KR20040054592A - 전기화학적 이중층 캐패시터 - Google Patents

전기화학적 이중층 캐패시터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기공학에 관한 것으로, 에너지 축적 장치를 개발하는데 이용될 수 있다. 본 발명에 의한 전기화학적 이중-층 캐패시터에 의하면, 높은 비(比)에너지와 전력에 부가하여 긴 서비스 수명을 가진 동작 장치를 개발하는 것이 가능하다. 상기 전기화학적 이중-층 캐패시터는 겔제(gelling agent)를 가진 용해된 전해질(4)을 포함한다.

Description

전기화학적 이중층 캐패시터{ELECTROCHEMICAL DOUBLE-LAYER CAPACITOR}
전기 이중층을 가지는 공지의 캐패시터 또는 전기화학적 캐패시터의 동작 원리는, 제1급 도체와 제2급 도체(전극-전해질)의 경계에 나타나는 전기 이중층(double electric layer)에 축적되는 에너지를 활용하는데 기초한다.
일반적으로, 그러한 캐패시터의 전극은 높은 비(比)표면을 가진 탄소물질로 만들어진다. 그 캐패시터의 전력 용량은, 채용된 전해질의 고유 사항인, 전기 이중층의 분해전압과 용량에 의해 제한된다. 수성(aqueous) 전해질의 경우, 분해전압은 1.23V이다.
전기 이중층을 가진 공지의 캐패시터로서, 2개의 전극과 수성 전해질을 가진 것이 있다(RU 2054723 C1, H01 G9/00, 1996).
전해질로서 유기 용매를 사용하면, 캐패시터의 동작 전압을 3-4V까지 올릴 수 있다.
전기 이중층을 가진 공지의 캐패시터로서, 2개의 전극과 유기 전해질을 가진 것이 있다(US 3700975 A, H01 G9/00, 1972).
그러나, 전기 이중층 및 유기 전해질을 가진 캐패시터내에서 큰 전력을 실현하는 것은 유기 전해질의 낮은 전도성으로 인해 방해받는다.
기술적으로 제안된 가장 근접한 아날로그적 해결책은, 분극성(polarizable) 전극, 격리판(separator)과 용해된 전해질을 포함하는 전기 이중층을 가지는 캐패시터이다(US 5621607 A, H01 G9/04, 1993).
공지의 캐패시터에서, 용해된 염화물과 브롬화물이 전해질로 사용된다.
예를 들어, 400-500℃의 칼륨 및 리튬 염화물의 고융 혼합물에서, 900-1,200 m2/g의 표면을 가진 활성화된 탄소물질로 이루어진 전극의 용량은 대략 500 F/g이고, 1,500-2,000 m2/g의 표면을 가진 것은 600 F/g이다. 이 전해질의 전도성은 400℃에서 1.7 Ohm/cm 이다. 용해된 전극과 마그네슘 염화물에 대한 분해전압은 2.5V를 넘고, 알칼리 금속 염화물에 대해서는 -3.5V, 플루오르화물에 대해서는 -5V이다.
용해된 소금을 사용하는 것은, 몸체(body), 전기적 도체 등의 구조물에 관련하여 고온에서 높은 침식적 공격성에 대한 일련의 문제점을 해결하는데 있어서, 주의가 요망된다.
이들 문제점은 매우 심각해서, 용해된 전해질을 가지고 실용화하는데 적합한 자원 및 수명을 가지는 캐패시터를 만들어낼 수 없게 된다.
본 발명은 전자분야에 관한 것으로서, 전기에너지를 축적하는 장치를 제조하는데 사용될 수 있고 다음과 같은 방면에 활용되는 전자분야에 관한 것이다:
- 지속 모드(constant mode) 또는 보충 재충전 모드(compensation recharge mode)에서 동작하는 경우의 비상 전력공급 시스템;
- 풍력 또는 태양력 산업에서, 주기적으로 동작하는 에너지원을 채용하는 경우의 지속적인 전력공급을 확인하는 방면;
- 운송기구의 회복적 브레이킹 에너지를 축적시키는 장치;
- 전기 운송기구를 위한 견인용 배터리
여기서 제안된 전기 이중층을 가지는 캐패시터의 본질은, 캐패시터의 구축을 구조적으로 나타내는 도 1과 함께, 다음의 상세한 설명 및 실시예에 의해 설명된다.
[발명의 개요]
상기 문제점은, 여기서 제안되는, 전기 이중층을 가진 캐패시터에 의해, 높은 비(比)에너지 및 전력을 조합하여 훌륭한 자원 및 수명을 가지는 효율적 장치를 제조함으로써, 해결된다.
제안된 해결책의 기술적 결과는, 적어도 하나가 분극성인 전극과, 격리판과 용해된 전해질을 가지고, 전기 이중층을 가지는 캐패시터를 제조함으로써 해결되며, 여기서, 본 발명에 따르면 용해된 전해질의 조성물내로 보강재(stiffener)가 도입된다.
본 발명은 상기 보강재(6)로서, 비활성의 미세한 분산물질이 전해질에 도입되는 것에 특징이 있다.
상기 물질들은 (섬유를 포함하여) 어떠한 형태의 입자를 가진 분말일 수도 있다.
본 발명은 상기 보강재가 산화물, 또는 혼합된 산화물, 알루미늄 질소화물, 또는 마그네슘, 또는 칼슘, 또는 스트론튬, 또는 붕소, 또는 실리콘, 또는 지르코늄, 또는 이트륨, 또는 베릴륨, 또는 그 혼합물을 기초한 미세한 분산물질로서 사용되는 것을 특징으로 한다.
용해된 소금을 사용하는 것은, 즉, 전해질로서 주기율 시스템의 주 서브그룹(main subgroup)의 제1 및 제2 족의 원소의 할로겐화물은, 캐패시터의 비(比)용량을 상당히 증가시킬 수 있는데, 왜냐하면 전극-전해질(용해된 것) 경계의 전기 이중층의 용량은, 특히 유기성일 때, 수성 전해질의 용량보다도 훨씬 초과하기 때문이다.
또한, 본 발명은 상기 제2 전극이 비분극성으로 이루어지고, 활성물질로서, 산화할 수 있고, 해당 용해된 전해질의 환경에서 전자-화학적 방식으로 가역적으로 줄어들 수 있는 물질을 포함하는 것에 특징이 있다.
이것은 캐패시터의 비(比)에너지를 증가시킬 수 있다.
활성 물질로서, 주기율 시스템의 제1, 또는 제2, 또는 제3족의 금속, 또는 그 혼합물이나, 또는 탄소, 또는 실리콘, 또는 붕소, 또는 기타 금속과의 합금을 사용할 수 있다.
금속 또는 합금은 캐패시터의 충전동안에 형성될 수 있다.
상기 금속 또는 합금은 음전극으로 사용될 수 있다.
비분극성 전극은, 활성 물질로서, 철, 또는 바나듐, 또는 크롬, 또는 구리, 또는 그 혼합물의 그룹으로 이루어진 금속 산화물이나 황화물을 포함하며, 양전극의 활성물(active mass)로서 사용된다.
전해질 조성물에 보강재(stiffener)를 도입하면, 활성 전극 물질과 보강재내의 모세관 힘을 희생하는 대신에, 용해된 전해질이 고정되어 몸체 세부분에 접촉하지 않는 전기 이중층(원소)를 가지는 캐패시터를 생성할 수 있다. 그러한 원소에서, 보강된 전해질은 동시에 격리판(separator)으로서도 기능할 수 있다.
이것은, 첫번째로는, 구축물의 침식을 막고, 두번째로는, 전기 이중층을 가지는, 몸체없는 원소-캐패시터(bodyless element-capacitor)를 생성할 수 있다.
용해된 전해질은 다양한 양의 보강재를 포함할 수 있으며, 따라서, 다양한 정도의 보강성을 가질 수 있다.
적은 양의 보강재에서는 전해질의 전도성과 캐패시터의 용량은 증가하고, 많은 양의 보강재에서는 시스템의 기계적 안정성이 상승한다.
[전기 이중층을 가지는 캐패시터의 바람직한 실시예]
본 발명에 의한 전기 이중층을 가지는 캐패시터는 적어도 하나가 분극성인 전극(1,2)와, 격리판(3)과, 활성 전극물질(4)와, 용해된 전극(5)과, 전해물내에 도입된 보강재(6)와, 전기적 전도체(7)를 포함한다.
여기서 제안된 구조는 보강재, 활성 전극물질 등으로서 사용되는 다양한 물질을 채용함으로써 실현될 수 있다.
분극성 전극물질로서, 용해된 전해질(활성화된 탄소, 탄화물, 질소화물, 산화물, 금속) 환경에서 안정한 높은 비(比)표면을 가진 전도체를 사용하는 것이 편리하다.
그에 의해 얻어진 결과는 아래에 설명된 예제에 나타나 있다.
예제 1.캐패시터의 전극들은, 900-1,200 m2/g(20-30 질량 %)의 표면을 가진 활성화된 탄소 분말로부터, 전해질을 추가하여, 만들어지며, 직경 22mm와 1.2mm의 폭을 가진 디스크 형태로 제조된다. 전해질은 352℃의 용해 온도에서 리튬과 칼륨 염화물(59 몰 % 염화리튬)의 공융 혼합물(eutectic mixture)을 포함한다. 마그네슘 알루미나이트(40 질량 %)의 분말이 보강재로서 상기 전해질에 도입된다. 격리판(즉, 동일한 합성물의 보강된 전해질)이 1mm 폭의 압축된 플레이트 형태로 만들어진다. 24mm의 직경과 0.3mm 폭의 흑연 디스크는 전기 접촉자로서 기능한다.
예제 2.상기 예제 1과 대조적으로, 전극들은 1,500-2,000 m2/g의 비(比)표면을 가지는 활성화된 탄소 분말로 만들어진다.
예제 3. 상기 예제 1과 대조적으로, 하나의 전극은 이황화철(FeS2)의 분말로 만들어진 플레이트 유형으로서, 0.5mm 폭의 전해질을 추가하여 제조된다.
예제 4.상기 예제 1과 대조적으로, 하나의 전극은 0.5mm 폭의 리튬-알루미늄 합금(리튬의 2-4 질량 %) 분말로 말들어지는 플레이트 유형으로 제조된다.
400℃에서, 상기 개시된 예제들에 따른 캐패시터의 특징들이 표에 나타나 있다.
여기서 제안된 전기 이중층을 가진 캐패시터에 기초하면, 필요한 전압을 얻을 수 있는 만큼, 단일체에 합성된 원소로서, 바이폴라 구조의 배터리를 만들 수 있다. 각 원소를 위한 몸체(body)가 없으면, 배터리 구축이 상당히 용이하게 되며, 그 무게를 줄일 수 있다.
실시예에서 나타난 캐패시터들의 특성
파라미터 예제 1 예제 2 예제 3 예제 4
최대 전압, V 3.0 3.0 2.0 3.0
용량, F 31 40 70 59
방전 전류, A 0.5 0.5 0.5 0.5
내부 저항, Ohm 0.2 0.2 0.2 0.2
전극 표면, ㎠ 3.7 3.7 3.7 3.7
원소의 질량, g 1.7 1.7 1.5 1.3
비(比)에너지, W·h/kg 23 29 26 56
최대 비(比)전력, kW/Kg 6.6 6.6 3.3 8.6

Claims (7)

  1. 적어도 하나가 분극성인 전극(1,2)과, 격리판(3)과, 용해된 전해질(5)을 포함하는, 전기 이중층을 가지는 캐패시터에 있어서,
    상기 용해된 전해질(5)의 조성물내로 보강재(6;stiffener)가 도입되는 것을 특징으로 하는, 전기 이중층을 가지는 캐패시터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보강재(6)로서, 비활성의 미세한 분산물질이 전해질(5)에 도입되는 것을 특징으로 하는, 전기 이중층을 가지는 캐패시터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 보강재로서, 산화물, 또는 혼합된 산화물, 알루미늄 질소화물, 또는 마그네슘, 또는 칼슘, 또는 스트론튬, 또는 붕소, 또는 실리콘, 또는 지르코늄, 또는 이트륨, 또는 베릴륨, 또는 그 혼합물에 기초한 미세한 분산물질이 사용되는 것을 특징으로 하는, 전기 이중층을 가지는 캐패시터.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용해된 전해질(5)은, 주기율 시스템의 주 서브그룹(main subgroup)의 제1, 또는 제2, 또는 제3족 원소의 할로겐화물, 또는 그 혼합물을 포함하는 것을특징으로 하는, 전기 이중층을 가지는 캐패시터.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 전극은 비분극성으로 이루어지고, 활성물질(4)로서, 산화할 수 있고, 해당 용해된 전해질의 환경에서 전자-화학적 방식으로 가역적으로 줄어들 수 있는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 이중층을 가지는 캐패시터.
  6. 제5항에 있어서,
    비분극성 전극(2)은, 활성 물질(4)로서, 주기율 시스템의 제1, 또는 제2, 또는 제3족 금속, 또는 그 혼합물이나, 또는 탄소, 또는 실리콘, 또는 붕소, 또는 기타 금속과의 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 이중층을 가지는 캐패시터.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 비분극성 전극(2)은, 활성 물질(4)로서, 철 족, 또는 바나듐 족, 또는 크롬 족, 또는 구리 족, 또는 그 혼합물의 그룹으로 이루어진 금속 산화물이나 황화물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 이중층을 가지는 캐패시터.
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