KR20130034181A - 도핑 탄소계 전극을 이용한 전기 이중층 커패시터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 이중층 커패시터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양극과 음극 소재에 각각 5족원소와 3족원소를 도핑하여 정전용량을 향상시킨 도핑 탄소계 전극을 이용한 커패시터에 관한 것이다. 이를 통하여, 수계 전해질은 물론 유기계 전해질을 사용하는 경우에도 고용량 전기 이중층 커패시터를 제공할 수 있다.

Description

도핑 탄소계 전극을 이용한 전기 이중층 커패시터{ELECTRIC DOUBLE LAYER CAPACITOR USING DOPED CARBON-BASED ELECTRODE}
본 발명은 전기 이중층 커패시터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양극과 음극 소재에 각각 도핑을 실시하여 정전용량을 향상시킨 도핑 탄소계 전극을 이용한 전기 이중층 커패시터에 관한 것이다.
커패시터는 전기를 저장할 수 있는 장치로서, 기본적으로는 2장의 전극판을 대향시킨 구조로 되어 있으며, 축전기 또는 콘덴서라고 한다. 전기 이중층 커패시터는 커패시터의 성능 중 특히 전기 용량의 성능을 중점적으로 강화한 것으로서, 전지의 목적으로 사용하도록 한 부품이고 전자 회로에 사용되는 커패시터는 전기적으로 충전지와 같은 기능을 갖는다.
‘전력을 모아서 필요에 따라 방출한다’는 것이 기본 취지이며, 전자 회로를 안정되게 동작시키기 위해서는 반드시 필요한 부품의 하나이다. 충방전을 반복하는 환경에서 오랜 시간이 경과해도 안정되게 동작되며, 보통 교류 전원으로부터 공급받아 충전해 두고 전원이 끊어진 경우에 소전력을 공급할 목적으로 사용된다. 보통 기기 내부에 설치되어 있으며, 설정용 메모리에 전력을 일시적으로 공급하거나 정전시에 동작하는 안전 기기 등에 이용되고 있다.
전기 이중층 커패시터는 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기이중층)이 생성된 것을 이용한 에너지 저장장치로서, 이는 반영구적인 충방전이 가능하고, 일반적인 축전지에 비해 출력 특성이 좋아 충방전 시간이 짧고 내구성 및 안정성이 뛰어나 반영구적인 수명을 가지고 있다. 전기 이중층 커패시터는 일반적으로 분리막을 사이에 두고 양극, 음극 2개의 전극을 서로 대향되게 배치한 다음 전해질에 함침시켜 구성한 셀로 구성된다.
그러나 전기 이중층 커패시터는 축전지에 비하여 출력 특성은 좋지만, 방전과 동시에 전압이 점진적으로 떨어져 셀 당 낮은 작동전압을 가짐에 따라 에너지 저장밀도가 일반적인 축전지에 비해 작다.
에너지 저장에 관한 하나의 자료가 되는 에너지 밀도(에너지 저장량)는 축전지와 마찬가지로 전기 이중층 커패시터에 있어서도 에너지의 양을 비교할 수 있는 좋은 지표라 할 수 있다. 에너지 밀도는 다음과 같은 식을 통해 구해진 에너지를 전기 이중층 커패시터의 총 부피로 나누면 구할 수 있다.
에너지(J)=1/2CV2
(C: 셀 당의 정전용량(F), V; 셀에 인가 가능한 전압)
에너지는 용량(C)과 전압(V2)에 비례한다. 정전용량은 전극물질에 의해 결정되고, V는 사용하는 전해액에 의해서 결정된다. 따라서, 전기 이중층 커패시터의 에너지 밀도를 높이기 위해 높은 정전용량을 가지는 전극물질의 개발과 가용 전압이 큰 전해액의 개발이 필요하다.
전기 이중층 커패시터의 정전용량은 전기이중층에 축적되는 전하량에 따라 정해진다. 따라서 아래의 식에 나타낸 바와 같이 유전체의 특성에 따라서 정전용량을 변화시킬 수 있다.
C=ε0*εr*S/δ
(C: 정전용량, ε0: 진공유전률, εr: 비유전율, S: 전극의 표면적, δ: 이온직경을 나타낸다.)
저장 가능한 에너지는 전기 이중층을 형성하는 면적에 비례하므로, 활성탄과 같이 높은 비표면적을 갖는 물질이 전극으로 적합하다. 이러한 특성을 만족시킬 수 있는 것이 활성탄계열의 탄소전극재료이며, 특히 전기 저항을 낮추기 위해서는 탄소순도가 매우 높은 탄소전극재료가 필요하다. 더불어, 전극 재료로서는 비표면적이 큰 활성탄소, 루테니움산화물, 티타늄산화물과 같은 금속 산화물이 사용되고 있으나, 탄소 전극 이외의 재료는 가격이 매우 고가이므로, 일반적으로 탄소를 가장 많이 사용하고 있다.
또한, 다수의 문헌에서 탄소계 전극물질에 대하여 제시하고 있으나, 양극 및 음극을 동일한 물질로 사용하거나, 한 쪽의 전극을 이종물질로 교체한 하이브리드 커패시터에 관하여 제시한다. 그러나, 이러한 기술은 이종의 소재를 이용하여햐 하므로 그 공정이 복잡하다. 따라서, 동일한 소재를 이용하되, 간단한 공정에 의하여 그 성질을 향상시킬 수 있는 방안이 요구되고 있다.
본 발명은 전기 이중층 커패시터에 관한 것으로서, 정전용량을 확대하기 위하여, 양극에 사용하는 전극재에는 양전하를 포함한 원소를 도핑하고, 음극에 사용하는 전극재에는 음전하를 포함한 원소를 도핑하여 높은 커패시턴스를 유도할 수 있는 커패시터를 제공하고자 한다.
본 발명의 일측면은 전기 이중층 커패시터로서, 5족 원소로 도핑된 탄소계 양극 및 3족 원소로 도핑된 탄소계 음극을 포함한다.
상기 탄소계 양극 및 음극은 활성탄으로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 활성탄은 카본 블랙, 탄소 나노 튜브(CNT; Carbon Nano Tube), 탄소 나노 파이버(CNF; Carbon Nano Fiber), 증기 성장 탄소 섬유(VGCF; Vapor Grown Cabon Fiber), 그라파이트(Graphite) 중 1종인 것이 바람직하다.
상기 5족 원소는 질소(N)인 것이 바람직하다.
상기 질소의 도핑량은 1-30at.%인 것이 바람직하다.
상기 탄소계 양극 중 도핑층은 1-10㎚인 것이 바람직하다.
상기 3족 원소는 보론(B)인 것이 바람직하다.
상기 보론의 도핑량은 1-30at.%인 것이 바람직하다.
상기 탄소계 음극 중 도핑층은 1-10㎚인 것이 바람직하다.
상기 커패시터의 정전용량은 65F/cc 이상인 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 도핑처리된 양극 및 음극에 의하여 전해질의 용매화 사이즈를 축소시킴으로서 커패시터의 정전용량을 확대할 수 있다.
또한, 수계 전해질은 물론 유기계 전해질을 사용하는 경우에도 고용량 전기 이중층 커패시터를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예로서, 도핑된 전극을 포함한 커패시터의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 관한 것으로서, 질소도핑 플라즈마 처리 전후 임피던스 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 관한 것으로서, 질소도핑 플라즈마 처리 전후 체적당 용량과 방전 전류밀도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 관한 것으로서, 질소도핑 플라즈마 처리 전후 중량당 용량과 방전 전류밀도의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명자들은 커패시터의 전극재에 이종원소를 도입함으로써, 전해질의 용매화 사이즈를 축소시켜 정전용량을 증가시킬 수 있음을 인지하고, 본 발명에 이르게 되었다.
먼저, 본 발명의 일측면인 도핑 탄소계 전극을 이용한 전기 이중층 커패시터에 대하여 상세히 설명한다.
전기 이중층 커패시터는 기본적으로 양극, 음극 및 전해질을 포함하는데, 수계 전해질의 경우, 전해액과 전극은 패러데이 반응에 의하여 정전용량이 증가되지만, 유기계 전해질의 경우, 이러한 효과가 용이하지 아니하다. 본 발명의 전극은 수계질 전해액은 물론 유기계 전해액의 경우에도 고용량의 커패시터를 제공할 수 있다.
본 발명에서는 양극 및 음극에 사용되는 전극재에 이종원소를 도핑하여 극성을 갖는 전극을 제공한다. 양극에는 양전하를 도입하기 위하여, 5족 원소를 도핑하고, 음극에는 음전하를 도입하기 위하여, 3족 원소를 도핑할 수 있다.
다만, 본 발명에서는 5족 원소 중 질소, 3족 원소 중 보론을 적용하는 것이 바람직하다.
도1은 본 발명의 일 실시예로서, 전기 이중층 커패시터의 모식도를 나타낸 것이다. 전기 이중층 커패시터는 양극(1)과 음극(2)이 대향되어 있으며, 상기 양극(1) 및 음극(2)은 파워(3)와 연결되어 있고, 전해액(4)에 함침되어 위치한다. 전해액에 존재하는 이온들은 전극쪽으로 이동하여 전하를 교환할 수 있다.
상술한 바와 같이, 정전용량은 전해액에 포함된 이온직경에 반비례한다. 양극에 양전하가 충전되면, 전해질에 존재하는 음전하가 양극쪽으로 대향된다. 5족 원소 중 질소가 도핑되는 경우, 질소는 Pyridinic 타입으로 도핑될 수 있으며, 이런 질소의 결합형태에 의하여 양전하가 양극에 충분히 도입될 수 있다. 이러한 양전하에 의하여 전해질에 포함된 이온이 상기 양극에 흡착될 때, 전자운의 직경을 축소시켜, 이온반경을 감소시킨다. 이온반경은 정전용량과 반비례관계를 가져 정전용량을 증가시키는 효과를 보인다. 또한, 질소에 따른 카본전극재 전체의 표면전위를 양의 방향으로 이동시켜 고전압에서의 분해안정성을 향상시키는 역할을 한다.
반대로, 음극은 전해질에 포함된 양전하와 마주하는데, 3족 원소가 도핑된 음극의 경우에 음극에 추가적으로 음전하를 함유할 수 있다. 보론이 함유한 탄소전극재는 탄소격자내의 국부적인 전위변화에 따라 전자이동도가 증가하게 되고 제로전위의 상평형상태에서 이미 반대되는 전하를 도입시키기 때문에 전체적인 분극특성을 향상시켜 보다 많은 이온을 흡착시키는 능력을 가지게 된다.
본 발명은 커패시터용 전극재의 소재로서 탄소재를 사용할 수 있는데, 상기 탄소재로서 카본 블랙, 탄소 나노 튜브(CNT; Carbon Nano Tube), 탄소 나노 파이버(CNF; Carbon Nano Fiber), 증기 성장 탄소 섬유(VGCF; Vapor Grown Cabon Fiber), 그라파이트(Graphite) 등이 사용될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 제조시 본 발명이 목적하고자 하는 세공(포어)을 포함하는 활성탄을 제조할 수 있는 탄소재는 모두 포함할 수 있다.
상기 5족 원소가 도핑된 탄소계 양극의 도핑량은 1-30 at.%인 것이 바람직하다. 또한, 상기 탄소계 양극 중 도핑층은 1-10㎚인 것이 바람직하다. 상기 도핑량은 도핑층 내에 존재하는 5족 원소의 at.%를 나타내는 것으로서, 그 도핑량이 1-30 at.%인 경우 본 발명이 의도하고자 하는 정전용량을 확보할 수 있다.
또한, 상기 3족 원소가 도핑된 탄소계 양극의 도핑량은 1-30 at.%인 것이 바람직하다. 또한, 상기 탄소계 음극 중 도핑층은 1-10㎚인 것이 바람직하다. 상기 도핑량은 도핑층 내에 존재하는 3족 원소의 at.%를 나타내는 것으로서, 그 도핑량이 1-30 at.%인 경우 본 발명이 의도하고자 하는 정전용량을 확보할 수 있다.
본 발명에서 상술한 도핑은 플라즈마 후처리를 통하여 도핑할 수 있다. 그러나, 반드시 상기 플라즈마 후처리를 통해서 도핑하는 방법을 사용하는 것에 한정되는 것은 아니며, 원소를 도핑할 수 있는 모든 방법을 포함할 수 있다.
상기 음극 및 양극을 포함한 전기 이중층 커패시터의 정전용량은 면적당 30~40F/㎠ 인 것이 바람직하다. 더불어, 체적당 정전용량은 65F/cc 이상인 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
(실시예)
코크스를 600℃에서 전처리하고 800℃에서 활성화 시켰으며, 활성화제로서 KOH와 NaOH를 1:1로 혼합하여 사용하였으며, 활성탄의 비표면적은 1100㎡/g이였으며, 플라즈마처리를 통하여 질소를 도핑하여 전극을 제조하였으며, 임피던스 스펙트라를 측정하여 하기 도 2에 나타내었으며, 방전전류 밀도와 체적당 용량을 각각 도 3 및 도 4에 나타내었다.
도 2에 나타난 바와 같이, 질소 플라즈마 처리 후 임피던스 결과를 살펴보면, 한 개의 세미 서클과 와버그 임피던스 영역이 나타났다. 이는 질소 도핑에 의하여 전극과 전해질 사이의 계면 임피던스가 확연히 감소됨을 확인할 수 있다.
도 3에 나타난 바와 같이, 전류 밀도는 그램당 10미리 암페어에서부터 400미리 암페어 구간에서 방전용량을 보였으며, 전류밀도가 증가할수록 플라즈마 전 후의 방전용량의 차가 커짐을 확인할 수 있다.
도 4에 나타난 바와 같이, 체적당 용량의 경우 전류밀도는 100mA/g에서 플라즈마 처리 전에는 53F/cc였으나, 플라즈마 처리 후 65F/cc로 증가하였다.
1. 양극,
2. 음극,
3. 파워,
4. 전해액.

Claims (10)

  1. 5족 원소로 도핑된 탄소계 양극; 및
    3족 원소로 도핑된 탄소계 음극을 포함하는 전기 이중층 커패시터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소계 양극 및 음극은 활성탄으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 활성탄은 카본 블랙, 탄소 나노 튜브(CNT; Carbon Nano Tube), 탄소 나노 파이버(CNF; Carbon Nano Fiber), 증기 성장 탄소 섬유(VGCF; Vapor Grown Cabon Fiber), 그라파이트(Graphite) 중 1종인 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 5족 원소는 질소(N)인 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 질소의 도핑량은 1-30at.%인 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소계 양극 중 도핑층은 1-10㎚인 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 3족 원소는 보론(B)인 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 보론의 도핑량은 1-30at.%인 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소계 음극 중 도핑층은 1-10㎚인 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 커패시터의 정전용량은 65F/cc 이상인 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
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