KR20170113611A - 리튬이온 커패시터용 캐소드 - Google Patents

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KR20170113611A
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키쇼 푸루쇼탐 가드카리
라훌 서리아칸트 카담
지아 리우
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Abstract

리튬이온 커패시터에서 캐소드는, 여기에서 정의된 양으로 활성탄; 도전성 탄소; 및 바인더를 포함하는 탄소 조성물; 및 상기 탄소 조성물을 지지하는 집전체를 포함하고, 여기서, 상기 활성탄은, 500 내지 3000 ㎡/g의 표면적; 보이드 부피의 50 내지 80%가 10 Å 미만의 기공에 존재하는 기공 부피; 10 Å 미만인 미세기공에 의해 차지된 0.3 ㎤/gm 초과의 기공 부피; 및 전체 기공 부피의 60% 초과의 미세기공도를 갖는다. 또한, 캐소드를 제조하는 방법 및 리튬이온 커패시터에 상기 캐소드를 사용하는 방법은 개시된다.

Description

리튬이온 커패시터용 캐소드
본 출원은 2015년 1월 30일자로 출원된 미국 특허출원 제14/610,868호의 우선권을 주장하고, 이의 전체적인 내용은 여기에 참조로 혼입된다.
본 출원은, 2015년 1월 30일자로 출원된 미국 특허출원 제14/610,752호, 발명의 명칭 "COKE SOURCED ANODE FOR LITHIUM ION CAPACITOR"; 2015년 1월 30일자로 출원된 미국 특허출원 제14/610,782호, 발명의 명칭 "ANODE FOR LITHIUM ION CAPACITOR"; 2015년 1월 30일자로 출원된 미국 특허출원 제14/610,811호, 발명의 명칭 "POLY-VINYLIDENE DIFLUORIDE ANODE BINDER IN A LITHIUM ION CAPACITOR"; 및 2015년 1월 30일자로 출원된 미국 특허출원 제14/610,848호, 발명의 명칭 "PHENOLIC RESIN SOURCED CARBON ANODE IN A LITHIUM ION CAPACITOR"와 관련되지만, 이들의 우선권은 주장하지 않는다.
여기에 언급된 각 공보 또는 특허 문서의 전체적인 개시는 참조로서 혼입된다.
본 개시는 캐소드 및 리튬이온 커패시터에 관한 것이다.
구체 예에서, 본 개시는 활성탄이 리튬이온 커패시터에서 캐소드 물질로서 사용될 수 있게 하는 바람직한 구조적 특성을 갖는 활성탄을 제공한다.
구체 예에서, 본 개시는 탄소 공급된 애노드, 및 전해질에서 염 기초한, 음이온, 예를 들어, PF6 -과 조합하여 활성탄 캐소드를 제공한다.
구체 예에서, 본 개시는 활성탄 캐소드 및 리튬이온 커패시터 제품을 제조하는 방법 및 사용하는 방법을 제공한다.
본 개시의 리튬이온 커패시터에서 캐소드는, 85 내지 95 wt%의 활성탄; 1 내지 8 wt%의 도전성 탄소; 및 3 내지 10 wt%의 바인더를 포함하는 탄소 조성물; 및 상기 탄소 조성물을 지지하는 집전체를 포함하고, 여기서, 상기 활성탄은: 500 내지 3000 ㎡/g의 표면적; 10 Å 미만의 직경을 갖는 미세기공에 의해 차지된 0.3 내지 2 ㎤/gm의 기공 부피; 보이드 부피의 50 내지 80%가 10 Å 미만의 기공에 존재하는 기공 부피; 및 전체 기공 부피의 60 내지 100%의 20 Å 미만의 미세기공도 (microporosity)를 갖는다.
본 개시의 구체 예에서:
도 1은 다른 활성탄 물질에 대한 공극 크기 분포를 나타낸다.
도 2는 작동중인 리튬이온 커패시터에서 다른 활성탄에 대한 방전용량을 나타낸다.
도 3은 다른 활성탄에 대해 3.8V에서 전기화학적 임피던스 분광법 (Electrochemical Impedance Spectroscopy) ("EIS") 스펙트럼을 나타낸다.
도 4는 최대 작동 리튬이온 커패시터에서 다른 활성탄에 대한 체적의 라곤 플롯 (Volumetric Ragone Plot)을 나타낸다.
본 개시의 다양한 구체 예는, 만약 있다면, 도면을 참조하여 상세하게 설명될 것이다. 다양한 구체 예에 대한 언급은, 본 발명의 범주를 제한하지 않으며, 첨부된 특허청구 범위의 범주에 의해서만 제한된다. 부가적으로, 본 명세서에서 서술된 임의의 실시 예들은 제한하는 것이 아니고, 단지 청구된 발명의 많은 가능한 구체 예 중 몇몇을 서술하는 것이다.
청구항들 중 어느 하나에 인용된 특색들 또는 관점들은, 일반적으로 본 발명의 모든 면에 적용 가능하다. 임의의 하나의 청구 범위에서 인용된 단일 또는 다수의 특색 또는 관점은, 임의의 다른 청구항 또는 청구항에서 인용된 다른 특색 또는 관점과 조합되거나 또는 치환될 수 있다.
정의 (Definitions)
"리튬 복합 분말", "LCP", 또는 이와 유사한 용어는, 리튬; 리튬 금속 합금; 또는 이들의 조합 중 적어도 하나로 구성된 코어; 및 리튬 염, 및 오일로 구성된 쉘을 포함하는 캡슐화된 리튬 입자를 지칭하고, 여기서, 쉘은 코어를 캡슐화하고, 입자는 1 내지 500 microns의 직경을 갖는다 (2012년 11월 9일자에 발명의 명칭이 "LITHIUM COMPOSITE PARTICLES"로 출원된 USSN 13/673019호, 및 2014년 9월 23일자에 발명의 명칭이 "ENCAPSULATED LITHIUM PARTICLES AND METHODS OF MAKING AND USE THEREOF"로 출원된 USSN 14/493886호, 참조). LCP는 애노드를 사전-도핑하는데 사용될 수 있다.
"포함한다", "포함하는" 또는 이와 유사한 용어는, 포괄하지만 제한되지 않는, 즉, 포함하지만 배제하지 않는 것을 의미한다.
본 개시의 구체 예를 묘사하는데 사용된, 예를 들어, 조성물에서 성분, 농도, 부피, 공정 온도, 공정 시간, 수율, 유속, 압력, 점도 및 이와 유사한 값, 및 이들의 범위, 또는 성분의 치수, 및 유사한 값, 및 이의 범위를 변경하는 "약"은, 예를 들어: 물질, 조성물, 복합체, 농축물, 구성 부품, 제조품 또는 사용 제형을 제조하는데 사용되는 통상적인 측정 및 취급 절차를 통해; 이들 절차에서 부주의 오류를 통해; 방법을 수행하기 위해 사용된 출발 물질 또는 성분의 제조, 공급원, 또는 순도에서 차이를 통해; 및 유사한 고려 사항에서 발생할 수 있는 수치적 양의 변화를 의미한다. 용어 "약"은 또한 특정한 초기 농도 또는 혼합물을 갖는 조성물 또는 제형의 혼합 또는 처리에 기인하여 차이가 나는 양, 및 특정한 초기 농도 또는 혼합물을 갖는 조성물 또는 제형의 노화에 기인하여 차이가 나는 양을 포괄한다.
"선택적" 또는 "선택적으로"는 후속하여 기재된 사건 또는 상황이 발생할 수 있거나 발생할 수 없다는 것을 의미하며, 그 기재에는 사건 또는 상황이 발생하는 경우 및 사건이 발생하지 않는 경우를 포함한다.
여기에 사용되는 단수 형태는, 달리 명시되지 않는 한, 적어도 하나 또는 하나 이상을 의미한다.
당 업자에게 알려진 약자는 사용될 수 있다 (예를 들어, 시간 또는 시간들에 대해 "h" 또는 "hrs", grams에 대해 "g" 또는 "gm", 밀리리터에 대해 "mL", 및 실온에 대해 "rt", 나노미터의 경우 "nm" 및 이와 유사한 약어).
구성요소, 성분, 첨가제, 치수, 조건, 시간 및 유사한 관점, 및 이의 범위에 대해 개시된 특정 및 바람직한 값은, 오직 예시를 위한 것이며; 이들은 정의된 범위 내에서 다른 정의된 값 또는 다른 값을 배제하지는 않는다. 본 개시의 조성물 및 방법은, 명시적 또는 암시적 중간 값 및 범위를 포함하는, 임의의 값 또는 상기 값의 임의의 조합, 특정 값, 좀 더 구체적인 값, 및 여기에 기재된 바람직한 값을 포함할 수 있다.
리튬이온 커패시터 (LIC)는 혁신적인 하이브리드 에너지 저장 장치의 새로운 종류이다. 두 전극에 대한 이중층 메커니즘에 기초하여 에너지를 저장하는, EDLC's와는 달리, 하이브리드 리튬이온 커패시터는 이중층 메커니즘을 통해 캐소드에 에너지를 저장하는 반면, 애노드 상에 에너지 저장은 패러데이 메커니즘 (Faradaic mechanism)을 통해 이루어진다. 결과적으로, 이러한 장치에서 에너지 밀도는, 예를 들어, EDLC보다 5배 더 클 수 있는 반면, EDLC's의 출력보다 3 내지 4배 큰 출력을 유지한다. 에너지 저장의 패러데이 메커니즘에도 불구하고, 이러한 LIC 장치는 매우 높은 사이클 수명, 예를 들어, 200,000 사이클을 초과를 나타내어, 상기 장치는 많은 적용에서 매력적이다.
LICs는, 양극 상에 고 표면적 (통상적으로 1,000 ㎡/g 초과) 탄소 및 리튬이온의 빠른 인터칼레이션 (intercalation) 및 탈-인터칼레이션을 뒷받침하는, 애노드 상에 낮은 다공성 및 저 표면적 (통상적으로 300 ㎡/g 미만)을 갖는 인터칼레이팅 탄소 (intercalating carbon)를 활용한다. 충전 및 방전 동안, 음극 (즉, 애노드)의 벌크 내부에서 리튬 인터칼레이션 및 탈-인터칼레이션이 발생하는 반면, 양극 (즉, 캐소드)에서는 음이온 (anion)의 흡착 (adsorption) 및 탈착 (desorption)이 발생한다. 양극 상에 흡착 및 탈착은 비-패러데이 반응이며, 음극 상에서 리튬이온 인터칼레이션 및 탈-인터칼레이션보다 상대적으로 빠르다.
리튬이온 커패시터는 EDLC의 것보다 약 1.5 배의 전압을 허용한다. 전지 정전용량 (C = Q/V)는 충-방전 곡선으로 명시될 수 있다. 에너지 밀도 및 출력은 모두 전압의 제곱에 비례하므로, 장치의 에너지 및 출력 밀도를 상당히 증가시킨다. 전압 관련된 증가에 부가하여, 패러데이 반응은 또한 이것과 연관된 상당히 높은 에너지를 가지며, LIC 장치의 에너지 및 출력 밀도의 증가에 기여한다. 애노드 (음극)은 전지의 충전 및 방전 동안 일정하거나 또는 균일한 전위에 머무르며, 대부분의 전위 스윙 (potential swing)은 활성탄으로 만들어진 캐소드 (양극) 상에 있다. 리튬이온 커패시터가 충전 및 방전되는 경우, 활성탄이 대부분의 전위 스윙을 견디어야 야하기 때문에, 활성탄은 전압 창 (voltage window) 사이에서 화학적으로 및 전기화학적으로 안정해야 한다. LIC 장치의 상당히 높은 전위 범위, 즉, EDLCs의 경우 3V 이하에서 작동하는 것에 비해 3.8 내지 4V에서 작동, 및 EDLCs에서 사용된 TEA-TFB을 갖는 니트릴계 전해질과 매우 다른, LIC 장치에 사용되는 전해질의 화학적 성질, 즉, 에틸렌 카보네이트-디메틸 카보네이트, 메틸 프로피오네이트, 리튬 헥사플루오로포스페이트를 갖는 플루오르화된 에틸렌 카보네이트 때문에, EDLC에 대해 잘 작동하는 탄소가 또한 LIC에 대해 잘 작동될 것으로 기대되지 않는다. LIC 캐소드에 대한 다공성 탄소에 대한 요건은, 선행 기술 문헌에서 연구되거나 또는 이해되지 않았다.
리튬이온 배터리에서 충전 과정 동안, 리튬이온은 캐소드의 벌크로부터 탈-인터칼레이트되고, 전해질을 통하여 이온성 전도 메커니즘을 통해 애노드 전극으로 전달되며, 애노드 전극의 벌크로 인터칼레이트된다. 충전 과정 동안에, 전자는 캐소드에서 애노드로 흐른다. 방전 과정 동안에, 전체 전하 과정은 역이다. 리튬이온은 애노드의 벌크로부터 탈-인터칼레이트되고, 전해질을 통하여 이온성 전도 메커니즘을 통해 캐소드에 전달된다. 전달된 리튬이온은 그 다음 캐소드의 벌크로 인터칼레이트된다. 방전 과정 동안, 전자는 애노드로부터 캐소드로 전달된다.
대조적으로, 리튬이온 배터리에서, 애노드 및 캐소드에 패러데이 반응 (faradaic reaction)으로 인해 에너지는 저장된다. 전해질의 전하의 상태 (state of the charge)는 항상 중성이고 일정하며, 이는 전해질의 농도에 큰 변화가 없음을 의미한다. 리튬이온 배터리에서 에너지 저장을 담당하는 리튬이온은 캐소드 전극에서 이용 가능한 리튬이온의 수에 완전히 의존한다. 그러나, 전술한 바와 같은 리튬이온 커패시터에서, 애노드 전극은 작동 전압 창을 증가시키는 것을 보조하는 리튬 금속으로 초기에 사전-도핑될 수 있다. 리튬 인터칼레이션 및 탈-인터칼레이션은 애노드의 벌크 내에서 발생하는 반면, (예를 들어, PF6 -) 흡착 및 탈착은 캐소드상에서 발생한다. 캐소드 상에서 음이온 (anion) 흡착 및 탈착은, 비-패러데이 반응이며, 이는 애노드 상에서 리튬이온 인터칼레이션 및 탈-인터칼레이션보다 더 빠르다. 리튬이온 커패시터에서, 음극 측 또는 애노드는, 리튬이온 배터리 인터칼레이션-탈인터칼레이션 전극이며, 양극 또는 캐소드 측은 EDLC 흡착-탈-흡착 전극이다. 리튬이온 커패시터에서, 전해질의 농도는, 전해질이 각각의 전극에서 에너지의 저장을 담당하기 때문에, 장치의 전하의 상태에 의존하여 변한다.
구체 예에서, 본 개시는 탄소 물질 및 리튬이온 커패시터의 캐소드에서 탄소의 용도에 관한 것이다. 제공된 데이터는 원하는 높은 충전-방전 속도에서 얻어진다.
통상적으로, 활성탄은 리튬이온 커패시터에서 캐소드 (즉, 양극)에 대해 선택되는 탄소이다. 캐소드는 EDLC 타입 흡착-탈-흡착 전극이기 때문에, 탄소의 구조는, 애노드 전극에 대해 사용된 탄소 (즉, 경질 탄소)와 다르다. 활성탄은 고 표면적 (예를 들어, 1000㎡/g 초과)을 갖는 다공성 탄소이다. 활성탄의 비 방전 용량은, 활성탄의 표면적, 기공 부피 및 기공 크기 분포와 직접 관련될 수 있다. 결국, 활성탄의 표면적, 기공 부피 및 기공 크기 분포는, 전구체의 타입, 활성화의 방법 및 활성탄에 대한 활성화 후 처리와 직접 연관된다. 활성탄의 비 방전 용량은, mAh/gm 단위로 제공되며, 충전 과정 동안 흡착할 수 있는 PF6 - 이온의 양을 나타낸다. 활성탄의 비 방전 용량은 또한 무기 불순물 및 다른 표면 작용기의 존재에 크게 의존할 수 있으며, 이러한 양상은 리튬이온 커패시터의 전기화학적 안정성에 직접 영향을 미칠 수 있다. 비 방전 용량이 높을수록, PF6 - 이온을 리튬이온 커패시터에 저장하는 활성탄의 용량이 커진다. 활성탄의 어떤 구조적 특성은, 리튬이온 커패시터에서 고성능을 위한 캐소드 물질을 선택하는데 사용될 수 있는 것으로 확인되었다. 이들 구조적 특성의 존재는, PF6 - 이온에 대한 더 높은 비 방전 용량 (mAh/gm), 최대 작동 리튬이온 커패시터에서 우수한 방전 용량, 및 작동중인 리튬이온 커패시터에서 높은 에너지 및 높은 출력 성능을 유도할 수 있다.
구체 예에서, 본 개시는 리튬이온 커패시터에서 캐소드를 제공하며, 상기 캐소드는:
85 내지 95 wt%의 활성탄; 1 내지 8 wt%의 도전성 탄소; 및 3 내지 10 wt%의 바인더; 및
탄소 조성물을 지지하는 집전체를 포함하는 탄소 조성물을 포함하고,
여기서, 활성탄은:
500 내지 3000 ㎡/g의 표면적;
10 Angstroms (Å) 미만의 직경을 갖는 미세기공에 의해 차지된 0.3 내지 2 ㎤/gm의 기공 부피 (예를 들어, 약 0.3 ㎤/gm 초과);
10 Å 미만의 직경을 갖는 미세기공 내에 있는 기공 부피의 50 내지 80%; 및
미세기공도, 즉, 20Å 미만의 기공, 예를 들어, 총 기공 부피의 60 내지 100%와 같은, 60% 초과의 기공 부피를 갖는다.
구체 예에서, 캐소드는, 예를 들어, 2 내지 20의 milli-inches의 두께를 가질 수 있고, 및 바인더는 불소 함유 중합체이다.
구체 예에서, 바인더는, 예를 들어, 300,000 내지 1,000,000의 중량 평균 분자량을 갖는 폴리-비닐리딘 디플루오라이드 (PVDF)일 수 있다.
구체 예에서, 바인더는, 예를 들어, 중량 평균 분자량이 500,000 내지 1,000,000인 폴리-테트라플루오라이드 에틸렌 (PTFE)일 수 있다.
구체 예에서, 활성탄은, 예를 들어, 알칼리 처리로 활성화될 수 있고, 및 활성탄은 800 내지 3000 ㎡/kg의 표면적을 갖는다.
구체 예에서, 활성탄은, 예를 들어, 비-리그노셀룰로오스 물질, 예를 들어, 밀가루로부터, 석유 물질, 예를 들어, 코크스로부터, 또는 이들의 조합으로부터 공급될 수 있다.
구체 예에서, 본 개시는 리튬이온 커패시터를 제공하며, 상기 리튬이온 커패시터는:
85 내지 95 wt%의 활성탄; 1 내지 8 wt%의 도전성 탄소; 및 3 내지 10 wt%의 바인더를 포함하는 탄소 조성물; 및
상기 탄소 조성물을 지지하는 집전체를 포함하는 전술된 캐소드;
여기서, 상기 활성탄은: 500 내지 3000 ㎡/g의 표면적; 기공 부피, 예를 들어, 약 0.3 ㎤/gm보다 큰, 예를 들어, 10 Å 미만의 직경을 갖는 미세기공에 의해 차지된 0.3 내지 2 ㎤/gm의 기공 부피; 10 Å 미만의 직경을 갖는 미세기공 내에 있는 기공 부피의 50 내지 80%; 및 미세기공도, 즉 20Å 미만의 기공, 예를 들어, 전체 기공 부피의 60 내지 100%와 같은, 60% 초과의 기공 부피을 가지며; 및
전도성 기판상에 코팅된, 코코넛 껍질 공급된 탄소, 도전성 탄소, 및 바인더를 포함하는 애노드를 포함한다.
구체 예에서, 리튬이온 커패시터는, 예를 들어, 코팅된 애노드 표면의 적어도 일부에 코팅된 리튬 복합 분말 (LCP)을 더욱 포함할 수 있다.
구체 예들에서, 리튬이온 커패시터는, 예를 들어,
코팅된 애소드 표면의 적어도 일부에 코팅된 리튬 복합 분말 (LCP)을 갖는 전술된 애노드;
전술된 캐소드; 및
상기 애노드와 캐소드 사이에 위치한 분리막의 스택을 포함하는 전지를 포함한다.
구체 예에서, 리튬이온 커패시터는, 예를 들어, 비-수성 전해질을 더욱 포함할 수 있다.
구체 예에서, 전지는, 예를 들어, 젤리 롤 (jelly roll) 구성, 적층 구성, 또는 이와 유사한 리튬이온 커패시터 구성일 수 있다.
구체 예에서, 전지는, 예를 들어, 25 내지 100 mAh/gm의 캐소드 방전 용량, 및 25 내지 60 Wh/l의 최대 에너지 밀도를 가질 수 있다.
구체 예에서, 본 개시는 전술한 캐소드를 제조하는 방법을 제공하며, 상기 방법은:
불활성 분위기에서, 비-리그노셀룰로오스 공급된 탄소 물질을 500 내지 1000℃에서 1 내지 10시간 동안 활성화시켜 활성화된 입자를 생성시키는, 활성화 단계, 즉 열처리 단계;
상기 활성화된 입자를 산으로 처리한 다음 중화시키는 단계;
상기 중화된 입자, 즉, 활성화되고 및 산 및 중화된 비-리그노셀룰로오스 물질, 예를 들어, 밀가루를, 불활성 분위기에서, 500 내지 1000℃에서 1 내지 10시간 동안 열처리하는 단계;
상기 열처리된 입자를 바인더 및 용매와 혼합하여 혼합물을 형성하는, 혼합 단계; 및
상기 혼합물을 도전성 집전체에 도포하여 캐소드를 형성하는 도포 단계를 포함한다.
구체 예에서, 비-리그노셀룰로오스 공급된 탄소 입자는, 예를 들어, 밀가루, 옥수수 가루, 감자 가루, 쌀가루 또는 이의 혼합물로부터 선택될 수 있다 (예를 들어, EP2735007A1의, 단락 20-28 참조, 이의 개시 내용은 여기에 혼입됨).
구체 예에서, 상기 방법은, 예를 들어, 도전성 집전체에 혼합물을 도포하기 전에 혼합물에 1 내지 8 wt% (전체 혼합물의 중량 기준)의 양으로 도전성 탄소를 포함시켜 캐소드를 형성하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.
구체 예에서, 본 개시는 전술된 리튬이온 커패시터를 사용하는 방법을 제공하며, 상기 방법은:
상기 리튬이온 커패시터를 충전하는 단계;
상기 리튬이온 커패시터를 방전시키는 단계;
또는 이들의 조합을 포함한다.
구체 예에서, 리튬이온 커패시터 전지를 사용하는 방법은, 예를 들어, 25 내지 100 mAh/gm의 캐소드 방전 용량 및 25 내지 60 Wh/l의 최대 에너지 밀도를 가질 수 있다.
구체 예에서, 사용 방법은, 예를 들어, 차량, 가전제품, 소비자 전자 장치, 전기 그리드 시스템의 구성요소, 또는 이의 조합 중 적어도 하나와 조합하여 커패시터를 방전하는 단계를 더욱 포함할 수 있다. 다른 조합 시스템은 출력의 저장, 공급 또는 모두에 대해 필요성을 갖는다. 예를 들어, 차량은 드론 또는 무인 항공기 (UAS)의 카메라 또는 군사 무장 (military ordinance)과 같이, 사람, 화물 또는 의도적인 탑재물을 수송하는 이동 기계일 수 있다. 차량의 다른 예로는 왜곤, 자전거, 자동차 (예를 들어, 오토바이, 승용차, 트럭, 버스, 기차), 선박 (예를 들어, 배, 보트), 우주선, 항공기 또는 이의 조합이다.
구체 예에서, 충전 및 방전은, 복수 사이클, 예를 들어 2 내지 1,000,000 사이클 이상 반복된다.
구체 예들에서, 본 발명은 몇 가지 관점들에서 장점을 가지며, 예를 들어: 작동중인 리튬이온 커패시터에서 더 낮은 및 더 높은 방전율에서의 에너지 및 출력 밀도에서 개선을 포함한다. 표 2에 나타낸 바와 같이, 45.72% V≤10Å를 갖는, 비교 예 2에서 탄소 2와 비교하는 경우, 실시 예 1의 탄소 1은 72.22% V≤10Å을 나타내고, 실시 예 3의 탄소 3은 68.51% V≤10Å을 나타내며, 및 실시 예 4의 탄소 4는 67.41% V≤10Å, 즉, 10 Angstroms 미만의 기공 크기를 갖는 총 기공을 나타낸다. 10 Angstroms 미만인 기공 크기를 갖는 탄소의 더 높은 퍼센트의 결과로서, 실시 예 1, 실시 예 3, 및 실시 예 4에서 각각의 탄소는, 도 4에서 나타낸 바와 같이, 비교 예 2에서 탄소 2에 대해 37.37 Wh/l의 에너지 밀도와 비교하여, 각각 46.64 Wh/l, 45.57 Wh/l 및 44.24 Wh/l의 에너지 밀도를 나타낸다. 유사하게, 도 4에 나타낸 바와 같이, 100C의 방전율에서, 실시 예 1, 3 및 4의 탄소는, 100C 방전율에 3633.50 Wh/l에서 2.67 W/l의 출력 및 에너지 밀도를 제공하는, 비교 예 2에서 탄소 2와 비교하여, 각각 3907.81 Wh/l에서 6.46 W/l, 3159.78 Wh/l에서 5.36 W/l, 및 3828.86Wh/l에서 3.55 W/l의 출력 밀도를 각각 제공한다.
다른 구조적 특색을 갖는 다양한 다공성 탄소에 기초한 개시된 활성탄 캐소드의 성능의 비교는 제공되고 및 고성능 캐소드에 대한 핵심 특징은 정의된다. 대부분의 탄소의 기공, 즉, 약 10 Å 미만의 기공 부피를 갖는 탄소는, 10 내지 200 Å의 큰 기공 범위에서 더 높은 기공 부피를 갖는 탄소보다 현저하게 우수한 수행하는 것으로 현재 입증되었다. 실험 결과는, 전체 기공 부피의 72.22%에서 10Å 이하의 기공 크기를 갖는 탄소가, 출력 및 에너지 밀도 측정에서 LIC 캐소드로 평가된 탄소 중에서 가장 잘 수행된 것으로 입증되어, 더 낮은 기공 크기가 더 높은 에너지 밀도에 기여하지만, 기대치와는 달리 EIS 데이터에 나타난 것처럼 예상치 못하게 높은 저항을 결과하지 않는다는 것을 나타낸다.
구체 예에서, 본 개시는 에너지 저장 및 상당한 에너지 저장 적용에 관한 것이다.
구체 예에서, 본 개시는, 여기에 정의된 바와 같은, 상당히 개선된 성능 특성을 갖는 에너지 저장 및 에너지 방전 또는 생산을 위한 장치를 제공한다.
구체 예에서, 본 개시된 장치는 현저하게 개선된 성능 장점을 갖는다.
구체 예에서, 개시된 캐소드는 장치 성능에서 에너지 및 출력 개선을 제공하며, 이 성능은 예기치 못한 것이며, 이 타입의 장치에서 일반적으로 관찰되지 않는 것이다.
구체 예에서, 본 개시는 캐소드, 즉, 리튬이온 커패시터 (LIC)용 양극을 제공한다.
구체 예에서, 본 개시는, 다른 도전성 첨가제 및 비-도전성 바인더와 조합하는 경우, 고성능 전극의 제작을 허용하고, 및 전체 장치 성능을 개선하는, 전도성 탄소 성분을 제공한다.
구체 예에서, 본 개시는 탄소를 제조하는 방법, 및 상기 탄소를 포함하는 캐소드, 및 상기 캐소드를 포함하는 리튬이온 커패시터를 제공한다.
구체 예에서, 본 개시는 다른 종래 기술 물질로 제조된 전극과 본 발명의 캐소드의 성능 비교를 제공한다.
구체 예에서, 본 개시는 PF6 - 음이온 기반 전해질을 갖는 리튬이온 커패시터에서 활성탄 기반 캐소드를 제공한다.
구체 예에서, 본 개시는, 리튬이온 커패시터용 캐소드 전극 물질로서 다른 구조적 특성 (예를 들어, 기공 크기 분포 및 기공 부피)을 갖는 각 탄소와, 밀가루 알칼리 활성탄, 코코넛 껍질 공급된 스팀 활성탄, 및 코크스 공급된 알칼리 활성탄과 같은 다른 활성화 프로토콜 및 다른 전구체 유래의 다른 활성탄의 성능을 비교한다.
상기에서 언급된 바와 같이, PF6 - 이온에 대한 높은 비 방전 용량을 갖는 다공성 탄소는 LIC 캐소드에 대해 필요하다. 비 방전 용량은 전하를 저장하기 위한 활성탄 물질의 능력의 정량적 측정이다. 비 방전 용량은 활성탄 물질의 고유한 특성이다. 본 개시에서, 활성탄 물질의 비 방전 용량은 활성탄의 구조에 의존하고, 기공 크기 분포는 리튬이온 커패시터 적용을 위한 활성탄의 중요한 구조적 측면이라는 것을 발견하였다. 기공 크기 분포는, 주어진 활성탄 샘플에서 이용 가능한 기공의 크기의 다른 범위 및 기공 크기의 다른 범위에 의해 차지된 전체 기공 부피를 묘사한다. 기공 크기 분포는 활성탄의 적용에 따라 조정된다. LiPF6이 리튬이온 커패시터에서 선택되는 염이고, 활성탄이 캐소드 전극에 대해 사용되기 때문에, 활성탄의 기공 크기는 리튬이온 커패시터에서 PF6 - 이온에 대해 조정된다. 비 용량은 전지의 중요한 성능 측면을 직접 반영한다. 더 높은 비 용량은, 리튬이온 커패시터 장치의 에너지 및 출력 밀도에 긍정적인 영향을 미치는 전지의 팩킹 부피에 직접적으로 및 긍정적인 영향을 미칠 것이기 때문에 캐소드 측에 대한 활성탄에 바람직한 특성이다. 레이트 (rates)가 상당히 더 낮은, 배터리와 같은 에너지 장치와는 달리, 비 방전 용량은, 커패시터가 출력 장치이기 때문에, 높은 레이트에서 측정되어야 하는 점에 상당히 주의해야 한다. 높은 레이트에서 물질의 비 방전 용량은, 낮은 레이트에서와 다른 것이며, 성능의 관점에서 물질의 랭킹 (ranking)에 영향을 미칠 수 있다. 물질 구조는 또한 구조로의 PF6 - 이온의 확산율을 조절한다.
도 1은 탄소 1, 탄소 2, 탄소 3 및 탄소 4에 대한 기공크기 분포도이다. 표 1 및 2는 비 기공 크기의 범위에 의해 차지된 부피의 부피 %분율을 열거한다. 탄소 1은 탄소 2, 탄소 3 및 탄소 4에서 볼 수 있는 상대적으로 높은 중간기공도 (mesoporosity)와 달리 중간기공도이 없는 20Å까지의 기공 크기를 보여준다. 탄소 1 및 탄소 4는, 10 Å 기공 크기 이하로 차지된 탄소 2 (0.27 ㎤/g) 및 탄소 3 (0.27 ㎤/g)에 대한 기공 부피와 비교하면, 10 Å 기공 크기 이하로 차지된 더 높은 기공 부피 (0.455 ㎤/gm) 및 (0.49 ㎤/gm)를 각각 나타낸다. 또한, 탄소 1은, 전체 기공 부피의 72.22%가 10Å 이하의 기공에 의해 차지되는 것으로 나타내지만, 10Å 이하의 기공에 의해 차지된 총 기공 부피가, 탄소 2는 45.72%를 나타내고, 탄소 3은 68.51%를 나타내며, 및 탄소 4는 67.47%를 나타낸다. 10Å 기공에 의해 차지된 부피가 클수록, 표면적이 커지고, 및 PF6 - 이온에 대한 비 용량은 커진다. 표 3의 반-전지 (half-cell) 데이터는, 기공 크기 분포 데이터로 이루어진 관찰된 것을 확증한다. 탄소 1은, 45.36 mAh/gm PF6 - 탈착 (비) 용량을 갖는, 탄소 2와 비교한 경우, 58.06 mAh/gm의 PF6 - 탈착 용량 (즉, 비 용량)을 갖는다. 탄소 3은 55.99 mAh/gm PF6 - 탈착 (비) 용량을 갖는다. 탄소 4는 69.2 mAh/gm의 PF6 - 탈착 용량 (비 용량)을 갖는다. 기공 크기 분포로 이루어진 관찰로부터, 반-전지 데이터는, 10Å 이하의 기공이 PF6 - 이온에 대한 비 용량을 완벽하게 조절하고 및 리튬이온 커패시터의 우수한 성능에 대해 중요하거나 또는 필수적임을 시사한다. 기공 크기 분포 및 반-전지 측정으로부터의 데이터는, 각각의 활성탄이 최대 리튬이온 커패시터에서 캐소드 물질로 사용되는 경우 완벽히 일치한다. 탄소 1, 탄소 3 또는 탄소 4에 기초한 캐소드는, 비교 탄소 2로 이루어진 캐소드와 비교한 경우, 최대 작동 리튬이온 커패시터에서 우수한 성능을 보여준다 (도 4). 최대 작동 커패시터의 상세는 하기 작동 실시 예에 제시된다.
실시 예
하기 실시 예는 개시된 캐소드 및 LIC 제품의 제조, 사용 및 분석, 및 상기 일반적인 절차에 따른 방법을 설명한다.
실시 예 1
탄소 1. 탄소 1은 Corning, Incorporated의 자체 실험에서 얻었으며, 및 전구체로서 밀가루 공급원으로부터 만들고, 및 800℃에서 탄화된다. 탄화된 탄소는 대략 5 microns의 입자 크기로 분쇄된다. 분쇄 탄화된 탄소는 KOH (알칼리)를 사용하여 750℃에서 2.2 : 1의 KOH : 탄소의 비로 2시간 동안 활성화된다. 탄소는 물로 추가로 세척하여, 임의의 잔류 KOH를 제거한다. 그 결과로 생긴 활성탄은 그 다음 수성 HCl로 처리하여 어떤 미량의 KOH를 중화시킨 다음, 물로 중성 pH까지 세척된다. 활성탄은 그 다음 질소/형성 가스 (forming gas)하에서 900℃에서 2시간 동안 열-처리된다. 그 결과로 생긴 탄소 1은 캐소드를 만드는데 사용된다. 캐소드 전극은 85wt% 탄소 1, 10wt% PTFE (DuPont 601A Teflon PTFE) 및 5wt% Cabot Black Pearl 2000 도전성 탄소로 이루어진다. 활성탄 및 도전성 탄소의 혼합물은 볼 밀 (ball mill)에서 350 rpm으로 10분간 혼합되고, 10 wt% PTFE은 첨가되며, 혼합물은 300 rpm으로 20분 동안 볼 밀링된다. 그 결과로 생긴 혼합 분말 혼합물은 캘린더링 기기 (calendaring machine)에서 건식 롤링되어, 예를 들어 13.5 milli-인치의 적절한 두께의 탄소 필름 (carbon film)을 형성한다. 집전체 및 탄소 필름을 롤링 밀을 통해 통과시켜, 탄소 필름은 집전체, Conductive Services, Inc. (CSI) 상에 적층된다. 캘린더링 전극은 펀칭하여 직경 14mm의 원형 전극을 만들었다. 펀칭된 전극은 진공 하에 120℃에서 밤새 건조된다. 반-전지는 애노드로서 리튬 금속 호일 및 캐소드로서 탄소 1 기반 전극으로 형성된다. 반-전지는 CR-2032 코인 전지 포맷으로 내장되며, 0.00015 A의 느린 전류에서 전지의 개방 회로 전압 (OCV)에서 3.8 V까지 순환된다. 탄소 1을 갖는 반-전지는, 58.06 mAh/gm의 PF6 - 이온 탈착 (비) 용량을 나타낸다 (표 3). 최대 작동 리튬이온 커패시터는 구성된다. 애노드는, 코코넛 껍질 공급된 탄소 (1000℃ 탄화, HCl 수용액; 1000℃ 열처리) 90 wt%, PVDF 5 wt% 및 Timcal Super C-45 도전성 탄소 5 wt%를 포함한다. 슬러리는 Oak-Mitsu 얻은 구리 호일 상에 코팅된다. 리튬 복합 분말 (LCP)은, 리튬 금속 공급원으로 사용되고, 5mg의 LCP는 애노드 전극의 표면상에 코팅된다. LCP는 리튬 헥사플루오로포스페이트 (LiPF6) 및 광유의 혼합물의 보호 코팅을 갖는 리튬 금속 코어로 이루어진다. 리튬 금속 (코어) 대 LiPF6 및 광유 (쉘 또는 보호 코팅)의 혼합물에 대한 중량비는 80:20이다. 보호 코팅에서 광유에 대한 LiPF6의 중량비는 89:11이다. Nippon Kodoshi Corporation으로부터의 NKK-4425 분리막은 선택되고, 및 EC/DMC/MP (20:20:60 vol%) 내에 1M LiPF6, 및 FEC의 부가물 5 wt%는 전해질로서 사용된다. 애노드는 탄소 1 기반 캐소드과 결합된다. 전지는 CR2032 포멧에 내장된다. 전지는 0.0005A의 전류에서 2.2V에서 3.8V까지 5 사이클 동안 조절한 후에 컨디셔닝이 수반된다. EIS 스펙트럼은 전지에 대해 수행된 후에 C-레이트 시험 (C-Rate test)이 수반되고, 여기서 전지는 1C 레이트로 충전되고 및 2.2V 내지 3.8V 사이에서 다른 레이트로 방전된다. 탄소 1의 방전 용량은 44.23 mAh/gm이다 (도 2 참조). 방전 용량은 제5 컨디셔닝 사이클로부터 계산되고 및 캐소드에 대한 활성탄의 중량으로 정규화된다. 탄소 1 기반 캐소드를 갖는 리튬이온 커패시터는 6.01 ohms의 저항을 나타낸다 (도 3 참조). 탄소 1을 갖는 리튬이온 커패시터는, 약 1C 레이트에서 46.64 Wh/l의 에너지 밀도 및 40.65 W/l의 출력 밀도를 갖는다 (도 4 참조).
총 기공 부피 및 기공 크기 분포의 %분율.
　 　 ≤10 Å 10-15Å 15-20Å 20-50Å 50-500Å >500 Å
탄소
타입		 DFT1. 총 기공 부피 (㎤/g) V≤10Å
(㎤/g)		 V10-15Å
(㎤/g)		 V15-20Å
(㎤/g)		 V20-50Å
(㎤/g)		 V50-500Å
(㎤/g)		 V>500Å
(㎤/g)
탄소 1 0.63 0.46 0.14 0.04 0.00 0.00 0.00
탄소 2 0.60 0.27 0.18 0.10 0.03 0.02 0.00
탄소 3 0.50 0.34 0.09 0.05 0.01 0.00 0.00
탄소 4 0.73 0.49 0.15 0.07 0.01 0.00 0.00
　 총 기공 부피의 %부피 분율
탄소 타입 V≤10Å V10-15Å V15-20Å V20-50Å V50-500Å V>500Å
탄소 1 72.22 22.22 5.56 0.00 0.00 0.00
탄소 2 45.72 29.57 15.99 5.36 3.36 0.00
탄소 3 68.51 18.42 10.49 2.17 0.41 0.00
탄소 4 67.47 20.87 9.52 1.62 0.52 0.00
1. DFT는 기공 크기 분포를 계산하는데 사용된 DFT (Density Functional Theory) 모델을 나타낸다. 이 모델에서, 각 슬릿 기공 (slit pores)에 대한 비-국지 평균 장 이론 (local mean field theory)에 의해 예측된 흡착 등온선은 압력 및 기공 폭의 함수에 따라 상관관계가 있다. 기공 크기 분포는 그 다음 상기 상관관계를 흡수 흡착제의 실험 흡착 등온선에 맞추어 계산된다 (J. Phys. Chem., 1993, 97, 4786-4796, 참조).
비교 예 2
비교 탄소 2. 탄소 2 (YP-50F)인, 활성탄은 Kuraray Carbon으로부터 얻어졌으며, 수령된 대로 사용된다. 상기 탄소는 85 wt%의 탄소 2, 10 wt%의 PTFE (DuPont 601A Teflon PTFE) 및 5 wt%의 Cabot Black Pearl 2000 도전성 탄소를 포함하는 캐소드를 제조하는데 사용된다. 활성탄 및 Cabot Black Pearl 2000의 혼합물은 볼 밀 (ball mill)에서 350 rpm으로 10분간 혼합한 다음, 10 wt% PTFE를 첨가하고 및 혼합물을 300 rpm으로 또 다른 20분 동안 볼 밀링한다. 그 결과로 생긴 혼합물은 캘린더링 기기에서 건식 롤링하여, 예를 들어, 13.5 milli-inches의 적절한 두께의 탄소 필름을 형성한다. 집전체 및 탄소 필름을 롤링 밀을 통해 통과시켜, 상기 탄소 필름은 집전체, Conductive Services, Inc. (CSI) 상에 적층된다. 캘린더링 전극은 펀칭되어 직경 14mm의 원형 전극을 만든다. 펀칭된 전극은 진공하에 120℃에서 밤새 건조된다. 반-전지는 애노드로서 리튬 금속 호일, 및 캐소드로서 탄소 2 공급된 혼합물로 형성된다. 반-전지는 CR-2032 코인 전지 포멧에 내장되며, 0.00015 A의 느린 전류에서 전지의 OCV로부터 3.8 V까지 순환된다. 탄소 2 혼합물을 갖는 반-전지는, 45.36 mAh/gm의 PF6 - 이온 탈착 (비) 용량을 나타낸다 (표 3 참조). 최대 작동 리튬이온 커패시터는 구성된다.
애노드는 90 wt%의 코코넛 껍질 공급된 탄소 (1000℃ 탄화, 수성 HCl, 1000℃ 열처리), 5 wt%의 PVDF, 및 5 wt%의 Timcal Super C-45 도전성 탄소를 포함한다. 슬러리는 상기와 같이 Oak-Mitsu 획득 구리 호일 상에 코팅된다. 리튬 복합 분말 (LCP)은 리튬 금속 공급원으로 사용되고, 및 5mg의 LCP는 애노드 전극의 표면상에 코팅된다. LCP는 리튬 헥사플루오로포스페이트 (LiPF6) 및 광유의 혼합물의 보호 코팅을 갖는 리튬 금속 코어로 이루어진다. 리튬 금속 (코어) 대 LiPF6 및 광유 (쉘 또는 보호 코팅)의 혼합물의 중량비는 80:20이다. 보호 코팅에서 광유에 대한 LiPF6의 중량비는 89:11이다. Nippon Kodoshi Corporation의 NKK-4425 분리막은 선택되고, EC/DMC/MP (20% : 20% : 60% vol%) 내에 1 M LiPF6 및 부가물로서 5 wt% FEC는 전해질로 사용된다. 상기 애노드는 상기 탄소 2 공급원 캐소드와 결합된다. 전지는 CR2032 포멧에 내장된다. 전지는 0.0005A의 전류에서 2.2V에서 3.8V까지 5 사이클 동안 조절한 후에 컨디셔닝이 수반되며, EIS 스펙트럼은 전지에 대해 수행된 다음, C-레이트 시험이 수행되고, 여기서, 전지는 1C 레이트로 충전되고, 2.2V 내지 3.8V에서 다른 레이트로 방전된다. 탄소 2 캐소드를 함유하는 LIC에 대한 방전 용량은 35.03 mAh/gm이다 (도 2 참조). 방전 용량은 제5 컨디셔닝 사이클로부터 계산되고, 캐소드에 대한 활성탄의 중량으로 정규화된다. 탄소 2 기반 캐소드를 갖는 리튬이온 커패시터는 7.35 ohms의 저항을 나타낸다 (도 3 참조). 탄소 2 기반 캐소드를 갖는 리튬이온 커패시터는 약 1C 레이트에서 37.37 Wh/l의 에너지 밀도 및 42.03 W/l의 출력 밀도를 갖는다 (도 4 참조).
실시 예 3
탄소 3. 탄소 3은 Corning, Inc.에서 제조되며, 전구체로 코크스 (coke) 공급원으로 제조된다. Conoco Rodeo Green Coke는 Conoco Phillips Co.으로부터 구입했다. 코크스는 진공 또는 질소 분위기로 120℃에서 밤새 건조된다. 건조된 그린 코크스 (green coke)는 대략 5 microns의 입자 크기로 분쇄된다. 분쇄된 그린 코크스는 그 다음 1.5 : 1의 KOH : 탄소의 비로 2시간 동안 800℃에서 KOH (알칼리)로 활성화된다. 탄소는 물로 추가로 세척되어, 잔류 KOH를 제거한다. 그 결과로 생긴 활성탄은 그 다음 수성 HCl로 처리하여 어떤 미량의 KOH를 중화시킨 다음, 물로 중성 pH까지 세척된다. 활성탄은 그 다음 질소/형성 가스 하에서 480℃에서 2시간 동안 열-처리된다. 그 결과로 생긴 탄소는 85 wt% 탄소 3, 10 wt% PTFE (DuPont 601A Teflon PTFE), 및 5 wt% Cabot Black Pearl 2000을 포함하는 캐소드를 제조하는데 사용된다. 활성화된 코크스 공급된 탄소 및 Cabot Black Pearl 2000의 혼합물은 350 rpm에서 10분 동안 볼 밀에서 혼합한 다음, 10 wt% PTFE를 혼합물에 첨가하고, 300 rpm으로 또 다른 20분 동안 볼 밀링된다. 그 결과로 생긴 혼합물은 캘린더링 기기에서 건식 롤링하여, 예를 들어, 13.5 milli-inches의 적절한 두께의 탄소 필름을 형성한다. 집전체 및 탄소 필름을 롤링 밀을 통해 통과시켜, 탄소 필름은 집전체, Conductive Services, Inc. (CSI) 상에 적층된다. 캘린더링된 전극은 펀칭되어 직경 14mm의 원형 전극을 만든다. 펀칭된 전극은 진공 하에 120℃에서 밤새 건조된다. 반-전지는 애노드로서 리튬 금속 호일, 및 캐소드로서 탄소 3 공급된 전극으로 형성된다. 반-전지는 CR-2032 코인 전지 포맷으로 내장되며 및 0.00015 A의 느린 전류에서 전지의 OCV로부터 3.8 V까지 순환된다. 탄소 3을 갖는 반-전지는 55.99 mAh/gm의 PF6 - 이온 탈착 (비) 용량을 나타낸다 (표 3 참조). 최대 작동 리튬이온 커패시터는 탄소 3 전극으로 구성된다. 애노드는 90 wt% 코코넛 껍질 (1000℃ 탄화; 수성 HCl; 1000℃ 열처리) 공급된 탄소, 5 wt% PVDF, 및 5 wt% Timcal Super C-45로 이루어진다. 슬러리는 Oak-Mitsu로부터 구입한 구리 호일 상에 코팅된다. 리튬 복합 분말 (LCP)은 리튬 금속 공급원으로 사용되고, 및 5mg의 LCP는 애노드 전극의 표면상에 코팅된다. LCP는 리튬 헥사플루오로포스페이트 (LiPF6) 및 광유의 혼합물의 보호 코팅을 갖는 리튬 금속 코어로 이루어진다. 리튬 금속 (코어) 대 LiPF6 및 광유 (쉘 또는 보호 코팅)의 혼합물의 중량비는 80:20이다. 보호 피막에서 광유에 대한 LiPF6의 중량비는 89:11이다. Nippon Kodoshi Corporation으로부터의 NKK-4425 분리막은 선택되고, 부가물 5 wt% FEC과 EC/DMC/MP (20:20:60 vol%) 내에 1M LiPF6로 이루어진 전해질과 함께 사용된다. 애노드는 탄소 3 공급된 캐소드과 결합된다. 전지는 CR2032 포맷에 내장되며, 0.0005A의 전류에서 2.2V에서 3.8V까지 5 사이클 동안 조절한 후에 컨디셔닝이 수반된다. EIS 스펙트럼은 전지에 대해 수행된 후에 C-레이트 시험이 수반되고, 여기서 전지는 1C 레이트로 충전되고 및 2.2V 내지 3.8V 사이에서 다른 레이트로 방전된다. 탄소 3 공급된 캐소드를 함유하는 LIC의 방전 용량은, 33.46 mAh/gm이다 (도 2 참조). 방전 용량은 제5 컨디셔닝 사이클로부터 계산되고, 캐소드에 대한 활성탄의 중량으로 정규화된다. 탄소 3 공급된 캐소드를 포함하는 리튬이온 커패시터는, 7.51 ohms의 저항을 갖는다 (도 3 참조). 탄소 3 공급된 캐소드를 포함하는 리튬이온 커패시터는, 약 1C 레이트에서 45.57 Wh/l의 에너지 밀도 및 38.68 W/l의 출력 밀도를 갖는다 (도 4 참조).
다른 탄소에 대한 반-전지 데이터.
탄소 타입 사이클 PF6 - 탈착 용량 (mAh/g)
탄소 1 1 58.06
2 57.58
비교 탄소 2 1 45.36
2 46.41
탄소 3 1 55.99
2 51.71
탄소 4 1 69.2
2 69.07
실시 예 4
탄소 4. 탄소 4는 Corning, Inc.에서 제조되며, 800℃에서 탄화된 전구체로서 밀가루 공급원으로 제조된다 ("코닝 탄소"). 탄화된 탄소는 대략 5 microns의 입자 크기로 분쇄된다. 분쇄된 탄화 탄소는 그 다음 KOH (알칼리)를 사용하여 750℃에서 2.2 : 1의 KOH : 탄소의 비로 2시간 동안 활성화된다. 탄소는 물로 추가로 세척하여 잔류 KOH를 제거한다. 그 결과로 생긴 활성탄은 그 다음 수성 HCl로 처리하여 잔류 KOH를 중화시킨 다음, 물로 중성 pH까지 세척된다. 그 결과로 생긴 탄소를 사용하여, 85 wt% 탄소 4, 10 wt% PTFE (DuPont 601A Teflon PTFE) 및 5 wt% Cabot Black Pearl 2000을 포함하는 LIC 캐소드를 제조한다. 활성탄 및 Cabot Black Pearl 2000의 혼합물은 350 rpm에서 10분 동안 볼 밀에서 혼합한 다음, 10 wt% PTFE는 첨가되고, 혼합물을 300 rpm으로 20분 동안 볼 밀로 혼합한다. 그 결과로 생긴 혼합물은 캘린더링 기기에서 건식 롤링하여, 예를 들어, 13.5 milli-inches의 적절한 두께의 탄소 필름을 형성한다. 집전체 및 탄소 필름을 롤링 밀을 통해 통과시켜, 탄소 필름은 집전체, Conductive Services, Inc. (CSI) 상에 적층된다. 캘린더링된 캐소드는 펀칭되어 14 mm 직경의 원형 전극을 제조한다. 펀칭된 캐소드는 진공 하에서 120℃에서 밤새 건조된다. 반-전지는, 애노드로서 리튬 금속 호일 및 캐소드로서 집전체 상에 탄소 4 공급된 혼합물로 형성된다. 반-전지는 CR-2032 코인 전지 포멧으로 내장되며, 0.00015 A의 느린 전류에서 전지의 OCV로부터 3.8 V까지 순환된다. 탄소 4를 갖는 반-전지는 69.20 mAh/gm의 PF6 - 이온 탈착 (비) 용량을 나타낸다 (표 3 참조). 최대 작동 리튬이온 커패시터는 구성된다. 애노드는, 90 wt%의 코코넛 껍질 (1000℃ 탄화; HCl 수용액; 및 1000℃ 열처리) 공급된 탄소, 5 wt%의 PVDF 및 5 wt%의 Timcal Super C-45로 이루어진다. 슬러리는 Oak-Mitsu 구리 호일 상에 코팅된다. 리튬 복합 분말 (LCP)은 리튬 금속 공급원으로 사용되고, 5mg의 LCP는 애노드 전극의 표면에 코팅된다. LCP는 리튬 헥사플루오로포스페이트 (LiPF6) 및 광유의 혼합물의 보호 코팅을 갖는 리튬 금속 코어로 이루어진다. 리튬 금속 (코어) 대 LiPF6 및 광유의 혼합물 (쉘 또는 보호 코팅)의 중량비는 80:20이다. 보호 코팅 중 LiPF6 대 광유의 중량비는 89:11이다. Nippon Kodoshi Corporation의 NKK-4425 분리막은 선택되고, 5 wt% FEC의 부가물을 갖는 EC/DMC/MP (20:20:60 vol%) 내에 1M LiPF6의 전해질과 함께 사용된다. 애노드는 전술된 탄소 4 공급된 캐소드과 결합된다. 전지는 CR2032 포멧에 내장된다. 전지는 0.0005A의 전류에서 2.2V에서 3.8V까지 5 사이클 동안 조절한 후에 컨디셔닝이 수반된다. EIS 스펙트럼은 전지에 대해 달성된 후 C-레이트 시험을 하고, 여기서 전지는 1C 레이트에서 충전되고 및 2.2V 내지 3.8V 사이에 다른 레이트에서 방전된다. 탄소 4에 대한 방전 용량은 41.22 mAh/gm이다 (도 2 참조). 방전 용량은 제5 컨디셔닝 사이클로부터 계산되고 및 캐소드 상의 활성탄의 중량으로 정규화된다. 탄소 4 공급된 캐소드를 포함하는 리튬이온 커패시터는, 6.61 ohms의 저항을 나타낸다 (도 3 참조). 탄소 4 공급된 캐소드를 포함하는 리튬이온 커패시터는, 약 1C 레이트에서 44.24Wh/l의 에너지 밀도 및 43.91W/l의 출력 밀도를 갖는다 (도 4 참조).
기공 크기 측정 결과는 탄소 1, 탄소 3 및 탄소 4가 비교 탄소 2와 비교할 경우, 10Å 기공 크기 이하인 더 많은 수의 기공을 갖는 것을 나타낸다. 더 많은 수의 미세기공 (예를 들어, 10Å 이하)은, 더 높은 미세기공 (예를 들어, 10Å 이하)이 더 높은 PF6 - 이온 비 용량을 제공하기 때문에, PF6 - 이온 기반 전해질 염을 갖는 리튬이온 커패시터에서 캐소드 물질로 작용하는 탄소에 대해 바람직하다. 이 데이터는, 캐소드가 미세기공 (10 Å 미만)이 차지하는 기공 부피가 0.3 ㎤/gm 이상인 기공 부피를 갖는 활성탄을 포함해야 하며, 및 미세기공도 (20 Å 미만)이 활성탄의 전체 기공 부피의 60%를 초과하여 차지해야 하는, 고성능 LIC 장치에 대해 나타난다.
3.8V에서 다양한 활성탄에 대한 EIS 데이터.
활성탄 타입 저항 (ohms)
탄소 1 6.01
비교 탄소 2 7.35
탄소 3 7.51
탄소 4 6.61
본 개시는 다양한 특정 구체 예 및 기술을 참조하여 기재되었다. 그러나, 본 개시의 범주 내에서 많은 변화 및 변경이 가능한 것으로 이해되어야 한다.

Claims (18)

  1. 리튬이온 커패시터에서 캐소드로서,
    85 내지 95 wt%의 활성탄; 1 내지 8 wt%의 도전성 탄소; 및 3 내지 10 wt%의 바인더를 포함하는 탄소 조성물; 및
    상기 탄소 조성물을 지지하는 집전체를 포함하고,
    여기서, 상기 활성탄은:
    500 내지 3000 ㎡/g의 표면적;
    10 Å 미만의 직경을 갖는 미세기공에 의해 차지된 0.3 내지 2 ㎤/gm의 기공 부피;
    보이드 부피의 50 내지 80%가 10 Å 미만의 기공에 존재하는 기공 부피; 및
    전체 기공 부피의 60 내지 100%의 20 Å 미만의 미세기공도를 갖는, 리튬이온 커패시터에서 캐소드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 캐소드는 2 내지 20 milli-inches의 두께를 가지며, 상기 바인더는 불소 함유 중합체인, 리튬이온 커패시터에서 캐소드.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 바인더는 300,000 내지 1,000,000의 중량 평균 분자량을 갖는 PVDF인, 리튬이온 커패시터에서 캐소드.
  4. 청구항 1 내지 3중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바인더는 500,000 내지 1,000,000의 중량 평균 분자량을 갖는 PTFE인, 리튬이온 커패시터에서 캐소드.
  5. 청구항 1 내지 4중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성탄은 알칼리 처리로 활성화되고, 상기 활성탄의 표면적은 800 내지 3000 ㎡/kg인, 리튬이온 커패시터에서 캐소드.
  6. 청구항 1 내지 5중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성탄은, 비-리그노셀룰로오스계 물질, 리그노셀룰로오스계 물질, 석유계 물질 또는 이들의 조합으로부터 공급되는, 리튬이온 커패시터에서 캐소드.
  7. 리튬이온 커패시터에있어서,
    청구항 1 내지 6중 어느 한 항의 캐소드; 및
    전도성 기판상에 코팅된, 코코넛 껍질에서 공급된 탄소, 도전성 탄소 및 바인더를 포함하는 애노드를, 포함하는 리튬이온 커패시터.
  8. 청구항 7에 있어서,
    코팅된 애노드 표면의 적어도 일부에 코팅된 리튬 복합 분말을 더욱 포함하는, 리튬이온 커패시터.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 코팅된 애노드 표면의 적어도 일부에 코팅된 리튬 복합 분말을 갖는 애노드;
    캐소드; 및
    상기 애노드와 캐소드 사이의 분리막의 스택을 포함하는 전지를 더욱 포함하는, 리튬이온 커패시터.
  10. 청구항 7 내지 9중 어느 한 항에 있어서,
    비-수성 전해액을 더욱 포함하는, 리튬이온 커패시터.
  11. 청구항 7 내지 9중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전지는 젤리 롤 형상인, 리튬이온 커패시터.
  12. 청구항 7 내지 9중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전지는 25 내지 100 mAh/gm의 캐소드 방전 용량, 및 25 내지 60 Wh/l의 최대 에너지 밀도를 갖는, 리튬이온 커패시터.
  13. 불활성 분위기에서, 비-리그노셀룰로오스에서 공급된 탄소 물질을 500 내지 1000℃에서 1 내지 10시간 동안 활성화시켜 활성 입자를 생성시키는, 활성화 단계;
    상기 활성화된 입자를 산으로 처리한 다음 중화시키는 단계;
    상기 중화된 입자를 불활성 분위기에서 500 내지 1000℃에서 1 내지 10시간 동안 열처리하는 단계;
    상기 열처리된 입자를 바인더 및 용매와 혼합하여 혼합물을 형성하는, 혼합 단계; 및
    상기 혼합물을 도전성 집전체에 도포하여 캐소드를 형성하는 도포 단계를 포함하는, 청구항 1의 캐소드의 제조방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 비-리그노셀룰로오스에서 공급된 탄소 입자는, 밀가루, 옥수수 가루, 감자 가루, 쌀가루, 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는, 캐소드의 제조방법.
  15. 청구항 13 내지 14중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합물을 도전성 집전체에 도포하여 캐소드를 형성하기 전에, 상기 혼합물에 1 내지 8 wt%의 양으로 도전성 탄소를 더욱 포함시키는, 캐소드의 제조방법.
  16. 청구항 9의 리튬이온 커패시터의 사용 방법에 있어서,
    상기 리튬이온 커패시터를 충전하는 단계;
    상기 리튬이온 커패시터를 방전시키는 단계;
    또는 이들의 조합을 포함하며,
    여기서, 전지가 25 내지 100 mAh/gm의 캐소드 방전 용량, 및 25 내지 60 Wh/l의 최대 에너지 밀도를 갖는, 리튬이온 커패시터의 사용 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 충전 및 방전은 복수의 사이클이 반복되는, 리튬이온 커패시터의 사용 방법.
  18. 청구항 16에 있어서,
    차량, 가전제품, 소비자 전자 장치, 전기 그리드 시스템의 구성요소, 또는 이들의 조합 중 적어도 하나와 조합하여 상기 커패시터를 방전시키는 단계를 더욱 포함하는, 리튬이온 커패시터의 사용 방법.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9779885B2 (en) 2012-11-09 2017-10-03 Corning Incorporated Method of pre-doping a lithium ion capacitor
CN111285367A (zh) * 2018-12-06 2020-06-16 香港理工大学 一种基于碱木质素的多孔碳正极和采用该正极的离子电容器
CN113270276B (zh) * 2021-05-19 2022-09-20 河北科技大学 一种超级电容器电极的制备工艺

Family Cites Families (36)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0767505B1 (en) 1995-10-03 1999-05-12 Kureha Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha Carbonaceous electrode material for secondary battery and process for production thereof
WO2001086674A1 (fr) 2000-05-09 2001-11-15 Mitsubishi Chemical Corporation Carbone active pour condensateur electrique a couche double
JP3870931B2 (ja) 2003-01-10 2007-01-24 セイコーエプソン株式会社 圧電デバイス
JP2005302300A (ja) 2004-03-19 2005-10-27 Sanyo Electric Co Ltd 非水電解質電池
EP1734547B1 (en) 2004-03-31 2012-09-26 Fuji Jukogyo Kabushiki Kaisha Organic electrolyte capacitor using mesoporous carbon material as negative electrode
JP2006086148A (ja) 2004-09-14 2006-03-30 Tdk Corp 電気二重層キャパシタおよびその製造方法
JP2006179697A (ja) 2004-12-22 2006-07-06 Nippon Oil Corp 電気二重層キャパシタの電極用炭素材の原料炭組成物
JP5322435B2 (ja) 2005-04-26 2013-10-23 富士重工業株式会社 蓄電デバイス用負極活物質
DE602006008870D1 (de) 2005-09-26 2009-10-15 Nisshin Spinning Polarisierbare Elektrode für Doppelschichtkondensator
WO2007074938A1 (ja) 2005-12-27 2007-07-05 Nippon Oil Corporation 蓄電用炭素材料用およびニードルコークス用原料油組成物並びに原料炭
JP2008289820A (ja) 2007-05-28 2008-12-04 Panasonic Electric Works Co Ltd 寝具の洗浄装置及び洗浄方法
JP4561843B2 (ja) 2008-02-26 2010-10-13 ソニー株式会社 非水電解質電池および負極
US8541338B2 (en) 2008-11-04 2013-09-24 Corning Incorporated Highly porous activated carbon with controlled oxygen content
JP5357518B2 (ja) 2008-11-12 2013-12-04 旭化成株式会社 蓄電素子用電極体、及びこれを含む非水系リチウム型蓄電素子
US8784764B2 (en) 2008-12-15 2014-07-22 Corning Incorporated Methods for forming activated carbon material for high energy density ultracapacitors
US8318356B2 (en) 2008-12-15 2012-11-27 Corning Incorporated Activated carbon materials for high energy density ultracapacitors
BRPI1011793B1 (pt) 2009-07-01 2020-11-17 Basf Se material de carbono amorfo sintético ultrapuro, gel de polímero ultrapuro, dispositivo, eletrodo e método para a fabricação do material de carbono
JP2013502700A (ja) 2009-08-24 2013-01-24 シオン・パワー・コーポレーション 電気化学電池用剥離システム
US8482901B2 (en) * 2010-01-22 2013-07-09 Corning Incorporated Microporous activated carbon for EDLCS
US8524632B2 (en) 2010-01-22 2013-09-03 Corning Incorporated High-capacitance and low-oxygen porous carbon for EDLCs
US8593787B2 (en) * 2010-04-21 2013-11-26 Corning Incorporated Electrochemical capacitor having lithium containing electrolyte
WO2012053256A1 (ja) 2010-10-19 2012-04-26 Ｊｍエナジー株式会社 リチウムイオンキャパシタ
JP2012114374A (ja) 2010-11-26 2012-06-14 Taiyo Yuden Co Ltd 電気化学デバイス
JP2014518563A (ja) 2011-04-15 2014-07-31 バイオジェニック リージェンツ エルエルシー 高炭素生体試薬を生成するためのプロセス
US8652995B2 (en) 2011-07-19 2014-02-18 Corning Incorporated Steam activated non-lignocellulosic based carbons for ultracapacitors
JPWO2013073526A1 (ja) 2011-11-14 2015-04-02 住友電気工業株式会社 蓄電デバイス用電極、蓄電デバイスおよび蓄電デバイス用電極の製造方法
US20130194721A1 (en) 2012-01-26 2013-08-01 Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. Activated carbon for lithium ion capacitor, electrode including the activated carbon as active material, and lithium ion capacitor using the electrode
US8895189B2 (en) 2012-02-03 2014-11-25 Nanotek Instruments, Inc. Surface-mediated cells with high power density and high energy density
WO2013120009A1 (en) 2012-02-09 2013-08-15 Georgia-Pacific Chemicals Llc Preparation of polymeric resins and carbon materials
US9108852B1 (en) * 2012-10-18 2015-08-18 Corning Incorporated Amorphous activated carbon materials and methods for producing the same
US8920925B2 (en) 2012-11-09 2014-12-30 Corning Incorporated Stabilized lithium composite particles
US9183994B2 (en) 2012-11-28 2015-11-10 Corning Incorporated Lithium ion capacitors and methods of production
KR102097334B1 (ko) 2012-12-14 2020-04-06 삼성전기주식회사 활성 탄소, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 전기화학 캐패시터
US20150380176A1 (en) 2013-02-08 2015-12-31 Lg Electronics Inc. Graphene lithium ion capacitor
US20160133394A1 (en) 2013-03-14 2016-05-12 Energ2 Technologies, Inc. Energy storage devices based on hybrid carbon electrode systems
US9129756B2 (en) 2013-03-28 2015-09-08 Corning Incorporated Composite electrode for lithium ion capacitor

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