KR102388479B1 - 향상된 에너지 밀도를 갖는 에너지 저장장치 - Google Patents
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Abstract
향상된 에너지 밀도 성능을 갖는 에너지 저장장치는 염 농도가 0.6 mol/L(M) 내지 0.95 M인 전해질을 포함할 수 있다. 최종 에너지 저장 장치 제품은 상기 전해질의 총 질량이 상기 장치의 하나 이상의 전극 및 분리막을 완전히 포화시키기 위해 충분한 전해질의 포화량의 적어도 100% 및 포화량보다 큰 임계값 미만이다.
Description
관련 출원 상호 참조
본 출원은 2013년 6월 14일에 출원된, "ENERGY STORAGE WITH ENHANCED ENERGY DENSITY" 명칭의 미국 가출원 제61/835320의 이익을 주장하고, 본원에 참조로 포함되어 있다.
기술분야
본 발명은 일반적으로 전기에너지 저장장치, 구체적으로 전기 에너지 저장장치의 전해질 및 전극의 디자인에 관한 것이다.
에너지 저장장치, 예를 들면, 울트라캐패시터는, 다양한 전자장치에 전력을 제공하기 위해서 사용될 수 있다. 일반적으로, 울트라캐패시터는, 제1전극, 제2전극, 및 전해질과 함께 침지된 분리막을 포함하고, 전해질은 제1전극과 제2전극 사이에서 이온 종의 수송을 촉진한다. 예를 들면, 울트라캐패시터는, 전해질과 전극 사이의 계면에서 형성되는 전기이중층에 전하를 저장할 수 있다.
에너지 저장장치의 성능을 측정하는 방법은 에너지를 저장하는 에너지 저장장치의 능력을 측정하는 단계를 포함한다. 하나의 측정수단은 장치의 에너지 밀도이다. 울트라캐패시터의 에너지 밀도는 울트라캐패시터의 작동전압에 의존하고, 일반적으로 에너지 밀도가 높은 울트라캐패시터는, 더 작은 풋프린트(small footprint)에서 더 높은 전력을 제공할 수 있기 때문에 바람직하다. 또한, 에너지 밀도가 높은 울트라캐패시터는, 전자장치에 전력을 공급할 때, 더 적은 울트라캐패시터 셀이 용이하게 사용될 수 있고, 이러한 울트라캐피시터가 사용되면, 제한된 이용 공간을 갖는 전자장치를 포함하는 많은 전자장치에 전력을 공급할 수 있다.
최종 에너지 저장장치는, 용기, 제1전극, 제2전극, 및 제1전극과 제2전극 사이의 분리막을 포함할 수 있고, 상기 용기 내에 상기 제1전극, 제2전극, 및 분리막이 있다. 상기 최종 에너지 저장장치의 상기 용기 내의 전해질은, 전해질의 총 질량이 상기 제1전극, 제2전극 및 분리막을 완전히 포화시키기 위해 충분한 전해질의 포화량의 적어도 100% 및 104% 이하일 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 전해질 질량은 상기 전해질의 포화량의 102% 이하이다. 일부 실시형태에서, 상기 전해질 질량은 상기 전해질의 포화량의 101% 이하이다.
일부 실시형태에서, 상기 최종 에너지 저장장치가 씰링된다. 일부 실시형태에서, 상기 에너지 저장장치가 3V의 작동 전압에서 작동하도록 구성된다. 일부 실시형태에서, 상기 에너지 저장장치는, 젤리-롤 구조를 갖는다. 일부 실시형태에서, 상기 전해질은 염 농도가 0.75 mol/L(M) 내지 0.95 M인 것을 포함한다.
일부 실시형태에서, 상기 제1전극 및 제2전극 중 적어도 하나는 복수의 천공을 포함한다.
에너지 저장장치의 제조방법은, 용기를 제공하는 단계; 상기 용기 내에 제1전극 및 제2전극을 삽입하는 단계를 포함하고, 상기 제1전극과 제2전극 사이에 분리막을 위치시킨다. 상기 방법은, 상기 용기에 최종, 전해질의 총 질량을 첨가하는 단계를 포함하고, 상기 총 질량은 전해질의 포화량의 적어도 100% 및 104% 이하이다.
일부 실시형태에서, 상기 전해질의 총 질량을 첨가하는 단계는, 상기 전해질의 포화량의 102% 이하인 전해질의 질량을 첨가하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 상기 방법은 상기 에너지 저장장치를 씰링하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 상기 에너지 저장장치는 울트라캐패시터를 포함한다.
일부 실시형태에서, 상기 전해질의 질량을 첨가하는 단계는, 염 농도가 0.7 M 내지 0.95M인 전해질을 첨가하는 단계를 포함하고, 상기 염은 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트, 및 스피로-(1,1')-비피롤리디늄 테트라플루오로보레이트 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 실시형태에서, 상기 전해질의 총 질량을 첨가하는 단계는, 상기 전해질의 포화량 이외에 추가의 3g 이하의 전해질을 첨가하는 단계를 포함한다.
최종 에너지 저장장치 제품은, 용기, 제1전극, 제2전극, 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이의 분리막을 포함하고, 상기 용기 내에 상기 제1전극, 제2전극, 및 분리막이 있다. 최종 에너지 저장장치는 염 농도가 0.6 mol/L(M) 내지 0.95 M인 용기 내의 전해질을 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 전해질은 4차 암모늄염을 포함한다. 일부 실시형태에서, 상기 4차 암모늄염은 스피로-(1,1')-비피롤리디늄, 트리에틸메틸 암모늄, 및 테트라에틸 암모늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 양이온을 포함한다. 일부 실시형태에서, 상기 4차 암모늄염은, 테트라플루오로보레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 음이온을 포함한다.
일부 실시형태에서, 상기 전해질은 아세토니트릴을 포함한다.
일부 실시형태에서, 상기 전해질은 염 농도가 0.8M인 것을 포함한다.
일부 실시형태에서, 상기 전해질은 상기 제1전극, 제2전극 및 분리막을 완전히 포화시키기 위해 충분한 전해질의 포화량의 적어도 100% 및 104% 이하가 되도록 구성되는 전해질의 질량을 포함한다.
일부 실시형태에서, 상기 에너지 저장장치는 3V의 작동 전압에서 작동하도록 구성되는 전기이중층 캐패시터를 포함한다.
일부 실시형태에서, 상기 에너지 저장장치는 씰링된다. 일부 실시형태에서, 상기 에너지 저장장치는 젤리-롤 구조를 포함한다. 일부 실시형태에서, 상기 제1전극과 제2전극 중 적어도 하나는 복수의 천공을 포함한다.
에너지 저장장치의 제조방법은, 용기를 제공하는 단계; 상기 용기 내에 제1전극 및 제2전극을 삽입하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 제1전극과 제2전극 사이에 분리막을 위치시킨다. 상기 방법은, 상기 용기에 전해질을 첨가하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 전해질은 염 농도가 0.6 mol/L(M) 내지 0.95M 사이에 있는 것을 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 전해질을 첨가하는 단계는, 염 농도가 0.7 M 내지 0.95 M인 전해질을 첨가하는 단계를 포함한다. 일부 실시형태에서, 상기 전해질을 첨가하는 단계는, 염 농도가 0.8 M인 전해질을 첨가하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 상기 전해질을 첨가하는 단계는, 스피로-(1,1')-비피롤리디늄 테트라플루오로보레이트, 트리에틸메틸 암모늄 테트라플루오로보레이트, 및 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트 중 적어도 하나를 첨가하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 상기 전해질을 첨가하는 단계는, 상기 제1전극, 제2전극 및 분리막을 완전히 포화시키기 위해 충분한 전해질의 포화량의 적어도 100% 및 104% 이하가 되도록 구성되는 전해질 질량을 첨가하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 상기 방법은 상기 에너지 저장장치를 씰링하는 단계를 더 포함한다.
에너지 저장장치의 제조방법은, 용기를 제공하는 단계; 상기 용기 내에 제1전극 및 제2전극을 삽입하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 제1전극과 제2전극 사이에 분리막을 위치시킨다. 상기 방법은, 전해질 삽입 툴을 갖는 상기 용기에 최종, 전해질의 총 질량을 첨가하는 단계를 포함하고, 상기 총 질량은, 상기 전해질 삽입 툴의 제조 공차에 상응하는 추가 질량의 전해질과 배합되는 전해질의 포화량에 상응한다.
본 발명 및 종래 기술에서 얻어진 이점을 요약하기 위해서, 특정한 목적 및 이점이 본원에 기재되어 있다. 물론, 임의의 특정 실시형태에 따라서 이러한 모든 목적 또는 이점이 반드시 달성될 필요는 없는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 예를 들면, 당업자는, 하나의 이점 또는 이점의 그룹을 달성하거나 최적화하고, 반드시 그 외의 목적 또는 이점을 달성해야 하는 것은 아닌 방법으로 구현되거나 수행될 수 있는 것을 인식할 것이다.
이러한 모든 실시형태는 본원에 개시된 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 이러한 및 그 외의 실시형태는 첨부된 도면을 참조하고 상세한 설명으로부터 당업자에게 용이하게 명확하게 되며, 본 발명이 임의의 특정한 개시된 실시형태로 제한되는 것은 아니다.
도 1은 일 실시형태에 따른 에너지 저장장치의 일례의 개략도이다.
도 2는 젤리-롤 구조를 갖는 에너지 저장장치의 일례를 도시한다.
도 3은 도 2의 젤리-롤의 평면도이다.
도 4는 제한된 전해질 양을 갖는 최종 에너지 저장장치를 제조하기 위한 공정의 일례를 도시한다.
도 5는 제한된 전해질 몰농도를 갖는 에너지 저장장치를 제조하기 위한 공정의 일례를 도시한다.
도 6은 천공이 있는 전극을 포함하는 젤리-롤을 갖는 에너지 저장장치의 일례를 도시한다.
도 7은 천공이 있는 집전체를 갖는 예시의 천공이 있는 전극의 단면도이다.
도 8은 천공이 있는 집전체를 갖는 예시의 전극의 단면도이다.
도 2는 젤리-롤 구조를 갖는 에너지 저장장치의 일례를 도시한다.
도 3은 도 2의 젤리-롤의 평면도이다.
도 4는 제한된 전해질 양을 갖는 최종 에너지 저장장치를 제조하기 위한 공정의 일례를 도시한다.
도 5는 제한된 전해질 몰농도를 갖는 에너지 저장장치를 제조하기 위한 공정의 일례를 도시한다.
도 6은 천공이 있는 전극을 포함하는 젤리-롤을 갖는 에너지 저장장치의 일례를 도시한다.
도 7은 천공이 있는 집전체를 갖는 예시의 천공이 있는 전극의 단면도이다.
도 8은 천공이 있는 집전체를 갖는 예시의 전극의 단면도이다.
하기에 특정 실시형태 및 실시예가 기재되어 있지만, 당업자는 본 발명이 특정하게 개시된 실시형태 및/또는 사용, 그 명백한 변경 및 상응 부분을 넘어서 확장되는 것을 알 수 있다. 따라서, 본원에 개시된 본 발명의 범위가 하기 기재된 임의의 특정한 실시형태로 한정되는 것은 아닌 것으로 의도된다.
에너지 저장장치, 예를 들면 울트라캐패시터 내의 전해질의 양 및 농도는, 장치의 성능에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들면, 에너지 저장장치 내의 전해질의 염 농도가 감소하면, 전극 내에서 이온 수송이 감소하고, 따라서 높은 전력 적용에서 장치 성능이 감소할 수 있다. 불충분한 전해질을 갖는 에너지 저장장치는, 장치 내의 전극/분리막이 완전히 포화되지 않으면, 또한 장치 성능이 감소할 수 있다. 또한, 전극 및 분리막을 완전히 포화시키기 위해서 요구되는 전해질의 정확한 양은, 일반적으로 임의의 소정의 에너지 저장장치에 대해 공지되어 있지 않다. 이러한 문제를 해결하기 위한, 종래의 사상은, 높은 전해질 농도(1.2M 초과)를 갖는 에너지 저장장치를 제공하는 것이고, 가압하에서 에너지 저장장치에 과량의 전해질을 충진해서 완전한 포화를 촉진하는 것이었다. 그러나, 과량의 염 농도는 장치 전극 내에서 염을 침전시키고, 장치 전극에서 활성 물질 내의 기공을 막히게 해서 성능을 떨어뜨린다. 에너지 저장장치에 과량의 전해질을 충진하는 경우 마찬가지로 염을 침전시킬 수 있다. 또한, (전해질을 과량으로 채우거나 높은 몰농도의 전해질을 사용하면) 염 농도가 너무 높은 에너지 저장장치 내에서 부반응이 발생할 수 있고, 이어서 장치 내에서 가스를 발생시켜서, 가스 방출, 과압 및 안전성 문제를 일으킬 수 있다. 본원에는, 염 농도의 범위 내에서 전해질을 사용하고 이러한 경쟁 문제와 밸런스를 이루는 전해질 양을 사용하는 관련된 방법 및 최종 에너지 저장장치 제품이 기재되어 있다.
실시형태는 증가된 에너지 밀도를 갖는 에너지 저장장치에 관한 것이다. 일부 실시형태는 제한된 몰농도 전해질을 사용함으로써 증가된 에너지 밀도 및/또는 수명 성능을 갖는 울트라캐패시터에 관한 것이다. 본원에 기재된 몰농도 범위는, 예를 들면 낮은 파워 적용(예를 들면 3V 울트라캐패시터) 내에서 개선된 에너지 밀도 및 수명을 제공하는 것이 발견되었다. 이러한 범위에서는, 높은 몰농도 전해질을 갖는 경우에 발생할 수 있는 염의 국소적 침전을 줄이면서 이러한 개선을 제공한다.
일부 실시형태는 제한된 전해질 양의 사용에 의해 증가된 에너지 밀도 및/또는 수명 성능을 갖는 울트라캐패시터에 관한 것이다. 예를 들면, 최종 울트라캐패시터 제품을 형성하기 위해 사용되는 전해질의 총 질량은, 장치의 하나 이상의 전극 및 분리막을 완전히 포화시키기 위해 충분한 전해질의 포화량의 적어도 100% 및 상한 임계값 미만일 수 있다. 본원에 사용되는 전해질의 "포화량"은 완전히 전극을 덮고 전극에 접근 가능한 전극 공간을 포화시키기 위해 필요한, 전극을 갖는 용기 내에서 전해질의 최소량에 상응한다. 예를 들면, 포화량은 2개의 전극 필름 물질의 입자 사이에 및 실온 및 가압에서 각 전극 필름의 기공 및 임의의 분리막 필름 내에 배치되고 정상 상태 조건에 도달하는 전해질의 양을 포함한다. 전해질의 포화량은 하나 이상의 에너지 저장장치 특성에 부분적으로 의존할 수 있다. 예를 들면, 전극 탄소 물질의 양 및/또는 기공률, 분리막 물질의 양 및/또는 밀도, 전해질의 밀도, (필요에 따라) 전극 내의 천공, 또는 그 외의 특성은, 전해질의 포화량에 영향을 미칠 수 있다. 울트리캐패시터는 전기이중층 캐패시터(EDLC)를 포함하고, 이는 울트라캐패시터의 전극의 표면과 전해질 사이의 계면에서 헬름홀쯔(Helmholtz) 이중층에서 전하 분리에 의해 얻어지는 전기에너지의 정전기적 저장을 제공하도록 구성된다. 일부 실시형태에서, 울트라캐패시터는 약 3 V의 작동전압에서 작동하도록 구성될 수 있다. 제한된 몰농도 전해질은 아세토니트릴 기반 전해질일 수 있다. 전해질은 몰농도가 약 1M 미만일 수 있다. 전해질은 몰농도가 약 0.6 mol/L(M) 내지 0.95 M일 수 있다. 일부 실시형태에서, 전해질 몰농도는 약 0.8 M이다. 에너지 저장장치의 제한된 전해질의 양은, 캐패시터 전극 및 분리막을 포화시키기 위해 전해질 포화량을 넘어서 0 내지 실질적으로 0인 전해질 과량(overfil) 또는 이러한 포화 전해질 양을 초과하고 임계값 백분율 이하의 과량(overfil)을 가짐으로써 형성될 수 있다. 제한된 몰농도의 전해질 및/또는 제한된 양의 전해질을 갖는 에너지 저장장치는, 에너지 저장장치의 수명 동안 개선된 에너지 밀도 성능을 갖는 것이 발견되었다. 일 실시형태에서, 이러한 특징들의 조합은 이러한 특징을 포함하지 않은 유사한 제품에 비해 에너지 저장장치의 수명 동안 에너지 밀도의 약 25% 초과하여 개선되는 에너지 저장장치를 제공하는 것을 발견했다.
일 실시형태에서, 에너지 저장장치는 하나 이상의 천공을 갖는 하나 이상의 전극을 포함할 수 있다. 천공을 갖는 전극은, 제한된 양의 전해질 및/또는 감소된 염 농도를 갖는 전해질이 전극 물질을 더 용이하게 투과하는 것을 돕도록 사용될 수 있다. 제한된 몰농도의 전해질, 제한된 양의 전해질, 및 천공이 있는 전극을 갖는 에너지 저장장치는, 에너지 저장장치의 수명 동안 에너지 밀도 성능이 개선되는 것을 발견했다. 예를 들면, 울트라캐패시터의 수명 동안 울트라캐패시터의 에너지 밀도 성능을 결정하는 단계는, 확장된 기간 동안 울트라캐패시터에 전압을 인가하는 단계 및 저장되는 에너지 양을 측정하기 위해 울트라캐패시터를 주기적으로 순환시키는 단계, 및/또는 울트라캐패시터에 정전류를 인가하고 울트라캐패시터를 반복적으로 충방전시키는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 장치, 예를 들면 전기이중층 캐패시터(EDLC)의 수명 동안 울트라캐패시터의 에너지 밀도 성능은, 사이클 전압 사이에서 울트라캐패시터를 주기적으로 순환시키고 및/또는 울트라캐패시터에 정전류를 인가하고 울트라캐패시터를 반복적으로 충방전 한 후 울트라캐패시터의 유효직렬저항(ESR)의 증가속도 및/또는 캐패시턴스 감소속도에 의해 측정될 수 있다.
도 1은 실시형태에 따른 에너지 저장장치(100)의 일례의 개략도이다. 일부 실시형태에서, 에너지 저장장치(100)는 울트라캐패시터, 예를 들면 작동 전압 약 3V에서 작동하도록 구성되는 EDLC일 수 있고, 에너지 밀도 성능 및/또는 수명 성능이 개선된다. 장치(100)는 제한된 양의 전해질을 포함할 수 있다. 에너지 저장장치(100)는 하나 이상의 전극이 제공되는 용기(122)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상당한 전해질(120)의 저장소가 제1전극(102), 제2전극(104), 및 분리막(106)을 완전히 포화시키기 위해 충분한 과량을 초과해서 제공하지 않거나, 제로 또는 제로 근처의 과포화 전해질 충진 수준을 제공하지 않는 경우, 장치(100)는 제1전극(102), 제2전극(104), 제1전극(102)과 제2전극(104) 사이의 분리막(106), 및 제1전극(102), 제2전극(104), 및 분리막(106)을 적어도 완전히 포화시키기 위해 충분한 양의 전해질(120)을 포함한다.
전해질(120)은 에너지 저장장치(100)에 사용하는데 적합하고 이온을 함유하는 임의의 수의 전해액을 포함할 수 있다. 예를 들면, 전해질(120)은 용매 및 염을 포함하고, 염은 이동하는 이온종, 예를 들면 음이온 및 양이온을 제공한다. 전해질(120)은 제1전극(102)과 제2전극(104) 내 및/또는 그 사이에서 이온종을 이동시켜서 원하는 전기적 성능 및/또는 수명 성능을 촉진시킬 수 있다. 일부 실시형태에서, 전해질(120)은 에너지 저장장치(100)의 작동 조건하에서 화학적 및/또는 전기화학적 안정성을 나타내고, 에너지 저장장치(100)의 반복적인 충방전 사이클을 견딜 수 있다. 예를 들면, 에너지 저장장치(100)는 제1전극(102), 제2전극(104), 및 분리막(106)에 통합되는 임의의 양의 전해질(120)을 포함할 수 있고, 적절한 양의 전해질(120)이 제공되어 제1전극(102)과 제2전극(104) 내 및 그 사이에서 원하는 이온 수송을 촉진시키고, 상당한 과량의 전해질(120)을 포함하지 않는다.
제1전극(102)은 제1전극 집전체(108)에 인접한 제1전극 필름(112)을 포함할 수 있고, 제2전극(104)은 제2전극 집전체(110)에 인접한 제2전극 필름(114)을 포함할 수 있다. 제1전극 집전체(108) 및 제2전극 집전체(110)는, 예를 들면 장치(100)의 단자(116 및 118)를 통해 각각의 전극과 외부 회로 사이의 전기적 결합을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 추가의 전극 필름은 필름(112,114)과 대면하는 집전체(108,110) 각각의 일측에 위치하여 이중측 이중 전극을 형성할 수 있다. 집전체는, 예를 들면 금속성 물질을 포함하는 전도성 물질로 제조될 수 있다. 일부 실시형태에서, 집전체(108,110)의 하나 또는 둘 다는 알루미늄, 예를 들면 알루미늄 호일로 제조될 수 있다. 일부 실시형태에서, 집전체(108,110)의 하나 또는 둘 다는, 은, 구리, 금, 백금, 팔라듐, 및/또는 이들의 합금으로 제조될 수 있다. 그 외의 적당한 전도성 물질도 가능하다. 집전체는 임의의 적당한 형상 및/또는 치수, 예를 들면, 폭, 길이 및/또는 두께를 가질 수 있다. 예를 들면, 집전체(108,110)의 하나 또는 둘 다는 직사각형 또는 실질적인 직사각형, 예를 들면 직사각형 알루미늄 호일을 가질 수 있다. 마찬가지로 전극 필름 및 분리막이 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 집전체(108,110)는 각각의 전극과 외부 회로의 결합을 용이하게 하기 위해 각각의 전극 필름의 일부를 초과해서 확장하는 부분을 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 집전체는 약 15 마이크론 내지 약 30 마이크론, 예를 들면 약 20 마이크론을 포함하는, 약 10 마이크론 내지 약 100 마이크론의 두께를 가질 수 있다.
일부 실시형태에서, 분리막(106)은 제1전극(102)이 제2전극(104)에 직접 접촉하는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 분리막(106)은 제1전극(102)과 제2전극(104) 사이에서 이온 종을 수송시키면서, 제1전극(102)와 제2전극(104) 사이의 전기적 단락을 방지할 수 있다. 분리막(106)은 기공 및/또는 천공이 있는 전기적 절연재, 예를 들면 전기적 절연 다공성 물질로 제조될 수 있다. 분리막(106)의 적당한 물질은, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 파릴렌, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 종이, 세라믹 물질, 광물 섬유, 유리 섬유, 이들의 조합 및/또는 기타를 포함할 수 있다.
제1전극 필름(112) 및/또는 제2전극 필름(114)은, 활성 물질 성분, 바인더 성분 및/또는 추가의 성분을 포함할 수 있다. 제1전극 필름(112) 및/또는 제2전극 필름(114)은 활성 물질 및 단일 바인더, 예를 들면 PTFE를 포함할 수 있고, 추가의 바인더 및 첨가제를 포함하지 않는다. 제1전극 필름(112) 및/또는 제2전극 필름(114)은 당업자에게 공지된 그 외의 추가의 성분을 포함할 수 있다. 제1전극(102) 및/또는 제2전극(104)은 제1집전체(108) 또는 제2집전체(110)에 인접한 중간의 접착층을 포함할 수 있다. 중간의 접착층은 제1집전체(108) 또는 제2집전체(110)에 각각의 전극 필름의 접착을 추가로 제공할 수 있다. 예를 들면, 중간의 접착층은 집전체의 제1표면에 인접할 수 있고, 집전체와 상응하는 전극 필름 사이의 추가의 접착을 제공한다. 일부 실시형태에서, 전극은 중간의 접착층을 포함하지 않고, 전극 필름은 집전체의 표면에 직접 인접할 수 있다.
제1전극 필름(112) 및/또는 제2전극 필름(114)은 다공성 물질로 제조될 수 있다. 일부 실시형태에서, 전극의 활성 물질 성분은 다공성 물질을 포함한다. 예를 들면, 다공성 활성 물질은 전극의 높은 표면적을 제공할 수 있고, 전해질(120)과 전극 필름 물질 사이의 접촉 표면적을 용이하게 증가시켜서 에너지 저장장치(100)에 증가한 저장 용량을 제공한다. 일부 실시형태에서, 다공성 활성 물질은 다공성 탄소 물질, 예를 들면, 활성탄의 입자를 포함할 수 있다. 다공성 활성 물질은 기공도 및/또는 기공 분포(예를 들면 미세기공, 중간기공 및/또는 거대기공의 분포)를 갖는 활성탄을 포함할 수 있고, 이는 원하는 에너지 저장장치 성능, 예를 들면 원하는 에너지 밀도 성능을 촉진시키도록 구성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 전극 필름은 적어도 하나의 전도성 첨가제 성분을 포함할 수 있다. 전도성 첨가제 성분은 전극 필름의 전기전도도를 개선시킬 수 있다. 예를 들면, 전도성 첨가제 성분은 탄소블랙, 그래파이트, 및/또는 그래핀을 포함하는 전도성 탄소 입자를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 전극 필름의 바인더 성분은, 예를 들면 활성 전극 물질 및/또는 전도성 첨가제 성분을 포함하는 전극 필름의 하나 이상의 그 외의 성분에 구조적 지지체를 제공할 수 있다. 바인더 성분은 하나 이상의 폴리머를 포함할 수 있고, 폴리머는 전극 필름 활성 물질 성분 및/또는 전도성 첨가제 성분에 중합성 매트릭스 지지구조체를 제공한다. 일부 실시형태에서, 바인더 성분은 플루오로폴리머(예를 들면, 폴리테트라플루로오에틸렌 PTFE), 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 이들의 코폴리머, 및/또는 이들의 폴리머 혼합물을 포함할 수 있다. 그 외의 활성 물질 성분, 바인더 성분, 및/또는 첨가제 성분도 적합할 수 있다.
전극 필름의 조성물은, 원하는 에너지 저장 성능을 얻을 수 있도록 최적화될 수 있다. 예를 들면, 울트라캐패시터 내의 전극 필름 조성물은, 원하는 장치 캐패시턴스 및/또는 저항 성능을 제공하고, 예를 들면 원하는 장치 에너지 밀도 및/또는 전력 밀도 성능을 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 전극 필름은, 활성 물질 성분, 예를 들면 활성탄의 약 50중량% 내지 약 99중량% (약 60% 내지 약 90중량% 포함)를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 전극 필름은 바인더 성분의 약 1중량% 내지 약 50 중량%를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 전극 필름은 첨가제 성분의 약 30중량% 이하를 포함하고, 이는 예를 들면 전극의 전기전도도를 촉진하기 위해 전도성 첨가제 성분을 포함한다.
계속해서 도 1을 참조하면, 일부 실시형태에서, 에너지 저장장치(100)는 제1전극 필름(112), 제2전극 필름(114), 및 분리막(106)을 완전히 포화시키는 데에 충분한 임의의 양의 전해질(120)을 포함하고, 상당량의 전해질(120)이 그 양을 초과해서 포함하지 않거나 실질적으로 포함하지 않을 수 있다. 예를 들면, 에너지 저장장치(100)는 상기 기재된 바와 같이 전해질의 포화량을 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 에너지 저장장치에 첨가되는 전해질의 질량은, 제조 공정 및/또는 툴에서 존재하는 문제를 해결하기 위해 포화량 및 추가량을 포함할 수 있다. 예를 들면, 용기에 선택된 질량의 전해질을 주입하기 위해서 사용되는 제조 툴은 툴로부터 전해질 아웃풋과 관련된 오차의 허용치를 갖는다. 따라서, 이러한 툴로부터 에너지 저장장치에 첨가되는 전해질 질량은, 이러한 문제를 해결하고 장치의 전극 및 분리막을 완전히 포화하는 것을 보장하기 위해, 포화량을 초과하는 추가의 질량을 포함하도록 선택될 수 있다. 이러한 오차를 보상함으로써, 최종 에너지 저장장치에서 사용되는 최종 질량의 전해질은, 포화량을 초과하는 것이 보장되고, 상한 임계값 미만으로 유지하여, 불포화 전극/분리막의 부정적인 성능 효과와 밸런스를 이루고, 과량 전해질로 인해서 발생하는 과압 및 염 침전물의 부정적 부작용을 방지한다. 따라서, 에너지 저장장치에 첨가되는 전해질 질량은, 하나 이상의 전극 및 분리막을 적어도 완전히 포화하고, 상당한 전해질 저장소가, 에너지 저장장치의 전극 및 분리막을 완전히 포화하기 위해 충분한 전해질의 양을 초과해서 제공하지 않는 것이다.
에너지 저장장치의 전극 및 분리막을 완전히 포화하기 위해 충분한 전해질의 양은 경험에 의해 결정될 수 있다. 예를 들면, 먼저, 에너지 저장장치의 질량은, 에너지 저장장치를 전해질에 침지하기 전에 측정할 수 있다. 예를 들면, 에너지 저장장치 용기 및 용기에 제공되는 에너지 저장장치의 하나 이상의 전극 및 분리막의 질량은, 임의의 전해질을 에너지 저장장치에 첨가하기 전에 측정될 수 있다. 이어서, 전해질을 에너지 저장장치에 첨가할 수 있다. 예를 들면, 에너지 저장장치의 용기, 전극, 및 분리막을 포함하는 에너지 저장장치는, 전해질, 예를 들면 전해질 배스에 실온에서 임의의 기간 동안 액침시킬 수 있다. 이러한 액침은, 에너지 저장장치의 하나 이상의 전극 및 분리막에 전해질의 흡수를 촉진시킨다. 일 실시형태에서, 에너지 저장장치는 약 10분 내지 약 20분, 예를 들면 약 15분 동안, 실온(예를 들면 약 25℃의 온도)에서 대기압 (예를 들면 1기압)하에서 전해질 배스 내에 액침될 수 있다. 에너지 저장장치의 하나 이상의 전극 및 분리막에 의해 흡수되지 않은 전해질은 에너지 저장장치 용기로부터 제거할 수 있다. 예를 들면, 에너지 저장장치를 흔들어서 흡수되지 않은 전해질을 에너지 저장장치 용기로부터 방출할 수 있다. 과량의 전해질 제거 후, 에너지 저장장치 용기를 씰링할 수 있다.
다음에, 씰링된 에너지 저장장치를 온도 조절 환경에 배치할 수 있다. 씰링된 에너지 저장장치는 약 실온으로부터 상승된 온도까지 이어서 에너지 저장장치를 낮은 온도까지 냉각한 후 다시 약 실온으로 되돌리는 온도 사이클을 수행할 수 있다. 예를 들면, 이러한 온도 사이클을 반복하여 에너지 저장장치의 하나 이상의 전극 및 분리막에 의해 전해질의 흡수를 용이하게 할 수 있다. 온도 사이클을 시작하기 위해, 먼저, 에너지 저장장치의 온도를 실온(예를 들면 약 25℃의 온도)으로부터 상승온도, 예를 들면 약 80℃ 내지 약 90℃(약 85℃ 포함)로 증분으로 증가할 수 있다. 예를 들면, 에너지 저장장치의 온도가 약 실온으로부터 약 85℃까지 분당 약 3℃로 증가할 수 있다. 에너지 저장장치는 임의의 시간 동안 상부 온도에서 유지될 수 있다. 예를 들면, 에너지 저장장치는 약 1.5 내지 3 시간 (또는 일부 예에서 약 2 시간)동안 85℃에서 유지될 수 있다. 이어서, 에너지 저장장치의 온도는 임의의 기간에 걸쳐서 냉각온도(예를 들면 약 -30℃ 내지 약 -50℃, 예를 들면 약 -40℃)까지 증분으로 감소시킬 수 있다. 예를 들면, 에너지 저장장치의 온도는 분당 약 3℃로 -40℃까지 감소할 수 있다. 에너지 저장장치는 임의의 시간 동안 낮은 온도에서 유지할 수 있다. 예를 들면, 에너지 저장장치는 1.5 시간 내지 약 3 시간, 또는 일부 실시예에서 약 2시간 동안 약 -40℃에서 유지할 수 있다. 에너지 저장장치는 낮은 온도에서 약 실온까지 에너지 저장장치의 온도를 증가시키기 위해 가열할 수 있다. 예를 들면, 에너지 저장장치의 온도는, 에너지 저장장치의 온도가 약 실온으로 도달할 때까지 분당 3℃로 증가시킬 수 있다. 온도 사이클은 한번 수행하거나 한번 이상 반복할 수 있다.
온도 사이클에 이어서, 에너지 저장장치는 전해질, 예를 들면 전해질 배스에서 임의의 기간, 예를 들면 약 15분 동안 2회 액침할 수 있다. 하나 이상의 에너지 저장장치의 전극 및 분리막에 의해서 흡수되지 않은 전해질은, 제거할 수 있고, 예를 들면 과량의 전해질을 에너지 저장장치 용기로부터 배출하고, 전해질에 의해서 완전히 포화된 에너지 저장장치의 하나 이상의 전극 및 분리막을 에너지 저장장치 용기 내에서 유지할 수 있다. 전해질 포화된 전극 및 분리막을 포함하는 에너지 저장장치의 질량은, 과량의 전해질을 제거한 후 측정될 수 있다. 전해질 포화 공정 전의 에너지 저장장치의 질량과 전해질에 의해 포화된 하나 이상의 전극 및 분리막을 포함하는 에너지 저장장치의 질량 사이의 차이를 사용해서 에너지 저장장치의 전극 및 분리막을 완전히 포화시키기 위해서 사용되는 전해질의 양을 경험적으로 결정할 수 있다.
포화량을 초과하여 첨가되는 전해질의 추가의 질량은 포화량의 백분율로 표시될 수 있다. 예를 들면, 일부 실시형태에서, 에너지 저장장치를 제조하기 위한 공정은 에너지 저장장치에 전해질의 총 질량을 첨가하는 단계를 포함하고, 그 양은 전해질의 포화량의 100%와 약 104% 사이이다. 예를 들면, 포화량의 100%인 전해질의 질량이 첨가되고 추가의 전해질의 양이, 별도 또는 동시 단계에서 포화량의 약 4% 까지 첨가될 수 있다. 얻어진 최종 에너지 저장장치 제품은 제1전극, 제2전극 및 분리막을 완전히 포화시키기 위해서 충분한 전해질 질량의 적어도 100% 및 104% 이하를 갖는 전해질을 포함할 수 있다. 그 외의 범위를 갖는 최종 에너지 저장장치 제품은, 도 4를 참조해서 하기 기재된 바와 같이 예상된다.
포화량을 초과해서 첨가되는 추가의 전해질의 질량은 에너지 저장장치의 상이한 크기에 기초해서 실제 질량으로 표시될 수 있다. 예를 들면, 전해질을 에너지 저장장치에 첨가하기 위한 제조 툴 및/또는 제조공정은 약 3g의 오차를 포함하고, 공정 및/또는 툴의 허용치가 ±3g이고, 전해질의 과잉의 3g은, 전해질 첨가 공정에서 툴에 의해 에너지 저장장치에 주입되도록 설정된 전해질의 양으로 포함될 수 있다. 이러한 과잉의 전해질(약 3g)은, 장치의 제조 공정 중, 장치의 하나 이상의 전극 및 분리막을 (예를 들면, 본원에 기재된 하나 이상의 공정에 따라서)포화시키기 위해 충분하도록 결정된 양 이외에 제공되는 것이다. 물론, 그 외의 제조 공정 오차에 상응하는 포화량을 초과하는 추가의 질량을 제공하는 것도 가능하고, 예를 들면, 1g, 2g, 4g, 및 심지어 5g이다.
도 1 또는 그 외의 도면에 대해 본원에 기재된 실시형태는, 다양한 형태의 에너지 저장장치, 예를 들면, 캐패시터, 전지, 연료전지 및 하이브리드 장치, 예를 들면 조합된 전지/캐패시터 및/또는 그 외의 에너지 저장장치에 적용될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 또한, 본원에 기재된 실시형태는, 상기 에너지 저장장치 내에서 상이한 형태의 전극에 적용될 수 있고, 예를 들면, 플랫 또는 적층 전극, 롤 전극, 단일 층, 이중층, 이중-층, 이중 전극 및/또는 그 외의 형태의 전극이다.
도 2는 젤리-롤 구조(jelly-roll)를 갖는 에너지 저장장치(200)의 일례를 도시한다. 에너지 저장장치(200)는 도 1에 도시된 장치(100)와 유사할 수 있다. 장치(200)는 용기(204)를 포함하고, 에너지 저장장치(200)의 하나 이상의 전극 및 분리막이 젤리-롤 구조로 제공되어 전해질(209)에 액침된 젤리-롤(202)을 형성한다. 에너지 저장장치(200)의 용기(204)는 실린더 형상을 가질 수 있고, 제1단자(206) 및 제2단자(208)을 포함할 수 있고, 이는 에너지 저장장치(200)와 외부 전기 회로 사이의 전기적 결합을 용이하게 하도록 구성된다. 예를 들면, 제1단자(206)은 제1단부에서 위치될 수 있고, 양으로 하전된 단자를 포함할 수 있고, 제2단자(208)은 제2 반대 단부에서 위치될 수 있고, 음으로 하전된 단자를 포함할 수 있다.
도 3은 도 2의 젤리-롤(202)의 평면도이다. 젤리-롤(202)은 하나 이상의 전극 및 분리막을 롤 구조로 포함할 수 있다. 예를 들면, 젤리-롤(202)은 제1전극(210) 및 제2전극(212), 및 제1전극(210)과 제2전극(212) 사이의 분리막(214)을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 젤리-롤 (202)은 제1전극(210) 또는 제2전극(212)에 인접한 추가의 분리막(214)을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 추가의 분리막 (214)의 배치는 전극 및 분리막이 롤 형상으로 제조되는 방향에 의존할 수 있다. 젤리-롤 구조를 갖는 에너지 저장장치는, 롤 구조를 갖지 않는 에너지 저장장치에 비해, 에너지 저장장치 부피의 감소 및/또는 에너지 저장 중량 감소를 촉진할 수 있다. 도 2 및 3에 도시된 젤리-롤 구조를 갖는 에너지 저장장치는, 제한된 양의 전해질 또는 추가의 상당한 전해질 저장소를 포함하지 않고, 에너지 저장장치의 하나 이상의 전극 및 분리막의 원하는 포화도를 제공하기 위해 충분한 전해질의 양을 포함하거나, 본원에 기재된 바와 같이 원하는 몰농도의 전해질을 가질 수 있다. 예를 들면, 에너지 저장장치(200)는 도 1에서 에너지 저장장치(100)에 대해서 기재된 전해질의 양과 유사한, 젤리-롤 (202)의 분리막 및 전극의 포화에 대해 제한된 전해질(209)의 양을 포함할 수 있다.
도 4는 제한된 양의 전해질을 갖는 에너지 저장장치를 제조하기 위한 공정(520)의 일례를 도시한다. 블록(522)에서, 용기가 제공될 수 있다. 블록(524)에서, 제1전극 및 제2전극이 용기에 삽입될 수 있고, 분리막은 제1전극과 제2전극 사이에 위치할 수 있다. 본원에 기재된 바와 같이, 전극은 하나 이상의 전극 필름 및/또는 집전체를 포함할 수 있다. 블록(526)에서, 최종, 총 질량의 전해질을 용기에 첨가할 수 있고, 이 질량은 제1전극, 제2전극 및 분리막을 완전히 포화하기 위해서 충분한 전해질 질량의 적어도 100% 및 104% 이하이다. 일부 실시형태에서, 첨가된 전해질의 질량은 포화량의 약 100%와 103% 사이에 있을 수 있다. 일부 실시형태에서, 첨가되는 전해질의 질량은 포화량의 약 100%와 102% 사이일 수 있다. 일부 실시형태에서, 전해질의 질량은 약 100%와 101% 사이일 수 있고, 포화량의 약 100%와 100.75% 사이를 포함한다. 일부 실시형태에서, 전해질 질량은 포화량의 100%와 100.5% 사이일 수 있고, 약 100%와 100.4% 사이, 약 100%와 100.3% 사이, 약 100%와 100.2% 사이 또는 심지어 100%와 100.1% 사이를 포함한다.
일부 실시형태에서, 본원에 기재된 에너지 저장장치는 일반적으로 사용되는 농도보다 낮은 염 농도를 갖는 전해질과 함께 제공함으로써 에너지 밀도 성능 및/또는 수명 성능을 개선할 수 있다. 예를 들면, 도 1을 다시 참조하면, 에너지 저장장치(100)의 제1전극(102), 제2전극(104), 및 분리막(106)이 침지되어 있는 전해질(120)은 제한된 몰농도를 가질 수 있다. 예를 들면, 전해질(120)은 원하는 에너지 저장장치 성능을 촉진하기 위해 이동하는 이온종의 충분한 양을 제공하면서 감소된 염 농도를 가질 수 있다. 전해질(120)은, 전해질 용매 중 원하는 용해성, 예를 들면, 아세토니트릴을 포함하는 용매 중 원하는 용해성을 포함할 수 있고, 전해질(120)은 감소된 농도를 갖고, 에너지 저장장치(100)의 제1전극(102) 및 제2전극(104) 사이의 원하는 이온 전도성을 유지하거나 실질적으로 유지한다. 도 2의 에너지 저장장치(200) 내의 전해질(209)의 염 농도는 마찬가지로 제한될 수 있다.
일부 실시형태에서, 에너지 밀도 성능을 향상시키는 에너지 저장장치는, 용매가 아세토니트릴을 포함하는 전해질을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 향상된 에너지 밀도 성능을 갖는 에너지 저장장치는, 염이 아세토니트릴 용매 중의 원하는 용해성을 갖는 4차 암모늄염을 포함하는 전해질을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 전해질염의 양이온은 스피로-(1,1')-비피롤리디늄, 트리에틸메틸 암모늄 및/또는 테트라에틸 암모늄을 포함한다. 일부 실시형태에서, 전해질염의 음이온은 테트라플루오로보레이트를 포함한다. 예를 들면, 전해질은 스피로-(1,1')-비피롤리디늄 테트라플루오로보레이트(SBPTFB), 트리에틸메틸 암모늄 테트라플루오로보레이트 (TEAMTFB), 및/또는 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트 (TEATFB)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 아세토니트릴을 포함하는 용매 및 스피로-(1,1')-비피롤리디늄 테트라플루오로보레이트, 트리에틸메틸 암모늄 테트라플루오로보레이트, 및/또는 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트를 포함하는 염을 갖는 전해질은, 감소된 염 농도를 갖는 전해질을 제공하고, 화학적으로 및/또는 전기화학적으로 원하는 전해질 안정성을 제공할 수 있다.
일부 실시형태에서, 전해질은 염 농도가 1.0 mol/L(M)일 수 있다. 예를 들면, 전해질은 농도가 약 0.95M 일 수 있다. 예를 들면, 전해질은 농도가 약 0.75 M 일 수 있다. 일부 실시형태에서, 전해질은 염 농도가 약 0.50 mol/L(M) 내지 0.95M일 수 있고, 약 0.60 mol/L(M) 내지 0.95M, 및 0.70M 내지 0.95 M을 포함한다. 예를 들면, 전해질은, 아세토니트릴 중, 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트, 트리에틸메틸 암모늄 테트라플루오로보레이트 및/또는 스피로-(1,1')-비피롤리디늄 테트라플루오로보레이트의 0.8M의 용액을 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 전해질 중의 감소된 염 농도는, 전해질이 감소된 전해질 농도의 비균일성을 갖도록 할 수 있고, 전해질 농도의 비균일성은 일반적으로 비균일한 전류 밀도 하에서 형성된다. 전해질 농도의 비균일성은, 하나 이상의 전극 표면에 염 침전을 용이하게 하고, 예를 들면 에너지 저장장치 성능에 부정적으로 영향을 미치는 하나 이상의 전자활성 부위를 배제한다. 감소된 염 농도를 갖는 전해질은, 예를 들면 높은 전류 충방전 사이클 하에서 증가된 전압에서 에너지 저장이 작동되는 경우 전해질 농도의 비균일성을 방지하거나 실질적으로 방지할 수 있다. 감소된 염 농도를 갖는 전해질은, 에너지 저장장치의 하나 이상의 그 외의 성분 및 전해질 사이의 감소된 화학적 상호작용을 얻을 수 있다. 화학적 상호작용의 감소에 의해, 예를 들면, 부산물의 생성 속도가 감소할 수 있고, 따라서 개선된 에너지 저장장치 성능을 제공할 수 있다.
도 5는 제한된 몰농도 전해질을 갖는 최종 에너지 저장장치 제품을 제조하기 위한 공정(540)의 일례를 도시한다. 블록(542)에서, 용기가 제공될 수 있다. 블록(544)에서, 제1전극 및 제2전극이 용기 내에 삽입되고, 분리막이 제1전극과 제2전극 사이에 위치할 수 있다. 블록(546)에서, 전해질이 용기에 첨가될 수 있고, 전해질은 염 농도가 0.6 mol/L 내지 0.95 M 인 것을 포함한다. 예를 들면, 제한된 몰농도의 전해질은, 과잉의 전해질 저장소를 제공하지 않거나 실질적으로 제공하지 않고, 전극 및 분리막을 완전히 포화하기 위해 전극 및 분리막에 첨가할 수 있다. 일부 실시형태에서, 전해질 농도는 약 0.7 M 내지 약 0.95 M이고, 약 0.8M 또는 상기 기재된 것 외의 범위를 포함할 수 있다.
본원에 기재된 바와 같이, 개선된 에너지 밀도 성능을 갖는 에너지 저장장치는 하나 이상의 에너지 저장장치 전극 내에 하나 이상의 천공을 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 하나 이상의 전극의 집전체는 하나 이상의 천공을 갖는다. 천공이 있는 집전체는 집전체 두께를 통해서 확장하는 하나 이상의 개구를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 집전체는 집전체의 제1표면으로부터 제2표면으로, 예를 들면 제1전극 필름에 인접한 제1표면으로부터 제2전극 필름에 인접한 제2표면으로 확장하는 복수의 천공을 가질 수 있다. 일부 실시형태에서 집전체 및 집전체에 인접한 하나 이상의 전극 필름은 하나 이상의 천공을 갖는다. 집전체 내의 하나 이상의 천공은 전극 필름 내의 하나 이상의 천공에 상응하거나 상응하지 않을 수 있다. 예를 들면, 집전체의 하나 이상의 천공은 전극 필름의 하나 이상의 천공과 상이한 위치에 있을 수 있다. 일부 실시형태에서, 집전체의 하나 이상의 천공은 전극 필름 내의 하나 이상의 천공의 것과 상이한 형상, 치수, 방향 및/또는 분포 패턴을 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 전극 필름 내의 하나 이상의 천공은 전극 필름의 전체 두께를 통해 확장하거나 확장하지 않을 수 있다.
도 6은 천공이 있는 전극(602)을 포함하는 젤리-롤(608)을 갖는 에너지 저장장치(600)의 일례를 도시한다. 장치(600)는 울트라캐패시터로서, 전극(602) 내의 하나 이상의 천공(604)을 통해 적어도 부분적으로 제공되는 증가된 에너지 밀도 성능을 갖는다. 천공이 있는 전극(602)은 전극(602) 내에서 물질을 활성화하기 위해 에너지 저장장치 전해질의 개선된 접근을 제공하고, 전극(602) 내에서 전해질의 확산을 용이하게 할 수 있다. 전극(602) 내에서 전해질의 개선된 확산 성능은 전극(602) 내에서 전해질 분포의 균일성을 용이하게 증가시킬 수 있다. 일부 실시형태에서, 전극(602) 내에서 전해질 분포의 균일성이 증가하면, 전극(602)의 초기 웨팅 또는 침지를 용이하게 할 수 있다. 일부 실시형태에서, 전극(602) 내에서 전해질의 확산이 개선되면, 장치 성능(예를 들면 에너지 저장장치 에너지 밀도 성능)을 개선하고 및/또는 장치 내구성을 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 전극(602) 내에서 전해질 분포가 개선되면, (예를 들면 에너지 저장장치의 충방전 사이클 중)전극 내에서의 국소 전해질 부족 현상, 핫 스팟 및/또는 염 침전, 에너지 저장장치의 캐패시턴스 감소, 및/또는 장치 성능을 열화시킬 수 있는 전극 내에서의 위치에 손상된 전해질 접근으로부터 얻어진 그 외의 임의의 현상을 줄일 수 있다.
예를 들면, 에너지 저장장치(600)는 에너지 저장장치(600)의 하나 이상의 분리막 및 전극을 적어도 포화시키기 위해, 예를 들면 원하는 수준의 분리막 및/또는 전극 포화도를 제공하기 위해 충분한 제한된 몰농도 전해질을 포함할 수 있고, 분리막 및 전극을 포화시키기 위해 필요한 전해질의 양을 넘어서는 상당한 전해질의 저장소를 포함하지 않는다. 예를 들면, 에너지 저장장치(600)는 제로 또는 제로에 근접한 과포화 전해질 충진 수준(606) 또는 본원에 기재된 그 외의 실시형태에 대해서 기재된 것과 유사한 그 외의 전해질의 양 및/또는 전해질의 염 농도를 가질 수 있다.
도 7은 예시의 천공이 있는 전극(620)의 일부의 단면도를 도시한다. 도 7을 참조하면, 천공이 있는 전극(620)은 집전체(626)의 제1표면 상의 제1전극 필름(622) 및 집전체(626)의 제2표면 상의 제2전극 필름(624)을 포함할 수 있다. 전극(620)은 집전체(626) 내의 하나 이상의 천공(630)에 상응하는 하나 이상의 천공(628)을 가질 수 있다. 제1전극 필름(622) 및/또는 제2전극 필름(624)는 집전체(626)의 하나 이상의 천공(630)의 일부에 충진되거나 전혀 충진되지 않을 수 있다.
일부 실시형태에서, 제1전극 필름(622) 및 제2전극 필름(624)은 하나 이상의 집전체 천공(630) 내에서 서로 접촉하여 하나 이상의 집전체 천공(630) 내에서 계면(632)을 형성하는 것으로, 전극 필름(622,624) 내에서 하나 이상의 천공(628)의 구성은 집전체(626) 내의 하나 이상의 천공(630)의 것과 상이하다. 도 7에서 도시된 실시형태에서, 전극 필름 천공(628)은 집전체 천공(630)의 치수보다 작은 치수를 갖는다. 제1전극 필름(622)과 제2전극 필름(624) 사이의 접촉은, 집전체(626)에 제1전극 필름(622) 및/또는 제2전극 필름(624)에의 결합을 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 집전체 천공(630)을 통해 전극 필름 사이를 결합하면, 집전체(626)에 전극 필름의 부착을 향상시킬 수 있다. 일부 실시형태에서, 제1전극 필름(622) 및 제2전극 필름(624)은 하나 이상의 집전체 천공(630) 내에서 서로 접촉하지 않을 수 있다.
도 8은 천공이 있는 집전체(646)의 제1표면에 인접한 제1전극 필름(642) 및 천공이 있는 집전체(646)의 제2표면에 인접한 제2전극 필름(644)을 갖는 예시의 전극(640)의 일부의 단면도를 도시하는 것으로, 제1전극 필름(642) 및/또는 제2전극 필름(644)은, 집전체(646)의 하나 이상의 천공(650)을 충진하거나 실질적으로 충진할 수 있다. 예를 들면, 집전체(646) 내에서 형성된 하나 이상의 천공(650)은, 제1전극 필름(642) 및 제2전극 필름(644) 내에서 형성되지 않는다. 제1전극 필름(642) 및/또는 제2전극 필름(644)은 집전체(646) 내에서 복수의 천공(650)의 각각을 충진하거나 실질적으로 충진하여 제1전극 필름(642)이 계면(652)에서 제2전극 필름(644)과 접촉하고 전극 필름(642,644)은 집전체(646)의 천공(650)에 상응하는 천공을 갖지 않는다.
일부 실시형태에서, 복수의 천공의 집전체 및/또는 전극 필름은 전극 내에서 전해질의 확산을 용이하게 하기 위해서 최적화된 구성을 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 복수의 천공의 집전체 및/또는 전극 필름은, 개선된 장치 성능(예를 들면 에너지 밀도 성능)을 위해 최적화된 형상, 치수(예를 들면, 길이 및/또는 직경), 방향 및/또는 분포 패턴을 가질 수 있다. 예를 들면, 집전체 및/또는 전극 필름은 전극 내에서 전해질 확산을 개선하기 위해서 구성되는 형상, 치수, 방향 및/또는 분포 패턴을 갖는 복수의 천공을 포함할 수 있고, 전극과 외부 회로 사이의 전기적 결합의 원하는 수준 및/또는 구조적 안정성의 원하는 수준을 제공한다.
일부 실시형태에서, 집전체 및/또는 전극 필름 내의 복수의 천공은 균일하거나 실질적으로 균일한 형상, 치수 및/또는 방향을 가질 수 있다. 예를 들면, 집전체 및/또는 전극 필름은 균일하거나 실질적으로 균일한, 타원 또는 실질적으로 타원 형상, 직사각형 또는 실질적으로 직사각형인 형상 및/또는 원형 또는 실질적으로 원형인 형상을 포함할 수 있다. 그 외의 형상도 적당할 수 있다. 천공은, 모두 동일한 방향을 가질 수 있고, 예를 들면 집전체 및/또는 전극 필름 내의 천공은 집전체 및/또는 전극 필름의 각각의 에지와 배열될 수 있다. 집전체 및/또는 전극 필름의 에지를 따르는 천공은, 집전체 또는 전극 필름의 각각의 에지로부터 균일하거나 실질적으로 균일한 거리에 있을 수 있다. 일부 실시형태에서, 복수의 천공은 집전체 및/또는 전극 필름의 각각의 폭 및/또는 각각의 길이에서 균일하게 분포될 수 있다. 집전체 및/또는 전극 필름 내의 복수의 천공은, 집전체 및/또는 전극 필름의 하나 이상의 각각의 에지 부분, 대각선 부분, 및/또는 중심부분을 따라 분포할 수 있다. 천공 분포의 그 외의 패턴도 적합할 수 있다.
집전체는 집전체의 표면에 대해 균일하거나 실질적으로 균일하게 분포된 복수의 타원형 천공을 포함할 수 있다. 집전체는 집전체의 길이 및/또는 폭을 따라 균일하게 분포된 복수의 직사각형 천공을 포함할 수 있고, 이는 집전체의 전체의 길이 및/또는 폭을 따라서 포함한다. 예를 들면, 집전체는 집전체의 치수(예를 들면, 폭 및/또는 길이)에 걸쳐 2열의 직사각형 천공을 가질 수 있고, 직사각형 천공은 동일한 방향 및 크기를 갖고, 집전체의 치수를 따라 균일하게 분포된다. 집전체의 표면에 인접한 하나 이상의 전극 필름은 집전체 내의 천공에 상응하는 천공을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다.
일부 실시형태에서, 집전체 및/또는 전극 필름 내의 복수의 천공은 비균일 형상, 치수, 방향 및/또는 분포 패턴을 가질 수 있다. 예를 들면, 집전체 내의 천공은, 집전체 내의 또 다른 천공의 것과 상이한 형상, 치수 및/또는 방향을 가질 수 있다. 전극 필름 내의 천공은 전극 필름의 또 다른 천공의 형상, 치수, 및/또는 방향과 상이할 수 있다. 집전체 내의 천공의 형상, 치수, 방향 및/또는 분포 패턴은 전극 필름의 천공의 것과 상이할 수 있다. 예를 들면, 집전체 및/또는 전극 필름의 에지를 따른 천공은 집전체 및/또는 전극 필름의 각각의 에지로부터 균일하게 이격되지 않을 수 있다.
일부 실시형태에서, 집전체는 각각의 천공이 약 100 마이크론(㎛) 내지 약 300 마이크론(㎛)의 범위 내에서 가장 긴 치수를 갖는 복수의 천공을 가질 수 있다. 예를 들면, 집전체는 원형 또는 실질적으로 원형을 갖는 복수의 천공을 가질 수 있고, 각각의 천공은 약 100 마이크론(㎛) 내지 약 300 마이크론(㎛)의 범위 내의 직경을 갖는다. 일부 실시형태에서 집전체 내의 복수의 천공은 패턴 분포를 갖고, 집전체가 1 제곱 인치당 약 50 내지 약 170 개의 천공을 갖는다. 예를 들면, 집전체는 원형 또는 실질적으로 원형인 복수의 천공을 갖고 1 제곱 인치당 약 100 마이크론 (㎛) 내지 약 300 마이크론 (㎛)의 직경을 갖고, 및 약 50 내지 170 개의 천공의 총 단면적이 집전체의 표면적의 약 1 내지 3%일 수 있다. 본원에 기재된 바와 같이, 집전체의 표면을 덮는 하나 이상의 전극 필름은 집전체 내의 천공에 상응하는 전극 필름 천공을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다.
일부 실시형태에서, 개선된 에너지 밀도 성능을 갖는 에너지 저장장치는, 천공이 있는 집전체 및/또는 천공이 있는 전극 필름을 포함할 수 있고, 집전체 및/또는 전극 필름 내의 천공 정도는 에너지 저장장치 전극의 활성 물질과 에너지 저장장치 전해질 사이의 접촉을 용이하게 하도록 구성된다. 일부 실시형태에서, 천공이 있는 집전체 및/또는 천공이 있는 전극 필름은 전극 내에서 전해질의 확산을 용이하게 하도록 구성되고, 전극과 외부 전기 회로 사이의 충분한 전도성 및/또는 원하는 수준의 구조 안정성을 제공한다. 예를 들면, 집전체는 집전체 전체의 형상, 치수 및/또는 분포 패턴을 갖는 복수의 천공을 포함하고, 천공은 집전체 표면적의 약 1% 내지 약 50%의 총 표면적을 갖는다. 일부 실시형태에서, 천공의 총 단면적은 집전체의 표면적의 약 10% 미만일 수 있다. 일부 실시형태에서, 천공의 총 단면적은 집전체의 표면적의 약 1% 내지 약 5%일 수 있다. 예를 들면, 천공의 총 단면적은 집전체의 표면적의 약 3%일 수 있다. 집전체의 하나 이상의 표면 상의 하나 이상의 전극 필름은, 집전체 내의 천공에 상응하는 전극 필름 천공을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 집전체 및/또는 전극 필름 내의 그 외의 적당한 백분율은 전해질의 확산을 용이하게 하도록 구성된 전극을 제공하는 데에 적합할 수 있고, 전극과 외부 전기 회로 사이에 원하는 구조 안정성 및/또는 전도성을 제공한다. 일부 실시형태에서, 집전체는 총 천공 단면적이 집전체 표면적의 약 40%, 약 30%, 또는 약 20%일 수 있다.
집전체 및/또는 전극 필름 상의 하나 이상의 천공은 기계적 수단(예를 들면 기계적 천공 공정) 및/또는 비-기계적 수단을 통해 형성될 수 있다. 집전체 및/또는 전극 필름 내의 하나 이상의 천공은, 집전체 표면에 전극 필름을 부착(예를 들면 캘린더링) 전 및/또는 후에 형성될 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 집전체의 천공은 먼저 집전체 내에 형성될 수 있고, 집전체의 표면에 전극 필름을 캘린더링한 후 하나 이상의 전극 필름 천공이 전극 필름 내에 형성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 전극 필름을 집전체에 캘린더링한 후 집전체 및 전극 필름 내에 천공을 형성한다.
제한된 전해질 양, 전해질 염 농도의 범위에 대해 본원에 기재된 에너지 저장장치, 및 천공된 전극의 실시형태는 별도로 또는 서로 함께 사용되어 개선된 에너지 밀도 성능의 다양한 수준을 제공할 수 있는 것으로 이해될 것이다. 일 실시형태에서, 개선된 에너지 밀도 성능을 갖는 에너지 저장장치는, 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트 및 아세토니트릴의 약 0.8M 농도의 용액 및 상당한 전해질 저장소가 그 양을 초과하지 않고, 에너지 저장장치의 분리막 및 전극을 완전히 포화하기 위한 전해질의 양을 포함하는 전해질을 포함할 수 있다. 전해질이 감소된 염 농도를 갖고 제로 근처의 과포화 전해질 충진 수준을 갖는 에너지 저장장치는, 전극 활성 물질(예를 들면, 활성탄)의 이용 증가에 따라 에너지 저장장치를 촉진하고, 작동 전압 증가를 용이하게 하여 증가된 에너지 밀도를 제공하고, 에너지 저장장치의 성능을 열화하는 부산물을 생성할 수 있는 부반응에 이용될 수 있는 염의 양을 줄인다. 일부 실시형태에서, 전해질 염은 4차 암모늄 테트라플루오로보레이트일 수 있다. 일부 실시형태에서, 전해질 용매는 아세토니트릴일 수 있다. 일부 실시형태에서, 에너지 저장장치는 약 0.8 M의 전해질염 농도를 포함한다. 일 실시형태에서, 개선된 에너지 밀도 성능을 갖는 에너지 저장장치는 천공이 있는 집전체를 갖는 제1전극을 포함하고, 전해질은 약 0.6 몰/L(M) 내지 약 0.95M의 염 농도를 포함하고, 상당량의 전해질 저장소가 그 양을 초과하지 않고 전극 및 분리막을 완전히 포화시키기 위한 전해질의 양을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 에너지 저장장치는 천공이 있는 제1집전체를 갖는 제1전극 및 천공이 있는 제2집전체를 갖는 제2전극을 포함할 수 있다. 전극은 집전체의 제1표면 상의 제1전극 필름 및 집전체의 제2표면 상의 제2전극 필름을 포함할 수 있고, 제1전극 필름 및 제2전극 필름은 집전체 내의 하나 이상의 천공에 상응하는 천공을 갖거나 갖지 않을 수 있다.
본 발명은 특정한 실시형태 및 실시예의 문맥에서 개시되어 있지만, 당업자는 본 발명의 또 다른 실시형태 및/또는 사용 및 그 명백한 변형 또는 등가물에 대해 구체적으로 개시된 실시형태를 넘어서 확장되는 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 실시형태의 여러 변형이 상세하게 표시되고 기재되지만, 본 발명의 범위 내에서 그 외의 변형은 본 개시내용에 기초해서 당업자에게 용이하게 명백하게 될 것이다. 실시형태의 특정한 특징 및 형태의 다양한 조합 또는 하위 조합이 이루어지고 본 발명의 범위 내에서 있는 것으로 여겨진다. 본 발명의 실시형태의 다양한 모드를 형성하기 위해 개시된 실시형태의 다양한 특징 및 형태는 그 외의 것과 조합되거나 대체될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 본원에 개시된 본 발명의 범위는 상기 기재된 특정 실시형태에 의해 제한되지 않아야 하는 것으로 의도된다.
본원에 제공된 표제는 필요에 따라 편이를 위한 것으로 반드시 본원에 개시된 장치 및 방법의 범위 또는 의미에 영향을 미치는 것은 아니다.
Claims (32)
- 최종 에너지 저장장치 제품으로서, 상기 제품은
용기;
제1전극;
제2전극;
상기 제1전극과 상기 제2전극 사이의 분리막 - 상기 제1전극, 제2전극, 및 분리막은 상기 용기 내에 있는 것임 - ; 및
상기 용기 내의 전해질;
을 포함하고,
상기 전해질은 전해질의 포화량(saturation quantity)에, 전해질의 추가 질량을 합한 것에 해당하는 총 질량을 갖고,
상기 전해질은 0.6 M 내지 0.95 M의 염 농도를 포함하고,
이때 상기 전해질의 포화량은 상기 분리막, 제1전극 및 제2전극의 접근 가능한 공간을 포화시키기 위해 필요한 용기 내 전해질의 최소량이며,
상기 전해질의 추가 질량은 전해질의 포화량의 4% 이하인 것인, 최종 에너지 저장장치 제품.
- 제1항에 있어서,
상기 전해질의 추가 질량은 상기 전해질의 포화량의 2% 이하인 것인, 제품.
- 제2항에 있어서,
상기 전해질의 추가 질량은 상기 전해질의 포화량의 1% 이하인 것인, 제품.
- 제1항에 있어서,
상기 에너지 저장장치는 씰링된(sealed) 것인, 제품.
- 제1항에 있어서,
상기 에너지 저장장치가 3V 의 작동 전압에서 작동하도록 구성되는 것인, 제품.
- 제1항에 있어서,
상기 에너지 저장장치는, 젤리-롤 구조를 포함하는 것인, 제품.
- 제1항에 있어서,
상기 전해질은 0.75 M 내지 0.95 M의 염 농도를 포함하는 것인, 제품.
- 제1항에 있어서,
상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 적어도 하나는 복수의 천공을 포함하는 것인, 제품.
- 에너지 저장장치의 제조방법으로서, 상기 제조방법은
용기를 제공하는 단계;
상기 용기 내에 제1전극 및 제2전극을 삽입하는 단계 - 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 분리막을 위치시키는 것임 -; 및
상기 용기에 전해질의 최종 총 질량을 첨가하는 단계;
를 포함하고,
상기 총 질량은 전해질의 포화량에, 전해질의 추가 질량을 합한 것에 해당하고,
상기 전해질의 최종 총 질량을 첨가하는 단계는 0.6 M 내지 0.95 M의 염 농도를 갖는 전해질을 첨가하는 것을 포함하고,
이때 상기 전해질의 포화량은 상기 분리막, 제1전극 및 제2전극의 접근 가능한 공간을 포화시키기 위해 필요한 용기 내 전해질의 최소량이고,
상기 전해질의 추가 질량은 전해질의 포화량의 4% 이하인 것인, 에너지 저장장치의 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 전해질의 최종 총 질량을 첨가하는 단계는, 상기 전해질의 포화량의 2% 이하인 전해질의 추가 질량을 첨가하는 단계를 포함하는 것인, 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 에너지 저장장치를 씰링하는 단계를 더 포함하는, 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 에너지 저장장치는 울트라캐패시터를 포함하는 것인, 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 전해질의 최종 총 질량을 첨가하는 단계는, 염 농도가 0.7 M 내지 0.95M인 전해질을 첨가하는 단계를 포함하고, 이때 상기 염은 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트, 및 스피로-(1,1')-비피롤리디늄 테트라플루오로보레이트 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 전해질의 최종 총 질량을 첨가하는 단계는, 상기 전해질의 포화량 이외에 3g 이하의 추가 전해질을 첨가하는 단계를 포함하는, 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 전해질은 용기 내 전해질 염의 침전을 감소시기키 위해 선택된 전해질 염 농도를 포함하고,
상기 전해질은 아세토니트릴을 포함하는 것인, 제품.
- 제15항에 있어서,
상기 전해질은 4차 암모늄염을 포함하는 것인, 제품.
- 제16항에 있어서,
상기 4차 암모늄염은 스피로-(1,1')-비피롤리디늄, 트리에틸메틸 암모늄, 및 테트라에틸 암모늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 양이온을 포함하는 것인, 제품.
- 제16항에 있어서,
상기 4차 암모늄염은, 테트라플루오로보레이트를 포함하는 것인, 제품.
- 제15항에 있어서,
상기 전해질은 염 농도가 0.8M인 것을 포함하는 것인, 제품.
- 제15항에 있어서,
상기 에너지 저장장치는 전기이중층 캐패시터를 포함하는 것인, 제품.
- 제9항에 있어서,
상기 전해질은 아세토니트릴을 포함하는 것인, 제조방법.
- 제21항에 있어서,
상기 전해질은 0.7 M 내지 0.95 M의 염 농도를 갖는 것인, 제조방법.
- 제22항에 있어서,
상기 전해질은 0.8 M의 염 농도를 갖는 것인, 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 전해질을 첨가하는 단계는 트리에틸메틸 암모늄 테트라플루오로보레이트를 첨가하는 단계를 포함하는 것인, 제조방법.
- 에너지 저장장치의 제조방법으로서, 상기 제조방법은
용기를 제공하는 단계;
상기 용기 내에 제1전극 및 제2전극을 삽입하는 단계 - 이때 분리막을 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 위치시킴 -; 및
전해질 삽입 툴을 갖는 상기 용기에 전해질의 최종 총 질량을 첨가하는 단계;
를 포함하고,
상기 전해질의 최종 총 질량을 첨가하는 단계는 0.6 M 내지 0.95 M의 염 농도를 갖는 전해질을 첨가하는 것을 포함하고,
상기 총 질량은 전해질의 포화량과, 상기 전해질 삽입 툴의 제조 공차에 상응하는 추가 질량의 전해질을 합한 것에 상응하고,
이때 상기 전해질의 포화량은 상기 분리막, 제1전극 및 제2전극의 접근 가능한 공간을 포화시키기 위해 필요한 용기 내 전해질의 최소량이고, 상기 전해질의 추가 질량은 전해질의 포화량의 4% 이하인 것인, 에너지 저장장치의 제조방법. - 삭제
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