KR101008795B1 - 에너지 저장장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 에너지 저장장치는 양극전극 및 음극전극과; 양극리드선 및 음극리드선과; 상기 양극전극과 음극전극 사이에 위치하여 본 양극전극과 음극전극을 전기적으로 분리하기 위한 분리막과; 상기 양극전극과 음극전극과 분리막을 수용하는 하우징과; 상기 하우징 내에 수용되며 불화붕소 이온(BF4 -) 을 포함하는 전해액과; 상기 양극리드선과 음극리드선이 각각 연결되는 양극단자 및 음극단자를 포함하며, 상기 양극전극 및 음극전극은 집전체와 전극물질을 포함하여 구성되되, 상기 양극전극 또는 음극전극 중의 하나의 전극물질은 수계용매용 바인더와 리튬 전이금속산화물을 포함하여 구성되며, 나머지 전극의 전극물질은 활성탄을 포함하여 구성되며, 상기 전극물질에 대한 밀도의 상관관계가 아래의 식을 만족시키는 에너지 저장장치인 것을 특징으로 한다.
2≤D1/D2≤4
D1 : 수계용매용 바인더와 리튬 전이금속산화물을 포함한 전극물질의 밀도
D2 : 활성탄을 포함한 전극물질의 밀도
에너지, 저장, 금속산화물, 활성탄, 전극제조

Description

에너지 저장장치{ENERGY STORAGE DEVICE}
본 발명은 에너지 저장장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 각극 전극을 구성하는 전극물질의 밀도와 두께의 수치를 최적화시켜 용량효율을 극대화시킴과 동시에 신뢰성을 보장받을 수 있는 에너지 저장장치에 관한 것이다.
일반적으로, 전기에너지를 저장하는 소자로는 전지(battery)와 커패시터(capacitor)가 대표적이다.
울트라 캐패시터(Ultra Capacitor)는 슈퍼 커패시터(Super Capacitor)라고도 불리우며, 전해콘덴서와 이차전지의 중간적인 특성을 갖는 에너지저장장치로서 높은 효율, 반영구적인 수명특성으로 인해 이차전지와의 병용 및 대체가 가능한 차세대 에너지 저장장치이다.
울트라 캐패시터는 에너지 저장메커니즘에 따라 전기이중층 캐패시터(EDLC; electric double layer capacitor)와 유사캐패시터(pseudocapacitor)로 나눌수 있다.
유사캐패시터는 산화-환원반응에 의하여 전극표면 혹은 표면근처의 전극내부에 전하가 축전되는 현상을 이용하지만, EDLC는 이온들이 정전기적으로 유도되어 전극과 전해질 계면에 전기이중층이 형성되어 전하가 축전되는 현상을 이용한다.
EDLC는 활성탄소와 같이 표면적이 넓은 물질을 전극의 활물질로 하여 전극물질의 표면과 전해질의 접촉면에 전기이중층을 형성하게 된다.
즉, 전극과 전해질 용액의 경계면에서 서로 다른 극성을 갖는 전하층이 정전 효과에 의해 생성되는데, 이렇게 형성된 전하 분포를 전기이중층이라고 하며, 이와 같은 현상으로 마치 축전지에서와 같은 축전 용량을 갖게 된다.
그러나, 전기이중층 커패시터의 경우 축전지와는 다른 충/방전 특성을 가지는데, 축전지의 경우 충/방전 과정동안 시간에 대한 전압 특성이 마치 고원과 같은 평탄형(Plateau)의 그래프 특성을 보임에 비해, 전기이중층 커패시터의 경우 충/방전 과정동안 시간에 대한 전압 특성이 선형적인 그래프 특성을 보인다.
따라서, 전기이중층 커패시터의 경우 전압을 측정함으로써 충/방전된 에너지의 양이 용이하게 계산될 수 있는 특성을 지닌다.
한편, 상기와 같은 전기이중층 커패시터는 전기를 저장하는 메커니즘이 화학반응을 이용하는 축전지와 달리 전해질의 계면에 형성되는 전기이중층에 전하를 저장하므로, 즉 물리적인 전하의 축적에 의한 축전현상을 이용하므로, 반복사용에 따른 열화현상이 없으며, 높은 가역특성과 긴 사용 수명을 가진다.
따라서, 유지보수(Maintenance)가 용이하지 않고 장기간의 사용 수명이 요구되는 에플리케이션(Application)에 대해서는 축전지 대체용으로 이용되기도 한다.
한편, 상기와 같이 전기이중층 커패시터는 전극과 전해액 간의 계면에서 발생되는 전기이중층에 전하를 흡/탈착하는 원리를 이용하므로 빠른 충방전 특성을 가지며, 이에 따라 이동통신 정보기기인 핸드폰, 노트북, PDA 등의 보조 전원으로서 뿐만 아니라, 고용량이 요구되는 전기자동차, 야간 도로 표시등, UPS(Uninterrupted Power Supply) 등의 주전원 혹은 보조 전원으로 매우 적합하다.
이러한 다양한 용도를 가지는 전기이중층 커패시터의 전극은 넓은 비표면적을 통한 고에너지와, 낮은 비저항을 통한 고출력화, 그리고 계면에서의 전기화학 반응의 억제를 통한 전기화학적 안정성을 가지는 것이 주요한 과제이다.
따라서, 현재 넓은 비표면적을 가지는 활성탄소 분말 혹은 활성탄소 섬유가 전극의 주재료로 가장 널리 이용되고 있으며, 이에 도전체를 혼합하거나 혹은 금속 가루의 분사코팅 방식을 이용하여 낮은 비저항을 구현하고 있다.
또한, 다양한 방법을 통하여 전극 계면에서 발생하는 전기화학적 부반응을 억제하여 보다 안정적인 전극 물질을 연구 개발하고 있다.
한편, 높은 에너지 밀도를 구현가능한 전지로서 휴대용 기기에 널리 이용되고 있는 이차전지는 양극 물질로서 리튬의 전기화학적 삽입-배출(Electrochemical Intercalation-deintercalation)이 가능한 금속산화물을 이용하며, 음극 물질로서는 흑연을 이용한다.
상기 리튬이온이 양극과 음극에서 삽입-배출되는 산화환원 과정은 전기화학적으로 매우 느린 반응일뿐만 아니라 양극과 음극에 포함된 활물질(Active Material)의 구조에 엄청난 충격을 가하여 사용 수명을 단축시키는데, 더욱이 빠른 충/방전을 반복할 경우 그 사용 수명이 급격히 줄어든다는 것은 공지된 사실이다.
대표적인 전기에너지 저장장치의 장점을 채용하고자 한극에는 리튬을 포함한 전이금속산화물을, 다른 한극에는 활성탄을 활물질로 채용하여 전지가 가지는 고에너지밀도 특성과 캐패시터가 가지고 있는 고출력, 고신뢰성을 동시에 확보하고자 하는 선행기술에 대한 구성을 미국특허 제 6,252,762 호에서 개시하고 있다.
선행기술에서는 리튬이차전지의 전극제조 방식을 그대로 적용하여 금속산화물 전극의 제조를 위해 NMP (1-Methyl-2-Pyrrolidinone)와 같은 유기용매를 이용하고 있는데, 유기용매를 이용할 경우 오염물질을 발생시켜 환경문제를 야기하게 되므로 생산라인에서는 방지시설 등의 추가시설 투자가 필요하다.
리튬을 포함한 전이금속산화물을 적용한 에너지저장장치의 경우 전극제조 시 또는 조립공정 시 유입된 수분에 의하여 성능이 저하되는 결과가 공지된바 있다.
LiPF6 + H20 --> LiF + POF3 + 2HF
상기 에너지 저장장치의 전해질의 염으로 LiPF6를 사용하면, 음이온인 PF6-가 수분과 반응하여 HF를 발생시키며 이는 제품이 열화되는 원인이 된다.
본 발명에서는 한극에 수계용매와 바인더와 리튬을 포함한 전이금속산화물로 제조된 전극물질, 다른 한극에는 활성탄을 활물질로 채용한 에너지 저장장치의 경우를 제시하였으며, 전극의 제조공정 중의 건조과정에서 수계용매의 대부분이 제거되지만 표면에 흡착된 잔류수분의 양은 유기용매를 적용하여 제조한 전극보다는 필연적으로 많을 수밖에는 없으므로, 이로 인해 야기되는 성능저하 문제를 해결함으로써 보다 환경친화적인 에너지저장장치를 제시하였고, 각극 전극을 구성하는 전극물질의 밀도와 두께의 수치를 최적화시켜 용량효율을 극대화시킬 수 있는 에너지 저장장치를 제시하였다.
본 발명의 또 다른 목적은, 높은 에너지 밀도와 신속한 충/방전 특성 및 수명 신뢰성을 동시에 확보할 수 있는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 전극 제조 시 오염물질의 발생을 방지할 수 있는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명에 따라, 양극전극 및 음극전극과; 양극리드선 및 음극리드선과; 상기 양극전극과 음극전극 사이에 위치하여 본 양극전극과 음극전극을 전기적으로 분리하기 위한 분리막과; 상기 양극전극과 음극전극과 분리막을 수용하는 하우징과; 상기 하우징 내에 수용되며 불화붕소 이온(BF4 -) 을 포함하는 전해액과; 상기 양극리드선과 음극리드선이 각각 연결되는 양극단자 및 음극단자를 포함하며, 상기 양극전극 및 음극전극은 집전체와 전극물질을 포함하여 구성되되, 상기 양극전극 또는 음극전극 중의 하나의 전극물질은 수계용매용 바인더와 리튬 전이금속산화물을 포함하여 구성되며, 나머지 전극의 전극물질은 활성탄을 포함하여 구성되며, 상기 전극물질에 대한 밀도의 상관관계가 아래의 식을 만족시키는 에너지 저장장치에 의해 달성될 수 있다.
2≤D1/D2≤4
D1(g/cc) : 수계용매용 바인더와 리튬 전이금속산화물을 포함한 전극물질의 밀도
D2(g/cc) : 활성탄을 포함한 전극물질의 밀도
여기서, 상기 전극 두께의 상관관계가 아래의 식을 만족시키도록 마련될 수 있다.
1.5≤T2/T1≤3
T1(㎛) : 수계용매용 바인더와 리튬 전이금속산화물을 포함한 전극의 두께
T2(㎛) : 활성탄을 포함한 전극의 두께
또한, 상기 전극물질에 대한 밀도와 두께의 상관관계가 아래의 식을 만족시키도록 마련될 수 있다.
0.857≤{D1*(T1-a)}/{D2*(T2-a)}≤2.571
D1(g/cc) : 수계용매용 바인더와 리튬 전이금속산화물을 포함한 전극물질의 밀도
T1(㎛) : 수계용매용 바인더와 리튬 전이금속산화물을 포함한 전극의 두께
D2(g/cc) : 활성탄을 포함한 전극물질의 밀도
T2(㎛) : 활성탄을 포함한 전극의 두께
a(㎛) : 집전체의 두께
여기서, 상기 전이금속은 니켈(Ni), 망간(Mn), 코발트(Co), 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 바나듐(V) 중의 어느 하나로 마련될 수 있다.
또한, 상기 전해액은 리튬이온 및 암모늄계열 이온을 양이온으로서 포함할 수 있다.
한편, 상기 수계용매용 바인더로 카르복시메틸셀룰로오즈 또는 알긴산 또는 폴리비닐알코올 또는 폴리비닐피롤리돈 또는 스티렌 부타디엔 고무 분산액 또는 플루오로탄소 분산액을 사용할 수 있다.
본 발명에 의해, 각극 전극을 구성하는 전극물질의 밀도와 두께의 수치를 최적화시킬 수 있으며, 에너지 저장장치의 용량효율을 극대화시킬 수 있다.
또한, 높은 에너지 밀도와 빠른 충/방전 특성 및 수명 신뢰성을 동시에 확보할 수 있다.
또한, 전극 제조 시 발생되는 오염물질의 발생을 방지할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하기로 한다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어는 사전적인 의미로 한정 해석되어서는 아니되며, 발명자는 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절히 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예 및 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 존재할 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 사시도이며, 도 2 는 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 전극과 리드선이 연결된 상태를 도시하는 정면도이며, 도 3 은 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 전극과 리드선, 그리고 분리막이 배치된 상태를 도시하는 평면도이다.
도 1 내지 3 을 참조하면, 본 발명에 따른 에너지저장장치(100)는, 양극전극(10) 및 음극전극(20)과; 양극리드선(6) 및 음극리드선(16)과; 상기 양극전극(10)과 음극전극(20) 사이에 위치하여 상기 양극전극(10)과 음극전극(20)을 전기적으로 분리하기 위한 분리막(30)과; 상기 양극전극(10)과 음극전극(20)과 분리막(30)을 수용하는 하우징(40)과; 상기 하우징(40) 내에 수용되며 불화붕소 이온(BF4 -) 을 포함하는 전해액과; 상기 양극리드선(6)과 음극리드선(16)이 각각 연결되는 양극단자(66) 및 음극단자(76)를 포함하며, 상기 양극전극(10) 및 음극전 극(20)은 집전체(2, 12)와 전극물질(4, 14)을 포함하여 구성되되, 상기 양극전극(10) 또는 음극전극 중의 하나의 전극물질(4, 14)은 수계용매용 바인더와 리튬 전이금속산화물을 포함하여 제조된 코팅액이 집전체에 도포 된 후 건조되어 구성되며, 나머지 전극의 전극물질(4, 14)은 활성탄을 포함하여 구성되며, 상기 전극물질(4, 14)에 대한 밀도의 상관관계가 아래의 식을 만족시키는 것을 특징으로 한다.
2≤D1/D2≤4
D1(g/cc) : 수계용매용 바인더와 리튬 전이금속산화물을 포함한 전극물질의 밀도
D2(g/cc) : 활성탄을 포함한 전극물질의 밀도
여기서, 후술하여 기재할 실시예, 비교예 4 에서와 같이, 상기 D1/D2의 수치가 2 미만으로 적용될 경우, 에너지 저장장치(100)의 용량(F)이 급격하게 감소하며, 상기 D1/D2의 수치가 4 를 초과하여 적용될 경우, 전극물질(4, 14)를 형성하기 위해 단위부피당 투입되는 질량이 증대되어 생산원가가 증대됨과 동시에 저항값(mΩ)이 증가하여 고효율을 보장받지 못한다.
여기서, 상기 전극물질(4, 14)의 밀도는 양, 음극 전극(10, 20)에서 집전체(2, 12)의 무게를 제외한 전극물질(4, 14)의 단위부피당 질량으로 정의한다.
또한, 상기 양, 음극 전극(10,20) 두께의 상관관계가 아래의 식을 만족시키는 것을 특징으로 한다.
1.5≤T2/T1≤3
T1(㎛) : 수계용매용 바인더와 리튬 전이금속산화물을 포함한 전극의 두께
T2(㎛) : 활성탄을 포함한 전극의 두께
여기서, 후술하여 기재할 실시예, 비교예 5 에서와 같이, 상기 T2/T1의 수치가 1.5 미만으로 적용되거나 3 을 초과하여 적용되는 경우, T2/T1의 수치가 1.5 내지 3 으로 적용되는 에너지 저장장치(100)의 용량(F)에 비해 저효율을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
또한, 상기 전극물질(4, 14)에 대한 밀도와 두께의 상관관계가 아래의 식을 만족시키는 것을 특징으로 한다.
0.857≤{D1*(T1-a)}/{D2*(T2-a)}≤2.571
D1(g/cc) : 수계용매용 바인더와 리튬 전이금속산화물을 포함한 전극물질의 밀도
T1(㎛) : 수계용매용 바인더와 리튬 전이금속산화물을 포함한 전극의 두께
D2(g/cc) : 활성탄을 포함한 전극물질의 밀도
T2(㎛) : 활성탄을 포함한 전극의 두께
a(㎛) : 집전체의 두께
여기서, 후술하여 기재할 실시예, 비교예 4 에서와 같이, 상기 {D1*(T1-a)}/{D2*(T2-a)}의 수치가 0.857 미만으로 적용될 경우, 에너지 저장장치(100)의 용량(F) 및 저항값(mΩ)이 저효율을 나타낼 수 있고, {D1*(T1-a)}/{D2*(T2-a)}의 수치가 2.571 을 초과하여 적용될 경우, 에너지 저장장치(100)의 용량(F)은 만족범위의 값을 나타낸 반면, 저항값(mΩ)이 증가되는 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 에너지 저장장치(100)의 셀은 금속물질로 이루어진 하 우징(40)과 상기 하우징(40) 내에 내장되는 양극전극(10)과 음극전극(20)을 포함한다.
상기 양극전극(10) 및 음극전극(20)은 금속성의 집전체(2, 12)와 전극물질(4, 14)을 포함하며, 그 일 측에는 리드선(6, 16)이 연결된다.
상기 집전체(2, 12)는 통상 금속 포일(Foil)의 형태로 구성되며, 일예로서 상기 양극 전극물질(4)은 금속산화물과 바인더가 혼합되어 구성되며, 상기 금속 집전체(2)의 양면에 넓게 도포 코팅하기 위하여 수계용매가 사용된다. 이때, 적용되는 수계용매용 바인더로 카르복시메틸셀룰로오즈 또는 알긴산 또는 폴리비닐알코올 또는 폴리비닐피롤리돈 또는 스티렌 부타디엔 고무 분산액 또는 플루오로탄소 분산액을 사용한다.
상기 양극 전극물질(4)은 리튬 이온이 산화/환원 반응에 의해 삽입 방출되는 부분이며, 상기 집전체(2)는 전하의 이동통로 역할을 한다.
상기 양극 전극물질(4)을 형성하기 위한 금속산화물로서는 주로 LiCoO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiNiO2 등의 리튬 전이금속산화물이 이용될 수 있으며, 또한 이러한 전이금속산화물을 형성하기 위한 전이금속으로서는 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 바나듐(V) 등이 추가적으로 이용될 수 있다.
여기서, 상기와 같이 리튬 전이금속산화물을 바인더와 혼합하여 양극전극물질을 형성하기 위해 이용되는 수계용매로서는, 유기물, 무기물, 미생물 등이 제거되어 1 MΩ/cm 내지 20 MΩ/cm 의 비저항범위를 갖는 물이 이용될 수 있다.
상기 범위의 저항을 갖는 순수물로써 전극물질을 형성함으로써, 상기 유기물, 무기물 등이 전해질 내에 포함된 이온의 상기 전극물질에 대한 삽입-배출에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.
상기 음극 전극물질(14)은 정전효과에 의한 전기이충층을 통해 전기에너지를 저장하는 부분이며, 상기 집전체(12)는 음극 전극물질부터 방출되거나 공급되는 전하의 이동통로 역할을 한다.
순차적으로 적층된 상기 양극 및 음극의 전극(10, 20) 사이에는 본 양극전극(10)과 음극전극(20) 사이의 전자 전도를 제한하기 위한 분리막(30)이 배치되고 상기 하우징(40) 내에는 전해액이 충진된다.
여기서, 상기 음극전극물질(14)은 미세기공들을 포함하여 넓은 표면적을 가지며, 상기 음극전극(20)에 활물질로 작용되어 그 표면이 상기 전해액과 접촉하게 된다.
상기 전해액으로서는 음이온으로서 불화붕소(BF4 -) 이온을 가지며, 양이온으로서 리튬이온과 암모늄계열 이온을 포함하도록, 테트라에틸암모늄 테트라플루오르보레이트 또는 트리에틸메틸암모늄 테트라플루오르보레이트 등의 암모늄계 염이 이용되었다.
여기서, 불화붕소(BF4 -) 이온을 이용함으로써, 본 발명에 따른 에너지 저장장치 내에 포함된 리튬이온과 물이 상호 반응되는 반응성을 감소시켰으며, 저온에 서의 충/방전 특성을 개선시켰다.
상기와 같이 적층된 양극전극(10)과 음극전극(20) 및 분리막(30)은 도 4 와 같이 권취되어 상기 하우징(40) 내에 수용된다.
상기 하우징(40)은 알루미늄 또는 그 합금과 같은 금속성 또는 합성수지재로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 상부하우징과 하부하우징으로 분리 구성될 수 있다.
상기 하우징(40)의 형상은 비록 도 1 에서 원기둥 형상으로 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 육면체 형상 등으로 구성될 수 있음은 물론이다.
상기 하우징(40)은 상기 양극/음극 전극(10, 20)과 본 양극/음극 전극(10, 20)들을 전기적으로 분리하기 위한 상기 분리막(30)과 상기 리드선(6, 16)들을 수용하기 위한 구성요소이다.
상기 하우징(50)에는 상기 양극리드선(6)과 음극리드선(16)이 각각 연결되는 양극단자(66) 및 음극단자(76)가 결합 설치된다.
여기서, 상기 양극단자(66) 및 음극단자(76)는 알루미늄 또는 스틸(Steel) 또는 스테인레스 스틸 중의 어느 하나로 마련되어 기구적 강도를 확보하도록 구성될 수 있으며, 그 표면은 니켈 또는 주석에 의해 코팅 형성됨으로써 납땜 등에 의한 접합성을 확보하도록 구성될 수 있다.
바람직하게는 상기 양극단자 및 음극단자(66, 76)는 상기 하우징(40) 상에서 가공오차 범위 내의 서로 수직한 방향으로 배치된다.
상기와 같이, 양극단자 및 음극단자(66, 76)가 서로 수직한 방향으로 배치됨 으로써, 외력에 의한 굽힘모멘트가 어느 방향으로 작용하든지 대략 동일한 지지력을 발생시킬 수 있다.
본 발명에 따른 상기 분리막(30)은 펄프 또는 폴리머 계열의 단위 섬유를 멜트 브라운(Melt-Blown) 공정에 의해 부정방향으로 배열되도록 함으로써 구성될 수 있다.
상기 펄프는 목재나 그 밖의 섬유 식물에서 기계적·화학적 방법에 의하여 얻는 셀룰로오스 섬유의 집합체를 의미하며, 상기 폴리머 계열의 합성수지로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등이 이용될 수 있다.
또는, 폴리에틸렌 등의 합성수지를 필름 형태로 형성하여, 마이크로적으로 기공을 갖도록 구성될 수도 있다.
실시예와 비교예
본 발명에 따른 에너지 저장장치의 성능을 시험하기 위해 비교예와의 비교 실험을 수행하였다.
실시예 1 과 비교예 1
구분
 실시예 1 비교예 1
유기계 용매 수계용매
용량(F) 208F 204F
저항(mΩ) 11 9.25
10,000사이클 시험후 용량 유지율 87% 90%
실시예 1 과 비교예 1 의 경우 에너지 저장장치의 구성요소들을 동일하게 구성한 상태에서, 양극전극을 형성하기 위한 용매의 종류를 유기계 용매와 수계용매 로 구분 구성하였다.
상기와 같이 용매를 구분 구성한 상태에서, 10,000 사이클 동안 충/방전을 반복 시험한 이후 측정한 용량 유지율은 각각 87%, 90% 였다.
따라서, 수계용매를 이용함으로써, 전체적인 용량에서 큰 차이를 가지지 않으면서도, 내구성을 확보할 수 있고 또한 오염물질의 발생 염려가 없는 에너지 저장장치를 구성할 수 있음을 알 수 있다.
실시예 2 와 비교예 2
구분 비교예 2 실시예 2
전해질 염
(용매 아세토나이트릴)		 LiPF6 LiBF4
고온에서 500 시간 시험 후 용량 유지율 76% 81%
저온(-25℃)에서용량 유지율
(기준용량_상온에서 측정)		 10% 85%
실시예 2 과 비교예 2 의 경우, 에너지 저장장치의 구성요소들을 동일하게 구성한 상태에서 전해질의 염을 각각 LiBF4 와 LiPF6 로 구분 구성하였다.
실시예 2 와 비교예 2 에 대한 고온 시험에서는 용량 유지율이 각각 81%, 76% 로서 실시예 2 에서의 용량 유지율이 보다 높음을 알 수 있다.
또한, -25℃ 에서의 저온 실험에서도 용량 유지율이 각각 85%, 10% 로서 실시예 2 의 용량 유지율이 보다 높음을 알 수 있다.
한편, 물과의 반응성 시험에서는 실시예 2 에 포함된 LiBF4 가 보다 안정함을 확인하였다.
실시예 3 과 비교예 3
구분 비교예 3 비교예 3-1 비교예 3-2 실시예 3 실시예 3-1
염 1M LiPF6 1M LiBF4 1M LiBF4 1M LiBF4 +
1M TEATFB		 1M LiBF4 +
1M TEATFB
용매 EC/PC EC/PC 아세토나이트릴 EC/PC 아세토나이트릴
전기전도도 6.56 4.25 19.15 7.05 40.7
상기 실시예 2 에 이용된 PF6 - 이온의 경우, 전해질의 전기전도도 측면에서 상기 BF4 - 이온보다 우수하므로, 실시예 3 과 3-1 에서는 각각의 LiBF4 1 몰(M) 염에 대해 1 몰의 테트라에틸암모늄 테트라플루오르보레이트(TEATFB)의 암모늄계 염을 지지전해질로써 혼합하였다.
상기 상태에서 동일한 용매 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC) 적용 시 측정된 전기전도도는 비교예 3, 3-1 에 비해 실시예 3 의 경우 보다 높음을 알 수 있다.
또한, 동일한 용매 아세토나이트릴 적용 시 측정된 전기전도도는 비교예 3-2 에 비해 상기 암모늄계 염을 지지전해질로서 적용한 실시예 3-1 의 경우가 보다 높음을 알 수 있다.
실시예 4 와 비교예 4
구분 비교예4 실시예4 실시예4-1 실시예4-2 실시예4-3 실시예4-4 비교예4-1
D1(g/cc) 0.6 1.2 1.8 2.4 2.4 2.4 2.4
D2(g/cc) 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6
T1(㎛) 80 80 80 80 90 110 120
T2(㎛) 160 160 160 160 160 160 160
용량(F) 77 136 142 149 150 149 145
저항값(mΩ) 7.9 7 7.2 7.1 7.3 7.2 8
{D1*(T1-a)}
/{D2*(T2-a)}		 0.429 0.857 1.286 1.714 2.167 2.571 2.857
실시예 4 와 비교예 4 의 경우, 상기 실시예 1 내지 3 에서 개시된 수계용매 및 전해질 염을 이용하여 에너지 저장장치(100)를 구성하였으며, 전극물질(4, 14)의 밀도와 양, 음극 전극(10, 20)의 두께를 다르게 적용시킨 상태에서 상기 에너지 저장장치(100)의 용량(F) 및 저항값(mΩ)을 측정한 성능실험을 수행하였다.
여기서, D1(g/cc)은 수계용매용 바인더와 리튬 전이금속산화물을 포함한 전극물질의 밀도이며, D2(g/cc)는 활성탄을 포함한 전극물질의 밀도이며, T1(㎛)은 수계용매용 바인더와 리튬 전이금속산화물을 포함한 전극의 두께이고, T2(㎛)는 활성탄을 포함한 전극의 두께이고, a(㎛)는 집전체(2, 12)의 두께이다.
상기 실시예 4 내지 4-4 에서 나타난 바와 같이, D1/D2 이 2 ~ 4 로 형성될 경우, 에너지 저장장치(100)의 용량은 136F ~ 150F 으로 측정되었고, 저항값 또한 7mΩ ~ 7.3mΩ 으로 에너지 저장장치의 신뢰범위를 확인할 수 있다.
또한, 비교예 4 내지 4-1 에서 나타난 바와 같이, D1/D2 이 2 미만 4 를 초과할 경우, 용량값이 급격히 감소되거나 저항값이 급격히 증가되는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 상기 D1/D2 의 값이 2 ~ 4 의 범위를 가질 경우, 에너지 저장장치(100)가 효율적이고 안정적으로 동작하는 것을 확인할 수 있다.
실시예 5 와 비교예 5
구분 비교예5 실시예5 실시예5-1 실시예5-2 비교예5-1
D1(g/cc) 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8
D2(g/cc) 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6
T1(㎛) 58 76 103 123 164
T2(㎛) 190 190 190 190 190
용량(F) 121.62 145.72 138.05 130.25 111.51
T2/T1 3.276 2.5 1.845 1.545 1.159
실시예 5 및 비교예 5 는 D1, D2, T2 를 동일하게 적용시키고, T1 의 값을 변화시켜, 양, 음극 전극(10, 20)의 두께의 변화에 따른 에너지 저장장치(100)의 성능을 확인하는 실험을 수행하였다.
여기서, D1(g/cc)은 수계용매용 바인더와 리튬 전이금속산화물을 포함한 전극물질의 밀도이며, D2(g/cc)는 활성탄을 포함한 전극물질의 밀도이며, T1(㎛)은 수계용매용 바인더와 리튬 전이금속산화물을 포함한 전극의 두께이고, T2(㎛)는 활성탄을 포함한 전극의 두께이다.
상기 실시예 5 내지 5-2 에서 나타난 바와 같이, T2/T1 이 대략 1.5 에서 2.5 의 범위의 값을 가질 경우, 에너지 저장장치(100)의 용량이 대략 130 ~ 145(F)으로 측정됨을 확인할 수 있다.
반면, 상기 비교예 5 내지 5-1 에서 나타난 바와 같이, T2/T1 이 상기 실시예의 범위를 벗어날 경우, 에너지 저장장치(100)의 용량 효율이 감소함을 확인할 수 있다.
상기 실시예 4 와 5 를 종합하여 살펴보면, 전극물질(4, 14)의 밀도 및 양, 음극전극(10, 20)의 두께에 대한 최적의 상관관계는 0.857≤{D1*(T1-a)}/{D2*(T2- a)}≤2.571의 범위로 나타남을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명의 기술적 사상은 이러한 것에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해, 본 발명의 기술적 사상과 하기 될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 실시가 가능할 것이다.
따라서, 비록 상기 실시예에서 양극 전극물질이 수계용매와 전이금속산화물과 바인더를 이용하여 구성되고, 음극 전극물질이 활성탄을 이용하여 구성되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 각 극의 전극물질이 상호 변경 구성될 수도 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 사시도이며,
도 2 는 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 전극과 리드선이 연결된 상태를 도시하는 정면도이며,
도 3 은 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 전극과 리드선, 그리고 분리막이 배치된 상태를 도시하는 평면도이며,
도 4 는 양극/음극 전극 및 분리막이 권취된 상태를 도시하는 사시도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
2, 12: 집전체 4, 14: 전극물질
10:양극전극 20: 음극전극
30: 분리막 40: 하우징
66: 양극단자 76: 음극단자

Claims (6)

  1. 양극전극 및 음극전극과;
    양극리드선 및 음극리드선과;
    상기 양극전극과 음극전극 사이에 위치하여 본 양극전극과 음극전극을 전기적으로 분리하기 위한 분리막과;
    상기 양극전극과 음극전극과 분리막을 수용하는 하우징과;
    상기 하우징 내에 수용되며 불화붕소 이온(BF4 -) 을 포함하는 전해액과;
    상기 양극리드선과 음극리드선이 각각 연결되는 양극단자 및 음극단자를 포함하며,
    상기 양극전극 및 음극전극은 집전체와 전극물질을 포함하여 구성되되,
    상기 양극전극 또는 음극전극 중의 하나의 전극물질은 수계용매용 바인더와 리튬 전이금속산화물을 포함하여 구성되며,
    나머지 전극의 전극물질은 활성탄을 포함하여 구성되며,
    상기 전극물질에 대한 밀도의 상관관계가 아래의 식을 만족시키고,
    2≤D1/D2≤4
    상기 전극 두께의 상관관계가 아래의 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
    1.5≤T2/T1≤3
    D1(g/cc) : 수계용매용 바인더와 리튬 전이금속산화물을 포함한 전극물질의 밀도
    D2(g/cc) : 활성탄을 포함한 전극물질의 밀도
    T1(㎛) : 수계용매용 바인더와 리튬 전이금속산화물을 포함한 전극의 두께
    T2(㎛) : 활성탄을 포함한 전극의 두께
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극물질에 대한 밀도와 두께의 상관관계가 아래의 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
    0.857≤{D1*(T1-a)}/{D2*(T2-a)}≤2.571
    D1(g/cc) : 수계용매용 바인더와 리튬 전이금속산화물을 포함한 전극물질의 밀도
    T1(㎛) : 수계용매용 바인더와 리튬 전이금속산화물을 포함한 전극의 두께
    D2(g/cc) : 활성탄을 포함한 전극물질의 밀도
    T2(㎛) : 활성탄을 포함한 전극의 두께
    a(㎛) : 집전체의 두께
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 전이금속은 니켈(Ni), 망간(Mn), 코발트(Co), 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 바나듐(V) 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
  5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 전해액은 리튬이온 및 암모늄계열 이온을 양이온으로서 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
  6. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    수계용매용 바인더로 카르복시메틸셀룰로오즈 또는 알긴산 또는 폴리비닐알코올 또는 폴리비닐피롤리돈 또는 스티렌 부타디엔 고무 분산액 또는 플루오로탄소 분산액을 사용하는 에너지 저장장치.
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