KR102269341B1 - 고 기공 탄소 소재를 이용한 고출력 전기 에너지 저장장치 - Google Patents
고 기공 탄소 소재를 이용한 고출력 전기 에너지 저장장치 Download PDFInfo
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Abstract
전극에 입자 크기 및 기공 분포가 다른 이종의 탄소 소재를 사용함으로써 전기 이중층 커패시터의 용량을 확보함과 더불어, 탄소 소재의 기공 분포를 조절함으로 내부 저항 특성을 향상시켜 출력 특성을 개선시킨 고 기공 탄소 소재를 이용한 고출력 전기 에너지 저장장치에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 고 기공 탄소 소재를 이용한 고출력 전기 에너지 저장장치는 외부 분리막, 양극 활물질을 포함하는 양극, 내부 분리막 및 음극 활물질을 포함하는 음극이 차례로 교대 배치되며, 내부에 함침된 전해액을 포함하는 에너지 저장 장치에 있어서, 상기 양극은 제1 두께를 갖고, 상기 음극은 상기 제1 두께와 상이한 제2 두께를 가지며, 상기 양극 및 음극 활물질 각각은 약품부활에 의해 제조되어, 기공 부피가 0.7 ~ 1.5cm3/g이고, 비표면적이 1,500 ~ 3,500m2/g인 고 기공 탄소 소재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고 기공 탄소 소재를 이용한 고출력 전기 에너지 저장장치는 외부 분리막, 양극 활물질을 포함하는 양극, 내부 분리막 및 음극 활물질을 포함하는 음극이 차례로 교대 배치되며, 내부에 함침된 전해액을 포함하는 에너지 저장 장치에 있어서, 상기 양극은 제1 두께를 갖고, 상기 음극은 상기 제1 두께와 상이한 제2 두께를 가지며, 상기 양극 및 음극 활물질 각각은 약품부활에 의해 제조되어, 기공 부피가 0.7 ~ 1.5cm3/g이고, 비표면적이 1,500 ~ 3,500m2/g인 고 기공 탄소 소재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 고 기공 탄소 소재를 이용한 고출력 전기 에너지 저장장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전극에 입자 크기 및 기공 분포가 다른 이종의 탄소 소재를 사용함으로써 전기 이중층 커패시터의 용량을 확보함과 더불어, 탄소 소재의 기공 분포 조절로 내부 저항 특성을 향상시켜 출력 특성을 개선시킨 고 기공 탄소 소재를 이용한 고출력 전기 에너지 저장장치에 관한 것이다.
전기 이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor: EDLC)는 전극과 전해액 계면에 형성되는 전기 이중층에서 전하를 띤 이온들이 물리적으로 흡착 및 탈착하여 전기 에너지를 발생시키는 에너지 저장 장치이다.
이러한 전기 이중층 커패시터는 사용 온도와 전압 범위가 넓고 충전 속도가 빠르며, 반 영구적인 수명 특성으로 추가적인 유지보수가 불필요하다.
이에 따라, 전기 이중층 커패시터는 각종 전기/전자 기기의 보조 전원 등의 일반적인 용도 이외에 군사용, 의료용, 전기자동차(HEV) 등의 대출력 펄스 파워의 주/보조 전원으로 사용되고 있다.
이러한 전기 이중층 커패시터는 탄소 소재, 도전재, 바인더로 구성된 양극, 음극과 이온을 포함한 전해액, 단락 방지 및 이온 이동이 가능한 분리막으로 구성된다. 양극과 음극의 전극 물질로 다공성 탄소 재료를 일반적으로 사용하며, 다공성 탄소 재료의 비용량과 출력 특성을 향상 시키는 방법에 대한 활발한 연구가 이루어지고 있다. 탄소 소재의 특성 향상에는 두 가지 방법이 있는데, 표면의 관능기 도입을 통한 전기화학적 특성 개선과 화학적 방법에 의해 기공 특성을 향상시켜 이온의 물리적 흡착 공간을 넓히는 방법이 있다.
이러한 탄소 소재의 물리적 흡착 공간을 넓힘으로써 전기 이중층 커패시터의 출력 특성은 향상될 수는 있으나, 부피당 용량이 감소하여 전기 이중층 커패시터의 저장 능력이 감소하는 문제점이 있었다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0112922호(2012.10.12. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 고용량, 고출력 전기이중층 커패시터용 다공성 탄소재료 및 그 제조방법이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 전극에 입자 크기 및 기공 분포가 다른 이종의 탄소 소재를 사용함으로써 전기 이중층 커패시터의 용량을 확보함과 더불어, 탄소 소재의 기공 분포 조절로 내부 저항 특성을 향상시켜 출력 특성을 개선시킨 고 기공 탄소 소재를 이용한 고출력 전기 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 고 기공 탄소 소재를 이용한 고출력 전기 에너지 저장장치는 외부 분리막, 양극 활물질을 포함하는 양극, 내부 분리막 및 음극 활물질을 포함하는 음극이 차례로 교대 배치되며, 내부에 함침된 전해액을 포함하는 에너지 저장 장치에 있어서, 상기 양극은 제1 두께를 갖고, 상기 음극은 상기 제1 두께와 상이한 제2 두께를 가지며, 상기 양극 및 음극 활물질 각각은 약품부활에 의해 제조되어, 기공 부피가 0.7 ~ 1.5cm3/g이고, 비표면적이 1,500 ~ 3,500m2/g인 고 기공 탄소 소재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 두께는 150 ~ 300㎛이고, 상기 제2 두께는 120 ~ 250㎛인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 고 기공 탄소 소재는 2nm 이하의 크기를 갖는 기공이 전체 기공의 85% 이상을 차지한다.
상기 고 기공 탄소 소재는 평균 입자 직경이 3 ~ 12㎛이고, Span 값 = [D (v, 0.9) - D (v, 0.1)] / D (v, 0.5)이 1.0 ~ 1.8을 만족한다.
아울러, 상기 고 기공 탄소 소재는 0.7 ~ 1.0cm3/g의 기공 부피 및 1,500 ~ 2,000m2/g의 비표면적을 갖는 활성탄 10 ~ 90 중량%와, 1.2 ~ 1.5cm3/g의 기공 부피 및 2,500 ~ 3,500m2/g의 비표면적을 갖는 활성탄 90 ~ 10 중량%로 혼합된 것이 이용된다.
상기 양극 및 음극 활물질 각각은 고 기공 탄소 소재 10 ~ 90 중량%, 도전재 1 ~ 10 중량% 및 바인더 1 ~ 10 중량%를 포함한다.
본 발명에 따른 고 기공 탄소 소재를 이용한 고출력 전기 에너지 저장장치는 기공 분포가 조절된 고 기공 탄소 소재를 사용하되, 입자 크기가 서로 다른 2종의 고 기공 탄소 소재를 혼합한 것을 양극 및 음극에 사용함으로써 전극의 밀도 및 비용량 특성을 향상시킬 수 있게 된다.
이 결과, 본 발명에 따른 고 기공 탄소 소재를 이용한 고출력 전기 에너지 저장장치는 고 기공 탄소 소재에 의한 용량 감소를 최소화할 수 있으며, 이온 이동 및 저항 등 계면 특성이 향상되어 전기이중층 커패시터의 출력 특성을 크게 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고 기공 탄소 소재를 이용한 고출력 전기 에너지 저장장치를 나타낸 모식도.
도 2는 도 1의 권취소자를 확대하여 나타낸 분해 사시도.
도 3은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 고 기공 탄소 소재의 질소 흡착 특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프.
도 4는 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1에 따른 전극 활물질의 입도 분포를 나타낸 그래프.
도 5는 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1에 따른 전기이중층 커패시터에 대한 용량변화율을 측정한 결과를 나타낸 그래프.
도 2는 도 1의 권취소자를 확대하여 나타낸 분해 사시도.
도 3은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 고 기공 탄소 소재의 질소 흡착 특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프.
도 4는 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1에 따른 전극 활물질의 입도 분포를 나타낸 그래프.
도 5는 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1에 따른 전기이중층 커패시터에 대한 용량변화율을 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 고 기공 탄소 소재를 이용한 고출력 전기 에너지 저장장치에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고 기공 탄소 소재를 이용한 고출력 전기 에너지 저장장치를 나타낸 모식도이고, 도 2는 도 1의 권취소자를 확대하여 나타낸 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고 기공 탄소 소재를 이용한 고출력 전기 에너지 저장장치(100)는 케이스(110), 권취 소자(120) 및 밀봉 고무(130)를 포함한다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 고 기공 탄소 소재를 이용한 고출력 전기 에너지 저장장치(100)는 음극 외부단자(142) 및 양극 외부단자(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 외부 분리막(126), 양극(124), 내부 분리막(128) 및 음극(122)을 갖는다. 이때, 권취 소자(120)는 외부 분리막(126), 양극(124), 내부 분리막(128) 및 음극(122)을 권취기로 와인딩(Winding)하여 롤(roll) 형태로 제작한 후, 롤 주위로 접착 테이프(미도시) 등을 부착하여 제조할 수 있다.
여기서, 한 쌍의 음극 외부단자(142) 및 양극 외부단자(144)가 각각 음극(122) 및 양극(124)에 연결된다. 음극 외부단자(142) 및 양극 외부단자(144)의 재질로는 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등의 전기전도성이 우수한 금속 또는 이들을 포함하는 합금 등의 재질이 이용될 수 있다.
이러한 음극 외부단자(142) 및 양극 외부단자(144)는 밀봉 고무(130)를 통해 외부까지 연결되어 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 외부단자(142) 및 양극 외부단자(144)에 끼움 결합 형태로 결합되어 케이스(110)를 밀봉하게 된다.
전술한 권취 소자(120)에서, 양극(124)은 양극 활물질을 포함하고, 음극(122)은 음극 활물질을 포함한다. 이때, 양극(124)은 음극(122) 100 중량부에 대하여, 110 ~ 150 중량부를 갖는 비대칭 전극 구조를 가질 수 있다.
이를 위해, 양극(124)은 제1 두께를 갖고, 음극(122)은 제1 두께와 상이한 제2 두께를 갖되, 제1 두께는 150 ~ 300㎛이고, 제2 두께는 120 ~ 250㎛인 것이 바람직하다.
이러한 양극(124) 및 음극(122) 각각은 활물질, 도전재 및 바인더를 용제와 함께 각각 혼합기에서 혼합하여 슬러리화한 후, 이 슬러리를 음극 및 양극 집전체에 콤마 코터(comma coater) 등을 이용한 코팅 방법에 의해 얇게 도포한 후, 대류 건조하여 용제를 증발시켜 양극 및 음극 집전체에 부착시키는 방식으로 형성될 수 있다.
여기서, 금속박으로 이루어진 음극 집전체 및 양극 집전체의 표면에는 필요에 따라 각각 도전성 접착제(미도시) 및 전도성 코팅층(미도시)이 더 형성되어 있을 수 있다. 음극 및 양극 집전체에 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.
아울러, 양극 및 음극 활물질 각각은 약품부활에 의해 제조되어, 기공 부피가 0.7 ~ 1.5cm3/g이고, 비표면적이 1,500 ~ 3,500m2/g인 고 기공 탄소 소재를 이용한다. 보다 구체적으로, 양극 및 음극 활물질 각각은 고 기공 탄소 소재 10 ~ 90 중량%, 도전재 1 ~ 10 중량% 및 바인더 1 ~ 10 중량%를 포함한다.
여기서, 고 기공 탄소 소재는 80wt% 이상의 탄소로 구성된 원료를 약품부활에 의해 제조되어, 양극 및 음극 활물질에 각각 첨가되어 저항 특성을 개선함으로써 출력을 향상시키게 된다.
이를 위해, 고 기공 탄소 소재는 2nm 이하의 크기를 갖는 기공이 전체 기공의 85% 이상을 차지하는 활성탄 분말이 이용되는 것이 바람직하다. 이때, 고 기공 탄소 소재는 평균 입자 직경이 3 ~ 12㎛이고, Span 값= [D (v, 0.9) - D (v, 0.1)] / D (v, 0.5)이 1.0 ~ 1.8을 만족하는 것을 이용하는 것이 보다 바람직하다. 여기서, Span 값은 탄소 소재의 입자 사이즈 및 분포 비교와 그래프의 폭이 입자의 분포 수준을 나타내며, 이를 수치화한 것이다.
이러한 고 기공 탄소 소재는 0.7 ~ 1.0cm3/g의 기공 부피 및 1,500 ~ 2,000m2/g의 비표면적을 갖는 활성탄 10 ~ 90 중량%와, 1.2 ~ 1.5cm3/g의 기공 부피 및 2,500 ~ 3,500m2/g의 비표면적을 갖는 활성탄 90 ~ 10 중량%로 혼합된 것을 이용하는 것이 보다 바람직하다.
이와 같이, 입자 크기가 서로 다른 2종의 고 기공 탄소 소재를 혼합한 것을 양극 및 음극에 사용하게 되면, 전극의 밀도 및 비용량 특성을 크게 향상시킬 수 있게 된다. 이 결과, 본 발명은 고 기공 탄소 소재에 의한 용량 감소를 최소화할 수 있으며, 이온 이동 및 저항 등 계면 특성이 향상되어 전기이중층 커패시터의 출력 특성을 크게 향상시킬 수 있게 된다.
고 기공 탄소 소재의 첨가량이 10 중량% 미만일 경우에는 고 기공 탄소 소재의 첨가량이 너무 적은 관계로 고 기공 탄소에 의한 용량 감소 효과를 제대로 발휘하기 어렵다. 반대로, 고 기공 탄소 소재의 첨가량이 90 중량%를 초과할 경우에는 고 기공 탄소의 과다 사용으로 전기전도성이 저하될 우려가 크다.
도전재는 슈퍼-P(Super-P), 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 그라파이트 등의 도전성 분말을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 것은 아니다.
이러한 도전재의 첨가량이 1 중량% 미만일 경우에는 전도성 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 도전재의 첨가량이 10 중량%를 초과할 경우에는 도전재의 과다 사용으로 내구성이 저하될 우려가 크다.
또한, 바인더는 적어도 둘 이상의 바인더를 혼합한 것을 이용하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 바인더는 아크릴계 수지, 고무계 수지 및 아크릴계 수지 중 2종 이상이 첨가되어 혼합된 것을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 바인더는 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.
바인더의 첨가량이 1 중량% 미만일 경우에는 활물질과 집전체 간의 결착력이 약해 깨지는 문제를 야기할 수 있다. 반대로, 바인더의 첨가량이 10 중량%를 초과할 경우에는 바인더의 과다 사용으로 전기전도성이 저하될 우려가 크다.
외부 분리막(126) 및 내부 분리막(128) 각각은 양극(124) 및 음극(122)이 서로 물리적으로 접촉하는 것을 방지한다. 또한, 외부 분리막(126) 및 내부 분리막(128)은 바람직하게는 다공성이며, 기공 내에 전해액을 유지시켜 양극(124) 및 음극(122) 사이의 전도성 경로가 형성되도록 한다. 외부 분리막(126) 및 내부 분리막(128)의 재질은 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들면, 다공성 셀룰로오스, 폴리 프로필렌, 폴리에틸렌, 불소계 수지 등에서 선택될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전해액은 권취 소자(120)가 삽입된 케이스(110)의 내부에 함침된다. 이에 따라, 전해액은 권취 소자(120)의 양극(124) 및 음극(122) 사이에 함침된다. 이때, 권취 소자(120)에 소정의 전압이 인가되는 경우 양극(124) 및 음극(122) 사이에 채워진 전해액에 의해 양극(124) 및 음극(122)의 표면에서 전기 이중층이 생성될 수 있게 된다.
이러한 전해액은 권취 소자(120)의 전기이중층 용량을 발현하는 전해질과, 전해질을 용해시키기 위한 용매를 포함한다.
여기서, 전해질로는 테트라에틸암모늄헥사플루오르포스페이트{Tetraethylammoniumhexafluorophosphate, (C2H5)44NPF6)}, 테트라에틸암모늄테트라플루오르보레이트{TetraethylammoniumTetrafluoroborate, (C2H5)44NPF4)}, 테트라에틸암모늄비스(트리플루오르메탄스르호닐)이미드 {Tetraethylammoniumbis(trifluoromethanesulfonyl)imide, (C2H5)44N－N(CF3SO2)2}, 트리에틸메틸암모늄비스(트리플루오르메탄스르호닐)이미드{(Triethylmethylammoniumbis(trifluoromethanesulfonyl)imide, (C2H5)3CH3N-N(SO2CF3)2}, 트리에틸 메틸암모늄비스(트리플루오르메탄술포닐)이미드{Triethylmethylammoniumbis(trifluoromethanesulfonyl)imide, (CH4(C2H5)3N－N(CF3SO2)2)} 및 스피로-(1,1’)－ 비피로리지니움테트라플루오르보레이트(SPB－BF4), 테트라에틸암모늄테트라플로로보레이트{Tetraethylammonium tetrafluoroborate (TEABF4)} 및 트리메틸에틸암모늄테트라플로로보레이트{triethylmethylammonium tetrafluoroborate(TEMABF4)} 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
이외에도, 전해질로는 1-에틸-3-메틸이미다죠늄 테트라플로로-보레이트{1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoro-borate(EMIBF4)}, 1-에틸-3-메틸이미다죠늄 비스 이미드{1-ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl)imide(EMITFSI)}, 1-부틸피리디늄 테트라플로로-보레이트{1-butylpyridinium tetrafluoro-borate(BPBF4)}, 1-에틸-3메틸이미디죠늄 헥사플로로-포스페이스트{1-ethyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate(EMIPF6)} 및 1-부틸피리디늄 비스 이미드{1-buthylpyridinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide(BPTFSI)} 중 선택된 1종 이상이 이용될 수도 있다.
용매로는 프로필렌카보네이트(PropyleneCarbonate), 에틸렌카보네이트(EthyleneCarbonate), 부틸렌카보네이트(ButyleneCarbonate), 비닐렌카보네이트(VinyleneCarbonate), 아세토니트릴(Acetonitrile) 비닐에틸렌카보네이트(VinylEthyleneCarbonate), 디메틸카보네이트(DimethylCarbonate), 디에틸카보네이트(DiethylCarbonate), 에틸메틸카보네이트(EthylMethylCarbonate), γ-부틸롤락톤{γ-Butyrolactone(GBL)}, γ-발레로락톤{γ-Valerolactone(GVL)}, N-메틸-2-피롤리돈{N-Methyl-2-Pyrrolidone(NMP)}, N,N-디메틸 포름아미드{N,N-Dimethyl Formamide(DMF)}, 1,3-미메틸-2-이미다졸리디논{1,3-Dimethyl-2-Imidazolidinone(DMI)}, N,N 디메틸아세트아마이드{N,N DimethylAcetamide(DMAC)}, 술포란(Sulfolane), 디메틸 설파이드(Dimethyl Sulfoxide), 프로피오니토라일(Propionitorile) 및 테트라하이드로푸란(Tetrahydrofuran) 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 고 기공 탄소 소재를 이용한 고출력 전기 에너지 저장장치는 기공 분포가 조절된 고 기공 탄소 소재를 사용하되, 입자 크기가 서로 다른 2종의 고 기공 탄소 소재를 혼합한 것을 양극 및 음극에 사용함으로써 전극의 밀도 및 비용량 특성을 향상시킬 수 있게 된다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 고 기공 탄소 소재를 이용한 고출력 전기 에너지 저장장치는 고 기공 탄소 소재에 의한 용량 감소를 최소화할 수 있으며, 이온 이동 및 저항 등 계면 특성이 향상되어 전기이중층 커패시터의 출력 특성을 크게 향상시킬 수 있게 된다.
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
약품 부활법으로 제조되어 비표면적 2,900m2/g, 기공 부피 1.3cm3/g을 갖는 활성탄 분말, 도전재로서 슈퍼-P(Super-P), 바인더 2종(아크릴 바인더 및 메틸 셀로롤로오스)을 90wt%, 5wt% 및 5wt%로 혼합하고 교반시켜 활물질 슬러리를 제조한 후, 활물질 슬러리를 알루미늄 호일 집전체 위에 콤마 코터를 이용하여 도포 및 건조한 후, 200㎛의 두께를 갖는 양극과 180㎛의 두께를 갖는 음극을 제조하였다.
다음으로, 양극과 음극에 단자를 부착하고 셀룰로오스계 분리막(TF4035 NKK)을 내부와 외부로 교차 배치한 후, 원통형의 형태로 권취 소자를 제조하였다.
다음으로, 제조된 권취 소자를 120℃의 진공 상태에서 12시간 동안 건조한 후, 아세토니트릴에 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate)염이 용해된 비수계 전해액에 함침시킨 후, 전기이중층 커패시터의 케이스의 상측을 고무로 씰링하여 전기이중층 커패시터를 제조하였다.
실시예 2
활성탄 분말로, 비표면적 2,900m2/g 및 기공 부피 1.3cm3/g을 갖는 활성탄과 비표면적 1,800m2/g 및 기공부피 0.82cm3/g을 갖는 활성탄을 7 : 3의 중량비로 혼합시킨 것을 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전기이중층 커패시터를 제조하였다.
실시예 3
활성탄 분말로, 비표면적 2,900m2/g 및 기공 부피 1.3cm3/g을 갖는 활성탄과 비표면적 1,800m2/g 및 기공부피 0.82cm3/g을 갖는 활성탄을 3 : 7의 중량비로 혼합시킨 것을 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전기이중층 커패시터를 제조하였다.
비교예 1
비표면적 1,800m2/g 및 기공부피 0.82cm3/g을 갖는 활성탄 분말을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전기이중층 커패시터를 제조하였다.
2. 비표면적 및 기공 평가
표 1은 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1에 대한 비표면적 및 기공을 평가한 결과를 나타낸 것이다. 또한, 도 3은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 고 기공 탄소 소재의 질소 흡착 특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이고, 도 4는 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1에 따른 전극 활물질의 입도 분포를 나타낸 그래프이다.
1) 비표면적 측정
일본 BEL(주)에서 제조된 BELSORP-mini를 사용하여, 탄소 소재를 질소분위기에서 300℃, 3시간 전처리 후, 77K에서 탄소 소재의 질소 흡탈착 등온선을 측정하였다. 얻어진 흡탈착 등온선으로부터 BET식에 의해 다점법에 의한 해석을 실시하고, 얻어진 곡선의 상대압 P/P0 ＝ 0.01 ~ 0.2의 영역에서 직선으로부터 비표면적을 산출하였다.
2) 기공 측정
위의 방법으로 얻어진 흡탈착 등온선에 있어서의 상대압 P/P0 ＝ 0.99에 있어서의 질소 흡착량으로부터 구한 전체 세공 용적을 사용하고, MP법을 적용하여 마이크로공의 세공(2nm 이하의 기공) 용적을 산출하였다.
3) 전극 용량(F/g)
전기 이중층 커패시터의 방전곡선에서 하기 수학식 1에 의거하여 셀 전체의 C[F]을 계산한 후, 제조 시 들어간 활성탄의 중량으로 나누어 계산하였다.
[수학식 1]
C[F] = (I[mA] × △t[sec])/△V[V]
(여기서, △t와 △V는 정격전압(rated voltage)의 40% 및 80%의 값의 차이를 나타냄.)
[표 1]
표 1, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 실시예 1 ~ 3의 경우, 비교예 1에 비하여, 비표면적 증대로 질소 흡착량이 확연히 증가한 것을 확인할 수 있다.
또한, 실시예 1 ~ 3에 따른 전기이중층 커패시터가 비교예 1에 따른 전기이중층 커패시터에 비하여, 전극 용량이 상당히 증가한 것을 확인할 수 있다.
아울러, 실시예 1 ~ 3에 따른 전기이중층 커패시터는 Span 값이 목표값인 1.0 ~ 1.8의 수치를 만족하는 것을 확인할 수 있다. 여기서, Span 값 = [D (v, 0.9) - D (v, 0.1)] / D (v, 0.5)으로, 탄소 소재의 입자 사이즈 및 분포 비교와 그래프의 폭이 입자의 분포 수준을 나타내며, 이를 수치화한 것이다.
3. 출력특성 평가
도 5는 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1에 따른 전기이중층 커패시터에 대한 용량변화율을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 이때, 전기 이중층 커패시터의 출력 특성을 측정하기 위하여, 순환전압전류법(Cyclic Voltammetry, CV)을 실시하였다. Window range 0 ~ 2.7V, Scan rate 4mV/s를 기준으로 10, 100, 200, 300배 속도로 출력 특성을 측정하여, 용량 변화율을 확인하였다.
도 5에 도시된 바와 같이, 출력 특성의 비교를 위해 다양한 주사 속도에서 용량을 측정하여 비교한 결과가 나타나 있다.
용량변화율 측정 결과, 비교예 1에 따른 전기이중층 커패시터는 최고 주사 속도에서 용량이 10% 미만으로 측정되었다.
이와 달리, 실시예 1 ~ 3에 따른 전기이중층 커패시터는 최고 주사 속도에서 용량이 20 ~ 50%의 수준으로 측정되어, 빠른 충방전에도 용량이 유지되어 출력 특성이 향상된 것을 확인할 수 있었다.
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 : 에너지 저장 장치 110 : 케이스
120 : 권취 소자 122 : 음극
124 : 양극 126 : 외부 분리막
128 : 내부 분리막 130 : 밀봉 고무
142 : 음극 외부단자 144 : 양극 외부단자
120 : 권취 소자 122 : 음극
124 : 양극 126 : 외부 분리막
128 : 내부 분리막 130 : 밀봉 고무
142 : 음극 외부단자 144 : 양극 외부단자
Claims (6)
- 외부 분리막, 양극 활물질을 포함하는 양극, 내부 분리막 및 음극 활물질을 포함하는 음극이 차례로 교대 배치되며, 내부에 함침된 전해액을 포함하는 에너지 저장 장치에 있어서,
상기 양극은 제1 두께를 갖고, 상기 음극은 상기 제1 두께와 상이한 제2 두께를 가지며,
상기 양극 및 음극 활물질 각각은 약품부활에 의해 제조되어, 기공 부피가 0.7 ~ 1.5cm3/g이고, 비표면적이 1,500 ~ 3,500m2/g인 고 기공 탄소 소재를 포함하고,
상기 고 기공 탄소 소재는 2nm 이하의 크기를 갖는 기공이 전체 기공의 85% 이상을 차지하며, 80wt% 이상의 탄소로 구성된 활성탄 분말이 이용되며,
상기 고 기공 탄소 소재는 0.7 ~ 1.0cm3/g의 기공 부피 및 1,500 ~ 2,000m2/g의 비표면적을 갖는 활성탄 10 ~ 90 중량%와, 1.2 ~ 1.5cm3/g의 기공 부피 및 2,500 ~ 3,500m2/g의 비표면적을 갖는 활성탄 90 ~ 10 중량%로 혼합된 것이 이용되며,
상기 에너지 저장 장치는 35 ~ 40F/g의 전극 용량 및 0.49 ~ 0.54g/cc의 전극 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 고 기공 탄소 소재를 이용한 고출력 전기 에너지 저장장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 두께는 150 ~ 300㎛이고,
상기 제2 두께는 120 ~ 250㎛인 것을 특징으로 하는 고 기공 탄소 소재를 이용한 고출력 전기 에너지 저장장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 고 기공 탄소 소재는
평균 입자 직경이 3 ~ 12㎛이고,
Span 값 = [D (v, 0.9) - D (v, 0.1)] / D (v, 0.5)이 1.0 ~ 1.8을 만족하는 것을 특징으로 하는 고 기공 탄소 소재를 이용한 고출력 전기 에너지 저장장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 양극 및 음극 활물질 각각은
고 기공 탄소 소재 10 ~ 90 중량%, 도전재 1 ~ 10 중량% 및 바인더 1 ~ 10 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 고 기공 탄소 소재를 이용한 고출력 전기 에너지 저장장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200157404A KR102269341B1 (ko) | 2020-11-23 | 2020-11-23 | 고 기공 탄소 소재를 이용한 고출력 전기 에너지 저장장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200157404A KR102269341B1 (ko) | 2020-11-23 | 2020-11-23 | 고 기공 탄소 소재를 이용한 고출력 전기 에너지 저장장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR102269341B1 true KR102269341B1 (ko) | 2021-06-28 |
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ID=76607655
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020200157404A KR102269341B1 (ko) | 2020-11-23 | 2020-11-23 | 고 기공 탄소 소재를 이용한 고출력 전기 에너지 저장장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102269341B1 (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20230063663A (ko) * | 2021-11-02 | 2023-05-09 | 주식회사 비츠로셀 | 용량 및 출력 특성이 향상된 고출력 리튬 이온 커패시터 |
| KR20240056047A (ko) * | 2022-10-21 | 2024-04-30 | 주식회사 비츠로셀 | 도전성 탄소 코팅으로 저항 특성을 향상시킨 리튬이온 커패시터 |
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| KR20140087534A (ko) * | 2012-12-31 | 2014-07-09 | 인하대학교 산학협력단 | 알칼리계 활성화제로 활성화 처리된 활성탄소 및 이를 이용한 슈퍼커패시터용 전극 |
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-
2020
- 2020-11-23 KR KR1020200157404A patent/KR102269341B1/ko active IP Right Grant
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