KR20120041368A - 리튬이온 커패시터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬이온 커패시터에 관한 것으로, 정극 활물질을 포함하는 정극; 부극 활물질을 포함하는 부극; 및 이들 사이에 존재하는 전해질을 포함하는 리튬이온 커패시터에 있어서, 상기 정극 활물질은 리튬인산철(LiFePO4)과 활성탄의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하여 구성되어 에너지밀도와 용량이 향상됨과 동시에 수명이 길어진다는 유용한 효과를 제공한다.
Description
본 발명은 리튬이온 커패시터에 관한 것으로, 상세하게는 리튬인산철을 활용하여 에너지밀도와 용량특성을 향상시킨 리튬이온 커패시터에 관련된다.
정보통신 기기와 같은 각종 전자제품에서 안정적인 에너지의 공급은 중요한 요소가 되고 있다. 일반적으로 이러한 기능은 커패시터(Capacitor)에 의해 수행된다. 즉, 커패시터는 정보통신 기기 및 각종 전자제품의 회로에서 전기를 모았다가 내보내는 기능을 담당하여 회로 내의 전기 흐름을 안정화시키는 역할을 한다. 그러나, 일반적인 커패시터는 충방전 시간이 매우 짧고 수명이 길며, 출력 밀도가 높지만 에너지 밀도가 작아 저장 장치로의 사용에 제한이 있다.
한편, 울트라 커패시터 또는 슈퍼 커패시터라 불리는 장치는 빠른 충방전 속도, 높은 안정성, 그리고 친환경적 특성으로 인해, 차세대 에너지 저장 장치로 각광받고 있다.
일반적인 슈퍼 커패시터는 전극 구조체(electrode structure), 분리막(seperator), 그리고 전해액(eletrolyte solution) 등으로 구성된다. 상기 슈퍼 커패시터는 상기 전극 구조체에 전력을 가해, 전해액 내 캐리어 이온들을 선택적으로 상기 전극에 흡착시키는 전기 화학적 메커니즘을 원리로 하여 구동된다. 현재, 대표적인 슈퍼 커패시터들로 전기이중층 커패시터(electric double layer capacitor:EDLC), 의사 커패시터(pseudocapacitor), 그리고 하이브리드 커패시터(hybrid capacitor) 등이 있다.
상기 전기이중층 커패시터는 활성탄소(activated carbon)로 이루어진 전극을 사용하고, 전기이중층 전하흡착(electric double layer charging)을 반응 메커니즘으로 하는 슈퍼 커패시터이다. 상기 의사 커패시터는 전이금속 산화물(transition metal oxide) 또는 전도성 고분자(conductive polymer)를 전극으로 사용하고, 유사용량(pseudo-capacitance)을 반응 메커니즘으로 하는 슈퍼 커패시터이다. 그리고, 상기 하이브리드 커패시터는 상기 전기이중층 커패시터와 의사 커패시터의 중간적인 특성을 갖는 슈퍼 커패시터이다.
이러한 하이브리드 커패시터로써, 활성탄으로 이루어진 양극과 그라파이트로 이루어진 음극을 사용하고, 리튬이온을 캐리어 이온으로 사용하여, 이차 전지의 높은 에너지 밀도와 전기이중층 커패시터의 높은 출력 특성을 갖는 리튬이온 커패시터(Lithium Ion Capacitor:LIC)가 주목받고 있다.
리튬이온 커패시터는 리튬이온을 흡장 및 이탈할 수 있는 음극재료를 리튬 금속과 접촉시키고, 리튬이온을 화학적 방법 또는 전기 화학적 방법으로 음극에 미리 흡장 또는 도핑함으로써, 음극 전위를 낮추어 내전압을 크게 하고, 에너지 밀도가 대폭적으로 향상되도록 한 것이다.
한편, 리튬인산철(LiFePO4)은 400℃의 고온 상태에서도 산소를 방출하지 않고 안정성이 높으며, 결정구조가 강건하고 수명이 길다는 특성이 있는데, 이러한 특성에 주목하여 발전소의 전력 저장 등 중대형 축전소자의 정극 재료나 리튬이온 이차전지 또는 전기이중층 커패시터의 정극 재료로 활용하기 위한 연구개발이 지속 되고 있다.
그러나, 리튬인산철은 도전률이 낮고 저항이 크기 때문에 리튬인산철을 포함하는 종전의 에너지 저장장치들은 지속적인 사용에 의하여 온도가 상승하면서 열화가 발생하여 수명이 감소된다는 문제가 있었으며, 특히 리튬인산철을 포함한 리튬이온 이차전지의 경우 부극 표면의 코팅이 파괴되어 안정적인 구동이 불가능하다는 문제가 있었다.
본 발명은 리튬인산철을 정극 재료로 도입하되, 리튬인산철의 높은 저항으로 인한 문제 등을 해결하여 고 에너지밀도를 구현하는 동시에 수명이 길고 신뢰성이 우수한 안정적인 대용량 리튬이온 커패시터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 의한 리튬이온 커패시터는, 정극 활물질을 포함하는 정극; 부극 활물질을 포함하는 부극; 및 이들 사이에 존재하는 전해질을 포함하고, 상기 정극 활물질은 리튬인산철(LiFePO4)과 활성탄의 혼합물을 포함하여 구성된다.
이때, 상기 정극 활물질 중 활성탄의 함량은 30 wt% 내지 60 wt%인 것이 바람직하다.
한편, 상기 부극에는 리튬이온이 프리도핑된 탄소재료가 포함될 수 있다.
이때, 리튬이온의 도핑량은 부극 용량의 80~95%인 것이 바람직하다.
또한, 상기 정극 활물질 및 부극 활물질은 리튬이온 또는 음이온과 가역적인 도핑/탈도핑이 가능한 물질인 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성된 본 발명은 종전의 활성탄만을 부극으로 사용한 커패시터보다 용량이 크게 향상됨과 동시에, 리튬인산철의 높은 저항으로 인한 문제를 해결함으로써 장기간 안정적으로 사용할 수 있는 리튬이온 커패시터를 구현할 수 있다는 유용한 효과를 제공한다.
따라서, 본 발명을 이용하여 태양광 발전, 풍력 발전용 초 고용량 리튬이온 커패시터 축전소자를 제조할 수 있게 된다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 기술 등은, 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 더불어, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 리튬이온 커패시터의 구성에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명에서는 리튬이온 커패시터 축전소자의 에너지밀도를 향상시키기 위하여 고용량의 리튬산화물을 정극 활물질로 포함한다.
한편, 리튬산화물은 용량이 높기는 하지만, 저항도 높기 때문에 여러 가지 문제점들을 유발할 수 있으므로, 본 발명에서는 리튬이온 커패시터의 정극 활물질로써 리튬인산철을 단독 사용하지 않고 활성탄을 소정량 혼합함으로써 정극의 저항을 낮추고 상대적으로 수명 특성을 향상시킨 것이다.
이때, 상기 정극 활물질 중 활성탄의 비율은 30wt% 내지 60wt% 범위 내에 있도록 하는 것이 바람직하다.
상기 활성탄의 함량이 30wt%보다 낮아지면 리튬인산철의 높은 저항으로 인하여 리튬이온 커패시터의 지속적인 충방전 동작의 반복에 따라 커패시터의 열화가 심화되어 수명이 단축된다는 문제점이 있다.
또한, 상기 활성탄의 함량이 60wt%보다 높아지면 정극의 표면에서 리튬인산철이 전해액에 함유된 각종 이온들과의 반응이 약화되어 리튬이온 커패시터의 에너지밀도 및 용량이 향상되지 못한다.
본 발명의 일실시예에 따르면 정극 활물질로 리튬인산철과 활성탄의 혼합물을 사용하고, 부극 활물질로는 리튬이온이 프리도핑된 탄소재료를 이용한다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 의한 구체적인 구성을 실험예를 참조하여 상세하게 설명한다.
[정극 제조]
정극 활물질로 리튬인산철과 활성탄을 7:3의 비율로 혼합한 것을 사용하며, 상기 정극 활물질과 아세틸렌 블랙(Acetylene black) 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride)를 각각 중량비 8:1:1 비율로 혼합하였다.
다음으로, 상기 혼합물을 용매인 N-메틸필로리돈(N-Methylpyrrolidone)에 넣어 교반함으로써 슬러리를 만들고, 20㎛ 두께의 알루미늄 포일 위에 닥터 블레이드 기법(Doctor blade method)으로 도포하여 1차 건조 후 소정 크기(예를 들면 100×100mm)로 재단하였다. 이때, 전극의 두께는 약 50㎛ 정도였으며, 셀 조립 전에 진공 상태에서 120℃로 약 10시간 동안 건조하였다.
[부극 제조]
흑연을 부극 활물질로 하여 아세틸렌 블랙 및 폴리비닐리덴 플루오라이드와 8:1:1의 중량비로 혼합하고, 용매인 N-메틸필로리돈에 넣고 교반하여 슬러리를 만들어 10㎛ 두께의 동박에 닥터 블레이드 기법으로 도포하여 반건조한 후 소정 크기로 재단하였다. 이때, 전극의 두께는 약 30㎛이며, 셀 조립 전에 진공 상태에서 120℃로 약 5시간 동안 건조하였다.
[전해액 제조]
에틸렌 카보네이트(Ethylene Carbonate ; EC) : 프로필렌 카보네이트(Propylene Carbonate ; PC) : 에틸 메틸 카보네이트(Ethyl Methyl Carbonate ; EMC)를 3:1:2의 중량비로 혼합하여 용매로 사용하고, LiPF6를 1.2 mol/L의 농도로 용해시켜 전해액을 제조하였다.
[부극의 프리도핑]
상기 부극과 리튬금속박을 세퍼레이터로써 폴리프로필렌 부직포를 사이에 두고 마주보게 하여 접촉시킴으로써 리튬이온을 도핑시켰다. 리튬이온의 도핑은 약 2시간동안 지속하여, 리튬이온의 도핑량은 상기 부극 용량의 약 85%가 되도록 하였다.
[커패시터 셀의 조립]
준비된 정극과 부극 사이에 세퍼레이터를 삽입하여 적층형 셀을 만들고 파우치 형태의 케이스에 전해액과 함께 함침시킨 형태로 밀봉하여 약 24시간 동안 방치하였다.
이상과 같이 준비된 커패시터를 25℃의 항온조 내에서 정전류-정전압으로 900초 동안 3.8V까지 충전한 다음 정전류로 2.0V까지 방전하여 용량을 산출하였다.
이때, 산출된 리튬이온 커패시터의 용량은 65Wh/kg 이었다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (5)
- 정극 활물질을 포함하는 정극; 부극 활물질을 포함하는 부극; 및 이들 사이에 존재하는 전해질을 포함하는 리튬이온 커패시터에 있어서,
상기 정극 활물질은 리튬인산철(LiFePO4)과 활성탄의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하여 구성되는
리튬이온 커패시터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 정극 활물질 중 활성탄의 함량은 30 wt% 내지 60 wt%인 것을 특징으로 하여 구성되는
리튬이온 커패시터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 부극에는 리튬이온이 프리도핑된 탄소재료가 포함되는 것을 특징으로 하여 구성되는
리튬이온 커패시터.
- 제 3 항에 있어서,
리튬이온의 도핑량은 부극 용량의 80~95%인 것을 특징으로 하여 구성되는
리튬이온 커패시터.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 정극 활물질 및 부극 활물질은 리튬이온 또는 음이온과 가역적인 도핑/탈도핑이 가능한 물질인 것을 특징으로 하여 구성되는
리튬이온 커패시터.
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