KR101124154B1 - Secondary power source - Google Patents
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Abstract
본 발명은 2차 전원에 관한 것으로, 본 발명에 따른 2차 전원은 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 순차적으로 적층된 단위 셀을 포함하고, 상기 제1 전극은 제1 도전성 시트에 리튬 이온이 가역적으로 흡장될 수 있는 제1 전극물질이 형성된 것으로, 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속을 이용하여 상기 제1 전극물질에 리튬 이온이 흡장된 이후에 상기 단위 셀에 적층된 것이다.The present invention relates to a secondary power source, the secondary power source according to the present invention includes a unit cell in which a first electrode, a separator and a second electrode are sequentially stacked, the first electrode is lithium ion on the first conductive sheet The reversibly occluded first electrode material is formed, and the lithium ion is occluded in the first electrode material by using a metal capable of supplying lithium ions, and then stacked in the unit cell.
Description
본 발명은 2차 전원에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 에너지 밀도가 높고, 출력 특성이 우수한 2차 전원에 관한 것이다.The present invention relates to a secondary power supply, and more particularly, to a secondary power supply having high energy density and excellent output characteristics.
정보통신 기기와 같은 각종 전자제품에서 안정적인 에너지의 공급은 중요한 요소가 되고 있다. 일반적으로 이러한 기능은 커패시터(Capacitor)에 의해 수행된다. 즉, 커패시터는 정보통신 기기 및 각종 전자제품의 회로에서 전기를 모았다가 내보내는 기능을 담당하여 회로 내의 전기흐름을 안정화시키는 역할을 한다. 일반적인 커패시터는 충방전 시간이 매우 짧고 수명이 길며, 출력 밀도가 높지만 에너지 밀도가 작아 에너지 저장장치로의 사용에 제한이 있다.The supply of stable energy is becoming an important factor in various electronic products such as information and communication devices. In general, this function is performed by a capacitor. In other words, the capacitor collects and discharges electricity from circuits of information and communication devices and various electronic products, thereby stabilizing electric flow in the circuit. A typical capacitor has a very short charge and discharge time, a long lifespan, and a high output density, but a small energy density limits its use as an energy storage device.
이러한 한계를 극복하기 위하여 최근에는 충방전 시간이 짧으면서 출력 밀도가 높은 전기이중층 커패시터와 같은 새로운 범주의 커패시터가 개발되고 있으며, 이차 전지와 함께 차세대 에너지 장치로 각광받고 있다.In order to overcome these limitations, a new category of capacitors, such as electric double layer capacitors, which have a short charge and discharge time and a high output density, have been developed, and have been spotlighted as next generation energy devices together with secondary batteries.
최근, 전기 이중층 커패시터와 유사한 원리로 작동되는 다양한 전기화학 소자가 개발되고 있으며, 리튬 이온 2차 전지와 전기 이중층 커패시터의 축전 원리를 조합한 하이브리드 커패시터라 불리는 에너지 저장장치가 주목받고 있다. 이러한 하이브리드 커패시터로써, 양극 집전체 및 제1 전극 집전체에 표리면을 관통하는 구멍을 형성하고, 제1 전극 활물질로 리튬 이온이 가역적으로 운반 가능한 것을 사용하며, 리튬 금속을 제1 전극 또는 양극과 대향하여 배치하고, 이들의 전기 화학적 접촉에 의해 리튬이온이 제1 전극으로 운반되는 리튬 이온 커패시터가 제안되고 있다.Recently, various electrochemical devices that operate on a principle similar to that of an electric double layer capacitor have been developed, and an energy storage device called a hybrid capacitor combining a power storage principle of a lithium ion secondary battery and an electric double layer capacitor has attracted attention. As such a hybrid capacitor, a hole penetrating the front and back surfaces is formed in the positive electrode current collector and the first electrode current collector, and lithium ions can be reversibly transported as the first electrode active material. Lithium ion capacitors have been proposed which are disposed to face each other and in which lithium ions are transported to the first electrode by their electrochemical contact.
리튬 이온 커패시터는 집전체에 표리면을 관통하는 구멍을 설치함으로써, 리튬 이온이 전극 집전체에 차단됨 없이 이동할 수 있기 때문에, 적층수가 많은 셀 구성의 축전 장치에 있어서도 적층된 다수의 제1 전극에 리튬 이온을 전기 화학적으로 운반하는 것이 가능하게 된다.Lithium ion capacitors are provided with holes penetrating the front and back surfaces in the current collector, so that lithium ions can move without being blocked in the electrode current collector. It becomes possible to transport ions electrochemically.
그러나, 리튬 금속을 이용한 리튬 이온의 운반에 장시간이 소요되고, 조립된 셀 안에 존재하는 리튬 금속으로 인하여 데드 볼륨(dead volume)이 증가하는 문제가 있다.However, it takes a long time to transport lithium ions using lithium metal, and there is a problem that a dead volume increases due to the lithium metal present in the assembled cell.
본 발명의 목적은 에너지 밀도가 높고, 출력 특성이 우수한 2차 전원을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a secondary power source having high energy density and excellent output characteristics.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시형태는 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 순차적으로 적층된 단위 셀을 포함하고, 상기 제1 전극은 제1 도전성 시트에 리튬 이온이 가역적으로 흡장될 수 있는 제1 전극 물질이 형성된 것으로, 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속을 이용하여 상기 제1 전극물질에 리튬 이온이 흡장된 이후에 상기 단위 셀에 적층된 2차 전원을 제공한다.In order to solve the above problems, an embodiment of the present invention includes a unit cell in which a first electrode, a separator, and a second electrode are sequentially stacked, and the first electrode may be reversibly occluded with lithium ions in the first conductive sheet. The first electrode material may be formed, and a secondary power source stacked on the unit cell after lithium ions are occluded in the first electrode material using a metal capable of supplying lithium ions is provided.
상기 제1 도전성 시트는 금속박 형태일 수 있다.The first conductive sheet may be in the form of a metal foil.
상기 단위 셀은 순차적으로 적층된 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 권취된 형태일 수 있다.The unit cell may have a form in which a first electrode, a separator, and a second electrode sequentially stacked are wound.
상기 제1 전극은 상기 제1 전극 물질에 흡장되는 리튬 이온의 양을 측정하여 흡장되는 리튬 이온의 양이 조절된 것일 수 있다.The first electrode may control the amount of lithium ions occluded by measuring the amount of lithium ions occluded in the first electrode material.
상기 제1 전극은 상기 제1 전극과 상기 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속을 대향전극으로 하고, 0.01 내지 1mA/cm2의 정전류 조건에서 충전되는 제1 단계 및 0.01 내지 0.1V의 정전압 조건에서 충전되는 제2 단계에 의하여 리튬 이온이 흡장된 것 일 수 있다.The first electrode is the first electrode and the metal capable of supplying the lithium ion as the counter electrode, the first step is charged in a constant current condition of 0.01 to 1mA / cm 2 and is charged in a constant voltage condition of 0.01 to 0.1V Lithium ions may be occluded by the second step.
상기 제1 전극은 상기 제1 전극과 상기 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속을 복수 개로 배치하여 리튬 이온이 흡장된 것일 수 있다.The first electrode may include lithium ions occluded by disposing a plurality of metals capable of supplying the first electrode and the lithium ions.
상기 제1 전극은 상기 제1 전극과 상기 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속을 전기적으로 단락시켜 리튬 이온이 흡장된 것일 수 있다.The first electrode may be one in which lithium ions are occluded by electrically shorting the first electrode and a metal capable of supplying the lithium ions.
상기 제1 전극은 상기 제1 전극과 상기 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속을 접촉시키고 열을 가하여 리튬 이온이 흡장된 것일 수 있다.The first electrode may be one in which lithium ions are occluded by contacting the first electrode and a metal capable of supplying the lithium ions and applying heat.
상기 제1 전극은 상기 제1 전극과 상기 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속을 접촉시키고 전기적으로 단락시켜 리튬 이온이 흡장된 것일 수 있다.The first electrode may be one in which lithium ions are occluded by contacting and electrically shorting the first electrode and a metal capable of supplying the lithium ions.
상기 2차 전원은 상기 단위 셀이 복 수개 적층하여 형성되는 것일 수 있다.The secondary power source may be formed by stacking a plurality of unit cells.
본 발명의 다른 실시형태는 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 순차적으로 적층된 단위 셀을 포함하고, 상기 제1 전극은 제1 도전성 시트에 리튬 이온이 가역적으로 흡장될 수 있는 제1 전극 물질이 형성된 것으로, 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속을 이용하여 상기 제1 전극 물질에 리튬 이온이 흡장된 이후에 상기 단위 셀에 적층된 리튬 이온 커패시터를 제공한다.Another embodiment of the present invention includes a unit cell in which a first electrode, a separator, and a second electrode are sequentially stacked, and the first electrode includes a first electrode material capable of reversibly occluding lithium ions in the first conductive sheet. The present invention provides a lithium ion capacitor stacked on the unit cell after lithium ions are occluded in the first electrode material by using a metal capable of supplying lithium ions.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 전극을 구성하는 도전성 시트는 금속박 형태일 수 있고, 이에 따라 전극물질의 형성 및 두께 조절이 용이하다. 금속박 형태의 도전성 시트는 관통 홀이 형성된 도전성 시트에 비하여 텐션(tension)이 우수하여 권취형(winding type)의 2차 전원을 제조할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the conductive sheet constituting the electrode may be in the form of a metal foil, thereby easily forming the electrode material and adjusting the thickness. The conductive sheet in the form of a metal foil has a better tension than a conductive sheet having a through hole, thereby manufacturing a winding type secondary power source.
본 발명의 일 실형태에 따르면, 2차 전원에 리튬 금속을 포함하지 않아, 데드 볼륨(dead volume)을 감소시킬 수 있다. According to one embodiment of the present invention, since the lithium secondary battery is not included in the secondary power source, dead volume can be reduced.
또한, 제1 전극에 흡장되는 리튬 이온의 양을 최적화할 수 있어 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.In addition, the amount of lithium ions occluded in the first electrode can be optimized, and the energy density can be improved.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 제1 전극을 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 2a 내지 도 2d는 각각 본 발명의 일 실시 형태에 따른 제1 전극에 리튬 이온을 흡장하는 방법을 나타내는 공정 모식도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 커패시터 단위 셀을 나타내는 개략적인 사시도이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 커패시터 단위 셀이 복수개 적층된 커패시터 셀을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 리튬 이온 커패시터의 특성을 나타내는 그래프이다.1 is a schematic perspective view showing a first electrode according to an embodiment of the present invention.
2A to 2D are process schematic diagrams each showing a method of storing lithium ions in a first electrode according to an embodiment of the present invention.
3A is a schematic perspective view illustrating a capacitor unit cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3B is a schematic cross-sectional view illustrating a capacitor cell in which a plurality of capacitor unit cells according to an embodiment of the present invention are stacked.
4 to 8 are graphs showing the characteristics of the lithium ion capacitor according to the embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 다만, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention may be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. In addition, the embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shape and size of elements in the drawings may be exaggerated for clarity, and the elements denoted by the same reference numerals in the drawings are the same elements.
본 발명에 따른 2차 전원은 정보통신 기기 및 각종 전자제품의 회로에서 주전원으로 사용되거나, 보조적으로 전기를 공급하는 기능을 담당하는 에너지 저장장치로써, 1차 전원과 달리 충전과 방전을 반복하여 사용할 수 있는 에너지 저장 장치를 의미한다.
Secondary power source according to the present invention is an energy storage device that is used as a main power source in a circuit of information and communication devices and various electronic products, or serves as an auxiliary supply of electricity, unlike the primary power source, charging and discharging are repeatedly used. Means an energy storage device that can.
본 발명의 일 실시형태에 따른 2차 전원은 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 순차적으로 적층된 단위 셀을 포함하고, 상기 제1 전극은 리튬 이온이 가역적으로 흡장될 수 있는 제1 전극 물질이 형성된 제1 전극에 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속을 이용하여 상기 제1 전극 물질에 리튬 이온이 흡장된 이후에 상기 단위 셀에 적층된 것일 수 있다.A secondary power source according to an embodiment of the present invention includes a unit cell in which a first electrode, a separator, and a second electrode are sequentially stacked, and the first electrode includes a first electrode material capable of reversibly occluding lithium ions. The first electrode material may be stacked on the unit cell after lithium ions are occluded in the first electrode material by using a metal capable of supplying lithium ions to the formed first electrode.
또한, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 2차 전원은 상기 적층된 하나의 제1 전극, 분리막 및 제2 전극을 단위 셀(C)로 정의하고, 상기 단위 셀이 복 수개 적층하여 형성된 것일 수 있다.
In addition, the secondary power source according to another embodiment of the present invention may be formed by defining one stacked first electrode, a separator and a second electrode as a unit cell (C), and a plurality of unit cells are stacked. .
본 발명에 따른 2차 전원의 구체적인 예로는 전기화학 커패시터가 있으며, 이하, 전기화학 커패시터의 일 예인 리튬 이온 커패시터에 관하여 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다.
Specific examples of the secondary power source according to the present invention include an electrochemical capacitor, hereinafter, a lithium ion capacitor as an example of an electrochemical capacitor will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 제1 전극을 나타내는 개략적인 사시도이고, 도 2a 내지 도 2d는 각각 본 발명의 일 실시 형태에 따른 제1 전극에 리튬 이온을 흡장하는 방법을 나타내는 공정 모식도이며, 도 3a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 커패시터 단위 셀을 나타내는 개략적인 사시도이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 커패시터 단위 셀이 복수개 적층된 커패시터 셀을 나타내는 개략적인 단면도이다.
1 is a schematic perspective view showing a first electrode according to an embodiment of the present invention, Figures 2a to 2d is a process schematic diagram showing a method for storing lithium ions in the first electrode according to an embodiment of the present invention, respectively 3A is a schematic perspective view illustrating a capacitor unit cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3B is a schematic cross-sectional view illustrating a capacitor cell in which a plurality of capacitor unit cells according to an embodiment of the present invention are stacked.
본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬 이온 커패시터는 도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)과 상기 제1 및 제2 전극 사이에 배치된 분리막(30)을 포함하는 커패시터 단위셀(C)을 포함할 수 있다.
As shown in FIG. 3A, a lithium ion capacitor according to an exemplary embodiment of the present invention includes a
또한, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 리튬 이온 커패시터는 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 적층된 하나의 제1 전극, 분리막 및 제2 전극을 커패시터 단위 셀(C)로 정의하고, 상기 커패시터 단위 셀이 복 수개 적층하여 형성된 리튬 이온 커패시터일 수 있다.
In addition, in the lithium ion capacitor according to another embodiment of the present invention, as illustrated in FIG. 3B, the stacked first electrode, the separator, and the second electrode are defined as a capacitor unit cell (C), and the capacitor unit The cell may be a lithium ion capacitor formed by stacking a plurality of cells.
본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬 이온 커패시터는 하기와 같은 방법으로 제조된 것을 특징으로 하며, 이하 이에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
Lithium ion capacitor according to an embodiment of the present invention is characterized in that it is manufactured by the following method, it will be described in detail below.
우선, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 도전성 시트(11)에 제1 전극물질(12)을 형성하여 제1 전극(10)을 마련한다. 본 실시형태에서 상기 제1 전극(10)은 ‘음극’으로 설정될 수 있고, 제2 전극(20)은 ‘양극’으로 설정될 수 있다.
First, as shown in FIG. 1, the
상기 제1 전극물질(12)은 리튬 이온이 가역적으로 흡장될 수 있는 물질을 사용할 수 있고, 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들면 그래파이트, 하드 카본, 코크스 등의 탄소재료, 폴리아센계 물질 등을 사용할 수 있다.The
또한, 상기 제1 전극물질(12)과 도전성 재료를 혼합하여 제1 전극을 형성할 수 있고, 상기 도전성 재료는 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들면 아세틸렌 블랙, 그래파이트, 금속분말 등을 들 수 있다.
In addition, the first electrode may be mixed with the conductive material to form the first electrode, and the conductive material is not limited thereto, and examples thereof include acetylene black, graphite, and metal powder. .
상기 제1 전극 물질(12)의 두께는 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들면 15 내지 100㎛로 형성될 수 있다.
The thickness of the
상기 제1 도전성 시트(11)는 상기 제1 전극물질(12)에 전기적 신호를 전달하고, 축적된 전하를 모으는 집전체 역할을 하는 것으로, 금속박(metallic foil) 또는 도전성 폴리머로 이루어질 수 있다. The first
상기 금속박은 스테인레스, 동, 니켈, 알루미늄 등으로 이루어질 수 있다.The metal foil may be made of stainless steel, copper, nickel, aluminum, or the like.
상기 제1 도전성 시트(11)는 제1 전극물질이 형성되지 않는 제1 단자 인출부(11a)를 가질 수 있다. 상기 제1 단자 인출부(11a)는 커패시터 셀에 전기를 인가하기 위한 패키지의 외부 단자와 연결될 수 있고, 추후 제1 전극에 리튬 이온을 흡장하는 공정에 이용될 수 있다.The first
종래에는, 제1 전극에 리튬 이온을 흡장시키기 위하여 관통 홀이 형성된 집전체 상에 제1 전극물질을 형성하였다. 이러한 경우, 유동성이 있는 전극물질 슬러리는 집전체의 관통 홀을 통하여 빠져나갈 수 있고, 두께 조절이 어려운 문제점이 있었다.Conventionally, a first electrode material is formed on a current collector on which a through hole is formed to occlude lithium ions in a first electrode. In this case, the flowable electrode material slurry can escape through the through-hole of the current collector, there was a problem that the thickness is difficult to control.
그러나, 본 실시형태에서, 상기 제1 도전성 시트는 금속박(foil) 형태로써, 전극물질의 형성 및 두께 조절이 용이하다. 또한, 관통 홀이 형성된 집전체에 비하여 텐션(tension)이 우수하여 권취형(winding type)의 커패시터 셀을 제조할 수 있다.
However, in the present embodiment, the first conductive sheet is in the form of a metal foil, which facilitates formation of an electrode material and control of thickness. In addition, compared to the current collector in which the through-hole is formed, the tension is excellent, so that a winding type capacitor cell can be manufactured.
다음으로, 상기 제1 전극(10)에 리튬 이온을 흡장한다. 상기 제1 전극(10)에 리튬 이온을 흡장하는 방법은 특별히 제한되지 않으나, 전기 도금방법(electroplating), 전기적 단락방법(electrical short), 직접 확산방법(direct diffusion), 또는 단락 확산방법(electrical short & contact diffusion)을 이용할 수 있다.
Next, lithium ions are stored in the
도 2a는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전기 도금방법(electroplating)을 나타내는 공정 모식도이다.FIG. 2A is a process schematic diagram showing an electroplating method according to one embodiment of the present invention. FIG.
도 2a에 도시된 바와 같이, 분리막(31)을 사이에 두고, 제1 전극(10)과 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속(40)을 대향 배치한다. 상기 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속(40)은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 리튬 금속 또는 리튬-알루미늄 합금과 같이 리튬 원소를 함유하여 리튬 이온을 공급할 수 있는 것을 사용할 수 있다.As shown in FIG. 2A, the
상기 대향배치된 제1 전극(10)와 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속(40)의 양면에 누름판(50a, 50b)을 배치하고, 압착하여 단위체(A)를 제조한다.The
본 발명에서는 상기 단위체(A)를 복수 개 배열하여, 전기 도금을 수행하는 것을 특징으로 한다. 상기 단위체(A)를 복수 개 배열한 후, 전해액에 함침한다. 이후, 상기 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속(40)을 대향전극(counter electrode)으로 하고, 정전류 및 정전압으로 충전하여 상기 제1 전극(10)에 리튬 이온을 흡장시킨다.In the present invention, a plurality of the unit (A) is arranged, it characterized in that the electroplating. After arranging a plurality of units (A), the electrolyte solution is impregnated. Subsequently, the
보다 구체적으로, 상기 제1 전극에 리튬 이온을 흡장하는 단계는 0.01 내지 1mA/cm2의 정전류 조건에서 충전되는 제1 단계 및 0.01 내지 0.1V의 정전압 조건에서 충전되는 제2 단계로 수행될 수 있다.More specifically, the step of storing lithium ions in the first electrode may be performed as a first step of charging in a constant current condition of 0.01 to 1mA / cm 2 and a second step of charging in a constant voltage condition of 0.01 to 0.1V. .
이때, 흡장되는 리튬 이온의 양을 측정하여 리튬 이온의 흡장량을 최적화할 수 있다. 흡장되는 리튬 이온의 양은 전기화학적 설정 조건에 의해 측정 및 조절이 가능하며, 제조되는 전기화학 커패시터의 용량에 맞추어 최적화될 수 있다.At this time, the amount of lithium ions occluded may be measured to optimize the amount of occluded lithium ions. The amount of lithium ions occluded may be measured and controlled by electrochemical setting conditions, and may be optimized according to the capacity of the electrochemical capacitor to be manufactured.
상기와 같은 리튬 이온의 흡장 공정은 흡장된 제1 전극의 보전을 위하여 드라이 룸(dry room)에서 수행될 수 있다.
The occlusion process of lithium ions as described above may be performed in a dry room to preserve the occluded first electrode.
도 2b는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전기적 단락방법(electrical short)을 나타내는 공정 모식도이다.2B is a process schematic diagram showing an electrical short method according to one embodiment of the present invention.
도 2b에 도시된 바와 같이, 분리막(31)을 사이에 두고, 제1 전극(10)과 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속(40)을 대향 배치한다. As shown in FIG. 2B, the
상술한 바와 같이, 상기 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속(40)은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 리튬 금속 또는 리튬-알루미늄 합금과 같이 리튬 원소를 함유하여 리튬 이온을 공급할 수 있는 것을 사용할 수 있다.As described above, the
본 실시형태에서, 복수 개의 분리막(31)을 사이에 두고, 복수 개의 제1 전극(10) 및 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속(40)을 각각 대향 배치할 수 있다. 이후, 대향 배치된 복수 개의 제1 전극(10)과 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속(40)의 양단에 누름판(50a, 50b)을 배치하고, 압착할 수 있다. In the present embodiment, the plurality of
이후, 상기 제1 전극(10)과 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속(40)을 단락시켜 상기 제1 전극(10)에 리튬 이온을 흡장시킨다. 이때, 흡장되는 리튬 이온의 량을 측정하여 리튬 이온의 흡장량을 최적화할 수 있다.
Thereafter, the
도 2c는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 직접 확산방법(direct diffusion)을 나타내는 공정 모식도이다.2C is a process schematic diagram illustrating a direct diffusion method according to an embodiment of the present invention.
도 2c에 도시된 바와 같이, 제1 전극(10)과 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속(40)을 접촉시킨다. 상술한 바와 같이, 상기 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속(40)은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 리튬 금속 또는 리튬-알루미늄 합금과 같이 리튬 원소를 함유하여 리튬 이온을 공급할 수 있는 것을 사용할 수 있다.As shown in FIG. 2C, the
본 실시형태에서, 다수 개의 제1 전극(10)과 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속(40)이 접촉되어 사용될 수 있다. 이후, 접촉된 제1 전극(10)과 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속(40)에 열을 가하여 상기 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속(40)으로부터 상기 제1 전극(10)으로 리튬 이온을 흡장시킨다. 이때, 흡장되는 리튬 이온의 양을 측정하여 리튬 이온의 흡장량을 최적화할 수 있다.
In the present embodiment, a plurality of
도 2d는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 단락 확산 방법(electrical short & direct diffusion)을 나타내는 공정 모식도이다.2D is a process schematic diagram illustrating an electrical short & direct diffusion method according to an embodiment of the present invention.
도 2d에 도시된 바와 같이, 제1 전극(10)과 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속(40)을 접촉시킨다. 상술한 바와 같이, 상기 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속(40)은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 리튬 금속 또는 리튬-알루미늄 합금과 같이 리튬 원소를 함유하여 리튬 이온을 공급할 수 있는 것을 사용할 수 있다.As shown in FIG. 2D, the
이후, 접촉된 제1 전극(10)과 금속(40)을 전기적으로 단락시킨다. 본 실시형태는 제1 전극(10)과 금속(40)을 전기적으로 단락시켜 리튬 이온을 제1 전극으로 직접 확산하는 방법이다.
Thereafter, the contacted
다음으로, 도 3a에 도시된 바와 같이, 제2 도전성 시트(21)에 제2 전극물질(22)을 형성하여 제2 전극(20)을 마련한다. 상기 제2 전극물질(22)은 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들면 활성탄을 사용할 수 있고, 상기 활성탄과 도전성 재료 및 바인더를 혼합하여 제2 전극을 형성할 수 있다. Next, as shown in FIG. 3A, the
상기 제2 전극물질의 두께는 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들면 15 내지 100㎛로 형성될 수 있다.
The thickness of the second electrode material is not particularly limited, but may be, for example, 15 to 100 μm.
상기 제2 도전성 시트(21)는 상기 제2 전극물질에 전기적 신호를 전달하고, 축적된 전하를 모으는 집전체 역할을 하는 것으로, 금속박(metallic foil) 또는 도전성 폴리머로 이루어질 수 있다. 상기 금속박은 알루미늄, 동, 니켈, 스테인레스 등으로 이루어질 수 있다.The second
상기 제2 도전성 시트(21)는 제2 전극물질이 형성되지 않는 제2 단자 인출부(21a)를 가질 수 있다. 상기 제2 단자 인출부(21a)는 커패시터 셀에 전기를 인가하기 위한 패키지의 외부 단자와 연결될 수 있다.
The second
이후, 상기 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에 분리막(30)을 배치하고, 적층하여 커패시터 셀 단위셀(C)을 형성한다.Thereafter, the
상기 분리막(30)은 이온의 투과가 가능하도록 다공성 물질로 이루어질 수 있다. 이 경우, 다공성 물질의 예를 들면, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 유리섬유 등을 들 수 있다.
The
하나의 제1 전극(10), 분리막(30) 및 제2 전극(20)은 커패시터의 단위 셀(C)을 구성하며, 복수 개의 단위 셀이 적층되면 보다 높은 전기 용량을 얻을 수 있다.
The
도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 커패시터의 단위 셀(C)을 복수 개 적층하여 커패시터 셀을 형성할 수 있다.As shown in FIG. 3B, a plurality of unit cells C of the capacitor may be stacked to form a capacitor cell.
이후, 커패시터 셀을 리튬 염의 비프로톤성 유기 용매 전해액에 함침하여, 전기화학 커패시터를 제조할 수 있다.Thereafter, the capacitor cell may be impregnated with an aprotic organic solvent electrolyte of a lithium salt to prepare an electrochemical capacitor.
종래에는 다수의 제1 전극 및 제2 전극을 적층한 후에 리튬이온을 흡장함으로써, 적층 셀에 리튬 이온의 흡장을 위한 리튬 금속을 포함하였다. 이에 따라 커패시터 셀의 크기가 증가하여 전기화학 커패시터의 소형화에 제약이 있었다.Conventionally, lithium metal is included in a stacked cell by storing lithium ions after laminating a plurality of first electrodes and second electrodes, thereby including lithium metal for storing lithium ions. As a result, the size of the capacitor cell is increased, thereby limiting the miniaturization of the electrochemical capacitor.
본 실시형태에서는 커패시터 셀에 리튬 금속을 포함하지 않아, 데드 볼륨(dead volume)을 감소시킬 수 있다.In the present embodiment, the capacitor cell does not contain lithium metal, so that the dead volume can be reduced.
또한, 제1 전극에 흡장되는 리튬 이온의 양을 최적화할 수 있어 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
In addition, the amount of lithium ions occluded in the first electrode can be optimized, and the energy density can be improved.
이하, 실시예 및 비교예를 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples.
[실시예 1 및 비교예 1]Example 1 and Comparative Example 1
음극을 형성하기 위한 전극 물질로서 그래파이트계(KS6, Timcal사)를 이용하고, 슈퍼-P(Super-P, Timcal사), CMC 및 SBR를 중량비 95:3:1.5:1.5의 비율로 물과 함께 혼합 분산시켜 슬러리를 만들었다. 동박 집전체 양면에 슬러리를 도포, 건조, 프레스하여 두께 80㎛의 시트를 만들고, 가로 3cm, 세로 4cm 전극으로 잘라 음극을 제작하였다. 제작된 음극은 전기화학적 도금 방법에 의해 리튬 이온을 흡장시켰다. 음극과 리튬 금속을 전기화학적으로 연결하여 1단계로, 0.06 mA/cm2 조건의 정전류에서 0.01V까지 음극의 전위를 낮추고, 이어 2단계로 0.01V의 정전압에서 2시간 가량 유지하였다. 이를 통해 각각의 음극의 전위를 0.1V이하로 제작하였다.Graphite system (KS6, Timcal Co., Ltd.) was used as an electrode material for forming the cathode, and Super-P (Super-P, Timcal Co., Ltd.), CMC and SBR were used together with water at a ratio of 95: 3: 1.5: 1.5 by weight. The mixture was dispersed to make a slurry. A slurry was applied to both surfaces of the copper foil current collector, dried, and pressed to form a sheet having a thickness of 80 µm, and cut into 3 cm wide and 4 cm long electrodes to produce a negative electrode. The prepared negative electrode occluded lithium ions by an electrochemical plating method. In the first step by connecting the negative electrode and lithium metal electrochemically, the potential of the negative electrode was lowered to 0.01V at a constant current at 0.06 mA / cm2, and then maintained at a constant voltage of 0.01V for two hours in two steps. Through this, the potential of each cathode was manufactured to less than 0.1V.
양극을 형성하기 위한 전극 물질로서 비다공성탄(GS Caltex사제)을 이용하고, 카본 블랙(Carbon black) CMC 및 SBR을 중량비 80:10:5:5의 비율로 물과 함께 혼합 분산시켜 슬러리를 만들었다. 알루미늄 집전체 양면에 슬러리를 도포, 건조, 프레스하여 두께 80㎛의 시트를 만들고, 가로 3 cm, 세로 4 cm 전극으로 잘라 양극을 제작하였다.As an electrode material for forming an anode, non-porous carbon (manufactured by GS Caltex) was used, and carbon black CMC and SBR were mixed and dispersed together with water at a weight ratio of 80: 10: 5: 5 to form a slurry. . The slurry was applied to both surfaces of the aluminum current collector, dried, and pressed to form a sheet having a thickness of 80 µm, and cut into 3 cm wide and 4 cm long electrodes to produce a positive electrode.
리튬이 흡장된 음극과 양극은 25㎛ 두께의 폴리에틸렌계 분리막을 이용하여 각각을 대향시키고, 이를 11쌍의 음극 및 양극을 분리막을 사이로 접하도록 적층하였다. 양극에 알루니늄 리드 탭(lead tab)을, 음극에 니켈 리드 탭(lead tab)을 용접하여 커패시터 셀을 제작하였다.The negative electrode and the positive electrode which are occluded with lithium face each other by using a polyethylene-based separator having a thickness of 25 μm, and stacked 11 pairs of the negative electrode and the positive electrode to be in contact with the separator. A capacitor cell was fabricated by welding an aluminum lead tab to the positive electrode and a nickel lead tab to the negative electrode.
제작한 캐피시터 셀은 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate)와 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate)와의 혼합 용매(부피비로 1:1)에 1mol의 농도로 LiPF6를 용해한 전해액에 투입하여 초기 전압, 전류에 의한 충방전 사이클을 5회 반복하였다.The prepared capacitor cell was charged into an electrolyte solution in which
도 4 및 도 5는 상기 실시예 1에 따른 커패시터의 전위와 셀 성능을 보여주고 있다. 비교예 1은 음극에 대한 전기화학적 도금방법에 있어서, 1단계만 실시한 경우이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 비교예 1은 실시예 1에 비해 커패시터 셀의 성능이 저하됨을 확인할 수 있다.
4 and 5 show the potential and the cell performance of the capacitor according to the first embodiment. Comparative Example 1 is a case where only one step is performed in the electrochemical plating method for the negative electrode. 4 and 5, it can be seen that in Comparative Example 1, the performance of the capacitor cell is lower than that in Example 1.
[실시예 2, 3 및 비교예 3, 4][Examples 2 and 3 and Comparative Examples 3 and 4]
상기 실시예 1에서 제작된 음극에 직접 확산 방법으로 리튬 이온을 흡장시켰다. 직접 확산 방법으로 리튬 이온이 흡장된 음극을 이용하고, 실시예 1과 동일하게 커패시터 셀을 제조하였다(실시예 2 및 3). 도 6은 실시예 2 및 3에 따른 캐패시터와 전기이중층 커패시터(EDLC, 비교예 2 및 3)에 대한 성능을 용량과 출력으로 비교한 결과이다. 상기 전기이중층 커패시터는 음극, 양극 모두 비다공성탄(GS Caltex사제)을 전극물질로 제작된 셀로써 상용화된 EDLC 전해액을 사용하여 평가하였다.Lithium ions were occluded in the negative electrode produced in Example 1 by the direct diffusion method. A capacitor cell was prepared in the same manner as in Example 1 using a cathode in which lithium ions were stored by a direct diffusion method (Examples 2 and 3). 6 is a result of comparing the performance of the capacitor and the electric double layer capacitor (EDLC, Comparative Examples 2 and 3) according to Examples 2 and 3 by the capacity and output. The electric double layer capacitor was evaluated using a commercially available EDLC electrolyte as a cell made of non-porous carbon (manufactured by GS Caltex) as an electrode material for both the cathode and the anode.
도 6을 참조하면, 본 실시 형태에 따른 리튬 이온 캐패시터는 EDLC에 비하여 우세한 용량 및 비슷한 출력 특성을 나타내었다.
Referring to FIG. 6, the lithium ion capacitor according to the present embodiment showed superior capacity and similar output characteristics compared to EDLC.
[실시예 4]Example 4
상기 실시예 1에서 제작된 음극에 단락 확산 방법으로 리튬 이온을 흡장시켰다. 단락 확산 방법으로 리튬 이온이 흡장된 음극을 이용하고, 실시예 1과 동일하게 커패시터 셀을 제조하였다(실시예 4). 도 7는 단락 확산 방법에 의한 음극의 리튬 이온 흡장 결과를 나타내는 그래프이고, 도 8은 단락 확산 방법에 의해 제작된 음극을 포함하는 리튬 이온 캐패시터의 충방전 사이클 특성 및 ESR 변화를 나타내는 그래프이다. 도 8을 참조하면, 본 실시형태에 따른 리튬 이온 커패시터는 우수한 충방전 사이클 및 낮은 ESR 등의 우수한 성능을 나타낸다.
The negative electrode produced in Example 1 was occluded with lithium ions by a short-circuit diffusion method. A capacitor cell was prepared in the same manner as in Example 1 using a cathode in which lithium ions were stored by the short-circuit diffusion method (Example 4). FIG. 7 is a graph showing lithium ion occlusion results of a negative electrode by a short-circuit diffusion method, and FIG. 8 is a graph showing charge and discharge cycle characteristics and ESR change of a lithium ion capacitor including a negative electrode manufactured by the short-circuit diffusion method. Referring to FIG. 8, the lithium ion capacitor according to the present embodiment exhibits excellent performance such as excellent charge / discharge cycles and low ESR.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.The present invention is not limited by the above-described embodiments and the accompanying drawings, but is intended to be limited only by the appended claims. It will be apparent to those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. something to do.
10: 제1 전극 20: 제2 전극
30, 31: 분리막 40: 금속
50a, 50b: 누름판 C: 커패시터 단위 셀10: first electrode 20: second electrode
30, 31: membrane 40: metal
50a, 50b: Press plate C: capacitor unit cell
Claims (14)
상기 제1 전극은 제1 도전성 시트에 리튬 이온이 가역적으로 흡장될 수 있는 제1 전극물질이 형성된 것으로, 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속을 이용하여 상기 제1 전극물질에 리튬 이온이 흡장된 이후에 상기 단위 셀에 적층되며,
상기 제1 전극은 상기 제1 전극 물질에 흡장되는 리튬 이온의 양을 측정하여 흡장되는 리튬 이온의 양이 조절된 2차 전원.
The first electrode, the separator and the second electrode includes a unit cell sequentially stacked,
The first electrode is formed of a first electrode material capable of reversibly occluding lithium ions on the first conductive sheet, and after lithium ions are occluded in the first electrode material using a metal capable of supplying lithium ions. Stacked on the unit cell,
The first electrode is a secondary power source in which the amount of lithium ions occluded by measuring the amount of lithium ions occluded in the first electrode material.
상기 제1 도전성 시트는 금속박 형태인 2차 전원.
The method of claim 1,
The first conductive sheet is a secondary power source in the form of a metal foil.
상기 단위 셀은 순차적으로 적층된 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 권취된 형태인 2차 전원.
The method of claim 1,
The unit cell is a secondary power source in which the first electrode, the separator and the second electrode are sequentially stacked.
상기 제1 전극은 제1 도전성 시트에 리튬 이온이 가역적으로 흡장될 수 있는 제1 전극물질이 형성된 것으로, 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속을 이용하여 상기 제1 전극물질에 리튬 이온이 흡장된 이후에 상기 단위 셀에 적층되며,
상기 제1 전극은 상기 제1 전극과 상기 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속을 대향전극으로 하고, 0.01 내지 1mA/cm2의 정전류 조건에서 충전되는 제1 단계 및 0.01 내지 0.1V의 정전압 조건에서 충전되는 제2 단계에 의하여 리튬 이온이 흡장된 2차 전원.
The first electrode, the separator and the second electrode includes a unit cell sequentially stacked,
The first electrode is formed of a first electrode material capable of reversibly occluding lithium ions on the first conductive sheet, and after lithium ions are occluded in the first electrode material using a metal capable of supplying lithium ions. Stacked on the unit cell,
The first electrode is the first electrode and the metal capable of supplying the lithium ion as the counter electrode, the first step is charged in a constant current condition of 0.01 to 1mA / cm 2 and is charged in a constant voltage condition of 0.01 to 0.1V A secondary power source in which lithium ions are occluded by a second step.
상기 제1 전극은 상기 제1 전극과 상기 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속을 복수 개로 배치하여 리튬 이온이 흡장된 2차 전원.
The method of claim 5,
The first electrode is a secondary power source in which lithium ions are occluded by disposing a plurality of metals capable of supplying the first electrode and the lithium ions.
상기 제1 전극은 상기 제1 전극과 상기 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속을 전기적으로 단락시켜 리튬 이온이 흡장된 2차 전원.
The method of claim 1,
The first electrode is a secondary power source in which lithium ions are occluded by electrically shorting the first electrode and a metal capable of supplying the lithium ions.
상기 제1 전극은 상기 제1 전극과 상기 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속을 접촉시키고 열을 가하여 리튬 이온이 흡장된 2차 전원.
The method of claim 1,
The first electrode is a secondary power source in which lithium ions are occluded by contacting the first electrode with a metal capable of supplying the lithium ions and applying heat.
상기 제1 전극은 상기 제1 전극과 상기 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속을 접촉시키고 전기적으로 단락시켜 리튬 이온이 흡장된 2차 전원.
The method of claim 1,
The first electrode is a secondary power source in which lithium ions are occluded by contacting and electrically shorting the first electrode and a metal capable of supplying the lithium ions.
상기 단위 셀이 복 수개 적층하여 형성되는 2차 전원.
The method of claim 1,
Secondary power source is formed by stacking a plurality of unit cells.
상기 제1 전극은 제1 도전성 시트에 리튬 이온이 가역적으로 흡장될 수 있는 제1 전극 물질이 형성된 것으로, 리튬 이온을 공급할 수 있는 금속을 이용하여 상기 제1 전극 물질에 리튬 이온이 흡장된 이후에 상기 단위 셀에 적층되며,
상기 제1 전극은 상기 제1 전극 물질에 흡장되는 리튬 이온의 양을 측정하여 흡장되는 리튬 이온의 양이 조절된 리튬 이온 커패시터.
The first electrode, the separator and the second electrode includes a unit cell sequentially stacked,
The first electrode is formed of a first electrode material capable of reversibly occluding lithium ions in the first conductive sheet, and after lithium ions are occluded in the first electrode material using a metal capable of supplying lithium ions. Stacked on the unit cell,
The first electrode is a lithium ion capacitor is controlled by adjusting the amount of lithium ions occluded by measuring the amount of lithium ions occluded in the first electrode material.
상기 제1 도전성 시트는 금속박 형태인 2차 전원.
The method of claim 5,
The first conductive sheet is a secondary power source in the form of a metal foil.
상기 단위 셀은 순차적으로 적층된 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 권취된 형태인 2차 전원.
The method of claim 5,
The unit cell is a secondary power source in which the first electrode, the separator and the second electrode are sequentially stacked.
상기 단위 셀이 복 수개 적층하여 형성되는 2차 전원.The method of claim 5,
Secondary power source is formed by stacking a plurality of unit cells.
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