KR20190053363A - Multilayer lithium-ion capacitor comprising graphene electrode - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 슈퍼 커패시터(super capacitor)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 그래핀 전극을 적용한 적층형 리튬 이온 커패시터(LIC; lithium ion capacitor)에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a super capacitor, and more particularly, to a stacked lithium ion capacitor (LIC) using a graphene electrode.
각종 휴대용 전자기기를 비롯하여 전기자동차 등은 전원 공급 장치가 요구되는 시스템이나, 순간적으로 발생하는 과부하를 조절 또는 공급하는 시스템을 위한 전기에너지 저장장치도 요구되고 있으며, 이러한 전기에너지 저장장치로 Ni-MH 전지, Ni-Cd 전지, 납축전지 및 리튬이차전지와 같은 이차전지와, 높은 출력 밀도를 가지면서 충방전 수명이 무제한에 가까운 슈퍼 커패시터(super capacitor), 알루미늄 전해 커패시터 및 세라믹 커패시터 등이 있다.In addition to various portable electronic devices, there is a demand for electric power storage devices for electric vehicles and electric energy storage devices for systems for controlling or supplying instantaneous overload. Ni-MH Secondary batteries such as batteries, Ni-Cd batteries, lead acid batteries and lithium secondary batteries, and super capacitors, aluminum electrolytic capacitors, and ceramic capacitors having high output densities and close to unlimited charge / discharge life.
특히 슈퍼 커패시터는 전기이중층 커패시터(EDLC; Electric Double Layer Capacitor), 유사 커패시터(pseudo capacitor), 리튬 이온 커패시터(LIC; lithium ion capacitor)와 같은 하이브리드 커패시터(hybrid capacitor) 등이 있다.In particular, the super capacitor includes an electric double layer capacitor (EDLC), a pseudo capacitor, and a hybrid capacitor such as a lithium ion capacitor (LIC).
여기서 전기이중층 커패시터는 서로 다른 상의 계면에 형성된 전기이중층에서 발생하는 정전하현상을 이용한 커패시터로서, 에너지 저장 메커니즘이 산화 및 환원과정에 의존하는 배터리에 비하여 충방전 속도가 빠르고 충방전 효율이 높으며 사이클 특성이 월등하여 백업 전원에 광범위하게 사용되며, 향후 전기자동차의 보조전원으로서의 가능성도 무한하다.Here, the electric double layer capacitor is a capacitor using an electrostatic charge phenomenon occurring in an electric double layer formed at the interface of different phases, and has a faster charging / discharging speed, a higher charge / discharge efficiency than the battery in which the energy storage mechanism depends on the oxidation and reduction process, Is widely used for backup power supply, and the potential as an auxiliary power source for electric vehicles in the future is also unlimited.
유사 커패시터는 는 전극과 전기화학 산화물 반응물의 산화-환원 반응을 이용하여 화학 반응을 전기적 에너지로 전환하여 저장하는 커패시터이다. 유사 커패시터는 전기이중층 커패시터가 전기화학 이중층형 전극 표면에 형성된 이중층에만 전하를 저장하는 데 비하여 전극 재료의 표면 근처까지 전하를 저장 할 수 있어 저장 용량이 전기이중층 커패시터에 비하여 약 5배정도 크다. 금속산화물 전극재료로는 RuOx, IrOx, MnOx 등이 사용되고 있다.A pseudocapacitor is a capacitor that converts a chemical reaction into electric energy by using an oxidation-reduction reaction of an electrode and an electrochemical oxide reactant. The pseudocapacitor has a storage capacity about 5 times larger than that of the electric double layer capacitor because the electric double layer capacitor can store the electric charge near the surface of the electrode material as compared with the electric double layer capacitor formed on the surface of the electrochemical double layer type electrode. As the metal oxide electrode material, RuOx, IrOx, MnOx and the like are used.
그리고 리튬 이온 커패시터는 기존 전기이중층 커패시터의 고출력 및 장수명 특성과, 리튬 이온 전지의 고에너지밀도를 결합한 새로운 개념의 이차전지 시스템이다. 전기이중층 내 전하의 물리적 흡착반응을 이용하는 전기이중층 커패시터는 우수한 출력특성 및 수명특성에도 불구하고 낮은 에너지밀도 때문에 다양한 응용분야에 적용이 제한되고 있다. 이러한 전기이중층 커패시터의 문제점을 해결하는 수단으로서 음극 활물질로서 리튬 이온을 삽입 및 탈리할 수 있는 탄소계 소재를 이용하는 리튬 이온 커패시터가 제안되었으며, 리튬 이온 커패시터는 이온화 경향이 큰 리튬 이온을 음극에 미리 도핑하여 음극의 전위를 대폭적으로 낮출 수 있고, 셀 전압도 종래의 전기이중층 커패시터의 2.5 V 대비 크게 향상된 3.8 V 이상의 고전압 구현이 가능하며 높은 에너지 밀도를 발현할 수 있다.And the lithium ion capacitor is a new concept secondary battery system which combines the high output and long life characteristics of the existing electric double layer capacitors and the high energy density of the lithium ion battery. Electric double layer capacitors using the physical adsorption reaction of electric charges in the electric double layer have been limited in their application to various applications due to their low energy density despite excellent power characteristics and lifetime characteristics. As a means for solving the problem of such an electric double layer capacitor, a lithium ion capacitor using a carbon-based material capable of inserting and separating lithium ions as a negative electrode active material has been proposed. The lithium ion capacitor has a structure in which lithium ions, And the cell voltage can realize a high voltage of 3.8 V or more, which is much higher than that of the conventional electric double layer capacitor by 2.5 V, and can exhibit a high energy density.
리튬 이온이 도핑된 탄소계 소재를 이용해 음극을 구성한 리튬 이온 커패시터의 반응 기구를 살펴보면, 충전 시에는 음극에서 탄소계 소재로 전자가 이동하여 탄소계 소재는 음전하를 띠게 됨으로써, 리튬 이온이 음극의 탄소계 소재에 삽입되고, 반대로 방전 시에는 음극에선 탄소계 소재에 삽입되어 있던 리튬 이온이 탈리되고 양극엔 음이온이 흡착된다. 이러한 기구를 이용하는 것으로 음극에서의 리튬 이온의 도핑량을 제어하여 고에너지밀도를 갖는 리튬 이온 커패시터를 실현할 수 있다.When the charge mechanism of the lithium ion capacitor constituting the cathode using the lithium-ion-doped carbonaceous material is examined, electrons move from the cathode to the carbonaceous material and the carbonaceous material becomes negatively charged. Thus, In contrast, when discharging, the lithium ions inserted in the carbonaceous material are removed from the negative electrode, and anions are adsorbed to the positive electrode. By using such a mechanism, it is possible to realize a lithium ion capacitor having a high energy density by controlling the doping amount of lithium ions in the cathode.
이러한 리튬 이온 커패시터는 리튬 이온 전지의 에너지 저장 능력과 커패시터의 출력 특성을 조합한 시스템으로 두 가지 기능을 동시에 발현할 수 있는 소재를 적용하여 고출력 사용 시에 커패시터 특성을 나타내고 기기의 지속 사용 시간을 리튬 이온 전지 수준으로 확장한 미래형 전지시스템이다.This lithium ion capacitor is a system that combines the energy storage capacity of a lithium ion battery and the output characteristics of a capacitor. By applying a material capable of simultaneously exhibiting two functions, it exhibits capacitor characteristics when using high output power, It is a future battery system that extends to ion battery level.
이러한 리튬 이온 커패시터는 음극에 리튬 이온의 프리도핑을 용이하게 하기 위해서 다공성 집전체를 사용한다. 다공성 집전체에 형성된 내부 단자에 외부 단자를 접합하게 되는데, 외부 단자를 접합하는 방법으로 초음파 용접을 주로 사용한다.Such a lithium ion capacitor uses a porous current collector to facilitate pre-doping of lithium ions to the cathode. An external terminal is joined to an internal terminal formed in the porous current collector. Ultrasonic welding is mainly used as a method of joining external terminals.
이와 같이 종래에는 다공성 집전체에 외부 단자를 접합할 때 초음파 용접 방법을 사용하기 때문에, 초음파 용접에 사용되는 에너지의 세기에 따라 다공성 집전체가 손상되는 문제가 발생될 수 있다. 다공성 집전체가 손상될 경우 셀 저항이 증가하고, 이로 인해 리튬 이온 커패시터의 성능 저하를 초래할 수 있다.As described above, since the ultrasonic welding method is used when connecting the external terminal to the porous current collector, the porous current collector may be damaged depending on the intensity of the energy used for the ultrasonic welding. If the porous collector is damaged, the cell resistance is increased, which may lead to deterioration of the performance of the lithium ion capacitor.
또한 다공성 집전체의 내부 단자에 외부 단자를 초음파 용접하는 과정에서 작용하는 스트레스에 의해 내부 단자와 외부 단자 간에 끊김 현상이 발생될 수 있다.Also, there may be a break between the inner terminal and the outer terminal due to the stress acting in the process of ultrasonic welding the outer terminal to the inner terminal of the porous current collector.
따라서 본 발명의 목적은 그래핀 전극을 적용한 적층형 리튬 이온 커패시터를 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a stacked lithium ion capacitor using a graphene electrode.
본 발명의 다른 목적은 다공성 집전체의 사용으로 인한 문제점을 해소할 수 있는 그래핀 전극을 적용한 적층형 리튬 이온 커패시터를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a stacked lithium ion capacitor to which a graphene electrode capable of solving the problem caused by the use of a porous current collector is applied.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 음극이 적어도 일면에 형성되고, 일측으로 돌출되게 음극 단자부가 형성되며 리튬 이온이 프리도핑되는 플레트형 음극 집전체를 갖는 복수의 음극 전극부; 리튬 이온의 흡탈착을 유도하는 양극 활물질로 환원 그래핀 분말을 포함하는 그래핀 전극인 양극이 적어도 일면에 형성되고, 일측으로 돌출되게 양극 단자부가 형성된 플레이트형 양극 집전체를 갖는 복수의 양극 전극부; 및 교대로 적층된 상기 음극 전극부와 상기 양극 전극부 사이에 각각 개재된 복수의 세퍼레이터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 전극을 적용한 적층형 리튬 이온 커패시터를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a lithium ion secondary battery comprising: a plurality of cathode electrode parts formed on at least one surface of a cathode, having a cathode terminal part protruded to one side and having a platelike anode current collector pre-doped with lithium ions; A positive electrode active material for inducing adsorption / desorption of lithium ions, wherein a positive electrode which is a graphene electrode including reduced graphene powder is formed on at least one surface and a positive electrode terminal portion protruded to one side is formed, ; And a plurality of separators interposed between the alternately stacked negative electrode portions and the positive electrode portions, respectively, and a stacked lithium ion capacitor to which the graphene electrode is applied.
상기 음극 및 양극 집전체는 알루미늄 포일일 수 있다.The negative electrode and the positive electrode current collector may be aluminum foil.
상기 음극 집전체는 에칭된 알루미늄 포일일 수 있다.The negative electrode current collector may be an aluminum foil that is etched.
상기 음극 단자부는, 상기 복수의 음극 전극부의 음극 집전체의 일측으로 각각 돌출된 복수의 제1 내부 단자; 및 상기 복수의 제1 내부 단자에 초음파 용접에 의해 접합된 제1 외부 단자;를 포함할 수 있다.Wherein the negative terminal portion includes: a plurality of first internal terminals each projecting to one side of the negative electrode current collector of the plurality of negative electrode portions; And a first external terminal bonded to the plurality of first internal terminals by ultrasonic welding.
상기 양극 단자부는, 상기 복수의 양극 전극부의 양극 집전체의 일측으로 각각 돌출된 복수의 제2 내부 단자; 및 상기 복수의 제2 내부 단자에 초음파 용접에 의해 접합된 제2 외부 단자;를 포함할 수 있다.The positive electrode terminal portion includes: a plurality of second internal terminals each projecting to one side of the positive electrode collector of the plurality of positive electrode portions; And a second external terminal bonded to the plurality of second internal terminals by ultrasonic welding.
상기 양극 단자부와 상기 음극 단자부는 서로 어긋나게 형성될 수 있다.The positive electrode terminal portion and the negative electrode terminal portion may be formed to be offset from each other.
상기 양극 활물질은 환원 그래핀 분말, 도전성 카본 및 바인더를 포함할 수 있다.The cathode active material may include reduced graphene powder, conductive carbon, and a binder.
그리고 상기 환원 그래핀 분말, 도전성 카본 및 바인더의 조성비는 90 : 5 : 5 일 수 있다.The composition ratio of the reduced graphene powder, the conductive carbon, and the binder may be 90: 5: 5.
본 발명에 따른 적층형 리튬 이온 커패시터는 양극으로 그래핀 전극을 사용하고, 그래핀 전극은 환원 그래핀 분말을 포함하기 때문에, 적층형 리튬 이온 커패시터의 제조 원가를 낮출 수 있고, 전기용량 증대를 포함한 우수한 전기화학적 특성을 나타낸다.Since the stacked lithium ion capacitor according to the present invention uses a graphene electrode as an anode and the graphene electrode includes a reduced graphene powder, the manufacturing cost of the stacked lithium ion capacitor can be lowered, and excellent electricity Chemical properties.
본 발명에 따른 적층형 리튬 이온 커패시터는 음극에 리튬 이온을 프리도핑하는 것이 아니라 플레이트형 집전체에 리튬 이온을 프리도핑함으로써, 내부 단자와 외부 단자 간의 초음파 용접시 집전체의 손상을 억제하면서 내부 단자에 외부 단자를 안정적으로 접합할 수 있다.The stacked lithium ion capacitor according to the present invention pre-dopes lithium ions into the plate-shaped current collector, not by pre-doping lithium ions into the negative electrode, thereby preventing damage to the current collector during ultrasonic welding between the internal terminal and the external terminal, The external terminals can be stably bonded.
또한 플레이트형 집전체를 사용함으로써, 전극물질과 집전체 간의 대면적이 높아 고출력이 용이하다.Further, by using the plate-shaped current collector, a large area between the electrode material and the current collector is high, and high output is easy.
또한 전극 구현시에도 종래의 다공성 집전체에 전극물질을 코팅하는 것에 비해서 본 발명에 따른 플레이트 형 집전체 상에 전극물질을 코팅하는 것이 용이한 장점을 가지고 있다.Also, it is easy to coat the electrode material on the plate-shaped current collector according to the present invention, compared with coating the electrode material on the conventional porous current collector in the electrode implementation.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 적층형 리튬 이온 커패시터의 적층 셀을 보여주는 사시도이다.
도 2는 도 1의 단면도이다.1 is a perspective view showing a stacked cell of a stacked lithium ion capacitor according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view of Fig.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.In the following description, only parts necessary for understanding embodiments of the present invention will be described, and descriptions of other parts will be omitted to the extent that they do not disturb the gist of the present invention.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary meanings and the inventor is not limited to the meaning of the terms in order to describe his invention in the best way. It should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are merely preferred embodiments of the present invention, and are not intended to represent all of the technical ideas of the present invention, so that various equivalents And variations are possible.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 적층형 리튬 이온 커패시터의 적층 셀을 보여주는 사시도이다. 도 2는 도 1의 단면도이다. 한편 도 1에서는 최상부에 형성되는 세퍼레이터(50)의 도시를 생략하였다.1 is a perspective view showing a stacked cell of a stacked lithium ion capacitor according to an embodiment of the present invention. 2 is a cross-sectional view of Fig. 1, the illustration of the
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 적층형 리튬 이온 커패시터(100)는 음극 전극부(10), 세퍼레이터(50), 양극 전극부(20) 및 전해질을 단위 셀(70)로 하여, 복수의 단위 셀(70)이 적층된 적층 셀(80)을 포함한다. 음극 전극부(10) 및 양극 전극부(20)는 각각 음극 단자부(19) 및 양극 단자부(29)를 더 포함할 수 있다. 즉 적층형 리튬 이온 커패시터(100)는 복수의 음극 전극부(10), 복수의 양극 전극부(20) 및 복수의 세퍼레이터(50)가 적층된 적층 셀(80)을 구비하고, 리튬 이온의 이송이 가능한 전해액(도시안됨)을 주액한 후 외장재(90)에 의해 봉합된 구조를 갖는다. 이러한 적층형 리튬 이온 커패시터(100)는 음극 전극부(10), 양극 전극부(20)가 각각 접촉하지 않도록, 각 전극부(10,20)의 사이에는 세퍼레이터(50)가 개재된 구조를 갖는다. 봉합재(90) 밖으로 음극 단자부(19) 및 양극 단자부(29)의 일부가 외부의 기기와 연결할 수 있도록 돌출되어 있다.1 and 2, a stacked
음극 전극부(10)는 음극(12)과 음극 집전체(14)를 포함한다. 양극 전극부(20)는 양극(22)과 양극 집전체(24)를 포함한다. 음극 집전체(14) 및 양극 집전체(24)는 플레이트형으로 알루미늄 포일(Al foil)로 제조될 수 있다. 특히 음극 집전체(14)는 리튬 이온이 프리도핑되며, 에칭된 알루미늄 포일이 사용된다.The
음극(12)은 리튬 이온을 삽입 및 탈리할 수 있는 음극 활물질을 포함하며, 음극 집전체(14) 위에 형성된다. 음극(12)은 음극 집전체(14) 위에 적어도 한 층으로 형성되며, 음극 집전체(14)의 일면 또는 양면에 각각 한 층씩 형성된 예를 개시하였다. 본 실시예에서는 적층 셀(80)의 외곽에 음극 집전체(14)가 위치하기 때문에, 적층 셀(80)의 양쪽 외곽에 위치하는 음극 집전체(14)는 적층 셀(80)의 안쪽을 향하는 방향하는 면에 음극(12)이 각각 형성된다. 적층 셀(80)의 안쪽에 위치하는 음극 집전체(14)는 양면에 음극(12)이 형성된다. 음극 활물질로는 하드카본, 소프트카본, 인조흑연, 천연흑연, 흑연화탄소 섬유, 흑연화 메조카본마이크로비드, 석유코크스, 수지소성체, 탄소섬유 또는 열분해 탄소와 같은 탄소계 소재가 사용될 수 있다.The
양극(22)은 리튬 이온을 흡착 및 탈리할 수 있는 양극 활물질을 포함하며, 양극 집전체(24) 위에 형성된다. 여기서 양극(22)은 양극 집전체(24) 위에 적어도 한 층으로 형성되며, 본 실시예에서는 양극 집전체(24)가 적층 셀(80)의 최외곽이 아닌 안쪽에 위치하기 때문에, 양극 집전체(24)의 양면에 각각 한 층씩 형성된 예를 개시하였다. 여기서 양극(22)은 양극 활물질로 환원 그래핀(Reduced Graphene Oxide; rGO) 분말을 포함하는 그래핀 전극을 사용한다. 예컨대 양극 활물질은 환원 그래핀 분말, 도전성 카본 및 바인더를 포함하며, 환원 그래핀 분말, 도전성 카본 및 바인더의 조성비는 90 : 5 : 5 일 수 있다. 도전성 카본으로는 활성탄 소재 및 활성탄 소재를 개선한 활성탄-금속산화물 복합소재, 전도성고분자-활성탄 복합소재, 탄소나노튜브를 사용할 수 있으며, 상기한 양극 활물질 중 l종 혹은 2종 이상을 사용할 수 있다. 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(SWNT; Single- wall NanoTube), 다중벽 탄소나노튜브(MWNT; Multi-wall Nanotube) 또는 이중벽 탄소나노튜브(DWNT; Dual-wall Nanotube)를 포함한다. 또한 양극(22)은 탄소나노튜브의 입자 지름 또는 탄소나노튜브 사이의 층을 이온의 흡장구조로 가져가는 탄소재료 또는 도전성 고분자 및 그 혼합체를 기본 구조로 하여 이온의 흡장을 유도할 수 있는 활물질 재료를 포함할 수 있다. 한편 상기한 양극 활물질은 하나의 예시에 불과하며, 이것에 한정되는 것은 아니다.The
세퍼레이터(50)는 음극 전극부(10)와 양극 전극부(20) 사이에 개재되어 음극 전극부(10)와 양극 전극부(20)를 분리한다. 세퍼레이터(50)로는 전해액 혹은 전극 활물질 등에 대하여 내구성이 있는 연통 기공을 가지는 전자 전도성이 없는 다공체 등을 사용할 수 있다. 예컨대 세퍼레이터(50)로는 다공성 폴리머 필름 또는 다공성 부직포 등이 사용될 수 있다.The
이러한 복수의 음극 전극부(10) 및 복수의 양극 전극부(10)는 복수의 세퍼레이터(50)를 매개로 적층되어 적층 전극부를 형성한다. 본 실시예에서는 적층 전극부는 각 4층의 음극(12)과 양극(22)을 갖는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니며, 적어도 한 층의 음극(12) 및 양극(22)을 구비할 수 있다. 이때 세퍼레이터(50)를 중심으로 양면에 한 층의 음극(12) 및 양극(22)을 갖는 경우는, 단위 셀(70)의 리튬 이온 커패서터이다.The plurality of
전해질은 리튬 이온의 염을 포함하는 액상 전해질 또는 폴리머 전해질을 포함한다. 리튬염으로는 LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiPF6, Li(C2F5SO2)2N 등을 사용할 수 있다. 또한 리튬염을 용해시키는 용매로는 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, γ-부티로락톤, 아세트니트릴, 디메톡시 메탄, 테트라히드로푸란, 디옥소란, 염화 메틸렌, 설폰 등의 비양자성 유기용매를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 또는 전해질로는 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트 또는 메틸 에틸 카보네이트를 포함하는 카보네이트계 액상 전해질, 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), PVdF또는 PVdF-HFP를 포함하는 PVdF공중합체, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리옥소메탈레이트(POM), 폴리프로필렌옥사이드(PPO), 폴리실록산계 등의 고체 매트릭스에 가소제를 첨가하는 겔 타입의 전해질을 사용할 수 있다. 전해질은 리튬염, 금속염 또는 유기염 전해질을 사용할 수있고, 액체 전해질, 겔형 전해질, 고체전해질 또는 이온성 전해액과 같이 전해질의 형태에 영향을 받지 않는다. 여기서 전해질이 액상 형태일 때 전해질 내에는 세퍼레이터(50)를 더 포함할 수 있으나, 겔형 전해질이나 고체 전해질의 경우 세퍼레이터(50)의 도입이 생략될 수 있다.The electrolyte includes a liquid electrolyte or a polymer electrolyte containing a salt of lithium ion. As the lithium salt, LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiPF 6 , Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N and the like can be used. Examples of the solvent for dissolving the lithium salt include ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate,? -Butyrolactone, acetonitrile, dimethoxymethane, tetrahydrofuran, dioxolane, The magnetic organic solvent may be used alone or in combination. (PVdF) or PVdF-HFP, polymethylmethacrylate (PMMA), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylidene fluoride (PVDF) , Polyoxometalate (POM), polypropylene oxide (PPO), and polysiloxane-based solid matrix may be used. The electrolyte may be a lithium salt, a metal salt or an organic salt electrolyte, and is not affected by the shape of the electrolyte, such as a liquid electrolyte, a gel electrolyte, a solid electrolyte or an ionic electrolyte. Here, when the electrolyte is in a liquid form, the electrolyte may further include a
그리고 외장재(90)로는 적층 셀(80)을 보호하고 전해액의 누액을 방지할 수 있는 소재로서, 알루미늄(Al) 등의 금속 소재, 플라스틱 소재, 금속 소재와 플라스틱 소재가 복합된 복합 소재 등이 사용될 수 있다. 적층형 리튬 이온 커패시터(100)의 소형화 및 경량화의 관점에서는 외장재(90)로는 복합 소재가 사용될 수 있으며, 예컨대 알루미늄과 나일론, 폴리프로필렌 등의 고분자 필름이 라미네이트된 적층형 복합 필름이 사용될 수 있다.The casing
한편 음극 집전체(14) 및 양극 집전체(24)는 각각 일측으로 돌출되게 음극 단자부(19) 및 양극 단자부(29)가 형성되어 있다. 이때 음극 단자부(19) 및 양극 단자부(29)는 서로 어긋나게 형성된다. 복수의 음극 전극부(10) 및 복수의 양극 전극부(20)에 각각 형성된 음극 단자부(19) 및 양극 단자부(29)는 서로 대응되는 위치에 일렬로 형성될 수 있다. 여기서 내부 단자(16,26)는 제1 내부 단자(16)와 제2 내부 단자(26)를 포함한다. 외부 단자(18.28)는 제1 외부 단자(18)와 제2 외부 단자(28)를 포함하며, 외부 단자(18,28)의 일단부는 외장재(90) 밖으로 돌출된다.On the other hand, the negative electrode
음극 단자부(19)는 음극 집전체(14)의 일측으로 각각 돌출된 제1 내부 단자(16)와, 제1 내부 단자(16)에 접합된 제1 외부 단자(18)를 포함한다. 이때 제1 내부 단자(16)는 초음파 용접에 의해 제1 외부 단자(18)에 접합된다. 복수의 음극 전극부(10)에 형성된 각각의 제1 내부 단자들(16)은 일괄적으로 제1 외부 단자(18)에 접합된다. 도전성 페이스트는 제1 내부 단자(16) 또는 제1 외부 단자(18)에 도포될 수 있다.The negative
그리고 양극 단자부(29)는 양극 집전체(24)의 일측으로 각각 돌출된 제2 내부 단자(26)와, 제2 내부 단자(26)에 접합된 제2 외부 단자(28)를 포함한다. 이때 제2 내부 단자(26)는 초음파 용접에 의해 제2 외부 단자(28)에 접합된다. 복수의 양극 전극부(20)에 형성된 각각의 제2 내부 단자들(26)은 일괄적으로 제2 외부 단자(28)에 접합된다.The positive
이와 같이 본 실시예에 따른 음극 및 양극 집전체(14,24)가 플레이트형이기 때문에, 내부 단자(16,26)와 외부 단자(18,28) 간의 초음파 용접시 집전체(14,24)의 손상을 억제하면서 내부 단자(16,26)에 외부 단자(18,28)를 안정적으로 접합할 수 있다.Since the cathode and anode
또한 적층형 리튬 이온 커패시터(100)는 음극(12)에 리튬 이온을 프리도핑하는 것이 아니라 플레이트형 음극 집전체(14)에 리튬 이온을 프리도핑함으로써, 음극 활물질과 음극 집전체(14) 간의 대면적이 높아 고출력이 용이하다.The stacked
또한 전극 구현시에도 종래의 다공성 집전체에 전극물질을 코팅하는 것에 비해서 본 실시예에 따른 따른 플레이트형 집전체(14.24) 상에 전극 활물질을 코팅하는 것이 공정상 유리한 점도 있다.Also, it is advantageous in terms of the process of coating the electrode active material on the plate-shaped current collector 14.24 according to the present embodiment, compared to coating the electrode material on the conventional porous current collector even in the case of implementing the electrode.
한편 내부 단자(16,26)와 외부 단자(18,28) 간의 양호한 접합성을 위해서 도전성 페이스트를 사용할 수 있다. 예컨대 제1 내부 단자(16)는 도전성 페이스트를 매개로 초음파 용접에 의해 제1 외부 단자(18)에 접합된다. 복수의 음극 전극부(10)에 형성된 각각의 제1 내부 단자들(16)은 일괄적으로 제1 외부 단자(18)에 도전성 페이스트를 매개로 접합된다. 도전성 페이스트는 제1 내부 단자(16) 또는 제1 외부 단자(18)에 도포될 수 있다. 도전성 페이스트는 복수의 제1 내부 단자(16) 사이에도 도포된다. 도전성 페이스트는 제1 내부 단자(16) 사이와, 제1 내부 단자(16) 및 제1 외부 단자(18)에 접합층(60)을 형성한다. 이때 도전성 페이스트는 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni), 납(Pb), 알루미늄(Al) 중의 적어도 하나의 금속 분말을 포함한다. 또한 제2 내부 단자(18)는 도전성 페이스를 매개로 초음파 용접에 의해 제2 외부 단자(18)에 접합된다.On the other hand, a conductive paste can be used for good bonding between the
이와 같이 집전체(14,24)의 내부 단자(16,26)와 외부 단자(18,28) 간에 도전성 페이스트를 개재한 상태에서 초음파 용접을 통하여 내부 단자(16,26)와 외부 단자(18,28)를 서로 접합시킴으로써, 초음파 용접하는 과정에서 집전체(14,24)로 전달되는 에너지를 도전성 페이스트가 흡수하기 때문에, 집전체(14,24)가 손상되는 것을 억제할 수 있다. 또한 도전성 페이스트를 사용함으로써, 내부 단자(16,26)와 외부 단자(18,28) 사이, 및 전극 사이의 접촉 저항이 낮아지고 접합 강도가 향상되어 단자 끊김 현상을 억제할 뿐만 아니라 견고한 셀 제작이 가능하다.In this way, the
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.It should be noted that the embodiments disclosed in the present specification and drawings are only illustrative of specific examples for the purpose of understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention are possible in addition to the embodiments disclosed herein.
10 : 음극 전극부
12 : 음극
13 : 리튬 이온
14 : 음극 집전체
16 : 제1 내부 단자
20 : 양극 전극부
22 : 양극
24 : 양극 집전체
26 : 제2 내부 단자
30 : 리튬 전극부
32 : 리튬
34 : 리튬 집전체
36 : 리튬 단자
42 : 제1 외부 단자
44 : 제2 외부 단자
50 : 세퍼레이터
60 : 전해질
70 : 단위 셀
80 : 적층 셀
90 : 외장재
100 : 적층형 리튬 이온 커패시터10: cathode electrode part 12: cathode
13: lithium ion 14: anode current collector
16: first internal terminal 20: anode electrode portion
22: positive electrode 24: positive electrode collector
26: second internal terminal 30: lithium electrode part
32: Lithium 34: Lithium collector
36: lithium terminal 42: first external terminal
44: second external terminal 50: separator
60: electrolyte 70: unit cell
80: laminated cell 90: exterior material
100: stacked lithium ion capacitor
Claims (8)
리튬 이온의 흡탈착을 유도하는 양극 활물질로 환원 그래핀 분말을 포함하는 그래핀 전극인 양극이 적어도 일면에 형성되고, 일측으로 돌출되게 양극 단자부가 형성된 플레이트형 양극 집전체를 갖는 복수의 양극 전극부;
교대로 적층된 상기 음극 전극부와 상기 양극 전극부 사이에 각각 개재된 복수의 세퍼레이터;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 전극을 적용한 적층형 리튬 이온 커패시터.A plurality of cathode electrode portions formed on at least one side of the cathode, a cathode terminal portion protruding to one side and having a platelike anode current collector pre-doped with lithium ions;
A positive electrode active material for inducing adsorption / desorption of lithium ions, wherein a positive electrode which is a graphene electrode including reduced graphene powder is formed on at least one surface and a positive electrode terminal portion protruded to one side is formed, ;
A plurality of separators interposed between the cathode electrode portions and the cathode electrode portions alternately stacked;
Wherein the graphene electrode is formed of a metal.
상기 음극 및 양극 집전체는 알루미늄 포일인 것을 특징으로 하는 그래핀 전극을 적용한 적층형 리튬 이온 커패시터.The method according to claim 1,
Wherein the negative electrode and the positive electrode current collector are aluminum foil.
상기 음극 집전체는 에칭된 알루미늄 포일인 것을 특징으로 하는 그래핀 전극을 적용한 적층형 리튬 이온 커패시터.The method according to claim 1,
Wherein the cathode current collector is an aluminum foil that is etched. ≪ RTI ID = 0.0 > 8. < / RTI >
상기 복수의 음극 전극부의 음극 집전체의 일측으로 각각 돌출된 복수의 제1 내부 단자;
상기 복수의 제1 내부 단자에 초음파 용접에 의해 접합된 제1 외부 단자;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 전극을 적용한 적층형 리튬 이온 커패시터.The light emitting device according to claim 1,
A plurality of first internal terminals protruding from one side of the anode current collector of each of the plurality of cathode electrode portions;
A first external terminal bonded to the plurality of first internal terminals by ultrasonic welding;
Wherein the graphene electrode is formed of a metal.
상기 복수의 양극 전극부의 양극 집전체의 일측으로 각각 돌출된 복수의 제2 내부 단자;
상기 복수의 제2 내부 단자에 초음파 용접에 의해 접합된 제2 외부 단자;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 전극을 적용한 적층형 리튬 이온 커패시터.The semiconductor device according to claim 1,
A plurality of second internal terminals each projecting to one side of the positive electrode collector of the plurality of positive electrode portions;
A second external terminal bonded to the plurality of second internal terminals by ultrasonic welding;
Wherein the graphene electrode is formed of a metal.
상기 양극 단자부와 상기 음극 단자부는 서로 어긋나게 형성된 것을 특징으로 하는 그래핀 전극을 적용한 적층형 리튬 이온 커패시터.6. The method of claim 5,
Wherein the positive electrode terminal portion and the negative electrode terminal portion are formed to be offset from each other.
상기 양극 활물질은 환원 그래핀 분말, 도전성 카본 및 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 전극을 적용한 적층형 리튬 이온 커패시터.The method according to claim 1,
Wherein the positive electrode active material comprises reduced graphene powder, conductive carbon, and a binder.
상기 환원 그래핀 분말, 도전성 카본 및 바인더의 조성비는 90 : 5 : 5 인 것을 특징으로 하는 그래핀 전극을 적용한 적층형 리튬 이온 커패시터.8. The method of claim 7,
Wherein the composition ratio of the reduced graphene powder, the conductive carbon, and the binder is 90: 5: 5.
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