KR102343771B1 - 슈퍼커패시터의 전해액, 이를 이용한 고전압 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
비수계 전해액 및 이온성 액체에 첨가제를 투입시킨 전해액을 사용하는 것에 의해 높은 비축전용량을 갖는 슈퍼커패시터를 제조할 수 있는 슈퍼커패시터의 전해액, 이를 이용한 고전압 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 슈퍼커패시터의 전해액은 비수계 전해액; 및 상기 비수계 전해액 100 중량부에 대하여, 1 ~ 25 중량부로 첨가된 이온성 액체;를 포함하며, 상기 비수계 전해액은 유기용매; 및 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전해질 염;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 슈퍼커패시터의 전해액은 비수계 전해액; 및 상기 비수계 전해액 100 중량부에 대하여, 1 ~ 25 중량부로 첨가된 이온성 액체;를 포함하며, 상기 비수계 전해액은 유기용매; 및 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전해질 염;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 슈퍼커패시터의 전해액, 이를 이용한 고전압 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비수계 전해액 및 이온성 액체에 첨가제를 투입시킨 전해액을 사용하는 것에 의해 높은 비축전용량을 갖는 슈퍼커패시터를 제조할 수 있는 슈퍼커패시터의 전해액, 이를 이용한 고전압 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
차세대 에너지 저장장치들 중 슈퍼커패시터는 빠른 충·방전 속도, 높은 안정성, 그리고 친환경적 특성으로 인해, 차세대 에너지 저장장치로 각광받고 있다. 일반적인 슈퍼커패시터는 다공성 전극, 집전체, 분리막, 그리고 전해액 등으로 구성된다.
슈퍼커패시터는 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC), 울트라커패시터(Ultra-capacitor) 라고도 일컬어지며, 이는 전극 및 도전체와, 그것에 함침된 전해액의 계면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기이중층)이 생성된 것을 이용하는 것으로, 충전/방전 동작의 반복으로 인한 열화가 매우 작아 보수가 필요없는 소자이다. 이에 따라 슈퍼커패시터는 각종 전기ㆍ전자기기의 IC(integrated circuit) 백업을 하는 형태로 주로 사용되고 있으며, 최근에는 그 용도가 확대되어 장난감, 태양열 에너지 저장, HEV(hybrid electric vehicle) 전원 등에까지 폭넓게 응용되고 있다.
이와 같은 슈퍼커패시터는 일반적으로 전해액이 함침된 양극 및 음극의 두 전극과, 이러한 두 전극 사이에 개재되어 이온(ion) 전도만 가능케 하고 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)과, 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓(gasket), 그리고 이들을 포장하는 도전체로서의 금속 캡으로 구성된 단위셀을 갖는다. 그리고 위와 같이 구성된 단위셀 1개 이상(통상, 코인형의 경우 2 ~ 6개)을 직렬로 적층하고 양극과 음극의 두 단자(terminal)를 조합하여 완성된다.
슈퍼커패시터의 성능은 전극활물질, 전해액 등에 의하여 결정되며, 특히 축전용량 등 주요성능은 전극활물질에 의하여 대부분 결정된다. 최근에는 고전압에서도 안정적으로 작동할 수 있는 슈퍼커패시터를 제조하기 위하여, 고전압에 적합한 전극소재, 전해액, 밀봉재 등의 커패시터 부품들에 대한 핵심 소재 기술 개발이 활발하게 진행되고 있다.
본 발명의 발명자들은 고전압 안정성이 우수한 슈퍼커패시터에 대하여 연구하였다.
본 발명의 목적은 비수계 전해액 및 이온성 액체에 첨가제를 투입시킨 전해액을 사용하는 것에 의해 높은 비축전용량을 갖는 슈퍼커패시터를 제조할 수 있는 슈퍼커패시터의 전해액, 이를 이용한 고전압 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터의 전해액은 비수계 전해액; 및 상기 비수계 전해액 100 중량부에 대하여, 1 ~ 25 중량부로 첨가된 이온성 액체;를 포함하며, 상기 비수계 전해액은 유기용매; 및 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전해질 염;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 이온성 액체는 EMITf2N(1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), BMITf2N(1-Butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), EMITFSI(1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), BMIMBF4(1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMBF4(1-Methyl-3-octylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMTf2N(1-Methyl-3-octylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), MEMPBF4(N-(2-Methoxyethyl)-N-methylpyrrolidinium tetraflioroborate) 및 DEMEBF4(N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium tetraflioroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함한다.
상기 비수계 전해액의 유기용매는 아세토니트릴(acetonitrile), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란, 부티로락톤 및 디메틸포름아미드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함한다.
또한, 상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100 중량부에 대하여, 0.01 ~ 15 중량부로 첨가된 첨가제;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 첨가제는 VC(Vinylene carbonate), TMSP(Tris(trimethylsilyl)phosphite) 및 TMSI(1-(Trimethylsilyl)imidazole)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 고전압 슈퍼커패시터는 양극과 음극이 서로 이격되게 배치되어 있고, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막이 배치되며, 상기 양극 및 음극은 슈퍼커패시터의 전해액에 함침되어 있고, 상기 슈퍼커패시터의 전해액은, 비수계 전해액; 및 상기 비수계 전해액 100 중량부에 대하여, 1 ~ 25 중량부로 첨가된 이온성 액체;를 포함하며, 상기 비수계 전해액은 유기용매; 및 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전해질 염;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 이온성 액체는 EMITf2N(1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), BMITf2N(1-Butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), EMITFSI(1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), BMIMBF4(1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMBF4(1-Methyl-3-octylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMTf2N(1-Methyl-3-octylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), MEMPBF4(N-(2-Methoxyethyl)-N-methylpyrrolidinium tetraflioroborate) 및 DEMEBF4(N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium tetraflioroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함한다.
상기 비수계 전해액의 유기용매는 아세토니트릴(acetonitrile), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란, 부티로락톤 및 디메틸포름아미드으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함한다.
또한, 상기 슈퍼커패시터의 전해액은 상기 비수계 전해액 100 중량부에 대하여, 0.01 ~ 15 중량부로 첨가된 첨가제를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 첨가제는 VC(Vinylene carbonate), TMSP(Tris(trimethylsilyl)phosphite) 및 TMSI(1-(Trimethylsilyl)imidazole)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함한다.
상기 고전압 슈퍼커패시터는 코인형 고전압 슈퍼커패시터 및 권취형 고전압 슈퍼커패시터 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 고전압 슈퍼커패시터 제조 방법은 (a) 전극활물질, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계; (b) 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계; (c) 상기 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 음극 사이에 상기 양극과 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 양극 및 음극을 제1항에 기재된 전해액에 함침시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (a) 단계에서, 상기 전극활물질 100 중량부에 대하여, 도전재 2 ~ 20 중량부, 바인더 2 ~ 20 중량부 및 분산매 200 ~ 300 중량부로 혼합한다.
상기 (a) 단계에서, 상기 건조는 100℃ ~ 350℃ 조건으로 실시한다.
본 발명에 따른 슈퍼커패시터의 전해액, 이를 이용한 고전압 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법은 비수계 전해액 및 이온성 액체에 첨가제를 투입시킨 전해액을 사용하는 것에 의해 높은 비축전용량을 갖는 슈퍼커패시터를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고전압 슈퍼커패시터 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 코인형 고전압 슈퍼커패시터를 나타낸 단면도.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 권취형 고전압 슈퍼커패시터를 나타낸 모식도.
도 7은 비교예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 전압 별 CV 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 8은 실시예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 전압 별 CV 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 9는 실시예 2에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 전압 별 CV 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 코인형 고전압 슈퍼커패시터를 나타낸 단면도.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 권취형 고전압 슈퍼커패시터를 나타낸 모식도.
도 7은 비교예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 전압 별 CV 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 8은 실시예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 전압 별 CV 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 9는 실시예 2에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 전압 별 CV 측정 결과를 나타낸 그래프.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 슈퍼커패시터의 전해액, 이를 이용한 고전압 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
슈퍼커패시터의 전해액
본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터의 전해액은 비수계 전해액과, 비수계 전해액 100 중량부에 대하여, 1 ~ 25 중량부로 첨가된 이온성 액체를 포함한다.
여기서, 비수계 전해액은 유기용매와, TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전해질 염을 포함한다.
이때, 이온성 액체는 EMITf2N(1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), BMITf2N(1-Butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), EMITFSI(1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), BMIMBF4(1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMBF4(1-Methyl-3-octylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMTf2N(1-Methyl-3-octylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), MEMPBF4(N-(2-Methoxyethyl)-N-methylpyrrolidinium tetraflioroborate) 및 DEMEBF4(N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium tetraflioroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함한다.
그리고, 비수계 전해액의 유기용매는 아세토니트릴(acetonitrile), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란, 부티로락톤 및 디메틸포름아미드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터의 전해액은 비수계 전해액 100 중량부에 대하여, 0.01 ~ 15 중량부로 첨가된 첨가제를 더 포함한다.
이때, 첨가제는 VC(Vinylene carbonate), TMSP(Tris(trimethylsilyl)phosphite) 및 TMSI(1-(Trimethylsilyl)imidazole)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
슈퍼커패시터
본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터는 양극과 음극이 서로 이격되게 배치되어 있고, 양극과 음극 사이에 양극과 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막이 배치되며, 양극 및 음극은 슈퍼커패시터의 전해액에 함침되어 있다.
여기서, 슈퍼커패시터의 전해액은, 비수계 전해액과, 비수계 전해액 100 중량부에 대하여 이온성 액체 1 ~ 25 중량부를 포함하며, 비수계 전해액은 유기용매와, TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전해질 염을 포함한다.
또한, 이온성 액체는 EMITf2N(1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), BMITf2N(1-Butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), EMITFSI(1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), BMIMBF4(1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMBF4(1-Methyl-3-octylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMTf2N(1-Methyl-3-octylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), MEMPBF4(N-(2-Methoxyethyl)-N-methylpyrrolidinium tetraflioroborate) 및 DEMEBF4(N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium tetraflioroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함한다.
유기용매는 아세토니트릴(acetonitrile), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란, 부티로락톤 및 디메틸포름아미드으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
슈퍼커패시터의 전해액은 비수계 전해액 100 중량부에 대하여 첨가제 VC(Vinylene carbonate), TMSP(Tris(trimethylsilyl)phosphite) 및 TMSI(1-(Trimethylsilyl)imidazole)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 0.01 ~ 15 중량부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터의 제조 방법은 (a) 전극활물질, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계; (b) 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계; (c) 상기 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성하는 단계; 및(d) 상기 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 음극 사이에 상기 양극과 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 양극 및 음극을 제1항에 기재된 전해액에 함침시키는 단계;를 포함한다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 슈퍼커패시터의 전해액을 더욱 구체적으로 설명하도록 한다.
본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터의 전해액은 비수계 전해액과, 비수계 전해액 100 중량부에 대하여 이온성 액체 1 ~ 25 중량부를 포함한다.
비수계 전해액은 유기용매와, TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전해질 염을 포함한다.
유기용매는 아세토니트릴(acetonitrile), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란, 부티로락톤 및 디메틸포름아미드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
슈퍼커패시터의 전해액은 고전압에서의 안정성을 확보하기 위하여 전위창이 큰 물질인 이온성 액체를 포함한다.
이를 위해, 이온성 액체는 EMITf2N(1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), BMITf2N(1-Butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), EMITFSI(1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), BMIMBF4(1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMBF4(1-Methyl-3-octylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMTf2N(1-Methyl-3-octylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), MEMPBF4(N-(2-Methoxyethyl)-N-methylpyrrolidinium tetraflioroborate) 및 DEMEBF4(N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium tetraflioroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함한다.
여기서, EMITFSI(1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide)의 구조는 아래의 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
또한, MEMPBF4(N-(2-Methoxyethyl)-N-methylpyrrolidinium tetraflioroborate)의 구조는 아래의 화학식 2로 표시될 수 있다.
[화학식 2]
상술한 이온성 액체는 전해질 염과 유기용매에 비해 넓은 전위창을 가지고 있으며, 화학적 및 열역학적으로 안정한 특징을 가지고 있다. 전위창을 확장시켜주는 이온성 액체를 포함함으로써 고전압에서 작동할 경우에 발생하는 전해액의 분해를 감소시킬 수 있다.
하지만, 이온성 액체는 고가의 물질이며 높은 점도를 가지고 있어 전극으로의 함침이 어려운 단점을 가지고 있다. 이러한 이온성 액체의 단점을 보완하는 방법으로 유기용매 및 전해질 염과 함께 이온성 액체를 혼합하고 점도를 낮춰주어 함침성을 높이는 것이 바람직하다.
이를 위해, 슈퍼커패시터의 전해액은 비수계 전해액 100 중량부에 대하여, 0.01 ~ 15 중량부로 첨가된 첨가제를 더 포함하는 것이 보다 바람직하다.
이러한 첨가제로는 VC(Vinylene carbonate), TMSP(Tris(trimethylsilyl)phosphite) 및 TMSI(1-(Trimethylsilyl)imidazole)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 첨가제를 사용함으로써 전도성을 높이고 전위창을 넓혀, 고전압에서도 안정적인 구동이 가능한 슈퍼커패시터를 제조할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 슈퍼커패시터의 전해액을 이용한 고전압 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법에 대하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고전압 슈퍼커패시터 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 고전압 슈퍼커패시터 제조 방법은 슈퍼커패시터 전극용 조성물 형성 단계(S110), 전극 형태로 형성 단계(S120), 슈퍼커패시터 전극 형성 단계(S130) 및 전해액 함침 단계(S140)를 포함한다.
슈퍼커패시터 전극용 조성물 형성
슈퍼커패시터 전극용 조성물 형성 단계(S110)에서는 전극활물질, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조한다.
전극활물질, 도전재, 바인더, 및 분산매를 포함하는 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조한다.
슈퍼커패시터 전극용 조성물은 전극활물질, 전극활물질 100 중량부에 대하여 도전재 2 ~ 20 중량부, 전극활물질 100 중량부에 대하여 바인더 2 ~ 20 중량부, 전극활물질 100 중량부에 대하여 분산매 200 ~ 300 중량부를 포함하는 것이 바람직하다.
이러한 슈퍼커패시터 전극용 조성물은 반죽 상이므로 균일한 혼합(완전 분산)이 어려울 수 있는데, 플래니터리 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기(mixer)를 사용하여 소정 시간(예컨대, 10분 ~ 12시간) 동안 교반시키면 전극 제조에 적합한 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 얻을 수 있다. 플래니터리 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기는 균일하게 혼합된 슈퍼커패시터 전극용 조성물의 제조를 가능케 한다.
전극활물질은 다공성의 활성탄 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene), 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF; polyvinylidenefloride), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC; carboxymethylcellulose), 폴리비닐알코올(PVA; poly vinyl alcohol), 폴리비닐부티랄(PVB; poly vinyl butyral), 폴리비닐피롤리돈(PVP; poly-N-vinylpyrrolidone), 스티렌부타디엔고무(SBR; styrene butadiene rubber), 폴리아마이드-이미드(Polyamide-imide), 폴리이미드(polyimide) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
도전재는 화학 변화를 야기하지 않는 전자 전도성 재료이면 특별히 제한되지 않으며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 슈퍼-피(Super-P) 블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등이 가능하다.
분산매는 에탄올(EtOH), 아세톤, 이소프로필알콜, N-메틸피롤리돈(NMP), 프로필렌글리콜(PG) 등의 유기 용매 또는 물을 사용할 수 있다.
전극 형태로 형성
전극 형태로 형성 단계(S120)에서는 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성한다.
전극 형태로 형성하는 단계의 예를 보다 구체적으로 설명하면, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤프레스 성형기를 이용하여 압착하여 성형할 수 있다. 롤프레스 성형기는 압연을 통한 전극밀도 향상 및 전극의 두께 제어를 목적으로 하고 있으며, 상단과 하단의 롤과 롤의 두께 및 가열 온도를 제어할 수 있는 컨트롤러와, 전극을 풀어주고 감아줄 수 있는 와인딩부로 구성된다. 롤 상태의 전극이 롤프레스를 지나면서 압연공정이 진행되고, 이것이 다시 롤 상태로 감겨서 전극이 완성된다. 이때, 프레스의 가압 압력은 5 ~ 20 ton/㎠로 롤의 온도는 0 ~ 150℃로 하는 것이 바람직하다.
또한, 전극 형태로 형성하는 다른 예를 살펴보면, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 티타늄 호일(Ti foil), 알루미늄 호일(Al foil), 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil)과 같은 금속 호일(metal foil)에 코팅하거나, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일 또는 금속 집전체에 붙여서 전극 형상으로 제조할 수도 있다. 여기서, 알루미늄 에칭 호일이라 함은 알루미늄 호일을 요철 모양으로 에칭한 것을 의미한다.
슈퍼커패시터 전극 형성
슈퍼커패시터 전극 형성 단계(S130)에서는 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성한다.
프레스 압착 공정을 거친 슈퍼커패시터 전극용 조성물은 건조 공정을 거친다. 건조 공정은 100℃ ~ 350℃, 바람직하게는 150℃ ~ 300℃의 온도에서 수행된다. 이때, 건조 온도가 100℃ 미만인 경우 분산매의 증발이 어려워 바람직하지 않으며, 350℃를 초과하는 고온 건조 시에는 도전재의 산화가 일어날 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 건조 온도는 적어도 100℃ 이상이고, 350℃를 넘지 않는 것이 바람직하다. 그리고, 건조 공정은 위와 같은 온도에서 10분 ~ 6시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 성형된 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 슈퍼커패시터 전극의 강도를 향상시킨다.
한편, 전극 형태로 형성하는 다른 예에 의해 전극을 형성한 경우에는 100 ~ 250℃, 바람직하게는 150 ~ 200℃의 온도 조건으로 건조하는 것이 바람직하다.
상기의 과정(S110 ~ S130)에 의해 제조되는 슈퍼커패시터 전극은 고용량으로서 소형의 코인형 슈퍼커패시터에 유용하게 적용될 수 있다.
전해액 함침
전해액 함침 단계(S140)에서는 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 양극과 음극 사이에 양극과 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 양극 및 음극을 슈퍼커패시터의 전해액에 함침시킨다.
여기서, 슈퍼커패시터의 전해액은, 상술한 바와 같이, 비수계 전해액과, 비수계 전해액 100 중량부에 대하여, 1 ~ 25 중량부로 첨가된 이온성 액체를 포함하는 것이 이용된다.
이에 따라, 본 발명에서는 비수계 전해액 및 이온성 액체에 첨가제를 투입시킨 전해액을 사용하는 것에 의해 높은 비축전용량을 갖는 슈퍼커패시터를 제조할 수 있게 된다.
이에 대해서는 이하 첨부된 도면들을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 코인형 고전압 슈퍼커패시터를 나타낸 단면도이다. 여기서, 도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터의 사용 상태도로서, 슈퍼커패시터 전극이 적용된 코인형 고전압 슈퍼커패시터의 단면도를 나타낸 것이다.
도 2에서 도면부호 190은 도전체로서의 금속캡이고, 도면부호 160은 양극(120)과 음극(110) 간의 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)이며, 도면부호 192는 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓이다. 이때, 양극(120)과 음극(110)은 금속캡(190)과 접착제에 의해 견고하게 고정된다.
코인형 슈퍼커패시터는, 상술한 슈퍼커패시터 전극으로 이루어진 양극(120)과, 상술한 슈퍼커패시터 전극으로 이루어진 음극(110)과, 양극(120)과 음극(110) 사이에 배치되고 양극(120)과 음극(120)의 단락을 방지하기 위한 분리막(seperator)(160)을 금속캡(190) 내에 배치하고, 양극(120)와 음극(110) 사이에 상술한 슈퍼커패시터의 전해액을 주입한 후, 가스켓(192)으로 밀봉하여 제조할 수 있다.
분리막(160)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 전지 및 커패시터 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.
한편, 도 3 내지 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 권취형 고전압 슈퍼커패시터를 나타낸 모식도로, 이를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 권취형 고전압 슈퍼커패시터를 제조하는 방법을 구체적으로 설명한다.
전극활물질, 바인더, 도전재 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 방법은 앞서 설명한 방법과 동일하다.
슈퍼커패시터 전극용 조성물을 알루미늄 호일(Al foil), 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil)과 같은 금속 호일(metal foil)에 코팅하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 양극 및 음극 형상으로 제조한다.
이러한 공정을 거친 양극 및 음극 형상에 대하여 건조 공정을 거친다. 건조 공정은 100 ~ 350℃, 바람직하게는 150 ~ 300℃의 온도에서 수행된다. 이때, 건조 온도가 100℃ 미만인 경우 분산매의 증발이 어려워 바람직하지 않으며, 350℃를 초과하는 고온 건조 시에는 도전재의 산화가 일어날 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 건조 온도는 적어도 100℃ 이상이고, 350℃를 넘지 않는 것이 바람직하다.
그리고, 건조 공정은 위와 같은 온도에서 10분 ~ 6시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 슈퍼커패시터 전극의 강도를 향상시킨다.
도 3에 도시된 바와 같이, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하거나 시트 상태로 만들어 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 제조한 양극(120) 및 음극(110)에 각각 리드선(130, 140)을 부착한다.
다음으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 분리막(150), 양극(120), 제2 분리막(160) 및 음극(110)을 적층하고, 코일링(coling)하여 롤(roll) 형태의 권취소자(175)로 제작한 후, 롤(roll) 주위로 접착 테이프(170) 등으로 감아 롤 형태가 유지될 수 있게 한다.
양극(120)과 음극(110) 사이에 구비된 제2 분리막(160)은 양극(120)과 음극(110)의 단락을 방지하는 역할을 한다. 제1 및 제2 분리막(150,160)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 전지 및 커패시터 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.
다음으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 롤(roll) 형태의 결과물에 실링 고무(sealing rubber)(180)를 장착하고, 금속캡(예컨대, 알루미늄 케이스(Al Case))(190)에 삽착시킨다.
롤 형태의 권취소자(175)(양극(120)과 음극(110))가 함침되게 상술한 슈퍼커 패시터의 전해액을 주입하고, 밀봉한다.
이와 같이, 제작된 슈퍼커패시터를 도 6에 개략적으로 나타내었다.
상술한 바와 같이 제조된 고전압 슈퍼커패시터(100)는 양극(120)과 음극(110)이 서로 이격되게 배치되어 있고, 양극(120)과 음극(110) 사이에 양극(120)과 음극(110)의 단락을 방지하기 위한 분리막(150, 160)이 배치되며, 양극(120) 및 음극(110)은 슈퍼커패시터의 전해액에 함침되어 있다.
여기서, 슈퍼커패시터의 전해액은, 비수계 전해액과, 비수계 전해액 100 중량부에 대하여 이온성 액체 1 ~ 25 중량부를 포함하며, 비수계 전해액은 유기용매와, TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전해질 염을 포함한다.
유기용매는 아세토니트릴(acetonitrile), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란, 부티로락톤 및 디메틸포름아미드으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
이온성 액체는 EMITf2N(1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), BMITf2N(1-Butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), EMITFSI(1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), BMIMBF4(1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMBF4(1-Methyl-3-octylimidazolium tetrafluoroborate), OMIMTf2N(1-Methyl-3-octylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide), MEMPBF4(N-(2-Methoxyethyl)-N-methylpyrrolidinium tetraflioroborate) 및 DEMEBF4(N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium tetraflioroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함한다.
슈퍼커패시터의 전해액은 비수계 전해액 100 중량부에 대하여 첨가제 VC(Vinylene carbonate), TMSP(Tris(trimethylsilyl)phosphite), TMSI(1-(Trimethylsilyl)imidazole)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 0.01 ~ 15 중량부를 더 포함할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 슈퍼커패시터 제조
실시예 1
비수계 전해액(1M TEABF4/ACN) 8g과 이온성 액체인 EMITf2N(1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide) 2g을 100㎖ 비이커에 넣고 상온에서 300rpm으로 30분 동안 교반하여 슈퍼커패시터의 전해액을 제조하였다. 이때, 비수계 전해액(1M TEABF4/ACN)은 ACN(acetonitrile)에 1M의 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate) 염이 용해된 전해액이다.
전기화학 분석을 위해서 상용 활성탄 YP50F를 전극활물질로 사용하여 슈퍼커패시터용 전극으로 제조하였다. 슈퍼커패시터용 전극 제조시 전극활물질 0.9g, 도전재인 카본블랙 슈퍼-P(super-p) 0.05g, 바인더인 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene; PTFE) 0.05g을 분산매인 에탄올에 넣고, 플래니터리 믹서(planetary mixer)로 3분 동안 혼합하여 슬러리로 제조한 뒤, 손반죽 10회 진행하고, 롤프레스로 압연 공정을 실시하였다. 이때, 프레스의 가압 압력은 10 ton/㎠, 롤의 온도는 60℃로 하였다. 롤프레스 압연 공정을 수행한 후의 전극 두께는 150㎛ 정도로 하였다. 압연된 결과물을 150℃의 진공건조대에 넣고 12시간 동안 건조하여 슈퍼커패시터용 전극을 제조하였다.
다음으로, 슈퍼커패시터의 전해액 120㎕와, 슈퍼커패시터용 전극을 사용하여 코인 타입(coin type)(2032)으로 풀셀(full cell) 조립하여 슈퍼커패시터를 제조하였다. 이때, 분리막은 NKK사의 TF4035를 사용하였다.
실시예 2
비수계 전해액(1M TEABF4/ACN) 8g, 이온성 액체인 EMITf2N(1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide) 2g을 100㎖ 비이커에 넣고 상온에서 300rpm으로 30분 동안 교반하여 슈퍼커패시터의 전해액을 제조한 뒤 첨가제 VC(Vinylene carbonate)를 0.2g 추가하여 제조하였다. 이때, 비수계 전해액(1M TEABF4/ACN)은 ACN(acetonitrile)에 1M의 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate) 염이 용해된 전해액이다.
전기화학 분석을 위해서 상용 활성탄 YP50F를 전극활물질로 사용하여 슈퍼커패시터용 전극으로 제조하였다. 슈퍼커패시터용 전극 제조시 전극활물질 0.9g, 도전재인 카본블랙 슈퍼-P(super-p) 0.05g, 바인더인 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene; PTFE) 0.05g을 분산매인 에탄올에 넣고, 플래니터리 믹서(planetary mixer)로 3분 동안 혼합하여 슬러리로 제조한 뒤, 손반죽 10회 진행하고, 롤프레스로 압연 공정을 실시하였다. 이때, 프레스의 가압 압력은 10 ton/㎠, 롤의 온도는 60℃로 하였다. 롤프레스 압연 공정을 수행한 후의 전극 두께는 150㎛ 정도로 하였다. 압연된 결과물을 150℃의 진공건조대에 넣고 12시간 동안 건조하여 슈퍼커패시터용 전극을 제조하였다.
다음으로, 슈퍼커패시터의 전해액 120㎕와, 슈퍼커패시터용 전극을 사용하여 코인 타입(coin type)(2032)으로 풀셀(full cell) 조립하여 슈퍼커패시터를 제조하였다. 이때 분리막은 NKK사의 TF4035를 사용하였다.
비교예 1
전기화학 분석을 위해서 상용 활성탄 YP50F를 전극활물질로 사용하여 슈퍼커패시터용 전극으로 제조하였다. 슈퍼커패시터용 전극 제조시 전극활물질 0.9g, 도전재인 카본블랙 슈퍼-P(super-p) 0.05g, 바인더인 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene; PTFE) 0.05g을 분산매인 에탄올에 넣고, 플래니터리 믹서(planetary mixer)로 3분 동안 혼합하여 슬러리로 제조한 뒤, 손반죽 10회 진행하고, 롤프레스로 압연 공정을 실시하였다. 이때, 프레스의 가압 압력은 10 ton/㎠, 롤의 온도는 60℃로 하였다. 롤프레스 압연 공정을 수행한 후의 전극 두께는 150㎛ 정도로 하였다. 압연된 결과물을 150℃의 진공건조대에 넣고 12시간 동안 건조하여 슈퍼커패시터용 전극을 제조하였다.
다음으로, 슈퍼커패시터용 전극을 사용하여 코인 타입(coin type)(2032)으로 풀셀(full cell) 조립하여 슈퍼커패시터를 제조하였다. 이때, 분리막은 NKK사의 TF4035를 사용하였고, 전해액은 비수계 전해액인 1M TEABF4 / ACN을 사용하였고, 전해액은 120 ㎕를 사용하였다.
2. 물성 평가
표 1은 비교예 1에서 사용한 전해액과, 실시예 1 ~ 2에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 전해액에 대하여 이온전도도 측정기를 이용하여 측정한 이온전도도를 나타낸 것이다.
[표 1]
표 2는 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 저항과 비축전용량을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 또한, 도 7은 비교예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 전압 별 CV 측정 결과를 나타낸 그래프이고, 도 8은 실시예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 전압 별 CV 측정 결과를 나타낸 그래프이며, 도 9는 실시예 2에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 전압 별 CV 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
이때, 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 저항 및 전압 별 테스트를 위하여 임피던스(impedance) 및 순환전류전압(cyclic voltammetry)을 측정하였다. 테스트 실험 조건은 25℃에서 주파수 100 kHz ~ 100 MHz 에서 임피던스를 측정하였고, 또한 25℃에서 주사속도 2 mV/s로 2.7 ~ 3.7 V까지 전압 별로 CV 테스트를 실시하였다.
[표 2]
표 1 ~ 2와 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 비교예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터에 비하여 실시예 1 및 실시예 2에 따라 제조된 슈퍼커패시터가 비축전용량이 보다 우수한 것으로 나타났다.
특히, 실시예 2에 따라 제조된 슈퍼커패시터는 실시예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터에 비하여 비축전용량이 보다 더 우수한 것으로 나타났다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
S110 : 슈퍼커패시터 전극용 조성물 형성 단계
S120 : 전극 형태로 형성 단계
S130 : 슈퍼커패시터 전극 형성 단계
S140 : 전해액 함침 단계
110 : 음극 120 : 양극
130 : 제1 리드선 140 : 제2 리드선
150 : 제1 분리막 160 : 제2 분리막
170 : 접착 테이프 175 : 권취소자
180 : 실링 고무 190 : 금속캡
192 : 가스켓
S120 : 전극 형태로 형성 단계
S130 : 슈퍼커패시터 전극 형성 단계
S140 : 전해액 함침 단계
110 : 음극 120 : 양극
130 : 제1 리드선 140 : 제2 리드선
150 : 제1 분리막 160 : 제2 분리막
170 : 접착 테이프 175 : 권취소자
180 : 실링 고무 190 : 금속캡
192 : 가스켓
Claims (14)
- 비수계 전해액;
상기 비수계 전해액 100 중량부에 대하여, 1 ~ 25 중량부로 첨가된 이온성 액체; 및
상기 비수계 전해액 100 중량부에 대하여, 0.01 ~ 15 중량부로 첨가된 첨가제;를 포함하는 슈퍼커패시터의 전해액으로서,
상기 비수계 전해액은 유기용매; 및 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전해질 염;을 포함하고,
상기 비수계 전해액의 유기용매는 아세토니트릴(acetonitrile), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란, 부티로락톤 및 디메틸포름아미드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하고,
상기 이온성 액체는 EMITf2N(1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide)이 이용되고,
상기 첨가제는 VC(Vinylene carbonate)이며,
상기 전해액은 44.9 ~ 47.5mS/cm의 이온전도도를 갖고, 상기 전해액을 이용한 고전압 슈퍼커패시터는 11.2 ~ 14.1 Ω의 셀 저항 및 15.2 ~ 16.5 F/cc의 비축전용량을 갖는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터의 전해액.
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- 양극과 음극이 서로 이격되게 배치되어 있고, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막이 배치되며, 상기 양극 및 음극은 슈퍼커패시터의 전해액에 함침되어 있는 고전압 슈퍼커패시터로서,
상기 슈퍼커패시터의 전해액은, 비수계 전해액; 상기 비수계 전해액 100 중량부에 대하여, 1 ~ 25 중량부로 첨가된 이온성 액체; 및 상기 비수계 전해액 100 중량부에 대하여, 0.01 ~ 15 중량부로 첨가된 첨가제;를 포함하며,
상기 비수계 전해액은 유기용매; 및 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전해질 염;을 포함하고,
상기 비수계 전해액의 유기용매는 아세토니트릴(acetonitrile), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란, 부티로락톤 및 디메틸포름아미드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하고,
상기 이온성 액체는 EMITf2N(1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide)이 이용되고,
상기 첨가제는 VC(Vinylene carbonate)이며,
상기 전해액은 44.9 ~ 47.5mS/cm의 이온전도도를 갖고,
상기 고전압 슈퍼커패시터는 11.2 ~ 14.1 Ω의 셀 저항 및 15.2 ~ 16.5 F/cc의 비축전용량을 갖는 것을 특징으로 하는 고전압 슈퍼커패시터.
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- 제6항에 있어서,
상기 고전압 슈퍼커패시터는
코인형 고전압 슈퍼커패시터 및 권취형 고전압 슈퍼커패시터 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고전압 슈퍼커패시터.
- (a) 전극활물질, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계;
(b) 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계;
(c) 상기 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성하는 단계; 및
(d) 상기 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 음극 사이에 상기 양극과 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 양극 및 음극을 제1항에 기재된 슈퍼커패시터의 전해액에 함침시키는 단계;를 포함하는 고전압 슈퍼커패시터의 제조 방법으로서,
상기 슈퍼커패시터의 전해액은 비수계 전해액; 상기 비수계 전해액 100 중량부에 대하여, 1 ~ 25 중량부로 첨가된 이온성 액체; 및 상기 비수계 전해액 100 중량부에 대하여, 0.01 ~ 15 중량부로 첨가된 첨가제;를 포함하며, 상기 비수계 전해액은 유기용매; 및 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoroborate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전해질 염;을 포함하고,
상기 비수계 전해액의 유기용매는 아세토니트릴(acetonitrile), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란, 부티로락톤 및 디메틸포름아미드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하고,
상기 이온성 액체는 EMITf2N(1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonylamide)이 이용되고,
상기 첨가제는 VC(Vinylene carbonate)이며,
상기 전해액은 44.9 ~ 47.5mS/cm의 이온전도도를 갖고,
상기 (d) 단계 이후, 상기 고전압 슈퍼커패시터 제조 방법에 의해 제조되는 고전압 슈퍼커패시터는 11.2 ~ 14.1 Ω의 셀 저항 및 15.2 ~ 16.5 F/cc의 비축전용량을 갖는 것을 특징으로 하는 고전압 슈퍼커패시터의 제조 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 (a) 단계에서,
상기 전극활물질 100 중량부에 대하여, 도전재 2 ~ 20 중량부, 바인더 2 ~ 20 중량부 및 분산매 200 ~ 300 중량부로 혼합하는 것을 특징으로 하는 고전압 슈퍼커패시터의 제조 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 건조는
100℃ ~ 350℃ 조건으로 실시하는 것을 특징으로 하는 고전압 슈퍼커패시터의 제조 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190154275A KR102343771B1 (ko) | 2019-11-27 | 2019-11-27 | 슈퍼커패시터의 전해액, 이를 이용한 고전압 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190154275A KR102343771B1 (ko) | 2019-11-27 | 2019-11-27 | 슈퍼커패시터의 전해액, 이를 이용한 고전압 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법 |
Publications (2)
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|---|---|
| KR20210065484A KR20210065484A (ko) | 2021-06-04 |
| KR102343771B1 true KR102343771B1 (ko) | 2021-12-28 |
Family
ID=76391682
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020190154275A KR102343771B1 (ko) | 2019-11-27 | 2019-11-27 | 슈퍼커패시터의 전해액, 이를 이용한 고전압 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102343771B1 (ko) |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015196427A1 (zh) | 2014-06-26 | 2015-12-30 | 深圳新宙邦科技股份有限公司 | 一种电解液溶质、电解液及高电压超级电容器 |
| KR102081616B1 (ko) * | 2017-11-10 | 2020-02-26 | 한국세라믹기술원 | 고전압 안정성이 우수한 슈퍼커패시터 및 그 제조방법 |
-
2019
- 2019-11-27 KR KR1020190154275A patent/KR102343771B1/ko active IP Right Grant
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| S. Lux et al., ‘Lithium insertion in graphite from ternary ionic liquid-lithium salt electrolytes: II. Evaluation of specific capacity and cycling efficiency and stability at room temperature,’ Journal of Power Sources 192 (2009) 606-611 (2009.03.05.) 1부.* |
| X. Sun and S. Dai, ‘Electrochemical investigations of ionic liquids with vinylene carbonate for applications in rechargeable lithium ion batteries,’ Electrochimica Acta 55 (2010) 4618-4626 (2010.03.15.) 1부.* |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20210065484A (ko) | 2021-06-04 |
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