KR20230001565A - 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20230001565A
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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼커패시터는, 양극박, 음극박, 및 상기 양극박과 음극박 간에 개재된 분리막을 권취하도록 이루어진 권취 소자와 전해액을 포함하고, 상기 권취 소자는, 상기 양극박과 음극박 중 적어도 하나가 다른 하나의 외측에 위치되도록 권취되고, 상기 양극박과 음극박 중 적어도 하나의 최외각 표면 상에 상기 다른 하나가 적어도 1회 이상 추가로 권취되도록 이루어질 수 있다.
이러한 구성에 따르면, 85℃ 이상의 고온 및/또는 2.7V이상의 고전압에서도 에서도 우수한 내구성 및 충방전 특성을 나타내고 장수명 유지가 가능하게 된다.

Description

슈퍼커패시터 및 그 제조 방법 {Supercapacitor and manufacturing method thereof}
본 발명은 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고온 내구성 및 충방전 특성 등의 성능을 향상시키기 위해 전극 구조가 개선된 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
[과제고유번호] CBTP-B-19-03-R001
[부처명] 충청북도
[연구관리전문기관] 충북테크노파크
[연구사업명] 이차전지 소재부품 기술개발사업(R&D)
[연구과제명] 국산자립화 소재를 활용한 비상 자동폐쇄장치용 슈퍼커패시터 개발
[기여율] 100%
[주관기관] 퓨리켐
[연구기간] 20.11.01 ~ 21.10.31
최근 에너지저장장치 분야에서는 균일하지 못한 전력 공급과 급격한 부하 변동시 발생하는 순간적 전압 강하를 방지하고 에너지저장장치의 수명을 연장시키기 위해 다양한 연구가 수행되고 있다. 에너지저장장치 중 이차전지는 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있으나 출력 밀도가 낮은 반면 커패시터는 뛰어난 출력 밀도와 수명 특성을 지니지만 에너지 밀도가 낮은 단점이 있다. 슈퍼커패시터는 울트라커패시터로도 불리며 일반 커패시터보다 에너지 밀도가 높고, 출력밀도는 이차전지에 비해 높은 장점을 가진다.
슈퍼커패시터에는 전극 및 작동원리에 따라 크게 전기이중층 커패시터, 유사 커패시터, 하이브리드 커패시터로 나눌수 있다 그 중 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacity: EDLC)는 이온의 흡착 및 탈착을 통해 에너지를 저장하는 장치로서 고출력 및 장수명 특성을 가져 차세대 에너지 저장장치로서 다양한 분야에서 각광을 받고 있는 에너지 저장장치이나, 고온 또는 고전압 환경에서 셀을 작동할 때 전해액의 산화·환원 반응 및 부반응으로 인해 수명이나 출력과 같은 전기화학적 성능에 영향을 미친다. 따라서, 고온 또는 고압 환경에서의 내구성 및 수명특성을 개선하기 위하여 전기이중층 커패시터 또는 그 하이브리드 커패시터의 소재, 전극 및 셀 구조 설계 등에 대한 다양한 연구들이 수행되고 있다.
특허 제1675786호는 1.8V 및 100℃ 이상에서 사용이 가능하며 내충격성을 가지고 장기 수명 특성을 갖도록 셀 구조를 개선한 전기이중층 커패시터에 대하여 개시한다. 도 1을 참조하면, 이러한 전기이중층 커패시터 (100)는 셀 케이스 내부에 전해액에 함침되는 권취 소자(150)를 구비하며, 권취 소자(150)는 캐비티(C)를 중심에 두고 양극박(120)과 음극박(130)이 분리막(140)을 사이에 두고 동시에 권취되며, 캐비티(C) 내에 코일 형상의 스프링 형태의 가압 부재 (160)를 끼움 결합 방식으로 체결하는 것에 의해, 권취 소자(150)의 중심부로부터 방사상으로 압력이 인가되어 우수한 내충격성 및 내구성을 확보할 수 있도록 구성되어 있다.
그러나, 위와 같은 구조의 경우 제조 공정에서 가압 부재(160)를 부착하는 추가적인 구성요소 및 공정을 필요로 하여 제조의 복잡성 및 비용을 증가시키고 공정 효율이 낮아지는 문제점이 있다. 또한, 특허 제1675786호에서는 1.8V라는 저전압에서는 적절한 내구성을 나타낼 수 있으나 2.7V가 넘는 고전압에서는 여전히 내구성, 충방전 특성, 및 수명 특성의 개선 효과가 높지 않다는 문제점이 있었다.
(특허문헌 1) KR 특허 제1675786호
상기 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 85℃ 이상의 고온에서도 우수한 내구성 및 충방전 특성을 나타내고 장수명 유지가 가능한 전극구조를 구비한 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 2.7V이상의 고전압에서도 우수한 내구성 및 충방전 특성을 나타내고 장수명 유지가 가능한 전극구조를 구비한 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 슈퍼커패시터의 제조시 추가적인 공정의 복잡성을 요구하지 않으면서 고온 고전압에서 높은 용량유지율 및 낮은 저항증가율을 구현할 수 있어 높은 효율성 및 경제성을 나타내는 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
종래기술의 문제점을 해결하고 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시에 따른 슈퍼커패시터는,
양극박, 음극박, 및 상기 양극박과 음극박 간에 개재된 분리막을 권취하도록 이루어진 권취 소자와 전해액을 포함하는 슈퍼커패시터로서,
상기 권취 소자는,
상기 양극박과 음극박 중 적어도 하나가 다른 하나의 외측에 위치되도록 권취되고,
상기 양극박과 음극박 중 적어도 하나의 최외각 표면 상에 상기 다른 하나가 적어도 1회 이상 추가로 권취되도록 이루어질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 권취 소자는, 상기 권취 소자의 중심부에서 상기 양극박과 음극박 중 적어도 하나가 상기 다른 하나보다 선행하여 권취되도록 이루어질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 양극박과 음극박 중 적어도 하나는 상기 음극박이고, 상기 다른 하나는 상기 양극박일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 양극박과 음극박 중 적어도 하나의 최외각 표면 상에 상기 다른 하나가 1회 추가로 권취되도록 이루어질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 85℃ 의 온도에서 1000시간 충방전 가속화 실험시 커패시턴스 변화율이 20% 이하로 감소하도 이루어질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 85℃ 의 온도에서 1000시간 충방전 가속화 실험시 저항 변화율이 200% 이하로 증가하도록 이루어질 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼커패시터 제조 방법은,
양극박, 음극박, 및 상기 양극박과 음극박 간에 개재된 분리막을 권취하여 권취 소자를 형성하는 단계; 및
상기 권취 소자를 전해액에 함침시키는 단계를 포함하고,
상기 권취 소자 형성 단계는,
상기 양극박과 음극박 중 적어도 하나를 다른 하나의 외측에 위치되도록 권취하는 단계; 및
상기 양극박과 음극박 중 적어도 하나의 최외각 표면 상에 상기 다른 하나를 적어도 1회 이상 추가로 권취하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 권취 소자 형성 단계는, 상기 권취 소자의 중심부에서 상기 양극박과 음극박 중 적어도 하나를 상기 다른 하나보다 선행하여 권취하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 양극박과 음극박 중 적어도 하나는 상기 음극박이고, 상기 다른 하나는 상기 양극박일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 권취 소자 형성 단계는, 상기 양극박과 음극박 중 적어도 하나의 최외각 표면 상에 상기 다른 하나가 1회 추가로 권취되도록 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 커패시터 셀의 전극 구조를 변경함으로서 85℃ 이상의 고온에서도 슈퍼커패시터가 우수한 내구성 및 충방전 특성을 나타내고 수명이 개선될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 커패시터 셀의 전극 구조를 변경함으로서 2.7V이상의 고압에서도 슈퍼커패시터가 우수한 내구성 및 충방전 특성을 나타내고 수명이 개선될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 슈퍼커패시터의 제조시 추가적인 공정의 복잡성을 요구하지 않으면서 고온 고전압에서 높은 용량유지율 및 낮은 저항증가율을 구현할 수 있어 슈퍼커패시터의 제조 공정에서 높은 효율성 및 경제성을 나타낼 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도1a 는 종래기술의 권취 소자를 사시도를 도시하며, 도 1b는 도 1a의 권취 소자의 1회 권취 구조 단면도를 도시한다.
도 2는 종래기술에 따른 슈퍼커패시터의 권취 소자의 개략적인 단면을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼커패시터의 권취 소자의 개략적인 단면을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼커패시터의 가속화 실험의 경과 시간에 따른 커패시턴스 변화율을 나타내는 그래프를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼커패시터의 가속화 실험의 경과 시간에 따른 직류저항 변화율을 나타내는 그래프를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼커패시터의 가속화 실험의 경과 시간에 따른 교류저항 변화율을 나타내는 그래프를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼커패시터의 가속화 실험의 경과 시간에 따른 L치수 변화량을 나타내는 그래프를 도시한다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서의 이하에서 '슈퍼커패시터' 라 함은 전기이중층 커패시터, 유사 커패시터, 하이브리드 커패시터를 포함한다. 또한, 이하에서 '전기이중층 커패시터'라 함은 양극박, 음극박, 및 상기 양극박과 음극박 간에 개재된 분리막을 권취하도록 이루어진 권취 소자와 전해액을 포함하는 전통적인 전기이중층 방식의 커패시터 단독으로 이루어진 장치 뿐 아니라 상기 전기이중층 방식의 커패시터를 부분적으로 이용하는 하이브리드 커패시터를 포함하는 개념으로 사용되었다.
이하 도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법을 설명한다.
도 2는 종래기술에 따른 슈퍼커패시터의 권취 소자(200)의 개략적인 단면을 도시한다. 도 2의 권취 소자(200)에서 양극박(210)과 음극박(220) 사이에 개재되는 분리막은 설명의 간략화를 위해 미도시되었으나, 실제 권취 소자의 구조에는 양극박(210)과 음극박(220) 사이에 분리막이 존재함이 유의되어야 한다.
종래기술에서는 도 1a 및 1b 에서와 같이 양극박이 음극박의 외측으로 권취되거나, 도 2에서와 같이 음극박이 양극박의 외측으로 권취될 수 있지만, 통상적으로 두 경우 모두 양극박(210)과 음극박(220)을 함께 권취시 권취 소자(200)의 중심부에서 동시에 권취가 시작되고 최외각에서 동시에 권취가 완료되도록 이루어진다. 따라서, 중심부에서 양극박이 음극박 외측으로 권취되는 경우 최외각은 양극박으로 권취되고 중심부에서 음극박이 양극박의 외측으로 권취되는 경우 최외각은 음극박으로 권취되도록 이루어진다. 그러나 이러한 전극구조를 가진 커패시터의 경우 경우 이론적으로 3.0V로 커패시터를 충전하게 되면 양극에 1.5V, 음극에 1.5V가 걸려야 하지만, 실제로는 양극에 더 많은 전압이 걸리게 되어 (예컨대, 양극에 1.6V, 음극에 1.4V) 부하의 부담이 높아지게 되며 이러한 상태가 반복되면 양극측의 노후화가 가속되어 커패시터 셀 전체의 수명이 감소하게 된다.
이에 본 발명은 슈퍼커패시터의 셀의 수명을 개선하면서 고온 고압에서의 내구성(커패시턴스 변화율, 저항변화율 등)을 향상시키도록 전극 구조를 변경하는 발명을 제안한다.
본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터는 양극박 및 음극박, 그리고 상기 양극박과 음극박 간에 분리막을 개재하여 함께 권취함으로서 이루어진 권취 소자와 이 권취 소자가 함침되는 전해액을 포함하는 래디얼(radial) 타입 셀을 포함한다. 상기 권취 소자는, 양극박과 음극박 중 적어도 하나가 다른 하나의 외측에 위치되도록 권취되고, 상기 양극박과 음극박 중 상기 적어도 하나의 최외각 표면 상에 상기 다른 하나가 적어도 1회 이상 추가로 권취되도록 이루어진다. 상기 권취 소자는, 또한 상기 권취 소자의 중심부에서 상기 양극박과 음극박 중 상기 적어도 하나가 상기 다른 하나보다 선행하여 권취되도록 이루어질 수 있다.
도1a 및 도 2의 종래기술에서의 전극구조에 비해, 이와 같은 본원 발명의 구성에 따르면, 85℃ 이상의 고온 및 2.7V이상의 고전압 환경에서 셀을 작동할 때 전해액의 산화·환원 반응 및 부반응을 감소시킴으로서 커패시턴스 변화율, 저항변화율, 및/또는 형태 변화율을 감소시켜 내구성을 향상시키고 커패시터의 에너지저장 장치로서의 수명을 연장시킬 수 있게 된다.
상기 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼커패시터 제조 방법은, 양극박, 음극박, 및 상기 양극박과 음극박 간에 개재된 분리막을 권취하여 권취 소자를 형성하는 단계; 및 상기 권취 소자를 전해액에 함침시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 권취 소자 형성 단계는, 상기 양극박과 음극박 중 적어도 하나를 다른 하나의 외측에 위치되도록 권취하는 단계; 및 상기 양극박과 음극박 중 상기 적어도 하나의 최외각 표면 상에 상기 다른 하나를 적어도 1회 이상 추가로 권취하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 권취 소자 형성 단계는, 상기 권취 소자의 중심부에서 상기 양극박과 음극박 중 상기 적어도 하나를 상기 다른 하나보다 선행하여 권취하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 양극박 및 음극박은 활성탄, 도전재 및 바인더를 포함하는 용제를 혼합, 건조, 압착을 포함하는 공정에 의해 시트 형태로 제조될 수 있다. 활성탄, 도전재 및 바인더, 용제, 전해액은 슈퍼커패시터 또는 이차 전지에 사용될 수 있는 물질이라면 어느 것이든지 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼커패시터의 권취 소자(300)의 개략적인 단면을 도시한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 권취 소자(300)는 상기 양극박과 음극박 중 상기 적어도 하나가 음극박으로 이루어지고 상기 다른 하나는 양극박으로 이루어지도록 구성된 경우이다. 즉, 도 3에서 권취 소자(300)는 음극박(320)이 양극박(310)의 외측에 위치되도록 권취되고, 상기 음극박(320)의 최외각 표면 상에 양극박(310)만이 1회 추가로 권취되도록 이루어져 있다. 도 3에서 권취 소자(300)는, 상기 권취 소자(300)의 중심부에서 음극박(320)이 양극박(310)보다 선행하여 권취를 시작하도록 이루어진다. 분리막(미도시)은 양극박(310)과 음극박(320) 및 다시 음극박(320)과 양극박(310) 간에 개재되도록 권취될 수 있다. 이 경우, 또한 분리막은 상기 양극박(310)이 최외각에 1회 추가로 권취되는 것과 동시에 최외각 양극박(310) 내측에서 1회 추가로 권취될 수 있다.
도 3과 같은 구성에 따르면 고온 및/또는 고전압 환경에서 셀을 작동할 때 전해액의 산화·환원 반응 및 부반응을 감소시킬 뿐 아니라, 양극의 전압을 분배시킬 수 있게 되어 양극의 부하를 덜어줄 수 있어 고온 내구성을 현저히 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 도 3을 참조하면 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼커패시터의 제조 방법은, 양극박(310), 음극박(320), 및 상기 양극박(310)과 음극박(320) 간에 개재된 분리막을 권취하여 권취 소자를 형성하는 단계; 및 상기 권취 소자(300)를 전해액에 함침시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 권취 소자 형성 단계는, 음극박(320)이 양극박(310)의 외측에 위치되도록 권취하는 단계, 및 상기 음극박(320)의 최외각 표면 상에 양극박(310)을 1회 추가로 권취하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 권취 소자 형성 단계는, 상기 권취 소자(300)의 중심부에서 음극박(320) 양극박(310)보다 선행하여 권취하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 양극박이 1회 추가로 권취시, 양극박(310)의 내측에서 분리막 또한 1회 추가로 권취될 수 있다.
제조예. 슈퍼커패시터의 권취소자 제조 방법
실험예 1 .
활성탄(CEP-17), 도전재(SUPER-P), 바인더(styrene-butadiene rubber (SBR)/sodium salt of carboxymethyl cellulose (CMC))를 87 : 7 : 6의 중량 비율의 함량으로 혼합하여 슬러리를 제조하되, 이때 믹서의 온도는 20℃에서 유지하여 제조한다. 상기 제조된 슬러리를 균일하게 코팅하기 위해 코터(coater)를 이용하여 음극박 및 양극박을 제작하고, 제작된 각 전극박의 균일도 및 집전체와의 접착력을 향상시켜 주기 위해 롤 프레스(Roll press) 를 수행하여 음극박 및 양극박을 제조하였다. 이 때 프레스율은 예컨대, 10%를 유지하였으나, 이에 제한되지는 않는다. 최종 제조된 전극은 양극은 200 ㎛ 및 음극은 160 ㎛ 로 준비되었으나, 이에 제한되지는 않는다. 셀 제작 크기는 직경(D)가 16 mm 이고 길이(L) 를 25 mm로 제작하였다.
위와 같이 제조된 음극박을 권취 소자 중심부에서 양극박보다 선행하여 권취를 시작하고, 양극박과 음극박은 분리막을 개재시켜 서로 접촉하지 않도록 하고 음극박이 양극박의 외각에 위치되도록 권취하며, 음극박의 최외각 표면 상에 양극박을 1회 더 권취되도록 이루어진 전극 구조(도 3 참조)를 가진 권취소자를 제작하였다. 이 때 분리막으로 셀룰로오즈 계열의 전해지를 사용하였다.
제작된 권취소자를 수분을 제거하기 위해, 50℃에서 24시간 동안 건조하고, 이 후 건조된 권취소자에 전해액 1.0M SBPBF4/AN에 20분간 함침하며, 함침된 소자를 알루미늄 캔(크기 : 16 x 25 mm)에 넣어 셀로 제작하였다. 이 때, 건조부터 캔에 넣어 셀로 제작할 때까지 수분이 30 ppm 이하의 드라이룸 안에서 제조하였다.
비교예 1
비교예 1은 권취소자의 중심부에서 음극박과 양극박을 동시에 권취하기 시작하고 양극박과 음극박 사이에 분리막을 개재시키고 음극박이 양극박의 외각에 위치되도록 권취하며, 그에 따라 최외각의 표면이 음극박으로 권취되도록 이루어진 전극 구조(도 2 참조)를 가진 권취소자를 제작하였다. 그러한 특징 이외의 비교예 1의 권취소자 및 이를 포함하는 셀 구성은 실험예 1와 모두 동일한 조건 하에서 제작하였다.
시험예
실험예 1과 비교예 1에 따라 제작된 셀을 2.7V, 85℃ 의 조건에서 가속화 시험을 수행하였다.
구체적으로, 실험예 1과 비교예 1에 따라 제작된 셀을 각각 2.7V에서 6시간동안 에이징을 실시하여 250 mA로 방전하여 시간경과에 따른 용량(커패시턴스) 변화율을 백분율로 측정하였다. 이 때, 약 2초 내에 데이터를 수집하여 직류 저항(DC-ESR) 을 또한 측정하였다. 또한, 방전이 다 되고 난 뒤에는, 1kHz 주파수에서 교류저항(AC-ESR)을 측정하여, 시간경과에 따른 직류저항 변화율 및 교류저항 변화율을 백분율로 획득하였다. 참고적으로, 전압이 있는 상태에서 측정하면 위험하므로 방전 후 교류저항은 회로를 이용하여 측정하고, 직류저항은 충방전을 통해 방전할 때 계산식에 의해 저항이 측정된다. 또한, 상기 가속화 시험에서 시간 경과에 따른 셀의 길이(L) 치수의 변화율이 백분률로 측정되었다.
이 때 시간에 따른 내구성 평가를 수행하기 위해 85℃의 챔버 안에서 2.7V로 정전류하여 실험을 진행하고, 시간에 따라 셀을 온장고 안에서 꺼내, 실온에서 30분정도 놔두어 셀의 열 평준화를 시켜 평가하였다.
도 4 내지 도 7은 실시예 1과 비교예 1에 2.7V, 85℃ 의 조건에서 가속화 시험을 수행하여 내구성을 평가한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼커패시터의 2.7V, 85℃ 의 조건에서 가속화 시험의 경과 시간에 따른 커패시턴스 유지율(%)을 나타내는 그래프를 도시한다. 도 4에서 A는 비교예 1을 나타내고B는 실시예 1을 나타내는 그래프이며, 이하의 표 1은 이를 구체적인 수치로 도출한 표이다.
경과시간
(시간)		 비교예 1 실시예 1
커패시턴스
(F)		 감소율
(%)		 커패시턴스
(F)		 감소율
(%)
0 26.13 0.00 26.02 0.00
145 23.21 11.17 23.58 9.39
240 22.72 13.05 23.04 11.46
500 21.94 16.04 22.72 12.70
740 20.88 20.08 22.25 14.49
1000 19.59 25.03 21.61 16.95
<슈퍼커패시터의 경과 시간에 따른 커패시턴스 유지율>
표 1 및 도 4를 참조하면, 약 160시간 경과 후부터 비교예 1은 실시예 1에 비교하여 커패시턴스 감소 기울기가 급격하게 증가하였고 약 1000시간 경과시 커패시턴스 감소율은 약 25.03%로서 유지율이 약 74.97% 인 반면에, 실시예 1의 경우 시간경과에 따른 커패시턴스 감소 기울기가 비교예 1에 비해 완만하며, 1000시간 경과시 커패시턴스 감소율이 약 16.95% 이고, 그에 따라 커패시턴스 유지율은 약 85.05% 로 나타났다. 즉, 권취소자 제조시 음극박을 선행하여 권취하고 최외각을 양극박으로 1회 더 권취할 경우 1000시간 경과시 커패시턴스 유지율이 10% 이상 상승하였다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼커패시터의 2.7V, 85℃ 의 조건에서 가속화 시험의 경과 시간에 따른 직류저항 변화율(%)을 나타내는 그래프를 도시한다. 직류 내부저항(R) = 강하전압(V)/방전전류(I)로 획득할 수 있다. 도 5에서 A는 비교예 1을 나타내고 B는 실시예 1을 나타내는 그래프이며, 이하의 표 2은 이를 구체적인 수치로 나타낸 표이다.
경과시간
(시간)		 비교예 1 실시예 1
직류저항(mΩ) 증가율(%) 직류저항(mΩ) 증가율(%)
0 18.77 100.00 17.79 100.00
145 20.32 108.26 20.10 112.98
240 21.14 112.63 20.00 112.42
500 23.00 122.54 20.91 117.54
740 31.14 165.90 22.76 127.94
1000 37.85 201.65 26.85 150.93
<슈퍼커패시터의 경과 시간에 따른 직류저항 변화율>
표 2 및 도 5를 참조하면, 약 500시간 경과 전부터 비교예 1은 실시예 1에 비교하여 직류저항 증가 기울기가 급격하게 증가하였고, 약 1000시간 경과시 직류저항은 약 37.85 mΩ 로서 약 201.65% 증가한 반면에, 실시예 1의 경우 시간경과에 따른 직류저항 증가 기울기가 비교예 1에 비해 완만하며, 1000시간 경과시 직류저항은 약 26.85 mΩ 로서 약 150.93% 증가하는 것에 그쳤다. 즉, 권취소자 제조시 음극박을 선행하여 권취하고 최외각을 양극박으로 1회 더 권취할 경우 1000시간 경과시 직류저항 증가율이 약 50% 감소하였다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼커패시터의 2.7V, 85℃ 의 조건에서 가속화 시험의 경과 시간에 따른 교류저항 변화율(%)을 나타내는 그래프를 도시한다. 교류저항은 회로를 이용하여 측정하며, 교류내부저항(R') = 교류전압의 실효치(V')/교류전류의 실효치(I)의 식으로 획득할 수 있다. 도 6에서 A는 비교예 1을 나타내고 B는 실시예 1을 나타내는 그래프이며, 이하의 표 3은 이를 구체적인 수치로 나타낸 표이다.
경과시간
(시간)		 비교예 1 실시예 1
교류저항(mΩ) 증가율(%) 교류저항(mΩ) 증가율(%)
0 12.58 100.00 10.56 100.00
145 15.11 120.11 14.37 136.08
240 16.83 133.78 15.75 149.15
500 21.51 170.99 17.95 169.98
740 30.25 240.46 19.15 181.34
1000 37.95 301.67 20.12 190.53
<슈퍼커패시터의 경과 시간에 따른 교류저항 변화율(%)>
표 3 및 도 6을 참조하면, 약 500시간 전까지는 비교예 1의 교류저항 증가 기울기가 실시예 1의 교류저항 증가 기울기 보다 작았으나, 500시간 경과 부근부터 역전되어 비교예 1의 교류저항은 21.51 mΩ 으로 170.99% 증가한 반면, 실시예 1의 교류저항은 증가 기울기는17.95 mΩ 으로 169.98% 증가하였고 그 이후 비교예 1에 비해 완만한 증가세 나타내었다. 1000시간 경과시 비교예 1의 교류저항은 37.95 mΩ 로 약300% 증가한 반면에, 실시예 1의 교류저항은 20.12 mΩ 로 약 190%로 증가하는 데 그쳤다. 즉, 권취소자 제조시 음극박을 선행하여 권취하고 최외각을 양극박으로 1회 더 권취할 경우 1000시간 경과시 교류저항 증가율이 110% 감소하였다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼커패시터의 2.7V, 85℃ 의 조건에서 가속화 시험의 경과 시간에 따른 셀의 L치수 변화량을 나타내는 그래프를 도시한다. L치수는 래디얼 타입의 슈퍼커패시터에서 커패시터의 셀 길이(L)를 나타내며, 셀 직경(D)에 대한 수직 방향의 치수이다. 슈퍼커패시터는 그 사용시간이 경과할수록 충방전 반응에 의해 발생된 미세한 내부 가스 등이 누적되어 부피가 팽창함에 따라 L 치수가 증가하게 된다. L 치수의 증가폭이 클수록 폭발의 위험이 높아지기 때문에 셀 안정성이 낮아진다.
도 7에서 A는 비교예 1을 나타내고 B는 실시예 1을 나타내는 그래프이며, 이하의 표 4는 이를 구체적인 수치로 나타낸 표이다.

경과시간
(시간)		 비교예 1 실시예 1
L치수 (mm) 증가량(mm) L치수 (mm) 증가량(mm)
0 26.57 0.00 26.58 0.00
145 27.58 1.01 27.53 0.95
240 27.79 1.22 27.63 1.05
500 27.97 1.40 27.64 1.06
740 28.01 1.44 27.3 1.05
1000 28.05 1.48 27.66 1.08
<슈퍼커패시터의 경과 시간에 따른 셀의 L치수 변화량>
표 4 및 도 7을 참조하면, 약 190시간 경과시까지는 비교예 1와 실시예 1의 L 치수는 유사한 기울기로 증가하였으나, 약190시간 경과 후부터는 비교예 1은 여전히 증가하는 반면에 실시예 1은 더 이상 증가하지 않고 거의 일정한 수준을 유지하였다. 예컨대, 240시간 경과 후 비교예 1은 1.22mm 증가하고, 실시예 1은 1.05mm로 190시간 이후에는 거의 증가폭이 없으며, 500시간 경과 후 비교예 1은 1.40mm 증가하여 240시간 경과후보다 0.18mm 증가하였으나, 실시예 1은 1.06mm 증가하여 240시간 경과후보다 0.01mm 증가하는 데 그쳤다. 1000시간 경과시 비교예 1의 L치수는 약 1.5mm 증가하여 약 6% 증가한 반면에, 실시예 1의 L 치수는 약 1.08mm 증가하여 약 4% 증가하는 데 그침으로서 셀의 L치수의 변화량을 감소시키는 데 효과가 있음을 알 수 있다. 또한 1000시간 이상의 시간이 경과할수록 L치수 변화율 개선 효과가 현저히 나타났다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 슈퍼커패시터 120: 양극박
121: 양극집전체 122: 양극 흑연층
125: 양극단자 130: 음극박
131: 음극집전체 132: 음극 흑연층
135: 음극단자 140: 분리막
150: 권취소자 160: 가압부재
200: 권취소자 210: 양극박
220: 음극박 300: 권취소자
310: 양극박 320: 음극박

Claims (10)

  1. 양극박, 음극박, 및 상기 양극박과 음극박 간에 개재된 분리막을 권취하도록 이루어진 권취 소자와 전해액을 포함하는 슈퍼커패시터로서,
    상기 권취 소자는,
    상기 양극박과 음극박 중 적어도 하나가 다른 하나의 외측에 위치되도록 권취되고,
    상기 양극박과 음극박 중 적어도 하나의 최외각 표면 상에 상기 다른 하나가 적어도 1회 이상 추가로 권취되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는, 슈퍼커패시터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 권취 소자는, 상기 권취 소자의 중심부에서 상기 양극박과 음극박 중 적어도 하나가 상기 다른 하나보다 선행하여 권취되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는, 슈퍼커패시터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 양극박과 음극박 중 적어도 하나는 상기 음극박이고, 상기 다른 하나는 상기 양극박인 것을 특징으로 하는, 슈퍼커패시터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 양극박과 음극박 중 적어도 하나의 최외각 표면 상에 상기 다른 하나가 1회 추가로 권취되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는, 슈퍼커패시터.
  5. 제1항에 있어서, 85℃ 의 온도에서 1000시간 충방전 가속화 실험시 커패시턴스 변화율이 20% 이하로 감소하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는, 슈퍼커패시터.
  6. 제1항에 있어서, 85℃ 의 온도에서 1000시간 충방전 가속화 실험시 저항 변화율이 200% 이하로 증가하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는, 슈퍼커패시터.
  7. 양극박, 음극박, 및 상기 양극박과 음극박 간에 개재된 분리막을 권취하여 권취 소자를 형성하는 단계; 및
    상기 권취 소자를 전해액에 함침시키는 단계를 포함하고,
    상기 권취 소자 형성 단계는,
    상기 양극박과 음극박 중 적어도 하나를 다른 하나의 외측에 위치되도록 권취하는 단계; 및
    상기 양극박과 음극박 중 적어도 하나의 최외각 표면 상에 상기 다른 하나를 적어도 1회 이상 추가로 권취하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 슈퍼커패시터 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 권취 소자 형성 단계는, 상기 권취 소자의 중심부에서 상기 양극박과 음극박 중 적어도 하나를 상기 다른 하나보다 선행하여 권취하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 슈퍼커패시터 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 양극박과 음극박 중 적어도 하나는 상기 음극박이고, 상기 다른 하나는 상기 양극박인 것을 특징으로 하는, 슈퍼커패시터 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 권취 소자 형성 단계는, 상기 양극박과 음극박 중 적어도 하나의 최외각 표면 상에 상기 다른 하나가 1회 추가로 권취되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는, 슈퍼커패시터 제조 방법.
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