KR20110017219A - Coin cell lithium metal capacitor and manufacturing method of the same - Google Patents

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KR20110017219A
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한상진
최상진
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비나텍주식회사
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Abstract

PURPOSE: A coin cell lithium metal capacitor and a manufacturing method of the same are provided to implement high energy density by applying a lithium metal to a thin film cathode. CONSTITUTION: An anode case(300) and a cathode case are mutually interlocked to form a coin shape. . An anode(305) comprises an activated carbon inducing adsorption/desorption of lithium ions to/from the anode case. The cathode case comprises alkali metal or alkali metal or alkaline earth metals containing lithium metal or lithium alloy. The thin film cathode guides adsorption of lithium ions, causing solution or extraction of the lithium ions An electrolyte is interposed between the thin film cathode and the anode.

Description

코인 셀 리튬 메탈 커패시터 및 제조 방법{Coin cell lithium metal capacitor and manufacturing method of the same}Coin cell lithium metal capacitor and manufacturing method of the same}

본 발명은 에너지 저장 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 코인 셀(coin cell) 리튬 메탈 커패시터(LMC: Lithium Metal Capacitor) 및 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an energy storage device, and more particularly, to a coin cell lithium metal capacitor (LMC) and a manufacturing method.

전기, 전자, 통신, 컴퓨터 산업 및 자동차 산업이 확산되고, 휴대용 기기가 발달함에 따라, 전기를 반복적으로 충, 방전 할 수 있는 에너지 저장 장치의 중요성이 더욱 증대되고 있다. 에너지 저장 장치로서 커패시터는 전해액의 종류, 양극과 음극의 대칭성여부 및 전하 저장 특성에 따라 다양한 형태로 개발되고 있다. 예컨대 전기 이중층 커패시터(EDLC; Electric double layer capacitor)는 고출력과 긴 수명을 나타내고 있으나, 상대적으로 가지는 반면, 낮은 비에너지밀도 및 낮은 사용전압의 한계에 의해 이차전지의 백업용 전원 또는 출력보조의 용도로 이용되고 있다. 낮은 내전압 특성으로 커패시터들을 직렬로 연결하여 고전압을 구현하고자 할 경우, 정전 용량의 감소에 따른 커패시터 특성의 저하가 수반되고 있다. As the electrical, electronics, telecommunications, computer industry, and automobile industry spread, and portable devices developed, the importance of energy storage devices capable of repeatedly charging and discharging electricity is increasing. As energy storage devices, capacitors are being developed in various forms depending on the type of electrolyte, whether the anode and cathode are symmetrical and the charge storage characteristics. For example, an electric double layer capacitor (EDLC) has a high output and a long life, but has a relatively high power, but is used as a backup power supply or an auxiliary power supply for a secondary battery due to a low specific energy density and a low use voltage limit. It is becoming. In order to achieve high voltage by connecting capacitors in series with low withstand voltage characteristics, deterioration of capacitor characteristics is accompanied by reduction of capacitance.

에너지 밀도가 높으면서 높은 출력을 가지고, 긴 수명을 가지면서 안정성을 가지게 커패시터를 개선하기 위한 연구가 진행되고 있다. 예컨대 양극에 분극성 전극을 사용하며 음극에 리튬 프리도핑(pre-doping) 공정과 같은 선행 공정공정을 도입하여, 음극 전위를 낮춰줌으로써 내전압을 증가시키고 에너지 밀도를 증가시키는 시도가 제시되고 있다. 그럼에도 불구하고, 음극의 리튬 도핑에 상당한 장시간이 요구되고 있으며, 음극 전체에 대한 균일한 리튬 도핑이 어려운 문제가 있다. 또한, 전극을 권회한 원통형 커패시터나 복수 매의 전극을 적층한 적층형 커패시터와 같은 고용량의 커패시터를 실용화하는 데 곤란성을 수반하고 있다. Research is underway to improve the capacitor with high energy density, high output, long life and stability. For example, attempts have been made to increase the breakdown voltage and increase the energy density by lowering the cathode potential by using a polarizable electrode for the positive electrode and introducing a prior process such as a lithium pre-doping process for the negative electrode. Nevertheless, a considerable long time is required for lithium doping of the negative electrode, and uniform lithium doping of the entire negative electrode is difficult. In addition, it has been difficult to put a high capacity capacitor into practical use, such as a cylindrical capacitor in which an electrode is wound, or a multilayer capacitor in which a plurality of electrodes are stacked.

본 발명은 높은 전압 특성, 출력 특성 및 높은 에너지 밀도를 가지며, 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 코인 셀 리튬 메탈 커패시터 및 제조 방법을 제시하고자 한다. The present invention is to propose a coin cell lithium metal capacitor and a manufacturing method having a high voltage characteristic, an output characteristic and a high energy density, which can improve the stability and reliability.

본 발명의 일 관점은, 상호 체결되어 코인(coin) 형상을 이루는 양극 케이스 및 음극 케이스; 상기 양극 케이스 상에 리튬 이온의 흡탈착을 유도할 수 있는 활성탄을 포함하여 도입된 양극; 상기 음극 케이스 상에 리튬 금속 또는 리튬 합금 포함하는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 포함하여 도입되어, 상기 양극으로 상기 리튬 이온의 흡착을 유도되게 상기 리튬 이온의 용해 또는 석출 반응이 발생하는 박막 음극; 및 상기 박막 음극 및 상기 양극 사이에 도입되는 전해질을 포함하는 코인 셀 리튬 메탈 커패시터를 제시한다. One aspect of the present invention, the positive electrode case and the negative electrode case which is mutually fastened to form a coin (coin); A cathode including activated carbon capable of inducing and adsorbing lithium ions on the cathode case; A thin-film negative electrode including an alkali metal or an alkaline earth metal including lithium metal or a lithium alloy on the negative electrode case, wherein the lithium ion is dissolved or precipitated to cause adsorption of the lithium ions to the positive electrode; And a coin cell lithium metal capacitor including an electrolyte introduced between the thin film anode and the anode.

상기 전해질은 상기 리튬 이온의 염을 포함하는 액상 전해질 또는 폴리머 전해질을 포함하고, 개방회로전압 이하의 전압 범위에서 상기 음극으로부터 상기 리튬 이온의 용해에 의해 상기 전해질 내의 상기 리튬 이온 농도가 증가하여 상기 양극으로 상기 리튬 이온의 흡착이 유도되고, 상기 개방회로전압 이상의 전압 범위에서 상기 전해질 내에 리튬 이온과 음이온이 유전 분리되어 충전 시 상기 리튬 이온은 상기 음극에 석출되고 상기 음이온은 상기 양극에 흡착되고, 방전시 상기 리튬 이온은 상기 음극으로부터 상기 전해질 내로 용해되고 상기 음이온은 상기 양극으로부터 탈리되어 상기 전해질 내의 상기 리튬 이온 및 상기 이온의 비율이 유지될 수 있다. The electrolyte includes a liquid electrolyte or a polymer electrolyte containing a salt of the lithium ions, and the lithium ion concentration in the electrolyte is increased by dissolution of the lithium ions from the negative electrode in a voltage range of less than or equal to an open circuit voltage, thereby allowing the positive electrode. Adsorption of the lithium ions is induced, the lithium ions and anions are dielectrically separated in the electrolyte in the voltage range above the open circuit voltage, the lithium ions are deposited on the negative electrode and the negative ions are adsorbed on the positive electrode and discharged The lithium ions may be dissolved into the electrolyte from the negative electrode and the anions may be released from the positive electrode to maintain a ratio of the lithium ions and the ions in the electrolyte.

상기 전해질 내에 도입된 세퍼레이터; 및 상기 박막 음극은 상기 세퍼레이터 표면에 증착된 코인 셀 리튬 메탈 커패시터를 제시한다. A separator introduced into the electrolyte; And the thin film cathode presents a coin cell lithium metal capacitor deposited on the separator surface.

상기 세퍼레이터는 다공성 폴리머 필름 또는 다공성 부직포를 포함할 수 있다. The separator may include a porous polymer film or a porous nonwoven fabric.

상기 리튬 합금은 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 칼륨(K) 또는 소듐(Na)에 리튬이 합금된 합금일 수 있다. The lithium alloy may be an alloy in which lithium is alloyed with aluminum (Al), calcium (Ca), potassium (K), or sodium (Na).

상기 박막 음극은 수㎛ 내지 수십㎛의 두께로 형성될 수 있다. The thin film cathode may be formed to a thickness of several μm to several tens of μm.

상기 양극은 100m2/g 내지 3000m2/g의 비표면적을 가지는 고비표면적 활성탄으로 형성될 수 있다. The anode may be formed of high specific surface area activated carbon having a specific surface area of 100 m 2 / g to 3000 m 2 / g.

상기 양극은 상기 리튬 이온의 흡착 또는 탈착이 가능한 도전성 고분자 활물질을 포함하는 100m2/g 이하의 비표면적을 가지는 비다공성 활성탄, 단일벽 탄소나노튜브(SWNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWNT) 또는 이중벽 탄소나노튜브(DWNT)의 활물질을 포함할 수 있다. The positive electrode is a non-porous activated carbon having a specific surface area of 100 m 2 / g or less including a conductive polymer active material capable of adsorption or desorption of lithium ions, single-walled carbon nanotubes (SWNT), multi-walled carbon nanotubes (MWNT) or It may include an active material of double-walled carbon nanotubes (DWNT).

본 발명의 다른 일 관점은, 양극 케이스 상에 리튬 이온의 흡탈착을 유도할 수 있는 활성탄을 포함하는 양극을 형성하는 단계; 상기 양극 케이스에 대응되는 음극 케이스 상에 리튬 금속 또는 리튬 합금 포함하는 알칼리 금속 또는 알칼리 토 금속을 포함하며, 상기 양극으로 상기 리튬 이온의 흡착을 유도되게 상기 리튬 이온의 용해 또는 석출 반응이 발생하는 박막 음극을 형성하는 단계; 상기 양극과 박막 음극 사이에 전해질을 도입하는 단계; 및 상기 양극 케이스와 음극 케이스를 가스킷으로 밀봉하며 체결하여 코인형 셀을 형성하는 단계를 포함하는 코인 셀 리튬 메탈 커패시터 제조방법을 제시한다. Another aspect of the invention, forming a positive electrode including activated carbon that can induce the adsorption-desorption of lithium ions on the positive electrode case; A thin film including an alkali metal or an alkaline earth metal including lithium metal or a lithium alloy on a cathode case corresponding to the cathode case, wherein the lithium ions are dissolved or precipitated to induce adsorption of the lithium ions to the anode. Forming a cathode; Introducing an electrolyte between the positive electrode and the thin film negative electrode; And forming a coin-type cell by sealing and fastening the cathode case and the anode case with a gasket to form a coin cell lithium metal capacitor.

상기 박막 음극을 형성하는 단계는 상기 양극 케이스 상에 상기 박막 음극을 직접적으로 증착하는 단계를 포함할 수 있다. The forming of the thin film cathode may include directly depositing the thin film cathode on the cathode case.

상기 박막 음극을 형성하는 단계는 상기 양극 케이스 및 상기 음극 케이스 상에 삽입될 세퍼레이터를 준비하는 단계; 상기 세퍼레이터 상에 상기 박막 음극을 직접적으로 증착하는 단계; 및 상기 세퍼레이터를 상기 박막 음극이 상기 양극 케이스에 접촉되게 상기 양극 케이스 상에 도입하는 단계를 포함할 수 있다. The forming of the thin film cathode may include preparing a separator to be inserted on the cathode case and the cathode case; Depositing the thin film cathode directly on the separator; And introducing the separator onto the cathode case such that the thin film anode contacts the anode case.

상기 전해질을 도입하는 단계는 상기 양극 및 박막 음극을 액상 전해질에 함침시키는 단계; 및 상기 액상 전해질 내에 세퍼레이터를 삽입하는 단계를 포함할 수 있다. The introducing of the electrolyte may include impregnating the positive electrode and the thin film negative electrode with a liquid electrolyte; And inserting a separator into the liquid electrolyte.

상기 전해질은 상기 양극 및 박막 음극 사이에 고체 전해질 또는 겔형 전해질로 삽입될 수 있다. The electrolyte may be inserted as a solid electrolyte or a gel electrolyte between the anode and the thin film cathode.

본 발명에 따르면, 높은 전압 특성, 높은 출력 특성 및 높은 에너지 밀도를 가지는 코인 셀 리튬 메탈 커패시터 및 제조 방법을 구현할 수 있다. 리튬 금속을 박막 음극으로 적용함으로써 리튬이 가지는 낮은 환원 전위에 의해 높은 셀 전압을 구현할 수 있다. 포일(foil), 케이스 또는 세퍼레이터 자체에 리튬을 증착시켜 사용함으로써 접촉 저항을 크게 감소시킬 수 있다. 음극을 리튬과 반응성이 없는 재료에 증착시킴으로써 음극 제조 공정을 단순화시킬 수 있고, 균일한 박막으로 음극을 제조하여 국부적인 수지상석출을 억제할 수 있다. According to the present invention, a coin cell lithium metal capacitor having a high voltage characteristic, a high output characteristic, and a high energy density can be implemented. By applying lithium metal as a thin film cathode, a high cell voltage can be realized by a low reduction potential of lithium. By depositing lithium on a foil, case or separator itself, contact resistance can be greatly reduced. By depositing the negative electrode on a material that is not reactive with lithium, the negative electrode manufacturing process can be simplified, and the negative electrode can be manufactured in a uniform thin film to suppress local dendritic precipitation.

또한 리튬 금속을 박막 음극에 적용함에 따라 리튬이온 프리도핑 공정을 생략할 수 있어 공정 단계를 감소시킬 수 있고, 크기와 형태에 제약을 받지 않고 셀을 형성할 수 있다. 아울러 자기 방전이 낮고, 사용 중 안정성이 높으며, 리튬 벌크전극을 사용한 에너지 저장 장치에 비해 계면 간의 기계 및 화학적 결합이 우수하여 저항이 낮고 충방전 효율이 높다. In addition, by applying the lithium metal to the thin film anode, it is possible to omit the lithium ion pre-doping process can reduce the process step, it is possible to form a cell without being limited in size and shape. In addition, the magnetic discharge is low, the stability during use is high, and the mechanical and chemical bonding between the interface is superior to the energy storage device using the lithium bulk electrode, the resistance is low and the charge and discharge efficiency is high.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

본 발명의 실시예에 따른 코인 셀 리튬 메탈 커패시터는, 리튬 이온이 흡착 및 탈착되는 활성탄 계열의 양극과, 리튬 이온이 용해되어 전해질에 리튬 이온을 제공하는 리튬 박막의 음극을 포함하여 구성된다. 음극은 리튬 금속의 박막으로 이루어지며, 전압의 인가에 의해 리튬 이온을 전해질로 공급하거나 또는 전해질로부터 리튬 이온이 박막 상에 석출되는 기지(matrix)로 이용된다. 리튬 금속 박막의 음극으로부터 용해된 리튬 이온은 전해질로 공급되어, 전해질 내의 리튬 이온 농도 를 증가시키고, 증가된 리튬 이온 농도 구배에 의해 양극에 리튬 이온이 흡착되게 된다. 리튬 금속 박막 상에 리튬 이온이 석출됨에 따라 전해질 내의 리튬 이온 농도는 감소되고, 이에 따라, 양극에 흡착된 리튬 이온은 탈착되어 전해질 내로 환류하게 된다. 이러한 양극에서의 리튬 이온의 흡착 및 탈착에 의해 커패시터의 방전 및 충전이 이루어진다. A coin cell lithium metal capacitor according to an embodiment of the present invention includes an activated carbon-based positive electrode in which lithium ions are adsorbed and desorbed, and a negative electrode of a lithium thin film in which lithium ions are dissolved to provide lithium ions to an electrolyte. The negative electrode is made of a thin film of lithium metal, and is used as a matrix for supplying lithium ions to an electrolyte by application of a voltage or for depositing lithium ions from the electrolyte on a thin film. Lithium ions dissolved from the negative electrode of the lithium metal thin film are supplied to the electrolyte to increase the lithium ion concentration in the electrolyte, and lithium ions are adsorbed on the positive electrode by the increased lithium ion concentration gradient. As lithium ions are deposited on the lithium metal thin film, lithium ion concentration in the electrolyte is decreased, and thus lithium ions adsorbed on the positive electrode are desorbed and refluxed into the electrolyte. The adsorption and desorption of lithium ions at the anode causes discharge and charging of the capacitor.

본 발명의 실시예에 따른 리튬 메탈 커패시터는 초기 개방회로에서의 충전은 예컨대 LiPF6 전해질을 사용하는 경우, 전해질의 Li+와 PF6 -가 각각 음극에 석출, 양극에 흡착되는 거동으로 이루어지고, 개방회로 전압(OCV: Open Circuit Voltage: 예컨대 3.0V) 이하인 대략 3V 내지 2.2V 전압 범위에서 방전시, 리튬 음극에서 활성탄 양극으로의 Li+ 이온의 이동이 이루어지는 형태, 즉 Li+ 이온 단독으로 음극과 양극을 왕복하는 셔틀콕 방식으로 이온이 움직이게 된다. 즉, 개방회로 전압(OVC) 이상의 전압 범위, 예컨대, 대략 3.0V 내지 4.3V 범위에서는 전해질의 유전(또는 분리)에 의한 전형적인 커패시터의 전해질 거동을 보이고, OVC 이하의 전압 범위, 예컨대, 대략 2.2V 내지 3.0V 범위에서는 리튬이온 이차전지와 같은 형태로 전해질 상에서의 이온 거동을 보인다. In the lithium metal capacitor according to the embodiment of the present invention, the charging in the initial open circuit is performed by, for example, when Li + 6 electrolyte is used, Li + and PF 6 of the electrolyte are deposited on the cathode and adsorbed on the anode, respectively. When discharged in a voltage range of approximately 3V to 2.2V that is less than an open circuit voltage (OCV: 3.0V), Li + ions are transferred from the lithium cathode to the activated carbon anode, that is, Li + ions alone Ions move in a shuttlecock fashion that shuttles the anode. That is, in the voltage range above the open circuit voltage OVC, for example, in the range of approximately 3.0V to 4.3V, it shows the electrolyte behavior of a typical capacitor due to the dielectric (or separation) of the electrolyte, and the voltage range below OVC, for example approximately 2.2V. In the range of 3.0 to 3.0V, ionic behavior on the electrolyte is exhibited in the same form as a lithium ion secondary battery.

이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 코인 셀 리튬 메탈 커패시터 및 제조 방법을 설명한다. Hereinafter, a coin cell lithium metal capacitor and a manufacturing method according to the present invention will be described with reference to the drawings.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 리튬 메탈 커패시터를 개략적으로 나타내보인 도면들이다. 도 2 내지 도 3b는 진공 증착 장치 를 나타내보인 도면들이다. 1A to 1D are schematic views illustrating a lithium metal capacitor of an energy storage device according to an embodiment of the present invention. 2 to 3b are views showing a vacuum deposition apparatus.

도 1a을 참조하면, 리튬 메탈 커패시터는 리튬 이온(119)의 염을 포함하는 전해질(117)과, 전해질(117)에 도입되어 리튬 이온이 용해 또는 석출되는 리튬 또는 리튬 합금의 박막 음극(105)과 박막 음극(105)에 대향하게 도입되어 충방전 거동을 위해 리튬 이온이 물리적으로 흡착되거나 탈착되는 양극(100)을 포함하는 구조로 이루어진다(도 1a의 (a)참조). Referring to FIG. 1A, a lithium metal capacitor includes an electrolyte 117 including a salt of lithium ions 119 and a thin film anode 105 of lithium or lithium alloy introduced into the electrolyte 117 to dissolve or precipitate lithium ions. And a thin film cathode 105, which is opposite to the thin film cathode 105 and includes a positive electrode 100 that physically adsorbs or desorbs lithium ions for charging / discharging behavior (see FIG. 1A).

이러한 리튬 메탈 커패시터는 도 1a의(b)에 도시한 바와 같이, 양극(100) 및 박막 음극(105)에 전압을 인가하면, 박막 음극(105)으로부터 리튬 이온이 용해되면서 전해질(117) 내의 리튬 이온(119)의 농도가 증가한다. 전해질(117) 내의 리튬 이온(119)의 농도가 증가하면서 리튬 이온(119)이 양극(100) 방향으로 이동하여 양극(100)으로 흡착이 유도된다. 또한 박막 음극(105)에 리튬 이온(119)의 석출에 의해 양극(100)에 흡착된 리튬 이온(119)의 탈착이 유도되면서 커패시터의 충방전 작용이 일어난다. 이러한 리튬 이온(119)의 흡탈착 작용에 의해 양극(100)은 2.2V 내지 4.3V의 전위를 가진다. As shown in FIG. 1A (b), when a voltage is applied to the anode 100 and the thin film cathode 105, the lithium metal capacitor is dissolved in lithium ions from the thin film cathode 105, thereby forming lithium in the electrolyte 117. The concentration of ions 119 is increased. As the concentration of the lithium ions 119 in the electrolyte 117 increases, the lithium ions 119 move in the direction of the anode 100, so that adsorption is induced to the anode 100. In addition, as the lithium ions 119 are deposited on the thin film cathode 105, desorption of the lithium ions 119 adsorbed to the positive electrode 100 is induced, thereby causing the charge and discharge of the capacitor. By the adsorption and desorption action of the lithium ions 119, the anode 100 has a potential of 2.2V to 4.3V.

여기서 전해질(117)은 리튬 이온(119)의 염을 포함하는 액상 전해질 또는 폴리머 전해질을 포함한다. 예를 들어 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트 또는 메틸 에틸 카보네이트를 포함하는 카보네이트계 액상 전해질, 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), PVdF또는 PVdF-HFP를 포함하는 PVdF공중합체, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리옥소메탈레이트(POM), 폴리프로필렌옥사이드(PPO), 폴리실록산계 등의 고체 매트릭스에 가소제를 첨가하는 겔 타입의 전해질을 사용할 수 있다. 전해질은 리튬염, 금속염 또는 유기염 전해질을 사용할 수 있고, 액체 전해질, 겔타입 전해질, 고체전해질 또는 이온성 전해액과 같이 전해질의 형태에 영향을 받지 않는다. 여기서 전해질(117) 내에는 세퍼레이터(115)를 더 포함할 수 있다. In this case, the electrolyte 117 includes a liquid electrolyte or a polymer electrolyte including a salt of lithium ions 119. Carbonate based liquid electrolytes including, for example, propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate or methyl ethyl carbonate, polyethylene oxide (PEO), PVdF copolymers including PVdF or PVdF-HFP, polymethylmethacrylate (PMMA), Gel-type electrolyte which adds a plasticizer to solid matrices, such as a polyoxo metalate (POM), a polypropylene oxide (PPO), and a polysiloxane system, can be used. The electrolyte may use a lithium salt, a metal salt or an organic salt electrolyte, and is not affected by the form of the electrolyte, such as a liquid electrolyte, a gel type electrolyte, a solid electrolyte, or an ionic electrolyte. In this case, the electrolyte 117 may further include a separator 115.

박막 음극(105)은 포일(foil) 또는 집전체(120) 위에 증착되거나(도 1b 참조), 세퍼레이터(115) 표면에 증착된(도 1c 참조) 구조로 이루어진다. 구체적으로, 박막 음극(105)은 리튬 또는 리튬 합금을 포함하는 알칼리 금속 또는 알칼리토금속을 포함하며, 증착 방식으로 형성한다. 여기서 알칼리토금속은 칼슘을 포함할 수 있고, 알칼리 금속은 칼륨을 포함할 수 있다. 리튬 합금은 후속 에너지 저장 소자 제조시 리플로우(reflow) 공정에서의 음극 온도특성을 유지하기 위해 리튬과 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 칼륨(K) 및 나트륨(Na)으로 이루어진 그룹에서 선택된 재료와 합금한 리튬 합금을 이용할 수 있다. 이 경우 합금 조성비는 리튬의 함유량을 0%보다 많고 100%보다 적게 유지하는 것이 바람직하다. The thin film cathode 105 is formed on a foil or a current collector 120 (see FIG. 1B) or on a surface of the separator 115 (see FIG. 1C). Specifically, the thin film cathode 105 includes an alkali metal or an alkaline earth metal including lithium or a lithium alloy, and is formed by a deposition method. Here, the alkaline earth metal may include calcium, and the alkali metal may include potassium. The lithium alloy is selected from the group consisting of lithium and aluminum (Al), calcium (Ca), potassium (K) and sodium (Na) to maintain the cathode temperature characteristics in the reflow process in subsequent energy storage device fabrication. A lithium alloy alloyed with the material can be used. In this case, it is preferable that the alloy composition ratio keep the content of lithium more than 0% and less than 100%.

박막 음극(105)은 도 2 내지 도 3b의 증착 장비를 이용하여 물리기상증착(PVD; Physical vapor deposition) 방식 또는 화학기상증착(CVD; Chemical vapor deposition) 방식으로 증착한다. 예를 들어, 스퍼터링(sputtering)방법, 이온빔(Ion-beam)방법, 전기화학증착(EVD; Electrochemical vapor deposition)방법, 전자빔(Electron beam)방법, 열증발증착(Thermal evaporation) 및 플라즈마 스프레이(Plasma Spraying)방법 등의 그룹에서 선택한 방법을 적용하여 진행할 수 있다. The thin film cathode 105 is deposited by a physical vapor deposition (PVD) method or a chemical vapor deposition (CVD) method using the deposition apparatus of FIGS. For example, sputtering method, ion-beam method, electrochemical vapor deposition (EVD) method, electron beam method, thermal evaporation and plasma spraying You can proceed by applying the method selected from the group.

도 2의 물리기상증착방식인 열증발증착장치를 이용하는 경우, 챔버(200) 내 의 보트(205) 상에 리튬 금속박(210)을 배치하고, 보트(205)와 대향하는 챔버(200) 상부에 피증착물질(215)을 배치한다. 피증착물질(215)과 보트(205) 사이에는 셔터(220)가 배치되어 있다. 다음에 챔버(200) 내부를 진공상태로 만든 후, 리튬 금속박(210)을 가열하면 보트(205) 상에 배치된 리튬 금속박(210)으로부터 발생된 리튬 원자가 피증착물질(215)에 흡착되어 리튬 금속 박막이 형성된다. 챔버(200)는 챔버(200)에 연결된 진공 펌프(225)를 이용하여 진공 상태로 만든다. In the case of using the thermal evaporation deposition apparatus of the physical vapor deposition method of FIG. 2, the lithium metal foil 210 is disposed on the boat 205 in the chamber 200, and the upper portion of the chamber 200 facing the boat 205 is disposed. The vapor deposition material 215 is disposed. A shutter 220 is disposed between the material to be deposited 215 and the boat 205. Next, after vacuuming the inside of the chamber 200, when the lithium metal foil 210 is heated, lithium atoms generated from the lithium metal foil 210 disposed on the boat 205 are adsorbed onto the deposition target material 215 to form lithium. A metal thin film is formed. The chamber 200 is vacuumed using a vacuum pump 225 connected to the chamber 200.

또한 박막 음극(105)은 수직형 반응장치(도 3a 참조) 또는 수평형 반응장치(도 3b 참조)를 포함하는 화학기상증착장치를 이용하여 형성할 수도 있다. 예를 들어, 반응기(230) 내의 서셉터(235) 상에 피증착물질(S)을 배치하고, 반응기(230) 내에 리튬계 반응 가스를 공급한다. 리튬계 반응 가스를 공급하여 피증착물질(S) 상에 리튬 금속 박막을 증착한다. 반응 가스를 공급하는 동안 반응기(230) 내부의 피증착물질(S)은 저항 가열원(240)으로부터 가열된다. 그러면 공급된 반응 가스는 높은 온도로 가열된 피증착물질 근처에서 열분해되거나 반응 가스 간에 화학적 반응을 일으켜 리튬 물질이 피증착물질(S) 위에 흡착되어 리튬 금속 박막을 형성한다. 반응 후 부산물 또는 미반응물질은 배기구를 통해 외부로 배출된다. 물리기상증착방식 또는 화학기상증착방식을 통하여 형성된 박막 음극(105)은 단층 및 다층 구조로 형성할 수 있어 음극의 두께를 두껍거나 얇게 제어할 수 있다. In addition, the thin film cathode 105 may be formed using a chemical vapor deposition apparatus including a vertical reactor (see FIG. 3A) or a horizontal reactor (see FIG. 3B). For example, the deposition material S is disposed on the susceptor 235 in the reactor 230, and a lithium-based reaction gas is supplied into the reactor 230. A lithium-based reaction gas is supplied to deposit a lithium metal thin film on the material to be deposited (S). During the supply of the reaction gas, the deposition material S inside the reactor 230 is heated from the resistance heating source 240. Then, the supplied reaction gas is pyrolyzed near the deposition material heated to a high temperature or chemical reaction occurs between the reaction gases, so that lithium material is adsorbed onto the deposition material S to form a lithium metal thin film. After the reaction, by-products or unreacted substances are discharged to the outside through the exhaust port. The thin film cathode 105 formed through the physical vapor deposition method or the chemical vapor deposition method may be formed in a single layer and a multi-layer structure to control the thickness of the cathode to be thick or thin.

본 발명의 박막 음극(105)은 세퍼레이터(115), 집전체(120) 또는 알루미늄 및 스테인레스 스틸(SUS)의 케이스를 피증착물질로 하여 증착할 수도 있다. 예를 들어, 다시 도 1b를 참조하면, 집전체(120) 표면에 박막 음극(105)을 증착하여 형 성할 수 있다. 여기서 집전체(120)는 리튬과의 반응성이 없는 구리(Cu) 또는 니켈(Ni)을 포함하며, 박막 음극(105)은 집전체(120)의 단면 또는 양면에 증착한다. 리튬과 반응성이 없는 구리 또는 니켈 상에 박막 음극(105)을 형성하는 경우, 균일하고 단순하게 형성할 수 있다. 아울러 코인형 셀을 구성하는 경우에는 서스(SUS) 재질의 케이스에 직접 증착할 수도 있다. 이에 대한 구체적인 실시예는 추후 설명하기로 한다. The thin film cathode 105 of the present invention may be deposited by using the separator 115, the current collector 120, or a case of aluminum and stainless steel (SUS) as deposition materials. For example, referring back to FIG. 1B, the thin film cathode 105 may be formed by depositing the thin film cathode 105 on the surface of the current collector 120. Here, the current collector 120 includes copper (Cu) or nickel (Ni), which is not reactive with lithium, and the thin film cathode 105 is deposited on one or both surfaces of the current collector 120. When the thin film cathode 105 is formed on copper or nickel which is not reactive with lithium, it may be formed uniformly and simply. In addition, when forming a coin-type cell may be deposited directly on the case (SUS) material. Specific embodiments thereof will be described later.

또한 도 1c에 도시한 바와 같이, 세퍼레이터(115)의 한쪽 면에 리튬 또는 리튬합금 금속을 포함하는 알칼리 금속이나 알칼리토금속을 이온 소스를 공급하면서 박막 음극(105)을 증착할 수 있다. 여기서 세퍼레이터(115)는 다공성 폴리머 필름 또는 다공성 부직포를 포함한다. 아울러 세퍼레이터(115)로 도 1d에 도시한 바와 같이, 고상의 고체 전해질(125)을 사용할 수도 있다. In addition, as illustrated in FIG. 1C, the thin film cathode 105 may be deposited on one surface of the separator 115 while supplying an ion source of an alkali metal or alkaline earth metal including lithium or a lithium alloy metal. Here, the separator 115 includes a porous polymer film or a porous nonwoven fabric. In addition, as the separator 115, as shown in FIG. 1D, a solid solid electrolyte 125 may be used.

도 1a 내지 도 1d의 본 발명의 리튬 메탈 커패시터는 코인(coin) 셀 구조로 유효하게 구현될 수 있다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 코인 셀을 구성하기 위해 양극 케이스(300) 상에 리튬 이온의 흡탈착을 유도할 수 있는 양극(305)을 형성한다. 다음에 음극 케이스(315) 상에 리튬 또는 리튬합금을 포함하는 알칼리 금속 또는 알칼리토금속을 포함하고, 용해 및 석출 반응으로 리튬이 양극(305)으로 이동하는 박막 음극(310)을 형성한다. 박막 음극(310)은 진공 증착 방식으로 수㎛ 내지 수십㎛의 두께로 형성하며, 바람직하게는 2㎛ 내지 10㎛의 두께로 형성한다. 박막 음극(310)의 두께를 10㎛ 이하의 두께로 형성하면, 에너지밀도를 향상시키고, 리튬 의 수지상석출을 억제하면서 음극의 출력을 증가시킬 수 있다. 계속해서 양극(305)과 박막 음극(310) 사이에 세퍼레이터(320)를 배치하고, 양극 케이스(300)와 음극 케이스(315)에 의해 제공되는 내부 공간(330)을 가스킷(325)으로 밀봉하며 체결하여 코인형 셀을 구성한다. The lithium metal capacitor of the present invention of FIGS. 1A to 1D may be effectively implemented in a coin cell structure. 4A and 4B, to form a coin cell, a positive electrode 305 may be formed on the positive electrode case 300 to induce adsorption and desorption of lithium ions. Next, on the negative electrode case 315, an alkali metal or alkaline earth metal including lithium or a lithium alloy is included, and a thin film negative electrode 310 in which lithium moves to the positive electrode 305 by dissolution and precipitation reaction is formed. The thin film cathode 310 is formed to a thickness of several micrometers to several tens of micrometers by vacuum deposition, and is preferably formed to a thickness of 2 micrometers to 10 micrometers. When the thickness of the thin film anode 310 is formed to a thickness of 10 μm or less, the energy density can be improved, and the output of the cathode can be increased while suppressing dendritic precipitation of lithium. Subsequently, the separator 320 is disposed between the anode 305 and the thin film cathode 310, and the inner space 330 provided by the cathode case 300 and the cathode case 315 is sealed with a gasket 325. It is fastened to construct a coin cell.

여기서 박막 음극(310)은 리튬 또는 리튬합금을 포함하는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 이온 소스로 공급하면서 물리기상증착방법 또는 화학기상증착방법으로 서스(SUS)를 포함하는 음극 케이스(315) 위에 증착할 수 있다. 여기서 리튬합금은 후속 공정에서 진행할 고온의 리플로우 공정에서 음극(310)의 온도 특성을 유지하기 위하여 리튬과 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 칼륨(K) 및 소듐(Na)으로 이루어진 그룹에서 선택된 재료와 합금하며, 합금 조성비는 리튬의 함유량을 0%보다 많고, 100%보다 작게 하는 것이 바람직하다. The thin film cathode 310 may be deposited on the cathode case 315 including sus (SUS) by physical vapor deposition or chemical vapor deposition while supplying an alkali or alkaline earth metal including lithium or lithium alloy to an ion source. Can be. In this case, the lithium alloy is selected from the group consisting of lithium and aluminum (Al), calcium (Ca), potassium (K) and sodium (Na) in order to maintain the temperature characteristics of the cathode 310 in the high temperature reflow process to be performed in a subsequent process. Alloying with the selected material, the alloy composition ratio is preferably made the content of lithium more than 0%, less than 100%.

한편, 박막 음극(310)은 세퍼레이터(320) 표면에 물리적기상증착방법 또는 화학적기상증착방법으로 증착하여 세퍼레이터 일체형으로 형성할 수도 있다. 이와 같이 박막 음극(310)을 음극 케이스(315) 표면 또는 세퍼레이터(320) 표면 위에 증착하는 경우, 양극(305)만의 조립으로 셀을 완성할 수 있어 셀의 크기를 감소시킴으로써 단가를 감소시킬 수 있다. Meanwhile, the thin film cathode 310 may be formed on the surface of the separator 320 by physical vapor deposition or chemical vapor deposition to form a separator. When the thin film cathode 310 is deposited on the surface of the cathode case 315 or the separator 320, the cell may be completed by assembling only the anode 305, thereby reducing the unit cost by reducing the size of the cell. .

세퍼레이터(320)는 양극(305) 및 박막 음극(310)을 액체 전해질로 함침시키고, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌을 포함하는 단층 또는 다층 구조의 폴리올레핀계 재료 또는 펄프지를 포함하는 세퍼레이터(320)를 삽입하여 양극(305) 및 박막 음극(310)을 대향시킬 수 있다. 한편, 세퍼레이터(320) 대신에 고체 전해질을 이용 하여 형성할 수도 있다. 구체적으로, 양극(305) 및 박막 음극(310) 사이에 세퍼레이터(320)의 위치에 겔(gel) 타입의 고체전해질을 배치할 수도 있다. The separator 320 impregnates the anode 305 and the thin film cathode 310 with a liquid electrolyte, and inserts the separator 320 including a polyolefin-based material or pulp paper having a single layer or multilayer structure including polyethylene or polypropylene. 305 and the thin film cathode 310 may be opposed to each other. Alternatively, the solid electrolyte may be formed in place of the separator 320. Specifically, a gel type solid electrolyte may be disposed between the anode 305 and the thin film cathode 310 at the position of the separator 320.

고체전해질은 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), PVdF또는 PVdF-HFP를 포함하는 PVdF공중합체, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리옥소메탈레이트(POM), 폴리프로필렌옥사이드(PPO), 폴리실록산계 등의 고체 매트릭스에 가소제를 첨가하는 겔 타입의 전해질을 사용할 수 있다. 전해질은 리튬염, 금속염 또는 유기염 전해질을 사용할 수 있고, 액체 전해질, 겔타입 전해질, 고체전해질 또는 이온성 전해액과 같이 전해질의 형태에 영향을 받지 않는다. Solid electrolyte is solid such as polyethylene oxide (PEO), PVdF copolymer including PVdF or PVdF-HFP, polymethyl methacrylate (PMMA), polyoxometallate (POM), polypropylene oxide (PPO), polysiloxane Gel-type electrolytes in which plasticizers are added to the matrix can be used. The electrolyte may use a lithium salt, a metal salt or an organic salt electrolyte, and is not affected by the form of the electrolyte, such as a liquid electrolyte, a gel type electrolyte, a solid electrolyte, or an ionic electrolyte.

한편, 증착 방식으로 형성된 박막 음극(310)은 수㎛ 내지 수십㎛의 두께로 증착하며, 바람직하게는 2㎛ 내지 10㎛의 두께로 증착한다. 이와 같이, 박막 음극(310)을 수㎛ 내지 수십㎛의 두께로 증착하면, 균일한 박막 표면을 구현할 수 있다. 리튬을 벌크로 사용하게 되면 리튬에 의한 수지상성장(dendrite)이 형성되고, 수지상성장에 의한 내부 단락으로 폭발 및 발화와 같은 안정성의 문제가 발생하게 된다. 이에 대해 본 발명에 의한 리튬 메탈 커패시터는 수㎛ 내지 수십㎛의 박막 음극(310)으로 균일한 박막 표면을 구현함으로써, 낮은 두께가 유지되므로 박막 표면에서 리튬의 수지상성장의 성장을 억제할 수 있어 커패시터의 안정성을 향상시킬 수 있다. 박막 음극(310)은 실험적으로 1㎛ 내지 10㎛ 미만의 두께로 형성될 때, 리튬의 수지상성장이 억제될 수 있다. Meanwhile, the thin film cathode 310 formed by the deposition method is deposited to a thickness of several μm to several tens of μm, and preferably to a thickness of 2 μm to 10 μm. As such, when the thin film cathode 310 is deposited to a thickness of several μm to several tens of μm, a uniform thin film surface may be realized. When lithium is used in bulk, dendrite is formed by lithium, and stability problems such as explosion and ignition occur due to internal short circuit caused by dendritic growth. In contrast, the lithium metal capacitor according to the present invention realizes a uniform thin film surface by using a thin film cathode 310 having a few μm to several tens of μm, and thus maintains a low thickness, thereby suppressing the growth of dendritic growth of lithium on the thin film surface. It can improve the stability. When the thin film anode 310 is experimentally formed to a thickness of less than 1 μm to 10 μm, dendritic growth of lithium may be suppressed.

또한 리튬 금속을 박막 음극(310)에 적용함으로써 공정 단계를 감소시키고, 음극 형상에 대한 제한이 없으면서 음극 자체에 대한 특성을 향상시킨다. 예를 들 어, 리튬 이온 커패시터는 양극에 활성탄을 적용하고, 음극에 흑연계 및 비정질 탄소를 사용한 리튬 이온 커패시터로 기존 2.7V이하의 내전압에서 3.8V~4.0V로 내전압의 증가와 비에너지밀도의 증가를 구현할 수 있는 것으로 예상된다. 그러나 음극 재료인 흑연 내부로 리튬 이온의 인터칼레이션(intercalation) 및 디인터칼레이션(deintercalation) 작용을 유발하기 위해 리튬 프리도핑(predoping) 공정이 선행되어야 하므로 생산 공정이 증가하고, 충방전 작용에 있어서도 안정성이 저하되는 문제가 있다. 이에 비해 본 발명에 의한 리튬 메탈 커패시터는 음극에 리튬 금속을 적용함으로써 리튬 프리도핑 공정을 생략할 수 있기 때문에 생산 공정을 단순화시킬 수 있다. 또한 본 발명에 의한 리튬 메탈 커패시터는 4V 내지 4.3V의 내전압을 구현하여 리튬 이온 커패시터보다 향상된 내전압 특성을 갖는다. In addition, by applying lithium metal to the thin film anode 310, the process step is reduced, and there is no limitation on the shape of the cathode, thereby improving the characteristics of the cathode itself. For example, a lithium ion capacitor is a lithium ion capacitor that uses activated carbon at the positive electrode, and graphite-based and amorphous carbon at the negative electrode. It is expected that the increase can be implemented. However, since the lithium predoping process must be preceded to cause intercalation and deintercalation of lithium ions into the graphite material, which is a negative electrode material, the production process is increased and the charge and discharge action is increased. Even if there is a problem that the stability is lowered. In contrast, the lithium metal capacitor according to the present invention can simplify the production process because the lithium pre-doping process can be omitted by applying lithium metal to the negative electrode. In addition, the lithium metal capacitor according to the present invention implements a withstand voltage of 4V to 4.3V has improved withstand voltage characteristics than the lithium ion capacitor.

아울러 리튬 이온 커패시터의 경우, 흑연을 음극 재료로 사용함으로 카보네이트계 전해액 중 가장 낮은 점도와 높은 유전율 특성을 보이는 프로필렌카보네이트(PC)를 사용하는데 제한이 있었다. 그러나 본 발명의 리튬 메탈 커패시터는 음극 재료로 리튬 금속을 사용함에 따라 프로필렌카보네이트를 사용할 수 있다. In addition, in the case of a lithium ion capacitor, there was a limitation in using propylene carbonate (PC) having the lowest viscosity and high dielectric constant characteristics among carbonate electrolytes by using graphite as a negative electrode material. However, the lithium metal capacitor of the present invention may use propylene carbonate as lithium metal is used as the negative electrode material.

이렇게 형성된 리튬으로 형성된 박막 음극(310)은 활성탄을 포함하는 양극(305)의 전위는 유지하면서 모든 금속 가운데 가장 낮은 환원전위를 가지는 리튬에 의해 셀의 전체 전위가 증가한다. 예를 들어 본 발명의 리튬 메탈 커패시터는 충방전시 양극과 음극의 전위차에 의해 형성된 4.3V급의 전위 특성을 가진다. 이에 의해 계산되는 에너지밀도는 1/2*CV2의 공식에 의해 전압이 향상되어 기존 2.7V급에 비해 2배 이상의 에너지밀도 향상을 얻을 수 있다. 또한 비용량이 3861mAh/g인 리튬과 비용량이 50mAh/g 내지 70mAh/g인 활성탄 양극의 용량 밸런싱을 통하여 음극의 두께를 비약적으로 얇게 만드는 것이 가능하여 실제 셀의 전극부피의 대부분을 양극으로 채울 수 있어 셀의 크기를 소형화시킬 수 있다. 이에 따라 셀 형상에 구애받지 않고, 코인형 외에 칩형, 원통형 또는 파우치형으로 형성할 수 있다. The thin film anode 310 formed of lithium thus formed increases the total potential of the cell by lithium having the lowest reduction potential among all metals while maintaining the potential of the anode 305 including activated carbon. For example, the lithium metal capacitor of the present invention has a 4.3 V-class potential characteristic formed by the potential difference between the positive electrode and the negative electrode during charge and discharge. The energy density calculated by this is the voltage is improved by the formula of 1/2 * CV 2 can be obtained more than twice the energy density improvement compared to the existing 2.7V class. In addition, it is possible to make the thickness of the cathode remarkably thin through the capacity balancing of lithium having a specific capacity of 3861 mAh / g and an activated carbon anode having a specific capacity of 50 mAh / g to 70 mAh / g, so that most of the electrode volume of the actual cell can be filled with the positive electrode. The size of the cell can be reduced. Thereby, regardless of the cell shape, it can be formed in a chip shape, a cylindrical shape, or a pouch type in addition to the coin shape.

또한 대칭형 전극을 갖는 전기이중층커패시터(EDLC)의 정전용량은 Ctotal=1/2C+=1/2C-이다. 이에 대해 본 발명의 리튬 메탈 커패시터는 비용량이 매우 크고 평탄전위를 갖는 리튬을 음극에 적용함에 따라 정전용량은 Ctotal=C+ 가 되므로 기존 전기이중층커패시터(EDLC)의 정전용량에 대해 2배 향상된 정전용량 값을 갖는다. 이와 같이 전기이중층커패시터보다 향상된 정전용량 값을 가지면서 전기이중층커패시터의 문제점은 개선할 수 있다. 예를 들어, 전기이중층커패시터의 음극은 비표면적이 큰 다공성 활성탄을 사용하여 이온의 흡탈착을 유도하여 용량을 발휘한다. 이 경우 음극은 바인더가 필요하며, 고전압에서 바인더가 열화됨에 따라 수명이 저하되고 저항이 증가하는 문제가 발생한다. 그러나 본 발명의 리튬 메탈 커패시터는 리튬 금속을 음극으로 증착함에 따라 바인더를 사용하지 않으므로 이러한 문제 발생을 방지할 수 있다. In addition, the capacitance of the electric double layer capacitor (EDLC) having a symmetrical electrode is C total = 1 / 2C + = 1 / 2C - a. On the other hand, the lithium metal capacitor of the present invention has a very high specific capacity and the capacitance becomes C total = C + according to the application of lithium having a flat potential to the cathode, so the capacitance of the conventional double layer capacitor (EDLC) is improved by 2 times. Has a capacity value. Thus, the problem of the electric double layer capacitor can be improved while having an improved capacitance value than the electric double layer capacitor. For example, the cathode of an electric double layer capacitor exhibits capacity by inducing adsorption and desorption of ions using porous activated carbon having a large specific surface area. In this case, the negative electrode needs a binder, and as the binder deteriorates at a high voltage, a lifespan decreases and a resistance increases. However, since the lithium metal capacitor of the present invention does not use a binder by depositing lithium metal as a cathode, such a problem may be prevented.

다음에 양극(305)은 금속 이온이 흡착되거나 탈착되는 표면적을 100m2/g 내지 3000m2/g으로 증가시킨 활성탄, 표면적이 100m2/g 이하인 비다공성 활성탄 또는 탄소나노튜브를 포함한다. 여기서 비다공성 활성탄은 100m2/g 이하의 비표면적을 가지고 탄소의 결정입계의 결함과 결함에 형성된 탄소구조 육각망면층의 가장자리에 의해 용량발현을 한다. 이 경우 활성탄은 페놀계, 야자수계 또는 콜타르 피치계의 저온처리 탄소재료, 탄소계 재료, 흑연계 재료, 무정형 탄소계 재료, 탄소나노튜브, 석유계 또는 석탄계의 탄소재료에 대해 부활공정을 거친 활성탄을 포함할 수 있다. 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(SWNT; Single- wall NanoTube), 다중벽 탄소나노튜브(MWNT; Multi-wall Nanotube) 또는 이중벽 탄소나노튜브(DWNT; Dual-wall Nanotube)를 포함한다. 또한 양극(305)은 탄소나노튜브의 입자 지름 또는 탄소나노튜브 사이의 층을 이온의 흡장구조로 가져가는 탄소재료 또는 도전성 고분자 및 그 혼합체를 기본 구조로 하여 이온의 흡장을 유도할 수 있는 활물질 재료를 포함할 수 있다. Next, the anode 305 includes activated carbon having a surface area from which metal ions are adsorbed or desorbed from 100 m 2 / g to 3000 m 2 / g, non-porous activated carbon or carbon nanotube having a surface area of 100 m 2 / g or less. Here, the non-porous activated carbon has a specific surface area of 100 m 2 / g or less and exhibits capacitive expression by defects in the grain boundaries of carbon and by the edges of the hexagonal mesh layer formed on the defects. In this case, the activated carbon is activated carbon that has been reactivated for phenol, palm or coal tar pitch carbon material, carbon material, graphite material, amorphous carbon material, carbon nanotube, petroleum or coal carbon material. It may include. Carbon nanotubes include single-walled carbon nanotubes (SWNT; Single-wall NanoTube), multi-walled carbon nanotubes (MWNT; Multi-wall Nanotube) or double-walled carbon nanotubes (DWNT). In addition, the anode 305 is an active material material capable of inducing ions by using a carbon material or a conductive polymer and a mixture thereof having a particle diameter of carbon nanotubes or a layer between the carbon nanotubes as an ion storage structure. It may include.

이러한 양극(305)은 시트(sheet) 상에 접착하거나 슬러리의 코팅 방식을 이용하여 알루미늄 호일(Al foil) 또는 메쉬(mesh) 타입의 집전체 상에 상술한 재료 가운데 선택한 양극 활물질이 코팅 또는 압착된 형태로 제작된다. 집전체 상에 형성하는 경우, 양극 활물질의 중량비로 50% 내지 100%, 카본블랙계 도전재의 중량비로 0% 내지 30%, 그리고 전극의 결착과 형성에 관여하는 고분자 바인더의 중량비로 0% 내지 30%의 비율을 가지게 조절하는 것이 바람직하다. The positive electrode 305 is adhered onto a sheet or coated with a positive electrode active material selected from the above materials on an aluminum foil or a mesh type current collector by using a slurry coating method. It is produced in the form. When formed on the current collector, 50% to 100% by weight of the positive electrode active material, 0% to 30% by weight of carbon black-based conductive material, and 0% to 30 by weight of polymer binder involved in binding and formation of the electrode It is desirable to adjust the ratio to%.

전해질(도 1a의 117) 내에 포함되고, 양극(100, 305) 및 음극(105, 310) 사이에 삽입된 세퍼레이터(115, 320)는 다공성 폴리머 필름 또는 다공성 부직포를 포 함한다. 예를 들어, 세퍼레이터(115, 320)는 두께 5㎛ 내지 50㎛를 가지고, 0.03㎛ 내지 1㎛의 기공 크기를 가지며 20% 내지 60%기공도를 갖는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌을 포함하는 단층 또는 다층 구조의 폴리올레핀계 세퍼레이터 및 펄프지를 포함한다. 또한 가교된 폴리불화비닐리덴 또는 가교된 폴리불화비닐리덴(PVdF)을 함유하는 공중합체, 아크릴로니트릴계 수지제 다공질막, 불화비닐리덴-헥사플루오르 프로필렌(PVdF-HFP) 공중합체, 폴리올레핀계 수지를 주체로 한 재료에 양이온교환수지를 첨가한 물질, 파라배향 방향족 폴리아미드인 파라아미드폴리머계 다공질 필름, 내열성함질소방향중합체 및 세라믹분말을함유한 물질, 어택틱 폴리프로필렌을 함유하는 폴리올레핀 수지를 필수성분으로 하는 다공필름, 저분자량 폴리에틸렌과 고융점 폴리머를 함유하는 조성물, 폴리 페닐렌 설파이드 부직포, 친수성 폴리올레핀 미다공막 및 알카리 금속을 함유하는 폴리비닐알콜과 폴리올레핀으로부터 용융 방사한 섬유로 이루어진 그룹에서 선택한 재료를 포함할 수 있다. The separators 115 and 320 contained in the electrolyte (117 of FIG. 1A) and inserted between the anodes 100 and 305 and the cathodes 105 and 310 include a porous polymer film or a porous nonwoven fabric. For example, the separators 115 and 320 have a thickness of 5 μm to 50 μm, a pore size of 0.03 μm to 1 μm, and a single layer or multilayer structure including polyethylene or polypropylene having 20% to 60% porosity. Polyolefin separator and pulp paper. Furthermore, a copolymer containing crosslinked polyvinylidene fluoride or crosslinked polyvinylidene fluoride (PVdF), a porous membrane made of acrylonitrile resin, a vinylidene fluoride hexafluoropropylene (PVdF-HFP) copolymer, and a polyolefin resin Materials containing cation exchange resins, paraamide polymer-based porous films, para-aromatic polyamides, materials containing heat-resistant nitrogenous aromatic polymers and ceramic powders, and polyolefin resins containing atactic polypropylene. Selected from the group consisting of a porous film as an essential component, a composition containing a low molecular weight polyethylene and a high melting point polymer, a polyphenylene sulfide nonwoven fabric, a hydrophilic polyolefin microporous membrane and a fiber melt-spun from polyvinyl alcohol and polyolefin containing an alkali metal Material may be included.

이와 같이, 본 발명의 활성탄을 포함하는 양극 및 리튬 또는 리튬합금을 포함하는 박막 음극을 적용한 코인 셀 리튬 메탈 커패시터는 다음과 같은 특징이 있다. As described above, the coin cell lithium metal capacitor to which the positive electrode including the activated carbon of the present invention and the thin film negative electrode including the lithium or the lithium alloy are applied has the following characteristics.

먼저, 양극은 음극 전위 대비 개방회로에서 3.0V 내지 3.3V의 높은 전압 값을 가지며, 커패시터 형성후 충전시에는 4.3V까지 안정한 전압 곡선을 나타낸다. 본 발명에 의한 리튬 메탈 커패시터의 전압용량을 측정한 데이터를 나타내보인 도 5을 참조하면, 2V 내지 4V영역에서 10mV/sec의 스캔율(scan rate)로 순환전압전류법으로 안정적인 전기이중층 용량발현 거동이 나타나며, 활성탄에 대한 물리적 흡, 탈착이 일어남을 확인할 수 있다. 전위에 따라 3V 부근에서 미약한 수평선의 변곡점이 생기는 부분은 3V 이하의 전위에서 양극으로의 리튬(Li+) 이온의 흡탈착 거동과 3V 이후의 전위에서의 음이온거동이 분리되어 나타나는 현상으로 볼 수 있다. 이러한 전압값은 슈퍼 커패시터의 2.7V 내지 2.8V의 한계 전압치보다 1V 이상 높은 수치이다. 이에 따라 대부분의 커패시터가 리튬이차전지와 조합한 전원계에서 사용시, 전압강하 회로를 형성하거나 2셀 이상의 직렬모듈로 사용하여야 하지만, 본 발명의 리튬 메탈 커패시터는 단일 셀로 구현할 수 있다. 따라서 소형의 셀 구조로 형성할 수 있다. First, the anode has a high voltage value of 3.0V to 3.3V in the open circuit compared to the cathode potential, and shows a stable voltage curve up to 4.3V during charging after capacitor formation. Referring to Figure 5 showing the data measured the voltage capacity of the lithium metal capacitor according to the present invention, stable electric double layer capacity expression behavior by the cyclic voltammetry at a scan rate of 10mV / sec in the 2V to 4V region This appears, it can be confirmed that the physical adsorption, desorption of activated carbon occurs. The weak point of horizontal inflection point around 3V depending on the potential can be seen as the phenomenon that the adsorption and desorption behavior of lithium (Li +) ions to the anode at the potential of 3V or less and the anion behavior at the potential after 3V are separated. . This voltage value is 1V or more higher than the threshold voltage of 2.7V to 2.8V of the supercapacitor. Accordingly, when most capacitors are used in a power system combined with a lithium secondary battery, a voltage drop circuit should be formed or used as a series module of two cells or more, but the lithium metal capacitor of the present invention can be implemented as a single cell. Therefore, a small cell structure can be formed.

다음에 본 발명의 리튬 메탈 커패시터는 높은 에너지 밀도를 갖는다. 리튬은 비용량이 3861mAh/g이고, 활성탄은 3.0V 내지 4.2V 영역에서 약 50~70mAh/g의 중량당 비용량을 가진다. 음극이 실질적으로 리튬으로 이루어지므로, 활성탄 등에 혼입에 의한 비용량의 감소를 억제할 수 있어, 리튬의 상당히 큰 비용량을 직접적으로 이용하여 에너지 밀도의 증가 및 정전용량의 증가에 기여하도록 할 수 있다. 즉, 음극의 용량(C-)이 양극(C+)에 대비해 상당히 크다고 볼 수 있고, 셀 전체의 정전용량(Ctotal)은 1/Ctotal=1/C+ + 1/C- 식에 의해 C+ 라고 볼 수 있다. Next, the lithium metal capacitor of the present invention has a high energy density. Lithium has a specific capacity of 3861 mAh / g and activated carbon has a specific capacity of about 50 to 70 mAh / g in the 3.0 V to 4.2 V range. Since the negative electrode is substantially made of lithium, it is possible to suppress a decrease in specific amount due to incorporation into activated carbon, so that a significant large specific amount of lithium can be directly used to contribute to an increase in energy density and an increase in capacitance. . That is, the capacity (C-) of the cathode is considerably larger than that of the anode (C +), and the capacitance (Ctotal) of the entire cell is C + by the formula 1 / Ctotal = 1 / C + + 1 / C-. have.

이에 따라 양극 및 음극 모두 활성탄을 적용하는 전기이중층커패시터의 셀 전체 정전용량(Ctotal)이 1/2C가 되는데 반해, 본 발명의 리튬 메탈 커패시터는 두 배의 용량을 가진다고 볼 수 있다. 또한 큰 비용량 차이에 의하여 양극이 음극에 비하여 55배 내지 75배 두껍게 형성되는 음극/양극 비율(N/P Ratio)을 극대화하여 양극의 비율이 높아짐에 따라 2배에 가까운 정전용량 값을 얻을 수 있다. 따라 서 본 발명의 리튬 메탈 커패시터는 전기이중층캐패시터(EDLC)에 비해 4배의 정전용량 값을 얻을 수 있으며, 에너지 밀도 식(E=1/2*CV2)에 의하여 약 8배에 가까운 에너지밀도를 가진다. Accordingly, the total cell capacitance (Ctotal) of the electric double layer capacitor applying activated carbon to both the positive electrode and the negative electrode becomes 1 / 2C, whereas the lithium metal capacitor of the present invention has twice the capacity. In addition, by maximizing the cathode / anode ratio (N / P Ratio) in which the anode is formed 55 to 75 times thicker than the cathode due to the large specific capacity difference, the capacitance value is nearly doubled as the ratio of the anode increases. have. Therefore, the lithium metal capacitor of the present invention can obtain a capacitance value four times higher than that of an electric double layer capacitor (EDLC), and the energy density of about 8 times is approximated by an energy density equation (E = 1/2 * CV 2 ). Has

이와 같이 높은 정전용량 값을 가지면서 리튬 메탈 커패시터는 용량 유지능력이 우수하다. 본 발명에 의한 리튬 메탈 커패시터의 용량유지율을 측정한 데이터를 나타내보인 도 6을 참조하면, 리튬 메탈 커패시터를 1000사이클까지 동작시키는 경우에도 용량저하 현상이 거의 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다. As described above, lithium metal capacitors have a high capacity retention capability. Referring to FIG. 6, which shows data of measuring capacity retention ratio of a lithium metal capacitor according to an exemplary embodiment of the present invention, even when the lithium metal capacitor is operated up to 1000 cycles, it may be confirmed that a capacity reduction phenomenon hardly occurs.

계속해서 본 발명의 리튬 메탈 커패시터는 저저항 특성을 갖는다. 전기이중층캐패시터(EDLC)는 양극 및 음극 모두 결합제 및 결착제로 고분자 바인더가 사용되며 이는 곧 저항으로 작용하였다. 또한 양극 및 음극의 활물질인 활성탄은 무수한 기공의 발달로 소재 자체가 가지는 전자전도도의 저하를 가져오게 된다. 이에 대해 본 발명의 리튬 메탈 커패시터는 음극에 바인더를 사용하지 않고, 음극 재료로 리튬 또는 리튬합금을 포함하는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 적용하면서 케이스나 세퍼레이터 자체에 금속 이온을 증착시켜 사용하므로 접촉저항이 크게 감소한다. 또한 전극의 박막화를 통해 음극의 층을 얇게 형성함으로써 횡축방향으로 전기 저항을 낮출 수 있다. 박막기술은 화합물의 표면을 깨끗하게 유지하게 하여 계면 저항을 감소시키는 전극-전해질 계면의 접착을 증진시킬 수 있고 리튬과 같은 알칼리 금속의 박막 증착이 용이하다. Subsequently, the lithium metal capacitor of the present invention has a low resistance characteristic. In EDLC, a polymer binder is used as a binder and a binder for both the positive electrode and the negative electrode, which acted as a resistance. In addition, activated carbon, which is an active material of a positive electrode and a negative electrode, causes a decrease in electron conductivity of the material itself due to the development of countless pores. On the other hand, the lithium metal capacitor of the present invention does not use a binder for the negative electrode, and uses an alkali metal or alkaline earth metal containing lithium or lithium alloy as the negative electrode material and deposits metal ions on the case or the separator itself. Greatly decreases. In addition, it is possible to lower the electrical resistance in the horizontal axis direction by forming a thin layer of the cathode through the thinning of the electrode. Thin film technology can promote adhesion of the electrode-electrolyte interface, which keeps the surface of the compound clean, thereby reducing the interface resistance, and facilitates the deposition of thin films of alkali metals such as lithium.

다음에 본 발명에 의한 리튬 메탈 커패시터는 제작 공정을 단순화시킬 수 있 다. 예를 들어, 전기이중층 캐패시터(EDLC)는 음극 및 양극 모두 바인더, 도전재, 활물질의 혼합 슬러리 또는 고점도 페이스트에 의한 코팅 및 시트상 전극을 접착하는 공정으로 전극을 형성하여 제조 공정이 복잡하다. 이에 대해 본 발명은 음극을 리튬과 반응성이 없는 구리 또는 니켈을 이용하여 대단위의 정량화된 증착방식으로 형성할 수 있어 균일한 박막을 형성하면서도 간단하게 형성할 수 있다. 또한 리튬 금속을 적용함에 따라, 리튬 이온 커패시터와 같이 흑연 내부로의 리튬이온의 인터칼레이션을 유발하는 리튬이온프리도핑 공정이 생략되므로 공정비용이 낮아지며 공정 단계가 감소함에 따라 대량생산에 유리하고, 크기와 형태의 제약을 받지 않아 중대형 커패시터뿐만 아니라 소형 커패시터의 생산도 가능하다. 또한, 본 발명의 리튬 메탈 커패시터는 코인(coin)형 셀 구조나 칩(chip) 또는 파우치(pouch)형 셀 구조로 형성될 수 있다. Next, the lithium metal capacitor according to the present invention can simplify the manufacturing process. For example, an electric double layer capacitor (EDLC) is a process in which both the negative electrode and the positive electrode are coated with a binder, a conductive material, a mixed slurry of an active material or a high viscosity paste, and a sheet-shaped electrode is bonded to form an electrode. On the other hand, the present invention can be formed by a large-scale quantitative deposition method using a copper or nickel that is not reactive with lithium, it is possible to simply form a uniform thin film. In addition, as the lithium metal is applied, the lithium ion pre-doping process, which causes intercalation of lithium ions into the graphite, such as a lithium ion capacitor, is omitted, thereby lowering the process cost and advantageous for mass production as the process step is reduced. Because of its size and shape constraints, it is possible to produce not only medium and large capacitors but also small capacitors. In addition, the lithium metal capacitor of the present invention may be formed in a coin cell structure, a chip or a pouch cell structure.

본 발명의 실시예에 의한 리튬 메탈 커패시터의 에너지밀도, 출력밀도 및 전압을 슈퍼 커패시터, 리튬 이온 커패시터 및 리튬이온전지와 비교한 결과를 표 1에 나타내었다. Table 1 shows the results of comparing the energy density, output density and voltage of the lithium metal capacitor according to the embodiment of the present invention with the super capacitor, the lithium ion capacitor, and the lithium ion battery.

구분division 슈퍼 커패시터 Super capacitor 리튬 이온 커패시터 Lithium ion capacitor 리튬 이온 전지 Lithium ion battery 리튬 메탈 커패시터 Lithium metal capacitors 적용 크기Applicable size 소형 - 대형  Small to large 중대형 이상  Medium to Large 소형 - 대형 Small to large 소형 - 대형 Small to large 에너지밀도[Wh/kg]Energy density [Wh / kg] 5    5 20  20 150   150 30   30 출력밀도 [kW/kg]Power density [kW / kg] 3.8   3.8 3.8 이상  3.8 or higher 1.7  1.7 4.0 이상  4.0 or higher 전압[V]Voltage [V] 0 ~ 2.7  0 to 2.7 2.2 ~ 3.8  2.2 to 3.8 3.7  3.7 2.2 ~ 4.3 2.2 to 4.3

표 1을 참조하면, 본 발명에 의한 리튬 메탈 커패시터는 다른 저장장치와 비교하여 구동전압(working voltage)이 2.2V 내지 4.3V의 전압을 나타낸다. 이는 슈퍼 커패시터의 0V~2.7V, 리튬 이온 커패시터의 2.2V~3.8V 및 리튬 이온 전지의 3.7V로 나타나는 한계전압치보다 높은 수치이다. 이에 따라 대부분의 커패시터가 리튬이차전지와 조합한 전원계에서 사용하는 경우, 전압강하 회로를 형성하거나 두 개 이상의 셀을 직렬모듈로 사용되지만, 본 발명에 의한 리튬 메탈 커패시터는 단일 셀로 구현할 수 있다. Referring to Table 1, the lithium metal capacitor according to the present invention exhibits a working voltage of 2.2V to 4.3V compared to other storage devices. This is higher than the threshold voltage value of 0V to 2.7V for supercapacitors, 2.2V to 3.8V for lithium ion capacitors and 3.7V for lithium ion batteries. Accordingly, when most capacitors are used in a power system combined with a lithium secondary battery, a voltage drop circuit is formed or two or more cells are used as a series module. However, the lithium metal capacitor according to the present invention may be implemented as a single cell.

예를 들어, 전기이중층커패시터를 X개의 직렬모듈 제작시 가지게 되는 정전용량은 1/Ctotal=1/C1+1/C2+1/C3...+1/Cx에 의해 단일 셀에서 가지는 정전용량의 1/X 값을 가진다. 본 발명의 리튬 메탈 커패시터는 4.3V의 고전압에 의해 모듈에서의 동일전압 발현시 기존 셀의 1/2수준의 셀의 수가 필요하다. 이에 따라 직렬모듈 시스템의 부피를 절반에 가깝게 줄일 수 있고 같은 부피에서 직렬모듈의 2배의 에너지밀도를 얻을 수 있다. 즉, 전기이중층커패시터와 비교하여 모듈 제작시 16배 이상의 에너지밀도의 향상을 가져올 수 있어 모듈 제작시 소모되는 부자재 소요량의 감소 및 직렬회로의 설계비용과 공정비용을 모두 절약할 수 있다.For example, the capacity of an electric double layer capacitor when manufacturing X series modules is 1 cell by 1 / C total = 1 / C 1 + 1 / C 2 + 1 / C 3 ... + 1 / C x Has a 1 / X value of capacitance. The lithium metal capacitor of the present invention requires the number of cells at the level of 1/2 of the existing cells when the same voltage is generated in the module by the high voltage of 4.3V. This reduces the volume of the serial module system by nearly half and achieves twice the energy density of the serial module in the same volume. In other words, compared to an electric double layer capacitor, the energy density can be improved by 16 times or more when manufacturing a module, thereby reducing the amount of auxiliary materials consumed when manufacturing the module, and saving both the design cost and the process cost of the series circuit.

본 발명에 의한 리튬 메탈 커패시터는 비용량이 활성탄에 비해 상당히 높은 리튬을 직접적으로 음극에 적용함에 따라 양극 및 음극이 모두 활성탄인 전기이중층커패시터보다 두 배 이상의 높은 정전용량을 가지고 있다. The lithium metal capacitor according to the present invention has a capacitance higher than that of an electric double layer capacitor in which both the positive electrode and the negative electrode are both activated carbon, as the specific capacity of lithium is directly applied to the negative electrode.

또한 본 발명에 의한 리튬 메탈 커패시터는 전류에 따른 용량변화율이 적다. 방전율에 따른 시간과 전압의 전위프로파일을 측정한 그래프인 도 7을 참조하면, 리튬 메탈 커패시터(도 7의 (b))의 전위 프로파일은 전기이중층커패시터(도 7의(a))의 전위 프로파일과 유사한 방전율에 따른 방전시간 변화율을 보인다. 도 7의 측정 그래프는, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 메탈 커패시터가, 전기이중층커패시터에서 구현할 수 있는 효과를 나타낼 수 있음을 보여준다. 즉, 인가 전류에 따라 전류 증가비와 비례하여 일정하게 방전시간이 유지되므로 전류에 따른 용량변화율이 적은 것으로 예측할 수 있다. In addition, the lithium metal capacitor according to the present invention has a small capacity change rate according to the current. Referring to FIG. 7, which is a graph measuring a potential profile of time and voltage according to a discharge rate, a potential profile of a lithium metal capacitor (FIG. 7B) is equal to a potential profile of an electric double layer capacitor (FIG. 7A). It shows the change rate of discharge time according to similar discharge rate. The measurement graph of FIG. 7 shows that the lithium metal capacitor according to the embodiment of the present invention may exhibit an effect that can be realized in the electric double layer capacitor. That is, since the discharge time is constantly maintained in proportion to the current increase ratio according to the applied current, it can be predicted that the capacity change rate according to the current is small.

도 5 내지 도 7에 제시된 실험 결과는 본 발명의 실시예에 따른 시험용 리튬 메탈 커패시터에 의해 측정된 결과이다. 측정에 이용된 시험용 리튬 메탈 커패시터는, 100㎛ 두께의 양극, 2㎛ 두께의 음극을 도입하여 제작된다. 이때, 음극은 리튬이 90% 내지 100% 범위에서 포함되는 리튬-알루미늄 합금을 이용하여, 전자빔(E-beam)이 이용한 증착 방식으로 박막으로 증착하여 준비된다. Experimental results shown in Figures 5 to 7 are the results measured by the test lithium metal capacitor according to an embodiment of the present invention. The test lithium metal capacitor used for the measurement is manufactured by introducing a 100 μm thick positive electrode and a 2 μm thick negative electrode. In this case, the cathode is prepared by depositing a thin film by a deposition method using an electron beam (E-beam) using a lithium-aluminum alloy containing lithium in a range of 90% to 100%.

전해질은 1.0M의 프로필렌카보네이트(PC)에 LiPF6의 염을 용해하여 준비한다. 양극 전극은 87wt%의 활성탄과 10wt%의 도전재(SPB: Super P Black) 그리고 3wt%의 폴리테트라플루오로에틸렌(PFTE)의 바인더(binder)를 사용하여 제작된다. 코인 셀 형태의 커패시터의 경우 반죽을 이용한 니딩(kneading) 방식을 이용한 시트(sheet) 전극으로 제작되고, 칩 형태의 커패시터의 경우 85wt% 활성탄, 10wt% 도전재, 5%wt의 바인더를 이용하여 슬러리(slurry)를 믹싱(mixing)하고, 코팅(coating)하여 전극을 제작한다. 이때, 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 카르복실메틸셀룰로즈(CMC), 스티렌부타디엔고무(SBR) 또는 폴리비닐피로린돈(PVP) 등이 이용된다. The electrolyte is prepared by dissolving a salt of LiPF 6 in 1.0 M propylene carbonate (PC). The anode electrode is manufactured using 87 wt% of activated carbon, 10 wt% of Super P Black (SPB), and 3 wt% of binder of polytetrafluoroethylene (PFTE). In the case of coin cell type capacitors, a sheet electrode using a kneading method using dough is manufactured. In the case of a chip type capacitor, a slurry using 85 wt% activated carbon, 10 wt% conductive material, and 5% wt binder is used. The slurry is mixed and coated to prepare an electrode. In this case, polytetrafluoroethylene (PTFE), carboxymethyl cellulose (CMC), styrene butadiene rubber (SBR), polyvinylpyrrolidone (PVP), or the like is used as the binder.

제작된 시험용 커패시터는 초기 2.2V까지의 방전을 통하여 리튬 음극 위에 리튬을 석출시키고 이후 4.3V영역 안에서의 충방전을 실시하여 충방전에 따른 커패시터 거동을 측정한다. 이때, 충방전 전류밀도는 1mA/F로 설정한다. The fabricated test capacitor deposits lithium on the lithium cathode through the discharge to the initial 2.2V and then charges and discharges in the 4.3V region to measure the capacitor behavior according to the charge and discharge. At this time, the charge and discharge current density is set to 1mA / F.

본원 발명에 의한 리튬 메탈 커패시터는 크기와 형태의 제약을 받지 않고, 자기 방전이 낮으며, 사용 중 안정성이 매우 높고, 리튬 벌크전극에 비하여 계면 간의 기계 및 화학적 결합이 우수하여 전지 효율이 매우 높고, 박막 공정을 응용할 수 있어 대량 생산에 매우 유리한 효과가 있다. Lithium metal capacitor according to the present invention is not limited in size and shape, low self-discharge, high stability during use, excellent mechanical and chemical bonding between interfaces compared to lithium bulk electrode, very high battery efficiency, The thin film process can be applied, which is very advantageous for mass production.

도 1a 내지 1d는 본 발명의 실시예에 따른 리튬 메탈 커패시터를 개략적으로 나타내보인 도면들이다. 1A to 1D are schematic views illustrating a lithium metal capacitor according to an embodiment of the present invention.

도 2 내지 도 3b는 진공 증착 장치를 나타내보인 도면들이다. 2 to 3b are views showing a vacuum deposition apparatus.

도 4a 및 도 4b는 코인 셀 리튬 메탈 커패시터 및 제조 방법을 나타내보인 도면들이다. 4A and 4B are diagrams illustrating a coin cell lithium metal capacitor and a manufacturing method.

도 5은 리튬 메탈 커패시터의 용량유지율을 측정한 그래프이다.5 is a graph measuring the capacity retention rate of a lithium metal capacitor.

도 6은 리튬 메탈 커패시터의 용량유지율을 측정한 그래프이다.6 is a graph measuring the capacity retention rate of a lithium metal capacitor.

도 7은 방전율에 따른 시간과 전압의 전위프로파일을 측정한 그래프이다. 7 is a graph measuring the potential profile of time and voltage according to discharge rate.

Claims (13)

상호 체결되어 코인(coin) 형상을 이루는 양극 케이스 및 음극 케이스;An anode case and a cathode case fastened to each other to form a coin shape; 상기 양극 케이스 상에 리튬 이온의 흡탈착을 유도할 수 있는 활성탄을 포함하여 도입된 양극;A cathode including activated carbon capable of inducing and adsorbing lithium ions on the cathode case; 상기 음극 케이스 상에 리튬 금속 또는 리튬 합금 포함하는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 포함하여 도입되어, 상기 양극으로 상기 리튬 이온의 흡착을 유도되게 상기 리튬 이온의 용해 또는 석출 반응이 발생하는 박막 음극; 및 A thin-film negative electrode including an alkali metal or an alkaline earth metal including lithium metal or a lithium alloy on the negative electrode case, wherein the lithium ion is dissolved or precipitated to cause adsorption of the lithium ions to the positive electrode; And 상기 박막 음극 및 상기 양극 사이에 도입되는 전해질을 포함하는 코인 셀 리튬 메탈 커패시터.A coin cell lithium metal capacitor comprising an electrolyte introduced between the thin film anode and the anode. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전해질은 상기 리튬 이온의 염을 포함하는 액상 전해질 또는 폴리머 전해질을 포함하고, The electrolyte includes a liquid electrolyte or a polymer electrolyte containing a salt of the lithium ions, 개방회로전압 이하의 전압 범위에서 상기 음극으로부터 상기 리튬 이온의 용해에 의해 상기 전해질 내의 상기 리튬 이온 농도가 증가하여 상기 양극으로 상기 리튬 이온의 흡착이 유도되고, The lithium ion concentration in the electrolyte is increased by dissolving the lithium ions from the negative electrode in the voltage range below the open circuit voltage, so that the adsorption of the lithium ions to the positive electrode is induced. 상기 개방회로전압 이상의 전압 범위에서 상기 전해질 내에 리튬 이온과 음이온이 유전 분리되어 충전 시 상기 리튬 이온은 상기 음극에 석출되고 상기 음이온은 상기 양극에 흡착되고, 방전시 상기 리튬 이온은 상기 음극으로부터 상기 전 해질 내로 용해되고 상기 음이온은 상기 양극으로부터 탈리되어 상기 전해질 내의 상기 리튬 이온 및 상기 이온의 비율이 유지되는 코인 셀 리튬 메탈 커패시터. Lithium ions and anions are dielectrically separated in the electrolyte in a voltage range above the open circuit voltage, and when charged, the lithium ions precipitate on the negative electrode and the anions adsorb on the positive electrode, and during discharge, the lithium ions are discharged from the negative electrode. The coin cell lithium metal capacitor is dissolved in the solution and the anion is released from the positive electrode to maintain the ratio of the lithium ion and the ion in the electrolyte. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전해질 내에 도입된 세퍼레이터; 및A separator introduced into the electrolyte; And 상기 박막 음극은 상기 세퍼레이터 표면에 증착된 코인 셀 리튬 메탈 커패시터. And the thin film cathode is deposited on the surface of the separator. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 세퍼레이터는 다공성 폴리머 필름 또는 다공성 부직포를 포함하는 코인 셀 리튬 메탈 커패시터.The separator is a coin cell lithium metal capacitor comprising a porous polymer film or a porous nonwoven fabric. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 리튬 합금은 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 칼륨(K) 또는 소듐(Na)에 리튬이 합금된 코인 셀 리튬 메탈 커패시터.The lithium alloy is a coin cell lithium metal capacitor in which lithium is alloyed with aluminum (Al), calcium (Ca), potassium (K) or sodium (Na). 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 박막 음극은 수㎛ 내지 수십㎛의 두께로 형성된 코인 셀 리튬 메탈 커패시터.The thin film cathode is a coin cell lithium metal capacitor formed to a thickness of several ㎛ to several tens of ㎛. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 양극은 100m2/g 내지 3000m2/g의 비표면적을 가지는 고비표면적 활성탄으로 형성된 코인 셀 리튬 메탈 커패시터.The anode is a coin cell lithium metal capacitor formed of high specific surface area activated carbon having a specific surface area of 100m 2 / g to 3000m 2 / g. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 양극은 상기 리튬 이온의 흡착 또는 탈착이 가능한 도전성 고분자 활물질을 포함하는 100m2/g 이하의 비표면적을 가지는 비다공성 활성탄, 단일벽 탄소나노튜브(SWNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWNT) 또는 이중벽 탄소나노튜브(DWNT)의 활물질을 포함하는 코인 셀 리튬 메탈 커패시터. The positive electrode is a non-porous activated carbon having a specific surface area of 100 m 2 / g or less including a conductive polymer active material capable of adsorption or desorption of lithium ions, single-walled carbon nanotubes (SWNT), multi-walled carbon nanotubes (MWNT) or A coin cell lithium metal capacitor comprising an active material of double wall carbon nanotubes (DWNT). 양극 케이스 상에 리튬 이온의 흡탈착을 유도할 수 있는 활성탄을 포함하는 양극을 형성하는 단계; Forming a positive electrode including activated carbon on the positive electrode case to induce adsorption and desorption of lithium ions; 상기 양극 케이스에 대응되는 음극 케이스 상에 리튬 금속 또는 리튬 합금 포함하는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 포함하며, 상기 양극으로 상기 리튬 이온의 흡착을 유도되게 상기 리튬 이온의 용해 또는 석출 반응이 발생하는 박막 음극을 형성하는 단계; A thin film anode including an alkali metal or an alkaline earth metal including lithium metal or a lithium alloy on a cathode case corresponding to the cathode case, wherein the lithium ions are dissolved or precipitated to induce adsorption of the lithium ions to the anode. Forming a; 상기 양극과 박막 음극 사이에 전해질을 도입하는 단계; 및Introducing an electrolyte between the positive electrode and the thin film negative electrode; And 상기 양극 케이스와 음극 케이스를 가스킷으로 밀봉하며 체결하여 코인형 셀을 형성하는 단계를 포함하는 코인 셀 리튬 메탈 커패시터 제조방법.Sealing the positive electrode case and the negative electrode case with a gasket and forming a coin-type cell by fastening. 제9항에 있어서,10. The method of claim 9, 상기 박막 음극을 형성하는 단계는Forming the thin film cathode is 상기 양극 케이스 상에 상기 박막 음극을 직접적으로 증착하는 단계를 포함하는 코인 셀 리튬 메탈 커패시터 제조 방법. And depositing the thin film cathode directly on the cathode case. 제9항에 있어서,10. The method of claim 9, 상기 박막 음극을 형성하는 단계는Forming the thin film cathode is 상기 양극 케이스 및 상기 음극 케이스 상에 삽입될 세퍼레이터를 준비하는 단계;Preparing a separator to be inserted onto the cathode case and the anode case; 상기 세퍼레이터 상에 상기 박막 음극을 직접적으로 증착하는 단계; 및 Depositing the thin film cathode directly on the separator; And 상기 세퍼레이터를 상기 박막 음극이 상기 양극 케이스에 접촉되게 상기 양극 케이스 상에 도입하는 단계를 포함하는 코인 셀 리튬 메탈 커패시터 제조 방법. And introducing the separator on the positive electrode case such that the thin film negative electrode contacts the positive electrode case. 제9항에 있어서,10. The method of claim 9, 상기 전해질을 도입하는 단계는Introducing the electrolyte 상기 양극 및 박막 음극을 액상 전해질에 함침시키는 단계; 및 Impregnating the positive electrode and the thin film negative electrode into a liquid electrolyte; And 상기 액상 전해질 내에 세퍼레이터를 삽입하는 단계를 포함하는 코인 셀 리튬 메탈 커패시터 제조 방법. A method of manufacturing a coin cell lithium metal capacitor comprising inserting a separator into the liquid electrolyte. 제9항에 있어서,10. The method of claim 9, 상기 전해질은 The electrolyte is 상기 양극 및 박막 음극 사이에 고체 전해질 또는 겔형 전해질로 삽입되는 코인 셀 리튬 메탈 커패시터 제조 방법. A method of manufacturing a coin cell lithium metal capacitor inserted into a solid electrolyte or a gel electrolyte between the cathode and the anode.
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KR102410902B1 (en) * 2021-01-06 2022-06-22 캡슨 일렉트로닉(선전) 컴퍼니 리미티드 Integrated condenser

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