KR102570628B1 - Electrochemical device - Google Patents

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정철수
박하빈
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의한 전기화학 소자는 코크스계 활성탄을 포함하는 양극, 야자수계 활성탄을 포함하는 음극 및 양극 및 상기 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하고, 양극 내의 코크스계 활성탄의 질량 및 상기 음극 내의 야자수계 활성탄의 질량이 하기 식 1을 만족한다.
[식 1]
|([MC] - [MP])|/([Mc]+[Mp]) ≤ 0.05
(식 1에서 [MC]는 양극 내의 코크스계 활성탄의 질량을 나타내고, [MP]는 음극 내의 야자수계 활성탄의 질량을 나타낸다.)
An electrochemical device according to an embodiment of the present invention includes a positive electrode containing coke-based activated carbon, a negative electrode containing palm tree-based activated carbon, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and the mass of the coke-based activated carbon in the positive electrode and the The mass of the palm tree-based activated carbon in the negative electrode satisfies Equation 1 below.
[Equation 1]
|([M C ] - [M P ])|/([Mc]+[Mp]) ≤ 0.05
(In Equation 1, [M C ] represents the mass of coke-based activated carbon in the positive electrode, and [M P ] represents the mass of palm tree-based activated carbon in the negative electrode.)

Description

전기화학 소자 {ELECTROCHEMICAL DEVICE}Electrochemical device {ELECTROCHEMICAL DEVICE}

전기 화학 소자에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 양극 및 음극의 활물질 종류를 달리 적용하여, 두께를 동일하게 하더라도, 용량 및 수명 특성이 우수한 전기 화학 소자에 관한 것이다.It relates to electrochemical devices. More specifically, it relates to an electrochemical device having excellent capacity and lifespan characteristics even when different types of active materials are applied to the positive electrode and the negative electrode so as to have the same thickness.

최근 에너지 저장 및 변환 기술에 관한 관심이 증대되면서, 다양한 종류의 전기화학 소자에 대한 관심이 집중되고 있다.Recently, as interest in energy storage and conversion technologies has increased, interest in various types of electrochemical devices has been focused.

전기화학 소자 중 전기 이중층 캐패시터(EDLC ; Electric Double Layer Capacitor)는 세퍼레이터(separator, 분리막 또는 격리막)를 사이에 두고 양극과 음극이 2개의 전극을 서로 대향하게 배치하여 대향면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기 이중층)이 생성된 것을 이용한 에너지 저장 매체로서, 이는 계속적인 충전/방전이 가능한 소자 이다.Among the electrochemical devices, the Electric Double Layer Capacitor (EDLC) is a pair of two electrodes with a different sign on the opposite side by arranging two electrodes, an anode and a cathode, facing each other with a separator (separator) in between. As an energy storage medium using the electric charge layer (electric double layer) of

전기 이중층 캐패시터의 경우, 충전/방전시 양극과 음극의 전위가 동일한 것으로 알려져 있으며, 양극의 전위를 조정함으로써 고전압을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다.In the case of an electric double layer capacitor, it is known that the potential of the positive electrode and the negative electrode are the same during charging/discharging, and it is known that a high voltage can be obtained by adjusting the potential of the positive electrode.

기존의 전기 이중층 캐패시터의 전극 전위 조절 방법은 양극과 음극의 무게를 다르게 함으로써, 양극과 음극에 저항의 차이를 두는 것에 의해서 셀의 전압을 높이고 있다. 즉, 양극활물질과 음극활물질의 두께를 조절하는데 양극활물질의 두께를 더 두껍게 하여 양극과 음극 간의 저항 차이로 셀의 전압을 높이는 방법이다.In the conventional method for adjusting the electrode potential of the electric double layer capacitor, the voltage of the cell is increased by varying the weight of the positive electrode and the negative electrode, and by setting a difference in resistance between the positive electrode and the negative electrode. That is, in adjusting the thickness of the positive electrode active material and the negative electrode active material, the thickness of the positive electrode active material is increased to increase the voltage of the cell due to the difference in resistance between the positive electrode and the negative electrode.

다른 방법으로는, 양극과 음극에 도포되는 활물질의 질량을 조절하여 전극 전위를 조절하기도 한다.Alternatively, the electrode potential is controlled by adjusting the mass of the active material applied to the positive electrode and the negative electrode.

그러나, 전술한 방법으로는 양극과 음극의 전위 차이를 효과적으로 조절할 수 없기 때문에, 전압이나 에너지 밀도를 향상시키는데 한계가 있다.However, since the above method cannot effectively control the potential difference between the anode and the cathode, there is a limit to improving voltage or energy density.

전기 화학 소자를 제공한다. 더욱 구체적으로, 양극 및 음극의 활물질 종류를 달리 적용하여, 두께를 동일하게 하더라도, 용량 및 수명 특성이 우수한 전기 화학 소자를 제공한다.An electrochemical device is provided. More specifically, an electrochemical device having excellent capacity and lifespan characteristics is provided even when different types of active materials are applied to the positive electrode and the negative electrode so as to have the same thickness.

본 발명의 일 실시예에 의한 전기화학 소자는 코크스계 활성탄을 포함하는 양극, 야자수계 활성탄을 포함하는 음극 및 양극 및 상기 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하고, 양극 내의 코크스계 활성탄의 질량 및 음극 내의 야자수계 활성탄의 질량이 하기 식 1을 만족한다. An electrochemical device according to an embodiment of the present invention includes a positive electrode including coke-based activated carbon, a negative electrode including palm tree-based activated carbon, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and the mass and negative electrode of the coke-based activated carbon in the positive electrode. The mass of the palm tree-based activated carbon within satisfies Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

|([Mc]-[Mp])|/([Mc]+[Mp]) 0.05 |([Mc]-[Mp])|/([Mc]+[Mp]) 0.05

(식 1에서 [Mc]는 양극 내의 코크스 계 활성탄의 질량을 나타내고, [Mp]는 음극 내의 야자수 계 활성탄의 질량을 나타낸다.)(In Equation 1, [Mc] represents the mass of coke-based activated carbon in the positive electrode, and [Mp] represents the mass of palm tree-based activated carbon in the negative electrode.)

코크스계 활성탄은 직경 2 내지 50nm의 메조포어(mesopore) 및 직경 2nm 미만의 마이크로포어(micropore)를 포함하고, 메조포어 및 상기 마이크로포어의 부피의 합에 대한 마이크로포어의 부피 비율이 70 내지 90%일 수 있다.The coke-based activated carbon includes mesopores with a diameter of 2 to 50 nm and micropores with a diameter of less than 2 nm, and the volume ratio of the micropores to the sum of the volumes of the mesopores and the micropores is 70 to 90%. can be

코크스계 활성탄은 전체비표면적(BET)이 2100 내지 2500m2/g일 수 있다.The coke-based activated carbon may have a total specific surface area (BET) of 2100 to 2500 m 2 /g.

야자수계 활성탄은 직경 2 내지 50nm의 메조포어(mesopore) 및 직경 2nm 미만의 마이크로포어(micropore)를 포함하고, 메조포어 및 상기 마이크로포어의 부피의 합에 대한 마이크로포어의 부피 비율이 60% 이상 및 80% 미만일 수 있다.The palm tree-based activated carbon includes mesopores with a diameter of 2 to 50 nm and micropores with a diameter of less than 2 nm, and the volume ratio of the micropores to the sum of the volumes of the mesopores and the micropores is 60% or more, and may be less than 80%.

야자수계 활성탄은 전체비표면적(BET)이 1700 내지 2100m2/g일 수 있다.The palm tree-based activated carbon may have a total specific surface area (BET) of 1700 to 2100 m 2 /g.

양극 내의 코크스계 활성탄의 두께 및 음극 내의 야자수계 활성탄의 두께의 차이가 15㎛ 이하일 수 있다.A difference between the thickness of the coke-based activated carbon in the positive electrode and the thickness of the palm tree-based activated carbon in the negative electrode may be 15 μm or less.

본 발명의 일 실시예에서 양극 및 음극의 활물질 종류를 달리 적용하여, 두께를 동일하게 하더라도, 용량 및 수명 특성이 우수한 전기 화학 소자를 얻을 수 있다.In one embodiment of the present invention, an electrochemical device having excellent capacity and lifespan characteristics may be obtained by applying different types of active materials to the cathode and anode, even if the thickness is the same.

도 1은 제조예에서 활물질의 기공 구조 분석 및 표면적 분석 결과이다.
도 2는 실험예 1에서 충방전 속도에 대한 커패시턴스를 측정한 그래프이다.
도 3은 실험예 1에서 사이클별 커패시턴스를 측정한 그래프이다.
도 4는 실험예 1에서 사이클 전 후의 EIS 성분 중 벌크 저항 분석 결과이다.
도 5는 실험예 1에서 사이클 전 후의 EIS 성분 중 계면 저항 분석 결과이다.
도 6은 실험예 2에서 충방전 속도에 대한 커패시턴스를 측정한 그래프이다.
1 is a result of pore structure analysis and surface area analysis of an active material in Preparation Example.
2 is a graph measuring capacitance versus charge/discharge rate in Experimental Example 1;
3 is a graph of measuring capacitance per cycle in Experimental Example 1;
4 is a bulk resistance analysis result of EIS components before and after cycles in Experimental Example 1.
5 is an analysis result of interfacial resistance among EIS components before and after cycles in Experimental Example 1.
6 is a graph measuring capacitance versus charge/discharge rate in Experimental Example 2.

본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.In the present specification, when a certain component is said to "include", it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated. As used throughout this specification, the terms "about," "substantially," and the like are used at or approximating that value when manufacturing and material tolerances inherent in the stated meaning are given, and do not convey the understanding of this application. Accurate or absolute figures are used to help prevent exploitation by unscrupulous infringers of the disclosed disclosure. The term "step of (doing)" or "step of" as used throughout the present specification does not mean "step for".

본 명세서에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.In this specification, the term "combination of these" included in the expression of the Markush form means a mixture or combination of one or more selected from the group consisting of the components described in the expression of the Markush form, It means including one or more selected from the group consisting of.

위와 같은 정의를 기반으로, 본 발명의 구현예들을 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이들은 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Based on the above definition, embodiments of the present invention will be described in detail. However, these are presented as examples, and thereby the present invention is not limited and the present invention is only defined by the scope of the claims to be described later.

본 발명의 일 실시예에서 전기화학 소자는 전기이중층 커패시터(electrostatic double-layer capacitor)일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the electrochemical device may be an electrostatic double-layer capacitor.

이하에서는 전기화학 소자의 각 구성에 대해 구체적으로 설명한다. Hereinafter, each configuration of the electrochemical device will be described in detail.

본 발명의 일 실시예에 의한 전기화학 소자는 코크스계 활성탄을 포함하는 양극, 야자수계 활성탄을 포함하는 음극 및 양극 및 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함한다.An electrochemical device according to an embodiment of the present invention includes a positive electrode containing coke-based activated carbon, a negative electrode containing palm tree-based activated carbon, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode.

양극은 양극집전체에 양극활물질을 도포하거나 부착하여 형성될 수 있다. 마찬가지로 음극은 음극집전체에 음극활물질을 도포하거나 부착하여 형성될 수 있다. 좀더 자세히 설명하면, 활물질, 도전재, 바인더 및 용제를 혼합기에서 혼합하여 슬러리화한다. 슬러리화된 혼합물은 알루미늄 포일 등의 집전체 상에 도포된 후, 대류 건조하여 용제를 증발시켜 활물질(전극층)을 집전체에 부착시킴으로써 형성될 수 있다.The positive electrode may be formed by applying or attaching a positive electrode active material to a positive electrode current collector. Similarly, the negative electrode may be formed by applying or attaching an anode active material to the negative electrode current collector. More specifically, the slurry is formed by mixing the active material, the conductive material, the binder, and the solvent in a mixer. The slurried mixture may be formed by applying it on a current collector such as aluminum foil and then drying it by convection to evaporate the solvent to attach the active material (electrode layer) to the current collector.

양극집전체 및 음극집전체로는 전기화학 소자의 집전체 재질을 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들면, 알루미늄, 스테인리스, 티타늄, 탄탈 또는 니오브로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다. 양극집전체의 형태는 금속박뿐만 아니라 에칭된 금속박, 또는 익스팬디드 메탈, 펀칭 메탈, 그물, 발포체 등과 같이 앞뒷면을 관통하는 구멍을 갖춘 형태도 무방하다.As the positive electrode current collector and the negative electrode current collector, the material of the current collector of the electrochemical device may be used without limitation. For example, one or more selected from the group consisting of aluminum, stainless steel, titanium, tantalum, or niobium may be used. The shape of the positive electrode current collector may be a shape having holes penetrating the front and back surfaces, such as an etched metal foil, an expanded metal, a punched metal, a net, or a foam, as well as a metal foil.

도전재에는 슈퍼-P(Super-P), 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 그라파이트 같은 도전성 분말을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 통상의 전기화학 소자에 사용되는 모든 종류의 도전재가 포함될 수 있다.Conductive materials may include conductive powders such as Super-P, Ketjen Black, acetylene black, carbon black, and graphite, but are not limited thereto, and may include all types of conductive materials used in general electrochemical devices. there is.

바인더의 예를 들면, 폴리테트라플로로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF) 등의 불소계 수지; 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에딜렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 등의 열가소성수지; 카복시메틸셀룰로우즈(CMC) 등의 셀룰로오즈계 수지; 스타이렌-부타디엔 고무(SBR) 등의 고무계 수지 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으나, 특별히 이에 한정되지 않으며, 통상의 전기화학 소자에 사용되는 모든 바인더 수지를 사용해도 무방하다.Examples of the binder include fluorine-based resins such as polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyvinylidene fluoride (PVDF); thermoplastic resins such as polyimide, polyamideimide, polyethylene (PE), and polypropylene (PP); cellulosic resins such as carboxymethylcellulose (CMC); At least one selected from rubber-based resins such as styrene-butadiene rubber (SBR) and mixtures thereof may be used, but is not particularly limited thereto, and all binder resins used in conventional electrochemical devices may be used.

본 발명에 따른 세퍼레이터는 종래 전기화학 소자에 사용되는 모든 재질의 재료를 제한 없이 이용할 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리 아크릴로니트릴(PAN), 폴리아크릴아미드(PAAm), 폴리테트라플루오로 에틸렌(PTFE), 폴리 설폰, 폴리에테르술폰(PES), 폴리카보네이트(PC), 폴리아미드(PA), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리프로필렌옥사이드(PPO), 셀룰로오스계 고분자, 및 폴리아크릴계 고분자로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 고분자로부터 제조된 미세 다공성 필름을 들 수 있다. 또한, 상기 다공성 필름을 중합시킨 다층 필름도 이용할 수 있으며, 이 중에서 셀룰로오스계 고분자가 바람직하게 사용될 수 있다.The separator according to the present invention can use all materials used in conventional electrochemical devices without limitation. For example, polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylidene chloride, polyacrylonitrile (PAN), polyacrylamide (PAAm), polytetrafluoroethylene ( PTFE), polysulfone, polyethersulfone (PES), polycarbonate (PC), polyamide (PA), polyimide (PI), polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), cellulosic polymers, and poly and a microporous film made of one or more polymers selected from the group consisting of acrylic polymers. In addition, a multilayer film obtained by polymerizing the porous film may be used, and among these, a cellulose-based polymer may be preferably used.

또는 세퍼레이터로서 전해액을 포함할 수 있으며, 전해 용매는 전해질염을 용해 또는 해리시키기 위해 사용하는 것으로서, 통상적인 전해질의 전해 용매로 사용하고 있는 것이면 특별히 제한하지 않으며, 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 락톤, 에테르, 에스테르, 설폭사이드, 아세토니트릴, 락탐, 케톤 및 이들의 할로겐 유도체 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 환형 카보네이트의 예로는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC), 플루오르에틸렌 카보네이트(FEC) 등이 있고, 선형 카보네이트의 예로는 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디프로필 카보네이트(DPC), 에틸 메틸 카보네이트(EMC), 및 메틸 프로필 카보네이트(MPC) 등이 있다. 락톤의 예로는 감마부티로락톤(GBL)이 있으며, 에테르의 예로는 디부틸에테르, 테트라히드로푸란, 2-메틸테트라히드로푸란, 1,4-디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄 등이 있다. 상기 에스테르의 예로는 메틸 포메이트, 에틸 포메이트, 프로필 포메이트, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 부틸 프로피오네이트, 메틸 피발레이트 등이 있다. 또한, 상기 설폭사이드로는 디메틸설폭사이드 등이 있고, 상기 락탐으로는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 등이 있으며, 상기 케톤으로는 폴리메틸비닐 케톤이 있다. 또한, 이들의 할로겐 유도체도 사용 가능하며, 이상의 예시된 전해액 전해 용매에만 한정하는 것은 아니다. 또한, 이들 전해 용매는 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.Alternatively, it may include an electrolyte solution as a separator, and the electrolyte solvent is used to dissolve or dissociate electrolyte salts, and is not particularly limited as long as it is used as an electrolyte solvent for conventional electrolytes, and cyclic carbonates, linear carbonates, lactones, ethers , esters, sulfoxides, acetonitrile, lactams, ketones, and halogen derivatives thereof, etc. may be used alone or in combination of two or more. Examples of cyclic carbonates include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), fluoroethylene carbonate (FEC), and the like, and examples of linear carbonates include diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ), dipropyl carbonate (DPC), ethyl methyl carbonate (EMC), and methyl propyl carbonate (MPC). Examples of lactones include gamma butyrolactone (GBL), examples of ethers include dibutyl ether, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1, 2-diethoxyethane and the like. Examples of the ester include methyl formate, ethyl formate, propyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, butyl propionate, methyl pivalate, and the like. In addition, the sulfoxide includes dimethyl sulfoxide and the like, the lactam includes N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and the like, and the ketone includes polymethylvinyl ketone. In addition, these halogen derivatives can also be used, and are not limited to the above-exemplified electrolyte solution electrolytic solvents. In addition, these electrolysis solvents can be used individually or in mixture of 2 or more types.

전해액은 전해질염을 더 포함할 수 있다. 전해질염은 전해 용매에 해리되어 전기화학 소자 내에서 이온 전도의 성분으로 작용하며, 양극과 음극 사이에서 양이온의 이동을 촉진하는 역할을 할 수 있다. 예를 들어, SBPBF4(spirobipyrrolidinium tetrafluoroborate), TEABF4, EMIBF4, TEMABF4, 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 겔 고분자 전해질 내 전해질염의 함량은, 전해질 내의 전해 용매(L)에 대한 몰수(mol)로, 0.5 내지 3.0 M일 수 있다. 이 경우, 겔 고분자 전해질은 겔 형태로서 적절한 점도를 가질 수 있으며, 전해질염이 전해 용매에 용해되어 양이온의 효과적인 이동에 기여할 수 있다.The electrolyte solution may further include an electrolyte salt. The electrolyte salt is dissociated in an electrolytic solvent and acts as a component of ion conduction in an electrochemical device, and may serve to promote the movement of cations between an anode and a cathode. For example, it may be SBPBF 4 (spirobipyrrolidinium tetrafluoroborate), TEABF 4 , EMIBF 4 , TEMABF 4 , or a combination thereof. The amount of the electrolyte salt in the gel polymer electrolyte may be 0.5 to 3.0 M in moles (mol) based on the electrolyte solvent (L) in the electrolyte. In this case, the gel polymer electrolyte may have an appropriate viscosity in the form of a gel, and the electrolyte salt may be dissolved in an electrolyte solvent to contribute to the effective movement of cations.

본 발명의 일 실시예에서 양극 및 음극의 활물질 종류를 달리 적용하여, 두께를 동일하게 하더라도, 용량 및 수명이 우수한 전기 화학 소자를 얻을 수 있다.In one embodiment of the present invention, an electrochemical device having excellent capacity and lifespan can be obtained even if the thickness is the same by applying different types of active materials for the positive electrode and the negative electrode.

구체적으로 양극 활물질은 코크스계 활성탄을 사용할 수 있다. 또한 음극 활물질은 야자수계 활성탄을 사용할 수 있다. 이처럼 양극 및 음극의 활물질 종류를 달리 적용 함으로써, 용량 및 수명이 우수한 전기 화학 소자를 얻을 수 있다.Specifically, coke-based activated carbon may be used as the cathode active material. In addition, palm tree-based activated carbon may be used as the anode active material. As such, by applying different types of active materials for the positive electrode and the negative electrode, an electrochemical device having excellent capacity and lifespan can be obtained.

양극 활물질에 적용되는 코크스계 활성탄은 전기화학 소자의 용량을 향상시키는데에 기여한다. 코크스계 활성탄이란 코크스를 원료로 하여, 활성화된 활성탄을 의미한다.Coke-based activated carbon applied to the cathode active material contributes to improving the capacity of an electrochemical device. Coke-based activated carbon means activated carbon that is activated by using coke as a raw material.

코크스계 활성탄은 직경 2 내지 50nm의 메조포어(mesopore) 및 직경 2nm 미만의 마이크로포어(micropore)를 포함하고, 메조포어 및 마이크로포어의 부피의 합에 대한 마이크로포어의 부피 비율이 70 내지 90%일 수 있다. 또한, 코크스계 활성탄은 전체비표면적(BET)이 2100 내지 2500m2/g일 수 있다. 이처럼 적절한 기공 특성을 통해 용량을 향상시킬 수 있다. 더욱 구체적으로 코크스계 활성탄은 메조포어 및 마이크로포어의 부피의 합에 대한 마이크로포어의 부피 비율이 80 내지 85%일 수 있다. 또한, 코크스계 활성탄은 비표면적(BET)이 2400 내지 2500m2/g일 수 있다.The coke-based activated carbon includes mesopores with a diameter of 2 to 50 nm and micropores with a diameter of less than 2 nm, and the volume ratio of the micropores to the sum of the volumes of the mesopores and the micropores is 70 to 90%. can In addition, the coke-based activated carbon may have a total specific surface area (BET) of 2100 to 2500 m 2 /g. Thus, the capacity can be improved through appropriate pore characteristics. More specifically, the volume ratio of micropores to the sum of the volumes of mesopores and micropores in the coke-based activated carbon may be 80 to 85%. In addition, the coke-based activated carbon may have a specific surface area (BET) of 2400 to 2500 m 2 /g.

음극 활물질에 적용되는 야자수계 활성탄은 전기화학 소자의 수명을 향상시키는데에 기여한다. 양극 및 음극에 동일한 양의 활물질이 코팅될 경우, 음극에서 더 큰 과전압이 생성되며, 그로 인한 전자간 반발력, 이온들의 영향에 의해 활물질의 기공에 악영향을 주게 된다. 심할 경우, 활물질 간의 크랙 및 탈리 또한 발생하며, 더 나아가 알루미늄 집전체로부터의 탈리 현상도 발생할 수 있다.Palm tree-based activated carbon applied to the negative electrode active material contributes to improving the lifespan of the electrochemical device. When the same amount of active material is coated on the positive electrode and the negative electrode, a larger overvoltage is generated at the negative electrode, which adversely affects the pores of the active material due to the repulsive force between electrons and ions. In severe cases, cracks and detachment between active materials may also occur, and furthermore, detachment from the aluminum current collector may also occur.

음극 활물질로서, 야자수계 활성탄을 사용할 시, 전술한 활물질 열화 현상이 비교적 적게 발생하게 된다. 야자수계 활성탄이란 코크스를 원료로 하여, 활성화된 활성탄을 의미한다.When palm tree-based activated carbon is used as an anode active material, the above-described active material deterioration phenomenon occurs relatively little. Palm tree-based activated carbon refers to activated carbon that is activated using coke as a raw material.

야자수계 활성탄은 야자수계 활성탄은 직경 2 내지 50nm의 메조포어(mesopore) 및 직경 2nm 미만의 마이크로포어(micropore)를 포함하고, 메조포어 및 상기 마이크로포어의 부피의 합에 대한 마이크로포어의 부피 비율이 60% 이상 및 80% 미만일 수 있다. 또한, 야자수계 활성탄은 전체비표면적(BET)이 1700 내지 2100m2/g일 수 있다. 이처럼 적절한 기공 특성을 통해 수명을 향상시킬 수 있다. 더욱 구체적으로 야자수계 활성탄은 메조포어 및 상기 마이크로포어의 부피의 합에 대한 마이크로포어의 부피 비율이 75% 내지 79%일 수 있다. 또한, 야자수계 활성탄은 비표면적(BET)이 2000 내지 2100m2/g일 수 있다.Palm-based activated carbon includes mesopores with a diameter of 2 to 50 nm and micropores with a diameter of less than 2 nm, and the volume ratio of the micropores to the sum of the volumes of the mesopores and the micropores is It may be greater than 60% and less than 80%. In addition, the palm tree-based activated carbon may have a total specific surface area (BET) of 1700 to 2100 m 2 /g. As such, the lifespan can be improved through proper pore characteristics. More specifically, in the palm tree-based activated carbon, the ratio of the volume of the micropores to the sum of the volumes of the mesopores and the micropores may be 75% to 79%. In addition, the palm tree-based activated carbon may have a specific surface area (BET) of 2000 to 2100 m 2 /g.

양극 내의 코크스계 활성탄의 질량 및 음극 내의 야자수계 활성탄의 질량이 하기 식 1을 만족한다.The mass of the coke-based activated carbon in the positive electrode and the mass of the palm tree-based activated carbon in the negative electrode satisfy Equation 1 below.

[식 1] [Equation 1]

|([Mc]-[Mp])|/([Mc]+[Mp]) 0.05 |([Mc]-[Mp])|/([Mc]+[Mp]) 0.05

(식 1에서 [Mc]는 양극 내의 코크스 계 활성탄의 질량을 나타내고, [Mp]는 음극 내의 야자수 계 활성탄의 질량을 나타낸다.)(In Equation 1, [Mc] represents the mass of coke-based activated carbon in the positive electrode, and [Mp] represents the mass of palm tree-based activated carbon in the negative electrode.)

상기 식 1을 만족할 시 활물질의 양을 최대로 사용할 수 있으므로 최대 용량을 구현시킬 수 있다는 면에서 유리하다. 더욱 구체적으로 식 1 값이 0 내지 0.01일 수 있다. When Equation 1 is satisfied, it is advantageous in that the maximum capacity can be realized because the maximum amount of the active material can be used. More specifically, the value of Equation 1 may be 0 to 0.01.

양극 내의 코크스계 활성탄의 두께 및 음극 내의 야자수계 활성탄의 두께의 차이가 15㎛ 이하일 수 있다. 양극 내의 코크스계 활성탄의 두께 및 음극 내의 야자수계 활성탄의 두께의 차이를 적게 함으로써, 용량을 더욱 향상시킬 수 있다. A difference between the thickness of the coke-based activated carbon in the positive electrode and the thickness of the palm tree-based activated carbon in the negative electrode may be 15 μm or less. The capacity can be further improved by reducing the difference between the thickness of the coke-based activated carbon in the positive electrode and the thickness of the palm tree-based activated carbon in the negative electrode.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention are described. However, the following example is only a preferred embodiment of the present invention, but the present invention is not limited to the following example.

제조예manufacturing example

활물질로서 코크스계 활성탄을 준비하였다(제조예 1). 또한, 활물질로서 야자수계 활성탄을 준비하였다(제조예 2).Coke-based activated carbon was prepared as an active material (Preparation Example 1). In addition, palm tree-based activated carbon was prepared as an active material (Preparation Example 2).

제조예 1 및 제조예 2의 활물질에 대해 기공 구조 분석 및 표면적을 분석하여 도 1 및 표 1에 정리하였다.Pore structures and surface areas of the active materials of Preparation Examples 1 and 2 were analyzed and summarized in FIG. 1 and Table 1.

Smicro
(m2/g, t-plot)
S micro
(m 2 /g, t-plot)
Smeso
(m2/g, BJH)
S meso
(m 2 /g, BJH)
Stotal
(m2/g, Smicro + Smeso)
S total
(m 2 /g, S micro + S meso )
Vmicro
(cm3/g, t-plot)
V micro
(cm 3 /g, t-plot)
Vmeso
(cm3/g, BJH)
V meso
(cm 3 /g, BJH)
Vtotal
(cm3/g, Vmicro + Vmeso)
V total
(cm 3 /g, V micro + V meso )
제조예 1(코크스계 활성탄)Production Example 1 (coke-based activated carbon) 21382138 347.7347.7 24862486 0.970.97 0.210.21 1.181.18 제조예 2(야자수계 활성탄)Production Example 2 (palm-based activated carbon) 1712.81712.8 305.8305.8 20192019 0.760.76 0.220.22 0.980.98

실험예 1 : 양극 및 음극 활물질 종류에 따른 평가Experimental Example 1: Evaluation according to the type of cathode and anode active materials

실시예 1Example 1

양극 활물질로 제조예 1의 코크스계 활성탄 및 음극 활물질로 제조예 2의 야자수계 활성탄을 사용하였다.The coke-based activated carbon of Preparation Example 1 was used as the positive electrode active material and the palm tree-based activated carbon of Preparation Example 2 was used as the negative electrode active material.

활물질을 이용하여 알루미늄 집전체에 코팅하여 전극을 제조하였다. 활물질의 양은 양극 및 음극 각각 0.0545 g으로 동일하였으며, 두께도 163 m 으로 동일하였다.An electrode was prepared by coating an aluminum current collector using an active material. The amount of active material was the same at 0.0545 g each for the positive and negative electrodes, and the thickness was 163 equal to m.

전극 사이에, 셀룰로오스 세퍼레이터를 개재하고, 파우치셀로 조립하였다.A cellulose separator was interposed between the electrodes, and assembled into a pouch cell.

전해액으로는 아세토니트릴 (Acetonitrile, ACN)에 1M SBPBF4 염이 용해된 전해액을 사용하였다.As an electrolyte, an electrolyte in which 1M SBPBF 4 salt was dissolved in acetonitrile (ACN) was used.

비교예 1Comparative Example 1

양극 활물질로 제조예 1의 코크스계 활성탄 및 음극 활물질로 제조예 1의 코크스계 활성탄을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was performed except that the coke-based activated carbon of Preparation Example 1 was used as the positive electrode active material and the coke-based activated carbon of Preparation Example 1 was used as the negative electrode active material.

비교예 2Comparative Example 2

양극 활물질로 제조예 2의 야자수계 활성탄 및 음극 활물질로 제조예 2의 야자수계 활성탄을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was performed except that the palm tree-based activated carbon of Preparation Example 2 was used as the positive electrode active material and the palm tree-based activated carbon of Preparation Example 2 was used as the negative electrode active material.

비교예 3Comparative Example 3

양극 활물질로 제조예 2의 야자수계 활성탄 및 음극 활물질로 제조예 1의 코크스계 활성탄을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was performed except that the palm tree-based activated carbon of Preparation Example 2 was used as the positive electrode active material and the coke-based activated carbon of Preparation Example 1 was used as the negative electrode active material.

충방전 성능 측정Charge/discharge performance measurement

실시예 1, 비교예 1 내지 비교예 3에서 제조된 cell을 20℃에서 각 율별 0.1, 0.2, 0.4, 0.8, 1.6, 3.2 A/g 율로 CC(constant current; galvanostatic) charge, CC discharge, 0 ~ 3.0 V 충방전을 실시하였다. 각 율 별 5회씩 사이클 실험 실시 후, 각 율별 5회째 사이클 용량을 측정하여 도 2에 나타내었다.Cells prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 were tested at 20 ° C. at rates of 0.1, 0.2, 0.4, 0.8, 1.6, 3.2 A / g, CC (constant current; galvanostatic) charge, CC discharge, 0 ~ 3.0 V charge/discharge was performed. After conducting the cycle experiment 5 times for each rate, the 5th cycle capacity for each rate was measured and shown in FIG. 2 .

도 2에 나타나듯이, 비교예 1이 전체적인 충방전 속도에서 가장 높은 커패시턴스를 나타냄을 확인할 수 있다. 비교예 2의 경우, 가장 낮은 커패시턴스를 보인다. 한편, 양극 및 음극의 활물질을 서로 달리한 비대칭 시스템인 비교예 3과 실시예 1의 경우 양극에 야자수를 사용한 비교예 3이 실시예 1보다 전체적인 충방전 속도에서 커패시턴스가 높게 나타나는 현상을 확인할 수 있다. 실시예 1의 경우, 비교예 2보다 개선된 용량 특성을 보임을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 2 , it can be confirmed that Comparative Example 1 exhibits the highest capacitance at the overall charge/discharge rate. In the case of Comparative Example 2, it shows the lowest capacitance. On the other hand, in the case of Comparative Example 3 and Example 1, which are asymmetric systems in which the active materials of the positive electrode and the negative electrode are different from each other, it can be confirmed that Comparative Example 3 using palm trees as the positive electrode has higher capacitance at the overall charge and discharge rate than Example 1. . In the case of Example 1, it can be seen that improved capacity characteristics are shown compared to Comparative Example 2.

사이클 수명 평가Cycle life evaluation

실시예 1, 비교예 1 내지 비교예 3에서 제조한 cell을 상온 20 ℃에서 0 ~ 3.0 V충방전을 3.2 A g-1 율로 CC-charge, CC-discharge로 5000회 사이클 충방전을 실시하였다. 이러한 충방전 사이클 용량을 측정하여 도 3에 나타내었다.Cells prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 were charged and discharged 5000 times with CC-charge and CC-discharge at 0 to 3.0 V at a rate of 3.2 A g-1 at room temperature of 20 ° C. The charge/discharge cycle capacity was measured and shown in FIG. 3 .

도 3에 나타나듯이, 비교예 1과 비교예 3의 경우 가장 낮은 수명 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다. 비교예 1 및 비교예 3 모두 음극에 코크스 활성탄을 사용한 경우로써, 초기 용량은 높지만 지속적인 수명 감소 현상이 나타남을 확인할 수 있다. 비교예 2와 실시예 1의 경우가 수명 특성이 가장 우수하지만, 초기 용량이 높은 실시예 1이 비교예 2 보다 사이클 동안 높은 커패시턴스를 유지하는 것을 확인할 수 있다.As shown in Figure 3, in the case of Comparative Example 1 and Comparative Example 3 it can be seen that the lowest life characteristics. Comparative Example 1 and Comparative Example 3 both use coke activated carbon for the negative electrode, and it can be seen that the initial capacity is high, but the lifespan is continuously reduced. Comparative Example 2 and Example 1 have the best lifespan characteristics, but it can be seen that Example 1, which has a higher initial capacitance, maintains higher capacitance during cycles than Comparative Example 2.

EIS 저항 평가EIS resistance evaluation

실시예 1, 비교예 1 내지 비교예 3에서 제조한 cell을 20 ℃에서 사이클 수명 평가 전과 후에 3.0 V 충전을 한 상태로 10 mV의 amplitude로 30 mHz에서 200 kHz사이의 주파수 범위로 EIS를 측정하였다. EIS was measured in the frequency range between 30 mHz and 200 kHz with an amplitude of 10 mV while the cells prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 were charged at 3.0 V before and after cycle life evaluation at 20 ° C. .

도 4 및 도 5에 나타나듯이, 전체적으로 사이클 전에 비해 사이클 후에 각 저항성분이 증가하나, 증가율로는 벌크저항보다는 계면저항이 더 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 수명 특성 열화가 나타난 비교예 1과 비교예 3의 경우, 계면저항이 매우 크게 증가하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 동일한 활물질 양이 코팅되어있을 경우 생성될 수 있는 음극에서의 더 큰 과전압과 음극에 사용된 코크스 계 활성탄 때문이다.As shown in FIGS. 4 and 5, it can be seen that each resistance component increases after the cycle as a whole compared to before the cycle, but the interface resistance increases at a greater rate than the bulk resistance. In the case of Comparative Example 1 and Comparative Example 3, in which life characteristics were deteriorated, it was confirmed that the interface resistance increased very significantly, which is greater overvoltage at the negative electrode that can be generated when the same amount of active material is coated and used for the negative electrode This is because of the coke-based activated carbon.

반면 비교예 2와 실시예 1의 경우, 그러한 활물질 열화가 상대적으로 적게 일어났음을 확인할 수 있으며, 음극에 야자수계 활성탄을 사용하는 것이, 활물질 열화를 억제하는 것이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.On the other hand, in Comparative Example 2 and Example 1, it can be confirmed that such active material degradation has occurred relatively little, and it can be confirmed that using palm tree-based activated carbon for the negative electrode can suppress active material degradation.

실험예 2 : 양극 및 음극 활물질 양에 따른 평가Experimental Example 2: Evaluation according to the amount of positive and negative active materials

비교예 4Comparative Example 4

양극 활물질의 양을 0.0491 g 음극 활물질의 양을 0.0545 g으로 도포하여 음극 활물질의 도포량을 많이 하여 제조한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was performed except that the amount of the negative active material was increased by applying 0.0491 g of the positive electrode active material and 0.0545 g of the negative electrode active material.

비교예 5Comparative Example 5

양극 활물질의 양을 0.0545 g 음극 활물질의 양을 0.0491 g으로 도포하여 양극 활물질의 도포량을 많이 하여 제조한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was performed except that the amount of the positive electrode active material was increased by coating the amount of the positive electrode active material at 0.0545 g and the amount of the negative electrode active material at 0.0491 g.

충방전 성능 측정Charge/discharge performance measurement

실시예 1, 비교예 4 및 비교예 5에서 제조된 cell을 20℃에서 각 율별 0.1, 0.2, 0.4, 0.8, 1.6, 3.2 A/g 율로 CC(constant current; galvanostatic) charge, CC discharge, 0 ~ 3.0 V 충방전을 실시하였다. 각 율 별 5회씩 사이클 실험 실시 후, 각 율별 5회째 사이클 용량을 측정하여 도 6에 나타내었다.Cells prepared in Example 1, Comparative Example 4, and Comparative Example 5 were tested at 20 ° C. at rates of 0.1, 0.2, 0.4, 0.8, 1.6, and 3.2 A / g, CC (constant current; galvanostatic) charge, CC discharge, 0 ~ 3.0 V charge/discharge was performed. After conducting the cycle experiment 5 times for each rate, the 5th cycle capacity for each rate was measured and shown in FIG. 6 .

도 6에서 확인할 수 있듯이, 실시예 1의 경우가 가장 우수한 커패시턴스를 나타냄을 확인할 수 있다.As can be seen in FIG. 6 , it can be seen that the case of Example 1 exhibits the best capacitance.

본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.The present invention is not limited to the above embodiments, but can be manufactured in a variety of different forms, and those skilled in the art to which the present invention pertains may take other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. It will be understood that it can be implemented as. Therefore, the embodiments described above should be understood as illustrative in all respects and not limiting.

Claims (6)

코크스계 활성탄을 포함하는 양극,
야자수계 활성탄을 포함하는 음극 및
상기 양극 및 상기 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하고,
상기 양극 내의 코크스계 활성탄의 질량 및 상기 음극 내의 야자수계 활성탄의 질량이 하기 식 1을 만족하고,
상기 코크스계 활성탄은 직경 2 내지 50nm의 메조포어(mesopore) 및 직경 2nm 미만의 마이크로포어(micropore)를 포함하고, 상기 메조포어 및 상기 마이크로포어의 부피의 합에 대한 마이크로포어의 부피 비율이 70 내지 90%이고,
상기 코크스계 활성탄은 전체비표면적(BET)이 2100 내지 2500m2/g이고,
상기 야자수계 활성탄은 직경 2 내지 50nm의 메조포어(mesopore) 및 직경 2nm 미만의 마이크로포어(micropore)를 포함하고, 상기 메조포어 및 상기 마이크로포어의 부피의 합에 대한 마이크로포어의 부피 비율이 60% 이상 및 80% 미만이고,
상기 야자수계 활성탄은 전체비표면적(BET)이 1700 내지 2100m2/g이고,
상기 양극 내의 코크스계 활성탄의 두께 및 상기 음극 내의 야자수계 활성탄의 두께의 차이가 15㎛ 이하인 전기화학 소자.
[식 1]
|([Mc]-[Mp])|/([Mc]+[Mp]) ≤ 0.05
(식 1에서 [Mc]는 양극 내의 코크스 계 활성탄의 질량을 나타내고, [Mp]는 음극 내의 야자수 계 활성탄의 질량을 나타낸다.)
A positive electrode containing coke-based activated carbon;
A negative electrode containing palm tree-based activated carbon and
A separator interposed between the positive electrode and the negative electrode,
The mass of the coke-based activated carbon in the positive electrode and the mass of the palm tree-based activated carbon in the negative electrode satisfy Equation 1 below,
The coke-based activated carbon includes mesopores with a diameter of 2 to 50 nm and micropores with a diameter of less than 2 nm, and the volume ratio of the micropores to the sum of the volumes of the mesopores and the micropores is 70 to 50 nm. is 90%,
The coke-based activated carbon has a total specific surface area (BET) of 2100 to 2500 m 2 /g,
The palm tree-based activated carbon includes mesopores with a diameter of 2 to 50 nm and micropores with a diameter of less than 2 nm, and the volume ratio of the micropores to the sum of the volumes of the mesopores and the micropores is 60%. greater than and less than 80%;
The palm tree-based activated carbon has a total specific surface area (BET) of 1700 to 2100 m 2 /g,
The electrochemical device wherein the difference between the thickness of the coke-based activated carbon in the anode and the thickness of the palm tree-based activated carbon in the cathode is 15 μm or less.
[Equation 1]
|([Mc]-[Mp])|/([Mc]+[Mp]) ≤ 0.05
(In Equation 1, [Mc] represents the mass of coke-based activated carbon in the positive electrode, and [Mp] represents the mass of palm tree-based activated carbon in the negative electrode.)
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