KR20140037074A - Carbon electrodes and electrochemical capacitors - Google Patents

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KR20140037074A
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노비스 더블유. 스미스
조엘 맥클로스키
제임스 제이. 곰리
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리트리브 테크놀로지스 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 최대 4.5V의 동작 전압을 제공하는 고농도의 전해질 테트라플루오로보레이트 염 및 비-수성 비양성자성 용매와 조합된 컨디셔닝된 탄소 원소를 지니는 커패시터용 탄소 전극, 및 탄소 전극과 사용되는 커패시터에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon electrode for a capacitor having a conditioned carbon element in combination with a high concentration of electrolyte tetrafluoroborate salt and a non-aqueous aprotic solvent providing an operating voltage of up to 4.5 V, and a capacitor used with the carbon electrode. It is about.

Description

탄소 전극 및 전기화학적 커패시터{CARBON ELECTRODES AND ELECTROCHEMICAL CAPACITORS}Carbon Electrodes and Electrochemical Capacitors {CARBON ELECTRODES AND ELECTROCHEMICAL CAPACITORS}

본 발명은 전극용 컨디셔닝(conditioning)된 탄소, 및 전극을 함유하는 전기화학적 커패시터(capacitor)에 관한 것이다. 더욱 특히, 커패시터는 본 발명의 전극용 컨디셔닝된 탄소를 사차 테트라플루오로보레이트 염인 고농도의 전해질 염을 지니는 비-수성 비-아세토니트릴 전해질과 조합하여 사용하는 경우 상승적인 개선이 제공된다.The present invention relates to an electrochemical capacitor containing conditioned carbon for the electrode, and the electrode. More particularly, the capacitor provides a synergistic improvement when using the conditioned carbon for the electrode of the present invention in combination with a non-aqueous non-acetonitrile electrolyte with a high concentration of electrolyte salt which is a quaternary tetrafluoroborate salt.

활성 탄소는 탄소 전극 커패시터용 전극의 제조에 사용하기에 바람직한 재료이다. 이러한 활성 탄소는 다수의 상이한 공급원, 예컨대, 코코넛 쉘, 목재, 당, 셀룰로오스성 물질 및 페놀계 수지로부터 제조된다. 이러한 재료는 증기 조절된 조건하에서 탄소로 전환된 후, 증기를 이용하여 두 번째 단계에서 탄소가 "활성화"되거나, KOH, 또는 이산화탄소와 KOH로 촉매작용되어 표면적을 1000 내지 2400m2/g와 같이 매우 높은 표면적으로 증가시킨다. 이러한 활성 탄소는 일반적으로 이들이 완전히 건조된 후에 약 2%의 산소 및 미량의 무기 염을 함유한다. 이러한 산소는 아마도 일부 질소 화합물과 함께 퀴논, 하이드로퀴논, 페놀, 카복실산, 푸란 및 가능하게는 케톤 등으로 존재하고, 이들 모두는, 전압이 3.3V를 넘어서 증가할 것이기 때문에 3V를 초과하는 더 높은 전압 조건하에서 전기화학적 산화/환원을 거칠 것이다. 더 낮은 전압에서 이러한 작용기는 실제로 탄소의 에너지 저장 용량을 개선시키며, 이는 3.2V 미만의 전압에서 바람직하다. 그러나, 전압은 3.2V 초과로 강제되기(push) 때문에, 가스 형성에 의한 높은 누설 전류, ESR(저항) 증가, 및 성능 손실이 발생한다.Activated carbon is a preferred material for use in the production of electrodes for carbon electrode capacitors. These activated carbons are made from a number of different sources, such as coconut shells, wood, sugars, cellulosic materials and phenolic resins. These materials are converted to carbon under steam controlled conditions and then carbon is "activated" in a second step with steam, or catalyzed with KOH, or carbon dioxide and KOH, resulting in very high surface areas such as 1000 to 2400 m 2 / g. Increase the high surface area. These activated carbons generally contain about 2% oxygen and trace amounts of inorganic salts after they have been completely dried. This oxygen is probably present with some nitrogen compounds as quinones, hydroquinones, phenols, carboxylic acids, furans and possibly ketones, etc., all of which are higher voltages above 3 V because the voltage will increase above 3.3 V. Under conditions will undergo electrochemical oxidation / reduction. At lower voltages these functional groups actually improve the energy storage capacity of carbon, which is desirable at voltages below 3.2V. However, since the voltage is pushed above 3.2 V, high leakage current, ESR (resistance) increase, and performance loss due to gas formation occur.

"슈퍼-커패시터(super-capacitor)"로서 알려진 고 에너지 밀도가 가능한 전기화학적 이중층 커패시터는 다양한 재료로부터 조립된다. 일반적으로, 전체 교시 내용이 본원에 참조로 포함되는 Kaschmitter 등에게 허여된 미국 특허 번호 제5,260,855호에 기재된 바와 같이, 안정하고 비반응성인 전해질 및 경량 재료로 슈퍼-커패시터를 구성하는 것이 바람직하다. 이러한 유형의 슈퍼-커패시터는 탄소를 기반으로 한 전극을 포함하며, 이는 유기 겔로부터 제조될 수 있다.High energy density capable electrochemical double layer capacitors, known as "super-capacitors", are assembled from a variety of materials. In general, it is desirable to construct super-capacitors with stable, non-reactive electrolytes and lightweight materials, as described in US Pat. No. 5,260,855 to Kaschmitter et al., The entire teachings of which are incorporated herein by reference. Supercapacitors of this type include carbon-based electrodes, which can be made from organic gels.

본원에 참조로 포함되는 Smith 등의 미국 특허 번호 제6,902,683호는, -60 내지 150℃의 온도에서 작동되는, 니트릴 용매 중에서 하이드로젠 플루오라이드의 테트라알킬 암모늄 염을 이미다졸륨 화합물과 혼합함으로써 형성된 착염의 전해질에 관한 것이다.US Pat. No. 6,902,683 to Smith et al., Incorporated herein by this reference, discloses complex salts formed by mixing a tetraalkyl ammonium salt of hydrogen fluoride with an imidazolium compound in a nitrile solvent operated at a temperature of -60 to 150 ° C. Relates to an electrolyte.

본원에 참조로 포함되는 논문[Ue in J. electrochem . Soc . Vol 141, No. 11, Nov. 1994 entitled " Electrochemical Properties of Organic Liquid electrolyte s Based on Quaternary Onium Salts for Electrical Double - Layer Capacitors "]에는 이중층 커패시터를 위한 고유전율 용매 및 오늄 염이 개시되어 있다. 상기 논문에서 특히 연구된 것은 우수한 안정성 및 전도성을 지니는 용매 중에서 더 큰 가용성을 나타낸 사차 오늄 테트라플루오로보레이트 염이었다.Papers incorporated herein by reference [ Ue in J. electrochem . Soc . Vol. 11, Nov. 1994 entitled " Electrochemical Properties of Organic Liquid electrolyte s based on Quaternary Onium Salts for Electrical Double - Layer Capacitors " ] disclose high dielectric constant solvents and onium salts for double layer capacitors. Particularly studied in this paper were quaternary onium tetrafluoroborate salts which showed greater solubility in solvents with good stability and conductivity.

본원에 참조로 포함되는 Warren 등의 미국 특허 번호 제5,418,682호에는 용매로서 디니트릴 혼합물과 전해질로서 사용하기 위한 테트라알킬 암모늄 테트라플루오로보레이트 염을 제조하는 방법이 개시되어 있다.US Pat. No. 5,418,682 to Warren et al., Incorporated herein by this reference, discloses a process for preparing a tetraalkyl ammonium tetrafluoroborate salt for use as a solvent with a dinitrile mixture as a solvent.

본원에 참조로 포함되는 Smith 등의 미국 특허 번호 제6,535,373호 및 6,902,684호는 주로 니트릴 용매를 이용하는 유사한 전해질이 개시되어 있다.US Pat. Nos. 6,535,373 and 6,902,684 to Smith et al., Incorporated herein by reference, disclose similar electrolytes that predominantly utilize nitrile solvents.

본 발명의 한 가지 구체예에 따르면, 더 높은 전압의 전기화학적 이중층 커패시터(electrochemical double layer capacitor: EDLC)용의 개선된 탄소 전극 및 이의 제조 방법이 제공된다.According to one embodiment of the present invention, there is provided an improved carbon electrode for a higher voltage electrochemical double layer capacitor (EDLC) and a method of manufacturing the same.

불활성 분위기 또는 진공하에 850℃ 내지 1300℃, 바람직하게는 약 1050℃ 내지 1190℃에서 약 30 내지 60분 동안 열 처리된 탄소 입자로부터 형성된 원반(disc)으로 탄소 전극을 제조하였다. 이러한 탄소를 Kynar 바인더와 4mm 시트로 형성시킨 후, 전극 원반으로 절단하였다. 그 후에, 이러한 전극을 불활성 분위기하에서 각각의 단계에서 3회의 사이클 동안 홀딩시키면서 2 내지 4.4 볼트의 커패시터 시험 전지에서의 원반에 대해 0.5 증분의 전압 램프를 이용하여 시험하였다.Carbon electrodes were prepared from discs formed from carbon particles heat treated at 850 ° C. to 1300 ° C., preferably at about 1050 ° C. to 1190 ° C. for about 30 to 60 minutes under inert atmosphere or vacuum. This carbon was formed into a Kynar binder and a 4 mm sheet, and then cut into electrode disks. This electrode was then tested using a voltage ramp of 0.5 increments against the disc in a capacitor test cell of 2 to 4.4 volts, holding for 3 cycles in each step under inert atmosphere.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, EDLC의 전해질은 더 높은 농도(2.0 내지 4.0M; 20 내지 55중량%)의 하나 이상의 테트라알킬 암모늄 테트라플루오로보레이트 염 및 비양성자성 비-아세토니트릴 비-수성 용매를 포함한다.According to another feature of the invention, the electrolyte of EDLC comprises a higher concentration (2.0-4.0 M; 20-55 wt%) of one or more tetraalkyl ammonium tetrafluoroborate salts and aprotic non-acetonitrile non-aqueous Solvent.

유리하게는, 알루미늄 금속 수집기(metal collector)가 커패시터 전극에 사용된다. Advantageously, an aluminum metal collector is used for the capacitor electrode.

본 발명의 일반적인 목적은 최대 4.0 내지 4.5V의 동작 전압을 지니는 EDLC를 제공하는 것이다.A general object of the present invention is to provide an EDLC having an operating voltage of up to 4.0 to 4.5V.

본 발명의 특징에 따르면, 처리된 활성 탄소 입자는 시트로 형성된 후 전극의 원반으로 절단되는데; 상기 전극은 금속 수집기를 포함하고, 이러한 수집기의 상부 및 하부 표면 상에는 탄소가 있고, 상기 열 처리된 탄소 층 상에 제 2 전도성 탄소 층이 위치되고, 이러한 전도성 탄소 층들 사이에 다공성 불활성 분리막(separator)이 위치된다.According to a feature of the invention, the treated activated carbon particles are formed into sheets and then cut into the disc of the electrode; The electrode includes a metal collector, carbon on the top and bottom surfaces of the collector, a second conductive carbon layer located on the heat treated carbon layer, and a porous inert separator between the conductive carbon layers. This is located.

본 발명의 일반적인 목적은 재(ash), 실리카 또는 작용성 산소 또는 황 화합물을 함유하지 않는 후처리된 활성 탄소 입자를 포함하는 원반을 함유하는 커패시터용 탄소 전극을 제조하는 것이다.It is a general object of the present invention to produce carbon electrodes for capacitors containing discs comprising ash, silica or post-treated activated carbon particles which do not contain functional oxygen or sulfur compounds.

본 발명의 또 다른 목적은 더 높은 전압(>3.0 내지 4.5V)에서 작동하는 탄소 전극을 지니는 커패시터를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a capacitor having a carbon electrode operating at higher voltage (> 3.0 to 4.5V).

본 발명은 본 발명의 바람직한 구체예 및 도면을 읽음으로써 더 잘 이해될 것이다.The present invention will be better understood by reading the preferred embodiments and drawings of the present invention.

도 1은 본 발명의 전기화학적 이중층 커패시터 전극에 대한 탄소 원반의 정면도이다.
도 2는 도 1의 원반을 지니는 전극의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 전극의 단면도이다.
도 4는 도 3의 전극의 분해도이다.
1 is a front view of a carbon disk for an electrochemical double layer capacitor electrode of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the electrode having the disk of FIG. 1. FIG.
3 is a cross-sectional view of another electrode of the present invention.
4 is an exploded view of the electrode of FIG. 3.

바람직한 구체예의 설명Description of preferred embodiments

본 발명에 따르면, 25℃에서 약 20 내지 30mS/cm이고 80℃에서 65mS/cm로 증가되는 전도도를 지니는 전해질과 함께 전기화학적 안정한 탄소 전극을 지니는 개선된 전기화학적 탄소 전극 이중층 커패시터(EDLC)로서, 상기 전해질이 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 감마 부티로락톤 또는 디메틸 카보네이트, 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 용매 중의 2.0 내지 4.0M의 농도의 하기 화학식의 하나 이상의 전도성 암모늄 염 및 비-수성 비-아세토니트릴 전해질을 포함하는 커패시터가 제공된다:According to the present invention, there is provided an improved electrochemical carbon electrode double layer capacitor (EDLC) having an electrochemically stable carbon electrode with an electrolyte having an conductivity of about 20-30 mS / cm at 25 ° C. and increasing to 65 mS / cm at 80 ° C., At least one conductive ammonium salt of the formula and non-aqueous non-aceto at a concentration of 2.0 to 4.0 M in a solvent selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate, gamma butyrolactone or dimethyl carbonate, or mixtures thereof A capacitor comprising a nitrile electrolyte is provided:

Figure pct00001
Figure pct00001

상기 식에서, R, R1, R2 및 R3는 에틸 또는 메틸 기이거나, R, R1, R2 및 R3는 1개 또는 2개의 피롤리디닐 기이다.Wherein R, R 1 , R 2 and R 3 are ethyl or methyl groups or R, R 1 , R 2 and R 3 are one or two pyrrolidinyl groups.

전극의 탄소는 불활성 분위기하에 850℃ 내지 1300℃에서 약 30 내지 60분 동안 가열된 후 원반으로 형성된 활성 탄소이다. 바람직하게는, 탄소는 재를 제거하기 전에 산 세척(acid wash)된다. 원반을 지니는 커패시터는 3.5 내지 4.5V의 정전압에서 시험된다.Carbon of the electrode is activated carbon formed into a disc after heating at 850 ° C to 1300 ° C for about 30 to 60 minutes under an inert atmosphere. Preferably, the carbon is acid washed before ash is removed. Capacitors are tested at a constant voltage of 3.5 to 4.5V.

바람직한 암모늄 염은 175 내지 250 범위의 분자량을 지닌다. 더욱 바람직한 염은 디에틸디메틸암모늄 테트라플루오로보레이트(DEDMA BF4) 및 에틸메틸 피롤리디닐 테트라플루오로보레이트이다. 바람직한 용매는 에틸렌 카보네이트(EC)가 감마부티로락톤(GBL) 또는 프로필렌 카보네이트(PC) 또는 디메틸 카보네이트(DMC)와 약 40% EC 대 70% GBL, PC, DMC 또는 이들의 혼합물의 비율로 조합된 용매이다.Preferred ammonium salts have a molecular weight ranging from 175 to 250. More preferred salts are diethyldimethylammonium tetrafluoroborate (DEDMA BF 4 ) and ethylmethyl pyrrolidinyl tetrafluoroborate. Preferred solvents are ethylene carbonate (EC) combined with gammabutyrolactone (GBL) or propylene carbonate (PC) or dimethyl carbonate (DMC) in a ratio of about 40% EC to 70% GBL, PC, DMC or mixtures thereof. Solvent.

커패시터에 사용되는 전극은 산 세척 후에 불활성 분위기 또는 진공하에 850℃ 내지 1300℃, 바람직하게는 1000 내지 1300℃에서 약 30 내지 60분 동안 전극에 사용되는 활성 탄소를 열 처리하여 전극용 탄소 원반을 형성시키고, 그 후에 전극을 지니는 커패시터를 3.5 내지 5V 범위의 정전압 사이클링에 주어지게 함으로써 제조된다.The electrode used in the capacitor is heat treated with activated carbon used in the electrode for about 30 to 60 minutes at 850 ° C to 1300 ° C, preferably 1000 to 1300 ° C, under an inert atmosphere or vacuum after acid washing to form a carbon disk for the electrode. And then the capacitor with electrodes is subjected to constant voltage cycling in the 3.5 to 5V range.

도 1 및 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 전극(10)은 상부 및 하부 상에 두께가 약 1 내지 4mil인 알루미늄 금속 호일 수집기(11)를 포함한다. 수집기(11) 상에는 두께가 약 0.5 내지 1mil인 임의의 전도성 탄소 코팅(12)이 있다. 이러한 코팅(12) 상에는 바인더와 컨디셔닝된 더 높은 표면적의 전도성 탄소를 포함하는 약 2 내지 5mil 두께의 원반(13)이 있다. 전도성 탄소(13) 사이에는 두께가 약 0.5 내지 3mil인 통상의 다공성 절연 분리막(14)이 사용된다. 코팅(12)은 또한 층(13)에서 확인되는 탄소와 동일한 처리된 탄소를 포함할 수 있다.As shown in FIGS. 1 and 2, the electrode 10 of the present invention includes an aluminum metal foil collector 11 having a thickness of about 1 to 4 mils on the top and bottom. On the collector 11 there is any conductive carbon coating 12 having a thickness of about 0.5 to 1 mil. On this coating 12 is a disk 13 of about 2 to 5 mils thick that contains a higher surface area conductive carbon conditioned with a binder. A conventional porous insulating film 14 having a thickness of about 0.5 to 3 mils is used between the conductive carbon 13. The coating 12 may also comprise a treated carbon that is identical to the carbon identified in the layer 13.

분리막(14)은 탄소 전극을 제조하는데 사용되는 어떠한 통상의 불활성 분리막을 포함할 수 있다. 바람직한 분리막은 다공성 테프론(Teflon)이다. 사용되는 전극은 대칭 또는 비대칭일 수 있다.The separator 14 may comprise any conventional inert separator used to fabricate the carbon electrode. A preferred separation membrane is porous Teflon. The electrodes used may be symmetrical or asymmetric.

전도성 탄소 층을 지니는 원반(13)은 약 6중량%의 양으로 존재하는 불활성 폴리머 바인더(polymeric binder), 예컨대, 폴리테트라플루오로에탄, Surlyn 또는 Kynar와 조합하여 본 발명에 따라 제조되는 전처리된 전도성 탄소를 포함한다.The disc 13 with conductive carbon layer is a pretreated conductive material prepared according to the invention in combination with an inert polymeric binder such as polytetrafluoroethane, Surlyn or Kynar present in an amount of about 6% by weight. Contains carbon.

원반 층(13)은 약 0.02g의 처리된 탄소를 아세톤 용매 중에서 약 6%의 폴리테트라플루오로에탄 또는 Kynar와 혼합하고, 가압하여 혼합물의 앞과 뒤를 롤링시켜 약 2 내지 5mil 두께의 층 및 5/8"의 원형을 형성시키고, 이를 다이 컷팅(die cutting)시키고 진공 건조시킴으로써 제조될 수 있다. 탄소 입자의 입도는 약 0.5 내지 10마이크론이다. 원반은 여러 모양, 즉, 정사각형, 직사각형, 원형 등을 포함할 수 있다.Disc layer 13 mixes about 0.02 g of treated carbon with about 6% polytetrafluoroethane or Kynar in acetone solvent and pressurizes to roll the front and back of the mixture to a layer of about 2-5 mils thick and 5 It can be prepared by forming a circle of / 8 ", die cutting and vacuum drying. The particle size of the carbon particles is about 0.5 to 10 microns. The disk can be of various shapes, i.e. square, rectangular, round, etc. It may include.

대안적으로, 활성 탄소는 사용되는 탄소 입자를 약 0.5 내지 10마이크론, 바람직하게는 3 내지 6마이크론으로 엑시드 볼 밀링(acid ball milling)시킨 후에 전극 원반(13)을 형성시키도록 처리한 후, 850 내지 1300℃, 바람직하게는 1100℃의 노(furnace)에서 열 처리하여 산소 및 황 작용 기를 제거하고, 이어서, 세척 및 진공하에 건조시킴으로써 제조될 수 있다. 상기 열 처리 단계는 불활성 분위기하에서 수행된다.Alternatively, the activated carbon is subjected to acid ball milling of the carbon particles used to about 0.5 to 10 microns, preferably 3 to 6 microns, and then treated to form the electrode disc 13, followed by 850 It can be prepared by heat treatment in a furnace at 1300 ° C., preferably 1100 ° C. to remove oxygen and sulfur functional groups, followed by washing and drying in vacuo. The heat treatment step is carried out in an inert atmosphere.

그 후에, 후처리된 활성 탄소를 원반(13)으로 형성시킨 후, 전해질을 2 내지 4.1V의 정전압 사이클링에 주어지게 하면서 커패시터 시험 전지 내에 위치시켰다.Thereafter, after-treated activated carbon was formed into the disk 13, the electrolyte was placed in the capacitor test cell while subjected to constant voltage cycling of 2 to 4.1V.

커패시터에는 초기 전압 사이클링(10회 미만의 사이클) 동안 형성된 가스를 제거하기 위해 전극에서 탄소 원반을 탈기하는 수단이 제공된다.The capacitor is provided with means for degassing the carbon disk at the electrode to remove gas formed during initial voltage cycling (less than 10 cycles).

알루미늄 수집기Aluminum collector

전극에 사용되는 알루미늄 수집기는 바람직하게는, 이후에 200℃에 베이킹되는 수성 전도성 탄소 아크릴계 코팅, 예컨대, 시판되는 Acheson 탄소 아크릴계 전도성 코팅의 코팅을 지니는 플레인 어닐링(plain annealing)된 알루미늄 호일로부터 제조된다. 번인(burn-in) 및 탈기 후의 알루미늄은 애노드 또는 캐소드에 적합하다.The aluminum collectors used for the electrodes are preferably made from plain annealed aluminum foil with an aqueous conductive carbon acrylic coating such as a commercially available Acheson carbon acrylic conductive coating which is subsequently baked at 200 ° C. Aluminum after burn-in and degassing is suitable for the anode or cathode.

후처리된 활성 탄소는 Kynar®와 포뮬레이팅되고, 3 내지 6mm 두께의 전극 층에서 알루미늄 수집기 호일 상에 바로 코팅될 수 있다. 이는 한면 또는 양면 상에 이루어질 수 있다.The post treated activated carbon is formulated with Kynar® and can be coated directly onto the aluminum collector foil in a 3-6 mm thick electrode layer. This can be done on one side or on both sides.

바람직한 전해질Preferred Electrolyte

바람직한 용매는 감마 부티로락톤(GBL), 프로필렌 카보네이트 또는 디메틸 카보네이트의 군 중 하나 이상과 에틸렌 카보네이트(EC)의 조합물을 포함하고, 여기서 에틸렌 카보네이트는 20중량% 이상, 바람직하게는 40 내지 60중량%로 포함된다.A preferred solvent comprises a combination of ethylene carbonate (EC) with at least one of the group of gamma butyrolactone (GBL), propylene carbonate or dimethyl carbonate, wherein the ethylene carbonate comprises at least 20 wt%, preferably 40 to 60 wt% %.

염 농도는 1.0M 이상, 바람직하게는 1.5 내지 5.2M, 가장 바람직하게는 1.5 내지 3.5M 범위이다. 스피로 또는 비스-피롤리디닐 암모늄 테트라플루오로보레이트와의 혼합물이 또한 우수한 저온 효율을 제공한다.The salt concentration is at least 1.0 M, preferably from 1.5 to 5.2 M, and most preferably from 1.5 to 3.5 M. Mixtures of spiro or bis-pyrrolidinylammonium tetrafluoroborates also provide excellent low temperature efficiency.

상기 전해질에서 이러한 개선은 이온성 염 함량이 2.5 초과 내지 4.0M이고 현재 전해질보다 두 배만큼 높은 경우에 더욱 크게 나타났으며, 이는 전도도 값만이 암시된 효율보다 충전/방전 커패시턴스에서 훨씬 더 우수한 효율을 야기하였다.This improvement in the electrolyte is even greater when the ionic salt content is greater than 2.5 to 4.0M and twice as high as the current electrolyte, which leads to much better efficiency in charge / discharge capacitance than the efficiency implied only by the conductivity values. Caused.

에틸렌 카보네이트(EC)는 프로필렌 카보네이트(PC)만을 기반으로 한 현재 비-아세토니트릴 비양성자성 전해질(18 내지 19mS/cm)에 비해 전도도에서 현저한 개선을 달성하는데 필수적인 것으로 밝혀졌다.Ethylene carbonate (EC) has been found to be essential for achieving significant improvements in conductivity compared to current non-acetonitrile aprotic electrolytes (18-19 mS / cm) based solely on propylene carbonate (PC).

실시예Example 1 One

전극의 제조Manufacture of electrodes

A. 재 및 실리카 제거 처리된 10% Kynar® 수지 및 90% 탄소(0.5 내지 10 마이크론)의 아세톤 슬러리를 형성시킴으로써 탄소 전극을 도 1 및 2에 나타난 바와 같이 제조할 수 있었다. 혼합물을 평평한 테프론 시트 상에 캐스팅(casting)한 후, 아세톤이 증발되게 하였다. 테프론으로부터 건조된 시트를 분리하고, 5/8" 원형 전극을 다이 컷팅하고, 진공 건조시켰다. 전극은 약 0.01g으로 칭량되었고, 두께는 4mil였다.A. Carbon electrodes can be prepared as shown in FIGS. 1 and 2 by forming an acetone slurry of ash and silica removal treated 10% Kynar® resin and 90% carbon (0.5 to 10 microns). After the mixture was cast on a flat Teflon sheet, the acetone was allowed to evaporate. The dried sheet was separated from Teflon, die cut 5/8 "circular electrode and vacuum dried. The electrode was weighed to about 0.01 g and thickness was 4 mil.

B. 대안적으로, 얇은 액형 전도성 탄소 분산액으로 코팅한 후 베이킹된 알루미늄 시트로부터 말단 판(end plate)(21)을 제조함으로써 탄소 전극(20)을 도 3 및 4에 나타난 바와 같이 제조할 수 있었다. 건조시킨 후, 시트로부터 적절한 크기로 원반(21)을 천공하고, 에지를 평평하게 하기 위해 롤러 상에 놓았다. 그 후, Surlyn® 링(23)을 말단 판(21)에 가열 밀봉시켰다. 그런 다음, 열 처리된 탄소를 10% Surlyn 바인더 및 아세톤과 함께 페이스트로 만들었다. 페이스트를 약 4mm의 테프론 시팅의 시트로 롤링시켰다. 아세톤을 증발시킨 후, Surlyn 링 내에 적합한 크기로 천공하였다. 그 후, 탄소 전극(24)을 진공하에 베이킹하여 어떠한 수분을 제거하였다. 분리막(22)은 말단 판(21)보다 약간 작지만 전극(24)보다는 큰 0.5mil 두께의 다공성 테프론 원반이다. 전극(24)을 적절한 전해질 중에 담근 후, 조립체를 Surlyn 링을 내에 위치시켰다. 분리막을 하나의 Surlyn 링 조립체의 중앙에 두었다. 그 후에, 다른 Surlyn 링 조립체를 다른 조립체의 상부에 위치시키고, 전체 조립체를 함께 가열 밀봉시켰다.B. Alternatively, the carbon electrode 20 could be prepared as shown in FIGS. 3 and 4 by making an end plate 21 from a baked aluminum sheet after coating with a thin liquid conductive carbon dispersion. . After drying, the disc 21 was drilled from the sheet to the appropriate size and placed on a roller to flatten the edges. The Surlyn® ring 23 was then heat sealed to the end plate 21. The heat treated carbon was then paste with 10% Surlyn binder and acetone. The paste was rolled into a sheet of Teflon sheeting of about 4 mm. Acetone was evaporated and then perforated to a suitable size in the Surlyn ring. Thereafter, the carbon electrode 24 was baked under vacuum to remove any moisture. The separator 22 is a 0.5 mil thick porous Teflon disc that is slightly smaller than the end plate 21 but larger than the electrode 24. After soaking the electrode 24 in a suitable electrolyte, the assembly was placed in the Surlyn ring. The separator was centered in one Surlyn ring assembly. Thereafter, another Surlyn ring assembly was placed on top of the other assembly and the entire assembly was heat sealed together.

실시예Example 2 2

후처리된Post-processed OSAKAOSAKA PCPC 탄소 전극(0.008g)을 이용한  Using a carbon electrode (0.008 g) ECEC // GBLGBL 전해질 중  Electrolyte DEDMABF4DEDMABF4 를 지니는 커패시터 시험 전지의 비교Of capacitor test cells with

Figure pct00002
Figure pct00002

실시예Example 3 3

후처리된Post-processed NoritNorit 30 탄소(0.008g)를 이용한 50/50  50/50 using 30 carbons (0.008 g) ECEC // PCPC 전해질 중  Electrolyte DEDMABF4DEDMABF4 를 지니는 커패시터 시험 전지의 비교Of capacitor test cells with

Figure pct00003
Figure pct00003

Claims (13)

밀봉된 탄소 전극을 지니는 비-수성 전기화학적 커패시터(capacitor)로서,
하나 이상의 탄소 전극이
a) 상부 및 하부 표면 상의 금속 수집기(metal collector);
b) 임의로, 수집기의 각각의 상부 및 하부 내표면 상의 제 1 전도성 탄소 층;
c) 산소 및 헤테로원자 함유 작용 기를 실질적으로 함유하지 않고 탈기되는, 각각의 상기 제 1 전도성 탄소 층 상의 다공성 제 2 전도성 탄소 층;
d) 상기 제 2 전도성 탄소 층들 사이의 다공성 불활성 분리막(separator); 및
e) 비양성자성 용매 중에서 1.5M 이상의 농도의 사차 암모늄 테트라플루오로보레이트 염을 지니는 전해질을 포함함이 개선된 커패시터.
A non-aqueous electrochemical capacitor with a sealed carbon electrode,
One or more carbon electrodes
a) metal collectors on the top and bottom surfaces;
b) optionally, a first conductive carbon layer on each upper and lower inner surface of the collector;
c) a porous second conductive carbon layer on each of said first conductive carbon layers which is degassed substantially free of oxygen and heteroatom containing functional groups;
d) a porous inert separator between the second conductive carbon layers; And
e) An improved capacitor comprising an electrolyte having a quaternary ammonium tetrafluoroborate salt at a concentration of at least 1.5 M in an aprotic solvent.
제 1항에 있어서, 비-아세토니트릴 전해질을 포함하는 커패시터.The capacitor of claim 1 comprising a non-acetonitrile electrolyte. 제 2항에 있어서, 상기 전해질이 비양성자성 용매 및 하나 이상의 테트라알킬 암모늄 테트라플루오로보레이트 염을 포함하는 커패시터.3. The capacitor of claim 2 wherein said electrolyte comprises an aprotic solvent and at least one tetraalkyl ammonium tetrafluoroborate salt. 제 3항에 있어서, 염 농도가 2.0 내지 4.8M인 커패시터. 4. The capacitor of claim 3 wherein the salt concentration is between 2.0 and 4.8 M. 제 1항에 있어서, 알루미늄 금속 수집기를 포함하는 커패시터.The capacitor of claim 1 comprising an aluminum metal collector. 제 2항에 있어서, 전해질 용매가 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 감마 부티로락톤 및 디메틸 카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 두 개의 구성 요소를 포함하는 커패시터.3. The capacitor of claim 2 wherein the electrolyte solvent comprises two components selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate, gamma butyrolactone and dimethyl carbonate. 탄소 전극을 지니는 커패시터로서, 상기 전극 내의 탄소를 850 내지 1300℃의 온도에서 가열함으로써 산소 및 황 작용 기 및 실리카를 제거하도록 열 처리하고, 상기 커패시터에 위치된 전극에 사용되는 하나 이상의 원반(disc)으로 형성시키고, 이를 4.4까지의 전압 램프로 번인(burn-in)을 거치게 하고 탈기시킴이 개선된 커패시터.A capacitor having a carbon electrode, wherein the carbon in the electrode is thermally treated to remove oxygen and sulfur functional groups and silica by heating at a temperature of 850-1300 ° C., and at least one disc used for the electrode located in the capacitor. Capacitors with burn-in and degassing with voltage ramps up to 4.4. 제 7항에 있어서, 전극의 전해질이 비양성자성 용매 중의 하기 화학식의 전도성 테트라암모늄 염을 포함하는 커패시터:
Figure pct00004

상기 식에서, R, R1, R2 및 R3는 에틸 또는 메틸 기이거나, 함께 R, R1, R2 및 R3는 1개 또는 2개의 피롤리디닐 기이다.
8. The capacitor of claim 7, wherein the electrolyte of the electrode comprises a conductive tetraammonium salt of the formula: in an aprotic solvent:
Figure pct00004

Wherein R, R 1 , R 2 and R 3 are ethyl or methyl groups or together R, R 1 , R 2 and R 3 are one or two pyrrolidinyl groups.
제 7항에 있어서, 전해질 용매가 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트 및 감마 부티로락톤으로 이루어진 군의 둘 이상의 구성 요소인 커패시터.8. The capacitor of claim 7, wherein the electrolyte solvent is at least two components of the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate and gamma butyrolactone. 제 7항에 있어서, 염 농도가 약 1.5 내지 4.8M인 커패시터. 8. The capacitor of claim 7, wherein the salt concentration is about 1.5 to 4.8 M. 제 7항에 있어서, 전해질 용매가 약 40 내지 60%의 에틸렌 카보네이트를 포함하는 커패시터. 8. The capacitor of claim 7, wherein the electrolyte solvent comprises about 40 to 60% ethylene carbonate. 제 7항에 있어서, 어닐링(annealing)된 알루미늄 수집기를 포함하는 커패시터.8. The capacitor of claim 7, comprising an annealed aluminum collector. 제 7항에 있어서, 전극에서 상기 탄소가 열 처리 전에 재(ash) 및 염을 제거하기 위해 산 세척(acid wash)되는 커패시터.

8. The capacitor of claim 7, wherein the carbon in the electrode is acid washed to remove ash and salts prior to heat treatment.

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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015154039A (en) * 2014-02-19 2015-08-24 住友電気工業株式会社 Capacitor and charge and discharge method thereof

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6233135B1 (en) * 1994-10-07 2001-05-15 Maxwell Energy Products, Inc. Multi-electrode double layer capacitor having single electrolyte seal and aluminum-impregnated carbon cloth electrodes
JP3800810B2 (en) * 1997-07-09 2006-07-26 三菱化学株式会社 Electric double layer capacitor
JP3692735B2 (en) * 1997-10-29 2005-09-07 旭硝子株式会社 Current collector for electric double layer capacitor and electric double layer capacitor
EP1211702B1 (en) * 2000-05-09 2006-07-26 Mitsubishi Chemical Corporation Activated carbon for electric double layer capacitor
US6627252B1 (en) * 2000-05-12 2003-09-30 Maxwell Electronic Components, Inc. Electrochemical double layer capacitor having carbon powder electrodes
AU2002214042A1 (en) * 2000-11-09 2002-05-21 Foc Frankenburg Oil Company Est. A supercapacitor and a method of manufacturing such a supercapacitor
JP2003209029A (en) * 2002-01-11 2003-07-25 Meidensha Corp Double-layered electric capacitor having improved withstand voltage
US6535373B1 (en) * 2002-06-12 2003-03-18 Lithdyne International Non-aqueous electrolyte
JP2006024747A (en) * 2004-07-08 2006-01-26 Mitsubishi Gas Chem Co Inc Carbon material for electric double-layer capacitor electrode, and its production method
JP4620634B2 (en) * 2006-06-06 2011-01-26 株式会社パワーシステム Electrode member for non-aqueous electronic parts
US7835136B2 (en) * 2006-11-15 2010-11-16 Energ2, Inc. Electric double layer capacitance device
JP2008147283A (en) * 2006-12-07 2008-06-26 Nippon Oil Corp Electric double-layer capacitor, active carbon for electrode of the capacitor, and manufacturing method for the active carbon
US7675737B1 (en) * 2008-07-02 2010-03-09 Lithdyne Llc Low temperature non-aqueous electrolyte
US8541338B2 (en) * 2008-11-04 2013-09-24 Corning Incorporated Highly porous activated carbon with controlled oxygen content

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