KR101852400B1 - Aluminum-ion capacitor having molybdenum disulphide electrode - Google Patents
Aluminum-ion capacitor having molybdenum disulphide electrode Download PDFInfo
- Publication number
- KR101852400B1 KR101852400B1 KR1020160150339A KR20160150339A KR101852400B1 KR 101852400 B1 KR101852400 B1 KR 101852400B1 KR 1020160150339 A KR1020160150339 A KR 1020160150339A KR 20160150339 A KR20160150339 A KR 20160150339A KR 101852400 B1 KR101852400 B1 KR 101852400B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- aluminum
- cathode
- anode
- electrolyte
- ion capacitor
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
- H01G11/50—Electrodes characterised by their material specially adapted for lithium-ion capacitors, e.g. for lithium-doping or for intercalation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/04—Hybrid capacitors
- H01G11/06—Hybrid capacitors with one of the electrodes allowing ions to be reversibly doped thereinto, e.g. lithium ion capacitors [LIC]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/26—Electrodes characterised by their structure, e.g. multi-layered, porosity or surface features
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/66—Current collectors
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/13—Energy storage using capacitors
Abstract
Description
본 발명은 슈퍼커패시터에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 알루미늄 이온을 통해 에너지밀도를 높인 슈퍼커패시터에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE
일반적으로 슈퍼커패시터는 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC) 또는 울트라커패시터(Ultra-capacitor)라고도 일컬어지며, 화학반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용하는 에너지 저장장치이다.In general, supercapacitors are sometimes referred to as electric double layer capacitors (EDLC) or ultra-capacitors. Unlike batteries that utilize chemical reactions, supercapacitors are typically used for simple ion transport or surface chemical reactions at the electrode- Is an energy storage device that utilizes a charging phenomenon caused by a magnetic field.
구체적으로 슈퍼커패시터는 도전체에 부착된 전극과 그에 함침된 전해질 용액으로 구성되며, 전극의 계면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기이중층)이 생성된 것을 이용한다. 이러한 슈퍼커패시터는 급속 충방전이 가능하고 높은 충방전 효율을 나타내며, 충전/방전 동작의 반복으로 인한 열화가 매우 작아서 보수가 필요 없이 반영구적인 사이클 수명 특성을 나타내기 때문에, 보조배터리나 배터리 대체용으로 사용될 수 있는 차세대 에너지저장장치로서 각광받고 있다.Specifically, the supercapacitor is formed of an electrode attached to a conductor and an electrolyte solution impregnated in the electrode, and a pair of charge layers (electric double layer) having different signs are formed at the interface of the electrodes. These supercapacitors are capable of rapid charge / discharge, exhibit high charge / discharge efficiency, exhibit a semi-permanent cycle life characteristic without requiring maintenance because the deterioration due to repetition of charging / discharging operations is very small, Generation energy storage device that can be used.
이러한 슈퍼커패시터는 급속한 충전 및 방전이 가능하고, 이차 전지와 비교하여 사이클 수명이 우수하며, 가용 온도 범위가 넓다는 장점을 가지고 있다. 그러나 저장할 수 있는 에너지 밀도(energy density)가 이차전지와 비교하여 매우 낮다는 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 보완하고자 다양한 형태로 보완이 수행되고 있으며, 최근 한쪽 전극은 슈퍼커패시터의 전기이중층 형성에 의한 전기에너지를 저장하고, 다른 쪽 전극에는 리튬이온의 삽입과 탈리를 함께 적용하여 에너지 밀도를 높이는 슈퍼커패시터의 개량기술이 개발되었다. 리튬이온 커패시터라고도 불리는 이러한 슈퍼커패시터는, 리튬의 가격이 비싸고 리튬이온이 삽입과 탈리되는 전극을 구성하는 것이 어렵기 때문에 가격 경쟁력을 상실하여 실용화되지 못하고 있다. 유사한 형태로서 리튬보다 가격이 저렴한 납산화물을 이용한 납산화물 커패시터가 개발되기도 하였으나, 유독물질인 납을 사용하기 때문에 실용화가 어렵다.These super capacitors are capable of rapid charging and discharging, have excellent cycle life as compared with secondary batteries, and have a wide temperature range. However, it has disadvantages that the energy density that can be stored is much lower than that of a secondary cell. In order to compensate for these disadvantages, various types of compensations have been carried out. Recently, one electrode stores electric energy by forming an electric double layer of a supercapacitor, and the other electrode has a lithium ion insertion / Improvement technology of supercapacitor was developed. Such a supercapacitor, which is also called a lithium ion capacitor, is expensive, and since it is difficult to form an electrode in which lithium ions are inserted and removed, the super capacitor is lost in price competitiveness and is not put into practical use. Lead oxide capacitors using lead oxides that are cheaper than lithium have been developed as similar forms, but they are difficult to put to practical use because they use lead, which is a toxic substance.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 상대적으로 가격이 저렴하면서 환경문제가 없는 알루미늄 이온을 적용한 슈퍼커패시터를 제공하는데 그 목적이 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a supercapacitor using relatively low cost and environmentally friendly aluminum ions.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 이황화몰리브덴 전극을 구비한 알루미늄 이온 커패시터는, 분리막; 상기 분리막을 사이에 두고 배치된 양극과 음극; 및 상기 양극과 상기 음극에 접하는 전해질을 포함하여 구성되어, 전극의 표면에 형성된 전기 이중층에 의해서 전기 에너지를 저장하는 슈퍼커패시터로서, 상기 양극은 MoS2를 포함하여 구성되고, 상기 음극은 알루미늄을 포함하는 재질이며, 상기 전해질이 알루미늄 이온을 포함하여, 상기 양극의 표면에서는 상기 전해질에 포함된 전하에 의한 전기 이중층의 형성과 해제가 수행되고, 상기 음극에서는 상기 전해질에 포함된 알루미늄 이온의 삽입과 탈리가 수행되어 전기 에너지를 저장 및 방출하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an aluminum ion capacitor having a molybdenum disulfide electrode, comprising: a separator; A cathode and a cathode arranged with the separator interposed therebetween; And an electrolyte in contact with the positive electrode and the negative electrode, the supercapacitor storing electric energy by an electric double layer formed on the surface of the electrode, wherein the positive electrode comprises MoS 2 , and the negative electrode comprises aluminum Wherein the electrolyte comprises aluminum ions and the formation and release of an electric double layer are carried out by the electric charge contained in the electrolyte on the surface of the anode. In the cathode, insertion and removal of aluminum ions contained in the electrolyte Is performed to store and discharge electrical energy.
본 발명의 발명자는 제조비용이 고가인 리튬 이온 커패시터에 비하여 제조비용이 낮으면서도 충분한 에너지 저장 성능을 나타내는 알루미늄 이온 커패시터를 발명하여 출원하였다. 하지만, 양극을 구성하는 전극물질로서 리튬이온커패시터 등에서 사용되는 활성탄, 탄소나노튜브 및 그래핀 등의 다공성 탄소를 사용하는 경우에 충방전을 반복하는 과정에서 성능이 점점 저하되어 수명이 길지 못한 단점이 존재한다. 이러한 수명 저하는 리튬 이온에 의한 경우보다 알루미늄 이온이 작용하는 알루미늄 이온 커패시터에서 더욱 심하였고, 알루미늄 이온 커패시터의 실용화에 가장 큰 문제가 되었다. 이에 본 발명의 발명자는 다공성 탄소를 대신하여 양극을 구성하는 전극물질로서 MoS2(molybdenum disulphide, 이황화몰리브덴)를 적용한 본 발명의 알루미늄 이온 커패시터를 개발하게 되었다.The inventor of the present invention invented and applied an aluminum ion capacitor that exhibits sufficient energy storage performance while having a lower manufacturing cost than a lithium ion capacitor having a high manufacturing cost. However, in the case of using porous carbon such as activated carbon, carbon nanotube, and graphene, which are used in lithium ion capacitors and the like as the electrode material constituting the anode, the performance is gradually lowered in the course of repeated charging and discharging, exist. This decrease in lifetime was more serious in the aluminum ion capacitor in which the aluminum ion acts than in the case of the lithium ion, and this was the biggest problem in the practical use of the aluminum ion capacitor. Accordingly, the inventor of the present invention has developed an aluminum ion capacitor of the present invention in which MoS 2 (molybdenum disulphide, molybdenum disulfide) is applied as an electrode material constituting the anode in place of the porous carbon.
특히, MoS2는 미세구조가 2차원의 면상 구조인 나노시트 형상인 것이 좋고, 결정구조가 정방정계 대칭 구조인 1T상(1T phase)인 경우에 금속 특성을 나타내어 전도성이 뛰어나다.Particularly, MoS 2 is preferably a nanosheet in which the microstructure is a two-dimensional planar structure, and exhibits a metal characteristic when the crystal structure is a 1T phase (1T phase) having a tetragonal system symmetry structure.
이때, 음극은 알루미늄 포일인 것이 바람직하다. 알루미늄은 안정한 물질이기 때문에, 종래의 리튬 이온 커패시터와 달리, 본 발명의 알루미늄 이온 커패시터는 알루미늄 포일을 음극으로 사용할 수 있기 때문에 음극의 제조가 매우 용이하다. 또한, 종래의 리튬 이온 커패시터가 리튬을 도핑하여 사용함으로써 에너지밀도를 높이는 것에 한계가 있었으나, 본 발명의 알루미늄 이온 커패시터는 알루미늄 포일을 음극으로 사용할 수 있기 때문에 이러한 제한을 극복할 수 있는 장점이 있다.At this time, the cathode is preferably an aluminum foil. Since aluminum is a stable material, unlike a conventional lithium ion capacitor, the aluminum ion capacitor of the present invention can easily manufacture an anode because an aluminum foil can be used as a cathode. In addition, there is a limitation in increasing the energy density by using a conventional lithium ion capacitor doped with lithium. However, since the aluminum ion capacitor of the present invention can use aluminum foil as a cathode, there is an advantage that such limitation can be overcome.
그리고 음극은 알루미늄 폼, 알루미늄 분말 및 알루미늄 코팅층을 구비한 쉘입자 중에 하나일 수 있다. 앞서 설명한 것과 같이, 알루미늄은 안정한 물질이기 때문에, 필요에 따라서 알루미늄 폼, 알루미늄 분말 및 알루미늄 코팅층을 구비한 쉘 등의 다양한 형태로 알루미늄 재질의 음극을 구성할 수 있는 장점이 있다. 또한 알루미늄을 포함하는 재질은 알루미늄 그 자체인 경우뿐만 아니라, 알루미늄과 구리, 마그네슘, 망간, 실리콘, 티타늄, 아연 등의 합금인 것도 가능하다. And the cathode may be one of the shell particles with aluminum foam, aluminum powder and aluminum coating. As described above, since aluminum is a stable material, there is an advantage that an aluminum cathode can be formed in various forms, such as a shell having an aluminum foam, an aluminum powder and an aluminum coating layer, if necessary. The material containing aluminum may be not only aluminum itself but also alloys of aluminum and copper, magnesium, manganese, silicon, titanium, zinc and the like.
양극이나 음극에 집전체가 부착된 구조일 수 있으며, 집전체는 양극 또는 음극을 형성하기 위한 베이스가 될 수 있다. 집전체의 재질로는 전도성이 높은 그래파이드 등의 탄소재와 다양한 금속 소재를 적용할 수 있으며, 구체적 금속 소재로서는 금, 니켈, 알루미늄, 티타늄, 스테인리스 스틸, 크롬, 구리 등을 적용할 수 있다.The current collector may be a structure having a positive electrode or a negative electrode, and the current collector may be a base for forming the positive electrode or the negative electrode. As the material of the current collector, carbon materials such as graphite having high conductivity and various metal materials can be applied. Specific metal materials include gold, nickel, aluminum, titanium, stainless steel, chrome, copper and the like.
알루미늄 이온을 포함하는 전해질로서는 이온성 액체 전해질과 유기 전해질 또는 수계 전해질 등을 사용할 수 있다. 이온성 액체 전해질은 AlCl3 와 같은 알루미늄염을 이온성 액체에 용해한 경우가 있으며, 예를 들어 이온성 액체인 [EMIM]Cl(1-Ethyl-3-methylimidazolium chloride)에 AlCl3을 용해하는 것이 가능하고, 알루미늄 이온을 포함하는 것으로 알킬리미다졸륨 알루미네이트 (alkylimidazolium aluminates), 알킬피리디늄 알루미네이트(alkylpyridinium aluminates), 알킬플루오로피라졸리륨 알루미네이트(alkylfluoropyrazolium aluminates), 알킬트리아졸륨 알루미네이트(alkyltriazolium aluminates), 알알킬암모늄 알루미네이트(aralkylammonium aluminates), 디알킬피펜디늄 알루미네이트(dialkylpipendinium aluminates), 알킬알콕시암모늄 알루미네이트(alkylalkoxyammonium aluminates), 알알킬포스포늄 알루미네이트(aralkylphosphonium aluminates), 알알킬설포늄 알루미네이트(aralkylsulfonium aluminates), 에틸메틸이미다졸륨 테트라클로로알루미네이트(ethylmethylimidazolium tetrachloroaluminate) 등이 가능하다. 유기 전해질로는 AlCl3와 Al(NO3)3 등의 알루미늄염을 프로필렌 카보네이트(Propylene carbonate), 아세토니트릴(Acetronitrile), 에틸렌 카보네이트(Ethylene carbonate), 디메틸 카보네이트(Dimethylcarbonate), 에틸 메틸 카보네이트(Ethyl Methyl Carbonate), 디에틸 카보네이트(Diethyl Carbonate), 메틸 삼차-부틸 에테르(Methyl tert-butyl ether), 프로필렌 글리콜(Propylene glycol) 등의 유기용매에 용해시킨 것이 가능하다. 수계 전해질로는 AlCl3, Al(NO3)3 등의 수용액이 가능하다.
As the electrolyte containing aluminum ions, an ionic liquid electrolyte, an organic electrolyte, an aqueous electrolyte or the like can be used. The ionic liquid electrolyte is a case obtained by dissolving an aluminum salt, such as AlCl 3 in the ionic liquid, for example, the ionic liquid is [EMIM] it is possible to dissolve the AlCl 3 to the Cl (1-Ethyl-3- methylimidazolium chloride) And includes aluminum ions, such as alkylimidazolium aluminates, alkylpyridinium aluminates, alkylfluoropyrazolium aluminates, alkyltriazolium aluminates, For example, aralkylammonium aluminates, dialkylpipendinium aluminates, alkylalkoxyammonium aluminates, aralkylphosphonium aluminates, alkylsulfonium aluminum oxides, Aralkylsulfonium aluminates, ethylmethylimidazolium tetrachloroaluminum Ethylmethylimidazolium tetrachloroaluminate and the like. As the organic electrolyte, AlCl 3 and Aluminum salts such as Al (NO 3 ) 3 are reacted with an organic solvent such as propylene carbonate, acetonitrile, ethylene carbonate, dimethylcarbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate Diethyl carbonate, methyl tert-butyl ether, propylene glycol, and the like. As the aqueous electrolyte, an aqueous solution of AlCl 3 , Al (NO 3 ) 3, or the like is usable.
본 발명의 다른 형태에 의한 이황화몰리브덴 전극을 구비한 알루미늄 이온 커패시터는, 분리막; 상기 분리막을 사이에 두고 배치된 양극과 음극; 및 상기 양극과 상기 음극에 접하는 전해질을 포함하여 구성되며, 상기 전해질이 알루미늄 이온을 포함하고, 상기 양극은 MoS2를 포함하여 구성되고, 상기 음극이 알루미늄 이온의 삽입과 탈리가 가능한 재질이며, 상기 양극의 표면에서는 상기 전해질에 포함된 전하에 의한 전기 이중층의 형성과 해제가 수행되고, 상기 음극에서는 상기 전해질에 포함된 알루미늄 이온의 삽입과 탈리가 수행되어 전기 에너지를 저장 및 방출하는 것을 특징으로 한다.An aluminum ion capacitor having a molybdenum disulfide electrode according to another aspect of the present invention includes: a separator; A cathode and a cathode arranged with the separator interposed therebetween; And an electrolyte in contact with the anode and the cathode, wherein the electrolyte comprises aluminum ions, the anode comprises MoS 2 , the cathode is a material capable of inserting and desorbing aluminum ions, An electric double layer is formed and released by the charge contained in the electrolyte on the surface of the anode, and insertion and desorption of aluminum ions contained in the electrolyte are performed in the cathode to store and discharge electric energy .
본 발명은, 양극에서는 전기 이중층을 형성하고 음극에서는 알루미늄 이온의 삽입과 탈리가 수행되어 전기 에너지를 저장하는 것을 특징으로 하므로, 음극 재질로서 알루미늄 이온의 삽입과 탈리가 수행되는 재질을 다양하게 적용할 수 있다. 예를 들어, 결정질 탄소인 그래파이트 또는 알루미늄이 도핑된 그래파이트를 사용하여 알루미늄 이온의 삽입과 탈리가 가능한 양극을 구성할 수 있고, 삽입 복합체(insertion compound)로서의 탄소와 실리콘 또는 티타늄 산화물 등의 산화물과 몰르브덴설파이드 등의 황화물을 사용하여 알루미늄 이온의 삽입과 탈리가 가능한 양극을 구성할 수 있다.
The present invention is characterized in that an electric double layer is formed in the anode, and insertion and desorption of aluminum ions are performed in the cathode to store electric energy. Thus, various materials can be used for the insertion and desorption of aluminum ions . For example, graphitic carbon, which is a crystalline carbon, or graphite doped with aluminum can be used to constitute a positive electrode capable of intercalation and deintercalation of aluminum ions, and an oxide such as silicon and titanium oxide as an insertion compound, A cathode capable of inserting and desorbing aluminum ions can be constituted by using a sulfide such as benzene sulfide or the like.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 리튬 이온 커패시터에 비하여 저렴한 가격으로 충분한 에너지 밀도를 가지는 슈퍼커패시터를 구성할 수 있는 효과가 있다.The present invention configured as described above has the effect of forming a supercapacitor having a sufficient energy density at a lower cost than the lithium ion capacitor.
또한, 종래의 리튬 이온 커패시터에 비하여 재료적 안정성이 높기 때문에, 전극 구조에 대한 제한이 없으므로, 제조비용이 낮고 에너지 밀도와 출력밀도를 높일 수 있는 구조를 자유롭게 채택할 수 있는 효과가 있다.In addition, since the material stability is higher than that of the conventional lithium ion capacitor, there is no restriction on the electrode structure, so that a manufacturing cost is low and a structure capable of increasing energy density and power density can be freely adopted.
나아가, 양극의 전극물질로서 다공성 탄소가 아닌 MoS2를 사용함으로써, 수명이 향상된 알루미늄 이온 커패시터를 제공할 수 있는 효과가 있다.
Furthermore, by using MoS 2 that is not porous carbon as the electrode material of the anode, it is possible to provide an aluminum ion capacitor with improved lifetime.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 이온 커패시터의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 이온 커패시터에 대하여 주사속도에 따른 용량을 측정한 결과이다.
도 3은 도 2의 비용량 측정 결과를 기준으로 면적당 비용량을 산출한 결과이다.
도 4는 도 2의 비용량 측정 결과를 기준으로 전체 전극의 중량당 비용량을 산출한 결과이다.
도 5는 양극에 포함된 MoS2의 중량당 비용량을 산출한 결과이다.
도 6은 본 실시예에 따른 알루미늄 이온 커패시터에 대하여 측정된 순환전압전류곡선을 나타낸다.
도 7과 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 이온 커패시터에 대하여 주사속도를 변경하면서 측정된 순환전압전류곡선을 나타낸다.
도 9와 도 10은 본 실시예에 따른 알루미늄 이온 커패시터에 대한 정전류 충전/방전 그래프이다. 1 is a schematic view showing a structure of an aluminum ion capacitor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph illustrating a result of measuring the capacitance of the aluminum ion capacitor according to the embodiment of the present invention.
Fig. 3 shows the result of calculating the specific capacity per area based on the non-capacity measurement result of Fig.
FIG. 4 shows the results of calculating the capacitance per weight of all the electrodes based on the results of the non-capacitance measurement of FIG.
5 shows the results of calculating the specific capacity per unit weight of MoS 2 contained in the anode.
6 shows a cyclic voltage-current curve measured for an aluminum ion capacitor according to the present embodiment.
FIGS. 7 and 8 show a cyclic voltage-current curve measured while changing a scanning speed for an aluminum ion capacitor according to an embodiment of the present invention.
9 and 10 are graphs of constant current charge / discharge for an aluminum ion capacitor according to the present embodiment.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Referring to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 이온 커패시터의 구조를 나타낸 모식도이다.1 is a schematic view showing a structure of an aluminum ion capacitor according to an embodiment of the present invention.
본 실시예의 알루미늄 이온 커패시터는 집전체(40)에 도포된 양극(10)과 이에 대향된 음극(20) 및 양극(10)과 음극(20)의 사이에 배치되는 분리막(30)으로 구성되며, 전해질(미도시)이 채워진다.The aluminum ion capacitor of the present embodiment is composed of the
본 실시예의 알루미늄 이온 커패시터는 분리막(30)으로서 유리섬유 분리막을 사용하였고, 음극(20)으로는 알루미늄 포일을 사용하였으며, 도시하지 않았지만 금 재질의 집전체에 부착하여 사용하였다.The aluminum ion capacitor of this embodiment uses a glass fiber separator as the
그리고 금 재질의 집전체(40)에 MoS2를 포함하는 슬러리를 양극(10)으로 도포하여 사용하였다. A slurry containing MoS 2 was applied to the
MoS2는 벌크(덩어리) 상태인 MoS2를 2차원 나노시트 형태로 만들기 위하여 불활성 기체인 아르곤 분위기에서 3㎖의 부틸리튬을 벌크 상태인 MoS2 파우더 0.3g에 넣고, 온도를 60℃로 올리고 48시간동안 환류시켰다. 혼합물을 필터링한 뒤에 잔류 부틸리튬을 제거하기 위하여 헥산으로 세척하였다. 이러한 과정으로 MoS2파우더에 리튬을 인터컬레이션(intercalation)한 다음 1.5mg/㎖의 비율로 물에 넣고 1시간동안 초음파을 인가함으로써 MoS2를 2차원 나노시트 형태로 박피한다. 그리고 원심분리하여 리튬 양이온과 박피되지 않은 덩어리 상태의 물질을 제거한다. 서스펜션 상태의 물질을 25nm의 지름의 공극을 가지는 니트로셀룰로스 멤브레인에 걸러낸 다음 건조하여 파우더 상태의 2차원 나노시트 형태 MoS2를 수득하였다.MoS 2 is a bulk (lump) state of MoS 2 into the two-dimensional of the 3㎖-butyl lithium in the form of nanosheets in the inert gas atmosphere of argon to make the bulk of MoS 2 powder 0.3g, the temperature is raised to 60 ℃ 48 Lt; / RTI > The mixture was filtered and washed with hexane to remove residual butyllithium. In this process, lithium is intercalated into the MoS 2 powder, and the resulting mixture is put into water at a rate of 1.5 mg / ml, and ultrasonic waves are applied for 1 hour to peel the MoS 2 into a two-dimensional nanosheet form. And centrifuged to remove lithium cations and bulk materials that have not been peeled off. The suspended material was filtered through a nitrocellulose membrane having a cavity of 25 nm in diameter and then dried to obtain a powdered two-dimensional nanosheet-shaped MoS 2 .
상기한 방법으로 제조된 2차원 나노시트 형태의 MoS2 파우더 85wt%, 수퍼-P(Super-P) 7wt%, 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC, carboxymethyl cellulose) 3wt% 및 스티렌-부타디엔 고무(SBR, styrene-butadiene rubber) 5wt%로 구성된 슬러리를 금재질의 집전체(40)에 캐스팅한 뒤에 건조하여 양극(10)을 구성하였으며, 도포된 양극의 면적은 2.54cm2이다.MoS 2 powder of 2-dimensional nanosheet type prepared by the above-mentioned method, 85 wt% of Super-P, 7 wt% of carboxymethyl cellulose (CMC), and 3 wt% of styrene-butadiene rubber (SBR) butadiene rubber was cast in a
음극(20)으로 사용된 알루미늄 포일은 두께가 2㎛이다. 종래에 리튬 이온을 사용한 슈퍼커패시터는 리튬의 안정성 문제로 인하여 리튬 포일 자체를 음극으로 사용하지 못하였으나, 알루미늄은 안정한 물질이기 때문에 본 실시예의 알루미늄 이온 커패시터는 알루미늄 포일을 음극으로 사용할 수 있었고 그 결과 제조가 매우 용이하며, 필요에 따라서 다양한 형태로 알루미늄 재질의 음극을 구성할 수 있는 장점이 있다.The aluminum foil used as the
마지막으로 양극(10)과 음극(20)에 채워지는 전해질로는 AlCl3를 이온성 액체인 [EMIM]Cl(1-Ethyl-3-methylimidazolium chloride)에 용해하여 사용하였다. 이러한 전해질에는 알루미늄 이온이 분산되어 있으며, 알루미늄 재질의 음극(20)에서는 알루미늄 이온의 삽입과 탈리가 수행되고, 양극(10)에서는 전해질에 포함된 전자에 의해서 전기 이중층을 형성하여 전기에너지를 저장한다.Finally, AlCl 3 was dissolved in an ionic liquid [EMIM] Cl (1-Ethyl-3-methylimidazolium chloride) as an electrolyte to be filled in the
이와 같이 구성된 본 실시예의 알루미늄 이온 커패시터의 전기화학적 특성을 측정하였다.
The electrochemical characteristics of the aluminum ion capacitor of this example thus configured were measured.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 이온 커패시터에 대하여 주사속도에 따른 용량을 측정한 결과이다.FIG. 2 is a graph illustrating a result of measuring the capacitance of the aluminum ion capacitor according to the embodiment of the present invention.
2V에서 주사속도를 1~100mV/S 범위로 변화시키면서 알루미늄 이온 커패시터의 비용량을 측정하였다. 실시예 2의 알루미늄 이온 커패시터는 주사속도 증가에 따라서 비용량이 감소하였다.The capacitance of the aluminum ion capacitor was measured while the scanning speed was changed from 1 to 100 mV / S at 2V. In the aluminum ion capacitor of Example 2, the cost amount decreased with the increase of the scanning speed.
도 3은 도 2의 비용량 측정 결과를 기준으로 면적당 비용량을 산출한 결과이고, 도 4는 도 2의 비용량 측정 결과를 기준으로 전체 전극의 중량당 비용량을 산출한 결과이고, 도 5는 양극에 포함된 MoS2의 중량당 비용량을 산출한 결과이다.Fig. 3 shows the result of calculating the specific capacitance per area based on the specific capacitance measurement result of Fig. 2. Fig. 4 shows the result of calculating the specific capacitance per weight of all electrodes based on the specific capacitance measurement result of Fig. Is a result of calculating the specific capacity per weight of MoS 2 contained in the anode.
도 3은 집전체에 도포된 양극의 면적인 2.54cm2을 기준으로 도 2의 결과로부터 산출한 결과이고, 도 4는 양극의 무게 1.6631mg과 음극의 무게 1.4689mg을 기준으로 산출한 결과이며, 도 5는 양극에 포함된 MoS2의 비율(85wt%)로 산출한 결과이다.FIG. 3 shows the results of calculation based on the area of the anode applied to the current collector of 2.54 cm 2 , FIG. 4 shows the results of calculation based on the weight of the anode of 1.6631 mg and the weight of the cathode of 1.4689 mg, Fig. 5 shows the result of calculation with the ratio of MoS 2 (85 wt%) contained in the anode.
도시된 결과에서, 본 실시예의 알루미늄 이온 커패시터는 상당히 높은 에너지 밀도를 갖는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는, 리튬 이온을 이용한 종래의 리튬 이온 커패시터에 비해서 상대적으로 저렴한 재료비와 제조 공정으로도 충분한 에너지 밀도를 나타내는 슈퍼커패시터를 제조할 수 있음을 나타낸다. 또한, 다공성 탄소재질의 양극을 사용한 경우에 비해서도 전기적 특성이 뛰어난 것을 확인할 수 있다.
From the results shown, it can be seen that the aluminum ion capacitor of this embodiment has a considerably high energy density. These results show that a supercapacitor can be manufactured which exhibits a relatively low material cost and a sufficient energy density even in a manufacturing process as compared with a conventional lithium ion capacitor using lithium ions. In addition, it can be confirmed that the electric characteristics are superior to those in the case of using a porous carbon material anode.
도 6은 본 실시예에 따른 알루미늄 이온 커패시터에 대하여 측정된 순환전압전류곡선을 나타낸다.6 shows a cyclic voltage-current curve measured for an aluminum ion capacitor according to the present embodiment.
순환전압전류곡선(cyclic voltammogram, CV 곡선)은 전극의 전위를 초기전위부터 특정 전위까지 증가, 이후 원래의 전위로 돌아오도록 시간에 따라 변화시키면서 전위에 따른 전류를 측정한 것으로서, 소자의의 충전과 방전 시 거동을 보여준다. 주사속도를 10mV/S로 고정하여 전압범위를 0V에서부터 1.0~2.1V로 변화시키면서 전위에 따른 전류를 측정하였다.The cyclic voltammogram (CV curve) measures the current according to the potential while changing the potential of the electrode from the initial potential to the specific potential and then changing it back to the original potential. It shows the behavior at discharge. The scanning current was fixed at 10 mV / S, and the current corresponding to the potential was measured while the voltage range was changed from 0 V to 1.0-2.1 V.
도시된 모양은 슈퍼커패시터에서 나타나는 전형적인 CV곡선의 형태를 보이고 있으며, 이는 본 실시예의 알루미늄 이온 커패시터가 양극에서만 전기 이중층이 형성되고 음극에서는 알루미늄이 이온의 삽입과 탈리가 수행되고 있지만 슈퍼커패시터의 충방전 형태를 나타내는 슈퍼커패시터의 일종인 것을 의미한다.The shape shown in the figure shows a typical CV curve shape in a supercapacitor. This is because the aluminum ion capacitor of this embodiment has an electric double layer formed on the anode and the insertion and desorption of aluminum ions on the cathode are performed. However, Means a kind of super capacitor representing the shape.
또한, 인가되는 전위가 높아질수록 폐곡선의 면적이 증가하였고, 이는 비용량이 증가한 것이므로 앞선 비용량 측정결과와 일치하였다.
In addition, the area of the closed curve increases as the applied potential increases, which is consistent with the results of the above non-capacitance measurement since the cost is increased.
도 7과 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 이온 커패시터에 대하여 주사속도를 변경하면서 측정된 순환전압전류곡선을 나타낸다.7 and 8 show a cyclic voltage-current curve measured while changing the scanning speed for an aluminum ion capacitor according to an embodiment of the present invention.
2V까지 전압을 변화시키면서 전류전압곡선을 그렸으며, 1~100mV/S 범위로 주사속도를 변화시키면서 측정하였다. 도 8은 주사속도가 1~20mV/S 범위인 경우를 별도로 나타낸 그래프이다. 본 실시예의 알루미늄 이온 커패시터에 대한 순환전압전류곡선은, 앞서 설명한 것과 같이 슈퍼커패시터에서 나타나는 CV 곡선을 나타내고 있으며, 주사속도가 증가함에 따라서 폐곡선의 면적이 증가하고 있다.
The current-voltage curve was drawn while varying the voltage to 2 V and the scanning speed was varied from 1 to 100 mV / S. 8 is a graph showing a case where the scanning speed is in the range of 1 to 20 mV / S. The cyclic voltage-current curve for the aluminum ion capacitor of this embodiment shows the CV curve that appears in the supercapacitor as described above, and the area of the closed curve increases as the scanning speed increases.
도 9와 도 10은 본 실시예에 따른 알루미늄 이온 커패시터에 대한 정전류 충전/방전 그래프이다. 9 and 10 are graphs of constant current charge / discharge for an aluminum ion capacitor according to the present embodiment.
충전과 방전이 수행되는 전압 범위는 0~2V로 고정하였으며, 도 9는 충방전 전류를 400㎂로 하였고, 도 10은 충방전 전류를 4mA로 하였다. 도시된 것과 같이, 본 실시예에 따른 알루미늄 이온 커패시터는 이상적인 커패시터의 특징인 전형적인 삼각형태의 충방전 곡선을 보이고 있으며, 나아가 사이클 반복에도 안정적인 충전과 방전이 수행되는 것을 확인할 수 있다.
The voltage range in which charging and discharging are performed is fixed to 0 to 2 V, FIG. 9 shows a charging / discharging current of 400 μA, and FIG. 10 shows a charging / discharging current of 4 mA. As shown in the figure, the aluminum ion capacitor according to the present embodiment shows a typical triangular charging / discharging curve characteristic of an ideal capacitor, and it can be confirmed that charging and discharging are performed stably even in cycle repetition.
이상에서 살펴본 것과 같이, 본 실시예의 양극의 전극물질로서 MoS2를 사용한 알루미늄 이온 커패시터는 종래의 리튬 이온 커패시터에 비하여 저렴한 알루미늄을 사용하여 간단한 구조의 음극을 제조하였음에도 불구하고, 면적당 비용량과 중량당 비용량이 에너지 저장장치로서 충분히 적합한 값을 갖는 것을 확인할 수 있다. 또한, 양극 전극물질로 다공성 탄소를 사용한 알루미늄 이온 커패시터에 비해서도 뛰어난 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다.
As described above, although the aluminum ion capacitor using MoS 2 as the electrode material of the anode of the present embodiment has a simple structure using aluminum which is lower in cost than the conventional lithium ion capacitor, It can be confirmed that the amount of money has a sufficiently suitable value as the energy storage device. In addition, it is confirmed that the anode electrode material has superior characteristics to the aluminum ion capacitor using the porous carbon as the anode electrode material.
이러한 본 실시예의 알루미늄 이온 커패시터는 저렴한 가격으로 사이클 수명이 우수하면서도 에너지 밀도가 높은 뛰어난 특성이 있기 때문에, 에너지 저장 시스템(ESS)의 에너지 저장원으로 사용하거나 초소형 보조 배터리를 구성할 수 있다.
Since the aluminum ion capacitor of this embodiment has excellent cycle life and excellent energy density, it can be used as an energy storage source of an energy storage system (ESS) or can constitute a very small auxiliary battery.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to preferred embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Those skilled in the art will understand. Therefore, the scope of protection of the present invention should be construed not only in the specific embodiments but also in the scope of claims, and all technical ideas within the scope of the same shall be construed as being included in the scope of the present invention.
10: 양극
20: 음극
30: 분리막
40: 집전체10: anode
20: cathode
30: Membrane
40: The whole house
Claims (10)
상기 분리막을 사이에 두고 배치된 양극과 음극; 및
상기 양극과 상기 음극에 접하는 전해질을 포함하여 구성되어, 전극의 표면에 형성된 전기 이중층에 의해서 전기 에너지를 저장하는 슈퍼커패시터의 하위개념인 알루미늄 이온 커패시터로서,
상기 양극은 MoS2를 포함하여 구성되고, 상기 음극은 알루미늄을 포함하는 재질이며, 상기 전해질이 알루미늄 이온을 포함하여,
상기 양극의 표면에서는 상기 전해질에 포함된 전하에 의한 전기 이중층의 형성과 해제가 수행되는 슈퍼커패시터 방식의 충방전 거동을 하고, 상기 음극에서는 상기 전해질에 포함된 알루미늄 이온의 삽입과 탈리가 수행되어 전기 에너지를 저장 및 방출하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 이온 커패시터.
Separation membrane;
A cathode and a cathode arranged with the separator interposed therebetween; And
An aluminum ion capacitor which is a sub-concept of a supercapacitor which comprises an anode and an electrolyte in contact with the cathode, and stores electric energy by an electric double layer formed on a surface of the electrode,
Wherein the anode comprises MoS 2 , the cathode is made of aluminum, the electrolyte comprises aluminum ions,
Discharging behavior of the electric double layer by the charge contained in the electrolyte is performed on the surface of the anode and insertion and desorption of aluminum ions contained in the electrolyte is performed in the cathode, An aluminum ion capacitor.
상기 양극에 포함된 MoS2가 1T상의 결정구조를 갖는 것을 특징으로 하는 알루미늄 이온 커패시터.
The method according to claim 1,
Wherein the MoS 2 contained in the anode has a crystal structure of 1T phase.
MoS2의 미세구조가 나노시트 형상인 것을 특징으로 하는 알루미늄 이온 커패시터.
The method of claim 2,
Wherein the microstructure of MoS 2 is a nanosheet shape.
상기 음극이 알루미늄 포일인 것을 특징으로 하는 알루미늄 이온 커패시터.
The method according to claim 1,
Wherein the cathode is an aluminum foil.
상기 음극이 알루미늄 폼, 알루미늄 분말 및 알루미늄 코팅층을 구비한 쉘입자 중에 하나인 것을 특징으로 하는 알루미늄 이온 커패시터.
The method according to claim 1,
Wherein the cathode is one of shell particles having an aluminum foil, an aluminum powder and an aluminum coating layer.
상기 양극에 집전체가 부착된 것을 특징으로 하는 알루미늄 이온 커패시터.
The method according to claim 1,
And a current collector is attached to the positive electrode.
상기 음극에 집전체가 부착된 것을 특징으로 하는 알루미늄 이온 커패시터.
The method according to claim 1,
And a current collector is attached to the negative electrode.
상기 분리막을 사이에 두고 배치된 양극과 음극; 및
상기 양극과 상기 음극에 접하는 전해질을 포함하여 구성되며,
상기 전해질이 알루미늄 이온을 포함하고,
상기 양극은 MoS2를 포함하여 구성되고,
상기 음극이 알루미늄 이온의 삽입과 탈리가 가능한 재질이며,
상기 양극의 표면에서는 상기 전해질에 포함된 전하에 의한 전기 이중층의 형성과 해제가 수행되는 슈퍼커패시터 방식의 충방전 거동을 하고, 상기 음극에서는 상기 전해질에 포함된 알루미늄 이온의 삽입과 탈리가 수행되어 전기 에너지를 저장 및 방출하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 이온 커패시터.
Separation membrane;
A cathode and a cathode arranged with the separator interposed therebetween; And
And an electrolyte in contact with the anode and the cathode,
Wherein the electrolyte comprises aluminum ions,
Wherein the anode comprises MoS 2 ,
The negative electrode is a material capable of inserting and desorbing aluminum ions,
Discharging behavior of the electric double layer by the charge contained in the electrolyte is performed on the surface of the anode and insertion and desorption of aluminum ions contained in the electrolyte is performed in the cathode, An aluminum ion capacitor.
상기 양극에 포함된 MoS2가 1T상의 결정구조를 갖는 것을 특징으로 하는 알루미늄 이온 커패시터.
The method of claim 8,
Wherein the MoS 2 contained in the anode has a crystal structure of 1T phase.
MoS2의 미세구조가 나노시트 형상인 것을 특징으로 하는 알루미늄 이온 커패시터. The method of claim 9,
Wherein the microstructure of MoS 2 is a nanosheet shape.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160150339A KR101852400B1 (en) | 2016-11-11 | 2016-11-11 | Aluminum-ion capacitor having molybdenum disulphide electrode |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160150339A KR101852400B1 (en) | 2016-11-11 | 2016-11-11 | Aluminum-ion capacitor having molybdenum disulphide electrode |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101852400B1 true KR101852400B1 (en) | 2018-04-27 |
Family
ID=62081583
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020160150339A KR101852400B1 (en) | 2016-11-11 | 2016-11-11 | Aluminum-ion capacitor having molybdenum disulphide electrode |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101852400B1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20220026554A (en) * | 2019-12-27 | 2022-03-04 | 한국에너지기술연구원 | Ultra thin anode for aluminium secondary battery and aluminium secondary battery including the same |
-
2016
- 2016-11-11 KR KR1020160150339A patent/KR101852400B1/en active IP Right Grant
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| L.D.Reed and E. Menke, ‘The Roles of V2O5 and Stainless Steel in Rechargeable Al-Ion Batteries,’Journal of The Electrochemical Society, 160 (6) A915-A917 (2013) (2013.04.11)* |
| M. Acerce et al., ‘Metallic 1T phase MoS2 nanosheets as supercapacitor electrode materials,’Nature Nanotechnology 10, 313-318 (2015) (Online:2015.03.23.)* |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20220026554A (en) * | 2019-12-27 | 2022-03-04 | 한국에너지기술연구원 | Ultra thin anode for aluminium secondary battery and aluminium secondary battery including the same |
| KR102389563B1 (en) * | 2019-12-27 | 2022-04-25 | 한국에너지기술연구원 | Ultra thin anode for aluminium secondary battery and aluminium secondary battery including the same |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yang | A mini-review: emerging all-solid-state energy storage electrode materials for flexible devices | |
| WO2017084538A1 (en) | Secondary battery and preparation method therefor | |
| TWI623003B (en) | Electric double layer capacitor | |
| US20150380176A1 (en) | Graphene lithium ion capacitor | |
| US11551878B2 (en) | Electricity storage device | |
| JP5099299B2 (en) | Positive electrode material for lithium secondary battery, method for producing the same, and lithium secondary battery | |
| Zhang et al. | High electrochemical performance based on ultrathin porous CuO nanobelts grown on Cu substrate as integrated electrode | |
| KR20140081671A (en) | Electrochemical device | |
| JP2012089825A (en) | Lithium ion capacitor | |
| JP2008252013A (en) | Lithium-ion capacitor | |
| TWI670736B (en) | Hybrid capacitor | |
| US20140315084A1 (en) | Method and apparatus for energy storage | |
| WO2014049440A2 (en) | Hybrid electrochemical energy storage device | |
| KR101852400B1 (en) | Aluminum-ion capacitor having molybdenum disulphide electrode | |
| TWI692786B (en) | Hybrid capacitor | |
| EP3616248B1 (en) | Battery comprising an electrode having carbon additives | |
| KR101705856B1 (en) | Aluminum-ion capacitor and uses thereof | |
| JP2005101409A (en) | Capacitor | |
| JP6620331B2 (en) | Hybrid capacitor | |
| US20150002988A1 (en) | Storage cell | |
| KR20190112954A (en) | High capacity aluminum secondary battery and method for manufacturing thereof | |
| CN114207756B (en) | Hybrid capacitor | |
| Cai et al. | Characteristics of Sodium‐Ion Capacitor Devices | |
| JP2022140169A (en) | Power storage device | |
| CN104662627A (en) | Electrode for capacitor and capacitor using same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |