KR20170125229A - 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터 - Google Patents

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윤중락
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Abstract

본 발명은 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터에 관한 것으로, 케이스; 케이스의 내측에 배치되는 권취체; 및 케이스의 내측에 저장되는 전해액을 포함하고, 권취체는 일면의 일측에 제1양극 리드 플레이트가 연결되며 타측에 활성탄층이 형성되는 제1양극 포일과, 제1양극 포일의 일면과 타면이 마주대하도록 배치되고, 타면의 일측에 활성탄층이 형성되며 타측에 제1음극 리드 플레이트가 연결되는 제1음극 포일과, 제1음극 물질의 일면과 타면이 마주대하도록 배치되고, 일면의 일측에 제2음극 리드 플레이트가 연결되며 타측에 LTO(lithium titanium oxide)층이 형성되는 제2음극 포일과, 제2음극 포일의 일면과 마주대하도록 배치되고, 일측에 활성탄층이 형성되며 타측에 제2양극 리드 플레이트가 연결되는 제2양극 포일과, 제1양극 포일, 제1음극 포일, 제2음극 포일 및 제2양극 포일 사이에 각각 배치되는 다수개의 분리막을 포함하며, 제1양극 리드 플레이트는 제2양극 리드 플레이트와 전기적으로 연결되며, 제1음극 리드 플레이트는 제2음극 리드 플레이트와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터{Energy storage capacitor with composite electrode structure}
본 발명은 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터에 관한 것으로, 특히 전기 이중층 커패시터의 전극과 하이브리드 커패시터의 전극을 하나의 케이스 내에서 내부적으로 병렬 연결하여 전기 이중층 커패시터 보다 용량을 증가시킴과 아울러 하이브리드 커패시터보다 출력을 증대시킬 수 있는 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터에 관한 것이다.
에너지 저장 시스템은 배터리와 전기 이중층 커패시터(EDLC; Electric Double Layer Capacitor)의 조합이나 배터리와 하이브리드 커패시터의 조합 등으로 구성된다. 에너지 저장 시스템에 사용되는 배터리는 리튬 이온 배터리 등이 있으며, 에너지 밀도는 높으나 출력 밀도가 낮은 단점이 있어 높은 피크를 보상하기 위해 사용되는 에너지 저장 시스템에 배터리 단일 종류만으로 구현할 수 없다.
하이브리드 커패시터는 양극전극과 음극전극의 재질이 서로 다르게 구성된다. 즉, 하이브리드 커패시터는 양극전극의 재질로 활성탄소나 카본 나노튜브 및 기공성 카본 등이 사용되며, 음극전극의 재질은 LTO(lithium titanium oxide)나 HTO(hydrogen titanium oxide)가 사용되어 전기 이중층 커패시터와 배터리의 중간적인 전기적인 특성을 가짐으로서 하이브리드 커패시터의 단일 종류로 에너지 저장 시스템의 구성이 용이하지 않다.
전기 이중층 커패시터는 양극전극이나 음극전극의 재질이 활성탄소나 카본 나노튜브 및 기공성 카본 등이 사용되며, 상세한 구성이 한국 등록특허공보 제10-1142403호(특허문헌 1)에 공개되어 있다.
특허문헌 1에 공개된 전기 이중층 커패시터는 외장케이스, 권취소자, 단자플레이트 및 가스켓으로 이루어진다.
외장케이스는 외측벽에 내부방향으로 함몰되어 있는 비딩(beading)부 즉, 굴곡부가 형성되며, 권취소자는 비딩부의 하부에 위치되도록 외장케이스의 내측에 배치되며, 권취소자의 서로 다른 극성을 갖는 전극과 각각 연결되는 단자 즉, 외장 케이스의 내부에 위치되는 내부단자가 구비된다. 단자플레이트는 비딩부의 상부에 배치되어 내부단자와 연결되는 외부단자가 체결되며, 가스켓은 절연재질로 형성되어 권취소자의 상부를 감싸도록 비딩부의 하부에 위치되도록 배치되며 권취소자에 연결된 내부단자가 외부단자와 연결되도록 관통홀이 형성된다.
특허문헌 1에 기재된 종래의 전기 이중층 커패시터는 이온의 물리적 흡착과 탈착에 의해 전하를 저장하여 출력밀도는 높으나 에너지 밀도가 낮은 단점이 있어 전기 이중층 커패시터의 단일 종류로 에너지 저장 시스템의 구성이 용이하지 않은 문제점이 있다.
: 한국 등록특허공보 제10-1142403호
본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전기 이중층 커패시터의 전극과 하이브리드 커패시터의 전극을 하나의 케이스 내에서 내부적으로 병렬 연결하여 전기 이중층 커패시터보다 용량을 증가시킴과 아울러 하이브리드 커패시터보다 출력을 증대시킬 수 있는 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 하나의 케이스의 내에서 내부적으로 전기 이중층 커패시터의 전극과 하이브리드 커패시터의 전극을 병렬 연결함으로써 등가직렬저항 특성을 개선시킬 수 있는 에너지 저장 커패시터를 제공함에 있다.
본 발명의 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터는 케이스; 상기 케이스의 내측에 배치되는 권취체; 및 상기 케이스의 내측에 저장되는 전해액을 포함하고, 상기 권취체는 일면의 일측에 제1양극 리드 플레이트가 연결되며 타측에 활성탄층이 형성되는 제1양극 포일과, 상기 제1양극 포일의 일면과 타면이 마주대하도록 배치되고, 타면의 일측에 활성탄층이 형성되며 타측에 제1음극 리드 플레이트가 연결되는 제1음극 포일과, 상기 제1음극 물질의 일면과 타면이 마주대하도록 배치되고, 일면의 일측에 제2음극 리드 플레이트가 연결되며 타측에 LTO(lithium titanium oxide)층이 형성되는 제2음극 포일과, 상기 제2음극 포일의 일면과 마주대하도록 배치되고, 일측에 활성탄층이 형성되며 타측에 제2양극 리드 플레이트가 연결되는 제2양극 포일과, 상기 제1양극 포일, 상기 제1음극 포일, 상기 제2음극 포일 및 상기 제2양극 포일 사이에 각각 배치되는 다수개의 분리막을 포함하며, 상기 제1양극 리드 플레이트는 상기 제2양극 리드 플레이트와 전기적으로 연결되며, 상기 제1음극 리드 플레이트는 상기 제2음극 리드 플레이트와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터는 전기 이중층 커패시터의 전극과 하이브리드 커패시터의 전극을 하나의 케이스 내에서 내부적으로 병렬 연결하여 전기 이중층 커패시터보다 용량을 증가시킴과 아울러 하이브리드 커패시터보다 출력을 증대시킬 수 있는 이점이 있으며, 하나의 케이스의 내에서 내부적으로 전기 이중층 커패시터의 전극과 하이브리드 커패시터의 전극을 병렬 연결함으로써 등가직렬저항 특성을 개선시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터의 조립 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 권취체의 부분 A-A선 단면을 개략적으로 나타낸 도,
도 3은 도 1에 도시된 권취체의 전개 사시도.
도 4는 도 3에 도시된 제1양극 포일의 사시도.
도 5는 도 3에 도시된 제1음극 포일의 사시도,
도 6은 도 3에 도시된 제2음극 포일의 사시도,
도 7은 도 3에 도시된 제2양극 포일의 사시도,
도 8은 도 3에 도시된 분리막의 사시도,
도 9는 본 발명의 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터의 용량의 테스트 결과를 나타낸 그래프,
도 10은 본 발명의 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터의 내부 저항 특성의 테스트 결과를 나타낸 그래프,
도 11은 본 발명의 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터의 용량의 테스트 결과를 나타낸 그래프,
도 12는 본 발명의 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터의 등가직렬저항 특성을 나타낸 그래프.
이하, 본 발명의 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 3에서와 같이 본 발명의 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터는 케이스(110), 권취체(120) 및 전해액(130)을 포함하여 구성된다.
케이스(110)는 본 발명의 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터를 전반적으로 지지하며, 권취체(120)는 케이스(110)의 내측에 배치된다. 전해액(130)은 케이스(110)의 내측에 저장된다. 이러한 구성 중 권취체(120)는 케이스(110)의 내측에 저장되는 전해액(130)에 함침되며, 제1양극 포일(121), 제1음극 포일(122), 제2음극 포일(123), 제2양극 포일(124) 및 다수개의 분리막(125)을 포함하여 구성된다.
제1양극 포일(121)은 일면의 일측에 제1양극 리드 플레이트(121b)가 연결되며 타측에 활성탄층(121a)이 형성되며, 제1양극 리드 플레이트(121b)는 제2양극 리드 플레이트(124b)와 전기적으로 연결된다. 제1음극 포일(122)은 제1양극 포일(121)의 일면과 타면이 마주대하도록 배치되고, 타면의 일측에 활성탄층(122a)이 형성되며 타측에 제1음극 리드 플레이트(122b)가 연결되며, 제1음극 리드 플레이트(122b)는 제2음극 리드 플레이트(123b)와 전기적으로 연결된다. 제2음극 포일(123)은 제1음극 물질(122)의 일면과 타면이 마주대하도록 배치되고, 일면의 일측에 제2음극 리드 플레이트(123b)가 연결되며 타측에 LTO(lithium titanium oxide)층(123a)이 형성된다. 제2양극 포일(124)은 제2음극 포일(123)의 일면과 마주대하도록 배치되고, 일측에 활성탄층(124a)이 형성되며 타측에 제2양극 리드 플레이트(124b)가 연결된다. 다수개의 분리막(125)은 각각 제1양극 포일(121), 제1음극 포일(122), 제2음극 포일(123) 및 제2양극 포일(124) 사이에 각각 배치된다.
본 발명의 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터의 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
케이스(110)는 도 1에서와 같이 원통형으로 형성되며, 재질은 절연성이 사용된다. 이러한 케이스(110)는 내부가 절연처리된 금속 원통형 케이스를 적용할 수 있다.
권취체(120)는 도 1 및 도 2에서와 같이 케이스(110)의 내측에 배치되며, 제1양극 포일(121), 제1음극 포일(122), 제2음극 포일(123), 제2양극 포일(124) 및 다수개의 분리막(125)을 포함하여 구성된다. 즉, 권취체(120)는 도 3에서와 같이 본 발명의 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터의 중심선(CL)을 기준으로 제1양극 포일(121), 제1음극 포일(122), 제2음극 포일(123), 제2양극 포일(124) 및 다수개의 분리막(125)을 각각 정렬한 후 도 3에 도시된 화살표방향(AD)으로 권취하여 조립된다.
권취체(120)를 구성하는 제1양극 포일(121)은 도 2, 도 3 및 도 4에서와 같이 일면의 일측에 제1양극 리드 플레이트(121b)가 연결되고, 타측에 활성탄층(121a)이 형성된다. 즉, 활성탄층(121a)은 활성탄층(121a)의 일측에 도포되어 형성되며, 제1양극 리드 플레이트(121b)는 활성탄층(121a)이 형성된 제1양극 포일(121)의 일면의 타측에 도전성 접착제, 레이저 용접 및 공지된 콜드 프레싱을 이용해 상부방향(Z)으로 돌출되도록 접착되어 제1양극 포일(121)과 전기적으로 연결된다. 이러한 제1양극 리드 플레이트(121b)는 공지된 레이저 용접이나 콜드 프레싱을 이용해 케이스(110)의 내측에서 제2양극 리드 플레이트(124b)와 접합되어 전기적으로 연결된다.
제1음극 포일(122)은 도 2, 도 3 및 도 5에서와 같이 제1양극 포일(121)의 일면과 타면이 마주대하도록 배치되고, 타면의 일측에 활성탄층(122a)이 형성되며 타측에 제1음극 리드 플레이트(122b)가 연결된다. 예를 들어, 제1음극 포일(122)은 활성탄층(122a)이 형성된 타면이 제1양극 포일(121)과 마주대하도록 배치됨에 의해 활성탄층(122a)이 제1양극 포일(121)의 활성탄층(121a)과 마주대하도록 배치된다. 제1음극 리드 플레이트(122b)는 활성탄층(122a)의 타측 즉, 제1양극 리드 플레이트(121b)와 제1양극 포일(121)이나 제1음극 포일(122)의 길이방향을 기준으로 이격되도록 배치되어 도전성 접착제, 레이저 용접 및 공지된 콜드 프레싱을 이용해 상부방향(Z)으로 돌출되도록 접착되어 제2음극 리드 플레이트(123b)와 전기적으로 연결된다. 여기서, 제1양극 포일(121)에 연결되는 제1양극 리드 플레이트(121b)와 제1음극 포일(122)에 연결되는 제1음극 리드 플레이트(122b)는 제1양극 포일(121)과 제1음극 포일(122) 사이에 배치되는 분리막(125)에 의해 서로 절연되어 접촉에 의해 서로 전기적으로 연결되는 것을 방지한다.
이와 같이 하나의 제1양극 포일(121)과 제1음극 포일(122)은 각각에 형성된 활성탄층(121a,122a)이 서로 마주대하도록 배치되어 하나의 전기 이중층 커패시터를 구성하게 된다.
제2음극 포일(123)은 도 2, 도 3 및 도 6에서와 같이 제1음극 물질(122)의 일면과 타면이 마주대하도록 배치되고, 일면의 일측에 제2음극 리드 플레이트(123b)가 연결되며 타측에 LTO(lithium titanium oxide)층(123a)이 형성된다. 이러한 제2음극 포일(123)은 제1음극 물질(122)에서 활성탄(122a)이 형성되지 않은 면 즉, 일면과 제2음극 포일(123)의 타면이 마주대하도록 배치된다. 이러한, 제2음극 포일(123)에 형성되는 LTO층(123a)의 재질은 Li4Ti5O12, 도전제 및 바인더를 혼합하여 형성되며, 도전제는 슈퍼-피(Super-P), 케쳔블랙(ketjen black) 및 카본블랙(carbon black) 중 하나가 사용되며, 바인더는 PVDF(polyvinylidene difluoride), PTFE(polytetrafluoroethylene), SBR(styrene butadiene rubber) 및 CMC(carboxymethylcellulose) 중 적어도 한 개 이상을 혼합하여 사용하게 된다. 제2음극 리드 플레이트(123b)는 LTO층(123a)의 타측 즉, 제2음극 리드 플레이트(123b)의 타측에 도전성 접착제, 레이저 용접 및 공지된 콜드 프레싱을 이용해 상부방향(Z)으로 돌출되도록 제2음극 포일(123)의 타면에 접착되어 제2음극 포일(123)과 전기적으로 연결된다.
제2양극 포일(124)은 도 2, 도 3 및 도 7에서와 같이 제2음극 포일(123)의 일면과 마주대하도록 배치되고, 일측에 활성탄층(124a)이 형성되며 타측에 제2양극 리드 플레이트(124b)가 연결된다. 즉, 제2양극 포일(124)은 활성탄층(124a)이 제2음극 포일(123)에 형성된 LTO층(123a)과 마주대하도록 배치된다. 제2양극 리드 플레이트(124b)는 활성탄층(124a)의 타측 즉, 제2음극 리드 플레이트(123b)와 제2음극 포일(123)이나 제2양극 포일(124)의 길이방향을 기준으로 이격되도록 배치되어 도전성 접착제, 레이저 용접 및 공지된 콜드 프레싱을 이용해 상부방향(Z)으로 돌출되도록 제2양극 포일(124)의 타면에 접착되어 제2양극 포일(124)과 전기적으로 연결된다.
이와 같이 하나의 제2음극 포일(123)과 하나의 제2양극 포일(124)은 각각의 LTO층(123a)과 활성탄층(124a)이 서로 마주대하도록 배치되어 하나의 하이브리드 커패시터 구조를 형성하며, 케이스(110)의 내측에서 각각의 제2음극 리드 플레이트(123b)는 제1음극 리드 플레이트(122b)와 전기적으로 연결되며, 제2양극 리드 플레이트(124b)는 제1양극 리드 플레이트(121b)와 전기적으로 연결된다.
이와 같이 병렬 연결되는 제1양극 포일(121), 제1음극 포일(122), 제2음극 포일(123), 제2양극 포일(124)은 각각 금속 포일(metal foil)이 사용되며, 금속 포일의 재질은 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 및 구리(Cu) 중 하나가 사용된다. 또한, 제1양극 포일(121), 제1음극 포일(122) 및 제2양극 포일(124)에 각각 형성되는 활성탄층(121a,122a,124a)의 재질은 활성탄, 도전제 및 바인더를 혼합하여 형성되며, 도전제는 슈퍼-피(Super-P), 케쳔블랙(ketjen black) 및 카본블랙(carbon black) 중 하나가 사용되며, 바인더는 PVDF(polyvinylidene difluoride), PTFE(polytetrafluoroethylene), SBR(styrene butadiene rubber) 및 CMC(carboxymethylcellulose) 중 적어도 한 개 이상을 혼합하여 사용하게 된다.
다수개의 분리막(125)은 각각 도 2, 도 3 및 도 8에서와 같이 제1양극 포일(121)의 타면, 제1양극 포일(121)과 제1음극 포일(122) 사이, 제1음극 포일(122)과 제2음극 포일(123) 사이 및 제2음극 포일(123) 및 제2양극 포일(124) 사이에 각각 배치되어 각각에 구비되는 케이스(110)의 내주면과 권취제(120) 사이의 절연성을 개선시키고, 각각 구비되는 활성탄층(121a,122a,124a) 및 LTO층(123a)이 서로 물리적으로 접촉되는 것을 방지한다. 또한, 다수개의 분리막(125)은 각각 제1양극 리드 플레이트(121b), 제1음극 리드 플레이트(122b), 제2음극 리드 플레이트(123b) 및 제2양극 리드 플레이트(124b)가 각각 제1양극 포일(121), 제1음극 포일(122), 제2음극 포일(123) 및 제2양극 포일(124)과 접착되는 영역에서 서로가 절연되도록 하여 각각이 전기적으로 연결되는 것을 방지한다. 즉, 다수개의 분리막(125)은 각각 순차적으로 제1양극 포일(121)의 타면과 마주대하도록 배치되고, 제1양극 포일(121)의 타면과 제1음극 포일(122)의 일면의 사이에 배치되며, 제1음극 포일(122)의 타면과 제2음극 포일(123)의 일면 사이에 배치되며, 제2음극 포일(123)의 타면과 제2양극 포일(124)의 일면 사이에 배치된다.
전해액(130)은 도 1에서와 같이 1 내지 2M(mol/L) 리튬염 50 내지 90wt％과 0.1 내지 1M(mol/L) 비리튬(non-lithium)염 10 내지 50wt％을 혼합하여 사용된다. 리튬염은 LiBF4, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiC(SO2CF3)3, LiBOB(Lithium bis(oxalato)borate) 중 하나나 둘 이상이 혼합되어 사용되며, 비리튬염은 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate), TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluorborate) 및 SBPBF4(spiro-(1,1′)-bipyrrolidium tetrafluoroborate) 중 하나나 둘 이상이 혼합되어 사용된다.
전술한 바와 같이 본 발명의 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터는 하나의 제1양극 포일(121)과 제1음극 포일(122)은 각각에 형성된 활성탄층(121a,122a)이 서로 마주대하도록 배치되어 하나의 전기 이중층 커패시터를 구성하며, 하나의 제2음극 포일(123)과 하나의 제2양극 포일(124)은 각각의 LTO층(123a)과 활성탄층(124a)이 서로 마주대하도록 배치되어 하나의 하이브리드 커패시터 구조를 형성함으로써 하나의 전기 이중층 커패시터와 하이브리드 커패시터가 서로 병렬 연결로 연결되는 구조는 갖게 된다.
본 발명의 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터는 하나의 케이스(110)의 내부에서 하나의 전기 이중층 커패시터와 하나의 하이브리드 커패시터가 병렬 연결된다. 예를 들어, 제1음극 포일(122)에 연결되는 제1음극 리드 플레이트(122b)와 제2음극 포일(123)에 연결되는 제2음극 리드 플레이트(123b)는 각각 에너지 저장 커패시터의 중심선(CL) 즉, 권취체(120)의 중심선(CL)과 인접된 위치에서 서로 전기적으로 연결되며, 제1양극 포일(121)에 연결되는 제1양극 리드 플레이트(121b)와 제2양극 포일(124)에 연결되는 제2양극 리드 플레이트(124b)는 각각 제1음극 리드 플레이트(122b) 및 제2음극 리드 플레이트(123b)와 각각 절연을 위해 권취체(120)의 외주면과 인접된 위치에서 서로 전기적으로 연결되어 케이스(110)의 내부에서 하나의 전기 이중층 커패시터와 하나의 하이브리드 커패시터가 서로 병렬 연결된다.
이러한 본 발명의 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터의 전기적인 성능을 테스트하였다. 본 발명의 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터의 전기적인 성능 테스트를 위해 전술한 구조를 갖는 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터를 제조하였으며, 특히, 본 발명의 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터의 전기적인 성능의 테스트를 위해 본 발명의 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터는 Φ22×45㎜크기의 원통형 캔형으로 제조하였으며, 전해액을 0.75M LiBF4 와 0.75M TEABF4를 혼합하여 사용하여 제조(이하, '제2샘플'로 칭함)하였으며, 비교 대상 에너지 저장 커패시터는 본 발명의 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터와 동일한 구조에 전해액을 1.5M LiBF4 만 사용하여 제조(이하, '제1샘플(sample)'로 칭함)하였다. 이러한 전해액에는 유기용매 및 첨가제를 공지된 전해액 제조방법의 혼합비를 이용해 혼합하였다. 본 발명의 전해액에 포함된 유기 용매는 ACN(acetonitrile)가 사용되었으며, 첨가제는 VC(vinylene Carbonate)를 사용되었다. 이러한 제1샘플과 제2샘플의 전기적인 성능의 테스트 결과는 도 9 내지 도 12에 도시되어 있다.
1A 대비 변화율 용량변화율 저항 변화율
전해질 조성 1A 10A 15A 20A 5A 10A 15A 20A
1.5M LiBF4/ACN 93％ 90％ 87％ 85％ 105％ 104％ 103％ 101％
0.75M LiBF4＋0.75M TEABF4/ACN 92％ 89％ 87％ 85％ 102％ 101％ 100％ 100％
도 9는 본 발명의 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터의 용량의 테스트 결과를 나타낸 그래프이며, 도 10은 본 발명의 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터의 내부 저항 특성의 테스트 결과를 나타낸 그래프이다. 도 9 및 도 10에 각각 도시된 테스트 결과는, 싸이클 횟수(cycle number)를 0에서 25까지 변화시킴과 아울러 전류(current)를 1A(ampere), 5A, 10A, 15A 및 20A로 변화시키면서 측정하였다. 도 9에 도시된 바와 같이 용량(discharge capacity(Ah)) 특성은 제2샘플(전해액을 0.75M LiBF4를 사용함)에 비해 제1샘플(전해액을 0.75M LiBF4와 0.75M TEABF4를 혼합하여 사용함)이 높은 것을 나타내고 있으며, 도 10에서와 같이 내부 저항(internal resistance(DC, ㏁) 특성 또한 제1샘플은 제1샘플보다 낮은 결과를 나타내고 있다. 또한, 표에서와 같이 용량변화율과 저항 변화율은 각각 제1샘플이 제2샘플 보다 낮게 테스트 되었다.
도 11은 본 발명의 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터의 용량의 테스트 결과를 나타낸 그래프이며, 도 12는 본 발명의 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터의 등가직렬저항 특성을 나타낸 그래프이다. 도 11 및 도 12에 도시된 테스트 결과는 1A에서 충전 및 방전 후 용량 및 등가직렬저항(ESR: equivalent series resistance)의 테스트 결과를 나타낸다.
도 11에 도시된 용량(capacitance, F) 테스트 결과는 제1샘플의 용량이 141F으로 테스트되었고, 제2샘플은 127F은 테스트되어 제1샘플이 제2샘플에 비해 높게 측정되었다. 이러한 제1샘플과 제2샘플의 용량은 종래의 전기이중층 커패시터에 비해 20 내지 40％가 증가하였으며, 여기서, 종래의 전기이중층 커패시터는 본 발명의 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터와 동일한 크기로 제조하여 테스트하였다.
도 12는 도시된 등가직렬저항 테스트 결과는 교류에 대한 등가직렬저항(AC-ESR)과 직류에 대한 등가직렬저항(DC-ESR)으로 나누어 테스트하였다. 테스트 결과, 제2샘플에 비해 제1샘플은 교류에 대한 등가직렬저항(AC-ESR)과 직류에 대한 등가직렬저항(DC-ESR)이 낮게 측정되었다. 이러한 제1샘플과 제2샘플의 등가직렬저항(AC-ESR)은 종래의 전기이중층 커패시터와 비교하면 종래의 전기이중층 커패시터에 비해 10％ 이상 낮아졌다. 여기서, 종래의 전기이중층 커패시터는 본 발명의 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터와 동일한 크기로 제조하여 테스트하였다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터는 전기 이중층 커패시터의 전극과 하이브리드 커패시터의 전극을 하나의 케이스 내에서 내부적으로 병렬 연결하여 전기 이중층 커패시터보다 용량을 증가시킴과 아울러 하이브리드 커패시터보다 출력을 증대시킬 수 있으며, 하나의 케이스의 내에서 내부적으로 전기 이중층 커패시터의 전극과 하이브리드 커패시터의 전극을 병렬 연결함으로써 등가직렬저항 특성을 개선시킬 수 있다.
본 발명의 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터는 커패시터나 에너지 저장 시스템 제조 산업 분야에 적용할 수 있다.
110: 케이스 120: 권취체
121: 제1양극 포일 122: 제1음극 포일
123: 제2음극 포일 124: 제2양극 포일
125: 분리막

Claims (7)

  1. 케이스;
    상기 케이스의 내측에 배치되는 권취체; 및
    상기 케이스의 내측에 저장되는 전해액을 포함하고,
    상기 권취체는 일면의 일측에 제1양극 리드 플레이트가 연결되며 타측에 활성탄층이 형성되는 제1양극 포일과, 상기 제1양극 포일의 일면과 타면이 마주대하도록 배치되고, 타면의 일측에 활성탄층이 형성되며 타측에 제1음극 리드 플레이트가 연결되는 제1음극 포일과, 상기 제1음극 물질의 일면과 타면이 마주대하도록 배치되고, 일면의 일측에 제2음극 리드 플레이트가 연결되며 타측에 LTO(lithium titanium oxide)층이 형성되는 제2음극 포일과, 상기 제2음극 포일의 일면과 마주대하도록 배치되고, 일측에 활성탄층이 형성되며 타측에 제2양극 리드 플레이트가 연결되는 제2양극 포일과, 상기 제1양극 포일, 상기 제1음극 포일, 상기 제2음극 포일 및 상기 제2양극 포일 사이에 각각 배치되는 다수개의 분리막을 포함하며, 상기 제1양극 리드 플레이트는 상기 제2양극 리드 플레이트와 전기적으로 연결되며, 상기 제1음극 리드 플레이트는 상기 제2음극 리드 플레이트와 전기적으로 연결되는 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 케이스는 원통형으로 형성되며, 재질은 절연성인 것을 특징으로 하는 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1양극 포일, 상기 제1음극 포일, 상기 제2음극 포일 및 상기 제2양극 포일은 각각 금속 포일(metal foil)이 사용되며, 상기 금속 포일의 재질은 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 및 구리(Cu) 중 하나인 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1양극 포일, 상기 제1음극 포일 및 상기 제2양극 포일에 각각 형성되는 활성탄층의 재질은 활성탄, 도전제 및 바인더를 혼합하여 형성되며, 상기 도전제는 슈퍼-피(Super-P), 케쳔블랙(ketjen black) 및 카본블랙(carbon black) 중 하나가 사용되며, 상기 바인더는 PVDF(polyvinylidene difluoride), PTFE(polytetrafluoroethylene), SBR(styrene butadiene rubber) 및 CMC(carboxymethylcellulose) 중 적어도 한개 이상을 혼합하여 사용되는 복합 전극 구조를 갖는 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2음극 포일에 형성되는 LTO층의 재질은 Li4Ti5O12, 도전제 및 바인더를 혼합하여 형성되며, 상기 도전제는 슈퍼-피(Super-P), 케쳔블랙(ketjen black) 및 카본블랙(carbon black) 중 하나가 사용되며, 상기 바인더는 PVDF(polyvinylidene difluoride), PTFE(polytetrafluoroethylene), SBR(styrene butadiene rubber) 및 CMC(carboxymethylcellulose) 중 적어도 한 개 이상을 혼합하여 사용되는 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다수개의 분리막은 각각 순차적으로 상기 제1양극 포일의 타면과 마주대하도록 배치되고, 상기 제1양극 포일의 타면과 상기 제1음극 포일의 일면의 사이에 배치되며, 상기 제1음극 포일의 타면과 상기 제2음극 포일의 일면 사이에 배치되며, 상기 제2음극 포일의 타면과 상기 제2양극 포일의 일면 사이에 배치되는 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전해액은 1 내지 2M(mol/L) 리튬염 50 내지 90wt％과 0.1 내지 1M(mol/L) 비리튬염 10 내지 50wt％을 혼합하여 사용되며,
    상기 리튬염은 LiBF4, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiC(SO2CF3)3, LiBOB(Lithium bis(oxalato)borate) 중 하나나 둘 이상이 혼합되어 사용되며, 상기 비리튬염은 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate), TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluorborate) 및 SBPBF4(spiro-(1,1′)-bipyrrolidium tetrafluoroborate) 중 하나나 둘 이상이 혼합되어 사용되는 것을 특징으로 하는 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터.

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