KR102431457B1 - 전기 이중층 커패시터용 전해액 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 전해액을 포함하는 전기 이중층 커패시터 - Google Patents
전기 이중층 커패시터용 전해액 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 전해액을 포함하는 전기 이중층 커패시터 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명에 따른, 전기 이중층 커패시터의 성능을 향상시키기 위해 요구되는 최적의 농도를 갖는 전기 이중층 커패시터용 전해액 제조 방법은, 1몰 농도의 기준 전해액에 포함된 용질의 기준분자량을 기준으로 용매의 기준질량을 결정하는 단계; 상기 기준 전해액의 전기 전도도를 기준으로 전기 전도도의 변화율이 10%이하가 되게 하는 상기 용매의 질량증가비율을 결정하는 단계; 상기 질량증가비율에 해당하는 질량을 상기 기준질량에 가산하여 상기 용매의 타겟질량을 산출하는 단계; 및 상기 타겟질량의 용매와 상기 기준 분자량을 갖는 용질을 혼합하여 전해액을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 에너지 저장 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 전기 이중층 커패시터에 관한 것이다.
울트라 커패시터(Ultra-Capacitor) 또는 슈퍼 커패시터(Super Capacitor)라고도 불리는 전기 이중층 커패시터는 휴대폰, 테블릿 PC, 또는 노트북 등과 같은 모바일 디바이스의 보조 전원으로서뿐만 아니라, 고용량이 요구되는 전기 자동차나 하이브리드 자동차, 태양전지용 전원장치, 무정전 전원공급장치(Uninterruptible Power Supply: UPS) 등의 주전원 또는 보조전원으로도 이용되고 있다.
이러한 전기 이중층 커패시터는 전해 콘덴서와 이차전지의 중간적인 특성을 갖는 것으로써 높은 효율과 반영구적인 수명 특성을 가지고 있고, 이차전지의 약점인 짧은 싸이클과 순간 고전압 문제를 보완할 수 있어 그 활용도가 급속도로 증가하고 있다.
일반적인 전기 이중층 커패시터는 양극, 음극, 및 양극과 음극을 전기적으로 분리시키는 분리막(Separator)이 원형으로 권취되어 전해액과 함께 도 1에 도시된 바와 같은 알루미늄 케이스 내에 내장된 형태로 구성된다. 일반적인 전기 이중층 커패시터의 구성이 대한민국 공개특허 제10-2012-0103992호에 개시되어 있다.
상술한 전기 이중층 커패시터는 전기 이중층 커패시터에 포함된 전해액의 농도가 성능에 많은 영향을 미친다. 예컨대, 전해액의 농도가 낮은 경우, 전기 이중층 커패시터의 전극 내에서 이온 수송이 감소하거나 전극과 분리막이 완전히 포화되지 않아 전기 이중층 커패시터의 성능이 감소할 수 있다는 문제점이 있다.
반대로, 전해액의 농도가 높은 경우, 전기 이중층 커패시터의 전극 내에서 전해액에 포함된 염이 침전될 수 있고, 이로 인해 전극을 구성하는 활성 물질 내의 기공이 막히게 되어 전기 이중층 커패시터의 성능이 저하되거나, 전기 이중층 커패시터 내에서 가스를 발생시켜서, 가스 방출, 과압, 및 안전성 문제를 일으킬 수 있다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전기 이중층 커패시터의 성능을 향상시키기 위해 요구되는 최적의 농도를 갖는 전해액 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 전해액을 포함하는 전기 이중층 커패시터를 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 전해액의 용매의 함량을 증가시킴으로써 전해액의 농도를 최적화시킬 수 있는 전해액 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 전해액을 포함하는 전기 이중층 커패시터를 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 전기 이중층 커패시터용 전해액 제조 방법은, 1몰 농도의 기준 전해액에 포함된 용질의 기준분자량을 기준으로 용매의 기준질량을 결정하는 단계; 상기 기준 전해액의 전기 전도도를 기준으로 전기 전도도의 변화율이 10%이하가 되게 하는 상기 용매의 질량증가비율을 결정하는 단계; 상기 질량증가비율에 해당하는 질량을 상기 기준질량에 가산하여 상기 용매의 타겟질량을 산출하는 단계; 및 상기 타겟질량의 용매와 상기 기준 분자량을 갖는 용질을 혼합하여 전해액을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 용매의 질량증가비율은 수학식 
를 이용하여 산출될 수 있다. 상기 수학식에서 x는 용매의 질량증가비율을 나타내고, △y는 상기 전기 전도도의 변화율을 나타내며, a는 미리 정해진 전기전도도 감소율을 나타낸다.
이러한 실시예에 따르는 경우, 용매의 질량증가비율은 3%일 수 있다.
한편, 상기 용질은 제4급 암모늄염을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 용질의 양이온은 테트라에틸 암모늄, 트리에틸메틸 암모늄, 트리메틸에틸 암모늄, 1,1-다이알킬 헤테로모노사이클 화합물을 갖는 암모늄, 및 암모늄-스피로 이환식 화합물로 구성되는 그룹 중 어느 하나일 수 있고, 상기 용질의 음이온은 헥사플루오르포스페이트(hexafluorophosphate) 또는 테트라플루오르보레이트(tetrafluoroborate)일 수 있다.
상기 용매는 프로필렌카보네이트(PropyleneCarbonate), 에틸렌카보네이트(EthyleneCarbonate), 부틸렌카보네이트(ButyleneCarbonate), 비닐렌카보네이트(VinyleneCarbonate), 아세토나이트릴(Acetonitrile), 비닐에틸렌카보네이트(VinylEthyleneCarbonate), 디메틸카보네이트(DimethylCarbonate), 디에틸카보네이트(DiethylCarbonate), 에틸메틸카보네이트(EthylMethylCarbonate), 감마뷰티로락톤(gamma-Butyrolactone), 술포란(Sulfolane), 디메틸설파이디(DimethylSulfoxide), 또는 테트라하이드로푸란(Tetrahydrofuran)일 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 전기 이중층 커패시터는 제1 전극, 상기 제1 전극과 반대되는 극성을 갖는 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 전기적으로 분리시키는 분리막이 권취되어 구성된 베어셀; 상기 베어셀을 수용하는 케이스; 및 상기 케이스 내에 함침되고, 상술한 전기 이중층 커패시터용 전해액 제조 방법에 따라 제조된 전해액을 포함한다.
본 발명에 따르면, 최적의 농도를 갖는 전해액을 이용하여 전기 이중층 커패시터를 제조할 수 있어 전기 이중층 커패시터의 성능을 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 전해액에 포함된 용매의 함량을 증가시켜 최적의 농도를 갖는 전해액을 제조함으로써 고온 환경에서 소모되는 용매에 의하여 용질의 거동성을 보다 지속적으로 유지할 수 있어 전기 이중층 커패시터의 용량 신뢰성 및 저항 신뢰성을 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 용질에 비해 가격이 저렴한 용매의 함량만을 증가시킴으로써 전해액의 농도를 최적화시킬 수 있어 전해액 및 전기 이중층 커패시터의 원가를 절감할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 전해액에서 용매가 차지하는 부피가 상대적으로 증가하기 때문에 전해액 함침 효과가 증대된다는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 울트라 커패시터를 보여주는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 이중층 커패시터용 전해액 제조 방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 3은 용매의 질량증가비율에 따른 전기 전도도의 비율을 보여주는 그래프이다.
도 4는 용매의 질량증가비율에 따른 전기 이중층 커패시터의 등가직렬저항 증가율을 보여주는 그래프이다.
도 5는 용매의 질량증가비율에 따른 전기 이중층 커패시터의 용량 신뢰성을 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따라 제조된 전해액을 포함하는 전기 이중층 커패시터를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 이중층 커패시터용 전해액 제조 방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 3은 용매의 질량증가비율에 따른 전기 전도도의 비율을 보여주는 그래프이다.
도 4는 용매의 질량증가비율에 따른 전기 이중층 커패시터의 등가직렬저항 증가율을 보여주는 그래프이다.
도 5는 용매의 질량증가비율에 따른 전기 이중층 커패시터의 용량 신뢰성을 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따라 제조된 전해액을 포함하는 전기 이중층 커패시터를 보여주는 도면이다.
본 명세서에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 정의하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다.
"포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
"적어도 하나"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1 항목, 제2 항목 및 제 3항목 중에서 적어도 하나"의 의미는 제1 항목, 제2 항목 또는 제3 항목 각각 뿐만 아니라 제1 항목, 제2 항목 및 제3 항목 중에서 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.
이하, 첨부되는 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 이중층 커패시터용 전해액 제조 방법을 보여주는 플로우차트이다.
먼저, 1몰 농도의 기준 전해액에 포함된 용질의 기준분자량을 기준으로 용매의 기준질량을 결정한다(S200). 즉, 미리 정해진 용질 및 용매로 1몰 농도의 기준 전해액을 구성할 때 요구되는 용매의 질량인 기준질량을 결정한다.
일 실시예에 있어서 용질은 제4급 암모늄염을 포함할 수 있다.
예컨대, 용질의 양이온은 테트라에틸 암모늄, 트리에틸메틸 암모늄, 트리메틸에틸 암모늄, 1,1-다이알킬 헤테로모노사이클 화합물을 갖는 암모늄, 및 암모늄-스피로 이환식 화합물로 구성되는 그룹에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
용질의 음이온은 헥사플루오르포스페이트(hexafluorophosphate) 또는 테트라플루오르보레이트(tetrafluoroborate)일 수 있다.
또한, 용매는 프로필렌카보네이트(PropyleneCarbonate), 에틸렌카보네이트(EthyleneCarbonate), 부틸렌카보네이트(ButyleneCarbonate), 비닐렌카보네이트(VinyleneCarbonate), 아세토나이트릴(Acetonitrile), 비닐에틸렌카보네이트(VinylEthyleneCarbonate), 디메틸카보네이트(DimethylCarbonate), 디에틸카보네이트(DiethylCarbonate), 에틸메틸카보네이트(EthylMethylCarbonate), 감마뷰티로락톤(gamma-Butyrolactone), 술포란(Sulfolane), 디메틸설파이디(DimethylSulfoxide), 또는 테트라하이드로푸란(Tetrahydrofuran)일 수 있다.
이후, 기준 전해액의 전기 전도도(이하, '초기 전기 전도도라 함')를 기준으로 하여 전기 전도도의 변화율이 10%이하가 되게 하는 용매의 질량증가비율을 결정한다(S210). 본 발명에서 초기 전기 전도도를 기준으로 전기 전도도의 변화율이 10%이하가 되게 하는 용매의 질량증가비율을 결정하는 이유는, 전기 전도도의 변화율이 10%를 초과하게 되면 타겟 전해액에서의 저항이 기준 전해액에서의 저항인 초기저항 대비 20%이상 증가하게 되어 결과적으로 전기 이중층 커패시터의 성능이 감소될 수 밖에 없기 때문이다.
일 실시예에 있어서, 용매의 질량증가비율은 아래의 수학식 1을 이용하여 결정될 수 있다.
수학식 1에서, x는 용매의 질량증가비율을 나타내고, △y는 전기 전도도의 변화율을 나타내며, a는 미리 정해진 전기전도도의 감소율을 나타낸다. 이때, 전기 전도도의 감소율은 실험에 의해 결정될 수 있다.
도 3에 용매의 질량증가비율에 따른 전기 전도도의 비율이 도시되어 있다. 도 3에 도시된 표에서 실시예 1은 용매로 아세토나이트릴(Acetonitrile)를 이용하고 용질의 양이온으로 1,1-다이알킬 헤테로모노사이클을 이용하며, 용질의 음이온으로 테트라플루오르보레이트를 이용하여 구성한 전해액에 대해 용매의 질량증가비율에 따른 전기 전도도의 비율을 측정한 결과를 보여주는 것이다.
실시예 2는 용매로 아세토나이트릴(Acetonitrile)를 이용하고 용질의 양이온으로 트리메틸에틸 암모늄을 이용하며, 용질의 음이온으로 테트라플루오르보레이트를 이용하여 구성한 전해액에 대해 용매의 질량증가비율에 따른 전기 전도도의 비율을 측정한 결과를 보여주는 것이다.
실시예 3은 용매로 아세토나이트릴(Acetonitrile)를 이용하고 용질의 양이온으로 테트라에틸 암모늄을 이용하며, 용질의 음이온으로 테트라플루오르보레이트를 이용하여 구성한 전해액에 대해 용매의 질량증가비율에 따른 전기 전도도의 비율을 측정한 결과를 보여주는 것이다.
도 3에서 알 수 있듯이, 다양한 종류의 용질에 대해 용매의 질량증가비율이 대략 3%일 때 전기 전도도의 비율이 대략 90%, 즉 전기 전도도의 변화율이 10%임을 알 수 있다. 따라서, 전기 전도도의 변화율이 10%이내가 되게 하는 용매의 질량증가비율은 3% 이하의 값임을 알 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 용매의 질량증가비율은 3%로 결정할 수 있다. 이는 용매의 질량증가비율이 1% 및 2%인 경우 전기 전도도의 변화율은 낮지만, 전기 이중층 커패시터의 사용시간 경과에 따른 등가직렬저항(DC-ESR: Equivalent Series Resistance)의 증가율을 보여주는 도 4를 참조할 때, 용매의 질량증가비율이 1% 및 2%인 타겟 전해액을 이용하여 제조된 전기 이중층 커패시터의 저항 증가율이 용매의 질량증가비율이 3%인 타겟 전해액을 이용하여 제조된 전기 이중층 커패시터의 저항 증가율 보다 높기 때문이다.
또한, 도 5에 도시된 전기 이중층 커패시터의 용량 신뢰성을 참고할 때, 용매의 질량증가비율이 5% 및 7%인 타겟 전해액을 이용하여 제조된 전기 이중층 커패시터의 용량 유지율이 용매의 질량증가비율이 3%인 타겟 전해액을 이용하여 제조된 전기 이중층 커패시터의 용량 유지율보다 높지만, 용매의 증가비율이 5% 이상이 되면 상술한 도 4에서 도시된 바와 같이, 전기 전도도의 변화율이 10%를 초과하게 될 뿐 만 아니라, 타겟 전해액 내의 이온수가 감소되어 전기 이중층 커패시터의 용량이 감소될 수 밖에 없다는 문제점이 있기 때문이다.
이후, S210에서 산출된 질량증가비율에 해당하는 질량을 상기 기준질량에 가산하여 용매의 타겟질량을 산출한다(S220). 예컨대, 용매의 질량증가비율이 3%로 결정되는 경우, 기준질량의 3%에 해당하는 질량을 산출하고, 산출된 질량을 기준질량에 합산함으로써 전해액에 최종적으로 포함될 용매의 타겟질량을 산출하게 된다.
이후, 타겟질량의 용매와 기준 분자량을 갖는 용질을 혼합하여 타겟 전해액을 생성한다(S230).
이와 같이, 본 발명의 경우 용매의 질량비율을 증가시킴으로써 전기 이중층 커패시터의 성능을 최적화시킬 수 있는 최적 농도를 갖는 타겟 전해액을 제조할 수 있고, 특히, 용질에 비해 가격이 저렴한 용매의 함량만을 증가시키기 때문에 전해액 및 전기 이중층 커패시터의 원가를 절감할 수 있게 된다.
또한, 기준 전해액에 비해 용매의 질량비율이 증가된 타겟 전해액을 이용하여 전기 이중층 커패시터를 제조하기 때문에 고온 환경에서 소모되는 용매에 의하여 용질의 거동성을 보다 지속적으로 유지할 수 있어 전기 이중층 커패시터의 용량 신뢰성 및 저항 신뢰성을 향상시킬 수 있게 되며, 타겟 전해액에서 용매가 차지하는 부피가 상대적으로 증가하기 때문에 전해액 함침 효과 또한 증대된다.
이하, 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 이중층 커패시터용 전해액을 포함하는 전기 이중층 커패시터에 대해 설명한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기 이중층 커패시터용 전해액을 포함하는 전기 이중층 커패시터는 베어셀(710), 제1 내부 터미널(720), 외부 터미널(730), 케이스(740), 제2 내부 터미널(750), 및 전해액(미도시)를 포함한다.
베어셀(710)은 전극소자라 불리는 것으로서, 제1 전극(미도시), 제1 전극과 반대되는 극성을 갖는 제2 전극(미도시), 및 제1 전극과 제2 전극(7124) 사이에 배치되어 제1 전극과 제2 전극을 전기적으로 분리시키는 분리막(Separator, 미도시)이 권취되어 형성된다.
일 실시예에 있어서, 제1 전극이 양극(+)이면 제2 전극은 음극(-)이 되고, 제1 전극이 음극(-)이면 제2 전극은 양극(+)이 된다.
제1 전극은 금속재질의 집전체 상에 활성탄소(Activated Carbon)를 이용하여 형성된 활성물질층(미도시)을 포함하고, 제2 전극은 금속재질의 집전체 상에 활성탄소를 이용하여 형성된 활성물질층(미도시)를 포함한다.
이때, 제1 전극 및 제2 전극을 구성하는 집전체는 금속 포일(Foil)을 이용하여 구성될 수 있고, 활성물질층은 집전체의 양면에 코팅되어 구성될 수 있다. 활성물질층은 전기에너지가 저장되는 부분이며, 집전체는 활성물질층으로부터 방출되거나 공급되는 전하의 이동통로 역할을 한다.
일 실시예에 있어서, 제1 전극은 베어셀(710)의 상측(+Y방향)에 위치되고 제2 전극은 베어셀(710)의 하측(-Y방향)에 위치될 수 있도록 권취된다.
제1 내부 터미널(720)은 제1 전극과 전기적으로 연결된다. 제1 내부 터미널(710)은 제1 전극에 면접촉하도록 결합되어 제1 전극과 전기적으로 연결된다.
이와 같이, 본 발명에 따르면 제1 내부 터미널(720)이 제1 전극과 면접촉 하기 때문에 제1 전극의 전체면을 통해 전류 이동이 가능하여 저항을 감소시킬 수 있고, 이로 인해 전기 이중층 커패시터(700)의 성능을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제1 내부 터미널(720)은 일측이 개방된 원반 형태로 형성되고, 폐쇄되어 있는 타측이 제1 전극과 면접촉하도록 결합된다. 이러한 실시예에 따르는 경우 도 6에 도시된 바와 같이 제1 내부 터미널(720)에서 폐쇄되어 있는 타측이 베어셀(710)의 제1 전극과 마주보게 되고, 개방되어 있는 일측이 외부 터미널(730)과 마주보게 된다.
제1 내부 터미널(720)은 제1 전극에 레이저 또는 초음파 용접을 통해 결합될 수 있다.
제1 내부 터미널(720)에는 베어셀(710)에 함침되는 전해액이 통과할 수 있는 제1 전해액 통과공(722)이 형성된다. 이러한 제1 전해액 통과공(722)을 통해 베어셀(710)내로 전해액이 함침됨과 동시에 베어셀(710) 내부의 가스가 외부로 배출될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 함침된 전해액의 통과가 용이해지도록 하기 위해 제1 전해액 통과공(722)은 복수개로 형성되고, 복수개의 제1 전해액 통과공(722)은 제1 내부 터미널(720)의 테두리 부분에 배치되되 제1 터미널(720)의 중심을 기준으로 서로 마주보도록 배치될 수 있다.
제1 내부 터미널(720)은 제1 전극(310)과의 결합력을 증대시키기 위해 제1 전극과 동일한 재질(예컨대, 알루미늄)로 형성될 수 있다.
외부 터미널(730)은 제1 내부 터미널(720)과 전기적으로 연결되고, 케이스(740)의 상부를 밀폐시킨다. 외부 터미널(730)은 전류이동경로를 제공하는 것으로서, 케이스(740)의 내주면에 대응하는 원형의 외주면을 가진다.
일 실시예에 있어서, 외부 터미널(730)은 제1 전극과 동일한 극성을 가지고, 케이스(740)는 제2 전극과 동일한 극성을 가지게 되므로, 외부 터미널(730)과 케이스(740)는 전기적으로 절연되어야 한다. 따라서, 본 발명은 외부 터미널(730)의 측면을 케이스(740)와 전기적으로 절연시키기 위한 절연부재(732)를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 절연부재(732)는 외부 터미널(730)의 외주면을 감싸는 절연링일 수 있다.
한편, 외부 터미널(730)은 케이스(740)에 대한 비딩(Beading) 가공을 통해 케이스(740)에 고정될 수 있다.
케이스(740)는 하측(-Y방향)은 패쇄되고 상측(+Y방향)은 개방되어 그 내부공간에 베어셀(710) 및 타겟 전해액이 수용된다.
이때, 제1 내부 터미널(720)이 베어셀(710)의 제1 전극에 결합되고, 제2 내부 터미널(750)이 베어셀(710)의 제2 전극에 결합된 상태에서 베어셀(710)이 케이스(740) 내에 수용될 수 있다. 이러한 경우, 제1 내부 터미널(720)이 케이스(740)의 상측(+Y방향)을 향하고 제2 내부 터미널(750)이 케이스(740)의 하측(-Y방향)을 향하도록 베어셀(710)이 수용될 수 있다.
일 실시예에 있어서 케이스(740)는 알루미늄을 이용하여 원통 형상으로 형성될 수 있다.
한편, 케이스(740)는 제2 내부 터미널(750)과 전기적으로 연결된다. 구체적으로, 케이스(740)의 내주면이 제2 내부 터미널(750)의 외주면과 접촉함으로써 케이스(740)와 제2 내부 터미널(750)이 전기적으로 연결된다. 이에 따라, 케이스(740)는 제2 전극과 동일한 극성을 띄게 된다.
상술한 실시예에 있어서, 케이스(740)의 상측은 개방되어 있고, 케이스(740)의 하측은 폐쇄되어 있는 것으로 설명하였다. 하지만, 다른 실시예에 있어서, 케이스(740)는 상측 및 하측 모두가 개방되어 있는 원통형으로 형성될 수도 있을 것이다. 이러한 실시예에 따르는 경우 케이스(740)의 하측을 밀폐하기 위한 외부 터미널(미도시)이 추가로 포함될 수 있다.
한편, 케이스(270) 내에 함침되는 타겟 전해액은 상술한 도 2에 도시된 전해액 제조 방법에 따라 제조된 전해액이다. 따라서, 본 발명에 따른 전기 이중층 커패시터(700) 내에 함침되어 있는 타겟 전해액은, 1몰 농도의 기준 전해액에 포함된 용매의 기준질량에 미리 정해진 질량증가비율에 해당하는 질량이 가산된 타겟질량의 용매를 포함하게 된다. 이때, 미리 정해진 질량증가비율은 기준 전해액에서의 전기 전도도인 초기 전기 전도도를 기준으로 전기 전도도의 변화율이 10%이하가 되게 하는 질량증가비율을 의미한다.
본 발명에서 초기 전기 전도도를 기준으로 전기 전도도의 변화율이 10%이하가 되게 하는 용매의 질량증가비율을 결정하는 이유는, 전기 전도도의 변화율이 10%를 초과하게 되면 타겟 전해액에서의 저항이 기준 전해액에서의 저항인 초기저항 대비 20%이상 증가하게 되어 결과적으로 전기 이중층 커패시터의 성능이 감소될 수 밖에 없기 때문이다.
일 실시예에 있어서, 상술한 도 3을 참조할 때, 용매의 질량증가비율이 3%일 때 전기 전도도의 비율이 90%, 즉 전기 전도도의 변화율이 10%임을 알 수 있으므로, 전기 전도도의 변화율이 10%이내가 되게 하는 용매의 질량증가비율은 3% 이하의 값임을 알 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 용매의 질량증가비율은 3%일 수 있다. 이는 용매의 질량증가비율이 1% 및 2%인 경우 전기 전도도의 변화율은 낮지만, 도 4에 도시된 바와 같은 전기 이중층 커패시터의 등가직렬저항의 증가율을 참고할 때, 용매의 질량증가비율이 1% 및 2%인 타겟 전해액을 이용하여 제조된 전기 이중층 커패시터의 등가직렬저항 증가율이 용매의 질량증가비율을 3%인 타겟 전해액을 이용하여 제조된 전기 이중층 커패시터의 등가직렬저항 증가율 보다 높기 때문이다.
또한, 도 5에 도시된 전기 이중층 커패시터의 용량 신뢰성을 참고할 때, 용매의 질량증가비율이 5% 및 7%인 타겟 전해액을 이용하여 제조된 전기 이중층 커패시터의 용량 유지율이 용매의 질량증가비율이 3%인 타겟 전해액을 이용하여 제조된 전기 이중층 커패시터의 용량 유지율보다 높지만, 용매의 증가비율이 5% 이상이 되면 상술한 도 3에서 도시된 바와 같이, 전기 전도도의 변화율이 10%를 초과하게 될 뿐 만 아니라, 전해액의 이온수가 감소되어 전기 이중층 커패시터의 용량이 감소될 수 밖에 없다는 문제점이 있기 때문이다.
이와 같이, 본 발명의 경우 케이스(740) 내에 함침된 타겟 전해액은, 1몰 농도의 기준 전해액과 비교하여, 미리 정해진 질량비율에 해당하는 질량만큼 용매의 질량이 증가되어 있기 때문에 고온 환경에서 소모되는 용매에 의하여 용질의 거동성을 보다 지속적으로 유지할 수 있어 전기 이중층 커패시터의 용량 신뢰성 및 저항 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 타게 전해액에서 용매가 차지하는 부피가 상대적으로 증가하기 때문에 전해액 함침 효과 또한 증대된다.
제2 내부 터미널(750)은 베어셀(710)의 제2 전극과 전기적으로 연결된다. 제2 내부 터미널(750)은 베어셀(710)의 제2 전극에 면접촉하도록 결합되어 제2 전극과 전기적으로 연결된다. 이와 같이, 제2 내부 터미널(750)이 베어셀(710)의 제2 전극과 면접촉 하기 때문에 제2 전극의 전체면을 통해 전류 이동이 가능하여 저항을 감소시킬 수 있고, 이로 인해 전기 이중층 커패시터(700)의 성능을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제2 내부 터미널(750)은 일측이 개방된 원반 형태로 형성되고, 폐쇄되어 있는 타측이 베어셀(710)의 제2 전극과 면접촉하도록 결합된다. 이러한 실시예에 따르는 경우 도 6에 도시된 바와 같이 제2 내부 터미널(750)의 폐쇄되어 있는 일측이 베어셀(710)의 제2 전극과 마주보게 되고, 개방되어 있는 타측이 케이스(740)의 바닥면과 마주보게 된다. 이에 따라 제2 내부 터미널(750)과 케이스(740)의 바닥면 사이에 댐핑영역(미도시)이 형성된다. 댐핑영역으로 인해 전기 이중층 커패시터(700) 내의 가스가 케이스(740)를 밀어내는 압력이 조절된다.
일 실시예에 있어서, 제2 내부 터미널(750)은 제2 전극에 레이저 또는 초음파 용접을 통해 결합될 수 있다.
제2 내부 터미널(750)에는 베어셀(710)에 함침되는 전해액이 통과할 수 있는 제2 전해액 통과공(752)이 형성된다. 일 실시예에 있어서, 전해액의 통과가 용이해지도록 하기 위해 제2 전해액 통과공(752)은 복수개로 형성되고, 복수개의 제2 전해액 통과공(752)은 제2 내부 터미널(750)의 테두리 부분에 배치되되 제2 터미널(750)의 중심을 기준으로 서로 마주보도록 배치될 수 있다.
제2 내부 터미널(750)은 제2 전극과의 결합력을 증대시키기 위해 제2 전극(14)과 동일한 재질(예컨대, 알루미늄)로 형성될 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 상술한 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
700: 전기 이중층 커패시터 710: 베어셀
720: 제1 내부 터미널 730: 외부 터미널
740: 케이스 750: 제2 내부 터미널
720: 제1 내부 터미널 730: 외부 터미널
740: 케이스 750: 제2 내부 터미널
Claims (10)
- 전기 이중층 커패시터용 전해액 제조 방법으로서,
기준 분자량을 갖는 미리 정해진 용질을 이용하여 1몰 농도의 기준 전해액을제조할 때 필요한 용매의 기준질량을 결정하는 단계;
상기 기준 전해액의 전기 전도도를 기준으로 전기 전도도의 변화율이 10%이하가 되게 하는 상기 용매의 질량증가비율을 결정하는 단계;
상기 질량증가비율에 해당하는 질량을 상기 기준질량에 가산하여 상기 용매의 타겟질량을 산출하는 단계; 및
상기 타겟질량의 용매와 상기 기준 분자량을 갖는 용질을 혼합하여 타겟 전해액을 생성하는 단계를 포함하고,
상기 용매의 질량증가비율은 수학식를 이용하여 산출되고, 상기 수학식에서 x는 용매의 질량증가비율을 나타내고, △y는 상기 전기 전도도의 변화율을 나타내며, a는 미리 정해진 전기전도도 감소율을 나타내는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터용 전해액 제조 방법.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 용질은 제4급 암모늄염을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터용 전해액 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 용질의 양이온은 테트라에틸 암모늄, 트리에틸메틸 암모늄, 트리메틸에틸 암모늄, 1,1-다이알킬 헤테로모노사이클 화합물을 갖는 암모늄, 및 암모늄-스피로 이환식 화합물로 구성된 그룹 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터용 전해액 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 용질의 음이온은 헥사플루오르포스페이트(hexafluorophosphate) 또는 테트라플루오르보레이트(tetrafluoroborate)인 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터용 전해액 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 용매는 프로필렌카보네이트(PropyleneCarbonate), 에틸렌카보네이트(EthyleneCarbonate), 부틸렌카보네이트(ButyleneCarbonate), 비닐렌카보네이트(VinyleneCarbonate), 아세토나이트릴(Acetonitrile), 비닐에틸렌카보네이트(VinylEthyleneCarbonate), 디메틸카보네이트(DimethylCarbonate), 디에틸카보네이트(DiethylCarbonate), 에틸메틸카보네이트(EthylMethylCarbonate), 감마뷰티로락톤(gamma-Butyrolactone), 술포란(Sulfolane), 디메틸설파이디(DimethylSulfoxide), 또는 테트라하이드로푸란(Tetrahydrofuran)인 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터용 전해액 제조 방법. - 제1 전극, 상기 제1 전극과 반대되는 극성을 갖는 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 전기적으로 분리시키는 분리막이 권취되어 구성된 베어셀;
상기 베어셀을 수용하는 케이스; 및
상기 케이스 내에 함침되고, 청구항 1, 청구항 4, 청구항 5, 청구항 6, 및 청구항 7 중 어느 하나의 항에 따라 제조된 타겟 전해액을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터. - 제8항에 있어서,
상기 베어셀의 상기 제1 전극에 결합된 제1 내부 터미널;
상기 베어셀의 상기 제2 전극에 결합되는 제2 내부 터미널; 및
상기 케이스를 상부에서 패쇄시키는 외부 터미널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터. - 제9항에 있어서,
상기 외부 터미널과 상기 케이스를 전기적으로 절연시키는 절연부재를 더 포함하고,
상기 외부 터미널은 상기 제1 내부 터미널을 통해 상기 제1 전극에 전기적으로 연결되며,
상기 케이스는 상기 제2 내부 터미널과 접촉되어 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |