KR102660918B1 - 고전압 및 낮은 등가 직렬 저항의 캡슐화된 슈퍼 캐패시터 모듈 - Google Patents

고전압 및 낮은 등가 직렬 저항의 캡슐화된 슈퍼 캐패시터 모듈 Download PDF

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Abstract

슈퍼 커패시터 모듈이 제공된다. 일부 실시예들에서, 슈퍼 커패시터는 제1 슈퍼 커패시터, 제2 슈퍼 커패시터, 및 제1 슈퍼 커패시터와 제2 슈퍼 커패시터를 직렬로 전기적으로 연결하는 인터커넥트를 포함할 수 있다. 케이싱은 적어도 제1 슈퍼 커패시터 및 제2 슈퍼 커패시터를 캡슐화할 수 있다. 슈퍼 커패시터 모듈의 작동 전압은 3.5 볼트보다 클 수 있고, 슈퍼 커패시터 모듈의 등가 직렬 저항은 약 10 옴보다 작을 수 있다.

Description

고전압 및 낮은 등가 직렬 저항의 캡슐화된 슈퍼 캐패시터 모듈
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 출원일이 2018년 2월 22일인 미국 가특허 출원 제62/633,796호의 출원 혜택을 주장하며, 그 전체 내용은 본원에 참조로 통합되어 있다.
전기 에너지 저장 셀은 전자 장치, 전자 기계 장치, 전기 화학 장치 및 다른 유용한 장치에 전력을 제공하기 위해 널리 사용된다. 예를 들어, 이중층 슈퍼 커패시터는 액체 전해질로 함침된 탄소 입자(예를 들어, 활성 탄소)를 포함하는 한 쌍의 분극성 전극을 사용할 수 있다. 입자들의 유효 표면적 및 전극들 사이의 작은 간격으로 인해, 큰 정전 용량이 달성될 수 있다.
전기 회로는 다양한 구성 요소를 기판에 표면 실장함으로써, 인쇄 회로 기판(PCB)과 같은 기판 상에 형성될 수 있다. 슈퍼 커패시터는 작은 폼 팩터로 상당한 에너지 저장을 제공하도록 표면 실장될 수 있다.
그러나, 표면 실장된 슈퍼 커패시터와 PCB 사이의 한정된 공간에 열 및 습도가 축적되어 부식 또는 다른 손상을 유발할 수 있다. 예를 들어 슈퍼 커패시터는 전기 리드를 사용하여 PCB에 연결할 수 있다. 이러한 리드는 열을 발생시키고 슈퍼 커패시터와 PCB 사이의 제한된 공간에서 전기 분해 반응을 일으킬 수 있다. 결과적으로 수소 가스, 산소 가스 및 수증기가 슈퍼 커패시터에 침투하여 손상을 일으킬 수 있다.
게다가, 슈퍼 커패시터는 일반적으로 낮은 전압(예를 들어, 4 볼트 미만)을 나타낸다. 슈퍼 커패시터를 직렬로 연결하여 슈퍼 커패시터 모듈을 형성하는 것은 더 높은 전압을 제공하지만, 결과적인 모듈은 일반적으로 바람직하지 않은 증가된 등가 직렬 저항(ESR)을 갖는다. 따라서, 고전압, 낮은 등가 직렬 저항을 나타내고 높은 습도 환경에서 성공적으로 작동하는 슈퍼 커패시터 모듈이 당해 기술분야에서 환영받게 될 것이다.
일 실시예에 따라, 슈퍼 커패시터 모듈은 제1 슈퍼 커패시터, 제2 슈퍼 커패시터, 및 상기 제1 커패시터와 상기 제2 슈퍼 커패시터를 직렬로 전기적으로 연결하는 인터커넥트(interconnect)를 포함한다. 케이싱은 적어도 제1 및 제2 슈퍼 커패시터를 캡슐화한다. 슈퍼 커패시터 모듈의 작동 전압은 3.5 볼트보다 크고, 슈퍼 커패시터 모듈의 등가 직렬 저항은 약 10 옴보다 작다.
다른 실시예에 따라, 생성품의 유동을 측정하기 위한 계량기(meter)는 슈퍼 커패시터 모듈을 포함한다. 슈퍼 커패시터 모듈은 제1 슈퍼 커패시터, 제2 슈퍼 커패시터, 및 상기 제1 커패시터와 상기 제2 슈퍼 커패시터를 직렬로 전기적으로 연결하는 인터커넥트를 포함한다. 슈퍼 커패시터 모듈의 작동 전압은 3.5 볼트보다 크고, 슈퍼 커패시터 모듈의 등가 직렬 저항은 약 10 옴보다 작다. 케이싱은 적어도 제1 및 제2 슈퍼 커패시터를 캡슐화한다.
다른 실시예에 따라, 슈퍼 커패시터 모듈은 제1 슈퍼 커패시터, 제2 슈퍼 커패시터, 및 상기 제1 커패시터와 상기 제2 슈퍼 커패시터를 직렬로 전기적으로 연결하는 인터커넥트를 포함한다. 인터커넥트는 밸런싱 회로를 포함한다. 케이싱은 적어도 제1 및 제2 슈퍼 커패시터를 캡슐화한다.
본 발명의 다른 특징 및 양태는 이하에서 보다 상세하게 설명된다.
당업자를 대상으로 하는 본 발명의 최선의 모드를 포함한, 완전하고 가능한 본 발명의 내용은 본 명세서의 나머지 부분에서 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 기술된다.
도 1a는 본 발명의 양태에 따른 전극 어셈블리의 일 실시예의 분해 단면도를 도시한다.
도 1b는 도 1a의 전극 어셈블리의 평면도를 도시한다.
도 1c는 본 발명의 양태에 따른 슈퍼 커패시터의 일 실시예의 개략도를 도시한다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 양태에 따른 슈퍼 커패시터 모듈의 일 실시예의 측면도 및 평면도를 각각 도시한다.
도 3은 본 발명의 양태에 따른 슈퍼 커패시터 모듈의 인터커넥트에 포함될 수 있는 수동 밸런싱 회로를 도시한다.
도 4는 본 발명의 양태에 따른 슈퍼 커패시터 모듈의 인터커넥트에 포함될 수 있는 능동 밸런싱 회로를 도시한다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 양태에 따라 케이싱에 부분적으로 캡슐화된 슈퍼 커패시터 모듈의 일 실시예의 측면도 및 평면도를 각각 도시한다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 양태에 따라 케이싱에 전체적으로 캡슐화된 슈퍼 커패시터 모듈의 일 실시예의 측면도 및 평면도를 각각 도시한다.
도 7a는 본 발명의 양태에 따른 슈퍼 커패시터 모듈을 포함하는 전력 사용량을 측정하기 위한 계량기의 실시예의 사시도를 도시한다.
도 7b는 본 발명의 양태에 따른 슈퍼 커패시터 모듈을 포함하는 전력 사용량을 측정하기 위한 계량기의 실시예의 개략도를 도시한다.
본 명세서 및 도면에서 참조 문자의 반복 사용은 본 발명의 동일하거나 유사한 특징 또는 요소를 나타내기 위한 것이다.
여기에서 설명하는 내용은 단지 예시적인 실시예에 대한 설명이며, 본 발명의 폭넓은 양태를 제한하는 것으로 의도한 것은 아니고, 더욱 광범위한 양태들이 예시적인 구성에서 구현된다는 것이 당업자에게 이해되어야 한다.
일반적으로 말하면, 본 발명은 슈퍼 커패시터 모듈 및 슈퍼 커패시터 모듈을 포함하는 계량기에 관한 것이다. 슈퍼 커패시터 모듈은 제1 슈퍼 커패시터, 제2 슈퍼 커패시터, 및 상기 제1 슈퍼 커패시터와 제2 슈퍼 커패시터를 직렬로 전기적으로 연결하는 인터커넥트를 포함한다. 인터커넥트는 양극 단자 및 음극 단자를 포함한다. 케이싱은 적어도 제1 및 제2 슈퍼 커패시터를 캡슐화한다. 양극 및 음극 단자에서 슈퍼 커패시터 모듈의 작동 전압은 3.5 볼트보다 크고, 양극 및 음극 단자에서 슈퍼 커패시터 모듈의 등가 직렬 저항은 약 10 옴보다 작다.
케이싱은 부식 및/또는 충격, 마모 등을 유발할 수 있는 습기(예를 들어, 습함)로부터 슈퍼 커패시터를 보호함으로써 습한 환경에서 모듈의 내구성 및 성능을 향상시킬 수 있다. 케이싱은 다양한 적합한 재료들로 형성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서 케이싱은 열가소성 또는 열경화성 수지를 포함할 수 있다. 이러한 수지의 예는 예를 들어 에폭시 수지, 폴리이미드 수지, 멜라민 수지, 우레아-포름알데히드 수지, 폴리우레탄 수지, 페놀 수지, 폴리에스테르 수지 등을 포함한다. 에폭시 수지는 또한 봉합재 층에 사용하기에 특히 적합하다. 적합한 에폭시 수지의 예는 예를 들어 글리시딜 에테르 타입 에폭시 수지, 예컨대 비스페놀 A 타입 에폭시 수지, 비스페놀 F 타입 에폭시 수지, 페놀 노볼락 타입 에폭시 수지, 오르토크레졸 노볼락 타입 에폭시 수지, 브롬화 에폭시 수지 및 비페닐 타입 에폭시 수지, 환상 지방족 에폭시 수지, 글리시딜 에스테르 타입 에폭시 수지, 글리시딜아민 타입 에폭시 수지, 크레졸 노볼락 타입 에폭시 수지, 나프탈렌 타입 에폭시 수지, 페놀 아르알킬 타입 에폭시 수지, 시클로펜타디엔 타입 에폭시 수지, 복소 환상 에폭시 수지 등을 포함한다.
원한다면, 경화를 촉진시키기 위하여 봉합재 층에 경화제가 또한 사용될 수 있다. 사용되는 경우, 경화제는 전형적으로 봉합재 층의 약 0.1 내지 약 20 중량%를 구성한다. 예시적인 경화제는 예를 들어 아민, 과산화물, 무수물, 페놀 화합물, 실란, 산 무수물 화합물 및 이들의 조합을 포함한다. 적합한 경화제의 구체적인 예는 디시안디아미드, 1-(2 시아노에틸) 2-에틸-4-메틸이미다졸, 1-벤질 2-메틸이미다졸, 에틸 시아노 프로필 이미다졸, 2-메틸이미다졸, 2-페닐이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸, 2-운데실이미다졸, 1-시아노에틸-2-메틸이미다졸, 2,4-디시아노-6,2-메틸이미다졸릴-(1)-에틸-s-트리아진, 및 2,4-디시아노-6,2-운데실이미다졸릴-(1)-에틸-s-트리아진, 이미다졸륨 염(예컨대 : 1-시아노에틸-2-운데실이미다졸륨 트리멜리테이트, 2-메틸이미다졸륨 이소시아누레이트, 2-에틸-4-메틸이미다졸륨 테트라페닐보레이트 및 2-에틸-1,4-디메틸이미다졸륨 테트라페닐보레이트 등)이다. 또 다른 유용한 경화제는 포스핀 화합물, 예컨대 트리부틸포스핀, 트리페닐포스핀, 트리스(디메톡시페닐)포스핀, 트리스(히드록시프로필)포스핀 및 트리스(시아노에틸)포스핀; 포스포늄 염, 예컨대 테트라페닐포스포늄-테트라페닐보레이트, 메틸트리부틸포스포늄-테트라페닐보레이트 및 메틸트리시아노에틸포스포늄 테트라페닐보레이트; 아민, 예컨대 2,4,6-트리스(디메틸아미노메틸) 페놀, 벤질메틸아민, 테트라메틸부틸구아니딘, N-메틸피페라진 및 2-디메틸아미노-1-피롤린; 암모늄 염, 예컨대 트리에틸암모늄 테트라페닐보레이트; 디아자비시클로 화합물, 예컨대 1,5-디아자비시클로[5,4,0]-7-운데센, 1,5-디아자비시클로[4,3,0]-5-노넨 및 1,4-디아자비시클로[2,2,2]-옥탄; 디아자비시클로 화합물의 염 예컨대 테트라페닐보레이트, 페놀 염, 페놀노볼락 염 및 2-에틸헥사노믹 산 염; 기타 등등을 포함한다.
예컨대 광개시제, 점도 조절제, 현탁 보조제, 안료, 응력 감소제, 비전도성 충전제, 안정제 등과 같은 또 다른 첨가제가 또한 사용될 수 있다. 적합한 광개시제는 예를 들어 벤조인, 벤조인 메틸 에테르 , 벤조인 에틸 에테르, 벤조인 n-프로필 에테르, 벤조인 이소부틸 에테르, 2,2 디히드록시-2-페닐아세토페논, 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논, 2,2-디에톡시-2-페닐아세토페논, 2,2-디에톡시아세토페논, 벤조페논, 4,4-비스디아일아미노벤조페논, 4-디메틸아미노벤조 산, 알킬 4-디메틸아미노벤조에이트, 2-에틸안트라퀴논, 크산톤, 티오크산톤, 2-콜로로티오크산톤 등을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 비전도성 충전제는 실리카, 알루미나, 지르코니아, 산화 마그네슘, 산화철, 산화 구리, 제올라이트, 실리케이트, 점토(예컨대 : 스멕타이트 점토) 등과 같은 무기 산화물 입자 뿐만 아니라 복합재(예컨대 : 알루미나 코팅된 실리카 입자) 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 예컨대 실리카 및/또는 실리케이트와 같은 규소 원자를 함유하는 충전제는 배리어 층이 예를 들어 규소-산소 결합을 통해 봉합재 층에 결합하는 능력을 향상시키는 데에 특히 적합할 수 있다. 사용되는 경우, 이러한 충전제는 예를 들어 봉합재 층의 약 20 중량% 내지 약 95 중량%를 구성할 수 있고, 일부 실시예에서 약 50 중량% 내지 약 85 중량%를 구성할 수 있다.
사용된 특정 구성에 관계없이, 본 발명자들은 슈퍼 커패시터(예를 들어, 전극, 이온성 액체 등)의 특정 성분, 케이싱 및 상기 슈퍼 커패시터와 케이싱을 형성하는 방식/조건에 대한 선택적인 조절을 통하여, 결과적인 모듈은 습한 환경에서 슈퍼 커패시터를 보호하고 슈퍼 커패시터의 내구성을 개선하는 견고하며 내습성의 케이싱에서 고전압(예를 들어, 약 3.5 볼트 초과) 및 낮은 등가 직렬 저항(예를 들어, 약 10 옴 미만)의 조합을 나타낼 수 있다는 것을 알아내었다.
일부 실시예에서 모듈은 약 3.5 볼트 초과, 일부 실시예에서는 약 5 볼트 초과, 일부 실시예에서는 약 7.5 볼트 초과의 전압을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서 모듈은 약 1 볼트 내지 10 볼트, 일부 실시예에서 약 3.5 볼트 내지 약 8 볼트의 전압 범위, 예를 들어 약 7.5 볼트를 나타낼 수 있다.
일부 실시예에서 슈퍼 커패시터는 약 1 F 내지 약 1,500 F, 일부 실시예에서 약 100 F 내지 약 1,000 F의 정전 용량을 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 모듈의 슈퍼 커패시터들 중 적어도 하나의 커패시터는 제1 집전체에 전기적으로 결합된 제1 탄소질 코팅(예를 들어, 활성 탄소 입자)을 함유하는 제1 전극, 및 제2 집전체에 전기적으로 결합된 제2 탄소질 코팅(예를 들어, 활성 탄소 입자)을 함유하는 제2 전극을 포함할 수 있다. 세퍼레이터가 또한 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치될 수 있다. 전극 어셈블리는 적층 및 나선형 권선 등에 의해 전극과 세퍼레이터를 함께 결합함으로써 형성될 수 있다.
일부 실시예에서, 집전체(제1 및/또는 제2 집전체) 중 적어도 하나는 전극 어셈블리의 종방향 에지를 넘어 돌출한다. 집전체의 돌출부는 하우징 내의 단자와 접촉하기 위한 증가된 표면적을 제공할 수 있는데, 이는 등가 직렬 저항을 감소시킬 수 있다. 전술한 바와 같이, 제1 및 제2 슈퍼 커패시터를 포함하는 모듈이 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 모듈은 23℃의 온도, 100 kHz의 주파수 및 인가된 전압없이 결정된 약 5,000 밀리옴 미만의 등가 직렬 저항을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서 모듈은 약 50 밀리옴 내지 약 1,500 밀리옴, 일부 실시예에서 약 70 밀리옴 내지 약 1,000 밀리옴, 일부 실시예에서 약 150 밀리옴 내지 약 600 밀리옴 범위의 등가 직렬 저항을 나타낼 수 있다.
등가 직렬 저항은 다양한 상이한 온도에서 안정적으로 또한 유지될 수 있다. 예를 들어, 슈퍼 커패시터 모듈은 약 80℃ 이상의 온도, 일부 실시예에서는 약 100℃ 내지 약 150℃, 일부 실시예에서는 약 105℃ 내지 약 130℃의 온도(예를 들어, 85℃ 또는 105℃)를 갖는 대기와 접촉하게 위치될 수 있다. 이러한 고온에서도, 등가 직렬 저항은 예를 들어 약 100 시간 이상, 일부 실시예에서 약 300 시간 내지 약 5000 시간, 일부 실시예에서 약 600 시간 내지 약 4500 시간과 같은 상당한 시간(예를 들어 168, 336, 504, 672, 840, 1008, 1512, 2040, 3024 시간 또는 4032 시간) 동안 상기 언급된 범위 내에 있을 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어 고온 대기(예를 들어, 85℃ 또는 105℃)에 처음 노출될 때의 슈퍼 커패시터 모듈의 등가 직렬 저항에 대한 1008 시간 동안 고온 대기에 노출된 후의 슈퍼 커패시터 모듈의 등가 직렬 저항의 비는 약 1.3 이하, 일부 실시예에서는 약 1.2 이하, 일부 실시예에서는 약 0.2 내지 약 1 일 수 있다.
이러한 낮은 등가 직렬 저항 값은 전술한 바와 같이 습한 분위기 및/또는 고전압이 적용될 때와 같은 다양한 극한 조건 하에서 또한 유지될 수 있다. 예를 들어, 고온 대기(예를 들어, 85℃ 또는 105℃)에 노출되지만 전압이 적용되기 이전의 슈퍼 커패시터 모듈의 초기의 등가 직렬 저항에 대한 고온 대기 및 인가된 전압에 노출된 후의 슈퍼 커패시터 모듈의 등가 직렬 저항의 비는 약 1.8 이하, 일부 실시예에서는 약 1.7 이하, 일부 실시예에서는 약 0.2 내지 약 1.6 일 수 있다. 전압은 예를 들어 약 1 볼트 이상, 일부 실시예에서는 약 1.5 볼트 이상, 일부 실시예에서는 약 2 내지 약 10 볼트(예를 들어, 2.1 볼트)일 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어, 위에서 언급된 비율이 1008 시간 이상 동안 유지될 수 있다.
슈퍼 커패시터 모듈은 높은 습도 수준에 노출되었을 때 상기 언급된 등가 직렬 저항 값을 또한 유지할 수 있다. 예를 들어, 고온 대기(예컨대, 85℃ 또는 105℃)에 노출되지만 높은 습도(예컨대, 85 %)에 노출되기 이전의 슈퍼 커패시터 모듈의 초기 정전 용량 값에 대한 고온 대기 및 높은 습도에 노출된 후의 슈퍼 커패시터 모듈의 등가 직렬 저항의 비는 약 1.5 이하, 일부 실시예에서는 약 1.4 이하, 일부 실시예에서는 약 0.2 내지 약 1.2일 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어, 이 비율은 1008 시간 이상 동안 유지될 수 있다. 일부 실시예들에서, 모듈은 앞서 설명한 바와 같이 케이싱에 캡슐화될 수 있는데, 케이싱은 커패시터를 습도로부터 격리함으로써 높은 습도 환경에서 모듈의 성능을 추가로 향상시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 돌출부와 전극 어셈블리의 상대 길이 및 전극 오프셋 비율을 선택적으로 제어하는 것은 감소된 등가 직렬 저항 및/또는 높은 정전 용량 값을 나타내는 슈퍼 커패시터 모듈을 생성되는 결과를 가져올 수 있다. 집전체의 돌출부의 길이를 전극 어셈블리의 길이로 나눔으로써 결정되는, 돌출 집전체의 오프셋 비율은 일반적으로 약 0.02 내지 약 0.3, 일부 실시예에서 약 0.04 내지 약 0.2, 일부 실시예에서 약 0.05 내지 약 0.1의 범위 내로 조절될 수 있다. 예를 들어, 집전체의 돌출부의 길이는 약 1 내지 약 20 밀리미터, 일부 실시예에서는 약 2 내지 약 16 밀리미터, 일부 실시예에서는 약 5 내지 약 15 밀리미터일 수 있다. 마찬가지로, 전극 어셈블리의 길이는 약 5 내지 약 100 밀리미터, 일부 실시예에서는 약 8 내지 약 60 밀리미터, 일부 실시예에서는 약 10 내지 약 25 밀리미터일 수 있다.
특히, 슈퍼 커패시터는 고온에 노출될 때에도 우수한 전기적 특성을 또한 나타낼 수 있다. 예를 들어, 슈퍼 커패시터는 약 80℃ 이상의 온도, 일부 실시예에서는 약 100℃ 내지 약 150℃, 일부 실시예에서는 약 105℃ 내지 약 130℃의 온도(예를 들어, 85℃ 또는 105℃)를 갖는 대기와 접촉하게 위치될 수 있다. 정전 용량 및 등가 직렬 저항 값은 이러한 온도에서 약 100 시간 이상, 일부 실시예에서 약 300 시간 내지 약 5000 시간, 일부 실시예에서 약 600 시간 내지 약 4500 시간과 같은 상당한 시간(예컨대 168, 336, 504, 672, 840, 1008, 1512, 2040, 3024 또는 4032 시간) 동안 안정적으로 유지될 수 있다.
일 실시예에서, 예를 들어 고온 대기(예를 들어, 85℃ 또는 105℃)에 처음으로 노출될 때 슈퍼 커패시터의 정전 용량에 대한 1008 시간 동안 고온 대기에 노출된 후에 슈퍼 커패시터의 정전 용량의 비는 약 0.75 이상, 일부 실시예에서는 약 0.8 내지 1.0, 일부 실시예에서는 약 0.85 내지 1.0 일 수 있다. 이러한 높은 정전 용량은 습한 분위기 및/또는 전압이 인가될 때와 같이, 다양한 극한 조건에서 또한 유지될 수 있다. 예를 들어, 고온 대기(예컨대, 85℃ 또는 105℃)에 노출되지만 전압이 인가되기 전의 슈퍼 커패시터의 초기 정전 용량에 대한 고온 대기에 노출되고 전압이 인가된 후의 슈퍼 커패시터의 초기 정전의 비는 약 0.60 이상, 일부 실시예에서는 약 0.65 내지 1.0, 일부 실시예에서는 약 0.7 내지 1.0 일 수 있다. 전압은 예를 들어 약 1 볼트 이상, 일부 실시예에서는 약 1.5 볼트 이상, 일부 실시예에서는 약 2 내지 약 10 볼트(예를 들어, 2.1 볼트) 일 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어, 위에서 언급된 비율이 1008 시간 이상 동안 유지될 수 있다. 슈퍼 커패시터는 습도가 약 40 % 이상, 일부 실시예에서는 약 45 % 이상, 일부 실시예에서는 약 70 % 이상(예를 들어, 약 85 % 내지 100 %)의 상대 습도를 가진 대기와 접촉하게 위치될 때와 같이, 높은 습도에 노출될 때 상기 언급된 정전 용량을 유지할 수 있다. 상대 습도는 예를 들어 ASTM E337-02, 방법 A(2007)에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 고온 대기(예를 들어, 85℃ 또는 105℃)에 노출되지만 높은 습도(예를 들어, 85 %)에 노출되기 전의 슈퍼 커패시터의 초기 정전 용량에 대한 고온 대기 및 높은 습도에 노출된 후의 슈퍼 커패시터의 정전 용량의 비는 약 0.7 이상, 일부 실시예에서는 약 0.75 내지 1.0, 일부 실시예에서는 약 0.80 내지 1.0 일 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어 이 비율은 1008 시간 이상 동안 유지될 수 있다.
전술한 바와 같이 등가 직렬 저항은 이러한 온도에서 상당한 기간 동안 안정적으로 또한 유지될 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어 고온 대기(예를 들어, 85℃ 또는 105℃)에 처음 노출될 때의 슈퍼 커패시터의 등가 직렬 저항에 대한 고온 대기에 1008 시간 동안 노출된 후의 슈퍼 커패시터의 등가 직렬 저항의 비는 약 1.5 이하, 일부 실시예에서 약 1.2 이하, 및 일부 실시예에서 약 0.2 내지 약 1 일 수 있다. 특히, 이러한 낮은 등가 직렬 저항 값은 전술한 바와 같이 습한 대기 및/또는 고전압이 인가된 때와 같은 다양한 극한 조건 하에서 또한 유지될 수 있다. 예를 들어, 고온 대기(예를 들어, 85℃ 또는 105℃)에 노출되지만 전압이 인가되기 전의 슈퍼 커패시터의 초기 등가 직렬 저항에 대한 고온 대기에 노출되고 전압이 인가된 후의 슈퍼 커패시터의 등가 직렬 저항의 비는 약 1.8 이하, 일부 실시예에서 약 1.7 이하, 및 일부 실시예에서 약 0.2 내지 약 1.6 일 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어 위에서 언급된 비율은 1008 시간 이상 동안 유지될 수 있다. 슈퍼 커패시터는 높은 습도 수준에 노출되었을 때 상기 언급된 등가 직렬 저항 값을 또한 유지할 수 있다. 예를 들어, 고온 대기(예컨대, 85℃ 또는 105℃)에 노출되지만 높은 습도(예컨대, 85 %)에 노출되기 전의 슈퍼 커패시터의 초기 정전 용량에 대한 고온 대기 및 높은 습도에 노출된 후의 슈퍼 커패시터의 등가 직렬 저항의 비는 약 1.5 이하, 일부 실시예에서는 약 1.4 이하, 일부 실시예에서는 약 0.2 내지 약 1.2 일 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어 이 비율은 1008 시간 이상 동안 유지될 수 있다.
슈퍼 커패시터 구성
전극
전술한 바와 같이, 전극 어셈블리는 차례로 제1 및 제2 집전체를 각각 포함하는 제1 및 제2 전극을 포함한다. 원하는 경우, 특히 슈퍼 커패시터가 다수의 에너지 저장 셀을 포함하는 경우, 추가적인 집전체들이 또한 사용될 수 있음을 이해하여야 한다. 집전체들은 동일하거나 상이한 재료로 형성될 수 있다. 여하튼, 각 집전체는 전형적으로 알루미늄, 스테인레스 강, 니켈, 은, 팔라듐 등과 같은 전도성 금속 및 이들의 합금을 포함하는 기판으로 형성된다. 알루미늄 및 알루미늄 합금들이 본 발명에 사용하기에 특히 적합하다. 기판은 포일, 시트, 플레이트, 메쉬 등의 형태일 수 있다. 기판은 또한 약 200 마이크로미터 이하, 일부 실시예에서 약 1 내지 약 100 마이크로미터, 일부 실시예에서 약 5 내지 약 80 마이크로미터, 일부 실시예에서 약 10 내지 약 50 마이크로미터와 같은 비교적 작은 두께를 가질 수 있다. 반드시 필요한 것은 아니지만, 기판의 표면은 세척, 에칭, 블라스팅 등에 의해 옵션으로 조면화될 수 있다.
제1 및 제2 탄소질 코팅이 또한 제1 및 제2 집전체에 각각 전기적으로 결합된다. 이들은 동일하거나 상이한 유형의 재료로 형성될 수 있고 하나 또는 다수의 층을 포함할 수 있지만, 각각의 탄소질 코팅은 일반적으로 활성 입자를 포함하는 적어도 하나의 층을 포함한다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 활성 탄소 층은 집전체 위에 직접 위치될 수 있고 옵션으로 탄소질 코팅의 유일한 층일 수 있다. 적합한 활성 탄소 입자의 예는, 예를 들어 코코넛 쉘 기반의 활성 탄소, 석유 코크스 기반의 활성 탄소, 피치 기반의 활성 탄소, 폴리염화비닐리덴 기반의 활성 탄소, 페놀 수지 기반의 활성 탄소, 폴리아크릴로니트릴 기반의 활성 탄소, 그리고 석탄, 숯 또는 다른 천연 유기 소스와 같은 천연 소스로부터의 활성 탄소를 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 일회 이상의 충전-방전 사이클에 노출된 후에 특정 유형의 전해질에 대한 이온 이동도를 향상시키기 위한 입자 크기 분포, 표면적 및 기공 크기 분포와 같은 활성 탄소 입자의 특정 양태를 선택적으로 제어하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 입자의 50 체적% 이상(D50 크기)은 약 0.01 내지 약 30 마이크로미터, 일부 실시예에서는 약 0.1 내지 약 20 마이크로미터, 일부 실시예에서는 0.5 내지 약 10 마이크로미터 범위의 크기를 가질 수 있다. 마찬가지로 입자의 90 체적% 이상(D90 크기)은 약 2 내지 약 40 마이크로미터, 일부 실시예에서는 약 5 내지 약 30 마이크로미터, 일부 실시예에서는 약 6 내지 약 15 마이크로미터 범위의 크기를 가질 수 있다. BET 표면은 또한 약 900 m2/g 내지 약 3,000 m2/g, 일부 실시예에서 약 1,000 m2/g 내지 약 2,500 m2/g, 일부 실시예에서는 약 1,100 m2/g 내지 약 1,800 m2/g의 범위일 수 있다.
특정 크기 및 표면적을 갖는 것 외에, 활성 탄소 입자는 또한 특정 크기 분포를 갖는 기공들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 크기가 약 2 나노미터 미만인 기공(즉, "미세 기공")들의 양은 전체 기공 체적의 약 50 체적% 이하, 일부 실시예에서 약 30 체적% 이하, 일부 실시예에서는 0.1 체적% 내지 15 체적%의 기공 체적을 제공할 수 있다. 마찬가지로 크기가 약 2 나노미터 내지 약 50 나노미터인 기공(즉, "메조 기공(mesopores)")들의 양은 약 20 체적% 내지 약 80 체적%, 일부 실시예에서는 약 25 체적% 내지 약 75 체적%, 일부 실시예에서는 약 35 체적% 내지 약 65 체적%일 수 있다. 마지막으로, 크기가 약 50 나노미터보다 큰 기공(즉, "매크로 기공")들의 양은 약 1 체적% 내지 약 50 체적%, 일부 실시예에서 약 5 체적% 내지 약 40 체적%, 일부 실시예에서는 약 10 체적% 내지 약 35 체적%일 수 있다. 탄소 입자의 전체 기공 체적은 약 0.2 cm3/g 내지 약 1.5 cm3/g, 일부 실시예에서 약 0.4 cm3/g 내지 약 1.0 cm3/g의 범위일 수 있고, 중간 기공 폭(median pore width)은 약 8 나노미터 이하, 일부 실시예에서는 약 1 내지 약 5 나노미터, 일부 실시예에서는 약 2 내지 약 4 나노미터일 수 있다. 기공 크기 및 전체 기공 체적은 질소 흡착을 사용하여 측정될 수 있고 당업계에 잘 알려진 바렛-조이너-할렌다(Barrett-Joyner-Halenda, BJH) 기술에 의해 분석될 수 있다.
원하는 경우, 결합제가 제1 및/또는 제2 탄소질 코팅에서 탄소 100 부분당 약 60 부분 이하, 일부 실시예에서 40 부분 이하, 일부 실시예에서는 약 1 내지 약 25 부분의 양으로 존재할 수 있다. 결합제는 예를 들어 탄소질 코팅의 전체 중량의 약 15 중량% 이하, 일부 실시예에서 약 10 중량% 이하, 일부 실시예에서 약 0.5 중량% 내지 약 5 중량%를 구성할 수 있다. 다양한 적합한 결합제들 중 임의의 것이 전극에 사용될 수 있다. 예를 들어, 스티렌-부타디엔 공중합체, 폴리비닐 아세테이트 단독중합체, 비닐-아세테이트 에틸렌 공중합체, 비닐-아세테이트 아크릴 공중합체, 에틸렌-비닐 클로라이드 공중합체, 에틸렌-비닐 클로라이드-비닐 아세테이트 삼원중합체, 아크릴 폴리비닐 클로라이드 중합체, 아크릴 중합체, 니트릴 중합체, 폴리테트라 플루오로 에틸렌 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드와 같은 플루오로 중합체, 폴리올레핀 등 뿐만 아니라 이들의 혼합물과 같은 불수용성 유기 결합제들이 특정 실시예들에서 사용될 수 있다. 다당류 및 이의 유도체와 같은 수용성 유기 결합제들이 또한 사용될 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 다당류는 비이온성 셀룰로오스 에테르, 예컨대 알킬 셀룰로오스 에테르(예를 들어, 메틸 셀룰로오스 및 에틸 셀룰로오스); 히드록시알킬 셀룰로오스 에테르(예를 들어, 히드록시에틸 셀룰로오스, 히드록시프로필 셀룰로오스, 히드록시프로필 히드록시부틸 셀룰로오스, 히드 록시에틸 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); 등 뿐만 아니라 나트륨 카르복시메틸 셀룰로오스와 같은 전술한 것들 중 임의의 것의 양성자화 염들을 포함한다.
또한 다른 재료들이 제1 및/또는 제2 탄소질 코팅의 활성 탄소 층 및/또는 제1 및/또는 제2 탄소질 코팅의 다른 층 내에 사용될 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예에서, 전기 전도성을 추가로 증가시키기 위해 전도성 촉진제가 사용될 수 있다. 예시적인 전도성 촉진제는 예를 들어 카본 블랙, 흑연(천연 또는 인공), 흑연, 탄소 나노 튜브, 나노 와이어 또는 나노 튜브, 금속 섬유, 그래핀 등 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 카본 블랙이 특히 적합하다. 사용될 때, 전도성 촉진제는 전형적으로 탄소질 코팅에서 활성 탄소 입자 100 부분당 약 60 부분 이하, 일부 실시예에서 40 부분 이하, 일부 실시예에서 약 1 내지 약 25 부분을 구성한다. 전도성 촉진제는 탄소질 코팅의 전체 중량의 예를 들어 약 15 중량% 이하, 일부 실시예에서 약 10 중량% 이하, 일부 실시예에서 약 0.5 중량% 내지 약 5 중량%를 구성할 수 있다. 마찬가지로, 활성 탄소 입자는 전형적으로 탄소질 코팅의 85 중량% 이상, 일부 실시예에서 약 90 중량% 이상, 일부 실시예에서 약 95 중량% 내지 약 99.5 중량%를 구성한다.
탄소질 코팅은 집전체에 적용되는 특별한 방식은 인쇄(예를 들어, 로토그라비어), 분무, 슬롯 다이 코팅, 드롭 코팅, 딥 코팅 등과 같은 당업자에게 잘 알려진 바와 같이 다양할 수 있다. 적용되는 방식에 관계없이, 생성된 전극은 전형적으로 코팅으로부터 수분을 제거하기 위해 예를 들어 약 100℃ 이상의 온도, 일부 실시예에서 약 200℃ 이상의 온도, 일부 실시예에서 약 300℃ 내지 약 500℃의 온도에서 건조된다. 전극은 또한 슈퍼 커패시터의 체적 효율을 최적화하기 위해 압축(예를 들어, 캘린더드(calendered))될 수 있다. 임의의 옵션의 압축 후에, 각각의 탄소질 코팅의 두께는 일반적으로 슈퍼 커패시터의 원하는 전기 성능 및 작동 범위에 기초하여 변할 수 있다. 그러나, 일반적으로 코팅의 두께는 약 20 내지 약 200 마이크로미터, 30 내지 약 150 마이크로미터, 일부 실시예에서 약 40 내지 약 100 마이크로미터이다. 집전체의 일면 또는 양면에 코팅이 존재할 수 있다. 여하튼, 전체 전극의 두께(옵션의 압축 후에 집전체 및 탄소질 코팅(들)을 포함한)는 전형적으로 약 20 내지 약 350 마이크로미터, 일부 실시예에서 약 30 내지 약 300 마이크로미터, 일부 실시예에서 약 50 내지 약 250 마이크로미터 범위에 있다.
세퍼레이터
세퍼레이터가 또한 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치된다. 원한다면, 다른 세퍼레이터들이 전극 어셈블리에 사용될 수도 있다. 예를 들어, 하나 이상의 세퍼레이터가 제1 전극, 제2 전극 또는 둘 모두 위에 위치될 수 있다. 세퍼레이터는 하나의 전극을 다른 전극으로부터 전기적으로 절연시켜 전기적 단락을 방지하는 데 도움을 주지만, 여전히 두 전극 사이에서 이온의 이동을 허용한다. 특정 실시예에서, 예를 들어 셀룰로오스 섬유 재료(예를 들어, 에어레이드 종이 웹, 습식 종이 웹 등), 부직포 섬유 재료(예를 들어, 폴리올레핀 부직 웹), 직물, 필름(예를 들어, 폴리올레핀 필름) 등을 포함하는 세퍼레이터가 사용될 수 있다. 셀룰로오스 섬유 재료는 특히 천연 섬유, 합성 섬유 등을 함유하는 것과 같은 슈퍼 커패시터에 사용하기에 적합하다. 세퍼레이터에 사용하기에 적합한 셀룰로오스 섬유의 구체적인 예는 예를 들어, 경목 펄프 섬유, 연목 펄프 섬유, 레이온 섬유, 재생 셀룰로오스 섬유 등을 포함할 수 있다. 사용된 특정 재료에 관계없이, 세퍼레이터는 전형적으로 약 5 내지 약 150 마이크로미터, 일부 실시예에서 약 10 내지 약 100 마이크로미터, 일부 실시예에서 약 20 내지 약 80 마이크로미터의 두께를 갖는다.
전극 어셈블리의 구성 요소들이 함께 결합되는 방식은 당업계에 공지된 바와 같이 다양할 수 있다. 예를 들어, 전극들 및 세퍼레이터는 전극 어셈블리를 형성하기 위해 초기에 접히거나, 권취되거나, 또는 함께 접촉될 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 전극들, 세퍼레이터 및 옵션의 전해질은 "젤리-롤" 배치형태를 갖는 전극 어셈블리에 권취될 수 있다. 도 1a를 참조하면, 예를 들어, 제1 전극(12), 제2 전극(14) 및 전극(12 및 14) 사이에 위치된 세퍼레이터(60)를 포함하는 전극 어셈블리(10)의 일 실시예가 도시되어 있다. 이 특정 실시예에서, 전극 어셈블리(10)는 제2 전극(14) 위에 위치된 다른 세퍼레이터(70)를 또한 포함한다. 이러한 방식으로, 전극의 2개의 코팅된 표면 각각은 세퍼레이터에 의해 분리되고, 이에 의해 단위 체적당 표면적 및 정전 용량을 최대화한다. 제1 전극(12)은 제1 집전체(20)의 대향 표면 상에 배치된 탄소질 코팅(22 및 24)을 포함하고, 제2 전극(14)은 제2 집전체(40)의 대향 표면 상에 배치된 탄소 코팅(42 및 44)을 포함한다. 물론, 집전체의 양쪽 표면이 탄소질 코팅을 포함할 필요는 없다는 것이 이해되어야 한다.
도 1b를 참조하면, 전극(12, 14)과 세퍼레이터(60, 70)는 길이(L)를 규정하는 종방향 에지(41, 21) 사이에서 전극 어셈블리(10)가 종방향으로 연장되도록 함께 권취된다. 도시된 실시예에서 예를 들어, 세퍼레이터(60, 70)는 탄소질 코팅의 상응하는 길이와 유사한 길이 및 더 큰 길이를 갖는 것으로 도시되어 있다. 따라서, 이 실시예에서 전극 어셈블리(10)의 길이 "L"은 사실상 세퍼레이터의 가장 바깥쪽 에지 사이의 거리이다. 예를 들어, 길이 "L"은 약 5 내지 약 100 밀리미터, 일부 실시예에서는 약 8 내지 약 60 밀리미터, 일부 실시예에서는 약 10 내지 약 25 밀리미터일 수 있다. 제1 집전체(20)는 전극 어셈블리(10)의 종방향 에지(21)를 넘어 돌출하는 제1 돌출부(64)를 갖도록 위치된다. 유사하게, 제2 집전체(40)는 전극 어셈블리(10)의 종방향 에지(41)를 넘어 돌출하는 제2 돌출부(62)를 갖도록 위치된다. 예를 들어, 제1 돌출부(64)의 길이 "L1", 제2 돌출부(62)의 길이 "L2", 또는 둘 모두는 약 1 내지 약 20 밀리미터, 일부 실시예에서 약 2 내지 약 16 밀리미터, 일부 실시예에서 약 5 내지 약 15 밀리미터일 수 있다. 도시된 실시예에서, 집전체의 돌출부는 대응하는 탄소질 코팅들의 길이보다 길이가 큰 집전체를 사용함으로써 달성된다. 그러나 대안적으로, 집전체의 돌출부는 어셈블리의 다른 구성 요소들에 대해 이들을 단순히 오프셋 하는 것에 의해서도 달성될 수 있다.
전해질
슈퍼 커패시터를 형성하기 위해, 전극과 세퍼레이터가 함께 결합되어 전극 어셈블리를 형성하기 전에, 동안에, 또는 후에 전해질이 제1 전극 및 제2 전극과 이온 접촉하도록 배치된다. 전해질은 일반적으로 비수성이며, 따라서 하나 이상의 비수성 용매를 포함한다. 슈퍼 커패시터의 작동 온도 범위를 확장시키기 위해, 비수성 용매는 비교적 높은 비등 온도, 예를 들어 약 150℃ 이상, 일부 실시예에서 약 200℃ 이상, 일부 실시예에서 약 220℃ 내지 약 300℃의 온도를 갖는 것이 바람직하다. 특히 적합한 고비점 용매는 예를 들어 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 조합으로 사용될 수도 있다. 이러한 용매의 예는, 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), 아미드(예를 들어 N, N-디메틸포름아미드, N, N-디에틸아세트아미드, N-메틸피롤리디논), 알칸(예를 들어 니트로 메탄, 니트로 에탄 등), 황 화합물(예를 들어 설포란, 디메틸 설폭사이드 등), 등을 포함할 수 있다.
전해질은 또한 비수성 용매에 용해된 하나 이상의 이온성 액체를 또한 포함할 수 있다. 이온성 액체의 농도는 변할 수 있지만, 이온성 액체는 비교적 높은 농도로 존재하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 이온성 액체는 전해질의 리터당 약 0.8 몰(M) 이상, 일부 실시예에서 약 1.0 M 이상, 일부 실시예에서는 약 1.2 M 이상, 일부 실시예에서는 약 1.3 내지 약 1.8 M의 양으로 존재할 수 있다.
이온성 액체는 일반적으로 예를 들어 약 400℃ 이하, 일부 실시예에서 약 350℃ 이하, 일부 실시예에서 약 1℃ 내지 약 100℃, 일부에서는 실시예는 약 5℃ 내지 약 50℃의 비교적 낮은 용융 온도를 갖는 염이다. 염은 양이온 종 및 반대 이온을 함유한다. 양이온 종은 "양이온 중심"으로서 적어도 하나의 헤테로 원자(예를 들어, 질소 또는 인)를 갖는 화합물을 포함한다. 이러한 헤테로 원자 화합물의 예는 예를 들어 암모늄(예를 들어, 트리메틸 암모늄, 테트라에틸 암모늄 등)과 같은 비치환형 또는 치환형 유기 4차(organoquaternary) 암모늄 화합물, 피리디늄, 피리다지늄, 피라미디늄, 피라지늄, 이미다졸륨, 피라졸륨, 옥사졸륨, 트리아졸륨, 티아졸륨, 퀴놀리늄, 피페리디늄, 피롤리디늄, 2개 이상의 고리가 스피로 원자(예를 들어, 탄소, 헤테로 원자 등)에 의해 함께 연결된 4차 암모늄 스피로 화합물, 4차 암모늄 융합 고리 구조(예를 들어, 퀴놀리늄, 이소퀴놀리늄 등) 등을 포함한다. 하나의 특정 실시예에서, 예를 들어, 양이온 종은 N-스피로바이사이클릭 화합물, 예컨대 사이클릭 고리를 갖는 대칭 또는 비대칭 N-스피로바이사이클릭 화합물일 수 있다. 이러한 화합물의 일례는 다음의 구조를 갖는다:
여기에서, m 및 n은 독립적으로 3 내지 7의 수이며, 일부 실시예에서 4 내지 5의 수이다(예를 들어, 피롤리디늄 또는 피페리디늄).
양이온 종에 대한 적합한 반대 이온은 마찬가지로 할로겐(예를 들어, 클로라이드, 브로마이드, 요오드화물 등); 설페이트 또는 설포네이트(예를 들어, 메틸 설페이트, 에틸 설페이트, 부틸 설페이트, 헥실 설페이트, 옥틸 설페이트, 하이드로젠 설페이트, 메탄 설포네이트, 도데실벤젠 설포네이트, 도데실 설페이트, 트리플루오로메탄 설포네이트, 헵타데카플루오로옥탄 설포네이트, 소듐 도데실에톡시 설페이트 등); 설포숙시네이트; 아미드(예를 들어, 디시안아미드); 이미드(예를 들어, 비스(펜타플루오로에틸설포닐) 이미드, 비스(트리플루오로메틸설포닐) 이미 드, 비스(트리플루오로메틸) 이미드 등); 붕산염(예를 들어, 테트라플루오로 보레이트, 테트라시아노 보레이트, 비스[옥살라토] 보레이트, 비스[살리실라토] 보레이트 등); 포스페이트 또는 포스피네이트(예를 들어, 헥사플루오로 포스페이트, 디에틸 포스페이트, 비스(펜타플루오로에틸) 포스피네이트, 트리스(펜타플루오로에틸)-트리플루오로 포스페이트, 트리스(노나플루오로부틸) 트리플루오로 포스페이트 등); 안티모네이트(예를 들어, 헥사플루오로 안티모네이트); 알루미네이트(예를 들어, 테트라클로로 알루미네이트); 지방산 카르복실레이트(예를 들어, 올레에이트, 이소스테아레이트, 펜타데카플루오로 옥타노에이트 등); 시아네이트; 아세테이트; 등 및 전술한 것 중 임의의 조합을 포함할 수 있다.
적합한 이온성 액체의 몇몇 예는 예를 들어 스피로-(1,1')-바이피롤리디늄 테트라플루오로보레이트, 트리에틸메틸 암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트, 스피로-(1,1')-비피롤리디늄 요오드화물, 트리에틸메틸 암모늄 요오드화물, 테트라에틸 암모늄 요오드화물, 메틸트리에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라부틸 암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라에틸 암모늄 헥사플루오로포스페이트 등을 포함할 수 있다.
하우징
전술한 바와 같이, 슈퍼 커패시터는 전극 어셈블리 및 전해질이 안에 유지되고 옵션으로 기밀 밀봉되는 하우징을 또한 포함할 수 있다. 하우징의 성질은 원하는대로 변경할 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어, 하우징은 탄탈륨, 니오븀, 알루미늄, 니켈, 하프늄, 티타늄, 구리, 은, 강(예를 들어, 스테인레스), 이들의 합금, 이들의 복합재(예를 들어, 전기 전도성 산화물로 코팅된 금속) 등으로 형성된 금속 용기("캔")를 포함할 수 있다. 알루미늄이 본 발명에 사용하기에 특히 적합하다. 다른 실시예에서, 하우징은 임의의 적합한 플라스틱 재료(예를 들어, 폴리프로필렌(PP), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 등등)을 포함할 수 있다. 용기는 원통형, D 형상 등과 같은 임의의 다양한 다른 형상을 가질 수 있다. 원통형 용기가 특히 적합하다.
전극 어셈블리는 다양한 상이한 기술을 사용하여 원통형 하우징 내에 밀봉될 수 있다. 도 1c를 참조하면, 젤리-롤 구성으로 함께 권취된 층(106)들을 포함할 수 있는 전극 어셈블리(10)를 포함하는 슈퍼 커패시터(100)의 일 실시예가 도시되어 있다. 일부 실시예에서, 전극 어셈블리(10)는 도 1a 및 1b를 참조하여 앞서 설명한 바와 같이 돌출부를 형성하는 집전체를 포함할 수 있다. 이 특정 실시예에서, 슈퍼 커패시터(100)는 디스크 형상부(134)를 포함할 수 있는 제1 집전체 디스크(114), 스터드(136) 및 패스너(138)(예를 들어, 나사)를 포함할 수 있다. 집전체 디스크(114)는 전극 어셈블리의 중앙에 형성될 수 있는 중공 코어(160)의 제1 단부와 정렬될 수 있고, 이어서 디스크 형상부(134)가 제1 접촉 에지(110)에서 전극 어셈블리의 제1 단부(108)에 안착하도록 스터드(136)가 코어의 개구 내로 삽입될 수 있다. 뚜껑(118)는 제1 단자 포스트(116)에 용접(예를 들어, 레이저 용접)될 수 있고, 예를 들어 나사형일 수 있는 소켓이 패스너(138)와 결합될 수 있다. 또한 슈퍼 커패시터(100)는 디스크 형상부(142)를 포함할 수 있는 제2 집전체 디스크(120), 스터드(140) 및 제2 단자 포스트(144)를 포함할 수 있다. 제2 집전체 디스크(120)는 중공 코어(160)의 제2 단부와 정렬될 수 있고, 이어서 집전체 디스크 형상부(142)가 전극 어셈블리의 제2 단부(108)에 대해 안착하도록 스터드(140)가 코어의 개구 내로 삽입될 수 있다.
그 후, 제2 집전체 디스크(120)가 용기(122)에 먼저 들어가고, 제1 절연 와셔(124)를 통과하고, 용기(122)의 단부에서 축선방향 구멍을 통과하고, 다음에 제2 절연 와셔(126)를 통과하도록 용기(122)(예를 들어, 원통형 형상의 캔)가 전극 어셈블리(108) 위로 슬라이딩될 수 있다. 제2 집전체 디스크(120)는 평 와셔(128) 및 스프링 와셔(130)를 또한 통과한다. 로크 너트(132)는 스프링 와셔(130)에 대해 조여져서 스프링 와셔(130)를 평 와셔(128)에 대해 압축하며, 결과적으로 제2 절연 와셔(126)에 대해 압축될 수 있다. 제2 절연 와셔(126)는 금속 용기(122) 내의 축선방향 구멍의 외주에 대해 압축되고, 이 압축력에 의해 제2 집전체 디스크(120)가 축선방향 구멍을 향하여 인출되므로 제1 절연 와셔(124)가 제2 집전체 디스크(120)와 용기(122)의 축선방향 구멍의 내주 사이에서 압축될 수 있다. 제1 절연 와셔(124) 상의 플랜지는 제2 집전체 디스크(120)와 축선방향 구멍의 가장자리 사이의 전기적인 접촉을 방지한다. 동시에, 뚜껑(118)의 가장자리가 용기(122)의 개구의 테두리 바로 안쪽에 놓이도록 뚜껑(118)이 용기(122)의 개구 내로 당겨질 수 있다. 다음에, 뚜껑(118)의 가장자리는 용기(122)의 개구의 테두리에 용접될 수 있다.
로크 너트(132)가 스프링 와셔(130)에 대해 일단 조여지면 축선방향 구멍, 제1 절연 와셔(124), 제2 절연 와셔(126), 제2 집전체 디스크(120) 사이에 기밀 밀봉이 형성될 수 있다. 유사하게, 용기(122)의 테두리에 뚜껑(118)이 용접되고 제1 단자 포스트(116)에 뚜껑(118)이 용접되어 다른 기밀 밀봉을 형성할 수 있다. 뚜껑(118)의 구멍(146)은 전술한 전해질의 충전 포트로서 기능하도록 개방된 상태로 유지될 수 있다. 일단 전해질이 캔 안에 있게 되면(즉, 전술한 바와 같이 진공 하에서 캔 내로 들어가면), 부싱(148)이 구멍(146)에 삽입되고 구멍(146)의 내부 에지에서 플랜지(150)에 대해 안착될 수 있다. 예를 들어, 부싱(148)은 플러그(152)를 수용하도록 구성된 중공 실린더 형상일 수 있다. 원통형 형상인 플러그(152)는 부싱(148)의 중앙으로 프레스될 수 있고, 이에 의해 부싱(148)을 구멍(146)의 내부에 대해 압축하고 구멍(146), 부싱(148), 플러그(152) 사이에 기밀 밀봉을 형성한다. 플러그(152)와 부싱(148)은 슈퍼 커패시터 내에 소정의 압력 수준이 도달할 때 이탈하도록 선택될 수 있고, 이에 의해 과압 안전 메커니즘을 형성한다.
전술한 실시예는 일반적으로 커패시터에서 단일 전기화학 전지의 사용을 나타낸다. 그러나, 본 발명의 커패시터는 또한 2개 이상의 전기화학 전지를 포함할 수 있음을 이해해야 한다. 이러한 일 실시예에서, 예를 들어 커패시터는 동일하거나 상이할 수 있는 2개 이상의 전기화학 전지의 스택을 포함할 수 있다.
슈퍼 커패시터의 하우징은 임의의 적절한 크기 및 형상일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서 하우징의 길이는 약 10 mm 내지 약 250 mm, 일부 실시예에서 약 20 mm 내지 약 120 mm 일 수 있다. 일부 실시예에서, 하우징은 대체로 원통형 형상이고 직경은 약 3 mm 내지 약 70 mm 범위이며, 일부 실시예에서 약 8 mm 내지 약 40 mm 범위의 직경을 가질 수 있다.
모듈
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 2개 이상의 슈퍼 커패시터를 포함하는 슈퍼 커패시터 모듈(200)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 모듈(200)은 제1 슈퍼 커패시터(202) 및 제2 슈퍼 커패시터(204)를 포함할 수 있다. 슈퍼 커패시터(202, 204)는 각각 전극 어셈블리 및 하우징에 포함된 비수성 이온 액체 기반의 전해질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전술한 바와 같이 각각의 전극 어셈블리는 제1 집전체에 전기적으로 결합된 제1 탄소질 코팅(예를 들어, 활성 탄소 입자)을 포함하는 제1 전극, 및 제2 집전체에 전기적으로 결합된 제2 탄소질 코팅(예를 들어, 활성 탄소 입자)을 포함하는 제2 전극을 포함할 수 있다. 전극 어셈블리는 일반적으로 젤리-롤 구성을 가질 수 있다.
제1 슈퍼 커패시터(202)는 포지티브 단자(208) 및 네거티브 단자(210)를 포함할 수 있다. 유사하게, 제2 슈퍼 커패시터(204)는 포지티브 단자(212) 및 네거티브 단자(214)를 포함할 수 있다. 슈퍼 커패시터(202, 204)가 유사한 전압, 등가 직렬 저항 등을 갖도록 슈퍼 커패시터(202, 204)는 일반적으로 서로 매칭될 수 있다.
인터커넥트
인터커넥트(206)는 슈퍼 커패시터(202, 204)를 직렬로 전기적으로 연결할 수 있다. 예를 들어, 인터커넥트(206)는 제1 슈퍼 커패시터(202)의 포지티브 단자(208)를 제2 슈퍼 커패시터(204)의 네거티브 단자(210)와 연결할 수 있다. 인터커넥트(206)는 제1 슈퍼 커패시터(202)의 네거티브 단자(210)에 연결된 네거티브 전기 리드(216)를 포함할 수 있다. 유사하게, 인터커넥트(206)는 제2 슈퍼 커패시터(204)의 포지티브 단자(212)와 전기적으로 연결된 포지티브 전기 리드(218)를 포함할 수 있다. 또한, 다른 실시예에서 비록 슈퍼 커패시터(202, 204)의 내부 단자와 연결된 것으로 도시되어 있지만, 대신에 전기 리드(216, 218)가 슈퍼 커패시터(202, 204)의 외부 단자에 연결될 수 있고, 인터커넥트(206)는 슈퍼 커패시터(202, 204)의 내부 단자들을 서로 전기적으로 연결할 수 있다. 인터커넥트(206)는 다양한 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 인터커넥트(206)는 임의의 적합한 플라스틱, 수지, 금속 등을 포함할 수 있다.
밸런싱 회로
본 발명의 양태에 따라, 일부 실시예에서 인터커넥트는 제1 및 제2 슈퍼 커패시터에 대한 밸런싱을 제공하도록 구성된 밸런싱 회로를 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 3을 참조하면 일부 실시예에서, 인터커넥트(206)는 하나 이상의 레지스터를 포함하는 수동 밸런싱 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 수동 밸런싱 회로(300)는 제1 슈퍼 커패시터(202)와 병렬로 연결된 제1 레지스터(302) 및 제2 슈퍼 커패시터(304)와 병렬로 연결된 제2 레지스터(304)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 레지스터는 대략 동일한 저항을 가질 수 있다. 이러한 구성은 슈퍼 커패시터들 중 하나가 다른 슈퍼 커패시터보다 높은 전압에서 작동하는 것을 방지할 수 있다.
다른 실시예에서, 인터커넥트(206)는 능동 밸런싱 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 슈퍼 커패시터 모듈을 위한 능동 밸런싱 회로는 레귤레이터를 포함할 수 있다. 레귤레이터는 각각의 슈퍼 커패시터를 가로지르는 전압과 관련된 입력 전압을 수용하고 상기 입력 전압을 기준 전압(예를 들어, 슈퍼 커패시터의 밸런스 전압)과 비교하도록 구성될 수 있다. 레귤레이터는 입력 전압을 기준 전압과 비교하고 출력을 제공하도록 작동할 수 있는 임의의 장치일 수 있다. 일부 실시예에서, 레귤레이터는 단일 패키지(예를 들어, 집적 회로)에 제공되는 비교기 및/또는 하나 이상의 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
입력 전압은 슈퍼 커패시터를 가로지르는 전압을 나타내는 임의의 신호 또는 전압일 수 있다. 일부 실시예들에서, 입력 전압은 전압 분배기 회로를 사용하여 제공될 수 있다. 입력 전압은 레귤레이터의 센싱 입력으로(예를 들어, 전압 분배기 회로를 통해) 수신될 수 있다.
레귤레이터는 기준 전압에 대한 입력 전압에 적어도 부분적으로 기초하여 레귤레이터의 출력 노드를 통해 출력을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 레귤레이터는 입력 전압이 기준 전압보다 클 때 출력 노드를 통해 제1 출력(예를 들어, 제1 논리 출력)을 제공하도록 구성될 수 있다. 레귤레이터는 슈퍼 커패시터와 관련된 전압이 기준 전압보다 크지 않을 때 출력 노드를 통해 제2 출력(예를 들어, 제2 논리 출력)을 제공하도록 구성될 수 있다.
레귤레이터의 출력은 스위칭 회로를 구동하도록 사용될 수 있다. 스위칭 회로는 전계 효과 트랜지스터(예를 들어, MOSFET)와 같은 하나 이상의 반도체 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 스위칭 소자는 완전 포화 모드로 작동하여 스위칭 소자가 하드 스위칭 방식으로 온오프된다. 예를 들어, 반도체 스위칭 소자가 공급 전압의 변화에도 불구하고 스위칭 소자를 통한 전류가 실질적으로 증가하거나 또는 감소하지 않는 상태에서 작동될 때 하드 스위칭이 일어날 수 있다. 예를 들어, 전계 효과 트랜지스터의 드레인 소스 전압의 증가에도 불구하고 드레인 전류가 증가하지 않도록 전계 효과 트랜지스터가 포화 영역에서 작동될 때, 전계 효과 트랜지스터에 대한 하드 스위칭이 일어날 수 있다. 이것은 스위칭 소자가 방전 슈퍼 커패시터와 관련된 더욱더 높은 전류를 수용할 수 있게 한다.
레귤레이터의 출력이 제1 출력일 때(예를 들어, 입력 전압이 기준 전압보다 큰 경우), 스위칭 회로에서 적어도 하나의 스위칭 소자가 온으로(예를 들어, 하드 스위칭 방식으로) 스위칭될 수 있으므로 슈퍼 커패시터를 방전하도록 전류는 스위칭 회로에서 적어도 하나의 스위칭 소자를 통해 슈퍼 커패시터로부터 흐르며, 슈퍼 커패시터를 가로지르는 전압을 감소시킨다. 레귤레이터의 출력이 제2 출력일 때(예를 들어, 입력 전압이 기준 전압보다 작은 경우), 스위칭 회로에서 적어도 하나의 스위칭 소자가 오프로(예를 들어, 하드 스위칭 방식으로) 스위칭될 수 있으므로 슈퍼 커패시터가 충전되며 슈퍼 커패시터와 관련된 전압을 증가시킨다. 이러한 방식으로, 밸런싱 회로는 슈퍼 커패시터와 관련된 전압이 문턱값(threshold)을 초과할 때까지 슈퍼 커패시터가 충전되고 슈퍼 커패시터와 관련된 전압이 문턱값 아래로 떨어질 때까지 방전되는 스위칭 모드 방식에 따라 작동할 수 있다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 슈퍼 커패시터 모듈과 함께 사용하기 위한 예시적인 능동 밸런싱 회로(400)의 블록선도를 도시한다. 예를 들어, 제1 능동 밸런싱 회로는 제1 슈퍼 커패시터를 가로지르는 제1 전압을 조절하도록 구성될 수 있고, 제2 능동 밸런싱 회로는 제2 슈퍼 커패시터를 가로지르는 제2 전압을 조절하도록 구성될 수 있다. 간명함을 위해, 도 4는 단지 제1 능동 밸런싱 회로(400) 및 제1 슈퍼 커패시터(202)을 도시한다.
능동 밸런싱 회로(400)는 레귤레이터(420)를 포함한다. 레귤레이터(420)는 전압 분배기(415)와 같은 입력 회로를 통해 커패시터를 가로지르는 전압(Vc)을 나타내는 신호(412)(예를 들어, 입력 전압)를 수신할 수 있다. 레귤레이터(420)는 신호(412)를 기준 전압과 비교할 수 있다. 일부 실시예들에서, 기준 전압은 슈퍼 커패시터가 유지되어야 하는 목표 전압에 기초하여 결정될 수 있다.
레귤레이터(420)는 전압(Vc)을 나타내는 신호(412) 및 기준 전압에 기초하여 출력(416)을 제공할 수 있다. 예를 들어, 레귤레이터(420)는 슈퍼 커패시터를 가로지르는 전압(Vc)을 나타내는 신호(412)가 기준 전압보다 클 때 제1 논리 출력(예를 들어, 논리 높음)을 제공할 수 있다. 레귤레이터(420)는 슈퍼 커패시터를 가로지르는 전압(Vc)을 나타내는 신호(412)가 기준 전압보다 작을 때 제2 논리 출력(예를 들어, 논리 낮음)을 제공할 수 있다.
출력(416)은 스위칭 회로(430)에 제공될 수 있다. 스위칭 회로(430)는 하나 이상의 반도체 스위칭 소자(예를 들어, 전계 효과 트랜지스터)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 스위칭 소자가 통전 상태에 있을 때, 슈퍼 커패시터는 방전되어 슈퍼 커패시터를 가로지르는 전압을 감소시킬 수 있다. 슈퍼 커패시터는 슈퍼 커패시터를 가로지르는 전압(Vc)을 나타내는 신호(412)가 충분히 낮아져서 신호(412)가 더 이상 기준 전압보다 크지 않을 때까지 방전될 수 있다. 이 시점에서, 스위칭 소자는 슈퍼 커패시터를 충전하기 위해 비통전 상태가 되도록 제어될 수 있다. 이러한 방식으로, 밸런싱 회로(400)는 스위칭 모드 방식을 사용하여 슈퍼 커패시터의 전압을 조절하고 과전압 상태를 감소시키는 데에 사용될 수 있다. 스위칭 모드 방식에서, 스위칭 회로는 슈퍼 커패시터의 전압을 밸런스 전압 범위 내에 또는 밸런스 전압으로 유지하기 위해 슈퍼 커패시터를 방전 상태와 비방전 상태 사이에서 전후로 스위칭하도록 제어될 수 있다.
일부 실시예에서, 스위칭 회로(430)의 반도체 스위칭 소자는 스위칭 소자의 하드 스위칭을 제공하도록 완전 포화 모드에서 작동될 수 있다. 이것은 스위칭 소자가 스위칭 모드 방식에 따라 슈퍼 커패시터를 방전하는 동안에 발생할 수 있는 슈퍼 커패시터로부터의 높은 전류를 수용할 수 있게 한다.
DC-DC 변환기(432)는 예를 들어 반도체 스위칭 소자의 하드 스위칭을 위한 완전 포화 모드에서 작동할 때 반도체 스위칭 소자의 향상된 성능을 제공하도록 스위칭 회로에서 스위칭 소자에 인가된 DC 전압을 부스팅하는데 사용될 수 있다. DC-DC 변환기는 슈퍼 커패시터(202)와 스위칭 회로(430) 사이에 결합될 수 있다.
일부 실시예에서, 능동 밸런싱 회로(400)는 통지 회로(450)를 포함할 수 있다. 통지 회로(450)는 비교기를 포함할 수 있다. 비교기는 슈퍼 커패시터(202)와 관련된 전압을 문턱값과 비교할 수 있다. 슈퍼 커패시터(202)와 관련된 전압이 문턱값을 초과하면, 통지 회로(450)는 슈퍼 커패시터(202)와 관련된 전압이 문턱값을 초과한다는 것을 나타내는 신호를 제공할 수 있다. 이것은 통지(예를 들어, 발광 다이오드를 통한 시각적 표시 또는 다른 적절한 통지)를 제공하는 데 사용될 수 있다.
케이싱
일부 실시예에서, 케이싱(예를 들어, 봉합재 층)이 슈퍼 커패시터(202, 204) 주위에 형성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 케이싱은 열경화성 수지(선택적으로 경화제 및/또는 다른 첨가제를 포함)를 포함하는 다양한 적합한 재료로 형성될 수 있다. 슈퍼 커패시터(202, 204) 및/또는 인터커넥트(206)를 수분(예를 들어, 습기) 및/또는 충격, 마모 등으로부터 보호하는 임의의 적절한 재료가 사용될 수 있다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 일부 실시예에서 슈퍼 커패시터(202, 204)는 케이싱(502)에 캡슐화될 수 있다. 인터커넥트(206)는 케이싱(502) 외부에 위치될 수 있다. 이러한 구성은 예를 들어 방습을 제공하면서 또한 슈퍼 커패시터 모듈의 단자에 대한 액세스를 제공할 수 있다. 도 6a 및 6b를 참조하면, 다른 실시예에서 슈퍼 커패시터(202, 204) 및 인터커넥트(206)는 모두 케이싱(502) 내에 캡슐화될 수 있다. 이러한 구성은 부식을 초래할 수 있는 습기로부터 인터커넥트(206)를 추가로 보호할 수 있다.
응용
본 명세서에 기술된 전기 회로의 다양한 실시예들은 임의의 적합한 유형의 전자 컴포넌트에서 응용을 찾을 수 있다. 예시적인 응용에는 전력 계량기, 무정전 전원 공급 장치(UPS) 및 RAM(Random Access Memory)의 백업 전원과 같은 컴퓨터 응용을 포함한다. 본 명세서에 기술된 전기 회로는 생산물(예를 들어, 전기, 물, 가스 등)의 유동을 측정하기 위한 계량기에서 특별한 응용을 찾을 수 있다.
예를 들어, 전력 계량기는 전력 사용량(예를 들어, 주거용 및/또는 상업용 건물의)을 측정하도록 구성될 수 있다. 일부 전력 계량기(예를 들어, "스마트" 전력 계량기)는 전력 그리드의 모니터링 및/또는 관리를 개선하기 위해 측정된 전력 소비에 관한 데이터를 무선으로 통신할 수 있다. 예를 들어, 스마트 전력 계량기는 유틸리티 스테이션 및/또는 개인 컴퓨팅 장치에 전력 사용량을 통신할 수 있다. 이를 통해 거주자는 집이나 아파트의 전력 사용량을 모니터링할 수 있어 보다 효율적인 전력 사용 및 관리가 가능하다.
본 발명의 양태에 따라, 전력 계량기는 본 명세서에 기술된 바와 같이 슈퍼 커패시터 및/또는 전기 회로를 이용할 수 있다. 슈퍼 커패시터(들)은 전력 계량기 회로에서 몇 가지 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 슈퍼 커패시터(들)은 정전 및/또는 전원 고장시 백업 전원을 공급할 수 있다. 이것은 전력 계량기의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 이러한 전력 계량기는 전력 계량기가 제대로 작동하지 못하게 할 수 있는 전원 고장 또는 이상에도 불구하고 전력 사용량에 대한 정보를 계속해서 전송할 수 있다.
슈퍼 커패시터는 또한 전력 계량기에서 배터리 및/또는 전원 공급 회로의 수명을 연장시킬 수 있다. 예를 들어, 슈퍼 커패시터(들)은 전력 계량기의 불규칙하거나 과도한 전력 요구를 충족시키는데 도움을 줄 수 있고, 이는 배터리 및/또는 전원 공급 회로를 보호하는데 도움을 준다.
전력 계량기
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 일부 실시예에서 계량기는 전력 계량기(4000)로서 구성될 수 있고 PCB와 같은 기판(202)에 장착된 적어도 하나의 슈퍼 커패시터 모듈(200)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전력 계량기(4000)는 슈퍼 커패시터 모듈(들)(200)과 전기적으로 연결된 배터리(4004)를 또한 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 슈퍼 커패시터 모듈(들)(200)은 과도한 전력 요구 또는 배터리 고장 시에 백업 전원 공급을 제공하도록 구성될 수 있다.
전력 계량기(400)는 스마트 전력 계량기로서 구성될 수 있고 임의의 적절한 무선 통신 프로토콜(예를 들어, WiFi, 블루투스 및/또는 유사한 것)을 사용하는 로컬 무선 네트워크와 같은 임의의 적절한 네트워크 및/또는 임의의 적절한 통신 프로토콜(예를 들어, TCP/IP, HTTP, SMTP, FTP)을 사용하는 광역 네트워크(WAN)와 같은 광대역 네트워크를 통해 데이터를 송신 및/또는 수신하도록 구성된 무선 통신 유닛(4006)을 포함할 수 있다. 전력 계량기(4000)는 모니터링을 위해 전원 공급처 및/또는 사용자 컴퓨팅 장치에 전력 사용량을 전송하도록 구성될 수 있다.
전력 계량기(4000)는 디스플레이(4008) 및/또는 사용자 입력 장치를 또한 포함할 수 있다. 예를 들어, 디스플레이(4008)는 사용자가 터치 스크린을 사용하여 정보(예를 들어 설정, 경고 등)를 입력할 수 있도록 터치 스크린으로 구성될 수 있다.
전력 계량기(4000)는 전력 사용률을 측정하도록 구성된 센서(4010)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 센서(4010)는 전력 계량기(4000)를 통해 흐르는 전력의 측정을 나타내는 아날로그 신호(예를 들어, 전압 또는 전류)를 검출하도록 구성된 A/D 변환기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 7b를 참조하면 A/D 변환기(4010)는 전원 공급처(4012)(예를 들어, 발전소에 의해 공급되는 전력 그리드) 및 전원 소비처(4014)(예를 들어, 주거용 및/또는 상업용 건물)와 각각 전기적으로 연결될 수 있다. A/D 변환기(4010)는 아날로그 신호를 전력 사용률을 나타내는 디지털 신호로 변환할 수 있다.
전력 계량기(4000)는 마이크로 컴퓨터(4016)를 또한 포함할 수 있다. 일반적으로, 마이크로 컴퓨터(4016)는 컴퓨팅 장치 또는 컴퓨팅 장치들의 임의의 조합과 같은 임의의 적합한 프로세서 기반 장치(들)에 해당할 수 있다. 따라서, 여러 실시예들에서, 마이크로 컴퓨터(4016)는 다양한 컴퓨터 구현 기능들을 수행하도록 구성된 하나 이상의 프로세서(들)(4018) 및 관련 메모리 장치(들)(4020)을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "프로세서"라는 용어는 컴퓨터에 포함되는 것과 같이 당해 기술 분야에서 언급되는 집적 회로뿐만 아니라 프로그램 가능 논리 제어장치(PLC), 주문형 집적 회로 및 다른 프로그램 가능 회로를 의미한다. 또한, 메모리 장치(들)은 일반적으로 메모리 요소(들)을 포함할 수 있으며, 메모리 요소(들)은 제한하는 것은 아니지만 컴퓨터 판독 가능 매체(예를 들어, 랜덤 액세스 메모리(RAM)), 컴퓨터 판독 가능 비휘발성 매체(예를 들어, 플래시 메모리), CD-ROM(compact disc read only memory), MOD(magneto-optical disk), DVD(digital versatile disc) 및/또는 다른 적절한 메모리 요소들을 포함한다. 일반적으로 이러한 메모리 장치(들)은 프로세서(들)에 의해 구현될 때 다양한 컴퓨터 구현 기능을 수행하도록 제어기를 구성하는 적절한 컴퓨터 판독 가능 명령을 저장하도록 구성될 수 있다.
마이크로 컴퓨터(4016)는 무선 통신 유닛(4006), 디스플레이(4008) 및/또는 A/D 변환기(4010)와 통신 가능하게 결합될 수 있다. 마이크로 컴퓨터(4016)는 전력 사용률을 나타내는 신호를 센서(4010)로부터 수신하고 수신된 신호에 기초하여 전력 사용률을 계산하도록 구성될 수 있다. 또한 마이크로 컴퓨터(4016)는 무선 통신 유닛(4006)을 통해 전력 사용량을 전송하고/하거나 전력 사용량이 디스플레이(4008)에 나타날 수 있도록 디스플레이(4008)의 작동을 제어하도록 구성될 수 있다.
스마트 계량기(4000)는 전원 공급 회로(4022)를 또한 포함할 수 있다. 전원 공급 회로(4022)는 슈퍼 커패시터(들)(212), 배터리(4004) 및/또는 전원 공급처(4012)와 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 전원 공급 회로(4005)는 슈퍼 커패시터 모듈(들)(200), 배터리(4004) 및/또는 전원 공급처(4012)로부터 마이크로 컴퓨터(4012), 무선 통신 유닛(4006), 디스플레이(4008) 및/또는 A/D 변환기(4010)로 공급되는 전력을 조절하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 전원 공급처(4012)에 의해 공급된 전력이 간헐적이고 및/또는 불규칙하게 되면, 전원 공급 회로(4022)는 스마트 계량기(4000)에 포함된 다른 구성요소들의 요구를 충족시키기 위해 배터리 및/또는 슈퍼 커패시터(212)로부터 전력을 인출할 수 있다.
스마트 전력 계량기(4000)는 "사물 인터넷"("IoT") 장치로서 구성될 수 있다. 마이크로 컴퓨터(4016)는 다른 다양한 기능들을 수행하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 마이크로 컴퓨터(4016)는 전력 사용률이 미리 결정된 문턱값을 초과할 때를 검출하고 경고(무선 통신 유닛(4006)을 통해)를 전송하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 마이크로 컴퓨터(4016)는 또한 예를 들어 스마트 기기와 같은 개별 전력 소비 장치와 무선 통신하도록(무선 통신 유닛(4006을 통해) 구성될 수 있다. 마이크로 컴퓨터(4016)는 A/D 변환기(4010)에 의해 검출된 총 전력 사용률에 대하여 이러한 기기에 의해 사용된 전력을 모니터링 하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 마이크로 컴퓨터(4016)는 주어진 기간에(예를 들어, 1 개월) 사용된 총 전력 및 개별 전력 소비 장치(예를 들어, 스마트 기기)에 의해 사용된 전력의 부분을 나타내는 요약을 작성하도록 구성될 수 있다. 마이크로 컴퓨터(4016)는 예를 들어 무선 통신 유닛(4006)을 통해 집의 거주자에게 상기 요약을 전송하도록 구성될 수 있다.
물 계량기 및 가스 계량기
다른 실시예들에서, 계량기는 물 또는 가스 계량기로서 구성될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 센서(4010)는 유량 변환기일 수 있고 공급원으로부터 소비처 유닛(예를 들어, 주거용 또는 상업용 건물)으로의 물 또는 가스의 유량을 나타내는 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 배터리(4004) 및/또는 슈퍼 커패시터 어셈블리(100)는 계량기를 위한 유일한 전원 공급 일 수 있다. 따라서, 전원 공급 회로(4022)는 배터리(4004) 및 슈퍼 커패시터 어셈블리(100)로부터 계량기의 다른 구성 요소들로 공급되는 전력을 조절하도록 구성될 수 있다. 배터리 고장의 경우, 슈퍼 커패시터 어셈블리(100)는 계량기가 무선 통신 유닛(4006)을 통해 배터리(4004)가 고장 났으며 정비가 필요함을 나타내는 신호를 전송할 수 있도록 추가의 기간 동안 전력을 제공할 수 있다.
시험 방법
등가 직렬 저항(ESR)
등가 직렬 저항은 0.0 볼트, 1.1 볼트 또는 2.1 볼트(0.5 볼트 피크 대 피크 정현파 신호)의 DC 바이어스를 갖는 키슬리 3330 정밀 LCZ 계측기(Keithley 3330 Precision LCZ meter)를 사용하여 측정될 수 있다. 작동 주파수는 100 kHz이다. 다양한 온도 및 상대 습도 수준들이 테스트될 수 있다. 예를 들어, 온도는 25℃, 85℃ 또는 105℃ 일 수 있으며 상대 습도는 25% 또는 85% 일 수 있다.
정전 용량
정전 용량은 0.0 볼트, 1.1 볼트 또는 2.1 볼트(0.5 볼트 피크 대 피크 정현파 신호)의 DC 바이어스를 갖는 키슬리 3330 정밀 LCZ 계측기를 사용하여 측정될 수 있다. 작동 주파수는 120 Hz이다. 다양한 온도 및 상대 습도 수준들이 테스트될 수 있다. 예를 들어, 온도는 25℃, 85℃ 또는 105℃ 일 수 있으며 상대 습도는 25% 또는 85% 일 수 있다.
본 발명의 주제가 본 발명의 특정 실시예들에 대해 상세하게 설명되었지만, 당업자는 전술한 내용을 이해하게 되면 이러한 실시예들에 대한 변경, 변형 및 균등물을 쉽게 생성할 수 있음을 인정할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것이며, 본 발명은 당업자에게 분명한 것일 수 있는 본 발명의 주제에 대한 이러한 변경, 변형 및/또는 추가를 포함하는 것을 배제하지 않는다.

Claims (19)

  1. 슈퍼 커패시터 모듈로서,
    제1 하우징에 수용된 전극 어셈블리 및 전해질을 포함하고 있고, 포지티브 단자 및 네거티브 단자를 구비한 제1 슈퍼 커패시터;
    제2 하우징에 수용된 전극 어셈블리 및 전해질을 포함하고 있고, 포지티브 단자 및 네거티브 단자를 구비한 제2 슈퍼 커패시터;
    제1 슈퍼 커패시터의 포지티브 단자와 제2 슈퍼 커패시터의 네거티브 단자를 직렬로 전기적으로 연결하는 인터커넥트; 및
    적어도 제1 슈퍼 커패시터 및 제2 슈퍼 커패시터를 캡슐화하는 케이싱;을 포함하며,
    케이싱은 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 포함하고,
    슈퍼 커패시터 모듈의 작동 전압이 3.5 볼트보다 크고, 슈퍼 커패시터 모듈의 등가 직렬 저항이 10 옴 미만인 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    케이싱은 에폭시 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    케이싱은 경화제를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    경화제는 아민, 과산화물, 무수물, 페놀 화합물, 실란 또는 산 무수물 화합물 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    케이싱은 인터커넥트를 또한 캡슐화하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    인터커넥트는 수동 밸런싱 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    인터커넥트는 능동 밸런싱 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    제1 슈퍼 커패시터 또는 제2 슈퍼 커패시터 중 적어도 하나는,
    제1 탄소질 코팅에 전기적으로 결합된 제1 집전체를 포함하는 제1 전극;
    제2 탄소질 코팅에 전기적으로 결합된 제2 집전체를 포함하는 제2 전극; 및
    제1 전극과 제2 전극 사이에 위치한 세퍼레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 모듈.
  9. 생성물의 유동을 측정하기 위한 계량기로서,
    제1 하우징에 수용된 전극 어셈블리 및 전해질을 포함하고 있고, 포지티브 단자 및 네거티브 단자를 구비한 제1 슈퍼 커패시터; 제2 하우징에 수용된 전극 어셈블리 및 전해질을 포함하고 있고, 포지티브 단자 및 네거티브 단자를 구비한 제2 슈퍼 커패시터; 및 제1 슈퍼 커패시터의 포지티브 단자와 제2 슈퍼 커패시터의 네거티브 단자를 직렬로 전기적으로 연결하는 인터커넥트를 포함하고 있는 슈퍼 커패시터 모듈; 및
    적어도 제1 슈퍼 커패시터 및 제2 슈퍼 커패시터를 캡슐화하는 케이싱;을 포함하며,
    케이싱은 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 포함하고,
    슈퍼 커패시터 모듈의 작동 전압은 3.5 볼트보다 크고, 슈퍼 커패시터 모듈의 등가 직렬 저항은 10 옴 미만인 것을 특징으로 하는 계량기.
  10. 제9항에 있어서,
    계량기는 전기, 가스 또는 물 중 적어도 하나의 유동을 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 계량기.
  11. 제9항에 있어서,
    케이싱은 에폭시 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 계량기.
  12. 제9항에 있어서,
    케이싱은 경화제를 포함하는 것을 특징으로 하는 계량기.
  13. 제9항에 있어서,
    경화제가 아민, 과산화물, 무수물, 페놀 화합물, 실란 또는 산 무수물 화합물 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 계량기.
  14. 제9항에 있어서,
    케이싱은 인터커넥트를 또한 캡슐화하는 것을 특징으로 하는 계량기.
  15. 제9항에 있어서,
    인터커넥트는 수동 밸런싱 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 계량기.
  16. 제9항에 있어서,
    인터커넥트는 능동 밸런싱 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 계량기.
  17. 슈퍼 커패시터 모듈로서,
    제1 하우징에 수용된 전극 어셈블리 및 전해질을 포함하고 있고, 포지티브 단자 및 네거티브 단자를 구비한 제1 슈퍼 커패시터;
    제2 하우징에 수용된 전극 어셈블리 및 전해질을 포함하고 있고, 포지티브 단자 및 네거티브 단자를 구비한 제2 슈퍼 커패시터;
    제1 슈퍼 커패시터의 포지티브 단자와 제2 슈퍼 커패시터의 네거티브 단자를 직렬로 전기적으로 연결하고 밸런싱 회로를 포함하고 있는 인터커넥트; 및
    적어도 제1 슈퍼 커패시터 및 제2 슈퍼 커패시터를 캡슐화하는 케이싱;을 포함하며,
    케이싱은 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 모듈.
  18. 제17항에 있어서,
    밸런싱 회로는 능동형인 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 모듈.
  19. 제17항에 있어서,
    슈퍼 커패시터 모듈의 작동 전압이 3.5 볼트보다 크고, 슈퍼 커패시터 모듈의 등가 직렬 저항은 10 옴 미만인 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 모듈.
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