KR101696228B1 - 리튬 이온 커패시터 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 이온 커패시터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터는 금속캔; 상기 금속캔의 내주면에 부착된 리튬 메탈; 상기 금속캔 내부에 수용되고 롤(Roll) 형태의 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 위치하는 분리막을 포함하는 전극유닛; 상기 전극유닛과 연결된 리드선; 및 상기 리튬 메탈과 전극유닛이 함침되도록 주입된 전해액을 포함하되, 상기 양극은 활성탄을 포함하는 양극물질을 이용하여 제조되고, 상기 음극은 탄소류를 포함하는 음극물질을 이용하여 제조된다.
상기한 구성에 의해 본 발명은 금속캔의 내주면에 리튬 메탈을 부착하고 충방전을 통해 음극에 리튬 이온이 빠르고 균일하게 도핑될 수 있도록 구성함으로써, 신뢰성과 양산성을 동시에 확보할 수 있고, 단위 체적당 높은 에너지 밀도를 가질 수 있으며, 다공성의 집전체를 이용하여 양극 및 음극을 제조함으로써, 집전체를 통해 리튬 이온이 원활하게 침투하여 이동할 수 있고, 최적의 온도, 전압 및 전류로 리튬 이온을 단시간에 균일하게 프리 도핑할 수 있다.

Description

리튬 이온 커패시터 및 그 제조방법{LITHIUM ION CAPACITOR AND MANUFACTURING METHOD OF THEREOF}
본 발명은 리튬 이온 커패시터 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속캔의 내주면에 리튬 메탈을 부착하고 충방전을 통해 음극에 리튬 이온이 빠르고 균일하게 도핑될 수 있도록 구성함으로써, 신뢰성과 양산성을 동시에 확보할 수 있고, 단위 체적당 높은 에너지 밀도를 가질 수 있는 리튬 이온 커패시터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전기화학적 에너지 저장장치는 모든 휴대용 정보통신기기, 전자기기에 필수적으로 사용되는 완제품 기기의 핵심부품이다. 또한, 전기화학적 에너지 저장장치는 미래형 전기자동차 및 휴대용 전자장치 등에 적용될 수 있는 신재생 에너지 분야의 고품질 에너지원으로 주목받고 있다.
이러한 전기화학적 에너지 저장장치 중 전기화학 커패시터는 전기이중층 원리를 이용하는 전기이중층 커패시터(Electrical double layer capacitor)와 전기화학적 산환-환원 반응을 이용하는 하이브리드 슈퍼 커패시터(Hybrid supercapacitor)로 구분될 수 있다.
여기서, 전기이중층 커패시터는 고출력 에너지 특성을 필요로 하는 분야에서 많이 사용되고 있으나, 상기 전기이중층 커패시터는 작은 용량의 문제점이 있으므로, 하이브리드 슈퍼 커패시터가 전기이중층 커패시터의 용량 특성을 개선할 새로운 대안으로 많이 연구되고 있다.
특히, 하이브리드 슈퍼 커패시터 중 리튬 이온 커패시터(Lithium Ion Capacitor; LIC)는 음극에 리튬 이온을 도핑함으로써, 전기이중층 커패시터에 비해 3 내지 4배 정도의 축적용량을 가질 수 있고, 이로 인해 큰 에너지 밀도를 가질 수 있다.
이러한 리튬 이온 커패시터는 고출력 밀도(W/Kg)와 고에너지 밀도(Wh/Kg)를 요구하는 분야가 많아짐에 따라, 용량특성(mAh/g), 충방전 속도특성, 전기화학적 안정성을 만족시키기 위한 연구가 활발히 진행 중인데, 전력밀도가 높고 크기가 작고 가벼우며 안전하고 사이클 수명이 길어 반영구적으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 친환경적인 특성으로 인해 신재생에너지원의 동특성 보상 및 배터리의 동작시간이나 수명연장을 목적으로 널리 사용되고 있다.
또한, 현재는 주로 전자기기의 메모리 백업용 전원으로 사용되고 있으나, 대용량 제품이 개발됨에 따라, 향후 운송, 우주항공, 대체에너지 등의 차세대 에너지 저장장치로서 무한한 시장잠재력을 가지고 있다.
한편, 일반적인 리튬 이온 커패시터는 활성탄소로 이루어진 양극(positive electrode)과 다양한 종류의 카본 재료(예컨대, 그라파이트(graphite), 소프트 카본(soft carbon) 및 하드 카본(hard carbon)) 등으로 이루어진 음극(negative electrode)을 구비한 전극 구조체를 구비하고, 양극에서는 리튬 이온의 흡착/탈착(adsorption/desorption), 음극에서는 리튬 이온이 삽입/탈리(intercalation/deintercalation)되는 과정을 통해 충방전이 일어날 수 있다.
이러한 종래의 리튬 이온 커패시터는 음극에 리튬 이온을 프리 도핑하기 위하여는 전극 구조체의 상단층과 하단층에 각각 리튬 금속막을 구비한 후, 전해질 용액에 침지시킴으로써 이루어질 수 있었다.
그러나, 이러한 종래의 리튬 이온 커패시터에서 상기 리튬 금속막이 상기 전극 구조체의 상단층과 하단층에 각각 구비되므로, 음극 전체에 리튬 이온이 불균일하게 도핑될 뿐만 아니라 음극에 리튬 이온을 원활하게 공급하기 위하여는 양극 및 음극에 구비되는 집전체가 메쉬(mesh) 형태로 구비될 수밖에 없었으며, 이에 따라 리튬 이온 커패시터의 내부 저항이 높아지는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 리튬 이온 커패시터는 내부에 구비된 음극에 균일하게 도핑하기까지의 시간이 20일 이상 소요되어 양산에 적용하는데 어려움이 있었으며, 이로 인해 리튬 이온 커패시터의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있었다.
: 국내등록특허 제10-1179629호(2012년 08월 29일 등록) : 국내등록특허 제10-1297094호(2013년 08월 09일 등록) : 국내공개특허 제10-2012-0099942호(2012년 09월 12일 공개)
본 발명은 금속캔의 내주면에 리튬 메탈을 부착하고 충방전을 통해 음극에 리튬 이온이 빠르고 균일하게 도핑될 수 있도록 구성함으로써, 신뢰성과 양산성을 동시에 확보할 수 있고, 단위 체적당 높은 에너지 밀도를 가질 수 있는 리튬 이온 커패시터를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명은 다공성의 집전체를 이용하여 양극 및 음극을 제조함으로써, 집전체를 통해 리튬 이온이 원활하게 침투하여 이동할 수 있고, 최적의 온도, 전압 및 전류로 리튬 이온을 단시간에 균일하게 프리 도핑할 수 있는 리튬 이온 커패시터를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다양한 과제들은 이상에서 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터는 금속캔; 상기 금속캔의 내주면에 부착된 리튬 메탈; 상기 금속캔 내부에 수용되고 롤(Roll) 형태의 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 위치하는 분리막을 포함하는 전극유닛; 상기 전극유닛과 연결된 리드선; 및 상기 리튬 메탈과 전극유닛이 함침되도록 주입된 전해액을 포함하되, 상기 양극은 활성탄을 포함하는 양극물질을 이용하여 제조되고, 상기 음극은 탄소류를 포함하는 음극물질을 이용하여 제조된다.
상기 양극은, 프리코팅된 다공성의 알루미늄 호일로 형성되고, 상기 알루미늄 호일에 구멍이 형성된 양극집전체; 및 상기 양극집전체 상에 형성되고, 활성탄, 도전재, 바인더 및 정제수를 혼합하여 형성된 양극물질로 슬러리를 제조한 후, 상기 슬러리를 콤마 코터(comma coater)를 이용하여 상기 양극집전체 상에 도포 및 건조함으로써 제조되는 양극전극층을 포함하고, 상기 음극은, 프리코팅된 다공성 구리 호일로 형성되고, 상기 구리 호일에 구멍이 형성된 음극집전체; 상기 음극집전체 상에 형성되고, 탄소류, 도전재, 바인더 및 정제수를 혼합하여 형성된 음극물질로 슬러리를 제조한 후, 상기 슬러리를 콤마 코터(comma coater)를 이용하여 상기 음극집전체 상에 도포 및 건조함으로써 제조되는 음극전극층을 포함할 수 있다.
상기 양극전극층은 활성탄 80 내지 90 중량부, 도전재 5 내지 15 중량부, 바인더 2 내지 10 중량부 및 정제수 800 내지 1200 중량부를 혼합 및 교반하여 제조되되, 상기 활성탄의 비표면적은 1400 내지 2300m2/g인 범위를 가지고, 상기 활성탄 분말의 입도는 1 내지 20㎛ 범위이고, 상기 음극전극층은 탄소류 80 내지 90 중량부, 도전재 2 내지 10 중량부, 바인더 5 내지 15 중량부 및 정제수 800 내지 1200 중량부를 혼합 및 교반하여 제조되되, 상기 탄소류는 소프트 카본이 이용되고, 상기 소프트 카본 분말의 입도는 5 내지 10㎛ 범위일 수 있다.
상기 양극은 100 내지 200㎛의 두께로 형성되고, 상기 음극은 50 내지 100㎛의 두께로 형성될 수 있다.
상기 금속캔은 스테인리스(SUS)로 형성되고 상부가 개구된 원통 형상의 하우징; 및 상기 하우징의 상부를 밀폐하도록 상기 하우징의 개구된 상부에 삽입되어 장착되는 캡을 포함하고, 상기 캡(130)은 제1 리드선(400a)과 결합(용접)될 수 있는데, 상기 캡(130)과 제1 리드선(400a)의 단락(쇼트; short)을 방지하기 위해서 상기 캡(130)과 접촉하는 제1 리드선(400a)의 외주면 상에는 글래스 메탈(glass metal) 또는 부틸러버(butylrubber)를 이용하여 제조된 개스킷(gasket)이 구비될 수 있고, 상기 리드선은 제1 리드선 및 제2 리드선을 포함하되, 상기 제1 리드선은 일측이 상기 전극유닛의 양극과 전기적으로 접속되고, 타측은 상기 캡을 관통하여 외부로 노출되어 외부단자와 전기적으로 접속되고, 상기 제2 리드선은 일측이 상기 전극유닛의 음극과 전기적으로 접속되고, 상기 금속캔의 내주면에 융착되어 고정 부착될 수 있다.
상기 금속캔은 알루미늄이나 알루미늄 합금, 또는 상기 알루미늄이나 알루미늄 합금 이외의 금속재질로 형성될 수 있다.
상기 금속캔이 알루미늄이나 알루미늄 합금으로 형성되는 경우에는, 상기 금속캔의 내부를 알루미늄 이외의 금속재질로 도금하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터의 제조방법은 활성탄, 도전재, 바인더 및 정제수를 혼합하여 형성된 양극물질을 슬러리 형태로 제조한 후, 상기 슬러리를 알루미늄 호일 집전체 상에 콤마 코터(comma coater)를 이용하여 도포 및 건조하여 양극을 제조하고, 탄소류, 도전재, 바인더 및 정제수를 혼합하여 형성된 음극물질을 슬러리 형태로 제조한 후, 상기 슬러리를 카본계 도전 재료로 프리코팅 된 다공성 구리 호일 집전체 위에 콤마 코터(comma coater)를 이용하여 도포 및 건조하여 음극을 제조하며, 상기 양극과 연결되도록 제1 리드선을 부착할 수 있고, 상기 음극과 연결되도록 제2 리드선을 부착하고, 제2 분리막, 양극, 제1 분리막 및 음극을 적층하고, 코일링(coiling)하여 롤(Roll) 형태의 전극유닛을 제작하며, 내주면 상에 리튬 메탈이 고정 부착되어 있는 금속재질로 형성된 금속캔을 준비하고, 상기 롤 형태의 전극유닛을 상기 금속캔의 하우징 내측에 장착하되, 상기 양극과 연결된 제1 리드선과, 상기 음극과 연결된 제2 리드선은 개구된 하우징의 상부면 방향으로 위치하게 배열하고, 상기 음극과 연결된 제2 리드선은 하우징 내주면과 접하도록 융착하며, 상기 롤 형태로 권취된 전극유닛과 리튬 메탈이 함침되도록 상기 하우징 내측에 리튬염이 용해되어 있는 전해액을 주입하고, 상기 하우징의 개구된 상부를 글라스메탈 또는 부틸러버가 포함된 캡을 이용하여 밀봉하되, 상기 제1 리드선 및 제2 리드선의 타측이 상기 캡을 관통하여 외부로 노출되어 외부단자와 전기적으로 접속될 수 있도록 구성된다.
상기 양극물질은 활성탄 80 내지 90 중량부, 도전재 5 내지 15 중량부, 바인더 2 내지 10 중량부 및 정제수 800 내지 1200 중량부를 혼합 및 교반하여 제조되되, 상기 활성탄의 비표면적은 1400 내지 2300m2/g이고, 상기 활성탄은 코크스계 탄화 활성탄이 이용되며, 상기 활성탄 분말의 입도는 1 내지 20㎛ 범위이고, 상기 음극물질은 탄소류 80 내지 90 중량부, 도전재 2 내지 10 중량부, 바인더 5 내지 15 중량부 및 정제수 800 내지 1200 중량부를 혼합 및 교반하여 제조되되, 상기 탄소류는 소프트 카본이 이용되고, 상기 소프트 카본 분말의 입도는 5 내지 10㎛ 범위이고, 상기 전해액은 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 리튬염을 포함하는 용질이 용매에 분산되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터는 비표면적이 2,000m2/g인 활성탄, 도전재 및 바인더를 정제수 1000 중량부에 혼합 및 교반시켜 슬러리를 제조한 후, 카본계 도전 재료로 프리코팅 된 다공성 알루미늄 호일 집전체 위에 콤마 코터(comma coater)를 이용하여 도포 및 건조한 후, 160㎛의 두께를 갖는 양극을 제조하되, 상기 활성탄은 85 중량부, 도전재는 10 중량부 및 바인더는 5 중량부로 첨가하며, 상기 활성탄으로는 코크스계, 도전재로는 카본블랙, 바인더로는 스틸렌부타이엔고무 및 카르복실메틸셀룰로오스를 각각 사용하고, 평균 입자 지름이 7㎛로 이루어진 소프트 카본, 도전재 및 바인더를 정제수에 혼합 및 교반시켜 슬러리를 제조한 후, 카본계 도전 재료로 프리코팅 된 다공성 구리 호일 집전체 위에 콤마 코터(comma coater)를 이용하여 도포 및 건조한 후, 80㎛의 두께를 갖는 음극을 제조하되, 상기 소프트 카본은 85 중량부, 도전재는 6 중량부 및 바인더는 9 중량부의 중량 비율로 정제수 1000 중량부에 첨가하며, 도전재로는 카본블랙, 바인더로는 아크릴(acrylic)계 수지 바인더 및 카르복실메틸셀룰로오스를 각각 사용하며, 상기 양극에 제1 리드선을 부착하고, 음극에 제2 리드선을 부착한 후, 양극과 음극 사이에 분리막으로서 폴리프로필렌 필름을 배치한 후, 롤 형태로 권취하여 전극유닛을 제조하고, 상기 전극유닛을 120℃의 오븐기에서 20시간 건조하며, 원통형으로 형성된 스테인리스(SUS) 재질의 금속캔의 내주면에 리튬 메탈을 라이닝(lining)하여 부착한 후, 상기 전극유닛을 상기 금속캔의 내부에 삽입하고, 상기 금속캔 내부에 전해액을 주입하되, 상기 전해액으로는 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate), 디에틸카보네이트(diethyle carbonate), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate)를 3:4:1의 중량비로 혼합한 용매 1.2몰의 농도에 6불화인산리튬(LiPF6)을 용해한 용액을 이용하며, 일측이 상기 음극과 연결된 제2 리드선을 금속캔의 하우징 내주면에 용접하고, 상기 양극과 연결된 제1 리드선은 글래스 메탈 또는 부틸러버가 포함된 금속캔의 캡에 용접하여 리튬 이온 커패시터를 제작하고, 상기 리튬 이온 커패시터를 65℃에서 2일간 방치하여 보관하는 것을 특징으로 한다.
기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터는 금속캔의 내주면에 리튬 메탈을 부착하고 충방전을 통해 음극에 리튬 이온이 빠르고 균일하게 도핑될 수 있도록 구성함으로써, 신뢰성과 양산성을 동시에 확보할 수 있고, 단위 체적당 높은 에너지 밀도를 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터는 다공성의 집전체를 이용하여 양극 및 음극을 제조함으로써, 집전체를 통해 리튬 이온이 원활하게 침투하여 이동할 수 있고, 최적의 온도, 전압 및 전류로 리튬 이온을 단시간에 균일하게 프리 도핑할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 실시예는, 구체적으로 언급되지 않은 다양한 효과를 제공할 수 있다는 것이 충분히 이해될 수 있을 것이다.
도 1a는 본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터에서 양극을 나타낸 도면이다.
도 1b는 본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터에서 양극을 분리하여 보여주는 도면이다.
도 2a는 본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터에서 음극을 나타낸 도면이다.
도 2b는 본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터에서 음극을 분리하여 보여주는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터에서 각각 양극과 음극에 리드선이 융착되는 것을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 4a 내지 도 4b는 본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터에서 전극유닛을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터에서 전극유닛이 금속캔에 장착된 상태를 보여주기 위해 일부를 절개하여 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터에서 전극유닛이 금속캔에 장착된 상태를 보여주는 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다.
상단, 하단, 상면, 하면, 또는 상부, 하부 등의 용어는 구성요소에 있어 상대적인 위치를 구별하기 위해 사용되는 것이다. 예를 들어, 편의상 도면상의 위쪽을 상부, 도면상의 아래쪽을 하부로 명명하는 경우, 실제에 있어서는 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 상부는 하부로 명명될 수 있고, 하부는 상부로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터에 대한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터에서 양극을 나타낸 도면이고, 도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터에서 음극을 나타낸 도면이며, 도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터에서 양극과 음극에 리드선이 융착되는 것을 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 4a 내지 도 4b는 본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터에서 전극유닛을 보여주는 도면이며, 도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터에서 전극유닛이 금속캔에 장착되는 것을 보여주는 도면이다.
도 1a 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터(10)는 금속캔(100), 상기 금속캔(100)의 내주면에 부착된 리튬 메탈(200), 상기 금속캔(100) 내부에 수용되고 롤(Roll) 형태의 양극(310), 음극(350) 및 상기 양극(310)과 음극(350) 사이에 위치하는 분리막(330a, 330b)을 포함하는 전극유닛(300), 상기 전극유닛(300)과 연결된 리드선(400a, 400b) 및 상기 리튬 메탈(200)과 전극유닛(300)이 함침되도록 주입된 전해액(미도시)을 포함한다.
상기 금속캔(100)은 내측이 중공된 원통 형상으로 구성되고, 상기 금속캔(100)의 내주면 상에는 리튬 메탈(200)이 고정 부착되며, 내부에는 전극유닛(300)이 수용될 수 있다. 상기 금속캔(100)은 하우징(110) 및 캡(130)을 포함한다.
상기 하우징(110)은 스테인리스(SUS)나 알루미늄(Al)과 같은 금속 재질로 형성되고, 바닥면 및 측면이 밀폐되어 내측에 주입되는 전해질이 리튬 메탈(200)과 전극 유닛을 함침시키도록 할 수 있다. 상기 하우징(110)은 상부가 개구된 원통 형상으로 구비되며, 내주면 상에는 리튬 메탈(200)이 고정 부착되고, 내주면 측면 상에는 하기에서 설명될 제2 리드선(400b)이 용접(150)되어 고정 부착될 수 있다. 상기 제2 리드선(400b)은 음극(350)과 전기적으로 연결되고, 상기 제2 리드선(400b)은 금속캔(100)과 용접(150)되어 전기적으로 연결되어 있는데, 이와 같은 구성에 의해 제2 리드선(400b)을 통해 금속캔(100)에 전압이 인가되면, 상기 음극(350) 표면에 리튬 이온이 도핑될 수 있다.
상기 캡(130)은 상기 하우징(110)의 상부를 밀폐하고, 상기 리드선(400a, 400b)을 고정하기 위하여 구비될 수 있다. 상기 캡(130)은 스테인리스(SUS)나 알루미늄(Al)과 같은 금속 재질로 형성되고, 상기 하우징(110)의 개방된 상부에 삽입되어 장착될 수 있다.
본 발명에서 상기 캡(130)은 하기에서 설명될 제1 리드선(400a)과 결합(용접)될 수 있는데, 상기 캡(130)과 제1 리드선(400a)의 단락(쇼트; short)을 방지하기 위해서 상기 캡(130)과 접촉하는 제1 리드선(400a)의 외주면 상에는 글래스 메탈(glass metal) 또는 부틸러버(butylrubber)를 이용하여 제조된 개스킷(gasket)이 구비될 수 있다.
상기 리튬 메탈(200)은 상기 하우징(110)의 내주면 바닥 및 측면 상에 고정 부착되고, 상기 하우징(110)에 주입된 전해액에 함침되며, 전압 인가시 음극(350)을 리튬으로 도핑하는데 있어서 리튬 소스(source)로 작용할 수 있다.
또한, 일반적으로 물과 반응성이 큰 리튬 메탈(200)은 폭발성이 있으며, 공기중에서 산화될 수 있는데, 본 발명에서는 상기 리튬 메탈(200)을 상기 하우징(110) 내주면에 부착하고 전해액을 주입한 후 캡(130)을 이용하여 상기 하우징(110)을 밀폐하므로, 폭발성 및 공기 중에서의 산화를 방지할 수 있다.
상기 전극유닛(300)은 상기 금속캔(100) 내부에 수용되고 롤(Roll) 형태로 구성되며, 양극(310), 음극(350) 및 상기 양극(310)과 음극(350) 사이에 위치하는 분리막(330a, 330b)이 적층된 구조로 형성될 수 있다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 상기 양극(310)은 활성탄을 포함하는 양극물질을 이용하여 제조될 수 있고, 100 내지 200㎛의 두께로 형성될 수 있으며, 상기 양극(310)은 양극집전체(312) 및 양극전극층(316)을 포함한다.
상기 양극집전체(312)는 알루미늄, 스테인리스, 동, 니켈, 탄탈 및 니오브 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있는데, 바람직하게는 프리코팅된 다공성의 알루미늄 호일로 형성될 수 있고, 상기 알루미늄 호일의 표면에는 빈 공간인 구멍(314)을 포함하는 체(sieve) 형태를 가질 수 있다. 상기 양극집전체(312) 상에 형성된 구멍(314)은 동일한 간격으로 천공될 수 있는데, 상기한 구성으로 인하여 상기 양극집전체(312) 상에 형성되는 양극전극층(316)과의 접착강도 향상, 균일한 전압 인가 등의 측면에서 바람직할 수 있다.
상기 양극전극층(316)은 상기 양극집전체(312) 상에 형성되고, 활성탄, 도전재, 바인더 및 정제수를 혼합하여 형성된 양극물질로 슬러리를 제조한 후, 상기 슬러리를 콤마 코터(comma coater)를 이용하여 상기 양극집전체(312) 상에 도포 및 건조함으로써 제조될 수 있다. 상기 양극전극층(316)은 활성탄 80 내지 90 중량부, 도전재 5 내지 15 중량부, 바인더 2 내지 10 중량부 및 정제수 800 내지 1200 중량부를 혼합 및 교반하여 제조될 수 있다.
상기 활성탄은 일반적인 전극 제조에 사용되는 흑연을 사용할 수 있는데, 상기 활성탄의 비표면적은 1400 내지 2300m2/g인 것이 바람직하다. 상기 활성탄은 코크스계 탄화 활성탄, 코코넛 쉘(shell)계 탄화 활성탄, 페놀 레진계 탄화 활성탄 등이 있는데, 바람직하게는 코크스계 탄화 활성탄이 이용될 수 있다. 본 발명에서 상기 활성탄 분말의 입도는 상기 양극전극층(316)의 성형 및 분산을 용이하게 하기 위하여 1 내지 20㎛ 범위의 것을 사용할 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, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등이 가능하다.
상기 바인더는 에틸렌아크릴산계, 폴리아크릴산계, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐염화물, 폴리에틸렌, 스틸렌부타디엔고무, 카르복실메틸셀룰로오스, 불화고무 중 적어도 하나 이상이 선택되어 혼합 사용되는 것이 바람직하다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 상기 음극(350)은 탄소류를 포함하는 음극물질을 이용하여 제조될 수 있고, 50 내지 100㎛의 두께로 형성될 수 있으며, 상기 음극(350)은 음극집전체(352) 및 음극전극층(356)을 포함한다.
상기 음극집전체(352)는 구리, 니켈 또는 스테인리스 중 어느 하나로 이루어질 수 있는데, 바람직하게는 프리코팅된 다공성 구리 호일로 이루어질 수 있다. 상기 음극집전체(352)는 박막의 형태를 가질 수 있으나, 본 발명에서 상기 음극집전체(352)는 이온의 이동을 효율적으로 수행하며 균일한 도핑 공정을 위해 다수개의 구멍(354)을 포함할 수 있다.
상기 음극전극층(356)은 상기 음극집전체(352) 상에 형성되고, 탄소류, 도전재, 바인더 및 정제수를 혼합하여 형성된 음극물질로 슬러리를 제조한 후, 상기 슬러리를 콤마 코터(comma coater)를 이용하여 상기 음극집전체(352) 상에 도포 및 건조함으로써 제조될 수 있다. 상기 음극전극층(356)은 탄소류 80 내지 90 중량부, 도전재 2 내지 10 중량부, 바인더 5 내지 15 중량부 및 정제수 800 내지 1200 중량부를 혼합 및 교반하여 제조될 수 있다.
상기 탄소류는 리튬금속합금, 리튬이 함유된 산화물 또는 리튬 이온이 흡장된 그라파이트, 하드 카본, 소프트 카본 등이 있는데, 바람직하게는 소프트 카본이 이용되고, 상기 소프트 카본 분말의 입도는 5 내지 10㎛ 범위의 것을 사용할 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, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등이 가능하다.
상기 바인더는 에틸렌아크릴산계, 폴리아크릴산계, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐염화물, 폴리에틸렌, 스틸렌부타디엔고무, 카르복실메틸셀룰로오스, 불화고무 중 적어도 하나 이상이 선택되어 혼합 사용되는 것이 바람직하다.
상기 분리막(330a, 330b)은 상기 양극(310)과 음극(350) 사이에 위치하고, 상기 양극(310)과 음극(350)의 단락을 방지하기 위하여 구비될 수 있다. 상기 분리막(330a, 330b)은 제1 분리막(330a) 및 제2 분리막(330b)을 포함하는데, 본 발명에서는 상기 제1 분리막(330a)을 사이에 두고 상기 양극(310)과 음극(350)이 대향되게 위치할 수 있다.
상기 제1 분리막(330a) 및 제2 분리막(330b)은 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리에스테르 필름, 폴리아크릴로니트릴 다공성 격리막, 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 헥사플루오로프로판 공중합체 다공성 격리막, 셀룰로스 다공성 격리막, 크라프트지 또는 레이온 섬유 등 커패시터 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막(330a, 330b)이라면 특별히 제한되지 않는다.
상기 리드선(400a, 400b)은 일단은 전극유닛(300)과 연결되고, 타단은 캡(130) 또는 하우징(110)의 내주면과 연결되게 연장 형성된 것으로, 제1 리드선(400a) 및 제2 리드선(400b)을 포함한다.
상기 제1 리드선(400a)은 일측이 상기 전극유닛(300)의 양극(310)과 전기적으로 접속되고, 타측은 상기 캡(130)을 관통하여 외부로 노출될 수 있다. 본 발명에서 상기 제1 리드선(400a)은 별도의 단자를 융착하여 양극(310) 및 부틸러버가 포함된 캡(130)과 연결되고 외부단자와 전기적으로 접속되게 구성될 수 있는데, 여기서 융착 공정의 방법으로는 초음파 용접, 레이저 용접 또는 스폿용접 등이 있을 수 있으나 본 발명의 실시예에서는 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 리드선(400b)은 일측이 상기 전극유닛(300)의 음극(350)과 전기적으로 접속되고, 타측이 용접(150)에 의해 상기 하우징(110)의 내측에 고정 부착될 수 있다.
본 발명에서 상기 음극(350)에 연결된 제2 리드선(400b)은 금속캔(100)의 하우징(110) 내주면과 용접(150)에 의해 전기적으로 연결될 수 있는데, 상기 제2 리드선(400b)을 통해 외부단자로부터 상기 금속캔(100)으로 전압이 인가되면 상기 음극(350)을 구성하는 음극전극층(356) 표면으로 리튬이 도핑될 수 있다.
즉, 상기 금속캔(100)에 부착된 리튬 메탈(200)로부터 생성된 리튬 이온이 전해액을 통하여 상기 음극전극층(356) 표면에 도달하여 상기 음극전극층(356) 표면을 도핑하게 되며, 또한 전해액에 포함된 리튬염으로부터 생성된 리튬 이온이 상기 음극전극층(356) 표면에 도달하여 상기 음극전극층(356) 표면을 도핑할 수 있다.
따라서, 본 발명에서 상기 금속캔(100)의 내주면에 부착된 리튬 메탈(200)은 상기 음극전극층(356)을 리튬으로 도핑하는데 있어서 리튬의 소스(source)로 작용하며, 또한 하기에서 설명될 전해액에 함유된 리튬염도 상기 음극전극층(356)을 리튬으로 도핑하는데 있어서 리튬의 소스로 작용할 수 있다.
상기 전해액은 상기 금속캔(100) 내부에 수용된 전극유닛(300)과 리튬 메탈(200)을 함침할 수 있도록 상기 금속캔(100)에 주입된 것으로, 상기 전해액에는 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 리튬염을 포함하는 용질이 용매에 분산되어 있을 수 있다.
상기 리튬염을 포함하는 용질로는 커패시터에서 통상적으로 사용되는 리튬염으로서 특별히 제한되지는 않으며, 예를 들어 상기 리튬염을 포함하는 용질로는 과염소산리튬(Lithiumperchlorate, LiClO4), 6불화인산리튬(Lithium hexafluorophosphate, LiPF6), 4불화붕산리튬(Lithiumtetrafluoroborate, LiBF4), 3플루오르메틸설폰산리튬(Lithium trifluoromethanesulfonate, LiCF3SO3, LiTFS), 비스트리플루오르메틸술포닐이미드리튬(Lithium bis(trifluoro methanesulfonyl)imide, LiN(CF3SO2)2, LiTFSI), 비스펜타플루오르에탄술포닐이미드리튬(Lithium bis(pentafluoroethanesulfony)imide, LiN(SO2C2F5)2, LiBETI) 중 적어도 어느 하나 이상이 선택되어 사용될 수 있다.
상기 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, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터의 제조방법에 대하여 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.
이하에서 본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터(10)의 양극(310)을 제조하는 방법을 구체적으로 설명한다.
먼저, 활성탄, 도전재, 바인더 및 정제수를 혼합하여 형성된 양극물질을 제조한다. 상기 양극물질은 활성탄 80 내지 90 중량부, 도전재 5 내지 15 중량부, 바인더 2 내지 10 중량부 및 정제수 800 내지 1200 중량부를 혼합 및 교반하여 제조될 수 있다.
상기 활성탄은 일반적인 전극 제조에 사용되는 흑연을 사용할 수 있는데, 상기 활성탄의 비표면적은 1400 내지 2300m2/g인 것이 바람직하다. 상기 활성탄은 코크스계 탄화 활성탄, 코코넛 쉘(shell)계 탄화 활성탄, 페놀 레진계 탄화 활성탄 등이 있는데, 바람직하게는 코크스계 탄화 활성탄이 이용될 수 있다. 본 발명에서 상기 활성탄 분말의 입도는 상기 양극전극층(316)의 성형 및 분산을 용이하게 하기 위하여 1 내지 20㎛ 범위의 것을 사용할 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, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등이 가능하다.
상기 바인더는 에틸렌아크리산계, 폴리아크릴산계, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐염화물, 폴리에틸렌, 스틸렌부타디엔고무, 카르복실메틸셀룰로오스, 불화고무 중 적어도 하나 이상이 선택되어 혼합 사용되는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 활성탄을 포함하는 양극물질로 슬러리를 제조한 후, 상기 슬러리를 콤마 코터(comma coater)를 이용하여 양극집전체(312) 상에 도포 및 건조함으로써, 100 내지 200㎛의 두께로 형성된 양극(310)을 형성할 수 있다.
본 발명에서 상기 슬러리 형태로 제조된 양극물질은 상기 양극집전체(312) 상에 도포 및 건조되어 양극전극층(316)을 형성할 수 있다.
상기 양극집전체(312)는 알루미늄, 스테인리스, 동, 니켈, 탄탈 및 니오브 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있는데, 바람직하게는 프리코팅된 다공성의 알루미늄 호일로 형성될 수 있고, 상기 알루미늄 호일의 표면에는 빈 공간인 구멍(314)을 포함하는 체(sieve) 형태를 가질 수 있다. 상기 양극집전체(312) 상에 형성된 구멍(314)은 동일한 간격으로 천공될 수 있는데, 상기한 구성으로 인하여 상기 양극집전체(312) 상에 형성되는 양극전극층(316)과의 접착강도 향상, 균일한 전압 인가 등의 측면에서 바람직할 수 있다.
이하에서 본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터(10)의 음극(350)을 제조하는 방법을 구체적으로 설명한다.
먼저, 탄소류, 도전재, 바인더 및 정제수를 혼합하여 형성된 음극물질을 제조한다. 상기 음극물질은 탄소류 80 내지 90 중량부, 도전재 2 내지 10 중량부, 바인더 5 내지 15 중량부 및 정제수 800 내지 1200 중량부를 혼합 및 교반하여 제조될 수 있다.
상기 탄소류는 리튬금속합금, 리튬이 함유된 산화물 또는 리튬 이온이 흡장된 그라파이트, 하드 카본, 소프트 카본 등이 있는데, 바람직하게는 소프트 카본이 이용되고, 상기 소프트 카본 분말의 입도는 5 내지 10㎛ 범위의 것을 사용할 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, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등이 가능하다.
상기 바인더는 에틸렌아크리산계, 폴리아크릴산계, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐염화물, 폴리에틸렌, 스틸렌부타디엔고무, 카르복실메틸셀룰로오스, 불화고무 중 적어도 하나 이상이 선택되어 혼합 사용되는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 탄소류를 포함하는 음극물질로 슬러리를 제조한 후, 상기 슬러리를 콤마 코터(comma coater)를 이용하여 음극집전체(352) 상에 도포 및 건조함으로써, 50 내지 100㎛의 두께로 형성된 음극(350)을 형성할 수 있다.
상기 음극집전체(352)는 구리, 니켈 및 스테인리스 중 어느 하나로 이루어질 수 있는데, 바람직하게는 프리코팅된 다공성 구리 호일로 이루어질 수 있다. 상기 음극집전체(352)는 박막의 형태를 가질 수 있으나, 본 발명에서 상기 음극집전체(352)는 이온의 이동을 효율적으로 수행하며 균일한 도핑 공정을 위해 다수개의 구멍(354)을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 제조된 양극(310)과 음극(350)을 이용하여 리튬 이온 커패시터(10)를 제조할 수 있다. 이하에서, 상기 양극(310)과 음극(350)을 이용하여 리튬 이온 커패시터(10)를 제조하는 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 양극(310)과 음극(350)에 리드선(400a, 400b)을 부착한다. 본 발명에서는 상기 양극(310)과 연결되도록 제1 리드선(400a)을 부착할 수 있고, 상기 음극(350)과 연결되도록 제2 리드선(400b)을 부착할 수 있다.
다음으로, 도 4a 내지 도 4b를 참조하면, 제2 분리막(330b), 양극(310), 제1 분리막(330a) 및 음극(350)을 적층하고, 코일링(coiling)하여 롤(Roll) 형태의 전극유닛(300)을 제작할 수 있다. 이때, 상기 전극유닛(300)이 롤 형태를 유지하도록 하기 위하여, 상기 전극유닛(300) 외주면에 접착 테이프(미도시) 등으로 감아서 롤 형태가 유지되도록 할 수도 있다.
상기 양극(310)과 음극(350) 사이에 위치하는 제1 분리막(330a)은 상기 양극(310)과 음극(350)의 단락을 방지하는 역할을 수행할 수 있다. 본 발명에서 상기 제1 분리막(330a) 및 제2 분리막(330b)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 커패시터 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막(330a, 330b)이라면 특별히 제한되지 않는다.
이어서, 도 5를 참조하면, 상기 롤 형태의 전극유닛(300)을 알루미늄과 같은 금속 재질로 형성된 금속캔(100)의 하우징(110) 내측에 장착할 수 있다. 상기 금속캔(100)의 하우징(110)에는 내주면 상에 리튬 메탈(200)이 고정 부착되어 있다. 상기 리튬 메탈(200)은 전압 인가시 음극(350)을 리튬으로 도핑하는데 있어서 리튬 소스(source)로 작용할 수 있다.
이때, 상기 양극(310)과 연결된 제1 리드선(400a)과, 상기 음극(350)과 연결된 제2 리드선(400b)은 개구된 하우징(110)의 상부면 방향으로 위치하게 장착될 수 있으며, 상기 음극(350)과 연결된 제2 리드선(400b)은 하우징(110) 내주면과 접하도록 융착될 수 있다. 여기서, 상기 융착 공정의 방법으로는 초음파 융착, 레이저 용접 또는 스폿용접 등이 이용될 수 있다. 상기한 구성에 의해 상기 제2 리드선(400b)은 음극(350)과 전기적으로 연결되고, 상기 제2 리드선(400b)은 금속캔(100)과 전기적으로 연결될 수 있는데, 외부단자와 전기적으로 연결된 상기 제2 리드선(400b)을 통해 금속캔(100)에 전압이 인가되면, 상기 음극(350)을 구성하는 음극전극층(356) 표면으로 리튬이 도핑될 수 있다.
그 다음으로, 롤 형태로 권취된 전극유닛(300)과 리튬 메탈(200)이 함침되도록 상기 하우징(110) 내측에 리튬염이 용해되어 있는 전해액을 주입할 수 있다.
상기 전해액은 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 리튬염을 포함하는 용질이 용매에 분산되어 있는 것으로, 상기 리튬염을 포함하는 용질로는 커패시터에서 통상적으로 사용되는 리튬염으로서 특별히 제한되지는 않으며, 예를 들어 상기 리튬염을 포함하는 용질로는 과염소산리튬(Lithiumperchlorate, LiClO4), 6불화인산리튬(Lithium hexafluorophosphate, LiPF6), 4불화붕산리튬(Lithiumtetrafluoroborate, LiBF4), 3플루오르메틸설폰산리튬(Lithium trifluoromethanesulfonate, LiCF3SO3, LiTFS), 비스트리플루오르메틸술포닐이미드리튬(Lithium bis(trifluoro methanesulfonyl)imide, LiN(CF3SO2)2, LiTFSI), 비스펜타플루오르에탄술포닐이미드리튬(Lithium bis(pentafluoroethanesulfony)imide, LiN(SO2C2F5)2, LiBETI) 중 적어도 어느 하나 이상이 선택되어 사용될 수 있다.
상기 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.
이어서, 도 6을 참조하면, 상기 하우징(110)의 개구된 상부를 캡(130)을 이용하여 밀봉할 수 있는데, 본 발명에서는 상기 제1 리드선(400a)의 타측이 상기 캡(130)을 관통하여 외부로 노출되므로, 상기 제1 리드선(400a) 및 제2 리드선(400b)의 타측을 이용하여 외부단자와 전기적으로 접속될 수 있다.
또한, 상기 제1 리드선(400a) 및 제2 리드선(400b)이 부착된 금속캔(100)의 부분에는 상기 제1 리드선(400a) 및 제2 리드선(400b)을 고정함과 동시에 상기 금속캔(100) 내부에 주입된 전해액의 누출을 방지하기 위하여 융착될 수 있는데, 여기서 융착 공정의 방법으로는 초음파 용접, 레이저 용접 또는 스폿용접 등이 있을 수 있으나 본 발명의 실시예에서는 이에 한정되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터(10)의 제조방법에 대한 바람직한 실시예를 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.
< 실시예 1 >
먼저, 비표면적이 2,000m2/g인 활성탄, 도전재 및 바인더를 정제수 1000 중량부에 혼합 및 교반시켜 슬러리를 제조한 후, 카본계 도전 재료로 프리코팅 된 다공성 알루미늄 호일 집전체 위에 콤마 코터(comma coater)를 이용하여 도포 및 건조한 후, 160㎛의 두께를 갖는 양극(310)을 제조하였다. 이때, 활성탄 85 중량부, 도전재 10 중량부 및 바인더 5 중량부로 첨가하였으며, 활성탄으로는 코크스계, 도전재로는 카본블랙, 바인더로는 스틸렌부타이엔고무 및 카르복실메틸셀룰로오스를 각각 사용하였다.
다음으로, 평균 입자 지름이 7㎛로 이루어진 소프트 카본, 도전재 및 바인더를 정제수에 혼합 및 교반시켜 슬러리를 제조한 후, 카본계 도전 재료로 프리코팅 된 다공성 구리 호일 집전체 위에 콤마 코터(comma coater)를 이용하여 도포 및 건조한 후, 80㎛의 두께를 갖는 음극(350)을 제조하였다. 이때, 소프트 카본 85 중량부, 도전재 6 중량부 및 바인더 9 중량부의 중량 비율로 정제수 1000 중량부에 첨가하였으며, 도전재로는 카본블랙, 바인더로는 아크릴(acrylic)계 수지 바인더 및 카르복실메틸셀룰로오스를 각각 사용하였다.
다음으로, 양극(310)에 제1 리드선(400a)을 부착하고, 음극(350)에 제2 리드선(400b)을 부착한 후, 양극(310)과 음극(350) 사이에 분리막(330a, 330b)으로서 폴리프로필렌 필름을 배치한 후, 롤 형태로 권취하여 전극유닛(300)을 제조하였다. 그리고, 상기 전극유닛(300)을 120℃의 오븐기에서 20시간 건조시켰다.
이어서, 원통형으로 형성된 스테인리스(SUS) 재질의 금속캔(100)의 내주면에 리튬 메탈(200)을 라이닝(lining)하여 부착한 후, 상기 전극유닛(300)을 상기 금속캔(100)의 내부에 삽입하였다.
다음으로, 상기 금속캔(100) 내부에 전해액을 주입하였는데, 상기 전해액으로는 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate), 디에틸카보네이트(diethyle carbonate), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate)를 3:4:1의 중량비로 혼합한 용매 1.2몰의 농도에 6불화인산리튬(LiPF6)을 용해한 용액을 이용하였다.
그 다음으로, 일측이 상기 음극(350)과 연결된 제2 리드선(400b)을 금속캔(100)의 하우징(110) 내주면에 용접(150)하였고, 상기 양극(310)과 연결된 제1 리드선(400a)은 부틸러버가 포함된 금속캔(100)의 캡(130)에 용접하였다. 이때, 상기 용접은 레이저 용접기를 이용하였으며, 상기 리튬 이온 커패시터(10)는 AA(14.6*25.1 mm)의 크기(Size)가 되도록 제작하였다.
이어서, 상기와 같이 제작된 리튬 이온 커패시터(10)를 65℃에서 2일간 방치하여 보관하였다.
상기와 같이 보관된 리튬 이온 커패시터(10)를 300mA의 정전류에서 상기 리튬 이온 커패시터(10)의 전압이 3.8V가 될 때까지 충전하였고, 이어서 3.8V의 정전압을 30분간 유지한 후 300mA의 정전류로 2.2V가 될 때까지 방전한 후, 초기 정전용량을 측정하였다.
그 후에, 상기 리튬 이온 커패시터(10)를 이용하여 3.8V, 60℃, 1000시간(Hr)의 고온부하 신뢰성을 측정하였다.
< 실시예 2 >
알루미늄 및 알루미늄 합금으로 제작된 금속캔(100)을 이용하였고, 상기 금속캔(100) 내주면에 니켈 코팅을 수행한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이온 커패시터(10)를 제작하였다.
< 비교예 1 >
실시예 1과 같이 제작된 리튬 이온 커패시터(10)를 상온에서 14일간 방치하여 보관한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이온 커패시터를 제작하였다.
< 비교예 2 >
알루미늄 및 알루미늄 합금으로 제작된 금속캔(100)을 이용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이온 커패시터를 제작하였다.
상기한 실시예 1, 2와 비교에 1, 2의 방법으로 제작된 리튬 이온 커패시터를 이용하여 초기 특성값과 3.8V, 70℃, 1000시간(Hr)의 고온부하 신뢰성을 측정하였고, 그 결과를 하기의 [표 1]에 나타내었다.
구분 초기 특성값 3.8V, 70℃, 1000시간(Hr)
용량(F) 저항(Ω) 용량유지율(%) 저항변화율(%)
실시예 1 30.1 0.13 91 106
실시예 2 30.5 0.12 89 110
비교예 1 29.8 0.13 88 102
비교예 2 29.5 0.12 74 256
상기한 [표 1]에 나타낸 바와 같이, 실시예 1과 실시예 2, 비교예 1과 비교예 2에 따른 리튬 이온 커패시터의 경우, 초기 특성들은 비슷하였다.
그러나, 비교예 2의 경우에는 3.8V, 70℃, 1000시간(Hr) 이후 용량유지율 및 저항변화율이 다른 것에 비해 현저히 나빠진 것을 알 수가 있다.
이러한 이유는 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 형성된 금속캔(100)에 있어서, 리튬 이온 공급원로부터 전극에 리튬 이온이 도핑될 때, 잔류하는 리튬 메탈(200)이 금속캔(100) 내부에서 알루미늄과 합금화하였고, 이것이 쉽게 용기 부식으로 어어져 비가역 반응이 증가된 것으로 판단되었다.
실시예 1에서와 같이 65℃에서 2일 동안 방치하여 보관(에이징; aging)한 리튬 이온 커패시터와, 실시예 2에서와 같이 상온에서 14일 동안 방치하여 보관한 리튬 이온 커패시터의 초기 특성값 및 3.8V, 70℃, 1000시간(Hr) 이후의 특성 변화 측정에서도 유사한 것을 확인하였다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 일 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10; 리튬 이온 커패시터 100; 금속캔
110; 하우징 130; 캡
150; 용접 200; 리튬 메탈
300; 전극유닛 310; 양극
312; 양극집전체 314, 354; 구멍
316; 양극전극층 330a, 330b; 분리막
350; 음극 352; 음극집전체
356; 음극전극층 400a, 400b; 리드선

Claims (10)

  1. 금속캔;
    상기 금속캔의 내주면에 부착된 리튬 메탈;
    상기 금속캔 내부에 수용되고 롤(Roll) 형태의 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 위치하는 분리막을 포함하는 전극유닛;
    상기 전극유닛과 연결된 리드선; 및
    상기 리튬 메탈과 전극유닛이 함침되도록 주입된 전해액을 포함하되,
    상기 양극은 활성탄을 포함하는 양극물질을 이용하여 제조되고,
    상기 음극은 탄소류를 포함하는 음극물질을 이용하여 제조되며,
    상기 양극은,
    프리코팅된 다공성의 알루미늄 호일로 형성되고, 상기 알루미늄 호일에 구멍이 형성된 양극집전체; 및
    상기 양극집전체 상에 형성되고, 활성탄, 도전재, 바인더 및 정제수를 혼합하여 형성된 양극물질로 슬러리를 제조한 후, 상기 슬러리를 콤마 코터(comma coater)를 이용하여 상기 양극집전체 상에 도포 및 건조함으로써 제조되는 양극전극층을 포함하고,
    상기 음극은,
    프리코팅된 다공성 구리 호일로 형성되고, 상기 구리 호일에 구멍이 형성된 음극집전체;
    상기 음극집전체 상에 형성되고, 탄소류, 도전재, 바인더 및 정제수를 혼합하여 형성된 음극물질로 슬러리를 제조한 후, 상기 슬러리를 콤마 코터(comma coater)를 이용하여 상기 음극집전체 상에 도포 및 건조함으로써 제조되는 음극전극층을 포함하며,
    상기 양극전극층은 활성탄 80 내지 90 중량부, 도전재 5 내지 15 중량부, 바인더 2 내지 10 중량부 및 정제수 800 내지 1200 중량부를 혼합 및 교반하여 제조되되, 상기 활성탄의 비표면적은 1400 내지 2300m2/g인 범위를 가지고, 상기 활성탄 분말의 입도는 1 내지 20㎛ 범위이고,
    상기 음극전극층은 탄소류 80 내지 90 중량부, 도전재 2 내지 10 중량부, 바인더 5 내지 15 중량부 및 정제수 800 내지 1200 중량부를 혼합 및 교반하여 제조되되, 상기 탄소류는 소프트 카본이 이용되고, 상기 소프트 카본 분말의 입도는 5 내지 10㎛ 범위이며,
    상기 양극은 100 내지 200㎛의 두께로 형성되고, 상기 음극은 50 내지 100㎛의 두께로 형성되며,
    상기 금속캔은 스테인리스(SUS)로 형성되고 상부가 개구된 원통 형상의 하우징; 및
    상기 하우징의 상부를 밀폐하도록 상기 하우징의 개구된 상부에 삽입되어 장착되는 캡을 포함하고,
    상기 리드선은 제1 리드선 및 제2 리드선을 포함하되,
    상기 제1 리드선은 일측이 상기 전극유닛의 양극과 전기적으로 접속되고, 타측은 상기 캡을 관통하여 외부로 노출되어 외부단자와 전기적으로 접속되고,
    상기 제2 리드선은 일측이 상기 전극유닛의 음극과 전기적으로 접속되고, 상기 금속캔의 내주면에 융착되어 고정 부착되는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 커패시터.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 금속캔은 알루미늄이나 알루미늄 합금, 또는 상기 알루미늄이나 알루미늄 합금 이외의 금속재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 커패시터.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 금속캔이 알루미늄이나 알루미늄 합금으로 형성되는 경우에는, 상기 금속캔의 내부를 알루미늄 이외의 금속재질로 도금하여 사용하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 커패시터.
  8. 활성탄, 도전재, 바인더 및 정제수를 혼합하여 형성된 양극물질을 슬러리 형태로 제조한 후, 상기 슬러리를 알루미늄 호일 집전체 상에 콤마 코터(comma coater)를 이용하여 도포 및 건조하여 양극을 제조하고,
    탄소류, 도전재, 바인더 및 정제수를 혼합하여 형성된 음극물질을 슬러리 형태로 제조한 후, 상기 슬러리를 카본계 도전 재료로 프리코팅 된 다공성 구리 호일 집전체 위에 콤마 코터(comma coater)를 이용하여 도포 및 건조하여 음극을 제조하며,
    상기 양극과 연결되도록 제1 리드선을 부착하고, 상기 음극과 연결되도록 제2 리드선을 부착하며,
    제2 분리막, 양극, 제1 분리막 및 음극을 적층하고, 코일링(coiling)하여 롤(Roll) 형태의 전극유닛을 제작하며,
    내주면 상에 리튬 메탈이 고정 부착되어 있는 금속재질로 형성된 금속캔을 준비하고,
    상기 롤 형태의 전극유닛을 상기 금속캔의 하우징 내측에 장착하되, 상기 양극과 연결된 제1 리드선과, 상기 음극과 연결된 제2 리드선은 개구된 하우징의 상부면 방향으로 위치하게 배열하고, 상기 음극과 연결된 제2 리드선은 하우징 내주면과 접하도록 융착하며,
    상기 롤 형태로 권취된 전극유닛과 리튬 메탈이 함침되도록 상기 하우징 내측에 리튬염이 용해되어 있는 전해액을 주입하고,
    상기 하우징의 개구된 상부를 글래스 메탈(glass metal) 또는 부틸러버가 포함된 캡을 이용하여 밀봉하되, 상기 제1 리드선 및 제2 리드선의 타측이 상기 캡을 관통하여 외부로 노출되어 외부단자와 전기적으로 접속될 수 있도록 구성하되,
    상기 양극물질은 활성탄 80 내지 90 중량부, 도전재 5 내지 15 중량부, 바인더 2 내지 10 중량부 및 정제수 800 내지 1200 중량부를 혼합 및 교반하여 제조되되, 상기 활성탄의 비표면적은 1400 내지 2300m2/g이고, 상기 활성탄은 코크스계 탄화 활성탄이 이용되며, 상기 활성탄 분말의 입도는 1 내지 20㎛ 범위이고,
    상기 활성탄을 포함하는 양극물질로 슬러리를 제조한 후, 상기 슬러리를 콤마 코터(comma coater)를 이용하여 양극집전체 상에 도포 및 건조함으로써, 100 내지 200㎛의 두께로 형성된 양극을 형성하며,
    상기 음극물질은 탄소류 80 내지 90 중량부, 도전재 2 내지 10 중량부, 바인더 5 내지 15 중량부 및 정제수 800 내지 1200 중량부를 혼합 및 교반하여 제조되되, 상기 탄소류는 소프트 카본이 이용되고, 상기 소프트 카본 분말의 입도는 5 내지 10㎛ 범위이고,
    상기 탄소류를 포함하는 음극물질로 슬러리를 제조한 후, 상기 슬러리를 콤마 코터(comma coater)를 이용하여 음극집전체 상에 도포 및 건조함으로써, 50 내지 100㎛의 두께로 형성된 음극을 형성하며,
    상기 양극과 음극을 이용하여 리튬 이온 커패시터를 제조하되,
    상기 양극과 연결되도록 제1 리드선을 부착하고, 상기 음극과 연결되도록 제2 리드선을 부착하며,
    제2 분리막, 양극, 제1 분리막 및 음극을 적층하고, 코일링(coiling)하여 롤(Roll) 형태의 전극유닛을 제작하고,
    상기 롤 형태의 전극유닛을 금속캔의 하우징 내측에 장착하되, 상기 금속캔의 하우징에는 내주면 상에 리튬 메탈이 고정 부착되고, 상기 리튬 메탈은 전압 인가시 음극을 리튬으로 도핑하는데 있어서 리튬 소스(source)로 작용하며,
    상기 양극과 연결된 제1 리드선과, 상기 음극과 연결된 제2 리드선은 개구된 하우징의 상부면 방향으로 위치하게 장착되며, 상기 음극과 연결된 제2 리드선은 하우징 내주면과 접하도록 융착되고, 상기 제2 리드선은 음극 및 금속캔과 전기적으로 연결되는데, 외부단자와 전기적으로 연결된 상기 제2 리드선을 통해 금속캔에 전압이 인가되면, 상기 음극을 구성하는 음극전극층 표면으로 리튬이 도핑되고,
    상기 롤 형태로 권취된 전극유닛과 리튬 메탈이 함침되도록 상기 하우징 내측에 리튬염이 용해되어 있는 전해액을 주입하되, 상기 전해액은 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 리튬염을 포함하는 용질이 용매에 분산되어 있으며,
    상기 하우징의 개구된 상부를 캡을 이용하여 밀봉하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 커패시터의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 비표면적이 2,000m2/g인 활성탄, 도전재 및 바인더를 정제수 1000 중량부에 혼합 및 교반시켜 슬러리를 제조한 후, 카본계 도전 재료로 프리코팅 된 다공성 알루미늄 호일 집전체 위에 콤마 코터(comma coater)를 이용하여 도포 및 건조한 후, 160㎛의 두께를 갖는 양극을 제조하되, 상기 활성탄은 85 중량부, 도전재는 10 중량부 및 바인더는 5 중량부로 첨가하며, 상기 활성탄으로는 코크스계, 도전재로는 카본블랙, 바인더로는 스틸렌부타이엔고무 및 카르복실메틸셀룰로오스를 각각 사용하고,
    평균 입자 지름이 7㎛로 이루어진 소프트 카본, 도전재 및 바인더를 정제수에 혼합 및 교반시켜 슬러리를 제조한 후, 카본계 도전 재료로 프리코팅 된 다공성 구리 호일 집전체 위에 콤마 코터(comma coater)를 이용하여 도포 및 건조한 후, 80㎛의 두께를 갖는 음극을 제조하되, 상기 소프트 카본은 85 중량부, 도전재는 6 중량부 및 바인더는 9 중량부의 중량 비율로 정제수 1000 중량부에 첨가하며, 도전재로는 카본블랙, 바인더로는 아크릴(acrylic)계 수지 바인더 및 카르복실메틸셀룰로오스를 각각 사용하며,
    상기 양극에 제1 리드선을 부착하고, 음극에 제2 리드선을 부착한 후, 양극과 음극 사이에 분리막으로서 폴리프로필렌 필름을 배치한 후, 롤 형태로 권취하여 전극유닛을 제조하고,
    상기 전극유닛을 120℃의 오븐기에서 20시간 건조하며,
    원통형으로 형성된 스테인리스(SUS) 재질의 금속캔의 내주면에 리튬 메탈을 라이닝(lining)하여 부착한 후, 상기 전극유닛을 상기 금속캔의 내부에 삽입하고,
    상기 금속캔 내부에 전해액을 주입하되, 상기 전해액으로는 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate), 디에틸카보네이트(diethyle carbonate), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate)를 3:4:1의 중량비로 혼합한 용매 1.2몰의 농도에 6불화인산리튬(LiPF6)을 용해한 용액을 이용하며,
    일측이 상기 음극과 연결된 제2 리드선을 금속캔의 하우징 내주면에 용접하고, 상기 양극과 연결된 제1 리드선은 글래스 메탈 또는 부틸러버가 포함된 금속캔의 캡에 용접하여 리튬 이온 커패시터를 제작하고,
    상기 리튬 이온 커패시터를 65℃에서 2일간 방치하여 보관하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 커패시터의 제조방법.
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