KR102651782B1 - 수계 전해질 및 이를 포함하는 의사 커패시터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 의사 커패시터용 수계 전해질 및 이를 포함하는 의사 커패시터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 특정 농도 이상의 리튬염, 극성 비양성자성 화합물 및 수계 용매를 포함하는 의사 커패시터용 수계 전해질 및 상기 수계 전해질을 포함하는 의사 커패시터에 관한 것이다.
Description
본 발명은 전해질의 저온 안정성을 개선하기 위해, 특정 농도 이상의 리튬염, 극성 비양성자성 화합물 및 수계 용매를 포함하는 의사 커패시터용 수계 전해질 및 상기 수계 전해질을 포함하는 의사 커패시터에 관한 것이다.
최근 개발되고 있는 차세대 에너지 저장시스템은 모두 전기 화학적인 원리를 이용한 것으로 리튬 (Li)계 이차전지와 전기화학적 커패시터(electrochemical capacitor)가 대표적이다. 이차전지는 단위 무게 혹은 부피당 축적할 수 있는 에너지 량(에너지 밀도)의 측면에서는 우수하나 사용기간, 충전시간, 단위시간당 사용할 수 있는 에너지의 량(출력 밀도) 측면에서는 아직 많은 개선의 여지를 보이고 있다.
그러나, 전기화학적 커패시터(electrochemical capacitor)는 에너지 밀도 면에서 이차전지에 비해 작으나 사용시간, 충전시간, 출력 밀도가 큰 면에서는 이차 전지에 비해 매우 우수한 특성을 보이고 있다. 따라서 전기화학적 커패시터(electrochemical capacitor)의 경우 에너지 밀도를 향상시키기 위한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.
특히 슈퍼 커패시터(supercapacitor)는 재래식 전해콘덴서와 신형 2차 전지가 갖지 못하는 영역에서 고유한 성능 특성을 가지는 에너지 저장 동력원(power source) 기기이다. 이러한 슈퍼 커패시터는 전기화학적 축전 메커니즘에 따라 전기 이중층(electrical double layer)의 원리를 이용한 전기 이중층 커패시터 (electrical double layer capacitor, EDLC)와 전기화학적 패러데이 반응 (faradaic reation) 원리를 이용한 의사 커패시터 (pseudocapacitor)로 구분된다.
전기 이중층 커패시터는 전해질 용액의 이온이 전극 표면에서 전기 이중층(Electric Double Layer)을 형성하면서 물리적으로 흡탈착되는 것을 이용하며, 전극으로 사용되는 탄소 표면에 세공이 발달되어 있어 우수한 동력 밀도를 나타낸다. 그러나 표면의 전기 이중층에만 전하가 축적되므로 패러데이 반응을 이용하는 금속산화물계 또는 전기 전도성 고분자계 슈퍼 커패시터보다 축전 용량이 낮아 에너지 밀도가 낮은 단점이 있다.
의사 커패시터를 사용하는 금속산화물계 슈퍼 커패시터는 산화, 환원이 가능한 여러 개의 원자가(valence)를 가지는 금속산화물을 사용하는 커패시터이다. 의사 커패시터라고 칭하는 이유는 커패시터의 특성이 전기 이중층 커패시터처럼 전기 이중층의 형성에 의한 것이 일반적이고 전기화학 반응에 의해서는 커패시터적인 특성이 나오기 힘든데도 일부 금속산화물에서는 전지의 특성 대신 커패시터의 특성이 나오기 때문이다. 이러한 의사 커패시터를 사용하는 금속산화물 전극의 슈퍼 커패시터는 금속산화물의 산화, 환원반응으로 양성자가 이동하는 축적 메카니즘을 나타내므로 전기 이중층 커패시터보다 높은 비축전용량을 갖는다. 또한 금속산화물계 슈퍼 커패시터의 전극 활물질은 충방전시 산화, 환원에 필요한 이온과 전자가 전해질과 전극에서 빠른 속도로 이동하여야 하므로, 전극 계면이 고 비표면적을 가지는 것이 바람직하며, 전극 활물질은 높은 전기전도도가 요구된다.
한편, 일반적으로 커패시터에 사용되는 전해질은 수계 전해질, 비수계 전해질 및 고체 전해질로 분류가 된다. 비수계 전해질은 일반적으로 수계 전해질보다 점도가 높고, 1/10 ~ 1/100 배 정도 낮은 전도도를 갖는다. 따라서 수계 전해질을 사용하는 경우 전해질의 내부저항이 줄어들고 커패시터의 출력 특성이 향상되는 장점이 있다. 그러나 수계 전해질은 비수계 전해질에 비해 전해질의 어는점(melting point)이 상대적으로 높기 때문에, 저온의 환경에 노출될 경우 전해질의 동결이 일어날 수 있어 그 활용 범위가 상당히 줄어드는 문제가 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 발명자들은 의사 커패시터의 저온 안정성을 개선하기 위한 다각적인 연구를 수행한 끝에, 커패시터의 수계 전해질에 특정 농도 이상의 리튬염 및 극성 비양성자성 화합물을 첨가하면 극저온 환경에서도 전해질이 동결되지 않고 커패시터의 안정적인 구동이 가능하다는 것을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명은 저온 안정성이 개선된 의사 커패시터용 수계 전해질을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 수계 전해질을 포함하는 극저온 안정성이 개선되고 충방전 효율, 에너지 밀도 및 출력 밀도가 우수한 의사 커패시터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은,
리튬염, 극성 비양성자성 화합물 및 수계 용매를 포함하는 의사 커패시터용 수계 전해질을 제공한다.
본 발명의 일 구체예는 상기 극성 비양성자성 화합물 화합물이 하기 화학식 1로 표시되는 디알킬 설폭사이드 또는 하기 화학식 2로 표시되는 아미드 화합물인 것이다.
[화학식 1]
(단, R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 또는 같거나 다른 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기임)
[화학식 2]
(단, R3 내지 R5는 각각 독립적으로 수소 또는 같거나 다른 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기임)
본 발명의 일 구체예는 상기 화학식 1로 표시되는 디알킬 설폭사이드가 디메틸 설폭사이드(DMSO)인 것이다.
본 발명의 일 구체예는 상기 화학식 2로 표시되는 아미드 화합물이 디메틸아세트아미드 또는 디메틸포름아미드인 것이다.
본 발명의 일 구체예는 상기 극성 비양성자성 화합물과 수계 용매가 2:3 내지 1:1 의 부피비로 포함되는 것이다.
본 발명의 일 구체예는 상기 리튬염이 수계 전해질 전체 부피 대비 0.5 내지 6 몰랄(m) 농도로 포함되는 것이다.
본 발명의 일 구체예는 상기 리튬염이 Li(OH), Li2O, LiCO3, LiNO3, Li2SO4, LiNO3 및 CH3COOLi 중 어느 하나로 이루어지는 것이다.
본 발명의 일 구체예는 상기 전해질의 융점이 -30 ℃ 이하인 것이다.
또한 본 발명은,
양극; 음극; 및
상술한 전해질을 포함하는 의사 커패시터를 제공한다.
본 발명에 따르면, 수계 전해질에 특정 농도 이상의 리튬염 및 양쪽성 이온 화합물을 포함하여 극저온 환경에서 전해질의 동결 문제를 개선할 수 있으며, 이를 포함하는 의사 커패시터의 비정전용량, 충방전효율, 에너지 밀도 및 출력 밀도를 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 전해질을 LiMn2O4(양극)에 대해서 3전극 측정한 순환전압전류곡선(CV곡선)을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 전해질을 LiTi2(PO4)3(음극)에 대해서 3전극 측정한 순환전압전류곡선(CV곡선)을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1 내지 2에 따른 전해질을 LiMn2O4(양극)에 대해서 3전극 측정한 전해질별 출력 특성의 Ragone Plot을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 전해질, LiMn2O4(양극) 및 LiTi2(PO4)3(음극)로 구성된 full-cell 커패시터(on glassy carbon 전극)에 대해서 2전극 측정한 순환전압전류곡선(CV곡선)을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 전해질, LiMn2O4(양극) 및 LiTi2(PO4)3(음극)로 구성된 full-cell 커패시터(on glassy carbon 전극)에 대해 2전극 측정한 수명특성을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 비교예 1에 따른 전해질을 LiMn2O4(양극)에 대해서 3전극 측정한 순환전압전류곡선(CV곡선)을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 비교예 2에 따른 전해질을 LiMn2O4(양극)에 대해서 3전극 측정한 순환전압전류곡선(CV곡선)을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 비교예 2에 따른 전해질을 LiTi2(PO4)3(음극)에 대해서 3전극 측정한 순환전압전류곡선(CV곡선)을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 전해질을 LiTi2(PO4)3(음극)에 대해서 3전극 측정한 순환전압전류곡선(CV곡선)을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1 내지 2에 따른 전해질을 LiMn2O4(양극)에 대해서 3전극 측정한 전해질별 출력 특성의 Ragone Plot을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 전해질, LiMn2O4(양극) 및 LiTi2(PO4)3(음극)로 구성된 full-cell 커패시터(on glassy carbon 전극)에 대해서 2전극 측정한 순환전압전류곡선(CV곡선)을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 전해질, LiMn2O4(양극) 및 LiTi2(PO4)3(음극)로 구성된 full-cell 커패시터(on glassy carbon 전극)에 대해 2전극 측정한 수명특성을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 비교예 1에 따른 전해질을 LiMn2O4(양극)에 대해서 3전극 측정한 순환전압전류곡선(CV곡선)을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 비교예 2에 따른 전해질을 LiMn2O4(양극)에 대해서 3전극 측정한 순환전압전류곡선(CV곡선)을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 비교예 2에 따른 전해질을 LiTi2(PO4)3(음극)에 대해서 3전극 측정한 순환전압전류곡선(CV곡선)을 나타낸 것이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에 한정되지 않는다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명은 의사 커패시터용 수계 전해질로서, 리튬염 및 양쪽성 이온 화합물을 포함하는 수계 전해질을 제공한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 수계 전해질은 전해액으로 수계 용매를 포함하며, 여기에 리튬염 및 극성 비양성자성 화합물을 추가로 포함하여 극저온 환경에서 전해액의 동결을 방지하여, 상기 전해질을 포함하는 의사 커패시터의 안정적인 구동을 가능하게 한다. 따라서 상기 리튬염 및 극성 비양성자성 화합물을 포함하는 전해질을 포함하는 커패시터는 저온 안정성이 개선되고 우수한 충방전 효율, 에너지 밀도 및 출력 밀도를 나타낼 수 있게 된다.
상기 리튬염으로는 특별히 한정되는 것은 아니나 의사 커패시터에 적용할 수 있는 리튬염이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, Li(OH), Li2O, LiCO3, LiNO3, Li2SO4, LiNO3 및 CH3COOLi 중 어느 하나일 수 있다. 다만, 본 발명의 일 구현예에 따른 극성 비양성자성 화합물에 용해되지 않는 리튬염은 수계 전해질의 극저온 안정성 부여 효과가 떨어질 수 있으므로, 바람직하게는 LiNO3을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 극성 비양성자성 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 디알킬 설폭사이드 또는 하기 화학식 2로 표시되는 아미드 화합물일 수 있다.
[화학식 1]
(단, R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 또는 같거나 다른 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기임)
[화학식 2]
(단, R3 내지 R5는 각각 독립적으로 수소 또는 같거나 다른 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기임)
상기 화학식 1로 표시되는 디알킬 설폭사이드는 화합물 내 포함된 산소 원자의 전기음성도가 황 원자의 그것보다 크기 때문에 하기 화학식 3과 같은 안정한 공명구조를 가질 수 있어 상당히 큰 쌍극자 모멘트를 갖는다.
[화학식 3]
또한 화학식 2로 표시되는 아미드 화합물의 경우에는 화합물 내 포함된 질소 원자의 비공유 전자쌍 제공 능력이 뛰어나고 산소 원자의 전기음성도가 크며, 공명구조가 안정한 옥텟(cotet) 구조를 만족하기 때문에 화학식 4와 같은 안정한 공명구조를 가질 수 있어, 화학식 3과 같이 상당히 큰 쌍극자 모멘트를 갖는다.
[화학식 4]
상기 화학식 1로 표시되는 극성 비양성자성 화합물로 바람직하게는 디메틸 설폭사이드(DMSO)를 사용할 수 있으며, 상기 화학식 2로 표시되는 극성 비양성자성 화합물로 바람직하게는 디메틸아세트아미드 또는 디메틸포름아미드를 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 수계 전해질의 극저온 안정성을 향상시키기 위해, 상기 극성 비양성자성 화합물과 수계 용매가 2:3 내지 1:1의 부피비로 포함될 수 있고, 바람직하게는 2:3의 부피비로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 극성 비양성자성 화합물인 디메틸 설폭사이드의 경우, 분자내 포함된 원소의 전기음성도 차이에 의해 산소 원소와 황 원소는 하기 화학식 5와 같이 부분 전하를 띄게 되고, 이러한 '쯔비터이온(zwitterion)'과 같은 특성과 쌍극자 모멘트로 인한 강한 극성을 띄는 특성으로 인해 수계 전해질 내 포함된 물분자와 강한 결합을 이루게 된다.
[화학식 5]
또한 상기 화학식 1에서 소수성을 가지는 R1 및 R2 알킬 치환기로 인해 물분자와 결합한 디메틸 설폭사이드는 이른바 '물-DMSO 코어-쉘(core-shell)' 구조를 띄게 되며, 이로 인해 물분자들 간의 결합력이 낮아져 수계 전해질의 어는점을 낮출 수 있는 효과를 나타내게 된다.
만일 극성 비양성자성 화합물이 상기 부피비보다 적게 포함되는 경우 수계 전해질의 어는점을 낮추는 효과가 줄어들어 극저온 환경에서 전해질 동결 현상이 발생할 수 있고, 만일 상기 부피비를 초과하여 포함되는 경우 수계 전해질의 이온전도도가 낮아질 수 있으므로 상기 범위에서 적절히 조절한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 수계 전해질 전체 부피 대비 리튬염을 0.5 내지 6 몰랄(m) 농도로 포함할 수 있고, 바람직하게는 1 내지 3 몰랄(m) 농도로 포함할 수 있다.
만일 리튬염의 비율이 상기 범위 이하일 경우에는 전해질의 이온전도도 감소 및 그에 따른 커패시터의 출력 특성 감소의 문제점이 있으며, 양쪽성 이온 화합물의 비율이 상기 범위 이하일 경우에는 극저온 환경에서 전해질이 동결할 수 있는 문제점이 있으므로 상기 범위 내에서 적절히 조절하는 것이 좋다.
본 발명에 따른 수계 전해질은 상기와 같은 농도와 비율의 리튬염 및 극성 비양성자성 화합물을 포함하여 극저온 환경에서 수계 전해질의 동결을 방지할 수 있으므로 전해질의 융점은 -30 ℃ 이하일 수 있고, 상기 전해질을 포함하는 의사 커패시터 역시 -30 ℃ 이하의 극저온 환경에서 안정적으로 구동이 가능한 장점이 있다.
본 발명에 따른 의사 커패시터는 제1 집전체, 제1 전극, 전해질, 분리막, 제2 전극, 제2 집전체 및 케이스로 구성될 수 있고, 제1 집전체, 전해질, 분리막, 제2 집전체 및 케이스는 기존의 공지된 기술을 사용할 수 있기 때문에 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
[
실시예
1] 수계 전해질의 제조
초순수(DI Water) 30ml 및 디메틸 설폭사이드(DMSO, Junsei 社) 20ml를 충분히 교반한 후, 전체 부피 50ml를 기준으로 2 몰랄(m) 농도의 리튬염인 LiNO3(Junsei 社)를 첨가하고 30분간 교반하여 의사 커패시터용 수계 전해질을 제조하였다.
[
비교예
1] 수계 전해질의 제조
초순수(DI Water) 와 디메틸 설폭사이드(DMSO)를 다양한 비율로 하여 충분히 교반한 후, 리튬염으로 다양한 농도의 Li2SO4를 첨가하고 30분간 교반하여 의사 커패시터용 수계 전해질을 제조하였으며, 이를 하기 표 1에 나타내었다.
| 리튬염(Li2SO4) 농도 (m) | DI-Water:DMSO (v/v) | |
| 비교예 1-(1) | 1.1 | 11:4 |
| 비교예 1-(2) | 1.2 | 12:3 |
| 비교예 1-(3) | 1.3 | 13:2 |
| 비교예 1-(4) | 0.9 | 11:4 |
| 비교예 1-(5) | 0.9 | 12:3 |
| 비교예 1-(6) | 0.9 | 13:2 |
[
비교예
2] 수계 전해질의 제조
극성 비양성자성 화합물을 포함하지 않고, 초순수(DI Water) 50ml를 기준으로 2 몰랄(m) 농도의 리튬염 LiNO3만을 포함하는 의사 커패시터용 수계 전해질을 제조하였다.
[
실험예
1] 의사 커패시터의 전기화학적 특성 평가
상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 2의 수계 전해질에 대하여 3전극 방식의 의사 커패시터를 제작한 후, 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry, Bio-Logics 社 VSP/VMP3)를 이용하여 아래와 같은 방법으로 물성을 측정하여 도 1 내지 3, 6 내지 8 에 나타내었다. 측정방법은 LiMn2O4를 포함하는 양극 작용 전극(Working electrode) 또는 LiTi2(PO4)3 를 포함하는 음극 작용 전극, 백금판을 상대 전극(Counter Electrode), Ag/AgCl 기준 전극(Reference Electrode)을 이용하여 상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 2의 수계 전해질에서 서로 다른 주사 속도(Scan rate)에 따라 측정하였다.
(1) 3전극 측정
사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry)를 이용하여, 양극의 경우 전압 -0.2 내지 1.1V, 10 mV/sec, 음극의 경우 전압 -0.2 내지 -1.1V, 10 mV/sec 조건 하에서 측정하였다.
(2) 2전극 측정
- LiMn2O4는 (working electrode)로, LiTi2(PO4)3는 (counter와 reference electrode)로 사용하였다.
- 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry)를 이용하여, 전압 0.3 ~ 2.1V, 10 mV/sec로 측정하였다.
- 정전류 방전(constant-current discharge) 방법을 이용하여, 충/방전조건(정전류 0.699 mA, 전압 0.3 ~ 2.1V) 하에서 측정하였다.
| 비정전용량 (F/g) | |||||
| Cycle | 실시예 1 (양극) |
실시예 1 (음극) |
비교예 1-(1) | 비교예 2 (양극) |
비교예 2 (음극) |
| 1 | 314.08 | 301.17 | 293.29 | 303.67 | 273.84 |
| 2 | 310.25 | 299.24 | 287.10 | 298.76 | 271.71 |
| 3 | 309.44 | 297.74 | 286.32 | 299.09 | 270.14 |
| 4 | 308.85 | 296.58 | 285.76 | 299.33 | 268.87 |
| 5 | 308.38 | 295.62 | 285.36 | 299.48 | 267.78 |
상기 표 2를 보면, 실시예 1에 따른 전해질을 사용한 경우, 비교예 1 및 2에 따른 전해질을 사용한 경우에 비해 전반적으로 우수한 비정전용량을 나타내는 것을 알 수 있었다.
[
실험예
2] 의사 커패시터의 극저온 구동 특성 평가
유리탄소질 전극(glassy carbon electrode)을 이용하여, LiMn2O4를 포함하는 양극, LiTi2(PO4)3을 포함하는 음극 및 상기 실시예 1 및 비교예 2의 수계 전해질을 포함하는 의사 커패시터를 제작하고, 극저온(-30 ℃) 환경에서 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry)를 측정(도 4)하고, 커패시터의 사이클(정전류)에 따른 구동 특성을 평가(도 5)하였다.
도 4를 보면, 실시예 1에 따른 수계 전해질을 포함하는 의사 커패시터의 경우, 극저온 환경에서도 커패시터의 출력 특성을 유지하는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 도 5를 보면, 실시예 1에 따른 수계 전해질을 포함하는 의사 커패시터의 경우, 상기 극저온 환경에서도 장기 수명안정성이 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
비교예 2의 경우에는 수계 전해질에 양쪽성 이온 화합물인 DMSO를 포함하지 않고 리튬염(LiNO3)만을 포함하여, -30 ℃ 동결 실험 진행(JEIO TECH 社 TH-KE Temperature & Humidity Chamber)한 결과 상기 극저온 환경에서 수계 전해질이 동결한 것을 확인할 수 있었다. (도 9)
[
실험예
3] 수계 전해질의 이온전도도 측정 및 평가
상기 실시예 1 및 비교예 2에서 제조된 수계 전해질의 이온전도도를 이온전도도미터기(Mettler Toledo 社)에 의하여 측정하였고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
| 이온전도도 (mS/cm) | |
| 실시예 1 | 39.11 |
| 비교예 2 | 108.4 |
상기 표 3을 참고하면, 실시예 1에서 제조된 수계 전해질의 경우 높은 함량의 리튬염과 극성 비양성자성 화합물을 포함하고 있음에도 우수한 이온전도도를 나타내는 것을 알 수 있었다.
[
실험예
4]
리튬염의
종류 및 극성
비양성자성
화합물과 수계 용매의
부피비에
따른 수계 전해질의 이온전도도 및 극저온 안정성 평가
상기 비교예 1의 다양한 비율에 따른 수계 전해질의 이온전도도 및 극저온 동결 여부(영하 30 ℃)를 측정하여 하기 표 4에 나타내었다.
| 이온전도도 (mS/cm) | 극저온 부동성* (영하 30 ℃) | |
| 비교예 1-(1) | 28.2 | O |
| 비교예 1-(2) | 39 | X |
| 비교예 1-(3) | 51.6 | X |
| 비교예 1-(4) | 27.5 | O |
| 비교예 1-(5) | 35.5 | X |
| 비교예 1-(6) | 45.4 | X |
(* O: 영하 30 ℃에서 동결되지 않음, X: 영하 30 ℃에서 동결)상기 표 4를 보면, 리튬염으로 사용된 Li2SO4는 DMSO에 용해되지 않아 높은 농도의 Li2SO4 첨가가 어렵고, DMSO의 상대적 비율이 높은 비교예 1-(1) 및 1-(4)의 경우 극저온에서 전해질이 동결하지 않아 극저온 안정성을 보이는 반면, 낮은 이온전도도로 인하여 커패시터의 전기화학적 성능이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. (도 6)
상기 실시예 및 실험예를 통하여, 본 발명의 수계 전해질을 이용한 의사 커패시터를 제공함으로써, 극저온 환경에서도 우수한 출력밀도, 방전용량, 비정전용량, 이온전도도, 에너지 밀도 및 장기수명안정성이 크게 향상된 의사 커패시터를 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.
Claims (9)
- 리튬염, 극성 비양성자성 화합물 및 수계 용매를 포함하고,
상기 극성 비양성자성 화합물 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 디알킬 설폭사이드 또는 하기 화학식 2로 표시되는 아미드 화합물인 의사 커패시터용 수계 전해질:
[화학식 1]
(단, R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 또는 같거나 다른 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기임)
[화학식 2]
(단, R3 내지 R5는 각각 독립적으로 수소 또는 같거나 다른 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기임).
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 화학식 1로 표시되는 디알킬 설폭사이드는 디메틸 설폭사이드(DMSO)인 것을 특징으로 하는 의사 커패시터용 수계 전해질.
- 제1항에 있어서,
상기 화학식 2로 표시되는 아미드 화합물은 디메틸아세트아미드 또는 디메틸포름아미드인 것을 특징으로 하는 의사 커패시터용 수계 전해질.
- 제1항에 있어서,
상기 극성 비양성자성 화합물과 수계 용매가 2:3 내지 1:1 의 부피비로 포함되는 것을 특징으로 하는 의사 커패시터용 수계 전해질.
- 제1항에 있어서,
상기 리튬염은 수계 전해질 전체 부피 대비 0.5 내지 6 몰랄(m) 농도로 포함되는 것을 특징으로 하는 의사 커패시터용 수계 전해질.
- 제1항에 있어서,
상기 리튬염은 Li(OH), Li2O, LiCO3, LiNO3, Li2SO4, LiNO3 및 CH3COOLi 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 의사 커패시터용 수계 전해질.
- 제1항에 있어서,
상기 전해질은 융점이 -30 ℃ 이하인 것인 의사 커패시터용 수계 전해질.
- 양극; 음극; 및
제1항, 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 전해질을 포함하는 의사 커패시터.
Priority Applications (1)
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| KR1020180101963A KR102651782B1 (ko) | 2018-08-29 | 2018-08-29 | 수계 전해질 및 이를 포함하는 의사 커패시터 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020180101963A KR102651782B1 (ko) | 2018-08-29 | 2018-08-29 | 수계 전해질 및 이를 포함하는 의사 커패시터 |
Publications (2)
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| KR20140081276A (ko) | 2012-12-21 | 2014-07-01 | 삼성전기주식회사 | 리튬이온커패시터 |
-
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| 인용발명 1: 일본 공표특허공보 특표2018-520497호(2018.07.26.) 1부.* |
| 인용발명 2: 공개특허공보 제10-2015-0008079호(2015.01.21.) 1부.* |
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