KR20080014134A - 울트라 캐패시터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하우징 및 상기 하우징의 내부에 위치하고, 양극, 분리막, 음극이 순차적으로 적층된 적층소자를 포함하는 울트라 캐패시터(UC)에 관한 것으로서, 상기 하우징의 내면과 상기 적층소자 사이에 게재되어 상기 적층소자의 적층방향의 수직방향으로 가해지는 압력을 완화시키는 UC용보강재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
울트라 캐패시터, 슈퍼 커패시터, 하우징
Description
본 발명은 울트라 캐패시터에 관한 것으로서, 하우징 내부에 압력보강 수단을 구비한 울트라 캐패시터에 관한 것이다.
일반적으로, 전기에너지를 저장하는 소자로는 전지(battery)와 캐패시터(capacitor)가 대표적이다.
슈퍼 캐패시터(Super Capacitor)는 울트라 캐패시터(Ultra Capacitor)라고도 불리우며, 전해콘덴서와 이차전지의 중간적인 특성을 갖는 에너지 저장장치로써 높은 효율, 반영구적인 수명특성으로 이차전지와의 병용 및 대체가능한 차세대 에너지 저장장치이다.
슈퍼 캐패시터는 에너지 저장메카니즘에 따라 전기이중층 캐패시터(EDLC; electric double layer capacitor)와 유사 캐패시터(pseudocapacitor)로 나눌수 있다.
유사 캐패시터는 전극 표면 혹은 표면 근처의 전극 내부에 축전되나, EDLC는 전극과 전해질 계면의 전기이중층에 전하가 흡착된다. EDLC는 활성탄소와 같이 표면적이 넓은 물질을 전극의 활물질로 하여 전극물질의 표면과 전해질의 접촉면에 전기이중층을 형성하게 된다. 즉, 전극과 전해질 용액의 경계 면에서 서로 다른 극성을 갖는 전하층이 정전 효과에 의해 생성되는데, 이렇게 형성된 전하 분포를 전기이중층이라고 하며, 이와 같은 현상으로 마치 축전지에서와 같은 축전 용량을 갖게 된다.
슈퍼 캐패시터는 종래의 캐패시터와 비교하여 많은 에너지를 저장할 수 있고, 중량당 출력특성은 이차전지에 비하여 10배 이상의 우수한 특성을 지니고 있다.
도 1은 종래기술에 따른 EDLC의 단위 셀을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 1을 참조하면, 전해질을 사용한 종래의 전기이중층 캐패시터의 단위 셀 구조는 금속물질 또는 몰딩수지로 이루어진 케이스(100), 상기 케이스(100)내에 설치된 집전체(120) 및 활물질층(140)으로 구성된 양극 및 음극의 전극, 상기 양극 및 음극 사이에 설치되어 양극과 음극 사이에서 전자 전도를 제한하고 이온전도만을 가능하게 하는 다공성 재질의 격리막(150) 및 상기 케이스(100)내에 충전된 전해액(180)으로 구성되어 있다. 상기 활물질층(140)은 양극 및 음극의 전기에너지를 저장하는 부분이며, 집전체(120)는 활물질층(140)으로부터 방출되거나 공급되는 전하의 이동통로 역할을 한다.
상술한 종래의 슈퍼 캐패시터 또는 울트라 캐패시터(UC)의 경우는 양극과 음극에서 활성이온의 침투 또는 이탈이 같이 발생하기 때문에 전극의 부피변화가 매우 크고, 울트라 캐패시터에 사용되는 전극은 지지체 표면에 전극물질을 도포하여 판상 형태로 제작하므로 이러한 판상의 전극에 대해서 부피변화는 판면의 직각방향으로 발생한다. 따라서 전극을 적층하여 하우징에 삽입하였을 때, 전극면의 수직한 방향에 존재하는 하우징의 한면이 압력을 받아 하우징의 외형이 변형된다.
따라서, 울트라 캐패시터의 충전시 발생하는 일 방향 압력에 의한 하우징의 변형을 방지하기 위해 하우징 자체의 두께를 늘이거나 하우징 외부에 보강재를 두르는 방법이 제시된 바 있다.(대한민국 공개특허 제10-2004-0032479)
그러나 이러한 방법은 모두 단위셀의 중량을 증대시키기 때문에 에너지 밀도를 낮추어 성능저하 효과를 유발하며, 특히 띠를 두르는 방법은, 적용시 생산성을 감소시켜 여러 개의 단위셀을 이용하여 모듈을 구성할 경우, 띠의 두께만큼 셀 사이의 간격이 발생하여 부피당 에너지 저장량이 낮아지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 슈퍼 캐패시터 또는 울트라 캐패시터에 있어서 전극 자체의 부피변화에 의한 압력으로 적층된 전극을 둘러싸는 하우징의 변형을 방지하는 압력보강재가 구비된 울트라 캐패시터를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태로서의 울트라 캐패시터는, 양극, 분리막, 음극이 순차적으로 적층된 적층 소자; 상기 적층 소자를 수납하는 하우징; 상기 적층 소자의 부피 팽창으로 인한 압력을 완화시키기 위하여 상기 적층 소자의 적어도 일면과 상기 하우징 사이에 개재되는 UC용 보강재; 및 상기 하우징 내부에 충진되는 전해액을 포함하고; 상기 양극 및 음극은 금속 지지체의 양면에 다공성의 활물질이 도포되어 있고, 상기 UC용 보강재는 상기 하우징과 적층 소자 사이에 충분한 공간을 확보할 수 있도록 프레임 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 일 양태로서의 울트라 캐패시터는, 양극, 분리막, 음극이 순차적으로 적층된 적층 소자; 상기 적층 소자를 수납하는 하우징; 상기 적층 소자의 부피 팽창으로 인한 압력을 완화시키기 위하여 상기 적층 소자의 적어도 일면과 상기 하우징 사이에 개재되는 평판 구조의 UC용 보강재; 및 상기 하우징 내부에 충진되는 전해액을 포함하고; 상기 양극 및 음극은 금속 지지체의 양면에 다공성의 활물질이 도포되어 있는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 다공성의 활물질은 활성탄이고, 상기 UC용 보강재의 가로 또는 세로의 길이가 상기 하우징 일 방향의 가로 또는 세로 길이의 80%이며, 상기 UC용 보강재의 표면적은 상기 적층 소자의 일면의 면적에 대하여 1/2인 것이 바람직하다.
본 발명은 적층된 전극면과 평행한 하우징의 일면에 굽힘강도가 큰 UC용보강 재를 삽입함으로써, 압력증대로 인한 하우징 변형을 방지하여 하우징의 외관변형에 의한 불량을 감소할 수 있다.
또한, 각형 울트라 캐패시터 제조 과정에서 UC용 보강재만 추가되어, 생산성이 높은 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미돠 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 하우징의 변형을 방지하기 위해 UC용 보강재를 삽입한 울트라 캐패시터의 구성을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2를 참조하면, 울트라 캐패시터(200)는 사각형 형태의 양극(11), 분리막(12) 및 음극(13)이 순차적으로 적층되되, 양극(11)과 음극(13) 사이에는 각각 분리막(12)이 구비된 적층소자(10)와, 이를 내장하고 있는 직육면체의 하우징(30) 및 상기 하우징(30)과 적층소자(10) 사이에 삽입된 UC용 보강재(20)를 포함한다. 또한, 적층소자(10)와 UC용보강재(20)가 내장된 하우징(30)의 내부는 전해액(미도시)으로 충전된다.
양극(11) 및 음극(13)으로 구성된 전극은, 금속 지지체(11a, 13a)의 양면에 전극물질이 넓게 도포된 형태로서 이때, 전극물질로는 다공성의 활성탄을 사용하고 이러한 표면적이 큰 활성탄들은 양극(11)과 음극(13)에 동일하게 활물질로 적용되어 각 표면은 전해액과 접촉하게 된다.(도 3참조)
상술한 전극에 전압이 가해지면 전해액에 포함되어 있는 양이온 및 음이온이 각각 양극(11)과 음극(13)으로 이동하여 전극물질인 다공성 활성탄의 세부 기공으로 침투하게 된다.
이처럼 양극(11) 및 음극(13)의 전극으로 이온들이 침투하게 되면, 활성탄은 침투된 이온 자체의 부피 뿐만 아니라, 동일 극성의 이온간에 형성되는 척력에 의해서 팽창되어 전극층 전체의 부피도 팽창한다. 이때, 전극 특성상 전극물질의 부피 팽창에 의한 압력은 금속 지지체(11a, 13a)면의 수직한 방향에 집중된다.
하우징(30)에는 상술한 두 가지 종류의 전극(11, 13)과 분리막(12)이 순차적으로 적층된 적층소자(10)가 내장되며, 상기 하우징(30)에 적층소자(10)를 넣고 전해액(미도시)을 주입하여 밀봉한다. 여기서, 하우징(30)은 외부로부터 적층소자(10)를 보호하는 동시에, 하우징(30) 내부에 충전되어 있는 전해액이 하우징(30) 외부로 흘러나오는 것을 방지한다.
상술한 바와 같이, 전극(11, 13)에 전압이 인가되었을 때, 전극(11, 13)의 부피 팽창으로 인한 압력 때문에 전극(11, 13)을 둘러싸고 있는 하우징(30)은 전 극(11, 13)의 부피가 팽창되는 일 방향으로 압력을 받아 외형이 변하게 된다. 따라서, 이를 방지하기 위하여 적층소자(10)와 하우징(30) 사이에 UC용 보강재(20)가 삽입된다.
상기 UC용 보강재(20)는 적층소자(10)와 하우징(30) 사이에 삽입되어 압력으로 인한 하우징(30)의 변형을 방지한다. 이 UC용 보강재(20)의 표면적은 적층소자(10)의 일면의 면적에 대하여 1/2 이상이 되게 하고, 가로 또는 세로의 길이가 하우징(30) 일 방향의 가로 또는 세로 길이의 80% 이상인 것이 바람직하다. UC용 보강재(20)의 크기와 면적이 상기와 다른 경우, 하우징(30)의 일 방향에 대해 국소적인 압력작용을 유발하여 오히려 부정적인 효과를 유발할 수 있다.
UC용 보강재(20)의 재료로는 스테인레스스틸, 알루미늄 등의 금속재 또는 폴리카보네이트, 폴리프로필렌 등의 플라스틱이 사용된다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 500kgf/㎠ 이상의 굽힘강도를 갖는 다른 재료들이 채용될 수 있음은 물론이다. 예컨대, 본 발명에서 UC용 보강재(20)는 하우징(30)에 대하여 일방향으로 가해지는 압력을 완화시키는 역할을 하고, 하우징(30)은 외부로부터의 수분 침투를 방지하므로 UC용 보강재(20)의 재료가 금속재에 한정되지 않고 경량의 고분자 재료를 이용한 구조물이 채택될 수 있다.
또한, UC용보강재(20)의 구조는 단순히 평판 구조인 것이 일반적이나, 평판에서 적절한 만큼의 공간을 제거한 프레임 구조일 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각형 울트라 캐패시터의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 4를 참조하면, 상기 각형 울트라 캐패시터(200')는 직사각형의 양극 및 음극이 분리막에 의해 순차적으로 적층된 적층소자(10)와 UC용 보강재(20)와, 동일 방향으로 형성된 양극 및 음극 리드선(40a, 40b)과, 하우징(30)을 포함한다.
적층소자(10)의 전극과 연결되는 양극 및 음극 리드선(40a, 40b)은 일부가 각형 울트라 캐패시터의 하우징(30) 외부로 돌출되어 각각 양극 및 음극 단자(40a', 40b')를 형성한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 울트라 캐패시터 셀들이 복수개 결합하여 모듈을 구성한 예의 단면을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 울트라 캐패시터 단위 셀들(a,b,c)을 연결하여 부스바(50,51)로 견고히 결합시켜 모듈을 구성하게 되는데, 이를 통해 셀프 서포팅(self-supproting) 구조를 형성하게 되어 외부 진동 등에 대응할 수 있도록 한다. 이러한 복수의 셀들이 결합한 구조에도 각각의 셀들(a,b,c)에 UC용 보강재(20)가 포함된다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래 기술에 따른 전기화학 캐패시터의 구성을 개략적으로 나타낸 모식도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 울트라 캐패시터의 구성을 개략적으로 나타내는 모식도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 울트라 캐패시터에 있어서, 적층소자의 구성을 나타내는 단면도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각형 울트라 캐패시터를 나타내는 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 울트라 캐패시터 셀들이 복수개 결합하여 모듈을 구성한 예의 단면을 나타낸 도면.
<도면의 주요 참조 부호에 대한 설명>
10..적층소자 20..UC용보강재 30..하우징
200...울트라 캐패시터
Claims (8)
- 양극, 분리막, 음극이 순차적으로 적층된 적층 소자;상기 적층 소자를 수납하는 하우징;상기 적층 소자의 부피 팽창으로 인한 압력을 완화시키기 위하여 상기 적층 소자의 적어도 일면과 상기 하우징 사이에 개재되는 UC용 보강재; 및상기 하우징 내부에 충진되는 전해액을 포함하고;상기 양극 및 음극은 금속 지지체의 양면에 다공성의 활물질이 도포되어 있고,상기 UC용 보강재는 상기 하우징과 적층 소자 사이에 충분한 공간을 확보할 수 있도록 프레임 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터.
- 제 1 항에 있어서,상기 UC용 보강재의 가로 또는 세로의 길이가 상기 하우징 일 방향의 가로 또는 세로 길이의 80%인 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터.
- 제 2 항에 있어서,상기 UC용 보강재의 표면적은 상기 적층 소자의 일면의 면적에 대하여 1/2인 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터.
- 양극, 분리막, 음극이 순차적으로 적층된 적층 소자;상기 적층 소자를 수납하는 하우징;상기 적층 소자의 부피 팽창으로 인한 압력을 완화시키기 위하여 상기 적층 소자의 적어도 일면과 상기 하우징 사이에 개재되는 평판 구조의 UC용 보강재; 및상기 하우징 내부에 충진되는 전해액을 포함하고;상기 양극 및 음극은 금속 지지체의 양면에 다공성의 활물질이 도포되어 있고;상기 UC용 보강재의 가로 또는 세로의 길이는 상기 하우징 일 방향의 가로 또는 세로의 길이에 비해 작게 설정됨으로서 상기 하우징내에 전해액을 주입할 충분한 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터.
- 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,상기 다공성의 활물질이 활성탄인 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터.
- 제 4 항에 있어서,상기 UC용 보강재의 가로 또는 세로의 길이가 상기 하우징 일 방향의 가로 또는 세로 길이의 80%인 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터.
- 제 6 항에 있어서,상기 UC용 보강재의 표면적은 상기 적층 소자의 일면의 면적에 대하여 1/2인 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터.
- 제 3 항 또는 제 7 항에 있어서,상기 UC용 보강재는 500kg/㎠의 굽힘 강도를 갖는 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터.
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|---|---|---|---|
| KR1020080008169A KR20080014134A (ko) | 2008-01-25 | 2008-01-25 | 울트라 캐패시터 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020050074902A Division KR20070020708A (ko) | 2005-08-16 | 2005-08-16 | 압력보강재를 포함한 하우징을 가진 전기에너지 저장장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20080014134A true KR20080014134A (ko) | 2008-02-13 |
Family
ID=39341490
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020080008169A KR20080014134A (ko) | 2008-01-25 | 2008-01-25 | 울트라 캐패시터 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20080014134A (ko) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8295031B2 (en) | 2010-01-12 | 2012-10-23 | Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. | Electric double layer capacitor and method of manufacturing the same |
| US8339794B2 (en) | 2009-03-10 | 2012-12-25 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Super capacitor casing and supercapacitor embedded device |
| US8934255B2 (en) | 2009-03-10 | 2015-01-13 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Super capacitor casing and supercapacitor embedded device |
| KR102048151B1 (ko) | 2018-07-03 | 2019-11-22 | 울산대학교 산학협력단 | 슈퍼커패시터 제조방법 |
-
2008
- 2008-01-25 KR KR1020080008169A patent/KR20080014134A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8339794B2 (en) | 2009-03-10 | 2012-12-25 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Super capacitor casing and supercapacitor embedded device |
| US8934255B2 (en) | 2009-03-10 | 2015-01-13 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Super capacitor casing and supercapacitor embedded device |
| CN105208774A (zh) * | 2009-03-10 | 2015-12-30 | 三星电子株式会社 | 固态装置装置及壳体 |
| US8295031B2 (en) | 2010-01-12 | 2012-10-23 | Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. | Electric double layer capacitor and method of manufacturing the same |
| KR102048151B1 (ko) | 2018-07-03 | 2019-11-22 | 울산대학교 산학협력단 | 슈퍼커패시터 제조방법 |
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