KR101724434B1 - 최대작동전압 3.2v를 가지는 고전압 고출력형 슈퍼커패시터 - Google Patents

최대작동전압 3.2v를 가지는 고전압 고출력형 슈퍼커패시터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이산화탄소 활성화에 의한 활성탄의 처리 방법, 및 이산화탄소 처리된 활성탄을 전극물질로 이용하여 제조되는 고전압에서 안정적으로 작동이 가능한 슈퍼커패시터에 관한 것이다.
본 발명에 따른 슈퍼커패시터는, 슈퍼커패시터를 구성하는 전극소재 및 전해질의 소재를 개선하고 전극 특성을 최적화한 것으로서, 고전압의 조건에서도 안정적으로 작동이 가능하다는 장점을 갖는다.

Description

최대작동전압 3.2V를 가지는 고전압 고출력형 슈퍼커패시터{HIGH-VOLTAGE/HIGH-POWER SUPERCAPACITOR OPERATABLE AT 3.2V}
본 발명은 고전압(예를 들어 작동전압 3V, 최대전압 3.2V)에서 안정적으로 작동이 가능한 슈퍼커패시터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
차세대 에너지 저장장치들 중 슈퍼 커패시터는 빠른 충방전 속도, 높은 안정성, 그리고 친환경적 특성으로 인해, 차세대 에너지 저장장치로 각광받고 있다. 일반적인 슈퍼 커패시터는 다공성 전극, 집전체, 격리막, 그리고 전해질(Eletrolyte) 등으로 구성된다. 상기 슈퍼 캐피시터는 상기 다공성 전극들에 전압을 가해, 전해액 조성물 내 이온들을 선택적으로 상기 다공성 전극에 흡착시키는 전기 화학적 반응 메커니즘을 원리로 하여 구동된다. 현재 대표적인 슈퍼 커패시터들로는 전기이중층 커패시터(electric double layer capacitor:EDLC), 의사 커패시터(pseudocapacitor), 하이브리드 커패시터(hybrid capacitor) 등이 있다. 상기 전기이중층 커패시터는 활성탄소(activated carbon)로 이루어진 전극을 사용하고, 전기이중층 전하흡착(double layer charging)을 반응 메커니즘으로 하는 슈퍼 커패시터이다. 상기 의사 커패시터는 전이금속 산화물(transition metal oxide) 또는 전도성 고분자(conductive polymer)를 전극으로 사용하고, 유사용량(pseudo-capacitance)을 반응 메커니즘으로 하는 슈퍼 커패시터이다. 그리고 상기 하이브리드 커패시터는 상기 EDLC와 전해커패시터의 중간적인 특성을 갖는 커패시터이다.
최근에는 고전압(작동전압 3V, 최대전압 3.2V)에서 안정적으로 작동할 수 있는 슈퍼 커패시터를 제조하기 위하여, 고전압에 적합한 전극소재, 전해질, 밀봉재 등의 커패시터 부품들에 대한 핵심 소재 기술 개발이 활발하게 진행되고 있다. 기존의 소재들을 그대로 사용하는 경우에는 전해액이 분해되거나 전극물질의 작용기가 분해되는 등, 소재 및 물성의 한계로 인하여 고전압에서 안정적인 작동이 불가능하기 때문이다.
전극 소재의 경우 고전압이 작동되는 경우 작용기가 분해되어 가스가 발생할 수 있으며, 발생된 가스로 인하여 전극 표면의 박리 현상 등이 나타나게 되므로, 커패시터의 신뢰성 및 장수명 특성에 저해가 될 뿐만 아니라, 고전압 작동에도 문제를 초래하게 된다.
전해질의 경우에는 고전압의 실현을 위해서는 전위창이 큰 전해질 물질을 이용하는 한편, 전위창을 확장시켜주는 첨가제를 선정하여 첨가함으로써 전해액 내의 미세수분을 조절하고 전해질 분해를 감소시키고자 하는 노력이 지속적으로 이루어지고 있다.
대한민국공개특허 제2011-0076563호
본 발명의 상기와 같은 종래기술의 문제를 해결하고자 안출된 것으로서, 이산화탄소 처리 및 물성 제어에 의하여 비표면적 및 기공분포가 증가된 활성탄 및 저빙점 온도와 고전도도 특성을 갖는 전해액을 사용하고, 전극 간의 무게비를 최적화함으로써, 고전압에서 안정적으로 작동 가능한 슈퍼커패시터를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은, 수납케이스; 음극; 상기 음극과 대향되게 배치되는 양극; 상기 음극과 양극 사이에 위치하는 분리막; 및 상기 수납케이스의 내부에 채워지는 전해액을 포함하고, 상기 음극 및 양극은 이산화탄소로 처리된 활성탄을 포함하는, 최대작동전압 3.2V를 가지는 고전압 고출력형 슈퍼커패시터를 제공한다.
상기 이산화탄소로 처리된 활성탄은, 활성탄을 이산화탄소 분위기에서 가열하는 방법으로 처리한 것일 수 있다.
상기 활성탄의 이산화탄소 처리는, 활성탄을 이산화탄소 분위기에서 500 내지 1,200℃로 가열하는 것을 포함할 수 있다.
또한 상기 활성탄은 이산화탄소로 처리하기 이전에 볼밀에 의해 분쇄된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 슈퍼커패시터의 상기 음극에 대한 상기 양극의 무게비는 1.16 내지 1.30일 수 있다.
본 발명에 따른 슈퍼커패시터의 상기 음극 및 양극은 슬롯 다이(Slot-die) 방식에 의하여 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 슈퍼커패시터의 수납케이스는 원통형으로 이루어질 수 있다.
상기 전해액은 아세토니트릴을 포함할 수 있다.
또한 상기 전해액은 테트라플루오로보레이트계 이온염을 더 포함할 수 있으며, 보다 구체적으로는 스파이로-(1,1')-바이피롤리디움 테트라플루오로보레이트(spiro-(1,1')-bipyrrolidium tetrafluoroborate, SBPBF4)일 수 있다.
본 발명에 따른 슈퍼커패시터는, 슈퍼커패시터를 구성하는 전극소재 및 전해질의 소재를 개선하고 전극 특성을 최적화한 것으로서, 고전압의 조건에서도 안정적으로 작동이 가능하다는 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 이산화탄소 처리된 활성탄의 비표면적 및 기공 분포를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 이산화탄소 처리된 활성탄의 입자 크기 분포를 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 이산화탄소 처리된 활성탄 입자의 SEM이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 이산화탄소 처리된 활성탄으로 제조된 전극의 비정전용량을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 이산화탄소 처리된 활성탄으로 제조된 전극의 주사속도에 따른 비용량을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 이산화탄소 처리된 활성탄으로 제조된 전극의 나이퀴스트(Nyquist) 선도이다.
도 7은 전해질 용매의 종류에 따른 순환전류전압 비교 그래프이다.
도 8은 이온염의 종류에 따른 순환전류전압 비교 그래프이다.
도 9는 전극의 무게비에 따른 각 전압에서의 비용량을 나타내는 그래프이다.
도 10은 전극의 무게비에 따른 각 주사속도에서의 비용량을 나타내는 그래프이다.
도 11은 전극의 무게비에 따른 순환전류전압 측정 결과이다.
도 12는 전극의 무게비에 따른 나이퀴스트(Nyquist) 선도이다.
도 13은 본 발명에 따른 슈퍼커패시터의 사이클에 따른 비용량의 변화를 나타내는 장수명 측정 결과이다.
도 14는 본 발명에 따른 슈퍼커패시터의 비정전용량을 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명에 따른 슈퍼커패시터의 전압증가에 따른 순환전류전압 패턴 특성을 나타내는 결과이다.
도 16은 본 발명에 따른 슈퍼커패시터의 방전 전류에 따른 방전용량의 변화를 나타내는 결과이다.
도 17은 본 발명에 따른 슈퍼커패시터의 방전전류에 따른 IR 드롭(IR Drop)을 나타내는 그래프이다.
도 18은 본 발명에 따른 슈퍼커패시터의 정전류 충방전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 19는 본 발명에 따른 슈퍼커패시터의 전류에 따른 방전 특성을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 이산화탄소에 의해 처리된 활성탄으로 제조된 전극 및 아세토니트릴을 포함하는 전해액을 포함하여 구성되며, 음극에 대한 양극의 무게비는 1.16 내지 1.30인, 고전압에서 안정적으로 작동 가능한 슈퍼커패시터에 관한 것이다.
상기 이산화탄소에 의해 처리된 활성탄은, 활성탄을 이산화탄소 분위기에서 가열하는 방법으로 처리한 것일 수 있다.
본 발명의 슈퍼커패시터는 이산화탄소로 처리된 활성탄을 전극소재로 사용하는데, 이는 고전압 작동시 활성탄의 작용기 분해로 인하여 발생되는 가스에 의한 문제를 미리 차단하기 위한 것으로서, 본 발명에서의 활성탄 처리 방법은 활성탄을 이산화탄소 분위기에서 500 내지 1,200℃로 가열하는 단계를 포함하여 이루어진다.
활성탄은 가열로에 장입되고 이산화탄소 분위기에서 가열되는 과정을 거치게 되는데, 가열로 내에 주입되는 이산화탄소의 유량은 가열로의 크기나 활성탄의 양 등에 따라 달라질 수 있으나, 일반적인 실험실 규모의 가열로의 경우 10~500 cc/min 정도의 유량을 투입하는 것이 바람직하다.
이산화탄소 분위기에서의 활성탄의 가열 온도는 500 내지 1200℃가 적절하다. 500℃ 보다 낮은 온도에서는 활성탄의 활성화 효과 및 표면개질효과가 미미하며, 1200℃ 보다 높은 온도에서는 열처리 비용이 증가하고 활성탄의 변성될 가능성이 있다.
본 발명에서 사용되는 활성탄은 이산화탄소 처리 이전에 볼밀 등의 분쇄방법에 의하여 분쇄된 것일 수 있다. 볼밀 이외의 여러 가지 다양한 분쇄방법을 적용할 수도 있으나, 균일한 형태의 대량생산이 가능하다는 점에서 볼밀이 가장 바람직하다.
본 발명에 따른 활성탄의 처리 과정 중, 볼밀에 의한 분쇄단계는 활성탄의 비표면적 및 기공 분포 등과 같은 물성을 제어하기 위한 공정으로서, 50~3000 rpm으로 6 내지 100시간 동안 볼밀(ball mill)을 행함으로써 수행된다.
상기와 같은 활성탄 이산화탄소 처리 과정을 통하여 활성탄의 작용기가 제거되므로, 고전압 작동시의 가스 발생을 억제할 수 있으며, 동시에 용량 특성 및 저항 특성을 향상시킬 수 있다. 따라서 이산화탄소 처리 과정을 거친 활성탄을 전극 소재로 사용하는 경우, 고전압에서의 안정적인 작동이 가능하면서도 고출력 특성을 나타내는 슈퍼커패시터의 구현이 가능하게 된다.
본 발명에 따른 슈퍼커패시터는 수납케이스; 음극; 상기 음극과 대향되게 배치되는 양극; 상기 음극과 양극 사이에 위치하는 분리막; 및 상기 수납케이스의 내부에 채워지는 전해액을 포함하는 슈퍼커패시터로서, 상기 음극 및 양극은 이산화탄소로 처리된 활성탄으로 제조되며, 상기 음극에 대한 상기 양극의 무게비가 1.16 내지 1.30인 것을 특징으로 한다.
상기 이산화탄소로 처리된 활성탄은, 활성탄을 이산화탄소 분위기에서 가열하는 방법으로 처리한 것일 수 있다.
양극의 무게가 음극의 1.16배 보다 적거나 음극의 1.30배를 초과하는 경우에는 전압이나 주사속도의 증가에 따라 비용량이 감소하거나 전위창이 작아지는 문제가 발생할 수 있으며 저항 특성이 저하될 수 있다.
본 발명에 따른 슈퍼커패시터의 양극은 70~90㎛의 두께로, 음극은 50~70㎛의 두께로 제조될 수 있다. 종래의 전극에 비하여 보다 얇은 전극의 구현이 가능하므로 슈퍼커패시터의 고출력화를 달성할 수 있다.
활성탄을 이용하여 전극을 제조하는 데에 있어서, 기존에는 닥터 블레이드 방식을 주로 사용하였으나, 본 발명에 있어서는 슬롯 다이(Slot die) 방식을 사용하여 전극을 생산하는 것이 바람직하다.
슬롯 다이 방식을 적용하는 경우에는 전극을 롤투롤(Roll-to-Roll) 방식으로 생산할 수 있으므로, 전극의 대량 및 연속생산이 가능하게 된다. 또한 일정한 양의 슬러리를 도포할 수 있기 때문에 전극 코팅의 안정성 및 재현성이 우수하다는 장점도 있다. 본 발명에 따른 슈퍼커패시터와 같이 고전압/고출력 셀을 제조하기 위해서는 전극 코팅(두께)의 균일성이 매우 중요한데, 기존의 닥터블레이드 방식을 적용하는 경우에는 전극층 두께의 균일성 확보에 한계가 있으며 80㎛ 이하의 두께에 있어서는 더더욱 균일한 도포가 어렵다는 문제가 있다.
또한 본 발명에 따른 슈퍼커패시터는 고전압(3~3.2V)에서의 안정적인 작동을 위하여 아세토니트릴과 같은 전위창이 큰 물질을 전해질 용매로 사용하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 슈퍼커패시터의 전해액은 테트라플루오로보레이트계 이온염을 포함할 수 있으며, 특히 스파이로-(1,1')-바이피롤리디움 테트라플루오로보레이트 (spiro-(1,1')-bipyrrolidium tetrafluoroborate, SBPBF4)를 이온염으로서 전해액에 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우 전해질 용액에 대한 이온염의 농도는 0.1M 내지 3.0M의 범위로 투입되는 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 이하에서 설명되는 내용은 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 명확하게 전달하기 위하여 제공되는 것으로 본 발명의 범위가 이하의 설명으로 제한되는 것을 아니다. 본 발명의 범위는 특허청구범위에 나타나있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
<실시예 1>
활성탄의 이산화탄소 처리
이산화탄소 처리 대상이 되는 활성탄으로서 커패시터 전극제조에 상용되는 활성탄인 YP-50F(Kuraray사, 일본)를 선택하였다. 활성탄을 가열로 내에 장입한 후 이산화탄소 분위기에서 1시간 동안 900℃로 가열하여 활성화하였다. 이때 이산화탄소의 유량은 40 cc/min으로 하였다.
<실시예 2>
활성탄 YP-50F(Kuraray사, 일본)를 볼밀에 투입한 후 150 rpm으로 24시간 동안 분쇄하였다. 분쇄된 활성탄을 가열로 내에 장입한 후 이산화탄소 분위기에서 1시간 동안 900℃로 가열하여 활성화하였다. 이때 이산화탄소의 유량은 40 cc/min으로 하였다.
본 실시예에 따라 이산화탄소 처리된 활성탄(실시예 1), 볼밀 처리 후 이산화탄소 처리된 활성탄(실시예 2), 아무런 처리가 되지 않은 활성탄(비교예 1), 볼밀 처리만 수행된 활성탄(비교예 2) 각각의 비표면적과 기공 분포를 확인하여 아래 표 1 및 도 1에 나타내었다.
BET plot 비교예 1 비교예 2 실시예 1 실시예 2
Vm[cm3(sTP)g-1] 420.24 427.95 434.95 419.21
a2,BET[m2g-1] 1829.1 1862.6 1893.1 1824.6
전체기공부피[cm3g-1]
(p/p0=0.990)		 0.8583 0.8495 0.8661 0.84
평균기공지름[nm] 1.8769 1.8243 1.83 1.8415
본 실시예에 따라 이산화탄소 처리된 활성탄(실시예 1 및 2)의 활성탄 입자 크기 분포를 비교예 1 및 2과 비교하여 표 2 및 도 2에 나타내었다. 본 발명의 실시예 1에 따라 이산화탄소 처리된 활성탄의 경우에는 기존의 처리되지 않은 활성탄(비교예 1)에 비하여 비표면적 및 기공분포가 다소 증가한 것으로 나타났다. 또한 이산화탄소 처리에 의해 입자크기가 감소하기 때문에 전극제조 시 충진밀도(tap density)가 증가하는 장점이 있다.
활성탄 d(0.1) d(0.5) d(0.9)
비교예 1 2.908 6.448 11.726
비교예 2 1.790 4.915 9.433
실시예 1 2.357 5.794 11.035
실시예 2 1.831 4.798 9.015
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 활성탄 표면의 SEM 이미지이며, 활성탄의 성분 분석 결과는 아래 표 3과 같다.
비교예 1 비교예 2 실시예 1 실시예 2
성분 wt% atom% wt% atom% wt% atom% wt% atom%
C 88.28 91.04 81.70 85.72 88.54 91.22 84.03 87.62
O 11.38 8.81 17.91 14.11 11.21 8.67 15.63 12.24
Si 0.35 0.15 0.39 0.17 0.24 0.11 0.33 0.15
이산화탄소 처리된 활성탄의 전기화학적 특성
본 발명의 실시예에 따른 활성탄을 이용하여 전극을 제조한 후 전기화학적 특성을 확인하였다. 앞서 실시예 1 및 2, 비교예 1 및 2에 의하여 제조된 활성탄 85 wt%에 카본블랙(Super-p) 7wt%, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 3 wt%, 스티렌부타디엔 고무(SBR) 5%를 혼합하여 전극물질을 제조하였다. 집전체로는 에칭된 알루미늄 호일(2.54 cm2)을 사용하였으며, 전해질은 아세토니트릴 용매에 1M의 SBPBF4를 혼합하여 사용하였다. 비교예 1의 경우에는 양극 무게를 17.446 mg(104 ㎛), 음극 무게를 14.556 mg(94 ㎛)로 하였으며(무게비 1.198:1), 실시예 1의 경우에는 양극 무게를 13.469 mg(87 ㎛), 음극 무게를 10.396 mg(68 ㎛)로 하였으며(무게비 1.298:1), 실시예 2의 경우에는 양극 무게를 20.496 mg(126 ㎛), 음극 무게를 15.696 mg(96 ㎛)로 하였다(무게비 1.306:1).
도 4에 전압에 따른 비용량의 차이를 도시하였다. 도 4로부터 비교예 1의 경우에는 3 V에서 비용량이 급격하게 감소하나, 본 발명의 실시예의 경우에는 3 V의 고전압에서도 비용량이 크게 감소하지 않는다는 것을 알 수 있다. 도 5는 주사속도에 따른 비용량의 변화를 나타낸 것으로서, 실시예의 경우에는 높은 주사속도에서도 비용량이 크게 감소하지 않았다. 이는 슈퍼 커패시터의 고출력 특성을 구현하는 데에 있어서 적합한 특성이라고 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 저항특성 결과를 나타낸 것으로서, 등가직렬저항(ESR)이 실시예 1은 8.21 Ωcm2, 실시예 2는 2.39 Ωcm2, 비교예 1은 8.21 Ωcm2로 각각 나타났다.
고전압용 전해질 조성
전해질 조성물 제조를 위한 기본 용매를 선택하기 위하여 슈퍼 커패시터에 적용가능한 용매인 아세토니트릴(AN), Al2O3가 부가된 아세토니트릴, 아디포니트릴, 프로리오니트릴 및 물의 순환전류전압을 측정하였다. 측정된 결과는 도 7에 도시하였다. 도 7에 나타나는 바와 같이, 아세토니트릴의 전위창이 가장 큰 것으로 나타나, 아세토니트릴을 전해액의 기본 용매로 사용함으로써 안정적인 고전압 작동이 가능할 것으로 예측되었다.
전해질 조성물에 포함되는 최적의 이온염을 선택하기 위하여, 앞서 선택된 아세토니트릴 용매에 이온염으로서 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate), TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoroborate), EMIMBF4(1-Ethyl-3-Methylimidazolium Tetrafluoroborate) 및 SBPBF4(spiro-(1,1′)-bipyrrolidium tetrafluoroborate)를 각각 혼합한 후 순환전류전압 테스트를 수행하였다. 측정 결과는 도 8에 나타내었으며, 도 8에 나타나는 바와 같이, 여러 이온염 중에서 SBPBF4를 사용한 경우 전위창이 가장 큰 것으로 나타났다.
전극 무게비에 따른 전기화학적 특성
본 발명에 따른 슈퍼 커패시터의 전극의 무게비에 따른 전기화학적 특성을 다음과 같이 측정하였다. 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 활성탄을 전극물질로 이용하여, 양극 무게 16.496 mg(104 ㎛), 음극 무게 13.496mg(87 ㎛)의 전극(무게비 1.22:1)(실시예 3), 양극 무게 15.296 mg(95 ㎛), 음극 무게 13.296mg(87 ㎛)의 전극(무게비 1.15:1)(비교예 3), 양극 무게 20.496 mg(126 ㎛), 음극 무게 15.696mg(96 ㎛)의 전극(무게비 1.306:1)(비교예 4), 양극 무게 21.396 mg(131 ㎛), 음극 무게 13.596mg(87 ㎛)의 전극(무게비 1.574:1)(비교예 5)을 각각 제조한 후, 전기화학적 특성을 평가하여 도 9 내지 도 15에 도시하였다. 각각에 대하여 집전체로는 에칭된 알루미늄 호일(2.54cm2)을, 전해질로는 1M SBPBF4/AN을 사용하였다. 도 9 내지 12에 나타나는 바와 같이, 실시예 3에 따른 전극(양극:음극의 무게비 1.22:1)을 적용하는 경우에 비용량, 저항 및 고전압 특성이 가장 우수한 것으로 나타났다.
본 발명의 실시예에 따른 수퍼커패시터의 장수명 특성 및 3.2V 작동전압에서의 거동을 확인하기 위하여, 양극 무게 24.61 mg(101 ㎛), 음극 무게 20.08mg(90 ㎛)의 전극(무게비 1.22:1)을 사용한 경우의 장수명측정, 비용량 및 순환전압전류 측정을 수행하였다. 집전체로는 에칭된 알루미늄 호일(2.54cm2)을, 전해질로는 1M SBPBF4/AN을 사용하였으며, 주사속도는 5 mV/s로 하였다. 각각의 측정 결과는 도 13 내지 15에 도시하였다.
본 발명에 따른 슈퍼커패시터는 30만 사이클 동안 약 90%까지 용량이 유지될 수 있었으며, 50만 사이클 동안 약 84%까지 용량이 유지되었고(도 13), 3V 내지 3.2V의 고전압에서도 비용량이 감소되지 않았다(도 14). 또한 전압 증가에 따른 CV 패턴의 변화에 있어서도 3.2V의 범위까지 안정적인 CV 거동을 나타내는 것으로 확인되었다(도 15).
상기 실시예의 물성 및 전기화학특성 테스트 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 슈퍼커패시터는 이산화탄소 처리 된 활성탄의 사용, 전극간 무게비 특성 및 전해질의 조성의 차별화로 인하여 3V의 고전압에서도 안정적으로 작동 가능한 전기화학적 특성을 갖는 것으로 나타났다.
본 발명에 따른 슈퍼커패시터의 전기화학적 특성
본 발명의 실시예 1에 따른 활성탄을 이용하여 전극을 제조한 후 슈퍼커패시터에 적용하여 전기화학적 특성을 확인하였다. 실시예 1에 따라 제조된 활성탄 85 wt%을 카본블랙(Super-p) 7wt%, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 3 wt%, 스티렌부타디엔 고무(SBR) 5%를 혼합하여 물에 녹인 수용액에 분산시켜 전극 슬러리 물질을 제조하였다.
이후 전극 슬러리 물질을 슬롯다이 코터에 공급하여 에칭된 알루미늄 호일로 이루어진 집전체 위에 코팅층을 형성하고 건조시킨 후, 롤 프레스를 통해 압착하였다. 슬롯다이 방식으로 전극 슬러리 코팅층을 형성하는 과정에서 양극 대 음극의 무게비는 1.22:1을 유지하도록 하였으며, 제조된 전극의 두께가 양극은 약 80㎛, 음극은 약 60㎛가 되도록 제조하였다.
제조된 양극과 음극의 사이에 분리막을 게재시켜 권취한 다음, 귄취 소자를 압착하고, 절연 튜브를 열수축시켰다. 이후 원통형의 외장케이스 내부에 권취 소자를 삽입한 이후 탑 플레이트 및 외장케이스를 레이저 용접하고, 외장케이스의 개방된 상부 끝단을 커링하는 한편, 외장케이스의 상부 중 일부가 내부 방향으로 함몰되도록 비딩한 다음, 전해질 주입구를 통해 1M SBPBF4/AN의 전해액을 주입하였다. 외장 슬리브를 포장하여 대용량 슈퍼커패시터 셀을 완성하였다(실시예 4).
실시예 4에 따라 완성된 슈퍼커패시터 셀의 전기화학적 특성을 평가하여 도 16 내지 도 19에 도시하였다.
실시예 4에 따른 슈퍼커패시터의 충방전 전위창이 0.1 내지 3.0V일 경우 방전 전류가 70A로 증가하는 경우에도 따른 방전 용량은 3000 F에 가깝게 유지되었으며(도 16), 전위창 0.1 내지 3.2V일 때, 30분 동안 3V의 전압을 유지한 후의 IR 드롭(IR Drop)은 방전전류에 따라 증가하기는 하였으나 최대 0.045V를 넘지 않았다(도 17). 또한 본 발명의 실시예 4에 따른 슈퍼커패시터의 정전류 충방전 그래프(도 18) 및 전류에 따른 방전 그래프(도 19)로부터 고전압, 대용량 슈퍼커패시터로서 적합한 충방전 특성을 나타냄을 확인할 수 있었다.

Claims (10)

  1. 수납케이스;
    음극;
    상기 음극과 대향되게 배치되는 양극;
    상기 음극과 양극 사이에 위치하는 분리막; 및
    상기 수납케이스의 내부에 채워지는 전해액을 포함하고,
    상기 음극 및 양극은 이산화탄소로 처리된 활성탄을 포함하며,
    상기 이산화탄소로 처리된 활성탄은,
    활성탄을 이산화탄소 분위기에서 가열하는 방법으로 처리한 것이고,
    상기 음극에 대한 상기 양극의 무게비가 1.16 내지 1.30인 것을 특징으로 하는, 최대작동전압 3.2V를 가지는 고전압 고출력형 슈퍼커패시터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성탄을 이산화탄소 분위기에서 가열하는 방법은,
    활성탄을 이산화탄소 분위기에서 500 내지 1200℃로 가열하는 방법인 것을 특징으로 하는, 최대작동전압 3.2V를 가지는 고전압 고출력형 슈퍼커패시터.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전해액은 아세토니트릴을 포함하는 것을 특징으로 하는, 최대작동전압 3.2V를 가지는 고전압 고출력형 슈퍼커패시터.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전해액은 테트라플루오로보레이트계 이온염을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 최대작동전압 3.2V를 가지는 고전압 고출력형 슈퍼커패시터.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 이온염은 스파이로-(1,1')-바이피롤리디움 테트라플루오로보레이트(spiro-(1,1')-bipyrrolidium tetrafluoroborate, SBPBF4)인 것을 특징으로 하는, 최대작동전압 3.2V를 가지는 고전압 고출력형 슈퍼커패시터.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 이온염은 전해액에 대해 0.1M 내지 3.0M 포함되는 것을 특징으로 하는, 최대작동전압 3.2V를 가지는 고전압 고출력형 슈퍼커패시터.
  9. 삭제
  10. 삭제
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