KR100359030B1 - 알루미늄탄소복합전극을포함하는고성능이중층축전기 - Google Patents

알루미늄탄소복합전극을포함하는고성능이중층축전기 Download PDF

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Abstract

활성탄 및 전해질 사이의 접촉면에서 형성된 전기적 이중층을 갖는 고성능 이중층 축전기를 기재한다. 고성능 이중층 축전기는 고성능 전해질 용액으로 포화된 활성탄 섬유 예비성형물내에서 함침된 알루미늄의 분포 및 연속 경로를 갖는 한 쌍의 알루미늄 함침된 탄소 복합 전극을 포함한다. 고성능 이중층 축전기는 적어도 600W/㎏의 동력 등급에서 적어도 5Wh/㎏의 유용한 에너지를 전달할 수 있다.

Description

알루미늄 탄소 복합 전극을 포함하는 고성능 이중층 축전기
전기화학적 축전기에서 탄소 전극의 사용은 탄소가 저원자량을 갖고 탄소 전극은 매우 높은 표면적으로 조립될 수 있기 때문에, 이러한 기술에 뚜렷한 이점을 나타낸다. 탄소 전극을 사용한 이중층 축전기의 조립은 미국 특허 제 2,800,616호 (Becker), 및 제 3,648,126 호(Boos et al.)에 의해 명시된 바와 같이, 오랜 시간동안 당해 분야에 공지되어 왔다.
많은 탄소 전극 축전기의 주요 문제점은 대부분 탄소 전극의 높은 내부 저항때문에, 성능이 종종 제한된다는 것이다. 이러한 높은 내부 저항은 탄소-탄소 접촉의 높은 접촉 저항에 일차적으로 기인한다. 이러한 높은 저항은 방전기 동안에 축전기에서 큰 저항 손실로 귀결된다. 이중층 축전기에서 이러한 내부 저항을 낮추는 것은 전극내 전자 저항의 감소를 통하여 일차적으로 성취된다.
또한 탄소 전극 다공성의 넓은 표면적 및 충분한 조절의 조합을 동시에 성취하는 것은 어렵다. 탄소 전극 다공성은 표면 탄소 원자에 전해질 접근도로 귀결된다.
많은 이중층 축전기의 작동 전압을 증가시키기 위해서, 각 셀을 종종 시리즈로 적층한다. 셀 사이의 전류 경로는 저항 손실을 감소시키기 위해서 최소화되어야 한다. 최적의 디자인은 단일 집전판만으로 분리된 인접 셀을 구비하도록 하는 것이다. 이러한 판은 비-다공성이어서 전해질 용액은 셀 사이에 공유되지 않는다. 분리는 셀 사이에서 분권 전류 경로에 의한 손실을 방지한다. 디자인의 이러한 유형을 양극성이라 한다. 양극성 이중층 축전기에서, 한 쪽은 양극으로서 작용하고 다른 한쪽은 인접 셀에 대한 음극으로서 작용한다. D.L.Boos에 허여된 미국 특허 제 3,536,963 호는 이러한 양극성 이중층 축전기의 예이다.
최근에 와서 널리 보급되고 있는 다른 이중층 축전기 디자인은 나선 권취 셀이다. Yoshida 일동에 허여된 미국 특허 제 5,150,283 호는 나선 권취 셀의 하나의 예를 기술한다. Yoshida 일동에 특허에서, 전기 이중층 축전기는 전기 전도성 기질로 구성된 한쌍의 분극성 전극을 갖는다. 기질은 수용성 물질을 기본으로 한 결합제와 활성탄의 혼합물 층으로 코팅된다. 전극은 전해질로 함침된 분리기 사이에 삽입되어 상호 대향한다. 이러한 축전기는 수성 전해질을 사용한 통상적인 축전기 및 전형적으로 유기 용매 전해질을 사용한 축전기 모두에서 이로운 특징을 갖는다.
이중층 축전기의 나선 권취 셀의 이점은 큰 표면적 전극이 소형 케이스내로 밀어 넣을 수 있다는 것이다. 큰 전극은 축전기의 내부 저항을 크게 감소시키고 그 케이스는 축전기 실 또는 이중층 축전기에 요구된 밀봉을 크게 단순화할 수 있다. 양극성 디자인에서, 각 셀은 전극의 페리미터 주위에서 밀봉되어야 한다. 그러나, 권취 디자인에서는, 외부만이 밀봉을 요구할 수 있다. 이러한 디자인은 셀을 시리즈로 적층할 때 리드 와이어의 저항이 저항 손실을 가중시키게될 것이기 때문에, 양극성 디자인으로서 효과적이지 않다.
그러나, 본 발명은 전기화학적 또는 알루미늄/탄소 복합 전극을 갖는 이중층 축전기와 보다 더 관계가 있다. 금속/탄소 복합 전극, 특히 알루미늄/탄소 복합 전극은 전극의 내부 저항을 최소화하는 경향이 있다. 특히 중요한 연관된 분야는 알루미늄/탄소 복합 전극 조립 방법, 복합 전극으로의 집전 장치의 조립 및 부착 방법, 및 고성능 이중층 축전기와 사용될 수 있는 적당한 전해질을 포함함을 교시한다.
탄소 복합 전극의 내부 저항을 감소시키는 다양한 조립 기술이 최근 몇 년 동안 공개되어 왔다. 예를 들면, Yoshida 일동의 특허(미국 특허 제 5,150,283 호)에 탄소 분말 및 다른 전기 전도도- 개선제를 알루미늄 기질상에 침착시킴으로써 알루미늄/탄소 복합 전극을 조립하는 방법을 기술한다.
다른 연관된 접근이 탄소 섬유 전극중으로 알루미늄 같은 금 속의 혼입이 탄소 섬유 예비성형물내로의 금속성 섬유의 직조를 통하여 수행될 수 있음을 교시하는 미국 특허 제 4,597,028 호(Yoshida et al.)에 공개된다.
미국 특허 제 4,562,511 호(Nishino et al.)는 탄소 섬유가 전도성 금속 산화물, 바람직하게는 전이 금속 산화물의 층이 탄소 섬유의 공동에서 형성되도록 수용액내중으로 침지되는 다른 접근을 기술한다. Nishino 일동은 또한 증착에 의한 산화주석 또는 산화 인듐 같은 금속 산화물의 형성을 기술한다.
또 다른 연관된 방법이 미국 특허 제 5,102,745 호, 제 5,304,330 호 및 제 5,080,963 호(Tatarchuk et al.)에 기술되어 있다. 이러한 기재는 금속 섬유가 탄소 예비성형물로 서로 얽히게 할 수 있고 복합 전극으로서 사용될 수 있는 구조적으로 안정한 전도 매트릭스를 생성하기 위해 소결될 수 있음을 설명한다. Tatarchuk 일동의 특허는 또한 많은 탄소-탄소 접촉을 감소시킴으로써 복합 전극에서 전기 저항을 감소시키는 방법을 교시하며, 전류는 금속 전도기에 도달하여 흐른다. 이러한 접근은 스텐레스 스틸 또는 니켈 섬유가 금속으로서 사용된다면, 잘 작용한다. 그러나, 이러한 접근은 알루미늄 섬유가 사용될 때 복합 전극의 소결 및 가열 중에 알루미늄 카바이드의 형성 때문에 성공적이지 않다.
이중층 축전기의 조립 방법에서의 알루미늄의 사용은 알루미늄이 비용, 유용성 및 성능의 관점에서 최적의 금속이기 때문에 중요하다. 예를 들면, 알루미늄/탄소 복합 전극으로, 비수성 전해질을 사용한 이중층 축전기에서, 3.0 볼트의 작동 전압을 성취할 수 있다. 그러나, 알루미늄 대신에 니켈 또는 스텐레스 스틸을 사용하면, 작동 전압은 2.0 볼트 이하로 감소한다.
이중층 축전기와 관련된 디자인은 또한 미국 특허 제 4,438,481 호(Phillips et al.); 미국 특허 제 4,597,028 호(Yoshida et al.); 미국 특허 제 4,709,303 호(Fujiwara et al.); 미국 특허 제 4,725,927 호(Morimoto); 및 미국 특허 제 5,136,472 호(Tsuchiya et al.)에서 논의되었다.
이중층 축전기의 조립에서 크게 관련된 다른 영역은 집전판을 조립하고 전극에 집전판을 부착시키는 방법과 관련된 것이다. 이는 전극과 집전판 사이의 접촉면이 이중층 축전기의 내부 저항의 다른 공급원이기 때문에 중요하다.
Nishino 일동의 특허(미국 특허 제 4,562,511호)는 극성 전극의 한 면내의 알루미늄 같은 용융 금속을 분사시키고 그로인해 전류 집전기로서 작용하는 알맞은 층을 형성하는 플라즈마를 제안한다. 이러한 특허는 아크-분사, 진공 침전, 스퍼터링, 비-전해성 플레이팅, 및 전도 페인트의 사용을 포함하는 전류 집전기를 결합시키고/거나 형성하기 위한 대안적 기술을 추가로 고려한다.
Tatarchuk 일동의 특허(미국 특허 제 5,102,745 호, 제 5,304,330 호 및 제 5,080,963 호)는 전극 엘리먼트에 금속 포일을 소결 결합시킴으로써 전극에 금속 포일 집전 장치의 결합을 보인다.
미국 특허 제 5,142,451 호(Kurabayashi et al.)는 전류 집전기의 물질이 전극 엘리먼트의 공동으로 들어가는 고온 경화 방법에 의해 전극에 전류 집전기를 결합시키는 방법을 기재한다.
미국 특허 제 5,099,398 호(Kurabayashi et al.)는 전류 집전 장치의 일부 물질이 전극 엘리먼트의 공동으로 들어가는 얇은 필름 집전 장치의 화학적 결합에 의해 전극에 집전 장치를 결합시키는 방법을 기재한다. 이러한 특허는 전기적 전도 접착제의 사용을 함유하고 가압 및 가열하에 결합되는 전극에 집전 장치를 결합시키는 일부 다른 통상적인 방법을 기재한다.
집전 장치 판의 조립 및 부착 방법과 관련된 다른 연관된 분야는 미국 특허 제 5,065,286 호; 제 5,072,335 호; 제 5,072,336 호; 제 5,072,337 호; 및 제 5,121,301 호(모두 Kurabayashi et al.에 의해 공개됨)에서 찾을 수 있다.
따라서, 탄소/알루미늄 복합 전극을 사용한 개선된 이중층 축전기에 대한 필요가 계속된다. 이러한 개선된 이중층 축전기는 매우 높은 동력 출력 및 동력 밀도 등급에서 많은 양의 유용한 에너지를 전달한다. 이러한 개선된 이중층 축전기는 또한 비교적 낮은 내부 저항을 가지고 비교적 높은 작동 전압을 얻을 수 있다.
더구나, 개선점은 이중층 축전기의 내부 저항을 낮추고 작동 전압을 최소화하기 위한 노력으로 알루미늄/탄소 복합 전극을 사용한 이중층 축전기의 조립 기술및 방법에서 필요하다. 축전기 에너지 밀도가 작동 전압의 제곱으로 증가할 때, 더 높은 작동 전압은 분명하게 더 높은 에너지 밀도 및 동력 출력 등급 때문에, 더 높은 성능 축전기내로 이동된다.
본 발명은 활성탄과 전해질 사이의 접촉면에서 형성된 전기적 이중층을 갖는 고성능 이중층 축전기이다. 고성능 이중층 축전기는 활성탄 섬유 예비형성내에서 함침되고 고성능 전해질 용액으로 포화된 알루미늄의 균일하게 분포된 연속 경로를 갖는 한쌍의 알루미늄 함침된 탄소 복합 전극을 포함한다. 고성능 이중층 축전기는 적어도 600 W/㎏의 동력 등급에서 적어도 5 Wh/㎏의 유용한 에너지를 전달할 수 있다. 본 발명은 고성능 이중층 축전기 제조 방법을 추가로 정의한다.
본 발명은 탄소 섬유 예비 형성물내에서 함침된 용융 알루미늄에 의한 고성능 이중층 축전기의 개선된 제조 방법을 추가로 포함한다. 본 발명은 또한 알루미늄/탄소 복합 전극의 조립 및 전극에 집전판을 결합시키는 기술에서 다양한 개선점을 정의한다.
본 발명은 일반적으로 전기적 이중층 축전기, 보다 특별하게 알루미늄 탄소 복합 전극 및 고성능 전해질 용액으로 이루어진 고성능 이중 축전기에 관한 것이며, 또한 이의 제조 방법도 포함한다.
이중층 축전기는 전통적인 축전기보다 중량당 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 에너지 저장 장치이고 이들은 전형적으로 많은 재충전 배터리보다 더 높은 동력 등급으로 에너지를 전달할 수 있다. 이중층 축전기는 다공성 분리기에 의해 전기적 접촉으로부터 분리되는 두 개의 다공성 전극으로 구성된다. 분리기 및 전극 모두는 전해질 용액으로 함침된다. 이는 전류가 셀과 단락되는 것을 방지하면서 이온 전류가 전극 사이를 흐르도록 한다. 이러한 각 활성 전극의 뒷면에 집전판이 있다. 집전판의 한가지 목적은 이중층 축전기에서 저항 손실을 감소시키는 것이다. 만약 이러한 집전판이 비-다공성이라면, 이들은 또한 축전기 실의 일부로서 사용될 수 있다.
전위가 이중층 축전기에서 두 개의 전극을 가로질러 인가될 때, 이온 전류는 양극으로의 음이온의 인력 및 음극으로의 양이온의 인력에 의해 흐른다. 전극 표면에 도달하자마자, 전하는 고형 액체 접촉면 영역내로 흡수된다. 이는 전하 종류 자체의 흡습에 의해 또는 용매 분자 쌍극자의 재정렬에 의해 성취된다. 흡수된 전하는 고체 전극에서 반대 전하에 의해 영역에서 유지된다.
다음의 상세한 설명에 있어서, 참고는 다음의 첨부된 도면으로 이루어질 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 단일 셀 고성능 이중층 축전기의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 양극 알루미늄/탄소 복합 전극의 단면도이다.
도 3은 고성능 양극 유형 이중층 축전기의 시리즈 적층의 단면도이다.
본원에 공개된 고성능 이중층 축전기는 바람직하게는 매우 높은 동력 출력 및 동력 밀도 등급에서 많은 양의 유용한 에너지를 전달할 수 있는 거대한 양극형 이중층 축전기이다. 특히, 고성능 이중층 축전기는 적어도 600W/㎏의 동력 등급에서 적어도 5Wh/㎏의 유용한 에너지를 전달할 수 있다. 더구나, 바람직한 고성능 이중층 축전기는 적어도 90%의 충전/방전 효율 등급을 얻는, 비교적 낮은 내부 저항을 나타내고 또한 단일 셀 축전기에서 약 3.0 볼트의 비교적 높은 작동 전압을 나타낸다. 일련의 양극형 이중층 축전기로서 배치될 때, 고성능 축전기 적층은 예를 들면, 350 볼트만큼 높게 작동하고 약 1.8 MJ의 에너지를 저장한다.
고성능 이중층 축전기는 바람직하게 고성능 전해질 용액을 사용한 향상된 알루미늄/탄소 전극을 포함한다. 특히 중요한 것은 알루미늄/탄소 복합 전극 조립의 이로운 방법 및 본 발명의 고성능 이중층 축전기로 사용된 집전 장치 부착 방법이다.
도 1에 있어서, 단일 셀 고성능 이중층 축전기(10)는 셀 홀더(11), 한쌍의 알루미늄/탄소 복합 전극 (12)와 (14), 전자 분리기(18), 전해질(20), 한쌍의 집전 장치 판(22)와 (24), 및 집전 장치 판(22)와 (24)로부터 연장되는 전기 리드(28)과 (29)를 포함함을 설명한다.
한쌍의 알루미늄/탄소 복합 전극(12)와 (14)는 바람직하게 용융 알루미늄으로 함침된 다공성 탄소 직물 예비성형물 또는 탄소 페이퍼 예비성형물로부터 형성된다. 알루미늄/탄소 복합 전극(12)와 (14)의 다공성은 이중층 축전기(10)내로 도입된 충분한 양의 전해질(20)을 연속적으로 허용하고 탄소 섬유의 공동을 관통하는 함침 과정중에 근접하게 조절된다.
한쌍의 집전 장치 판(22)와 (24)는 각 알루미늄/탄소 복합 전극 (12)와 (14)의 뒷면에 부착된다. 바람직하게는 집전 장치 판 (22)와 (24)는 알루미늄 포일의 박층이다. 이러한 단일 셀 축전기 형태에서, 집전판 (22)와 (24)는 바람직하게 비-다옥성이며, 이들은 외부 축전기 실의 일부로서 사용될 수 있다.
전자 분리기(18)는 반대 알루미늄/탄소 복합 전극 (12)와 (14) 사이에 위치한다. 전자 분리기(18)는 바람직하게 알루미늄/탄소 복합 전극 (12)와 (14) 사이에서 전자 절연기로서 작용하는 높은 다공성 물질로부터 제조된다. 전자 분리기(18)의 목적은 반대 전극 (12)와 (14)가 서로 결코 접촉하지 않음을 확인하는 것이다. 전극 사이의 접촉은 짧은 회로 및 전극에 저장된 전하의 빠른 소모로 일어난다. 전자 분리기(18)의 다공성 성질은 전해질(20)에서 이온을 이동시킨다. 바람직한 전자 분리기(18)는 약 1㎜ 두께의 다공성 폴리프로필렌 디스크이다. 폴리프로필렌 분리기는 알루미늄/탄소 복합 전극 (12)와 (14) 사이에 삽입되기 전에 전해질(20)에서 초기에 함침된다.
셀 홀더(11)는 이중층 축전기로 보통 사용된 임의의 공지된 포장 수단일 수 있다. 이중층 축전기의 에너지 밀도를 최대로하기 위해서는, 포장 수단의 중량을 최소로 하는 것이 이롭다. 포장된 이중층 축전기의 중량은 전형적으로 비포장된 이중층 축전기의 중량보다 많아야 25% 더 큰 것으로 기대된다. 전기적 리드 (28)과 (29)는 셀 홀더(11)를 통하여 집전 장치 판 (22)와 (24)로부터 연장되고 전기 회로(도시되지 않음)와 연결되어 적용된다.
도 2 및 도 3에서 보인 바와 같이, 양극 알루미늄/탄소 복합 전극(30) 및 상응하는 일련의 고성능 이중층 축전기(40)를 설명한다. 양극 알루미늄/탄소 복합 전극(30)은 비-다고성 집전 장치 판(36)으로 분리된 극성 알루미늄/탄소 복합 몸체로 이루어진다. 집전판(36)의 부착된 하나의 표면(38)은 제 1 셀에 있어서 하전된 전극(32)이다. 집전 장치 판(36)의 부착된 반대 표면(38)은 제 2 셀에 있어서 반대로 하전된 전극(34)이다. 다시 말하면, 제 1 전극(32)이 제 1 축전기 셀 "A"에 대해서 음극이라면, 이어서 제 2 전극(34)은 인접 셀 "B"에 대해서 양극이다.
도 3에서 더 명확하게 보인 바와 같이, 일련의 고성능 양극 이중층 축전기(40)는 바람직하게 시리즈로 연결된 다수의 셀(A, B, C, 및 D)을 포함한다. 각 셀은 이들 사이에 위치한 이온 전도 분리기(46)와 서로 대면한 한쌍의 알루미늄 함침된 탄소 복합 다공성 전극 (42)와 (44)를 포함한다. 다수의 비-다공성 집전 장치(48)는 그위에 결합된 상이한 셀의 두 개의 조정된 극성 전극 (42)와 (44)를 갖는 각 집전 장치(48)를 사용한, 본원에 기술된 각 셀 사이에 위치된다. 더구나, 충분한 양의 전해질(50)이 각 셀내로 도입되어, 전해질(50)은 각 셀내 복합 전극 (42)와 (44) 및 분리기 (46)을 포화시킨다. 열등한 집전판(49)는 이러한 적층의 각 말단부에 위치한다.
각 알루미늄/탄소 복합 전극 (42)와 (44)는 바람직하게 상술한 방법과 유사한 방식으로 형성된다. 각 전극은 용융 알루미늄으로 함침된 탄소 직물 예비성형물 또는 탄소 페이퍼 예비성형물로부터 조립된다. 상기와 같이, 알루미늄/탄소 복합 전극 (42)와 (44)의 다공성은 축전기 셀내로 도입된 충분한 양의 전해질(50)을 연속적으로 허용하고 탄소 섬유의 공동을 관통하는 함침 방법중에 근접하게 조절된다.
알루미늄 함침된 탄소 복합 전극 (42)와 (44)는 충분하게 다공성이고 바람직하게 활성탄 섬유내에서 함침된 알루미늄의 균일하게 분포된 연속 경로를 가져, 3 볼트 셀에서 사용될 때 각 복합 전극의 동량 시리즈 저항은 약 1.5Ω㎠이고 각 복합 전극 (42)와 (44)의 전기 용량은 대략 30F/㎤ 이상이다.
각 양극 전극의 내부 집전 장치 판(48)은 바람직하게 인접 셀사이에서 전해질(50)을 분리하기 위해 디자인된 알루미늄 포일의 비-다공성 층이다. 외부 집전판 (49)은 또한 비-다공성이어서, 필요하다면 외부 축전기 실의 일부로서 사용될 수 있다.
전자 분리기(46)는 특별한 축전기 셀내 반대 알루미늄/탄소 복합 전극 (42)와 (44) 사이에 위치한다. 전자 분리기(46)는 바람직하게 단일 셀 형태로 사용된 전자 분리기와 유사한 다공성 폴리프로필렌 디스크이다.
본 발명의 이중층 축전기의 많은 부가 이점은 알루미늄/탄소 복합 전극의 바람직한 조립 방법, 집전 장치의 바람직한 부착 방법, 및 고성능 전해질의 사용으로부터 얻어진다. 본 발명의 이러한 각 면이 다음의 단락에서 더 상세하게 논의된다.
알루미늄/탄소 복합 전극
상기에서 정의한 바와 같이, 알루미늄/탄소 복합 전극은 바람직하게는 용융 알루미늄으로 함침된 다공성 탄소 섬유 직물 예비성형물 또는 탄소 섬유 페이퍼 예비성형물로부터 제조된다. 예비성형물은 탄소 섬유 펠트 같은 임의의 적당한 활성탄 섬유 물질 또는 함침된 용융 알루미늄 및 전해질 용액을 받기 위해서 충분한 다공성을 갖는 다른 활성탄 섬유 기질로부터 조립될 수 있다.
함침된 알루미늄은 예비성형물 전체에 걸쳐서 균일하게 분포되고 연속되어, 전극내에서 낮은 저항 전류 경로를 제공한다. 알루미늄/탄소 복합 전극은 또한 전해질 용액, 바람직하게는 비수성 전해질 용액이 활성탄 섬유의 공동에 침투하도록 하기 위해서 충분하게 다공성을 남긴다.
이중층 축전기의 알루미늄/탄소 복합 전극의 조립 방법은 탄소 섬유 전극 예비성형물의 조립으로 출발한다. 탄소 섬유 전극 예비성형물은 전형적으로 높은 표면적 탄소 섬유를 사용하여 제조된 페이퍼 또는 직물 예비성형물이다. 이러한 탄소 섬유의 표면적은 대략 500 내지 3000 ㎡/g 범위일 수 있다. 탄소 섬유 페이퍼 예비성형물은 약 2 내지 7 ㎜의 길이로 절단되는 약 8 내지 10㎛ 직경의 탄소 섬유를 이용한 표준 페이퍼 제조 장치로 작제될 수 있다. 비교가능한 크기의 셀룰로즈 섬유는 결합제로서 작용하고 결과의 예비성형물의 다공성을 조절하기 위해서 예비성형물에 첨가될 수 있다.
탄소 섬유 직물 예비성형물은 바람직하게 약 500 내지 3000 ㎡/g의 표면적 및 약 8 내지 10 ㎛의 직경을 갖는 직조 탄소 섬유를 또한 사용하는 시판되는 직물이다. 탄소 섬유 직물 예비성형물은 전형적으로 탄소 섬유 페이퍼 예비성형물보다 더 비싸지만, 탄소 섬유 직물 예비성형물은 탄소 섬유 페이퍼 예비성형물보다 더 구조적으로 안정하다. 그러나, 탄소 섬유의 표면적 및 다른 수치는 사용되는 적용의 요구에 대응하도록 쉽게 재단된다.
용융 알루미늄으로의 탄소 섬유 예비성형물의 함침은 바람직하게는 플라즈마 분사 기술을 이용하거나, 또는 대안적으로 액체 침투 또는 침하 기술을 이용하여 성취된다. 플라즈마 분사 기술에서, 용융 알루미늄는 바람직하게 탄소 섬유 예비 성형물의 양면내로 분사된다. 플라즈마 분사 용융 금속은 우선적으로 이중층 축전기 작제에 사용되지만, 전형적으로 집전 장치 형성 수단으로서만 사용된다.
플라즈마 분사 기술은 탄소 섬유 직물 예비성형물내로 관통하고 다공성 및분포된 알루미늄 매트릭스를 형성하기 위해 최적이다. 이러한 최적 기술은 분사 장치의 전기 전류, 용융 알루미늄의 온도 및 압력, 탄소 섬유 예비성형물로부터의 플라즈마 분사 장치의 거리, 및 플라즈마 분사 장치의 범위를 조정하여 성취된다.
액체 침투 기술에서, 용융 알루미늄은 알루미늄의 용융 배스내로 탄소 섬유 예비성형물을 침하시키거나 함침시킴으로써 구조내에서 함침된다. 그러나, 용융 알루미늄은 탄소 섬유의 표면을 쉽게 습윤시키지 않으며, 따라서 탄소 섬유의 공동내로 들어가지 않는다. 탄소의 습윤성이 부족하기 때문에, 특별한 기술이 탄소섬유의 간격내로 용융 알루미늄을 알맞게 함침시킬 필요가 있다.
이러한 전극 함침 향상 기술은 우주 산업에서 알루미늄 흑연 복합을 생성하기 위해 사용된 함침 기술의 변화를 포함한다. 이러한 함침 기술은 알루미늄/탄소 복합 전극 조립의 본 방법에 대해서 유일하게 적용되고 변형된다. 예를 들면, 함침 방법을 정확하게 조절하여, 복합 전극이 이온 전류를 운반하는 전해질 용액에 대해 적당하게 다공성으로 남아있는 것이 필요하다.
개선된 함침의 한가지 기술은 용융 알루미늄에 의해 탄소 섬유의 습윤성을 개선시키기 위해 초음파 진동을 사용한다. 탄소 섬유 예비성형물이 용융 알루미늄으로 함침된 용융 배스에서 함침될 때, 초음파 진동은 함침 부위를 지시한다. 이러한 진동이 변동될 때, 액체에서 압력은 편재화된 캐비테이션을 일으킨다. 일부 특별한 진동수에서, 용융 알루미늄은 탄소 섬유의 간격내로 펌핑된다. 초음파 진동의 진동수 변화에 의해, 함침 정도는 조절될 수 있고, 그로인해 생성물을 생성하는 다공성을 확인한다.
알루미늄/탄소 복합 전극의 조립중에 탄소 섬유 예비성형물내에서 용융 알루미늄의 함침을 개선시키기 위한 다른 기술은 함침된 용융 알루미늄상에서 외부 압력을 순화시키는 다른 수단을 포함한다. 압력의 증가 및 감소는 용융 알루미늄이 탄소 섬유 사이의 공간내로 들어가는 것을 돕는 펌핑 작용을 일으킨다. 용융 알루미늄의 온도는 종종 탄소 섬유 사이의 공간을 채우도록 알루미늄을 추가로 보조하기 위해 증가된다.
습윤제는 또한 알루미늄/탄소 복합 전극의 조립중에 탄소 예비성형물내로 용융 알루미늄의 함침을 추가로 돕는 수단으로서 사용된다. 탄소 섬유의 습윤성은 용융 나트륨의 주석-티타늄 또는 구리-주석-티타늄 합금 같은 습윤제로 구성된 용융 금속 침투내로 탄소 섬율글 초기에 함침시킴으로써 향상된다. 탄소 예비성형물이 금속 침투로부터 제거될 때, 용융 알루미늄의 배스에서 함침된다. 용융 알루미늄은 탄소 섬유의 간격을 채우는 알루미늄을 따르는 탄소 섬유로부터 습윤제를 여과시킨다. 탄탈룸, 티타늄-탄소, 티타늄-질소, 티타늄-질소-탄소, 또는 실리콘-탄소 같은 다른 안정한 습윤제는 또한 용융 알루미늄의 함침을 보조하는 탄소 섬유 예비성형물로 도입될 수 있다.
탄소 섬유의 습윤성을 개선시키기 위한 대안적 선택된 기술은 또한 이중층 축전기에 대한 알루미늄/탄소 복합 전극의 조립 과정에 사용하기 위해서 계획된다. 그러한 습윤성을 개선시키는 대안적 수단은 예를 들면, 은, 코발트, 구리, 또는 니켈 같은 금속의 박층으로의 탄소 섬유 코팅을 포함한다. 그러나, 임의의 다른 시약 또는 이중층 축전기용 복합 전극의 조립에 사용된 다른 오염 물질은 축전기 사용전에 실질적으로 제거되거나 그러한 시약의 존재는 이중층 축전기의 물리적 특성 또는 성능을 거의 제한하지 않는다는 것은 중요하다.
상술한 바와 같은 초음파 진동 또는 외부 압력 순환은 또한 용융 알루미늄의 함침 과정을 개선시키는 수단으로서 습윤제가 있든 없든 사용될 수 있다. 추가로, 상술한 바와 같은 플라즈마 분사 방법의 진동은 또한 용융 알루미늄의 함침 방법을 개선시키는 수단으로서의 습윤제가 있든 없든 사용될 수 있다.
함침 과정의 조절은 전극 다공성을 조절하도록 한다. 알루미늄/탄소 복합 전극의 다공성은 방해없이 탄소 섬유의 공동으로 들어가도록 전해질 용액을 연속적으로 허용하여 전해질 및 탄소 섬유 사이의 충분히 큰 접촉면 영역을 형성하는 함침 과정중에 근접하게 조절된다.
상술한 바와 같은 전극내 알루미늄의 도입은 전극/전해질 접촉면 영역에서 이온 전류에 있어서 전해질 경로를 변화시킨다. 그러나, 이러한 변화된 전해질 경로는 대부분의 내부 저항이 탄소 섬유의 작은 공동에 남아 있기때문에 이중층 축전기의 내부 저항에 뚜렷하게 첨가되지 않는다.
알루미늄/탄소 복합 전극의 다공성은 알루미뉴:활성탄의 중량비로서 최고로 표현될 수 있다. 그러나, 알루미늄은 예비성형물 전체에 걸쳐서 분포되고 연속적이어서, 복합 전극내에서 낮은 저항 전류 경로를 제공하는 것이 중요하다. 알루미늄:탄소의 바람직한 중량비는 약 1.3 내지 0.5, 보다 바람직하게는 1.0 이하의 범위이다.
초기에 정의된 바와 같이, 함침 과정의 조절 및 전극 다공성의 결과의 조절은 습윤제의 사용, 용융 알루미늄의 외부 압력 순환, 및/또는 액체 침투중의 초음파 진동의 도입을 포함하는 몇몇 방식으로 성취될 수 있다. 액체 침투중의 진동수 및 초음파 진동 및 압력 변화의 크기를 조정하여, 용융 알루미늄의 함침을 변화시킬 수 있다.
추가로, 플라스마 분사 과정에서의 외부 파라미터의 조절은 전극의 결과의 다공성에 영향을 준다. 예를 들면, 플라즈마 분사 장치, 플라즈마 분사 장치의 소사 속도, 플라즈마 분사 장치 및 탄소 섬유 예비성형물간 격리애자 거리; 및 용융 알루미늄의 전달 온도 및 압력과 관련된 전기 전류 같은 외부 파라미터를 조정하여 최적의 다공성을 성취할 수 있다.
대안적으로 또는 공동으로, 탄소 섬유 페이퍼 예비성형물에 사용된 셀룰로즈의 양을 변화시킴으로써, 알루미늄/탄소 복합 전극의 다공성을 조절할 수 있다. 특히, 다공성 조절은 셀룰로즈 섬유를 탄화시키거나 소결시킴으로써 성취되며, 그로인해 용융 알루미늄이 탄소 섬유 예비성형물내에서 함침된 후 이들의 제거를 일으킨다.
실시예 1
다음 설명은 알루미늄/탄소 복합 전극 및 고성능 이중층 축전기의 제조 및 조립을 나타낸다. 본 실시예는 앞서의 상세한 설명과 함께, 본 발명을 수행하기 위해 현재로서 계획된 최상의 모드를 나타낸다. 이러한 설명은 제한된 의도를 갖지는 않지만, 본 발명의 일반적 원리의 일부를 설명하기 위해서 단지 제한된다. 본 발명의 범위는 청구범위를 참고로 결정된다.
탄소 섬유 예비성형물은 약 5㎜ 길이 및 약 8㎛ 직경의 활성탄 섬유를 이용하여 제조된다. 활성탄 섬유는 약 2500㎡/g의 표면적을 갖는다. 약 5㎜ 길이 및 약 8㎛ 직경의 셀룰로즈 섬유는 또한 탄소 섬유 예비성형물내에서 혼입된다. 셀룰로즈 섬유는 결합제로서 첨가되어 전극의 다공성을 조절한다. 첨가된 셀룰로즈 섬유의 %는 약 9.0 내지 50%의 예비성형물 중량, 보다 바람직하게는 약 15 중량%로 구성된다.
대안적으로, 탄소 섬유 예비성형물은 상업적 공급원으로부터 수득될 수 있다. 이러한 탄소 섬유 예비성형물은 전형적으로 활성탄 구조이며, 여기서 각 탄소 섬유는 토우로 불리는 다발로 싸여진다. 바람직한 구조는 직경이 약 8㎛이고 약 2500㎡/g의 표면적을 갖는 탄소 섬유로 이루어진 토우를 사용한다. 토우는 약 17㎜ 두께인 구조를 만들기 위해 직조된다.
탄소 섬유 예비성형물은 플라즈마 분사 기술을 이용하여 용융 알루미늄으로 함침된다. 분사 방법은 분사 장치의 전류, 분사 압력, 예비성형물로부터의 분사 격리애자 거리, 수직 단계 거리, 및 분사 소사 속도의 조정을 통하여 섬유 예비성형물내로 관통하도록 최적화된다. 이러한 실시예의 최적 조건은 분사 장치로 65amps의 전류, 약 20 인치의 격리애자 거리를 갖는 3.52 kg/㎠의 분사 압력으로 결정된다. 플라즈마 분사 장치의 소사 속도는 약 161.5cm/초이고 수직 단계 거리는 대략 2.54cm이다. 각 알루미늄/탄소 복합 전극은 약 0.24g의 알루미늄으로 약 0.2g의 탄소 섬유를 포함한다.
분사 과정이 완결된 후에, 복합 전극 디스크는 함침된 탄소 예비성형물로부터 구멍을 낸다. 각 복합 전극은 약 5.1㎝(2인치)의 직경 및 약 432㎛의 두께를 갖는다. 이는 약 20.3㎠의 표면적내로 이동한다.
셀룰로즈 섬유는 약 200 내지 300℃에서 감압하에 소결시킴으로써 복합 전극으로부터 제거된다.
약 50.8㎛ 두께의 알루미늄 포일 시트는 약 360 내지 600℃의 온도 및 0.84kg/㎠의 외부 압력에서 불활성 분위기 또는 약간의 감압하에 각 알루미늄/탄소 복합 전극에 결합된다. 집전 장치 판을 갖는 최종 알루미늄/탄소 복합 전극은 약 20.3㎠의 표면적 및 약 0.048㎝의 두께를 갖는 디스크 모양 장치이다.
단일 셀 축전기의 조립은 전자 분리기로서 작용하는 알루미늄/탄소 복합 전극 사이에 위치한 약 25.4㎛ 두께의 다공성 폴리프로필렌 분리기를 추가로 포함한다.
이어서, 아세토니트릴내 1.4M 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트의 전해질 용액은 진공 침투 기술을 이용하여 탄소/알루미늄 복합 전극 및 분리기내에서 함침된다. 이어서, 축전기를 외부에서 밀봉한다.
표 1은 활성탄/알루미늄 복합 전극 및 이들의 성능 특성의 일부 예를 정의한다. 정의 번호 071994A는 상술된 직물 예비성형물과 상이한 탄소 직물을 이용하고 유사하게 다른 샘플보다 큰 두께를 가짐을 아는 것은 중요하다. 저항 및 전기 용량의 측정은 단지 비교를 위해서 제조된다.
[표 1]
Figure pct00001
알루미늄이 탄소 섬유 예비성형물내에 함침된 후에, 알루미늄 포일은 전극의 뒷면에서 안전하다. 그러한 과정에서, 알루미늄 함침된 탄소 예비성형물 확산은 알루미늄은 알루미늄 포일과 결합하며, 그로인해 복합 전극 및 집전 장치 사이에서 낮은 저항 결합을 생성한다. 알루미늄 포일은 축전기의 집전 장치 또는 전도 전극으로서 기능한다. 특히, 확산 결합은 알루미늄 포일상에서 산화물 층을 먼저 변형시키거나 제거한 다음, 불활성 분위기 압력하에 전극 및 포일 구조를 가열함으로써 성취된다. 이러한 결합 방법은 복합 전극 및 집전 장치를 함께 표면으로 가져오기 위해서 고온, 및 불활성 분위기에서 온화한 압력의 배합을 포함한다. 이러한 단계는 알루미늄 원자가 복합 전극에 집전 장치를 부착하기 위해 접촉면에서 빈 공간을 채우면서 수행된다.
양극 축전기 적층에서, 결합된 포일은 셀사이에서 전해질 용액을 분리하기 위해서 비-다공성이어야 한다. 포일은 핀홀 또는 다른 결함이 없는 것을 보장할 정도로 충분히 두꺼워야 한다. 약 12.7 ㎛ 내지 76.2 ㎛ 포일 두께가 양극 전극에서 바람직하다.
알루미늄은 확산 결합을 위해서 아주 적당한 물질은 아니다. 어려움은 알루미늄 표면상에 전형적으로 존재하는 강한 산화물 층으로부터 생겨난다. 이러한 산화물 층은 결합된 표면사이에서 알루미늄의 이동을 방해하는 경향이 있다. 알루미늄을 포함하는 대부분의 확산 결합 기술은 높은 외부 압력 및 알루미늄의 용융점 이하인 결합 온도를 요구한다. 결합된 조각 및 구조는 전형적으로 시간전에 연장되는 불활성 분위기로 이러한 상태에서 유지된다. 이러한 결합 조건은 높은 외부 압력이 전극에서 활성탄 섬유를 분쇄하기 때문에, 활성탄/알루미늄 복합 전극에 대해서 수용되지 않는다. 더구나, 시간의 연장된 기간 동안의 고온은 알루미늄 카바이드의 조성을 초래한다. 알루미늄 카바이드의 조성은 전극의 성능을 뚜렷하게 감소시킨다.
본 방법은 알루미늄/탄소 복합 전극을 보다 낮은 온도에서, 비교적 짧은 시간 동안 낮은 외부 압력을 갖는 알루미늄 포일에 결합시킨다. 본 방법은 결합 과정중에 형성된 알루미늄 카바이드의 양을 추가로 뚜렷하게 감소시키고, 전극에서 활성탄 섬유에 물리적 손상없이 형성되도록 결합된다. 본 발명의 바람직한 결합 방법은 약 300 내지 600℃, 보다 바람직하게는 약 360±50℃의 온도에서 알루미늄/탄소 복합 전극에 알루미늄 포일을 결합시키는 것이다. 결합은 약 0.84 kg/㎠의 외부 압력으로 성취된다.
이로운 조건하에서 수행된, 이러한 개선된 결합 기술은 불활성 분위기하에서 포일은 전극에 결합하기 전에 알루미늄 포일상에서 산화물 층을 물리적으로 제거하거나 변형시킴으로써 성취된다. 산화물 층은 아르곤 이온 스퍼터링 기술을 이용하여 제거된다. 대안적으로, 산화물 층은 황산 용액내 나트륨 디크로메이트 용액, 즉 [H2SO4내 Na2(Cr2O2)]에서 알루미늄 포일을 에칭하므로써 변형시킬 수 있다. 다른 기술에서는, 산화 알루미늄층이 뚜렷하게 감소된다.
알루미늄 포일이 알루미늄/탄소 복합 전그에 결합되기 전에, 알루미늄/탄소 복합 전극에 존재하는 임의의 셀룰로즈 섬유를 불활성 분위기에서 가열하거나 대안적으로 화학적으로 감소시켜 셀룰로즈 섬유를 탄화시키거나 소결시킴으로써 제거시킬 수 있다. 예비성형물에 사용된 셀룰로즈의 양을 변화시킴으로써, 알루미늄/탄소 복합 전극의 결과의 다공성을 조절할 수 있다.
양극 알루미늄/탄소 복합 전극에 있어서, 각 쌍의 알루미늄 함침된 탄소 섬유 예비성형물이 함침 과정으로부터 제거될 때, 이들은 알루미늄 포일의 단일 층과함께 정렬되거나 결합된다. 바람직한 방법은 낮은 압력, 비교적 낮은 온도 및 불활성 분위기에서 알루미늄 포일 집전 장치와 정렬된 쌍의 알루미늄/탄소 복합 전극 확산 결합을 동시에 포함한다. 전과 같이, 방법은 알루미늄 카바이드 및 다른 오염 물질의 조성을 피하고 탄소 섬유의 물리적 손상을 방직한다. 결합의 질은 알루미늄 포일의 양 표면을 먼저 에칭시키거나 존재할 수 있는 임의의 산화 알루미늄층을 제거하므로써 향상된다.
실시예 2
다음 설명은 확산 결합 방법 및 그에 대한 제조 방법을 나타낸다. 이러한 실시예는 앞서 상세한 설명과 함께, 본 발명을 수행하기 위해 현재로서 계획된 최상의 모드를 설명한다. 그러나, 이러한 설명은 제한된 의도를 가져오지는 않지만, 본 발명의 일반적 원리의 일부를 설명하기 위해 단지 제조된다. 본 발명의 범위는 청구범위를 참고로 결정된다.
에칭 배스는 약 60g의 Na2(Cr2O2)·2H2O를 약 173㎖의 농축된 H2SO4, 약 1.9g의 알루미늄 분말, 및 1ℓ 용액을 제조하기에 충분한 물과 배합하므로써 알루미늄 포일을 에칭하기 위해 제조된다. 에칭 배스는 약 60℃로 가열된다. 추가로, 에칭된 알루미늄 포일을 세정하기 위해 물 배스를 제조하여 또한 약 60℃로 가열한다.
알루미늄 포일을 약 15분 동안 에칭 배스에 함침시킨다. 이어서, 포일을 에칭 배스로부터 제거하고 포일을 세정하기 위해 물 배스에서 함침시킨다. 이어서, 포일을 약 30분 동안 오븐에서 건조시킨다.
이어서, 전극 및 에칭된 포일은 확산 결합을 위해서 조립한다. 탄소 직물 예비성형물을 방출 시트로서 사용하고 하스토로이 X 판을 약 3 내지 28.1 kg/㎠, 바람직하게는 약 0.84 kg/㎠의 온화한 압력을 전극/포일 조립체에 적용하여 사용한다. 전극/포일 조립체를 왕성한 확산 결합을 위해서 스텐레스 스틸 반응기에 둔다.
본 발명의 확산 결합 과정은 불활성 분위기에서 온화한 압력하의 스텐레스 스틸 반응기내에서 전극 및 포일 조립체의 가열을 포함한다. 알루미늄이 탄소 섬유 예비성형물내로 함침된 후, 이어 복합 전극 형성에서, 전극은 약 30분 동안 건조된다. 이어서, 전극은 약 100℃에서 수소(550㎖/분) 및 아르곤(1000㎖/분)으로 퍼지된다. 다음에, 셀룰로즈 섬유는 수소(550㎖/분) 및 아르곤(1000㎖/분)으로 전극을 퍼징시키면서 300℃에서 약 30분 동안 탄화된다. 이어서, 수소를 방출되지 않게 하고 아르곤 속도를 약 1500㎖/분으로 증가시킨다.
이어서, 결합 온도는 요구한 바와 같이, 300℃ 내지 약 300와 600℃ 사이인 최종 결합 및 소결 온도로 반응기 온도를 램핑시킴으로써 성취된다(표 2 참조). 이러한 결합 온도는 표 2에서 지시한 바와 같이 약 1 내지 5 시간의 기재된 결합 시간동안 유지된다. 이어서, 반응기를 새지 않게 하고 전극을 약 90분 동안 냉각시킨다. 90분 후에, 반응기를 물로 추가로 냉각시키고 전극을 제거한다.
표 2는 전기 용량, 시리즈 저항 및 상술한 결합 과정에 따라 확산 결합된 몇몇 전극/포일 조립체의 다른 성능 특성을 규정한다. 저항 및 전기 용량의 측정은 단지 비교를 위해서 이루어진다.
[표 2]
Figure pct00002
이중층 축전기의 성능은 사용된 전해질 용액의 선택에 매우 많이 의존한다. 전형적인 수성 전해질은 전형적으로 비수성 전해질 용액보다 더 낮은 저항을 나타낸다. 한편으로, 비수성 전해질 용액은 종종 더 높은 이온 전도도를 가져서 이중층 축전기의 작동 전압을 증가시킨다. 특히, 이러한 비수성 전해질 용액은 대략 3 볼트로 증가되는 단일 셀 이중층 축전기의 작동 전압을 따른다.
본 발명은 일부 향상된 전해질 용액의 사용을 고려한다. 이러한 향상된 전해질 용액은 종종 3개 유형 또는 부류의 용액에 놓인다. 첫째, 전해질용 용매로서 가스성 암모니아를 사용하는 암모니에이트 용액이다. 바람직한 암모니에이트 용액은 특정 염이 실온에서 전도 액체를 높게 형성하는 가스성 암모니아와 배합할 때, 초래된다. 이들의 높은 전도도, 전압 안정성 및 온도 범위 때문에, 이러한 용액은 고성능 이중층 축전기에서 전해질에 대한 우수한 후보자이다. 고성능 이중층 축전기에서 전해질로서 사용되기에 적합한 특정 암모니에이트 용액의 예는 다음을 포함한다:
[NH4NO3] ·1.3 [NH3];
[NaI] ·3.3 [NH3];
및 [LiCLO4] ·4 [NH3].
전해질의 두번째 부류는 이산화황 기본 용액으로 이루어진다. 이산화황은 실온에서 가스이며, 전해질용 용매로서 사용된다. 이산화황은 특정 염에 용해되어, 실온에서 액체 전해질을 형성한다. 이러한 이산화황 기본 용액은 전형적으로 상응하는 암모니에이트 용액보다 높은 전도도를 가지지만, 또한 더 부식성을 가지는 경향이 있다. 이러한 전해질은 이산화황이 리튬, 칼슘, 나트륨 또는 스트론튬의 테트라클로로알루미네이트를 용해시키기 위해 사용될 때 수득된다. 이러한 전해질 용액은 일반적으로 화학식(1) 같이 특징지워질 수 있다:
[화학식 1]
M [AlCl4] · x SO2
상기식에서,
x는 2.5 내지 6.0 이고:
M은 Li, Ca, Na, 또는 Sr중에서 선택된다.
고성능 이중층 축전기에 사용하기에 적합한 개선된 전해질의 세 번째 부류는 용융 염 전해질이다. 용융 염 전해질은 승온에서 액화되는 이온 염으로부터 형성된다. 승온은 전형적으로 450℃ 이상의 범위이다. 이러한 고온 용융 염 전해질은 임의의 전해질 용액의 가장 높은 이온 전도도 및 절연파괴 전압을 가진다. 이러한 용액의 주 장애는 이들이 높은 작동 온도를 요구하는 것이고 많이 부식되는 액체라는 점이다.
고성능 이중층 축전기에 사용하기에 적합한 고온 용융 염 전해질의 예는 염화 칼륨 및/또는 염화 리튬의 혼합물이다. 그러한 전해질을 이용한 고성능 이중층 축전기는 4 볼트 이상의 작동 전압 및 약 450℃에서 대략 1.6 S/㎝의 이온 전도도를 갖는다.
더구나, 0.15 내지 0.45 S/㎝ 전도 범위로 약 100 내지 400℃의 작동 온도를 갖는 용융 염 전해질인 일부 알칼리 금속 테트라클로로알루미네이트 및 테트라브로모알루미네이트이다. 또한 몇몇 클로로알루미네이트 용융 염이 존재하며, 실온에서 액체이고, 본원에서 공개된 고성능 이중층 축전기에 전해질로서 유용하다.
3 볼트 고성능 이중층 축전기로 이용하기 위해 증발된 전해질 용액을 표 3에 정의했다. 알루미늄 함침된 탄소 섬유 예비성형물 및 분리기는 바람직하게 진공 침투 방법에 의해 기술된 전해질 용액으로 포화된다.
[표 3]
Figure pct00003
앞서와 같이, 본 발명은 알루미늄/탄소 복합 전극 및 고성능 전해질을 이용한 이중층 축전기 및 동일물 제조 방법을 제공하는 것으로 이해된다. 더구나, 다양한 변화는 본 발명의 취지 및 범위로부터의 분리없이 또는 모든 이들 물질 이점, 이의 설명적 양태로 기술된 앞서의 형태의 희생없이, 이들 일부의 형태, 구조 및 배열을 제조할 수 있음이 분명하다.
마지막으로, 본 발명의 범위는 기술된 특정 양태 및 과정을 제한하지 않는다. 추가로, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위 및 이들의 등량에 의해 결정된다.

Claims (42)

  1. 용융 알루미늄으로 함침된 고 표면적 활성탄 섬유의 예비성형물로 이루어진 한쌍의 다공성 알루미늄 함침된 탄소 복합 전극;
    각 복합 전극의 비대향면상에 배치된 한 쌍의 집전 장치;
    복합 전극의 대향면 사이에 위치한 이온 전도성 분리기; 및
    복합 전극 및 분리기를 포화시키는 비-수성 전해질 용액으로 구성되는 이중층 축전기.
  2. 제 1 항에 있어서, 각 알루미늄 함침된 탄소 복합 전극이 알루미늄 함침제의 균일하게 분포된 연속 경로를 갖고 1.5Ω㎠ 이하의 내부저항을 갖는 고표먼적 활성탄 섬유 예비성형물로 추가로 포함하는 이중층 축전기.
  3. 제 1 항에 있어서, 이중층 축전기가 적어도 600 W/㎏의 동력 등급에서 적어도 5Wh/㎏의 유용한 에너지를 전달할 수 있는 이중층 축전기.
  4. 제 1 항에 있어서, 복합 전극이 적어도 30F/㎤의 전기 용량을 갖는 이중층 축전기.
  5. 제 1 내지 4 항중 어느 한 항에 있어서, 각 알루미늄 함침된 탄소 복합 전극이 탄소 직물 예비성형물내에 함침된 알루미늄의 균일하게 분포된 연속 경로를 갖는 다공성 전극을 추가로 포함하는 이중층 축전기.
  6. 제 1 내지 4 항중 어느 한 항에 있어서, 각 알루미늄 함침된 탄소 복합 전극이 탄소 페이퍼 예비성형물내에 함침된 알루미늄의 균일하게 분포된 연속 경로를 갖는 다공성 전극을 추가로 포함하는 이중층 축전기.
  7. 제 1 내지 4 항중 어느 한 항에 있어서, 알루미늄 함침된 탄소 복합 전극이 약 500 내지 3000㎡/g 범위의 표면적을 갖는 활성탄 섬유를 추가로 포함하는 이중층 축전기.
  8. 제 1 내지 4 항중 어느 한 항에 있어서, 알루미늄 함침된 탄소 복합 전극이 2000㎡/g 이상의 표면적을 갖는 활성탄 섬유를 추가로 포함하는 이중층 축전기.
  9. 제 1 내지 4 항중 어느 한 항에 있어서, 알루미늄 함침된 탄소 복합 전극이 약 1.3 내지 0.5 범위의 알루미늄:탄소 중량비를 추가로 포함하는 이중층 축전기.
  10. 제 1 내지 4 항중 어느 한 항에 있어서, 알루미늄 함침된 탄소 복합 전극이 1.0 이하의 알루미늄:탄소 중량비를 추가로 포함하는 이중층 축전기.
  11. 제 1 항에 있어서, 이중층 축전기를 밀봉 포장하기 위한 하우징 수단을 추가로 포함하는 이중층 축전기.
  12. 제 1 내지 4 항중 어느 한 항에 있어서, 분리기가 비수성 전해질 용액으로 포화된 다공성 폴리프로필렌 분리기인 이중층 축전기.
  13. 제 1 내지 4 항중 어느 한 항에 있어서, 각각의 집전 장치가 각 전극의 비대향면과 결합된 금속 포일의 박층을 포함하는 이중층 축전기.
  14. 제 13 항에 있어서, 집전 장치가 각 전극의 비대향면과 결합된 알루미늄 포일의 박층을 포함하는 이중층 축전기.
  15. 제 1 항에 있어서, 전해질 용액이 용융 염 용액인 이중층 축전기.
  16. 제 15 항에 있어서, 용융 염 전해질 용액이 염화칼륨 및 염화리튬의 혼합물인 이중층 축전기.
  17. 제 15 항에 있어서, 용융 염 전해질 용액이 화학식에 의해 특징지워지는 이중층 축전기.
    [화학식]
    [AlCl3] · MX
    상기식에서,
    M은 알칼리 금속이고;
    X는 염소 또는 브롬으로 구성되는 그룹중에서 선택된다.
  18. 제 1 항에 있어서, 전해질 용액이 암모니에이트 용액인 이중층 축전기.
  19. 제 18 항에 있어서, 암모니에이트 전해질 용액이 [NH4NO3] · 1.3 [NH3]; [NaI] · 3.3 [NH3]; 및 [LiClO4] · 4 [NH3]로 구성되는 그룹중에서 선택되는 이중층 축전기.
  20. 제 1 항에 있어서, 전해질 용액이 화학식(1)에 의해 특징지워지는 이산화황 용액인 이중층 축전기.
    [화학식 1]
    M [AlCl4]n· x SO2
    상기식에서,
    x는 2.5 내지 6.0이고;
    M은 리튬, 카드뮴, 나트륨 또는 스트론튬으로 구성되는 그룹중에서 선택된다.
  21. 고 표면적 활성탄 섬유 예비성형물을 알루미늄의 균일하게 분포된 연속 경로로 함침하여 다공성의 알루미늄 함침된 탄소 복합 전극을 형성하고;
    집전 장치 판을 알루미늄 함침된 탄소 복합 전극의 표면상에 결합하며;
    알루미늄 함침된 탄소 복합 전극이 상호 대향하는 비-결합면을 갖도록, 한쌍의 알루미늄 함침된 탄소 복합 전극을 정렬시키며;
    알루미늄 함침된 탄소 복합 전극의 대향면사이에 이온 전도성 분리기를 배치하고;
    알루미늄 함침된 탄소 섬유 복합 전극 및 분리기를 비수성 전해질 용액으로 포화시키는 단계를 포함하는 이중층 축전기 제조 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 집전 장치 판을 알루미늄 함침된 탄소 섬유 복합 전극에 결합시키는 단계가,
    알루미늄 포일 집전 장치로부터 산화 알루미늄층을 제거하고;
    알루미늄 원자가 접촉면에서 알루미늄 카바이드의 형성을 방지하면서 탄소 전극에 알루미늄 포일을 부착시키기 위하여 복합 전극 및 알루미늄 포일의 접촉면에서 빈 공간을 채우기에 충분하도록 불활성 대기중에 알루미늄의 융점 이하의 결합 온도에서 알루미늄 포일에 대해 복합 전극을 압착시키는 단계를 추가로 포함하는 이중층 축전기 제조 방법.
  23. 제 21 항 또는 22 항에 있어서, 하우징내에 이중층 축전기를 밀봉 포장하는 단계를 추가로 포함하는 이중층 축전기 제조 방법.
  24. 제 21 항 또는 22 항에 있어서, 함침 단계중에 알루미늄 함침 탄소 복합 전극의 다공성을 조절하는 단계를 추가로 포함하는 이중층 축전기 제조 방법.
  25. 제 24 항에 있어서, 고 표면적 활성탄 섬유 예비성형물을 알루미늄의 균일하게 분포된 연속 경로로 함침시키는 단계가 용융 알루미늄을 활성탄 섬유 예비성형물중으로 플라즈마 분사하는 것을 추가로 포함하는 이중층 축전기 제조 방법.
  26. 제 25 항에 있어서, 알루미늄 함침된 탄소 복합 전극의 다공성 조절 단계가 플라즈마 분사 장치와 탄소 섬유 예비성형물간 격리애자 거리의 조정을 추가로 포함하는 이중층 축전기 제조 방법.
  27. 제 25 항에 있어서, 알루미늄 함침된 탄소 섬유 복합 전극의 다공성 조절 단계가 탄소 섬유 예비성형물에 대한 플라즈마 분사 장치의 소사 속도의 조절을 추가로 포함하는 이중층 축전기 제조 방법.
  28. 제 25 항에 있어서, 알루미늄 함침된 탄소 섬유 복합 전극의 다공성 조절 단계가 활성탄 섬유 예비성형물로의 용융 알루미늄의 전달 온도 및 압력 조절을 추가로 포함하는 이중층 축전기 제조 방법.
  29. 제 24 항에 있어서, 고 표면적 활성탄 섬유 예비성형물을 알루미늄의 균일하게 분포된 연속 경로로 함침시키는 단계가 활성탄 섬유 예비성형물을 용융 알루미늄의 배스내로 침지시킴을 추가로 포함하는 이중층 축전기의 제조 방법.
  30. 제 24 항에 있어서, 알루미늄 함침된 탄소 복합 전극의 다공성 조절 단계가 활성탄 섬유 예비성형물을 함침시키는 용융 알루미늄의 압력 순환을 추가로 포함하는 이중층 축전기 제조 방법.
  31. 제 24 항에 있어서, 알루미늄 함침된 탄소 복합 전극의 다공성 조절 단계가 함침 단계중에 활성탄 섬유 예비성형물에 초음파 진동의 적용을 추가로 포함하는 이중층 축전기 제조 방법.
  32. 제 21 항 또는 22 항에 있어서, 고 표면적 활성탄 섬유 예비성형물을 알루미늄으로 함침시키기에 앞서 습윤제로 구성된 용융 금속 침투물중으로 고 표면적 활성탄 섬유 예비성형물을 침지시키는 단계를 추가로 포함하는 이중층 축전기 제조 방법.
  33. 제 32 항에 있어서, 습윤제가 주석-티타늄, 구리-주석-티타늄, 탄탈룸, 티타늄-탄소, 티타늄-질소, 티타늄-질소-탄소, 실리콘-탄소, 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹중에서 선택되는 이중층 축전기 제조 방법.
  34. 제 21 항 또는 22 항에 있어서, 알루미늄 함침된 탄소 복합 전극 및 분리기를 전해질 용액으로 포화시키는 단계가 알루미늄 함침된 탄소 복합 전극 및 분리기를 진공 침투 방법을 이용하여 전해질 용액으로 포화시키는 것을 추가로 포함하는 이중층 축전기 제조 방법.
  35. 제 21 항 또는 22 항에 있어서, 결합 온도가 약 300 내지 600℃인 이중층 축전기 제조 방법.
  36. 제 35 항에 있어서, 결합 온도가 약 360℃인 이중층 축전기 제조 방법.
  37. 제 22 항에 있어서, 결합전에 알루미늄 포일 표면의 에칭 단계를 추가로 포함하는 이중층 축전기 제조 방법.
  38. 제 37 항에 있어서, 알루미늄 포일의 에칭 단계가 포일을 황산내 나트륨 디크로메이트 용액에 침지시키는 것을 추가로 포함하는 이중층 축전기 제조 방법.
  39. 제 22 항에 있어서, 산화 알루미늄층을 아르곤 이온 스퍼터링 기술로 알루미늄 포일로부터 제거시키는 단계를 추가로 포함하는 이중층 축전기 제조 방법.
  40. 제 22 항에 있어서, 약 12.7㎛ 내지 76.2㎛ 두께를 갖는 알루미늄 포일에 대해 복합 전극을 압착시키는 단계를 추가로 포함하는 이중층 축전기 제조 방법.
  41. 제 22 항에 있어서, 알루미늄 포일에 대해 탄소 전극을 압착시키는 단계가 약 0.21 kg/㎠ 내지 28.1 kg/㎠ 의 결합 압력에서 성취되는 이중층 축전기 제조 방법.
  42. 제 41 항에 있어서, 알루미늄 포일에 대해 복합 전극을 압착시키는 단계가 약 0.84 kg/㎠ 의 결합 압력에서 성취되는 이중층 축전기 제조 방법.
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