KR100225167B1 - 전기 2중층 콘덴서 및 그에 사용되는 분극성 전극의 제조방법 - Google Patents

전기 2중층 콘덴서 및 그에 사용되는 분극성 전극의 제조방법

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Abstract

입자직경이 상이한 적어도 2종의 활성탄 미립자 분체를 혼합하고, 이 혼합된 활성탄 미립자 분체를 성형형에 수납하고 이 분체에 압력을 인가하면서 분체의 미립자간에 펄스상 전압을 인가시켜서 각 입자간에 방전을 발생시킴과 동시에 가압된 활성탄 미립자를 소정의 온도로 유지하여 활성탄 미립자를 소결하여 다공질 소결체로 이루는 전극을 형성한다. 이와 같이 형성된 2개의 전극에 전해질을 함침시켜서 분극성 전극을 구성하고, 이 분극성 전극의 사이에 끼워서 전기 2 중층 콘덴서를 제작한다.

Description

전기 2중층 콘덴서 및 그에 사용되는 분극성 전극의 제조방법
제1도는 본 발명에 의한 전기 2 중층 콘덴서의 분극성 전극을 구성하는 활성탄 미립자의 조직상태를 확대하여 나타낸 설명도.
제2도는 본 발명에 관한 다공질 소결체의 분극성 전극을 제조하기 위한 장치를 나타낸 개략 구성도.
제3도는 활성탄 미립자 분체에 인가되는 압력, 상기 활성탄 미립자 분체를 통해 흐르는 평균 전류 및 상기 활성탄 미립자 분체의 온도의 변화를 시간의 추이와 함께 표시한 도면.
제4도는 본 발명에 의한 전기 2중층 콘덴서의 일 실시예를 나타낸 단면도.
제5도는 슬러리 (slurry) 상태의 페이스트(paste) 전극을 사용하여 구성된 종래의 전기 2 중층 콘덴서의 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 소결몰드 16 : 활성탄 미립자 분체
17 : 가변전원 18 : 스위치 제어회로
본 발명은 활성탄과 전해액 사이의 계면으로 이루어지는 전기 2 중층 원리를 이용한 대정전용량(大靜電容量)의 전기 2중층 콘덴서에 관한 것이다.
최근, 전자장치의 메모리 백업용 전원으로서 전기 2중층 원리를 이용한 대용량의 콘덴서가 개발되고, 마이크로 컴퓨터나 IC 메모리 등에 광범위하게 사용되고 있다.
이러한 종류의 전기 2중층 콘덴서로서는, 예를들면, 미국 특허 제3, 536, 963호에 개시되어 있다.
제5도는 상기 선행예로 개시된 전기 2중층 콘덴서의 구조를 나타낸 것이다. 상기 전기 2중층 콘덴서는, 집전전극(集電電極)쌍으로 기능하는 전자 도전체의 지전판(current collector)쌍(101), 활성탄 입자로 만들어진 탄소전극쌍(102), 비도전성 가스켓쌍(103), 및 상기 탄소전극쌍(102) 사이에 설치되어 상기 탄소전극쌍(102)간의 전자의 이동을 방지하는 격리판(104)으로 이루어지는 단일 기본셀을 구비한다. 상기 탄소전극(102)은, 분말 또는 미세한 분말의 활성탄과 전해액을 혼합한 농축 슬러리 상태의 페이스트 전극으로 구성되어 있다. 상기 전해액은 3가지 기능을 수행하는데, 이온 도전성의 촉진제, 이온 원(ion source) 및 탄소입자의 결합제로서의 기능이다.
이와 같은 페이스트 상태의 전극을 사용한 전기 2 중층 콘덴서에서는 그 내부 저항을 저감하는 것이 중요한 문제이다. 전기 2 중층 콘덴서의 내부저항은, 분극성 전극을 형성하고 있는 활성탄의 접촉저항 및 집전전극과 분극성 전극 사이의 접촉저항 등에 의해 크게 영향을 받는다.
그러므로, 분극성 전극의 내부저항 및 집전전극과 분극성 전극 사이의 접촉저항 등을 저감하기 위해서, 기본셀에 상하방향으로부터 압력을 가하여 페이스트상태로된 활성탄 입자 상호간의 접촉을 양호하게 할 필요가 있다. 그리고 종래의 전기 2중층 콘덴서에서는, 기본셀에 가해지는 압력은 전극의 크기뿐만 아니라 탄소물질의 입자 크기 혹은 사용되는 전해액의 종류에도 의존하지만, 각 기본셀에는 100 kg/cm2정도의 압력이 가해져야 한다. 이러한 압력을 인가하고 그 압력을 유지하는 방법으로서, 종래의 전기 2중층 콘덴서에서는, 상기 콘덴서의 외장 케이스를 변형하거나 또는 상기 집전판을 강하게 가스켓에 접착시키고 있다. 그러나, 전기 2 중층 콘덴서를 예로 들어, 전동기 등을 구동하기 위한 전원과 같이 대정전용량의 콘덴서로서 구성하려고 하면 기본셀의 전극 단면적을 크게 할 필요가 있다. 따라서 상기 기본셀에 인가되는 압력도 증대되지 않으면 않된다. 그리고, 압력을 증가시키는 데는 압력을 증가시키는 수단을 선택해야 하고 기본셀을 수납하는 외장 케이스의 강성(rigidity)을 매우 높혀야 하는 실용적인 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 출원인은 고밀도로 에너지가 저장되는 간단한 구조를 가지며, 전극을 가압하는 수단이 불필요한 전기 2 중층 콘덴서를 일본국 특허출원 : 특원평 1-215277 호 (미국 특허출원 제 550, 170호, 유럽특허출원제 980 308 781.5호)로서 제안했다. 제안된 상기 전기 2중층 콘덴서는, 활성탄 미립자 상호간을 소결 결합시킨 활성탄만으로 이루어진 다공질 소결체로 형성된 분극성 전극을 갖는다.
그러나, 활성탄 미립자를 소결 결합시킨 다공질 소결체로 형성된 분극성 전극은 활성탄 미립자의 입자 직경에 따라 밀도, 체적저항(體積抵抗) (비저항치 ; 比抵抗値) , 비표면적이 달라지고, 전기 2중층 콘덴서의 에너지 밀도 및 내부저항에 크게 영향을 준다. 예를 들어 활성탄 미립자를 동일한 소결 조건에서 소결한 경우, 활성탄 미립자의 입자 직경이 클수록 체적저항(비저항치)이 크고, 활성탄 미립자의 입자직경이 작을수록 체적저항(비저항치)이 작게 된다. 따라서, 입자 직경이 작은 활성탄 미립자를 사용함으로써 내부저항이 작은 전기 2중층 콘덴서를 얻을 수가 있지만, 활성탄 미립자 상호가 용융되어 비표면적이 작아져서 에너지 밀도가 작아지는 것을 알았다.
본 발명의 목적은, 활성탄과 전해액 사이의 계면으로 형성되는 전기 2 중층의 원리를 이용한 전기 2 중층 콘덴서에 있어서, 에너지 밀도에 크게 영향을 미치는 일없이 내부저항을 작게 할 수 있는 전기 2 중층 콘덴서를 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면, 활성탄과 전해액 사이의 계면으로 형성된 전기 2 중층을 이용한 전기 2중층 콘덴서에 있어서, 입자직경이 큰 활성탄 미립자와 상기 활성탄 미립자의 입자직경의 25% 이하의 입자직경을 가지는 활성탄 미립자를 서로 소결 결합시킨 다공질 소결체로 형성된 2개 이상의 분극성 전극 ;
상기 분극성 전극 사이에 설치된 세퍼레이터 ; 및
상기 분극성전극, 상기 세퍼레이터 및 전해액을 밀봉 수납하는 용기를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 2 중층 콘덴서가 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면, 활성탄과 전해액 사이의 계면으로 형성되는 전기 2중층을 이용하는 전기 2 중층 콘덴서의 분극성 전극을 제조하는 방법에 있어서, 입자직경이 큰 활성탄 미립자 분체와 상기 활성탄 미립자 분체의 입자직경 25% 이하의 입자직경을 가지는 활성탄 미립자 분체를 서로 혼합하는 단계 ; 혼합된 활성탄 미립자 분체를 소결 몰드에 수납하는 단계 ; 상기 분체에 압력을 인가하는 단계 ; 압력이 인가된 분체의 미립자 사이에 펄스상 전압을 인가하여 각 입자 사이에 방전을 발생시키는 단계 ; 및 분체의 미립자 사이에 펄스상 전압을 인가한 후 가압된 활성탄 미립자를 소정의 온도로 유지하여 활성탄 미립자를 소결하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 2중층 콘덴서의 분극성 전극의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 목적 및 특징은 이하에 서술하는 설명에 의하여 분명해진다.
다음에 본 발명의 실시예를 도면을 이용하여 상세히 설명한다.
제1도는 본 발명에 관한 전기 2중층 콘덴서의 분극성 전극을 구성하는 활성탄의 조직상태를 나타낸 설명도.
제2도는 본 발명에 관한 전기 2중층 콘덴서에 사용되는 다공질 소결체로 이루어지는 분극성 전극을 제조하는 장치를 나타낸 개략 구성도이다. 제2도에서, 10은 활성탄 미립자의 분말을 수용하는 소결몰드이다. 상기 소결몰드(10)는 텅스텐 강(鋼)과 같은 매우 높은 강도의 금속으로 만들어지고 중앙에는 미립자를 수용하는 구멍이 형성되어 있다. 상기 구멍의 내벽에는 기상성장법과 같은 주지의 방법에 의해 산화실리콘(SiO2) 또는 질화규소(SiN4)등의 절연물질이 코팅되어, 절연층(11)이 형성되어 있다. 12는 상부 플런저 (plunger), 13은 하부 플런저이고, 이들 플런저의 상하 선단은 소결몰드(10)에 형성된 상기 구멍에 삽입되어 있다. 또한 상부와 하부 플런저(12, 13)는 텅스텐, 몰리브덴 등의 내열 도전성 금속으로 형성되어 있다. 이들 상하부 플런저(12, 13) 사이에 활성탄 미립자분체(16)가 봉입(封入)된다.
이들 상하부 플런저(12, 13)는 각각 상부 전극과 하부전극(14, 15)에 접속되어 있다.
또한, 제2도에는 도시되어 있지 않지만, 이들 상하부 플런저(12, 13) 및 상하부 전극(14, 15)은, 유유압 프레스에 의해 활살표 방향으로 제어가능하게 압력을 인가할 수 있도록 구성되어 있어, 미립자 분체(16)에 소정의 압력이 자유롭게 인가될 수 있다. 그리고 또한, 소결몰드(10)를 포함한 미립자 분체(16)는 소망의 분위기내에 유지될 수 있는 구조로 되어 있다. 상하부 전극(14, 15)에는, 스위치 SW1 과 SW2와 콘덴서 C의 직렬회로가 접속되고, 콘덴서 C와 스위치 SW2의 직렬회로에는 가변 저항기 R과 가변전원(17)의 직렬회로가 병렬 접속되어 있다. 18 은 스위치 SW1, SW2 의 온, 오프 시간을 제어하는 스위치 SW2는 정상 폐쇄 스위치이다.
상기 소결몰드(10)는 금속으로 형성되어 있지만, 산화실리콘(SiO2), 질화규소(SiN4), 탄화규소(SiC)등의 세라믹 재료로 구성될 수도 있다.
다음에 제2도에 나타낸 정치의 동작을 설명한다.
우선, 상하부 전극(14, 15)에 전압이 인가되지 않은 상태에서 상하부 플런저(12, 13)를 구동시켜 미립자 분체(16)에 가해지는 압력을 제3도에 나타낸 바와 같이 점진적으로 상승시킨다.
제2도에 나타낸 상태에서는, 코덴서 C에 전하가 충분히 충전되어 있다.
미립자 분체(16)에 가해지는 압력이 소정의 레벨에 도달하면, 스위치 SW1을 반복적으로 온, 오프 되도록 제어한다.
상기 스위치 SW1의 온 시간은, 콘덴서 C에 충전되어 있는 전하가 상하부 전극 사이에서 방전되는 방전시간과 동일하거나 이것보다 짧은 시간의 범위로 제어된다. 또한 스위치 SW1의 오프 시간은 콘덴서 C의 충전시간과 대략 같거나 이것보다 긴 시간으로 제어된다. 즉, 상하부 전극 사이에 흐르는 전류는 최대치에서 최소치까지 가변된다.
스위치 SW1의 온, 오프 동작의 반복에 의해, 상하부 플런저(12, 13) 사이에는 제3도에 나타낸 바와 같이 예리한 펄스형상의 충격전류가 흐른다.
이 펄스 충격전류는, 상하부 플런저(12, 13)사이에 끼워진 활성탄 미립자 분체 대부분이 상호 접촉 융착(融着) 될 때까지 상하부 플런저(12, 13)사이에 인가된다. 그 후, 미립자 분체(16)에 인가되며 압력을 일정압력으로 유지한 채로, 스위치 SW2를 오프로 하고, 스위치 SW1을 온으로 함과 동시에 가변저항 R의 저항과 가변전원 (17)의 전압을 조절하여, 제3도에 나타낸 바와 같이 소정치의 가열전류를 상하부전극(14, 15) 사이에 연속적으로 흐르게 한다.
그러나, 가열전류통전(加熱電流通電)의 초기에는, 미립자 상호간의 접촉융착이 충분하지 않거나 또는 불안정하게 용융된 부분이 붕괴되고 또는 미립자들의 접착위치가 어긋나서 국부적으로 고온이 되므로, 가열전류를 제어하여, 미립자의 온도를 완만하게 상승시킨다.
그리고, 목표온도에 도달한 후, 가열전류를 일정하게 공급하여, 계속 상승되어 온, 활성탄으로 이루어지는 다공질 소결체의 온도를 제3도에 나타낸 바와 같이 일정하게 유지한다.
이와 같은 상태로 되면, 다공질 소결체를 구성하는 활성탄 미립자가 서로 안정하게 접착되어 있으므로, 상하부 전극 (14, 15)사이에 인가되는 방전전압을 오프로 함과 동시에 그들 사이에 인가되는 압력도 오프로 한다. 그리고 다공질 소결체의 온도가 상온까지 떨어지면, 소결몰드(10)에서 다공질 소결체를 꺼낸다.
상기 소결법에 의해, 입자직경 20㎛의 활성탄 미립자 분체와 입자직경 5㎛의 활성탄 미립자 분체를 각각 소결하면, 다음에 나타낸 표와 같이, 입자직경이 작은 분체 쪽이 고밀도로 형성된다.
즉, 입자직경이 큰 소재(素材)의 경우에는, 융용되어 있는 영역이 적고, 입자직경이 작은 소재에서는 그 대부분이 용융된다. 이것은, 상기 통전소결법에 서는 통전에 의해 발생된 열로 입자들을 단시간에 소결시키기 때문에, 입자직경이 작을수록 전체적으로 더욱 가열되는 것에 기인한다. 그러므로, 입자직경이 보다 작으면, 소결체의 비표면적이 저하되고 그것의 체적저항도 작아진다. 또한, 이 표에서의 소결 조건은 펄스 전류치 750 A, 펄스인가시간 90sec, 소결온도 800℃, 압력 300 kg/cm2, 소결시간 2분으로 하고 있다.
입자직경이 상이한 동리 활성탄을 혼합해서 동일하게 소결하면, 제1도에 나타낸 바와 같이, 입자직경이 큰 분체 L은 그대로 남고, 입자직경이 작은 분체 S는 대부분 용융된다.
제4도는 본 발명에 의한 전기 2중층 콘덴서의 일 실시예를 나타낸 단면도이다. 도면에서, 20은 분극성 전극으로, 평균 입자직경 20㎛인 활성탄 미립자 분체와 평균 입자직경 5㎛인 활성탄 미립자 분체를 10 : 1의 비율로 혼합하고, 이 혼합된 분체를 상기 제2도에 나타낸 소결장치의 소결 몰드(10)내에 충전하여 상기 소결법에 의해 다공질 소결체로서 소결한 것이다. 상기 분극성 전극(20)에는 묽은 황산이 스며들어 있다. 30은 상기 분극성 전극(20)을 수용하는 비도전성 고무로 이루어지는 가스켓이고, 40은 상기 분극성 전극(20) 사이에 설치되어 전자가 상기 분극성 전극(20) 사이를 이동하는 것을 방지하는 세퍼레이터이다. 50은 상기 가스켓(30)의 상에 접착제로 접착된 도전성 고무로 이루어지는 집전판(集電板)으로, 상기 분극성 전극(20)에, 예를 들어 가황접착(加黃接着) 등에 의해 일체로 접합되어 있다.
또한, 상이한 입자직경을 갖는 활성탄 미립자 분체의 혼합에 대해 보다 구체적으로 설명한다. 평균 입자직경 20㎛의 활성탄 미립자 분체와 평균 입자직경 5㎛의 활성탄 미립자 분체를 10 : 1의 비율로 혼합하고, 이것에 증류수를 가하고 교반하여 페이스트상태로 만든다. 이와 같이 활성탄 미립자 분체를 페이스트 상태로 만듦으로써, 소결 몰드내에 활성탄을 충전하는 경우, 미세한 분체(粉體)보다 취급이 용이하고 동시에, 계량 정밀도를 향상시킬 수 있다.
이와같이 평균 입자직경 20㎛의 활성탄 미립자 분체와 평균 입자직경 5㎛의 활성탄 미립자 분체를 10 : 1의 비율로 혼합하고, 이것을 소결하여 형성한 분극성 전극의 특성은, 소결 후 밀도가 0.64g/cm3, 체적저항(비저항치)이 0.6Ωcm, 비표면적이 1300m2/g로 되었다.
따라서, 상술된 평균 이자직경 20㎛의 활성탄 미립자 분체를 동일한 조건으로 소결한 것에 비해, 비표면적이 약간 작아졌지만 체적저항(비저항치)은 훨씬 더 작아진 분극성 전극을 얻을 수 있고, 에너지 밀도에 크게 영향을 미치는 일없이, 내부저항이 작은 전기 2중층 콘덴서를 제공할 수 있다.

Claims (4)

  1. 활성탄과 전해액 사이의 계면으로 형성된 전기 2중층을 이용한 전기 2중층 콘덴서에 있어서, 입자직경이 큰 활성탄 미립자와 상기 활성탄 미립자의 입자직경의 25% 이하의 입자직경를 가지는 활성탄 미립자를 서로 소결 결합시킨 다공질 소결체로 형성된 2개 이상의 분극성 전극; 상기 분극성 전극 사이에 설치된 세퍼레이터 ; 및 상기 분극성전극, 상기 세퍼레이터 및 전해액을 밀봉 수납하는 용기를 구비하는 것을 특지으로 하는 전기 2중층 콘덴서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다공질 소결체는 입자직경이 작은 분체의 혼합 비율은 10%인 것을 특징으로 하는 전기 2 중층 콘덴서.
  3. 활성탄과 전해액 사이의 계면으로 형성되는 전기 2 중층을 이용하는 전기 2중층 콘덴서의 분극성 전극을 제조하는 방법에 있어서, 입자직경이 큰 활성탄 미립자 분체와 상기 활성탄 미립자 분체의 입자직경의 25% 이하의 입자직경을 가지는 활성탄 미립자 분체를 서로 혼합하는 단계 ; 혼합된 활성탄 미립자 분체를 소결 몰드에 수납하는 단계 ; 상기 분체에 압력을 인가하는 단계 ; 압력이 인가된 분체의 미립자 사이에 펄스상 전압을 인가하여 각 입자 사이에 방전을 발생시키는 단계 ; 및 분체의 미립자 사이에 펄스상 전압을 인가한 후 가압된 활성탄 미립자를 소정의 온도를 유지하여 활성탄 미립자를 소결하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 2중층 콘덴서의 분극성 전극의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 활성탄 미립자 분체를 혼합하는 단계는, 상기 활성탄 미립자 분체에 증류수를 가하고 교반하여 페이스트 상태로 하는 것을 특징으로 하는 전기 2 중층 콘덴서의 분극성 전극의 제조방법.
KR1019900022234A 1989-12-28 1990-12-28 전기 2중층 콘덴서 및 그에 사용되는 분극성 전극의 제조방법 KR100225167B1 (ko)

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