KR20170113908A - Lithium ion capacitor - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬이온 커패시터가 개시된다. 본 발명에 따른 리튬이온 커패시터는 서로 교대로 배치하여 적층되는 형성하는 양극 및 음극, 양극과 음극 사이에 설치하는 분리막 및 양극과 분리막 사이에 설치하고, 리튬금속산화물로 형성되어 음극에 리튬 프리도핑을 하는 경우, 리튬이온을 제공하는 리튬금속산화물 전극을 포함한다.The present invention discloses a lithium ion capacitor. The lithium ion capacitor according to the present invention is provided with a positive electrode and a negative electrode which are alternately arranged and laminated to each other, a separator provided between the positive electrode and the negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the separator. The lithium ion capacitor is formed of lithium metal oxide, A lithium metal oxide electrode for providing lithium ions.

Description

리튬이온 커패시터{Lithium ion capacitor}Lithium ion capacitor

본 발명은 리튬이온 커패시터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리튬금속산화물 전극을 리튬 프리도핑의 리튬이온 공급원으로 사용하는 리튬이온 커패시터에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium ion capacitor, and more particularly, to a lithium ion capacitor using a lithium metal oxide electrode as a lithium ion supply source of lithium pre-doping.

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 에너지원으로써 확실하게 사용될 것이다.In general, an electrochemical energy storage device is a key component of an end-of-use device that is essential for all portable information communication and electronic devices. In addition, electrochemical energy storage devices will certainly be used as high-quality energy sources in the renewable energy field that can be applied to future electric vehicles and portable electronic devices.

전기화학적 에너지 장치는 전기화학적 원리를 이용하는 것으로, 리튬이온 전지와 전기화학 커패시터가 대표적이다.The electrochemical energy device utilizes electrochemical principles, and lithium ion batteries and electrochemical capacitors are representative.

여기서, 리튬이온 전지는 리튬이온을 사용하여 연속적으로 충방전할 수 있는 에너지 장치로써, 단위무게 또는 부피당 축적할 수 있는 에너지 밀도가 전기화학 커패시터에 비해 우수하여 유력한 전원으로 연구되어 왔다. 그러나 리튬이온 전지는 안전성 저하, 짧은 사용기간, 긴 충전시간 및 작은 출력밀도와 같은 단점이 있어, 상용화하는데 많이 어려움을 겪고 있다.Here, a lithium ion battery is an energy device that can continuously charge and discharge using lithium ions, and has been studied as a power source because the energy density that can be accumulated per unit weight or volume is superior to that of an electrochemical capacitor. However, the lithium ion battery has drawbacks such as a decrease in safety, a short usage period, a long charging time and a small power density, and thus it is difficult to commercialize the lithium ion battery.

최근, 전기화학 커패시터는 리튬이온 전지에 비해 에너지 밀도가 작으나, 우수한 순간 출력을 가지며 긴 수명 특성을 가질 수 있어, 리튬이온 전지를 대체할 수 있는 새로운 대안으로 급부상하고 있다.In recent years, electrochemical capacitors have a lower energy density than lithium ion batteries, but have excellent instantaneous output and long life characteristics, and are emerging as new alternatives to lithium ion batteries.

특히, 전기화학 커패시터 중 리튬이온 커패시터는 다른 전기화학 커패시터에 비해 출력을 감소시키지 않으면서 에너지 밀도를 증대시킬 수 있어 많은 주목을 받고 있다.In particular, lithium-ion capacitors among electrochemical capacitors have attracted much attention because they can increase the energy density without decreasing the output as compared with other electrochemical capacitors.

한편, 리튬이온 커패시터는 리튬이온을 음극에 도핑을 할 때, 사용되는 리튬이온 공급원으로 리튬금속을 주로 사용한다. 여기서, 리튬금속은 수분과의 반응성이 큼으로, 수분이 거의 존재하지 않는 분위기에서 다루어야 하는 위험한 물질이다.On the other hand, a lithium ion capacitor mainly uses lithium metal as a lithium ion supply source when lithium ions are doped to a cathode. Here, lithium metal is a dangerous substance which must be handled in an atmosphere in which moisture is scarcely present because of its high reactivity with moisture.

즉, 리튬이온 커패시터는 제조과정에서 리튬금속의 사용으로 비용의 상승과 안전성에 문제점을 가지고 있다. 그러므로 이러한 문제점을 해결할 수 있는 연구가 필요한 실정이다.That is, lithium ion capacitors have problems in cost increase and safety due to the use of lithium metal in the manufacturing process. Therefore, there is a need for research that can solve these problems.

한국특허등록공보 제10-1229570호(2013.01.29.)Korean Patent Registration No. 10-1229570 (Mar. 29, 2013)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 리튬 프리도핑을 하는 경우, 리튬이온 공급원을 리튬금속산화물 전극으로 사용하는 리튬이온 커패시터를 제공하는데 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a lithium ion capacitor using a lithium ion source as a lithium metal oxide electrode when performing lithium pre-doping.

상기 목적을 해결하기 위해, 본 발명의 리튬이온 커패시터는, 서로 교대로 배치하여 적층되는 형성하는 양극 및 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 설치하는 분리막 및 상기 양극과 상기 분리막 사이에 설치하고, 리튬금속산화물로 형성되어 상기 음극에 리튬 프리도핑을 하는 경우, 리튬이온을 제공하는 리튬금속산화물 전극을 포함한다.In order to achieve the above object, a lithium ion capacitor of the present invention comprises: a positive electrode and a negative electrode which are alternately arranged and laminated, a separator provided between the positive electrode and the negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the separator, And a lithium metal oxide electrode formed of a metal oxide to provide lithium ions when lithium pre-doping is performed on the cathode.

또한 상기 분리막은, 일면이 상기 양극과 접하는 경우, 타면이 끝면인 것을 특징으로 한다.The separation membrane is characterized in that, when one surface is in contact with the anode, the other surface is an end surface.

또한 상기 리튬금속산화물 전극은, 리튬망간산화물(LiMn2O4)인 것을 특징으로 한다.And the lithium metal oxide electrode is lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ).

본 발명에 따른 리튬이온 커패시터는 리튬 프리도핑을 하는 경우, 리튬이온 공급원을 리튬금속산화물 전극으로 사용하여 비용절감과 안전성을 확보할 수 있다.The lithium ion capacitor according to the present invention can provide cost reduction and safety by using a lithium ion source as a lithium metal oxide electrode when performing lithium pre-doping.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 커패시터의 적층형 주요부분 구성을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 커패시터의 리튬 프리도핑을 설명하기 위한 개념도이다.FIG. 1 is a conceptual diagram for explaining a main part configuration of a stacked type lithium ion capacitor according to an embodiment of the present invention.
2 is a conceptual diagram illustrating lithium pre-doping of a lithium ion capacitor according to an embodiment of the present invention.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 당업자에게 자명하거나 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals as used in the appended drawings denote like elements, unless indicated otherwise. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather obvious or understandable to those skilled in the art.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 커패시터의 적층형 주요부분 구성을 설명하기 위한 개념도이다.FIG. 1 is a conceptual diagram for explaining a main part configuration of a stacked type lithium ion capacitor according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 리튬이온 커패시터(100)는 리튬 프리도핑을 하는 경우, 리튬이온 공급원을 리튬금속산화물 전극으로 사용하여 비용절감과 안전성을 확보한다. 리튬이온 커패시터(100)는 양극(10), 음극(20), 분리막(30), 리튬금속산화물 전극(40) 및 전해액(미도시)을 포함한다. 여기서, 리튬이온 커패시터(100)는 양극(10)과 음극(20)이 서로 교대로 배치하여 적층되게 형성하고, 그 사이에 분리막(30)이 구비되어 양극(10)과 음극(20)을 분리한다.Referring to FIG. 1, when the lithium ion capacitor 100 performs lithium pre-doping, the lithium ion source is used as a lithium metal oxide electrode to secure cost reduction and safety. The lithium ion capacitor 100 includes an anode 10, a cathode 20, a separator 30, a lithium metal oxide electrode 40, and an electrolyte (not shown). The lithium ion capacitor 100 is formed by stacking the positive electrode 10 and the negative electrode 20 alternately and stacking the separator 30 and separating the positive electrode 10 and the negative electrode 20 from each other do.

양극(10)은 캐소드(cathode) 또는 포지티브 전극(positive electrode)로 불릴 수 있다. 양극(10)은 양극 집전체(미도시)와 양극 집전체의 적어도 일면에 배치된 양극 활물질(미도시)을 포함한다. The anode 10 may be referred to as a cathode or a positive electrode. The anode 10 includes a cathode current collector (not shown) and a cathode active material (not shown) disposed on at least one surface of the cathode current collector.

양극 집전체는 금속으로써, 알루미늄(Al), 스테인리스, 구리(Cu), 니켈(Ni), 타이타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 니오븀(Nb) 중 어느 하나이거나 이들의 합금 등으로 형성될 수 있다. 양극 집전체는 박막 또는 메쉬의 형태를 가질 수 있다. 양극 활물질은 산화재로써, 리튬이온, 음이온, 리튬이온 및 음이온을 가역적으로 도핑 및 탈도핑이 가능한 물질이다.The positive electrode current collector may be formed of any one of aluminum (Al), stainless steel, copper (Cu), nickel (Ni), titanium (Ti), tantalum (Ta), and niobium have. The anode current collector may have the form of a thin film or a mesh. The cathode active material is an acid fire, which is capable of reversibly doping and de-doping lithium ions, anions, lithium ions, and anions.

음극(20)은 애노드(anode) 또는 네가티브 전극(negative electrode)로 불릴 수 있다. 음극(20)은 음극 집전체(미도시)와 음극 집전체의 양면에 각각 배치된 음극 활물질(미도시)를 포함한다.The cathode 20 may be referred to as an anode or a negative electrode. The cathode 20 includes an anode current collector (not shown) and an anode active material (not shown) disposed on both surfaces of the anode current collector.

음극 집전체는 금속으로써, 구리, 니켈 및 스테인레스 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 음극 집전체는 박막의 형태를 가질 수 있으나, 음극 집전체는 리튬이온의 이동을 효율적으로 수행하며 균일한 도핑을 위해 다수의 관통홀을 구비할 수도 있다. 음극 활물질은 환원제로써, 리튬이온을 가역적으로 도핑 및 탈도핑이 가능한 물질이다. The negative electrode collector may be made of metal, and may include any one of copper, nickel, and stainless steel. The anode current collector may have a thin film shape, but the anode current collector may efficiently transfer lithium ions and may have a plurality of through holes for uniform doping. The negative electrode active material is a reducing agent, which is capable of reversibly doping and dedoping lithium ions.

여기서, 도핑은 이온이 삽입되는 현상을 의미하고, 탈도핑은 이온이 이탈하는 현상을 의미할 수 있다.Here, the doping means a phenomenon in which ions are inserted, and the de-doping can mean a phenomenon in which ions are separated.

분리막(30)은 양극(10)과 음극(20)을 분리하도록 양극(10)과 음극(20) 사이에 설치된다. 분리막(30)은 리튬이온이 통과하도록 다공성으로 형성된다.The separator 30 is disposed between the anode 10 and the cathode 20 so as to separate the anode 10 and the cathode 20 from each other. The separator 30 is formed porous to allow lithium ions to pass therethrough.

리튬금속산화물 전극(40)은 리튬금속산화물로 형성되고, 음극(20)에 리튬 프리도핑을 하는 경우, 리튬이온을 제공하는 리튬이온 공급원이다. 여기서, 리튬금속산화물 전극(40)은 리튬금속에 대비하여 가격이 저렴하고, 수분에 대한 반응정도가 낮아 안전성을 확보할 수 있다. 리튬금속산화물 전극(40)은 양극(10)과 분리막(20) 사이에 설치한다. 이러한 배치를 통해, 리튬금속산화물 전극(40)은 보다 용이하게 리튬 프리도핑을 할 수 있다. The lithium metal oxide electrode 40 is formed of a lithium metal oxide and is a lithium ion source for providing lithium ions when the cathode 20 is doped with lithium. Here, the lithium metal oxide electrode 40 is inexpensive compared to lithium metal and has low reactivity to moisture, thus securing safety. A lithium metal oxide electrode (40) is provided between the anode (10) and the separator (20). With this arrangement, the lithium metal oxide electrode 40 can more easily perform lithium pre-doping.

바람직하게는, 리튬금속산화물 전극(40)은 리튬망간산화물(LiMn2O4)로 형성될 수 있다.Preferably, the lithium metal oxide electrode 40 may be formed of lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ).

전해액은 이온들을 이동시킬 수 있는 매질의 역할을 하는 것으로, 전해질 및 용매를 포함한다. 전해질은 LiPF6, LiBF4 및 LiCIO4 중 어느 하나의 리튬염을 포함할 수 있다. 리튬염은 리튬이온 커패시터(100)의 충전시 음극으로 도핑되는 리튬이온의 공급원의 역할을 할 수 있다. 또한, 전해액의 용매로 사용되는 재질의 예로서는 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate), 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate), 및 에틸 메틸 카보네이트(ethyl methyl carbonate) 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합 용매일 수 있다.The electrolyte serves as a medium capable of moving ions, and includes an electrolyte and a solvent. The electrolyte may comprise a lithium salt of any of LiPF 6 , LiBF 4 and LiCIO 4 . The lithium salt may serve as a source of lithium ions doped into the cathode when the lithium ion capacitor 100 is charged. Examples of the material used as a solvent for the electrolytic solution include propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate. It can be for any one or two or more blends daily.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 커패시터의 리튬 프리도핑을 설명하기 위한 개념도이다.2 is a conceptual diagram illustrating lithium pre-doping of a lithium ion capacitor according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 리튬이온 커패시터(100)는 양극(10)과 음극(20)이 서로 교대로 배치되어 적층구조를 가진다. 리튬이온 커패시터(100)는 양극(10)과 음극(20) 사이에 분리막(30)이 설치되어 양극(10)과 음극(20)을 분리한다. 이 때, 리튬이온 커패시터(100)는 양극(10)과 분리막(30) 사이에 리튬금속산화물 전극(40)을 설치한다. Referring to FIG. 2, the lithium ion capacitor 100 has a stacked structure in which the anode 10 and the cathode 20 are alternately arranged. The lithium ion capacitor 100 is provided with a separator 30 between the anode 10 and the cathode 20 to separate the anode 10 and the cathode 20 from each other. At this time, the lithium ion capacitor 100 is provided with the lithium metal oxide electrode 40 between the anode 10 and the separator 30.

예를 들면, 리튬이온 커패시터(100)는 제1 분리막(31)의 상부에 제1 음극(21)을 설치하고, 제1 음극(21)의 상부에 제2 분리막(33)을 설치한다. 리튬이온 커패시터(100)는 제2 분리막(33)의 상부에 제1 리튬금속산화물 전극(41)을 설치하고, 제1 리튬금속산화물 전극(41)의 상부에 양극(10)을 설치한다. 리튬이온 커패시터(100)는 양극(10)의 상부에 제2 리튬금속산화물 전극(43)을 설치하고, 제2 리튬금속산화물 전극(43)의 상부에 제3 분리막(35)을 설치한다. 리튬이온 커패시터(100)는 제3 분리막(35)의 상부에 제2 음극(23)을 설치하고, 제2 음극(23)의 상부에 제4 분리막(37)을 설치한다.For example, the lithium ion capacitor 100 is provided with a first cathode 21 on the first separator 31 and a second separator 33 on the first cathode 21. The lithium ion capacitor 100 is provided with a first lithium metal oxide electrode 41 on the second separator 33 and an anode 10 on the first lithium metal oxide electrode 41. The lithium ion capacitor 100 is provided with a second lithium metal oxide electrode 43 on the anode 10 and a third separation membrane 35 on the second lithium metal oxide electrode 43. The lithium ion capacitor 100 is provided with a second cathode 23 on the third separator 35 and a fourth separator 37 on the second cathode 23.

이를 통해, 리튬이온 커패시터(100)는 제1 리튬금속산화물 전극(41)에서 탈도핑된 리튬이온(50)이 제2 분리막(35)을 통과하여 제1 음극(21)에 도핑을 하고, 제2 리튬금속산화물 전극(43)에서 탈도핑된 리튬이온(50)이 제3 분리막(35)을 통과하여 제2 음극(23)에 도핑을 할 수 있다. Thus, the lithium ion capacitor 100 is formed such that the lithium ions 50 undoped from the first lithium metal oxide electrode 41 pass through the second separator 35 and are doped into the first cathode 21, 2 lithium metal oxide electrode 43 can be doped into the second cathode 23 through the third separator 35. [

즉, 리튬이온 커패시터(100)는 양극(10)과 음극(20)의 적층구조 사이에 리튬이온 공급원인 리튬금속산화물 전극(40)을 설치함으로써, 리튬 프리도핑을 용이하게 할 수 있다.That is, the lithium ion capacitor 100 can facilitate lithium pre-doping by providing the lithium metal oxide electrode 40 as a lithium ion supply source between the lamination structure of the anode 10 and the cathode 20. [

도 2에서는 음극(20)과 접하는 분리막(30)이 끝면에 설치되는 경우를 도시 및 설명하였다. 하지만 다른 실시예로써 양극(10)과 접하는 분리막(30)이 끝면에 설치되는 경우, 양극(10)의 일면은 리튬금속산화물 전극(40)과 접하고, 타면은 끝면에 해당하는 분리막(30)과 접한다.2, a separator 30, which is in contact with the cathode 20, is provided on the end surface. However, in another embodiment, when the separator 30 contacting the anode 10 is provided on the end surface, one surface of the anode 10 is in contact with the lithium metal oxide electrode 40 and the other surface is in contact with the separator 30 Touch.

즉, 분리막(30)은 일면이 양극(10)과 접하는 경우, 타면이 리튬이온 커패시터(100)의 일 끝면이 된다. That is, when one surface of the separator 30 is in contact with the anode 10, the other surface is an end surface of the lithium ion capacitor 100.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation in the embodiment in which said invention is directed. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and detail may be made therein without departing from the scope of the appended claims.

10: 양극 20: 음극
21: 제1 음극 23: 제2 음극
30: 분리막 31: 제1 분리막
33: 제2 분리막 35: 제3 분리막
37: 제4 분리막 40: 리튬금속산화물 전극
41: 제1 리튬금속산화물 전극 43: 제2 리튬금속산화물 전극
50: 리튬이온 100: 리튬이온 커패시터10: anode 20: cathode
21: first negative electrode 23: second negative electrode
30: separator 31: first separator
33: second separation membrane 35: third separation membrane
37: fourth separation membrane 40: lithium metal oxide electrode
41: first lithium metal oxide electrode 43: second lithium metal oxide electrode
50: lithium ion 100: lithium ion capacitor

Claims (3)

서로 교대로 배치하여 적층되는 형성하는 양극 및 음극;
상기 양극과 상기 음극 사이에 설치하는 분리막; 및
상기 양극과 상기 분리막 사이에 설치하고, 리튬금속산화물로 형성되어 상기 음극에 리튬 프리도핑을 하는 경우, 리튬이온을 제공하는 리튬금속산화물 전극;
을 포함하는 리튬이온 커패시터.A positive electrode and a negative electrode which are alternately arranged and laminated;
A separator provided between the anode and the cathode; And
A lithium metal oxide electrode provided between the anode and the separator to provide lithium ions when the cathode is lithium-doped and formed of lithium metal oxide;
/ RTI > 제 1항에 있어서,
상기 분리막은,
일면이 상기 양극과 접하는 경우, 타면이 끝면인 것을 특징으로 하는 리튬이온 커패시터.The method according to claim 1,
The separation membrane includes:
Wherein when one surface is in contact with the anode, the other surface is an end surface. 제 1항에 있어서,
상기 리튬금속산화물 전극은,
리튬망간산화물(LiMn2O4)인 것을 특징으로 하는 리튬이온 커패시터.The method according to claim 1,
Wherein the lithium metal oxide electrode comprises:
Lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ).
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