KR20020070392A - 전기이중층 캐패시터 및 그 제조 방법 - Google Patents

전기이중층 캐패시터 및 그 제조 방법 Download PDF

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(주)카마텍
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Abstract

본 발명은 전기이중층 캐패시터 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기이중층 캐패시터의 단위셀을 구성하는 분극성 전극과 금속 케이스가 완전 결합되고, 우수한 전기적 특성을 갖는 전기이중층 캐패시터 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 한 면에 피팅 또는 에칭되어 다수의 요홈부(12a)가 형성되고 금속 케이스(20)(20')와 동일한 재질로 된 금속 지지체(12)와, 상기 금속 지지체(12)의 요홈부(12a)가 형성된 면에 분말 활성탄을 주재료로 한 전극물질의 슬러리가 코팅 및 고착되고 가열된 롤을 사용하여 압착된 분말 활성탄 전극물질(16)로 구성된 분극성 전극체(10)를 금속 케이스(20)(20')와 중심이 일치되도록 하여 용접, 결합한 전기이중층 캐패시터 및 그 제조 방법이 제공된다. 이에 따라, 본 발명의 전기이중층 캐패시터는 분말 활성탄 전극물질(16)과 금속 케이스(20)(20')는 금속 지지체(12)에 의하여 결합되고, 이러한 금속 지지체(12)는 금속 케이스(20)(20')에 용접하여 결합됨으로써 전기이중층 캐패시터의 단위셀(50)을 구성하는 구성요소 간을 물리적으로 그리고 전기적으로 완전 결합되는 효과와, 전극물질 입자 상호간의 접촉이 양호하여 우수한 전기적 성능을 발휘한다.

Description

전기이중층 캐패시터 및 그 제조 방법{Electric Double Layer Capacitor and Method of Fabrication the Same}
본 발명은 전기이중층 캐패시터 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기이중층 캐패시터의 단위셀을 구성함에 있어서 분말 활성탄을 주재료로 한 전극물질을 슬러리화하여 이를 금속 케이스와 동일한 재질의 금속 지지체에 코팅시켜 제조한 분극성 전극체를 금속 케이스에 결합시킨 전기이중층 캐패시터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근에 전자기기, 가전제품 및 산업기기 등의 발전과 더불어 전자부품이 고급화, 소형화 및 경량화되고 있으며 이에 따라 전자부품의 다양화에 따른 부품의 다기능화도 요구되고 있다. 그 한가지의 예로써 2차 전지와 캐패시터의 기능을 합친 것으로 서로 다른 계면에 형성된 전기이중층에서 발생하는 정전하 현상을 이용한 전기이중층 캐패시터(Electric Double Layer Capacitor)의 사용이 날로 증가하고 있다.
이러한 전기이중층 캐패시터는 액체상태 또는 고체상태의 전해액이 함침된 양극과 음극의 두 전극(분극성 전극)과, 이러한 두 전극 사이의 이온(ion) 전도만 가능케 하고 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 세퍼레이터와, 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스킷 등의 구성요소를 포장하는 양극 및 음극 금속 케이스로 된 단위셀로 구성되며, 이러한 단위셀 2~3개를 직렬로 적층하고 양극과 음극의 두 단자를 조합하여 적층된 것을 금속제 외장 케이스에 수납 조립하여 완성된다.
본 발명은 특히, 이러한 전기이중층 캐패시터의 단위셀을 구성함에 있어서 분극성 전극과 금속 케이스의 결합 방법에 특징이 있는 단위셀에 관한 것이다.
전기이중층 캐패시터의 단위셀에 있어서, 금속 케이스 내부에 분극성 전극을 접착함으로써 캐패시터의 외부로부터 금속 케이스로 전달되는 전기에너지가 분극성 전극 내부의 전해액까지 전달된다. 이에 따라, 이들 두 구성요소 간에는 전기전도도가 우수하여야 하며, 분극성 전극은 금속 케이스 내에 내장될 수 있는 형상이어야 한다.
또한, 분극성 전극이 접착되는 접착부위는 집전극의 역할을 하므로 금속 케이스와 분극성 전극은 완전 결합되어야 하며, 완전 결합이 되지 않을 경우 전기이중층 캐패시터의 정전용량, 내부저항 및 누설전류 등의 전기적 성능이 저하된다. 아울러, 금속 케이스의 중심과 분극성 전극의 중심이 일치되어야 하며, 만약 금속 케이스의 중심과 분극성 전극의 중심이 일치하지 않는 경우 전기이중층 캐패시터의 전기적인 성능이 저하된다.
종래, 이러한 전기이중층 캐패시터의 단위셀을 구성함에 있어서, 금속 케이스에 결합되는 분극성 전극은 분말 활성탄 전극물질을 슬러리화하여 집전체 상에 도포하여 형성하였다. 그러나, 페이스트상의 분극성 전극은 다루기 곤란하고 활성탄 입자들 상호간의 접촉 저항이 크기 때문에 분말상의 활성탄을 고체상태의 시트로 제조하거나 섬유상의 활성탄 시트로 제조하여 고형 판상으로 하여 금속 케이스에 접착제를 사용하거나 용접하는 방법으로 고정 결합하였다.
예를 들면, 도 4a 및 도 4b에 보인 바와 같이, 분말상 활성탄을 고체상태의시트로 제조하여 이를 일정 크기와 형상으로 재단한 분극성 전극(5)을 원반 형상의 저면부(1)와 이로부터 연장된 원통형 측벽(2)으로 구성되는 금속 케이스(3)의 내부, 즉 저면부(1)에 카본 페이스트, 도전성 폴리머 등의 액상 도전성 접착제(4)를 도포하고 가압 접착하여 고정하였다(제1 종래기술).
그러나, 이와 같은 분극성 전극(5)은 고형 판상으로 제조됨에 따라 이를 금속 케이스내에 접착하기 위해서는 접착제(4)를 사용하는 접착방법이 적용되는 바, 이는 접착제(4)를 사람의 손으로 고르게 도포해야만 하기 때문에 생산력이 감소되고, 건조 공정이 추가되어 공정이 복잡해지는 단점이 있다. 특히, 외부의 충격이나 고온 건조 후 급냉에 의하여 접착된 분극성 전극(5)이 금속 케이스(3)와 쉽게 분리되는 등의 작업상 문제점이 발생한다. 또한, 분극성 전극(5)의 외경이 금속 케이스(3)의 원통형 측벽(2)의 내경보다 작을 경우 접착제(4)의 표면장력에 의하여 분극성 전극(5)이 한쪽으로 흘러가는 현상, 즉 편심현상의 가능성이 높아 금속 케이스(3) 내의 중심과 분극성 전극(5)의 중심이 일치하지 않는 경우가 있어 전기적인 성능이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 도 5에 보인 바와 같이, 종래기술의 다른 구성으로서, 섬유상 활성탄 시트(6)의 표면에 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 또는 티탄(Ti) 등의 금속(6a)을 플라즈마 용사한 후 일정한 크기와 형상으로 재단한 섬유상 활성탄 고형 판상의 분극성 전극(5')을 (+)용접단자(7)와 (-)용접단자(8)를 이용하여 금속 케이스(3)에 용접하여 부착하는 것이 알려진 바 있다(제2 종래기술).
그러나 섬유상 활성탄 시트의 분극성 전극은 소재 자체가 고가이며, 이는 또한 금속물을 용사하여 부착하는 방법을 적용함에 따라 금속물 용사 공정이 추가되어 공정이 복잡하고, 금속물 용사 관련설비가 고가인 점을 감안할 때 쉽게 현업에 적용하기에는 곤란하다. 한편, 이러한 금속물 용사 방법에 의한 접착방법은 특히 분극성 전극의 소재가 섬유상태로 한정되어 있고, 제조 공정 중 소재의 손실 또한 크기 때문에 제품 가격 상승의 중요한 요인으로 작용한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 단위셀을 구성하는 분극성 전극을 형성함에 있어서, 페이스트상의 전극물질을 금속 지지체에 코팅 및 고착시키고 가열된 롤을 사용하여 압착시킴으로써 전극물질 입자 상호간의 접촉을 양호하게 하여 정전용량, 내부저항 및 누설전류 등의 전기적 특성이 우수한 전기이중층 캐패시터 및 그 제조 방법을 제공하려는 것이다.
특히, 본 발명은 종래의 접착제를 사용하거나 금속 플라즈마 용사에 의한 접착 방법에 따른 문제점을 해결하고자 전극물질은 금속 케이스와 동일 재질로 된 금속 지지체에 결합시키고, 이러한 금속 지지체는 금속 케이스에 중심이 일치되게 용접하여 결합시킴으로써 전극물질과 금속 케이스를 금속 지지체에 의한 결합 및 전기전도가 이루어질 수 있도록 하여 접착제의 사용이나 금속 플라즈마 용사 방법이 배제되고, 우수한 전기적 특성을 갖으며, 단위셀을 구성하는 구성요소 간을 견고히 결합시킨 전기이중층 캐패시터 및 그 제조 방법을 제공하려는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 전기이중층 캐패시터의 단위셀을 보인 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 전기이중층 캐패시터의 단위셀을 보인 단면도.
도 3는 본 발명에 따른 전기이중층 캐패시터의 분극성 전극체가 금속 케이스에 결합되는 모습을 보인 단면도.
도 4a 및 도 4b는 종래 기술의 전기이중층 캐패시터의 단위셀의 구성 과정을 보인 사시도.
도 5는 종래 기술의 다른 전기이중층 캐패시터의 단위셀의 구성 과정을 보인 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *
7: (+)용접단자 8: (-)용접단자
10: 분극성 전극체12: 금속 지지체
12a: 요홈부14: 분말 활성탄 전극물질
20, 20': 금속 케이스30: 세퍼레이터
40: 가스킷50: 단위셀
본 발명은 금속 케이스와, 어느 한 면에 요홈부가 형성되고 금속 케이스와동일한 재질로 된 금속 지지체에 분말 활성탄 슬러리를 코팅시켜 형성된 분극성 전극체가 중심이 일치되게 용접 결합됨을 특징으로 하는 전기이중층 캐패시터를 제공한다.
또한, 본 발명은 분말 활성탄을 주재료로 한 전극물질을 슬러리화하는 단계와, 금속 케이스와 동일한 재질의 금속 지지체의 어느 한 면에 피팅(pitting) 또는 에칭(etching)시켜 요홈부를 형성시키는 단계와, 상기 금속 지지체의 요홈부가 형성된 면에 분말 활성탄 슬러리를 코팅 및 건조시키는 단계와, 후속하여, 코팅이 형성된 면을 가열된 롤(heating roll)을 사용하여 압착시켜 분극성 전극체를 제조하는 단계와, 금속 케이스와 분극성 전극체를 중심이 일치되게 하여 용접, 결합하는 단계를 포함하는 전기이중층 캐패시터의 제조 방법을 제공한다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전기이중층 캐패시터 및 그 제조 방법을 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2에 보인 바와 같이, 본 발명에 따른 전기이중층 캐패시터는 분극성 전극체(10)가 내장되고 원판 형상의 저면부(21)와 이로부터 연장된 원통형의 측벽(22)으로 구성되며 (+)전류단자에 연결되는 상부 금속 케이스(20)와, 저면부(21') 및 측벽(22')으로 이루어지되 상기 상부 금속 케이스(20)보다 더 큰 내경을 가지며 분극성 전극체(10)가 내장되고 (-)전류단자에 연결되는 하부 금속 케이스(20')로 형성된 단위셀(50)로 구성된다. 또한, 이들은 이온(ion) 전도만 가능케 하는 다공성 재질의 세퍼레이터(30)와 절연 및 단락 방지를 위한 가스킷(40)으로 절연되어 있다.
도 3을 참조하여 설명하면, 분극성 전극체(10)는 어느 한 면에 다수개의 요홈부(12a)가 형성된 금속 지지체(12)와, 상기 금속 지지체(12)의 요홈부(12a)가 형성된 면에 분말 활성탄 전극물질(14)이 고착되어 있다. 이러한 분극성 전극체(10)는, 금속 케이스(20)(20')에 중심이 일치되게 하여 금속 지지체(12)의 요홈부(12a)가 형성된 면과 대향한 타면이 금속 케이스(20)(20') 내부, 즉 저면부(21)(21')에 (+)용접단자(7)와 (-)용접단자를 이용하여 용접 결합된다.
본 발명은 분말 활성탄 전극물질(14)과 금속 케이스(20)(20')를 결합함에 있어서, 이들을 집전체의 역할을 하는 금속 지지체(12)에 의하여 결합되게 한 것으로, 분말 활성탄 전극물질(14)은 슬러리 상태의 전극물질을 아래에서 상세히 설명되는 코팅 및 압착 공정을 통하여 입자 상호간의 접촉이 긴밀해진 상태로 고착되어 고체상태로 금속 지지체(12)에 결합되고, 이와 같은 금속 지지체(12)는 중심이 일치되게 하여 금속 케이스(20)(20')에 용접하여 결합함으로써 전기이중층 캐패시터의 단위셀(50)을 구성하는 구성요소 간을 물리적으로 그리고 전기적으로 안정되게 견고히 결합한 것임에 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 금속 지지체(12)는 일반 전해콘덴서의 정전용량 측정 기준에서 600~6000㎌의 용량을 나타내는 수준이며, 두께는 10~150㎛ 수준인 것을 특징으로 한다. 두께가 10㎛ 미만이면 금속 케이스(20)(20')와의 용접이 어려워지고, 150㎛을 넘으면 분극성 전극체(10) 자체의 두께가 두꺼워질 뿐만 아니라 금속 케이스(20)(20')와 분말 활성탄 전극물질(14)의 간격이 멀어져 이들 두 구성요소 간의 전기전도도가 저하된다.
상기 금속 지지체(12)의 요홈부(12a)는 피팅(pitting) 또는 에칭(etching)하는 방법으로 형성된다. 이러한 요홈부(12a)는 분말 활성탄 전극물질(14)과 금속 지지체(12)의 접촉면적을 크게 하여 두 구성요소 간에 전기전도를 향상시키고, 이들을 더욱 견고하게 결합시킨다.
또한, 상기 금속 지지체(12)는 그 재질이 이에 결합되는 금속 케이스(20)(20')와 동일 재질임을 특징으로 한다. 이는 분극성 전극체(10)와 금속 케이스(20)(20')가 동일 재질의 금속-금속 접촉으로 전기전도가 이루어질 수 있도록 하여 전기적으로 우수한 특성을 나타내게 한다.
금속 지지체(12)의 요홈부(12a)가 형성된 면에는 분말 활성탄 슬러리를 롤 코터(roll coater) 또는 나이프 코터(knife coater) 등을 사용하여 20~200㎛의 두께로 코팅하고, 40~200℃의 온도에서 건조시켜 분말 활성탄 전극물질(14)이 고착된다. 상기 분말 활성탄 슬러리는 분말 활성탄에 전해액, 바인더 및 도전성 첨가제를 혼합한 페이스트상의 전극물질이며, 이는 하기 압착 공정에 따라 금속 지지체(12)에 더욱더 견고하게 고착된다.
후속하여 코팅된 면에 100~250℃의 온도로 가열된 롤(heating roll)을 사용하여 압착한다. 이와 같이 가열된 롤을 사용하여 압착 공정을 수행함에 따라 분말 활성탄 전극물질(14)은 요홈부(12a)에 충분히 삽입, 결합되어 금속 지지체(12)에 완전 고착되어 일체화된다. 이와 더불어, 분말 활성탄 입자 상호간은 충분히 밀착되어 입자 상호간의 접촉이 긴밀해지고, 단위 체적당 분말 활성탄 입자의 밀도가 증가됨에 따라 접촉저항이 감소된다. 이는 결국 전기이중층 캐패시터의단위셀(50)의 내부저항이 감소되는 효과를 발휘한다.
위와 같이 압착 공정을 거친 분극성 전극체(10)는 일정한 형상을 갖도록 재단되고, 이에 상응하는 형상의 금속 케이스(20)(20')에 내장시켜 중심이 일치되도록 하여 (+)용접단자(7)와 (-)용접단자(8)를 이용하여 용접된다. 이와 같이, 분극성 전극체(10)가 내장된 상부 금속 케이스(20) 및 하부 금속 케이스(20')는 세퍼레이터(30) 및 가스킷(40)에 의하여 절연되고 가압시켜 결합됨으로써 하나의 단위셀(50)이 형성된다.
또한 본 발명에 따르면, 금속 케이스(20)(20')는 SUS합금 표면에 Al, Ni, Ta 또는 Ti 등의 금속을 0.01~0.1mm로 코팅하여 사용하는 것이 바람직하다. 통상, 금속 케이스는 SUS304, SUS316 등의 SUS합금이 사용되고 있는데, 이와 같이 Al, Ni, Ta 또는 Ti 등의 금속을 코팅하여 사용하게 되면 용접 시 부식이 방지되고, 자연 금속 전위차가 형성되는 것을 방지할 수 있다. 이러한 코팅 금속은 제품의 종류에 따라 선택적으로 사용할 수 있다. 일례를 들면, 상기 집전체의 역할을 하는 금속 지지체(12)의 재질이 알루미늄 박(aluminum foil)으로 된 것을 사용하는 경우, 이에 따라 금속 케이스(20)(20')는 SUS합금 표면에 알루미늄을 용융 코팅하여 사용한다.
하기 [표 1]은 도 4a, 도 4b(제1 종래기술) 및 도 5(제2 종래기술)에 보인 종래의 구성에 따른 전기이중층 캐패시터의 단위셀과 본 발명에 따른 전기이중층 캐패시터의 단위셀(50)의 정전용량, 누설전류 및 내부저항을 비교한 것이다.
정전용량(F) 누설전류(㎂) 내부저항(Ω)
제1 종래기술 0.041 100 100
제2 종래기술 0.044 110 97
본 발명 0.054 95 88
전술한 바와 같이, 본 발명은 전기이중층 캐패시터의 단위셀을 구성함에 있어서, 접착제를 사용하거나 금속 플라즈마 용사 공정이 배제되어 이에 따른 편심현상이나 공정의 복잡함이 없으며, 금속 케이스와 분리되지 않고, 물리적으로 그리고 전기적으로 완전 결합된 전기이중층 캐패시터를 제공한다.
또한, 분극성 전극체(10)와 금속 케이스(20)(20')가 금속 지지체(12)에 의한 동일 재질의 금속-금속 접촉에 의한 전기전도가 이루어질 수 있도록 하여 전기적으로 우수한 특성을 갖는다. 이와 더불어, 금속 지지체에 코팅, 고착된 분말 활성탄 전극물질을 가열된 롤을 사용하여 압착 공정을 수행함으로써 전극물질의 전극 밀도를 증가시켜 접촉저항이 감소되어 단위셀의 내부저항이 감소되는 효과를 발휘한다.
상기 [표 1]에 보인 바와 같이, 종래의 구성에 따른 전기이중층 캐패시터의 단위셀과 비교하여 우수한 정전용량, 내부저항 및 누설전류를 나타내고 있음을 알 수 있다.

Claims (4)

  1. 원판 형상의 저면부(21)(21')와 이로부터 연장된 원통형의 측벽(22)으로 구성되는 금속 케이스(20)(20')와; 집전체의 금속 지지체(12)와, 상기 금속 지지체(12)에 분말 활성탄, 전해액, 바인더 및 도전성 첨가제로 이루어진 페이스트상의 전극물질이 도포되어 형성된 분말 활성탄 전극물질(14)로 구성되는 분극성 전극체(10)와; 이온(ion) 전도만 가능케 하는 다공성 재질의 세퍼레이터(30) 및 절연, 단락 방지를 위한 가스킷(40)으로 구성되는 전기이중층 캐패시터에 있어서,
    상기 분극성 전극체(10)가 금속 케이스(20)(20')와 동일한 재질이고 어느 한 면에 피팅 또는 에칭되어 다수개의 요홈부(12a)가 형성된 금속 지지체(12)와, 상기 금속 지지체(12)의 요홈부(12a)가 형성된 면에 분말 활성탄, 전해액, 바인더 및 도전성 첨가제를 혼합한 슬러리를 코팅 및 고착시키고, 100~250℃의 온도로 가열된 롤을 사용하여 압착시켜 형성된 분말 활성탄 전극물질(14)로 이루어지고, 이와 같은 분극성 전극체(10)를 상기 금속 케이스(20)(20')에 중심이 일치되도록 하여 용접, 결합하여 형성한 것을 특징으로 하는 전기이중층 캐패시터.
  2. 제 1항에 있어서, 금속 케이스(20)(20')가 SUS합금 표면에 Al, Ni, Ta 또는 Ti 금속이 0.01~0.1mm로 코팅된 것을 특징으로 하는 전기이중층 캐패시터.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 금속 지지체(12)가 10~150㎛의 두께인 것을특징으로 하는 전기이중층 캐패시터.
  4. 원판 형상의 저면부(21)(21')와 이로부터 연장된 원통형의 측벽(22)으로 구성되는 금속 케이스(20)(20')와; 집전체의 금속 지지체(12)와, 상기 금속 지지체(12)에 분말 활성탄, 전해액, 바인더 및 도전성 첨가제로 이루어진 페이스트상의 전극물질이 도포되어 형성된 분말 활성탄 전극물질(14)로 구성되는 분극성 전극체(10)와; 이온(ion) 전도만 가능케 하는 다공성 재질의 세퍼레이터(30) 및 절연, 단락 방지를 위한 가스킷(40)으로 구성되는 전기이중층 캐패시터의 제조 방법에 있어서,
    분말 활성탄에 전해액, 바인더 및 도전성 첨가제를 혼합하여 분말 활성탄 슬러리를 제조하는 단계와,
    금속 케이스(20)(20')와 동일한 재질로 된 금속 지지체(12)의 어느 한 면에 피팅 또는 에칭시켜 다수개의 요홈부(12a)를 형성시키는 단계와,
    상기 금속 지지체(12)의 요홈부(12a)가 형성된 면에 분말 활성탄 슬러리를 코팅 및 건조시키는 단계와,
    후속하여, 코팅이 형성된 면을 100~250℃의 온도로 가열된 롤을 사용하여 압착시켜 분극성 전극체(10)를 제조하는 단계와,
    상기 분극성 전극체(10)를 금속 케이스(20)(20')에 상응하는 크기로 재단하여 금속 케이스(20)(20')와 중심이 일치되게 하여 용접하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기이중층 캐패시터의 제조 방법.
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