JP2011146668A

JP2011146668A - 電気二重層キャパシタ

Info

Publication number: JP2011146668A
Application number: JP2010144782A
Authority: JP
Inventors: Sung Ho Lee; ホリー、ソン; Chang Ryul Jung; リュルジュン、チャン; Wan Suk Yang; スークヤン、ワン; Hyun Chul Jung; チュルジュン、ヒュン; Yeong Su Cho; スチョー、ヨン
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2010-01-12
Filing date: 2010-06-25
Publication date: 2011-07-28
Also published as: KR20110082934A; US20110170234A1

Abstract

【課題】本発明は電気二重層キャパシタに関する。
【解決手段】本発明による電気二重層キャパシタは、対向して配置される第１及び第２電極とその間に形成されたイオン透過性分離膜を備える積層型電気二重層キャパシタセルと、上記積層型電気二重層キャパシタセルの外面を包み、複数の空隙を有する絶縁テープを含む。本発明による電気二重層キャパシタは、第１及び第２電極と分離膜の動きが最小化され、第１及び第２電極の対向する面積が広くなる。これにより、優れた電気容量を具現することができる。また、絶縁テープに形成された空隙により、電解液の移動経路が確保され、電気二重層キャパシタセル内に電解液の含浸が円滑に行われる。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は電気二重層キャパシタに関するもので、より具体的には、優れた容量と低い抵抗を有する電気二重層キャパシタに関する。

情報通信機器のような各種電子製品において、安定したエネルギーの供給は重要な要素となっている。一般的に、このような機能はキャパシタ（Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）によって行われる。即ち、キャパシタは、情報通信機器及び各種電子製品の回路で電気を蓄積して放出する機能を担当し、回路内の電気の流れを安定化させる役割をする。一般的なキャパシタは充放電時間が非常に短くて寿命が長く、出力密度は高いがエネルギー密度が小さいため、保存装置として使用するには限界がある。

このような限界を克服するために、最近では、充放電時間が短いながらも出力密度の高い電気二重層キャパシタのような新たな範疇のキャパシタが開発されており、二次電池と共に次世代エネルギー装置として脚光を浴びている。

電気二重層キャパシタ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＤｏｕｂｌｅＬａｙｅｒＣａｐａｃｉｔｏｒ）は、極性の異なる一対の電極を用いるエネルギー保存装置であって、継続的な充放電ができ、一般的な他のキャパシタに比べてエネルギー効率と出力が高く、かつ耐久性及び安全性に優れるという長所がある。これにより、最近では、帯電流で充放電できる電気二重層キャパシタが携帯電話用の補助電源、電気自動車用の補助電源、太陽電池用の補助電源等のように充放電の頻度の高い蓄電装置として有望視されている。

電気二重層キャパシタの基本的な構造は、多孔性電極のように表面積が相対的に大きい電極（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）、電解質（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）、集電体（ｃｕｒｒｅｎｔｃｏｌｌｅｃｔｏｒ）、分離膜（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）からなり、単位セル電極の両端に数ボルトの電圧を加え、電解液内のイオンが電場に沿って移動し、電極表面に吸着されて発生する電気化学的メカニズムを作動原理とする。

一般的に、一対の電極の間には一枚の分離膜が積層され、単位セルを構成し、単位セルが積層されてキャパシタセルを構成する。この際、一対の電極の重なる面積が広く、電解液の移動が円滑であるほど、キャパシタの容量は増大する。

本発明の目的は、優れた容量と低い抵抗を有する電気二重層キャパシタを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の一実施形態は対向して配置される第１及び第２電極とその間に形成されたイオン透過性分離膜を備える積層型電気二重層キャパシタセルと、上記積層型電気二重層キャパシタセルの外面を包み、複数の空隙を有する絶縁テープと、を含む電気二重層キャパシタを提供する。

上記絶縁テープは、上記積層型電気二重層キャパシタセルの外面全体を包むことができる。

上記絶縁テープは、上記積層型電気二重層キャパシタセルの外面の一部を包むことができる。

上記絶縁テープは、複数で構成され、互いが離隔され上記積層型電気二重層キャパシタセルの外面の一部を包むことができる。

上記積層型電気二重層キャパシタセルは、夫々１つの第１及び第２電極とその間に形成された分離膜を含む単位セルであることができる。

上記積層型電気二重層キャパシタセルは、夫々１つの第１及び第２電極とその間に形成された分離膜を単位セルとしたとき、上記単位セルが複数積層されたものであることができる。

上記分離膜は、平均直径が０．１から１．０ｍｍである複数の開口部を有することができる。

上記積層型電気二重層キャパシタセルは、上記第１及び第２電極に夫々形成された第１及び第２集電体をさらに含むことができる。

本発明の他の実施形態は、対向して配置される第１及び第２電極とその間に形成されるイオン透過性分離膜が備えられた電気二重層キャパシタセルを含み、上記分離膜は平均直径が０．１から１．０ｍｍである複数の開口部を有する電気二重層キャパシタを提供する。

上記電気二重層キャパシタセルは、夫々１つの第１及び第２電極とその間に形成された分離膜を単位セルとしたとき、上記単位セルが複数積層されたものであることができる。

本実施形態によれば、積層型電気二重層キャパシタセルは絶縁テープにより包まれており、上記絶縁テープは複数の空隙を有する。

上記絶縁テープにより第１及び第２電極と分離膜の動きが最小化され、第１及び第２電極の対向する面積が広くなる。これにより優れた電気容量を具現することができる。

また、絶縁テープに形成された空隙により電解液の移動経路が確保され、電気二重層キャパシタセル内に電解液の含浸が円滑に行われる。

また、積層型電気二重層キャパシタセルに含まれる分離膜は複数の開口部を含み、電解液の粘性及びイオンのサイズに関らずイオンの移動経路が確保され、抵抗を低くすることができる。

本発明の一実施形態による電気二重層キャパシタを示す概略的な斜視図である。図１ａのＩ−Ｉ'に沿って切開した電気二重層キャパシタを示す概略的な断面図である。本発明の一実施形態による電気二重層キャパシタの単位セルを示す概略的な斜視図である。本発明の他の実施形態による電気二重層キャパシタを示す概略的な斜視図である。本発明のさらに他の実施形態による電気二重層キャパシタを示す概略的な斜視図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。但し、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲が以下で説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は当業界において平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供される。従って、図面における要素の形状及びサイズ等はより明確な説明のために誇張されることがあり、図面上に同一符号で表示される要素は同一要素である。

図１ａは本発明の一実施形態による電気二重層キャパシタを示す概略的な斜視図であり、図１ｂは図１ａのＩ−Ｉ'に沿って切開した電気二重層キャパシタを示す概略的な断面図である。

図１ａ及び図１ｂを参照すると、本実施形態による電気二重層キャパシタ１００は積層型電気二重層キャパシタセルＣと、上記積層型電気二重層キャパシタセルを包む絶縁テープ１２０を含む。

上記積層型電気二重層キャパシタセルＣは、対向して配置される第１及び第２電極１１１、１１２とその間に形成されたイオン透過性分離膜１１５を含む。

１つの第１及び第２電極１１１、１１２と１つの分離膜１１５は、電気二重層キャパシタの単位セル１１０を構成し、複数の単位セルが積層されるとさらに高い電気容量を得ることができる。本実施形態では電気二重層キャパシタの単位セル１１０が複数積層された電気二重層キャパシタセルＣを示した。

また、図示されてはいないが、上記積層型電気二重層キャパシタセルは単位セルから成ることができる。

図２は本発明の一実施形態による電気二重層キャパシタの単位セル１１０を示す概略的な斜視図である。

本実施形態による電気二重層キャパシタの単位セル１１０は、対向して配置される第１及び第２電極１１１、１１２と、上記第１及び第２電極の間に形成されたイオン透過性分離膜１１５を含む。

上記第１及び第２電極１１１、１１２には、夫々第１及び第２集電体１１３、１１４が形成されてもよい。

上記第１及び第２集電体１１３、１１４に電極物質を塗布して第１及び第２電極を形成することができ、第１及び第２集電体１１３、１１４は電極物質が形成されない第１及び第２端子引出部１１３ａ、１１４ａを有することができる。

上記電極物質は特に制限されず、当業界において使用される電極材料を使用してもよく、例えば、比表面積の高い活性炭等を利用することができる。

第１及び第２集電体１１３、１１４は、夫々上記第１及び第２電極に電気的信号を伝達するための導電性シートであって、導電性ポリマーやゴムシートまたは金属箔（ｍｅｔａｌｌｉｃｆｏｉｌ）から成ることができる。

第１及び第２集電体１１３、１１４は、電気二重層キャパシタに電気的信号を伝達するための端子（不図示）と連結されるために、その形状は適切に変更されてもよい。例えば、複数の単位セルが積層された後に、複数の第１及び第２集電体１１３、１１４の第１及び第２端子引出部１１３ａ、１１４ａは１つに集まり、一部折れ曲がった形状を有することができる。

また、第１及び第２集電体を含まない場合であれば、電極物質を固体状のシートに製造し、第１及び第２電極を製造することができる。

上記分離膜１１５は、イオンが透過できるように多孔性物質から成ることができる。この場合、多孔性物質としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ガラス繊維等が挙げられる。

上記分離膜１１５は、多孔性物質であって、物質そのものに微細な空隙を含んでいる。本実施形態における上記イオン透過性分離膜１１５は上記微細な空隙の他に複数の開口部Ｐを有する。

一般的にイオン透過性分離膜の有する微細空隙は平均粒径がμｍ水準である。本実施形態における上記開口部の平均直径はｍｍ水準のサイズを有することができる。より具体的に上記開口部の平均直径は０．１から１．０ｍｍであることができる。

電気二重層キャパシタにおいて、電解液内のイオンは電場に沿って移動し電極の表面に吸着される。

この際、電解液内のイオンは上記イオン透過性分離膜を通過し、電極の表面に吸着される。イオン透過性分離膜１１５は微細空隙を含むが、本実施形態では、より大きいサイズの開口部を含み、イオンの移動をより円滑にする。

従って、電解液の粘性及びイオンのサイズに関らずイオンの移動経路が確保され、抵抗を低くすることができる。また、電解液の含浸工程において、電解液の浸透を円滑にすることができる。

本実施形態によれば、電気二重層キャパシタ１００は積層型電気二重層キャパシタセルＣを包む絶縁テープ１２０を含む。

本実施形態によれば、対向する１つの第１及び第２電極１１１、１１２とその間にイオン透過性分離膜１１５を積層して電気二重層キャパシタの単位セル１１０を製造し、単位セル１１０を積層して積層型電気二重層キャパシタセルＣを製造する。

第１及び第２電極とイオン透過性分離膜の積層工程のうち両電極が重なる部分を最大化し、イオン透過性分離膜と電極の動きを最小化するために、電気二重層キャパシタセルを絶縁テープで包んでもよい。

その後、絶縁テープで包んだ電気二重層キャパシタセルは真空中で電解液で含浸される。含浸工程により電解液は電気二重層キャパシタセルに深く浸透され、また、十分にウェッティング（ｗｅｔｔｉｎｇ）されなければならない。

電解液は陽イオンと陰イオンで構成され、電圧がかかると、夫々対向する電極に移動し、電極に吸着されなければならない。

しかし、絶縁テープが覆われた部分により、電解液が速く浸透しにくくなり得る。また、電解液の浸透は電解液の粘性、イオンのサイズ及びイオンの移動経路に影響を受けることがあり、絶縁テープにより電解液の移動経路が妨害されることがある。

電解液が電気二重層キャパシタセルに十分に浸透しないと、電気二重層キャパシタは充放電性能がうまく具現されにくい。このような問題は単位セルの積層数が増加するほど酷くなる。

本実施形態によれば、上記絶縁テープ１２０は複数の空隙Ｄを含む。上記空隙により電気二重層キャパシタセル内に電解液の含浸を円滑にする。絶縁テープにより電極及びイオン透過性分離膜の積層構造を保持すると共に、電解液の移動経路を確保することができる。

上記空隙の形状は、特に制限されず、円形、三角形、四角形等多様に設計してもよい。

また、空隙のサイズは、特に制限されず、積層型電気二重層キャパシタセルのサイズ及び電解液の種類等を考慮して適切に選択することができる。これに制限されないが、例えば、上記空隙の平均直径は０．１から５．０ｍｍであることができる。

また、上記絶縁テープ１２０は、積層型電気二重層キャパシタセルの外面の全領域を包むように形成されてもよい。絶縁テープの面積は積層型電気二重層キャパシタセルの外面の面積と同一であってもよい。

図３は本発明の他の実施形態による電気二重層キャパシタを示す概略的な斜視図である。上述の実施例と異なる構成要素を中心に説明し、同じ構成要素に対する詳細な説明は省略する。

図３を参照すると、本実施形態による電気二重層キャパシタ２００は積層型電気二重層キャパシタセルＣと、上記積層型電気二重層キャパシタセルを包む絶縁テープ２２０を含む。

上記積層型電気二重層キャパシタセルＣは、複数の単位セル２１０が積層されたもので、上記積層型電気二重層キャパシタセルを１つの絶縁テープ２２０が包んでいる。上記絶縁テープ２２０は上記積層型電気二重層キャパシタセルＣの一領域を包むもので、上記絶縁テープ２２０により第１及び第２電極と分離膜の動きが最小化され、電解液の含浸が円滑に行われる。また、本実施形態では上記絶縁テープ２２０の形成領域が少ないため、電解液の浸透が妨害される領域が少ない。

図４は本発明のさらに他の実施形態による電気二重層キャパシタを示す概略的な斜視図である。上述の実施例と異なる構成要素を中心に説明し、同じ構成要素に対する詳細な説明は省略する。

図４を参照すると、本実施形態による電気二重層キャパシタ３００は積層型電気二重層キャパシタセルＣと上記積層型電気二重層キャパシタセルを包む絶縁テープ３２０を含む。

上記積層型電気二重層キャパシタセルＣは、複数の単位セル３１０が積層されたもので、上記積層型電気二重層キャパシタセルＣを複数の絶縁テープ３２１、３２２、３２３が包んでいる。上記絶縁テープ３２０は複数で構成され、互いが離隔され上記積層型電気二重層キャパシタセルの外面の一部を包んでいる。

上記絶縁テープ３２０により第１及び第２電極と分離膜の動きが最小化され、電解液の含浸が円滑に行われる。また、本実施形態では上記絶縁テープ３２０の形成領域が少ないため、電解液の浸透が妨害される領域が少ない。

１００、２００、３００電気二重層キャパシタ
Ｃ積層型電気二重層キャパシタセル
１１０、２１０、３１０単位セル
１２０、２２０、３２０絶縁テープ
１１１、１１２第１及び第２電極
１１３、１１４第１及び第２集電体
１１５イオン透過性分離膜

Claims

対向して配置される第１及び第２電極とその間に形成されたイオン透過性分離膜を備える積層型電気二重層キャパシタセルと、
前記積層型電気二重層キャパシタセルの外面を包み、複数の空隙を有する絶縁テープと、
を含む電気二重層キャパシタ。
前記絶縁テープは、前記積層型電気二重層キャパシタセルの外面全体を包むことを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
前記絶縁テープは、前記積層型電気二重層キャパシタセルの外面の一部を包むことを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
前記絶縁テープは、複数で構成され、互いが離隔され前記積層型電気二重層キャパシタセルの外面の一部を包むことを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
前記積層型電気二重層キャパシタセルは、夫々１つの第１及び第２電極とその間に形成されたイオン透過性分離膜を含む単位セルであることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電気二重層キャパシタ。
前記積層型電気二重層キャパシタセルは、夫々１つの第１及び第２電極とその間に形成されたイオン透過性分離膜を単位セルとしたとき、前記単位セルが複数積層されたことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電気二重層キャパシタ。
前記イオン透過性分離膜は、平均直径が０．１から１．０ｍｍである複数の開口部を有することを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の電気二重層キャパシタ。
前記積層型電気二重層キャパシタセルは、前記第１及び第２電極に夫々形成された第１及び第２集電体をさらに含むことを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の電気二重層キャパシタ。
対向して配置される第１及び第２電極とその間に形成されるイオン透過性分離膜が備えられた積層型電気二重層キャパシタセルを含み、
前記イオン透過性分離膜は平均直径が０．１から１．０ｍｍである複数の開口部を有する電気二重層キャパシタ。
前記積層型電気二重層キャパシタセルは、夫々１つの第１及び第２電極とその間に形成されたイオン透過性分離膜を単位セルとしたとき、前記単位セルが複数積層されたことを特徴とする請求項９に記載の電気二重層キャパシタ。
前記積層型電気二重層キャパシタセルは、前記第１及び第２電極に夫々形成された第１及び第２集電体をさらに含むことを特徴とする請求項９または１０に記載の電気二重層キャパシタ。