KR20230133012A - 하이브리드 이온 커패시터 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 이온 커패시터 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 용량유지율이 우수한 동시에 충전 시간을 단축할 수 있는 코인형 하이브리드 이온 커패시터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

하이브리드 이온 커패시터 및 이의 제조방법{Hybrid ion capacitor and method for manufacturing the same}
본 발명은 하이브리드 이온 커패시터 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 용량유지율이 우수한 동시에 충전 시간을 단축할 수 있는 코인형 하이브리드 이온 커패시터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 디지털 디바이스, 전자기기, 및 전기 자동차(EV) 분야 등에서 적용 가능한 전기 화학 에너지 저장장치 개발이 활발하다. 최근까지 개발된 에너지 저장장치 중에는 슈퍼커패시터(super capacitor) 및 리튬 이온 전지(Lithium Ion Battery, LIB)가 효과적인 전기 화학 에너지 저장 장치로 알려져 있다.
슈퍼커패시터는 전기이중층(Electrical Double Layer, EDL)의 형성으로 빠르고 안정적인 충전/방전 능력으로 높은 전력 밀도 및 긴 사이클 수명을 제공하는 장점이 있는 반면, 에너지 밀도가 낮은 단점이 있다.
한편, 리튬 이온 전지는 리튬 이온의 삽입/제거에서 파생된 패러데이 반응을 활용하여 에너지 밀도가 높은 장점이 있는 반면, 일반적으로 전력 밀도와 주기 안정성이 낮은 단점이 있다.
하이브리드 슈퍼커패시터(Hybrid Supercapacitor)는 양쪽 전극에 각기 다른 에너지 저장방식을 사용하는 슈퍼커패시터를 지칭한다. 즉, 하이브리드 슈퍼커패시터는 전지처럼 산화/환원 반응을 통해 에너지를 저장하는 음극물질과 축전지(전기이중층 커패시터)와 같이 전기이중층에 전하를 모으는 양극물질을 사용한 하이브리드 에너지 저장장치이다. 리튬 이온 하이브리드 슈퍼커패시터(LIHS)는 LIB 형 애노드 전극의 리튬 이온 삽입/추출 반응과 EDL 형 캐소드 전극의 PF6- 흡착/탈착을 조합한 형태이다.
한편, 코인 형태의 코인형 커패시터는 소형화 제작이 가능하고 성능이 우수한 장점으로 스마트폰 등과 같은 디지털 기기의 경박단소화 및 고성능화에 따라 사용 분야 및 수요가 급증하는 추세이다.
종래의 코인형 커패시터는 고밀도 및 고용량의 성능을 갖도록, 제조 시 커패시터 내부로 리튬을 주입시켜 리튬의 삽입 및 탈리 반응을 유도하기 위한 리튬 도핑 공정을 필수적으로 수행하고 있다.
그러나 상기 리튬 도핑 방식은 안전성이 떨어짐과 동시에 리튬의 도핑양의 정밀제어가 필요하여 공정이 복잡하며, 대량의 리튬을 수용하도록 음극활물질에 다공들을 형성하여야 하기 때문에 제조원가가 증가하는 문제점을 갖는다.
또한, 예상보다 빠르게 진행하는 디지털 기기의 경박단소화 및 고성능화에 부합하는 우수한 용량유지율을 가지며 충전 시간이 단축된 코인형 커패시터의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 배경기술로는 한국특허 제10-1056512호에 리튬이온 캐퍼시터 및 이를 위한 제조방법이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 용량유지율이 우수한 동시에 충전 시간을 단축할 수 있는 하이브리드 이온 커패시터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 용량유지율이 우수한 동시에 충전 시간을 단축할 수 있는 하이브리드 이온 커패시터를 단순한 공정에 의해 효율적으로 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 상세한 설명의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일 측면에 따르면, 전극 활물질을 포함하는 제1전극, 분리막, 및 전극 활물질을 포함하는 제2전극이 순차적으로 적층되어 롤 타입으로 구성된 전극구조물; 상기 전극구조물을 내부에 수용하고, 일측으로 개방된 개구부가 형성되고, 내측면에 제1절연판을 포함하는 외장케이스; 상기 외장케이스의 개구부를 덮고, 내측면에 제2절연판을 포함하는 캡; 상기 외장케이스 및 캡 사이를 고정 및 밀봉하는 가스켓; 상기 제1전극 및 상기 외장케이스에 양말단이 접촉되어 제1전극과 상기 외장케이스 사이를 전기적으로 연결하는 제1집전체; 및 상기 제2전극 및 상기 캡에 양말단이 접촉되어 제2전극과 상기 캡 사이를 전기적으로 연결하는 제2집전체;를 포함하는, 하이브리드 이온 커패시터가 제공된다.
일 실시예에 따르면, 본원의 하이브리드 이온 커패시터는 코인 셀(coin cell)형일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 분리막은 전극구조물의 외측 전극을 둘러 감싸도록 길이가 길게 형성된 것일 수 있다.
다른 측면에 따르면, 본원에 기재된 하이브리드 이온 커패시터의 제조방법으로, i) 전극 활물질을 포함하는 제1전극, 분리막, 및 전극 활물질을 포함하는 제2전극이 순차적으로 적층되어 롤 타입으로 구성된 전극구조물을 준비하는 단계; 및 ii) 외장케이스, 캡, 및 가스켓을 이용하여 상기 전극구조물을 내장시키는 단계;를 포함하고, 상기 단계 ii)의 상기 전극구조물을 내장시키는 단계는 제1집전체 및 제2집전체 각각을 상기 외장케이스 및 캡에 접촉시켜 전기적으로 연결하는 것을 포함하는, 하이브리드 이온 커패시터의 제조방법이 제공된다.
일 실시예에 따르면, 상기 단계 i)의 전극구조물을 준비하는 단계는 제1전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제1전극을 형성하는 단계는, 음극활물질, 바인더, 도전재, 및 분산매를 혼합한 음극물질을 준비하는 단계; 및 상기 음극물질을 다음 중 1종의 형태로 음극인 제1전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다: 1) 음극물질을 압착하여 시트상의 전극 형태로 형성하는 단계, 2) 금속호일에 음극물질을 양면 코팅하여 전극 형태로 형성하는 단계, 또는 3) 음극물질을 시트상으로 만들어 금속 호일에 부착하여 전극 형태로 형성하는 단계.
일 실시예에 따르면, 상기 단계 i)의 전극구조물을 준비하는 단계는 제2전극을 형성하는 단계를 포함하고, 제2전극을 형성하는 단계는, 리튬 또는 나트륨 전이금속산화물과 활성탄을 포함하는 양극활물질, 바인더, 도전재, 및 분산매를 혼합한 양극물질을 준비하는 단계; 및 상기 양극물질을 다음 중 1종의 형태로 양극인 제2전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다: 1) 양극물질을 압착하여 시트상의 전극 형태로 형성하는 단계, 2) 금속호일에 양극물질을 양면 코팅하여 전극 형태로 형성하는 단계, 또는 3) 양극물질을 시트상으로 만들어 금속 호일에 부착하여 전극 형태로 형성하는 단계.
일 실시예에 따르면, 본원의 하이브리드 이온 커패시터의 제조방법의 제2전극을 형성하는 단계에서 상기 금속호일은 알루미늄 타공 호일일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 단계 i)의 전극구조물을 준비하는 단계는, 제1전극, 분리막, 및 제2전극을 적층하고, 코일링(coiling)하여 롤(roll) 타입으로 제조하되, 상기 분리막으로 전극구조물의 외측 전극을 둘러 감싸는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 단계 ii)의 상기 전극구조물을 내장시키는 단계는 제1집전체 및 제2집전체 각각을 상기 외장케이스 및 캡에 용접 방식으로 접합시키는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 본원의 하이브리드 이온 커패시터는 용량유지율이 우수한 동시에 충전 시간을 단축할 수 있다. 따라서 고수명, 고출력, 및 고에너지 밀도의 성능을 가지는 하이브리드 이온 커패시터를 제공하여 전자기기 등에 유용하게 활용할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 본원의 하이브리드 이온 커패시터 제조방법은 용량유지율이 우수한 동시에 충전 시간을 단축할 수 있는 코인형 하이브리드 이온 커패시터를 단순한 공정에 의해 효율적으로 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 롤 타입의 전극구조물을 포함하는 코인형 하이브리드 이온 커패시터를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 롤 타입의 전극구조물을 포함하는 코인형 하이브리드 이온 커패시터를 개략적으로 보여주는 분해 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 롤 타입의 전극구조물을 개략적으로 보여주는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 롤 타입의 전극구조물을 포함하는 코인형 하이브리드 이온 커패시터의 용량유지율을 시트 타입의 코인형 커패시터와 비교하여 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 롤 타입의 전극구조물을 포함하는 코인형 하이브리드 이온 커패시터의 충전시간을 리튬전지와 비교하여 보여주는 그래프이다.
본 개시의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 개시의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 명세서에서, 층, 부분, 또는 기판과 같은 구성요소가 다른 구성요소 "위에", "연결되어", 또는 "결합되어" 있는 것으로 기재되어 있는 경우, 이는 직접적으로 다른 구성요소 "위에", "연결되어", 또는 "결합되어" 있는 것일 수 있고, 또한 양 구성요소 사이에 하나 이상의 다른 구성요소를 개재하여 있을 수 있다. 대조적으로, 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 위에", "직접적으로 연결되어", 또는 "직접적으로 결합되어" 있는 것으로 기재되어 있는 경우, 양 구성요소 사이에는 다른 구성요소가 개재되어 있을 수 없다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 개시를 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 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것이 아니다.
본 개시는 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 개시를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 개시의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 개시를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 본 개시의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 롤 타입의 전극구조물을 포함하는 코인형 하이브리드 이온 커패시터를 개략적으로 보여주는 단면도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 롤 타입의 전극구조물을 포함하는 코인형 하이브리드 이온 커패시터를 개략적으로 보여주는 분해 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본원의 하이브리드 이온 커패시터(1)는, 대략 롤 타입으로 구성된 전극구조물(100); 상기 전극구조물(100)을 내부에 수용하고, 상부가 개방된 개구부가 형성된 외장케이스(200); 상기 외장케이스(200)의 개구부를 덮는 캡(300); 및 상기 외장케이스(200) 및 상기 캡 (300) 사이를 고정 및 밀봉하는 가스켓(400)으로 구성된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 롤 타입의 전극구조물을 개략적으로 보여주는 모식도이다.
도 3을 참조하면, 본원의 전극구조물(100)은 전극 활물질을 포함하는 제1전극(140), 분리막(150), 및 전극 활물질을 포함하는 제2전극(160)이 순차적으로 적층되어 롤 타입으로 구성되는 것을 특징으로 한다. 상기 전극 활물질에 따라 제1전극 및 제2전극의 종류가 달라질 수 있다. 제1전극이 음극이고 제2전극이 양극일 수 있고, 그 반대일 수 있다. 이하, 예시적으로 제1전극을 음극(140)으로, 제2전극을 양극(160)으로 설명한다.
또한, 본원의 전극구조물(100)은 상기 제1전극인 음극(140) 및 상기 외장케이스(200)에 양말단이 직접 접촉되어 제1전극인 음극(140)과 상기 외장케이스(200) 사이를 전기적으로 연결하는 제1집전체(110); 및 상기 제2전극인 양극(160) 및 상기 캡(300)에 양말단이 직접 접촉되어 제2전극인 양극(160)과 상기 캡(300) 사이를 전기적으로 연결하는 제2집전체(120)를 포함한다.
본원의 하이브리드 이온 커패시터는 코인 셀(coin cell)형일 수 있다. 상기한 구성에 의하면, 용량유지율이 우수한 동시에 충전 시간을 단축할 수 있다. 또한, 고수명, 고출력, 및 고에너지 밀도의 성능을 가지는 하이브리드 이온 커패시터를 제공하여 전자기기 등에 유용하게 활용할 수 있다. 종래 코인 셀형 커패시터의 장점인 경박단소화하는 디지털 기기로의 적용 편의성을 유지하면서, 용량유지율 및 안정성이 낮은 종래 코인 셀형 커패시터의 한계를 극복할 수 있다.
분리막(150)은 전극구조물의 외측 전극을 둘러 감싸도록 길이가 길게 형성될 수 있다. 즉, 상기 분리막(150)은 제1전극인 음극(140)을 한 바퀴 이상 둘러 감쌀 정도로 충분히 길게 형성될 수 있다. 상기한 구성에 의하면, 분리막 1개만 포함하여 전극구조물(100)의 구성을 간략하게 할 수 있고 용량을 극대화할 수 있다. 나아가 상기 분리막(150)은 제1전극인 음극(140) 및 제2전극인 양극(160)보다 폭 및 길이가 크게 형성될 수 있다. 또한, 상기 음극(140)은 상기 양극(160)보다 길이가 길게 형성될 수 있다. 상기한 구성에 의하면, 클림핑 시에도 전극에 대한 데미지를 미연에 방지할 수 있다.
상기 제1전극인 음극(140)은 음극활물질, 바인더, 도전재, 및 분산매를 혼합한 음극물질을 다양한 형태로 형성한 것일 수 있다.
상기 음극물질은 활성탄 100중량부에 대하여 도전재는 2~20중량부, 바인더는 2~10중량부 함유되게 첨가하는 것이 적합할 수 있다. 상기 분산매의 함량은 특별히 제한되는 것은 아니지만 활성탄 100중량부에 대하여 200~300중량부로 첨가할 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 제1전극인 음극(140)에서 음극활물질은 활성탄, 소프트카본, 하드카본, 및 그라파이트 중 1종 이상을 혼합한 것일 수 있다.
상기 활성탄은 특별히 제한되지 않고 일반적인 전극 제조에 사용되는 활성탄을 사용할 수 있다. 예를 들어, 코코넛 쉘(shell)계 탄화 활성탄, 페놀 레진계 탄화 활성탄 등을 사용할 수 있으며, 이는 부분 결정성 활성탄을 포함한다. 사용되는 활성탄 분말의 비표면적은 300~2500 ㎡/g인 것이 바람직하다. 활성탄 분말의 입도는 전극 성형 및 분산을 용이하게 하기 위하여 0.9~20 ㎛ 범위의 것을 사용하는 것이 적합할 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, 슈퍼-피(Super-P), 덴카블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등이 가능하다.
또한, 상기 바인더는 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 폴리비닐리덴플로라이드(polyvinylidenefloride; PVdF), 카르복시메틸셀룰로오스(carboxymethylcellulose; CMC), 폴리비닐알코올(poly vinyl alcohol; PVA), 폴리비닐부티랄(poly vinyl butyral; PVB), 폴리비닐피롤리돈(poly-N-vinylpyrrolidone; PVP), 스티렌부타디엔고무(styrene butadiene rubber; SBR), 폴리아마이드-이미드(Polyamide-imide), 폴리이미드(polyimide) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 분산매는 에탄올(EtOH), 아세톤, 이소프로필알콜, 메틸 피롤리돈(NMP), 프로필렌글리콜 등의 유기 용매 또는 물을 사용할 수 있다.
상기 음극물질은 반죽상이므로 균일한 혼합(완전 분산)이 어려울 수 있는데, 행성 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기(mixer)를 사용하여 소정 시간(예컨대, 10분~12시간) 동안 교반시키면 전극제조에 적합한 음극물질을 얻을 수 있다. 행성 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기는 균일하게 혼합된 음극물질의 제조를 가능케 한다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 제1전극인 음극(140)은 1) 음극물질을 압착하여 시트상의 전극 형태로 형성한 것일 수 있고, 2) 금속호일에 음극물질을 양면 코팅하여 전극 형태로 형성한 것일 수 있고, 또는 3) 음극물질을 시트상으로 만들어 금속 호일에 부착하여 전극 형태로 형성한 것일 수 있다.
상기한 구성에 의하면, 고밀도 및 고용량의 롤 타입 전극구조물(100)을 용이하게 형성할 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 음극물질을 구리 호일(Cu foil), 구리 에칭 호일(Cu etching foil) 또는 구리 타공 호일과 같은 금속 호일(metal foil)에 양면 코팅하거나, 상기 음극물질을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일에 붙여서 음극 형상으로 제조하는 것이 적합할 수 있다. 상기 구리 에칭 호일이라 함은 구리 호일을 요철 모양으로 에칭한 것을 의미한다. 구리 타공 호일의 타공의 지름은 수um로 간격은 수mm로 타공한다.
상기와 같이 제조된 음극 형상에 대하여 건조 공정을 거쳐 음극이 제조된다. 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 적합할 수 있다. 그리고 건조 공정은 위와 같은 온도에서 약 10분~6시간 동안 진행시키는 것이 적합할 수 있다. 이와 같은 건조 공정은 음극물질을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 음극인 카본류 전극의 강도를 향상시킨다.
또한, 상기 제2전극인 양극(160)은 리튬 또는 나트륨 전이금속산화물과 활성탄을 포함하는 양극활물질, 바인더, 도전재, 및 분산매를 혼합한 양극물질을 다양한 형태로 형성한 것일 수 있다.
상기 양극물질은 양극활물질 100중량부와, 양극활물질 100중량부에 대하여 도전재 2~15중량부와, 양극활물질 100중량부에 대하여 바인더 2~10중량부를 첨가하고, 상기 분산매는 양극활물질 100중량부에 대하여 200~300중량부로 제조하는 것이 적합할 수 있다.
상기 전이금속산화물은 리튬 및 전이금속을 포함하는 층상 구조, 스피넬 구조 또는 올리빈 구조의 복합금속산화물이 적합할 수 있다. 상기 전이금속은 티타늄(Ti), 바나듐(V), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 알루미늄(Al) 및 니켈(Ni)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 금속일 수 있다. 이러한 리튬전이금속산화물로는 LiMn204, LiCoO2, LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2, LiNixCoxAlxO2 등을 예로 들 수 있다. 상기 리튬전이금속산화물의 비표면적은 0.1~100 ㎡/g 범위인 것이 적합할 수 있다.
양극활물질로 리튬전이금속산화물만을 사용할 경우에 양극에서는 화학반응을 이용하는 메커니즘으로 용량을 발현하기 때문에 음극과의 출력 비대칭이 발생하게 된다. 즉, 리튬전이금속산화물이 사용된 양극에서는 화학적 반응이 일어나고 활성탄이 사용된 음극에서는 물리적 반응이 일어남에 따라 양극과 음극 사이에 출력 비대칭이 발생한다. 따라서, 음극인 카본류 전극에 전압 충격이 상대적으로 가해짐으로써 고출력 및 고전압에서의 하이브리드 이온 커패시터 사용에 제약을 받게 되며 신뢰성에 문제가 있을 수 있다.
상기와 같은 출력 비대칭을 억제하고 셀(cell) 용량을 향상시켜 하이브리드 이온 커패시터 셀의 내전압 특성 및 출력 특성을 개선하기 위하여 활성탄을 리튬전이금속산화물과 함께 양극활물질로서 사용한다. 양극활물질로 사용되는 활성탄 분말은 야자각계 활성탄, 페놀수지계 활성탄, 코크스계 활성탄 또는 이들의 혼합물을 사용하며, 1,000~2,500 ㎡/g의 비표면적을 갖는 활성탄 분말을 사용하는 것이 적합할 수 있다.
양극활물질로 사용되는 상기 활성탄 분말은 양극활물질에 양극활물질 100중량부에 대하여 1~30중량부 함유되는 것이 적합할 수 있다. 양극활물질로 사용되는 활성탄 분말의 함량이 1중량부 미만일 경우에는 출력 비대칭을 억제하는 효과가 미약하고, 30중량부를 초과하는 경우에는 출력 비대칭 억제 효과를 더 이상 기대할 수 없고 활성탄의 에너지 밀도가 리튬전이금속산화물에 비하여 부족하기 때문에 용량감소로 인하여 하이브리드 시스템의 효율을 상당 부분 잃어버리게 된다. 따라서, 양극활물질에서 리튬전이금속산화물과 활성탄 분말의 중량비(리튬전이금속산화물: 활성탄 분말)는 99:1~70:30 범위인 것이 바람직하다.
양극활물질로 리튬 대신에 자원량이 풍부하면서도 저가인 나트륨을 포함할 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, 슈퍼-피(Super-P), 덴카블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등이 가능하다.
상기 바인더는 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 폴리비닐리덴플로라이드(polyvinylidenefloride; PVdF), 카르복시메틸셀룰로오스(carboxymethylcellulose; CMC), 폴리비닐알코올(poly vinyl alcohol; PVA), 폴리비닐부티랄(poly vinyl butyral; PVB), 폴리비닐피롤리돈(poly-N-vinylpyrrolidone; PVP), 스티렌부타디엔고무(styrene butadiene rubber; SBR), 폴리아마이드-이미드(Polyamide-imide), 폴리이미드(polyimide) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 분산매는 에탄올(EtOH), 아세톤, 이소프로필알콜, 메틸 피롤리돈(NMP), 프로필렌글리콜(PG) 등의 유기 용매 또는 물을 사용할 수 있다.
양극물질은 반죽상이므로 균일한 혼합(완전 분산)이 어려울 수 있는데, 행성 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기(mixer)를 사용하여 소정 시간(예컨대, 10분~12시간) 동안 교반시키면 전극 제조에 적합한 양극물질을 얻을 수 있다. 행성 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기는 균일하게 혼합된 양극물질의 제조를 가능케 한다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 제2전극인 양극(160)은 1) 양극물질을 압착하여 시트상의 전극 형태로 형성한 것일 수 있고, 2) 금속호일에 양극물질을 양면 코팅하여 전극 형태로 형성한 것일 수 있고, 또는 3) 양극물질을 시트상으로 만들어 금속 호일에 부착하여 전극 형태로 형성한 것일 수 있다.
상기한 구성에 의하면, 롤 타입 전극구조물(100)을 용이하게 형성할 수 있다.
상기 양극물질을 알루미늄 호일(Al foil), 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil), 알루미늄 타공 호일과 같은 금속 호일(metal foil)에 양면 코팅하거나, 상기 양극물질을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일에 붙여서 양극 형상으로 제조하는 것이 적합할 수 있다. 상기 알루미늄 에칭 호일이라 함은 알루미늄 호일을 요철 모양으로 에칭한 것을 의미한다. 알루미늄 타공 호일의 타공의 지름은 수um로 간격은 수mm로 타공한다. 타공 호일을 사용할 경우에는 바인더 양을 줄일 수 있고, 양면 전극의 경우, 양쪽의 활물질 분말 입자들끼리 결속을 연결시킬 수 있어, 저항 감소 및 장기 신뢰성에 유리하게 된다.
상기와 같이 제조된 양극 형상에 대하여 건조 공정을 거쳐 양극이 제조된다. 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 적합할 수 있다. 그리고 건조 공정은 위와 같은 온도에서 약 10분~6시간 동안 진행시키는 것이 적합할 수 있다. 이와 같은 건조 공정은 양극물질을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 양극의 강도를 향상시킨다.
상기 음극(140)과 양극(160) 사이에 구비된 분리막(150)은 상기 음극(140)과 상기 양극(160)의 단락을 방지하는 역할을 한다. 분리막(150)은 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 전극구조물(100)은 음극(140), 분리막(150), 및 양극(160)을 적층하고, 코일링(coiling)하여 롤(roll) 형태의 권취소자로 제작한 후, 롤(roll) 주위로 접착제를 바르거나, 또는 접착테이프(130) 등으로 감아 롤 형태가 유지될 수 있게 하여 제작된다.
상기 전극구조물(100)은 대략 짧은 원기둥 형태로 형성되고, 상기 외장케이스(200)는 이에 따라 대략 원통형으로 형성된 것일 수 있다.
상기 외장케이스(200)는 원판 형상의 바닥벽과, 상기 바닥벽의 외측 테두리로부터 상향 절곡되어 원호를 따라 연결되는 수직벽으로 이루어질 수 있다. 상기 외장케이스(200)는 스테인리스, 알루미늄, 니켈, 타이타튬, 탄탈륨, 및 니오븀 중 1종 이상으로 형성될 수 있다.
상기 캡(300)은 외장케이스(200)와 결합하되, 결합 시 상판이 외장케이스(200)의 상부 개구부를 밀폐시키며, 측벽이 상기 외장케이스(200)의 수직벽의 내측에 배치되도록 외장케이스(200)에 결합된다. 상기 캡(300)은 스테인리스, 알루미늄, 니켈, 타이타튬, 탄탈륨, 및 니오븀 중 1종 이상으로 형성될 수 있다.
상기 외장케이스(200)의 내측면 및 상기 캡(300)의 내측면에는 각각 절연판(210, 310)이 구비되어 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 절연판(210, 310)은 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE)로 구성될 수 있다. 상기한 구성에 의하면, 상기 절연판(210, 310)이 쿠션 역할을 해 줄 수 있으며 쇼트를 방지할 수 있고 전극이 깨지지 않도록 보호해 줄 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 가스켓(400)은 전해액의 누액을 방지하고, 절연 및 단락을 방지할 수 있다면 특별한 제한은 없으나, PP(Poly Propylene) PPS(Poly Phenylene Sulfide), PEEK(Poly Ether Ehter Ketone), Nylon 등으로 이루어질 수 있으며, PEEK로 구성되는 것이 적합할 수 있다. PEEK는 기계적 강도가 우수하며, 내약품성, 절연성, 및 난연성 모두 뛰어나서, 상기 외장케이스(200) 및 상기 캡 (300) 사이를 완벽하게 고정하여, 전해액의 누액을 방지하고, 절연 및 단락을 방지할 수 있다. 나아가, 클림핑 시 높이가 무너지지 않게 하는 역할을 할 수 있다.
상기 전극구조물(100)이 함침되게 리튬염이 용해되어 있는 전해액을 주입하고 밀봉하여 하이브리드 슈퍼커패시터 셀로 구성될 수 있다. 상기 리튬염은 커패시터에서 통상적으로 사용되는 리튬염으로서 특별히 제한되지는 않으며, 예를 들면 LiPF6, LiBF4, LiClO4, Li(CF3SO2)2, LiCF3SO3, LiSbF6 또는 LiAsF6 등을 사용할 수 있다. 상기 전해액을 구성하는 용매는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 환상 카보네이트계 용매, 쇄상 카보네이트계 용매, 에스테르계 용매, 에테르계 용매, 니트릴계 용매, 아미드계 용매 등을 사용할 수 있다. 상기 환상 카보네이트계 용매로는 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 비닐렌카보네이트 등을 사용할 수 있고, 상기 쇄상 카보네이트계 용매로는 디메틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 디에틸카보네이트 등을 사용할 수 있으며, 상기 에스테르계 용매로는 아세트산메틸, 아세트산에틸, 아세트산프로필, 프로피온산메틸, 프로피온산에틸, γ-부티롤락톤 등을 사용할 수 있고, 상기 에테르계 용매로는 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란 등을 사용할 수 있으며, 상기 니트릴계 용매로는 아세토니트릴 등을 사용할 수 있고, 상기 아미드계 용매로는 디메틸포름아미드 등을 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 하이브리드 이온 커패시터(1)의 제조방법에 대해 설명한다. 여기서 앞서 살펴본 하이브리드 이온 커패시터(1)에 대해 중복되는 내용들은 생략하거나 간소화될 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 다른 측면에 따른 본원에 기재된 하이브리드 이온 커패시터(1)의 제조방법은, i) 전극 활물질을 포함하는 제1전극인 음극(140), 분리막(150), 및 전극 활물질을 포함하는 제2전극인 양극(160)이 순차적으로 적층되어 롤 타입으로 구성된 전극구조물(100)을 준비하는 단계; 및 ii) 외장케이스(200), 캡(300), 및 가스켓(400)을 이용하여 상기 전극구조물(100)을 내장시키는 단계;를 포함한다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 단계 i)의 전극구조물(100)을 준비하는 단계는 제1전극인 음극(140)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1전극인 음극(140)을 형성하는 단계는, 음극활물질, 바인더, 도전재, 및 분산매를 혼합한 음극물질을 준비하는 단계; 및 상기 음극물질을 다양한 형태로 음극(140)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
음극물질은 반죽상이므로 균일한 혼합(완전 분산)이 어려울 수 있는데, 행성 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기(mixer)를 사용하여 소정 시간(예컨대, 10분~12시간) 동안 교반시키면 전극제조에 적합한 음극물질을 얻을 수 있다. 행성 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기는 균일하게 혼합된 음극물질의 제조를 가능케 한다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 제1전극인 음극(140)은 1) 음극물질을 압착하여 시트상의 전극 형태로 형성하는 단계, 2) 금속호일에 음극물질을 양면 코팅하여 전극 형태로 형성하는 단계, 또는 3) 음극물질을 시트상으로 만들어 금속 호일에 부착하여 전극 형태로 형성하는 단계에 의해 형성될 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 음극물질을 구리 호일(Cu foil), 구리 에칭 호일(Cu etching foil) 또는 구리 타공 호일과 같은 금속 호일(metal foil)에 양면 코팅하거나, 상기 음극물질을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일에 붙여서 음극 형상으로 제조하는 것이 적합할 수 있다. 상기 구리 에칭 호일이라 함은 구리 호일을 요철 모양으로 에칭한 것을 의미한다. 구리 타공 호일의 타공의 지름은 수um로 간격은 수mm로 타공한다.
상기와 같이 제조된 음극 형상에 대하여 건조 공정을 거쳐 음극이 제조된다. 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 적합할 수 있다. 그리고 건조 공정은 위와 같은 온도에서 약 10분~6시간 동안 진행시키는 것이 적합할 수 있다. 이와 같은 건조 공정은 음극물질을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 음극인 카본류 전극의 강도를 향상시킨다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 단계 i)의 전극구조물(100)을 준비하는 단계는 제2전극인 양극(160)을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 제2전극인 양극(160)을 형성하는 단계는, 리튬 또는 나트륨 전이금속산화물과 활성탄을 포함하는 양극활물질, 바인더, 도전재, 및 분산매를 혼합한 양극물질을 준비하는 단계; 및 상기 양극물질을 다양한 형태로 양극(160)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
양극물질은 반죽상이므로 균일한 혼합(완전 분산)이 어려울 수 있는데, 행성 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기(mixer)를 사용하여 소정 시간(예컨대, 10분~12시간) 동안 교반시키면 전극 제조에 적합한 양극물질을 얻을 수 있다. 행성 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기는 균일하게 혼합된 양극물질의 제조를 가능케 한다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 제1전극인 양극(160)은 1) 양극물질을 압착하여 시트상의 전극 형태로 형성하는 단계, 2) 금속호일에 양극물질을 양면 코팅하여 전극 형태로 형성하는 단계, 또는 3) 양극물질을 시트상으로 만들어 금속 호일에 부착하여 전극 형태로 형성하는 단계에 의해 형성될 수 있다.
상기 양극물질을 알루미늄 호일(Al foil), 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil), 알루미늄 타공 호일과 같은 금속 호일(metal foil)에 양면 코팅하거나, 상기 양극물질을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일에 붙여서 양극 형상으로 제조하는 것이 적합할 수 있다. 상기 알루미늄 에칭 호일이라 함은 알루미늄 호일을 요철 모양으로 에칭한 것을 의미한다. 알루미늄 타공 호일의 타공의 지름은 수um로 간격은 수mm로 타공한다. 타공 호일을 사용할 경우에는 바인더 양을 줄일 수 있고, 양면 전극의 경우, 양쪽의 활물질 분말 입자들끼리 결속을 연결시킬 수 있어, 저항 감소 및 장기 신뢰성에 유리하게 된다.
상기와 같이 제조된 양극 형상에 대하여 건조 공정을 거쳐 양극이 제조된다. 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 적합할 수 있다. 그리고 건조 공정은 위와 같은 온도에서 약 10분~6시간 동안 진행시키는 것이 적합할 수 있다. 이와 같은 건조 공정은 양극물질을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 양극의 강도를 향상시킨다.
상기 단계 i)의 전극구조물(100)을 준비하는 단계는 음극(140), 분리막(150), 및 양극(160)을 적층하고, 코일링(coiling)하여 롤(roll) 타입으로 제조하되, 상기 분리막으로 전극구조물의 외측 전극을 둘러 감싸는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제조된 롤(roll) 타입 전극구조물(100) 주위로 접착제를 바르거나, 또는 접착테이프(130) 등으로 감아 롤 형태가 유지될 수 있게 하여 제작된다.
상기 단계 ii)의 상기 전극구조물(100)을 내장시키는 단계는 제1집전체(110) 및 제2집전체(120) 각각을 상기 외장케이스(100) 및 캡(200)에 직접 접촉시켜 전기적으로 연결하는 것을 포함한다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 단계 ii)의 상기 전극구조물(100)을 내장시키는 단계는 제1집전체(110) 및 제2집전체(120) 각각을 상기 외장케이스(200) 및 캡(300)에 직접 용접 방식으로 접합시키는 것을 포함할 수 있다. 상기 용접은 초음파 또는 레이저 용접일 수 있다.
실시예
실시예 1.
하드 카본 70중량부, 활성탄 30중량부와 도전재인 케첸블랙(Ketjen Black)(일본, Mitsubishi chemical사 제품) 15중량부를 건식 혼합하였다. 그리고 이와는 별도로 증류수에 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 3중량부를 첨가하여 혼합하였다. 그리고 하드카본 분말이 함유된 혼합물과 카르복시메틸셀룰로오스(CMC)가 함유된 혼합물을 혼합한 후, 행성 믹서(Planetary mixer)(제조사: T.K, 모델명: Hivis disper)에 투입하여 1시간 동안 교반하여 분산시킨 후 스티렌부타디엔고무(SBR) 9.8중량부를 첨가하여 1시간 동안 혼합 교반하여 음극물질을 얻었다.
상기 음극물질을 20㎛ 구리 호일(Cu foil)에 양면 코팅하여 구리 호일(Cu foil)을 포함하여 200㎛ 두께의 음극 형상으로 제작하였다. 그리고 음극 형상을 150℃로 유지되고 있는 전기오븐(국제엔지니어링사 제품)에 투입하여 3시간 동안 건조시켜 음극을 제조하였다.
LiNCM523 70중량부와 페놀수지계 활성탄 분말로서 입도가 5㎛이고 비표면적이 2,200㎡/g인 MSP20 활성탄 분말(일본, 관서열화학사 제품) 30중량부를 포함하는 양극활물질 100중량부와, 도전재인 케첸블랙(Ketjen Black)(일본, Mitsubishi chemical사 제품)을 상기 양극활물질 100중량부에 대하여 10중량부를 건식 혼합하였다. 그리고, 이와는 별도로 메틸 피롤리돈인 N-메틸-2-피롤리돈(N methyl-2-pyrrolidone; NMP)에 상기 양극활물질 100중량부에 대하여 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride; PVdF) 10중량부를 첨가하여 혼합하였다. 그리고, 양극활물질이 함유된 혼합물과 폴리비닐리덴 플루오라이드가 함유된 혼합물을 혼합한 후, 행성 믹서(Planetary mixer)(제조사: T.K, 모델명: Hivis disper)에 투입하여 1시간 동안 혼합 교반하여 분산시킨 후, 상기 양극활물질 100중량부에 대하여 NMP 60중량부를 첨가하여 1시간 동안 혼합 교반하여 양극물질을 얻었다.
상기 양극물질을 20㎛ 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil)에 양면 코팅하여 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil)을 포함하여 200㎛ 두께의 양극 형상으로 제작하였다. 그리고 양극 형상을 150℃로 유지되고 있는 전기오븐(국제엔지니어링사 제품)에 투입하여 3시간 동안 건조시켜 양극을 제조하였다.
이렇게 제조한 양극과 음극을 적용하여 지름 18㎜, 높이 2.5㎜의 스텐레스 외장케이스에 상기 양극과, 상기 음극을 배치하고, 상기 양극과 음극 사이에 양극과 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고 롤 형태로 권취형으로 전극구조물을 제작하고, 리튬염이 포함된 전해액을 양극과 음극이 함침되게 주입하였다. 상기 전해액은 에틸렌카보네이트(etylene carbonate; EC) 용매에 LiBF4(lithium tetrafluoroborate) 1M이 첨가된 것을 사용하였다. 상기 분리막은 TF4035(일본 NKK사 제품)를 사용하였다. 캡, 밀봉을 위한 가스켓을 이용하여, 상기 전극구조물은 리튬염이 용해되어 있는 전해액에 함침되어 있는 하이브리드 슈퍼커패시터 셀로 제조하였다.
실험예 1. 용량유지율 측정
실시예 1에 의해 제조된 하이브리드 이온 커패시터의 충방전 사이클에 따른 용량유지율(%)을 70℃, 4.2V ∼ 2.5V 충/방전 기준으로 측정하고, 종래의 시트 타입의 코인형 커패시터의 용량유지율과 비교하였다.
그 결과를 도 4에 나타내었다. 즉, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 롤 타입의 전극구조물을 포함하는 코인형 하이브리드 이온 커패시터의 용량유지율을 시트 타입의 코인형 커패시터와 비교하여 보여주는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본원의 롤 타입 코인형 하이브리드 이온 커패시터가 종래의 시트 타입의 코인형 리튬이온 커패시터에 비해 전체적으로 높게 나타났으며, 사이클 수가 증가함에 따라 용량유지율이 감소하는 비율도 작게 나타났다. 특히 본원의 롤 타입 코인형 하이브리드 이온 커패시터는 충방전 사이클이 4000회 이상에서도 용량유지율이 높게 유지되었다. 이에 비해 종래의 시트 타입의 코인형 커패시터는 4000회 이상에서 용량유지율이 급격히 하락하였다. 따라서, 본원의 롤 타입 코인형 하이브리드 이온 커패시터는 시트 타입 코인형 리튬이온 커패시터에 비해 부피대비 2 배 이상의 용량을 가지며, 용량유지율도 매우 우수하였다.
실험예 2. 충전시간 측정
실시예 1에 의해 제조된 하이브리드 이온 커패시터(HIC)의 충전시간을 하기 조건 하에서 측정하고, 종래의 리튬전지의 충전시간과 비교하였다.
본원의 코인형 HIC의 경우, 독일 Varta 이차 충전 전지의 사용 전압구간인 3.0V~4.2V 4C-rate 충전 전류 인가하여 충전시간을 측정하였다.
그 결과를 도 5에 나타내었다. 즉, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 롤 타입의 전극구조물을 포함하는 코인형 하이브리드 이온 커패시터의 충전시간을 리튬전지와 비교하여 보여주는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 롤 타입의 전극구조물을 포함하는 코인형 하이브리드 이온 커패시터는 4.2 V에 도달하기까지 10분 정도 소요되나, 종래의 리튬이차전지는 60분이 소요되었다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 의한 롤 타입의 전극구조물을 포함하는 코인형 하이브리드 이온 커패시터는 기존의 리튬전지에 비해 4 내지 6배 충전이 빠르다.
따라서 이런 특징을 활용하여 본 발명의 일 실시예에 의한 롤 타입의 전극구조물을 포함하는 코인형 하이브리드 이온 커패시터는 기존의 전기이중층 커패시터의 장점인 출력성능을 유지하면서, 용량이 커져서 기존의 코인형 리튬이차전지 대체가 가능하다.
또한, 시트 타입의 코인형 리튬이온 커패시터에 비해 같은 부피대비 2 배 이상의 용량을 가지며, 용량유지율도 우수하다.
기존의 리튬전지에 비해 4 내지 6배 충전이 빠르다는 장점을 활용하여 기존의 코인형 리튬전지를 대체할 수 있다.
이상 본 개시를 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 개시를 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 개시는 이에 한정되지 않으며, 본 개시의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다. 본 개시의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 개시의 영역에 속하는 것으로 본 개시의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
1: 하이브리드 이온 커패시터
100: 롤 타입 전극구조물
110: 제1집전체
120: 제2집전체
130: 접착테이프
140: 음극
150: 분리막
160: 양극
200: 외장케이스
210: 제1절연판
300: 캡
310: 제2절연판
400: 가스켓

Claims (9)

  1. 전극 활물질을 포함하는 제1전극, 분리막, 및 전극 활물질을 포함하는 제2전극이 순차적으로 적층되어 롤 타입으로 구성된 전극구조물;
    상기 전극구조물을 내부에 수용하고, 일측으로 개방된 개구부가 형성되고, 내측면에 제1절연판을 포함하는 외장케이스;
    상기 외장케이스의 개구부를 덮고, 내측면에 제2절연판을 포함하는 캡;
    상기 외장케이스 및 캡 사이를 고정 및 밀봉하는 가스켓;
    상기 제1전극 및 상기 외장케이스에 양말단이 접촉되어 제1전극과 상기 외장케이스 사이를 전기적으로 연결하는 제1집전체; 및
    상기 제2전극 및 상기 캡에 양말단이 접촉되어 제2전극과 상기 캡 사이를 전기적으로 연결하는 제2집전체;를 포함하는, 하이브리드 이온 커패시터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하이브리드 이온 커패시터코인 셀(coin cell)형인, 하이브리드 이온 커패시터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분리막은 전극구조물의 외측 전극을 둘러 감싸도록 길이가 길게 형성된, 하이브리드 이온 커패시터.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 하이브리드 이온 커패시터의 제조방법으로,
    i) 전극 활물질을 포함하는 제1전극, 분리막, 및 전극 활물질을 포함하는 제2전극이 순차적으로 적층되어 롤 타입으로 구성된 전극구조물을 준비하는 단계; 및
    ii) 외장케이스, 캡, 및 가스켓을 이용하여 상기 전극구조물을 내장시키는 단계;를 포함하고,
    상기 단계 ii)의 상기 전극구조물을 내장시키는 단계는 제1집전체 및 제2집전체 각각을 상기 외장케이스 및 캡에 접촉시켜 전기적으로 연결하는 것을 포함하는, 하이브리드 이온 커패시터의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 단계 i)의 전극구조물을 준비하는 단계는
    제1전극을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 제1전극을 형성하는 단계는,
    음극활물질, 바인더, 도전재, 및 분산매를 혼합한 음극물질을 준비하는 단계; 및
    상기 음극물질을 다음 중 1종의 형태로 음극인 제1전극을 형성하는 단계를 포함하는, 하이브리드 이온 커패시터의 제조방법:
    1) 음극물질을 압착하여 시트상의 전극 형태로 형성하는 단계,
    2) 금속호일에 음극물질을 양면 코팅하여 전극 형태로 형성하는 단계, 또는
    3) 음극물질을 시트상으로 만들어 금속 호일에 부착하여 전극 형태로 형성하는 단계.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 단계 i)의 전극구조물을 준비하는 단계는
    제2전극을 형성하는 단계를 포함하고,
    제2전극을 형성하는 단계는,
    리튬 또는 나트륨 전이금속산화물과 활성탄을 포함하는 양극활물질, 바인더, 도전재, 및 분산매를 혼합한 양극물질을 준비하는 단계; 및
    상기 양극물질을 다음 중 1종의 형태로 양극인 제2전극을 형성하는 단계를 포함하는, 하이브리드 이온 커패시터의 제조방법:
    1) 양극물질을 압착하여 시트상의 전극 형태로 형성하는 단계,
    2) 금속호일에 양극물질을 양면 코팅하여 전극 형태로 형성하는 단계, 또는
    3) 양극물질을 시트상으로 만들어 금속 호일에 부착하여 전극 형태로 형성하는 단계.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 금속호일은 알루미늄 타공 호일인, 하이브리드 이온 커패시터의 제조방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 단계 i)의 전극구조물을 준비하는 단계는, 제1전극, 분리막, 및 제2전극을 적층하고, 코일링(coiling)하여 롤(roll) 타입으로 제조하되, 상기 분리막으로 전극구조물의 외측 전극을 둘러 감싸는 단계를 포함하는, 하이브리드 이온 커패시터의 제조방법.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 단계 ii)의 상기 전극구조물을 내장시키는 단계는 제1집전체 및 제2집전체 각각을 상기 외장케이스 및 캡에 용접 방식으로 접합시키는 것을 포함하는, 하이브리드 이온 커패시터의 제조방법.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160150324A (ko) * 2015-06-22 2016-12-30 주식회사 비츠로셀 리튬 이온 커패시터 및 그 제조방법
KR20170096704A (ko) * 2016-02-17 2017-08-25 엘에스엠트론 주식회사 에너지 저장 장치
KR101839020B1 (ko) * 2016-08-26 2018-03-19 비나텍 주식회사 코인형 리튬 이온 커패시터의 제조 방법
KR20200072070A (ko) * 2018-12-12 2020-06-22 동의대학교 산학협력단 사용자의 서명의 검증에 이용되는 검증 모델을 생성하는 전자 장치
KR20210147342A (ko) * 2020-05-28 2021-12-07 한국수력원자력 주식회사 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6807366B2 (ja) * 2018-11-02 2021-01-06 セイコーインスツル株式会社 電気化学セル

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160150324A (ko) * 2015-06-22 2016-12-30 주식회사 비츠로셀 리튬 이온 커패시터 및 그 제조방법
KR20170096704A (ko) * 2016-02-17 2017-08-25 엘에스엠트론 주식회사 에너지 저장 장치
KR101839020B1 (ko) * 2016-08-26 2018-03-19 비나텍 주식회사 코인형 리튬 이온 커패시터의 제조 방법
KR20200072070A (ko) * 2018-12-12 2020-06-22 동의대학교 산학협력단 사용자의 서명의 검증에 이용되는 검증 모델을 생성하는 전자 장치
KR20210147342A (ko) * 2020-05-28 2021-12-07 한국수력원자력 주식회사 포스포린 기반 음극을 갖는 고밀도 하이브리드 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법

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