KR101878589B1 - 바이티오펜을 함유하는 전기이중층 커패시터용 전해질 조성물 또는 이를 포함하는 전기이중층 커패시터 - Google Patents
바이티오펜을 함유하는 전기이중층 커패시터용 전해질 조성물 또는 이를 포함하는 전기이중층 커패시터 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101878589B1 KR101878589B1 KR1020170004136A KR20170004136A KR101878589B1 KR 101878589 B1 KR101878589 B1 KR 101878589B1 KR 1020170004136 A KR1020170004136 A KR 1020170004136A KR 20170004136 A KR20170004136 A KR 20170004136A KR 101878589 B1 KR101878589 B1 KR 101878589B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- electrolyte
- electric double
- double layer
- layer capacitor
- electrolyte composition
- Prior art date
Links
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 title claims abstract description 136
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 title claims abstract description 80
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title claims abstract description 80
- OHZAHWOAMVVGEL-UHFFFAOYSA-N 2,2'-bithiophene Chemical compound C1=CSC(C=2SC=CC=2)=C1 OHZAHWOAMVVGEL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 37
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 6
- RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N propylene carbonate Chemical compound CC1COC(=O)O1 RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 claims description 11
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- XTHFKEDIFFGKHM-UHFFFAOYSA-N Dimethoxyethane Chemical compound COCCOC XTHFKEDIFFGKHM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N Tetrahydrofuran Chemical compound C1CCOC1 WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 4
- OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N Diethyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OCC OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N Ethylene carbonate Chemical compound O=C1OCCO1 KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N dimethyl carbonate Chemical compound COC(=O)OC IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N ethyl methyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OC JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N tetrahydrofuran Natural products C=1C=COC=1 YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- FXHOOIRPVKKKFG-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylacetamide Chemical compound CN(C)C(C)=O FXHOOIRPVKKKFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 238000000034 method Methods 0.000 claims 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 30
- -1 tetraethylammonium tetrafluoroborate Chemical compound 0.000 description 18
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 11
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 7
- YTPLMLYBLZKORZ-UHFFFAOYSA-N Thiophene Chemical compound C=1C=CSC=1 YTPLMLYBLZKORZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 6
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 6
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 5
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 5
- 238000007086 side reaction Methods 0.000 description 5
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- VAYTZRYEBVHVLE-UHFFFAOYSA-N 1,3-dioxol-2-one Chemical compound O=C1OC=CO1 VAYTZRYEBVHVLE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 3
- MABNMNVCOAICNO-UHFFFAOYSA-N selenophene Chemical compound C=1C=C[se]C=1 MABNMNVCOAICNO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229930192474 thiophene Natural products 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002000 Electrolyte additive Substances 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 150000001451 organic peroxides Chemical class 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 2
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O Ammonium Chemical compound [NH4+] QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 1
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 229940021013 electrolyte solution Drugs 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001496 lithium tetrafluoroborate Inorganic materials 0.000 description 1
- MCVFFRWZNYZUIJ-UHFFFAOYSA-M lithium;trifluoromethanesulfonate Chemical compound [Li+].[O-]S(=O)(=O)C(F)(F)F MCVFFRWZNYZUIJ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000011268 mixed slurry Substances 0.000 description 1
- 239000004745 nonwoven fabric Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 125000003003 spiro group Chemical group 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/54—Electrolytes
- H01G11/58—Liquid electrolytes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C07—ORGANIC CHEMISTRY
- C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
- C07D409/00—Heterocyclic compounds containing two or more hetero rings, at least one ring having sulfur atoms as the only ring hetero atoms
- C07D409/02—Heterocyclic compounds containing two or more hetero rings, at least one ring having sulfur atoms as the only ring hetero atoms containing two hetero rings
- C07D409/04—Heterocyclic compounds containing two or more hetero rings, at least one ring having sulfur atoms as the only ring hetero atoms containing two hetero rings directly linked by a ring-member-to-ring-member bond
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/13—Energy storage using capacitors
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
Abstract
본 발명은 바이티오펜을 함유하는 전기이중층 커패시터용 전해질 조성물 또는 이를 포함하는 전기이중층 커패시터에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 전극 표면에 피막을 형성시켜 전극과 전해질의 반응을 차단시키는 효과를 가지는 바이티오펜을 함유하는 전기이중층 커패시터용 전해질 조성물과, 상기 전해질 조성물을 포함하여 고전압에서도 사용이 가능한 전기이중층 커패시터에 관한 것이다.
Description
본 발명은 바이티오펜을 함유하는 전기이중층 커패시터용 전해질 조성물 또는 이를 포함하는 전기이중층 커패시터에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 전극 표면에 피막을 형성시켜 전극과 전해질의 반응을 차단시키는 효과를 가지는 바이티오펜을 함유하는 전기이중층 커패시터용 전해질 조성물과, 상기 전해질 조성물을 포함하여 고전압에서도 사용이 가능한 전기이중층 커패시터에 관한 것이다.
최근 전기 및 전자 분야의 고도성장으로 인한 에너지 소비량이 급속히 증가하고 있다. 이에 전지 산업 또한 비약적으로 발전하여 다양한 에너지 저장 장치가 개발되고 있으며 그 중 커패시터가 최근 각광받고 있다.
커패시터는 고체전극과 전해질 사이에 발생하는 전기이중층에 축적되는 전하를 이용하는 장치로서, 반영구적인 수명과 높은 출력 특성을 가진다.
그러나 커패시터는 기존의 전지들과 비교해 에너지 밀도가 낮으며, 에너지 밀도를 높이기 위해 작동 전압을 높일 시 산화 반응과 같은 부반응이 발생하여 고전압에서 사용이 불가하다는 단점이 존재한다.
한편, 커패시터의 구성요소 중 하나인 전해질의 개선을 통해 상기 고전압에서의 문제를 해소할 수 있다.
기존의 커패시터용 전해질로서 테트라에틸암모늄 테트라플로로보레이트(tetraethylammonium tetrafluoroborate), 트리에틸메틸암모늄 테트라플로로보레이트(triethylmethylammonium tetrafluoroborate), 리튬 헥사플로로포스페이트(lithium hexafluorophosphate), 리튬 테트라플로로보레이트(lithium tetrafluoroborate), 리튬 트리플로로메텐설포네이트(lithium trifluoromethanesulfonate) 및 리튬 포클로레이트(lithium perchlolate)등이 사용되어왔으나, 상기 기존의 전해질은 전해액에 잘 용해되지 않는다는 단점이 존재한다.
이를 해결하기 위한 방안으로 미국등록특허 제6,980,415호(Electrolyte for electrical double layer capacitor and electrical double layer capacitor using the electrolyte)에서 스피로 형태의 화합물을 전해질로서 제시한다. 특히 전해액에 대해 높은 용해도를 가지는 스피로-1,1'바이피롤리디늄 테트라플로로보레이트(Spiro-(1,1')-bipyrrolidinium tetrafluoroborate, SBP BF4)가 제시되고 있다. 또한 상기 전해질을 통해 낮은 점도 및 높은 전도도를 가지는 전해액 조성물을 제조 할 수 있다.
그러나 상기 스피로-1,1'바이피롤리디늄 테트라플로로보레이트는 기존의 암모늄계 전해질과 대비하여 커패시터의 성능을 향상시켰으나, 장기간 사용 시 커패시터 전극과 전해질의 반응으로 인하여 충전 방전 사이클의 수명과 사용 용량이 다소 저하되는 문제점을 안고 있다.
특히, 커패시터를 사용전압 이상으로 과충전하였을 경우 전해질이 분해되면서 열과 가스의 생성으로 인한 제품의 성능저하가 발생하며, 이를 방지하기 위해 전극과의 반응성이 작으면서도 커패시터 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 전해질의 개발이 지속적으로 이루어지고 있는 실정이다.
그러나, 새로운 커패시터용 전해질 개발은 많은 비용과 시간이 소비된다는 점에서 본 발명자들은 이미 상용화된 스피로-1,1'바이피롤리디늄 테트라플로로보레이트를 함유하는 전해질에 다양한 첨가제를 첨가하여 전극에 피막을 형성시킴으로서 전해질이 전극에 직접적으로 접촉하는 것을 방지하여 전극의 산화 반응을 억제해 간단하게 커패시터의 성능을 향상시킬 수 있는 기술을 모색한 결과, 이에 스피로-1,1'바이피롤리디늄 테트라플로로보레이트를 함유하는 전해질의 수명을 향상시킬 수 있는 새로운 첨가제가 함유된 커패시터용 전해질 조성물을 개발하게 되었다.
본 발명의 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 전해질의 특성을 향상시킬 수 있는 바이티오펜을 함유하는 전기이중층 커패시터용 전해질 조성물을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 전해질 조성물을 포함하여 고전압에서도 사용이 가능한 전기이중층 커패시터를 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 하기 화학식 1의 바이티오펜을 함유하는 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터용 전해질 조성물을 제공한다.
[화학식 1]
아울러 본 발명은, 상기 바이티오펜이 전기이중층 커패시터의 전극 표면에 피막을 형성하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 바이티오펜은 조성물의 총량을 기준으로 0.1 내지 3 wt%의 양으로 함유되는 것이 바람직하다.
상기 조성물에 하기 화학식 2의 스피로-1,1'바이피롤리디늄 테트라플로로보레이트(Spiro-(1,1')-bipyrrolidinium tetrafluoroborate, SBP BF4)가 전해질로 포함될 수 있다.
[화학식 2]
상기 조성물 내의 전해질 농도는 0.8~2.5M의 범위가 바람직하다.
상기 조성물에는 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 아세토니트릴(acetonitrile), 뷰티로락톤(γ-butyrolactone), 다이메톡시에탄(1,2-Dimethoxyethane), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 다이메틸카보네이트(dimethyl carbonate), 에틸메틸카보네이트(ethyl methyl carbonate), 다이에틸카보네이트(diethyl carbonate)로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상의 전해액이 사용될 수 있다.
아울러 본 발명은 상기 전해질 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터를 제공한다.
본 발명에서 제공하는 바이티오펜을 함유하는 전기이중층 커패시터용 전해질 조성물 또는 이를 포함하는 전기이중층 커패시터를 통해 전극표면에 피막을 형성시켜 전극과 전해질 사이의 부반응을 차단함으로써 작동전압을 높일 수 있으며, 그에 따라 에너지 밀도가 높은 전기이중층 커패시터를 제공할 수 있다.
또한, 커패시터의 성능을 개선시키기 위해 다양한 전해질을 사용하고 있지만, 기존의 전해질은 전해액에 잘 녹지 않는 단점이 있다. 그러나, 신규의 전해질을 합성하기에는 많은 어려움이 있다. 이에 본 발명에서 신규 전해질을 합성하지 않고 첨가제를 추가하는 방법으로 간단하게 전기이중층 커패시터 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바이티오펜을 함유한 전해질 조성물로 인해 전극에 피막이 형성된 구조를 보여주는 단면 모식도이다.
도 2는 본 발명의 제조예 1 내지 4의 전해질 조성물을 포함하는 전기이중층 커패시터의 효율을 비교 시험한 결과를 나타낸 전압-효율 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제조예 1 내지 4의 전해질 조성물을 포함하는 전기이중층 커패시터의 용량을 비교 시험한 결과를 나타낸 전압-용량 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제조예 1 및 제조예 5 내지 10의 전해질 조성물을 포함하는 전기이중층 커패시터의 효율을 비교 시험한 결과를 나타낸 전압-효율 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제조예 1 및 제조예 5 내지 10의 전해질 조성물을 포함하는 전기이중층 커패시터의 용량을 비교 시험한 결과를 나타낸 전압-용량 그래프이다.
도 2는 본 발명의 제조예 1 내지 4의 전해질 조성물을 포함하는 전기이중층 커패시터의 효율을 비교 시험한 결과를 나타낸 전압-효율 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제조예 1 내지 4의 전해질 조성물을 포함하는 전기이중층 커패시터의 용량을 비교 시험한 결과를 나타낸 전압-용량 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제조예 1 및 제조예 5 내지 10의 전해질 조성물을 포함하는 전기이중층 커패시터의 효율을 비교 시험한 결과를 나타낸 전압-효율 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제조예 1 및 제조예 5 내지 10의 전해질 조성물을 포함하는 전기이중층 커패시터의 용량을 비교 시험한 결과를 나타낸 전압-용량 그래프이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1의 바이티오펜을 함유하는 전기이중층 커패시터용 전해질 조성물을 제공한다.
[화학식 1]
상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 함유하는 전해질 조성물이 전기이중층 커패시터에 포함될 경우, 상기 바이티오펜은 전기이중층 커패시터의 전극 표면에 피막을 형성할 수 있다. 이로 인해 커패시터 내에서 전극과 전해질의 반응을 차단하여 전해질로 인한 전극 표면의 분해를 억제할 수 있고, 전극과 전해질의 반응으로 인한 가스 발생을 억제할 수 있다.
또한 본 발명의 상기 바이티오펜은 조성물의 총량을 기준으로 0.1 내지 3 wt%의 양으로 함유되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 전해질 조성물에 바이티오펜 함량이 3 wt%를 초과하면 피막이 과도하게 형성되어 비표면적이 감소하여 오히려 전기이중층 커패시터의 용량이 떨어진다. 또한, 0.1 wt% 보다 적게 함유되면 피막 형성이 불안정하여 고전압에서의 사용이 어려울 수 있다.
상기 조성물에 하기 화학식 2의 스피로-1,1'바이피롤리디늄 테트라플로로보레이트(Spiro-(1,1')-bipyrrolidinium tetrafluoroborate, SBP BF4)가 전해질로 포함될 수 있다.
[화학식 2]
전해액이 상기 화학식 2로 표시되는 전해질을 함유하는 경우, 전해액에 대한 높은 용해도로 인하여 낮은 점도 및 높은 전도도를 갖는 전해액 조성물을 제조할 수 있으며, 전기이중층 커패시터의 효율을 높일 수 있다.
상기 조성물 내의 전해질 농도는 0.8~2.5M의 범위가 바람직하다. 상기 조성물 내의 전해질 농도가 2.5M을 초과하면 전해액 조성물의 점도가 높아지는 문제가 발생한다. 또한, 0.8M보다 적게 함유되면 전해액 조성물의 전도도가 낮아져 이온을 효과적으로 이동시키지 못해 전기 이중층 커패시터의 효율이 감소한다.
상기 조성물에는 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 아세토니트릴(acetonitrile), 뷰티로락톤(γ-butyrolactone), 다이메톡시에탄(1,2-Dimethoxyethane), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 다이메틸카보네이트(dimethyl carbonate), 에틸메틸카보네이트(ethyl methyl carbonate), 다이에틸카보네이트(diethyl carbonate)로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상의 전해액이 사용될 수 있으나, 반드시 이들로 한정되는 것은 아니다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 내용이 철저하고 완전해지도록, 당업자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제공하는 것이다.
<제조예 1>
스피로-1,1'바이피롤리디늄 테트라플로로보레이트 전해질을 프로필렌카보네이트 전해액에 용해시켜 제조한 전해액 조성물에 바이티오펜을 첨가해 전해질 조성물을 제조하였다. 이때, 전해액 조성물의 전해질 농도는 1M이였고 바이티오펜의 농도는 5wt%였다.
다음으로 상기 전해질 조성물을 이용하여 코인형 전기이중층 커패시터를 제조하였다. 이를 보다 자세히 설명하면, 먼저 전극을 제작하기 위해 전극활물질(활성탄), 도전재(super P), 바인더(pVDF)를 8:1:1의 비율로 n-메틸피롤디돈(NMP)에 혼합하였다. 이때, 전극 물질들은 유성 압연기를 통해 혼합되었으며, 적당한 점도가 되도록 NMP의 양을 조절하였다. 이어서, 혼합된 슬러리를 코마 코터를 이용하여 전극 두께가 약 200μm가 되도록 15μm 두께의 알루미늄 호일에 도포하였다. 이후 용매를 건조시킨 후 롤 프레스를 이용하여 전극을 압착시키고 13mm 직경의 원형 모양으로 재단하였다. 이후 진공 오븐을 이용하여 전극과 분리막의 수분을 제거하고 산소 10ppm, 수분 1ppm 이하인 글로브 박스 내에서 2032 타입의 coin cell에 양극, 분리막(부직포), 음극을 순서대로 삽입하였다. 이어서 상기 전해질 조성물을 2㎕ 함침시켜 코인형 전기이중층 커패시터를 제조하였다.
<
제조예
2>
스피로-1,1'바이피롤리디늄 테트라플로로보레이트 전해질을 프로필렌카보네이트 전해액에 용해시켜 제조한 전해액 조성물에 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물인 티오펜을 첨가해 전해질 조성물을 제조하였다.
[화학식 3]
이때, 전해액 조성물의 전해질 농도는 1M이였고 티오펜의 농도는 5wt%였다.
상기 티오펜을 함유하는 전해질 조성물을 이용하여 제조예 1과 동일한 방법으로 코인형 전기이중층 커패시터를 제조하였다.
<제조예 3>
스피로-1,1'바이피롤리디늄 테트라플로로보레이트 전해질을 프로필렌카보네이트 전해액에 용해시켜 제조한 전해액 조성물에 하기 화학식 4로 표시되는 화합물인 바이닐렌카보네이트를 첨가해 전해질 조성물을 제조하였다.
[화학식 4]
이때, 전해액 조성물의 전해질 농도는 1M이였고 바이닐렌카보네이트의 농도는 5wt%였다.
상기 바이닐렌카보네이트를 함유하는 전해질 조성물을 이용하여 제조예 1과 동일한 방법으로 코인형 전기이중층 커패시터를 제조하였다.
<제조예 4>
스피로-1,1'바이피롤리디늄 테트라플로로보레이트 전해질을 프로필렌카보네이트 전해액에 용해시켜 제조한 전해액 조성물에 하기 화학식 5로 표시되는 화합물인 셀레노펜을 첨가해 전해질 조성물을 제조하였다.
[화학식 5]
이때, 전해액 조성물의 전해질 농도는 1M이였고 셀레노펜의 농도는 5wt%였다.
상기 셀레노펜을 함유하는 전해질 조성물을 이용하여 제조예 1과 동일한 방법으로 코인형 전기이중층 커패시터를 제조하였다.
<제조예 5>
스피로-1,1'바이피롤리디늄 테트라플로로보레이트 전해질을 프로필렌카보네이트 전해액에 용해시켜 제조한 전해액 조성물에 바이티오펜을 첨가해 전해질 조성물을 제조하였다.
이때, 전해액 조성물의 전해질 농도는 1M이였고 바이티오펜의 농도는 0.05wt%였다.
상기 바이티오펜을 함유하는 전해질 조성물을 이용하여 제조예 1과 동일한 방법으로 코인형 전기이중층 커패시터를 제조하였다.
<제조예 6>
스피로-1,1'바이피롤리디늄 테트라플로로보레이트 전해질을 프로필렌카보네이트 전해액에 용해시켜 제조한 전해액 조성물에 바이티오펜을 첨가해 전해질 조성물을 제조하였다.
이때, 전해액 조성물의 전해질 농도는 1M이였고 바이티오펜의 농도는 0.1wt%였다.
상기 바이티오펜을 함유하는 전해질 조성물을 이용하여 제조예 1과 동일한 방법으로 코인형 전기이중층 커패시터를 제조하였다.
<제조예 7>
스피로-1,1'바이피롤리디늄 테트라플로로보레이트 전해질을 프로필렌카보네이트 전해액에 용해시켜 제조한 전해액 조성물에 바이티오펜을 첨가해 전해질 조성물을 제조하였다.
이때, 전해액 조성물의 전해질 농도는 1M이였고 바이티오펜의 농도는 0.5wt%였다.
상기 바이티오펜을 함유하는 전해질 조성물을 이용하여 제조예 1과 동일한 방법으로 코인형 전기이중층 커패시터를 제조하였다.
<제조예 8>
스피로-1,1'바이피롤리디늄 테트라플로로보레이트 전해질을 프로필렌카보네이트 전해액에 용해시켜 제조한 전해액 조성물에 바이티오펜을 첨가해 전해질 조성물을 제조하였다.
이때, 전해액 조성물의 전해질 농도는 1M이였고 바이티오펜의 농도는 1%였다.
상기 바이티오펜을 함유하는 전해질 조성물을 이용하여 제조예 1과 동일한 방법으로 코인형 전기이중층 커패시터를 제조하였다.
<제조예 9>
스피로-1,1'바이피롤리디늄 테트라플로로보레이트 전해질을 프로필렌카보네이트 전해액에 용해시켜 제조한 전해액 조성물에 바이티오펜을 첨가해 전해질 조성물을 제조하였다.
이때, 전해액 조성물의 전해질 농도는 1M이였고 바이티오펜의 농도는 2wt%였다.
상기 바이티오펜을 함유하는 전해질 조성물을 이용하여 제조예 1과 동일한 방법으로 코인형 전기이중층 커패시터를 제조하였다.
<제조예 10>
스피로-1,1'바이피롤리디늄 테트라플로로보레이트 전해질을 프로필렌카보네이트 전해액에 용해시켜 제조한 전해액 조성물에 바이티오펜을 첨가해 전해질 조성물을 제조하였다.
이때, 전해액 조성물의 전해질 농도는 1M이였고 바이티오펜의 농도는 3wt%였다.
상기 바이티오펜을 함유하는 전해질 조성물을 이용하여 제조예 1과 동일한 방법으로 코인형 전기이중층 커패시터를 제조하였다.
<평가예 1. 첨가제의 선택>
첨가제에 따른 전기이중층 커패시터의 효율 및 용량을 확인하기 위해 상기 제조예 1 내지 4에 따라 제조된 코인형 전기이중층 커패시터의 전압을 일정 속도로 주사하며 전류를 측정하는 순화전압전류법 실험을 실시하였다. 모든 평가는 코인형 전기이중층 커패시터 내 부반응을 가속하기 위해 55℃ 항온 챔버에서 진행되었으며, 먼저 전극에 피막 형성 반응을 유도하기 위해 0V에서 3.0V까지 4mV/s의 주사 속도로 5회 충방전을 진행하였다. 이후 하한 전압을 0V, 상한 전압을 각각 2.2V에서 3.3V 까지 0.1V씩 증가시키며 순환전압전류법 실험을 진행하였다. 각 상한 전압 당 총 20회의 실험을 수행하였고, 마지막 5회의 충방전 용량을 이용하여 해당 전압의 충방전 효율 및 방전 용량을 결정하였으며, 그 결과를 도 2 내지 3에 나타내었다.
도 3을 참고하여, 제조예 1 내지 4의 용량이 첨가제를 추가하지 않은 순수 전해액인 reference보다 낮은 것을 통해 피막이 형성됨을 확인 할 수 있다.
또한, 도 2 내지 3의 결과를 토대로 하여, 제조예 1의 용량이 가장 높으며, 전압이 높아질수록 효율이 급격하게 감소하지 않고 거의 일정한 것을 확인 할 수 있다. 이를 통해 바이티오펜이 전기이중층 커패시터용 전해질 첨가제로 적용하기에 우수함을 알 수 있다.
<평가예 2. 바이티오펜의 함량에 따른 커패시터의 효율 확인>
첨가제에 따른 전기이중층 커패시터의 효율을 확인하기 위해 상기 제조예 1 및 5내지 10에 따라 제조된 코인형 전기이중층 커패시터의 전압을 일정 속도로 주사하며 전류를 측정하는 순화전압전류법 실험을 실시하였다. 모든 평가는 코인형 전기이중층 커패시터 내 부반응을 가속하기 위해 55℃ 항온 챔버에서 진행되었으며, 먼저 전극에 피막 형성 반응을 유도하기 위해 0V에서 3.0V까지 4mV/s의 주사 속도로 5회 충방전을 진행하였다. 이후 하한 전압을 0V, 상한 전압을 각각 2.2V에서 3.3V 까지 0.1V씩 증가시키며 순환전압전류법 실험을 진행하였다. 각 상한 전압 당 총 20회의 실험을 수행하였고, 마지막 5회의 충방전 용량을 이용하여 해당 전압의 충방전 효율 및 방전 용량을 결정하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4를 참고하여, 제조예 7 내지 9에서 제조된 커패시터의 효율이 첨가제를 추가하지 않은 순수 전해액인 reference보다 높게 나타남을 확인하였다.
또한 제조예 5에서 제조된 커패시터의 효율이 현저히 낮음을 통해 전해질 내 바이티오펜의 함량이 0.1wt%보다 적게 함유되면 피막 형성이 불안정하여 효율이 낮아지는 것을 확인하였다.
<평가예 3. 바이티오펜의 함량에 따른 커패시터의 용량 확인>
첨가제에 따른 전기이중층 커패시터의 용량을 확인하기 위해 상기 제조예 1 및 5 내지 10에 따라 제조된 코인형 전기이중층 커패시터의 전압을 일정 속도로 주사하며 전류를 측정하는 순화전압전류법 실험을 실시하였다. 모든 평가는 코인형 전기이중층 커패시터 내 부반응을 가속하기 위해 55℃ 항온 챔버에서 진행되었으며, 먼저 전극에 피막 형성 반응을 유도하기 위해 0V에서 3.0V까지 4mV/s의 주사 속도로 5회 충방전을 진행하였다. 이후 하한 전압을 0V, 상한 전압을 각각 2.2V에서 3.3V 까지 0.1V씩 증가시키며 순환전압전류법 실험을 진행하였다. 각 상한 전압 당 총 20회의 실험을 수행하였고, 마지막 5회의 충방전 용량을 이용하여 해당 전압의 충방전 효율 및 방전 용량을 결정하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5를 참고하여, 제조예 5 내지 7에서 제조된 커패시터의 용량이 첨가제를 추가하지 않은 순수 전해액인 reference와 가장 비슷하게 나타남을 확인하였다.
또한 제조예 10에서 제조된 커패시터의 용량이 현저히 낮음을 통해 전해질 내 바이티오펜의 함량이 3wt%를 초과하면 피막이 과도하게 형성되어 전기이중층의 커패시터의 용량이 감소하는 것을 확인하였다.
이상과 같이 평가예 2 및 3의 결과를 통해 코인형 전기이중층 커패시터의 효율과 용량이 모두 좋은 제조예 6 내지 10의 조건으로 바이티오펜이 포함된 전해질이 커패시터에 적용하기에 우수함을 알 수 있다.
Claims (7)
- 하기 화학식 1의 바이티오펜이 조성물 총량을 기준으로 0.1 내지 3wt%의 양으로 함유되고,
상기 조성물에 하기 화학식 2의 스피로-1,1'바이피롤리디늄 테트라플로로보레이트(Spiro-(1,1')-bipyrrolidinium tetrafluoroborate, SBP BF4)가 0.8~2.5M 농도로 전해질로 포함되며,
에틸렌카보네이트(ethylene carbonate), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 아세토니트릴(acetonitrile), 뷰티로락톤(γ-butyrolactone), 다이메톡시에탄(1,2-Dimethoxyethane), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 다이메틸카보네이트(dimethyl carbonate), 에틸메틸카보네이트(ethyl methyl carbonate), 다이에틸카보네이트(diethyl carbonate)로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상의 전해액을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터용 전해질 조성물.
[화학식 1]
[화학식 2]
- 제 1항에 있어서,
상기 바이티오펜이 커패시터의 전극 표면에 피막을 형성하는 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터용 전해질 조성물. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1항 및 제 2항 중 어느 한 항의 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020170004136A KR101878589B1 (ko) | 2017-01-11 | 2017-01-11 | 바이티오펜을 함유하는 전기이중층 커패시터용 전해질 조성물 또는 이를 포함하는 전기이중층 커패시터 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020170004136A KR101878589B1 (ko) | 2017-01-11 | 2017-01-11 | 바이티오펜을 함유하는 전기이중층 커패시터용 전해질 조성물 또는 이를 포함하는 전기이중층 커패시터 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR101878589B1 true KR101878589B1 (ko) | 2018-08-08 |
Family
ID=63229874
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020170004136A KR101878589B1 (ko) | 2017-01-11 | 2017-01-11 | 바이티오펜을 함유하는 전기이중층 커패시터용 전해질 조성물 또는 이를 포함하는 전기이중층 커패시터 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR101878589B1 (ko) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014116586A (ja) * | 2012-12-06 | 2014-06-26 | Samsung Electro-Mechanics Co Ltd | 電解液組成物及びこれを有するエネルギ貯蔵装置 |
-
2017
- 2017-01-11 KR KR1020170004136A patent/KR101878589B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014116586A (ja) * | 2012-12-06 | 2014-06-26 | Samsung Electro-Mechanics Co Ltd | 電解液組成物及びこれを有するエネルギ貯蔵装置 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN105742702B (zh) | 可再充电锂电池 | |
KR101702406B1 (ko) | 리튬 이차 전지 | |
KR101802342B1 (ko) | 유기전해액 및 이를 채용한 리튬전지 | |
JP5306749B2 (ja) | 電気化学デバイス | |
KR102489610B1 (ko) | 리튬 이차 전지 | |
KR101223628B1 (ko) | 리튬 이차 전지 | |
US8668838B2 (en) | Electrical double layer capacitor | |
KR20160080995A (ko) | 리튬 이차전지 | |
JPWO2010016520A1 (ja) | 非水電解液及びリチウム二次電池 | |
KR20180126306A (ko) | 리튬 이차전지용 비수전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 | |
CN104956536B (zh) | 锂二次电池 | |
CN113991178B (zh) | 锂离子电池非水电解液及其应用 | |
KR20120104930A (ko) | 리튬 이차 전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지 | |
KR20160081109A (ko) | 리튬 이차전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 | |
WO2015020074A1 (ja) | 非水電解液及び該電解液を有する電気化学デバイス | |
JP2015225689A (ja) | 電池用添加剤 | |
CN108604683A (zh) | 电化学设备用正极活性物质、电化学设备用正极和电化学设备、以及电化学设备用正极活性物质的制造方法 | |
KR101800930B1 (ko) | 비수계 리튬이차전지용 첨가제와, 이를 포함하는 비수계 전해액, 전극 및 비수계 리튬이차전지 | |
KR102592773B1 (ko) | 비수 전해액용 첨가제, 비수 전해액, 및 축전 디바이스 | |
US11621424B2 (en) | Electrochemical device and method for manufacturing electrochemical device | |
KR20160081110A (ko) | 리튬 이차전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 | |
KR101878589B1 (ko) | 바이티오펜을 함유하는 전기이중층 커패시터용 전해질 조성물 또는 이를 포함하는 전기이중층 커패시터 | |
JPWO2012111335A1 (ja) | 電極保護膜形成剤 | |
CN103500849B (zh) | 锂离子二次电池及其电解液 | |
CN110462887A (zh) | 电化学装置用正极和具备其的电化学装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |