KR100326486B1 - 이중전기층을가진캐패시터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하우징(1), 상기 하우징내에 압력에 의하여 고정된 컬렉팅 금속 판(2), 분극화된 탄소 전극(3) 및 전해질로 충만된 분리기(4)를 가진 몸체(2)로 구성된 이중 전기층을 가진 캐패시터이다. 컬렉팅 판(2)은 분극화된 전극(3)의 재료의 경도보다 낮은 미소경도를 가진 금속으로 이루어진다.

Description

이중 전기층을 가진 캐패시터{CAPACITOR WITH DOUBLE ELECTRIC LAYER}
본 발명은 전기 분야, 특히 이중 전기층을 가진 캐패시터의 제조에 관한 것이다.
여러 나라에서 개발된 이중 전기층을 가진 캐패시터는 매우 높은 고유 및 절대 전기 용량(분자 저장 단위, 슈퍼캐패시터, "골든(golden)" 캐패시터(C10-10F))을 가진다.
압착된 컬렉터 판, 분극 탄소 전극 및 수성 전해질로 함침된(impregnated) 분리기를 가진 몸체로 구성된 이중 전기층을 가진 캐패시터가 공지되어 있다(과학 기술 잡지의 요약서 "전기 공학" 시리즈 "화학 및 물리 전류 소스" 모스크바 1984, 이슈 1(94), 페이지 13참조).
이러한 캐패시터를 이용시 원하는 기술적 결과의 성취를 방해하는 이유중에, 약 2-10ohm/sq cm에 달하는 높은 내부저항이 가장 큰 문제이다. 이는 금속 저항보다 3-4배 큰 그라파이트(흑연)가 많이 포함된 고무로 만들어진 컬렉터 판의 높은 체적 저항 때문이다. 그 필수적인 특징에 관하여 청구된 목적에 가장 밀접하게 접근한 이중 전기층을 가진 캐패시터는 알루미늄으로 이루어진 압착된 컬렉터 판, 분극 탄소 전극 및 전해질로 함침된 분리기를 가진 몸체로 구성된 이중 전기층을 가진 캐패시터이다(일본출원 제 60-26285호, IPC HO16 9/00, 1985공개).
시제품에서 얻은 공지된 이중 전기층을 가진 캐패시터의 이용시 요구되는 기술적 결과의 성취를 방해하는 이유중 하나는 공지된 캐패시터 역시 높은 내부 저항을 가진다는 것이다.
알루미늄의 이용은 고전도성 수성 전해질의 이용을 제거할 수 있지만 이오노겐(ionogens)의 무수용액의 고유 저항은 12-40배 더 높다. 상기와 같은 시스템에서 내부 저항은 8ohm/sq cm를 초과한다.
본 발명의 목적은 공지된 캐패시터의 시리즈에 속하지만 이러한 시리즈 중에서 가장 낮은 내부 저항을 가지는 새로운 이중 전기층을 가진 캐패시터를 제공하는 것이다.
이중 전기층을 가진 캐패시터의 내부 저항은 분극화된 전극 및 컬렉터사이의 접촉저항에 거의 의존한다는 것이 실험을 통해 입증되었다.
만약 분극화된 전극이 탄소 재료(소르벤트;sorbent)로 만들어지면, 접촉 저항은 탄소입자 및 컬렉터 사이의 접촉 영역에 의존한다. 다시 말해, 컬렉터에 대하여 분극화된 전극을 압축시키는 설정된 힘에서 이러한 영역은 소르벤트 미 컬렉터의 미소경도(microhardness)에 의존한다. 압축력은 이중 전기층을 가진 캐패시터에 이용되는 재료의 강도에 의하며 제한된다.
상기 시제품 캐패시터에서의 접촉 저항은 탄소 입자와 알루미늄 컬렉터의 접촉 영역에 의하여 결정된다. 기본 재료의 연질에도 불구하고, 어느조건하에(진공 제외), 산화 알루미늄(코런덤)으로 구성된 그 표면은 높은 미소경도를 특징으로 한다. 이를 위하여, 탄소 조각 및 금속사이의 접촉 영역은 큰 전류의 통과를 제한하는 점같은 성질을 가진다.
본 발명의 구현은 낮은 내부 저항 때문에 강한 방전 전류 펄스의 발생을 허용하는 이중 전기층을 가진 상당히 강력한 캐패시터를 형성한다.
이러한 기술적 결과는 압착된 금속 컬렉터 판, 분극화된 탄소 전극 및 전해질로 함침된 분리기를 가진 몸체로 구성된 공지된 이중 전기층을 가진 캐패시터를 제공하며, 상기 컬렉터 판은 그의 표면 미소경도가 분극화된 전극 재료의 표면 미소경도보다 낮으며 수성 전해질에 대하여 전기화학적 저항성을 갖는 금속으로 이루어진다.
이중 전기층을 가진 본 발명의 캐패시터는 컬렉터 판 및 탄소 전극사이의 확장된 접촉 표면 때문에 내부 저항이 감소한다. 이는 컬렉터 판의 연질재료로 탄소 전극의 조각을 압축하기 때문에 이루어진다.
제 1도는 본 발명의 캐패시터의 개략적인 도면을 도시한다.
이중 전기층을 가진 캐패시터는 압착된 금속 컬렉터 판(2), 분극화된 탄소 전극(3) 및 수성 전해질로 함침된 분리기(4)를 가진 몸체(1)로 구성된다.
고전도성 수성 전해질의 이용은 낮은 고유 저항을 보장한다. 컬렉터 판은 그의 표면 미소경도가 분극화된 전극 재료의 미소경도 보다 낮은 금속(예를 들어, 닉켈 박(nickel foil))으로 만들어진다.
본 발명의 실시예는 다음과 같다:
예
이중 전기층을 갖는 캐패시터는 단부면 커버(end face cover)를 갖는 쉘(shell) 형태로 스테인레스 스틸로 이루어진 몸체를 포함한다. 내부 압력은 단부면 커버를 갖는 쉘의 용접 동안 압력의 고정 및 사전압착에 의해 형성되었다.
컬렉터판은 0.05±0.02㎜의 두께를 가지는 닉켈 박으로 만들어졌다. 닉켈의 표면의 미소경도는 경도측정장치에서 하중이 20gf일 때 140kgf/㎟이었다. 컬렉터와 접촉하는 분극화된 전극은 0.15 내지 0.22mm의 두께 및 460-480kgf/㎟의 미소경도를 가지는 페브릭 소르벤트(fabric sorbent)로 제조되었다.
26-30%의 농도를 가지는 가성 칼륨(caustic potash)의 수용액으로 함침된 비-페브릭 폴리프로필렌으로 이루어진 분리기는 분극화된 전극들 사이에 배치되었다.
배터리는 12V의 동작 전압을 갖는 상기한 엘리먼트들(14 유니트)로 조립되었으나, 0.8 내지 1.0V의 전압을 갖는 하나의 엘리먼트가 사용될 수도 있다.
전체 캐패시터 조립체는 적어도 6kgf/㎠의 힘으로 고정되었다. 컬렉터판에 대하여 분극화된 전극을 가압하는 힘의 최대값은 전극과 분리기가 압착파괴값을 초과하지 않아야 한다.
청구된 구성의 캐패시터의 고유 저항의 값은 0.19 내지 0.27오옴·㎠의 범위내에서 변화된다.
120×140㎜의 전극의 크기를 갖는 12V 배터리는 14·10-3오옴의 임피던스를 가지며, 최대 방전 전류는 800A였다.
컬렉터 판 및 분극화된 전극 사이의 일정압력-압축력 P-은 캐패시터의 조립을 확실하게 하며, 한편 압축된 부분의 경도 차이는 컬렉터 판 및 분극화된 전극사이의 접촉 영역을 확대한다. 이는 보다 연성인 컬렉터 판으로 분극화된 재료 부분을 감싸주고 전류 통과 표면을 확장시킴으로써 야기된다. 미소 경도 측면에서 서로 매칭되는 재료의 분극화된 전극 및 컬렉터를 가진 본 발명의 캐패시터는 시제품 캐패시터에서 그 장전이 나타나는 바, 즉 :
- 본 발명의 캐패시터는 미리 설정한 내부 저항 형성이라는 측면에서 컬렉터 및 분극화된 전극용 재료의 의도적이고 객관적인 선택을 허용하며 ;
- 미리 설정한 내부 저항 및 전압에서 낮은 경도의 컬렉터를 가진 캐패시터는 감소된 병렬 접속 셀의 수에 의하여 가벼워지고 작아지며 ;
- 캐패시터의 낮은 내부 저항은 다음과 같은 전기적인 특성을 개선시킨다.
(a) 캐패시터에 연결된 부하(R)상의 최대 진압은 다음 식에 따르며,
여기서 U - 부하가 연결되지 않은 캐패시터 단자상의 전압 ;
r - 내부 저항 ;
(b) 시작 저장 유니트에 요구되는 최대 단락회로 전류 ;
(c) 부하(R)에 가해지는 최대 전력(W) 및 저장 유니트의 효율(K)은 다음 식에 따른다 :
이중 전기층을 가진 캐패시터의 바람직한 응용범위는 약전기 분야에서부터강전기 분야 및 자동차 전기 시스템까지 광범위하다.
본 발명의 캐패시터는 원래의 캐패시터로서 그리고 에너지 저장 유니트로서 효율적이다.
원래의 캐패시터로서, 다른 종류의 캐패시터보다 가볍고 작은 이중 전기층 캐패시터는 초전도 자석의 보호 시스템에서 저주파 전류에서 낮은 반응 및 활성 저항을 가진 소자로서 강력한 적분 및 미분회로의 DC 소스의 리플 필터에 이용될 수 있다.
저장 유니트 ·이중 전기층 및 낮은 내부 저항을 가진 캐패시터는 다른 소스 대신 다른 DC 소스와 결합하여 독립 전류 소스 역할을 할 수 있다.
견인 및 시작 에너지 저장 유니트가 고안되어 현재 이중 전기층을 가진 캐패시터를 기초로 제조되고 있다.
견인 캐패시터형 에너지 저장 유니트는 운송 장치의 차단 에너지 보상용으로서 진기 트롤리, 전기 로보카, 로우더, 장애자용 휠체어, 병원 및 공항용 트롤리 등에 이용될 수 있다. 시작 캐패시터형 에너지 저장 유니트는 열악한 환경(마이너스 50 C로 동결되고, 윤활유가 두껍게 입혀진)하에서 승합차, 화물트럭 등의 IC 엔진의 시동기에 전원을 공급하기 위하여 이용될 수 있다. 저장 배터리와는 상이하게, 캐패시터형 에너지 저장 유니트는 생태학적으로 안전하며, 전체 수명시간내에 유지보수가 요구되지 않으며 단락 회로에 의해 손상을 입지 않는다.
현재, 캐패시터형 에너지 저장 유니트는 0.5-100V, 최고 30kA까지의 단락전류, 최고 100kJ까지의 전력용량에서 동작한다. 동일 에너지 용량의 캐패시터형 에너지 저장 유니트의 질량 및 크기는 저장 배터리와 거의 동일하다.
이중 전기층을 가진 캐패시터의 동작은 낮은 내부 저항 때문에 큰 전류 방전 펄스를 얻을 수 있도록 한다. 이는 컬렉터 판 및 탄소 전극 사이의 확장된 접촉 영역 및 고전도성 수성 진해질의 사용에 의하며 이루어진다.

Claims (1)

  1. 압착된 금속 컬렉터 판(2), 분극화된 탄소 전극(3) 및 전해질로 함침된 분리기(4)를 가진 몸체(1)로 구성된 이중 전기층을 가진 캐패시터에 있어서,
    상기 컬렉터 판(2)은 그의 미소경도가 분극화된 전극(3)의 재료의 미소경도 보다 낮고 수성 전해질에 대하여 전기화학적인 저항성을 가진 금속으로 만들어진 것을 특징으로 하는 이중 전기층을 가진 캐패시터.
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