JP2020509614A - 分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタ - Google Patents

Abstract

本発明は、分離膜なしに分離体を備えた電極を利用して電気二重層キャパシタ基本セルの導電性を改善して、電気エネルギー貯蔵および出力性能に優れた分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタ基本セルに関する。また、多数の電極対を同じ極性の集電板が接続されるように積層し、同じ極性が接続された多数の積層電極対の集電板を互いに接続して、電気二重層キャパシタセルの電気エネルギー貯蔵密度および出力性能が改善される分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルに関する。そして、多数の電気二重層キャパシタセルが外部の別途回路基板なしに直列接続して接触抵抗の増加による特性のばらつきを減らして、別途の補正回路の必要性を顕著に減らす分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルを直列接続したエネルギー貯蔵装置に関する。本発明の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタ基本セルは、集電板、前記集電板に一定模様の連続したパターンで凸状に突出して、集電板の長さおよび幅方向に繰り返されたパターンが形成された凸形状、または集電板の長さ方向に連続するパターンで凸状に突出し、集電板の幅方向に繰り返されたパターンが形成される分離体を含む電極を利用して電気二重層キャパシタ基本セルを構成したものであり得る。本発明による分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタ基本セルは、対向電極間の間隔を減らして、従来の電気二重層キャパシタ基本セルと比較して導電性が改善されて、電気エネルギー貯蔵および出力性能に優れているという効果がある。本発明の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルは、多数の本発明の分離体を備えた電極二重層キャパシタ基本セルの電極対を同じ極性どうし隣接して接触して接続されるように交互に積層配置して、従来積層される電極対と電極対の間に分離膜を使用して積層した電気二重層キャパシタセルと比較して積層される電極対が増加して、電導性の改善による電気エネルギー貯蔵および出力性能の改善と共に、電気エネルギー貯蔵密度の改善効果がある。また、多数の分離膜が必要ないので、これに伴う品質問題の改善と製造コストの節減効果がある。そして、本発明による分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルが直列接続されたエネルギー貯蔵装置は、エネルギー貯蔵装置容器内に多数の本発明の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルの終端負極集電板の前面と隣接して直列接続される他の本発明の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルの始端正極集電板の前面を接続して、エネルギー貯蔵装置容器内で直列接続されるように構成されて、従来別途の外部回路基板を使用して多数の電気二重層キャパシタセルを直列接続したエネルギー貯蔵装置と比較して外部回路基板の接続に応じた接続抵抗の増加による特性のばらつきを顕著に減らして、別途の補正回路の必要性を顕著に減らし、外部回路基板の使用による耐久性の限界を改善することができる。また、外部回路の保護のために別に必要であった機構物が必要ないので、製造コストの削減と耐久性の改善に卓越した効果がある。

Description

本発明は、電気エネルギー貯蔵装置、特に電気二重層キャパシタに関し、より詳細には、分離体を具備した電極を利用して分離膜なしに電気二重層キャパシタ内部の正極電極と負極電極が物理的に分離されて電気的に接触するのを防止しながらも、正極電極と負極電極が近接してすぐに対向するように配置され、電解質の陽イオンと陰イオンの移動の邪魔になる境界面なしにイオン的に連結するように構成されて導電度を改善し、エネルギー貯蔵および出力特性が向上する分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタに関する。

一般的に、電気二重層キャパシタ（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）は、キャパシタ容器（ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｃｏｎｔａｉｎｅｒ）の内部に集電板（ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｐｌａｔｅ）の役割をする導電体基板に大きな電気エネルギー貯蔵容量を得るために、単位表面積が大きい活性炭素（ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ）などで電極層（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｌａｙｅｒ）を形成した二つの導電体集電板をそれぞれ形成された電極層が対面するように配置し、二つの電極を物理的に分離して電気的に絶縁する絶縁体でありかつ内部の微細な多孔性通路を有する多孔性分離膜（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）を二つの電極層の間に配置して構成し、電解質をキャパシタ容器に満たして解離された陽イオンと陰イオンが分離膜の多孔性通路を通じて移動して二つの電極を連結するようにし、キャパシタ容器キャップ（ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｃｏｎｔａｉｎｅｒ ｃａｐ）で密封して構成すると、電気二重層キャパシタ基本セルとして動作する。

図１は、従来の電気二重層キャパシタ基本セルを概略的に示す構造図である。

図１に示すように、従来の電気二重層キャパシタ基本セル１００は、キャパシタ容器１１０の一面が単位表面積が大きい活性炭素などで正極電極層（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｌａｙｅｒ）１２２が形成された正極集電板（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｐｌａｔｅ）１２６と、同じ方法で一面が活性炭素などで負極電極層（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｌａｙｅｒ）１２４が形成された負極集電板（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｐｌａｔｅ）１２８を正極電極層１２２と負極電極層１２４の二つの電極層の面が互いに対面するように配置し、正極電極層１２２と負極電極層１２４との間に多孔性の分離膜（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）１４０を配置して、正極電極層１２２と負極電極層１２４が分離されて電気的に絶縁され、電解質（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）１６０をキャパシタ容器１１０に満たして解離される陽イオンと陰イオンが分離膜１４０の多孔性通路を移動して連結されるように構成する。キャパシタ容器１１０に電解質１６０が満たされると、正極電極層１２２と負極電極層１２４の活性電極の表面境界面に電解質１６０溶媒分子が吸着され、吸着された電解質１６０溶媒分子を間に置いて正極電極層１２２には正極電極層１２２の陽電荷と電解質１６０の陰イオン、負極電極層１２４には負極電極層１２４の陰電荷（電子）と電解質１６０の陽イオンがそれぞれ対向して配列蓄積される電解質１６０溶媒分子の厚さ（数オングストローム、０．３ｎｍ〜０．８ｎｍ）のヘルムホルツ層（Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ ｌａｙｅｒ）が正極電極層１２２と負極電極層１２４の表面境界面にそれぞれ形成されて、二重層が形成され、外部負荷（不図示）または充電器（不図示）連結のためにキャパシタ容器キャップ１１２を通じて正極集電板１２６と負極集電板１２８にそれぞれ正極電気リード（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｌｅａｄ）１７２、負極電気リード（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｌｅａｄ）１７４を連結して構成される。このような従来の電気二重層キャパシタ基本セル１００の正極電気リード１７２と負極電気リード１７４の両端に充電器が連結されて、負極電極層１２４に陰電荷（電子）が印加されると、負極電極層１２４と電解質１６０の表面境界面に形成されたヘルムホルツ層に接した電解質１６０に任意分布した陽イオンが電解質１６０溶媒と分離膜１４０の多孔性通路に移動して印加される陰電荷（電子）に比例してヘルムホルツ層を間に置いて対向して配列蓄積され、同時に正極電極層１２２には負極電極層１２４に蓄積される電子に比例した陽電荷が蓄積されて、正極電極層１２２と電解質１６０の表面境界面に形成されたヘルムホルツ層に陰イオンが移動してヘルムホルツ層を間に置いて対向して配列蓄積される過程で電気エネルギーが貯蔵して充電され、負荷に連結されると、正極電極層１２２と負極電極層１２４それぞれのヘルムホルツ層に配列蓄積された電気エネルギーの電位差により負極電極層１２４に蓄積された陰電荷（電子）が負荷を通じて作動し、正極電極層１２２の陽電荷と結合消滅されながら、正極電極層１２２と負極電極層１２４の表面境界のヘルムホルツ二重層に帯電拘束されて、物理的に配列蓄積されていた陽イオンと陰イオンは、ヘルムホルツ二重層で分離されて任意分布する過程を通じて電気エネルギーを放電する。

しかしながら、従来の電気二重層キャパシタ基本セル１００では、正極電極層１２２と負極電極層１２４との間に配置されて、二つの電極の直接的な接触を防止し、多孔性気孔を通じてイオンが通過する分離膜１４０が、一般的な多孔性指標基準気孔率３０〜５０％乃至２０〜５０μｍの厚さで電荷を直接的に蓄積する溶媒分子厚さ（数オングストローム、０．３〜０．８ｎｍ）のヘルムホルツ層に比べて数十万倍厚い層で陽イオンと陰イオンの移動を可能にすると同時に、抵抗として作用して電気二重層キャパシタ基本セル１００の伝導度（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）の低下を誘発する。さらに、絶縁特性の低下を誘発することができる気孔率を改善し、製造工程上の容易性を高めるために、分離膜１４０の厚さを増加させる場合、正極電極層１２２と負極電極層１２４にそれぞれ形成されたヘルムホルツ二重層間のイオン移動距離は、分離膜１４０の厚さの増加に比例して増加し、電気二重層キャパシタ基本セル１００の伝導度をさらに低下させて、電気二重層キャパシタ基本セル１００のエネルギー貯蔵効率および出力特性の低下を誘発するという短所がある。

図２および図３は、従来の電気二重層キャパシタセルを概略的に示す構造図と電極積層模式図である。

図２と図３に示すように、従来の電気二重層キャパシタセル２００は、電気エネルギー貯蔵容量を高めるために、前記電気二重層キャパシタ基本セル１００の電極対（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｐａｉｒ）を積層し、各電極対の間には分離膜１４０を配置して、各電極対の正極電気リード１７２と負極電気リード１７４を正極コネクター（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ）２１０と負極コネクター（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ）２２０で連結し、各電極対の正極電気リード１７２と負極電気リード１７４を直接接続して並列連結されるように構成する。電気二重層キャパシタ基本セル１００の電極対は、キャパシタ特性によって電極面積が増加すると、キャパシタ容量が増加し、電気二重層キャパシタセル２００は、積層された各電極対が並列連結されて、電極面積が増加して、電気エネルギー貯蔵容量が拡張される。

ところが、電気エネルギー貯蔵容量の拡張のために積層される電気二重層キャパシタ基本セル１００の電極対の間に分離膜１４０を配置して、面積当たりの容量拡大に限界を有するという短所がある。

図４は、多数の従来の二重層キャパシタセルが直列接続されたエネルギー貯蔵装置を概略的に示す構造図である。

図４に示すように、多数の従来の二重層キャパシタセル２００が直列接続されたエネルギー貯蔵装置４００は、直列接続される電気二重層キャパシタセル２００が使用する電解質１６０によって水溶性電解質と有機性電解質に区分され、水溶性電解質を使用する場合、１Ｖ〜１．５Ｖのセル電圧を有し、有機性電解質を使用する場合、２Ｖ〜３Ｖのセル電圧を有していて、一般的に高電圧が必要なエネルギー貯蔵装置に使用するためには、多数の電気二重層キャパシタセル２００を直列接続して、使用電圧を負荷に適合した高電圧にして使用する。多数の電気二重層キャパシタセル２００が直列接続されるように、エネルギー貯蔵装置の正極端子（ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｐａｃｋ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ）４２０、エネルギー貯蔵装置の負極端子（ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｐａｃｋ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ）４４０、個別の電気二重層キャパシタセルを付着するための正極電線半田ホール（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｌｅａｄ ｓｏｌｄｅｒ ｈｏｌｅ）４１２、負極電線半田ホール（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｌｅａｄ ｓｏｌｄｅｒ ｈｏｌｅ）４１４および連結金属板（ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔａｌ ｐｌａｔｅ）４１６が構成された別途の回路基板（ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ）４１０を使用してそれぞれの電気二重層キャパシタセル正極リード（ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｌｅａｄ）２５０と電気二重層キャパシタセル負極リード（ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｌｅａｄ）２６０を接続して構成される。

電圧を高めるために、外部に別途構成された回路基板４１０に電気二重層キャパシタセル正極リード２５０と電気二重層キャパシタセル負極リード２６０を使用して接続することによって、分離膜１４０によるそれぞれの電気二重層キャパシタセル２００の内部抵抗に加えて、電気二重層キャパシタセル正極リード２５０および電気二重層キャパシタセル負極リード２６０の接触抵抗成分、外部回路基板４１０を使用した直列接続による正極電線半田ホール４１２、負極電線半田ホール４１４の接続抵抗および連結金属板４１６による抵抗成分の増加により、電気二重層キャパシタセル２００の全体の接続抵抗が大きく増加することになって、多数の電気二重層キャパシタセル２００を直列接続して高い電圧を使用する場合、製造工程による電気二重層キャパシタセル２００間のキャパシタ容量成分と抵抗成分の特性のばらつきに直列接続により増加した接続抵抗に比例した時定数の増加によって電気二重層キャパシタセル２００の充電特性のばらつきが深刻となる可能性があり、結果的に、多数の電気二重層キャパシタセル２００が直列接続されたエネルギー貯蔵装置４００に短時間に充電が完了するセルと充電完了に長い時間が必要とされるセルの充電偏差現象が誘発され得る。

このような充電偏差が深刻となる現象が誘発され得る多数の電気二重層キャパシタセル２００が直列接続されたエネルギー貯蔵装置４００の全体セルを継続して充電する場合、先に充電が完了する電気二重層キャパシタセル２００は、充電完了によってセルの抵抗が追加的に増加して、多数の電気二重層キャパシタセル２００が直列接続されたエネルギー貯蔵装置４００の正極端子４２０と負極端子４４０に印加された高電圧が直列接続された多数のセルに均等に分割されて印加されずに、完全充電により抵抗が増加する電気二重層キャパシタセル２００に高い電圧が集中する現象が誘発されて、電気二重層キャパシタセル２００の内部にポリプロピレン（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）、ポリエチレン（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）またはポリアミド（ｐｏｌｙａｍｉｄｅ）などの材質である多孔性分離膜１４０の絶縁破壊が発生し得るので、多数の電気二重層キャパシタセル２００が直列接続されたエネルギー貯蔵装置４００の動作機能を喪失する場合があるので、外部回路基板４１０には、電気二重層キャパシタセル２００毎に接続抵抗の増加による特性のばらつきを補正するための平滑回路（ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ）を適用しなければならない短所があり、追加された平滑回路は、多数セルの充電のばらつきを補正する過程に充電された電気エネルギーを消耗し、充電時間を遅延させて、多数の電気二重層キャパシタセル２００が直列接続されたエネルギー貯蔵装置４００の効率、寿命および特性が平滑回路の機能により追加に低下する問題点がある。

本発明は、上記した従来の問題点を解決するためのものであって、本発明の目的は、分離体を備えた電極を提供して、分離膜なしに分離体を備えた電極から構成された電気二重層キャパシタ基本セルを提供することにある。

本発明の他の目的は、多数の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタ基本セル電極対が積層されて並列接続される分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルにおいて、分離体を備えた正極電極層が形成された正極集電板と分離体を備えた負極電極層が形成された負極集電板が対向された電極対の負極集電板と積層される他の電極対の負極集電板が接続されるように反対方向に積層し、前記の他の電極ペアの正極集電板と隣接して追加積層されるさらに他の電極対の正極集電板と隣接して同じ極性どうしが接触するように再び反対方向に交互に積層する方法を提供して、積層される前記電極対と前記他の電極対および前記さらに他の電極対の間に絶縁のための分離膜なしに多数の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルが積層されることを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、多数の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルが直列接続されて構成されるエネルギー貯蔵装置において、分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルの終端負極集電板の前面と隣接して連結される他の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルの始端正極集電板の前面が積層されて直列接続されるようにし、前記他の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルの終端負極集電板の前面に隣接して接続されるさらに他の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルの始端正極集電板の前面が積層されて直列接続する方法と、直列接続される分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルの前面接触面の周縁にセル枠（ｃｅｌｌ ｓｉｌｌ）が備えられる容器を提供して、外部の別途直列連結回路基板なしに多数の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルを直列接続したエネルギー貯蔵装置を提供することにある。

前記のような目的を達成するために、本発明の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタ基本セルは、キャパシタ容器、前記キャパシタ容器内の正極集電板、前記正極集電板の一面に一定模様の連続したパターンで凸状に突出して、前記正極集電板の長さおよび幅方向に繰り返されたパターンが形成された凸形状の高さがさらに高い絶縁体材質の分離体を具備した正極電極層と、負極集電板、前記負極集電板の一面に一定模様の連続したパターンで凸状に突出して、前記負極集電板の長さおよび幅方向に繰り返されたパターンが形成された凸形状の高さがさらに高い絶縁体材質の分離体を具備した電極層層、が互いに対向する電極対で配置され、前記正極電極層と前記負極電極層にそれぞれさらに高く備えられた絶縁分離体の上部終端が互いに当接して前記正極電極層と前記負極電極層が物理的に分離されて電気的に接触するのを防止するように構成され、前記キャパシタ容器に電解質を満たして前記正極電極層と前記電極層が電解質の陽イオンと陰イオンの移動により接続されるように構成したことを特徴とする。

前記絶縁体材質の分離体は、円形または多角形の形態で電極層より高く突出したものであり、電極層より高く突出した絶縁体材質の分離体の大きさと間隔を領域別に異ならせて、多様な大きさと間隔を有する分離体が電極層より高く突出するように具現されたものである。

前記のような他の目的を達成するために、多数の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセル電極対が積層されて並列接続される本発明の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルは、キャパシタ容器、前記キャパシタ容器内に分離体を備えた正極電極層が形成された正極集電板と分離体を備えた負極電極層が形成された負極集電板が対向された電極対の負極集電板と隣接して積層される他の電極対の負極集電板が接続されるように他の電極ペアを反対方向に積層し、前記の他の電極対の正極集電板と隣接して積層されるさらに他の電極対の正極集電板が隣接して同じ極性どうし接触するようにさらに他の電極対を再び反対方向に交互に積層する方法で多数の前記本発明の分離体を備えた電極二重層キャパシタ基本セル電極対を積層して配置し、各電極対の正極電極リードと負極電極リードを接続して並列接続されるように構成し、前記キャパシタ容器を電解質で満たしたことを特徴とする。

前記のようなさらに他の目的を達成するために、多数の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルが直列接続される本発明の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルが直列連結されたエネルギー貯蔵装置は、エネルギー貯蔵装置容器、前記エネルギー貯蔵装置容器内に分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルの終端負極集電板前面と隣接して接続される他の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルの始端正極集電板前面が積層されて直列連結されるようにし、前記他の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルの終端負極集電板前面に隣接して接続されるさらに他の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルの始端正極集電板前面が積層されて直列連結されるように構成して配置し、前記キャパシタ容器内に直列接続される本発明の分離体を備えた電極二重層キャパシタセルの前面接触面の周縁にセル枠を具備して、分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルそれぞれが区分されるようにしたことを特徴とする。

本発明による分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタ基本セルは、対向する正極電極層と負極電極層がそれぞれにさらに高く備えられた絶縁体材質の分離体終端が互いに当接して物理的に分離されるように間隙を形成して電気的に接触するのを防止する。したがって、分離体と電極層の段差を数マイクロメーターと同じか、またはそれ以下の範囲に限定すると、対向する二つの電極間の間隙を数マイクロ以下に減らして、相対的に電解質の陽イオンと陰イオンの移動距離を減らすことができ、対面する正極電極層と負極電極層の間に妨害物がないため、従来の数十マイクロ厚さの多孔性分離膜を使用する電気二重層キャパシタ基本セルと比較して導電性が大きく向上して、電気エネルギー貯蔵および出力性能に優れているという効果がある。また、製造工程が難しい多孔性分離膜を使用しないので、分離膜による耐久性の限界を改善することができ、製造コストを節減することができる。

本発明による多数の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタ基本セル電極対が積層されて並列接続される分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルは、分離体を備えた電気二重層キャパシタ基本セル電極対の負極集電板と積層される他の分離体を備えた電気二重層キャパシタ基本セル電極対の負極集電板が接続されるように反対方向に積層し、前記の他の分離体を備えた電極二重層キャパシタ基本セル電極対の正極集電板と隣接して追加積層されるさらに他の分離体を備えた電極二重層キャパシタ基本セル電極対の正極集電板と隣接して同じ極性どうしが接触するように再び反対方向に交互に積層配置して、従来積層される電極対と電極対の間に絶縁分離膜を使用して積層接続した電気二重層キャパシタセルと比較して単位面積当たり積層される電極対が増加して前記単位電極対の導電性の改善による電気エネルギー貯蔵および出力性能の改善に電気エネルギー貯蔵密度の追加改善効果がある。また、積層に必要な多数の分離膜を使用しないので、分離膜による耐久性の限界を改善することができ、製造コストを節減する効果がある。

本発明による多数の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルが直列接続されて構成されるエネルギー貯蔵装置は、エネルギー貯蔵装置容器内に本発明の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルをセルの終端負極集電板前面と隣接して直列接続される他の本発明の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルの始端である正極集電板の前面が直接接触接続し、前記本発明の他の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルの終端負極集電板前面に隣接して接続されるさらに他の本発明の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルの始端正極集電板前面が積層されて直列接続し、前記本発明の分離体を備えた電気二重層キャパシタセルが直列接続される接触面の周縁にセル枠（ｃｅｌｌ ｓｉｌｌ）を具備して、エネルギー貯蔵装置容器内で直列接続されるように構成されて、従来別途の外部回路基板を使用して多数の電気二重層キャパシタセルを直列接続したエネルギー貯蔵装置と比較して外部回路基板の接続に応じた接続抵抗の増加による特性のばらつきを顕著に減らして、別途の補正回路の必要性を顕著に減らし、外部回路基板の使用による耐久性の限界を改善することができる。また、外部回路の保護のために別に必要であった機構物が必要ないので、製造コスト削減と耐久性改善に効果がある。

図１は、従来の電気二重層キャパシタ基本セルを概略的に示す構造図である。 図２は、従来の電気二重層キャパシタセルを概略的に示す構造図である。 図３は、従来の電気二重層キャパシタセルの電極積層を概略的に示す模式図である。 図４は、従来の多数電気二重層キャパシタセルが直列接続されたエネルギー貯蔵装置を概略的に示す模式図である。 図５ａは、本発明の第１実施形態による分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタ基本セルを概略的に示す構造図である。 図５ｂは、本発明の第１実施形態による分離体を備えた電極構造の側面図である。 図５ｃは、本発明の第１実施形態による分離体を備えた電極構造の平面図である。 図５ｄは、本発明の第２実施形態による分離体を備えた二重電極集電板構造の側面図である。 図５ｅは本発明の第３実施形態による縦ストライプ分離体を備えた電極集電板構造の側面図である。 図５ｆは、本発明の第３実施形態による縦ストライプ分離体を備えた電極集電板構造の平面図である。 図５ｇは、本発明の第４実施形態による縦ストライプ分離体を備えた二重電極集電板構造の側面図である。 図６ａは、本発明の第１実施形態による分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルを概略的に示す構造図である。 図６ｂは、本発明の第１実施形態による分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルの電極対積層を概略的に示す模式図である。 図７ａは、本発明の第２実施形態による分離体を備えた二重電極を有する電気二重層キャパシタセルを概略的に示す構造図である。 図７ｂは、本発明の第２実施形態による分離体を備えた二重電極を有する電気二重層キャパシタセルの電極対積層を概略的に示す模式図である。 図８ａは、本発明の第１実施形態による多数の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルが直列接続されたエネルギー貯蔵装置の概略的な構造図である。 図８ｂは、多数の本発明の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルが直列接続されたエネルギー貯蔵装置容器の概略的な内部構造側面図である。 図８ｃは、多数の本発明の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルが直列接続されたエネルギー貯蔵装置容器を概略的に示す模式図である。 図９は、本発明の第２実施形態による多数の分離体を備えた二重電極を有する電気二重層キャパシタセルが直列接続されたエネルギー貯蔵装置の概略的な構造図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態による分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタ基本セル、多数の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタ基本セル電極対を積層して並列接続した分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルおよび多数の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルを直列接続したエネルギー貯蔵装置について説明する。図面に表示された構成は、本発明の概念を説明するための概念図であって、構成に関する説明のうち公知の技術に関する説明は省略する。

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ものである。したがって、図面での要素の形状および大きさなどは、より明確な説明のために拡大または縮小されて説明され得る。

まず、本発明によって集電板に一定模様の連続したパターンで凸状に突出して、前記集電板の長さおよび幅方向に繰り返されたパターンが形成された凸形状の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタは、多様な実施形態が可能であり、第１実施形態は、集電板の一面に分離体を備えた電極を形成した例であり、第２実施形態は、集電板の両面に分離体を備えた電極を形成した分離体を備えた二重電極集電板構造を形成した例であり、第３実施形態は、集電板の一面に前記集電板の長さ方向に連続するストライプパターンで形成された縦ストライプ分離体を備えた電極を形成した例であり、第４実施形態は、集電板の両面に集電板の長さ方向に連続するストライプパターンで形成された縦ストライプ分離体が備えられた電極がそれぞれ二重で形成された縦ストライプ分離体を備えた二重電極集電板が形成された例である。

図５ａは、本発明の第１実施形態による分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタ基本セルの構造図であり、図５ｂは、図５ａに示された分離体を備えた電極構造の側面図であり、図５ｃは、図５ａに示された分離体を備えた電極構造の平面図である。

図５ａを参照すると、第１実施形態による分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタ基本セル５００は、キャパシタ容器５１０、前記キャパシタ容器５１０内に正極集電板５２６の一面に一定模様の連続するパターンで凸状に突出して、前記正極集電板の長さおよび幅方向に繰り返されたパターンが形成された凸形状の高さがさらに高い絶縁体材質の分離体５２１を具備した正極電極層５２２の分離体を備えた電極５２０、これと同様に、負極集電板５２８の一面に一定模様の連続するパターンで凸状に突出して、前記負極集電板の長さおよび幅方向に繰り返されたパターンが形成された凸形状の高さがさらに高い絶縁体材質の分離体５２１を具備した負極電極層５２４の他の分離体を備えた電極５２０が互いに対向する電極対として配置され、前記正極電極層５２２と前記負極電極層５２４にそれぞれさらに高く備えられた絶縁体材質の分離体５２１の上部終端が互いに当接して前記正極電極層５２２と前記負極電極層５２４が物理的に分離されて電気的に接触するのを防止するように間隙が形成されるように構成し、前記キャパシタ容器５１０に電解質５６０を満たして正極電極層５２２と前記負極電極層５２４が電解質の陽イオンと陰イオンの移動により接続されるように構成したものである。

このような第１実施形態の分離体を備えた電極５２０は、前記正極集電板５２６および前記負極集電板５２８上にフォトレジスト（ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ）のような絶縁体層をコーティングし、一定パターンの模様を除いた部分をエッチング（ｅｔｃｈｉｎｇ）で除去して、一定模様の凸状に突出した絶縁体パターンを形成し、単位表面積が大きい活性炭素などの素材を利用したペースト（ｐａｓｔｅ）を印刷および熱圧着または焼成して、前記正極電極層５２２と前記負極電極層５２４を形成する過程を通じて製造されるか、絶縁体素材を利用して前記正極集電板５２６および前記負極集電板５２８上に一定パターンの模様で凸状に突出したパターンの前記分離体５２１を印刷および焼成を通じて直接形成し、単位表面積が大きい活性炭素などの素材を利用したペーストを印刷および熱圧着または焼成して、前記正極電極層５２２と前記負極電極層５２４を形成して製造されるか、または、前記正極集電板５２６および前記負極集電板５２８の一面に単位表面積が大きい活性炭素などの素材を利用した電極ペーストを印刷して乾燥した後、別途製作された絶縁体素材の分離体５２１を前記正極電極層５２２および前記負極電極層５２４に挿入して仮形成し、前記正極電極層５２２および前記負極電極層５２４を熱圧着または焼成して製造され得、その他多様な工程技法を応用して製作することができる。

図５ａ〜図５ｃを参照すると、本発明の第１実施形態による分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタ基本セル５００は、キャパシタ容器５１０内に正極集電板５２６および負極集電板５２８それぞれの一面に一定模様の連続するパターンで凸状に突出する凸形状の高さがさらに高い絶縁体素材の分離体５２１が備えられた正極電極層５２２および負極電極層５２４が互いに対向する電極対として配置されて前記正極電極層５２２に正極電極層５２２より高く形成された分離体５２１の上部終端と負極電極層５２４に負極電極層５２４より高く形成された分離体５２１が互いに当接して前記正極電極層５２２と前記負極電極層５２２が物理的に分離されて電気的に接触するのが防止されるように間隙を形成するように構成され、前記キャパシタ容器５１０を電解質５６０で満たして前記正極電極層５２２と前記負極電極層５２４がイオンの移動により接続されるように構成したものである。

具体的に、分離体５２１は、それぞれの正極集電板５２６、負極集電板５２８上に形成される。このような分離体５２１は、円形または多角形の凸状に突出した凸形状でそれぞれの正極集電板５２６、負極集電板５２８上に連続した突出パターンを有するようにそれぞれの正極集電板５２６、負極集電板５２８上にフォトレジストのような絶縁層をコーティングし、一定パターン模様を除いた部分をエッチングで除去して、一定模様の凸状に突出した絶縁体パターンを形成するか、絶縁体素材を利用してそれぞれの正極集電板５２６、負極集電板５２８上に一定パターンの模様で凸状に突出したパターンの分離体５２１をすぐに形成するか、それぞれの正極集電板５２６、負極集電板５２８の一面に単位表面積が大きい活性炭素などの素材を利用した電極ペーストを印刷し、乾燥した後、別途製作された絶縁体素材の分離体５２１をそれぞれの正極電極層５２２、負極電極層５２４に挿入して配置し、熱圧着または焼成して製造され得、その他多様な工程技法を応用して形成することができる。

このように、それぞれの正極集電板５２６、負極集電板５２８上にコーティングされた絶縁体層を加工して形成された凸形状の分離体５２１が連続したパターンで反復配列された場合、分離体５２１が形成されたそれぞれの正極集電板５２６、負極集電板５２８上に単位表面積が大きい活性炭素などの素材を利用したペーストを印刷および熱圧着または焼成して、分離体５２１より低いそれぞれの正極電極層５２２と負極電極層５２４を形成して正極電極層５２２と負極電極層５２４が対面するように配置すると、正極集電板５２６と負極集電板５２８上に円形または多角形パターンで突出してそれぞれの正極電極層５２２と負極電極層５２４より高く形成された分離体５２１の終端が互いに当接して間隙を形成して、分離体５２１より低く形成された正極電極層５２２と負極電極層５２４が物理的に接触できないように空間的に分離して電気的な接触を防止して絶縁目的を達成することができる。

分離体５２１により空間的に分離される正極電極層５２２と負極電極層５２４の分離間隔は、連続して凸状に突出したパターンを形成する一つの単位凸形状の分離体５２１の幅ｗ、間隔ｄおよび段差ｇ等の様々な要因によって変わる。単位凸形状の分離体５２１の段差ｇが増加するほど、正極電極層５２２と負極電極層５２４の分離間隔は増加し、段差ｇが減少するほど正極電極層５２２と負極電極層５２４の分離間隔は減少する。電解質５６０の陽イオンと陰イオンの移動により接続される正極電極層５２２と負極電極層５２４のイオン移動伝導性は、正極電極層５２２と負極電極層５２４の分離間隔に反比例して増減する。また、単位凸形状の分離体５２１の幅ｗが広く、間隔ｄがこまかいほど正極電極層５２２と負極電極層５２４の実効対向面積が減少し、単位凸形状の分離体５２１の幅ｗが狭く、間隔ｄが広いほど正極電極層５２２と負極電極層５２４の実効対向面積が増加し、これに比例して、すなわち実効面積の増減に比例してイオン伝導性が増減する。すなわち、正極電極層５２２と負極電極層５２４の実効対向面積をＡ、電解質５６０の伝導率をσ、電解質の陽イオンと陰イオンの平均移動距離である正極電極層５２２と負極電極層５２４の分離間隔をＬとすると、電気伝導度Ｇは、下記のような関係式を有し、実効対向面積Ａの増加又は減少、陽イオンと陰イオンの平均移動距離の減少又は増加によって電気伝導度Ｇは比例して増減し、キャパシタセルの出力特性Ｐは、電気伝導度Ｇの増加に比例して増加する。

本発明の実施形態において分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタ基本セル５００のイオン移動による導電性の改善のためには、分離体５２１の幅ｗ、またはこれと隣接した他の分離体５２１との間隔ｄを１ｍｍ〜０．０１ｍｍ以内になるように形成することが好ましい。これは、単位分離体５２１の幅ｗまたはこれと隣接する他の単位分離体５２１の間隔ｄが０．０１ｍｍ未満の場合、分離体５２１が非常に微細な間隔で配列されて、正極電極層５２２と負極電極層５２４の実効対向面積が顕著に減少して、イオン移動による導電性改善の効果が相殺される可能性があり、１ｍｍを超過する場合には、それぞれの正極集電板５２６、負極集電板５２８により支持される分離体５２１終端の応力分散効果が減少して、分離体５２１による正極電極層５２２と負極電極層５２４の分離間隔が維持されにくいためである。

そして、それぞれの正極電極層５２２と負極電極層５２４より高く凸状に突出して形成された分離体５２１との段差ｇは、２０μｍと同じか、それ以下になるように形成することが好ましい。分離体５２１の段差ｇが２０μｍ以上である場合、それぞれの正極集電板５２６と負極集電板５２８に形成された分離体５２１の終端が互いに当接して分離される正極電極層５２２と負極電極層５２４の分離間隔が４０μｍ以上になって、電解質５６０のイオン移動による導電性改善の効果が顕著に減少しうる。

上記した本発明の第１実施形態によれば、正極集電板５２６および負極集電板５２８それぞれの一面に一定模様の連続するパターンで凸状に突出する凸彫形状の高さがさらに高い分離体５２１を含む正極電極層５２２と負極電極層５２４が互いに対向する電極対として配置されると、それぞれの分離体５２１が互いに当接して正極電極層５２２と負極電極層５２４の間にそれぞれ分離体５２１と電極層の段差ｇの２倍の該当する相対的に短い物理的間隔が形成されて電気的に絶縁されるように構成される。したがって、従来の電気二重層キャパシタ基本セルと比較して、分離膜なしに正極電極層と負極電極層を物理的に分離して電気的に絶縁され、キャパシタ容器に満たされる電解質の陽イオンと陰イオンの移動により接続される正極電極層と負極電極層の相対的な短い間隔は、イオン平均移動距離を短縮させ、正極電極層と負極電極層のイオン移動を遮断する妨害物がないので、実効対向面積の増加に増加することに比例して導電性が改善されて、電気エネルギー貯蔵および放電効率が改善され、相対的に不十分な多孔性分離膜の耐久性の限界以上で耐久性の改善が可能である。

図６ａは、本発明の第１実施形態による分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルの構造図であり、図６ｂは、図６ａに示された分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルの電極対の積層を概略的に示す模式図である。

図６ａを参照すると、第１実施形態による多数の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタ基本セル電極対が積層されて並列接続される分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセル６００は、キャパシタ容器５１０、前記キャパシタ容器５１０内に一面に分離体を備えた電極５２０が形成された正極集電板５２６と一面に分離体を備えた電極５２０が形成された負極集電板５２８をそれぞれの分離体を備えた電極５２０が対向するように配置して電極対を成し、前記負極集電板５２８の他の一面に隣接して積層される分離体を備えた電極５２０が形成された他の負極集電板５２８の他の一面が接続されるように他の電極対を反対方向に積層し、前記の他の電極対の分離体を備えた電極５２０が形成された他の正極集電板５２６と隣接して積層されるさらに他の電極対の分離体を備えた電極５２０が形成されたさらに他の正極集電板５２６と隣接して同じ極性どうし接触するようにさらに他の電極対を再び反対方向に交互に積層する方法で多数の分離体を備えた電極５２０がそれぞれ形成された同じ極性の正極集電板５２６と正極集電板５２６負極集電板５２８と負極集電板５２８を接続して配置し、接続された集電板を正極電気リード５７２、負極電気リード５７４、正極電気リード接続線６１０および負極電気リード接続線６２０を使用して接続し、同じ極性の正極集電板５２６、負極集電板５２８それぞれを直接接続して物理的に分離されて電気的に絶縁された対向された電極対の電極面積が拡張されるように並列接続して配置し、前記キャパシタ容器５１０に電解質５６０を満たして陽イオンと陰イオンの移動により接続されるようにしたものである。

図６ａおよび図６ｂを参照すると、本発明の第１実施形態による多数の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタ基本セル電極対が積層されて並列接続される分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセル６００の電極対の積層は、一面に分離体を備えた電極５２０が形成された正極集電板５２６と一面に分離体を備えた電極５２０が形成された負極集電板５２８が対向された電極対の前記分離体を備えた電極５２０が形成された負極集電板５２８と隣接して積層される他の電極対の分離体を備えた電極５２０が形成された他の負極集電板５２８が接続されるように他の電極対を反対方向に積層し、前記他の電極対の分離体を備えた電極５２０が形成された他の正極集電板５２６と隣接して積層されるさらに他の電極対の分離体を備えた電極５２０が形成された正極集電板５２６が隣接して同じ極性どうし接触するようにさらに他の電極対を再び反対方向に交互に積層する方法で多数の分離体を備えた電極５２０が形成された同じ極性の正極集電板５２６と正極集電板５２６、負極集電板５２８と負極集電板５２８が接続されて積層されるように構成したものである。

上記した本発明の第１実施形態による分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセル６００は、キャパシタ容器５１０、前記キャパシタ容器５１０内に一面に分離体を備えた電極５２０が形成された正極集電板５２６と一面に分離体を備えた電極５２０が形成された負極集電板５２８をそれぞれの分離体を備えた電極５２０が対向するように配置して電極対を成し、前記負極集電板５２８の他の一面に隣接して積層される分離体を備えた電極５２０が形成された他の負極集電板５２８の他の一面が接続されるように他の電極対を反対方向に積層し、前記の他の電極対の分離体を備えた電極５２０が形成された他の正極集電板５２６と隣接して積層されるさらに他の電極対の分離体を備えた電極５２０が形成されたさらに他の正極集電板５２６と隣接して同じ極性どうし接触するようにさらに他の電極対を再び反対方向に交互に積層する方法で多数の分離体を備えた電極５２０がそれぞれ形成された同じ極性の正極集電板５２６と正極集電板５２６、負極集電板５２８と負極集電板５２８を接続して配置し、接続された集電板を正極電気リード５７２、負極電気リード５７４、正極電気リード接続線６１０および負極電気リード接続線６２０を使用して接続したり、同じ極性の正極集電板５２６、負極集電板５２８それぞれを直接接続して物理的に分離されて電気的に絶縁された対向された電極対の電極面積が拡張されるように並列接続して配置し、前記キャパシタ容器５１０に電解質５６０を満たして陽イオンと陰イオンの移動により接続されるように配置し、前記キャパシタ容器５１０に電解質５６０を満たして陽イオンと陰イオンの移動により接続されるように構成される。したがって、従来の電気二重層キャパシタセルと比較して、分離膜なしに積層される多数の電極対を積層することができるので、電気エネルギー貯蔵密度および放電の効率が改善され、多孔性分離膜の耐久性の限界以上で耐久性の改善が可能である。

図８ａは、本発明の第１実施形態による多数の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルが直列接続されたエネルギー貯蔵装置の概略的な構造図であり、図８ｂは、図８ａに示された多数の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルが直列接続されたエネルギー貯蔵装置のエネルギー貯蔵装置容器の内部側面図であり、図８ｃは、図８ａに示された多数の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルが直列接続されたエネルギー貯蔵装置のエネルギー貯蔵装置容器を概略的に示す模式図である。

図８ａを参照すると、第１実施形態による多数の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセル６００が直列接続したエネルギー貯蔵装置８００は、エネルギー貯蔵装置容器８１０、前記エネルギー貯蔵装置容器８１０内に分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセル６００の終端負極集電板５２８の前面と隣接して接続される他の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセル６００の始端正極集電板５２６の前面が直列接続されるように積層し、前記他の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセル６００の終端負極集電板５２８の前面に隣接して接続されるさらに他の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセル６００の始端正極集電板５２６の前面が直列接続されるように積層する方法で多数の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセル６００を直列接続して配置し、前記正極集電板５２６の前面と前記負極集電板５２８の前面が直列接続されるそれぞれの接触面の周縁にセル枠（ｃｅｌｌ ｓｉｌｌ）８１４を形成する方法で多数の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセル６００がそれぞれ区分されて直列接続されるように構成したものである。

図８ａ〜図８ｃを参照すると、本発明の第１実施形態による多数の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセル６００が直列接続されたエネルギー貯蔵装置８００は、エネルギー貯蔵装置容器８１０内に分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセル６００の終端負極集電板５２８の前面と隣接して接続される他の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセル６００の始端正極集電板５２６の前面が直列接続されるように積層し、前記他の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセル６００の終端負極集電板５２８の前面に隣接して接続されるさらに他の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセル６００の始端正極集電板５２６の前面が直列接続されるように積層する方法で多数の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセル６００を直列接続して配置し、前記正極集電板５２６前面と前記負極集電板５２８前面が直列接続されるそれぞれの接触面の周縁にセル枠（ｃｅｌｌ ｓｉｌｌ）８１４を具備して直列接続された多数の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセル６００がそれぞれ区分されて直列接続されるように構成したことを特徴としたものである。

上記した本発明の第１実施形態による多数の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセル６００が直列接続されたエネルギー貯蔵装置８００は、エネルギー貯蔵装置容器８１０内に分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセル６００の終端負極集電板５２８の前面と隣接して接続される他の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセル６００の始端正極集電板５２６の前面が直列接続されるように積層し、前記他の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセル６００の終端負極集電板５２８の前面に隣接して接続されるさらに他の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセル６００の始端正極集電板５２６の前面が直列接続されるように積層する方法で多数の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセル６００を直列接続して配置し、前記正極集電板５２６前面と前記負極集電板５２８前面が直列接続されるそれぞれの接触面の周縁にセル枠（ｃｅｌｌ ｓｉｌｌ）８１４を形成する方法で多数の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセル６００がそれぞれ区分されて直列接続されるように構成したものである。したがって、従来多数の電気二重層キャパシタセルを直列接続したエネルギー貯蔵装置と比較して、別途の回路基板なしに多数の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセルをエネルギー貯蔵装置の内部で直列接続することができるので、外部回路基板を使用した直列接続によって接触抵抗の増加による特性のばらつきを顕著に減らし、別途の補正回路の必要性を顕著に減らし、外部回路基板の使用による機能的な耐久性の限界を改善し、外部回路基板の保護のための別途の機構物を使用する必要がないので、製造コストの削減と機構的な耐久性の限界を改善するという長所がある。

図５ｄは、本発明の第２実施形態による分離体を備えた二重電極集電板構造の側面図である。

図５ｄを参照すると、第２実施形態による分離体を備えた二重電極集電板５３０は、集電板５２７、前記集電板５２７の両面それぞれに形成される電極層５２３と前記集電板の両面それぞれに一定模様の連続するパターンで凸状に突出する凸彫形状の高さが前記電極層５２３より高い絶縁体材質の分離体５２１とから構成された分離体を備えた電極５２０が両面に備えられている。

図７ａは、本発明の第２実施形態による分離体を備えた二重電極を有する電気二重層キャパシタセルの構造図であり、図７ｂは、図７ａに示された分離体を備えた二重電極を有する電気二重層キャパシタセルの電極対積層を概略的に示す模式図である。

図７ａを参照すると、第２実施形態による分離体を備えた二重電極を有する電気二重層キャパシタセル７００は、キャパシタ容器５１０、前記キャパシタ容器５１０内に一面に分離体を備えた電極５２０が形成された正極集電板５２６と両面それぞれに分離体を備えた電極５２０が形成された分離体を備えた二重電極集電板５３０の一面が対向するように配置して電極対を成し、前記分離体を備えた二重電極集電板５３０の他の一面に他の分離体を備えた二重電極集電板５３０の一面が対向するように積層して他の電極対を成すように配置し、前記他の分離体を備えた二重電極集電板５３０の他の一面にさらに他の分離体を備えた二重電極集電板５３０の一面が対向するように積層してさらに他の電極対を成すように配置する方法で多数の分離体を備えた二重電極集電板５３０を積層して多数の電極対を構成し、最後に積層された分離体を備えた二重電極集電板５３０の他の一面と一面に分離体を備えた電極５２０が形成された負極集電板５２８が対向するように積層配置して終端の電極対を成すように構成し、各電極対の同じ極性を正極電気リード５７２、負極電気リード５７４、正極電気リード接続線６１０および負極電気リード接続線６２０を使用して接続し、直接接続して物理的に分離されて電気的に絶縁された対向される電極対の電極面積が拡張されるように並列接続して配置し、前記キャパシタ容器５１０に電解質５６０を満たして陽イオンと陰イオンの移動により接続されるようにしたものである。

図７ａおよび図７ｂを参照すると、本発明の第２実施形態による分離体を備えた二重電極を有する電気二重層キャパシタセル７００の電極積層は、一面に分離体を備えた電極５２０が形成された正極集電板５２６と両面それぞれに分離体を備えた電極５２０が形成された分離体を備えた二重電極集電板５３０の一面が対向するように積層して電極対を成し、前記分離体を備えた二重電極集電板５３０の他の一面に他の分離体を備えた二重電極集電板５３０の一面が対向するように積層して他の電極対を成すように配置し、前記他の分離体を備えた二重電極集電板５３０の他の一面にさらに他の分離体を備えた二重電極集電板５３０の一面が対向するように積層してさらに他の電極対を成すように配置する方法で多数の分離体を備えた二重電極集電板５３０を積層して多数の電極対を構成して最後に積層された分離体を備えた二重電極集電板５３０の他の一面と一面に分離体を備えた電極５２０が形成された負極集電板５２８が対向するように積層配置して終端の電極対を成すように配置して積層するものである。

上記した本発明の第２実施形態による分離体を備えた二重電極を有する電気二重層キャパシタセル７００は、キャパシタ容器５１０、前記キャパシタ容器５１０内に一面に分離体を備えた電極５２０が形成された正極集電板５２６と両面それぞれに分離体を備えた電極５２０が形成された分離体を備えた二重電極集電板５３０の一面が対向するように配置して電極対を成し、前記分離体を備えた二重電極集電板５３０の他の一面に他の分離体を備えた二重電極集電板５３０の一面が対向するように積層して他の電極対を成すように配置し、前記他の分離体を備えた二重電極集電板５３０の他の一面にさらに他の分離体を備えた二重電極集電板５３０の一面が対向するように積層してさらに他の電極対を成すように配置する方法で多数の分離体を備えた二重電極集電板５３０を積層して多数の電極対を構成し、最後に積層された分離体を備えた二重電極集電板５３０の他の一面と一面に分離体を備えた電極５２０が形成された負極集電板５２８が対向するように積層配置して終端の電極対を成すように構成し、各電極対の同じ極性を正極電気リード５７２、負極電気リード５７４、正極電気リード接続線６１０および負極電気リード接続線６２０を使用して接続し、直接接続して物理的に分離されて電気的に絶縁された対向する電極対の電極面積が拡張されるように並列接続して配置し、前記キャパシタ容器５１０に電解質５６０を満たして陽イオンと陰イオンの移動により接続されるように構成される。したがって、従来の電気二重層キャパシタセルと比較して、分離膜なしに各電極対の正極電極層と負極電極層が物理的に分離されて電気的に絶縁され、陽イオンと陰イオンの移動により接続される正極電極層と負極電極層間の陽イオンと陰イオンの移動距離を顕著に減らして、これに比例して導電性を改善することができ、また、分離膜なしに多数の電極対を積層することができ、積層される隣接する電極対と一つの集電板を共通集電板として使用することができるので、電気エネルギー貯蔵密度および放電効率が改善され、多孔性分離膜の耐久性の限界以上で耐久性の改善が可能である。

図９は、本発明の第２実施形態による多数の分離体を備えた二重電極を有する電気二重層キャパシタセルが直列接続されたエネルギー貯蔵装置の概略的な構造図である。

図９を参照すると、第２実施形態による多数の分離体を備えた二重電極を有する電気二重層キャパシタセル７００が直列接続されたエネルギー貯蔵装置９００は、エネルギー貯蔵装置容器８１０、前記エネルギー貯蔵装置容器８１０内に分離体を備えた二重電極を有する電気二重層キャパシタセル７００の終端負極集電板５２８の前面と隣接して接続される他の分離体を備えた二重電極を有する電気二重層キャパシタセル７００の始端正極集電板５２６の前面が直列接続されるように積層し、前記他の分離体を備えた二重電極を有する電気二重層キャパシタセル７００の終端負極集電板５２８の前面に隣接して接続されるさらに他の分離体を備えた二重電極を有する電気二重層キャパシタセル７００の始端正極集電板５２６の前面が直列接続されるように積層する方法で多数の分離体を備えた二重電極を有する電気二重層キャパシタセル７００を直列接続して配置し、前記正極集電板５２６の前面と前記負極集電板５２８の前面が直列接続されるそれぞれの接触面の周縁にセル枠（ｃｅｌｌ ｓｉｌｌ）８１４を形成する方法で多数の分離体を備えた二重電極を有する電気二重層キャパシタセル７００が直列接続するように構成したものである。

上記した本発明の第２実施形態による多数の分離体を備えた二重電極を有する電気二重層キャパシタセル７００が直列接続されたエネルギー貯蔵装置９００は、エネルギー貯蔵装置容器８１０内に分離体を備えた二重電極を有する電気二重層キャパシタセル７００終端の負極集電板５２８の前面と隣接して接続される他の分離体を備えた二重電極を有する電気二重層キャパシタセル７００の始端正極集電板５２６の前面が直列接続されるように積層し、前記他の分離体を備えた二重電極を有する電気二重層キャパシタセル７００の終端負極集電板５２８の前面に隣接して接続されるさらに他の分離体を備えた二重電極を有する電気二重層キャパシタセル７００の始端正極集電板５２６の前面が直列接続されるように積層する方法で多数の分離体を備えた二重電極を有する電気二重層キャパシタセル７００を直列接続して配置し、前記正極集電板５２６の前面と前記負極集電板５２８の前面が直列接続されるそれぞれの接触面の周縁にセル枠（ｃｅｌｌ ｓｉｌｌ）８１４を形成する方法で多数の分離体を備えた二重電極を有する電気二重層キャパシタセル７００が直列接続するように構成したものである。したがって、従来多数の電気二重層キャパシタセルを直列接続したエネルギー貯蔵装置と比較して、別途の回路基板なしに多数の分離体を備えた二重電極を有する電気二重層キャパシタセルをエネルギー貯蔵装置の内部で直列接続することができるので、直列接続に応じた接触抵抗の増加による特性のばらつきを顕著に減らして、別途の補正回路の必要性を顕著に減らし、外部回路基板の使用による機能的な耐久性の限界を改善し、外部回路基板の保護のための別途の機構物が使用する必要がないので、製造コストの削減と機構的な耐久性の限界を改善する長所がある。

図５ｅは、本発明の第３実施形態による縦ストライプ分離体を備えた電極集電板構造の側面図であり、図５ｆは、図５ｅに示された縦ストライプ分離体を備えた電極集電板構造の平面図である。

図５ｅおよび図５ｆを参照すると、本発明の第３実施形態による縦ストライプ分離体を備えた電極集電板５４０は、集電板５２７、前記集電板５２７の一面に形成される電極層５２３、前記集電板５２７の一面に前記集電板５２７の長さ方向に長く幅方向に一定の間隔をもって棒形状に突出する高さが前記電極層５２３より高い縦ストライプ分離体５４１から構成されている。

上記した本発明の第３実施形態による縦ストライプ分離体を備えた集電板５４０を、前記分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタ基本セル５００、前記分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセル６００、および前記多数の分離体を備えた電極を有する電気二重層キャパシタセル６００が直列接続されたエネルギー貯蔵装置８００に、分離体を備えた電極５２０と正極集電板５２６、分離体を備えた電極５２０と負極集電板５２７を代替して構成することができる。

図５ｇは、本発明の第４実施形態による縦ストライプ分離体を備えた二重電極集電板構造の側面図である。

図５ｇを参照すると、第４実施形態による縦ストライプ分離体を備えた二重電極集電板５５０は、集電板５２７、前記集電板５２７の両面それぞれに形成される電極層５２３、前記集電板５２７の両面それぞれに前記集電板５２７の長さ方向に長く幅方向に一定の間隔をもって棒形状に突出する高さが前記電極層５２３より高い縦ストライプ分離体５４１から構成されている。

上記した本発明の第４実施形態による縦ストライプ分離体を備えた二重電極集電板５５０を、前記分離体を備えた二重電極を有する電気二重層キャパシタセル７００、および前記多数の分離体を備えた二重電極を有する電気二重層キャパシタセル７００が直列接続されたエネルギー貯蔵装置９００に分離体を備えた二重電極集電板５３０を代替して構成することができる。

Claims (13)

1. 集電板と、
   前記集電板の一面に形成される電極層と、
   前記集電板の一面で一定模様の連続したパターンで前記電極層の表面に凸状に突出し、
   前記集電板の長さおよび幅方向に繰り返されたパターンを有する凸形状の多数の分離体と、
   を含む電気二重層キャパシタ。
2. 前記電極層と前記分離体は、
   前記集電板の両面に形成される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。
3. 前記分離体は、
   前記集電板上に絶縁体層をコーティングし、パターン模様を除いた部分をエッチングで除去して形成されるか、
   前記集電板上に絶縁体素材をパターン模様で印刷および焼成して形成されるか、
   絶縁体素材で別途製作して、前記集電板上の前記電極層に挿入した後、前記電極層を熱圧着または焼成して形成される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用電極。
4. 前記分離体は、
   円形または多角形の形態で前記集電板から突出して形成された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。
5. 前記分離体は、
   前記集電板の長さまたは幅方向の線（ｌｉｎｅ）形態で突出して形成された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。
6. 前記分離体は、
   幅ｗおよび間隔ｄを異ならせて形成される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。
7. 前記分離体は、
   幅ｗおよび間隔ｄが０．０１ｍｍ〜１．０ｍｍで形成されることを特徴とする請求項６に記載の電気二重層キャパシタ。
8. 前記分離体は、
   前記電極層の表面から２０μｍ以内の段差で突出する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。
9. 集電板と、
   前記集電板の一面に形成される電極層と、
   前記集電板の一面で一定模様の連続したパターンで前記電極層の表面に凸状に突出し、前記集電板の長さおよび幅方向に繰り返されたパターンを有する凸形状の多数の分離体と、を含み、
   一対の前記集電板は、前記電極層が対向するように結合され、かつ対向する前記電極層の間に間隔を形成するように、多数の前記分離体の端部が互いに当接しつつ結合されて、一対の前記電極層が物理的に分離されることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
10. 集電板と、
    前記集電板の一面に形成される電極層と、
    前記集電板の一面で一定模様の連続したパターンで前記電極層の表面に凸状に突出し、前記集電板の長さおよび幅方向に繰り返されたパターンを有する凸形状の多数の分離体と、を含み、
    一対の前記集電板は、前記電極層が対向するように結合され、かつ対向する前記電極層の間に間隔を形成するように、多数の前記分離体の端部が互いに当接しつつ、一対の前記電極層が物理的に分離されて結合されて、基本セルを構成し、
    前記集電板が互いに接するように厚さ方向に積層されることによって、多数の前記基本セルが並列接続される電気二重層キャパシタ。
11. 隣接する前記基本セルは、互いに接する前記集電板を共有し、
    前記電極層と前記分離体は、共有される前記集電板の両面に形成されることを特徴とする請求項１０に記載の電気二重層キャパシタ。
12. 集電板と、
    前記集電板の一面に形成される電極層と、
    前記集電板の一面で一定模様の連続したパターンで前記電極層の表面に凸状に突出し、前記集電板の長さおよび幅方向に繰り返されたパターンを有する凸形状の多数の分離体と、を含み、
    一対の前記集電板は、前記電極層が対向するように結合され、かつ対向する前記電極層の間に間隔を形成するように多数の前記分離体の端部が互いに当接しつつ、一対の前記電極層が物理的に分離されて結合されて、基本セルを構成し、
    前記集電板が互いに接するように厚さ方向に積層されることよって、多数の前記基本セルが並列接続されて、電気二重層キャパシタセルを構成し、
    前記電気二重層キャパシタセルの終端集電板と隣り合う電気二重層キャパシタセルの始端集電板が互いに集積接続されて直列接続されることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
13. 互いに接続される前記終端集電板と前記始端集電板の接続面にセル枠（ｃｅｌｌ ｓｉｌｌ）が形成されることを特徴とする請求項１２に記載の電気二重層キャパシタ。
    

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