KR200248116Y1 - 전기 이중층 소자 - Google Patents

Abstract

본 고안은 양전극판(10) 및 음전극판(30)을 각각 격리시키는 세퍼레이터(20)를 일측이 개방된 수납홈(21)을 갖는 봉지형으로 제공하고, 수납홈(21)의 수납면적을 양전극판(10) 또는 음전극판(30)의 표면적과 일치시켜 종래에 발생하였던 양전극판(10)과 음전극판(30)의 적층시의 편심 배열 등을 극복할 수 있도록 하고 양전극판(10) 및 음전극판(30)의 적층 배열을 더욱 용이하게 이룰 수 있도록 하며 전기 이중층 소자의 전기적인 특성을 크게 향상시킬 수 있도록 한 전기 이중층 소자에 관한 고안이다.

Description

전기 이중층 소자{ELECTRIC DOUBLE LAYER PARTS}

본 고안은 전기 이중층 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양전극판과 음전극판의 적층시의 편심 배열 등을 극복할 수 있고 양전극판 및 음전극판의 적층 배열을 더욱 용이하게 이룰 수 있으며 전기 이중층 소자의 전기적인 특성을 크게 향상시킬 수 있는 전기 이중층 소자에 관한 것이다.

일반적으로 전기 이중층(electric double layer)은 물체의 박막 층에서 한쪽 면에 양전하 그리고 다른 쪽 면에 음전하가 연속적으로 위치되거나 면밀도가 같은 상태로 분포되어 있는 것을 일컫는 것으로, 주로 전기 쌍극자(雙極子)로 이루어진 이중층을 말한다. 통상적으로 서로 다른 물질 상의 경계에서는 전하의 재배열이 일어나고 전기 이중층이 형성된다..

그리고, 고체상태의 전극과 액체상태의 전해질 수용액의 계면(界面)에서는 용액 중의 양이온 또는 음이온 어느 한쪽의 선택적인 흡착이나 고체표면 분자의 해리(解離), 쌍극자의 계면으로의 배열흡착 등이 전기 이중층 형성의 원인이 되기도 한다. 이것을 헬름홀츠(Helmholtz)층이라 한다. 이 전기 이중층은 여러 가지의 계면전기화학현상, 즉 전극반응·계면동전현상(界面動電現象; 계면전기영동현상)·콜로이드의 안정성 등과도 밀접한 관계를 가진다.

이러한 전기 이중층을 이용한 소자로는 대표적으로 커패시터 및 전지를 들 수 있다.

예를 들어 전기 이중층 커패시터는 활성탄 전극과 유기계 전해질의 경계면에 정전층을 만들어 전기 이중층 상태를 유전체의 기능으로 이용해 전지와 마찬가지로 전기를 축적시키는 기능을 하는 것으로, 고체전극과 고체 또는 액체상태의 전해질 사이에 발생하는 전기 이중층에 축적되는 전하를 이용하고, 용도와 활용면에서 여러 분야에서 주목을 받고 있다. 특히, 커패시터의 경우는 전지와 비교해 에너지밀도는 낮지만 순간적으로 높은 출력을 나타내는 파워밀도 면에서 우수한 특성을 보이고 있으며, 수십만회를 웃도는 반영구적인 수명 등으로 여러 분야로의 응용이 기대된다.

전기 이중층 캐패시터의 원리로서는 한쌍의 고체전극을 전해질이온 용액중에 넣어서 직류전압을 걸어주면 양극으로 분극된 전극에는 음이온이, 음극으로 분극된 전극에는 양이온이 정전적으로 유도되어 전극과 전해질 계면에 전기 이중층을 형성하게 된다. 특히, 활성탄의 경우에는 무수히 많은 세공이 분포해 전기 이중층이 자연스럽게 형성된다. 이와 같이 저장된 전하는 식 1에 의해 그 정전용량을 계산할 수 있다.

(ε₀; 공기 유전율, ε; 전해질 유전율, σ; 전해질이온반경, S ; 전극 비표면적)

전기 이중층 커패시터에서 용량을 결정짓는 요인을 살펴본다면 식 1에서 보는 바와 같이 전극의 비표면적이 클수록, 전해질의 유전율이 클수록, 그리고 이중층 형성시의 이온의 반경이 작을수록 큰 용량을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 그 외에 전극의 내부저항, 전극의 세공분포와 전해질 이온간의 관계 또는 내전압 등에 의해 정전용량이 결정된다.

그리고, 전기 이중층 커패시터의 구성은 전극, 세퍼레이터, 전해질, 집전체와 케이스로 구성된다. 이중에서 커패시터의 가장 핵심이 되는 부분은 전극에 사용되는 재료의 선택이라 할 수 있으며, 물론 여러 다른 구성요소들에 의해 정전용량 역시 변하게 된다. 전극재료는 전기전도성이 크고 비표면적이 높아야 하며 전기화학적으로 안정하여야 한다.

다음으로, 전기 이중층을 이용한 전지(battery)는 그 내부에 들어있는 화학물질(활물질; active material)의 화학 에너지를 전기 화학적 산화-환원반응(redox reaction)을 통하여 전기 에너지(electrical energy)로 변환하는 소자를 말한다.

전지는 두 개 이상의 전기 화학적 셀(cell)의 집합체를 나타내지만, 보통 단위 전지(single cell)에도 사용되고 있다. 이러한 전지는 화학반응 대신 전기 화학반응이 일어나 전자가 도선을 통하여 외부로 흐를 수 있도록 이루어져 있으며, 도선을 통하여 흐르는 전자는 전기 에너지의 원천이 되어 전기적인 유용함을 제공한다.

더욱 구체적으로, 전지는 양극(cathode or positive electrode)과 음극(anode or negative electrode)이라는 활물질 들을 가지고 있고, 세퍼레이터에 의해 서로 떨어져 있으며, 또한 두 전극사이의 이온 전달을 가능하게 하는전해질(electrolyte)에 담겨져 있다. 전등, 기계 및 기구 등을 작동하기 위해서는 전지의 두 전극 사이에 충분한 전압과 전류가 생성될 수 있도록 적절한 전극물질과 전해질이 선정되어 특별한 구조로 배열되어져야 한다.

예를 들어, 외부 도선으로부터 전자를 받아 양극 활물질이 환원되는 양극과, 음극 활물질이 산화되면서 도선으로 전자를 방출하는 음극, 그리고 양극의 환원반응 및 음극의 산화반응이 화학적 조화를 이루도록 물질의 이동을 가능하게 하는 전해질, 더불어 양극과 음극의 물리적 접촉 방지를 위한 세퍼레이터 등이 상호 작용되어 화학적 에너지를 전기적 에너지로 제공할 수 있도록 배열되어야 하는 것이다.

이와 같이 배열된 전지의 음극은 기본적으로 전자를 내어주고 자신은 산화되며, 양극은 전자를 받아(양이온과 함께) 자신은 환원되어 전지가 외부 부하와 연결되어 작동할 때 두 전극은 각각 전기 화학적으로 변화를 일으켜 전기적인 일을 하게 된다.

이때, 음극의 산화반응에 의해 생성된 전자는 외부 부하를 경유하여 양극으로 이동하고 양극에 이르러 양극 물질과 환원반응을 일으켜, 전해질 내에서 음극과 양극 방향으로의 anion(negative ion)과 cation(positive ion)의 물질이동에 의한 전하의 흐름을 완성한다. 이렇게 전해질 내부에서는 외부도선에서 계속해서 전하가 흐르도록 반응을 일으키고 이에 힘입어 그 전하로의 전기적인 일을 하게 되는 것이다.

전지는 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와 고분자 전해질 전지로 분류할 수 있으며, 일반적으로는 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 배터리,고분자 전해질을 사용하는 경우는 리튬 폴리머 배터리라고 한다.

상술한 바와 같은 전기 이중층을 이용한 커패시터 및 전지를 본 고안에서는 통칭하여 전기 이중층 소자라 정의하고, 이하 종래 기술에 따른 전기 이중층 소자의 구조 및 제조과정을 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한다.

도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 전기 이중층 소자의 제조과정을 나타내는 공정도이다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 종래 기술에 따른 전기 이중층 소자(1)는 양극 집전체(예를 들면 알루미늄 호일)의 표면에 양극 슬러리를 투여하여 제조된 양전극판(2)과, 음극 집전체(예를 들면 구리 호일)의 표면에 음극 슬러리를 투여하여 제조된 음전극판(4)을 세퍼레이터(3)를 사이에 두고 교호로 적층한 후 양전극판(2)의 양극탭(2a)에 양극 리드단자(2b)를 부착하고 음전극판(4)의 음극탭(4a)에 음극 리드단자(4b)를 부착하여 알루미늄 백(5)으로 열압착하므로써 그 제조를 완성한다.

이때, 상기 세퍼레이터(3)는 양전극판(2) 및 음전극판(4) 상호간을 더욱 안전하게 격리시키기 위하여 통상적으로 양전극판(2) 및 음전극판(4)의 넓이보다 미세하지만 더욱 큰 면적으로 이루어져야 하고, 이로 인하여 양전극판(2) 및 음전극판(4)을 적층 배열하고자 할 때 양전극판(2) 또는 음전극판(4)이 세퍼레이터(3)로부터 한쪽으로 치우침, 즉 좌심 또는 우심 등의 편심 배열이 발생하기도 한다.

이와 같은 현상을 방지하기 위하여 양전극판(2) 및 음전극판(4)을 적층할 때마다 간격조절을 하여야만 하고, 이와 같은 조절을 제조작업 중에 매번 수행함에도불구하고 여전히 세퍼레이터(3)로부터 양전극판(2) 또는 음전극판(4)이 한쪽으로 치우치거나 좌심 및 우심 등과 같이 편심 배열되어 전기 이중층 소자(1)의 제기능에 악영향, 즉 정전용량의 감소, 전기적 저항의 증가 또는 전기적 성능의 불량 등이 나타나는 문제점이 대두되었다.

본 고안은 상기와 같은 단점을 극복하기 위하여 기획된 것으로, 양전극판 및 음전극판을 각각 격리시키는 세퍼레이터를 일측이 개방된 수납홈을 갖는 봉지형으로 제공하고 수납홈의 수납면적을 양전극판 또는 음전극판의 표면적과 일치되도록 하여 양전극판 및 음전극판의 적층 배열을 더욱 용이하게 이룰 수 있으며 전기 이중층 소자의 전기적인 특성을 크게 향상시킬 수 있도록 하는 것을 그 목적으로 한다.

도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 전기 이중층 소자를 설명하기 위한 제조과정을 나타내는 공정도.

도 2a 내지 도 2e는 본 고안에 따른 전기 이중층 소자를 설명하기 위한 제조과정을 나타내는 공정도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 양전극판 11 : 양극탭

11a : 양극 리드단자 20 : 세퍼레이터

21 : 수납홈 30 : 음전극판

31 : 음극탭 31a : 음극 리드단자

40 : 알루미늄 백

상기 목적을 달성하기 위한 본 고안은,

세퍼레이터를 사이에 두고 교호로 적층된 양전극판 및 음전극판을 열압착하는 알루미늄 백을 포함하여 이루어진 전기 이중층 소자에 있어서,

상기 세퍼레이터는 상기 양전극판 또는 음전극판을 각각 받아들일 수 있도록 일측이 개방된 수납홈을 갖는 봉지형인 것을 그 기술적 구성상의 기본 특징으로 한다.

이하, 본 고안에 따른 전기 이중층 소자를 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.

도 2a 내지 도 2e는 본 고안에 따른 전기 이중층 소자를 설명하기 위한 제조과정을 나타내는 공정도이다.

본 고안에 따른 전기 이중층 소자는 도 2에 도시된 바와 같이 양극 리드단자(11a) 및 음극 리드단자(31a)가 각각 접속되는 양극탭(11) 및 음극탭(31)을 구비한 양전극판(10) 및 음전극판(30)을 포함하고, 이들 양전극판(10) 및 음전극판(30)은 세퍼레이터(20)를 사이에 두고 교호로 적층된 후 알루미늄 백(40)으로 열압착되어 전기 이중층으로 된 소자를 완성하게 된다.

이때, 세퍼레이터(20)는 양전극판(10) 또는 음전극판(30)을 각각 받아들일 수 있도록 일측이 개방된 수납홈(21)을 갖는 봉지형인 것이 바람직하고, 수납홈(21)의 수납면적은 양전극판(10) 또는 음전극판(30)의 표면적과 일치한다.

이와 같이 양전극판(10) 및 음전극판(30)을 격리시키기 위한 세퍼레이터(20)가 양전극판(10) 및 음전극판(30)을 각각 받아들일 수 있는 수납홈(21)을 갖는 봉지형으로 이루어지므로써 종래에 발생하였던 양전극판(10)과 음전극판(30)의 적층시의 편심 배열 등을 극복할 수 있게 되고, 양전극판(10) 및 음전극판(30)의 적층 배열이 더욱 용이하게 이루어질 수 있게 되어 전기 이중층 소자의 전기적인 특성의 향상과 더불어 그 제조 작업시의 용이함이 한층 배가된다.

상술한 바와 같은 본 고안에 따른 전기 이중층 소자의 제조과정을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 양전극판(10) 및 음전극판(30)의 면적과 일치하는 개별 수납홈(21)을 갖도록 이중으로 된 격리지를 포개어 일측이 개방되게 밀봉시키는 개별 세퍼레이터(20)를 제조한 다음(S1), 이 개별 세퍼레이터(20)의 수납홈(21)에 양전극판(10) 및 음전극판(30)을 각각 끼워 넣는다(S2).

그리고, 양전극판(10) 및 음전극판(30)이 각각 끼워진 세퍼레이터(20)를 교호로 적층시킨 후(S3), 양전극판(10)의 양극탭(11)과 음전극판(30)의 음극탭(31)에 양극 리드단자(11a) 및 음극 리드단자(31a)를 각각 부착한다(S4).

이어서, 세퍼레이터(20)의 수납홈(21)에 수납되어 교호로 적층된 양전극판(10) 및 음전극판(30)을 알루미늄 백(40)으로 열압착하므로써 본 고안의 일 실시예에 따른 전기 이중층 소자를 완성할 수 있게 된다(S5).

위와 같은 공정에 의하여 제조된 본 고안에 따른 전기 이중층 소자는 양전극판(10) 및 음전극판(30)의 적층시 특별히 그 중심을 맞추지 않아도 세퍼레이터(20)의 정렬만으로 충분히 상하 적층의 정확성을 기할 수 있고, 더불어 그 제조과정에 있어서의 용이함을 함께 발휘할 수 있을 뿐만 아니라 정전용량, 저항 등과 같은 전기적 성능의 개선을 크게 기대할 수 있게 된다.

이상에서와 같이 본 고안에 따른 전기 이중층 소자는 양전극판(10) 및 음전극판(30)을 각각 격리시키는 세퍼레이터(20)를 일측이 개방된 수납홈(21)을 갖는 봉지형으로 제공하고, 수납홈(21)의 수납면적을 양전극판(10) 또는 음전극판(30)의 표면적과 일치시켜 종래에 발생하였던 양전극판(10)과 음전극판(30)의 적층시의 편심 배열 등을 극복할 수 있게 될 뿐만 아니라 양전극판(10) 및 음전극판(30)의 적층 배열을 더욱 용이하게 이룰 수 있으며, 전기 이중층 소자의 전기적인 특성을 크게 향상시킬 수 있고, 더불어 그 제조 작업시의 용이함을 한층 배가시킬 수 있다.

그리고, 양전극판(10) 및 음전극판(30)의 적층시 특별히 그 중심을 맞추지 않아도 세퍼레이터(20)의 정렬만으로 충분히 상하 적층의 정확성을 얻을 수 있고, 더불어 그 제조과정에 있어서의 용이함을 함께 발휘할 수 있을 뿐만 아니라 정전용량, 저항 등과 같은 전기적 성능의 개선을 크게 기대할 수 있다.

Claims (2)

1. 세퍼레이터(20)를 사이에 두고 교호로 적층된 양전극판(10) 및 음전극판(30)을 열압착하는 알루미늄 백(40)을 포함하여 이루어진 전기 이중층 소자에 있어서,

   상기 세퍼레이터(20)는 상기 양전극판(10) 또는 음전극판(30)을 각각 받아들일 수 있도록 일측이 개방된 수납홈(21)을 갖는 봉지형인 것을 특징으로 하는 전기 이중층 소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 수납홈(21)의 수납면적은 상기 양전극판(10) 또는 음전극판(30)의 표면적과 일치하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 소자.