KR20200084641A - 수계 전해질 및 이를 포함하는 의사 커패시터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 의사 커패시터용 수계 전해질 및 이를 포함하는 의사 커패시터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 특정 농도 이상의 리튬염, 수계 용매, 4급 암모늄 및 수소결합 제공물질을 포함하는 의사 커패시터용 수계 전해질 및 상기 수계 전해질을 포함하는 의사 커패시터에 관한 것이다.

Description

수계 전해질 및 이를 포함하는 의사 커패시터 {AQUEOUS ELECTROLYTE AND A PSEUDOCAPACITOR COMPRISING THE SAME}
본 발명은 전해질의 저온 안정성을 개선하기 위해, 특정 농도 이상의 리튬염, 수계 용매, 4급 암모늄 및 수소결합 제공물질을 포함하는 의사 커패시터용 수계 전해질 및 상기 수계 전해질을 포함하는 의사 커패시터에 관한 것이다.
최근 개발되고 있는 차세대 에너지 저장시스템은 모두 전기 화학적인 원리를 이용한 것으로 리튬 (Li)계 이차전지와 전기화학적 커패시터(electrochemical capacitor)가 대표적이다. 이차전지는 단위 무게 혹은 부피당 축적할 수 있는 에너지량(에너지 밀도)의 측면에서는 우수하나 사용기간, 충전시간, 단위시간당 사용할 수 있는 에너지의 량(출력 밀도) 측면에서는 아직 많은 개선의 여지를 보이고 있다.
이에 비해 전기화학적 커패시터(electrochemical capacitor)는 에너지 밀도 면에서 이차전지에 비해 작으나 사용시간, 충전시간, 출력 밀도가 큰 면에서는 이차 전지에 비해 매우 우수한 특성을 보이고 있다. 따라서 전기화학적 커패시터(electrochemical capacitor)의 경우 에너지 밀도를 향상시키기 위한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.
특히 슈퍼 커패시터(supercapacitor)는 재래식 전해콘덴서와 신형 2차 전지가 갖지 못하는 영역에서 고유한 성능 특성을 가지는 에너지 저장 동력원(power source) 기기이다. 이러한 슈퍼 커패시터는 전기화학적 축전 메커니즘에 따라 전기 이중층(electrical double layer)의 원리를 이용한 전기 이중층 커패시터 (electrical double layer capacitor, EDLC)와 전기화학적 패러데이 반응 (faradaic reation) 원리를 이용한 의사 커패시터 (pseudocapacitor)로 구분된다.
전기 이중층 커패시터는 전해질 용액의 이온이 전극 표면에서 전기 이중층(Electric Double Layer)을 형성하면서 물리적으로 흡탈착되는 것을 이용하며, 전극으로 사용되는 탄소 표면에 세공이 발달되어 있어 우수한 동력 밀도를 나타낸다. 그러나 표면의 전기 이중층에만 전하가 축적되므로 패러데이 반응을 이용하는 금속산화물계 또는 전기 전도성 고분자계 슈퍼 커패시터보다 축전 용량이 낮아 에너지 밀도가 낮은 단점이 있다.
의사 커패시터를 사용하는 금속산화물계 슈퍼 커패시터는 산화, 환원이 가능한 여러 개의 원자가(valence)를 가지는 금속산화물을 사용하는 커패시터이다. 의사 커패시터라고 칭하는 이유는 커패시터의 특성이 전기 이중층 커패시터처럼 전기 이중층의 형성에 의한 것이 일반적이고 전기화학 반응에 의해서는 커패시터적인 특성이 나오기 힘든데도 일부 금속산화물에서는 전지의 특성 대신 커패시터의 특성이 나오기 때문이다. 이러한 의사 커패시터를 사용하는 금속산화물 전극의 슈퍼 커패시터는 금속산화물의 산화, 환원반응으로 양성자가 이동하는 축적 메카니즘을 나타내므로 전기 이중층 커패시터보다 높은 비축전용량을 갖는다. 또한 금속산화물계 슈퍼 커패시터의 전극 활물질은 충방전시 산화, 환원에 필요한 이온과 전자가 전해질과 전극에서 빠른 속도로 이동하여야 하므로, 전극 계면이 고 비표면적을 가지는 것이 바람직하며, 전극 활물질은 높은 전기전도도가 요구된다.
한편, 일반적으로 커패시터에 사용되는 전해질은 수계 전해질, 비수계 전해질 및 고체 전해질로 분류가 된다. 비수계 전해질은 일반적으로 수계 전해질보다 점도가 높고, 1/10 ~ 1/100 배 정도 낮은 전도도를 갖는다. 따라서 수계 전해질을 사용하는 경우 전해질의 내부저항이 줄어들고 커패시터의 출력 특성이 향상되는 장점이 있다. 그러나 수계 전해질은 비수계 전해질에 비해 전해질의 어는점(melting point)이 상대적으로 높기 때문에, 저온의 환경에 노출될 경우 전해질의 동결이 일어날 수 있어 그 활용 범위가 상당히 줄어드는 문제가 있다.
대한민국 공개특허 제2014-0081276호(2014.07.01), "리튬이온커패시터"
상술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 발명자들은 의사 커패시터의 저온 안정성을 개선하기 위한 다각적인 연구를 수행한 끝에, 커패시터의 수계 전해질에 특정 농도 이상의 리튬염, 4급 암모늄 및 수소결합 제공물질을 첨가하면 극저온 환경에서도 전해질이 동결되지 않고 커패시터의 안정적인 구동이 가능하다는 것을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명은 저온 안정성이 개선된 의사 커패시터용 수계 전해질을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 수계 전해질을 포함하는 극저온 안정성이 개선되고 충방전 효율, 에너지 밀도 및 출력 밀도가 우수한 의사 커패시터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은,
리튬염, 수계 용매, 하기 화학식 1로 표시되는 4급 암모늄 및 수소결합 제공물질을 포함하는 의사 커패시터용 수계 전해질을 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00001
(단, 상기 화학식 1에서, R1 내지 R3는 각각 독립적으로 탄소수가 1 내지 6인 알킬(alkyl), 아릴(aryl), 알케닐(alkenyl) 및 하이드록시알킬(hydroxyalkyl)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이다)
본 발명의 일 구체예는 상기 4급 암모늄이 하기 화학식 2로 표시되는 콜린(choline)인 것이다.
[화학식 2]
Figure pat00002
본 발명의 일 구체예는 상기 수소결합 제공물질이 우레아(urea), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 글리세롤(glycerol) 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것이다.
본 발명의 일 구체예는 상기 4급 암모늄이 수계 전해질 총 중량 대비 0.001 내지 50 중량%인 것이다.
본 발명의 일 구체예는 상기 수소결합 제공물질이 수계 전해질 총 중량 대비 0.001 내지 50 중량%인 것이다.
본 발명의 일 구체예는 상기 4급 암모늄 및 수소결합 제공물질이 1 : 1.5 내지 1 : 2.5 의 몰랄(m) 농도 비율로 포함되는 것이다.
본 발명의 일 구체예는 상기 리튬염이 수계 전해질 총 중량 대비 0.5 내지 10 몰랄(m) 농도로 포함되는 것이다.
본 발명의 일 구체예는 상기 리튬염이 Li(OH), Li2O, LiCO3, LiNO3, Li2SO4, LiNO3, CH3COOLi 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것이다.
본 발명의 일 구체예는 상기 전해질의 융점이 -30 ℃ 이하인 것이다.
또한 본 발명은,
양극; 음극; 및
상술한 전해질을 포함하는 의사 커패시터를 제공한다.
본 발명에 따르면, 수계 전해질에 특정 농도 이상의 리튬염, 수계 용매, 4급 암모늄 및 수소결합 제공물질을 포함하여 극저온 환경에서 전해질의 동결 문제를 개선할 수 있으며, 이를 포함하는 의사 커패시터의 비정전용량, 충방전효율, 에너지 밀도 및 출력 밀도를 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 전해질을 LiMn2O4(양극)에 대해서 3전극 측정한 순환전압전류곡선(CV곡선)을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 비교예 1에 따른 전해질을 LiMn2O4(양극)에 대해서 3전극 측정한 순환전압전류곡선(CV곡선)을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 비교예 2에 따른 전해질을 LiMn2O4(양극)에 대해서 3전극 측정한 순환전압전류곡선(CV곡선)을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전해질 별 커패시터의 출력 특성인 에너지 밀도와 전력 밀도에 대한 라곤 도표(Ragone plot)를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에 한정되지 않는다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명은 의사 커패시터용 수계 전해질로서, 리튬염, 수계 용매, 4급 암모늄 및 수소결합 제공물질을 포함하는 수계 전해질을 제공한다.
본 발명에 따른 수계 전해질은 전해액으로 수계 용매를 포함하며, 여기에 리튬염, 4급 암모늄 및 수소결합 제공물질을 추가로 포함하여 극저온 환경에서 전해액의 동결을 방지하여, 상기 전해질을 포함하는 의사 커패시터의 안정적인 구동을 가능하게 한다. 따라서 상기 전해질을 포함하는 커패시터는 저온 안정성이 개선되고 우수한 충방전 효율, 에너지 밀도 및 출력 밀도를 나타낼 수 있게 된다.
상기 리튬염으로는 특별히 한정되는 것은 아니나 의사 커패시터에 적용할 수 있는 리튬염이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, Li(OH), Li2O, LiCO3, LiNO3, Li2SO4, LiNO3 및 CH3COOLi 중 어느 하나일 수 있다. 다만, 본 발명의 일 구현예에 따른 하기 화학식 1로 표시되는 4급 암모늄 및 수소결합 제공물질에 용해되지 않는 리튬염은 수계 전해질의 극저온 안정성 부여 효과가 떨어질 수 있으므로, 바람직하게는 LiNO3을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 4급 암모늄은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00003
상기 화학식 1에서, R1 내지 R3는 각각 독립적으로 탄소수가 1 내지 6인 알킬(alkyl), 아릴(aryl), 알케닐(alkenyl) 및 하이드록시알킬(hydroxyalkyl)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 4급 암모늄은 콜린(choline)일 수 있다. 상기 콜린은 하기 화학식 2로 표시되는 화합물일 수 있으며, 콜린 무수물, 콜린 수화물, 또는 염산염이나 그 외 물에 용해시켰을 때 콜린을 유리할 수 있는 다른 종류의 염을 모두 포함할 수 있다. 상기 콜린은 공지된 방법에 의해 합성된 것을 모두 사용할 수 있으며, 그 제조 방법이나 유래는 어떠한 것에 한정되지 않는다.
[화학식 2]
Figure pat00004
본 발명의 일 구현예에 따른 상기 수소결합 제공물질은 상기 4급 암모늄과 수소결합을 할 수 있는 화합물을 의미하며, 바람직하게는 우레아(urea), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 글리세롤(glycerol) 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 상기 수소결합 제공물질들은 분자 내 수소결합 생성을 위한 수소결합 제공장소가 상대적으로 2개 이상으로 많기 때문에, 적은 양으로도 상기 4급 암모늄과 효과적으로 수소결합을 생성할 수 있는 장점이 있다.
상기 4급 암모늄과 수소결합 제공물질은 상호 혼합되어 '공융 용매(Deep Eutectic Solvent)'를 형성할 수 있다. 여기에서 공융 용매란 2종 이상의 물질이 함께 용융되어, 각각의 혼합된 물질의 녹는점보다 그 녹는점이 낮아진 상태로 존재하는 물질을 의미한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 4급 암모늄으로서 콜린 클로라이드(Choline Chloride), 수소결합 제공물질로서 우레아(Urea)가 하기 반응식 1과 같이 수소결합을 생성하는 것을 알 수 있다.
[반응식 1]
Figure pat00005
(상기 반응식 1에서 점선은 수소결합임)
상기 4급 암모늄과 수소결합 제공물질이 혼합되어 생성된 공융 용매는 각 물질간 강한 수소결합을 생성하여 일종의 '용매 네트워크(Solvent Network)'를 형성하게 되며, 수계 전해질에 포함된 물 분자가 상기 용매 네트워크에 갇히게 되므로 그 활성이 줄어든다.
그 결과 상기 수계 전해질의 어는점을 낮추는 효과를 나타내게 되며, 상기 수계 전해질을 포함하는 의사 커패시터는 극저온 환경에서도 동결되지 않고 안정한 구동이 가능한 장점이 있다.
본 발명에서 4급 암모늄은 수계 전해질 총 중량 대비 0.001 내지 50 중량%일 수 있고, 바람직하게는 0.01 내지 10 중량%일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 1 중량%일 수 있다. 0.001 중량% 미만인 경우와 50 중량% 초과인 경우에는 공융 용매가 형성되지 않을 수 있다는 문제가 있다.
본 발명에서 상기 수소결합 제공물질은 수계 전해질 총 중량 대비 0.001 내지 50 중량%일 수 있고, 바람직하게는 0.01 내지 10 중량%일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 2 중량%일 수 있다. 0.001 중량% 미만인 경우와 50 중량% 초과인 경우에는 공융 용매가 형성되지 않을 수 있다는 문제가 있다.
본 발명에 따른 수계 전해질의 극저온 안정성을 향상시키기 위해, 상기 4급 암모늄과 수소결합 제공물질은 1 : 1 내지 1 : 5 의 몰랄(m) 농도 비율로 포함될 수 있고, 바람직하게는 1 : 1 내지 1 : 3 의 몰랄(m) 농도 비율로 포함될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1 : 1.5 내지 1 : 2.5 의 몰랄(m) 농도 비율로 포함될 수 있다. 상기 몰랄(m) 농도 비율을 벗어나는 경우, 4급 암모늄과 수소결합 제공물질이 혼합되어 공융 용매가 형성되지 않아 수계 전해질의 어는점을 낮추기 어렵기 때문에 상기 수계 전해질을 포함하는 의사 커패시터의 극저온 안정성이 떨어질 수 있고, 상기 범위를 초과하는 경우 수계 전해질의 이온전도도가 낮아질 수 있으므로 상기 범위에서 적절히 조절한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 수계 전해질 총 중량 대비 리튬염을 0.5 내지 10 몰랄(m) 농도로 포함할 수 있고, 바람직하게는 1 내지 3 몰랄(m) 농도로 포함할 수 있다.
만일 리튬염의 비율이 상기 범위 이하일 경우에는 전해질의 이온전도도 감소 및 그에 따른 커패시터의 출력 특성 감소의 문제점이 있으며, 상기 범위를 초과하는 경우 전해질에 포함되는 4급 암모늄 및 수소결합 제공물질의 함량이 상대적으로 줄어들어 극저온 환경에서 전해질이 동결할 수 있는 문제점이 있으므로 상기 범위 내에서 적절히 조절하는 것이 좋다.
본 발명에 따른 수계 전해질은 상기와 같은 농도와 비율의 리튬염, 4급 암모늄 및 수소결합 제공물질을 포함하여 극저온 환경에서 수계 전해질의 동결을 방지할 수 있으므로 전해질의 융점은 -30 ℃ 이하일 수 있고, 상기 전해질을 포함하는 의사 커패시터 역시 -30 ℃ 이하의 극저온 환경에서 안정적으로 구동이 가능한 장점이 있다.
본 발명에 따른 의사 커패시터는 양극, 음극 및 상술한 수계 전해질을 포함할 수 있고, 보다 상세하게는 제1 집전체, 제1 전극, 전해질, 분리막, 제2 전극, 제2 집전체 및 케이스로 구성될 수 있고, 제1 집전체, 전해질, 분리막, 제2 집전체 및 케이스는 기존의 공지된 기술을 사용할 수 있기 때문에 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
[ 실시예 1] 수계 전해질의 제조
초순수(DI Water) 10ml에 리튬염으로 LiNO3(LNO, Junsei 社) 1.379g을 투입하여 2m LNO 용액을 제조하였다. 상기 용액에 4급 암모늄으로 Choline Chloride 8.619g 및 수소결합 제공물질로 우레아(urea) 7.415g를 투입하고 충분히 교반하여 4급 암모늄염과 수소결합 제공물질이 1 : 2의 몰랄(m) 농도 비율이 되도록 하여 의사 커패시터용 수계 전해질을 제조하였다.
[ 실시예 2] 수계 전해질의 제조
(1) 초순수(DI Water) 10ml에 리튬염으로 LiNO3(LNO, Junsei 社) 1.379g을 투입하여 2m LNO 용액을 제조하였다.
(2) 상기 용액에 4급 암모늄으로 하기 화학식 3으로 표시되는 Choline Hydroxide 13.796g(46 wt%), HNO3 5.461g(60 wt%) 및 LiOH 0.025g의 혼합물(전체 0.052 mol) 및 수소결합 제공물질로 우레아(urea) 6.246g (0.104 mol)를 투입하여 용액의 전체 pH를 7로 하고 충분히 교반하여 의사 커패시터용 수계 전해질을 제조하였다.
[화학식 3]
Figure pat00006
[ 비교예 1] 수계 전해질의 제조
초순수(DI Water) 15ml에 리튬염으로 LiNO3(LNO, Junsei 社) 6.205g을 투입하여 6m LNO 용액을 제조하였다. 상기 용액에 실시예 1의 4급 암모늄 대신 2-dimethylaminoethaol 5.348g 및 수소결합 제공물질로 우레아(urea) 7.207g를 투입하고 충분히 교반하여 의사 커패시터용 수계 전해질을 제조하였다.
[ 비교예 2] 수계 전해질의 제조
초순수(DI Water) 15ml에 리튬염으로 LiNO3(LNO, Junsei 社) 9.308g을 투입하여 9m LNO 용액을 제조하였다. 상기 용액에 실시예 1의 4급 암모늄 대신 2-dimethylaminoethaol 5.348g 및 수소결합 제공물질로 우레아(urea) 7.207g를 투입하고 충분히 교반하여 의사 커패시터용 수계 전해질을 제조하였다.
[ 실험예 1] 의사 커패시터의 전기화학적 특성 평가
상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 3의 수계 전해질에 대하여 3전극 방식의 의사 커패시터를 제작한 후, 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry, Bio-Logics 社 VSP/VMP3)를 이용하여 아래와 같은 방법으로 물성을 측정하여 도 1 내지 5에 나타내었다.
측정방법은 LiMn2O4를 포함하는 양극 작용 전극(Working electrode) 또는 LiTi2(PO4)3 를 포함하는 음극 작용 전극, 백금판을 상대 전극(Counter Electrode), Ag/AgCl 기준 전극(Reference Electrode)을 이용하여 상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 3의 수계 전해질에서 서로 다른 주사 속도(Scan rate)에 따라 측정하였다.
(1) 3전극 측정
사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry)를 이용하여, 양극의 경우 전압 -0.2 내지 1.1V, 10 mV/sec, 음극의 경우 전압 -0.2 내지 -1.1V, 10 mV/sec 조건 하에서 측정하였다.
(2) 2전극 측정
- LiMn2O4는 (working electrode)로, LiTi2(PO4)3는 (counter와 reference electrode)로 사용하였다.
- 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry)를 이용하여, 전압 0.3 ~ 2.1V, 10 mV/sec로 측정하였다.
- 정전류 방전(constant-current discharge) 방법을 이용하여, 충/방전 조건(정전류 0.699 mA, 전압 0.3 ~ 2.1V) 하에서 측정하였다.
- 커패시터의 용량은 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry)에서 얻어진 커브를 적분하여 얻어졌으며, 출력밀도 및 에너지 밀도는 위 측정들을 통해 얻어진 데이터로부터 계산되었다.
비정전용량 (F/g)
Cycle 실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2
1 346.07 384.80 320.59 303.28
2 345.22 382.45 320.57 303.28
3 344.27 380.79 320.01 302.91
4 343.49 379.62 319.39 302.45
5 342.86 378.62 318.74 301.94
상기 표 1를 보면, 실시예 1 내지 2에 따른 전해질을 사용한 경우, 비교예 1 내지 2에 따른 전해질을 사용한 경우에 비해 전반적으로 우수한 비정전용량을 나타내는 것을 알 수 있었다.
도 8은 실시예 1, 비교예 1 내지 2의 수계 전해질을 포함하는 의사 커패시터의 에너지 밀도와 출력 밀도의 관계를 나타내는 라곤 플롯(Ragone Plot)이고, 도 9는 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 2의 단계 (1)에서 제조된 2m LNO 용액만을 포함하는 의사 커패시터의 에너지 밀도와 출력 밀도의 관계를 나타내는 라곤 플롯이다.
도 8를 참조하면 실시예 1에 따른 수계 전해질을 포함하는 의사 커패시터가 비교예 1 내지 2의 수계 전해질을 포함하는 의사 커패시터에 비해 출력 특성이 뛰어난 것을 확인하였다.
도 9를 참조하면, 실시예 1 내지 2에 따른 수계 전해질을 포함하는 의사 커패시터의 경우, 수계 전해질에 리튬염 이외에 상기 화학식 1로 표시되는 4급 암모늄 및 수소결합 제공물질을 포함하여도 의사 커패시터의 출력 특성이 줄어들지 않고 커패시터의 구동에 적합한 것을 알 수 있었다.
[ 실험예 2] 의사 커패시터의 극저온 구동 특성 평가
유리탄소질 전극(glassy carbon electrode)을 이용하여, LiMn2O4를 포함하는 양극, LiTi2(PO4)3을 포함하는 음극 및 상기 실시예 1의 수계 전해질을 포함하는 의사 커패시터를 제작하고, 실온과 극저온(-30 ℃) 환경에서 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry)를 측정(도 6)하고, 커패시터의 사이클(정전류)에 따른 구동 특성을 평가(도 7)하였다.
도 6을 보면, 실시예 1에 따른 수계 전해질을 포함하는 의사 커패시터의 경우, 극저온 환경에서도 커패시터의 출력 특성을 유지하는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 도 7을 보면, 실시예 1에 따른 수계 전해질을 포함하는 의사 커패시터의 경우, 상기 극저온 환경에서도 장기 수명안정성이 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
[ 실험예 3] 수계 전해질의 이온전도도 측정 및 평가
상기 실시예 1 내지 2, 비교예 1 내지 2에서 제조된 수계 전해질의 이온전도도를 이온전도도 미터기(Mettler Toledo 社)에 의하여 측정하였고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
이온전도도 (mS/cm)
실시예 1 60.78
실시예 2 66.73
비교예 1 40.36
비교예 2 39.58
상기 표 3을 참고하면, 실시예 1 내지 2에서 제조된 수계 전해질의 경우, 4급 암모늄 및 수소결합 제공물질을 포함하고 있음에도 비교예 1 내지 2의 수계 전해질에 비해 우수한 이온전도도를 나타내는 것을 알 수 있었다.

Claims (10)

  1. 리튬염, 수계 용매, 하기 화학식 1로 표시되는 4급 암모늄 및 수소결합 제공물질을 포함하는 의사 커패시터용 수계 전해질.
    [화학식 1]
    Figure pat00007

    (단, 상기 화학식 1에서, R1 내지 R3는 각각 독립적으로 탄소수가 1 내지 6인 알킬(alkyl), 아릴(aryl), 알케닐(alkenyl) 및 하이드록시알킬(hydroxyalkyl)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이다)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 4급 암모늄은 하기 화학식 2로 표시되는 콜린(choline)인 것을 특징으로 하는 의사 커패시터용 수계 전해질.
    [화학식 2]
    Figure pat00008

  3. 제1항에 있어서,
    상기 수소결합 제공물질은 우레아(urea), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 글리세롤(glycerol) 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 의사 커패시터용 수계 전해질.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 4급 암모늄은 수계 전해질 총 중량 대비 0.001 내지 50 중량%인 것을 특징으로 하는 의사 커패시터용 수계 전해질.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수소결합 제공물질은 수계 전해질 총 중량 대비 0.001 내지 50 중량%인 것을 특징으로 하는 의사 커패시터용 수계 전해질.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 4급 암모늄 및 수소결합 제공물질은 1 : 1 내지 1 : 5 의 몰랄(m) 농도 비율로 포함되는 것을 특징으로 하는 의사 커패시터용 수계 전해질.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 리튬염은 수계 전해질 총 중량 대비 0.5 내지 10 몰랄(m) 농도로 포함되는 것을 특징으로 하는 의사 커패시터용 수계 전해질.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 리튬염은 Li(OH), Li2O, LiCO3, LiNO3, Li2SO4, LiNO3, CH3COOLi 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 의사 커패시터용 수계 전해질.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전해질은 융점이 -30 ℃ 이하인 것인 의사 커패시터용 수계 전해질.
  10. 양극; 음극; 및
    제1항 내지 제9항에 따른 전해질을 포함하는 의사 커패시터.
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