KR20040100991A - 전기 이중층 커패시터 및 전기 이중층 커패시터 적층체 - Google Patents

전기 이중층 커패시터 및 전기 이중층 커패시터 적층체 Download PDF

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KR20040100991A
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류이치 카사하라
마사코 오야
마코토 우노
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엔이씨 도낀 가부시끼가이샤
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Abstract

한 쌍의 콜렉터들, 상기 콜렉터들 사이에 삽입된 한 쌍의 분극성 전극들을 가지고, 상기 분극성 전극들 사이에 삽입된 분리기와 서로 면하는 전기 이중층 커패시터에서, 각각의 콜렉터는 금속 호일 및 금속 호일과 분극성 전극 사이에 위치한 전도성 폴리머층을 가진다. 전도성 폴리머층은 분극성 전극과 동일한 전도성 폴리머에 의해서 형성된다.

Description

전기 이중층 커패시터 및 전기 이중층 커패시터 적층체{ELECTRIC DOUBLE LAYER CAPACITOR AND ELECTRIC DOUBLE LAYER CAPACITOR STACKED BODY}
본 출원은 일본출원 JP 2003-141837호에 기초한 우선권을 주장하고, 상기 기초출원의 개시는 참조로 여기에 합쳐진다.
본 발명은 전기 이중층 커패시터 및 그것의 적층체에 관한 것이다.
일반적으로, 전기 이중층 커패시터는, 유전 물질로 전기 전하를 가진 고체 및 고체와 접촉된 전해질 용액 사이의 계면 상에 형성되고, 대략 나노미터 두께의 전기 이중층을 사용한다. 상기 전기 이중층은 1cm2당 수십 ㎌의 용량을 가지고, 수백 부터 수천 F까지의 비교적 큰 용량은, 전극으로 수천 m2의 표면적을 가지는 활성 카본을 사용함으로써 달성될 수 있다.
설명된 형태의 전기 이중층 커패시터는 다음 특성들을 가지고, 실제로 사용되어 왔고, 전기 이중층 커패시터에 대한 또 다른 연구는 성능을 개선하기 위해서 실행된다.
(1) 용량 악화는 충전 및 방전을 반복하는 사이클 동안에, 감소될 수 있다.
(2) 큰 출력 파워는 보통의 배터리와 비교해서 개시 후에, 즉시 얻을 수 있다.
현재 이용하는 작은 크기를 가지는 전기 이중층 커패시터는 삼투성 종이로 형성된 분리기(separator)가 한 쌍의 콜렉터들 사이에 고정된 구조를 가지고, 콜렉터들 각각은 표면 위에 형성된 활성 카본을 포함하는 분극성 전극층에 부착된다.전해질 용액은 각각의 분극성 전극들로 스며들고, 각각의 분극성 전극들의 주변부는 가스켓(gasket)으로 밀폐된다. 상기 언급된 구조를 가지는 전기 이중층 커패시터의 구조상의 엘리먼트는 자주 셀 유닛으로 언급된다. 다수의 셀 유닛들은 적층 방식으로 사용되고, 금속 용기에 하우징되고, 캡 및 가스켓으로 밀폐됨으로써 동전 형태로 또한 형성될 수 있다.
규정된 저항 전압을 달성하기 위해서, 적어도 2개의 전기 이중층 커패시터가 규정된 저항 전압을 고려해서 직렬로 라미네이트(laminate)되거나 또는 적층(stack)되고, 전기 이중층 커패시터-라미네이트체 또는 적층체로 구성된다.
전기 이중층 커패시터 및 전기 이중층 커패시터 라미네이트 또는 적층체는 메모리 유닛들의 백업과 같은 비교적 작은 전류를 사용하는 목적으로 사용된다. 최근의 기대들은 자동차에서의 에너지 재생성 및 전자 디바이스들에서의 중단 없는 파워 공급과 같은 큰 전류를 요구하는 어플리케이션에 관심을 갖는다. 큰 전류가 흐르도록 유도하기 위해서, 전극 및 콜렉터를 얇게 만들고, 등가 직렬 저항을 줄이는 것이 요구되고, 등가 직렬 저항은 여기서 나중에 ESR로 언급된다. 또한, 전자 디바이스들에서 소형화의 장점들로, 전기 이중층 커패시터는 두께에 있어서 얇은 것이 또한 요구된다.
또한, 종래의 전기 이중층 커패시터-적층체는 몸체가 높은 온도에서 사용되는 동안, 전해질 용액의 용매의 증발(드라이-업) 및 액체 누출이 콜렉터와 단자 플레이트 사이의 계면 및 인접한 전기 이중층 커패시터들 사이의 계면으로부터 일어나는 원인이 된다. 이는 ESR의 증가를 가져온다. 상기 단점을 해결하기 위해서,언급된 단자 플레이트를 가지는 전기 이중층 커패시터를 가압하는 것이 효과적이지만, 그러나 풀림(looseness)이 시간의 경과에 따라서 전기 이중층 커패시터에서 발생한다. 결과적으로, 드라이-업 및 액체 누출이 미리 언급된 계면들에서 발생하는 원인이 되고, ESR의 증가는 피할 수 없게 초래된다.
상기에 대한 대응책으로, 여기서 후에 참조1로 언급되는 JP-A07-161589호는 접착제(adhesive)가 계면들에서 접착성을 유지하기 위해서 코팅되는 것을 개시했다. 특히, 분극성 전극이 참조1에서 전도성 접착층을 통해서 분리기 또는 콜렉터로 역할할 수 있는 전도성 재료에 부착된다. 또한, 분극성 전극은 활성 카본, 비정형 카본, 및 팽창(expanded) 카본으로 구성된 카본 재료에 의해서 형성되고, 전도성 접착층이 수지 및 팽창 카본에 의해서 형성된다. 그러나, 참조1에는 콜렉터들의 특성들의 감소에 대한 고려가 전혀 없다. 또한, 참조1에는 수지 및 팽창 카본의 전도성 접착층이 바인더로 역할하는 비정형 카본을 포함하는 분극성 전극 위에 코팅되고, 발화되어 소결되는 것이 주목된다. 상기 구조에서, 분극성 전극 및 전도성 접착층 사이의 접착이 긴 수명을 보장할 만큼 충분하지 않다는 것이 발견되었다. 또한, 상기 전도성 접착층을 사용하는 것은 제조 비용의 증가 및 특성들의 감소를 가져온다.
접착제가 가스켓의 일부 위에 유사한 방식으로 코팅되는 경우에, 동일한 문제점들을 피할 수 없다.
또한, 황산과 같은 산성 수용액이 전해질 용액으로 사용될 때,탄성체(elastomer)시리즈의 재료가 일반적으로 콜렉터로 사용되고, 가스투과성이 높다. 결과적으로, 상기 재료는 높은 가스투과성 때문에 발생하는 전해질 용액의 용매의 드라이-업을 유발하기 쉽다.
본 발명의 목적은 전기 이중층 커패시터 및 전기 이중층 커패시터-적층체를 제공하는 것이고, 그것들 각각은 두께가 얇고, 콜렉터들과 단자 플레이트들 사이의 계면들 및 인접한 전기 이중층 커패시터들 사이의 계면들으로부터, 제조 비용의 증가 없이 드라이-업의 발생을 효과적으로 피할 수 있다.
본 발명은 상기 언급된 목적들을 달성하기 위해서, 콜렉터들의 구성들, 전기 이중층 커패시터에 포함된 분극성 전극들, 및 계면들에서 결합 구조들을 재고려하여 만들어진다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 전극들 사이에 삽입된 분리기와 서로 면하는 한 쌍의 분극성 전극들을 포함하는 전기 이중층 커패시터, 콜렉터들 사이에 삽입된 한 쌍의 분극성 전극들과 면하는 한 쌍의 콜렉터들, 및 한 쌍의 분극성 전극들의 주변부에 위치한 가스켓이 제공된다. 본 발명의 또 다른 태양에서, 콜렉터들 각각은 금속 호일 및 금속 호일의 한 쪽 표면 위에 형성된 폴리머 재료의 전기-전도성 층을 포함한다. 분극성 전극들 각각은 전기-전도성 층의 폴리머 재료와 동일한 폴리머 재료를 포함한다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 다수 또는 적어도 2개의 전기 이중층이 적층된 커패시터를 포함하는 전기 이중층 커패시터-적층체가 제공된다. 본 발명의 또 다른 태양에서, 전기 이중층 커패시터들 각각은, 전극들 사이에 삽입된 분리기와 서로 면하는 한 쌍의 분극성 전극들, 콜렉터들 사이에 삽입된 한 쌍의 분극성 전극들과 서로 면하는 한 쌍의 콜렉터들, 및 한 쌍의 분극성 전극들의 주변부에 위치한 가스켓을 포함한다. 콜렉터들 각각은 금속 호일 및 금속 호일의 한 쪽 표면 위에 형성된 폴리머 재료의 전기-전도성 층을 포함한다. 분극성 전극들 각각은 전기-전도성 층의 폴리머 재료와 동일한 폴리머 재료를 포함한다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 분리기, 전극들 사이에 삽입된 분리기와 서로 면하는 한 쌍의 분극성 전극들, 콜렉터들 사이에 삽입된 한 쌍의 분극성 전극들과 서로 면하는 한 쌍의 콜렉터들, 및 각각의 분극성 전극들의 주변부에 위치한 가스켓을 포함하는 전기 이중층 커패시터를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 태양에서, 상기 방법은, 가스켓을 콜렉터로 사용된 금속 호일의 한 쪽 표면 상에 가스켓으로 커버되지 않고 부분적으로 남겨진 금속 호일로 프레싱하고 결합하는 단계; 제 1 전도성 폴리머 재료를 용매로 분산시키고 용해함으로써 제 1 슬러리(slurry)를 얻는 단계; 제 1 슬러리를 가스켓으로 커버되지 않은 금속 호일의 일부분 상에 코팅하는 단계; 제 1 슬러리를 제 1 전도성 폴리머층으로 드라이하는 단계; 활성 카본 및 제 1 전도성 폴리머 재료와 동일한 제 2 전도성 재료를 용매로 분산시키고 용해함으로써 제 2 슬러리를 얻는 단계; 제 2 슬러리를 제 1 전도성 폴리머층으로 코팅하는 단계; 제 2 슬러리를 제 1 라미나(lamina)을 형성하기 위해서 분극성 전극으로 드라이하는 단계; 제 1 라미나와 구조가 동일한 제 2 라미나를 준비하는 단계; 제 1 및 제 2 라미나들의 분극성 전극들이 전극들 사이에 삽입된 분리기와 서로 면하는 단계; 및 커패시터 엘리먼트들 얻기 위해서 각각의 콜렉터를 가스켓에 프레싱하고 결합하는 단계를 포함한다.
도 1은 종래의 전기 이중층 커패시터를 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전기 이중층 커패시터의 기본 구성의 예를 도시하는 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 전기 이중층 커패시터의 부분 확대도이다.
도 4는 적층막으로 밀폐된 본 발명의 전기 이중층 커패시터의 예를 도시하는 단면도이다.
도 5는 적층막으로 밀폐된 본 발명의 전기 이중층 커패시터-적층체의 예를 도시하는 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
7: 분리기 11: 콜렉터
13: 가스켓 17: 단자 플레이트
15: 셀 유닛 21: 전기 이중층 커패시터
23: 활성 카본 25: 폴리머 재료
27: 분극성 전극 29: 폴리머 재료층
본 발명의 실시예를 설명하기 전에, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 종래 기술에 따른 전기 이중층 커패시터-적층체가 도 1 을 참조하여 설명된다.
도 1 에 도시된 것처럼, 종래의 전기 이중층 커패시터(5)는 분리기(7), 전극들 사이에 삽입된 분리기(7)로 배치된 한 쌍의 분극성 전극들(9), 콜렉터들 사이에 삽입된 분극성 전극들로 배치된 한 쌍의 콜렉터(11) 및 분리기(7) 및 분극성 전극들(9)의 주변부들에 배치된 가스켓(13)을 가지고, 이는 셀 유닛(15)을 구성한다. 단자 플레이트(17)는 콜렉터(11)과 접촉하여 배치된다. 전문 용어의 통일성을 위해서, 여기서 후에, 셀 유닛(15)은 전기 이중층 커패시터로 언급되고, 서로 적층된 다수의 셀 유닛들을 포함하는 엘리먼트는 전기 이중층 커패시터-적층체로 언급된다.
도 1 에 도시된 전기 이중층 커패시터의 구성이 더 자세히 설명된다. 분극성 전극(9)은 전해질 용액에 안정하고, 전기전도성을 가지고, 큰 특정 표면 영역을 가지는 것이 필요하고, 따라서 파우더 활성 카본, 활성 카본 섬유들, 폴리테트라플루오르에틸렌과 같은 활성 카본을 바인더로 결합함으로써 얻어지는 재료, 활성 카본을 폴리아센(polyacene) 및 카본에 결합함으로써 얻어지는 고체 활성 카본 등으로 형성된다.
전해질 용액은 대충 수용액 시리즈 및 유기 용매 용액 시리즈로 분류된다. 전해질의 예들은 수용액 시리즈로 황산 및 수산화 나트륨, 유기 용매 용액 시리즈로 4급 암모늄염을 포함한다. 분리기는 필수적으로 전해질 용액에 잘 견뎌야 하고, 분리기의 예들은 유리 섬유들의 부직포 구조 또는 폴리올레핀 시리즈 폴리머 재료로 형성된 폴리프로필렌 섬유들 및 삼투성 막과 같은 높은 이온투과성을 가지는 전자절연막을 포함한다.
콜렉터(11)는 카본 파우더 등에 의해서 전기전도성이 부여된 폴리머 재료 또는 탄성체로 형성되고, 그 경우에 수용액 시리즈 전해질 용액이 사용되고, 금속 호일로 형성될 수 있고, 그 경우에 유기 용매 용액 시리즈 전해질 용액이 사용된다.
가스켓(13)은 전기 이중층 커패시터의 형태가 유지되는 기능을 가지고, 전해질 용액이 누출되는 것이 방지되고, 콜렉터들의 쌍에 단락회로가 발생하는 것이 방지되는 기능을 가진다.
리드 와이어에 대한 단자 플레이트(17)는 콜렉터(11)의 외부에 제공된다. 단자 플레이트(17)는 일반적으로 전기 이중층 커패시터의 내부 전기 저항을 감소시키기 위해서 전기 이중층 커패시터를 가압하기 위해서 고정된다. 가압하기 위한 방법의 예들은 어셈블리가 양 쪽으로부터 절연 가압 플레이트들에 의해서 고정되고, 너트 및 볼트로 고정되는 방법, 및 어셈블리가 플라스틱과 금속 호일의 적층막과 같은 몰드된 외부 클래딩 또는 유동막(flexible film)으로 커버된 후에, 내부를 진공상태로 만들고, 대기압을 인가하기 위해서 밀폐된다.
전기 이중층 커패시터의 저항 전압은 전해질 용액에 의존하고, 사용된 전해질의 종류에 따라서 변하는데, 수용액 시리즈의 경우에 0.6내지 1.0V 이고, 유기 용매 용액의 경우에 2.0내지 3.0V 이다. 전기 이중층 커패시터에 규정된 저항 전압을 부여하기 위해서, 다수의 전기 이중층 커패시터들이 필요한 저항 전압에 상응하게 시리즈로 적층되고, 즉 전기 이중층 커패시터 적층체로 사용된다.
본 발명의 실시예들은 도 2 내지 5 를 참조하여 설명된다.
도 2 및 3 에 도시된 것처럼, 전기 이중층 커패시터(21)는, 분리기(7), 활성 카본(23) 및 전기-전도성이 부여되고 분리기(7)를 고정하는 폴리머 재료(25)로 형성된 분극성 전극들(27), 금속 호일로 형성된 콜렉터들(11), 분극성 전극들을 고정하는 콜렉터(11)의 표면들 상에 형성된 전기-전도성 폴리머 재료층(29), 및 콜렉터(11)의 내부를 밀폐하는 가스켓(13)을 포함하는 상기 구성을 가진다.
분극성 전극들(27) 및 폴리머 재료층(29)은 서로 유사한 전기-전도성 폴리머 재료를 포함한다. 전기-전도성 폴리머 재료는 카본 블랙 및 올레핀 코폴리머의 혼합물로 만들어진다. 전기-전도성 폴리머 재료층은 슬러리를 형성하기 위해서 상기 혼합물을 용매로 분산시키고, 금속 호일로 만들어진 콜렉터(11)의 표면에 상기 슬러리를 적용하고, 적용된 상기 슬러리를 드라이함으로써 만들어진다.
반면에, 분극성 전극들(27) 각각은 슬러리를 형성하기 위해서 상기 혼합물 및 활성 카본을 용매들에 분산시키고, 상기 슬러리를 콜렉터(11)의 표면 상에 형성된 전기-전도성 폴리머층의 표면에 적용하고, 적용된 슬러리를 드라이함으로써 만들어진다.
도 4 에 도시된 것처럼, 도 2 에 도시된 전기 이중층 커패시터(21)는 적층막(35)으로 밀폐된 밀폐구조(31)를 가진다. 상기 실시예에서, 콜렉터(11)는 단자 플레이트들(33)을 형성하기 위해서 연장되고, 단자 플레이트들(33) 외의 어셈블리 부분은 적층막(35)으로 밀폐된다.
도 5 에 도시된 것처럼, 전기 이중층 커패시터 적층체(37)는, 서로 적층된 6개의 전기 이중층 커패시터(21)를 가지고, 이는 적층막(39)으로 밀폐되는 구성을 가진다. 상기 적층체의 축척 방향의 양 쪽 끝 표면들 상에 위치한 콜렉터(11)는 단자 플레이트들(33)을 형성하기 위해서 연장되고, 단자 플레이트들(33) 외의 어셈블리 부분은 적층막(39)으로 밀폐된다.
본 발명에 따른 전기 이중층 커패시터 및 전기 이중층 커패시터 적층체는 다음 실시예들을 참조하여 더 자세히 설명된다.
실시예 1
도 2 및 3 에 도시된 것처럼, 6개의 전기 이중층 커패시터(21)가 도 5 에 도시된 구조를 가지는 전기 이중층 커패시터 적층체(37)를 만들기 위해서 적층된다. 분극성 전극들(27)은 바인더로 (여기서 후에, 전기-전도성 폴리머로 언급되는)전기전도성이 부여된 최대 입자 직경 20㎛의 폴리머 재료를 가진 활성 카본을 결합함으로써 형성된다. 전기-전도성 폴리머는 부피비 6/4로 카본 블랙과 올레핀 코폴리머를 혼합함으로써 형성된다.
올레핀 코폴리머의 특정 예시들은 에틸렌-프로필렌 고무를 포함하지만, 거기에 한정되지 않는다. 상기 실시예에서, 10㎛의 두께 및 분극성 전극에 대한 바인더로 동일한 조성을 가지는 전기-전도성 폴리머층(29)은 분극성 전극(27) 및 콜렉터(11) 사이에 삽입된다.
분극성 전극(27)의 크기는 12mm ×24mm ×25㎛이다. 분리기(7)는 폴리테트라플루오르에틸렌 시리즈 폴리머의 부직포 구조 섬유들로 형성되고, 14mm ×26mm ×25㎛의 크기를 가진다. 프레임 형태로 성형되는 가스켓(13)은 열가소성 플라스틱 이오노머(ionomer)막으로 형성되고, 18mm ×30mm의 외부 크기, 12mm ×24mm의 내부 크기, 및 95㎛의 두께를 가진다.
이오노머막은 화학 구조에 따라 물리적 성질들이 크게 변한다. 62℃의 연화점, 88℃의 녹는점을 가지는 이오노머가 여기에서 사용된다. 콜렉터(11)는 알루미늄 호일로 형성되고, 가장 바깥쪽층이 12mm ×24mm ×80㎛의 크기를 가진다면, 12mm ×24mm ×25㎛의 크기를 가진다.
제조 프로세스가 특정되어 설명된다. 가스켓(13)은 콜렉터(11)로 사용되기 위해서 가열 중에 프레싱함으로써 금속 호일에 부착되고, 카본 블랙(26)을 포함하는 올레핀 코폴리머(25)의 크실렌 용액이 전기-전도성 폴리머층(29)을 형성하기 위해서 드라이한 후에, 10㎛의 두께로 코팅된다. 이어, 코팅된 표면 위에서, 활성 카본(23)을 분산시킴으로써 얻어진 슬러리, 카본 블랙(26) 및 크실렌의 올레핀 코폴리머(25)는 분극성 전극(27)을 형성하기 위해서 드라이 후에, 25㎛의 두께로 코팅된다.
콜렉터(11), 전기-전도성 폴리머층 및 분극성 전극(27)을 포함하는 또 다른 적층체가 동일한 방식으로 준비되고, 이어 준비된 적층체들은, 분극성 전극들(27)이 전기 이중층 커패시터를 얻기 위해서 가열 중에 콜렉터(11) 및 가스켓(13)을 프레싱함으로써, 전극들 사이에 삽입된 분리기(7)와 서로 면하는 방식으로 결합된다. 이어 준비된 6개의 전기 이중층 커패시터들은 적층되고, 전기 이중층 커패시터 적층체(37)를 얻기 위해서, 가열 중에 가스켓(13)을 프레싱함으로써 결합된다. 전기 이중층 커패시터 적층체(37)의 양쪽 끝 표면들에 있는 콜렉터(11)는 나머지들과 서로 다른 두께를 가지고, 리드부가 되는 알루미늄 호일은 단자 플레이트들(41)을 형성하기 위해서 부착된다.
전기 이중층 커패시터 적층체는 적층막(39)을 가진 단자 플레이트들(41)을 외에 상기 적층체의 전체를 커버링함으로써 밀폐되고, 상기 적층막은 3-층 구조를 가지고, 그 사이에 삽입한 알루미늄 호일을 가지고, 접착층으로 이오노머층, 보호성 층으로 폴리에틸렌 테레프탈레이트 층을 가진다. 전기 이중층 커패시터(21)에서, 콜렉터들과 가스켓들로 둘러싸인 부분에는 전해질 용액으로 40%의 중량 농도의 황상 수용액이 먼저 스며들게 된다.
제 2 실시예
전기 이중층 커패시터 적층체(37)는 분극성 전극에서 사용된 활성 카본(23)이 10㎛의 최대 입자 직경을 가지는 것으로 변경된 것을 제외하고는 제 1 실시예와 같은 방식으로 제조된다.
제 3 실시예
전기 이중층 커패시터 적층체들(33)은 분극성 전극(27)의 두께가 30,40,50 및 60㎛로 변경된 것을 제외하고는 제 1 실시예와 같은 방식으로 제조된다.
비교 제 1 실시예
비교 실시예로서, 전기 이중층 커패시터 적층체(37)가 20㎛의 최대 입자 직경을 가지는 활성 카본(23)이 사용되고, 분극성 전극(27)의 두께가 20㎛로 변경되고, 가스켓(13)의 두께가 분극성 전극(27)의 두께에 따라 변경된 것을 제외하고는 제 1 실시예와 같은 방식으로 제조된다.
비교 제 2 실시예
또 다른 비교 실시예로서, 전기 이중층 커패시터 적층체들(33)은 30,50,80 또는 100㎛, 이는 분극성 전극(27)의 두께를 초과하는 최대 입자 직경을 가지는 활성 카본이 사용된 것을 제외하고는 제 1 실시예와 같은 방식으로 제조된다.
비교 제 3 실시예
또 다른 비교 실시예로서, 전기 이중층 커패시터 적층체는, 도 4 및 5 의 전기-전도성 폴리머(29)가 형성되지 않고, 실시예들에서 활성 카본을 가진 분극성 전극에서 사용된 전기-전도성 폴리머가 사용되지 않는 방식으로 제조된다. 상기 비교 실시예에서, 슬러리가 제 1 실시예에서 사용된 활성 카본, 전기-전도성 보조제로 카본 블랙, 및 바인더로 폴리비닐리덴 플루오르를 용매와 함께 80/10/10의 중량비로 혼합함으로써 준비되고, 25㎛의 두께를 가지는 분극성 전극을 형성하기 위해서 코팅된다.
전기 이중층 커패시터 적층체는 상기 언급된 분극성 전극(27)이 사용되고, 전기-전도성 폴리머층(29)이 제공되지 않고, 가스켓(13)의 두께는 분극성 전극의 두께에 상응하게 변경되고, 단자 플레이트들(35)은 분리 구조들로 제공되는 것을 제외하고는 제 1 실시예와 동일한 방식으로 제조된다. 단자 플레이트들(41)은 실버 페이스트로 형성된 단자 플레이트의 한 쪽 표면 위에 전기-전도성 층을 가지는 주석도금된 구리 플레이트이고, 전기-전도성 층이 콜렉터와 면하는 방식으로 적층체의 끝 표면에 부착된다.
실시예들과 비교 실시예들의 전기 이중층 커패시터 적층체(37)는 제조 후에 즉시 ESR 이 측정되고, 1000시간 동안 60℃에서 5.4V의 부하 전압을 인가한 후에 ESR 이 측정된다.
ESR 은 1㎑ 및 10mVrms의 교류 전류 전압을 인가함으로써 전류 및 위상차를 측정함으로써 얻어진다. 축적 전의 전기 이중층 커패시터가 전해질 용액의 감소를 조사하기 위해서 부하 전압을 인가하기 전,후의 중량에 대해서 또한 측정된다. 실시예들 및 비교 실시예들의 측정 결과들은 아래 테이블1 에 모아서 도시된다.
테이블1
활성 카본의 최대 입자직경[㎛] 분극성 전극의 두께[㎛] ESR[ mΩ] 중량감소[㎎]
부하 전압인가 전 부하 전압인가 후
제 1 실시예 20 25 106 111 7
제 2 실시예 10 25 104 108 5
제 3 실시예 20 30 105 111 6
40 110 117 8
50 117 122 7
60 132 138 7
비교제 1 실시예 20 20 102 361 8
비교제 2 실시예 30 25 106 257 6
50 108 569 6
80 112 1126 8
100 116 1642 6
비교제 3 실시예 20 25 145 859 106
테이블 1 에 도시된 결과들로부터 활성 카본의 최대 입자 직경이 분극성 전극(27)보다 더 적은 경우에서, 부하 전압의 인가 전후에 ESR의 뚜렷한 차이가 없다는 것이 이해된다. 그러나, 비교 제 1 및 제 2 실시예의 결과들로부터 활성 카본의 최대 입자 직경이 분극성 전극(27)의 두께와 동일하거나 또는 더 큰 경우에서, 부하 전압의 인가 후의 ESR은 활성 카본(23)의 최대 입자 직경의 증가와 결합되어 뚜렷하게 증가된다.
비교 제 2 실시예의 전기 이중층 커패시터 적층체(37)는 부하 전압의 인가 후에 분해, 조사되고, 상기 부분들은 더 큰 직경을 가지는 활성 카본 입자들이 알루미늄 호일을 부식시키기 위해서 콜렉터(11)를 구성하는 알루미늄 호일과 접촉해 있다. 전기-전도성 폴리머층(29)은 알루미늄 호일이 전해질 용액으로 부식되는 것으로부터 방지되는 기능을 가지지만, 그러나 활성 카본(23)의 입자 직경이 너무 큰 경우에, 알루미늄 호일의 부식을 통해서 ESR의 증가를 가져오기 위해서 전기-전도성 폴리머층(29)을 계속 브레이크한다.
분극성 전극(27)의 두께가 활성 카본(23)의 최대 입자 직경의 변화없이 증가되는 경우에, 부하 전압의 인가 전후에 ESR에 있어서 뚜렷한 차이가 없지만, 그러나 부하 전압의 인가 전에 ESR은 분극성 전극(27)의 두께의 증가에 따라 증가된다. 따라서, 분극성 전극의 두께는 바람직하게 상기 조건들하에서 대략 50㎛이하이다.
중량 감소에 있어서 큰 차이가 생기는 것이 비교 제 3 실시예 및 실시예들 사이의 비교로부터 알 수 있고, 전해질 용액의 용매, 즉 물이 실시예들과 비교해서 비교 제 3 실시예에서 뚜렷하게 증발된 것으로 이해된다. 결과적으로, 부하 전압의 인가 후에 ESR의 뚜렷한 증가가 비교 제 3 실시예에서 발견된다. 또한, 비교 제 3 실시예에서, 14%의 액체 누출이 발견되고, 이는 전기-전도성 폴리머층(29)이 없기 때문에 생기는 것으로 추정된다. 사용된 알루미늄 호일이 단자 플레이트로서콜렉터가 사용되었기 때문이고, 이어, 전해질 용액의 용매의 증발 투과가 실시예들의 알루미늄 호일에 의해서 방지되지만, 그러나 전해질 용액의 증발 투과 방지는 분극성 전극 및 단자 플레이트 사이에 삽입된 실버 페이스트 층 때문에, 비교 제 3 실시예에서는 불충분하다. 또한, 전기-전도성 폴리머층(29)은 가스켓(39) 및 콜렉터(11) 사이의 계면에서 전해질 용액의 투과 방지에 기여한다.
실시예들 및 비교 제 3 실시예 사이에서 부하 전압의 인가 전의 ESR의 비교는 비교 제 3 실시예가 모든 실시예들보다 더 큰 값이 존재한다는 것을 보여준다. 이는 실시예들의 분극성 전극(27)이 바인더로서 전기-전도성 폴리머로 형성된 활성 카본(23)을 가지고, 따라서 활성 카본 간에 전기 저항이 감소되기 때문이다.
폴리테트라플루오르에틸렌 시리즈의 섬유 부직포 구조가 실시예에서 분리기(7)로 사용되었지만, 유사한 효과가 다른 삼투성 폴리올레핀 시리즈 막, 유리 섬유들, 아크릴섬유들 등이 사용될 때 얻어질 수 있다. 실시예들에서 사용된 전기-전도성 폴리머는 올레핀 코폴리머(25)에 카본 블랙(26)을 분산시킴으로써 형성되었지만, 유사한 효과가 다른 전기-전도성 탄성체 등을 사용함으로써 얻어질 수 있고, 상기 재료들은 등가의 내부 저항을 구현할 수 있어야 한다.
다른 부재들을 구성하는 재료들은 또한 실시예에서 사용된 재료들에 한정되지 않는다. 실시예에서 이오노머 막이 가스켓(13)으로 사용되었지만, 상기 재료들이 열가소성을 갖는 한 거기에 한정되지 않는다. 알루미늄 호일이 콜렉터(11,33,41)를 구성하는 금속 호일로 사용되었지만, 거기에 한정되지 않고, 다른 금속 호일들이 등가 저항 및 강도를 갖는 한 사용될 수 있다.
본 발명이 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 거기에 한정되어 해석되지 않고, 다양한 변경들 및 개조들이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고서 만들어 질 수 있다.
본 발명에 따라 상기 전기 이중층 커패시터 및 전기 이중층 커패시터 적층체가 제조 비용을 증가하지 않고서 얻어질 수 있고, 이는 전전해질 용액의 용매의 드라이-업이 유발되지 않고, 이에 결합된 높은 온도에서 사용될 때, ESR의 증가가 억제된다.

Claims (19)

  1. 전극들 사이에 삽입된 분리기와 서로 면하는 한 쌍의 분극성 전극들, 콜렉터들 사이에 삽입된 상기 분극성 전극들 쌍과 서로 면하는 한 쌍의 상기 콜렉터들, 및 상기 분극성 전극 쌍의 주변부에 위치한 가스켓을 포함하는 전기 이중층 커패시터로서,
    상기 콜렉터들은 각각은 금속 호일 및 상기 금속 호일의 한 쪽 표면 위에 형성된 폴리머 재료의 전기-전도성 층을 포함하고,
    상기 분극성 전극들 각각은 상기 전기-전도성 층과 동일한 폴리머 재료를 포함하는 전기 이중층 커패시터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리머 재료는 올레핀 코폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 분극성 전극 각각은 활성 카본을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 분극성 전극 각각은 활성 카본 및 상기 폴리머 재료의 적어도 하나의 혼합물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    각각의 상기 분극성 전극은 활성 카본층 및 활성 카본과 상기 폴리머 재료의 혼합물을 포함하는 혼합물층을 포함하고, 상기 활성 카본층과 상기 혼합물층은 각각의 상기 콜렉터의 전기-전도성 층에 부착되는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 활성 카본은 상기 분극성 전극의 두께보다 더 적은 최대 입자 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 혼합물층에 포함된 상기 활성 카본은 상기 분극성 전극의 두께보다 더 적은 최대 입자 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 활성 카본층 및 상기 혼합물층의 각각에 포함된 상기 활성 카본은 상기활성 카본층 및 혼합물층의 각각의 두께보다 더 적은 최대 입자 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    콜렉터들 각각은 단자 플레이트로 동작 가능한 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
  10. 적층된 다수의 전기 이중층 커패시터들을 포함하는 전기 이중층 커패시터-적층체로서,
    전기 이중층 커패시터들 각각은, 전극들 사이에 삽입된 분리기와 서로 면하는 한 쌍의 분극성 전극들, 콜렉터들 사이에 삽입된 상기 분극성 전극들 쌍과 서로 면하는 한 쌍의 상기 콜렉터들, 및 상기 분극성 전극 쌍의 주변부에 위치한 가스켓을 포함하고,
    상기 콜렉터들 각각은 금속 호일 및 상기 금속 호일의 한 쪽 표면 위에 형성된 폴리머 재료의 전기-전도성 층을 포함하고,
    상기 분극성 전극들 각각은 상기 전기-전도성 층의 폴리머 재료와 동일한 폴리머 재료를 포함하는 전기 이중층 커패시터들-적층체.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 폴리머 재료는 올레핀 코폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터들-적층체.
  12. 제 10 항에 있어서,
    분극성 전극 각각은 활성 카본을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터들-적층체.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 활성 카본은 상기 분극성 전극의 두께보다 더 적은 최대 입자 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터들-적층체.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 적층체의 양 쪽 끝 표면들 위에 위치한 상기 콜렉터들은 단자 플레이트들로 기능하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터들-적층체.
  15. 분리기, 전극들 사이에 삽입된 상기 분리기와 서로 면하는 한 쌍의 분극성 전극들, 콜렉터들 사이에 삽입된 한 쌍의 상기 분극성 전극들과 서로 면하는 한 쌍의 상기 콜렉터들, 및 각각의 분극성 전극들의 주변부에 위치한 가스켓을 포함하는 전기 이중층 커패시터를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은,
    상기 가스켓을 상기 콜렉터로 사용되고 상기 가스켓으로 커버되지 않고 부분적으로 남겨진 상기 금속 호일의 한 쪽 표면 위에 프레싱하고 결합하는 단계;
    제 1 전도성 폴리머 재료를 용매로 분산시키고 용해함으로써 제 1 슬러리(slurry)를 얻는 단계;
    상기 제 1 슬러리를 상기 가스켓으로 커버되지 않은 상기 금속 호일의 일 부분 위에 코팅하는 단계;
    상기 제 1 슬러리를 상기 제 1 전도성 폴리머층으로 드라이하는 단계;
    활성 카본 및 상기 제 1 전도성 폴리머 재료와 동일한 제 2 전도성 재료를 용매로 분산시키고 용해함으로써 제 2 슬러리를 얻는 단계;
    상기 제 2 슬러리를 상기 제 1 전도성 폴리머층으로 코팅하는 단계;
    제 1 라미나(lamina)를 형성하기 위해서 상기 제 2 슬러리를 상기 분극성 전극으로 드라이하는 단계;
    상기 제 1 라미나와 구조가 동일한 제 2 라미나를 제공하는 단계;
    상기 제 1 및 상기 제 2 라미나들의 상기 분극성 전극들이 전극들 사이에 삽입된 상기 분리기와 서로 면하는 단계; 및
    커패시터 엘리먼트들 얻기 위해서 각각의 콜렉터를 상기 가스켓에 프레싱하고 결합하는 단계를 포함하는 전기 이중층 커패시터 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 및 상기 제 2 전도성 폴리머 재료는 올레핀 코폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터 제조 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 전기 이중층 커패시터를 적층막, 상기 적층막을 통해서 부분적으로 돌출된 상기 콜렉터들로 커버링하는 단계; 및
    상기 콜렉터들의 돌출된 부분들을 상기 전기 이중층 커패시터의 단자 플레이트들로 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터 제조 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    다수의 커패시터 엘리먼트들을 제공하는 단계; 및
    커패시터-적층체를 형성하기 위해서 상기 커패시터 엘리먼트를 서로 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터 제조 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 커패시터-적층체를 적층막, 상기 적층막을 통해서 부분적으로 돌출된 최외부의 콜렉터들로 커버링하는 단계; 및
    상기 콜렉터들의 돌출된 부분들을 상기 전기 이중층 커패시터의 단자 플레이트들로 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터 제조 방법.
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