KR20130093815A - Electrochemical capacitor, method for preparing the same - Google Patents

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KR20130093815A KR1020120004407A KR20120004407A KR20130093815A KR 20130093815 A KR20130093815 A KR 20130093815A KR 1020120004407 A KR1020120004407 A KR 1020120004407A KR 20120004407 A KR20120004407 A KR 20120004407A KR 20130093815 A KR20130093815 A KR 20130093815A
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김학관
윤호진
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김배균
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삼성전기주식회사
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Abstract

PURPOSE: An electrochemical capacitor and a manufacturing method thereof are provided to lower cathode potential so as to be close to OV in comparison to lithium, thereby increasing voltage. CONSTITUTION: A cathode includes a LiC6 layer (120) on a cathode current collector (110). The cathode includes an active material layer (130) on the cathode current collector. The electric potential of the cathode is maintained within the range of 0 to 0.2V. The thickness of the LiC6 layer is about 10 μm or less. An anode includes an active material layer on an anode current collector.

Description

전기 화학 캐패시터, 및 이의 제조방법{Electrochemical capacitor, method for preparing the same}Electrochemical Capacitor, and Method for Preparing the Same {Electrochemical capacitor, method for preparing the same}

본 발명은 전기 화학 캐패시터, 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to an electrochemical capacitor and a method of manufacturing the same.

슈퍼 캐패시터는 축전용량이 대단히 큰 캐패시터로 울트라 캐패시터 또는 초고용량 캐패시터라고도 한다. 학술적인 용어로는 기존의 정전기식 또는 전해식과 구별해 전기 화학식 커패시터라고 한다. Supercapacitors are capacitors with very high capacitance, also called ultracapacitors or ultracapacitors. In academic terms, the electrochemical capacitor is distinguished from the conventional electrostatic or electrolytic method.

슈퍼 캐패시터는 이온의 정전기적 흡착과 탈착을 통해 전기를 축적하는 전기이중층 캐패시터(Electric Double Layer Capacitor), 산화-환원 반응을 통하여 전기를 축정하는 의사 캐패시터(Pseudocapacitor) 그리고 비대칭(Asymmetric) 전극 형태를 가지는 하이브리드 캐패시터로 나눌 수 있다.Supercapacitors have Electric Double Layer Capacitors that accumulate electricity through electrostatic adsorption and desorption of ions, Pseudocapacitors that accumulate electricity through redox reactions, and Asymmetric electrodes. It can be divided into hybrid capacitors.

가장 일반적인 에너지 저장장치인 배터리는 비교적 작은 부피와 중량으로 상당히 많은 에너지를 저장할 수 있고, 여러 용도에서 적당한 출력을 내줄 수 있기 때문에 여러 용도에서 사용되고 있다. 그러나 배터리는 종류에 무관하게 저장특성 및 사이클 수명이 낮은 공통적인 문제점을 가지고 있다. 이는 배터리에 내포되어 있는 화학물질의 자연적인 또는 사용에 따른 열화 현상 때문이며 이에 대한 별다른 대안이 없기 때문에 이러한 배터리의 단점을 수긍하여 쓸 수 밖에 없다.Batteries, the most common energy storage device, are used in many applications because they can store a great deal of energy in a relatively small volume and weight, and can provide adequate output in many applications. However, batteries have a common problem of low storage characteristics and cycle life regardless of the type. This is due to the deterioration of the natural or use of chemicals contained in the battery, and there is no alternative to this, so there is no choice but to accept the disadvantage of the battery.

이에 반해 슈퍼 캐패시터는 화학 반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면 화학 반응에 의한 충전현상을 이용한다. 이에 따라 급속 충방전이 가능하고 높은 충방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명 특성으로 보조 배터리나 배터리 대체용으로 사용될 수 있는 차세대 에너지 저장장치로 각광받고 있다.Supercapacitors, on the other hand, differ from batteries that use chemical reactions.   Charge phenomenon by transfer or surface chemical reaction is used. Accordingly, it is rapidly becoming a next-generation energy storage device that can be used as a secondary battery or a battery replacement due to its fast charge and discharge, high charge and discharge efficiency and semi-permanent cycle life characteristics.

그러나 이러한 장점에도 불구하고 슈퍼 캐패시터는 배터리 보다는 낮은 용량으로 인하여 그 활용성에 많은 제약을 받고 있다. 따라서 고출력 특성을 유지하면서 셀의 용량을 개선하고자 하는 노력은 현재 슈퍼 캐패시터의 가장 중요한 문제라고 할 수 있다.Despite these advantages, however, supercapacitors are more limited in their utility due to their lower capacity than batteries. Therefore, the effort to improve the capacity of the cell while maintaining high output characteristics is the most important problem of the current supercapacitor.

리튬 이온 이차전지는 고용량이며 유력한 전원으로서 연구되어, 이미 일부 상용화도 되어 있지만, 안전성과 싸이클 수명, 고출력특성에 여전히 문제가 되고 있기 때문에, 최근에는 전기이중층 캐패시터(EDLC)가 주목받고 있다. Lithium ion secondary batteries have been studied as high-capacity and potent power sources, and some of them have already been commercialized, but electric double layer capacitors (EDLC) have attracted attention recently because they are still problematic for safety, cycle life, and high output characteristics.

상기 전기이중층 캐패시터(EDLC)는 양극과 음극 모두 활성탄을 활물질로 사용하여 분극성 전극을 이용하고 있기 때문에, 에너지밀도는 이차 전지에 비하여 작지만, 순간 출력이 매우 우수하고, 50만회 까지도 견디는 장수명 특성이 있어서, 메모리 백업용 전원, 고출력을 요하는 중장비용에 현재 사용되고 있다. Since the EDLC has polarized electrodes using active carbon as the active material for both the positive electrode and the negative electrode, the energy density is smaller than that of the secondary battery, but the instantaneous output is very excellent and the long life characteristics of up to 500,000 cycles are achieved. It is currently used for power supply for memory backup and heavy equipment requiring high power.

여기서 캐패시터의 고용량화를 해결하기 위해서는, 셀 내의 활성물질을 다량으로 충전하는 것 혹은 활성물질의 비표면적을 높이는 것이 가장 중요한 점이라고 할 수 있으나, 용량에 크게 기여하지 못하는 미세기공의 비중이 높은 비표면적의 경우에는 용량 발현이 잘 되지 않으므로, 활성물질의 세공구조를 최적화하여 고용량화하는 데에는 한계가 있다. Here, in order to solve the high capacity of the capacitor, the most important point is to charge a large amount of active material in the cell or to increase the specific surface area of the active material, but the specific surface area with high specific gravity of micropores that does not contribute significantly to the capacity In the case of the dose is not well expressed, there is a limit to the high capacity by optimizing the pore structure of the active material.

   또 다른 고용량화의 방법으로서는 충전 전압을 높게 설정하는 것을 생각할 수 있다. 일반적으로 EDLC는 2.5~2.7V의 범위에서 충전되지만, 더 높은 전압에서 충전할 수 있다면, 에너지 밀도(E=1/2CV2)를 크게 향상시킬 수 있게 된다. As another high capacity method, it is conceivable to set the charging voltage high. In general, EDLC is charged in the 2.5 to 2.7V range, but if it can be charged at higher voltages, it can significantly improve the energy density (E = 1 / 2CV 2 ).

그러나, 캐패시터의 충전전압이 높아지면 양극의 충전전위가 높아지기 때문에 전해액의 분해가 일어나게 되어, 가스 발생이나 전극열화의 문제가 발생하여 내부저항의 상승, 결국은 셀의 수명저하의 문제가 발생하게 된다. However, when the charge voltage of the capacitor is increased, the charge potential of the anode is increased, resulting in decomposition of the electrolyte, resulting in gas generation or electrode deterioration, resulting in an increase in internal resistance and ultimately, a decrease in cell life. .

한편, 일본의 JM energy, ACT 사에서 개발된 리튬이온 캐패시터(LIC)의 경우 EDLC의 출력 감소를 기존의 의사 캐패시터에 비해서 크게 감소시키지 않으면서 전압의 상승으로 인한 에너지 밀도의 증가를 이루어낸 제품이다(도 1, 도2 참조). 즉, 양극에 비표면적이 넓은 활성탄을 사용하고, 음극에 리튬 이온을 가역적으로 삽입(intercalaction), 탈리(deintercalation)할 수 있는 탄소재료를 이용하여, 2.0 ~ 4.0V까지의 넓은 전압범위에 있어서 사용할 수 있고, 높은 에너지 밀도를 가지면서 충방전 사이클 신뢰성이 우수한 제품이 생산되기 시작 하였다. Meanwhile, the lithium ion capacitor (LIC) developed by JM energy and ACT in Japan achieved an increase in energy density due to the voltage increase without significantly reducing the EDLC output reduction compared to the conventional pseudo capacitor. (See FIG. 1, FIG. 2). In other words, using activated carbon with a large specific surface area at the positive electrode and using a carbon material capable of reversibly intercalating and deintercalating lithium ions at the negative electrode, it can be used in a wide voltage range of 2.0 to 4.0V. And products with high energy density and excellent charge / discharge cycle reliability began to be produced.

그러나, 이런 LIC의 경우 단위 체적당 음극의 정전용량이 양극의 정전용량보다 약 3~4배가 크기 때문에 (물론 음극이나 양극재료의 특성에 따라서 달라질 수 있으나 일반적인 활성탄과 흑연의 이론용량을 고려해 보았을 때) 실제 최대 용량발현을 위해서는 양극의 두께를 음극의 두께보다 3~4배 이상 크게 해야 한다. 이럴 경우, 상대적으로 두꺼워진 양극 때문에 저항의 증가가 발생하고 이로부터 셀의 출력 특성이 급격히 감소하는 문제가 발생된다. However, in the case of such LIC, the cathode capacitance per unit volume is about 3 to 4 times larger than that of the anode (it may vary depending on the characteristics of the cathode or anode material, but considering the theoretical capacity of general activated carbon and graphite) In order to achieve maximum capacity, the thickness of the anode should be 3-4 times larger than the thickness of the cathode. In this case, the relatively thick anode causes an increase in resistance, which leads to a sharp decrease in cell output characteristics.

따라서, 본 발명의 목적은 슈퍼 캐패시터의 전극 제작에 있어서 기존 활성탄을 활물질로 사용하는 EDLC의 고출력 특성을 유지하면서 음극 전위를 리튬 대비 0V에 가깝게 낮추어줌으로써, 전압을 증가시켜, 에너지 밀도를 극대화시킬 수 있는 전극을 포함하는 전기 화학 캐패시터, 및 이의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
Accordingly, an object of the present invention is to increase the voltage by lowering the cathode potential close to 0V compared to lithium, while maintaining the high output characteristics of EDLC using the active activated carbon as an active material in the production of supercapacitor electrode, thereby maximizing energy density It is an object of the present invention to provide an electrochemical capacitor including an electrode, and a method of manufacturing the same.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전기 화학 캐패시터는 음극 집전체 상에 LiC6층, 및 활물질층을 포함하는 음극, 및 양극 집전체 상에 활물질층을 포함하는 양극을 이용한 것을 특징으로 한다. An electrochemical capacitor according to an exemplary embodiment of the present invention is characterized by using a LiC 6 layer on a negative electrode current collector, a negative electrode including an active material layer, and a positive electrode including an active material layer on the positive electrode current collector.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 LiC6층의 두께는 10㎛ 이하로 형성되는 것이 바람직하다. According to one embodiment of the invention, the thickness of the LiC 6 layer is preferably formed to 10㎛ or less.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양극과 음극의 활물질은 서로 같거나 다를 수 있으며, 각각 활성탄, 탄소나노튜브(CNT), 그라파이트, 카본 에어로겔, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 탄소나노섬유(CNF), 활성화 탄소나노섬유(ACNF), 기상 성장 탄소섬유(VGCF), 및 그래핀으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. According to one embodiment of the invention, the active material of the positive electrode and the negative electrode may be the same or different, respectively, activated carbon, carbon nanotubes (CNT), graphite, carbon aerogels, polyacrylonitrile (PAN), carbon nanofibers ( CNF), activated carbon nanofibers (ACNF), vapor-grown carbon fibres (VGCF), and graphene.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양극과 음극의 활물질은 비표면적 1,500~3,000㎡/g의 활성탄이 가장 바람직하게 사용될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the active material of the positive electrode and the negative electrode may be most preferably used activated carbon having a specific surface area of 1,500 ~ 3,000 ㎡ / g.

상기 음극의 활물질층은 양극의 활물질층 대비 10 ~ 20% 얇게 형성되는 것이 바람직하다. It is preferable that the active material layer of the negative electrode is formed 10 to 20% thinner than the active material layer of the positive electrode.

상기 음극의 전위는 0~0.2V로 유지되는 것일 수 있다.
The potential of the negative electrode may be maintained at 0 ~ 0.2V.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전기 화학 캐패시터는 음극 집전체에 LiC6층을 형성하는 단계, 상기 LiC6층에 활물질층을 형성하는 단계를 포함하는 음극 제조 단계, 및 양극 집전체 상에 활물질층을 포함하는 양극 제조 단계를 포함할 수 있다. The electrochemical capacitor according to an embodiment of the present invention is a negative electrode current collector comprising: whole form a LiC 6 layer to the negative electrode producing method comprising a step of forming an active material layer on the LiC 6 layer, and a cathode current collector onto the active material to the A cathode manufacturing step comprising a layer may be included.

상기 LiC6층의 두께는 10㎛ 이하로 형성되는 것이 바람직하다.
The thickness of the LiC 6 layer is preferably formed to 10㎛ or less.

본 발명의 실시예에 따르면, 기존 활성탄을 활물질로 사용하는 EDLC의 고출력 특성을 유지하면서 음극 전위를 리튬 대비 0V에 가깝게 낮추어줌으로써, 전압을 증가시켜, 에너지 밀도를 극대화시킬 수 있는 전기 화학 캐패시터를 제공할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, while maintaining the high output characteristics of the EDLC using the existing activated carbon as an active material, by lowering the negative electrode potential close to 0V compared to lithium, by increasing the voltage, to provide an electrochemical capacitor that can maximize the energy density can do.

도 1은 리튬이온 캐패시터(LIC)의 개념도이고,
도 2는 리튬이온 캐패시터(LIC)의 전압과 전위 관계의 그래프이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조이다.
1 is a conceptual diagram of a lithium ion capacitor LIC,
2 is a graph of a voltage and potential relationship of a lithium ion capacitor LIC,
3 is an electrode structure according to an embodiment of the present invention.

이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. As used herein, the singular forms "a,""an," and "the" include singular forms unless the context clearly dictates otherwise. Also, " comprise "and / or" comprising "when used herein should be interpreted as specifying the presence of stated shapes, numbers, steps, operations, elements, elements, and / And does not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, operations, elements, elements, and / or groups.

본 발명의 전기 화학 캐패시터는 음극의 제조시, 집전체 위에 LiC6 층을 먼저 얇게 형성시키고, 여기에 활물질층을 형성시켜 음극 전위를 리튬 대비 0V에 가깝게 낮추어, 전압을 증가시켜, 에너지 밀도를 극대화시킨 것이다.In the electrochemical capacitor of the present invention, when manufacturing a cathode, a thin LiC6 layer is first formed on a current collector, and an active material layer is formed thereon, thereby lowering a cathode potential close to 0 V compared to lithium, increasing voltage, and maximizing energy density. will be.

이러한 본 발명에 따른 전기 화학 캐패시터는 다음 도 3에 나타낸 바와 같이, 음극 집전체(110) 상에 LiC6층(120), 및 활물질층(130)을 포함하는 음극(100), 및 양극 집전체(210) 상에 활물질층(230)을 포함하는 양극(200)을 포함하여 구성된다. As shown in FIG. 3, the electrochemical capacitor according to the present invention includes a negative electrode 100 including a LiC 6 layer 120, and an active material layer 130 on the negative electrode current collector 110, and a positive electrode current collector. A positive electrode 200 including an active material layer 230 is formed on the 210.

즉, 양극(200)의 경우 기존의 EDLC와 같이 양극 집전체(210)에 활물질층(230)을 도포시켜 제조되고(a), 음극(100)의 경우 음극 집전체(110)에 LiC6층(120)을 도포시킨 다음, 상기 LiC6층(120) 위에 활물질층(130)을 도포시켜 제조된다(b). That is, the cathode 200 is manufactured by applying the active material layer 230 to the cathode current collector 210 as in the conventional EDLC (a), and in the case of the anode 100, the LiC 6 layer on the anode current collector 110. After applying (120), the active material layer 130 is applied on the LiC 6 layer 120 is prepared (b).

본 발명과 같이 음극 제조시, 활물질층 형성 전에 상기 LiC6층(120)을 미리 도포시킴으로써 음극의 전위를 리튬 대비 0V에 가깝게 떨어뜨릴 수 있다. When manufacturing a negative electrode as in the present invention, the potential of the negative electrode can be dropped to near 0V compared to lithium by applying the LiC 6 layer 120 in advance before forming the active material layer.

상기 LiC6층에서 화학 양론비(stoichiometry ratio)에 가까울수록, 이 전압은 0V로 수렴되면서 유지될 가능성이 높아진다. 예를 들어, LixC6 (x는 0~1의 범위를 가질 수 있고, 1에 가까울수록 전압은 0V로 유지될 수 있음)에서, x의 값이 0.5 ~ 1.0 인 경우에는 Li의 도핑 레벨이 stage 1과 stage 2의 단계로 Li/Li+ potential이 0.1V 이하로 된다. 또한, x의 값이 0.34 ~ 0.5일 경우에는 도핑량이 늘어나 stage 3으로 가면서, potential이 0.15V까지 증가하게 된다. 실제 x 값이 0.2 이하로 많이 떨어져서, Li의 도핑량이 많이 감소하게 되면, potential이 0.2V 이상으로 급격히 증가하게 되고, 이는 셀의 전압을 감소시켜서, 에너지밀도가 감소하는 원인이 될 수 있다. The closer to the stoichiometry ratio in the LiC 6 layer, the higher the probability that this voltage will remain converging to 0V. For example, at LixC 6 (x can range from 0 to 1, the voltage can remain at 0V as close to 1), and the doping level of Li is staged if the value of x is 0.5 to 1.0 In stages 1 and 2, the Li / Li + potential is below 0.1V. In addition, when x is 0.34 to 0.5, the doping amount is increased and the potential increases to 0.15V as it goes to stage 3. If the actual x value drops to 0.2 or less, and the Li doping amount is greatly reduced, the potential rapidly increases to 0.2V or more, which may cause a decrease in the voltage of the cell, which may cause energy density to decrease.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 LiC6층의 두께는 10㎛ 이하, 바람직하기로는 1~2㎛로 얇게 코팅하여 음극의 두께를 너무 크게 하지 않도록 하는 것이 바람직하며, 상기 LiC6층의 두께가 10㎛를 초과하는 경우 EDLC 수준의 출력 특성과 너무 차이 나기 때문에 바람직하지 못하다.
According to one embodiment of the present invention, the thickness of the LiC 6 layer is preferably 10 μm or less, preferably 1 to 2 μm, so that the thickness of the cathode is not too large, and the thickness of the LiC 6 layer is increased. If it exceeds 10 μm it is not preferable because it is too different from the output characteristics of the EDLC level.

상기 LiC6층이 형성되면, 상기 LiC6층 위에 활물질층을 형성시킨다. 음극의 활물질은 활성탄, 탄소나노튜브(CNT), 그라파이트, 카본 에어로겔, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 탄소나노섬유(CNF), 활성화 탄소나노섬유(ACNF), 기상 성장 탄소섬유(VGCF), 및 그래핀으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있고, 이 중에서도 비표면적 1,500~3,000㎡/g의 활성탄이 가장 바람직하게 사용될 수 있다. When the LiC 6 layer is formed, an active material layer is formed on the LiC 6 layer. The active material of the negative electrode is activated carbon, carbon nanotubes (CNT), graphite, carbon aerogels, polyacrylonitrile (PAN), carbon nanofibers (CNF), activated carbon nanofibers (ACNF), vapor-grown carbon fibers (VGCF), and It may be one or more selected from the group consisting of graphene, and among these, activated carbon having a specific surface area of 1,500 to 3,000 m 2 / g may be most preferably used.

상기 활물질층은 차후 양극에 도포되는 활성탄 전극의 두께는 얇게 하여, 두 전극간의 이론용량이 크게 차이가 나지 않도록 셀 밸런싱을 해야 한다. 따라서 상기 음극의 활물질층은 양극의 활물질층 대비 10 ~ 20% 얇게 형성되는 것이 바람직하다. The active material layer needs to be cell balanced so that the thickness of the activated carbon electrode applied to the anode later is thin, so that the theoretical capacity between the two electrodes is not significantly different. Therefore, the active material layer of the negative electrode is preferably formed 10 to 20% thinner than the active material layer of the positive electrode.

이런 구조의 전극을 채용함으로써, 이 셀은 기존의 EDLC 고출력 특성과 기존 LiC의 고에너지 밀도 특성을 모두 가질 수 있어, 고용량, 고출력 셀의 제조가 가능해 지고, 모듈화 했을 때, 부피나 무게 측면에서도 유리하게 가져갈 수 있다.
By adopting the electrode of this structure, the cell can have both the existing EDLC high power characteristics and the high energy density characteristics of the existing LiC, which enables the manufacture of high capacity and high power cells, and when modularized, it is advantageous in terms of volume and weight. I can take it.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전기 화학 캐패시터는 음극 집전체에 LiC6층을 형성하는 단계, 상기 LiC6층에 활물질층을 형성하는 단계를 포함하는 음극 제조 단계, 및 양극 집전체 상에 활물질층을 포함하는 양극 제조 단계를 거쳐 제조될 수 있다. The electrochemical capacitor according to an embodiment of the present invention is a negative electrode current collector comprising: whole form a LiC 6 layer to the negative electrode producing method comprising a step of forming an active material layer on the LiC 6 layer, and a cathode current collector onto the active material to the It can be prepared through an anode manufacturing step comprising a layer.

상기 음극 집전체는 종래 전기이중층 캐패시터나 리튬 이온 전지에 사용되고 있는 모든 재질을 이용할 수 있으며, 예를 들어, 스텐레스, 구리, 니켈, 및 이들의 합금 등을 이용할 수 있고, 이중에서 구리가 바람직하다. 또한, 그 두께는 10~300㎛ 정도의 것이 바람직하다. 상기 집전체로서는 상기와 같은 금속의 박(箔)뿐만 아니라, 에칭된 금속박(箔), 혹은 익스팬디드 메탈, 펀칭 메탈, 그물, 발포체 등과 같이 앞뒷면을 관통하는 구멍을 갖춘 것도 무방하다. As the negative electrode current collector, all materials conventionally used in an electric double layer capacitor or a lithium ion battery may be used. For example, stainless steel, copper, nickel, and alloys thereof may be used, and copper is preferable. Moreover, it is preferable that the thickness is about 10-300 micrometers. The current collector may include not only the foil of the metal but also an etched metal foil or an opening metal such as expanded metal, punching metal, net, foam or the like through the front and back surfaces.

상기 음극 집전체 상에 LiC6층을 약 10㎛ 이하의 두께로 얇게 하여 음극이 너무 두꺼워지지 않도록 하며, 상기 LiC6층의 형성 방법은 wet direct doping, wet short doping, Li deposited dry doping 방법 등이 있으며, 그 방법이 특별히 한정되는 것은 아니다. The LiC 6 layer is thinned to a thickness of about 10 μm or less on the negative electrode current collector so that the negative electrode is not too thick. The method of forming the LiC 6 layer includes wet direct doping, wet short doping, and Li deposited dry doping. The method is not particularly limited.

상기 LiC6층 위에는 활물질층을 형성하며, 상기 활물질층은 도전재, 바인더, 및 용매 등을 포함하는 활물질 슬러리를 도포시켜 제조할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 상기 전극 활물질, 도전재, 및 용매의 혼합물을 상기 바인더 수지를 이용하여 시트 형상으로 성형하거나, 압출방식으로 압출된 성형 시트를 상기 LiC6층에 도전성 접착제를 이용하여 접합할 수도 있다. An active material layer is formed on the LiC 6 layer, and the active material layer may be prepared by coating an active material slurry including a conductive material, a binder, a solvent, and the like. In addition, in the present invention, the mixture of the electrode active material, the conductive material, and the solvent may be molded into a sheet shape using the binder resin, or the extruded molded sheet may be bonded to the LiC 6 layer using a conductive adhesive. have.

상기 활물질 슬러리에 포함되는 상기 도전재는 슈퍼-P, 그라파이트, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 및 케첸 블랙으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 도전성 카본을 이용할 수 있다. The conductive material included in the active material slurry may use at least one conductive carbon selected from the group consisting of super-P, graphite, acetylene black, carbon black, and Ketjen black.

또한, 본 발명의 바인더의 예를 들면, 폴리테트라플로로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF) 등의 불소계 수지; 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에딜렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 등의 열가소성수지; 카복시메틸셀룰로우즈(CMC) 등의 셀룰로오즈계 수지; 스타이렌-부타디엔 고무(SBR) 등의 고무계 수지 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으나 특별히 이에 한정되지 않으며, 통상의 전기 화학 캐패시터에 사용되는 모든 바인더 수지를 사용해도 무방하다. Further, examples of the binder of the present invention include fluorine-based resins such as polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyvinylidene fluoride (PVdF); Thermoplastic resins such as polyimide, polyamideimide, polyedylene (PE) and polypropylene (PP); Cellulose-based resins such as carboxymethylcellulose (CMC); One or more selected from rubber-based resins such as styrene-butadiene rubber (SBR) and mixtures thereof may be used, but is not particularly limited thereto. Any binder resin used in a conventional electrochemical capacitor may be used.

상기 음극의 활물질층은 양극의 활물질층 대비 10 ~ 20% 얇게 형성시켜 셀 밸런싱을 조절하는 것이 바람직하다.
The active material layer of the negative electrode is preferably 10 to 20% thinner than the active material layer of the positive electrode to control cell balancing.

또한, 본 발명에 따른 양극은 양극 집전체 상에 활물질층을 도포시켜 제조할 수 있다. In addition, the positive electrode according to the present invention may be prepared by coating an active material layer on a positive electrode current collector.

본 발명에 따른 양극 집전체로서는 종래 전기이중층 캐패시터나 리튬 이온 전지로 사용되고 있는 재질의 물건을 이용할 수 있으며, 예를 들어, 알루미늄, 스텐레스, 티타늄, 탄탈, 및 니오브로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상이며, 이중에서 알루미늄이 바람직하다.As the positive electrode current collector according to the present invention, an article of a material conventionally used as an electric double layer capacitor or a lithium ion battery can be used, and for example, at least one member selected from the group consisting of aluminum, stainless steel, titanium, tantalum, and niobium. Of these, aluminum is preferred.

상기 양극 집전체의 두께로는 그 두께는 10~300㎛ 정도의 것이 바람직하다. 상기 집전체로서는 상기와 같은 금속의 박(箔)뿐만 아니라, 에칭된 금속박(箔), 혹은 익스팬디드 메탈, 펀칭 메탈, 그물, 발포체 등과 같이 앞뒷면을 관통하는 구멍을 갖춘 것도 무방하다. The thickness of the positive electrode collector is preferably about 10 to 300 mu m. The current collector may include not only the foil of the metal but also an etched metal foil or an opening metal such as expanded metal, punching metal, net, foam or the like through the front and back surfaces.

양극 활물질층은 도전재, 바인더, 및 용매 등을 포함하는 활물질 슬러리를 도포시켜 제조할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 상기 전극 활물질, 도전재, 및 용매의 혼합물을 상기 바인더 수지를 이용하여 시트 형상으로 성형하거나, 압출방식으로 압출된 성형 시트를 집전체에 도전성 접착제를 이용하여 접합할 수도 있다. The positive electrode active material layer may be prepared by applying an active material slurry containing a conductive material, a binder, a solvent, and the like. In the present invention, a mixture of the electrode active material, the conductive material, and the solvent may be molded into a sheet shape using the binder resin, or a molded sheet extruded by an extrusion method may be bonded to the current collector using a conductive adhesive.

양극 활물질 슬러리에 포함되는 전극 활물질, 도전재, 바인더 및 용매는 상기 음극 활물질 슬러리 제조시 사용되는 것과 동일한 것을 사용할 수 있다.
The electrode active material, the conductive material, the binder, and the solvent included in the positive electrode active material slurry may be the same as those used when preparing the negative electrode active material slurry.

본 발명에 따른 전기 화학 캐패시터는 상기 양극과 음극을 분리막으로 절연시키고, 전해액에 함침시킨 다음, 외장재에 수납하여 제조될 수 있다. The electrochemical capacitor according to the present invention may be manufactured by insulating the positive electrode and the negative electrode with a separator, impregnating the electrolyte, and storing the same in an exterior material.

본 발명에 따른 분리막은 종래 전기이중층 캐패시터나 리튬 이온 전지에 사용되는 모든 재질의 재료를 이용할 수 있으며, 예를 들어, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리 아크릴로니트릴(PAN), 폴리아크릴아미드(PAAm), 폴리테트라플루오로 에틸렌(PTFE), 폴리설폰, 폴리에테르술폰(PES), 폴리카보네이트(PC), 폴리아미드(PA), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리프로필렌옥사이드(PPO), 셀룰로오스계 고분자, 및 폴리아크릴계 고분자로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 고분자로부터 제조된 미세 다공성 필름을 들 수 있다. 또한, 상기 다공성 필름을 중합시킨 다층 필름도 이용할 수 있으며, 이 중에서 셀룰로오스계 고분자가 바람직하게 사용될 수 있다. The separator according to the present invention may use materials of any material conventionally used in an electric double layer capacitor or a lithium ion battery. For example, polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyvinylidene fluoride (PVDF), Polyvinylidene chloride, poly acrylonitrile (PAN), polyacrylamide (PAAm), polytetrafluoro ethylene (PTFE), polysulfone, polyethersulfone (PES), polycarbonate (PC), polyamide (PA) And microporous films prepared from one or more polymers selected from the group consisting of polyimide (PI), polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), cellulose polymers, and polyacrylic polymers. A multilayer film obtained by polymerizing the porous film may also be used, and among them, a cellulose-based polymer may be preferably used.

상기 분리막의 두께는 약 10~40㎛가 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
The thickness of the separator is preferably about 10 ~ 40㎛, but is not limited thereto.

본 발명의 전해액은 스파이로계 염, TEABF4, TEMABF4 등의 비리튬염을 포함하거나LiPF6, LiBF4, LiCLO4, LiN(CF3 SO2)2, CF3SO3Li, LiC(SO2CF3)3, LiAsF6 및 LiSbF6 등의 리튬염을 포함하는 유기 전해액 혹은 이들의 혼합 모두 사용 가능하다. 상기 용매로는 아크릴로니트릴계의 용매, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 설포란 및 디메톡시에탄으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상이나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이것들의 용질과 용매를 조합시킨 전해액은 내전압이 높고 전기전도도가 높다. 전해액 속의 전해질의 농도는 0.1~2.5mol/L, 0.5~2mol/L이 바람직하다.
Electrolyte solution of the present invention comprises a non-lithium salt such as a spiro salt, TEABF4, TEMABF4, LiPF 6 , LiBF 4 , LiCLO 4 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , CF 3 SO 3 Li, LiC (SO 2 CF 3) 3, LiAsF 6, and an organic electrolyte solution containing a lithium salt such as LiSbF 6 or a mixture thereof can be used for both. The solvent may be one or more selected from the group consisting of an acrylonitrile solvent, ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, sulfolane and dimethoxyethane, but is not limited thereto. The electrolyte solution combining these solutes and solvents has high withstand voltage and high electrical conductivity. The concentration of the electrolyte in the electrolyte is preferably 0.1 to 2.5 mol / L and 0.5 to 2 mol / L.

본 발명의 전기 화학 캐패시터의 케이스(외장재)로는, 이차 전지 및 전기이중층 캐패시터에 통상적으로 사용되는 알루미늄을 포함하는 라미네이트 필름 이나 각형 알루미늄 케이스를 사용하는 것이 바람직하나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
As the case (exterior material) of the electrochemical capacitor of the present invention, it is preferable to use a laminate film or a rectangular aluminum case containing aluminum commonly used in a secondary battery and an electric double layer capacitor, but is not particularly limited thereto.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한, 이하의 실시예에서는 특정 화합물을 이용하여 예시하였으나, 이들의 균등물을 사용한 경우에 있어서도 동등 유사한 정도의 효과를 발휘할 수 있음은 당업자에게 자명하다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. The following examples are intended to illustrate the present invention, but the scope of the present invention should not be construed as being limited by these examples. In the following examples, specific compounds are exemplified. However, it is apparent to those skilled in the art that equivalents of these compounds can be used in similar amounts.

실시예Example 1  One

1)음극 제조1) cathode manufacturing

두께 20㎛의 알루미늄 에칭박 위에 콤마 코터(comma coater)를 이용하여 Li intercalated graphite를 도포 후 도핑(doping) 공정을 통하여 LiC6층을 약 2㎛ 두께로 도포시켰다. The LiC 6 layer was applied to a thickness of about 2 μm through a doping process after applying Li intercalated graphite using a comma coater on an aluminum etching foil having a thickness of 20 μm.

활성탄(비표면적 2150m2/g) 85g, 도전재로서 아세틸렌 블랙 12g, 바인더로써 PVDF 11.5g을 NMP 210g에 혼합 및 교반시켜 음극 활물질 슬러리를 제조하였다. 상기 활물질 슬러리를 LiC6층 위에 콤마 코터(comma coater)를 이용하여 약 54㎛ 두께(양극 활물질층 대비 10%)로 활물질층을 도포시켰다. A negative electrode active material slurry was prepared by mixing and stirring 85 g of activated carbon (specific surface area 2150 m 2 / g), 12 g of acetylene black as a conductive material, and 11.5 g of PVDF as a binder to 210 g of NMP. The active material slurry was coated on the LiC 6 layer by using a comma coater (comma coater) of about 54㎛ thickness (10% compared to the positive electrode active material layer).

셀의 조립 전에, 120℃의 진공 상태에서 24시간 동안 건조시켰다.
Prior to assembly of the cell, it was dried for 24 hours in a vacuum at 120 ℃.

2)양극 제조2) anode manufacturing

활성탄(비표면적 2150m2/g) 85g, 도전재로서 아세틸렌 블랙 12g, 바인더로써 CMC 3.5g, SBR 12.0g, PTFE 5.5g을 물 225g에 혼합 및 교반시켜 양극 활물질 슬러리를 제조하였다.85 g of activated carbon (specific surface area 2150 m 2 / g), 12 g of acetylene black as a conductive material, 3.5 g of CMC as a binder, 12.0 g of SBR, and 5.5 g of PTFE were mixed and stirred in 225 g of water to prepare a positive electrode active material slurry.

두께 20㎛의 알루미늄 에칭박 위에 양극 활물질 슬러리를 콤마 코터(comma coater)를 이용하여 도포하고, 임시 건조한 후, 전극 사이즈가 50mm×100mm이 되게 절단하였다. 전극의 단면두께는 60㎛ 이었다. 셀의 조립 전에, 120℃의 진공 상태에서 48시간 동안 건조시켰다.
The positive electrode active material slurry was applied on a 20-micrometer-thick aluminum etching foil using a comma coater, and after temporary drying, it cut | disconnected so that an electrode size might be 50 mm x 100 mm. The thickness of the cross section of the electrode is 60㎛ . Prior to assembly of the cell, it was dried for 48 hours in a vacuum at 120 ℃.

2)셀 제조2) cell manufacturing

상기의 제조된 양극과 음극 사이에, 세퍼레이터(TF4035, NKK, 셀룰로오스계 분리막)를 삽입하고, 전해액(아크릴로니트릴계의 용매에 TEABF4+LiBF4 염(1:1비율) 1.6몰/리터의 농도)을 함침시켜, 라미네이트 필름 케이스에 넣어서 밀봉했다.
A separator (TF4035, NKK, cellulose separator) was inserted between the prepared anode and cathode, and 1.6 mol / liter of electrolyte (TEABF 4 + LiBF 4 salt (1: 1 ratio) in an acrylonitrile solvent) was added. Density | concentration), and it put into the laminated film case and sealed.

비교예Comparative Example 1 One

1)전극 제조1) electrode manufacturing

일반 활성탄(비표면적 2150m2/g) 85g, 단일 도전재로서 아세틸렌 블랙 12g, 바인더로써 CMC 3.5g, SBR 12.0g, PTFE 5.5g을 물 225g에 혼합 및 교반시켜 전극 활물질 슬러리를 제조하였다. An electrode active material slurry was prepared by mixing and stirring 85 g of general activated carbon (specific surface area 2150 m 2 / g), 12 g of acetylene black as a single conductive material, 3.5 g of CMC, 12.0 g of SBR, and 5.5 g of PTFE as a binder in 225 g of water.

상기 전극 활물질 슬러리를 두께 20㎛의 알루미늄 에칭박 위에 콤마 코터(comma coater)를 이용하여 도포하고, 임시 건조한 후, 전극 사이즈가 50mm×100mm이 되게 절단하였다. 전극의 단면두께는 60㎛이었다. 셀의 조립 전에, 120℃의 진공 상태에서 48시간 동안 건조시켰다.
The electrode active material slurry was applied using a comma coater on an aluminum etching foil having a thickness of 20 μm, and temporarily dried, and then cut to have an electrode size of 50 mm × 100 mm. The cross-sectional thickness of the electrode was 60 µm. Prior to assembly of the cell, it was dried for 48 hours in a vacuum at 120 ℃.

2)셀 제조2) cell manufacturing

상기 전극을 양극과 음극으로 사용하여, 상기 양극과 음극 사이에 세퍼레이터(TF4035, NKK, 셀룰로오스계 분리막)를 삽입하고, 전해액(아크릴로니트릴계의 용매에 TEABF4 염 1.6몰/리터의 농도)을 함침시켜, 라미네이트 필름 케이스에 넣어서 밀봉했다.
Using the electrode as a positive electrode and a negative electrode, a separator (TF4035, NKK, cellulose separator) was inserted between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte solution (concentration of 1.6 mol / liter of TEABF 4 salt in acrylonitrile solvent) was added. It was made to impregnate, and it put in the laminated film case and sealed.

실험예Experimental Example : 전기 화학  Electrochemistry 캐패시터Capacitor 셀의 용량평가  Capacity evaluation of the cell

25℃의 항온 조건에서, 정전류-정전압으로 1mA/㎠의 전류밀도로 비교예1의 경우는 2.5V까지, 실시예 1의 경우는 3.0V까지 충전하고, 30분간 유지한 다음 다시 1mA/㎠의 정전류로 3회 방전시켜 마지막 사이클의 용량을 측정하였고, 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다. 또한, 각 셀의 저항특성은 ampere-ohm meter와 impedance spectroscopy로 측정하였고, 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.At constant temperature and constant temperature of 25 ° C., a current density of 1 mA / cm 2 at a constant current-constant voltage was charged to 2.5 V for Comparative Example 1 and 3.0 V for Example 1, held for 30 minutes, and then again maintained at 1 mA / cm 2. Capacity of the last cycle was measured by discharging three times with constant current, and the results are shown in Table 1 below. In addition, the resistance characteristics of each cell were measured by ampere-ohm meter and impedance spectroscopy, and the results are shown in Table 1 below.

구분division 초기 용량 특성(F)Initial capacity characteristic (F) 저항 특성(AC ESR, mΩ)Resistance characteristic (AC ESR, mΩ) 비교예 1Comparative Example 1 11.5711.57 19.1219.12 실시예 1Example 1 20.6620.66 20.2120.21

실시예 1의 경우, LiC6층 형성으로 인한 음극 포텐셜(potential)의 감소로 전체 셀의 전압은 실제 4V 이상으로 상승하였으나, 장기 신뢰성과 안정성을 고려하여 3V 까지만 측정하였음에도 불구하고, 비교예 1에 비해서 초기 용량 특성이 2배 가까이 우수함을 확인할 수 있다.
In the case of Example 1, the voltage of the entire cell actually increased to 4V or more due to the reduction of the cathode potential due to the formation of the LiC 6 layer, but in spite of measuring only up to 3V in consideration of long-term reliability and stability, It can be seen that the initial capacity characteristics are nearly twice that of the superior.

100: 음극
110 : 음극 집전체
120 : LiC6
130 : 음극 활물질층
200 : 양극
210 : 양극 집전체
230 : 양극 활물질층
100: cathode
110: negative electrode current collector
120: LiC 6 Layer
130: negative electrode active material layer
200: anode
210: positive electrode current collector
230: positive electrode active material layer

Claims (8)

음극 집전체 상에 LiC6층, 및 활물질층을 포함하는 음극, 및
양극 집전체 상에 활물질층을 포함하는 양극을 이용한 전기 화학 캐패시터.
A negative electrode including a LiC 6 layer and an active material layer on a negative electrode current collector, and
An electrochemical capacitor using a positive electrode comprising an active material layer on a positive electrode current collector.
제1항에 있어서,
상기 LiC6층의 두께는 10㎛ 이하로 형성되는 것인 전기 화학 캐패시터.
The method of claim 1,
The thickness of the LiC 6 layer is formed to less than 10㎛ electrochemical capacitor.
제1항에 있어서,
상기 양극과 음극의 활물질은 서로 같거나 다를 수 있으며, 각각 활성탄, 탄소나노튜브(CNT), 그라파이트, 카본 에어로겔, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 탄소나노섬유(CNF), 활성화 탄소나노섬유(ACNF), 기상 성장 탄소섬유(VGCF), 및 그래핀으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 탄소 재료인 전기 화학 캐패시터.
The method of claim 1,
Active materials of the positive electrode and the negative electrode may be the same or different, respectively, activated carbon, carbon nanotubes (CNT), graphite, carbon aerogels, polyacrylonitrile (PAN), carbon nanofibers (CNF), activated carbon nanofibers (ACNF) ), At least one carbon material selected from the group consisting of vapor-grown carbon fiber (VGCF), and graphene.
제1항에 있어서,
상기 상기 양극과 음극의 활물질은 비표면적 1,500~3,000㎡/g의 활성탄인 전기 화학 캐패시터.
The method of claim 1,
The active material of the positive electrode and the negative electrode is an electrochemical capacitor of activated carbon having a specific surface area of 1,500 ~ 3,000 m 2 / g.
제1항에 있어서,
상기 음극의 활물질층은 양극의 활물질층 대비 10 ~ 20% 얇게 형성되는 것인 전기 화학 캐패시터.
The method of claim 1,
The active material layer of the negative electrode is an electrochemical capacitor is formed 10 to 20% thinner than the active material layer of the positive electrode.
제1항에 있어서,
상기 음극의 전위는 0~0.2V로 유지되는 것인 전기 화학 캐패시터.
The method of claim 1,
The potential of the cathode is maintained at 0 ~ 0.2V electrochemical capacitor.
음극 집전체에 LiC6층을 형성하는 단계,
상기 LiC6층에 활물질층을 형성하는 단계를 포함하는 음극 제조 단계, 및
양극 집전체 상에 활물질층을 포함하는 양극 제조 단계를 포함하는 전기 화학 캐패시터의 제조 방법.
Forming a LiC 6 layer on the negative electrode current collector,
A negative electrode manufacturing step comprising forming an active material layer on the LiC 6 layer, And
A method of manufacturing an electrochemical capacitor comprising a cathode manufacturing step including an active material layer on a cathode current collector.
제7항에 있어서,
상기 LiC6층의 두께는 10㎛ 이하로 형성되는 것인 전기 화학 캐패시터의 제조 방법.
The method of claim 7, wherein
The thickness of the LiC 6 layer is 10㎛ or less manufacturing method of the electrochemical capacitor.
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일본 공표특허공보 특표2010-533359호(2010.10.21.) 1부. *

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