KR20220070027A - 바이어싱 전극을 갖는 슈퍼커패시터 - Google Patents

바이어싱 전극을 갖는 슈퍼커패시터 Download PDF

Info

Publication number
KR20220070027A
KR20220070027A KR1020227014469A KR20227014469A KR20220070027A KR 20220070027 A KR20220070027 A KR 20220070027A KR 1020227014469 A KR1020227014469 A KR 1020227014469A KR 20227014469 A KR20227014469 A KR 20227014469A KR 20220070027 A KR20220070027 A KR 20220070027A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
supercapacitor
anode
cathode
biasing
Prior art date
Application number
KR1020227014469A
Other languages
English (en)
Inventor
팔라쉬 강고파디아이
Original Assignee
유빅스, 인크.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 유빅스, 인크. filed Critical 유빅스, 인크.
Publication of KR20220070027A publication Critical patent/KR20220070027A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/08—Structural combinations, e.g. assembly or connection, of hybrid or EDL capacitors with other electric components, at least one hybrid or EDL capacitor being the main component
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32—Carbon-based
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32—Carbon-based
    • H01G11/34—Carbon-based characterised by carbonisation or activation of carbon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32—Carbon-based
    • H01G11/36—Nanostructures, e.g. nanofibres, nanotubes or fullerenes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/50—Electrodes characterised by their material specially adapted for lithium-ion capacitors, e.g. for lithium-doping or for intercalation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/78—Cases; Housings; Encapsulations; Mountings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/78—Cases; Housings; Encapsulations; Mountings
    • H01G11/82—Fixing or assembling a capacitive element in a housing, e.g. mounting electrodes, current collectors or terminals in containers or encapsulations
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/04—Hybrid capacitors
    • H01G11/06—Hybrid capacitors with one of the electrodes allowing ions to be reversibly doped thereinto, e.g. lithium ion capacitors [LIC]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13—Energy storage using capacitors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

본 발명은 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 배치된 바이어싱 전극을 갖는 비대칭 슈퍼커패시터에 관한 것이다. 슈퍼커패시터가 충전됨에 따라, 바이어싱 전극은 물질 수지에 상당하는 양의 전하를 축적하고, 바이어싱 전극에 인가된 독립적인 전압에 의해 전하가 양극 또는 음극에 강제되어, 전하 이중층에서 평형을 유지한다. 일 실시형태에서, 동작 전압은 코인 셀 형태 팩터에서 약 5.5 내지 7.4V이다. 양극 및 바이어싱 전극은 동일한 물질로 제조되고, 일 실시형태에서는 활성탄 및 그래핀 나노플레이트로 제조된다. 음극은 또한 양극 대 음극의 중량비가 1:1이 되지 않도록 양극과는 다은 양의 활성탄 및 그래핀 나노플레이트를 포함할 수 있다. 음극은 또한 리튬화 흑연을 포함할 수 있다.

Description

바이어싱 전극을 갖는 슈퍼커패시터
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2019년 10월 4일에 출원된 동시 출원 중인 미국 가출원 번호 62/910,872의 우선권을 주장한다.
본 발명은 슈퍼커패시터에 관한 것이다. 본 발명은 특히 양극(positive electrode) 또는 음극(negative electrode)의 전하를 바이어스하고 팩에서 슈퍼커패시터의 균형을 능동적으로 돕도록 사용될 수 있는 제3 전극을 갖는 슈퍼커패시터에 관한 것이다.
슈퍼커패시터는 기존의 커패시터에 비해 에너지 밀도가 높고 배터리에 비해 전력 밀도가 높기 때문에 유망한 에너지 저장 장치이다. 전기 에너지를 효율적으로 저장하고 전기 에너지를 신속하게 방출하는 기능으로 인해, 하이브리드 전기 자동차, 회생 제동(regenerative braking) 및 휴대용 전자 장비의 메모리 백업용 전원과 같이 버스트에서 반복적으로 저장 및 전달해야 하는 대량의 에너지를 필요로 하는 분야에 이상적으로 적합하다.
슈퍼커패시터는 일반적으로 2개의 전극, 즉 양극과 음극으로 구성되며, 전해질과 분리막으로 분리되어 전극을 서로 전기적으로 절연된 상태로 유지하면서 이온의 전달을 가능하게 하는 전기화학 소자이다. 전해질은 수성, 유기 또는 이온성 액체일 수 있다. 전극의 표면은 다공성 물질로 제조되어 비다공성 물질보다 전극 표면의 표면적이 더 넓다. 슈퍼커패시터에 전압이 인가되면 전해질 용액의 이온이 반대 전하를 띤 전극의 기공 내로 확산된다. 전하가 전극과 전해질 사이의 계면에 축적되어 매우 작은 분리 거리로 2개의 대전된 층을 형성한다.
표면적이 증가하고 2개 플레이트 사이의 거리가 감소함에 따라 커패시턴스가 증가한다는 점을 감안할 때, 슈퍼커패시터는 표면적이 매우 크고 이중 전하층 사이의 간격이 극히 작기 때문에 기존 커패시터에 비해 향상된다.
전극에 인가될 수 있는 최대 전압은 전해질의 분해 전압과 슈퍼커패시터 내의 2 전극 사이의 전위차에 의해 제한된다. 일반적으로 비대칭 슈퍼커패시터는 양극과 음극의 서로 다른 전기화학적 윈도우를 최대한 활용하기 위해 2개의 서로 다른 전극 물질을 사용하여 조립되며, 이는 장치의 최대 전지 동작 전압을 증가시킨다. 이것은 에너지 밀도를 크게 향상시킨다. 오늘날 슈퍼커패시터의 표준 구성은 활성탄을 활성 전극 물질로 사용하고 유기 용매를 전해질로 사용한다.
공지된 디자인의 슈퍼커패시터는 오직 최대 약 1 내지 3.4V의 좁은 동작 전압을 달성한다. 더 높은 동작 전압을 달성하기 위해, 단일 셀 슈퍼커패시터가 직렬로 조합되거나 적층된다. 그러나 공지된 슈퍼커패시터는 커패시턴스, 저항 및 누설 전류에서 최대 +/- 20%의 변동을 갖는다. 이러한 차이는 단일 셀 슈퍼커패시터가 적층될 때 누적되어 셀 전압과 잠재적인 과전압의 불균형을 생성한다. 이러한 불균형을 관리하기 위해, 일반적으로 외부 형평 회로가 양극-음극 회로의 스택과 병렬로 배치된다. 불행하게도, 외부 바이어싱 회로는 내부 저항으로 인해 심각한 에너지 손실을 겪으며, 결과적으로 형평 회로와 슈퍼커패시터 사이의 전압 강하가 발생한다. 일부 셀 어셈블리는 내부 집전체를 사용한 다음, 접지를 가능하게 하는 제3 전극에 연결하거나 불균형을 제어하기 위해 MOSFET에 연결한다. 더 높은 동작 전압과 에너지 손실이 없는 더 단순한 슈퍼커패시터가 요구된다.
발명의 개요
본 발명은 양극, 음극 및 본 명세서에서 바이어싱 전극으로 지칭되는 제3 전극을 갖는 슈퍼커패시터이다. 바이어싱 전극은 양극과 음극 사이에 물리적으로 배치된다.
바이어싱 전극에 인가된 전압은 양극 및 음극에 인가된 전압과 독립되어 있다. 즉, 바이어싱 전극 회로는 양극 및 음극의 회로에 전기적으로 접속되지 않는다. 바이어싱 전극은 슈퍼커패시터가 충전될 때 물질 수지에 상당하는 양의 전하를 축적하고 저장하다. 바이어싱 전극은 양극-음극 회로의 일부가 아니기 때문에, 이 수집된 전하는 정상적인 방전 주기 동안 고갈되지 않는다. 양극과 음극이 고갈됨에 따라, 바이어싱 전극에 인가된 독립적인 전압은 슈퍼커패시터 내의 전하가 양극 또는 더 열화된 음극, 일반적으로 양극으로 강제되어 전하 이중 층에서 평형을 유지하도록 한다. 이러한 전하의 안정성은 전극의 안정성이 향상되고 동작 전압이 증가하는 것과 같다. 일 실시형태에서, 이 슈퍼커패시터는 코인 셀 형태 팩터에서 약 5.5 내지 7.4V의 동작 전압을 갖는다.
바이어싱 다이오드를 갖는 코인 셀 슈퍼커패시터의 제조 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 단일 셀 슈퍼커패시터 단면의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 적층된 슈퍼커패시터 단면의 개략도이다.
도 3a는 종래 기술의 일반적인 대칭 슈퍼커패시터에서 전극 전위, 전압 및 전하 사이의 관계를 예시하는 그래프이다.
도 3b는 본 발명의 비대칭 슈퍼커패시터에서 전극 전위, 전압 및 전하 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 0.01V/s에서 본 발명의 대표적인 슈퍼커패시터의 순환 전압전류도이다.
도 5는 상이한 정전류율에서 도 4의 슈퍼커패시터의 충방전 그래프이다.
도 6a는 전기 이중층 커패시터("EDLC") 전극 및 소자에 대한 나이퀴스트(Nyquist) 플롯의 일반적인 물리적 해석을 예시하는 선행 기술의 그래프이다.
도 6b는 도 4의 슈퍼커패시터의 나이퀴스트 플롯이다.
도 7은 도 4의 슈퍼커패시터의 등가회로도이다.
도 8은 상이한 충전 상태에서의 전기화학적 임피던스 스펙트럼의 그래프이다.
본 발명은 양극, 음극, 및 본 명세서에서 바이어싱 전극으로 지칭되는 제3 전극을 갖는 슈퍼커패시터이다. 도 1 및 2 참조. 이들 도면에서, 양극 및 바이어싱 전극은 기능을 구별하기 위해 상이한 선영(hatching)을 사용하여 묘사되지만, 대부분의 실시형태에서 그것들은 동일한 물질로 만들어진다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 전극을 위한 "물질"은 단일 성분 또는 성분들의 조합을 포함할 수 있다. 바이어싱 전극은 양극과 음극 사이에 물리적으로 존재하며, 집전체 및 에너지 저장 전극의 역할을 한다. 바이어싱 전극에 인가된 전압은 양극 및 음극에 인가된 전압과 독립되어 있으며, 양극 또는 음극일 수 있다. 즉, 바이어싱 전극 회로는 양극 및 음극의 회로에 전기적으로 접속되지 않는다. 이는 공통 소스로부터의 전압이 스택의 중간 양극 및 음극 각각에 인가되는 종래 기술의 스택 커패시터와 대조된다.
고 전력 저장 시스템에서, 바이어싱 전극은 또한 작은 피드백 루프 전압을 인가함으로써 능동 형평 회로로서 사용될 수 있다. 전압(양 또는 음)은 셀 수준에서 과전압 또는 부족 전압을 조정할 수 있고, 셀의 내부 바이어싱을 활성화할 수 있으며, 이는 외부 바이어싱보다 더 효율적이다.
양극 및 바이어싱 전극은 바람직하게는 단일 층에서 활성탄 및 그래핀 나노플레이트("GNP")의 조합으로 제조된다. 표 1 참조. 음극은 활성탄, GNP 및 리튬화 흑연의 조합으로 제조되는 것이 바람직하다. 일부 경우에, 다공성 탄소, 탄소 나노튜브, 다층 그래핀 및 산화 그래핀과 같은 기타 탄소계 물질(본 명세서에서 탄소 동소체(allotropes)라고 함)는 전극/전해질 계면에서 높은 표면적 및 정전기 전하 저장 메커니즘으로 인해 전극에 사용될 수 있다. 금속 산화물이 또한 전극에 사용될 수 있다.
　 양극 바이어싱 전극 음극 슬러리 액체 또는 전해질 어셈블리 잉크
전극
활성탄 60 중량% 60 중량% 30 중량%
GNP 30 중량% 30 중량% 20 중량%
리튬화 흑연 0 0 10-40 중량%
PVA 4 중량% 4 중량% 4 중량%
셀룰로오스 6 중량% 6 중량% 6 중량%
전해질
(Pip1, 4)B(CN4) 30 중량%
EMI:TFSI 40 중량%
EMIBF4 30 중량%
슬러리 액체
아세톤 25 중량%
물 5 중량%
에틸 아세테이트(또는 락테이트) 70 중량%
어셈블리 잉크
- 인쇄 필름
에틸 락테이트 70 중량%
에틸 아세테이트 20 중량%
에틸렌 글리콜 아세테이트 10 중량%
OR
- 스프레이 필름
아세톤 80 중량%
에틸 락테이트 20 중량%
바인더(메틸- 또는 -니트로-셀룰로오스 5-8 중량%
GNP 10-15 중량%
당업계의 숙련자는 표 1에 주어진 중량 백분율이 원하는 동작 파라미터 및 비용에 따라 ±10 중량%만큼 변할 수 있음을 인식할 것이다.
본 발명의 단일 코인 셀을 제조하는 방법의 한 실시형태는 일반적으로 리튬 이온 배터리로부터 리튬화 흑연을 수집하고 흑연으로부터 코인을 제조한 다음 원하는 전해질에 침지하는 것을 포함한다. 이러한 방식으로 전해질은 전지 조립 중에 추가 전해질이 추가되는 기존 공정과 달리 전극에 흡수된다.
리튬(Li) 이온 배터리로부터 리튬화 흑연을 수집하기 위해, 리튬 이온 배터리는 반복적으로 충전하고 적어도 24 시간 동안 공칭 충전 설정에서 충전된 상태로 두어 완전히 충전된다. 구리 집전체의 흑연 전극을 분리하고 이소프로필 알코올로 세척하고 불활성 기체 흐름 하에서 건조한다. 일단 건조되면, 리튬화 흑연은 구리 집전체에서 찰상(scraping)을 받을 수 있다.
슈퍼커패시터용 전극은 건조 성분을 계량 및 혼합하여 제조된다. 그 다음, 혼합된 건조 성분을 용매 용액에서 폴리비닐 아세테이트(PVA) 및 셀룰로오스와 같은 바인더 및 증점제와 혼합하여 슬러리를 제조한다. 일반적으로 용매 용액은 아세톤:물:에틸 알코올 용액이지만, 이소프로필 알코올, 디메틸 설폭사이드, 디메틸 포름아미드, 디에틸 케톤 및 이들의 혼합물과 같은 기타 용액으로도 충분할 수 있다. 예를 들어, 100g의 고체를 아세톤:물:에틸 알코올 용액의 25:5:70 혼합물과 혼합한다.
슈퍼커패시터의 바람직한 실시형태는 물질적으로 비대칭인 슈퍼커패시터에서 알려진 바와 같이 각 전극의 상이한 물질과 대조적으로, 양극 및 음극 각각에 상이한 양의 그래핀을 갖는 중량 비대칭이다. 이것은 양극:음극의 중량비를 조절하는 것을 가능하게 한다. 이 비대칭 설계의 주요 이점 중 하나는, 두 전극의 중량 비율을 조정하여, 특히 음극의 무게를 감소시킴으로써, 용도에 맞게 필요한 경우 동작 전압을 줄이고 정전 용량을 증가시킬 수 있다는 것이다. 도 3a 및 3b 참조. 예를 들어, 일부 실시형태에서 음극은 7.5V 슈퍼커패시터를 위한 40 중량%의 리튬화 흑연, 5.65V 슈퍼커패시터를 위한 25% 리튬화 흑연 및 약 4.5V 슈퍼커패시터를 위한 10% 리튬화 흑연을 포함한다.
슬러리는 불활성 기체 흐름 하에서 건조되어 용매를 증발시키고 일관된 반죽(dough)을 형성한다. 반죽을 누르거나 평평한 시트로 말아서 건조시킨다. 반죽이 건조되면, 롤러에 넣어 압축한다. 건조된 반죽으로부터 전극을 2430 및 2032 코인 셀 형태 팩터의 둥근 코인과 같은 원하는 모양으로 절단하고 전해질에 24시간 동안 침지시키거나 접촉시킨다. 전해질은 이온성 액체를 원하는 비율로 혼합하여 제조된다. 표 1은 30 중량%의 테트라시아노보레이트 N-부틸-N-메틸피페리디늄(Pip1,4)B(CN4), 40 중량%의 l-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스-(트리플루오로메틸술포닐)-이미드(EMI:TFSI), 및 30 중량%의 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트(EMIBF4)의 전해질을 기재하고 있다. 다른 이온 용액으로 충분하다.
전극은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 원하는 대로 단일 셀 또는 적층 셀 배열로 조립되며, 각 전극 사이에는 분리막이 있다. 각 분리막은 전극들 사이에 물리적 장벽을 제공하여 단락을 방지하고 이상적으로는 충방전을 위한 전해질의 흐름을 가능하게 하기 위해 높은 다공성을 나타낸다. 분리막 물질로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌과 같은 미세 다공성막, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 셀룰로오스, 심지어는 일반 흰색 프린터 용지가 있다.
구성요소는 일반적으로 중합체 적층 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된 보호 금속 케이스로 둘러싸여 있다. 전극과 금속 케이스 사이의 더 나은 전자 전달을 위해, 금속 케이스 내부는 인쇄, 브러싱, 롤링 또는 스프레이 페인팅에 의해 어셈블리 잉크의 박막으로 코팅된다. 필름은 잉크젯 인쇄용 에틸 락테이트, 에틸 아세테이트 및 에틸렌 글리콜 용액, 또는 스프레이 코팅용 아세톤 및 에틸 락테이트의 용액 중의 바인더 및 GNP의 현탁액이다. 일단 조립되면, 케이스 가장자리가 함께 압착되어 슈퍼커패시터를 완성한다.
슈퍼커패시터의 성능을 특성화하기 위해 평가된 모든 파라미터는 화학적 조성, 기공 구조, 질량, 두께, 구성 및 특성화 기술, 기기 및 프로토콜과 같은 많은 요인에 따라 달라진다. 도 4, 5, 6b, 8 및 표 2는 이러한 비대칭 준-하이브리드 시스템 내에서 전하 방전 특성과 용량성 저장의 시간 의존적 변화를 강조하는 본 장치의 대표적인 데이터 세트를 제시한다.
종래 기술의 고속 충전 대칭 탄소-탄소 슈퍼커패시터와 달리, 본 중량 비대칭 슈퍼커패시터에서는 충전 및 방전 동안 확산에 의한 전하의 재분배 또는 헬름홀츠(Helmholtz) 층 내에서 전하의 재분배가 매우 동적이고 슈퍼커패시터의 설계 파라미터의 이해 및 최적화에 중요한 역할을 한다. 도 4, 5, 6b 및 표 2에 나타낸 모든 데이터는 2-전극 측정으로서 슈퍼커패시터 코인 셀로부터 직접 수집되고, 그에 따라 처리되어 커패시턴스와 등가 직렬 저항("ESR") 값을 계산한다. 도 8에 표시된 전기화학적 임피던스 분광법 데이터는 3단자(양극, 음극 및 바이어싱 전극) 코인 셀 측정으로부터 수집되었으며, 현재 비대칭 셀에서 휴지 상태와 서로 다른 충전 상태에서 상호 작용의 동적 특성을 예시한다.
도 6b에 도시된 나이퀴스트 플롯의 저주파 테일은 실제 임피던스 축(Z')으로부터 45°에서 90°사이에 있으며, 이는 장치가 EDLC 메커니즘 및 의사용량(pseudocapacitive) 메커니즘 둘 모두를 기반으로 전하를 저장함을 나타낸다. 도 6b의 반원의 직경은 전극-전해질 계면에서의 전하 이동 저항에 상응한다. 도 6b의 장치에 대해서, 전하 이동 저항은 약 1.0 Ω이다. 고주파에서 반원과 실제 임피던스 축의 교차는 전극 물질, 케이스와 전극의 접촉 저항, 케이스 저항을 포함한 장치 고유 저항을 나타낸다. 도 6b 및 8에서는 관찰된 고유 저항이 3.0 내지 5.0 Ω 범위에서 장치 간에 매우 일관적임을 보여준다. 도 8은 전극-전해질 계면에서 전하 형성 및 전하 전달의 변화를 보여준다. 확산층의 급경사(정지 상태, V = 0.0V)는 전압이 인가되면 낮아져 이온이 전극 표면으로 급속히 확산됨을 나타낸다. 5.5V에서, 확산층의 기울기는 거의 0이며, 이는 이온이 전극 표면을 완전히 점유함을 의미한다. 더 높은 외부 전압이 인가됨에 따라, 반원(정지된 장치, V=0.0V)의 직경이 증가하고 단일 반원은 2개의 상이한 저항 전하 전달 영역을 나타내는 2개의 반원의 중첩된 이미지로 변환된다. 이러한 슈퍼커패시터의 동작 온도는 -40 내지 70°C 범위이다.
치수 (D X H) 24.5 x 7.3 mm
단위 부피 3,44148 x 10-6 m3
공칭 단위 중량 0.007 kg
시험 온도 25 ℃
시험 전압 5.5 V
접속 저항 0.3 Ω
일정한 방전 전류 0.01 0.025 0.05 A
커패시턴스 4.15 3.68 2.08 F
ESR-DC 28.38 24.79 21.39 Ω
에너지 0.0174 0.0155 0.0087 Wh
전력 0.2665 0.3051 0.3536 W
부피 에너지 밀도 5,064.67 4,316.89 2,533.30 Wh/m3
부피 전력 밀도 77,426.11 85,148.78 102,748.70 W/m3
중량 에너지 밀도 2.49 2.21 1.25 Wh/kg
중량 전력 밀도 38.07 43.59 50.52 W/kg
다음은 슈퍼커패시터의 제조를 설명한다.
슈퍼커패시터 조성:
리튬화 흑연: 완전히 충전된 4.2V 리튬 이온 배터리 애노드(NMC-흑연)로부터 수집. 7Ah, 4.2V NMC-흑연 배터리는 0.05G의 Li/G의 캐소드 물질과 약 8G의 리튬/G 전해질을 가지며, 일반적으로 (평균) 70G의 캐소드와 24G의 흑연을 함유한다. 배터리(셀)를 수집하기 전에 반복적으로 충전해야 하며 24시간 동안 공칭 충전 설정으로 충전해야 한다. 충전된 배터리를 분해할 때는 주의해야 한다. 이 과정에서 배터리 전극을 단락시키지 말고 오버헤드 불활성 가스 흐름을 사용해야 한다. 안전하게 제거되면, 흑연 전극(구리 집전체에서)을 분리하고, 정(positive)의 불활성 가스 흐름에서 건조하기 전에 IPA로 세척한다. 구리로부터 리튬화 흑연을 스크래핑 제거하고, 각 배터리로부터 약 15G의 리튬화 흑연을 수집할 수 있어야 한다. 이 많은 리튬화 흑연은 약 10개의 슈퍼커패시터에 대해 충분한다.
활성탄: 활성탄은 구입한 그대로 사용하였다.
그래핀 첨가제: 그래핀은 팽창 흑연으로부터 박리되었으며, GNP 및 다층 그래핀 모두는 전극에 사용될 수 있다.
전극 혼합물: 양극 및 바이어싱 전극: 활성탄: GNP: 부분적으로 가수분해된 PVA(저 분자량): 메틸 셀룰로오스: 60:30:4:6(60:35:3:2도 기능함).
음극: 활성탄: GNP: 리튬화 흑연: 부분 가수분해된 PVA(저분자량): 메틸 셀룰로오스: 30: 20: 40: 4: 6(리튬화 흑연의 %는 조정된 최종 전압에 대해 10 내지 40% 사이에서 조정될 수 있음). 7.5V 슈퍼커패시터에는 40 중량%의 리튬화 흑연, 5.65V 슈퍼커패시터에는 25% 리튬화 흑연, 약 4.5V 슈퍼커패시터에는 10% 리튬화 흑연이 사용되었다.
슬러리: 진공 혼합물을 사용하여 아세톤:물:에틸 아세테이트(또는 락테이트)의 25:5:70 혼합물에서 약 100 G의 고체 슬러리를 제조한다. 최대 rpm에서, 적어도 3시간 동안 슬러리를 혼합한다. 일관된 반죽을 얻을 수 있을 때까지 용매를 증발시킨다. 그것을 압착하여 부드럽고 평평하고 젖은 반죽을 제조한다. 이를 건조한다.
압축기: 롤러를 통과시켜 130℃에서 원하는 두께(목표 두께 약 1mm)를 달성한다. 이것은 비교적 평평한 시트를 제공해야 하며, 완전히 건조되지 않도록 해야 한다. 그 결과 얻어진 물질의 시트는 젖은 고무 같은 일관성(consistency)을 유지해야 한다. 가장자리를 잘라내고 시트를 사용하여 전극을 절단한다. 절단되면 즉시 전극을 전해질에 침지한다.
전해질: (Pip1,4)B(CN)4: EMI:TFSI: EMIBF4:: 30:40:30. 잘 혼합한다. 전극과 분리막을 전해질에 24시간 동안 침지함으로써 잘 습윤시킨다. 형성 중에 추가 전해질을 추가할 필요가 없다.
분리막: 보통의 흰색(염색되지 않음, 파란색이 아님) 인쇄지를 분리막으로 사용하였다.
어셈블리 잉크: 용매 혼합물(인쇄): 에틸 락테이트, 에틸 아세테이트 및 에틸렌 글리콜 아세테이트: 70:20:10.
용매 혼합물(스프레이 또는 기타 코팅 방법): 아세톤, 에틸 락테이트: 80:20.
바인더: 메틸셀룰로오스 또는 니트로셀룰로오스. 참고: 메틸셀룰로스가 더 나은 결합 특성을 갖지만, 니트로셀룰로스가 더 나은 전도성을 제공한다.
그래핀 2.5 내지 30 중량%는 GNP의 용도와 크기에 따라 달라진다. 슈퍼커패시터의 경우, 10 내지 15 중량%가 최적이다.
10 mG/mL 농도로 IPA에 분말화된 셀룰로스 바인더(메틸셀룰로스를 모든 슈퍼커패시터에 사용됨)를 분산시키고, 최대 rpm에서 2시간 동안 진공 혼합하였다. 150 mG/mL 그래핀(GNP)을 첨가하고, 최대 rpm에서 4시간 동안 진공 혼합하였다. 이것은 균일한 현탁액을 제공하고 침전시킨다음 여과하였다. 현탁액이 침전되지 않으면, 염화나트륨 용액(15 중량/중량%)을 사용하여 희석한 후 여과하였다. 건조하고, 분말을 수집한 후, 절구(mortar)와 유봉으로 분쇄하였다(또는 분쇄기 사용). 분쇄기를 사용하는 경우, 분쇄 매질로 15 중량%의 건조 에탄올을 사용한다.
건조 분말을 선택한 용매 혼합물에 첨가하고, 최대 rpm에서 4시간 동안 진공 혼합한다. 어셈블리 잉크를 사용하여 금속 케이스의 적절한 면을 코팅한다. 코팅에는 작은 페인트 브러시를 사용하였다. 어셈블리 잉크가 완전히 건조되기 전에 전극을 배치한다.
형성: 슈퍼커패시터를 조립하기 위해 크림핑 기계를 사용한다. 바이어싱 전극이 있는 슈퍼커패시터에 필요한 경우 금속 케이스를 납땜한다.
본 발명의 바람직한 실시형태로 간주되는 것을 예시하고 설명하였지만, 본 발명의 진정한 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있고 균등물이 구성요소를 대체할 수 있다는 것은 당업자에 의해 이해될 것이다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정 실시형태에 제한되지 않고, 본 발명이 첨부된 청구범위 내에 속하는 모든 실시형태를 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. a. 양극;
    b. 음극; 및
    c. 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된 바이어싱 전극
    을 포함하는 슈퍼커패시터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바이어싱 전극에 인가된 제1 전압은 상기 양극 및 음극의 회로에 전기적으로 접속되지 않는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 양극 및 바이어싱 전극은 동일한 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 양극은 제1 물질을 포함하고, 상기 음극은 제1 물질을 포함하고, 상기 양극 대 상기 음극의 중량비가 1:1이 되지 않도록 상기 양극 및 음극 각각에 제1 물질의 양이 상이한 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 물질은 탄소 동소체를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 물질은 활성탄 및 그래핀 나노플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 음극은 상기 제1 물질과 상이한 제2 물질을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 음극의 제2 물질은 리튬화 흑연을 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 음극의 리튬화 흑연은 약 10 내지 40 중량%인 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 리튬화 흑연의 양이 4.5V보다 큰 동작 전압을 생성하기에 충분한 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
  11. a. 제1 인가 전압과 전기적으로 소통하는 양극 및 음극; 및
    b. 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된 바이어싱 전극을 포함하는 슈퍼커패시터로서,
    i. 상기 바이어싱 전극은 제2 인가 전압과 전기적으로 소통하고; 및
    ii. 상기 제2 인가 전압은 상기 제1 인가 전압에 전기적으로 접속되지 않는 슈퍼커패시터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 양극은 제1 물질을 포함하고, 상기 음극은 상기 제1 물질을 포함하며, 상기 양극 대 음극의 중량비가 1:1이 되지 않도록 상기 양극과 음극 각각에서 제1 물질의 양이 상이한 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 물질은 탄소 동소체인 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 물질은 활성탄 및 그래핀 나노플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 음극은 4.5V보다 큰 동작 전압을 생성하기에 충분한 양의 리튬화 흑연을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
  16. a. 양극;
    b. 음극; 및
    c. 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된 바이어싱 전극으로서, 상기 바이어싱 전극에 인가된 제1 전압이 상기 양극 및 음극에 인가된 제2 전압과 독립되어 있는 바이어싱 전극을 포함하는 슈퍼커패시터.
  17. 제16항에 있어서,
    a. 상기 양극 및 바이어싱 전극은 각각,
    i. 50 내지 70 중량% 범위의 활성탄; 및
    ii. 20 내지 40 중량% 범위의 그래핀 나노플레이트
    를 포함하고; 그리고
    b. 상기 음극은,
    i. 20 내지 40 중량% 범위의 활성탄;
    ii. 10 내지 30 중량% 범위의 그래핀 나노플레이트; 및
    iii. 10 내지 40 중량% 범위의 리튬화 흑연
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 양극 및 바이어싱 전극은 각각 60 중량% 활성탄 및 30 중량% 그래핀 나노플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 음극이 30 중량% 활성탄, 20 중량% 그래핀 나노플레이트, 및 10 내지 40 중량% 리튬화 그래핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
  20. 제16항에 있어서,
    a. 상기 양극 및 바이어싱 전극은 각각,
    i. 약 60 중량%의 활성탄; 및
    ii. 약 30 중량%의 그래핀 나노플레이트
    를 포함하고; 그리고
    b. 상기 음극은,
    i. 약 30 중량%의 활성탄;
    ii. 약 20 중량%의 그래핀 나노플레이트; 및
    iii. 원하는 동작 전압에 의존하는 약 10 내지 40 중량%의 리튬화 흑연
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
KR1020227014469A 2019-10-04 2020-10-02 바이어싱 전극을 갖는 슈퍼커패시터 KR20220070027A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201962910872P 2019-10-04 2019-10-04
US62/910,872 2019-10-04
PCT/US2020/054138 WO2021067862A1 (en) 2019-10-04 2020-10-02 Supercapacitor with biasing electrode

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20220070027A true KR20220070027A (ko) 2022-05-27

Family

ID=75274290

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020227014469A KR20220070027A (ko) 2019-10-04 2020-10-02 바이어싱 전극을 갖는 슈퍼커패시터

Country Status (9)

Country Link
US (1) US11728099B2 (ko)
EP (1) EP4038650A4 (ko)
JP (1) JP2022550959A (ko)
KR (1) KR20220070027A (ko)
AU (1) AU2020356956A1 (ko)
CA (1) CA3153442A1 (ko)
IL (1) IL291860A (ko)
MX (1) MX2022004031A (ko)
WO (1) WO2021067862A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11127538B2 (en) 2017-02-20 2021-09-21 The Research Foundation For The State University Of New York Multi-cell multi-layer high voltage supercapacitor apparatus including graphene electrodes

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006344845A (ja) * 2005-06-10 2006-12-21 Murata Mfg Co Ltd コンデンサ
JP2008066682A (ja) * 2006-09-05 2008-03-21 Taiyo Yuden Co Ltd 可変キャパシタ
WO2011140150A1 (en) 2010-05-03 2011-11-10 Georgia Tech Research Corporation Alginate-containing compositions for use in battery applications
US8795899B2 (en) 2010-08-19 2014-08-05 Nanotek Instruments, Inc. Lithium super-battery with a functionalized nano graphene cathode
CN103597564B (zh) * 2011-04-06 2016-03-16 英派尔科技开发有限公司 离子电子导电聚合物电容器
WO2017023797A1 (en) 2015-07-31 2017-02-09 Ada Technologies, Inc. High energy and power electrochemical device and method of making and using same
IL247365B (en) * 2016-08-18 2018-11-29 Pocell Tech Ltd Asymmetric supercapacitor electrode having a combination of carbon allotropes
WO2018169830A1 (en) 2017-03-13 2018-09-20 The Regents Of The Universtiy Of California A method of producing pre-lithiated graphite from recycled li-ion batteries
CN107680819B (zh) * 2017-09-13 2019-02-01 中国科学院电工研究所 一种锂离子电容器
US10957495B2 (en) * 2018-01-03 2021-03-23 Nanotek Instruments Group, Llc Supercapacitor and electrode having cellulose nanofiber-spaced graphene sheets and production process
HRP20231014T1 (hr) * 2018-07-30 2023-12-08 Digital Concepts Company Limited Upravljivi kondenzator i postupak njegovog upravljanja i proizvodnje

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021067862A1 (en) 2021-04-08
US20210104369A1 (en) 2021-04-08
MX2022004031A (es) 2022-07-19
JP2022550959A (ja) 2022-12-06
AU2020356956A1 (en) 2022-05-26
EP4038650A1 (en) 2022-08-10
IL291860A (en) 2022-06-01
EP4038650A4 (en) 2023-10-18
US11728099B2 (en) 2023-08-15
CA3153442A1 (en) 2021-04-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8591601B2 (en) Electrode for energy storage device with microporous and mesoporous activated carbon particles
US20080003166A1 (en) Methods of forming nanoporous carbon material and electrodes and electrochemical double layer capacitors therefrom
Bhattacharjya et al. Study of electrode processing and cell assembly for the optimized performance of supercapacitor in pouch cell configuration
JP2008227481A (ja) 導電性スラリー、電極スラリー、それらを用いた電気二重層キャパシタ用電極
US20070070580A1 (en) Electric double layer capacitor
KR102269341B1 (ko) 고 기공 탄소 소재를 이용한 고출력 전기 에너지 저장장치
KR20220070027A (ko) 바이어싱 전극을 갖는 슈퍼커패시터
WO2009123031A1 (ja) 電気化学素子用電極の製造方法
US9679704B2 (en) Cathode for a lithium ion capacitor
KR101085359B1 (ko) 에너지 저장 장치의 리튬 메탈 커패시터 및 제조 방법
US20220165511A1 (en) Advanced lithium-ion energy storage device
WO2022196746A1 (ja) 電気化学キャパシタ
KR100434827B1 (ko) 폴리피롤을 이용한 슈퍼커패시터용 분극성 복합전극 및 그제조 방법
JP2008130740A (ja) 電気二重層キャパシタ用電極およびその製造方法
KR102188237B1 (ko) 전해액 함침성이 우수한 전극을 제조할 수 있는 슈퍼커패시터 전극용 조성물, 이를 이용한 슈퍼커패시터 전극의 제조방법 및 상기 제조방법을 이용하여 제조된 슈퍼커패시터
KR20180019812A (ko) 전기적 안정성이 우수한 울트라커패시터 전극용 조성물, 이를 이용한 울트라커패시터 전극의 제조방법 및 상기 제조방법을 이용하여 제조된 울트라커패시터
KR100451133B1 (ko) 폴리피롤을 함유한 분극성 복합전극을 이용한 슈퍼커패시터
KR102172605B1 (ko) 슈퍼커패시터의 전해액, 이를 이용한 고전압 슈퍼커패시터 및 그 제조방법
AU2015210434A1 (en) Electrochemical capacitor
JP2007214174A (ja) 積層型電極及びそれを用いた電気二重層キャパシタ
WO2022086930A2 (en) Advanced lithium-ion energy storage device
JP2004111719A (ja) 電気二重層コンデンサ及びその製造方法
JP2024011759A (ja) 非水系リチウム蓄電素子
KR20110017218A (ko) 칩형 리튬 메탈 커패시터 및 제조 방법
KR20180021529A (ko) 음극의 제조방법