KR101647759B1 - 고내전압 특성을 갖는 전기이중층 커패시터 - Google Patents
고내전압 특성을 갖는 전기이중층 커패시터 Download PDFInfo
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Abstract
전해액으로 비계수 전해액인 4급 암모늄을 사용하고, 양극과 음극의 활성탄으로 서로 다른 활성화 방법에 의해 제조된 활성탄을 사용함과 더불어 이종의 바인더를 사용함으로써, 양극 및 음극의 전위차를 조절하는 것이 용이하므로 고전압 특성을 확보할 수 있는 전기이중층 커패시터에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 고내전압 특성을 갖는 전기이중층 커패시터는 양극흑연층을 갖는 양극집전체와, 상기 양극집전체의 표면에 형성되며, 제1 활성탄, 제1 도전재 및 제1 바인더로 조성된 양극활물질을 갖는 양극과, 음극흑연층을 갖는 음극집전체와, 상기 음극집전체의 표면에 형성되며, 제2 활성탄, 제2 도전재 및 제2 바인더로 조성된 음극활물질을 갖는 음극과, 상기 양극 및 음극 사이에 배치되어, 상기 양극 및 음극을 전기적으로 분리시키는 세퍼레이터를 갖는 권취 소자; 및 상기 권취 소자의 양극 및 음극 사이에 함침된 전해액;을 포함하며, 상기 제1 및 제2 활성탄은 서로 다른 활성화 방법에 의해 제조된 것이 이용되고, 상기 제1 및 제2 바인더는 이종의 바인더가 이용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고내전압 특성을 갖는 전기이중층 커패시터는 양극흑연층을 갖는 양극집전체와, 상기 양극집전체의 표면에 형성되며, 제1 활성탄, 제1 도전재 및 제1 바인더로 조성된 양극활물질을 갖는 양극과, 음극흑연층을 갖는 음극집전체와, 상기 음극집전체의 표면에 형성되며, 제2 활성탄, 제2 도전재 및 제2 바인더로 조성된 음극활물질을 갖는 음극과, 상기 양극 및 음극 사이에 배치되어, 상기 양극 및 음극을 전기적으로 분리시키는 세퍼레이터를 갖는 권취 소자; 및 상기 권취 소자의 양극 및 음극 사이에 함침된 전해액;을 포함하며, 상기 제1 및 제2 활성탄은 서로 다른 활성화 방법에 의해 제조된 것이 이용되고, 상기 제1 및 제2 바인더는 이종의 바인더가 이용되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 고내전압 특성을 갖는 전기이중층 커패시터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전해액으로 비계수 전해액인 4급 암모늄을 사용하고, 양극과 음극의 활성탄으로 서로 다른 활성화 방법에 의해 제조된 활성탄을 사용함과 더불어 이종의 바인더를 사용함으로써, 양극 및 음극의 전위차를 조절하는 것이 용이하므로 고전압 특성을 확보할 수 있는 전기이중층 커패시터에 관한 것이다.
전기이중층 캐패시터(Electric Double Layer Capacitor : EDLC)는 세퍼레이터(separator, 분리막 또는 격리막)를 사이에 두고 양극과 음극이 서로 대향하도록 배치하여 대향면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기 이중층)이 생성된 것을 이용한 에너지 저장 매체로서, 이는 계속적인 충전/방전이 가능한 소자이다.
일반적으로, 전기이중층 커패시터는 모든 휴대용 정보 통신 기기, 전자 기기에는 필수적으로 사용되는 완제품 기기의 핵심 부품이다. 또한, 전기이중층 커패시터 저장 장치는 미래형 전기 자동차 및 휴대용 전자 장치 등에 적용될 수 있는 신재생 에너지 분야의 고품질 에너지원으로 활용된다.
이러한 전기이중층 캐패시터의 경우, 충전/방전시 양극과 음극의 전위가 동일한 것으로 알려져 있으며, 양극의 전위를 조정함으로써 고전압을 얻을 수 있는 것으로 보고되고 있다.
현재 알려진 전기 이중층 캐패시터의 전극 전위 조절 방법은 양극과 음극의 무게를 다르게 함으로써, 양극과 음극에 저항의 차이를 두는 것에 의해서 셀의 전압을 높이고 있다. 즉, 양극활물질과 음극활물질의 두께를 조절하는데 양극활물질의 두께를 더 두껍게 하여 양극과 음극 간의 저항 차이로 셀의 전압을 높이는 방법이다.
그러나, 현재까지 사용되고 있는 방법으로는 양극과 음극의 전위 차이를 효과적으로 조절할 수 없기 때문에, 전기이중층 캐패시터 셀의 전압이나 에너지 밀도를 향상시키는데 한계가 있다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 등록특허공보 제10-1038869호(2011.06.02. 공고)가 있으며, 상기 문헌에는 커패시터용 전극 및 이를 포함하는 전기 이중층 커패시터가 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 양극으로는 약품 활성화된 활성탄을 이용하고, 음극으로는 스팀 활성화된 활성탄을 이용함과 더불어, 양극 및 음극의 바인더로 이종의 바인더를 사용함으로써 고전압 특성을 확보할 수 있는 고내전압 특성을 갖는 전기이중층 커패시터를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 고내전압 특성을 갖는 전기이중층 커패시터는 양극흑연층을 갖는 양극집전체와, 상기 양극집전체의 표면에 형성되며, 제1 활성탄, 제1 도전재 및 제1 바인더로 조성된 양극활물질을 갖는 양극과, 음극흑연층을 갖는 음극집전체와, 상기 음극집전체의 표면에 형성되며, 제2 활성탄, 제2 도전재 및 제2 바인더로 조성된 음극활물질을 갖는 음극과, 상기 양극 및 음극 사이에 배치되어, 상기 양극 및 음극을 전기적으로 분리시키는 세퍼레이터를 갖는 권취 소자; 및 상기 권취 소자의 양극 및 음극 사이에 함침된 전해액;을 포함하며, 상기 제1 및 제2 활성탄은 서로 다른 활성화 방법에 의해 제조된 것이 이용되고, 상기 제1 및 제2 바인더는 이종의 바인더가 이용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고내전압 특성을 갖는 전기이중층 커패시터는 양극으로는 약품 활성화된 활성탄을 이용하고, 음극으로는 스팀 활성화된 활성탄을 이용함과 더불어, 양극 및 음극의 바인더로 이종의 바인더를 사용함으로써 양극과 음극 간의 분해 전압 차이를 크게 제어하여 직렬등가저항(Equivalent Series Resistance) 변화율을 낮춤으로써 우수한 출력 특성의 확보로 고전압 특성을 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고내전압 특성을 갖는 전기이중층 커패시터는 집전체에 흑연층을 프리코팅하여 사용하는 것에 의해 활물질과 집전체 간의 결착력을 강화시킴으로써, 고온 부하 테스트시 활물질과 집전체 간의 박리 현상을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기이중층 커패시터를 나타낸 사시도.
도 2는 도 1의 권취 소자를 확대하여 나타낸 단면도.
도 3은 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 3에 대한 용량유지율을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 3에 대한 저항변화율을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 도 1의 권취 소자를 확대하여 나타낸 단면도.
도 3은 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 3에 대한 용량유지율을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 3에 대한 저항변화율을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고내전압 특성을 갖는 전기이중층 커패시터에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기이중층 커패시터를 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 권취 소자를 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 내충격성이 우수한 전기이중층 커패시터(100)는 케이스(미도시), 권취 소자(150) 및 전해액(미도시)을 포함한다.
도면으로 상세히 나타내지는 않았지만, 케이스는 전기이중층 커패시터(100)의 몸체를 이루는 부분으로, 원통 형태로 설계될 수 있다. 이러한 케이스의 재질로는 이차 전지 및 전기 이중층 캐패시터에 통상적으로 사용되는 알루미늄계 라미네이트 필름을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이때, 케이스의 내부에는 권취 소자(150)가 삽입되며, 권취 소자(150)가 삽입된 케이스의 내부에는 전해액이 함침된다.
권취 소자(150)는 케이스의 내부에 삽입된다. 이러한 권취 소자(150)는 양극(120) 및 음극(130)과, 양극(120) 및 음극(130)을 분리하는 세퍼레이터(140)를 갖는다. 또한, 권취 소자(150)는 양극(120) 및 음극(130)과 각각 연결되는 양극단자(125) 및 음극단자(135)를 더 포함할 수 있다.
이때, 권취 소자(150)는 양극(120), 세퍼레이터(140) 및 음극(130)이 차례로 적층되어 권취된다. 이와 같이, 권취 소자(150)는 양극(120), 세퍼레이터(140) 및 음극(130)을 차례로 적층한 상태에서 와이딩(Winding)하여 롤(roll) 형태로 제작한 후, 롤 주위로 접착 테이프(미도시) 등을 부착하여 롤 형태가 유지될 수 있게 하는 형태로 제조될 수 있다.
양극(120)은 양극흑연층(123)을 갖는 양극집전체(121)와, 양극집전체(121)의 표면에 배치된 양극활물질(122)을 갖는다. 그리고, 음극(130)은 양극(120)과 대면하며, 음극흑연층(133)을 갖는 음극집전체(131)와, 음극집전체(131)의 표면에 배치된 음극활물질(132)을 갖는다.
이와 같이, 양극(120)은 5㎛ 이하의 평균 두께를 갖는 양극흑연층(123)이 프리코팅된 양극집전체(121)에 양극활물질(122)을 도포하거나 부착하는 것에 의해 형성될 수 있다. 이와 마찬가지로, 음극(130)은 5㎛ 이하의 평균 두께를 갖는 음극흑연층(133)이 프리코팅된 음극집전체(131)에 음극활물질(132)을 도포하거나 부착하는 것에 의해 형성될 수 있다.
이러한 양극 및 음극흑연층(123, 133) 각각은 양극 및 음극집전체(121, 131)에 프리코팅되어 사용되며, 양극 및 음극활물질(122, 132)과 양극 및 음극집전체(121, 131) 간의 결착력을 강화시켜 고온 부하시 전극 박리 억제 및 등가직렬저항을 낮추는 역할을 한다. 양극 및 음극흑연층(123, 133) 각각의 평균 두께가 5㎛를 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 제조 비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.
이때, 양극 및 음극활물질(122, 132) 각각은 1,400 ~ 2,000㎡/g의 비표면적을 갖는 것이 바람직하다. 양극활물질(122)은 제1 활성탄, 제1 도전재 및 제1 바인더로 조성된다. 그리고, 음극활물질(132)은 제2 활성탄, 제2 도전재 및 제2 바인더로 조성된다.
이러한 양극 및 음극활물질(122, 132) 각각은 제1 및 제2 활성탄, 제1 및 제2 도전재 및 제1 및 제2 바인더를 용제와 함께 각각 혼합기에서 혼합하여 슬러리화한 후, 이 슬러리를 양극 및 음극집전체(121, 131)에 콤마코터(comma coater) 등을 이용한 코팅 방법에 의해 얇게 도포한 후, 대류건조하여 용제를 증발시켜 양극 및 음극집전체(121, 131)에 부착시키는 것에 의해 형성될 수 있다.
특히, 제1 및 제2 활성탄은 서로 다른 활성화 방법에 의해 제조된 것을 이용하는 것이 좋다. 구체적으로, 제1 활성탄은 약품 활성화된 활성탄을 이용하고, 제2 활성탄은 스팀 활성화된 활성탄을 이용하는 것이 보다 바람직하다.
이러한 제1 및 제2 활성탄 각각은 목분계(hard wood), 야자수계, 코코넛계, 석유피치계 및 페놀계 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다. 그리고, 제1 및 제2 도전재는 슈퍼-P(Super-P), 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 그라파이트 등의 도전성 분말을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 것은 아니다.
또한, 제1 및 제2 바인더는 이종의 바인더를 이용하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 제1 바인더는 폴리테트라플로로에틸렌(PTFE) 및 고무계 수지를 포함하는 것을 이용하고, 제2 바인더는 아크릴계 수지 및 고무계 수지를 포함하는 것을 이용하는 것이 바람직하다.
이때, 제1 및 제2 바인더 각각의 고무계 수지로는 스타이렌부타디엔 고무, 라텍스 및 그 유도체 등에서 선택된 어느 하나가 이용될 수 있다.
또한, 제1 및 제2 바인더 각각은 부 바인더로 셀룰로오즈계 수지, 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF)를 포함하는 불소계 수지, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에딜렌(PE) 및 폴리프로필렌(PP)를 포함하는 열가소성 수지와, 카복시메틸셀룰로우즈(CMC), 아크릴계 수지 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
특히, 제1 및 제2 바인더 각각은 양극 및 음극활물질(122, 132) 전체 중량의 2 ~ 6 중량%의 함량비로 각각 첨가되는 것이 바람직하다. 제1 및 제2 바인더 각각의 첨가량이 2 중량% 미만일 경우에는 활물질과 집전체 간의 결착력이 약해 깨지는 문제를 야기할 수 있다. 반대로, 제1 및 제2 바인더의 첨가량이 6 중량%를 초과할 경우에는 바인더의 과다 사용으로 전기전도성이 저하될 우려가 크다.
이와 같이, 본 발명에서는 제1 활성탄으로 약품 활성화된 활성탄을 이용하고, 제2 활성탄으로 스팀 활성화된 활성탄을 이용함과 더불어, 제1 바인더는 폴리테트라플로로에틸렌(PTFE) 및 고무계 수지를 이용하고, 제2 바인더는 아크릴계 수지 및 고무계 수지를 이용하는 이종 바인더의 적용으로 양극과 음극의 전위 차이를 효과적으로 제어할 수 있게 되는 바, 직렬등가저항(Equivalent Series Resistance) 변화율을 낮춤으로써, 우수한 출력 특성의 확보로 고내전압 특성을 가질 수 있게 된다.
양극 및 음극집전체(121, 131)로는 전기이중층 캐패시터 또는 리튬 이온 전지에 사용되고 있는 집전체 재질이라면 모두 사용될 수 있다. 구체적으로, 양극 및 음극집전체(121, 131) 각각은 알루미늄, 니켈, 스테인리스 스틸, 티타늄, 탄탈륨 및 니오븀 중 선택된 1종 이상이 사용될 수 있다. 이러한 양극 및 음극집전체(121, 131)는 금속박이 이용될 수 있으나, 이외에도 에칭된 금속박, 익스팬디드 메탈, 펀칭 메탈, 그물, 발포체 등과 같이 앞면과 뒷면을 관통하는 구멍을 갖춘 형태를 이용하는 것도 무방하다.
세퍼레이터(140)는 양극(120)과 음극(130) 사이에 배치되어, 양극(120)과 음극(130)을 전기적으로 분리시키는 역할을 한다. 이때, 세퍼레이터(140)의 재질로는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리비닐리덴클로라이드(PVDC), 폴리 아크릴로니트릴(PAN), 폴리아크릴아미드(PAAm), 폴리테트라플루오로 에틸렌(PTFE), 폴리설폰, 폴리에테르술폰(PES), 폴리카보네이트(PC), 폴리아미드(PA), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리프로필렌옥사이드(PPO), 셀룰로오스계 고분자 및 폴리아크릴계 고분자로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 고분자를 이용하여 제조된 미세 다공성 필름이 이용될 수 있다. 또한, 다공성 필름을 중합시킨 다층 필름이 이용될 수도 있으며, 이 중에서 셀룰로오스계 고분자를 이용하는 것이 바람직하다.
전해액은 권취 소자(150)가 삽입된 케이스의 내부에 함침된다. 이에 따라, 전해액은 권취 소자(150)의 양극(120) 및 음극(130) 사이에 함침된다. 이때, 권취 소자(150)에 소정의 전압이 인가되는 경우 양극(120) 및 음극(130) 사이에 채워진 전해액에 의해 양극(120) 및 음극(130)의 표면에서 전기 이중층이 생성될 수 있게 된다.
이러한 전해액은 권취 소자(150)의 전기이중층 용량을 발현하는 용질과, 용질을 용해시키기 위한 용매를 포함하는 것을 이용하는 것이 바람직한데, 이는 용질과 용매를 조합시킨 전해액은 내전압이 높고 전기전도도가 높아 고내전압 특성을 구현하기에 적합하기 때문이다.
이러한 전해액의 용질로는 테트라에틸암모늄헥사플루오르포스페이트{Tetraethylammoniumhexafluorophosphate, (C2H5)44NPF6)}, 테트라에틸암모늄테트라플루오르보레이트{TetraethylammoniumTetrafluoroborate, (C2H5)44NPF4)}, 테트라에틸암모늄비스(트리플루오르메탄스르호닐)이미드 {Tetraethylammoniumbis(trifluoromethanesulfonyl)imide, (C2H5)44N－N(CF3SO2)2}, 트리에틸메틸암모늄비스(트리플루오르메탄스르호닐)이미드{(Triethylmethylammoniumbis(trifluoromethanesulfonyl)imide, (C2H5)3CH3N-N(SO2CF3)2}, 트리에틸 메틸암모늄비스(트리플루오르메탄술포닐)이미드{Triethylmethylammoniumbis(trifluoromethanesulfonyl)imide, (CH4(C2H5)3N－N(CF3SO2)2)} 및 스피로-(1,1’)－ 비피로리지니움테트라플루오르보레이트(SPB－BF4), 테트라에틸암모늄테트라플로로보레이트{Tetraethylammonium tetrafluoroborate (TEABF4)} 및 트리메틸에틸암모늄테트라플로로보레이트{triethylmethylammonium tetrafluoroborate(TEMABF4)} 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
이외에도, 전해액의 용질로는 1-에틸-3-메틸이미다죠늄 테트라플로로-보레이트{1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoro-borate(EMIBF4)}, 1-에틸-3-메틸이미다죠늄 비스 이미드{1-ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl)imide(EMITFSI)}, 1-부틸피리디늄 테트라플로로-보레이트{1-butylpyridinium tetrafluoro-borate(BPBF4)}, 1-에틸-3메틸이미디죠늄 헥사플로로-포스페이스트{1-ethyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate(EMIPF6)} 및 1-부틸피리디늄 비스 이미드{1-buthylpyridinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide(BPTFSI)} 중 선택된 1종 이상이 이용될 수도 있다.
또한, 전해액의 용매로는 프로필렌카보네이트(PropyleneCarbonate), 에틸렌카보네이트(EthyleneCarbonate), 부틸렌카보네이트(ButyleneCarbonate), 비닐렌카보네이트(VinyleneCarbonate), 아세토나이트릴 (Acetonitrile) 비닐에틸렌카보네이트(VinylEthyleneCarbonate), 디메틸카보네이트(DimethylCarbonate), 디에틸카보네이트(DiethylCarbonate), 에틸메틸카보네이트(EthylMethylCarbonate), γ-부틸롤락톤{γ-Butyrolactone(GBL)}, γ-발레로락톤{γ-Valerolactone(GVL)}, N-메틸-2-피롤리돈{N-Methyl-2-Pyrrolidone(NMP)}, N,N-디메틸 포름아미드{N,N-Dimethyl Formamide(DMF)}, 1,3-미메틸-2-이미다졸리디논{1,3-Dimethyl-2-Imidazolidinone(DMI)}, N,N 디메틸아세트아마이드{N,N DimethylAcetamide(DMAC)}, 술포란(Sulfolane), 디메틸 설파이드(Dimethyl Sulfoxide), 프로피오니토라일(Propionitorile) 및 테트라하이드로푸란(Tetrahydrofuran) 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 고내전압 특성을 갖는 전기이중층 커패시터는 양극으로는 약품 활성화된 활성탄을 이용하고, 음극으로는 스팀 활성화된 활성탄을 이용함과 더불어, 양극 및 음극의 바인더로 이종의 바인더를 사용함으로써 양극과 음극 간의 분해 전압 차이를 크게 제어하여 직렬등가저항(Equivalent Series Resistance) 변화율을 낮춤으로써, 우수한 출력 특성의 확보로 고전압 특성을 가질 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 고내전압 특성을 갖는 전기이중층 커패시터는 집전체에 흑연층을 프리코팅하여 사용하는 것에 의해 활물질과 집전체 간의 결착력을 강화시킴으로써, 고온 부하 테스트시 활물질과 집전체 간의 박리 현상을 억제할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 셀 시편 제조
실시예 1
양극 제조
비표면적이 2,000m2/g인 약품 활성화된 활성탄, 도전재 및 바인더를 물 1000ml에 혼합 및 교반시켜 슬러리를 제조한 후, 3㎛의 두께를 갖는 흑연층이 프리코팅된 알루미늄 호일 집전체 위에 콤마 코터(comma coater)를 이용하여 도포 및 건조한 후, 200㎛의 두께를 갖는 양극을 제조하였다.
이때, 활성탄 84wt%, 도전재 10wt% 및 바인더 6wt%로 조성되었으며, 활성탄으로는 코크스계, 도전재로는 Super p(상품명 M.M.M)(제조사 CARBON), 바인더로는 폴리테트라플로로에틸렌(제조사, 다이킨) 및 스틸렌부타이엔고무(상품명 SBR)(제조사 ZEON)를 각각 사용하였다.
음극 제조
비표면적이 1,600m2/g인 수증기 부활된 활성탄을 사용하였고, 바인더로는 아크릴 수지 및 스틸렌부타이엔고무(상품명 SBR)(제조사 ZEON)를 사용하여 160㎛의 두께로 형성하는 것을 제외하고는 양극과 동일한 방법으로 음극을 제조하였다.
셀 제조
양극에 제1 리드선을 부착하고, 음극에 제2 리드선을 부착한 후, 양극과 음극 사이에 분리막으로서 셀롤로오스 필름을 배치한 후, 롤 형태로 권취하여 권취 소자를 제조하였다. 다음으로, 권취 소자를 120℃의 오븐기에서 20시간 동안 건조시켰다.
다음으로, 원통형의 케이스 내부에 권취 소자를 삽입한 후, 권취 소자에 전해액으로 1mol/L의 스파이로계 고전압 전해액(SBP-BF4/AN)을 함침시켰다. 다음으로, 리드 단자에 고무전을 삽입하고 케이스를 커링하여 10 × 25mm 크기의 셀을 제조하였다.
실시예 2
스파이로계 고전압 전해액의 용매로 아세토나이트릴(AN)을 이용하는 것 대신, 아세토나이트릴(AN) 80wt% 및 술포란(SL) 20wt%로 혼합된 복합 용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 셀을 제조하였다.
비교예 1
음극 제조시, 바인더로 폴리테트라플로로에틸렌 및 스티렌부타이엔 고무(상품명 SBR)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 셀을 제작하였다.
비교예 2
음극 및 양극 제조시, 알루미늄 호일 집전체로 흑연층이 프리코팅되지 않은 것을 각각 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 셀을 제조하였다.
비교예 3
음극 및 양극 제조시, 활성탄 88wt%, 도전재 10wt% 및 바인더 2wt%로 각각 조성되도록 한 것을 제외하고는 비교예 2와 동일한 방법으로 셀을 제조하였다.
2. 물성 평가
표 1은 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 2에 대한 고온 부하 테스트 측정 결과를 나타낸 것이다. 또한, 도 3은 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 3에 대한 용량유지율을 측정한 결과를 나타낸 것이고, 도 4는 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 3에 대한 저항변화율을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
1) 고온 부하 테스트
실시예 1 ~ 3 및 비교예 1에 따른 셀 시편들에 대하여, 3.0V 및 65℃ 조건에서 1000Hr 동안 고온 부하 테스트를 실시하였으며, 그 측정 값을 표 1, 도 3 및 도 4에 각각 나타내었다.
[표 1]
표 1, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 3에 따른 셀 시편들의 경우, 초기 특성은 유사한 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
반면, 실시예 1 및 2의 경우에는 3.0V 및 65℃에서 1,000Hr 동안 실시된 고온 부하 테스트 후 용량유지율은 높게 측정되고, 저항변화율은 낮게 측정되어 전위 안정성이 우수하다는 것을 확인하였다.
이와 달리, 양극 및 음극으로 동종의 바인더를 사용한 비교예 1의 경우에는 실시예 1 ~ 2에 비하여 용량유지율이 낮고, 저항변화율은 높게 측정된 것을 확인할 수 있다.
또한, 비교예 2의 경우에는 3.0V 및 65℃에서 1,000Hr 동안 실시된 고온 부하 테스트 후 용량유지율 및 저항변화율이 현저히 나빠진 것을 알 수 있는데, 이는 고온 부하시 흑연층이 없을 경우 활물질과 집전체의 박리 현상이 발생하여 확산 저항이 높아졌기 때문인 것으로 판단된다.
또한, 바인더의 함량의 2wt%로 첨가된 비교예 2의 경우에는 활물질과 집전체의 결착력이 약해 깨지는 현상이 발생하는 것을 육안으로 확인하였다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 전기이중층 커패시터 120 : 양극
121 : 양극집전체 122 : 양극흑연층
123 : 양극활성층 125 : 양극단자
130 : 음극 131 : 음극집전체
132 : 음극흑연층 133 : 음극활성층
135 : 음극단자 140 : 세퍼레이터
150 : 권취 소자
121 : 양극집전체 122 : 양극흑연층
123 : 양극활성층 125 : 양극단자
130 : 음극 131 : 음극집전체
132 : 음극흑연층 133 : 음극활성층
135 : 음극단자 140 : 세퍼레이터
150 : 권취 소자
Claims (9)
- 양극흑연층을 갖는 양극집전체와, 상기 양극집전체의 표면에 형성되며, 제1 활성탄, 제1 도전재 및 제1 바인더로 조성된 양극활물질을 갖는 양극과,
음극흑연층을 갖는 음극집전체와, 상기 음극집전체의 표면에 형성되며, 제2 활성탄, 제2 도전재 및 제2 바인더로 조성된 음극활물질을 갖는 음극과,
상기 양극 및 음극 사이에 배치되어, 상기 양극 및 음극을 전기적으로 분리시키는 세퍼레이터를 갖는 권취 소자; 및
상기 권취 소자의 양극 및 음극 사이에 함침된 전해액;을 포함하며,
상기 제1 및 제2 활성탄은 서로 다른 활성화 방법에 의해 제조된 것이 이용되되, 상기 제1 활성탄은 약품 활성화된 활성탄이고, 상기 제2 활성탄은 스팀 활성화된 활성탄이며,
상기 제1 및 제2 바인더는 이종의 바인더가 이용되되, 상기 제1 바인더는 폴리테트라플로로에틸렌(PTFE) 및 고무계 수지를 포함하고, 상기 제2 바인더는 아크릴계 수지 및 고무계 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 고내전압 특성을 갖는 전기이중층 커패시터.
- 제1항에 있어서,
상기 양극 및 음극흑연층 각각은
5㎛ 이하의 평균 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 고내전압 특성을 갖는 전기이중층 커패시터.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 바인더 각각은
셀룰로오즈계 수지, 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF)를 포함하는 불소계 수지, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에딜렌(PE) 및 폴리프로필렌(PP)를 포함하는 열가소성 수지와, 카복시메틸셀룰로우즈(CMC) 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고내전압 특성을 갖는 전기이중층 커패시터.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 바인더 각각은
상기 양극 및 음극활물질 각각의 전체 중량의 2 ~ 6 중량%로 첨가된 것을 특징으로 하는 고내전압 특성을 갖는 전기이중층 커패시터.
- 제1항에 있어서,
상기 전해액은
상기 권취소자의 전기이중층 용량을 발현하는 용질과, 상기 용질을 용해시키기 위한 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 고내전압 특성을 갖는 전기이중층 커패시터.
- 제7항에 있어서,
상기 전해액의 용질은
테트라에틸암모늄헥사플루오르포스페이트{Tetraethylammoniumhexafluorophosphate, (C2H5)44NPF6)}, 테트라에틸암모늄테트라플루오르보레이트{TetraethylammoniumTetrafluoroborate, (C2H5)44NPF4)}, 테트라에틸암모늄비스(트리플루오르메탄스르호닐)이미드 {Tetraethylammoniumbis(trifluoromethanesulfonyl)imide, (C2H5)44N－N(CF3SO2)2}, 트리에틸메틸암모늄비스(트리플루오르메탄스르호닐)이미드{(Triethylmethylammoniumbis(trifluoromethanesulfonyl)imide, (C2H5)3CH3N-N(SO2CF3)2}, 트리에틸 메틸암모늄비스(트리플루오르메탄술포닐)이미드{Triethylmethylammoniumbis(trifluoromethanesulfonyl)imide, (CH4(C2H5)3N－N(CF3SO2)2)} 및 스피로-(1,1’)－ 비피로리지니움테트라플루오르보레이트(SPB－BF4), 테트라에틸암모늄테트라플로로보레이트{Tetraethylammonium tetrafluoroborate (TEABF4)} 및 트리메틸에틸암모늄테트라플로로보레이트{triethylmethylammonium tetrafluoroborate(TEMABF4)} 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고내전압 특성을 갖는 전기이중층 커패시터.
- 제7항에 있어서,
상기 전해액의 용매로는
프로필렌카보네이트(PropyleneCarbonate), 에틸렌카보네이트(EthyleneCarbonate), 부틸렌카보네이트(ButyleneCarbonate), 비닐렌카보네이트(VinyleneCarbonate), 아세토나이트릴 (Acetonitrile) 비닐에틸렌카보네이트(VinylEthyleneCarbonate), 디메틸카보네이트(DimethylCarbonate), 디에틸카보네이트(DiethylCarbonate), 에틸메틸카보네이트(EthylMethylCarbonate), γ-부틸롤락톤{γ-Butyrolactone(GBL)}, γ-발레로락톤{γ-Valerolactone(GVL)}, N-메틸-2-피롤리돈{N-Methyl-2-Pyrrolidone(NMP)}, N,N-디메틸 포름아미드{N,N-Dimethyl Formamide(DMF)}, 1,3-미메틸-2-이미다졸리디논{1,3-Dimethyl-2-Imidazolidinone(DMI)}, N,N 디메틸아세트아마이드{N,N DimethylAcetamide(DMAC)}, 술포란(Sulfolane), 디메틸 설파이드(Dimethyl Sulfoxide), 프로피오니토라일(Propionitorile) 및 테트라하이드로푸란(Tetrahydrofuran) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고내전압 특성을 갖는 전기이중층 커패시터.
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|---|---|---|---|
| KR1020160030692A KR101647759B1 (ko) | 2016-03-15 | 2016-03-15 | 고내전압 특성을 갖는 전기이중층 커패시터 |
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ID=56715047
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101981213B1 (ko) * | 2018-09-19 | 2019-05-22 | 주식회사 비츠로셀 | 고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터 |
| CN113964381A (zh) * | 2021-10-22 | 2022-01-21 | 郑州大学 | 一种非对称凝胶态电解质及其制备方法和应用 |
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|---|---|---|---|---|
| KR20120002433A (ko) * | 2010-06-30 | 2012-01-05 | 다이닛쿠 가부시키가이샤 | 전기 화학 소자용 전극 및 그 제조방법 |
| KR101184777B1 (ko) * | 2011-09-19 | 2012-09-20 | 삼성전기주식회사 | 에너지 저장체의 전극 및 에너지 저장체의 전극 제조방법 |
| KR20130093805A (ko) * | 2012-01-10 | 2013-08-23 | 삼성전기주식회사 | 전극, 이의 제조방법, 및 이를 이용한 슈퍼 캐패시터 |
| KR101567771B1 (ko) * | 2015-01-12 | 2015-11-11 | 상명대학교서울산학협력단 | 출력용량 개선을 위한 전기이중층 커패시터의 전해액 및 이를 이용한 전기이중층 커패시터 |
-
2016
- 2016-03-15 KR KR1020160030692A patent/KR101647759B1/ko active IP Right Grant
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