KR101139426B1 - 리튬 이온 커패시터 - Google Patents

리튬 이온 커패시터 Download PDF

Info

Publication number
KR101139426B1
KR101139426B1 KR1020100093721A KR20100093721A KR101139426B1 KR 101139426 B1 KR101139426 B1 KR 101139426B1 KR 1020100093721 A KR1020100093721 A KR 1020100093721A KR 20100093721 A KR20100093721 A KR 20100093721A KR 101139426 B1 KR101139426 B1 KR 101139426B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
lithium
graphite
lithium ion
current collector
Prior art date
Application number
KR1020100093721A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20120032207A (ko
Inventor
진창수
안욱
신경희
정규남
이범석
전명석
Original Assignee
한국에너지기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국에너지기술연구원 filed Critical 한국에너지기술연구원
Priority to KR1020100093721A priority Critical patent/KR101139426B1/ko
Priority to US13/247,454 priority patent/US8553393B2/en
Publication of KR20120032207A publication Critical patent/KR20120032207A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101139426B1 publication Critical patent/KR101139426B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/04—Hybrid capacitors
    • H01G11/06—Hybrid capacitors with one of the electrodes allowing ions to be reversibly doped thereinto, e.g. lithium ion capacitors [LIC]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/10—Multiple hybrid or EDL capacitors, e.g. arrays or modules
    • H01G11/12—Stacked hybrid or EDL capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32—Carbon-based
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/54—Electrolytes
    • H01G11/58—Liquid electrolytes
    • H01G11/62—Liquid electrolytes characterised by the solute, e.g. salts, anions or cations therein
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/66—Current collectors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13—Energy storage using capacitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Abstract

본 발명은 리튬 이온 커패시터에 관한 것으로서, 활성탄계의 양극 활물질을 포함하는 양극 전극과, 제1 분리막을 사이에 두고, 상기 양극 전극과 대향하는 음극 전극을 포함한다. 여기서, 상기 음극 전극은, 제1 집전체와 상기 제1 집전체 상에 도포된 흑연계의 음극 활물질을 포함하는 흑연 전극 및 제2 분리막을 사이에 두고 상기 흑연 전극과 대향하며, 제2 집전체와 상기 제2 집전체 상에 도포된 리튬 금속으로 이루어지고, 상기 리튬 금속의 리튬 이온이 방전 과정을 통해 상기 리튬 금속으로부터 상기 흑연 전극을 거쳐 상기 양극 전극으로 이동한 리튬 이온이 충전 과정을 통해 상기 양극 전극에서 상기 흑연 전극에 담지시키는 리튬 금속 부재를 포함한다.

Description

리튬 이온 커패시터{COIN TYPE LITHIUM ION CAPACITOR}
본 발명은 리튬 이온 커패시터에 관한 것으로서, 에너지 밀도와 출력 밀도가 높은 고용량의 안정성이 높은 코인 타입의 구조를 갖는 리튬 이온 커패시터에 관한 것이다.
최근, 그래파이트 등의 탄소재료를 음극에 사용하고, 양극에 LiCoO2 등의 리튬 함유 금속산화물을 사용한 전지가 제안되고 있다. 이 전지는, 전지 조립 후, 충전함으로써, 양극의 리튬 함유 금속산화물로부터 음극에 리튬 이온을 공급하고, 또한 방전에서는 음극 리튬 이온을 양극으로 되돌리는, 소위 로킹 체어형 전지이다. 즉, 음극에 금속 리튬을 사용하지 않고 리튬 이온만이 충 방전에 관여하는 것으로, 리튬 이온 2차 전지라 불리며, 금속 리튬을 사용하는 리튬 전지와는 구별되고 있다. 이 전지는, 고전압 및 고용량, 고안전성을 가지는 것을 특징으로 하고 있다.
또한 환경 문제가 대두되면서, 태양광 발전이나 풍력 발전에 의한 클린 에너지의 저장 시스템이나, 가솔린차를 대신하는 전기 자동차용 또는 하이브리드 전기 자동차용의 전원의 개발이 한창 진행되고 있다. 또한, 최근에는 파워 윈도우나 IT관련 기기 등 차량 탑재장치나 설비가 고성능?고기능화되고 있어, 에너지 밀도, 출력 밀도의 점에서 새로운 전원이 요구되고 있다.
이러한 고에너지 밀도, 고출력 특성을 필요로 하는 용도에 대응하는 축전장치로서, 최근, 리튬이온 2차 전지와 전기 이중층 커패시터의 축전원리를 조합한, 하이브리드 커패시터라고 불리는 축전장치가 주목 받고 있다. 그 하나로서, 리튬 이온을 흡장, 탈리할 수 있는 탄소재료에, 미리 화학적 방법 또는 전기 화학적 방법으로 리튬 이온을 흡장, 담지(이하, "프리 도핑"이라 말하기도 한다)시켜서, 음극 전위를 낮춤으로써 에너지 밀도를 대폭 크게 할 수 있는 탄소재료를 음극에 사용하는 유기 전해질 커패시터가 제안되어 있다.
최근, 더욱 높은 에너지 밀도와 출력 밀도가 높은 고용량의 안정성이 높은 유기전해질 커패시터가 요구가 점차 높아지고 있는 추세이며, 특히 4.2V ~ 4.4V 범위에서 사용될 수 있는 리튬 이온 커패시터의 요구가 점차 높아지고 있는 추세이지만, 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있지 못한 실정이다.
따라서, 에너지 밀도와 출력 밀도가 높은 4.2V ~ 4.4V급 리튬 이온 커패시터의 개발이 시급한 실정이다.
또한, 활용성 측면에서 코인 타입 전지가 유용한데, 코인 타입 전지는 기본적으로 2 전극 구조의 전지이다. 따라서, 제조공정상 복잡한 프리도핑 공정 후 전지를 분해하여 리튬금속전극을 제거하고 나머지 전극을 다시 조립하는 공정이 요구되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 에너지 밀도와 출력밀도가 향상된 리튬 이온 캐패시터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 프리도핑 공정이 따로 필요하지 않은 코인타입의 리튬 이온 커패시터를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 리튬 이온 커패시터는, 활성탄계의 양극 활물질을 포함하는 양극 전극과, 제1 분리막을 사이에 두고, 상기 양극 전극과 대향하는 음극 전극을 포함한다. 여기서, 상기 음극 전극은, 제1 집전체와 상기 제1 집전체 상에 도포된 흑연계의 음극 활물질을 포함하는 흑연 전극 및 제2 분리막을 사이에 두고 상기 흑연 전극과 대향하며, 제2 집전체와 상기 제2 집전체 상에 도포된 리튬 금속으로 이루어지고, 상기 리튬 금속의 리튬 이온이 방전 과정을 통해 상기 리튬 금속으로부터 상기 흑연 전극을 거쳐 상기 양극 전극으로 이동한 리튬 이온이 충전 과정을 통해 상기 양극 전극에서 상기 흑연 전극에 담지시키는 리튬 금속 부재를 포함한다.
본 발명의 다른 일면에 따른 리튬 이온 커패시터는, 활성탄계의 양극 활물질을 포함하는 양극 전극과, 제1 분리막을 사이에 두고, 상기 양극 전극과 대향하는 음극 전극을 포함하되, 상기 음극 전극은 제1 집전체와 상기 제1 집전체 상에 도포된 흑연계의 음극 활물질을 포함하는 흑연 전극 및 제2 분릭막을 사이에 두고 상기 흑연 전극과 대향하며, 제2 집전체와 상기 제2 집전체 상에 도포된 리튬 금속으로 이루어지고, 상기 리튬 금속의 리튬 이온이 방전 과정을 통해 상기 리튬 금속으로부터 상기 흑연 전극을 거쳐 상기 양극 전극으로 이동한 리튬 이온이 충전 과정을 통해 상기 양극 전극에서 상기 흑연 전극에 담지시키는 리튬 금속 부재를 포함한다.
본 발명에 의하면, 프리 도핑(Pre Doping) 과정 없이 자가 방전 과정과 셀 활성화 과정에 의해 2 전극 구조로 대표되는 코인 타입의 안정성을 겸비하며, 에너지 밀도와 출력밀도가 높은 리튬 이온 커패시터를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 코인 타입의 리튬 이온 커패시터의 구조를 개략적으로 보여주는 모식도이다.
도 2는 도 1 에 도시된 음극 전극의 구조를 보여주는 확대도이다.
도 3은 도 1에 도시된 흑연 전극을 제거하고, 양극 전극과 상기 양극 전극의 상태 전극으로 리튬 금속만으로 이루어진 반쪽 전지 셀의 구조를 갖는 리튬 이온 커패시터의 충전 프로파일을 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 리튬 이온 커패시터의 충방전 프로파일을 보여주는 그래프이다.
본 발명에서는, 프리 도핑(Pre Doping) 과정이 필요없는 리튬 이온 커패시터가 제공되며, 특히 프리 도핑 대신에 자가 방전 과정과 셀 활성화 과정에 의해 넓은 전압 범위에서 안정적인 충방전 특성을 보이는 2 전극 구조의 리튬 이온 커패시터가 제공된다.
이를 위하여, 본 발명에 따른 리튬 이온 캐패시터는 활성탄계의 양극 활물질을 포함하는 양극 전극과, 리튬 이온을 담지할 수 있는 흑연 전극과 이 흑연 전극과 도선으로 연결되는 리튬 금속 부재를 포함하는 음극 전극으로 이루어진 2극 전극 구조를 갖는다. 이러한 2극 전극 구조에 의해 기존의 리튬 이온 커패시터에서 사용되는 리튬 이온을 흑연에 담지하는 프리 도핑 과정이 필요치 않게 된다.
본 발명의 리튬 이온 커패시터는 자가 방전 과정(또는 초기 자가 방전 과정) 및 셀 활성 과정을 통해 양극과 음극사이의 전위차가 생기고 충방전 특성을 가지게 되므로, 프리 도핑 과정이 필요하지 않고 따라서 2 전극 구조로 추가적인 프리도핑 공정없이 제조될 수 있으며, 특히 활용도가 높은 코인 타입으로 제조될 수 있다.
여기서, 자가 방전 과정은 음극 전극을 구성하는 흑연 전극과 리튬 금속 간의 전기 화학적 접촉에 의해 상기 리튬 금속에서 흑연 전극으로 리튬 이온이 전위차에 의해 자연적으로 이동하게 되는 과정을 말한다.
셀 활성화 과정은 상기 자가 방전 과정 이후, 흑연 전극과 활성탄계의 양극 전극 간에서 반복되는 충/방전 과정에서 방전된 상기 리튬 이온이 상기 흑연 전극에 충전 시, 리튬 금속으로 석출 되지 않고 흑연에 담지될 수 있게 하는 과정을 말한다.
이러한 자가 방전 과정과 셀 활성화 과정을 통해 리튬 이온이 효과적으로 담지되는 흑연 전극을 포함하는 음극 전극과 활성탄계의 양극 전극의 2 전극 구조로부터 일차 전지 및 리튬 이차 전지로 쓰이는 기존의 코인 타입의 셀과 같은 고출력과 고용량을 가지는 코인 타입의 리튬 커패시터가 제공될 수 있게 된다.
한편, 상기 셀 활성화 과정에서, 방전된 리튬 이온이 흑연 전극에 완전히 충전되지 못한 경우, 충전되지 못하고 남은 리튬 이온이 석출되는 문제가 발생할 수 있다. 이 경우, 석출된 리튬 이온과 리튬 이온 커패시터의 내부를 채우고 있는 전해액이 부반응을 일으켜 가스 발생 등의 문제가 발생한다.
본 발명에서는 이러한 리튬 이온이 석출되는 문제를 해결하는 2가지 방안이 제시된다.
먼저 첫 번째 방안은 음극 전극을 구성하는 리튬 금속 부재는 리튬 금속 집전체와 이 리튬 금속 집전체 상에 도포되는 리튬 금속으로 이루어지는데, 리튬 금속의 양을 흑연 전극을 구성하는 흑연계의 음극 활물질의 가용 용량 이하로 상기 집전체에 도포하는 것이다. 이렇게 함으로써 리튬 이온이 석출되는 현상을 방지할 수 있다. 즉, 리튬 금속과 활성탄계의 양극 전극 간의 완전 방전이 이루어진 경우, 리튬 금속이 남아있지 않게 리튬 금속의 도포량을 실 가용 용량 해석을 통하여 상기 리튬 금속 집전체 상에 도포하는 것이다.
두 번째 방안은 구조적으로 흑연 전극을 구성하는 집전체를 메쉬 타입을 형성하여, 리튬 이온이 메쉬 타입의 집전체에 도포되어 있는 흑연전극을 통하여 확산을 하도록 한다. 본 발명에 따른 리튬 금속 부재와 흑연 전극을 포함하는 음극 전극 구조에서는 리튬 금속 집전체 상에 도포된 리튬 금속이 흑연전극 하부에 구비됨으로써, 상기 리튬 금속과 활성탄계의 양극 전극과의 방전 시, 메쉬 타입의 흑연 전극을 통하여 리튬 이온이 확산되기 때문에 일정량의 리튬 이온이 흑연 전극에 인터칼레이션 되면서 활성탄계의 양극 전극으로 확산되기 때문에 구조적으로 충전 과정에서 리튬 금속으로 다시 석출되지 않고 흑연 전극에 담지되는 형태 즉, LiC6 형태로 존재하게 된다.
본 발명에서는, 이렇게 해야 리튬 금속이 석출되는 것을 최소화하기 위하여, 전극설계 시 각 전극의 용량 크기 순서는 활성탄전극(양극) > 흑연전극(음극) > 리튬 금속의 용량크기를 갖도록 각 전극을 도포한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 코인 타입의 리튬 이온 커패시터의 구조를 개략적으로 보여주는 모식도이고, 도 2는 도 1 에 도시된 음극 전극의 구조를 보여주는 확대도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 코인 타입의 리튬 이온 커패시터(200)는 상부 케이스(210)와, 상기 상부 케이스(210)와 결합하여 내부에 수납 공간을 형성하는 하부 케이스(280) 및 상기 수납 공간에 수납되는 전기화학셀(ES)를 포함한다. 상기 상부 케이스의 측벽 일단부에는 개스킷(270)이 설치되어, 상기 상부 케이스(210)와 상기 하부 케이스(280)의 결합 부위를 밀폐시킨다. 또한 상기 수납 공간에는 상기 상부 케이스(210)의 상기 전기화학셀(ES) 사이에 개재된 스페이서(230)와 스프링 부재(220)가 더 구비되어, 상기 상부 케이스(210)와 상기 전기화학셀(ES) 간의 일정 간격을 유지시킨다.
상기 전기화학셀(ES)가 수납되고 남은 나머지 공간에는 전해액이 채워진다. 상기 전해액은 비프로톤성 유기 용매와 리튬염의 전해질로 구성될 수 있으며, 유기 용매로서 Ethylene carbonate, Propylene carbonate, Butylene carbonate, γ-Butyrolactone, 1,2-Dimethoxyethane, 1,3-Dioxolane, Dimethyl carbonate, Ethyl methyl carbonate, Diethyl carbonate 중 1종 혹은 2종 이상이 혼합될 수 있으며, 상기 리튬염으로는 LiBF4, LiClO4, LiPF6, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N 중 하나를 사용할 수 있다.
상기 전기화학셀(ES)는 활성탄계의 양극 활물질을 포함하는 양극 전극(240)과, 제1 분리막(250)을 사이에 두고, 상기 양극 전극(240)과 대향하는 음극 전극(260)을 포함한다.
상기 양극 전극(240)은 집전체(미도시)(이하, "양극 집전체"라 한다.)에 도포되어, 리튬 이온과 음이온을 가역적으로 담지할 수 있는 양극 활물질(Positive Active Material)로 이루어지며, 이러한 양극 활물질로 활성탄을 사용할 수 있다. 상기 양극 전극을 제조하는 과정에서 사용되는 도전제로서는, 아세틸렌 블랙, 금속분말 등의 전도성 물질이 사용될 수 있다. 도전제의 사용량은 양극 활물질에 대하여 1% 내지 50%의 비율로 가하는 것이 적당하다. 상기 활성탄이 분말 형태인 경우, 분말 형태의 상기 활성탄을 상기 양극 집전체에 도포하기 위해서 바인더 물질이 사용될 수 있다. 예를 들어 SBR 등의 고무계 바인더나 PTEE, Pvdf 등의 불소계 수지 및 아크릴계 수지, 열가소성 수지 등이 사용될 수 있다.
상기 음극 전극(260)은 흑연 전극(262), 제2 분리막(264) 및 리튬 금속 부재(266)를 포함한다.
구체적으로, 흑연 전극(262)은 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 집전체(262A)와 상기 제1 집전체(262A) 상에 도포된 음극 활물질(262B)을 포함한다. 제1 집전체(262A)는 다수의 관통 멍이 형성된 메쉬(mesh) 타입의 형상을 갖는다.
이러한 메쉬(mesh) 타입의 형상에 의해 리튬 금속 부재(266)로부터 발생한 리튬 이온이 상기 제1 집전체(262A)를 통과하여 상기 양극 전극으로 원활하게 이동(또는 확산)할 수 있게 된다. 음극 활물질(262B)은 상기 리튬 금속 부재(266)로부터 발생한 리튬 이온을 가역적으로 담지할 수 있는 물질로서, 예를 들어, 그라파이트(Graphite), 하드 카본 등의 흑연계의 재료를 사용할 수 있다. 이러한 흑연계의 음극 활물질은 메쉬 타입의 상기 제1 집전체(262A) 상에 도포되어 상기 흑연 전극(262)을 구성하게 된다.
리튬 금속 부재(266)는 상기 제2 분리막(264)을 사이에 두고 상기 흑연 전극과 대향하게 구비된다. 리튬 금속 부재(266)는 제2 집전체(266A)와 상기 제2 집전체(266A) 상에 도포된 리튬 금속(266B)을 포함하며, 전술한 바와 같이, 리튬 금속(266B)으로부터 발생한 리튬 이온이 상기 흑연 전극(262)에 완전히 담지되지 못하여 리튬 금속으로 석출되는 것을 방지하기 위하여, 상기 흑연계의 음극 활물질(262B)의 가용용량 이하로 상기 제2 집전체(266A) 상에 도포되는 것이 바람직하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 리튬 이온 커패시터에서는, 2 전극 구조의 코인타입으로 설계하기 위하여, 흑연 전극(262)과 리튬 금속 부재(266)를 하나의 도선(268)으로 전기적으로 연결하여, 하나의 셀(Cell)을 구성하는 데 있어서, 음극 전극으로 작용하게 된다.
셀 조립 후, 초기 고온 자가 방전 과정과 셀 활성화 과정인 충, 방전 과정을 거쳐 리튬 이온이 양극과 음극으로 확산하는 과정을 반복적으로(예컨대, 5 cycle) 거치게 되어 최종적으로 음극인 흑연에 담지 된다.
본 발명의 코인타입 리튬 이온 커패시터는 4.2 V이상에서 양극 활물질인 활성탄 및 리튬 금속에 의한 전해액과의 부반응으로 발생하는 가스발생 등의 문제가 생기지 않는다.
그 이유는 음극 전극을 구성하는 흑연 전극(260)에 맞물려있는 리튬 금속(266B)이 모두 음극 쪽으로 인터칼레이션 되어 리튬 금속이 소비되므로, 전해액과의 부반으로 발생하는 가스 발생 등의 문제가 발생하지 않으며, 이에 따라 4.2V이상에서도 안정적인 셀 구동이 가능하다.
이와 같이 본 발명의 리튬 이온 커패시터는 양극 전극과, 양극 전극에 대향하는 음극 전극의 2 전극 구조로서, 상기 음극 전극은 도선으로 연결된 흑연 전극과 리튬 금속의 구조로 이루어진다.
이러한 구조를 취함으로써, 커패시터 제조시 프리 도핑(Pre Doping)이라는 공정 없이 자가 방전 과정과 셀 활성화 과정에 의해 안정성과, 매우 높은 에너지 밀도 및 출력 밀도를 제공할 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 흑연 전극을 배제하고, 리튬 금속과 양극 전극의 구조에서도 충방전은 가능하다. 그러나 이러한 구조로 리튬 이온 커패시터를 제조할 경우, 매우 높은 전압 예컨대, 4.2V 이상에서는 충방전 특성이 무너지는 문제가 발생한다.
도 3은 도 1에 도시된 흑연 전극을 제거하고, 양극 전극과 상기 양극 전극의 상태 전극으로 리튬 금속만으로 이루어진 반쪽 전지 셀의 구조를 갖는 리튬 이온 커패시터의 충전 프로파일을 보여주는 그래프이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 반쪽 구조의 리튬 이온 커패시터에서는 4.0V에도 못 미쳐서 충방전 특성이 완전히 깨지는 것을 확인할 수 있다. 이러한 현상은 리튬 금속의 불안정성에 기인하는데, 특히 충전 과정 시 리튬 금속과 전해액 간의 부반응으로 인한 가스가 발생하고, 발생한 가스로 인해 충방전 특성이 상실된다.
이에 본 발명에서는 양극 전극과 리튬 금속 사이에 리튬 금속으로부터 발생하는 리튬 이온을 담지하는 흑연 전극을 구비함으로써, 4.2V 이상에서도 안정적인 충방전 특성을 제공하게 된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 리튬 이온 커패시터의 충방전 프로파일을 보여주는 그래프로서, 본 실시예에서는 집전체 상에 형성된 양극 활물질로 구성된 양극 전극의 두께가 250um인 16Ø의 전극을 사용하였으며, 다른 집전체 상에 형성된 음극 활물질로 구성된 음극 전극의 두께가 180um인 16Ø의 전극을 사용하였다. 그리고 집전체 상에 형성된 리튬 금속으로 구성된 리튬 금속 부재의 두께는 100um인 16 Ø로 설계하였다. 흑연 전극과 리튬 금속은 하나의 도선으로 연결하여 하나의 전극으로 사용할 수 있도록 하였다.
양극과 음극의 무게비율을 1:1, 2:1, 3:1로 각각 셀을 제조하여 테스트를 진행하였다. 셀의 자가 방전 및 활성화 과정은 코인 셀을 제조하고 제조한 셀 내부에서 리튬 이온이 물리적인 접촉에 의해 음극에 자가방전이 일어날 수 있게 60 오븐에서 48시간 동안 방치하였다. 자가방전 과정을 거친 코인 셀을 가지고 리튬 이온 공급원인 리튬 금속으로부터 음극에 리튬 이온이 담지되는 과정이 일어날 수 있게 양극과 음극/리튬 금속 전극을 전기화학적 접촉 방법으로 리튬 이온을 확신시켰다. 상기 초기 활성화 과정은 1.5~4.5V로 전기화학적 활성화 단계를 진행하였다.
초기 10번의 충, 방전 과정으로 리튬 금속은 완전히 사라지게 되고 음극 활물질인 흑연계 내로 인터칼레이션 되어 남아있지 않게 되었다.
셀 활성화 단계를 거친 코인 타입형 리튬 이온 커패시터는 안정적인 충, 방전 곡선을 나타내었다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 시간이 흐를수록 피크치 부근의 상승 슬로우프(slope)가 완만한 곡선에서 가파른 곡선으로 변화되고 있음 알 수 있다.
그러나 도 3에 도시된 바와 같이, 활성탄만을 사용한 반쪽 전지 셀에서는 4.2V이상으로 충전 시 활성탄과 리튬 금속이 전해액과의 부반응으로 인해 불안정한 현상을 보였으므로 코인 타입의 리튬 이온 커패시터가 활성탄을 이용한 반쪽전지보다 안정성에서 높아 산업에 이용 가능하다고 볼 수 있다.
또한, 양극/음극의 무게비율이 3:1인 경우가 2:1 및 1:1인 경우에 비해 용량이 높은 것을 확인할 수가 있었고, 이것은 코인타입의 리튬 이온 커패시터의 용량은 양극에 의해 결정된다는 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명에 구성에 대하여 바람직한 실시예를 들어 구체적으로 설명하였으나, 본 발명의 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 명세서에 개시된 사항을 토대로 본 발명의 범위에 속하는 다양한 변형과 변경을 가할 수 있을 것이다. 예컨대, 전술한 실시예에서 코인 타입의 2전극 리튬 이온 커패시터를 중심으로 기술하였으나, 본 발명은 코인 타입 이외의 다른 형상의 리튬 이온 커패시터를 포함함은 물론이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정하여져야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 유기 용매 전해질을 구비한 리튬 이온 커패시터에 있어서,
    활성탄계의 양극 활물질을 포함하는 양극 전극과, 제1 분리막을 사이에 두고, 상기 양극 전극과 대향하는 음극 전극을 포함하되,
    상기 음극 전극은,
    제1 집전체와 상기 제1 집전체 상에 도포된 흑연계의 음극 활물질을 포함하는 흑연 전극; 및
    제2 분리막을 사이에 두고 상기 흑연 전극과 대향하며, 제2 집전체와 상기 제2 집전체 상에 도포된 리튬 금속으로 이루어지고, 상기 리튬 금속의 리튬 이온은 방전 과정을 통해 상기 리튬 금속으로부터 상기 흑연 전극을 거쳐 상기 양극 전극으로 이동하고, 충전 과정을 통해 상기 양극 전극에서 상기 흑연 전극에 담지되는 것인 리튬 금속 부재를 포함하되,
    상기 제2 집전체 상에 도포된 리튬 금속은 상기 충전 과정에서 상기 리튬 이온이 상기 흑연 전극에 담지되지 않고, 다시 리튬 금속으로 석출되는 것을 방지하기 위하여, 상기 흑연계의 음극 활물질의 가용용량 이하로 상기 제2 집전체 상에 도포되는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 커패시터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 집전체는,
    상기 리튬 이온이 상기 흑연 전극으로부터 상기 양극 전극으로 원활하게 전달되기 위하여, 다수의 관통 구멍이 형성된 메쉬(mesh) 타입인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 커패시터.
  5. 삭제
  6. 제3항에 있어서, 상기 양극 전극과 상기 음극 전극의 상대적 용량은,
    상기 흑연계의 음극 활물질의 용량이 상기 활성탄계의 양극 활성물질의 용량 이하이고, 상기 리튬 금속의 용량보다 큰 것을 특징으로 하는 리튬 이온 커패시터.
  7. 제3항에 있어서, 상기 양극 전극과 상기 음극 전극의 상대적 용량 비율은,
    상기 리튬 금속의 용량을 기준으로, 상기 활성탄계의 양극 활물질과 상기 흑연계의 음극 활물질이 각각 100 % 내지 500 %의 용량의 비율인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 커패시터.
  8. 제3항에 있어서, 상기 유기용매로서 Ethylene carbonate, Propylene carbonate, Butylene carbonate, γ-Butyrolactone, 1,2-Dimethoxyethane, 1,3-Dioxolane, Dimethyl carbonate, Ethyl methyl carbonate, Diethyl carbonate 중 1종 혹은 2종 이상을 혼합하여 사용하는 리튬 이온 커패시터.
  9. 제3항에 있어서, 전해액의 리튬염으로는, LiBF4, LiClO4, LiPF6, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N 중 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 커패시터.
  10. 제3항에 있어서, 상기 리튬 이온 커패시터의 가역 전위는,
    상기 리튬 이온에 대하여 1.5~ 4.5V로 충전 및 방전이 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 커패시터.
  11. 제3항에 있어서, 그 외형이 코인 타입인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 커패시터.
  12. 제3항에 있어서, 상기 흑연 전극과 상기 금속 부재를 연결하는 도선을 더 포함하고, 상기 도선에 의해 상기 흑연 전극과 상기 금속 부재는 하나의 상기 음극 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 커패시터.
KR1020100093721A 2010-09-28 2010-09-28 리튬 이온 커패시터 KR101139426B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100093721A KR101139426B1 (ko) 2010-09-28 2010-09-28 리튬 이온 커패시터
US13/247,454 US8553393B2 (en) 2010-09-28 2011-09-28 Coin type lithium ion capacitor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100093721A KR101139426B1 (ko) 2010-09-28 2010-09-28 리튬 이온 커패시터

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120032207A KR20120032207A (ko) 2012-04-05
KR101139426B1 true KR101139426B1 (ko) 2012-04-27

Family

ID=45870441

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100093721A KR101139426B1 (ko) 2010-09-28 2010-09-28 리튬 이온 커패시터

Country Status (2)

Country Link
US (1) US8553393B2 (ko)
KR (1) KR101139426B1 (ko)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8526166B2 (en) * 2010-08-31 2013-09-03 Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. Lithium ion capacitor
KR101310158B1 (ko) * 2012-04-18 2013-09-23 주식회사 지엘비이 전해액 함유형 코인셀 전지 및 그 제조방법
CN104981885A (zh) * 2013-02-08 2015-10-14 Lg电子株式会社 石墨烯锂离子电容器
JP6213971B2 (ja) * 2014-02-28 2017-10-18 国立研究開発法人物質・材料研究機構 グラフェン／ＣＮＴ複合体電極装備Ｌｉイオン・スーパーキャパシター及びその製造方法
KR102349963B1 (ko) * 2015-04-30 2022-01-11 삼성전자주식회사 실시간 분석을 위한 인-시츄 코인 셀과 이를 포함하는 측정 시스템과 인-시츄 코인 셀의 제조방법 및 광을 이용한 그 측정방법
KR20170124700A (ko) * 2016-05-03 2017-11-13 한국세라믹기술원 리튬-황 울트라커패시터 및 그 제조방법
KR102268176B1 (ko) 2017-08-28 2021-06-22 주식회사 엘지에너지솔루션 리튬 이차전지
KR20210112908A (ko) * 2020-03-06 2021-09-15 주식회사 엘지에너지솔루션 신규한 이차 전지의 제조 방법

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03272571A (ja) * 1990-03-22 1991-12-04 Sanyo Electric Co Ltd 非水電解液二次電池の製造方法
KR20090086153A (ko) * 2008-02-06 2009-08-11 후지 쥬코교 가부시키가이샤 축전 디바이스
KR20100108205A (ko) * 2009-03-27 2010-10-06 후지 쥬코교 가부시키가이샤 축전 디바이스 및 그 제조 방법

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5900182A (en) * 1994-10-17 1999-05-04 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Ion-conductive polymer electrolyte, method for producing the same and capacitors using the same electrolyte
WO2003003395A1 (fr) * 2001-06-29 2003-01-09 Kanebo, Limited Condensateur a electrolyte organique
CN100578700C (zh) * 2005-03-31 2010-01-06 富士重工业株式会社 锂离子电容器
JP2006324591A (ja) * 2005-05-20 2006-11-30 Nisshinbo Ind Inc 電気二重層キャパシタ、その制御方法及びこれを用いた蓄電システム並びに二次電池
JP4813152B2 (ja) * 2005-11-14 2011-11-09 富士重工業株式会社 リチウムイオンキャパシタ
JP4813168B2 (ja) 2005-12-08 2011-11-09 富士重工業株式会社 リチウムイオンキャパシタ
KR100830611B1 (ko) 2006-08-10 2008-05-21 한양대학교 산학협력단 하이브리드 커패시터, 및 이의 제조 방법
JP4857073B2 (ja) 2006-10-20 2012-01-18 富士重工業株式会社 リチウムイオンキャパシタ
JP4994205B2 (ja) * 2007-12-06 2012-08-08 三菱電機株式会社 電気二重層キャパシタ及びその製造方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03272571A (ja) * 1990-03-22 1991-12-04 Sanyo Electric Co Ltd 非水電解液二次電池の製造方法
KR20090086153A (ko) * 2008-02-06 2009-08-11 후지 쥬코교 가부시키가이샤 축전 디바이스
KR20100108205A (ko) * 2009-03-27 2010-10-06 후지 쥬코교 가부시키가이샤 축전 디바이스 및 그 제조 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20120032207A (ko) 2012-04-05
US8553393B2 (en) 2013-10-08
US20120075771A1 (en) 2012-03-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101179629B1 (ko) 리튬 이온의 프리 도핑 방법에 따른 리튬 이온 커패시터 제조 방법 및 이의 리튬 이온 커패시터
US10629890B2 (en) Negative electrode material for non-aqueous electrolyte secondary battery, negative electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery, non-aqueous electrolyte secondary battery, and method of producing negative electrode active material particles
KR101139426B1 (ko) 리튬 이온 커패시터
EP2905831B1 (en) Cathode additive for high-capacity lithium secondary battery
KR102367610B1 (ko) 비수전해질 이차 전지용 부극재 및 부극 활물질 입자의 제조 방법
KR101514586B1 (ko) 리튬 이온 2차 전지용 부극 활물질
US20170092950A1 (en) Porous carbonized composite material for high-performing silicon anodes
US20160315310A1 (en) Negative electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary battery, method of producing the same, non-aqueous electrolyte secondary battery using the negative electrode active material, and method of producing negative electrode material...
EP3096379A1 (en) Negative electrode material for nonaqueous electrolyte secondary batteries and method for producing negative electrode active material particles
US9876227B2 (en) Sealed nonaqueous electrolyte secondary battery and method of producing same
KR101676085B1 (ko) 실리콘계 음극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR101488043B1 (ko) 고용량 리튬이차전지의 활성화 방법
CN107112581A (zh) 锂离子电池
CN101116200A (zh) 正极和非水电解质二次电池
CN102160215A (zh) 非水电解质二次电池
KR20160040020A (ko) 전극 조립체 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
EP3534436B1 (en) Negative electrode, secondary battery including same negative electrode, and method for manufacturing same negative electrode
KR101520118B1 (ko) 리튬이차전지의 사이클 성능 개선 방법
CN104508891A (zh) 非水电解质二次电池
JP2013175410A (ja) リチウム二次電池
CN108550845B (zh) 磷酸钒锂钠材料的应用及其低温电池
JP2013197052A (ja) リチウムイオン蓄電デバイス
CN109643828B (zh) 非水电解质蓄电元件
CN103187589B (zh) 锂离子电池及其制造方法
US20220255061A1 (en) Nonaqueous electrolyte energy storage device, method for manufacturing the same, and energy storage apparatus

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160408

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170308

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190326

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200309

Year of fee payment: 9