KR20080041720A - 전기 이중층 캐패시터용 탄소 재료 및 전기 이중층캐패시터 - Google Patents
전기 이중층 캐패시터용 탄소 재료 및 전기 이중층캐패시터 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 목적은 전기 이중층 캐패시터 탄소 재료 및 우수한 충전/방전 특성을 나타낼 수 있는 전기 이중층 캐패시터를 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 전기 이중층 캐패시터용 탄소 재료는 300 ~ 1000 m2/g의 범위 내에 있는 BET 비표면적, 0.360 ~ 0.380 nm의 범위 내에 있는 탄소의 층간 거리, 및 2000 cps 이상의 탄소 강도를 가지는 것을 특징으로 한다. 이러한 점이 높은 용량과 낮은 내부 저항을 가지는 전기 이중층 캐패시터를 형성할 수 있게 한다. 본 발명의 전기 이중층 캐패시터는 분극 활성 물질로서 이러한 탄소 재료를 이용한다. 본 발명의 캐패시터는 높은 용량과 낮은 내부 저항을 나타낸다.
Description
본 발명은 전기 이중층 캐패시터의 분극 활성 물질로 사용되는 탄소 재료에 관한 것이다.
최근, 내부 저항을 저감하고 용량을 확대한 전기 이중층 캐패시터가 개발되었다. 전기 이중층 캐패시터를 전기 차량과 같은 파워 용도로 적용하는 것이 기대되어 왔다. 전기 이중층 캐패시터는, 한 쌍의 분극성 전극을 전해질 용액 내에서 그 사이에 개재된 세퍼레이터에 의해 서로 대향하도록 배치되어 양극과 음극을 구성하므로, 양극과 음극들(즉, 분극성 전극들)과 전해질 용액 간의 계면에 형성되는 전기 이중층에 전하가 축적되도록 하는 원리에 근거하고 있다.
이를 테면, 이러한 전기 이중층 캐패시터는 일본미심사특허공보(KOKAI) No. H11-317333, No. 2002-25867 및 특허공보 No. 3689948에 개시되어 있다. No. H11-317333은 그래파이트형(graphite-like) 미정질 탄소를 포함하는 탄소 재료를 사용하는 전기 이중층 캐패시터를 개시한다. 탄소 재료는 활성화 처리에 의해 얻어진다. 미정질 탄소의 층간 거리는 0.365 ~ 0.385 nm의 범위 내에 있다.
KOKAI No. 2000-25876은 그래파이트형 미정질 탄소를 포함하는 비다공성 탄소를 사용하는 전기 이중층 캐패시터가 270 m2/g 이하의 비표면적을 가지며, 미정질 탄소의 층간 거리 d002 가 0.360 ~ 0.380 nm 사이라는 것을 개시한다.
특허 No. 3689948은 주로 활성 탄소로 이루어진 분극성 전극 재료를 가지는 음극, 화학 공정 또는 전기화학 공정에 의해 리튬 이온이 흡장되는 탄소 재료, 리튬 이온의 흡장 및 탈착이 가능한 탄소 재료, 및 리튬염을 함유하는 비수 전해질 용액을 가지는 양극을 포함하는 전기 이중층 캐패시터를 개시한다.
그러나, KOKAI No. H11-317333에 개시되는 전기 이중층 캐패시터용 탄소 재료로부터 제조되는 캐패시터는 큰 내부 저항을 갖는다는 문제점이 있었다. 반면에, KOKAI No. 2002-25867에 개시되는 전기 이중층 캐패시터용 탄소 재료로부터 제조되는 캐패시터는 탄소 재료의 작은 비표면적에 기인하여 전해질 용액의 확산이 부족하였다. 결과적으로, 전해질 용액과 탄소 재료 사이의 저항이 커지고 내부 저항이 증가된다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술된 상황의 관점에서 개발되었다. 그러므로, 본 발명의 목적은 전기 이중층 캐패시터용 탄소 재료 및 (큰 용량 및 작은 내부 저항을 가져) 우수한 충전 및 방전 특성을 나타낼 수 있는 전기 이중층 캐패시터를 제공하는 것이다. 상기 문제를 해결하기 위한 연구의 결과로서, 본 발명자들은 전기 이중층 캐패시터용 탄소 재료에 관한 발명을 완성하였다.
본 발명은 300 ~ 1000 m2/g의 범위 내에 있는 BET 비표면적, 0.360 ~ 0.380 nm의 범위 내에 있는 탄소의 층간 거리, 및 2000 cps 이상의 탄소 강도를 가지는 전기 이중층 캐패시터용 탄소 재료를 제공한다.
더욱이, 본 발명에 따른 전기 이중층 캐패시터는, 300 ~ 1000 m2/g의 범위 내에 있는 BET 비표면적, 0.360 ~ 0.380 nm의 범위 내에 있는 탄소의 층간 거리, 및 2000 cps 이상의 탄소 강도를 가지는 탄소 재료를 포함한다.
이하, 실시 형태를 이름 지으며, 본 발명을 더 구체적으로 설명하기로 한다.
(수행하기 위한 형태)
(전기 이중층 캐패시터용 탄소 재료)
본 발명에 따른 전기 이중층 캐패시터용 탄소 재료는 전기 이중층 캐패시터의 분극 활성 물질로서 사용되는 탄소 재료이다.
본 발명에 따른 전기 이중층 캐패시터용 탄소 재료는 300 ~ 1000 m2/g의 범위 내에 있는 BET 비표면적을 가질 뿐만 아니라, 0.360 ~ 0.380 nm의 범위 내에 있는 탄소의 층간 거리 d002 및 d002에서 2000 cps 이상의 탄소 강도를 가진다. 즉, 본 발명에 따른 탄소 재료는 그래파이트형 미정질 탄소를 포함하고, 이 탄소 재료는 고정밀 탄소 재료이다. 동시에, 탄소 재료는 선택적으로 포어(pore)들을 가지거나 또는 비결정질의 구조를 가진다. 이러한 포어 또는 비결정질 구조는 본 발명에 따 른 전기 이중층 캐패시터용 탄소 재료가 상기 언급된 특허 문헌 1 및 2(KOKAI No. H11-317333 및 No. 2002-25867)에 개시된 탄소 재료만큼 큰 용량 및 작은 내부 저항을 가질 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 분극 전극의 전극 물질(탄소 재료)은 300 ~ 1000 m2/g의 범위 내에 있는 비표면적을 가지기 때문에, 내부 저항이 특허 문헌 1 및 2의 전기 이중층 캐패시터용 탄소 재료보다 작다. 그러나, 전기 이중층 캐패시터가 270 m2/g 보다 작은 BET 비표면적을 가지는 탄소 재료를 사용하는 때에는, 큰 용량을 얻는 것이 가능함에도 불구하고, 내부 저항은 전해질 용액에서 이동 저항이 증가함에 따라 증가된다. 더욱이, BET 비표면적이 1000 m2/g 이상인 때에는, 용량이 일반적인 활성 탄소와 같이 포어 내부에서 나오기 때문에, 큰 용량을 얻는 것이 불가능하다. 본 발명에 따르면, 더 바람직한 탄소 재료의 BET 비표면적은 300 ~ 700 m2/g의 범위 내이다.
본 발명에 따른 전기 이중층 캐패시터용 탄소 재료에 관해서는, 탄소 층간 거리는 0.360 ~ 0.380 nm의 범위 내에 있다. 층간 거리가 0.360 nm 보다 작을 때에는, 전해질이 탄소층으로 삽입되기가 어려워지며, 그것은 내부 저항의 증가 및 용량의 열화를 야기할 것이다. 또한, 거리가 0.380 nm 보다 큰 때에는, 탄소 밀도가 감소할 것이고, 고용량이 얻어질 수 없다. 층간 거리는 0.365 ~ 0.375 nm의 범위 내인 것이 더 바람직하다.
본 발명에 따른 전기 이중층 캐패시터용 탄소 재료는 d002에서 2000 cps 이상의 탄소 강도를 가지고, 이 탄소 재료는 개선된 그래파이트형 미세 결정을 가지는 고정밀 탄소 재료이다. 이러한 이유로, 본 발명에 따른 탄소 재료는 큰 용량을 가지는 전기 이중층 캐패시터용 분극성 전극 재료에 적합하다. 탄소 강도가 2000 cps 보다 작은 때에는, 재료의 정밀도가 낮아질 것이기 때문에, 큰 용량을 얻는 것이 불가능하다.
BET 비표면적의 양, 탄소 층간 거리, 및 탄소 강도가 기결정된 범위 이내에 있는 한, 본 발명에 따른 전기 이중층 캐패시터용 탄소 재료의 제조 공정은 제한되지 아니한다.
예를 들면, 본 발명에 따른 전기 이중층 캐패시터용 탄소 재료는 그래파이트형 미세 결정을 가지며 저배향성에서 상대적으로 비결정질인 석유 피치(petroleum pitch) 및 석탄계 피치(carboniferous system pitch)의 탄화 및 활성화에 의해 제조될 수 있다. 여기서, 탄소 재료의 BET 비표면적은 활성화 조건에 따라 결정된다. 저배향성에서 비교적으로 비결정질인 재료는 활성화 처리 후에 큰 비표면적을 형성하는 경향이 있다. 그래파이트형 미세 결정을 가지는 석유 피치를 사용함으로써, 재료의 탄소 층간 거리 및 탄소 강도가 기결정된 범위 이내에 있을 수 있다.
(전기 이중층 캐패시터)
본 발명의 전기 이중층 캐패시터는 분극성 전극 재료로서 상술된 전기 이중층 캐패시터용 탄소 재료를 사용한다. 본 발명에 따르면, 전기 이중층 캐패시터용 캐패시터는, 양극 및 음극이 전해질 용액 내의 세퍼레이터를 매개로 하여 서로 마 주보도록 배치된 한 쌍의 분극 전극에 의하여 형성되는 장치를 지칭한다. 전하가 적어도 하나의 전해질(분극 전극) 및 전해질 용액의 계면에 형성되는 전기 이중층에 축적된다. 즉, 본 발명의 캐패시터는 양극 및 음극용으로 상이한 재료를 사용하는, 소위 하이브리드 캐패시터를 포함한다. 전기 이중층 캐패시터를 위한 본 발명의 캐패시터는 작은 내부 저항을 가질 뿐만 아니라, 큰 용량을 가진다.
본 발명에 따르면, 상술된 전기 이중층 캐패시터용 탄소 재료는 적어도 쌍전극의 하나로 사용될 수 있다. 즉, 본 발명의 전기 이중층 캐패시터는 음극이나 양극 중 하나에 대해서, 또는 음극과 양극 모두에 대해서 상기 탄소 재료를 사용함으로써 만들어질 수 있다. 또한, 상기 전기 이중층 캐패시터용 탄소 재료가 양극과 음극 모두에 사용되는 때에는, BET 비표면적의 양, 탄소 층간 거리 및 탄소 강도 중 하나 이상이 음극 및 양극에서 상이할 수 있다.
전극 재료는 별문제로 하고, 본 발명에 따른 전기 이중층 캐패시터는 종래에 공지된 재료들로부터 형성될 수 있다. 예를 들면, 시트형 전극을 제조하고, 그들을 세퍼레이터를 매개로 하여 전해질 용액과 함께 케이스에 위치시킴으로써 제조될 수 있다.
예를 들면, 시트형 전극은 다음과 같이 형성될 수 있다. 첫째, 탄소 재료는 대략 5 ~ 100 μmin의 입도로 눌러 부서진다. 그 후, 도전 보조제로서 카본 블랙 및 바인더로서 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene)(PTFE)이 고전도성을 탄소 재료 파우더에 주기 위하여 첨가되고 혼합된다. 마지막으로, 결과로서 생기는 재료는 롤링 로드(rolling rod)에 의해 시트형으로 형성된다. 도전 보조제 로서, 카본 블랙(이를 테면, 아세틸렌 블랙(acetylene black)) 이외에 파우더 그래파이트 등이 사용될 수 있다. 바인더로서, PTFE 이외에 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride)(PVDF), 폴리에틸렌(polyethylene)(PE), 또는 폴리프로필렌(polypropylene)(PP)이 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 탄소 재료(활성 탄소), 도전 보조제(카본 블랙) 및 바인더(PTFE)의 사이에서 배합비는 일반적으로10 : 0.5 ~ 1.0 : 0.5 ~ 0.25이다.
컬렉터는 획득된 전극에 설치되고, 전극은 양극과 음극을 형성하기 위해 세퍼레이터를 매개로 배치된다. 그 후에, 전해질을 포함하는 유기 용매는 전기 이중층 캐패시터를 조립하기 위해 침지된다.
전기 이중층 캐패시터에 사용되는 유기 용매로서, 예를 들면, 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate), 디에틸카보네이트(diethylcarbonate), 에틸렌카보네이트(ethylenecarbonate) 및 프로필렌카보네이트(propylenecarbonate)와 같은 카보네이트(carbonate), 아세토니트릴(acetonitrile) 및 프로피오노니트릴(propiononitr-ile)과 같은 니트릴 그룹(nitril group), γ-부티로락톤(γ-butyrolactone), α-메틸-γ-부티로락톤(α-methyl-γ-butyrolactone), β-메틸-γ-부티로락톤(β-methy-l-γ-butyrolactone), γ-발레로락톤(γ-valerolactone) 및 3-메틸-γ-발레로락톤(3-methyl-γ-valerolactone)과 같은 락톤(lactone), 디메틸술포사이드(dimethy-lsulfoxide) 및 디에틸술포사이드(diethylsulfoxide)와 같은 술포사이드, 디메틸포름아미드(dimethylformamide) 및 디에틸포름아미드(diethylformamide)와 같은 아미드, 테트라히드로푸란(tetrahydrofuran) 및 디메톡시에탄(dimethoxyethane)과 같은 에테르(ether), 디메틸 술폴란(dimethyl sulfolan) 및 술폴란(sulfolan)을 사용하는 것이 가능하다. 이들 유기 용매는 단독으로 또는 2종 이상의 혼합 용매로서 사용될 수 있다.
이들 유기 용매에 용해되는 전해질로서, 예를 들면, 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트(tetraethyl ammonium tetrafluorobarate), 테트라메틸 암모늄 테트라플루오로보레이트(tetramethyl ammonium tetrafluorobarate), 테트라프로필 암모늄 테트라플루오로보레이트(tetrapropyl ammonium tetrafluorobarate), 테트라부틸 암모늄 테트라플루오로보레이트(tetrabutyl ammonium tetrafluorobarate), 트리메틸에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트(trimethylethyl ammonium tetrafluoro-barate), 트리에틸메틸 암모늄 테트라플루오로보레이트(triethylmethyl ammonium tetrafluorobarate), 디에틸디메틸 암모늄 테트라플루오로보레이트(diethylmethyl ammonium tetrafluorobarate), N-에틸-N-메틸피롤리디늄 테트라플루오로보레이트(N-ethyl-N-methylpyrrolidinium tetrafluorobarate), N, N-테트라메틸렌피롤리디늄 테트라플루오로보레이트(N-tetramethylenepyrrolidinium tetrafluorobarate) 및 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트와(1-ethyl-3-methylimidazol-ium tetrafluorobarate) 같은 테트라플루오로보레이트(tetrafluorobarate), 테트라에틸 암모늄 퍼클로레이트(tetraethyl ammonium perchlorate), 테트라메틸 암모늄 퍼클로레이트(tetramethyl ammonium perchlorate), 테트라프로필 암모늄 퍼클로레이트(tetrapropyl ammonium perchlorate), 테트라부틸 암모늄 퍼클로레이트(tetra-butyl ammonium perchlorate), 트리메틸에틸 암모늄 퍼클로레이트(trimethylethyl ammonium perchlorate), 트리에틸메틸 암모늄 퍼클로레이트(triethylmethyl ammon-ium perchlorate), 디에틸디메틸 암모늄 퍼클로레이트(diethylmethyl ammonium perchlorate), N-에틸-N-메틸피롤리디늄 퍼클로레이트(N-ethyl-N-methylpyrrolidi-nium perchlorate), N, N-테트라메틸렌피롤리디늄 퍼클로레이트(N-tetramethylene-pyrrolidinium perchlorate)및 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 퍼클로레이트(1-ethyl-3-methylimidazolium perchlorate)와 같은 퍼클로레이트(perchlorate), 및 테트라에틸 암모늄 헥사플루오로포스페이트(hexafluorophosphate), 테트라메틸 암모늄 헥사플루오로포스페이트, 테트라프로필 암모늄 헥사플루오로포스페이트, 테트라부틸 암모늄 헥사플루오로포스페이트, 트리메틸에틸 암모늄 헥사플루오로포스페이트, 트리에틸메틸 암모늄 헥사플루오로포스페이트 및 디에틸 디메틸 암모늄 헥사플루오로포스페이트와 같은 헥사플루오로포스페이트를 사용하는 것이 가능하다. 더욱이, 리튬 이온의 흡장 및 탈착이 가능한 탄소 재료가 캐패시터의 전극의 하나로 사용되는 때에는, 전해질로서 LiClO4, LiCF3, SO3, LiBF4, LiPF4, LiAsF6, LiSbF6, LiCF3C02, LiN(CF3SO2)2 와 같은 리튬염을 사용하는 것이 바람직하다.
전해질의 농도는 0.5 ~ 5 mol/L의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 1.0 ~ 2.5 mol/L의 범위 내에 있어야 한다. 전해질 농도가 0.5 mol/L 보다 낮은 때에는, 전해질의 부족에 기인하여 용량이 저하된다. 더욱이, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨과 같은 이온성 유체를 사용하는 때에는, 유체는 그 자체로 또는 전해질 용액과 혼합되어서 사용되어야 한다.
(실시예)
본 발명을 아래의 구체 예를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
(탄소 재료의 제조)
본 발명의 예로서, 전기 이중층 캐패시터용 탄소 재료, 시료 1 ~ 5는 다음 공정에 의해 제조된다.
(전기 이중층 캐패시터용 탄소 재료의 제조)
원료로서, 그래파이트형 미세 결정을 가지고, 저배향성에서 상대적으로 비결정질인 석탄계 피치가 준비되었다. 그 다음에, 0.1 ~ 0.5 MPa의 압력 조건하에서, 온도는 5℃/min의 비율로 기결정된 300 ~ 500℃의 온도에 이르기까지 상승되었다. 그 후에, 재료는 1 ~ 5 시간 동안 가열되었고, 예비 탄화 처리가 수행되었다.
그 다음에, 0.2 MPa 이하의 압력 조건하에서, 온도는 5℃/min의 비율로 기결정된 700 ~ 900℃의 온도에 이르기까지 상승되었다. 그 후에, 재료는 1 ~ 5 시간 동안 가열되었고, 탄화 처리가 수행되었다.
탄화 처리 후에, 활성화 처리가 알칼리 화합물(알칼리 금속 수산화물, 알칼리 금속 탄산염)을 사용하여 수행되었다. 활성화 처리에서, 탄화물 및 알칼리 화합물의 양은 1 : 1 ~ 1 : 5의 중량비로 사용되었다. 온도는 4 ~ 10 시간 동안 700 ~ 900℃(바람직하게는, 800℃)로 유지되었다. 활성화 처리는 질소 가스 분위기 또는 수증기를 포함하는 질소 가스 분위기 하에서 수행되었다는 점에 유의한다. 그리고 나서, 그것은 물로서 철저히 세척되었고, 평균 입도(D50)가 5 ~ 50 nm 되도록 눌러 부서졌다.
마지막으로, 3 ~ 100%의 비율로 수소 가스를 포함하는 질소 가스 분위기 하에서, 하소(calcination)는 본 발명에 따른 전기 이중층 캐패시터용 탄소 재료, 시료 1 ~ 5를 제조하기 위해 700 ~ 900℃(바람직하게는 800℃)에서 수행되었다. 게다가, 전기 이중층 캐패시터용 탄소 재료, 시료 1 ~ 5는 상술된 각 조건을 변경함으로써 제조되었다.
또한, 전기 이중층 캐패시터용 탄소 재료를 제조하는 때에, 저배향성에서 비결정질 재료는 예비 탄화 이후에 시료 1 ~ 3에 사용되었다. 반면에 시료 4 ~5에는, 고배향성에서 정밀 재료가 사용되었다. 결정 배향성은 d002에서 X-선 회절 피크에 의해 상대적으로 비교될 수 있다. 그 결과는 표 1에 주어진다. 측정 방법에 관한 한은, X-선 회절계(Rigakudenkisha에 의해 제조된, Rint-2500)가 사용되었다. 측정 조건은 다음과 같이 설정되었다; 관벌브(bulb): Cu(Kα), 관전압: 40 kV, 관전류: 40 mA, 온도 범위 8 ~ 68℃.
예를 들면, 재료가 그래파이트(고 결정도)와 같은 고배향성 재료인 때에는, 회절 피크는 일반적으로 급격한 초기 상승을 보여준다. 여기서, 시료 1 ~ 3 및 시료 4 ~ 5에 사용되는 재료에 관하여 d002에서 반치폭 및 회절 강도를 비교하면, 시료 1 ~ 3의 재료는 시료 4 ~ 5 보다 d002에서 넓은 반치폭 및 낮은 회절 강도를 보여준다. 또한 시료 1 ~ 3의 재료는 시료 4 ~ 5 보다 넓은 회절 피크를 보여준다. 이러한 점은 예로서 사용되는 재료가 상대적으로 저배향성에서 비결정질임을 나타낸다. 또한, 이는 이러한 재료가 넓은 탄소 층간 거리를 가지려는 경향이 있으며, 그것의 결정 입자가 얇아지려는 경향이 있다는 사실로부터도 잘 알 수 있다.
BET 비표면적, 탄소 층간 거리 및 탄소 강도는 제조된 시료 1 ~ 5의 전기 이중층 캐패시터용 탄소 재료에 관하여 측정되었다. 그 결과는 표 2에 주어진다.
BET 비표면적은 포어 분포 측정 장치(Quantachrom에 의해 제조된, NOVA-3000)를 사용하여 측정되었고, BET 방법에 의해 산출되었다. d002에서 탄소 층간 거리 및 회절 강도는 X-선 회절계(Rigakudenkisha에 의해 제조된, Rint-2500)를 사용하여 측정되었다. 측정 조건은 다음과 같았다 ; 관벌브(bulb): Cu(Kα), 관전압: 40 kV, 관전류: 40 mA, 온도 범위 8 ~ 68℃. d002(cps)에서 탄소 층간 거리 및 회절 강도는 d002에서 회절 피크로부터 측정되었다.
(전기 이중층 캐패시터의 제조)
전기 이중층 캐패시터는 전극의 분극 활성 물질로서 시료 1 ~ 5의 전기 이중층 캐패시터용 탄소 재료를 사용하여 제조되었다.
첫째, 활성 물질로서, 시료 1 ~ 5의 탄소 재료는 진공 건조되었고(120℃, 0.133Pa(10-3Torr)), 그 다음에, 도전 보조제로서 활성 물질 카본 블랙(Cabot에 의해 제조된, VURCAN-XC72R) 및 바인더로서 PVDF(Kureha Kagakusha에 의해 제조된, #9210)의 양은 9 : 1 : 2의 중량비로 준비되었고, 용매로서 N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone)(NMP)과 혼합되었다. 그것을 적당한 점도로 조정한 이후에, 슬러리를 형성하기 위해 진공 반죽이 재료에 수행되었다. 결과로서 생기는 슬러리는 전류 수집 알루미늄 포일에 적용되었고, 50 x 50 nm의 사각, 두께 t = 50 ㎛을 형성하기 위해 롤 프레싱 기계를 사용하여 가압되었고, 이것은 전극 시트로서 사용되었다.
진공 건조(120℃, 0.133Pa(10-3Torr), 2 ~ 6 시간 동안)가 이 전극 시트에 유리 섬유 필터 페이퍼(Advantech toyosha의 제품, GA-100)를 사용하여 수행되었다. 그 후에, 글로브 박스(glove box)에서 진공 함침이 수행되었다. 그 다음에, EMI-BF4, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨의 테트라플루오로보레이트, 즉 이온성 액체가 전해질로서 사용되었다. 함침 이후에, 결과로서 생기는 재료는 시료 1 ~ 5의 탄소 재료를 사용하는 캐패시터 셀들을 만들기 위해 알루미늄 적층 백에서 진공 팩킹되었다.
(캐패시터의 평가)
제조된 캐패시터의 충전 및 방전 특성에 관하여 평가가 수행되었다. 캐패시터의 충전 및 방전 특성은 정전류를 충전하여 캐패시터에 축적되는 전하로써 전압의 상승을 모니터링함으로써 평가되었다. 즉, 전압이 기결정된 양, 예컨대 양극과 음극에서 3.75 V에 도달할 때, 정전류 10 mA(또는 5 mA)를 충전하고 전압을 유지함으로써, 정전위 충전 모드가 되고 전류가 감쇠하기 시작하였다. 기결정된 충전 시간 T(통상적으로, 4500 초)가 경과되면, 전극의 극성이 전환되었다. 정전류가 10 mA(또는 5 mA)인 정전류 모드에 의해 전압이 0 V가 될 때까지 방전되었다. 이 작동 이후, 휴지 시간(통상적으로, 180 초)을 가지고, 정전류의 충전 및 방전이 상술된 것처럼 1 ~ 3회 동안 다시 반복되었다. 후에, 인가된 전압이 3.3 V로 낮아졌으며, 방전 한계 전압이 0.5 V로 설정되었다. 동일한 전류를 가지고, 주기적인 시험이 수행되었다. 측정은 8개의 채널을 동시에 처리할 수 있는 충전 및 방전 장치(Hokutodenko의 제품, HJ1001SM8)를 사용하여 수행되었다. 결과는 획득된 측정 결과(용량, 내부저항)와 함께 표 2에 주어진다.
비교 시험으로써, 캐패시터가 야자각 활성 탄소로부터의 시료 6 ~ 8을 사용하여 동일한 방법으로 제조되었고 평가가 수행되었다. 결과는 또한 표 2에 주어진다. 더욱이, 야자각 활성 탄소, 시료 6 ~ 8의 BET 비표면적, 탄소 층간 거리 및 탄소 강도가 또한 주어진다.
표 2에 주어진 바와 같이, BET 비표면적, 탄소 층간 거리 및 탄소 강도가 기결정된 범위인 시료 1 ~ 3의 탄소 재료를 사용하는 캐패시터가 높은 용량 및 낮은 내부 저항을 가지는 것이 관찰된다.
또한, 탄소 층간 거리 및 탄소 강도는 기결정된 범위인 반면, BET 비표면적은 기결정된 범위보다 작은, 시료 4 및 5를 사용하는 캐패시터가 개량된 용량을 가지나 내부 저항은 시료 1 ~ 3의 캐패시터와 비교했을 때 저하되는 것이 관찰된다.
BET 비표면적은 기결정된 범위지만 탄소 층간 거리 및 탄소 강도는 기결정된 범위보다 큰 시료 6의 캐패시터, BET 비표면적, 탄소 층간 거리 및 탄소 강도가 기결정된 범위보다 큰 시료 7의 캐패시터, 또는 탄소 층간 거리는 기결정된 범위지만 BET 비표면적 및 탄소 강도는 기결정된 범위가 아닌 시료 8의 캐패시터는 작은 내부 저항을 가지지만 용량은 시료 1 ~ 3의 캐패시터와 비교했을 때 상당히 저하된다.
즉, BET 비표면적, 탄소 층간 거리 및 탄소 강도가 기결정된 범위인, 탄소 재료를 사용하는 시료 1 ~ 3의 캐패시터가 높은 용량과 낮은 내부 저항을 가지는 것이 관찰된다. 이러한 높은 효율은 전극 내의 분극 활성 물질용으로 사용되는 탄소 재료로부터 나온다. BET 비표면적, 탄소 층간 거리 및 탄소 강도가 기결정된 범위인 탄소 재료가 이들 효과를 나타낸다고 말할 수 있다.
바꾸어 말하면, 본 실시예에 따른 시료 1 ~ 3의 탄소 재료는 그래파이트형 미정질 탄소를 포함하고, 그것들은 고정밀 탄소 재료이다. 동시에, 탄소 재료는 선택적으로 포어들을 가지거나 또는 비결정질의 구조를 가진다. 이것으로 인하여, 탄소 재료는 특허문헌 1 ~ 2에 개시된 탄소 재료의 용량만큼 높은 용량을 가지고, 낮은 내부 저항을 가진다.
Claims (2)
- 전기 이중층 캐패시터용 탄소 재료에 있어서,300 ~ 1000 m2/g의 범위 내에 있는 BET 비표면적;0.360 ~ 0.380 nm의 범위 내에 있는 탄소의 층간 거리; 및2000 cps 이상의 탄소 강도를 가지는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 캐패시터용 탄소 재료.
- 탄소 재료를 포함하는 전기 이중층 캐패시터에 있어서,300 ~ 1000 m2/g의 범위 내에 있는 BET 비표면적;0.360 ~ 0.380 nm의 범위 내에 있는 탄소의 층간 거리; 및2000 cps 이상의 탄소 강도를 가지는 상기 탄소 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 캐패시터.
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