KR100529253B1 - 고 에너지 밀도를 갖는 슈퍼 커패시터 - Google Patents

Abstract

슈퍼 커패시터의 에너지 용량은 그것의 커패시턴스값 및 동작 전압에 의해 결정된다. 고 커패시턴스 및 고 전압을 달성하기 위하여, 몇개의 전극들 및 분리자들이 원통형, 타원형 또는 정방형 구성으로 쌍극성 슈퍼 커패시터를 형성하기 위하여 에지 밀봉되어 나선형으로 감겨져 있다. 상기 감기 동작은 고 커패시턴스를 위한 넓은 표면적을 효과적으로 제공하면서, 상기 쌍극성 패키징은 유기 전해질을 사용할 때 단일 롤에 5V의 최소 동작 전압을 즉시 제공한다. 상기 쌍극성 롤은 슈퍼 커패시터 모듈들의 조립을 용이하게 하기 위한 강력한 구성 요소이다. 다중 구획들을 갖는 용기들을 사용하여, 애플리케이션들에 의해 요구되는 바와 같이 고 에너지 밀도를 갖는 통합된 슈퍼 커패시터들을 제조하기 위하여 많은 쌍극성 롤들이 직렬, 병렬 또는 이들 둘의 조합으로 연결될 수 있다.

Description

고 에너지 밀도를 갖는 슈퍼 커패시터{Supercapacitor with high energy density}

본 발명은 에지 밀봉되어 나선형으로 감겨진 쌍극성 슈퍼 커패시터의 제조에 관한 것으로, 특히 고 전압들 및 고 전류들의 전력을 제공하기 위하여 용기의 구획들내에 배치된 복수의 슈퍼 커패시터 롤들로 이루어져 있는 슈퍼 커패시터 모듈들의 제조에 관한 것이다.

축전지는 에너지 저장 및 에너지 공급의 가장 일반적으로 사용되는 휴대용 장치이다. 축전지의 사용에서, 상기 장치의 2가지 기능 기준, 즉 사용-시간 및 전력 출력은 특히 자동차 애플리케이션들에서 축전지의 실용성을 결정한다. 긴 사용-시간을 달성하기 위하여, 축전지의 전극들은 일반적으로 큰 덩어리로 존재하고, 그렇지 않으면, 연 축전지에서 리튬 축전지로의 축전지 발전에서와 같이 새로운 전극 물질이 개발되어야 하며 검증되어야 한다. 두꺼운 전극 전략에 반하여, 미국 특허 번호들 5,047,300, 5,108,848, 5,223,351 및 5,993,983에서 교시되는 바와 같이 얇은 전극들이 고 전력 출력을 전달하기 위하여 축전지에 채용된다. 상기에 열거된 것들 중 처음의 3개의 특허들에 있어서, 두꺼운 전극 및 얇은 전극 양자는 동일한 축전지 케이스내에 통합된다. 얇은 금속막의 축전지는 전력 부스터로서 기존의 축전지에 부착되기 위해 특허 '983에서 사용된다. 유사한 부착-형태의 전력 보조 수단이 미국 특허 번호들 5,568,537, 5,637,978 및 5,796,188에 개시되어 있다. 축전지의 충전 및 방전은 항상 화학 반응을 수반하고, 따라서 축전지의 전력 출력은 본질적으로 반응율들에 의해 제한된다. 응답 시간의 관점에서, 화학 반응은 물리적인 프로세스보다 더 느리다. 그러므로, 축전지의 전력 출력은 에너지 저장을 위한 전하 축적 또는 표면 흡착과 같은 물리적인 프로세스에 따라 후자를 위한 커패시터의 전력 출력보다 더 열등하다. 커패시터는 논리적으로 두꺼운 전극 축전지들에 대해 얇은 전극 축전지들보다 더 좋은 부스터이고, 후자의 사용 시간은 또한 연장될 수 있다.

전력 밀도가 축전지의 부족인 것과 유사하게, 커패시터는 에너지 밀도에서 자기 자신의 부족을 갖는다. 아이러니컬하게도, 그것은 커패시터에 대해 저 에너지 밀도를 야기하는 고 전력 밀도를 커패시터에게 제공하는 동일한 물리적인 프로세스이다. 그것은 "얻기 쉬운 것은 잃기도 쉽다"는 것으로서 설명될 수 있다. 커패시터의 에너지 용량은 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.

여기에서 E는 주울(J) 단위의 저장된 에너지이고, C는 패러드 단위의 커패시턴스이며, V는 볼트(V) 단위의 커패시터의 동작 전압이다. 명백하게, C와 V의 값들 양자를 증가시킴으로써, 커패시터의 에너지 용량은 증가한다. 거듭제곱 2 때문에, V는 커패시터의 에너지 밀도를 개선하는데 있어서 C보다 더 큰 효과를 갖는다. 다음에, 커패시터의 커패시턴스 값(C)은 수학식 2를 통해 계산될 수 있다. 수학식 2는 C가 커패시터의 전극 물질의 유전 상수(K)와 평방 미터 단위의 전극 면적(A)에 비례하고, 미터 단위의 전극들간의 거리(D)에 반비례한다는 것을 나타낸다.

C = KA/D

C의 값을 증대시키기 위하여, 높은 K 값들을 갖는 전극 물질들이 개발되고, 전극의 표면적(A)은 식각 또는 다른 수단에 의해 확장되며, 반면에 전극간의 간격(D)은 상기 전극들의 타이트한 패키징을 통해 최소화된다. 슈퍼 커패시터는 전극 및 전해질의 경계에서 물리적인 프로세스들을 통해 전기 에너지를 저장하기 위하여 촉매 작용을 가지고 탄소질 또는 금속 산화물과 같은 거대한 표면적을 갖는 물질들을 사용하는 일종의 전기 화학 커패시터이다. 슈퍼 커패시터 이외에, 큰 커패시턴스 값들을 갖는 커패시터들을 기술하도록 발명된 다른 이름들이 존재하는데, 예를 들어 탄소질을 사용하는 장치는 전기 이중층 커패시터(EDLC: Electric Double Layer Capacitor)라고 불리우고, 반면에 금속 산화물을 사용하는 것은 울트라 커패시터(ultarcapacitor)이다. 큰 표면적이 주어지는 경우, 슈퍼 커패시터는 수천 패러드까지의 정전하를 저장할 수 있다.

슈퍼 커패시터가 큰 값의 커패시턴스를 포함할 수 있을지라도, 두 전극들, 즉 애노드 및 캐소드를 가로질러 형성된 전압은 상기 커패시터에 대한 전해질로서 수성 용액 또는 유기 용액이 채용되었는지에 따라 단지 1.0V에서 3.0V까지의 범위에 이른다. 사실상, 슈퍼 커패시터의 낮은 동작 전압들은 커패시터를 위해 사용되는 전해질의 용매들의 분해 전압들에 대응한다. 일반적으로, 상기 유기 전해질들은 전도율을 희생시켜 상기 수성 상대물보다 더 높은 동작 전압들을 제공한다. 새로운 전해질 시스템들은 그들의 내전압들을 높이도록 널리 개발되고 있는 반면에, 슈퍼 커패시터의 동작 전압은 직렬 연결을 통해 편리하고 즉각적으로 증진된다. 슈퍼 커패시터를 위한 직렬 연결을 달성하는 두가지 방법들이 존재하는데, 그들중 하나는 미국 특허 번호들 5,450,279, 5,955,215, 6,005,764, 6,187,061, 6,449,139 및 6,507,479에 개시된 바와 같이 복수의 전극들을 단일 커패시터에 통합하는 것이고, 다른 하나는 미국 특허 번호들 6,072,691 및 6,215,278에 개시된 바와 같이 캡슐화 이후 복수의 개별 커패시터 유닛들을 전력 모듈에 조립하는 것이다. 상기에 인용된 상기 미국 특허들 모두는 여기에 참조로써 포함되어 있다. 복수의 전극들의 셀내(in-cell) 연결은 다중 캡슐화된 유닛들의 직렬 연결을 능가하는 몇몇 이점들을 제공한다: 1) 후자에 대한 복수의 용기들에 대비하여 하나의 케이스만이 채용된다, 2) 후자에 대한 긴 전기 케이블들에 대비하여 몇몇 경우들에서 짧은 케이블 또는 아무런 연결 케이블없음, 3) 후자에 대한 다중 동작들에 대비하여 일회(one-time) 캡슐화 및 4) 후자의 유닛들중 다양화된 등가 직렬 저항(ESR: Equivalent Series Resistance)들에 대비하여 균일 내부 저항 또는 등가 직렬 저항. 상기 전극들의 셀내 직렬 연결을 위해, 효과적이고 경제적인 방법은 쌍극성 전극의 사용이다. 상기한 전극은 양전극 및 음전극으로서 동시에 사용될 수 있는 전극이다. 즉, 상기 쌍극성 전극의 일측은 양극을 띠며 다른 측은 음극을 띤다. 구조적으로, 상기 쌍극성 전극은 셀들간에 아무런 전해질의 교통없이 단위 셀의 두 전극들내에 전해질을 한정함으로써 생성된다. 따라서, 쌍극성 패키징의 전극들의 최소수는 3이고, 제1 전극 및 제3 전극은 각각 애노드 및 캐소드이며 중간 전극은 쌍극성 전극이다. 쌍극성 설계를 사용하여, 두 단위 셀들은 단일 패키지를 형성하기 위하여 와이어 연결없이 직렬로 연결되고, 두 캡슐화된 커패시터 개체들의 직렬 연결로부터 제공되는 바와 같은 동일한 동작 전압을 달성하기 위하여 더 적은 물질이 소모된다. 이것은 본 발명의 상세한 설명에서 상세히 설명될 것이다.

두 종래 기술들, 예를 들어 미국 특허 번호들 5,450,279 및 6,005,764는 그들의 커패시터들을 조립하기 위하여 쌍극성 설계를 사용하였다. 그럼에도 불구하고, 양자의 연구는 상기 커패시터들을 구성하기 위하여 전극들의 적층에 의존한다. 또한 특허 '279는 상기 쌍극성 효과를 위한 분리자 백(bag), 내장된 분리자 및 내장된 전류 수집기를 채용하고, 반면에 특허 '764는 다수의 단위 셀들의 공들인 파일링(piling), 예를 들어 100V의 동작 전압을 위해 100쌍의 애노드 및 캐소드를 사용한다. 적층 접근법에 의한 셀들의 조립은 제조시 많은 처리 단계들을 요구하는데, 이것은 비용을 증가시키면서 처리량을 감소시킬 것이다. 더욱이, 상기 전극들이 적층된 후, 전체 스택은 종종 거대하고 무거운 장치를 초래하는 볼트들 및 너트들과 함께 두 종단 판들에 의해 고정된다. 슈퍼 커패시터는 단일 셀의 용이한 준비를 통해 제조되어야 하고, 그 다음에 애플리케이션 요구를 만족시키기 위하여 단순한 조립 및 패키징이 뒤따라야 한다. 슈퍼 커패시터의 가격이 물질의 단지 충족될 만큼의 사용과 함께, 단순하고 생산적인 제조에 의해 제어될 수 있을 때, 상기 커패시터는 널리 수용될 수 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 고 전압들 및 고 전류들의 전력을 제공하기 위하여 용기의 구획들내에 배치된 복수의 슈퍼 커패시터 롤들로 이루어져 있는 고 에너지-밀도를 갖는 슈퍼 커패시터를 제공하는 것이다.

슈퍼 커패시터는 다용도의 에너지-저장 장치이지만, 그것은 산업에서 불충분한 주의를 받는다. 단위 가격 및 전기 성능은 슈퍼 커패시터가 널리 보급되는 것을 방해하는 두가지 중요한 원인이다. 따라서, 본 발명의 목적은 애플리케이션 요건들을 달성하기 위하여 단일 패키지에 충분한 에너지 밀도를 갖는 슈퍼 커패시터를 제조하는 것이다. 제조 단계에서 요구되는 수의 단위 셀들을 요망되는 장치의 일 부분에 통합하는 것은 캡슐화된 커패시터 개체들의 후 결합보다 더 낮은 비용 및 더 적은 활동(hustle)을 수반한다. 더욱이, 이러한 통합은 많은 편의를 최종 사용자들에게 제공할 것이다.

본 발명의 다른 목적은 필요한 전극들 및 분리자들을 단일 슈퍼 커패시터의 원통형, 타원형 또는 정방형 롤에 나선형으로 감는 것을 사용하는 것이다. 각 단위 커패시터는 커패시터 하우징의 최고 공간 사용을 위한 적합한 구성 뿐만 아니라, 애플리케이션들에 의해 요구되는 바와 같이 충분한 커패시턴스를 산출하기 위하여 맞는 크기로 준비된다. 적층과 비교하면, 감는 것은 한 동작 단계로 상기 단일 슈퍼 커패시터를 위해 높은 표면적을 생성할 수 있다. 자동 기계를 사용하여, 상기 감는 동작은 생산품들이 상업적인 실용성을 가지도록 높은 처리율로 슈퍼 커패시터를 생산할 수 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 단일 슈퍼 커패시터의 동작 전압을 증진하기 위하여 쌍극성 패키징을 채용하는 것이다. 경화성 폴리머를 사용하여 상기 전극들 및 분리자들의 나선형 감기(winding)의 4개의 상이한 단계들에서 에지 밀봉의 4개의 애플리케이션들의 존재한다. 상기 에지 밀봉은 모든 단위 셀의 두 전극들내에 전해질들을 한정할 수 있을 뿐만 아니라, 그것은 전기 단락 또는 전기 화학 반응들을 방지하기 위하여 상기 전극들을 절연할 수 있어서, 커패시터의 누설 전류(LC: Leakage Current)는 감소될 수 있다. 상기 전극들이 에지 밀봉을 통해 고정되기 때문에, 상기 커패시터의 방전 및 충전시 상기 전극들의 격동 손상은 최소화될 수 있다.

본 발명의 다른 목적은 개별 유닛들이 충분한 에너지 밀도를 갖는 단일 장치에 통합될 수 있도록 필요한 수의 구획들을 갖는 용기에 필요한 수의 단일 슈퍼 커패시터들을 배치하는 것이다. 애플리케이션의 전력 부하가 결정될 때, 커패시터 하우징의 구획들의 치수 뿐만 아니라 수가 결정될 수 있다. 유사하게, 상기 단일 슈퍼 커패시터들은 물질의 과도한 낭비없이 애플리케이션 요구를 충족시키기 위하여 상기 용기에서 제조되고 조립된다. 상기 통합된 슈퍼 커패시터가 애플리케이션의 공간에 맞을 수 있는 한 상기 단일 슈퍼 커패시터들을 수용하기 위한 용기의 모양에 어떤 제한도 없다.

본 발명의 다른 목적은 단일 슈퍼 커패시터들의 통합을 완성하기 위하여 상기 커패시터 하우징을 밀폐시켜 밀봉하기 위하여 경화성 포팅(potting) 물질을 채용하는 것이다. 에지 밀봉과 함께, 포팅은 상기 슈퍼 커패시터들의 충전과 방전동안 야기되는 기계적인 이동으로부터 격동 손상들에 대항하여 상기 전극들을 집합적으로 그리고 효과적으로 도와줘야 한다. 많은 포팅 물질들은 볼트들 및 너트들에 의해 제공되는 것에 필적하는 기계적인 강도를 제공할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 상기 포팅 동작은 나사로 죄는 것보다 더 쉽고 더 신속하며, 또한 전자는 영구적인 잠금을 제공한다.

상기한 일반 설명 및 다음의 상세한 설명 양자는 예시적인 것이고, 청구되는 바와 같이 본 발명의 추가 설명을 제공하려고 의도된다는 것은 이해될 것이다.

첨부한 도면들은 본 발명의 추가 설명을 제공하기 위하여 포함되며, 본 명세서에 포함되며 본 명세서의 일부를 구성한다. 도면들은 본 발명의 실시예들을 도시한 것이고, 설명과 함께, 본 발명의 원리들을 설명하는데 사용된다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명이 상세히 설명될 것이다.

슈퍼 커패시터의 개발은 두 영역들에서 활동적으로 계속되었는데, 하나는 상기 장치의 업그레이드이고, 다른 하나는 커패시터의 혁신적인 애플리케이션들이다. 강하고 입수 가능한 슈퍼 커패시터들없이 상기 애플리케이션들은 실현될 수 없다. 상기 장치의 에너지를 개선하도록 바쳐진 많은 노력들이 존재한다. 커패시턴스 및 전압 양자는 부하에 의해 정의되는 바와 같이 그들의 각각의 최소 레벨들에 집합적으로 도달해야 하며, 그렇지 않으면 상기 슈퍼 커패시터는 상기 부하를 구동할 수 없다. 그러나, 단일 슈퍼 커패시터들은 일반적으로 3.0V의 전압 아래, 또는 정확하게는 2.3V 내지 2.5V에서 동작하도록 제조되고, 반면에 커패시터의 커패시턴스 값은 1000F을 초과할 수 있다. 많은 애플리케이션들, 예를 들어 컴퓨터들의 메모리 백업 및 자동차의 내연 기관들은 3.0V보다 더 높은 구동 전압 하지만 커패시턴스 요구에서 1000F 미만을 요구한다. 이것은 두 2.5V 커패시터들이 단지 3.0V 또는 3.3V를 요구하는 동작을 위해 직렬로 연결되어야 하는 사용자들에게 딜레마이다. 가격이 높을 뿐만 아니라, 두 커패시터들을 위한 충분한 공간도 존재할 수 없다. 이것은 단일 슈퍼 커패시터의 동작 전압을 2.5V에서 5.0V로 상승시킴으로써 아주 유익할 것이다. 독창적인 패키징을 통해, 단일 슈퍼 커패시터는 종래의 어셈블리보다 더 적은 물질을 사용하여 5.0V 이상의 동작 전압을 용이하게 달성할 수 있다. 도 1은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 것으로, 그안에 연장된 정방형 롤(100)이 두 분리자들(103)을 따라 하나의 애노드(102) 및 하나의 캐소드(104)의 나선형 감기(winding)에 의해 형성되어 있다. 상기 두 전극들 각각은 또한 애노드 리드(106) 및 캐소드 리드(108)와 같은 전기 리드를 스폿 용접하거나 크림핑함으로써 부착된다. 부수적으로, 도 1은 또한 동심원 감기에 의해 제조되는 종래의 슈퍼 커패시터의 기본 구조를 도시한 것으로, 두 전극들 및 두 분리자들이 또한 채용된다. 전극들(102 및 104)은 20㎛ 내지 100㎛ 두께의 알루미늄 박과 같은, 경제적인 기판상에 활성화 카본, Fe₃O₄, MnO₂ 또는 NiO와 같은 경제적이고 활성화된 물질의 반죽을 롤러 코팅한 후 열 건조함으로써 가장 용이하게 준비된다. 20㎛ 내지 100㎛ 두께의 마닐라지, 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)과 같은 다공성 물질이 단락을 방지하고 또한 전해질을 담기 위하여 분리자로서 채용될 수 있다. 롤(100)에 전해질이 주입된 후, 예를 들어 프로필렌 카보네이트(PC: Propylene Carbonate)중의 1몰(1M) 테트라에틸암모늄 테트라플루오르보레이트((C₂H₅)₄NBF₄)가 주입된 후, 준비된 커패시터는 2.5V의 동작 전압으로 충전될 수 있고, 반면에 상기 커패시터의 커패시턴스 값은 상기 롤(100)에 포함된 전극들의 표면적 또는 길이 및 폭에 의해 결정된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 전기 단락이 방지될 수 있도록 모든 전극 박(foil) 뒤에 배치된 분리자 시트가 존재한다. 상기 감기 동작동안 또는 상기 감기 동작 이후에 롤의 4개의 측면들에 적용되는 에지 밀봉과 함께, 캐소드(104)에 인접한 상기 분리자(103) 뒤의 위치에 하나의 전극(109) 및 다른 분리자(103)를 삽입할 때, 단일 롤의 쌍극성 슈퍼 커패시터가 생성된다. 3개의 전극들 및 3개의 분리자들의 나선형 감기의 처음에, 6개의 시트들의 시작 단들은 경화성 폴리머, 예를 들어 에폭시, 폴리아크릴레이트, 폴리우레탄 또는 폴리에스테르를 사용하여 결합된다. 이것은 쌍극성 패키징의 제1 에지 밀봉을 구성한다. 다음, 상기 감기 동작이 완료되고 상기 롤이 테이프에 의해 고정된 후, 상기 6개 시트들의 맨 종단들은 제2 에지 밀봉을 생성하기 위하여 다시 동일한 밀폐제를 가지고 결합된다. 그다음, 상기 롤의 바닥이 폴리머를 사용하여 밀봉되고, 반면에 돌출한 리드들을 갖는 상기 롤의 상단은 전해질이 상기 분리자들을 적시도록 주입된 후 밀봉된다. 상기 에지 밀폐제의 경화 시간은 상기 밀폐제 처방을 변경함으로써 조정될 수 있다. 그래서, 상기 전해질은 상기 에지 밀봉에 의해 상기 롤내에 한정되고, 결과로서 생성된 커패시터는 전해질로서 1M ((C₂H₅)₄NBF₄)/PC 또는 다른 적합한 유기 용액을 사용할 때 5.0V에서 동작될 수 있다. 실제로, 상기 에지 밀봉 동작은 연결 와이어없이 상기 단일 롤내에서 두 단일 셀들을 직렬로 연결되게 하였다. 애노드(102)에 대응하여, 중간 전극(109)의 앞면은 캐소드로서 기능하고, 반면에 동일한 전극의 다른 면은 기능적으로 캐소드(104)에 대한 애노드이다. 상기 중간 전극(109)상에 존재하는 2개의 다른 극성들 때문에, 그것은 쌍극성 전극이라고 불리운다. 모든 3개의 전극들, 애노드, 캐소드 및 쌍극성 전극은 동일하게 제조된다. 더 많은 쌍극성 전극들(109)이 애노드(102)와 캐소드(104) 사이에 포함되는 경우, 단일 슈퍼 커패시터는 5.0V 이상의 전압에서 동작할 수 있다.

권선형의 5.0V 쌍극성 슈퍼 커패시터는 하나의 용기내에 3개의 전극 시트들 및 3개의 분리자 시트들로 구성된다. 5.0V의 동일한 동작 전압을 달성하기 위하여, 2.5V의 종래의 2개의 슈퍼 커패시터들 각각은 연결 와이어를 사용하여 직렬로 연결되어야 한다. 상기 종래의 2개의 커패시터들을 연결하면, 패키지는 2개의 용기들 뿐만 아니라, 4개의 전극들 및 4개의 분리자들을 소비한다. 이제, 상기 쌍극성 패키징은 5.0V의 동작 전압의 슈퍼 커패시터를 구성하기 위하여 종래 방식보다 더 적은 물질을 사용한다. 더욱이, 분리자가 대부분의 전해질을 포함하고 상기 전해질이 슈퍼 커패시터의 가장 비싼 구성요소라는 사실에 기인하여, 채용된 더 많은 분리자들은 상기 슈퍼 커패시터에 대해 더 높은 물질 가격을 초래할 것이다. 상기 쌍극성 패키징의 다른 이점은 슈퍼 커패시터의 누설 전류가 노출된 금속이 어떤 활성화 오염물질, 예를 들어 시스템에 존재할 수 있는 물과 반응하는 것을 방지하는 것으로부터 감소될 수 있도록 제조중 노출될 수 있는, 기판 금속, 본 발명에서 알루미늄을 상기 에지 밀봉이 또한 절연할 수 있다는 것이다.

도 2는 100과 같은 슈퍼 커패시터 롤을 제조하기 위한 수동 감는 기계(200)를 도시한 것이다. 치수를 상술함없이, 감는 기계(200)는 데스크톱에 고정될 수 있는 받침(211)의 꼭대기에 위치한 본체로서 금속 블록(212)으로 이루어져 있다(고정 너트들은 도시되지 않음). 202로서 표시된 6각형 나사들을 통해 본체 블록(212)에 부착된 201로 표시된 2개의 벽체들이 존재한다. 룰러(ruler)(204)에는 수동 회전을 위한 크랭크 핸들(203)과 전극 및 분리자 시트들의 시작 단들을 잡기 위한 슬릿(205)이 장착되어 있다. 회전판(207), 격벽(209), 설정 막대(208) 및 210으로 표시된 고정 나사들을 사용하여, 상기 룰러(204)는 감는 기계(200)의 벽체들을 가로질러 견고하게 배치될 수 있다. 슬릿(205)이 상기 전극들 및 분리자들을 잡는 동안, 상기한 시트들을 손으로 잡는 것에 의해 생성된 장력과 함께, 안내 막대기(206)는 정돈된 롤을 형성하기 위하여 다수의 시트들을 보조할 수 있다. 상기 감는 동작이 완료될 때, 상기 롤은 상기 핸들(203)을 우측으로 당김으로써 풀릴 수 있다. 압착을 위해 상기 롤을 두드리는 것 뿐만 아니라 에지 밀봉을 위해 밀폐제를 적용하는 것은 수동으로 행해진다. 그럼에도 불구하고, 감기, 에지 밀봉, 전기-리드 결합 및 두드리는 것을 포함하는 모든 수동 동작들은 자동화될 수 있다. 수동 감는 기계(200)는 여기에서 대량 생산 도구로서 상기 감는 기계를 청구하기 보다는 본 발명의 목적들의 용이한 설명을 제공하기 위하여 사용된다. 100과 같은 상기 커패시터 롤의 직경, 즉 더 긴 방향으로의 길이 및 높이 양자는 각각 상기 감는 기계의 좌측 벽체, 상기 룰러(204)의 좌측 벽체 외부에 있는 좌측 부분의 폭 및 길이에 의해 결정된다. 100과 같은 상기 롤의 3번째 치수 또는 롤 두께는 상기 크랭크 핸들(203)의 회전수에 의해 용이하게 제어될 수 있고, 차례로 상기 롤의 두께는 제조된 커패시터의 커패시턴스 값을 결정한다.

도 3은 본 발명에 의한 고 에너지 밀도를 갖는 슈퍼 커패시터(300)의 다른 바람직한 실시예를 도시한 것이다. 슈퍼 커패시터(300)는 312로 표시된 6개의 구획들을 갖는 연축전지의 종래의 박스형 용기(310)를 사용한다. 각 구획에는 도 2에 도시된 것과 같은 수동 감는 기계를 사용하여 제조된 340으로 표시된 연장된 정방형 롤이 배치된다. 모든 커패시터 롤은 각 구획의 공간의 최대 사용을 달성하도록 제조된다. 그다음, 6개의 커패시터 롤들은 고 에너지-밀도 모듈(300)을 형성하기 위하여 350으로 표시된 연결 케이블들을 통해 직렬로 연결된다. 각각 애노드 및 캐소드 역할을 하는 리드들(320 및 330)을 포함하여, 모든 연결 케이블들은 큰 전류, 예를 들어 수백 암페어(A)를 운반할 수 있어야 한다. 상기 커패시터 롤(340)들이 유기 전해질을 사용하는 종래의 유형인 경우, 슈퍼 커패시터(300)는 15V에서 동작될 수 있다. 그러나, 상기 커패시터 롤(340)들이 쌍극성 패킹(packing)에 의해 제조된 경우, 슈퍼 커패시터(300)는 30V에서 동작될 수 있지만, 그것의 커패시턴스 값은 종래의 커패시터 롤들에 의해 기여된 것보다 더 낮을 것이다. 수학식 1을 고려하면, 전극 간격(D)은 n개의 등가-커패시턴스 커패시터들이 직렬로 연결될 때 n배 증가하고, 따라서 전체 커패시턴스는 개별 커패시터의 커패시턴스를 팩을 형성하기 위한 커패시터들의 수(n)로 나눈 것과 동일하다. 동일한 물질 시스템 및 전극 표면적을 사용하여, 하나의 쌍극성 전극을 포함하는 쌍극성 슈퍼 커패시터는 비-쌍극성 상대물의 커패시턴스 값의 적어도 절반을 가져야 한다.

다른 한편으로, 동작 전압이 두배 값을 갖는 경우, 상기 쌍극성 슈퍼 커패시터는 수학식 2에 따라 비-쌍극성 커패시터의 두배의 에너지 용량을 가질 것이다. 물질 개발은 슈퍼 커패시터의 동작 전압을 증진시키는데 성공하기 위하여 긴 시간 및 비싼 연구를 요구하는 반면에, 직렬 연결은 상기 커패시터의 동작 전압을 개선하는 즉각적인 수단이다. 그러나, 직렬 연결은 종종 포함된 구성 요소들이 직렬 구성에 있는 시스템의 신뢰성을 손상시킨다. 한 구성 요소가 고장나는 경우, 전체 시스템은 즉시 고장난다. 그러므로, 직렬 연결은 가능한 한 적은 구성요소들 및 연결 요소들을 사용하여 행해져야 한다. 본 발명의 쌍극성 설계는 단지 한 쌍극성 전극에 의해 한 패키지내에 두 단위 셀들을 직렬로 연결할 수 있고, 동작 전압은 비-쌍극성 상대물에 비해 두배가 된다. 상기 쌍극성 장치는 도 3에 도시된 바와 같이 더 높은 동작 전압들에 대해 추가 직렬 연결을 용이하게 할 수 있는 구성 요소이다. 도 4에서 이제 410인 케이스(310)의 상부에 커버(420)를 장착함으로써, 고 커패시턴스 값 및 고 동작 전압을 갖는 캡슐화된 슈퍼 커패시터(400)가 본 발명에 따라 제조된다. 커버(420)상에, 다양한 전력들을 잡다한 부하들로 전달하기 위하여, 각각 리드들(320 및 330)에 전기적으로 연결된, 음극 스터드 단자(440) 뿐만 아니라, 양극 스터드 단자(430)가 존재한다. 커버(420) 및 케이스(410) 양자는 탄성 물질, 예를 들어, PE, PP, 강화 PE 또는 강화 PP로 이루어져 있다. 밀폐제가 에지 밀봉을 위해 쌍극성 롤들(340)의 바닥에 적용될 때, 상기 커패시터 요소들이 영구적인 위치에 고정되도록 상기 밀폐제는 또한 케이스(410)의 각 구획에 놓일 수 있다. 에지 밀봉 및 고정물을 통해, 슈퍼 커패시터(400)의 구성 요소들은 상기 커패시터의 충전 및 방전 동안 격동 손상으로부터 보호될 수 있다. 볼트들 및 너트들을 사용하는 것 대신에, 커버(420) 및 케이스(410)는 상기한 에지 밀폐제와 유사한 포팅 물질을 통해 강화될 수 있다. 요구되는 커패시턴스 값들 및 동작 전압들 이외에, 상기 슈퍼 커패시터는 또한 애플리케이션을 지원하기 위한 낮은 등가 직렬 저항(ESR) 값을 갖는다. 높은 ESR 값은 슈퍼 커패시터의 전력 출력을 구동 레벨 아래로 저하시킬 수 있다. 동심원 감기를 통해 슈퍼 커패시터 전극들을 컴팩트화하는 경우, 에지 밀봉 및 잠금은 커패시터의 ESR을 집합적으로 최소화할 수 있다. 그것에 의해, 본 발명은 30mΩ 아래의 ESR 뿐만 아니라, 1F 이상의 커패시턴스 값들 및 5V 이상의 동작 전압들을 갖는 원통형, 타원형 또는 정방형 슈퍼 커패시터들의 제조를 제공한다.

나선형 감기 및 다중 구획들을 갖는 용기를 사용하는 다음 예는 제한하기 보다는 본 발명에 의한 고 에너지-밀도 슈퍼 커패시터의 제조를 설명하기 위해서만 제공된다.

예

6개의 연장된 정방형 롤들이 도 2에 도시된 바와 같이 수동 감는 기계상에 준비된다. 11㎝의 길이, 6.6㎝의 폭 및 8.5㎝의 높이를 갖는 6-셀 연(lead-acid) 케이스와 1.6× 6.3 ×7㎝의 각 구획은 커패시터 롤들을 수납하는데 사용된다. 각 커패시터 롤은 상기 구획에 편안하게 맞는 크기인 2개의 전극들 및 2개의 분리자들을 포함한다. 상기 커패시터 롤들에 1M ((C₂H₅)₄NBF₄)/PC 가 주입된 후, 상기 롤들은 도 4에 표시된 바와 같이 15V×32F의 슈퍼 커패시터를 형성하도록 직렬로 연결되고 캡슐화된다. 상기 슈퍼 커패시터가 기본적으로 수동 동작을 통해 제조될지라도, 도 5에 도시된 바와 같이 4개의 상이한 방전율에서 훌륭한 방전 곡선들을 산출한다. 550g의 총 무게 및 170A의 측정된 피크 전류에서, 제조된 슈퍼 커패시터는 자동차들의 밀어서 시동걸기(jump start)를 포함하여 많은 애플리케이션들을 위해 충분한 4.6 KW/Kg의 실험적인 전력 밀도를 갖는다.

본 발명에 의하면 용기의 구획들내에 배치된 복수의 슈퍼 커패시터 롤들로 이루어져 있는 슈퍼 커패시터 모듈들을 제공함으로써 고 전압들 및 고 전류들의 전력을 제공할 수 있는 충분한 에너지 밀도를 갖는 슈퍼 커패시터를 제공할 수 있다.

다양한 변형들 및 변경들이 본 발명의 범위 또는 정신을 벗어남없이 본 발명의 구조에 대해 행해질 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 상기한 관점에서, 본 발명의 변형들 및 변경들이 다음의 청구항들 및 그들의 균등물의 범위내에 있는 경우 본 발명은 본 발명의 변형들 및 변경들을 포함하는 것으로 의도된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 2개 시트의 전극들 및 2개 시트의 분리자들을 포함하는 나선형으로 감겨진 슈퍼 커패시터의 전형적인 롤이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 전극들의 연장된 정방형 롤을 산출할 수 있는 수동 와인더를 도시한 것이다.

도 3은 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 의한 용기의 6개의 구획들에 배치되고, 롤들이 직렬로 연결되어 있는 6개의 단일 롤들을 도시한 것이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 고 커패시턴스 값 및 고 동작 전압을 갖는 통합된 슈퍼 커패시터를 도시한 것이다.

도 5는 도 4에 도시된 바와 같은 예시적인 슈퍼 커패시터의 4개의 상이한 방전율에서의 방전 곡선이다.

Claims (5)

1. 고 에너지-밀도 슈퍼 커패시터에 있어서,

   애노드;

   캐소드;

   상기 애노드 및 상기 캐소드 사이에 개재된 적어도 하나의 쌍극성 전극;

   각각 상기 애노드, 상기 캐소드 및 상기 쌍극성 전극 뒤에 배치된 복수의 분리자들; 및

   상기 분리자들에 주입되는 전해질을 포함하며,

   상기 애노드, 상기 캐소드, 상기 쌍극성 전극 및 상기 분리자들은 상기 애노드에 부착된 전기 리드 및 상기 캐소드에 부착된 개별 전기 리드를 갖는 롤을 형성하기 위하여 나선형으로 감겨져 있는 것을 특징으로 하는 고 에너지-밀도 슈퍼 커패시터.
2. 제1항에 있어서, 상기 롤은 경화성 폴리머를 사용하여 상기 롤의 바닥 뿐만 아니라, 모든 전극들 및 분리자들의 시작단들, 모든 전극들 및 분리자들의 맨 종단들 및 상기 롤의 상단에서 밀봉되는 것을 특징으로 하는 고 에너지-밀도 슈퍼 커패시터.
3. 제1항에 있어서,

   복수의 상기 롤들; 및

   상기 롤들을 담기 위한 다중-구획 용기를 더 포함하고,

   각 롤은 직렬 연결, 병렬 연결 또는 직렬 연결 및 병렬 연결의 조합을 위해 상기 다중-구획 용기의 구획에 배치되는 것을 특징으로 하는 고 에너지-밀도 슈퍼 커패시터.
4. 복수의 커패시터 롤들; 및

   다중-구획 용기를 포함하고,

   상기 복수의 커패시터 롤들은 각각,

   애노드;

   캐소드;

   상기 애노드 및 상기 캐소드 사이에 개재된 적어도 하나의 쌍극성 전극;

   각각 상기 애노드, 상기 캐소드 및 상기 쌍극성 전극 뒤에 배치된 복수의 분리자들; 및

   상기 분리자들에 주입되는 전해질을 포함하며, 상기 애노드, 상기 캐소드, 상기 쌍극성 전극 및 상기 분리자들은 상기 애노드에 부착된 전기 리드 및 상기 캐소드에 부착된 개별 전기 리드를 갖는 롤을 형성하기 위하여 나선형으로 감겨져 있고,

   상기 다중-구획 용기는 상기 롤들을 담기 위한 것이며, 각 롤은 직렬 연결, 병렬 연결 또는 직렬 연결 및 병렬 연결의 조합을 위해 상기 다중-구획 용기의 구획에 배치되는 것을 특징으로 하는 고 에너지-밀도 슈퍼 커패시터.
5. 제4항에 있어서, 상기 롤은 경화성 폴리머를 사용하여 상기 롤의 바닥 뿐만 아니라, 모든 전극들 및 분리자들의 시작단들, 모든 전극들 및 분리자들의 맨 종단들 및 상기 롤의 상단에서 밀봉되는 것을 특징으로 하는 고 에너지-밀도 슈퍼 커패시터.