KR100241485B1 - 전기적 이중층 캐패시터 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

필요한 구성 부품수를 줄여서 생산성을 향상시키는 전기적 이중층 캐패시터와 그 제조 방법이 제공된다. 캐패시터는 적어도 하나의 기본 셀을 포함한다. 적어도 하나의 기본 셀 각각은 (a) 관상의 내부 공간과 개구 단부들을 갖는 절연성 관상의 개스킷, (b) 고체형 활성탄으로 된 한 쌍의 분극성 전극, (c) 한 쌍의 전극들 사이에 개재된 시트형 다공성 비 도전성 세퍼레이터, 및 (d) 각각이 개스킷의 개구단부들을 밀폐시키도록 배치된 한 쌍의 도전성 시트형 콜렉터를 포함한다. 한 쌍의 콜렉터는 각각 한 쌍의 외부 단자에 전기 접속된다. 한 쌍의 전극과 세퍼레이터는 개스킷의 내부 공간에 배치된다. 개스킷은 열가소성 수지로 되어 있으며 사출 성형에 의해 형성된다. 세퍼레이터와 한 쌍의 전극은 개스킷과 일체로 된다. 세페레이터 및 한 쌍의 전극과 개스킷과의 일체화 작업은 개스킷 성형 공정 중에 시행된다.

Description

전기적 이중층 캐패시터 및 그 제조 방법

본 발명은 전기적 이중층 캐패시터, 보다 구체적으로는 각기 고체형 활성탄으로 만들어진 양극과 음극의 분극성 전극을 가진 전기적 이중층 캐패시터, 및 이 캐패시터 제조 방법에 관한 것이다.

전기적 이중층 캐패시터는 고체(즉, 분극성 전극)와 전해질 용액의 계면에서 발생된 전기적 이중층을 사용하는 캐패시터이다. 이러한 캐패시터는 패러드(farad)(F)의 차수가 큰 용량을 용이하게 실현할 수 있는 특성을 갖고 있는데, 이는 범용 캐패시터에서의 유전층에 버금가는 전기적 이중층이 대략 분자 직경 정도로 작다는 사실 때문이다.

제1도, 제2도 및 제3도는 NEC 사에서 1994년 10월 11일자로 발행한 NEC 기보, 제47권 제10호 페이지 91-97에 개시되었던 종래의 전기적 이중층 캐패시터를 보여 주고 있다.

제1도에 도시한 바에 따르면, 종래의 전기적 이중층 캐패시터는 4개의 기본 셀(130)로 구성된 적층 구조를 갖는다. 이 셀들(130)은 이 셀들(130)에 수직한 방향으로 적층되어 있음과 동시에 직렬로 전기 접속되어 있다. 각각의 기본 셀(130)은 적층 구조의 단위이다.

제1도에 도시한 바에 따르면, 기본 셀들(130) 각각은 황산 수용액과 같은 전해질 용액이 흡수되는 한 쌍의 분극성 전극(101), 한 쌍의 전극(101)사이에 개재된 비-전자 도전성 다공성 시트형(sheet-like) 세퍼레이터(102), 한 쌍의 전극(101)과 세퍼레이터(102)가 배치되는 관상의 내측 스페이스(103a)를 가진 절연성 관상의 개스킷(103), 그리고 개스킷(103)의 양측에서 개스킷의 개방 단부에 가깝게 각각 배치된 한쌍의 도전성 시트형 콜렉터(108)로 이루어져 있다.

제3도에 도시한 바에 따르면, 개스킷(103)은 전해질 용액을 기본 셀(130)의 내측으로 공급하기 위한 개구부(104)를 갖고 있다. 개구부(104)는 개스킷(103)에 평행한 방향으로 개스킷(130)을 관통하도록 형성되며 마개(118)로 밀봉되어 있다. 다시 개스킷(103)은 그 각 코너들에 접속 볼트(116)를 그 안으로 삽입하기 위한 4개의 원형 구멍(106)를 갖는다.

한 쌍의 분극성 전극(101)은 고체형 활성탄으로 만들어진다. 한 쌍의 콜렉터(108)는 예를 들면 도전성 고무 또는 플라스틱으로 만들어 지는데, 그 도전성은 탄소 분말과 고무 또는 플라스틱 재료를 혼합하므로써 제공받는다. 세퍼레이터(102)는 예를 들면 다공성 폴리오레핀계 플라스틱 혹은 유리 섬유로 만들어지며 비 전자 도전성 및 이온 투과성이 있다.

한 쌍의 콜렉터(108)는 기본 셀(130)의 단자판으로 뿐만 아니라 개스킷(103)과 함께 전해질 용액용의 밀봉 부재로서도 작용한다.

인접한 2개의 전극(101) 사이에 놓이는 콜렉터(108)는 인접한 2개의 기본셀(130)각각에 공통적으로 사용된다.

한 쌍의 외부 단자판(110)은 4개의 기본 셀(130)각각에 형성된 적층 구조의 최외측 콜렉터(108)에 부착된다. 스페이서로서 작용하는 한 쌍의 고무판은 한 쌍의 외부 단자판(110) 각각에 부착된다. 한 쌍의 가압판(113)은 한 쌍의 고무판(112) 각각에 부착된다.

스테인레스 스틸과 같은 금속으로 만들어진 접속 볼트(116)는 적층형 개스킷(103) 각각의 적층형 구멍 속으로 삽입된다. 스테인레스 스틸과 같은 금속으로 만들어진 너트(117)는 볼트(116)의 양단부에 형성된 나사산과 맞물리어 로드(rods)(116)를 따라 적층된 기본 셀(130)을 가압함으로써 4개의 적층된 기본 셀(130)을 서로 지지 혹은 결합시킨다.

가해진 압력에 의해서, 인접한 기본 셀(130)에 걸리는 접촉 저항 및 최외측 기본 셀(130) 및 대응하는 단자판(110)에 걸리는 접촉 저항이 낮게 유지된다.

일반적으로, 상술한 기본 셀(130)은 독단적으로 전하 축적 기능을 드러내므로 결국, 단일 셀(130)은 전기적 이중층 캐패시터로서 사용될 수 있다. 그러나, 실제로는 복수의 기본 셀(130)이 케스케이드(cascade) 접속되므로 제1도에 도시된 바와 같이 적층 구조를 구성하게 된다. 이러한 적층 구조의 목적은 전기적 이중층 캐패시터가 사용되는 전자 회로에 대한 공급 전압에 대항하여 충분한 유전 강도를 제공하기 위한 것이다.

구체적으로, 단일 셀 구조의 전기적 이중층 캐패시터로서 작용하는 기본 셀(130)에 대한 유전 강도는 전해질 용액의 용매에 대한 전기 분해 전압에 의존한다. 예를 들면, 황산의 희석 수용액과 같은 수용성 전해질 용액을 사용한 전기적 이중층 캐패시터에 의해서 유전 강도는 대략 물의 전기 분해 전압과 같은 1.0V 이다. 대략 10V 정도로 낮은 유전 강도는 예를 들면 반도체 집적 회로에 통상적으로 사용되는 5.0V의 공급 전압에 대항하기에는 불충분하다. 따라서, 이 경우에는 유전 강도를 증가시키기 위해서 적어도 6개의 기본 셀(130)이 케스케이드 접속되어야 한다.

이어서, 제1도에 도시된 전기적 이중층 캐패시터의 제조 방법에 대해서 제2도 및 제3도를 참조하여 설명한다.

제2도는 제1도에 도시된 전기적 이중층 캐패시터에서 기본 셀(130) 중 인접한 2개의 기본 셀들 간의 경계 영역에 있는 전기적 이중층 캐패시터의 부분 단면도를 나타낸다. 제3도는 제2도의 선 Ⅲ-Ⅲ을 따라 절취한 단면도이다.

먼저, 분극성 전극(101)을 공지된 방법으로 준비한다. 예로서, 1992년에 공개된 미심사된 특허 공보 제4-288361호에 개시된 활성탄/폴리아센 조성 재료(activated-carbon/polyacen composite material)의 제조 방법이 사용될 수 있다. 또한, 콜렉터(108)를 공지된 방법으로 준비한다.

이어서, 제2도에 도시한 바와 같이, 2개의 전극(101)을 가압하여 콜렉터(108)의 각각의 양 표면에 각각 부착한다. 이렇게 하여 콜렉터(108)중의 하나와 전극들(101)중 2개의 전극이 일체화된다.

다른 한편으로, 다공성 세퍼레이터(102) 및 개스킷(103)이 각각 공지된 공정들로 준비된다.

이어서, 세퍼레이터(102)가 콜렉터(108) 및 2개의 전극(101)으로 이루어진 하위 조립체(subassembly)내의 전극(108)에 배치되고, 이어서, 개스킷(103)이 제2도에 도시된 바와 같이 하위 조립체 주위에 배치된다.

다시, 콜렉터(108) 및 2개의 전극(101)으로 구성된 다른 하위 조립체가 하부 세퍼레이터(108)에 배치된다. 이렇게 필요에 따라 작업 사이클을 반복해서 적층 구조를 형성한다.

이어서, 제1도에 도시한 바와 같이, 압력을 일정하게 인가하기 위한 단자판(110), 고무판(112), 및 가압판(113)이 적층 구조의 양단부에 제공된다. 이렇게 형성된 조립체는 볼트(116) 및 너트(117)에 의해서 압력이 가해진 상태에서 결속된다.

마지막으로, 전해질 용액과 같은 희석된 황산이 각 개스킷(103)의 대응하는 개구부(104)를 통해서 기본 셀(130)의 내측으로 주입된다. 이에 따라서, 진공 함침 방법과 같은 함침 방법에 의해서 활성탄 전극(101)을 전해질 용액으로 함침된다. 이어서 개구부(104)가 밀봉 마개(118)의 각각에 의해서 마개(plug)된다. 이렇게 하여 제1도에 도시된 적층 구조의 전기적 이중층 캐패시터가 완성된다.

상술한 설명으로부터 알 수 있듯이, 제1도의 종래의 전기적 이중층 캐패시터의 경우에는 기본 셀(130)이 전하 축적 기능의 관점에서 볼 때, 이러한 캐패시터의 단위이다. 다른 한편으로, 제조 방법의 관점에서 볼 때 콜렉터(108) 및 이 콜렉터(108)의 대응하는 면에 부착된 2개의 전극(101)으로 구성된 제2도에 도시된 단위 셀은 이러한 캐패시터의 단위이다.

환언하면, 기능상의 반복 단위(130) 및 제조상의 반복 단위(131)가 서로 어긋나 있다. 이하, 기능상의 반복 단위를“기본 셀(basic cell)”혹은 필요에 따라 “기능상의 기본 셀(functional basic cell)”이라 하고, 제조상의 반복 단위를“단위 셀(unit cell)” 혹은 필요에 따라“제조상의 단위 셀(fabrication unit cell)”이라 한다.

제1도, 제2도 및 제3도에 도시된 종래의 전기적 이중층 캐패시터의 경우에는 미리 직접 혹은 일체화된 콜렉터(108) 및 2개의 전극(101)으로 이루어진 하위 조립체를 제외하고 제조에 필요한 부품이 개별적으로 분리 제공된다. 따라서, 적층형 처리에 다수의 조립 공정이 요구되는 문제가 발생된다.

조립 공정에 관련된 문제를 해소하기 위해서 1995년에 공개된 일본 심사 실용신안 공보 제7-31535호에 개시된 개선된 기술이 개발되었다. 이 기술에 따르면, 전기적 이중층 캐패시터의 개스킷을 열 가소성 수지로 사출 성형하여 형성했다. 다시 개스킷에 대한 사출 성형 처리동안 콜렉터 및 개스킷을 미리 집적 혹은 일체화 했다. 따라서, 결합 강도가 향상되고 조립 작업이 간단해졌다.

제1도에 도시된 종래의 전기적 이중층 캐패시터의 경우에는“기능적 전기 기본셀(130)”을 위한 배출 수단(venting means)이 제공되어 있지 않다. 따라서, 전해질 용매의 전기 분해로 인한 가스의 발생과 같은 몇몇의 원인이 기본 셀(130)내의 내측 압력을 증가시킬 우려가 있으므로, 등가 직렬 저항(ESR)을 저하시킬 수 있다. 몇몇의 경우에는 기본 셀(130)이 파열되어 캐패시터로서의 전하 축적 용량을 파괴한다. 최악의 경우에는 전해질 용액이 기본 셀(130)로부터 누출되어 다른 전자 부품에 손상을 준다.

이러한 문제를 해결하기 위해서는“기능적 기본 셀(130)”용의 배출 밸브 혹은 기타의 배출 방법을 취하는 것이 효과적이다. 일례로서 이러한 배출수단을 가진 전기적 이중층 캐패시터가 1992년에 공개된 일본 미심사 실용신안 공보 제4-72617호에 개시되어 있다.

일본 미심사 실용신안 공보 제4-72617호에 개시된 종래의 전기적 이중층 캐패시터에서는, 적층형 기본 셀의 적어도 하나에 대하여 배출 밸브가 제공되어 있으며, 전해질 용액을 통과시키지는 않지만 셀에 존재하는 가스가 막을 통해서 침투할수 있게 해주는 방수성 다공성막이 인접한 기본 셀들 간에 배치된 중간 콜렉터의 일부에 제공되어 있다. 기본 셀들 중 어느 하나에서 발생된 가스는 방수성 다공성 막을 통해서 외측으로 배기된다.

상술한 바와 같이, 제1도, 제2도, 및 제3도에 도시된 종래의 전기적 이중층 캐패시터는, 캐패시터를 구성하고 있는 부품이 각각 분리되고 적층 구조를 만들기 위해서 다수의 조립 공정이 요구되는 문제를 갖고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 일본 심사 실용신안 공보 제7-72617호에 개시된 종래의 전기적 이중층 캐패시터에서는 열가소성 수지의 사출 성형 공정 동안 콜렉터 주위에 개스킷을 일체로 성형하여 필요시되는 부품수를 감소시키고 있다. 그러나, 이 경우에서는 단지 2개의 부품, 즉 콜렉터와 개스킷만이 하나로 일체화 되므로, 부품수의 감소나 조립 작업의 단순화 효과로는 충분하다고 말할 수 없다.

게다가, 상기 전기적 이중층 캐패시터는 임의의 다른 전기 부품과 같이 높은 신뢰성과 높은 안정성을 갖지 않으면 안된다. 이와 같이, 일본 심사 실용신안 공보 제4-72617호에 개시된 종래의 전기적 이중층 캐패시터의 경우에는 적층형 기본 셀의 적어도 하나에 대하여 배출 밸브가 제공되어 있고, 기본 셀들 사이에 배치된 중간 콜렉터의 일부에 방수성 다공성막이 제공되어 있어서 셀들에서 발생된 가스가 외측으로 배기되도록 되어 있다.

그러나, 일본 심사 실용신안 공보 제4-72617호에 개시된 종래의 캐패시터의 경우에는 기본 셀의 내측과 기본 셀의 외측간의 직접 접속이 배출 밸브에 의해서 실현되므로 가스 뿐만 아니라 전해질 용액이 셀들의 내측으로부터 배출 밸브를 통해서 누출되는 경향이 있다.

배출 밸브용으로서 사용되는 재료로서 폴리테르라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene)과 같은 플루오로플라스틱은 다른 가공 플라스틱에 부착시키는데 어려움이 있다. 따라서 배출 밸브는 구성상 신뢰성을 잃게 되는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 일 목적은 필요한 구성 부품수를 줄여서 생산성을 높인 전기적 이중층 캐패시터와 그 제조 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 전해질 용액의 누출없이 캐패시터 내에 생긴 가스를 외측으로 방출시킬 수 있는 전기적 이중층 캐패시터와 그 제조 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 신뢰성과 안전성이 우수한 전기적 이중층 캐패시터와 그 제조 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적들은 특별히 언급하지 않은 다른 목적들과 함께 이하의 상세한 설명으로부터 본 기술 분야의 통상의 전문가에게 명료하게 될 것이다.

본 발명의 제1 양상에 따라서 전기적 이중층 캐패시터가 제공된다.

제1 양상에 따른 캐패시터는 적어도 하나의 기본 셀과 각각이 상기 적어도 하나의 기본 셀에 전기 접속되어 있는 한 쌍의 외부 단자를 포함한다.

상기 적어도 하나의 기본 셀 각각은 (a) 관상의 내부 공간과 개구 단부들을 갖는 관상의 개스킷, (b) 전해질 용액이 흡수되어지는 한 쌍의 분극성 전극, (c) 상기 한 쌍의 전극들 사이에 개재된 시트형 세퍼레이터, 및 (d) 각각이 상기 개스킷의 개구 단부들을 밀폐시키도록 배치된 한 쌍의 시트형 콜렉터를 포함한다.

개스킷은 절연성 재료로 만들어진다.

한 쌍의 전극은 고체형 활성탄으로 만들어진다. 한 쌍의 전극 각각은 내측 표면과 외측 표면을 갖고 있다.

세퍼레이터는 다공성 비 전자 도전성 재료로 되어 있다. 세퍼레이터는 각각이 한 쌍의 전극의 서로 대향하는 내측 표면들과 접촉하는 제1 및 제2 표면을 갖고 있다.

한 쌍의 콜렉터는 도전성 재료로 되어 있다. 한 쌍의 콜렉터는 각각이 한쌍의 전극의 서로 대향하는 외측 표면들과 접촉하는 내측 표면들을 갖고 있다. 한쌍의 콜렉터는 각각 한 쌍의 외부 단자에 전기 접속되어 있다.

한 쌍의 전극과 세퍼레이터는 개스킷의 내부 공간에 배치된다.

개스킷은 열가소성 수지로 되어 있으며 사출 성형으로 형성된다. 세퍼레이터와 한 쌍의 전극은 개스킷과 일체로 되어 있다. 세퍼레이터 및 한 쌍의 전극과 개스킷과의 일체화 작업은 개스킷의 성형 공정 중에 시행된다.

본 발명의 제1 양상에 따른 전기적 이중층 캐패시터에서, 개스킷은 열가소성 수지로 되어 있으며 사출 성형으로 형성되기 때문에 개스킷의 사출 성형, 즉 형성 공정 중에 세퍼레이터 및 한 쌍의 전극을 개스킷과 일체화시킨다. 이것은 개스킷, 세퍼레이터, 및 한 쌍의 전극으로 구성된 4개 구성 부품이 서로 일체화된다는 것을 의미하므로 필요한 구성 부품수가 줄어든다.

필요한 구성 부품수가 감소되면 조립 공정수도 줄어들어 생산성이 개선된다.

제1 양상에 따른 캐패시터의 바람직한 실시예에서, 한 쌍의 전극 각각은 한쌍의 전극의 내측 표면들이 그 외측 표면들 보다 더 넓게 되도록 형성된 테이퍼 형상의 측면들을 갖는다.

이 경우에는 세퍼레이터와 한 쌍의 전극간의 접촉 저항이 감소되는 이점이 더 있다. 접촉 저항이 감소되는 이유는 세퍼레이터와 한 쌍의 전극이 개스킷의 서로 대향하는 내측 표면들에 의해 눌러지기 때문이다.

제1 양상에 따른 캐패시터의 다른 바람직한 실시예에서, 개스킷은 개스킷의 내부 공간과 개스킷 외측이 연통하도록 형성된 개구부를 갖고 있다. 개구부는 개스킷 내부 공간에 존재하는 가스를 배출하는 통로로서 작용한다. 개구부는 다공성 마개로 밀봉되어 있기 때문에 가스는 이 마개를 통해 배출될 수 있고, 내부 공간에 있는 전해질 용액이 누출되는 것을 방지해 준다.

이 경우에, 캐패시터 내에 생긴 가스가 전해질 용액의 누출없이 외측으로 방출될 수 있는 이점이 더 있다.

제1 양상에 따른 캐패시터의 또 다른 바람직한 실시예에서, 마개는 개구부내에 형성되어 개스킷의 성형 공정 중에 개구부를 밀폐시킨다. 마개는 개스킷과 일체로 된다.

이 경우에, 마개가 개스킷에 강하게 고착되는 이점이 더 있다. 강하게 고착되는 이유는 용융된 열가소성 수지가 성형 공정 중에 마개의 작은 구멍 내로 흘러 들어가서 굳어지기 때문이다.

본 발명의 제2 양상에 따라서, 다른 전기적 이중층 캐패시터가 제공된다.

제2 양상에 따른 캐패시터는 적어도 하나의 기본 셀과 각각이 이 적어도 하나의 기본 셀에 전기 접속된 한 쌍의 외부 단자를 포함한다.

적어도 하나의 기본 셀 각각은 제1 단위셀의 절반부와 제2 단위셀의 절반부로 형성된다. 제1 및 제2 단위셀은 서로 인접하도록 적층된다.

제1 및 제2 단위셀 각각은 (a) 관상의 내부 공간과 개구 단부들을 갖는 관상의 개스킷, (b) 내부 공간이 2부분으로 분할되도록 개스킷의 내부 공간에서 개스킷에 고정된 시트형 콜렉터, (c) 전해질 용액이 흡수되는 한 쌍의 분극성 전극을 포함한다.

개스킷은 절연성 재료로 되어 있다.

콜렉터는 도전성 재료로 되어 있다. 콜렉터는 서로 대향하여 배치된 제1 및 제2 표면을 갖고 있다.

한 쌍의 전극은 각각 내부 공간의 2부분 내에 배치된다. 한 쌍의 전극은 각각 콜렉터의 제1 및 제2 표면과 접촉된 내측 표면을 갖고 있다. 한 쌍의 전극은 고체형 활성탄으로 되어 있다.

개스킷은 열가소성 수지로 되어 있으며 사출 성형으로 형성된다. 콜렉터와 한 쌍의 전극은 개스킷과 일체로 된다. 콜렉터 및 한 쌍의 전극과 개스킷과의 일체화 작업은 개스킷의 성형 공정 중에 시행된다.

제1도 및 제2도 단위셀은 다공성 비 전자 도전성 재료로 된 시트형 세퍼레이터를 통해 서로에 대해 케스케이드 방식으로 접속되도록 적층된다.

세퍼레이터는 제1 및 제2 단위셀에서 한 쌍의 전극의 서로 대향하는 2개의 전극들 사이에 개재된다. 세퍼레이터는 각각이 제1 및 제2 단위셀에서 한 쌍의 전극의 서로 대향하는 외측 표면에 접촉된 서로 대향하는 제1 및 제2 표면을 갖고 있다.

본 발명의 제2 양상에 따른 전기적 이중층 캐패시터에서, 개스킷은 열가소성 수지로 되어 있고 사출 성형으로 형성되기 때문에 개스킷의 성형, 즉 형성 공정 중에 콜렉터 및 한 쌍의 전극과 개스킷이 일체로 된다. 이것은 개스킷, 콜렉터, 및 한쌍의 전극으로 구성된 4개 구성 부품이 함께 일체로 된다는 것을 의미한다. 따라서, 구성 부품수가 줄어든다.

필요한 부품의 수가 감소되면 조립 공정 단계의 수가 감소되므로 생산성이 향상된다.

본 발명의 제2 양상에 따른 캐패시터의 바람직한 실시예에서, 한 쌍의 전극은, 한쌍의 전극의 내측 표면이 각각 외측 표면에 비하여 넓게 되는 방식으로 형성된 테이퍼진 측면을 갖는다.

이 경우, 콜렉터와 한 쌍의 전극은 개스킷의 대향하는 내측 표면에 의하여 가압되므로 콜렉터와 한 쌍의 전극간의 접촉 저항이 감소된다.

본 발명의 제2 양상에 따른 캐패시터의 다른 바람직한 실시예에서, 개스킷은 개스킷의 외측과 내부 공간을 연통시키도록 형성된 개구부를 가진다. 개구부는 개스킷의 내부 공간에 존재하는 가스를 배출하는 통로로서 작용한다. 개구부는 다공성 마개에 의하여 밀봉되며, 이 마개를 통하여 가스는 배출될 수 있는 반면 내부 공간내의 전해질 용액은 누출되지 않는다.

이 경우, 전해질 용액을 누출시키지 않으면서 캐패시터에 발생된 가스를 방출할 수 있다는 부가적인 이점이 제공된다.

본 발명의 제2 양상에 따른 캐패시터의 또 다른 바람직한 실시예에서는, 마개가 개구부에 형성되어 개스킷의 성형 공정시 개구부를 밀폐한다. 마개는 개스킷과 일체화된다.

이 경우, 용융된 열가소성 수지는 성형 공정시 마개의 미세한 구멍내로 흐르고나서 경화되기 때문에, 마개가 개스킷에 강력하게 접착된다고 하는 부가적인 이점이 제공된다.

본 발명의 제3 양상에 따르면, 제1 양상에 따른 전기적 이중층 캐패시터의 제조 방법이 제공된다.

본 방법은 다음의 단계를 포함한다.

(a) 전해질 용액이 흡수되는 한 쌍의 분극성 전극이 마련된다. 한 쌍의 전극은 고체형 활성탄으로 만들어진다. 각각의 한 쌍의 전극은 내측 표면과 외측 표면을 가진다.

(b) 다공성으로 만들어지며 비 전자 도전성 재료인 시트형 세퍼레이터가 마련된다. 세퍼레이터는 각각 대향하는 제1 및 제2 표면을 가진다.

(c) 사출 성형용 성형틀이 마련된다. 성형틀은 성형 공간을 가진다.

(d) 세퍼레이터가 한 쌍의 전극간에 개재되는 방식으로 한 쌍의 전극과 세퍼레이터가 성형틀에 배치된다. 세퍼레이터의 제1 및 제2 표면은 각각 한 쌍의 전극의 대향하는 내측 표면과 접촉된다.

(e) 절연성의 열가소성 수지가 성형틀의 성형 공간내로 주입되어, 사출 성형에 의하여 관상의 내부 공간과 개구 단부를 갖는 관상의 개스킷을 형성한다. 한 쌍의 전극과 세퍼레이터는 개스킷의 내부 공간에 배치된다. 세퍼레이터와 한 쌍의 전극은 개스킷과 일체화된다.

(f) 도전성 재료로 만들어진 한 쌍의 시트형 콜렉터가 마련된다.

(g) 한 쌍의 콜렉터의 내측 표면이 한 쌍의 전극의 대향하는 외측 표면과 각각 접촉되는 방식으로 한 쌍의 콜렉터가 배치된다. 한 쌍의 콜렉터는 개스킷과 각각 접촉된다.

본 발명의 제3 양상에 따른 제조 방법에 의하여, 제1 양상에 따른 전기적 이중층 캐패시터를 제조할 수 있다.

본 발명의 제4 양상에 따르면, 제2 양상에 따른 전기적 이중층 캐패시터의 제조 방법이 제공된다.

본 방법은 다음의 단계를 포함한다.

(a) 전해질 용액이 흡수되는 한 쌍의 분극성 전극이 마련된다. 한 쌍의 전극은 고체형 활성탄으로 만들어진다. 각각의 한 쌍의 전극은 내측 표면과 외측 표면을 가진다.

(b) 도전성 재료로 만들어진 시트형 콜렉터가 마련된다. 콜렉터의 대향 측부에는 제1 및 제2 표면을 형성된다.

(c) 사출 성형용 성형틀이 마련된다. 성형틀은 성형 공간을 가진다.

(d) 콜렉터가 한 쌍의 전극간에 개재되는 방식으로 한 쌍의 전극과 콜렉터가 성형틀에 배치된다. 콜렉터의 제1 및 제2 표면은 각각 한 쌍의 전극의 대향하는 내측 표면과 접촉된다.

(e) 절연성의 열가소성 수지가 성형틀의 성형 공간내로 주입되어, 사출 성형에 의하여 관상의 내부 공간과 개구 단부를 갖는 관상의 개스킷을 형성한다. 한 쌍의 전극과 콜렉터는 개스킷의 내부 공간에 배치된다. 콜렉터와 한 쌍의 전극은 개스킷과 일체화된다.

(f) 다공성이며 비 전자 도전성 재료로 만들어진 한 쌍의 시트형 세퍼레이터가 마련된다.

(g) 한 쌍의 세퍼레이터의 내측 표면이 한 쌍의 전극의 대향하는 외측 표면과 각각 접촉되는 방식으로 한 쌍의 세퍼레이터가 배치된다. 한 쌍의 세퍼레이터는 개스킷과 각각 접촉된다.

본 발명의 제4 양상에 따른 제조 방법에 의하여, 제2 양상에 따른 전기적 이중층 캐패시터를 제조할 수 있다.

제1도는 기본셀의 적층 구조를 가진 종래의 전기적 이중층 캐패시터의 수직 단면도.

제2도는 캐패시터의 제조 공정 단계를 나타내는 제1도의 종래의 전기 이중층 캐패시터의 부분적 수직 단면도.

제3도는 제2도의 Ⅲ-Ⅲ 라인을 따라 절취한 측면 단면도.

제4도는 본 발명의 실시예 1에 따른 기본 셀의 적층 구조를 가진 전기적 이중층 캐패시터의 수직 단면도.

제5도는 제4도의 Ⅴ-Ⅴ라인을 따라 절취한 측면 단면도.

제6(a)도 내지 제6(c)도는 제4도의 실시예 1에 따른 캐패시터의 제조 공정 단계를 단계별로 도시한 수직 단면도.

제7도는 본 발명의 실시예 2에 따른 기본 셀의 적층 구조를 가진 전기적 이중층 캐패시터의 측면 단면도.

제8도는 본 발명의 실시예 3에 따른 기본 셀의 적층 구조를 가진 전기적 이중층 캐패시터의 수직 단면도.

제9도는 제8도의 실시예 3에 따른 캐패시터의 측면 단면도.

제10(a)도 내지 제10(c)도는 제8도의 실시예 3에 따른 캐패시터의 제조 공정 단계를 단계별로 도시한 수직 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1A,1C : 분극성 전극 2A,2C : 세퍼레이터(separator)

3A,3B,3C : 개스킷(gasket) 4A,4C : 개구부

8A,8C : 콜렉터(collector) 9 : 그래포일(Grafoils)

10 : 단자판

11,12 : 부틸 고무판(conductive butyl rubber plate

13 : 가압판 14A,15B : 개스킷 프레임

16 : 볼트 17 : 너트

18A,18C : 마개 30A,30C : 기능상의 기본 셀

31A,31C : 제조상의 단위 셀

다음에, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

제4도 및 제5도에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기적 이중층 캐패시터는 네 개의“기능상의 기본 셀(30A)”을 포함하는 적층 구조를 갖는다. 셀(30A)은 수직 방향으로 적층되며, 전기적으로 케스케이드 접속된다. 각각의 기본 셀(30A)은 하나의 적층 단위이다.

제4도에 도시된 바와 같이, 각각의 기본 셀(30A)은, 전해질 용액인 황산 수용액이 흡수되는 한 쌍의 분극성 전극(1A), 한 쌍의 전극(1A) 사이에 개재되고 비 전자 도전성이며 다공성인 시트형 세퍼레이터(2A), 한 쌍의 전극(1A)과 세퍼레이터(2A)가 배치되는 관상의 내부 공간을 갖는 절연성 관상 개스킷(3A), 및 개스킷(3A)의 개구 단부에 인접하여 배치되는 한 쌍의 시트형 도전성 콜렉터(8A)를 포함한다.

제5도에 도시된 바와 같이, 개스킷(3A)은“기능상의 기본 셀(30A)”의 내측으로 전해질 용액을 공급하는 개구부(4A)를 갖는다. 개구부(4A)는 개스킷(3A)에 평행한 방향으로 개스킷(3A)을 관통하도록 형성되며, 마개(18A)로 밀봉되어 전해질 용액이 누출하는 것을 방지한다. 개스킷(3A)의 각각의 코너에는 네 개의 원형 구멍(6A)이 마련되어 이 구멍(6A)내로 접속 볼트(16)를 삽입된다.

한 쌍의 분극성 전극(1A)은 고체형 활성탄/폴리아센 조성 재료로 만든다. 한쌍의 콜렉터(8A)는 도전성 부틸 고무로 만들며, 콜렉터(8A)의 도전성은 부틸 고무 재료에 카본 분말과 기타의 재료를 혼합함으로써 얻을 수 있다. 세퍼레이터(2A)는 납축전지(lead-acid battery)용으로 사용되는 다공성 유리 섬유로 만들어지고, 비전자 도전성이며 이온 투과성이다.

한 쌍의 콜렉터(8A)는 기본 셀(30A)의 단자판으로서의 작용을 할 뿐만 아니라 개스킷(3A)과 함께 전해질 용액을 위한 밀봉 부재로서의 작용도 한다.

인접해 있는 두 개의 전극(1A)간에 배치된 콜렉터(8A)는 인접한 두 개의 기본 셀(30A)용으로 공통적으로 사용된다.

한 쌍의 외부 단자판(10)은 네 개의 기본 셀(30A)에 의하여 형성된 적층 구조의 양측 및 음측 단부의 최외측 콜렉터(8A)상에 각각 부착된다. 한 쌍의 단자판(10)은 각각 땜납 도금 알루미늄으로 만든다. 최외측 콜렉터(8A)는 각각 콜렉터(8A)의 외측 표면상에 결합된 그래포일(9)을 구비하며, 단자판(10)은 각각 대응하는 그래포일(9)과 접촉한다.

ABS 수지로 만들어지는 양측 단부의 관상 개스킷 프레임(14A)과 음측 단부의 관상 개스킷 프레임(15B)은 각각 적층 구조의 양측 및 음측 단부상에 결합된다.

스페이서로서 작용하는 한 쌍의 부틸 고무판(11)은 각각 한 쌍의 개스킷 프레임(14A, 15B)의 외부 단자판(10)상에 부착된다. 스페이서로서 작용하는 한 쌍의 부틸 고무판(12)은 각각 한 쌍의 외부 단자판(10)과 개스킷 프레임(14A, 15B)상에 부착된다. 알루미늄으로 만들어진 한 쌍의 가압판(13)은 각각 한 쌍의 부틸 고무판(12)상에 부착된다.

스테인레스 스틸로 만들어진 접속 볼트(16)는 각각 적층된 개스킷(3A)의 적층된 구멍(6A)내로 삽입된다. 스테인레스 스틸로 만들어진 너트(17)는 볼트(16)의 양 단부에 형성된 나사산과 맞물려 적층식 기본 셀(30A)을 볼트(16)를 따라 가압함으로써, 네 개의 적층된 기본 셀(30A)을 지지하거나 결합시킨다.

가해진 압력으로 인하여, 인접해 있는 기본 셀(30A)을 가로지르는 접촉 저항 및 최외측 기본 셀(30A)과 대응 단자판(10)을 가로지르는 접촉 저항이 낮게 유지된다.

제4도의 제1 실시예에 따른 캐패시터는 제1도의 종래의 캐패시터와 비교하여다음과 같은 차이가 있다.

(1) 세퍼레이터(2A)의 외측 단부는 개스킷(3A)내로 삽입한다.

(2) 한 쌍의 전극(1A)과 개스킷(3A)은 서로 직접 접촉하며, 전극(1A)의 외측 표면과 개스킷(3A)의 대향하는 내측 표면간에 갭 또는 공간이 형성되지 않는다.

(3) 각각의 전극(1A)은 테이퍼진 형상이며, 단면 형상을 살펴보면, 세퍼레이터(2A)측의 변이 넓고 콜렉터(8A)측의 변이 좁은 사다리꼴로 되어 있다. 즉, 각각의 전극(1A)의 내측 표면은 외측 표면에 비하여 넓다.

(4)“기능상의 기본 셀(30A)”은“제조상의 단위 셀(31A)”과 실질적으로 동일하다.

제4도의 제1 실시예에 따른 전기적 이중층 캐패시터는 다음의 공정 순서에 따라 제조된다.

먼저, 한쌍의 분극성 전극(1A)이 제조된다. 이러한 공정에서, 분말형 활성탄은 페놀 수지와 같은 접합제와 혼합되며, 이 혼합물을 상술한 바와 같은 사다리꼴 단면의 블록으로 소결(sinter)시킨다. 이러한 공정은 일본 미심사 특허 공보 제4-288361호에 개시된 바와 같은 활성탄/폴리아센 조성 재료 제조 방법에 기초하고 있다. 만일 활성탄 전극을 다공성의 블록 형상으로 제조할 수 있다면, 상기한 접합제와 제조 방법 이외의 방법도 사용할 수 있다.

다음에, 다공성 세퍼레이터(2A)로서, 납축전지용 유리 섬유로 만들어진 세퍼레이터가 마련된다. 세퍼레이터(2A)용 재료는 이에만 제한되지 않으며, 비 전자 도전성이며 이온 투과성이면 어떠한 재료라도 좋다.

그 후, 제6(a)도에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 전극(1A)이 세퍼레이터(2A)의 각각의 측부상에 배치되는 방식으로, 한 쌍의 전극(1A)과 세퍼레이터(2A)는 사출 성형틀(20)의 하반부(bottom half)(20b)의 중앙부에 배치된다. 한 쌍의 전극(1A)의 비교적 넓은 표면은 각각 세퍼레이터(2A)의 대향 표면과 접촉된다. 그리고, 성형틀(20)의 상반부(top half)(20a)는 하반부(20b)상에 배치된다. 이로써, 한 쌍의 전극(1A) 및 세퍼레이터(2A)는 성형틀(20)의 성형 공간내에 포함된다.

다음으로, 제6(a)도에 도시된 바와 같이, 용융된 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(Acrylonitrile Butadiene Styrene)(ABS)수지가 성형틀(20)의 성형 공간내로 사출되어, 한 쌍의 전극(1A) 주위의 주변부를 채운다. 사출된 용융 ABS 수지(20)는 후속하는 냉각 공정에 의하여 경화되어, 전극(1A)과 세퍼레이터(2A)를 둘러싸는 관상의 개스킷(3A)을 형성한다.

이로써, 네 개의 일체화된, 즉 결합된 부품, 즉 세퍼레이터(2A), 두개의 전극 및 개스킷(3A)에 의하여 형성되는“제조상의 단위 셀(31A)”이 제6(b)도에 도시된 바와 같이 얻어진다.

또한, 필요한 수의“제조상의 단위 셀(31A)”은 상기한 바와 동일한 방법으로 제조된다.

개스킷(3A)의 재료는 ABS 수지로 한정되지 않는다. 전해질 용액에 대한 내성(본 실시예에서는 황산에 대한 내성)과 내열성을 갖는 다른 열가소성 수지도 사용될 수 있다.

한쌍의 전극(1A)을 전해질 용액(즉, 황산을 희석한 수용액)에 함침하기 위한 주입구(4A)는 제6(b)도에 도시된 바와 같이 다음 단의 개스킷(3A)내의 세퍼레이터(2A)의 대향 가장자리부에 도달하도록 형성된다.

다음으로, 상기한 세퍼레이터(2A), 한쌍의 전극(1A) 및 개스킷(3A)이 일체화되어 있는 필요한 수 만큼의“단위 셀(31A)”과 부틸 고무로 만들어진 필요한 수만큼의 콜렉터(8A)가 마련된다. 그 후, 제4도에 도시된 바와 같이, 이들“단위 셀(31A)”과 콜렉터(8A)가 적층된다.

제4도의 제1 실시예에 따른 캐패시터에서는, 전체 캐패시터에 가해진 전압은 각각의“기본 셀(30A)”에 동일하게 나누어지며 할당되는 것으로 가정된다. 그리고, 기본 셀 마다 0.8V 의 전압이 할당되도록, 필요한 적층 구조의 수가 결정된다.

또한, 에폭시 접착제는“제조상의 단위 셀(31A)”의 개스킷(3A)의 접착면에 제공된다. 그 후,“단위 셀(31A)”과 콜렉터(8A)를 서로 중첩 배치하면서 적층 구조를 형성한다. 즉, 두 개의“단위 셀(31A)”의 사이에 콜렉터(8A)를 개재하면서 적층 구조를 형성한다.

양측 및 음측의 각각의 단부에는, 외측 표면상에 그래포일(9)이 형성되어 있는 콜렉터(8A)가 배치된 후, ABS 수지로 만들어지는 양측 단부 개스킷 프레임(14A)과 음측 단부 개스킷 프레임(15B)이 콜렉터(8A)에 결합된다.

그 후, 지그(jig)를 사용하여 적층 구조를 25㎏/㎠으로 가압하고 지지하는 동안, 코팅된 에폭시 접착제는 접착-경화실(adhesive-curing chamber)에서 경화된다. 그리고, 적층 구조의 각각의 그래포일(9)의 노출면에는, 단자판(10)이 배치된다. 단자판(10)의 외측에는, 스페이서용 절연 고무판(11,12)이 배치된다. 판(12)의 외측에는 가압판(13)이 배치된다.

조립체 전체를 2㎏/㎠으로 가압하고 지지하면서, 적층 구조의 네 코너를 볼트(16)와 너트(17)로 체결한다.

마지막으로, 각각의 “기본 셀(30A)”의 내측을 전해질 용액 주입구(4A)를 통하여 10^-2Torr 로 진공 배기한 후, 30wt%의 황산 희석액을 주입한다. 그후, 주입구(4A)를 녹이고 밀봉 마개(18)로 밀봉하여, 제4도의 실시예 1에 따른 전기적 이중층 캐패시터의 적층 공정을 완료한다.

제4도의 실시예 1에 따른 전기적 이중층 캐패시터에 의하면, 앞서 설명한 종래의 전기적 이중층 캐패시터에 비하여 필요한 부품의 수가 감소된다. 따라서, 필요한 공정의 단계 수(즉, 적층 구조를 조립하는데 필요한 시간)가 감소되어, 결국 생산성을 향상할 수 있다.

예를 들어, 종래의 전기적 이중층 캐패시터의 제조시의 조립 공정에 필요한 공정의 단계를 100이라고 가정하면, 제4도의 실시예 1에 따른 전기적 이중층 캐패시터는 55의 공정의 단계로 조립할 수 있다. 이것은, 전기적 이중층 캐패시터의 모든 제조 공정 순서에 대하여, 종래의 예를 100이라고 하면 80으로 감소시킬 수 있음을 의미한다.

또한, 실시예 1에 따른 캐패시터에서는, 각각의 전국(1A)의 단면이 사다리꼴이므로, 각각의 전극(1A)은 전극(1A)의 주변부에 가해지는 개스킷(3A)으로부터의 압력에 의하여 세퍼레이터(2A)에 대하여 가압된다. 따라서, 앞서 설명한 종래의 전기적 이중층 캐패시터에 비하여, 실시예 1에 따른 캐패시터는 낮은 접촉 저항을 가지며 장기간에 걸친 접촉 압력을 보유하게 된다. 이것은, ERS 가 초기에 낮을 뿐만 아니라 장기간에 걸쳐 낮게 유지됨을 의미한다.

제4도의 실시예 1에 따른 캐패시터에서, 콜렉터(8A)용 재료로는 전기 도전성과 내산성(acid resistance)을 갖는 재료이면 어떠한 재료라도 상관없다.

단자판(10)은 전기적으로 도전성인 금속 재료이면 어떠한 재료이어도 된다.

스페이서로서 사용하기 위한 절연 고무판(11,12)은 항상 고무로 만들 필요는 없으며, 절연 성능을 갖는 재료이면 되고, 탄성을 갖는 것이면 더욱 바람직하다.

가압판(13)용 재료는 강체의 판이면 어떠한 재질이어도 상관없으며, 단부 개스킷 프레임(14,15)은 내산성과 내열성을 갖는 열가소성 수지이면 어떠한 재료이어도 된다.

볼트(16)와 너트(17)용 재료도 강체이면 어떠한 재료라도 상관없다.

본 발명의 실시예 2에 따른 전기적 이중층 캐패시터가 제7도에 도시된다.

배출 마개(5B)가 개스킷(3A)에 매립되어 있는 점을 제외하면, 실시예 2에 따른 캐패시터는 실시예 1의 것과 동일한 구성이다. 따라서, 설명의 간편화를 위하여, 제7도의 구성부 중 실시예 1과 동일한 구성부에는 동일한 참조 번호를 부여함으로써 동일한 구성부에 관련된 설명을 생략한다.

배출 마개(5B)는 폴리테트라플루오로에틸렌으로 만들어지고, 방수성이며 다공성이다. 즉, 이 마개(5B)를 통하여 캐패시터에 존재하는 가스는 투과할 수 있는 반면, 액체는 통과할 수 없다. 따라서, 전해질 용액을 누출시키지 않으면서 캐패시터에 발생된 가스를 외측으로 방출할 수 있다는 부가적인 이점이 제공된다.

열가소성 수지(21)의 사출 성형에 의하여 세퍼레이터(2A), 한 쌍의 전극(1A) 및 개스킷(3A)이 일체화될 때 마개(5B)도 일체로 성형된다.

실시예 2에 따른 전기적 이중층 캐패시터의 적층 구조를 제조하기 위하여, 마개(5B)는 세퍼레이터(2A) 및 한 쌍의 전극(1A)과 함께 성형틀(20)에 배치된다. 그 후, 마개(5B), 세퍼레이터(2A) 및 한 쌍의 전극(1A)은 실시예 1과 동일한 사출성형 방법으로 성형된다. 이로써, 세퍼레이터(2A), 한 쌍의 전극(1A) 및 배출 마개(5B)는 개스킷(3B)과 동시에 일체화된다.

이러한 성형 공정에 의하여, 용융된 ABS 수지는 사출 성형 공정시 폴리테트라플루오로에틸렌으로 만들어진 배출 마개(5B)의 표면의 구멍내로 유입된다. 그 결과, 실시예 1의 이점과 동일한 이점과 함께, 마개(5B)가 개스킷(3B)에 확고히 결합된다고 하는 부가적인 이점이 제공된다.

실시예 2에 따른 캐패시터에서는, 사출 성형 공정시 배출 마개(5B)를 개스킷(3A)에 매립하는 대신, 사출 성형 공정시 배출 밸브 구멍이 개스킷(3B)에 제공될 수 있으며, 그리고나서 개스킷(3A) 성형 후에 원형 시트를 녹여서 이 구멍을 밀봉한다.

원형 시트는 폴리테트라플루오로에틸렌으로 만들어지며 밸브 구멍에 비하여 큰 직경을 갖는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예 3에 따른 전기적 이중층 캐패시터가 제8도, 제9도 및 제10(a)도 내지 제10(c)도에 도시된다.

실시예 3에 따른 캐패시터는 다음의 차이점(1,2)을 제외하면, 실시예 1에 따른 캐패시터와 동일한 구성이다. 따라서, 설명의 간편화를 위하여, 제8도의 구성부 중 실시예 1과 동일한 구성부에는 동일한 참조 번호를 부여함으로써 동일한 구성부에 관련된 설명을 생략한다.

(1) 전하 축적 기능의 단위인 “기능상의 기본 셀(30C)”은 제조시의 반복 단위인 “제조상의 단위 셀(31C)”과 어긋나 있다.

각각의 기본 셀(30C)은 단위 셀(31C) 중 하나의 반과, 이 단위 셀(31C)중 하나와 인접하여 적층되어 있는 단위 셀(31C) 중 다른 하나의 반에 의하여 형성된다.

(2) 상기한 차이점(1)에 따라, 사다리꼴 형상의 단면을 갖는 각각의 전극(1C)의 보다 넓은 표면은 콜렉터(8A)와 접촉된다.

제8도에 도시된 바와 같이, 각각의 단위 셀(31C)은 관상의 내부 공간을 갖는 절연성의 관상 개스킷(3C), 개스킷(3C)의 내부 공간내에 이 내부 공간을 두 부분으로 나누는 방식으로 개스킷(3C)에 고정되는 시트형 콜렉터(8C), 및 전해질 용액인 황산 수용액이 흡수되는 한 쌍의 분극성 전극(IC)을 포함한다. 한 쌍의 전극(IC)은 개스킷(3C)의 내부 공간의 두 부분에 배치된다.

제9도에 도시된 바와 같이, 개스킷(3C)은 전해질 용액을 “단위 셀(31A)”의 내측으로 공급하는 개구부(4C)를 갖는다. 개구부(4C)는 개스킷(3C)에 평행한 방향으로 개스킷(3C)을 관통하도록 형성되며, 마개(18C)로 밀봉된다. 개스킷(3C)의 각각의 코너에는 접속 볼트(16)를 삽입하기 위한 네 개의 원형 구멍(6c)이 형성되어 있다.

콜렉터(8C)는 인접해 있는 두 개의 단위 셀(31C)의 인접해 있는 두 개의 전극(1C)간에 배치되며, 두 단위 셀(31C)용으로 공통적으로 사용된다.

한 쌍의 분극성 전극(1C)은 고체형 활성탄/폴리아센 조성 재료로 만든다. 콜렉터(8C)는 도전성 부틸 고무로 만들며, 콜렉터(8C)의 도전성은 부틸 고무 재료에 카본 분말과 기타의 재료를 혼합함으로써 얻을 수 있다. 세퍼레이터(2C)는 납축전지용으로 사용되는 다공성 유리 섬유로 만들어지고, 비 전자 도전성이며 이온 투과성이다.

ABS 수지로 만들어지는 양측 단부 개스킷 프레임(14C) 및 음측 단부 개스킷 프레임(15C)은 세 개의 단위 셀(31C)을 포함하는 적층 구조의 양측 및 음측 단부상에 각각 부착된다.

개스킷 프레임(14C, 15C)에는, 전극(1C)와 동일한 구성과 재료로 만들어진 두 개의 전극(1Ca)이 각각 배치된다. 전극(1Ca)은 적층 구조의 최외측 세퍼레이터(2C)에 각각 접촉된다.

한 쌍의 외부 단자판(10)은 세 개의 단위 셀(31C)로 형성된 적층 구조의 양측과 음측 단부의 세퍼레이터(2C)상에 각각 부착된다. 한 쌍의 단자판(10)은 각각 땜납 도금 알루미늄으로 만든다. 최외측 콜렉터(8C)의 외측 표면에는 각각 그래포일(8)이 결합되어 있으므로, 단자판(10)은 각각 대응하는 그래포일(9)과 접촉한다.

스페이서로서 작용하는 한 쌍의 부틸 고무판(11)은 각각 개스킷 프레임(14C,15C)의 외측의 외부 단자판(10)상에 부착된다. 스페이서로서 작용하는 한 쌍의 부틸 고무판(12)은 각각 한 쌍의 판(11)상에 부착된다. 알루미늄으로 만들어진 한 쌍의 가압판(13)은 각각 한 쌍의 부틸 고무판(12)상에 부착된다.

스테인레스 스틸로 만들어진 접속 볼트(16)는 각각 적층된 개스킷(3C)의 적층된 구멍내로 삽입된다. 스테인레스 스틸로 만들어진 너트(17)는 볼트(16)의 양 단부에 형성된 나사산과 맞물려 개스킷 프레임(14C, 15C)에 각각 배치된 전극(1Ca)과 콜렉터(8C)를 통하여 볼트(16)를 따라 적층된 단위 셀(31C)을 가압함으로써, 세 개의 적층된 단위 셀(31C)을 서로 지지하거나 결합한다.

가해진 압력으로 인해, 인접 단위 셀들(31C) 양단의 접촉 저항 및 최외측 단위 셀들(31C)와 대응하는 단자판(10) 양단의 접촉 저항은 낮게 유지된다.

배출 마개(5C)는 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어지고, 방수성이며 다공성이다. 바꾸어 말하면, 마개(5C)는 캐패시터내에 존재하는 가스가 마개(5C)를 통해 침투하게 하나, 액체는 통과하지 못하게 한다. 그러므로, 캐패시터내에 발생된 가스가 전해질 용액을 누출시키지 않으면서 외측으로 방출될 수 있다는 부가적인 장점이 있다.

마개(5C)는 콜렉터(8C), 한 쌍의 전극(1C), 및 개스킷(3C)이 열가소성 수지(21)의 사출 성형에 의해 일체화됨과 동시에 일체로 성형된다.

제8도의 실시예 3에 따른 전기적 이중층 캐패시터는 다음과 같은 방식으로 제조된다.

먼저, 한 쌍의 분극성 전극(1C)은 실시예 1과 동일한 방식으로 제조된다. 다음에, 콜렉터(8C)가 준비된다.

그 다음에, 제6(a)도의 실시예 1과 유사한 방식으로, 한 쌍의 전극(1C) 및 콜렉터(8C)는 한 쌍의 전극(1C)이 콜렉터(8C)의 각각의 측면상에 배치되는 방식으로 사출 성형틀(20)의 하반부(20b)의 중심부 상에 배치된다. 한 쌍의 전극(1C)의 비교적 넓은 표면은 제10(a)도에 각각 도시한 바와 같이 콜렉터(8C)의 대향 표면과 접촉하게 된다.

마개(5C)는 콜렉터(8C) 및 한 쌍의 전극(1C)와 함께 성형틀(20)내에 배치된다.

후속하여, 성형틀(20)의 상반부(20a)는 하반부(20b)상에 배치된다. 그러므로, 한 쌍의 전극(1C)와 콜렉터(8C), 및 마개(5C)는 성형틀(20)의 성형 공간내에 배치된다.

다음에, 제6(a)도에 도시한 바와 같이, 용융된 ABS 수지는 성형틀(20)의 성형 공간내로 주입되어, 전극(1C) 주위의 주변부를 채운다. 주입된 용융 ABS 수지는 후속 냉각 공정을 통하여 경화되어, 전극(1C) 및 콜렉터(2C)를 둘러 싸는 개스킷(3C)를 형성한다.

그러므로, 4개의 일체화된 또는 조합된 부품, 즉 콜렉터(8C), 2개의 전극(1C), 및 개스킷(3C)에 의해 형성된 “제조상의 단위 셀(31C)”는 제10(a)도에 도시한 바와 같이 얻어진다. 동시에, 배출 마개(5C)도 개스킷(3B)와 함께 일체화된다.

이 성형 공정을 통해, 용융된 ABS 수지는 사출 성형 공정 중에 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어진 배출 마개(5C)내의 표면의 구멍내로 흐른다. 결과적으로, 마개(5C)가 개스킷(3C)에 단단하게 결합된다는 부가적인 장점이 실시예 1의 것과 동일한 장점과 함께 얻어진다.

또한, 필요한 수의 “제조상의 단위 셀(31C)”가 상기한 동일한 방식으로 제조된다. 다공성 세퍼레이터(2C)로서, 납축전지용으로 사용되는 유리 섬유로 이루어진 세퍼레이터가 준비된다.

다음에, 상기 콜렉터(8C), 한 쌍의 전극(1C), 및 개스킷(3C)가 일체화되는 필요한 수의 “단위 셀(31C)”, 및 부틸 고무로 이루어진 필요한 수의 세퍼레이터(2C)가 준비된다. 다음에, 이들은 제10(b)도에 도시한 바와 같이 적층된다. 그러므로, 한 쌍의 전극(1C)를 전해질 용액(즉, 황산의 희석액)에 함침시키기 위한 다공성 개구부(4C)가 인접한 개스킷들(3C) 사이에 형성된다.

또한, 에폭시 접착제는 “제조상의 단위 셀(31C)”내의 개스킷(3C)의 결합 표면상에 가해진다. 다음에, “단위 셀(31C)”와 세퍼레이터(2C)를 중첩 배치하면서 적층이 이루어진다. 바꾸어 말하면, 적층은 2개의 “단위 셀(31C)”사이에 세퍼레이터(2C)를 개재하면서 이루어진다.

양측과 음측상의 각 단부에서, 그것의 외측 표면상에 그래포일(9)를 갖는 콜렉터(8C)가 배치된다. 다음에, ABS 수지로 이루어진 양측 단부 개스킷 프레임(14C) 및 음측 단부 개스킷 프레임(15C)는 이에 결합되어, 제10(c)에 도시한 것과 같은 2개의 하위 조립체를 생성한다.

그 다음에, 적층된 구조를 25㎏/㎠으로 압축 및 유지하기 위해 지그를 사용하요, 코핑된 에폭시 접착제가 접착-경화실내에서 경화된다. 다음에, 적층된 구조내의 그래포일(9) 각각의 노출된 면 상에는, 단자판(10)이 배치된다. 단자판의 외측상에는, 스페이서로서 사용하기 위한 절연 고무판(11 및 12)가 배치된다. 판(12)의 외측상에는, 가압판(13)이 배치된다.

전체 조립 공정을 2㎏/㎠으로 압축하고 유지하면서, 이 구조의 4개의 코너는 볼트(16) 및 너트(17)에 의해 기밀화된다.

마지막으로, “기본 셀(30C)”의 내측을 전해질 다공성 개구부(4C)를 통해 10^-2Torr로 진공 배기한 후에, 30 wt%의 황산 희석액을 유입한다. 개구부(4C)는 다음에 밀봉 마개(18C)로 용접되어 밀봉되어, 제8도의 실시예 3에 따른 전기적 이중층 캐패시터의 적층 공정을 완료한다.

제8도의 실시예 3에 따른 전기적 이중층 캐패시터에 의해, 실시예 1의 것과 동일한 장점이 얻어질 수 있다.

본 발명의 양호한 형태가 설명되었지만, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 수정이 본 기술에 숙련된 자에게는 자명하다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 본 발명의 범위는 다음의 특허 청구의 범위에 의해서만 결정된다.

Claims (18)

1. 적어도 하나의 기본 셀과 각각이 상기 적어도 하나의 기본 셀에 전기 접속된 한 쌍의 외부 단자를 포함하는 전기적 이중층 캐패시터에 있어서, 상기 각각의 적어도 하나의 기본 셀은, (a) 관상의 내부 공간과 개구 단부들을 구비하며 절연성 재료로 된 관상의 개스킷, (b) 전해질 용액이 흡수되어지며, 고체형 활성탄으로 되어 있고, 각각이 내측 표면과 외측 표면을 갖는 한 쌍의 분극성 전극, (c) 상기 한 쌍의 전극들 사이에 개재되어 있고, 다공성 비 도전성 재료로 되어 있고, 각각이 상기 한 쌍의 전극들의 상기 대향하는 내측 표면들과 접촉하는 제1 및 제2 표면을 갖는 시트형 세퍼레이터, (d) 각각이 상기 개스킷의 상기 개구 단부들을 밀폐시키도록 배치되고, 도전성 재료로 되어 있고, 각각이 상기 한 쌍의 전극들의 상기 대향하는 외측 표면들과 접촉하는 내측 표면들을 갖고, 각각이 상기 한 쌍의 외부 단자들에 전기 접속된 한 쌍의 시트형 콜렉터, 및 (e) 상기 개스킷의 상기 내부 공간 내에 배치된 상기 한 쌍의 분극성 전극과 상기 세퍼레이터를 포함하며, 상기 개스킷은 열가소성 수지로 되어 있고 사출 성형에 의해 형성되며, 상기 세퍼레이터 및 상기 한 쌍의 전극은 상기 개스킷과 일체로 되어 있고, 그리고 상기 세퍼레이터 및 상기 한 쌍의 전극과 상기 개스킷과의 일체화 작업은 상기 개스킷의 성형 공정 중에 시행되는 것을 특징으로 하는 전기적 이중층 캐패시터.
2. 제1항에 있어서, 상기 한 쌍의 전극은 각각 상기 한 쌍의 전극의 상기 내측 표면들이 상기 한 쌍의 전극의 상기 외측 표면보다 더 넓게 되도록 형성된 테이퍼 형상의 측면들을 갖는 것을 특징으로 하는 전기적 이중층 캐패시터.
3. 제1항에 있어서, 상기 개스킷은 그 외측과 상기 개스킷의 상기 내부 공간이 연통하도록 형성된 개구부를 갖고, 상기 개구부가 상기 개스킷의 상기 내측 표면에 존재하는 가스를 배출하기 위한 통로로서 작용하고, 상기 개구부는 다공성 마개로 밀봉되며, 상기 마개는 상기 가스를 배출시키면서 상기 내부 공간 내의 상기 전해질 용액의 누출을 방지해 주는 것을 특징으로 하는 전기적 이중층 캐패시터.
4. 제3항에 있어서, 상기 마개가 상기 개구부 내에 형성되어 상기 개스킷의 성형 공정 중에 상기 개구부를 밀폐시키고, 상기 마개가 상기 개스킷과 일체로 되어 있는 것을 특징으로 하는 전기적 이중층 캐패시터.
5. 적어도 하나의 기본 셀과 각각이 상기 적어도 하나의 기본 셀에 전기 접속된 한 쌍의 외부 단자를 포함하는 전기적 이중층 캐패시터에 있어서, 상기 각각의 적어도 하나의 기본 셀은 제1단위 셀의 절반부와 제2단위 셀의 절반부로 형성되고, 상기 제1 및 제2 단위 셀은 서로 인접하여 적층되어 있고, 상기 각각의 제1 및 제2 단위 셀은, (a) 관상의 내부 공간과 개구 단부들을 갖고, 절연성 재료로 되어 있는 관상의 개스킷, (b) 상기 개스킷의 내부 공간이 두 부분으로 분할되도록 상기 개스킷의 상기 내부 공간 내에서 상기 개스킷에 고정되고, 도전성 재료로 되어 있고, 서로 대향하여 배치된 제1 및 제2 표면을 갖는 시트형 콜렉터 및 (c) 전해질 용액이 흡수되어지고, 각각이 상기 내부 공간의 상기 두 부분 내에 배치되며, 각각이 상기 콜렉터의 상기 제1 및 제2 표면과 접촉하는 내측 표면들을 갖고, 고체형 활성탄으로 된 한 쌍의 분극성 전극을 포함하며, 상기 개스킷은 열가소성 수지로 되어 있고 사출 성형에 의해 형성되며, 상기 콜렉터 및 상기 한 쌍의 전극이 상기 개스킷과 일체로 되어 있고, 상기 콜렉터 및 상기 한 쌍의 전극과 상기 개스킷과의 일체화 작업은 상기 개스킷의 성형 공정 중에 시행되고, 상기 제1 및 제2 단위 셀은 다공성 비 도전성 재료로 된 시트형 세퍼레이터를 통해 서로에 대해 케스케이드 방식으로 접속되도록 적층되어 있고, 상기 세퍼레이터는 상기 제1 및 제2 단위 셀의 상기 한 쌍의 전극의 서로 대향하는 2개의 전극들 사이에 개재되고, 상기 세퍼레이터는 서로 대향하는 제1 및 제2 표면을 갖되, 이들 표면은 각각 상기 제1 및 제2 단위 셀의 상기 한 쌍의 전극들의 대향하는 외측 표면들과 접촉하는 것을 특징으로 하는 전기적 이중층 캐패시터.
6. 제5항에 있어서, 상기 한 쌍의 전극은 각각 상기 한 쌍의 전극의 상기 내측 표면들이 상기 한 쌍의 전극의 상기 외측 표면보다 더 넓게 되도록 형성된 테이퍼 형상의 측면들을 갖는 것을 특징으로 하는 전기적 이중층 캐패시터.
7. 제5항에 있어서, 상기 개스킷은 그 외측과 상기 개스킷의 상기 내부 공간이 연통하도록 형성된 개구부를 갖고, 상기 개구부는 상기 개스킷의 상기 내측 표면에 존재하는 가스를 배출하기 위한 통로로서 작용하고, 상기 개구부는 다공성 마개로 밀봉되며, 상기 마개는 상기 가스를 배출시키면서 상기 내부 공간 내의 상기 전해질 용액의 누출을 방지해 주는 것을 특징으로 하는 전기적 이중층 캐패시터.
8. 제7항에 있어서, 상기 마개는 상기 개구부 내에 형성되어 상기 개스킷의 성형 공정 중에 상기 개구부를 밀폐시키고, 상기 마개는 상기 개스킷과 일체로 되어 있는 것을 특징으로 하는 전기적 이중층 캐패시터.
9. 전기적 이중층 캐패시터의 제조 방법에 있어서, (a) 전해질 용액이 흡수되어지고, 고체형 활성탄으로 되어 있고, 각각의 내측 표면과 외측 표면을 갖고 있는 한 쌍의 분극성 전극을 형성하는 단계, (b) 다공성 비 전자 도전성 재료로 되어 있고, 서로가 대향하는 제1 및 제2 표면을 갖는 시트형 세퍼레이터를 형성하는 단계, (c) 성형 공간을 갖는 사출 성형용 성형틀을 형성하는 단계, (d) 상기 세퍼레이터가 상기 한 쌍의 전극들 사이에 개재되도록 상기 성형틀내에 상기 한 쌍의 전극과 상기 세퍼레이터를 배치하며, 상기 세퍼레이터의 상기 제1 및 제2 표면은 각각 상기 한 쌍의 전극의 상기 대향하는 내측 표면들과 접촉되는 단계, (e) 절연성 열가소성 수지를 상기 성형틀의 상기 성형 공간 내에 주입하여 사출 성형에 의해서 관상의 내부 공간과 개부 단부들을 갖는 관상의 개스킷을 형성하며, 상기 한 쌍의 전극과 상기 세퍼레이터는 상기 개스킷의 상기 내부 공간에 배치되고, 상기 세퍼레이터 및 상기 한 쌍의 전극은 상기 개스킷과 일체로 되는 단계, (f) 도전성 재료로 된 한 쌍의 시트형 콜렉터를 형성하는 단계, 및 (g) 상기 한 쌍의 콜렉터의 상기 내측 표면들이 각각 상기 한 쌍의 전극의 상기 대향하는 외측 표면들과 접촉하도록 상기 한 쌍의 콜렉터를 배치하며, 상기 한 쌍의 콜렉터를 각각 상기 개스킷에 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 이중층 캐패시터 제조 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 한 쌍의 전극은 각각 상기 한 쌍의 전극의 상기 내측 표면들이 상기 한 쌍의 전극의 상기 외측 표면보다 더 넓게 되도록 형성된 테이퍼 형상의 측면들을 갖고, 상기 개스킷은 제1 및 제2 테이퍼 형상의 내측 표면을 가지며, 이 내측 표면들은 각각 상기 한 쌍의 전극의 상기 테이퍼 형상의 측면들에 대향하여 접촉하는 것을 특징으로 하는 전기적 이중층 캐패시터 제조 방법.
11. 제9항에 있어서, 상기 개스킷은 그 외측과 상기 개스킷의 상기 내부 공간이 연통하도록 형성된 개구부를 갖고, 상기 개구부는 상기 개스킷의 상기 내측 표면에 존재하는 가스를 배출하기 위한 통로로서 작용하고, 상기 개구부는 다공성 마개로 밀봉되며, 상기 마개는 상기 가스를 배출시키면서 상기 내부 공간 내의 상기 전해질 용액의 누출을 방지해 주는 것을 특징으로 하는 전기적 이중층 캐패시터 제조 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 마개는 상기 개구부 내에 형성되어 상기 단계(e) 중에 상기 개구부를 밀폐시키고, 상기 마개는 상기 개스킷과 일체로 되는 것을 특징으로 하는 전기적 이중층 캐패시터 제조 방법.
13. 제9항에 있어서, 상기 전해질 용액을 상기 개스킷의 상기 내부 공간에 공급하기 위한 개구부를 상기 단계 (e)에서 형성하고, 상기 개구부가 상기 전해질 용액 공급 단계 후에 마개로 밀폐되는 것을 특징으로 하는 전기적 이중층 캐패시터 제조 방법.
14. 전기적 이중층 캐패시터의 제조 방법에 있어서, (a) 전해질 용액이 흡수되어지고, 고체형 활성탄으로 되어 있고, 각각이 내측 표면과 외측 표면을 갖고 있는 한 쌍의 분극성 전극을 형성하는 단계, (b) 도전성 재료로 되어 있고, 서로가 대향하는 제1 및 제2 표면을 갖는 시트형 콜렉터를 형성하는 단계, (c) 성형 공간을 갖는 사출 성형용 성형틀을 형성하는 단계, (d) 상기 콜렉터가 상기 한 쌍의 전극들 사이에 개재되도록 상기 성형틀 내에 상기 한 쌍의 전극과 상기 콜렉터를 배치하며, 상기 콜렉터의 상기 제1 및 제2 표면은 각각 상기 한 쌍의 전극의 상기 대향하는 내측 표면들과 접촉되는 단계, (e) 절연성 열가소성 수지를 상기 성형틀의 상기 성형 공간 내에 주입하여 사출 성형에 의해서 관상의 내부 공간과 개구 단부들을 갖는 관상의 개스킷을 형성하며, 상기 한 쌍의 전극과 상기 콜렉터는 상기 개스킷의 상기 내부 공간에 배치되고, 상기 콜렉터 및 상기 한 쌍의 전극은 상기 개스킷과 일체로 되는 단계, (f) 다공성 비 전자 도전성 재료로 된 한 쌍의 시트형 세퍼레이터를 형성하는 단계, 및 (g) 상기 한 쌍의 세퍼레이터의 상기 내측 표면들이 각각 상기 한 쌍의 전극의 상기 대향하는 외측 표면들과 접촉하도록 상기 한 쌍의 세퍼레이터를 배치하며, 상기 한 쌍의 세퍼레이터를 각각 상기 개스킷에 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 이중층 캐패시터 제조 방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 한 쌍의 전극은 각각 상기 한 쌍의 전극의 상기 내측표면들이 상기 한 쌍의 전극의 상기 외측 표면보다 더 넓게 되도록 형성된 테이퍼 형상의 측면들을 갖고, 상기 개스킷은 제1 및 제2 테이퍼 형상의 내측 표면을 가지고, 이 내측 표면들은 각각 상기 한 쌍의 전극의 상기 테이퍼 형상의 측면들에 대향하여 접촉하는 것을 특징으로 하는 전기적 이중층 캐패시터 제조 방법.
16. 제14항에 있어서, 상기 개스킷은 그 외측과 상기 개스킷의 상기 내부 공간이 연통하도록 형성된 개구부를 갖고, 상기 개구부는 상기 개스킷의 상기 내측 표면에 존재하는 가스를 배출하기 위한 통로로서 작용하고, 상기 개구부는 다공성 마개로 밀봉되며, 상기 마개는 상기 가스를 배출시키면서 상기 내부 공간 내의 상기 전해질 용액의 누출을 방지해 주는 것을 특징으로 하는 전기적 이중층 캐패시터 제조 방법.
17. 제14항에 있어서, 상기 마개는 상기 개구부 내에 형성되어 상기 단계 (e) 중에 상기 개구부를 밀폐시키고, 상기 마개는 상기 개스킷과 일체로 되는 것을 특징으로 하는 전기적 이중층 캐패시터 제조 방법.
18. 제14항에 있어서, 상기 전해질 용액을 상기 개스킷의 상기 내부 공간에 공급하기 위한 개구부를 상기 단계 (e)에서 형성하고, 상기 개구부가 상기 전해질 용액 공급 단계 후에 마개로 밀폐되는 것을 특징으로 하는 전기적 이중층 캐패시터 제조 방법.

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