KR20170130999A - Pouch-type electric double layer capacitor - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a pouch-type electric double layer capacitor which comprises: a pouch; a device composed of a plurality of current collectors disposed in the pouch, a separation film disposed between the current collectors to isolate the plurality of current collectors, and a pair of electrodes disposed on both sides of the current collector; and an electrolyte filled in the pouch. A gas absorbing layer for absorbing gas is included in the pouch. Therefore, the volume expansion of the pouch can be restrained by absorbing gas generated in charging and discharging processes for a long period of time from the pouch-type electric double layer capacitor through the gas absorbing layer. In addition, deterioration in characteristics such as an increase in resistance of capacitance and an increase in ESR is small, thereby improving excellent long-term reliability.

Description

파우치형 전기이중층 커패시터 {Pouch-type electric double layer capacitor}[0001] Pouch-type electric double layer capacitor [0002]

본 발명은 파우치형 전기이중층 커패시터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 파우치형 전기이중층 커패시터로부터 장기간 충,방전 과정에서 발생하는 가스를 가스흡수층을 통해 흡수함으로써 파우치의 부피 팽창을 억제가능한 파우치형 전기이중층 커패시터에 관한 것이다.The present invention relates to a pouch type electric double layer capacitor, and more particularly, to a pouch type electric double layer capacitor capable of suppressing the volume expansion of a pouch by absorbing gas generated in a pouch electric double layer capacitor during a long- .

전기이중층 커패시터(Electric double layer capacitor, EDLC)는 탄소 재료로 이루어진 한 쌍의 분극성 전극 사이에 절연성이 우수한 격리막(separator)이 배치되어 전극과 전해액 사이에 이중층을 형성하여 용량을 발현하는 에너지 저장 디바이스 중 하나이다. 이러한 전기이중층 커패시터는 전하를 갖는 고체와 그것에 접촉하는 전해액의 계면에 형성되는 수 nm 정도의 두께를 가지는 전기이중층을 유전체로 이용하는 것이다. 전기이중층의 용량은 1cm2당 수십μF이지만 표면적이 2,000 내지 2,500m2에 달하는 활성탄을 전극으로 이용하여 수백 내지 수천 F의 매우 큰 용량을 얻는 것이 가능하다. 이러한 전기이중층 커패시터는 에너지 저장 디바이스 중에서 에너지를 단시간에 입, 출력할 수 있어 정류회로, 잡음감쇠 및 전원용 펄스 발생 등에 응용되고 있다. 최근에는 전자기기에 사용되고 있는 기존의 전기화학 커패시터에 비하여 비약적으로 용량이 증대된 전기이중층 커패시터가 개발되었으며, 고출력 펄스 파워 능력과 고용량 에너지 저장능력으로 인하여 전지와 더불어 소형 경량의 전기 화학적 에너지 저장장치, 대출력 펄스 파워 및 피크 파워의 부하 평준화용으로 응용을 추진하고 있다. 뿐만 아니라 여러 가지 에너지 저장장치 중 환경 친화적 재료의 사용, 장 수명 및 고충방전 효율 등으로 인하여 환경, 경제적인 측면에서 기술의 중요성이 부각되고 있는 전기이중층 커패시터의 활용으로서는 군사용, 우주항공용, 의료용, 전기자동차 등의 고부가 장비의 대출력 펄스 파워의 주전원 및 보조전원으로 사용될 것이 전망된다.In an electric double layer capacitor (EDLC), a separator having an excellent insulating property is disposed between a pair of polarizable electrodes made of a carbon material to form a double layer between the electrode and the electrolyte to form an energy storage device Lt; / RTI > Such an electric double layer capacitor uses an electric double layer having a thickness of several nanometers, which is formed at the interface between a solid having a charge and an electrolyte in contact therewith, as a dielectric. The capacity of the electric double layer is several tens of micro F per cm 2, but it is possible to obtain a very large capacity of several hundred to several thousand F by using activated carbon having a surface area of 2,000 to 2,500 m 2 as an electrode. Such an electric double layer capacitor is capable of inputting and outputting energy in an energy storage device in a short time, and is applied to a rectifier circuit, noise attenuation, and pulse generation for power supply. In recent years, electric double layer capacitors have been developed which have a dramatically increased capacity as compared with conventional electrochemical capacitors used in electronic devices. Due to high output pulse power capability and high capacity energy storage capability, a small and lightweight electrochemical energy storage device, And application for load equalization of large output pulse power and peak power. In addition, among the various energy storage devices, the use of environmentally friendly materials, long lifespan and high discharge efficiency, and the importance of technology in environmental and economical aspects have been emphasized as the applications of electric double layer capacitors in military, aerospace, It is expected to be used as main power and auxiliary power for large output pulse power of high value equipment such as automobiles.

이러한 전기이중층 커패시터는 분극성 전극과 격리막으로 구성된 소자를 수납하는 방식에 따라 원통형(cylinder type), 각형(prismatic type) 또는 파우치형(pouched type)으로 제조되고 있으며, 파우치형의 경우 그 형상이 비교적 자유롭다. 원통형 또는 각형의 전기이중층 커패시터는 일반적으로 한 쌍의 분극성 전극 사이에 격리막을 배치한 단위 적층 구조를 권취해서 소자로 하고, 이 소자에 전해액을 함침시킨 후 금속용기 개구부를 봉구부재로 밀봉해서 제조한다. 한편 파우치형 전기이중층 커패시터는 한 쌍의 분극성 전극 사이에 격리막을 배치한 단위 적층 구조를 다수 병렬로 적층한 후, 동일 분극성 전극끼리 리드 탭으로 연결하고 전해액과 함께 알루미늄 라미네이트 필름으로 포장하여 제조한다. 파우치형 전기이중층 커패시터의 경우 쉽게 휘어지거나 구부러질 수 있기 때문에 외측에 견고한 케이스를 결합하여 장시간 사용할 수 있도록 구성된다. Such an electric double layer capacitor is manufactured in a cylinder type, a prismatic type or a pouched type according to a method of accommodating a device composed of a polarized electrode and a separator. In the case of a pouch type, free. A cylindrical or prismatic electric double layer capacitor is generally manufactured by winding a unit laminate structure in which a separator is disposed between a pair of polarizable electrodes to form an element, impregnating the element with an electrolytic solution, sealing the opening of the metal container with a sealing member do. On the other hand, in the pouch type electric double layer capacitor, a plurality of unit laminate structures in which a separator is disposed between a pair of polarizable electrodes are stacked in parallel, and then the same polarizable electrodes are connected to each other by lead tabs and then packed in an aluminum laminate film together with an electrolytic solution do. Since the pouch type electric double layer capacitor can easily bend or bend, it is configured to be used for a long time by combining a rigid case on the outside.

이러한 파우치형 커패시터는 출력 또는 용량 특성을 향상시키기 위해 유기용매 및 가소제들이 첨가되어 제조된다. 이때 충,방전 과정에서 과충전이 발생하거나 수 개의 셀 중 특정한 셀의 고장으로 인한 내부의 쇼트 발생 등에 의해 순식간에 셀 내부의 온도가 상승하고, 이로 인한 발화성 가스 발생으로 파우치가 부풀어오르는 스웰링(swelling) 현상이 발생할 수 있다. 즉 분극성 물질인 활성탄의 기공에 존재하는 수분 및 산성관능기가 전해액과 반응에 의해 일산화탄소(CO)와 이산화탄소(CO2) 등의 가스가 발생하며, 이로 인해 셀 내부의 저항 증가 및 용량 감소가 일어난다. 따라서 전기화학적 부반응에 의한 가스 발생을 최소화하기 위해 활성탄의 표면처리와 셀 조립공정에서의 수분 도입을 최소화하는 처리 등을 중점적으로 진행하고 있으나, 장기적인 충,방전에 의한 가스 발생을 완벽하게 제어하는 것은 불가능에 가깝다. 따라서 가스가 발생하여 스웰링 현상이 지속될 경우 파우치의 측면 등이 터지면서 많은 양의 발화성 가스가 한꺼번에 배출되기 때문에, 파우치 내의 발화성 가스를 제거하여 파우치가 터지는 것을 방지하는 기술이 필요하다.These pouch-type capacitors are manufactured by adding organic solvents and plasticizers to improve output or capacity characteristics. In this case, when the overcharge occurs in the charge and discharge processes, or the temperature inside the cell rises instantaneously due to the occurrence of an internal short-circuit due to the failure of the specific cell among several cells, and the swelling of the pouch ) Phenomenon may occur. That is, the moisture and the acidic functional groups present in the pores of the activated carbon which is a polar material react with the electrolyte to generate gas such as carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO 2 ), thereby increasing the resistance and capacity of the interior of the cell . Therefore, in order to minimize the generation of gas by electrochemical side reaction, the surface treatment of activated carbon and the treatment for minimizing the water introduction in the cell assembling process are mainly carried out. However, to control the generation of gas by long- It is near impossible. Therefore, if the swelling phenomenon continues due to the generation of gas, a large amount of flammable gas is discharged at the same time as the side surface of the pouch is blown. Therefore, there is a need for a technique to prevent the pouch from bursting by removing the flammable gas in the pouch.

이에 종래에는 '대한민국특허청 공개특허 10-2012-0146430 슈퍼 커패시터 및 이의 제조방법'과 같이 파우치 내의 발화성 가스가 파우치의 외부로 배출되도록 가스배출구를 포함하는 구성을 통해 파우치가 터지는 것을 방지하는 기술이 알려져 있다. 하지만 이러한 종래기술들의 경우 파우치에 가스배출구를 위한 멤브레인을 부착하고 실링하는 공정이 복잡하고, 외부에 공기가 파우치 내부로 유입될 가능성이 있기 때문에 장기적인 신뢰성이 낮다는 문제점이 있다.Conventionally, a technique for preventing a pouch from blowing through a structure including a gas discharge port such that an ignitable gas in the pouch is discharged to the outside of the pouch is known as in Korean Patent Application No. 10-2012-0146430 supercapacitor and its manufacturing method have. However, in such conventional technologies, there is a problem in that the process of attaching and sealing the membrane for the gas outlet to the pouch is complicated and the air is introduced into the pouch to the outside, resulting in a low long-term reliability.

대한민국특허청 공개특허 10-2012-0146430Korean Patent Publication No. 10-2012-0146430

따라서 본 발명의 목적은 파우치형 전기이중층 커패시터로부터 장기간 충,방전 과정에서 발생하는 가스를 가스흡수층을 통해 흡수함으로써 파우치의 부피 팽창을 억제가능한 파우치형 전기이중층 커패시터를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a pouch-shaped electric double layer capacitor capable of suppressing the volume expansion of a pouch by absorbing gas generated in a pouch-shaped electric double layer capacitor through a gas absorption layer during a long charging and discharging process.

또한 정전용량의 저항 및 ESR 증가와 같은 특성 열화가 적어 우수한 장기 신뢰성을 향상시키는 파우치형 전기이중층 커패시터를 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a pouch-type electric double layer capacitor which is excellent in long-term reliability with less characteristic deterioration such as a resistance of capacitance and an increase in ESR.

상기한 목적은, 파우치와; 상기 파우치 내부에 배치되는 복수의 집전체, 상기 집전체 사이에 이격 배치되어 복수의 상기 집전체를 격리시키는 격리막, 각각의 상기 집전체의 양면에 배치되는 한 쌍의 전극으로 이루어진 소자와; 상기 파우치 내부에 충전되는 전해액을 포함하는 파우치형 전기이중층 커패시터에 있어서, 상기 파우치 내부에는 가스를 흡수하는 가스흡수층을 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 전기이중층 커패시터에 의해서 달성된다.The above object is achieved by a pouch comprising: a pouch; A plurality of current collectors disposed in the pouch, a separation layer disposed between the current collectors to isolate the plurality of current collectors, and a pair of electrodes disposed on both sides of each current collector; The pouch type electric double layer capacitor includes an electrolyte filled in the pouch. The pouch type electric double layer capacitor includes a gas absorbing layer for absorbing gas inside the pouch.

여기서, 상기 가스흡수층은 한 쌍으로 이루어져 상기 파우치와 상기 소자의 사이에 각각 배치되며, 상기 가스흡수층은 메탈폼(metal form)과, 상기 메탈폼 내부에 함입되는 흡수분말을 포함하는 것이 바람직하다.Here, the gas absorbing layers are formed as a pair, and are disposed between the pouch and the device, respectively, and the gas absorbing layer preferably includes a metal form and an absorbing powder embedded in the metal foam.

상기 메탈폼은 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 또는 스테인레스스틸(stainless steel) 소재로 이루어지며, 상기 메탈폼은 평균 기공률이 80% 이상인 것이 바람직하다.The metal foam may be made of aluminum (Al), nickel (Ni), or stainless steel, and the metal foam preferably has an average porosity of 80% or more.

또한, 상기 흡수분말은 고체 탄산 알칼리인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산칼륨(K2CO3)이며, 상기 가스흡수층은 상기 메탈폼의 내부에 상기 흡수분말이 함입된 후 상기 흡수분말이 이탈되는 것을 방지하도록 최초 상기 메탈폼 두께에 비교하여 20% 이상 두께를 축소하는 것이 바람직하며, 상기 가스흡수층은 1 내지 2mm의 두께로 이루어지는 것이 바람직하다.The absorbing powder may be sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) or potassium carbonate (K 2 CO 3 ) which is an alkali of solid carbonate, and the gas absorbing layer may be formed such that after the absorbing powder is introduced into the metal foam, It is preferable to reduce the thickness of the gas absorption layer by at least 20% in comparison with the thickness of the metal foam, and it is preferable that the gas absorption layer has a thickness of 1 to 2 mm.

상기 파우치는 알루미늄 라미네이트 파우치(aluminum laminate pouch)이며, 상기 전극은 탄소재, 도전재 및 바인더로 이루어진 것이 바람직하며, 상기 탄소재는 비표면적이 1,000 내지 3,000m2/g인 것이 바람직하다.Preferably, the pouch is an aluminum laminate pouch, and the electrode is made of a carbon material, a conductive material and a binder, and the carbon material has a specific surface area of 1,000 to 3,000 m 2 / g.

상기 탄소재는 활성탄(active carbon), 카본블랙(carbon black), 흑연(graphite), 그래핀(graphene), 하드카본(hard carbon), 카본나노섬유(carbon nano fiber), 카본나노튜브(carbon nano tube) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.The carbon material may be selected from the group consisting of active carbon, carbon black, graphite, graphene, hard carbon, carbon nano fiber, carbon nano tube ), And mixtures thereof.

상술한 본 발명의 구성에 따르면, 파우치형 전기이중층 커패시터로부터 장기간 충,방전 과정에서 발생하는 가스를 가스흡수층을 통해 흡수함으로써 파우치의 부피 팽창을 억제가능하다.According to the configuration of the present invention described above, it is possible to suppress the volume expansion of the pouch by absorbing the gas generated in the charging and discharging process for a long period of time from the pouch type electric double layer capacitor through the gas absorbing layer.

또한 정전용량의 저항 및 ESR 증가와 같은 특성 열화가 적어 우수한 장기 신뢰성을 향상시킬 수 있다.Further, deterioration in characteristics such as capacitance resistance and ESR increase is small and excellent long-term reliability can be improved.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 전기이중층 커패시터의 사시도이고,
도 2는 파우치형 전기이중층 커패시터의 단면도이다.
1 is a perspective view of a pouch type electric double layer capacitor according to an embodiment of the present invention,
2 is a cross-sectional view of a pouch type electric double layer capacitor.

이하 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 전기이중층 커패시터(100)를 상세히 설명한다.Hereinafter, a pouch type electric double layer capacitor 100 according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

도 1에 도시된 바와 같이 파우치형 전기이중층 커패시터(100)는, 파우치(110), 소자(120), 전해액(130), 리드탭(140) 및 가스흡수층(150)을 포함한다.1, the pouch type electric double layer capacitor 100 includes a pouch 110, an element 120, an electrolyte 130, a lead tab 140, and a gas absorbing layer 150. [

파우치(pouch, 110)는 전기이중층 커패시터(100)를 둘러싸도록 배치되어 내부에 소자(120), 전해액(130), 리드탭(140) 및 가스흡수층(150)을 포함하는 것으로, 내부에 존재하는 전해액(130)이 외부로 배출되지 않으면서 외부에 존재하는 공기 또는 수분이 파우치(110) 내부로 유입되지 않도록 밀봉된다. 이와 같은 파우치(110)는 알루미늄 라미네이트 파우치(aluminum laminate pouch)가 가장 바람직하나 이에 한정되지는 않는다.The pouch 110 is disposed so as to surround the electric double layer capacitor 100 and includes therein an element 120, an electrolyte 130, a lead tab 140 and a gas absorption layer 150, The electrolyte 130 is not discharged to the outside but air or moisture existing in the outside is sealed so as not to be introduced into the pouch 110. The pouch 110 may be an aluminum laminate pouch, but is not limited thereto.

파우치(110) 내부에 배치되는 소자(120)는 전기가 충,방전되는 것으로 전극(121), 집전체(122) 및 격리막(123)을 포함한다.The device 120 disposed inside the pouch 110 includes an electrode 121, a current collector 122, and a separator 123 as electricity is charged and discharged.

본 발명에서 전극(121)은 탄소재 분말을 포함하는 탄소재 전극을 의미하며, 탄소재, 도전재 및 바인더로 구성된다. 탄소재의 경우 일반적으로 다른 소재들에 비해 비표면적이 크다고 알려져 있으며, 이를 전극(121)에 적용할 경우 전기이중층 커패시터(100)의 용량을 증가시킬 수 있다. 따라서 본 발명에서는 비표면적이 큰 탄소재 전극(121)을 사용한다. 여기서 비표면적은 1,000 내지 3,000m2/g로 이루어진 탄소재를 사용하는 것이 바람직하다. 탄소재의 비표면적이 1,000m2/g 미만일 경우 커패시터(100)의 성능이 좋지 못하며, 3,000m2/g을 초과할 경우 비표면적이 큰 만큼 탄소재 표면에 수분 함유량이 증가하거나 탄소재로부터 가스가 많이 발생되기 때문에 이를 본 발명에 적용하기에는 적합하지 못하다.In the present invention, the electrode 121 means a carbon material electrode including a carbon material powder, and is made of a carbon material, a conductive material, and a binder. The carbon material is generally known to have a large specific surface area as compared with other materials. When the carbon material is applied to the electrode 121, the capacity of the electric double layer capacitor 100 can be increased. Therefore, in the present invention, a carbon material electrode 121 having a large specific surface area is used. Here, it is preferable to use a carbon material having a specific surface area of 1,000 to 3,000 m 2 / g. When the specific surface area of the carbon material is less than 1,000 m 2 / g, the performance of the capacitor 100 is poor. When the carbon material exceeds 3,000 m 2 / g, the specific surface area is large, Which is not suitable for application to the present invention.

이와 같은 탄소재는 활성탄(active carbon), 카본블랙(carbon black), 흑연(graphite), 그래핀(graphene), 하드카본(hard carbon), 카본나노섬유(carbon nano fiber), 카본나노튜브(carbon nano tube) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하며, 그 중 활성탄이 가장 바람직하다. 활성탄은 폐놀 섬유계 활성탄, 코코넛 껍질을 원료로 사용하는 목질계 활성탄, 석유 코크스계 활성탄 등이 사용될 수 있고, 분말의 경우 평균입자 크기가 20㎛ 이하, 섬유상의 경우에는 섬유경이 10 내지 20㎛인 것이 바람직하다.The carbon material may be selected from the group consisting of active carbon, carbon black, graphite, graphene, hard carbon, carbon nano fiber, carbon nano tube, and a mixture thereof. Of these, activated carbon is most preferable. Activated carbon can be used as the activated carbon. Examples of the activated carbon include waste activated fiber-based activated carbon, woody activated carbon using coconut shell as a raw material, activated carbon of petroleum coke type, etc., and an average particle size of 20 탆 or less for powder and 10 to 20 탆 .

도전재의 경우 카본블랙(carbon black), 흑연(graphite), 그래핀(graphene), 하드카본(hard carbon), 카본나노섬유(carbon nano fiber), 카본나노튜브(carbon nano tube), 금속분말 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 선택하여 사용하며, 0.01 내지 10㎛의 직경인 것이 바람직하다. 도전재의 직경이 0.01㎛ 미만일 경우 도전성이 저하될 수 있으며, 10㎛를 초과할 경우 탄소재와 고르게 혼합되지 못하게 된다.Examples of the conductive material include carbon black, graphite, graphene, hard carbon, carbon nano fiber, carbon nano tube, metal powder, and the like. And mixtures thereof, and it is preferable that the diameter is 0.01 to 10 탆. When the diameter of the conductive material is less than 0.01 탆, the conductivity may be deteriorated, and when it exceeds 10 탆, the conductive material may not be uniformly mixed with the carbon material.

여기서 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, polytetrafluoroethylene)계 바인더가 가장 바람직하다. PTFE는 0.1 내지 0.5㎛의 직경을 가진 것을 사용할 수 있으며, 고형분 상태 단독 또는 고형분이 물(H2O), 크실렌(xylene), 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 이소프로판올(isopropanol), 톨루엔(toluene), 부틸 아세테이트(butyl acetate) 등에 분산된 에멀젼(emulsion) 상태로 사용할 수 있다. PTFE는 우수한 내화학성, 내열성 및 기계적 강도가 우수하기 때문에 전극을 구성하기 위해 압연을 반복할수록 PTFE의 네트워크 구조가 발달하게 된다. 네트워크 구조가 발달하면 내부에 탄소재 및 도전재를 고착시키므로 충진밀도를 높임과 동시에 탄소재 및 도전재들 간의 접촉저항을 감소시켜 전극의 전기적 특성을 개선시킨다.The binder is most preferably a polytetrafluoroethylene (PTFE) binder. PTFE having a diameter of 0.1 to 0.5 탆 may be used and may be used in a solid state alone or in a solid state in the form of water (H 2 O), xylene, methanol, ethanol, isopropanol, toluene toluene, butyl acetate, or the like. Since PTFE has excellent chemical resistance, heat resistance and mechanical strength, the network structure of PTFE develops as the rolling is repeated to construct electrodes. As the network structure develops, the carbon material and the conductive material are adhered to each other, thereby increasing the filling density and reducing the contact resistance between the carbon material and the conductive materials, thereby improving the electrical characteristics of the electrode.

이러한 소재들로 이루어진 전극(121)은 한 쌍으로 이루어지며, 한 쌍의 전극은 집전체(122)의 양면에 배치된다. 집전체(122)는 파우치(110)의 내부에 복수 개가 배치되는데, 즉 집전체(122)와 한 쌍의 전극(121)은 유니트로 이루어져 복수 개가 파우치(110)의 내부에 배치된다. 이러한 집전체(122)는 알루미늄 호일(Al foil)이 가장 바람직하나 이에 한정되지는 않는다. 이와 같이 한 쌍의 전극(121) 사이에는 집전체(122)가 배치되며, 서로 이격된 전극(122)은 초기 인가전압 조건에 의해 양극 및 음극이 결정된다.The electrodes 121 made of such materials are formed as a pair, and the pair of electrodes are disposed on both sides of the current collector 122. A plurality of current collectors 122 are disposed inside the pouch 110. That is, the current collectors 122 and the pair of electrodes 121 are formed as a unit, and a plurality of the current collectors 122 are disposed inside the pouch 110. The current collector 122 is most preferably an aluminum foil but is not limited thereto. As described above, the current collector 122 is disposed between the pair of electrodes 121, and the positive electrode and the negative electrode are determined by the initial applied voltage condition of the electrodes 122 spaced apart from each other.

격리막(123)은 집전체(122) 사이에 이격 배치되어 복수의 집전체(122)를 격리시키는 역할을 하며, 바람직하게는 집전체(122)와 전극(121)으로 이루어진 유니트 사이에 이격 배치되어 상이한 집전체(122)에 배치된 전극(121)이 서로 접촉하지 않도록 하는 역할을 한다. 이러한 집전체(122)는 격리막(123)과 근접하도록 배치된 전극(121)으로 전해액이 접촉할 수 있도록 전해액(130)이 통과하는 소재로 이루어지는 것이 바람직한데, 가장 바람직한 소재는 폴리프로필렌(polypropylene) 부직포이다.The isolation layer 123 is spaced apart from the current collectors 122 to isolate the plurality of current collectors 122 and is preferably disposed between the current collectors 122 and the electrodes 121 The electrodes 121 disposed in the different current collectors 122 do not contact each other. The current collector 122 is preferably made of a material through which the electrolyte 130 passes so that the electrolyte can contact the electrode 121 arranged close to the separation layer 123. The most preferable material is polypropylene, Nonwoven fabric.

이와 같이 전극(121), 집전체(122) 및 격리막(123)으로 이루어진 소자(120)는 전해액(130)과 접촉되어야 하며, 이를 위해 파우치(110)의 내부에는 전해액(130)이 충전된다. 전해액(130)은 특별히 한정하지 않고 전기이중층 커패시터(100)용으로 통상 사용되는 것, 즉 전기화학적으로 안정한 전해질을 극성 유기용매에 용해시킨 것을 사용할 수 있다. 여기서 전해질로서는 제4급 오니움 양이온인 (C2H5)4N+, (C3H7)4N+, (C4H9)4N+, (C2H5)3CH3N+, (C2H5)4P+와, 음이온은 BF4 -, PH6 -, ClO4 -, CF3SO3 - 구성된 염을 사용할 수 있다. 또한 유기용매로는 카보네이트계인 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 부티렌 카보네이트(butylene carbonate), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 아세토나이트릴(acetonitrile) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.The device 120 made of the electrode 121, the current collector 122 and the separator 123 must be in contact with the electrolyte solution 130 and the electrolyte 130 is filled in the pouch 110. The electrolytic solution 130 is not particularly limited, and one that is generally used for the electric double layer capacitor 100, that is, one in which an electrochemically stable electrolyte is dissolved in a polar organic solvent, may be used. (C 2 H 5 ) 4 N + , (C 3 H 7 ) 4 N + , (C 4 H 9 ) 4 N + , and (C 2 H 5 ) 3 CH 3 N + , (C 2 H 5 ) 4 P + , and anions BF 4 - , PH 6 - , ClO 4 - , and CF 3 SO 3 - can be used. The organic solvent is preferably selected from the group consisting of carbonate-based ones such as propylene carbonate, butylene carbonate, ethylene carbonate, acetonitrile, and mixtures thereof.

리드탭(140)은 양극탭 및 음극탭으로 이루어지며, 양극탭 및 음극탭 각각은 일단이 파우치(110) 내부의 동일한 분극성 전극(121)끼리 결합되고 타단은 외부로 인출된다. 따라서 파우치(110)는 리드탭(140)을 제외한 영역만을 밀폐하도록 감싸는 형태로 이루어진다. 이러한 리드탭(140)은 소자(120)로부터 방전시 발생되는 전류 또는 외부로 충전시 유입되는 전류를 전달하는 역할을 한다.The lead tabs 140 are composed of a positive electrode tab and a negative electrode tab, and one end of each of the positive electrode tab and the negative electrode tab is coupled to the same polarizable electrodes 121 inside the pouch 110 and the other end is drawn out. Therefore, the pouch 110 is formed to enclose only the region except the lead tab 140 to seal it. The lead tab 140 serves to transfer a current generated when the device 120 discharges or a current that flows when the device 120 is charged to the outside.

파우치(110) 내부에 배치되는 가스흡수층(150)은 밀봉된 파우치(110)의 내부에서 발생되는 가스를 흡수하여 파우치의 스웰링(swelling) 현상을 방지하는 역할을 한다. 전기이중층 커패시터(100)는 장기간의 충,방전이 이루어지거나, 높은 전압에서 사용할 경우 전극(121)과 전해액(130) 사이의 반응에 의해 가스가 발생하게 된다. 특히 전극(121)에 포함된 탄소재의 경우 비표면적이 넓기 때문에 전기이중층 커패시터(100)의 성능 향상을 위해 사용되기는 하나, 탄소재 표면에 부착된 수분 또는 산성관능기가 전해액(130)과 반응하여 일산화탄소(CO) 또는 이산화탄소(CO2) 등의 가스를 발생시킨다는 단점이 있다. 이러한 스웰링 현상에 의해 전기이중층 커패시터(100)의 저항이 증가하고 용량이 감소하기 때문에 파우치(110) 내부의 가스를 제어하는 기술이 필요하다. 따라서 본 발명에서는 파우치(110) 내부에 존재하는 일산화탄소 또는 이산화탄소를 흡수하여 스웰링 현상을 방지하는 가스흡수층(150)을 포함한다.The gas absorbing layer 150 disposed inside the pouch 110 absorbs gas generated inside the sealed pouch 110 to prevent swelling of the pouch. When the electric double layer capacitor 100 is charged or discharged for a long period of time or is used at a high voltage, the gas is generated by the reaction between the electrode 121 and the electrolyte 130. Particularly, the carbon material contained in the electrode 121 is used to improve the performance of the electric double layer capacitor 100 because of its wide specific surface area. However, the water or acidic functional group attached to the surface of the carbon material reacts with the electrolyte 130 It generates a gas such as carbon monoxide (CO) or carbon dioxide (CO 2 ). The resistance of the electric double layer capacitor 100 is increased by the swelling phenomenon and the capacity is decreased. Therefore, a technique for controlling the gas inside the pouch 110 is needed. Accordingly, the present invention includes a gas absorbing layer 150 that absorbs carbon monoxide or carbon dioxide present in the pouch 110 to prevent swelling.

가스흡수층(150)은 메탈폼과 흡수분말로 이루어진다. 메탈폼(metal form)은 금속소재로 이루어진 다공성 시트를 의미한다. 이러한 메탈폼은 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 또는 스테인레스스틸(stainless steel) 소재로 이루어지며, 평균 기공률은 80% 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 평균 기공률이 80% 미만일 경우 내부에 흡수분말이 충분하게 함입되지 못하여 가스흡수 역할을 제대로 수행할 수 없다. 메탈폼의 두께는 1 내지 2mm로 이루어져 흡수분말을 충분히 포함하면서 전기이중층 커패시터(100)의 부피를 많이 증가시키지 않도록 하는 것이 바람직하다.The gas absorption layer 150 is made of metal foam and absorbing powder. The metal form refers to a porous sheet made of a metal material. Such a metal foam is preferably made of aluminum (Al), nickel (Ni), or stainless steel, and has an average porosity of 80% or more. When the average porosity is less than 80%, the absorbing powder is not sufficiently absorbed therein, and the gas absorbing function can not be performed properly. It is preferable that the thickness of the metal foam is made 1 to 2 mm so as not to significantly increase the volume of the electric double layer capacitor 100 while sufficiently containing the absorbing powder.

메탈폼은 단일 개로 파우치(110) 내부에 배치될 수도 있지만, 가스흡수가 원활하게 이루어지기 위해서는 한 쌍으로 파우치(110)와 소자(120)의 사이에 각각 배치되는 것이 가장 바람직하다. 즉 소자(120)의 양면에 배치되어 소자(120)로부터 배출되는 가스를 효과적으로 흡수할 수 있도록 한다. 이러한 메탈폼은 파우치(110) 내에서 소자(120)의 양단부에 배치되어 소자(120)를 지지함과 동시에 가압효과를 발휘하여 소자(120)의 전극(121) 간 접촉저항을 최소화하는 효과도 있다. The metal foams may be disposed within the pouch 110 in a single manner, but it is most preferable that the metal foams are disposed between the pouch 110 and the element 120 in pairs so that gas absorption can be smoothly performed. That is, on both sides of the device 120 to effectively absorb the gas exiting the device 120. These metal foams are disposed at both ends of the element 120 in the pouch 110 so as to support the element 120 and exhibit a pressing effect to minimize the contact resistance between the electrodes 121 of the element 120 have.

가스흡수층(150) 중 메탈폼의 내부에 함입되는 흡수분말은 일산화탄소 또는 이산화탄소를 흡수하여 화학적 반응이 이루어지는 활성 성분으로 작용한다. 이와 같은 흡수분말은 메탈폼 내부에 함입된 후 메탈폼으로부터 이탈하는 것을 방지하기 위하여 흡수분말이 함입된 메탈폼을 상하로 가압하여 최초 메탈폼 두께에 비교하여 20% 이상 두께를 축소해서 사용하는 것이 바람직하다. 흡수분말을 일산화탄소 또는 이산화탄소를 흡수하여 화학적 반응이 이루어지는 고체 탄산 알칼리 분말이 가장 바람직하다. 여기서 고체 탄산 알칼리 분말은 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산칼륨(K2CO3)을 의미하며, 예를 들어 탄산나트륨, 이산화탄소 및 탄소재에 포함된 소량의 수분은 다음과 같은 반응식을 통해 화학적 반응이 이루어진다.The absorbing powder contained in the metal foam in the gas absorbing layer 150 acts as an active ingredient that absorbs carbon monoxide or carbon dioxide to perform a chemical reaction. In order to prevent the absorbing powder from being detached from the metal foam after being embedded in the metal foam, the metal foam containing the absorbing powder is vertically pressed so that the thickness of the absorbent powder is reduced by 20% or more compared to the initial metal foam thickness desirable. The solid alkali carbonate powder in which the absorbing powder absorbs carbon monoxide or carbon dioxide to perform the chemical reaction is most preferable. Here, the solid alkali carbonate powder refers to sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) or potassium carbonate (K 2 CO 3 ). For example, a small amount of water contained in sodium carbonate, carbon dioxide and carbonaceous material is subjected to chemical reaction .

<반응식><Reaction Scheme>

Na2CO3 + H2O + CO2 → 2NaHCO3 Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 - > 2NaHCO 3

즉, 전극(121) 내에 존재하는 소량의 수분과 전극(121)으로부터 발생되는 가스가 흡수분말과 반응하여 탄산수소나트륨(NaHCO3) 분말로 변하게 되고, 이를 통해 파우치(110)의 스웰링 현상을 방지할 수 있게 된다.That is, a small amount of moisture present in the electrode 121 and a gas generated from the electrode 121 react with the absorbed powder to turn into a sodium hydrogencarbonate (NaHCO 3 ) powder, thereby causing a swelling phenomenon of the pouch 110 .

흡수분말의 평균 입자 크기는 100㎛ 이하인 것이 바람직한데, 입자 크기가 100㎛를 초과할 경우 메탈폼 내에 삽입이 용이하지 않아 제대로 된 가스흡수층(150)을 얻을 수 없기 때문이다. The average particle size of the absorbent powder is preferably 100 탆 or less. If the particle size exceeds 100 탆, it is difficult to insert the metal foam into the metal foam, so that a proper gas absorbing layer 150 can not be obtained.

이와 같은 구조로 이루어진 본 발명의 파우치형 전기이중층 커패시터(100)와 종래의 파우치형 전기이중층 커패시터를 제조한 후 이를 실험한 실시예를 하기와 같이 설명한다.The pouch type electric double layer capacitor 100 of the present invention and the conventional pouch type electric double layer capacitor having the above structure will be described as follows.

<비교예><Comparative Example>

비교예에 따른 파우치형 전기이중층 커패시터 중 전극은 비표면적 2,000m2/g의 코크스계 활성탄(active carbon), 카본블랙(carbon black) 및 바인더(binder)로서 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene)을 활성탄 : 카본블랙 : 바인더 = 85 : 10 : 5중량비로 혼합하고, 일정량의 이소프로필알콜(isopropyl alcohol)과 함께 반죽한 후 롤 프레싱을 통해 150㎛ 두께의 활성탄 시트(sheet)를 제조하였다. 제조된 활성탄 시트는 30㎛ 두께의 에칭 알루미늄 집전체에 도전성 접착제를 사용하여 결합되어 활성탄 시트를 포함하는 활성탄 시트 전극으로 제조되었다.Of the pouch type electric double layer capacitors according to the comparative example, the electrodes were made of coke-based active carbon, carbon black and binder having a specific surface area of 2,000 m 2 / g, and polytetrafluoroethylene as an active carbon: Carbon black: binder = 85: 10: 5 by weight, and kneaded together with a certain amount of isopropyl alcohol, followed by roll pressing to produce a 150 μm thick activated carbon sheet. The activated carbon sheet thus prepared was bonded to an etched aluminum current collector having a thickness of 30 탆 by using a conductive adhesive to prepare an activated carbon sheet electrode including an activated carbon sheet.

활성탄 시트 전극은 폴리프로필렌(polypropylene) 부직포로 제조된 격리막을 사이에 두고 대칭되도록 배치한 후, 초기 인가전압 조건에서 양극 및 음극을 결정한다. 동일 극성의 활성탄 시트 전극의 요구 제조용량에 따라 병렬로 적층한 후 전극 사이에 격리막이 배치되고, 격리막으로 외부를 감싼 소자를 제조하였다. 이때 각 극성 단자를 반대방향으로 인출하고, 이들 단자들은 알루미늄 리드탭에 초음파 용접하였다.The activated carbon sheet electrode is arranged to be symmetrical with a separator made of polypropylene nonwoven fabric interposed therebetween, and then the anode and the cathode are determined under the initial applied voltage condition. The active carbon sheet electrodes of the same polarity were laminated in parallel according to the required production capacity, and then a separator was disposed between the electrodes, and a device wrapped with a separator was manufactured. At this time, each polarity terminal was drawn out in the opposite direction, and these terminals were ultrasonically welded to the aluminum lead tab.

이러한 소자는 3면이 실링된 라미네이트 필름 파우치에 장입한 후, 1.5M의 스피로비피로리디움 테트라플로로보레이트(SBPBF4) 전해액을 주입하고, 나머지 한 면을 실링하여 파우치 전기이중층 커패시터를 제조하였다.This device was packed in a sealed three- ply laminated film pouch, and then an electrolyte solution of 1.5 M of spirobipyridinium tetrafluoroborate (SBPBF 4 ) was injected and the other surface was sealed to prepare a pouch electric double layer capacitor.

제조된 파우치 전기이중층 커패시터는 2.7V의 인가전압으로 충전하고 1A로 방전한 경우의 초기 정전용량과 등가직렬저항(equivalent series resistance, ESR)을 측정하였다. 계속해서 파우치 전기이중층 커패시터는 60℃에서 2.7V로 인가한 후 1,000시간 유지한 고온부하 실험(floating test) 후 정전용량과 등가직렬저항을 측정하였다.The fabricated pouch electric double layer capacitors were measured for initial capacitance and equivalent series resistance (ESR) when charged to a voltage of 2.7V and discharged at 1A. Subsequently, the pouch electric double layer capacitor was measured for capacitance and equivalent series resistance after a high temperature load test (floating test) after application at 2.7 V at 60 ° C. for 1,000 hours.

<실시예><Examples>

실시예에 따른 파우치형 전기이중층 커패시터의 제조방법은 가스흡수층을 사용한 것을 제외하고는 비교예의 제조방법과 동일한 방법을 통해 제조된다.The manufacturing method of the pouch type electric double layer capacitor according to the embodiment is manufactured by the same method as the manufacturing method of the comparative example except that the gas absorbing layer is used.

가스흡수층은 100㎛ 입자 크기의 탄산나트륨(Na2CO3) 분말을 1mm 두께에 기공률 90%인 니켈 폼에 건식으로 분산시켜 함입시킨 후 1ton/cm2의 인가하중으로 가압하여 최종 두께 0.8mm로 제조하였다. 이후 가스흡수층을 전극과 격리막으로 구성된 소자의 양측에 배치하고, 소자와 가스흡수층을 포함하는 파우치형 전기이중층 커패시터를 제조하였다. 전기화학적 특성은 비교예와 동일하게 측정하였다.The gas-absorbing layer was prepared by dispersing sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) powder having a particle size of 100 μm in a 1 mm-thick nickel foam having a porosity of 90% and impregnating the powder with an applied load of 1 ton / Respectively. Thereafter, the gas absorbing layer was disposed on both sides of the element composed of the electrode and the separator, and a pouch-shaped electric double layer capacitor including the element and the gas absorbing layer was produced. The electrochemical characteristics were measured in the same manner as in Comparative Example.

표 1은 이들 비교예와 실시예의 전기화학적 특성을 나타낸 것이다.Table 1 shows the electrochemical properties of these comparative examples and examples.

초기Early Floating test @ 2.7V, 60℃, 1000hrFloating test @ 2.7V, 60 ℃, 1000hr 정전용량
(F)
Capacitance
(F)
ESR
(mΩ)
ESR
(mΩ)
정전용량
(F)
Capacitance
(F)
ESR
(mΩ)
ESR
(mΩ)
부피팽창율 (%)Volume Expansion Rate (%)
비교예Comparative Example 1,1001,100 0.80.8 958958 2.52.5 1515 실시예Example 1,1201,120 0.80.8 1,0601,060 1.01.0 33

표 1에서 비교예와 실시예의 초기 정전용량 및 ESR은 유사한 값을 나타내는 것을 알 수 있다. 하지만 고온부하(floating test) 후 결과에서는, 비교예의 용량감소는 12.9%인 것에 비해 실시예의 경우 5.3%의 감소를 나타내었으며 저항 변화로 실시예의 경우가 더 적은 값을 나타내었다. 또한 부피 팽창율은 비교예보다 실시예가 더 적은 수치를 나타내는 것을 확인할 수 있다.It can be seen from Table 1 that the initial capacitance and the ESR of the comparative example and the example show similar values. However, in the results after the floating test, the capacity decrease of the comparative example was reduced by 5.3% compared with 12.9%, and the resistance change showed a smaller value in the embodiment. Also, it can be seen that the volume expansion rate shows a smaller value in the embodiment than in the comparative example.

따라서 본 발명에서 기재된 바와 같이 가스흡수층(150)을 포함하여 파우치형 전기이중층 커패시터(100)를 제조할 경우 장기간 열화 과정에서 발생하는 가스를 흡수하여 전기이중층 커패시터(100)의 부피 팽창을 억제하고, 이로 인해 정전용량과 저항의 변화를 최소화하는 것을 알 수 있다.Therefore, when manufacturing the pouch type electric double layer capacitor 100 including the gas absorption layer 150 as described in the present invention, it is possible to suppress the volume expansion of the electric double layer capacitor 100 by absorbing the gas generated in the long term deterioration process, This minimizes the change in capacitance and resistance.

100: 전기이중층 커패시터
110: 파우치
120: 소자
121: 전극
122: 집전체
123: 격리막
130: 전해액
140: 리드탭
150: 가스흡수층
100: electric double layer capacitor
110: Pouch
120: element
121: Electrode
122: The whole house
123:
130: electrolyte
140: Lead tab
150: gas absorbing layer

Claims (12)

파우치와; 상기 파우치 내부에 배치되는 복수의 집전체, 상기 집전체 사이에 이격 배치되어 복수의 상기 집전체를 격리시키는 격리막, 각각의 상기 집전체의 양면에 배치되는 한 쌍의 전극으로 이루어진 소자와; 상기 파우치 내부에 충전되는 전해액을 포함하는 파우치형 전기이중층 커패시터에 있어서,
상기 파우치 내부에는 가스를 흡수하는 가스흡수층을 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 전기이중층 커패시터.
A pouch; A plurality of current collectors disposed in the pouch, a separation layer disposed between the current collectors to isolate the plurality of current collectors, and a pair of electrodes disposed on both sides of each current collector; A pouch type electric double layer capacitor comprising an electrolyte filled in the pouch,
And a gas absorbing layer for absorbing gas in the pouch.
제 1항에 있어서,
상기 가스흡수층은 한 쌍으로 이루어져 상기 파우치와 상기 소자의 사이에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 파우치형 전기이중층 커패시터.
The method according to claim 1,
Wherein the gas absorbing layers are formed as a pair and are disposed between the pouch and the device, respectively.
제 1항에 있어서,
상기 가스흡수층은 메탈폼(metal form)과, 상기 메탈폼 내부에 함입되는 흡수분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 전기이중층 커패시터.
The method according to claim 1,
Wherein the gas absorbing layer comprises a metal form and an absorbing powder embedded in the metal foam.
제 3항에 있어서,
상기 메탈폼은 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 또는 스테인레스스틸(stainless steel) 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파우치형 전기이중층 커패시터.
The method of claim 3,
Wherein the metal foil is made of aluminum (Al), nickel (Ni), or stainless steel.
제 3항에 있어서,
상기 메탈폼은 평균 기공률이 80% 이상인 것을 특징으로 하는 파우치형 전기이중층 커패시터.
The method of claim 3,
Wherein the metal foam has an average porosity of 80% or more.
제 3항에 있어서,
상기 흡수분말은 고체 탄산 알칼리인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산칼륨(K2CO3)인 것을 특징으로 하는 파우치형 전기이중층 커패시터.
The method of claim 3,
It said absorbing powder is a solid alkali carbonate is sodium carbonate (Na 2 CO 3), or a pouch-shaped electric double layer capacitor, characterized in that potassium carbonate (K 2 CO 3).
제 3항에 있어서,
상기 가스흡수층은 상기 메탈폼의 내부에 상기 흡수분말이 함입된 후 상기 흡수분말이 이탈되는 것을 방지하도록 최초 상기 메탈폼 두께에 비교하여 20% 이상 두께를 축소하는 것을 특징으로 하는 파우치형 전기이중층 커패시터.
The method of claim 3,
Wherein the gas absorption layer reduces the thickness of the gas absorption layer by 20% or more compared to the thickness of the metal foam to prevent the absorption powder from being separated after the absorption powder is introduced into the metal foam. .
제 1항에 있어서,
상기 가스흡수층은 1 내지 2mm의 두께로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파우치형 전기이중층 커패시터.
The method according to claim 1,
Wherein the gas absorbing layer has a thickness of 1 to 2 mm.
제 1항에 있어서,
상기 파우치는 알루미늄 라미네이트 파우치(aluminum laminate pouch)인 것을 특징으로 하는 파우치형 전기이중층 커패시터.
The method according to claim 1,
Wherein the pouch is an aluminum laminate pouch. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
제 1항에 있어서,
상기 전극은 탄소재, 도전재 및 바인더로 이루어진 것을 특징으로 하는 파우치형 전기이중층 커패시터.
The method according to claim 1,
Wherein the electrode comprises a carbon material, a conductive material, and a binder.
제 10항에 있어서,
상기 탄소재는 비표면적이 1,000 내지 3,000m2/g인 것을 특징으로 하는 파우치형 전기이중층 커패시터.
11. The method of claim 10,
Wherein the carbon material has a specific surface area of 1,000 to 3,000 m 2 / g.
제 10항에 있어서,
상기 탄소재는 활성탄(active carbon), 카본블랙(carbon black), 흑연(graphite), 그래핀(graphene), 하드카본(hard carbon), 카본나노섬유(carbon nano fiber), 카본나노튜브(carbon nano tube) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 파우치형 전기이중층 커패시터.


11. The method of claim 10,
The carbon material may be selected from the group consisting of active carbon, carbon black, graphite, graphene, hard carbon, carbon nano fiber, carbon nano tube ), And mixtures thereof. &Lt; Desc / Clms Page number 18 &gt;


KR1020160062066A 2016-05-20 2016-05-20 Pouch-type electric double layer capacitor KR102410490B1 (en)

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