼레이션 반응으로 높은 에너지를 저장할 수 있으며 또한 자가방전률을 낮출 수 있다.Accordingly, the positive electrode active material of the present invention can store high energy by deintercalation reaction of lithium ions with adsorption reaction of a conventional electric double layer capacitor with a high specific surface area, and can also lower the self-discharge rate.

이와 같이, 본 발명에 의해 양극 활물질로 리튬의 가역적인 인터칼레이션/디인터칼레이션이 가능한 화합물을 사용하여 전해액과의 반응 면적을 넓혀 빠른 충방전이 이루어질 때에도 용량 및 수명 특성을 증가시켜 하이브리드 커패시터로 바람직하게 사용된다.As described above, the present invention uses a compound capable of reversible intercalation / deintercalation of lithium as a positive electrode active material to increase the reaction area with the electrolyte, thereby increasing capacity and life characteristics even when fast charging and discharging is achieved. It is preferably used as.

이하, 본 발명의 실시예를 들어 본 발명을 상세히 설명하지만, 이들 실시예로 본 발명이 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, although an Example of this invention is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these Examples.

[실시예]EXAMPLE

(( 실시예Example 1)  One) LiLi [[ NiNi 1One /3/ 3 CoCo 1One /3/ 3 MnMn 1One /3/ 3 ]O] O 22 양극 활물질을 포함하는  Containing a positive electrode active material 하이브리드hybrid 커패시터 Capacitor

양극 활물질Positive electrode active material

황산니켈, 황산코발트 및 황산망간이 1:1:1의 몰비로 혼합하여 2.4M 농도의 금속 수용액을 제조하였다. 또한 암모니아 수용액은 4.8 M이고, Na2CO3 수용액은 2.4 M 농도로 제조하였다.Nickel sulfate, cobalt sulfate and manganese sulfate were mixed in a molar ratio of 1: 1: 1 to prepare an aqueous metal solution of 2.4 M concentration. In addition, the aqueous ammonia solution was 4.8 M, Na 2 CO 3 aqueous solution was prepared at a concentration of 2.4 M.

공침 반응기(용량 4L, 회전모터의 출력 80W이상)에 증류수 4 L를 넣은 뒤 탄산가스를 반응기에 0.5리터/분의 속도로 공급함으로써, 용존산소를 제거하고 반응기의 온도를 50 ℃로 유지시키면서 1000 rpm으로 교반하였다. 4L of distilled water was added to the coprecipitation reactor (capacity 4L, the output of the rotary motor more than 80W), and carbon dioxide gas was supplied to the reactor at a rate of 0.5 liter / min to remove dissolved oxygen and to maintain the reactor temperature at 50 ° C. Stirred at rpm.

상기 공침 반응기에 금속 수용액을 0.3 리터/시간으로, 암모니아 수용액을 0.03 리터/시간으로 반응기에 연속적으로 투입하였다. 이때 pH 조정을 위해 Na2CO3 수용액을 공급하여 pH가 7.5로 유지되도록 하였다. In the coprecipitation reactor, a metal aqueous solution was continuously added to the reactor at 0.3 liter / hour and an aqueous ammonia solution at 0.03 liter / hour. At this time, the pH was adjusted to maintain a pH of 7.5 by supplying a Na 2 CO 3 aqueous solution.

이어서 반응기의 임펠러 속도를 1000 rpm으로 조절하여 공침 반응을 수행하였다. 이때 유량을 조절하여 용액의 반응기 내의 평균 체류시간은 6 시간 정도가 되도록 하였으며, 반응이 정상상태에 도달 한 후에 상기 반응물에 대해 정상상태 지속시간을 10 시간 주어 밀도가 보다 금속 탄산염 침전물을 얻었다.Subsequently, co-precipitation reaction was performed by adjusting the impeller speed of the reactor to 1000 rpm. At this time, the flow rate was adjusted so that the average residence time of the solution in the reactor was about 6 hours. After the reaction had reached a steady state, a steady state duration was given to the reactant for 10 hours to obtain a metal carbonate precipitate having a higher density.

상기 얻어진 금속 탄산염 침전물을 여과하고, 물로 세척한 후에 110 ℃의 온풍 건조기에서 15 시간 동안 건조하였다. 연속해서 1 ℃/min의 승온 속도로 가열한 후 500 ℃에서 10시간 유지시켜 금속 전구체를 얻었다.The obtained metal carbonate precipitate was filtered, washed with water and dried in a warm air dryer at 110 ° C. for 15 hours. After continuously heating at a temperature increase rate of 1 ° C./min, the mixture was maintained at 500 ° C. for 10 hours to obtain a metal precursor.

다음으로, 상기 금속 전구체와 리튬염으로 리튬 나이트레이트(LiNO3)와 1:1.15 몰비로 혼합한 후에 2 ℃/min의 승온 속도로 가열한 후 280 ℃에서 10 시간 동안 1차 소성을 수행하였다. 다음으로, 850 ℃에서 20 시간 소성시킨 후, 600 ℃에서 10 시간 어닐링하여 Li[Ni1 /3Co1 /3Mn1 /3]O2의 리튬 복합금속 산화물을 제조하였다.Next, the mixture was mixed with lithium nitrate (LiNO 3 ) in a 1: 1.15 molar ratio with the metal precursor and the lithium salt, and then heated at a temperature increase rate of 2 ° C./min, followed by primary firing at 280 ° C. for 10 hours. Next, to prepare a laminate was dried at 850 20 sigan calcined, Li lithium composite metal oxide of [Ni 1/3 Co 1/ 3 Mn 1/3] O 2 for 10 hours annealing at 600 ℃.

커패시터Capacitor

상기에서 제조된 리튬 복합금속 산화물(Li[Ni1 /3Co1 /3Mn1 /3]O2)과, 도전제로 아세틸렌 블랙을, 결합제로 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)를 80:10:10의 중량비로 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리를 20 ㎛ 두께의 알루미늄박에 균일하게 도포하고, 120 ℃에서 진공 건조하여 하이브리드 커패시터용 양극을 제조하였다.The lithium composite metal oxide prepared in (Li [Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3] O 2) , and a conductive agent of acetylene black, a binder a 80:10 polyvinylidene fluoride (PVDF): Slurry was prepared by mixing at a weight ratio of 10. The slurry was uniformly applied to an aluminum foil having a thickness of 20 μm, and vacuum dried at 120 ° C. to prepare a positive electrode for a hybrid capacitor.

상기 제조된 커패시터용 양극을 사용하고, 상대 전극으로 활성탄을 사용하고, 다공성 폴리에틸렌막(셀가르드 엘엘씨 제, Celgard 2300, 두께: 25㎛)을 세퍼레이터로 사용하고, 프로필렌 카보네이트 용매에 LiBF4가 1 M 농도로 녹아있는 액체 전해액을 사용하여 통상적으로 알려져 있는 제조공정에 따라 코인형의 하이브리드 커패시터를 제조하였다.The capacitor anode prepared above was used, activated carbon was used as a counter electrode, a porous polyethylene membrane (Celgard ELC, Celgard 2300, thickness: 25 µm) was used as a separator, and LiBF 4 was 1 in propylene carbonate solvent. Coin-type hybrid capacitors were manufactured according to a commonly known manufacturing process using a liquid electrolyte dissolved in M concentration.

(( 실시예Example 2)  2) LiLi [[ NiNi 00 .5.5 MnMn 1One .5.5 ]O] O 3.953.95 SS 00 .05.05 양극 활물질을 포함하는  Containing a positive electrode active material 하이브리드hybrid 커패시터 Capacitor

양극 활물질Positive electrode active material

황산니켈 및 황산망간을 1:3의 몰비로 혼합하여 2.4 M 농도의 금속 수용액을 제조하였다.Nickel sulfate and manganese sulfate were mixed in a molar ratio of 1: 3 to prepare an aqueous metal solution of 2.4 M concentration.

공침 반응기(용량 4L, 회전모터의 출력 80 W이상)에 증류수 4 L를 넣은 뒤 탄산가스를 반응기에 0.5리터/분의 속도로 공급함으로써, 용존산소를 제거하고 반응기의 온도를 50 ℃로 유지시키면서 1000 rpm으로 교반하였다. 4L of distilled water was added to the coprecipitation reactor (capacity 4L, the output of the rotary motor more than 80W), and carbon dioxide gas was supplied to the reactor at a rate of 0.5 liters / minute, thereby removing dissolved oxygen and maintaining the temperature of the reactor at 50 ° C. Stir at 1000 rpm.

상기 공침 반응기에 금속 수용액을 0.3 리터/시간으로, 4.8 M의 암모니아 수용액을 0.03 리터/시간으로 반응기에 연속적으로 투입하였다. 이때 pH 조정을 위해 2.4 M의 Na2CO3 수용액을 공급하여 pH가 7.5로 유지되도록 하였다. In the coprecipitation reactor, a metal aqueous solution was continuously added to the reactor at 0.3 liter / hour, and a 4.8 M aqueous ammonia solution at 0.03 liter / hour. At this time, the pH was adjusted to maintain a pH of 7.5 by supplying an aqueous solution of Na 2 CO 3 for pH adjustment.

이어서 반응기의 임펠러 속도를 1000 rpm으로 조절하여 공침 반응을 수행하였다. 이때 유량을 조절하여 용액의 반응기 내의 평균 체류시간은 6 시간 정도가 되도록 하였으며, 반응이 정상상태에 도달 한 후에 상기 반응물에 대해 정상상태 지속시간을 10 시간 주어 밀도가 보다 금속 탄산염 침전물을 얻었다.Subsequently, co-precipitation reaction was performed by adjusting the impeller speed of the reactor to 1000 rpm. At this time, the flow rate was adjusted so that the average residence time of the solution in the reactor was about 6 hours. After the reaction had reached a steady state, a steady state duration was given to the reactant for 10 hours to obtain a metal carbonate precipitate having a higher density.

상기 얻어진 금속 탄산염 침전물을 여과하고, 물로 세척한 후에 110 ℃의 온풍 건조기에서 15 시간 동안 건조하였다. 연속해서 1 ℃/min의 승온 속도로 가열한 후 500 ℃에서 10시간 유지시켜 금속 전구체를 얻었다.The obtained metal carbonate precipitate was filtered, washed with water and dried in a warm air dryer at 110 ° C. for 15 hours. After continuously heating at a temperature increase rate of 1 ° C./min, the mixture was maintained at 500 ° C. for 10 hours to obtain a metal precursor.

다음으로, 상기 금속 전구체와 리튬 나이트레이트(LiNO3) 및 황을 1.05:2:0.05의 몰비로 혼합한 후에 2 ℃/min의 승온 속도로 가열한 후 500 ℃에서 10 시간 동안 1차 소성을 수행하였다. 다음으로, 1000 ℃에서 12 시간 소성시킨 후, 700 ℃에서 20 시간 어닐링하여 Li[Ni1 /3Co1 /3Mn1 /3]O2의 리튬 복합금속 산화물을 제조하였다.Next, the metal precursor, lithium nitrate (LiNO 3 ) and sulfur were mixed at a molar ratio of 1.05: 2: 0.05, and then heated at a temperature increase rate of 2 ° C./min, followed by primary firing at 500 ° C. for 10 hours. It was. Next, it was prepared 12 hours after baking, by 20 hours annealing at 700 ℃ Li of the lithium complex [Ni 1/3 Co 1/ 3 Mn 1/3] O 2 metal oxide in 1000 ℃.

커패시터Capacitor

양극 활물질로 상기에서 제조된 Li[Ni0 .5Mn1 .5]O3.95S0 . 05을 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 하이브리드 커패시터를 제조하였다.Prepared in the above as a cathode active material Li [Ni 0 .5 Mn 1 .5 ] O 3.95 S 0. A hybrid capacitor was manufactured in the same manner as in Example 1, except that 05 was used.

(( 비교예Comparative example 1) 전기  1) electricity 이중층Double layer 커패시터 Capacitor

두 개의 활성탄을 전극으로 하여, 다공성 폴리에틸렌막(셀가르드 LLC 제, Celgard 2300, 두께: 25㎛)을 세퍼레이터로 하고, 프로필렌 카보네이트 용매에 LiBF4가 1 M 농도로 녹아있는 액체 전해액을 사용하여, 실시예 1과 동일한 방법으로 코인형의 전기 이중층 커패시터를 제조하였다.Using two activated carbons as electrodes, a porous polyethylene membrane (Celgard LLC, Celgard 2300, thickness: 25 µm) was used as a separator, and a liquid electrolyte in which LiBF 4 was dissolved at a concentration of 1 M in a propylene carbonate solvent was used. A coin type electric double layer capacitor was manufactured in the same manner as in Example 1.

(( 비교예Comparative example 2)  2) 하이브리드hybrid 커패시터 Capacitor

탄산 가스 대신 질소 가스를 사용하고 2.4M의 Na2CO3 수용액 대신 4.8M의 NaOH 수용액을 사용하고 pH가 7.5 대신 11로 유지되는 것을 제외하고, 상기 실시예 2와 동일하게 수행하였으며, 이러한 수산화염 공침법에 의해 Li[Ni0 .5Mn1 .5]O3.95S0 . 05을 제조하고, 이를 이용하여 하이브리드 커패시터를 제조하였다.This was carried out in the same manner as in Example 2, except that nitrogen gas was used instead of carbon dioxide, 4.8 M aqueous NaOH solution instead of 2.4 M aqueous Na 2 CO 3 solution, and the pH was maintained at 11 instead of 7.5. by co-precipitation Li [Ni 0 .5 Mn 1 .5 ] O 3.95 S 0. 05 was manufactured, and a hybrid capacitor was manufactured using the same.

(( 실험예Experimental Example 1)  One) LiLi [[ NiNi 1One /3/ 3 CoCo 1One /3/ 3 MnMn 1One /3/ 3 ]O] O 22 물성 분석 Physical property analysis

상기 실시예 1에서 제조된 화합물의 물성을 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM), 투과전자현미경(TEM) 및 X-레이 회절기를 이용하여 측정하였다.The physical properties of the compound prepared in Example 1 were measured using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM), a transmission electron microscope (TEM) and an X-ray diffractometer.

도 3은 실시예 1에서 제조된 Li[Ni1 /3Co1 /3Mn1 /3]O2의 전계방출 주사전자현미경 사진(6000 배 확대)이고, 도 4는 15000 배 확대된 사진이다. 도 5는 실시예 1에서 제조된 Li[Ni1 /3Co1 /3Mn1 /3]O2의 투과전자현미경 사진이다.3 is performed, and Example 1, Li [Ni 1/3 Co 1 /3 Mn 1/3] The field emission of O 2 a scanning electron microscope manufactured by picture (6000-fold magnification), Figure 4 is an enlarged photograph 15,000 times. 5 is a transmission electron microscopic photo of Li [Ni 1/3 Co 1 /3 Mn 1/3] O 2 produced in Example 1.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 실시예 1에서 제조된 Li[Ni1 /3Co1 /3Mn1 /3]O2이 구형의 입자를 갖는 것을 확인할 수 있으며, 100 내지 500 nm의 나노 수준의 입자 크기를 가짐을 알 수 있다. 이때의 비표면적은 약 5.3 m2/g으로 측정되었다.A 3 to Referring to Figure 5, prepared in Example 1 Li [Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3] O 2 is to check that it has particles of a spherical, nano-scale of 100 to 500 nm It can be seen that it has a particle size of. The specific surface area at this time was measured to be about 5.3 m 2 / g.

도 6은 실시예 1에서 제조된 Li[Ni1 /3Co1 /3Mn1 /3]O2의 X-선 회절패턴이다. Figure 6 is a X- ray diffraction patterns of the Li [Ni 1/3 Co 1 /3 Mn 1/3] O 2 produced in Example 1.

도 6을 참조하면, 분말의 회절피크에서 (006)과 (102) 피크 분리, (018)과 (110) 피크 분리가 잘 나타나 있고, (003)과 (104) 피크비가 1 이상인 것으로부터 상기 화합물은 공간군 R-3m을 가지는 헥사고날(hexagonal)-NaFeO2 구조를 가지며, 결정성이 우수한 층상 화합물임을 알 수 있다.6, (006) and (102) peak separation, (018) and (110) peak separation are well shown in the diffraction peaks of the powder, and the compound from the (003) and (104) peak ratios of 1 or more. Has a hexagonal-NaFeO 2 structure having a space group R-3m, and it can be seen that it is a layered compound having excellent crystallinity.

(( 실험예Experimental Example 2)  2) LiLi [[ NiNi 00 .5.5 MnMn 1One .5.5 ]O] O 3.953.95 SS 00 .05 .05 물성 분석Physical property analysis

상기 실시예 2에서 제조된 화합물의 물성을 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM) 및 X-레이 회절기를 이용하여 측정하였다.The physical properties of the compound prepared in Example 2 were measured using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) and an X-ray diffractometer.

도 7은 실시예 2에서 제조된 Li[Ni0 .5Mn1 .5]O3.95S0 .05의 전계방출 주사전자현미경 사진(6000 배 확대)이고, 도 8은 15000 배 확대된 사진이다.7 is a second embodiment of Li prepared from [Ni 0 .5 Mn 1 .5] O 3.95 0 .05 S of the field emission scanning electron micrograph (6000 times magnification), Figure 8 is an enlarged photograph 15,000 times.

도 7 및 도 8을 참조하면, 실시예 2에서 제조된 Li[Ni0 .5Mn1 .5]O3.95S0 . 05은 상기 실시예 1에서와 마찬가지로 구형의 입자를 갖는 것을 확인할 수 있으며, 입자 크기라 100 내지 500 nm로 나노 수준의 입자 크기를 가짐을 알 수 있다. 이때의 비표면적은 약 4.8 m2/g으로 측정되었다.7, the Li prepared in Example 2, and when referring to Fig. 8 [Ni 0 .5 Mn 1 .5 ] O 3.95 S 0. 05 may be confirmed to have spherical particles as in Example 1, it can be seen that the particle size of the nano-level to 100 to 500 nm. The specific surface area at this time was measured to be about 4.8 m 2 / g.

도 9는 실시예 2에서 제조된 Li[Ni0 .5Mn1 .5]O3.95S0 .05의 X-선 회절 패턴이다. 도 9를 참조하면, 분말의 회절피크에서 (533)과 (622) 피크 분리가 잘 나타나 있고, (111)과 (311) 피크비가 2에 가깝고, (311)과 (400) 피크가 거의 비슷한 것으로부터 공간군 Fd3m을 가지는 큐빅(Cubic) 결정 구조를 가지는 스피넬 화합물임을 알 수 있다.9 is an X- ray diffraction patterns of the Li [Ni Mn 0 .5 1 .5] O S 0 .05 3.95 prepared in Example 2. Referring to FIG. 9, (533) and (622) peak separations are well shown in the diffraction peaks of the powder, the peak ratio of (111) and (311) is close to 2, and the peaks of (311) and (400) are almost similar. It can be seen that the spinel compound having a cubic (Cubic) crystal structure having a space group Fd3m.

( ( 실험예Experimental Example 3) 수명 특성 3) lifespan characteristics

(1) (One) 실시예Example 1과  1 lesson 비교예Comparative example 1의 비교 Comparison of 1

상기 실시예 1에서 제조된 하이브리드 커패시터와, 비교예 1에서 제조된 전기 이중층 커패시터의 특성을 알아보기 위해 전기화학 분석장치(Toyo System, Toscat 3100U)를 사용하여 하이브리드 커패시터의 경우 0.2 내지 2.2 V 영역에서, 전기이중층 커패시터의 경우 0 내지 2.7 V 영역에서 커패시터의 특성을 평가하였으며, 얻어진 결과를 도 10에 나타내었다.In order to determine the characteristics of the hybrid capacitor manufactured in Example 1 and the electric double layer capacitor manufactured in Comparative Example 1, an electrochemical analyzer (Toyo System, Toscat 3100U) was used in a 0.2 to 2.2 V region for a hybrid capacitor. In the case of the electric double layer capacitor, the characteristics of the capacitor were evaluated in the 0 to 2.7 V region, and the obtained results are shown in FIG. 10.

도 10은 실시예 1에서 제조된 하이브리드 커패시터와, 비교예 1에서 제조된 전기 이중층 커패시터의 첫번째 싸이클의 충방전 곡선을 보여주는 그래프이다. 10 is a graph showing charge and discharge curves of the first cycle of the hybrid capacitor manufactured in Example 1 and the electric double layer capacitor prepared in Comparative Example 1. FIG.

도 10을 참조하면, 본 발명에 따라 양극의 활물질로 Li[Ni1 /3Co1 /3Mn1 /3]O2를 사용한 하이브리드 커패시터(실시예 1)가 활성탄을 사용한 전기 이중층 커패시터 (비교예 1)와 비교하여 높은 에너지 밀도를 가짐을 알 수 있다. 이러한 결과는 본 발명의 양극 활물질이 나노 수준의 입자 크기를 가짐에 따라 활성탄과 비교하여 높은 활성을 가져 빠른 방전에도 용량감소가 적기 때문이다.10, a hybrid capacitor using a Li [Ni 1/3 Co 1 /3 Mn 1/3] O 2 as active materials for positive electrode in accordance with the present invention (Example 1) The electric double layer capacitor using activated carbon (Comparative Example It can be seen that it has a high energy density compared to 1). This result is because the cathode active material of the present invention has a high particle size compared to activated carbon as the nanoparticle size has a small capacity decrease even in a fast discharge.

(2) (2) 실시예Example 2와  2 and 비교예Comparative example 2의 비교 2, comparison

상기 실시예 2 및 비교예 2에서 제조된 하이브리드 커패시터의 충방전 특성을 알아보기 위해 전기화학 분석장치(Toyo System, Toscat 3100U)를 사용하여 1.5 내지 2.8 V 영역에서 커패시터의 특성을 평가하였으며, 얻어진 결과를 도 11에 나타내었다. In order to determine the charge and discharge characteristics of the hybrid capacitors manufactured in Examples 2 and 2, the characteristics of the capacitors were evaluated in the 1.5 to 2.8 V region using an electrochemical analyzer (Toyo System, Toscat 3100U). Is shown in FIG. 11.

도 11은 실시예 2 및 비교예 2에서 제조된 하이브리드 커패시터의 싸이클 변화에 따라 수명 특성을 보여주는 그래프이다. 11 is a graph showing the life characteristics according to the cycle change of the hybrid capacitors prepared in Example 2 and Comparative Example 2.

도 11을 참조하면, 각각의 싸이클은 서로 다른 방전 전류 밀도를 가지며, 그 값은 32, 80, 160, 320, 800, 1600 mA/g의 방전 전류 밀도를 가짐을 알 수 있다.Referring to FIG. 11, each cycle has a different discharge current density, and the value has a discharge current density of 32, 80, 160, 320, 800, and 1600 mA / g.

구체적으로 본 발명에 따라 탄산염 공침법으로 합성된 양극 활물질을 사용한 하이브리드 커패시터(실시예 2)는 높은 방전 전류 밀도에서의 특성이 수산화염 공침법으로 합성된 양극 활물질을 사용한 하이브리드 커패시터(비교예 2)보다 훨씬 우수함을 알 수 있다. Specifically, the hybrid capacitor using the positive electrode active material synthesized by the carbonate co-precipitation method according to the present invention (Example 2) is a hybrid capacitor using the positive electrode active material synthesized by the hydroxide co-precipitation method at a high discharge current density (Comparative Example 2) It is much better than that.

더욱이 32 mA/g의 전류밀도로 방전을 시켰을 때의 비방전용량을 100 %로 하였을 때 낮은 전류 밀도 (80 내지 320 mA/g)에서는 큰 차이를 보이지 않으나 높은 전류 밀도 (800 내지 1600 mA/g)에서는 탄산염 공침법으로 합성된 양극 활물질을 사용한 하이브리드 커패시터가 뛰어난 성능을 나타내는 것을 알 수 있다. Furthermore, when the specific discharge capacity is 100% when discharged at a current density of 32 mA / g, the difference is low at low current density (80 to 320 mA / g) but high current density (800 to 1600 mA / g) It can be seen that the hybrid capacitor using the positive electrode active material synthesized by the carbonate coprecipitation method shows excellent performance.

이러한 결과를 통해 본 발명에 따라 탄산염 공침으로 합성된 양극 활물질이 수산화염 공침법으로 합성된 양극 활물질보다 하이브리드 커패시터에 더 적합함을 알 수 있다. These results show that the cathode active material synthesized by carbonate co-precipitation according to the present invention is more suitable for a hybrid capacitor than the cathode active material synthesized by the hydroxide co-precipitation method.

(( 실험예Experimental Example 4) 용량 특성 4) Capacity Characteristics

상기 실시예 1에서 제조된 하이브리드 커패시터와, 비교예 1에서 제조된 전기 이중층 커패시터의 용량 특성을 알아보기 위해 전기화학 분석장치(Toyo System, Toscat 3100U)를 사용하여 하이브리드 커패시터의 경우 0.2 내지 2.2 V 영역에서, 전기이중층 커패시터의 경우 0 내지 2.7 V 영역에서 충방전을 수행하여 15C에서의 커패시터의 특성을 평가하였으며, 얻어진 결과를 도 12에 나타내었다. 0.2 to 2.2 V region for a hybrid capacitor using an electrochemical analyzer (Toyo System, Toscat 3100U) to determine the capacitance characteristics of the hybrid capacitor prepared in Example 1 and the electric double layer capacitor prepared in Comparative Example 1 In the case of the electric double layer capacitor, charging and discharging were performed in the region of 0 to 2.7 V to evaluate the characteristics of the capacitor at 15C, and the obtained results are shown in FIG. 12.

도 12는 실시예 1에서 제조된 하이브리드 커패시터와, 비교예 1에서 제조된 전기 이중층 커패시터의 싸이클에 따른 비방전용량(specific discharge capacity)을 보여주는 그래프이다. FIG. 12 is a graph showing specific discharge capacity according to a cycle of the hybrid capacitor prepared in Example 1 and the electric double layer capacitor prepared in Comparative Example 1. FIG.

도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 하이브리드 커패시터(실시예 1)가 전기 이중층 커패시터(비교예 1)와 비교하여 월등히 뛰어난 용량을 가짐을 알 수 있다. 비록 상기 하이브리드 커패시터에서 300 싸이클 이후에 약간의 용량 감소가 있었지만 크게 유의할 수준은 아니다.Referring to FIG. 12, it can be seen that the hybrid capacitor (Example 1) according to the present invention has an excellent capacity compared to the electric double layer capacitor (Comparative Example 1). Although there is a slight capacity reduction after 300 cycles in the hybrid capacitor, it is not significant.

(( 실험예Experimental Example 5) 자가 방전 특성 5) Self discharge characteristic

상기 실시예 1에서 제조된 하이브리드 커패시터와, 비교예 1에서 제조된 전기 이중층 커패시터의 자가방전 특성을 알아보기 위해 전기화학 분석장치(Toyo System, Toscat 3100U)를 사용하여 하이브리드 커패시터의 경우 2.2 V까지, 전기이 중층 커패시터의 경우 2.7 V까지 완전히 충전시킨 후, 전류를 가하지 않고 72 시간 동안 자가방전 특성을 관찰하였으며, 얻어진 결과를 도 13에 나타내었다. In order to determine the self-discharge characteristics of the hybrid capacitor manufactured in Example 1 and the electric double layer capacitor manufactured in Comparative Example 1, an electrochemical analyzer (Toyo System, Toscat 3100U) was used, up to 2.2 V for the hybrid capacitor, After fully charged to 2.7 V in the case of the electric multilayer capacitor, self-discharge characteristics were observed for 72 hours without applying current, and the obtained results are shown in FIG. 13.

도 13은 실시예 1에서 제조된 하이브리드 커패시터와, 비교예 1에서 제조된 전기 이중층 커패시터의 시간에 따른 자가 방전량을 보여주는 그래프이다. FIG. 13 is a graph showing the self discharge amount with time of the hybrid capacitor prepared in Example 1 and the electric double layer capacitor prepared in Comparative Example 1. FIG.

도 13을 참조하면, 본 발명에 따른 하이브리드 커패시터(실시예 1)는 72시간 이후 전압 보존율이 88.4%로 11.6%의 자가 방전이 일어났으나, 전기 이중층 커패시터(비교예 1)의 경우 전압 보존율이 60.3%로, 39.7%의 자가 방전이 일어났다. 이러한 결과는 실시예 1의 하이브리드 커패시터가 오랜 시간이 지나도 전위를 장시간 동안 유지함을 의미한다.Referring to FIG. 13, the hybrid capacitor according to the present invention (Example 1) had a self-discharge of 11.6% with a voltage retention of 88.4% after 72 hours, but the voltage retention of an electric double layer capacitor (Comparative Example 1) was increased. At 60.3%, 39.7% of self-discharge occurred. This result means that the hybrid capacitor of Example 1 maintains its potential for a long time even after a long time.

(( 실험예Experimental Example 6) 누전 전류 특성 6) Leakage current characteristic

상기 실시예 1에서 제조된 하이브리드 커패시터와, 비교예 1에서 제조된 전기 이중층 커패시터의 누전 전류 특성을 알아보기 위해 전기화학 분석장치(Toyo System, Toscat 3100U)를 사용하여 하이브리드 커패시터의 경우 2.2 V까지, 전기이중층 커패시터의 경우 2.7 V까지 완전히 충전시킨 후, 충전 전압을 3시간 동안 유지하여 전류 누수 정도를 측정하였으며, 얻어진 결과를 도 14에 나타내었다. To determine the leakage current characteristics of the hybrid capacitor manufactured in Example 1 and the electric double layer capacitor manufactured in Comparative Example 1, using an electrochemical analyzer (Toyo System, Toscat 3100U), up to 2.2 V for the hybrid capacitor, In the case of the electric double layer capacitor, after fully charging to 2.7 V, the current leakage degree was measured by maintaining the charging voltage for 3 hours, and the obtained result is shown in FIG. 14.

도 14는 실시예 1에서 제조된 하이브리드 커패시터와, 비교예 1에서 제조된 전기 이중층 커패시터의 시간에 따른 누전 전류의 변화를 보여주는 그래프이다. 14 is a graph showing a change in the leakage current with time of the hybrid capacitor manufactured in Example 1 and the electric double layer capacitor prepared in Comparative Example 1. FIG.

도 14를 참조하면, 본 발명에 따른 하이브리드 커패시터(실시예 1)는 3시간 동안 전압을 유지시키는 데 필요한 전류가 초기 전류에 비해 거의 0 %에 가까운 전류가 필요하였으나, 전기 이중층 커패시터(비교예 1)의 경우 충전 전압을 유지시키 는데 3시간 후에도 초기 전류의 25% 정도의 전류가 계속해서 필요했다. 이러한 결과를 통해 실시예 1의 하이브리드 커패시터가 에너지 저장 보존 특성이 전기 이중층 커패시터와 비교하여 월등히 우수할 뿐만 아니라 충전된 전위를 유지하는데 드는 전류 또한 적음을 알 수 있다.Referring to FIG. 14, the hybrid capacitor according to the present invention (Example 1) required a current close to 0% of the initial current compared to the initial current for maintaining the voltage for 3 hours, but the electric double layer capacitor (Comparative Example 1 ) Maintained about 25% of the initial current after 3 hours to maintain the charging voltage. These results show that the hybrid capacitor of Example 1 has an excellent energy storage preservation characteristic compared to the electric double layer capacitor, and also has a small current required to maintain a charged potential.

본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다. All simple modifications or changes of the present invention can be easily carried out by those skilled in the art, and all such modifications or changes can be seen to be included in the scope of the present invention.

전술한 바와 같이 본 발명에 의해 양극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션/디인터칼레이션이 가능한 화합물을 사용하고, 음극 활물질로 활성탄을 사용하는 하이브리드 커패시터를 제조하였다. 상기 양극 활물질이 나노 수준의 입자 크기를 가져 비표면적이 크고 고율 특성이 우수함에 따라 고용량, 고효율, 및 장수명의 특성을 가지는 하이브리드 커패시터의 제작이 가능해진다.As described above, according to the present invention, a hybrid capacitor using a compound capable of reversible intercalation / deintercalation of lithium as a cathode active material and using activated carbon as a cathode active material was prepared. As the cathode active material has a particle size of nano level and has a large specific surface area and excellent high rate characteristics, a hybrid capacitor having high capacity, high efficiency, and long lifespan can be manufactured.

Claims (18)

양극 활물질을 포함하는 양극; 음극 활물질을 포함하는 음극; 및 이들 사이에 존재하는 전해질을 포함하고, A positive electrode including a positive electrode active material; A negative electrode including a negative electrode active material; And an electrolyte present between them, 상기 양극 활물질이 하기 화학식 1 또는 2로 표시되는 리튬의 가역적인 인터칼레이션/디인터칼레이션이 가능한 화합물을 포함하는 하이브리드 커패시터.Hybrid electrode comprising a compound capable of reversible intercalation / deintercalation of lithium represented by the formula (1) or (2). [화학식 1][Formula 1] LiaNi1-x-y-zCoxMnyMzO2-δPδ Li a Ni 1-xyz Co x Mn y M z O 2-δ P δ (상기 화학식 1에서, M은 Mg, Al, Cr, V, Ti, Cr, Fe, Zr, Zn, Si, Y, Nb, Ga, Sn, Mo 및 W로 이루어진 군에서 선택된 1종의 원소이고, P는 F 또는 S 중에서 선택된 원소이고, 0.95≤a≤1.2, 0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.3, 및 0≤δ≤0.1이다.)(In Formula 1, M is one element selected from the group consisting of Mg, Al, Cr, V, Ti, Cr, Fe, Zr, Zn, Si, Y, Nb, Ga, Sn, Mo and W, P is an element selected from F or S, and 0.95 ≦ a ≦ 1.2, 0 ≦ x ≦ 0.5, 0 ≦ y ≦ 0.5, 0 ≦ z ≦ 0.3, and 0 ≦ δ ≦ 0.1.) [화학식 2][Formula 2] LiaNixCoyMn2-x-y-zMzO4-δPδ Li a Ni x Co y Mn 2-xyz M z O 4-δ P δ (상기 화학식 2에서, M은 Mg, Al, Cr, V, Ti, Cr, Fe, Zr, Zn, Si, Y, Nb, Ga, Sn, Mo 및 W로 이루어진 군에서 선택된 1종의 원소이고, P는 F 또는 S 중에서 선택된 원소이고, 0.95≤a≤1.2, 0≤x≤0.8, 0≤y≤0.8, 0≤z≤0.3 및 0≤δ≤0.3이다.)(In Formula 2, M is one element selected from the group consisting of Mg, Al, Cr, V, Ti, Cr, Fe, Zr, Zn, Si, Y, Nb, Ga, Sn, Mo and W, P is an element selected from F or S, and 0.95≤a≤1.2, 0≤x≤0.8, 0≤y≤0.8, 0≤z≤0.3, and 0≤δ≤0.3.) 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 리튬의 가역적인 인터칼레이션/디인터칼레이션이 가능한 화합물은 리튬 복합금속 산화물 또는 리튬 함유 칼코게나이드 화합물인 것인 하이브리드 커패시터.The compound capable of reversible intercalation / deintercalation of lithium is a lithium composite metal oxide or a lithium-containing chalcogenide compound. 제2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 리튬의 가역적인 인터칼레이션/디인터칼레이션이 가능한 화합물은 적어도 하나의 Ni, Co 또는 Mn을 포함하는 것인 하이브리드 커패시터.And the compound capable of reversible intercalation / deintercalation of lithium comprises at least one Ni, Co or Mn. 제2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 리튬의 가역적인 인터칼레이션/디인터칼레이션이 가능한 화합물은 Mg, Al, Cr, V, Ti, Cr, Fe, Zr, Zn, Si, Y, Nb, Ga, Sn, Mo, W 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속을 더욱 포함하는 것인 하이브리드 커패시터.Compounds capable of reversible intercalation / deintercalation of lithium include Mg, Al, Cr, V, Ti, Cr, Fe, Zr, Zn, Si, Y, Nb, Ga, Sn, Mo, W and these Hybrid capacitor further comprising one metal selected from the group consisting of. 삭제delete 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 리튬 복합금속 산화물은 입자 크기가 20 내지 500 nm인 것인 하이브리 드 커패시터.The lithium composite metal oxide has a particle size of 20 to 500 nm hybrid capacitor. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 리튬 복합금속 산화물은 비표면적이 3 내지 100 m2/g인 것인 하이브리드 커패시터.The lithium composite metal oxide has a specific surface area of 3 to 100 m 2 / g hybrid capacitor. 탄산 가스의 존재 하에 적어도 하나의 니켈, 코발트 또는 망간을 함유하는 금속염 수용액, 염기성 킬레이팅제 및 염기성 수용액을 반응기에 동시에 혼합하여 금속 탄산염 침전물을 제조하는 단계; Preparing a metal carbonate precipitate by simultaneously mixing an aqueous metal salt solution, a basic chelating agent and a basic aqueous solution containing at least one nickel, cobalt or manganese in the presence of carbonic acid gas into a reactor; 상기 금속 탄산염 침전물을 건조시키거나 열처리하여 금속 전구체를 제조하는 단계; 및Drying or heat treating the metal carbonate precipitate to prepare a metal precursor; And 상기 금속 전구체와 리튬염을 혼합한 후, 열처리하는 단계를 포함하는 공정을 거쳐 양극 활물질을 제조하는 하이브리드 커패시터의 제조 방법.After mixing the metal precursor and the lithium salt, a method of manufacturing a hybrid capacitor for producing a positive electrode active material through a process comprising the step of heat treatment. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 금속염 수용액은 농도가 1 M 내지 3 M인 것인 하이브리드 커패시터의 제조 방법.The metal salt aqueous solution is a method of producing a hybrid capacitor having a concentration of 1 M to 3 M. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 금속염 수용액은 추가로 Mg, Al, Cr, V, Ti, Cr, Fe, Zr, Zn, Si, Y, Nb, Ga, Sn, Mo, W 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 원소를 포함하는 염을 포함하는 것인 하이브리드 커패시터의 제조 방법.The metal salt aqueous solution may further include one element selected from the group consisting of Mg, Al, Cr, V, Ti, Cr, Fe, Zr, Zn, Si, Y, Nb, Ga, Sn, Mo, W, and combinations thereof. Method for producing a hybrid capacitor comprising a salt comprising a. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 금속염 수용액은 황산염, 질산염, 초산염, 할라이드, 수산화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 염을 포함하는 것인 하이브리드 커패시터의 제조 방법.The metal salt aqueous solution is a method for producing a hybrid capacitor comprising a salt selected from the group consisting of sulfate, nitrate, acetate, halide, hydroxide and combinations thereof. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 염기성 수용액은 Na2CO3, K2CO3, NH4HCO3 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 포함하는 것인 하이브리드 커패시터의 제조 방법.The basic aqueous solution is a method for producing a hybrid capacitor comprising one selected from the group consisting of Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , NH 4 HCO 3 and combinations thereof. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 염기성 수용액은 농도가 2 M 내지 4 M인 것인 하이브리드 커패시터의 제조 방법.The basic aqueous solution is a method for producing a hybrid capacitor having a concentration of 2 M to 4 M. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 금속 탄산염 침전물의 제조는 pH가 5 내지 9에서 수행하는 것인 하이브리드 커패시터의 제조 방법.The manufacturing method of the metal carbonate precipitate is a pH of 5 to 9 is a method for producing a hybrid capacitor. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 금속 탄산염 침전물은 50 내지 120 ℃에서 건조시키거나, 400 내지 600 ℃에서 열처리하는 방법 중에서 선택적으로 실시하는 것인 하이브리드 커패시터의 제조 방법.The metal carbonate precipitate is dried at 50 to 120 ℃, or a method for producing a hybrid capacitor is optionally carried out from the heat treatment at 400 to 600 ℃. 제8항에 있어서, The method of claim 8, 상기 리튬염은 리튬 나이트레이트, 리튬 아세테이트, 리튬 카보네이트, 리튬 하이드록사이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 1종인 것인 하이브리드 커패시터의 제조 방법.The lithium salt is a method for producing a hybrid capacitor is one selected from the group consisting of lithium nitrate, lithium acetate, lithium carbonate, lithium hydroxide and combinations thereof. 제8항에 있어서, The method of claim 8, 상기 금속 전구체와 리튬염의 혼합물의 열처리는 300 내지 550 ℃에서 예비 소성하는 단계, 700 내지 1100℃에서 소성하는 단계, 및 600 내지 750 ℃에서 어닐링하는 단계를 포함하는 것인 하이브리드 커패시터의 제조 방법.The heat treatment of the mixture of the metal precursor and the lithium salt comprises the steps of pre-firing at 300 to 550 ℃, firing at 700 to 1100 ℃, and annealing at 600 to 750 ℃. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 음극 활물질은 활성탄인 것인 하이브리드 커패시터.The negative active material is a hybrid capacitor is activated carbon.
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