KR20120020893A - 리튬 이온 커패시터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬 이온 커패시터에 관한 것으로, 세퍼레이터를 사이에 두고 교대로 배치된 양극과 음극을 구비하는 전극셀; 상기 음극의 적어도 일면에 배치된 겔상의 제 1 전해질; 및 상기 전극셀에 함침된 액상의 제 2 전해질;을 포함하는 리튬 이온 커패시터를 개시한다.
Description
본 발명은 리튬 이온 커패시터에 관한 것으로, 음극으로부터 덴트라이트 성장을 방지하기 위한 겔상의 전해질과 겔상의 전해질을 보조하기 위한 액상의 전해질을 포함하는 리튬 이온 커패시터에 관한 것이다.
일반적으로, 전기화학적 에너지 저장장치는 모든 휴대용 정보통신기기, 전자기기에 필수적으로 사용되는 완제품 기기의 핵심부품이다. 또한, 전기화학적 에너지 저장장치는 미래형 전기자동차 및 휴대용 전자장치등에 적용될 수 있는 신재생 에너지 분야의 고품질 에너지원으로써 확실하게 사용될 것이다.
전기화학적 에너지 장치는 전기화학적 원리를 이용하는 것으로, 리튬 이온 전지와 전기화학 커패시터가 대표적이다.
여기서, 리튬 이온 전지는 리튬 이온을 사용하여 연속적으로 충방전할 수 있는 에너지 장치로써, 단위무게 혹은 부피당 축적할 수 에너지 밀도가 전기화학 커패시터에 비해 우수하여 유력한 전원으로 연구되어 왔다. 그러나, 리튬 이온 전지는 안전성 저하, 짧은 사용기간, 긴 충전시간 및 작은 출력밀도와 같은 단점이 있어, 상용화하는 데 많은 어려움을 격고 있다.
최근, 전기화학 커패시터는 리튬 이온 전지에 비해 에너지 밀도는 작으나, 우수한 순간 출력을 가지며 장수명 특성을 가질 수 있어, 리튬 이온 전지를 대체할 수 있는 새로운 대안으로 급부상하고 있다.
특히, 전기화학 커패시터 중 리튬 이온 커패시터는 다른 전기화학 커패시터에 비해 출력을 감소시키지 않으면서 에너지 밀도를 증대시킬 수 있어 많은 주목을 받고 있다.
리튬 이온 커패시터는 음극으로 집전체와 집전체의 양측에 배치된 활물질층을 포함한다. 여기서, 활물질층은 리튬 이온을 가역적으로 도핑 및 탈도핑할 수 있는 흑연을 포함하여, 높은 에너지 밀도를 확보할 수 있다.
그러나, 음극으로 흑연을 포함하는 활물질층을 이용할 경우, 활물질층은 충방전시 리튬 이온의 도핑 및 탈도핑으로 인해 수축 또는 팽창될 수 있어, 리튬 이온 커패시터의 안정성이 저하되는 문제점이 있었다.
이에 따라, 음극으로 리튬 메탈을 이용하기 위한 많은 시도가 이루어지고 있다. 여기서, 리튬 메탈은 흑연에 비해 높은 용량을 가지며 금속 중 작은 밀도를 가질 뿐만 충방전시 수축 또는 팽창과 같은 변형을 일으키지 않아 리튬 이온 커패시터의 안정성을 확보할 수 있다.
하지만, 리튬 이온 커패시터의 반복적인 충방전시 음극의 표면에서 불균일한 반응으로 인해 덴드라이트 리튬이 성장하여, 리튬 이온 커패시터의 내부 단락 및 안정성을 저하시키는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 리튬 이온 커패시터에서 발생될 수 있는 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 구체적으로 음극으로부터 덴드라이트 성장을 방지하기 위한 겔상의 전해질과 겔상의 전해질을 보조하기 위한 액상의 전해질을 포함하는 리튬 이온 커패시터을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 해결 수단의 리튬 이온 커패시터를 제공한다. 상기 리튬 이온 커패시터는 세퍼레이터를 사이에 두고 교대로 배치된 양극과 음극을 구비하는 전극셀; 상기 음극의 적어도 일면에 배치된 겔상의 제 1 전해질; 및 상기 전극셀에 함침된 액상의 제 2 전해질;을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제 1 전해질은 LiPON, La2 /3-χLi3 χTiO3(여기서, 0<χ<0.17이다.), LiM2(PO4)3(여기서, M은 4가의 양이온) 및 Li2 +2χZn1 -χGeO4(여기서, 0<χ<0.17이다.) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2 전해질은 리튬염 및 카보네이트계 용매를 포함할 수 있다.
또한, 상기 리튬염은 LiPF6,LiBF4 및 LiClO4 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 카보네이트계 용매는 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate), 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate), 및 에틸 메틸 카보네이트(ethyl methyl carbonate) 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합용매를 포함할 수 있다.
또한, 상기 음극은 리튬 메탈 또는 리튬합금 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
또한, 상기 양극은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체의 적어도 일면에 배치된 양극 활물질층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 양극 활물질층은 활성탄을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 리튬 이온 커패시터는 음극의 적어도 일면에 겔상의 전해질의 구비하여, 음극으로부터 덴드라이트 성장을 방지할 수 있어, 리튬 이온 커패시터의 안정성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이온 커패시터는 음극의 덴드라이트 성장을 방지할 수 있어, 음극으로 리튬메탈의 사용이 가능해짐에 따라, 리튬 이온 커패시터의 에너지 밀도 및 무게를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이온 커패시터는 겔상의 전해질을 보조하기 위한 액상의 전해질을 포함하여 고출력 밀도의 한계를 극복할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 리튬 이온 커패시터의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 리튬 이온 커패시터의 조립 사시도이다.
도 3은 도 1의 전극 셀의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 리튬 이온 커패시터의 조립 사시도이다.
도 3은 도 1의 전극 셀의 단면도이다.
본 발명의 실시예들은 리튬 이온 커패시터의 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다.
따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이온 커패시터의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 리튬 이온 커패시터의 조립 사시도이다.
도 3은 도 1의 전극 셀의 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이온 커패시터(100)는 전극셀(110) 및 전극셀(110)을 수용하며 밀봉하는 하우징을 포함할 수 있다.
여기서, 리튬 이온 커패시터(100)는 슈퍼 커패시터 또는 울트라 커패시터등으로 달리 불리워질 수도 있다.
전극셀(110)은 세퍼레이터(114)를 사이에 두고 서로 교대로 배치된 양극(111) 및 음극(112)을 포함할 수 있다. 이때, 양극(111) 및 음극(112)은 서로 일부 중첩되어 있을 수 있다. 여기서, 전기화학 커패시터, 즉 리튬 이온 커패시터의 경우, 양극(111)은 캐소드(cathode) 또는 포지티브 전극(positive electrode)으로 불릴 수 있다. 또한, 음극은 애노드(anode) 또는 네가티브 전극(negative electrode)로 불리울 수 있다.
음극(112)은 종래 흑연에 비해 10배의 이론용량을 갖는 리튬 메탈 또는 리튬 합금 중 어느 하나를 포함할 수 있어, 음극(112)을 흑연으로 사용했을 경우보다 리튬 이온 커패시터의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 리튬 메탈 또는 리튬 합금은 다른 금속에 비해 작은 밀도를 가짐에 따라, 리튬 이온 커패시터(100)의 무게를 줄일 수 있다.
이때, 음극(112)이 리튬 또는 리튬 메탈로 형성될 경우, 음극(112)의 표면으로부터 리튬 덴드라이트가 성장되어 결국 세퍼레이터(114)를 뚫고 양극(111)과 접촉될 수 있다. 즉, 음극(112)이 리튬 또는 리튬 메탈로 형성될 경우, 리튬 덴드라이트의 성장으로 인해 양극(111)및 음극(112)이 전기적으로 단락될 수 있다.
이에 따라, 음극(112)의 표면, 즉 양극(111)과 마주하는 일면에 제 1 전해질(113)이 배치될 수 있다. 이때, 제 1 전해질(113)이 겔상으로 이루어짐에 따라, 음극(112)의 표면에서 리튬 덴드라이트의 성장을 억제할 수 있다.
또한, 제 1 전해질(113)은 음극(112)과 양극(111)사이에 리튬 이온의 이동을 원활하게 수행하기 위해, 리튬염을 포함할 수 있다. 겔상의 제 1 전해질(113)을 형성하는 재질의 예로서는 LIPON(Litium phosphorus oxynitride), La2 /3-χLi3 χTiO3(여기서, 0<χ<0.17이다.), LiM2(PO4)3(여기서, M은 4가의 양이온) 및 Li2 +2χZn1 -χGeO4(여기서, 0<χ<0.17이다.) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 4가 양이온의 예로서는 Si, Ge, Ti 및 Sn중 어느 하나일 수 있다.
이에 따라, 음극(112)의 표면에 겔상의 제 1 전해질(113)을 구비함에 따라, 음극(112)의 표면에서 덴드라이트의 성장을 방지하여 리튬 이온 커패시터(100)의 안정성을 확보할 수 있다. 또한, 겔상의 제 1 전해질(113)은 리튬염을 포함하여 이온 전도도를 높일 수 있다.
제 1 전해질(113)을 형성하기 위해, 먼저 LFZ(laser floating zone) 방법을 통해 전해질 분말을 형성한 후, 전해질 분말과 비수계 용매를 혼합하여 슬러리로 제조하여 음극(112)상에 도포하여 형성될 수 있다. 제 1 전해질(113)의 다른 형성방법으로 증착법을 이용할 수 있다.
여기서, 제 1 전해질(113)은 겔상의 형태를 가짐에 따라, 고출력의 적용분야에서 고전류로 인한 발열로 제 1 전해질(113)의 변형을 야기할 수 있어, 리튬 이온 커패시터(100)의 고출력 밀도가 저하될 수 있다.
이때, 리튬 이온 커패시터(100)는 제 1 전해질(113)을 보조하기 위한 제 2 전해질을 포함할 수 있다. 제 2 전해질은 정전기적 메카니즘(electrostatic mechanism)에 의해 전하를 축적하는 액상의 전해질일 수 있다. 이에 따라, 리튬 이온 커패시터(100)는 고출력의 적용분야에서 리튬 이온의 이동은 제 2 전해질을 통해 이루어질 수 있어, 고출력 밀도를 증대시킬 수 있다.
이때, 제 2 전해질은 전극셀(110), 특히 세퍼레이터(114) 및 후술될 양극 활물질층(111b)에 함침되어 있을 수 있다.
이에 따라, 리튬 이온 커패시터(100)는 제 1 전해질(113)을 통해 리튬 덴드라이트의 성장을 방지하여 음극(112)으로 리튬 메탈이나 리튬 합금을 이용할 수 있으며, 제 2 전해질을 통해 제 1 전해질(113)에서 취약한 고출력 밀도를 향상시키는 역할을 할 수 있다. 즉, 리튬 이온 커패시터(100)는 제 1 및 제 2 전해질을 구비함에 따라, 종래 단일 전해질을 포함할 경우보다 높은 에너지 밀도, 고출력 및 신뢰성등을 동시에 만족할 수 있다.
제 2 전해질은 리튬염 및 용매를 포함할 수 있다. 여기서, 리튬염의 예로서는 LiPF6, LiBF4 및 LiCIO4 등일 수 있다. 여기서, 리튬 염은 리튬 이온 커패시터(100)의 충전시 음극으로 도핑되는 리튬 이온의 공급원의 역할을 할 수 있다. 또한, 용매는 고전압에서 전기분해를 일으키지 않아 리튬 이온을 안정하게 존재할 수 있는 카보네이트계 용매로써, 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate), 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate), 및 에틸 메틸 카보네이트(ethyl methyl carbonate) 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.
이에 더하여, 음극(112)은 외부 전원과 연결되기 위한 음극 단자(130)를 구비할 수 있다. 음극 단자(130)는 음극으로부터 연장되어 있을 수 있다. 여기서, 음극이 다수개로 적층됨에 따라, 음극 단자(130)도 다수개로 적층되어 있을 수 있으므로, 외부전원과 용이하게 접촉되기 위해 적층된 음극 단자(130)는 초음파 융착에 의해 일체화될 수 있다. 이에 더하여, 음극 단자(130)는 별도의 외부단자를 구비하여, 음극 단자(130)는 외부단자와 융착 또는 용접에 의해 연결될 수도 있다.
양극(111)은 양극 집전체(111a)와 양극 집전체(111a)의 적어도 일면에 배치된 양극 활물질층(111b)을 포함할 수 있다.
여기서, 양극 집전체(111a)는 금속, 예컨대 알루미늄, 스테인리스, 구리, 니켈, 타이타늄, 탄탈륨, 니오븀 중 어느 하나이거나 이들의 합금등으로 형성될 수 있다. 양극 집전체(111a)는 박막 또는 메쉬의 형태를 가질 수 있다.
또한, 양극 활물질층(111b)은 이온을 가역적으로 도핑 및 탈도핑할 수 있는 탄소재료, 즉 활성탄을 포함할 수 있다. 이에 더하여, 양극 활물질층(111b)은 바인더를 더 포함할 수 있다. 여기서, 바인더를 형성하는 재질의 예로서는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 및 폴리불화비닐리덴(PVdF)등의 불소계 수지, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에틸렌(PE) 및 폴리프로필렌(PP)등의 열가소성 수지, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC)등의 셀룰로오스계 수지, 스틸렌부타디엔고무(SBR)등의 고무계 수지, 에틸렌프로필렌디엔 공중합체(EPDM), 폴리디메틸실록산(PDMS) 및 폴리비닐 피롤리돈(PVP)등에서 하나 또는 둘 이상일 수 있다. 또한, 양극 활물질층(111b)은 도전재, 예컨대 카본 블랙 및 용매등을 더 포함할 수 있다.
그러나, 본 발명의 실시예에서 양극 활물질층(111b)의 재질에 대해서 한정하는 것은 아니다.
여기서, 양극(111)은 외부전원과 연결되기 위한 양극 단자(120)를 구비할 수 있다. 양극 단자(112)는 별도의 단자를 융착하여 형성되거나, 양극(111)의 양극 집전체(111a)로부터 연장되어 형성될 수 있다.
이에 더하여, 양극 단자(120) 및 음극 단자(130) 각각의 상하부의 일부 영역에 절연부재(140)가 더 구비될 수 있다. 절연부재(140)는 양극 단자(120) 및 음극 단자(130)와 후술 될 하우징(150)간의 절연성을 확보하는 역할을 할 수 있다.
세퍼레이터(114)는 양극(111)과 음극(112)을 서로 전기적으로 분리하는 역할을 할 수 있다. 세퍼레이터(114)는 종이 또는 부직포일 수 있으나, 본 발명의 실시예에서 세퍼레이터(114)의 종류에 대해서 한정하는 것은 아니다.
본 발명의 실시예에서, 전극셀(110)은 파우치 타입인 것으로 도시 및 설명하였으나 이에 한정되는 것은 아니며, 전극셀(110)은 양극(111), 음극(112), 제 1 전해질(113) 및 세퍼레이터(114)가 롤 형태로 권취된 권취 타입일 수도 있다.
제 2 전해질에 함침된 전극셀(110)은 하우징(150)으로 밀봉될 수 있다. 여기서, 하우징(150)은 두 장의 라미네이트 필름을 열융착하여 형성될 수 있으나, 본 발명의 실시예에서 하우징(150)의 형태에 대해서 한정하는 것은 아니며, 다른 예로 하우징(150)은 금속 캔으로 이루어질 수도 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서와 같이, 음극의 적어도 일면에 겔상의 전해질의 구비하여, 음극으로부터 덴트라이트 성장을 방지할 수 있어, 리튬 이온 커패시터의 안정성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이온 커패시터는 음극의 덴트라이트 성장을 방지할 수 있어, 음극으로 리튬메탈의 사용이 가능해짐에 따라, 리튬 이온 커패시터의 에너지 밀도 및 무게를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이온 커패시터는 겔상의 전해질을 보조하기 위한 액상의 전해질을 포함하여 고출력 밀도의 한계를 극복할 수 있다.
100 : 리튬 이온 커패시터 110 : 전극셀
111 : 양극 111a : 양극 집전체
111b : 양극 활물질층 112 : 음극
113 : 제 1 전해질 114 : 세퍼레이터
120 : 양극 단자 130 : 음극 단자
140 : 절연부재 150 : 하우징
111 : 양극 111a : 양극 집전체
111b : 양극 활물질층 112 : 음극
113 : 제 1 전해질 114 : 세퍼레이터
120 : 양극 단자 130 : 음극 단자
140 : 절연부재 150 : 하우징
Claims (8)
- 세퍼레이터를 사이에 두고 교대로 배치된 양극과 음극을 구비하는 전극셀;
상기 음극의 적어도 일면에 배치된 겔상의 제 1 전해질; 및
상기 전극셀에 함침된 액상의 제 2 전해질;
을 포함하는 리튬 이온 커패시터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전해질은 LiPON, La2 /3-χLi3 χTiO3(여기서, 0<χ<0.17이다.), LiM2(PO4)3(여기서, M은 4가의 양이온) 및 Li2 +2χZn1 -χGeO4(여기서, 0<χ<0.17이다.) 중 어느 하나를 포함하는 리튬 이온 커패시터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 전해질은 리튬염 및 카보네이트계 용매를 포함하는 리튬 이온 커패시터.
- 제 3 항에 있어서,
상기 리튬염은 LiPF6,LiBF4 및 LiClO4 중 적어도 어느 하나를 포함하는 리튬 이온 커패시터.
- 제 3 항에 있어서,
상기 카보네이트계 용매는 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate), 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate), 및 에틸 메틸 카보네이트(ethyl methyl carbonate) 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합용매를 포함하는 리튬 이온 커패시터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 음극은 리튬 메탈 또는 리튬합금 중 어느 하나로 형성된 리튬 이온 커패시터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 양극은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체의 적어도 일면에 배치된 양극 활물질층을 포함하는 리튬 이온 커패시터.
- 제 7 항에 있어서,
상기 양극 활물질층은 활성탄을 포함하는 리튬 이온 커패시터.
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