KR100225159B1 - 전기 이중층 커패시터 - Google Patents

전기 이중층 커패시터

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Abstract

전기 이중층 커패시터는 각각 다공질 소결체로 형성된 두 개의 분극성 전극과, 기재와 이 기재에 혼합된 전도성 미립자로 구성된 전도성 재료로 각각 제조한 2개의 전류 콜렉터를 갖고 있다. 전류 콜렉터들은 분극성 전극들의 표면과 접촉을 유지하여 분극성 전극들의 구멍 내로 유입된다.

Description

전기 이중층 커패시터
제1도는본 발명의 일 실시예에 따른 전기 이중층 커패시터의 횡단면도.
제2도는 제1도의 원으로 둘러싸인 영역 (A)의 확대도.
제3도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 이중층 커패시터를 도시한 제2도와 유사한 확대도.
제4도는 종래의 전기 이중층 커패시터의 횡단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호설명
1 : 분극성 전극 2 : 전극 컬렉터
3 : 가스켓 4 : 세퍼레이터
11 : 분극성 전극 21 : 전극 컬렉터
[발명이 속하는 기술분야]
본 발명은 전기 이중층 원리를 이용한 대 정전 용량의 전기 이중층 커패시터에 관한 것이다.
[종래의 기술]
최근 전기 이중층 원리에 기초한 대용량 커패시터는 전자 시스템의 메모리용 백업 전원으로 개발되어 왔으며, 마이크로 컴퓨터 및 IC 메모리와 함께 널리 사용된다.
이러한 종류의 전기 이중층 커패시터에서는 종래 활성탄과 전해액으로 이루어지는 페이스트 전극이 사용되어 활성탄의 상호간 접촉저항이 크고, 전극이 되는 활성탄과 컬렉터의 접촉저항이 크다는 결점이 있었다.
전기 이중층 커패시터중 한 형태는, 예를 들어 미국 특허 제 3, 536, 963 호에 공개되어 있다.
첨부된 도면의 제4도는 공개된 전기 이중층 커패시터 구조를 도시하고 있다. 이 전기 이중층 커패시터는 컬렉터 전극쌍으로 제공된 전자 전도체의 전류 컬렉터 (20)쌍과 활성탄 입자로된 탄소 전극 (10) 쌍과 비도전성 가스켓 (30)과 그리고 전자가 상기 탄소 전극 (10)들 사이에서 이동하는 것을 방지하기 위하여 상기 탄소 전극(10)들 사이에 배치된 세퍼레이터 (40)로 구성된 단일 기본셀을 포함한다.
그리고, 상술한 탄소 전극 (10)은 가스켓 (30)과 세퍼레이터 (40)에 의한 상하 공간에 배치되어, 도전성의 탄력성이 있는 컬렉터 (20)가 가스켓 (30)의 둘레에 접착되어 탄소 전극 (10)을 가압함과 동시에, 전극 (10)과 컬렉터 (20)의 접촉을 꾀하고 있다.
탄소 전극 (10)은 분말 또는 미립자 활성탄과 전해액의 혼합물인 농축 슬러리(slurry)상태의 페이스트 전극으로 제조된다. 전해액은 이온 전도의 촉진제, 이온 공급원(ion source) 그리고 탄소 입자의 결합체로서의 3 가지 기능을 수행한다.
전기 이중층 커패시터의 내부 저항이 작다는 것은 중요하다. 전기 이중층 커패시터의 내부 저항은 분극성 전극을 형성하고 있는 활성탄의 접촉 저항과 그리고 컬렉터 전극과 분극성 전극과의 접촉 저항에 의해 크게 영향을 받는다.
그러므로, 분극성 전극의 내부 저항과 컬렉터 전극과 분극성 전극간의 접촉 저항을 작게하기 위하여 각 기본 셀에 그의 상하방향으로부터 압력을 가하여 페스트 활성탄 입자들의 전기적 접촉이 양호하게 할 필요가 있다.
종래의 전기 이중층 커패시터의 각 셀들은, 전극의 크기, 탄소물질의 입자 크기 또는 사용된 전해액의 종류에 따라 다르지만, 약 100kg/cm2의 압력이 필요하다.
[발명이 해결하고자 하는 과제]
상술한 바와 같이, 종래의 전기 이중층 커패시터에서는, 전극의 내부저항이나 전극과 컬렉터의 접촉저항을 감소시키기 위하여 기본 셀에 소정의 압력을 가하고, 커패시터의 외장을 변형시키므로써 또는 전류 컬렉터를 가스켓에 강하게 접착시키므로써 압력하에 놓여진다.
한편, 전기 이중층 커패시터가 모터 구동용 전원과 같은 대정전 용량으로 사용된다면, 그 경우에는 기본 셀의 전극 단면적을 증가시킬 필요가 있으므로 긴 가압력을 증대시켜야 한다. 그러나, 압력을 증가시키면, 압력을 가하는 수단의 선택 및 기본 셀을 수납하는 외장 케이스의 강도가 높아야 할 필요성 등과 같은 몇가지 실제적인 문제에 봉착하게 된다.
본 발명의 목적은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 분극성 전극과 전해질의 접촉을 구성하는, 전기 이중층을 포함하는 전기이중층 커패시터에 있어서, 분극성 전극의 내부 저항 및 컬렉터 전극과 분극성 전극간의 접촉 저항이 감소된 전기 이중층 커패시터를 제공하는 것이다.
[과제를 해결하고자 하는 수단]
본 발명에 의하면, 다공성 소결체로 각각 형성되고, 각각의 한쪽면이 서로 접촉하지 않도록 마주향해 배치된 제 1표면 및, 기공을 포함하는 제2표면을 갖는 2개의 분극성 전극 ; 기재와 상기 기재에 혼합된 도전성 미립자를 포함하는 도전성 물질로 구성되고, 상기 분극성 전극의 제2표면에 접촉하고 분극성 전극의 제2표면의 기공들에 침입하여 접촉하는 2개의 전류 컬렉터 ; 및 상기 전류 컬렉터들간에 배치되고 상기 분극성 전극을 둘러싸고 상기 전류 컬렉터의 외주 에지에 결합된 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층을 갖는 전기 이중층 커패시터가 제공된다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징과 이점은 본 발명의 바람직한 실시예가 구체적인 예로서 도시된 첨부 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명으로부터 분명하게 될 것이다.
[실시예]
제1도는 본 발명의 실시예에 따른 전기 이중층 커패시터의 횡단면도를 도시하고 있다. 제2도는 제1도의 원으로 둘러싸인 영역 (A)의 확대도를 도시하고 있다.
제1도 및 제2도에 도시된 바와 같이, 전기 이중층 커채시터는 한쌍의 분극성 전극(1)을 갖고 있는데, 이들 각각은 플라즈마 분사와 같은 소성 (firing)또는 소결(sintering)공정에 의해 활성탄 미립자로서 제조한 다공성 판상 전극체의 형태로 되어 있으며, 상기 전극체에는 전해액을 함침시킨다.
입자들이 전극체 내에서 서로 결합하기 때문에 분극성 전극(1)의 내부 저항은 낮다. 이들은 다공성이므로 분극성 전극(1)의 표면적이 매우 크다. 분극성 전극들 (1)은 서로 접촉하지 않게 배설된 대향면을 갖고 있다. 분극성 전극(1)들 간에는 폴리프로필렌과 같은 비직포 (nownoven fabric)로 제조한 세퍼레이터 (4)가 개재되어 있는데 이는 분극성 전극(1)들이 상호 접촉하지 못하도록 하여 분극성 전극들간에 이온은 이동될 수 있게하고 전자는 이동될 수 없게 한다. 분극성 전극(1)들과 세퍼레이터 (4)는 그들을 둘러싸고 있는 가스켓 (3) 내에 배설된다.
한쌍의 전류 컬렉터 (2)는 각각 분극성 전극(1)들의 타방면과 접촉을 유지한다. 전류 컬렉터 (2)들은 다음과 같이 제조된다. 도전성 미립자들이 기재로서의 미가황 고무내에 혼합되고 이 혼합물은 열가황에 의해 전극(1)들에 부착되고 전류 컬렉터 (2) 물질은 다공성 전극체 기공내로 유입된다. 그리고, 전류 컬렉터(2)의 외주 에지는 가스켓(3)의 전 원주면에 긴밀하게 접촉하여 고착된다. 제2도의 확대도에 도시된 바와 같이, 전류 컬렉터 (2)들이 소성 또는 소결된 활성탄 전극(1)의 기공내로 유입되므로 전류 컬렉터 (2)들은 매우 넓은 영역에 걸쳐 전극 (1)들과 접축을 유지한다. 그러므로, 전류 컬렉터(2)들과 전극(1)들간의 접촉 저항은 매우 낮다.
상기에서 설명한 것과 같이 제조된 전기 이중층 커패시터는 이하에서 여러 가지 이점을 제공한다. 활성탄 미립자를 소성 또는 소결하여 전극체들을 제조하였으므로 소재의 입자들은 서로 결합하여 있으므로 전극체의 내부 저항은 낮다.
전류 컬렉터들은, 도전성 입자들을 혼합시킨 미가황 고무를 다공성 전극체들과 접촉시키고 그 다음 열경화(hot curing)를 행하여 상기 고무를 전극체들에 밀착시키므로써, 도전성 고무가 다공성 전극체의 기공내로 흘러들어간다. 따라서, 전극체와 전류 컬렉터가 상호 접촉하는 영역은 넓어지고 그들간의 전기적 접촉저항은 작게된다.
전극체들에 소정 전해액을 함침시키므로써, 전극체의 낮은 내부 저항과 전극체 및 전류 컬렉터간의 낮은 접촉 저항을 통하여 다공성 전극체의 넓은 표면에 축적된 전하를 끄집어 낼 수 있다.
따라서 본원 발명인 전기 이중층 커패시터는 정전용량이 크며 또한 내부 저항이 작다. 그리고 내부 저항과 접촉 저항을 줄이기 위해 종래의 커패시터에서는 필요하였던 높은 압력이 본 발명의 전기 이중층 커패시터에는 요구되지 않는다.
제3도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 이중층 커패시터에서, 다공성 전극과 전류 컬렉터가 결합하는 방식을 도시한 확대도이다.
제3도에서 전극(11)은 상기의 실시예와 동일하게 활성탄 미립자를 소결하여 전해액으로 함침시킨 다공성 판상 전극체 형태로 되어 있다.
전류 컬렉터 (21)는 탄소 미립자를 에폭시 수지와 같은 합성 수지 단량체에 혼합시켜 이 혼합물을 전극체에 도포하고 그리고 이 도포된 혼합물을 열을 가해서 또는 상온에서 고체화시킴으로서, 이 혼합물은 가스켓의 전 외주 에지에 밀착한 전류 컬렉터로 형성된다. 이렇게 구성된 본 발명의 실시예에서는 혼합된 탄소 입자에 의해 도전성을 가진 전류 컬렉터 (21)의 소재가 다공성 전극체의 기공내로 유입되어 그들과 접촉하여 고체화되므로 전류 컬렉터 (21)와 전해액으로 함침시킨 전극 (11)은 넓은 영역에서 서로 접촉하게 된다. 따라서, 전극(11)과 전류 컬렉터 (21)간의 접촉 저항은 매우 작게 된다.
[발명의 효과]
본 발명에 의하면, 다공성 활성탄의 입자를 소성 또는 소결하여 전극체로 하였으므로, 소재가 결합되어 내부저항이 낮은 수치가 되고, 또 전극체와 전극체의 접촉저항은 도전성 미가황 고무의 열가황시에 전극체의 다공성 기공부분에 들어가도록 하였으므로 넓은 접촉면적을 가져 상호간의 접촉저항은 낮은 수치가 되어 종래 커패시터와 같이 외부에서 압력을 가하여 저항치를 감소시킬 필요가 없고, 또한 대정전용량의 커패시터의 경우에도 외부에서의 가압은 전혀 필요없다는 이점을 얻게 된다.
특정한 바람직한 실시예가 도시되고 설명되었지만 첨부된 청구 범위의 영역을 벗어남이 없이 많은 수정 및 변경이 가해질 수 있음을 이해해야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 다공성 소결체로 각각 형성되고, 각각의 한쪽면이 서로 접촉하지 않도록 마주향해 배치된 제1표면 및, 기공을 포함하는 제2표면을 갖는 2개의 분극성 전극 ; 기재와 상기 기재에 혼합된 도전성 미립자를 포함하는 도전성 물질로 구성되고, 상기 분극성 전극의 제2표면에 접촉하고 분극성 전극의 제2표면의 기공들에 침입하여 접촉하는 2개의 전류 컬렉터 ; 및 상기 전류 컬렉터들간에 배치되고 상기 분극성 전극을 둘러싸고 상기 전류 컬렉터의 외주 에지에 결합된 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층을 갖는 전기 이중층 커패시터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 각각의 전류 컬렉터들의 상기 기재가 미가황 고무를 포함하고, 미가황 고무를 열경화시키므로써 상기 전류 컬렉터들이 상기 분극성 전극들에 고착되는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 각각의 전류 컬렉터들의 상기 기재가 에폭시수지계의 합성 수지 단량체를 포함하고, 상기 합성수지 단량체를 도포함으로써 전류 컬렉터들은 상기 분극성 전극들이 고착되는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 분극성 전극들간에 세퍼레이터 수단을 개재시켜, 상기 분극성 전극들간에 이온은 이동될 수 있게 하는 반면에 전자는 이동될 수 없게 하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
  5. 다공성 소결체로 각각 형성되고, 각각 서로 접촉하지 않도록 배치된 분극성 전극으로, 상기 분극성 전극은 분극성 전극상에 기공이 있고 ; 도전성 제료로 만들어지고, 상기 분극성 전극의 타방면에 접촉하여 분극성 전극의 기공들에 침입 접촉하는 2개의 전류 컬렉터 ; 및 상기 전류 컬렉터들간에 배치되고 상기 분극성 전극을 둘러싸고, 상기 전류 컬렉터에 부착된 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
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