KR102410490B1 - Pouch-type electric double layer capacitor - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 파우치와; 상기 파우치 내부에 배치되는 복수의 집전체, 상기 집전체 사이에 이격 배치되어 복수의 상기 집전체를 격리시키는 격리막, 각각의 상기 집전체의 양면에 배치되는 한 쌍의 전극으로 이루어진 소자와; 상기 파우치 내부에 충전되는 전해액을 포함하는 파우치형 전기이중층 커패시터에 있어서, 상기 파우치 내부에는 가스를 흡수하는 가스흡수층을 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 파우치형 전기이중층 커패시터로부터 장기간 충,방전 과정에서 발생하는 가스를 가스흡수층을 통해 흡수함으로써 파우치의 부피 팽창을 억제가능하다. 또한 정전용량의 저항 및 ESR 증가와 같은 특성 열화가 적어 우수한 장기 신뢰성을 향상시킬 수 있다.The present invention, a pouch; an element comprising a plurality of current collectors disposed inside the pouch, a separator disposed spaced apart between the current collectors to isolate the plurality of current collectors, and a pair of electrodes disposed on both surfaces of each of the current collectors; In the pouch-type electric double layer capacitor comprising an electrolyte to be charged inside the pouch, it is a technical gist of the pouch to include a gas absorbing layer for absorbing gas inside the pouch. Accordingly, it is possible to suppress the volume expansion of the pouch by absorbing the gas generated in the long-term charging and discharging process from the pouch-type electric double layer capacitor through the gas absorption layer. In addition, excellent long-term reliability can be improved because there is little deterioration in characteristics such as increase in capacitance resistance and ESR.
Description
본 발명은 파우치형 전기이중층 커패시터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 파우치형 전기이중층 커패시터로부터 장기간 충,방전 과정에서 발생하는 가스를 가스흡수층을 통해 흡수함으로써 파우치의 부피 팽창을 억제가능한 파우치형 전기이중층 커패시터에 관한 것이다.The present invention relates to a pouch-type electric double-layer capacitor, and more particularly, to a pouch-type electric double-layer capacitor capable of suppressing the volume expansion of the pouch by absorbing gas generated in the long-term charging and discharging process from the pouch-type electric double-layer capacitor through the gas absorption layer. is about
전기이중층 커패시터(Electric double layer capacitor, EDLC)는 탄소 재료로 이루어진 한 쌍의 분극성 전극 사이에 절연성이 우수한 격리막(separator)이 배치되어 전극과 전해액 사이에 이중층을 형성하여 용량을 발현하는 에너지 저장 디바이스 중 하나이다. 이러한 전기이중층 커패시터는 전하를 갖는 고체와 그것에 접촉하는 전해액의 계면에 형성되는 수 nm 정도의 두께를 가지는 전기이중층을 유전체로 이용하는 것이다. 전기이중층의 용량은 1cm2당 수십μF이지만 표면적이 2,000 내지 2,500m2에 달하는 활성탄을 전극으로 이용하여 수백 내지 수천 F의 매우 큰 용량을 얻는 것이 가능하다. 이러한 전기이중층 커패시터는 에너지 저장 디바이스 중에서 에너지를 단시간에 입, 출력할 수 있어 정류회로, 잡음감쇠 및 전원용 펄스 발생 등에 응용되고 있다. 최근에는 전자기기에 사용되고 있는 기존의 전기화학 커패시터에 비하여 비약적으로 용량이 증대된 전기이중층 커패시터가 개발되었으며, 고출력 펄스 파워 능력과 고용량 에너지 저장능력으로 인하여 전지와 더불어 소형 경량의 전기 화학적 에너지 저장장치, 대출력 펄스 파워 및 피크 파워의 부하 평준화용으로 응용을 추진하고 있다. 뿐만 아니라 여러 가지 에너지 저장장치 중 환경 친화적 재료의 사용, 장 수명 및 고충방전 효율 등으로 인하여 환경, 경제적인 측면에서 기술의 중요성이 부각되고 있는 전기이중층 커패시터의 활용으로서는 군사용, 우주항공용, 의료용, 전기자동차 등의 고부가 장비의 대출력 펄스 파워의 주전원 및 보조전원으로 사용될 것이 전망된다.An electric double layer capacitor (EDLC) is an energy storage device in which a separator with excellent insulation is disposed between a pair of polarizable electrodes made of a carbon material to form a double layer between the electrode and an electrolyte to express capacity. one of them The electric double layer capacitor uses, as a dielectric, an electric double layer having a thickness of several nm formed at an interface between a solid having an electric charge and an electrolyte in contact with it. Although the electric double layer has a capacity of several tens of μF per 1 cm 2 , it is possible to obtain a very large capacity of several hundred to several thousand F by using activated carbon having a surface area of 2,000 to 2,500 m 2 as an electrode. Such an electric double layer capacitor can input and output energy in a short time among energy storage devices, so it is applied to a rectifier circuit, noise attenuation, and power pulse generation. In recent years, electric double layer capacitors have been developed, which have dramatically increased capacity compared to conventional electrochemical capacitors used in electronic devices. Applications are being promoted for load leveling of high power pulse power and peak power. In addition, among various energy storage devices, the use of eco-friendly materials, long lifespan, and high charging and discharging efficiency, etc. It is expected to be used as the main power and auxiliary power for high-output pulse power of high value-added equipment such as automobiles.
이러한 전기이중층 커패시터는 분극성 전극과 격리막으로 구성된 소자를 수납하는 방식에 따라 원통형(cylinder type), 각형(prismatic type) 또는 파우치형(pouched type)으로 제조되고 있으며, 파우치형의 경우 그 형상이 비교적 자유롭다. 원통형 또는 각형의 전기이중층 커패시터는 일반적으로 한 쌍의 분극성 전극 사이에 격리막을 배치한 단위 적층 구조를 권취해서 소자로 하고, 이 소자에 전해액을 함침시킨 후 금속용기 개구부를 봉구부재로 밀봉해서 제조한다. 한편 파우치형 전기이중층 커패시터는 한 쌍의 분극성 전극 사이에 격리막을 배치한 단위 적층 구조를 다수 병렬로 적층한 후, 동일 분극성 전극끼리 리드 탭으로 연결하고 전해액과 함께 알루미늄 라미네이트 필름으로 포장하여 제조한다. 파우치형 전기이중층 커패시터의 경우 쉽게 휘어지거나 구부러질 수 있기 때문에 외측에 견고한 케이스를 결합하여 장시간 사용할 수 있도록 구성된다. Such an electric double layer capacitor is manufactured in a cylindrical type, a prismatic type, or a pouched type according to a method of accommodating an element composed of a polarizable electrode and a separator, and in the case of a pouch type, the shape is relatively free. Cylindrical or prismatic electric double layer capacitors are generally manufactured by winding a unit stack structure in which a separator is disposed between a pair of polarizable electrodes to form a device, impregnating the device with an electrolyte, and sealing the opening of a metal container with a sealing member do. On the other hand, pouch-type electric double-layer capacitors are manufactured by stacking a plurality of unit stack structures in which a separator is disposed between a pair of polarizable electrodes in parallel, connecting the same polarized electrodes with lead tabs, and packaging with an aluminum laminate film together with an electrolyte. do. In the case of a pouch-type electric double layer capacitor, it can be easily bent or bent.
이러한 파우치형 커패시터는 출력 또는 용량 특성을 향상시키기 위해 유기용매 및 가소제들이 첨가되어 제조된다. 이때 충,방전 과정에서 과충전이 발생하거나 수 개의 셀 중 특정한 셀의 고장으로 인한 내부의 쇼트 발생 등에 의해 순식간에 셀 내부의 온도가 상승하고, 이로 인한 발화성 가스 발생으로 파우치가 부풀어오르는 스웰링(swelling) 현상이 발생할 수 있다. 즉 분극성 물질인 활성탄의 기공에 존재하는 수분 및 산성관능기가 전해액과 반응에 의해 일산화탄소(CO)와 이산화탄소(CO2) 등의 가스가 발생하며, 이로 인해 셀 내부의 저항 증가 및 용량 감소가 일어난다. 따라서 전기화학적 부반응에 의한 가스 발생을 최소화하기 위해 활성탄의 표면처리와 셀 조립공정에서의 수분 도입을 최소화하는 처리 등을 중점적으로 진행하고 있으나, 장기적인 충,방전에 의한 가스 발생을 완벽하게 제어하는 것은 불가능에 가깝다. 따라서 가스가 발생하여 스웰링 현상이 지속될 경우 파우치의 측면 등이 터지면서 많은 양의 발화성 가스가 한꺼번에 배출되기 때문에, 파우치 내의 발화성 가스를 제거하여 파우치가 터지는 것을 방지하는 기술이 필요하다.Such pouch-type capacitors are manufactured by adding organic solvents and plasticizers to improve output or capacity characteristics. At this time, the temperature inside the cell rises in an instant due to overcharge occurring during the charging and discharging process or an internal short circuit due to a failure of a specific cell among several cells, and the pouch swells due to the generation of ignitable gas. ) may occur. That is, gases such as carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO 2 ) are generated by the reaction of water and acid functional groups in the pores of activated carbon, which is a polarizable material, with the electrolyte, which increases the resistance and reduces the capacity inside the cell. . Therefore, in order to minimize gas generation due to electrochemical side reactions, the surface treatment of activated carbon and treatment to minimize the introduction of moisture in the cell assembly process are being carried out, but it is difficult to completely control the gas generation due to long-term charge and discharge. close to impossible Therefore, when gas is generated and the swelling phenomenon continues, a large amount of flammable gas is discharged at once as the side of the pouch bursts, so a technology for preventing the pouch from bursting by removing the flammable gas in the pouch is required.
이에 종래에는 '대한민국특허청 공개특허 10-2012-0146430 슈퍼 커패시터 및 이의 제조방법'과 같이 파우치 내의 발화성 가스가 파우치의 외부로 배출되도록 가스배출구를 포함하는 구성을 통해 파우치가 터지는 것을 방지하는 기술이 알려져 있다. 하지만 이러한 종래기술들의 경우 파우치에 가스배출구를 위한 멤브레인을 부착하고 실링하는 공정이 복잡하고, 외부에 공기가 파우치 내부로 유입될 가능성이 있기 때문에 장기적인 신뢰성이 낮다는 문제점이 있다.Accordingly, in the prior art, a technique for preventing the pouch from bursting through a configuration including a gas outlet so that the ignitable gas in the pouch is discharged to the outside of the pouch is known, such as 'Korea Patent Office Laid-Open Patent Publication No. 10-2012-0146430 Supercapacitor and Manufacturing Method thereof' have. However, in the case of these prior arts, the process of attaching and sealing the membrane for the gas outlet to the pouch is complicated, and there is a problem in that long-term reliability is low because there is a possibility that external air may be introduced into the pouch.
따라서 본 발명의 목적은 파우치형 전기이중층 커패시터로부터 장기간 충,방전 과정에서 발생하는 가스를 가스흡수층을 통해 흡수함으로써 파우치의 부피 팽창을 억제가능한 파우치형 전기이중층 커패시터를 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a pouch-type electric double-layer capacitor capable of suppressing volume expansion of the pouch by absorbing gas generated in the long-term charging and discharging process from the pouch-type electric double-layer capacitor through the gas absorption layer.
또한 정전용량의 저항 및 ESR 증가와 같은 특성 열화가 적어 우수한 장기 신뢰성을 향상시키는 파우치형 전기이중층 커패시터를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a pouch-type electric double layer capacitor that improves excellent long-term reliability due to less deterioration in characteristics such as increase in capacitance resistance and ESR.
상기한 목적은, 파우치와; 상기 파우치 내부에 배치되는 복수의 집전체, 상기 집전체 사이에 이격 배치되어 복수의 상기 집전체를 격리시키는 격리막, 각각의 상기 집전체의 양면에 배치되는 한 쌍의 전극으로 이루어진 소자와; 상기 파우치 내부에 충전되는 전해액을 포함하는 파우치형 전기이중층 커패시터에 있어서, 상기 파우치 내부에는 가스를 흡수하는 가스흡수층을 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 전기이중층 커패시터에 의해서 달성된다.The above object, the pouch; an element comprising a plurality of current collectors disposed inside the pouch, a separator disposed spaced apart between the current collectors to isolate the plurality of current collectors, and a pair of electrodes disposed on both surfaces of each of the current collectors; In the pouch-type electric double-layer capacitor comprising an electrolyte to be charged inside the pouch, the pouch-type electric double-layer capacitor comprises a gas-absorbing layer for absorbing gas inside the pouch.
여기서, 상기 가스흡수층은 한 쌍으로 이루어져 상기 파우치와 상기 소자의 사이에 각각 배치되며, 상기 가스흡수층은 메탈폼(metal form)과, 상기 메탈폼 내부에 함입되는 흡수분말을 포함하는 것이 바람직하다.Here, the gas absorption layer is made of a pair and is disposed between the pouch and the device, respectively, and the gas absorption layer preferably includes a metal form and an absorption powder embedded in the metal form.
상기 메탈폼은 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 또는 스테인레스스틸(stainless steel) 소재로 이루어지며, 상기 메탈폼은 평균 기공률이 80% 이상인 것이 바람직하다.The metal foam is made of aluminum (Al), nickel (Ni) or stainless steel material, and the metal foam preferably has an average porosity of 80% or more.
또한, 상기 흡수분말은 고체 탄산 알칼리인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산칼륨(K2CO3)이며, 상기 가스흡수층은 상기 메탈폼의 내부에 상기 흡수분말이 함입된 후 상기 흡수분말이 이탈되는 것을 방지하도록 최초 상기 메탈폼 두께에 비교하여 20% 이상 두께를 축소하는 것이 바람직하며, 상기 가스흡수층은 1 내지 2mm의 두께로 이루어지는 것이 바람직하다.In addition, the absorption powder is sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) or potassium carbonate (K 2 CO 3 ), which is a solid alkali carbonate, and the absorption powder is released from the gas absorption layer after the absorption powder is embedded in the metal foam. It is preferable to reduce the thickness by 20% or more compared to the initial thickness of the metal foam to prevent it from being formed, and it is preferable that the gas absorption layer has a thickness of 1 to 2 mm.
상기 파우치는 알루미늄 라미네이트 파우치(aluminum laminate pouch)이며, 상기 전극은 탄소재, 도전재 및 바인더로 이루어진 것이 바람직하며, 상기 탄소재는 비표면적이 1,000 내지 3,000m2/g인 것이 바람직하다.The pouch is an aluminum laminate pouch, and the electrode is preferably made of a carbon material, a conductive material and a binder, and the carbon material preferably has a specific surface area of 1,000 to 3,000 m 2 /g.
상기 탄소재는 활성탄(active carbon), 카본블랙(carbon black), 흑연(graphite), 그래핀(graphene), 하드카본(hard carbon), 카본나노섬유(carbon nano fiber), 카본나노튜브(carbon nano tube) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.The carbon material is activated carbon (active carbon), carbon black (carbon black), graphite (graphite), graphene (graphene), hard carbon (hard carbon), carbon nano fiber (carbon nano fiber), carbon nano tube (carbon nano tube) ) and mixtures thereof.
상술한 본 발명의 구성에 따르면, 파우치형 전기이중층 커패시터로부터 장기간 충,방전 과정에서 발생하는 가스를 가스흡수층을 통해 흡수함으로써 파우치의 부피 팽창을 억제가능하다.According to the above-described configuration of the present invention, it is possible to suppress the volume expansion of the pouch by absorbing the gas generated in the long-term charging and discharging process from the pouch-type electric double layer capacitor through the gas absorption layer.
또한 정전용량의 저항 및 ESR 증가와 같은 특성 열화가 적어 우수한 장기 신뢰성을 향상시킬 수 있다.In addition, excellent long-term reliability can be improved because there is little deterioration in characteristics such as increase in capacitance resistance and ESR.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 전기이중층 커패시터의 사시도이고,
도 2는 파우치형 전기이중층 커패시터의 단면도이다.1 is a perspective view of a pouch-type electric double layer capacitor according to an embodiment of the present invention;
2 is a cross-sectional view of a pouch-type electric double layer capacitor.
이하 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 전기이중층 커패시터(100)를 상세히 설명한다.Hereinafter, the pouch-type electric
도 1에 도시된 바와 같이 파우치형 전기이중층 커패시터(100)는, 파우치(110), 소자(120), 전해액(130), 리드탭(140) 및 가스흡수층(150)을 포함한다.As shown in FIG. 1 , the pouch-type electric
파우치(pouch, 110)는 전기이중층 커패시터(100)를 둘러싸도록 배치되어 내부에 소자(120), 전해액(130), 리드탭(140) 및 가스흡수층(150)을 포함하는 것으로, 내부에 존재하는 전해액(130)이 외부로 배출되지 않으면서 외부에 존재하는 공기 또는 수분이 파우치(110) 내부로 유입되지 않도록 밀봉된다. 이와 같은 파우치(110)는 알루미늄 라미네이트 파우치(aluminum laminate pouch)가 가장 바람직하나 이에 한정되지는 않는다.The
파우치(110) 내부에 배치되는 소자(120)는 전기가 충,방전되는 것으로 전극(121), 집전체(122) 및 격리막(123)을 포함한다.The
본 발명에서 전극(121)은 탄소재 분말을 포함하는 탄소재 전극을 의미하며, 탄소재, 도전재 및 바인더로 구성된다. 탄소재의 경우 일반적으로 다른 소재들에 비해 비표면적이 크다고 알려져 있으며, 이를 전극(121)에 적용할 경우 전기이중층 커패시터(100)의 용량을 증가시킬 수 있다. 따라서 본 발명에서는 비표면적이 큰 탄소재 전극(121)을 사용한다. 여기서 비표면적은 1,000 내지 3,000m2/g로 이루어진 탄소재를 사용하는 것이 바람직하다. 탄소재의 비표면적이 1,000m2/g 미만일 경우 커패시터(100)의 성능이 좋지 못하며, 3,000m2/g을 초과할 경우 비표면적이 큰 만큼 탄소재 표면에 수분 함유량이 증가하거나 탄소재로부터 가스가 많이 발생되기 때문에 이를 본 발명에 적용하기에는 적합하지 못하다.In the present invention, the
이와 같은 탄소재는 활성탄(active carbon), 카본블랙(carbon black), 흑연(graphite), 그래핀(graphene), 하드카본(hard carbon), 카본나노섬유(carbon nano fiber), 카본나노튜브(carbon nano tube) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하며, 그 중 활성탄이 가장 바람직하다. 활성탄은 폐놀 섬유계 활성탄, 코코넛 껍질을 원료로 사용하는 목질계 활성탄, 석유 코크스계 활성탄 등이 사용될 수 있고, 분말의 경우 평균입자 크기가 20㎛ 이하, 섬유상의 경우에는 섬유경이 10 내지 20㎛인 것이 바람직하다.Such carbon materials include active carbon, carbon black, graphite, graphene, hard carbon, carbon nano fiber, and carbon nanotube. tube) and mixtures thereof, and among them, activated carbon is most preferred. Activated carbon may be phenol fiber-based activated carbon, lignocellulosic activated carbon using coconut shell as a raw material, petroleum coke-based activated carbon, etc. In the case of powder, the average particle size is 20 μm or less, and in the case of fiber, the fiber diameter is 10 to 20 μm. it is preferable
도전재의 경우 카본블랙(carbon black), 흑연(graphite), 그래핀(graphene), 하드카본(hard carbon), 카본나노섬유(carbon nano fiber), 카본나노튜브(carbon nano tube), 금속분말 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 선택하여 사용하며, 0.01 내지 10㎛의 직경인 것이 바람직하다. 도전재의 직경이 0.01㎛ 미만일 경우 도전성이 저하될 수 있으며, 10㎛를 초과할 경우 탄소재와 고르게 혼합되지 못하게 된다.In the case of conductive materials, carbon black, graphite, graphene, hard carbon, carbon nano fiber, carbon nano tube, metal powder and its It is used by selecting one selected from the group consisting of mixing, and preferably has a diameter of 0.01 to 10 μm. If the diameter of the conductive material is less than 0.01㎛, conductivity may be reduced, and if it exceeds 10㎛, it is not possible to mix evenly with the carbon material.
여기서 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, polytetrafluoroethylene)계 바인더가 가장 바람직하다. PTFE는 0.1 내지 0.5㎛의 직경을 가진 것을 사용할 수 있으며, 고형분 상태 단독 또는 고형분이 물(H2O), 크실렌(xylene), 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 이소프로판올(isopropanol), 톨루엔(toluene), 부틸 아세테이트(butyl acetate) 등에 분산된 에멀젼(emulsion) 상태로 사용할 수 있다. PTFE는 우수한 내화학성, 내열성 및 기계적 강도가 우수하기 때문에 전극을 구성하기 위해 압연을 반복할수록 PTFE의 네트워크 구조가 발달하게 된다. 네트워크 구조가 발달하면 내부에 탄소재 및 도전재를 고착시키므로 충진밀도를 높임과 동시에 탄소재 및 도전재들 간의 접촉저항을 감소시켜 전극의 전기적 특성을 개선시킨다.Here, the binder is most preferably a polytetrafluoroethylene (PTFE, polytetrafluoroethylene)-based binder. PTFE can be used with a diameter of 0.1 to 0.5㎛, solid content alone or solid content is water (H 2 O), xylene (xylene), methanol (methanol), ethanol (ethanol), isopropanol (isopropanol), toluene ( toluene), it can be used in the form of an emulsion dispersed in butyl acetate, etc. Since PTFE has excellent chemical resistance, heat resistance and mechanical strength, the network structure of PTFE develops as rolling is repeated to compose the electrode. When the network structure develops, since the carbon material and the conductive material are fixed inside, the filling density is increased and the contact resistance between the carbon material and the conductive material is reduced, thereby improving the electrical properties of the electrode.
이러한 소재들로 이루어진 전극(121)은 한 쌍으로 이루어지며, 한 쌍의 전극은 집전체(122)의 양면에 배치된다. 집전체(122)는 파우치(110)의 내부에 복수 개가 배치되는데, 즉 집전체(122)와 한 쌍의 전극(121)은 유니트로 이루어져 복수 개가 파우치(110)의 내부에 배치된다. 이러한 집전체(122)는 알루미늄 호일(Al foil)이 가장 바람직하나 이에 한정되지는 않는다. 이와 같이 한 쌍의 전극(121) 사이에는 집전체(122)가 배치되며, 서로 이격된 전극(122)은 초기 인가전압 조건에 의해 양극 및 음극이 결정된다.The
격리막(123)은 집전체(122) 사이에 이격 배치되어 복수의 집전체(122)를 격리시키는 역할을 하며, 바람직하게는 집전체(122)와 전극(121)으로 이루어진 유니트 사이에 이격 배치되어 상이한 집전체(122)에 배치된 전극(121)이 서로 접촉하지 않도록 하는 역할을 한다. 이러한 집전체(122)는 격리막(123)과 근접하도록 배치된 전극(121)으로 전해액이 접촉할 수 있도록 전해액(130)이 통과하는 소재로 이루어지는 것이 바람직한데, 가장 바람직한 소재는 폴리프로필렌(polypropylene) 부직포이다.The
이와 같이 전극(121), 집전체(122) 및 격리막(123)으로 이루어진 소자(120)는 전해액(130)과 접촉되어야 하며, 이를 위해 파우치(110)의 내부에는 전해액(130)이 충전된다. 전해액(130)은 특별히 한정하지 않고 전기이중층 커패시터(100)용으로 통상 사용되는 것, 즉 전기화학적으로 안정한 전해질을 극성 유기용매에 용해시킨 것을 사용할 수 있다. 여기서 전해질로서는 제4급 오니움 양이온인 (C2H5)4N+, (C3H7)4N+, (C4H9)4N+, (C2H5)3CH3N+, (C2H5)4P+와, 음이온은 BF4 -, PH6 -, ClO4 -, CF3SO3 - 구성된 염을 사용할 수 있다. 또한 유기용매로는 카보네이트계인 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 부티렌 카보네이트(butylene carbonate), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 아세토나이트릴(acetonitrile) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.As described above, the
리드탭(140)은 양극탭 및 음극탭으로 이루어지며, 양극탭 및 음극탭 각각은 일단이 파우치(110) 내부의 동일한 분극성 전극(121)끼리 결합되고 타단은 외부로 인출된다. 따라서 파우치(110)는 리드탭(140)을 제외한 영역만을 밀폐하도록 감싸는 형태로 이루어진다. 이러한 리드탭(140)은 소자(120)로부터 방전시 발생되는 전류 또는 외부로 충전시 유입되는 전류를 전달하는 역할을 한다.The
파우치(110) 내부에 배치되는 가스흡수층(150)은 밀봉된 파우치(110)의 내부에서 발생되는 가스를 흡수하여 파우치의 스웰링(swelling) 현상을 방지하는 역할을 한다. 전기이중층 커패시터(100)는 장기간의 충,방전이 이루어지거나, 높은 전압에서 사용할 경우 전극(121)과 전해액(130) 사이의 반응에 의해 가스가 발생하게 된다. 특히 전극(121)에 포함된 탄소재의 경우 비표면적이 넓기 때문에 전기이중층 커패시터(100)의 성능 향상을 위해 사용되기는 하나, 탄소재 표면에 부착된 수분 또는 산성관능기가 전해액(130)과 반응하여 일산화탄소(CO) 또는 이산화탄소(CO2) 등의 가스를 발생시킨다는 단점이 있다. 이러한 스웰링 현상에 의해 전기이중층 커패시터(100)의 저항이 증가하고 용량이 감소하기 때문에 파우치(110) 내부의 가스를 제어하는 기술이 필요하다. 따라서 본 발명에서는 파우치(110) 내부에 존재하는 일산화탄소 또는 이산화탄소를 흡수하여 스웰링 현상을 방지하는 가스흡수층(150)을 포함한다.The
가스흡수층(150)은 메탈폼과 흡수분말로 이루어진다. 메탈폼(metal form)은 금속소재로 이루어진 다공성 시트를 의미한다. 이러한 메탈폼은 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 또는 스테인레스스틸(stainless steel) 소재로 이루어지며, 평균 기공률은 80% 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 평균 기공률이 80% 미만일 경우 내부에 흡수분말이 충분하게 함입되지 못하여 가스흡수 역할을 제대로 수행할 수 없다. 메탈폼의 두께는 1 내지 2mm로 이루어져 흡수분말을 충분히 포함하면서 전기이중층 커패시터(100)의 부피를 많이 증가시키지 않도록 하는 것이 바람직하다.The
메탈폼은 단일 개로 파우치(110) 내부에 배치될 수도 있지만, 가스흡수가 원활하게 이루어지기 위해서는 한 쌍으로 파우치(110)와 소자(120)의 사이에 각각 배치되는 것이 가장 바람직하다. 즉 소자(120)의 양면에 배치되어 소자(120)로부터 배출되는 가스를 효과적으로 흡수할 수 있도록 한다. 이러한 메탈폼은 파우치(110) 내에서 소자(120)의 양단부에 배치되어 소자(120)를 지지함과 동시에 가압효과를 발휘하여 소자(120)의 전극(121) 간 접촉저항을 최소화하는 효과도 있다. Although the metal foam may be disposed inside the
가스흡수층(150) 중 메탈폼의 내부에 함입되는 흡수분말은 일산화탄소 또는 이산화탄소를 흡수하여 화학적 반응이 이루어지는 활성 성분으로 작용한다. 이와 같은 흡수분말은 메탈폼 내부에 함입된 후 메탈폼으로부터 이탈하는 것을 방지하기 위하여 흡수분말이 함입된 메탈폼을 상하로 가압하여 최초 메탈폼 두께에 비교하여 20% 이상 두께를 축소해서 사용하는 것이 바람직하다. 흡수분말을 일산화탄소 또는 이산화탄소를 흡수하여 화학적 반응이 이루어지는 고체 탄산 알칼리 분말이 가장 바람직하다. 여기서 고체 탄산 알칼리 분말은 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산칼륨(K2CO3)을 의미하며, 예를 들어 탄산나트륨, 이산화탄소 및 탄소재에 포함된 소량의 수분은 다음과 같은 반응식을 통해 화학적 반응이 이루어진다.The absorption powder embedded in the metal foam in the
<반응식><reaction formula>
Na2CO3 + H2O + CO2 → 2NaHCO3 Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 → 2NaHCO 3
즉, 전극(121) 내에 존재하는 소량의 수분과 전극(121)으로부터 발생되는 가스가 흡수분말과 반응하여 탄산수소나트륨(NaHCO3) 분말로 변하게 되고, 이를 통해 파우치(110)의 스웰링 현상을 방지할 수 있게 된다.That is, a small amount of moisture present in the
흡수분말의 평균 입자 크기는 100㎛ 이하인 것이 바람직한데, 입자 크기가 100㎛를 초과할 경우 메탈폼 내에 삽입이 용이하지 않아 제대로 된 가스흡수층(150)을 얻을 수 없기 때문이다. It is preferable that the average particle size of the absorbent powder is 100 μm or less, because when the particle size exceeds 100 μm, it is not easy to insert into the metal foam, so that a proper
이와 같은 구조로 이루어진 본 발명의 파우치형 전기이중층 커패시터(100)와 종래의 파우치형 전기이중층 커패시터를 제조한 후 이를 실험한 실시예를 하기와 같이 설명한다.An embodiment in which the pouch-type electric double-
<비교예><Comparative example>
비교예에 따른 파우치형 전기이중층 커패시터 중 전극은 비표면적 2,000m2/g의 코크스계 활성탄(active carbon), 카본블랙(carbon black) 및 바인더(binder)로서 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene)을 활성탄 : 카본블랙 : 바인더 = 85 : 10 : 5중량비로 혼합하고, 일정량의 이소프로필알콜(isopropyl alcohol)과 함께 반죽한 후 롤 프레싱을 통해 150㎛ 두께의 활성탄 시트(sheet)를 제조하였다. 제조된 활성탄 시트는 30㎛ 두께의 에칭 알루미늄 집전체에 도전성 접착제를 사용하여 결합되어 활성탄 시트를 포함하는 활성탄 시트 전극으로 제조되었다.Among the pouch-type electric double layer capacitors according to the comparative example, the electrode was made of coke-based activated carbon, carbon black, and polytetrafluoroethylene as a binder with a specific surface area of 2,000 m 2 /g. Carbon black: Binder = 85: 10: Mixed in a weight ratio of 5, kneaded with a certain amount of isopropyl alcohol, and then an activated carbon sheet having a thickness of 150 μm was prepared through roll pressing. The prepared activated carbon sheet was bonded to an etched aluminum current collector with a thickness of 30 μm using a conductive adhesive to prepare an activated carbon sheet electrode including the activated carbon sheet.
활성탄 시트 전극은 폴리프로필렌(polypropylene) 부직포로 제조된 격리막을 사이에 두고 대칭되도록 배치한 후, 초기 인가전압 조건에서 양극 및 음극을 결정한다. 동일 극성의 활성탄 시트 전극의 요구 제조용량에 따라 병렬로 적층한 후 전극 사이에 격리막이 배치되고, 격리막으로 외부를 감싼 소자를 제조하였다. 이때 각 극성 단자를 반대방향으로 인출하고, 이들 단자들은 알루미늄 리드탭에 초음파 용접하였다.After the activated carbon sheet electrode is symmetrically disposed with a separator made of polypropylene nonwoven therebetween, the positive electrode and the negative electrode are determined in the initial applied voltage condition. After stacking in parallel according to the required manufacturing capacity of the activated carbon sheet electrodes of the same polarity, a separator was disposed between the electrodes, and an externally wrapped device with the separator was manufactured. At this time, each polarity terminal was drawn out in the opposite direction, and these terminals were ultrasonically welded to an aluminum lead tab.
이러한 소자는 3면이 실링된 라미네이트 필름 파우치에 장입한 후, 1.5M의 스피로비피로리디움 테트라플로로보레이트(SBPBF4) 전해액을 주입하고, 나머지 한 면을 실링하여 파우치 전기이중층 커패시터를 제조하였다.After these devices were charged in a laminate film pouch sealed on three sides, 1.5M spirobipyrrolidium tetrafluoroborate (SBPBF 4 ) electrolyte was injected, and the other side was sealed to prepare a pouch electric double layer capacitor.
제조된 파우치 전기이중층 커패시터는 2.7V의 인가전압으로 충전하고 1A로 방전한 경우의 초기 정전용량과 등가직렬저항(equivalent series resistance, ESR)을 측정하였다. 계속해서 파우치 전기이중층 커패시터는 60℃에서 2.7V로 인가한 후 1,000시간 유지한 고온부하 실험(floating test) 후 정전용량과 등가직렬저항을 측정하였다.The prepared pouch electric double layer capacitor was measured for initial capacitance and equivalent series resistance (ESR) when charged at an applied voltage of 2.7V and discharged at 1A. Subsequently, the pouch electric double layer capacitor was applied at 2.7V at 60°C, and after a high temperature load test (floating test) maintained for 1,000 hours, capacitance and equivalent series resistance were measured.
<실시예><Example>
실시예에 따른 파우치형 전기이중층 커패시터의 제조방법은 가스흡수층을 사용한 것을 제외하고는 비교예의 제조방법과 동일한 방법을 통해 제조된다.The manufacturing method of the pouch-type electric double layer capacitor according to the embodiment was manufactured through the same method as the manufacturing method of the comparative example, except that a gas absorption layer was used.
가스흡수층은 100㎛ 입자 크기의 탄산나트륨(Na2CO3) 분말을 1mm 두께에 기공률 90%인 니켈 폼에 건식으로 분산시켜 함입시킨 후 1ton/cm2의 인가하중으로 가압하여 최종 두께 0.8mm로 제조하였다. 이후 가스흡수층을 전극과 격리막으로 구성된 소자의 양측에 배치하고, 소자와 가스흡수층을 포함하는 파우치형 전기이중층 커패시터를 제조하였다. 전기화학적 특성은 비교예와 동일하게 측정하였다.The gas absorption layer was prepared by dispersing sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) powder with a particle size of 100 μm in a 1 mm thickness and a nickel foam having a porosity of 90% and impregnating it in a dry manner, and then pressurizing it with an applied load of 1 ton/cm 2 to obtain a final thickness of 0.8 mm. did Thereafter, a gas absorption layer was disposed on both sides of the device composed of an electrode and a separator, and a pouch-type electric double layer capacitor including the device and a gas absorption layer was manufactured. Electrochemical properties were measured in the same manner as in Comparative Example.
표 1은 이들 비교예와 실시예의 전기화학적 특성을 나타낸 것이다.Table 1 shows the electrochemical properties of these Comparative Examples and Examples.
(F)capacitance
(F)
(mΩ)ESR
(mΩ)
(F)capacitance
(F)
(mΩ)ESR
(mΩ)
표 1에서 비교예와 실시예의 초기 정전용량 및 ESR은 유사한 값을 나타내는 것을 알 수 있다. 하지만 고온부하(floating test) 후 결과에서는, 비교예의 용량감소는 12.9%인 것에 비해 실시예의 경우 5.3%의 감소를 나타내었으며 저항 변화로 실시예의 경우가 더 적은 값을 나타내었다. 또한 부피 팽창율은 비교예보다 실시예가 더 적은 수치를 나타내는 것을 확인할 수 있다.It can be seen from Table 1 that the initial capacitance and ESR of the comparative example and the example show similar values. However, in the results after the high temperature load (floating test), the capacity reduction of the comparative example was 12.9%, but the example showed a decrease of 5.3%, and the example showed a smaller value due to the change in resistance. In addition, it can be seen that the volume expansion ratio of the Example shows a smaller value than that of the Comparative Example.
따라서 본 발명에서 기재된 바와 같이 가스흡수층(150)을 포함하여 파우치형 전기이중층 커패시터(100)를 제조할 경우 장기간 열화 과정에서 발생하는 가스를 흡수하여 전기이중층 커패시터(100)의 부피 팽창을 억제하고, 이로 인해 정전용량과 저항의 변화를 최소화하는 것을 알 수 있다.Therefore, when manufacturing the pouch-type electric double-
100: 전기이중층 커패시터
110: 파우치
120: 소자
121: 전극
122: 집전체
123: 격리막
130: 전해액
140: 리드탭
150: 가스흡수층100: electric double layer capacitor
110: pouch
120: element
121: electrode
122: current collector
123: separator
130: electrolyte
140: lead tab
150: gas absorption layer
Claims (12)
상기 파우치 내부에는 가스를 흡수하는 가스흡수층을 포함하고
상기 가스흡수층은 메탈폼(metal form)과, 상기 메탈폼 내부에 함입되는 흡수분말을 포함하되,
상기 가스흡수층은 상기 메탈폼의 내부에 상기 흡수분말이 함입된 후 상기 흡수분말이 이탈되는 것을 방지하도록 최초 상기 메탈폼 두께와 비교하여 적어도 20% 두께를 축소하는 것을 특징으로 하는 파우치형 전기이중층 커패시터.pouch; an element comprising a plurality of current collectors disposed inside the pouch, a separator disposed spaced apart between the current collectors to isolate the plurality of current collectors, and a pair of electrodes disposed on both surfaces of each of the current collectors; In the pouch-type electric double layer capacitor comprising an electrolyte to be charged inside the pouch,
The pouch includes a gas absorption layer for absorbing gas,
The gas absorption layer includes a metal form (metal form), and an absorption powder impregnated in the metal form,
The gas absorption layer is a pouch-type electric double layer capacitor, characterized in that the thickness is reduced by at least 20% compared to the initial thickness of the metal foam to prevent the absorption powder from being separated after the absorption powder is embedded in the metal foam .
상기 가스흡수층은 한 쌍으로 이루어져 상기 파우치와 상기 소자의 사이에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 파우치형 전기이중층 커패시터.The method of claim 1,
The gas absorption layer is made of a pair and is respectively disposed between the pouch and the device.
상기 메탈폼은 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 또는 스테인레스스틸(stainless steel) 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파우치형 전기이중층 커패시터.The method of claim 1,
The metal foam is a pouch type electric double layer capacitor, characterized in that made of aluminum (Al), nickel (Ni) or stainless steel (stainless steel) material.
상기 메탈폼은 평균 기공률이 80% 이상인 것을 특징으로 하는 파우치형 전기이중층 커패시터.The method of claim 1,
The metal foam is a pouch-type electric double layer capacitor, characterized in that the average porosity is 80% or more.
상기 흡수분말은 고체 탄산 알칼리인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산칼륨(K2CO3)인 것을 특징으로 하는 파우치형 전기이중층 커패시터.The method of claim 1,
The absorbing powder is a solid alkali carbonate sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) or potassium carbonate (K 2 CO 3 ) Pouch-type electric double layer capacitor, characterized in that.
상기 가스흡수층은 1 내지 2mm의 두께로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파우치형 전기이중층 커패시터.The method of claim 1,
The gas absorption layer is a pouch-type electric double layer capacitor, characterized in that made of a thickness of 1 to 2mm.
상기 파우치는 알루미늄 라미네이트 파우치(aluminum laminate pouch)인 것을 특징으로 하는 파우치형 전기이중층 커패시터.The method of claim 1,
The pouch type electric double layer capacitor, characterized in that the aluminum laminate pouch (aluminum laminate pouch).
상기 전극은 탄소재, 도전재 및 바인더로 이루어진 것을 특징으로 하는 파우치형 전기이중층 커패시터.The method of claim 1,
The electrode is a pouch type electric double layer capacitor, characterized in that made of a carbon material, a conductive material and a binder.
상기 탄소재는 비표면적이 1,000 내지 3,000m2/g인 것을 특징으로 하는 파우치형 전기이중층 커패시터.11. The method of claim 10,
The carbon material is a pouch-type electric double layer capacitor, characterized in that the specific surface area of 1,000 to 3,000 m 2 /g.
상기 탄소재는 활성탄(active carbon), 카본블랙(carbon black), 흑연(graphite), 그래핀(graphene), 하드카본(hard carbon), 카본나노섬유(carbon nano fiber), 카본나노튜브(carbon nano tube) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 파우치형 전기이중층 커패시터.
11. The method of claim 10,
The carbon material is activated carbon (active carbon), carbon black (carbon black), graphite (graphite), graphene (graphene), hard carbon (hard carbon), carbon nano fiber (carbon nano fiber), carbon nano tube (carbon nano tube) ) and a pouch type electric double layer capacitor, characterized in that it is selected from the group consisting of mixtures thereof.
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