KR100479189B1 - 전기이중층커패시터 및 그의 형성방법 - Google Patents

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Abstract

전기이중층커패시터는 세퍼레이터; 분극전극들; 컬렉터들; 및 가스켓을 포함하고, 컬렉터들 및 가스켓 중 적어도 어느 하나의 적어도 일부가 적어도 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 가스투과계수를 갖는 커패시터 셀구조를 포함한다.

Description

전기이중층커패시터 및 그의 형성방법{Electric double layer capacitor and method of forming the same}
본 발명은 전기이중층커패시터 및 그의 형성방법에 관한 것이다.
최근, 전기이중층커패시터는, 크기의 축소화 및 용량의 증가화에 관심을 가져왔다. 예를 들면, 전기이중층커패시터가 자동차의 셀모터의 구동전력에 새로운 응용으로 납축전지와 공동으로 사용되는 것이 연구되어 왔다. 전기이중층커패시터는 자동차의 셀모터의 보조전력에 다른 새로운 응용으로 태양전지와 공동으로 사용되는 것도 연구되어 왔다.
전기이중층커패시터는 세퍼레이터, 한 쌍의 분극전극들, 한 쌍의 컬렉터들, 가스켓 및 전해질용액을 구비한 셀구조를 포함한다. 세퍼레이터는 쌍으로 된 분극전극들 사이에 끼워진 다공성시트를 포함한다. 분극전극들은 판모양이다. 세퍼레이터를 사이에 끼운 쌍으로 된 분극전극들은 쌍으로 된 컬렉터들 사이에 끼워진다. 컬렉터들은 시트-모양이다. 가스켓은, 프레임모양의 가스켓이 세퍼레이터, 분극전극들 및 컬렉터들을 포함하는 층구조의 주변을 둘러싸도록 프레임내에 형성된다.
일본 특개평제60-144928호는, 셀이 70∼120℃의 온도의 분위기 내에서 한 시간 또는 몇 시간동안 전압레벨은 전해질용액의 분해전압보다 높지 않고 셀들의 적층구조들을 포함하는 전기이중층커패시터의 사용전압을 셀들의 적층구조들의 수로 나누어 얻어진 전압보다 낮지 않은 전압이 인가된 상태로 에이징공정(aging process)을 겪는 것을 개시한다.
이 에이징공정은 불량제품을 제거하고 전기이중층커패시터의 전기적 특성을 안정화시키기 위하여 수행된다. 불량제품 제거의 제1문제점이 설명될 것이다. 셀에 전압을 인가하면, 반응이 전해질용액의 산소와 분극전극들을 형성하는 활성탄의 카본 사이에서 발생되어, 이 반응에 의해 이산화탄소가스 또는 일산화탄소가스가 발생된다. 이 가스의 발생은 세퍼레이터와 분극전극들 사이의 간격을 증가시킨다. 이 간격의 증가는 등가직렬저항을 증가시키고 전해질용액을 누설시킨다. 이러한 이유들로, 상기 부하를 의도적으로 셀에 가하여, 불량제품들을 제거한다.
상기 설명한 에이징공정은 불량제품들을 출하하기 전에 제거하는 데는 효과적이지만, 불량제품의 생산을 방지하지는 못하며, 또는 수율(收率)을 향상시키는 데는 효과적이지 못하다.
상기 상황에서, 새로운 전기이중층커패시터 및 상기 문제들이 없는 전기이중층커패시터의 생산방법의 개발이 절실히 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기 문제들이 없는 새로운 전기이중층커패시터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 수율을 향상시키는 새로운 전기이중층커패시터를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 문제들이 없는 전기이중층커패시터의 새로운 형성방법을 제공하는 것이다.본 발명의 또 다른 목적은 수율을 향상시키는 새로운 전기이중층커패시터의 형성방법을 제공하는 것이다.
본 발명은, 세퍼레이터; 분극전극들; 컬렉터들; 및 가스켓을 포함하고, 컬렉터들 및 가스켓 중 적어도 어느 하나의 적어도 일부가 적어도 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 가스투과계수를 갖는 커패시터 셀구조를 포함하는 전기이중층커패시터를 제공한다.
본 발명의 상기 및 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 이하의 설명으로부터 명확하게 될 것이다.
본 발명의 제1양태는, 세퍼레이터; 분극전극들; 컬렉터들; 및 가스켓을 포함하고, 컬렉터들 및 가스켓 중 적어도 어느 하나의 적어도 일부가 적어도 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 가스투과계수를 갖는 커패시터 셀구조이다.
컬렉터들은 적어도 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 가스투과계수를 갖는 재료를 포함하는 것이 바람직하다.
컬렉터들의 재료는 카본배합된 전기도전성의 스틸렌-에틸렌-부틸렌-스틸렌 공중합체를 포함하는 것이 또한 바람직하다.
가스켓은 적어도 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 가스투과계수를 갖는 재료를 포함하는 것이 또한 바람직하다. 가스켓의 재료는 카본배합된 전기도전성의 스틸렌-에틸렌-부틸렌-스틸렌 공중합체를 포함하는 것이 또한 바람직하다.
컬렉터들 및 가스켓 모두는, 적어도 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 가스투과계수를 갖는 동일한 재료를 포함하는 것이 바람직하다. 동일한 재료는 카본배합된 전기도전성의 스틸렌-에틸렌-부틸렌-스틸렌 공중합체를 포함하는 것이 바람직하다.
가스투과계수는 최대가 9.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]인 것이 바람직하다.
가스켓은 외층들 및 상기 외층들 사이에 삽입된 중간층을 포함하는 3층구조를 포함하고, 중간층은 세퍼레이터의 주변을 둘러싸는 것이 또한 바람직하다. 또한, 외층들 각각은 분극전극의 주변을 둘러싸는 것이 바람직하다. 외층들 각각은 분극전극 및 컬렉터의 양 주변들 각각을 둘러싸는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2양태는, 각각의 셀구조가 세퍼레이터; 분극전극들; 컬렉터들 및 가스켓을 포함하는 복수의 적층셀구조; 및 적층셀구조를 패키지하는 패키지막을 포함하고, 컬렉터들 및 가스켓 중 적어도 어느 하나의 적어도 일부가 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 가스투과계수를 갖는 전기이중층커패시터이다.
컬렉터들은 적어도 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 가스투과계수를 갖는 재료를 포함하는 것이 바람직하다. 컬렉터들의 재료는 카본배합된 전기도전성의 스틸렌-에틸렌-부틸렌-스틸렌 공중합체를 포함하는 것이 또한 바람직하다.
가스켓은 적어도 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 가스투과계수를 갖는 재료를 포함하는 것이 바람직하다. 가스켓의 재료는 카본배합된 전기도전성의 스틸렌-에틸렌-부틸렌-스틸렌 공중합체를 포함하는 것이 또한 바람직하다.
컬렉터들 및 가스켓 모두는, 적어도 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 가스투과계수를 갖는 동일한 재료를 포함하는 것이 또한 바람직하다. 동일한 재료는 카본배합된 전기도전성의 스틸렌-에틸렌-부틸렌-스틸렌 공중합체를 포함하는 것이 또한 바람직하다.
가스투과계수는 최대가 9.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]인 것이 또한 바람직하다.
가스켓은 외층들 및 외층들 사이에 삽입된 중간층을 포함하는 3층구조를 포함하고, 중간층은 세퍼레이터의 주변을 둘러싸는 것이 또한 바람직하다. 외층들 각각은 분극전극의 주변을 둘러싸는 것이 또한 바람직하다.
외층들 각각은 분극전극 및 컬렉터의 양 주변들 각각을 둘러싸는 것이 또한 바람직하다.
패키지막은 전기절연성의 열가소성수지막을 포함하는 것이 또한 바람직하다.
본 발명의 제3양태는, 각각의 셀구조가 세퍼레이터; 분극전극들; 컬렉터들 및 가스켓을 포함하는 복수의 적층셀구조; 및 상기 적층셀구조를 담는 외장케이스를 포함하고, 상기 컬렉터들 및 상기 가스켓 중 적어도 어느 하나의 적어도 일부가 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 상기 가스투과계수를 갖는 전기이중층커패시터이다.
컬렉터들은 적어도 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 가스투과계수를 갖는 재료를 포함하는 것이 또한 바람직하다. 컬렉터들의 재료는 카본배합된 전기도전성의 스틸렌-에틸렌-부틸렌-스틸렌 공중합체를 포함하는 것이 또한 바람직하다.
가스켓은 적어도 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 가스투과계수를 갖는 재료를 포함하는 것이 또한 바람직하다. 가스켓의 재료는 카본배합된 전기도전성의 스틸렌-에틸렌-부틸렌-스틸렌 공중합체를 포함하는 것이 또한 바람직하다.
컬렉터들 및 가스켓 모두는, 적어도 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 가스투과계수를 갖는 동일한 재료를 포함하는 것이 또한 바람직하다. 동일한 재료는 카본배합된 전기도전성의 스틸렌-에틸렌-부틸렌-스틸렌 공중합체를 포함하는 것이 또한 바람직하다.
가스투과계수는 최대가 9.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]인 것이 또한 바람직하다.
가스켓은 외층들 및 외층들 사이에 삽입된 중간층을 포함하는 3층구조를 포함하고, 중간층은 세퍼레이터의 주변을 둘러싸는 것이 또한 바람직하다. 외층들 각각은 분극전극의 주변을 둘러싸는 것이 또한 바람직하다. 외층들 각각은 분극전극 및 컬렉터의 양 주변들 각각을 둘러싸는 것이 또한 바람직하다.
외장케이스는 전기절연성 수지막으로 덮인 외측면을 갖는 것이 또한 바람직하다.
외장케이스는 전기절연성 열가소성수지막으로 덮인 내측면을 갖는 것이 또한 바람직하다.
적층셀구조를 패키지하는 패키지막을 더 포함하는 것이 또한 바람직하다. 패키지막은 전기절연성 열가소성수지막을 포함하는 것이 또한 바람직하다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예들이 첨부한 도면들을 참조하여 자세하게 설명될 것이다.
<제1실시예>
본 발명의 제1실시예는 첨부도면들을 참조하여 자세하게 설명될 것이다. 도 1은 본 발명에 따른 제1실시예의 전기이중층커패시터의 셀구조를 보여주는 단면도이다. 도 2는 도 1의 셀구조를 갖는 전기이중층커패시터의 단면도이다.
전기이중층커패시터(10)는 셀구조(15)를 갖는다. 셀구조(15)는 세퍼레이터(11), 한 쌍의 분극전극들(12), 한 쌍의 컬렉터전극들(13) 및 가스켓(14)을 포함한다. 세퍼레이터(11)는 시트모양이며, 제1면 및 제1면과 마주보는 제2면을 갖는다. 분극전극들(12)은 평평한 판들을 포함한다. 분극전극들(12)은 세퍼레이터(11)의 제1 및 제2면들과 인접하게 마련되나, 세퍼레이터(11)의 제1 및 제2면들과는 약간의 간격으로 분리된다. 분극전극들(12)은, 세퍼레이터의 양측에서 세퍼레이터(11)와 평행하게 연장되어, 세퍼레이터(11)가 분극전극들 사이에 삽입된다. 각각의 분극전극들(12)은 세퍼레이터(11)에 면하는 제1면 및 제1면과 마주보는 제2면을 갖는다.
컬렉터들(13)은 시트모양이다. 각각의 컬렉터들(13)은, 각각의 분극전극들(12)의 제2면과 인접하게 마련되어, 컬렉터들(13)사이에 분극전극들(12)이 끼워지고 세퍼레이터(11)를 사이에 끼운 분극전극들(12)이 컬렉터들(13) 사이에 삽입되도록 한다. 컬렉터들(13)은 극성전극들(12) 및 세퍼레이터(11)와 평행하게 연장되고 분극전극들(12)의 제2면들과 접한다. 세퍼레이터(11), 분극전극들(12) 및 컬렉터들(13)은 5층의 적층구조를 형성하고, 적층의 방향은 세퍼레이터(11), 분극전극들(12) 및 컬렉터들(13)의 두께방향과 평행하다.
가스켓(14)은 프레임모양이다. 가스켓(14)은 세퍼레이터(11) 및 분극전극들(12)의 주변들을 둘러싸도록 마련된다. 가스켓(14)은 컬렉터들(13) 사이에 삽입되어 컬렉터들(13)의 주변영역들 사이에 끼워진다. 가스켓(14)의 마주보는 면들은 컬렉터들(13)의 주변영역들과 밀착되어, 전해질용액을 함유하는 셀구조가, 저하된 압력하에서 가스켓(14)에 의해 안전하게 봉합된다.
셀구조(15)는 또한 좀더 자세하게 설명될 것이다. 세퍼레이터(11)는, 전기비전도성이면서 전하투과성을 갖는 사각형모양의 다공성막을 선택적으로 포함할 수도 있다. 예를 들면, 두께 20㎛의 폴리프로필렌수지계 다공성막이 세퍼레이터(11)로서 이용될 수 있다.
분극전극들(12)쌍은 선택적으로 사각의 평판모양일 수도 있다. 분극전극들(12)은 선택적으로 활성탄을 포함한다. 이 경우, 분극전극들(12)은, 활성탄분말을 어떤 사용가능한 결합재 및 어떤 사용가능한 용매와 혼합함으로써 형성될 수도 있다. 균일한 모양의 분극전극들(12)쌍은 세퍼레이터(11)와 평행하게 배치된다. 각각의 분극전극들(12)은 선택적으로 두께 50㎛이고 3㎝×3㎝ 사각형모양일 수도 있다.
컬렉터들(13)쌍은 선택적으로는 균일한 사각형의 시트모양일 수도 있다. 각각의 컬렉터들(13)쌍은 선택적으로 전기적 도전막, 예를 들면, 카본이 분산되어 있는 올레핀계 수지를 포함할 수도 있다. 컬렉터들(13)쌍은, 4.0×10-12∼9.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)] 범위의 가스투과계수를 갖는 재료를 포함한다. 이 가스투과계수는 CO2가스투과계수이다. 컬렉터들(13)쌍은 선택적으로 전기적으로 도전되며 카본이 분산되어 있는 스틸렌-에틸렌-부틸렌-스틸렌 공중합체를 포함할 수도 있다.
분극전극들(12)은 컬렉터들(13)과 밀착되도록 인쇄법에 의해 형성될 수도 있다. 즉, 활성탄과 결합재 및 용매의 혼합은 컬렉터들(13) 각각의 사각모양에 인쇄된다.
가스켓(14)은 3층구조를 포함하는 프레임모양이다. 3층구조는 세퍼레이터(11)의 두께방향으로 적층된 제1, 제2 및 제3층들(14a, 14b 및 14c)을 포함한다. 제2층(14b)은 제1 및 제3층(14a 및 14c) 사이에 끼워진 중간층이다. 가스켓(14)의 제1, 제2 및 제3층들(14a, 14b 및 14c) 각각은 또한 사각프레임모양이다. 중간층인 제2층(14b)은 세퍼레이터(11)의 외변과 밀착되는 내변을 가지므로 세퍼레이터(11)는 가스켓(14)의 제2층(14b)의 사각프레임모양의 내변과 밀착된다. 가스켓(14)의 제2층(14b)은 세퍼레이터(11)와 같은 두께를 갖는다. 가스켓(14)의 제2층(14b)은 세퍼레이터(11)의 주변을 단단하게 둘러싼다.
가스켓(14)의 제1, 제2 및 제3층들(14a, 14b 및 14c)은, 컬렉터들(13)의 외측 크기와 같은 일정한 외측크기를 가져, 가스켓(14)의 제1, 제2 및 제3층들(14a, 14b 및 14c) 및 컬렉터들(13)의 외측단은, 서로 수직적으로 평평한 측벽들의 셀구조(15)를 형성하도록 배열된다.
외층들인 제1 및 제3층들(14a 및 14c)은 동일한 모양과 크기를 갖는다. 제1 및 제3층들(14a 및 14c) 각각은 제2층(14b)의 외변과 일렬로 정렬되는 외변을 가지므로, 수직적으로 평평한 외벽들의 셀구조(15)를 형성한다. 제1 및 제3층들(14a 및 14c) 각각은, 제2층(14b)의 내변의 안쪽에 배치되는 내변을 가져서, 제1 및 제3층들(14a 및 14c) 각각의 내변이 세퍼레이터(11)의 외변보다 안쪽으로 배치되도록 하여 제1 및 제3층들(14a 및 14c)은 세퍼레이터(11)의 제1 및 제2면의 바깥쪽 주변영역과 밀착된다.
또한, 제1 및 제3층들(14a 및 14c) 각각의 내변은 분극전극들(12) 각각의 외변과 동일한 모양과 크기를 가지므로, 제1 및 제3층들(14a 및 14c) 각각의 내변은 분극전극들(12) 각각의 외변과 단단하게 맞물린다. 제1 및 제3층들(14a 및 14c)은, 세퍼레이터(11)와 분극전극들(12) 사이의 간격에 의해 분극전극들(12)보다 더 두꺼운 균일한 두께를 갖는다. 또한 제1 및 제3층들(14a 및 14c)은 컬렉터들(13)과 밀착된다.
가스켓(14)의 제1, 제2 및 제3층들(14a, 14b 및 14c)은 전기적 절연성의 열가소성 수지재를 포함한다. 이 전기적 절연성의 열가소성 수지재는 선택적으로 컬렉터들(13)의 전기적 절연성 수지계 재료와 같은 것일 수도 있다. 즉, 상기 설명된 바와 같이, 컬렉터들(13)은 카본이 분산된 스틸렌-에틸렌-부틸렌-스틸렌 공중합체 수지와 같은 카본이 분산된 올레핀계 수지재를 포함할 수 있다. 가스켓(14)의 제1, 제2 및 제3층들(14a, 14b 및 14c)은 선택적으로 스틸렌-에틸렌-부틸렌-스틸렌 공중합체 수지와 같은 올레핀계 수지재를 포함할 수도 있다. 전해질용액의 누설을 검출하기 위하여, 가스켓(14)의 제1, 제2 및 제3층들(14a, 14b 및 14c)은 선택적으로 투광성 폴리올레핀계 재료와 같은 투광성 전기절연재를 포함할 수도 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 적층된 가스켓(14)의 제1, 제2 및 제3층들(14a, 14b 및 14c)은 완전하고 단단하게 세퍼레이터(11) 및 분극전극들(12)쌍의 주변들을 둘러싼다. 가스켓들(14) 및 분극전극들(12)쌍은 컬렉터들(13)쌍 사이에 단단하게 끼워진다. 전해질용액(16)은 셀구조(15)의 내공간(17)내에 채워진다. 가스켓(14)은 셀구조(15)의 내공간(17)을 단단하게 봉합한다. 황산용액이 전해질용액(16)으로서 사용될 수 있다.
앞서 설명한 셀구조(15)는 아래와 같이 형성된다.
제1단계에서, 활성탄분말들이 결합제 및 용매와 혼합되어 분극전극들(12)의 재료가 마련된다.
제2단계에서, 분극전극들(12)의 재료는, 도전막들을 포함하는 컬렉터들(13) 각각의 소정 영역에 소정 모양으로 인쇄되어, 컬렉터들(13)상에 분극전극들(12)을 형성한다. 컬렉터들(13)상의 분극전극들(12)은 건조되어 용매가 제거된다.
제3단계에서, 전해질용액(16)은 분극전극들(12)에 채워진다.
제4단계에서, 분극전극들(12)을 갖는 컬렉터들(13)쌍은, 세퍼레이터(11)가 컬렉터들(13) 사이에 삽입된 분극전극들(12) 사이에 삽입되도록 배치되고, 또한 가스켓(14)은 세퍼레이터(11) 및 분극전극들(12)을 둘러싸고 또 컬렉터들(13) 사이에 끼워지도록 배치된다. 저하된 압력하에서, 120℃의 소정온도에서 예를 들면 약 10초의 소정시간동안 열처리가 수행되는 동안에, 소정압력, 예를 들면 0.003㎩이 외측에서 컬렉터들(13)에 가해져, 가스켓(14)이 컬렉터들(13)과 봉합되고, 가스켓(14)의 제1, 제2 및 제3층들(14a, 14b 및 14c)도 서로 봉합된다. 그 결과, 셀구조(15)가 완성된다.
다음에, 에이징공정이 셀구조(15)에 수행된다. 에이징공정에는 서로 다른 두 가지가 있다. 제1형 에이징공정 "A"는 단일셀구조(15)용 에이징공정이다. 제2형 에이징공정 "B"는, 쌓여진 복수의 셀구조(15)를 포함하는 복수퇴적된 셀구조(20)용 에이징공정이다. 제1형 및 제2형 에이징공정 중 어느 하나가 필요하다.
(제1형 에이징공정 "A")
제1형 에이징공정 "A"에 따르면, 단일셀구조(15)에, 전해질용액을 분해하는 전기분해전압보다는 높지 않고, 또한 셀구조(15)가 서로 적층되어 구성된 전기이중층커패시터(10)의 사용전압을 셀구조(15)의 퇴적수로 나누어 얻어진 값보다 작지 않은 전압이 인가된다.
제1형 에이징공정 "A"에 인가되는 전압 및 온도를 결정하기 위하여, 제1형 에이징공정 "A"이, 전압공급시간이 1시간으로 고정된 조건으로, 여러 온도들 및 인가전압들에서 수행된다. 제1형 에이징공정 "A" 직후의 셀구조(15)의 수율은 100%를 기준으로 결정된다. 아래의 표 1은 제1형 에이징공정 "A"의 평가결과들을 보여준다.
온도 25℃ 60℃ 85℃ 100℃
0(V)
0.8(V) △
0.9(V) ◎ ◎
1.0(V) ◎ ◎
1.1(V)
1.2(V)
온도가 25∼85℃ 범위이고 전압이 0∼1.1(V)이면, 100%의 수율이 확보된다.
장기신뢰성; 60℃-0.8(V)/셀, 3000h 평가; ESR변화율 "x"
효과 ◎ : 상당히 높은 효과 x≤1.20, : 높은 효과 1.20<x≤1.8
△ : 효과있음 1.8<x≤2.5 무표시 : 효과없음 2.5<x.
굵은 선은 수율이 100%와 100% 이하 사이의 경계를 나타낸다. 수율이 제1형 에이징공정 "A" 직후의 수율이라면, 수율 100%를 얻기 위한 전압 및 온도조건들은 굵은 선 내이다.
제1형 에이징공정 "A" 직후의 100%-수율의 경우에, 60℃에서 셀구조(15)는 0.8(V)/셀의 전압이 3,000시간동안 인가된다. 셀구조(15)의 등가직렬저항은, 3,000시간동안 상기 전압인가 전과 후 사이의 등가직렬저항의 차에 해당하는 등가직렬저항 의 변화율"x"을 얻기 위하여 3,000시간동안 상기 전압인가 전과 후에 측정된다. 장기신뢰성 또는 전기적 특성의 안정도는 등가직렬저항의 변화율"x"를 기초로 산출된다. 장기신뢰성의 평가결과는 상기 표 1에서 보여준 바와 같다.
"◎"표시는 ESR변화율(x)이 x≤1.20으로 장기신뢰성이 상당히 높음을 나타낸다. ""표시는 ESR변화율(x)이 1.20<x≤1.8로 장기신뢰성이 높음을 나타낸다. "△"표시는 ESR변화율(x)이 1.8<x≤2.5로 장기신뢰성이 존재함을 나타낸다. 무표시는 ESR변화율(x)이 2.5<x로 장기신뢰성이 없음을 나타낸다.
표 1에서 보여준 바와 같이, 전압이 제1형 에이징공정 "A"에서 100℃에서 단일 셀구조(15)에 인가된다면, 제1형 에이징공정 "A" 직후의 수율들은 인가전압에 상관없이 100%이하이다. 인가전압이 1.2V라면, 제1형 에이징공정 "A" 직후의 수율들은 온도에 상관없이 100%이하이다.
이에 대하여, 1.1V보다 높지 않은 전압이 25∼85℃ 범위의 온도에서 단일 셀구조(15)에 인가되면, 제1형 에이징공정 "A" 직후의 수율들은 100%이다. 100%-수율의 경우에, 또한, 0.8∼1.1V 범위의 전압이 25∼85℃ 범위의 온도에서 단일 셀구조(15)에 인가되면, 장기신뢰성이 얻어 질 수 있다.
따라서, 상당히 높은 또는 높은 장기신뢰성을 얻기 위해서는 0.8∼1.1V 범위의 전압이 25∼85℃ 범위의 온도에서 단일 셀구조(15)에 인가되는 제1형 에이징공정 "A"가 바람직하다. 상당히 높은 또는 높은 장기신뢰성을 얻기 위해서는 0.9∼1.0V 범위의 전압이 60∼85℃ 범위의 온도에서 단일 셀구조(15)에 인가되는 제1형 에이징공정 "A"가 더욱 바람직하다.
제1형 에이징공정 "A"에서 전압인가 시간은, 바람직하게는 1시간보다 짧지 않고 15시간보다 길지 않다. 전압인가 시간이 15시간보다 길면, 다량의 습기가 셀구조(15)의 전해질용액으로부터 방출된다. 앞서 설명된 제1형 에이징공정 "A"에 따르면, 0.9V의 전압은 60℃에서 1시간간 단일 셀구조(15)에 인가된다.
제5공정으로서의 앞서 설명된 제1형 에이징공정 "A"후에, 그 다음 제6단계에서, 복수의 구조셀(15)이 쌓여 적층셀구조(20)를 형성한다. 리드단자가 있는 한 쌍의 전극플레이트들(21)이 적층셀구조(20)의 외측 컬렉터(13)의 외측면에 밀착되어 마련된다. 그 다음 전극플레이트들(21)이 있는 적층셀구조(20)는 대기압보다 낮은 저압하에서 패키지막(22)에 의해 패키지된다.
앞서 설명된 리드단자들이 있는 전극플레이트들(21) 각각은 선택적으로 납도금된 구리플레이트를 포함할 수도 있다. 앞서 설명된 전극플레이트들(21) 각각은 사각형모양의 평평한 전극플레이트본체(24)를 포함한다. 리드단자들 각각은, 사각형모양의 평평한 전극플레이트본체(24)로부터 연장된 줄무늬모양의 리드단자(25)를 포함한다. 사각형 모양의 평평한 전극플레이트본체(24)는 적층셀구조(20)의 외측 컬렉터(13)의 외측면에 밀착된다.
패키지막(22)은 알루미늄막과 절연수지막의 적층물들을 포함하는 적층막구조를 포함한다. 적층막구조의 외층은 절연수지막이다. 절연수지막은 올레핀수지막을 포함한다.
패키징공정이 제7공정에 해당한다. 전극플레이트몸체(24) 및 리드단자들(25)를 포함하는 전극플레이트들(21)은, 85℃의 소정온도에서 예를 들면 2시간의 소정시간동안의 열처리가 수행되기 전에 전극플레이트몸체(24)가 외측 컬렉터들(13)의 외측면에 밀착되도록 배치되어, 단자전극들이 있는 전극플레이트들(21)은 적층셀구조(20)와 일체가 된다.
리드단자들이 있는 전극플레이트들(21) 및 적층셀구조(20)는 대기압보다 낮은 저압하에서 패키지막(22)에 의해 패키지된다. 패키지막(22)의 주변영역은 패키지막(22)에 의해 적층셀구조(20)를 봉합하기 위하여 열적으로 봉합된다. 그 결과, 전기이중층커패시터(10)가 완성된다.
전기이중층커패시터(10)가 대기압에서 사용될 때, 커패시터(10)는, 내부의 저압과 외부의 대기압과의 차이로 인하여 외부로부터 항상 압착력을 받는다.
제8단계에서, 전기이중층커패시터(10)는 완성품으로 점검된다.
(제2형 에이징공정 "B")
제2형 에이징공정 "B"에 따르면, 복수의 셀구조(15)가 쌓여 적층셀구조(20)를 형성한다. 적층셀구조(20)는 전해질용액을 분해하는 전기분해전압보다는 높지 않고, 또한 셀구조(15)가 서로 적층되어 구성된 전기이중층커패시터(10)의 사용전압을 셀구조(15)의 퇴적수로 나누어 얻어진 값보다 작지 않은 전압이 인가된다.
제2형 에이징공정 "B"에 인가되는 전압 및 온도를 결정하기 위하여, 제2형 에이징공정 "B"가, 전압공급시간이 1시간으로 고정된 조건으로, 여러 온도들 및 인가전압들에서 수행된다. 제2형 에이징공정 "B" 직후의 적층셀구조(20)의 수율은 100%를 기준으로 결정된다. 아래의 표 2는 제2형 에이징공정 "B"의 평가결과들을 보여준다.
온도 25℃ 60℃ 85℃ 100℃
0(V)
0.8(V) △
0.9(V) ◎ ◎
1.0(V) ◎ ◎
1.1(V)
1.2(V)
온도가 25∼85℃ 범위이고 전압이 0∼1.0(V)범위이면, 100%의 수율이 확보된다.
장기신뢰성; 60℃-0.8(V)/셀, 3000h-평가; ESR변화율 "x"
효과 ◎ : 상당히 높은 효과 x≤1.20, : 높은 효과 1.20<x≤1.8
△ : 효과있음 1.8<x≤2.5 무표시 : 효과없음 2.5<x.
굵은 선은 수율이 100%와 100% 이하 사이의 경계를 나타낸다. 수율이 제2형 에이징공정 "B" 직후의 수율이라면, 수율 100%를 얻기 위한 전압 및 온도조건들은 굵은 선 내이다.
제2형 에이징공정 "B" 직후의 100%-수율의 경우에, 60℃에서 셀구조(15)는 0.8V/셀의 전압이 3,000시간동안 인가된다. 셀구조(15)의 등가직렬저항은, 3,000시간동안 상기 전압인가 전과 후 사이의 등가직렬저항의 차에 해당하는 등가직렬저항 의 변화율"x"을 얻기 위하여 3,000시간동안 상기 전압인가 전과 후에 측정된다. 장기신뢰성 또는 전기적 특성의 안정도는 등가직렬저항의 변화율"x"를 기초로 산출된다. 장기신뢰성의 평가결과는 상기 표 2에서 보여준 바와 같다.
"◎"표시는 ESR변화율(x)이 x≤1.20으로 장기신뢰성이 상당히 높음을 나타낸다. ""표시는 ESR변화율(x)이 1.20<x≤1.8로 장기신뢰성이 높음을 나타낸다. "△"표시는 ESR변화율(x)이 1.8<x≤2.5로 장기신뢰성이 존재함을 나타낸다. 무표시는 ESR변화율(x)이 2.5<x로 장기신뢰성이 없음을 나타낸다.
표 2에서 보여준 바와 같이, 전압이 제2형 에이징공정 "B"에서 100℃에서 적층셀구조(20)에 인가된다면, 제2형 에이징공정 "B" 직후의 수율들은 인가전압에 상관없이 100%이하이다. 인가전압이 1.1V/셀라면, 제2형 에이징공정 "B" 직후의 수율들은 온도에 상관없이 100%이하이다.
이에 대하여, 1.0V/셀보다 높지 않은 전압이 적층셀구조(20)에 인가되면, 제2형 에이징공정 "B" 직후의 수율들은 온도에 상관없이 100%이다. 100%-수율의 경우에, 또한, 1.0V/셀 보다 높지 않은 전압이 25∼85℃ 범위의 온도에서 적층셀구조(20)에 인가되면, 장기신뢰성이 얻어 질 수 있다.
따라서, 상당히 높은 또는 높은 장기신뢰성을 얻기 위해서는 0.8∼1.0V/셀 범위의 전압이 25∼85℃ 범위의 온도에서 적층셀구조(20)에 인가되는 제2형 에이징공정 "B"가 바람직하다. 상당히 높은 장기신뢰성을 얻기 위해서는 0.9∼1.0V/셀 범위의 전압이 60∼85℃ 범위의 온도에서 적층셀구조(20)에 인가되는 제2형 에이징공정 "B"가 더욱 바람직하다.
제2형 에이징공정 "B"에서 전압인가 시간은, 바람직하게는 1시간보다 짧지 않고 15시간보다 길지 않다. 전압인가 시간이 15시간보다 길면, 다량의 습기가 적층셀구조(20)의 전해질용액으로부터 방출된다. 앞서 설명된 제2형 에이징공정 "B"에 따르면, 0.9V/셀의 전압은 60℃에서 1시간간 적층셀구조(20)에 인가된다.
제6공정으로서의 앞서 설명된 제2형 에이징공정 "B"후에, 그 다음 제7단계에서, 리드단자가 있는 한 쌍의 전극플레이트들(21)이 적층셀구조(20)의 외측 컬렉터들(13)의 외측면에 밀착되어 마련된다. 그 다음 전극플레이트들(21)이 있는 적층셀구조(20)는 대기압보다 낮은 저압하에서 패키지막(22)에 의해 패키지된다.
앞서 설명된 리드단자들이 있는 전극플레이트들(21) 각각은 선택적으로 납도금된 구리플레이트를 포함할 수도 있다. 앞서 설명된 전극플레이트들(21) 각각은 사각형모양의 평평한 전극플레이트본체(24)를 포함한다. 리드단자들 각각은, 사각형모양의 평평한 전극플레이트본체(24)로부터 연장된 줄무늬모양의 리드단자(25)를 포함한다. 사각형 모양의 평평한 전극플레이트본체(24)는 적층셀구조(20)의 외측 컬렉터(13)의 외측면에 밀착된다.
패키지막(22)은 알루미늄막과 절연수지막의 적층물들을 포함하는 적층막구조를 포함한다. 적층막구조의 외층은 절연수지막이다. 절연수지막은 올레핀수지막을 포함한다.
패키징공정이 제7공정에 해당한다. 전극플레이트몸체(24) 및 리드단자들(25)을 포함하는 전극플레이트들(21)은, 85℃의 소정온도에서 예를 들면 2시간의 소정시간동안의 열처리가 수행되기 전에 전극플레이트몸체(24)가 외측 컬렉터들(13)의 외측면에 밀착되도록 배치되어, 단자전극들이 있는 전극플레이트들(21)은 적층셀구조(20)와 일체가 된다.
리드단자들이 있는 전극플레이트들(21) 및 적층셀구조(20)는 대기압보다 낮은 저압하에서 패키지막(22)에 의해 패키지된다. 패키지막(22)의 주변영역은 패키지막(22)에 의해 적층셀구조(20)를 봉합하기 위하여 열적으로 봉합된다. 그 결과, 전기이중층커패시터(10)이 완성된다.
전기이중층커패시터(10)가 대기압에서 사용될 때, 커패시터(10)는, 내부의 저압과 외부의 대기압과의 차이로 인하여 외부로부터 항상 압착력을 받는다.
제8단계에서, 전기이중층커패시터(10)는 완성품으로 점검된다.
상기 제1실시예를 따르면, 컬렉터들(13)은 적어도 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 가스투과계수를 갖는 재료를 포함한다. 고온조건, 예를 들면 60℃하에서, 패키지막(22)에 의해 봉합하는 종래의 공정에서, 셀구조(15)는, 전해질용액(16)을 분해하는 전기분해전압보다는 높지 않고, 또한 셀구조(15)가 서로 적층되어 구성된 전기이중층커패시터(10)의 사용전압을 셀구조(15)의 퇴적수로 나누어 얻어진 값보다 작지 않은 전압, 예를 들면 0.9V/셀의 전압이 인가된다. 전압인가는 가스, 예를 들면 이산화탄소 및 일산화탄소를 발생시킨다.
그러나, 상기 가스는 셀구조(15)의 내부에서 셀구조(15)의 외부로 컬렉터들(13)을 통하여 투과될 수 있다. 이것은 셀구조(15)에서 발생된 가스의 과도한 누적을 방지하므로, 등가직렬저항의 증가 또는 전해질용액의 누설이 발생되지 않는다. 따라서, 컬렉터들(13)의 적어도 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 높은 가스투과계수는 전기이중층커패시터(10)의 수율을 향상시킨다. 실용적으로, 컬렉터들(13)의 가스투과계수는 바람직하게는 9.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)] 이하이다.
앞서 설명한 효과를 검증하기 위하여, 수율들은 제2에이징공정 "B"에서 이하의 조건들로 결정된다. 개선된 컬렉터들(13)을 갖는 적층셀구조(20)에 60℃의 온도조건 하에서 0.9V/셀의 전압을 1시간 인가한 경우(실시예 1) 및 종래의 컬렉터들을 갖는 적층셀구조(20)에 60℃의 온도조건 하에서 0.9V/셀의 전압을 1시간 인가한 경우(비교예 1) 각각에 대하여, 전기이중층커패시터의 완성품을 100개씩 준비하여 완성품조사시의 수율을 조사한다. 개선된 컬렉터들(13) 각각은, 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 가스투과계수를 가지며 카본배합된 스틸렌-에틸렌-부틸렌-스틸렌 공중합체를 포함한다. 종래의 컬렉터들 각각은, 2.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 가스투과계수를 갖는 카본배합된 비가황부틸고무를 포함한다.
최종 완성품들의 수율
제작수 정상 불량 수율 ESR 누설
실시예 1 100 100 0 100% 0 0
비교예 1 100 90 10 90% 6 4
표 3에서 보인 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 새로운 전기이중층커패시터의 수율은, 새로운 전기이중층커패시터들 모두가 정상이고, 새로운 전기이중층커패시터의 어느 것도 불량이 없이 100%이다. 비교예에 따른 전기이중층커패시터의 수율은, 90개의 종래 전기이중층커패시터들이 정상이고, 10 개의 종래 전기이중층커패시터가 불량으로 90%이다.
또한, 개선된 컬렉터들(13)을 갖는 적층셀구조(20)에 60℃의 온도조건 하에서 0.9V/셀의 전압을 인가한 경우(실시예 1) 및 종래의 컬렉터들을 갖는 적층셀구조(20)에 60℃의 온도조건 하에서 0.9V/셀의 전압을 인가한 경우(비교예 1) 각각에 대하여, 전기이중층커패시터의 완성품조사후의 정상품을 100개씩 준비한다. 개선된 컬렉터들(13) 각각은, 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 가스투과계수를 가지며 카본배합된 스틸렌-에틸렌-부틸렌-스틸렌 공중합체를 포함한다. 종래의 컬렉터들 각각은, 2.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 가스투과계수를 갖는 카본배합된 비가황부틸고무를 포함한다.
새로운 전기이중층커패시터의 100개의 정상완성품들 및 종래의 전기이중층커패시터의 100개의 정상완성품들 둘 모두가 60℃의 온도조건하에서 0.8V/셀의 전압을 3,000시간동안 인가하는 테스트를 거치게 된다. 그 결과들은 아래의 표 4에서 보여준다.
장기간신회성
초기ESR 초기ESC ESR변화율 ESC변화율
실시예 1 200Ω 0.200F 1.09배 -5%
비교예 1 195Ω 0.195F 2.83배 -38%
"초기ESR"은 등가직렬저항의 초기값이다. "초기ESC"는 정전용량의 초기값이다. "ESR변화율"은 60℃에서 0.8V/셀의 전압을 3,000시간동안 인가하는 상기 공정에 의한 등가직렬저항의 변화값이다. "ESC변화율"은 60℃에서 0.8V/셀의 전압을 3,000시간동안 인가하는 상기 공정에 의한 정전용량의 변화값이다.
도 4에서 보인 바와 같이, 새로운 전기이중층커패시터는, 앞서 설명한 고온부하테스트 후에 등가직렬저항의 작은 변화율, 예를 들면 1.09배의 변화율을 보인다. 이에 대하여, 종래의 전기이중층커패시터는, 앞서 설명한 고온부하테스트 후에 등가직렬저항의 큰 변화율, 예를 들면 2.83배의 변화율을 보인다. 이것은, 상기 고온부하테스트에서 큰 가스투과계수를 갖는 개선된 컬렉터들(13)이 등가직렬저항 증가를 억제하는 데 효과적임을 의미한다.
또한, 도 4에서 보인 바와 같이, 새로운 전기이중층커패시터는, 앞서 설명한 고온부하테스트 후에 예를 들면 용량의 -5%로 작은 변화율을 보인다. 이에 대하여, 종래의 전기이중층커패시터는, 앞서 설명한 고온부하테스트 후에 예를 들면 용량의 -38%로 큰 변화율을 보인다. 이것은, 상기 고온부하테스트에서 큰 가스투과계수를 갖는 개선된 컬렉터들(13)이 용량 감소를 억제하는 데 효과적임을 의미한다.
따라서, 상기 고온부하테스트는, 비교예의 종래의 전기이중층커패시터에 비하여 본 발명의 제1실시예에 따른 새로운 전기이중층커패시터가 장기신뢰성이 향상됨을 보여준다.
상기 제1실시예에 따르면, 컬렉터들(13)은, 셀구조의 내부에서 그 외부로 가스를 투과시키기 위하여 4.0×10-12∼9.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)] 범위의 높은 가스투과계수 갖는 가스투과성 재료를 포함한다.
또한, 컬렉터들(13)의 적어도 일부가, 셀구조의 내부에서 그 외부로 가스를 투과시키기 위하여 4.0×10-12∼9.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)] 범위의 높은 가스투과계수 갖는 전기도전성의 가스투과성 재료를 포함하는 변형예가 가능하다.
또한, 컬렉터들(13) 대신에, 가스켓(14)의 일부 또는 전체가, 셀구조의 내부에서 그 외부로 가스를 투과시키기 위하여 4.0×10-12∼9.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)] 범위의 높은 가스투과계수 갖는 전기절연성의 가스투과성 재료를 포함하는 다른 변형예도 가능하다.
또한, 컬렉터들(13) 뿐만 아니라, 가스켓(14)의 일부 또는 전체가, 셀구조의 내부에서 그 외부로 가스를 투과시키기 위하여 4.0×10-12∼9.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)] 범위의 높은 가스투과계수 갖는 전기도전성 및 전기절연성의 가스투과성 재료를 포함하는 또 다른 변형예도 가능하다.
가스켓(14)의 전기절연성재료로서 기본재는, 부틸고무 및 에틸렌프로필렌디엔고무 등과 같은 고무류 또는 폴리프로필렌 및 폴리염화비닐 등과 같은 플라스틱류 이다.
상기 제1실시예에 따르면, 가스켓(14)은 이하의 이점들을 제공한다. 가스켓(14)은 3층구조, 예를 들면, 제2층(14b)이 제1 및 제3층들(14a 및 14c) 사이에 삽입된 제1, 제2 및 제3층들(14a, 14b 및 14c)의 3층구조를 포함한다. 제2층(14b)이 세퍼레이터(11)의 주변을 둘러싸고 있으므로 제1 및 제3층들(14a 및 14c)은 세퍼레이터(11)의 주변으로 연장되도록 변형해야할 필요가 없다. 이것은 제1 및 제3층들(14a 및 14c)을 크게 변형시킬 필요가 없는 것을 의미한다. 이것은 세퍼레이터(11)와 각각의 분극전극들(12) 사이의 간격을 좁게 할 수 있게 한다. 또한, 제1 및 제3층들(14a 및 14c)을 변형하는 데 고압을 가할 필요가 없다. 이것은 전해질용액(16)의 누설을 방지할 수 있다. 가스켓(14)의 제1, 제2 및 제3층들(14a, 14b 및 14c) 사이의 열결합을 방해하는 전해질용액(16)의 누설이 없다. 따라서, 전해질용액(16)의 누설방지 및 등가직렬저항 증가의 억제 둘 모두를 얻을 수 있다.
상기 가스켓(14)의 3층구조에 의해 제공되는 이점들을 확인하기 위하여, 이하의 테스트가 수행된다. 본 발명의 제1실시예에 따른 3층구조의 가스켓(14)을 갖는 새로운 셀구조 및 비교예 2의 2층가스켓을 갖는 종래의 셀구조에 대하여, 세퍼레이터의 균일한 두께 및 분극전극들의 균일한 두께들 조건하에서 가스켓의 두께를 변화시키면서 직렬등가회로 및 불량률을 조사한다. 불량률은 전체수에 대한 전해질용액의 누설이 발생된 불량수의 비로 결정된다. 이하의 표 5는 상기 조사의 결과들을 보여준다.
ESR(mΩ) 불량률 T(A)(㎛) T(B)(㎛) T(C)(㎛) D=B-C D/A
3층구조실시예 1 20 2.0 25 50 45 5 0.2
22 1.2 25 60 45 15 0.6
49 0.3 25 70 45 25 1.0
120 0.0 25 80 45 35 1.4
2층구조비교예 2 21 50.0 25 50 45 5 0.2
24 20.0 25 60 45 15 0.6
60 3.0 25 70 45 25 1.0
117 0.0 25 80 45 35 1.4
"ESR"은 등가직렬저항을 나타낸다. "불량률"은 전체수에 대한 불량수의 비로 정해진다. "T(A)"는 세퍼레이터(11)의 두께이다. "T(B)"는 가스켓(14)의 제1 및 제3층들(14a 및 14c) 각각의 두께이다. "T(C)"는 분극전극들(12)의 두께이다. "D=B-C"는 가스켓(14)의 두께(T(B))에서 분극전극들(12)의 두께(T(C))를 뺀 차를 나타낸다. "D/A"는 D를 T(A)로 나눈 것을 나타낸다.
세퍼레이터(11)의 두께는 25㎛로 균일하다. 분극전극들(12)의 두께는 45㎛로 균일하다. 세퍼레이터(11) 및 분극전극들(12) 각각의 크기는 열결합공정에 의해 변화하지 않는다. 각 셀구조의 주변부의 두께는 마이크로게이지(microgage)로 측정된다. 각 셀구조의 중앙부의 다른 두께로 마이크로게이지로 측정된다. 컬렉터(13) 및 세퍼레이터(11) 사이의 두께(T(B))가 측정된다. D=B-C가 계산된다. D/A도 계산된다.
도 3은 D/A에 대한 불량률 및 등가직렬저항의 각각의 변화율을 나타내는 도표이다. ""는 본 발명에 따른 제1실시예의 새로운 셀구조의 불량률을 나타낸다. ""는 제2비교예의 종래의 셀구조의 불량률이다. ""은 본 발명에 따른 제1실시예의 새로운 셀구조의 등가직렬저항을 나타낸다. ""은 제2비교예의 종래의 셀구조의 등가직렬저항이다.
새로운 셀구조 및 종래의 셀구조 모두에서, 등가직렬저항은 D/A가 증가됨에 따라 증가된다. D/A의 증가는 세퍼레이터(11) 및 분극전극들(12) 사이의 간격의 증가를 의미한다. 간격의 증가는 등가직렬저항의 증가를 야기한다.
2층가스켓을 갖는 종래의 셀구조에서, D/A가 감소됨에 따라, 전해질용액의 누설에 따른 불량률은 증가된다. D/A가 작다는 것은 가스켓의 변형이 작다는 것을 의미하므로, 전해질용액의 누설이 2층가스켓이 열결합할 때까지 발생된다. 그 결과, 누설된 전해질용액은 2층가스켓 사이의 열결합을 방해한다. 가스켓(14)은 불량으로 된다.
이에 대하여, 3층가스켓을 갖는 새로운 셀구조에 따르면, 전해질용액의 누설에 따른 불량률은 D/A에 상관없이 거의 영(zero)이다. 3층가스켓의 제2층(14b)은 세퍼레이터(11)의 주변과 밀착된다. 이것은, 전해질 용액의 누설을 방지하고 또한 3층가스켓(14)의 제1, 제2 및 제3층들(14a, 14b 및 14c)의 인접한 두개 사이의 열결합을 방지하게 된다.
상기 3층구조의 경우, D/A가 0.2∼0.6 범위이면, 등가직렬저항(ESR)의 상승은 억제되고 전해질용액의 누설도 억제될 수 있다. D/A가 0.2 이하이면, 이것은 3층가스켓(14)의 제1, 제2 및 제3층들(14a, 14b 및 14c)의 인접한 두개 사이 및 3층가스켓(14)과 각각의 컬렉터들(13) 사이의 불충분한 부착을 발생시킨다. D/A가 0.6 이상이면, 등가직렬저항이 너무 높아져 사용할 수 없게 된다.
본 발명의 제1실시예에 따르면, 가스켓(14)의 제1, 제2 및 제3층들(14a, 14b 및 14c)은 동일한 열가소성 수지를 포함하여, 제1, 제2 및 제3층들(14a, 14b 및 14c)은 균일한 속성 및 특성을 가져서, 제1, 제2 및 제3층들(14a, 14b 및 14c)은 열결합으로 일체화되어 대략 일체화된 가스켓(14)을 형성한다.
상기 3층구조의 가스켓(14)은 아래와 같이 변형될 수 있다. 도 4는 본 발명의 제1실시예의 변형예에 따른 전기이중층커패시터용 변형 셀구조를 보여주는 단면도이다.
가스켓(44)은, 예를 들면 제1, 제2 및 제3층들(44a, 44b 및 44c)의 3층구조를 포함한다. 제2층(44b)은, 외층들인 제1 및 제3층들(44a 및 44c) 사이에 삽입된 중간층이다. 제2층(44b)은 세퍼레이터(11)의 주변을 둘러싼다. 제1 및 제3층들(44a 및 44c) 각각은 분극전극들(12) 및 컬렉터들(13)의 주변들 각각을 둘러싼다. 제1 및 제3층들(44a 및 44c) 각각은 컬렉터(13)의 주변을 둘러싸는 연장부를 갖는다. 도 4에서 보여준 이 변형예의 컬렉터(13)는 도 1에서 보여준 제1실시예의 컬렉터보다 더 크기가 작다.
가스켓(44)은, 가스켓(14)과 같은 효과들 및 이점들을 제공한다. 가스켓(44)은 추가적으로 이하의 이점들을 제공한다. 컬렉터(13)의 주변을 둘러싸는 확장부(27)는 컬렉터들(13)쌍 사이의 단락변형을 방지한다.
도 5는, 다른 변형예의 외장케이스를 포함하는 도 1의 전기이중층커패시터의 단면도를 보여준다. 도 6은 도 5의 외장케이스의 평면도이다.
도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 전극플레이트들(21)이 있는 적층셀구조(20)는 패키지막(22)에 의해 패키지된다. 막-패키지구조는 외장케이스(32)에 담겨진다. 외장케이스(32)는 케이스상부(30) 및 케이스하부(31)를 포함한다. 이하의 설명에서, 패키지막(22)에 의해 패키지된 전기이중층커패시터(10)가 커패시터몸체(10)로 언급될 것이다.
케이스상부(30) 및 케이스하부(31) 각각은 절연수지막과 스테인레스박판을 포함하는 변형된 적층판을 포함한다. 스테인레스박판은 안쪽에 위치되고, 절연수지막은 바깥쪽에 위치된다. 절연수지막은 폴리에틸렌테레프탈레이트 또는 나이론을 포함한다. 케이스상부(30) 및 케이스하부(31) 각각은 패키지막(22)보다 더 단단하다. 패키지막(22)은 전기절연체이고 적층셀구조는 전기절연성 패키지막(22)으로 둘러싸인다. 때문에, 케이스상부(30) 및 케이스하부(31)의 내벽들이 절연수지막으로 덮일 필요가 없다.
케이스하부(31)는 평탄부(34)를 갖는 저부를 갖는다. 평탄부(34)는 분극전극들(12)의 외형형상보다는 크고 가스켓(44)의 외형형상보다는 작은 범위에 형성된다. 평탄부(34)의 외변은 가스켓914)의 내변과 외변사이에 위치된다. 변형예로서, 케이스상부(30)도 평탄부를 가질 수 있다.
커패시터몸체(10)는 케이스하부(31)의 평탄부(34) 위에 위치된다. 케이스상부(30)는 케이스하부(31)와 결합되어 커패시터몸체(10)가 외장케이스(32)내에 담겨진다. 케이스상부(30) 및 케이스하부(31) 양쪽에 대향하는 방향으로 압력을 가하면, 케이스상부(30) 및 케이스하부(31)의 주변영역은 체결되어 케이스상부(30) 및 케이스하부(31)의 주변영역에 복수의 체결부들(35)을 형성한다.
패키지된 커패시터몸체(10)는 또한 케이스(32)에 의해 담겨진다. 이것은, 등가직렬저항을 줄일 목적으로 적층셀구조(20)에 압력을 가하기 때문에, 변형가능하고 유연한 적층패키지가 패키지막(22)으로 사용되는 경우에, 외장케이스(32)가 충분히 높은 기계적 강도 및 충분히 높은 단단함을 확보할 수 있게 한다. 커패시터몸체(10)의 평탄부(34)는 항상 기계적 압력이 가해지므로, 등가직렬저항이 감소된다.
변형예로서, 케이스상부(30) 및 케이스하부(31)는, 스테인레스스틸박막, 전기절연수지막 및 전기절연 열가소성 수지를 포함하는 3-층구조를 포함할 수도 있다. 전기절연수지막은 폴리에틸렌텔레프탈레이트 또는 나이론 등의 전기절연수지를 포함한다. 스테인레스스틸박막의 외측면은 전기절연수지막으로 덮이고, 그 내측면은 전기절연 열가소성수지로 덮인다. 케이스상부(30) 및 케이스하부(31) 각각의 내측면이 전기절연 열가소성수지로 덮이기 때문에, 전기절연 열가소성막을 포함하는 패키지막(22)은 불필요하다.
다른 변형예로서, 가스켓이 상기 설명한 효과들을 얻기 위하여 세퍼레이터의 주변을 둘러싸는 2층구조를 포함할 수도 있다.
본 발명에 따르면, 전기이중층커패시터는, 세퍼레이터, 한 쌍의 분극전극들, 한 쌍의 컬렉터들, 가스켓 및 전해질 용액을 구비한 셀구조를 포함한다. 세퍼레이터는 한 쌍의 분극전극들 사이에 삽입된 다공성 시트를 포함한다. 분극전극들은 판모양이다. 세퍼레이터를 사이에 끼운 한 쌍의 분극전극들은 한 쌍의 컬렉터들 사이에 삽입된다. 컬렉터들은 시트모양이다. 가스켓은 프레임으로 형성되어 프레임모양의 가스켓은 세퍼레이터, 분극전극들 및 컬렉터들을 포함하는 층구조의 주변을 둘러싼다.
본 발명은, 컬렉터들 및 가스켓 중 적어도 어느 하나의 적어도 일부가 적어도 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 가스투과계수를 갖는 것이 중요하다. 셀에, 전해질용액을 분해하는 전기분해전압보다는 높지 않고, 또한 셀구조가 서로 적층되어 구성된 전기이중층커패시터의 사용전압을 셀구조의 퇴적수로 나누어 얻어진 전압보다 작지 않은 전압이 인가된다. 셀에 전압을 인가하면, 반응이 전해질용액의 산소와 분극전극들을 형성하는 활성탄 사이에서 발생되어, 이 반응에 의해 이산화탄소가스 또는 일산화탄소가스가 발생된다.
그러나, 발생된 가스는, 적어도 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 가스투과계수를 갖는 컬렉터들 및 가스켓 중 적어도 하나를 통하여 배출될 수 있어서, 셀내에 가스의 누적은 발생되지 않는다. 이것은 세퍼레이터 및 분극전극들 사이의 간격의 증가를 방지한다. 간격의 증가가 없기 때문에 등가직렬저항의 증가도 없으며 전해질용액의 누설도 방지될 수 있다. 이 이유들 때문에, 상기 컬렉터들 및 가스켓 중 적어도 하나는 불량제품들을 방지하고 수율을 향상시키는 데 매우 효과적이다.
컬렉터들이, 적어도 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 상기 높은 가스투과계수를 갖는 가스투가성 재료를 포함해야 한다면, 카본배합된 전기도전성의 스틸렌-에틸렌-부틸렌-스틸렌 공중합체는 바람직하며 사용가능한 재료들 중에 하나이다.
가스켓이, 적어도 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 상기 높은 가스투과계수를 갖는 가스투가성 재료를 포함해야 한다면, 또한 전기도전성의 스틸렌-에틸렌-부틸렌-스틸렌 공중합체는 바람직하며 사용가능한 재료들 중 하나이다.
가스켓은, 세퍼레이터의 두께방향과 평행한 퇴적방향을 갖는 3층구조를 포함하고, 3층구조의 가스켓 중에 중간층은 상기 세퍼레이터의 주변을 둘러싸서, 3층구조의 가스켓 중에 중간층을 사이에 끼운 두 외층들 세퍼레이터의 주변영역까지 연장될 필요가 없다. 이것은, 3층구조의 가스켓의 두 외층들이 충분히 큰 변형여유를 가질 필요가 없다는 것을 의미한다. 이것은 세퍼레이터와 분극전극들 사이의 간격을 좁게 한다. 이것은, 물론, 3층구조의 가스켓의 두 외층들의 큰 변형을 위하여, 두 외층들에 고압을 가할 필요가 없다는 것을 의미하기도 한다. 이것은, 층구조의 셀에서 전해질용액이 누설되어, 셀의 각 층들 사이의 열융합결합을 방해하는 것을 방지한다. 이것은 등가직렬저항의 증가를 억제하며 전해질용액의 누설을 방지한다.
본 발명은 위에서 몇 개의 그 바람직한 실시예들과 관련하여 설명되었으나, 이것은, 오직 본 발명을 설명하기 위해서 그 실시예들은 제공된 것으로, 그 의미를 제한하기 위한 것은 아니다. 많은 변형들과 동등재료들 및 기술들의 치환은, 본 명세서를 읽은 후, 본 기술분야의 기술자들에게는 쉽게 명백해 질 것이며, 모든 변형들 및 치환들은 첨부된 청구항들의 범위와 정신에 포함된다는 것이 명백히 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 제1실시예에 전기이중층커패시터용 셀구조의 단면도이고,
도 2는 도 1의 셀구조를 갖는 전기이중층커패시터의 단면도이고,
도 3은 D/A에 대한 불량률 및 등가직렬저항의 변화를 각각 나타내는 그래프이고,
도 4는 본 발명의 제1실시예의 변형예에 따른 전기이중층커패시터용 변형 셀구조의 단면도이고,
도 5는 다른 변형예로서 외장케이스에 담겨진 도 1의 전기이중층커패시터의 단면도이고, 및
도 6은 도 5의 외장케이스의 평면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 전기이중층커패시터 11 : 세퍼레이터
12 : 분극전극 13 : 컬렉터
14, 14a, 14b, 14c, 44, 44a, 44b, 44c : 가스켓
15 : 셀구조 16 : 전해질용액
17 : 내공간 20 : 적층셀구조
21 : 전극플레이트 22 : 패키지막
27 : 확장부 32 : 외장케이스
34 : 평탄부

Claims (38)

  1. 세퍼레이터;
    분극전극들;
    컬렉터들; 및
    가스켓을 포함하고,
    상기 컬렉터들 및 상기 가스켓 중 적어도 어느 하나의 적어도 일부가 적어도 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 가스투과계수를 갖는 커패시터 셀구조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 컬렉터들은 적어도 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 상기 가스투과계수를 갖는 재료를 포함하는 커패시터 셀구조.
  3. 제2항에 있어서, 상기 컬렉터들의 상기 재료는 카본배합된 전기도전성의 스틸렌-에틸렌-부틸렌-스틸렌 공중합체를 포함하는 커패시터 셀구조.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가스켓은 적어도 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 상기 가스투과계수를 갖는 재료를 포함하는 커패시터 셀구조.
  5. 제4항에 있어서, 상기 가스켓의 상기 재료는 카본배합된 전기도전성의 스틸렌-에틸렌-부틸렌-스틸렌 공중합체를 포함하는 커패시터 셀구조.
  6. 제1항에 있어서, 상기 컬렉터들 및 상기 가스켓 모두는, 적어도 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 상기 가스투과계수를 갖는 동일한 재료를 포함하는 커패시터 셀구조.
  7. 제6항에 있어서, 상기 동일한 재료는 카본배합된 전기도전성의 스틸렌-에틸렌-부틸렌-스틸렌 공중합체를 포함하는 커패시터 셀구조.
  8. 제1항에 있어서, 상기 가스투과계수는 최대가 9.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]인 커패시터 셀구조.
  9. 제1항에 있어서, 상기 가스켓은 외층들 및 상기 외층들 사이에 삽입된 중간층을 포함하는 3층구조를 포함하고, 상기 중간층은 상기 세퍼레이터의 주변을 둘러싸는 커패시터 셀구조.
  10. 제9항에 있어서, 상기 외층들 각각은 상기 분극전극의 주변을 둘러싸는 커패시터 셀구조.
  11. 제9항에 있어서, 상기 외층들 각각은 상기 분극전극 및 상기 컬렉터의 양 주변들 각각을 둘러싸는 커패시터 셀구조.
  12. 각각의 셀구조가 세퍼레이터; 분극전극들; 컬렉터들 및 가스켓을 포함하는 복수의 적층셀구조; 및
    상기 적층셀구조를 패키지하는 패키지막을 포함하고,
    상기 컬렉터들 및 상기 가스켓 중 적어도 어느 하나의 적어도 일부가 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 가스투과계수를 갖는 전기이중층커패시터
  13. 제12항에 있어서, 상기 컬렉터들은 적어도 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 상기 가스투과계수를 갖는 재료를 포함하는 전기이중층커패시터.
  14. 제13항에 있어서, 상기 컬렉터들의 상기 재료는 카본배합된 전기도전성의 스틸렌-에틸렌-부틸렌-스틸렌 공중합체를 포함하는 전기이중층커패시터.
  15. 제12항에 있어서, 상기 가스켓은 적어도 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 상기 가스투과계수를 갖는 재료를 포함하는 전기이중층커패시터.
  16. 제15항에 있어서, 상기 가스켓의 상기 재료는 카본배합된 전기도전성의 스틸렌-에틸렌-부틸렌-스틸렌 공중합체를 포함하는 전기이중층커패시터.
  17. 제12항에 있어서, 상기 컬렉터들 및 상기 가스켓 모두는, 적어도 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 상기 가스투과계수를 갖는 동일한 재료를 포함하는 전기이중층커패시터.
  18. 제17항에 있어서, 상기 동일한 재료는 카본배합된 전기도전성의 스틸렌-에틸렌-부틸렌-스틸렌 공중합체를 포함하는 전기이중층커패시터.
  19. 제12항에 있어서, 상기 가스투과계수는 최대가 9.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]인 전기이중층커패시터.
  20. 제12항에 있어서, 상기 가스켓은 외층들 및 상기 외층들 사이에 삽입된 중간층을 포함하는 3층구조를 포함하고, 상기 중간층은 상기 세퍼레이터의 주변을 둘러싸는 전기이중층커패시터.
  21. 제20항에 있어서, 상기 외층들 각각은 상기 분극전극의 주변을 둘러싸는 전기이중층커패시터.
  22. 제20항에 있어서, 상기 외층들 각각은 상기 분극전극 및 상기 컬렉터의 양 주변들 각각을 둘러싸는 전기이중층커패시터.
  23. 제12항에 있어서, 상기 패키지막은 전기절연성의 열가소성수지막을 포함하는 전기이중층커패시터.
  24. 각각의 셀구조가 세퍼레이터; 분극전극들; 컬렉터들 및 가스켓을 포함하는 복수의 적층셀구조; 및
    상기 적층셀구조를 담는 외장케이스를 포함하고,
    상기 컬렉터들 및 상기 가스켓 중 적어도 어느 하나의 적어도 일부가 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 가스투과계수를 갖는 전기이중층커패시터
  25. 제24항에 있어서, 상기 컬렉터들은 적어도 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 상기 가스투과계수를 갖는 재료를 포함하는 전기이중층커패시터.
  26. 제25항에 있어서, 상기 컬렉터들의 상기 재료는 카본배합된 전기도전성의 스틸렌-에틸렌-부틸렌-스틸렌 공중합체를 포함하는 전기이중층커패시터.
  27. 제24항에 있어서, 상기 가스켓은 적어도 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 상기 가스투과계수를 갖는 재료를 포함하는 전기이중층커패시터.
  28. 제27항에 있어서, 상기 가스켓의 상기 재료는 카본배합된 전기도전성의 스틸렌-에틸렌-부틸렌-스틸렌 공중합체를 포함하는 전기이중층커패시터.
  29. 제24항에 있어서, 상기 컬렉터들 및 상기 가스켓 모두는, 적어도 4.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]의 상기 가스투과계수를 갖는 동일한 재료를 포함하는 전기이중층커패시터.
  30. 제29항에 있어서, 상기 동일한 재료는 카본배합된 전기도전성의 스틸렌-에틸렌-부틸렌-스틸렌 공중합체를 포함하는 전기이중층커패시터.
  31. 제24항에 있어서, 상기 가스투과계수는 최대가 9.0×10-12[㎥/(㎡·S·㎩)]인 전기이중층커패시터.
  32. 제24항에 있어서, 상기 가스켓은 외층들 및 상기 외층들 사이에 삽입된 중간층을 포함하는 3층구조를 포함하고, 상기 중간층은 상기 세퍼레이터의 주변을 둘러싸는 전기이중층커패시터.
  33. 제32항에 있어서, 상기 외층들 각각은 상기 분극전극의 주변을 둘러싸는 전기이중층커패시터.
  34. 제32항에 있어서, 상기 외층들 각각은 상기 분극전극 및 상기 컬렉터의 양 주변들 각각을 둘러싸는 전기이중층커패시터.
  35. 제24항에 있어서, 상기 외장케이스는 전기절연성 수지막으로 덮인 외측면을 갖는 전기이중층커패시터.
  36. 제24항에 있어서, 상기 외장케이스는 전기절연성 열가소성수지막으로 덮인 외측면을 갖는 전기이중층커패시터.
  37. 제24항에 있어서, 상기 적층셀구조를 패키지하는 패키지막을 더 포함하는 전기이중층커패시터.
  38. 제37항에 있어서, 상기 패키지막은 전기절연성 열가소성수지막으로 덮인 외측면을 갖는 전기이중층커패시터.
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