KR20000048961A - 다중-전극 이중 층 축전기 - Google Patents

Abstract

단일 셀, 다중 전극 고성능 이중 층 축전기는, 단일 전해질 시일(154, 156, 158) 만을 구비하는 폐쇄 가능한 2개 파트 축전기 케이스(도 12)에 적재되도록 채택되는 번갈아 포개지는 전극(141)의 제 1(스택A) 및 제 2(스택B) 플랩 스택을 구비하는 것이다. 각각의 전극 스택은, 번갈아 포개지는 스택(141)을 형성하도록 타 스택의 전극과 번갈아 포개지는 일 스택의 전극과, 각각의 축전기 단자에 전기적으로 접속되는 각각의 스택의 전극을 가지고, 평행하게 접속된 다수개의 전극을 구비하는 것이다. 다공 분리기 슬리브(140)가 전극 사이에 전기 쇼트를 방지하도록 번갈아 포개지기 전에 일 스택(스택B)의 전극 위에 삽입된다. 전극은, 평행하게 접속되어 있는 각 스택의 각 전극의 포일 탭(133)을 가지고, 전류 수집기 포일(132) 둘레에, 활성 카본 섬유로 제조된 압축성 저 저항 알루미늄 함침된 카본 직물(136)를 포개어 만들어지는 것이다. 다음, 평행하게 접속된 탭(135, 142)은 각각의 축전기 단자에 접속된다. 번갈아 포개지는 스택의 높이는 폐쇄된 축전기 케이스의 내측부 높이보다 어느 정도 큰 것이기 때문에, 케이스의 내측에 배치될 때에 번갈아 포개지는 전극 스택의 압축을 요구하고, 그리고 적당한 일정 압력 하에서 번갈아 포개지는 전극 스택을 유지하는 것이다. 폐쇄 축전기 케이스는 전해질 용액으로 충진되어 밀봉된다. 양호한 전해질 용액은 질화아세톤(CH₃CN) 으로 적절한 염기를 분해하여 제조된다. 일 실시예에서는, 축전기 케이스(150, 152)의 2개 파트가 도전성이며, 축전기 단자로서 기능을 한다.

Description

다중-전극 이중 층 축전기{MULTI-ELECTRODE DOUBLE LAYER CAPACITOR}

전기화학성 축전기로서도 언급되는 이중 층 축전기는 전형적인 축전기보다 단위 중량 당 그리고 단위 용량 당 에너지를 더 많이 저장할 수 있는 에너지 저장 장치이다. 또한, 이중 층 축전기는 재충전 가능한 건전지 보다 더 높은 파워 비율로 저장된 에너지를 공급할 수 있는 것이다. 이중 층 축전기는 다공(多孔) 분리기에 의해 전기적 접촉으로부터 격리되는 2개의 다공 전극으로 구성된다. 분리기 와 전극 모두는 전해질 용액에 스며든다. 이것은 분리기가 전기 또는 (이온성에 대비되는)전자 전류가 셀을 단락하는 것을 방지함과 동시에 분리기를 통하는 전극 사이에 이온성 전류를 흐르게 한다. 각각의 활성 전극의 이면(裏面)에는 전류 수집판이 결합된다. 전류 수집판의 일 목적은 이중 층 축전기에서의 옴 손실(ohmic losses)을 감소시키는 것이다. 만일, 전류 수집판이 무-다공(non-porous) 이면, 축전기 밀봉 부품으로 전류 수집판을 사용할 수 있을 것이다.

이중 층 축전기는 포텐셜이 전해액에 담겨진 2개 전극 사이에 있을때 형성되는 극성 액체 층에 정전기 에너지를 저장한다. 포텐셜이 전기를 횡단하여 공급되면, 양극성 과 음극성으로 이루어진 이중 층이, 공급된 전계 하에서 분리 충전에 의한 그리고 전체 전극 면 위에 전해질 분자의 쌍극 배향 및 정렬에 의하여 전해질 이온의 극성에 의한 전극-전해질 계면(여기에서는, 이름 "이중 층" 축전기)을 형성하게 된다.

카본이 저 밀도이고 카본 전극이 상당히 높은 면 영역에 조성되기 때문에 이러한 기술에서는 하이 파워 및 에너지 밀도를 가진 전기화학성 축전기에 탄소 전극을 사용하는 것이 상당한 잇점이 있는 것으로 알려져 있다. 카본 전극을 가진 이중 층 축전기의 구조는 미국 특허 제 2,800,616호(벡커:Becker) 및 제 3,648,126호(부스 외:Boos et al.)에서 확인되는 바와 같이 공지된 기술이다.

이중 층 축전기를 구비하는 많은 탄소 전극 축전기에서의 주요한 문제는, 축전기의 성능이 카본 전극의 높은 내부 저항 때문에 흔히 제한을 받게 되는 것이다. 이러한 높은 내부 저항은, 전류 수집기와의 전극의 접촉 저항 과 내부 탄소 대 탄소 접촉의 고 접촉 저항을 포함하는 여러 요인으로 인한 것이다. 이러한 높은 저항은 충전 및 방전 페이스 동안에 축전기에서 대량 옴 손실로 전환이 되며, 손실은 축전기의 특정한 RC(resistance x capacitance) 시간 상수에 역효과를 주고 그리고 단 시간에 효과적으로 충전 및/또는 방전되는 능력을 방해하는 것이다. 따라서, 종래 기술에서는 이중 층 축전기의 내부 저항을 낮게하고 그에 따른 시간 상수를 작게하기 위한 기술이 필요하였다.

다양한 전극 구조 기술이 근래에 개시되어져 있다. 예를 들면, 요시다의 특허(Yoshida et al. patent: 미국 특허 제 5,150,283호)는 알루미늄 기판에 카본 분말 과 다른 전기적 도전 향상제를 증착하여 전류 수집기에 카본 전극을 접속하는 방법을 개시하였다.

카본 전극의 내부 저항을 감소시키기 위한 다른 관련 접근 방식으로는, 카본 섬유 전극 내로 알루미늄 과 같은 금속 합체가 카본 섬유 예비 형성물 내에 금속성 섬유 직물을 통하여 이루어지는 방식을 교시한, 미국 특허 제 4,597,028호(요시다 외)에 개시된 것이 있다.

카본 전극의 저항을 감소시키기 위한 다른 접근 방식으로는, 카본 섬유가 수용액에 딥핑되어 카본 섬유의 세공에 도전성 금속 산화물, 양호하게는 트랜지션 금속 산화물 층을 형성하는, 미국 특허 제 4,562,511호(니시노 외)에 개시된 것이 있다. 니시노의 특허는 또한 증기 증착에 의한 틴 옥사이드 또는 인디움 옥사이드 와 같은 금속 산화물 형성물도 개시하고 있다.

저 저항을 이루기 위한 다른 관련된 접근 방식으로는 미국 특허 제 5,102,745호 및 제 5,080,963호(타타르추크 외:Tatarchuk et al.)에 개시된 것이 있다. 타타르추크의 특허는 금속 섬유를 카본 예비 형성물과 상호 혼합시키어 소결하여 전극으로 사용될 수 있는 구조적으로 안정된 도전성 매트릭스를 창출하는 것을 개시한 것이다. 타타르추크의 특허는 전류가 그를 통해 금속 컨덕터에 이르도록 흘러가는 카본-카본 접점의 수를 감소시키어 전극에 전기 저항을 감소시키는 과정도 교시한 것이다. 이러한 접근 방식은 스테인리스 강 또는 니켈 섬유가 금속으로서 사용되는 경우에는 양호한 작업이 된다. 그런데, 출원인은 이러한 접근 방식이 전극을 소결 또는 가열하는 중에 알루미늄 카바이드가 형성되기 때문에 알루미늄 섬유가 사용될 때는 성공적이지 않다는 것을 알게 되었다.

이중 층 축전기의 구조에 관한 다른 영역은 전류 수집 판을 전극에 접속하는 방법에 관한 것이다. 이것은 전극과 전류 수집 판 사이에 인터페이스가 이중 층 축전기의 내부 저항의 다른 소오스 이기 때문에 그리고 상기 내부 저항이 가능한 낮게 유지되어야 하기 때문에 중요한 것이다.

미국 특허 제 4,562,511호(니시노 외: Nishino et al.)는 극성 전극의 일 측에 알루미늄과 같은 용융 금속을 플라즈마 분무하여, 전극 면에 전류 수집 층을 형성하는 것을 제안한 것이다. 전류 수집기와 접합 및/또는 형성하는 다른 기술도 또한, 아크-스프레이, 진공 증착, 스퍼터링, 비-전해질 플레이팅, 및 도전성 페인트의 사용을 포함하는 상기 니시노 특허 '511호에서 고려되었다.

앞서 인용된 타타르추크의 특허(미국 특허 제 5,102,745호, 5,304,330호 및 5,080,963호)는 전극 소자에 금속 포일을 소결(燒結) 접합하여 전극에 금속 포일 전류 수집기를 접합하는 것을 나타낸 것이다.

미국 특허 제 5,142,451호(구라바야시 외: Kurabayashi et al.)는 전극 소자의 세공(細孔)에 전류 수집물이 유입되게 하는 고온 경화 과정으로 전극 면에 전류 수집기를 접합하는 방법을 개시한 것이다.

전류 수집 판을 구조 및 부착하는 방법에 관한 다른 종래 기술은 모두 구라바야시(Kurabayashi et al.)에게 모두 허여된 미국 특허 제 5,065,286호; 5,072,286호; 5,072,336호에서 발견할 수 있다.

따라서, 장치는 계속적으로 개량된 이중 층 축전기용의 필요성이 있는 것이다. 상기 개량된 이중 층 축전기는 상대적으로 짧은 단 기간 내에 상당히 높은 파워 출력 및 에너지 밀도 비율로 다량의 유용한 에너지 공급을 필요로 하는 것이다. 상기 개량된 이중 층 축전기는 또한 상당히 낮은 내부 저항을 가져야 할 것이고 그리고 아직은 상당히 높은 운영 전압을 받아야 하는 것이다.

또한, 장치는, 이중 층 축전기이 내부 저항이 낮아지고 운영 전압이 최대로 되도록 이중 층 축전기 전극을 조성하는 기술 및 방법이 향상될 필요성이 있는 것이다. 축전기 에너지 밀도가 운영 전압의 제곱으로 증가하므로, 보다 높은 운영 전압이 직접적으로 현저하게 높은 에너지 밀도로 전환하여 그 결과, 보다 높은 파워 출력 율을 초래한다. 따라서, 장치는 이중 층 축전기 내에 사용되는 전극의 내부 저항을 낮게하고 운영 전압을 증가할 필요가, 개량된 기술 및 방법에는 필요하게 되는 것이다.

본 발명은 전기 이중 층 축전기에 관한 것으로서, 특히 저 저항 알루미늄 함침된 카본-직물(carbon-cloth) 전극 및 고 성능 전해질 용액으로 제조된 고 성능 이중 층 축전기에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따라 제조된 단일 셀 고 성능 이중 층 축전기의 단면도.

도 2a는 본 발명에 따라서 제조된 쌍극성 알루미늄/카본 합성 전극을 나타내는 단면도.

도 2b는 쌍극성 스택의 상부 부분을 설명하는 도면.

도 2c는 쌍극성 스택의 하부 부분을 설명하는 도면.

도 3은 도 2a에 나타낸 타입의 고 성능 쌍극성 타입 이중 층 축전기의 일련의 쌍극성 스택을 나타내는 단면도.

도 4a는 본 발명에 의거 제조된 베이직 이중 층 축전기를 개략적으로 나타낸 도면.

도 4b는 이중 층 축전기의 전극에 사용되는 카본 직물 부품을 형성하는 활성 카본 섬유를 개념적으로 설명하고, 이중 층 축전기가 대형 면 영역을 어떻게 이룰수 있는지를 그리고 그에 따라서 대형 축전기를 어떻게 이루는지의 설명을 부가적으로 도와주는 도면.

도 5는 도 4a 및 도 4b의 베이직 이중 층 축전기의 평형회로 다이어그램.

도 6은 본 발명의 양호한 실시예에 의거 제조된 다중 전극 이중 층 축전기의 평형회로 다이어그램.

도 7은 축전지의 내부 저항을, R_Z가 로드에 유효하게 에너지를 공급하는 역활을 설명하는 것을 간략하게 나타낸 전기적 평형회로.

도 8a 및 8b는 도 9a 및 도 9b에서 설명되는 알루미늄을 가진 활성 카본 직물을 플라즈마 분무하여, 직물의 카본 섬유 다발의 토우에 알루미늄을 함침하는 기술을 개략적으로 나타낸 도면.

도 9a는 카본 직물의 측 단면을 개략적으로 나타내고 다수의 섬유 다발이 어떻게 카본 직물을 형성하도록 제직되는지를 설명하는 도면.

도 9b는 카본 직물의 개별적인 섬유 다발의 단면을 개념적으로 설명하며 그리고 부가로 섬유 다발의 토우 내로 알루미늄 딥의 양호한 관통을 개념적으로 설명하는 도면.

도 10a 내지 도 10f는 다중 전극 이중 층 축전기에 사용되는 전극의 스택을 제조하는 양호한 방법을 설명하는 도면.

도 11a는 그 일 스택이 도 10f에 도시된 바와 같은 각각의 전극 위에 배치되는 세공 분리기를 가지며, 전극 조립체를 형성하도록 번갈아 포개지는, 도 10a 내지 도 10f로 설명되도록 제조되는, 2개 전극 스택의 각각의 전극을 설명하는 도면.

도 11b는 전극 팩키지를 형성하도록 적절한 분리 물질로 포장된 후에 도 11a의 전극 조립체를 설명하는 도면.

도 11c는 전극 조립체의 변경된 나선식 감김 구조를 나타낸 도면.

도 12는 도 11b의 전극 팩키지가 상부 및 하부 도전성 셀의 내측부에 어떻게 위치 하는지를 설명하는 도면으로서, 셀은 축전지 조립체를 완성하는데 상호 기밀하게 밀봉되는 것으로서, 양호한 "클램셀(clamshell)" 이중 층 축전기를 분해하여 나타낸 도면.

도 13a 내지 도 13c는 케이스의 각각의 단부에 축전기 단자를 가진 도전성 또는 비 도전성 케이스의 어느 하나를 사용하는 다른 축전기 케이스의 상부, 단부, 및 단부 단면도.

도 14a 및 도 14b는 도 12를 통해서 도 10a에 나타낸 양호한 "클램셀" 이중 층 축전기를 제조하고 조립하는 방법을 설명하는 흐름도.

도 15는 도 14a 및 도 14b에 의거 제조된 이중 층 축전기를 시험하는 것과 관련된 전류 및 전압 파형을 나타내는 도면.

도 16a 및 도 16b는 본 발명에 의거 제조된 이중 층 축전기의 전류-전압 그래프로서, 전해질 용액에 불순물(물)의 2개의 다른 레벨용으로 설계된 획득 가능한 작업 전압을 부가로 설명하는 도면.

본 발명은 다중 전극을 가진 고 성능 이중 층 축전기를 제공하여 상술된 필요성을 충족시켜 주는 것으로서, 다중 전극은 활성 카본 소자 간에 접촉 저항을 감소시키어 내부 전극 저항이 현저하게 낮아지도록 다량의 알루미늄이 함침되는 활성 카본으로 제조되는 것이다. 특히, 본 발명의 고 성능 이중 층 축전기는, 각각이 알루미늄 또는 다른 적절한 금속 예를 들면 티타늄에 다량의 활성 카본 예비 형성물(예, 카본 직물)이 함침 형성되는, 적어도 일 쌍의 알루미늄 함침 카본 전극을 구비하며, 각각의 전극은 세공 분리기에 의해 다른 것으로부터 분리되고 그리고, 양쪽 전극은 고 성능 전해질 용액에 함침되는 것이다.

본 발명의 일 면은, 단일 셀로서 다중 전극 축전기로 제조된 고 성능 이중 층 축전기를 제공하는 것이다. "단일 셀"에 의해, 다중 평행 접속된 알루미늄 함침 카본 전극이 이용되더라도, 단 1개의 전해질 용액 시일이 필요하다는 것을 의미한다. 일 실시예의 상기 단일 셀 다중 전극 이중 층 축전기는 폐쇄 가능한 2개 파트 축전기 케이스에 적재되도록 채택되는 합성 전극의 제 1 및 제 2 플랩 스택을 구비하는 것이다. 양호하게, 상기 케이스는 전해질 누수가 방지되도록 밀봉되어져야 하는 축전기 합성물 만을 나타내는 것이다. 각각의 전극 스택은, 번갈아 포개진 스택을 형성하도록 다른 스택의 전극과 번갈아 포개지는 스택으로된 전극을 가지고, 그리고 각각의 축전기 단자에 전기적으로 접속된 각각의 스택으로된 전극을 가지고, 평행하게 접속된 다수의 알루미늄 함침 카본 전극을 구비하는 것이다. 세공 분리기 슬리브는 번갈아 포개지기 전에 일 스택의 전극 위에 삽입되어, 이들이 번갈아 포개질 때에 전극 간의 전기적 단락을 방지한다. 다른 실시예에서는, 전극 및 분리기가 플랩 스택에서 번갈아 포개지기 보다는 나선적으로 감길 수 있는 것이다.

전극은 양호하게 전류 수집 포일 둘레에서, 압축성이고 매우 낮은 저항으로 금속 함침이 이루어진 카본 직물(직물은 활성 카본 섬유로 제조)를 포개어 제조되는 것이다. 플랩 스택 실시예에서는, 각각의 개별적인 스택의 전류 수집 호일이 각각의 축전기 단자에 서로 평행하게 접속되는 것이다. 나선식으로 감겨진 실시예에서는, 각각의 전극의 전류 수집 포일이 각각의 축전기 단자에 접속되는 것이다. 카본 직물 내에 스며드는 양호한 금속은 다른 금속이 예를 들면 티타늄이 사용될 수 있더라도, 알루미늄을 포함하는 것이다. 플랩 스택 실시예용으로, 비한정된 번갈아 포개지는 스택의 높이가 폐쇄된 축전기 케이스의 내부 높이 보다 어느 정도 크게 설계되어 케이스의 내측에 놓일 때에 번갈아 포개지는 전극 스택에 약간의 압축을 필요로 하게 된다. 이러한 약간의 압축은 양호하게 케이스의 내측부를 유지하는 동안에 적절한 일정한 압력(예, 10psi) 하에서 번갈아 포개지는 전극 스택을 유지 시킨다. 나선식 감김 실시예에서는, 전극을 감는 작업이 폐쇄 축전기 케이스 내에 설치되도록 약간의 반경방향 압축을 필요로 하게 된다. 양 실시예에서는, 적당한 압력이 전류 수집기 포일 과 알루미늄 함침 카본 직물 전극 과의 사이에서 저 접촉 저항이 보장되게 한다. 폐쇄 축전기 케이스에는 적절한 전해질 용액이 충진되고 밀봉된다. 양호한 전해질 용액은 질화아세토(CH₃CN)에 선택된 염기(salt)를 용해하여 제조된다.

본 발명의 다른 면에 따라서, 2개 파트의 축전기 케이스는 도전성이며 축전기 케이스 조립 시에 서로 절연되어서, 케이스 각 절반부가 축전기 단자로서 기능을 하게 된다.

기술된 바와 같이 제조된 고 성능 이중 층 축전기의 일 실시예는 약 2400패럿의 정전(靜電)용량, 2.3V의 작동 전압에서 2.9 내지 3.5W-hr/kg 범위에 에너지 밀도, 400암페어 방출에서 약 1000W/Kg의 파워 비율, 약 0.8mΩ의 전극 저항 및, 약2초의 시간 상수를 나타낸다. 출원인의 지식으로는 상기 성능 매개변수가 종래 이중 층 축전기 기술에서 활용가능한 것보다 눈에 띄게 발전되어 나타난 것이다.

본 발명의 다른 면에 따라서, 플랩 스택 축전기 설계는 그 자신이 특정한 이중 층 축전기 적용에서 필요한 다중 전극 규모를 상향 또는 하향되게 하는 것이다. 따라서, 번갈아 포개지는 전극 스택 내에서 사용되는 합성 전극의 수와 크기를 간단히 증가 또는 감소시키고 그리고 축전기의 물리적 매개변수(크기, 중량, 체적)에 적절하게 규모를 변경되도록 하여서, 특정한 적용물에 맞추어진 고 성능 이중 층 축전기를 제공할 수 있는 것이다. 상기 축전기를 가지고, 도어는 폭 넓게 적용물에 개방되며, 상당한 량의 에너지가 저장되어야 하고 상대적으로 짧은 단시간 주기에서 콤팩트한 저장 장치에서 철수 되는 것이다. 유사한 규모의 동작도 나선식 감김 실시예를 사용하여 용이하게 달성할 수 있다.

본 발명은 고 성능 이중 층 축전기를 제조하는 향상된 방법을 제공하는 것이다. 상기 방법은 활성 카본 섬유 다발의 제직을 포함하는 상업적으로 이용 가능한 카본 직물에 용융 알루미늄을 함침(含浸)하는 과정을 포함하는 것이다. 카본 직물의 횡단 저항은 예를 들어 섬유 다발의 토우(the tow of the fiber bundles)내로 용융 알루미늄 딥을 함침하여 50요소로 효과적으로 감소되는 것이다. 알루미늄 함침 카본 직물은 이중 층 축전기 내에 각각의 전극의 핵심 성분으로서 역활을 한다. 전기 접점은 포일의 양측부에 직물의 함침 측과 접촉하는 포일 전류 수집기를 경유하는 함침 카본 직물로 제조되며, 예를 들면 함침 직물은 포일 전류 수집기의 양측이 폴드 직물의 함침 측과 접촉하도록 호일 전류 수집기 둘레에 접혀지는 것이다. 포일 전류 수집기 와 카본 직물 간에 접촉 저항은 함침 면에서 언덕부와 골짜기 부분을 완만하게 벗어나도록 축전기 내에서 조립되기에 앞서 함침 직물에 압력을 적용하여 감소되어서, 호일 전류 수집기와 접촉하는 면 영역이 증가하게 된다.

본 발명에서 사용되는 각각의 합성 전극의 카본 직물에 의해 제공되는 대 면 영역은 다수의 복합 전극 예를 들면 54전극을 번갈아 포개어 수회 증가될 수 있는 것이다. 번갈아 포개지는 알루미늄 함침 전극은 전극 간에 전기적 절연을 제공하는 적절한 세공 분리기에 의해 분리되며, 아직은 전해질 용액의 이온이 그를 통해서 용이하게 지나가게 된다. 예를 들어, 27 전극의 포일 전류 수집기인, 교류 전극의 포일 전류 수집기는, 평행하게 전기적으로 접속되어 적절한 축전기 단자에 접속된다. 유사하게, 거류 전극의 포일 전류 수집기도 평행하게 전기적으로 접속되고 그리고 다른 축전기 단자에 접속된다. 다음, 전극의 번갈아 포개지는 스택이 적절한 축전기 케이스에 밀봉되고, 케이스는 적절한 압력 하에서 번갈아 포개지는 스택을 유지하여 접촉 저항을 감소시킨다. 다음, 케이스의 내측부는 진공으로 되어 건조되고, 특정 염기와 혼합된 적절한 용액으로 제조된 고 전도성 비 이온 전해질 용액에 충진된다.

따라서, 본 발명의 잇점은 2.3V의 작동 전압에서 약 3.4W-hr/kg 보다 큰 상대적으로 고 에너지 밀도를 가지는 고 성능 이중 층 축전기와 그 축전기 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 잇점은 약 1000W/kg 보다 큰 최대 사용 가능한 파워 밀도를 가지는 개량된 이중 층 축전기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 잇점은 상당히 빠른 충전/방전 시간을 허용하는 값으로 축전기의 특정 RC시간 상수를 유지하도록 고 정전용량과 연합하는 저 내부 저항을 가지는 향상된 이중 층 축전기를 제공하는 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 축전기의 저항이 약 0.9mΩ보다 적고, 반면에 정전용량은 적어도 2350패럿 이어서, 축전기의 충전 및 방전이 약 2초의 시간 상수로 발생하게 된다.

다른 본 발명의 주요한 잇점은 축전기의 보다 높은 작동 전압을 허용하는 향상된 비 이온 전해질 용액의 인식된 사용이 있다는 것이다. 양호한 전해질 용액은 3.0V 또는 그 보다 더 높은 전압에 이르는 피크 전압으로 예를 들어 질화아세톤(CH3CN) 용액 및 적절한 염기를 혼합 사용하며, 전해질은 2.3V의 정상 동작 전압을 허용하는 것이다.

이하에 기술되는 설명은 본 발명을 설명할 목적에 한한 것으로서 본 발명을 한정하는 것은 아니고, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위로 한정되는 것이다.

도 1은, 셀 홀더(11), 일 쌍의 알루미늄/카본 합성 전극(12, 14), 전자식 분리기(18), 전해질(20), 일 쌍의 전류 수집 판(22, 24), 및 전류 수집 판(22, 24)으로부터 연장된 전기 리드(28, 29)를 구비하는 단일 셀 고 성능 이중 층 축전기(10)를 설명하는 도면이다.

쌍으로 이루어진 알루미늄/카본 합성 전극(12, 14)은 양호하게 용융 알루미늄이 함침된 세공 카본 직물 프리폼 또는 카본 페이퍼 프리폼으로부터 형성된다. 알루미늄/카본 합성 전극(12, 14)의 다공성은 함침 과정 동안에 근접되게 제어되어 이중 층 축전기(10)내로 전해질(20)이 유입되기에 충분한 량을 허용하고 카본 섬유의 세공을 관통한다.

쌍으로 이루어진 전류 수지 판(22, 24)은 각각의 알루미늄/카본 합성 전극(12, 14)의 이면(裏面)에 부착된다. 양호하게, 전류 수집 판(22, 24)은 박층알루미늄 포일이다.

전자 분리기(18)는 대향된 알루미늄/카본 합성 전극(12, 14) 사이에 배치된다. 양호하게, 전자식 분리기(18)는 알루미늄/카본 합성 전극(12, 14) 사이에 전자식 절연체로서 동작을 하는 고 기공 물질로 제조된다. 전자식 분리기(18)의 목적은 대향 전극(12, 14)이 서로 접촉하지 않게 하는 것이다. 전극 간에 접촉은 전극에 저장된 충전을 급하게 감소 시키고 회로를 단락지게 하는 것이다. 전자식 분리기(18)의 기공 성질은 전해질(20)에서의 이온의 이동을 허용하는 것이다. 양호한 전자식 분리기(18)는 대략 1밀(0.001인치) 두께의 기공성 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 시트 이다. 필요에 따라서, 폴리프로필렌 또는 폴리에틸레 분리기가 초기에, 예비 담금(pre-soaking)이 필요하지 않을지라도, 알루미늄/카본 합성 전극(12, 14) 사이에 삽입하기에 앞서 전해질(20)에 담길 수 있는 것이다.

셀 홀더(11)는 이중 층 축전기에 공통적으로 사용되는 공지된 팩키지 수단이다. 함께 고정되는 상부 및 하부 셀을 사용하는 양호한 타입의 팩키지 작업을 이하에 설명한다. 이중 층 축전기의 에너지 밀도을 최대로 하면, 팩키지 수단의 중량이 최소로 되는 잇점이 있다. 포장된 이중 층 축전기는 일반적으로 비포장된 이중 층 축전기의 25%보다 크지 않은 중량으로 예측된다. 전기적 리드(28, 29)는 셀 홀더(11)를 통해서 전류 수집 판(22, 24)으로부터 연장되고, 전기 회로(도시 않음)와의 접속을 목적으로 채택된다.

도 2a에 도시된 쌍극성 알루미늄/카본 합성 전극(30)은 도 3에 도시된 바와 같은 고 성능 쌍극성 이중 층 축전기(40)를 형성하도록 상기 전극의 대응하는 일련의 스택에서 도 2b 및 도 2c에 나타낸 바와 같은 단부 부분과 조합적으로 활용될 수 있는 것이다. 알루미늄/카본 합성 전극(30)(도 2a)은 비-기공 전류 수집 판(36)으로 분리된 극성 알루미늄/카본 합성체를 포함하는 것이다. 제 1 전극용 충전 전극(32)은 전류 수집 판(36)의 일 면(37)에 부착된다. 대향 위치된 충전 전극(34)은 전류 수집 판(36)의 대향 면(38)에 부착된다. 다음, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 전극 구조체는 , 도 2b 및 도 2c에 나타낸 바와 같이 스택의 2개 단부 부분 사이에 적층된 도 2a에 도시된 바와 같은 쌍극성 축전기의 일련의 스택으로 적층되는 것이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 만일 제 1 전극(34)이 제 1축전기 셀 "A"용 음극이라면, 셀 "A"의 제 2(또는 하부) 전극(42)은 반대적으로 충전, 즉 양극으로 된다. 전극(42)의 동일한 충전은 셀 "B"의 제 1 전극(44)으로 되고, 즉 예를 들면 셀 "B"의 전극(44)은 전극(34)과 관련하여 양성적으로 충전된다. 이러한 사실은 셀 "B"의 하부 전극(42)이 반대적으로 충전되게, 예를 들면 셀 "B"의 전극(44)과 관련하여 음성적으로 충전되게 하는 것이다. 따라서, 고 성능 쌍극성 이중 층 축전기(40)의 일련의 스택은, 일렬로 접속된 다수의 셀(A, B, C, D)을 구비한다. 각각의 셀은 일 쌍의 알루미늄 함침 카본 합성 기공 전극을 구비하는 것이다. 셀 "A"은 그 사이에 배치된 이온적 도전성 분리기(46)에 의해 서로 대면하는 전극(34, 42)을 구비하는 것이다. 셀 "B" 및 "C"는 그 사이에 배치된 이온적 도전성 분리기(46)에 의해 서로 대면하는 전극(44, 42)을 구비하는 것이다. 셀 "D"는 그 사이에 배치된 이온적 도전성 분리기(46)로 서로 대면하는 전극(44, 32)을 구비하는 것이다. 다수의 내부 비-기공 전류 수집기(48)는 그 각 측부에 2개의 인접한 극성 전극(42, 44)을 가지고 각각의 셀 사이에 배치된다. 실외 전류 수집 판(49)은 스택의 각 단부에 배치된다. 충분한 량의 전해질(50)은, 전해질(50)이 각각의 셀 내에서 분리기(46)와, 합성 전극(32, 34, 42 또는 44)을 포화하도록 각각의 셀 내에 유입되는 것이다.

각각의 카본 전극 구조체(32, 34, 42 및/또는 44)는 양호하게 후술되는 공정과 유사한 방식으로 형성된다. 각각의 전극 구조체는 용융 알루미늄이 함침된 용량으로 있는 카본 직물 프리폼 또는 카본 페이퍼 프리폼으로 제조된다. 이하에서 보다 충실하게 설명되는 바로서, 상기 함침은 전극 저항을 현저하게 감소시키는 역활을 한다.

특정하게는, 각각의 전극 구조체(32, 34, 42, 및/또는 44)는 용융 알루미늄이 함침된 카본 직물 프리폼 또는 카본 페이퍼 프리폼으로 제조된다. 전극 구조체(32, 34, 42, 및/또는 44)의 기공은 함침 공정 과정 중에 제어 되어져, 충분한 량의 전해질(50)이 축전기 셀 내로의 유입을 연속적으로 허용하여 카본 섬유의 세공을 관통하는 것이다.

알루미늄 함침 카본 합성 전극(32, 34, 42 및/또는 44)은 충분한 기공이 있으며 양호하게 2.3 - 3.0볼트 셀에서 사용될 시에 각각의 전극의 등가 시리즈 저항이 약 1.5Ω㎠ 또는 그 이하 이도록 활성 카본 섬유 내에 충분한 알루미늄 함침부를 가지며, 그리고 각각의 합성 전극(42, 44)의 정전용량은 대략 30F/g 또는 그 보다 더 크다. 상기 대형 정전용량은 이하에서 설명되는 바로서, 축전기 층 사이에 매우 작은 분리 거리와 활성 카본 섬유의 사용을 통하여 이용 가능하게 만들어진 대형 면 영역으로 인하여 이루어진다.

각각의 쌍극성 전극의 실내 전류 수집기 판(48)은 양호하게 인접 셀 사이에 전해질(50)을 분리하도록 설계된 알루미늄 포일의 비 기공 층이다. 또한, 실외 전류 수집 판(49)은 필요에 의해서 실외 축전기 밀봉부의 부품으로 사용될 수 있는 비-기공인 것이다.

전자 분리기(46)는 특정한 축전기 셀 내에 전극 구조체(42, 44)와 대향하여 그 사이에 배치되거나 또는 단부 축전기 셀의 대향 전극 구조체(34, 42 또는 44, 32) 사이에 배치된다. 전자 분리기(46)는 양호하게 기공 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 시트 이다.

이중 층 축전기의 부수적인 많은 잇점은 카본 전극 구조체를 제조하는 양호한 방법과, 전류 수집기를 접속하는 양호한 방법과, 고 성능 전해질을 사용하여 발생되는 것이다. 본 발명의 이러한 면의 각각에 대해서 이하에 보다 상세하게 설명한다.

상술된 바와 같이, 카본 전극 구조체는 양호하게 용융 알루미늄이 함침된 기공 카본 섬유 직물 프리폼 또는 카본 섬유 페이퍼 프리폼으로 양호하게 제조된다. 프리폼은 함침된 용융 알루미늄 및 전해질 용액을 수용하기에 충분한 다공성을 가진 카본 섬유 펠트 또는 다른 활성 카본 섬유 기질과 같은 어느 정도 적절한 활성 카본 섬유재로 제작될 수 있는 것이다.

알루미늄은 도 9a 및 도 9b와 관련하여 이하에서 보다 충실하게 설명되는 바와 같이, 카본 직물 내에 카본 섬유 다발의 토우에 용량적으로 함침되는 딥이다. 섬유성 카본 다발의 토우 로의 알루미늄 함침의 결과에는 전극 내에 활성 카본 소자 사이에 저 저항 전류(low reistance current)가 있다. 그런데, 저 저항 전류로에서는, 전극 구조체가 또한 전해질 용액, 양호하게는 비-수성 전해질 용액이 활성 카본 섬유의 세공에 스며들도록 충분한 기공을 유지하는 것이다.

이중 층 축전기의 알루미늄/카본 합성 전극의 제조 공정은 카본 섬유 전극 프리폼의 제조를 개시한다. 카본 섬유 전극 프리폼은 일반적으로 하이 표면 영역 카본 섬유를 사용하는 페이퍼 또는 직물 프리폼으로 제조된다. 양호한 카본 섬유 프리폼은 카본 섬유 직물 이다. 카본 섬유 직물 프리폼은 대략 8 -10㎛의 직경 및 대략 500 내지 3000m²/g의 면 영역을 가지는 제직된 카본 섬유를 사용하는 상업적으로 이용 가능한 직물이다. 카본 섬유 직물 프리폼은 일반적으로 카본 섬유 페이퍼 프리폼 보다 구조적으로 더 안정적인 것이다. 그런데, 카본 섬유의 직경 및 면은 사용되는 적용 조건에 맞추어 질 수 있는 것이다.

용융 알루미늄의 카본 섬유 직물로의 함침은 도 8a 및 도 8b와 관련하여 이하에서 보다 상세하게 기술되는 플라즈마 스프레이 기술을 사용하여 양호하게 이루어진다. 카본 섬유 프리폼의 표면으로의 플라즈마 스프레이 용융 금속은 카본 섬유 프리폼의 면에서 전류 수집기를 형성하는 수단으로 이중 층 축전기 구조에서 이미 사용되어진 것이다. 그런데, 본원 발명인의 지식으로는, 플라즈마 스프레이 작업은, 활성 카본 소자 사이에 접촉 저항을 감소하도록 분무금속이 카본 섬유 프리폼을 용량 함침으로 행해져 있지 않아서, 활성 카본 및 함침 금속 모두에 만들어진 상당히 작은 저항 카본/금속 합성 전극을 형성한다.

플라즈마 스프레이 기술은 도 9a 및 도 9b와 관련하여 이하에 보다 충실하게 기술되는 바와 같이 카본 섬유 직물 프리폼으로 관통하도록 제어되는 것이다. 제어는 스프레이 유니트로의 전기 전류를 조정하고, 용융 알루미늄의 온도 및 압력을 조정하고, 카본 섬유 프리폼으로부터의 플라즈마 스프레이 유니트의 거리를 조정하고, 플라즈마 스프레이 유니트의 스위프를 조정하고, 그리고 스프레이 작업 중에 주변 공기 흐흠을 조정하는 것이다. 잇점으로는, 카본 직물의 벌크 방해가 플라즈마 스프레이 작업이 이하에서 보다 충실하게 기술되는 바로서, 알루미늄이 카본 직물을 함침하는데 사용될 시에 효과적으로 저하되는 것이다.

본원에 사용되는 전극 및 도 3에 나타낸 쌍극성 이중 층 축전기 스택에 관한 부가적인 상세한 설명은 본원에서 참고로서 언급된 94년 10월 7일자 출원된 일련번호 08/319,493호로 현재는, 미국 특허 제 5,621, 607호로 특허 허여된 건에서 용이하게 발견할 수 있을 것이다.

단일 셀, 다중 전극 이중 층 축전기

여기서는, 단일 셀, 다중 전극 이중 층 축전기에 대한 설명을 도 4a 내지 도 16b의 상세한 설명과 관련하여 기술한다. 다음의 설명으로부터 보다 명확하게 되는 상기 축전기의 주요 특징은 단일 전해질 밀봉부 만을 필요로 하는 축전기 팩키지 내에 평행하게 접속된 다중 전극(또는 양호한 실시예에서는 전극의 "플랩 스택")을 사용하는 것이다. 일 전해질 시일 만이 필요하기 때문에, 셀을 포함하는 정상적으로 형성되는 전해질 밀봉재로서, "단일 셀" 축전기와 같은 축전기에 이용하는 것이 적당하다. 상기 단일 셀, 다중 전극 이중 층 축전기 구조는 현 상태에서 본 발명을 이행하는데 최상의 모드를 나타내는 것이다. 그렇지만, 본 발명이 상기 모드 도는 실시예에 한정되는 것은 아닌 것이다. 즉, 본 발명은, 축전기를 제조하는데 사용될 수 있는 특정한 전극 구조를 고려하지 않고, 그리고 이용되는 특정한 고 도전성 전해질 용액을 고려하지 않으며, 본원에 기술된 타입의 알루미늄과 관련하여 저 저항 카본 전극을 사용하는 모든 이중 층 축전기로 확대 되는 것으로 예상할 수 있는 것이다. 상기 전극 구조는 예를 들어, 단일 셀에 평행하게 접속된 다중 전극(본원에서 보다 충실하게 설명됨); 단일 셀에 나선형으로 배치된 일 쌍의 전극; 일렬로 적층되어 접속된 전극; 또는 다른 전극 구조를 포함할 수 있는 것이다.

도 4a는 본 발명에 의거 제조된 2개 전극 단일 셀 이중 층 축전기(60)를 개략적으로 설명을 목적으로 나타낸 도면이다. 축전기는 기공 분리기(66)에 의해 전기적으로 분리된 2개 공간 이격진 알루미늄-함침 카본 전극(62, 64)을 구비하는 것이다. 이하에서 보다 상세하게 설명되는 바로서, 전극(62, 64)은, 용융 알루미늄이 함침되어져 있는 카본 직물을 형성하는 활성 카본 섬유로 이루어진 상당히 조밀하게 엮어진 직물을 포함하는 것이다.

전극(62)은 전류 수집 판(68)과 접촉하며, 판(68)은 축전기(60)의 제 1 전기 단자(70)와 차례로 접속된다. 유사하게, 전극(64)은 다른 전류 수집 판(72)과 접촉하고, 판(72)은 축전기(60)의 제 2 전기 단자(74)에 접속된다. 전극(62, 64) 내에 이용 가능한 모든 공간 뿐만 아니라 전극(62, 64) 사이에 영역도 고 전도성 비 수성 전해질 용액(76)으로 충진된다. 전해질 용액(76)의 이온은 분리기(66)의 공극 또는 홀(65)을 통한 흐름이 자유롭고; 아직은 분리기(66)가 전극(62)이 물리적으로 접촉하는 것을 방지하며; 따라서 전극(64)과 전기적으로 단락된다. 예를 들어, 양호한 분리기에는 폴리프로필렌이 있다. 폴리프로필렌은 0.12㎛에서 0.04정도의 치수를 가진 사각형상 세공 구멍을 구비하는 것이다. 이러한 크기의 세공은 세공을 통하는 포킹(poking)으로부터 8 - 10㎛ 정도의 직경을 가진 카본 직물의 섬유를 막는다. 다른 적절한 분리기 물질에는 폴리에틸렌이 있다. 폴리에틸렌은 일반적으로 0.1㎛ 정도의 또는 그 보다 못한 세공 크기를 가지므로, 그를 통하는 포킹으로부터 8㎛ 정도의 최소 직경을 가진 카본 섬유를 막는 것이다.

조작 시에, 전기적 포텐셜이 단자(70, 74)를 횡단하고, 그에 따라서 일렬로 접속된 전극(62, 64)을 횡단하여 적용되면, 극성 액체 층은 전해질에 담겨진 각각의 전극을 형성한다. 이것은 이중 층 축전기로서 기능하고, 예를 들면 일련적인 2개 축전기로서 기능하고 정전기 에너지를 저장하는 극성 액체 층 이다. 보다 특정하게는, "+" 및 "-" 심볼로(전해질에 담겨지는 각각의 전극의 전극-전해질 인터페이스에 전기 충전을 나타냄) 도 4a에 개념적으로 나타낸 바와 같이, 전극을 횡단하여 전압이 적용되면, 예를 들면 전극(64)에 관련하여 전극(62)이 양성으로 충전되면, 적용된 전계 하에 충전 분리로 인하여 그리고 전극의 전체 면 위에 전해질 분자의 정렬 및 쌍극 방향으로 인하여 전해질 이온의 극성으로 이중 층이 형성된다.(도 4a에 도시된 두개의 "+/-"층으로 심볼적으로 도시) 이러한 극성은 다음의 관계 식에 따라서 축전기에 에너지를 저장한다.

C = k_cA/d (1)

E = CV²/2 (2)

여기서, C는 축전기, kc는 이중 층의 유효 유전체 상수, d는 층간 분리 거리, A는 전해질 용액에 담겨진 전극의 면 영역, V는 전극을 횡단하여 적용되는 전압, 그리고 E는 축전기에 저장되는 에너지 이다.

이중 층 축전기에서, 분리 거리(d)는 옴스트롬으로 측정되는 소 치수이고, 반면에 면 영역(A), 예를 들면 전극 물질의 면 영역 "A"/그램은 대 치수가 될 것이다. 따라서 식(1)에서 볼 수 있는 바와 같이, d가 매우 작으면 그리고 A가 매우 크면, 정전용량은 매우 크게 될 것이다.

면 영역"A"은 전극을 구성하기 때문에 대형이고, 각각의 전극은 카본 직물을 형성하도록 활성 카본 섬유 다발로 이루어진 제직을 포함한다. 활성 카본 섬유는 원만한 면을 가지지는 않지만, 도 4b에서 제안된 바와 같은 다수의 홀 및 기공(80)으로 우묵하게 파여진다. 즉, 도 4b는 그 안에 수 많은 피트 또는 홀(80)을 가진 활성 카본 섬유(78)의 소 단면을 개념적으로 설명하는 도면이다. 상술된 바와 같은 섬유(78)는 일반적으로 8 - 9㎛정도의 직경을 가지고; 반면에 활성 카본 섬유의 피트 또는 홀은 약 40옴스트롬의 일반적인 크기를 가진다. 섬유(78)는 전해질 용액(76)에 담그어 진다. 각각의 피트 또는 홀(80)은 전해질 용액(76)에 노출되는 섬유의 면 영역을 현저하게 증가시킨다. 각각의 다발에 대량의 섬유(80)가 있기 때문에 그리고 카본 직물을 형성하는 제직물 내에 다수의 다발이 있기 때문에, 섬유의 표면 영역의 전부 또는 대부분이 접촉하고 그리고 섬유의 제직물 내로 전해질이 관통하는 것을 허용하는 3차원 전극 구조가 되어, 결과적으로 충전된 분자로 이루어진 이중 층이 그 위에 형성되는 전극의 표면 영역 "A"이 효과적으로 증가하게 된다.

예를 들어서, 본 발명의 전극을 만드는데 사용될 수 있는 적절한 카본 직물은 부품 번호 "2225 카본 직물"로서 미국 매사츄세츠 로렌스 소재의 스펙트라 코프에서 시판하는 것을 것을 이용한다. 도 4b에 도시된 섬유(76, 78)와 같은 직물의 카본 섬유의 직경은 8미크론(8x10^-6m) 정도이며; 카본 직물의 전체 두께는 약 0.53mm이다. 활성 카본 섬유에 세공의 평균 직경은 약 4옴스트롬 이고, 그리고 세공 용량은 약 1.2ml/g 이다. 직물에 세공의 3개 형태 차이로 발생되는 세공 용량은:(1)개별적으로 활성화된 카본 섬유(활성화된 카본 섬유의 표면 영역의 대부분을 커버하는 도 4b에 도시된 세공(80)과 같은 것)에 세공 또는 피트, (2)카본 다발(섬유 다발의 "토우"로 언급되는, 본 발명의 목적을 위해 도 9b에 단면으로 나타낸 공간)을 형성하는 섬유 사이에 공간, (3)직물을 형성하도록 제직된 섬유 다발 사이에 보이드(void) 이다. 상기 세공 용량은 약 2500㎡/g의 카본 직물의 전체 표면 영역에서 발생한다. 직물의 세공/보이드 용량 때문에, 직물은 어느정도 스폰지 성이고 따라서 압축성이 있는 것이다. 직물의 밀도는 일반적으로 약 0.3g/㎤이며 약 750㎡/㎤의 이론적 유효 영역/단위 체적 을 초래한다. 영역/단위 체적 으로, 식(1)을 참고로 하면 6F/㎤ 정도의 정전용량을 달성할 수 있을 것이다.

그런데 고 정전용량을 달성하는 것은 본 발명의 일 부분이다. 만일 상기 고 정전용량이 실질적으로 사용된다면, 상대적으로 빠른 시간 주기에서 에너지를 방출하고 저장할 수 있어야만 한다. 이하에서 상세하게 논의되는 축전기의 충전/방전 시간은 축전기의 내부 저항에 따른다. 내부 저항이 낮을수록, 충전/방전 시간이 짧아진다.

도 4a에 도시된 베직 이중 층 축전기(60)의 내부 저항은 도 5에 나타낸 축전기(60)의 평형회로 다이어그램으로 설명되는 바와 같이 다수 성분으로 이루어지는 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 이중 층 축전기(60)의 내부 저항은, 전극(62)에 이르는 축전기 단자(70) 사이에 전류로(current path)에 저항 모두를 대표하는(축전기 C1의 상부 판으로 도 5에 나타냄) 또는, 전극(64) 과 축전기 단자(74) 사이에 전류로에 저항 모두를 대표하는(축전기 C2의 하부 판으로서 도 5에 나타냄) 접촉 저항(Rc)를 구비하는 것이다.

도 5에서 부가적으로 볼 수 있는 것으로서, 축전기(60)의 내부 저항은 또한, 전극 내에 카본 섬유 간에 내부 접촉 저항을 나타내는 예를 들면 R_EL과 같은 카본 직물 내에서 사용되는 각각의 활성 카본 섬유 모두와 전극을 만드는데 사용되는 카본 직물의 표면 간에 전극(62) 내에(또는 전극(64) 내에) 저항을 나타내는 전극 저항(R_EL)도 구비하는 것이다. 부가적으로, 전해질 용액 저항(R_ES)은 전해질 용액(76)과 관련하여 존재하며; 그리고 분리기 저항(R_SEP)은 다공성 분리기(66)와 관련하여 존재하는 것이다.

축전기(60) 내에 저장되는 어느 정도 량의 에너지는 R_C, R_EL, R_ES, R_SEP를 통해 흐르는 전기적 전류에 의해 축전기에 유입 또는 유출하여야만 한다. 따라서, 실질적인 충전/방전 시간을 달성하기 위해서, 축전기의 시간 상수(τ_c)를 형성하는 정전용량과 조합된 R_C, R_E, R_ES, R_SEP의 값은 가능한 낮게 지켜져야 한다.

분리기(R_SEP)의 저항은 분리기의 다공성 및 두께의 함수이다. 양호한 분리기 재료로는 약 0.001인치(.0.25mm)를 가진 폴리프로필렌이 있다. 다른 분리기 재료로는 약 0.001인치(0.25mm)의 두께를 가진 폴리에틸렌이 있다. 폴리프로필렌은 기본적으로 구성 방식으로 인하여 폴리에틸렌으로 이행하는 것보다 더 많은 세공을 가진다. 일반적으로 폴리프로필렌은 25 - 40%를 나타내며; 여기서 폴리에틸렌은 40 - 60%의 다공성을 나타낸다. 따라서, 폴리에틸렌은 기본적으로 다공성이 더 높기 때문에 간단하게 폴리프로필렌을 이행하는 것보다 더 낮은 분리기 저항을 나타낸다. 즉, 여기에는 홀이 평균 치보다 작은 소형일 지라도, 전해질 이온이 그를 통해서 흐를 수 있는 많은 세공 또는 구멍이 있다.

전해질 용액의 저항은 사용되는 특정한 전해질 용액의 도전성에 의해 결정된다. 사용되는 전해질 용액의 선택에서는 다양한 모순점을 고려하여야 한다. 일반적으로 수성 전해질 용액은 비 수성 용액보다 높은 도전성을 가진다.(예를 들면 10요소) 그런데, 수성 용액은 0.5 내지 1.0볼트 부근으로 축전기 셀의 작업 전압을 제한 한다. 셀에 저장되는 에너지 식(2)에서 볼 수 있는 바와 같이 평방 전압(the square of the voltage)의 함수이기 때문에, 고 에너지 적용이 2.0 내지 3.0볼트 정도에 셀 전압을 허용하는 비수성 전해질을 사용하는 역활을 양호하게 하게된다. 상술된 바로서, 본원에 기술된 이중 층 축전기에 사용하는 양호한 전해질은, 혼합물이 50옴^-1/cm의 정도에 도전성을 나타내는, 질화아세톤(CH₃CN)과 적절한 염기를 혼합하여 제조된다. 그런데, 여기에 기술된 본 발명은 선택적인 전해질 용액을 사용하여, 특정하게는 비 수성(유기성) 전해질 용액을 사용하여 이루어지고, 용액 외에 것은 상술된 질화아세톤으로 제조된다. 예를 들면, 다수 선택적 전해질 용액이 94년 10월 7일자 제출된 미국 특허출원 08/319,493호에 기술된 것이 있다.

전극 저항(R_EL)과 조합되는 접촉 저항(R_C)은 축전기(60)의 내부 저항의 중요한 소오스를 나타낸다. 높은 전극 저항은 상업적으로 실행 가능한 고 에너지 밀도 이중 층 축전기의 개발에 주요한 장애물 이다. 본 발명의 주요 이점은 고 에너지 밀도와 조합된 매우 낮은 전극 저항을 가진 이중 층 축전기를 제공하는 것이다. 본 발명의 주요한 목적은 R_SEP와 대비하여 작은 값으로 R_C+ R_EL을 감소하는 것이다. 이러한 목적으로, 접촉 저항(R_C)과 같이, 전극 저항(R_EL)을 감소시키는 제조 및 조립 기술에 많은 관심이 집중된다.

도 6은 전극 저항(R_EL)이 본 발명의 다중 전극 이중 층 축전기의 동작으로 작동하는 것을 부가로 설명하고자 참고로 제조하여 나타낸 것이다. 도 6은 본 발명의 양호한 실시예에 의거 제조된 단일 셀, 평행한 접속 다중 전극 이중 층 축전기(90)로 이루어진 평형 회로 다이어그램을 나타낸 도면이다. 도 6 과 도 5 사이에 차이는, 도 5가 두개 전극(62, 64)을 사용하는 이중 층 축전기(도 4a에 도시된 것에 대응)를 나타내는 도면이다. 대조적으로, 본 발명의 양호한 이중 층 축전기는 단일 셀 내에 번갈아 포개진 플랩 스택에 배치되는 예를 들어 54전극으로 다수의 전극을 사용하는 것이다. 따라서, 도 6에 도시된 축전기(90)의 평형회로 다이어그램에서는 다중 전극이 n전극의 2개 스택에 평행하게 접속되도록 나타난다. 제 1 스택, 스택 A는 정전용량 C1_A, C2_A, C3_A. . . Cn_A로 나타난다. 제 2 스택, 스택 B는 정전용량 C1_B, C2_B, C3_B. . . Cn_B로 유사하게 나타난다. 따라서, 유효한 전극 저항(R_EL)은 n정전용량의 다중 전극과 접촉부를 만드는 각각의 저항 모두의 합이다. 유사하게, 전해질 용액 저항(R_ES)은 n축전기의 각각에 접속되는 각각의 저항 모두의 합으로 나타난다. 스택 A 축전기는 전해질 용액 저항(R_ES)와 분리기 저항(R_SEP) 모두의 평행한 합을 통하는 스택 B 축전기와 접속한다. 도 6에 도시된 모델에 기본하고 그리고 부가로 도 12와 관련하여 이하에 기술되는 "클램셀(clamshell)" 축전기 설계에 기본하는 축전기의 전체 저항(R_Z)은 다음과 같이 나타낼 수 있을 것이다.

R_Z= 2R_C+ 2R_EL+ 2R_ES+R_SEP 800μΩ

도 7은 로드(R_L)에 에너지를 배급하는 파워 소오스로서의 축전기 사용을 설명하는 간략한 회로를 나타낸 도면이다. 도 7에서, 양쪽 단자와 관련된 접촉 저항(R_C)을 구비하고 그리고 부가로 전해질 용액 저항(R_ES) 및 분리기 저항(R_SEP)(충분히 낮다면 무시됨)을 구비하는 양쪽 스택A 및 스택B와 상관된 모든 축전기 저항에는 정정용량 저항(R_Z)이 포함된다.

도 7에 파워 공급 회로의 전체 저항(RT)은: R_T=R_Z+ R_L(3)

따라서, 파워 공급 회로의 전체 시간 함수(τ):

τ= R_TC (4)

여기서 축전기의 시간 상수(τ_C)는:

τ_C= R_ZC (5)

로드(V_L)를 횡단하여 발전되는 전압은:

V_L= V_O(R_L/R_T) = V_O(1-R_C/R_T) (6)

로드로 공급되는 파워는:

P = IV_L= IV_O(1-R_C/R_T) = IV_O(1-CR_C/CR_T) (7)

또는,

P = IV_O(1 - τ_C/τ) (8)

식(1 - τ_C/τ)은 파워 공급 회로의 효율비율(ε)을 나타내며:

ε= (1 - τ_C/τ) (9)

따라서, 파워 소오스(이러한 경우에, 전압(V_O)에 충전되는 축전기(C))가 로드(R_L)에 파워를 유효하게 공급할 수 있는 정도는 축전기(τ_C)의 특성 R_C시간 상수에 크게 종속하는 것이다. 차례로, 축전기의 특성 R_C시간 상수는 축전기(R_Z)의 저항에 직접적으로 관련된다. 유효한 파워 공급 회로의 이중 층 축전기(C) 사용을 달성하기 위해서는, 축전기(τ_C)의 저 시간 상수가 실현될 수 있도록 축전기(R_Z)의 저항이 최소가 되어야하는 것은 명백하다.

양호하게, 본 발명은 도 9a - 12와 관련하여 이하에 기술되는 구조에서, 표 1에 나타낸 바와 같은 성능 특성을 가지는 도 6의 평형 회로에 나타나는 타입의 다중 전극 이중 층 축전기를 제공하는 것이다. 상기 구조(예, 도 12에 도시된 구조)는 UC3000으로서 본원에서 언급될 수 있는 것이다. 중요한 것으로서, 표 1에 나타낸 스펙에 따르는 축전기 동작은 약 2초의 시간 상수(τ_C)를 나타낸다. 상기 시간 상수는 예를 들면 2.3볼트의 출력전압(V_O) 과 400A의 출력전류(R_T의 값은 약 55-60mΩ)에서, 축전기는 200A 출력전류에서 약 0.9 이상 그리고 약 0.80 보다 큰 유효비율(ε)을 가진 유효 파워 저장 디바이스로서 기능을 할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 달성된 에너지 밀도는 2.9 - 3.5W-hr/kg 범위에 있고, 그리고 파워 비율은 1000W/kg(400A에서)이상이다. 본원에서의 단일 셀 이중 층 축전기에 성능은 종래에는 달성되어지지 않은 것이었다.

표 1

UC3000의 성능 스펙

매개변수 값 단위

정전용량 2,300 패러이드 Farad

공차 ±10 %

전압비율 2.3 볼트

에너지 비율 6,000 주울

ESR(Electrode Series Resistance) 650

케이스 스타일 2개 편 기계가공 알루미늄

전기 접속 각 케이스 하프가 대향 극성.

전기접속은 케이스 면 접촉을 통해 있음.

케이스 차원 2.28x2.62x5.80 inches

57.9x66.5x147 mm

케이스 중량 200 g

전체 중량 600 g

내부 용량 375 cm³

전해질:유기성 함침(용매 + 염기)

용매:질화 아세톤(CH₃CN)

염기:테트라에틸암모늄 테트라플루오르레보레이트((CH₃CH₂)₄N⁺BF₄ ^-)

염기/용매 비: 303.8g/liter

도 8a - 14b에는, 본 발명에 따르는 이중 층 축전기를 제조하는데 사용되는 기본적 기술을 나타낸 도면이다. 도 14a 및 도 14b는 상기 공정에서 메인 단계를 설명하는 흐름도 이고; 반면에 도 8a - 12는 공정의 각 단계를 설명하는 도면이다. 따라서, 동반되는 조립 및 제조 공정의 설명에서는, 특정한 단계에 대한 지정을 도 14a 및 도 14b의 흐름도의 지정 블록 또는 박스로 언급하였으며, 동시에 수행되는 단계를 설명하는데에는 각각의 도 8a - 12를 참고로 하였다.

도 8a 및 도 8b와 도 14a의 블록(200)을 참고로, 본 발명에 따르는 축전기(90)(도 6)를 제작하는데 수행되는 초기 단계는 알루미늄 플라즈마 스프레이(94)로 적절한 카본 직물(92)(도 8a)를 플라즈마 분무하여서 알루미늄이 카본 직물의 섬유의 토우 내로 깊게 함입되는 것이다. 분무를 받는 카본 직물(92)는 양호하게 상술된 스펙트라코프로부터 획득되는 파트 번호 "2225 카본 직물"로서 상업적으로 이용 가능한 직물 이다. 물론 다른 적절한 카본 직물이 사용될 수도 있다. 도 8a 및 도 8b에서 볼 수 있는 바와 같이, 카본 직물(92)은 일반적으로 롤(96)에서 얻어지는 것이다. 롤은 일반적으로 약 36인치 폭의 것이다. 카본 직물(92)의 길이는 롤(96)에서부터 추출되는 길이이고 적절한 프레임(98)에서 유지되는 것이다. 프레임은 백업 매시(93)를 구비한다. 프레임은 플라즈마 스프레이 노즐(100)의 전방에 위치된다. 프레임(98)은 플라즈마 스프레이(94)에 34.25인치로 대략 2.31인치 직경을 가진 직물의 "윈도우"를 노출한다. 플라즈마 스프레이 노즐은 X-Y컨트롤러(102)에 의해 제어되어 카본 직물에 필요한 스프레이 패턴을 제공하는 것이다.

알루미늄 플라즈마 스프레이(94)는 제어 비율로 노즐(100)내로 알루미늄 와이어의 각각의 롤로부터 2개 알루미늄 와이어(104, 106)를 공급하여 형성된다. 전력(108)원은 전류가 와이어의 팁을 횡단하는 아크 그리고 와이어를 통해 흐르게 한다. 전기 아크 동작은 알루미늄이 용융 및 증발하도록 한다. 알루미늄의 용융 및 증발로서, 공기 압축기(110)에 의해 제공되는, 압축 공기에 의한 플라즈마 스트림에서의 노즐(100)이 동작을 수행한다. 알루미늄이 소모되고, 플라즈마 스트림(94)에서 이격지게 운반되어서, 추가적인 알루미늄 와이어(104, 106)는 노즐(100)으로 계량되어 전기적 아크용으로 필요한 갭을 유지한다. 이러한 방식에서는, 알루미늄 소오스가 노즐으로 연속적으로 계량되어 증발된 알루미늄의 일정한 스트림이 카본 직물로 향하게 된다.

알루미늄의 증발 스트림은 도 8b에 도시된 바와 같이 오버-업&백 스프레이 패턴을 따르는 카본 직물(92)에 분무된다. 0.25평방인치 정도에 메시 트인 구멍을 가진 백업 메시(93)는 플라즈마 흐름이 직물을 통해 연속되게 하여서 알루미늄이 갖는 체적 함입을 최적하게 한다. 프레임(18)의 내측 치수는 대략 2.3인치 높이에 32인치 폭을 갖는 것이다. 알루미늄 와이어(104, 106)는 약 인치의 1/16 직경을 가지는 99.5% 순 알루미늄 이다.

동작에서, 도 8a에 도시된 모든 작동 장비, 예를 들면, 노즐(100), X-Y컨트롤러(102), 프레임(98), 및 와이어(104, 106)는 플라즈마 스프레이 챔버(증발 알루미늄을 한정)에 배치된다. 챔버에 공기는 건조된다. 방출 팬(112)은 노즐(100)로부터 이격지는 방향으로 챔버를 통한 일정한 공기의 흐름을 유지 한다. 직물(92)는 프레임(98)에서 수동적으로 클램프되고 그리고 단일 스프레이 패턴이 수행된다. 직물의 일 측부 만이 분무된다. 일단 분무되면, 직물은 프레임으로부터 해방된다. 다음, 비분무된 카본 직물(92)의 신규 길이가 카본 직물의 다음 스트립이 분무되도록 필요에 따라 프레임에 인덱스 된다.

플라즈마 스프레이 공정 동안에 사용되는 작동 매개변수는 다음과 같다. 알루미늄을 증발시키는데 사용되는 전류는 약 26V의 아크 전압에서 60-65A 이다. 압축 공기는 대략 50psi 압력에서 유지된다. 직물와 노즐(100)의 팁 사이에 거리는 20인치이다. 완전한 스프레이 패턴은 약 45초 시간 주기의 일정한 비율로 트래버스 된다. 노즐은 증발된 알루미늄의 스트림이 가능한 최소 오버랩으로 균일하게 직물을 커버하도록 조정된다. 알루미늄 스프레이 작업 공정이 완성되어져 있으면, 알루미늄의 층이 직물의 전방측에 주어지고 그리고 직물의 이면(裏面)에서 시각적인 백업 메시(93)의 미세한 시각적 패턴이 된다. 상기 패턴은 적어도 일부 알루미늄이 스프레이 작업 공정 동안에 체적 함침이 최적하도록 직물을 통하는 길을 모두 관통하는 시각적 변화를 제공하는 것이다.

도 8a에 언급된 장치 모두는 종래의 것이다. 상기 장치의 운영방식 및 상세한 설명은 당 분야에서 기술인에게 공지되어 있는 것이다.

알루미늄으로 카본 직물을 분무하는 목적은 직물(92)를 통하는 트랜버스 저항을 감소시키는 것이다. 다양한 량의 알루미늄을 갖고 플라즈마 스프레이 동작 전 후에 취해지는 ESR(electrode series resistance)의 측정 데이타는 표 2로 요약된다.

표 2

알루미늄 밀도(mg/cm³) 정전용량(F/g) 축전기의 ESR(옴-cm²)

0(스프레이 안함) 115 52.0

157 >130 1.509

209 >130 1.509

250 147 1.26

410 144 1.08

509 >130 1.308

표 2에 데이타는 직경 5.1cm에 대한 2500m²/g 절결 되고 대략 0.2g 카본을 함유하는 전극을 사용하여 취해진 것이다. 분무되지 않은 직물에 카본 밀도는 0.26g/cm³이다.

포 2에 데이타로부터 볼 수 있는 바로서, 알루미늄으로 분무되는 플라즈마를 가진 카본 직물의 저항은 50 요소에 이를때까지 직물의 저항을 감소한다. 전극 구조의 용량 저항율 감소에 의해 발생되는 저항에서의 극적인 감소는 전극 저항(R_EL)에 직접적으로 영향을 미치고 그리고 따라서 낮은 시간 상수를 나타내도록 축전기의 능력이 현저하게 상승한다.

표 2로부터 부가적으로 볼수 있는 바로서, 알루미늄의 함침을 통한 전극의 저항의 감소는 필요한 알루미늄의 량에 적합한 최저 저항을 산출하도록 최적하게 되어야 하는 공정이다. 소량 알루미늄이면, 저항은 지나치게 높다. 다량 알루미늄이면, 전극의 중량은 현저하게 증가되어 에너지 밀도를 저하시킨다. 다량의 알루미늄은 또한 섬유의 모든 표면 지역과 접촉하도록 카본 제직물내로 전해질이 관통하는 것을 차단하여, 이용 가능한 면 영역을 효과적으로 감소시키는 것이다.

카본 직물(92)(도 8a)에 향해지는 알루미늄 스프레이(94)는 알루미늄으로 카본 직물의 표면을 훨씬 더 직접 코팅하는 것이다. 임의적인 알루미늄이 표면을 코팅하는 반면에, 직물 내로도 관통하여 알루미늄이 직물에 함입된다. 알루미늄이 직물에 함입하는 동작은 도 9a 및 도 9b를 참고로 설명된다.

도 9a는 카본 직물(92)의 측 단면을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 9a에서 볼 수 있는 바와 같이, 카본 직물(92)는 카본 직물을 형성하도록 제직되는 다수의 섬유 다발(120)으로 만들어진다. 도 9a는 간략하게 나타내기 위해서, 4개 만의 섬유 다발(120)을 나타낸 도면이다. 각각의 섬유 다발(120)은, 개별적인 섬유 다발(120)의 단면을 개념적으로 설명하는 도 9b에서 가장 양호하게 나타나는 많은 카본 섬유(122)로 제조되는 것이다.

각각의 카본 섬유(122)의 축선 방향 저항은 매우 낮지만 카본 다발(120)을 통하는 횡방향 저항은 상대적으로 높은 것이다. 이러한 횡방향 저항은, 예를 들면 전극 저항(R_EL)을 감소하도록 낮게 되어야 하는, 직물의 타측에 포인트"B"로의 직물(92)의 일측에 포인트"A"로부터의 저항이다. 알루미늄 스프레이(94)로 카본 직물(92)를 분무하는 플라즈마는 양호하게 알루미늄이 도 9b에 도시된 바와 같이 다발(120)의 토우 내로 흐르게 한다. 섬유 다발(120)의 토우 내로의 관통 또는 함침은 각각의 섬유(122) 사이에 접촉 저항을 감소시킨다. 다음, 섬유의 내재된 낮은 축선방향 저항과 함께하는 생성된 낮은 횡방향 접촉 저항은 직물(92)의 폭을 완전하게 통하는 매우 낮은 저항 통로를 허용하여, 전극 구조체를 통하는 매우 낮은 횡방향 저항을 제공하는 것이다.

알루미늄 스프레이(94)가 직물(92)를 타격하면, 알루미늄이 섬유 다발(120)의 토우에 함침할 뿐만 아니라, 직물의 스프레이 면에 알루미늄 층(124)을 형성하기도 한다. 알루미늄 층(124)은 포일 전류 수집기(68, 72)와의 양호한(저 저항) 전기적 접촉을 행하는 것을 도와준다.(도 4a) 즉, 알루미늄 층(124)은 접촉 저항(R_C)을 보다 낮게하는 역활을 한다. 섬유 다발 사이에 보이드(128)에 알루미늄의 존재는 전극에 중량을 부가하므로, 저 특성 R_C시간 상수와 적절한 체적 저항율을 달성한 후에 최소로 되어야한다.

카본 섬유 다발(120)의 토우(126) 내로의 알루미늄의 이상적 함침 깊이는 아직 정해져 있지 않다. 그러나 단면으로 보았을 때의 함침 패턴이 다발 직물의 면에 노출되는 포인트에서 활용 가능한 토우 체적의 약 2/3 내지 3/4를 채우는 도 9b에 설명된 것과 유사한 것이라고 믿어진다.

카본 직물에 잔류하는 알루미늄의 중량은 전해질을 포함하는 전체 중량의 약 15% 또는 카본 직물 플러스 알루미늄의 전체 중량의 약 42 - 53% 사이에 예를 들면, 48%에서 유지된다.

도 14a는 카본 직물이 분무되어 알루미늄이 함침되어진 후에, 함침된 카본 직물이 10인치(블록 202)로 2보다 더 큰 치수를 가지는 스트립으로 예비 절결되는 것을 나타낸 도면이다. 예비절단된 함침된 카본 직물(precut impregnated carbon cloth)은 스트립된 후 2×10 인치의 정확한 칫수로 다이절단되며(블록 204), 스팁의 코너는 라운딩되어 약 0.003 인치의 반경을 갖게 된다. 다이절단된 함침 카본 직물 스트립은 약 1600 psi 의 압력을 받도록 프레스 장치를 통과하게 된다. 카본 직물(92)은 다소 다공질(spongy)이며, 따라서 이러한 압력을 가하는 것은 섬유 다발(120) 제직물(weave)을 가압하게 되므로써 직물을 약 15 내지 20 % 정도 얇아지게 한다. 직물 두께의 이와 같은 감축은 조립시 직접적으로 전극 구조의 두께의 감축을 초래하므로, 전극 구조의 저항 감축으로 귀결된다. 또한, 함침 카본 직물 스트립에 압력을 가하는 것은 분무된 직물측을 부드럽게 하므로(정점부와 최하부를 부드럽게 한다), 분무된 알루미늄층(124)의 보다 많은 표면적이 하기에 도 10a 내지 도 10d 를 참조로 설명되는 바처럼 전류 수집기 포일(132)과 접촉할 수 있으므로, 조립된 축전기의 접촉저항(R_C)을 감축시킬 수 있게 된다.

도 14a 에 있어서, 함침 카본 직물 스트립을 준비하기 위한 평행통로에 있어서, 포일 전류 수집기도 제공된다. 포일 전류 수집기를 준비하기 위한 제 1 단계는 알루미늄 포일을 필요한 칫수로 적절히 예비절단한 후(블럭 208), 알루미늄 코일을 정확한 칫수로 다이절단하는 것이다(블럭 210). 전류 수집기를 위해 사용된 양호한 알루미늄 포일의 두께는 약 0.002 인치이다. 상기 포일은 도 10a 에 도시된 형태로 절단된다. 이러한 형상은 패들 단부(132)와 탭 단부(133)를 포함한다. 상기 탭 단부(133)와 패들 단부(132)는 전류 수집기 포일(130)(때로는, 전류 수집기 평판으로 언급되기도 한다)을 포함한다. 전류 수집기 포일(130)은 약 10 인치의 길이를 갖는다. 상기 패들 단부(132)의 길이는 약 6 인치이며, 팁 단부(133)의 길이는 4 인치이다. 패들 단부(132)는 약 2 인치의 폭을 가지며, 탭 단부는 약 1 인치의 폭을 갖는다.

이어서, 전류 수집기 포일의 2개의 스택이 도 10b 에 도시된 방식으로 조립된다(블럭 212, 도 14a). 각각의 스택에 있어서, 2-7 수집기 포일(130)의 탭 단부(133)는 소결이나 플라즈마 용접과 같은 적절한 결합 기법에 의해 서로 결합되므로써, 각각의 수집기 포일이 스택의 다른 수집기 포일에 고정방식으로 전기적 및 기계적으로 연결되는 단단한 탭 단부(135)를 형성한다. 이와는 달리, 스택에서 수집기 포일(130)의 패들 단부(132)는 다른 패들 단부와는 분리된 상태로 존재한다.

도 14A 에 있어서, 함침 카본 직물의 준비단계(블럭 208-212)와 알루미늄 전류 수집기 포일(130)의 준비단계(블럭 208-212)와 함께, 절연기 슬리브(도 10F)도 준비되어야 한다. 이와 같은 절연기 슬리브(140)는 이중 층 축전기에서 분리기(66)(도 4)로서 작용한다. 상기 슬리브는 폴리프로필렌이나 폴리에틸렌과 같은 적절한 절연기/분리기 재료(블럭 214)를 스트립으로 예비절단하므로써 제조된다. 분리기로 사용하기에 적절한 재료로는 노스 캐롤라이나 살롯테 소재의 훽스트 셀라니즈에 의해 판매되는 셀가드 2400을 들 수 있다. 상기 셀가드는 두께가 0.001 인치인 폴리프로필렌 기본 재료이며, 약 0.04×0.12 ㎛의 평균 다공 크기를 갖는다. 셀가드(또는 다른 분리기 재료)는 도 10F 에 도시된 바와 같이 그 주위로 절첩된 함침 카본 직물 스트립(136)을 갖는 전류 수집기 포일(130)의 위로 슬리브가 느슨하게 미끄러지게 하는 크기를 갖는 슬리브나 튜브(블럭 216, 도 14a)로 형성된다. 셀가드의 모서리는 본 기술분야에 공지되어 있는 열결합 등과 같은 적절한 밀봉기법을 사용하여 슬리브를 형성하도록 서로 단단히 결합된다.

전류 수집기 포일(130)과 알루미늄 함침된 카본 직물 스트립(136)과 분리기 슬리브(140)가 형성되거나 제조된 경우에는, 전극 패키지가 조립된다(블럭 218, 도 14A). 이러한 전극 패키지 조립체는 도 10C 내지 도 10E 에 도시된 방법으로 함침 카본 직물 스트립(136)으로 각각의 전극 스택의 포일 패들(132)을 에워싸거나 포위하는 단계를 포함한다. 도시된 바와 같이, 직물 스트립(136)은 중앙의 절첩선(137)에서 절첩되며, 분무된 직물측은 수집기 포일(130)의 패들 단부(132)의 양측에 대해 위치된다. 이러한 2개의 수집기 포일중 각각의 수집기 포일은 상술한 바와 같은 방식으로 한쪽 스택에서 최상부의 수집기 포일을 제외하고는 그 위에 위치되는 절첩된 직물 스트립(136)을 포함하며, 상기 포일은 스택에서 내향으로 대면하는 수집기 포일측상에 위치되는 직물 스트립(136)의 절반을 갖는다. 그후 분리기 슬리브(140)가 2개의 수집기 포일 스택중 하나, 즉 스택"(B)"의 수집기 포일(130)의 패들 단부(132)와 카본 직물 스트립(136)의 조합물위에 배치된다. 한쪽은 각각의 리프에 삽입된 분리기/절연기 슬리브(140)를 가지며 다른쪽은 분리기/절연기 슬리브를 갖지 않는 2개의 포일 스택의 "리브즈(leaves)"["리프(leaf)는 수집기 포일과 그 대응의 카본 직물 스트립을 포함한다]는 도 11A 에 도시된 바와 같이 서로 포개져서 삽입된 후 포개진 전극 조립체(141)를 형성한다.

완성된 전극 조립체(141)는 평탄한 전극 스택 즉 54 전극을 포함한다. 각각의 전극은 알루미늄-함침된 카본 직물 스트립(136)으로 둘러싸인 전류 수집기 포일(130)로 제조된다. 각각의 카본 직물 스트립은 분리기 재료(140)에 의해 인접의 카본 직물 스트립과는 분리되어 전기적으로 절연된다. 교류 전극은 각각의 전류 수집기 포일의 결합 탭(135)(스택 A)나 탭(142)(스택 B)에 의해 평행하게 전기적으로 연결된다.

본 발명의 나선형 실시예에 사용되는 교류 전극 조립체(141')가 도 11c 에 도시되어 있다. 도 11c 에 있어서, 적절한 축전기 단자(70, 74)에 연결되는 탭(133')을 가지며 직물의 분무측(138')이 포일(132')과 대면하도록 그 위에서 절첩된 대응의 신장된 알루미늄-함침된 카본 직물(136')을 포함하는 2개의 신장된 전류 수집기 포일(136')은 나선형으로 권취된다. 절연기 또는 분리기(140')는 권취시 서로 전기적으로 쇼트되는 것을 방지하도록 권취된 조립체의 포일/직물 전극위에 배치된다.

전류 수집기 포일(132')과 도 11c 에 도시된 나선형으로 권취된 전극 조립체(141')의 대응의 알루미늄-함침된 카본 직물 전극(136')은, 도 11a 의 교차삽입된 평탄한 스택 조립체(141)를 사용하여 동일한 전극 면적이 얻어지거나 또는 필요한 성능 기준을 달성하도록 선택되어야 한다. 나선형으로 권취된 조립체(141')의 장점은 상호겹쳐진 평탄한 스택 조립체(141)보다 조립과 제조가 용이하다는 점이다. 그러나, 상기 상호겹쳐진 평탄한 스택 조립체(141)의 장점은 전류 수집기 포일의 저항이 낮다는 점이다(그 이유는 하나의 긴 전류 수집기를 사용하기 보다는 다수의 평행한 쇼트 전류 수집기를 사용하기 때문이다). 또한, 상호겹쳐진 평탄한 스택 조립체(141)는 사각형태인 경우보다 효율적으로 사용할 수 있으며, 나선형으로 권취된 조립체(141')는 원통형인 경우에 가장 사용하기 적합하다. 축전기가 사용되는 경우에 따라, 사각형 케이스는 원통형인 경우보다 훨씬 효율적이다.

상호겹쳐진 평탄한 스택 조립체(141)(도 11A)에 있어서, 2개의 전극 스택이 조립체(141)를 형성하기 위해 상호겹쳐진 후에, 조립체 전체는 셀가드와 같은 적절한 절연재(144)로 권취된다. 상기 절연재(144)는 조립체(141)의 주위로 밀착권취되는 테이프(146)에 의해 정위치에 지지되므로써 권취형의 평탄한 스택 전극 패키지(143)를 형성하게 된다. 전류 수집기 탭(135, 142)은 패키지(143)의 각각의 단부로부터 연장된다.

평탄한 스택 전극 조립체(144)가 제조되면, 축전기의 최종적인 기계적 조립이 완료된다. 이러한 기계적 조립을 도시한 도 12 에는 양호한 이중 층 축전기의 물리적 부품을 확대하여 도시하고 있다. 이와 같은 부품은 하부 도전성 셀(150)과 상부 도전성 셀(154)을 포함한다. 탭중 하나 즉, 전극 패키지(143)의 탭(1235)은 도면부호 160 에서 하부 셀(150)의 내측에 결합된다. 다른쪽 탭 즉, 전극 패키지(143)의 탭(142)은 대응의 위치에서 상부 셀(152)의 내측에 결합된다. 이와 같은 결합(블럭 224, 도 14a)은 스폿 용접이나 초음파 용접 등을 사용하여 달성될 수 있다. 물론, 결합제는 결합저항이 낮으며, 만일 축전기의 전체 하부 전극저항(R_EL')이 유지되는 경우에는 5 μΩ 이하의 저항을 갖는다.

일단 전극 패키지(143)의 탭가 각각의 상부 및 하부 도전성 셀에 결합되기만 하면, 축전기 케이스 조립체는 적절한 부착/밀봉 기법을 사용하여 상부 셀(152)을 하부 셀(150)에 부착 및 밀봉시키므로써 폐쇄된다(블럭 226, 도 14A). 상기 상부 셀과 하부 셀은 서로 조합되어 축전기 조립체의 케이스를 포함한다. 도 12에 도시된 바와 같이 축전기 케이스를 밀폐하기 위한 양호한 기법은 절연 나일론 부시(162)와 함께 나사(164)를 사용하여 상부 셀(152)의 플랜지(153)를 하부 셀(150)의 대응의 플랜지(151)에 단단히 고정하는 것이다. 상하부 셀의 플랜지가 서로 결합되었을 때 양호한 밀봉을 보장하기 위해, O 링(154)은 플랜지(153)의 원주 주위에서 홈내에 삽입되며, 다른쪽 O 링(156)은 플랜지(151)의 원주 주위에서 상기 홈과 유사한 홈내에 삽입된다. 또한, 폴리프로필렌 가스켓(158)은 2개 셀을 전기적으로 서로 절연한다.

축전기 케이스는 조개껍대기처럼 하부 셀(150)에 고정된 상부 셀(152)을 고정하므로써 폐쇄되며, 도 10A 내지 도 12 에 도시된 패키지 형태는 "조개껍대기" 조립체 또는 "조개껍대기" 디자인으로 불리워진다.

도 12에 도시된 "조개껍대기" 조립체의 주요한 특징은 전극 패키지(143)가 그 권취된 형태 및 상호겹쳐진 형태에서 상하부 셀의 내측 칫수보다 다소 큰 칫수를 갖는다. 그러나, 카본 직물은 다공질이므로, 폐쇄된 상하부 셀내에 삽입될 수 있도록 충분히 가압된다. 따라서, 패키지(143)는 상하부 셀내의 내측에 위치되었을 때 약간 가압된 상태로 존재한다. 전극 패키지(143)에서의 이와 같은 결과는 상부 셀(152)과 하부 셀(150)이 서로 기계적으로 연결되었을 때 약 10psi 의 일정한 압력하에 존재한다. 이러한 지속적인 적절한 압력은 전류 수집기 포일(130)을 각각의 함침된 카본 직물 스트립(136)의 분무측과 기계적으로 단단한 접촉을 유지시키기 때문에 전극 조립체의 접촉 저항 및 전극 저항을 낮추는 작용을 한다. 각각의 일정한 압력의 존재는, 전극 조립체(141)가 전류 수집기 포일(도 11B)과 접촉된 전극을 가압하기 위한 방향으로 인가된 일정한 압력("P")하에 있는 것을 표시하는 화살표(121)에 의해 도시되었다. 도 11c에 도시된 나선형으로 권취된 조립체(141')에 대해, 상기 일정한 압력(P)은 화살표 121' 로 도시된 바와 같이 방사방향으로 인가된다. 적절한 압력이 10 psi 일 때, 실질적으로 압력은 5 내지 18 psi 로 변화하게 된다. 그 자체가 압력 용기를 포함하지 않는 상하부 셀(또는 기타 다른 축전기 케이스)의 구조적 디자인은 약 20 psi 의 압력에 견딜 수 있도록 설계된다.

축전기 조립체를 완성하는데 필요한 중요한 부품은 폐쇄된 조립체를 적절한 전기분해액으로 충진한 후 조립체를 영구적으로 밀봉하는 것이다. 이를 위해, 도 12 에 도시된 바와 같이 하부 셀(150)의 한쪽 단부에 위치된 충진 구멍(167)에 나선결합되어 수용되는 밀봉 플러그(168)가 제공된다. O 링 가스켓(166)은 밀봉을 실행하기 위해 플러그(168)와 함께 사용된다. 상부 셀(152)의 다른쪽 단부에도 유사한 충진 구멍(도시않음)이 위치된다.

도 14a 에 있어서, 일단 케이스 조립체가 밀폐되었다면(블럭 226), 전기 쇼트가 검사된다. 이러한 테스트는 단순히 도 12 사이의 저항을 측정하므로써 이루어지며, 그 각각의 도전성인 2개의 셀은 축전기의 전기 터미널로 작용한다. 이상적인 축전기에 있어서, 이러한 저항("드라이" 조립체---밀폐된 케이스내에 전해질이 아직 도입되지 않은 것)은 한정되지 않은 무한대이다. 예를 들어 밀폐된 드라이 조립체의 상부 셀과 하부 셀 사이의 단지 수 옴 정도의 낮은 저항을 측정하는 것은 조립체내에 전기 쇼트가 발생된 것을 나타낸다. 실제로, 전기 쇼트에 대한 이와 같은 테스트에는 적어도 20㏁ 이 허용될 수 있다.

도 14a 에 있어서, 포일 탭를 케이스 셀에 결합하기 전에 이미 실행된 단계(블럭 224)는 바닥 셀(150)과 상부 셀(150)을 제조하는 단계(블럭 220)를 포함하는 것을 인식해야 한다. 상술한 실시예에 있어서, 셀은 단단한 알루미늄 블럭으로 제조된다. 플랜지(151, 153)를 포함한 밀폐 조립체의 외측 칫수는 2.25 ×2.62 인치이며, 길이는 5.60 인치이다. 케이스(플랜지를 포함하지 않음)의 몸체는 약 2.18 인치의 폭을 갖는데, 이것은 플랜지(151, 153)가 케이스의 몸체로부터 0.22 인치 연장되는 것을 의미한다. 표 1 에 도시된 바와 같이, 축전기 케이스의 내부 체적은 약 375 ㎥ 이며, 케이스 중량은 200 g 이다.

상술한 바와 같이, 도 12 에 도시된 조개껍대기 형태에 있어서 상하부 셀은 축전기의 2개의 터미널 역할을 한다. 상기 셀은 값비싼 기계가공된 알루미늄 블럭을 사용하는 것과는 달리 미래에는 저렴한 스탬핑되거나 가압된 구리 도금 알루미늄을 사용될 수도 있음을 예견할 수 있다. 이러한 목적을 위해서는 알루미늄보다는 구리 도금 알루미늄이 보다 양호하게 사용되는데, 그 이유는 몇개의 축전기가 서로 적층될 때 낮은 외부 접촉 저항을 제공하기 때문이다. 축전기 조립체의 셀을 형성하기 위해 스탬핑되거나 가압된 재료를 사용하게 되면 케이스의 중량을 약 100 g 정도 감축시킬 수 있으며, 에너지 밀도를 약 2.9 W-hr/kg 에서 3.5 W-hr/kg 로 증가시킬 수 있다.

본 발명에는 다른 패키지도 가능한 것을 인식해야 한다. 예를 들어, 도 13a 내지 도 13c 에 도시된 이중단부형 축전기 구조가 사용될 수 있다. 도 13a 내지 도 13c 에 도시된 이중단부형 축전기 구조는 단면이 사각형인 신장된 축전기 케이스(170)를 포함하며, 패키지의 각각의 단부에 단자(172)을 포함한다. 상기 단자(172)은 나선형 나사나 볼트가 부착되는 나선형 구멍(173)을 포함한다. 케이스(170)의 재료는 도전성이나 비도전성이나 관계없다. 만일 도전성일 경우, 단자은 도면부호 176 및 178 에 의해 케이스로부터 전기적으로 절연된다. 단자(172)은 너트(174)에 의해 이중단부형 조립체의 각각의 단부에 부착된다. 와셔나 가스켓(176)은 단자을 정위치에 고정하기 위해 너트(174)와 함께 사용되며, 필요시 케이스로부터 전기적 절연을 제공한다. 절연 가스켓(178)은 단자(172)을 밀봉하고 누설을 방지하기 위해 케이스의 내측에 사용된다. 이중단부형 구조의 조립중, 평탄한 적층 단자 전극 패키지(143)(도 11B)의 탭(135, 142)은 케이스(170)의 각각의 단부에서 단자의 내측에 부착된다.

밀봉 플러그(166)와 가스켓(168)은 도 13B 에 도시된 바와 같이 이중단부형 축전기의 적어도 한쪽 단부에서 사용가능하게 제조된다. 밀봉 플러그는 조립체를 전해액으로 충진하는 것을 촉진하기 위해 축전기의 양단부에서 사용가능하게 제조되는 것을 인식해야 한다.

도 13a 내지 도 13c 에 도시된 이중단부형 형태의 주요한 장점은 셀 재료가 도전체를 필요로 하지 않지만 플라스틱처럼 적절히 경량인 비도전성 재료라는 점이다. 도 13a 내지 도 13c 에 도시된 이중단부형 축전기의 케이스의 전체 중량은 도 12 에 도시된 축전기 형태에 대한 축전기 게이스의 중량보다 적게 제조된다. 케이스의 중량은 축전기의 에너지 밀도에 직접 관여되기 때문에 중요하다.

패키지의 다른 실시예는 도 13a 내지 도 13c 에 도시된 바와 같이 단자를 포함하기 때문에, 도 14a 의 흐름도는 이와 같은 단자의 사용될 겨우 케이스상에 단자를 설치하는 단계를 포함한다(블럭 222).

도 14b에 있어서, 일단 축전기가 도 12(또는 도 13a, 도 13b, 또는 도 13c)에 도시된 것처럼 조립되어 전기 쇼트에 대해 검사되었다면(블럭 228, 도 14a), 케이스 조립체는 밀봉 플러그(168)와 가스켓(166)을 사용하여 필요에 따라 밀봉되거나(블럭 232) 또는 밀봉될 수 있다. 그후, 밀봉 가능한 케이스는 진공화되며, 내부 부품들은 완전히 건조된다(블럭 234). 이러한 건조 공정은 전형적으로 2 내지 3일 동안 실행되며, 충진 구멍(167)(도 12)을 통해 진공 펌프를 밀폐 조립체에 부착시키는 공정과, 약 10^-6토르 정도의 부압을 예를 들어 48 내지 72 시간의 특정시간동안 유지시키는 공정을 포함한다. 건조된 후, 상기 조립체는 누설되는 지의 여부가 검사된다(블럭 236). 이러한 누설 검사는 종래 공지된 기법을 사용하여 실행된다. 양호한 누설 테스트는 진공 펌프에 연결되었을 동안 그리고 그 내부에 부압이 유지될 동안 예를 들어 헬륨(He)과 같은 불활성 가스를 밀폐된 케이스 주위와 그 상부에 분무하는 단계를 포함한다. 만일 누설이 발생되었다면, 케이스내부의 부압은 누설부를 통해 상기 He 가스를 흡입하게 되어, 진공 펌프의 외부흐름에서 상기 He 가스가 검출될 수 있다.

만일 누설 테스트가 성공적으로 통과되었다면, 케이스는 충진 구멍을 통해 설정된 양의 특정 전해질에 함침될 준비가 된다(블럭 248).

전해액은 설정된 염기를 용매에 용해시키므로써 혼합된다. 따라서, 이러한 전해액을 준비하기 위해, 상기 용매가 준비되며(블럭 238), 특정의 소금이 획득된다(블럭 240). 상술한 바와 같이, 양호한 용매는 유기 용매 질화아세톤(CH₃CN)이다. 양호한 염기는 테트라에틸암모늄 테트라플루오르레보레이트(CH₃CH₂)₄N⁺BF₄ ^­이다. 상기 전해액은 먼저 염기를 적어도 12 시간 교반한 후 건조 염기를 용매로 용해하므로써 혼합된다(블럭 242). 염기와 용매용매은 303.8 g/liter 이며 1.4 몰/liter 를 만족시켜야 한다.

혼합된 후, 전해질은 그 순도가 검사된다(블럭 244). 전해액 내의 물의 양은 20 ppm 이하, 양호하기로는 15 ppm 이하로 감소되어야 한다. 만일 그 순도가 전해액에서 20 ppm 을 초과하였다면, 축전기의 작동 전압은 악영향을 미친다. 예를 들어, 전해액내의 물의 양이 40 ppm 을 초과하였을 때, 축전기의 사용가능한 작동 전압은 도 16A 및 도 16B 에 도시된 바와 같이 전해액내의 물이 단지 14ppm 일 때 약 70%로 감축된다. 따라서, 전해액이 밀폐된 케이스 조립체내에 함침되기 전에 불순물, 특히 물이 전해액으로부터 제거되어야 하는 것이 매우 중요한 것임을 알 수 있다(전해액에는 예를 들어 그 성능을 강화시키고 축전기의 내구성을 증가시키기 위해 첨가제가 첨가될 수 있지만 물은 피해야 하는 것을 인식해야 한다).

용액내의 물의 양은 본 기술분야에 공지된 전기량 분석 적정법(coulometric titrator)을 사용하여 측정된다. 이를 위해 사용될 수 있는 대표적인 적정법은 이엠 사이언스 아쿠아스타가 판매하는 LC3000 Titrator 를 들 수 있다.

그러나, 불행하게도 조립체의 내부를 완저히 건조시키고자하는 시도에도 불구하고 이미 밀폐된 케이스 조립체의 내부에 물이 존재할 수 있다. 예를 들어, 물은 카본 직물의 카본 섬유에 트랩된다. 이와 같이 트랩된 물은 전해액에서 용융되므로써 무불순물 전해액이 케이스 조립체내에 함침됨과 동시에 전해액내에 불순물로 자리잡게 된다. 카본으로부터 이와 같은 물(또는 이와 유사한 불순물)을 제거하기 위해, 밀폐된 조립체는 조립체를 전해액으로 충진하기 전에 아세토니트릴과 전해액 또는 기타 다른 워터-스카벤져 재료로 세척해야 한다. 밀폐된 조립체의 각각의 단부에 충진 구멍을 형성하는 것은 밀폐된 조립체의 내부를 세척할 수 있게 한다. 알루미늄으로 함침되기 전이나 후에 그러나 전극 스택에 조립되기 전에 카본 직물은 특히 물 등의 불순물을 제거하도록 선택된 적절한 재료(예를 들어, 워터 스카벤져나 물을 찾아서 이를 제거하는 첨가제)로 세척되어야 하는 것을 인식해야 한다.

만일 전해액이 불순물 테스트를 통과하였다면(블럭 244), 도전성도 검사되어야 한다(블럭 246). 도전성 테스트는 ac 신호를 사용하는 도전성을 검사하는 도전성 미터를 사용하여 실행된다. 용액의 도전성은 22 ℃에서 적어도 55-58 mmho/cm 이 되어야 한다.

전해액이 혼합되어 불순물 검사와 도전성 검사를 통과하였다면, 밀폐된 케이스 조립체내로 함침된다(블럭 248, 도면 14b). 함침은 하나의 충진 구멍이 상부에 오게 하고 다른 구멍이 하부에 오도록 전극 케이스를 위치시킨 후 바닥으로부터 상부로 압력하에서 케이스를 전해액으로 충진시켜 케이스에 존재하는 가스가 트랩되지 않도록 하므로써 실행된다. 밀폐된 케이스내로 함침될 전해액의 양은 도 12 에 도시된 조개껍대기형 케이스의 경우 200 ml(또는 205g)이다.

밀폐된 케이스내에 설정된 양의 전해액이 함침된 후, 플러그(168)가 상기 충진 구멍(167)에 삽입되어 최종적으로 케이스를 밀봉한다(블럭 250, 도 14b). 그후, 축전기가 특정의 성능기준에 부합하는 지의 여부를 검사하기 위해 축전기의 최종 전해액 테스트가 실행된다. 일반적으로, 이와 같은 허용 테스트는 축전기를 특정의 작동 전압(Vw)으로 6시간 충전한 후 14 시간 이상 축전기를 자체충전하는 단계를 포함한다. 상기 14 시간동안의 자체충전중 발생할 수도 있는 전압강하는 적어도 200 옴, 양호하기로는 350 내지 400 Ω의 축전기 등가평행 저항의 측정을 제공한다(200 Ω의 자체충전 저항은 적어도 5.8 일의 자체충전 시간에 대응한다).

기타 다른 부가적인 허용 테스트는 축전기를 일정한 전류 사이클 테스트에 노출시켜 사이클링 정전용량과 일정한 상태 시리즈 저항을 결정하는 단계를 포함한다. 이러한 테스트는 도 15 에 도시된 바와 같이 비패닉 100 apm 또는 200 amp 전류를 축전기에 인가하므로써 실행된다. 전류 인가에 따른 전압 파동형태가 측정된다. 시간 측정을 포함하는 전류와 전압 파동형태로부터, 축전기를 특정화시키는 다수의 변수가 결정된다. 이러한 변수들은 충전 정전용량(C_up)과, 방전 정정용량(C_down)과, 절반 방전 정전용량(C_1/2)과, 안정한 상태의 저항(R_∞)을 포함한다. 이미 부여된 요구성능 기준에 부합하기 위해, 이러한 값들은 C_down> 2200 Farad, C_1/2> C_down는 약 150 Farad, R_∞< 1 밀리옴, C_up/C_down> 0.98 , C_down/C_up< 1.05 이어야 한다.

도 12 에 도시된 조개껍대기 디자인을 사용하여 본 발명에 따라 제조된 단일 셀 다전극 이중 층 축전기의 제 1 그룹에 대해, 허용 테스트 데이터가 표 3 에 도시되어 있다.

최종 허용 테스트는 임피던스 테스트를 포함한다. 이중 층 축전기의 매우 낮은 임피던스는 표준 설비 및 기법을 사용하여 임피던스 측정을 어렵게 한다. 측정에 중요한 키이 변수는 초기 저항(R₀)이다. 이러한 저항은 축전기가 분배할 수 있는 최고 동력에 영향을 미친다. 이것은 1000 Hz 에서 솔라톤 1250 주파수 응답 분석기 및 PARC 273 포테니오스태트를 사용하여 측정된다. 상기 R₀는 R_∞의 절반이거나 약 0.45 mΩ 이다.

표 3

매개변수 값 평균 이탈

C_down2422f 44.6f

R∞ 0.908 mΩ O.058mΩ

C_up/C_down1.01

R_parallel387 Ω 53Ω

상술한 바와 같이, 본 발명에 의해 제공된 단일셀 다전극 이중층 축전기는 이중층 축전기 분야에서 상당히 진보된 것임을 알 수 있다. 알루미늄으로 함침되고 전류 수집기 평판 주위로 절첩된 카본 직물의 사용은 매우 낮은 전극 저항을 제공하는 효과적인 전극 구조를 형성한다. 제 1 전극에 예를 들어 27개의 다수 전극을 평행으로 연결하고, 제 1 전극 스택의 전극을 각각의 전극이 적절한 분리기/절연기 전극 슬리브로 둘러싸인 제 2 전극 스택에 상호겹치게 한 후, 이와같이 상호겹쳐진 전극 패키지를 전극 패키지를 적절한 압력으로 유지시키는 밀봉 케이스에 함침하고, 상기 밀봉된 케이스를 설정된 양의 고도전성 비수성 전해질로 함침하므로써, 이중층 축전기는 약 2.3 볼트의 공칭 작동 전압에서 2200 Farad 이상의 정전용량 값을 가지며 0.8 mΩ 의 전극 저항과 2초의 일정시간과 2.9 내지 3.5 W-hr/kg 의 에너지 밀도와, 400 Amp 방전에서 1000 W/kg 이상의 동력 범위를 갖게 된다. 이러한 작동 변수들은 축전기가 예를 들어 2,7 볼트 또는 심지어 3.0 볼트(모든 불순물이 전해액으로부터 모두 제거되어 용이하게 실행될 수 있는)의 고전압에서 작동될 때 보다 균일해지며, 케이스의 중량은 감소된다. 예를 들어, 3.0 볼트의 작동 전압에서, 에너지 밀도는 5.9 W-hr/kg 으로 상승한다. 또한, 폴리프로필렌 분리기 대신에 폴리에틸렌 분리기 재료를 사용하므로써, 효과적인 전극 저항이 더욱 감소되어, 축전기의 시간 상수가 약 1.5초 정도로 감소된다.

본 발명은 양호한 실시예를 참조로 서술되었기에 이에 한정되지 않으며, 본 기술분야의 숙련자라면 첨부된 청구범위로부터의 일탈없이 본 발명에 다양한 변형과 수정이 가해질 수 있음을 인식해야 한다.

Claims (27)

1. 밀봉된 축전기 케이스를 형성하도록 서로 고정 가능한, 그와 관련된 제 1 축전기 단자를 가진 제 1파트(150)와, 그와 관련된 제 2 축전기 단자를 가진 제 2파트(152)를 가진 축전기 케이스와; 밀봉된 축전기 케이스 내에 다공 분리기에 의해 분리되는, 각각의 전극이 제 1 또는 제 2 축전기 단자에 개별적으로 결합되는 쌍으로 이루어진 전극과; 밀봉된 축전기 케이스 내에서 밀봉되는 전해질 용액을 포함하며, 쌍으로 이루어진 전극이 전해질 용액 내에서 소결 함몰되는, 이중 층 축전기에 있어서:

   제 1전극 스택(스택A)은 다수 전극을 포함하며, 제 1 전극 스택의 각각의 전극은 전류 수집기 포일(132, 133)과 전류 수집기 포일과 직접 물리적으로 접촉하는 알루미늄(136)이 함침된 압축성 카본 직물을 구비하고, 각각의 전극의 전류 수집기 포일은 제 1 축전기 단자에 접합되고, 제 1 스택의 전극은 각각의 전류 수집기 포일을 경유하여 제 1 축전기 단자와 평행하게 모두 접속되고;

   제 2 전극 스택(스택B)은 다수 전극을 포함하고, 제 2 전극 스택의 각 전극은 전류 수집기 포일(132, 133)과 전류 수집기 포일과 직접 물리적으로 접촉하는 알루미늄(136)이 함침된 압축성 카본 직물을 구비하고, 각각의 전극의 전류 수집기 포일은 제 2 축전기 단자에 접합되고, 제 2 스택의 전극은 각각의 전류 수집기 포일을 경유하여 제 2 축전기 단자와 평행하게 모두 접속되고;

   다공 분리기 슬리브(140)는 제 2 스택의 전극의 각각의 둘레에 배치되고, 분리기 슬리브는 이온이 용이하게 그를 통해 통과하는 세공을 가지며;

   제 1 및 제 2 스택의 전극은 인접 전극이 다공 분리기 슬리브에 의해 서로 전기적으로 접촉하는 것을 방지하며 번갈아 포개지는 플랩 전극 스택(141)을 형성하도록 서로 번갈아 포개지며;

   번갈아 포개지는 플랩 전극 스택은 밀봉된 축전기 케이스 내에서 일정한 압력 하에서 유지되는 것을 특징으로 하는 이중 층 축전기.
2. 제 1항에 있어서, 축전기 케이스의 제 1 및 제 2 파트는 도전재로 제조되고, 축전기 케이스는 밀봉된 축전기 케이스를 형성하도록 제 1 및 제 2 파트가 상호 고정될 시에 서로 전기적으로 쇼트되는 것을 방지하도록 전기 절연체를 구비하며, 부가적으로 제 1 축전기 단자는 축전기 케이스의 제 1 파트를 포함하고 그리고 제 2 축전기 단자는 축전기 케이스의 제 2 파트를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 층 축전기.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 제 1 및 제 2 전극 스택의 전류 수집기 포일은 탭 부분(133)과 패들 부분(132)을 가지고, 함침된 카본 직물(136)는 각각의 전극 스택의 각 전류 수집기 포일의 패들 부분과 접촉되게 배치되고, 부가적으로 제 1 전극 스택(스택A)에 각 전극의 전류 수집기 포일의 탭 부분(133)은 제 1 축전기 단자에 접속되는 제 1 접합 탭 부분(135)을 형성하도록 제 1 전극 스택 내에서 사용되는 전류 수집기 포일의 타 탭 부분에 접합되고, 또한 제 2 전극 스택(스택B)에 각 전극의 전류 수집기 포일의 탭 부분(133)은 제 2 축전기 단자에 접속되는 제 2 접합 탭 부분(142)을 형성하도록 제 2 전극 스택 내에서 사용되는 전류 수집기 포일의 타 탭 부분에 접합되는 것을 특징으로 하는 이중 층 축전기.
4. 제 3항에 있어서, 축전기 케이스의 제 1 및 제 2파트는 알루미늄으로 기계가공되고 약 200g 미만의 수집적 중량체 인것을 특징으로 하는 이중 층 축전기.
5. 제 3항에 있어서, 축전기 케이스의 제 1 및 제 2파트는 코퍼-클래드 알루미늄으로 스탬프 또는 프레스되고 약 100g 미만의 수집적 중량체 인것을 특징으로 하는 이중 층 축전기.
6. 제 1항에 있어서, 축전기 케이스의 제 1 및 제 2파트는 비도전재로 제조되고, 제 1 축전기 단자는 축전기 케이스의 제 1 파트에 장착된 제 1 공급 관통 단자를 포함하고, 제 2 축전기 단자는 축전기 케이스의 제 2 파트에 장착된 제 2 공급 관통 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 층 축전기.
7. 제 6항에 있어서, 축전기 케이스의 대향 단부에 제 1 및 제 2 공급 관통 단자를 배치시킨 것을 특징으로 하는 이중 층 축전기.
8. 제 1항에 있어서, 축전기 케이스는 부가로 축전기 케이스의 대향 단부에 배치된 2개의 밀봉 가능한 충진 홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 이중 층 축전기.
9. 제 1항에 있어서, 압축성 카본 직물에는 알루미늄이 함침되고, 제 1 및 제 2 전극 스택 내에 전극의 파트는 카본 섬유 다발에 배열된 활성 카본 섬유로 제조된 카본 직물을 포함하고, 카본 섬유 다발 내에 활성 카본 섬유 사이에 공간은 섬유 다발의 "토우"로서 언급되며, 카본 섬유 다발은 카본 직물을 형성하도록 제직되고, 부가로 알루미늄은 카본 직물의 횡방향 저항을 감소하도록 섬유 다발의 토우에 함침되는 것을 특징으로 하는 이중 층 축전기.
10. 제 6항에 있어서, 알루미늄 함침 카본 직물은 부가로, 제 1 및 제 2 전극 스택의 전류 수집기 포일에 접촉하는 위치에 배치되기 전에, 약 15%의 알루미늄 함침 직물의 두께를 감소하도록 적어도 1500psi의 압력으로 압축되는 것을 특징으로 하는 이중 층 축전기.
11. 제 10항에 있어서, 번갈아 포개지는 플랩 전극 스택의 대부분 전극의 알루미늄 함침 카본 직물은 각각의 전류 수집기 포일의 양측부와 접촉하도록 포개지는 것을 특징으로 하는 이중 층 축전기.
12. 제 11항에 있어서, 알루미늄 함침 카본 직물은 약 130-135g/m2의 중량 영역을 함침에 앞서 나타내고, 대략 0.50-0.55mm 두께이고, 그리고 약 1.0-1.5ml/g의 세공 용량을 가지는 것을 특징으로 하는 이중 층 축전기.
13. 제 12항에 있어서, 카본 직물에 함침되는 알루미늄의 중량은 알루미늄 함침 카본 직물의 전체 중량의 약 53% 보다 크지 않은 중량을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 층 축전기.
14. 제 13항에 있어서, 알루미늄 함침 카본 직물의 횡방향 저항은 함침에 앞서 카본 직물의 횡방향 저항과 비교되는 함침 후에 적어도 50요소로 감소되는 것을 특징으로 하는 이중 층 축전기.
15. 제 14항에 있어서, 축전기 케이스는 약 375cm3 이하의 내부 용량 과 약 600g이하의 총 중량을 가지며, 번갈아 포개지는 플랩 전극 스택은 적어도 50전극, 제 1 및 제 2 전극 스택의 각각에서는 25전극을 가지는 것을 특징으로 하는 이중 층 축전기.
16. 제 15항에 있어서, 축전기는 2.3볼트의 비율 전압에서 2300Farads±10%의 정전용량을 나타내는 것을 특징으로 하는 이중 층 축전기.
17. 제 16항에 있어서, 축전기는 약 3.4 내지 3.5W-hr/kg의 에너지 밀도, 400암페어 방출에서 약 1000W/kg의 파워 비율, 약 0.8밀리옴 보다 작은 전체 전극 저항, 및 약 2초 보다크지 않은 시간 상수를 나타내는 것을 특징으로 하는 이중 층 축전기.
18. 제 1항에 있어서, 그 안에 사용되는 상기 전해질 용액이 명시된 량의 특정 염기가 용해되어져 있는 특정된 유기 용매로 특징되고, 특정된 유기 용매는 질화 아세톤(CH₃CN)을 포함하고, 특정된 염기는 테트라에틸암모늄 테트라플루오르레보레이트(CH₃CH₂)₄N⁺BF₄ ^-를 포함하고, 그리고 특정한 용매에 대한 특정된 염기의 명시된 비율은 약 300 내지 305g/liter 인 것을 특징으로 하는 이중 층 축전기.
19. 제 18항에 있어서, 다공 분리기 슬리브는 적어도 0.001인치의 두께와 0.12㎛로 약 0.04의 평균 세공 사이즈를 가진 폴리프로필렌 시트로 제조되는 것을 특징으로 하는 이중 층 축전기.
20. 제 1 단자 와 제 2 단자가 그 위에 있는 밀봉 가능한 축전기 케이스 내에서 명시된 전해질 용액이 있는 이중 층 축전기에 있어서:

    제 1전극은 제 1 전류 수집기 포일(132)과 직접 물리적으로 접촉하는 명시된 금속(136)이 함침된 제 1 압축성 카본 직물을 구비하고, 제 1 전류 수집기 포일은 제 1 축전기 단자에 접합되고;

    제 2전극은 제 2 전류 수집기 포일(132)과 직접 물리적으로 접촉하는 명시된 금속(136)이 함침된 제 2 압축성 카본 직물을 구비하고, 제 2 전류 수집기 포일은 제 2 축전기 단자에 접합되고;

    다공 분리기 슬리브(140)는 제 2 전극 둘레에 배치되고;

    제 1 및 제 2 전극은 상호 대항적으로 배치되지만, 제 1 전극은 다공 분리기 슬리브에 제 2 전극과 전기적으로 접촉하는 것을 방지하며;

    제 1 및 제 2 전극은 페쇄된 축전기 케이스 내에서 일정한 압력으로 상호 대항하여 압축되고; 그리고

    명시된 전해질 용액은 제 1 및 제 2 전극 과 다공 분리기 슬리브가 명시된 전해질 용액으로 소결 함침되도록 밀봉된 축전기 케이스 내에서 밀봉되는 것을 특징으로 하는 이중 층 축전기.
21. 제 20항에 있어서, 다공 분리기 슬리브는: (1)적어도 0.001인치의 두께와 0.12㎛로 약 0.04의 평균 세공 사이즈 및, 25-40% 다공을 가진 폴리프로필렌 시트 또는 (2)적어도 0.001인치의 두께와 0.5㎛ 미만의 세공 사이즈 직경 및, 40-60% 다공을 가진 폴리프로필렌 시트의 어느 하나로 제조되는 것을 특징으로 하는 이중 층 축전기.
22. 제 20항 또는 제 21항에 있어서, 서로에 대하여 제 1 및 제 2전극을 압축하는데 사용되는 일정한 압력이 5 내지 18psi 사이에 압력을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 층 축전기.
23. 제 20항, 21항, 또는 22항에 있어서, 제 1 및 제 2 전극을 소결 함침하능데 사용되는 명시된 전해질 용액이 명시된 량의 특정 염기가 용해되어져 있는 특정된 유기 용매를 포함하고, 특정된 유기 용매는 질화 아세톤(CH₃CN)을 포함하고, 특정된 염기는 테트라에틸암모늄 테트라플루오르레보레이트(CH₃CH₂)₄N⁺BF₄ ^-를 포함하고, 그리고 특정한 용매에 대한 특정된 염기의 명시된 비율은 약 300 내지 305g/liter 인 것을 특징으로 하는 이중 층 축전기.
24. 제 23항에 있어서, 압축성 카본 직물에는 명시된 금속이 함침되고, 제 1 및 제 2 전극은 카본 섬유 다발에 배열된 활성 카본 섬유로 제조된 카본 직물을 포함하고, 카본 섬유 다발 내에 활성 카본 섬유 사이에 공간은 섬유 다발의 "토우"로서 언급되며, 카본 섬유 다발은 카본 직물을 형성하도록 제직되고, 부가로 명시된 금속은 카본 직물의 횡방향 저항을 감소하도록 섬유 다발의 토우에 함침되는 것을 특징으로 하는 이중 층 축전기.
25. 제 24항에 있어서, 카본 직물의 카본 섬유 다발의 토우 내로 함침되는 명시된 금속은 알루미늄 또는 티타늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 층 축전기.
26. 제 25항에 있어서, 알루미늄 또는 티타늄 함침 카본 직물은 약 130-135g/m²의 중량 영역을 함침에 앞서 나타내고, 대략 0.50-0.55mm 두께이고, 그리고 약 1.0-1.5ml/g의 세공 용량을 가지는 것을 특징으로 하는 이중 층 축전기.
27. 이중 층 축전기를 제조하는 방법에 있어서, 상기 방법은:

    (a)특정 금속으로 카본 직물을 함침하는 단계와;

    (b)탭 부분 과 패들 부분을 각각 가진 다수개의 전류 수집기 포일을 형성하는 단계와;

    (c)서로에 대해 그리고 제 1 축전지 단자에 다수의 전류 수집기 포일의 하프의 탭 부분을 접합하여, 제 1 포일 스택을 형성하는 단계와;

    (d)서로에 대해 그리고 제 2 축전지 단자에 다수의 전류 수집기 포일의 나머지 하프의 탭 부분을 접합하여, 제 2 포일 스택을 형성하는 단계와;

    (e)전류 수집기 포일에 대항하여 배치된 함침 카본 직물의 스프레이 측부를 가지고, 제 1 및 제 2 포일 스택의 각각의 전류 수집기 포일의 패들 부분에 대항하여 (a)단계로 만들어진, 함침 카본 직물을 위치설정하여 제 1 및 제 2 전극 스택을 형성하는 단계와;

    (f)전극이 전류 수집기 포일 과 그에 대항하여 배치된 함침 카본 직물을 구비하며, 제 2 전극 스택의 각각의 전극 위에 다공 분리기 슬리브를 배치하는 단계와;

    (g)분리기 슬리브는 인접 전극 간에 전기적 절연체로서 기능을 하여 인접 전극이 서로에 대해 전기적으로 단락되는 것을 방지하여, 평행하게 접속되고 제 1 또는 제 2 축전기 단자의 어느 하나로 있는 번갈아 포개지는 전극 스택에서 교차적인 전극의 전류 수집기 포일을 가진 번갈아 포개지는 전극 스택을 형성하는, 제 1 및 제 2 전극 스택의 전극을 번갈아 포개는 단계와;

    (h)각각의 스택의 전류 수집기 포일에 대하여 함침된 탄소 직물의 스프레이 측에 힘을 가하여, 그에 대항하여 유지되는 각각의 함침 카본 직물와 전류 수집기 포일과의 사이에 접촉 저항을 낮게하는, 번갈아 포개지는 전극 스택에 대하여 접촉 압력을 적용하는 단계와;

    (i)전해질 용액으로 번갈아 포개지는 전극 스택을 소결하여, 전해질 용액 내에 함침되는 번갈아 포개지는 전극 스택을 유지하는 단계를 포함하고;

    (a')상기 카본 직물은 활성 카본 섬유로 제조되고, 카본-섬유 다발으로 형성되고, 다발의 "토우"로서 언급되는 다발 내에 각각의 카본 섬유 사이에 공간을 가지고, 그리고 유체에서 또는 증발 형태로 카본-섬유 다발 토우 쪽으로 특정 금속을 분무하여, 카본 직물을 형성하도록 제직된 카본-섬유 다발을 가지며,

    (i')전해질 용액은 특정 량의 명시된 염기가 이온을 형성하도록 용해되어진 명시된 용매를 포함하고, 이온은 다공 분리기 슬리브의 세공을 용이하게 통과할 수 있는 것을 특징으로 하는 이중 층 축전기 제조 방법.