KR20050074318A - 에너지디바이스 - Google Patents

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KR20050074318A
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KR
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negative electrode
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KR1020050002777A
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구마시로요시아키
아라이쥬이치
고바야시미츠루
호시에이지
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가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
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Publication date
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Abstract

본 발명은 높은 입출력 특성, 특히 저온에서의 특성이 뛰어난 에너지디바이스를 제공하는 것이다.
주로 활물질의 산화상태가 변화하여, 전하가 활물질 내부로 이동하는 패러데이적인 반응과, 주로 활물질 표면에 이온이 물리적으로 흡탈착됨으로써 전하를 축적·방출하는 비패러데이적인 반응의 양쪽의 반응기구에 의하여 전기에너지를 저장·방출하는 것을 특징으로 하는 에너지디바이스 및 주로 활물질의 산화상태가 변화하여 전하가 전극계면을 통하여 활물질로 이동하는 패러데이적인 반응으로, 반응속도가 느린 것과 빠른 것의 적어도 2종의 반응기구에 의하여 전기에너지를 저장·방출하는 것을 특징으로 하는 에너지디바이스를 제작함으로써, 저온에서의 출력특성을 개선하였다. 또 주로 활물질의 산화상태가 변화하여 전하가 전극계면을 통하여 활물질로 이동하는 패러데이적인 반응으로 반응속도가 느린 것과 빠른 것의 적어도 2종의 반응기구에 의하여 전기에너지를 저장, 방출하는 것을 특징으로 하는 에너지디바이스.

Description

에너지디바이스{ENERGY DEVICE}
본 발명은 전기에너지를 저장, 방출하는 에너지디바이스에 관한 것이다.
최근, 전기자동차나 하이브리드자동차, 또는 전동공구 등의 전원으로서, 지금까지 보다도 높은 입출력의 전원이 요구되고 있고, 또한 급속한 충방전이 가능하며, 더구나 고용량화된 전원이 요구되고 있다. 특히 온도 의존성이 작아, -20℃, -30℃라는 저온에 있어서도 입출력 특성을 유지할 수 있는 전원이 더욱 요구되고 있다.
지금까지는 이상과 같은 요구에 대하여 리튬 2차 전지, 니켈수소전지, 니켈 카드뮴전지, 납 축전지 등의 반응기구가 주로 패러데이적인 2차 전지를 더욱 고성능으로 하는 것이나, 반응기구가 비패러데이적이고, 순간적인 입출력의 전원으로서 입출력 특성, 저온환경하에서의 특성이 양호한 전기 2중층 커패시터와의 병용에 의하여 대처하여 왔다. 또 고에너지 밀도, 고출력 밀도, 저온특성의 개선을 목적으로 하여 리튬 2차 전지 내부에서 리튬 2차 전지 양극에 전기 2중층 커패시터의 재료로서 사용되는 활성탄을 혼합한 리튬 2차 전지가 하기 특허문헌 1에 개시되어 있다.
[특허문헌 1]
일본국 특개2002-260634호 공보
그러나, 2차 전지에서는 대전류에서의 충방전 특성이 나쁘고, 특히 저온상태에 있어서, 현저하게 입출력 특성이 저하한다. 또 전기 2중층 커패시터는 에너지밀도가 낮다는 문제가 있었다. 또 리튬 2차 전지 내부에서 리튬 2차 전지의 양극에 전기 2중층 커패시터의 재료로서 사용되는 활성탄을 혼합한 경우, 활성탄의 배합량을 증가시키는 것이 곤란하고, 커패시터의 용량이 작기 때문에 충분한 개선이 보이고 있지 않다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해소하여, 저온에서의 입출력 특성이 뛰어난 신규의 에너지디바이스를 제공하는 것에 있다.
본 발명자들은 하나의 디바이스 내에 큰 입출력을 담당하는 기능과, 고전압과에너지용량을 담당하는 기능을 아울러 가지는 하이브리드형 에너지디바이스에 의하여 상기 과제가 해결되는 것을 발견하였다. 즉, 제 1로 본 발명의 에너지디바이스는 주로 활물질의 산화상태가 변화하여 전하가 활물질 내부로 이동하는 패러데이적인 반응과, 주로 활물질 표면에 이온이 물리적으로 흡탈착됨으로써 전하를 축적·방출하는 비패러데이적인 반응의 양쪽의 반응기구를 가진다. 제 2로 본 발명의 에너지디바이스는 주로 활물질의 산화상태가 변화하여 전하가 전극계면을 통하여 활물질로 이동하는 패러데이적인 반응으로, 반응속도가 느린 것과 빠른 것의 적어도 2종의 반응기구를 가진다.
본 발명에 있어서의 『패러데이적인 반응』이란, 활물질의 산화상태가 변화하여 전하가 전기 2중층을 통과하고, 전극계면을 통하여 활물질 내부로 이동하는 반응을 의미한다. 이것은 1차 전지나 2차 전지의 반응과 유사한 기구이다. 한편 『비패러데이적인 반응』이란, 전극계면을 통과하는 전하 이동은 일어나지 않고, 전극 표면에 이온이 물리적으로 흡착 탈리됨으로써 전하를 축적·방출하는 반응을 의미한다. 이것은 전기 2중층 커패시터의 반응과 유사한 기구이다.
마찬가지로 본 발명에 있어서의 주로 패러데이적인 반응이 생기는 층이란, 활물질의 산화상태가 변화하여, 전하가 전기 2중층을 통과하고, 전극계면을 통하여 활물질 내부로 이동하는 반응이 생기는 층을 의미한다. 한편, 주로 비패러데이적인 반응이 생기는 층이란, 전극계면을 통과하는 전하 이동은 일어나지 않고, 전극 표면에 이온이 물리적으로 흡착 탈리됨으로써 전하를 축적·방출하는 층을 의미한다.
또, 비패러데이적인 반응과 같이, 전하가 전극계면에 축적됨과 동시에, 활물질과의 전자의 주고받음이 일어나는 패러데이적인 반응을 따르는 반응이 있다. 이것은 레독스 커패시터라 불리우는 에너지디바이스의 반응과 유사한 기구이다. 이것은 패러데이반응을 따르나, 2차 전지 등에서의 패러데이반응보다도 반응속도가 빠르다. 이 때문에 본 발명에서는 레독스 커패시터와 2차 전지 등의 각각의 패러데이적인 반응을, 반응속도가 다른 패러데이적인 반응이라 부르기로 하고, 레독스 커패시터를 반응속도가 빠른 패러데이반응, 2차 전지를 반응속도가 느린 패러데이반응이라 부른다.
또한, 『패러데이적』및『비패러데이적』이란 용어는, 배터리의 타입과 에너지저장형식으로서, 『패러데이적』및『비패러데이적』이라는 용어를 사용하여 유형화되어 있다. 또 본 발명은 비패러데이반응이 생기는 층이 대향하는 전극에 의하여 가까운 측에 집중시킬 수 있기 때문에, 커패시터를 사용한 효과를 더욱 발현할 수 있다고 생각된다. 또한 본 발명에 있어서는 비패러데이반응이 생기는 층이 대향하는 전극측으로 노출되어 있는 부분의 면적이 30 ∼ 100% 인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시형태를 도 1에 의거하여 이하에 설명한다. 도 1(a)는 본 발명의 하나의 실시형태에 있어서의 코인형의 에너지디바이스의 단면을 나타내는 모식도이다. 11은 양극판이고, 양극 집전체(13)상에 패러데이반응이 생기는 층인 양극(12)과 양극(12)보다 반응속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 층(14)을 도포함으로써 제작된다. 15는 음극판이고, 음극 집전체(17)상에 패러데이반응이 생기는 층인 음극(16)과 음극(16)보다 반응속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 층(18)을 도포함으로써 제작된다.
이들 양극판(11)과 음극판(15)의 사이에 상기 양극판과 상기 음극판을 전기적으로 절연하여, 가동 이온만을 통과시키는 절연층(19)을 사이에 두고, 케이스에 삽입후, 전해액(1a)을 주액함으로써 제조한다. 또한 양극 캔(1b) 및 음극 캔(1c)은 가스킷(1d)에 의하여 밀봉됨과 동시에, 서로 절연되어 있다. 절연층과 전극에 전해액(1a)을 충분히 유지시킴으로써, 양극판(11)과 음극판(15)의 전기적 절연을 확보하여, 양극판과 음극판 사이에서 이온의 수수를 가능하게 한다.
또한 본 실시형태에 있어서의 양·음극과 상기 층(14, 18)은 세로방향으로 배치되고, 이것은 양극으로부터 음극을 향하는 방향으로 적층되어 있는 상태를 나타낸다.
코인형 이외의 형상의 에너지디바이스를 제작하는 것도 가능하다. 원통형의 경우는, 양극판, 음극판의 사이에 절연층을 삽입한 상태로 감아 전극군을 제조한다. 또 전극을 2축으로 감으면, 긴 원형의 전극군도 얻어진다. 각진 형의 경우는, 양극판과 음극판을 직사각형상으로 절단하여, 양극판과 음극판을 교대로 적층하고, 각 전극 사이에 절연층을 삽입하여 전극군을 제작한다. 본 발명은 위에서 설명한 전극군의 구조와 무관하며, 임의의 구조에 적용 가능하다.
도 1(b)에, 본 발명의 다른 실시형태를 나타낸다. 도 1(b)에 있어서, 부호는 도 1(a)와 동일하다. 본 실시형태에서는 양극판 및 음극판이 절연층을 사이에 두고 코인형 전지의 세로방향으로 나열되어 있다. 본 실시형태에 있어서의 양극과 상기 층(14)은, 가로방향으로 배치되고, 양극 집전체의 넓이방향으로 적층되어 있는 것을 나타낸다. 음극과 상기 층(18)과의 관계도 마찬가지이다.
패러데이적인 반응이 일어나는 활물질로서, 리튬 이온의 삽입 이탈 가능한 양극과 음극을 사용한 경우의, 양극판(11), 음극판(15)의 제작방법에 대하여 이하에 설명한다. 양극의 활물질은, 리튬을 함유하는 산화물로 이루어진다. 이것은 예를 들면, LiCoO2, LiNiO2, LiMn1/3Ni1/3Co1/3O 2, LiMn0.4Ni0.4Co0.2O2와 같은 층형상 구조를 가지는 산화물이나, LiMn2O4나 Li1+xMn2-xO4와 같은 스피넬형의 결정구조를 가지는 Mn의 산화물, 또 Mn의 일부를 Co나 Cr 등의 다른 원소로 치환한 것을 사용할 수 있다.
양극 활물질은 일반적으로 고저항이기 때문에 도전제로서 탄소분말을 혼합함으로써, 양극 활물질의 전기전도성을 보충하고 있다. 양극 활물질과 도전제는 모두 분말이기 때문에, 결착제를 혼합하여 집전체상에 도포, 성형된다.
도전제는 천연흑연, 인조흑연, 코크스, 카본블랙, 비정질탄소 등을 사용하는 것이 가능하다. 양극 집전체는 전해액에 잘 용해되지 않는 재질이면 좋고, 예를 들면 알루미늄박을 사용할 수 있다. 양극 활물질, 도전제, 결착제, 및 유기용매를 혼합한 양극 슬러리를, 블레이드를 사용하여 양극 집전체에 도포하는 방법, 즉 닥터 블레이드법에 의하여 양극을 제작하고, 가열에 의하여 유기용매를 건조한다.
본 발명의 에너지디바이스에서는, 이와 같이 제작한 양극 사이에 다시 반응속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 층을 도포한다. 또한 본 실시형태의 경우, 양극과 상기 층이 양극 집전체에 대하여 대략 수직하게 형성되어 있다.
비패러데이반응이 생기는 층으로서는, 비표면적이 크고, 넓은 전위범위에서 산화환원반응이 일어나지 않는 물질, 예를 들면 활성탄, 카본블랙, 카본나노튜브 등의 탄소재료를 사용할 수 있다. 예를 들면 비표면적, 재료비용의 관점에서 활성탄을 사용하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 입자지름이 1 내지 100㎛, 비표면적이 1000 내지 3000㎡/g 이고, 미크로 구멍이라 불리우는 직경 0.002㎛ 이하의 세공(細孔), 메소 구멍이라고 불리우는 직경 0.002∼0.05㎛의 세공 및 마크로 구멍이라 불리우는 직경 0.05㎛ 이상의 세공을 가지는 활성탄을 사용하는 것이다.
또, 반응속도가 빠른 패러데이반응이 생기는 층으로서는, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리아센, 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자재료 등이라는 재료나 흑연의 미분(微粉) 등을 사용할 수도 있다.
이들에 결착제를 혼합한 슬러리를 양극의 위에 도포하여, 반응속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 층을 양극에 접착시키고 있다. 이와 같이 제작한 양극합제와 반응속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 층을, 가열에 의하여 유기용매를 건조하고, 롤프레스에 의하여 양극을 가압 성형하여 집전체와 양극합제와 반응속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 층을 밀착시킴으로써, 양극판을 제작할 수 있다.
여기서 사용하는 결착제란, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리불화비닐리덴, 불소고무 등의 불소함유수지, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 열가소성수지나 폴리비닐 알콜 등의 열경화성 수지 등이다. 음극 활물질은 리튬을 전기화학적으로 흡장·방출가능한 흑연이나 비정질탄소를 이용 가능하다. 탄소재료 외에, SnO2 등의 산화물 음극이나, Li, Si이나 Sn 등을 함유한 합금재료를 사용하여도 상관없다. 또 상기 산화물 음극이나 상기 합금재료와 탄소재료와의 복합재료를 사용하는 것도 가능하다.
음극 활물질은 일반적으로 분말이기 때문에, 결착제를 혼합하여 집전체상에 도포, 성형된다. 음극 집전체는 리튬과 합금화하기 어려운 재질이면 좋고, 예를 들면 구리박을 사용할 수 있다. 음극 활물질, 결착제, 및 유기용매를 혼합한 음극 슬러리를, 닥터 블레이드법 등에 의하여 음극 집전체에 부착시킨 후, 유기용매를 건조한다. 양극 마찬가지로 또한 그 사이에 반응속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 층을 도포하는 것도 가능하다. 또한 본 실시형태의 경우, 음극과 상기 층이 음극 집전체에 대하여 대략 수직하게 형성되어 있다.
비패러데이반응이 생기는 층에는, 비표면적이 크고, 넓은 전위범위에서 산화환원반응이 일어나지 않는 물질, 예를 들면 활성탄, 카본블랙, 카본튜브 등의 탄소재료나, 흑연의 미분 등, 리튬 이온의 흡장 방출 가능한 물질을 사용할 수도 있다. 또반응속도가 빠른 패러데이반응이 생기는 층으로서는, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리아센, 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자 재료 등이라는 재료나 흑연의 미분 등을 사용할 수도 있다. 이들에 결착제를 혼합한 슬러리를 음극의 위에 도포하여, 반응속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 층을 음극에 접착시키고 있다. 그러나, 패러데이적인 반응이 일어나는 활물질로서 리튬 이온의 삽입이탈 가능한 음극을 사용하고, 비패러데이적인 반응이 일어나는 활물질로서 활성탄을 사용한 경우, 활성탄의 비표면적이 크기 때문에, 충전시에 불가역 반응이라 불리우는 전해액과의 부반응이 활성탄의 표면에서 발생하여 방전용량의 대폭적인 저하가 일어나기 때문에, 비패러데이적인 반응이 생기는 층을 도포하는 것은 바람직하지 않다.
이상과 같이 도포된 음극을 롤프레스에 의하여 음극을 가압 성형함으로써, 음극판을 제작할 수 있다. 절연층(19)은 상기 양극판과 상기 음극판을 전기적으로 절연하여, 가동 이온만을 통과시키는 절연층이 되는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 4불화 에틸렌 등의 고분자계의 다공질 필름 등으로 구성된다. 전해액(1a)은 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), 디메틸카보네이트(DMC), 디에틸카보네이트(DEC),메틸에틸카보네이트(MEC) 등의 유기용매에 6불화인산리튬(LiPF6), 4불화붕산리튬(LiBF4) 등의 리튬염 전해질을 체적농도로 0.5 내지 2M 정도 함유한 것을 사용할 수 있다.
니켈수산화물이나 니켈산화물을 기재로 하는 양극과, 수소흡장합금을 구비한 음극의 각각에 대하여, 그 위에 반응속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 층을 구성한다. 양극 활물질로서 수산화니켈을 사용한 양극과, 음극 활물질로서 카드뮴을 사용한 음극의 각각에 대하여, 그 위에 반응속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 층을 구성한다. α-PbO2나 β-PbO2의 2산화납으로 이루어지는 양극과 금속납으로 이루어지는 음극의 각각에 대하여, 그 위에 반응속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 층을 구성한다.
반응속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 층으로서는, 비표면적이 크고, 넓은 전위범위에서 산화환원반응이 일어나지 않는 물질, 예를 들면 활성탄분말, 활성탄소섬유, 카본블랙, 카본나노튜브 등의 탄소재료나, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리아세, 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자재료 등이라는 재료 등을 사용할 수도 있다.
니켈수산화물이나 니켈산화물을 기재로 하는 양극과 수소흡장합금을 구비한 음극 및 양극 활물질로서 수산화니켈을 사용한 양극과 음극 활물질로서 카드뮴을 사용한 음극을 사용한 경우, 전해액으로서는 알칼리수용액(수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화리튬 등)을 사용하고, α-PbO2나 β-PbO2의 2산화납으로 이루어지는 양극과 금속납으로 이루어지는 음극을 사용한 경우, 전해액으로서는 황산수용액을 사용한다.
이상, 주로 도 1에 의거하여 양극판(11), 음극판(15) 모두 속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 층(18)을 설치하였으나, 도 2에 나타내는 바와 같이 양극판(21)에만 속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 층(24)을 형성하는 것도 본 발명에 포함된다. 또한 양극판, 음극판의 형태는, 세로방향/세로방향, 가로방향/가로방향, 세로방향/가로방향, 가로방향/세로방향을 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.
또, 도 3에 나타내는 바와 같이 음극판(34)에 속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 층(37)을 형성하는 것만으로도 본 발명의 에너지디바이스를 제작 가능하다.
또한 도 4, 도 5, 도 6에 나타내는 바와 같이, 겔 전해질(49, 58, 68)을 양극판(41)과 음극판(45), 양극판(51)과 음극판(55), 양극판(61)과 음극판(64)의 사이에 설치함에 의해서도 본 발명의 에너지디바이스를 제작 가능하다.
겔 전해질은 폴리에틸렌옥시드(PEO), 폴리메타크릴레이트(PMMA), 폴리 아크릴로니트릴(PAN), 폴리불화비닐리덴(PVdF), 폴리불화비닐리덴헥사플루오로프로필렌 공중합체(PVdF-HFP) 등의 폴리머를 전해액으로 팽윤시켜 제작할 수도 있다.
본 발명의 에너지디바이스를 복수개 접속하여 에너지디바이스 모듈을 얻기 위해서는 이하와 같이 행한다. 얻고자 하는 전압에 따라 복수의 에너지디바이스를 직렬로 접속한다. 이들 개개의 전압을 검지하는 수단과, 각 에너지디바이스에 흐르는 충전 및 방전전류를 제어하는 수단을 설치하고, 다시 상기 2개의 수단에 지령을 주는 수단을 설치한다. 이들 각 수단의 사이에서는 전기적인 신호에 의하여 통신이 행하여지도록 한다.
충전시에 있어서는 상기 전압을 검출하는 수단에 의하여 검출된 각 에너지디바이스의 전압이 미리 설정된 충전전압보다 낮을 때에는 에너지디바이스에 전류를 흘려 충전을 행한다. 전압이 상기 설정된 충전전압에 도달한 에너지디바이스는 지령을 주는 수단으로부터의 전기적인 신호에 의하여 충전전류를 흘리지 않도록 하여 에너지디바이스가 과충전되는 것을 방지한다.
또, 방전시에는 마찬가지로 각 에너지디바이스의 전압을 상기 전압검출수단에 의하여 검지하여, 에너지디바이스가 소정의 방전전압에 도달하였을 때에는 방전전류가 흐르지 않도록 한다. 전압을 검출할 때의 정밀도는, 0.1V 이하의 전압분해능을 가지는 것이 바람직하고, 더욱 바람직히는 0.02V 이하가 되도록 한다. 이와 같이 각 에너지디바이스의 전압을 정밀도 좋게 검출하고, 또한 에너지디바이스가 과충전 또는 과방전되는 일 없이 동작하도록 제어함으로써, 에너지디바이스 모듈을 실현할 수 있다.
이하, 본 발명의 에너지디바이스의 실시예를 나타내고, 구체적으로 설명한다. 단, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다.
(비교예 1)
도 7에 나타내는 구성으로, 코인형 리튬 2차 전지를 제작하였다. 양극(72)은 다음과 같이 제작하였다. 양극 활물질은 평균 입자지름 10㎛의 Li1.05Mn1.95O 4로 하고, 도전 보조제는 평균 입자지름 3㎛, 비표면적13 ㎡/g의 흑연질탄소와 평균 입자지름 0.04㎛, 비표면적 40 ㎡/g의 카본블랙을 중량비 4 : 1이 되도록 혼합한 것을 사용하였다. 결착제로서 폴리불화비닐리덴 8 wt%를 미리 N-메틸피롤리돈에 용해한 용액을 사용하여 상기 양극 활물질, 도전 보조제 및, 폴리불화비닐리덴이 중량비 85 : 10 : 5가 되도록 혼합하여, 충분히 혼련한 것을 양극 슬러리로 하였다. 이 양극 슬러리를, 두께 20㎛의 알루미늄박으로 이루어지는 양극 집전체(73)의 한쪽 면에 도포하고 건조하였다. 이것을 롤프레스로 프레스하여 전극을 제작하였다. 양극합제의 중량은, 15mg/㎠가 되도록 하였다. 이 전극을 직경이 16 mm의 원반형상으로 펀칭하여 양극판(71)으로 하였다. 음극(75)은 이하의 방법으로 제작하였다.
음극 활물질에는, 평균 입자지름 10㎛의 비정질탄소와 평균 입자지름 0.04㎛, 비표면적 40㎡/g의 카본블랙을 중량비로 95 : 5로 기계적으로 혼합하였다. 결착제로서 폴리불화비닐리덴 8 wt%를, 미리 N-메틸피롤리돈에 용해한 용액을 사용하여, 먼저 혼합한 비정질탄소와 카본블랙으로 이루어지는 탄소재와 폴리불화비닐리덴이 중량비90 : 10 이 되도록 충분히 혼련하였다. 이 슬러리를 두께 10㎛의 구리박으로 이루어지는 음극 집전체(76)의 한쪽 면에 도포하고, 건조하였다. 이것을 롤프레스로 프레스하여 전극을 제작하였다. 음극합제의 중량은 4.5 mg/㎠가 되도록 하였다. 이 전극을 직경이 16 mm의 원반형상으로 펀칭하여 음극판(74)으로 하였다. 양/음극의 사이에는 두께 40㎛의 폴리에틸렌 다공질 세퍼레이터(77)를 사이에 두고 1 mol/dm3 LiPF6의 에틸렌카보네이트와 디메틸카보네이트(체적비 : 1/1)의 혼합계 전해액(78)을 주액하였다. 또한 양극 캔(79) 및 음극 캔(7a)은 가스킷(7b)에 의하여 밀봉됨과 동시에, 서로 절연되어 있다.
(실시예 1)
도 2에 나타내는 구성으로, 코인형의 에너지디바이스를 제작하였다. 양극(22)은 양극합제의 중량을 12mg/㎠가 되도록 한 이외는 비교예 1의 양극(72)과 동일하게 하여 두께 20㎛의 알루미늄박으로 이루어지는 양극 집전체(23)의 한쪽 면에 도포하고 건조하였다. 또 비표면적이 2000 ㎡/g의 활성탄과 평균 입자지름 0.04㎛, 비표면적 40 ㎡/g의 카본블랙을 중량비 8 : 1 이 되도록 혼합하고, 결착제로서 폴리불화비닐리덴 8 wt%를 미리 N-메틸피롤리돈에 용해한 용액을 사용하여, 상기 활성탄, 카본블랙 및, 폴리불화비닐리덴이 중량비 80 : 10 : 10 이 되도록 혼합하여 충분히 혼련한 것을 슬러리로 하였다. 이 슬러리를 양극(22)의 위에 도포하여 비패러데이반응을 일으키는 층(24)을 형성하였다. 이것을 건조하여, 롤프레스하여 전극을 제작하였다. 이 전극을 직경이 16 mm의 원반형상으로 펀칭하여 양극판(21)으로 하였다.
양극(22)과 비패러데이반응을 일으키는 층(24)의 총중량은, 15 mg/㎠가 되도록 하였다. 이때 양극(22)과 비패러데이반응을 일으키는 층(24)의 총중량에 대한 양극 활물질, 도전조제, 폴리불화비닐리덴(활성탄/양극 활물질 : 19 wt%) 및 활성탄의 중량비는 68 : 10 : 6 : 16 이고, 활성탄의 중량은 16 wt% 였다. 음극(26)은 비교예 1의 음극(75)과 동일하게 하여 음극 집전체(27)상에 도포, 프레스하여 전극을 제작하였다. 이 전극을 직경이 16 mm의 원반형상으로 펀칭하여 음극판(25)으로 하였다. 양/음극판의 사이에는 두께 40㎛의 폴리에틸렌 다공질 세퍼레이터(28)를 사이에 두고 1 mol/dm3 LiPF6의 에틸렌카보네이트와 디메틸카보네이트(체적비 : 1/1)의 혼합계 전해액(29)을 주액하였다. 또한 양극 캔(2a) 및 음극 캔(2b)은 가스킷(2c)에 의하여 밀봉됨과 동시에, 서로 절연되어 있다. 또한 활성탄의 도포량(활물질에 대한 활성탄의 양)은 16 내지 40%인 것이 바람직하다.
(비교예 2)
실시예 1에 있어서의 양극(22)과 비패러데이반응을 일으키는 층(24)의 총중량에 대한 양극 활물질, 도전 보조제, 폴리불화비닐리덴 및 활성탄의 중량비 68 : 10 : 6 : 16이 되도록 한 이외는, 비교예 1의 양극(72)과 동일하게 하여 전극을 제작하였다. 그러나 이 전극은 롤프레스로 프레스하였을 때에 대부분의 합제가 알루미늄박으로부터 벗겨져 떨어져 정상적인 전극을 얻을 수는 없었다.
(비교예 3)
양극 활물질, 도전 보조제, 폴리불화비닐리덴 및 활성탄의 중량비를 74 : 10 6 : 10 이 되도록 한 이외는, 비교예 1의 양극(72)과 동일하게 하여 전극을 제작하였다. 이 양극은 활성탄을 함유하고 있으나, 실시예 1의 양극(22)과 비패러데이반응을 일으키는 층(24)과 같이 적층되어 있는 것이 아니라, 양극(72) 속에 활성탄이 혼합되어 있는 것이다. 이 양극을 사용한 이외는, 비교예 1과 동일하게 하여 코인형 리튬 2차 전지를 제작하였다.
실시예 1의 에너지디바이스와 비교예 1, 비교예 3의 리튬 2차 전지를 사용하여, 이하에 나타내는 방법으로 저온에서의 출력특성을 평가하였다.
(출력특성 평가방법)
상기 각각의 에너지디바이스와 리튬 2차 전지를, 온도 25℃에 있어서, 이하의 조건으로 충방전하였다. 먼저 전압 4.1V까지 전류밀도 0.85 mA/㎠의 정전류로 충전한 후, 4.1V로 정전압 충전을 하는 정전류 정전압 충전을 3시간 행하였다. 충전이 종료된 후에, 30분의 휴지시간을 두고 방전 종지전압 2.7V까지, 0.28 mA/㎠의 정전류로 방전하였다.
동일한 충방전을 5 사이클 반복하였다. 이후 85 mA/㎠의 정전류로 충전한 후 4.1V로 정전압 충전을 하는 정전류 정전압 충전을 3시간 행하였다. 이 4.1V까지 충전하고 있는 상태를 DOD = 0%로 한다. 이 상태에서 에너지디바이스, 리튬 2차 전지를 온도 -30℃의 항온조에 넣었다. 그후 1시간 정도 경과한 후, 0.08mA/㎠, 1.7 mA/㎠, 3.4 mA/㎠의 전류로 10초간의 짧은 시간으로의 방전을 행하여 출력특성을 조사하였다.
각 방전후 10분간 휴지하고, 그후 각각의 방전에 의하여 방전한 용량분을 0.17 mA/㎠로 충전한다. 예를 들면 1.7 mA/㎠로 10초간 방전한 후의 충전은 0.17 mA/㎠로 100초 동안 행한다. 이 충전 후에는 30분의 휴지를 두고, 전압이 안정된 후에 다음 측정을 하도록 하였다. 이후 DOD = 40%의 전압까지, 0.17 mA/㎠에서의 정전류로 방전하였다.
이후, 앞서 나타낸 DOD = 0%와 동일한 조건으로 출력특성을 조사하였다. 이 10초 동안의 충방전 시험에 의하여 얻어진 충방전 곡선으로부터 방전개시 2초째의 전압을 판독하여, 가로축을 측정시의 전류치로 하고, 세로축을 측정개시 2초째의 전압으로서 플롯하고, 도 8에 나타내는 바와 같은 I-V 특성으로부터 최소 제곱법으로 구한 직선으로 외부 삽입하여, 2.5V와 교차하는 점(P)을 구하였다. 출력은 [외부 삽입한 교점(P)의 전류치(Imax) ×(각 충방전의 개시전압(Vo)]으로서 계산하였다.
표 1에 나타내는 저온특성 평가결과는, 실시예 1의 에너지디바이스의 출력을 1로 한 상대값이다. DOD =0, 40% 모두 실시예 1의 에너지디바이스의 특성이 비교예 1의 리튬 2차 전지의 특성을 상회하고 있고, DOD = 40%에 있어서는 2배 가까운 출력을 얻을 수 있었다.
항목 출력비
DOD = 0% DOD = 40%
실시예 1 1 1
비교예 1 0.88 0.56
비교예 3 0.94 0.62
도 9에 실시예 1의 에너지디바이스, 비교예 1의 리튬 2차 전지를 -30℃, DOD = 40%에 있어서 3.4 mA/㎠로 10초간 방전하였을 때의 방전곡선을 나타낸다. 도 9를 보면 실시예 1의 에너지디바이스의 방전개시후부터의 전압변화는, 비교예 1의 리튬 2차 전지보다도 분명히 작아져 있어, 출력특성이 개선되어 있는 것을 알 수 있다. 이상의 것부터 본 발명의 에너지디바이스를 사용함으로써 저온에서의 출력특성을 대폭으로 개선 가능한 것을 알 수 있다.
(실시예 2)
도 10에 나타내는 구성으로, 코인형의 에너지디바이스를 제작하였다. 활물질로서 수산화니켈분말과 도전 보조제인 코발트수산화물을 혼합한 것에, PVA(폴리비닐 알콜)를 물에 녹인 것에 혼합하여 페이스트를 조정하고, 이 페이스트를 Ni로 이루어지는 발포금속에 충전한 후, 건조, 프레스하여 양극(101)을 얻는다. 이 양극(102)의 위에, 활성탄과 도전 보조제인 카본블랙을 혼합한 것에, PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌)을 물에 녹인 것에 혼합하여 페이스트를 조정한 슬러리를 도포하여, 비패러데이반응을 일으키는 층(103)을 형성한다. 이것을 건조하여 롤프레스로 프레스하여 전극을 제작한다. 이 전극을 직경이 16 mm의 원반형상으로 펀칭하여 양극판(101)으로 한다.
다음에 AB5계 수소흡장합금을 분쇄하여 얻어진 수소흡장합금분말에 도전재 인 카본블랙, 결착제인 카르복시메틸셀룰로스 및 물을 첨가하여 혼련함으로써 페이스트를 조제한다. 이 페이스트를 펀치드메탈에 도포하고, 건조한 후, 프레스하여 음극(105)을 얻는다. 이 음극(85)의 위에, 활성탄과 도전 보조제인 카본블랙을 혼합한 것에, PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌)를 물에 녹인 것에 혼합하여 페이스트를 조정한 슬러리를 도포하여, 비패러데이반응을 일으키는 층(106)을 형성한다. 이것을 건조하여 롤프레스로 프레스하여 전극을 제작한다. 이 전극을 직경이 16 mm의 원반형상으로 펀칭하여 음극판(104)으로 한다. 양/음극판의 사이에는 세퍼레이터(107)를 사이에 두고, 알칼리전해액으로서는 30% KOH 수용액(108)을 주액한다. 또 양극 캔(109) 및 음극 캔(10a)은 가스킷(10b)에 의하여 밀봉됨과 동시에, 서로 절연되어 있다.
(실시예 3)
도 11에 나타내는 구성으로 코인형의 에너지 디바이스를 제작하였다. 양극(112)은, 비교예 1의 양극 슬러리를 사용하여 1 mm 폭으로 두께 20㎛의 알루미늄박으로 이루어지는 양극 집전체(113)의 한쪽 면에 도포하고, 1 mm 간격으로 미도포부를 마련하고 건조하였다. 양극합제의 중량은, 25 mg/㎠가 되도록 하였다. 또 비표면적이 2000 ㎡/g의 활성탄과 평균 입자지름 0.04㎛, 비표면적 40㎡/g의 카본블랙을 중량비 8 : 1 이 되도록 혼합하고, 결착제로서 폴리불화비닐리덴 8 wt%를 미리 N-메틸필로리돈에 용해한 용액을 사용하여, 상기 활성탄, 카본블랙 및, 폴리불화비닐리덴이 중량비 80 : 10 : 10이 되도록 혼합하여 충분히 혼련한 것을 슬러리로 하였다. 이 슬러리를 양극 집전체(113)의 미도포부에 도포하여, 비패러데이반응을 일으키는 영역(114)을 형성하였다. 이것을 건조하여 롤프레스로 프레스하여 전극을 제작하였다. 이 전극을 직경이 16 mm의 원반형상으로 펀칭하여 양극판(111)으로 하였다. 양극(112)과 비패러데이반응을 일으키는 영역(114)의 총중량은, 15 mg/㎠가 되도록 하였다. 이때 양극(112)과 비패러데이반응을 일으키는 영역(114)의 총중량에 대한 양극활물질, 도전 보조제, 폴리불화비닐리덴 및 활성탄의 중량비는 68 : 10 : 6 : 16 이고, 활성탄의 중량은 16 wt% 였다. 음극(116)은 비교예 1의 음극(75)과 동일하게 하여 음극 집전체(117)상에 도포, 프레스하여 전극을 제작하였다. 이 전극을 직경이 16 mm의 원반형상으로 펀칭하여 음극판(25)으로 하였다. 양/음극판의 사이에는 두께40㎛의 폴리에틸렌 다공질 세퍼레이터(28)를 사이에 두고, 1 mol/dm3 LiPF6의 에틸렌카보네이트와 디메틸카보네이트(체적비 : 1/1)의 혼합계 전해액(119)을 주액하였다. 또한 양극 캔(11a) 및 음극 캔(11b)은 가스킷(11c)에 의하여 밀봉됨과 동시에, 서로 절연되어 있다.
(실시예 4)
도 11에 나타내는 구성으로, 코인형의 에너지디바이스를 제작하였다. 양극(112)은 비교예 1과 실시예 3의 양극 슬러리를 사용하여 2 mm 폭으로 두께 20㎛의 알루미늄박으로 이루어지는 양극 집전체(113)의 한쪽 면에 도포하고, 1 mm 간격으로 미도포부를 마련하여 건조하였다. 양극합제의 중량은, 20 mg/㎠가 되도록 하였다. 또실시예 3과 동일하게 비표면적이 2000 ㎡/g의 활성탄과 평균 입자지름 0.04㎛, 비표면적 40㎡/g의 카본블랙을 중량비 8 : 1 이 되도록 혼합하여 결착제로서 폴리불화비닐리덴 8 wt%를 미리 N-메틸피롤리돈에 용해한 용액을 사용하고, 상기 활성탄, 카본블랙 및 폴리불화비닐리덴이 중량비 80 : 10 : 10이 되도록 혼합하여, 충분히 혼련한 것을 슬러리로 하였다. 이 슬러리를 양극 집전체(113)의 미도포부에 도포하여, 비패러데이반응을 일으키는 영역(114)을 형성하였다. 이것을 건조하여 롤프레스로 프레스하여 전극을 제작하였다. 이 전극을 직경이 16 mm의 원반형상으로 펀칭하여 양극판(111)으로 하였다. 양극(112)과 비패러데이반응을 일으키는 영역(114)의 총중량은 15 mg/㎠가 되도록 하였다. 이때 양극(112)과 비패러데이반응을 일으키는 영역(114)의 총중량에 대한 양극 활물질, 도전 보조제, 폴리불화비닐리덴 및 활성탄의 중량비는 68 : 10 : 6 : 16 이고, 활성탄의 중량은 16 wt% 였다. 음극(26)은 비교예 1의 음극(75)과 동일하게 하여 음극 집전체(117)상에 도포, 프레스하여 전극을 제작하였다. 이 전극을 직경이 16 mm의 원반형상으로 펀칭하여 음극판(115)으로 하였다. 양/음극판의 사이에는 두께 40㎛의 폴리에틸렌 다공질 세퍼레이터(28)를 사이에 두고 1 mol/dm3 LiPF6의 에틸렌카보네이트와 디메틸카보네이트(체적비 : 1/1)의 혼합계 전해액(119)을 주액하였다. 또한 양극 캔(11a) 및 음극 캔(11b)은 가스킷(11c)에 의하여 밀봉됨과 동시에, 서로 절연되어 있다.
실시예 3과 실시예 4의 에너지디바이스와 비교예 1의 리튬 2차 전지를 사용하여, 상기 방법으로 저온에서의 출력특성을 평가하였다.
항목 출력비
DOD = 0% DOD = 40%
실시예 3 1 1
실시예 4 0.97 0.93
비교예 1 0.88 0.56
표 2에 나타내는 저온특성 평가결과는, 실시예 3의 에너지디바이스의 출력을 1로 한 상대값이다. DOD =0, 40% 모두 실시예 3의 에너지디바이스의 특성이 비교예 1의 리튬 2차 전지의 특성을 상회하고 있고, DOD = 40%에 있어서는 약 2배 가까운 출력을 얻을 수 있었다. 도 12에 실시예 3과 실시예 4의 에너지디바이스, 비교예 1의 리튬 2차 전지를 -30℃, D0D = 40%에 있어서 3.4 mA/㎠로 10초간 방전하였을 때의 방전곡선을 나타낸다. 실시예 3과 실시예 4의 에너지디바이스의 방전개시후부터의 전압변화는, 비교예 1의 리튬 2차 전지보다도 분명히 작아져 있어, 출력특성이 개선되어 있는 것을 알 수 있다. 이상의 것으로부터 본 발명의 에너지디바이스를 사용함 으로써 저온에서의 출력특성을 대폭으로 개선 가능하다.
이상, 주로 도 11에 의거하여, 양극판(111)에만 속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 층(114)을 형성하는 것도 본 발명에 포함된다. 또 도 13에 나타내는 바와 같이 음극판(134)에 속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 층(137)을 형성하는 것만으로도 본 발명의 에너지디바이스를 제작 가능하다.
또한 도 14, 도 15, 도 16에 나타내는 바와 같이 겔 전해질(149, 158, 168)을 양극판(141)과 음극판(145), 양극판(151)과 음극판(155), 양극판(161)과 음극판(164)의 사이에 설치하는 것에 의해서도 본 발명의 에너지디바이스를 제작 가능하다.
본 발명의 에너지디바이스 또는 에너지디바이스 모듈의 용도로서는, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면 퍼스널컴퓨터, 워드프로세서, 무선 전화기, 전자북플레이어, 휴대전화, 자동차 전화, 포켓벨, 핸디터미널, 트랜시버, 휴대무선기 등의 휴대정보통신기기의 전원으로서, 또는 휴대복사기, 전자수첩, 전자계산기, 액정 텔레비젼, 라디오, 테이프레코더, 헤드폰스테레오, 포터블 CD 플레이어, 비디오무비, 전기셰이버, 전자번역기, 음성입력기기, 메모리카드 등의 각종 휴대기기의 전원으로서, 기타 냉장고, 에어컨디셔너, 텔레비전, 스테레오, 온수기, 오븐 전자렌지, 식기 세척기, 건조기, 세탁기, 조명기구, 완구 등의 가정용 전기기기, 나아가서는 산업용도로서, 의료기기, 전력저장시스템, 엘리베이터 등에의 적용이 가능하다. 본 발명의 효과는 특히 높은 입출력을 필요로 하는 기기나 시스템에 있어서 특히 높고, 예를 들면 전기자동차, 하이브리드형 전기자동차, 골프카트 등의 이동체용 전원으로서의 사용을 들 수 있다.
본 발명의 구성의 에너지디바이스에 의하여 특히 저온에 있어서의 출력특성이 뛰어난 에너지디바이스를 얻을 수 있다.
도 1a는 본 발명에 관한 코인형의 에너지디바이스의 일례의 단면을 나타내는 도,
도 1b는 본 발명에 관한 코인형의 에너지디바이스의 일례의 단면을 나타내는 도,
도 2는 본 발명에 관한 코인형의 에너지디바이스의 일례의 단면을 나타내는 도,
도 3은 본 발명에 관한 코인형의 에너지디바이스의 일례의 단면을 나타내는 도,
도 4는 본 발명에 관한 코인형의 에너지 디바이스의 일례의 단면을 나타내는 도,
도 5는 본 발명에 관한 코인형의 에너지디바이스의 일례의 단면을 나타내는 도,
도 6은 본 발명에 관한 코인형의 에너지디바이스의 일례의 단면을 나타내는 도,
도 7은 비교예 1의 코인형 리튬 2차 전지의 단면을 나타내는 도,
도 8은 출력특성의 산출시에 사용하는 I-V 특성을 나타내는 그래프,
도 9는 -30℃에서 측정한 방전곡선을 나타내는 그래프,
도 10은 실시예 2의 코인형의 에너지디바이스의 단면을 나타내는 도,
도 11은 실시예 3의 코인형의 에너지디바이스의 단면을 나타내는 도,
도 12는 -30℃에서 측정한 방전곡선을 나타내는 그래프,
도 13은 본 발명에 관한 코인형의 에너지디바이스의 일례의 단면을 나타내는 도,
도 14는 본 발명에 관한 코인형의 에너지디바이스의 일례의 단면을 나타내는 도,
도 15는 본 발명에 관한 코인형의 에너지디바이스의 일례의 단면을 나타내는 도,
도 16은 본 발명에 관한 코인형의 에너지디바이스의 일례의 단면을 나타내는 도,
도 17은 본 발명에 관한 코인형의 에너지디바이스의 일례의 단면을 나타내는 도면이다.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 양극판 12 : 양극
13 : 양극 집전체
14 : 속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 층
15 : 음극판 16 : 음극
17 : 음극 집전체
18 : 속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 층
19 : 절연층 1a : 전해액
1b : 양극 캔 1c : 음극 캔
1d : 가스킷 21 : 양극판
22 : 양극 23 : 양극 집전체
24 : 속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 층
25 : 음극판 26 : 음극
27 : 음극 집전체 28 : 절연층
29 : 전해액 2a : 양극 캔
2b : 음극 캔 2c : 가스킷
31 : 양극판 32 : 양극
33 : 양극 집전체 34 : 음극판
35 : 음극 36 : 음극 집전체
37 : 속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 층
38 : 절연층 39 : 전해액
3a : 양극 캔 3b : 음극 캔
3c : 가스킷 41 : 양극판
42 : 양극 43 : 양극 집전체
44 : 속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 층
45 : 음극판 46 : 음극
47 : 음극 집전체
48 : 속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 층
49 : 겔 전해질 4a : 전해액
4b : 양극 캔 4c : 음극 캔
4d : 가스킷 51 : 양극판
52 : 양극 53 : 양극 집전체
54 : 속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 층
55 : 음극판 56 : 음극
57 : 음극 집전체 58 : 겔 전해질
59 : 전해액 5a : 양극 캔
5b : 음극 캔 5c : 가스킷
61 : 양극판 62 : 양극
63 : 양극 집전체 64 : 음극판
65 : 음극 66 : 음극 집전체
67 : 속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 층
68 : 겔 전해질 69 : 전해액
6a : 양극 캔 6b : 음극 캔
6c : 가스킷 71 : 양극판
72 : 양극 73 : 양극 집전체
74 : 음극판 75 : 음극
76 : 음극 집전체 77 : 절연층
78 : 전해액 79 : 양극 캔
7a : 음극 캔 7b : 가스킷
101 : 양극판 102 : 양극
103 : 비패러데이반응이 생기는 층 104 : 음극판
105 : 음극
106 : 비패러데이반응이 생기는 층
107 : 세퍼레이터 108 : 전해액
109 : 양극 캔 10a : 음극 캔
10b : 가스킷 111 : 양극판
112 : 양극 113 : 양극 집전체
114 : 속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 영역
115 : 음극판 116 : 음극
117 : 음극 집전체 118 : 절연층
119 : 전해액 11a : 양극 캔
11b : 음극 캔 11c : 가스킷
131 : 양극판 132 : 양극
133 : 양극 집전체 134 : 음극판
135 : 음극 136 : 음극 집전체
137 : 속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 영역
138 : 절연층 139 : 전해액
13a : 양극 캔 13b : 음극 캔
13c : 가스킷 141 : 양극판
142 : 양극 143 : 양극 집전체
144 : 속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 영역
145 : 음극판 146 : 음극
147 : 음극 집전체
148 : 속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 영역
149 : 겔 전해질 14a : 전해액
14b : 양극 캔 14c : 음극 캔
14d : 가스킷 151 : 양극 판
152 : 양극 153 : 양극 집전체
154 : 속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 영역
155 : 음극판 156 : 음극
157 : 음극 집전체 158 : 겔 전해질
159 : 전해액 15a : 양극 캔
15b : 음극 캔 15c : 가스킷
161 : 양극 판 162 : 양극
163 : 양극 집전체 164 : 음극판
165 : 음극 166 : 음극 집전체
167 : 속도가 빠른 패러데이반응 또는 비패러데이반응이 생기는 영역
168 : 겔 전해질 169 : 전해액
16a : 양극 캔 16b : 음극 캔
16c : 가스킷 171 : 양극판
172 : 양극 173 : 양극 집전체
174 : 음극판 175 : 음극
176 : 음극 집전체 177 : 절연층
178 : 전해액 179 : 양극 캔
17a : 음극 캔 17b : 가스킷

Claims (20)

  1. 주로 활물질의 산화상태가 변화하여, 전하가 활물질 내부로 이동하는 패러데이적인 반응기구와, 주로 활물질 표면에 이온이 물리적으로 흡탈착됨으로써 전하를 축적·방출하는 비패러데이적인 반응기구의 양쪽의 반응기구를 가지고, 이들 양 반응기구에 의하여 전기에너지를 저장·방출하는 에너지디바이스에 있어서,
    상기 패러데이적인 반응과, 상기 비패러데이적인 반응의 각각의 반응이 생기는 적어도 2개의 영역을 가지는 양극판 및 음극판의 2종의 전극을 가지는 것을 특징으로 하는 에너지디바이스.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 비패러데이적인 반응이 일어나는 영역과, 상기 패러데이적인 반응이 일어나는 영역을 가로로 배치한 양극판 및 음극판의 2종의 전극을 가지는 것을 특징으로 하는 에너지디바이스.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 비패러데이적인 반응이 일어나는 영역과, 상기 패러데이적인 반응이 일어나는 영역을 세로로 배치한 양극판 및 음극판의 2종의 전극을 가지는 것을 특징으로 하는 에너지디바이스.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 비패러데이적인 반응이 일어나는 영역을, 상기 패러데이적인 반응이 일어나는 영역의 표층에 배치한 음극판과, 상기 패러데이적인 반응이 생기는 영역만을 가지는 양극판의 2종의 전극을 가지는 것을 특징으로 하는 에너지디바이스.
  5. 주로 활물질의 산화상태가 변화하여, 전하가 전극계면을 통하여 활물질로 이동하는 패러데이적인 반응기구를 가지고,
    상기 패러데이적인 반응의 반응속도가 느린 것과 빠른 것의 적어도 2종의 반응기구에 의하여 전기에너지를 저장·방출하는 것을 특징으로 하는 에너지디바이스.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 패러데이적인 반응으로, 반응속도가 느린 것과 빠른 것의 다른 적어도 2종의 반응기구로 이루어지는 양극판 및 음극판의 2종의 전극을 가지는 것을 특징으로 하는 에너지디바이스.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 패러데이적인 반응으로, 반응속도가 빠른 영역을 반응속도가 느린 영역의 표층에 배치한 양극판과, 상기 패러데이적인 반응의 한쪽만이 일어나는 층을 가지는 음극판의 2종의 전극을 가지는 것을 특징으로 하는 에너지디바이스.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 패러데이적인 반응으로, 반응속도가 빠른 영역을 반응속도가 느린 영역의 표층에 배치한 음극판과, 상기 패러데이적인 반응의 한쪽만이 일어나는 층을 가지는 양극판의 2종의 전극을 가지는 것을 특징으로 하는 에너지디바이스.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 양극판과 상기 음극판을 전기적으로 절연하여, 이들 양극판과 상기 음극판의 사이에 가동 이온만을 통과시키는 절연층을 설치한 것을 특징으로 하는 에너지디바이스.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 양극판과 상기 음극판을 전기적으로 절연하여, 가동 이온만을 통과시키는 절연층을 설치한 것을 특징으로 하는 에너지디바이스.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 양극판과 상기 음극판의 사이에 폴리머 및 전해액으로 이루어지는 겔형상 전해질을 설치한 것을 특징으로 하는 에너지디바이스.
  12. 제 1항에 있어서,
    패러데이적인 반응이 일어나는 활물질로서, 리튬이온의 삽입 이탈 가능한 양극과 음극을 사용하고, 가동 이온의 공급원으로서 Li염 또는 Li화합물을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 에너지디바이스.
  13. 제 1항에 있어서,
    패러데이적인 반응이 일어나는 활물질로서, 니켈산화물을 주활물질로 한 양극과 수소흡장합금을 주활물질로 한 음극을 사용하여, 가동 이온의 공급원이 수산화물 이온을 생기게 하는 화합물을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 에너지디바이스.
  14. 제 1항에 있어서,
    패러데이적인 반응이 일어나는 활물질로서, 니켈산화물을 주활물질로 한 양극과 카드뮴을 주활물질로 한 음극을 사용하여, 가동 이온의 공급원이 수산화물 이온을 생기게 하는 화합물을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 에너지디바이스.
  15. 제 1항에 있어서,
    패러데이적인 반응이 일어나는 활물질로서, 2산화납을 주활물질로 한 양극과 금속납을 주활물질로 한 음극을 사용하고, 전해액으로서 황산수용액을 사용한 것을 특징으로 하는 에너지디바이스.
  16. 제 1항에 있어서,
    비패러데이적인 반응이 일어나는 활물질이, 탄소재료인 것을 특징으로 하는 에너지디바이스.
  17. 제 6항에 있어서,
    느린 패러데이적인 반응이 일어나는 활물질로서, 리튬이온의 삽입 이탈 가능한 양극과 음극을 사용하고, 가동 이온의 공급원으로서 Li염 또는 Li 화합물을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 에너지디바이스.
  18. 제 6항에 있어서,
    느린 패러데이적인 반응이 일어나는 활물질로서, 니켈산화물을 주활물질로 한 양극과 수소흡장합금을 주활물질로 한 음극을 사용하고, 가동 이온의 공급원이 수산화물 이온을 생기게 하는 화합물을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 에너지디바이스.
  19. 제 6항에 있어서,
    느린 패러데이적인 반응이 일어나는 활물질로서, 니켈산화물을 주활물질로 한 양극과 카드뮴을 주활물질로 한 음극을 사용하고, 가동 이온의 공급원이 수산화물 이온을 생기게 하는 화합물을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 에너지디바이스.
  20. 제 6항에 있어서,
    느린 패러데이적인 반응이 일어나는 활물질로서, 2산화납을 주활물질로 한 양극과 금속납을 주활물질로 한 음극을 사용하고, 전해액으로서 황산수용액을 사용한 것을 특징으로 하는 에너지디바이스.
KR1020050002777A 2004-01-13 2005-01-12 에너지디바이스 KR20050074318A (ko)

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