KR102534240B1 - 울트라커패시터 모듈용 밸런싱 회로로부터 열 소산 - Google Patents

울트라커패시터 모듈용 밸런싱 회로로부터 열 소산 Download PDF

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Abstract

모듈은 적어도 2개의 울트라커패시터 및 적어도 하나의 밸런싱 회로를 포함한다. 밸런싱 회로는 방열 부품에 연결된다. 방열 부품은 금속을 포함하는 열 싱크 상에 존재한다.

Description

울트라커패시터 모듈용 밸런싱 회로로부터 열 소산
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2017년 6월 30일에 출원된 미국 임시 특허 출원 제62/527,395호를 기초로 하여 우선권을 주장하며, 그 전체 내용은 본 출원에 참고로 인용된다.
전기 에너지 저장 셀은 전자 장치, 전자기계 장치, 전기화학 장치 및 다른 유용한 장치들에 전력을 제공하기 위해 널리 사용된다. 예를 들어, 전기 2중층 울트라커패시터는 일반적으로, 액체 전해질이 함침된(impregnated) 탄소 입자(예를 들어, 활성 탄소)를 포함하는 한 쌍의 분극성 전극을 사용한다. 상기 입자들의 유효 표면적 및 상기 전극 간의 좁은 간극에 의해, 높은 용량 값을 획득할 수 있다. 개별 2중층 커패시터는 함께 결합되어 상승된 출력 전압 또는 증가된 에너지 용량을 갖는 모듈을 형성할 수 있다. 개별 2중층 커패시터는 또한 과전압이 존재하는 상황을 해결하기 위해 밸런싱 회로를 포함할 수 있다. 그러나, 밸런싱 회로를 사용하여 전압을 조절하면 회로가 과열될 수 있다. 특정한 경우에, 방열 부품은 밸런싱 회로를 포함하는 회로 기판 상에 직접 장착된다. 그러나, 열이 효과적으로 소산되지 않으면 회로 기판이 손상될 수 있다. 이와 같이, 효과적인 방식으로 열을 소산시킬 수 있는 밸런싱 회로를 포함하는 울트라 커패시터가 현재 필요하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 적어도 2개의 울트라커패시터 및 적어도 하나의 밸런싱 회로를 포함하는 모듈이 개시되며, 밸런싱 회로는 방열 부품에 연결되고, 방열 부품은 금속을 포함하는 열 싱크 상에 존재한다.
본 발명의 다른 특징 및 양태가 이하에서 더 자세하게 설명된다.
통상의 기술자에게 지시된, 본 발명의 최상의 모드를 포함한, 본 발명의 완전하고 실행 가능한 개시가, 첨부된 도면을 참조한 본 명세서의 나머지 부분에서 보다 구체적으로 설명된다.
도 1은 본 발명의 모듈을 수용하기 위해 사용될 수 있는 모듈 하우징의 일 실시예의 분해도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하우징의 측면 표면 상에 있는 방열 부품의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 각각의 울트라커패시터를 둘러싸는 인접한 각각의 버팀대를 연결하는 상호 연결 브리지 상에 방열 부품을 포함하는 모듈의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 모듈에 사용될 수 있는 울트라커패시터의 일 실시예의 개략도이다.
본원 명세서 및 도면에서 반복 사용되는 도면부호는 본 발명의 동일한 또는 유사한 구성 또는 요소를 나타내기 위한 것이다.
본 기술 분야의 통상의 기술자라면, 본 설명은 단지 예시적인 실시예들의 설명으로, 본 발명의 넓은 양태를 제한하기 위한 것이 아니며, 더 넓은 양태들이 예시적인 구성으로 실시된다는 것을 이해할 것이다.
일반적으로, 본 발명은 적어도 2개의 울트라커패시터 및 적어도 1개의 밸런싱 회로를 포함하는 모듈에 관한 것이다. 밸런싱 회로는 방열 부품에 연결되고, 방열 부품은 금속을 포함하는 열 싱크 상에 존재한다. 방열 부품의 위치를 선택적으로 제어함으로써, 밸런싱 회로에서 발생된 열이 울트라커패시터 또는 밸런싱 회로의 성능을 손상시키지 않으면서 효과적으로 소산될 수 있다. 특히, 종래 기술에서 일반적으로 사용되는 바와 같이 회로 기판이 아닌 금속을 포함하는 열 싱크 상에 방열 부품을 배치함으로써, 밸런싱 회로에 의해 발생된 열은 회로 기판의 일반적인 근접성에 머무르기보다는 방열 부품 및 열 싱크를 통해 효율적이고 효과적으로 소산될 수 있다. 이러한 방식으로, 모듈은 광범위한 조건 하에서 양호한 전기적 및 열적 특성을 유지할 수 있고, 작동 수명이 연장될 수 있다.
일반적으로, 밸런싱 회로는 누설 전류와 같은 전류가 과전압을 통해 다른 울트라커패시터를 손상시키는 것을 방지하기 위해 사용된다. 이러한 밸런싱은 각각의 울트라커패시터에 걸친 전압을 조절하여 이들이 실질적으로 동일하도록 할 수 있다. 이와 관련하여, 일 실시예에서, 밸런싱 회로는 전압 밸런싱 회로로 지칭될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 밸런싱 회로가 일반적으로 전압 밸런싱 회로로 지칭되더라도, 모듈 및 밸런싱 회로는 피드백 루프에 의해 제공된 신호에 따라 울트라커패시터를 통해 흐르는 전류를 제어하기 위한 전류 제어 장치를 또한 포함할 수 있다.
본 발명과 관련하여 사용된 밸런싱 회로는 반드시 제한되는 것은 아니다. 밸런싱 회로가 울트라캐패시터에 걸친 전압을 효과적으로 밸런싱 할 수 있는 한, 본 발명에 따라 사용될 수 있다. 일반적으로, 밸런싱 회로는 울트라커패시터에 전기적으로 연결된다. 이러한 전기적 연결은 울트라커패시터의 전압을 제어 및/또는 조절할 수 있는 한 반드시 제한되지는 않는다.
밸런싱 회로는 능동 및 수동 부품을 포함하는 임의의 수의 전자 부품을 포함할 수 있다. 상기 부품은 트랜지스터, 레지스터, 레귤레이터, 감쇠기, 전위차계, 서미스터, 다이오드(예컨대, 제너(Zener) 다이오드), 비교기(예컨대, 전압 비교기), 증폭기(예컨대, 연산 증폭기), 전압 분배기 등의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 이들 전자 부품은 회로의 효과적인 밸런싱을 위해 임의의 방식으로 구성될 수 있음을 이해해야 한다. 일부 예에서, 밸런싱 회로는 과전압의 존재를 알리기 위해 알람(예를 들어, 소리 또는 LED와 같은 빛)과 같은 추가 부품을 포함할 수 있다. 사용될 수 있는 밸런싱 회로의 예는 쓰랩(Thrap)의 미국 특허 공보 제6,806,686호, 쓰랩의 미국 특허 공보 제7,880,449호, 롱(Long)의 미국 특허출원공개공보 제2003/0214267호 및 카민스키(Kaminsky)의 미국 특허출원공개공보 제2016/0301221호에 있는 밸런싱 회로를 포함한다.
본 발명에 따르면, 임의의 수의 밸런싱 회로가 사용될 수 있다. 예를 들어, 모듈은 적어도 하나의 밸런싱 회로를 포함하고, 일부 실시예들에서는 적어도 2개의 밸런싱 회로를 포함한다. 그러나, 모듈은 더 많은 밸런싱 회로를 포함할 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 모듈은 4개 이상, 예컨대, 6개 이상, 예컨대, 8개 이상의 개별 밸런싱 회로를 포함할 수 있으며, 일부 실시예에서는 8개 내지 30개의 개별 밸런싱 회로를 포함할 수 있다. 일 실시예에서는 울트라커패시터 당 적어도 하나의 밸런싱 회로가 존재한다. 다른 실시예에서는 모든 2개의 커패시터 사이에 밸런싱 회로가 있어서, 밸런싱 회로의 수가 울트라커패시터의 수보다 1개 적다.
밸런싱 회로는 당 업계에 일반적으로 알려진 임의의 방법을 사용하여 모듈에 제공 및 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 특정 방식이 반드시 제한되는 것은 아니다. 일 실시예에서, 밸런싱 회로는 인쇄 회로 기판과 같은 회로 기판 상에 제공된다. 밸런싱 회로 및 회로 기판은 임의의 구성으로 모듈 내에 위치될 수 있다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에서, 밸런싱 회로를 포함하는 회로 기판(도시되지 않음)은 울트라커패시터(도시되지 않음)의 상부와 모듈 하우징(30)의 상부 표면(32) 사이에 위치될 수 있다. 일반적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 하우징은 상부 표면(32), 상부 표면(32)과 대향하는 하부 표면(34) 및 상부 표면(32)과 하부 표면(34) 사이에서 연장되는 측면 표면(36)을 포함한다. 이와 관련하여, 울트라커패시터는 모듈 하우징(30)의 상부 표면(32)과 하부 표면(34) 사이에 끼워질 수 있다. 또한, 모듈 하우징(30)은 장치에 사용 및 연결하기 위한 외부 단자 또는 연결부(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
도 1의 실시예는 18개의 울트라커패시터를 갖는 모듈을 포함한다. 그러나, 울트라커패시터의 수는 본 발명에 의해 제한되지 않는다. 예를 들어, 모듈은 적어도 2개의 울트라커패시터를 포함하지만, 3개 이상, 예컨대, 4개 이상, 예컨대, 6개 이상, 예컨대, 8개 이상의 개별 밸런싱 울트라커패시터를 포함하고, 일부 실시예에서는 8개 내지 30개의 개별 울트라커패시터를 포함한다.
본원 명세서에 기술된 바와 같이, 모듈은 밸런싱 회로로부터 그리고 열 싱크로 열의 전달을 돕는 방열 부품을 포함한다. 이와 관련하여, 사용된 특정 방열 부품이 반드시 제한되는 것은 아니다. 일반적으로, 방열 부품은 전자 부품일 수 있다. 이와 관련하여, 전자 부품은 전자 회로에 전형적으로 사용되는 임의의 개별 장치일 수 있다. 특히, 방열 부품은 능동 부품, 수동 부품일 수 있거나 또는 능동 부품 및 수동 부품 모두를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 방열 부품은 능동 부품일 수 있다. 능동 부품은은 트랜지스터일 수 있다. 특히, 트랜지스터는 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터와 같은 전계 효과 트랜지스터일 수 있다. 이러한 트랜지스터에서 게이트 재료로서 사용되는 유전체 재료는 폴리실리콘, 이산화규소 등과 같은 (이에 제한되지는 않음) 당 업계에서 사용되는 임의의 재료일 수 있다. 다른 실시예에서, 방열 부품은 수동 부품일 수 있다. 수동 부품은 부하 레지스터와 같은 레지스터일 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 방열 부품은 능동 부품 및 수동 부품 모두를 포함할 수 있다. 즉, 방열 부품은 트랜지스터 및 레지스터를 포함할 수 있다.
일반적으로, 방열 부품은 밸런싱 회로에 전기적으로 연결된다. 본 발명에 따르면, 임의의 수의 방열 부품이 사용될 수 있다. 예를 들어, 모듈은 적어도 하나의 방열 부품을 포함하고, 일부 실시예들에서는 적어도 2개의 방열 부품을 포함한다. 그러나, 모듈은 더 많은 방열 부품을 포함할 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 모듈은 4개 이상, 예컨대, 6개 이상, 예컨대, 8개 이상의 개별 방열 부품을 포함할 수 있으며, 일부 실시예에서는 8개 내지 60개의 개별 방열 부품, 예컨대, 8개 내지 30개의 개별 방열 부품을 포함할 수 있다. 일 실시예에서는 밸런싱 회로 당 적어도 하나의 방열 부품이 있다. 다른 실시예에서는 밸런싱 회로 당 적어도 2개의 방열 부품이 있다. 예를 들어, 이러한 실시예는 방열 부품으로서 트랜지스터 및 레지스터의 활용을 포함할 수 있다.
밸런싱 회로의 온도가 상승하고 열이 발생하기 시작하면, 방열 부품도 마찬가지이다. 즉, 방열 부품이 밸런싱 회로, 특히, 회로 기판 상의 밸런싱 회로에 연결되기 때문에, 열이 또한 방열 부품으로 전달된다. 방열 부품이 열 싱크에 존재하기 때문에, 방열 부품은 밸런싱 회로에 의해 발생된 열이 열 싱크로 전달하는 것을 가능하게 한다. 이는 밸런싱 회로의 열이 소산되는 것을 가능하게 한다. 열을 제거하기 위해 방열 부품이 회로 기판 상에 존재할 때, 이러한 열은 여전히 밸런싱 회로, 특히, 밸런싱 회로를 포함하는 회로 기판 인근에 남아있을 수 있다.
본 발명에 따르면, 방열 부품은 금속을 포함하는 열 싱크 상에 있다. 일반적으로, 열 싱크는 밸런싱 회로에 의해 발생된 열 또는 열 에너지의 전달을 가능하게 한다. 즉, 밸런싱 회로가 열을 얻고, 열이 방열 부품으로 전달될 때, 방열 부품으로부터의 열은 열 싱크로 전달된다. 일반적으로, 열 싱크는 방열 부품보다 큰 표면적을 갖는다. 이러한 더 큰 표면적은 밸런싱 회로로부터의 열을 효과적으로 소산할 수 있어서, 밸런싱 회로는 울트라커패시터와 함께 효과적으로 동작할 수 있다. 일 실시예에서, 열 싱크의 표면적은 방열 부품의 표면적보다 적어도 100%, 예컨대, 적어도 500%, 예컨대 적어도 1,000% , 예컨대, 적어도 10,000% 더 크다.
본원 명세서에 표시된 바와 같이, 방열 부품은 히트 싱크 상에 있다. 이와 관련하여, 방열 부품은 회로 기판 이외의 표면, 특히 밸런싱 회로를 포함하는 표면 상에 존재한다. 방열 부품의 위치를 선택적으로 제어하는 것은 밸런싱 회로 및 회로 기판 그리고 차례로 울트라커패시터의 성능을 저하시키지 않고 밸런싱 회로의 열 소산을 가능하게 한다. 그러나, 방열 부품이 열 싱크 상에 위치되는 방식은 제한되지 않는다. 예를 들어, 이러한 연결, 장착, 부착 등이 방열 부품으로부터 열 싱크로 열/열 에너지의 전달을 가능하게 하는 한, 방열 부품은 금속을 포함하는 열 싱크에 연결, 장착, 부착 등이 될 수 있다. 일 실시예에서, 방열 부품은 열 싱크 상에 직접 위치될 수 있다. 다른 실시예에서, 방열 부품과 열 싱크 사이에 중간 재료가 존재할 수 있다. 이러한 실시예에서, 중간 재료는 본원 명세서에 정의된 바와 같은 열 전도성 금속일 수 있다.
열 싱크는 효과적인 열 소산을 가능하게 할 수 있는 당 업계에 공지된 임의의 금속으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 금속은 임의의 열 전도성 금속일 수 있다. 특히, 금속은 약 50W/m·K 이상, 예컨대, 약 100W/m·K, 예컨대, 약 150W/m·K 이상, 예컨대, 약 200W/m·K, 예컨대, 약 250W/m·K, 예컨대, 약 300W/m·K 내지 약 600W/m·K 이하, 예컨대, 약 500W/m·K 이하, 예컨대, 약 450W/m·K 이하의 열 전도성을 가질 수 있다. 열 싱크는 은, 구리, 금, 알루미늄, 몰리브데넘, 아연, 리튬, 텅스텐, 니켈, 철, 팔라듐 백금, 주석, 이들의 합금 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 합금은 스틸(예를 들어, 스테인레스 스틸), 황동, 청동 등을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 알루미늄이 본 발명에 사용하기에 특히 적합하다.
열 싱크는 열 소산을 가능하게 할 수 있는 하우징에 사용된 임의의 일반적인 재료일 수 있다. 일 실시예에서, 모듈의 하우징의 일부가 열 싱크를 획정할 수 있다. 즉, 모듈 하우징의 적어도 일부는 금속으로 형성될 수 있다. 이와 관련하여, 방열 부품은 모듈 하우징의 표면의 내부면에 존재할 수 있다. 외부면과 반대인 내부면은 울트라커패시터와 대면하는 표면을 의미한다.
하나의 특정 실시예에서, 적어도 측면 표면은 금속으로 형성된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 방열 부품(200)은 모듈 하우징의 측면 표면(36)에 존재한다. 이러한 실시예에서, 모듈 하우징의 상부 표면(도시되지 않음) 및/또는 하부 표면(도시되지 않음)은 플라스틱, 금속, 이들의 조합 또는 이들의 복합물로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 적어도 모듈 하우징의 하부 표면은 플라스틱으로 형성될 수 있다. 하부 표면의 내부면은 또한 울트라커패시터가 하우징 내에 적절하게 위치되는 것을 가능하게 하기 위해 리세스될 수 있어서, 울트라커패시터는 리세스된 부분에 안착할 수 있다. 리세스는 복수의 리세스를 위한 하나의 리세스일 수 있다. 예를 들어, 하나의 리세스만 있다면, 모든 울트라커패시터는 하나의 리세스에 안착할 수 있다. 그러나, 복수의 리세스가 존재하면, 일 실시예에서, 각각의 울트라커패시터는 개별 리세스에 안착할 수 있다. 대안적으로, 복수의 울트라커패시터는 리세스 중 하나에 안착할 수 있으며, 하부 표면은 복수의 리세스를 포함한다. 이러한 리세스는 설치 또는 사용 중에 발생할 수 있는 성능에 영향을 줄 수 있는 임의의 진동력을 최소화할 수 있다.
하부 표면, 상부 표면 및 측면 표면(들)은 모듈을 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 측면 표면은 전체 모듈 어셈블리(즉, 모듈 내의 울트라커패시터)를 둘러싸도록 형성될 수 있다. 이와 관련하여, 측면 표면은 상부 표면과 하부 표면 사이에서 연장되고 전체 모듈 어셈블리 주위에서 연장되는 하나의 단일 피스일 수 있다. 다른 실시예에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 측면 표면은 모듈 하우징의 측면 표면을 형성하기 위해 함께 결합되는 2개의 섹션(36a 및 36b)을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 측면 표면은 모듈 하우징의 측면을 형성하기 위해 함께 결합되는 4개의 섹션을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 측면 표면이 제공되는 특정 방식은 본 발명에 의해 제한되지 않는다.
방열 부품은 이러한 표면이 금속을 포함하고 열 싱크로서 기능할 수 있는 한 임의의 조합으로 임의의 표면 상에 존재할 수 있다. 일 실시예에서, 방열 부품은 상부 표면 또는 하부 표면 및 측면 표면의 조합에 존재한다. 하나의 특정 실시예에서, 방열 부품은 모두 하우징의 측면 표면, 특히, 측면 표면의 내부면에 존재한다.
다른 실시예에서, 열 싱크는 울트라커패시터의 원주의 적어도 일부 주위에 형성될 수 있다. 예를 들어, 열 싱크는 울트라커패시터 주위에 버팀대의 형태일 수 있다. 버팀대는 울트라커패시터에 접촉하거나 또는 접촉하지 않을 수 있다. 일 실시예에서, 버팀대는 울트라커패시터의 원주를 완전히 둘러싼다. 또한, 인접한 울트라커패시터의 버팀대가 연결된다. 예를 들어, 각각의 버팀대는 상호 연결 브리지에 의해 연결될 수 있다. 이와 관련하여, 방열 부품은 버팀대 및/또는 상호 연결된 브리지와 같이 인접한 브레이스를 연결하는 영역에 존재할 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 방열 부품(300)은 각각의 울트라커패시터(330a 및 330b)의 인접한 버팀대(310a 및 310b)를 연결하는 영역, 예컨대, 상호 연결 브리지(320)에 존재한다.
본원 명세서에 표시된 바와 같이, 모듈은 2개 초과의 울트라커패시터를 포함할 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 모듈은 4개의 울트라커패시터를 포함할 수 있다. 각각의 울트라커패시터는 울트라 커패시터의 원주의 적어도 일부를 둘러싸는 버팀대를 가질 수 있다. 인접한 버팀대는 하나 이상의 상호 연결 브리지에 의해 연결될 수 있다. 모듈이 복수의 울트라커패시터를 포함하고, 차례로 복수의 버팀대 및 상호 연결 브리지를 포함할 때, 이러한 버팀대 및 상호 연결 브리지는 단일 일체형 구조물과 같은 일체형 구조물을 형성할 수 있다. 이러한 구조물은 또한 열 싱크를 획정한다.
또한 버팀대에는 이중 기능이 있을 수 있다. 예를 들어, 버팀대는 임의의 진동력을 최소화하여 기계적인 안정성을 제공할 수 있으며, 또한 밸런싱 회로의 열을 소산하기 위한 열 싱크로서 기능할 수도 있다. 일 실시예에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 울트라커패시터(330a 및 330b)는 각각 제2 버팀대(350a 및 350b) 및 제2 상호 연결 브리지(360)를 가질 수 있다. 그러나, 이러한 버팀대 및 상호 연결 브리지는 기계적인 안정성을 제공하기 위해서만 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 버팀대 및 상호 연결 브리지는 회로 기판에 근접하고, 밸런싱 회로는 제2 버팀대 및 상호 연결 브리지에 근접하다.
다양한 다른 개별 울트라커패시터 중 임의의 것이 일반적으로 본 발명의 모듈에 사용될 수 있다. 그러나, 일반적으로 울트라커패시터는 전극 어셈블리 및 전해질을 포함하고, 선택적으로는 하우징 내에 기밀하게 밀봉된다. 예를 들어, 전극 어셈블리는 제1 집전체에 전기적으로 결합되는 제1 탄소질 코팅(예를 들어, 활성 탄소 입자들)을 포함하는 제1 전극 및 제2 집전체에 전기적으로 결합되는 제2 탄소질 코팅(예를 들어, 활성 탄소 입자들)을 포함하는 제2 전극을 포함한다. 희망하는 경우에, 특히, 울트라커패시터가 다수의 에너지 저장 셀을 포함하는 경우에, 추가적인 집전체가 또한 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 집전체는 동일하거나 상이한 재료로 형성될 수 있다. 이에 관계없이, 통상적으로 각각의 집전체는 예컨대, 알루미늄, 스테인리스 스틸, 니켈, 은, 파라듐 등뿐만 아니라 이들의 합금과 같은 도전성 금속을 포함하는 기판으로부터 형성된다. 본 발명에 사용하기에는 알루미늄 및 알루미늄 합금이 특히 적절하다. 기판은 호일, 시트, 플레이트, 메시 등의 형태일 수 있다. 또한, 기판은 비교적 얇은 두께, 예컨대 약 200㎛ 이하, 일부 실시예에서는 약 1 내지 약 100㎛, 일부 실시예에서는 약 5 내지 약 80㎛, 그리고 일부 실시예에서는 약 10 내지 약 50㎛의 두께를 가질 수 있다. 필수적인 것은 아니지만, 기판의 표면은 경우에 따라서, 예컨대 세정, 에칭, 블라스팅(blasting) 등에 의해 거칠게 처리(roughened)될 수 있다.
또한, 제1 및 제2 탄소질 코팅은 각각 제1 및 제2 집전체에 전기적으로 결합된다. 제1 및 제2 탄소질 코팅은 동일한 종류의 재료 또는 서로 다른 종류의 재료로 형성될 수 있고, 단일 층 또는 다중 층을 포함할 수 있지만, 각각의 탄소질 코팅이 활성화된 입자들을 포함하는 적어도 하나의 층을 포함하는 것이 일반적이다. 예를 들어, 특정 실시예에서는, 활성 탄소층이 집전체 위에 직접 위치될 수 있고, 경우에 따라서는 이러한 활성 탄소층이 탄소질 코팅의 단 하나의 층일 수 있다. 예를 들어, 적절한 활성 탄소 입자들의 예시로는, 코코넛 껍질-기반 활성 탄소, 석유 코크스-기반 활성 탄소, 피치-기반 활성 탄소, 폴리염화비닐리덴-기반 활성 탄소, 페놀 수지-기반 활성 탄소, 폴리아크릴로니트릴-기반 활성 탄소, 및 예컨대 석탄, 숱, 또는 다른 천연 유기 자원과 같은 천연 원료로부터 획득한 활성 탄소가 포함될 수 있다.
특정 실시예에서는, 하나 이상의 충전-방전 사이클을 거친 후, 특정 종류의 전해질에 대한 이온 이동도의 향상을 돕기 위해, 예컨대 활성 탄소 입자들의 크기 분포, 표면적 및 기공 크기 분포와 같은 활성 탄소 입자들의 특정 양태를 선택적으로 제어하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 입자 부피 중 적어도 50%(D50 입도)는 크기가 약 0.01 내지 약 30㎛, 일부 실시예에서는 약 0.1 내지 약 20㎛, 그리고 일부 실시예에서는 약 0.5 내지 약 10㎛이다. 유사하게, 입자 부피 중 적어도 90%(D90 입도)는 크기가 약 2 내지 약 40㎛, 일부 실시예에서는 약 5 내지 약 30㎛, 그리고 일부 실시예에서는 약 6 내지 약 15㎛이다. 또한, BET 표면적은 약 900m2/g 내지 약 3,000m2/g, 일부 실시예에서는 약 1,000m2/g 내지 약 2,500m2/g, 그리고 일부 실시예에서는 약 1,100m2/g 내지 약 1,800m2/g일 수 있다.
특정 크기 및 표면적을 갖는 것 이외에도, 활성 탄소 입자들은 특정한 크기 분포를 갖는 기공을 포함할 수 있다. 예를 들어, 크기가 약 2㎚보다 작은 기공(즉, "마이크로 기공")의 양은 총 기공 부피의 약 50vol% 이하, 일부 실시예에서는 약 30vol% 이하, 그리고 일부 실시예에서는 0.1vol% 내지 15vol%인 기공 부피를 제공할 수 있다. 또한, 약 2㎚ 내지 약 50㎚ 크기의 기공(즉, "메조 기공")의 양은 약 20vol% 내지 약 80vol%, 일부 실시예에서는 약 25vol% 내지 약 75vol%, 그리고 일부 실시예에서는 약 35vol% 내지 약 65vol%일 수 있다. 마지막으로, 크기가 약 50㎚보다 큰 기공(즉, "매크로 기공")의 양은 약 1vol% 내지 약 50vol%, 일부 실시예에서는 약 5vol% 내지 약 40vol%, 그리고 일부 실시예에서는 약 10vol% 내지 약 35vol%일 수 있다. 탄소 입자들의 총 기공 부피는 약 0.2cm3/g 내지 약 1.5cm3/g, 일부 실시예에서는 약 0.4cm3/g 내지 약 1.0cm3/g 범위 내에 있을 수 있고, 중간 기공 폭은 약 8㎚ 이하, 일부 실시예에서는 약 1㎚ 내지 약 5㎚, 그리고 일부 실시예에서는 약 2㎚ 내지 약 4㎚일 수 있다. 당 업계에 공지되어 있는 바와 같이, 기공 크기와 총 기공 부피는 질소 흡착을 이용하여 측정되고, 바레트-조이너-하렌다(Barett-Joyner-Halenda)("BJH") 기술로 분석될 수 있다.
희망하는 경우에, 제1 및/또는 제2 탄소질 코팅에서, 탄소 100부에 대해, 바인더가 약 60부 이하, 일부 실시예에서는 40부 이하, 그리고 일부 실시예에서는 약 1부 내지 25부의 양만큼 존재할 수 있다. 예를 들어, 바인더는 탄소질 코팅의 총 중량의 약 15wt% 이하, 일부 실시예에서는 약 10wt% 이하, 그리고 일부 실시예에서는 약 0.5wt% 내지 약 5wt%를 구성할 수 있다. 다양한 종류의 적당한 바인더 중 임의의 것이 전극에 사용될 수있다. 예를 들어, 특정 실시예에서는, 수-불용성 유기 바인더가 사용될 수 있는데, 예컨대 스티렌-부타디엔 코폴리머, 폴리비닐 아세테이트 호모폴리머, 비닐-아세테이트 에틸렌 코폴리머, 비닐-아세테이트 아크릴릭 코폴리머, 에틸렌-비닐 클로라이드 코폴리머, 에틸렌-비닐 클로라이드-비닐 아세테이트 터폴리머, 아크릴릭 폴리비닐 클로라이드 폴리머, 아크릴릭 폴리머, 니트릴 폴리머, 플루오로폴리머(예컨대, 폴리테트라플루오로에틸렌 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리올레핀 등)뿐만 아니라, 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 예컨대, 폴리사카라이드 및 그 유도체와 같은 수용성 유기 바인더가 사용될 수도 있다. 특정한 일 실시예에서, 폴리사카라이드는, 예컨대 알킬 셀룰로오스 에테르(예를 들어, 메틸 셀룰로오스 및 에틸 셀룰로오스); 히드록시알킬 셀룰로오스 에테르(예를 들어, 히드록시에틸 셀룰로오스, 히드록시프로필 셀룰로오스, 히드록시프로필 히드록시부틸 셀룰로오스, 히드록시에틸 히드록시프로필 셀룰로오스, 히드록시에틸 히드록시부틸 셀룰로오스, 히드록시에틸 히드록시프로필 히드록시부틸 셀룰로오스 등); 알킬 히드록시알킬 셀룰로오스 에테르(예를 들어, 메틸 히드록시에틸 셀룰로오스, 메틸 히드록시프로필 셀룰로오스, 에틸 히드록시에틸 셀룰로오스, 에틸 히드록시프로필 셀룰로오스, 메틸 에틸 히드록시에틸 셀룰로오스, 및 메틸 에틸 히드록시프로필 셀룰로오스); 카르복시알킬 셀룰로오스 에테르(예를 들어, 카르복시메틸 셀룰로오스); 등과 같은 비이온성 셀룰로오스 에테르뿐만 아니라, 예컨대 카르복시메틸 셀룰로오스 나트륨과 같이 전술한 것 중 임의의 것의 양성자화된 염(protonated salt)일 수 있다.
제1 및/또는 제2 탄소질 코팅의 활성 탄소층 내에 및/또는 제1 및/또는 제2 탄소질 코팅의 다른 층 내에는 다른 재료가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 특정 실시예들에서, 전기 전도도를 더 높이기 위해 도전성 향상제(conductivity promoter)가 사용될 수 있다. 예를 들어, 예시적인 도전성 향제로는, 카본 블랙, (천연 또는 인공적인) 흑연, 흑연, 탄소 나노튜브, 나노 와이어 또는 나노튜브, 금속 섬유, 그래핀 등뿐만 아니라, 이들의 혼합물이 포함될 수 있다. 카본 블랙이 특히 적절할 수 있다. 도전성 향상제가 사용되는 경우, 통상적으로 도전성 향상제는, 탄소질 코팅에서 활성 탄소 입자들 100부에 대해, 약 60부 이하, 일부 실시예에서는 약 40부 이하, 그리고 일부 실시예에서는 약 1부 내지 약 25부를 구성할 수 있다. 도전성 향상제는 예를 들어, 탄소질 코팅의 총 중량의 약 15wt% 이하, 일부 실시예에서는 약 10wt% 이하, 그리고 일부 실시예에서는 약 0.5wt% 내지 약 5wt%를 구성할 수 있다. 또한, 활성 탄소 입자들은 통상적으로, 탄소질 코팅의 85wt% 이상, 일부 실시예에서는 약 90wt% 이상, 그리고 일부 실시예에서는 약 95wt% 내지 약 99.5wt%를 구성한다.
당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 탄소질 코팅이 집전체에 도포되는 구체적인 방법은, 예컨대 인쇄(예를 들어, 로토 그라비어), 분무, 슬롯-다이 코팅, 드롭-코팅, 딥-코팅 등과 같이 다양할 수 있다. 탄소질 코팅이 도포되는 방법에 관계없이, 생성된 전극은 통상적으로, 코팅으로부터 수분을 제거하기 위해, 약 100℃ 이상, 일부 실시예에서는 약 200℃ 이상, 그리고 일부 실시예에서는 약 300℃ 내지 약 500℃의 온도에서 건조된다. 또한, 울트라커패시터의 부피 효율을 최적화하기 위해 전극이 압축(예를 들어, 캘린더 가공)될 수 있다. 일반적으로, 경우에 따라서 압축한 후의 각 탄소질 코팅의 두께는 울트라커패시터의 희망하는 전기 특성 및 작동 범위에 따라 다를 것이다. 하지만, 통상적으로 코팅의 두께는 약 20 내지 약 200㎛, 30 내지 약 150㎛, 그리고 일부 실시예에서는 약 40 내지 약 100㎛이다. 코팅은 집전체의 일측 또는 양측에 존재할 수 있다. 이와는 관계없이, 전극의 전체 두께(경우에 따라 압축 이후의 집전체와 탄소질 코팅(들) 포함)는 통상적으로 약 20 내지 약 350㎛, 일부 실시예에서는 약 30 내지 약 300㎛, 그리고 일부 실시예에서는 약 50 내지 약 250㎛이다.
통상적으로, 전극 어셈블리는 또한 제1 및 제2 전극 사이에 위치되는 분리막도 포함한다. 희망하는 경우에는, 다른 분리막들도 전극 어셈블리에 사용될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 분리막이 제1 전극이나 제2 전극, 또는 두 전극 모두의 위에 위치될 수 있다. 분리막은 하나의 전극을 다른 하나로부터 전기적으로 절연(isolation)시켜, 전기 쇼트를 방지하는 것을 도우면서, 두 전극 사이에 이온 이동을 가능하게 한다. 예를 들어, 특정 실시예에서는, 셀룰로오스 섬유상 재료(예를 들어, 에어레이드 페이퍼 웹, 습식-레이드 페이퍼 웹 등), 부직포 재료(예를 들어, 폴리올레핀 부직 웹), 직물, 필름(예를 들어, 폴리올레핀 필름) 등을 포함하는 분리막이 사용될 수 있다. 예컨대 천연 섬유, 합성 섬유 등을 함유하는 셀룰로오스 섬유상 재료가 울트라커패시터에 사용하기에 특히 적절하다. 예를 들어, 분리막에 사용하기에 적절한 셀룰로오스 섬유의 특정 예시로는, 활엽수 펄프 섬유, 침엽수 펄프 섬유, 레이온 섬유, 재생 셀룰로오스 섬유 등이 포함될 수 있다. 사용되는 특정 재료와는 관계없이, 분리막의 두께는 통상적으로 약 5 내지 약 150㎛, 일부 실시예에서는 약 10 내지 약 100㎛, 그리고 일부 실시예에서는 약 20 내지 약 80㎛이다.
당 업계에 공지되어 있는 바와 같이, 전극 어셈블리의 구성요소들이 함께 결합되는 방식은 다양할 수 있다. 예를 들어, 먼저 전극들 및 분리막을 접거나 권취하거나, 또는 서로 접촉시켜, 전극 어셈블리를 형성할 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 전극들과 분리막, 그리고 경우에 따라서는 전해질도 함께 "젤리-롤" 구성을 갖는 전극 어셈블리로 권취될 수 있다.
울트라커패시터를 형성하기 위해, 전극들과 분리막이 함께 결합되어 전극 어셈블리를 형성하기 전에, 그 중에 및/또는 그 후에 전해질이 제1 전극 및 제2 전극과 이온 접촉하도록 배치된다. 일반적으로, 전해질은 사실상 비수성이며, 따라서 적어도 하나의 비수 용매를 함유한다. 울트라커패시터의 작동 온도 범위의 확장을 돕기 위해, 통상적으로는 비수 용매는 끓는점이 비교적 높은 것이 바람직하며, 비수 용매의 끓는점은 예컨대 약 150℃ 이상, 일부 실시예에서는 약 200℃ 이상, 그리고 일부 실시예에서는 약 220℃ 내지 약 300℃이다. 끓는점이 높은, 특히 적절한 용매는, 예컨대 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트 등과 같은 사이클릭 카보네이트 용매를 포함할 수 있다. 물론, 다른 비수성 용매가 단독으로 또는 사이클릭 카보네이트 용매와 함께 사용될 수도 있다. 이러한 용매의 예시로는, 예를 들어 개방-사슬 카보네이트(예를 들어, 디메틸 카보네이트, 에틸 메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트 등), 지방족 모노카르복실레이트(예를 들어, 메틸 아세테이트, 메틸 프로피오네이트 등), 락톤 용매(예를 들어, 부티로락톤 발레로락톤 등), 니트릴(예를 들어, 아세토니트릴, 글루타로니트릴, 아디포니트릴, 메톡시아세토니트릴, 3-메톡시프로피오니트릴, 등), 아마이드(예를 들어, N,N-디메틸포름아마이드, N,N-디에틸아세트아마이드, N-메틸피롤리디논), 알케인(예를 들어, 니트로메탄, 니트로에탄 등), 황 화합물(예를 들어, 술포란, 디메틸 술폭시드 등); 등이 포함될 수 있다.
전해질은 비수 용매에 용해되는 적어도 하나의 이온성 액체도 함유한다. 이온성 액체의 농도는 달라질 수 있지만, 통상적으로 이온성 액체는 비교적 높은 농도로 존재하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 이온성 액체는 전해질의 리터당 약 0.8몰(M) 이상, 일부 실시예에서는 약 1.0M 이상, 일부 실시예에서는 약 1.2M 이상, 그리고 일부 실시예에서는 약 1.3M 내지 약 1.8M의 양만큼 존재할 수 있다.
이온성 액체는 일반적으로, 녹는점이 비교적 낮은 염이며, 녹는 점은 예컨대 약 400℃ 이하, 일부 실시예에서는 약 350℃ 이하, 일부 실시예에서는 약 1℃ 내지 약 100℃, 그리고 일부 실시예에서는 약 5℃ 내지 약 50℃이다. 염은 양이온 종과 반대 이온을 함유한다. 양이온 종은, 적어도 하나의 헤테로원자(예를 들어, 질소 또는 인)를 "양이온 중심(cationic center)"으로서 구비하는 화합물을 함유한다. 예를 들어, 이러한 헤테로원자 화합물의 예시로는, 비치환된 또는 치환된 유기-제4급(organoquaternary) 암모늄 화합물이 포함되는데, 이는 예컨대, 암모늄(예를 들어, 트리메틸암모늄, 테트라에틸암모늄 등), 피리디늄, 피리다지늄, 피라미디늄, 피라지늄, 이미다졸륨, 피라졸륨, 옥사졸륨, 트리아졸륨, 티아졸륨, 퀴놀리늄, 피페리디늄, 피롤리디늄, 2개 이상의 고리가 스피로 원자(예컨대, 탄소, 헤테로원자 등)에 의해 함께 연결되는 제4급 암모늄 스피로 화합물, 제4급 암모늄 축합 고리 구조(예를 들어, 퀴놀리늄, 이소퀴놀리늄 등) 등이다. 예를 들어, 일 특정 실시예에서, 양이온 종은 N-스피로 이고리식 화합물로, 예컨대 고리(cyclic rings)를 구비하는 대칭 또는 비대칭 N-스피로 이고리식 화합물일 수 있다. 이러한 화합물의 일 예시는 다음의 구조를 갖는다.
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이때, m 및 n은 독립적인 3 내지 7의 숫자이며, 일부 실시예(예를 들어, 피롤리디늄 또는 피페리디늄)에서는 4 내지 5의 숫자이다.
또한, 양이온 종에 대한 적절한 반대 이온은, 할로겐(예를 들어, 염화물, 브롬화물, 요오드화물 등); 황산염 또는 술폰산염(예를 들어, 메틸 설페이트, 에틸 설페이트, 부틸 설페이트, 헥실 설페이트, 옥틸 설페이트, 하이드로겐 설페이트, 메탄 설포네이트, 도데실벤젠 설포네이트, 도데실설페이트, 트리플루오로메탄 설포네이트, 헵타데카플루오로옥탄설포네이트, 소듐 도데실에톡시설페이트 등); 설포석시네이트; 아마이드(예를 들어, 디시안아미드); 이미드(예를 들어, 비스(펜타플루오로에틸술포닐)이미드, 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드, 비스(트리플루오로메틸)이미드 등); 붕산염(예를 들어, 테트라플루오로보레이트, 테트라시아노보레이트, 비스[옥살라토]보레이트, 비스[살리실라토]보레이트, 등); 포스페이트 또는 포스피네이트(예를 들어, 헥사플루오로포스페이트, 디에틸포스페이트, 비스(펜타플루오로에틸)포스피네이트, 트리스(펜타플루오로에틸)-트리플루오로포스페이트, 트리스(노나플루오로부틸)트리플루오로포스페이트 등); 안티몬산염(예를 들어, 헥사플루오로안티모네이트); 알루민산염(예를 들어, 테트라클로로알루미네이트); 지방산 카르복실레이트(예를 들어, 올레산염, 이소스테아레이트, 펜타데카플루오로옥타노에이트, 등); 시안산염; 아세트산염; 등등 및 전술한 것들의 임의의 조합물을 포함할 수 있다.
예를 들어, 적절한 이온성 액체의 몇몇 예시로는, 스피로-(1,1')-비피롤리디늄 테트라플루오로보레이트, 트리에틸메틸 암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트, 스피로-(1,1')-비피롤리디늄 아이오다이드, 트리에틸메틸 암모늄 아이오다이드, 테트라에틸 암모늄 아이오다이드, 메틸트리에틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라에틸암모늄 헥사플루오로포스페이트 등을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 울트라커패시터는 또한 하우징을 포함하며, 상기 하우징 내에 전극 어셈블리 및 전해질이 유지되고, 선택적으로는 기밀 밀봉된다. 하우징의 성질은 희망하는 것에 따라 달라질 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어, 하우징은, 예컨대 탄탈럼, 니오븀, 알루미늄, 니켈, 하프늄, 티타늄, 구리, 은, 스틸(예를 들어, 스테인리스 스틸), 이들의 합금, 이들의 조성물(예를 들어, 전기 전도성 산화물로 코팅된 금속) 등으로부터 형성되는 것과 같은, 금속 용기("캔")을 포함할 수 있다. 본 발명에 사용하기에는 알루미늄이 특히 적절하다. 금속 용기는 예컨대, 원통형, D-형상 등 여러 가지 다양한 형상일 수 있다. 원통 형상의 용기들이 특히 적절하다.
도 4를 참조하면, 예를 들어, 울트라커패시터에 사용될 수 있는 하우징의 일 실시예가 더욱 상세하게 도시되어 있다. 상기 특정 실시예에서, 하우징은 베이스(3000) 및 개방 단부(3200)를 획정하는 금속 용기(2122)(예컨대, 원통형 캔)를 포함한다. 뚜껑(2118)은 개방 단부(3200) 위에 배치되고 하우징을 밀봉하기 위해 용기(2122)에 부착(예컨대, 용접)된다. 뚜껑(2118)은, 디스크-형 부분(2134), 돌출부(2136) 및 고정부(2138)(예를 들어, 스크류)를 포함하는 제1 집전체 디스크(2114)를 포함한다. 집전체 디스크(2114)는 전극 어셈블리(10)의 중앙에 형성된 중공 코어(2160)의 제 1 단부와 정렬되고, 이어서, 돌출부(2136)는 코어의 개구 내에 삽입되어서, 돌출부(2136)가 제2 집전체(40)와 접촉한다. 이러한 방식으로, 제2 집전체(40)는 뚜껑(2118)과 전기적으로 접촉된다. 또한, 고정부(2138)는 제1 단자(2116)에 결합 (예컨대, 나사식으로 연결됨)될 수 있다. 유사하게, 금속 용기(2122)는, 디스크-형 부분(2142), 돌출부(2140) 및 제2 단자(2144)를 포함하는 제2 집전체 디스크(2120)를 포함한다. 제2 집전체 디스크(2120)는 중공 코어(2160)의 제2 단부와 정렬되고, 이어서, 돌출부(2140)는 코어의 개구 내에 삽입되어서, 돌출부(2140)가 집전체(20)와 접촉한다. 이러한 방식으로, 제1 집전체(20)는 베이스(3000)와 전기적으로 접촉된다. 일단 형성되면, 단자들(2144 및 2116)은 전술한 바와 같이 하나 이상의 추가 울트라커패시터와 연결될 수 있다. 예를 들어, 단자(2144)(예컨대, 양극)는 제2 울트라커패시터의 반대 극성의 단자(예컨대, 음극)와 연결될 수 있고, 단자(2116)(예컨대, 음극)는 제3 울트라커패시터의 반대 극성의 단자(예컨대, 양극)와 연결될 수 있다.
울트라커패시터가 연결되는 방식은 당 업계에 공지된 바와 같이 달라질 수 있다. 예를 들어, 울트라커패시터는 울트라커패시터의 각각의 단자에 부착되거나 연결되는 상호 연결부를 사용하여 연결될 수 있다. 상호 연결부는 전도성 금속과 같은 전도성 재료로 제조될 수 있다. 일 실시예에서, 상호 연결부는 비교적 평평하거나 또는 표면적이 증가 된 것일 수 있다. 표면적이 증가된 것과 관련하여, 상호 연결부는 돌기부/돌출부를 가질 수 있거나 또는 와이어, 브레이드, 코일 등으로 형성될 수도 있다. 이와 관련하여, 상호 연결부의 특정 치수 및 구성이 반드시 제한되는 것은 아니다. 상호 연결부의 형태에 관계없이, 구리, 주석, 니켈, 알루미늄 등과 같은 다양한 다른 전도성 재료뿐만 아니라 합금 및/또는 코팅된 금속이 사용될 수 있다. 희망하는 경우에, 전도성 재료는 선택적으로 시스 물질과 절연될 수 있다.
당 업계에 알려진 바와 같이, 울트라커패시터는 원하는 특정 특성에 따라 직렬 또는 병렬로 함께 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 하나의 특정 실시예에서, 울트라커패시터는 하나의 울트라커패시터의 특정 극성(예컨대, 양극)의 단자가 다른 울트라캐패시터의 반대 극성의 단자(예컨대, 음극)에 연결되도록 직렬로 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 양극 단자는 제1 울트라커패시터의 상부로부터 연장될 수 있고, 음극 단자는 제2 울트라커패시터의 하부로부터 연장될 수 있다.
울트라커패시터 및 이를 포함하는 모듈은 많은 양의 전하를 저장하는데 사용될 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 모듈 및 울트라커패시터는 다양한 응용 분야에 사용될 수 있다. 예를 들어, 이들은 풍력 터빈, 태양 터빈, 태양 패널 및 연료 전지를 포함하는 다양한 에너지 응용 분야에 사용될 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 또한, 이들은 차량(예컨대, 배터리 추진식 전기 차량, 버스를 포함한 하이브리드 전기 차량, 엔진 시동 시스템, 동력 시스템 및 제동 회복 시스템 등), 열차 및 트램(예컨대, 자기 부상 열차, 트랙 전환 시스템, 스타터 시스템 등) 및 항공 우주(예컨대, 도어용 액추에이터, 대피 슬라이드 등)를 포함하는 다양한 운송 응용 분야에 사용될 수도 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 또한, 이들은 자동화(예컨대, 로봇 공학 등), 차량(예컨대, 지게차, 크레인, 전기 카트 등)을 포함하는 다양한 산업 응용 분야에 사용된다. 또한, 이들은 가전 제품(예컨대, 휴대용 미디어 플레이어, 휴대용 장치, GPS, 디지털 카메라 등), 컴퓨터(예컨대, 랩탑 컴퓨터, PDA 등) 및 통신 시스템을 포함하는 다양한 응용 분야에 사용된다. 또한, 모듈 및 울트라커패시터는 다양한 군용 응용 분야(예컨대, 탱크 및 잠수함을 위한 모터 스타트 업, 위상 배열 레이더 안테나, 레이저 전원 공급 장치, 무선 통신, 항공 전자 공학 디스플레이 및 계측, GPS 안내 등) 및 의료 응용 분야(예컨대, 제세 동기 등)에 사용될 수 있다.
본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고, 볼 발명의 이들 또는 다른 수정 및 변형이 통상의 기술자에 의해 수행될 수 있다. 또한, 다양한 실시예의 양태들이 전체적으로 또는 부분적으로 상호 교환될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 통상의 기술자는 전술한 설명이 단지 예시를 위한 것이고, 첨부되는 청구항에 추가적으로 기재되는 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아님을 이해할 것이다.

Claims (33)

  1. 적어도 2개의 울트라커패시터 및 적어도 하나의 밸런싱 회로를 포함하는 모듈로,
    밸런싱 회로는 방열 부품에 연결되고, 방열 부품은 금속을 포함하는 열 싱크 상에 존재하며,
    적어도 하나의 울트라커패시터는 울트라커패시터의 원주의 적어도 일부를 둘러싸는 버팀대를 포함하고,
    상기 모듈은 상부 표면, 상기 상부 표면과 대향하는 하부 표면 및 상기 상부 표면과 하부 표면 사이에서 연장되는 적어도 하나의 측면 표면을 포함하는 하우징에 둘러싸이며,
    상기 측면 표면 및/또는 버팀대의 적어도 일부는 열 싱크를 획정하여서, 밸런싱 회로로부터 발생된 열이 울트라커패시터 또는 밸런싱 회로의 성능을 손상시키지 않으면서 소산되는 것을 특징으로 하는 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 밸런싱 회로는 2개의 울트라커패시터 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 모듈은 적어도 2개의 밸런싱 회로를 포함하고, 각각의 울트라커패시터는 밸런싱 회로에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방열 부품은 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 방열 부품은 레지스터인 것을 특징으로 하는 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속은 은, 구리, 금, 몰리브데넘, 아연, 리튬, 텅스텐, 니켈, 철, 팔라듐 백금, 주석, 이들의 합금 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속은 알루미늄 또는 그 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 금속은 50W/m·K 이상의 열 전도성을 갖는 것을 특징으로 하는 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 금속은 200 W/m·K 이상의 열 전도성을 갖는 것을 특징으로 하는 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 열 싱크는 상기 방열 부품의 표면적보다 적어도 1,000% 큰 표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    각각의 울트라커패시터는 각각의 울트라커패시터의 원주의 적어도 일부를 둘러싸는 버팀대를 포함하고, 상기 버팀대는 상호 연결 브리지에 의해 연결되며, 상기 버팀대와 상호 연결 브리지는 열 싱크를 획정하는 것을 특징으로 하는 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 방열 부품은 상호 연결 브리지 상에 있는 것을 특징으로 하는 모듈.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 울트라커패시터들은 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 모듈.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 모듈은 8 내지 30개의 울트라커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 모듈은 밸런싱 회로마다 적어도 하나의 방열 부품을 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 모듈은 울트라커패시터마다 적어도 하나의 밸런싱 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 울트라커패시터는,
    제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치되는 분리막을 포함하는 전극 어셈블리;
    제1 전극 및 제2 전극과 이온 접촉하는 비수성 전해질; 및
    내부에 전극 어셈블리 및 전해질이 포함되는 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 전극은 제1 탄소질 코팅에 전기적으로 결합되는 제1 집전체를 포함하고, 상기 제2 전극은 제2 탄소질 코팅에 전기적로 결합되는 제2 집전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 집전체와 제2 집전체 각각은 전도성 금속을 포함하는 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 전도성 금속은 알루미늄 또는 그 합금인 것을 특징으로 하는 모듈.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 제1 탄소질 코팅, 제2 탄소질 코팅 또는 모두는 활성탄 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 분리막은 셀룰로오스 섬유상 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈.
  23. 제17항에 있어서,
    상기 전극 어셈블리는 젤리 롤 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 모듈.
  24. 제17항에 있어서,
    상기 비수성 전해질은 비수성 용매에 용해되는 이온성 액체를 함유하고, 상기 이온성 액체는 양이온 종 및 반대 이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 비수성 용매는 프로필렌 카보네이트, 니트릴 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 양이온 종은 유기-제4급 암모늄 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈.
  27. 제17항에 있어서,
    상기 하우징은 베이스 및 개방 단부를 갖는 용기를 포함하고, 개방 단부에 인접하여 뚜겅이 배치되며, 상기 전극 어셈블리는 하우징 내에 위치되는 것을 특징으로 하는 모듈.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 용기는 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 모듈.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 용기는 원통형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 모듈.
  30. 산업용 차량으로,
    제1항의 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 차량.
  31. 삭제
  32. 삭제
  33. 삭제
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