KR100321549B1

KR100321549B1 - 전기이중층캐패시터

Info

Publication number: KR100321549B1
Application number: KR1019970066664A
Authority: KR
Inventors: 마사꼬 이나가와; 게이따로 가쯔; 요시끼 이노우에
Original assignee: 가네꼬 히사시; 닛본 덴기 가부시끼가이샤
Priority date: 1996-12-09
Filing date: 1997-12-08
Publication date: 2002-07-08
Also published as: KR19980063893A; JP3339553B2; JPH10172866A; US6324049B1

Abstract

본 발명의 전기 이중층 캐패시터는 각각이 한쌍의 분극성 전극, 콜렉터, 및 가스켓 유닛을 포함하는 하나 또는 복수의 기본 셀들을 적층함으로써 형성된다. 다공질 재료로 형성된 분리기에 의해 서로 대향하는 분극성 전극들은 황산과 같은 수성 전해질 용액에 침지시킨다. 콜렉터들은 분리기와 접촉하는 표면으로 부터 떨어진 분극성 전극의 표면들에 접촉한다. 가스켓 유닛은 선정된 공간을 갖는 분극성 전극들의 외주 단면들을 그들간의 공간을 갖고 둘러싸도록 정렬되어 있다. 이 전기 이중층 캐패시터에서, 분극성 전극 외주 단면들로 부터 돌출된 분리기의 외주부는 다른 재료로 둘러싸여 있다.

Description

전기 이중층 캐패시터

본 발명은 전기 이중층 캐패시터에 관한 것으로, 더 상세히는 고체 상태의 분극성 전극을 전극으로서 사용하는 대용량 전기 이중층 캐패시터에 관한 것이다.

전기 이중층 캐패시터의 제1 종래 기술은 이하의 도 1 내지 도 3을 참조로 하여 기술될 것이다.

도 1은 종래의 전기 이중층 캐패시터의 구조를 도시하는 사시도이다. 도 2는 종래의 전기 이중층 캐패시터의 기본 셀의 횡단면도이다. 도 3은 도 1의 선 III-III 을 따라 취한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 분극성 전극(3)의 쌍은 일본국 특개평 4- 288361호에 기술된 활성 탄소/폴리아신 기재 재료 등의 고체 상태 활성 탄소로 만들어진다. 양측의 콜렉터(4)의 쌍은 도전성 탄소 함유 고무 또는 플라스틱으로 만들어지고 각각 분극성 전극(3)에 압착된다. 분극성 전극(3)은 다공질 재료로 만들어진 분리기(1)를 통하여 서로 대향한다. 분극성 전극(3), 벤트 밸브(8)가 도 3에 도시된 바와 같이 형성된 프레임형 구조를 갖는 가스켓 조립체(5), 및 콜렉터(4)가 함께 전해질 용액(6)이 밀봉되는 기본 셀(7)(도 1)을 형성한다.

이 전기 이중층 캐패시터의 항복 전압이 전해질 용액(6)의 전해질 전압으로 제한되기 때문에, 요구되는 항복 전압에 따라 복수의 기본 셀(7)들이 접속된다. 또한, 근접한 기본 셀(7)들간 및 기본 셀(7)과 단말 전극(13)(도 1)간의 접속 저항을 감소시키기 위해, 전기 이중층 캐패시터는 도 1에 도시된 바와 같이 가압판(12)들의 쌍에 의해 적층 방향으로 소정의 압력을 가함으로써 가압 상태가 유지된다.

최근, 분극성 전극(3)을 사용하면 정전 용량을 증가시키고 ESR(Equivalent Series Resistance: 직렬 등가 저항)을 감소시키기 때문에 이러한 전기 이중층 캐패시터를 새롭게 응용 발견 및 연구하고 있다. 예를 들어, 전기 이중층 캐패시터는 자동차의 스타터 모터 구동 전원을 형성하기 위하여 납 축전지와 조합하여 사용되거나 또는 보조 전원을 형성하기 위해 솔라 셀과 조합하여 사용된다. 어느 응용의 경우에도, 전기 이중층 캐패시터가 고온의 환경에 설치될 가능성이 크다. 그러므로, 이러한 환경에서 신뢰성을 보장하는 것은 필수적이다.

불행하게도, 만약 도 1에 도시된 바와 같은 종래의 전기 이중층 캐패시터가 장기간 동안 고온의 환경에 설치된다면, 캐패시터 내부에 보존된 전해질 용액(6)의 용매는 증발되어 감소된다. 결과적으로, 정전 용량이 감소하거나 또는 ESR이 증가하여, 신뢰도를 떨어뜨린다는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위한 한가지 방법으로, 도 4에 도시된 바와 같은 전기 이중층 캐패시터가 일본 특개평 6- 20875호에 개시되어 있다. 이 공보에 기술된 전기 이중층 캐패시터에서, 가스켓 조립체(5)와 분극성 전극(3)들 사이에 형성된 에어 갭은 젤 상태의 전해질 용액(14) 또는 전해질 용액(14)과 동일한 전해질 용액을 함유하는 석영 울(quartz wool) 또는 흡수성 폴리머 등의 전해질 용액 보존체로 충전된다. 이 전해질 용액 보존체는 전기 이중층 캐패시터의 증발에 의한 전해질 용액(6)의 감소를 보상하는 역할을 한다. 이것이 제2 종래 기술이다.

상술의 두가지 종래 기술들의 제1 문제점은 전해질 용액(6)의 증발을 방지하는 효과가 불만족스럽고 신뢰성의 향상이 어렵다는데 있다.

그 이유는 다음과 같다. 일본 특개평 4- 288361호에 기술된 전기 이중층 캐패시터는 벤트 밸브(8)가 수지로 충전되고 밀봉되는 폐쇄 구조를 가진다. 전해질 용액(6)의 증발을 방지하기 위해, 밀봉 특성을 개선할 필요가 있다. 그러나, 이 구조에서 전압 인가시 산화 환원 반응(redox reaction)에 의해 가스가 발생하고 고온으로 상승함에 따라 내부 압력이 상승한다. 결과적으로, 셀 적층체(11)가 단기간 내에 팽창되어 파손된다.

이 문제를 해결하기 위해, 벤트 밸브(8)가 접착제로 충전되지 않고도 외부와 통신할 수 있는 구조를 형성하는 것이 가능하다. 그러나, 만약 이런 경우라면, 각 필터에 의해 이하의 문제들이 제기되어 신뢰도의 향상은 여전히 어렵게 된다고 할 수 있다.

첫번째, 제1 및 제2 종래의 기술에서와 같이 필터가 젤 전해질 용액(14)이라면, 셀 적층체(11)가 조립된 다음, 분극성 전극(3)과 가스켓 조립체(5) 사이의 에어 갭내로 벤트 밸브(8)로 부터 젤 전해질 용액(14)이 주입됨으로써 전기 이중층 캐패시터를 형성한다. 젤 전해질 용액(14)의 점도는 초기에는 높고 시간이 지남에 따라 증가된다. 따라서, 젤 전해질 용액(14)으로 작고 좁은 에어 갭을 균일하게 충전시키는 것은 어렵다. 결과적으로, 전해질 용액(6)은 충전되지 않은 에어 갭으로 남겨진 부분부터 증발되어, 신뢰도는 낮아진다.

두번째, 필터가 석영 울 또는 흡수성 폴리머인 경우를 생각해 본다. 이 경우에서의 형성 방법은 셀 적층체(11)를 조립하고, 석영 울 또는 흡수성 폴리머로 에어 갭을 충전시키고 젤 전해질 용액(14) 또는 전해질 용액(6)을 주입하는 것이다.

젤 전해질 용액(14)을 주입시키는 것은 제1 경우에서와 동일한 이유로 어렵다. 만약 전해질 용액(6)이 예를 들어, 황산이면 이 전해질 용액(6)은 아무 문제없이 주입될 수 있다. 그러나, 이렇게 주입이 용이하면 발수성이 증가되기 때문에, 드라이-업(dry-up)에 대해서는 그다지 효과를 볼수 없다. 전해 용액(6) 주변에 전해 용액 보존체가 형성되기 때문에 신뢰도가 약간 향상되더라도, 그다지 현저한 효과는 없다.

두번째 문제는 종래 기술에 따른 전기 이중층 캐패시터를 형성하는데 있어 생산성을 향상시키는 것이 어렵다는 데 있다.

이의 이유는 이하와 같다. 일본 특개평 6-20875호에 기술된 전기 이중층 캐패시터에서 캐패시터를 조립한 다음 분극성 전극(3) 주변의 전체 부분을 전해질 용액(6)으로 균일하게 충전시킨다. 따라서, 가스켓 조립체(5)의 중심부에 양 분극성전극(3)을 정확하게 배열할 필요가 있다. 또한, 이미 상술한 바와 같이, 젤 전해질 용액(14)으로 에어 갭을 균일하게 충전함이 어렵고 시간도 소요된다. 또한, 흡수성 폴리머 또는 석영 울과 같은 전해질 용액 보존체를 형성하기 위한 단계가 하나 더 부가될 필요가 있다.

세번째 문제는 종래 기술에 의해 전기 이중층 구조 캐패시터를 소형화하기 어렵다는데 있다.

이 이유는 이하와 같다. 일본국 특개평 6- 20875호에 기술된 전기 이중층 캐패시터에서, 일정 크기 또는 그 이상의 에어 갭을 분극성 전극(3)과 가스켓 조립체(5) 사이에 설계할 필요가 있다. 이는 셀 적층체(11)의 크기가 감소되더라도 필요하며, 두께 방향으로의 초박화는 어렵다. 이는 전기 이중층 캐패시터를 소형화시키기 곤란하게 한다.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 고신뢰도를 갖고 효율적으로 소형화할 수 있으며 고 생산성으로 제조될 수 있는 전기 이중층 캐패시터를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위해 제공된 본 발명의 전기 이중층 구조 캐패시터는 이하의 양태들을 가진다.

1. 하나 또는 복수의 기본 셀들을 적층시켜 형성되는 전기 이중층 캐패시터는 황산 등의 수성 전해질 용액에 침지시킨 다공질로 된 분리기에 의해 서로에 대향하는 분극성 전극의 쌍, 분리기와 접촉하는 표면으로 부터 떨어진 분극성 전극의표면들을 접촉하는 콜랙터, 및 분극성 전극의 주변 단면들을 소정의 간격을 두고 둘러싸도록 배열된 가스켓 수단을 포함하며, 상기 분극성 전극의 주변 단면으로 부터 돌출된 분리기의 외주부는 다른 재료에 의해 둘러싸일 수 있다.

2. 상기 제1 양태에서, 분리기의 외주부는 열가소성 수지에 의해 둘러싸인다.

3. 상기 제1 양태에서, 분리기의 외주부는 실리카, 알루미나, 및 그의 혼합물중 어느 하나를 함유하는 졸 용액과 전해질 용액을 혼합함으로써 준비된 젤 전해질 용액으로 둘러싸인다.

4. 상기 제1 양태에서, 분리기의 외주부는 열용융성 재료로 둘러싸인다.

5. 상기 제1 양태에서, 가스켓 수단은 각각이 분극성 전극에 대응하는 한쌍의 가스켓을 포함하는 프레임형 가스켓 조립체이다.

6. 상기 제5 양태에서, 각 가스켓은 L자형과 또는 반전된 L자형 횡단면 형상을 가짐으로서 가스켓 조립체는 내주면의 거의 중심부에 돌출부를 형성한다.

7. 상기 제6 양태에서, 가스켓 조립체의 돌출부는 내주면의 거의 중심부에서 내측으로 구멍이 있는 오목부를 가지고, 분리기의 외주부는 오목부에 결합되어 접착 또는 열 밀봉됨으로써 가스켓과 분리기가 일체화된다.

8. 상기 제1 양태에서, 분극성 전극들의 내측면의 외주 단부들에 돌출부들이 형성되고, 분극성 전극들의 돌출부들에 결합되는 노치된 부분들이 분리기의 양측면의 외주 단부에 형성된다.

9. 상기 제8 양태에서, 분리기의 노치된 부분과 접촉하는 분극성 전극의 돌출부의 면의 폭은 0.5 mm 이상이다.

10. 상기 제1 양태에서, 선정된 폭 및 선정된 깊이의 장방형 절단부들이 분리기의 양 외주 단부의 양측면에 형성되고, 장방형 또는 원형의 단면을 갖는 프레임형 고무 패킹들이 절단부상에 배열된다.

11. 상기 제1 양태에서, 전해질 용액은 전해질 용액 전체량의 0.05 % 또는 그이상을 함유하는 스테아르 산 등의 고급 지방산 또는 스테아르 알콜 등의 고급 알콜을 함유한다.

12. 상기 제5 양태에서, 가스켓 조립체의 내주부에 은 요오드화물이 매립되어 내주면이 노출된다.

상술한 양태들을 갖는 본 발명에서 전해질 용액이 분리기내에 침투하여 분리기의 외주부로 부터 증발된 다음 기화된 전해질 용액이 벤트 밸브를 통하여 누설되어 가스켓과 콜렉터들 사이의 부분에 밀접하게 접착되는 전기 이중층 구조 캐패시터가 고온 환경하에 설치될때 발생하는 드라이-업 현상을 이하와 같이 방지한다.

(1) 분리기의 외주부 상에 형성된 에어 갭이 다른 부재로 매립되기 때문에, 분리기의 외주부로 부터의 전해질 용액의 증발이 억제된다.

(2) 전해질 용액에 고급 지방산 또는 고급 알콜을 미소량 첨가함으로써 전해질 용액상에 얇은 단분자막이 형성된다. 이 막은 작은 분자 극성부를 갖는 재료로 되어 있으므로, 전해질 용액이 밀봉 용기로 덮혀진때와 동일한 상태가 얻어진다. 결과적으로, 벤트 밸브로 부터의 전해질 용액의 증발이 억제된다.

(3) 가스켓 조립체의 내주부가 은 요오드화물로 충전되기 때문에, 이하의 효과가 얻어진다. 통상 비가 내리는 경우를 고려하면, 예를 들어 고체면상에 증기 덩어리가 응결하는 흡착의 일종으로, 수증기가 대기중에 포화 또는 과포화가 되는 동안 덩어리가 응결되어 비가 내리게 된다. 즉, 응결되기 쉽게 할수 있는 것만이 필요하다. 일반적으로, 가스 또는 증기에 의해 형성된 결정의 형상이 고체 결정의 형상과 유사할 때 가스 또는 증기 결정들은 고체 표면상에 응결되기 쉽다고 한다. 이 현상을 이용함으로써, 증발된 수증기는 얼음의 결정체와 같은 6방정계를 갖는 은 요오드화물의 결정면상에 응결된다. 그리하여 수증기는 물로 다시 변화되고 전해질 용액으로 복원된다. 이로써 전해질 용액내의 수분의 감소가 억제된다.

본 발명의 제1 효과는 고온 환경에서 드라이-업을 억제할 수 있고 신뢰도를 향상시킬수 있게 된다. 이것의 이유는 전해질 용액이 증발되는 분리기의 외주부가 밀봉된다는 데 있다.

본 발명의 제2 효과는 고 생산성의 전기 이중층 캐패시터를 제조할 수 있다는 데 있다. 이것의 이유는 전기 이중층 캐패시터가 가스켓, 분리기, 및 분극성 전극의 구조를 개선함으로써 또는 첨가물을 첨가함으로써 공정을 증가시킴이 없이도 표준의 제조 공정대로 제조될 수 있다는데 있다.

본 발명의 제3 효과는 초박형 전기 이중층 캐패시터를 실현시킬 수 있다는 것이다. 이것의 이유는 분극성 전극과 가스켓 사이의 에어 갭이 감소될 수 있고 분극성 전극의 두께 또한 감소될 수 있다는 데 있다.

본 발명의 원리를 바람직한 실시예들을 들어 설명되는 방식으로 이하의 상세한 설명 및 첨부된 도면을 참조로 하여 본 분야에 숙련된 자에게는 본 발명의 상기및 많은 다른 목적들 특성 및 장점들이 명백해질 것이다.

도 1은 종래의 전기 이중층 캐패시터의 개략적인 구조를 도시하는 사시도.

도 2는 제1 종래 기술에서 기본 셀의 구조를 도시하는 단면도.

도 3은 도 1의 선 III-III를 따라 취한 단면도.

도 4는 제2 종래 기술의 기본 셀 구조를 도시하는 횡단면도.

도 5는 본 발명의 1 실시예에 사용된 분리기의 단면도.

도 6은 본 발명의 1 실시예의 기본 셀 구조를 도시하는 단면도.

도 7은 본 발명의 2 실시예의 기본 셀 구조를 도시하는 단면도.

도 8은 본 발명의 2 실시예를 수정한 기본 셀 구조를 도시하는 단면도.

도 9는 본 발명의 3 실시예의 기본 셀 구조를 도시하는 단면도.

도 10은 본 발명의 4 실시예의 기본 셀 구조를 도시하는 단면도.

도 11은 본 발명의 5 실시예의 구조를 도시하는 단면도.

도 12는 본 발명의 6 실시예의 구조를 도시하는 단면도.

도 13은 도 12의 선 XIII-XIII를 따라 취한 단면도.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

1 : 분리기

2 : 외주부

3 : 분극성 전극

4 : 콜렉터

5a: 가스켓 조립체

6 : 전해질 용액

7 : 기본셀

11 : 셀 적층체

본 발명의 바람직한 실시예는 첨부된 도면을 참조로 하여 이하 기술될 것이다.

도 5는 본 발명의 1 실시예에 사용된 분리기(1)의 구조를 도시하는 평면도이다. 도 6은 콜렉터(4)에 근접하여 위치한 쌍의 고체 상태 분극성 전극(3)들이 다공질 재료로된 분리기(1)에 의해 평면 대칭적으로 정렬되는 전기 이중층 캐패시터의 기본 셀(7)을 도시하는 절단도이다.

실시예 1

도 5에서 명백해지듯이, 실시예 1에서 사용된 분리기(1)는 전기적으로 절연된 다공질로 되고, 그 외주부는 접착제로서 둘러싸인다. 더 상세히는, 분극성 전극(3)의 단면들로 부터 바깥 방향으로 돌출된 외주부(2)는 에폭시 접착제로 둘러싸인다.

도 6을 참조하면, 분극성 전극(3)이 분말 활성 탄소에 페놀 수지 등의 바인더 재료를 혼합하여 생성 혼합물을 신터링함으로써 형성된 블럭형 활성 탄소로 제조되면, 각 분극성 전극(3)의 바인더 재료와 제조 방법은 특히 제한되지는 않는다.

한쌍의 가스켓 조합을 포함하는 프레임형 가스켓 조립체(5a)는 분극성 전극(3)들, 콜렉터(4), 분리기(1a), 전해질 용액(6)을 수용하여 밀봉한다. 이를 위해, 이 실시예에서 플라스틱과 같은 절연체가 사용되는데 내열성의 ABS 수지가 사용되었다.

콜렉터(4)는 분말 탄소 등이 혼련된 부틸 고무 시트로 형성된다. 다공질 분리기(1a)의 재료는 이것이 비도전성의 이온 전달막인 이상 특별히 제한되는 것은 아니다. 이 예에서, 납 축전지용 유리 섬유 분리기가 사용되었다.

본 발명의 실시예 1에 따른 전기 이중층 캐패시터의 기본 셀(7)에서 분극성 전극(3)들은 분리기(1)에 의해 서로에 대향하도록 가스켓 조립체(5a)에 수용되어 있다. 전해질 용액(6)이 가스켓 조립체(5a), 분극성 전극(3), 및 분리기(1a) 사이에 형성된 에어 갭내로 주입된 다음, 기본 셀(7)은 콜렉터(4)들로 덮혀진다.

복수의 기본 셀(7)들이 직렬로 적층되었고, 셀 적층체(11)의 좌우단들은 단말 전극(13)에 의해 병렬로 전기 접속된다. 최종적으로, 가압 플레이트(12)를 접착시켜 전기 이중층 캐패시터를 완성하였다.

각 분극성 전극(3)의 치수는 70 mm(L) x 50 mm(W) x 1 mm(t)이고, 가스켓 조립체(5a)의 내부 치수는 74 mm(L) x 54 mm(W) x 2.2 mm(t)이고, 분리기(1)의 치수는 72 mm(L) x 52 mm(W) x 0.2 mm(t)이다. 분극성 전극(3)의 영역 외주부(2)는 에폭시 접착제로 둘러싸인다. 이 형상을 갖는 18개 기본 셀(7)을 직렬로 적층시켜 15V의 항복 전압을 갖는 셀 적층체(11)를 형성하였다 .

30-wt% 희석된 황산이 전해질 용액(6)으로서 사용되었고, 분극성 전극(3)들은 페놀 분말 활성 탄소와 분말 페놀 수지를 70/30의 중량비로 혼합하여 그 생성 혼합물을 분해하고, 과립화한 다음 신터링함으로써 형성되었다.

실시예 1로 부터 다음의 두가지 변형이 있을 수 있다.

변형 1: 분리기(1a)의 외주부(2)는 접착제 대신 젤 전해질 용액으로 둘러싸인다.

변형 2: 분리기(1a)의 외주부(2)는 접착제 대신 PE를 열 융착시킴으로써 둘러싸인다.

실시예 2:

도 7은 본 발명의 실시예 2에 사용된 기본 셀(7)의 구조를 도시한다.

도 7에 도시된 바와 같이, 실시예 2는 내주부로 부터 내측으로 돌출된 부분을 갖는 한쌍의 가스켓(5b)을 사용하여 L자형 및 반전된 L자형의 횡단면 형상들을 형성하게 된다.

이 전기 이중층 캐패시터의 제조 방법 및 조건들은 실시예 1에서와 동일하다.

분극성 전극(3) 각각의 치수는 70 mm(L) x 50 mm(w)x 1 mm(t)이고, 가스켓 어셈블리(5b)의 내부 치수들은 74 mm(L) x 54 mm(W) x 2.2 mm(t)이다. 내주부상에 형성된 돌출부는 가스켓 조립체(5b)의 두께 방향으로 양 단부에 내측으로 각각 0.7 mm 내측의 중앙부에 위치하고 0.8 mm 높이 및 2 mm 두께의(폭) 장방형 횡단면을 갖는다. 분리기(1b)의 치수는 70 mm(L)x 50 mm(W)x 0.2 mm(t)이고, 분리기(1)의 외주부는 둘러싸여 있지 않다. 전해질 용액(6)은 실시예 1에서와 동일함을 주지하기 바란다.

실시예 1에서와 같이, 상기 형상을 갖는 18개 기본 셀(7)들을 직렬로 적층시켜 15V의 항복 전압을 갖는 셀 적층 바디(11)를 형성하였다.

실시예 2는 이하와 같이 변형될 수 있다.

변형: 실시예 2에서 가스켓 조립체(5b)의 돌출부의 중심에서 내측으로 0.2 mm 폭 및 1mm 깊이 구멍의 오목부가 형성되었다. 분리기(1c)의 외주부는 이 오목부에 결합되고, 에폭시 접착제를 사용하여 이들을 접착함으로써 도 8에 도시된 바와 같이 양자가 일체로 되었다.

실시예 3:

도 9는 본 발명의 실시예 3에 사용된 기본 셀(7)의 구조를 도시하는 횡단면도이다.

이 실시예에서 도 9에서 도시된 바와 같이, 각 분극성 전극(3)은 내부면의 외주부에 돌출부를 가진다. 한편으로, 이 분극성 전극(3)의 돌출부에 결합된 노치된 부분은 분리기(1d)의 각 측면 외주부에 형성된다. 이 전기 이중층 캐패시터의 제조 방법과 조건들은 실시예 1 및 2에서와 동일함을 주지하기 바란다.

각 분극성 전극(3)의 치수는 70 mm(L) x 50 mm(w)x 1 mm(t)이다. 분극된 전극(3)의 내면의 외주부상에 0.1 mm 높이와 1.0 mm, 0.5 mm, 0.45 mm, 0.4 mm, 0.2 mm, 및 0 mm 폭의 돌출부를 형성함으로써 6개의 샘플들이 제조된다. 전해질 용액 (6)의 성분들과 가스켓 조립체(5a)의 재료 및 치수는 실시예 1에서와 동일함을 주지하기 바란다.

실시예 4:

도 10은 본 발명의 실시예 4의 전기 이중층 캐패시터의 기본 셀(7)의 구조를 도시하는 횡단면도이다.

이 전기 이중층 캐패시터의 제조 방법 및 조건들은 상술한 실시예 1 내지 3에서와 동일하다. 분극성 전극(3)의 각 치수는 70 mm(L) x 50 mm(W) x 1 mm(t)이고, 가스켓 조립체(5a)의 내부 치수는 74 mm(L) x 54 mm(W) x 2.2 mm(t)이고, 분리기(1e)의 치수는 72 mm(L) x 52 mm(W) x 0.2 mm(t)이다. 장방형의 횡단면을 갖는 절단부는 분리기(1)의 양 단부의 측면상에 형성된다. 장방형의 횡단면을 갖는 프레임형 고무 패킹들이 이들 절단부상에 배열된다. 이 패킹은 71 mm(L) x 51 mm(W)의 외부 치수를 갖고, 69 mm(L) x 49 mm(W)의 내부 치수를 가지며, 0.05 mm의 두께를 갖는다. 패킹의 횡단면 형상은 장방형 대신 원형일 수 있음을 주지하기 바란다. 또한 전해질 용액(6)의 성분과 분극성 전극(3)의 재료는 실시예 1에서와 동일함을 주지하기 바란다.

실시예 5:

도 11은 본 발명의 실시예 5를 도시한다. 도 11은 도 1의 선 III-III를 따라 취한 것으로 동일한 전기 이중층 캐패시터의 종 단면도이다.

실시예 5에서, 도 11에 도시된 바와 같이 스테아르산(C₁₇H₃₅COOH)을 전해질 용액에 떨어뜨렸다. 전해질 용액(6)의 전체량에 대해 0.01%, 0.045%, 0.050%, 0.10%, 및 0.40% 스테아르산을 떨어뜨림으로써 5가지 샘플들이 형성되었다. 이 전기 이중층 캐패시터의 제조 방법과 조건은 실시예 1 내지 4에서와 동일하다.

분극성 전극(3)의 각 치수는 70 mm(L) x 50 mm(W) x 1 mm(t)이고, 가스켓 조립체(5a)의 내부 치수는 74 mm(L) x 54 mm(W) x 2.2 mm(t)이고, 분리기(1)의 치수는 72 mm(L) x 52 mm(W) x 0.2 mm(t)이다.

전기 이중층 캐패시터를 제조하기 위해 이러한 18개의 기본 셀(7)들을 직렬로 적층시켰다. 전해질 용액(6)의 성분과 각 분극성 전극(3)의 재료는 실시예 1에서와 동일함을 주지하기 바란다.

실시예 6:

도 12는 본 발명의 실시예 6을 도시한다. 도 12는 도 1의 선 III-III를 따라 취한 것으로서 동일한 전기 이중층 캐패시터의 단면도이다. 도 13은 도 12의 선 XIII-XIII를 따라 취한 단면도이다.

이 전기 이중층 캐패시터의 제조 방법 및 조건들은 이전에 기술된 실시예 1 내지 3에서와 동일하다. 각 분극성 전극(3), 가스켓 조립체(5d), 분리기(1)의 형상 및 치수는 실시예 5에서와 동일하다.

그러나, 실시예 6에서 1 mm 깊이와 1 mm 폭의 오목부(도 13에서 참조 부호 a로서 표기됨)는 가스켓 조립체(5d)의 내주부에 두께 방향으로 형성된다. 이 오목부는 은 요오드화물의 미소한 결정들로 채워진다.

비교예:

앞서 기술된 도 4에 도시된 종래 기술을 비교예로서 사용한다. 이 전기 이중층 캐패시터의 제조 방법과 조건들은 상술된 실시예 1 내지 6에서와 동일하다.

각 분극성 전극(3)의 치수는 70 mm(L) x 50 mm(W) x 1 mm(t)이고, 가스켓 조립체(5)의 내부 치수는 74 mm(L) x 54 mm(W) x 2.2 mm(t)이고, 분리기(1)의 치수는 72 mm(L) x 50 mm(W) x 0.2 mm(t)이다.

40 wt% 실리카를 함유하는 교질의 실리카 용액 대 96 wt% 농도의 황산의 용적비가 50: 7인 용액 혼합물으로 된 전해질 용액(6)이 벤트 벨브(8)로 부터 분극성 전극(3)과 가스켓 조립체(5) 사이의 에어 갭내로 주입되므로써 비교예와 같은 전기 이중층 캐패시터를 제조하였다. 각 분극성 전극(3)의 재료는 실시예 1 내지 6에서와 동일함을 주지하기 바란다.

본 발명의 예 1 내지 6의 전기 이중층 캐패시터와 상술한 바와 같이 제조된 비교예의 전기 이중층 캐패시터에 대해 실행된 신뢰도 테스트의 결과를 이하 기술할 것이다.

이 신뢰도 테스트에서, 각 전기 이중층 캐패시터에 70℃ 고온에서 15V의 전압을 인가하여 1000 시간 동안 방치시켰다. 그후, 캐패시터가 완전히 방전된 다음 캐패시터의 용량을 측정하고, 정전 용량의 변동량 ΔC대 초기값 C의 비율 ΔC/C(%)과 ESR의 변동량 ΔE 대 초기값 E의 비율 ΔE/E(%)을 계산하였다.

ESR 측정은 1 KHz 테스트 신호 주파수에서 임피던스를 AC 4-단자 방법에 의해 측정하고 측정치의 실수부를 계산함으로써 실행되었다. 동시에, 전해질 용액의 변동량 Δw 대 초기값 w의 비율 Δw/w (%)을 계산하였다.

신뢰성 테스트에 사용된 샘플들의 수는 30이었고, 이 샘플들의 평균값을 계산 하였다.

표 1에서, '주'의 열은 실시예 3에서의 분극성 전극(3)의 돌출부 폭을 나타내고 실시예 5에서의 전해질 용액의 전체량에 따른 적하량을 나타낸다.

표 1을 참조하면, 본 발명의 전기 이중층 캐패시터는 -1.9% 내지 21.3%의 정전 용량 변동율을 나타내지만 그 값은 테스트된 샘플에 따라 서로 미소하게 다르다. 이 값은 비교 대상의 변동율(-47.1%)의 대략 1/20 내지 1/2 이기 때문에 대폭 개선됨을 나타낸다.

또한, 신뢰성 테스트가 있은 다음, 비교 대상의 ESR은 53.8% 증가되는 한편, 본 발명에 의한 ESR 변동은 무시할수 있을 정도로 작아, 고도의 안정성을 나타내었다. 이는 전해질 용액의 감소량에 대해서도 마찬가지이다. 그러나, 앞의 설명은 실시예 3에서의 0.5 mm 미만의 값 및 실시예 5에서 0.05% 미만의 값에 대해서는 적합하지 못하며 그 이유에 대해서는 이하 설명할 것이다.

실시예 3에서, 각 분극성 전극(3)의 외주부에 형성된 돌출부의 폭이 0.5mm 이상일때 각 특성들이 안정되었다. 이는 최종적으로 전기 이중층 캐패시터를 가압함으로써 셀 적층체(11)가 제조되기 때문이다. 즉, 가압 동안 돌출부의 폭이 좁다면, 돌출부는 압력에 의해 부서지고 더 이상 패킹으로서 역할하지 않는다.

실시예 5에서, 전해질 용액의 전체량에 대해 스테아르산의 적하량이 0.050% 미만일때는 본 발명에 의한 효과가 얻어질 수 없었다. 이 이유는 이 양이 단분자 막을 집적하여 형성하는데 요구되는 양에 도달하지 않기 때문으로 생각되며 여기 저기에 에어 갭들이 형성되어 마침내는 이들 부분들로 부터 드라이-업을 촉진시키게 되어, 이는 ΔE/E를 증가시키고 신뢰도를 떨어뜨리게 된다. 이는 또한 ΔW/W의 결과에 의해서도 지원된다.

이상의 결과로 부터, 비교예가 실시예 1 내지 6 보다 더 나쁜 이유를 생각해보면 이하와 같다. 비교예의 캐패시터를 분해했을 경우, 가스켓 내부의 에어 갭은 젤 전해질 용액으로 균일하게 채워지지 않고, 공간들이 여기 저기 형성되었다. 이들 채워지지 않은 부분들로 부터 드라이-업 현상이 촉진되어 마침내는 신뢰도를 떨어뜨리는 것으로 생각된다.

상술한 바와 같이 본 발명의 전기 이중층 캐패시터는 전해질 용액 증발로 부터 분리기의 외주부가 밀봉됨으로써 고온 환경에서 드라이-업 현상을 억제할 수 있고 신뢰도를 향상시킬수 있게 된다. 또한, 전기 이중층 구조가 가스켓, 분리기, 및 분극성 전극의 구조를 개선함으로써 또는 첨가물을 첨가함으로써 단계를 증가시킴이 없이도 표준 제조 단계를 통하여 제조될 수 있다. 또한 본 발명의 효과는 분극성 전극과 가스켓 사이의 에어 갭 및 분극성 전극의 두께가 감소될 수 있으므로 초박형의 전기 이중층 캐패시터를 실현할 수 있다.

Claims

황산과 같은 수성 전해질 용액에 침지시킨 다공질 재료로 된 분리기를 개재하여 서로 대향하는 한쌍의 분극성 전극, 상기 분리기와 접촉하는 표면으로부터 떨어진 상기 분극성 전극의 표면들에 접촉하는 콜렉터, 및 상기 분극성 전극들의 외주 단면들을 소정 공간을 두고 둘러싸도록 배치된 가스켓 수단을 각각 포함하는 하나 또는 복수의 기본 셀을 적층함으로써 형성되는 전기 이중층 캐패시터에 있어서,

상기 분극성 전극 단면으로 부터 돌출된 상기 분리기의 외주부는 다른 재료로 둘러싸이는 전기 이중층 캐패시터.
제1항에 있어서,

상기 분리기의 상기 외주부는 열가소성 수지로 둘러싸이는 전기 이중층 캐패시터.
제1항에 있어서,

상기 분리기의 상기 외주부는 실리카, 알루미나, 및 그 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 재료를 함유하는 졸 용액과 상기 전해질 용액을 혼합한 젤 전해질 용액으로 둘러싸이는 전기 이중층 캐패시터.
제1항에 있어서,

상기 분리기의 상기 외주부는 열용융성 재료로 둘러싸이는 전기 이중층 캐패시터.
제1항에 있어서,

상기 가스켓 수단은 상기 분극성 전극들에 각기 대응하는 한쌍의 가스켓을 포함하는 프레임형 가스켓 조립체인 전기 이중층 캐패시터.
제5항에 있어서,

상기 가스켓 각각은이 L자형 또는 반전된 L자형의 횡단면 형상을 가짐으로써, 상기 가스켓 조립체는 내주면의 거의 중심부에 돌출부를 형성하는 전기 이중층 캐패시터.
제6항에 있어서,

상기 가스켓 조립체의 상기 돌출부는 상기 내주면의 거의 중심부에 내측으로 개구된 오목부를 갖고, 상기 분리기의 상기 외주부를 상기 오목부에 끼워 맞추어 상기 오목부에 접착하거나 또는 열 밀봉함으로써 상기 가스켓 및 상기 분리기가 일체화되는 전기 이중층 캐패시터.
제1항에 있어서,

상기 돌출부들은 상기 분극성 전극들의 내면의 외주 단부에 형성되고, 상기분극성 전극들의 상기 돌출부들상에 결합되는 노치된 부분들은 상기 분리기의 양측면들의 외주 단부에 형성되는 전기 이중층 캐패시터.
제8항에 있어서,

상기 분리기의 상기 노치된 부분과 접촉하는 상기 분극성 전극의 상기 돌출부의 표면의 폭은 0.5 mm 이상인 전기 이중층 캐패시터.
제1항에 있어서,

상기 분리기의 양 외주 단부의 측면들에 선정된 폭과 선정된 깊이의 상기 장방형 절단부가 형성되고, 상기 절단부들상에 장방형 또는 원형 횡단면을 갖는 프레임형 고무 패키지들이 배치된 전기 이중층 캐패시터.
제1항에 있어서,

상기 전해질 용액은 스테아르산과 같은 고급 지방산 및 스테아르 알콜과 같은 고급 알콜로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 상기 전해질 용액의 전체량중 0.05% 이상 함유하는 전기 이중층 캐패시터.
제5항에 있어서,

상기 가스켓 조립체의 내주부내에 은 요오드화물을 매립하여 내주면을 노출시키는 전기 이중층 캐패시터.