KR20220157533A - 리튬 이온 커패시터 - Google Patents

리튬 이온 커패시터 Download PDF

Info

Publication number
KR20220157533A
KR20220157533A KR1020210065159A KR20210065159A KR20220157533A KR 20220157533 A KR20220157533 A KR 20220157533A KR 1020210065159 A KR1020210065159 A KR 1020210065159A KR 20210065159 A KR20210065159 A KR 20210065159A KR 20220157533 A KR20220157533 A KR 20220157533A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
lithium
metal foil
negative electrode
lithium metal
ion capacitor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
KR1020210065159A
Other languages
English (en)
Inventor
김광석
서현승
임상민
강수현
소하일모하마드
김민중
Original Assignee
비나텍주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 비나텍주식회사 filed Critical 비나텍주식회사
Priority to KR1020210065159A priority Critical patent/KR20220157533A/ko
Publication of KR20220157533A publication Critical patent/KR20220157533A/ko
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/46—Metal oxides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/04—Hybrid capacitors
    • H01G11/06—Hybrid capacitors with one of the electrodes allowing ions to be reversibly doped thereinto, e.g. lithium ion capacitors [LIC]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/26—Electrodes characterised by their structure, e.g. multi-layered, porosity or surface features
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13—Energy storage using capacitors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)

Abstract

본 발명은 리튬의 사전 도핑 속도를 향상시킬 수 있는 리튬 이온 커패시터에 관한 것이다. 본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터는 리튬금속박, 탄소계 소재의 음극, 분리막 및 양극을 포함한다. 리튬금속박은 하부면과, 하부면에 반대되는 상부면을 갖는다. 리튬금속박은 하부면에서 상부면으로 연결되게 구멍들이 전면에 균일하게 형성되며, 음극에 사전 도핑되는 리튬을 제공하며 사전 도핑에 의해 소멸된다. 음극은 리튬금속박 위에 적층된다. 분리막은 음극 위에 적층된다. 그리고 양극은 분리막 위에 적층된다.

Description

리튬 이온 커패시터{Lithium ion capacitor}
본 발명은 리튬 이온 커패시터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 리튬의 사전 도핑 속도를 향상시킬 수 있는 리튬 이온 커패시터에 관한 것이다.
정보화 시대에는 각종 정보통신기기를 통해 다양하고 유용한 정보를 실시간으로 수집 및 활용하는 고부가가치 산업이 주도하고 있으며, 이러한 시스템의 신뢰성 확보를 위해서는 안정적인 에너지의 공급이 중요한 요소로 인식되고 있다.
안정적인 에너지 확보의 일환으로서, 전기에너지를 화학에너지로 변환하여 저장하였다가 필요시 다시 전기에너지로 변환하여 쓸 수 있는 전기화학소자(electrochemical device)가 사용되고 있다.
이러한 전기화학소자로는 Ni-MH 전지, Ni-Cd 전지, 납축전지 및 리튬이차전지와 같은 이차전지와, 높은 출력 밀도를 가지면서 충방전 수명이 무제한에 가까운 슈퍼 커패시터, 알루미늄 전해 커패시터 및 세라믹 커패시터 등이 있다.
특히 슈퍼 커패시터는 전기이중층 커패시터(EDLC; Electric Double Layer Capacitor), 유사 커패시터(pseudo capacitor), 리튬 이온 커패시터(LIC; lithium ion capacitor)와 같은 하이브리드 커패시터(hybrid capacitor) 등이 있으며, 그 형태에 따라 파우치형, 캔형 등이 있다. 캔형은 원통형(권취형), 각형 등을 포함한다. 이때, 원통형은 셀을 젤리롤 형태로 와인딩(winding)한 다음, 원통형 케이스에 내장하여 제작하고 있다.
여기서 전기이중층 커패시터는 서로 다른 상의 계면에 형성된 전기이중층에서 발생하는 정전하현상을 이용한 커패시터로서, 에너지 저장 메커니즘이 산화 및 환원과정에 의존하는 배터리에 비하여 충방전 속도가 빠르고 충방전 효율이 높으며 사이클 특성이 월등하여 백업 전원에 광범위하게 사용되며, 향후 전기자동차의 보조전원으로서의 가능성도 무한하다.
유사 커패시터는 는 전극과 전기화학 산화물 반응물의 산화-환원 반응을 이용하여 화학 반응을 전기적 에너지로 전환하여 저장하는 커패시터이다. 유사 커패시터는 전기이중층 커패시터가 전기화학 이중층형 전극 표면에 형성된 이중층에만 전하를 저장하는 데 비하여 전극 재료의 표면 근처까지 전하를 저장할 수 있어 저장 용량이 전기이중층 커패시터에 비하여 약 5배 정도 크다. 금속산화물 전극재료로는 RuOx, IrOx, MnOx 등이 사용되고 있다.
그리고 리튬 이온 커패시터는 기존 전기이중층 커패시터의 고출력 및 장수명 특성과, 리튬 이온 전지의 고에너지밀도를 결합한 새로운 개념의 이차전지 시스템이다. 전기이중층 내 전하의 물리적 흡착반응을 이용하는 전기이중층 커패시터는 우수한 출력특성 및 수명특성에도 불구하고 낮은 에너지밀도 때문에 다양한 응용분야에 적용이 제한되고 있다. 이러한 전기이중층 커패시터의 문제점을 해결하는 수단으로서 음극 활물질로서 리튬 이온을 삽입 및 탈리할 수 있는 탄소계 소재를 이용하는 리튬 이온 커패시터가 제안되었다. 리튬 이온 커패시터는 이온화 경향이 큰 리튬 이온을 음극에 사전 도핑(pre-doping)하여 음극의 전위를 대폭적으로 낮출 수 있고, 셀 전압도 종래의 전기이중층 커패시터의 2.5 V 대비 크게 향상된 3.8 V 이상의 고전압 구현이 가능하며 높은 에너지 밀도를 발현할 수 있다.
하지만 기존의 리튬 이온 커패시터는 리튬 사전 도핑에 상당한 장시간이 요구되고 있으며, 음극의 전위를 낮추기 위해서 음극의 표면 뿐만 아니라 내부까지 리튬을 도핑하기 위해서는 더 많은 시간이 요구되고 있으며, 음극 전체에 대한 균일한 리튬 도핑이 어려운 문제가 있다.
등록특허공보 제10-2003297호 (2019.07.24. 공고)
따라서 본 발명의 목적은 리튬의 사전 도핑 속도를 향상시킬 수 있는 리튬 이온 커패시터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 음극 전체에 균일하게 리튬의 사전 도핑을 수행할 수 있는 리튬 이온 커패시터를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하부면과, 상기 하부면에 반대되는 상부면을 가지며, 상기 하부면에서 상기 상부면으로 연결되게 구멍들이 전면에 균일하게 형성되며, 음극에 사전 도핑되는 리튬을 제공하며 사전 도핑에 의해 소멸되는 리튬금속박; 상기 리튬금속박 위에 적층되는 탄소계 소재의 음극; 상기 음극 위에 적층되는 분리막; 및 상기 분리막 위에 적층되는 양극;을 포함하는 리튬 이온 커패시터를 제공한다.
상기 리튬금속박은 상기 구멍들이 상기 상부면에서 상기 하부면을 향하여 수직 방향으로 형성된다.
상기 리튬금속박의 기공율은 40% 이하일 수 있다.
상기 리튬금속박의 기공율은 10 내지 30% 일 수 있다.
본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터는 상기 양극과 상기 음극 사이에 전류를 흐르게 하는 전해질;을 더 포함할 수 있다.
상기 음극은 상기 음극 전체에 리튬이 프리 도핑될 수 있도록 다공성 구조를 가질 수 있다.
그리고 본 발명은, 탄소계 소재의 복수의 음극; 상기 복수의 음극 사이에 교번되게 배치되는 적어도 하나의 양극; 상기 복수의 음극과 상기 적어도 하나의 양극 사이에 개재되는 복수의 분리막; 및 상기 최외곽에 배치되는 음극의 외측면에 적층되되, 하부면과, 상기 하부면에 반대되는 상부면을 가지며, 상기 하부면에서 상기 상부면으로 연결되게 구멍들이 전면에 균일하게 형성되며, 상기 복수의 음극에 사전 도핑되는 리튬을 제공하며, 사전 도핑에 의해 소멸되는 리튬금속박;을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 커패시터를 제공한다.
본 발명에 따르면, 음극에 적층되는 리튬금속박에 균일하게 구멍을 형성함으로써, 리튬금속박의 비표면적을 높여 리튬금속박과 전해질이 충분히 접촉되도록 하여 리튬의 음극으로의 사전 도핑 속도를 향상시킬 수 있다.
그리고 리튬금속박에 균일하게 구멍을 형성함으로써, 음극 전체에 균일하게 리튬의 사전 도핑을 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 리튬 이온 커패시터를 보여주는 단면도이다.
도 2는 도 1의 리튬금속박을 보여주는 평면도이다.
도 3은 도 2의 3-3선 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 리튬 이온 커패시터를 보여주는 단면도이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
[제1 실시예]
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 리튬 이온 커패시터를 보여주는 단면도이다. 도 2는 도 1의 리튬금속박을 보여주는 평면도이다. 그리고 도 3은 도 2의 3-3선 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 제1 실시예에 따른 리튬 이온 커패시터(100)는 리튬금속박(10), 탄소계 소재의 음극(20), 분리막(30) 및 양극(40)을 포함한다. 리튬금속박(10)은 하부면(11)과, 하부면(11)에 반대되는 상부면(13)을 갖는다. 리튬금속박(10)은 하부면(11)에서 상부면(13)으로 연결되게 구멍(15)들이 전면에 균일하게 형성되며, 음극(20)에 사전 도핑되는 리튬을 제공하며 사전 도핑에 의해 소멸된다. 탄소계 소재의 음극(20)은 리튬금속박(10) 위에 적층된다. 분리막(30)은 음극(20) 위에 적층된다. 그리고 양극(40)은 분리막(30) 위에 적층된다.
그리고 제1 실시예에 따른 리튬 이온 커패시터(100)는 전해질을 더 포함할 수 있다.
이와 같은 제1 실시예에 따른 리튬 이온 커패시터(100)에 대해서 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
음극(20)은 리튬 이온을 삽입 및 탈리할 수 있는 탄소계 소재를 음극 활물질로 포함한다. 음극(20)은 음극 집전체의 일면 또는 양면에 형성될 수 있다. 탄소계 소재로는 하드카본, 소프트카본, 인조흑연, 천연흑연, 흑연화탄소 섬유, 흑연화 메조카본마이크로비드, 석유코크스, 수지소성체, 탄소섬유 또는 열분해 탄소가 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
음극(20)은 음극(20) 전체에 리튬이 안정적으로 프리 도핑될 수 있도록 다공성 구조를 가질 수 있다. 또한 음극(20)은 다공성 구조로 형성됨으로써, 리튬 이온 커패시터(100)로 사용될 때, 리튬 이온을 삽입 및 탈리를 원활하게 수행할 수 있다.
양극(40)은 리튬 이온을 흡착 및 탈리할 수 있는 양극 활물질을 포함한다. 양극(40)은 양극 집전체의 일면 또는 양면에 형성될 수 있다. 양극 활물질로는 활성탄 소재, 활성탄 소재를 개선한 활성탄-금속산화물 복합소재, 전도성고분자-활성탄 복합소재 또는 탄소나노튜브를 사용할 수 있다. 여기서 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(SWNT; Single-wall NanoTube), 다중벽 탄소나노튜브(MWNT; Multi-wall Nanotube) 또는 이중벽 탄소나노튜브(DWNT; Dual-wall Nanotube)를 포함할 수 있다. 또한 양극은 탄소나노튜브의 입자 지름 또는 탄소나노튜브 사이의 층을 이온의 흡장구조로 가져가는 탄소재료 또는 도전성 고분자 및 그 혼합체를 기본 구조로 하여 이온의 흡장을 유도할 수 있는 활물질 재료를 포함할 수 있다. 상기한 양극 활물질은 하나의 예시에 불과하며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
분리막(30)은 음극(20)과 양극(40) 사이에 개재되어 음극(20)과 양극(40)을 전기적 및 물리적으로 분리한다. 분리막(30)으로는 전해질 또는 전극 활물질 등에 대하여 내구성이 있는 연통 기공을 가지는 전자 전도성이 없는 다공체 등을 사용할 수 있다. 예컨대 분리막(30)의 소재로는 다공성 폴리머 필름 또는 다공성 부직포 등이 사용될 수 있다.
전해질은 양극(40)과 음극(20) 사이에 전류를 한다. 이러한 전해질은 리튬 이온의 염을 포함하는 액상 전해질 또는 폴리머 전해질을 포함한다. 리튬염으로는 LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiPF6, Li(C2F5SO2)2N 등을 사용할 수 있다. 또한 리튬염을 용해시키는 용매로는 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, γ-부티로락톤, 아세트니트릴, 디메톡시 메탄, 테트라히드로푸란, 디옥소란, 염화 메틸렌, 설폰 등의 비양자성 유기용매를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
또는 전해질로는 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트 또는 메틸 에틸 카보네이트를 포함하는 카보네이트계 액상 전해질, 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), PVdF또는 PVdF-HFP를 포함하는 PVdF공중합체, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리옥소메탈레이트(POM), 폴리프로필렌옥사이드(PPO), 폴리실록산계 등의 고체 매트릭스에 가소제를 첨가하는 겔 타입의 전해질을 사용할 수 있다.
전해질은 리튬염, 금속염 또는 유기염 전해질을 사용할 수 있고, 액체 전해질, 겔형 전해질, 고체전해질 또는 이온성 전해질과 같이 전해질의 형태에 영향을 받지 않는다. 여기서 전해질이 액상 형태일 때 전해질 내에는 분리막을 더 포함할 수 있으나, 겔형 전해질이나 고체 전해질의 경우 분리막의 도입이 생략될 수 있다.
그리고 리튬금속박(10)은 음극(20)에 적층되며, 음극(20)에 사전 도핑되는 리튬을 제공한다. 즉 리튬금속박(10)의 리튬은 사전 도핑을 통하여 음극(20)에 전부 도핑되고, 리튬금속박(10)은 사전 도핑 이후에 음극(20)으로부터 소멸된다.
이러한 리튬금속박(10)에 균일하게 구멍(15)을 형성함으로써, 리튬금속박(10)의 비표면적을 높여 리튬금속박(10)과 전해질이 충분히 접촉되도록 하여 리튬의 음극(20)으로의 사전 도핑 속도를 향상시킬 수 있다. 그리고 리튬금속박(10)에 균일하게 구멍(15)을 형성함으로써, 음극(20) 전체에 균일하게 리튬의 사전 도핑을 수행할 수 있다.
리튬금속박(10)에 형성되는 구멍(15)들은 상부면(13)에서 하부면(11)을 향하여 수직 방향으로 관통되게 형성된다. 구멍(15)들은 펀칭, 드릴링, 식각 또는 레이저 등을 이용하여 형성할 수 있다. 구멍(15)은 원형, 타원형 또는 다각형으로 형성될 수 있다.
리튬금속박(10)에 형성되는 구멍(15)들의 기공율은 40% 이하일 수 있다. 기공율이 40%를 초과하게 되면, 오히려 리튬금속박(10)의 비표면적이 감소할 수 있기 때문이다. 비표면적을 확보하기 위해서 필요 이상으로 두꺼운 리튬금속박을 사용해야 하는 문제가 발생할 수 있기 때문이다. 리튬금속박(10)의 비표면적 및 두께를 고려할 때, 리튬금속박(10)의 기공율은 10 내지 30%가 바람직하다.
이와 같이 제1 실시예에 따른 리튬 이온 커패시터(100)는 음극(20)에 적층되는 리튬금속박(10)에 균일하게 구멍(15)을 형성함으로써, 리튬금속박(10)의 비표면적을 높여 리튬금속박(10)과 전해질이 충분히 접촉되도록 하여 리튬의 음극(20)으로의 사전 도핑 속도를 향상시킬 수 있다.
사전 도핑 속도를 향상시킴으로써, 사전 도핑을 통하여 리튬금속박(10)을 전부 소진한다. 이로 인해 음극(20)의 표면에 산화피막(SEI, Solid electrolyte interphase)이 형성된 후에 잔류하는 리튬 금속은 없다.
그리고 리튬금속박(10)에 균일하게 구멍(15)을 형성함으로써, 음극(20) 전체에 균일하게 리튬의 사전 도핑을 수행할 수 있다.
[제2 실시예]
한편 제1 실시예에 따른 리튬 이온 커패시터(100)는 음극(20), 분리막(30) 및 양극(40)을 구비하는 단위 셀을 구비하는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 실시예에 따른 리튬 이온 커패시터(200)는 복수의 단위 셀을 구비할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 리튬 이온 커패시터(200)를 보여주는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 제2 실시예에 따른 리튬 이온 커패시터(200)는 복수의 단위 셀을 포함한다. 즉 제2 실시예에 따른 리튬 이온 커패시터(200)는 탄소계 소재의 복수의 음극(21,23), 적어도 하나의 양극(40), 복수의 분리막(31,33) 및 리튬금속박(10,50)을 포함한다. 적어도 하나의 양극(40)은 복수의 음극(21,23) 사이에 교번되게 배치된다. 복수의 분리막(31,33)은 복수의 음극(21,23)과 적어도 하나의 양극(40) 사이에 개재된다. 그리고 리튬금속박(10,50)은 최외곽에 배치되는 음극(21,23)의 외측면에 적층된다. 이러한 리튬금속박(10,50)은 하부면과, 하부면에 반대되는 상부면을 갖는다. 리튬금속박(10,50)은 하부면에서 상부면으로 연결되게 구멍(15,55)들이 전면에 균일하게 형성되며, 복수의 음극(21,23)에 사전 도핑되는 리튬을 제공하며, 사전 도핑에 의해 소멸된다.
제2 실시예에 따른 리튬 이온 커패시터(200)는 2개의 단위 셀을 구비하는 예를 개시하였다. 즉 2개의 단위 셀은 제1 음극(21), 제1 분리막(31), 양극(40), 제2 분리막(33) 및 제2 음극(23)을 포함한다. 2개의 단위 셀은 제1 음극(21), 제1 분리막(31), 양극(40), 제2 분리막(33) 및 제2 음극(23)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다.
리튬금속박(10,50)은 제1 음극(21) 및 제2 음극(23)의 외측면에 각각 적층된다. 즉 리튬금속박(10,50)은 제1 음극(21)에 적층되는 제1 리튬금속박(10)과, 제2 음극(23)에 적층되는 제2 리튬금속박(50)을 포함한다. 제1 리튬금속박(10)은 제1 분리막(31)이 적층되는 제1 음극(21)의 면에 반대되는 면에 적층된다. 제2 리튬금속박(50)은 제2 분리막(33)이 적층되는 제2 음극(23)의 면에 반대되는 면에 적층된다. 즉 제1 및 제2 리튬금속박(10,50)은 제1 음극(21), 제1 분리막(31), 양극(40), 제2 분리막(33) 및 제2 음극(23)이 적층된 적층체의 양쪽 외측면에 위치하는 제1 및 제2 음극(21,23)의 면에 적층된다.
제1 리튬금속박(10)의 리튬은 사전 도핑을 통하여 제1 음극(21)에 전부 도핑되며, 사전 도핑 이후에 제1 리튬금속박(10)은 제1 음극(21)으로부터 소멸된다. 제2 리튬금속박(50)의 리튬은 사전 도핑을 통하여 제2 음극(23)에 전부 도핑되며, 사전 도핑 이후에 제2 리튬금속박(50)은 제2 음극(23)으로부터 소멸된다.
이와 같은 제2 실시예에 따른 리튬 이온 커패시터(200)는 음극(21,23)에 적층되는 리튬금속박(10,50)에 균일하게 구멍(15,55)을 형성함으로써, 리튬금속박(10,50)의 비표면적을 높여 리튬금속박(10,50)과 전해질이 충분히 접촉되도록 하여 리튬의 음극(21,23)으로의 사전 도핑 속도를 향상시킬 수 있다.
사전 도핑 속도를 향상시킴으로써, 사전 도핑을 통하여 리튬금속박(10,50)을 전부 소진한다. 이로 인해 음극(21,23)의 표면에 산화피막(SEI)이 형성된 후에 잔류하는 리튬 금속은 없다.
그리고 리튬금속박(10,50)에 균일하게 구멍(15,55)을 형성함으로써, 음극(21,23) 전체에 균일하게 리튬의 사전 도핑을 수행할 수 있다.
[실험예 및 비교예]
이와 같은 본 발명에 따른 리튬 이온 커패시터의 사전 도핑 속도의 향상 여부를 확인하기 위해서, 실험예 및 비교예에 따른 리튬 이온 커패시터를 제조하여 리튬의 사전 도핑 속도 및 방전효율을 평가하였다. 평가 결과는 아래의 표 1과 같다. 여기서 1회 방전효율을 테스트하기 위한 조건은, 충전 100C-rate 3.8V 이고, 방전 100C-rate 2.2V 이다.
　 리튬금속박 기공율
(%)		 가로
(㎜)		 세로
(㎜)		 두께
(㎛)		 도핑완료시간
(@55℃,Day)		 100th/1st
방전효율(%)
비교예1 Non punching 0 3.4 3.9 200 　14일 　98.3
실시예1 Punching 10 3.4 3.9 220 　10일 　98.9
실시예2 Punching 20 3.4 3.9 240 　8일 　98.7
실시예3 Punching 30 3.4 3.9 260 　10일 　98.1
실시예4 Punching 40 3.4 3.9 280 　12일 　97.8
먼저 비교예1, 실시예1 내지 4에 따른 리튬금속박으로는 공통적으로 3.4mmㅧ3.9mmㅧ200㎛을 크기를 갖는 리튬금속박을 사용하였다.
비교예1에서는 리튬금속박에 구멍을 형성하지 않았다. 실시예1 내지 4에서는 펀칭으로 기공율을 달리하여 구멍을 전면에 균일하게 형성하였다.
표 1을 참조하면, 비교예1 보다 구멍을 형성한 실시예1 내지 4에 따른 리튬금속박을 적용한 리튬 이온 커패시터의 사전 도핑 시간이 줄어든 것을 확인할 수 있다. 즉 실시예1 내지 4에 따른 리튬 이온 커패시터가 리튬의 사전 도핑 속도가 향상된 것을 확인할 수 있다.
그리고 사전 도핑 속도와 1차 방전효율을 고려할 때, 리튬금속박의 기공율은 10 내지 30%가 적절한 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10, 50 : 리튬금속박
15, 55 : 구멍
20, 21, 23 : 음극
30, 31. 33 : 분리막
40 : 양극
100, 200 : 리튬 이온 커패시터

Claims (7)

  1. 하부면과, 상기 하부면에 반대되는 상부면을 가지며, 상기 하부면에서 상기 상부면으로 연결되게 구멍들이 전면에 균일하게 형성되며, 음극에 사전 도핑되는 리튬을 제공하며 사전 도핑에 의해 소멸되는 리튬금속박;
    상기 리튬금속박 위에 적층되는 탄소계 소재의 음극;
    상기 음극 위에 적층되는 분리막; 및
    상기 분리막 위에 적층되는 양극;
    을 포함하는 리튬 이온 커패시터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리튬금속박은 상기 구멍들이 상기 상부면에서 상기 하부면을 향하여 수직 방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 리튬 이온 커패시터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 리튬금속박의 기공율은 40% 이하인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 커패시터.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 리튬금속박의 기공율은 10 내지 30%인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 커패시터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 양극과 상기 음극 사이에 전류를 흐르게 하는 전해질;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 커패시터.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 음극은 상기 음극 전체에 리튬이 프리 도핑될 수 있도록 다공성 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 커패시터.
  7. 탄소계 소재의 복수의 음극;
    상기 복수의 음극 사이에 교번되게 배치되는 적어도 하나의 양극;
    상기 복수의 음극과 상기 적어도 하나의 양극 사이에 개재되는 복수의 분리막; 및
    상기 최외곽에 배치되는 음극의 외측면에 적층되되, 하부면과, 상기 하부면에 반대되는 상부면을 가지며, 상기 하부면에서 상기 상부면으로 연결되게 구멍들이 전면에 균일하게 형성되며, 상기 복수의 음극에 사전 도핑되는 리튬을 제공하며, 사전 도핑에 의해 소멸되는 리튬금속박;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 커패시터.
KR1020210065159A 2021-05-21 2021-05-21 리튬 이온 커패시터 Ceased KR20220157533A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210065159A KR20220157533A (ko) 2021-05-21 2021-05-21 리튬 이온 커패시터

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210065159A KR20220157533A (ko) 2021-05-21 2021-05-21 리튬 이온 커패시터

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20220157533A true KR20220157533A (ko) 2022-11-29

Family

ID=84235291

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210065159A Ceased KR20220157533A (ko) 2021-05-21 2021-05-21 리튬 이온 커패시터

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20220157533A (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030000297A (ko) 2001-06-23 2003-01-06 삼성전자 주식회사 에싱 설비에서 가스 분배판을 취급하기 위한 장치

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030000297A (ko) 2001-06-23 2003-01-06 삼성전자 주식회사 에싱 설비에서 가스 분배판을 취급하기 위한 장치

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8288032B2 (en) Energy storage device cell and control method thereof
JP2021501961A (ja) 多層電極膜のための組成物および方法
KR101138594B1 (ko) 리튬 이온 커패시터
US8526166B2 (en) Lithium ion capacitor
US20110261502A1 (en) Charge storage device architecture for increasing energy and power density
CN102379017A (zh) 蓄电装置
US10636581B2 (en) Electric double layer capacitor
US20230387475A1 (en) Lithium supercapattery with stacked or wound negative and positive electrodes sets along with separator
US9099252B2 (en) Apparatus and associated methods
JP5855893B2 (ja) 非水系リチウム型蓄電素子の製造方法
KR20120129569A (ko) 하이브리드 커패시터
KR101113423B1 (ko) 리튬 이온 커패시터의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 리튬 이온 커패시터
WO2014049440A2 (en) Hybrid electrochemical energy storage device
KR20080081297A (ko) 리튬이온 커패시터
KR102028677B1 (ko) 그래핀 전극을 적용한 적층형 리튬 이온 커패시터
JP2012089823A (ja) リチウムイオンキャパシタ及びその製造方法
JP2012028366A (ja) 蓄電デバイス
KR101157500B1 (ko) 리튬이온 커패시터 셀 및 그 제조방법
KR20220157533A (ko) 리튬 이온 커패시터
KR101205846B1 (ko) 플레이트형 집전체를 갖는 리튬 이온 커패시터
JP6100473B2 (ja) 電気化学デバイス
KR20170113910A (ko) 리튬 이온 커패시터
KR101525879B1 (ko) 복합 전기 에너지 저장 장치
KR101173078B1 (ko) 리튬 이온 커패시터 및 그의 단자 접합 방법
KR20030045709A (ko) 탄소나노튜브-활성탄 하이브리드 전기화학 축전기의제조방법 및 그에 따라 제조된 하이브리드 전기화학 축전기

Legal Events

Date Code Title Description
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20210521

PA0201 Request for examination
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20220602

Patent event code: PE09021S01D

PG1501 Laying open of application
E601 Decision to refuse application
PE0601 Decision on rejection of patent

Patent event date: 20221219

Comment text: Decision to Refuse Application

Patent event code: PE06012S01D

Patent event date: 20220602

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event code: PE06011S01I