KR20200098855A - 자가방전이 억제되는 전기이중층 커패시터 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 양극과 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막이 배치되고, 상기 양극 및 상기 음극은 전해액에 함침되어 있는 전기이중층 커패시터로서, 전극 비대칭에 의해 자가방전이 억제되는 전기이중층 커패시터 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 의도하지 않은 자발적으로 일어나는 방전이 억제될 수 있다.
Description
본 발명은 전기이중층 커패시터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 의도하지 않은 자발적으로 일어나는 방전이 억제되는 전극 비대칭 전기이중층 커패시터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC)는 슈퍼커패시터(Super-capacitor) 또는 울트라커패시터(Ultra-capacitor)라고도 일컬어지며, 이는 전극 및 도전체와, 그것에 함침된 전해질 용액의 계면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기이중층)이 생성된 것을 이용하는 것으로, 충전/방전 동작의 반복으로 인한 열화가 매우 작아 보수가 필요없는 소자이다. 이에 따라 전기이중층 커패시터는 각종 전기ㆍ전자기기의 IC(integrated circuit) 백업을 하는 형태로 주로 사용되고 있으며, 최근에는 그 용도가 확대되어 장난감, 태양열 에너지 저장, HEV(hybrid electric vehicle) 전원 등에까지 폭넓게 응용되고 있다.
이와 같은 전기이중층 커패시터(EDLC)는 일반적으로 전해액이 함침된 양극 및 음극의 두 전극과, 이러한 두 전극 사이에 개재되어 이온(ion) 전도만 가능케 하고 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)과, 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓(gasket), 그리고 이들을 포장하는 도전체로서의 금속 캡으로 구성된 단위셀을 갖는다. 그리고 위와 같이 구성된 단위셀 1개 이상(통상, 코인형의 경우 2∼6개)을 직렬로 적층하고 양극과 음극의 두 단자(terminal)를 조합하여 완성된다.
전기이중층 커패시터(EDLC)의 성능은 전극활물질 및 전해액에 의하여 결정된다. 전극활물질로는 활성탄이 주로 사용되고 있으며, 상용제품의 전극 기준으로 비축전용량은 최고 19.3 F/cc 정도로 알려져 있다.
전기이중층 커패시터(EDLC)는 고출력 특성 및 우수한 내구성으로 신속한 에너지 공급이 필요한 상황에 훌륭하게 사용될 수 있는 에너지 저장매체이다. 하지만, 전기이중층 커패시터는 이온의 흡착을 이용한 에너지 저장을 하는 매체이므로 이온의 탈착도 쉽게 일어나며, 이는 저장에너지의 소실을 의미한다.
이와 같이 의도하지 않은 자발적으로 일어나는 방전을 자가방전이라고 하는데, 전기이중층 커패시터(EDLC)는 자가방전 문제가 다른 저장매체보다 심하므로 개선의 여지가 크다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 의도하지 않은 자발적으로 일어나는 방전이 억제되는 전극 비대칭 전기이중층 커패시터 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명은, 양극과 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막이 배치되고, 상기 양극 및 상기 음극은 전해액에 함침되어 있는 전기이중층 커패시터로서, 상기 양극와 상기 음극의 부피는 비대칭을 이루고, 상기 음극의 두께가 상기 양극의 두께에 비하여 상대적으로 작은 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터를 제공한다.
상기 양극의 두께는 상기 음극의 두께보다 1.05배 큰 것이 바람직하다.
상기 양극과 상기 음극의 전극밀도는 동일할 수 있다.
상기 양극 및 상기 음극은 전극활물질로 다공성 활성탄이 사용될 수 있으며, 상기 양극에 사용된 활성탄의 비표면적이 상기 음극에 사용된 활성탄의 비표면적보다 클 수 있다.
상기 양극에 사용된 활성탄의 비표면적은 상기 음극에 사용된 활성탄의 비표면적보다 적어도 1.1배 클 수 있다.
상기 전해액은 비수계 전해액일 수 있고, 상기 비수계 전해액은 TMEABF4(trimethylethylammonium tetrafluoborate) 및 TMABF4(tetramethylammonium tetrafluoborate)가 혼합된 전해질 염과 유기용매를 포함할 수 있다.
상기 유기용매는 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 아세토니트릴(acetonitrile), 술포란(sulfolane) 및 부티로락톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은, 양극과 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막이 배치되고, 상기 양극 및 상기 음극은 전해액에 함침되어 있는 전기이중층 커패시터로서, 상기 양극와 상기 음극의 비표면적은 비대칭을 이루고, 상기 양극 및 상기 음극은 전극활물질로 다공성 활성탄이 사용되며, 상기 양극에 사용된 활성탄의 비표면적이 상기 음극에 사용된 활성탄의 비표면적보다 큰 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터를 제공한다.
상기 양극과 상기 음극의 부피는 동일할 수 있다.
상기 양극과 상기 음극의 두께는 동일할 수 있다.
상기 양극에 사용된 활성탄의 비표면적은 상기 음극에 사용된 활성탄의 비표면적보다 적어도 1.1배 클 수 있다.
상기 전해액은 비수계 전해액일 수 있고, 상기 비수계 전해액은 TMEABF4(trimethylethylammonium tetrafluoborate) 및 TMABF4(tetramethylammonium tetrafluoborate)가 혼합된 전해질 염과 유기용매를 포함할 수 있다.
상기 유기용매는 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 아세토니트릴(acetonitrile), 술포란(sulfolane) 및 부티로락톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은, 전극활물질, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계와, 상기 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계와, 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 전기이중층 커패시터 전극을 형성하는 단계 및 상기 전기이중층 커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 양극 및 상기 음극을 전해액에 함침시키는 단계를 포함하며, 상기 양극와 상기 음극의 부피가 비대칭을 이루게 하고, 상기 음극의 두께가 상기 양극의 두께에 비하여 상대적으로 작게 하는 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터의 제조방법을 제공한다.
상기 양극의 두께는 상기 음극의 두께보다 1.05배 크게 하는 것이 바람직하다.
상기 양극과 상기 음극의 전극밀도는 동일할 수 있다.
상기 양극 및 상기 음극은 전극활물질로 다공성 활성탄을 사용할 수 있으며, 상기 양극에 사용된 활성탄의 비표면적이 상기 음극에 사용된 활성탄의 비표면적보다 클 수 있다.
상기 양극에 사용된 활성탄의 비표면적은 상기 음극에 사용된 활성탄의 비표면적보다 적어도 1.1배 클 수 있다.
상기 전해액은 비수계 전해액일 수 있고, 상기 비수계 전해액은 TMEABF4(trimethylethylammonium tetrafluoborate) 및 TMABF4(tetramethylammonium tetrafluoborate)가 혼합된 전해질 염과 유기용매를 포함할 수 있다.
상기 유기용매는 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 아세토니트릴(acetonitrile), 술포란(sulfolane) 및 부티로락톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은, 전극활물질, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계와, 상기 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계와, 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 전기이중층 커패시터 전극을 형성하는 단계 및 상기 전기이중층 커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 양극 및 상기 음극을 전해액에 함침시키는 단계를 포함하며, 상기 양극와 상기 음극의 비표면적이 비대칭을 이루게 하고, 상기 양극 및 상기 음극은 전극활물질로 다공성 활성탄을 사용하며, 상기 양극에 사용된 활성탄의 비표면적이 상기 음극에 사용된 활성탄의 비표면적보다 크게 하는 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터의 제조방법을 제공한다.
상기 양극과 상기 음극의 부피는 동일할 수 있다.
상기 양극과 상기 음극의 두께는 동일할 수 있다.
상기 양극에 사용된 활성탄의 비표면적은 상기 음극에 사용된 활성탄의 비표면적보다 적어도 1.1배 클 수 있다.
상기 전해액은 비수계 전해액일 수 있고, 상기 비수계 전해액은 TMEABF4(trimethylethylammonium tetrafluoborate) 및 TMABF4(tetramethylammonium tetrafluoborate)가 혼합된 전해질 염과 유기용매를 포함할 수 있다.
상기 유기용매는 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 아세토니트릴(acetonitrile), 술포란(sulfolane) 및 부티로락톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 의도하지 않은 자발적으로 일어나는 방전이 억제될 수 있다.
도 1은 실험예 1에 따라 양극을 150㎛ 두께로 제조하고 음극을 150㎛ 두께로 제조한 경우를 보여주는 도면이다.
도 2는 실험예 2에 따라 양극을 150㎛ 두께로 제조하고 음극을 140㎛ 두께로 제조하여 양극과 음극의 부피를 비대칭되게 한 경우를 보여주는 도면이다.
도 3은 실험예 3에 따라 양극을 150㎛ 두께로 제조하고 음극을 130㎛ 두께로 제조하여 양극과 음극의 부피를 비대칭되게 한 경우를 보여주는 도면이다.
도 4는 실험예 4에 따라 양극을 150㎛ 두께로 제조하고 음극을 120㎛ 두께로 제조하여 양극과 음극의 부피를 비대칭되게 한 경우를 보여준다.
도 5는 실험예 1 내지 실험예 4에 따라 제조된 전기이중층 커패시터(EDLC)에 대하여 2.7 V로 충전 후 36시간 동안 자가방전하는 전압 하강 속도를 관찰하여 나타낸 도면이다.
도 6은 실험예 5에 따라 비표면적이 1400㎡/g인 활성탄을 사용하여 양극을 제조하고 비표면적이 1400 ㎡/g인 활성탄을 사용하여 음극을 제조한 경우를 보여주는 도면이다.
도 7은 실험예 6에 따라 비표면적이 1700 ㎡/g인 활성탄을 사용하여 양극을 제조하고 비표면적이 1400 ㎡/g인 활성탄을 사용하여 음극을 제조하여 양극과 음극이 비대칭되게 한 경우를 보여주는 도면이다.
도 8은 실험예 7에 따라 비표면적이 2000 ㎡/g인 활성탄을 사용하여 양극을 제조하고 비표면적이 1400 ㎡/g인 활성탄을 사용하여 음극을 제조하여 양극과 음극이 비대칭되게 한 경우를 보여주는 도면이다.
도 9는 실험예 5 내지 실험예 7에 따라 제조된 전기이중층 커패시터(EDLC)에 대하여 2.7 V로 충전 후 36시간 동안 자가방전하는 전압 하강 속도를 관찰하여 나타낸 도면이다.
도 10은 0.5 A/g 으로 2.7V까지 충전 후 2.7V 1시간 유지 후 전압 하강을 관찰하여 전해액에 따른 자가방전 특성을 나타낸 도면이다.
도 11은 일 예에 따른 전기이중층 커패시터의 사용 상태도이다.
도 2는 실험예 2에 따라 양극을 150㎛ 두께로 제조하고 음극을 140㎛ 두께로 제조하여 양극과 음극의 부피를 비대칭되게 한 경우를 보여주는 도면이다.
도 3은 실험예 3에 따라 양극을 150㎛ 두께로 제조하고 음극을 130㎛ 두께로 제조하여 양극과 음극의 부피를 비대칭되게 한 경우를 보여주는 도면이다.
도 4는 실험예 4에 따라 양극을 150㎛ 두께로 제조하고 음극을 120㎛ 두께로 제조하여 양극과 음극의 부피를 비대칭되게 한 경우를 보여준다.
도 5는 실험예 1 내지 실험예 4에 따라 제조된 전기이중층 커패시터(EDLC)에 대하여 2.7 V로 충전 후 36시간 동안 자가방전하는 전압 하강 속도를 관찰하여 나타낸 도면이다.
도 6은 실험예 5에 따라 비표면적이 1400㎡/g인 활성탄을 사용하여 양극을 제조하고 비표면적이 1400 ㎡/g인 활성탄을 사용하여 음극을 제조한 경우를 보여주는 도면이다.
도 7은 실험예 6에 따라 비표면적이 1700 ㎡/g인 활성탄을 사용하여 양극을 제조하고 비표면적이 1400 ㎡/g인 활성탄을 사용하여 음극을 제조하여 양극과 음극이 비대칭되게 한 경우를 보여주는 도면이다.
도 8은 실험예 7에 따라 비표면적이 2000 ㎡/g인 활성탄을 사용하여 양극을 제조하고 비표면적이 1400 ㎡/g인 활성탄을 사용하여 음극을 제조하여 양극과 음극이 비대칭되게 한 경우를 보여주는 도면이다.
도 9는 실험예 5 내지 실험예 7에 따라 제조된 전기이중층 커패시터(EDLC)에 대하여 2.7 V로 충전 후 36시간 동안 자가방전하는 전압 하강 속도를 관찰하여 나타낸 도면이다.
도 10은 0.5 A/g 으로 2.7V까지 충전 후 2.7V 1시간 유지 후 전압 하강을 관찰하여 전해액에 따른 자가방전 특성을 나타낸 도면이다.
도 11은 일 예에 따른 전기이중층 커패시터의 사용 상태도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
발명의 상세한 설명 또는 청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전기이중층 커패시터는, 양극과 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막이 배치되고, 상기 양극 및 상기 음극은 전해액에 함침되어 있는 전기이중층 커패시터로서, 상기 양극와 상기 음극의 부피는 비대칭을 이루고, 상기 음극의 두께가 상기 양극의 두께에 비하여 상대적으로 작다.
상기 양극의 두께는 상기 음극의 두께보다 1.05배 큰 것이 바람직하다.
상기 양극과 상기 음극의 전극밀도는 동일할 수 있다.
상기 양극 및 상기 음극은 전극활물질로 다공성 활성탄이 사용될 수 있으며, 상기 양극에 사용된 활성탄의 비표면적이 상기 음극에 사용된 활성탄의 비표면적보다 클 수 있다.
상기 양극에 사용된 활성탄의 비표면적은 상기 음극에 사용된 활성탄의 비표면적보다 적어도 1.1배 클 수 있다.
상기 전해액은 비수계 전해액일 수 있고, 상기 비수계 전해액은 TMEABF4(trimethylethylammonium tetrafluoborate) 및 TMABF4(tetramethylammonium tetrafluoborate)가 혼합된 전해질 염과 유기용매를 포함할 수 있다.
상기 유기용매는 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 아세토니트릴(acetonitrile), 술포란(sulfolane) 및 부티로락톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 전기이중층 커패시터는, 양극과 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막이 배치되고, 상기 양극 및 상기 음극은 전해액에 함침되어 있는 전기이중층 커패시터로서, 상기 양극와 상기 음극의 비표면적은 비대칭을 이루고, 상기 양극 및 상기 음극은 전극활물질로 다공성 활성탄이 사용되며, 상기 양극에 사용된 활성탄의 비표면적이 상기 음극에 사용된 활성탄의 비표면적보다 크다.
상기 양극과 상기 음극의 부피는 동일할 수 있다.
상기 양극과 상기 음극의 두께는 동일할 수 있다.
상기 양극에 사용된 활성탄의 비표면적은 상기 음극에 사용된 활성탄의 비표면적보다 적어도 1.1배 클 수 있다.
상기 전해액은 비수계 전해액일 수 있고, 상기 비수계 전해액은 TMEABF4(trimethylethylammonium tetrafluoborate) 및 TMABF4(tetramethylammonium tetrafluoborate)가 혼합된 전해질 염과 유기용매를 포함할 수 있다.
상기 유기용매는 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 아세토니트릴(acetonitrile), 술포란(sulfolane) 및 부티로락톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전기이중층 커패시터의 제조방법은, 전극활물질, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계와, 상기 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계와, 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 전기이중층 커패시터 전극을 형성하는 단계 및 상기 전기이중층 커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 양극 및 상기 음극을 전해액에 함침시키는 단계를 포함하며, 상기 양극와 상기 음극의 부피가 비대칭을 이루게 하고, 상기 음극의 두께가 상기 양극의 두께에 비하여 상대적으로 작게 한다.
상기 양극의 두께는 상기 음극의 두께보다 1.05배 크게 하는 것이 바람직하다.
상기 양극과 상기 음극의 전극밀도는 동일할 수 있다.
상기 양극 및 상기 음극은 전극활물질로 다공성 활성탄을 사용할 수 있으며, 상기 양극에 사용된 활성탄의 비표면적이 상기 음극에 사용된 활성탄의 비표면적보다 클 수 있다.
상기 양극에 사용된 활성탄의 비표면적은 상기 음극에 사용된 활성탄의 비표면적보다 적어도 1.1배 클 수 있다.
상기 전해액은 비수계 전해액일 수 있고, 상기 비수계 전해액은 TMEABF4(trimethylethylammonium tetrafluoborate) 및 TMABF4(tetramethylammonium tetrafluoborate)가 혼합된 전해질 염과 유기용매를 포함할 수 있다.
상기 유기용매는 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 아세토니트릴(acetonitrile), 술포란(sulfolane) 및 부티로락톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 전기이중층 커패시터의 제조방법은, 전극활물질, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계와, 상기 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계와, 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 전기이중층 커패시터 전극을 형성하는 단계 및 상기 전기이중층 커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 양극 및 상기 음극을 전해액에 함침시키는 단계를 포함하며, 상기 양극와 상기 음극의 비표면적이 비대칭을 이루게 하고, 상기 양극 및 상기 음극은 전극활물질로 다공성 활성탄을 사용하며, 상기 양극에 사용된 활성탄의 비표면적이 상기 음극에 사용된 활성탄의 비표면적보다 크게 한다.
상기 양극과 상기 음극의 부피는 동일할 수 있다.
상기 양극과 상기 음극의 두께는 동일할 수 있다.
상기 양극에 사용된 활성탄의 비표면적은 상기 음극에 사용된 활성탄의 비표면적보다 적어도 1.1배 클 수 있다.
상기 전해액은 비수계 전해액일 수 있고, 상기 비수계 전해액은 TMEABF4(trimethylethylammonium tetrafluoborate) 및 TMABF4(tetramethylammonium tetrafluoborate)가 혼합된 전해질 염과 유기용매를 포함할 수 있다.
상기 유기용매는 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 아세토니트릴(acetonitrile), 술포란(sulfolane) 및 부티로락톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전기이중층 커패시터를 더욱 구체적으로 설명한다.
전기이중층 커패시터(EDLC)는 고출력 특성 및 우수한 내구성으로 신속한 에너지 공급이 필요한 상황에 훌륭하게 사용될 수 있는 에너지 저장매체이다. 하지만, 전기이중층 커패시터는 이온의 흡착을 이용한 에너지 저장을 하는 매체이므로 이온의 탈착도 쉽게 일어나며, 이는 저장에너지의 소실을 의미한다.
이와 같이 의도하지 않은 자발적으로 일어나는 방전을 자가방전이라고 하는데, 전기이중층 커패시터(EDLC)는 자가방전 문제가 다른 저장매체보다 심하므로 개선의 여지가 크다.
본 발명에서는 자가방전을 개선하는 방법으로 전극의 비대칭적 조합을 이용한다.
<실시예 1>
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기이중층 커패시터는 양극과 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막이 배치되고, 상기 양극 및 상기 음극은 전해액에 함침되어 있는 전기이중층 커패시터로서, 상기 양극와 상기 음극의 부피는 비대칭을 이루고, 상기 음극의 두께가 상기 양극의 두께에 비하여 상대적으로 작다.
상기 양극의 두께는 상기 음극의 두께보다 1.05배(예컨재, 1.05∼2.5배) 큰 것이 바람직하다.
예컨대, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 양극의 두께를 150㎛로 고정하고 음극의 두께를 140, 130, 120 ㎛로 만들어서 양극와 음극의 부피가 비대칭되게 한다. 이때, 양극과 음극의 전극밀도를 동일하게 하여 전극의 두께만이 다르게 할 수도 있다. 양극(+극)과 음극(-극)에 동일한 전극물질을 사용하는 경우에도 전극(음극)의 두께에 변화를 주어서 전극활물질의 양에 변화를 줌과 동시에 이온이 전극 속을 통과하는 경로의 길이를 조절할 수 있다.
양극의 두께에 비하여 음극의 두께가 얇을수록 자가방전 속도가 느리다. 양극의 두께에 비하여 음극의 두께가 얇을수록 자가방전이 억제된다.
후술하는 실험예들에서도 확인되는 바와 같이, 전극밀도를 동일하게 한 전극을 제조한 후 양극과 음극의 두께의 비율를 조절하여 자가방전이 억제될 수 있다는 것을 확인하였다. 특히 양극의 두께 비율이 상대적으로 높을수록 자가방전이 억제되었다.
자가방전의 억제는 양극과 음극의 두께가 동일한 상태에서 양극의 전극밀도가 높은 경우에 자가방전 억제 특성이 우수하다.
이러한 경우의 일 예로서, 상기 양극 및 상기 음극은 전극활물질로 다공성 활성탄을 사용하고, 상기 양극에 사용된 활성탄의 비표면적이 상기 음극에 사용된 활성탄의 비표면적보다 큰 것을 사용한다. 이 경우에, 상기 양극에 사용된 활성탄의 비표면적은 상기 음극에 사용된 활성탄의 비표면적보다 적어도 1.1배(예컨대, 1.1∼3배) 큰 것이 바람직하다.
상기 전해액은 비수계 전해액일 수 있고, 상기 비수계 전해액은 전해질 염과 유기 용기용매를 포함할 수 있다.
상기 유기용매는 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 아세토니트릴(acetonitrile), 술포란(sulfolane) 및 부티로락톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 전해질 염은 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate), TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoborate), TMEABF4(trimethylethylammonium tetrafluoborate), TMABF4(tetramethylammonium tetrafluoborate), 이들의 혼합물 등일 수 있으나, 자가방전 억제를 위해서는 특히 TMEABF4(trimethylethylammonium tetrafluoborate) 및 TMABF4(tetramethylammonium tetrafluoborate)가 혼합된 전해질 염을 사용하는 것이 바람직하다. TMABF4는 낮은 용해도를 가지고 있으므로 TMEABF4와 함께 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
<실시예 2>
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기이중층 커패시터는, 양극과 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막이 배치되고, 상기 양극 및 상기 음극은 전해액에 함침되어 있는 전기이중층 커패시터로서, 상기 양극와 상기 음극의 비표면적은 비대칭을 이루고, 상기 양극 및 상기 음극은 전극활물질로 다공성 활성탄이 사용되며, 상기 양극에 사용된 활성탄의 비표면적이 상기 음극에 사용된 활성탄의 비표면적보다 크다.
상기 양극에 사용된 활성탄의 비표면적은 상기 음극에 사용된 활성탄의 비표면적보다 적어도 1.1배(예컨대, 1.1∼3배) 큰 것이 바람직하다.
비대칭 전극의 조합을 위해 비표면적이 상이한 활성탄을 이용하여 양극과 음극 각각을 제조하여 전기이중층 커패시터를 구성한다. 예컨대, 도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 양극과 음극 제조를 위한 활성탄의 비표면적을 다르게 한다. 양극에 표면적이 큰 활성탄을 이용한 경우일수록 자가방전이 억제되는 효과가 크다. 음극 제조를 위한 활성탄의 비표면적에 비하여 양극 제조를 위한 활성탄의 비표면적이 클수록 자가방전이 억제되는 효과가 크다.
상기 양극과 상기 음극의 부피는 동일할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 양극과 상기 음극의 두께도 동일할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전해액은 비수계 전해액일 수 있고, 상기 비수계 전해액은 전해질 염과 유기 용기용매를 포함할 수 있다.
상기 유기용매는 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 아세토니트릴(acetonitrile), 술포란(sulfolane) 및 부티로락톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 전해질 염은 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate), TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoborate), TMEABF4(trimethylethylammonium tetrafluoborate), TMABF4(tetramethylammonium tetrafluoborate), 이들의 혼합물 등일 수 있으나, 자가방전 억제를 위해서는 특히 TMEABF4(trimethylethylammonium tetrafluoborate) 및 TMABF4(tetramethylammonium tetrafluoborate)가 혼합된 전해질 염을 사용하는 것이 바람직하다. TMABF4는 낮은 용해도를 가지고 있으므로 TMEABF4와 함께 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기이중층 커패시터의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
<실시예 1>
전극활물질, 도전재, 바인더 및 분산매를 포함하는 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 제조한다. 상기 전기이중층 커패시터 전극용 조성물은 전극활물질, 상기 전극활물질 100중량부에 대하여 도전재 2∼20중량부, 상기 전극활물질 100중량부에 대하여 바인더 2∼20중량부, 상기 전극활물질 100중량부에 대하여 분산매 200∼300중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 전기이중층 커패시터 전극용 조성물은 반죽 상이므로 균일한 혼합(완전 분산)이 어려울 수 있는데, 플래니터리 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기(mixer)를 사용하여 소정 시간(예컨대, 10분∼12시간) 동안 교반시키면 전극 제조에 적합한 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 얻을 수 있다. 플래니터리 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기는 균일하게 혼합된 전기이중층 커패시터 전극용 조성물의 제조를 가능케 한다.
상기 바인더는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene), 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF; polyvinylidenefloride), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC; carboxymethylcellulose), 폴리비닐알코올(PVA; poly vinyl alcohol), 폴리비닐부티랄(PVB; poly vinyl butyral), 폴리비닐피롤리돈(PVP; poly-N-vinylpyrrolidone), 스티렌부틸고무(SBR; styrene butyl rubber), 폴리아마이드-이미드(Polyamide-imide), 폴리이미드(polyimide) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 도전재는 화학 변화를 야기하지 않는 전자 전도성 재료이면 특별히 제한되지 않으며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등이 가능하다.
상기 분산매는 에탄올(EtOH), 아세톤, 이소프로필알콜, N-메틸피롤리돈(NMP), 프로필렌글리콜(PG) 등의 유기 용매 또는 물을 사용할 수 있다.
전극활물질, 바인더, 도전재 및 분산매를 혼합한 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하고, 전극 형태로 형성된 결과물을 100℃∼350℃의 온도에서 건조하여 양극과 음극을 형성한다.
상기 양극와 상기 음극의 부피는 비대칭을 이루고, 상기 음극의 두께가 상기 양극의 두께에 비하여 상대적으로 작게 한다. 상기 양극의 두께는 상기 음극의 두께보다 1.05배(예컨재, 1.05∼2.5배) 큰 것이 바람직하다.
예컨대, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 양극의 두께를 150㎛로 고정하고 음극의 두께를 140, 130, 120 ㎛로 만들어서 양극와 음극의 부피가 비대칭되게 한다. 이때, 양극과 음극의 전극밀도를 동일하게 하여 전극의 두께만이 다르게 할 수도 있다. 양극(+극)과 음극(-극)에 동일한 전극물질을 사용하는 경우에도 전극(음극)의 두께에 변화를 주어서 전극활물질의 양에 변화를 줌과 동시에 이온이 전극 속을 통과하는 경로의 길이를 조절할 수 있다.
양극의 두께에 비하여 음극의 두께가 얇을수록 자가방전 속도가 느리다. 양극의 두께에 비하여 음극의 두께가 얇을수록 자가방전이 억제된다.
후술하는 실험예들에서도 확인되는 바와 같이, 전극밀도를 동일하게 한 전극을 제조한 후 양극과 음극의 두께의 비율를 조절하여 자가방전이 억제될 수 있다는 것을 확인하였다. 특히 양극의 두께 비율이 상대적으로 높을수록 자가방전이 억제되었다.
자가방전의 억제는 양극과 음극의 두께가 동일한 상태에서 양극의 전극밀도가 높은 경우에 자가방전 억제 특성이 우수하다.
이러한 경우의 일 예로서, 상기 양극 및 상기 음극은 전극활물질로 다공성 활성탄을 사용하고, 상기 양극에 사용된 활성탄의 비표면적이 상기 음극에 사용된 활성탄의 비표면적보다 큰 것을 사용한다. 이 경우에, 상기 양극에 사용된 활성탄의 비표면적은 상기 음극에 사용된 활성탄의 비표면적보다 적어도 1.1배(예컨대, 1.1∼3배) 큰 것이 바람직하다.
상기와 같이 제조된 전기이중층 커패시터 전극(양극 및 음극)은 전기이중층 커패시터에 유용하게 적용될 수 있다.
도 11은 일 예에 따른 전기이중층 커패시터의 사용 상태도로서, 상기 전기이중층 커패시터 전극이 적용된 코인형 전기이중층 커패시터의 단면도를 보인 것이다. 도 11에서 도면부호 190은 도전체로서의 금속캡이고, 도면부호 160은 양극(120)과 음극(110) 간의 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)이며, 도면부호 192는 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓이다. 이때, 상기 양극(120)과 음극(110)은 금속캡(190)과 접착제에 의해 견고하게 고정된다.
상기 코인형 전기이중층 커패시터는, 상술한 전기이중층 커패시터 전극으로 이루어진 양극(120)과, 상술한 전기이중층 커패시터 전극으로 이루어진 음극(110)과, 양극(120)과 음극(110) 사이에 배치되고 양극(120)과 음극(120)의 단락을 방지하기 위한 분리막(seperator)(160)을 금속캡(190) 내에 배치하고, 양극(120)와 음극(110) 사이에 전해질이 용해되어 있는 전해액을 주입한 후, 가스켓(192)으로 밀봉하여 제조할 수 있다.
상기 분리막은 폴리에틸렌 부직포, 폴리프로필렌 부직포, 폴리에스테르 부직포, 폴리아크릴로니트릴 다공성 격리막, 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 헥사플루오로프로판 공중합체 다공성 격리막, 셀룰로스 다공성 격리막, 크라프트지 또는 레이온 섬유 등 전지 및 커패시터 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.
상기 전해액은 비수계 전해액일 수 있고, 상기 비수계 전해액은 전해질 염과 유기 용기용매를 포함할 수 있다.
상기 유기용매는 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 아세토니트릴(acetonitrile), 술포란(sulfolane) 및 부티로락톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 전해질 염은 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate), TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoborate), TMEABF4(trimethylethylammonium tetrafluoborate), TMABF4(tetramethylammonium tetrafluoborate), 이들의 혼합물 등일 수 있으나, 자가방전 억제를 위해서는 특히 TMEABF4(trimethylethylammonium tetrafluoborate) 및 TMABF4(tetramethylammonium tetrafluoborate)가 혼합된 전해질 염을 사용하는 것이 바람직하다. TMABF4는 낮은 용해도를 가지고 있으므로 TMEABF4와 함께 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
<실시예 2>
전극활물질, 도전재, 바인더 및 분산매를 포함하는 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 제조한다. 상기 전기이중층 커패시터 전극용 조성물은 전극활물질, 상기 전극활물질 100중량부에 대하여 도전재 2∼20중량부, 상기 전극활물질 100중량부에 대하여 바인더 2∼20중량부, 상기 전극활물질 100중량부에 대하여 분산매 200∼300중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 전기이중층 커패시터 전극용 조성물은 반죽 상이므로 균일한 혼합(완전 분산)이 어려울 수 있는데, 플래니터리 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기(mixer)를 사용하여 소정 시간(예컨대, 10분∼12시간) 동안 교반시키면 전극 제조에 적합한 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 얻을 수 있다. 플래니터리 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기는 균일하게 혼합된 전기이중층 커패시터 전극용 조성물의 제조를 가능케 한다.
상기 바인더는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene), 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF; polyvinylidenefloride), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC; carboxymethylcellulose), 폴리비닐알코올(PVA; poly vinyl alcohol), 폴리비닐부티랄(PVB; poly vinyl butyral), 폴리비닐피롤리돈(PVP; poly-N-vinylpyrrolidone), 스티렌부틸고무(SBR; styrene butyl rubber), 폴리아마이드-이미드(Polyamide-imide), 폴리이미드(polyimide) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 도전재는 화학 변화를 야기하지 않는 전자 전도성 재료이면 특별히 제한되지 않으며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등이 가능하다.
상기 분산매는 에탄올(EtOH), 아세톤, 이소프로필알콜, N-메틸피롤리돈(NMP), 프로필렌글리콜(PG) 등의 유기 용매 또는 물을 사용할 수 있다.
전극활물질, 바인더, 도전재 및 분산매를 혼합한 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하고, 전극 형태로 형성된 결과물을 100℃∼350℃의 온도에서 건조하여 양극과 음극을 형성한다.
상기 양극와 상기 음극의 비표면적이 비대칭을 이루게 하고, 상기 양극 및 상기 음극은 전극활물질로 다공성 활성탄을 사용하며, 상기 양극에 사용된 활성탄은 상기 음극에 사용된 활성탄보다 비표면적이 큰 것을 사용한다. 상기 양극에 사용된 활성탄의 비표면적은 상기 음극에 사용된 활성탄의 비표면적보다 적어도 1.1배(예컨대, 1.1∼3배) 큰 것이 바람직하다.
예컨대, 도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 양극과 음극 제조를 위한 활성탄의 비표면적을 다르게 한다. 양극에 표면적이 큰 활성탄을 이용한 경우일수록 자가방전이 억제되는 효과가 크다. 음극 제조를 위한 활성탄의 비표면적에 비하여 양극 제조를 위한 활성탄의 비표면적이 클수록 자가방전이 억제되는 효과가 크다.
상기 양극과 상기 음극의 부피는 동일할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 양극과 상기 음극의 두께도 동일할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기와 같이 제조된 전기이중층 커패시터 전극(양극 및 음극)은 전기이중층 커패시터에 유용하게 적용될 수 있다.
도 11은 일 예에 따른 전기이중층 커패시터의 사용 상태도로서, 상기 전기이중층 커패시터 전극이 적용된 코인형 전기이중층 커패시터의 단면도를 보인 것이다. 도 11에서 도면부호 190은 도전체로서의 금속캡이고, 도면부호 160은 양극(120)과 음극(110) 간의 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)이며, 도면부호 192는 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓이다. 이때, 상기 양극(120)과 음극(110)은 금속캡(190)과 접착제에 의해 견고하게 고정된다.
상기 코인형 전기이중층 커패시터는, 상술한 전기이중층 커패시터 전극으로 이루어진 양극(120)과, 상술한 전기이중층 커패시터 전극으로 이루어진 음극(110)과, 양극(120)과 음극(110) 사이에 배치되고 양극(120)과 음극(120)의 단락을 방지하기 위한 분리막(seperator)(160)을 금속캡(190) 내에 배치하고, 양극(120)와 음극(110) 사이에 전해질이 용해되어 있는 전해액을 주입한 후, 가스켓(192)으로 밀봉하여 제조할 수 있다.
상기 분리막은 폴리에틸렌 부직포, 폴리프로필렌 부직포, 폴리에스테르 부직포, 폴리아크릴로니트릴 다공성 격리막, 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 헥사플루오로프로판 공중합체 다공성 격리막, 셀룰로스 다공성 격리막, 크라프트지 또는 레이온 섬유 등 전지 및 커패시터 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.
상기 전해액은 비수계 전해액일 수 있고, 상기 비수계 전해액은 전해질 염과 유기 용기용매를 포함할 수 있다.
상기 유기용매는 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 아세토니트릴(acetonitrile), 술포란(sulfolane) 및 부티로락톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 전해질 염은 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate), TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoborate), TMEABF4(trimethylethylammonium tetrafluoborate), TMABF4(tetramethylammonium tetrafluoborate), 이들의 혼합물 등일 수 있으나, 자가방전 억제를 위해서는 특히 TMEABF4(trimethylethylammonium tetrafluoborate) 및 TMABF4(tetramethylammonium tetrafluoborate)가 혼합된 전해질 염을 사용하는 것이 바람직하다. TMABF4는 낮은 용해도를 가지고 있으므로 TMEABF4와 함께 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
이하에서, 본 발명에 따른 실험예들을 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예들에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실험예 1>
전극활물질로 활성탄(CEP21KSN, CEP17, CEP14N, Power Carbon Technology)을 사용하였다. 도전재로 카본블랙(super p black , MMM, belgium)을 사용하였다. 바인더로 카르복시메틸셀룰로오스(CMC; carboxymethylcellulose)(Sigma-Aldrich)와 스티렌부틸고무(SBR; styrene butyl rubber)(Zeon, BM-400B)를 사용하였다.
용매인 에탄올에 활성탄, 카본블랙, 스티렌부틸고무(SBR), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC)를 81:12.8:4.2:2의 무게비로 섞어서 슬러리를 만들고, 상기 슬러리를 알루미늄 집전체에 도포하고 진공에서 12시간 동안 80℃에서 건조시켰다.
건조된 결과물을 14 mm 지름으로 둥글게 재단한 뒤, 진공오븐에 넣고 150℃에서 건조하여 전극(양극과 음극 각각)을 제조하였다. 이때, 양극(양전극)은 150 ㎛ 두께로 제조하고, 음극(음전극)은 150 ㎛ 두께로 제조하였다.
이렇게 제조된 양극과 음극을 이용하여 코인 타입(Coin type)(2032)으로 조립하여 전기이중층 커패시터(EDLC)를 제조하였다. 이때, 분리막으로 40 ㎛ 두께의 셀룰로오스 분리막을 사용하였으며, 전해액으로 1.0M TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate)/AN(acetonitrile)(AN(acetonitrile)에 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate)가 1.0M의 농도로 용해된 전해액)를 사용하였다.
<실험예 2>
실험예 1과 동일한 방법으로 양극과 음극을 제조하였다. 이때, 양극(양전극)은 150 ㎛ 두께로 제조하고, 음극(음전극)은 140 ㎛ 두께로 제조하였다.
이렇게 제조된 양극과 음극을 이용하여 코인 타입(Coin type)(2032)으로 조립하여 전기이중층 커패시터(EDLC)를 제조하였다. 실험예 1과 동일하게 분리막으로 40 ㎛ 두께의 셀룰로오스 분리막을 사용하였으며, 전해액으로 1.0M TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate)/AN(acetonitrile)를 사용하였다.
<실험예 3>
실험예 1과 동일한 방법으로 양극과 음극을 제조하였다. 이때, 양극(양전극)은 150 ㎛ 두께로 제조하고, 음극(음전극)은 130 ㎛ 두께로 제조하였다.
이렇게 제조된 양극과 음극을 이용하여 코인 타입(Coin type)(2032)으로 조립하여 전기이중층 커패시터(EDLC)를 제조하였다. 실험예 1과 동일하게 분리막으로 40 ㎛ 두께의 셀룰로오스 분리막을 사용하였으며, 전해액으로 1.0M TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate)/AN(acetonitrile)를 사용하였다.
<실험예 4>
실험예 1과 동일한 방법으로 양극과 음극을 제조하였다. 이때, 양극(양전극)은 150 ㎛ 두께로 제조하고, 음극(음전극)은 120 ㎛ 두께로 제조하였다.
이렇게 제조된 양극과 음극을 이용하여 코인 타입(Coin type)(2032)으로 조립하여 전기이중층 커패시터(EDLC)를 제조하였다. 실험예 1과 동일하게 분리막으로 40 ㎛ 두께의 셀룰로오스 분리막을 사용하였으며, 전해액으로 1.0M TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate)/AN(acetonitrile)를 사용하였다.
<실험예 5>
전극활물질로 활성탄(CEP21KSN, CEP17, CEP14N, Power Carbon Technology)을 사용하였다. 도전재로 카본블랙(super p black , MMM, belgium)을 사용하였다. 바인더로 카르복시메틸셀룰로오스(CMC; carboxymethylcellulose)(Sigma-Aldrich)와 스티렌부틸고무(SBR; styrene butyl rubber)(Zeon, BM-400B)를 사용하였다.
용매인 에탄올에 활성탄, 카본블랙, 스티렌부틸고무(SBR), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC)를 81:12.8:4.2:2의 무게비로 섞어서 슬러리를 만들고, 상기 슬러리를 알루미늄 집전체에 도포하고 진공에서 12시간 동안 80℃에서 건조시켰다. 양극을 제조하려는 경우에 상기 활성탄은 비표면적이 1400 ㎡/g인 것을 사용하였고, 음극을 제조하려는 경우에 상기 활성탄은 비표면적이 1400 ㎡/g인 것을 사용하였다.
건조된 결과물을 14 mm 지름으로 둥글게 재단한 뒤, 진공오븐에 넣고 150℃에서 건조하여 전극(양극과 음극 각각)을 제조하였다. 이때, 양극(양전극)은 150 ㎛ 두께로 제조하고, 음극(음전극)도 150 ㎛ 두께로 제조하였다.
이렇게 제조된 양극과 음극을 이용하여 코인 타입(Coin type)(2032)으로 조립하여 전기이중층 커패시터(EDLC)를 제조하였다. 이때, 분리막으로 40 ㎛ 두께의 셀룰로오스 분리막을 사용하였으며, 전해액으로 1.0M TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate)/AN(acetonitrile)(AN(acetonitrile)에 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate)가 1.0M의 농도로 용해된 전해액)를 사용하였다.
<실험예 6>
실험예 5와 동일한 방법으로 양극과 음극을 제조하였다. 이때, 양극(양전극) 제조를 위한 활성탄은 비표면적이 1700 ㎡/g인 것을 사용하였고, 음극(음전극) 제조를 위한 활성탄은 비표면적이 1400 ㎡/g인 것을 사용하였다. 양극과 음극 모두 150 ㎛ 두께로 제조하였다.
이렇게 제조된 양극과 음극을 이용하여 코인 타입(Coin type)(2032)으로 조립하여 전기이중층 커패시터(EDLC)를 제조하였다. 실험예 5와 동일하게 분리막으로 40 ㎛ 두께의 셀룰로오스 분리막을 사용하였으며, 전해액으로 1.0M TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate)/AN(acetonitrile)를 사용하였다.
<실험예 7>
실험예 5와 동일한 방법으로 양극과 음극을 제조하였다. 이때, 양극(양전극) 제조를 위한 활성탄은 비표면적이 2000 ㎡/g인 것을 사용하였고, 음극(음전극) 제조를 위한 활성탄은 비표면적이 1400 ㎡/g인 것을 사용하였다. 양극과 음극 모두 150 ㎛ 두께로 제조하였다.
이렇게 제조된 양극과 음극을 이용하여 코인 타입(Coin type)(2032)으로 조립하여 전기이중층 커패시터(EDLC)를 제조하였다. 실험예 5와 동일하게 분리막으로 40 ㎛ 두께의 셀룰로오스 분리막을 사용하였으며, 전해액으로 1.0M TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate)/AN(acetonitrile)를 사용하였다.
<실험예 8>
전극활물질로 활성탄(CEP21KSN, CEP17, CEP14N, Power Carbon Technology)을 사용하였다. 도전재로 카본블랙(super p black , MMM, belgium)을 사용하였다. 바인더로 카르복시메틸셀룰로오스(CMC; carboxymethylcellulose)(Sigma-Aldrich)과 스티렌부틸고무(SBR; styrene butyl rubber)(Zeon, BM-400B)를 사용하였다.
용매인 에탄올에 활성탄, 카본블랙, 스티렌부틸고무(SBR), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC)를 81:12.8:4.2:2의 무게비로 섞어서 슬러리를 만들고, 상기 슬러리를 알루미늄 집전체에 도포하고 진공에서 12시간 동안 80℃에서 건조시켰다. 양극을 제조하려는 경우에 상기 활성탄은 비표면적이 1400 ㎡/g인 것을 사용하였고, 음극을 제조하려는 경우에 상기 활성탄은 비표면적이 1400 ㎡/g인 것을 사용하였다.
건조된 결과물을 14 mm 지름으로 둥글게 재단한 뒤, 진공오븐에 넣고 150℃에서 건조하여 전극(양극과 음극 각각)을 제조하였다. 이때, 양극(양전극)은 160 ㎛ 두께로 제조하고, 음극(음전극)도 160 ㎛ 두께로 제조하였다.
이렇게 제조된 양극과 음극을 이용하여 코인 타입(Coin type)(2032)으로 조립하여 전기이중층 커패시터(EDLC)를 제조하였다. 이때, 분리막으로 40 ㎛ 두께의 셀룰로오스 분리막을 사용하였다. 전해액으로 1.0M TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate)/AN(acetonitrile)(AN에 TEABF4가 1.0M의 농도로 용해된 전해액), 1.0M TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoborate)/AN(acetonitrile)(AN에 TEMABF4가 1.0M의 농도로 용해된 전해액), 1.0M TMEABF4(trimethylethylammonium tetrafluoborate)/AN(acetonitrile)(AN에 TMEABF4가 1.0M의 농도로 용해된 전해액), 1.0M TMEABF4(trimethylethylammonium tetrafluoborate)+TMABF4(tetramethylammonium tetrafluoborate)/AN(acetonitrile)(AN에 TMEABF4와 TMABF4가 1.0M의 농도로 용해된 전해액)을 각각 사용하였다.
실험예 1 내지 실험예 8에 따라 제조된 전기이중층 커패시터(EDLC)의 특성 실험을 실험을 위해서 셀 테스트 사이클러(Cell test cycler)(WBCS3000, WonATech Co., Ltd.)를 사용하였다. 정전류 충전 0.5 A/g으로 2.7 V까지 충전 후 1시간 동안 2.7V를 유지하는 정전압 조건으로 충전을 완료하였다. 방전은 0.5 A/g로 방전하여 1 cycle을 종료한다. 30회 사이클을 실시한 후 자가방전을 관찰하였다. 자가방전을 관찰하기 위해 0.5 A/g 으로 2.7V까지 충전 후 전압 하강을 관찰하였다.
도 1은 실험예 1에 따라 양극을 150㎛ 두께로 제조하고 음극을 150㎛ 두께로 제조한 경우를 보여주고, 도 2는 실험예 2에 따라 양극을 150㎛ 두께로 제조하고 음극을 140㎛ 두께로 제조하여 양극과 음극의 부피를 비대칭되게 한 경우를 보여주며, 도 3은 실험예 3에 따라 양극을 150㎛ 두께로 제조하고 음극을 130㎛ 두께로 제조하여 양극과 음극의 부피를 비대칭되게 한 경우를 보여주며, 도 4는 실험예 4에 따라 양극을 150㎛ 두께로 제조하고 음극을 120㎛ 두께로 제조하여 양극과 음극의 부피를 비대칭되게 한 경우를 보여준다. 실험예 1 내지 실험예 4는 각각 양극과 음극의 전극밀도를 동일하게 하고 전극(양극과 음극)의 두께만이 변수가 되도록 하였다.
도 5는 2.7 V로 충전 후 36시간 동안 자가방전하는 전기이중층 커패시터(EDLC)의 전압 하강 속도를 관찰한 것이다.
도 5를 참조하면, 실험예 4에 따라 제조된 전기이중층 커패시터, 실험예 3에 따라 제조된 전기이중층 커패시터, 실험예 2에 따라 제조된 전기이중층 커패시터, 실험예 1 따라 제조된 전기이중층 커패시터의 순서로 자가방전 억제를 잘하며, 실험예 1 따라 제조된 전기이중층 커패시터의 자가방전 속도가 가장 빠르다. 실험예 1 따라 제조된 전기이중층 커패시터는 양극과 음극의 두께를 동일하게 하는 보편적인 전지의 구성이다. 실험예 4에 따라 제조된 전기이중층 커패시터, 실험예 3에 따라 제조된 전기이중층 커패시터, 실험예 2에 따라 제조된 전기이중층 커패시터는 양극의 두께에 비하여 음극의 두께를 상대적으로 얇게 한 것이고, 양극의 두께에 비하여 음극의 두께가 얇을수록 자가방전이 억제되었다. 양극의 두께에 비하여 음극의 두께가 얇을수록 자가방전 속도가 느렸다.
비대칭 전극을 조합하기 위해서 전극밀도를 동일하게 한 전극을 제조한 후 양극과 음극의 두께의 비율를 조절하여 자가방전이 억제될 수 있다는 것을 확인하였다. 특히 양극의 두께 비율이 상대적으로 높을수록 자가방전이 억제되었다.
도 6은 실험예 5에 따라 비표면적이 1400㎡/g인 활성탄을 사용하여 양극을 제조하고 비표면적이 1400 ㎡/g인 활성탄을 사용하여 음극을 제조한 경우를 보여주고, 도 7은 실험예 6에 따라 비표면적이 1700 ㎡/g인 활성탄을 사용하여 양극을 제조하고 비표면적이 1400 ㎡/g인 활성탄을 사용하여 음극을 제조하여 양극과 음극이 비대칭되게 한 경우를 보여주며, 도 8은 실험예 7에 따라 비표면적이 2000 ㎡/g인 활성탄을 사용하여 양극을 제조하고 비표면적이 1400 ㎡/g인 활성탄을 사용하여 음극을 제조하여 양극과 음극이 비대칭되게 한 경우를 보여준다. 실험예 5는 비표면적이 동일한 활성탄을 이용하여 양극과 음극을 제조하여 전기이중층 커패시터를 구성한 경우이고, 실험예 6 및 실험예 7은 비대칭 전극의 조합을 위해 비표면적이 상이한 활성탄을 이용하여 양극과 음극 각각을 제조하여 전기이중층 커패시터를 구성한 경우이다. 실험예 5 내지 실험예 7은 양극과 음극의 두께를 동일하게 하고 양극과 음극 제조를 위한 활성탄의 비표면적만이 변수가 되도록 하였다.
도 9는 2.7 V로 충전 후 36시간 동안 자가방전하는 전기이중층 커패시터(EDLC)의 전압 하강 속도를 관찰한 것이다.
도 9를 참조하면, 실험예 7에 따라 제조된 전기이중층 커패시터, 실험예 6에 따라 제조된 전기이중층 커패시터, 실험예 5에 따라 제조된 전기이중층 커패시터의 순서로 자가방전이 증가하였다. 양극에 표면적이 큰 활성탄을 이용한 경우일수록 자가방전이 억제되었다. 음극 제조를 위한 활성탄의 비표면적에 비하여 양극 제조를 위한 활성탄의 비표면적이 클수록 자가방전이 억제되었다.
0.5 A/g 으로 2.7V까지 충전 후 2.7V 1시간 유지 후 전압 하강을 관찰하여 전해액에 따른 자가방전 특성을 도 10에 나타내었다.
도 10을 참조하면, 양이온의 크기가 적은 전해액일수록 전압 하강이 적었다. 이중에도 양이온의 크기가 가장 작은 TMABF4를 포함하는 TMEABF4+TMABF4/AN 전해액(AN에 TMEABF4와 TMABF4가 1.0M의 농도로 용해된 전해액)의 경우가 전압 하강이 가장 적었다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
110: 음극
120: 양극
160: 분리막 190: 금속캡
192: 가스켓
160: 분리막 190: 금속캡
192: 가스켓
Claims (18)
- 양극과 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막이 배치되고,
상기 양극 및 상기 음극은 전해액에 함침되어 있는 전기이중층 커패시터로서,
상기 양극와 상기 음극의 부피는 비대칭을 이루고,
상기 음극의 두께가 상기 양극의 두께에 비하여 상대적으로 작은 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터.
- 양극과 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막이 배치되고,
상기 양극 및 상기 음극은 전해액에 함침되어 있는 전기이중층 커패시터로서,
상기 양극와 상기 음극의 비표면적은 비대칭을 이루고,
상기 양극 및 상기 음극은 전극활물질로 다공성 활성탄이 사용되며,
상기 양극에 사용된 활성탄의 비표면적이 상기 음극에 사용된 활성탄의 비표면적보다 큰 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터.
- 제1항에 있어서, 상기 양극의 두께는 상기 음극의 두께보다 1.05배 큰 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터.
- 제1항에 있어서, 상기 양극과 상기 음극의 전극밀도는 동일한 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터.
- 제1항에 있어서, 상기 양극 및 상기 음극은 전극활물질로 다공성 활성탄이 사용되며,
상기 양극에 사용된 활성탄의 비표면적이 상기 음극에 사용된 활성탄의 비표면적보다 큰 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터.
- 제2항에 있어서, 상기 양극과 상기 음극의 부피는 동일한 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터.
- 제6항에 있어서, 상기 양극과 상기 음극의 두께는 동일한 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터.
- 제2항 또는 제5항에 있어서, 상기 양극에 사용된 활성탄의 비표면적은 상기 음극에 사용된 활성탄의 비표면적보다 적어도 1.1배 큰 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전해액은 비수계 전해액이고,
상기 비수계 전해액은,
TMEABF4(trimethylethylammonium tetrafluoborate) 및 TMABF4(tetramethylammonium tetrafluoborate)가 혼합된 전해질 염; 및
프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 아세토니트릴(acetonitrile), 술포란(sulfolane) 및 부티로락톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 유기용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터.
- 전극활물질, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계;
상기 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계;
전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 전기이중층 커패시터 전극을 형성하는 단계; 및
상기 전기이중층 커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 양극 및 상기 음극을 전해액에 함침시키는 단계를 포함하며,
상기 양극와 상기 음극의 부피가 비대칭을 이루게 하고,
상기 음극의 두께가 상기 양극의 두께에 비하여 상대적으로 작게 하는 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터의 제조방법.
- 전극활물질, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계;
상기 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 전기이중층 커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계;
전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 전기이중층 커패시터 전극을 형성하는 단계; 및
상기 전기이중층 커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 양극 및 상기 음극을 전해액에 함침시키는 단계를 포함하며,
상기 양극와 상기 음극의 비표면적이 비대칭을 이루게 하고,
상기 양극 및 상기 음극은 전극활물질로 다공성 활성탄을 사용하며,
상기 양극에 사용된 활성탄의 비표면적이 상기 음극에 사용된 활성탄의 비표면적보다 크게 하는 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터의 제조방법.
- 제10항에 있어서, 상기 양극의 두께는 상기 음극의 두께보다 1.05배 크게 하는 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터의 제조방법.
- 제10항에 있어서, 상기 양극과 상기 음극의 전극밀도는 동일한 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터의 제조방법.
- 제10항에 있어서, 상기 양극 및 상기 음극은 전극활물질로 다공성 활성탄을 사용하며,
상기 양극에 사용된 활성탄의 비표면적이 상기 음극에 사용된 활성탄의 비표면적보다 큰 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터의 제조방법.
- 제11항에 있어서, 상기 양극과 상기 음극의 부피는 동일하게 하는 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터의 제조방법.
- 제15항에 있어서, 상기 양극과 상기 음극의 두께는 동일하게 하는 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터의 제조방법.
- 제11항 또는 제14항에 있어서, 상기 양극에 사용된 활성탄의 비표면적은 상기 음극에 사용된 활성탄의 비표면적보다 적어도 1.1배 큰 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터의 제조방법.
- 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 전해액은 비수계 전해액이고,
상기 비수계 전해액은,
TMEABF4(trimethylethylammonium tetrafluoborate) 및 TMABF4(tetramethylammonium tetrafluoborate)가 혼합된 전해질 염; 및
프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 아세토니트릴(acetonitrile), 술포란(sulfolane) 및 부티로락톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 유기용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터의 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190016488A KR20200098855A (ko) | 2019-02-13 | 2019-02-13 | 자가방전이 억제되는 전기이중층 커패시터 및 그 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190016488A KR20200098855A (ko) | 2019-02-13 | 2019-02-13 | 자가방전이 억제되는 전기이중층 커패시터 및 그 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20200098855A true KR20200098855A (ko) | 2020-08-21 |
Family
ID=72235670
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020190016488A KR20200098855A (ko) | 2019-02-13 | 2019-02-13 | 자가방전이 억제되는 전기이중층 커패시터 및 그 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20200098855A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022075822A1 (ko) * | 2020-10-08 | 2022-04-14 | 상명대학교산학협력단 | 자가방전이 억제되는 전기이중층 커패시터 및 그 제조방법 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101567771B1 (ko) | 2015-01-12 | 2015-11-11 | 상명대학교서울산학협력단 | 출력용량 개선을 위한 전기이중층 커패시터의 전해액 및 이를 이용한 전기이중층 커패시터 |
-
2019
- 2019-02-13 KR KR1020190016488A patent/KR20200098855A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101567771B1 (ko) | 2015-01-12 | 2015-11-11 | 상명대학교서울산학협력단 | 출력용량 개선을 위한 전기이중층 커패시터의 전해액 및 이를 이용한 전기이중층 커패시터 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022075822A1 (ko) * | 2020-10-08 | 2022-04-14 | 상명대학교산학협력단 | 자가방전이 억제되는 전기이중층 커패시터 및 그 제조방법 |
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