KR100704654B1 - 고출력 슈퍼캐퍼시터의 전극 및 슈퍼캐퍼시터 전극형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 목적은 고출력이면서도 충방전이 원활히 이루어질 수 있도록 하는 슈퍼캐퍼시터의 전극을 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에는 적어도 한 종류 이상의 리튬금속산화물 및 리튬금속의 복합산화물, 활성탄을 용매에 혼합한 용액이 코팅, 건조된 전극이 개시된다.
슈퍼커패시터, 리튬금속산화물, 활성탄, 그라파이트
Description
도 1은 본 발명의 전극 제조 공정도다.
도 2는 본 발명의 일실시예에서 활성탄의 혼합량에 따른 충전 용량을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에서 활성탄의 혼합량에 따른 방전 용량을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에서 활성탄의 혼합량에 따른 싸이클 특성을 나타낸 것이다.
본 발명은 고출력을 내는 슈퍼캐퍼시터의 전극 및 전극 형성방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전지와 병행 사용될 수 있는 하이브리드형 슈퍼캐퍼시터의 전극 및 전극 형성방법에 관한 것이다.
전기, 전자장치가 소형화되고, 다기능화되는 추세에 따라 저출력의 대용량의 전지와 고출력밀도를 갖는 슈퍼캐퍼시터가 병렬로 사용되는 하이브리드화된 전기에 너지원이 사용되고 있다.
국내 공개특허공보 2003-0051078호에 기재된 하이브리드용 슈퍼캐퍼시터도 이러한 연구개발의 결과이나 이러한 캐퍼시터에서는 2.7V의 저전압이 출력되게 되어 소기의 목적을 달성할 수 없었다.
또한, 타디란사(이스라엘)에서 리튬금속산화물 전극과 그라파이트를 사용한 이차전지시스템의 전극구조와 동일한 구조의 전극을 갖는 커패시터와 용량이 크지만 출력인 낮은 리튬일차전지를 병렬 연결한 하이브리드형 전지를 개발하였고, 전기이중층 커패시터와 병렬 연결한 하이브리드형 전지가 개발되어 자동검침용 미터의 전원으로 사용되고 있다.
그러나, 이차전지시스템의 전극구조를 갖는 커패시터와 리튬일차전지를 병렬 연결하는 하이브리드형 전지는 전압이 높고 용량이 크다는 장점이 있으나 장기간 반복 사용할 때 전기이중층 커패시터에 비해 싸이클 특성이 떨어지고 충방전 속도가 상대적으로 느리며, 대부분 적용되는 장비에서 요구하는 출력밀도보다 큰 출력 밀도를 갖으며, 이러한 출력밀도의 조절이 불가능해서 가격이 비싸다는 문제점이 있다.
또한 전기이중층 캐퍼시터를 리튬일차전지에 병렬 연결하여 사용하는 하이브리드 전지는 출력 전압이 낮아서 전기이중층 캐퍼시터 2개를 직렬로 연결해서 사용해야하며, 상대적으로 용량이 적다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점들을 해결하기 위하여 착안된 것으로, 본 발명의 목 적은 고출력을 발생시키고, 장기간 사용하여도 충방전 속도를 빠르게 유지할 수 있도록 하는 하이브리드형 전지의 일차전지 또는 이차전지에 병렬로 연결되는 슈퍼캐퍼시터의 전극 및 전극 형성방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 리튬금속산화물과 활성탄을 용매에 혼합한 용액이 코팅, 건조된 전극을 갖는 슈퍼캐퍼시터에 있어서: 상기 리튬금속산화물에 대하여 상기 활성탄은 중량비 5 내지 50%로 혼합되는 것이다.
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또한, 본 발명의 다른 특징은 리튬금속산화물, 상기 리튬금속산화물에 대하여 중량비 5 내지 50%의 활성탄, 도전재, 바인더를 용매로 혼합하는 단계; 슬러리 상태의 용액을 탈포하는 탈포단계; 전극박판 재료에 탈포된 용액을 50 ~ 200㎛로 코팅하는 단계; 코팅된 상기 전극박판 재료를 건조하여 열간압착하는 단계를 포함하는 것이다.
이하, 첨부된 도면에 따라서 본 발명의 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예의 전극을 형성하는 순서를 설명하는 순서도이다.
슈퍼캐퍼시터의 정극을 형성하기 위하여 리튬금속산화물인 리튬코발트옥사이드, 리튬니켈옥사이드, 리튬망간옥사이드 중 한 종류나 두 종류 이상으로 선택된 재료와 비표면적이 1,500 ~ 2,500 m2/g 활성탄을 2~50 중량%를 넣고, 도전재로 슈퍼 피 블랙(Super-P-Black)이나 케이제이 블랙(KJ-Black)를 5~15% 첨가하며, 바인더로 폴리비닐 리덴 플루오드(Polyvinylidene Fluoride:PVDF)를 NMP(Normal Methyl Pyrrolidone)에 녹여서 5~20%용액을 만들어서 PVDF 기준으로 5~15%첨가하여 습식혼합한다(S1),(S2). 습식혼합된 재료를 탈포한다(S3). 탈포된 리튬금속산화물과 활성탄의 혼합물을 알루미늄 박판에 10~200㎛ 두께로 박막 코팅한다(S4). 슬러리 코팅된 알루미늄 박판을 100~150℃로 건조한 다음 100~150℃ 온도의 핫롤프레스로 프레싱하여 전극을 제조한다(S5), (S6).
또한, 부극을 생성을 위하여 결정성 탄소나 활성탄을 선택적으로 또는 두 종류를 혼합하여 도전재, 바인더를 NMP용매에 혼합시켜 녹인다(S7), (S8).
습식혼합된 혼합물을 탈포시키고(S9), 탈포된 혼합물을 구리박판에 코팅시킨다(S10). 코팅된 구리박판을 정극형성시와 동일하게 건조시키고, 열간압착시킨다(S11), (S12).
다음의 표1은 본 발명의 구체적인 실시예와 비교예에 대한 것이다.
| 정극활물질 | 부극활 물질 | 전해질 | 전극코팅 두께(㎛) | 측정전압 (V) | 100회 방전용량 (F) (@50mA) | 100회방전용량/초기방전용량 | ||
| 활성탄 | 리튬코발트 옥사이드 | |||||||
| 비교예1 | 0% | 100% | 그라 파이트 | 1M LiPF6 (EC/DME) | 100 | 2.5∼4.2 | 30.0 | 0.53 |
| 실시예1 | 5% | 95% | 22.3 | 0.60 | ||||
| 실시예2 | 10% | 90% | 15.7 | 0.65 | ||||
| 실시예3 | 20% | 80% | 10.5 | 1.0 | ||||
| 실시예4 | 30% | 70% | 8.0 | 1.0 | ||||
| 실시예5 | 40% | 60% | 6.0 | 1.0 | ||||
| 실시예6 | 50% | 50% | 5.0 | 1.0 | ||||
| 비교예2 | 활성탄 | 활성탄 | 1M TEABF4 (PC) | 50∼200 | 1.5∼2.5 | 4.0 | 1.0 | |
상기 표1의 비교예1은 정극활물질로 리튬코발트옥사이드(LiCoO2)도전재(Super-P) 및 바인더(PVDF)를 중량%로 85% : 7% : 8%로 혼합하고 용매로 NMP(Normal Methyl Pyrrolidone)를 써서 사용 원료를 배합하고, 배합된 슬러리 형태의 혼합물을 탈포한 다음 알루미늄 포일에 100㎛로 단면 코팅하여 전극을 제조하고, 부극활물질로 그라파이트 전극을 구리 포일에 100㎛로 코팅하여 사용하였으며, 전해액은 1M LiPF6(EC/DME)을 사용한 것이다.
또한, 실시예1은 정극활물질을 리튬코발트옥사이드와 활성탄을 각각 중량비5:95로 혼합한 것이고, 실시예2 내지 실시예6은 정극활물질을 활성탄과 리튬코발트옥사이드를 각각 중량비로 10:90, 20:80, 30:70, 40:60, 50:50으로 혼합한 것이며, 다른 조건은 비교예1과 같다.
또한, 비교예2는 정극활물질과 부극활물질로 활성탄만을 사용한 것이다.
또한, 전극 코팅 두께는 100㎛로 하였으나, 50㎛이하의 두께로 하기에는 공정상의 어려움이 많았고, 용량이 저하되는 문제점이 있었으며, 200㎛이상으로 되는 경우에는 내부저항이 커지고 충방전시간이 장기화되는 문제점이 발생하였다.
또한, 표1에 나타난 바와 같이, 측정전압은 비교예1, 실시예1 내지 실시예6에서 2.5 ~ 4.2V로 비교예2에 비하여 높은 전압이 측정되었고, 100회 방전용량은 50mA로 100회 충방전시에 정전용량(Faraday)을 나타내는 것으로, 비교예1, 실시예1 내지 6, 비교예2 순으로 감소하게 되고, 100회 방전용량/초기방전용량은 실시예2 내지 실시예6, 비교예2에서 1로 되어 변화가 없음을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일실시예에서 활성탄의 혼합량에 따른 충전 용량을 나타낸 그래프이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에서 활성탄의 혼합량에 따른 방전 용량을 나타낸 그래프이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에서 활성탄의 혼합량에 따른 싸이클 특성을 나타낸 것이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 정극활물질에 활성탄 양이 증가될수록 방전, 충전시간이 짧아지게 된다. 슈퍼캐퍼시터로 방전전압으로 고전압을 유지하면서 충방전 시간을 짧게 유지하기 위해서는 리튬코발트옥사이드와 활성탄이 혼합되는 정극활물질에서 활성탄의 중량비가 5%이상으로 되는 것이 바람직하다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 비교예1, 실시예1, 실시예2에 비하여 실시예3의 싸이클 특성이 우수하게 된다. 즉, 리튬코발트옥사이드와 활성탄이 혼합되는 정극활물질에서 활성탄의 중량비가 20%이상으로 되는 경우에는 싸이클 특성이 우수하게되나, 50%이상을 초과하게 되면 전기이중층 커패시터의 특성이 나타나면서 충전 및 방전 용량이 감소하였다.
상기의 목적과 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 리튬염화티오닐 전지 등의 리튬일차전지와 본 발명의 커패시터를 병렬 연결한 하이브리드 형태로 자동검침침용 미터인 AMR(Automatic Meter Reading System) 장비에 적용할 경우 두개의 전기이중층 커패시터를 사용하는 것을 하나의 커패시터만 사용하므로 크기를 줄일 수 있으며, 상대적으로 큰 용량으로 다양한 형태의 전원으로 적용할 수 있는 효과가 있다.
또한 고전압과 고용량을 요구하는 다양한 소형 및 중대형 슈퍼커패시터에 적용할 경우 커패시터의 직렬 및 병렬수를 줄이므로 부피 및 중량을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
Claims (6)
- 리튬금속산화물과 활성탄을 용매에 혼합한 용액이 코팅, 건조된 전극을 갖는 슈퍼캐퍼시터에 있어서:상기 리튬금속산화물에 대하여 상기 활성탄은 중량비 5 내지 50%로 혼합되는 것을 특징으로 하는 슈퍼캐퍼시터.
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- 리튬금속산화물, 상기 리튬금속산화물에 대하여 중량비 5 내지 50%의 활성탄, 도전재, 바인더를 용매로 혼합하는 단계;슬러리 상태의 용액을 탈포하는 탈포단계;전극박판 재료에 탈포된 용액을 50 ~ 200㎛로 코팅하는 단계;코팅된 상기 전극박판 재료를 건조하여 열간압착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼캐퍼시터의 전극형성방법.
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| KR20070017844A (ko) | 2007-02-13 |
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