KR101835596B1 - 고용량 에너지 저장 커패시터 - Google Patents

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윤중락
이병관
이종규
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Abstract

본 발명은 음극이나 양극활물질의 표면에 각각 나노 천공 그래핀이 코팅된 활물질과 나노 천공 그래핀 과립체를 혼합하여 사용함으로써 전기 전도도를 개선시킴으로써 리튬이온의 삽입과 탈리시 저항이 높아지는 것을 방지하여 충방전 특성을 개선시킬수 있는 고용량 에너지 저장 커패시터에 관한 것으로, 음극; 및 음극과 대향되도록 배치되는 양극을 포함하고, 음극은 집전체와, 집전체의 일측이나 타측면에 음극물질을 도포하여 형성되는 음극물질층을 포함하며, 양극은 집전체와, 집전체의 일측이나 타측면에 양극물질을 도포하여 형성되는 양극물질층을 포함하며, 음극물질은 나노천공 그래핀 코팅 음극활물질 70 내지 99wt％와 나노천공 그래핀 과립체 1 내지 30wt％를 혼합하여 형성되며, 양극물질은 나노천공 그래핀 코팅 양극활물질 70 내지 95wt％와 나노천공 그래핀 과립체 5 내지 30wt％를 혼합하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

고용량 에너지 저장 커패시터{High capacity energy storage capacitor}
본 발명은 고용량 에너지 저장 커패시터에 관한 것으로, 특히 음극이나 양극활물질의 표면에 각각 나노 천공 그래핀이 코팅(coating)된 활물질과 나노 천공 그래핀 과립체를 혼합하여 사용함으로써 전기 전도도를 개선시킴으로써 리튬(Li) 이온의 삽입과 탈리시 저항이 높아지는 것을 방지하여 충방전 특성을 개선시킬 수 있는 고용량 에너지 저장 커패시터에 관한 것이다.
전기 이중층 커패시터는 전극으로 활성탄을 사용하고 있다. 전기 이중층 커패시터의 전극으로 사용되는 활성탄에 관련된 기술이 한국공개특허공보 제10-2011-0063472호(특허문헌 1)에 공개되어 있다.
한국공개특허공보 제10-2011-0063472호는 전기 이중층 커패시터의 전극에 사용되는 활성탄 제조 방법에 관한 것으로, 평균 입경이 작고 입자 크기가 균일하며 비표면적이 비교적 큰 활성탄이 용이하고 비용-효과적인 방식으로 생산될 수 있는 전기 이중층 커패시터용 활성탄을 제조하는 방법으로, 출발 물질로서 석유 코크스 또는 석탄 코크스와 같은 용이하게 흑연화 가능한 탄소재를 이용하고 탄소재를 생산하기 위해 산화 기체 대기하에서 출발 물질을 소성하고, 탄소재의 입자 크기를 조절하며 그 다음 탄소재를 활성화시켜 제조한다.
한국공개특허공보 제10-2011-0063472호에 기재된 종래의 전기 이중층 커패시터의 활성탄은 이온의 물리적 흡착과 탈착에 의해 전하를 저장하여 출력밀도는 높으나 에너지 밀도가 낮은 문제점이 있다. 이를 개선하기 위한 것으로 하이브리드 커패시터가 있으며, 하이브리드 커패시터는 양극전극과 음극전극의 재질이 서로 다르게 구성된다. 즉, 하이브리드 커패시터는 양극전극의 재질로 활성탄소나 카본 나노튜브 및 기공성 카본 등이 사용되며, 음극전극의 재질은 LTO(Li4Ti5O12)가 사용되어 전기 이중층 커패시터의 문제점이니 에너지 밀도가 낮은 것을 개선하였으나, LTO(Li4Ti5O12)의 전기 전도도가 낮아 리튬(Li) 이온의 삽입과 탈리 시 저항이 높아져 충방전 특성이 저하되는 문제점이 있다.
한국공개특허공보 제10-2011-0063472호
본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로 음극이나 양극활물질의 표면에 각각 나노 천공 그래핀이 코팅(coating)된 활물질과 나노 천공 그래핀 과립체를 혼합하여 사용함으로써 전기 전도도를 개선시킴으로써 리튬(Li) 이온의 삽입과 탈리시 저항이 높아지는 것을 방지하여 충방전 특성을 개선시킬 수 있는 고용량 에너지 저장 커패시터를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 음극활물질에 LTO(Li4Ti5O12)를 포함하고 양극활물질에 NMC(LiNiMnCoO2), LMO(LiMn2O4) 및 LCO(LiCoO2) 중 둘 이상을 포함하여 사용함으로써 에너지 밀도를 개선시켜 고용량을 구현시킬 수 있는 고용량 에너지 저장 커패시터를 제공함에 있다.
본 발명의 고용량 에너지 저장 커패시터는 음극; 및 상기 음극과 대향되도록 배치되는 양극을 포함하고, 상기 음극은 집전체와, 상기 집전체의 일측이나 타측면에 음극물질을 도포하여 형성되는 음극물질층을 포함하며, 상기 양극은 집전체와, 상기 집전체의 일측이나 타측면에 양극물질을 도포하여 형성되는 양극물질층을 포함하며, 상기 음극물질은 나노천공 그래핀 코팅 음극활물질 70 내지 99wt％와 나노천공 그래핀 과립체 1 내지 30wt％를 혼합하여 형성되며, 상기 양극물질은 나노천공 그래핀 코팅 양극활물질 70 내지 95wt％와 나노천공 그래핀 과립체 5 내지 30wt％를 혼합하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고용량 에너지 저장 커패시터는 양극활물질의 표면에 각각 나노 천공 그래핀이 코팅(coating)된 활물질과 나노 천공 그래핀 과립체를 혼합하여 사용함으로써 전기 전도도를 개선시킴으로써 리튬(Li) 이온의 삽입과 탈리시 저항이 높아지는 것을 방지하여 충방전 특성을 개선시킬 수 있는 이점이 있으며, 음극활물질에 LTO(Li4Ti5O12)를 포함하고 양극활물질에 NMC(LiNiMnCoO2), LMO(LiMn2O4) 및 LCO(LiCoO2) 중 둘 이상을 포함하여 사용함으로써 에너지 밀도를 개선시켜 고용량을 구현시킬수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 고용량 에너지 저장 커패시터의 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 나노천공 그래핀 코팅 음극활물질의 확대 단면도,
도 3은 도 1에 도시된 나노천공 그래핀 코팅 양극활물질의 확대 단면도,
도 4는 도 1에 도시된 나노천공 그래핀 과립체의 확대 단면도,
도 5는 도 1에 도시된 본 발명의 고용량 에너지 저장 커패시터의 방전특성 시험 결과를 나타낸 그래프,
도 6은 도 1에 도시된 본 발명의 고용량 에너지 저장 커패시터의 내부 저항 측정 결과를 나타낸 그래프.
이하, 본 발명의 고용량 에너지 저장 커패시터의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1에서와 같이 본 발명의 고용량 에너지 저장 커패시터는 음극(10), 양극(20), 분리막(30) 및 케이스(40)를 포함하여 구성된다.
음극(10)은 양극(20)과 대향되도록 배치되며, 양극(20)은 음극(10)과 대향되도록 배치된다. 분리막(30)은 음극(10)과 양극(20) 사이에 배치되어 음극(10)과 양극(20)이 서로 물리적으로 접촉되는 것을 방지하며, 케이스(40)는 음극(10), 양극(20) 및 분리막(30)이 내측에 삽입되면 음극(10), 양극(20) 및 분리막(30)을 밀봉시킨다.
본 발명의 고용량 에너지 저장 커패시터의 구성을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
음극(10)은 도 1에서와 같이 집전체(11), 음극물질층(12) 및 음극 외부전극(13)을 포함하여 구성된다.
집전체(11)는 음극(10)을 전반적으로 지지하며, 음극물질층(12)은 집전체(11)의 일측면이나 타측면에 음극물질(12a)을 도포하여 형성된다. 음극 외부전극(13)은 도 1에서와 같이 일부가 케이스(40)의 상부로 돌출되도록 배치된 상태에서 집전체(11)의 일측에 접착되어 집전체(11)와 전기적으로 연결된다.
음극물질(12a)은 도 1 및 도 2에서와 같이 나노천공 그래핀 코팅 음극활물질(110) 70 내지 99wt％와 나노천공 그래핀 과립체(130) 1 내지 30wt％를 혼합하여 형성된다. 즉, 나노 천공 그래핀 코팅 음극활물질(110)은 음극활물질(111)의 표면에 나노 천공 그래핀(131)이 감싸지도록 코팅(coating)하여 형성되며, 음극활물질(111)은 LTO(Li4Ti5O12)가 사용된다. 예를 들어, 나노 천공 그래핀 코팅 음극활물질(110)은 나노 천공 그래핀(131) 0.5 내지 5wt％와 음극활물질(111) 95 내지 99.5wt％가 되도록 형성되며, 음극활물질(111)은 분말 형상이 사용되어 표면에 나노 천공 그래핀(131)이 감싸지도록 형성된다. 이와 같이 음극활물질(111)의 표면에 다수개의 홀(131a: 도 4에 도시됨)이 배열되도록 형성된 나노 천공 그래핀(131)이 감싸지도록 형성됨으로써 음극활물질(111) 즉, LTO(Li4Ti5O12)의 전기전도도가 개선된다.
양극(20)은 도 1 및 도 3에서와 같이 집전체(21), 양극물질층(22) 및 양극 외부전극(23)을 포함하여 구성된다.
집전체(21)는 양극(20)을 전반적으로 지지하며, 양극물질층(22)은 집전체(21)의 일측면이나 타측면에 양극물질(22a)을 도포하여 형성된다. 양극 외부전극(23)은 도 1에서와 같이 일부가 케이스(40)의 상부로 돌출되도록 배치된 상태에서 집전체(21)의 일측에 접착되어 집전체(21)와 전기적으로 연결된다.
양극물질(22a)은 나노천공 그래핀 코팅 양극활물질(120) 70 내지 95wt％와 나노천공 그래핀 과립체(130) 5 내지 30wt％를 혼합하여 형성된다. 이러한 나노 천공 그래핀 코팅 양극활물질(120)은 양극활물질(121)의 표면에 나노 천공 그래핀(131)이 감싸지도록 코팅하여 형성되며, 양극활물질(121)은 분말 형상으로 제조된다. 나노 천공 그래핀 코팅 양극활물질(120)은 나노 천공 그래핀(131) 0.5 내지 5wt％와 양극활물질(121) 95 내지 99.5wt％가 되도록 형성되며, 양극활물질(121)은 NMC(LiNiMnCoO2: lithium nickel manganese cobalt), LMO(LiMn2O4: lithium manganese) 및 LCO(LiCoO2: lithium cobalt oxide) 중 둘 이상이 혼합되어 사용된다. 여기서, LiNiMnCoO2는 N(nickel):M(manganese):C(cobalt)의 몰비(moral ratio)가 1:1:1, 5:2:3, 6:2:2, 70:15:15 및 80:15:5 중 하나가 사용된다. LiNiMnCoO2의 N(nickel):M(manganese):C(cobalt)의 몰비(moral ratio)인 1:1:1, 5:2:3, 6:2:2, 70:15:15 및 80:15:5는 모두 전기적인 특성은 공지된 것으로 상세한 설명을 생략한다.
나노천공 그래핀 과립체(130)는 음극물질(12a)과 양극물질(22a)에 각각 포함되며, 도 1 및 도 4에서와 같이 스프레이 드라이 방법이나 액상방법을 이용해 다수개의 나노 천공 그래핀(131)을 과립형상으로 제조하여 형성된다. 다수개의 나노 천공 그래핀(131)은 각각 RGO(reduced graphene oxide)를 알카리 용액을 이용해 처리하여 RGO에 다수개의 홀(131a)이 배열되도록 형성하며, 다수개의 홀(131a)의 평균직경(Dm)은 1 내지 500㎚이며, 알카리 용액은 KOH가 사용된다. RGO의 제조방법은 공지된 기술이 적용됨으로 상세한 설명을 생략한다.
이러한 본 발명의 고용량 에너지 저장 커패시터의 전기적인 시험을 위해 표 1과 같이 다양한 실시예의 음극물질(12a)과 양극물질(22a)을 제조하였다.

양극물질(wt％) 음극물질(wt％)
A물질 B물질 C물질 D물질 A물질 B물질
실시예1 50 10 10 30 70 30
실시예2 60 30 5 5 80 20
실시예3 70 10 10 10 90 10
실시예4 60 30 5 5 99 1
표 1에서와 같이 음극물질(12a)과 양극물질(22a)의 실시예는 실시예 1 내지 4로 제조하였다.
음극물질(12a)은 A물질과 B물질을 이용해 실시예 1 내지 4를 제조하였다. 이러한 음극물질(12a)의 A물질은 나노천공 그래핀 코팅 음극활물질(110)로 음극활물질(111)의 표면에 나노 천공 그래핀(131)이 감싸지도록 코팅(coating)하여 형성되며, 음극활물질(111)은 LTO(Li4Ti5O12)가 사용된다. 음극물질(12a)의 B물질은 나노천공 그래핀 과립체(130)가 사용된다.
양극물질(22a)은 A물질, B물질, C물질 및 D물질을 이용해 실시예 1 내지 4를 제조하였다. 이러한 양극물질(22a)의 A물질, B물질 및 C물질은 각각 나노천공 그래핀 코팅 양극활물질(120)이 사용하였으며, 나노천공 그래핀 코팅 양극활물질(120)은 양극활물질(121)의 표면에 나노 천공 그래핀(131)이 감싸지도록 코팅하여 형성된다. 따라서, 양극물질(22a)의 A물질은 양극활물질(121)로 NMC(LiNiMnCoO2)가 사용되고, B물질은 양극활물질(121)로 LMO(LiMn2O4)가 사용되며, C물질은 양극활물질(121)로 LCO(LiCoO2)가 사용된다. 즉, 나노천공 그래핀 코팅 양극활물질(120)은 A물질, B물질 C물질로 각각 나노 천공 그래핀(131)이 감싸지도록 코팅된 NMC(LiNiMnCoO2), 나노 천공 그래핀(131)이 감싸지도록 코팅된 LMO(LiMn2O4) 및 나노 천공 그래핀(131)이 감싸지도록 코팅된 LCO(LiCoO2)가 사용된다. 양극물질(22a)의 D물질은 나노천공 그래핀 과립체(130)이 사용된다.
실시예 1의 음극물질(12a)은 A물질 70wt％와 B물질 30wt％가 되도록 제조하였으며, 양극물질(22a)은 나노천공 그래핀 코팅 양극활물질(120) 70wt％와 D물질 30wt％가 되도록 제조하였다. 여기서, 나노천공 그래핀 코팅 양극활물질(120)은 A물질 50wt％, B물질 10wt％ 및 C물질 10wt％가 되도록 제조하였다. 실시예 2의 음극물질(12a)은 A물질 80wt％와 B물질 20wt％가 되도록 제조하였으며, 양극물질(22a)은 나노천공 그래핀 코팅 양극활물질(120) 95wt％와 D물질 5wt％가 되도록 제조하였다. 여기서, 나노천공 그래핀 코팅 양극활물질(120)은 A물질 60wt％, B물질 30wt％ 및 C물질 5wt％가 되도록 제조하였다. 실시예 3의 음극물질(12a)은 A물질 90wt％와 B물질 10wt％가 되도록 제조하였으며, 양극물질(22a)은 나노천공 그래핀 코팅 양극활물질(120) 90wt％와 D물질 10wt％가 되도록 제조하였다. 여기서, 나노천공 그래핀 코팅 양극활물질(120)은 A물질 70wt％, B물질 10wt％ 및 C물질 10wt％가 되도록 제조하였다. 실시예 4의 음극물질(12a)은 A물질 99wt％와 B물질 1wt％가 되도록 제조하였으며, 양극물질(22a)은 나노천공 그래핀 코팅 양극활물질(120) 95wt％와 D물질 5wt％가 되도록 제조하였다. 여기서, 나노천공 그래핀 코팅 양극활물질(120)은 A물질 60wt％, B물질 30wt％ 및 C물질 5wt％가 되도록 제조하였다.
또한, 실시예 1은 음극물질(12a)의 나노 천공 그래핀 코팅 음극활물질(110)은 나노 천공 그래핀(131) 5wt％와 음극활물질(111) 95wt％가 되도록 형성하였으며, 양극물질(22a)의 나노 천공 그래핀 코팅 양극활물질(120)은 나노 천공 그래핀(131) 5wt％와 양극활물질(121) 95wt％가 되도록 형성하였다. 실시예 2는 음극물질(12a)의 나노 천공 그래핀 코팅 음극활물질(110)은 나노 천공 그래핀(131) 0.5와 음극활물질(111) 99.5wt％가 되도록 형성하였으며, 양극물질(22a)의 나노 천공 그래핀 코팅 양극활물질(120)은 나노 천공 그래핀(131) 0.5와 양극활물질(121) 99.5wt％가 되도록 형성하였다.
표 1에서와 같이 제조된 실시예 1 내지 4에서 음극물질(12a)과 양극물질(22a)은 각각 음극(10)의 집전체(11)와 양극(20)의 집전체(21)에 도포하기 위해 도전제, 바인더 및 유기용제를 혼합하여 슬러리로 형성되며, 도전제, 바인더 및 유기용제의 각각의 혼합비의 공지된 기술이 적용됨으로 상세한 설명을 생략한다. 여기서, 도전제는 슈퍼-피(Super-P), 케쳔블랙(ketjen black) 및 카본블랙(carbon black) 중 하나가 사용되고, 바인더는 PVDF(polyvinylidene difluoride), PTFE(polytetrafluoroethylene), SBR(styrene butadiene rubber) 및 CMC(carboxymethylcellulose) 중 하나가 사용되며, 유기용제는 음극물질(12a)과 양극물질(22a)을 슬러리로 형성하기 위한 공지된 재질이 사용된다. 슬러리로 제조된 실시예1 내지 4에서 음극물질(12a)과 양극물질(22a)은 각각 50 내지 200kgf/cm2의 압력으로 프레싱하여 각각 음극(10)의 집전체(11)와 양극(20)의 집전체(21)에 도포한 건조하여 음극(10)과 양극(20)을 제조한다.
음극(10)과 양극(20)과 양극이 제조되면 음극(10)과 양극(20)은 각각 공지된 전해액에 함침한 후 도 1에서와 같이 분리막(30)을 개재한 후 케이스(40)의 내측에 배치하여 표 1에 도시된 실시예1 내지 4에 따른 본 발명의 고용량 에너지 저장 커패시터를 제조한 후 전기적인 시험을 실시하였다. 실시예1 내지 4에 따른 본 발명의 고용량 에너지 저장 커패시터의 전기적인 시험 결과는 표 2, 도 5 및 도 6에 각각 도시되어 있다.
셀전압(V) 에너지밀도(Wh/L) DC-ESR(mΩ)
실시예 1 2.7 50 15.2
실시예 2 2.7 48 16.3
실시예 3 2.7 55 16.7
실시예 4 2.7 52 18.0
표 2에서와 같이 실시예 1 내지 실시예 4는 각각 모두 셀전압이 2.7V이고, 각각의 에너지 밀도는 순차적으로 50Wh/L, 48Wh/L, 55Wh/L 및 52Wh/L으로 측정되었다. 실시예 1 내지 실시예 4의 각각의 DC(direct current)-ESR(equivalent series resistance) 특성은 순차적으로 15.2mΩ, 16.3mΩ, 16.7mΩ 및 18.0mΩ으로 측정되었다. 이에 반해 음극물질(12a)과 양극물질(22a)을 각각 활성탄을 사용해 제조 즉, 종래의 전기 이중충 커패시터를 제조하여 측정한 결과, 셀전압은 2.7V이고, 에너지 밀도는 6Wh/L이며 DC-ESR 특성은 13mΩ으로 측정되었다. 즉, 표 2에서와 같이 실시예1 내지 실시예 4는 음극물질(12a)과 양극물질(22a)을 각각 활성탄을 사용해 제조 즉, 종래의 전기 이중충 커패시터에 비해 에너지 밀도와 DC-ESR 특성이 개선되는 것으로 측정되었다. 여기서, 셀전압, 에너지 밀도 및 DC-ESR 특성의 측정은 공지된 시험장비(도시 않음)를 이용해 측정하였으므로 시험장비에 대한 설명을 생략하였으며, 에너지 밀도는 1C(씨) 방전조건을 기준으로 측정되었으며, 1C 방전조건은 C-rate(씨-레이트) = 1인 방전조건을 나타내는 것으로 방전전류가 전지의 정격용량과 같다는 것을 나타낸다.
즉, 본 발명의 고용량 에너지 저장 커패시터는 음극물질(12a)에 나노 천공 그래핀(131)이 표면에 감싸지도록 코팅(coating)된 LTO(Li4Ti5O12)와 나노천공 그래핀 과립체(130)를 포함하며, 양극물질(22a)에 양극활물질(120)에 나노 천공 그래핀(131)이 표면에 감싸지도록 코팅된 NMC(LiNiMnCoO2), LMO(LiMn2O4) 및 LCO(LiCoO2) 중 둘 이상과 나노천공 그래핀 과립체(130)를 포함함으로써 전기 전도도를 개선시킴으로써 리튬(Li) 이온의 삽입과 탈리시 저항이 높아지는 것 즉, DC-ESR 특성을 개선시켜 충방전 특성을 개선시킬 수 있다. 즉, 본 발명의 고용량 에너지 저장 커패시터는 DC-ESR 특성을 개선시킴으로써 충전과 방전이 서로 비례되는 선형성을 유지시킬 수 있으며, 에너지 밀도를 개선시켜 고용량을 구현시킬 수 있게 된다.
이러한 방전특성(Discharge capacity)과 내부저항(Internal resistance) 특성에 대해 표 1에 도시된 실시예 1 내지 실시예 4를 측정한 결과가 도 5와 도 6에 도시되어 있다. 도 5는 실시예 1 내지 실시예 4에 대한 방전특성(Discharge capacity)의 측정 결과로, 실시예 3이 1C 내지 20C에서 방전특성이 가장 높으며, 실시예2가 가장 낮게 측정되었으나 전반적으로 실시예 1 내지 4는 각각 방전특성이 개선되는 것으로 측정되었다. 도 6은 실시예 1 내지 실시예 4에 대한 내부저항의 측정 결과로 실시예 1이 1C 내지 20C에서 가장 낮게 측정되었으며, 실시예 4가 1C 내지 20C에서 가장 높게 측정되었으나 전반적으로 실시예 1 내지 4는 각각 내부저항의 특성이 개선되는 것으로 측정되었다. 이와 같이 음극물질(12a)과 양극물질(22a)에 나노 천공 그래핀(131)이나 나노천공 그래핀 과립체(130)의 혼합량이 증가하는 경우에 방전특성이나 내부저항 특성이 개선되어 선형적으로 방전과 충전이 구현될 수 있게 된다.
본 발명의 고용량 에너지 저장 커패시터는 슈퍼 커패시터의 제조산업 분야에 적용할 수 있다.
10: 음극
20: 양극
30: 분리막
40: 케이스

Claims (8)

  1. 음극; 및
    상기 음극과 대향되도록 배치되는 양극을 포함하고,
    상기 음극은 집전체와, 상기 집전체의 일측이나 타측면에 음극물질을 도포하여 형성되는 음극물질층을 포함하며, 상기 양극은 집전체와, 상기 집전체의 일측이나 타측면에 양극물질을 도포하여 형성되는 양극물질층을 포함하며, 상기 음극물질은 나노천공 그래핀 코팅 음극활물질 70 내지 99wt％와 나노천공 그래핀 과립체 1 내지 30wt％를 혼합하여 형성되며, 상기 양극물질은 나노천공 그래핀 코팅 양극활물질 70 내지 95wt％와 나노천공 그래핀 과립체 5 내지 30wt％를 혼합하여 형성되는 고용량 에너지 저장 커패시터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노 천공 그래핀 코팅 음극활물질은 음극활물질의 표면에 나노 천공 그래핀이 감싸지도록 코팅하여 형성되며, 상기 음극활물질은 LTO(Li4Ti5O12)가 사용되는 것을 특징으로 하는 고용량 에너지 저장 커패시터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 나노 천공 그래핀 코팅 음극활물질은 나노 천공 그래핀 0.5 내지 5wt％와 음극활물질 95 내지 99.5wt％가 되도록 형성되며, 상기 음극활물질은 LTO(Li4Ti5O12)가 사용되는 것을 특징으로 하는 고용량 에너지 저장 커패시터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 나노 천공 그래핀 코팅 양극활물질은 양극활물질의 표면에 나노 천공 그래핀이 감싸지도록 코팅하여 형성되며, 상기 양극활물질은 NMC(LiNiMnCoO2: Lithium Nickel Manganese Cobalt), LMO(LiMn2O4: Lithium Manganese) 및 LCO(LiCoO2: Lithium Cobalt Oxide) 중 둘 이상이 혼합되어 사용되는 것을 특징으로 하는 고용량 에너지 저장 커패시터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나노 천공 그래핀 코팅 양극활물질은 나노 천공 그래핀 0.5 내지 5wt％와 양극활물질 95 내지 99.5wt％가 되도록 형성되며, 상기 양극활물질은 NMC(LiNiMnCoO2: lithium nickel manganese cobalt), LMO(LiMn2O4: lithium manganese) 및 LCO(LiCoO2: lithium cobalt oxide) 중 둘 이상이 혼합되어 사용되는 것을 특징으로 하는 고용량 에너지 저장 커패시터.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 LiNiMnCoO2는 N(nickel):M(manganese):C(cobalt)의 몰비(moral ratio)가 1:1:1, 5:2:3, 6:2:2, 70:15:15 및 80:15:5 중 하나인 것을 특징으로 하는 고용량 에너지 저장 커패시터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 나노천공 그래핀 과립체는 스프레이 드라이 방법이나 액상방법을 이용해 다수개의 나노 천공 그래핀을 과립형상으로 제조하여 형성되는 고용량 에너지 저장 커패시터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 다수개의 나노 천공 그래핀은 각각 RGO(reduced graphene oxide)를 알카리 용액을 이용해 처리하여 상기 RGO에 다수개의 홀이 배열되도록 형성하며, 상기 다수개의 홀의 평균직경은 1 내지 500㎚이며, 상기 알카리 용액은 KOH인 것을 특징으로 하는 고용량 에너지 저장 커패시터.
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4597666B2 (ja) * 2002-07-12 2010-12-15 イドロ−ケベック ハイブリッド導電性層で被覆された、非導電性コア又は半導電性コアを含む粒子とその製造方法、及び電気化学的デバイスにおけるその使用
KR20120129493A (ko) * 2011-05-20 2012-11-28 고려대학교 산학협력단 리튬분말, 리튬바나듐산화물, 젤-고분자 전해질을 사용한 리튬 이차 전지 및 그 전극 제조 방법
US20120301953A1 (en) * 2010-02-01 2012-11-29 The Regents Of The University Of California Graphene nanomesh and method of making the same
KR20140131119A (ko) * 2013-05-03 2014-11-12 삼화콘덴서공업주식회사 Ｌｔｏ/탄소 복합체, ｌｔｏ/탄소 복합체 제조방법, ｌｔｏ/탄소 복합체를 이용한 이용한 음극활물질 및 음극활물질을 이용한 하이브리드 슈퍼커패시터
KR20150056532A (ko) * 2012-07-20 2015-05-26 아카데미아 시니카 그래핀 전극
KR20150060467A (ko) * 2013-11-26 2015-06-03 지에스에너지 주식회사 금속산화물／그래핀 복합 마이크로입자 및 이를 포함하는 리튬 이차전지용 양극
JP2015516357A (ja) * 2012-03-21 2015-06-11 ロッキード・マーチン・コーポレーション 活性化ガス流を用いてグラフェンを穿孔するための方法及びこの方法から作製される有孔グラフェン
WO2016191564A1 (en) * 2015-05-26 2016-12-01 The Regents Of The University Of California Dispersions of holey graphene materials and applications thereof

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5473282B2 (ja) 2008-09-16 2014-04-16 Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社 電気二重層キャパシタ用炭素材およびその製造方法
US10240052B2 (en) * 2011-09-30 2019-03-26 Ppg Industries Ohio, Inc. Supercapacitor electrodes including graphenic carbon particles
KR101515991B1 (ko) * 2012-11-21 2015-04-30 삼화콘덴서공업주식회사 티탄계 산화물 복합체 제조방법
US20140266075A1 (en) 2013-03-15 2014-09-18 Esionic Es, Inc. Methods Of Enhancing Electrochemical Double Layer Capacitor (EDLC) Performance And EDLC Devices Formed Therefrom

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4597666B2 (ja) * 2002-07-12 2010-12-15 イドロ−ケベック ハイブリッド導電性層で被覆された、非導電性コア又は半導電性コアを含む粒子とその製造方法、及び電気化学的デバイスにおけるその使用
US20120301953A1 (en) * 2010-02-01 2012-11-29 The Regents Of The University Of California Graphene nanomesh and method of making the same
KR20120129493A (ko) * 2011-05-20 2012-11-28 고려대학교 산학협력단 리튬분말, 리튬바나듐산화물, 젤-고분자 전해질을 사용한 리튬 이차 전지 및 그 전극 제조 방법
JP2015516357A (ja) * 2012-03-21 2015-06-11 ロッキード・マーチン・コーポレーション 活性化ガス流を用いてグラフェンを穿孔するための方法及びこの方法から作製される有孔グラフェン
KR20150056532A (ko) * 2012-07-20 2015-05-26 아카데미아 시니카 그래핀 전극
KR20140131119A (ko) * 2013-05-03 2014-11-12 삼화콘덴서공업주식회사 Ｌｔｏ/탄소 복합체, ｌｔｏ/탄소 복합체 제조방법, ｌｔｏ/탄소 복합체를 이용한 이용한 음극활물질 및 음극활물질을 이용한 하이브리드 슈퍼커패시터
KR20150060467A (ko) * 2013-11-26 2015-06-03 지에스에너지 주식회사 금속산화물／그래핀 복합 마이크로입자 및 이를 포함하는 리튬 이차전지용 양극
WO2016191564A1 (en) * 2015-05-26 2016-12-01 The Regents Of The University Of California Dispersions of holey graphene materials and applications thereof

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