KR102172605B1 - 슈퍼커패시터의 전해액, 이를 이용한 고전압 슈퍼커패시터 및 그 제조방법 - Google Patents

슈퍼커패시터의 전해액, 이를 이용한 고전압 슈퍼커패시터 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 비수계 전해액과, 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 이온성 액체 1∼25중량부를 포함하며, 상기 비수계 전해액은 유기용매와, TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전해질 염을 포함하는 슈퍼커패시터의 전해액, 이를 이용한 고전압 슈퍼커패시터 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 비수계 전해액과 이온성 액체를 포함하는 전해액을 사용함으로써 높은 비축전용량을 갖는 슈퍼커패시터를 제조할 수 있다.

Description

슈퍼커패시터의 전해액, 이를 이용한 고전압 슈퍼커패시터 및 그 제조방법{Electrolyte of supercapacitor, high voltage supercapacitor and manufacturing method of the high voltage supercapacitor using the electrolyte}
본 발명은 전해액, 이를 이용한 슈퍼커패시터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비수계 전해액과 이온성 액체를 포함하는 전해액을 사용함으로써 높은 비축전용량을 갖는 슈퍼커패시터를 제조할 수 있는 슈퍼커패시터의 전해액, 이를 이용한 고전압 슈퍼커패시터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
차세대 에너지 저장장치들 중 슈퍼커패시터는 빠른 충·방전 속도, 높은 안정성, 그리고 친환경적 특성으로 인해, 차세대 에너지 저장장치로 각광받고 있다. 일반적인 슈퍼커패시터는 다공성 전극, 집전체, 분리막, 그리고 전해액 등으로 구성된다.
슈퍼커패시터는 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC), 울트라커패시터(Ultra-capacitor) 라고도 일컬어지며, 이는 전극 및 도전체와, 그것에 함침된 전해액의 계면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기이중층)이 생성된 것을 이용하는 것으로, 충전/방전 동작의 반복으로 인한 열화가 매우 작아 보수가 필요없는 소자이다. 이에 따라 슈퍼커패시터는 각종 전기ㆍ전자기기의 IC(integrated circuit) 백업을 하는 형태로 주로 사용되고 있으며, 최근에는 그 용도가 확대되어 장난감, 태양열 에너지 저장, HEV(hybrid electric vehicle) 전원 등에까지 폭넓게 응용되고 있다.
이와 같은 슈퍼커패시터는 일반적으로 전해액이 함침된 양극 및 음극의 두 전극과, 이러한 두 전극 사이에 개재되어 이온(ion) 전도만 가능케 하고 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)과, 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓(gasket), 그리고 이들을 포장하는 도전체로서의 금속 캡으로 구성된 단위셀을 갖는다. 그리고 위와 같이 구성된 단위셀 1개 이상(통상, 코인형의 경우 2∼6개)을 직렬로 적층하고 양극과 음극의 두 단자(terminal)를 조합하여 완성된다.
슈퍼커패시터의 성능은 전극활물질, 전해액 등에 의하여 결정되며, 특히 축전용량 등 주요성능은 전극활물질에 의하여 대부분 결정된다. 이러한 전극활물질로는 활성탄이 주로 사용되고 있으며, 상용제품의 전극 기준으로 비축전용량은 최고 19.3 F/cc 정도로 알려져 있다. 일반적으로 슈퍼커패시터의 전극활물질로 사용되는 활성탄은 1500㎡/g 이상의 고비표면적 활성탄이 사용되고 있다.
그러나, 슈퍼커패시터의 응용 분야의 확대에 따라 보다 높은 비축전용량이 요구되고 있어 보다 높은 축전용량을 발현하는 고전압 슈퍼커패시터의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1785576호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 비수계 전해액과 이온성 액체를 포함하는 전해액을 사용함으로써 높은 비축전용량을 갖는 슈퍼커패시터를 제조할 수 있는 슈퍼커패시터의 전해액, 이를 이용한 고전압 슈퍼커패시터 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명은, 비수계 전해액과, 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 이온성 액체 1∼25중량부를 포함하며, 상기 비수계 전해액은 유기용매와, TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전해질 염을 포함하고, 상기 이온성 액체는 EMITf2N(1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), BMITf2N(1-Butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), OMIMBF4(1-Methyl-3-octylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMTf2N(1-Methyl-3-octylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), MEMPBF4(N-(2-Methoxyethyl)-N-methylpyrrolidinium tetraflioroborate) 및 DEMEBF4(N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium tetraflioroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터의 전해액을 제공한다.
상기 유기용매는 아세토니트릴(acetonitrile), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란, 부티로락톤 및 디메틸포름아미드으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 초산에틸 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 술포란 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 비닐에틸렌설파이트(Vinyl ethylene sulfite) 및 비닐아세테이트(Vinyl acetate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 비닐기를 포함하는 유기화합물 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 트리페닐포스프라닐리덴아닐린(N-(triphenylphosphranylidene)aniline) 및 트리펜타플루오로페닐포스핀(Tris(pentafluorophenyl)phosphine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 포스핀(phosphine) 유도체를 포함하는 유기화합물 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 트리메틸포스파이트(Trimethylphosphite) 및 에틸렌에틸포스파이트(Ethylene ethyl phosphite)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 포스파이트(phosphite) 유도체를 포함하는 유기화합물 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 양극과 음극이 서로 이격되게 배치되어 있고, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막이 배치되며, 상기 양극 및 상기 음극은 슈퍼커패시터의 전해액에 함침되어 있고, 상기 슈퍼커패시터의 전해액은, 비수계 전해액과, 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 이온성 액체 1∼25중량부를 포함하며, 상기 비수계 전해액은 유기용매와, TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전해질 염을 포함하고, 상기 이온성 액체는 EMITf2N(1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), BMITf2N(1-Butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), OMIMBF4(1-Methyl-3-octylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMTf2N(1-Methyl-3-octylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), MEMPBF4(N-(2-Methoxyethyl)-N-methylpyrrolidinium tetraflioroborate) 및 DEMEBF4(N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium tetraflioroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터를 제공한다.
상기 유기용매는 아세토니트릴(acetonitrile), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란, 부티로락톤 및 디메틸포름아미드으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 초산에틸 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 술포란 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 비닐에틸렌설파이트(Vinyl ethylene sulfite) 및 비닐아세테이트(Vinyl acetate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 비닐기를 포함하는 유기화합물 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 트리페닐포스프라닐리덴아닐린(N-(triphenylphosphranylidene)aniline) 및 트리펜타플루오로페닐포스핀(Tris(pentafluorophenyl)phosphine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 포스핀(phosphine) 유도체를 포함하는 유기화합물 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 트리메틸포스파이트(Trimethylphosphite) 및 에틸렌에틸포스파이트(Ethylene ethyl phosphite)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 포스파이트(phosphite) 유도체를 포함하는 유기화합물 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은, 전극활물질, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계와, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계와, 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성하는 단계 및 상기 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 양극 및 상기 음극을 상기 슈퍼커패시터의 전해액에 함침시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 비수계 전해액과 이온성 액체를 포함하는 전해액을 사용함으로써 높은 비축전용량을 갖는 슈퍼커패시터를 제조할 수 있다.
본 발명에서 사용한 이온성 액체는 비수계 전해액 (1M TEABF4 / ACN)에 비해 넓은 전압창을 가지며, 화학적, 열역학적으로 안정적이나 점도가 높아 이온전도도가 낮은 특성을 가지고 있어 점도가 낮은 비수계 전해액과 혼합할 시 점도를 감소시켜 이온전도도는 증가시키고, 화학적 열역학적으로 안정하여 3.0 V 내지 3.5 V의 고전압에서 장시간 동안 안정적으로 작동할 수 있다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 슈퍼커패시터의 전해액을 사용한 슈퍼커패시터는 고전압에서의 신뢰성이 높고 높은 에너지밀도를 갖는다.
도 1은 일 예에 따른 코인형 슈퍼커패시터의 단면도를 보인 것이다.
도 1 내지 도 5는 일 예에 따른 권취형 슈퍼커패시터를 보여주는 도면이다.
도 6은 비교예에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 전압 별 CV 측정 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 실시예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 전압 별 CV 측정 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 실시예 2에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 전압 별 CV 측정 결과를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
발명의 상세한 설명 또는 청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 슈퍼커패시터의 전해액은, 비수계 전해액과, 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 이온성 액체 1∼25중량부를 포함하며, 상기 비수계 전해액은 유기용매와, TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전해질 염을 포함하고, 상기 이온성 액체는 EMITf2N(1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), BMITf2N(1-Butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), OMIMBF4(1-Methyl-3-octylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMTf2N(1-Methyl-3-octylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), MEMPBF4(N-(2-Methoxyethyl)-N-methylpyrrolidinium tetraflioroborate) 및 DEMEBF4(N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium tetraflioroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함한다.
상기 유기용매는 아세토니트릴(acetonitrile), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란, 부티로락톤 및 디메틸포름아미드으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 초산에틸 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 술포란 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 비닐에틸렌설파이트(Vinyl ethylene sulfite) 및 비닐아세테이트(Vinyl acetate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 비닐기를 포함하는 유기화합물 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 트리페닐포스프라닐리덴아닐린(N-(triphenylphosphranylidene)aniline) 및 트리펜타플루오로페닐포스핀(Tris(pentafluorophenyl)phosphine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 포스핀(phosphine) 유도체를 포함하는 유기화합물 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 트리메틸포스파이트(Trimethylphosphite) 및 에틸렌에틸포스파이트(Ethylene ethyl phosphite)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 포스파이트(phosphite) 유도체를 포함하는 유기화합물 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 슈퍼커패시터는, 양극과 음극이 서로 이격되게 배치되어 있고, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막이 배치되며, 상기 양극 및 상기 음극은 슈퍼커패시터의 전해액에 함침되어 있고, 상기 슈퍼커패시터의 전해액은, 비수계 전해액과, 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 이온성 액체 1∼25중량부를 포함하며, 상기 비수계 전해액은 유기용매와, TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전해질 염을 포함하고, 상기 이온성 액체는 EMITf2N(1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), BMITf2N(1-Butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), OMIMBF4(1-Methyl-3-octylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMTf2N(1-Methyl-3-octylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), MEMPBF4(N-(2-Methoxyethyl)-N-methylpyrrolidinium tetraflioroborate) 및 DEMEBF4(N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium tetraflioroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함한다.
상기 유기용매는 아세토니트릴(acetonitrile), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란, 부티로락톤 및 디메틸포름아미드으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 초산에틸 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 술포란 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 비닐에틸렌설파이트(Vinyl ethylene sulfite) 및 비닐아세테이트(Vinyl acetate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 비닐기를 포함하는 유기화합물 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 트리페닐포스프라닐리덴아닐린(N-(triphenylphosphranylidene)aniline) 및 트리펜타플루오로페닐포스핀(Tris(pentafluorophenyl)phosphine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 포스핀(phosphine) 유도체를 포함하는 유기화합물 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 트리메틸포스파이트(Trimethylphosphite) 및 에틸렌에틸포스파이트(Ethylene ethyl phosphite)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 포스파이트(phosphite) 유도체를 포함하는 유기화합물 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 슈퍼커패시터의 제조방법은, 전극활물질, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계와, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계와, 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성하는 단계 및 상기 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 양극 및 상기 음극을 상기 슈퍼커패시터의 전해액에 함침시키는 단계를 포함한다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 슈퍼커패시터의 전해액을 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 슈퍼커패시터의 전해액은, 비수계 전해액과, 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 이온성 액체 1∼25중량부를 포함한다.
상기 비수계 전해액은 유기용매와, TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전해질 염을 포함한다.
상기 유기용매는 아세토니트릴(acetonitrile), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란, 부티로락톤 및 디메틸포름아미드으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 고전압에서의 안정성을 확보하기 위하여 전위창이 큰 물질인 이온성 액체를 포함한다. 상기 이온성 액체는 EMITf2N(1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), BMITf2N(1-Butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), OMIMBF4(1-Methyl-3-octylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMTf2N(1-Methyl-3-octylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), MEMPBF4(N-(2-Methoxyethyl)-N-methylpyrrolidinium tetraflioroborate) 및 DEMEBF4(N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium tetraflioroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함한다.
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MEMPBF4(N-(2-Methoxyethyl)-N-methylpyrrolidinium tetraflioroborate)의 구조를 아래의 구조식 2에 나타내었다.
[구조식 2]
Figure 112018105375486-pat00002
상술한 이온성 액체는 전해질 염과 유기용매에 비해 넓은 전위창을 가지고 있으며, 화학적/열역학적으로 안정한 특징을 가지고 있다. 전위창을 확장시켜주는 이온성 액체를 포함함으로써 고전압에서 작동할 경우에 발생하는 전해액의 분해를 감소시킬 수 있다. 하지만, 이온성 액체는 고가의 물질이며 높은 점도를 가지고 있어 전극으로의 함침이 어려운 단점을 가지고 있다. 이러한 이온성 액체의 단점을 보완하는 방법으로 유기용매와 전해질 염과 함께 이온성 액체를 혼합하고 점도를 낮춰주어 함침성을 높이는 것이 바람직하다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 초산에틸 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 술포란 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 비닐에틸렌설파이트(Vinyl ethylene sulfite) 및 비닐아세테이트(Vinyl acetate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 비닐기를 포함하는 유기화합물 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다. 비닐기를 포함하는 유기화합물을 사용함으로써 전도성을 높이고 전위창을 넓혀, 고전압에서도 안정적인 구동이 가능한 슈퍼커패시터를 제조할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 트리페닐포스프라닐리덴아닐린(N-(triphenylphosphranylidene)aniline) 및 트리펜타플루오로페닐포스핀(Tris(pentafluorophenyl)phosphine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 포스핀(phosphine) 유도체를 포함하는 유기화합물 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다. 이온성 액체의 낮은 전도성을 보완하는 방법으로 포스핀(phosphine) 유도체를 포함하는 유기화합물을 사용함으로써 전도성을 높이고 전위창을 넓혀, 고전압에서도 안정적인 구동이 가능한 슈퍼커패시터를 제조할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 트리메틸포스파이트(Trimethylphosphite) 및 에틸렌에틸포스파이트(Ethylene ethyl phosphite)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 포스파이트(phosphite) 유도체를 포함하는 유기화합물 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다. 포스파이트 유도체를 포함하는 유기화합물을 사용함으로써 전도성을 높이고 전위창을 넓혀, 고전압에서도 안정적인 구동이 가능한 슈퍼커패시터를 제조할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 슈퍼커패시터의 전해액을 이용한 고전압 슈퍼커패시터 및 그 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
전극활물질, 도전재, 바인더, 및 분산매를 포함하는 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조한다. 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물은 상기 전극활물질, 상기 전극활물질 100중량부에 대하여 도전재 2∼20중량부, 상기 전극활물질 100중량부에 대하여 바인더 2∼20중량부, 상기 전극활물질 100중량부에 대하여 분산매 200∼300중량부를 포함할 수 있다. 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물은 반죽 상이므로 균일한 혼합(완전 분산)이 어려울 수 있는데, 플래니터리 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기(mixer)를 사용하여 소정 시간(예컨대, 10분∼12시간) 동안 교반시키면 전극 제조에 적합한 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 얻을 수 있다. 플래니터리 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기는 균일하게 혼합된 슈퍼커패시터 전극용 조성물의 제조를 가능케 한다.
상기 전극활물질은 다공성의 활성탄 등을 사용할 수 있다.
상기 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene), 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF; polyvinylidenefloride), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC; carboxymethylcellulose), 폴리비닐알코올(PVA; poly vinyl alcohol), 폴리비닐부티랄(PVB; poly vinyl butyral), 폴리비닐피롤리돈(PVP; poly-N-vinylpyrrolidone), 스티렌부타디엔고무(SBR; styrene butadiene rubber), 폴리아마이드-이미드(Polyamide-imide), 폴리이미드(polyimide) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 도전재는 화학 변화를 야기하지 않는 전자 전도성 재료이면 특별히 제한되지 않으며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 슈퍼-피(Super-P) 블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등이 가능하다.
상기 분산매는 에탄올(EtOH), 아세톤, 이소프로필알콜, N-메틸피롤리돈(NMP), 프로필렌글리콜(PG) 등의 유기 용매 또는 물을 사용할 수 있다.
전극활물질, 바인더, 도전재 및 분산매를 혼합한 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하고, 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 전극을 형성한다.
전극을 형성하는 단계의 예를 보다 구체적으로 설명하면, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤프레스 성형기를 이용하여 압착하여 성형할 수 있다. 롤프레스 성형기는 압연을 통한 전극밀도 향상 및 전극의 두께 제어를 목적으로 하고 있으며, 상단과 하단의 롤과 롤의 두께 및 가열 온도를 제어할 수 있는 컨트롤러와, 전극을 풀어주고 감아줄 수 있는 와인딩부로 구성된다. 롤상태의 전극이 롤프레스를 지나면서 압연공정이 진행되고 이것이 다시 롤상태로 감겨서 전극이 완성된다. 이때, 프레스의 가압 압력은 5∼20 ton/㎠로 롤의 온도는 0∼150℃로 하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 프레스 압착 공정을 거친 슈퍼커패시터 전극용 조성물은 건조 공정을 거친다. 건조 공정은 100℃∼350℃, 바람직하게는 150℃∼300℃의 온도에서 수행된다. 이때, 건조 온도가 100℃ 미만인 경우 분산매의 증발이 어려워 바람직하지 않으며, 350℃를 초과하는 고온 건조 시에는 도전재의 산화가 일어날 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서 건조 온도는 적어도 100℃ 이상이고, 350℃를 넘지 않는 것이 바람직하다. 그리고 건조 공정은 위와 같은 온도에서 약 10분∼6시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 성형된 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 슈퍼커패시터 전극의 강도를 향상시킨다.
또한, 전극을 형성하는 다른 예를 살펴보면, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 티타늄 호일(Ti foil), 알루미늄 호일(Al foil), 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil)과 같은 금속 호일(metal foil)에 코팅하거나, 상기 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일 또는 금속 집전체에 붙여서 전극 형상으로 제조할 수도 있다. 상기 알루미늄 에칭 호일이라 함은 알루미늄 호일을 요철 모양으로 에칭한 것을 의미한다. 상기와 같은 공정을 거친 전극 형상에 대하여 건조 공정을 거친다. 100℃∼250℃, 바람직하게는 150℃∼200℃의 온도에서 수행된다.
상기와 같이 제조된 슈퍼커패시터 전극은 고용량으로서 소형의 코인형 슈퍼커패시터에 유용하게 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 슈퍼커패시터의 사용 상태도로서, 상기 슈퍼커패시터 전극이 적용된 코인형 슈퍼커패시터의 단면도를 보인 것이다. 도 1에서 도면부호 190은 도전체로서의 금속캡이고, 도면부호 160은 양극(120)과 음극(110) 간의 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)이며, 도면부호 192는 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓이다. 이때, 상기 양극(120)과 음극(110)은 금속캡(190)과 접착제에 의해 견고하게 고정된다.
상기 코인형 슈퍼커패시터는, 상술한 슈퍼커패시터 전극으로 이루어진 양극(120)과, 상술한 슈퍼커패시터 전극으로 이루어진 음극(110)과, 양극(120)과 음극(110) 사이에 배치되고 양극(120)과 음극(120)의 단락을 방지하기 위한 분리막(seperator)(160)을 금속캡(190) 내에 배치하고, 양극(120)와 음극(110) 사이에 상술한 슈퍼커패시터의 전해액을 주입한 후, 가스켓(192)으로 밀봉하여 제조할 수 있다.
상기 분리막은 폴리에틸렌 부직포, 폴리프로필렌 부직포, 폴리에스테르 부직포, 폴리아크릴로니트릴 다공성 격리막, 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 헥사플루오로프로판 공중합체 다공성 격리막, 셀룰로스 다공성 격리막, 크라프트지 또는 레이온 섬유 등 전지 및 커패시터 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 다른 예에 따른 슈퍼커패시터를 보여주는 도면으로서, 도 2 내지 도 5를 참조하여 슈퍼커패시터를 제조하는 방법을 구체적으로 설명한다.
전극활물질, 바인더, 도전재 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 방법은 앞서 설명한 방법과 동일하다.
상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 알루미늄 호일(Al foil), 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil)과 같은 금속 호일(metal foil)에 코팅하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 양극 및 음극 형상으로 제조한다.
상기와 같은 공정을 거친 양극 및 음극 형상에 대하여 건조 공정을 거친다. 건조 공정은 100℃∼350℃, 바람직하게는 150℃∼300℃의 온도에서 수행된다. 이때, 건조 온도가 100℃ 미만인 경우 분산매의 증발이 어려워 바람직하지 않으며, 350℃를 초과하는 고온 건조 시에는 도전재의 산화가 일어날 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서 건조 온도는 적어도 100℃ 이상이고, 350℃를 넘지 않는 것이 바람직하다. 그리고 건조 공정은 위와 같은 온도에서 약 10분∼6시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 슈퍼커패시터 전극의 강도를 향상시킨다.
도 2에 도시된 바와 같이, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하거나 시트 상태로 만들어 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 제조한 양극(120) 및 음극(110)에 각각 리드선(130, 140)을 부착한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 분리막(150), 양극(120), 제2 분리막(160) 및 음극(110)을 적층하고, 코일링(coling)하여 롤(roll) 형태의 권취소자(175)로 제작한 후, 롤(roll) 주위로 접착 테이프(170) 등으로 감아 롤 형태가 유지될 수 있게 한다.
상기 양극(120)과 음극(110) 사이에 구비된 제2 분리막(160)은 양극(120)과 음극(110)의 단락을 방지하는 역할을 한다. 제1 및 제2 분리막(150,160)은 폴리에틸렌 부직포, 폴리프로필렌 부직포, 폴리에스테르 부직포, 폴리아크릴로니트릴 다공성 격리막, 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 헥사플루오로프로판 공중합체 다공성 격리막, 셀룰로스 다공성 격리막, 크라프트지 또는 레이온 섬유 등 전지 및 커패시터 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.
도 4에 도시된 바와 같이, 롤(roll) 형태의 결과물에 실링 고무(sealing rubber)(180)를 장착하고, 금속캡(예컨대, 알루미늄 케이스(Al Case))(190)에 삽착시킨다.
롤 형태의 권취소자(175)(양극(120)과 음극(110))가 함침되게 상술한 슈퍼커 패시터의 전해액을 주입하고, 밀봉한다.
이와 같이 제작된 슈퍼커패시터를 도 5에 개략적으로 나타내었다.
상술한 바와 같이 제조된 슈퍼커패시터는, 양극과 음극이 서로 이격되게 배치되어 있고, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막이 배치되며, 상기 양극 및 상기 음극은 슈퍼커패시터의 전해액에 함침되어 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은, 비수계 전해액과, 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 이온성 액체 1∼25중량부를 포함하며, 상기 비수계 전해액은 유기용매와, TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전해질 염을 포함한다.
상기 유기용매는 아세토니트릴(acetonitrile), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란, 부티로락톤 및 디메틸포름아미드으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 이온성 액체는 EMITf2N(1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), BMITf2N(1-Butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), OMIMBF4(1-Methyl-3-octylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMTf2N(1-Methyl-3-octylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), MEMPBF4(N-(2-Methoxyethyl)-N-methylpyrrolidinium tetraflioroborate) 및 DEMEBF4(N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium tetraflioroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함한다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 초산에틸 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 술포란 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 비닐에틸렌설파이트(Vinyl ethylene sulfite) 및 비닐아세테이트(Vinyl acetate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 비닐기를 포함하는 유기화합물 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 트리페닐포스프라닐리덴아닐린(N-(triphenylphosphranylidene)aniline) 및 트리펜타플루오로페닐포스핀(Tris(pentafluorophenyl)phosphine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 포스핀(phosphine) 유도체를 포함하는 유기화합물 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 트리메틸포스파이트(Trimethylphosphite) 및 에틸렌에틸포스파이트(Ethylene ethyl phosphite)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 포스파이트(phosphite) 유도체를 포함하는 유기화합물 0.01∼15중량부를 더 포함할 수 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 실험예를 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
비수계 전해액(1M TEABF4/ACN) 8g과 이온성 액체인 EMITf2N(1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide) 2g을 100㎖ 비이커에 넣고 상온에서 300rpm으로 30분 동안 교반하여 슈퍼커패시터의 전해액을 제조하였다. 상기 비수계 전해액(1M TEABF4/ACN)은 ACN(acetonitrile)에 1M의 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate) 염이 용해된 전해액이다.
전기화학 분석을 위해서 상용 활성탄 YP50F를 전극활물질로 사용하여 슈퍼커패시터용 전극으로 제조하였다. 슈퍼커패시터용 전극 제조시 전극활물질 0.9g, 도전재인 카본블랙 슈퍼-P(super-p) 0.05g, 바인더인 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene; PTFE) 0.05g을 분산매인 에탄올에 넣고, 플래니터리 믹서(planetary mixer)로 3분 동안 혼합하여 슬러리로 제조한 뒤, 손반죽 10회 진행하고, 롤프레스로 압연 공정을 실시하였다. 이때, 프레스의 가압 압력은 10 ton/㎠, 롤의 온도는 60℃로 하였다. 롤프레스 압연 공정을 수행한 후의 전극 두께는 150㎛ 정도로 하였다. 압연된 결과물을 150℃의 진공건조대에 넣고 12시간 동안 건조하여 슈퍼커패시터용 전극을 제조하였다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액 120㎕와, 상기 슈퍼커패시터용 전극을 사용하여 코인 타입(coin type)(2032)으로 풀셀(full cell) 조립하여 슈퍼커패시터를 제조하였다. 이때 분리막은 NKK사의 TF4035를 사용하였다.
이렇게 제조된 고전압 슈퍼커패시터의 저항 및 전압 별 테스트를 위하여 임피던스(impedance), 순환전류전압(cyclic voltammetry) 등을 측정하였다. 테스트 실험 조건은 25℃에서 주파수 100 kHz ~ 100 MHz 에서 임피던스를 측정하였고, 또한 25℃에서 주사속도 2 mV/s로 2.7 ~ 3.7 V까지 전압 별로 CV 테스트를 하였다.
<실시예 2>
비수계 전해액(1M TEABF4/ACN) 8g, 초산에틸 0.5 g, 술포란 0.5 g, 이온성 액체인 EMITf2N(1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide) 1g을 100㎖ 비이커에 넣고 상온에서 300rpm으로 30분 동안 교반하여 슈퍼커패시터의 전해액을 제조하였다. 상기 비수계 전해액(1M TEABF4/ACN)은 ACN(acetonitrile)에 1M의 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate) 염이 용해된 전해액이다.
전기화학 분석을 위해서 상용 활성탄 YP50F를 전극활물질로 사용하여 슈퍼커패시터용 전극으로 제조하였다. 슈퍼커패시터용 전극 제조시 전극활물질 0.9g, 도전재인 카본블랙 슈퍼-P(super-p) 0.05g, 바인더인 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene; PTFE) 0.05g을 분산매인 에탄올에 넣고, 플래니터리 믹서(planetary mixer)로 3분 동안 혼합하여 슬러리로 제조한 뒤, 손반죽 10회 진행하고, 롤프레스로 압연 공정을 실시하였다. 이때, 프레스의 가압 압력은 10 ton/㎠, 롤의 온도는 60℃로 하였다. 롤프레스 압연 공정을 수행한 후의 전극 두께는 150㎛ 정도로 하였다. 압연된 결과물을 150℃의 진공건조대에 넣고 12시간 동안 건조하여 슈퍼커패시터용 전극을 제조하였다.
상기 슈퍼커패시터의 전해액 120㎕와, 상기 슈퍼커패시터용 전극을 사용하여 코인 타입(coin type)(2032)으로 풀셀(full cell) 조립하여 슈퍼커패시터를 제조하였다. 이때 분리막은 NKK사의 TF4035를 사용하였다.
이렇게 제조된 고전압 슈퍼커패시터의 저항 및 전압 별 테스트를 위하여 임피던스(impedance), 순환전류전압(cyclic voltammetry) 등을 측정하였다. 테스트 실험 조건은 25℃에서 주파수 100 kHz ~ 100 MHz 에서 임피던스를 측정하였고, 또한 25℃에서 주사속도 2 mV/s로 2.7 ~ 3.7 V까지 전압 별로 CV 테스트를 하였다.
<비교예>
전기화학 분석을 위해서 상용 활성탄 YP50F를 전극활물질로 사용하여 슈퍼커패시터용 전극으로 제조하였다. 슈퍼커패시터용 전극 제조시 전극활물질 0.9g, 도전재인 카본블랙 슈퍼-P(super-p) 0.05g, 바인더인 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene; PTFE) 0.05g을 분산매인 에탄올에 넣고, 플래니터리 믹서(planetary mixer)로 3분 동안 혼합하여 슬러리로 제조한 뒤, 손반죽 10회 진행하고, 롤프레스로 압연 공정을 실시하였다. 이때, 프레스의 가압 압력은 10 ton/㎠, 롤의 온도는 60℃로 하였다. 롤프레스 압연 공정을 수행한 후의 전극 두께는 150㎛ 정도로 하였다. 압연된 결과물을 150℃의 진공건조대에 넣고 12시간 동안 건조하여 슈퍼커패시터용 전극을 제조하였다.
상기 슈퍼커패시터용 전극을 사용하여 코인 타입(coin type)(2032)으로 풀셀(full cell) 조립하여 슈퍼커패시터를 제조하였다. 이때, 분리막은 NKK사의 TF4035를 사용하였고, 전해액은 비수계 전해액인 1M TEABF4 / ACN을 사용하였고, 상기 전해액은 120 ㎕를 사용하였다.
이렇게 제조된 슈퍼커패시터의 저항 및 전압 별 테스트를 위하여 임피던스(impedance), 순환전류전압(cyclic voltammetry) 등을 측정하였다. 테스트 실험 조건은 25℃에서 주파수 100 kHz ~ 100 MHz 에서 임피던스를 측정하였고, 또한 25℃에서 주사속도 2 mV/s로 2.7 ~ 3.7 V까지 전압 별로 CV 테스트를 하였다.
이온 전도도 측정기를 이용하여 비교예에서 사용한 전해액, 실시예 1 및 실시예 2에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 전해액에 대하여 이온전도도를 측정하여 아래의 표 1에 나타내었다.
구분 이온전도도 (mS/cm)
비교예: 1M TEABF4 / ACN (비교예) 46.93
실시예 1: 1M TEABF4 / ACN + EMIMTf2 45.27
실시예 2: 1M TEABF4 / ACN + EMIMTf2N +초산에틸 + 술포란 47.65
비교예, 실시예 1 및 실시예 2에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 저항과 비축전용량을 측정하여 아래의 표 2에 나타내었다.
구분 셀 저항 (Ω) 비축전용량 (F/cc)
비교예 16.3 14.7
실시예 1 14.5 15.4
실시예 2 10.5 16.5
도 6은 비교예에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 전압 별 CV 측정 결과를 나타낸 도면이고, 도 7은 실시예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 전압 별 CV 측정 결과를 나타낸 도면이며, 도 8은 실시예 2에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 전압 별 CV 측정 결과를 나타낸 도면이다.
표 1, 도 6 내지 도 8을 참조하면, 비교예에 따라 제조된 슈퍼커패시터에 비하여 실시예 1 및 실시예 2에 따라 제조된 슈퍼커패시터가 비축전용량이 우수한 것으로 나타났다. 특히, 실시예 2에 따라 제조된 슈퍼커패시터는 실시예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터에 비하여 비축전용량이 더 우수한 것으로 나타났다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
110: 음극 120: 양극
130: 제1 리드선 140: 제2 리드선
150: 제1 분리막 160: 제2 분리막
170: 접착 테이프 175: 권취소자
180: 실링 고무 190: 금속캡
192: 가스켓

Claims (15)

  1. 비수계 전해액; 및
    상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 이온성 액체 1∼25중량부를 포함하며,
    상기 비수계 전해액은 유기용매; 및
    TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전해질 염을 포함하고,
    상기 이온성 액체는 EMITf2N(1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), BMITf2N(1-Butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), OMIMBF4(1-Methyl-3-octylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMTf2N(1-Methyl-3-octylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), MEMPBF4(N-(2-Methoxyethyl)-N-methylpyrrolidinium tetraflioroborate) 및 DEMEBF4(N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium tetraflioroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터의 전해액.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유기용매는 아세토니트릴(acetonitrile), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란, 부티로락톤 및 디메틸포름아미드으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터의 전해액.
  3. 제1항에 있어서, 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 초산에틸 0.01∼15중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터의 전해액.
  4. 제1항에 있어서, 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 술포란 0.01∼15중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터의 전해액.
  5. 제1항에 있어서, 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 비닐에틸렌설파이트(Vinyl ethylene sulfite) 및 비닐아세테이트(Vinyl acetate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 비닐기를 포함하는 유기화합물 0.01∼15중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터의 전해액.
  6. 제1항에 있어서, 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 트리페닐포스프라닐리덴아닐린(N-(triphenylphosphranylidene)aniline) 및 트리펜타플루오로페닐포스핀(Tris(pentafluorophenyl)phosphine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 포스핀(phosphine) 유도체를 포함하는 유기화합물 0.01∼15중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터의 전해액.
  7. 제1항에 있어서, 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 트리메틸포스파이트(Trimethylphosphite) 및 에틸렌에틸포스파이트(Ethylene ethyl phosphite)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 포스파이트(phosphite) 유도체를 포함하는 유기화합물 0.01∼15중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터의 전해액.
  8. 양극과 음극이 서로 이격되게 배치되어 있고,
    상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막이 배치되며,
    상기 양극 및 상기 음극은 슈퍼커패시터의 전해액에 함침되어 있고,
    상기 슈퍼커패시터의 전해액은,
    비수계 전해액; 및
    상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 이온성 액체 1∼25중량부를 포함하며,
    상기 비수계 전해액은 유기용매; 및
    TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전해질 염을 포함하고,
    상기 이온성 액체는 EMITf2N(1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), BMITf2N(1-Butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), OMIMBF4(1-Methyl-3-octylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMTf2N(1-Methyl-3-octylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), MEMPBF4(N-(2-Methoxyethyl)-N-methylpyrrolidinium tetraflioroborate) 및 DEMEBF4(N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium tetraflioroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
  9. 제8항에 있어서, 상기 유기용매는 아세토니트릴(acetonitrile), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란, 부티로락톤 및 디메틸포름아미드으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
  10. 제8항에 있어서, 상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 초산에틸 0.01∼15중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
  11. 제8항에 있어서, 상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 술포란 0.01∼15중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
  12. 제8항에 있어서, 상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 비닐에틸렌설파이트(Vinyl ethylene sulfite) 및 비닐아세테이트(Vinyl acetate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 비닐기를 포함하는 유기화합물 0.01∼15중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
  13. 제8항에 있어서, 상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 트리페닐포스프라닐리덴아닐린(N-(triphenylphosphranylidene)aniline) 및 트리펜타플루오로페닐포스핀(Tris(pentafluorophenyl)phosphine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 포스핀(phosphine) 유도체를 포함하는 유기화합물 0.01∼15중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
  14. 제8항에 있어서, 상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100중량부에 대하여 트리메틸포스파이트(Trimethylphosphite) 및 에틸렌에틸포스파이트(Ethylene ethyl phosphite)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 포스파이트(phosphite) 유도체를 포함하는 유기화합물 0.01∼15중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
  15. 전극활물질, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계;
    상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계;
    전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 양극 및 상기 음극을 제1항에 기재된 전해액에 함침시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터의 제조방법.
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