KR101563901B1 - 음극 재료, 그를 갖는 리튬 이온 커패시터 및 그 제조 방법 - Google Patents

음극 재료, 그를 갖는 리튬 이온 커패시터 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리튬 이온 커패시터의 탄소계 음극 재료로 사용되는 흑연계 물질을 이용한 리튬 이온 커패시터에 관한 것으로, 용매에 하드 카본의 전구체를 용해시킨 용액에 흑연계 재료를 분산시켜 혼합물을 형성하는 단계, 혼합물을 제외한 용매를 교반 및 건조하여 흑연계 재료 표면에 하드 카본의 전구체를 흡착시키는 단계, 하드 카본의 전구체가 흡착된 흑연계 재료를 열처리하여 흑연계 재료 표면에 하드 카본을 포함하는 코팅층을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

음극 재료, 그를 갖는 리튬 이온 커패시터 및 그 제조 방법{negative electrode material, lithium ion capacitor and manufacturing method thereof}
본 발명은 리튬 이온 커패시터 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 리튬 이온 커패시터의 탄소계 음극 재료로 사용되는 흑연계 물질을 이용한 음극 재료, 그를 갖는 리튬 이온 커패시터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
휴대 전화나 노트북 컴퓨터 등의 휴대용 전자기기가 발달함에 따라 그 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 또한 지구 온난화 문제 및 화석연료의 사용으로 인해 발생하는 문제를 감소시키기 위하여, 하이브리드 전기자동차(HEV), 전기모터로 구동되는 전기자동차(EV)가 개발되고, 이의 동력원으로서 이차전지의 사용이 현실화되고 있다. 그에 따라, 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차전지에 대해 많은 연구가 행해지고 있고, 특히, 높은 에너지 밀도, 높은 방전전압 및 출력을 가지는 리튬이차전지에 대한 수요가 높아지는 추세이다.
리튬이차전지는 집전체 상에 각각 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막이 개재된 전극조립체에 리튬염을 포함하는 비수계 전해질이 함침되어 있는 구조로 이루어져 있다. 양극 활물질은 주로 리튬 코발트계 산화물, 리튬 망간계 산화물, 리튬 니켈계 산화물, 리튬 복합 산화물 등으로 이루어져 있으며, 음극 활물질은 주로 탄소계 물질로 이루어져 있다.
탄소계 물질은 흑연화 되기 쉬운 층상 결정구조(graphene structure)를 갖는 소프트 카본(soft carbon)과, 흑연화 되기 어려운 하드 카본(hard carbon)과, 천연흑연과 같이 층상 결정 구조가 완전히 이루어진 흑연(graphite)으로 분류한다.
음극 활물질로 주로 사용되고 있는 층상 결정인 흑연계 물질로 이루어진 음극은 이론적 최대 용량의 증대에 한계가 있어, 빠르게 변모하는 차세대 모바일 기기의 에너지원으로서 충분한 역할을 감당하기 어려운 실정이다.
흑연계 물질은 이론용량이 372 mAh/g으로 탄소계 물질 중 가장 높고, 0.2V vs. Li/Li+ 이하의 전위에서 리튬 이온의 인터칼레이션(intercalation) 반응이 일어나기 때문에 리튬이온커패시터의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
그러나, 흑연계 물질은 낮은 전위에서 리튬이온의 인터칼레이션 반응이 일어나기 때문에 표면에서 전해액의 분해 반응이 일어나며, 이로 인해 표면에 유·무기 복합체의 피막(SEI)가 형성된다.
흑연계 물질은 생선된 피막이 안정하지 않을 경우, 지속적인 전해질의 분해가 발생하고, 결과적으로 리튬 이온 커패시터의 수명 열화가 발생하는 문제점이 있다.
한편 하드 카본은 수명과 출력 특성은 우수하나 가역용량이 낮고 반응전위가 0 ~ 1V vs. Li/Li+ 범위로 높아 리튬 이온 커패시터의 에너지 밀도가 낮아지는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2009-0045350호(2009.05.07.)
따라서 본 발명의 목적은 리튬 이온 커패시터의 에너지 밀도, 수명 및 출력 특성을 개선시킬 수 있는 리튬 이온 커패시터용 탄소계 음극 재료 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 용매에 하드 카본의 전구체를 용해시킨 용액에 흑연계 재료를 분산시켜 혼합물을 형성하는 단계, 상기 혼합물을 교반 및 건조하여 상기 흑연계 재료 표면에 상기 하드 카본의 전구체를 흡착시키는 단계, 상기 하드 카본의 전구체가 흡착된 상기 흑연계 재료를 열처리하여 상기 흑연계 재료 표면에 하드 카본을 포함하는 코팅층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터용 탄소계 음극 재료의 제조방법에 있어서, 상기 하드 카본의 전구체는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile : PAN)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터용 탄소계 음극 재료의 제조방법에 있어서, 상기 흑연계 재료는 천연흑연을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터용 탄소계 음극 재료의 제조방법에 있어서, 상기 혼합물을 형성하는 단계는 상기 하드 카본의 전구체 5 ~ 10wt%를 포함하는 용액에 상기 흑연계 재료를 분산시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터용 탄소계 음극 재료의 제조방법에 있어서, 상기 하드 카본의 전구체를 흡착시키는 단계는 100 ~ 200℃에서 1 ~ 3h 동안 기계적 교반을 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터용 탄소계 음극 재료의 제조방법에 있어서, 상기 코팅층을 형성하는 단계는 아르곤(Argon)을 포함하는 분위기 하에서 900 ~ 1100℃에서 1 ~ 3h 동안 열처리하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터용 탄소계 음극 재료는 흑연계 재료, 상기 흑연계 재료의 표면에 형성되는 하드 카본을 포함하는 코팅층을 포함한다.
본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터는 흑연계 재료와, 상기 흑연계 재료의 표면에 형성되는 하드 카본을 포함하는 코팅층을 갖는 음극 재료를 포함하는 음극을 포함한다.
본 발명에 따르면, 리튬 이온 커패시터의 탄소계 음극 재료로 사용되는 흑연계 재료의 표면에 폴리아크릴로니트릴을 하드 카본의 전구체로 사용하여 하드 카본을 코팅함으로써 에너지 밀도, 수명 및 출력 특성을 개선시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1 및 2에 따른 리튬 이온 커패시터용 탄소계 음극 재료의 제조 방법에 따른 흐름도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 FE-SEM 이미지를 나타낸 사진이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 XRD(X-ray diffraction)와 Roman 분석 결과를 보여주는 그래프이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 TEM(Transmission Electron Microscope) 이미지를 나타낸 사진이다.
도 10은 본 발명의 실시예와 비교예의 half cell에 따른 전기 화학 특성을 나타낸 그래프이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예와 비교예의 full cell에 따른 전기 화학 특성을 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시예 2, 비교예 1 및 하드 카본의 에너지 밀도와 출력의 밀도를 나타낸 라곤 도표(ragone plot)이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터용 탄소계 음극 재료는 흑연계 재료와, 흑연계 재료의 표면에 형성되는 하드 카본을 포함하는 코팅층을 구비한다.
여기서 흑연계 재료는 이론용량이 372 mAh/g으로 탄소계 물질 중 가장 높고, 0.2V vs. Li/Li+ 이하의 전위에서 리튬 이온의 인터칼레이션(intercalation) 반응이 일어나기 때문에 리튬이온커패시터의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 흑연계 재료로는 천연흑연 등을 사용할 수 있다.
코팅층은 흑연계 재료의 표면에 코팅층의 원료인 하드 카본의 전구체를 흡착시킨 후 열처리하여 형성한다. 하드 카본의 전구체를 흑연계 재료의 표면에 흡착시키는 방법으로 흑연계 재료, 하드 카본의 전구체를 용매에 투입하여 교반 및 건조하는 방법을 사용할 수 있다.
하드 카본의 전구체는 레진, 목재, 열매의 껍질, 용융단계를 거치지 않는 석탄재료 (coal) 또는 열경화성 고분자를 탄화시켜 제조될 수 있다. 본 발명에서 하드 카본의 전구체로는 아크릴로니트릴(acrylonitrile)을 라디칼 중합시켜 얻을 수 있는 바이닐중합체인 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile : PAN) 등을 사용할 수 있다.
이와 같이 리튬 이온 커패시터용 탄소계 음극 재료로 사용되는 흑연계 재료의 표면에 수명과 출력 특성은 우수한 하드 카본을 포함하는 코팅층을 형성함으로써, 흑연계 재료의 표면에 형성된 코팅층에 의해 에너지 밀도는 높지만, 수명의 열화가 있는 흑연계 재료에 수명과 출력 특성을 개선할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터용 음극 재료의 제조 방법에 대하여 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 1은 본 발명의 실시예 1 및 2에 따른 리튬 이온 커패시터용 탄소계 음극 재료의 제조 방법에 따른 흐름도이다.
먼저 S10 단계에서 흑연계 재료, 용매 및 하드 카본의 전구체를 준비한다.
다음으로 S20단계에서 용매에 하드 카본의 전구체를 용해시킨 용액에 흑연계 재료를 분산시켜 혼합물을 형성할 수 있다. 이때 용매로는 디메틸포름아미드(dimethyiformamid), 디에틸에테르, 에탄올, 메탄올, n-프로판올(n-propanol), 이소프로필 알코올, 아세톤, n-펜탄(n-pentane), 에틸렌 디클로라이드, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 아세토니트릴, 테트라하이드로퓨란(THF), n-헥산(n-hexane), 클로로헥산, 클로로펜탄, 카본 테트라클로라이드, 1,2-디클로로에탄, 1,2-디클로로에틸렌, 트리클로로에틸렌, 메틸에틸케톤 또는 1,2-디메톡시 에탄(1,2-dimethoxy ethane, DME) 등이 사용될 수 있다.
예컨데 천연흑연에 대비하여 폴리아크릴로니트릴의 비율은 5wt%(실시예 1), 10wt%(실시예 2)이다. 예컨데 폴리아크릴로니트릴의 중량 0.5g을 디메틸포름아미드 용액에 녹인 후, 천연흑연 10g을 폴리아크릴로니트릴의 중량 0.5g을 디메틸포름아미드 용액에 분산시킬 수 있다.
이어서 S30단계에서는 S20 단계에서 형성된 혼합물을 교반 및 건조하여 흑연계 재료 표면에 하드 카본의 전구체를 흡착시킬 수 있다. 예컨데 S30 단계에서는 천연 흑연과 폴리아크릴로니트릴의 혼합물을 포함하는 디메틸포름아미드 용액에서 디메틸포름아미드만을 기계적 교반 및 건조를 통해 제거할 수 있다. 건조하는 과정에서 용매는 증발되어 제거되고, 폴리아크릴로니트릴이 흡착된 흑연계 재료만 남게된다.
기계적 교반 및 건조는 100 ~ 200℃ 에서 1 ~ 3h 동안 수행할 수 있으며, 바람직하게는 150℃ 에서 2시간 동안 수행할 수 있다.
여기서 기계적 교반 및 건조를 수행하기 위한 온도는 디메틸포름아미드 용매의 끓는점이 153℃ 이기 때문에 100℃ 이하가 될 경우, 디메틸포름아미드 용매가 완전히 제거가 되지 않는 문제점이 발생할 수 있고, 200℃ 이상일 경우, 천연흑연이 손상될 수 있고, 분산된 천연흑연과 폴리아크릴로니트릴의 혼합물이 응집되는 등의 문제가 발생될 수 있다. 하지만 이에 한정된 것은 아니고, 기계적 교반을 수행하기 위한 온도는 증가 또는 감소 시킴에 따라 시간을 조정할 수도 있다. 또한 기계적 교반을 수행하기 위한 온도는 하드 카본의 전구체를 녹이는 용매의 종류에 따라 다르게 설정될 수 있다.
한편 본 발명에서는 흑연계 재료의 표면에 하드 카본의 전구체를 흡착시킬 때, 용매에 혼합물을 넣고 교반 및 건조하는 방식(이하 '습식 방식'이라 함)을 사용하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨데 혼합물을 건식방식으로 혼합하여 흑연계 재료의 표면에 하드 카본의 전구체를 흡착시킬 수도 있다.
하지만 건식 방식에 비해서 습식 방식이 흑연계 재료의 표면에 안정적으로 하드 카본의 전구체를 흡착시킬 수 있는 이점이 있다. 즉 습식 방식은 용매에 혼합물을 균일하게 분산시킨 이후에 건조 공정을 통하여 흑연계 재료의 표면에 하드 카본의 전구체를 흡착시키기 때문에, 물리적인 혼합하는 건식 방식에 비해서 안정적으로 탄소계 소재의 표면에 실리콘 나노 입자 및 비정질탄소 원료를 흡착시킬 수 있기 때문이다.
그리고 S40단계에서 하드 카본의 전구체가 흡착된 흑연계 재료를 열처리하여 흑연계 재료 표면에 하드 카본을 포함하는 코팅층을 형성할 수 있다.
여기서 열처리는 탄소계 재료의 표면에 안정적으로 하드 카본의 전구체가 일체가 되도록 할 수 있다. 열처리는 아르곤(Argon)을 포함하는 분위기 하에서 900 ~ 1100℃에서 1 ~ 3h 동안 수행할 수 있다.
즉 열처리는 고온에서 탄소물질의 산화를 막기 위하여 아르곤, 질소 등의 불활성 분위기 하에서 할 수 있다.
열처리 온도는 1100℃ 이상일 경우 하드 카본의 미세 기공이 막히게 되어 용량이 감소하는 문제가 있고, 900℃ 이하일 경우 열처리가 제대로 이루어지지 않아 비가역 용량이 증가하는 문제점이 있을 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 음극 재료의 전기 화학적 성능을 평가하기 위해서 실시예 1, 2 및 비교예 1에 따른 음극 재료를 제조하였다.
[비교예 1]
비교예 1은 흑연계 소재 중 7㎛ 의 입도를 갖는 천연흑연을 사용한 음극 재료이다.
[실시예 2]
실시예 2는 비교예 1의 천연흑연의 표면에 하드 카본을 코팅하기 위하여 하드 카본의 전구체(1g, 폴리아크릴로니트릴)를 용매(디메틸포름아미드)에 녹인 다음, 흑연계 재료(10g, 천연흑연)를 분산시켜 혼합한다. 용매로 사용된 디메틸포름아미드를 제거하기 위하여 150℃에서 2시간 동안 교반을 실시하였다. 디메틸포름아미드를 제거한 뒤, 1000℃ 아르곤 분위기에서 2시간 동안 열처리하여 하드 카본이 코팅된 천연흑연을 제조하였다. 즉 실시예2는 천연흑연의 표면에 하드 카본이 코팅된 음극 재료이다.
[실시예 1]
실시예 1은 하드 카본의 전구체의 양에 따른 효과를 확인하기 위하여 하드 카본의 전구체(0.5g, 폴리아크릴로니트릴)를 용매(디메틸포름아미드)에 녹인 다음, 실시예 2와 동일하게 열처리하여 제조한 음극 재료이다.
표 1은 본 발명의 실시예 1 및 2와 비교예 1의 물성을 비교한 것으로, 실시예 1 및 2와 비교예 1의 비표면적과 입자크기를 나타낸 표이다.
음극 재료 하드카본전구체의 합량
(wt%)		 surface area
(m2/g)		 particle size
(d50,um)
비교예 1 천연흑연 0 9.73 7.47
실시예 1 천연흑연(하드카본 코팅) 5 7.36 12.59
실시예 2 천연흑연(하드카본 코팅) 10 7.02 12.87
표 1에 도시된 바와 같이, 비교예 1과 대비하여 실시예 1 및 2에서 천연흑연의 비표면적은 감소하였으며, 입자크기는 증가한 것을 확인할 수 있다. 또한 실시예 1 및 2 중에서 폴리아크릴로니트릴의 양이 많은 실시예 2가 비표면적의 감소와 입자크기의 증가를 확인할 수 있다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 FE-SEM 이미지를 나타낸 사진이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 비교예 1은 구형의 형상이며, 표면은 flake형상의 흑연이 뭉쳐진 형태로 존재하고 있어 거친 표면을 나타내고 있다. 반면에 실시예 1 및 2는 비교예 1과 같이 구형의 형상을 유지하고 있으나, 표면이 부드럽고 폴리아크릴로니트릴의 양이 많은 실시예 2가 실시예 1에 대비하여 부드러운 표면을 가지는 것을 확인할 수 있다.
그리고 폴리아크릴로니트릴의 양에 따른 천연흑연 표면에 코팅되는 하드 카본의 양을 비교하기 위하여 XRD(X-ray diffraction)와 Raman 분석을 실시하였다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 XRD(X-ray diffraction)와 Roman 분석 결과를 보여주는 그래프이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, XRD 결과에서는 비교예 1과 실시예 1 및 2 모두 흑연의 구조를 가지고 있는 것을 확인하였으며, 하드 카본 코팅 공정으로 불순물이나 흑연 이외의 다른 상이 형성되지 않은 것을 확인하였다. 또한 XRD 결과에서 peak(002)의 반치폭(full width athalf maximum : FWHM) 값을 비교한 결과, 비교예 1은 0.2486˚, 실시예 1은 0.2495˚, 실시예 2는 0.2757˚의 값을 나타내어, 비교예 1과 대비하여 하드 카본이 코팅된 실시예 1 및 2의 반치폭 값이 높은 것을 확인할 수 있고, 폴리아크릴로니트릴의 양이 많은 실시예 2가 실시예 1에 대비하여 반치폭 값이 높은 것을 확인할 수 있다.
Raman 결과에서는 비교예 1과 실시예 1 및 2 모두 탄소 소재의 D-band와 G-band에 해당하는 peak만이 확인되었다. D-band와 G-band의 전류 세기의 비율(Id/Ig)을 비교한 결과, 비교예 1은 0.118, 실시예 1은 0.128, 실시예 2는 0.212의 값을 나타내었다.
즉 XRD와 Raman 결과에서는 폴리아크릴로니트릴의 양에 비례하여 천연흑연 표면에 코팅되는 하드 카본의 양이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 TEM(Transmission Electron Microscope) 이미지를 나타낸 사진이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 비교예 1은 표면의 적층된 그래핀(graphen) 구조를 가지고 있어, 전형적인 흑연의 구조를 가지는 것을 확인할 수 있다. 반면에 실시예 1과 실시예 2의 표면에는 결정성이 없는 하드 카본으로 코팅되어 있는 것을 확인할 수 있으며, 코팅층의 두께는 약 15 ~ 20nm 정도로 이루어져 있어 하드 카본이 천연흑연의 표면에 코팅되어 있음을 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예와 비교예의 half cell에 따른 전기 화학 특성을 나타낸 그래프이다.
도 10을 참조하면, 비교예 1의 방전용량은 364.9 mAh/g, 충방전 효율은 89.1%이며, 실시예 1의 방전용량과 충방전 효율은 각각 356.9 mAh/g, 89.4% 이며, 실시예 2는 362.0 mAh/g, 91.3% 로 확인할 수 있다. 실시예 1 및 2의 방전용량은 비교예 1에 대비하여 감소하였으나, 감소량이 적어 용량의 차이는 크지 않았다.
실시예 1 및 2의 충방전 효율은 비교예 1과 대비하여 실시예 1 및 2에서 증가하는 특성을 나타내었다.
즉 본 발명의 실시예 1 및 2에 따른 리튬 이온 커패시터용 탄소계 음극 재료는 하드 카본 코팅으로 인한 비표면적의 감소에 따라 SEI의 생성량을 감소 시킬 수 있기 때문에 충방전 효율을 높힐 수 있다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예와 비교예의 full cell에 따른 전기 화학 특성을 나타낸 그래프이다.
도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 천연흑연과 하드 카본이 코팅된 천연흑연의 성능을 확인하기 위하여 상용화 된 하드 카본을 음극으로 사용하여 비교 하였다. 또한 실시예 2의 하드 카본 코팅량과 동일한 하드 카본을 천연흑연과 혼합하여 비교하였다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 20C와 40C의 전류로 방전한 용량은 실시예 2가 가장 높게 나타나며, 하드 카본, 비교예 1의 순서로 나타난다. 또한 10000회 수명을 평가한 결과, 하드 카본을 단독으로 사용하였을 때 수명 유지율이 가장 우수하나 셀의 용량은 낮게 나타나고, 비교예 1은 초기 용량은 높지만 용량 감소(33% @10000회)가 심하게 일어났다.
반면에 실시예 2의 초기 용량은 비교예 1과 동일하게 나타났으며, 수명 유지율이 비교예 1에 비해 향상(75% @10000회)된 것을 확인할 수 있다. 하드 카본과 천연흑연을 혼합한 소재는 초기용량이 높고, 용량 유지율이 비교예 1에 비해서 향상되었지만, 실시예 2에 대비하여 낮은(51% @10000회) 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예 2에 따른 리튬 이온 커패시터용 탄소계 음극 재료는 흑연계 재료의 표면에 하드 카본이 코팅되어 있기 때문에 음극 소재의 전도도를 향상 시킬 수 있고, 수명을 향상시킬 수 있다.
그리고 실시예 2, 비교예 1 및 하드 카본의 에너지 밀도와 출력의 밀도를 비교하였다.
도 13은 본 발명의 실시예 2, 비교예 1 및 하드 카본의 에너지 밀도와 출력의 밀도를 나타낸 라곤 도표(ragone plot)이다.
도 13을 참조하면, 비교예 1은 하드 카본에 비해 에너지 밀도는 높으나 고율 방전에서 출력밀도가 낮아짐을 알 수 있다. 반면에 하드 카본을 코팅한 천연흑연(실시예 2)은 초기 에너지 밀도가 천연흑연과 비슷하며 고율 방전에서의 출력밀도는 향상되어, 리튬 이온 커패시터의 에너지 밀도와 출력밀도를 향상시키는데 효과적임을 알 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예 1 및 2에 따른 리튬 이온 커패시터용 탄소계 음극 재료는 폴리아크릴로니트릴을 하드 카본의 전구체로 사용하여 습식 공정을 통해 천연흑연의 표면에 하드 카본을 코팅함으로써 에너지 밀도, 수명 및 출력 특성을 개선시킬 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.

Claims (8)

  1. 디메틸포름아미드에 5 ~ 10wt%의 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile : PAN)을 용해시킨 용액에 천연 흑연을 분산시켜 혼합물을 형성하는 단계;
    상기 혼합물을 100 ~ 200℃ 에서 1 ~ 3h 동안 기계적 교반 및 건조를 통해 상기 디메틸포름아미드 용매를 제거하여, 상기 천연 흑연의 표면에 상기 폴리아크릴로니트릴을 흡착시키는 단계;
    상기 폴리아크릴로니트릴이 흡착된 상기 천연 흑연을 아르곤(Argon) 분위기 하에서 900 ~ 1100℃에서 1 ~ 3h 동안 열처리하여 상기 천연 흑연의 표면에 폴리아크릴로니트릴 코팅층을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 커패시터용 탄소계 음극 재료의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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