KR20200069820A - Electrochemical device - Google Patents
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Abstract
Description
전기 화학 소자에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 양극 및 음극의 활물질 종류를 달리 적용하여, 두께를 동일하게 하더라도, 용량 및 수명 특성이 우수한 전기 화학 소자에 관한 것이다.It relates to an electrochemical device. More specifically, the present invention relates to an electrochemical device having excellent capacity and lifespan characteristics, even though the thicknesses of the positive and negative active materials are different.
최근 에너지 저장 및 변환 기술에 관한 관심이 증대되면서, 다양한 종류의 전기화학 소자에 대한 관심이 집중되고 있다.Recently, as interest in energy storage and conversion technology has increased, interest in various types of electrochemical devices has been focused.
전기화학 소자 중 전기 이중층 캐패시터(EDLC ; Electric Double Layer Capacitor)는 세퍼레이터(separator, 분리막 또는 격리막)를 사이에 두고 양극과 음극이 2개의 전극을 서로 대향하게 배치하여 대향면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기 이중층)이 생성된 것을 이용한 에너지 저장 매체로서, 이는 계속적인 충전/방전이 가능한 소자 이다.Among the electrochemical devices, an electric double layer capacitor (EDLC) is a pair having a positive electrode and a negative electrode disposed between two electrodes facing each other with a separator (separator, separator or separator) interposed therebetween. It is an energy storage medium using the generated charge layer (electric double layer), which is a device capable of continuous charging/discharging.
전기 이중층 캐패시터의 경우, 충전/방전시 양극과 음극의 전위가 동일한 것으로 알려져 있으며, 양극의 전위를 조정함으로써 고전압을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다.In the case of an electric double layer capacitor, it is known that the potentials of the anode and the cathode are the same during charging/discharging, and it is known that a high voltage can be obtained by adjusting the potential of the anode.
기존의 전기 이중층 캐패시터의 전극 전위 조절 방법은 양극과 음극의 무게를 다르게 함으로써, 양극과 음극에 저항의 차이를 두는 것에 의해서 셀의 전압을 높이고 있다. 즉, 양극활물질과 음극활물질의 두께를 조절하는데 양극활물질의 두께를 더 두껍게 하여 양극과 음극 간의 저항 차이로 셀의 전압을 높이는 방법이다.In the method of adjusting the electrode potential of the conventional electric double layer capacitor, the weight of the cell is increased by differentiating the weight of the positive electrode and the negative electrode, and by placing a difference in resistance between the positive electrode and the negative electrode. That is, it is a method of increasing the voltage of the cell by controlling the thickness of the positive electrode active material and the negative electrode active material by making the thickness of the positive electrode active material thicker and increasing the difference in resistance between the positive electrode and the negative electrode.
다른 방법으로는, 양극과 음극에 도포되는 활물질의 질량을 조절하여 전극 전위를 조절하기도 한다.Alternatively, the electrode potential may be controlled by controlling the mass of the active material applied to the positive electrode and the negative electrode.
그러나, 전술한 방법으로는 양극과 음극의 전위 차이를 효과적으로 조절할 수 없기 때문에, 전압이나 에너지 밀도를 향상시키는데 한계가 있다.However, since the above-described method cannot effectively control the potential difference between the positive electrode and the negative electrode, there is a limit in improving the voltage or energy density.
전기 화학 소자를 제공한다. 더욱 구체적으로, 양극 및 음극의 활물질 종류를 달리 적용하여, 두께를 동일하게 하더라도, 용량 및 수명 특성이 우수한 전기 화학 소자를 제공한다.It provides an electrochemical device. More specifically, by applying different types of active materials of the positive electrode and the negative electrode, even if the thickness is the same, it provides an electrochemical device having excellent capacity and life characteristics.
본 발명의 일 실시예에 의한 전기화학 소자는 코크스계 활성탄을 포함하는 양극, 야자수계 활성탄을 포함하는 음극 및 양극 및 상기 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하고, 양극 내의 코크스계 활성탄의 질량 및 음극 내의 야자수계 활성탄의 질량이 하기 식 1을 만족한다. The electrochemical device according to an embodiment of the present invention includes a positive electrode comprising coke-based activated carbon, a negative electrode and a positive electrode comprising palm-based activated carbon, and a separator interposed between the negative electrode, and the mass and negative electrode of coke-based activated carbon in the positive electrode. The mass of the palm tree-based activated carbon in the body satisfies the following equation 1.
[식 1][Equation 1]
|([Mc]-[Mp])|/([Mc]+[Mp]) 0.05 |([Mc]-[Mp])|/([Mc]+[Mp]) 0.05
(식 1에서 [Mc]는 양극 내의 코크스 계 활성탄의 질량을 나타내고, [Mp]는 음극 내의 야자수 계 활성탄의 질량을 나타낸다.)(In formula 1, [Mc] represents the mass of coke-based activated carbon in the anode, and [Mp] represents the mass of palm-based activated carbon in the cathode.)
코크스계 활성탄은 직경 2 내지 50nm의 메조포어(mesopore) 및 직경 2nm 미만의 마이크로포어(micropore)를 포함하고, 메조포어 및 상기 마이크로포어의 부피의 합에 대한 마이크로포어의 부피 비율이 70 내지 90%일 수 있다.Coke-based activated carbon includes mesopores having a diameter of 2 to 50 nm and micropores having a diameter of less than 2 nm, and the ratio of the volume of the micropores to the sum of the volumes of the mesopores and the micropores is 70 to 90% Can be
코크스계 활성탄은 전체비표면적(BET)이 2100 내지 2500m2/g일 수 있다.Coke-based activated carbon may have a total specific surface area (BET) of 2100 to 2500 m 2 /g.
야자수계 활성탄은 직경 2 내지 50nm의 메조포어(mesopore) 및 직경 2nm 미만의 마이크로포어(micropore)를 포함하고, 메조포어 및 상기 마이크로포어의 부피의 합에 대한 마이크로포어의 부피 비율이 60% 이상 및 80% 미만일 수 있다.Palm tree-based activated carbon includes mesopores having a diameter of 2 to 50 nm and micropores having a diameter of less than 2 nm, and the volume ratio of the micropores to the sum of the volumes of the mesopores and the micropores is 60% or more, and Less than 80%.
야자수계 활성탄은 전체비표면적(BET)이 1700 내지 2100m2/g일 수 있다.Palm tree-based activated carbon may have a total specific surface area (BET) of 1700 to 2100 m 2 /g.
양극 내의 코크스계 활성탄의 두께 및 음극 내의 야자수계 활성탄의 두께의 차이가 15㎛ 이하일 수 있다.The difference between the thickness of coke-based activated carbon in the anode and the thickness of palm-based activated carbon in the cathode may be 15 μm or less.
본 발명의 일 실시예에서 양극 및 음극의 활물질 종류를 달리 적용하여, 두께를 동일하게 하더라도, 용량 및 수명 특성이 우수한 전기 화학 소자를 얻을 수 있다.In one embodiment of the present invention, different kinds of active materials of the positive electrode and the negative electrode are applied differently, and even if the thickness is the same, an electrochemical device having excellent capacity and life characteristics can be obtained.
도 1은 제조예에서 활물질의 기공 구조 분석 및 표면적 분석 결과이다.
도 2는 실험예 1에서 충방전 속도에 대한 커패시턴스를 측정한 그래프이다.
도 3은 실험예 1에서 사이클별 커패시턴스를 측정한 그래프이다.
도 4는 실험예 1에서 사이클 전 후의 EIS 성분 중 벌크 저항 분석 결과이다.
도 5는 실험예 1에서 사이클 전 후의 EIS 성분 중 계면 저항 분석 결과이다.
도 6은 실험예 2에서 충방전 속도에 대한 커패시턴스를 측정한 그래프이다.1 is a result of pore structure analysis and surface area analysis of the active material in the preparation example.
2 is a graph measuring the capacitance of the charge-discharge rate in Experimental Example 1.
3 is a graph measuring capacitance for each cycle in Experimental Example 1.
4 is a result of bulk resistance analysis of EIS components before and after the cycle in Experimental Example 1.
5 is a result of the analysis of the interface resistance of the EIS component before and after the cycle in Experimental Example 1.
6 is a graph measuring the capacitance of the charge-discharge rate in Experimental Example 2.
본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.In the present specification, when a part “includes” a certain component, it means that the component may further include other components, not to exclude other components, unless specifically stated otherwise. The terms "about", "substantially", and the like, as used throughout this specification, are used in or at a value close to that value when manufacturing and material tolerances specific to the stated meaning are given, and are understood herein. To aid, accurate or absolute figures are used to prevent unscrupulous use of the disclosed disclosure by unscrupulous infringers. The term “~(step)” or “step of” as used in the present specification does not mean “step for”.
본 명세서에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.In this specification, the term "combination of these" included in the expression of the marki form means one or more mixtures or combinations selected from the group consisting of the elements described in the expression of the marki form, the components It means to include one or more selected from the group consisting of.
위와 같은 정의를 기반으로, 본 발명의 구현예들을 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이들은 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Based on the above definition, embodiments of the present invention will be described in detail. However, these are presented as examples, and the present invention is not limited thereby, and the present invention is only defined by the scope of claims to be described later.
본 발명의 일 실시예에서 전기화학 소자는 전기이중층 커패시터(electrostatic double-layer capacitor)일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the electrochemical device may be an electrostatic double-layer capacitor.
이하에서는 전기화학 소자의 각 구성에 대해 구체적으로 설명한다. Hereinafter, each configuration of the electrochemical device will be described in detail.
본 발명의 일 실시예에 의한 전기화학 소자는 코크스계 활성탄을 포함하는 양극, 야자수계 활성탄을 포함하는 음극 및 양극 및 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함한다.The electrochemical device according to an embodiment of the present invention includes an anode comprising coke-based activated carbon, a cathode comprising palm-based activated carbon, and a separator interposed between the anode and the cathode.
양극은 양극집전체에 양극활물질을 도포하거나 부착하여 형성될 수 있다. 마찬가지로 음극은 음극집전체에 음극활물질을 도포하거나 부착하여 형성될 수 있다. 좀더 자세히 설명하면, 활물질, 도전재, 바인더 및 용제를 혼합기에서 혼합하여 슬러리화한다. 슬러리화된 혼합물은 알루미늄 포일 등의 집전체 상에 도포된 후, 대류 건조하여 용제를 증발시켜 활물질(전극층)을 집전체에 부착시킴으로써 형성될 수 있다.The positive electrode may be formed by applying or attaching a positive electrode active material to the positive electrode current collector. Similarly, the negative electrode may be formed by applying or attaching a negative electrode active material to the negative electrode current collector. In more detail, the active material, the conductive material, the binder and the solvent are mixed in a mixer to slurry. The slurryed mixture may be formed by applying an active material (electrode layer) to the current collector by applying convection drying and evaporating the solvent on the current collector such as aluminum foil.
양극집전체 및 음극집전체로는 전기화학 소자의 집전체 재질을 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들면, 알루미늄, 스테인리스, 티타늄, 탄탈 또는 니오브로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다. 양극집전체의 형태는 금속박뿐만 아니라 에칭된 금속박, 또는 익스팬디드 메탈, 펀칭 메탈, 그물, 발포체 등과 같이 앞뒷면을 관통하는 구멍을 갖춘 형태도 무방하다.As the positive electrode current collector and the negative electrode current collector, a current collector material of an electrochemical device may be used without limitation. For example, one or more selected from the group consisting of aluminum, stainless steel, titanium, tantalum or niobium may be used. The shape of the positive electrode current collector may be not only a metal foil, but also an etched metal foil, or a shape having a hole penetrating the front and back surfaces such as expanded metal, punching metal, net, and foam.
도전재에는 슈퍼-P(Super-P), 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 그라파이트 같은 도전성 분말을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 통상의 전기화학 소자에 사용되는 모든 종류의 도전재가 포함될 수 있다.The conductive material may include conductive powders such as super-P, super-P, ketjen black, acetylene black, carbon black, and graphite, but is not limited thereto and may include all kinds of conductive materials used in conventional electrochemical devices. have.
바인더의 예를 들면, 폴리테트라플로로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF) 등의 불소계 수지; 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에딜렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 등의 열가소성수지; 카복시메틸셀룰로우즈(CMC) 등의 셀룰로오즈계 수지; 스타이렌-부타디엔 고무(SBR) 등의 고무계 수지 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으나, 특별히 이에 한정되지 않으며, 통상의 전기화학 소자에 사용되는 모든 바인더 수지를 사용해도 무방하다.Examples of the binder include fluorine-based resins such as polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyvinylidene fluoride (PVDF); Thermoplastic resins such as polyimide, polyamideimide, polyedylene (PE), and polypropylene (PP); Cellulose-based resins such as carboxymethyl cellulose (CMC); Rubber-based resins such as styrene-butadiene rubber (SBR) and one or more selected from mixtures thereof may be used, but are not particularly limited thereto, and all binder resins used in general electrochemical devices may be used.
본 발명에 따른 세퍼레이터는 종래 전기화학 소자에 사용되는 모든 재질의 재료를 제한 없이 이용할 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리 아크릴로니트릴(PAN), 폴리아크릴아미드(PAAm), 폴리테트라플루오로 에틸렌(PTFE), 폴리 설폰, 폴리에테르술폰(PES), 폴리카보네이트(PC), 폴리아미드(PA), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리프로필렌옥사이드(PPO), 셀룰로오스계 고분자, 및 폴리아크릴계 고분자로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 고분자로부터 제조된 미세 다공성 필름을 들 수 있다. 또한, 상기 다공성 필름을 중합시킨 다층 필름도 이용할 수 있으며, 이 중에서 셀룰로오스계 고분자가 바람직하게 사용될 수 있다.The separator according to the present invention can use all materials of materials used in conventional electrochemical devices without limitation. For example, polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylidene chloride, poly acrylonitrile (PAN), polyacrylamide (PAAm), polytetrafluoro ethylene ( PTFE), polysulfone, polyethersulfone (PES), polycarbonate (PC), polyamide (PA), polyimide (PI), polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), cellulose-based polymer, and poly And microporous films made from at least one polymer selected from the group consisting of acrylic polymers. In addition, a multilayer film obtained by polymerizing the porous film may also be used, and a cellulose-based polymer may be preferably used.
또는 세퍼레이터로서 전해액을 포함할 수 있으며, 전해 용매는 전해질염을 용해 또는 해리시키기 위해 사용하는 것으로서, 통상적인 전해질의 전해 용매로 사용하고 있는 것이면 특별히 제한하지 않으며, 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 락톤, 에테르, 에스테르, 설폭사이드, 아세토니트릴, 락탐, 케톤 및 이들의 할로겐 유도체 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 환형 카보네이트의 예로는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC), 플루오르에틸렌 카보네이트(FEC) 등이 있고, 선형 카보네이트의 예로는 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디프로필 카보네이트(DPC), 에틸 메틸 카보네이트(EMC), 및 메틸 프로필 카보네이트(MPC) 등이 있다. 락톤의 예로는 감마부티로락톤(GBL)이 있으며, 에테르의 예로는 디부틸에테르, 테트라히드로푸란, 2-메틸테트라히드로푸란, 1,4-디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄 등이 있다. 상기 에스테르의 예로는 메틸 포메이트, 에틸 포메이트, 프로필 포메이트, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 부틸 프로피오네이트, 메틸 피발레이트 등이 있다. 또한, 상기 설폭사이드로는 디메틸설폭사이드 등이 있고, 상기 락탐으로는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 등이 있으며, 상기 케톤으로는 폴리메틸비닐 케톤이 있다. 또한, 이들의 할로겐 유도체도 사용 가능하며, 이상의 예시된 전해액 전해 용매에만 한정하는 것은 아니다. 또한, 이들 전해 용매는 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.Alternatively, an electrolyte may be included as a separator, and the electrolytic solvent is used for dissolving or dissociating the electrolyte salt, and is not particularly limited as long as it is used as an electrolytic solvent for a conventional electrolyte. Cyclic carbonate, linear carbonate, lactone, ether , Esters, sulfoxides, acetonitrile, lactams, ketones, and halogen derivatives thereof, respectively, or may be used by mixing two or more. Examples of cyclic carbonates include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), fluorethylene carbonate (FEC), and examples of linear carbonates include diethyl carbonate (DEC) and dimethyl carbonate (DMC). ), dipropyl carbonate (DPC), ethyl methyl carbonate (EMC), and methyl propyl carbonate (MPC). Examples of lactones are gamma-butyrolactone (GBL), and examples of ethers are dibutyl ether, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1, 2-diethoxy ethane. Examples of such esters include methyl formate, ethyl formate, propyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, butyl propionate, methyl pivalate, and the like. In addition, the sulfoxide includes dimethyl sulfoxide, etc., the lactam includes N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), and the ketone includes polymethylvinyl ketone. In addition, these halogen derivatives can also be used, and are not limited to the above-described exemplified electrolyte electrolytic solvents. In addition, these electrolytic solvents may be used alone or in combination of two or more.
전해액은 전해질염을 더 포함할 수 있다. 전해질염은 전해 용매에 해리되어 전기화학 소자 내에서 이온 전도의 성분으로 작용하며, 양극과 음극 사이에서 양이온의 이동을 촉진하는 역할을 할 수 있다. 예를 들어, SBPBF4(spirobipyrrolidinium tetrafluoroborate), TEABF4, EMIBF4, TEMABF4, 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 겔 고분자 전해질 내 전해질염의 함량은, 전해질 내의 전해 용매(L)에 대한 몰수(mol)로, 0.5 내지 3.0 M일 수 있다. 이 경우, 겔 고분자 전해질은 겔 형태로서 적절한 점도를 가질 수 있으며, 전해질염이 전해 용매에 용해되어 양이온의 효과적인 이동에 기여할 수 있다.The electrolyte solution may further include an electrolyte salt. The electrolyte salt dissociates in the electrolytic solvent to act as a component of ion conduction in the electrochemical device, and may serve to promote the movement of cations between the anode and the cathode. For example, SBPBF 4 (spirobipyrrolidinium tetrafluoroborate), TEABF 4 , EMIBF4, TEMABF 4 , or a combination thereof. The content of the electrolyte salt in the gel polymer electrolyte is the number of moles (mol) with respect to the electrolytic solvent (L) in the electrolyte, and may be 0.5 to 3.0 M. In this case, the gel polymer electrolyte may have an appropriate viscosity as a gel form, and the electrolyte salt may be dissolved in an electrolytic solvent, contributing to the effective migration of cations.
본 발명의 일 실시예에서 양극 및 음극의 활물질 종류를 달리 적용하여, 두께를 동일하게 하더라도, 용량 및 수명이 우수한 전기 화학 소자를 얻을 수 있다.In one embodiment of the present invention, different kinds of active materials of the positive electrode and the negative electrode are applied differently, and even if the thickness is the same, an electrochemical device having excellent capacity and life can be obtained.
구체적으로 양극 활물질은 코크스계 활성탄을 사용할 수 있다. 또한 음극 활물질은 야자수계 활성탄을 사용할 수 있다. 이처럼 양극 및 음극의 활물질 종류를 달리 적용 함으로써, 용량 및 수명이 우수한 전기 화학 소자를 얻을 수 있다.Specifically, as the positive electrode active material, coke-based activated carbon may be used. In addition, as the negative electrode active material, palm tree-based activated carbon may be used. By applying different kinds of active materials of the positive electrode and the negative electrode as described above, it is possible to obtain an electrochemical device having excellent capacity and life.
양극 활물질에 적용되는 코크스계 활성탄은 전기화학 소자의 용량을 향상시키는데에 기여한다. 코크스계 활성탄이란 코크스를 원료로 하여, 활성화된 활성탄을 의미한다.Coke-based activated carbon applied to the positive electrode active material contributes to improving the capacity of the electrochemical device. Coke-based activated carbon means activated carbon using coke as a raw material.
코크스계 활성탄은 직경 2 내지 50nm의 메조포어(mesopore) 및 직경 2nm 미만의 마이크로포어(micropore)를 포함하고, 메조포어 및 마이크로포어의 부피의 합에 대한 마이크로포어의 부피 비율이 70 내지 90%일 수 있다. 또한, 코크스계 활성탄은 전체비표면적(BET)이 2100 내지 2500m2/g일 수 있다. 이처럼 적절한 기공 특성을 통해 용량을 향상시킬 수 있다. 더욱 구체적으로 코크스계 활성탄은 메조포어 및 마이크로포어의 부피의 합에 대한 마이크로포어의 부피 비율이 80 내지 85%일 수 있다. 또한, 코크스계 활성탄은 비표면적(BET)이 2400 내지 2500m2/g일 수 있다.Coke-based activated carbon contains mesopores 2 to 50 nm in diameter and micropores less than 2 nm in diameter, and the volume ratio of micropores to the sum of the volumes of mesopores and micropores is 70 to 90%. Can be. In addition, the coke-based activated carbon may have a total specific surface area (BET) of 2100 to 2500 m 2 /g. The capacity can be improved through appropriate pore characteristics. More specifically, the coke-based activated carbon may have a volume ratio of 80 to 85% of the micropore to the sum of the volumes of the mesopores and micropores. In addition, the coke-based activated carbon may have a specific surface area (BET) of 2400 to 2500 m 2 /g.
음극 활물질에 적용되는 야자수계 활성탄은 전기화학 소자의 수명을 향상시키는데에 기여한다. 양극 및 음극에 동일한 양의 활물질이 코팅될 경우, 음극에서 더 큰 과전압이 생성되며, 그로 인한 전자간 반발력, 이온들의 영향에 의해 활물질의 기공에 악영향을 주게 된다. 심할 경우, 활물질 간의 크랙 및 탈리 또한 발생하며, 더 나아가 알루미늄 집전체로부터의 탈리 현상도 발생할 수 있다.Palm-based activated carbon applied to the negative electrode active material contributes to improving the life of the electrochemical device. When the same amount of the active material is coated on the positive electrode and the negative electrode, a larger overvoltage is generated at the negative electrode, thereby adversely affecting the pores of the active material due to the repulsive force between electrons and ions. In severe cases, cracks and desorption between active materials also occur, and further, desorption from an aluminum current collector may also occur.
음극 활물질로서, 야자수계 활성탄을 사용할 시, 전술한 활물질 열화 현상이 비교적 적게 발생하게 된다. 야자수계 활성탄이란 코크스를 원료로 하여, 활성화된 활성탄을 의미한다.When the palm tree-based activated carbon is used as the negative electrode active material, the aforementioned deterioration of the active material occurs relatively little. Palm tree-based activated carbon means activated carbon using coke as a raw material.
야자수계 활성탄은 야자수계 활성탄은 직경 2 내지 50nm의 메조포어(mesopore) 및 직경 2nm 미만의 마이크로포어(micropore)를 포함하고, 메조포어 및 상기 마이크로포어의 부피의 합에 대한 마이크로포어의 부피 비율이 60% 이상 및 80% 미만일 수 있다. 또한, 야자수계 활성탄은 전체비표면적(BET)이 1700 내지 2100m2/g일 수 있다. 이처럼 적절한 기공 특성을 통해 수명을 향상시킬 수 있다. 더욱 구체적으로 야자수계 활성탄은 메조포어 및 상기 마이크로포어의 부피의 합에 대한 마이크로포어의 부피 비율이 75% 내지 79%일 수 있다. 또한, 야자수계 활성탄은 비표면적(BET)이 2000 내지 2100m2/g일 수 있다.Palm tree-based activated carbon, palm tree-based activated carbon includes mesopores having a diameter of 2 to 50 nm and micropores having a diameter of less than 2 nm, and the volume ratio of the micropores to the sum of the volumes of the mesopores and the micropores is More than 60% and less than 80%. In addition, palm tree-based activated carbon may have a total specific surface area (BET) of 1700 to 2100 m 2 /g. As such, it is possible to improve the service life through proper pore characteristics. More specifically, palm tree-based activated carbon may have a volume ratio of micropores to 75% to 79% of the sum of the volumes of mesopores and the micropores. In addition, the palm tree-based activated carbon may have a specific surface area (BET) of 2000 to 2100 m 2 /g.
양극 내의 코크스계 활성탄의 질량 및 음극 내의 야자수계 활성탄의 질량이 하기 식 1을 만족한다.The mass of coke-based activated carbon in the positive electrode and the mass of palm-based activated carbon in the negative electrode satisfy Equation 1 below.
[식 1] [Equation 1]
|([Mc]-[Mp])|/([Mc]+[Mp]) 0.05 |([Mc]-[Mp])|/([Mc]+[Mp]) 0.05
(식 1에서 [Mc]는 양극 내의 코크스 계 활성탄의 질량을 나타내고, [Mp]는 음극 내의 야자수 계 활성탄의 질량을 나타낸다.)(In formula 1, [Mc] represents the mass of coke-based activated carbon in the anode, and [Mp] represents the mass of palm-based activated carbon in the cathode.)
상기 식 1을 만족할 시 활물질의 양을 최대로 사용할 수 있으므로 최대 용량을 구현시킬 수 있다는 면에서 유리하다. 더욱 구체적으로 식 1 값이 0 내지 0.01일 수 있다. When Equation 1 is satisfied, the amount of the active material can be used to the maximum, which is advantageous in that the maximum capacity can be realized. More specifically, the value of Equation 1 may be 0 to 0.01.
양극 내의 코크스계 활성탄의 두께 및 음극 내의 야자수계 활성탄의 두께의 차이가 15㎛ 이하일 수 있다. 양극 내의 코크스계 활성탄의 두께 및 음극 내의 야자수계 활성탄의 두께의 차이를 적게 함으로써, 용량을 더욱 향상시킬 수 있다. The difference between the thickness of coke-based activated carbon in the anode and the thickness of palm-based activated carbon in the cathode may be 15 μm or less. By reducing the difference between the thickness of the coke-based activated carbon in the anode and the thickness of the palm tree-based activated carbon in the cathode, the capacity can be further improved.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. However, the following examples are only preferred examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.
제조예Manufacturing example
활물질로서 코크스계 활성탄을 준비하였다(제조예 1). 또한, 활물질로서 야자수계 활성탄을 준비하였다(제조예 2).Coke-based activated carbon was prepared as an active material (Production Example 1). In addition, palm tree-based activated carbon was prepared as an active material (Production Example 2).
제조예 1 및 제조예 2의 활물질에 대해 기공 구조 분석 및 표면적을 분석하여 도 1 및 표 1에 정리하였다.Porous structure analysis and surface area analysis of the active materials of Preparation Example 1 and Preparation Example 2 were summarized in FIGS. 1 and 1.
(m2/g, t-plot)S micro
(m 2 /g, t-plot)
(m2/g, BJH)S meso
(m 2 /g, BJH)
(m2/g, Smicro + Smeso)S total
(m 2 /g, S micro + S meso )
(cm3/g, t-plot)V micro
(cm 3 /g, t-plot)
(cm3/g, BJH)V meso
(cm 3 /g, BJH)
(cm3/g, Vmicro + Vmeso)V total
(cm 3 /g, V micro + V meso )
실험예 1 : 양극 및 음극 활물질 종류에 따른 평가Experimental Example 1: Evaluation according to positive and negative electrode active material types
실시예 1Example 1
양극 활물질로 제조예 1의 코크스계 활성탄 및 음극 활물질로 제조예 2의 야자수계 활성탄을 사용하였다.Coke-based activated carbon of Preparation Example 1 as a positive electrode active material and palm-based activated carbon of Production Example 2 as a negative electrode active material were used.
활물질을 이용하여 알루미늄 집전체에 코팅하여 전극을 제조하였다. 활물질의 양은 양극 및 음극 각각 0.0545 g으로 동일하였으며, 두께도 163 m 으로 동일하였다.An electrode was prepared by coating on an aluminum current collector using an active material. The amount of the active material was the same as the positive electrode and the negative electrode, respectively, at 0.0545 g, and the thickness was 163 It was the same as m.
전극 사이에, 셀룰로오스 세퍼레이터를 개재하고, 파우치셀로 조립하였다.Between the electrodes, a cellulose separator was interposed and assembled into a pouch cell.
전해액으로는 아세토니트릴 (Acetonitrile, ACN)에 1M SBPBF4 염이 용해된 전해액을 사용하였다.As the electrolyte solution, an electrolyte solution in which 1M SBPBF 4 salt was dissolved in acetonitrile (ACN) was used.
비교예 1Comparative Example 1
양극 활물질로 제조예 1의 코크스계 활성탄 및 음극 활물질로 제조예 1의 코크스계 활성탄을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.It was carried out in the same manner as in Example 1, except that the coke-based activated carbon of Preparation Example 1 and the coke-based activated carbon of Preparation Example 1 were used as the cathode active material.
비교예 2Comparative Example 2
양극 활물질로 제조예 2의 야자수계 활성탄 및 음극 활물질로 제조예 2의 야자수계 활성탄을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.It was carried out in the same manner as in Example 1, except that the palm tree-based activated carbon of Preparation Example 2 and the palm tree-based activated carbon of Preparation Example 2 were used as the cathode active material.
비교예 3Comparative Example 3
양극 활물질로 제조예 2의 야자수계 활성탄 및 음극 활물질로 제조예 1의 코크스계 활성탄을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.It was carried out in the same manner as in Example 1, except that the palm tree-based activated carbon of Preparation Example 2 and the coke-based activated carbon of Preparation Example 1 were used as the cathode active material.
충방전 성능 측정Charge/discharge performance measurement
실시예 1, 비교예 1 내지 비교예 3에서 제조된 cell을 20℃에서 각 율별 0.1, 0.2, 0.4, 0.8, 1.6, 3.2 A/g 율로 CC(constant current; galvanostatic) charge, CC discharge, 0 ~ 3.0 V 충방전을 실시하였다. 각 율 별 5회씩 사이클 실험 실시 후, 각 율별 5회째 사이클 용량을 측정하여 도 2에 나타내었다.The cells prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 were charged at a rate of 0.1, 0.2, 0.4, 0.8, 1.6, and 3.2 A/g for each rate at 20°C. CC (constant current; galvanostatic) charge, CC discharge, 0 to 3.0 V charge/discharge was performed. After performing the cycle experiment five times for each rate, the fifth cycle capacity for each rate was measured and shown in FIG. 2.
도 2에 나타나듯이, 비교예 1이 전체적인 충방전 속도에서 가장 높은 커패시턴스를 나타냄을 확인할 수 있다. 비교예 2의 경우, 가장 낮은 커패시턴스를 보인다. 한편, 양극 및 음극의 활물질을 서로 달리한 비대칭 시스템인 비교예 3과 실시예 1의 경우 양극에 야자수를 사용한 비교예 3이 실시예 1보다 전체적인 충방전 속도에서 커패시턴스가 높게 나타나는 현상을 확인할 수 있다. 실시예 1의 경우, 비교예 2보다 개선된 용량 특성을 보임을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 2, it can be confirmed that Comparative Example 1 shows the highest capacitance at the overall charge/discharge rate. In the case of Comparative Example 2, it shows the lowest capacitance. On the other hand, in the case of Comparative Example 3 and Example 1, which are asymmetric systems in which the active materials of the positive electrode and the negative electrode are different from each other, Comparative Example 3 using palm trees as the positive electrode shows a higher capacitance at the overall charge and discharge rate than Example 1. . In the case of Example 1, it can be seen that it shows improved capacity characteristics than Comparative Example 2.
사이클 수명 평가Cycle life evaluation
실시예 1, 비교예 1 내지 비교예 3에서 제조한 cell을 상온 20 ℃에서 0 ~ 3.0 V충방전을 3.2 A g-1 율로 CC-charge, CC-discharge로 5000회 사이클 충방전을 실시하였다. 이러한 충방전 사이클 용량을 측정하여 도 3에 나타내었다.The cells prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 were subjected to cycles of 0 to 3.0 V charging and discharging at a temperature of 20°C at a rate of 3.2 A g-1 for 5000 cycles with CC-charge and CC-discharge. The charge/discharge cycle capacity was measured and shown in FIG. 3.
도 3에 나타나듯이, 비교예 1과 비교예 3의 경우 가장 낮은 수명 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다. 비교예 1 및 비교예 3 모두 음극에 코크스 활성탄을 사용한 경우로써, 초기 용량은 높지만 지속적인 수명 감소 현상이 나타남을 확인할 수 있다. 비교예 2와 실시예 1의 경우가 수명 특성이 가장 우수하지만, 초기 용량이 높은 실시예 1이 비교예 2 보다 사이클 동안 높은 커패시턴스를 유지하는 것을 확인할 수 있다.3, it can be seen that Comparative Examples 1 and 3 show the lowest lifespan characteristics. In both Comparative Example 1 and Comparative Example 3, when coke activated carbon was used as the negative electrode, it was confirmed that the initial capacity was high but the lifespan was continuously decreased. Comparative Examples 2 and 1 have the best life characteristics, but it can be seen that Example 1, which has a high initial capacity, maintains a high capacitance during a cycle than Comparative Example 2.
EIS 저항 평가EIS resistance evaluation
실시예 1, 비교예 1 내지 비교예 3에서 제조한 cell을 20 ℃에서 사이클 수명 평가 전과 후에 3.0 V 충전을 한 상태로 10 mV의 amplitude로 30 mHz에서 200 kHz사이의 주파수 범위로 EIS를 측정하였다. The cells prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 were measured for EIS in a frequency range between 30 mHz and 200 kHz at an amplitude of 10 mV with 3.0 V charging before and after the cycle life evaluation at 20°C. .
도 4 및 도 5에 나타나듯이, 전체적으로 사이클 전에 비해 사이클 후에 각 저항성분이 증가하나, 증가율로는 벌크저항보다는 계면저항이 더 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 수명 특성 열화가 나타난 비교예 1과 비교예 3의 경우, 계면저항이 매우 크게 증가하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 동일한 활물질 양이 코팅되어있을 경우 생성될 수 있는 음극에서의 더 큰 과전압과 음극에 사용된 코크스 계 활성탄 때문이다.4 and 5, it can be seen that, as a whole, each resistance component increases after the cycle compared to before the cycle, but the interface resistance increases more than the bulk resistance at an increase rate. In the case of Comparative Example 1 and Comparative Example 3 in which the deterioration of the life characteristics was observed, it was confirmed that the interface resistance was greatly increased, which is used for a larger overvoltage and a negative electrode at a negative electrode that may be generated when the same amount of active material is coated It is because of the coke-based activated carbon.
반면 비교예 2와 실시예 1의 경우, 그러한 활물질 열화가 상대적으로 적게 일어났음을 확인할 수 있으며, 음극에 야자수계 활성탄을 사용하는 것이, 활물질 열화를 억제하는 것이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.On the other hand, in the case of Comparative Examples 2 and 1, it can be confirmed that such deterioration of the active material occurred relatively little, and it can be confirmed that the use of palm tree-based activated carbon as the negative electrode can suppress the deterioration of the active material.
실험예 2 : 양극 및 음극 활물질 양에 따른 평가Experimental Example 2: Evaluation according to the amount of positive and negative active materials
비교예 4Comparative Example 4
양극 활물질의 양을 0.0491 g 음극 활물질의 양을 0.0545 g으로 도포하여 음극 활물질의 도포량을 많이 하여 제조한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The amount of the positive electrode active material was 0.0491 g, and the amount of the negative electrode active material was applied to 0.0545 g.
비교예 5Comparative Example 5
양극 활물질의 양을 0.0545 g 음극 활물질의 양을 0.0491 g으로 도포하여 양극 활물질의 도포량을 많이 하여 제조한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The amount of the positive electrode active material was 0.0545 g, and the amount of the negative electrode active material was applied to 0.0491 g.
충방전 성능 측정Charge/discharge performance measurement
실시예 1, 비교예 4 및 비교예 5에서 제조된 cell을 20℃에서 각 율별 0.1, 0.2, 0.4, 0.8, 1.6, 3.2 A/g 율로 CC(constant current; galvanostatic) charge, CC discharge, 0 ~ 3.0 V 충방전을 실시하였다. 각 율 별 5회씩 사이클 실험 실시 후, 각 율별 5회째 사이클 용량을 측정하여 도 6에 나타내었다.The cells prepared in Example 1, Comparative Example 4 and Comparative Example 5 were charged at a rate of 0.1, 0.2, 0.4, 0.8, 1.6, 3.2 A/g for each rate at 20°C, CC (constant current; galvanostatic) charge, CC discharge, 0 ~ 3.0 V charge/discharge was performed. After performing the cycle experiment five times for each rate, the fifth cycle capacity for each rate was measured and shown in FIG. 6.
도 6에서 확인할 수 있듯이, 실시예 1의 경우가 가장 우수한 커패시턴스를 나타냄을 확인할 수 있다.As can be seen in Figure 6, it can be seen that the case of Example 1 shows the best capacitance.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.The present invention is not limited to the above embodiments, but may be manufactured in various different forms, and those skilled in the art to which the present invention pertains have other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. It will be understood that can be carried out. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.
Claims (6)
야자수계 활성탄을 포함하는 음극 및
상기 양극 및 상기 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하고,
상기 양극 내의 코크스계 활성탄의 질량 및 상기 음극 내의 야자수계 활성탄의 질량이 하기 식 1을 만족하는 전기화학 소자.
[식 1]
|([Mc]-[Mp])|/([Mc]+[Mp]) ≤ 0.05
(식 1에서 [Mc]는 양극 내의 코크스 계 활성탄의 질량을 나타내고, [Mp]는 음극 내의 야자수 계 활성탄의 질량을 나타낸다.)Anode containing coke-based activated carbon,
Cathode containing palm-based activated carbon and
And a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode,
An electrochemical device in which the mass of coke-based activated carbon in the anode and the mass of palm-based activated carbon in the cathode satisfy Equation 1 below.
[Equation 1]
|([Mc]-[Mp])|/([Mc]+[Mp]) ≤ 0.05
(In Formula 1, [Mc] represents the mass of coke-based activated carbon in the anode, and [Mp] represents the mass of palm-based activated carbon in the cathode.)
상기 코크스계 활성탄은 직경 2 내지 50nm의 메조포어(mesopore) 및 직경 2nm 미만의 마이크로포어(micropore)를 포함하고,
상기 메조포어 및 상기 마이크로포어의 부피의 합에 대한 마이크로포어의 부피 비율이 70 내지 90%인 전기화학 소자.According to claim 1,
The coke-based activated carbon includes mesopores having a diameter of 2 to 50 nm and micropores having a diameter of less than 2 nm,
An electrochemical device having a volume ratio of micropores to 70-90% of the sum of the volumes of the mesopores and the micropores.
상기 코크스계 활성탄은 전체비표면적(BET)이 2100 내지 2500m2/g인 전기화학 소자.According to claim 1,
The coke-based activated carbon is an electrochemical device having a total specific surface area (BET) of 2100 to 2500 m 2 /g.
상기 야자수계 활성탄은 직경 2 내지 50nm의 메조포어(mesopore) 및 직경 2nm 미만의 마이크로포어(micropore)를 포함하고,
상기 메조포어 및 상기 마이크로포어의 부피의 합에 대한 마이크로포어의 부피 비율이 60% 이상 및 80% 미만인 전기화학 소자.According to claim 1,
The palm tree-based activated carbon includes mesopores having a diameter of 2 to 50 nm and micropores having a diameter of less than 2 nm,
An electrochemical device in which the volume ratio of the micropores to the sum of the volumes of the mesopores and the micropores is 60% or more and less than 80%.
상기 야자수계 활성탄은 전체비표면적(BET)이 1700 내지 2100m2/g인 전기화학 소자.According to claim 1,
The palm tree-based activated carbon is an electrochemical device having a total specific surface area (BET) of 1700 to 2100 m 2 /g.
상기 양극 내의 코크스계 활성탄의 두께 및 상기 음극 내의 야자수계 활성탄의 두께의 차이가 15㎛ 이하인 전기화학 소자
According to claim 1,
An electrochemical device in which the difference between the thickness of coke-based activated carbon in the anode and the thickness of palm-based activated carbon in the cathode is 15 µm or less.
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