KR20100020553A - Energy storage device - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An energy storage device is provided to prevent generation of contaminant by improving the manufacturing process of electrode. CONSTITUTION: An energy storage device(100) comprises anode electrode, cathode electrode, anode lead wire, cathode lead wire, separation film, housing(40), electrolyte, anode terminal(66), and cathode terminal(76). The separation film electrically separates the anode electrode and cathode electrode. The housing accepts the anode electrode, and the cathode electrode, and the separation film. Electrolyte is accepted inside the housing. The anode terminal and cathode terminal are respectively connected to the anode lead wire and cathode lead wire. The anode electrode and cathode electrode comprise the current collector and electrode material.

Description

에너지 저장장치{ENERGY STORAGE DEVICE}Energy storage devices {ENERGY STORAGE DEVICE}

본 발명은 에너지 저장장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 높은 에너지 밀도와 신뢰성을 동시에 확보가능한 에너지 저장장치에 관한 것이다.The present invention relates to an energy storage device, and more particularly, to an energy storage device capable of simultaneously ensuring high energy density and reliability.

일반적으로, 전기에너지를 저장하는 소자로는 전지(battery)와 커패시터(capacitor)가 대표적이다.In general, a battery and a capacitor are typical elements for storing electrical energy.

울트라 캐패시터(Ultra Capacitor)는 슈퍼 커패시터(Super Capacitor)라고도 불리우며, 전해콘덴서와 이차전지의 중간적인 특성을 갖는 에너지저장장치로서 높은 효율, 반영구적인 수명특성으로 인해 이차전지와의 병용 및 대체가 가능한 차세대 에너지 저장장치이다.Ultra Capacitor, also called Super Capacitor, is an energy storage device with intermediate characteristics between an electrolytic capacitor and a secondary battery.The next generation that can be used and replaced with a secondary battery due to its high efficiency and semi-permanent life characteristics It is an energy storage device.

울트라 캐패시터는 에너지 저장메커니즘에 따라 전기이중층 캐패시터(EDLC; electric double layer capacitor)와 유사캐패시터(pseudocapacitor)로 나눌수 있다.Ultracapacitors can be divided into electric double layer capacitors (EDLC) and pseudocapacitors according to energy storage mechanisms.

유사캐패시터는 산화-환원반응에 의하여 전극표면 혹은 표면근처의 전극내부에 전하가 축전되는 현상을 이용하지만, EDLC는 이온들이 정전기적으로 유도되어 전극과 전해질 계면에 전기이중층이 형성되어 전하가 축전되는 현상을 이용한다. The quasi-capacitor uses a phenomenon in which charges are accumulated on the surface of the electrode or near the surface by an oxidation-reduction reaction, but in EDLC, ions are electrostatically induced to form an electric double layer at the interface between the electrode and the electrolyte, whereby the charge is stored. Use the phenomenon.

EDLC는 활성탄소와 같이 표면적이 넓은 물질을 전극의 활물질로 하여 전극물질의 표면과 전해질의 접촉면에 전기이중층을 형성하게 된다. EDLC forms an electric double layer on the surface of the electrode material and the contact surface of the electrolyte by using a material having a large surface area such as activated carbon as an active material of the electrode.

즉, 전극과 전해질 용액의 경계면에서 서로 다른 극성을 갖는 전하층이 정전 효과에 의해 생성되는데, 이렇게 형성된 전하 분포를 전기이중층이라고 하며, 이와 같은 현상으로 마치 축전지에서와 같은 축전 용량을 갖게 된다.That is, charge layers having different polarities at the interface between the electrode and the electrolyte solution are generated by the electrostatic effect. The charge distribution thus formed is called an electric double layer, and as a result, it has the same capacitance as in a battery.

그러나, 전기이중층 커패시터의 경우 축전지와는 다른 충/방전 특성을 가지는데, 축전지의 경우 충/방전 과정동안 시간에 대한 전압 특성이 마치 고원과 같은 평탄형(Plateau)의 그래프 특성을 보임에 비해, 전기이중층 커패시터의 경우 충/방전 과정동안 시간에 대한 전압 특성이 선형적인 그래프 특성을 보인다.However, the electric double layer capacitor has different charge / discharge characteristics from the battery, whereas the voltage characteristics of the battery during charge / discharge are similar to those of the plateau, In the case of the electric double layer capacitor, the voltage characteristic with time shows a linear graph characteristic during the charge / discharge process.

따라서, 전기이중층 커패시터의 경우 전압을 측정함으로써 충/방전된 에너지의 양이 용이하게 계산될 수 있는 특성을 지닌다. Therefore, the electric double layer capacitor has a characteristic that the amount of charged / discharged energy can be easily calculated by measuring a voltage.

한편, 상기와 같은 전기이중층 커패시터는 전기를 저장하는 메커니즘이 화학반응을 이용하는 축전지와 달리 전해질의 계면에 형성되는 전기이중층에 전하를 저장하므로, 즉 물리적인 전하의 축적에 의한 축전현상을 이용하므로, 반복사용에 따른 열화현상이 없으며, 높은 가역특성과 긴 사용 수명을 가진다.On the other hand, the electric double layer capacitor as described above, because the mechanism for storing electricity stores the electric charge in the electric double layer formed at the interface of the electrolyte, unlike the storage battery using a chemical reaction, that is, because it uses the electrical storage by the accumulation of physical charge, No deterioration due to repeated use, high reversibility and long service life.

따라서, 유지보수(Maintenance)가 용이하지 않고 장기간의 사용 수명이 요구되는 에플리케이션(Application)에 대해서는 축전지 대체용으로 이용되기도 한다.Therefore, it may be used as a battery replacement for applications that are not easy to maintain and require a long service life.

한편, 상기와 같이 전기이중층 커패시터는 전극과 전해액 간의 계면에서 발생되는 전기이중층에 전하를 흡/탈착하는 원리를 이용하므로 빠른 충방전 특성을 가지며, 이에 따라 이동통신 정보기기인 핸드폰, 노트북, PDA 등의 보조 전원으로 서 뿐만 아니라, 고용량이 요구되는 전기자동차, 야간 도로 표시등, UPS(Uninterrupted Power Supply) 등의 주전원 혹은 보조 전원으로 매우 적합하다.On the other hand, as described above, the electric double layer capacitor has a fast charging and discharging characteristic because it uses the principle of absorbing / desorbing the electric double layer generated at the interface between the electrode and the electrolyte, and accordingly, mobile communication information devices such as mobile phones, laptops, PDAs, etc. In addition to being used as a secondary power source, it is very suitable as a main power source or an auxiliary power source for electric vehicles, night road lights, and uninterrupted power supply (UPS), which require high capacity.

이러한 다양한 용도를 가지는 전기이중층 커패시터의 전극은 넓은 비표면적을 통한 고에너지와, 낮은 비저항을 통한 고출력화, 그리고 계면에서의 전기화학 반응의 억제를 통한 전기화학적 안정성을 가지는 것이 주요한 과제이다.The electrodes of the electric double layer capacitor having such various uses have high energy through a large specific surface area, high output through low specific resistance, and electrochemical stability through suppression of an electrochemical reaction at an interface.

따라서, 현재 넓은 비표면적을 가지는 활성탄소 분말 혹은 활성탄소 섬유가 전극의 주재료로 가장 널리 이용되고 있으며, 이에 도전체를 혼합하거나 혹은 금속 가루의 분사코팅 방식을 이용하여 낮은 비저항을 구현하고 있다. Therefore, currently active carbon powder or activated carbon fiber having a large specific surface area is most widely used as a main material of the electrode, and a low specific resistance is realized by mixing a conductor or spray coating of metal powder.

또한, 다양한 방법을 통하여 전극 계면에서 발생하는 전기화학적 부반응을 억제하여 보다 안정적인 전극 물질을 연구 개발하고 있다.In addition, research and development of a more stable electrode material by suppressing the electrochemical side reactions occurring at the electrode interface through various methods.

한편, 높은 에너지 밀도를 구현가능한 전지로서 휴대용 기기에 널리 이용되고 있는 이차전지는 양극 물질로서 리튬의 전기화학적 삽입-배출(Electrochemical Intercalation-deintercalation)이 가능한 금속산화물을 이용하며, 음극 물질로서는 흑연을 이용한다.On the other hand, the secondary battery widely used in portable devices as a battery capable of high energy density uses a metal oxide capable of electrochemical intercalation-deintercalation of lithium as a positive electrode material and graphite as a negative electrode material. .

상기 리튬이온이 양극과 음극에서 삽입-배출되는 산화환원 과정은 전기화학적으로 매우 느린 반응일뿐만 아니라 양극과 음극에 포함된 활물질(Active Material)의 구조에 엄청난 충격을 가하여 사용 수명을 단축시키느데, 더욱이 빠른 충/방전을 반복할 경우 그 사용 수명이 급격히 줄어든다는 것은 공지된 사실이다.The redox process in which the lithium ions are inserted and discharged from the positive electrode and the negative electrode is not only an electrochemically slow reaction but also exerts a huge impact on the structure of the active material included in the positive electrode and the negative electrode, thereby shortening the service life. Moreover, it is known that the service life is drastically reduced when the rapid charging / discharging is repeated.

대표적인 전기에너지 저장장치의 장점을 채용하고자 한극에는 리튬을 포함한 전이금속산화물을, 다른 한극에는 활성탄을 활물질로 채용하여 전지가 가지는 고에 너지밀도 특성과 캐패시터가 가지고 있는 고출력, 고신뢰성을 동시에 확보하고자 하는 선행기술에 대한 구성을 미국특허 제 6,252,762 호에서 개시하고 있다.In order to take advantage of the representative electric energy storage device, the transition metal oxide including lithium is used as an active material in one pole, and activated carbon is used as an active material in another pole to secure high energy density characteristics of the battery and high output and high reliability of the capacitor. A configuration for the prior art is disclosed in US Pat. No. 6,252,762.

선행기술에서는 리튬이차전지의 전극제조 방식을 그대로 적용하여 금속산화물 전극의 제조를 위해 NMP (1-Methyl-2-Pyrrolidinone)와 같은 유기용매를 이용하고 있는데, 유기용매를 이용할 경우 오염물질을 발생시켜 환경문제를 야기하게 되므로 생산라인에서는 방지시설 등의 추가시설 투자가 필요하다. In the prior art, an organic solvent such as NMP (1-Methyl-2-Pyrrolidinone) is used to manufacture a metal oxide electrode by applying an electrode manufacturing method of a lithium secondary battery as it is, and when using an organic solvent, pollutants are generated. As it causes environmental problems, the production line needs to invest in additional facilities such as prevention facilities.

리튬을 포함한 전이금속산화물을 적용한 에너지저장장치의 경우 전극제조 시 또는 조립공정 시 유입된 수분에 의하여 성능이 저하되는 결과가 공지된바 있다.In the case of an energy storage device using a transition metal oxide including lithium, performance has been known to be degraded due to moisture introduced during electrode manufacturing or assembly process.

LiPF6 + H20 --> LiF + POF3 + 2HFLiPF6 + H20-> LiF + POF3 + 2HF

상기 에너지 저장장치의 전해질의 염으로 LiPF6를 사용하며, 음이온인 PF6-가 수분과 반응하여 HF를 발생시키며 이는 제품이 열화되는 원인이 된다. LiPF 6 is used as a salt of the electrolyte of the energy storage device, and an anion PF 6 − reacts with water to generate HF, which causes the product to deteriorate.

본 발명의 목적은 높은 에너지 밀도와 신속한 충/방전 특성 및 수명 신뢰성을 동시에 확보할 수 있는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide an energy storage device that can ensure high energy density, fast charge / discharge characteristics, and lifetime reliability at the same time.

본 발명의 또 다른 목적은, 전극 제조 시 오염물질의 발생을 방지할 수 있는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide an energy storage device capable of preventing generation of contaminants in electrode production.

본 발명에서는 한극에 수계용매와 바인더와 리튬을 포함한 전이금속산화물로 제조된 전극물질, 다른 한극에는 활성탄을 활물질로 채용한 에너지 저장장치의 경우를 제시하였으며, 전극의 제조공정 중의 건조과정에서 수계용매의 대부분이 제거되지만 표면에 흡착된 잔류수분의 양은 유기용매를 적용하여 제조한 전극보다는 필연적으로 많을 수밖에는 없으므로, 이로 인해 야기되는 성능저하 문제를 해결함으로써 보다 환경친화적인 에너지저장장치를 제시하였다.In the present invention, an electrode material made of a transition metal oxide including an aqueous solvent and a binder and lithium in one electrode, and an energy storage device employing activated carbon as an active material in another electrode are presented, and an aqueous solvent in the drying process of the electrode manufacturing process. Although most of is removed, the amount of residual moisture adsorbed on the surface is inevitably higher than that of the electrode manufactured by applying the organic solvent, and thus, a more environmentally friendly energy storage device has been proposed by solving the performance degradation problem caused by this.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명에 따른 에너지 저장장치는 양극전극 및 음극전극과; 양극리드선 및 음극리드선과; 상기 양극전극과 음극전극 사이에 위치하여 본 양극전극과 음극전극을 전기적으로 분리하기 위한 분리막과; 상기 양극전극과 음극전극과 분리막을 수용하는 하우징과; 상기 하우징 내에 수용되는 전해액과; 상기 양극리드선과 음극리드선이 각각 연결되는 양극단자 및 음극단자를 포함하며, 상기 양극전극 및 음극전극은 집전체와 전극물질을 포함하여 구성되되, 상기 양극전극 또는 음극전극 중의 하나의 전극은 금 속산화물, 수계용매와 바인더를 적용하여 제조된 코팅액이 집전체에 도포된 후 건조되어, 나머지 전극의 전극물질은 활성탄을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The present invention has been made to achieve the above object, the energy storage device according to the present invention comprises a positive electrode and a negative electrode; A positive lead wire and a negative lead wire; A separator disposed between the anode electrode and the cathode electrode to electrically separate the cathode electrode and the cathode electrode; A housing accommodating the positive electrode, the negative electrode and the separator; An electrolyte solution contained in the housing; And a positive electrode terminal and a negative electrode terminal to which the positive lead wire and the negative lead wire are respectively connected, wherein the positive electrode and the negative electrode comprise a current collector and an electrode material, and one of the positive electrode and the negative electrode is made of metal. The coating solution prepared by applying the oxide, the aqueous solvent and the binder is applied to the current collector and dried, and the electrode material of the remaining electrodes is formed of activated carbon.

여기서, 상기 금속산화물은 리튬 전이금속산화물인 것이 바람직하다.Here, the metal oxide is preferably a lithium transition metal oxide.

또한, 상기 전해액은 불화붕소 이온(BF4 -) 을 포함하여 구성될 수 있다.In addition, the electrolyte solution may include boron fluoride ions (BF 4 − ).

바람직하게는, 상기 전이금속은 니켈(Ni), 망간(Mn), 코발트(Co), 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 바나듐(V) 중의 어느 하나일 수 있다.Preferably, the transition metal is any one of nickel (Ni), manganese (Mn), cobalt (Co), iron (Fe), molybdenum (Mo), chromium (Cr), titanium (Ti), vanadium (V). Can be.

바람직하게는, 상기 전해액은 리튬이온 및 테트라에틸암모늄 또는 메틸트리에틸암모늄과 같은 암모늄계열을 양이온으로서 포함한다.Preferably, the electrolyte contains lithium ions and ammonium series such as tetraethylammonium or methyltriethylammonium as cations.

또한, 상기 수계용매는 1 MΩ/cm 내지 20 MΩ/cm 범위의 비저항 특성을 가지는 것이 바람직하다.In addition, the aqueous solvent preferably has a resistivity characteristic in the range of 1 MΩ / cm to 20 MΩ / cm.

본 발명에 의해, 높은 에너지 밀도와 빠른 충/방전 특성 및 수명 신뢰성을 동시에 확보할 수 있다.According to the present invention, it is possible to ensure high energy density, fast charge / discharge characteristics, and lifetime reliability at the same time.

또한, 전극 제조 시 발생되는 오염물질의 발생을 방지할 수 있다.In addition, it is possible to prevent the generation of contaminants generated during electrode manufacturing.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the configuration of the present invention.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어는 사전적인 의미로 한정 해석되어서는 아니되며, 발명자는 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절히 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.Prior to this, the terms used in this specification and claims should not be construed in a dictionary sense, and the inventors may properly define the concept of terms in order to explain their invention in the best way. It should be construed as meaning and concept consistent with the technical spirit of the present invention.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예 및 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 존재할 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the configurations shown in the embodiments and drawings described herein are only preferred embodiments of the present invention, and do not represent all of the technical idea of the present invention, and various equivalents may be substituted for them at the time of the present application. It is to be understood that water and variations may exist.

도 1 은 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 사시도이며, 도 2 는 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 전극과 리드선이 연결된 상태를 도시하는 정면도이며, 도 3 은 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 전극과 리드선, 그리고 분리막이 배치된 상태를 도시하는 평면도이다.1 is a perspective view of an energy storage device according to the present invention, FIG. 2 is a front view showing a state in which an electrode and a lead wire of the energy storage device according to the present invention are connected, and FIG. 3 is an electrode of the energy storage device according to the present invention. It is a top view which shows the state in which the lead wire and the separator were arrange | positioned.

도 1 내지 3 을 참조하면, 본 발명에 따른 에너지저장장치(100)는, 양극전극(10) 및 음극전극(20)과; 양극리드선(6) 및 음극리드선(16)과; 상기 양극전극(10)과 음극전극(20) 사이에 위치하여 상기 양극전극(10)과 음극전극(20)을 전기적으로 분리하기 위한 분리막(30)과; 상기 양극전극(10)과 음극전극(20)과 분리막(30)을 수용하는 하우징(40)과; 상기 하우징(40) 내에 수용되는 전해액과; 상기 양극리드선(6)과 음극리드선(16)이 각각 연결되는 양극단자(66) 및 음극단자(76)를 포함하며, 상기 양극전극(10) 및 음극전극(20)은 집전체(2, 12)와 전극물질(4, 14)을 포함하여 구성되되, 상기 양극전극(10) 또는 음극전극 중의 하나의 전극물질(4, 14)은 금속산화물, 수계용매와 바인더를 적용하여 제조된 코팅액이 집전체에 도포 된 후 건조되어 구성되며, 나머지 전극의 전극물질(4, 14)은 활성탄을 포함하여 구 성되는 것을 특징으로 한다.1 to 3, the energy storage device 100 according to the present invention, the anode electrode 10 and the cathode electrode 20; A positive lead wire 6 and a negative lead wire 16; A separator 30 disposed between the anode electrode 10 and the cathode electrode 20 to electrically separate the anode electrode 10 and the cathode electrode 20; A housing 40 accommodating the anode electrode 10, the cathode electrode 20, and the separator 30; An electrolyte solution contained in the housing 40; And a positive electrode terminal 66 and a negative electrode terminal 76 to which the positive lead wire 6 and the negative lead wire 16 are connected, respectively, wherein the positive electrode 10 and the negative electrode 20 are current collectors 2, 12. ) And an electrode material (4, 14), one electrode material (4, 14) of the positive electrode (10) or the negative electrode is a collection of a coating solution prepared by applying a metal oxide, an aqueous solvent and a binder After being applied to the whole is dried and configured, the electrode material (4, 14) of the remaining electrode is characterized in that it comprises activated carbon.

본 발명에 따른 에너지 저장장치(100)의 셀은 금속물질로 이루어진 하우징(40)과 상기 하우징(40) 내에 내장되는 양극전극(10)과 음극전극(20)을 포함한다.The cell of the energy storage device 100 according to the present invention includes a housing 40 made of a metal material, and an anode electrode 10 and a cathode electrode 20 embedded in the housing 40.

상기 양극전극(10) 및 음극전극(20)은 금속성의 집전체(2, 12)와 전극물질(4, 14)을 포함하며, 그 일 측에는 리드선(6, 16)이 연결된다.The anode electrode 10 and the cathode electrode 20 include metallic current collectors 2 and 12 and electrode materials 4 and 14, and lead wires 6 and 16 are connected to one side thereof.

상기 집전체(2, 12)는 통상 금속 포일(Foil)의 형태로 구성되며, 일예로서 상기 양극 전극물질(4)은 금속산화물과 바인더가 혼합되어 구성되며, 상기 금속 집전체(2)의 양면에 넓게 도포 코팅하기 위하여 수계용매가 사용된다. 이때, 적용되는 수계용매용 바인더로 카르복시메틸셀룰로오즈 또는 알긴산 또는 폴리비닐알코올 또는 폴리비닐피롤리돈 또는 스티렌 부타디엔 고무 분산액 또는 플루오로탄소 분산액을 사용한다. The current collectors 2 and 12 are generally formed in the form of a metal foil, and as an example, the positive electrode material 4 is formed by mixing a metal oxide and a binder, and both surfaces of the metal current collector 2. Aqueous solvents are used to apply and coat the coating widely. At this time, carboxymethyl cellulose or alginic acid or polyvinyl alcohol or polyvinylpyrrolidone or styrene butadiene rubber dispersion or fluorocarbon dispersion is used as the binder for the aqueous solvent.

상기 양극 전극물질(4)은 리튬 이온이 산화/환원 반응에 의해 삽입 방출되는 부분이며, 상기 집전체(2)는 전하의 이동통로 역할을 한다. The positive electrode material 4 is a portion in which lithium ions are inserted and discharged by an oxidation / reduction reaction, and the current collector 2 serves as a charge passage.

상기 양극 전극물질(40)을 형성하기 위한 금속산화물로서는 주로 LiCoO2, LiMnO2, LiMnO4, LiNiO2 등의 리튬 전이금속산화물이 이용될 수 있으며, 또한 이러한 전이금속산화물을 형성하기 위한 전이금속으로서는 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 바나듐(V) 등이 추가적으로 이용될 수 있다.As the metal oxide for forming the positive electrode material 40, mainly LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiMnO 4 , LiNiO 2 Lithium transition metal oxides may be used, and the transition metals for forming such transition metal oxides include iron (Fe), molybdenum (Mo), chromium (Cr), titanium (Ti), vanadium (V), and the like. Additionally can be used.

여기서, 상기와 같이 리튬 전이금속산화물을 바인더와 혼합하여 양극전극물 질을 형성하기 위해 이용되는 수계용매로서는, 유기물, 무기물, 미생물 등이 제거되어 1 MΩ/cm 내지 20 MΩ/cm 의 비저항범위를 갖는 물이 이용될 수 있다.Here, as an aqueous solvent used to form a positive electrode material by mixing a lithium transition metal oxide with a binder as described above, organic materials, inorganic materials, microorganisms, etc. are removed to have a specific resistance range of 1 MΩ / cm to 20 MΩ / cm. Water having can be used.

상기 범위의 저항을 갖는 순수물로써 전극물질을 형성함으로써, 상기 유기물, 무기물 등이 전해질 내에 포함된 이온의 상기 전극물질에 대한 삽입-배출에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.By forming the electrode material as a pure water having a resistance in the above range, it is possible to minimize the effect of the organic material, inorganic material, etc. on the insertion-exhaustion of the ions contained in the electrolyte to the electrode material.

상기 음극 전극물질(14)은 정전효과에 의한 전기이충층을 통해 전기에너지를 저장하는 부분이며, 상기 집전체(12)는 음극 전극물질부터 방출되거나 공급되는 전하의 이동통로 역할을 한다. The negative electrode material 14 is a portion for storing the electrical energy through the electrostatic layer due to the electrostatic effect, the current collector 12 serves as a movement path of the charge discharged or supplied from the negative electrode material.

순차적으로 적층된 상기 양극 및 음극의 전극(10, 20) 사이에는 본 양극전극(10)과 음극전극(20) 사이의 전자 전도를 제한하기 위한 분리막(30)이 배치되고 상기 하우징(40) 내에는 전해액이 충진된다. A separator 30 is disposed between the anode and cathode electrodes 10 and 20 sequentially stacked to limit electron conduction between the anode electrode 10 and the cathode electrode 20 and is disposed in the housing 40. The electrolyte is filled.

여기서, 상기 음극전극물질(14)은 미세기공들을 포함하여 넓은 표면적을 가지며, 상기 음극전극(20)에 활물질로 작용되어 그 표면이 상기 전해액과 접촉하게 된다.Here, the cathode electrode material 14 has a large surface area including fine pores, and acts as an active material on the cathode electrode 20 so that the surface is in contact with the electrolyte.

상기 전해액으로서는 음이온으로서 불화붕소이온(BF4 -) 이온을 가지며, 양이온으로서 리튬이온과 암모늄계열 이온을 포함하도록, 테트라에틸암모늄 테트라플루오르보레이트 또는 트리에틸메틸암모늄 테트라플루오르보레이트 등의 암모늄계 염이 이용되었다.As the electrolyte, an ammonium salt such as tetraethylammonium tetrafluoroborate or triethylmethylammonium tetrafluoroborate is used to have boron fluoride (BF 4 − ) ions as an anion and to include lithium ions and ammonium series ions as cations. It became.

여기서, 불화붕소이온(BF4 -) 이온을 이용함으로써, 본 발명에 따른 에너지 저장장치 내에 포함된 리튬이온과 물이 상호 반응되는 반응성을 감소시켰으며, 저온에서의 충/방전 특성을 개선시켰다. Here, the boron fluoride ions (BF 4 -) by using an ion, had reduced the reactivity of lithium ions and the water contained in the energy storage device according to the present invention is the interaction, and improved the charge / discharge characteristics at low temperatures.

상기와 같이 적층된 양극전극(10)과 음극전극(20) 및 분리막(30)은 도 4 와 같이 권취되어 상기 하우징(40) 내에 수용된다.The positive electrode 10, the negative electrode 20, and the separator 30 stacked as described above are wound as shown in FIG. 4 and accommodated in the housing 40.

상기 하우징(40)은 알루미늄 또는 그 합금과 같은 금속성 또는 합성수지재로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 상부하우징과 하부하우징으로 분리 구성될 수 있다.The housing 40 may be made of a metallic or synthetic resin material such as aluminum or an alloy thereof, and may be preferably separated into an upper housing and a lower housing.

상기 하우징(40)의 형상은 비록 도 1 에서 원기둥 형상으로 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 육면체 형상 등으로 구성될 수 있음은 물론이다.Although the shape of the housing 40 is illustrated in a cylindrical shape in FIG. 1, the shape of the housing 40 is not limited thereto and may be configured in a hexahedral shape.

상기 하우징(40)은 상기 양극/음극 전극(10, 20)과 본 양극/음극 전극(10, 20)들을 전기적으로 분리하기 위한 상기 분리막(30)과 상기 리드선(6, 16)들을 수용하기 위한 구성요소이다.The housing 40 is for accommodating the separator 30 and the lead wires 6 and 16 for electrically separating the anode / cathode electrodes 10 and 20 and the cathode / cathode electrodes 10 and 20. Component.

상기 하우징(50)에는 상기 양극리드선(6)과 음극리드선(16)이 각각 연결되는 양극단자(66) 및 음극단자(76)가 결합 설치된다.A positive electrode terminal 66 and a negative electrode terminal 76 to which the positive lead wire 6 and the negative lead wire 16 are connected are respectively installed in the housing 50.

여기서, 상기 양극단자(66) 및 음극단자(76)는 알루미늄 또는 스틸(Steel) 또는 스테인레스 스틸 중의 어느 하나로 마련되어 기구적 강도를 확보하도록 구성될 수 있으며, 그 표면은 니켈 또는 주석에 의해 코팅 형성됨으로써 납땜 등에 의한 접합성을 확보하도록 구성될 수 있다.Here, the positive electrode terminal 66 and the negative electrode terminal 76 may be formed of any one of aluminum, steel (steel) or stainless steel to ensure mechanical strength, the surface is formed by coating by nickel or tin It can be configured to secure the bonding by soldering or the like.

바람직하게는 상기 양극단자 및 음극단자(66, 76)는 상기 하우징(40) 상에서 가공오차 범위 내의 서로 수직한 방향으로 배치된다.Preferably, the positive electrode terminal and the negative electrode terminal 66, 76 are disposed in the direction perpendicular to each other within the processing error range on the housing 40.

상기와 같이, 양극단자 및 음극단자(66, 76)가 서로 수직한 방향으로 배치됨으로써, 외력에 의한 굽힘모멘트가 어느 방향으로 작용하든지 대략 동일한 지지력을 발생시킬 수 있다.As described above, since the positive electrode terminal and the negative electrode terminals 66 and 76 are disposed in a direction perpendicular to each other, almost the same bearing force may be generated in which direction the bending moment due to external force acts.

본 발명에 따른 상기 분리막(30)은 펄프 또는 폴리머 계열의 단위 섬유를 멜트 브라운(Melt-Blown) 공정에 의해 부정방향으로 배열되도록 함으로써 구성될 수 있다.The separator 30 according to the present invention may be configured by arranging pulp or polymer-based unit fibers in a negative direction by a melt-brown process.

상기 펄프는 목재나 그 밖의 섬유 식물에서 기계적·화학적 방법에 의하여 얻는 셀룰로오스 섬유의 집합체를 의미하며, 상기 폴리머 계열의 합성수지로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등이 이용될 수 있다.The pulp refers to an aggregate of cellulose fibers obtained by mechanical and chemical methods in wood or other fiber plants, and polyethylene, polypropylene, and the like may be used as the polymer-based synthetic resin.

또는, 폴리에틸렌 등의 합성수지를 필름 형태로 형성하여, 마이크로적으로 기공을 갖도록 구성될 수도 있다.Alternatively, by forming a synthetic resin such as polyethylene in the form of a film, it may be configured to have pores microscopically.

실시예와 비교예Examples and Comparative Examples

본 발명에 따른 에너지 저장장치의 성능을 시험하기 위해 비교예와의 비교 실험을 수행하였다.In order to test the performance of the energy storage device according to the present invention, a comparative experiment with a comparative example was performed.

실시예 1 과 비교예 1Example 1 and Comparative Example 1

구분 division 실시예 1Example 1 비교예 1Comparative Example 1 유기계 용매Organic solvents 수계용매Aqueous Solvent 용량(F)Capacity (F) 208F208 F 204F204 F 저항(mΩ)Resistance (mΩ) 1111 9.259.25 10,000사이클 시험후 용량 유지율Capacity retention after 10,000 cycles of testing 87%87% 90%90%

실시예 1 과 비교예 1 의 경우 에너지 저장장치의 구성요소들을 동일하게 구성한 상태에서, 양극전극을 형성하기 위한 용매의 종류를 유기계 용매와 수계용매로 구분 구성하였다.In the case of Example 1 and Comparative Example 1, in the same configuration of the components of the energy storage device, the type of solvent for forming the positive electrode was divided into an organic solvent and an aqueous solvent.

상기와 같이 용매를 구분 구성한 상태에서, 10,000 사이클 동안 충/방전을 반복 시험한 이후 측정한 용량 유지율은 각각 87%, 90% 였다.In the solvent-divided state as described above, the capacity retention ratios measured after repeated charge / discharge tests for 10,000 cycles were 87% and 90%, respectively.

따라서, 수계용매를 이용함으로써, 전체적인 용량에서 큰 차이를 가지지 않으면서도, 내구성을 확보할 수 있고 또한 오염물질의 발생 염려가 없는 에너지 저장장치를 구성할 수 있음을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that by using the aqueous solvent, it is possible to construct an energy storage device that can secure durability and have no fear of generation of contaminants without having a large difference in overall capacity.

실시예 2 와 비교예 2Example 2 and Comparative Example 2

구분division 비교예 2Comparative Example 2 실시예 2Example 2 전해질 염 (용매 아세토나이트릴)Electrolyte Salt (Solvent Acetonitrile) LiPF6 LiPF 6 LiBF4 LiBF 4 고온에서 500 시간 시험 후 용량 유지율Capacity retention after 500 hours test at high temperature 76%76% 81%81% 저온(-25℃)에서용량 유지율 (기준용량_상온에서 측정)Capacity retention rate at low temperature (-25 ℃) (reference capacity_measured at room temperature) 10%10% 85%85%

실시예 2 과 비교예 2 의 경우, 에너지 저장장치의 구성요소들을 동일하게 구성한 상태에서 전해질의 염을 각각 LiBF4 와 LiPF6 로 구분 구성하였다.Example 2 and Comparative Example 2 For each of the electrolyte salt in the same manner as configured and the components of the energy storage device LiBF 4 And consisted of LiPF 6 .

실시예 2 와 비교예 2 에 대한 고온 시험에서는 용량 유지율이 각각 81%, 76% 로서 실시예 2 에서의 용량 유지율이 보다 높음을 알 수 있다.In the high-temperature test for Example 2 and Comparative Example 2, the capacity retention rate in Example 2 is higher as the capacity retention rate is 81% and 76%, respectively.

또한, -25℃ 에서의 저온 실험에서도 용량 유지율이 각각 85%, 10% 로서 실시예 2 의 용량 유지율이 보다 높음을 알 수 있다.In addition, even in a low temperature experiment at -25 ° C, the capacity retention rate of Example 2 was higher as 85% and 10%, respectively.

한편, 물과의 반응성 시험에서는 실시예 2 에 포함된 LiBF4 가 보다 안정함을 확인하였다. On the other hand, in the reactivity test with water LiBF 4 contained in Example 2 It was confirmed that the more stable.

실시예 3 과 비교예 3Example 3 and Comparative Example 3

구분division 비교예 3Comparative Example 3 비교예 3-1Comparative Example 3-1 비교예 3-2Comparative Example 3-2 실시예 3Example 3 실시예 3-1Example 3-1 염salt 1M LiPF6 1M LiPF 6 1M LiBF4 1M LiBF 4 1M LiBF4 1M LiBF 4 1M LiBF4 + 1M TEATFB1M LiBF 4 + 1M TEATFB 1M LiBF4 + 1M TEATFB1M LiBF4 + 1M TEATFB 용매menstruum EC/PCEC / PC EC/PCEC / PC 아세토나이트릴Acetonitrile EC/PCEC / PC 아세토나이트릴Acetonitrile 전기전도도Electrical conductivity 6.566.56 4.254.25 19.1519.15 7.057.05 40.740.7

상기 실시예 2 에 이용된 PF6 - 이온의 경우, 전해질의 전기전도도 측면에서 상기 BF4 - 이온보다 우수하므로, 실시예 3 과 3-1 에서는 각각의 LiBF4 1 몰(M) 염에 대해 1 몰의 테트라에틸암모늄 테트라플루오르보레이트(TEATFB)의 암모늄계 염을 지지전해질로써 혼합하였다.In the case of the PF 6 − ions used in Example 2, since the electrical conductivity of the electrolyte is superior to the BF 4 − ions in terms of the electrolyte, in Examples 3 and 3-1, each of LiBF 4 1 mole of ammonium salt of tetraethylammonium tetrafluoroborate (TEATFB) to 1 mole (M) salt was mixed with a supporting electrolyte.

상기 상태에서 동일한 용매 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC) 적용 시 측정된 전기전도도는 비교예 3, 3-1 에 비해 실시예 3 의 경우 보다 높음을 알 수 있다.It can be seen that the electrical conductivity measured when applying the same solvent ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC) in the above state than in the case of Example 3 compared to Comparative Examples 3 and 3-1.

또한, 동일한 용매 아세토나이트릴 적용 시 측정된 전기전도도는 비교예 3-2 에 비해 상기 암모늄계 염을 지지전해질로서 적용한 실시예 3-1 의 경우가 보다 높음을 알 수 있다.In addition, it can be seen that the electrical conductivity measured when applying the same solvent acetonitrile is higher in Example 3-1 in which the ammonium salt is used as a supporting electrolyte compared to Comparative Example 3-2.

이상, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명의 기술적 사상은 이러한 것에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해, 본 발명의 기술적 사상과 하기 될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 실시가 가능할 것이다.As mentioned above, although the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, the technical idea of the present invention is not limited thereto, and a person having ordinary skill in the art to which the present invention pertains, Various modifications and variations may be made without departing from the scope of the appended claims.

따라서, 비록 상기 실시예에서 양극 전극물질이 수계용매와 전이금속산화물과 바인더를 이용하여 구성되고, 음극 전극물질이 활성탄을 이용하여 구성되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 각 극의 전극물질이 상호 변경 구성될 수도 있다.Therefore, in the above embodiment, although the positive electrode material is composed of an aqueous solvent, a transition metal oxide, and a binder, and the negative electrode material is composed of activated carbon, the present invention is not limited thereto. This mutual change may be configured.

도 1 은 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 사시도이며,1 is a perspective view of an energy storage device according to the present invention;

도 2 는 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 전극과 리드선이 연결된 상태를 도시하는 정면도이며,2 is a front view showing a state in which the electrode and the lead wire of the energy storage device according to the present invention,

도 3 은 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 전극과 리드선, 그리고 분리막이 배치된 상태를 도시하는 평면도이며,3 is a plan view illustrating a state where electrodes, a lead wire, and a separator are disposed in an energy storage device according to the present invention;

도 4 는 양극/음극 전극 및 분리막이 권취된 상태를 도시하는 사시도이다.4 is a perspective view showing a state in which a cathode / cathode electrode and a separator are wound;

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 * Explanation of symbols on the main parts of the drawings

2, 12: 집전체 4, 14: 전극물질2, 12: current collector 4, 14: electrode material

10:양극전극 20: 음극전극10: anode electrode 20: cathode electrode

30: 분리막 40: 하우징30: membrane 40: housing

66: 양극단자 76: 음극단자66: positive terminal 76: negative terminal

Claims (6)

양극전극 및 음극전극과;An anode electrode and a cathode electrode; 양극리드선 및 음극리드선과;A positive lead wire and a negative lead wire; 상기 양극전극과 음극전극 사이에 위치하여 본 양극전극과 음극전극을 전기적으로 분리하기 위한 분리막과;A separator disposed between the anode electrode and the cathode electrode to electrically separate the cathode electrode and the cathode electrode; 상기 양극전극과 음극전극과 분리막을 수용하는 하우징과;A housing accommodating the positive electrode, the negative electrode and the separator; 상기 하우징 내에 수용되는 전해액과;An electrolyte solution contained in the housing; 상기 양극리드선과 음극리드선이 각각 연결되는 양극단자 및 음극단자를 포함하며,A positive electrode terminal and a negative electrode terminal to which the positive lead wire and the negative lead wire are respectively connected; 상기 양극전극 및 음극전극은 집전체와 전극물질을 포함하여 구성되되,The positive electrode and the negative electrode comprises a current collector and an electrode material, 상기 양극전극 또는 음극전극 중의 하나의 전극물질은 수계용매용 바인더와 금속산화물을 포함하여 구성되며, One electrode material of the positive electrode or the negative electrode is composed of an aqueous solvent binder and a metal oxide, 나머지 전극의 전극물질은 활성탄을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.The electrode material of the remaining electrode is characterized in that the activated carbon comprises an energy storage device. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 금속산화물은 리튬 전이금속산화물인 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.The metal oxide is an energy storage device, characterized in that the lithium transition metal oxide. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전해액은 불화붕소 이온(BF4 -) 을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.The electrolyte is boron ion (BF 4 -) energy storage device characterized in that comprising: a. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 전이금속은 니켈(Ni), 망간(Mn), 코발트(Co), 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 바나듐(V) 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.The transition metal is any one of nickel (Ni), manganese (Mn), cobalt (Co), iron (Fe), molybdenum (Mo), chromium (Cr), titanium (Ti), vanadium (V) Energy storage. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전해액은 리튬이온 및 암모늄계열 이온을 양이온으로서 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.The electrolyte solution is characterized in that the lithium ion and ammonium-based ions containing energy as a cation. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 수계용매용 바인더로 카르복시메틸셀룰로오즈 또는 알긴산 또는 폴리비닐알코올 또는 폴리비닐피롤리돈 또는 스티렌 부타디엔 고무 분산액 또는 플루오로탄소 분산액을 사용하는 에너지 저장장치.An energy storage device using carboxymethyl cellulose or alginic acid or polyvinyl alcohol or polyvinylpyrrolidone or styrene butadiene rubber dispersion or fluorocarbon dispersion as an aqueous solvent binder.
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