KR102284300B1 - 향상된 전해질 시스템 및 에너지 저장 장치에서의 그의 용도 - Google Patents
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Abstract
AES에 침지되고 기밀 밀봉된 하우징 내에 배치되는 에너지 저장 셀을 포함하는 울트라커패시터로서, 상기 셀은 양의 접촉부 및 음의 접촉부와 전기적으로 커플링되어 있고, 울트라커패시터는 약 -40℃ 내지 약 210℃의 온도 범위 내에서 전기적 에너지를 출력하도록 구성되어 있다. 제조 및 사용 방법이 제공된다.
Description
관련 출원에의 상호 참조
본 출원은 2012년 2월 24일 출원되고 발명의 명칭이 "울트라커패시터를 위한 전해질(Electrolytes for Ultracapacitors)"인 미국 임시 특허 출원 번호 제61/602,713호, 2012년 7월 9일 출원되고 발명의 명칭이 "고온 에너지 저장 장치(High Temperature Energy Storage Device)"인 PCT/US2012/045994, 2012년 7월 19일 출원되고 발명의 명칭이 "다운홀 기기를 위한 전원(Power Supply for Downhole Instruments)"인 미국 특허 출원 일련 번호 제13/553,716호, 및 2012년 11월 9일 출원되고 발명의 명칭이 "울트라커패시터를 위한 전해질(Electrolytes for Ultracapacitors)"인 미국 임시 출원번호 제61/724,775호로부터 우선권의 혜택을 주장한다. 각각의 이러한 개시들의 모두가 이것들에 대한 참조에 의해 본 명세서에 통합된다.
본 발명의 분야
본원에 개시된 발명은 에너지 저장 셀들에 관한 것인데, 특히 이러한 에너지 저장 셀들에 사용하기 위한 향상된 전해질 시스템 및 고온에서 작동가능한 전기 이중 층 커패시터(electric double-layer capacitor)를 제공하기 위한 관련 기술들에 관한 것이다.
에너지 저장 셀들은 우리 사회의 어느 곳에나 퍼져 있다. 대부분의 사람들이 에너지 저장 셀이 단순히 "배터리"라고 인식하고 있기는 하지만, 다른 유형의 셀들이 또한 이 맥락 하에 포함되어야 한다. 예를 들어, 최근에는 울트라커패시터(ultracapacitor)들이 이들의 양호한 특성들 때문에 많은 주목을 끌고 있다. 요컨대, 많은 유형의 에너지 저장 셀들이 알려져 있고 현재 사용되고 있다.
"수퍼커패시터", "수퍼콘덴서", "의사 커패시터", "전기 화학 이중 층 커패시터" 또는 "울트라커패시터"로도 알려진 전기 이중 층 커패시터는 보통의 커패시터를 넘어서서 상당하게 향상된 성능을 나타내는 커패시터이다. 그러한 하나의 파라미터는 에너지 밀도이다. 일반적으로, 울트라커패시터는 대용량 전해질 커패시터보다 수천 배나 더 큰 정도의 에너지 밀도를 갖는다.
커패시터들은 임의의 전자 장치 및 시스템에서 핵심 부품들 중 하나이다. 전통적 기능들은 전원 전압 평활화, 에너지원 지원, 및 필터링을 포함한다. 다양한 산업들에서 전자 제품들 및 커패시터들의 구현을 위해 맞추기 힘든 환경들이 제시되고 있다.
예를 들어, 석유 시추, 우주 산업, 항공, 군사 및 자동차와 같은 산업들이 전기 부품들이 고온들에서 (예를 들어, 80℃를 초과하는 온도들에서) 계속적으로 작동하도록 요구하는 몇몇 응용 분야들을 갖는 것이 고려된다. 이런 열 노출은, 다양한 요인들과 함께, 상승된 온도들에서 에너지 저장 시스템들의 성능을 떨어뜨리도록 기능하고, 에너지 저장 셀의 조기 열화로 이어진다. 내구성 및 안전성은 전형적 우주 공간 및 방위 산업 응용들에서 주요 요구 조건들이다. 엔진들, 터보 팬들, 및 제어와 감지 전자 장치들이 로켓 기관의 외부 덮개 근처에 배치되는 것과 같은 응용 분야들이 있다. 소형 기어박스들 또는 내장된 교류 전원들/시동기들과 같은 자동차 응용 분야도 상승된 온도들에서의 내구성 및 긴 수명을 요구한다.
산업적 환경들에서 사용되는 전자 부품들은 성능 요구들을 충족시키는 한편 물리적으로 강건하여야 한다. 울트라커패시터들의 설계자들 및 생산자들에 대해 수반되는 도전들 중 하나는 고온들에서 신뢰성 있게 잘 기능할 뿐만 아니라 고온들 및 저온들 모두에서 신뢰성 있게 잘 기능하는 전해질을 획득하는 것이다. 유감스럽게도, 몇몇 전해질들의 바람직한 특성들은 더 높은 온도들에서 시현되지 않거나 유지되지 않고, 고온들에서 내구성을 달성한 것들도 더 낮은 온도들에서는 신뢰성 있게 기능할 수 없었다. 그러므로, 필요한 것은 도전적 환경에서도 성능을 잘 발휘하는 울트라커패시터들을 위한 전해질들이다. 양호하게는, 전해질들은 광범위한 온도들에 걸쳐서 안정적 전도성 및 낮은 내부 저항뿐만 아니라 안정적이고 높은 커패시턴스 및 안정적이고 낮은 누설 전류를 제공해야 한다.
일 실시예에서, 울트라커패시터가 개시된다. 울트라커패시터는 기밀 밀봉된 하우징 내의 에너지 저장 셀 및 향상된 전해질 시스템 (AES)을 포함하고, 셀은 양의 접촉부 및 음의 접촉부에 전기적으로 커플링되고, 여기서 울트라커패시터는 약 -40℃ 내지 약 210℃의 온도 범위 내의 온도에서 작동하도록 구성된다.
또 다른 실시예에서, 울트라커패시터를 제조하기 위한 방법이 제공된다. 본 방법은 에너지 저장 매체를 포함하는 에너지 저장 셀을 하우징 내에 배치하는 단계; 및 울트라커패시터가 약 -40℃ 내지 약 210℃의 온도 범위 내에서 작동하도록 제조되도록, 하우징을 향상된 전해질 시스템 (AES)으로 채우는 단계를 포함한다.
또 하나의 실시예에서, 고온 재충전가능 에너지 저장 장치(high temperature rechargeable energy storage device: HTRESD)를 이용하는 방법이 제공된다. 본 방법은, 향상된 전해질 시스템 (AES)을 포함하는 HTRESD를 획득하는 단계; 및 HTRESD가 0.01 W/리터 내지 150 kW/리터의 초기 피크 전력 밀도를 나타내도록, HTRESD가 약 -40℃ 내지 약 210℃의 온도 범위에 있는 주위 온도에서 작동하도록, HTRESD에 걸쳐서 전압을 유지하면서, 적어도 2회 HTRESD를 교대로 충전 및 방전함으로써 HTRESD를 순환(cycling)시키는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 울트라커패시터를 이용하는 방법이 제공된다. 본 방법은, 약 100℃ 내지 약 150℃의 범위 내의 실질적으로 일정한 온도에서 유지되는 동안 약 10 mA/cc 미만의 체적 누설 전류(volumetric leakage current)(mA/cc)를 나타내는, 본원에 기술된 울트라커패시터를 획득하는 단계; 및 울트라커패시터가 약 -40℃ 내지 약 210℃의 범위 내의 실질적으로 일정한 온도에서 유지되는 동안 적어도 1 시간의 사용 후 약 1,000% 미만의 ESR 증가를 나타내도록, 울트라커패시터에 걸쳐서 전압을 유지하면서, 적어도 2회 울트라커패시터를 교대로 충전 및 방전함으로써 울트라커패시터를 순환시키는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 고온 재충전가능 에너지 저장 장치를 사용자에게 제공하는 방법이 제공된다. 본 방법은 약 -40℃ 내지 약 210℃의 온도 범위 내의 주위 온도에 노출될 때 적어도 1 시간의 내구성 기간 및 0.01 W/리터 내지 100 kW/리터의 초기 피크 전력 밀도를 나타내는 향상된 전해질 시스템 (AES)을 포함하는 HTRESD를 선택하는 단계; 및 HTRESD가 사용자에게 제공되도록 상기 저장 장치를 전달하는 단계를 포함한다.
또 하나의 실시예에서, 고온 재충전가능 에너지 저장 장치를 사용자에게 제공하는 방법이 제공된다. 본 방법은 약 -40℃ 내지 약 210℃의 범위 내의 실질적 일정 온도에서 유지되는 동안 약 10 mA/cc 미만의 체적 누설 전류 (mA/cc)를 나타내는, 본원에 기술된 임의의 울트라커패시터를 획득하는 단계; 및 HTRESD가 사용자에게 제공되도록 상기 저장 장치를 전달하는 단계를 포함한다.
또 하나의 실시예에서, 향상된 전해질 시스템 (AES)이 개시된다. AES는 적어도 하나의 음이온(anion) 및 적어도 하나의 양이온(cation)을 포함하는 이온성 액체를 포함하고, 1,000 ppm 미만의 할라이드 함량 및 100 ppm 미만의 수분 함량을 나타낸다.
또 하나의 실시예에서, 향상된 전해질 시스템 (AES)이 개시된다. AES는 적어도 하나의 음이온 및 적어도 하나의 양이온 및 적어도 하나의 용매를 포함하는 이온성 액체를 포함하고, 1,000 ppm 미만의 할라이드 함량 및 1.000 ppm 미만의 수분 함량을 나타낸다.
본 발명의 상기 및 기타 특징들 및 이점들은, 제한적인 것으로서 고려해서는 안 되는, 첨부 도면들과 연계하여 취해지는 하기 상세한 설명으로부터 명백하다.
도 1은 예시적 울트라커패시터의 양태들을 도해한다;
도 2는 기판 상으로 성장된 복수의 탄소 나노 튜브 (CNT)를 묘사하는 블록도이다;
도 3은 전극 요소를 제공하기 위해 도 3의 CNT상으로의 집전기 배치를 묘사하는 블록도이다;
도 4는 도 3의 전극 요소에 대한 전송 테이프의 추가를 묘사하는 블록도이다;
도 5는 전송 처리 동안의 전극 요소를 묘사하는 블록도이다;
도 6은 전송에 뒤이은 전극 요소를 묘사하는 블록도이다;
도 7은 복수의 전극 요소로부터 제조되는 예시적 전극을 묘사하는 블록도이다;
도 8은 예시적 울트라커패시터 내에 포함될 수 있는 양이온들에 대한 주요 구조들의 실시예들을 도해한다;
도 9 및 도 10은 각각 미가공(raw) 전해질 및 정제된 전해질을 활용하는 예시적 울트라커패시터에 대한 비교 데이터를 제공한다;
도 11은 예시적 울트라커패시터에 대한 하우징의 실시예를 묘사한다;
도 12는 예시적 커패시터에 대한 저장 셀의 실시예를 도해한다;
도 13은 하우징의 바디의 내부 부분 상에 배치되는 배리어를 묘사한다;
도 14a 및 도 14b는 본 명세서에서 도 14로서 집합적으로 지칭되며, 하우징에 대한 캡의 양태들을 묘사한다;
도 15는 본 명세서의 교시에 따른 울트라커패시터의 조립체를 묘사한다;
도 16a 및 도 16b는 본 명세서에서 도 16으로 집합적으로 지칭되고, 각각 배리어가 없는 실시예 및 배리어를 포함하는 유사 실시예에 대한 울트라커패시터의 성능을 묘사하는 그래프들이다;
도 17은 저장 셀에 대해 래퍼(wrapper)로서 배치된 배리어를 묘사한다;
도 18a, 도 18b, 및 도 18c는 본 명세서에서 도 18로서 집합적으로 지칭되고, 다층 물질을 포함하는 캡의 실시예들을 묘사한다;
도 19는 유리 대 금속 밀봉을 포함하는 전극 조립체의 단면도이다;
도 20은 도 18b의 캡에 설치되는 도 19의 전극 조립체의 단면도이다;
도 21은 조립체에서의 에너지 저장 셀의 배열을 묘사한다;
도 22a, 도 22b, 및 도 22c는 본 명세서에서 집합적으로 도 22로서 지칭되고, 조립된 에너지 저장 셀의 실시예들을 묘사한다;
도 23은 울트라커패시터 내로의 중합체 절연물의 합체를 묘사한다;
도 24a, 도 24b, 및 도 24c는 본 명세서에서 도 24로서 집합적으로 지칭되고, 에너지 저장을 위한 캡의 또 다른 실시예에 대한 템플릿 양태들을 묘사한다;
도 25는 반구형 모양 물질을 포함하는 전극 조립체의 투시도이다;
도 26은 도 24의 템플릿에 설치되는 도 25의 전극 조립체를 포함하는 캡의 투시도이다;
도 27은 도 26의 캡의 단면도이다;
도 28은 전극 조립체와 저장 셀의 단자의 커플링을 묘사한다;
도 29는 원통형 하우징 내에 배치된 에너지 저장 셀의 투명 등각 투영도(isometric view)이다;
도 30은 일 실시예의 여러 층들을 보여주는 저장 셀의 측면도이다;
도 31은 복수의 리드(lead)를 위치시키기 위한 기준 마크를 포함하는 롤링된 저장 셀의 등각 투영도이다;
도 32는 풀렸을 때의 도 31의 저장 셀의 등각 투영도이다;
도 33은 복수의 리드가 포함되는 롤링된 저장 셀을 묘사한다;
도 34는 저장 셀에 커플링된, 정렬된 리드들 (즉, 단자) 내에 주어진 Z-폴드(fold)를 묘사한다;
도 35 - 도 38은 예시적 울트라커패시터들의 성능을 묘사하는 그래프들이다;
도 39 - 도 43은 210℃에서의 예시적 울트라커패시터들의 성능을 묘사하는 그래프들이다;
도 44a 및 도 44b는, 각각, 150℃ 및 1.5 V에서의 신규 전해질 물질: 1-부틸-1-메틸피페리디늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드를 가진 울트라커패시터에 대한 성능을 묘사하는 커패시턴스 및 ESR 그래프들이다;
도 45a 및 도 45b는, 각각, 150℃와 1.5 V에서의 신규 전해질 물질: 트리헥실테트라데실포스포늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드를 가진 울트라커패시터에 대한 성능을 묘사하는 커패시턴스 및 ESR 그래프들이다;
도 46a 및 도 46b는, 각각, 150℃와 1.5 V에서의 신규 전해질 물질: 뷰틸트라이메틸암모늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드를 가진 울트라커패시터에 대한 성능을 묘사하는 커패시턴스 및 ESR 그래프들이다;
도 47a 및 도 47b는, 각각, 125℃와 1.5 V에서, 향상된 전해질 조합들을 제조하기 위해 이용되는 이온성 액체들로부터 선택되는 이온성 액체를 가진 울트라커패시터에 대한 성능을 묘사하는 커패시턴스 및 ESR 그래프들이다;
도 48a 및 도 48b는, 각각, 125℃와 1.5 V에서, 37.5% 유기 용매 이온성 액체 (도 47에서와 동일함) v/v를 가진 울트라커패시터에 대한 성능을 묘사하는 커패시턴스 및 ESR 그래프들이다; 및
도 49는 -40℃와 1.5 V에서 37.5% 유기 용매 이온성 액체 (도 47에서와 동일함) v/v를 가진 울트라커패시터에 대한 성능을 묘사하는 ESR 그래프이다.
도 1은 예시적 울트라커패시터의 양태들을 도해한다;
도 2는 기판 상으로 성장된 복수의 탄소 나노 튜브 (CNT)를 묘사하는 블록도이다;
도 3은 전극 요소를 제공하기 위해 도 3의 CNT상으로의 집전기 배치를 묘사하는 블록도이다;
도 4는 도 3의 전극 요소에 대한 전송 테이프의 추가를 묘사하는 블록도이다;
도 5는 전송 처리 동안의 전극 요소를 묘사하는 블록도이다;
도 6은 전송에 뒤이은 전극 요소를 묘사하는 블록도이다;
도 7은 복수의 전극 요소로부터 제조되는 예시적 전극을 묘사하는 블록도이다;
도 8은 예시적 울트라커패시터 내에 포함될 수 있는 양이온들에 대한 주요 구조들의 실시예들을 도해한다;
도 9 및 도 10은 각각 미가공(raw) 전해질 및 정제된 전해질을 활용하는 예시적 울트라커패시터에 대한 비교 데이터를 제공한다;
도 11은 예시적 울트라커패시터에 대한 하우징의 실시예를 묘사한다;
도 12는 예시적 커패시터에 대한 저장 셀의 실시예를 도해한다;
도 13은 하우징의 바디의 내부 부분 상에 배치되는 배리어를 묘사한다;
도 14a 및 도 14b는 본 명세서에서 도 14로서 집합적으로 지칭되며, 하우징에 대한 캡의 양태들을 묘사한다;
도 15는 본 명세서의 교시에 따른 울트라커패시터의 조립체를 묘사한다;
도 16a 및 도 16b는 본 명세서에서 도 16으로 집합적으로 지칭되고, 각각 배리어가 없는 실시예 및 배리어를 포함하는 유사 실시예에 대한 울트라커패시터의 성능을 묘사하는 그래프들이다;
도 17은 저장 셀에 대해 래퍼(wrapper)로서 배치된 배리어를 묘사한다;
도 18a, 도 18b, 및 도 18c는 본 명세서에서 도 18로서 집합적으로 지칭되고, 다층 물질을 포함하는 캡의 실시예들을 묘사한다;
도 19는 유리 대 금속 밀봉을 포함하는 전극 조립체의 단면도이다;
도 20은 도 18b의 캡에 설치되는 도 19의 전극 조립체의 단면도이다;
도 21은 조립체에서의 에너지 저장 셀의 배열을 묘사한다;
도 22a, 도 22b, 및 도 22c는 본 명세서에서 집합적으로 도 22로서 지칭되고, 조립된 에너지 저장 셀의 실시예들을 묘사한다;
도 23은 울트라커패시터 내로의 중합체 절연물의 합체를 묘사한다;
도 24a, 도 24b, 및 도 24c는 본 명세서에서 도 24로서 집합적으로 지칭되고, 에너지 저장을 위한 캡의 또 다른 실시예에 대한 템플릿 양태들을 묘사한다;
도 25는 반구형 모양 물질을 포함하는 전극 조립체의 투시도이다;
도 26은 도 24의 템플릿에 설치되는 도 25의 전극 조립체를 포함하는 캡의 투시도이다;
도 27은 도 26의 캡의 단면도이다;
도 28은 전극 조립체와 저장 셀의 단자의 커플링을 묘사한다;
도 29는 원통형 하우징 내에 배치된 에너지 저장 셀의 투명 등각 투영도(isometric view)이다;
도 30은 일 실시예의 여러 층들을 보여주는 저장 셀의 측면도이다;
도 31은 복수의 리드(lead)를 위치시키기 위한 기준 마크를 포함하는 롤링된 저장 셀의 등각 투영도이다;
도 32는 풀렸을 때의 도 31의 저장 셀의 등각 투영도이다;
도 33은 복수의 리드가 포함되는 롤링된 저장 셀을 묘사한다;
도 34는 저장 셀에 커플링된, 정렬된 리드들 (즉, 단자) 내에 주어진 Z-폴드(fold)를 묘사한다;
도 35 - 도 38은 예시적 울트라커패시터들의 성능을 묘사하는 그래프들이다;
도 39 - 도 43은 210℃에서의 예시적 울트라커패시터들의 성능을 묘사하는 그래프들이다;
도 44a 및 도 44b는, 각각, 150℃ 및 1.5 V에서의 신규 전해질 물질: 1-부틸-1-메틸피페리디늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드를 가진 울트라커패시터에 대한 성능을 묘사하는 커패시턴스 및 ESR 그래프들이다;
도 45a 및 도 45b는, 각각, 150℃와 1.5 V에서의 신규 전해질 물질: 트리헥실테트라데실포스포늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드를 가진 울트라커패시터에 대한 성능을 묘사하는 커패시턴스 및 ESR 그래프들이다;
도 46a 및 도 46b는, 각각, 150℃와 1.5 V에서의 신규 전해질 물질: 뷰틸트라이메틸암모늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드를 가진 울트라커패시터에 대한 성능을 묘사하는 커패시턴스 및 ESR 그래프들이다;
도 47a 및 도 47b는, 각각, 125℃와 1.5 V에서, 향상된 전해질 조합들을 제조하기 위해 이용되는 이온성 액체들로부터 선택되는 이온성 액체를 가진 울트라커패시터에 대한 성능을 묘사하는 커패시턴스 및 ESR 그래프들이다;
도 48a 및 도 48b는, 각각, 125℃와 1.5 V에서, 37.5% 유기 용매 이온성 액체 (도 47에서와 동일함) v/v를 가진 울트라커패시터에 대한 성능을 묘사하는 커패시턴스 및 ESR 그래프들이다; 및
도 49는 -40℃와 1.5 V에서 37.5% 유기 용매 이온성 액체 (도 47에서와 동일함) v/v를 가진 울트라커패시터에 대한 성능을 묘사하는 ESR 그래프이다.
본 출원에서, 구성요소 (예컨대, 전극 물질, 전해질 등), 조건 (예컨대, 온도, 다양한 수준에 있는 다양한 불순물로부터의 자유도), 및 성능 특성 (예컨대, 초기 용량과 비교된 순환 후 용량, 낮은 누설 전류 등)을 포함하지만 이것들에만 제한되지는 않는 다양한 변수가 기술된다. 이러한 변수들의 임의의 조합은 본 발명의 실시예를 정의할 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 특정한 값의 순환 후의 용량 및 누설 전류로 작동하는, 특정 온도 범위 하에서 및 특정한 양보다 작은 불순물을 갖는, 특정 전해질과의 특정 전극 물질의 조합 - 이러한 변수들은 가능성들로서 포함되지만 특정 조합이 명시적으로 진술되지 않을 수 있음 - 이 본 발명의 실시예이다. 아티클, 구성요소, 조건 및/또는 방법의 다른 조합들이 당업자에게 명백할 기타 실시예들을 정의하기 위해 본 명세서에 열거된 변수들 중에서 특정적으로 또한 선택될 수 있다.
향상된 전해질 시스템들 및 이것의 사용법을 포함하는 본 발명은, 편의상 이하 제시되는 하기 정의들을 참조하여 기술될 것이다. 다른 식으로 정의되지 않았다면, 본 명세서에서 이용되는 하기 용어들은 다음과 같이 정의된다:
I. 정의들
본 발명의 요소들 또는 이것의 실시예(들)를 도입할 때, 단수 표현들은 요소들 중 하나 이상이 있다는 것을 의미하도록 의도된다. 유사하게, 형용사 "또 다른"은 요소를 소개할 때 사용되는 경우에 하나 이상의 요소들을 의미하도록 의도된다. "포함하는", "구비하는" 및 "갖는"이라는 용어는 포괄적인 것이며, 열거된 요소들 이외에도 부가적인 요소들이 존재할 수 있다는 것을 의미하도록 의도된 것이다.
용어 "알케닐" 및 "알키닐"은 본 분야에서 인지된 것으로서, 길이 및 가능한 치환에서 후술할 알킬들과 유사하지만, 적어도 하나의 이중 또는 삼중 결합을 각각 포함하는 불포화 지방족 기들을 지칭한다.
용어 "알킬"은 본 분야에서 인지된 것으로서, 직쇄 알킬 기들, 분지쇄 알킬 기들, 시클로알킬 (지환족) 기들, 알킬 치환된 시클로알킬 기들, 및 시클로알킬 치환된 알킬 기들을 포함하는 포화 지방족 기들을 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 직쇄 또는 분지쇄 알킬은 그의 골격(backbone)에서 약 20개 이하의 탄소 원자 (예를 들어, 직쇄의 경우 C1-C20, 분지쇄의 경우 C1-C20)를 갖는다. 마찬가지로, 시클로알킬들은 이들의 고리 구조에서 약 3개 내지 약 10개의 탄소 원자를 가지며, 대안으로서 고리 구조에서 약 5, 6 또는 7개의 탄소를 갖는다. 알킬 기들의 예들로는 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 에틸 헥실, 시클로프로필, 시클로부틸, 시클로펜틸, 시클로헥실 등을 포함하지만 이것들에만 한정되지는 않는다.
여기서 이용되는 바로는, "클래드(clad)", "클래딩" 및 그와 유사한 용어들은 닮지 않은 금속들을 함께 본딩하는 것을 지칭한다. 클래딩은 높은 압력 하에서 시트들을 함께 가압 또는 롤링(rolling)할 뿐만 아니라 다이를 통해 2개의 금속을 압출함으로써 종종 달성된다. 레이저 클래딩과 같은 기타 공정들이 이용될 수 있다. 그 결과는 다중 층으로 이루어진 물질 시트이고, 여기서 물질의 다중 층은 함께 본딩되어서 물질이 단일 시트로서 기능할 (예를 들어, 균질 물질의 단일 시트가 형성되는 것처럼 형성될) 수 있게 된다.
관례상, "오염물"은 만일 도입될 경우 울트라커패시터(10)의 성능에 악영향을 미칠 수 있는 임의의 원치 않는 물질로서 정의될 수 있는 것으로 고려될 수 있다. 또한, 본원에서 일반적으로, 오염물은 ppm과 같은 농도로서 평가될 수 있다는 점에 유의하라. 농도는 중량, 체적, 샘플 중량, 또는 적절하게 결정된 바와 같은 임의의 다른 방식으로 취해질 수 있다.
"시아노"라는 용어는 본 분야에서의 통상의 의미로 주어지고, CN 기를 가리킨다. "술페이트"라는 용어는 본 분야에서의 통상의 의미로 주어지고, SO2 기를 가리킨다. "술포네이트"라는 용어는 본 분야에서의 통상의 의미로 주어지고, SO3X 기를 가리키는데, 여기서 X는 전자 쌍, 수소, 알킬 또는 시클로알킬일 수 있다. "카르보닐"이라는 용어는 본 분야에서 인지된 것으로서, C=O 기를 가리킨다.
일반적으로, 용어 "전극"은 전기 회로 내에 통합될 수 있는 장치에서, 종종 비금속성인 또 다른 물질과 접촉을 이루는 데 사용되는 전기 도전체를 지칭한다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용되는 용어 "전극"은 집전기(current collector)(2) 및 필요한 기능성을 제공하기 위해 집전기(2)에 동반될 수 있는 (에너지 저장 매체(1)와 같은) 추가적 구성요소들에 대한 것이다 (예를 들어, 에너지 저장 및 에너지 전송을 제공하기 위해 집전기(2)와 메이팅되는 에너지 저장 매체(1)).
"에너지 밀도"는 (1/2) Ⅹ (피크 장치 전압의 제곱) Ⅹ (상기 장치의 무게 또는 체적에 의해 나눠지는 장치 커패시턴스) 이다.
여기서 논의되는 바로는, "기밀(hermetic)"은 그 품질 (즉, 누설률)이 "atm-cc/초" 단위로 정의되는 밀봉을 가리키는데, 이 단위는 주위 대기압과 온도에서 초당 가스 (예를 들어, He)의 일 입방 센티미터를 의미한다. 이것은 "표준 He-cc/초" 단위에서의 표현과 동등하다. 게다가, 1 atm-cc/초는 1.01325 mbar-리터/초와 동등하다는 것이 인지된다.
"헤테로알케닐" 및 "헤테로알키닐"은 본 분야에서 인지된 것으로서, 하나 이상의 원자들이 헤테로원자 (예로서, 산소, 질소, 황 등)인, 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 알케닐 및 알키닐 알킬 기들을 지칭한다.
용어 "헤테로알킬"은 본 분야에서 인지된 것으로서, 하나 이상의 원자들이 헤테로원자 (예로서, 산소, 질소, 황 등)인, 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 알킬 기들을 지칭한다. 예를 들어, 알콕시 기 (예를 들어, -OR)는 헤테로알킬 기이다.
관례상, 용어들 "내부 저항" 및 "유효 직렬 저항" 및 "ESR"은 장치의 저항 성질을 표시하기 위해 본 분야에 알려진 용어들이고, 교환 가능하게 본 명세서에서 이용된다.
관례상, 용어 "누설 전류"는 일반적으로 주어진 기간 후에 측정되는 커패시터에 의해 빼내어진 전류를 지칭한다. 이러한 측정은 커패시터 단자들이 실질적으로 고정된 전위 차 (단자 전압)에 유지될 때 수행된다. 누설 전류의 평가 시에, 전형적 기간은 72 시간이지만, 상이한 기간들이 이용될 수 있다. 종래 기술의 커패시터들에 대한 누설 전류는 일반적으로 에너지 저장 매체의 체적 및 표면적 증가 및 하우징의 내부 표면적에서의 수반되는 증가에 따라 증가한다는 것에 유의하라. 일반적으로, 증가하는 누설 전류는 울트라커패시터(10) 내의 점진적으로 증가하는 반응 속도를 나타내는 것으로 여겨진다. 누설 전류에 대한 성능 요구 사항은 일반적으로 특정한 응용에 널리 퍼져 있는 환경 조건에 의해 정의된다. 예를 들어, 20mL의 체적을 갖는 울트라커패시터(10)와 관련하여, 누설 전류에 대한 실제 한계는 200 mA 아래로 떨어질 수 있다.
커패시터의 "수명"은 또한 일반적으로 특정 응용에 의해 정의되는데, 전형적으로 (주어진 응용에 적합하거나 한정적인) 커패시턴스 또는 내부 저항과 같은 또 다른 파라미터의 열화 또는 누설 전류에서의 특정한 백분율 증가로 표시된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 자동차 분야 응용에서의 커패시터의 수명은, 누설 전류가 그의 초기 (수명 시작 또는 "BOL") 값의 200%까지 증가하는 시간으로서 정의될 수 있다. 또 다른 예에서, 석유 및 가스 분야 응용에서의 커패시터의 수명은 다음 중 임의의 것이 발생하는 시간으로서 정의될 수 있다: 커패시턴스가 그 BOL 값의 50%까지 떨어지고, 내부 저항이 그 BOL 값의 200%까지 증가하고, 누설이 그 BOL 값의 200%까지 증가한다. 관례상, 장치의 "내구성"과 "신뢰성" 용어들은 여기서 일반적으로 이용될 때 앞서 정의된 바와 같은 상기 장치의 수명과 관련된다.
장치의 "작동 온도 범위"는 일반적으로 그 내에서 특정 성능 수준이 유지되는 온도 범위와 관련되고, 주어진 응용에 대해 일반적으로 결정된다. 이를 테면, 일 실시예에서, 석유 및 및 가스 분야 응용에 대한 작동 온도 범위는 장치의 저항이 30℃에서의 상기 장치의 저항의 약 1,000% 미만이고 커패시턴스가 30℃에서의 커패시턴스의 약 10% 초과의 온도 범위로서 정의될 수 있다.
몇몇 경우들에서, 작동 온도 범위 사양은 유용한 온도들의 하한을 제공하는 반면에, 수명 사양은 유용한 온도들의 상한을 제공한다.
"피크 전력 밀도(peak power density)"는 (1/4) Ⅹ (상기 장치의 무게 또는 체적에 의해 나눠지는 상기 장치의 유효 직렬 저항에 의해 나눠지는 피크 장치 전압의 제곱)이다.
본 명세서에서 언급된 바와 같이, 울트라커패시터(10)의 "체적 누설 전류(volumetric leakage current)"는 일반적으로 "울트라커패시터(10)의 체적으로 나눈 누설 전류를 지칭하고, 예를 들어 mA/cc의 단위로 표현될 수 있다. 유사하게, 울트라커패시터(10)의 "체적 커패시턴스"는 일반적으로 울트라커패시터(10)의 체적으로 나눈 울트라커패시터(10)의 커패시턴스를 지칭하고, 예를 들어 F/cc의 단위로 표현될 수 있다. 또한, 울트라커패시터(10)의 "체적 ESR"은 일반적으로 울트라커패시터(10)의 ESR과 울트라커패시터(10)의 체적을 곱한 것을 지칭하고, 예를 들어, Ohm·cc 의 단위로 표현될 수 있다.
관례상, 여기서 이용되는 대로의 "할/일 수 있다"라는 표현은 선택 사항인 것으로 해석해야 하고, "포함하고"는 기타 선택 사항들 (즉, 단계들, 물질들, 구성 요소들, 혼합물, 기타 등등)을 배제하지 않는 것으로 해석해야 한다; "하여야 한다"는 요구를 함의하지 않고, 그보다는 단지 우발적 또는 상황상 선호이다. 기타 비슷한 용어들은 일반적인 종래 방식과 마찬가지로 사용된다.
본 명세서에서 논의된 바와 같이, "적합화", "구성", "구축" 등과 같은 용어들은 본 명세서에 개시된 기술들 중 임의의 것의 응용뿐만 아니라 기타 유사 기술(현재 알려졌거나 나중에 안출될 수 있음)을 수반하여 의도된 결과를 제공하는 것으로 간주될 수 있다.
II
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본 발명의 커패시터들
넓은 온도 범위에서 사용자들에게 향상된 성능을 제공하는 커패시터들이 본 명세서에서 개시된다. 예를 들어, 여기서 기술된 향상된 전해질 시스템들을 포함하는 본 발명의 커패시터는 약 -40℃만큼 낮은 온도에서부터 약 210℃만큼 높은 온도에 이르는 온도들에서 작동가능할 수 있다.
일반적으로, 본 발명의 커패시터는 종래 기술 장치들과 비교할 때 높은 신뢰성, 넓은 작동 온도 범위, 높은 전력 밀도 및 높은 에너지 밀도의 조합을 제공하도록 적합화된 에너지 저장 매체를 포함한다. 커패시터는 온도 범위에 걸친 작동을 보장하기 위해 구성되는 구성요소들을 포함하고, 여기 기술되는 향상된 전해질 시스템들로부터만 선택되는 전해질들(6)을 포함한다. 구축, 에너지 저장 매체 및 향상된 전해질 시스템들의 조합은 기존 커패시터들을 넘어서는 향상된 특성으로 및 더 좋은 성능과 내구성을 가지고 극단적 조건들 하에서의 작동을 감당하는 본 발명의 강건한 커패시터들을 제공한다.
따라서, 본 발명은 기밀 밀봉된 하우징 내의 에너지 저장 셀 및 향상된 전해질 시스템 (AES)을 포함하는 울트라커패시터를 제공하며, 여기서 셀은 양의 접촉부 및 음의 접촉부에 전기적으로 커플링되고, 여기서 울트라커패시터는 약 -40℃ 내지 약 210℃의; 약 -35℃ 내지 약 210℃; 약 -40℃ 내지 약 205℃; 약 -30℃ 내지 약 210℃; 약 -40℃ 내지 약 200℃; 약 -25℃ 내지 약 210℃; 약 -40℃ 내지 약 195℃; 약 -20℃ 내지 약 210℃; 약 -40℃ 내지 약 190℃; 약 -15℃ 내지 약 210℃; 약 -40℃ 내지 약 185℃; 약 -10℃ 내지 약 210℃; 약 -40℃ 내지 약 180℃: 약 -5℃ 내지 약 210℃; 약 -40℃ 내지 약 175℃; 약 0℃ 내지 210℃; 약 -40℃ 내지 약 170℃; 약 5℃ 내지 약 210℃; 약 -40℃ 내지 약 165℃; 약 10℃ 내지 약 210℃; 약 -40에서 약 160℃; 약 15℃ 내지 약 210℃; 약 -40℃ 내지 약 155℃; 약 20℃ 내지 약 210℃; 약 -40℃ 내지 약 150℃의 온도 범위("작동 온도") 내의 온도에서 작동하도록 구성된다.
하나의 특정 실시예에서, AES는 신규 전해질 물질 (NEE)을 포함하는데, 예를 들어 여기서 NEE는 고온 울트라커패시터들에 사용하기에 적합화된 것이다. 특정 실시예들에서, 울트라커패시터는 약 80℃ 내지 약 210℃의 온도 범위, 예를 들어 약 80℃ 내지 약 150℃의 온도 범위 내의 온도에서 작동하도록 구성된다.
하나의 특정 실시예에서, AES는 고도로 정제된 전해질을 포함하는데, 예를 들어 여기서 고도로 정제된 전해질은 고온 울트라커패시터들에 사용하기에 적합화된 것이다. 특정 실시예들에서, 울트라커패시터는 약 80℃ 내지 약 210℃의 온도 범위 내의 온도에서 작동하도록 구성된다.
하나의 특정 실시예에서, AES는 향상된 전해질 조합을 포함하는데, 예를 들어 여기서 향상된 전해질 조합은 고온 및 저온 울트라커패시터 둘 다에 사용하기에 적합화된 것이다. 특정 실시예들에서, 울트라커패시터는 약 -40℃ 내지 약 150℃의 온도 범위 내의 온도에서 작동하도록 구성된다.
이에 따라 및 상기 주목된 바와 같이, 공지된 에너지 저장 장치의 기존 전해질에 대한 이점들이 하기 개선들 중 하나 이상으로부터 선택된다: 감소된 총 저항, 저항의 증가된 장기 안정성, 증가된 총 커패시턴스, 커패시턴스의 증가된 장기간 안전성, 증가된 에너지 밀도, 증가된 전압 안정성, 감소된 증기압, 개별 커패시터에 대한 더 넓은 온도 범위 성능, 개별 커패시터에 대한 증가된 온도 내구성, 증가된 제조 용이성 및 향상된 비용 효율성.
울트라커패시터의 특정 실시예들에서, 에너지 저장 셀은 양 전극 및 음 전극을 포함한다.
울트라커패시터의 특정 실시예들에서, 전극들 중 적어도 하나는 탄소질 에너지 저장 매체를 포함하는데, 예를 들어 여기서 탄소질 에너지 저장 매체는 탄소 나노 튜브를 포함한다. 특정 실시예들에서, 탄소질 에너지 저장 매체는 활성탄, 탄소 섬유, 레이온, 그래핀, 에어로겔, 탄소 천(carbon cloth) 및 탄소 나노튜브 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
울트라커패시터의 특정 실시예들에서, 각각의 전극은 집전기를 포함한다.
울트라커패시터의 특정 실시예들에서, AES는 불순물 함량의 감소를 위해 정제된다. 울트라커패시터의 특정 실시예들에서, 전해질에서의 할라이드 이온의 함량은 약 1,000 ppm 미만이며, 예를 들어 약 500 ppm 미만이고, 예를 들어 약 100 ppm 미만이고, 예를 들어 약 50 ppm 미만이다. 특정 실시예에서, 전해질에서의 할라이드 이온은 클로라이드, 브로마이드, 플루오라이드 및 아이오다이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 할라이드 이온들 중 하나 이상에서 선택된다. 특정 실시예들에서, 전해질에서의 불순물들의 총 농도는 약 1,000 ppm 미만이다. 특정 실시예들에서, 불순물들은 브로모에탄, 클로로에탄, 1-브로모부탄, 1-클로로부탄, 1-메틸이미다졸, 에틸 아세테이트 및 메틸렌 클로라이드로 이루어진 군 중 하나 이상에서 선택된다.
울트라커패시터의 특정 실시예들에서, 전해질에서의 금속성 종의 총 농도는 약 1,000 ppm 미만이다. 특정 실시예에 있어서, 금속성 종은 Cd, Co, Cr, Cu, Fe, K, Li, Mo, Na, Ni, Pb 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속들로부터 선택된다. 또 다른 특정 실시예에서, 금속성 종은 Cd, Co, Cr, Cu, Fe, K, Li, Mo, Na, Ni, Pb 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속들 중 하나 이상의 합금들로부터 선택된다. 또 하나의 특정 실시예에서, 금속성 종은 Cd, Co, Cr, Cu, Fe, K, Li, Mo, Na, Ni, Pb 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속들 중 하나 이상의 산화물들에서 선택된다.
울트라커패시터의 특정 실시예들에서, 전해질에서의 총 수분 함량은 약 500 ppm 미만, 예를 들어 약 100 ppm 미만, 예를 들어 약 50 ppm 미만, 예를 들어 약 20 ppm 미만이다.
울트라커패시터의 특정 실시예들에서, 하우징은 그의 내부 표면의 상당 부분 상에 배치된 배리어를 포함한다. 특정 실시예들에서, 배리어는 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 퍼플루오로알콕시 (PFA), 플루오린화 에틸렌 프로필렌 (FEP), 에틸렌 테트라플루오로에틸렌 (ETFE) 중 적어도 하나를 포함한다. 특정 실시예들에서, 배리어는 세라믹 물질을 포함한다. 배리어는 또한 내식성, 바라는 유전체 특성, 및 낮은 전기화학 반응성을 나타내는 물질을 포함할 수 있다. 배리어의 특정한 실시예에서, 배리어는 물질의 다중 층을 포함한다.
울트라커패시터의 특정 실시예들에서, 하우징은 다층 물질을 포함하는데, 예를 들어 다층 물질은 제2 물질 상으로 클래딩된 제1 물질을 포함한다. 특정 실시예에 있어서, 다층 물질은 강철, 탄탈럼 및 알루미늄 중 적어도 하나를 포함한다.
울트라커패시터의 특정 실시예들에서, 하우징은 적어도 하나의 반구형 밀봉(hemispheric seal)을 포함한다.
울트라커패시터의 특정 실시예들에서, 하우징은 적어도 하나의 유리 대 금속 밀봉을 포함하는데, 예를 들어 여기서 유리 대 금속 밀봉의 핀(pin)은 접촉부들 중 하나를 제공한다. 특정 실시예에 있어서, 유리 대 금속 밀봉은 철-니켈-코발트 합금, 니켈 철 합금, 탄탈럼, 몰리브데넘, 니오븀, 텅스텐, 및 스테인리스와 티타늄 폼으로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질로 구성되는 피드-스루(feed-through)를 포함한다. 또 다른 특정 실시예에서, 유리 대 금속 밀봉은 니켈, 몰리브데넘, 크롬, 코발트, 철, 구리, 망간, 티타늄, 지르코늄, 알루미늄, 탄소, 및 텅스텐 및 이것의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질로 구성되는 바디(body)를 포함한다.
울트라커패시터의 특정 실시예들에서, 에너지 저장 셀은 양 전극과 음 전극 간의 전기적 분리를 제공하기 위한 분리막을 포함하는데, 예를 들어 여기서 분리막은 폴리아미드, 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 폴리에테르 에테르 케톤 (PEEK), 알루미늄 산화물 (Al2O3), 섬유유리, 섬유유리 강화된 플라스틱, 또는 이것의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함한다. 특정 실시예에 있어서, 분리막은 실질적으로 수분을 함유하지 않는다. 또 다른 특정 실시예에서, 분리막은 실질적으로 소수성이다.
울트라커패시터의 특정 실시예들에서, 기밀 밀봉은, 약 5.0x10-6 atm-cc/sec 이하의 누설률, 예를 들어 약 5.0x10-7 atm-cc/sec 이하의 누설률, 예를 들어 약 5.0x10-8 atm-cc/sec 이하의 누설률, 예를 들어 약 5.0x10-9 atm-cc/sec 이하의 누설률, 예를 들어 약 5.0x10-10 atm-cc/sec 이하의 누설률을 나타낸다.
울트라커패시터의 특정 실시예들에서, 적어도 하나의 접촉부는 또 다른 울트라커패시터의 또 다른 접촉부와 메이팅하기 위해 구성된다.
울트라커패시터의 특정 실시예들에서, 저장 셀은 자신의 외부 상에 배치되는 래퍼(wrapper)를 포함하는데, 예를 들어 래퍼는 PTFE와 폴리이미드 중 하나를 포함한다.
울트라커패시터의 특정 실시예들에서, 체적 누설 전류는 온도 범위 내에서 리터당 약 10 암페어 미만이다.
울트라커패시터의 특정 실시예들에서, 체적 누설 전류는 약 0 Volt 내지 약 4 Volt, 예를 들어 약 0 Volt 내지 약 3 Volt, 예를 들어 약 0 Volt 내지 약 2 Volt, 예를 들어 약 0 Volt 내지 약 1 Volt의 특정된 전압 범위에 걸쳐서 리터 당 약 10 암페어 미만이다. 울트라커패시터의 특정 실시예들에서, 하우징 내의 수분의 수준은 약 1,000 ppm 미만이고, 예를 들어 약 500 ppm 미만이고, 예를 들어 약 350 ppm 미만이다.
울트라커패시터의 특정 실시예들에서, 울트라커패시터의 전극에서의 수분 함량은 약 1,000 ppm 미만이고, 예를 들어 약 500 ppm 미만이고, 예를 들어 약 350 ppm 미만이다.
울트라커패시터의 특정 실시예들에서, 울트라커패시터의 분리막에서의 수분 함량은 약 1,000 ppm 미만이고, 예를 들어 약 500 ppm 미만이고, 예를 들어 약 160 ppm 미만이다.
울트라커패시터의 특정 실시예들에서, 염화물 함량은 전극, 전해질 및 분리막으로 이루어진 군으로부터 선택된 구성요소들 중 하나에 대해 약 300 ppm 미만이다.
울트라커패시터의 특정 실시예들에서, 울트라커패시터의 체적 누설 전류 (mA/cc)는 실질적으로 일정한 온도에서 유지되는 동안 약 10 mA/cc 미만이며, 예를 들어 실질적으로 일정한 온도에서 유지되는 동안 약 1 mA/cc 미만이다. 특별 실시예에 있어서,
울트라커패시터의 특정 실시예들에서, 울트라커패시터의 체적 누설 전류는 실질적으로 일정한 온도에서 유지되는 동안 약 0.0001 mA/cc 초과이다.
울트라커패시터의 특정 실시예들에서, 울트라커패시터의 체적 커패시턴스는 약 6 F/cc 내지 약 1 mF/cc; 약 10 F/cc 내지 약 5 F/cc; 또는 약 50 F/cc 내지 약 8 F/cc이다.
울트라커패시터의 특정 실시예들에서, 울트라커패시터의 체적 ESR은 약 20 mOhm·cc 내지 200 mOhm·cc; 약 150 mOhm·cc 내지 2 Ohm·cc; 약 1.5 Ohm·cc 내지 200 Ohm·cc; 약 150 Ohm·cc 내지 2000 Ohm·cc이다.
울트라커패시터의 특정 실시예들에서, 울트라커패시터는 실질적으로 일정한 전압 및 작동 온도에서 유지되는 동안 약 90 % 미만의 커패시턴스 감소를 나타낸다. 특별한 실시예에 있어서, 울트라커패시터는 적어도 1 시간 동안, 예를 들어 적어도 10 시간 동안, 예를 들어 적어도 50 시간 동안, 예를 들어 적어도 100 시간 동안, 예를 들어 적어도 200 시간 동안, 예를 들어 적어도 300 시간 동안, 예를 들어 적어도 400 시간 동안, 예를 들어 적어도 500 시간 동안, 예를 들어 적어도 1,000 시간 동안, 실질적으로 일정한 전압 및 작동 온도에서 유지되는 동안 약 90 % 미만의 커패시턴스 감소를 나타낸다.
울트라커패시터의 특정 실시예들에서, 울트라커패시터는 적어도 1 시간 동안, 예를 들어 적어도 10 시간 동안, 예를 들어 적어도 50 시간 동안, 예를 들어 적어도 100 시간 동안, 예를 들어 적어도 200 시간 동안, 예를 들어 적어도 300 시간 동안, 예를 들어 적어도 400 시간 동안, 예를 들어 적어도 500 시간 동안, 예를 들어 적어도 1,000 시간 동안, 실질적으로 일정한 전압 및 작동 온도에서 유지되는 동안 약 1,000% 미만의 ESR 증가를 나타낸다.
예를 들어, 도 1에 도해된 바와 같이, 커패시터의 예시적 실시예가 도시된다. 이 경우에, 커패시터는 "울트라커패시터(10)"이다. 예시적 울트라커패시터(10)는 전기 이중 층 커패시터(electric double-layer capacitor: EDLC)이다. 울트라커패시터(10)는 여러 상이한 폼 팩터로 구체화될 수 있다 (즉, 특정 외관을 나타낼 수 있다). 잠재적으로 유용한 폼 팩터들의 예는 원통형 셀, 고리형 또는 링 형상의 셀, 편평 프리즘 셀 또는 박스형 셀을 포함하는 편평 프리즘 셀들의 스택, 및 휜 공간과 같은 특정 기하 구조를 수용하는 형태를 갖는 편평 프리즘 셀을 포함한다. 원통형 폼 팩터는 원통형 시스템 또는 원통형 폼 팩터에 탑재되거나 원통형 공동을 갖는 시스템과 연계될 때 가장 유용할 수 있다. 환형 또는 링 형상 폼 팩터는 링 형상이거나 링 형상 폼 팩터에 탑재되거나 또는 링 형상 공동을 갖는 시스템과 연계될 때 가장 유용할 수 있다. 편평한 프리즘 폼 팩터는 사각형 형상이거나, 사각형 형상 폼 팩터에 탑재되거나 또는 사각형 형상 공동을 갖는 시스템과 연계될 때 가장 유용할 수 있다.
일반적으로 본 명세서에서 "젤리롤(jelly roll)" 응용 (즉, 원통형 하우징(7)에 대해 구성되는 저장 셀(12))의 관점에서 개시되기는 하지만, 롤링된 저장 셀(23)은 바라는 임의 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 저장 셀(12)을 감는 것과는 반대로, 저장 셀(12)의 폴딩(folding)이 롤링된 저장 셀(23)을 제공하기 위해 수행될 수 있다. 기타 유형의 조립체가 사용될 수 있다. 일례로서, 저장 셀(12)은 셀의 동전 유형, 파우치 유형, 또는 프리즘 유형으로서 지칭되는 편평 셀일 수 있다. 따라서, 롤링(rolling)은 롤링된 저장 셀(23)의 조립을 위한 하나의 선택 사항일 뿐이다. 따라서, 본 명세서에서는 "롤링된 저장 셀(23)"의 관점에서 설명되지만, 이것에만 한정되는 것은 아니다. 용어 "롤링된 저장 셀(23)"은 주어진 하우징(7) 설계 내에 잘 들어 맞도록 저장 셀(12)을 패키징 또는 패킹하는 임의의 적절한 형태를 일반적으로 포함한다고 간주될 수 있다.
울트라커패시터(10)의 여러 형태들이 함께 결합될 수 있다. 여러 형태들은 접촉부들을 함께 용접하는 것과 같은 공지 기술들을 이용하고, 적어도 하나의 기계적 커넥터를 사용하고, 접촉부들을 서로 전기적으로 접촉하게 위치시키는 등에 의해 결합될 수 있다. 복수의 울트라커패시터(10)가 병렬 및 직렬 방식 중 적어도 하나의 방식으로 전기적으로 접속될 수 있다.
본 발명의 목적을 위해, 울트라커패시터(10)는 약 0.05 cc 내지 약 7.5 리터의 범위의 체적을 가질 수 있다.
울트라커패시터(10)가 특히 유용한 다양한 환경이 존재할 수 있다. 예를 들어, 자동차 분야 응용에서, 105℃의 주위 온도가 실현될 수 있다 (여기서 커패시터의 실제 수명은 약 1 년 내지 20 년 범위에 있을 것이다). 지열 정 시추(geothermal well drilling)와 같은 몇몇 다운홀(downhole) 응용에서, 300℃ 이상의 주위 온도가 도달될 수 있다 (여기서, 커패시터의 실제 수명은 약 1 시간 내지 약 10,000 시간의 범위를 가질 것이다).
본 발명의 울트라커패시터들의 구성요소들이 지금 차례로 논의될 것이다.
A. 본 발명의 향상된 전해질 시스템들
본 발명의 향상된 전해질 시스템들은 본 발명의 울트라커패시터들의 전해질 구성요소를 제공하는데, 도 1에서 "전해질(6)"로 표시된다. 전해질(6)은 전극들(3)과 분리막(5) 내의 및 그들 사이의 빈 공간들을 채운다. 일반적으로, 본 발명의 향상된 전해질 시스템들은 고유 전해질들, 정제되고 향상된 전해질들, 또는 이것들의 조합들을 포함하는데, 여기서 전해질(6)은, 예를 들어, 하나 이상의 염 또는 이온성 액체들로 구성되는 물질인데, 이것은 전기적으로 대전된 이온들 (즉, 양으로 대전된 양이온들 및 음으로 대전된 음이온들)이 되도록 분리되고 또한 용매를 포함할 수 있다. 본 발명의 향상된 전해질 시스템들에서, 그와 같은 전해질 구성요소들은 특정 성능 및 내구성 특징의 향상에 기초하여 선택되고, 또한 신규하고 유용한 전기 화학적 안정성과 성능을 가진 혼합물을 생성하기 위해 물질을 용해하는 하나 이상의 용매들과 조합될 수 있다.
본 발명의 향상된 전해질 시스템들은 기존 에너지 저장 장치들 (예를 들어, 여기서 개시되지 않은 전해질들을 포함하는 에너지 저장 장치들, 또는 불충분한 순도를 갖는 전해질들을 포함하는 에너지 저장 장치들)을 넘어서는 본 발명의 울트라커패시터들의 고유하고 구별되는 이점들을 이룰 수 있다. 이러한 이점들은 다음 중 하나 이상과 같은, 성능 및 내구성 특징 모두에서의 향상들을 포함한다: 감소된 총 저항, 저항의 증가된 장기 안정성 (예를 들어, 주어진 온도에서 시간 경과에 따른 증가된 물질 저항에서의 감소), 증가된 총 커패시턴스, 층가된 커패시턴스의 장기 안정성 (예를 들어, 주어진 온도에서 시간 경과에 따른 감소된 커패시터의 커패시턴스에서의 감소), 증가된 에너지 밀도 (예를 들어 더 높은 전압을 지원함으로써 및/또는 더 높은 커패시턴스로 이끎으로써), 증가된 전압 안정성, 감소된 증기압, 개별 커패시터에 대한 더 넓은 온도 범위 성능 (예를 들어, 두 개의 온도 간에 천이할 때 커패시턴스의 상당한 강하 및/또는 ESR의 증가 없음, 예를 들어 약 +30℃ 내지 약 -40℃로 천이할 때 커패시턴스의 90% 초과의 감소 및/또는 ESR의 1000% 증가 없음), 개별 커패시터에 대해 증가된 온도 내구성 (예를 들어, 주어진 시간 후에 주어진 온도에서의 커패시턴스의 50% 미만의 감소 및/또는 주어진 시간 후에 주어진 온도에서의 ESR의 100% 증가, 및/또는 주어진 시간 후에 주어진 온도에서의 누설 전류 10 A/L 미만, 예를 들어 커패시턴스의 40% 미만의 감소 및/또는 ESR의 75% 증가, 및/또는 누설 전류 5 A/L 미만, 예를 들어 커패시턴스의 30% 미만의 감소 및/또는 ESR의 50% 증가, 및/또는 누설 전류 1A/L 미만); 증가된 제조 용이성 (예를 들어, 감소된 증기압, 및 그에 따라 더 나은 수율 및/또는 커패시터를 전해질로 채우는 더 효율적 방법을 가짐으로써), 및 향상된 비용 효율성 (예를 들어 다른 물질보다 저렴한 물질로 빈 공간을 채움으로써). 명료성을 위해, 성능 특징들은 주어진 사용 시점에 있는 물질들 중에서 비교하는 데에 적절한 비슷한 주어진 사용 시점에서의 장치의 활용성에 관한 특성들과 관련되고, 반면에 내구성 특징은 시간 경과에 따라 그와 같은 특성들을 유지하기 위한 능력에 관한 특성들과 관련된다. 상기 성능 및 내구성 예들은 여기서 "성능 또는 내구성에서의 중요한 변화들"이라고 여겨지는 것을 위한 맥락을 제공하는 구실을 할 것이다.
명료성을 위해 그리고 일반적으로, 본 발명의 에너지 저장 장치들에 포함되기 위해 여기서 이용되는 대로의 "전해질(6)"에 대한 참조는 본 발명의 향상된 전해질 시스템들을 지칭한다.
AES 또는 전해질(6)의 특성들은, 광범위한 온도 범위에 걸쳐 있는 높은 전도성 및 시현되는 우수한 전기적 성능 뿐만 아니라, 커패시턴스 증가, 등가 직렬 저항 (ESR)의 감소, 높은 열 안정성, 낮은 유리 전이 온도(Tg), 향상된 점도, 특정 레오펙틱(rhoepectic) 또는 요변성(thixotropic) 특성 (예를 들어, 온도에 의존하는 성질) 중에서 선택된 특성들의 향상 결과일 수 있다. 예로서, 전해질(6)은 높은 수준의 유동성을 가질 수 있거나, 또는 대조적으로 실질적으로 고체일 수 있어, 전극(3)의 분리가 보장된다.
본 발명의 향상된 전해질 시스템은, 고온 울트라커패시터들에 사용하기 위해 본원에 기술되는 신규 전해질들, 고온 울트라커패시터들에 사용하기 위한 고도로 정제된 전해질들, 및 -40℃ 내지 210℃의 온도 범위에서 사용하기에 적절한 향상된 전해질 조합물들을 포함하며, 모든 온도에 걸쳐 성능 또는 내구성의 현저한 하락이 없다.
본 명세서에 제공되는 개시 사항이 본 명세서에 개시되는 향상된 전해질 시스템의 울트라커패시터들로의 적용에 집중되지만, 이들 향상된 전해질 시스템은 임의의 에너지 저장 장치에 적용될 수 있다.
ⅰ. 신규 전해질 물질 (
NEE
)
본 발명의 향상된 전해질 시스템 (AES)은, 일 실시예에서, 고온 울트라커패시터들에 사용하기 위한 특정 신규 전해질들을 포함한다. 이와 관련하여, 순도 및 낮은 수분을 유지하는 것이 에너지 스토리지(energy storage)(10)의 성능의 정도와 관련된다는 것; 및 소수성 물질들을 포함하고, 더 큰 순도 및 더 낮은 수분 함량을 나타내는 것으로 발견된 전해질들을 사용하는 것이 향상된 성능을 획득하는데 유리하다는 점이 발견되었다. 이러한 전해질들은 약 80℃ 내지 약 210℃의 온도 범위에서, 예를 들어, 약 80℃ 내지 약 200℃, 예를 들어, 약 80℃ 내지 약 190℃, 예를 들어, 약 80℃ 내지 약 180℃, 예를 들어, 약 80℃ 내지 약 170℃, 예를 들어, 약 80℃ 내지 약 160℃, 예를 들어, 약 80℃ 내지 약 150℃, 예를 들어, 약 85℃ 내지 약 145℃, 예를 들어, 약 90℃ 내지 약 140℃, 예를 들어, 약 95℃ 내지 약 135℃, 예를 들어, 약 100℃ 내지 약 130℃, 예를 들어, 약 105℃ 내지 약 125℃, 예를 들어, 약 110℃ 내지 약 120℃에서 우수한 성능 특성을 나타낸다.
따라서, 향상된 전해질 시스템 (AES)으로서 유용한 신규 전해질 물질들은, 양이온 (예를 들어, 도 8에 도시되고 본 명세서에 개시되는 양이온)과 음이온을 함유하는 종들, 또는 이러한 종들의 조합들을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 이러한 종은, 헤테로아릴 및 헤테로시클릭 양이온을 포함하는, 질소-함유, 산소-함유, 인-함유, 및/또는 황-함유 양이온을 포함한다. 일 세트의 실시예들에서, 향상된 전해질 시스템 (AES)은 암모늄, 이미다졸륨, 옥사졸륨, 포스포늄, 피페리디늄, 피라지늄, 피라졸륨, 피리다지늄, 피리디늄, 피리미디늄, 술포늄, 티아졸륨, 트리아졸륨, 구아니듐, 이소퀴놀리늄, 벤조트라이아졸륨 및 비올로겐(viologen)-타입 양이온들로 이루어진 군으로부터 선택된 양이온을 포함하는 종을 포함하고, 이들 중 임의의 것이 본 명세서에 개시되는 바와 같이 치환기로 치환될 수도 있다. 일 실시예에서, 본 발명의 향상된 전해질 시스템 (AES)에 대해 유용한 신규 전해질 물질들은, 포스포늄, 피페리디늄 및 암모늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 도 8에 도시된 양이온들 - 여기서, 다양한 분지 기들 RX (예를 들어, R1, R2, R3, ... RX)는 알킬, 헤테로알킬, 알케닐, 헤테로알케닐, 알키닐, 헤테로알키닐, 할로, 아미노, 니트로, 시아노, 히드록실, 술페이트, 술포네이트 및 카르보닐로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있고, 이들 중 임의의 것이 임의적으로 치환되며, 적어도 2개의 RX는 H가 아님 (즉, R 기들의 선택 및 배향이 도 8에 도시된 양이온성 종을 생산하도록 된다) -; 및 테트라플루오로보레이트, 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드, 테트라시아노보레이트 및 트리플로로메탄술포네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 음이온의 임의의 조합을 포함한다.
예를 들어, 위 양이온들과 음이온들의 조합들이 주어지면, 특정 실시예에 있어서, AES는 트리헥실테트라데실포스포늄, 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드, 1-부틸-1-메틸피페리디늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드 및 부틸트리메틸암모늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 시간 경과에 따른 커패시턴스 및 ESR 측정을 통해 보여지는 바와 같은 온도 범위에서의 향상된 성능 특성들을 지원하며, 고온 유틸리티 및 장시간 내구성을 나타내는 데이터가 도 44a 및 b, 도 45a 및 b, 및 도 46a 및 b에 제공된다.
특정 실시예들에서, AES는 트리헥실테트라데실포스포늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드이다.
특정 실시예들에서, AES는 1-부틸-1-메틸피페리디늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드이다.
특정 실시예들에서, AES는 부틸트리메틸암모늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드이다.
또 다른 실시예에서, 본 발명의 향상된 전해질 시스템 (AES)에 대해 유용한 신규 전해질 물질들은 이미다졸륨 및 피롤리디늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 도 8에 도시된 양이온들 - 여기서, 다양한 분지 기들 RX (예를 들어, R1, R2, R3, ... RX)는 알킬, 헤테로알킬, 알케닐, 헤테로알케닐, 알키닐, 헤테로알키닐, 할로, 아미노, 니트로, 시아노, 히드록실, 술페이트, 술포네이트 및 카르보닐로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있고, 이들 중 임의의 것이 임의적으로 치환될 수 있으며, 적어도 2개의 RX는 H가 아님 (즉, R 기들의 선택 및 배향이 도 8에 도시된 양이온성 종을 생산하도록 됨) -; 및 테트라플루오로보레이트, 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드, 테트라시아노보레이트 및 트리플로로메탄술포네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 음이온의 임의의 조합을 포함한다. 하나의 특정 실시예에서, H가 아닌 2개의 RX는 알킬이다. 더욱이, 지목된 양이온들은 광범위한 온도에 걸쳐서 높은 전도성뿐만 아니라 높은 열 안정성을 나타내고, 우수한 전기 화학적 성능을 나타낸다.
예를 들어, 상기 양이온들과 음이온들의 조합들이 주어지면, 특정 실시예에 있어서, AES는 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트; 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트; 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라시아노보레이트; 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 테트라시아노보레이트; 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드; 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 트리스(펜타플루오로에틸)트리플루오로포스페이트; 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 테트라시아노보레이트; 및 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 트리플로로메탄술포네이트로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
일 실시예에서, AES는 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트이다.
일 실시예에서, AES는 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드이다.
일 실시예에서, AES는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트이다.
일 실시예에서, AES는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라시아노보레이트이다.
일 실시예에서, AES는 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 테트라시아노보레이트이다.
일 실시예에서, AES는 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드이다.
일 실시예에서, AES는 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 트리스(펜타플루오로에틸)트리플루오로포스페이트이다.
일 실시예에서, AES는 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 테트라시아노보레이트이다.
일 실시예에서, AES는 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 트리플루오로메탄술포네이트이다.
또 다른 특정 실시예에서, H가 아닌 2개의 RX 중 하나는 알킬, 예를 들어, 메틸이고, 나머지 하나는 알콕시로 치환된 알킬이다. 더욱이, 분자에서 화학식 1의 N,O-아세탈 골격선 구조를 갖는 양이온들이 높은 전기적 전도성을 가지며, 이러한 양이온들 중에 포함되고, 피롤리딘 골격선 및 N,O-아세탈 기를 갖는 암모늄 양이온이 유기 용매들에서 특히 전기적 전도성 및 용해도가 높고, 상대적으로 높은 전압을 지원한다는 것이 발견되었다. 이에 따라 일 실시예에서, 향상된 전해질 시스템은 하기 화학식의 염을 포함한다:
<화학식 I>
여기서, R1과 R2는 동일하거나 상이한 것일 수 있고, 각각 알킬이며, X-는 음이온이다. 몇몇 실시예들에서, R1은 1 내지 4개의 탄소 원자들을 갖는 직쇄 또는 분지쇄 알킬이고, R2는 메틸 또는 에틸이며, X-는 시아노보레이트 함유 음이온(11)이다. 특정 실시예에서, X-는 [B(CN)]4를 포함하고, R2는 메틸 기 및 에틸 기 중 하나이다. 또 다른 특정 실시예에서, R1과 R2는 둘 모두 메틸이다. 또한, 일 실시예에서, 본 발명의 향상된 전해질 시스템에 적합한 시아노보레이트 음이온 (11), X-는 [B(CN)4]- 또는 [BFn(CN)4-n]- (여기서, n = 0, 1, 2 또는 3)을 포함한다.
시아노보레이트 음이온 및 화학식 1에 나타난 4급 암모늄 양이온으로 이루어지고 화학식 I의 신규 전해질 물질을 포함하는 본 발명의 AES의 양이온들의 예들은, N-메틸-N-메톡시메틸피롤리디늄(N-메톡시메틸-N-메틸피롤리디늄), N-에틸-N-메톡시메틸피롤리디늄, N-메톡시메틸-N-n-프로필피롤리디늄, N-메톡시메틸-N-이소-프로필피롤리디늄, N-n-부틸-N-메톡시메틸피롤리디늄, N-이소-부틸-N-메톡시메틸피롤리디늄, N-tert-부틸-N-메톡시메틸피롤리디늄, N-에톡시메틸-N-메틸피롤리디늄, N-에틸-N-에톡시메틸피롤리디늄(N-에톡시메틸-N-에틸피롤리디늄), N-에톡시메틸-N-n-프로필피롤리디늄, N-에톡시메틸-N-이소-프로필피롤리디늄, N-n-부틸-N-에톡시메틸피롤리디늄, N-이소-부틸-N-에톡시메틸피롤리디늄 및 N-tert-부틸-N-에톡시메틸피롤리디늄에서 선택된다. 다른 예들은 N-메틸-N-메톡시메틸피롤리디늄(N-메톡시메틸-N-메틸피롤리디늄), N-에틸-N-메톡시메틸피롤리디늄 및 N-에톡시메틸-N-메틸피롤리디늄을 포함한다.
추가적 음이온들과 결합된 화학식 1의 양이온의 추가적 예들은 N-메틸-N-메톡시메틸피롤리디늄 테트라시아노보레이트 (N-메톡시메티-N-메틸피롤리디늄 테트라시아노보레이트), N-에틸-N-메톡시메틸피롤리디늄 테트라시아노보레이트, N-에톡시메틸-N-메틸피롤리디늄 테트라시아노보레이트, N-메틸-N-메톡시메틸피롤리디늄 비스트리플루오로메탄술포닐이미드, (N-메톡시메티-N-메틸피롤리디늄 비스트리플루오로메탄술포닐이미드), N-에틸-N-메톡시메틸피롤리디늄 비스트리플루오로메탄술포닐이미드, N-에톡시메틸-N-메틸피롤리디늄 비스트리플루오로메탄술포닐이미드, N-메틸-N-메톡시메틸피롤리디늄 트리플루오로메탄술포레이트 (N-메톡시메틸-N-메틸트리플루오로메탄술포레이트)에서 선택될 수 있다.
전해질로서 이용될 때, 4급 암모늄 염은 적절한 유기 용매와 혼합된 것으로서 이용될 수 있다. 유용한 용매들은 시클릭 탄산 에스테르들, 사슬 탄산 에스테르들, 인산 에스테르들, 시클릭 에테르들, 사슬 에테르들, 락톤 화합물들, 사슬 에스테르들, 니트릴 화합물들, 아미드 화합물들 및 술폰 화합물들을 포함한다. 사용될 용매가 이들 화합물에 한정되는 것은 아니지만, 이러한 화합물들의 예들이 이하 주어진다.
시클릭 탄산 에스테르들의 예들은 에틸렌 카르보네이트, 프로필렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트 등이며, 이들 중 프로필렌 카르보네이트가 바람직하다.
사슬 탄산 에스테르들의 예들은 디메틸 카르보네이트, 에틸메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트 등이며, 이들 중 디메틸 카르보네이트 및 에틸메틸 카르보네이트가 바람직하다.
인산 에스테르들의 예들은 트리메틸 포스페이트, 트리에틸 포스페이트, 에틸디메틸 포스페이트, 디에틸메틸 포스페이트 및 등이다. 시클릭 에테르들의 예들은 테트라히드로푸란, 2-메틸테트라히드로푸란 등이다. 사슬 에테르들의 예들은 디메톡시에탄 등이다. 락톤 화합물들의 예들은 γ-부티로락톤 등이다. 사슬 에스테르들의 예들은 메틸 프로피오네이트, 메틸 아세테이트, 초산 에틸, 메틸 포르메이트 등이다. 니트릴 화합물들의 예들은 아세토니트릴 등이다. 아미드 화합물들의 예들은 디메틸포름아미드 등이다. 술폰 화합물들의 예들은 술폴란, 메틸 술포란 등이다. 시클릭 탄산 에스테르들, 사슬 탄산 에스테르들, 니트릴 화합물들과 술폰 화합물들은 몇몇 실시예들에서, 특히 바람직할 수 있다.
이러한 용매들은 단독으로 이용될 수 있거나 적어도 2 종류의 용매가 혼합물로 사용될 수 있다. 바람직한 유기 용매 혼합물들의 예들은, 에틸렌 카르보네이트 및 디메틸 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트 및 에틸메틸 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트 및 디에틸 카르보네이트, 프로필렌 카르보네이트 및 디메틸 카르보네이트, 프로필렌 카르보네이트 및 에틸메틸 카르보네이트, 및 프로필렌 카르보네이트 및 디에틸 카르보네이트의 혼합물 등 시클릭 탄산 에스테르 및 사슬 탄산 에스테르의 혼합물들과, 디메틸 카르보네이트 및 에틸메틸 카르보네이트 등의 사슬 탄산 에스테르의 혼합물들, 및 술폴란 및 메틸술폴란 등의 술폴란 화합물 등의 혼합물들이다. 에틸렌 카르보네이트 및 에틸메틸 카르보네이트, 프로필렌 카르보네이트 및 에틸메틸 카르보네이트, 및 디메틸 카르보네이트 및 에틸메틸 카르보네이트의 혼합물들이 보다 바람직하다.
몇몇 실시예들에서, 본 발명의 4급 암모늄 염이 전해질로서 이용될 때, 전해질 농도는 적어도 0.1 M이고, 몇몇의 경우에 적어도 0.5 M이며, 적어도 1 M일 수 있다. 농도가 0.1 M 이하이면, 전기적 전도성이 낮아질 것이며, 악화된 성능의 전기 화학 장치를 생산하게 된다. 상한 농도는 전해질이 실온에서 액염일 때의 분리 농도이다. 용액이 분리되지 않을 때, 한계 농도는 100%이다. 염이 실온에서 고체일 때, 한계 농도는 용액이 염으로 포화된 농도다.
특정 실시예들에서, 예를 들어, 성능 또는 내구성 특징을 10% 이상 변경하지 않는 등, 향상된 전해질 시스템의 활용에 의해 달성되는 이점들에 현저하게 영향을 미치지 않는다면, 향상된 전해질 시스템 (AES)은 본 명세서에 기술된 것들과는 다른 전해질과 혼합될 수 있다. AES와 혼합되기에 적합할 수 있는 전해질의 예들은, 알카리 금속 염들, 4급 암모늄 염들, 4급 포스포늄 염들 등이다. 이러한 전해질은 단독으로 이용될 수 있거나, 적어도 이들 중 2 종류가 본 명세서에 개시되는 AES와 혼합되는 바와 같이 조합으로 사용될 수 있다. 유용한 알칼리 금속 염들은 리튬 염들, 나트륨 염들과 칼륨 염들을 포함한다. 이러한 리튬 염들의 예들은, 리튬 헥사플루오르포스페이트, 리튬 보로플루오라이드, 리튬 퍼클로레이트, 리튬 트리플로로메탄술포네이트, 술포닐이미드 리튬, 술포닐메티드 리튬 등이며, 이에 한정되는 것은 아니다. 유용한 나트륨 염들의 예들은 나트륨 헥사플루오르포스페이트, 나트륨 보로플루오라이드, 나트륨 퍼클로레이트, 나트륨 트리플로로메탄술포네이트, 술포닐이미드 나트륨, 술포닐메티드 나트륨 등이다. 유용한 칼륨 염들의 예들은, 이에 한정되는 것은 아니지만, 칼륨 헥사플루오르포스페이트, 칼륨 보로플루오라이드, 칼륨 퍼클로레이트, 칼륨 트리플로로메탄술포네이트, 술포닐이미드 칼륨, 술포닐메티드 칼륨 등이다.
(향상된 전해질 시스템의 활용에 의해 이루어진 이점들에 현저하게 영향을 미치지 않는) 상기 기술된 조합들에 사용될 수 있는 유용한 4급 암모늄 염들은, 테트라알킬암모늄 염들, 이미다졸륨 염들, 피라졸륨 염들, 피리디늄 염들, 트리아졸륨 염들, 피리다지늄 염들 등을 포함하며, 이에 한정되는 것은 아니다. 유용한 테트라알킬암모늄 염들의 예들은, 테트라에틸암모늄 테트라시아노보레이트, 테트라메틸암모늄 테트라시아노보레이트, 테트라프로필암모늄 테트라시아노보레이트, 테트라부틸암모늄 테트라시아노보레이트, 트리에틸메틸암모늄 테트라시아노보레이트, 트리메틸에틸암모늄 테트라시아노보레이트, 디메틸디에틸암모늄 테트라시아노보레이트, 트리메틸프로필암모늄 테트라시아노보레이트, 트리메틸부틸암모늄 테트라시아노보레이트, 디메틸에틸프로필암모늄 테트라시아노보레이트, 메틸에틸프로필부틸암모늄 테트라시아노보레이트, N,N-디메틸피롤리디넘 테트라시아노보레이트, N-에틸-N-메틸피롤리디늄 테트라시아노보레이트, N-메틸-N-프로필피롤리디늄 테트라시아노보레이트, N-에틸-N-프로필피롤리디늄 테트라시아노보레이트, N,N-디메틸피페리디늄 테트라시아노보레이트, N-메틸-N-에틸피페리디늄 테트라시아노보레이트, N-메틸-N-프로필피페리디늄 테트라시아노보레이트, N-에틸-N-프로필피페리디늄 테트라시아노보레이트, N,N-디메틸모폴리늄 테트라시아노보레이트, N-메틸-N-에틸모폴리늄 테트라시아노보레이트, N-메틸-N-프로필모폴리늄 테트라시아노보레이트, N-에틸-N-프로필모폴리늄 테트라시아노보레이트 등이고, 반면에 이들 예가 한정적인 것은 아니다.
(향상된 전해질 시스템의 활용에 의해 이루어진 이점들에 현저하게 영향을 미치지 않는) 상기 기술된 조합들에 사용될 수 있는 이미다졸륨 염들의 예들은, 1,3-디메틸이미다졸륨 테트라시아노보레이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라시아노보레이트, 1,3-디에틸이미다졸륨 테트라시아노보레이트, 1,2-디메틸-3-에틸이미다졸륨 테트라시아노보레이트 및 1,2-디메틸-3-프로필이미다졸리움 테트라시아노보레이트를 포함하지만, 이들로 한정되는 것은 아니다. 피라졸륨 염들의 예들은, 1,2-디메틸피라졸리움 테트라시아노보레이트, 1-메틸-2-에틸피라졸륨 테트라시아노보레이트, 1-프로필-2-메틸피라졸륨 테트라시아노보레이트 및 1-메틸-2-부틸피라졸륨 테트라시아노보레이트이지만, 이들로 한정되는 것은 아니다. 피리디늄 염들의 예들은 N-메틸피리디늄 테트라시아노보레이트, N-에틸피리디늄 테트라시아노보레이트, N-프로필피리디늄 테트라시아노보레이트 및 N-부틸피리디늄 테트라시아노보레이트이지만, 이들로 한정되는 것은 아니다. 트리아졸륨 염들의 예들은 1-메틸트리아졸륨 테트라시아노보레이트, 1-에틸트리아졸륨 테트라시아노보레이트, 1-프로필트리아졸륨 테트라시아노보레이트 및 1-부틸트리아졸륨 테트라시아노보레이트이지만, 이들로 한정되는 것은 아니다. 피리다지늄 염들의 예들은 1-메틸피리다지늄 테트라시아노보레이트, 1-에틸피리다지늄 테트라시아노보레이트, 1-프로필피리다지늄 테트라시아노보레이트 및 1-부틸피리다지늄 테트라시아노보레이트이지만, 이들로 한정되는 것은 아니다. 4급 포스포늄 염들의 예들은, 테트라에틸포스포늄 테트라시아노보레이트, 테트라메틸포스포늄 테트라시아노보레이트, 테트라프로필포스포늄 테트라시아노보레이트, 테트라 부틸 포스포늄 테트라시아노보레이트, 트리에틸메틸포스포늄 테트라플루오로보레이트, 트리메틸에틸포스포늄 테트라시아노보레이트, 디메틸에틸포스포늄 테트라시아노보레이트, 트리메틸프로필포스포늄 테트라시아노보레이트, 트리메틸부틸포스포늄 테트라시아노보레이트, 디메틸에틸프로필포스포늄 테트라시아노보레이트, 메틸에틸프로필부틸포스포늄 테트라시아노보레이트이지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
특정 실시예들에서, 향상된 전해질 시스템에 사용하기 위해 본 명세서에서 선택되는 신규 전해질도 정제될 수 있다. 이러한 정제는 본 분야에 알려진 기법들 또는 본 명세서에 제공되는 기법들을 이용하여 수행될 수 있다. 이러한 정제는 본 명세서에 개시되는 신규 전해질 물질들의 특징들을 더욱 향상시킬 수 있다.
ⅱ. 고도로 정제된 전해질들
본 발명의 향상된 전해질 시스템은, 일 실시예에서, 고온 울트라커패시터들에 사용하기 위한 특정 고도로 정제된 전해질을 포함한다. 특정 실시예들에서. 본 발명의 AES를 포함하는 고도로 정제된 전해질은, 본 명세서에 개시되는 정제 처리에 의해 정제된 상기 기술된 신규 전해질 뿐만 아니라, 이하 개시되는 전해질들이다. 본 명세서에 제공되는 정제 방법은, 예를 들어, 약 80℃ 내지 210℃, 예를 들어, 약 80℃ 내지 약 200℃, 예를 들어, 약 80℃ 내지 약 190℃, 예를 들어, 약 80℃ 내지 약 180℃, 예를 들어, 약 80℃ 내지 약 170℃, 예를 들어, 약 80℃ 내지 약 160℃, 예를 들어, 약 80℃ 내지 약 150℃, 예를 들어, 약 85℃ 내지 약 145℃, 예를 들어, 약 90℃ 내지 약 140℃, 예를 들어, 약 95℃ 내지 약 135℃, 예를 들어, 약 100℃ 내지 약 130℃, 예를 들어, 약 105℃ 내지 약 125℃, 예를 들어, 약 110℃ 내지 약 120℃의 온도 범위에서의 고온 응용물, 예를 들어 고온 울트라커패시터에 사용하기 위한 향상된 특성을 갖는 향상된 전해질 시스템을 제공하는 불순물 수준을 생성한다.
울트라커패시터(10)의 향상된 특성을 획득하는 것은 현재 이용 가능한 것보다 더 우수한 전해질 시스템에 대한 요구를 낳는다. 예를 들어, 작동 온도 범위를 증가시키는 것은 알려진 전해질의 특정 형태들로부터 불순물들의 현저한 감소/제거에 의해 이루어질 수 있다는 것이 발견되었다. 특별한 관심 대상의 불순물들은, 물, 할라이드 이온들 (클로라이드, 브로마이드, 플루오라이드, 아이오다이드), 자유 아민 (암모니아), 술페이트 및 금속 양이온들 (Ag, Al, Ba, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, K, Li, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, Pb, Sr, Ti, Zn)을 포함한다. 이러한 정제된 고도로 정제된 전해질 제품은, 정제되지 않은 전해질보다 놀랍게도 훨씬 월등한 전해질을 제공하며, 그러하므로, 본 발명의 향상된 전해질 시스템에 포함된다.
특정 실시예에 있어서, 본 발명은 양이온(9)과 음이온(11)의 정제된 혼합물을 제공하고, 일부 경우에는, 약 5000 ppm 미만의 클로라이드 이온들; 약 1000 ppm 미만의 플루오라이드 이온들; 및/또는 약 1000 ppm 미만의 수분 (예를 들어, 약 2000 ppm 미만의 클로라이드 이온들; 약 200 ppm 미만의 플루오라이드 이온들; 및/또는 약 200 ppm 미만의 수분, 예를 들어, 약 1000 ppm 미만의 클로라이드 이온들; 약 100 ppm 미만의 플루오라이드 이온들; 및/또는 약 100 ppm 미만의 수분, 예를 들어, 약 500 ppm 미만의 클로라이드 이온들; 약 50 ppm 미만의 플루오라이드 이온들; 및/또는 약 50 ppm 미만의 수분, 예를 들어, 약 780 ppm 미만의 클로라이드 이온들; 약 11 ppm 미만의 플루오라이드 이온들; 및 약 20 ppm 미만의 수분 등)을 포함하는 본 발명의 AES로서 역할을 할 수 있는 용매를 제공한다.
일반적으로, 정제된 전해질에서 불순물들은 본 명세서에 개시되는 정제 방법들을 이용하여 제거된다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 할라이드 이온들(클로라이드, 브로마이드, 플루오라이드, 아이오다이드)의 총 농도가 약 1,000 ppm 아래로 감소될 수 있다. 금속성 종 (예를 들어, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, K, Li, Mo, Na, Ni, Pb, Zn, 그의 합금 및 산화물 중 적어도 하나를 포함함)의 총 농도가 약 1,000 ppm 아래로 감소될 수 있다. 또한, 합성 공정에서 이용된 용매들 및 전구체들로부터의 불순물들은 약 1,000 ppm 아래로 감소될 수 있고, 예를 들어, 브로모에탄, 클로로에탄, 1-브로모부탄, 1-클로로부탄, 1-메틸이미다졸, 에틸 아세테이트, 메틸렌 클로라이드 등을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 울트라커패시터(10)의 불순물 함량은 이온 선택적 전극들 및 칼 피셔(Karl Fischer) 적정 절차를 이용하여 측정하였고, 이것은 울트라커패시터(10)의 전해질(6)에 적용되었다. 특정 실시예에서, 본 명세서에서의 교시들에 따른 울트라커패시터(10) 내의 총 할라이드 함량은 약 200 ppm 미만의 할라이드 (Cl- 및 F-)이고, 수분 함량은 약 100 ppm 미만이라는 것이 발견되었다.
예를 들어, AAS (원자 흡수 분광분석법), ICPMS (유도 결합 플라즈마-질량 분광분석법), 또는 미량 중금속 산화물 미립자들의 간단한 가용화 및 전기화학 감지와 같은 다른 기술들을 이용하여 불순물들이 측정될 수 있다. AAS는 기체 상태에서 자유 원자들에 의한 광 방사 (빛)의 흡수를 채택한 화학 원소들의 정성적 및 정량적 결정을 위한 스펙트럼 분석 절차이다. 이 기술은 분석할 샘플 내의 특정 원소(분석 물질)의 농도를 결정하기 위해 이용된다. AAS는 용액 내 또는 직접 고체 샘플들 내의 70개의 상이한 요소들에 걸쳐서 결정하는 데 이용될 수 있다. ICPMS는 매우 민감하고 1조 분의 1 (part per trillion) 미만의 농도로 금속들 및 몇몇 비금속들의 범위를 결정할 수 있는 일종의 질량 분석법이다. 이 기술은 이온들을 생성하는 (이온화) 방법으로서의 유도 결합 플라스마를, 이온들을 분리하여 검출하는 방법으로서의 질량 분석법과 함께 커플링하는 것에 기초한다. ICPMS는 또한 선택한 이온들에 대한 동위원소 종 구성(isotopic speciation)을 모니터링할 수 있다.
불순물 분석에 대해 부가적인 기술들이 이용될 수 있다. 이들 기술들 중 일부는 고체 샘플들 내의 불순물 분석에 특히 유익하다. 이온 크로마토그래피 (IC)가 전해질(6) (예를 들어, 이온성 액체) 내의 극소량의 할라이드 불순물들을 결정하기 위해 이용될 수 있다. 이온 크로마토그래피의 하나의 이점은, 관련 할라이드 종들이 단일 크로마토그래피 분석으로 측정될 수 있다는 것이다. 20 mM NaOH 및 10%(v/v) 아세토니트릴을 구성하는 용리액을 이용하는 Dionex AS9-HC 칼럼이, 이온성 액체들로부터의 할라이드의 정량화를 위해 이용될 수 있는 장치의 일 예이다. 추가 기술은 X 레이 형광(X-ray fluorescence)이다.
X 레이 형광 (XRF) 기구들은 고체 샘플들 내의 할라이드 함량을 측정하는 데 이용될 수 있다. 이 기술에서, 분석될 샘플은 샘플 컵에 배치되고, 샘플 컵은 그 다음에 분석기에 배치되어, 특정 파장의 X 레이로 조사된다. 샘플 내의 임의의 할로겐 원자들은 X 레이의 일부를 흡수하고 나서 주어진 할로겐에 대해 특징적인 파장으로 방사를 반사한다. 기구 내의 검출기가 그 다음에 할로겐 원자들에서 나오는 방사의 양을 정량화하고 방사의 세기를 측정한다. 노출되는 표면적을 아는 것에 의해, 샘플 내의 할로겐들의 농도가 결정될 수 있다. 고체 샘플 내의 불순물을 산정하기 위한 추가 기술이 열분해이다.
불순물들의 흡착은 열분해 및 마이크로쿨로미터(microcoulometer)의 이용을 통해 효과적으로 측정될 수 있다. 마이크로쿨로미터들은 총 염소 함량에 대한 거의 임의의 타입의 물질을 테스트할 수 있다. 예로서, (10 밀리그램 미만의) 소량의 샘플이 약 600℃ 내지 약 1,000℃의 온도 범위의 석영 연소관 내로 주입 또는 배치된다. 순수 산소가 석영관을 통과하고 임의의 염소 함유 구성요소들이 완전히 연소된다. 그 결과로 생긴 연소 생성물들은 적정 셀 내로 들어오고, 여기서 클로라이드 이온들은 전해질 용액에 트랩(trap)된다. 전해질 용액은 임의의 클로라이드 이온들과 즉시 결합하여 불용성 염화은으로서 용액에서 나오는 은 이온들을 포함한다. 적정 셀 내의 은 전극은 은 이온들의 농도가 적정이 시작되기 전으로 돌아갈 때까지 다 써버린 은 이온들을 전기적으로 대체한다. 요구된 양의 은을 발생한는 데 필요한 전류의 양을 계속 파악함으로써, 기구는 원래 샘플에 얼마나 많은 염소가 존재했었는지를 판정할 수 있다. 존재하는 염소의 총량을 샘플의 무게로 나누면, 샘플에 실제로 있는 염소의 농도를 제공한다. 불순물을 산정하는 다른 기술들이 이용될 수 있다.
전극(3) 내의 표면 특성화 및 수분 함량은, 예를 들어, 적외선 분광분석법 기술들에 의해 검사될 수 있다. 대략 1130, 1560, 3250 및 2300cm-1에서 4개의 주요 흡수 대역들은, 각각 νC=O, νC=C (아릴 중), νO-H 및 νC-N에 대응한다. 세기 및 피크 위치를 측정함으로써, 전극(3) 내의 표면 불순물들을 정량적으로 식별하는 것이 가능하다.
전해질(6) 및 울트라커패시터(10) 내의 불순물들을 식별하기 위한 다른 기술이 라만 분광분석법이다. 이 분광분석법 기술은 보통 가시광선, 근적외선, 또는 근자외선 범위의 레이저로부터 단색광의 비탄성 산란, 또는 라만 산란에 의존한다. 레이저 광은 시스템 내의 분자 진동, 포논(phonon) 또는 다른 여기들과 상호작용함으로써, 레이저 광자의 에너지가 위 또는 아래로 시프트되는 결과가 생긴다. 따라서, 이 기술은 울트라커패시터(10) 내의 원자들 및 분자들을 특징화하는 데 이용될 수 있다. 라만 분광분석법에 대한 복수의 변형이 이용되고, 울트라커패시터(10)의 함유물을 특징화하는 데 유용함을 보여줄 수 있다.
iii
. 향상된 전해질
조합물들
본 발명의 향상된 전해질 시스템은, 일 실시예에서, 성능 또는 내구성에 현저한 저하 없이, -40℃ 내지 210℃의 온도 범위에서, 예를 들어, -40℃ 내지 150℃, -30℃ 내지 150℃, -30℃ 내지 140℃, -20℃ 내지 140℃, -20℃ 내지 130℃, -10℃ 내지 130℃, -10℃ 내지 120℃, 0℃ 내지 120℃, 0℃ 내지 110℃, 0℃ 내지 100℃, 0℃ 내지 90℃, 0℃ 내지 80℃, 0℃ 내지 70℃에서 사용하기에 적합한 특정 향상된 전해질 조합물들을 포함한다.
일반적으로, 주어진 온도에서 내구성의 고차는 저온에서 전압 안정성의 고차와 일치할 수 있다. 따라서, 고온 내구성 AES의 개발은, 향상된 전해질 조합물들과 함께, 일반적으로 고전압이지만 저온인 AES 의 동시 개발에 이르므로, 본 명세서에 개시되는 이들 향상된 전해질 조합물은, 또한, 보다 높은 전압에서, 이에 따라 보다 높은 에너지 밀도에서, 그러나 보다 낮은 온도에서 유용할 것이다.
일 실시예에서, 본 발명은 에너지 저장 셀, 예를 들어, 울트라커패시터에 사용하기에 적절한 향상된 전해질 조합물을 제공하며, 이는 제2 이온성 액체와 혼합된 이온성 액체, 유기 용매와 혼합된 이온성 액체, 및 제2 이온성 액체 및 유기 용매와 혼합된 이온성 액체로 이루어진 군으로부터 선택된 전해질의 신규 혼합물을 포함하며:
각각 이온성 액체는 하기 양이온들과 음이온들의 임의 조합의 염에서 선택되며, 양이온들은 1-부틸-3-메틸이미다졸륨, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨, 1-헥실-3-메틸이미다졸륨, 1-부틸-1-메틸피페리디늄, 부틸트리메틸암모늄, 1-부틸-1-메틸피롤리디늄, 트리헥실테트라데실포스포늄 및 1-부틸-3-메틸이미다졸륨으로 이루어진 군으로부터 선택되고; 음이온들은 테트라플루오로보레이트, 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드, 테트라시아노보레이트 및 트리플로로메탄술포네이트로 이루어진 군으로부터 선택되며; 및
유기 용매는 선형 술폰들 (예를 들어, 에틸 이소프로필 술폰, 에틸 이소부틸 술폰, 에틸 메틸 술폰, 메틸 이소프로필 술폰, 이소프로필 이소부틸 술폰, 이소프로필 s-부틸 술폰, 부틸 이소부틸 술폰 및 디메틸 설폰), 선형 카르보네이트들 (예를 들어, 에틸렌 카르보네이트, 프로필렌 카르보네이트 및 디메틸 카르보네이트)과 아세토니트릴로 이루어진 군으로부터 선택된다.
예를 들어, 위 양이온들 및 음이온들의 조합들이 주어지면, 각 이온성 액체는, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트; 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드; 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트; 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라시아노보레이트; 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 테트라시아노보레이트; 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드; 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 트리스(펜타플루오로에틸)트리플루오로포스페이트; 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 테트라시아노보레이트; 트리헥실테트라데실포스포늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드, 1-부틸-1-메틸피페리디늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드, 부틸트리메틸암모늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드 및 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 트리플로로메탄술포네이트로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
특정 실시예들에서, 이온성 액체는 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트이다.
특정 실시예들에서, 이온성 액체는 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드이다.
특정 실시예들에서, 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트이다.
특정 실시예들에서, 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라시아노보레이트이다.
특정 실시예들에서, 이온성 액체는 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 테트라시아노보레이트이다.
특정 실시예들에서, 이온성 액체는 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드이다.
일 실시예에서, 이온성 액체는 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 트리스(펜타플루오로에틸)트리플루오로포스페이트이다.
특정 실시예들에서, 이온성 액체는 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 테트라시아노보레이트이다.
특정 실시예들에서, 이온성 액체는 트리헥실테트라데실포스포늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드이다.
특정 실시예들에서, 이온성 액체는 비스 1-부틸-1-메틸피페리디늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드이다.
특정 실시예들에서, 이온성 액체는 부틸트리메틸암모늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드이다.
특정 실시예들에서, 이온성 액체는 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 트리플로로메탄술포네이트이다.
특정 실시예들에서, 유기 용매는 에틸 이소프로필 술폰, 에틸 이소부틸 술폰, 에틸 메틸 술폰, 메틸 이소프로필 술폰, 이소프로필 이소부틸 술폰, 이소프로필 s-부틸 술폰, 부틸 이소부틸 술폰 또는 비메틸 술폰, 선형 술폰들에서 선택된다.
특정 실시예들에서, 유기 용매는 폴리프로필렌 카르보네이트, 프로필렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트에서 선택된다.
특정 실시예들에서, 유기 용매는 아세토니트릴이다.
특정 실시예들에서, 향상된 전해질 조성은 유기 용매를 가진 이온성 액체이며, 유기 용매는 조성의 체적에 의해, 55%-90%, 예를 들어, 37.5%이다.
특정 실시예들에서, 향상된 전해질 조성은 제2 이온성 액체를 가진 이온성 액체이며, 한 가지 이온성 액체는 조성의 체적에 의해, 5%-90%, 예를 들어, 60%이다.
본 발명의 향상된 전해질 조합들은, 개별 커패시터에 대해 보다 넓은 온도 범위 성능 (예를 들어, 2개 온도들 사이를 천이할 때, 커패시턴스의 현저한 저하 및/또는 ESR의 현저한 상승이 없고, 예를 들어, 약 +30℃ 내지 약 -40℃로 천이할 때, 커패시턴스의 90% 이상 감소 및/또는 ESR의 1000% 이상의 증가가 없는 등), 및 개별 커패시터에 대해 향상된 온도 내구성 (예를 들어, 주어진 시간 이후 주어진 온도에서 커패시턴스의 증가가 50% 미만이고, 및/또는 주어진 시간 이후 주어진 온도에서 ESR의 증가가 100% 미만이고, 및/또는 주어진 시간 이후 주어진 온도에서 누설 전류가 10 A/L 미만이고, 예를 들어, 커패시턴스 감소가 40% 미만이고 및/또는 ESR 증가가 75% 미만이고, 및/또는 누설 전류가 5 A/L 미만이고, 예를 들어, 커패시턴스 감소가 30% 미만이고, 및/또는 ESR 증가가 50% 미만이고, 및/또는 누설 전류가 1 A/L 미만임)을 제공한다. 도 47 a 및 b, 도 48 a 및 b와 도 49는, 각각, 125℃에서 상기 리스팅으로부터 이온성 액체의 작용, 125℃에서 37.5% 유기적 용매-이온 액체(동일함) v/v의 작용, 및 -40℃에서 동일 구성의 작용을 묘사한다.
이론에 의해 구애되지 않고, 상술된 조합들은, -40℃ 아래의 온도에서 성능 및 내구성 기준 내에서 작동하는 울트라커패시터를 제공하는 향상된 전해질 시스템의 결빙점에 영향을 주는 공융 특성을 제공한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 신규 전해질을 위해, 특정 실시예들에서, 향상된 전해질 시스템 (AES)은 전해질과 혼합될 수 있고, 이는 이러한 조합이 향상된 전해질 시스템의 활용에 의해 달성되는 이점들에 현저하게 영향을 주지 않는다는 가정에서이다.
특정 실시예들에서, 향상된 전해질 시스템용으로 본 명세서에 선택되는 향상된 전해질 조합물들도 정제될 수 있다. 이러한 정제는 본 분야에 알려진 기술 또는 본 명세서에 제공되는 기술을 이용하여 수행될 수 있다.
B. 전극
EDLC는 적어도 한 쌍의 전극들(3)을 포함한다 (전극들(3)은 본 명세서에서 단지 참조의 목적을 위해, 음 전극(3) 및 양 전극(3)으로 지칭될 수 있다). 울트라커패시터(10)로 조립될 때, 전극들(3) 각각은 전해질 계면에서 이중 전하 층을 제공한다. 몇몇 실시예들에서는, 복수의 전극(3)이 포함된다 (예를 들어, 몇몇 실시예들에서는 적어도 두 쌍의 전극(3)이 포함된다). 그러나, 설명의 목적을 위해, 한 쌍의 전극(3)만이 도시된다. 본 명세서에서 통상적으로, 전극들(3) 중 적어도 하나는 에너지 스토리지를 제공하기 위해 (본 명세서에서 더 설명되는 바와 같은) 탄소 계열 에너지 저장 매체(1)를 사용한다. 그러나, 본 명세서에서의 설명의 목적을 위해, 일반적으로 전극들 각각은 탄소 계열 에너지 저장 매체(1)를 포함하는 것으로 가정한다.
ⅰ.
집전기
전극들(3) 각각은 ("전하 컬렉터(charge collector)"로도 지칭되는) 각각의 집전기(2)를 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 전극들(3)은 분리막(5)에 의해 분리된다. 일반적으로, 분리막(5)은 음 전극(3)과 양 전극(3)을 분리하는 데 사용되는 얇은 구조의 물질 (일반적으로 시트)이다. 분리막(5)은 전극들(3)의 쌍들을 분리하는 데에도 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서는 탄소 계열 에너지 저장 매체(1)가 전극들(3) 중 한쪽 또는 양쪽에 포함되지 않을 수 있다는 점에 유의한다. 즉, 몇몇 실시예들에서는 각각의 전극(3)이 집전기(2)만으로 구성될 수 있다. 집전기(2)를 제공하는 데 사용되는 물질은 그의 표면적을 증가시키기 위해 거칠거나, 양 전극 산화되거나, 기타 등등일 수 있다. 이러한 실시예들에서는 집전기(2)가 단독으로 전극(3)으로 사용될 수 있다. 그러나, 이를 기억하면서, 본 명세서에서 사용될 때, "전극(3)"이라는 용어는 일반적으로 에너지 저장 매체(1)와 집전기(2)의 결합을 지칭한다 (그러나 이것은 적어도 전술한 이유로 인해 한정은 아니다).
ⅱ. 에너지 저장 매체
예시적인 울트라커패시터(10)에서, 에너지 저장 매체(1)는 탄소 나노튜브로 형성된다. 에너지 저장 매체(1)는, 예를 들어, 활성탄, 탄소 섬유, 레이온, 그래핀, 에어로겔, 탄소 천(cloth) 및 복수의 형태의 탄소 나노튜브를 포함하는 다른 탄소질 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어 탄소 화합물의 탄화에 의해 얻어진 탄소 물질에 제1 활성화 처리를 수행하여 탄소 기자재를 생성하고, 탄소 기자재에 결합제를 추가하여 형성되는 바디를 생성하고, 형성된 바디를 탄화하고, 마지막으로 탄화 형성된 바디에 제2 활성화 처리를 수행하여 활성탄 전극을 생성함으로써 활성탄 전극이 제조될 수 있다. 예를 들어 큰 표면적의 탄소 섬유를 갖는 종이 또는 천 사전 형태(pre-form)를 이용하여 탄소 섬유 전극들이 생성될 수 있다.
탄소 나노튜브를 제조하기 위한 예시적인 방법에서, 정렬된 탄소 나노튜브 응집체를 생성하기 위한 장치는, 표면 상에 촉매를 갖는 기자재 상에서 정렬된 탄소 나노튜브 응집체를 합성하기 위한 장치를 포함한다. 이 장치는 촉매를 에워싸는 환경이 환원 가스의 환경이 되게 하고, 적어도 촉매 또는 환원 가스를 가열하는 형성 단계를 처리하는 형성 유닛; 촉매를 에우싸는 환경이 원시 물질 가스의 환경이 되게 하고, 적어도 촉매 또는 원시 물질 가스를 가열함으로써 정렬된 탄소 나노튜브 응집체를 합성하는 성장 단계를 처리하는 성장 유닛; 및 적어도 형성 유닛으로부터 성장 유닛으로 기자재를 전달하는 전달 유닛을 포함한다. 정렬된 탄소 나노튜브 응집체를 제공하기 위해 다양한 다른 방법들 및 장치들이 이용될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 에너지 저장 매체(1)를 구성하는 데 사용되는 물질은, 순수 탄소가 아닌 다른 물질(그리고 현재 존재하거나 나중에 고안될 수 있는 바와 같은 다양한 형태의 탄소)를 포함할 수 있다. 즉, 다양한 형태의 다른 물질들이 에너지 저장 매체(1)에 포함될 수 있다. 더 구체적으로, 그리고 비한정적인 예로서, 적어도 하나의 결합제 물질이 에너지 저장 매체(1)에서 사용될 수 있지만, 이것은 (결합제 물질과 같은) 다른 물질들의 추가를 시사하거나 요구하지는 않다. 그러나, 일반적으로, 에너지 저장 매체(1)는 실질적으로 탄소로 형성되고, 따라서 "탄소질 물질"로서, "탄소질 층"으로서 및 다른 유사한 용어에 의해 본 명세서에 지칭될 수 있다. 요컨대, 에너지 저장 매체(1)는 주로 탄소로 구성되지만, 에너지 저장 매체(1)로서의 필요한 기능을 제공하기 위해 임의 형태의 탄소 (또한 적절하거나 수용 가능한 것으로 간주되는 바와 같은 임의의 첨가제들 또는 불순물들)를 포함할 수 있다.
일 세트의 실시예들에서, 탄소질 물질은 적어도 질량으로 약 60%의 원소 탄소를 포함하며, 다른 실시예들에서는 적어도 질량으로 약 75%, 85%, 90%, 95% 또는 98%의 원소 탄소를 포함한다.
탄소질 물질은 카본 블랙, 흑연 등을 포함하는 다른 형태의 탄소를 포함할 수 있다. 탄소질 물질은 나노튜브, 나노막대(nanorod), 시트 형태의 그래핀 시트와 같은 및/또는 원뿔, 막대(rod), 구 (버키볼) 등으로 형성된 나노 입자들을 포함하는 탄소 입자들을 포함할 수 있다.
에너지 저장 매체(1)에 사용하기에 적합한 다양한 형태의 탄소질 물질의 몇몇 실시예들이 본 명세서에서 예들로서 제공된다. 이러한 실시예들은 신뢰성있는 에너지 스토리지를 제공하며, 전극(3)에 사용하기에 적합하다. 이러한 예들은 예시적이며, 에너지 저장 매체(1)에 사용하기에 적합한 탄소질 물질의 실시예들을 한정하지 않다는 점에 유의해야 한다.
특정 실시예들에서, 각 전극의 에너지 저장 매체(1)의 다공률은 커패시터의 성능을 향상하기 위해 각 전해질의 사이즈를 기초로 선택될 수 있다.
전극(3)을 제공하기 위해 집전기(2)를 에너지 저장 매체(1)에 제공하기 위한 예시적인 공정이 지금 제공된다. 도 2를 참조하면, 탄소 나노 튜브 집합체(CNT)의 형태로 탄소질 물질로 진행되는 기판(14)이 도시된다. 도시된 실시예에서, 기판(14)은 기자재(17)를 포함하며, 그 위에는 촉매(18)의 박층이 배치된다.
일반적으로, 기판(14)은 적어도 어느 정도는 유연하며 (즉, 기판(14)은 깨지기 쉽지 않으며), 에너지 저장 매체(1) (예를 들어, CNT)의 적층을 위한 환경들에 견딜 수 있는 구성요소들로 제조된다. 예를 들어, 기판(14)은 약 400℃ 내지 약 1,100℃의 고온 환경에 견딜 수 있다. 적절한 것으로 결정될 때, 다양한 물질들이 기판(14)에 사용될 수 있다.
이제 도 3을 참조하자. 에너지 저장 매체(1) (예로서, CNT)가 기판(14) 상에 제조되면, 집전기(2)가 그 위에 배치될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 집전기(2)는 약 0.5 마이쿨로미터 (㎛) 내지 약 25 마이쿨로미터 (㎛)의 두께를 갖는다. 몇몇 실시예들에서, 집전기(2)는 약 20 마이쿨로미터 (㎛) 내지 약 40 마이쿨로미터 (㎛)의 두께를 갖는다. 집전기(2)는 화학 기상 적층 (CVD), 스퍼터링, 전자 빔, 열 증착 또는 다른 적절한 기술에 의해 적용되는 층과 같은 박층으로서 나타날 수 있다. 일반적으로, 집전기(2)는 전도성, 전기 화학적 불활성 및 에너지 저장 매체(1) (예로서, CNT)와의 상용성 등, 그 특성들로 인해 선택된다. 일부 예시적인 물질들은 알루미늄, 백금, 금, 탄탈럼, 티타늄을 포함하며, 다양한 물질들은 물론, 다양한 합금들도 포함할 수 있다.
일단 집전기(2)가 에너지 저장 매체(1) (예로서, CNT) 상에 배치되면, 전극 요소(15)가 실현된다. 각각의 전극 요소(15)는 개별적으로 전극(3)으로 사용될 수 있거나, 전극(3)을 제공하기 위해 적어도 다른 전극 요소(15)에 커플링될 수 있다.
집전기(2)가 원하는 표준에 따라 제조되면, 제조 후 처리가 수행될 수 있다. 예시적인 후 처리는 약한 산화 환경에서의 에너지 저장 매체(1) (예로서, CNT)의 가열 및 냉각을 포함한다. 제조 (및 선택적인 후처리)에 이어서, 집전기(2)에 전송 도구(transfer tool)가 적용될 수 있다. 도 4를 참조할 수 있다.
도 4는 집전기(2)에 대한 전송 도구(13)의 적용을 도시한다. 이 예에서, 전송 도구(13)는 "건식" 전송 방법에서 사용되는 열적 이형 테이프이다. 예시적인 열적 이형 테이프는 캘리포니아 프레몬드 및 일본 오사카의 NITTO DENKO CORPORATION에 의해 제조된다. 하나의 적절한 전달 테이프는 REVALPHA로서 판매된다. 이러한 이형 테이프는 실온에서 단단하게 접착하고 가열에 의해 벗겨질 수 있는 접착제 테이프로서 특성화될 수 있다. 이 테이프, 및 열적 이형 테이프의 다른 적절한 실시예들은 사전 결정된 온도에서 이형될 것이다. 이롭게도, 이형 테이프는 전극 요소(15) 상에 화학적으로 활성인 잔여물을 남기지 않는다.
"습식" 전송 방법으로 지칭되는 다른 공정에서는 화학적 이형을 위해 설계된 테이프가 사용될 수 있다. 일단 적용되면, 테이프는 용매 내에 담금으로써 제거된다. 용매는 접착제를 녹이도록 설계된다.
다른 실시예들에서, 전송 도구(13)는 집전기(2)에 대한 흡입의 적용에 의하는 등 "압축 공기" 방법을 이용한다. 흡입은 예를 들어 흡입을 분산시키기 위한 복수의 구멍을 갖는 약간 큰 크기의 패들(paddle)을 통해 적용될 수 있다. 다른 예에서, 흡입은 흡입을 분산시키기 위한 복수의 구멍을 갖는 롤러를 통해 적용된다. 흡입 구동 실시예들은 전기적으로 제어되는 이점 및 소모 가능한 물질들이 전달 공정의 일부로서 사용되지 않음에 따라 경제적인 이점을 제공한다. 전송 도구(13)의 다른 실시예들이 이용될 수 있다.
일단 전송 도구(13)가 집전기(2)에 임시 커플링되면, 전극 요소(15)가 기판(14)으로부터 적절히 제거된다 (도 4 및 5 참조). 일반적으로 제거는 기판(14) 및 에너지 저장 매체(1) (예로서, CNT)의 한 쪽 가장자리에서 시작하여 기판(14)으로부터 에너지 저장 매체(1) (예로서, CNT)를 벗겨내는 단계를 포함한다.
이어서, 전송 도구(13)가 전극 요소(15)로부터 분리될 수 있다 (도 6 참조). 몇몇 실시예들에서, 전송 도구(13)는 전극 요소(15)를 설치하는 데 사용된다. 예를 들어, 전송 도구(13)는 전극 요소(15)를 분리막(5) 상에 배치하는 데 사용될 수 있다. 일반적으로, 기판(14)으로부터 제거되면, 전극 요소(15)는 사용이 가능하다.
큰 전극(3)이 요구되는 예들에서는, 복수의 전극 요소(15)가 일치될 수 있다. 도 7을 참조할 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 예를 들어 커플링(52)을 복수의 전극 요소(15)의 각각의 전극 요소(15)에 일치시킴으로써, 복수의 전극 요소(15)가 일치할 수 있다. 일치된 전극 요소들(15)은 전극(3)의 일 실시예를 제공한다.
몇몇 실시예들에서, 커플링(22)은 용접부(21)에서 전극 요소들(15) 각각에 커플링된다. 용접부들(21) 각각은 초음파 용접부(21)로서 제공될 수 있다. 초음파 용접 기술들은 각각의 용접부(21)를 제공하는 데에 특히 적합한 것으로 밝혀졌다. 즉, 일반적으로, 에너지 저장 매체(1) (예로서, CNT)의 응집체는 용접에 상용적이지 않으며, 본 명세서에서 개시되는 바와 같은 명목상의 집전기만이 사용된다. 결과적으로, 전극 요소들(15)을 결합하기 위한 많은 기술은 파괴적이며, 요소(15)를 손상시킨다. 그러나, 다른 실시예들에서는 다른 형태의 커플링이 사용되며, 커플링(22)은 용접부(21)가 아니다.
커플링(22)은 포일(foil), 메시(mesh), 복수의 와이어 또는 다른 형태일 수 있다. 일반적으로, 커플링(22)은 전도성 및 전기 화학적 불활성과 같은 특성들로 인해 선택된다. 몇몇 실시예들에서, 커플링(22)은 집전기(2) 내에 존재하는 것과 동일한 물질(들)로 제조된다.
몇몇 실시예들에서, 커플링(22)은 그 위의 산화물 층을 제거함으로써 제조된다. 산화물은 예를 들어 용접부(21)를 제공하기 전에 커플링(22)을 에칭함으로써 제거될 수 있다. 에칭은 예를 들어 칼륨 수산화물 (KOH)을 이용하여 달성될 수 있다. 전극(3)은 울트라커패시터(10)의 다른 실시예들에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 전극(3)은 "젤리롤" 타입의 에너지 저장 장치로 감길 수 있다.
C. 분리막
분리막(5)은 여러 물질로 제조될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 분리막(5)은 비직조 유리이다. 분리막(5)은 또한 섬유유리, 세라믹, 및 델라웨어 윌밍턴의 DuPont Chemicals에 의해 일반적으로 TEFLONTM으로서 판매되는 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE)과 같은 플루오로-중합체들로 제조될 수 있다. 예를 들어, 비직조 유리를 사용하는 경우, 분리막(5)은 주요 섬유들 및 결합제 섬유들을 포함할 수 있으며, 결합제 섬유들 각각은 주요 섬유들 각각의 직경보다 작은 섬유 직경을 갖고, 주요 섬유들이 함께 결합되게 할 수 있다.
울트라커패시터(10)의 긴 수명을 위해 및 고온에서의 성능을 보장하기 위해, 분리막(5)은 감소된 양의 불순물, 특히 매우 제한된 양의 수분을 그 안에 포함해야 한다. 구체적으로, 화학 반응을 줄이고 울트라커패시터(10)의 수명을 향상하기 위해 및 고온 응용들에서 양호한 성능을 제공하기 위해, 수분을 약 200 ppm으로 제한하는 것이 바라는 것으로 밝혀졌다. 분리막(5)에 사용하기 위한 물질들의 몇몇 실시예들은 폴리아미드, 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 폴리에테르에테르케톤 (PEEK), 알루미늄 산화물 (Al2O3), 섬유유리 및 유리 강화 플라스틱 (GRP)을 포함한다.
일반적으로, 분리막(5)에 사용되는 물질들은 수분 함량, 다공성, 융점, 불순물 함량, 결과적인 전기적 성능, 두께, 비용, 가용성 등에 따라 선택된다. 몇몇 실시예들에서, 분리막(5)은 소수성 물질들로 구성된다.
따라서, 각각의 분리막(5)으로부터 과도한 수분을 제거하는 것을 보장하기 위한 절차들이 이용될 수 있다. 다른 기술들 중에서, 진공 건조 절차가 이용될 수 있다. 분리막(5)에 사용하기 위한 물질의 선택이 표 1에 제공된다. 일부 관련 성능 데이터가 표 2에 제공된다.
표 2에 대한 데이터를 수집하기 위해, 탄소질 물질에 기초하는 2개의 전극(3)이 제공되었다. 전극들(3)은 서로 반대편에 마주보며 배치된다. 분리막들(5) 각각은 단락을 방지하기 위해 전극들(3) 사이에 배치되었다. 이어서, 3개의 구성요소가 전해질(6)로 적셔졌고 함께 압축되었다. 2개의 알루미늄 바 및 PTFE 물질이 결과적인 울트라커패시터(10)를 에워싸기 위한 외부 구조로 사용되었다.
ESR 1차 테스트 및 ESR 2차 테스트는 동일 구성을 이용하여 하나씩 수행되었다. 2차 테스트는 1차 테스트가 끝나고 5분 후에 행해져, 전해질(6)이 구성요소들 내로 더 스며들 시간을 주었다.
특정 실시예들에서, 울트라커패시터(10)는 분리막(5)을 포함하지 않는다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서, 예를 들어 전극들(3)이 구성의 기하 배열에 의해 물리적 분리를 보장받는 경우에는 전극들(3) 사이에 전해질(6)만을 갖는 것으로 충분하다. 보다 구체적으로, 물리적 분리의 일례로서, 하나의 그러한 울트라커패시터(10)는 분리가 연속적으로 보장되도록 하우징 내에 배치되는 전극들(3)을 포함할 수 있다. 벤치-톱(bench-top) 예시는 비커 내에 제공되는 울트라커패시터(10)를 포함할 것이다.
D. 저장 셀
조립되면, 전극들(3) 및 분리막(5)은 저장 셀(12)을 제공한다. 일반적으로, 저장 셀(12)은 롤링된 형태 또는 프리즘 형태 중 하나의 형태로 구성된 후에 원통 또는 프리즘 하우징(7) 내에 패키징된다. 전해질(6)이 포함되면, 하우징(7)은 기밀 밀봉될 수 있다. 다른 예들에서, 패키지는 레이저, 초음파 및/또는 용접 기술들을 이용하는 기술들에 의해 기밀 밀봉된다. 저장 셀(12)의 강건한 물리적 보호를 제공하는 것에 더하여, 하우징(7)은 하우징(7) 내의 각각의 단자들(8)과의 전기적 통신을 제공하기 위한 외부 접촉부들을 갖도록 구성된다. 단자들(8) 각각은 또한 일반적으로 에너지 저장 매체(1)에 커플링되는 전기 리드들을 통해 에너지 저장 매체(1) 내에 저장된 에너지에 대한 전기적 액세스를 제공한다.
일반적으로, 본 명세서에서 개시되는 울트라커패시터(10)는 약 5.0x10-6 atm-cc/초 이하의 누설률을 갖는 기밀 밀봉을 제공할 수 있으며, 약 5.0x10-10 atm-cc/초 이하의 누설률을 보일 수 있다. 적절한 경우에 성공적인 기밀 밀봉의 수행은 사용자, 설계자 또는 제조자에 의해 판단되며, "기밀"은 궁극적으로 사용자, 설계자, 제조자 또는 다른 관련자에 의해 정의되는 표준을 암시한다는 것도 고려된다.
누설 검출은 예를 들어 트레이서 가스(tracer gas)의 사용에 의해 달성될 수 있다. 누설 테스트를 위해 헬륨과 같은 트레이서 가스를 사용하는 것은 건식이고, 빠르고, 정확하고, 비파괴적인 방법이므로 유리하다. 이러한 기술의 일례에서, 울트라커패시터(10)는 헬륨의 환경 내에 배치된다. 울트라커패시터(10)는 가압된 헬륨에 노출된다. 이어서, 울트라커패시터(10)는 헬륨의 존재를 모니터링할 수 있는 검출기 (원자 흡수 유닛 등)에 접속된 진공 챔버 내에 배치된다. 가압 시간, 압력 및 내부 볼륨의 지식을 이용하여, 울트라커패시터(10)의 누설률이 결정될 수 있다.
몇몇 실시예들에서는, (본 명세서에서 "탭(tab)"으로도 지칭될 수 있는) 적어도 하나의 리드가 집전기들(2) 각각에 전기적으로 커플링된다. (울트라커패시터(10)의 극성에 따라) 복수의 리드가 함께 그룹화되고, 각각의 단자(8)로 커플링될 수 있다. 또한, 단자(8)는 "접촉부" (예를 들어, 하우징(7) 및 외부 전극 (본 명세서에서 통상적으로 "피드-스루(feed-through)" 또는 "핀(pin)"으로도 지칭됨) 중 하나)로 지칭되는 전기적 액세스에 커플링될 수 있다. 도 28과 도 32-34가 참조될 수 있다.
E. 하우징
도 11은 예시적 하우징(7)의 면들을 묘사한다. 특히, 하우징(7)은 울트라커패시터(10)에 대한 구조 및 물리적 보호를 제공한다. 이 예에서, 하우징(7)은 환형 원통 모양의 바디(20) 및 컴플리멘터리 캡(complimentary cap)(24)을 포함한다. 본 실시예에서, 캡(24)은 제거되어 전기 절연체(26)로 채워진 중심 부분을 포함한다. 캡 피드-스루(cap feed-through)(19)가 전기 절연체(26)를 관통하여 사용자들에게 저장된 에너지에 대한 액세스를 제공한다. 더욱이, 하우징은 또한 내부 배리어(30)를 포함할 수 있다.
이 예는 캡(24) 상의 하나의 피드-스루(19)만을 도시하지만, 하우징(7)의 구축은 본 명세서에 논의된 실시예들에 의해 한정되지 않다는 것을 인식해야 한다. 예를 들어, 캡(24)는 복수의 피드-스루(19)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 바디(20)는 환형 원통의 대향 단에 제2의 유사한 캡(24)을 포함한다. 또한, 하우징(7)은 환형 원통 모양의 바디(20)를 갖는 실시예들로 한정되지 않다는 것을 인식해야 한다. 예를 들어, 하우징(7)은 뚜껑이 달린 설계, 프리즘 모양의 설계, 파우치, 또는 설계자, 제조자 또는 사용자의 요구들에 적절한 임의의 다른 설계로 될 수 있다.
이제 도 12을 참조하면, 예시적 에너지 저장 셀(12)를 보여준다. 이 예에서, 에너지 저장 셀(12)은 "젤리롤" 타입의 에너지 스토리지이다. 이들 실시예에서, 에너지 스토리지 물질들은 타이트한 패키지에 롤업된다. 복수의 리드는 일반적으로 각각의 단자(8)를 구성하고 에너지 저장 셀(12)의 적절한 층에 대한 전기적 액세스를 제공한다. 일반적으로, 조립될 때, 각각의 단자(8)는 하우징(7)에 (예를 들어, 각각의 피드-스루(19)에 및/또는 직접적으로 하우징(7)에) 전기적으로 커플링된다. 에너지 저장 셀(12)은 다른 형태를 가정할 수 있다. 일반적으로 적어도 2개의 복수의 리드 (예를 들어, 단자(8))가 존재하고, 각각의 집전기(2)에 대해 하나씩 존재한다. 간략함을 위해, 하나의 단자(8) 만이 도 12, 도 15 및 도 17에 도시된다.
하우징(7)의 매우 효율적인 밀봉이 요구된다. 즉, 외부 환경 (예를 들어, 공기, 수분, 등등)의 침범을 방지하는 것은 에너지 저장 셀(12)의 구성요소들의 순도를 유지하는 데 도움이 된다. 또한, 이것은 에너지 저장 셀(12)으로부터 전해질(6)의 누설을 방지한다.
이 예에서, 캡(24)은 바디(20)의 내부 직경 내에 안락하게 꼭 맞게 설계되는 외부 직경을 갖도록 제조된다. 조립될 때, 캡(24)은 바디(20) 내로 용접될 수 있고, 이에 따라 사용자들에게 기밀 밀봉을 제공한다. 예시적인 용접 기술들은 레이저 용접 및 TIG 용접을 포함하고, 적절하다고 생각되는 다른 형태의 용접을 포함할 수 있다.
하우징(7)을 위한 공통 물질들은 스테인레스 스틸, 알루미늄, 탄탈럼, 티타늄, 니켈, 구리, 주석, 다른 합금들, 라미네이트들 등을 포함한다. 일부 중합체 기반의 물질들과 같은 구조적 물질들이(일반적으로 적어도 일부 금속 구성요소들과 결합하여) 하우징(7)에 이용될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 바디(20)의 구축에 이용되는 물질은 알루미늄을 포함하고, 이것은 설계자 또는 제조자에 의해 적절한 것으로 생각되는 임의의 타입의 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함할 수 있다 (이것들 전부를 본 명세서에서는 광범위하게 간단히 "알루미늄"이라고 칭한다). 여러 합금들, 라미네이트들 등이 알루미늄 (바디(20)의 내부에 노출되는 알루미늄) 상에 배치 (예를 들어, 클래딩)될 수 있다. 바디 및/또는 하우징(7)을 보완하기 위해 추가적인 물질(일부 중합체-기반 물질과 같은, 전기 절연성 물질 또는 구조 물질)이 사용될 수 있다. 알루미늄 상에 배치된 물질은 마찬가지로 설계자 또는 제작자에 의해 적절한 것으로 간주되는 것으로 선택될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 다층 물질이 내부 구성요소들에 대해 이용된다. 예를 들어, 알루미늄이 단자들(8) 중 적어도 하나에 다층 물질을 제공하기 위해 스테인레스 스틸로 클래딩될 수 있다. 이 실시예들 중 일부에서, 알루미늄의 일부를 제거하여 스테인레스 스틸을 노출할 수 있다. 노출된 스테인레스 스틸은 그 다음에 간단한 용접 절차들의 이용에 의해 피드-스루(19)에 단자(8)를 부착하는 데 이용될 수 있다.
내부 구성요소들을 위한 클래드 물질의 이용은 클래드 물질의 특정 실시예들을 요청할 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 (바닥부 층), 스테인레스 스틸 및/또는 탄탈럼 (중간 층) 및 알루미늄 (꼭대기 층)을 포함하는 클래드 물질을 이용하고, 이로써 울트라커패시터(10)의 내부 환경에의 스테인레스 스틸의 노출을 제한하는 것이 유익할 수 있다. 이 실시예들은 예를 들어, PTFE와 같은 중합체 물질들을 갖는 부가적인 코팅에 의해 증강될 수 있다.
따라서, 다층 물질을 이용하는 하우징(7)을 제공하는 것은 종래 기술의 기준에서 볼 때 비교적 낮은 초기값들을 갖는 누설 전류 및 시간이 흐를수록 누설 전류의 실질적으로 더 느린 증가를 나타내는 에너지 스토리지를 제공한다. 의미 있게도, 울트라커패시터(10)의 누설 전류는, 종래 기술의 커패시터들이 엄청나게 큰 초기값들의 누설 전류를 나타내는 및/또는 시간이 흐를수록 엄청 빠르게 누설 전류의 증가를 나타내는 주위 온도에 울트라커패시터가 노출될 때 현실적인 (즉, 바람직하게 낮은) 수준으로 유지된다.
또한, 울트라커패시터(10)는 하우징(7)과 에너지 저장 셀(12) 사이의 반응이 감소된 결과로 다른 이점들을 보일 수 있다. 예를 들어, 에너지 스토리지의 유효 직렬 저항 (ESR)은 시간이 지남에 따라 비교적 낮은 값을 보일 수 있다. 또한, 종래의 커패시터에서 일어나는 원치 않는 화학 반응은 종종 가스 방출(out-gassing)이나, 기밀하게 밀봉된 하우징의 경우에는 하우징(7)의 벌징(bulging)과 같은 원치 않는 효과를 야기한다. 두 경우에, 이는 하우징(7) 및/또는 에너지 스토리지의 기밀 밀봉의 구조적 무결성에 대한 손상을 초래한다. 궁극적으로, 이는 종래의 커패시터에 대해 누설 또는 치명적인 오류를 초래할 수 있다. 이러한 효과는 개시된 배리어의 적용에 의해 실질적으로 감소되거나 제거될 수 있다.
다층 물질 (예컨대, 클래드 물질)를 이용하여, 스테인리스 스틸이 하우징(7)에 통합될 수 있고, 따라서 유리 대 금속 밀봉을 갖는 구성요소가 사용될 수 있다. 구성요소는 레이저 또는 저항 용접과 같은 기술을 사용하여 클래드 물질의 스테인리스 스틸 측에 용접될 수 있는 한편, 클래드 물질의 알루미늄 측은 다른 알루미늄 파트 (예컨대, 바디(20))에 용접될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 절연성 중합체는 하우징(7)의 부분들을 코팅하는데 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 에너지 스토리지의 구성요소만이, (알루미늄과 같은) 허용가능한 금속 유형에 노출되는 것을 보장할 수 있다. 예시적인 절연성 중합체는 PFA, FEP, TFE 및 PTFE를 포함한다. 적합한 중합체 (또는 다른 물질)는 단지 시스템 설계자 또는 제작자의 필요 및 각각의 물질의 특성에 의해서만 제한된다. 도 23을 참조하면, 소량의 절연 물질(39)가 포함되어 스테인리스 스틸인 슬리브(sleeve)(51)와 피드-스루(19)에 대한 전해질(6)의 노출을 제한한다. 이 예에서, 단자(8)는, 예컨대, 용접에 의해, 피드-스루(19)에 커플링된 다음, 절연 물질(39)로 코팅된다.
ⅰ.
하우징
캡
이 예는 캡(24) 상의 하나의 피드-스루(19)만을 도시하지만, 하우징(7)의 구성은 본 명세서에 논의된 실시예들에 의해 한정되지 않다는 것을 인식해야 한다. 예를 들어, 캡(24)은 복수의 피드-스루들(19)을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 바디(20)는 환형 원통의 대향 단에 제2의 유사한 캡(24)을 포함한다. 또한, 하우징(7)은 환형 원통 모양의 바디(20)를 갖는 실시예들로 한정되지 않다는 것을 인식해야 한다. 예를 들어, 하우징(7)은 뚜껑이 달린 설계, 프리즘 모양의 설계, 파우치, 또는 설계자, 제조자 또는 사용자의 요구들에 적절한 임의의 다른 설계로 될 수 있다.
이제 도 18을 참조하면, 캡(24)을 위한 블랭크(34)의 실시예들의 양태들이 도시된다. 도18a에서, 블랭크(34)는 다층 물질을 포함한다. 제1 물질의 층(41)은 알루미늄일 수 있다. 제2 물질의 층(42)은 스테인레스 스틸일 수 있다. 도 18의 실시예들에서, 스테인레스 스틸은 알루미늄에 클래딩되고, 따라서 야금 특성들의 원하는 조합을 나타내는 물질을 제공한다. 즉, 본 명세서에서 제공된 실시예에서, 알루미늄이 에너지 저장 셀 (즉, 하우징)의 내부에 노출되는 한편, 스테인리스 스틸은 외부에 노출된다. 이러한 방식으로, 알루미늄의 유리한 전기적 특성을 누리는 한편, 구축에 대해 스테인리스 스틸의 구조적 특성 (및 야금 특성, 즉, 용접성)에 의존한다. 다층 물질은 적절한 것으로 간주되는 추가적인 층을 포함할 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 제1 물질의 층(41)이 제2 물질의 층(42)에 (또는 층으로) 클래딩된다. 여전히 도 18a를 참조하면, 일 실시예에서, (도시된 바와 같은) 플랫 스톡(flat stock)의 시트를 이용하여 블랭크(34)를 제공해서 플랫 캡(24)을 생성한다. (캡(24)의 원주 둘레와 같이) 제2 물질의 층(42)의 일부가 바디(20)에 캡(24) 부착을 용이하게 하기 위하여 제거될 수 있다. 도 18b에, 블랭크(34)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 이 예에서, 블랭크(34)는 오목 구성으로 형성되는 클래드 물질의 시트로서 제공된다. 도 18c에서, 블랭크(34)는 볼록 구성으로 형성되는 클래드 물질의 시트로서 제공된다. (도 18에 도시된 것들과 같은) 블랭크(34)의 다른 실시예들로부터 제조되는 캡(24)은 하우징(7)의 바디(20)에의 용접을 지지하도록 구성된다. 더욱 구체적으로, 도 18b의 실시예는 바디(20)의 내부 직경 내에 꼭 맞도록 구성되고, 도 18c의 실시예는 바디(20)의 외부 직경에 맞도록 구성된다. 다른 대안적인 실시예들에서, 시트 내의 클래드 물질의 층들이 반대로 될 수 있다.
이제 도 19를 참조하면, 전극 조립체(50)의 실시예를 보여준다. 전극 조립체(50)는 블랭크(34)에 설치되고 사용자에게 에너지 저장 매체로부터의 전기적 통신을 제공하도록 설계된다. 일반적으로, 전극 조립체(50)는 슬리브(sleeve)(51)를 포함한다. 슬리브(51)는 피드-스루(19)를 에워싸는 절연체(26)를 둘러싼다. 이 예에서, 슬리브(51)는 플랜지 꼭대기 부분(flanged top portion)을 갖는 환형 원통이다.
캡(24)을 조립하기 위하여, 천공 (도시되지 않음)이 블랭크(34)에 만들어진다. 천공은 전극 조립체(50)에 맞도록 크기가 정해지는 기하학적 구조를 갖는다. 따라서, 전극 조립체(50)는 블랭크(34)의 천공 내로 삽입된다. 전극 조립체(50)가 삽입되면, 전극 조립체(50)는 용접과 같은 기술을 통해 블랭크(34)에 고정될 수 있다. 용접은 슬리브(51)의 플랜지의 원주에 대해 용접하는 레이저 용접일 수 있다. 도 20을 참조하면, 포인트들(61) 용접이 수행된 곳에서 보여진다. 이 실시예에서, 포인트들(61)은 비교적 간단한 용접 절차인, 스테인레스 스틸 대 스테인레스 스틸의 용접을 위한 적절한 위치들을 제공한다. 따라서, 본 명세서의 교시들은 블랭크(34) 상의 장소에 전극 조립체(50)를 안전하게 용접하는 것을 제공한다.
슬리브(51)를 구성하기 위한 물질은 다른 타입의 금속 또는 금속 합금을 포함할 수 있다. 일반적으로, 슬리브(51)를 위한 물질은 예를 들어, 구조적 무결성 및 (블랭크(34)에 대한) 결합성에 따라 선택된다. 슬리브(51)를 위한 예시적인 물질은 304 스테인레스 스틸 또는 316 스테인레스 스틸을 포함한다. 피드-스루(19)를 구성하기 위한 물질은 다른 타입의 금속 또는 금속 합금을 포함할 수 있다. 일반적으로, 피드-스루(19)를 위한 물질은 예를 들어, 구조적 무결성 및 전기 전도도에 따라 선택된다. 전극을 위한 예시적인 물질은 446 스테인레스 스틸 또는 52 합금을 포함한다.
일반적으로, 절연체(26)는 알려진 기술들 (즉, 유리 대 금속 결합)을 통해 슬리브(51) 및 피드-스루(19)에 결합된다. 절연체(26)를 구성하기 위한 물질은 고온 유리, 세라믹 유리 또는 세라믹 물질들을 포함하는 다른 타입의 유리를 포함할 수 있고, 이에 한정되는 것은 아니다. 일반적으로, 절연체를 위한 물질은 예를 들어, 구조적 무결성 및 전기 저항성 (즉, 전기 절연 특성)에 따라 선택된다.
다양한 용접 기술들의 이용뿐만 아니라 유리 대 금속 결합에 의존하는 구성요소들의 이용 (예를 들어, 전극 조립체(50)의 전술한 실시예)은 에너지 스토리지의 기밀 밀봉을 제공한다. 다른 구성요소들을 이용해서도 기밀 밀봉을 제공할 수 있다. 본 명세서에 이용된 바와 같이, 용어 "기밀 밀봉"은 일반적으로 본 명세서에 정의되는 것보다 크지 않은 누설률을 나타내는 밀봉을 지칭한다. 그러나, 실제 밀봉 효율이 이러한 표준보다 더 잘 수행할 수 있다는 것이 고려된다.
전극 조립체(50)를 블랭크(34)에 커플링시키기 위한 부가적인 또는 다른 기술들은 이러한 기술들이 적절하다고 생각될 때, 슬리브(51)의 플랜지 아래에 (플랜지와 제2 물질의 층(42) 사이에) 결합제의 이용을 포함한다.
이제 도 21을 참조하면, 에너지 저장 셀(12)은 바디(20) 내에 배치된다. 적어도 하나의 단자(8)가 (예를 들어, 피드-스루(19)에) 적절하게 커플링되고, 캡(24)은 울트라커패시터(10)를 제공하기 위해 바디(20)와 일치된다.
일단 조립되면, 캡(24)과 바디(20)는 밀봉될 수 있다. 도 22는 조립된 에너지 스토리지의 다른 실시예들을 도시한다 (이 경우, 울트라커패시터(10)). 도 22a에서, 플랫 블랭크(34) (도 18a 참조)를 이용하여 플랫 캡(24)을 생성한다. 캡(24)이 바디(20)에 설치되면, 캡(24)과 바디(20)는 용접되어 밀봉(62)을 생성한다. 이 경우, 바디(20)는 환형 원통이므로, 용접은 밀봉(62)을 제공하기 위해 캡(24)과 바디(20)에 대해 원주로(circumferentially) 진행한다. 도 22b에 도시된 제2 실시예에서, 오목 블랭크(34)(도 18b 참조)를 이용하여 오목 캡(24)을 생성한다. 캡(24)이 바디(20)에 설치되면, 캡(24)과 바디(20)는 용접되어 밀봉(62)을 생성한다. 도 22c에 도시된 제3 실시예에서, 볼록 블랭크(34)(도 18c 참조)를 이용하여 볼록 캡(24)을 생성한다. 캡(24)이 바디(20)에 설치되면, 캡(24)과 바디(20)는 용접되어 밀봉(62)을 생성할 수 있다.
적절하게, 다층 물질 내의 다른 금속을 노출하기 위해 (예를 들어, 머시닝(machining) 또는 식각 등과 같은 기술들에 의해) 클래드 물질이 제거될 수 있다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 밀봉(62)은 알루미늄 대 알루미늄 용접을 포함할 수 있다. 알루미늄 대 알루미늄 용접은 적절하게 다른 패스너들과 보충될 수 있다.
다른 기술들을 이용하여 하우징(7)을 밀봉할 수 있다. 예를 들어, 레이저 용접, TIG 용접, 저항 용접, 초음파 용접, 및 다른 형태의 기계적 밀봉이 이용될 수 있다. 그러나, 일반적으로, 종래의 형태의 기계적 밀봉만으로는 울트라커패시터(10)에 제공된 강건한 기밀 밀봉을 제공하는 데 충분하지 않다는 것에 주목해야 한다.
이제, 도 24를 참조하면, 캡(24)에 대한 또 다른 실시예의 조립체 측면이 도시된다. 도 24a는 캡(24)의 바디를 제공하는데 사용되는 템플릿 (즉, 블랭크(34))을 도시한다. 템플릿은 일반적으로 (울트라커패시터(10)와 같은) 에너지 저장 셀의 적절한 유형의 하우징(7)과 일치될 수 있는 크기로 되어 있다. 캡(24)은 초기에 템플릿 내에 돔(37)을 포함하는 템플릿을 구성하여 템플릿을 제공하고(도 24b에 도시됨) 그 다음에 돔(37)을 천공하여 스루웨이(through-way)(32)를 제공하도록 구성될 수 있다 (도 24c에 도시됨). 물론, 블랭크(34) (예컨대, 스톡(stock)의 원형 피스(circular piece))는 가압될 수 있거나 그렇지 않으면 전술한 특징들이 동시에 제공되도록 제조될 수 있다.
일반적으로, 이러한 실시예와 관련하여, 캡은 알루미늄, 또는 이들의 합금으로 구성될 수 있다. 그러나, 캡은 제조자, 사용자, 설계자 등에 의해 적합한 것으로 간주되는 임의의 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 캡(24)은 스틸로 제조되어 부동태화 (즉, 불활성 코팅으로 코팅)되거나 그렇지 않으면 하우징(7)에서 사용하기 위해 제조될 수 있다.
또한, 이제, 도 25를 참조하면, 전극 조립체(50)의 또 다른 실시예가 도시된다. 이러한 실시예에서, 전극 조립체(50)는 피드-스루(19) 및 피드-스루(19)에 대해 배치된 반구형 물질을 포함한다. 반구형 물질은 절연체(26)의 역할을 하고, 일반적으로 돔(37)에 맞도록 형상화된다. 반구형 절연체(26)는 전해질(6)의 화학적 영향을 견디면서 기밀 밀봉을 제공하기 위한 임의의 적합한 물질로 제조될 수 있다. 예시적인 물질로는, PFA (퍼플루오로알콕시 중합체), FEP (플루오린화 에틸렌-프로필렌), PVF (폴리비닐플루오라이드), TFE (테트라플루오로에틸렌), CTFE (클로로트리플루오로에틸렌), PCTFE (폴리클로로트리플루오로에틸렌), ETFE (폴리에틸렌테트라플루오로에틸렌), ECTFE (폴리에틸렌클로로트리플루오로에틸렌), PTFE (폴리테트라플루오로에틸렌), 또 다른 플루오로중합체 기반 물질뿐만 아니라 (다양한 면에서) 유사한 특성을 보이고 (예컨대, 여러 가지 중에서도, 고온에서 용매, 산 및 염기에 대해 고저항, 저비용 등을 보임으로써) 만족스러운 성능을 제공할 수 있는 임의의 다른 물질을 포함한다.
피드-스루(19)는 알루미늄, 또는 이들의 합금으로 구성될 수 있다. 그러나, 피드-스루(19)는 제조자, 사용자, 설계자 등에 의해 적합한 것으로 간주되는 임의의 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 피드-스루(19)는 강철로 제조되어 부동태화 (즉, 규소와 같은 불활성 코팅으로 코팅)되거나 그렇지 않으면 전극 어셈블리(50)에 사용하기 위해 제조될 수 있다. 부동태화를 위한 예시적인 기술은 기판의 표면에 수소화 무정형 규소의 코팅을 증착하고, 유효 시간 길이 동안 압력 및 승온 하에 적어도 하나의 불포화 탄화수소기를 갖는 결합 시약에 기판을 노출하여 코팅된 기판을 기능화하는 것을 포함한다. 수소화 무정형 규소 코팅은 유효 시간 길이 동안 압력 및 승온 하에 기판을 규소 수소화물 가스에 노출시킴으로써 증착된다.
반구형 절연체(26)는 돔(37)에 따라 크기가 조절될 수 있어 캡(24)에 조립될 때 스너그 피트(snug fit) (즉, 기밀 밀봉)가 달성된다. 반구형 절연체(26)가 완벽하게 대칭이거나 전형적인 반구형 비율일 필요는 없다. 즉, 반구형 절연체(26)는 실질적으로 반구형이고, 예를 들어, 비율에 있어서 몇몇 조정, 보통의 플랜지(modest flange) (예컨대, 베이스에서) 및 적절한 것으로 간주되는 다른 특징들을 포함할 수 있다. 반구형 절연체(26)는 일반적으로 균질한 물질로 구성되지만, 이것은 필요 조건이 아니다. 예를 들어, 반구형 절연체(26)는 원하는 팽창 또는 압축을 제공하기 위해 그 내부에 공기 또는 가스 채움 토러스(미도시)를 포함할 수 있다.
도 26에 도시된 바와 같이, 전극 어셈블리(50)가 템플릿 (즉, 구성된 블랭크(34))에 삽입되어 반구형의 기밀 밀봉을 포함하는 캡(24)에 대한 일 실시예를 제공할 수 있다.
도 27에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에서, 리테이너(retainer)(43)가 캡(24)의 저부(bottom) (즉, 하우징(7)의 내부에 대면하고 에너지 저장 셀(12)에 대면하는 캡(24)의 부분)에 결합되거나 그렇지 않으면 일치된다. 리테이너(43)는(레이저, 초음파 등과 같은) 알루미늄 용접과 같은 다른 기술을 통해 캡(24)에 결합될 수 있다. 결합을 위해, 예를 들어, 스탬핑(stamping) (즉, 기계적 접합) 및 브레이징(brazing)을 포함하는, 다른 기술들이 사용될 수 있다. 결합은, 예를 들어, 리테이너(43)의 주변을 따라 발생할 수 있다. 일반적으로, 원하는 밀봉(71)을 만들기 위해 적어도 하나의 결합 지점에 결합이 제공된다. 리테이너(43) 내에 절연체(26)를 밀봉하기 위해 복수의 리벳(rivet)과 같은 적어도 하나의 패스너(fastener)가 사용될 수 있다.
도 27의 예에서, 캡(24)은 오목한 설계이다 (도 18b 참조). 그러나, 다른 설계가 사용될 수 있다. 예를 들어, 볼록 캡(24)이 제공될 수 있고 (도 18c), 오버-캡(24) 또한 사용될 수 있다 (도 18c의 실시예의 변형으로서, 도 22c에 도시된 바와 같이 탑재하도록 구성됨).
캡뿐만 아니라 피드-스루(19)에 사용된 물질은 반구형 절연체(26)의 열 팽창과 관련하여 선택될 수 있다. 더불어, 제조 기술 또한 열 팽창을 고려하여 고안될 수 있다. 예를 들어, 캡(24)을 조립하는 경우에, 제조자는 반구형 절연체(26)에 압력을 가할 수 있으므로, 반구형 절연체(26)를 적어도 어느 정도는 압축할 수 있다. 이러한 방식으로, 캡(24)의 적어도 일부 열 팽창은 기밀 밀봉의 효과를 위태롭게 하지 않고 제공된다.
조립된 울트라커패시터의 추가적 정제를 위해, 도 28을 참조하면, 울트라커패시터(10)의 컷-어웨이가 제공된다. 이 예에서, 저장 셀(12)이 바디(20) 내에 삽입 및 포함된다. 각각의 복수의 리드는 함께 묶여 단자(8)의 하나로서 하우징(7)에 커플링된다. 몇몇 실시예에서, 복수의 리드가 바디(20)의 저부에 커플링되므로, 바디(20)가 음의 접촉부(55)로 변한다. 마찬가지로, 또 다른 복수의 리드가 묶여 피드-스루(19)에 커플링되어, 양의 접촉부(56)를 제공한다. 음의 접촉부(55)와 양의 접촉부(56)의 전기 절연은 전기 절연체(26)에 의해 보존된다. 일반적으로, 리드의 커플링은 레이저와 초음파 용접 중 적어도 하나와 같은 용접을 통해 달성된다. 물론, 적절한 것으로 간주되는 다른 기술들이 사용될 수 있다.
ⅱ. 내부 배리어
이제 도 13을 참조하면, 하우징(7)은 내부 배리어(30)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 배리어(30)는 코팅이다. 이 예에서, 배리어(30)는 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE)으로 형성된다. 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE)은 이 구성이 배리어(30)에 꼭 맞게 하는 다른 특성을 나타낸다. PTFE는 약 327℃의 융점을 갖고, 훌륭한 유전체 특성을 갖고, 임의의 알려진 고체 물질 중에서 3번째로 가장 낮은 약 0.05 내지 0.10의 마찰 계수를 갖고, 높은 내식성을 갖고, 다른 유익한 특성을 갖는다. 일반적으로, 캡(24)의 내부는 그 위에 배치된 배리어(30)를 포함할 수 있다.
다른 물질들이 배리어(30)를 위해 이용될 수 있다. 특히 다른 물질들은 세라믹 (적절하게 적용되고 성능 기준을 만족할 수 있는 임의의 타입의 세라믹), 다른 중합체들 (양호하게는, 고온 중합체) 등의 형태들이다. 예시적인 다른 중합체들은 퍼플루오로알콕시 (PFA) 및 플루오린화 에틸렌 프로필렌 (FEP) 뿐만 아니라 에틸렌 테트라플루오로에틸렌 (ETFE)을 포함한다.
배리어(30)는, 에너지 저장 셀(12)과 하우징(7) 또는 하우징(7)의 구성요소들 사이의 전기화학 또는 다른 타입의 반응들의 감소를 대비하는 임의의 물질 또는 물질들의 조합들을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 조합들은 단일 층 내의 상이한 물질들의 균질 분산으로서 나타난다. 다른 실시예들에서, 조합들은 다층 내의 상이한 물질로서 나타난다. 다른 조합들이 이용될 수 있다. 요약하면, 배리어(30)는 전기 절연체 및 화학적 불활성체 (즉, 낮은 반응도를 나타냄) 중 적어도 하나로서 고려될 수 있고, 따라서 저장 셀(12)과 하우징(7) 사이의 전기적 및 화학적 상호작용들 중 적어도 하나에 실질적으로 저항 또는 방해할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, "낮은 반응도" 및 "낮은 화학적 반응도"라는 용어는 일반적으로 이해 관계자에 대한 관심의 수준 이하인 화학적 상호작용의 비율을 지칭한다.
일반적으로, 하우징(7)의 내부는 그 내부에 노출되는 하우징(7)의 모든 표면이 커버되도록 배리어(30)에 호스팅될 수 있다. 적어도 하나의 미처리 영역(31)이 바디(20) 내에 및 캡(24)의 외부 표면(36) 상에 포함될 수 있다 (도 14a 참조). 몇몇 실시예에서, 미처리 영역(31) (도 14b 참조)은 (예를 들어, 용접에 의해) 밀봉 또는 접속될 영역들과 같은, 조립 요건을 고려하여 포함될 수 있다.
배리어(30)는 종래의 기법들을 이용하여 내부 부분들에 도포될 수 있다. 예를 들어, PTFE의 경우에, 배리어(30)는 코팅으로서 내부 표면 상에 배리어(30)를 페인팅 또는 스프레이 하여 도포될 수 있다. 미처리 영역(31)이 원하는 무결성을 유지하도록 보장하기 위한 공정의 일부로서 마스크가 이용될 수 있다. 요약하면, 다른 기술을 이용하여 배리어(30)를 제공할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 배리어(30)는 약 3 mil 내지 약 5 mil 두께이고, 배리어(30)를 위해 이용된 물질은 PFA 기반의 물질이다. 이 예에서, 배리어(30)를 구성하는 물질을 수신하는 표면은 알루미늄 산화물과 같은 그릿 블라스팅(grit blasting)으로 제조된다. 표면이 세정되면, 물질은 먼저 액체로서 그 다음에 분말로서 도포된다. 물질은 가열 처리 공정에 의해 경화된다. 몇몇 실시예에서, 가열 사이클은 약 370℃ 온도에서 그 지속시간이 약 10분 내지 약 15분이다. 이것은 핀-홀 사이즈 또는 더 작은 결함이 실질적으로 없는 배리어(30)에 대한 지속적인 마무리(continuous finish)를 야기한다. 도 15는 본 명세서의 교시들에 따른 울트라커패시터(10)의 실시예의 조립체를 도시한다. 이 실시예에서, 울트라커패시터(10)는 그 안에 배치된 배리어(30)를 포함하는 바디(20), 그 안에 배치된 배리어(30)를 갖는 캡(24), 및 에너지 저장 셀(12)을 포함한다. 조립 중에, 캡(24)은 바디(20) 위에 설치된다. 단자들(8) 중 제1 단자는 캡 피드-스루(19)에 전기적으로 커플링되고, 단자들(8) 중 제2 단자는 통상적으로 바닥부에, 측면에, 또는 캡(24)에서 하우징(7)에 전기적으로 커플링된다. 몇몇 실시예에서, 단자들(8) 중 제2 단자는 (예를 들어, 대향 캡(24)의) 다른 피드-스루(19)에 커플링된다.
하우징(7)의 내부 표면(들) 상에 배치된 배리어(30)에 의해, 하우징(7)과 전해질 사이의 전기화학 반응 및 기타 반응들이 매우 감소하거나 실질적으로 없어질 수 있다. 이것은 특히 화학적 반응 및 기타 반응들의 속도가 일반적으로 증가하는 더 고온에서 현저하다.
이제 도 16을 참조하면, 다른 등가의 울트라커패시터에 비해 울트라커패시터(10)의 상대적 성능이 도시되어 있다. 도 16a에서, 울트라커패시터(10)의 종래 기술의 실시예에 대한 누설 전류가 도시된다. 도 16b에서, 배리어(30)를 포함하는 등가의 울트라커패시터(10)에 대한 누설 전류가 도시된다. 도 16b에서, 울트라커패시터(10)는 누설 전류가 도 16a에 도시된 울트라커패시터에 전기적으로 등가이다. 두 경우에, 하우징(7)은 스테인레스 스틸이었고, 셀에 공급된 전압은 1.75 Volt였고, 전해질은 정제되지 않았다. 온도는 일정한 150℃로 유지되었다. 특히, 도 16b의 누설 전류는 비교적 더 낮은 초기값을 나타내고, 시간이 흐를수록 실질적인 증가가 없으며, 도 16a의 누설 전류는 비교적 더 높은 초기값뿐만 아니라 시간이 흐를수록 상당한 증가를 나타낸다.
일반적으로, 배리어(30)는 에너지 저장 셀(12)과 하우징(7) 사이에 적절한 두께의 적절한 물질들을 제공한다. 배리어(30)는 균질 혼합물, 불균질 혼합물 및/또는 적어도 하나의 물질 층을 포함할 수 있다. 배리어(30)는 완전한 커버리지 (즉, 전극 접촉부들은 제외하고 하우징의 내부 표면적에 대해 커버리지를 제공함) 또는 부분적 커버리지를 제공할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 배리어(30)는 복수 구성요소들로 구성된다. 예를 들어, 이하 제공되며 도 8에 도시되는 실시예를 고려하자.
도 17을 참조하면, 추가적 실시예의 양태들은 도시된다. 몇몇 실시예에서, 에너지 저장 셀(12)은 엔벨로프(73) 내에 적층된다. 즉, 일단 조립되면 하우징(7)으로부터 에너지 저장 셀(12)을 분리하기 위해 에너지 저장 셀(12)은 그 위에 배치되거나, 그 위에 에워싸이거나, 또는 다른 방법으로 적용된 배리어(30)를 갖는다. 엔벨로프(73)는 에너지 저장 셀(12)을 하우징(7) 내로 패키징하기에 앞서 적용될 수 있다. 따라서, 엔벨로프(73)의 이용은 예를 들어, 제조자들에게, 특정 이점들을 제공할 수 있다. (엔벨로프(73)는 예시의 목적으로 에너지 저장 셀(12) 상에 느슨하게 배치되는 것으로 도시되어 있다는 것에 주목한다.)
몇몇 실시예에서, 엔벨로프(73)는 코팅과 결합하여 이용되고, 코팅은 내부 표면의 적어도 일부 상에 배치된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 코팅은 (돌출 단자(8)와 같이) 엔벨로프(73)가 적어도 부분적으로 침해(compromised)될 수 있는 영역들에서만 하우징(7)의 내부에 배치된다. 또한, 엔벨로프(73)와 코팅은 효율적인 배리어(30)를 구성한다.
따라서, 배리어(30)의 통합은 종래 기술의 기준에서 볼 때 비교적 낮은 초기값들을 갖는 누설 전류 및 시간이 흐를수록 누설 전류의 실질적으로 더 느린 증가를 나타내는 울트라커패시터를 제공할 수 있다. 의미 있게도, 울트라커패시터의 누설 전류는, 종래 기술의 커패시터들이 엄청나게 큰 초기값들의 누설 전류 및/또는 시간이 흐를수록 엄청나게 빠른 누설 전류의 증가를 나타내는 주위 온도에 울트라커패시터가 노출될 때 현실적인 (즉, 바람직하게 낮은) 수준으로 유지된다.
이에 따라 배리어(30)의 실시예들 및 그의 다른 양태들을 설명하였고, 울트라커패시터(10)는 하우징(7)과 에너지 저장 매체(1) 사이의 반응 감소의 결과로서 다른 이득들을 나타낼 수 있다는 것을 인식해야 한다. 예를 들어, 울트라커패시터(10)의 유효 직렬 저항 (ESR)은 시간이 흐를수록 비교적 더 낮은 값들을 나타낼 수 있다. 또한, 종래 기술의 커패시터에서 일어나는 원치않는 화학적 반응은 종종 가스 방출, 또는 기밀하게 밀봉된 하우징의 경우에 하우징의 벌징(bulging)과 같은 원치않은 효과들을 생성한다. 두 경우에, 이것은 커패시터의 기밀 밀봉 및/또는 하우징의 구조적 무결성의 침해로 이어진다. 궁극적으로, 이는 종래의 커패시터에 대해 누수 또는 치명적인 오류를 초래할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 이러한 효과들은 개시된 배리어(30)의 적용에 의해 실질적으로 감소 또는 제거될 수 있다.
"배리어"과 "코팅"이라는 용어는 본 명세서의 교시에 한정되는 것은 아니라는 점에 주의하여야 한다. 즉, 하우징(7), 바디(20) 및/또는 캡(24)의 내부에 적절한 물질을 도포하기 위한 임의의 기술이 이용될 수 있다. 예를 들어, 다른 실시예들에서, 배리어(30)는 사실상 하우징 바디(20)를 구성하는 물질 내로 또는 그 물질 상에 제조되고, 물질은 그 다음에 하우징(7)의 다른 구성요소들을 구성하기 위해 적절하게 작용 또는 성형된다. 배리어(30)를 도포하기 위한 많은 가능한 기술들 중 일부를 고려할 때, 물질(들)을 롤 온(roll on), 스퍼터, 신터, 라미네이트, 프린트, 또는 다른 방법으로 도포하는 것이 동등하게 적절할 수 있다. 요약하면, 배리어(30)는 제조자, 설계자 및/또는 사용자에 의해 적절하다고 생각되는 임의의 기술을 이용하여 도포될 수 있다.
배리어(30)에 이용된 물질들은 반응도, 유전값, 융점, 하우징(7)의 물질들에 대한 접착력, 마찰 계수, 비용, 및 다른 그러한 인자들과 같은 특성들에 따라 선택될 수 있다. 원하는 특성을 제공하기 위해 물질들의 조합 (예컨대, 적층, 혼합, 또는 그렇지 않으면 조합)이 사용될 수 있다.
배리어(30)를 갖는 것과 같은 향상된 하우징(7)을 이용하여, 몇몇 실시예에서, 전해질의 저하를 제한할 수 있다. 배리어(30)는 향상된 하우징(7)을 제공하기 위한 하나의 기술을 제공하지만, 다른 기술들이 이용될 수 있다. 예를 들어, 알루미늄으로 제조된 하우징(7)의 이용은 전해질(6)의 존재에서 알루미늄의 전기화학적 특성들로 인해 유익할 것이다. 그러나, 알루미늄의 제조에서의 어려움들을 고려할 때, 알루미늄을 이용하는 하우징(7)의 실시예들을 구성하는 것이 (지금까지) 가능하지 않았다.
하우징(7)의 부가적인 실시예들은 하우징을 용접하고 기밀 밀봉하는 능력을 사용자들에게 제공하면서, 전해질에 노출될 수 있는 모든 내부 표면에 알루미늄을 제공하는 것들을 포함한다. 향상된 성능의 울트라커패시터(10)는 내부 부식 감소, 전도성 매체 내의 이종 금속들의 이용과 연관된 문제들의 제거, 및 다른 이유로 실현될 수 있다. 유익하게는, 하우징(7)은 유리 대 금속 밀봉들을 포함하는(그리고 스테인레스 스틸, 탄탈럼 또는 다른 유익한 물질들 및 구성요소들로부터 제조된 것들을 포함할 수 있음) 이용가능한 전극 삽입물과 같은 기존의 기술을 이용하며, 이로써 제조하기에 경제적이다.
울트라커패시터(10)에 적합한 하우징(7)의 실시예들로서 본 명세서에 개시되지만, 이들 실시예들(배리어(30)를 갖는 경우)은 적절한 것으로 보이는 임의의 타입의 에너지 스토리지와 이용될 수 있고, 실현가능한 임의의 타입의 기술을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전기화학적 배터리들, 특히, 리튬 기반의 배터리들을 포함한, 다른 형태의 에너지 스토리지가 이용될 수 있다.
일반적으로, 하우징(7)의 내부에 노출된 물질(들)은 전해질(6)에 노출될 때 충분히 낮은 반응도를 나타내고, 따라서 실시예들의 일부에 대한 예시일 뿐이고, 본 명세서의 교시의 한정이 아니다.
F. 커패시터들의 일반적인 구축에 대한 요인들
울트라커패시터(10)의 구축에서 고려할 중요한 양태는 우수한 화학적 위생을 유지하는 것이다. 구성요소들의 순도를 보장하기 위하여, 다른 실시예에서, 2개의 전극(3)에 대한 에너지 저장 매체(1)를 구성하는 활성화된 탄소, 탄소 섬유, 레이온, 탄소 천 및/또는 나노튜브들은 진공 환경에서 상승된 온도에서 건조된다. 분리막(5)도 진공 환경에서 상승된 온도에서 건조된다. 일단 전극들(3)과 분리막(5)이 진공에서 건조되면, 그것들은 50 ppm 미만의 수분을 갖는 대기에서 최종 밀봉 또는 캡 없이 하우징(7) 내에 패키징된다. 뚜껑이 열린 울트라커패시터(10)는 약 100℃ 내지 약 300℃의 온도 범위에 걸쳐 진공 하에 예를 들어 건조될 수 있다. 일단 이러한 최종 건조가 완료되면, 전해질(6)이 추가될 수 있고, 하우징(7)은 비교적 건조한 대기 (예를 들어, 약 50 ppm 미만의 수분을 갖는 대기)에서 밀봉된다. 물론, 다른 조립 방법들이 이용될 수 있고, 전술한 내용은 단순히 울트라커패시터(10)의 몇몇 예시적인 조립 양태들을 제공한다.
III
. 본 발명의 방법들
불순물들을 감소시키기에 유용한 또는 본 발명의 장치들을 제조하는 본 발명의 특정 방법들이 이하 설명된다. 이러한 정제의 방법 또한 본 발명의 임의의 향상된 전해질 시스템에 적용될 수 있다.
A. 불순물들 감소의 방법들
ⅰ.
AES
오염 물질들
특정 실시예들에서, 본 발명의 향상된 전해질 시스템 (AES)은, 오염 물질들을 제거하여 정제되고, 본 명세서에 개시된 바람직한 향상된 성능특성들을 제공한다. 이에 따라 본 명세서는 다음을 포함하는 방법인 AES를 정제하기 위한 방법을 제공한다 : 향상된 전해질 시스템에 물을 혼합하여 제1 혼합물을 제공하는 단계; 제1 혼합물을 분할하는 단계; 제1 혼합물로부터 향상된 전해질 시스템을 수집하는 단계; 수집된 액체에 용매를 첨가하여 제2 혼합물을 제공하는 단계; 제2 혼합물에 탄소를 혼합하여 제3 혼합물을 제공하는 단계; 제3 혼합물로부터 향상된 전해질 시스템을 분리하여 정제된 향상된 전해질 시스템을 획득하는 단계. 일반적으로, 공정은 전해질 선택, 제어 조건들 아래에서 활성탄 뿐만 아니라 탈이온수 추가를 요청한다. 탈이온수 및 활성탄은 나중에 제거되어, 실질적으로 정제된 전해질이 된다. 정제된 전해질은, 특히, 울트라커패시터에 사용하기에 적합하다.
본 방법은 본 발명의 향상된 전해질 시스템 (AES)의 고도의 순도를 보증하는데 사용될 수 있다. 공정은 특정 파라미터들 (예를 들어, 양, 제제화, 횟수 등)에 대하여 제공되지만, 그것은 단지 전해질을 정제하기 위한 공정을 예시하는 것일 뿐이고, 그것으로 제한되지 않다는 것에 주목해야 한다.
예를 들어, 본 방법은 하기 단계들 또는 특징들 중 하나 이상을 추가로 포함할 수 있다: 제1 혼합물을 가열시키는 단계; 여기서, 분할은 제1 혼합물이 물까지 방해받지 않게 위치하게 하는 것을 포함하고 AES는 실질적으로 분할되고; 여기서 용매를 추가하는 것은 디에틸에테르, 펜톤, 시클로펜톤, 헥산, 시클로헥산, 벤젠, 톨루엔, 1-4 디옥산과 클로로포름 중 적어도 하나를 추가하는 것을 포함한다; 여기서 탄소를 섞는 것은 탄소 파우더를 섞는 것을 포함한다; 여기서 탄소를 섞는 것은 실질적으로 끊임없이 빈번하게 제3 혼합물을 교반시키는 것을 포함한다; 여기서 AES를 분리하는 것은 제3 혼합물로부터 탄소를 여과하고, 제3 혼합물로부터 용매를 수증기화하는 적어도 하나를 포함한다.
전해질을 정제하기 위한 공정의 제1 단계에서, 전해질(6)(몇몇 실시예들에서, 이온성 액체)은 탈이온수와 혼합되고 나서, 일부 기간 동안 중간 온도로 올라간다. 개념의 증명에서, 50 밀리리터(ml)의 이온성 액체가 850 밀리리터(ml)의 탈이온수와 혼합되었다. 혼합물은 약 12 시간 동안 60℃의 일정한 온도로 올라갔고(약 120 rpm (분당 회전수)으로) 일정하게 뒤섞인다.
제2 단계에서, 이온성 액체와 탈이온수의 혼합물은 분리되도록 허용된다. 이 예에서, 혼합물은 깔때기를 통해 이동하였고 약 4 시간 동안 그대로 있도록 허용되었다.
제3 단계에서, 이온성 액체가 수집된다. 이 예에서, 혼합물의 수상(water phase)이 바닥부에 있고, 이온성 액체상이 상부에 있었다. 이온성 액체상은 다른 비커 내로 이동되었다.
제4 단계에서, 용매가 이온성 액체와 혼합되었다. 이 예에서, 약 25 밀리리터(ml)의 체적의 에틸 아세테이트가 이온성 액체와 혼합되었다. 이 혼합물은 다시 일부 시간 동안 중간 온도로 올라가서 뒤섞였다.
에틸 아세테이트가 용매로 이용되었지만, 용매는 디에틸에테르, 펜톤, 시클로펜톤, 헥산, 시클로헥산, 벤젠, 톨루엔, 1,4-디옥산, 클로로포름, 또는 그의 임의의 조합뿐만 아니라 적절한 성능 특성을 나타내는 다른 물질(들) 중 적어도 하나일 수 있다. 원하는 성능 특성 중 일부는 비극성 용매 및 높은 휘발도의 것들을 포함한다.
제5 단계에서, 이온성 액체와 용매의 혼합물에 탄소 분말이 추가된다. 이 예에서, 약 20 중량 퍼센트(wt%)의 탄소 (약 0.45 마이쿨로미터 직경)가 혼합물에 추가되었다.
제6 단계에서, 이온성 액체가 다시 혼합된다. 이 예에서, 탄소 분말과의 혼합물이 그 다음에 약 70℃에서 하룻밤 동안 일정하게 (120 rpm) 뒤섞였다.
제7 단계에서, 탄소와 에틸 아세테이트가 이온성 액체로부터 분리된다. 이 예에서, 탄소는 글래스 마이크로파이버 필터(glass microfiber filter)에 의한 부흐너 여과법(Buchner filtration)을 이용하여 분리되었다. 다중 여과법(3개)이 수행되었다. 수집된 이온성 액체는 그 다음에 탄소 입자들의 실질적으로 전부를 제거하기 위하여 0.2 마이쿨로미터 시린지 필터를 통과하였다. 이 예에서, 용매는 그 다음에 회전식 증발을 이용하여 이온성 액체에서 후속하여 분리되었다. 구체적으로, 이온성 액체의 샘플은 70℃에서 80℃로 온도를 증가하면서 뒤섞이고, 100℃에서 끝난다. 증발은 각각의 온도에서 약 15분 동안 수행되었다.
전해질을 정제하기 위한 공정은 매우 효과적인 것으로 판명되었다. 샘플 이온성 액체에 대하여, 수분 함량은 오하이오주 콜럼버스의 Mettler-Toledo Inc.에 의해 제공되는 적정 기구 (모델 번호: AQC22)로, 적정에 의해 측정되었다. 할라이드 함량은 로드아일랜드주 운소켓의 Hanna Instruments에 의해 제공되는 ISE 기구 (모델 번호(AQC22))로 측정되었다. ISE 기구에 대한 표준 용액은 Hanna에서 획득하였고, HI 4007-03 (1,000 ppm 클로라이드 표준), HI 4010-03 (1,000 ppm 플루오라이드 표준), HI 4000-00 (할라이드 전극들을 위한(ISA)), 및 HI 4010-00 (플루오라이드 전극만을 위한 TISAB 용액)을 포함하였다. 측정을 수행하기 전에, ISE 기구는 탈이온수와 혼합된, 0.1, 10, 100 및 1,000 ppm의 표준들을 이용하여 표준 용액들로 캘리브레이션되었다. ISA 버퍼가 Cl- 이온들의 측정에 대해 1:50 비율로 표준에 추가되었다. 결과들이 표 3에 나타나 있다.
제4 단계 공정은 할라이드 이온들을 측정하는 데 이용되었다. 먼저, Cl-및 F- 이온들이 탈이온수에서 측정되었다. 다음으로, 이온성 액체의 0.01M 용액이 탈이온수와 제조되었다. 후속하여, Cl- 및 F- 이온들이 용액에서 측정되었다. 할라이드 함량의 추정은 그 다음에 용액 내의 이온들의 양에서 물 내의 이온들의 양을 빼는 것에 의해 결정되었다.
정제 표준은 또한 누설전류의 분석을 통하여 전해질 오염 물질 조성물에 대하여 검사되었다. 도 9는 울트라커패시터(10) 내의 정제되지 않은 전해질에 대한 누설 전류를 도시한다. 도 10은 유사하게 구성된 울트라커패시터(10) 내의 정제된 전해질에 대한 누설 전류를 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 초기 누설 전류의 상당한 감소가 존재할 뿐만 아니라, 다음 부분의 측정 간격에서 누설 전류의 감소가 존재한다. 더 많은 정보가 표 4에서 각각 실시예의 구성에 제공된다.
저항의 안정성 및 울트라커패시터(10)의 커패시턴스의 향상들을 포함하여 다른 유용성들이 또한 실현된다.
누설 전류는 여러 방법으로 결정될 수 있다. 질적으로, 누설 전류는 디바이스가 평형 상태에 도달하였다면 디바이스에 끌어당겨진 전류로서 고려될 수 있다. 사실상, 일반적으로 점근적으로만 접근될 수 있는 평형 상태로서 실제 누설 전류를 추정하는 것이 항상 또는 거의 항상 필요하다. 따라서, 울트라커패시터(10)가 실질적으로 고정된 전압에 홀드되어 비교적 장기간 동안 실질적으로 고정된 주위 온도에 노출되는 동안, 주어진 측정에서 누설 전류는 울트라커패시터(10) 내로 끌어당겨진 전류를 측정함으로써 근사화될 수 있다. 일부 경우에, 비교적 장기간은 지수 함수로서 전류 시간 함수를 근사화하고 나서 몇몇 (예를 들어, 약 3 내지5) 특징적인 시간 상수들을 통과하는 것을 허용함으로써 결정될 수 있다. 종종, 그러한 지속기간은 많은 울트라커패시터 기술에 대하여 약 50 시간 내지 약 100 시간의 범위를 갖는다. 대안적으로, 그러한 장기간이 임의의 이유로 비현실적인 경우, 누설 전류는 지수 또는 적절한 것으로 보이는 임의의 근사 함수로서 전류 시간 함수를 근사화함으로써, 다시, 아마도, 간단히 추론될 수 있다. 특히, 누설 전류는 일반적으로 주위 온도에 의존할 것이다. 그래서, 어떤 온도에서 또는 온도 범위에서 디바이스의 성능을 특징화하기 위하여, 누설 전류를 측정할 때 관심 있는 주위 온도에 디바이스를 노출하는 것이 일반적으로 중요하다.
특정 온도에서 체적 누설 전류를 줄이기 위한 하나의 접근방식은 이 온도에서 작동 전압을 감소시키는 것이라는 것에 주목한다. 특정 온도에서 체적 누설 전류를 감소시키는 또 다른 접근방식은 울트라커패시터의 빈 체적을 증가시키는 것이다. 누설 전류를 감소시키는 또 다른 접근방식은 전극(3)에서 에너지 저장 매체(1)의 부하를 감소시키는 것이다.
전해질의 정제 및 이온성 액체를 위한 실시예들의 양태들을 기술하기는 했지만, 다른 실시예들이 실현될 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 추가로 다양한 기술이 수행될 수 있다. 예를 들어, 단계들의 순서 등과 같이 단계들이 조절될 수 있다.
ⅱ. 습기/수분 함량 및 제거
밀봉된 울트라커패시터(10)의 하우징(7)은 열릴 수 있고, 불순물들에 대해 저장 셀(12)이 샘플링될 수 있다. 수분 함량은 셀(12)의 전극, 분리막 및 전해질에 대해 카알 피셔법을 사용하여 측정되었다. 세 개의 측정치가 취해지고 평균이 계산되었다.
일반적으로, 울트라커패시터 내의 오염 물질을 특성화하기 위한 방법은, 그의 함량에 액세스하기 위해 하우징(7)을 브리칭(breaching)하고, 함량을 샘플링하고, 샘플을 분석하는 것을 포함한다. 본 명세서의 다른 곳에서 개시된 기술이 특성화 지원에 사용될 수 있다.
울트라커패시터 및 그의 구성요소 (전극, 전해질 및 분리막을 포함함)에서 불순물의 정확한 측정을 보장하기 위해, 적절한 환경, 예컨대, 글로브 박스 내의 불활성 환경에서 조립 및 조립해제가 수행될 수 있다.
울트라커패시터(10) 내의 수분 함량을 (예를 들어, 1,000 ppm) 미만의 불순물들 및 전해질의 무게 및 체적에 대해서 500 ppm 미만으로) 줄임으로써, 울트라커패시터(10)는 온도 범위에 걸쳐서, 그 온도 범위 및 전압 범위 내에서 리터당 10 Amp 미만의 누설 전류(I/L)로 효율적으로 작동할 수 있다.
일 실시예에서, 특정 온도에서의 누설 전류 (I/L)가 72 시간 동안 정격 전압 (즉, 최대 정격 작동 전압)에서 울트라커패시터(10)의 전압을 일정하게 유지함으로써 측정된다. 이 기간 동안, 온도는 특정 온도에서 비교적 일정하게 유지된다. 측정 간격의 끝에서, 울트라커패시터(10)의 누설 전류가 측정된다.
몇몇 실시예에서, 울트라커패시터(10)의 최대 정격 전압은 실온에서 약 4 V이다. 상승된 온도 (예를 들어, 210℃ 이상)에서 울트라커패시터(10)의 성능을 보장하기 위한 접근방식은 울트라커패시터(10)의 정격 전압을 내리는 (즉, 감소시키는) 것이다. 예를 들어, 정격 전압은 약 0.5 V로 아래로 조정될 수 있으므로, 더 고온에서 연장된 작동 지속기간을 실현할 수 있다.
B. 울트라커패시터들의 제조 방법
또 다른 실시예에서, 본 발명은 하기 단계들을 포함하는 울트라커패시터를 제조하는 방법을 제공한다: 에너지 저장 매체를 포함하는 에너지 저장 셀을 하우징 내에 배치하는 단계; 및 약 -40℃ 내지 약 210℃의 온도 범위 내에서 작동하는 울트라커패시터가 제조되도록, 하우징을 향상된 전해질 시스템 (AES)으로 채우는 단계.
특정 실시예에서, AES는 신규 전해질 물질 (NEE)을 포함하며, 예를 들어, NEE는 고온 울트라커패시터에 사용하기에 적합화된 것이다. 특정 실시예들에서, 울트라커패시터는 약 80℃ 내지 약 210℃의 온도 범위, 예를 들어, 약 80℃ 내지 약 150℃의 온도 범위 내의 온도에서 작동하도록 구성된다.
특정 실시예에서, AES는 예를 들어 고도로 정제된 전해질을 포함하며, 고도로 정제된 전해질은 고온 울트라커패시터에 적합화된 것이다. 특정 실시예들에서, 울트라커패시터는 약 80℃ 내지 약 210℃의 온도 범위, 예를 들어, 약 80℃ 내지 약 150℃의 온도 범위 내의 온도에서 작동하도록 구성된다.
특정 실시예에서, AES는 향상된 전해질 조합물을 포함하며, 예를 들어, 향상된 전해질 조합물은 고온 및 저온 울트라커패시터 둘 다에 사용하기에 적합화된 것이다. 특정 실시예들에서, 울트라커패시터는 약 -40℃ 내지 약 150℃의 온도 범위, 예를 들어 약 -30℃ 내지 약 125℃의 온도 범위 내의 온도에서 작동하도록 구성된다.
일 실시예에서, 제조된 울트라커패시터는 상기 섹션 II에서 기술된 울트라커패시터이다. 이와 같이, 그리고 상기에 기재된 바와 같이, 공지된 에너지 저장 장치의 기존 전해질에 대한 이점은 하기 개선: 감소된 총 저항, 저항의 장기 안정성 증가, 증가된 총 커패시턴스, 커패시턴스의 장기 안정성 증가, 상승된 에너지 밀도, 상승된 전압 안정성, 감소된 증기 압력, 개별적 커패시터에 대한 보다 더 넓은 온도 범위 성능, 개별적 커패시터에 대한 상승된 온도 내구성, 제조가능성의 용이함 상승 및 향상된 비용 효율성 중 하나 이상으로부터 선택된다.
특정 실시예들에서, 배치하는 단계는, 내부의 수분을 감소시키기 위해 전극, 분리막, 리드, 조립된 에너지 저장 셀 및 하우징 중 적어도 하나를 포함하는 울트라커패시터의 구성요소들을 전처리하는 단계를 추가로 포함한다. 특정 실시예들에서, 전처리하는 단계는, 실질적으로 약 100℃ 내지 약 150℃의 온도 범위에 대해 진공 하에서 선택된 구성요소들을 가열하는 단계를 포함한다. 전처리하는 단계는 실질적으로 약 150℃ 내지 약 300℃의 온도 범위에 걸쳐 진공 하에서, 선택된 구성요소들을 가열하는 것을 포함할 수 있다.
특정 실시예들에서, 배치하는 단계는 실질적으로 불활성 환경에서 수행된다.
특정 실시예들에서, 구축하는 단계는, 전해질과의 낮은 화학적 반응성을 나타내는 하우징용 내부 대면 물질(interior facing material)를 선택하는 단계를 포함하며, 하우징 내부의 상당 부분에 상기 내부 대면 물질을 포함시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 내부 대면 물질은 알루미늄, 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 퍼플루오로알콕시 (PFA), 플루오린화 에틸렌 프로필렌 (FEP), 에틸렌 테트라플루오로에틸렌 (ETFE) 및 세라믹 물질 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다.
특정 실시예들에서, 구축하는 단계는, 다층 물질로부터 하우징을 형성하는 단계를 포함하며, 예를 들어, 다층 물질로부터 하우징을 형성하는 단계는 하우징의 외부 상에 용접 가능 물질을 배치하는 단계를 포함한다.
특정 실시예들에서, 구축하는 단계는, 하우징을 위해 캡 및 바디 중 적어도 하나를 제조하는 단계를 포함한다. 제조하는 단계는, 하우징으로부터 절연되는 전극 및 절연체를 포함하는 밀봉을 하우징 내에 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 더욱이, 밀봉을 배치하는 단계는, 유리 대 금속 밀봉을 배치하는 단계, 예를 들어, 유리 대 금속 밀봉을 하우징의 외부 표면에 용접하는 단계를 포함한다. 특정 실시예들에서, 밀봉을 배치하는 단계는 반구형 밀봉을 배치하는 단계를 포함한다.
특정 실시예들에서, 구축하는 단계는, 채우는 단계의 제공을 위해 하우징에 채움 포트를 제공하는 단계를 포함한다.
특정 실시예들에서, 제조 방법은, 에너지 저장 셀을 제조하는 단계, 예를 들어, 에너지 저장 매체를 집전기와 결합하여 전극을 획득하는 단계, 예를 들어, 적어도 하나의 리드를 전극에 결합시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 적어도 하나의 리드를 전극에 결합시키는 단계는, 적어도 하나의 기준 마크를 전극에 배치하는 단계를 포함한다. 특정 실시예들에서, 적어도 하나의 리드를 전극에 결합시키는 단계는, 각각의 리드를 각각의 기준 마크에 위치시키는 단계를 포함한다. 특정 실시예들에서 적어도 하나의 리드를 결합시키는 단계는 집전기로부터 에너지 저장 매체를 클리어링(clearing)하는 단계를 포함한다. 특정 실시예들에서, 적어도 하나의 리드를 결합시키는 단계는 리드를 집전기에 초음파 용접하는 단계를 포함한다.
전극은 또한 에너지 저장 매체를 집전기와 결합시키는 단계로부터 제조된 복수의 전극 요소를 결합함으로써 획득될 수도 있다. 복수의 전극 요소는, 한 결합 요소를 하나의 전극 요소의 집전기에 및 또 다른 전극 요소의 집전기에 초음파 용접함으로써 결합될 수 있다.
특정 실시예들에서, 에너지 저장 셀을 제조하는 단계는, 적어도 2개의 전극 사이에 분리막을 배치하는 단계를 포함한다. 그리고, 각각의 전극을 분리막과 정렬하는 단계를 더 포함할 수 있다.
특정 실시예들에서, 에너지 저장 셀을 제조하는 단계는, 적어도 2개의 전극과 그들 사이에 배치된 분리막을 패킹(packing)하는 단계를 포함하며, 예를 들어, 패킹하는 단계는 저장 셀을 롤링된 저장 셀이 되도록 롤링하는 단계를 포함한다.
특정 실시예들에서, 에너지 저장 셀을 제조하는 단계는, 저장 셀 상에 래퍼를 배치하는 단계를 포함한다.
특정 실시예들에서, 에너지 저장 셀을 배치하는 단계는, 단자를 제공하기 위해 복수의 리드를 함께 그룹화하는 단계를 포함하며, 예를 들어, 복수의 리드를 함께 그룹화하는 단계는, 단자를 형성하기 위해 리드들을 정렬된 리드들의 세트로 정렬하는 단계를 포함한다. 특정 실시예에서, 본 방법은, 정렬된 리드들의 세트 상에 래퍼를 배치하는 단계, 정렬된 리드들의 세트에 폴드(fold)를 부여하는 단계, 또는 정렬된 리드들의 세트를 하우징의 접촉부에 커플링시키는 단계를 더 포함한다. 또한, 커플링시키는 단계는, 정렬된 리드들의 세트를 접촉부에 용접하는 단계, 또는 정렬된 리드들의 세트를, 하우징의 접촉부에 커플링시키기 위해 점퍼 및 브리지 중 하나에 용접하는 단계를 포함한다.
특정 실시예들에서, 제조 방법은, 점퍼 및 브리지 중 적어도 하나를 하우징의 접촉부에 전기적으로 커플링시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 이는 하우징 내부의 접촉부 상에 절연 물질을 실질적으로 배치하는 단계를 더 포함할 수 있다.
특정 실시예들에서, 제조 방법은, 하우징 내에 에너지 저장 셀을 기밀 밀봉하는 단계를 더 포함할 수 있고, 예를 들어, 기밀 밀봉하는 단계는, 하우징의 구성요소들을 함께 펄스 용접하는 단계, 레이저 용접하는 단계, 저항 용접하는 단계 및 TIG 용접하는 단계 중 적어도 하나를 포함한다.
특정 실시예들에서, 제조 방법은, 하우징을 제공하기 위해 적어도 하나의 캡을 바디와 메이팅(mating)하는 단계를 더 포함할 수 있고, 예를 들어, 캡은 오목 캡, 볼록 캡 및 편평 캡 중 적어도 하나를 포함한다. 특정 실시예에서, 본 방법은, 메이팅하는 단계를 제공하기 위해 하우징의 다층 물질 중 적어도 일부를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
특정 실시예들에서, 제조 방법은 AES를 정제하는 단계를 더 포함할 수 있다.
특정 실시예들에서, 제조 방법은, 하우징에 채움 포트를 배치하는 단계를 더 포함하고, 예를 들어, 채우는 단계는 하우징의 채움 포트 상에 AES를 배치하는 단계를 포함한다. 특정 실시예들에서, 본 방법은 채움 완료시 채움 포트를 밀봉하는 단계, 예를 들어, 채움 포트에 상용 물질을 피팅(fitting)하는 단계를 더 포함한다. 그러면, 이러한 물질은, 다른 단계에서 하우징에 용접될 수 있다.
특정 실시예들에서, 채우는 단계는 하우징의 채움 포트에 진공을 이끌어내는 단계를 포함하고, 예를 들어, 진공은 약 150 mTorr 이하이고, 예를 들어 진공은 약 40 mTorr 이하이다.
특정 실시예들에서, 채우는 단계는 실질적으로 불활성 환경에서 수행된다.
ⅰ. 제조 기술
또한, 특정 강건한 조립체 기술이 대단히 효율적 에너지 스토리지를 제공하는데 요구될 수 있다는 점이 인지되어야 한다. 따라서, 이제, 조립에 대한 일부 기술들이 논의된다.
일단 울트라커패시터(10)가 제조되면, 그것은 누설 전류가 거의 없거나 전혀 없고 저항의 증가가 거의 없이 고온 응용들에서 이용될 수 있다. 본 명세서에 개시되는 울트라커패시터(10)는, 누설 전류가 전체 작동 전압 및 온도 범위 내에서 장치의 체적의 리터 당 10 암페어 (A/L) 미만으로 장치의 체적에 대해 정상화되면서, 약 -40℃ 내지 약 210℃의 온도에서 유효하게 작동할 수 있다. 특정 실시예에서, 커패시터는 -40℃ 내지 210℃의 온도에 걸쳐 작동가능하다.
개요로서, 원통 형상의 울트라커패시터(10)의 조립 방법이 제공된다. 전극들(3)로 시작하여, 에너지 저장 매체(1)가 집전기(2)와 연관되었다면 각각의 전극(3)이 제조된다. 복수의 리드가 그 다음에 적절한 위치에서 각각의 전극(3)에 커플링된다. 복수의 전극(3)이 그 다음에 그 사이의 적절한 수의 분리막(5)으로 배향 및 조립되어 저장 셀(12)을 구성한다. 저장 셀(12)은 그 다음에 실린더에 롤링될 수 있고, 래퍼로 고정될 수 있다. 일반적으로, 각각의 리드들이 그 다음에 다발화되어 각각의 단자들(8)을 구성한다.
울트라커패시터(10) 내로의 전해질(6) (즉, 본 발명의 향상된 전해질 시스템)의 통합 이전에 (예를 들어, 저장 셀(12)의 조립 이전, 또는 그 후에), 울트라커패시터(10)의 각각의 구성요소가 수분을 제거하기 위해 건조될 수 있다. 이는 조립되지 않은 구성요소들 (즉, 빈 하우징(7) 뿐만 아니라, 전극들(3) 각각과 분리막들(5) 각각)과 수행될 수 있고, 후속하여 조립된 구성요소들 (예를 들어, 저장 셀(12))과 수행될 수 있다.
예를 들어, 진공 환경의 상승된 온도에서 건조가 수행될 수 있다. 일단 건조가 수행되었다면, 저장 셀(12)은 최종 밀봉 또는 캡 없이 하우징(7)에 패키징될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 패키징은 50 ppm 미만의 수분을 갖는 대기 중에서 수행된다. 뚜껑이 없는울트라커패시터(10)가 그 다음에 다시 건조될 수 있다. 예를 들어, 울트라커패시터(10)는 약 100℃ 내지 300℃의 온도 범위에 대해 진공 하에 건조될 수 있다. 이러한 최종 건조가 완료되면, 하우징(7)은 예를 들어, 50 ppm 미만의 수분을 갖는 대기 중에서 밀봉될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 건조 공정 ("굽는" 공정이라고도 함)이 완료되었다면, 구성요소들을 에워싸는 환경은 불활성 기체로 채워질 수 있다. 예시적인 기체들은 아르곤, 수소, 헬륨, 및 유사한 특성을 나타내는 다른 기체들(뿐만 아니라 그의 조합물들)을 포함한다.
일반적으로, 채움 포트 (하우징(7)의 표면에 있는 천공)가 하우징(7)에 포함되거나 나중에 추가될 수 있다. 울트라커패시터(10)가 전해질(6), 즉, 본 발명의 향상된 전해질 시스템으로 채워졌다면, 채움 포트는 이후 닫힐 수 있다. 채움 포트를 닫는 것은 예를 들어, 채움 포트 내로 또는 그 위로 물질 (예를 들어, 하우징(7)과 상용가능한 금속)를 용접함으로써 완료될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 채움 포트는 채움 이전에 임시로 닫힐 수 있어서, 울트라커패시터(10)는 후속하는 재-열림, 채움 및 닫힘에 대해 다른 환경으로 이동될 수 있다. 그러나, 본 명세서에 논의된 바와 같이, 울트라커패시터(10)는 동일한 환경에서 건조 및 채워지는 것이 고려된다.
다수의 방법을 이용하여 하우징(7)을 원하는 양의 전해질(6)로 채울 수 있다. 일반적으로, 채움 공정의 제어는 특히, 커패시턴스의 증가, 등가 직렬 저항 (ESR)의 감소, 및 전해질(6)의 낭비 제한을 제공할 수 있다. 하우징(7)을 채우고 저장 셀(12)을 전해질(6)로 담그는 기술의 비제한적인 예로서 진공 채움 방법이 제공된다.
그러나, 먼저, 울트라커패시터(10)의 구성요소들을 오염시킬 가능성이 있는 임의의 물질이, 세정되고, 상용적일 수 있고, 건조되도록 보장하기 위한 조치들이 취해질 수 있다는 것에 주목한다. 통상적으로, "우수한 위생"은 조립 공정들 및 구성요소들이 울트라커패시터(10) 내에 오염물을 삽입하지 않도록 보장하기 위해 행해진다는 것이 고려될 수 있다.
"진공 방법"에서 컨테이너는 채움 포트 주위에 하우징(7) 상에 배치된다. 전해질(6) 즉, 본 발명의 향상된 전해질 시스템이 실질적으로 산소 및 수분 (즉, 습기)이 없는 환경에서 컨테이너에 이후 배치된다. 그 다음에 진공 환경이 되고, 그에 따라 하우징의 밖으로 임의의 공기를 빼고, 그로써 동시에 전해질(6)을 하우징(7) 내로 끌어당긴다. 그 다음에 주위 환경은 원하는 경우 불활성 기체 (예를 들어, 아르곤, 수소 등 또는 불활성 기체들의 일부 조합)로 다시 채워질 수 있다. 원하는 양의 전해질(6)이 끌어당겨졌는지를 알아보기 위해 울트라커패시터(10)를 검사할 수 있다. 공정은 필요에 따라 원하는 양의 전해질(6)이 울트라커패시터(10)에 있을 때까지 반복될 수 있다.
특정 실시예들에서, 전해질(6) 즉, 본 발명의 향상된 전해질 시스템으로 채운 후, 물질은 울트라커패시터(10)를 밀봉하기 위해 채움 포트 안으로 피팅될 수 있다. 물질은 예를 들어, 하우징(7) 및 전해질(6)과 상용가능한 금속일 수 있다. 일 예에서, 물질은 채움 포트에 강제 피팅(force fit)하여, 실질적으로 채움 포트에 플러그의 "냉간 용접(cold weld)"을 수행한다. 특정 실시예들에서, 강제 피팅은 본 명세서에서 더 논의되는 바와 같은 기타 용접 기술로 보완될 수 있다.
일반적으로, 하우징의 조립은 종종 바디(20) 내에 저장 셀(12)을 배치하는 것 및 전해질(6)으로 바디(20)를 채우는 것을 수반한다. 또 다른 건조 공정이 수행될 수 있다. 예시적인 건조는, 종종 감소된 압력 (예를 들어, 진공) 하에서, 그 안에 저장 셀(12) 및 전해질(6)을 갖는 바디(20)를 가열하는 것을 포함한다. 적정한(선택적) 건조가 수행되었다면, 최종 조립 단계들이 수행될 수 있다. 최종 단계들에서, 내부 전기 접속들이 만들어지고, 캡(24)이 설치되고, 캡(24)이, 예를 들어, 캡(24)을 바디(20)에 용접함으로써 바디(20)에 기밀 밀봉된다.
몇몇 실시예들에서, 하우징(7)과 캡(24) 중 적어도 하나는 다층을 포함하는 물질을 포함한다. 예를 들어, 제1 물질층은 알루미늄을 포함할 수 있고, 제2 물질층은 스테인리스 스틸일 수 있다. 이 예에서, 스테인리스 스틸은 알루미늄 상에 클래딩되므로, 원하는 조합의 야금 특성을 보이는 물질을 제공한다. 즉, 본 명세서에서 제공된 실시예에서, 알루미늄이 에너지 저장 셀 (즉, 하우징)의 내부에 노출되는 한편, 스테인리스 스틸은 외부에 노출된다. 이러한 방식으로, 알루미늄의 유리한 전기적 특성을 갖는 한편, 구축에 대해 스테인리스 스틸의 구조적 특성 (및 야금 특성, 즉, 용접성)에 의존한다. 다층 물질은 적절한 것으로 간주되는 추가적인 층을 포함할 수 있다. 바람직하게, 이것은 스테인리스 스틸에 대한 스테인리스 스틸의 용접, 즉, 상대적으로 간단한 용접 절차를 제공한다.
바디(20)의 구성에 사용되는 물질은 설계자 또는 제작자에 의해 적절한 것으로 간주되는 알루미늄, 임의의 유형의 알루미늄 또는 알루미늄 합금 (본 명세서에서 이들 모두가 광범위하게 단순히 "알루미늄"으로 지칭된다)을 포함한다. 각종 합금, 라미네이트 등이 알루미늄 (바디(20)의 내부에 노출되는 알루미늄) 상에 배치 (예컨대, 클래딩)될 수 있다. 바디 및/또는 하우징(7)을 보완하기 위해 추가적인 물질(일부 중합체-기반 물질과 같은, 전기 절연성 물질 또는 구조 물질)가 사용될 수 있다. 알루미늄 상에 배치되는 물질은 마찬가지로 설계자 또는 제작자에 의해 적절한 것으로 간주되는 것으로 선택될 수 있다.
알루미늄의 사용이 필요하지 않거나 요구되지 않는다. 즉, 물질의 선택은 설계자, 제작자, 또는 사용자 등이 적절한 것으로 간주하는 임의의 물질을 사용하기 위해 제공될 수 있다. 고려 사항은, 예를 들어, 전해질(6)과의 전기화학적 상호작용의 감소, 구조적 특성, 비용 등과 같은 다른 요인에 관련될 수 있다.
상대적으로 작은 체적을 보이는 울트라커패시터(10)의 실시예는 프리즘 폼 팩터(prismatic form factor)로 제조될 수 있어, 울트라커패시터(10)의 전극(3)은 서로 대향하는데, 적어도 하나의 전극(3)은 유리 대 금속 밀봉에 대해 내부 접촉부를 갖고, 다른 것은 하우징 또는 유리 대 금속 밀봉에 대해 내부 접촉부를 갖는다.
특정 울트라커패시터(10)의 체적은, 그들이 전기적으로 병렬 또는 직렬이 되도록 하나의 하우징(7) 내에 여러 개의 저장 셀을 조합 (예컨대, 여러 개의 젤리롤을 함께 용접)함으로써 확장될 수 있다.
다양한 실시예들에서, 전력 공급을 제공하기 위해 복수의 울트라커패시터(10)를 사용하는 것이 유용하다. 안정적인 작동을 제공하기 위해, 개개의 울트라커패시터(10)는 사용하기에 앞서 테스트된다. 다양한 유형의 테스트를 수행하기 위해, 울트라커패시터(10)의 각각은 직렬로 또는 병렬로 복수의 울트라커패시터(10)가 부착된 단일 셀로서 테스트될 수 있다. 다양한 기술에 의해 (예컨대, 용접에 의해) 접합된 상이한 금속들을 사용하면, 접속의 ESR을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 접속의 강도를 증가시킬 수 있다. 이제, 울트라커패시터들(10) 간의 접속에 대한 일부 측면이 소개된다.
몇몇 실시예들에서, 울트라커패시터(10)는 두 개의 접촉부를 포함한다. 두 개의 접촉부는 유리 대 금속 밀봉 핀 (즉, 피드-스루(19))과 하우징(7)의 전체 나머지이다. 복수의 울트라커패시터(10)를 직렬로 연결하는 경우, 그것은 종종 하우징(7)의 저부 사이의 상호접속을 커플링시키는 것이 바람직하여 (원통형 하우징(7)의 경우에), 내부 리드까지의 거리가 최소화되고, 따라서 최소 저항을 갖는다. 이러한 실시예에서, 상호접속의 대향 단부는 보통 유리 대 금속 밀봉의 핀에 커플링된다.
상호접속과 관련하여, 보편적인 유형의 용접은 병렬 팁 전기 저항 용접기의 사용을 수반한다. 용접은 핀 상에 상호접속의 단부를 정렬하고 핀에 직접 상호접속을 용접하여 이루어질 수 있다. 복수의 용접을 사용하면 상호접속과 핀 사이의 강도 및 접속을 증가시킬 것이다. 일반적으로, 핀에 용접할 때, 핀과 잘 일치하기 위해 상호접속의 단부의 형상을 구성하는 것은, 단락을 야기하는 핀을 오버랩하는 초과 물질이 실질적으로 존재하지 않도록 보장하는 역할을 한다.
대향 팁 전기 저항 용접기는 핀에 상호접속을 용접하는데 사용되는 한편, 초음파 용접기는 하우징(7)의 저부에 상호접속을 용접하는데 사용될 수 있다. 관련 금속들이 상용될 수 있는 경우에 납땜 기술을 사용할 수 있다.
상호접속에서 사용되는 물질과 관련하여, 상호접속에 대해 사용되는 보편적인 유형의 물질은 니켈이다. 니켈은 스테인리스 스틸과 잘 용접되고 강한 인터페이스를 가지므로 사용될 수 있다. 예를 들어, 상호접속에서 저항을 감소시키기 위해, 다른 금속 및 합금이 니켈 대신에 사용될 수 있다.
일반적으로, 상호접속에 대해 선택된 물질은 핀 내의 물질은 물론 하우징(7) 내의 물질과 상용되도록 선택된다. 예시적인 물질로는 구리, 니켈, 탄탈럼, 알루미늄 및 니켈 구리 클래딩이 있다. 사용할 수 있는 추가 금속으로는 은, 금, 황동, 백금 및 주석이 있다.
몇몇 실시예에서, 예컨대, 핀 (즉, 피드-스루(19))이 탄탈럼으로 이루어지는 경우에, 상호접속은, 예컨대, 짧은 브리지 접속을 사용함으로써, 중간 금속을 활용할 수 있다. 예시적인 브리지 접속은, 브리지에 알루미늄/구리/니켈의 스트립을 용접하기 위해 대향 팁 저항 용접기를 사용하여 수정된, 탄탈럼의 스트립을 포함한다. 그 다음, 병렬 저항 용접기는 탄탈럼 핀에 탄탈럼 스트립을 용접하는 데 사용된다.
브리지는 또한 하우징(7)인 접촉부 상에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 니켈 피스는 하우징(7)의 저부에 용접된 저항일 수 있다. 그 다음, 구리 스트립이 니켈 브리지에 초음파 용접될 수 있다. 이 기술은 셀 상호접속의 저항을 감소시키는데 도움이 된다. 각각의 접속에 대해 상이한 금속들을 사용하면, 직렬의 셀 사이의 상호접속의 ESR을 감소시킬 수 있다.
따라서, 고온 환경 (즉, 약 210℃까지)에 유용한 강력한 울트라커패시터(10)의 양태들을 설명하는데 있어서, 일부 추가적인 측면이 이제 제공되고 및/또는 정의된다.
다양한 물질이 울트라커패시터(10)의 구성에 이용될 수 있다. 산소 및 수분이 배제되어야 하고 전해질(6)이 탈출하는 것을 방지해야 할 경우에, 울트라커패시터(10)의 무결성이 필수적이다. 이를 달성하기 위해, 심 용접(seam welds) 및 임의의 다른 밀봉 포인트는 작동을 위한 의도된 온도 범위에 걸쳐 기밀성에 대한 표준을 충족해야 한다. 또한, 선택된 물질은 전해질(6)의 배합에 이용될 수 있는 이온성 액체 및 용매와 같은 다른 물질과 상용되야 한다.
몇몇 실시예들에서, 피드-스루(19)는, KOVARTM (펜실베이니아주 리딩의 카펜터 테크놀로지 코포레이션의 상표로서, KOVAR은 진공 용해된 철-니켈-코발트, 즉, 저 팽창 합금이며, 그의 화학 성분은 정확한 균일 열 팽창 특성을 보장하기 위해 좁은 범위 내에서 제어됨), 합금(52) (금속에 대한 유리 및 세라믹 밀봉에 적합한 니켈 철 합금), 탄탈럼, 몰리브데넘, 니오븀, 텅스텐, 스테인리스 스틸(446) (고온 부식과 산화에 대해 우수한 저항을 제공하는 페라이트계, 비-가열 처리가 가능한 스테인리스 스틸) 및 티타늄 중 적어도 하나 등의 금속으로 구성된다.
상술한 것을 활용하는 유리 대 금속 밀봉의 바디는, 304, 304L, 316, 및 316L 합금과 같은 300 시리즈 스테인리스 스틸으로 제조될 수 있다. 바디는 또한 인코넬(Inconel) (압력 및 열을 수신하는 극한 환경에서 서비스에 아주 적합한 산화 및 부식 저항 물질인 오스테나이트계 니켈-크롬-기반 초합금의 패밀리) 및 하스텔로이(Hastelloy) (니켈과 다른 비율의 몰리브데넘, 크롬, 코발트, 철, 구리, 망간, 티타늄, 지르코늄, 알루미늄, 탄소, 텅스텐을 포함하는 내식성이 높은 금속 합금)과 같은 다른 니켈 합금 중 적어도 하나와 같은 금속으로 만들어질 수 있다.
유리 대 금속 밀봉에서 에워싸는 바디와 피드-스루(19) 사이의 절연 물질은 일반적으로 유리로서, 그의 조성은 밀봉의 각 제조자에게 소유권이 있고 밀봉이 압축 하에 있는지 또는 매칭되는지에 따라 다르다. 다른 절연성 물질들이 유리 대 금속 밀봉에 사용될 수 있다. 예를 들어, 다른 중합체가 밀봉에 사용될 수 있다. 이와 같이, "유리 대 금속" 밀봉이라는 용어는 단순히 밀봉의 유형을 설명하는 것으로, 밀봉이 유리를 포함해야 한다는 것을 함축하려는 의도가 아니다.
울트라커패시터(10)를 위한 하우징(7)은, 예를 들어, 타입 304, 304L, 316 및 316L 스테인리스 스틸으로 만들어질 수 있다. 그들은 또한 1100, 3003, 5052, 4043, 6061 등의 알루미늄 합금 중 일부로 구성될 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 각종 다층 물질이 사용될 수 있고, 예를 들어, 스테인리스 스틸에 대한 알루미늄 클래드를 포함할 수 있다. 사용될 수 있는 다른 비-제한적 상용성 금속으로는 백금, 금, 로듐, 루테늄 및 은이 있다.
울트라커패시터(10)에 사용된 유리 대 금속 밀봉의 특정 예로는 두 가지 상이한 유형의 유리 대 금속 밀봉이 있다. 첫 번째는 미국, 뉴욕, 엘름스포드에 위치한 SCHOTT로부터의 것이다. 이 실시예는 스테인리스 스틸 핀, 유리 절연체, 및 스테인리스 스틸 바디를 사용한다. 두 번째 유리 대 금속 밀봉은 오하이오, 신시내티의 HERMETIC SEAL TECHNOLOGY로부터의 것이다. 이 두번째 실시예는 탄탈럼 핀, 유리 절연체 및 스테인리스 스틸 바디를 사용한다. 다양한 사이즈의 여러 실시예가 제공될 수 있다.
유리 대 금속 밀봉에 대한 추가적인 실시예는 알루미늄 밀봉 및 알루미늄 바디를 사용하는 실시예이다. 유리 대 금속 밀봉에 대한 또 다른 실시예는 에폭시 또는 다른 절연 물질 (예컨대, 세라믹 또는 규소)을 사용하는 알루미늄 밀봉을 포함한다.
유리 대 금속 밀봉에 대한 복수의 양태가 원하는 대로 구성될 수 있다. 예를 들어, 하우징과 핀의 치수 및 핀과 하우징의 물질은 적절하게 변형될 수 있다. 핀은 또한 튜브 또는 고체 핀일 수 있을 뿐만 아니라 하나의 커버에 복수의 핀을 가질 수 있다. 핀에 사용되는 물질의 가장 보편적인 유형은 스테인리스 스틸 합금, 구리 코어형 스테인리스 스틸, 몰리브데넘, 백금-이리듐, 다른 니켈-철 합금, 탄탈럼 및 다른 금속들이지만, 일부 종래와는 다른 물질이 사용될 수 있다 (예컨대, 알루미늄). 하우징은 일반적으로 스테인리스 스틸, 티타늄 및/또는 다른 다른 물질로 구성된다.
울트라커패시터(10)의 조립에 다른 체결 기술(fastening techniques)이 사용될 수 있다. 예를 들어, 용접과 관련하여, 다른 용접 기술이 사용될 수 있다. 용접의 유형 및 각 용접 유형이 사용될 수 있는 다른 용도에 대한 예시적인 리스팅은 다음과 같다.
집전기에 알루미늄 탭들을 용접하고; 저부 클래드 커버에 탭들을 용접하고; 유리 대 금속 밀봉 핀에 접속된 클래드 브리지에 점퍼 탭을 용접하고; 및 젤리롤 탭들을 함께 용접하기 위해, 여러가지 중에서, 초음파 용접이 사용될 수 있다. 캔의 저부 또는 핀에 리드들을 용접하고; 집전기에 리드들을 용접하고; 클래드 브리지에 점퍼를 용접하고; 단자(8)에 클래드 브리지를 용접하고; 저부 커버에 리드를 용접하기 위해, 여러가지 중에서, 펄스 또는 저항 용접이 사용될 수 있다. 스테인레스 스틸 캔에 스테인리스 커버를 용접하고; 스테인레스 스틸 유리 대 금속 밀봉 핀에 스테인레스 스틸 브리지를 용접하고; 채움 포트에 플러그를 용접하기 위해, 여러가지 중에서, 레이저 용접이 사용될 수 있다. 알루미늄 캔에 알루미늄 커버를 밀봉하고; 위치에 알루미늄 실을 용접하기 위해, 여러가지 중에서, TIG 용접이 사용될 수 있다. 채움 포트에 알루미늄 볼/택크를 강제 피팅하여 채움 포트를 밀봉하기 위해, 여러가지 중에서, 냉간 용접 (큰 힘으로 금속들을 함께 압축함)이 사용될 수 있다.
ⅱ. 제조의 특정 유리한
실시예들
제한적인 의도가 아닌 특정 유리한 실시예들이 이하 제공된다.
특정 실시예에서, 및 도 29를 참조하면, 예시적 전극(3)의 구성요소들이 도시된다. 본 예에서, 전극(3)은 음 전극(3)으로서 사용될 것이다 (그러나, 이러한 지정은 임의적이고 단지 참조를 위한 것이다).
설명에서 언급되는 바와 같이, 적어도 본 실시예에서, 분리막(5)은 일반적으로 에너지 저장 매체(1) (및 집전기(2)) 보다 긴 길이와 넓은 폭을 갖는다. 큰 분리막(5)을 사용함으로써, 양 전극(3)과 음 전극(3)의 단락에 대한 보호가 제공된다. 분리막(5)에서 추가적인 물질의 사용은 또한 리드 및 단자(8)에 대한 더 나은 전기적 보호를 제공한다.
이제, 저장 셀(12)의 실시예의 측면도를 제공하는 도 30을 참조하자. 본 예에서, 에너지 저장 매체(1)의 적층 스택은 제1 분리막(5) 및 제2 분리막(5)을 포함하여, 저장 셀(12)이 롤링된 저장 셀(23)에 조립될 때, 전극(3)이 전기적으로 분리된다. 전극(3) 및 울트라커패시터(10)의 조립에 관한 용어인 "양"과 "음"은 단순히 임의적인 것으로, 울트라커패시터(10)에서 구성되고 그 내부에 전하가 저장되는 경우에 기능성을 언급하는 것임에 주목한다. 본 기술에서 보편적으로 채택되는 이러한 관례는, 조립 전에 전하가 저장된다는 것을 반영하거나, 상이한 전극들의 물리적 식별에 대해 제공하는 것 이외의 임의의 다른 측면을 함축하려는 의도가 아니다.
저장 셀(12)을 감기(winding) 전에, 음 전극(3) 및 양 전극(3)은 서로에 대해 정렬된다. 최고 수준의 정렬이 존재할 때 이온 수송을 위한 경로 길이가 일반적으로 최소화됨에 따라, 전극들(3)의 정렬은 울트라커패시터(10)의 더 나은 성능을 제공한다. 또한, 높은 수준의 정렬을 제공함으로써, 과잉 분리막(5)이 포함되지 않고, 결과적으로 울트라커패시터(10)의 효율이 악화되지 않다.
이제, 또한, 도 31을 참조하면, 전극(3)이 롤링된 저장 셀(23)이 되도록 감겨진 저장 셀(12)의 일 실시예가 도시된다. 분리막들(5) 중 하나는 저장 셀(12)의 최외곽 층으로서 존재하고, 하우징(7)의 내부로부터 에너지 저장 매체(1)를 분리한다.
"극성 매칭(polarity matching)"은 바디(20)의 극성과 롤링된 저장 셀(23)의 최외곽 전극의 극성을 매칭하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 음 전극(3)은 롤링된 저장 셀(23)을 제공하는 밀착 패킹된 패키지의 최외곽 측에 있다. 이러한 실시예에서, 단락에 대한 또 다른 수준의 보장이 제공된다. 즉, 음 전극(3)이 바디(20)에 커플링되는 경우, 음 전극(3)은 롤링된 저장 셀(23)의 최외곽 전극으로서 배치된다. 따라서, 예컨대, 사용 중에 울트라커패시터(10)의 진동에 의해 유도된 기계적 마모에 의해 분리막(5)이 고장나는 경우에, 울트라커패시터(10)는 롤링된 저장 셀(23)의 최외곽 전극과 바디(20) 사이의 단락으로 인해 고장나지 않을 것이다.
롤링된 저장 셀(23)의 각각의 실시예에 대해, 기준 마크(72)는 적어도 분리막(5)에 있을 수 있다. 기준 마크(72)는 전극(3)의 각각에서 리드의 위치 결정을 제공하는데 사용될 것이다. 몇몇 실시예에서, 리드의 위치 결정은 계산에 의해 제공된다. 예를 들어, 젤리롤의 내경과 조합된 분리막(5)과 전극(3)에 대한 전체의 두께를 고려하여, 각 리드의 배치 위치가 추정될 수 있다. 그러나, 실제로는 기준 마크(72)를 사용하는 것이 보다 효율적이고 효과적임을 보여 주었다. 기준 마크(72)는, 예를 들어, 분리막(들)(5)의 에지에서의 슬릿을 포함할 수 있다.
일반적으로, 기준 마크(72)는 저장 셀(12)의 각각의 새로운 사양에 대해 사용된다. 즉, 저장 셀(12)의 새로운 사양은 (이전의 실시예에 대해) 그 내부에서 적어도 하나의 층의 두께를 상이하게 할 것을 요청할 수 있으므로, 이전의 기준 마크의 사용은 적어도 다소 부정확할 수 있다.
일반적으로, 기준 마크(72)는 그 중심에서 그 주변부로 롤을 횡단하는 단일 사선(single radial line)으로 명시되어 있다. 따라서, 리드가 기준 마크(72)를 따라 설치되는 경우에, 각각의 리드는 나머지 리드와 정렬될 것이다 (도 10에 도시된 바와 같이). 그러나, 저장 셀(12)이 펴지는(unroll) 경우(저장 셀(12)이거나 롤이 되는 실시예에 대해), 기준 마크(72)는 복수의 마킹(marking)인 것으로 간주될 수 있다 (도 32에 도시된 바와 같이). 편의상, 저장 셀(12)의 표시의 등장 또는 실시예에 무관하게, 리드의 통합을 위한 위치 식별은 "기준 마크(72)" 또는 "기준 마크들의 세트(72)"의 식별을 수반하는 것으로 간주된다.
이제, 도 32를 참조하면, 기준 마크(72)가 수립되면 (예컨대, 롤링된 저장 셀(12)에 표시함으로써), 각 리드의 설치를 위한 설치 장소가 제공된다 (즉, 기준 마크(72)에 의해 설명됨). 각 설치 장소가 식별되면, 저장 셀(12)의 임의의 주어진 빌드 사양(build specification)에 대해, 각각의 설치 장소의 상대적인 위치는 저장 셀(12)의 특정한 빌드의 추가적인 인스턴스에 대해 반복될 수 있다.
일반적으로, 각 리드는 저장 셀(12)에서 각각의 집전기(2)에 커플링된다. 몇몇 실시예에서, 집전기(2)와 리드 둘 다 알루미늄으로 제조된다. 일반적으로, 리드는 폭(W)을 가로질러 집전기(2)에 커플링되지만, 리드는 단지 폭(W)의 일부에 대해 커플링될 수 있다. 커플링은, 예를 들어, 집전기(2)에 대한 리드의 초음파 용접에 의해 달성될 수 있다. 커플링을 달성하기 위해, 에너지 저장 매체(1)의 적어도 일부는 각각의 리드가 집전기(2)와 적절하게 조인될 수 있도록 (적절하게) 제거될 수 있다. 커플링을 제공하기 위해, 적절한 것으로 간주되는 다른 제조 및 수용이 실시될 수 있다.
특정 실시예들에서, 대향하는 기준 마크(73)가 포함될 수 있다. 즉, 기준 마크(72)가 제공되는 것과 동일한 방식으로, 대향 극성을 위한 리드들의 설치를 설명하기 위해 대향 기준 마크들의 세트(73)가 만들어질 수 있다. 즉, 기준 마크(72)는 음 전극(3) 등의 제1 전극(3)에 리드를 설치하기 위해 이용될 수 있는 한편, 대향 기준 마크(73)는 양 전극(3)에 리드를 설치하기 위해 이용될 수 있다. 롤링된 저장 셀(23)이 원통형인 실시예에서, 대향 기준 마크(73)는 에너지 저장 매체(1)의 대향측에 배치되고, 기준 마크(72)로부터 세로로 오프셋한다 (도시된 바와 같이).
도 32에서, 기준 마크(72)와 대향 기준 마크(73)는 모두 단일 전극(3) 상에 배치되는 것으로 도시된다는 것에 주목한다. 즉, 도 29는 단순히 기준 마크(72)와 대향 기준 마크(73)의 공간 (즉, 선형) 관계를 예시하기 위한 일 실시예를 도시한다. 이것은 양 전극(3)과 음 전극(3)이 에너지 저장 매체(1)를 공유한다는 것을 함축하려는 의도가 아니다. 그러나, 기준 마크(72)와 대향 기준 마크(73)가 저장 셀(12)을 롤링하고 분리막(5)에 표시하여 배치되는 경우에, 기준 마크(72)와 대향 기준 마크(73)는 틀림없이 단일 분리막(5) 상에 제공될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 그러나, 실제로, 기준 마크(72)와 대향 기준 마크(73)의 단지 하나의 세트만 임의의 주어진 전극(3)에 대한 리드를 설치하는 데 사용된다. 즉, 도 32에 도시된 실시예는 대향 극성일 또 다른 전극(3)을 위한 에너지 저장 매체(1)의 또 다른 층으로 보완될 것임을 인식해야 한다.
도 33에 도시된 바와 같이, 전술한 조립 기술은, 저장 셀(12)이 적어도 하나의 세트의 정렬된 리드들을 포함하는 것을 야기한다. 제1 세트의 정렬된 리드들(91)은 롤링된 저장 셀(23)을 음의 접촉부(55) 및 양의 접촉부(56) 중 하나에 커플링할 때 특히 유용한 한편, 대향 정렬된 리드들의 세트(92)는 에너지 저장 매체(1)의 대향 접촉부(55, 56)로의 커플링을 제공한다.
롤링된 저장 셀(23)은 래퍼(93)에 의해 에워싸여 있을 수 있다. 래퍼(93)는 다양한 실시예로 실현될 수 있다. 예를 들어, 래퍼(93)는 KAPTONTM 테이프 (델라웨어주, 윌밍턴의 듀폰에 의해 개발된 폴리이미드 필름), 또는 PTFE 테이프로서 제공될 수 있다. 이 예에서, KAPTONTM 테이프는 롤링된 저장 셀(23)을 에워싸고 부착된다. 래퍼(93)는, 롤링된 저장 셀(23)에 슬라이드되는 밀착 피팅 래퍼(tightly fitting wrapper)(93)와 같이, 접착제 없이 제공될 수 있다. 래퍼(93)는, 일반적으로 (예컨대, 상기 논의된 엔벨로프(73)와 같은) 롤링된 저장 셀(23)을 완전히 에워싸는, 백(bag)으로서 명시될 수 있다. 이러한 실시예들의 일부에서, 래퍼(93)는 수축-랩처럼 기능함으로써 롤링된 저장 셀(23)의 효율적인 물리 (및 몇몇 실시예에서, 화학) 엔클로저를 제공하는 물질을 포함할 수 있다. 일반적으로, 래퍼(93)는 울트라커패시터(10)의 전기화학적 기능을 방해하지 않는 물질로 구성된다. 래퍼(93)는 또한, 예를 들어, 롤링된 저장 셀(23)의 삽입을 돕기 위해 필요에 따라 부분적인 커버리지를 제공할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 음 전극 리드 및 양 전극 리드는 롤링된 저장 셀(23)의 대향측에 위치된다 (젤리롤 타입 롤링된 저장 셀(23)의 경우에, 음의 극성의 리드들 및 양의 극성의 리드들은 정반대의 것일 수 있다). 일반적으로, 롤링된 저장 셀(23)의 대향측에 음의 극성의 리드들과 양의 극성의 리드들을 배치하는 것은 롤링된 저장 셀(23)의 구성을 용이하게 할 뿐만 아니라 향상된 전기적 분리를 제공하기 위해 수행된다.
몇몇 실시예들에서, 일단 정렬된 리드들(91, 92)이 조립되면, 복수의 정렬된 리드(91, 92) 각각이 (제자리에서) 함께 묶여, 수축-랩 (도시되지 않음)이 복수의 정렬된 리드(91, 92) 주위에 배치될 수 있다. 일반적으로, 수축-랩은 PTFE로 구성되지만, 임의의 적합한 물질이 사용될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 일단 수축 랩(shrink-wrap) 물질이 정렬된 리드(91)에 대해 배치되면, 정렬된 리드(91)는 울트라커패시터(10)가 조립되었을 때를 상정하는 형상으로 폴드된다. 즉, 도 34를 참조하면, 정렬된 리드가 "Z" 형상이라고 가정하는 것을 알 수 있다. 정렬된 리드(91, 92)에 "Z-폴드"를 부여하고, 수축-랩을 적용한 후, 수축-랩이 정렬된 리드(91, 92)에 대한 위치로 축소하도록 수축-랩이 가열되거나 그렇지 않으면 활성화될 수 있다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 정렬된 리드(91, 92)는 래퍼에 의해 강화되고 보호될 수 있다. 캡(24) 내에 배치된 피드-스루(19)에 에너지 저장 매체를 커플링할 때 Z-폴드의 사용이 특히 유용하다.
또한, 정렬된 리드(91, 92)의 각 세트 (즉, 각 단자(8))를 각각의 접촉부(55, 56)에 커플링시키기 위한 다른 실시예가 실시될 수도 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 중간 리드(intermediate lead)가 피드-스루(19)와 하우징(7) 중 하나에 커플링되어, 정렬된 리드들(91, 92)의 각각의 세트와의 커플링이 용이해 진다.
더욱이, 사용되는 물질은 반응성, 유전값, 융점, 다른 물질과의 밀착성, 용접성, 마찰 계수, 비용 및 다른 이러한 요인들과 같은 특성에 따라 선택될 수 있다. 원하는 특성을 제공하기 위해 물질들의 조합 (예컨대, 적층, 혼합, 또는 그렇지 않으면 조합)이 사용될 수 있다.
iii
. 특정
울트라커패시터
실시예
본 발명의 예시적 울트라커패시터(10)의 물리적 양태들이 이하 보여진다. 하기 표들에서, "탭"이라는 용어는 일반적으로 상술한 바와 같이 "리드"를 지칭하고; "브리지" 및 "점퍼"라는 용어 또한 리드의 양태들을 참조한다 (예를 들어, 브리지는 피드-스루 또는 "핀"에 커플링될 수 있는 한편, 점퍼는 탭들 또는 리드들에 브리지를 접속하기에 유용함)는 점에 주목하자. 다양한 접속의 사용은 조립 공정을 용이하게 하고, 특정 조립 기술을 활용할 수 있다. 예를 들어, 브리지는 핀에 레이저 용접 또는 저항 용접될 수 있고, 점퍼에 초음파 용접으로 커플링될 수 있다.
도 35 내지 38은 예시적인 울트라커패시터(10)의 성능을 도시하는 그래프이다. 도 35 및 도 36은 1.75 Volt 및 125℃에서 울트라커패시터(10)의 성능을 묘사한다. 도 37 및 도 38은 1.5 Volt 및 150℃에서 울트라커패시터(10)의 성능을 묘사한다.
일반적으로, 울트라커패시터(10)는 다른 환경 조건 및 요구 하에 사용될 수 있다. 예를 들어, 단자 전압은 약 100 mV 내지 10 V 범위일 수 있다. 주위 온도들은 약 -40℃ 내지 +210℃의 범위일 수 있다. 전형적 고온 주위 온도는 +60℃ 내지 +210℃ 범위이다.
도 39 내지 43은 예시적인 울트라커패시터(10)의 성능을 도시하는 추가적인 그래프이다. 이러한 예에서, 울트라커패시터(10)는 폐쇄된 셀 (즉, 하우징)이었다. 울트라커패시터는 100 mA의 충전 및 방전으로 10회 순환되었고, 0.5 Volt로 충전되었고, 저항 측정되었고, 10 mV로 방전되었고, 10초 휴식한 다음 다시 순환되었다.
표 11 및 12는 울트라커패시터(10)의 실시예에 대한 성능 비교 데이터를 제공한다. 도시된 바와 같이 성능 데이터는 다른 작동 조건에 대해 수집되었다.
따라서, 표 9 및 10에서 제공하는 데이터는, 본 명세서에서의 교시가 극한 조건에서 울트라커패시터의 성능을 이루어낸다는 것을 입증한다. 그에 따라 제조된 울트라커패시터는, 예를 들어, 셀 체적의 밀리리터당 약 1 mA 미만의 누설 전류, 및 500 시간에서 약 100% 미만의 ESR 증가를 보인다 (약 2V 미만의 전압 및 약 150℃ 미만의 온도를 유지하면서). 울트라커패시터의 다른 요구들 (예를 들어, 전압 및 온도) 간에 절충이 이루어질 수 있으므로, 울트라커패시터에 대한 성능 정격(performance ratings)이 관리될 수 있고 (예를 들어, ESR, 커패시턴스에 대한 증가 레이트), 특정한 필요를 수용하도록 조정될 수 있다. 전술한 것을 참고하면, "성능 정격"은, 작동의 조건을 설명하는 파라미터의 값에 대한 일반적인 기존의 정의로서 주어진다.
도 35 내지 도 43은 125℃ 내지 210℃의 범위에서 온도들에 대해 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 및 테트라시아노보레이트를 포함하는 AES를 갖는 예시적 울트라커패시터의 성능을 묘사한다.
도 44a 및 도 44b는 1-부틸-1-메틸피페리디늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드를 포함하는 AES를 갖는 예시적 울트라커패시터의 성능 데이터를 묘사한다.
도 45a 및 도 45b는 트리헥실테트라데실포스포늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드를 포함하는 AES를 갖는 예시적 울트라커패시터의 성능 데이터를 묘사한다.
도 46a 및 도 46b는 부틸트리메틸암모늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드를 포함하는 AES를 갖는 예시적 울트라커패시터의 성능 데이터를 묘사한다.
도 47a 및 도 47b는 125℃에서 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 및 테트라시아노보레이트를 포함하는 AES를 갖는 예시적 울트라커패시터의 성능 데이터를 묘사한다.
도 48a 및 48b와 도 49는 프로필렌 카르보네이트의 혼합물과 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 및 테트라시아노보레이트, 체적에 의해 약 37.5% 프로필렌 카르보네이트에 대한 혼합물을 포함하는 AES를 갖는 예시적 울트라커패시터의 성능 데이터를 묘사하는 것이다; 125℃에서 작동하는 커패시터 (도 48a와 도 48b) 및 -40℃에서 작동하는 커패시터 (도 49). 시험된 다른 예시적 울트라커패시터는 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트를 포함하는 AES를 포함하였다.
시험된 또 다른 예시적 울트라커패시터는 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드를 포함하는 AES를 포함하였다.
시험된 또 다른 예시적 울트라커패시터는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트를 포함하는 AES를 포함하였다.
시험된 또 다른 예시적 울트라커패시터는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라시아노보레이트를 포함하는 AES를 포함하였다.
시험된 또 다른 예시적 울트라커패시터는 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 테트라시아노보레이트를 포함하는 AES를 포함하였다.
시험된 또 다른 예시적 울트라커패시터는 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드를 포함하는 AES를 포함하였다.
시험된 또 다른 예시적 울트라커패시터는 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 트리스(펜타플루오로에틸)트리플루오로포스페이트를 포함하는 AES를 포함하였다.
시험된 또 다른 예시적 울트라커패시터는 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 테트라시아노보레이트를 포함하는 AES를 포함하였다.
시험된 또 다른 예시적 울트라커패시터는 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 트리플로로메탄술포네이트를 포함하는 AES를 포함하였다.
시험된 또 다른 예시적 울트라커패시터는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라시아노보레이트를 포함하는 AES를 포함하였다.
시험된 또 다른 예시적 울트라커패시터는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨과 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 및 테트라시아노보레이트를 포함하는 AES를 포함하였다.
시험된 또 다른 예시적 울트라커패시터는 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 및 테트라시아노보레이트를 포함하는 AES 및 에틸 이소프로필 술폰을 포함하였다.
표 9 및 본 명세서의 다른 곳에서 제시된 바와 같은, 커패시턴스는 물론 ESR의 측정은 일반적으로 알려진 방법을 따른다는 것에 주목한다. 먼저, 커패시턴스를 측정하기 위한 기술을 고려한다.
커패시턴스는 복수의 방식으로 측정될 수 있다. 하나의 방법은, 알려진 전류가 울트라커패시터로부터 빼내어지는 동안 ("방전" 동안) 또는 울트라커패시터에 공급되는 동안 ("충전" 동안) 커패시터 단자에서 제시된 전압을 모니터링하는 것을 수반한다. 보다 구체적으로, 이상적인 커패시터가 다음의 수식에 의해 관리된다는 사실을 이용할 수 있다:
I = C*dV/dt
여기서, I는 충전 전류를 나타내고, C는 커패시턴스를 나타내며, dV/dt는 이상적인 커패시터 전압(V)의 시간 미분을 나타낸다. 이상적인 커패시터는, 여러 가지 중에서, 그의 내부 저항이 제로이고 그의 커패시턴스가 전압에 독립적인 것이다. 충전 전류 I가 일정할 때, 전압 V는 시간에 따라 선형이므로, dV/dt는 해상 선분의 기울기로서, 또는 DeltaV/DeltaT로서 계산될 수 있다. 그러나, 이러한 방법은 일반적으로 근사치이고, 커패시터의 유효 직렬 저항 (ESR 강하)에 의해 제공된 전압 차이가 커패시턴스의 계산 또는 측정시에 고려되어야 한다. 유효 직렬 저항 (ESR)은 일반적으로 커패시터 내에서 소산 또는 다른 효과들의 덩어리 요소 근사치(lumped element approximation)일 수 있다. 커패시터 작동은 종종 ESR와 동등한 저항값을 갖는 저항기와 직렬인 이상적인 커패시터를 포함하는 회로 모델로부터 도출된다. 일반적으로, 이는 실제 커패시터 작동에 대한 우수한 근사치를 산출한다.
커패시턴스를 측정하는 하나의 방법에서, 그 방법은 내부 저항이 실질적으로 전압에 독립적인 경우에 ESR 강하의 효과를 대체로 등한시할 수 있고, 충전 또는 방전 전류는 실질적으로 고정된다. 그 경우, ESR 강하는 상수로 근사화될 수 있고, 정전류 충전 또는 방전 동안 전압에 있어서의 변화의 계산에서 자연스럽게 감산된다. 그 다음, 전압에 있어서의 변화는 실질적으로 커패시터에 저장된 전하의 변화를 반영한다. 따라서, 전압에 있어서의 변화는, 계산을 통해, 커패시턴스의 지표로서 취해질 수 있다.
예를 들어, 정전류 방전 동안, 정전류 I가 알려져 있다. 측정 시간 간격 DeltaT 동안, 방전 동안의 전압 변화 DeltaV 를 측정하고, 전류 값 I을 비율 DeltaV/DeltaT로 나누어, 커패시턴스의 근사치를 산출한다. I는 암페어로, DeltaV는 Volt로, DeltaT는 초로 측정될 때, 커패시턴스 결과는 패럿 단위일 것이다.
ESR의 추정을 참조하면, 울트라커패시터의 유효 직렬 저항 (ESR) 또한 복수의 방식으로 측정될 수 있다. 하나의 방법은 알려진된 전류가 울트라커패시터로부터 인출되는 동안 ("방전" 동안) 또는 울트라커패시터에 공급되는 동안 ("충전" 동안) 커패시터 단자에서 제시된 전압을 모니터링하는 것을 수반한다. 보다 구체적으로, 그 방법은 ESR이 다음 수식에 의해 관리된다는 사실을 이용할 수 있다:
V = I*R
여기서, I는 효과적으로 ESR을 통과하는 전류를 나타내고, R은 ESR의 저항값을 나타내고, V는 ESR에 의해 제공되는 전압 차이 (ESR 강하)를 나타낸다. ESR은 일반적으로 울트라커패시터 내에서 소산 또는 다른 효과들의 농도 요소 근사치일 수 있다. 울트라커패시터의 작동은 종종 ESR과 동등한 저항값을 갖는 저항기와 직렬인 이상적인 커패시터를 포함하는 회로 모델로부터 도출된다. 일반적으로, 이는 실제 커패시터 작동의 우수한 근사치를 산출한다.
ESR을 측정하는 하나의 방법에서, 그 방법은 휴식중인 (상당한 전류로 충전 또는 방전되지 않는) 커패시터로부터 방전 전류를 빼내기를 시작할 수 있다. 커패시터에 저장된 전하에 있어서의 변화로 인한 커패시터가 제시하는 전압에 있어서의 변화가 전압에 있어서의 측정된 변화에 비해 작은 시간 간격 동안, 전압에 있어서의 측정된 변화는 실질적으로 커패시터의 ESR의 반영이다. 이러한 조건에서, 커패시터에 의해 제시된 즉각적인 전압 변화는 ESR의, 계산을 통한, 지표로서 취해질 수 있다.
예를 들어, 커패시터로부터 방전 전류 빼내기의 개시시에, 이것은 측정 간격 DeltaT에 대한 즉각적인 전압 변화 DeltaV로 제시될 수 있다. 측정 간격 DeltaT 동안 알려진 전류 I에 의해 방전된 커패시터 C의 커패시턴스가 측정된 전압 변화 DeltaV에 비해 작은 전압 변화를 산출하는 한, 시간 간격 DeltaT 동안 DeltaV를 방전 전류 I로 나누어 ESR에 대한 근사치를 산출할 수 있다. I가 암페어로 DeltaV가 Volt로 측정될 때, ESR 결과는 옴의 단위를 가질 것이다.
ESR과 커패시턴스 둘 모두 주위 온도에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 관련 측정은 사용자에게 측정 동안 울트라커패시터(10)를 관심을 받는 특정 주위 온도에 두도록 요구할 수 있다.
누설 전류에 대한 성능 요구 사항은 일반적으로 특정한 애플리케이션에서 일반적인 환경 조건에 의해 정의된다. 예를 들어, 20㎖의 체적을 갖는 커패시터에 관해서, 누설 전류에 대한 실제 제한은 100mA 이하로 떨어질 수 있다.
정규화된 파라미터의 공칭 값은 정규화된 파라미터 (예컨대, 체적 누설 전류)를 정규화 특성 (예컨대, 체적)으로 곱하거나 나눔으로써 획득될 수 있다. 예를 들어, 10mA/cc의 체적 누설 전류와 50cc의 체적을 갖는 울트라커패시터의 공칭 누설 전류는 체적 누설 전류와 체적의 곱인 500 mA이다. 한편, 20 mOhm·cc의 체적 ESR 및 50cc의 체적을 갖는 울트라커패시터의 공칭 ESR은 체적 ESR와 체적의 몫(quotient)인 0.4 mOhm이다.
iv
.
AES
를 포함하는
울트라커패시터에
대한 채움 효과의 시험
또한, 채움 공정이 어떻게 울트라커패시터(10)에 영향을 미치는지를 보여주기 위하여, 울트라커패시터(10)의 2개의 유사한 실시예가 구성되었다. 하나는 진공 없이 채워졌고, 다른 것은 진공에서 채워졌다. 2개 실시예의 전기적 성능은 표 11에 제공된다. 그러한 측정의 반복된 수행에 의해, 진공 상태에서 울트라커패시터(10)를 채움으로서 성능 증가가 실현된다는 것을 알았다. 일반적으로, 하우징(7) 내의 압력이 약 150 mTorr 아래로 감소하고, 더욱 구체적으로는 약 40 mTorr 아래로 감소하는 것이 바람직하다는 것이 판정되었다.
진공 채움 기술의 효과를 평가하기 위하여, 2개의 상이한 파우치 셀(pouch cells)이 테스트되었다. 파우치 셀들은 2개의 전극(3)을 포함하였고, 각 전극(3)은 탄소질 물질에 기초한다. 전극들(3) 각각은 대향에 서로 마주보도록 배치되었다. 분리막(5)은 단락 회로를 방지하기 위하여 그것들 사이에 배치되었고 모든 것이 전해질(6)에 푹 잠겼다. 2개의 외부 탭을 이용하여 4개의 측정 포인트를 제공하였다. 이용된 분리막(5)은 폴리에틸렌 분리막(5)이었고, 셀은 약 0.468 ml의 총 체적을 가졌다.
C. 울트라커패시터의 이용 방법들
본 발명은 또한 예를 들어, 본 명세서에 개시되는 울트라커패시터, 예를 들어 에너지 저장 장치의 임의의 및 모든 사용자들을 포함하도록 의도된다. 이것은 울트라커패시터의 직접적 이용 또는 임의의 응용분야를 위한 다른 장치에서의 울트라커패시터의 이용을 포함할 것이다. 이러한 이용은 제조, 판매용 제공, 또는 사용자에게의 제공을 포함하는 것으로 의도된다.
예를 들어, 일 실시예에서, 본 발명은, 예를 들어 고온 재충전가능 에너지 저장 장치 (HTRESD), 예를 들어 울트라커패시터를 이용하는 방법을 제공하며, 이는, 향상된 전해질 시스템 (AES)을 포함하는 HTRESD를 획득하는 단계; 및 HTRESD가 0.01 W/리터 내지 150 kW/리터의 초기 피크 전력 밀도를 나타내도록, HTRESD가 약 -40℃ 내지 약 210℃의 온도 범위인 주위 온도에서 작동하도록, HTRESD에 걸쳐서 전압을 일정하게 유지하면서, HTRESD를 적어도 2회 교대로 충전 및 방전하여 순환하는 단계를 포함한다. 특정 실시예들에서, 온도 범위는 약 -40℃ 내지 약 150℃; 약 -40℃ 내지 약 125℃; 약 80℃ 내지 약 210℃; 약 80℃ 내지 약 175℃; 약 80℃ 내지 약 150℃; 또는 약 -40℃ 내지 약 80℃이다. 특정 실시예들에서, HTRESD는
약 0.01 W/리터 내지 약 10 kW/리터, 예를 들어 약 0.01 W/리터 내지 약 5 kW/리터, 예를 들어 약 0.01 W/리터 내지 약 2 kW/리터의 초기 피크 전력 밀도를 나타낸다.
다른 실시예에서, 본 발명은 울트라 커패시터를 이용하는 방법을 제공하며, 본 방법은 약 100℃ 내지 약 150℃ 범위 내의 실질적으로 일정한 온도에서 유지되는 동안 약 10 mA/cc 미만인 체적 누설 전류 (mA/cc)를 나타내는, 특허청구범위 제1항 내지 제85항 중 어느 한 항의 울트라커패시터를 획득하는 단계; 및 울트라커패시터가 약 -40℃ 내지 약 210℃ 범위 내의 실질적으로 일정한 온도에서 유지되는 동안 20 시간의 사용 후 약 300 퍼센트 미만의 ESR 증가를 나타내도록, 울트라커패시터에 걸쳐서 전압을 일정하게 유지하면서, 울트라커패시터를 적어도 2회 교대로 충전 및 방전하는 단계를 포함한다. 특정 실시예들에서, 온도 범위는 약 -40℃ 내지 약 150℃; 약 -40℃ 내지 약 125℃; 약 80℃ 내지 약 210℃; 약 80℃ 내지 약 175℃; 약 80℃ 내지 약 150℃; 또는 약 -40℃ 내지 약 80℃이다.
다른 실시예에서, 본 발명은 사용자에게 고온 재충전가능 에너지 저장 장치를 제공하는 방법을 제공하며; 본 방법은 약 -40℃ 내지 약 210℃의 온도 범위의 주위 온도에 노출될 때, 0.01 W/리터 내지 100 kW/리터의 초기 피크 전력 밀도, 및 적어도 1 시간, 예를 들어, 적어도 10 시간, 예를 들어, 적어도 50 시간, 예를 들어, 적어도 100 시간, 예를 들어, 적어도 200 시간, 예를 들어, 적어도 300 시간, 예를 들어, 적어도 400 시간, 예를 들어, 적어도 500 시간, 예를 들어, 적어도 1000 시간의 내구성 주기를 나타내는 향상된 전해질 시스템 (AES)을 포함하는 고온 재충전가능 에너지 저장 장치 (HTRESD)를 선택하는 단계; 및 HTRESD가 사용자에게 제공되도록 상기 저장 장치를 전달하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 사용자에게 고온 재충전가능 에너지 저장 장치를 제공하는 방법을 제공하며; 본 방법은 약 -40℃ 내지 약 210℃의 범위 내의 실질적으로 일정한 온도에서 유지되는 동안 약 10 mA/cc 미만인 체적 누설 전류 (mA/cc)를 나타내는 특허청구범위 제1항 내지 제85항 중 어느 한 항의 울트라커패시터를 획득하는 단계; 및 HTRESD가 사용자에게 제공되도록 상기 저장 장치를 전달하는 단계를 포함한다.
참조에 의한 포함
본 명세서에 인용되는 모든 특허들, 공개 특허 출원들 및 기타 참고문헌들의 모든 내용은 그 전체가 본 명세서에 명백히 포함된다.
균등물들
당업자는 본 명세서에 설명한 특정 프로시져들에 대한 복수의 등가물을 단지 루틴 실험을 사용하여 인식하거나 확인할 수 있다. 그러한 등가물들은 본 발명의 범위 내에 있고 이하 특허청구범위들에 의해 커버되는 것으로 간주된다. 더욱이, 본 명세서에 제공되는 임의의 수치적 범위 또는 알파벳 범위들은 그 범위의 하한 값 및 상한 값 양자 모두를 포함하는 것으로 의도된다. 또한, 적어도 일 실시예에서, 임의의 리스팅 및 그룹화는 독립적 실시예들을 열거하는 속기적 또는 편리한 방식을 나타내는 것으로 의도되고; 이에 따라, 리스트의 각 멤버는 독립 실시예로서 고려되어야 한다.
본 명세서에서의 교시는 단순히 예시적인 것으로 본 발명에 대한 제한이 아니라는 것을 인식해야 한다. 또한, 당업자는 본 발명의 범위 내에 있으면서 추가적인 구성요소, 구성 및 배치 등이 실현될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예를 들어, 층, 전극, 리드, 단자, 접촉부, 피드-스루, 캡 등의 구성은 본 명세서에 개시된 실시예들과 다를 수 있다. 일반적으로, 전극을 이용하는 울트라커패시터 및 울트라커패시터들의 구성요소들의 설계 및/또는 애플리케이션은 시스템 설계자, 제조자, 오퍼레이터 및/또는 사용자의 필요 및 임의의 특정한 상황에서 제시된 요구에 의해서만 제한된다.
또한, 본 명세서에서의 교시의 양태들을 제공하기 위해 다양한 다른 구성요소가 포함 및 호출될 수 있다. 예를 들어, 추가적인 물질은, 물질의 조합 및/또는 물질의 생략이 사용되어 본 명세서에서의 교시의 범위 내에 있는 추가된 실시예를 위해 제공될 수 있다.
본 발명은 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 변경이 이루어질 수 있고 균등물이 그의 요소들을 대체할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 본질적인 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 교시에 특정한 인스트루먼트, 상황 또는 물질을 적합화시키는 많은 수정이 이해될 것이다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위해 고려된 초선의 모드로 개시된 특정 실시예로 제한되지 않지만 본 명세서에 첨부된 청구항들에 의해 해석되어야 하는 것으로 의도된다.
Claims (173)
- 기밀 밀봉된 하우징 내의 에너지 저장 셀 및 전해질 조성물을 포함하며, 상기 셀은 양의 접촉부 및 음의 접촉부에 전기적으로 커플링된 것인 울트라커패시터(ultracapacitor)이며, 여기서 울트라커패시터는 성능 또는 내구성을 변경하지 않으면서 작동 온도 범위 전체의 온도에서 작동하도록 구성되고,
작동 온도 범위는 -40℃ 내지 210℃, 또는 -40℃ 내지 150℃, 또는 -40℃ 내지 125℃를 포함하고;
전해질 조성물은 이온성 액체 및 유기 용매의 혼합물을 포함하고, 울트라커패시터의 작동 온도 범위는, 동일하지만 전해질 조성물을 유기 용매 없이 이온성 액체를 포함하는 전해질로 대체한 등가의 울트라커패시터의 작동 온도 범위보다 넓고, 이온성 액체는 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 및 테트라시아노보레이트를 포함하는 것인 울트라커패시터. - 제1항에 있어서, 유기 용매가 에틸 이소프로필 술폰, 에틸 이소부틸 술폰, 에틸 메틸 술폰, 메틸 이소프로필 술폰, 이소프로필 이소부틸 술폰, 이소프로필 s-부틸 술폰, 부틸 이소부틸 술폰, 또는 비메틸 술폰, 및 선형 술폰으로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 울트라커패시터.
- 제1항에 있어서, 유기 용매가 폴리프로필렌 카르보네이트, 프로필렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 울트라커패시터.
- 제1항에 있어서, 유기 용매가 아세토니트릴을 포함하는 것인 울트라커패시터.
- 기밀 밀봉된 하우징 내의 에너지 저장 셀 및 전해질 조성물을 포함하며, 상기 셀은 양의 접촉부 및 음의 접촉부에 전기적으로 커플링된 것인 울트라커패시터이며, 여기서 울트라커패시터는 성능 또는 내구성을 변경하지 않으면서 작동 온도 범위 전체의 온도에서 작동하도록 구성되고,
작동 온도 범위는 -40℃ 내지 210℃, 또는 -40℃ 내지 150℃, 또는 -40℃ 내지 125℃를 포함하고;
전해질 조성물은 제1 이온성 액체 및 제1 이온성 액체와 상이한 제2 이온성 액체의 혼합물을 포함하고, 울트라커패시터의 작동 온도 범위는, 동일하지만 전해질 조성물을 제2 이온성 액체 없이 제1 이온성 액체를 포함하는 전해질로 대체한 등가의 울트라커패시터의 작동 온도 범위보다 넓고, 제1 이온성 액체는 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 및 테트라시아노보레이트를 포함하는 것인 울트라커패시터. - 제5항에 있어서, 전해질 조성물이 유기 용매를 추가로 포함하는 것인 울트라커패시터.
- 제6항에 있어서, 유기 용매가 에틸 이소프로필 술폰, 에틸 이소부틸 술폰, 에틸 메틸 술폰, 메틸 이소프로필 술폰, 이소프로필 이소부틸 술폰, 이소프로필 s-부틸 술폰, 부틸 이소부틸 술폰, 또는 비메틸 술폰, 및 선형 술폰으로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 울트라커패시터.
- 제6항에 있어서, 유기 용매가 폴리프로필렌 카르보네이트, 프로필렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 울트라커패시터.
- 제6항에 있어서, 유기 용매가 아세토니트릴을 포함하는 것인 울트라커패시터.
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