KR101120053B1 - 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소나노튜브를 이용하여 등가직렬저항을 개선한 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터에 관한 것으로, 양극산화물층(11a)과 양극산화물층(11a)에 도포되는 활성탄층(11b)으로 이루어지는 양극(11)과, 양극(11)과 대향되도록 배치되는 음극(21)을 가지며, 음극(21)은 실리콘산화물층(21a)과 실리콘산화물층(21a)에 적층되는 리튬타이타늄산화물층(21b)과 실리콘산화물층(21a)과 리튬타이타늄산화물층층(21b)이 관통되도록 형성되어 서로 전기적으로 연결되도록 하는 탄소나노튜브 체인(CNT)으로 이루어지도록 하여 등가직렬저항을 개선시킴으로써 하이브리드 슈퍼 커패시터의 출력밀도와 수명을 연장시키도록 하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브 체인을 이용하여 등가직렬저항을 개선한 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터에 관한 것이다.
전기이중층 커패시터(Electrochemical Double Layer Capacitor: EDLC)는 고체전극과 전해질 사이의 계면에 생성되는 전기이중층에 전하가 축적되는 것을 이용하여 전기에너지를 축적한다. 전기이중층 커패시터는 충전시간이 짧으며, 출력밀도는 1000～2000W/kg으로 매우 높고, 싸이클 수명특성은 반영구적으로 길다. 전기이중층 커패시터는 전극과 전해질의 계면(전기이중층)에서만 충방전 반응이 일어나는 특징이 있으며, 이러한 반응이 표면에 한정되어 있기 때문에 저장되는 에너지밀도가 1～10Wh/kg으로 낮게 된다.
전기이중층 커패시터는 전극, 분리막, 전해질 및 케이스로 구성되며, 전기이중층 커패시터에서 가장 중요한 요소는 전극에 사용되는 전극물질이다. 전극물질은 전기전도성 및 비표면적이 커야하고, 전기 화학적으로 안정해야하기 때문에 활성탄(activated carbon) 또는 활성탄 섬유가 가장 많이 사용되고 있다.
전기이중층 커패시터는 에너지밀도를 높이기 위해서 구동전압을 높이는 방법이 있으나 구동전압을 높이는 것은 전해질의 분해가 일어나지 않는 범위로 제한되므로 한계가 있다. 이를 해결하기 위해 전극물질로 활성탄을 사용하는 경우에 축전용량은 활성탄 표면의 기공을 늘리는 것에 의해 증가시켜 에너지밀도를 개선할 수 있으나 활성탄 표면의 기공을 늘리는 것은 한계가 있다.
하이브리드 슈퍼 커패시터는 전술한 전기이중층 커패시터의 에너지밀도를 개선하기 위해 개발되었다. 하이브리드 슈퍼 커패시터는 양극에는 활성탄을 사용하고 음극에는 리튬타이타늄산화물(LTO: lithium-titanium oxide, Li4Ti5O12)을 사용하여 에너지밀도를 개선하였다. 리튬타이타늄산화물은 리튬에 대해 전위가 높고 계면에서 전해액과의 반응물이나 리튬이 석출되지 않아 안전성과 저온특성이 좋은 특징을 갖는다.
종래의 하이브리드 슈퍼 커패시터는 양극에 활성탄을 사용하고 음극에 리튬타이타늄산화물을 사용하여 에너지밀도를 개선하였으나 리튬타이타늄산화물이 리튬에 대해 전위가 높기 때문에 활성탄과 조합하면 저항이 높아지게 된다. 이와 같이 전극재질의 저항이 높아지는 경우에 하이브리드 슈퍼 커패시터의 등가직렬저항(ESR: Equivalent Series Resistance)이 증가되어 출력밀도와 수명이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 전술한 종래 하이브리드 슈퍼 커패시터의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 탄소나노튜브 체인을 이용하여 등가직렬저항을 개선한 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 음극에 고용량을 갖는 실리콘산화물층과 전기적으로 안정된 리튬타이타늄산화물층을 적층한 후 각각을 탄소나노튜브 체인으로 연결하여 전기전도도를 개선하여 등가직렬저항을 개선시킴으로써 출력밀도와 수명을 개선시킬 수 있는 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터를 제공함에 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터는 양극산화물층과 상기 양극산화물층에 도포되는 활성탄층으로 이루어지는 양극과; 상기 양극과 대향되도록 배치되는 음극을 가지며, 상기 음극은 실리콘산화물층과 상기 실리콘산화물층에 적층되는 리튬타이타늄산화물층과 상기 실리콘산화물층과 상기 리튬타이타늄산화물층이 관통되도록 형성되어 서로 전기적으로 연결되도록 하는 탄소나노튜브 체인으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터는 제1알루미늄 포일의 전면과 후면에 각각 도포되며 양극산화물층과 상기 양극산화물층에 도포되는 활성탄층으로 이루어지는 양극과; 상기 양극과 대향되도록 제2알루미늄 포일의 전면과 후면에 각각 도포되며 실리콘산화물층과 상기 실리콘산화물층에 적층되는 리튬타이타늄산화물층과 상기 실리콘산화물층과 상기 리튬타이타늄산화물층이 관통되도록 형성되어 서로 전기적으로 연결되도록 하는 탄소나노튜브 체인으로 이루어지는 음극과; 상기 양극과 상기 음극 사이에 설치되어 양극과 음극이 서로 접촉되는 것을 방지하는 분리막과; 상기 양극과 상기 음극과 상기 분리막이 수납되고 리튬염이 포함되는 전해액이 함침되는 케이스로 구성되며, 상기 다수개의 탄소나노 음극산화물층은 각각 탄소나노튜브로 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터는 음극에 고용량을 갖는 실리콘산화물층과 전기적으로 안정된 리튬타이타늄산화물층을 적층한 후 각각을 탄소나노튜브 체인으로 연결하여 전극의 전기전도도를 개선함으로써 등가직렬저항을 개선하여 출력밀도와 수명을 개선시킬 수 있는 이점을 제공한다.
도 1은 본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터의 측단면도,
도 2는 도 1에 도시된 'A'부분의 요부 확대 측단면도,
도 3은 본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터의 씨-레이트(C-rate) 특성을 나타낸 표.
도 2는 도 1에 도시된 'A'부분의 요부 확대 측단면도,
도 3은 본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터의 씨-레이트(C-rate) 특성을 나타낸 표.
이하, 본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터는 도 1 및 도 2에서와 같이 양극부재(10) 및 음극부재(20)를 갖으며, 각각의 구성을 순차적으로 설명하면 다음과 같다.
양극부재(10)는 양극(11)과 제1알루미늄 포일(12)로 이루어지며, 양극(11)은제1알루미늄 포일(12)의 전면과 후면에 각각 도포되어 형성되며, 양극산화물층(11a)과 활성탄층(11b)으로 이루어지는 복합전극을 형성한다. 즉, 양극(11)은 양극활물질층(11a)과 활성탄층(11b)로 이루어지는 복합전극이 사용되며, 양극산화물층(11a)은 양극활물질 75내지 90wt.%와 도전재 10 내지 25wt.%로 이루어진다.
양극활물질은 전하의 캐리어가 되는 리튬이온이 양극(11)과 음극(21) 사이를 이동하여 전지반응이 진행됨으로써 리튬이 이동하기 쉬운 구조를 갖는 스피넬계, 올리빈계 및 층상계 중 하나가 선택된다. 스피넬계는 LiMn2O4 및 Li(MnNi)O4 중 하나가 선택되어 사용되고, 올리빈계는 LiFePO4인가 사용되며, 층상계는 LiCoO2가 사용된다. 이 중에 올리빈계는 인(P)과 산소(O)가 단단히 결합되는 구조를 가짐으로 고온 상태에서도 산소를 잘 방출하지 않아 안전성을 높일 수 있다. 양극활물질과 혼합되어 전기전도성을 개선시키는 도전재는 슈퍼-피(super-p)가 사용된다. 이러한 양극활물질과 도전재를 보다 균일하게 혼합하기 위해 바인더가 사용된다. 바인더는 PVDF(Polyvinylienefluoride), PVA(Polyvinyl alcohol) 및 PVP(Polyvinylpyrrolidone)로 이루어지는 군에서 하나가 선택되어 사용된다.
활성탄층(11b)은 활성탄 85 내지 95wt.%와 도전재 5 내지 15wt.%로 이루어진다. 활성탄은 비표면적이 1500 ~ 2000 m2/g이며, 도전재는 슈퍼-피(super-p)가 사용된다. 이러한 활성탄과 도전재를 보다 균일하게 혼합하기 위해 바인더가 첨가된다. 바인더는 PVDF, PVA 및 PVP로 이루어지는 군에서 하나가 선택되어 사용된다.
음극부재(20)는 음극(21)과 제2알루미늄 포일(22)로 이루어지며, 음극(21)은 제2알루미늄 포일(22)의 전/후면에 각각 도포된다. 이러한 음극(21)은 양극(11)과 대향되도록 배치되며, 실리콘산화물층(21a), 리튬타이타늄산화물층(21b) 및 탄소나노튜브 체인(CNT)으로 이루어진다. 실리콘산화물층(21a)은 제2알루미늄 포일(22)의 전/후면에 각각 도포된다.
실리콘산화물층(21a)은 제2알루미늄 포일(22)에 두께(n1)가 10 ~ 100nm가 되도록 형성된다. 이러한 실리콘산화물층(21a)에 포함되는 실리콘(Si)은 약 4200 mAh/g의 높은 이론용량을 가지며, 흑연계의 삽입 및 탈리반응과 다르게 리튬이온 충전 시 합금상을 형성하고 방전 시 원래의 단원소 물질로 돌아가는 합금 및 비합금반응으로 리튬이온의 이동이 일어난다. 높은 이론 용량을 가지는 실리콘(Si)은 약 4배의 부피팽창이 일어날 수 있고, 충방전 사이클을 반복함에 따라 실리콘 입자의 파괴가 일어나며, 실리콘과 리튬의 결합에 의해 실리콘이 가지고 있던 리튬 결합사이트가 손상되어 사이클 특성이 급격하게 감소하는 단점이 있다.
실리콘이 포함된 실리콘산화물층(21a)을 사용함에 따른 단점을 개선하고자 본 발명에서는 실리콘산화물층(21a)에 리튬타이타늄산화물층(21b)을 형성하여 실리콘산화물(SiOx)을 리튬타이타늄산화물(LTO)과 결합하여 음극(21)을 복합전극으로 제조한다. 리튬타이타늄산화물(LTO)은 충방전 시 부피팽창이 거의 일어나지 않는 "제로-스트레인(Zero-Strain)" 특성으로 높은 사이클 특성의 장점이 있다. 이러한 리튬타이타늄산화물(LTO)에 실리콘산화물(SiOx)이 결합되도록 음극(21)을 형성함으로써 실리콘산화물(SiOx)의 부피팽창과 리튬타이타늄산화물(LTO)의 저용량의 한계가 상호 보완되도록 함으로써 충방전 용량이 우수함과 동시에 사이클 특성이 우수한 음극(21)의 활물질을 제공할 수 있다.
실리콘산화물층(21a)이 실리콘의 단일입자로 이루어진 경우 복수의 입자로 이루어진 실리콘산화물(SiOx)에 비해 충방전 시 발생할 수 있는 팽창 및 수축에 따른 파괴가 덜 일어날 수 있으나 실리콘산화물(SiOx)에서 산소의 비율이 지극히 적은 경우 사이클 특성이 저하될 수 있으며, 산소의 비율이 너무 높은 경우에는 방전용량이 작아짐으로 질 수 있다. 이를 개선하기 위해 본 발명의 실리콘산화물층(21a)은 실리콘산화물(SiOx)의 x가 0＜x＜2의 범위를 가지며, 이러한 x의 범위는 상기 범위에 한정되는 것은 아니다. 또한, 실리콘산화물층(21a)은 실리콘이나 산소 외에 소량의 도전성을 갖는 불순물이 첨가된다.
리튬타이타늄산화물층(21b)은 실리콘산화물층(21a)에 도포되어 적층되며, 리튬타이타늄산화물층(21b)의 두께(n2)는 10 ~ 100nm가 되도록 형성된다. 이러한 리튬타이타늄산화물층(21b)은 Li4Ti5O12로 이루어진다.
탄소나노튜브 체인(CNT)은 실리콘산화물층(21a)과 리튬타이타늄산화물층(21b)이 관통되도록 형성되어 각각이 서로 전기적으로 연결되도록 하여 본 발명의 음극(21)의 전기전도도가 개선되도록 한다. 즉, 음극(21)에 고용량을 갖는 실리콘산화물층(21a)과 전기적으로 안정된 리튬타이타늄산화물층(21b)을 적층한 후 각각을 전기전도도가 높은 탄소나노튜브 체인(CNT)으로 연결하여 음극(21)의 전기전도도를 개선함으로써 등가직렬저항을 개선하여 본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터의 출력밀도와 수명을 개선시킬 수 있는 이점을 제공한다.
음극(21)은 양극(11)과 함께 실리콘산화물층(21a), 리튬타이타늄산화물층(21b) 및 탄소나노튜브 체인(CNT)으로 이루어지는 복합전극이 사용된다. 음극(21)에 사용되는 실리콘산화물층(21a)은 실리콘산화물(SiOx) 분말(P1)이 사용되며, 실리콘산화물(SiOx) 분말(P1)은 고용량의 성질을 가지고 있으나 신뢰성이 저하되는 단점이 있다. 리튬타이타늄산화물층(21b)은 리튬타이타늄산화물(Li4Ti5O12) 분말(P2)이 사용되며, 리튬타이타늄산화물(Li4Ti5O12) 분말(P2)은 리튬에 대해 전위가 높고 계면에 전해질과의 반응물과 리튬이 석출되지 않기 때문에 안전성 및 저온 특성이 개선되는 반면에 저항이 큰 문제점이 있다.
본 발명의 음극(21)은 실리콘산화물(SiOx) 분말(P1)과 리튬타이타늄산화물(Li4Ti5O12) 분말(P2)의 단점을 개선하고 고용량과 신뢰성을 개선하기 위해 각각을 이용하여 실리콘산화물층(21a)과 리튬타이타늄산화물층(21b)으로 이루어지는 복합전극을 형성하였으며, 각각을 탄소나노튜브 체인(CNT)으로 연결하고 탄소나노튜브 체인(CNT)이 실리콘산화물층(21a)과 리튬타이타늄산화물층(21b)을 관통하여 제2알루미늄 포일(22)과 전해질(40)에 각각 연결되도록 함으로써 전기전도도를 개선하여 본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터의 전체적인 등가직렬저항을 낮추게 된다. 등가직렬저항이 낮아지게 됨에 따라 본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터는 출력밀도가 개선되고 수명 즉, 수명 사이클이 증가되게 된다.
본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터의 양극(11)과 음극(11)은 각각 두께가 80 내지 200㎛가 되도록 형성된다. 양극(11)은 양극산화물층(11a)과 활성탄층(11b)을 공지된 도포방법을 이용하여 두께가 80 내지 200㎛가 되도록 형성한다. 음극(11)은 실리콘산화물층(21a)과 리튬타이타늄산화물층(21b)이 적어도 한 층 이상이 되도록 반복 형성하여 두께가 80 내지 200㎛가 되도록 형성된다.
탄소나노튜브 체인(CNT)이 실리콘산화물층(21a)과 리튬타이타늄산화물층(21b)을 관통하여 부분적으로 노출되도록 형성하기 위한 방법을 설명하면 다음과 같다.
제2알루미늄 포일(22)에 실리콘산화물(SiOx) 분말(P1)을 이용하여 실리콘산화물층(21a)의 두께(n1)가 10 내지 100nm가 되도록 도포한다. 실리콘산화물층(21a)이 도포되면 리튬타이타늄산화물(Li4Ti5O12) 분말(P2)을 이용하여 리튬타이타늄산화물층(21b)의 두께(n2)가 10 내지 100nm가 되도록 형성된다. 리튬타이타늄산화물(Li4Ti5O12) 분말(P2)의 도포 시 탄소나노튜브 분산액을 혼합한 후 탄소나노튜브 분산액이 혼합된 리튬타이타늄산화물(Li4Ti5O12) 분말(P2)을 실리콘산화물층(21a)에 도포한다. 여기서 탄소나노튜브 분산액과 리튬타이타늄산화물(Li4Ti5O12) 분말(P2)의 혼합 중량비는 탄소나노튜브 분산액 5 내지 20wt.%과 리튬타이타늄산화물(Li4Ti5O12) 분말(P2) 80 내지 95wt.%가 되도록 혼합된다.
탄소나노튜브 분산액은 탄소나노튜브(도시 않음)를 볼밀링, 아미드(amide)계열의 용매 또는 분산제를 등을 이용하여 분산시켜 탄소나노튜브 분산액을 제조한다. 이와 같이 탄소나노튜브 분산액이 제조되면 탄소나노튜브 분산액을 리튬타이타늄산화물(Li4Ti5O12) 분말(P2)에 혼합한 후 이를 제2알루미늄 포일(22)의 표면에 도포시키며, 도포가 완료되면 건조시켜 리튬타이타늄산화물층(21b)을 형성한다.
리튬타이타늄산화물층(21b)의 건조 시 200 내지 400℃로 열처리하여 탄소나노튜브를 성장시킨다. 열처리에 의해 탄소나노튜브가 성장함에 따라 탄소나노튜브는 실리콘산화물층(21a)을 관통하여 제2알루미늄 포일(22)과 접촉되도록 성장되어 탄소나노튜브 체인(CNT)을 형성한다. 이러한 탄소나노튜브 체인(CNT)은 실리콘산화물층(21a)측으로 성장과 함께 리튬타이타늄산화물층(21b)이 관통되도록 형성된다. 탄소나노튜브 체인(CNT)은 실리콘산화물층(21a) 및 리튬타이타늄산화물층(21b)을 관통되며, 탄소나노튜브 체인(CNT)은 제2알루미늄 포일(22) 및 전해질(40)과 전기적으로 연결되도록 형성되어 음극(21)의 전기전도도를 개선시킬 수 있어 본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터의 등가직렬저항을 줄일 수 있게 된다.
본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터의 다른 실시예는 도 1 및 도 2에서와 같이 양극부재(10), 음극부재(20), 분리막(30), 전해질(40) 및 케이스(50)로 구성되며, 양극부재(10) 및 음극부재(20)는 전술한 본 발명의 일실시예와 동일함으로 설명을 생략한다.
음극부재(20)의 음극(21)의 두께는 80 내지 200㎛가 되도록 형성되며, 실리콘산화물층(21a)과 리튬타이타늄산화물층(21b) 즉, 음극(21)이 제2알루미늄 포일(22)의 전면과 후면에 각각 적어도 한 층 이상으로 적층된다.
분리막(30)은 양극(11)과 음극(21) 사이에 설치되어 양극(11)과 음극(21)이 서로 접촉되는 것을 방지하여 양극(11)과 음극(21)이 서로 물리적으로 접촉되어 발생될 수 있는 전기적으로 연결되는 단락현상을 차단한다. 이러한 분리막(30)은 다공성(31)을 갖는 분리막(30)이 사용되며, 다공성(31)을 갖는 분리막(30)은 폴리프로필렌계, 폴리에틸렌계 및는 폴리올레핀계로 이루어지는 군에서 하나가 선택되어 사용된다.
케이스(50)는 양극부재(10)와 음극부재(20) 사이에 분리막(30)이 삽입되어 권취된 전극조립체(100)가 수납된다. 전극조립체(100)가 수납되면 케이스(50)의 내측에 리튬염이 포함되는 전해질을 투입하여 함침시킨다. 즉, 케이스(50)는 제1알루미늄 포일(12)의 전면과 후면에 각각 도포되는 양극(11)과, 양극(11)과 대향되도록 제2알루미늄 포일(22)의 전면과 후면에 각각 도포되는 음극(21) 사이에 분리막(30)을 삽입된 후 권취된 전극조립체(100)가 삽입되어 수납된다.
전극조립체(100)가 삽입되고 리튬염이 포함되는 전해질을 함침되면 양극(11)과 음극(21)에 각각 리드단자(120)를 연결한다. 여기서, 양극(11)과 음극(21)을 권취하여 전극조립체(100)의 형성 시 보빈(110)을 사용한다. 이와 같이 보빈(110)을 이용하여 전극조립체(100)가 권취되면 리튬염이 포함되는 전해질을 함침하며, 리튬염은 LiClO4, LiN(CF4SO2)2, LiBF4, LiCF3SO3, LiPF6, LiSbF6 및 LiAsF6로 이루어지는 군에서 하나 이상 선택되어 사용된다.
상기 구성을 갖는 본 발명의 본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터의 전기적인 특성을 테스트한 결과가 도 3에 도시되어 있다.
도 3은 본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터에 대한 씨-레이트(C-rate)를 측정한 결과이다. 씨-레이트(C-rate)는 용량을 1 시간 만에 모두 방출할 때 흐르는 전류로 정의된다. 씨-레이트(C-rate) 특성을 측정하기 위해 본 발명의 하이브리드 슈퍼 커패시터는 음극(21)의 리튬타이타늄산화물층(21b)을 탄소나노튜브 분산액 10wt.%와 리튬타이타늄산화물(Li4Ti5O12) 분말 90wt.%의 중량비로 혼합하여 제조하였으며 탄소나노튜브(CNT)의 열처리는 100℃에서 실시하였다.
상기 제조된 본 발명의 하이브리드 슈퍼 커패시터는 음극(21: 도 2에 도시됨)에 탄소나노튜브 체인(CNT)이 함유됨으로 인해 1A(Ampere), 3A, 5A 및 10A일 때 각각 씨-레이트(C-rate)가 220F(Farad), 200F, 180F 및 80F이 되며, 직류 등가직렬저항(DC-ESR)은 40 mΩ이 된다. 반면에, 탄소나노튜브 체인(CNT)가 함유되지 않은 종래의 하이브리드 커패시터의 경우에 200F(Farad), 160F, 120F 및 40F이 되며, 직류 등가직렬저항(DC-ESR)은 50 mΩ이 된다. 도 3의 비교표에서와 같이 본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터는 종래의 하이브리드 커패시터에 비해 씨-레이트(C-rate)가 개선되며, 직류 등가직렬저항(DC-ESR) 특성 또한 개선되었다.
이상과 같이 본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터는 양극(11)은 물론이고 음극(21)에 탄소나노튜브 체인(CNT)을 이용한 복합전극을 적용함으로써 전체적으로 등가직렬저항(ESR)을 낮추며 출력밀도나 수명을 개선시키게 된다.
본 발명은 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터는 하이브리드나 전기자동차의 에너지 저장장치 분야에 적용할 수 있다.
10: 양극부재 11: 양극
12: 제1알루미늄 포일 20: 음극부재
21: 음극 22: 제2알루미늄 포일
30: 분리막 31: 다공성
40: 케이스 100: 전극조립체
110: 보빈 120: 리드단자
12: 제1알루미늄 포일 20: 음극부재
21: 음극 22: 제2알루미늄 포일
30: 분리막 31: 다공성
40: 케이스 100: 전극조립체
110: 보빈 120: 리드단자
Claims (16)
- 양극산화물층과 상기 양극산화물층에 도포되는 활성탄층으로 이루어지는 양극과;
상기 양극과 대향되도록 배치되는 음극을 가지며,
상기 음극은 실리콘산화물층과 상기 실리콘산화물층에 적층되는 리튬타이타늄산화물층과 상기 실리콘산화물층과 상기 리튬타이타늄산화물층이 관통되도록 형성되어 서로 전기적으로 연결되도록 하는 탄소나노튜브 체인으로 이루어지며,
상기 양극의 활성탄층은 활성탄 85 내지 95wt.%와 도전재 5 내지 15wt.%와로 이루어지고, 상기 활성탄은 비표면적이 1500 ~ 2000 m2/g이며, 상기 도전재는 슈퍼-피(super-p)인 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터. - 제1항에 있어서, 상기 양극산화물층은 양극활물질 75내지 90wt.%와 도전재 10 내지 25wt.%와로 이루어지며,
상기 양극활물질은 스피넬계, 올리빈계 및 층상계 중 하나가 선택되며, 상기 도전재는 슈퍼-피(super-p)인 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터. - 제2항에 있어서, 상기 스피넬계는 LiMn2O4 및 Li(MnNi)O4 중 하나가 선택되는 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터.
- 제2항에 있어서, 상기 올리빈계는 LiFePO4인 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터.
- 제2항에 있어서, 상기 층상계는 LiCoO2인 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 실리콘산화물층은 SiOx로 이루어지며,
상기 SiOx의 x는 0＜x＜2인 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터. - 제1항에 있어서, 상기 실리콘산화물층의 두께는 10 내지 100nm인 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터.
- 제1항에 있어서, 상기 리튬타이타늄산화물층은 Li4Ti5O12로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터.
- 제1항에 있어서, 상기 리튬타이타늄산화물층의 두께는 10 내지 100nm인 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터.
- 제1알루미늄 포일의 전면과 후면에 각각 도포되며 양극산화물층과 상기 양극산화물층에 도포되는 활성탄층으로 이루어지는 양극과;
상기 양극과 대향되도록 제2알루미늄 포일의 전면과 후면에 각각 도포되며 실리콘산화물층과 상기 실리콘산화물층에 적층되는 리튬타이타늄산화물층과 상기 실리콘산화물층과 상기 리튬타이타늄산화물층이 관통되도록 형성되어 서로 전기적으로 연결되도록 하는 탄소나노튜브 체인으로 이루어지는 음극과;
상기 양극과 상기 음극 사이에 설치되어 양극과 음극이 서로 접촉되는 것을 방지하는 분리막과;
상기 양극과 상기 음극과 상기 분리막이 수납되고 리튬염이 포함되는 전해액이 함침되는 케이스로 구성되며,
상기 음극의 탄소나노튜브 체인은 실리콘산화물층과 리튬타이타늄산화물층을 관통하여 제2알루미늄 포일과 전해질에 각각 연결되며,
상기 양극의 활성탄층은 활성탄 85 내지 95wt.%와 도전재 5 내지 15wt.%와로 이루어지고, 상기 활성탄은 비표면적이 1500 ~ 2000 m2/g이며, 상기 도전재는 슈퍼-피(super-p)인 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터. - 제11항에 있어서, 상기 양극은 두께가 80 내지 200㎛인 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터.
- 제11항에 있어서, 상기 음극은 두께가 80 내지 200㎛인 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터.
- 제11항에 있어서, 상기 음극은 제2알루미늄 포일의 전면과 후면에 각각 적어도 한 층 이상으로 적층되는 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터.
- 제11항에 있어서, 상기 분리막은 다공성을 갖는 분리막이 사용되며, 상기 다공성을 갖는 분리막은 폴리프로필렌계, 폴리에틸렌계 및는 폴리올레핀계로 이루어지는 군에서 하나가 선택되는 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터.
- 제11항에 있어서, 상기 리튬염은 LiClO4, LiN(CF4SO2)2, LiBF4, LiCF3SO3, LiPF6, LiSbF6 및 LiAsF6로 이루어지는 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터.
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