KR102057128B1 - Expansion graphite anode material for lithium capacitors impregnated with lithium expansion graphite - Google Patents

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Abstract

본 발명은 팽창흑연과 팽창흑연에 리튬을 진공 중에서 함침 시키고 더 나아가 수계인 폴리아크릴레이트 바인더로 사용한 리튬이온커패시터용 음극재에 관한 것으로 상세하게는 흑연을 팽창시키는 단계, 팽창흑연을 미립화 하는 단계, 미립의 팽창흑연에 리튬 소스인 수산화리튬, 산화리튬코발트(Li6CoO4)를 진공 중 에서 함침 시키는 단계, 진공 침지된 팽창흑연과 수계바인더인 폴리아크릴레리이트를 용매인 증류수에 녹이는 단계, 용액화된 바인더를 이용 슬러리화 시킨 후 시트화하여 리튬이온커패시터용 음극을 제조하는 단계를 포함한 것으로 흑연을 팽창시켜 사용함과 동시에 팽창흑연의 층사이에 리튬화합물을 함침시켜 도핑한 음극소재와 제조공정을 제공하는 것이다.
따라서 본 발명의 리튬이온커패시터는 슈퍼커패시터의 고출력 및 장수명 특성과 리튬이온전지의 고에너지밀도 특성을 동시에 충족하기 위한 음극재로 저가 원소재 사용, 단순화 되고 균일화된 리튬 소스의 도핑, 친환경적인 수계 바인더 사용을 발명하여 제공하는 것이다.
The present invention relates to a negative electrode material for lithium ion capacitors in which expanded graphite and expanded graphite are impregnated with lithium in a vacuum and further used as an aqueous polyacrylate binder. Specifically, the steps of expanding graphite, atomizing expanded graphite, Impregnating fine expanded graphite with lithium hydroxide and lithium cobalt oxide (Li 6 CoO 4 ) in a vacuum, dissolving the expanded graphite and polyacrylate, an aqueous binder, in distilled water as a solvent, solution Slurrying using a binder to form a sheet to form a negative electrode for a lithium-ion capacitor, and to expand the graphite and impregnated the lithium compound between the layers of the expanded graphite and doped the negative electrode material and manufacturing process To provide.
Therefore, the lithium ion capacitor of the present invention is a negative electrode material for simultaneously satisfying the high power and long life characteristics of a supercapacitor and the high energy density characteristics of a lithium ion battery, using low-cost raw materials, doping of a simplified and uniformized lithium source, and an environmentally friendly aqueous binder. It is to invent and provide use.

Description

팽창흑연에 리튬을 함침시킨 리튬이온커패시터용 팽창흑연음극재 {Expansion graphite anode material for lithium capacitors impregnated with lithium expansion graphite}Expanded graphite anode material for lithium-ion capacitors with lithium impregnated in expanded graphite {Expansion graphite anode material for lithium capacitors impregnated with lithium expansion graphite}

본 발명은 리튬이온커패시터 제조시 통상적으로 사용되고 있는 음극으로 흑연 대신에 저가화한 팽창흑연을 사용할 수 있도록 하기 위하여 흑연을 팽창시켜 팽창흑연을 제조하는 기술과 음극에 리튬을 간단한 공정으로 프리도핑하는 기술로 팽창된 흑연층사이에 리튬 소스를 진공 중에서 삽입하여 리튬 소스를 제공하는 것과 바인더로 유해성인 유계 바인더를 친환경적 수계인 폴리아크릴레이트를 사용하게 하여 리튬이온커패시터용 음극재 소재와 제조공정을 제공하기 위한 팽창흑연에 리튬을 함침시킨 리튬이온커패시터용 팽창흑연음극재에 관한 것이다. The present invention is a technique for producing expanded graphite by expanding the graphite in order to be able to use low-cost expanded graphite in place of graphite as a cathode commonly used in the manufacture of lithium-ion capacitor and a technique of pre-doping lithium to the negative electrode in a simple process A lithium source is inserted in a vacuum between the expanded graphite layers to provide a lithium source, and a hazardous organic binder is used as a binder to provide an anode material for a lithium ion capacitor and a manufacturing process by using an eco-friendly water-based polyacrylate. The present invention relates to an expanded graphite cathode material for lithium-ion capacitors in which lithium is impregnated into expanded graphite.

전기이중층커패시터는 출력 특성이 우수하고 싸이클 신뢰성이 높아 최근, 수송용 기기 및 전기자동차의 주 전원이나 보조전원, 태양광발전이나 풍력발전 등 전력 축적 장치 및 IT용 무정전전원장치에 활용이 증가하고 있는 추세이다. 그러나 전기이중층커패시터는 에너지밀도가 낮은 단점이 있어 이를 보완한 전지가 바로 리튬이온커패시터이다.Electric double layer capacitors have high output characteristics and high cycle reliability. Recently, electric double layer capacitors have been increasingly used in power storage devices such as main power supply or auxiliary power supply for transportation equipment and electric vehicles, solar power generation or wind power generation, and uninterruptible power supply for IT. It is a trend. However, the electric double layer capacitor has a disadvantage of low energy density, and thus, a battery complementing this is a lithium ion capacitor.

리튬이온커패시터는 전기이중층커패시터의 고출력 및 장수명 특성과 리튬이온전지의 고에너지밀도의 우수한 특성을 동시에 충족시키기 위해 제안된 비대칭 구조를 갖는 하이브리드 에너지저장 장치이다. 따라서 양극은 전기이중충커패시터의 구조와 음극은 리튬이온전지의 구조를 융합한 구조이다.Li-ion capacitor is a hybrid energy storage device with an asymmetric structure proposed to simultaneously satisfy the high power and long life characteristics of the electric double layer capacitor and the high energy density characteristics of the lithium ion battery. Therefore, the positive electrode combines the structure of the electric double-charged capacitor and the negative electrode of the structure of the lithium ion battery.

기존의 리튬이온커패시터는 리튬금속전극을 직렬로 연결한 양극에는 현재의 전기이중충커패시터의 활성탄(Activated Carbon Powder)을 전극으로, 음극에는 리튬이온전지의 음극인 탄소나 흑연(Graphite)에 리튬이온을 프리도핑(pre-doping)시켜 음극으로, 전해액에 리튬이 함유된 것을 사용하거나 한다. 따라서 전극 원소재와 고가인 리튬도핑 소스인 리튬금속과 복잡한 리튬이온 도핑공정을 저가이면서 간단한 공정으로 행할 필요가 있고, 또한, 현재의 리튬이온커패시터 전지를 제조할 때에 유기바인더의 사용은 환경 유해성은 물론 음극 활물질인 흑연, 또는 하드카본 등과 활발히 반응을 하기 때문에 친환경성적인 수계 바인더로 대체하여 이의 단점을 보완하게 되면 상용화 보급이 훨씬 빠르게 이루어지게 될 것이다.Conventional Li-ion capacitors use activated carbon powder of current electric double-charged capacitors in the anode connected with lithium metal electrodes in series, and lithium ion in carbon or graphite (cathode), which is the cathode of lithium ion batteries. Pre-doping (pre-doping) to the negative electrode, the electrolyte containing lithium is used. Therefore, it is necessary to perform an electrode raw material, a lithium metal which is an expensive lithium doping source, and a complex lithium ion doping process in a low cost and simple process. Also, the use of an organic binder in manufacturing a current lithium ion capacitor battery is an environmental hazard. Of course, since it reacts actively with graphite, hard carbon, and the like as the negative electrode active material, if it is replaced by an environmentally friendly aqueous binder to compensate for its disadvantages, the commercialization and diffusion will be made much faster.

특허 10-2010-0136610, 고열전도성 미립자가 복합화된 고열전도성 팽창흑연 시트 및 그 제조방법Patent 10-2010-0136610, High thermal conductivity expanded graphite sheet composited with high thermal conductivity fine particles and a method of manufacturing the same 특허 10-2012-0023780, 팽창흑연과 비정질 실리카를 이용한 탄화규소 나노섬유 제조방법Patent 10-2012-0023780, Method for manufacturing silicon carbide nanofibers using expanded graphite and amorphous silica

전기이중층커패시터는 출력특성이 우수하고, 싸이클 열화는 적으나 에너지밀도가 기존의 리튬이차전지에 비해 매우 낮은 단점이 있다. 그래서 에너지밀도를 크게 개선한 전지가 리튬이온커패시터 이다. 즉 리튬이온커패시터는 커패시터의 물리적 흡착반응과 리튬이온전지의 이온의 삽입/탈리의 원리를 하이브리드하여 에너지밀도를 향상시킨 전지이다.Electric double layer capacitors have excellent output characteristics, have a low cycle deterioration, but have a very low energy density compared to conventional lithium secondary batteries. Therefore, the battery which greatly improved the energy density is a lithium ion capacitor. That is, a lithium ion capacitor is a battery which improves energy density by hybridizing the principle of physical adsorption reaction of a capacitor and the insertion / desorption of ions of a lithium ion battery.

이러한 리튬이온을 포함한 리튬이온커패시터의 정전용량은 충전 시에는 양극에 전해액속의 음이온이 흡착됨과 동시에 음극에는 전해액속의 리튬이온이 흡장되며, 방전 시에는 양극에 흡착된 음이온이 탈리됨과 동시에 음극에 흡장되었던 리튬이온이 탈리됨으로써 발현된다.The electrostatic capacity of the lithium ion capacitor including the lithium ion is adsorbed to the positive electrode in the positive electrode during charging and at the same time the lithium ion in the electrolyte is occluded in the negative electrode. It is expressed by lithium ion desorption.

리튬이온커패시터는 음극에 미리 리튬이온을 흡장시켜 음극 전위를 전해액 전위보다 낮게 함으로서 일반적인 전기이중층커패시터에 비해 내전압과 커패시터 자체의 정전용량을 향상시켜 고에너지밀도를 얻게 되고, 또한 양극 전위가 전해액 전위이하가 될 때까지 깊게 방전할 수 있어, 사용전압 범위를 넓게 하여 보다 높은 에너지밀도를 실현시킨다.Lithium-ion capacitors absorb lithium ions in the negative electrode in advance to lower the negative electrode potential than the electrolyte potential, thereby improving the withstand voltage and the capacitance of the capacitor itself, compared to general electric double layer capacitors, thereby obtaining high energy density. It can be discharged deeply until it becomes, and wider voltage range is used to realize higher energy density.

이러한 리튬이온커패시터의 구성은 양극, 음극, 분리막, 전해액, 프리도핑된 리튬 등으로 되어 있는데, 기존에 가장 일반적으로 양극은 고용량커패시터의 양극인 활성탄을, 음극은 리튬이차전지의 음극인 흑연을, 리튬 소스로는 리튬금속(Li Metal)이 대부분 사용되고 있다.The lithium ion capacitor is composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator, an electrolyte, a pre-doped lithium, and the like. In general, the positive electrode is activated carbon, which is a positive electrode of a high capacity capacitor, and the negative electrode is graphite, which is a negative electrode of a lithium secondary battery. Lithium metal (Li Metal) is mostly used as a lithium source.

리튬금속을 전극으로 활용하기 위해서는 흑연을 음극으로 사용하고, 그 위에 리튬금속을 도 1과 같이 직접접촉방식, 외부단락방식, 전기적방식을 통해 음극에 리튬을 도핑하고 있으나 리튬금속 자체가 고가이고, 사용에 따른 안정성 문제가 있으며, 또한 도핑공정이 복잡하다. 상세하게 언급하면 종래의 리튬금속 도핑은 리튬과 전극의 밀착 위하여 외부 압착판을 사용하고, 60도에서 10일 이상이 하여 도핑 한다. 이때 밀착이 제대로 이루어지지 않으면 접촉저항이 높게 되고, 너무 강하게 밀착하면 전극이 깨지게 되는 등 도핑 수준의 제어가 어렵다.In order to utilize lithium metal as an electrode, graphite is used as a negative electrode, and lithium metal is doped onto the negative electrode through a direct contact method, an external short circuit method, and an electrical method as shown in FIG. 1, but lithium metal itself is expensive, There is a stability problem with use, and the doping process is complicated. In detail, the conventional lithium metal doping uses an external press plate for the close contact between lithium and the electrode, and doping is performed at 60 degrees for 10 days or more. At this time, if the adhesion is not properly made, the contact resistance is high, if too tightly adhered, it is difficult to control the doping level, such as break the electrode.

위와 같은 종래의 문제점을 해결코자 리튬이온커패시터에 대해 에너지밀도 향상을 위해 산화루테늄 첨가제를 첨가하거나, 다 리튬계 전이금속산화물을 리튬 소스로 하여 전기화학적 방법으로 리튬을 도핑 하였다. 또한, 기존 리튬금속을 이용한 전기화학적 리튬도핑은 안전성 확보 및 도핑수준의 제어의 문제점이 있어 이를 효과적으로 개선키 위해, 도 2와 같이 별도의 리튬금속 소스를 사용하지 않고 리튬함유전이금속산화물인 Li2MoO3, Li5FeO4, Li2CuO2, Li2Cu0.9Zn0.1O2 및 Li6CoO4 등을 음극 활물질과 혼합하여 자체적으로 리튬 소스를 갖게 함으로서 제조공정을 간소화할 수 있고, 리튬 도핑 후 잔존 리튬에 따른 부반응도 억제 할 수 있는 장점이 보고되고 있다.In order to solve the above conventional problems, a lithium ion capacitor was added to a ruthenium oxide additive to improve energy density, or lithium was doped by electrochemical method using a lithium-based transition metal oxide as a lithium source. In addition, the electrochemical lithium doping using the existing lithium metal has a problem of securing safety and control of the doping level to effectively improve this, without using a separate lithium metal source as shown in Figure 2 Li 2 which is a lithium-containing transition metal oxide MoO 3 , Li 5 FeO 4, Li 2 CuO 2, Li 2 Cu 0.9 Zn 0.1 O 2 and Li 6 CoO 4 can be mixed with the negative electrode active material to have a lithium source of its own, simplifying the manufacturing process, and lithium doping Afterwards, it is reported that the side reaction caused by the remaining lithium can be suppressed.

상세히 보면 일본의 신슈대학은 산화망간, 산화루테늄 나노입자 또는 나노시트를 양극으로 사용하고 음극에 금속리튬을 적용하여 최대 4.3볼트(V)에서 144 ~ 544Wh/Kg의 에너지 밀도를 가지는 리튬이온커패시터를 개발하였다고 보고 하였다. 일본의 AIST는 활성탄과 LiNiCoMn 또는 나노크기의 리튬인산철을 양극으로 하고 하드카본 또는 나노크기의 리튬티탄산을 음극으로 하는 리튬이온커패시터를 개발하여 전자의 양·음극 사용 시 30.9Wh/Kg의 에너지 밀도를 달성하였다고 보고 하였다. 또한 선진국들의 리튬이온커패시터 제조에 대한 최근 동향을 보면 양극은 대부분 활성탄(active carbon)에 금속이나 금속산화물을 혼합한 형태로 사용하고 있고, 음극은 하드카본이나 흑연에 리튬 소스인 리튬금속을 외부단락방법이나 직접 접촉방법으로 도핑하여 사용하고 , 전해질은 LiPF6/EC:DMC를 사용하여 에너지밀도가 20~115wh/kg인 리튬이온커패시터를 발명하였다고 보고를 하고 있다.In detail, Shinshu University of Japan uses lithium manganese oxide, ruthenium oxide nanoparticles or nanosheets as an anode, and applies lithium metal to the cathode to produce a lithium ion capacitor having an energy density of 144 to 544 Wh / Kg at a maximum of 4.3 volts (V). Reported development. Japan's AIST developed lithium ion capacitors with activated carbon and LiNiCoMn or nano-sized lithium phosphate as anodes, and hard carbon or nano-sized lithium titanic acid as cathodes. Reported that it was achieved. In addition, the recent trends in the manufacture of lithium-ion capacitors in developed countries show that the anode is mostly used in the form of a mixture of active carbon and metal or metal oxide, and the cathode is a lithium carbon source, which is a lithium source in hard carbon or graphite. It is reported that a doped by a method or a direct contact method, and invented a lithium ion capacitor with an energy density of 20 ~ 115wh / kg using LiPF 6 / EC: DMC as an electrolyte.

한편 대한민국에서 발명한 특허로는 특허 10-2011-0043457의“리튬이온커패시터용 양극 활물질”서는 탄소나노튜브 표면에 리튬금속산화물이 분산된 복합제 양극을 사용하고, 특허 10-2011-0043456의“리튬이온커패시터용 탄소계 음극 재료 및 그의 제조방법”에서는 흑연 표면에 하드카본을 코팅한 음극재를 사용하며 , 특허 10-2014-0062807의“음극재료, 그를 갖는 리튬이온커패시터 및 그 제조방법”에서는 리튬복합금속산화물을 양극에 첨가하였고, 특허 10-2010-0102786의“리튬이온커패시터에서는 양극 활물질로 리튬인산철(LiFePO4,)과 활성탄을 혼합 사용하였다. 특허 10-2014-0011740의“리튬이온커패시터용 양극 및 이를 포함하는 리튬이온커패시터“에서는 집전체 일면에 그래핀을 함유한 양극을 제조하였고, 특허 10-2012-0009599의“ 3차원구조의 집전체를 포함하는 전극 구조물 및 이를 포함하는 리튬이온커패시터“에서는 슬러리 아래쪽으로 흘러내림을 방지하는 것을, 특허 10-2013-0050069의“ LTO(LiTi2O5)탄소 복합체, LTO탄소 복합체 제조방법, LTO탄소 복합체를 이용한 음극활물질 및 음극활물질을 이용한 하이브리드 슈퍼커패시터”에서는 LTO와 탄소 복합체 사용을 보고 하였다.On the other hand, as a patent invented in the Republic of Korea, the positive electrode active material for lithium ion capacitor of Patent 10-2011-0043457 uses a composite positive electrode in which lithium metal oxide is dispersed on the surface of carbon nanotube, and the lithium of patent 10-2011-0043456 Carbon-based negative electrode material for ion capacitor and its manufacturing method ”uses negative electrode material coated with hard carbon on graphite surface, and“ Negative electrode material, lithium ion capacitor having same and manufacturing method thereof ”of Patent 10-2014-0062807 A composite metal oxide was added to the positive electrode, and lithium iron phosphate (LiFePO 4, ) and activated carbon were used as a positive electrode active material in the lithium ion capacitor of Patent 10-2010-0102786. Patent 10-2014-0011740, "Polyde for Lithium-ion Capacitor and Lithium-ion Capacitor Including the Same", manufactured a positive electrode containing graphene on one surface of the current collector, and a current collector having a three-dimensional structure according to Patent 10-2012-0009599. In the electrode structure comprising a lithium ion capacitor comprising the same and "to prevent the flow down the slurry," Patent No. 10-2013-0050069 "LTO (LiTi 2 O 5 ) carbon composite, LTO carbon composite manufacturing method, LTO carbon NTO and hybrid supercapacitors using negative electrode active materials using composites reported the use of LTO and carbon composites.

위의 기존의 국내외 발명들은 원소재의 가격이 고가이고, 또한 리튬소스의 도핑방법으로 프리도핑의 경우는 공정이 매우 복잡하고 공정비가 비싼 반면에, 리튬금속산화물 등을 첨가 혼합한 경우는 입자크기가 매우 다른 카본, 활성탄, 흑연에 직접 혼합함으로서 불균일하고 뭉침 현상이 발생하였으며, 또한 용매나 바인더를 유기계를 사용함으로서 유해한 문제점이 있다.The above existing domestic and foreign inventions are expensive in terms of raw materials, and in the case of predoping with lithium source doping, the process is very complicated and expensive, whereas particle size is added when lithium metal oxide is added and mixed. Is mixed directly with very different carbon, activated carbon, and graphite, resulting in non-uniformity and agglomeration, and there is also a harmful problem by using an organic solvent or a binder.

그래서 리튬 프리도핑을 균일하고 잘 분산되게 단순공정에 의해 저가로 하려면 리튬 소스를 담지할 장소가 흑연내 존재 하여야 된다. 또한 저가의 리튬 산화물 또는 수화물을 효율적이고 안정성이며 단순한 공정으로 도핑할 수 있는 기술의 확보가 절대적으로 필요하다. 또한 리튬이온커패시터 전지 제조시 유기용매의 사용은 용매의 휘발에 의한 환경 유해성을 나타내는 것은 물론 유기용매가 음극 활물질인 흑연, 또는 하드카본 등과 활발히 반응하기 때문에 유계용매를 친환경성 수계로 대체하여 사용할 필요가 있다.Therefore, in order to make lithium pre-doping uniform and well-dispersed at low cost by a simple process, a place to support a lithium source must exist in graphite. In addition, it is absolutely necessary to secure a technology capable of doping an inexpensive lithium oxide or hydrate in an efficient, stable and simple process. In addition, the use of organic solvents in the manufacture of lithium ion capacitor batteries not only indicates environmental hazards due to volatilization of the solvent, but also requires that organic solvents be replaced with environmentally friendly water-based solvents because organic solvents actively react with graphite or hard carbon as an anode active material. There is.

본 발명에서는 리튬이온커패시터를 제조하기 위하여, 음극을 저가로 제조하기 위해 팽창흑연을 사용하고, 리튬 소스를 팽창시킨 흑연에 진공 흡착시켜 도핑 하였으며, 또한 현재 사용 중인 인체 유해성이 있는 바인더를 수계 바인더로 사용하는 것을 발명한 것이다.In the present invention, in order to manufacture a lithium-ion capacitor, expanded graphite is used to manufacture a negative electrode at low cost, and a lithium source is vacuum-adsorbed to doped graphite, and doped with a binder that is currently harmful to humans as an aqueous binder. It is invented to use.

본 발명을 구체적으로 언급하면 음극으로 사용되는 팽창흑연에 혼합이 아닌 형태로 흑연층간에 리튬 소스(source)를 균일하게 잘 분산시켜 담지할 수 있게 흑연을 팽창시켜 사용하는 방법을 발명한 것이다. 더욱이 팽창흑연을 음극의 흑연으로 대체 사용하면 원소재의 저가화도 가능하게 되었다. 리튬 프리도핑 방법으로는 저가의 리튬산화물 또는 수화물을 도 3에서 보여준 것처럼 팽창흑연의 층간에 진공 중에서 함침 함으로서 안정적이며 단순한 공정으로 도핑효과가 나타나는 기술을 발명한 것이다. 또한 리튬이온커패시터 전지 제조시 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF) 유기바인더의 사용은 환경 유해성을 나타내므로 유계바인더를 친환경적인 수계바인더 폴리아크릴레이트(polyacylate 이하PAA)로 대체하고 용매 또한 인체 무해한 증류수로 대체한 것을 발명한 것이다.Specifically referring to the present invention, a method of expanding and using graphite to uniformly disperse and support a lithium source is uniformly dispersed between graphite layers in a form that is not mixed with the expanded graphite used as a cathode. In addition, the replacement of expanded graphite with graphite of the cathode also makes it possible to reduce the cost of raw materials. As a lithium pre-doping method, a low-cost lithium oxide or a hydrate is invented in a vacuum between the layers of expanded graphite in a vacuum as shown in FIG. In addition, the use of polyvinylidene fluoride (PVDF) organic binders in the manufacture of lithium ion capacitor batteries represents environmental hazards. One thing invented.

본 발명은 리튬이온커패시터 제조시 통상적으로 사용되고 있는 흑연음극 대신에 팽창흑연을 사용할 수 있게끔 팽창시키는 기술과 리튬이온커패시터용 음극재로 사용케 가공하는 기술을 발명함으로서 원소재의 저가화를 이루었다.The present invention has achieved a low cost of raw materials by inventing a technology for expanding expanded graphite to be used in place of graphite cathodes commonly used in the manufacture of lithium ion capacitors and a process for processing them as negative electrode materials for lithium ion capacitors.

팽창흑연 음극에 리튬소스를 단순 혼합이 아닌 팽창흑연의 층사이에 리튬 소스를 진공 중에서 삽입함으로서 균일하게 잘 분산된 리튬 소스를 제공하는 기술을 발명함으로서 효과적이고 안정적이며 리튬 도핑을 제공하는 것이다.By inventing a technique of providing a uniformly well-dispersed lithium source by inserting a lithium source in a vacuum between layers of the expanded graphite, rather than simply mixing the lithium source on the expanded graphite cathode, to provide an effective, stable and lithium doping.

또한 팽창흑연을 음극재로 하여 리튬이온커패시터 제조시 인체 유해한 유계 바인더를 친환경적인 수계 바인더로 대체하여 사용케 한 효과가 있다.In addition, there is an effect that the use of expanded graphite as a negative electrode material in the manufacture of a lithium ion capacitor by replacing an oil-based binder harmful to humans with an environmentally-friendly water-based binder.

도 1은 기존의 리튬소스를 전기화학적 방법으로 프리도핑 하는 방법
도 2는 팽창흑연에 진공 침지된 리튬수화물과 산화물이 리튬 소스로서 작동하는 원리
도 3은 천연흑연(a), 팽창흑연(b),리튬소스가 담지된 팽창흑연의 미세구조(c)
도 4는 수산화리튬을 진공 중에서 침지시킨 후의 미세구조(a)와 엑스선 회절분석 패턴(b)
도 5는 리튬 소스를 진공 중에서 팽창흑연에 침지한 음극활물질로 하고, 폴리아크릴레이트(PAA) 과 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF) 바인더로 하여 제조한 음극의 충방전 싸이클 곡선
도 6은 천연흑연의 팽창온도 및 열처리 시간에 따른 팽창율 그래프
도 7은 리튬 소스인 수산화리튬을 팽창흑연에 몰수별로 진공 중에서 침지한 후 제조한 음극의 충방전 싸이클 곡선
도 8은 도 6의 팽창흑연에 리튬 소스로 산화리튬코발트를 진공 중에서 침지한 후 제조한 음극의 충방전 싸이클 곡선
1 is a method of pre-doping a conventional lithium source by an electrochemical method
2 is a principle in which lithium hydrate and oxide vacuum-immersed in expanded graphite operate as a lithium source
Figure 3 is a natural structure (a), expanded graphite (b), microstructure of the expanded graphite loaded with lithium source (c)
4 shows a microstructure (a) and an X-ray diffraction pattern (b) after lithium hydroxide is immersed in a vacuum.
5 is a charge / discharge cycle curve of a negative electrode prepared by using a lithium source as a negative electrode active material immersed in expanded graphite in a vacuum and using a polyacrylate (PAA) and a polyvinylidene fluoride (PVDF) binder.
6 is a graph of expansion rate according to expansion temperature and heat treatment time of natural graphite
7 is a charge / discharge cycle curve of a negative electrode prepared by immersing lithium hydroxide, a lithium source, in swelling graphite in a vacuum for each mole number;
FIG. 8 is a charge / discharge cycle curve of a negative electrode prepared by immersing lithium cobalt oxide in a vacuum as a lithium source in the expanded graphite of FIG.

본 발명에서의 리튬이온커패시터용 음극재로 흑연을 약 600~1000퍼센트 로 팽창시킨 팽창흑연, 리튬 도핑을 진공 중에서 침지법으로 팽창흑연 음극에 행하여 리튬 소스가 균일하게 잘 분산되어 있는 리튬이 도핑된 팽창흑연, 케첸블랙 도전재, 폴리아크릴레이트 바인더, 분산제 및 증류수(distilled water)용매로 구성되었다.In the present invention, the negative electrode material for the lithium ion capacitor is expanded graphite having expanded graphite at about 600 to 1000 percent, and lithium doping is performed on the expanded graphite negative electrode by immersion in vacuum, where lithium source is uniformly well dispersed with lithium. Expanded graphite, Ketjenblack conductive material, polyacrylate binder, dispersant and distilled water solvent.

상기 팽창흑연은 천연 흑연의 불순물을 제거하여 고순도화 시킨 흑연을 팽창온도가 600도 이상 900도 이하에서 1분에서부터 5분 이내에 팽창된 팽창흑연을 포함하나 이에 한정하지 않고 통상적으로 천연흑연을 자연 상태나 가공한 후 팽창시킨 모든 종류의 팽창흑연을 포함할 수 있다.The expanded graphite includes graphite expanded by removing impurities of natural graphite and making it highly purified, including expanded graphite expanded within 1 minute to 5 minutes at an expansion temperature of 600 ° C. to 900 ° C. or less. (B) may include any type of expanded graphite which has been expanded after processing.

상기 리튬이 도핑된 팽창흑연에서 리튬 소스로는 리튬산화물(Li6CoO4)이나 리튬수화물(LiOH, LiOH.xH2O)을 포함하나 이에 한정 하지 않고 리튬함유전이금속산화물(Li2MoO3, Li5FeO4, Li2CuO2, Li2Cu0.9Zn0.1O2), 리튬염화물, 리튬질화물, 리튬함유고분자 등의 리튬함유 고상의 분말이나 액상용액이 팽창흑연에 진공 중에서 담지될 수 있는 모든 것을 포함할 수 있다.The lithium source in the lithium-doped expanded graphite includes, but is not limited to, lithium oxide (Li 6 CoO 4 ) or lithium hydrate (LiOH, LiOH.xH 2 O), but not limited to lithium-containing transition metal oxide (Li 2 MoO 3 , Lithium-containing solid powders or liquid solutions, such as Li 5 FeO 4, Li 2 CuO 2, Li 2 Cu 0.9 Zn 0.1 O 2 ), lithium chloride, lithium nitride, and lithium-containing polymers, can be supported by vacuum in expanded graphite. It may include.

상기 수계 바인더로 증류수에 사용할 수 있는 폴리아크릴레이트(PAA, Polyacrylic acid)와 같은 수계 바인더를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 통상의 리튬이온커패시터용나 리튬이온이차전지에 사용되는 모든 종류의 수계 바인더를 포함할 수 있다.The aqueous binder may include an aqueous binder such as polyacrylate (PAA, Polyacrylic acid) which can be used in distilled water, but is not limited thereto, and all kinds of aqueous binders used for a conventional lithium ion capacitor or a lithium ion secondary battery. It may include.

상기 도전재로서 케첸블랙(ketjen black) 같은 도전성 분말을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 통상의 리튬이온커패시터용이나 리튬이온이차전지용으로 사용되는 슈퍼-p(super-p), 아세틸렌블랙, 카본블랙과 같은 모든 종류의 도전재를 포함할 수 있다.The conductive material may include a conductive powder such as ketjen black, but is not limited thereto. Super-p, acetylene black, and carbon used for a typical lithium ion capacitor or a lithium ion secondary battery. It may include all kinds of conductive materials such as black.

상기 분산제로 수계에 사용할 수 있는 이소프로필알코올(IPA), 하이드록시프로필셀룰로즈(HPC), 폴리에틸렌글리콜(PEG)-200, 돌라픽스 피씨-21(DOLAPIX PC-21)의 분산제 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 통상의 리튬이온커패시터나 리튬이온2차전지용, 및 전자세라믹 분체용으로 사용되는 모든 종류의 수계 분산제를 포함할 수 있다.The dispersant may include a dispersant of isopropyl alcohol (IPA), hydroxypropyl cellulose (HPC), polyethylene glycol (PEG) -200, Dolapix PC-21 (DOLAPIX PC-21) that can be used in the aqueous system, It is not limited to this, and may include all kinds of aqueous dispersants used for ordinary lithium ion capacitors, lithium ion secondary batteries, and electronic ceramic powders.

본 발명에 따른 리튬이온커패시터 음극용 팽창흑연, 팽창흑연에 리튬 소스로서 리튬함유 고상분말이나 액상용액이 담지 또는 침지된 팽창흑연 물질과 제조공정 및 수계 바인더인 폴리아크릴레이트와 증류수, 도전제를 이용하여 슬러리화할 수 있는 물질과 제조공정, 시트로 성형한 후 도전성 접착제를 이용하여 접합하거나, 슬러리를 집전체에 접착시키는 것 등의 물질과 제조공정이 포함될 수도 있다.Expanded graphite for lithium ion capacitor negative electrode according to the present invention, expanded graphite material containing or immersed lithium-containing solid powder or liquid solution as a lithium source in the expanded graphite and the manufacturing process and polyacrylate, distilled water, conductive agent as an aqueous binder It may also include a material and a manufacturing process, such as a slurry and a manufacturing process, such as forming a sheet and then bonding using a conductive adhesive, or bonding the slurry to the current collector.

상기 음극 집전체는 종래 리튬이온커패시터나 리튬이온이차전지에 사용되고 있는 구리, 스텐레스, 니켈, 및 이들의 합금 등의 모든 재질을 이용할 수 있다. 그 중 가장 바람직한 집전체는 구리이다. 그 두께는 10~100㎛ 정도의 것으로 미세한 다기공이 전면을 관통하는 박(箔)인 것이 바람직하다.The negative electrode current collector may use all materials such as copper, stainless steel, nickel, and alloys thereof, which are conventionally used in lithium ion capacitors and lithium ion secondary batteries. The most preferable current collector among them is copper. Its thickness is about 10-100 micrometers, and it is preferable that it is foil which a microporous micropore penetrates the whole surface.

(실시예 1)(Example 1)

<팽창흑연 제조><Expansion graphite production>

팽창흑연을 제조하기 전에 천연흑연(QKG 196, 삼정씨엔지사)에 포함된 불순물을 제거하였다. 천연흑연에서 불순물은 격자결함과 전위를 생성하게 되고, 층간거리가 늘어나게 되어 반응의 활성이 증가하여 화학반응 속도가 빠르게 일어나며, 층간격자를 파손해서 인터칼레이션(intercalation)에 부정적인 영향을 미치게 되므로 H2SO4, H2O2 등으로 처리하여 불순물을 제거하였다. 이때 흑연, H2SO4와 H2O2의 비율은 2 : 1 : 0.12몰(mol)비였다. 산화처리를 120분 동안 교반하여 pH가 중성이 될 때 까지 수세한 후 건조를 하였다.Before preparing expanded graphite, impurities contained in natural graphite (QKG 196, Samjung C & G Co., Ltd.) were removed. In natural graphite, impurities generate lattice defects and dislocations, increase the interlayer distance, increase the activity of the reaction, increase the rate of chemical reactions, and break the interlayer, negatively affecting intercalation. Impurities were removed by treatment with 2 SO 4 , H 2 O 2 , and the like. At this time, the ratio of graphite, H 2 SO 4 and H 2 O 2 was 2: 1: 0.12 mol (mol) ratio. The oxidation treatment was stirred for 120 minutes, washed with water until the pH was neutral, and dried.

산화 처리한 흑연을 고온으로 급격하게 가열하면 흑연의 층간화합물에 남아 있는 잔류화합물인 HSO4 -이온이 흑연 내부표면으로부터 한꺼번에 기화되면서 그 분출 압력으로 흑연층이 급격히 팽창하여 가소성을 가지는 도 3과 같이 팽창흑연으로 된다. 천연흑연의 경우 끝이 각이 지고 표면이 매끄러운 것으로 관찰되었으며, 층간은 틈이 거의 없는 것으로 관찰되었으나, 도 3의 (b)의 팽창흑연의 경우 층간사이가 완전히 벌어져 간극이 크게 존재하였다.When the oxidized graphite is rapidly heated to a high temperature, HSO 4 - ions, which are residual compounds remaining in the interlayer compound of the graphite, are vaporized all at once from the inner surface of the graphite, and the graphite layer rapidly expands at the ejection pressure, thereby having plasticity. It becomes expanded graphite. In the case of natural graphite, the edge was angled and the surface was observed to be smooth, and the interlayer was observed to have almost no gap. However, in the expanded graphite of FIG. 3 (b), the gap was completely widened between layers.

팽창 후 제트밀(jet mill)을 사용하여 평균 중심입자 크기가(D50) 약 3~7 마이크로미터(㎛)로, 최고 큰 입자가 약 15마이크로미터 이하 되게 분쇄하여 사용 하였다. 바람직한 입자크기는 5마이크로미터 정도였다.After expansion, a jet mill was used to grind the average central particle size (D 50 ) to about 3-7 micrometers (μm) so that the largest particles were about 15 micrometers or less. Preferred particle sizes were on the order of 5 micrometers.

<팽창흑연에 리튬 소스를 침지하여 음극 활물질로 제조><Production of negative electrode active material by immersing lithium source in expanded graphite>

앞서 제조한 도 3의 (b)와 같은 팽창흑연의 층간 사이에 리튬 소스인 리튬수화물이나 산화물을 진공 중에서 도 3의 (c)처럼 침지시켜 음극 활물질로 사용하였다.A lithium source or a lithium hydrate, which is a lithium source, was immersed in a vacuum as in FIG. 3 (c) between the layers of expanded graphite as shown in FIG. 3 (b), and used as a negative electrode active material.

침지 공정은 우선 증류수에 침지시키고자 하는 리튬소스를 팽창흑연 중량대비 비율별로 넣고 100℃에서 1시간동안 교반 하여 리튬 소스가 잘 분산되게 하여 용액을 제조하였다. 제조된 리튬 소스가 혼합된 수용액에 팽창흑연을 넣은 후 30분 동안 초음파기를 이용하여 혼합과 분산을 시킨 후, 진공 용기에 넣고, 진공을 0.9MPa 로 유지하면서 팽창흑연의 층간사이에 있는 공기가 빼면서 그 사이로 리튬 소스가 채워지게 하면, 팽창흑연 자체의 고유특성인 가소성으로 인해 충진된 리튬 소스가 부착되는 방법이다.In the immersion process, first, a lithium source to be immersed in distilled water was added in proportion to the weight of expanded graphite, and stirred at 100 ° C. for 1 hour to prepare a solution by dispersing the lithium source. After adding the expanded graphite to the aqueous solution mixed with the prepared lithium source and mixing and dispersing by using an ultrasonic wave for 30 minutes, and put into a vacuum container, while maintaining the vacuum to 0.9MPa while removing the air between the layers of the expanded graphite If the lithium source is filled in the meantime, the filled lithium source is attached due to the plasticity which is inherent in the expanded graphite itself.

리튬 소스로 리튬수화물을 이용 팽창흑연에 진공 중에서 침지한 경우 침지된 상태를 주사전자현미경 사진으로 관찰한 결과 팽창흑연에 수산화리튬이 수용액에 혼합 및 용해되어 들어가서 입자가 확연하게 관찰 되었다. 또한, 엑스선회절분석을 해본 결과 주 결정상은 흑연이지만 리튬 소스인 LiOH 결정상도 함께 나타났다. 따라서 리튬 소스가 팽창흑연 층간사이에 침지되어 삽입된 것으로 판단할 수 있다.When the lithium hydrate was used as a lithium source and immersed in vacuum in expanded graphite, the immersed state was observed by scanning electron micrographs. As a result, lithium hydroxide was mixed and dissolved in the aqueous solution, and the particles were clearly observed. In addition, X-ray diffraction analysis showed that the main crystal phase was graphite, but the LiOH crystal phase as a lithium source was also present. Therefore, it can be determined that the lithium source is immersed and inserted between the expanded graphite interlayers.

<수계 바인더를 사용하여 음극 시트 제작><Negative electrode sheet production using an aqueous binder>

팽창흑연에 리튬소스를 진공 중에서 침지하여 만든 시료를 음극 활물질로 사용하고 도전제로 케첸블랙과 바인더로 수계 폴리아크릴레이트를 이용하여 아래 비율로 슬러리화한 후 동박 위에 슬러리를 도포하여 음극 시트를 제조하였다.A negative electrode sheet was prepared by using a sample prepared by immersing a lithium source in vacuum in expanded graphite as a negative electrode active material, slurrying the following ratio using Ketjenblack as a conductive agent and aqueous polyacrylate as a binder, and then applying a slurry on copper foil. .

슬러리 조성은 고형분으로는 리튬 소스가 함침된 팽창흑연 : 케첸블랙 도전제 : 수계 폴리아크릴레이트 바인더 = 87 : 5 : 8의 중량비로 혼합하여 이 혼합물을 용매인 증류수를 27.5 : 72.5의 중량비로 하였다. 이때 수계 바인더인 폴리아크릴레이트는 분자량이 450,000인 것을 사용하였으며, 증류수와 희석하여 중량비로 10퍼센트가 되게끔 묽게 하여 사용 하였다.The slurry composition was mixed in a weight ratio of expanded graphite: Ketjenblack conductive agent: water-based polyacrylate binder = 87: 5: 8 impregnated with a lithium source as a solid content, and the mixture was used as a weight ratio of 27.5: 72.5 as a solvent. At this time, the polyacrylate, which is an aqueous binder, had a molecular weight of 450,000, and was diluted with distilled water to be 10 percent by weight.

한편, 슬러리 제조 시 고형분 입자가 뭉치(agglomeration)지 않도록 분산제를 첨가하여 분산시켰다. 분산제로는 이소프로필알코올 외에, 하이드록시프로필셀룰로즈(HPC), 폴리에틸렌글리콜(PEG)-200, 돌라픽스피씨-21(DOLAPIX PC-21)셋 중에 하나의 분산제를 혼합사용 하였는데, 분산제양은 슬러리 전체 중량비의 3퍼센트를 첨가하여 고형분이 잘 분산되게 하였다.Meanwhile, dispersants were added and dispersed to prevent agglomeration of solid particles during slurry production. As a dispersant, in addition to isopropyl alcohol, one dispersant among hydroxypropyl cellulose (HPC), polyethylene glycol (PEG) -200, and DOLAPIX PC-21 (DOLAPIX PC-21) set was used. 3 percent of was added to allow the solids to disperse well.

음극 시트는 앞서 제조한 슬러리를 두께가 약 13마이크로미터의 다공성 동박 위에 닥터블레이드법(Doctor blade method)으로 도포한 후, 가건조 후에 진공 중에서 120도로 24시간 건조하여 제조 하였다. 이때 시트의 두께는 약 50마이크로미터 수준이었다.The negative electrode sheet was prepared by applying the slurry prepared above by a doctor blade method on a porous copper foil having a thickness of about 13 micrometers, and drying it for 24 hours in a vacuum at 120 degrees after drying. The thickness of the sheet was about 50 micrometers at this time.

<전지특성><Battery characteristics>

제작된 시트는 아르곤 가스 분위기인 글로브박스에서 전지 셀을 제작하였다. 하판(case)에 전극을 올려두기 전 전해액(LiPF6)을 한방울 떨어뜨려 전극이 움직이지 않도록 한 뒤, 전극위에 전해액을 함침시키고, 퍼짐이 보이면 분리막을 올렸다. 가스켓을 올리고, 양극으로 사용할 리튬메탈을 펀칭하여 서스스페이서(Sus-spacer)에 부착한 뒤 전극 위에 올린 뒤 스페이서(spacer)를 올리고 전해액을 ?은 뒤 덮어 조립하였다. 조립한 전지 셀은 12시간 상온에서 에이징(aging)을 실시하여 안정화한 후 전지특성 셀로 사용하였다. 전지특성으로는 1C(100cycle)에서 충방전 싸이클 테스트를 진행하였다.The produced sheet produced a battery cell in a glove box which is an argon gas atmosphere. The electrolyte (LiPF 6 ) was dropped one drop before placing the electrode on the case to prevent the electrode from moving. The electrolyte was impregnated on the electrode, and the separator was raised when spreading was observed. The gasket was raised, and lithium metal to be used as a positive electrode was punched and attached to a spacer (Sus-spacer), and then placed on an electrode. Then, the spacer was raised and the electrolyte was covered and then assembled. The assembled battery cell was stabilized by aging at room temperature for 12 hours and then used as a battery cell. As the battery characteristics, charge and discharge cycle tests were conducted at 1C (100 cycle).

(비교예 1)(Comparative Example 1)

비교 실험을 위해 바인더로 폴리아크릴레이트 대신 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF)를, 용매는 증류수 대신에 1-메틸-2-피롤리돈(NMP)을 사용한 것을 제외하고는 (실시예 1)과 동일하게 실시하였다.Polyvinylidene fluoride (PVDF) instead of polyacrylate as a binder for the comparative experiments and the solvent is the same as (Example 1) except that 1-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was used instead of distilled water It was carried out.

(실시예 1)의 결과 도 5의 (a)와 (비교예 1)의 결과 도 5의 (b)를 보면 폴리아크릴레이트 바인더를 사용한 것은 초기 용량이 253mAh/g, 100싸이클 후 용량이 181mAh/g로 높은 용량과 좀더 싸이클 특성이 안정적임을 보였으나, 폴리비닐리덴플로라이드 바인더를 사용한 (비교예 1)의 것은 초기 용량이 252mAh/g, 100싸이클 후 용량이 183mAh/g이었으나, 싸이클이 진행됨에 따라 불안정한 진행을 보였다. 따라서 유계 보다 수계 바인더를 사용했을 때가 성능이 향상되었음을 알 수 있었다.Results of Example 1 Results of FIG. 5A and Comparative Example 1 As shown in FIG. 5B, the polyacrylate binder was used at an initial capacity of 253 mAh / g and a capacity after 100 cycles of 181 mAh / g showed higher capacity and more stable cycle characteristics, but the polyvinylidene fluoride binder (Comparative Example 1) had an initial capacity of 252mAh / g and a capacity of 183mAh / g after 100 cycles. Accordingly showed unstable progression. Therefore, it was found that performance was improved when water-based binders were used rather than oil-based ones.

(실시예 2)(Example 2)

(실시예1)의 <팽창흑연제조>에서 천연흑연을 팽창흑연으로 제조할 때 나머지공정은 같고 팽창온도를 600, 700, 800, 850 및 900도로 하고, 열처리 시간을 1, 3 및 5초로 했을 때 팽창이 얼마나 이루어지나를 측정하였고, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 팽창율이 가장 높은 온도는 900도 였으며, 팽창율은 950퍼센트 였다. 이때 팽창흑연의 제조는 로터리 킬른을 이용하여 회전속도 10알피엠(rpm), 튜브각도 5°로 하여 팽창을 행하였다.When producing natural graphite from expanded graphite in Example 1, the remaining processes were the same, and the expansion temperature was set to 600, 700, 800, 850 and 900, and the heat treatment time was 1, 3 and 5 seconds. It was measured how much expansion occurs when, the results are shown in FIG. The highest expansion rate was 900 degrees and the expansion rate was 950 percent. At this time, the production of expanded graphite was performed by using a rotary kiln at a rotational speed of 10 alpha (rpm) and a tube angle of 5 °.

본 발명의 <실시예>에 사용한 팽창흑연은 900도에서 1초 동안 팽창 시킨 것을 음극활물질용으로 사용하였다.The expanded graphite used in the <Example> of the present invention was used for the cathode active material inflated for 1 second at 900 degrees.

(실시예 3)(Example 3)

(실시예 1)에서의 음극활물질로 팽창흑연에 리튬 소스인 수산화리튬(LiOH)을 3, 5, 10 및 20 중량퍼센트로 변화시켜 진공 중에서 침지시킨 후 충방전을 행하였다. 이때 팽창흑연과 리튬 소스를 팽창흑연에 침지시킨 공정, 폴리아크릴레이트 바인더를 이용하여 전극을 제조하는 공정은 (실시예 1)과 동일하게 하였다.Lithium hydroxide (LiOH), which is a lithium source, was changed to 3, 5, 10, and 20 weight percent of the expanded graphite as the negative electrode active material in Example 1, and then charged and discharged after immersion in vacuum. At this time, the process of dipping the expanded graphite and the lithium source in the expanded graphite, and the process of manufacturing the electrode using a polyacrylate binder was the same as in (Example 1).

리튬 소스인 수산화리튬(LiOH)을 3, 5, 10 및 20 중량퍼센트로 변화시켜 침지한 경우, 수산화리튬을 침지하였을 때가 초기 용량이 순수한 팽창흑연을 사용한 것보다 낮은 용량을 보였으나, 100싸이클 후 효율은 더 높은 것을 확인했다. 특히 수산화리튬을 5퍼센트 침지한 경우는 100싸이클 후 용량이 초기용량보다 더 증가를 하였는데, 이는 리튬 소스로 사용된 수산화리튬이 일정량 이상이 되면 오히려 충방전시 리튬 탈리 때 SEI 층을 더 형성하게 되어 감소하는 것으로 사료된다.When the lithium source (LiOH), a lithium source, was changed to 3, 5, 10 and 20% by weight, the initial capacity of the lithium hydroxide was lower than that of pure expanded graphite, but after 100 cycles. The efficiency was confirmed to be higher. In particular, when 5% of lithium hydroxide was immersed, the capacity increased more than the initial capacity after 100 cycles. When the lithium hydroxide used as the lithium source is over a certain amount, the SEI layer is formed during lithium desorption during charging and discharging. It is believed to decrease.

(실시예 4)(Example 4)

(실시예 1)에서의 음극 활물질인 팽창흑연에 리튬 소스를 침지시킬 때, 앞의 (실시예 3)에서의 리튬수화물을 산화리튬코발트(Li6CoO4)로 대체하여 진공 중에서 침지 시켰다. 이때 침지 양은 중량비로 팽창흑연대비 3, 5, 10 및 20 퍼센트로 변화시켰다. 팽창흑연 제조 공정과 리튬 소스를 팽창흑연에 침지시킨 공정, 폴리아크릴레이트 바인더를 이용하여 전극을 제조하는 공정은 (실시예 1)과 동일하게 하였다. 한편, 산화리튬코발트(Li6CoO4)는 Li2O와 CoO를 3:1로 하여 질소 분위기에서 700도에서 5시간 합성하였다.When the lithium source was immersed in the expanded graphite which is the negative electrode active material in (Example 1), the lithium hydrate in the above (Example 3) was replaced with lithium cobalt oxide (Li 6 CoO 4 ) and immersed in vacuum. At this time, the amount of immersion was changed to 3, 5, 10 and 20 percent by weight ratio. The expanded graphite production process, the process in which the lithium source was immersed in the expanded graphite, and the process of manufacturing the electrode using the polyacrylate binder were the same as in (Example 1). Meanwhile, lithium cobalt oxide (Li 6 CoO 4 ) was synthesized using Li 2 O and CoO in 3: 1 at 700 ° C. for 5 hours in a nitrogen atmosphere.

리튬 소스로 산화리튬코발트(Li6CoO4)를 침지시킨 경우 수산화리튬을 침지하였을 때와 마찬가지로 초기 용량이 순수한 팽창흑연을 사용한 것보다 낮은 용량을 보였으나, 산화리튬코발트의 5퍼센트일 때는 100싸이클 후 효율이 높게 나타난 것으로 나타났다. 산화리튬코발트는 리튬소스가 많이 함유되어 있는 반면에 주로 양극재로 쓰여 음극재에 많은 양이 함유될 경우 전지자체의 전위차를 좁게 만들 수 있으며, 특히 공기 중에서 시간이 지나면 산화리튬코발트의 리튬소스가 줄어드는 현상을 보여 용량 감소의 원인이라 사료된다. 산화리튬코발트경우도 수산화리튬과 마찬가지로 5퍼센트 침지한 경우는 100싸이클 후 효율이 가장 좋았으며, 5퍼센트 침지 양이 적당량임을 알 수 있다.When lithium cobalt oxide (Li 6 CoO 4 ) was immersed in a lithium source, the initial capacity was lower than that of pure expanded graphite, as in the case of dipping lithium hydroxide, but 100 cycles when 5% of lithium cobalt oxide was used. The efficiency was shown to be high after. While lithium cobalt oxide contains a lot of lithium source, it is mainly used as a positive electrode material, and when a large amount is included in the negative electrode material, the potential difference of the battery itself can be narrowed. In particular, the lithium source of lithium cobalt oxide becomes It is believed to be the cause of dose reduction due to the decreasing phenomenon. Lithium cobalt oxide also showed the best efficiency after 100 cycles when 5 percent immersion, like lithium hydroxide, and 5 percent immersion amount is appropriate.

Claims (8)

600℃ 내지 900℃ 범위내에서 1 내지 5분간 천연흑연을 가열팽창시켜 제조된 팽창흑연에 리튬소스를 진공중에서 균일하게 침지시킨 음극재, 상기 음극재는 리튬소스가 담지된 팽창흑연 87중량%와 도전제(케첸블랙) 5중량%, 그리고 수계폴리아클릴레이트인 바인더를 8중량%의 조성비로 구성되는 것을 특징으로 하는 팽창흑연에 리튬을 함침시킨 리튬이온 커패시터용 팽창흑연 음극재.An anode material in which a lithium source is uniformly immersed in vacuum in expanded graphite prepared by thermal expansion of natural graphite for 1 to 5 minutes within a range of 600 ° C. to 900 ° C., and the anode material is conductive with 87% by weight of expanded graphite loaded with lithium source. An expanded graphite negative electrode material for lithium-ion capacitors in which lithium is impregnated with expanded graphite, comprising 5 wt% of a second (ketjen black) and a binder of water-based polyacrylate at a composition ratio of 8 wt%. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 리튬 소스로 수산화리튬을 중량비로 3, 5, 10 및 20퍼센트 진공 중에서 팽창흑연에 침지한 후 사용하는 리튬이온 커패시터용 팽창흑연 음극재.The expanded graphite anode material for lithium ion capacitor according to claim 1, wherein lithium hydroxide is used after being immersed in expanded graphite in a weight ratio of 3, 5, 10, and 20 percent by vacuum as a lithium source. 제4항에 있어서, 리튬 소스로 수산화리튬 대신 산화리튬코발트를 이용하여 팽창흑연에 침지한 후 사용하는 리튬이온 커패시터용 팽창흑연 음극재.The expanded graphite negative electrode material for lithium ion capacitors according to claim 4, which is used after being immersed in expanded graphite using lithium cobalt oxide instead of lithium hydroxide as a lithium source. 제1항에 있어서, 팽창흑연을 이용하여 리튬이온커패시터를 제조함에 있어 바인더로 수계인 폴리아크릴레이트를 이용하여 제조한 리튬이온 커패시터용 팽창흑연 음극재.The expanded graphite negative electrode material for a lithium ion capacitor according to claim 1, wherein the expanded graphite negative electrode material is prepared by using polyacrylate which is water-based as a binder in manufacturing a lithium ion capacitor using expanded graphite. 제4항 또는 제5항에 있어서, 리튬 소스가 팽창흑연에 침지된 음극재와 수계 바인더를 이용하여 슬러리를 제조한 후 사용하는 리튬이온 커패시터용 팽창흑연 음극재.The expanded graphite negative electrode material for lithium ion capacitors according to claim 4 or 5, wherein the lithium source is used after preparing a slurry using an anode material and an aqueous binder immersed in expanded graphite. 제7항에 있어서, 슬러리를 집전체 Cu 박판에 코팅하거나 시트화 한 후 사용하는 리튬이온 커패시터용 팽창흑연 음극재.The expanded graphite negative electrode material of claim 7, wherein the slurry is used after coating or sheeting the slurry on a current collector Cu sheet.
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