KR20080078846A - 초고용량 축전기 압력 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 초고용량 축전기 설계(300)는 가스 게터(350, 352)를 단독으로, 또는 패키지에 있는 재밀봉 가능한 벤트(308)와 조합하여 사용함으로써 셀 패키지(320)의 내부 압력을 최소화한다. 압력을 감소시키는 것은 초고용량 축전기(300)의 수명을 연장시킨다. 특정 초고용량 축전기 내에서 발생되는 주요 가스 유형은 다수의 가능한 적용 조건 하에서 측정된다. 그러한 조건은 온도, 적용 전압, 전해질 유형, 사용 기간, 및 사용 주기와 같은 변수를 포함할 수 있다. 주요 가스 성분이 결정될 수 있으며, 상이한 조건에 대해 적합한 가스 게터(350, 352)가 구성될 수 있다. 가스 게터(350, 352)는 초고용량 축전기 패키지(302) 내에 패킹되고, 음전극의 일부로서 구성되며, 음전류 컬렉터 내로 도핑되며, 또는 음전류 컬렉터와 함께 적층될 수 있다.
초고용량 축전기, 내부 압력, 가스 게터, 벤트, 전류 컬렉터

Description

초고용량 축전기 압력 제어 시스템 {ULTRACAPACITOR PRESSURE CONTROL SYSTEM}
본 발명은 초고용량 축전기 내에 축적되는 가스로 인한 압력을 감소시키는 방법에 관한 것이다.
특히 고온과 조합된 초고용량 축전기의 고전압 충전 동안에는 열 증발, 화학적 반응 및 전기화학적 반응으로 인해 가스가 발생된다. 발생된 가스는 축전기 패키지 내에 갇힌다. 갇힌 가스는 축전기의 내부 압력을 상승시키고, 결국 셀 패키지를 파열시킨다. 몇몇 축전기 패키지는 종종 셀 내부의 압력이 소정 설계 한계를 초과할 때 개방되는 1회용 압력 릴리프 퓨즈를 셀 용기의 벽에 포함한다. 셀 패키지 또는 퓨즈가 파열되면, 초고용량 축전기는 더 이상 기능하지 않는다. 이 때문에, 초고용량 축전기는, 예를 들어 수성 전해질 셀에 대해서는 1.0V, 그리고 유기 용매 전해질 셀에 대해서는 2.3 내지 2.5V와 같이, 특정 인가 전압으로 제한되기도 한다.
증가된 인가 전압을 달성하기 위해, 그리고 그에 따라서 초고용량 축전기의 증가된 에너지 및 파워 밀도를 달성하기 위해, 가스 방출 밸브가 패키징 내에 포함되어 패키지 파열을 방지한다. 이것은 축전기가 더 높은 전압에서 작동하는 것을 허용한다. 그러나, 밸브가 개방되면, 화학 반응으로부터의 용매 증기 및 염류가 결정화되어 벤트를 개방 상태로 고정시킬 수 있다. 벤트가 개방 상태로 고착되면, 수증기가 셀 내로 유입되어 전해질을 활성억제하고, 따라서 셀의 전압 및 수명을 감소시킬 수 있다. 또한, 가스는 어떠한 제어도 없이 작업 환경 내로 방출된다. 많은 경우에, 방출된 가스는 인간 또는 동물에게 유해하거나, 화재 또는 폭발의 위험성을 가질 수 있다.
본원에 인용된 참조문헌 및 그 기재 또는 논의를 포함하여 명세서의 배경기술 부분에 포함된 정보는 기술적 참고의 목적을 위해서 포함된 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 않된다.
본원에 설명된 기술은 가스 게터(getter)를 단독으로 또는 패키지의 재밀봉 가능한 벤트와 조합하여 사용함으로써, 셀 패키지의 내부 압력을 최소화하는 초고용량 축전기 설계이다. 특정 초고용량 축전기 내부에서 발생되는 주요 가스 유형은 다수의 가능한 적용 조건 하에서 측정된다. 그러한 조건은 온도, 인가 전압, 전해질 유형, 사용 기간, 사용 주기의 변수들을 포함한다. 주요 가스 성분이 결정될 수 있으며, 상이한 조건들에 대해 적절한 가스 게터들이 구성될 수 있다. 가스 게터들은 초고용량 축전기 내에 패킹되고, 음극으로서 구성되며, 음전류 컬렉터 내로 도핑되고, 음전류 컬렉터와 함께 적층될 수 있다.
셀 내의 가스 압력을 감소시키고 가스를 수집용 가스 게터로 보내기 위해 재밀봉 가능한 벤트가 추가로 사용될 수 있다. 셀은 모듈 내의 여러 셀들 중 하나일 수 있다. 가스 게터는 모듈 내의 각각의 셀에 있는 벤트를 통해 방출된 가스를 붙잡아 두기 위해 모듈 내에 배치될 수 있다. 모듈은 사용되는 가스 게터 구성의 유형에 따라, 그리고 가스 게터가 대기 및 습기에 대한 저항력이 있는지에 따라 기밀하게 밀봉되거나 또는 그렇지 않을 수 있다. 벤트는 압력이 가해지면 압축 또는 변형되어 벤트 구멍을 노출시킴으로써 가스가 빠져나가는 것을 허용하는 스프링이나 탄성중합체 또는 탄성 재료를 포함할 수 있다. 압력이 감소된 후에, 스프링, 탄성중합체 또는 다른 탄성 재료는 저압력 치수 상태로 복귀하고, 패키지는 다시 밀봉된다. 안전 수단으로서, 벤트의 고장에 대비하여 압력 릴리프 퓨즈가 패키지 내에 더 포함될 수 있다.
이상의 발명의 상세한 설명은 이하의 실시예 부분에서 더 설명되는 개념들의 단순화된 형태의 선택을 소개하기 위해 제공된 것이다. 이상의 발명의 상세한 설명은 청구된 발명의 중요 특징 또는 본질적인 특징을 나타내거나 청구된 발명의 범위를 한정하는 것을 의도하지 않는다. 본 발명의 다른 특징, 상세, 효용 및 이점은 첨부된 도면에 더 도시되고 첨부된 청구항에 정의된 발명의 다양한 실시예에 대한 이하의 보다 구체적인 설명으로부터 명확해질 것이다.
도1은 가스 게터 및 가스 벤트를 포함하는 초고용량 축전기의 등각도이다.
도2는 가스 게터를 포함하는 이중층 젤리 롤 초고용량 축전기 시트 권선의 개략도이다.
도3은 가스 게터 재료로 도핑된 음전류 컬렉터를 가진 이중층 초고용량 축전 기 내의 다양한 시트 층들의 개략도이다.
도4는 벤트 및 가스 게터를 포함하는 초고용량 축전기의 부분 단면을 나타내는 등각도이다.
도5는 초고용량 축전기를 위한 벤트의 주요 부분의 분해도이다.
도6A 내지 도6C는 각각 벤트의 단면을 폐쇄 상태, 가압 상태 및 개방 상태로 나타내는 평면도이다.
도7A는 오프셋 벤트를 가진 초고용량 축전기의 다른 실시예의 등각도이다.
도7B는 도7A의 초고용량 축전기의 단면을 나타내는 평면도로서, 내포된 가스 게터를 추가로 도시한다.
도8A는 밀봉된 초고용량 축전기 모듈의 등각도이다.
도8B는 가스 게터 재료를 더 포함하는 도8A의 초고용량 축전기 모듈의 단면을 나타내는 평면도이다.
축전기는 한 쌍의 근접 이격된 도체("플레이트"로 지칭됨)들 사이의 전기장에 에너지를 저장한다. 전압이 축전기에 인가되면, 양은 동일하지만 극성이 반대인 전하들이 각각의 플레이트에 축적되고, 그에 의해 에너지를 저장한다. "이중층(double-layer)" 축전기는 전극 필름 시트와 전해질에 침지된 관련 수집 플레이트 사이에 형성된 전위를 가로질러 정전기 에너지를 저장한다. 완성된 축전기 셀이 전해질에 침지되면, 분극화된 전극-전해질 계면 층이 형성된다. 시트들이 전해질에 침지되면, 전해질 이중극의 제1 층 및 대전된 종의 제2 층이 형성된다. 이중 층 축전기 기술은 또한 "초고용량 축전기" 기술 및 "슈퍼축전기" 기술로도 지칭된다. 그러한 이중층 축전기는 Maxwell Technologies, Inc.(미국 캘리포니아주 샌디에고)로부터 획득할 수 있다.
통상적인 축전기에 비해, 이중층 축전기는 체적 및 중량과 관련하여 높은 전기 용량을 갖는다. 이러한 체적 및 중량 효율의 주요한 이유는 2가지이다. 첫째로, 전하 분리 층들이 매우 좁아서, 그 폭이 일반적으로 수 나노미터 정도이다. 둘째로, 전극들은 단위 체적당 매우 큰 유효 표면적을 갖는 다공성 재료로 만들어질 수 있다. 전기 용량은 전극 면적에 비례하고 전하 분리 층의 폭에 반비례하기 때문에, 큰 유효 표면적과 좁은 전하 분리 층의 조합된 효과는 유사한 크기 및 중량의 통상적인 축전기에 비해 전기 용량이 매우 높다는 것이다. 이중층 축전기의 높은 전기 용량은 축전기가 많은 양의 전기 에너지를 공급받고 저장하고 방출하는 것을 허용한다.
본원에 개시된 기술적 개선을 포함하는 예시적인 초고용량 축전기(100)가 도1에 도시되어 있다. 초고용량 축전기(100)의 셀은 용기(102) 내에 수납되고 캡(104)에 의해 커버된다. 초고용량 축전기(100)의 용기(102)는 대체로 알루미늄으로 구성되며, 배터리 셀과 유사한 형태이다. 캡(104)은 마찬가지로 초고용량 축전기(100)의 다른 구성 양태에 따라 알루미늄 또는 다른 재료(예를 들어, 나일론과 같은 전기 절연성 비다공질 플라스틱 재료)로 제조될 수 있다. 캡(104)은 기밀한 밀봉을 형성하기 위해 캡(104)의 에지 주위에서 용기(102)의 크림핑된 림(106)을 따라 용기(102)에 고정될 수 있다. 기밀한 밀봉의 형성을 돕기 위해 크림핑된 림(106)의 계면을 따라 용기(102)의 에지와 캡(104) 사이에 개스킷 또는 다른 밀봉 재료(도시되지 않음)가 삽입될 수 있다.
초고용량 축전기를 리드에 결합하기 위한 단자로서 그리고 초고용량 축전기(100)의 충전 및 방전 사이클 동안 용기(102) 내에서 형성되어 축적될 수 있는 가스를 배출하는 벤트로서 작용할 수 있는 배기 단자(108)가 캡(104)에 제공될 수 있다. 대안적인 실시예에서는, 단자와 별개로 배기 구조체가 제공될 수 있다. 또한, 초고용량 축전기는 도1에 도시된 단자와 같이 하우징의 기부(110)를 사용하는 것이 아니라 2개의 단자를 캡에 구비할 수 있다. 다른 실시예에서는, 전체 캡(104)이 단자로서 기능할 수 있다. 또한, 도1에 도시된 실시예에 있어서, 배기 단자(108)는 또한 용기(102) 내의 셀에 전해질을 도입하기 위한 전해질 포트로서 기능할 수 있다. 초고용량 축전기 용기에 사용하기 위한 벤트의 예시적인 형태가 이하에 설명된다.
용기(102) 내에 수납된 초고용량 축전기(100)의 예시적인 셀 구조체(120)가 도2에 개략적으로 도시되어 있다. 이중층 셀(120)은 전극 시트와 절연 시트의 나선형 권선으로서 형성될 수 있다. 이중층 셀(120)은 다공질 분리재 시트(124a)에 의해 분리된 제1 플레이트 시트(122a)와 제2 플레이트 시트(122b)로 구성될 수 있다. 플레이트 시트(122a, 122b)들이 함께 권취되어 나선형 셀(120)을 형성할 때, 제2 플레이트 시트(122b)를 제1 플레이트 시트(122a)의 외부면(128)으로부터 절연하기 위해 제2 플레이트 시트(122b)의 외부면(126)에 인접하여 제2 다공질 분리재 시트(124b)가 배치될 수 있다. 축전기 셀(120)의 최종 기하학적 형상은 "젤리- 롤(jelly-roll)"로 공지되어 있다.
나선형 쉘(120)의 중앙에는 원통형 보이드(118)가 형성된다. 이하에서 상세히 설명되는 하나의 실시예에서는, 전해질의 추가와 초고용량 축전기(100)의 충전 및 방전시에, 용기(102) 내에서 발생하는 화학적 반응 및 전기화학적 반응에 의해 방출되는 주요 가스를 흡수하기 위해, 축전기(100)의 제조시에 원통형 보이드(118) 내에 가스 게터 재료(150)가 삽입될 수 있다. 상술한 바와 같이, 밀봉된 용기(102) 내에서의 가스 형성으로 인한 압력 축적은 용기(102)를 파열시켜 축전기(100)를 불능화할 수 있다.
도3에는, 제1 플레이트 시트(122a) 및 제2 플레이트 시트(122b)가 다공질 분리재 시트(124a)와 함께 단면도로 각각 도시되어 있다. 각각의 플레이트 시트(122a, 122b)는 2개의 전극 필름(132) 및 전류 컬렉터 시트(134)를 포함한다. 각각의 플레이트 시트(122a, 122b)에 있어서의 전류 컬렉터 시트(134)는 다른 구성요소보다 폭이 더 커서, 전류 컬렉터 시트(134)의 단부(138)들 중 하나가 전극 필름(132)의 에지를 넘어 연장된다. 따라서 전류 컬렉터 시트(134)의 단부(138)는 초고용량 축전기(100)의 단자 연결부와 전기적으로 결합될 수 있다.
전극 필름(132)의 내부 표면은 전류 컬렉터 시트(134)와 전기적으로 그리고 물리적으로 결합될 수 있다. 일 실시예에서, 전극 필름(132)은 각자의 전도성 접착제 층(136)에 의해 전류 컬렉터 시트(134)에 접합될 수 있다. 그러나, 접착제 접합 층이 모든 응용예에서 요구되는 것은 아닐 수도 있다.
일 실시예에서, 전극 필름(132)은 활성 탄소 입자 및 결합제 재료로 주로 이 루어진 블렌드로 형성될 수 있다. 선택에 따라서는, 낮은 오염 수준 및 높은 전도성을 가진 적은 양의 전도성 탄소 입자가 블렌드 내에 도입될 수 있다. 다양한 실시예에서, 블렌드는 약 80 내지 약 97 중량%의 활성 탄소와 약 3 내지 약 20 중량%의 PTFE로 구성될 수 있다. 선택에 따라서는, 전도성 탄소가 약 0 내지 약 17 중량%의 범위에서 첨가될 수 있다. 입상 분말 형태의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 하나 이상의 다양한 다른 플루오로폴리머 입자, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 코폴리머, 및/또는 다른 폴리머 블렌드를 포함하는 하나 이상의 다양한 결합제가 사용될 수 있다.
축전기(100)가 분극화되는 다른 실시예에서, 음극을 형성할 전극 필름(134)들 중 하나는 축전기 내에서 발생하는 화학적 반응 및 전기화학적 반응에 의해 생성되는 가스를 흡수하기 위해 이하에 더 설명되는 가스 게터 재료로 도핑될 수 있다. 도핑은 음극에 한정되어야 한다. 가스 게터링 개념은 이하에서 더욱 상세히 설명된다.
전류 컬렉터 시트는 용기(102) 내의 전해질 용액과 화학적으로 상호작용하지 않는 알루미늄 또는 다른 전도체의 시트일 수 있다. 전극 필름과 전류 컬렉터 사이의 접촉 면적을 증가시키기 위해 알루미늄 시트는 에칭되거나 거칠게 가공되거나 홈을 가질 수 있다.
상술한 바와 같이, 제1 및 제2 플레이트 시트(122a, 122b)와 제1 및 제2 분리재 시트(124a, 124b)는 함께 권취될 수 있다. 제1 및 제2 플레이트 시트(122a, 122b)는 오프셋 방식으로 함께 권취되어, 제1 플레이트 시트(122a)의 컬렉터 시 트(134)의 노출된 단부(138)가 한 방향으로 연장되고 제2 플레이트 시트(122b)의 컬렉터 시트(134)의 노출된 단부(138)가 제2 방향으로 연장되게 한다. 이러한 방식으로, 축전기(100)의 대향하는 단자들은 예를 들어 캡(104) 및 기부(110)와 같은 축전기(100)의 양쪽 단부들 상에 위치될 수 있다.
상술한 바와 같이, 이중층 축전기에 대한 에너지 저장을 제공하기 위해 전극 필름(132)들은 통상적으로 전해질(전해 용액)에 침지된다. 요즘 이중층 축전기에 사용되는 전해질은 두 가지 종류이다. 첫 번째 종류는 예를 들어 수산화칼륨 및 황산 용액과 같은 수성 전해질 용액을 포함한다. 이중층 축전기는 또한 예를 들어, 프로필렌 카보네이트(PC) 용액 및 아세토니트릴(AN) 용액과 같은 유기 용액 내의 1.5M 테트라메틸암모늄 테트라플루로보레이트와 같은 유기 전해질로 만들어질 수 있다. 전해질은 또한 이온 액체로도 불리는 액체 염류, 임의의 액정 전해질 및 고체 전해질로 구성될 수 있다.
다공질 분리재 시트(124a, 124b)는 적어도 부분적으로 전해질에 침지되어 전해질로 포화될 수 있다. 다공질 분리재 시트(124a, 124b)는 또한 전극 필름(132)들이 서로 접촉하지 않음으로써 전극 필름들 사이의 직접적인 전류 흐름을 방지하는 것을 보장할 수 있다. 이와 동시에, 다공질 분리재는 전극 시트들 사이의 전해질을 통해 양방향으로 이온 전류가 흐르는 것을 허용한다. 다공질 분리재 시트(124a, 124b)는 세라믹, 종이, 폴리머, 폴리머 섬유 또는 유리 섬유 중 하나 이상으로 제조될 수 있다. 다공질 분리재 시트는 셀 전체에 걸쳐 전해질을 분배하기 위해 심지 작용을 더 제공한다. 전하의 이중층이 전극 시트와 전해질 사이의 계면 에 형성된다.
이중층 축전기의 한 쌍의 전극 사이에 전위가 인가되면, 전해질 내에 존재하는 이온이 서로 반대로 대전된 전극 필름(132)들의 표면에 부착되고, 전극 필름(132)을 향해 이동한다. 따라서 반대로 대전된 이온 층이 생성되어 전극 필름(132)의 각 표면 근처에 유지된다. 전기 에너지는 (전해질 내의) 이들 이온 층과 대응 전극 표면의 전하 층 사이의 전하 분리층[즉, 다공질 분리재 시트(124a, 124b)]을 가로질러 전위로서 저장된다. 사실상, 전하 분리층은 기본적으로 정전 축전기로서 작용한다. 정전 에너지도 전위에 의해 유도된 전기장의 영향 하에 전해 용액의 분자들의 배향 및 정렬을 통해 이중층 축전기에 저장될 수 있다. 그러나, 이러한 에너지 저장 모드는 부차적인 것이다.
일 실시예에서, 전류 컬렉터 시트(134)는 약 30 마이크로미터 두께의 에칭되거나 또는 거칠게 가공된 알루미늄 포일을 포함할 수 있고, 접착제 층(136)은 약 5 내지 15 마이크로미터의 두께를 가질 수 있으며, 전극 필름(132)은 약 80 내지 250 마이크로미터의 두께를 가질 수 있고, 종이 분리재 시트(124a, 124b)는 약 20 내지 30 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 이중층 축전기는 일반적으로 최대 충전 전압을 약 4.0 볼트 이하의 이론적인 값으로 제한하는 고유 특성을 갖는다. 일 실시예에서, 이중층 축전기의 공칭 최대 충전 전압은 약 2.5 내지 3.0 볼트의 범위이다.
도1을 참고하여 설명된 바와 같이, 축전기(100)는 압력 축적이 용기(102)를 파열시켜 축전기(100)를 불능화하기 전에 용기(102) 내에서 형성된 가스를 방출하 기 위해 재밀봉 가능한 벤트(108)를 포함할 수 있다. 도1에서, 재밀봉 가능한 벤트(108)는 또한 단자로서도 기능한다. 초고용량 축전기(200)를 위한 재밀봉 가능한 단자 벤트(208)의 실시예가 도4 내지 도6C에 상세히 도시되어 있다. 도4에 도시된 바와 같이, 재밀봉 가능한 벤트(208)는 내부에 수납된 축전기 셀(220)을 위한 인클로저를 형성하는 용기(202) 상단부의 캡(204) 상에 장착될 수 있다. 캡(204)은 용기(202)의 측면 및 단부 벽과 밀봉 결합하는 외주연부(212)를 갖는 원통형 본체일 수 있다. 용기(202)의 상단부 벽은 기밀 밀봉을 형성하기 위해 캡(204)의 주연부(212) 둘레의 림(206)에서 크림핑될 수 있다.
도4 및 도5에 도시된 바와 같이, 벤트(208)는 캡(204), 리벳(210) 및 그로밋(grommet)(230)을 포함하는 구성요소들의 조합을 포함할 수 있다. 캡(204)은 중심에 편평한 바닥 벽(216)을 가진 리세스(214)가 형성된 얇은 원통형 또는 디스크형 본체(212)로서 설명될 수 있다. 리세스(214)의 바닥 벽의 중심에 본체(212)를 관통하는 구멍(218)이 형성된다. 이완된 상태에서 리세스(214)의 깊이보다 약간 큰 직경을 가진 O-링(240)이 리세스(214)의 편평한 바닥 벽(216) 상에서 구멍(218) 주위에 안착된다. 리세스(214) 주위의 본체(212)의 중앙부는 2개의 홈(217a, 217b)에 의해 반으로 나뉘어진 융기된 환형 벽(217)일 수 있으며, 2개의 홈(217a, 217b)은 이하에서 더 설명되는 바와 같이 용기(202) 내부로부터 가스를 배기하는 것을 돕는다.
리벳(210)은 헤드(222) 및 감소된 섕크 단부(226)를 가진 섕크(224)를 가질 수 있다. 섕크(224)는 캡(204)의 본체(212)에 있는 구멍(218)을 통과한다. 리 벳(210)의 헤드(222)는 리세스(214)보다 직경이 약간 클 수 있으며, 리세스(214)를 커버하고 밀봉하기 위해 O-링(240) 및 환형 벽(217) 상에 안착된다.
그로밋(230)은 편평한 와셔형 부분(232) 및 상방으로 연장되는 슬리브 부분(234)을 갖도록 금속으로 형성될 수 있다. 슬리브 부분(234)은 원통형 본체(212)에 있는 구멍(218)을 통해 상방으로 연장된다. 그로밋(230)의 슬리브 부분(234)은 리벳 섕크(224)와 구멍(218)의 측벽 사이에서 리벳 섕크(224)의 외경부 둘레에 안착된다. 와셔 부분(232)의 상부 표면은 캡(204)의 본체(212)의 바닥 표면과 동일한 높이에 오도록 안착된다.
리벳(210)을 그로밋(230)에 고정하기 위해, 리벳(210)의 감소된 단부(226)는 그로밋(230)의 와셔 부분(232)의 외부 표면의 인접 에지 위로 플랜지(228)를 형성하도록 외측으로 휘어진다. 따라서 리벳(210) 및 그로밋(230)은 캡(204)의 상부 및 바닥 표면에 접하여 서로 견고하게 고정되어 벤트 조립체(208)를 형성한다. 가스가 캐니스터(202)로부터 리세스(214) 내로 이동하는 것을 허용하기 위해 리벳 섕크(224)의 외경부와 그로밋(230)의 슬리브 부분(234)의 내경부 사이에 간극이 제공된다. 가스 이동을 위한 채널을 제공하기 위해 슬리브 부분(234)의 내경부, 리벳 섕크(224)의 외경부 또는 둘 모두는 종방향으로 홈이 형성될 수 있다. 리벳(210)의 감소된 단부(226)가 그로밋(230)의 바닥 표면에 대하여 플랜지 밀봉부(228)를 형성하고 나면 슬리브 부분(234)의 내경부와 리벳 생크(224) 사이의 공간 또는 채널로 가스가 홈을 통해 이동할 수 있도록 보장하기 위해 그로밋(230)의 와셔 부분(232)의 바닥 표면은 유사하게 반경방향으로 홈 또는 종방향 홈을 가질 수 있다.
도6A 내지 도6C에 도시된 바와 같이, O-링(240)은 리벳(220)의 헤드(222)의 하면과 리세스(214)의 바닥 벽(216) 사이에서 본체(212)의 리세스(214) 내에 장착될 수 있다. O-링(240)은 온도에 대해 저항성을 가진, 네오프렌과 같은 탄성 재료로 구성될 수 있으며, 정상적인 이완 상태에서, 리벳 헤드(222)의 하면과 바닥 벽(216) 사이의 리벳(220)의 섕크(224)를 둘러싸서 그 사이에 기밀한 밀봉을 형성한다.
일 실시예에서, 리벳(210)은 전도성일 수 있으며, 리벳(210)의 플랜지(228)는 축전기 셀의 상부로부터 연장되는 전류 컬렉터 시트에 부착된 전류 컬렉터(242)에, 예를 들어 레이저 용접에 의해 연결될 수 있다. 따라서, 재밀봉 가능한 벤트(208)는 초고용량 축전기(200)를 위한 단자로서 작동할 수도 있다.
도6A에 도시된 바와 같이, 초고용량 축전기(200)의 정상 작동 중에, 캐니스터(202) 내의 압력이 정상이면, O-링(240)은 리벳 헤드(222)의 하면과 리세스(214)의 바닥 벽(216) 사이에서 이완, 수축 및 압축된다. 이러한 구성에서, 벤트(208)는 폐쇄된다. 캐니스터 내의 가스 압력이 증가하면, 그러한 증가된 압력은 리벳(210)과 그로밋(230) 사이의 간극을 통해 O-링(240)에 가해진다. 압력의 증가는 리세스(214) 내에서 외측으로, 리벳(210)의 섕크(224)로부터 멀어지도록 O-링(240)을 가압하여, 도6B에 도시된 바와 같이 O-링을 신장시키고 O-링(240)의 단면 또는 두께를 감소시킨다. 압력이 증가하고 O-링(240)이 팽창함에 따라 O-링(240)의 단면 또는 두께의 감소는 커진다.
궁극적으로, 도6C에 도시된 바와 같이, O-링(240)의 두께 감소는 리벳(210) 의 헤드(222)와 리세스(214)의 바닥 벽(216) 사이에 간극을 제공하여, 초고용량 축전기 셀로부터 가스를 배기한다. 가스가 충분히 배기되어 압력을 감소시키고 셀 내의 압력이 정상으로 복귀하거나, 또는 O-링(240)의 팽창 특성에 기초한 배기 문턱값 아래로 복귀하면, O-링(240)은 수축하여, 가스 압력이 벤트(208)를 개방시킬 때까지 벤트(208)를 다시 폐쇄한다.
초고용량 축전기에 재밀봉 가능한 벤트를 사용하는 것은 부산물 가스의 생성으로 인해 초고용량 축전기 내에 압력이 축적되는 것을 제어하는데 도움이 될 수 있지만, 가스의 배기가 항상 바람직한 것은 아니다. 예를 들어, 수소(H2)는 종종 초고용량 축전기 내에서 발생되는 가스의 주요 성분이다. 수소는 가연성이 높다. 축전기가 작동하는 환경과 이 환경 내에서의 추가적인 배기에 따라서, 가스를 배기하는 것에 대해 안전성 고려가 이루어질 수 있다. 예를 들어, 초고용량 축전기는 하이브리드 자동차 내에 에너지를 저장하는데 종종 사용된다. 그러나, 그러한 차량은 여전히 내연 엔진을 포함하고 있으며, 그것은 엔진 블록의 경계 밖의 방출된 수소 가스를 발화시킬 수도 있다.
모든 상황에서 초고용량 축전기 내에 있는 벤트를 사용하는 것의 또 다른 가능한 단점은 초기 압력 해제 동안 벤트가 개방 위치에 고착될 수 있는 가능성이다. 이러한 가능성은 종종 방출된 가스가 벤트 개구에서 결정화되어 압력이 감소된 후에 벤트가 폐쇄되는 것을 막는 염류를 포함하기 때문에 발생할 수 있다. 벤트가 개방된 채로 유지되면, 수증기가 셀에 유입되어 무기질 재료인 전해질을 활성억제 할 수 있다. 전해질이 오염되면, 셀 수명이 사실상 단축되고, 셀 잔여 수명 동안의 셀 성능이 감소될 것이다.
도2 및 도4에 도시된 바와 같이, 발생된 가스를 흡수하여 초고용량 축전기의 수명을 연장시키기 위해, 초고용량 축전기의 캐니스터 내에 가스 게터(150, 250)가 각각 위치될 수 있다. 가스 게터 재료는 본원에 설명된 벤트 시스템 대신에 또는 그것에 추가하여 사용될 수 있다. 게터(getter), 가스제거제(degasser), 흡수제(absorber) 또는 스캐빈저(scavenger)로 지칭되는 재료는 그 내부의 가스를 물리적인 표면 흡수에 의해서가 아니라 화학적으로 결합하는 능력을 갖는다. 주로 운송 산업에 있어서의 가스 게터 및 그 사용에 관한 상세한 설명은 니그레이 피. 제이.(Nigrey, P.J.)의 "운송 패키징에 있어서의 수소 게터 사용에 관한 이슈 페이퍼(An issue paper on the use of hydrogen getters in transportation packaging)"(Sandia National Laboratories, 2000년 2월)에서 찾아볼 수 있으며, 이것은 전체 내용면에서 본원에 참고로 인용된다.
게터 재료와 가스의 반응 동안 형성된 화학적 결합은 강도가 변할 수 있다. 화학적 반응이 가스 흡수 프로세스 동안 발생한 상황, 즉 게터 재료가 원래의 조성에서 새로운 조성으로 변환되는 상황에서, 강한 화학적 결합이 일반적으로 형성되고, 게터는 비가역성 게터로 지칭된다. 피흡수질 가스가 가스 게터와 약하게 결합된 복합체를 형성할 때, 게터는 가역성 게터로 지칭된다. 이들 게터 재료들 사이의 차이는, 가역성 게터는 적절한 물리적 처리시에 원래의 조성으로 되돌아가 재생 및 재사용될 수 있다는 것이다.
모든 경우에 있어서의 재생은 약하게 결합된 게터/피흡수질 복합체를 분해하는데 충분한 열 에너지를 공급하는 것에 의해 달성된다. 예를 들어, 가역성 게터를 이용하면, 수증기, 이산화탄소, 질소 및 수소와 그 동위원소 등의 기체상 피흡수질은 수화물, 탄산염, 질화물 및 수소화물(중수소화물 또는 삼중수소화물) 조성물을 형성한다. 가역성 및 비가역성 게터는 모두 기체 종을 소비하여 새로운 고체 조성물을 형성하기 때문에, 밀봉된 시스템 내에서의 최종 프로세스(net process)는 분압의 감소이다.
밀봉된 시스템 내에 수소가 축적되는 것은 특정 조건 하에서 폭발의 위험을 지니기 때문에, 수소의 축적은 대게 바람직하지 않은 사건이다. 수소 스캐빈저 또는 게터는 이들 환경으로부터 수소를 제거함으로써 이러한 문제들을 피할 수 있다. 수소와 그 동위원소는 다양한 화학적 화합물과 반응하여 수소가 풍부한 화학적 화합물을 형성할 수 있고, 그러한 화합물이 금속에 의해 형성되었을 때, 그것들은 금속 수소화물로 지칭된다. 대안적으로, 알켄(탄소-탄소 이중 결합체)과 알킨(탄소-탄소 삼중 결합체)과 같은 포화되지 않은 탄소-탄소 결합체를 화학적 조성물의 일부로서 함유하는 화학적 화합물은 수소와 촉매 반응될 때 포화된 탄소-탄소 결합체 또는 알칸(탄소-탄소 단일 결합체)을 형성할 수 있다.
그러나, 그러한 반응들은 촉매가 빠진 상태에서는 주변 온도 및 압력에서 자발적이지 않다. 일반적으로, 그러한 반응들은 상승된 온도(> 100℃), 고압(>100 기압), 특정한 촉매의 존재 시에만 상당한 속도로 발생한다. 이러한 수소화반응 촉매는 촉매성 매개체로서 상술한 금속 수소화물을 포함한다. 그러한 반응에 사용 되는 가장 두드러진 금속 수소화물은 루테늄, 로듐 및 팔라듐 수소화물과 같은 귀금속 산화물들이다. 그러나, 이들 촉매성 반응의 대부분은 사실상 균일하다. 즉, 수소화반응은 용액 내에서 일어난다. 불균일한 촉매작용(고체/기체 계면에서 일어나는 촉매작용) 반응은 가역성이든지 또는 비가역성이든지 간에 모든 수소 게터 재료의 반응의 기초를 형성한다. 게터의 효율적인 사용법은 비교적 낮은 온도에서의 완벽한 수소 흡수/탈리 가역성과 함께 높은 수소 대 금속 비율을 나타내는 재료에 의존한다. 다른 게터 선택 기준은 특정한 작은 분자 종의 게터 재료에 대한 잠재적인 활성억제(poisoning) 효과이다.
게터는 화학 반응에서 수소를 제거하고, 모든 화학 반응은 열역학 및 동역학적 인자의 조합에 의해 좌우된다. 반응의 속도를 좌우하는 성분이 반응의 동역학을 만들어낸다. 화학 반응의 동역학은 대게 아레니우스 거동(Arrhenius behavior)을 나타낸다. 즉, 화학 반응의 동역학은 온도에 의해 활성화된다. 온도가 증가하면, 증가된 반응 속도가 일반적으로 관찰된다. 관련된 게터 재료의 유형에 따라, 최적의 게터 성능을 위한 최적의 온도 범위가 존재한다. 가역성 게터 재료의 경우에는 최적의 온도 범위가 대게 수백 ℃에 걸쳐있는데 반해, 비가역성 게터는 100℃ 부근의 온도로 제한된다. 최적의 수소 게터링 온도는 구체적인 재료에 의존하기 때문에, 본원에서 더 구체화하는 것이 불가능하다.
그러나, 최적 온도는 게터/피흡수질 복합체의 분해 온도에 의해 결정된다는것을 알아야 한다. 가역성 금속 수소화물 게터의 경우에, 금속 수소화물의 분해 온도는 이들 재료가 게터링 성능을 현저히 감소시키지 않고 사용될 수 있는 최대 온도를 나타낸다. 이들 재료의 경우에는, 500℃를 넘는 분해 온도가 일반적이다. 유기 화합물을 수반하는 비가역성 시스템의 경우에, 분해 온도는 대게 150℃보다 높다. 이들 비교적 낮은 분해 온도에 대한 설명은 사실상 모든 유기 화합물이 200℃에 근접하는 온도에서 다소의 열적 열화를 겪는다는 것이다. 예상 온도가 150℃보다 현저히 낮다면, 비가역성 게터가 적절할 수 있다. 정상 조건이 그 온도를 초과할 때에는 정확히 그 반대가 요구된다.
하나의 전금속제 공기 작동식의 수소용 복합 게터(Pacific Northwest National Laboratories로부터 구입 가능함)는 공기 또는 불활성 대기 내의 수소를 주변 온도 또는 상승된 온도에서 게터링할 수 있다. 복합 게터 설계는 전금속제의 코팅된 지르코늄계 게터이며, 금속 코팅이 보호용 산소 장벽을 제공하는 것과 동시에 수소의 이동을 허용한다. 특정 두께의 보호용 금속 층을 적층시키기 위해 특정 파라미터에 의한 특정 디포지션 방법이 사용된다. 코팅은 공기, 산소 또는 습기 중에서 게터의 패시베이션을 최소화한다. 게터는 150 내지 200℃의 주변 온도의 공기 중에서 작동하는 것으로 도시되어 있다. 날짜에 대한 현재 데이타에 기초하여 측정된 수소 게터링 속도는 직접 공기중에 있을 때 25 내지 50 cc STP/day/kg(0.025-0.050 cc STP/day/g)의 게터 범위이다. 불활성 대기중에서, 그 속도는 1000의 인수(factor)만큼 더 높다. 게터의 수소 로딩 용량은 대기에 관계없이 160 리터 STP/kg(0.160 리터 STP/g)의 게터로 측정되었다. 코팅된 투-피스(two-piece) 게터 설계를 이용하면, 할로겐화 휘발성 유기 탄화수소, 일산화탄소 또는 습기와 같은 잠재적인 오염 가스들이 게터 동역학 또는 용량에 영향을 미치지 않는데, 그 이유는 대기가 실제 게터 표면과 전혀 접촉하지 않기 때문이다.
란타늄 펜타니켈은 AB5-타입 재료의 클래스를 나타내는 란타늄-니켈 합금이다. 마그네슘 및 마그네슘 합금은 수소 게터로서 극히 매력적인데, 그 이유는 대부분의 금속 수소화물보다 많은 중량(3.6%)의 수소를 저장할 수 있기 때문이다.
다른 가능한 게터는 산화망간/산화은 게터와 유사하며, 단일 구조체 내에 통합된 3개의 상이한 활성 게터 재료의 조합을 포함한다. 산화 코발트는 수소에 대해 효율적인 흡착 속도 및 용량을 제공한다. 산화칼슘 성분은 습기를 포획하고 흡수하는 고효율 흡습제이다. 또한, 바륨-리튬 합금은 질소와 산소 및 이산화탄소 등의 기타 활성 가스를 흡수한다. 또한, 이들 3개의 성분 재료는 실온에서 가스를 흡수한다. 짧은 공기 노출(예를 들어, 최대 15초)은 게터의 흡수 특성에 영향을 미치지 않을 수 있다. 이러한 유형의 게터링 시스템의 장점은 활성 수소 게터링 재료인 산화코발트에 대한 잠재적인 활성억제의 제거이다.
특정 초고용량 축전기 응용예를 위한 적절한 게터를 결정하는데 사용될 수 있는 몇 가지 기준이 있을 수 있다. 이들 기준은 다음의 것들을 포함한다.
용량 - 초고용량 축전기의 원하는 수명에 걸쳐 발생되는 잠재적인 총 가스에 대한 게터 용량의 결정
압력 - 초고용량 축전기의 최대 정상 작동 압력과, 게터의 성능이 압력에 의해 영향을 받는지 여부의 결정
활성억제 - 게터를 잠재적으로 활성억제할 수 있는 화학 성분이 내용물 안에 있는지 여부의 결정
가역성 - 어떤 조건이 게터로 하여금 수소를 방출하게 할 수 있는지와 이들 조건이 제안된 용도 또는 환경에서 발생할 수 있는지 여부의 결정
온도 - 작동 온도 조건에 대한 게터의 효과적인 온도 범위의 결정
습도 - 게터에 대한 수증기의 효과의 결정
위치 - 게터 위치의 영향의 결정
열 - 게터가 열을 방출 또는 흡수하는지의 결정
특정한 초고용량 축전기 응용예에 사용될 가스 게터의 양을 결정하기 위해, 다음의 인자들이 고려될 수 있다. 첫째로, 특정 전압 및 예상 작동 온도에서 초고용량 축전기에 의해 발생되는 가스의 양이 결정되어야 한다. 둘째로, 1그램의 가스 게터 당 흡수되는 가스의 양이 결정되어야 한다. 셋째로, 초고용량 축전기의 예상 또는 소망 수명이 결정되어야 한다. 다음으로, 초고용량 축전기에 사용되는 게터의 양의 계산이 곧바로 이어진다.
다음은 용매로서 AN을 사용하는 일반적인 초고용량 축전기 셀 내에서 발생되는 가스의 조성의 상세이다.
가스 화학식 % 체적
수소 H2 40.0
산소 O2 6.9
질소 N2 29.8
메탄 CH4 1.9
일산화탄소 CO 4.5
아세토니트릴 CH3CN 11.7
1,1,1,트리플루오로에탄 CH3CF3 2.8
아르곤/CO2 Ar/CO2
N2의 양은 측정 전의 N2 퍼지로 인해 영향을 받았다는 점을 주지하기 바란다. 특정 전극 및 전해질 재료에 관한 이러한 정보를 사용함으로써, 최고 발생 체적을 구성하는 가스를 제거하는데 적절한 가스 게터 화학식이 사용될 수 있다.
도7A 및 도7B를 참조하면, 오프셋 컬렉터[예를 들어, 도3에 도시된 전류 컬렉터 시트(134)]를 포함하는 롤형 이중층 초고용량 축전기(300)가 캐니스터(302) 내에 수납된다. 제조 중에, 롤형 이중층 축전기 셀(320)이 캐니스터(302)의 개방 단부 내로 삽입되고, 전해질이 캐니스터(302) 내에 추가된다. 전류 컬렉터(342)가 셀(320)의 상부에 배치될 수 있고, 셀(320) 위로 연장되는 전류 컬렉터 시트의 노출된 에지(338a)와 연결될 수 있다. 마찬가지로, 축전기 셀(320) 아래로 연장되는 전류 컬렉터 시트의 노출된 컬렉터 에지(338b)는 캐니스터(302)의 바닥 단부(310)와 내부 접촉을 이룬다. 캐니스터(302)의 측벽으로부터 전류 컬렉터를 절연하기 위해 절연 재료(344)가 전류 컬렉터(342)의 주연부를 따라 배치될 수 있다.
전류 컬렉터(342)의 상부에는 캡(304)이 배치될 수 있다. 전류 컬렉터(342)와 캡(302)은 모두 전도성일 수 있다. 일 실시예에서, 캡(304)의 외부 표면 또는 캐니스터(302)의 외부 바닥 표면(310)은 캐니스터(302) 내의 롤형 축전기 셀(320)에의 전기적 연결을 용이하게 하기 위해 규격화된 연결부 또는 커넥터를 포함하거나 또는 그것에 결합될 수 있다. 캡(304)의 외부 표면은 전기적 연결을 돕기 위해 단자(312)로서 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 단자(312)는 캡(304)에 고정되는 별개의 구성요소일 수 있다. 일 실시예에서, 단자(312)는 또한 전해질 용액을 셀(320) 내로 도입하기 위한 포트에 대해 예를 들어 나사형 플러그와 같은 밀봉체로서 기능할 수 있다.
캐니스터(302)의 개방 단부에서 캡(304)의 주연부를 따라 절연체(340)가 배치될 수 있다. 제조 중에, 캐니스터(302), 절연체(340) 및 캡(304)은 주연부를 따라 밀봉된 림(306)을 형성하도록 기계적으로 함께 크림핑 또는 컬링될 수 있으며, 이로써 컬링 처리 후에 캐니스터(302)가 절연체(330)에 의해 캡(304)으로부터 전기적으로 절연된다. 일 실시예에서, 개스킷 또는 O-링(348)이 캡(304)의 주연부 에지와 캐니스터(302)의 벽 사이에 위치되어, 캐니스터(302)와 캡이 함께 컬링될 때, O-링(348)은 추가적으로 절연체로서 작용하며 또한 캐니스터(302)를 기밀하게 밀봉할 수 있다.
압력 해제 벤트(308)가 추가적으로 캡(304) 내에 위치될 수 있다. 도7A 및 도7B의 실시예에서, 벤트(308)는 단자(312)로부터 분리 및 오프셋될 수 있다. 벤트(308)는 도4 내지 도6C의 벤트와 구성면에서 유사할 수 있거나, 또는 대안적인 구성일 수 있다. 일 실시예에서, 벤트(308)는 캡(304)이 캐니스터(302)에 크림핑된 후에 캡(304)의 구멍에 삽입될 수 있다. 이 실시예에서, 벤트(308)용 구멍은 캐니스터(302)를 셀(320)용 전해질로 채우기 위한 포트로서 사용될 수도 있다. 전해질이 캐니스터(302)를 채우면, 진공이 형성된 후 재밀봉 가능한 벤트(308)가 캡(302)의 구멍 내에 삽입되어 기밀한 밀봉을 완성할 수 있다.
또한, 캐니스터(302)는 캐니스터(302)의 벽 내에 안전 퓨즈(358)를 포함하도록 설계될 수 있다는 것을 주지하기 바란다. 안전 퓨즈(358)는 벤트(308)가 고장 나고 압력이 설계 한계를 넘어서는 경우에 캐니스터(302)가 파열되는 것을 보장하기 위해 캐니스터(302)의 작은 영역(예를 들어 1 mm)을 스코어링하거나 또는 다른 방식으로 약화시키는 것에 의해 형성될 수 있다. 안전 퓨즈(358)가 끊어지도록 설계된 초고용량 축전기 내의 일반적인 최대 압력은 대략 15 bar이다. 캐니스터 내의 안전 퓨즈(358)는 캡(304)이 발사체처럼 캐니스터(302)의 상부로부터 발사될 가능성을 방지하는데 바람직할 수 있다.
재밀봉 가능한 벤트(308)의 사용은 상술한 벤트(308)의 잠재적인 문제에 대해서도 안전 퓨즈(358)에만 의존하는 것이 바람직할 수 있다는 것을 주지하기 바란다. 예를 들어, 벤트(308)가 염류 축적 또는 다른 원인으로 인해 개방 상태로 고착되더라도, 축전기(300)는 감소된 용량에서도 훨씬 많은 사이클 동안 작동을 지속할 것이다. 반대로, 캐니스터(302)가 안전 퓨즈(358)에서 파열되면, 셀(320) 내의 전해질이 빠르게 증발하고, 셀(320)은 단기간에 기능이 정지된다.
재밀봉 가능한 벤트(308) 및 안전 퓨즈(358)에 추가하여, 초고용량 축전기(300)는 그 수명을 연장시키기 위해 하나 이상의 위치에서 캐니스터(302) 또는 셀(320) 내에 배치된 가스 게터 재료를 더 포함할 수 있다. 상술한 실시예들에서와 같이, 가스 게터(350)는 젤리 롤 셀(320)의 원통형 보이드(318) 내에 끼워지는 크기를 가진 긴 원통형 패키지 또는 복합체의 형태일 수 있다. 하나의 특정한 실시예에서, 164 mg의 가스 게터 재료가 원통형 보이드(318) 내의 배치를 위한 대략 30 mm의 길이 및 4 mm의 직경을 가진 고밀도 폴리에틸렌 파우치 내에 패키지되었다.
다른 특정 예에서, 1.4 g의 H2 게터 재료가 60 mm의 길이 및 4 mm의 직경을 가진 고밀도 폴리에틸렌 파우치 내에 패키지되고 초고용량 축전기의 원통형 보이드 내에 배치되었다. H2 게터 재료는 150 Torr-L의 흡수 속도를 가지며, 120℃까지의 공기 충진 환경에서 사용하기 위한 등급의 것이었다. 전해질이 캐니스터에 추가되었으며, 캐니스터는 밀봉되었다. 전해질 추가 후에 200시간의 지연 기간이 초고용량 축전기가 작동되기 전에 관찰되었다. H2 게터 재료는 궁극적으로 2.7V 및 65℃에서의 2000시간 작동 후에 포화점에 도달하였다. 축전기 셀의 수명은 가스 게터가 없을 때의 수명보다 상당히 길었다.
다른 특정 예에서는, 0.7 g의 H2 게터가 43 mm의 길이와 2.8 mm의 직경을 가진 고밀도 폴리에틸렌 파우치 내에 패키지되고, 초고용량 축전기의 원통형 보이드 내에 배치되었다. 보이드는 대략 43 mm의 길이와 6.5 mm의 직경을 가졌다. H2 게터 재료는 150 Torr-L의 흡수 속도를 가졌으며, 120℃까지의 공기 충진 환경에서 사용하기 위한 등급의 것이었다. 전해질이 캐니스터에 추가되었으며, 캐니스터는 밀봉되었다. 전해질 추가 후에 200시간의 지연 기간이 초고용량 축전기가 작동되기 전에 관찰되었다. H2 게터 재료는 궁극적으로 2.5V 및 65℃에서의 4000시간 작동 후에 포화점에 도달하였다. 역시 축전기 셀의 수명은 가스 게터가 없을 때의 수명보다 상당히 길었다.
다른 실시예에서, 전류 컬렉터(342)에는 가스 게터 재료(352)가 패킹되거나 또는 다른 방식으로 배치될 수 있는 홈 또는 리세스(354)의 패턴이 형성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 가스 게터 재료는 캐니스터(302)의 내부 벽 상의 코팅(356)의 형태일 수 있다. 초고용량 축전기(300) 내에 가스 게터 재료를 사용함으로써, 초고용량 축전기(300)의 수명은 상당히 연장될 수 있다.
각각의 컬렉터 연장부(338a, 338b)와 캐니스터(302)의 내부 바닥 표면(310)과 전류 컬렉터(342) 사이의 접촉은 용접, 납땜 및/또는 브레이징 프로세스에 의해 개선될 수 있다. 일 실시예에서, 캐니스터(302), 전류 컬렉터(342), 및 컬렉터 연장부(338a, 338b)는 예를 들어 알루미늄과 같은 실질적으로 동일한 금속을 포함하며, 레이저 용접 프로세스가 캡(304)과 캐니스터(302)를 통해 외부에 적용될 수 있다. 레이저 용접을 사용함으로써, 추가의 접합 재료의 사용 없이도 각각의 내부 접촉 알루미늄 컬렉터 연장부(338a, 338b)가 알루미늄 캐니스터(302) 및 전류 컬렉터(342)에 접합된다. 일부 실시예에서, 전류 컬렉터(342)가 전류 컬렉터 시트(330)의 노출된 에지(338a)에 연결된 후에 전해질 유체가 추가되는 경우에, 전해질 유체가 셀(320)에 도달하는 것을 허용하기 위해, 전류 컬렉터(342)는 천공되거나 또는 다른 방식으로 개구(346)가 형성될 수 있다.
캐니스터(302), 캡(304), 전류 컬렉터(342) 및 컬렉터 시트가 실질적으로 유사한 재료이고 서로 접합된다면, 접합 또는 용접 지점에서 갈바니 효과가 발생하지 않을 것이라는 점을 주지하기 바란다. 이것은, 상이한 양극과 음극 금속 연결 지점에서 갈바니 효과에 일반적으로 노출되는 배터리와는 대조적이다. 부분적으로는 갈바니 효과에 기인하여, 배터리들은 분극화되고, 결과적으로 그들의 단자를 통해 올바른 양과 음의 배향으로 연결되어야 한다. 일 실시예에서, 레이저 용접 프로세스에 의해 연결된 이중층 축전기(300)는 상이한 금속을 사용하지 않으므로, 그러한 초고용량 축전기는 초기에는 분극화 효과를 겪지 않을 것이다. 그러나, 축전기(300)의 초기 사용 후에, 예를 들어 초기 충전 사이클 후에, 초고용량 축전기(300)는 분극화되는데, 이는 양의 전하가 하나의 컬렉터 플레이트에 축적되고, 음의 전하가 다른 컬렉터 플레이트에 축적되기 때문이다. 그러한 대전된 축전기가 그 후에 완전히 방전되지 않는다면, 형성된 축전기 분극화는 지속적인 사용에 대하여 고려될 필요가 있다.
도8A 및 도8B는 외부 하우징(402)에 의해 형성된 일체화된 초고용량 축전기 모듈(400)을 표시한다. 모듈(400)은 롤형 이중층 초고용량 축전기(440)가 수납되는 다수의 캐비티(414)(본 실시예에서는 6개)를 형성하는 단일의 인클로져일 수 있다. 다른 형태에서, 모듈은 개별 축전기 용기가 일반적으로 직렬 접촉으로 수납되고 밀봉되는 케이스로서 이해될 수 있다. 제조 동안, 롤형 이중층 축전기 셀(420)이 모듈(400)에 있는 각각의 개구에 삽입될 수 있다. 전해질이 또한 캐비티(414)에 추가된다.
전류 컬렉터 캡(404)이 각각의 캐비티(414)의 셀(420)의 상부에 배치될 수 있다. 전류 컬렉터 캡(404)은 기밀한 밀봉을 형성하도록 캐비티(414)의 개구 내에 긴밀하게 끼워지도록 설계될 수 있다. 전류 컬렉터 캡(416)이 또한 모듈(400)에 있는 각각의 캐비티(414)의 바닥을 형성한다. 전류 컬렉터 캡(404, 416)은 축전기 셀(420)의 전류 컬렉터 시트의 노출된 컬렉터 에지와 전기 접촉을 이룬다. 전류 컬렉터 캡(404)의 상부와 전류 컬렉터 캡(416)의 바닥은 각각 단자(406, 422)로 형성될 수 있다. 단자(406, 422)들은 한 세트의 바아 형상 버스(412)에 의해 연결된다. 모듈의 상부에는 3개의 버스(412)가 존재하며, 인접한 한 쌍의 셀(420)의 상부 단자(406)들을 병렬로 연결하도록 배열된다. 모듈(400)의 바닥에는 2개의 버스(412)가 존재하며, 상부 버스에 대해 직각으로 배향되며, 하나의 버스가 모듈의 일 측면을 따라 2개의 단자(412)들만을 연결하고 모듈(400)의 다른 측면을 따라 2개의 단자(412)들을 연결하도록 엇갈려 배열되고, 중간 셀(420)은 모두 버스와 연결되지만, 대각선 코너 셀(420)은 한 세트만이 버스와 연결된다. 이러한 구성에서, 모든 셀(420)은 직렬로 전기 결합된다.
초고용량 축전기 모듈(400)은 하우징(302) 내에 배치된 가스 게터 재료(450)를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 가스 게터 재료(450)는 초고용량 축전기(400)의 수명을 연장시키기 위해 하나 이상의 위치에서 각각의 캐비티(414) 내에 배치될 수 있다. 상술한 실시예에서와 같이, 가스 게터(450)는 각각의 캐비티의 젤리 롤 셀(420)의 원통형 보이드(418) 내에 끼워지는 크기를 가진 긴 원통형 패키지 또는 복합체의 형태일 수 있다.
대안적인 실시예에서, 각각의 전류 컬렉터 캡(404)은 압력 해제 벤트(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 벤트는 단자(406)들로부터 분리되고 오프셋될 수 있으며, 관련 버스와의 접촉을 피하는 위치에 있을 수 있다. 벤트는 도4 내지 도6C의 벤트와 구성면에서 유사할 수 있고, 대안적인 구성의 것일 수 있다. 일 실시예에서, 모듈은 캐비티로부터 배기된 가스가 주위로 빠져나가지 않도록 밀봉하기 위해 하우징 위에 커버를 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 가스 게터 재료는 커버와 하우징 사이의 임의의 보이드 공간 내에 배치될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들이 어느 정도의 특정성을 가지고, 또는 하나 이상의 개별적인 실시예를 참고하여 위에 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 사상 또는 범위 내에서 개시된 실시예에 다양한 변형을 가할 수 있다. 모든 방향과 관련한 언급(예를 들어, 기단, 말단, 상방, 하방, 상향, 하향, 좌측, 우측, 측방향, 전방, 후방, 상부, 바닥, 위, 아래, 수직, 수평, 시계방향, 및 반시계방향)은 본 발명에 대한 독자의 이해를 돕기 위해 식별의 목적으로 사용될 뿐이다. 연결과 관련한 언급(예를 들어, 부착, 결합, 연결, 및 접합)은 넓게 해석되어야 하며, 달리 지적되지 않는다면 한 무리의 요소들 사이에 중간 부재를 포함할 수 있고, 요소들 사이의 상대 이동을 포함할 수 있다. 그와 같이, 연결과 관련한 언급은 반드시 2개의 요소들이 직접 연결되고 서로에 대해 고정 관계에 있음을 의미하는 것은 아니다. 이상에 설명된 또는 첨부된 도면에 도시된 모든 사항은 설명을 위한 것일 뿐 제한적인 것으로 해석되지 않는 것을 의도한다. 상세 또는 구성의 변경은 다음의 청구범위에 규정된 발명의 기본 요소들로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.

Claims (22)

  1. 캐니스터와,
    캐니스터 내에 수납된 이중층 축전기 셀과,
    하우징 내에 배치된 가스 게터 재료를 포함하는 초고용량 축전기.
  2. 제1항에 있어서, 캐니스터 내에서 형성된 가스를 캐니스터 외부로 방출하는, 캐니스터의 벽에 장착된 재밀봉 가능한 벤트를 더 포함하는 초고용량 축전기.
  3. 제1항에 있어서, 축전기 셀은 필름의 롤로서 형성되고, 롤의 중심에 중공 영역을 형성하며,
    가스 게터 재료가 중공 영역 내에 배치되는 초고용량 축전기.
  4. 제1항에 있어서, 캐니스터는 캡을 더 포함하고,
    캡의 내부 표면에 리세스가 형성되고,
    게터 재료는 캡의 리세스 내에 배치되는 초고용량 축전기.
  5. 제1항에 있어서, 가스 게터 재료는 습기 및 대기에 대한 저항성을 갖는 패시베이션 층을 포함하는 초고용량 축전기.
  6. 제1항에 있어서, 가스 게터 재료는 캐니스터의 내부 표면 상의 코팅을 포함하는 초고용량 축전기.
  7. 제1항에 있어서, 가스 게터 재료는 복합재의 형태인 초고용량 축전기.
  8. 제1항에 있어서, 가스 게터 재료는 분말의 형태이며,
    초고용량 축전기는 가스 게터 재료를 담는 가스 투과성 파우치를 더 포함하는 초고용량 축전기.
  9. 제1항에 있어서, 축전기 셀은 음전류 컬렉터를 포함하고,
    음전류 컬렉터는 가스 게터 재료를 포함하는 초고용량 축전기.
  10. 제1항에 있어서, 가스 게터 재료는 수소를 흡수하는 재료를 포함하는 초고용량 축전기.
  11. 제1항에 있어서, 가스 게터 재료는 습기를 흡수하는 재료를 포함하는 초고용량 축전기.
  12. 단일 패키지 내에 다수의 셀 캐비티를 형성하는 하우징과,
    각각의 셀 캐비티 내에 수납된 복수의 이중층 축전기 셀과,
    하우징 내에 배치된 가스 게터 재료와,
    셀 캐비티들을 직렬로 연결하는 복수의 바아를 포함하는 초고용량 축전기 모듈.
  13. 제12항에 있어서, 모듈은 기밀하게 밀봉되는 초고용량 축전기 모듈.
  14. 제12항에 있어서, 각각의 축전기 셀는 필름의 롤로서 형성되고, 롤의 중심에 중공 영역을 형성하며,
    가스 게터 재료는 각각의 축전기 셀의 중공 영역 내에 배치되는 초고용량 축전기 모듈.
  15. 제12항에 있어서, 가스 게터 재료는 습기 및 대기에 대한 저항성을 갖는 패시베이션 층을 포함하는 초고용량 축전기 모듈.
  16. 제12항에 있어서, 가스 게터 재료는 분말의 형태이며,
    초고용량 축전기는 가스 게터 재료를 담는 가스 투과성 파우치를 더 포함하는 초고용량 축전기 모듈.
  17. 초고용량 축전기의 캐니스터 내에 가스 게터 재료를 삽입하는 단계를 포함하는 초고용량 축전기 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서, 삽입 단계는 젤리 롤 축전기 셀의 중심의 보이드 내에 가스 게터 재료의 복합재를 배치하는 단계를 더 포함하는 초고용량 축전기 제조 방법.
  19. 제17항에 있어서, 삽입 단계는 젤리 롤 축전기 셀의 중심의 보이드 내에 가스 게터 재료의 파우치를 배치하는 단계를 더 포함하는 초고용량 축전기 제조 방법.
  20. 제17항에 있어서, 삽입 단계는 가스 게터 재료로 축전기 셀 내의 음전극 필름을 도핑하는 단계를 더 포함하는 초고용량 축전기 제조 방법.
  21. 제17항에 있어서, 전류 컬렉터 내에 리세스를 형성하는 단계를 더 포함하고,
    삽입 단계는 리세스를 가스 게터 재료로 채우는 단계를 더 포함하는 초고용량 축전기 제조 방법.
  22. 제17항에 있어서, 삽입 단계는 캐니스터의 내부 표면을 가스 게터 재료로 코팅하는 단계를 더 포함하는 초고용량 축전기 제조 방법.
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