KR20120020895A - 리튬 이온 커패시터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 세퍼레이터를 사이에 두고 서로 교대로 배치된 양극 및 음극을 포함하는 리튬 이온 커패시터에 있어서, 상기 양극은 양극 집전체와 상기 양극 집전체의 적어도 일면에 배치되며 탄소/리튬금속산화물의 복합소재로 이루어진 제 1 활물질과 활성탄으로 이루어진 제 2 활물질을 함유한 양극 활물질층을 포함하는 리튬 이온 커패시터를 개시한다.
Description
본 발명은 리튬 이온 커패시터에 관한 것으로, 탄소/리튬금속산화물의 복합소재로 이루어진 제 1 활물질과 활성탄으로 이루어진 제 2 활물질을 함유한 양극 활물질층을 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.
이와 같은 리튬 이온 커패시터는 단위 체적당 음극의 정전용량이 양극의 정전용량보다 약 3~4배 크므로, 실제 최대 용량발현을 위해 양극의 두께는 음극의 두께보다 3~4배 이상 크게 형성되어야 한다.
이에 따라, 양극이 음극에 비해 상대적으로 두껍게 형성되므로, 양극내에 도전재가 균일하게 분포된다 할지라도 내부 저항이 증가하게 되어, 결국 리튬 이온 커패시터의 출력 특성이 저하되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 리튬 이온 커패시터에서 발생될 수 있는 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 구체적으로 탄소/리튬금속산화물의 복합소재로 이루어진 제 1 활물질과 활성탄으로 이루어진 제 2 활물질을 함유한 양극 활물질층을 포함하여, 양극의 정전 용량을 증대시켜 양극의 두께를 줄일 수 있는 리튬 이온 커패시터를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 해결 수단의 리튬 이온 커패시터를 제공한다. 상기 리튬 이온 커패시터는 세퍼레이터를 사이에 두고 서로 교대로 배치된 양극 및 음극을 포함하는 리튬 이온 커패시터에 있어서,
상기 양극은 양극 집전체와 상기 양극 집전체의 적어도 일면에 배치되며 탄소/리튬금속산화물의 복합소재로 이루어진 제 1 활물질과 활성탄으로 이루어진 제 2 활물질을 함유한 양극 활물질층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 탄소는 탄소나노튜브 또는 그라핀(graphene) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 양극 활물질층은 도전재를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 도전재는 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 흑연 및 금속분말 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 음극은 음극 집전체와 상기 음극 집전체의 적어도 일면에 배치된 음극 활물질층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 음극 활물질층은 천연 흑연, 인조 흑연, 흑연화 탄소섬유 및 난흑연성 카본 및 탄소나노튜브 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 음극 활물질층은 리튬 이온을 프리도핑하고 있을 수 있다.
또한, 상기 제 2 활물질은 상기 제 1 활물질에 비해 1 내지 5배의 중량비를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 리튬 이온 커패시터는 탄소/리튬금속산화물의 복합소재로 이루어진 제 1 활물질과 활성탄으로 이루어진 제 2 활물질을 함유한 양극 활물질층을 포함하여, 양극의 정전 용량을 증대시킬 수 있으므로, 종래의 정전 용량을 유지하며 양극의 두께를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이온 커패시터는 양극의 두께를 줄일 수 있어, 양극 내의 내부 저항을 줄일 수 있고, 결국 리튬 이온 커패시터의 출력 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 양극 활물질층은 이 제 1 및 제 2 활물질을 포함하여, 제 1 활물질만을 포함할 경우보다 슬러리의 제조가 용이해질 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 4는 도 3의 A 영역을 확대한 확대도이다.
도 2는 도 1에 도시된 리튬 이온 커패시터의 조립 사시도이다.
도 3은 도 1의 전극 셀의 단면도이다.
도 4는 도 3의 A 영역을 확대한 확대도이다.
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 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 4는 도 3의 A 영역을 확대한 확대도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 리튬 이온 커패시터(100)는 하우징(150), 하우징(150)에 의해 밀봉된 전극셀(110), 전극셀(110)에 함침된 전해액을 포함할 수 있다.
전극셀(110)은 세퍼레이터(113)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 불릴 수 있다.
양극(111)은 양극 집전체(111a)와 양극 집전체(111a)의 적어도 일면에 배치된 양극 활물질층(111b)을 포함할 수 있다.
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.
양극 활물질층(111b)은 탄소/리튬금속산화물의 복합소재로 이루어진 제 1 활물질(A1)과 활성탄으로 이루어진 제 2 활물질(A2)을 함유할 수 있다.
제 1 활물질(A1)은 리튬금속산화물(A12)과 탄소소재(A11)의 복합소재로 이루어짐에 따라, 용량 및 출력 특성을 동시에 향상시킬 수 있다. 즉, 리튬금속산화물(A12)은 산화 및 환원되어 리튬 이온의 이동을 통해 에너지를 저장함에 따라 표면 흡착에 의해 에너지를 저장하는 활성탄에 비해 큰 용량을 가질 수 있다. 여기서, 리튬금속산화물(A12)의 예로서는 LiMn2O4 또는 LiMnO2일 수 있다.
또한, 탄소소재(A11)는 높은 전기전도도를 갖는 재질, 예컨대 탄소나노튜브 또는 그라핀(graphene) 중 어느 하나로 형성되어, 리튬금속산화물(A12)와 양극 집전체(111a)간의 전기적 연결을 통해 전기 저항을 낮출 수 있어, 출력 특성을 증대시킬 수 있다.
이에 더하여, 리튬금속산화물(A12)은 서로 얽혀 네트워크를 구성하는 탄소소재(A11)에 흡착됨에 따라, 리튬금속산화물(A12)과 탄소소재(A11)는 서로 균일하게 분포되며 양극 집전체(111a)와 연결될 수 있어, 출력 특성을 더욱 증대시킬 수 있다. 이때, 리튬금속산화물(A12)은 나노 사이즈를 가짐에 따라, 충방전 속도를 증대시킬 수 있다.
하지만, 양극 활물질층(111b) 은 제 1 활물질(A1)만을 구비할 경우, 탄소소재(A11) 간의 응집현상으로 인해 슬러리 제조가 용이하지 않을 뿐만 아니라, 리튬금속산화물(A12) 입자간의 저항을 낮추기 위한 도전재의 역할을 수행할 수 없다.
이를 해결하기 위해, 탄소소재(A11)간의 응집현상을 방지하기 위해, 양극 활 물질층( 111b)은 제 2 활물질(A2)을 더 포함한다. 여기서, 제 2 활물질(A2)이 포함됨에 따라, 양극 활물질층(111b)을 형성하기 위한 슬러리에서 제 1 활물질(A1)의 양은 감소될 수 있어 제 1 활물질(A1)간의 응집을 방지하는 역할을 할 수 있다. 즉, 양극 활물질층(111b) 에서 제 1 활물질(A1)의 함량이 낮아짐에 따라, 제 1 활물질(A1)간의 응집 현상을 미연에 방지할 수 있다. 이때, 제 2 활물질(A2)을 형성하는 재질의 예로서는 활성탄일 수 있다. 또한, 활성탄은 표면 흡착에 의해 에너지를 저장할 수 있어, 제 1 활물질(A1)에 비해 충방전 속도를 증대시킬 수 있다. 즉, 제 2 활물질(A2)은 슬러리의 제조시 제 1 활물질(A1)의 응집을 방지할 뿐만 아니라, 충방전 속도를 증대시키는 역할을 할 수 있다.
제 2 활물질(A2)은 제 1 활물질(A1)에 비해 1 내지 5배의 중량비를 가질 수 있다. 여기서, 제 2 활물질(A2)이 제 1 활물질(A1)에 비해 1배 미만의 중량비를 가질 경우, 제 1 활물질(A1)의 응집으로 인해 슬러리 제조가 어려울 수 있다. 반면, 제 2 활물질(A2)이 제 1 활물질(A1)에 비해 5배를 초과할 경우, 양극 활물질층(111b)의 용량을 증대시키는 데 효과가 없다.
이에 더하여, 양극 활물질층(111b)은 전기전도도 특성을 더욱 증대시키기 위해 도전재를 더 포함할 수 있다. 이때, 도전재 재질의 예로서는 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 흑연 및 금속분말 중 어느 하나를 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.
이에 더하여, 양극(111)은 외부 전원과 연결되기 위한 양극 단자(120)를 구비할 수 있다. 양극 단자(120)는 양극 집전체(111a)로부터 연장되어 있을 수 있다. 여기서, 양극 단자(120)는 각각의 양극 집전체(111a)로부터 연장되어 다수개로 적층되어 있을 수 있으므로, 외부전원과 용이하게 접촉되기 위해 적층된 양극 단자(120)는 초음파 융착에 의해 일체화될 수 있다. 이에 더하여, 양극 단자(120)는 별도의 외부단자를 구비하여, 양극 단자(120)는 외부단자와 융착 또는 용접에 의해 연결될 수도 있다.
음극(112)은 음극 집전체(112a)와 음극 집전체(112a)의 양면에 각각 배치된 음극 활물질층(112b)을 포함할 수 있다.
여기서, 음극 집전체(112a)는 금속, 예컨대 구리, 니켈 및 스테인레스 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 음극 집전체(112a)는 박막의 형태를 가질 수 있으나, 음극 집전체(112a)는 이온의 이동을 효율적으로 수행하며 균일한 도핑 공정을 위해 다수의 관통홀을 구비할 수도 있다.
또한, 음극 활물질층(112b)은 리튬 이온을 가역적으로 도핑 및 탈도핑할 수 있는 탄소재질, 예컨대 음극 활물질층(112b)은 천연 흑연, 인조 흑연, 흑연화 탄소섬유 및 난흑연성 카본 및 탄소나노튜브 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 음극 활물질층(112b)에 리튬이온이 프리도핑되어 있을 수 있다. 이에 따라, 음극(112)의 전위는 리튬의 전위, 즉 OV에 가깝게 낮춰질 수 있어, 리튬 이온 커패시터의 에너지 밀도를 증대시킬 수 있다. 이때, 음극(112)의 전위는 리튬 이온의 프리도핑공정을 제어하여 조절될 수 있다.
여기서, 음극(112)은 외부 전원과 연결되기 위한 음극 단자(130)를 구비할 수 있다. 이때, 음극 단자(130)는 음극 집전체(112a)의 일측에서 연장되어 형성될 수 있다. 즉, 음극 집전체(112a)와 음극 단자(130)는 일체로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 전극셀(110)은 파우치 타입인 것으로 도시 및 설명하였으나 이에 한정되는 것은 아니며, 전극셀(110)은 양극, 음극 및 세퍼레이터가 롤 형태로 권취된 권취 타입일 수도 있다.
전극셀(110)은 전해액에 함침되어 있다. 이때, 전해액은 양극의 활물질층, 음극의 활물질층 및 세퍼레이터에 함침되어 있을 수 있다.
전해액은 리튬 이온을 이동시킬 수 있는 매질의 역할을 하는 것으로, 전해질 및 용매를 포함할 수 있다. 여기서, 전해질은 LiPF6, LiBF4 및 LiCIO4 중 어느 하나의 리튬 염을 포함할 수 있다. 여기서, 리튬 염은 리튬 이온 커패시터의 충전시 음극으로 도핑되는 리튬 이온의 공급원의 역할을 할 수 있다.
또한, 전해액은 고전압에서 전기분해를 일으키지 않아 리튬 이온을 안정하게 존재할 수 있는 재질로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 전해액의 용매는 카보네이트계 용매를 이용할 수 있다. 카보네이트계 용매의 예로서는 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 혼합 용매일 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(113)는 양극(111)과 음극(112)을 서로 전기적으로 분리하는 역할을 할 수 있다. 세퍼레이터(113)는 종이 또는 부직포일 수 있으나, 본 발명의 실시예에서 세퍼레이터(113)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) 및 세퍼레이터(113)가 롤 형태로 권취된 권취 타입일 수도 있다.
전극셀(110)은 전해액에 함침되어 있다. 이때, 전해액은 양극(111)의 양극 활물질층(111b), 음극(112)의 음극 활물질층(112b) 및 세퍼레이터(113)에 함침되어 있을 수 있다.
전해액은 리튬 이온을 이동시킬 수 있는 매질의 역할을 하는 것으로, 전해질 및 용매를 포함할 수 있다. 여기서, 전해질은 LiPF6, LiBF4 및 LiCIO4 중 어느 하나의 리튬 염을 포함할 수 있다. 여기서, 리튬 염은 리튬 이온 커패시터의 충전시 음극으로 도핑되는 리튬 이온의 공급원의 역할을 할 수 있다. 또한, 전해액의 용매로 사용되는 재질의 예로서는 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 혼합 용매일 수 있다.
전해액에 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, 탄소/리튬금속산화물의 복합소재로 이루어진 제 1 활물질과 활성탄으로 이루어진 제 2 활물질을 함유한 양극 활물질층을 포함하여, 정전 용량을 증대시킬 수 있으므로, 종래의 정전 용량을 유지하며 양극의 두께를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서와 같이 제 1 및 제 2 활물질을 포함하여, 제 1 활물질만을 포함할 경우보다 슬러리의 제조가 용이해질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서와 같이, 양극 활물질의 용량 증대로 인해 양극의 두께를 줄일 수 있어, 양극 내의 내부 저항을 줄일 수 있고, 결국 리튬 이온 커패시터의 출력 특성을 향상시킬 수 있다.
100 : 리튬 이온 커패시터 110 : 전극셀
111 : 양극 111a : 양극 집전체
111b : 양극 활물질층 112 : 음극
112a : 음극 집전체 112b : 제 1 음극 활물질층
113 : 세퍼레이터 120 : 양극 단자
130 : 음극 단자 140 : 절연부재
150 : 하우징 A1 : 제 1 활물질
A2 : 제 2 활물질
111 : 양극 111a : 양극 집전체
111b : 양극 활물질층 112 : 음극
112a : 음극 집전체 112b : 제 1 음극 활물질층
113 : 세퍼레이터 120 : 양극 단자
130 : 음극 단자 140 : 절연부재
150 : 하우징 A1 : 제 1 활물질
A2 : 제 2 활물질
Claims (8)
- 세퍼레이터를 사이에 두고 서로 교대로 배치된 양극 및 음극을 포함하는 리튬 이온 커패시터에 있어서,
상기 양극은 양극 집전체와 상기 양극 집전체의 적어도 일면에 배치되며 탄소/리튬금속산화물의 복합소재로 이루어진 제 1 활물질과 활성탄으로 이루어진 제 2 활물질을 함유한 양극 활물질층을 포함하는 리튬 이온 커패시터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 탄소는 탄소나노튜브 또는 그라핀(graphene) 중 어느 하나를 포함하는 리튬 이온 커패시터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 양극 활물질층은 도전재를 더 포함하는 리튬 이온 커패시터.
- 제 3 항에 있어서,
상기 도전재는 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 흑연 및 금속분말 중 어느 하나를 포함하는 리튬 이온 커패시터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 음극은 음극 집전체와 상기 음극 집전체의 적어도 일면에 배치된 음극 활물질층을 포함하는 리튬 이온 커패시터.
- 제 5 항에 있어서,
상기 음극 활물질층은 천연 흑연, 인조 흑연, 흑연화 탄소섬유 및 난흑연성 카본 및 탄소나노튜브 중 어느 하나를 포함하는 리튬 이온 커패시터.
- 제 5 항에 있어서,
상기 음극 활물질층은 리튬 이온을 프리도핑하고 있는 리튬 이온 커패시터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 활물질은 상기 제 1 활물질에 비해 1 내지 5배의 중량비를 갖는 리튬 이온 커패시터.
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