KR101305209B1 - 고율충방전 특성이 향상된 캐패시터 및 이의 제조방법 - Google Patents
고율충방전 특성이 향상된 캐패시터 및 이의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 고율충방전 특성이 향상된 캐패시터 및 이의 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 캐패시터를 제조하는 방법에 있어서, 이온의 이동속도를 개선시키는 물질을 도포하는 전극도포단계; 상기 도포된 전극을 갑압함침하고 전지를 조립하는 감압함침 및 전지조립단계; 조립된 전지에 전해질을 주입하는 전해질주입단계; 및 전해질주입 후 전지를 완성하여 제조하되, 상기 이온의 이동속도를 개선시키는 물질은 화학식 1 내지 화학식 12 중에서 1이상 포함된 화합물인 것을 특징으로 하는 고율충방전 특성이 향상된 캐패시터 및 이의 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 고율충방전 특성이 향상된 캐피시터 및 이의 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 슈퍼캐패시터, 리튬이온 캐패시터 등과 같은 전기화학 캐패시터의 충방전시 불필요한 과전압을 방지하여 캐패시터의 고율충방전 특성을 향상시킬 수 있는 캐패시터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전기화학적 에너지 저장장치는 모든 휴대용 정보통신기기, 전자기기에 필수적으로 사용되는 완제품 기기의 핵심부품이다. 또한, 전기화학적 에너지 저장장치는 미래형 전기자동차 및 휴대용 전자장치 등에 적용될 수 있는 신재생 에너지 분야의 고품질 에너지원으로써 확실하게 사용될 것이다.
전기화학적 에너지 저장장치 중 전기화학 캐패시터는 전기이중층 원리를 이용하는 전기이중층 캐패시터 (Electrical double layer)와 전기화학적 산환-환원 반응을 이용하는 하이브리드 슈퍼 캐패시터(Hybrid supercapacitor)로 구분될 수 있다.
여기서, 전기이중층 캐패시터는 고출력 에너지 특성을 필요로 하는 분야에서 많이 사용되고 있으나, 전기이중층 캐패시터는 작은 용량에 사용되는 단점을 가지고 있다. 이에 비해 하이브리드 슈퍼 캐패시터는 전기이중층 캐패시터의 용량 특성을 개선할 새로운 대안으로 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히, 하이브리드 슈퍼 캐패시터 중 리튬이온 캐패시터는 전기이중층 캐패시터에 비해 3 내지 4배 정도의 축적용량을 가질 수 있다.
고용량 캐패시터에서 사용되는 전해질은 수계 전해질, 비수계 전해질 및 고체 전해질로 분류가 된다. 이 중 수계 전해질은 전도도가 커 기본 셀의 내부저항을 줄일 수 있으나 사용전압이 낮아 캐패시터의 에너지 밀도가 낮다.
한편 비수계 전해질은 일반적으로 수계 전해질 보다 점도가 높고, 1/10~ 1/100 배 정도 낮은 전도도를 갖는다. 따라서 비수계 전해질을 사용하는 경우 내부저항이 커져서 출력 특성이 수계 전해질보다 좋지 못한 단점이 있다. 그러나 비수계 전해질의 경우, 적용 가능한 전위차가 높아 사용전압의 제곱에 비례하는 캐패시터의 에너지 밀도를 크게 높일 수 있고 사용가능한 온도 범위가 넓으며, 고내압화, 소형화 등이 가능하다는 장점이 있어 최근 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
리튬이온 캐패시터는 충전시 양극(활성탄)에서 캐패시터 전극의 특징으로 산화되며, 이때 전해질에 있는 음이온이 양극에 흡착되어 안정한 전압을 유지하게 된다. 한편 충전시 음극(graphite)에서는 리튬이차전지의 음극에서와 같이 리튬이온이 삽입되어 안정된 음극으로서 작용하게 된다. 이때 리튬이온 캐패시터의 충전전압을 과전압 발생없이 안정적으로 유지시켜 주는 역할을 하는 것이 전해질에 녹아 있는 전해염이다.
이때, 리튬이온 캐패시터에서 음이온의 전자밀도가 너무 작은 전해염을 사용할 경우, 고율충전시 충전용량을 제대로 잡아 줄 수 없기 때문에 과전압이 걸리게 된다. 한편 전자밀도가 큰 음이온일수록 충전시 리튬이온 캐패시터의 산화전극에 강하게 흡착되어 고율 방전시 과전압을 만들어 낼 가능성이 매우 크다.
즉, 전자밀도가 큰 음이온을 전해질염으로 사용할 경우, 저율 충방전시 고용량을 구현시킬 수 있다. 그러나 이러한 음이온은 극판과 강하게 흡착되어 있기 때문에, 극판으로부터 탈리되기 어렵게 된다. 따라서 전자밀도가 큰 음이온을 사용한 전해질 조건에서는 고율방전시에도 과전압이 걸리게 되어 용량감소를 초래하게 된다.
따라서, 전자밀도가 큰 음이온이 전극과 강하게 흡착되는 것을 억제시켜 고율에서도 고용량의 캐패시터를 구현할 수 있는 캐패시터의 개발이 요구되었다.
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 목적은 초고용량 캐패시터에 사용시 내전압 특성이 증가되는 캐패시터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 전자밀도가 큰 음이온을 전해질염으로 사용하더라도 음이온이 전극과 강하게 흡착되는 것을 억제시키는 캐패시터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 고율 충방전시에도 과전압이 걸리지 않게 되어 고용량의 캐패시터를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 캐패시터를 제조하는 방법에 있어서, 이온의 이동속도를 개선시키는 물질을 도포하는 전극도포단계; 상기 도포된 전극을 갑압함침하고 전지를 조립하는 감압함침 및 전지조립단계; 조립된 전지에 전해질을 주입하는 전해질주입단계; 및 전해질주입 후 전지를 완성하여 제조하되, 상기 이온의 이동속도를 개선시키는 물질은 하기 화학식 1 내지 화학식 12 중에서 1이상 포함된 화합물인 것을 특징으로 하는 고율충방전 특성이 향상된 캐패시터 제조방법을 제공한다.
[화학식 1]
[화학식 2]
[화학식 3]
[화학식 4]
[화학식 5]
[화학식 6]
[화학식 7]
[화학식 8]
[화학식 9]
[화학식 10]
[화학식 11]
[화학식 12]
또한 본 발명은 상기 감압함침 및 전지조립단계에서 전지조립단계 이후에 감압함침이 이루어지는 것을 특징으로 하는 고율충방전 특성이 향상된 캐패시터 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 화합물이 상기 화합물은 전해질에 포함되되, 전해질 100 중량부에 대하여 0.5 ~ 70 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고율충방전 특성이 향상된 캐패시터 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 전해질이 상기 화합물, 전해염 및 비수계 유기용매를 포함하는 고율충방전 특성이 향상된 캐패시터 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 전해염이 LiPF6, LiBF4, LiTFSI, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiSbF6, LiAlO4, LiAlCl4, LiN(CxF2x +1SO2)(CyF2y +1SO2)(단, x, y는 자연수), LiCl, LiI 로 이루어진 군에서 1 이상 혼합한 것을 특징으로 하는 고율충방전 특성이 향상된 캐패시터 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 비수계 유기용매가 에틸렌 카본네이트(EC), 프로필렌 카본네이트(PC), 디메틸 카본네이트(DMC), 디에틸 카본네이트(DEC), 에틸메틸 카본 네이트(EMC), 1,2-디메톡시에텐(DME), γ-부티로락톤(BL), 테트라하이드로퓨란(THF), 1,3-디옥솔레인(DOL), 디에틸이써(DEE), 메틸 포르메이트(MF), 메틸프로피오네이트(MP), 술폴레인(S), 디메틸설폭사이드(DMSO) 및 아세토니트릴(AN)로 이루어진 군에서 1이상 혼합한 것을 특징으로 하는 고율충방전 특성이 향상된 캐패시터 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 캐패시터를 제조하는 방법에 있어서, 전지조립공정 및 이온의 이동속도를 개선시키는 물질을 주입하는 조립 및 주입단계; 조립된 전지를 감압함침하는 감압함침단계; 감압함침된 전지에 전해질을 주입하는 전해질주입단계; 및 전해질주입 후 전지를 완성하여 제조하되, 상기 이온의 이동속도를 개선시키는 물질은 화학식 1 내지 화학식 12 중에서 1이상 포함된 화합물인 것을 특징으로 하는 고율충방전 특성이 향상된 캐패시터 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 고율충방전 특성이 향상된 캐패시터를 제공한다.
본 발명에 따른 캐패시터는 감압함침공정을 실시함으로 인해 충방전시 음이온의 이동속도 향상에 도움을 줄 수 있는 물질이 우선적으로 커패시터 전극의 나노포어에 우선적으로 흡착됨으로서, 커패시터 전극의 고율충방전 특성을 비약적으로 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 캐패시터는 전해질의 전도도가 우수하고, 초고용량 캐패시터에 사용시 내전압 특성이 크게 증가하는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 캐패시터는 고온에서도 가스 발생이 적어 소형 전자기기로부터 대형 자동차 용도까지 광범위한 산업 분야에 사용이 가능하다.
또한 본 발명에 따른 캐패시터는 전자밀도가 큰 음이온을 전해질염으로 사용하더라도 음이온이 전극과 강하게 흡착되는 것을 억제시키는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 캐패시터는 고율 충방전시에도 과전압이 걸리지 않게 되어 고용량의 캐패시터를 구현할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고율충방전 특성이 향상된 캐패시터의 제조공정도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고율충방전 특성이 향상된 캐패시터의 제조공정도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고율충방전 특성이 향상된 캐패시터의 제조공정도를 나타낸 것이다.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 발명의 실시를 위한 구체적인 내용에서는 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 발명자들은 전자밀도가 큰 음이온을 사용한 전해질 조건하에서 용량감소 현상이 일어나는 것을 방지할 수 있는 극성이 비교적 낮은 유기용매를 개발하여 리튬이온 캐패시터 등과 같은 전기화학 캐패시터의 전해질에 첨가할 경우, 전자밀도가 큰 음이온이 전극과 강하게 흡착되는 것을 억제시켜 고율에서도 고용량의 캐패시터를 구현할 수 있다는 점에 착안하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명에 따른 캐패시터의 제조는 이온의 이동속도를 개선시키는 물질을 도포하는 전극도포단계; 상기 도포된 전극을 갑압함침하고 전지를 조립하는 감압함침 및 전지조립단계; 조립된 전지에 전해질을 주입하는 전해질주입단계; 및 전해질주입 후 전지를 완성하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고율충방전 특성이 향상된 캐패시터의 제조공정도를 나타낸 것이다.
전극도포단계는 캐패시터 전극의 양극, 음극에 이온의 이동속도를 개선시키는 물질을 도포하는 데, 이온의 이동속도를 개선시킬 수 있는 물질을 음극 및 양극에 도포하는 경우 음극 및 양극에 있는 나노크기의 포어(pore)에 이온이 더욱 자유롭게 이동할 수 있다.
이온의 이동속도를 개선시키는 물질로는 아래의 화학식 1 내지 화학식 12 중 1이상 선택된 화합물이 있는 데, 이를 도포하여 활용할 수 있다.
[화학식 1]
화학식 1에서 n이 1보다 작은 경우에는 비점이 낮아 흡착공정에서 휘발뒬 수 있기 때문에 실질적 적용에 어려움이 발생하게 되며, 8보다 큰 경우에는 화합물의 전자밀도가 너무 낮아지기 때문에 충전시 캐패시터 전극의 전압을 안정적으로 유지시켜 줄 수 없다.
[화학식 2]
화학식 2에서 n이 1보다 작은 경우에는 비점이 낮아 흡착공정에서 휘발뒬 수 있기 때문에 실질적 적용에 어려움이 발생하게 되며, 8보다 큰 경우에는 화합물의 전자밀도가 너무 낮아지기 때문에 충전시 캐패시터 전극의 전압을 안정적으로 유지시켜 줄 수 없다.
[화학식 3]
화학식 3에서 R이 C2보다 작은 경우에는 비점이 낮아 흡착공정에서 휘발뒬 수 있기 때문에 실질적 적용에 어려움이 발생하게 되며, C8보다 큰 경우에는 화합물의 전자밀도가 너무 낮아지기 때문에 충전시 캐패시터 전극의 전압을 안정적으로 유지시켜 줄 수 없다.
[화학식 4]
화학식 4에서 R이 C2보다 작은 경우에는 비점이 낮아 흡착공정에서 휘발뒬 수 있기 때문에 실질적 적용에 어려움이 발생하게 되며, C8보다 큰 경우에는 화합물의 전자밀도가 너무 낮아지기 때문에 충전시 캐패시터 전극의 전압을 안정적으로 유지시켜 줄 수 없다.
[화학식 5]
화학식 5에서 R1, R2가 C1보다 작은 경우에는 -OH기에 의해 전지성능의 악화를 초래하게 되기 때문에 실질적 적용에 어려움이 발생하게 되며, C6보다 큰 경우에는 화합물의 전자밀도가 너무 낮아지기 때문에 충전시 캐패시터 전극의 전압을 안정적으로 유지시켜 줄 수 없다.
[화학식 6]
화학식 6에서 R이 C2보다 작은 경우에는 -OH기에 의해 전지성능의 악화를 초래하게 되기 때문에 실질적 적용에 어려움이 발생하게 되며, C10보다 큰 경우에는 화합물의 전자밀도가 너무 낮아지기 때문에 충전시 캐패시터 전극의 전압을 안정적으로 유지시켜 줄 수 없다.
[화학식 7]
화학식 7에서 R1, R2가 C2보다 작은 경우에는 -OH기에 의해 전지성능의 악화를 초래하게 되기 때문에 실질적 적용에 어려움이 발생하게 되며, C10보다 큰 경우에는 화합물의 전자밀도가 너무 낮아지기 때문에 충전시 캐패시터 전극의 전압을 안정적으로 유지시켜 줄 수 없다.
[화학식 8]
화학식 8에서 R이 C7보다 큰 경우에는 화합물의 전자밀도가 너무 낮아지기 때문에 충전시 캐패시터 전극의 전압을 안정적으로 유지시켜 줄 수 없다.
[화학식 9]
화학식 9에서 R이 C7보다 큰 경우에는 화합물의 전자밀도가 너무 낮아지기 때문에 충전시 캐패시터 전극의 전압을 안정적으로 유지시켜 줄 수 없다.
[화학식 10]
화학식 10에서 n이 1보다 작은 경우에는 -OH기에 의해 전지성능의 악화를 초래하게 되기 때문에 실질적 적용에 어려움이 발생하게 되며, 30보다 큰 경우에는 화합물의 크기가 너무 커지기 때문에 캐패시터 전극의 나노포어속으로 화합물이 함침되기 어려워지기 때문에 충전시 캐패시터 전극의 전압을 안정적으로 유지시켜 주는 효과를 기대하기 어렵게 된다.
[화학식 11]
화학식 11에서 n이 1보다 작은 경우에는 -OH기에 의해 전지성능의 악화를 초래하게 되기 때문에 실질적 적용에 어려움이 발생하게 되며, 30보다 큰 경우에는 화합물의 크기가 너무 커지기 때문에 캐패시터 전극의 나노포어속으로 화합물이 함침되기 어려워지기 때문에 충전시 캐패시터 전극의 전압을 안정적으로 유지시켜 주는 효과를 기대하기 어렵게 된다.
[화학식 12]
도포하는 방법은 특별히 제한되는 것은 아니며, 양극 및 음극의 표면에 상기 화학식 1 내지 화학식 12의 화합물을 도포하여 나노크기의 포어(pore)에 들어갈 수 있도록 한다.
상기 화학식 1 내지 화학식 12의 화합물은 전극의 나노포어에서 충방전시에 음이온과 양이온의 이동속도에 도움을 주는 물질로서, 상기 화합물은 캐패시터를 완성하기 전에 음극 및 양극에 미리 함침시켜 줌으로써 고율 충방전시에 캐패시터 전극에서의 성능열화 원인을 방지할 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 상기의 화학식 1 ~ 화학식 12을 포함하는 화합물들은 한쪽 말단이 아크릴기를 갖고 있어서 전지 내에서 간단한 가열조건에 의해 폴리머화 시키기 쉬운 구조로 이루어져 있다. 또한, 다른 말단은 전자밀도가 높은 CN, NCO, F, Cl, 아민(amine)등과 이온전도성을 지닌 에테르기를 갖고 있는 화합물이 유리하다. 또한 이온전도성이 약한 알킬기의 경우 C8 미만의 짧은 알킬기 구성된 아크릴계 모노머도 아크릴기의 극성에 의해 동일한 효과를 구현시킬 수 있다. 따라서, 나노크기의 포어(pore) 사이에서 음이온과 양이온의 이동속도를 더욱 향상시킬 수 있는 역할을 할 수 있다.
상기 도포된 음극 및 양극은 감압함침 및 단계를 거친다. 상기 감압함침은 양극 및 음극에 도포된 물질(화학식 1 ~ 화학식 12로 이루어진 군에서 1이상 포함된 화합물)이 감압상태에서 휘발되지 않는 범위내에서 감압 및 온도를 맞쳐 실시하는 것이 바람직하다. 감압 시간은 도포된 물질들이 나노기공 사이에 함침이 되는 정도이면 적절하다. 상기 감압, 온도 및 시간은 상기 화학식 1 ~ 12에 따라 구조가 상이하므로 적절히 조절할 수 있다. 즉, 휘발되지 않는 범위내에서 감압, 온도 및 시간을 조절하여 실시한다.
음극 및 양극이 감압함침된 이후에는 전지조립하는 단계를 거친다. 전지조립단계는 양극, 음극 및 세퍼레이터를 이용하여 전지형을 제조한다. 이 경우 전지 형태는 특별히 제한되지 않으며, 스태킹(stacking)형, 와인딩(Winding)형의 전지뿐만 아니라 파우치형, 각형, 원통형 등의 모든 전지형태로 제조될 수 있다.
한편, 감압함침과 전지조립은 순서가 바뀌어 실시될 수 있다. 즉, 양극, 음극 및 세퍼레이터를 이용하여 전지를 조립한 후에 양극 및 음극을 감압함침할 수 있다.
본 발명에 따른 캐패시터는 양극, 음극, 세퍼레이터 및 전해질을 포함하는 캐패시터를 제공한다.
상기 양극의 전극 합재로는 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하여 구성되며, 음극의 전극 합재로는 음극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하여 구성된다.
상기 양극 활물질로는 이중층 용량을 가지는 모든 탄소 재료가 가능하고, 활성탄, 천연섬유, 비정질 카본, 플라렌(fullerene), 나노 튜브 및 그래핀 (graphene) 등으로 이루어진 군에서 1 이상 사용할 수 있으며, 특별히 그 종류에 제한되지 않지만 비표면적이 크고 값싼 활성탄을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 음극 활물질로는 리튬 이온과 흡착과 탈리가 가능한 모든 탄소 재료를 사용할 수 있으며, 예를 들어, 천연흑연, 인조흑연, 혼연화 메소카본, 혼연화 탄소섬유, 코코스, 피치 등을 열처리한 탄소재료, 하드카본, 소프트 카본 등을 이용할 수 있다.
상기 도전재로서는 구체적으로 그래파이트, 카본블랙, 아세틸렌 블랙을, 케첸 블랙 등을 이용할 수 있다.
상기 바인더로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 방향족 폴리아미드, 셀롤로오스, 스타이렌-부타다이엔 고무 등을 사용할 수 있으며, 전해액에 대하여 안정적인 재료라면 크게 제한되지 않는다.
또한, 상기 세퍼레이트는 양극과 음극 사이에 위치하여 두 극판 활물질의 접촉에 의한 단락을 방지하고 전지반응에 필요한 전해액을 보유, 유지한다. 상기 세퍼레이트로는 절연성이 있으며 비수전해액을 침투시킬 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 구체적인 예로는 폴리에틸렌, 비닐론, 폴리아미드, 폴리프로필렌, 폴리비닐클로라이드 및 폴리에틸렌 등의 소재로 공극 또는 기공을 가지는 다공질 재료이면 사용가능하다.
다음으로 전해질주입단계를 실시하는 데, 상기 전해질 주입공정은 상기 조립된 전지에 화학식 1 내지 화학식 12 중 1이상을 포함한 화합물을 포함하는 전해질주입하는 단계이다.
상기 화학식 1 ~ 화학식 12은 모노머 또는 폴리머로서 상기 화학식들이 포함된 전해질은 전자밀도가 큰 음이온이 전극과 강하게 흡착되는 것을 억제시켜 고율에서도 고용량의 캐패시터를 구현할 수 있다.
본 발명에 캐패시터에 있어서, 상기 화학식 1 내지 화학식 12 중 1이상 선택된 화합물을 포함할 수 있다.
상기 전해질은 상기 화학식 1 내지 화학식 12 중 1이상 선택된 화합물, 전해염 및 비수계 유기용매로 이루어질 수 있다.
전해질에 포함된 상기 화합물의 함량은 전해질 100중량부에 대하여 0.5 ~ 70 중량부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 범위내에서는 커패시터 전극을 충방전 시킬 때 음이온이 활성탄 전극의 나노 기공으로 흡탈착 속도를 증진시켜, 커패시터의 고율특성을 향상시킬 수가 있다. 상기 화합물이 0.5중량부 보다 적은 양을 사용할 경우, 높은 전지밀도를 지닌 음이온의 이동속도 향상에 큰 효과를 기대하기 어려우며, 70중량부 보다 많은 양을 사용할 경우에는 낮은 전자 밀도를 지닌 음이온에 대한 용량 저하를 유발시킬 수 있기 때문에 유용한 효과를 기대하기 어렵다.
또한, 리튬이온 캐패시터 제조시에 사용될 수 있는 전해염으로는 LiPF6, LiBF4, LiTFSI, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiSbF6, LiAlO4, LiAlCl4, LiN(CxF2x +1SO2)(CyF2y +1SO2)(단, x, y는 자연수), LiCl, LiI 등으로 이루어진 군에서 1 이상 혼합하여 리튬이온 캐패시터용 전해질로 사용할 수 있다.
또한, 비수계 유기용매는 에틸렌 카본네이트(EC), 프로필렌 카본네이트(PC), 디메틸 카본네이트(DMC), 디에틸 카본네이트(DEC), 에틸메틸 카본 네이트(EMC), 1,2-디메톡시에텐(DME), γ-부티로락톤(BL), 테트라하이드로퓨란(THF), 1,3-디옥솔레인(DOL), 디에틸이써(DEE), 메틸 포르메이트(MF), 메틸프로피오네이트(MP), 술폴레인(S), 디메틸설폭사이드(DMSO) 및 아세토니트릴(AN) 등으로 이루어진 군에서 1이상 혼합하여 전해질로 사용할 수 있다.
상기와 같은 전해질을 이용하여 캐패시터를 제조하는 경우, 전자밀도가 큰 음이온을 전해질염으로 사용하더라도 음이온이 전극과 강하게 흡착되는 것을 억제시키는 효과가 있다. 따라서, 고율 충방전시에도 과전압이 걸리지 않게 되어 고용량의 캐패시터를 구현할 수 있다.
상기 전해질주입단계 후에 전지를 완성하여 고율충방전의 특성을 갖는 캐패시터를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 다른 일실시예에 따라 캐패시터를 제조할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고율충방전 특성이 향상된 캐패시터의 제조공정도를 나타낸 것이다.
본 발명은 전지조립공정 및 이온의 이동속도를 개선시키는 물질을 주입하는 조립 및 주입단계; 조립된 전지를 감압함침하는 감압함침단계; 감압함침된 전지에 전해질을 주입하는 전해질주입단계; 및 전해질주입 후 전지를 완성하여 제조하되, 상기 이온의 이동속도를 개선시키는 물질은 화학식 1 내지 화학식 12 중에서 1이상 포함된 화합물인 것을 특징으로 하는 고율충방전 특성이 향상된 캐패시터를 제조할 수 있다.
즉, 먼저 나노포어로 구성되어 있는 활성탄 전극과 세퍼레이터 그리고 음극으로 구성된 캐패시터 조립체(조전지)를 조립한다.
이후에 이온의 이동속도를 개선시키는 물질만을 미리 주입한 뒤, 상기 이온의 이동속도를 개선시키는 물질을 캐패시터 전극의 나노포어에 함침시키는 감압함침공정단계를 거친다.
상기 이온의 이동속도를 개선시키는 물질은 화학식 1 내지 화학식 12 중에서 1이상 포함된 화합물이다.
이온의 이동속도를 개선시키는 물질을 전극의 나노포어에 충분히 함침된 후 조전지에 전해질을 주입하는 전해질주입단계를 거치며, 전해질주입 후 전지를 완성하여 제조할 수 있다.
상기의 제조공정을 거쳐 제조된 캐패시터는 전극의 나노크기의 포어(pore)에서 충전 또는 방전시에 양이온 및 음이온의 삽입 및 탈착 용이하게 진행되어 고율 충방전 효율이 더욱 향상되는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
실시예
1
캐패시터의 제조는 활성탄과 리튬 금속을 적당한 크기로 자른 뒤, 이들 사이에 폴리에틸레 다공성 필름으로 제조된 세퍼레이터를 삽입하여 전극 조립체(조전지)를 제조하였다. 이 조전지의 캐패시터 전극의 나노 포어(nano pore)에서 이온의 이동이 자유롭게 될 수 있도록 하기 위해 2-Isocyanatoethyl methacrylate을 전해질 전체에 대해 1중량부가 되도록 넣은 뒤, 감압함침을 실시하였다. (이 공정은 캐패시터 전극에 미리 2-Isocyanatoethyl methacrylate을 전해질 전체에 대해 1중량부가 되도록 도포한 뒤, 리튬메탈과 세퍼레이터를 상기와 같은 구조로 전극 조립체(조전지)를 제조해도 동일한 효과를 구현시킬 수 있다.)
조립된 조전지에 에틸렌 카보네이트(EC):디에틸 카보네이트(DEC)를 30 : 70의 부피비로 혼합한 유기용매 및 0.5M LiBF4 로 구성된 전해질을 넣은 뒤 감압밀봉을 하여 캐패시터를 완성하였다.
실시예
2 ~ 5
실시예1과 각각 동일하게 실시하되, 화합물은 전해질 100중량부에 대하여 5중량부(실시예2), 25중량부(실시예3), 50중량부(실시예4) 및 70중량부(실시예5)로 첨가하였다.
실시예
6
캐패시터의 제조는 활성탄과 리튬 금속을 적당한 크기로 자른 뒤, 이들 사이에 폴리에틸레 다공성 필름으로 제조된 세퍼레이터를 삽입하여 전극 조립체(조전지)를 제조하였다. 이 조전지의 캐패시터 전극의 나노 포어(nano pore)에서 이온의 이동이 자유롭게 될 수 있도록 하기 위해 Ethylene glycol methyl ether methacrylate을 전해질 전체에 대해 1중량부가 되도록 넣은 뒤, 감압함침을 실시하였다. (이 공정은 캐패시터 전극에 미리 Ethylene glycol methyl ether methacrylate을 전해질 전체에 대해 1중량부가 되도록 도포한 뒤, 리튬메탈과 세퍼레이터를 상기와 같은 구조로 전극 조립체(조전지)를 제조해도 동일한 효과를 구현시킬 수 있다.)
조립된 조전지에 에틸렌 카보네이트(EC):디에틸 카보네이트(DEC)를 30 : 70의 부피비로 혼합한 유기용매 및 0.5M LiBF4 로 구성된 전해질을 넣은 뒤 감압밀봉을 하여 캐패시터를 완성하였다.
실시예
7 내지 10
실시예6과 각각 동일하게 실시하되, 화합물은 전해질 100중량부에 대하여 5중량부(실시예7), 25중량부(실시예8), 50중량부(실시예9) 및 70중량부(실시예10)로 첨가하였다.
실시예
11
캐패시터의 제조는 활성탄과 리튬 금속을 적당한 크기로 자른 뒤, 이들 사이에 폴리에틸레 다공성 필름으로 제조된 세퍼레이터를 삽입하여 전극 조립체(조전지)를 제조하였다. 이 조전지의 캐패시터 전극의 나노 포어(nano pore)에서 이온의 이동이 자유롭게 될 수 있도록 하기 위해 화학식 3에서 n이 6로 이루어진 화합물 Hexyl methacrylate을 전해질 전체에 대해 1중량부가 되도록 넣은 뒤, 감압함침을 실시하였다. (이 공정은 캐패시터 전극에 미리 Hexyl methacrylate을 전해질 전체에 대해 1중량부가 되도록 도포한 뒤, 리튬메탈과 세퍼레이터를 상기와 같은 구조로 전극 조립체(조전지)를 제조해도 동일한 효과를 구현시킬 수 있다.)
조립된 조전지에 에틸렌 카보네이트(EC):디에틸 카보네이트(DEC)를 30 : 70의 부피비로 혼합한 유기용매 및 0.5M LiBF4 로 구성된 전해질을 넣은 뒤 감압밀봉을 하여 캐패시터를 완성하였다.
실시예
12 내지 15
실시예6과 각각 동일하게 실시하되, 화합물은 전해질 100중량부에 대하여 5중량부(실시예12), 25중량부(실시예13), 50중량부(실시예14) 및 70중량부(실시예15)로 첨가하였다.
비교예
1
전해질의 제조는 에틸렌 카보네이트(EC):디에틸 카보네이트(DEC)를 30 : 70의 부피비로 혼합한 유기용매 및 0.5M LiBF4 만을 혼합하여 전해질을 제조하였다.
캐패시터의 제조는 당해 업계에서 알려진 통상적인 방법으로 제조하였는 데, 활성탄과 리튬 금속을 적당한 크기로 자른 뒤, 이들 사이에 폴리에틸레 다공성 필름으로 제조된 세퍼레이터를 삽입하여 전극 조립체를 제조하였다. 이 전극 조립체를 파우치에 삽입한 후 전해액 주입구를 제외한 부분을 융착시키고, 제조된 전해질을 주입하여 주입구에 넣은 뒤 감압밀봉을 하여 캐패시터를 완성하였다.
비교예
2
비교예 1과 동일한 방법으로 캐패시터를 제조하되,
전해질의 제조는 에틸렌 카보네이트(EC):디에틸 카보네이트(DEC)를 30 : 70의 부피비로 혼합한 유기용매 및 0.5M LiBF4 로 구성된 전해질에 화학식 1에서 n이 1로 이루어진 화합물 2-Isocyanatoethyl methacrylate을 전해질 100중량부에 대하여 3중량부 혼합하여 제조하였다.
비교예
3
비교예 1과 동일한 방법으로 캐패시터를 제조하되,
전해질의 제조는 에틸렌 카보네이트(EC):디에틸 카보네이트(DEC)를 30 : 70의 부피비로 혼합한 유기용매 및 0.5M LiBF4 로 구성된 전해질에 화학식 1에서 n이 1로 이루어진 화합물 2-Isocyanatoethyl methacrylate을 전해질 100중량부에 대하여 25중량부 혼합하여 제조하였다.
비교예
4
비교예 1과 동일한 방법으로 캐패시터를 제조하되,
전해질의 제조는 에틸렌 카보네이트(EC):디에틸 카보네이트(DEC)를 30 : 70의 부피비로 혼합한 유기용매 및 0.5M LiBF4 로 구성된 전해질에 화학식 11에서 n이 5로 이루어진 화합물 Ethylene glycol methyl ether methacrylate을 전해질 100중량부에 대하여 1 중량부 혼합하여 제조하였다.
비교예
5
비교예 1과 동일한 방법으로 캐패시터를 제조하되,
전해질의 제조는 에틸렌 카보네이트(EC):디에틸 카보네이트(DEC)를 30 : 70의 부피비로 혼합한 유기용매 및 0.5M LiBF4 로 구성된 전해질에 화학식 11에서 n이 5로 이루어진 화합물 Ethylene glycol methyl ether methacrylate을 전해질 100중량부에 대하여 25 중량부 혼합하여 제조하였다.
비교예
6
비교예 1과 동일한 방법으로 캐패시터를 제조하되,
전해질의 제조는 에틸렌 카보네이트(EC):디에틸 카보네이트(DEC)를 30 : 70의 부피비로 혼합한 유기용매 및 0.5M LiBF4 로 구성된 전해질에 화학식 3에서 n이 6으로 이루어진 화합물 Hexyl methacrylate을 전해질 100중량부에 대하여 1 중량부 혼합하여 제조하였다.
비교예
7
비교예 1과 동일한 방법으로 캐패시터를 제조하되,
전해질의 제조는 에틸렌 카보네이트(EC):디에틸 카보네이트(DEC)를 30 : 70의 부피비로 혼합한 유기용매 및 0.5M LiBF4 로 구성된 전해질에 화학식 3에서 n이 6으로 이루어진 화합물 Hexyl methacrylate을 전해질 100중량부에 대하여 25 중량부 혼합하여 제조하였다.
상기 실시예 및 비교예로 제조된 캐패시터를 이용하여 0.2C, 1C, 2C, 5C 및 10C을 충전 후에 방전용량을 측정하였다. 측정된 결과는 아래 표 1과 같다.
| 구 분 | 화합물 |
화합물함량 (중량부) |
방전용량(mAh/g) | ||||
| 0.2C | 1C | 2C | 5C | 10C | |||
| 실시예1 | 2-Isocyanatoethyl methacrylate | 1 | 78 | 76 | 65 | 52 | 45 |
| 실시예2 | 5 | 76 | 74 | 63 | 54 | 50 | |
| 실시예3 | 25 | 77 | 73 | 70 | 61 | 51 | |
| 실시예4 | 50 | 70 | 66 | 61 | 45 | 27 | |
| 실시예5 | 70 | 23 | 22 | 20 | 18 | 15 | |
| 실시예6 | Ethylene glycol methyl ether methacrylate | 1 | 77 | 76 | 63 | 53 | 46 |
| 실시예7 | 5 | 65 | 57 | 50 | 45 | 41 | |
| 실시예8 | 25 | 55 | 48 | 37 | 33 | 31 | |
| 실시예9 | 50 | 41 | 39 | 27 | 13 | 11 | |
| 실시예10 | 70 | 17 | 18 | 13 | 12 | 8 | |
| 실시예11 | Hexyl methacrylate | 1 | 74 | 65 | 60 | 54 | 42 |
| 실시예12 | 5 | 62 | 55 | 46 | 33 | 21 | |
| 실시예13 | 25 | 45 | 42 | 35 | 32 | 15 | |
| 실시예14 | 50 | 21 | 20 | 17 | 15 | 8 | |
| 실시예15 | 70 | 15 | 14 | 10 | 8 | 7 | |
| 비교예1 | - | 0 | 69 | 55 | 39 | 26 | 3 |
| 비교예2 | 2-Isocyanatoeth yl methacrylate |
3 | 67 | 51 | 37 | 6 | - |
| 비교예3 | 25 | 12 | 10 | 8 | 1 | - | |
| 비교예4 | Ethylene glycol methyl ether methacrylate | 1 | 76 | 68 | 51 | 34 | 18 |
| 비교예5 | 25 | 10 | 7 | 6 | - | - | |
| 비교예6 | Hexyl methacrylate methacrylate |
1 | 72 | 58 | 44 | 29 | 16 |
| 비교예7 | 25 | 3 | - | - | - | - | |
(표 1에서 방전용량이 "-"은 방전되지 않은 것임을 뜻함)
실험결과 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 캐패시터는 방전용량이 비교예 1 ~ 비교예 4에 비해 우수함을 확인할 수 있었다. 특히, 고율 충방전시에는 비교예 1~비교예 4의 경우 방전 용량이 현저히 감소하는 것에 비해 실시예 1 ~ 실시예 15는 방전용량의 감소가 크지 않음을 확인할 수 있었다. 또한, 화합물이 고함량(25중량부)으로 적용된 실시예 3, 8, 13과 비교예 3, 5, 7의 비교로부터 알 수 있듯이, 화합물이 고함량의 조건일수록 캐패시터 전극의 나노포어에서 음이온의 이동속도를 증가시켜 줄 수 있는 화합물들을 우선적으로 감압 흡착시켜 놓는 방법이 유리함을 알 수 있다.
이를 통해 고율로 충방전하더라도 과전압이 걸리지 않게 되어 고율특성이 강하게 요구되는 캐패시터의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있음을 확인할 수 있었다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
Claims (8)
- 캐패시터를 제조하는 방법에 있어서,
이온의 이동속도를 개선시키는 물질을 도포하는 전극도포단계;
상기 도포된 전극을 갑압함침하고 전지를 조립하는 감압함침 및 전지조립단계;
조립된 전지에 전해질을 주입하는 전해질주입단계; 및
전해질주입 후 전지를 완성하여 제조하되,
상기 이온의 이동속도를 개선시키는 물질은 하기 화학식 1 내지 화학식 12 중에서 1이상 포함된 화합물인 것을 특징으로 하는 고율충방전 특성이 향상된 캐패시터 제조방법.
[화학식 1]
[화학식 2]
[화학식 3]
[화학식 4]
[화학식 5]
[화학식 6]
[화학식 7]
[화학식 8]
[화학식 9]
[화학식 10]
[화학식 11]
[화학식 12]
- 제1항에 있어서
상기 감압함침 및 전지조립단계에서 전지조립단계 이후에 감압함침이 이루어지는 것을 특징으로 하는 고율충방전 특성이 향상된 캐패시터 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 화합물은 전해질에 포함되되, 전해질 100 중량부에 대하여 0.5 ~ 70 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고율충방전 특성이 향상된 캐패시터 제조방법. - 제1항에 있어서,
전해질은 상기 화합물, 전해염 및 비수계 유기용매를 포함하는 고율충방전 특성이 향상된 캐패시터 제조방법. - 제4항에 있어서,
상기 전해염은 LiPF6, LiBF4, LiTFSI, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiSbF6, LiAlO4, LiAlCl4, LiN(CxF2x +1SO2)(CyF2y +1SO2)(단, x, y는 자연수), LiCl, LiI 로 이루어진 군에서 1 이상 혼합한 것을 특징으로 하는 고율충방전 특성이 향상된 캐패시터 제조방법. - 제4항에 있어서,
상기 비수계 유기용매는 에틸렌 카본네이트(EC), 프로필렌 카본네이트(PC), 디메틸 카본네이트(DMC), 디에틸 카본네이트(DEC), 에틸메틸 카본 네이트(EMC), 1,2-디메톡시에텐(DME), γ-부티로락톤(BL), 테트라하이드로퓨란(THF), 1,3-디옥솔레인(DOL), 디에틸이써(DEE), 메틸 포르메이트(MF), 메틸프로피오네이트(MP), 술폴레인(S), 디메틸설폭사이드(DMSO) 및 아세토니트릴(AN)로 이루어진 군에서 1이상 혼합한 것을 특징으로 하는 고율충방전 특성이 향상된 캐패시터 제조방법. - 캐패시터를 제조하는 방법에 있어서,
전지조립공정 및 이온의 이동속도를 개선시키는 물질을 주입하는 전지조립 및 주입단계;
조립된 전지를 감압함침하는 감압함침단계;
감압함침된 전지에 전해질을 주입하는 전해질주입단계; 및
전해질주입 후 전지를 완성하여 제조하되,
상기 이온의 이동속도를 개선시키는 물질은 화학식 1 내지 화학식 12 중에서 1이상 포함된 화합물인 것을 특징으로 하는 고율충방전 특성이 향상된 캐패시터 제조방법. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한항에 따른 제조방법으로 제조된 고율충방전 특성이 향상된 캐패시터.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120032957A KR101305209B1 (ko) | 2012-03-30 | 2012-03-30 | 고율충방전 특성이 향상된 캐패시터 및 이의 제조방법 |
| PCT/KR2013/001449 WO2013125904A1 (ko) | 2012-02-23 | 2013-02-22 | 고율충방전 특성이 향상된 전해질 및 이를 이용한 캐패시터 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120032957A KR101305209B1 (ko) | 2012-03-30 | 2012-03-30 | 고율충방전 특성이 향상된 캐패시터 및 이의 제조방법 |
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| KR101305209B1 true KR101305209B1 (ko) | 2013-11-21 |
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| KR20060010690A (ko) * | 2004-07-27 | 2006-02-02 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료전지용 전해질 및 이를 채용한 연료전지 |
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| JP2012064820A (ja) | 2010-09-17 | 2012-03-29 | Nissin Electric Co Ltd | リチウムイオンキャパシタの製造方法 |
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2012
- 2012-03-30 KR KR1020120032957A patent/KR101305209B1/ko active IP Right Grant
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