KR100651948B1 - 양극용 전극재료 구조 및 이를 이용한 에너지 저장형캐패시터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 현재 발생되고 있는 에너지 저장형 캐패시터에서의 단점을 극복하고 그 기능을 향상시키기 위해 새롭게 디자인된 에너지 저장형 캐패시터의 양극용 전극재료의 구조 및 이를 이용한 에너지 저장형 캐패시터를 제공하기 위한 것으로서, 나노금속과, 상기 나노금속 표면에 적어도 하나 이상 형성되어 전기 이중층의 면적을 증가시키는 나노탄소를 포함하여 구성되는 양극용 전극재료 구조와 이를 이용하여 에너지 저장형 캐패시터가 구성되어, 넓은 비표면적과 동시에 전해질 음이온의 흡착율을 향상시켜 에너지 이용 효율을 증대시키고 그 비용을 절감시킬 수 있는 효과가 있다.

슈퍼 캐패시터, 이차전지, 전해 콘덴서

Description

양극용 전극재료 구조 및 이를 이용한 에너지 저장형 캐패시터{design of anode materials and energy storage capacitor of the same}

도 1 은 일반적인 에너지 저장형 캐패시터의 초고용량 발현원리를 나타낸 도면

도 2 는 본 발명에 따른 에너지 저장형 캐패시터에서 사용되는 양극용 전극재료의 구조를 나타낸 도면

도 3a, 3b는 상기 도 2와 같이 구성되는 양극용 전극재료의 구조를 이용한 에너지 저장형 캐패시터를 나타낸 도면

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 다공성 활성나노탄소 전극 20 : 전해질 음이온

30 : 전해질 양이온 40 : 나노탄소

50 : 나노금속 60 : 분리막

70 : 양극 72 : 집전체

80 : 음극 90 : 전해질

100 : 개스킷

본 발명은 에너지 저장형 캐패시터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 출력 및 에너지 밀도를 구현하기 위한 양극용 전극재료의 구조 및 이를 이용한 에너지 저장한 캐패시터에 관한 것이다.

오늘날 우리사회가 본격적으로 고도 정보화 사회가 되어감에 따라 상업적인 정보는 물론 개인정보의 부가가치가 점차 높아지고 있다. 이에 따라 신뢰성이 높은 정보통신 시스템이 요구되어 졌으며, 이와 함께 안정적인 전기에너지 확보가 절대적으로 필요하게 되었다.

또한 최근 노트북 컴퓨터, 휴대전화 등 소형 혹은 휴대전자기기의 급속한 시장확대에 따라, 이들에 사용되는 전지에 대해서 고에너지밀도화, 장수명화, 초소형화, 경량화, 안전성 확보, 환경친화성 보장 등의 조건에 대한 요구가 높아지고 있다.

이와 같은 요구에 부응하기 위해, 최근 안정적인 전기에너지의 확보를 만족하는 에너지원 시스템인 에너지 저장형 캐패시터가 관심의 대상이 되고 있다.

상기 에너지 저장형 캐패시터란 기존 캐패시터의 기능을 하면서 에너지를 저장할 수 있는 메커니즘을 가지고 있는 캐패시터로서 배터리와 캐패시터의 가교역할을 할 수 있는 에너지 저장장치이다.

에너지 밀도와 파워밀도 측면에서 전해 콘덴서와 이차 전지의 중간 특성을 갖는 에너지 저장형 캐패시터는 이차 전지에 비해 충전 시간이 짧고, 수명이 길며, 고 출력이 가능하며, 기존의 전해 콘덴서 보다 10배 이상의 에너지 밀도가 높은 시 스템이다.

즉, 전해 콘덴서의 파워 특성과 이차 전지의 높은 에너지 저장 특성의 장점만을 조합한 시스템을 의미한다.

이처럼 에너지 저장형 캐패시터가 배터리와 기존 캐패시터의 중간역할을 할 수 있는 이유, 즉 높은 에너지 밀도와 출력밀도를 동시에 가질 수 있는 이유는 다음과 같이 이해될 수 있다.

도 1에서 도시된 것과 같이, 다공성 활성나노탄소 고체전극(10)과 전해질용액 같이 두상의 개면에 있어서 정, 부의 전하는 굉장히 짧은 거리를 배열 분포한다.

이때, 상기 다공성 활성나노탄소 고체전극(10)이 정전하(+)를 띄고 있는 경우에서는 전하를 보상하기 위해 용액중의 전해질 음이온(-)(20)이 배열하고, 상기 다공성 활성나노탄소 고체전극(10)이 부전하(-)를 띄고 있는 경우에서는 전하를 보상하기 위해 용액중의 전해질 양이온(+)(30)이 배열하는데, 이 전하의 배열에 의해 전기 이중층이 생기게 되며, 여기서, 상기 전기 이중층은 다공성 활성나노탄소 전극(10)과 전해질 이온(20)(30)사이에 전자의 이동을 동반하지 않은 비 유도전류(faradic) 반응에 의해 형성된다.

이와 같이 상기 에너지 저장형 캐패시터는 전극/전해질 계면에서 이온들의 정전기적 배향(전기화학이중층 : electrochemical double-layer)을 이용하여 화학반응을 전기에너지로 전환하여 저장하는 전기에너지 저장장치의 일종이다.

따라서 상기 기존 캐패시터에서 캐패시턴스(capacitance)(C) 값은 접촉하는 면적에 비례하고 양전하와 음전하간의 거리 즉 유전층의 두께에 반비례하게 된다. 이에 비해 상기 에너지 저장형 캐패시터에서는 면적면에서 나노스케일의 다공성 탄소전극재료(2000m2/g)를 사용함으로서 그 면적이 획기적으로 증가하였다.

또한 유전층의 두께면에서는 상기 기존 캐패시터가 μm 오더인데 반해 상기 에너지 저장형 캐패시터는 도 1에서 볼 수 있듯이 유전층의 두께가 10Å의 이온층 (ionic layer)으로 감소하여 결국 캐패시턴스(C)의 값이 초고용량으로 증가될 수 있다.

상기 에너지 저장형 캐패시터는 다른 말로 슈퍼 캐패시터(super capacitor)라는 개념으로 설명이 되고 있다.

이와 같은 상기 에너지 저장형 캐패시터는 그 작동원리에 따라 크게 두 종류로 구분이 되는데 그 중 하나는 전극/전해질 계면의 전기 이중층에 전하를 저장하는 것이고 (electrochemical double-layer capacitors), 다른 하나는 가상 캐패시터(pseudo capacitor)라 불리는 것으로 전이금속산화물(transition metal oxide)의 표면에서 전이금속이온의 산화수(valance) 변화가 수반되며 전하 또는 전자가 저장된다.

그러나, 상기 전기 이중층을 이용하는 에너지 저장형 캐패시터는 전극에서 활성탄소를 이용하여 이론적으로 넓은 비표면적을 가짐에도 불구하고 실제 캐패시턴스(c)값으로 계산되어 사용될 수 있는 면적은 전체의 20-30%에 불과하다.

이는 활성탄소 내에 부착되기 위한 전해질 내의 이온의 크기 및 흡착정도와 관련이 있다.

즉, 다공성의 활성탄소는 마이크로(micro<20Å), 매소(meso : 20Å<pore size<100Å) 및 매크로포어(macropore>100Å)등 이 세 가지로 분류가 될 수 있다. 이중 매크로포어(macropore)의 경우 그 크기가 커서 전해질 내의 이온이 기공 안으로 들어가기에 적합한 크기가 될 수 없게 된다. 따라서, 활성탄소 내에 매크로포어가 많을 경우 활성탄소 이용의 장점인 획기적으로 증가된 비표면적이 감소되는 결과를 가져온다.

따라서 정해진 전해질 이온의 크기에 맞는 기공구조 즉, 매소포어(mesopore)를 유지하는 것만이 에너지 저장형 캐패시터의 파워밀도를 올릴 수 있게 된다.

하지만 이를 위해서는 활성탄소의 제조시에 여러 번의 열처리 및 추가공정에 따른 많은 비용과 시간의 손실을 가져오게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 현재 발생되고 있는 에너지 저장형 캐패시터에서의 단점을 극복하고 그 기능을 향상시키기 위해 새롭게 디자인된 에너지 저장형 캐패시터의 양극용 전극재료의 구조 및 이를 이용한 에너지 저장형 캐패시터를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 넓은 비표면적과 동시에 전해질 음이온의 흡착율을 향상시켜 에너지 이용 효율을 증대시키고 그 비용을 절감시킬 수 있는 양극용 전극재료의 구조 및 이를 이용한 에너지 저장형 캐패시터를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 나노금속과, 상기 나노금속 표면에 적어도 하나 이상 형성되어 전기 이중층의 면적을 증가시키는 나노탄소를 포함하여 구성되는 양극용 전극재료 구조를 제공한다.

본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 본 발명은 나노금속 표면에 나노탄소가 적어도 하나 이상 형성되어 전기 이중층의 면적이 증가된 정전극(+)을 갖는 양극과, 상기 양극과 소정 간격을 갖고 대칭되게 형성되어 부전극(-)을 갖는 음극과, 상기 양극과 음극 사이에 형성되어 두 극이 서로 붙는 것을 방지하는 분리막과, 상기 음극과 양극 사이에 형성되어 전류를 흐르게 하는 전해질과, 상기 전해질의 외부 유출을 막는 개스킷을 포함하여 구성되는 에너지 저장형 캐패시터를 제공한다.

이때, 상기 나노금속은 Ag, Au, Pt, Ir, Rh 그리고 Pd 중 적어도 어느 하나로 20나노 ~ 200나노의 크기로 구성되며, 상기 나노탄소는 상기 나노금속보다 더 작은 크기로 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 양극은 전도성을 갖는 넓고 편평한 판으로 이루어진 집전체와, 상기 집전체 위에 나노금속 표면에 나노탄소가 적어도 하나 이상 코팅되어 전기 이중층의 면적이 증가된 적어도 하나 이상의 양극용 전극부를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 2 는 본 발명에 따른 에너지 저장형 캐패시터에서 사용되는 양극용 전극재료의 구조를 나타낸 도면이다.

도 2와 같이, 양극용 전극재료는 나노금속(50)과, 상기 나노금속(50) 표면에 적어도 하나 이상 형성되어 전기 이중층의 면적을 증가시키는 나노탄소(40)로 구성된다.

이때, 상기 나노금속(50)은 Ag, Au, Pt, Ir, Rh 그리고 Pd로 구성되며, 그 크기는 20나노 ~ 200나노의 크기를 갖게 된다. 또한, 상기 나노탄소(40)는 상기 나노금속(50)보다 더 작은 크기를 갖는 것이 바람직하다.

도 3a, 3b는 상기 도 2와 같이 구성되는 양극용 전극재료의 구조를 이용한 에너지 저장형 캐패시터를 나타낸 도면이다.

도 3a와 같이, 에너지 저장형 캐패시터는 나노금속 표면에 나노탄소가 적어도 하나 이상 형성되어 전기 이중층의 면적이 증가된 정전극(+)을 갖는 양극(70)과, 상기 양극(70)과 소정 간격을 갖고 서로 대칭되게 형성되어 부전극(-)을 갖는 음극(80)과, 상기 양극(70)과 음극(80) 사이에 형성되어 두 극이 서로 붙는 것을 방지하는 분리막(60)과, 상기 양극(70)과 음극(80) 사이에 형성되어 전류를 흐르게 하는 전해질(90)과, 상기 전해질(90)의 외부 유출을 측면에서 막고 있는 개스킷(100)으로 구성된다.

이때, 상기 양극(70)은 도 3b와 같이 전도성을 갖는 넓고 편평한 판으로 이루어진 집전체(72)와, 상기 집전체(72) 위에 나노금속(40) 표면에 나노탄소(50)가 적어도 하나 이상 코팅되어 전기 이중층의 면적이 증가된 적어도 하나 이상의 양극용 전극부로 구성된다.

여기서 상기 나노탄소(50)는 나노금속(40)을 집전체(72)에 먼저 코팅한 후, 상기 나노탄소(50)를 집전체(72)에 부착된 나노금속(40)의 표면에 코팅하는 것이 바람직하다.

또한, 사용되는 상기 양극용 나노금속(40)은 Ag, Au, Pt, Ir, Rh 그리고 Pd으로 20 나노 ~ 200 나노의 크기로 구성되는 것이 바람직하다.

이와 같이, 나노금속(40)과 그 표면을 상기 나노금속(40)보다 더 작은 크기의 나노탄소(50)로 코팅함으로서 비표면적을 넓히게 됨은 물론, 전해질(90) 이온의 흡착율을 증가시킴과 동시에 내부 저항값을 줄여 에너지 저장 능력을 향상시킬 수 있게 된다.

이는 종래 에너지 저장형 캐패시터가 가지고 있던 기공구조의 균일한 제어로 인한 비용증가와 이용효율의 감소 그리고 높은 내부 저항값 등의 단점을 극복하여 성능향상과 비용절감을 꾀할 수 있게 된다.

본 발명은 상술한 실시 예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

상기에서 설명한 본 발명에 따른 양극용 전극재료 구조 및 이를 이용한 에너지 저장형 캐패시터의 효과를 설명하면 다음과 같다.

첫째, 종래 에너지 저장형 캐패시터가 가지고 있던 장점을 최대한 활용할 수 있는 전극재료의 구성을 통해 에너지 이용효율을 증대시키고 그 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

둘째, 전극재료 디자인의 변형을 통해 에너지 저장형 캐패시터 활용을 극대 화할 수 있고 이를 통해 전기에너지를 사용하는 다양한 동력시스템의 여러 요소에서 그 활용이 가능하므로 엄청난 규모의 수요잠재력을 가질 수 있다. 특히, 가장 가까이에서는 이차전지와 교체되는 에너지원으로서의 활용에 그 무게를 두고 있다. 이 경우 모든 휴대형 소형 전자기기에 저렴하고 기능이 우수한 배터리 대체용 캐패시터로서 적용이 가능할 것으로 기대된다.

Claims (8)

1. 삭제.
2. 삭제.
3. 삭제.
4. 나노금속이 포함된 (+)극, (-)극 양극과;

   상기 양극 사이에 위치한 분리막과;

   상기 양극과 상기 분리막 사이에 형성된 전해질과;

   상기 전해질과 상기 양극간의 반응면적이 증가하도록, 나노탄소를 상기 나노금속 표면에 형성하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장형 캐패시터.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 양극은 전도성을 갖는 넓고 편평한 판으로 이루어진 집전체와;

   상기 집전체 위의 나노금속 표면에 나노탄소가 코팅되어, 상기 전해질과 상기 양극간의 반응면적이 증가된 양극용 전극부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장형 캐패시터.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 나노탄소는 집전체 위에 부착된 상기 나노금속에 표면 코팅하여 구성하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장형 캐패시터.
7. 제 4 항에 있어서,

   상기 나노금속은 Ag, Au, Pt, Ir, Rh 그리고 Pd 중 적어도 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장형 캐패시터.
8. 제 4 항에 있어서,

   상기 나노금속은 20 나노 ~ 200 나노의 크기로 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장형 캐패시터.

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