KR20120129569A - 하이브리드 커패시터 - Google Patents

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KR20120129569A
KR20120129569A KR1020110047908A KR20110047908A KR20120129569A KR 20120129569 A KR20120129569 A KR 20120129569A KR 1020110047908 A KR1020110047908 A KR 1020110047908A KR 20110047908 A KR20110047908 A KR 20110047908A KR 20120129569 A KR20120129569 A KR 20120129569A
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김학관
최동혁
김배균
정현철
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명은 하이브리드 커패시터에 관한 것으로, 양극, 음극, 분리막 및 전해액을 구비하는 슈퍼 커패시터에 있어서, 상기 양극이 비다공성 탄소재료와 다공성 탄소재료를 혼합한 물질을 포함하는 양극활물질과 양극 집전체를 포함할 수 있다.

Description

하이브리드 커패시터{HYBRID CAPACITOR}
본 발명은 하이브리드 커패시터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 비다공성 탄소재료와 다공성 탄소재료를 혼합한 물질을 양극활물질로 사용하고, 티탄산리튬을 음극재료로 사용하여, 에너지 밀도를 향상시키고 출력 특성을 개선하며, 안정성을 확보할 수 있는 하이브리드 커패시터에 관련된다.
리튬이온배터리 등의 이차전지는 에너지 밀도가 높은 대표적인 에너지 저장장치로써, 최근 가장 각광받고 있으며 각종 모바일 전자기기의 중요한 에너지 저장장치로 활용되고 있다.
한편, 차세대 에너지 저장 장치들 중 울트라 커패시터 또는 슈퍼 커패시터라 불리는 장치는 빠른 충?방전 속도, 높은 안정성, 그리고 친환경적 특성으로 인하여 차세대 에너지 저장 장치로 각광받고 있다.
여기서, 슈퍼 커패시터의 종류에 대하여 간단히 살펴보면, 일반적인 슈퍼 커패시터는 전극 구조체(electrode structure), 분리막(seperator), 그리고 전해액(eletrolyte solution) 등으로 구성된다. 상기 슈퍼 캐피시터는 상기 전극 구조체에 전력을 가해, 전해액 내 캐리어 이온들을 선택적으로 상기 전극에 흡착시키는 전기 화학적 반응 메카니즘을 원리로 하여 구동된다. 현재, 대표적인 슈퍼 커패시터들로 리튬 이온 커패시터(Lithium Ion Capacitor:LIC), 전기이중층 커패시터(electric double layer capacitor:EDLC), 의사 커패시터(pseudocapacitor), 그리고 하이브리드 커패시터(hybrid capacitor) 등이 있다.
상기 리튬 이온 커패시터는 활성탄소로 이루어진 양극와 그라파이트로 이루어진 음극을 사용하고, 리튬 이온을 캐리어 이온으로 하는 슈퍼 커패시터이다. 상기 전기이중층 커패시터는 활성탄소(activated carbon)로 이루어진 전극을 사용하고, 전기이중층 전하흡착(electric double layer charging)을 반응 메커니즘으로 하는 슈퍼 커패시터이다. 상기 EDLC는 현재 가장 널리 사용되고 있는 슈퍼 커패시터이며, 전극 물질 자체가 보유하는 뛰어난 안정성과 함께, 친환경적인 탄소재료로 구성되는데, 이러한 탄소재 전극물질에는 활성탄, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유(ACNF), 그래핀(Graphene) 등이 있으며, 상대적으로 전기전도도가 우수한 카본블랙, 케첸블랙, CNT, 그래핀 등을 도전재로 첨가하여 사용된다.
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.
그러나, 상기와 같은 에너지 저장 장치들은 이차전지에 비해 상대적으로 낮은 용량을 갖는다. 이는 상술한 슈퍼 커패시터들이 대부분 전극과 전해액의 계면 간의 캐리어 이온 이동과 전극 표면에서의 화학 반응을 이용한 충?방전 메카니즘으로 구동되기 때문이다. 이에 따라, 현재, 슈퍼 커패시터와 같은 에너지 저장 장치에 있어서, 상대적으로 낮은 용량을 개선하기 위한 기술 개발이 요구되고 있다.
도 1을 참조하면, 슈퍼 커패시터는 금속재 전류 집전체(10, 20), 전극, 전해액(13) 및 분리막(14)으로 구성되며, 분리막으로 인해 서로 전기적으로 분리된 두 개의 전극 사이에 전해액(13)이 충진되어 있고, 금속재 전류 집전체(10, 20)는 전극에 효과적으로 전하를 충전시키거나 방전시키는 역할을 수행하게 된다.
EDLC의 경우 활성탄으로 전극이 구성되는데, 활성탄은 미세기공으로 이루어진 다공질을 구비하여 비표면적이 넓기 때문에, 활성탄소 전극에 (-)를 걸어주면 전해질로부터 해리되어 나온 (+)이온이 활성탄 전극의 기공내로 들어가서 (+)층을 이루고, 이는 활성탄 전극의 계면에 형성된 (+)층과 전기이중층을 형성하면서 전하를 충전시키게 된다. 여기서 슈퍼 커패시터의 용량은 전극의 구조 및 물성에 따라 크게 좌우되는데, 비표면적이 크고, 내부저항 및 접촉저항이 작고, 탄소소재의 밀도가 높을수록 용량이 높아지게 된다. 이때, 전극 활물질의 밀도가 낮으면 일반적으로 저항을 커지며 축전용량은 감소하게 되는데, 이처럼, 활물질과 도전재를 이용하여 제조된 전극의 밀도와 저항, 축전용량은 서로 밀접한 관계를 갖는다.
일반적으로 슈퍼 커패시터는 도 1에서 예시한 바와 같이, 주로 정전기적 특성을 이용하기 때문에, 전기화학적 반응을 이용하는 배터리에 비해서 충?방전 가능 횟수가 월등히 많아, 반영구적으로 사용이 가능하며, 충?방전 속도가 매우 빠르기 때문에, 출력밀도 또한 이차전지에 비하여 수십 배 이상 우수하다.
따라서, 기존의 이차전지로는 구현되지 못하는 슈퍼 커패시터의 장점으로 인하여, 그 응용분야가 점차 확대되고 있는 추세이다.
특히, 전기자동차나 연료전지 자동차 등과 같은 차세대 친환경 자동차 분야에 있어서, 그 효용성은 날로 증가되고 있다. 슈퍼 커패시터는 보조 에너지 저장장치로써 이차전지와 함께 연결되어 사용됨으로써 순간적인 에너지의 공급은 슈퍼 커패시터가 담당하고, 평균적인 차량의 에너지 공급은 이차전지가 담당하도록 함으로써 전반적인 차량 시스템의 효율을 개선할 수 있는 동시에 에너지 저장 시스템의 수명을 연장할 수 있는 효과를 기대할 수 있다. 또한, 굴착기 등의 중장비, UPS, 풍력발전, 태양력 발전 분야에서 에너지 저장장치, 휴대용 전화기나 동영상 플레이어 등과 같은 모바일 전자부품에서 보조전원으로 사용될 수도 있다.
한편, 이차전지는 에너지 밀도가 높다는 장점이 있지만, 출력 특성이 제한적이라는 단점이 있고, 슈퍼 커패시터는 출력 특성이 이차전지에 비하여 월등하지만, 에너지 밀도가 낮다는 단점이 있다.
최근에 관심이 대두되고 있는 하이브리드 커패시터의 한 종류인 리튬이온 커패시터(LIC)의 경우, 양극에 활성탄을 이용하고, 음극에는 리튬이온을 흡장 탈리할수 있는 탄소재료, 주로 흑연을 사용한다. 상기 LIC는 종래의 EDLC보다 고전압화 할 수 있고, 에너지 밀도도 높일 수 있으며, 종래의 리튬이온전지에 비하여 고출력화가 가능하고 사이클 특성이 뛰어난 장점도 있다. 그러나, 양극에 활성탄을 사용하기 때문에 에너지 밀도는 EDLC 보다 높지만, 여전히 양극의 성능에 의하여 제한되어 한계가 있다. 또한, 음극에는 리튬이온을 흡장 탈리하는 탄소재료가 사용되고 있어 음극의 전위는 리튬이 석출되는 전위 근처에 있으므로, 리튬석출에 의한 내부 단락이 발생하여 반복되는 사이클에 안정성을 보장할 수 없게 된다.
이상과 같은 각각의 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성은 갈수록 높아지고 있는 실정이다.
상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 본 발명은, 비다공성 탄소재료와 다공성 탄소재료를 혼합한 재료로 양극을 구성하여 출력 및 용량을 향상시킨 하이브리드 커패시터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 리튬이온의 흡장 탈리가 가능한 티탄산리튬 등의 비탄소재료로 음극을 구성하여 안정성과 신뢰성을 향상시킨 하이브리드 커패시터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 하이브리드 커패시터 음극의 새로운 구성을 제시하여 리튬의 덴드라이트 성장으로 인한 쇼트문제를 해결함과 동시에, 혼합 양극재료를 사용하는 양극 구성을 제시하여 작동전압의 감소로 인한 용량 및 에너지 밀도 감소 문제를 보상할 수 있는 하이브리드 커패시터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 창안된 본 발명에 따른 하이브리드 커패시터는, 양극, 음극, 분리막 및 전해액을 구비하는 슈퍼 커패시터에 있어서, 상기 양극이 비다공성 탄소재료와 다공성 탄소재료를 혼합한 물질을 포함하는 양극활물질과 양극 집전체를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 하이브리드 커패시터는, 양극, 음극, 분리막 및 전해액을 구비하는 슈퍼 커패시터에 있어서, 상기 음극이 리튬이온 대비 상대전위가 1.0V 이상인 비탄소재료로 이루어지는 음극활물질과 음극 집전체를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 하이브리드 커패시터는, 양극, 음극, 분리막 및 전해액을 구비하는 슈퍼 커패시터에 있어서, 상기 양극은, 비다공성 탄소재료와 다공성 탄소재료를 혼합한 물질을 포함하는 양극활물질과 양극 집전체를 포함하며, 상기 음극은, 리튬이온 대비 상대전위가 1.0V 이상인 비탄소재료로 이루어지는 음극활물질과 음극 집전체를 포함할 수 있다.
이때, 상기 비다공성 탄소재료는 리튬이온의 흡장탈리가 가능한 구조를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 양극활물질 중 비다공성 탄소재료의 함량은 20 내지 80wt%인 것이 바람직하다.
또한, 상기 비탄소재료는, 부피변화율이 5% 이하인 것이 바람직하다.
또한, 상기 비탄소재료는 티탄산리튬(Li4Ti5O12)인 것이 바람직하다.
또한, 상기 비다공성 탄소재료의 비표면적은 50㎡/g 이하일 수 있고, 상기 다공성 탄소재료의 비표면적은 1500㎡/g 이상일 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 커패시터는 비다공성 탄소재료와 다공성 탄소재료를 혼합한 물질로 양극을 구성함으로써 에너지 밀도를 향상시키고 출력특성을 개선할 수 있다는 유용한 효과를 제공한다.
또한, 비탄소재료로 음극을 구성함으로써 리튬의 석출가능 전위보다 높은 전위에서 충?방전 동작이 수행될 수 있도록 하므로 종전의 LIC에서 리튬의 석출로 인하여 쇼트가 발생함에 따라 안정성 및 신뢰성이 감소된다는 문제를 해결할 수 있다.
또한, 리튬의 석출가능 전위보다 높은 전위에서 작동하는 물질로 음극을 구성하여 안정성을 향상시키는 동시에, 혼합 양극재료를 사용하여 에너지 밀도 및 출력특성을 개선하여 음극의 고전위로 인한 작동전압의 감소에 따른 용량 및 에너지 밀도의 감소를 보상할 수 있으므로 종래의 LIC와 비교할 때, 용량은 비슷하거나 상승하면서도 안정성이 향상된 하이브리드 커패시터를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 일반적인 슈퍼 커패시터의 구조를 보인 도면,
도 2는 본 발명에 따른 구성을 보인 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 기술 등은 첨부되는 도면들과 함께 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. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
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, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명에 따른 에너지 저장 장치에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 구성을 보인 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 하이브리드 커패시터(100)는 양극 집전체(110)와 양극활물질(111)을 포함하는 양극, 음극 집전체(120)와 음극활물질(121)을 포함하는 음극, 분리막(114) 및 전해액(113)을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 양극 활물질은 비다공성 탄소재료와 다공성 탄소재료를 혼합한 물질을 포함하는 양극활물질(111)과 양극 집전체(110)를 포함하여 구성되는데, 종래의 슈퍼 커패시터에서는 양극활물질(111)로 주로 다공성 활성탄소를 사용하였다.
즉, 양극활물질(111)로써 결정구조를 가지지 않는 비정질의 활성탄만을 이용한 종래의 리튬이온 커패시터는 용량에 한계가 있었지만, 이론적으로 비정질의 활성탄보다 용량이 10배 이상 큰 비다공성 탄소재료를 혼합함으로써 커패시터의 용량을 향상시킬 수 있는 것이다.
이때, 상기 비다공성 탄소재료는 비표면적이 50㎡/g 이하인 탄소재료를 의미하며, 흑연(Graphite)등이 비다공성 탄소재료에 해당될 수 있다.
또한, 상기 다공성 탄소재료는 비표면적이 1500㎡/g 이상인 탄소재료를 의미하며, 활성탄(Active Carbon) 등이 다공성 탄소재료에 해당될 수 있다.
상기 다공성 탄소재료는 그 표면적만이 용량에 반영되지만, 비다공성 탄소재료는 전체의 용적이 모두 용량에 반영될 수 있으므로, 비다공성 탄소재료를 적용함으로써 에너지 밀도 향상이 가능하다.
구체적으로 설명하면, 비다공성 탄소재료와 다공성 탄소재료를 혼합한 물질을 사용함으로써, 다공성 탄소재료인 비정질 활성탄만으로 특정 용량을 구현할 경우보다 적은 양의 탄소재료로 동일한 용량을 구현할 수 있으며, 양극활물질(111)층의 두께가 더 얇아질 수 있는 것이다.
또한, 양극활물질(111)층의 두께가 얇아질 수 있으므로 저항이 감소될 수 있다.
다만, 상기 양극활물질(111) 중 비다공성 탄소재료의 함량이 너무 많으면 커패시터의 용량은 증가될 수 있지만, 출력특성이 감소될 수 있다.
또한, 비다공성 탄소재료의 함량이 너무 적으면 커패시터의 용량 개선 효과가 크게 감소될 수 있다.
따라서, 비다공성 탄소재료 함량의 최적조건을 찾는 것이 중요하다.
이에 따라, 수만 회의 실험을 통해 다양한 조건에 대한 실험을 진행하였으며, 그 결과 비다공성 탄소재료의 함량이 양극활물질의 전체 중량을 기준으로 20 내지 80wt% 범위에 있을 때 출력특성의 감소를 최소화하면서 용량 증가가 최대화 될 수 있음을 확인하였다.
한편, 상기 비다공성 탄소재료는 리튬이온의 흡장 탈리가 가능한 구조를 가지는 것이 바람직하다. 이때, 리튬이온의 흡장 탈리가 가능한 구조는, 리튬이온 이차전지에서 널리 사용되고 있는 코발트산리튬(LiCoO2) 등의 리튬이온을 함유하는 금속산화물의 2차원적 판상 구조와 유사할 수 있으며, 적용되는 원리 또한 유사하므로 구체적인 설명은 생략한다.
또한, 본 발명에 따른 하이브리드 커패시터(100)는, 양극, 음극, 분리막(114) 및 전해액(113)을 구비하는 슈퍼 커패시터에 있어서, 상기 음극이 리튬이온 대비 상대전위가 1.0V 이상인 비탄소재료로 이루어지는 음극활물질(121)과 음극 집전체(120)를 포함할 수 있다.
일반적으로, 하이브리드 커패시터의 음극재료로써 흑연 등이 널리 사용되고 있는데, 이때, 용량증가를 위하여 0.1V수준으로 리튬 프리도핑 공정이 이루어진다.
그러나, 리튬이온 대비 상대전위가 1.0V 미만인 경우에는 충?방전 메커니즘의 반복적인 수행에 따라 음극에서 리튬이온이 석출되어 쌓이면서 성장하는 이른바 덴드라이트 형성 현상이 발생할 수 있다.
이러한 덴드라이트 형성이 지속되면, 서로 다른 전극이 접촉되면서 쇼트 현상이 발생하게 되어 커패시터가 정상적으로 작동할 수 없게 된다.
이러한 종래의 문제를 해결하기 위하여 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 커패시터는, 리튬이온 대비 상대전위가 1.0V이상인 비탄소재료로 음극활물질(121)이 구현되도록 하였다.
한편, 음극활물질(121)로 사용되는 비탄소재료의 부피변화율이 크면 종래의 하이브리드 커패시터에서와 같이 쇼트 현상이 발생할 수 있으므로, 상기 비탄소재료는 부피변화율 5% 이하인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 리튬이온 대비 상대전위가 1.0V이상이며 부피변화율이 낮은 물질로써 티탄산리튬(Li4Ti5O12)을 들 수 있는데, 상기 티탄산리튬은 리튬이온 대비 상대전위가 약 1.5V 정도이기 때문에, 티탄산리튬으로 음극활물질(121)을 구현할 경우 리튬이온의 석출로 인한 쇼트현상이 원천적으로 방지될 수 있다.
한편, 상기와 같이 음극활물질(121)을 리튬이온 대비 상대전위가 1.0V 이상인 재료로 구성할 경우, 음극에서의 쇼트 문제를 해결할 수는 있지만, 커패시터 전체의 작동전압이 감소에 따른 용량의 감소가 수반될 수 있다.
이때, 전술한 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 커패시터에서와 같이 양극활물질(111)을 비다공성 탄소재료와 다공성 탄소재료를 혼합한 물질로 구현함으로써 감소된 용량을 보상할 수 있다.
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.
10 : 양극 집전체
11 : 양극활물질
13 : 전해액
14 : 분리막
20 : 음극 집전체
21 : 음극활물질
100 : 하이브리드 커패시터
110 : 양극 집전체
111 : 양극활물질
113 : 전해액
114 : 분리막
120 : 음극 집전체
121 : 음극활물질

Claims (10)

  1. 양극, 음극, 분리막 및 전해액을 구비하는 슈퍼 커패시터에 있어서,
    상기 양극이,
    비다공성 탄소재료와 다공성 탄소재료를 혼합한 물질을 포함하는 양극활물질과 양극 집전체를 포함하는 것인
    하이브리드 커패시터.
  2. 양극, 음극, 분리막 및 전해액을 구비하는 슈퍼 커패시터에 있어서,
    상기 음극이,
    리튬이온 대비 상대전위가 1.0V 이상인 비탄소재료로 이루어지는 음극활물질과 음극 집전체를 포함하는 것인
    하이브리드 커패시터.
  3. 양극, 음극, 분리막 및 전해액을 구비하는 슈퍼 커패시터에 있어서,
    상기 양극이,
    비다공성 탄소재료와 다공성 탄소재료를 혼합한 물질을 포함하는 양극활물질과 양극 집전체를 포함하며,
    상기 음극이,
    리튬이온 대비 상대전위가 1.0V 이상인 비탄소재료로 이루어지는 음극활물질과 음극 집전체를 포함하는 것인
    하이브리드 커패시터.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 비다공성 탄소재료는 리튬이온의 흡장탈리가 가능한 구조를 포함하는 것인
    하이브리드 커패시터.
  5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 양극활물질 중 비다공성 탄소재료의 함량은 20 내지 80wt%인 것인
    하이브리드 커패시터.
  6. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 비탄소재료는,
    부피변화율이 5% 이하인 것인
    하이브리드 커패시터.
  7. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 비탄소재료는 티탄산리튬(Li4Ti5O12)인
    하이브리드 커패시터.
  8. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 비다공성 탄소재료의 비표면적은 50㎡/g 이하인
    하이브리드 커패시터.
  9. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 다공성 탄소재료의 비표면적은 1500㎡/g 이상인
    하이브리드 커패시터.
  10. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 비다공성 탄소재료의 비표면적은 50㎡/g 이하이고,
    상기 다공성 탄소재료의 비표면적은 1500㎡/g 이상인
    하이브리드 커패시터.
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