KR20090118325A - 모듈형 전기이중층 커패시터 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모듈형 전기이중층 커패시터 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 수개의 권취소자를 직렬 연결하여 수지체에 내장되게 구성한 모듈형 전기이중층 커패시터 및 그 제조방법을 특징으로 하여, 모듈화된 전기이중층 커패시터의 부피가 최소화될 뿐만 아니라 진동이나 충격에 대한 흔들림이 방지되어 제품의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
모듈, 전기이중층 커패시터, 권취소자, 전극소자, 전해지, 수지체, 직렬

Description

모듈형 전기이중층 커패시터 및 그 제조방법{module type EDLC and method}
본 발명은 모듈형 전기이중층 커패시터 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수개의 권취소자를 직렬 연결하여 모듈화된 전기이중층 커패시터를 구성함으로써, 모듈화된 전기이중층 커패시터의 부피가 최소화될 뿐만 아니라 진동이나 충격에 대한 흔들림이 방지되어 제품의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 모듈형 전기이중층 커패시터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 충전/방전이 가능한 이차전지, 예를 들어 전해 콘덴서, 전기이중층 커패시터(EDLC) 등의 에너지 저장장치는 젤리롤 형태의 권취형(Winding-Type)이 많이 사용되고 있다.
첨부도면 도 1은 일반적인 권취형 에너지 저장장치 즉 전기이중층 커패시터의 제조과정을 도시한 공정도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 권취형 에너지 저장장치, 예를 들어, 권취형 전기이중층 커패시터(EDLC : electrochemical double layer capacitors) 등은, 주로 알 루미늄(Al) 재질의 원통형 케이스(20)와, 상기 케이스(20)에 내장된 권취소자(10)를 포함한다.
이러한 전기이중층 커패시터(1)는, 주로 풍력, 쏠라, 전기 자동차 혹은 하이브리드(hybrid) 자동차의 모터 구동 등의 목적으로 적용되고 있다.
이때, 상기 권취소자(10)는 띠 형상의 전극 적층체 즉, 양극 및 음극의 전극소자와, 상기 양극과 음극의 전극소자의 사이에 개재된 전해지로 이루어지는 띠 형상의 전극 적층체를 원통형으로 권취 즉 와인딩(winding, 이하 "와인딩" 이라 한다)한 후, 와인딩된 형태가 풀리지 않도록 외부를 테이핑(taping)하여 형성된다.
이와 같이 형성된 권취소자(10)는 전해액에 함침된 후, 원통형 케이스(20) 내부에 내장되며, 권취소자(10)의 상부에는 단자판(30)이 설치되고, 상기 단자판(30)에는 러그(Lug) 또는 스크류(Screw) 타입의 외부단자(40)가 체결된다.
또한, 상기 케이스(20)의 상부에는 단자판(30)이 아래로 밀리는 것을 방지하는 목부(21)가 함몰되게 형성되며, 상기 권취소자(10)는 케이스(20)에 위와 같은 목부(21)가 형성된 후 내장되어, 상기 권취소자(10)와 외부단자(40)는 단자(23)에 의해 전기적으로 연결된다. 이후, 상기 케이스(20)의 상부 단부(22)를 구부리는 커링(Curing) 공정을 통해 상기 단자판(30)이 케이스(20)내에 고정되면서 조립 완료된다.
그리고, 상기와 같이 조립된 하나의 전기이중층 커패시터(1)를 다른 전기이중층 커패시터(1)와 직렬 연결하여 모듈화할 수 있다.
한편, 상기 전극소자(100)는 도 3의 상부측에 도시된 도면을 참조하여 보면, 통상적인 알루미늄 포일(foil)과 같은 전극 집전시트(111)와, 상기 집전시트(111)에 도포된 전극활물질(112)로 구성된다. 상기 전극활물질(112)은 주로 활성탄을 주재료로 하는 전도성 페이스트의 도포에 의해 형성된다.
상기 전극소자(100)에는 단자(120)가 결합되는데, 이때 먼저 단자(120)가 결합될 부위를 긁어내어 전극활물질(112)을 제거한 다음 천공한 후, 리벳팅(rivetting) 등의 공정으로 단자(120)를 결합시킨다.
그러나, 이와 같은 종래 기술에 따른 전기이중층 커패시터(1)를 직렬 연결하여 모듈화할 때에는 하기와 같은 문제점이 있었다.
첫번째, 상기 권취소자(10)는 케이스(20)의 목부(21) 때문에 케이스(20)의 내경보다 필연적으로 작게 설계되고 있다. 즉, 권취소자(10)는 이미 목부(21)가 형성된 케이스(20)에 내장됨에 따라 권취소자(10)의 외경은 케이스(20)의 내경보다 작게 와인딩되도록 설계된다. 이에 따라, 케이스(20)와 권취소자(10)의 사이에는 필연적으로 빈 공간(50)이 형성되고, 이 공간(50)에 의해 전기이중층 커패시터(1)에 외부에서 진동이나 충격 등이 가해질 경우, 케이스(20) 내부에서 권취소자(10)가 흔들리게 되므로 손상될 수 있고, 그로 인해 제품의 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있었다.
즉, 흔들림으로 인하여 권취소자(10)의 전극이 손상되고, 단자판(30)에 연결된 단자(120)가 단락되는 현상이 발생한다. 특히, 자동차나 중장비 등과 같이 진동과 충격이 심하게 발생하는 중대형 설비에 적용되는 경우에는 권취소자(10)의 흔들림이 심하여 단자(120)가 절단되거나 전기이중층 커패시터(1)가 해체되는 현상이 발생하는 문제점이 있다.
두번째, 종래의 전기이중층 커패시터(1)는 제조 공정 및 비용 상의 문제점이 발생된다. 구체적으로, 원통형 케이스(20) 자체의 제작 공정, 상기 케이스(20)에 목부(21)를 형성시키는 공정, 단자판(30)의 제작 및 결합 공정, 그리고 케이스(20) 의 단부(22)를 구부리는 커링 공정 등이 수행되므로 인해 제조 공정이 복잡하고, 이에 따른 비용이 많이 소요되는 문제점이 있었다.
세번째, 상기 권취소자(10)를 구성하는 전극소자(100)는, 전해지와 적층된 다음 와인딩(winding)되는데, 이때 와인딩 시 금속 재질의 단자(120)와 전해지가 직접 맞닿게 되어 마찰 등에 의해 전해지가 손상되는 문제점이 있었다. 이에 따라, 절연 저항이 발생되어 전기적 특성이 저하되는 한편 전해지의 손상이 심할 경우에는 인접하는 전극소자(100)의 손상을 유발하고 단락을 발생시키는 문제점이 있었다.
네번째, 다수의 전기이중층 커패시터(1)를 연결하여 모듈화할 시, 케이스(20)의 큰 부피로 인해 모듈화된 전기이중층 커패시터(1)의 부피가 불필요하게 비대해지는 단점이 있었다.
이에, 본 발명은 전술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 전기이중층 커패시터를 모듈화함에 있어, 수개의 권취소자를 직렬 연결하고 수지체로 몰딩하여 모듈화된 전기이중층 커패시터를 구성함으로써 모듈화된 전기이중층 커패시터의 부피를 최소화할 수 있고, 진동이나 충격에 대한 흔들림이 방지되어 제품의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 모듈형 전기이중층 커패시터 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 단자와 전해지의 직접적인 접촉을 방지함으로써, 와인딩 시 단자에 의 한 전해지와 전극이 손상되는 것을 방지하고, 단자의 결합력을 향상시켜 전기적 특성을 향상시킬 수 있도록 한 모듈형 전기이중층 커패시터 및 그 제조방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 모듈형 전기이중층 커패시터는, 수개의 권취소자를 직렬 연결하여 수지체에 내장되게 구성한다.
그리고, 상기 권취소자는 PCB 기판에 접속되어 직렬 연결되고, 상기 권취소자와 PCB 기판은 절연성 포장재로 포장된 후 수지체에 내장된다.
상기 권취소자는 두 개의 전극소자와, 상기 두 개의 전극소자의 사이에 개재된 전해지를 포함하여 와인딩되고, 상기 전극소자는 전극과, 상기 전극에 결합된 단자를 포함하되, 상기 단자가 결합된 결합부에는 피복층이 형성되며, 상기 피복층은 전도성 물질을 포함한다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 모듈형 전기이중층 커패시터의 제조방법은, 전해액에 함침된 권취소자를 준비하는 제 1 단계와; 상기 다수의 권취소자를 PCB 기판에 접속시켜 직렬 연결하는 제 2 단계와; 상기 PCB 기판과 직렬 연결된 다수의 권취소자를 몰드에 장입하는 제 3 단계와; 상기 몰드에 수지액을 주입 및 경화시키는 제 4 단계;를 포함하여 구성된다.
그리고, 상기 제 2 단계와 제 3 단계의 사이에는 PCB 기판과 직렬 연결된 권취소자를 절연성 포장재로 포장하는 단계가 더 포함된다.
또한, 상기 제 1 단계는, 두 개의 전극소자의 사이에 전해지가 개재되도록 적층한 적층체를 제조하는 단계 a)와; 상기 단계 a)의 적층체를 와인딩한 다음 외부 둘레를 테이핑하여 원통형 권취소자를 제조하는 단계 b)와; 상기 단계 b)의 원통형 권취소자를 전해액에 함침하는 단계 c);를 포함하되, 상기 단계 a)의 전극소자는 전극과, 상기 전극에 결합된 단자를 포함하고, 상기 단자가 결합된 결합부에는 피복층을 형성하고, 상기 피복층은 전도성 물질을 포함한다.
본 발명의 모듈형 전기이중층 커패시터 및 그 제조방법에 따르면, 직렬 연결된 수개의 권취소자가 수지체 내부에 내장되어 모듈화됨으로써, 종래의 케이스와 권취소자 사이에 형성되어 있던 불필요한 공간이 없어지므로 인해 모듈화된 전기이중층 커패시터의 부피가 최소화될 뿐만 아니라 진동이나 충격에 대한 흔들림이 방지되어 제품의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 단자 결합부에 전도성 피복층을 형성함으로써, 와인딩 시 단자와 전해지의 직접적인 접촉을 방지하여 주므로 단자에 의한 전해지와 전극의 손상을 미연에 방지하고, 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명을 설명하기에 앞서, 종래기술과 동일한 부분에 대해서는 동일한 부호를 부여하고, 중복되는 설명은 생략키로 한다.
첨부도면 도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 모듈형 전기이중층 커패시터 및 그 제조방법에 따른 공정을 도시한 도면이다.
여기서, 첨부된 도면은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 보인 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 첨부된 도면은 원통형(권취형) 전기이중층 커패시터의 모습을 예시한 것이며, 본 발명에 따른 전기이중층 커패시터는 도면에 도시된 바와 같은 원통형(권취형)은 물론 각형 등을 포함한다.
본 발명에 따른 모듈형 전기이중층 커패시터(1)는 도 2에 도시된 바와 같이, 수개의 권취소자(10)가 직렬 연결되어 수지체(400)에 내장되게 구성된다. 이때, 상기 권취소자(10)는 수지체(400)의 몰딩(molding) 과정에서 내장되게 형성된다.
상기 권취소자(10)는 통상과 같은 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 권취소자(10)는 도 2에 도시된 바와 같이 와인딩(winding)된 원통형(권취형)으로서, 띠 형태의 전극 적층체 즉 양극 및 음극의 두 개의 전극소자(100)와, 상기 두 개의 전극소자(100)의 사이에 개재된 전해지(200)를 포함하는 띠 형태의 적층체를 와인딩하여 형성된 원통형(권취형)으로 구성된다.
또한, 상기 권취소자(10)는 두 개의 전극소자(100)와, 상기 두 개의 전극소자(100)의 사이에 개재된 전해지(200)를 포함하는 적층체를 전극군으로 하되, 이러한 전극군이 1개 또는 2개 이상의 다수 개가 적층된 후, 와인딩되어 구성될 수 있다. 이때, 권취소자(10)의 최외측에는 전해지(200)가 위치되도록 적층한 다음 와 인딩됨이 바람직하다.
또한, 상기 권취소자(10)를 구성하는 상기 전극소자(100)는 전극(110)과, 상기 전극(110)에 결합된 단자(120)를 포함하고, 상기 전극(110)은 금속의 집전시트(111)와, 상기 집전시트(111)에 도포된 전극활물질(112)로 구성될 수 있다.
아울러, 상기 권취소자(10)는 와인딩된 형태가 풀리지 않도록 하는 풀림방지수단(300)이 형성될 수 있다. 상기 풀림방지수단(300)은 와인딩된 권취소자(10)의 외부 둘레를 따라서 테이핑(taping)된 테이프를 예로 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이 구성된 두 개 이상의 권취소자(10)를 PCB 기판(500)에 접속시켜 직렬 연결한다. 즉, 도 2를 참조하여 설명하면, 각 권취소자(10)에서 인출된 양.음극 단자(120)를 PCB기판(500)에 접속시켜 인접한 권취소자(10)의 다른 전극의 단자(120)와 직렬 연결하고, 상기 PCB 기판(500)의 양측에서 각각 다른 전극(110) 즉 하나의 양극 단자와 하나의 음극 단자를 PCB 기판(500)을 관통시켜 인출시켜 낸다. 이와 같이 인출된 서로 다른 두 개의 전극(110)은 후술될 수지체(400) 외측으로 돌출되게 인출되고, 상기와 같이 구성된 모듈형 전기이중층 커패시터(1)는 그 전기적인 용량이 직렬 연결된 권취소자(10)의 개수만큼 배가된다. 즉, 하나의 권취소자 전압이 1.2V 일 때, 3개의 권취소자를 직렬 연결하면 3.6V 가 된다.
그리고, 상기 PCB 기판(500)에는 이에 접속된 각 권취소자(10)에 대응되게 저항(미도시)을 설치할 수 있고, 이와 같이 설치된 저항은 충전 시 과충전을 방지할 수 있게 된다.
또한, 상기 전극소자(100)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 전극(110)과, 상기 전극(110)에 결합된 단자(120)를 포함하되, 단자(120)가 결합된 결합부에는 단자(120)의 표면을 감싸는 피복층(130)이 형성된다.
상기 피복층(130)은 단자(120)와 전해지(200)의 직접적인 접촉을 방지할 수 있는 것이면 본 발명에 포함하며, 바람직하게는 전도성을 갖는 것이 좋되, 상기 전극(110)을 구성하는 전극활물질(112)과 동일한 물질로 구성될 수 있으며, 더 자세한 피복층(130)의 재질적 특성에 대해서는 후술하기로 한다.
한편, 위와 같이 PCB 기판(500)을 통해 직렬 연결된 권취소자(10)는 PCB 기판(500)과 같이 본 발명에 따라 수지체(400)에 내장된다. 즉, 몰드(410)에 권취소자(10)와 PCB 기판(500)이 장입된 상태에서 상기 몰드(410)에 수지체(400) 성형을 위한 수지액이 주입 및 경화되어, 상기 권취소자(10)와 PCB 기판(500)은 수지체(400)의 몰딩 과정에서 수지체(400) 내부에 내장된 상태로 매입된다. 경화된 수지체(400)는 케이스 기능을 하는 것으로서, 이는 수지 단독으로 구성되거나, 상기 수지에 첨가제가 포함된 조성물로 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 위와 같이 권취소자(10)와 PCB 기판(500)이 수지체(400)의 몰딩 과정에서 일체형으로 내장되게 형성되어, 외부에서 높은 진동이나 충격이 가해질지라도 흔들림이 방지된다. 이에 따라, 내진동성 및 내충격성이 우수하여 제품이 손상되거나 전기적 특성이 저하되는 것이 방지된다. 또한, 상기의 이유로 와인딩된 권취소자(10)는 풀리는 일이 없고, 구성요소 상호 간이 견고히 밀착된 상 태를 유지한다. 즉, 양극 및 음극 전극소자(100)와 전해지(200)가 외부의 진동이나 충격에 의해 풀리거나 이격되지 않고 서로 밀착된 상태를 유지한다. 이에 따라, 초기 특성을 유지하여 신뢰성을 향상시킨다.
상기 수지체(400)를 구성하는 수지액은 액상, 페이스트상 또는 슬러리 형태가 될 수 있다. 특별히 한정하는 것은 아니지만, 상기 수지액의 점도는, 가공성 및 표면성 등을 위해 10 ~ 500 포이즈(poise)로 하는 것이 바람직하다. 이때, 점도가 10 poise 미만이면 경화 시간이 오래 걸리거나 취급이 어려울 수 있고, 500 poise를 초과하는 경우에는 몰드(410)로의 주입이 어렵고, 몰드(410) 내에서 분산이 잘 되지 않아 균일한 표면을 갖지 않을 수 있다.
상기 수지액은 용융된 수지 단독으로 구성되거나, 상기 용융된 수지에 첨가제가 포함된 조성물로 구성될 수 있다. 이때, 상기 수지는 특별히 한정되지 않는다. 상기 수지는 천연수지, 합성수지(고무계를 포함한다) 또는 이들의 혼합을 포함하며, 예를 들어 합성수지로는 불포화 폴리에스테르(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리염화비닐(PVC), 폴리카르보네이트(PC), 폴리아크릴(PA), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리스티렌(PS), 폴리우레탄(PU) 및 이들의 공중합체, 그리고 에폭시 수지, 멜라민 수지, 페놀 수지, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 수지 및 아크릴로니트릴-스티렌(AS) 수지 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 사용할 수 있다. 아울러, 상기 수지는 부타디엔고무, 부타디엔-스티렌 고무, 또는 니트릴 고무 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기 수지액은 위와 같은 수지에 첨가제가 포함된 조성물로 구성될 수 있는데, 이때 상기 첨가제는 사용되는 수지의 종류에 따라 적절하게 선택될 수 있으며, 가공성 또는 별도의 기능성 부여를 위해 선택적으로 다양한 성분이 사용될 수 있다. 예를 들어, 첨가제는 유기 용매, 안료, 충진제, 이형제 등을 예로 들 수 있다.
상기 유기 용매는 점도 조절을 위해 첨가될 수 있는 것으로서, 특별히 한정하는 것은 아니지만 예를 들어 알콜류, 글리콜류, 벤젠류 등으로부터 선택될 수 있으며, 수지 100중량부에 대하여 5 ~ 30중량부를 사용할 수 있다.
상기 안료는 다양한 색상을 구현할 수 있는 것으로서, 유기안료 및 무기안료를 포함한다. 예를 들어, 안료는 아조계, 프탈로시아닌계, 스렌계, 염료 레이크계 등의 유기안료; 산화물계, 크롬산몰리브덴계, 페로시안화물계 등의 무기안료 등을 사용할 수 있다. 산화물계의 구체적인 예로는 루타일 타입의 이산화티탄(R-TiO2) 백색 안료 등을 들 수 있다. 이러한 안료는, 특별히 한정하는 것은 아니지만 수지 100중량부에 대하여 0.5 ~ 5.0중량부로 포함될 수 있다.
상기 충진제는 강도 보강 등을 위한 것으로서, 특별히 한정되지 않고, 본 발명의 목적을 손상하지 않는 범위의 것을 사용할 수 있다. 충진제는 예를 들어 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 탄산리튬, 석고, 운모, 탈크(talc), 수산화마그네슘, 수산화알루미늄, 규산칼슘, 알루민산 칼슘 및 붕사 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이 상을 혼합하여 사용할 수 있다. 이러한 충진제는, 특별히 한정하는 것은 아니지만 수지 100중량부에 대하여 10 ~ 100중량부로 포함될 수 있다. 또한, 충진제는, 수지와의 분산성이나 수지체(400)의 기계적 강도 향상 등을 위해 실란계 커플링제, 티타네이트계 커플링제 또는 스테아린산 등으로 표면처리된 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 이형제는 몰드(410)와 이형성이나 조성물에 유동성을 부여할 수 있는 것이면 특별히 제안되지 않으며, 탄소수가 12 ~ 24개인 고급 지방산(또는 그 염), 알콜계, 에스테르계, 실리콘계 및 폴리올레핀 왁스계 등으로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 이형제는 스테아르산, 라우르산, 팔미트산, 미리스트산, 리튬 스테아레이트, 칼슘 팔미테이트, 광물유, 폴리비닐 스테아레이트, 실리콘, 폴리에틸렌 왁스(PE-wax) 및 파라핀 왁스(paraffin wax) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 이러한 이형제는, 특별히 한정하는 것은 아니지만 수지 100중량부에 대하여 0.05 ~ 5중량부를 포함하는 것이 바람직하다.
위와 같은 수지액은 그 제조방법에 있어서 특별히 한정하는 것은 아니나, 수지(또는 수지에 용매, 안료, 충진제, 이형제 등의 첨가제를 적정 함량으로 배합한 수지 조성물)를 예를 들어 리본블렌더, 슈퍼믹서, 텀블러믹서, 밴버리믹서, 헨쉘믹서, 믹싱롤 등의 혼합기 또는 혼련기 등을 사용하여, 핫블렌드 또는 콜드블렌드 등의 방법을 통하여 균일하게 혼합 또는 혼합 혼련하는 등의 방법으로 제조될 수 있다.
한편, 상기 권취소자(10)와 PCB 기판(500)은 절연성 포장재(600)로 포장된 후, 수지체(400)에 내장되는 것이 바람직하다. 이와 같이 절연성 포장재(600)로 포장된 경우, 수지액의 주입 시 수지액이 권취소자(10)의 내부로 침투되는 것을 방지할 수 있으며, 또한 권취소자(10)와 수지액의 집적적인 접촉을 피하여 권취소자(10)의 오염을 차단할 수 있어 바람직하다. 아울러, 수지체(400)의 몰딩 과정에서 열이 발생되어 전해액의 휘발이 발생될 수 있는데, 구체적으로는 수지액의 경화 과정에서 열이 발생되어 이러한 열에 의해 전해액이 휘발될 수 있는데, 이때 상기와 같이 절연성 포장재(600)로 포장된 경우 전해액의 휘발을 방지할 수 있다.
더욱이, 권취소자(10)는 위와 같이 절연성 포장재(600)로 포장되어지되, 진공 포장되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 절연성 포장재(600)는 합성수지재 또는 섬유재로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 절연성 포장재(600)는 합성수지재로서 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리염화비닐(PVC) 등의 필름(film)이나 백(bag)이 사용될 수 있다. 또한, 절연성 포장재(600)는 섬유재로서 면섬유, 폴리에스테르섬유, 나일론섬유 또는 이들의 혼합 섬유로부터 제조된 직물이나 부직물이 사용될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 모듈형 전기이중층 커패시터(1)는, 이하에서 설명되는 본 발명의 제조 방법을 통하여 제조될 수 있다. 이하, 본 발명의 제조 방법을 설명한다.
본 발명에 따른 모듈형 전기이중층 커패시터의 제조 방법은, 전해액에 함침된 권취소자(10)를 준비하는 제 1 단계와; 상기 다수의 권취소자(10)를 PCB 기판(500)에 접속시켜 직렬 연결하는 제 2 단계와; 상기 PCB 기판(500)과 직렬 연결된 다수의 권취소자(10)를 몰드(410)에 장입하는 제 3 단계와; 상기 몰드(410)에 수지액을 주입 및 경화시키는 제 4 단계;를 포함하여 구성된다.
더 바람직하게는, 상기 제 2 단계와 제 3 단계의 사이에 진행되는 것으로서, PCB 기판(500)과 이에 의해 직렬 연결된 권취소자(10)를 절연성 포장재(600)로 포장하는 단계를 더 포함하는 것이 좋다.
상기 제 1 단계에서는 통상과 같은 방법으로 전해액에 함침된 권취소자(10)를 제조할 수 있다. 구체적으로, 양극 및 음극의 두 개의 전극소자(100)와, 상기 두 개의 전극소자(100)의 사이에 개재된 전해지(200)를 포함하는 띠 형태의 전극 적층체를 와인딩하고, 와인딩된 형태가 풀리지 않도록 외부 둘레에 테이핑(taping)한 다음, 전해액에 함침함으로써 제조할 수 있다.
한편, 상기 양극 및 음극의 전극소자(100)는 전극(110)에 단자(120)를 결합시켜 구성하되, 상기 전극(110)은 금속의 집전시트(111)와, 상기 집전시트(111)에 도포된 전극활물질(112)로 구성할 수 있다. 또한, 상기 집전시트(111)는 알루미늄 포일(foil) 등과 같은 금속 박막으로부터 선택될 수 있으며, 상기 전극활물질(112)은 활성탄과 바인더 수지를 포함하는 활성탄 페이스트로 구성될 수 있다.
이때, 전극활물질(112)은 분말 활성탄; 바인더; 도전성 첨가제; 및 분산매를 포함하는 페이스트 상의 조성물이 집전시트(111) 상에 도포되어 형성될 수 있는데, 이러한 전극활물질(112)을 구성하는 바인더는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE ; poly-tetrafluoroethylene), 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF ; polyvinylidenefloride), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC ; carboxymethylcellulose), 폴리비닐알코올(PVA ; poly vinyl alcohol), 폴리비닐부티랄(PVB ; poly vinyl butyral), 폴리비닐피롤리돈(PVP ; poly-N-vinylpyrrolidone), 스티렌부타디엔고무(SBR ; styrene butadiene rubber) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상으로 선택될 수 있고, 상기 도전성 첨가제는 카본블랙 등으로부터 선택될 수 있으며, 상기 분산매는 에탄올(EtOH), 메틸 피롤리돈(NMP) 등의 유기 용매, 또는 물을 사용할 수 있다.
그리고, 상기 단자(120)는 금속, 예를 들어 알루미늄, 주석, 니켈, 아연, 또는 이들의 합금으로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 SUS 재질로 구성할 수 있다.
이와 같이 전해액에 함침된 수개의 권취소자(10)를 제조한 후 제 2 단계에서는, 적어도 두 개 이상의 권취소자(10)를 PCB 기판(500)에 접속시켜 직렬 연결한다. 즉, 각 권취소자(10)에서 인출된 양극 및 음극 단자(120)를 PCB기판(500)에 접속시켜 서로 다른 전극끼리 통전되도록 직렬 연결하고, 상기 PCB 기판(500)의 양측에서 각각 서로 다른 전극(110) 즉 하나의 양극 단자와 하나의 음극 단자를 PCB 기판(500)을 관통시켜 인출시켜 낸다. 이와 같이 인출된 서로 다른 두 개의 전극(110)은 후술될 수지체(400) 외측으로 돌출되게 인출된다. 한편, 이와 같이 수 개의 권취소자(10)가 직렬 연결된 모듈형 전기이중층 커패시터(1)는 그 전기적인 용량이 직렬 연결된 권취소자(10)의 개수에 의해 결정된다.
그리고, 제 3 단계에서는 위와 같이 PCB 기판(500)을 통해 직렬 연결된 권취소자(10)와 PCB 기판(500)을 절연성 포장재(600)로 진공 포장한다. 그리고, 진공 포장된 권취소자(10)를 몰드(410)에 장입시킨다. 이때, 상기 몰드(410)는 금속재, 세라믹재, 유리재 및 합성수지재를 포함한다.
다음으로, 위와 같이 몰드(410)에 권취소자(10)를 장입한 후 제 4 단계에서는, 몰드(410)에 수지액을 주입한다. 그리고 경화, 건조시킨 후 몰드(410)를 제거함으로 인해, 본 발명에 따라 수지체(400) 내부에 권취소자(10)와 PCB 기판(500)이 내장된 구조의 모듈형 전기이중층 커패시터(1)를 제조할 수 있다. 또한, 먼저 몰드(410)에 수지액을 주입한 다음, 수지액이 경화되기 전에 권취소자(10)를 장입한 후, 이후 수지액을 경화, 건조시켜 수지체(400) 내부에 권취소자(10)와 PCB 기판(500)이 내장되도록 제조할 수도 있다.
따라서, 본 발명에 따르면 전술한 바와 같이 수지체(400)가 권취소자(10)와 PCB 기판(500)을 보호하는 케이스 역할을 함으로써, 권취소자(10)가 수지체(400)의 몰딩 과정에서 일체로 내장되게 형성되어, 외부에서 심한 진동이나 충격이 가해지는 경우라 할지라도 흔들림이 방지된다.
또한, 도 1에 도시한 종래 기술에서와 같이, 원통형 케이스(20) 자체의 제작 공정, 상기 케이스(20)에 목부(21)를 형성시키는 공정, 단자판(30)의 제작 및 결합 공정, 그리고 케이스(20)의 단부(22)을 구부리는 커링(curing) 공정 등이 수행되지 않아 제조 공정이 간단하고, 이에 따라 비용이 절감된다.
한편, 도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명의 바람직한 구현예에 따라서, 상기 전극소자(100)는 전극(110)과, 상기 전극(110)에 결합된 단자(120)를 포함하되, 단자(120)가 결합된 결합부에는 단자(120)의 표면을 감싸는 피복층(130)이 형성된다.
상기 피복층(130)은 단자(120)와 전해지(200)의 직접적인 접촉을 방지할 수 있는 것이면 본 발명에 포함하며, 바람직하게는 전도성을 갖는 것이 좋다. 피복층(130)은 예를 들어 직포, 부직포 등의 섬유시트, 그리고 플라스틱 필름 등으로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 전도성 물질을 포함하는 것이 좋다. 구체적으로는, 상기 피복층(130)은 전도성 물질을 포함하는 시트가 부착되어 형성되거나, 전도성 물질을 포함하는 조성물이 코팅되어 형성되는 것이 좋다. 이때, 상기 전도성 물질은 전도성만 갖는 것이면 본 발명에 포함하며, 예를 들어 금속, 탄소분말 및 전도성 고분자로 이루어진 군중에서 선택된 하나 또는 2 이상의 혼합으로 구성될 수 있다.
상기 금속은 은, 금, 백금, 구리, 아연, 니켈, 주석 또는 이들의 합금으로부터 선택될 수 있으며, 상기 탄소분말은 활성탄(여기서, 활성탄은 분말상, 파쇄상, 조립상은 물론 나노섬유 형태 및 나노튜브 형태를 포함한다), 흑연, 피치, 카본블 랙, 또는 아세틸렌블랙으로부터 선택될 수 있다. 또한, 상기 전도성 고분자는 폴리아닐린(PA), 폴리피롤(PPy) 및 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF) 등으로부터 선택될 수 있다.
상기 피복층(130)은, 위와 같은 전도성 물질, 바인더 및 용매를 포함하는 전도성 페이스트가 도포되어 형성되는 것이 보다 바람직하다. 이때, 상기 바인더는 피복층(130)과 단자 결합부의 접착력을 갖게 하는 것이면 어떠한 것이든 사용 가능하며, 예를 들어 아크릴계, 우레탄계, 에폭시계, 아세테이트계 및 폐놀계 등으로부터 선택된 하나 이상의 수지 접착제를 유용하게 사용할 수 있다. 또한, 상기 용매로는 알콜계, 케톤계, 아세테이트계 등을 사용할 수 있으며, 예를 들어 메틸에틸케톤, 부틸아세테이트, 부틸카르비톨 등으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.
아울러, 상기 전도성 페이스트는, 특별히 한정하는 것은 아니지만 전도성 물질(예를 들어, 흑연, 카본블랙 등) 5 ~ 30 중량%, 바인더(예를 들어, 아크릴수지, 페놀수지 등) 10 ~ 50 중량%, 및 용매(예를 들어, 메틸에틸케톤, 부틸아세테이트, 부틸카르비톨 등) 30 ~ 80 중량%를 포함하여 조성될 수 있다. 이때, 상기 전도성 물질의 함량이 5 중량% 미만이면 그의 함유에 따른 전도성이 미비하여 바람직하지 않고, 30 중량%를 초과하면 점도가 높아져 코팅성 등의 가공성이 떨어져 바람직하지 않다.
또한, 상기 바인더의 함량이 10 중량% 미만이면 그의 함유에 따른 접착성이 떨어져 단자 결합부와의 양호한 결합력을 도모하기 어려우며, 50 중량%를 초과하면 상대적으로 전도성 물질이나 용매의 함량이 작아져 전도성이 떨어지거나 점도가 높아져 바람직하지 않다. 아울러, 상기 용매의 함량이 30 중량% 미만이거나, 80 중량%를 초과하면 점도가 높거나, 낮아져 코팅성 등의 가공성이 떨어져 바람직하지 않다. 또한, 상기 전도성 페이스트는 200 ~ 500 포이즈(poise)의 점도를 갖는 것이 좋다. 이때, 전도성 페이스트의 점도가 200 poise 미만이거나, 500 poise를 초과한 경우 코팅이 힘들고 균일한 코팅이 되지 않을 수 있다.
아울러, 상기 전극(110)은 집전시트(111)에 전극활물질(112)이 도포되어 형성될 수 있는데, 상기 피복층(130)은 상기 전극(110)을 구성하는 전극활물질(112)과 동일한 물질로 구성될 수 있다.
위와 같은 전극소자(100)는 다음과 같이 제조될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면, 먼저 알루미늄 포일(foil) 등의 집전시트(111)에 전극활물질(112)을 도포하여 전극(110)을 제조한다. 그리고 전극(110)의 단자(120)가 결합될 부위를 긁어내어 전극활물질(112)을 제거하고, 전극활물질(112)이 제거된 부위에 단자(120)를 결합시킨다. 이때, 상기 단자(120)를 전극(110)에 결합시킴에 있어서는, 접착제나 용접방법을 이용하여 결합시킬 수 있으며, 통상과 같이 천공을 통해 홀(hole)을 형성한 다음 리벳팅(rivetting)으로 결합시킬 수 있다. 다음으로, 단자 결합부 즉 단자(120)의 표면에 전도성 페이스트를 코팅하여 피복층(130)을 형성한다.
위와 같이 단자 결합부에 피복층(130)이 형성된 경우, 단자(120)와 전해 지(200)의 직접적인 접촉이 방지되어 전해지(200)의 손상이 방지된다. 또한, 전해지(200)의 손상에 따른 전극(110)의 손상이나 단락이 방지된다. 이에 따라, 절연 저항이 감소되고 용량이 증가되는 등의 전기적 특성이 향상된다. 또한, 상기 피복층(130)이 전도성 물질이나 접착성의 바인더를 포함하는 경우 용량 등이 보다 향상되고, 전극(110)과 단자(120)의 접촉력 및 결합력이 증가하여 전기적 특성이 더욱더 개선된다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 모듈형 전기이중층 커패시터(1)는, 예를 들어 전해 콘덴서, 전기이중층 커패시터(EDLC) 등으로서, 바람직하게는 상기 전극소자(100) 및 전해지(200)가 적층된 전극 적층체가 와인딩된 젤리롤 형태의 원통형(권취형)으로부터 선택될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 예시한다. 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕도록 제시되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
먼저, 현재 가장 많이 사용되고 있는 권취형 EDLC용 3F급 전극(110) 시편을 준비하였다. 그리고, 단자(120)를 결합하기 위하여 상기 전극(110)의 표면을 단자(120) 면만큼 긁어 낸 다음, 긁어낸 자리에 단자(120)를 리벳팅으로 결합시켰다. 이와 같이 제작된 두 개의 전극소자(100) 사이에 전해지(200)를 개재하되, 최외측 에 전해지(200)를 더 적층한 다음 와인딩한 후, 외부 둘레를 테이핑하여 젤리롤 상태의 권취소자(10)를 제작하였다. 그리고 상기 권취소자(10)를 진공 오븐에 투입하여 140℃에서 48시간 동안 건조하여 수분이 완전히 제거되게 하였다.
후속하여, 상기 권취소자(10)를 전해액(TEABF4/AcN 1.0mol)에 함침하고, 함침된 권취소자(10)를 PCB 기판(500)에 접속시켜 직렬 연결한 다음, PCB 기판(500)과 직렬 연결된 권취소자(10)를 절연성 포장재(600)인 PE필름으로 진공 포장을 실시하였다. 그리고 진공 포장된 권취소자(10)와 PCB 기판(500)을 몰드(410)에 장입한 다음, 상기 몰드(410)에 불포화 폴리에스테르 수지를 주입한 다음, 24시간동안 경화, 건조시켜 몰딩하였다.
이후, 몰드(410)를 제거하여 수지체(400) 내부에 권취소자(10)와 PCB 기판(500)이 내장된 모듈형 전기이중층 커패시터(1)를 제작하였다.
이와 같이 제작된 모듈형 전기이중층 커패시터(1)에 대하여, MACCOR 측정 장비를 이용하여 용량을 측정해 본 결과, 3F 특성을 유지하고 있음을 확인하였으며, 몰딩에 의해 흔들림이 전혀 발생되지 않음을 알 수 있었다.
도 1은 일반적인 전기이중층 커패시터의 제작과정을 도시한 공정도이다.
도 2는 본 발명에 따른 모듈형 전기이중층 커패시터의 제조방법을 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전기이중층 커패시터에 구성되는 전극소자의 제작과정을 설명하기 위한 구성도이다.
도 4는 도 3의 A-A선 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 전기이중층 커패시터 10 : 권취소자
20 : 케이스 21 : 목부
22 : 단부 30 : 단자판
40 : 외부단자 50 : 공간
100 : 전극소자 110 : 전극
111 : 집전시트 112 : 전극활물질
120 : 단자 130 : 피복층
200 : 전해지 300 : 풀림방지수단
400 : 수지체 410 : 몰드
500 : 기판 600 : 절연성 포장재

Claims (9)

  1. 수개의 권취소자를 직렬 연결하여 수지체에 내장되게 구성한 것을 특징으로 하는 모듈형 전기이중층 커패시터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 권취소자는 PCB 기판에 접속되어 직렬 연결된 것을 특징으로 하는 모듈형 전기이중층 커패시터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 권취소자와 PCB 기판은 절연성 포장재로 포장된 후 수지체에 내장된 것을 특징으로 하는 모듈형 전기이중층 커패시터.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 권취소자는 두 개의 전극소자와, 상기 두 개의 전극소자의 사이에 개재된 전해지를 포함하여 와인딩되고,
    상기 전극소자는 전극과, 상기 전극에 결합된 단자를 포함하되,
    상기 단자가 결합된 결합부에는 피복층이 형성된 것을 특징으로 하는 모듈형 전기이중층 커패시터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 피복층은 전도성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 전기이중층 커패시터.
  6. 전해액에 함침된 권취소자를 준비하는 제 1 단계와;
    상기 다수의 권취소자를 PCB 기판에 접속시켜 직렬 연결하는 제 2 단계와;
    상기 PCB 기판과 직렬 연결된 다수의 권취소자를 몰드에 장입하는 제 3 단계와;
    상기 몰드에 수지액을 주입 및 경화시키는 제 4 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 모듈형 전기이중층 커패시터의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 단계와 제 3 단계의 사이에는 PCB 기판과 직렬 연결된 권취소자를 절연성 포장재로 포장하는 단계가 더 포함된 것을 특징으로 하는 모듈형 전기이중층 커패시터의 제조방법.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 단계는,
    두 개의 전극소자의 사이에 전해지가 개재되도록 적층한 적층체를 제조하는 단계 a)와;
    상기 단계 a)의 적층체를 와인딩한 다음 외부 둘레를 테이핑하여 원통형 권 취소자를 제조하는 단계 b)와;
    상기 단계 b)의 원통형 권취소자를 전해액에 함침하는 단계 c);를 포함하되,
    상기 단계 a)의 전극소자는 전극과, 상기 전극에 결합된 단자를 포함하고, 상기 단자가 결합된 결합부에는 피복층을 형성한 것을 특징으로 하는 모듈형 전기이중층 커패시터의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 피복층은 전도성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 전기이중층 커패시터의 제조방법.
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