KR20210147342A - 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
음극에 2차원 구조의 나노물질인 포스포린을 도입하여 활성탄 양극과 하이브리드 슈퍼커패시터를 구성함과 더불어, 고에너지 밀도를 확보하기 위하여 음극 및 양극을 고밀도 전극으로 제조한 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 제조 방법은 포스포린 및 탄소재와의 복합재로 이루어진 음극활물질, 도전재 및 바인더를 분산매에 혼합하여 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 조성물을 제조하는 단계; 활성탄으로 이루어진 양극활물질, 도전재 및 바인더를 분산매에 혼합하여 하이브리드 슈퍼커패시터용 양극 조성물을 제조하는 단계; 상기 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 전극 형태로 제조한 후, 건조하여 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극을 형성하는 단계; 및 상기 하이브리드 슈퍼커패시용 음극 및 양극 사이에 상기 음극과 양극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 음극 및 양극을 전해액에 함침시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 제조 방법은 포스포린 및 탄소재와의 복합재로 이루어진 음극활물질, 도전재 및 바인더를 분산매에 혼합하여 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 조성물을 제조하는 단계; 활성탄으로 이루어진 양극활물질, 도전재 및 바인더를 분산매에 혼합하여 하이브리드 슈퍼커패시터용 양극 조성물을 제조하는 단계; 상기 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 전극 형태로 제조한 후, 건조하여 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극을 형성하는 단계; 및 상기 하이브리드 슈퍼커패시용 음극 및 양극 사이에 상기 음극과 양극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 음극 및 양극을 전해액에 함침시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 포스포린 기반 고밀도 전극 및 그 제조 방법과 이를 포함하는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 음극에 2차원 구조의 나노물질인 포스포린을 도입하여 활성탄 양극과 하이브리드 슈퍼커패시터를 구성함과 더불어, 고에너지 밀도를 확보하기 위하여 음극 및 양극을 고밀도 전극으로 제조한 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
차세대 에너지 저장장치들 중 슈퍼커패시터는 빠른 충전 및 방전 속도, 높은 안정성, 그리고 친환경적 특성으로 인해, 차세대 에너지 저장장치로 각광받고 있다. 일반적인 슈퍼커패시터는 다공성 전극, 집전체, 분리막, 그리고 전해액 등으로 구성된다.
슈퍼커패시터는 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC), 울트라커패시터(Ultra-capacitor) 라고도 일컬어지며, 이는 전극 및 도전체와, 그것에 함침된 전해액의 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, 슈퍼커패시터는 각종 전기 및 전자기기의 IC(integrated circuit) 백업을 하는 형태로 주로 사용되고 있다. 최근에는 그 용도가 확대되어 장난감, 태양열 에너지 저장, HEV(hybrid electric vehicle) 전원 등에까지 폭넓게 응용되고 있다.
최근에는 음극 및 양극에 각기 다른 에너지 저장방식을 사용하는 하이브리드 슈퍼커패시터에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
이러한 하이브리드 슈퍼커패시터는 배터리(리튬이온 이차전지)처럼 산화 및 환원 반응을 통해 에너지를 저장하는 음극물질과 축전지(전기이중층 커패시터)와 같이 전기이중층에 전하를 모으는 양극물질을 사용한 하이브리드 에너지저장장치를 말한다.
본 발명의 발명자들은 고에너지밀도를 갖는 하이브리드 슈퍼커패시터에 대하여 연구하였다.
본 발명은 목적은 음극에 2차원 구조의 나노물질인 포스포린을 도입하여 활성탄 양극과 하이브리드 슈퍼커패시터를 구성함과 더불어, 고에너지 밀도를 확보하기 위하여 음극 및 양극을 고밀도 전극으로 제조한 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 제조 방법은 포스포린 및 탄소재와의 복합재로 이루어진 음극활물질, 도전재 및 바인더를 분산매에 혼합하여 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 조성물을 제조하는 단계; 활성탄으로 이루어진 양극활물질, 도전재 및 바인더를 분산매에 혼합하여 하이브리드 슈퍼커패시터용 양극 조성물을 제조하는 단계; 상기 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 전극 형태로 제조한 후, 건조하여 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극을 형성하는 단계; 및 상기 하이브리드 슈퍼커패시용 음극 및 양극 사이에 상기 음극과 양극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 음극 및 양극을 전해액에 함침시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 음극 조성물은 상기 음극활물질 100 중량부에 대하여, 도전재 0.1 ~ 20 중량부, 바인더 0.1 ~ 20 중량부 및 분산매 200 ~ 300 중량부로 혼합한다.
상기 음극활물질은 상기 포스포린 60 ~ 90 중량% 및 탄소재 10 ~ 40 중량%로 혼합된 복합재를 이용하는 것이 바람직하다.
상기 탄소재는 카본블랙, 그래핀, 탄소 나노튜브, 풀러렌, 인조 흑연, 천연 흑연, 소프트카본 및 하드카본 중 선택된 1종 이상을 포함한다.
또한, 상기 양극 조성물은 상기 양극활물질 100 중량부에 대하여, 도전재 0.1 ~ 20 중량부, 바인더 0.1 ~ 20 중량부 및 분산매 200 ~ 300 중량부로 혼합한다.
상기 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 전극 형태로 제조하는 단계는, 상기 하이브리드 슈퍼커패시용 음극 및 양극 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 하이브리드 슈퍼커패시용 전극용 음극 및 양극 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 음극 및 양극 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 제조한다.
상기 하이브리드 슈퍼커패시용 음극 및 양극을 형성하는 단계와 상기 음극 및 양극을 전해액에 함침시키는 단계 사이에, 전기화학 도핑법을 이용하여 포스포린 기반의 음극의 전위를 조절하여 음극에 삽입되는 리튬, 소듐 및 포타슘 중 하나 이상의 양을 제어하는 음극 도핑 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터는 포스포린 및 탄소재와의 복합재로 이루어진 음극활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 음극; 상기 음극과 이격 배치되며, 활성탄으로 이루어진 양극활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 양극; 상기 음극 및 양극 사이에 배치되어, 상기 음극과 양극의 단락을 방지하기 위한 분리막; 및 상기 음극 및 양극에 함침된 전해액;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 음극은 상기 음극활물질 100 중량부에 대하여, 도전재 0.1 ~ 20 중량부 및 바인더 0.1 ~ 20 중량부를 포함한다.
상기 음극활물질은 상기 포스포린 60 ~ 90 중량% 및 탄소재 10 ~ 40 중량%로 혼합된 복합재를 이용하는 것이 바람직하다.
탄소재는 카본블랙, 그래핀, 탄소 나노튜브, 풀러렌, 인조 흑연, 천연 흑연, 소프트카본 및 하드카본 중 선택된 1종 이상을 포함한다.
상기 양극은 상기 양극활물질 100 중량부에 대하여, 도전재 0.1 ~ 20 중량부 및 바인더 0.1 ~ 20 중량부를 포함한다.
또한, 상기 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터는 코인형 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 및 권취형 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 중 어느 하나의 형태를 갖는다.
본 발명에 따른 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법은 그래핀과 유사한 특징을 가지는 2차원 구조의 나노물질인 포스포린을 도입한 음극과 활성탄 양극의 적용으로 고에너지 밀도를 확보할 수 있게 된다.
이 결과, 본 발명에 따른 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법은 상온 1.5 ~ 4.5 V 전압 범위에서 다양한 전류밀도(0.1, 0.5, 1, 2, 5, 10, 20, 30, 50 mA/cm2)로 테스트한 결과, 0.1mA/cm2 에서 120Wh/kg 이상의 고에너지 밀도를 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 코인형 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터를 나타낸 단면도.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 권취형 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터를 나타낸 모식도.
도 7은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 하이브리드 슈퍼커패시터에 대한 전기화학성능 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 코인형 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터를 나타낸 단면도.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 권취형 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터를 나타낸 모식도.
도 7은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 하이브리드 슈퍼커패시터에 대한 전기화학성능 측정 결과를 나타낸 그래프.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터
본 발명의 실시예에 따른 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터는 포스포린 및 탄소재와의 복합재로 이루어진 음극활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 음극; 상기 음극과 이격 배치되며, 활성탄으로 이루어진 양극활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 양극; 상기 음극 및 양극 사이에 배치되어, 상기 음극과 양극의 단락을 방지하기 위한 분리막; 및 상기 음극 및 양극에 함침된 전해액;을 포함한다.
여기서, 음극은 50 ~ 200㎛의 제1 두께를 가질 수 있다. 이러한 음극은 음극활물질 100 중량부에 대하여, 도전재 0.1 ~ 20 중량부 및 바인더 0.1 ~ 20 중량부를 포함한다.
음극활물질은 포스포린 60 ~ 90 중량% 및 탄소재 10 ~ 40 중량%로 혼합된 복합재를 이용하는 것이 바람직하다.
포스포린은 머리카락 굵기의 10만 분의 1 수준의 0.5nm 두께 박막 구조를 가지고 있으며, 우수한 전기전도성을 갖는다. 이러한 포스포린은 그래핀과 유사한 육각 벌집 형태의 원자 배열을 갖고 있지만 변형이 힘든 그래핀과 다르게 규칙적인 주름이 있기 때문에 물성 제어가 쉽다. 또한, 큰 이론적 비용량(2596 mAh/g)을 가지고 있어 포스포린 기반의 음극활물질을 이용하게 되면, 고에너지밀도를 갖는 하이브리드 슈퍼커패시터를 제조하는 것이 가능해질 수 있다.
탄소재는 카본블랙, 그래핀, 탄소 나노튜브, 풀러렌, 인조 흑연, 천연 흑연, 소프트카본 및 하드카본 중 선택된 1종 이상을 포함한다.
양극은 제1 두께보다 두꺼운 제2 두께를 갖는 것이 바람직하다. 이때, 제2 두께는 150 ~ 400㎛를 가질 수 있다. 이에 따라, 음극이 양극에 비하여 두께가 얇은 비대칭 구조를 갖는다.
이러한 양극은 양극활물질 100 중량부에 대하여, 도전재 0.1 ~ 20 중량부 및 바인더 0.1 ~ 20 중량부를 포함한다.
전해액은 비수계 전해액과, 비수계 전해액 100 중량부에 대하여 이온성 액체 1 ~ 25 중량부를 포함하며, 비수계 전해액은 유기용매와, 리튬 염 LiPF6(lithium hexafluorophosphate), LiBF4(lithium tetrafluoroborate), LiClO4(lithium perchlorate), LiFSI(lithium bis(fluorosulfonyl)imide)와, 소듐 염 NaPF6(sodium hexafluorophosphate), NaDFOB(sodium difluoro(oxalate)borate)와, 포타슘 염 KFSI(potassium bis(fluorosulfonyl)imide), KPF6(potassium hexafluorophosphate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전해질 염을 포함한다.
유기용매는 아세토니트릴(acetonitrile), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란, 부티로락톤 및 디메틸포름아미드으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
이온성 액체는 EMITf2N(1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), BMITf2N(1-Butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), EMITFSI(1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), BMIMBF4(1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMBF4(1-Methyl-3-octylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMTf2N(1-Methyl-3-octylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), MEMPBF4(N-(2-Methoxyethyl)-N-methylpyrrolidinium tetraflioroborate) 및 DEMEBF4(N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium tetraflioroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
또한, 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터는 코인형 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 및 권취형 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 중 어느 하나의 형태를 갖는다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터는 그래핀과 유사한 특징을 가지는 2차원 구조의 나노물질인 포스포린을 도입한 음극과 활성탄 양극의 적용으로 고에너지 밀도를 확보할 수 있게 된다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터는 상온 1.5 ~ 4.5 V 전압 범위에서 다양한 전류밀도(0.1, 0.5, 1, 2, 5, 10, 20, 30, 50 mA/cm2)로 테스트한 결과, 0.1mA/cm2 에서 120Wh/kg 이상의 고에너지 밀도를 나타낼 수 있다.
고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 제조 방법
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 제조 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 제조 방법은 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 조성물 제조 단계(S110), 하이브리드 슈퍼커패시터용 양극 조성물 제조 단계(S120), 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 형성 단계(S130), 음극 도핑 단계(S140) 및 전해액 함침 단계(S150)를 포함한다.
하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 조성물 제조
하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 조성물 제조 단계(S110)에서는 포스포린 및 탄소재와의 복합재로 이루어진 음극활물질, 도전재 및 바인더를 분산매에 혼합하여 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 조성물을 제조한다.
본 단계에서, 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 조성물은 음극활물질과, 음극활물질 100 중량부에 대하여 도전재 0.1 ~ 20 중량부와, 음극활물질 100 중량부에 대하여 바인더 0.1 ~ 20 중량부와, 음극활물질 100 중량부에 대하여 분산매 200 ~ 300 중량부를 포함하는 것이 바람직하다.
이러한 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 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 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 조성물을 얻을 수 있다. 플래니터리 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기는 균일하게 혼합된 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 조성물의 제조를 가능케 한다.
음극활물질은 포스포린 및 탄소재와의 복합재를 이용하는 것이 바람직하다. 여기서, 음극활물질은 포스포린 60 ~ 90 중량% 및 탄소재 10 ~ 40 중량%로 혼합된 복합재를 이용하는 것이 보다 바람직하다.
포스포린은 머리카락 굵기의 10만 분의 1 수준의 0.5nm 두께 박막 구조를 가지고 있으며, 우수한 전기전도성을 갖는다. 이러한 포스포린은 그래핀과 유사한 육각 벌집 형태의 원자 배열을 갖고 있지만 변형이 힘든 그래핀과 다르게 규칙적인 주름이 있기 때문에 물성 제어가 쉽다. 또한, 큰 이론적 비용량(2596 mAh/g)을 가지고 있어 포스포린 기반의 음극활물질을 이용하게 되면, 고에너지밀도를 갖는 하이브리드 슈퍼커패시터를 제조하는 것이 가능해질 수 있다.
탄소재는 카본블랙, 그래핀, 탄소 나노튜브, 풀러렌, 인조 흑연, 천연 흑연 소프트카본 및 하드카본 중 선택된 1종 이상을 포함한다.
바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene), 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF; polyvinylidenefloride), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC; carboxymethylcellulose), 폴리비닐알코올(PVA; poly vinyl alcohol), 폴리비닐부티랄(PVB; poly vinyl butyral), 폴리비닐피롤리돈(PVP; poly-N-vinylpyrrolidone), 스티렌부타디엔고무(SBR; styrene butadiene rubber), 폴리아마이드-이미드(Polyamide-imide), 폴리이미드(polyimide) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
도전재는 화학 변화를 야기하지 않는 전자 전도성 재료이면 특별히 제한되지 않으며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 슈퍼-피(Super-P) 블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등이 가능하다.
분산매는 에탄올(EtOH), 아세톤, 이소프로필알콜, N-메틸피롤리돈(NMP), 프로필렌글리콜(PG) 등의 유기 용매 또는 물을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
하이브리드 슈퍼커패시터용 양극 조성물 제조
하이브리드 슈퍼커패시터용 양극 조성물 제조 단계(S210)에서는 활성탄으로 이루어진 양극활물질, 도전재 및 바인더를 분산매에 혼합하여 하이브리드 슈퍼커패시터용 양극 조성물을 제조한다.
본 단계에서, 하이브리드 슈퍼커패시터용 양극 조성물은 양극활물질과, 양극활물질 100 중량부에 대하여 도전재 0.1 ~ 20 중량부와, 양극활물질 100 중량부에 대하여 바인더 0.1 ~ 20 중량부와, 양극활물질 100 중량부에 대하여 분산매 200 ~ 300 중량부를 포함하는 것이 바람직하다.
이러한 하이브리드 슈퍼커패시터용 양극 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 하이브리드 슈퍼커패시터용 양극 조성물을 얻을 수 있다. 플래니터리 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기는 균일하게 혼합된 하이브리드 슈퍼커패시터용 양극 조성물의 제조를 가능케 한다.
양극활물질은 활성탄만으로 이루어질 수 있다. 이러한 양극활물질은 물리적 흡착 및 탈착 반응을 하는 활성탄을 사용한다.
바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene), 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF; polyvinylidenefloride), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC; carboxymethylcellulose), 폴리비닐알코올(PVA; poly vinyl alcohol), 폴리비닐부티랄(PVB; poly vinyl butyral), 폴리비닐피롤리돈(PVP; poly-N-vinylpyrrolidone), 스티렌부타디엔고무(SBR; styrene butadiene rubber), 폴리아마이드-이미드(Polyamide-imide), 폴리이미드(polyimide) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
도전재는 화학 변화를 야기하지 않는 전자 전도성 재료이면 특별히 제한되지 않으며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 슈퍼-피(Super-P) 블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등이 가능하다.
분산매는 에탄올(EtOH), 아세톤, 이소프로필알콜, N-메틸피롤리돈(NMP), 프로필렌글리콜(PG) 등의 유기 용매 또는 물을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 형성
하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 형성 단계(S130)에서는 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 전극 형태로 제조한 후, 건조하여 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극을 형성한다.
하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 전극 형태로 제조하는 단계는, 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 제조할 수 있다.
전극 형태로 제조하는 단계의 예를 보다 구체적으로 설명하면, 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 롤프레스 성형기를 이용하여 압착하여 성형할 수 있다. 롤프레스 성형기는 압연을 통한 전극밀도 향상 및 전극의 두께 제어를 목적으로 하고 있으며, 상단과 하단의 롤과 롤의 두께 및 가열 온도를 제어할 수 있는 컨트롤러와, 전극을 풀어주고 감아줄 수 있는 와인딩부로 구성된다. 롤 상태의 전극이 롤프레스를 지나면서 압연공정이 진행되고, 이것이 다시 롤 상태로 감겨서 전극이 완성된다. 이때, 프레스의 가압 압력은 5 ~ 20 ton/㎠로 롤의 온도는 0 ~ 150
로 하는 것이 바람직하다.
또한, 전극 형태로 제조하는 다른 예를 살펴보면, 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 구리 호일(Cu foil), 티타늄 호일(Ti foil), 알루미늄 호일(Al foil), 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil)과 같은 금속 호일(metal foil)에 코팅하거나, 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일 또는 금속 집전체에 붙여서 전극 형상으로 제조할 수도 있다. 여기서, 알루미늄 에칭 호일이라 함은 알루미늄 호일을 요철 모양으로 에칭한 것을 의미한다.
본 단계에서, 건조 공정은 100℃ ~ 350℃, 바람직하게는 150℃ ~ 300℃의 온도에서 수행된다. 이때, 건조 온도가 100℃ 미만인 경우 분산매의 증발이 어려워 바람직하지 않으며, 350℃를 초과하는 고온 건조 시에는 도전재의 산화가 일어날 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 건조 온도는 적어도 100℃ 이상이고, 350℃를 넘지 않는 것이 바람직하다. 그리고, 건조 공정은 위와 같은 온도에서 10분 ~ 6시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 성형된 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 슈퍼커패시터 전극의 강도를 향상시킨다.
한편, 전극 형태로 형성하는 다른 예에 의해 전극을 형성한 경우에는 100 ~ 250℃, 바람직하게는 150 ~ 200℃의 온도 조건으로 건조하는 것이 바람직하다.
음극 도핑
음극 도핑 단계(S140)에서는 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극에 미리 리튬을 삽입하는 단계로 전기화학 도핑법을 이용하여 포스포린 기반의 음극의 전위를 조절하여 음극에 삽입되는 리튬, 소듐 및 포타슘 중 하나 이상의 양을 정밀하게 제어하는 것에 의해 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극으로써의 구동력을 얻을 수 있게 된다.
전해액 함침
전해액 함침 단계(S150)에서는 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 사이에 음극과 양극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 음극 및 양극을 전해액에 함침시킨다.
여기서, 하이브리드 슈퍼커패시터의 전해액은 비수계 전해액과, 비수계 전해액 100 중량부에 대하여, 1 ~ 25 중량부로 첨가된 이온성 액체를 포함하는 것이 이용될 수 있다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 코인형 고전압 하이브리드 슈퍼커패시터를 나타낸 단면도이다. 여기서, 도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 슈퍼커패시터의 사용 상태도로서, 하이브리드 슈퍼커패시터 전극이 적용된 코인형 고전압 하이브리드 슈퍼커패시터의 단면도를 나타낸 것이다.
도 2에서 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, 양극(120)과 음극(110)은 금속캡(190)과 접착제에 의해 견고하게 고정된다.
코인형 슈퍼커패시터는, 상술한 하이브리드 슈퍼커패시터 전극으로 이루어진 양극(120)과, 상술한 하이브리드 슈퍼커패시터 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 상술한 슈퍼커패시터의 전해액을 주입한 후, 가스켓(192)으로 밀봉하여 제조할 수 있다.
분리막(160)은 폴리올레핀, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등 배터리 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.
한편, 도 3 내지 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 권취형 고전압 하이브리드 슈퍼커패시터를 나타낸 모식도로, 이를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 권취형 고전압 하이브리드 슈퍼커패시터를 제조하는 방법을 구체적으로 설명한다.
하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 제조하는 방법은 앞서 설명한 방법과 동일하다.
하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 구리 호일(Cu foil), 알루미늄 호일(Al foil), 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil)과 같은 금속 호일(metal foil)에 코팅하거나, 하이브리드 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 양극 및 음극 형상으로 제조한다.
이러한 공정을 거친 양극 및 음극 형상에 대하여 건조 공정을 거친다. 건조 공정은 100 ~ 350℃, 바람직하게는 150 ~ 300℃의 온도에서 수행된다. 이때, 건조 온도가 100℃ 미만인 경우 분산매의 증발이 어려워 바람직하지 않으며, 350℃를 초과하는 고온 건조 시에는 도전재의 산화가 일어날 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 건조 온도는 적어도 100℃ 이상이고, 350℃를 넘지 않는 것이 바람직하다.
그리고, 건조 공정은 위와 같은 온도에서 10분 ~ 6시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 하이브리드 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 하이브리드 슈퍼커패시터 전극의 강도를 향상시킨다.
도 3에 도시된 바와 같이, 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 금속 호일에 코팅하거나 시트 상태로 만들어 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 제조한 양극(120) 및 음극(110)에 각각 리드선(130, 140)을 부착한다.
다음으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 분리막(150), 양극(120), 제2 분리막(160) 및 음극(110)을 적층하고, 코일링(coling)하여 롤(roll) 형태의 권취소자(175)로 제작한 후, 롤(roll) 주위로 접착 테이프(170) 등으로 감아 롤 형태가 유지될 수 있게 한다.
양극(120)과 음극(110) 사이에 구비된 제2 분리막(160)은 양극(120)과 음극(110)의 단락을 방지하는 역할을 한다. 제1 및 제2 분리막(150,160) 각각은 폴리올레핀, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등 배터리 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.
다음으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 롤(roll) 형태의 결과물에 실링 고무(sealing rubber)(180)를 장착하고, 금속캡(예컨대, 알루미늄 케이스)(190)에 삽착시킨다.
롤 형태의 권취소자(175)가 함침되 전해액을 주입하고, 밀봉한다.
이와 같이, 제작된 하이브리드 슈퍼커패시터를 도 6에 개략적으로 나타내었다.
상술한 바와 같이 제조된 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터(100)는 양극(120)과 음극(110)이 서로 이격되게 배치되어 있고, 양극(120)과 음극(110) 사이에 양극(120)과 음극(110)의 단락을 방지하기 위한 분리막(150, 160)이 배치되며, 양극(120) 및 음극(110)은 하이브리드 슈퍼커패시터의 전해액에 함침되어 있다.
여기서, 하이브리드 슈퍼커패시터의 전해액은, 비수계 전해액과, 비수계 전해액 100 중량부에 대하여 이온성 액체 1 ~ 25 중량부를 포함하며, 비수계 전해액은 유기용매와, 리튬 염 LiPF6(lithium hexafluorophosphate), LiBF4(lithium tetrafluoroborate), LiClO4(lithium perchlorate), LiFSI(lithium bis(fluorosulfonyl)imide)와, 소듐 염 NaPF6(sodium hexafluorophosphate), NaDFOB(sodium difluoro(oxalate)borate)와, 포타슘 염 KFSI(potassium bis(fluorosulfonyl)imide), KPF6(potassium hexafluorophosphate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전해질 염을 포함한다. 유기용매는 아세토니트릴(acetonitrile), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란, 부티로락톤 및 디메틸포름아미드으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
이온성 액체는 EMITf2N(1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), BMITf2N(1-Butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), EMITFSI(1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), BMIMBF4(1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMBF4(1-Methyl-3-octylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMTf2N(1-Methyl-3-octylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), MEMPBF4(N-(2-Methoxyethyl)-N-methylpyrrolidinium tetraflioroborate) 및 DEMEBF4(N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium tetraflioroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 하이브리드 슈퍼커패시터 제조
실시예 1
음극활물질로 포스포린과 인조흑연을 7 : 3의 중량비로 유발에 넣고 혼합하였다. 다음으로, 음극활물질로 포스포린과 인조흑연 혼합물 0.9g, 도전재로 카본블랙(Super-p) 0.05g 및 바인더로 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 0.05g을 분산매인 에탄올에 넣고, 플래니터리 믹서(planetary mixer)로 3분간 혼합한 후, 손반죽 8회 진행하여 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 조성물을 제조하였다.
다음으로, 양극활물질로 상용 활성탄(CEP21-KS) 0.9g, 도전재로 카본블랙(Super-p) 0.05g 및 바인더로 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 0.05g을 분산매인 에탄올에 넣고, 플래니터리 믹서(planetary mixer)로 3분간 혼합한 후, 손반죽 8회 진행하여 하이브리드 슈퍼커패시터용 양극 조성물을 제조하였다.
다음으로, 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 가압 압력 10 ton/㎠ 및 롤 온도 60℃ 조건으로 롤프레스로 각각 압연 공정을 실시하여 시트 상태로 만들어 집전체에 각각 붙인 후, 150℃의 진공 건조대에 넣고 12시간 건조시켜 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극을 각각 제조하였다.
이때, 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극은 100㎛로 제조하였고, 하이브리드 슈퍼커패시터용 양극은 200㎛로 제조하였다.
다음으로, 진공 건조된 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극을 2032 코인 셀(coin cell)로 조립하였다. 이때 사용한 분리막은 폴리올레핀 필름(polyolefin film, Celgard 2400)을 사용하였다.
다음으로, 진공 건조된 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극에 리튬 도핑하기 위하여 포스포린 및 인조흑연 기반의 음극을 작동전극으로 이용하고, 리튬 금속을 기준전극으로 이용하여 하프셀 조립을 실시하였다.
다음으로, 조립된 하프셀을 1회 충 방전을 실시한 후 2회 방전에서 방전전위를 0.8 V로 설정하여 음극에 삽입되는 리튬 양을 제어하였다.
다음으로, 리튬이 도핑된 셀을 분해하여 작동전극인 포스포린 및 인조흑연 기반의 음극을 꺼내어 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극으로 사용하였다.
다음으로, 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극을 2032 코인 셀(coin cell)로 조립한후, 전해액을 함침시켜 하이브리드 슈퍼커패시터를 제조하였다. 여기서, 사용한 분리막은 폴리올레핀 필름(polyolefin film)이고, 전해액은 리튬배터리용 전해액인 1 M LiPFF6/EC/DMC (1/1, v/v)이다.
비교예 1
하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 집전체에 코팅한 후, 150℃의 진공 건조대에 넣고 12시간 건조시켜 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극을 각각 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 하이브리드 슈퍼커패시터를 제조하였다.
2. 물성 평가
표 1은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 하이브리드 슈퍼커패시터의 전기화학성능 측정 결과를 나타낸 것이다. 또한, 도 7은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 하이브리드 슈퍼커패시터에 대한 전기화학성능 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
이때, 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 하이브리드 슈퍼커패시터의 축전비용량, 에너지밀도, 다양한 전류밀도에 따른 비율 특성, 누설전류, 그리고 방전 시 전압 강하(IR-drop) 등의 측정을 위하여 정전류 충방전법(Galvanostatic Charge/Discharge test)을 진행하였다. 측정을 위하여 사용된 장비는 Potentiostat(VSP, EC-Lab, France)를 사용하였으며 상온에서 1.5 ~ 4.5V 전압범위로 0.1, 0.5, 1, 2, 5, 10, 20, 30, 50 mA/cm2 의 다양한 전류밀도에서 전기화학성능을 확인하였다.
[표 1]
표 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 하이브리드 슈퍼커패시터에 대한 전기화학성능 측정 결과, 코팅 타입인 비교예 1에 비해 러버 타입인 실시예 1의 전극 밀도가 높고, 실시예 1의 전극을 적용한 하이브리드 슈퍼커패시터의 에너지밀도가 코팅 타입으로 제조한 비교예 1의 전극을 적용한 하이브리드 슈퍼커패시터 보다 높은 것으로 나타났다.
즉, 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 하이브리드 슈퍼커패시터를 상온 1.5 ~ 4.5 V 전압 범위에서 다양한 전류밀도(0.1, 0.5, 1, 2, 5, 10, 20, 30, 50 mA/cm2)로 테스트한 결과, 실시예 1에 따라 제조된 하이브리드 슈퍼커패시터는 0.1mA/cm2 에서 137Wh/kg의 에너지 밀도를 나타내었으나, 비교예 1에 따라 제조된 하이브리드 슈퍼커패시터는 0.1mA/cm2 에서 89Wh/kg의 에너지 밀도를 나타내었다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
S110 : 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 조성물 제조 단계
S120 : 하이브리드 슈퍼커패시터용 양극 조성물 제조 단계
S130 : 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 형성 단계
S140 : 음극 도핑 단계
S150 : 전해액 함침 단계
110 : 음극 120 : 양극
130 : 제1 리드선 140 : 제2 리드선
150 : 제1 분리막 160 : 제2 분리막
170 : 접착 테이프 175 : 권취소자
180 : 실링 고무 190 : 금속캡
192 : 가스켓
S120 : 하이브리드 슈퍼커패시터용 양극 조성물 제조 단계
S130 : 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 형성 단계
S140 : 음극 도핑 단계
S150 : 전해액 함침 단계
110 : 음극 120 : 양극
130 : 제1 리드선 140 : 제2 리드선
150 : 제1 분리막 160 : 제2 분리막
170 : 접착 테이프 175 : 권취소자
180 : 실링 고무 190 : 금속캡
192 : 가스켓
Claims (15)
- 포스포린 및 탄소재와의 복합재로 이루어진 음극활물질, 도전재 및 바인더를 분산매에 혼합하여 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 조성물을 제조하는 단계;
활성탄으로 이루어진 양극활물질, 도전재 및 바인더를 분산매에 혼합하여 하이브리드 슈퍼커패시터용 양극 조성물을 제조하는 단계;
상기 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 전극 형태로 제조한 후, 건조하여 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극을 형성하는 단계; 및
상기 하이브리드 슈퍼커패시용 음극 및 양극 사이에 상기 음극과 양극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 음극 및 양극을 전해액에 함침시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 음극 조성물은
상기 음극활물질 100 중량부에 대하여, 도전재 0.1 ~ 20 중량부, 바인더 0.1 ~ 20 중량부 및 분산매 200 ~ 300 중량부로 혼합하는 것을 특징으로 하는 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 제조 방법.
- 제2항에 있어서,
상기 음극활물질은
상기 포스포린 60 ~ 90 중량% 및 탄소재 10 ~ 40 중량%로 혼합된 복합재를 이용하는 것을 특징으로 하는 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 제조 방법.
- 제3항에 있어서,
상기 탄소재는
카본블랙, 그래핀, 탄소 나노튜브, 풀러렌, 인조 흑연, 천연 흑연, 소프트카본 및 하드카본 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 양극 조성물은
상기 양극활물질 100 중량부에 대하여, 도전재 0.1 ~ 20 중량부, 바인더 0.1 ~ 20 중량부 및 분산매 200 ~ 300 중량부로 혼합하는 것을 특징으로 하는 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 제조 방법.
- 제5항에 있어서,
상기 양극활물질은
상기 활성탄만을 사용하는 것을 특징으로 하는 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 전극 형태로 제조하는 단계는,
상기 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 제조하는 것을 특징으로 하는 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 하이브리드 슈퍼커패시터용 음극 및 양극을 형성하는 단계와 상기 음극 및 양극을 전해액에 함침시키는 단계 사이에,
전기화학 도핑법을 이용하여 포스포린 기반의 음극의 전위를 조절하여 음극에 삽입되는 리튬, 소듐 및 포타슘 중 하나 이상의 양을 제어하는 음극 도핑 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 제조 방법.
- 포스포린 및 탄소재와의 복합재로 이루어진 음극활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 음극;
상기 음극과 이격 배치되며, 활성탄으로 이루어진 양극활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 양극;
상기 음극 및 양극 사이에 배치되어, 상기 음극과 양극의 단락을 방지하기 위한 분리막; 및
상기 음극 및 양극에 함침된 전해액;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터.
- 제9항에 있어서,
상기 음극은
상기 음극활물질 100 중량부에 대하여, 도전재 0.1 ~ 20 중량부 및 바인더 0.1 ~ 20 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터.
- 제10항에 있어서,
상기 음극활물질은
상기 포스포린 60 ~ 90 중량% 및 탄소재 10 ~ 40 중량%로 혼합된 복합재를 이용하는 것을 특징으로 하는 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터.
- 제11항에 있어서,
상기 탄소재는
카본블랙, 그래핀, 탄소 나노튜브, 풀러렌, 인조 흑연, 천연 흑연 소프트카본, 및 하드카본 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터.
- 제9항에 있어서,
상기 양극은
상기 양극활물질 100 중량부에 대하여, 도전재 0.1 ~ 20 중량부 및 바인더 0.1 ~ 20 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터.
- 제13항에 있어서,
상기 양극활물질은
상기 활성탄만으로 이루어진 것을 특징으로 하는 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터.
- 제9항에 있어서,
상기 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터는
코인형 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 및 권취형 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 중 어느 하나의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020200064416A KR102379507B1 (ko) | 2020-05-28 | 2020-05-28 | 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200064416A KR102379507B1 (ko) | 2020-05-28 | 2020-05-28 | 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법 |
Publications (2)
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|---|---|
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ID=78868351
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020200064416A KR102379507B1 (ko) | 2020-05-28 | 2020-05-28 | 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법 |
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|---|---|
| KR (1) | KR102379507B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023171842A1 (ko) * | 2022-03-10 | 2023-09-14 | 주식회사 동평기술 | 하이브리드 이온 커패시터 및 이의 제조방법 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20130007080A (ko) * | 2011-06-29 | 2013-01-18 | 한국세라믹기술원 | 비축전용량이 개선된 하이브리드 슈퍼커패시터의 제조방법 |
| KR101456477B1 (ko) | 2013-08-26 | 2014-10-31 | 한국에너지기술연구원 | 산화그래핀 용액을 직접 이용하는 그래핀 기반 박막 슈퍼커패시터 전극 소자 및 그 제조 방법 |
-
2020
- 2020-05-28 KR KR1020200064416A patent/KR102379507B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| KR20130007080A (ko) * | 2011-06-29 | 2013-01-18 | 한국세라믹기술원 | 비축전용량이 개선된 하이브리드 슈퍼커패시터의 제조방법 |
| KR101456477B1 (ko) | 2013-08-26 | 2014-10-31 | 한국에너지기술연구원 | 산화그래핀 용액을 직접 이용하는 그래핀 기반 박막 슈퍼커패시터 전극 소자 및 그 제조 방법 |
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| Title |
|---|
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023171842A1 (ko) * | 2022-03-10 | 2023-09-14 | 주식회사 동평기술 | 하이브리드 이온 커패시터 및 이의 제조방법 |
| KR20230133012A (ko) * | 2022-03-10 | 2023-09-19 | 주식회사 동평기술 | 하이브리드 이온 커패시터 및 이의 제조방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102379507B1 (ko) | 2022-03-28 |
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