KR101981213B1 - 고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터 - Google Patents

고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터 Download PDF

Info

Publication number
KR101981213B1
KR101981213B1 KR1020180112307A KR20180112307A KR101981213B1 KR 101981213 B1 KR101981213 B1 KR 101981213B1 KR 1020180112307 A KR1020180112307 A KR 1020180112307A KR 20180112307 A KR20180112307 A KR 20180112307A KR 101981213 B1 KR101981213 B1 KR 101981213B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
anode
cathode
carbonate
electrolyte
case
Prior art date
Application number
KR1020180112307A
Other languages
English (en)
Inventor
김상길
지봉철
Original Assignee
주식회사 비츠로셀
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 비츠로셀 filed Critical 주식회사 비츠로셀
Priority to KR1020180112307A priority Critical patent/KR101981213B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101981213B1 publication Critical patent/KR101981213B1/ko

Links

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
    • H01G11/62—Liquid electrolytes characterised by the solute, e.g. salts, anions or cations therein
    • 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
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/26—Electrodes characterised by their structure, e.g. multi-layered, porosity or surface features
    • 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
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32—Carbon-based
    • 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

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)

Abstract

고온의 구현이 가능하도록 설계된 고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터는 상부가 개방되며, 내부에 전해액이 함침되는 케이스; 상기 케이스의 내부에 삽입 배치되며, 음극 및 양극과 상기 음극 및 양극 사이에 배치되어, 상기 음극 및 양극을 전기적으로 분리시키는 세퍼레이터를 갖는 권취 소자; 및 상기 케이스의 상측에 결합되어, 상기 케이스의 내부를 밀봉하는 밀봉 고무;를 포함하며, 상기 전해액은 전해질 및 혼합 용매를 포함하되, 상기 전해질은 스피로-(1,1’)－비피로리지니움테트라플루오르보레이트(SBP-BF4)이 이용되고, 상기 혼합 용매는 γ-부티로 락톤, 디메틸 카보네이트 및 에틸 메틸 카보네이트가 혼합된 것이 이용되는 것을 특징으로 한다.

Description

고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터{ELECTRICAL DOUBLE LAYER CAPACITOR HAVING HIGH TEMPERATURE STABILITY}
본 발명은 고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 비대칭 전극 및 혼합 용매의 사용으로 고온에서의 구현이 가능하도록 설계된 고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터에 관한 것이다.
전기이중층 캐패시터(Electric Double Layer Capacitor : EDLC)는 세퍼레이터(separator, 분리막 또는 격리막)를 사이에 두고 양극과 음극이 서로 대향하게 배치되어 대향면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기이중층)이 생성된 것을 이용한 에너지 저장 매체로서, 이는 계속적인 충전/방전이 가능한 소자이다.
이러한 전기이중층 캐패시터는 각종 전기 및 전자기기의 보조전원, IC 백업전원 등으로 주로 사용되고 있다. 최근, 전기이중층 커패시터는 장난감, 산업용 전원, UPS(Uninterrupted Power Supply), 태양열 에너지 저장, HEV/EV SUB Power 등에 까지 폭넓게 응용되고 있다.
지금까지, 전기이중층 커패시터의 내부 저항의 저감과 고온 특성의 향상을 목적으로 다양한 검토가 이루어지고 있다.
그러나, 이러한 전기이중층 커패시터는 내부 저항의 저감과 고온 특성의 향상을 실현하고도 대략 2.7V 이상의 높은 전압에서의 사용이나 대략 85℃ 이상의 고온 안정성에 관해서는 만족스러운 성능을 얻을 수 없는 것이 현실이다.
예를 들어, 전해액의 용매로 에틸렌 카보네이트를 이용하면, 용매의 유전율이 높기 때문에 전해액의 분해가 촉진되어 전기이중층 커패시터의 내부 저항과 저온 특성이 개선된다.
그러나, 고온에서 사용하면 대략 2.5V를 초과하는 근처에서 용매의 분해가 현저하게 증가하여 커패시터의 특성이 악화된다. 또한, 전해질에 이미다 졸륨염을 이용하면, 제4 급 암모늄염에 비해 저온에서도 전해질의 석출이 일어나지 않으며, 커패시터의 저온 특성이 개선된다.
그러나, 이미다 졸륨 염은 내전압이 높지 않고, 2.5V를 초과 근처에서 전해질의 분해가 일어나 전기이중층 커패시터의 특성이 악화된다. 또한, 전해질에 제4 급 암모늄 헥사 플루오로 포스페이트를 이용하면, 제4 급 암모늄 테트라 플루오로 보레이트보다 전해질의 해리성이 높아 전기이중층 캐패시터의 저온 특성이 개선된다.
그러나, 헥사 플루오로 포스페이트 염은 내열성 및 내수성이 낮고, 고온에서는 셀의 내부에 포함된 극미량의 수분과 반응하여 분해되어 버리기 때문에, 전기이중층 커패시터의 특성이 악화된다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0017539호(2015.02.17. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 비대칭 하이브리드 커패시터용 전극이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 비대칭 전극 및 혼합 용매의 사용으로 고온에서의 구현이 가능하도록 설계된 고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터는 상부가 개방되며, 내부에 전해액이 함침되는 케이스; 상기 케이스의 내부에 삽입 배치되며, 음극 및 양극과 상기 음극 및 양극 사이에 배치되어, 상기 음극 및 양극을 전기적으로 분리시키는 세퍼레이터를 갖는 권취 소자; 및 상기 케이스의 상측에 결합되어, 상기 케이스의 내부를 밀봉하는 밀봉 고무;를 포함하며, 상기 전해액은 전해질 및 혼합 용매를 포함하되, 상기 전해질은 스피로-(1,1’)－비피로리지니움테트라플루오르보레이트(SBP-BF4)이 이용되고, 상기 혼합 용매는 γ-부티로 락톤, 디메틸 카보네이트 및 에틸 메틸 카보네이트가 혼합된 것이 이용되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 권취 소자는 상기 양극이 상기 음극 100 중량부에 대하여, 110 ~ 150 중량부를 갖는 비대칭 전극 구조로 이루어진다.
또한, 상기 스피로-(1,1’)－비피로리지니움테트라플루오르보레이트(SBP-BF4)는 0.7 ~ 1.5mol/L의 농도를 갖는 것이 이용된다.
상기 스피로-(1,1’)－비피로리지니움테트라플루오르보레이트(SBP-BF4), γ-부티로 락톤, 디메틸 카보네이트 및 에틸 메틸 카보네이트의 총 중량은 상기 전해액 전체 100 중량%에 대하여, 90 중량% 이상을 갖는 것이 바람직하다.
특히, 상기 혼합 용매는 상기 γ-부티로 락톤 60 ~ 70vol%, 디메틸 카보네이트 20 ~ 25vol% 및 에틸 메틸 카보네이트 5 ~ 20vol%를 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 혼합 용매는 상기 에틸 메틸 카보네이트 대신에 에틸렌카보네이트(EthyleneCarbonate), 부틸렌카보네이트(ButyleneCarbonate), 비닐렌카보네이트(VinyleneCarbonate), 디에틸카보네이트(DiethylCarbonate), N,N-디메틸 포름아미드{N,N-Dimethyl Formamide(DMF)}, 1,3-미메-2-이미다졸리디논{1,3-Dimethyl-2-Imidazolidinone(DMI)}, N,N 디메틸아세트아마이드{N,N DimethylAcetamide(DMAC)} 및 디메틸 설파이드(Dimethyl Sulfoxide) 중 어느 하나가 이용될 수 있다.
상기 음극은 음극집전체 및 상기 음극집전체 상에 형성된 음극 전극물질층을 포함하고, 상기 양극은 양극집전체 및 상기 양극집전체 상에 형성된 양극 전극물질층을 포함하며, 상기 음극 전극물질층 및 양극 전극물질층은 이종의 활성탄이 이용된다.
이때, 상기 양극 전극물질층은 염기부활 활성탄이 이용되고, 상기 음극 전극물질층은 수증기부활 활성탄이 이용된다.
본 발명에 따른 고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터는 양극으로는 약품 활성화된 활성탄을 이용하고, 음극으로는 스팀 활성화된 활성탄을 이용하되, 음극보다 양극의 중량비가 높은 비대칭 전극 구조를 갖는 권취 소자를 이용함과 더불어, γ-부티로 락톤, 디메틸 카보네이트 및 에틸 메틸 카보네이트가 혼합된 혼합 용매에 스피로-(1,1’)－비피로리지니움테트라플루오르보레이트(SBP-BF4)이 첨가된 비수계 전해액을 사용함으로써 고온 특성을 확보할 수 있다.
이 결과, 본 발명에 따른 고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터는 초기 용량과 내부 저항에 대해서는 기존에 비하여 손색이 없으면서, 고온 환경을 거친 후에는 고온 특성에 변화가 거의 없어 우수한 고온 특성을 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터를 나타낸 정면도.
도 2는 도 1의 권취소자를 확대하여 나타낸 분해 사시도.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 절단하여 나타낸 결합 단면도.
도 4는 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 2에 대한 용량유지율을 측정한 결과를 나타낸 그래프.
도 5는 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 2에 대한 저항변화율을 측정한 결과를 나타낸 그래프.
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 고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터를 나타낸 정면도이고, 도 2는 도 1의 권취소자를 확대하여 나타낸 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터(100)는 케이스(110), 권취 소자(120) 및 밀봉 고무(130)를 포함한다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터(100)는 음극 외부 단자(142) 및 양극 외부 단자(144)를 더 포함한다.
케이스(110)는 상부가 개방되며, 내부에 전해액이 함침된다. 이때, 케이스(110)는 상측이 개방되는 원통 형상을 갖거나, 직육면체, 육각기둥 등의 각형 형상으로 설계될 수 있다. 이러한 케이스(110)의 재질로는 스테인리스 강(SUS)이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
권취 소자(120)는 케이스(110)의 내부에 삽입된다. 이러한 권취 소자(120)는 원통형 타입일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 권취 소자(120)는 라미네이트 타입, 코인 타입 등 다양한 형태가 적용될 수 있다. 따라서, 권취 소자(120)는 형상에 대해서도 특별히 제한되는 것은 아니며, 도시된 바와 같은 권회형 구조이어도 좋고, 적층 구조이어도 좋다.
이러한 권취 소자(120)는 음극(122), 양극(124) 및 세퍼레이터(126)를 갖는다. 이때, 권취 소자(120)는 음극(124), 세퍼레이터(126) 및 양극(124)을 권취기로 와인딩(Winding)하여 롤(roll) 형태로 제작한 후, 롤 주위로 접착 테이프(미도시) 등을 부착하여 제조할 수 있다.
여기서, 한 쌍의 음극 외부 단자(142) 및 양극 외부 단자(144)가 각각 음극(122) 및 양극(124)에 연결된다. 음극 외부 단자(142) 및 양극 외부 단자(144)의 재질로는 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등의 전기전도성이 우수한 금속 또는 이들을 포함하는 합금 등의 재질이 이용될 수 있다.
이러한 음극 외부 단자(142) 및 양극 외부 단자(144)는 밀봉 고무(130)를 통해 외부까지 연결되어 있다. 이때, 케이스(110)의 내부에 봉입된 음극(122)과 양극(124)의 전극물질층과 세퍼레이터(126)는 전해액에 함침되어 있다.
밀봉 고무(130)는 케이스(110)의 상측에 결합되어, 케이스(110)의 내부를 밀봉한다. 이러한 밀봉 고무(130)는 케이스(110) 내부의 전해액이 누설되는 것을 방지하기 위에 음극 외부 단자(142) 및 양극 외부 단자(144)에 끼움 결합 형태로 결합되어 케이스(110)를 밀봉하게 된다.
한편, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 절단하여 나타낸 결합 단면도로, 도 2와 연계하여 설명하도록 한다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 음극(122)은 음극집전체(122a) 및 음극집전체(122a) 상에 형성된 음극 전극물질층(122b, 122c)을 포함한다. 또한, 양극(124)은 양극집전체(124a) 및 양극집전체(124a) 상에 형성된 양극 전극물질층(124b, 124c)을 포함한다.
도 3에서는 음극 집전체(122a) 및 양극 집전체(124a)의 양면에 음극 전극물질층(122b, 122c) 및 양극 전극물질층(124b, 124c)이 각각 배치되는 것으로 도시하였으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 음극 및 양극 전극물질층은 음극 및 양극 집전체(122a, 124b)의 일면에만 배치되어 있을 수도 있다.
이때, 음극 전극물질층(122b, 122c) 및 양극 전극물질층(124b, 124c) 각각은 1,400 ~ 2,000㎡/g의 비표면적을 갖는 활성탄을 이용하는 것이 바람직하다.
이러한 음극(122) 및 양극(124) 각각은 활성탄, 도전재 및 바인더를 용제와 함께 각각 혼합기에서 혼합하여 슬러리화한 후, 이 슬러리를 음극 및 양극 집전체(122a, 124a)에 콤마 코터(comma coater) 등을 이용한 코팅 방법에 의해 얇게 도포한 후, 대류건조하여 용제를 증발시켜 양극 및 음극집전체(122a, 124a)에 부착시키는 것에 의해 형성될 수 있다.
특히, 음극(122) 및 양극(124)의 활성탄은 서로 다른 활성화 방법에 의해 제조된 것을 이용하는 것이 좋다. 이를 위해, 음극 전극물질층(122b, 122c) 및 양극 전극물질층(124b, 124c)은 이종의 활성탄을 이용하는 것이 좋다. 보다 구체적으로, 양극 전극물질층(124b, 124c)은 염기부활 활성탄을 이용하고, 음극 전극물질층(122b, 122c)은 수증기부활 활성탄을 이용하는 것이 좋다.
이러한 음극 및 양극(122, 124)의 활성탄 각각은 목분계(hard wood), 야자수계, 코코넛계, 석유피치계 및 페놀계 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다. 그리고, 도전재는 슈퍼-P(Super-P), 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 그라파이트 등의 도전성 분말을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 것은 아니다.
또한, 바인더는 이종의 바인더를 이용하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 바인더는 폴리테트라플로로에틸렌(PTFE), 고무계 수지 및 아크릴계 수지가 함께 첨가된 것을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 바인더의 부 바인더로 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 선택되는 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
특히, 바인더은 음극 전극물질층(122b, 122c) 및 양극 전극물질층(124b, 124c) 전체 중량의 3 ~ 8 중량%의 함량비로 각각 첨가되는 것이 바람직하다. 바인더 첨가량이 3 중량% 미만일 경우에는 전극물질과 집전체 간의 결착력이 약해 깨지는 문제를 야기할 수 있다. 반대로, 바인더의 첨가량이 8 중량%를 초과할 경우에는 바인더의 과다 사용으로 전기전도성이 저하될 우려가 크다.
특히, 본 발명에서는 양극(124)은 약품 활성화된 활성탄을 이용하고, 음극(122)은 스팀 활성화된 활성탄을 이용함과 더불어, 양극(124)이 음극(122) 100 중량부에 대하여, 110 ~ 150 중량부를 갖는 비대칭 전극 구조로 이루어지는 것에 의해 고온형 특성을 가질 수 있게 된다.
세퍼레이터(126)는 음극(122) 및 양극(124)이 서로 물리적으로 접촉하는 것을 방지한다. 또한, 세퍼레이터(126)는 바람직하게는 다공성이며, 기공 내에 전해액을 유지시켜 음극(122) 및 양극(124) 사이의 전도성 경로가 형성된다. 세퍼레이터(126)의 재질은 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들면, 다공성 셀룰로오스, 폴리 프로필렌, 폴리에틸렌, 불소계 수지 등에서 선택될 수 있다.
또한, 금속박으로 이루어진 음극 집전체(122a) 및 양극 집전체(124a)의 표면에는 필요에 따라 각각 도전성 접착제(미도시) 및 전도성 코팅층(미도시)이 더 형성되어 있을 수 있다.
음극 및 양극 집전체(122a, 124a)에 사용되는 금속박으로는 도전성을 나타내는 금속으로 이루어질 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 알루미늄 또는 구리를 일 예로 들 수 있다. 금속박의 크기나 두께 등의 치수는 특별히 한정되는 것은 아니다.
특히, 본 발명의 케이스(110)의 내부에 함침되는 전해액은 전해질 및 혼합 용매를 포함한다.
이때, 고온에서의 안정성을 확보하기 위해, 전해질로는 스피로-(1,1’)－비피로리지니움테트라플루오르보레이트(SBP-BF4)를 이용하고, 혼합 용매로는 γ-부티로 락톤, 디메틸 카보네이트 및 에틸 메틸 카보네이트가 혼합된 것을 이용하였다.
특히, 본 발명의 효과 발휘의 관점에서, 전해액의 전해질로는 스피로-(1,1’)－비피로리지니움테트라플루오르보레이트(SBP-BF4)를 이용하는 것이 좋다.
또한, 전해액의 혼합 용매로는 γ-부티로 락톤, 디메틸 카보네이트 및 에틸 메틸 카보네이트가 함께 첨가되는 것을 이용하였다. 보다 구체적으로, 혼합 용매는 γ-부티로 락톤 60 ~ 70vol%, 디메틸 카보네이트 20 ~ 25vol% 및 에틸 메틸 카보네이트 5 ~ 20 vol%를 포함하는 것이 고온에서의 안정성 측면에서 필수적이다.
본 발명에서, 전해액은 상술한 4가지의 물질, 즉 전해질인 스피로-(1,1’)－비피로리지니움테트라플루오르보레이트(SBP-BF4)와, 혼합 용매인 γ-부티로 락톤, 디메틸 카보네이트 및 에틸 메틸 카보네이트만으로 구성되는 것이 특히 바람직하다.
이러한 스피로-(1,1’)－비피로리지니움테트라플루오르보레이트(SBP-BF4)는 0.7 ~ 1.5mol/L의 농도를 갖는 것을 이용하는 것이 바람직하다. 스피로-(1,1’)－비피로리지니움테트라플루오르보레이트(SBP-BF4)의 농도가 0.7mol/L 미만일 경우에는 고온에서의 안정성 향상 효과를 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 스피로-(1,1’)－비피로리지니움테트라플루오르보레이트(SBP-BF4)의 농도가 1.5mol/L를 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 전해질의 사용량만을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.
이러한 스피로-(1,1’)－비피로리지니움테트라플루오르보레이트(SBP-BF4), γ-부티로 락톤, 디메틸 카보네이트 및 에틸 메틸 카보네이트의 총 중량은 전해액 전체 100 중량%에 대하여, 90 중량% 이상을 갖는 것이 고온에서의 안정성 측면에서 보다 바람직하다.
여기서, 혼합 용매는 에틸 메틸 카보네이트 대신에 에틸렌카보네이트(EthyleneCarbonate), 부틸렌카보네이트(ButyleneCarbonate), 비닐렌카보네이트(VinyleneCarbonate), 디에틸카보네이트(DiethylCarbonate), N,N-디메틸 포름아미드{N,N-Dimethyl Formamide(DMF)}, 1,3-미메-2-이미다졸리디논{1,3-Dimethyl-2-Imidazolidinone(DMI)}, N,N 디메틸아세트아마이드{N,N DimethylAcetamide(DMAC)} 및 디메틸 설파이드(Dimethyl Sulfoxide) 중 어느 하나가 이용될 수도 있다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터는 양극으로는 약품 활성화된 활성탄을 이용하고, 음극으로는 스팀 활성화된 활성탄을 이용하되, 음극보다 양극의 중량비가 높은 비대칭 전극 구조를 갖는 권취 소자를 이용함과 더불어, γ-부티로 락톤, 디메틸 카보네이트 및 에틸 메틸 카보네이트가 혼합된 혼합 용매에 스피로-(1,1’)－비피로리지니움테트라플루오르보레이트(SBP-BF4)이 첨가된 비수계 전해액을 사용함으로써 고온 특성을 확보할 수 있다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터는 초기 용량과 내부 저항에 대해서는 기존에 비하여 손색이 없으면서, 고온 환경을 거친 후에는 고온 특성에 변화가 거의 없어 우수한 고온 특성을 갖는다.
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. 전기이중층 커패시터 제조
실시예 1
양극 제조
비표면적이 1,500 ~ 2000㎡/g인 약품 활성화된 활성탄, 도전재 및 바인더를 순수에 혼합 및 교반시켜 슬러리를 제조한 후, 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 슈퍼-P(Super-P), 바인더로는 아크릴 바인더, 메틸 셀로롤로오스 및 스틸렌부타이엔고무가 혼합된 것을 사용하였다.
음극 제조
비표면적이 1,500 ~ 2,000㎡/g인 수증기 부활된 활성탄을 사용하였고, 바인더로는 메틸 셀롤로오스, 스틸렌부타이엔고무 및 폴리테트라플로로에틸렌이 혼합된 것을 사용하여 160㎛의 두께로 형성한 것을 제외하고는 양극과 동일한 방법으로 음극을 제조하였다.
셀 제조
음극 기준 양극의 중량비가 130wt%인 음극 및 양극을 준비하였다. 다음으로, 양극 및 음극에 양극 및 음극 외부 단자를 부착한 후, 양극과 음극 사이에 셀롤로오스 필름(세퍼레이터)을 배치하고, 롤 형태로 권취하여 권취 소자를 제조하였다. 다음으로, 권취 소자를 150℃의 오븐기에서 24시간 동안 건조시켰다.
다음으로, 원통형의 케이스 내부에 권취 소자를 삽입한 후, 권취 소자에 혼합 용매로 γ-부티로 락톤 70vol%, 디메틸 카보네이트 25vol% 및 에틸 메틸 카보네이트 5vol%를 이용하고, 1.0mol/L의 스피로-(1,1')－비피로리지니움테트라플루오르보레이트(SBP-BF4)를 첨가하여 제조된 전해액을 함침시켰다. 다음으로, 음극 외부 단자 및 양극 외부 단자에 밀봉 고무를 삽입한 후, 케이스를 커링하여 10 × 25mm 크기의 셀을 제조하였다.
실시예 2
1.5mol/L의 농도를 갖는 스피로-(1,1')－비피로리지니움테트라플루오르보레이트(SBP-BF4)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 셀을 제조하였다.
실시예 3
음극 기준 양극의 중량비가 110wt%인 음극 및 양극을 이용하고, 전해액의 전해질로는 0.7mol/L의 스피로-(1,1')－비피로리지니움테트라플루오르보레이트(SBP-BF4)를 이용하며, 혼합 용매로는 γ-부티로 락톤 50vol%, 디메틸 카보네이트 35vol% 및 에틸 메틸 카보네이트 15vol%로 조성된 것을 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 셀을 제조하였다.
비교예 1
전해액의 용매로 아세트니트릴 100vol%를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 셀을 제조하였다.
비교예 2
음극 기준 양극의 중량비가 110wt%인 음극 및 양극을 이용하고, 전해액의 용매로 아세트니트릴 100 vol%로 첨가된 것을 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 셀을 제조하였다.
2. 평가 방법
실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 전기이중층 캐패시터에 대하여 초기 특성으로 정전 용량 및 내부 저항을 측정하였다. 이때, 정전 용량은 충 방전 시험기(Maccor-4000)를 이용하여 전기이중층 커패시터를 100mA에서 2.5V까지 충전 후 정전압으로 30분 유지한 후 100mA에서 0.1V까지 방전시켰을 때의 방전 곡선의 기울기로부터 산출하였다. 여기서, 내부 저항은 1 kHz AC 저항을 측정하였다.
3. 고온 부하 테스트
실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 전기이중층 커패시터에 대하여 2.5V, 85℃ 조건에서 1,000 시간 동안 고온 테스트를 실시하였으며, 그 측정 값을 도 4 및 도 5에 각각 나타내었다.
도 4는 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 2에 대한 용량유지율을 측정한 결과를 나타낸 그래프이고, 도 5는 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 2에 대한 저항변화율을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 전해액의 용매로 아세트니트릴를 사용한 비교예 1에 따라 제조된 전기이중층 커패시터에 비하여, 전해질로 스피로-(1,1')－비피로리지니움테트라플루오르보레이트(SBP-BF4)를 이용하고, 혼합 용매로 γ-부티로 락톤, 디메틸 카보네이트 및 에틸 메틸 카보네이트를 이용한 실시예 1 ~ 3에 따라 제조된 전기이중층 커패시터가 고온(85℃)에서의 저항 및 용량 변화율이 작은 것을 확인할 수 있다.
특히, 스피로-(1,1')－비피로리지니움테트라플루오르보레이트(SBP-BF4) 1.5mol/L로 첨가된 실시예 2의 경우가 용량 변화율 및 저항 변화율이 가장 작은 것을 확인할 수 있다.
또한, 실시예 3 및 비교예 2에 따라 제조된 전기이중층 커패시터의 경우와 같이, 음극 기준 양극의 활성탄 중량비가 높은 것이 동일한 것보다 용량 변화율 및 저항 변화율이 작은 것을 알 수 있다.
위의 실험 결과를 토대로 알 수 있듯이, 실시예 1 ~ 3에 따라 제조된 전기이중층 커패시터는 전해질인 스피로-(1,1')－비피로리지니움테트라플루오르보레이트(SBP-BF4)에 γ-부티로 락톤, 디메틸 카보네이트 및 에틸 메틸 카보네이트가 혼합된 혼합 용매의 배합을 조절하여 고온 특성을 향상시킬 수 있으며, 이와 더불어 음극 기준 양극의 활성탄 중량비를 높게 형성함으로써 저항 및 용량 변화율을 현저히 낮출 수 있음을 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 110 : 케이스
120 : 권취 소자 122 : 음극
124 : 양극 126 : 세퍼레이터
130 : 밀봉 고무 142 : 음극 외부 단자
144 : 양극 외부 단자

Claims (8)

  1. 상부가 개방되며, 내부에 전해액이 함침되는 케이스;
    상기 케이스의 내부에 삽입 배치되며, 음극 및 양극과 상기 음극 및 양극 사이에 배치되어, 상기 음극 및 양극을 전기적으로 분리시키는 세퍼레이터를 갖는 권취 소자; 및
    상기 케이스의 상측에 결합되어, 상기 케이스의 내부를 밀봉하는 밀봉 고무;를 포함하며,
    상기 권취 소자는 상기 양극이 상기 음극 100 중량부에 대하여, 110 ~ 150 중량부를 갖는 비대칭 전극 구조로 이루어지고,
    상기 전해액은 전해질 및 혼합 용매를 포함하되, 상기 전해질은 스피로-(1,1’)－비피로리지니움테트라플루오르보레이트(SBP-BF4)이 이용되고, 상기 혼합 용매는 γ-부티로 락톤, 디메틸 카보네이트 및 에틸 메틸 카보네이트가 혼합된 것이 이용되며,
    상기 혼합 용매는 상기 γ-부티로 락톤 60 ~ 70vol%, 디메틸 카보네이트 20 ~ 25vol% 및 에틸 메틸 카보네이트 5 ~ 20vol%를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스피로-(1,1’)－비피로리지니움테트라플루오르보레이트(SBP-BF4)는
    0.7 ~ 1.5mol/L의 농도를 갖는 것이 이용되는 것을 특징으로 하는 고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스피로-(1,1’)－비피로리지니움테트라플루오르보레이트(SBP-BF4), γ-부티로 락톤, 디메틸 카보네이트 및 에틸 메틸 카보네이트의 총 중량은
    상기 전해액 전체 100 중량%에 대하여, 90 중량% 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 용매는
    상기 에틸 메틸 카보네이트 대신에 에틸렌카보네이트(EthyleneCarbonate), 부틸렌카보네이트(ButyleneCarbonate), 비닐렌카보네이트(VinyleneCarbonate), 디에틸카보네이트(DiethylCarbonate), N,N-디메틸 포름아미드{N,N-Dimethyl Formamide(DMF)}, 1,3-미메-2-이미다졸리디논{1,3-Dimethyl-2-Imidazolidinone(DMI)}, N,N 디메틸아세트아마이드{N,N DimethylAcetamide(DMAC)} 및 디메틸 설파이드(Dimethyl Sulfoxide) 중 어느 하나가 이용되는 것을 특징으로 하는 고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 음극은 음극집전체 및 상기 음극집전체 상에 형성된 음극 전극물질층을 포함하고, 상기 양극은 양극집전체 및 상기 양극집전체 상에 형성된 양극 전극물질층을 포함하며,
    상기 음극 전극물질층 및 양극 전극물질층은 이종의 활성탄이 이용되는 것을 특징으로 하는 고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 양극 전극물질층은 염기부활 활성탄이 이용되고,
    상기 음극 전극물질층은 수증기부활 활성탄이 이용되는 것을 특징으로 하는 고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터.
KR1020180112307A 2018-09-19 2018-09-19 고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터 KR101981213B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180112307A KR101981213B1 (ko) 2018-09-19 2018-09-19 고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180112307A KR101981213B1 (ko) 2018-09-19 2018-09-19 고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101981213B1 true KR101981213B1 (ko) 2019-05-22

Family

ID=66680544

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180112307A KR101981213B1 (ko) 2018-09-19 2018-09-19 고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101981213B1 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101647759B1 (ko) * 2016-03-15 2016-08-12 주식회사 비츠로셀 고내전압 특성을 갖는 전기이중층 커패시터
KR20160117994A (ko) * 2015-04-01 2016-10-11 주식회사 비츠로셀 고전압 전기 이중층 캐패시터

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160117994A (ko) * 2015-04-01 2016-10-11 주식회사 비츠로셀 고전압 전기 이중층 캐패시터
KR101647759B1 (ko) * 2016-03-15 2016-08-12 주식회사 비츠로셀 고내전압 특성을 갖는 전기이중층 커패시터

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8288032B2 (en) Energy storage device cell and control method thereof
KR101412337B1 (ko) 리튬 이온 커패시터
JP4455461B2 (ja) 蓄電システム
KR101375450B1 (ko) 전기 이중층 캐패시터
US20120099246A1 (en) Lithium ion capacitor
JP6765857B2 (ja) リチウムイオンキャパシタ
Bhattacharjya et al. Study of electrode processing and cell assembly for the optimized performance of supercapacitor in pouch cell configuration
JP2008252013A (ja) リチウムイオンキャパシタ
US9030804B2 (en) Accumulator device
WO2004107493A1 (ja) 非水電解質溶液及びリチウムイオン２次電池
KR101464524B1 (ko) 내전압 특성이 우수한 전기이중층 커패시터
WO2014049440A2 (en) Hybrid electrochemical energy storage device
KR101242261B1 (ko) 전기 이중층 캐패시터
US20120050949A1 (en) Lithium ion capacitor and method of manufacturing the same
KR101981213B1 (ko) 고온 안정성을 갖는 전기이중층 커패시터
JP6587579B2 (ja) リチウムイオンキャパシタ
KR101647759B1 (ko) 고내전압 특성을 갖는 전기이중층 커패시터
Majumdar Polyaniline as proficient electrode material for supercapacitor applications: PANI nanocomposites for supercapacitor applications
KR101671301B1 (ko) 고전압 전기 이중층 캐패시터
KR101008795B1 (ko) 에너지 저장장치
JP6449732B2 (ja) 電気二重層キャパシタ
JP2010141065A (ja) 蓄電デバイス
JP6776933B2 (ja) 二次電池用電極及び二次電池
KR102157384B1 (ko) 과립형 활성탄-탄소나노튜브 복합체를 포함하는 전기이중층 커패시터
KR20200144566A (ko) 리튬 이온 이차 전지, 리튬 이온 캐패시터, 및 그것들의 제조 방법

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant