KR20230078578A - 키네틱 발전 에너지 저장용 고효율 슈퍼커패시터 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 슈퍼커패시터는 제1집전체 상에 위치하는 제1전극; 및 상기 제1전극에 대향하도록 이격되어 배치되며, 제2집전체 상에 위치하는 제2전극;을 포함하고, 위상각 -45˚에서 주파수가 5 kHz 이상이며, 주파수의 증가에 따라 상기 위상각 -45°를 돌파하는 주파수 영역대에서, 시작점의 주파수는 103 Hz 이상인 것을 특징으로 하여, 슈퍼커패시터가 고주파수 특성을 가짐으로써 키네틱 발전소자에서 생산되는 에너지를 높은 효율로 저장할 수 있다.
Description
본 발명은 키네틱 발전 에너지 저장용 고효율 슈퍼커패시터 및 이를 포함하는 통합전원에 관한 것이다.
기존의 에너지 하베스팅 기술은 키네틱 발전소자에서 발생한 에너지를 이용하기 위해 발전소자의 특성을 변화시켜 발전량을 높이는 기술이 주를 이루었으며, 이에 사용되는 저장소자에 대한 기술은 대부분 설계자의 경험에 의존하였다. 키네틱 발전에 의해 생산된 에너지를 실질적으로 이용하기 위해서 발전소자와 연계되는 저장소자에 대한 개발이 필수적이지만, 효율적인 에너지 저장을 위한 발전소자와 저장소자의 상관관계에 대한 특성이 거의 밝혀지지 않아 저장소자의 개발은 실질적으로 이루어지지 못했다.
키네틱 발전소자를 통해 발전된 에너지를 저장하기 위해, 기존에는 다중층 세라믹 커패시터 (Multi-Layer Ceramic Capacitor; MLCC) 혹은 알루미늄 전해커패시터 (Aluminium Electrolytic Capacitor; AEC)를 일반적으로 사용하였다. 하지만 MLCC와 AEC는 물질적 한계로 인해 용량이 매우 낮다는 단점이 있으며, 일정 용량의 에너지 저장소를 구현하기 위해서 많은 부피를 차지해야 하는 단점이 있었다.
한편, 슈퍼커패시터는 MLCC 및 AEC 대비 높은 용량을 저장할 수 있어 소자의 부피를 매우 줄일 수 있는 장점이 있으나, MLCC 및 AEC와 비교하였을때 상대적으로 주파수특성이 낮아, 펄스형태의 에너지를 효율적으로 저장하기 어려웠다. 따라서 키네틱 발전소자를 통해 발전되는 펄스 형태의 에너지를 고효율로 저장하기 위한 슈퍼커패시터의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 높은 주파수 특성을 가져서 키네틱 발전소자로부터 생산되는 에너지를 고효율로 저장할 수 있는 슈퍼커패시터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 키네틱 발전소자와 슈퍼커패시터가 전기적으로 연결됨으로써 하베스팅된 에너지가 고효율로 저장될 수 있는 통합전원을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 슈퍼커패시터는 제1집전체 상에 위치하는 제1전극; 및 상기 제1전극에 대향하도록 이격되어 배치되며, 제2집전체 상에 위치하는 제2전극;을 포함하고, 위상각 -45°에서 주파수가 5 kHz 이상이며, 주파수의 증가에 따라 상기 위상각 -45°를 돌파하는 주파수 영역대에서, 시작점의 주파수는 103 Hz 이상인 것을 특징으로 한다. (상기 시작점은 위상각 -45°를 초과하는 주파수 영역대에서의 기울기를 가지는 직선과 주파수 변화에 대해 위상각의 변화가 없는 베이스라인의 직선의 접점을 의미한다)
본 발명에 따른 슈퍼커패시터에 있어서, 상기 제1전극 및 제2전극은 탄소체 및 전도성 고분자 복합체를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 슈퍼커패시터에 있어서, 상기 탄소체는 카본블랙을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 슈퍼커패시터에 있어서, 상기 박막의 두께는 0.1 내지 100㎛일 수 있다.
본 발명에 따른 슈퍼커패시터에 있어서, 상기 복합체의 전도성 고분자 : 탄소체의 중량비는 1 : 0.5 내지 3일 수 있다.
본 발명에 따른 슈퍼커패시터에 있어서, 상기 제1전극 및 제2전극의 사이에 개재된 분리막; 및 상기 제1전극, 제2전극 및 분리막과 접촉하는 전해질을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 슈퍼커패시터에 있어서, 상기 전해질은 이온성 액체를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 통합전원은 키네틱 발전소자; 상기 키네틱 발전소자와 전기적으로 연결된 정류기; 및 상기 정류기와 전기적으로 연결된 슈퍼커패시터;를 포함하고, 위상각 -45°에서 주파수가 5 kHz 이상이며, 주파수의 증가에 따라 위상각 -45°를 초과하는 주파수 영역대에서, 시작점의 주파수는 103 Hz이상인 것을 특징으로 한다. (상기 시작점은 위상각 -45°를 초과하는 주파수 영역대에서의 기울기를 가지는 직선과 주파수 변화에 대해 위상각의 변화가 없는 베이스라인의 직선의 접점을 의미한다)
본 발명에 따른 통합전원에 있어서, 상기 키네틱 발전소자는 마찰 발전소자, 압전 발전소자 또는 이의 조합에서 선택될 수 있다.
본 발명에 따른 통합전원에 있어서, 상기 슈퍼커패시터는 탄소체 및 전도성 고분자 복합체를 함유하는 박막 전극을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 통합전원에 있어서, 상기 탄소체는 카본블랙을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 슈퍼커패시터는 높은 주파수 특성을 가져서 키네틱 발전소자로부터 생산되는 펄스 형태의 에너지를 고효율로 저장할 수 있다.
또한 본 발명은 슈퍼커패시터가 키네틱 발전소자와 전기적으로 연결됨으로써 펄스 형태로 하베스팅된 에너지가 고효율로 저장될 수 있는 통합전원을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 슈퍼커패시터의 전극을 도시한 도면이다.
도 2는 실시예 및 비교예에 따른 슈퍼커패시터의 주파수 특성을 도시한 그래프이다.
도 3은 실시예 및 비교예에 따른 슈퍼커패시터의 용량 특성 평가 결과를 도시한 그래프이다.
도 4는 상용 키네틱 발전소자를 도시한 도면(a) 및 키네틱 발전소자의 발전 전류를 측정한 결과(b)를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합전원을 도시한 사진(a)과, 통합전원의 구성을 도시한 전기 회로도(b)이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합전원의 에너지 충전 효율을 도시한 그래프이다.
도 2는 실시예 및 비교예에 따른 슈퍼커패시터의 주파수 특성을 도시한 그래프이다.
도 3은 실시예 및 비교예에 따른 슈퍼커패시터의 용량 특성 평가 결과를 도시한 그래프이다.
도 4는 상용 키네틱 발전소자를 도시한 도면(a) 및 키네틱 발전소자의 발전 전류를 측정한 결과(b)를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합전원을 도시한 사진(a)과, 통합전원의 구성을 도시한 전기 회로도(b)이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합전원의 에너지 충전 효율을 도시한 그래프이다.
본 발명에 따른 키네틱 발전 에너지 저장용 고효율 슈퍼커패시터를 상세히 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 관련 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가질 수 있다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용하는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수인 것으로 특정하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 복수의 표현은 문맥상 명백하게 복수인 것으로 특정하지 않는 한, 단수의 표현을 포함한다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 특별히 한정하지 않는 한, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용된다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 수치 범위는 하한치와 상한치와 그 범위 내에서의 모든 값, 정의되는 범위의 형태와 폭에서 논리적으로 유도되는 증분, 이중 한정된 모든 값 및 서로 다른 형태로 한정된 수치 범위의 상한 및 하한의 모든 가능한 조합을 포함한다. 본 발명의 명세서에서 특별한 정의가 없는 한 실험 오차 또는 값의 반올림으로 인해 발생할 가능성이 있는 수치범위 외의 값 역시 정의된 수치범위에 포함된다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 정도의 용어 "약" 등은 허용오차가 존재할 때 허용오차를 포괄하는 의미로 사용된 것이다.
본 발명의 슈퍼커패시터는 제1집전체 상에 위치하는 제1전극; 및 상기 제1전극에 대향하도록 이격되어 배치되며, 제2집전체 상에 위치하는 제2전극;을 포함하고, 위상각 -45°에서 주파수가 5 kHz 이상이며, 주파수의 증가에 따라 상기 위상각 -45°를 돌파하는 주파수 영역대에서, 시작점의 주파수는 103 Hz 이상인 것을 특징으로 한다. 이때, 도 2에 도시된 바와 같이, 시작점은 위상각 -45°를 초과하는 주파수 영역대에서의 기울기를 가지는 직선과 주파수 변화에 대해 위상각의 변화가 없는 베이스라인의 직선의 접점을 의미한다.
슈퍼커패시터의 주파수 특성은 전기화학 임피던스 분광법에 의해 얻어지는 데이터로 분석할 수 있다. 위상각이 -45°일 때의 주파수를 특성 주파수라고 일컫는데, 특성 주파수가 높을수록 높은 주파수특성을 갖는 슈퍼커패시터로 바람직하게 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 슈퍼커패시터는 위상각 -45°에 해당하는 특성 주파수가 5 kHz 이상으로, 키네틱 발전소자로부터 발생된 에너지를 매우 효과적으로 저장할 수 있다. 구체적으로 특성 주파수는 5.5 kHz 이상일 수 있고, 더욱 구체적으로 6 kHz 이상일 수 있다.
일 실시예에 있어, 제1전극 및 제2전극은 박막 전극일 수 있다.
특성 주파수를 향상시키기 위해서는 전해질로부터 축적된 이온을 전극을 통해 집전체로 빠르게 수송할 수 있어야 한다. 따라서 전극의 두께가 얇을수록 유리하다. 본 발명의 슈퍼커패시터 전극으로 두께가 매우 얇은 박막 형태의 전극을 포함하여, 전극에 축적된 이온이 집전체로 이동하는 이온의 이동 경로를 단축시킬 수 있다.
구체적으로, 박막 전극의 두께는 0.1 내지 100 ㎛, 0.2 내지 80 ㎛, 0.5 내지 60 ㎛, 0.7 내지 40 ㎛, 0.9 내지 30 ㎛ 및 2.0 내지 20 ㎛일 수 있다. 또는, 0.1 ㎛ 이상, 0.2 ㎛ 이상, 0.4 ㎛ 이상, 0.6 ㎛ 이상, 0.8 ㎛ 이상, 1.0 ㎛ 이상 및 2.0 ㎛ 이상일 수 있으며, 상한으로는 100 ㎛ 이하, 80 ㎛ 이하, 60 ㎛ 이하, 40 ㎛ 이하, 30 ㎛ 이하, 20 ㎛ 이하 및 10 ㎛ 이하일 수 있다.
제1전극 및 제2전극은 탄소체 및 전도성 고분자 복합체를 포함하는 박막 전극일 수 있다.
일 실시예에 있어, 상기 탄소체는 카본블랙(carbon black)을 포함할 수 있으며, 전도성 고분자는 폴리아닐린(polyaniline; PANi), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate; PEDOT:PSS), 폴리피롤(polypyrrole; PPy) 및 폴리티오펜(polythiophene; PTh)을 포함하는 군에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 PEDOT:PSS를 포함할 수 있다.
슈퍼커패시터의 중요한 특성인 출력 특성을 높이기 위해서는 등가직렬저항(Equivalent Series Resistance)이 작아야 유리하다. 슈퍼커패시터의 전극 물질로 주로 사용되는 활성탄은 비표면적이 넓어 큰 용량을 제공할 수 있지만, 다른 탄소 재료에 비해 전기전도도가 매우 낮아 전기전도도를 향상시켜주는 도전재가 필수적으로 요구되어 전극의 두께가 증가할 수 있다. 또한, 종래의 슈퍼커패시터는 바인더로 절연성 물질을 주로 사용하여, 바인더가 슈퍼커패시터 내에서 내부 저항을 증가시켜 슈퍼커패시터의 성능을 떨어뜨릴 수 있는 요인으로 작용할 수 있다.
그러나, 본 발명에 따른 슈퍼커패시터는 카본 블랙을 활물질로 포함하고, 바인더로 우수한 전기전도성을 갖는 전도성 고분자를 포함하여, 전극의 두께가 감소하여도 높은 전도성을 나타낼 수 있으며, 바인더가 내부 저항으로 작용하지 않아 슈퍼커패시터의 특성 주파수를 향상시킬 수 있다.
전도성 고분자를 포함하는 전극은 전기전도성, 내구성, 유연성, 친환경성 및 구조 설계 자유도가 높은 장점이 있으나, 비교적 충전 용량이 낮고, 반복 수명이 좋지 않은 단점이 있다. 이에, 전도성 고분자와 카본블랙을 혼합한 복합체를 전극물질로 사용하여, 비표면적을 향상시켜 용량을 향상시킬 뿐 아니라, 전극의 장기 안정성에 기여할 수 있어 유리하다. 반드시 이러한 해석에 한정되는 것은 아니나, 카본 블랙이 산성 유기물을 함유하여, 극성 폴리머와 우수한 상용성을 가질 수 있어 복합체를 용이하게 형성할 수도 있다.
상기 전도성 고분자 : 탄소체의 중량비는 1 : 0.5 내지 3, 1 : 0.5 내지 2.5 및 1 : 0.7 내지 2.0일 수 있으며, 바람직하게는 1 : 0.8 내지 1.5일 수 있다. 탄소체가 상술한 중량비보다 과량 첨가된다면 전기 전도도 및 물성이 저하될 우려가 있다.
상술한 탄소체 및 전도성 고분자 복합체는 집전체 상에 스프레이 프린팅으로 도포하여 전극을 형성할 수 있다. 본 발명이 전극의 형성 방법에 의해 제한되는 것은 아니나, 스프레이 프린팅을 사용하면 대면적화에 유리하다.
제1집전체 및 제2집전체는 각각 제1전극 및 제2전극과 전기적으로 연결되어, 전극에 축적된 이온이 집전체를 통해 이동하여 전기에너지를 저장할 수 있다. 제1집전체 및 제2집전체는 전기 화학적으로 내식성이 우수한 물질이라면 제한되지 않고 사용할 수 있으며, 스테인리스, 니켈(Ni) 알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 또는 탄탈(Ta)을 포함할 수 있다.
본 발명의 슈퍼커패시터는 제1전극 및 제2전극의 사이에 개재된 분리막; 및 상기 제1전극, 제2전극 및 분리막과 접촉하는 전해질을 더 포함할 수 있다.
분리막은 제1전극과 제2전극을 전기적으로 분리하고, 미세 기공을 포함하여 이온 및 전하가 이동하는 통로를 제공할 수 있다. 분리막은 전기화학적으로 안정하며, 전해질 및 전극과 반응하지 않을 수 있는 다공성 물질이라면 제한하지 않고 사용하여도 무방하며, 구체적으로 유리섬유, 다공성 폴리에틸렌(Polyethylene; PE) 필름 또는 다공성 폴리프로필렌(Polypropylene; PP) 필름을 예로 들 수 있다.
전해질은 제1전극 및 제2전극으로 이온을 전달하여, 각 전극의 표면에 음전하 또는 양전하가 축적될 수 있다. 전해질은 대표적으로 액체 전해질을 사용하는데, 용해도에 따라 수계 전해질과 비수계 전해질로 구분될 수 있다. 수계 전해질은 황산(H2SO4), 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 염화칼륨(KCl) 등의 산, 염기 및 무기염을 포함할 수 있다. 비수계 전해질은 프로필렌 카보네이트(Propylene carbonate; PC), 에틸렌 카보네이트(Ethylene carbonate; EC), 디메틸 카보네이트(Dimethyl Carbonate; DMC), 에틸메틸카보네이트(Ethyl Methyl Carbonate; EMC), 디에틸카보네이트(Diethyl carbonate; DEC)와 같은 유기용액과, 리튬염, 4차 암모늄, 포스포늄 염과 같은 무기염류를 포함할 수 있다.
바람직한 일 예에 따르면, 전해질은 이온성 액체를 포함할 수 있다. 이온성 액체는 이온전도도가 높고, 열적 안정성 및 화학적 안정성이 우수한 장점이 있다. 구체적으로, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움테트라플루오로보레이트(1-ethyl-3- methylimidazolium tetrafluoroborate; EMI-BF4) 또는 1-에틸-3-메틸이미다졸리움:비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드(1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide; EMIM-TFSI)과 같은 염을 포함할 수 있다.
다른 일 예에 따르면, 술폰산기(-SO3H), 인산이수소기(-PO4H2) 또는 카르복실기(-COOH)를 관능기로 함유하는 고체 전해질을 전해질로 사용할 수 있으나, 본 발명이 집전체, 분리막 및 전해질의 구체 물질에 의해 한정되는 것은 아니다.
통합전원을 상술함에 있어, 제1전극, 제2전극, 제1집전체, 제2집전체, 전해질 및 분리막의 물질, 구조 및 형상이나 크기 등은 앞서 상술한 슈퍼커패시터와 동일 내지 유사함에 따라, 본 발명에 따른 통합전원은 앞서 슈퍼커패시터에서 상술한 모든 내용을 포함한다.
본 발명에 따른 통합전원은 키네틱 발전소자; 상기 키네틱 발전소자와 전기적으로 연결된 정류기; 및 상기 정류기와 전기적으로 연결된 슈퍼커패시터;를 포함하고, 위상각 -45°에서 주파수가 5 kHz 이상이며, 주파수의 증가에 따라 위상각 -45°를 초과하는 주파수 영역대에서, 시작점의 주파수는 103 Hz이상인 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 시작점은 위상각 -45°를 초과하는 주파수 영역대에서의 기울기를 가지는 직선과 주파수 변화에 대해 위상각의 변화가 없는 베이스라인의 직선의 접점을 의미한다.
도 4a는 상용 키네틱 발전 소자를 도시한 것이다. 상기 키네틱 발전소자는 도 4b에 도시된 바와 같이, 펄스 (pulse) 형태의 에너지 출력을 갖는 것으로, 대표적으로 마찰 발전소자, 압전 발전소자 또는 이의 조합이 예시될 수 있다. 펄스 형태의 에너지 출력을 갖는 키네틱 발전 소자는 일반적으로 수십 내지 수백 Hz의 펄스 전류가 출력될 수 있다. 키네틱 발전소자가 고주파수 특성을 나타냄에 따라, 통상적인 에너지 저장소자를 사용하는 경우, 저장 효율이 극심하게 저하될 수 있다. 따라서, 높은 주파수 특성을 갖는 발전소자에서 출력되는 에너지를 효율적으로 저장하기 위해 고주파수의 슈퍼커패시터가 필요하다. 통합전원이 특성주파수가 5kHz 이상, 구체적으로 5.5 kHz 이상일 수 있으며, 실질적으로 6 kHz 이상의 고주파수 특성을 갖는 슈퍼커패시터를 포함하여, 상기 발전소자에서 출력되는 펄스 형태의 에너지 또한 용이하게 저장할 수 있어 유리하다.
구체적으로, 슈퍼커패시터의 전극은 탄소체 및 전도성 고분자 복합체 박막을 포함할 수 있으며, 상기 탄소체는 카본블랙(carbon black)을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 전극이 카본블랙(carbon black) 및 전도성 고분자 복합체를 포함하여, 슈퍼커패시터의 등가직렬저항을 감소시키고, 기공을 포함하여 넓은 비표면적을 나타내어 큰 용량을 제공할 수 있다.
또한 상기 탄소체 및 전도성 고분자 복합체를 포함하는 박막 전극으로 인해 슈퍼커패시터가 부피를 적게 차지하면서도 고주파수 특성 및 우수한 용량을 나타낼 수 있어, 상기 슈퍼커패시터를 포함하는 통합전원을 밀리초의 짧은 펄스를 출력하는 휴대용 또는 초소형 기기에 적용할 수 있어 유용하다.
이하, 본 발명을 실시예를 통해 더욱 상세히 설명한다.
(실시예 1)
활물질 및 도전재로 카본블랙(carbon black)과, 전도성 바인더로 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(4-스티렌설포네이트)(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) : poly(styrenesulfonate); PEDOT:PSS)를 1 : 1의 중량비로 혼합하여 전극 슬러리를 제조하였다. 상기 전극 슬러리를 스프레이 프린팅으로 제1집전체 및 제2집전체인 니켈 박 상에 도포하여 제1전극 및 제2전극을 형성하였다. 이때, 제1전극 및 제2전극의 두께는 2 ㎛였다.
이후, 제1전극, 분리막 및 제2전극 순으로 적층하고, 전해질으로 이온성 액체인 1-에틸-3-메틸이미다졸리움:비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드(1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide; EMIM-TFSI)를 함침하고 밀봉하여 슈퍼커패시터를 제조하였다.
(비교예 1)
전극 슬러리 제조 시, 활물질 및 도전재로 카본블랙과 바인더로 카르복시메틸 셀룰로오스(Carboxymethyl Cellulose; CMC)를 7 : 3 중량비로 혼합하여 전극 슬러리를 제조하였다. 이후, 전극 슬러리를 테이프 캐스팅(Tape casting) 방법으로 니켈 박 상에 도포하여 두께가 25 ㎛인 제1전극 및 제2전극을 형성한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 슈퍼커패시터를 제조하였다.
(비교예 2)
활물질 및 도전재로 카본블랙, 비활성입자로 산화알루미늄(Al2O3) 및 바인더로 카르복시메틸 셀룰로오스(Carboxymethyl Cellulose; CMC)를 4 : 3 : 3 중량비로 혼합하여 전극 슬러리를 제조하여, 두께가 35 ㎛인 제1전극 및 제2전극을 형성한 것을 제외하고, 실시예 2와 동일한 방법으로 슈퍼커패시터를 제조하였다.
<실험예 1: 주파수 특성 평가>
실시예 1 및 비교예 1 내지 비교예 2의 슈퍼커패시터의 전기화학적 임피던스 분광법에 의해 주파수를 측정하여 도 2 및 하기 표 1에 나타내었다. 특성주파수는 위상각 -45˚일 때의 주파수를 의미한다.
[표 1]
카본블랙 후막 전극을 포함하는 비교에 1 및 비교예 2의 슈퍼커패시터보다, 박막 전극을 포함하는 실시예 1의 슈퍼커패시터가 현저하게 높은 특성 주파수를 갖는 것을 확인할 수 있다. 이는 전극의 박막화로 인해 이온의 이동 경로가 짧아져 빠르게 이동할 수 있기 때문이며, 바인더로 전도성 고분자인 PEDOT:PSS를 사용하여 우수한 전기 전도도를 제공할 수 있어 슈퍼커패시터가 고주파수 특성을 가질 수 있다.
특히, 비교예 1과 비교예 2의 슈퍼커패시터는 동일한 카본블랙 전극을 사용하고 있으나, 전극 두께가 더 얇은 비교예 1의 슈퍼커패시터가 비교예 2의 슈퍼커패시터보다 큰 특성 주파수를 나타내어, 펄스 형태의 고에너지를 출력하는 발전소자의 에너지를 저장하는데 박막 전극이 적합한 것을 알 수 있다.
<실험예 2: 슈퍼커패시터의 용량 평가>
실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 방법으로 제조된 슈퍼커패시터의 전압-전류 특성을 도 3에 도시하였다. 주사 속도(scan rate)는 5 mV/s로 설정하였다.
도 3에 도시된 바와 같이, 실시예 1의 슈퍼커패시터 전극 두께가 얇음에도 후막전극인 비교예 1 및 비교예 2에 비견하는 용량을 나타내었다. 이를 통해 전도성 고분자 및 카본블랙 복합체를 포함하는 전극의 경우, 카본블랙의 넓은 비표면적과, 전도성 고분자의 우수한 전기 전도 특성을 통해 전극 두께 대비 큰 용량을 가질 수 있다.
<실험예 3: 충전효율 평가>
도 5에 도시된 바와 같이, 키네틱 발전소자, 정류기 및 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 슈퍼커패시터를 전기적으로 연결하여 통합전원을 제조하였다. 마찰 발전소자를 이용하여 슈퍼커패시터를 충전할 때, 슈퍼커패시터의 전압을 측정하여 도 6에 도시하였다. 상기 키네틱 발전소자는 도 4a에 도시된 마찰 발전소자로, 도 4b에서와 같이 3 Hz의 속도로 마찰을 반복하였을 때, 50 ms동안 20 Hz의 펄스 에너지를 출력하는 마찰 발전소자를 사용하였다.
도 6를 참조하면, 실시예 1의 슈퍼커패시터를 포함하는 통합전원은 수퍼커패시터가 위상각 -45°에 해당하는 특성 주파수가 5 kHz 이상의 조건을 만족함에 따라 빠르게 충전되는 경향을 보였다. 그에 반해 비교예 1 및 2의 카본블랙 후막전극의 경우 위상각 -45°에 해당하는 특성 주파수가 5 kHz 미만이어서 충전 속도가 상대적으로 느린 것으로 나타나, 실시예 1의 박막 전극을 포함하는 슈퍼커패시터가 우수한 에너지 저장 효율 및 빠른 충방전 속도를 제공할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 1은 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 방법으로 제조된 슈퍼커패시터 전극을 도시한 도면이다. 실시예 1의 경우, 전도성 고분자 및 카본블랙 복합체가 박막을 형성하여, 이온이 전해질로부터 전극을 통과하여 집전체로 빠르게 이동해 특성 주파수를 향상시킬 수 있어 유리하다. 반면, 비교예 1 및 비교예 2의 경우, 박막의 두께가 두꺼운 후막 전극으로, 이온의 이동 경로가 길어져 낮은 특성 주파수를 나타낼 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
Claims (11)
- 제1집전체 상에 위치하는 제1전극; 및
상기 제1전극에 대향하도록 이격되어 배치되며, 제2집전체 상에 위치하는 제2전극;을 포함하고,
위상각 -45°에서 주파수가 5 kHz 이상이며,
주파수의 증가에 따라 상기 위상각 -45°를 돌파하는 주파수 영역대에서, 시작점의 주파수는 103 Hz 이상인 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
(상기 시작점은 위상각 -45°를 초과하는 주파수 영역대에서의 기울기를 가지는 직선과 주파수 변화에 대해 위상각의 변화가 없는 베이스라인의 직선의 접점을 의미한다) - 제1항에 있어서,
상기 제1전극 및 제2전극은 탄소체 및 전도성 고분자 복합체를 포함하는 슈퍼커패시터. - 제2항에 있어서,
상기 탄소체는 카본블랙을 포함하는 슈퍼커패시터. - 제2항에 있어서,
상기 제1전극 및 제2전극의 두께는 0.1 내지 100 ㎛인 슈퍼커패시터. - 제2항에 있어서,
상기 복합체의 전도성 고분자 : 탄소체의 중량비는 1 : 0.5 내지 3인 슈퍼커패시터. - 제1항에 있어서,
상기 제1전극 및 제2전극의 사이에 개재된 분리막; 및
상기 제1전극, 제2전극 및 분리막과 접촉하는 전해질을 더 포함하는 슈퍼커패시터. - 제6항에 있어서,
상기 전해질은 이온성 액체를 포함하는 슈퍼커패시터. - 키네틱 발전소자;
상기 키네틱 발전소자와 전기적으로 연결된 정류기; 및
상기 정류기와 전기적으로 연결된 슈퍼커패시터;를 포함하고,
위상각 -45°에서 주파수가 5 kHz 이상이며,
주파수의 증가에 따라 위상각 -45°를 초과하는 주파수 영역대에서, 시작점의 주파수는 103 Hz이상인 것을 특징으로 하는 통합전원.
(상기 시작점은 위상각 -45°를 초과하는 주파수 영역대에서의 기울기를 가지는 직선과 주파수 변화에 대해 위상각의 변화가 없는 베이스라인의 직선의 접점을 의미한다) - 제8항에 있어서,
상기 키네틱 발전소자는 마찰 발전소자, 압전 발전소자 또는 이의 조합에서 선택되는, 통합전원 - 제8항에 있어서,
상기 슈퍼커패시터는 탄소체 및 전도성 고분자 복합체를 함유하는 박막 전극을 포함하는 통합전원. - 제10항에 있어서,
상기 탄소체는 카본블랙을 포함하는 통합전원.
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