KR101199538B1 - Hybrid capacitor - Google Patents

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KR101199538B1
KR101199538B1 KR1020110083378A KR20110083378A KR101199538B1 KR 101199538 B1 KR101199538 B1 KR 101199538B1 KR 1020110083378 A KR1020110083378 A KR 1020110083378A KR 20110083378 A KR20110083378 A KR 20110083378A KR 101199538 B1 KR101199538 B1 KR 101199538B1
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positive electrode
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오영주
윤중락
이경민
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삼화콘덴서공업주식회사
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Abstract

PURPOSE: A hybrid capacitor is provided to improve the reliability of product operation by using a mesoporous carbon material and a transition metal doped graphene as an active material member of an anode and cathode. CONSTITUTION: An anode(11) is composed of a first current collector(11a) and an anode active material member(11b). The anode active material member is made of a mesoporous carbon material. The mesoporous carbon material is composed of rod type carbon(21). A cathode(12) is composed of a second current collector(12a) and a cathode active material member(12b). The cathode active material member is made of a transition metal doped graphene.

Description

하이브리드 커패시터{Hybrid capacitor}Hybrid capacitor

본 발명은 하이브리드 커패시터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극과 음극의 활물질부재로 각각 중형 기공성 탄소체와 전이금속이 도핑된 그래핀과 같이 서로 다른 재질로 형성한 하이브리드 커패시터에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid capacitor, and more particularly, to a hybrid capacitor formed of different materials, such as graphene doped with a medium-porous carbon body and a transition metal, respectively, as active material members of a positive electrode and a negative electrode.

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. Electrochemical Double Layer Capacitors (EDLCs) accumulate electrical energy by accumulating electric charges in an electric double layer formed at an interface between a solid electrode and an electrolyte. The electric double layer capacitor has a short charging time, a very high output density of 1000-2000W / kg, and a long cycle life. The electric double layer capacitor has a characteristic that the charge and discharge reaction occurs only at the interface between the electrode and the electrolyte (electric double layer), and since the reaction is limited to the surface, the energy density stored is low as 1 to 10 Wh / kg.

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.An electric double layer capacitor is composed of an electrode, a separator, an electrolyte, and a case. The most important element of an electric double layer capacitor is an electrode material used for an electrode. Activated carbon or activated carbon fibers are most commonly used because electrode materials have to have high electrical conductivity, specific surface area, and electrochemical stability.

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.The electric double layer capacitor has a method of increasing the driving voltage in order to increase the energy density, but increasing the driving voltage is limited because it is limited to the range in which the decomposition of the electrolyte does not occur. In order to solve this problem, in the case of using activated carbon as an electrode material, the storage capacity can be increased by increasing the porosity of the surface of the activated carbon, thereby improving the energy density.

전기이중층 커패시터의 에너지 밀도를 개선하고자 하이브리드 커패시터가 개발되었다. 하이브리드 커패시터는 비대칭 전극을 사용하여 에너지 밀도를 개선하였다. 하이브리드 커패시터의 비대칭 전극 중 하나는 분극성 전극을 사용하여 고출력특성을 나타내며 다른 전극은 고용량 특성으로 슈도 커패시턴스(pseudo capacitance)의 특성을 가진다. 비대칭 전극은 예를 들어, 양극에는 활성탄을 사용하고 음극에는 리튬타이타늄산화물(LTO: lithium-titanium oxide, Li4Ti5O12)을 사용하여 에너지밀도를 개선하였다. 리튬타이타늄산화물은 리튬에 대해 전위가 높고 계면에서 전해질과의 반응물이나 리튬이 석출되지 않아 안전성과 저온특성이 좋은 특징을 갖는다. Hybrid capacitors have been developed to improve the energy density of electric double layer capacitors. Hybrid capacitors use asymmetric electrodes to improve energy density. One of the asymmetric electrodes of the hybrid capacitor exhibits a high output characteristic by using a polarizable electrode, and the other electrode has a characteristic of pseudo capacitance as a high capacitance characteristic. For example, the asymmetric electrode uses activated carbon for the positive electrode and lithium-titanium oxide (LTO: Li 4 Ti 5 O 12 ) to improve the energy density. Lithium titanium oxide has a high potential for lithium and does not precipitate reactants or lithium with electrolyte at the interface, and thus has good safety and low temperature characteristics.

종래의 하이브리드 커패시터는 비대칭 전극으로 양극에 활성탄을 사용하고 음극에 리튬타이타늄산화물을 사용하여 에너지밀도를 개선하였으나 리튬타이타늄산화물이 리튬에 대해 전위가 높기 때문에 활성탄과 조합하면 등가직렬저항(ESR: Equivalent Series Resistance)이 증가되어 하이브리드 커패시터의 출력이 저하되는 문제점이 있다. Conventional hybrid capacitors have improved energy density by using activated carbon as the asymmetric electrode and using lithium titanium oxide as the anode. Resistance) is increased, causing a problem that the output of the hybrid capacitor is lowered.

본 발명의 목적은 전술한 종래 하이브리드 커패시터의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 양극과 음극의 활물질부재로 각각 중형 기공성 탄소체와 전이금속이 도핑된 그래핀과 같이 서로 다른 재질로 형성함에 의해 제품 동작 신뢰성과 고출력을 달성할 수 있는 하이브리드 커패시터를 제공함에 있다. An object of the present invention is to solve the above problems of the conventional hybrid capacitor, the product operation by forming a different material, such as graphene doped with a medium-porous carbon body and a transition metal, respectively, as the active material member of the positive electrode and the negative electrode It is to provide a hybrid capacitor that can achieve reliability and high power.

본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 커패시터는 제1집전체와, 상기 제1집전체에 형성되는 양극 활물질부재로 이루어지는 양극과; 상기 양극과 대향되도록 배치되는 제2집전체와, 상기 제2집전체에 형성되는 음극 활물질부재로 이루어지는 음극으로 구성되며, 상기 양극 활물질부재는 중형 기공성 탄소(meso porous carbon)체 사용되고, 상기 음극 활물질부재는 리튬 티타늄 산화물이나 전이금속이 도핑된 그래핀(graphene)이 사용되는 것을 특징으로 한다. A hybrid capacitor according to an embodiment of the present invention includes a positive electrode comprising a first current collector and a positive electrode active material member formed on the first current collector; And a negative electrode including a second current collector disposed to face the positive electrode, and a negative electrode active material member formed on the second current collector, wherein the positive electrode active material member is a medium porous carbon material, and the negative electrode The active material member is characterized in that lithium titanium oxide or graphene doped with a transition metal is used.

본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 커패시터는 제1집전체와, 상기 제1집전체에 형성되는 양극 활물질부재로 이루어지는 양극과; 상기 양극과 대향되도록 배치되는 제2집전체와, 상기 제2집전체에 형성되는 음극 활물질부재로 이루어지는 음극과; 상기 양극과 상기 음극 사이에 형성되는 전해질과; 상기 양극과 상기 음극 사이에 형성되어 양극과 음극이 서로 접촉되어 전기적으로 연결되는 것을 방지하는 분리막으로 구성되며, 상기 양극 활물질부재는 중형 기공성 탄소(meso porous carbon)체가 사용되고, 상기 음극 활물질부재는 리튬 티타늄 산화물이나 전이금속이 도핑된 그래핀(graphene)이 사용되는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, a hybrid capacitor includes: a positive electrode including a first current collector and a positive electrode active material member formed on the first current collector; A negative electrode comprising a second current collector disposed to face the positive electrode, and a negative electrode active material member formed on the second current collector; An electrolyte formed between the positive electrode and the negative electrode; The separator is formed between the positive electrode and the negative electrode and prevents the positive electrode and the negative electrode from being electrically connected to each other. The positive electrode active material member is a medium porous carbon body, and the negative electrode active material member It is characterized in that the graphene (graphene) doped with lithium titanium oxide or transition metal is used.

본 발명의 하이브리드 커패시터는 양극과 음극의 활물질부재로 각각 중형 기공성 탄소체와 전이금속이 도핑된 그래핀과 같이 서로 다른 재질로 형성함에 의해 제품 동작 신뢰성과 고출력을 달성할 수 있게 이점을 제공한다. The hybrid capacitor of the present invention provides an advantage of achieving product operation reliability and high output by forming a different material such as graphene doped with a medium-porous carbon body and a transition metal, respectively, as an active material member of a positive electrode and a negative electrode. .

도 1은 본 발명의 하이브리드 커패시터의 개략 구성도,
도 2는 도 1에 도시된 중형 기공성 탄소체의 제조과정을 나타낸 흐름도,
도 3은 내지 도 5는 도 1에 도시된 중형 기공성 탄소체의 제조과정을 나타낸 도.1 is a schematic configuration diagram of a hybrid capacitor of the present invention;
2 is a flowchart illustrating a process of manufacturing the medium-sized porous carbon body shown in FIG. 1;
3 to 5 is a view showing the manufacturing process of the medium-sized porous carbon body shown in FIG.

이하, 본 발명의 하이브리드 커패시터의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, an embodiment of the hybrid capacitor of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1에서와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 커패시터(10)는 양극(11)과 음극(12)을 갖도록 구성되고, 양극(11)은 제1집전체(11a)와, 제1집전체(11a)에 형성되는 양극 활물질부재(11b)로 이루어지며, 음극(12)은 양극(11)과 대향되도록 배치되는 제2집전체(12a)와, 제2집전체(12a)에 형성되는 음극 활물질부재(12b)로 이루어지는 음극(12)으로 구성되며, 양극 활물질부재(11b)는 중형 기공성 탄소(meso porous carbon)체가 사용되고, 음극 활물질부재(12b)는 리튬 티타늄 산화물이나 전이금속이 도핑된 그래핀(graphene)을 사용한다. As shown in FIG. 1, the hybrid capacitor 10 according to the exemplary embodiment of the present invention is configured to have a positive electrode 11 and a negative electrode 12, and the positive electrode 11 includes a first current collector 11a and a first current collector. It is made of a positive electrode active material member (11b) formed in the whole (11a), the negative electrode 12 is formed on the second current collector 12a and the second current collector 12a disposed to face the positive electrode 11 The negative electrode active material member 12b is composed of a negative electrode 12, and the positive electrode active material member 11b is a medium porous carbon body, and the negative electrode active material member 12b is doped with lithium titanium oxide or transition metal. Use graphene.

본 발명의 하이브리드 커패시터(10)를 구성하는 양극(11)과 음극(12)의 구성을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. Referring to the configuration of the positive electrode 11 and the negative electrode 12 constituting the hybrid capacitor 10 of the present invention in more detail as follows.

양극(11)은 제1집전체(11a)와 양극 활물질부재(11b)로 이루어진다. 제1집전체(11a)는 양극 활물질부재(11b)의 베이스 기판으로 작용으로 하며, 그 재질은 알루미늄(Al), 니오븀(Nb), 탄탈(Ta), 지르코늄(Zr) 및 티탄늄(Ti) 중 하나가 선택되어 사용된다. The positive electrode 11 includes a first current collector 11a and a positive electrode active material member 11b. The first current collector 11a serves as a base substrate of the positive electrode active material member 11b, and is made of aluminum (Al), niobium (Nb), tantalum (Ta), zirconium (Zr), and titanium (Ti). One of them is selected and used.

양극 활물질부재(11b)로 사용되는 중형 기공성 탄소체는 다수개의 로드형(rod type) 탄소(21)로 이루어지며, 다수개의 로드형 탄소(21) 사이의 간격(t1)은 2 내지 10㎚가 되도록 형성된다. 이러한 중형 기공성 탄소체의 특징은 BET(Brunauer-Emmett-Teller), 미세 기공 면적(micro pore area) 및 미세 기공 체적(micro pore volume)으로 나타내며, 본 발명의 중형 기공성 탄소체의 BET(Brunauer-Emmett-Teller)는 880 내지 1800 m2/g가 되도록 형성된다. 또한 본 발명의 중형 기공성 탄소체의 미세 기공 면적(micro pore area)이 150 내지 500m2/g가 되도록 형성되며, 미세 기공 체적(micro pore volume)이 0.05 내지 0.15m3/g가 되도록 형성된다. The medium-porous carbon body used as the positive electrode active material member 11b is composed of a plurality of rod-type carbons 21, and an interval t1 between the plurality of rod-type carbons 21 is 2 to 10 nm. It is formed to be. The mesoporous carbon body is characterized by Brunauer-Emmett-Teller (BET), micro pore area and micro pore volume, and BET (Brunauer) of the mesoporous carbon body of the present invention. -Emmett-Teller) is formed to be 880 to 1800 m 2 / g. In addition, the micro pore area of the medium-porous carbon body of the present invention is formed to be 150 to 500 m 2 / g, and the micro pore volume is formed to be 0.05 to 0.15 m 3 / g. .

양극(11)의 양극 활물질부재(11b)로 사용되는 중형 기공성 탄소체는 염산수용액에 실리카 전구체, 계면활성제, 탄소 전구체, 중합 개시제, 연결 물질 및 금속전구체를 30 내지 100℃에서 혼합한 후 800 내지 1000℃에서 열처리하여 형성된다. The medium-sized porous carbon body used as the positive electrode active material member 11b of the positive electrode 11 may be mixed with an aqueous hydrochloric acid solution with a silica precursor, a surfactant, a carbon precursor, a polymerization initiator, a connecting material, and a metal precursor at 30 to 100 ° C., followed by 800 It is formed by heat treatment at 1000 ℃.

즉, 도 2에서와 같이 염산수용액에 실리카 전구체, 계면활성제, 탄소 전구체, 중합 개시제, 연결 물질 및 금속전구체 등의 시료를 30 내지 100℃에서 혼합한다(S11). 시료의 혼합이 완료되면 혼합된 시료를 불활성 가스 분위기에서 800 내지 1000℃로 열처리한다(S12). 열처리가 완료되면 수산화나트륨이나 불산 용액을 이용한 식각공정을 통해 도 3 및 도 4에 도시된 실리카 주형(22)을 제거(S14)하여 다수개의 로드형 탄소(21)로 이루어진 중형 기공성 탄소체를 형성한다. That is, a sample such as a silica precursor, a surfactant, a carbon precursor, a polymerization initiator, a linking material, and a metal precursor is mixed with an aqueous hydrochloric acid solution as shown in FIG. 2 (S11). When the mixing of the sample is completed, the mixed sample is heat treated at 800 to 1000 ° C. in an inert gas atmosphere (S12). After the heat treatment is completed, the silica mold 22 shown in FIGS. 3 and 4 is removed through an etching process using sodium hydroxide or hydrofluoric acid solution (S14) to form a medium-porous carbon body composed of a plurality of rod-type carbons 21. Form.

형 기공성 탄소체의 시료로 전구체는 TEOS(tetraethoxy-orthosilicate)가 사용되고, 탄소 전구체는 DVB(Divinylbenzene)가 사용된다. 계면활성제는 플루오릭(Pluoric) P123(EO20-PO70-EO20)이 사용되며, 중합 개시제는 AIBN(azobisisobutyronitrile)이 사용된다. 연결 물질은 MPTMS(3-mercaptopropyltrimethoxy silane)이 사용되며, MPTMS는 알콕사이드기와 티올기를 갖는다. 이러한 시료의 배합비는 로드형 탄소(21)의 간격(t1) 크기에 따라 조정하여 설정된다. As a sample of the type porous carbon body, TEOS (tetraethoxy-orthosilicate) is used as a precursor, and DVB (Divinylbenzene) is used as the carbon precursor. As the surfactant, Fluoric P123 (EO 20 -PO 70 -EO 20 ) is used, and a polymerization initiator is AIBN (azobisisobutyronitrile). As the linking material, 3-mercaptopropyltrimethoxy silane (MPTMS) is used, and MPTMS has an alkoxide group and a thiol group. The blending ratio of such a sample is set in accordance with the size of the gap t1 of the rod-shaped carbon 21.

금속 전구체는 철(Fe)이 사용되며, 전체 시료에 대한 철(Fe)의 용량은 전체 시료의 함량 중 3 내지 5％가 되도록 설정하여 배합하며, 철(Fe)의 용량에 따라 기공 균일성이 결정된다. 철(Fe)의 용량에 따른 중형 기공성 탄소체의 기공 균일성을 실험하기 위해 철(Fe)의 용량이 각각 0％, 3％, 5％가 되도록 시료를 배합한 후 각각에 대해 중형 기공성 탄소체를 제조하였다. 철(Fe)의 용량이 0％인 경우에는 극히 불균일한 중형 기공성 탄소체가 형성됨으로 이를 배제하기 위해 양극(11)의 전극 활물질로 활성탄을 사용하였음을 먼저 밝힌다. 중형 기공성 탄소체의 제조 시 철(Fe)의 용량을 0％로 사용한 경우에 전체적으로 기공 구조가 불균일하게 형성되며, 철(Fe)의 용량이 3％나 5％인 경우에 균일한 기공 구조를 갖도록 형성된다. As the metal precursor, iron (Fe) is used, and the amount of iron (Fe) for the entire sample is set so as to be 3 to 5% of the content of the entire sample, and the pore uniformity depends on the capacity of the iron (Fe). Is determined. In order to test the pore uniformity of the medium-porous carbon body according to the capacity of iron (Fe), the samples were formulated so that the capacity of the iron (Fe) was 0%, 3%, and 5%, respectively. Carbon bodies were prepared. When the capacity of iron (Fe) is 0%, an extremely non-uniform medium pore carbon body is formed, and thus, it is first revealed that activated carbon was used as the electrode active material of the positive electrode 11. In the case of using the iron (Fe) capacity of 0% in the production of the medium-porous carbon body, the pore structure is unevenly formed as a whole, and the uniform pore structure is achieved when the capacity of the iron (Fe) is 3% or 5%. It is formed to have.

양극(11)과 대향되도록 설치되는 음극(12)은 제2집전체(12a)와 음극 활물질부재(12b)로 이루어지며, 제2집전체(12a)는 양극(11)과 대향되도록 배치된다. The negative electrode 12 installed to face the positive electrode 11 includes the second current collector 12a and the negative electrode active material member 12b, and the second current collector 12a is disposed to face the positive electrode 11.

제2집전체(12a)는 양극(11)의 제1집전체(11a) 대향되도록 배치되도록 수납 케이스(15)에 설치되고, 음극 활물질부재(12b)의 베이스 기판으로 작용으로 하며, 그 재질은 알루미늄(Al), 니오븀(Nb), 탄탈(Ta), 지르코늄(Zr) 및 티탄늄(Ti) 중 하나가 선택되어 사용된다. The second current collector 12a is installed in the storage case 15 so as to face the first current collector 11a of the positive electrode 11, and serves as a base substrate of the negative electrode active material member 12b. One of aluminum (Al), niobium (Nb), tantalum (Ta), zirconium (Zr) and titanium (Ti) is selected and used.

음극 활물질부재(12b)는 제2집전체(12a)에 형성되며, 리튬 티타늄 산화물이나 전이금속이 도핑된 그래핀(graphene)이 사용된다. 음극 활물질부재(12b)로 사용되는 리튬 티타늄 산화물은 Li4 - xTi7 - xO4 -x가 사용되며, Li4 - xTi7 - xO4 -x에서 x는 0.1 내지 0.05의 범위를 갖는다. 음극 활물질부재(12b)는 또한 전이금속이 도핑된 그래핀(graphene)이 사용되고, 그래핀에 도핑되는 전이금속은 리튬(Li), 실리콘(Si), 주석(Sn) 및 Li4 - xTi7 - xO4 -x 중 하나를 선택하여 사용하며, Li4 - xTi7 - xO4 -x는 x가 0.1 내지 0.05이고 직경이 0.5 내지 30㎚인 것이 사용된다. 이러한 전이금속을 그래핀에 도핑하는 방법은 침지법, 함침법, 플라즈마 코팅법 및 공침법 중 하나를 이용하여 형성된다. The negative electrode active material member 12b is formed on the second current collector 12a, and graphene doped with lithium titanium oxide or transition metal is used. Lithium titanium oxide is used as an anode active material member (12b) is Li 4 - x Ti 7 - x O 4 -x is used, Li 4 - x Ti 7 - In x O 4 -x x is the range of 0.1 to 0.05 Have The negative electrode active material member 12b also uses graphene doped with a transition metal, and the transition metal doped with graphene includes lithium (Li), silicon (Si), tin (Sn), and Li 4 - x Ti 7. - select one of the x O 4 -x use and, Li 4-x Ti 7-x O 4 -x x is from 0.1 to 0.05 are generally employed with a diameter of 0.5 to 30㎚. The method of doping the transition metal to graphene is formed using one of immersion method, impregnation method, plasma coating method and coprecipitation method.

이와 같이 본 발명의 하이브리드 커패시터(10)는 양극 활물질부재(11b)로 중형 기공성 탄소체를 사용하고, 중형 기공성 탄소체의 기공 크기를 균일하게 형성하며, 시료의 배합비에 따라 기공의 크기를 제어하여 형성할 수 있도록 함으로써 용량의 편차를 줄여 본 발명의 하이브리드 커패시터(10)의 제품 동작 신뢰성을 개선시킬 수 있다. 또한, 음극 활물질부재(12b)로 전이금속이 도핑된 그래핀이 사용되는 경우에 그래핀이 육각형 구조로 균일하게 형성됨으로 인해 리튬 이온(Li+)의 이동 시 저항을 줄여 전체적으로 등가직렬저항을 낮추어 고출력을 달성할 수 있다. 즉, 본 발명의 하이브리드 커패시터(10)는 양극(11)과 음극(12)의 활물질부재(11b,12b)로 각각 중형 기공성 탄소체와 전이금속이 도핑된 그래핀과 같이 서로 다른 재질로 형성함에 의해 제품 동작 신뢰성과 고출력을 달성할 수 있게 된다. As described above, the hybrid capacitor 10 of the present invention uses the medium-porous carbon body as the positive electrode active material member 11b, uniformly forms the pore size of the medium-porous carbon body, and increases the pore size according to the mixing ratio of the sample. By controlling and forming, it is possible to reduce the deviation of the capacity to improve the product operation reliability of the hybrid capacitor 10 of the present invention. In addition, when graphene doped with a transition metal is used as the negative electrode active material member 12b, the graphene is uniformly formed in a hexagonal structure, thereby reducing the resistance during movement of lithium ions (Li + ), thereby lowering the overall equivalent series resistance. High power can be achieved. That is, the hybrid capacitor 10 of the present invention is formed of different materials, such as graphene doped with a medium-porous carbon body and a transition metal, respectively, as the active material members 11b and 12b of the positive electrode 11 and the negative electrode 12. By doing so, product operation reliability and high power can be achieved.

본 발명의 하이브리드 커패시터(10)의 다른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. Another embodiment of the hybrid capacitor 10 of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1에서와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 커패시터(10)는 양극(11), 음극(12), 전해질(13), 분리막(14), 수납 케이스(15) 및 리드부재(16,17)로 구성되며, 각각의 구성을 설명하면 다음과 같다.As shown in FIG. 1, the hybrid capacitor 10 according to another exemplary embodiment of the present invention includes the positive electrode 11, the negative electrode 12, the electrolyte 13, the separator 14, the storage case 15, and the lead member 16. 17), and each configuration will be described as follows.

양극(11)과 음극(12)은 각각 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 커패시터(10)와 동일함으로 설명을 생략한다. 전해질(13)은 양극(11)과 음극(12) 사이에 형성되며, 리튬염이 사용된다. 이러한 리튬염은 LiClO4, LiN(CF4SO2)2, LiBF4, LiCF3SO3, LiPF6, LiSbF6 및 LiAsF6 중 하나가 사용된다. Since the positive electrode 11 and the negative electrode 12 are the same as the hybrid capacitor 10 according to the embodiment of the present invention described above, the description thereof will be omitted. The electrolyte 13 is formed between the positive electrode 11 and the negative electrode 12, and lithium salt is used. One such lithium salt is LiClO 4 , LiN (CF 4 SO 2 ) 2 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiPF 6 , LiSbF 6 and LiAsF 6 .

분리막(14)은 양극(11)과 음극(12) 사이에 형성되어 양극(11)과 음극(12)이 서로 접촉되어 전기적으로 연결되어 쇼트(short)되는 것을 방지하며, 다공성을 갖는 분리막이 사용된다. 다공성을 갖는 분리막은 폴리프로필렌계, 폴리에틸렌계 및 폴리올레핀계 중 하나가 사용된다.The separator 14 is formed between the positive electrode 11 and the negative electrode 12 to prevent the positive electrode 11 and the negative electrode 12 from being electrically connected to each other and shorted, and a separator having a porosity is used. do. As the separator having porosity, one of polypropylene, polyethylene and polyolefin is used.

수납 케이스(15)는 양극(11), 음극(12), 전해질(13) 및 분리막(14)이 각각 삽입되도록 설치되며, 리드부재(16,17)는 각각 양극(11)의 제1집전체(11a)와 음극(12)의 제2집전체(12a)에 각각 연결된다.The storage case 15 is installed so that the positive electrode 11, the negative electrode 12, the electrolyte 13, and the separator 14 are inserted, respectively, and the lead members 16 and 17 are respectively the first current collectors of the positive electrode 11. It is connected to 11a and the 2nd electrical power collector 12a of the negative electrode 12, respectively.

상기 구성을 갖는 본 발명의 하이브리드 커패시터는 음극(12)의 음극 활물질부재(12b)로 전이금속이 도핑된 그래핀이 사용되는 경우에 그래핀이 육각형 구조로 균일하게 형성됨으로 인해 리튬 이온(Li+)의 이동 시 저항을 줄여 전체적으로 등가직렬저항을 낮추어 고출력을 달성할 수 있다. The hybrid capacitor of the present invention having the above structure has a lithium ion (Li + +) because the graphene is uniformly formed in a hexagonal structure when graphene doped with a transition metal is used as the negative electrode active material member 12b of the negative electrode 12. In order to achieve high output by reducing the resistance when moving), the overall equivalent resistance is lowered.

본 발명의 하이브리드 커패시터(10)는 또한, 중형 기공성 탄소체의 기공 크기를 균일하게 형성하며, 시료의 배합비에 따라 기공의 크기를 제어하여 형성할 수 있도록 함으로써 용량의 편차를 줄여 본 발명의 하이브리드 커패시터(10)의 제품 동작 신뢰성을 개선시킬 수 있게 된다.The hybrid capacitor 10 of the present invention also uniformly forms the pore size of the medium-sized porous carbon body, and controls the size of the pores according to the mixing ratio of the sample, thereby reducing the variation in capacity, thereby reducing the hybrid of the present invention. It is possible to improve the product operational reliability of the capacitor 10.

본 발명의 하이브리드 커패시터는 슈퍼 커패시터 제조산업 분야에 적용할 수 있다.The hybrid capacitor of the present invention can be applied to a super capacitor manufacturing industry.

10: 하이브리드 커패시터 11: 양극
11a: 제1집전체 11b: 양극 활물질부재
12: 음극 12a: 제2집전체
12b: 음극 활물질부재 13: 전해질
14: 분리막 15: 수납 케이스
16,17: 리드부재10: hybrid capacitor 11: anode
11a: first current collector 11b: positive electrode active material member
12: negative electrode 12a: second current collector
12b: negative electrode active material member 13: electrolyte
14: separator 15: storage case
16, 17: lead member

Claims (15)

제1집전체와, 상기 제1집전체에 형성되는 양극 활물질부재로 이루어지는 양극과;
상기 양극과 대향되도록 배치되는 제2집전체와, 상기 제2집전체에 형성되는 음극 활물질부재로 이루어지는 음극으로 구성되며,
상기 양극 활물질부재는 중형 기공성 탄소(meso porous carbon)체가 사용되고, 상기 음극 활물질부재는 리튬 티타늄 산화물이나 전이금속이 도핑된 그래핀(graphene)이 사용되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 커패시터. A positive electrode comprising a first current collector and a positive electrode active material member formed on the first current collector;
And a negative electrode comprising a second current collector disposed to face the positive electrode and a negative electrode active material member formed on the second current collector.
The positive electrode active material member is a medium porous carbon (meso porous carbon) body is used, the negative electrode active material member is a lithium capacitor, a graphene (graphene) doped with a transition metal is used a hybrid capacitor. 제1항에 있어서, 상기 제1집전체와 상기 제2집전체는 각각 알루미늄(Al), 니오븀(Nb), 탄탈(Ta), 지르코늄(Zr) 및 티탄늄(Ti) 중 하나가 선택되어 사용되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 커패시터. The method of claim 1, wherein the first current collector and the second current collector are selected from aluminum (Al), niobium (Nb), tantalum (Ta), zirconium (Zr) and titanium (Ti), respectively. Hybrid capacitor, characterized in that. 제1항에 있어서, 상기 양극의 중형 기공성 탄소체는 다수개의 로드형(rod type) 탄소로 이루어지며, 상기 다수개의 로드형 탄소 사이의 간격은 2 내지 10㎚인 것을 특징으로 하는 하이브리드 커패시터. The hybrid capacitor of claim 1, wherein the medium-sized porous carbon body of the anode is made of a plurality of rod-type carbons, and the spacing between the plurality of rod-type carbons is 2 to 10 nm. 제1항에 있어서, 상기 양극의 중형 기공성 탄소체의 BET(Brunauer-Emmett-Teller)는 880 내지 1800 m2/g인 것을 특징으로 하는 하이브리드 커패시터. The hybrid capacitor of claim 1, wherein the Brunauer-Emmett-Teller (BET) of the medium-porous carbon body of the anode is 880 to 1800 m 2 / g. 제1항에 있어서, 상기 양극의 중형 기공성 탄소체는 미세 기공 면적(micro pore area)이 150 내지 500m2/g인 것을 특징으로 하는 하이브리드 커패시터.The hybrid capacitor of claim 1, wherein the medium pore carbon body of the anode has a micro pore area of 150 to 500 m 2 / g. 제1항에 있어서, 상기 양극의 중형 기공성 탄소체는 미세 기공 체적(micro pore volume)이 0.05 내지 0.15m3/g인 것을 특징으로 하는 하이브리드 커패시터. The hybrid capacitor of claim 1, wherein the medium pore carbon body of the anode has a micro pore volume of 0.05 to 0.15 m 3 / g. 제1항에 있어서, 상기 양극의 중형 기공성 탄소체는 염산수용액에 실리카 전구체, 계면활성제, 탄소 전구체, 중합 개시제, 연결 물질 및 금속전구체를 30 내지 100℃에서 혼합한 후 800 내지 1000℃에서 열처리하여 형성되며,
상기 실리카 전구체는 TEOS(tetraethoxy-orthosilicate)가 사용되고, 상기 계면활성제는 플루오릭(Pluoric) P123(EO20-PO70-EO20)이 사용되며, 상기 탄소 전구체는 DVB(Divinylbenzene)가 사용되며, 상기 중합 개시제는 AIBN(azobisisobutyronitrile)이 사용되며, 상기 연결 물질은 MPTMS(3-mercaptopropyltrimethoxy silane)이 사용되며, 상기 금속 전구체는 철(Fe)이 사용되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 커패시터.The method of claim 1, wherein the medium-porous carbon body of the positive electrode is heat-treated at 800 to 1000 ℃ after mixing a silica precursor, a surfactant, a carbon precursor, a polymerization initiator, a linking material and a metal precursor in an aqueous hydrochloric acid solution Formed by
Tetraethoxy-orthosilicate (TEOS) is used as the silica precursor, and the surfactant is used as Fluoric P123 (EO 20 -PO 70 -EO 20 ), and the carbon precursor is DVB (Divinylbenzene). A polymerization initiator is AIBN (azobisisobutyronitrile) is used, the coupling material is MPTMS (3-mercaptopropyltrimethoxy silane) is used, the metal precursor is a hybrid capacitor, characterized in that iron (Fe) is used. 제7항에 있어서, 상기 MPTMS는 알콕사이드기와 티올기를 갖는 것을 특징으로 하는 하이브리드 커패시터.8. The hybrid capacitor of claim 7, wherein the MPTMS has an alkoxide group and a thiol group. 제1항에 있어서, 상기 음극의 음극 활물질부재로 사용되는 리튬 티타늄 산화물은 Li4 - xTi7 - xO4 -x가 사용되며, 상기 Li4 - xTi7 - xO4 -x에서 x가 0.1 내지 0.05인 것을 특징으로 하는 하이브리드 커패시터.The lithium titanium oxide used as the negative electrode active material member of the negative electrode is Li 4 - x Ti 7 - x O 4- x is used, the Li 4 - x Ti 7 - x O 4- x in x Is 0.1 to 0.05, characterized in that the hybrid capacitor. 제1항에 있어서, 상기 음극의 음극 활물질부재로 사용되는 그래핀(graphene)에 도핑되는 전이금속은 리튬(Li), 실리콘(Si), 주석(Sn) 및 Li4 - xTi7 - xO4 -x 중 하나를 선택하여 침지법, 함침법, 플라즈마 코팅법 및 공침법 중 하나를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 커패시터.The method of claim 1, wherein the transition metal doped in the graphene (graphene) used as the negative electrode active material member of the negative electrode is lithium (Li), silicon (Si), tin (Sn) and Li 4 - x Ti 7 - x O Hybrid capacitor, characterized in that formed by using one of the immersion method, impregnation method, plasma coating method and coprecipitation method by selecting one of 4- x . 제10항에 있어서, 상기 Li4 - xTi7 - xO4 -x는 x가 0.1 내지 0.05이고 직경이 0.5 내지 30㎚인 것을 특징으로 하이브리드 커패시터.The hybrid capacitor according to claim 10, wherein Li 4 - x Ti 7 - x O 4- x has a diameter of 0.1 to 0.05 and a diameter of 0.5 to 30 nm. 제1집전체와, 상기 제1집전체에 형성되는 양극 활물질부재로 이루어지는 양극과;
상기 양극과 대향되도록 배치되는 제2집전체와, 상기 제2집전체에 형성되는 음극 활물질부재로 이루어지는 음극과;
상기 양극과 상기 음극 사이에 형성되는 전해질과;
상기 양극과 상기 음극 사이에 형성되어 양극과 음극이 서로 접촉되어 전기적으로 연결되는 것을 방지하는 분리막으로 구성되며,
상기 양극 활물질부재는 중형 기공성 탄소(meso porous carbon)체가 사용되고, 상기 음극 활물질부재는 리튬 티타늄 산화물이나 전이금속이 도핑된 그래핀(graphene)이 사용되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 커패시터. A positive electrode comprising a first current collector and a positive electrode active material member formed on the first current collector;
A negative electrode comprising a second current collector disposed to face the positive electrode, and a negative electrode active material member formed on the second current collector;
An electrolyte formed between the positive electrode and the negative electrode;
It is formed between the positive electrode and the negative electrode is composed of a separator to prevent the positive electrode and the negative electrode is in contact with each other and electrically connected,
The positive electrode active material member is a medium porous carbon (meso porous carbon) body is used, the negative electrode active material member is a lithium capacitor, a graphene (graphene) doped with a transition metal is used a hybrid capacitor. 제12항에 있어서, 상기 양극의 제1집전체와 상기 음극의 제2집전체는 각각 리드부재가 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 커패시터.The hybrid capacitor of claim 12, wherein a lead member is connected to each of the first current collector of the positive electrode and the second current collector of the negative electrode. 제12항에 있어서, 상기 전해질은 다공성을 갖는 분리막이 사용되며, 상기 다공성을 갖는 분리막은 폴리프로필렌계, 폴리에틸렌계 및 폴리올레핀계 중 하나가 사용되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 커패시터. The hybrid capacitor of claim 12, wherein the electrolyte has a separator having a porosity, and the separator having a porosity is one of polypropylene, polyethylene, and polyolefin. 제12항에 있어서, 상기 전해질은 리튬염이 사용되며, 상기 리튬염은 LiClO4, LiN(CF4SO2)2, LiBF4, LiCF3SO3, LiPF6, LiSbF6 및 LiAsF6 중 하나가 사용되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 커패시터. The method of claim 12, wherein the electrolyte is a lithium salt is used, the lithium salt is one of LiClO 4 , LiN (CF 4 SO 2 ) 2 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiPF 6 , LiSbF 6 and LiAsF 6 Hybrid capacitor, characterized in that.
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