KR20170041826A - 높은 기공 부피 이용 탄소 및 전기이중층 캐패시터 - Google Patents

높은 기공 부피 이용 탄소 및 전기이중층 캐패시터 Download PDF

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아툴 쿠마
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코닝 인코포레이티드
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Abstract

전기이중층 캐패시터 전극으로서,
활성 탄소를 포함하며, 상기 활성 탄소는:
200 내지 290 F/cm3의 기공 부피 이용효율(PVUE), 여기서 PVUE는 활성 탄소 중량 용량(F/g)을 상기 활성 탄소의 기공 부피(cm3/g)로 나눈 몫임;
0.1 내지 5%의 낮은 비-선형성 값; 및
0.32 내지 0.56 cm3/g의 총 기공 부피를 가짐.
또한, 여기서 정의된 바에 따라, 전기이중층 캐패시터 전극의 제조방법, 및 전기이중층 캐패시터(EDLC) 소자에서 활성 탄소, 및 전극의 성능을 특성화하는 방법이 개시된다.

Description

높은 기공 부피 이용 탄소 및 전기이중층 캐패시터 {High pore volume utilization carbon and electric double layer capacitor}
본 출원은 35 U.S.C.§119 하에 2014년 8월 8일자로 출원된 미국 가출원번호 제62/035,045호의 우선권을 주장하며, 이러한 가출원 특허의 전체 내용은 참조로서 본원에 포함된다.
본 출원에서 언급된 각 공보 또는 특허 문헌의 전체 기재가 참고로서 포함된다.
본 기재는 에너지 저장 소자 분야에 관한 것이다.
일 구현예에서, 본 기재는 200 내지 290 F/cm3의 뛰어난 기공 부피 이용효율(PVUE), 5%의 미만의 비-선형성 값, 및 뛰어난 성능 특성, 예를 들어, 좀 더 높은 수명 초기(BOL) 용량 및 보다 나은 노화 특성을 갖는 활성 탄소를 함유하는 전기이중층 캐패시터 전극을 제공하는 것이다.
구현예에서, 본 기재는 200 내지 290 F/cm3의 뛰어난 기공 부피 이용효율(PVUE), 5%의 미만의 비-선형성 값, 및 뛰어난 성능 특성, 예를 들어, 좀 더 높은 수명 초기(BOL) 용량 및 보다 나은 노화 특성을 갖는 활성 탄소를 함유하는 전기이중층 캐패시터 전극을 제공하는 것이다.
본 기재의 구현예에서:
도 1은 전기화학 이중층 캐패시터(EDLC) 등급 활성 탄소에 대한 기공 부피 및 기공 부피 이용효율의 바람직한 범위를 확인하는 그래프이다.
본 기재의 다양한 구현예가 도면을 참조하여 상세하게 기술될 것이다. 다양한 구현예에 대한 참조는 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 단지 여기에 첨부된 청구범위에 의해서만 한정된다. 또한, 본 명세서에서 설명된 모든 실시예는 한정을 위한 것이 아니며, 단지 청구된 발명의 가능한 많은 구현예의 일부를 설명하기 위한 것이다.
구현예에서, 기재된 조성물, 성분, 및 소자, 및 제조 및 사용 방법은 예를 들어 후술되는 바에 따른 것을 포함하여 하나 이상의 유리한 특징 또는 관점을 제공한다.
어느 하나의 청구항에 기재된 특징 또는 관점은 본원의 모든 양상에 일반적으로 적용된다. 어느 하나의 청구항에 기재된 단일 또는 다중의 특징 또는 관점은 다른 모든 청구항에 개시된 특징 또는 관점과 결합되거나 또는 교환될 수 있다.
정의
"기공 부피 이용효율," "PVUE," "λ," 또는 유사 표현 또는 상징은 (F/cc 또는 F/cm3)의 단위로 활성 탄소 중량 용량 (F/g) 대 활성 탄소 기공 부피 (cm3/g)의 비(또는 몫)을 나타낸다.
"EDLC" 또는 유사 표현은 본 출원에서 정의된 바에 따라, 전기화학 또는 전기이중층 캐패시터를 나타낸다.
"수명초기," "BOL," 또는 유사 표현은 사용 기간의 초기(t=0)에 성분 또는 소자의 용량 또는 등가 직렬 저항 (ESR)과 같은 특화되고 측정된 계량을 나타낸다.
"비-선형성," "NL%," 또는 유사 표현은 정전류 방전 시험(galvanostatic discharge test) 동안 에너지법 계산 및 기울기법 계산 사이의 전지 용량에서의 % 차이를 나타낸다. 이론에 구속되는 것은 아니나, 상기 비-선형성은 전해질 이온으로의 기공의 접근성의 정성(qualitative) 또는 세미-정성(semi-quantitative) 지표이다. 높은 비-선형성, 예를 들어, 5 내지 20%는 언더-활성 탄소를 나타내고, 낮은 비-선형성, 예를 들어, 0 내지 0.1%는 오버-활성 탄소를 나타내고, 그리고 중간 비-선형성, 예를 들어, 0.1 내지 5%는 적당한 활성 탄소를 나타낸다. 언더-활성 및 오버-활성 모두 EDLC 소자에서 상기 탄소 성능을 절충한다.
"포함하다(Include)," "포함하다(includes)," 또는 유사 용어는 제한 없이, 즉 포함하나 배제하는 것은 아닌 망라를 의미한다.
본 기재의 구현예의 기술에서 사용된, 예를 들어, 조성물의 성분의 양, 농도, 부피, 공정 온도, 공정 시간, 수율, 유량, 압력, 점도 및 유사 값, 및 이들의 범위, 또는 성분의 디멘전, 및 유사 값, 및 이들의 범위를 조정하는 "약"은 발생할 수 있는 수치적 양에서의 변화를 나타낸다, 예를 들어: 물질, 조성물, 복합물, 농도, 성분 중량부, 제조 제품, 또는 사용 제형을 제조하는데 사용되는 통상적인 측정 및 취급 과정을 통해서; 이러한 과정에서 의도적이지 않은 오류를 통해서; 상기 방법을 수행하기 위하여 사용되는 출발물질 또는 재료의 제조, 원료 또는 순도의 차이를 통해서; 및 유사 고려사항을 통해서. 상기 용어 "약"은 또한 특정 초기 농도 또는 혼합물과의 제형 또는 조성물의 노화에 기인하여 달라지는 양, 및 특정 초기 농도 또는 혼합물과의 제형 또는 조성물의 혼합 또는 공정에 기인하여 달라지는 양을 포함한다.
"선택적인" 또는 "선택적으로"는 연이어 기술된 사건 또는 환경이 발생할 수 있거나 또는 발생하지 않으며, 이러한 설명이 사건 또는 환경이 발생하거나 발생하지 않는 경우를 포함하는 것을 의미한다.
본 출원에서 사용되는 부정관사 "a" 또는 "an" 및 대응되는 정관사 "상기(the)"는 특별히 언급되지 않는 한 적어도 하나, 또는 하나 이상을 의미한다.
당업자에게 공지된 약자가 사용될 수 있다(예를 들어, 시간에 대해서 "h" 또는 "hrs", 그램에 대해서 "g" 또는 "gm", 밀리리터에 대해서 "mL", 및 실온에 대해서 "rt", 나노미터에 대해서 "nm", 및 유사 약자).
성분, 재료, 첨가제, 디멘전, 조건, 시간 및 유사 관점, 및 이들의 범위에 대해 기술된 특정 및 바람직한 값은 단지 설명을 위한 것이며; 이들이 정의된 범위내의 다른 값 또는 다른 정의된 값을 배제하는 것은 아니다. 본 기재의 조성물 및 방법은 분명하거나 또는 내포된 중간 값 및 범위를 포함하여, 본 출원에 기술된 값, 특정 값, 좀 더 구체적인 값, 및 바람직한 값의 모든 조합 또는 모든 값을 포함할 수 있다.
수퍼캐패시터에서의 탄소 및 그 이용이 검토되어 왔다(A.G. Pandolfo, et al., Carbon properties and their role in supercapacitors, J. Power Sources, 157 (2006) 11-27) 참조).
울트라캐패시터로서 또한 알려진 전기이중층 캐패시터 (EDLC)는 기존의 전해 캐패시터에 비해서 높은 파워 밀도 및 상대적으로 높은 에너지 밀도를 갖는 소자이다. EDLC는 기존의 캐패시터보다 몇 차수 높은 용량을 달성하기 위하여 높은 표면적 전극 물질 및 얇은 전해질 유전체를 사용한다. 이는 일반적인 목적의 회로 성분보다 오히려 에너지 저장을 위한 사용을 가능하게 한다. 전형적인 적용은 마이크로 하이브리드, 마일드 하이브리드, 풀 하이브리드 및 유사 자동차 에너지 저장 시스템을 포함한다.
통상적인 EDLC 소자는 알루미늄 집전 장치 포일 상에 적층된 양극 및 음극의 전극을 포함한다. 상기 2개의 전극은 상기 전극들 사이에 위치된 다공성 세퍼레이터 페이퍼에 의해 분리되며, 젤리 롤 구조를 만들도록 감겨지며, 다음 이러한 롤은 유기 전해질을 함유하는 밀봉으로 패키지된다. 이론에 제한되는 것은 아니나, 상기 양극 및 음극 전극 사이의 다공성 세퍼레이터 페이퍼는 이온 전하의 흐름을 가능하게 하고, 동시에 전극-전극 접촉을 막는다. 자동차 분야에서의 잠재적인 적용으로, 좀 더 높은 에너지 밀도, 좀 더 높은 파워 밀도, 및 낮은 비용 방향으로 추진되고 있다. 이러한 요구는 증가된 용량, 전해질 작동 윈도우의 확장, 및 등가 직렬 저항(ESR)의 감소를 추진한다.
상기 EDLC의 에너지 밀도(E)는 다음의 화학식에 의해 주어진다:
E = 1/2 CV2,
여기서 C는 용량이고, V는 소자의 전압이다. 좀 더 높은 용량을 달성하기 위하여, 높은 면적(예를 들어, 500 내지 2500 m2/g)을 갖는 활성 탄소가 사용되어왔다. 최근 들어, 좀 더 높은 비용량을 달성하기 위하여 조작 탄소(engineered carbon)가 개발되었으나, 이러한 물질의 비용은 상업적 제품에 사용하기에는 여전히 지나치게 높다.
활성 탄소는 예를 들어 스팀 또는 알칼리로 통상적으로 달성될 수 있다. 상기 스팀 활성 탄소는 탄화된 탄소 전구체 상에서 스팀 활성 공정(예를 들어, 코코넛 쉘, 밀가루, 숯, 등)을 이용하여 제조되나, 상기 공정은 상당한 제어 및 질적 문제를 갖는다. 구현예에서, 상기 기재는 전극과 같은 EDLC 성분, 및 우수한(superior) 이산화 탄소 (CO2) 활성 탄소 및 우수한 성능 성질을 갖는 전극을 포함하는 소자를 제공한다. 상기 기재의 선택된 CO2 활성 탄소는 다른 활성 탄소에 비해 우수한 캐패시터 성질을 갖는 것으로 발견되었다.
에너지 밀도를 증가시키기 위한 또 다른 접근은 캐패시터 작동 전압을 향상시키는 것이다. 통상적으로, 수용성 전해질은 낮은 전압(예를 들어, 1 V 미만)에서 사용되어 왔으며, 유기 전해질은 넓은 작업 전압에 기인하여 높은 전압 소자(예를 들어, 2.3 내지 2.7 V)에서의 사용을 발견한다. 그러나, 좀 더 높은 에너지 밀도를 달성하기 위하여, 현재의 2.7 V에서 3.0 V까지, 및 좀 더 높이 운전범위를 밀고나갈 필요성이 있다. 2.7 V에서 3.0 V까지로의 이동은 에너지 밀도에서 약 23%의 증가를 초래할 수 있다. 좀 더 높은 전압에서의 작업은 상기 EDLC 성분이 좀 더 빠른 열화를 초래하는 몇 가지 상이한 형태의 응력에 처하도록 한다. 예를 들어: 앞-뒤 대전된 이온의 활성 탄소 나노기공으로의 움직임으로 인한 전극 상의 기계적 응력, 가스 생성에 기인한 화학적 응력, 및 높은 전압에서의 화학적 열화(chemical degradation). 상기 화학적 응력은 주로 상기 전지에서 유도 전류의 전하 이동 공정에 기인한다. 이러한 유도 전류의 전하 이동 공정은 상기 EDLC의 양극 및 음극 전극 각각에서 산화 및 환원 반응으로서 나타난다. 또한, 이러한 반응은 상기 전지 내에 물의 존재에 의해 가속화될 수 있으며, 상기 물은 탄소 나노기공, 전해질 또는 세퍼레이터 물질과 관련될 수 있다. 통상적으로 탄소에서 물은 탄소 기공내에 흡착될 수 있으며, 공정에 이용되는 통상의 건조에 의해 제거하기 어렵다. 따라서, 좀 더 높은 에너지 밀도를 달성하기 위하여 전지 내에 탄소 성능을 먼저 향상시키는 것이 중요하며, 이는 물질 및 소자 상에 응력을 부여하지 않는 접근이다.
본 기재는 우수한 기공 부피 이용효율(PVUE) 성질을 갖는 높은 용량의 탄소를 제공한다. 기공 부피 이용효율은 전기이중층 캐패시터 (EDLC) 소자에서 활성 탄소의 성능을 결정하는데 유용하다. 상기 기재된 활성 탄소 기공 부피 이용효율 (PVUE)은 활성 탄소 중량 용량 (F/g) 대 활성 탄소 기공 부피 (cm3/g)의 비율이다. 당업계에 공지되어 있으며, 평가되고 대비되는 활성 탄소에 대해서, 낮은 PVUE는 소자에서 낮은 용량을 초래한다. 높은 PVUE 값은 양이온 트랩(cation trapping), 증가된 이온 저항, 또는 이들 모두를 초래한다. 상기 활성 탄소는 좀 더 높은 소자 용량 및 거의 없거나 없는 양이온 트랩 또는 증가된 이온 저항을 갖는 중간의 PVUE 값을 가졌다.
양이온 트랩은 측정된 표면적에 기여하는 활성 탄소 내의 오픈 기공으로부터 초래되지만, 이러한 기공들 모두가 전기화학적으로 접근가능한 것은 아니다. 궁극적으로, 기공 크기는 전해질의 움직임이 제한될 것이라는 결과로, 상기 이중층 디멘전을 접근할 것이다. 또한, 전해질로부터 분해 생산물의 노화-관련 증착은 이온 이동을 억제하거나 이온 트랩을 야기시킬 수 있으며, 이러한 억제는 시간이 지남에 따라 울트라캐패시터의 용량, 주기 또는 이들 모두에 바람직하지 않은 감쇠를 생성할 수 있다. 증가된 이온 저항은 상기 탄소 기공 내의 이온의 흐름으로부터 초래되며, 이는 궁극적으로 상기 전지 내에 열적 응력을 초래하고 조로(premature aging)를 초래한다. 양이온 트랩 또는 증가된 이온 저항 중 어느 하나는 예를 들어, 65 ℃ 및 3 V에서 소자의 수명 성능에 악영향을 미칠 수 있다.
구현예에서, 본 기재는 우수한 기공 부피 이용효율 (PVUE)을 갖는 활성 탄소를 함유하는 전기이중층 캐패시터 (EDLC) 전극을 제공한다.
구현예에서, 본 기재는 약 200 내지 290 F/cc의 PVUE를 갖는 활성 탄소를 갖는 전기이중층 캐패시터 (EDLC) 소자를 제공한다. 이러한 탄소는 양이온 트랩이 없거나, 증가된 이온 저항이 없거나, 또는 이들 모두가 없는 높은 용량성의 전지를 초래한다. 이러한 활성 탄소는 낮은 기공 부피, 예를 들어, 0.55 cm3/g 미만의 기공 부피와 조합하여 상대적으로 낮은 중량 용량, 예를 들어, 130 F/g 미만의 중량 용량을 갖는다. 상기 활성 탄소는 약 1 nm 미만의 크기를 갖는 기공에서 0.20 cm3/g 초과의 기공 부피를 갖는다. 이러한 활성 탄소의 조합은 EDLC 소자의 고 용량 및 높은 수명 성능 제공에 기여한다.
구현예에서, 본 기재는 예를 들어, 다음을 제공함으로써 몇 가지 관점에서 유리하다:
200 내지 290 F/cc의 기공 부피 이용효율을 갖는 활성 탄소를 함유하는 EDLC는 높은 용량, 및 높은 수명 성능 (즉, 양이온 트랩, 증가된 이온 저항, 또는 이들 모두가 거의 없거나 또는 없음)을 가지며;
예를 들어, 0.5 cm3/g 미만의 상대적으로 낮은 기공 부피를 갖는 비활성 탄소;
상대적으로 낮은 기공 부피를 갖는 활성 탄소는 좀 더 나은 전해질-탄소 표면 계면의 이용에 기인하여 적은 전해질을 요구하며;
상대적으로 낮은 기공 부피를 갖는 활성 탄소는 낮은 표면적을 갖고, 결국 감소된 유도 전류 반응에 대한 잠재력을 가지며; 그리고
상대적으로 낮은 기공 부피를 갖는 활성 탄소는 낮은 표면적을 가지며, 결국 낮은 수분 흡수를 갖는다.
구현예에서, 본 기재는 다음을 포함하는 전기이중층 캐패시터 전극을 제공한다:
다음을 갖는 활성 탄소:
약 200 내지 290 F/cm3의 기공 부피 이용효율 (PVUE) (종래의 전극의 "부피 용량"과 구별되며, 또한 "고유 부피 용량"으로도 알려져 있음), 여기서 PVUE는 활성 탄소 중량 용량 (F/g) 대 활성 탄소의 기공 부피 (cm3/g)의 비율 또는 몫임;
0.1 내지 5%의 낮은 비-선형성 값; 및
0.32 내지 0.56 cm3/g의 총 기공 부피.
구현예에서, 상기 전극은 90 내지 130 F/g의 중량 용량을 갖는 적어도 하나의 높은 용량의 전지를 가질 수 있으며, 상기 전지는 양이온 트랩이 없거나, 증가된 이온 저항이 없거나, 또는 이둘 모두가 없음.
구현예에서, 상기 활성 탄소는 105 F/g 또는 110 F/g와 같은 중간 값 및 범위를 포함하여, 예를 들어, 50 내지 130 F/g, 90 내지 130 F/g의 중량 용량; 0.4 cm3/g과 같은 중간 값 및 범위를 포함하여, 0.32 내지 0.56 cm3/g, 0.35 내지 0.45 cm3/g의 기공 부피; 및 262 F/cc와 같은 중간 값 및 범위를 포함하여, 예를 들어, 200 내지 290 F/cc, 230 내지 270 F/cc의 기공 부피 이용효율을 가질 수 있다.
구현예에서, 상기 활성 탄소는 0.01 내지 1 nm와 같은 1 nm 이하의 직경을 갖는 기공에서 0.25 cm3/g과 같은 중간 값 및 범위를 포함하여 예를 들어 0.25 내지 0.4 cm3/g의 기공 부피를 가질 수 있다.
구현예에서, 큰 전지에서의 전극은 TEMA-TFB 전해질을 갖도록 체제를 갖추며, 상기 전지는 0.56 밀리옴과 같은 0.35 내지 7 밀리옴 (mW)의 ESR을 가질 수 있다. 구현예에서, TEMA-TFB 전해질을 갖는 큰 전지 포멧에서의 상기 이산화 탄소 활성 탄소 전극은 3.0 V 응력 시험에서 6.4%와 같은 약 6 내지 7%의 50 시간에서의 용량 열화를 갖는다.
구현예에서, 본 기재는 다음을 포함하는 전기이중층 캐패시터 전극의 제조방법을 제공한다:
1.5 rpm에서 850 ℃에서 4.25 시간과 같이, 예를 들어, 0.5 내지 5 rpm에서 2 내지 6시간 동안 700 내지 1000℃의 로에서 그리고 0.1 kg의 탄소 부하(load)에 대해서 분 당 1 리터와 같은 로 부하의 kg 당 분 당 약 10 내지 20 리터의 CO2 체적 유량을 갖는 로에서 숯을 가열하여 탄소를 활성화시켜 이산화 탄소 활성 탄소를 형성하는 단계; 및
상기 이산화 탄소 활성 탄소로 전극을 형성하는 단계.
구현예에서, 상기 활성 탄소는 105 F/g과 같은 예를 들어 90 내지 130 F/g의 중량 용량을 가지며, 상기 기공 부피는 0.4 cm3/g와 같은 0.32 내지 0.56 cm3/g이며 상기 탄소의 기공 부피 이용효율 (PVUE)은 262 F/cc와 같은 200 내지 290 F/cc이다.
구현예에서, 상기 활성 탄소는 0.01 내지 1 nm와 같은 1 nm 이하의 직경을 갖는 기공에서 0.25 cm3/g와 같은 0.2 내지 0.4 cm3/g의 기공 부피를 갖는다.
구현예에서, 본 기재는 다음을 포함하는 전기이중층 캐패시터 (EDLC) 소자에서 활성 탄소의 성능 수준을 특성화하는 방법을 제공한다:
상기 활성 탄소의 중량 용량 (F/g)을 측정하는 단계;
상기 활성 탄소의 기공 부피(cm3/g)를 측정하는 단계; 및
상기 측정된 기공 부피로 상기 측정된 중량 용량을 나누어 상기 활성 탄소의 PVUE를 계산하는 단계;
에 의해 EDLC 소자에서 활성 탄소의 기공 부피 이용효율(PVUE)을 결정하는 단계.
구현예에서, 상기 EDLC 소자의 성능 수준은:
상기 활성 탄소가 다음 중 적어도 하나를 갖는 경우 우수한 것이며:
약 200 내지 290 F/cm3의 기공 부피 이용효율;
0.1 내지 5%의 대칭성 전지에서 낮은 비-선형성 값; 및
0.32 내지 0.56 cm3/g의 총 기공 부피, 또는 이들의 조합,
상기 활성 탄소가 다음을 갖는 경우, 보통이며:
약 290 내지 400 F/cm3의 기공 부피 이용효율 (PVUE);
5 내지 8%의 비-선형성 값; 및
0.2 내지 0.32 cm3/g의 총 기공 부피, 또는
상기 활성 탄소가 다음을 갖는 경우 불량한 것이다:
약 100 내지 200 F/cm3의 기공 부피 이용효율 (PVUE);
8%를 초과하는 비-선형성 값; 및
0.2 cm3/g 미만의 총 기공 부피,
여기서 PVUE는 활성 탄소 중량 용량 (F/g)을 상기 활성 탄소의 기공 부피 (cm3/g)로 나눈 몫임.
구현예에서, 본 기재는 전기이중층 캐패시터 전극 및 상기 전극을 병합한 높은 용량 전기이중층 캐패시터 소자를 제공하며, 여기서 소자는 주요한 성능 열화 없이 높은 전압(예를 들어, 2.7 내지 3.3 V)에서 작업이 가능하다.
상기 EDLC 소자는 cm3 당 200 내지 290 F와 같은 우수한 기공 부피 이용효율을 갖는 탄소를 이용하여 특성화될 수 있다.
이러한 탄소의 조합은 상기 EDLC 소자의 높은 용량 및 높은 수명 성능 특성을 가능하게 하는 기여를 한다.
종래기술에서 기공 부피 및 기공 부피 분포는 상기 탄소 기공 내에서 질소 흡착 측정에 의해 측정된다. 상기 질소 분자는 상기 EDLC 소자에서 사용되는 전해질 이온에 비해서 일반적으로 작은 크기 및 무 전하(no charge)를 갖는다. 따라서, 상기 소자의 대전 동안, 상기 모든 기공 부피, 및 특히 미세기공은 전해질 이온으로의 접근이 가능하지 않을 것이다. 따라서, 질소 흡착 측정은 기공 부피 측정에 사용하기에 그리고 탄소 성능 지표로서 충분한 정확성을 갖지 않는다. 상기 PVUE는 전해질 이온에 대한 기공 구조의 접근가능한 부분에 대한 기공 부피 측정과 관련이 있으며, 2개의 기본적인 측정에 기초한 좀 더 기본적이고 정확한 측정이다.
구현예에서, 본 기재는 탄소의 기공 부피가 상대적으로 낮은 경우에도 높은 용량 성능을 갖는 탄소의 예기치않은 결과에 대한 증명을 제공한다. 본 기재는 또한 상기 기공 부피 측정법의 미흡함에 대한 증명을 제공한다. 상기 PVUE 파라미터 및 그 적용 범위에 대한 실시예가 고 용량을 갖는 EDLC 소자, 및 양이온 트랩을 갖지 않거나, 증가된 이온 저항을 갖지 않거나, 또는 이들 모두를 갖지 않는 EDLC 소자의 제조에서 가이드라인 설계를 제공한다.
최신 EDLC는 120 F/g의 중량 용량 및 약 0.59 cm3/g의 기공 부피를 갖는 탄소를 사용한다. 상기 탄소 중량 용량은 1M TEA-TFB 전해질 및 Gamry Instruments 퍼텐시오스타트/정전류법 기구로 버튼 전지(button cell)를 이용하여 측정된다. 상기 기공 부피는 Micrometrics ASAP 2420 상의 N2 흡착을 이용하여 결정되며, 세극공(slit pores)을 가정하는 밀도범함수 이론을 이용하여 계산된다. 상기 기공 부피 이용효율은 중량 용량 대 기공 부피의 비율이며, 203 F/cc으로 계산되었다.
상기 기공 부피 이용효율 (PVUE 또는 λ)은 다음의 수학식에 의해 계산될 수 있다:
λ = GC/PV
여기서 GC는 중량 용량 (F/g)이고 PV는 기공 부피 (cm3/g)이다.
방법적으로, 상기 PVUE는 다음에 따라 결정될 수 있다:
상기 활성 탄소의 중량 용량 (F/g)을 측정하는 단계;
상기 활성 탄소의 기공 부피(cm3/g)를 측정하는 단계; 및
상기 활성 탄소의 측정된 기공 부피로 상기 측정된 중량 용량을 나누는 단계.
최신 EDLC 소자는 몇 가지 디자인 및 크기 배열, 예를 들어, 멕스웰, 이오쿠소스, 네스캡으로 상업적으로 입수 가능하다. 특히, Maxwell EDLC (BCAP2000 P270 K04)가 TEA-TFB 전해질을 함유하는 2000 F 정격 2.7 V 소자이며, 최대 65℃에서 작동 가능하다.
구현예에서, 본 기재는 상기 EDLC 소자의 에너지 밀도를 향상시키기 위하여 고용량 탄소를 제공한다. 기존에, 이러한 접근은 고 중량 용량을 초래하는 고표면적 탄소의 개발을 이끌어왔다. 그러나, 대부분의 경우, 상기 탄소 기공 부피는 상당히 더 높아서 기공 부피 이용효율을 낮춘다.
구현예에서, 본 기재는 예를 들어, 160 F/g의 고 중량 용량 및 예를 들어 0.7 cm3/g의 높은 기공 부피를 갖는 KOH 알칼리 활성 탄소를 사용하는 비교예 7을 제공한다. 상기 기공 부피 이용효율은 229 F/cc로서 계산되었다. 압도적인 기공이 전기화학적으로 접근가능하지 않다. 궁극적으로, 기공 크기는 이중 층 디멘전에 근접하여 전해질 이동이 제한될 것이다. 또한 전해질로부터의 분해 산물의 노화-관련 증착은 이온 이동을 억제하거나 또는 이온 트랩을 야기시켜 시간이 경과함에 따라 용량에서 바람직하지 않은 감쇠, 상기 EDLC 소자의 순환, 또는 이들 모두를 생산할 수 있다.
구현예에서, 상기 전해질은 용매에 용해된 이온성 염을 통상적으로 포함하며, 상기 전해질은 다공성 전극 및 다공성 세퍼레이터를 투과하도록 조절될 수 있다. 이러한 이온성 염으로(예를 들어, TEA-TFB, 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트), 테트라에틸 암모늄((Et)4N+) 양이온은 테트라플루오로보레이트(BF4 -) 음이온보다 크다. 상기 (Et)4N+ 양이온의 크기는 약 0.68 nm이며, BF4 - 음이온의 크기는 약 0.48 nm이다.
공동 소유 및 양도된 미국특허번호 제8,564,934호는 탄소계 전극의 기공 크기 및 기공 크기 분포는 염에 기초한 전해질에서 통상적으로 접하는 이질적인 이온 크기를 처리하기 위하여 최적화될 수 있음을 개시하고 있다. 특히, 용량의 손실(예를 들어, 이온 트랩에 기인하여)은 특정 탄소계 전극과 상호작용하는 이온의 크기에 대해서 선택 또는 화학적 개질에 의해서와 같이, 상기 활성 탄소의 기공 크기 및 기공 크기 분포를 조절함으로써 최소화될 수 있다.
상기 '934 특허는 또한 TEMA-TFB를 사용한 맞춤 전지(tuned cell)를 언급하고 있다. 상기 맞춤 전지 구성은 구별되는 기공 크기 분포를 갖는 제1 및 제2의 탄소 물질을 요구하며, 여기서, 상기 제1탄소 물질의 기공 부피 비율은 상기 제2탄소 물질의 기공 부피 비율보다 크고, 상기 기공 부피 비율 R은 R = V1/V로 정의되며, 여기서 V1은 1 nm 미만의 기공 크기를 갖는 전체 부피이며, V는 1 nm 초과의 기공 크기를 갖는 기공의 전체 부피이다. 이러한 구조를 갖는 EDLC는 대칭형 YP50F EDLC에 비해서 높은 수명 초기 용량, 및 대칭형 알칼리 활성 미세기공 탄소 EDLC에 비해서 좀 더 나은 초기 노화 성능을 갖는다. 그러나, 이러한 맞춤 전지 구조는 예를 들어, 상기 소자에 불필요한 비용을 추가할 수 있는, 양극 및 음극 전극에 대한 개별적인 전극 공정을 포함하여 복잡한 제조 방법을 요구한다.
따라서, 본 기재는 대칭형 EDLC 구조 및 200 내지 290 F/cc의 기공 부피 이용효율을 갖는 탄소를 제공한다. 상기 기준을 충족하는 활성 탄소는 상기 소자에서 높은 용량 및 수명 성능을 제공한다. 예를 들어, 0.32 내지 0.56 cm3/g과 같은 0.6 cm3/g 미만의 상대적으로 낮은 기공 부피를 갖는 이러한 탄소들은 상기 EDLC 소자에 낮은 수준의 전해질을 필요로하여 추가적인 소자 비용 감소를 제공한다. 낮은 기공 부피는 또한 활성 탄소 전극을 제조하기 위하여 좀 더 단순하고 용이한 건조 공정을 가능하게 하는 탄소에서의 낮은 수분을 초래한다.
도면을 참조하면, 도 1은 전기화학 이중층 캐패시터 (EDLC) 등급 활성 탄소용 기공 부피 이용효율 (PVUE) 및 기공 부피에 대해서 바람직한 영역(110)을 확인하는 그래프이다. 바람직한 영역(110) 내의 높은 선형성을 갖지 않는 데이터 포인트가 바람직하다. 상기 데이터 포인트는 다음과 같이 표 1에 나타낸 본 발명 및 대조 탄소에 대한 표식에 의해 표시된다: 이산화 탄소 활성 탄소 샘플은 오픈 스퀘어 또는 다이아몬드("◇")로 나타내며; 상기 스팀 활성 탄소 샘플은 크로스("X")로 나타내며; 상기 KOH 활성 탄소 샘플은 오픈 원("○")으로 나타내며; 그리고 5% 초과의 높은 비-선형성을 갖는 모든 활성 탄소 샘플은 오픈 도트선 원 또는 할로("
Figure pct00001
")로 나타낸다. 5% 초과의 높은 비-선형성은 대칭성 전지에서 높은 ESR을 초래할 것이다.
실시예
다음의 실시예들은 본 기재 및 상기와 같은 교시에 따라 개시된 고 용량 전기이중층 캐패시터 및 그 제조 및 사용방법의 제조, 사용 및 특성을 입증한다. 다음의 실시예는 또한 일반적인 과정, 제조방법 및 특성을 입증한다.
제조 실시예 -이산화 탄소 활성 탄소
예시적인 이산화 탄소 활성 제조 실시예에서, 그라운드된 코코넛 숯을 1.5 rpm에서 4.25시간 동안 850℃의 회전 노에서 분당 1리터(lpm)의 CO2 체적 유량으로 활성화하였다. 상기 카본 부하(loading)는 20 그램이었다. 상기 이산화 탄소 활성 탄소는 버튼 전지 시험에서 80.2 F/g의 용량 성능을 가졌다. 이론에 국한되는 것은 아니나, 상기 고 용량은 높은 기공 부피 이용효율의 결과로 믿어진다. 상기 탄소의 중량 용량은 105 F/g이고, 상기 기공 부피는 0.4 cm3/g이었다. 상기 탄소는 1 nm 미만의 기공에서 0.25 cm3/g의 기공 부피를 가졌다. 상기 탄소의 기공 부피 이용효율은 262 F/cc였다. 상기 탄소는 TEMA-TFB 전해질을 갖는 큰 전지 포맷에서 시험되었다. 상기 전지의 ESR은 0.56 밀리옴 (mW)이었다. 상기 전지는 3.0 V 응력 시험하에 놓였고, 50 hrs에서 용량 열화가 약 6.4%였다.
비교예 1
YP50 탄소 (TEMA) - 낮은 기공 부피 이용 (l=200 F/cc), 저 용량, 및 저 ESR. 본 예는 Maxwell BCAP P270 K04와 같은 상업적 소자에서 사용되는 것과 유사한 코코넛 숯에서 유도된 스팀 활성 탄소를 사용하였다. 상기 탄소(YP50F)는 Kuraray Chemicals에서 상업적으로 입수 가능하며, 버튼 전지 측정(1.5 M TEA-TFB으로)에서 각각 120 F/g 및 69 F/cc의 중량 및 부피 용량을 가졌다. 상기 탄소의 기공 부피는 0.60 cm3/g으로 측정되었다. 상기 기공 부피 이용효율은 200 F/cc로 계산되었다.
EDLC는 대칭형 디자인, 즉 양극 및 음극 전극 상의 YP50 탄소로 제작되었다. 상기 활성 탄소를 5℃에서 고강도 Henschel 전단 믹서 (이중 나선형 블런트 블레이드가 장착된 FML 10)로 85:10:5의 비율로 PTFE (DuPont 601A) 및 카본 블랙(Cabot BP2000)과 혼합하였다. 혼합 속도는 2000 rpm으로 세팅되고 혼합 시간은 40분이었다. 약 5중량%의 이소프로필 알코올(IPA)을 35분의 건조 혼합 후 상기 믹서에 도입하고, 이어서 5분의 습식 혼합을 수행하였다. IPA가 소섬유 형성에 도움을 주기 위하여 상기 혼합 단계 동안 추가되었다. 상기 전극 구성들이 균일하게 분산 및 분포된 후, 소섬유 형성이 수행되었다. 탄화 텅스텐 라이닝이 장착된 4" 초미 분쇄기 제트 밀이 소섬유 형성을 위하여 사용되었다. 상기 물질은 상기 제트 밀로 주입되기 이전에 클럼프(clump)를 깨기 위해 10메쉬 스크린을 통해서 체질되었다. 70psi의 주입 압력, 85 psi의 그라인드 압력 및 1020 g/hr의 주입 속도로 설정되었다. 초미 분쇄기로부터 얻어진 분말은 헤머 밀(Fitz Mill)을 사용하여 비-응집화되었다. 상기 혼합 믹스는 다음으로 100℃에서 일련의 압력 롤을 통과시켜 캘린더링되어 100 마이크론(㎛) 두께의 프리 스탠드-단독 시트를 형성하였다. 이러한 프리 스탠딩 탄소 웹 2개를 전도성 탄소 잉크-코팅된 집전 장치의 각 면 상에 적층하여 전극을 얻었다. 상기 집전 장치는 전도성 탄소 잉크(DAG EB012 from Henkel, 이전 Acheson)의 약 5 마이크론 두께의 코팅을 갖는 25 마이크론 두께의 알루미늄 박이었다. 다공성 세퍼레이터 페이퍼 TF4030 (Nippon Kodoshi Corporation)에 의해 이격된 이러한 전극(YP50 탄소를 갖는 양극 및 음극 전극) 2개를 "젤리 롤"로 감고 알루미늄 캔으로 패키지/밀봉하여 EDLC 소자를 형성하였다. 상기 소자는 1.2M의 TEMA-TFB 전해질로 충전하기 이전에 48시간 동안 130℃에서 진공 건조되었다. 상기 전지는 컨디셔닝된 후 3.0V에서 정전압 응력 시험이 수행되었다. 상기 수명초기 (BOL) 등가 직렬 저항 (ESR)은 0.41 mW이고, 50시간에서의 용량 열화가 약 6.0 %였다.
비교예 2
Haycarb HDLC 20B - 저 기공 부피 이용 (l=203 F/cc) 및 저 용량. 본 예는 Maxwell BCAP P270 K04와 같은 상업적인 소자에서 사용되는 것과 유사한 코코넛 숯에서 유도된 스팀 활성 탄소를 사용하였다. 상기 탄소는 Haycarb에서 상업적으로 입수 가능하며, 버튼 전지 측정(1.5 M TEA-TFB으로)에서 각각 124 F/g 및 70 F/cc의 중량 및 부피 용량을 갖는다. 상기 탄소의 기공 부피는 0.61 cm3/g로 측정되었다. 상기 기공 부피 이용효율은 203 F/cc으로 계산되었다.
비교예 3
Calgon ELITEC - 고 기공 부피 및 저 용량. 본 예는 Maxwell BCAP P270 K04와 같은 상업적인 소자에서 사용되는 것과 유사한 코코넛 숯으로부터 유래된 스팀 활성 탄소를 사용하였다. 상기 탄소는 Calgon에서 상업적으로 입수 가능하며, 버튼 전지 측정(1.5 M TEA-TFB으로)에서 각각 140 F/g 및 79 F/cc의 중량 및 부피 용량을 가졌다. 상기 탄소의 기공 부피는 0.66 cm3/g으로 측정되었다. 상기 기공 부피 이용효율은 212 F/cc로 계산되었다.
비교예 4
Boyce - 저 용량 및 고 비-선형성. 본 예는 Maxwell BCAP P270 K04와 같은 상업적인 소자에서 사용되는 것과 유사한 코코넛 숯에서 유도된 스팀 활성 탄소를 사용하였다. 상기 탄소는 Boyce에서 상업적으로 입수 가능하며, 버튼 전지 측정(1.5 M TEA-TFB으로)에서 각각 93 F/g 및 61 F/cc의 중량 및 부피 용량을 갖는다. 상기 탄소는 버튼 전지 시험에서 측정된 바에 따라, 9.3%의 높은 비-선형성 값을 가지며, 상기 전지에서 높은 EST로 초래할 것이다. 6 내지 15와 같은 높은 비-선형성 값은 단지 부분적으로 활성화되는 탄소의 지표이며, 이는 0.38 cm3/g의 낮은 기공 부피 값으로부터 확인되고 입증된다. 상기 기공 부피 이용효율은 245 F/cc로 계산되었다.
비교예 5
Indo German - 저 용량 및 고 비-선형성. 본 예는 Maxwell BCAP P270 K04와 같은 상업적인 소자에서 사용되는 것과 유사한 코코넛 숯으로부터 유래된 스팀 활성 탄소를 사용했다. 상기 탄소는 Indo German에서 상업적으로 입수 가능하며, 버튼 전지 측정(1.5 M TEA-TFB으로)에서 각각 96 F/g 및 65 F/cc의 중량 및 부피 용량을 갖는다. 상기 탄소는 버튼 전지 시험에서 측정된 바에 따라, 7.3%의 높은 비-선형성 값을 가지며, 상기 전지에서 높은 ESR을 초래할 것이다. 높은 비-선형성은 단지 부분적으로 활성화된 탄소의 지표이며, 이는 0.42 cm3/g의 낮은 기공 부피로부터 확인되고 입증된다. 상기 기공 부피 이용효율은 229 F/cc로 계산되었다.
비교예 6
밀가루 유래 KOH 탄소 - 낮은 기공 부피 이용 (l=229 F/cc) 및 고 용량, 양이온 트랩. 고 용량을 달성하기 위하여, 알칼리 활성화 미세기공 탄소가 사용되었다. 상기 탄소는 1 nm 이하의 기공에서 0.45 cm3/g 기공 부피, 1 nm 초과 2 nm 이하 사이의 기공에서 0.21 cm3/g의 기공 부피, 및 2 nm 초과의 기공에서 0.02 cm3/g의 기공 부피를 갖는다. 상기 탄소는 밀가루와 같은 비-목질 섬유소계 탄소 전구체의 KOH 알칼리 활성으로부터 제조되었다. 버튼 전지 측정으로부터 측정된 바에 따라 탄소의 중량 및 부피 용량은 각각 160 F/g 및 90 F/cc이었다. 상기 탄소의 기공 부피는 0.7 cm3/g으로 측정되었다. 상기 기공 부피 이용효율은 229 F/cc로 계산되었다.
EDLC가 비교예 1과 유사한 공정을 사용하여 양 전극 상에 본 탄소로 제작되었다. 상기 수명초기 (BOL) ESR은 0.51 mW이었다. 50시간에서 용량 열화가 약 9.2%이었다. 전술한 바와 같이, 전해질로부터의 분해 산물의 노화-관련 증착은 이온 이동을 억제하거나 또는 이온 트랩을 야기시킬 것이며, 이는 시간이 경과함에 따라 용량에서 바람직하지 않은 감쇠, 울트라캐패시터의 순환, 또는 이들 모두를 야기시킬 수 있다.
비교예 7
그린 코크스(Green Coke) 유래 KOH 탄소 - 낮은 기공 부피 이용 (l=178 F/cc). 본 예는 활성 탄소를 제조하기 위하여 그린 코크스 탄소 전구체 및 KOH 활성 공정을 이용하였다. 상기 활성 탄소는 버튼 전지 측정에서(1.5 M TEA-TFB 전해질로) 각각 115 F/g 및 80 F/cc의 중량 및 부피 용량을 갖는다. 상기 기공 부피 이용효율은 178 F/cc로 계산되었다.
비교예 8
Kansai Coke - 낮은 기공 부피 이용 (l=198 F/cc). 본 예는 상업적으로 입수가능한 Kansai Coke 활성 탄소를 사용하였다. 상기 탄소는 KOH 알칼리 공정을 이용하여 활성 공정되었다. 상기 활성 탄소는 버튼 전지 측정에서(1.5 M TEA-TFB로) 각각 162 F/g 및 83 F/cc의 중량 및 부피 용량을 갖는다. 상기 기공 부피 이용효율은 198 F/cc로 계산되었다.
비교예 9
Kuraray 메조 탄소 피치 유래 KOH 탄소 - 높은 기공 부피 (l=178 F/cc). 본 예는 상업적으로 입수 가능한 Kuraray 메조 탄소 피치를 사용하였다. 상기 탄소는 KOH 알칼리 공정을 이용하여 활성 공정되었다. 상기 활성 탄소는 버튼 전지 측정(1.5 M TEA-TFB로)에서 각각 138 F/g 및 79 F/cc의 중량 및 부피 용량을 갖는다. 상기 기공 부피 이용효율은 242 F/cc로 계산되었다.
실시예 10
CO2 활성 코코넛 탄소 - 고 용량, 낮은 열화, 및 높은 기공 부피 이용 (l=250 F/cc). 본 실시예에서, 상기 탄소는 1.5rpm에서 4.5시간 동안 850℃에서 18 lpm의 CO2 유량으로 회전 로에서 그라운드 코코넛 숯을 활성화시켜 제조되었다. 상기 탄소 부하는 1,000 g이었다. 버튼 전지에서 측정된 바에 따른 상기 탄소의 중량 및 부피 용량은 각각 105 F/g 및 72 F/cc이었다. 상기 탄소의 기공 부피는 0.42 cm3/g으로 측정되었다. 상기 기공 부피 이용효율은 250 F/cc로 계산되었다. EDLC가 비교예 1과 유사한 공정을 이용하여 양 전극 상에 본 탄소로 제작되었다. 상기 수명초기 (BOL) ESR은 0.46 mW이었고, 50시간에서의 용량 열화는 약 6.3 %였다. 상기 탄소는 높은 용량 및 낮은 초기 용량 열화를 나타낸다.
실시예 11
CO2 활성화 코코넛 탄소 - 고 용량, 낮은 열화, 및 높은 기공 부피 이용 (l= 220 F/cc). 본 실시예에서, 상기 탄소는 1.5rpm에서 5시간 동안 850℃에서 18 lpm의 CO2 유량으로 회전 로에서 그라운드 코코넛 숯을 활성화시켜 제조되었다. 상기 탄소 부하는 1,000 g이었다. 버튼 전지 측정에서 측정된 바에 따른 탄소의 중량 및 부피 용량은 각각 112 F/g 및 84 F/cc이었다. 상기 탄소의 기공 부피는 0.51 cm3/g으로 측정되었다. 상기 기공 부피 이용효율은 220 F/cc으로 계산되었다. EDLC가 비교예 1과 유사한 공정을 이용하여 양 전극 상에 본 탄소로 제작되었다. 상기 수명초기 (BOL) ESR은 0.43 mW이고, 50시간에서의 용량 열화는 약 5.5 %였다. 상기 탄소는 고 용량 및 낮은 초기 용량 열화를 나타낸다.
실시예 12
CO2 활성 코코넛 탄소 - 고 용량, 및 높은 기공 부피 이용 (l=260F/cc). 본 실시예에서, 상기 탄소는 1.5rpm에서 4.25시간 동안 850℃에서 1 lpm의 CO2 유량으로 회전 로에서 그라운드 코코넛 숯을 활성화시켜 제조되었다. 상기 탄소 부하는 20 g이었다. 버튼 전지 측정에서 측정된 바에 따라 탄소의 중량 및 부피 용량은 각각 104 F/g 및 78 F/cc이었다. 상기 탄소의 기공 부피는 0.4 cm3/으로 측정되었다. 상기 기공 부피 이용효율은 260 F/cc로 계산되었다.
실시예 13
CO2 활성 코코넛 탄소 - 높은 기공 부피 이용 (l=332F/cc) 및 높은 비-선형성. 본 실시예에서, 상기 탄소는 1.5rpm에서 3.75시간 동안 850℃에서 18 lpm의 CO2 유량으로 회전 로에서 그라운드 코코넛 숯을 활성화시켜 제조되었다. 상기 탄소 로딩은 20 g이었다. 버튼 전지 측정에서 측정된 바에 따라 탄소의 중량 및 부피 용량은 각각 103 F/g 및 70 F/cc이었다. 상기 탄소의 기공 부피는 0.31 cm3/으로 측정되었다. 상기 기공 부피 이용효율은 332 F/cc로 계산되었다. 버튼 전지 측정에서 측정된 비-선형성 값은 7%로서, 결국 이러한 탄소를 갖는 전지는 높은 ESR을 초래할 것이다(대칭형 구조에서).
표 1은 200 내지 290 F/cc 범위의 PVUE를 갖는 0.32 내지 0.56 cm3/g 범위의 기공 부피를 갖는 실험 및 본 발명의 이산화 탄소 활성 탄소 샘플이 좀 더 나은 성능을 가짐을 나타낸다(즉, 좀 더 높은 BOL 용량 및 좀 더 나은 노화 특성). 활성 탄소는 일반적으로 5% 미만의 비-선형성을 가져야 하며, 그렇지 않으면, 좀 더 높은 ESR 양이온 트랩, 또는 이들 모두가 대칭성 전지에서 사용되는 경우 초래될 것이다.
Figure pct00002
본 기재는 다양한 구체적인 구현예 및 기술을 참고로 기술되었다. 그러나, 본 기재의 범위 내에서 많은 변형 및 변화가 가능함이 주지되어야 한다.

Claims (13)

  1. 전기이중층 캐패시터 전극으로서,
    활성 탄소를 포함하며,
    상기 활성 탄소는:
    200 내지 290 F/cm3의 기공 부피 이용효율(PVUE), 여기서 PVUE는 활성 탄소 중량 용량(F/g)을 상기 활성 탄소의 기공 부피(cm3/g)로 나눈 몫임;
    0.1 내지 5%의 낮은 비-선형성 값; 및
    0.32 내지 0.56 cm3/g의 총 기공 부피;
    를 갖는 전기이중층 캐패시터 전극.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성 탄소는 이산화 탄소 활성 탄소인 전극.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 전극은 90 내지 130 F/g의 중량 용량을 갖는 적어도 하나의 고용량 전지를 가지며, 상기 전지는 양이온 트랩(cation trapping)을 갖지 않거나, 증가된 음이온 저항을 갖지 않거나, 또는 이들 모두를 갖지 않는 전극.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성 탄소는 50 내지 130 F/g의 중량 용량을 갖는 전극.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성 탄소는 90 내지 130 F/g의 중량 용량, 0.35 내지 0.45 cm3/g의 기공 부피, 및 230 내지 270 F/cc의 기공 부피 이용효율을 갖는 전극.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성 탄소는 0.01 내지 1 nm의 직경을 갖는 기공에서 0.25 내지 0.4 cm3/g의 기공 부피를 갖는 전극.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    큰 전지 포맷에서 상기 전극은 TEMA-TFB 전해질을 가지며, 상기 전지는 0.35 to 7 밀리옴의 ESR을 갖는 전극.
  8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    TEMA-TFB 전해질을 갖는 큰 전지 포맷, 및 3.0 V 응력 시험에서 상기 전극은 6 내지 7%의 50 시간에서의 용량 열화를 갖는 전극.
  9. 0.5 내지 5 rpm에서, 2 내지 6 시간 동안 700 내지 1,000℃의 로(furnace)에서 숯을 가열하여 탄소를 활성화시키는 단계, 상기 로는 이산화 탄소 활성 탄소를 형성하기 위하여 노부하(furnace load) kg 당 분 당 약 10 내지 20 리터의 CO2 체적 유량을 가짐; 및
    상기 이산화 탄소 활성 탄소로 전극을 형성하는 단계;
    를 포함하는 청구항 1에 따른 전기이중층 캐패시터 전극의 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 활성 탄소는 50 내지 130 F/g의 중량 용량, 0.32 내지 0.56 cm3/g의 기공 부피, 및 200 내지 290 F/cc의 기공 부피 이용효율을 갖는 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 활성 탄소는 0.01 내지 1 nm의 직경을 갖는 기공에서 0.25 내지 0.4 cm3/g의 기공 부피를 갖는 방법.
  12. 활성 탄소의 중량 용량 (F/g)을 측정하는 단계;
    상기 활성 탄소의 기공 부피(cm3/g)를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 기공 부피로 상기 측정된 중량 용량을 나누는 단계;
    에 의해 전기이중층 캐패시터 (EDLC) 소자에서 활성 탄소의 기공 부피 이용효율(PVUE)을 결정하는 단계를 포함하는, 전기이중층 캐패시터 (EDLC) 소자에서 활성 탄소의 성능 수준을 특성화하는 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 전기이중층 캐패시터 (EDLC) 소자의 성능 수준은,
    상기 활성 탄소가 다음 중 적어도 하나를 갖는 경우 우수한 것이며:
    약 200 내지 290 F/cm3의 기공 부피 이용효율;
    0.1 내지 5%의 대칭형 전지에서 낮은 비-선형성 값; 및
    0.32 내지 0.56 cm3/g의 총 기공 부피, 또는 이들의 조합,
    상기 활성 탄소가 다음을 갖는 경우, 보통이며:
    약 290 내지 400 F/cm3의 기공 부피 이용효율 (PVUE);
    5 내지 8%의 비-선형성 값; 및
    0.2 내지 0.32 cm3/g의 총 기공 부피, 또는
    상기 활성 탄소가 다음을 갖는 경우 불량한 것인 방법:
    약 100 내지 200 F/cm3의 기공 부피 이용효율 (PVUE);
    8%를 초과하는 비-선형성 값; 및
    0.2 cm3/g 미만의 총 기공 부피,
    여기서 PVUE는 활성 탄소 중량 용량 (F/g)을 상기 활성 탄소의 기공 부피 (cm3/g)로 나눈 몫임.
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