KR20100123872A - 다수 전극 슈퍼캐패시터 - Google Patents

다수 전극 슈퍼캐패시터 Download PDF

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올리비에르 카우몬트
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Abstract

본 발명은 거리 d만큼 이격된 적어도 2개의 나란히 놓인 복합체들(1, 2), 및 2개의 나란히 놓인 복합체들(1, 2)에 대향하여 위치되고 적어도 하나의 스페이서(4)에 의해 그로부터 이격되는 적어도 하나의 공통 복합체(3)를 포함하며, 스페이서(4)와 복합체들(1, 2, 3)이 권선 소자를 형성하기 위해 함께 나선형으로 감긴, 슈퍼캐패시터에 관한 것이다.

Description

다수 전극 슈퍼캐패시터{MULTI-ELECTRODE SUPERCAPACITOR}
본 발명은 슈퍼캐패시터, 즉 2중 전기화학 층(또는 “전기 화학 2중 층 캐패시터 (Electrochemical Double Layer Capacitor)”의 두문자어인 ELDC)을 가진 캐패시터의 일반적인 기술 분야에 관한 것이다.
슈퍼캐패시터는, 유전체 캐패시터들과 배터리들 사이의 중간 에너지 밀도 및 전력 밀도를 획득할 수 있는 에너지를 저장하기 위한 수단이다. 그것들의 방전 시간은 대체로 약 수초이다.
슈퍼캐패시터는 일반적으로 적어도 2개의 전극을 포함하는 원통형 권선 소자(cylindrical wound element)를 포함한다. 각각의 전극은 카본 블랙(carbon black) 및 폴리머(polymer)의, 활성 코울(active coal)(“활성 물질”로도 불림)의 혼합으로부터 만들어진다. 소위 사출(extrusion) 단계 동안에, 전도성 페이스트(paste)가 전류 컬렉터(current collector)로 사용되는 알루미늄 컬렉터상에 퇴적된다. 양쪽의 전극들은, 양쪽의 전극들 사이의 회로 단락을 회피하기 위해 다공성 세퍼레이터(separator)에 의해 분리된다. 소위 함침(impregnation) 단계 동안에, 슈퍼캐패시터는 전해질로 채워진다. 이러한 염(salt)으로 구성된 전해질은 용제, 일반적으로는 아세토니트릴(acetonitrile)에서 용해된다. 이러한 염은 이온(예컨대, BF4- 및 TEA+)으로 불리는 2개의 하전종(charged species)으로 분리된다.
전극의 두께는 일반적으로 100㎛이다. 이온들은 약 1㎛의 1000분의 1의 크기 즉, 전극의 두께보다 100,000배 더 작은 크기를 갖는다. 활성 코울(또는 활성 물질)은 초 다공성(extremely porous) 물질이다.
슈퍼캐패시터의 2개의 전극 사이에 DC 생성기로 전압이 인가될 때, 이온들은 코울의 표면에 매우 가까이 구멍(porosity)내에서 이동한다. 더 많은 양의 이온들이 코울의 표면에 존재할수록, 정전용량이 더 크다.
슈퍼캐패시터에 저장된 에너지의 양은 양쪽의 전극 사이에 인가되는 전압 및 슈퍼캐패시터의 총 정전용량에 좌우된다.
많은 연구들은, 슈퍼캐패시터의 작동 전압이 더 높을수록, 슈퍼캐패시터내의 가스의 매우 많은 생성으로 인해, 수명이 더 짧아진다는 것을 보여준다.
이러한 가스 생성은 전해질을 형성하는 물질의 분해에 관련되고, 이러한 분해는 슈퍼캐패시터의 전극들 사이에 인가되는 전압의 함수이다.
예를 들어, 순수 아세트로니트릴의 분해 전압은 5.9V이다.
현재, 슈퍼캐패시터의 전극들에 인가되는 기준 전압은 2.7V이다(슈퍼캐패시터의 전압이 전해질을 너무 지나치게 열화시키지 않도록 제한되어야 한다는 것을 당업자에게 알려주는 국제 특허 출원 공보 WO 9 815 962를 명료하게 참조).
이러한 단점을 고치기 위해, 모듈을 형성하도록 서로에게 몇몇의 슈퍼캐패시터를 전기적으로 연결하는 방법이 알려져 있다. 이것은 모듈에 인가되는 전압의 증가를 가능케 한다.
2개의 인접한 슈퍼캐패시터들을 전기적으로 연결하기 위해, 2개의 뚜껑(lid)과 스트랩을 포함하는 연결 수단이 사용된다.
각각의 뚜껑은, 예컨대, 납땜에 의해, 후자에 전기적으로 연결되도록, 개개의 슈퍼캐패시터를 캡핑(capping)할 수 있다.
도 11에 예시된 바와 같이, 각각의 뚜껑(90)은, 양쪽의 인접한 슈퍼캐패시터들(20)을 전기적으로 연결하도록, 스트랩(70)의 관통구멍(through-bore)과 접촉할 수 있는 연결 단자(80)를 더 포함한다.
하지만, 그러한 슈퍼캐패시터들은 단점들을 갖는다.
명료하게, 스트랩과 2개의 뚜껑을 통해 전기적으로 연결되는 2개의 슈퍼캐패시터의 체적과 질량이 중요하다.
게다가, 양쪽을 슈퍼캐패시터들을 연결하기 위한 스트랩과 뚜껑의 구입 및 장착에 관련되는 제조 비용이 중요하다.
또한, 2개의 전기적으로 연결된 슈퍼캐패시터들 사이의 직렬 저항 Rs - 슈퍼캐패시터들의 그리고 연결 수단(스트랩 + 뚜껑 + 땜납)의 저항들의 합계에 대응함 - 가 중요하다.
본 발명의 대체적인 목적은, 그 수명이 기준 전압에서 증가되는, 슈퍼캐패시터를 제안하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 가스 생성이 제한되는 슈퍼캐패시터를 제안하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 임의의 열화를 겪지 않고 기준 전압 위의 전압을 지원할 수 있는 슈퍼캐패시터를 제안하는 것이다.
이러한 목적을 위해, 거리 d만큼 서로 이격되는 적어도 2개의 나란히 놓인 복합체들과, 양쪽의 복합체들을 면하고 적어도 하나의 세퍼레이터에 의해 후자로부터 분리되는 적어도 하나의 공통 복합체를 포함하며, 세퍼레이터와 복합체들이 권선 소자를 형성하기 위해 차례로 함께 감겨있는 슈퍼캐패시터가 제공된다.
“복합체(complex)”는 전류 컬렉터와 적어도 하나의 전극의 관련을 가리키며, 전류 컬렉터와 전극은 공통의 전기 전도성 표면을 갖는다.
“나란히 놓인(juxtaposed) 복합체들”은 (권선 소자를 형성하기 위해 차례로 감기기 전) 2개의 동일 평면상의 복합체들을 가리키며 폭 d의 전자 절연 공간에 의해 분리된다. 환언하면, “나란히 놓인 복합체들”은 권선 소자의 길이 방향(즉, 권축(winding axis))에 나란한 방향에 따라 거리 d만큼 서로 이격된 2개의 복합체들을 의미한다.
“공통의 복합체”는 전자적 연속성에서의 복합체들의 임의의 관련을 가리킨다.
세퍼레이터(들)는 서로에 대해 면하는 각각의 복합체의 전극들을 넘어서 연장하지만, 외부로의 연결로서 사용되는 복합체들의 컬렉터들을 넘어서는 연장하지 않는다.
본 발명에 따른 슈퍼캐패시터의 바람직하지만 비-한정의 양태들은 하기와 같다:
- 세퍼레이터는 거리 d보다 더 적은 거리 w만큼 서로 이격된 적어도 2개의 부분들로 구성되고, 상기 부분들의 각각은 서로 면하는 복합체들을 완전히 분리시키며,
- 거리 w는 1 mm보다 크고,
- 각각의 복합체는 전류 컬렉터의 양측에 2개의 대향하는 전극들을 포함함으로써, 각각의 전극이 전류 컬렉터의 개개의 면과 공통인 전기 전도성 표면을 갖고,
- 공통의 복합체는 거리 g만큼 서로 이격되는 적어도 2개의 나란히 놓인 전극들을 포함하고, 각각의 전극은 나란히 놓인 복합체들의 전극을 면하여 위치되며,
- 거리 g는 거리 d와 동등하고,
- 공통의 복합체의 전극들은 상이한 두께이며,
- 공통 복합체의 전극들의 폭이 상이하고,
- 나란히 놓인 복합체들의 전극들의 두께가 상이하며,
- 서로 면하는 복합체들의 길이가 상이하고,
- 나란히 놓인 복합체들의 전극들의 폭이 상이하며,
- 복합체들의 전극들이 상이한 성질이고,
- 나란히 놓인 복합체들의 전극들의 길이, 폭, 두께 및 성질이 동등하며,
- 권축에 직교하는 권선 소자의 베이스는 원형이고,
- 권축에 직교하는 권선 소자의 베이스는 육각형이며,
- 권축에 직교하는 권선 소자의 베이스는 삼각형이고,
- 권축에 직교하는 권선 소자의 베이스는 팔각형이며,
- 권축에 직교하는 권선 소자의 베이스는 직사각형이고,
- 권선 소자의 각도가 비-돌출(non-protruding)이며,
- 권축에 직교하는 권선 소자의 베이스는 타원형이고,
- 슈퍼캐패시터가 2개의 나란히 놓인 복합체들 및 공통의 복합체를 포함하고, 양쪽의 나란히 놓인 복합체들은 외부에 연결되며,
- 슈퍼캐패시터가 외부에 연결되고 2 바이(by) 2로 나란히 놓이는 3개의 복합체들, 및 공통의 복합체를 포함하고,
- 슈퍼캐패시터가 공통의 복합체에 나란히 놓이고 외부에 연결되는 2세트의 조립체를 포함하며, 이 세트들의 양쪽이 서로 면함으로써, 제1 세트의 공통 복합체가 제2 세트의 외부에 연결되는 복합체를 면하며,
- 슈퍼캐패시터가 적어도 하나의 세퍼레이터에 의해 분리되는 적어도 하나의 면하는 공통 복합체를 갖고 제1 권선 소자를 형성하기 위해 차례로 함께 감기는 적어도 2개의 나란히 놓인 복합체들을 포함하며, 슈퍼캐패시터가 적어도 하나의 다른 세퍼레이터에 의해 분리되는 적어도 하나의 다른 면하는 공통 복합체를 갖는 적어도 2개의 다른 나란히 놓인 복합체들을 더 포함하고, 후자는 적어도 하나의 제2 권선 소자를 형성하기 위해 제1 권선 소자 주위에 차례로 함께 감기며, 이들 연속적인 권선 소자들은 전자적 절연 공간에 의해 분리되고,
- 슈퍼캐패시터는, 2개의 연속적인 권선 소자들에 대한 공통의 복합체가 존재하도록 배치된다.
본 발명은 또한, 앞서 기술된 바와 같은 적어도 하나의 슈퍼캐패시터가 위치되어 있는 케이싱을 포함하는 모듈에 관련한다.
유리하게 상기 모듈은 본 발명에 따른 스토리지 세트 및 도 11에 예시된 바와 같은 종래 기술의 스토리지 세트를 모두 포함할 수 있다. 환언하면, 상기 모듈은 본 발명에 따른 슈퍼캐패시터, 케이싱과 상기 케이싱을 폐쇄하기 위해 의도된 뚜껑들 내에 위치된 권선 소자를 형성하기 위해 차례로 함께 감기는 적어도 2개의 전극들 및 적어도 하나의 세퍼레이터를 포함하는 원통형 권선 소자를 포함하는 표준 슈퍼캐패시터를 더 포함할 수 있고, 상기 표준 슈퍼캐패시터는 적어도 하나의 연결 스트랩(strap)을 통해 본 발명에 따른 슈퍼캐패시터에 전기적으로 연결된다.
본 발명은, 그 수명이 기준 전압에서 증가되고, 가스 생성이 제한되며, 임의의 열화를 겪지 않고 기준 전압 위의 전압을 지원할 수 있는 슈퍼캐패시터를 제안할 수 있다.
본 발명의 다른 특징, 목적 및 장점이, 전적으로 예시이고 비-한정이며 첨부 도면을 참조하여 읽어야할, 하기의 상세한 설명으로부터 더 명백해질 것이다.
- 도 1 내지 10은 본 발명에 따른 슈퍼캐패시터의 상이한 실시예들을 예시한다.
- 도 11은 종래 기술의 모듈을 예시한다.
- 도 12는 권선 소자를 형성하기 위해 상이한 그 구성 요소들이 함께 감길 때의 본 발명에 따른 슈퍼캐패시터의 실시예를 예시한다.
- 도 13a 내지 13c는, 각각, 종래 기술의 12개의 슈퍼캐패시터, 본 발명에 따른 6개의 2-트랙 슈퍼캐패시터, 및 본 발명에 따른 4개의 3-트랙 슈퍼캐패시터에 의해 점유되는 체적을 예시한다.
이제 본 발명에 따른 슈퍼캐패시터의 상이한 실시예들이 도 1 내지 13을 참조하여 기술될 것이다. 이 상이한 도면들에 있어서, 슈퍼캐패시터의 등가의 요소들은 동일한 참조 번호를 지닌다.
도 1을 참조하여 보면, 슈퍼캐패시터의 제1 실시예의 상이한 요소들이 예시된다.
슈퍼캐패시터는 거리 d만큼 이격되어 있는 2개의 나란히 놓인 복합체(1, 2)를 포함한다.
유리하게, 나란히 놓인 복합체(1, 2) 사이의 거리 d는, 나란히 놓인 복합체(1, 2)를 서로 전기적으로 절연하기 위해 충분하도록 제공된다.
슈퍼캐패시터는 또한, 나란히 놓인 복합체(1, 2)의 양쪽을 면하여 위치되는 복합체(3), 소위 “공통의 복합체”를 포함한다.
슈퍼캐패시터는 2개의 세퍼레이터(4)를 더 포함한다. 세퍼레이터(4)는 공통의 복합체(3)로부터 나란히 놓인 복합체(1, 2)의 전기적 절연을 제공한다. 세퍼레이터들 중 하나는 공통의 복합체와 나란히 놓인 복합체들 사이에 위치된다. 다른 세퍼레이터가 공통 복합체의 다른 면에 위치됨으로써, 공통의 복합체는 세퍼레이터들 사이에 위치된다.
도 2를 보면, 각각의 복합체(1, 2, 3)는 전류 컬렉터(11, 21, 31) 및 상기 전류 컬렉터와의 공통의 전기 전도성 면을 갖는 전극(12, 22, 32)(전극(32)은 그 부분들(32a 및 32b)의 양쪽에 의해 도면에 예시됨)을 포함한다.
나란히 놓이고 공통인 복합체들을 면하는 영역들(Z1 및 Z2)은 슈퍼캐패시터 셀(cell)들을 규정하며, 그것의 정전용량은 그것들 개개의 폭에 의해 결정된다. 공통의 복합체(3)의 연속성은 양쪽의 슈퍼캐패시터 셀들이 직렬로 위치되는 것을 가능케 한다.
복합체(1, 2, 3)와 세퍼레이터(4)는 각각 하나 이상의 중첩된 시트(sheet)로 구성된다.
유리하게, 나란히 놓인 복합체(1, 2), 공통의 복합체(3) 및 세퍼레이터(4)는 권선 소자를 형성하기 위해 차례로 함께 감긴다.
제안된 솔루션(solution)은 이미 기술된 종래 기술의 슈퍼캐패시터보다 염가이다. 실로, 2개의 슈퍼캐패시터 셀을 전기적으로 연결하기 위한 튜브(권선 소자용 하우징으로서 사용됨), 뚜껑, 및 스트랩의 개수는, 종래기술의 몇몇의 슈퍼캐패시터의 전기적 연결을 위해 요구되는 튜브, 뚜껑, 및 스트랩의 개수보다 더 적다.
게다가, 앞서 제안된 솔루션은, (슈퍼캐패시터 셀들을 연결하기 위해 요구되는 스트랩과 뚜껑의 개수를, 종래 기술의 2개의 인접한 슈퍼캐패시터들을 연결하기 위해 요구되는 뚜껑 및 스트랩의 개수에 비해 감소시키는 것에 의해) 시스템의 직렬 저항(RS)을 감소될 수 있게 하며, 단위 체적당 용납될 수 있는 에너지가 현저히 증가하고 정전용량을 최적화한다.
2개의 슈퍼캐패시터 셀들을 직렬로 연결하기 위한 스트랩과 뚜껑의 제거에 관련된 장점들은 다음과 같다:
- 총 저장된 에너지의 임의의 이득 없이 연역적으로, 권선의 단위 전압의 증가,
- 권선들 사이의 연결의 최적화,
- 직렬로 연결된 2개의 슈퍼캐패시터 셀들 사이의 저항 RS의 감소,
- 직렬로 연결된 종래 기술의 2개의 슈퍼캐패시터들과 비교하여 질량 감소,
- 직렬로 연결된 종래 기술의 2개의 슈퍼캐패시터들과 비교하여 체적의 감소,
- 따라서, 에너지 및 전력의 벌크(bulk) 및 질량 밀도의 증가,
- 1-트랙(track) 종래 기술(표준)의 슈퍼캐패시터들의 직렬 관련과 비교하여 내부 자유 체적의 비-감소
- 제조 방법 관점으로부터의 시간적인 이득(단일 슈퍼캐패시터내의 n개의 셀)
도 1에 예시된 실시예에 있어서, 각각의 나란히 놓인 복합체(1, 2)가, 외부와 전기적으로 연결되도록, 권선 소자의 개개의 단부를 넘어서 연장된다. 나란히 놓인 복합체(1, 2) 중 하나(1)가 슈퍼캐패시터의 애노드로서 사용되고 다른 하나(2)가 슈퍼캐패시터의 캐소드로서 사용된다.
공통의 복합체(3)는 외부와 연결되지 않고 세퍼레이터(4)보다 덜 넓다. 당업자라면 따라서 공통의 복합체(3)가,
- 애노드로서 사용되는 나란히 놓인 복합체(1)를 위한 캐소드의,
- 캐소드로서 사용되는 나란히 놓인 복합체(2)를 위한 애노드의 역할을 하는 것을 용이하게 이해한다.
도 2는 도 1에 예시된 개략도의 세부적인 예시도이다.
유리하게, 각각의 복합체(1, 2, 3)는 전류 컬렉터(11, 21, 31)의 양측의 2개의 대향 전극들(12, 13, 22, 23, 32, 33)을 포함할 수 있다. 각각의 전극들(12, 13, 22, 23, 32)(전극(32)은 거리 g만큼 이격되어 있는 2개의 부분들(32a 및 32b)에 의해 도면에 예시됨), 전극(33)(공통의 복합체(3)는 또한 그 자신이, 도면에서의 거리 g만큼 또한 이격되어 있는 2개의 나란히 놓인 전극들(33a, 33b)를 포함하며, 거리 g는 거리 d와 동등하거나 더 클 수 있다)은 전류 컬렉터(11, 21, 31)의 개개의 면과 공통되는 전기 전도성 표면을 갖는다.
이것은, 그로서 형성되는 슈퍼캐패시터의 활성 물질의 양이 2배가 될 수 있게끔 하며, 따라서 후자의 벌크 정전용량이 증가될 수 있고, 따라서 슈퍼캐패시터에 의해 용납될 수 있는 에너지가 증가될 수 있다.
이로서, 복합체와 세퍼레이터의 차례차례의 권선을 촉진할 수 있다.
이 전극들(32a, 32b)의 각각은 나란히 놓인 복합체(1, 2)의 개개의 전극(12, 22)을 면한다.
공통의 복합체(3)는 또한, 양쪽의 나란히 놓인 전극(32a, 32v)에 대양하는 2개의 다른 전극(33a, 33b)을 포함한다. 이 전극들의 양쪽은 전류 컬렉터(3)의 다른 면과 전기적으로 접촉된다.
보다 정확하게, 각각, 다른 전극(33a, 33b)의 각각은 공통의 복합체(3)의 다른 나란히 놓인 전극(32a, 32b) 중 하나에 대향된다.
환언하면, 공통의 복합체(3)는 2 바이(by) 2로 나란히 놓이고 공통의 복합체(3)의 전류 컬렉터(31)에 관해 대칭적으로 위치되는 4개의 전극(32a, 32b, 33a, 33b)을 포함한다.
공통의 복합체(3)의 전극들(32a/32b, 33a/33b) 사이의 공간 g는, 컬렉터(31)상의 활성 물질의 코팅(또는 사출)동안에, 전류 컬렉터(31)의 양측에 위치되는 마스크에 의해 획득될 수 있으며, 마스크는 공통의 복합체를 제조하기 위한 방법 동안에 연속적으로 제거된다.
일 실시예에 있어서, 상이한 복합체들(1, 2, 3)의 전극들은 동일하다. 환언하면, 상이한 복합체들의 전극들이 동등한 길이, 동등한 폭, 동등한 두께를 갖고 동일한 물질로 만들어진다.
이로서, 2 트랙을 가진 대칭 슈퍼캐패시터를 획득할 수 있다.
하지만, 상이한 복합체들(1, 2, 3)의 전극들이 (길이 및/또는 폭 및/또는 두께 및/또는 구성하는 물질의 성질의 관점에서) 상이할 수 있다.
이로서, 비대칭 슈퍼캐패시터, 즉 슈퍼캐패시터의 애노드의 체적이 슈퍼ㅐ=캐패시터의 캐소드의 체적과는 상이한 슈퍼캐패시터를 획득할 수 있다.
비대칭 슈퍼캐패시터로 작업하는 것에 의해,
- 한편으로 슈퍼캐패시터의 정전용량, 및
- 다른 편으로 슈퍼캐패시터의 수명을, 각각의 전극의 퍼텐셜의 더 나은 제어로 인해, 최적화할 수 있다.
슈퍼캐패시터의 비대칭성은 예컨대 나란히 놓인 복합체의 전극의 두께를 변화시키는 것에 의해, 또는 전극의 폭을 변화시키는 것에 의해 획득될 수 있고, 그래서 포지티브 및 네거티브 전극이 상이한 체적을 갖는다.
도 3을 참조하여 보면, 슈퍼캐패시터의 애노드 및 캐소드가 비대칭인 실시예가 예시된다. 나란히 놓인 복합체(1, 2)는 각각이 2개의 전극(12, 13 및 22, 23)을 포함한다. 공통의 복합체(3)도 4개의 전극(32a, 32b, 33a, 33b)을 포함한다.
나란히 놓인 복합체(1, 2) 중 첫 번째(1)의 전극(12, 13)은 각각의 제1 두께(e1)이고 나란히 놓인 복합체(1, 2) 중 두 번째(2)의 전극(22, 23)은 제1 두께(e1)와는 상이한 제2 두께(e2)이다.
또한, 나란히 놓인 복합체(1, 2) 중 첫 번째(1)를 면하는 공통의 복합체(3)의 전극(32a, 33a)은 제2 두께(e2)에 동등한 각각의 두께이고, 나란히 놓인 복합체(1, 2)의 두 번째(2)를 면하는 공통의 복합체(3)의 전극(32b, 33b)은 제1 두께(e1)에 동등한 각각의 두께이다.
환언하면, 애노드를 형성하는 전극들(12, 13 및 32b, 33b)의 두께는 캐소드를 형성하는 전극들(22, 23 및 32a, 33a)의 두께와는 상이하다.
이로서, 직렬로 연결된, 연역적으로 상이한 정전용량을 가진 2개의 슈퍼캐패시터들을 포함하는 비대칭 슈퍼캐패시터를 획득할 수 있다.
도 4를 참조하여 보면, 슈퍼캐패시터의 애노드와 캐소드가 비대칭인 다른 실시예가 예시된다.
이러한 실시예에 있어서, 나란히 놓인 복합체(1, 2)의 전극들(12, 13, 22, 23)의 각각의 두께는 동일하다.
게다가, 공통의 복합체(3)의 모든 전극들(32a, 32b, 33a, 33b)은 동일한 두께를 갖는다.
비대칭성을 획득하기 위해, 공통의 복합체 측(3)의 전극 두께는 나란히 놓인 복합체들 측(1, 2)의 전극 두께와는 상이하다.
게다가, 나란히 놓인 복합체(1, 2) 중 첫 번째(1)의 전극(12, 13)의 폭(L1)은 나란히 놓인 복합체(1, 2)의 두 번째(2)의 전극(22, 23)의 폭(L2)과는 상이하며, 공통의 복합체(3)의 전극(32a, 33(각각, 32b, 33b)의 폭은 그것에 면하는 나란히 놓인 복합체(1(각각, 2))의 전극의 폭(L1(각각, L2))에 동등하다.
도 5를 참조하여 보면, 비대칭 슈퍼캐패시터의 다른 실시예가 예시된다.
이러한 실시예에 있어서, 나란히 놓인 복합체의 전극(12, 13 및 22, 23)의 두께(L1, L2)는 상이하고, 공통의 복합체(3)의 전극(32a, 33a(각각, 32b, 33b))은 그것에 면하는 나란히 놓인 복합체(1(각각, 2))의 전극의 폭(L1(각각, L2)과 동등한 폭이다.
게다가, 양쪽의 나란히 놓인 복합체(1, 2) 중 첫 번째(1)의 전극(12, 13)의 두께는 양쪽의 나란히 놓인 복합체(1, 2) 중 두 번째(2)의 전극(22, 23)의 두께와는 상이하다.
공통의 복합체(3)의 전극(32a, 32b, 33a, 33b)은 동일한 두께이다. 또한, 공통의 복합체(3)의 전극(32a, 32b, 33a, 33b)의 두께는 나란히 놓인 복합체의 전극(12, 13 및 22, 23)의 두께와는 상이하다.
이러한 실시예에 있어서, 제1 슈퍼캐패시터의 총 두께 - 후자를 면하는 공통의 복합체 부분의 그리고 2개의 나란히 놓인 복합체(1, 2) 중 첫 번째(1)를 구성함 - 는 제2 슈퍼캐패시터의 총 두께 - 후자를 면하는 공통의 복합체 부분의 그리고 2개의 나란히 놓인 복합체(1, 2) 중 두 번째(2)를 구성함 -와는 상이하다.
슈퍼캐패시터의 이러한 총 두께 차이에 대해 보상하기 위해, 슈퍼캐패시터는 권선 소자를 형성하기 위한 3개의 복합체(1, 2, 3)의 그리고 세퍼레이터(4)의 권선을 촉진하도록 스페이서들을 포함할 수 있다. 유리하게, 이들 스페이서들은 세퍼레이터를 위해 사용되는 것과 동일한 물질 및/또는 중성 물질의 층들을 포함할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 나란히 놓인 복합체(1, 2)의 전극(12, 13, 22, 23)은 동일한 두께이지만 상이한 유도 전류 밀도를 나타내도록 상이한 물질들로 구성된다.
공통의 복합체(3)가 나란히 놓인 복합체(1, 2)를 면하여 위치되는 2개의 대향 전극(32, 33)만을 포함하는 실시예악 도 6에 예시되어 있다. 이러한 실시예에 있어서, 나란히 놓인 복합체(1, 2)와 공통의 복합체(3)의 사이에 위치된 세퍼레이터(4)는 연속적이다.
복합체(1, 2, 3)의 전극(12, 22, 32)은 임의의 폭일 수 있다. 유리하게, 각각의 복합체(1, 2, 3)의 대향 전극(13, 23, 33)은 동일한 폭이다.
나란히 놓인 복합체(1, 2)의 컬렉터(11, 21)는, 다른 슈퍼캐패시터와 (일단 그것이 감기면) 슈퍼캐패시터의 연결을 가능케 하도록, 외부쪽으로 전극(12, 13, 22, 23)을 넘어서 연장된다.
세퍼레이터들(4)은 복합체(1, 2, 3)의 전극의 열화를 회피하기 위해 면하는 전극들(12, 13, 22, 23, 32, 33)을 넘어서 연장한다.
나란히 놓인 복합체(1, 2)는 전기 비연속적 영역을 회득하기 위해 거리 d만큼 이격되어 있다. 유리하게, 이러한 거리 d는, 나란히 놓인 복합체(1, 2) 중 하나로부터 나란히 놓인 복합체(1, 2) 중 다른 하나로의 전류의 직접적인 통과를 회피하기 위해 충분하도록 제공된다. 예를 들어, 거리 d는 1 밀리미터보다 더 길 수 있다. 1 밀리미터의 거리 d는, 슈퍼캐패시터의 사용의 일반적인 조건하에서 전해질을 분해하는 위험에 내맡기는, 양쪽의 나란히 놓인 복합체(1, 2) 사이에 생성되는 전계가 너무 커지는 것을 방지하기 위해 실제로 충분하다. 사실, 그러한 시스템의 전압은 종래의 최신 기술로부터의 표준 소자의 그것, 및 동일 케이싱내의 이것에 관하여 2배임으로써, 전해질이 2배의 전압을 겪기 쉽고, 그러므로 더 신속한 분해의 그 위험을 겪기 쉽다. 나란히 놓인 복합체(1 및 2) 사이의 거리 d는 따라서, 전해질이 이러한 2배의 전압에 노출되는 것을 방지하도록 선택된다.
유리하게, 양쪽의 복합체(1, 2) 사이에서 규정되는 영역(Z3)은 전기 절연체, 예컨대, 비어있는 공간, 액체 또는 가스를 포함할 수 있다. 이러한 영역이 그에 의해서 채워질 수 있도록 하기 위해, 케이싱 내부의 전해질의 체적은, 비어 있는 공간을 비어 있는 채로 남기기 위해, 임의의 초과 없이, 그것이 활성 물질의 전체만을 채우도록, 적절히 선택되었을 것이다.
양쪽의 나란히 놓인 복합체(1, 2) 사이에서 규정되는 영역(Z3)을 면하여 위치되는 공통의 복합체(3)의 컬렉터 부분(31c)은 공통의 복합체(3)의 전기적 연속성의 영역이다.
이러한 영역은,
- 공통의 복합체(3)가 도 6에 예시된 바와 같이 단일의 그리고 동일한 컬렉터를 포함하거나 형성되었을 수 있는 경우에 공통의 복합체의 컬렉터의 부분으로,
- 공통의 복합체(3)가 도 7에 예시된 바와 같이 함께 납땜된 2개의 나란히 놓인 컬렉터(31a, 31b)를 포함하는 경우에 예컨대 땜납과 같은 전기 연결로, 형성될 수 있다.
도 8에 예시된 바와 같이, 나란히 놓인 복합체(1, 2)와 공통의 복합체(3) 사이에 위치된 세퍼레이터(4)는, 비연속적일 수 있다, 즉 2개의 나란히 놓인 세퍼레이터(4a, 4b)로 구성될 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 이 나란히 놓인 세퍼레이터들(4a, 4b) 사이의 거리는 유리하게, 나란히 놓인 복합체(1, 2) 사이의 거리 d보다 더 짧다. 이로서, 나란히 놓인 복합체(1, 2)의 전극(12, 22)과 공통의 복합체(3)의 전극(32a, 32b) 사이에 전기 절연을 보장할 수 있고, 그에 의해 복합체(1, 2, 3)의 열화의 위험을 회피할 수 있다. 2개의 나란히 놓인 세퍼레이터(4a, 4b) 사이에 규정되는 영역은, 임의의 타입의 절연 재료, 예컨대 비어있는 공간, 또는 가스나 절연액을 포함할 수 있다.
도 9는 상이한 복합체들과 세퍼레이터들이 권선 소자를 형성하기 위해 함께 권선되었을 시의 도 6의 슈퍼캐패시터의 2개의 연속적인 권선을 예시한다.
상이한 복합체(1, 2, 3)의 전극(12, 13, 22, 23, 32, 33)은 복수의 슈퍼캐패시터를 형성한다.
공통의 복합체(3)의 전극(32)을 면하는 나란히 놓인 복합체(1, 2)의 전극(12, 22)은, 나란히 놓인 복합체(1, 2)와 공통의 복합체(3) 사이에 위치되는 세퍼레이터(4)와 공통의 복합체(3)의 이러한 전극(33)과 더불어, 권선의 설계에 의해 직렬로 (서로) 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 슈퍼캐패시터(A, B)를 형성한다.
상이한 복합체(1, 2, 3)의 대향 전극(13, 23, 33) 사이에 위치되는, 공통의 복합체(3)의 대향 전극(33)과 나란히 놓인 복합체(1, 2)의 대향 전극(13, 23)은, 세퍼레이터(4)와 더불어, 권선의 설계에 의해 직렬로 (서로) 전기적으로 연결되는 제3 및 제4 슈퍼 캐패시터들(C, D)를 형성한다.
제1 및 제2 슈퍼캐패시터(A, B)는 권선의 설계에 의해 제3 및 제4 슈퍼캐패시터(C, D)와 나란히 전기적으로 연결된다.
동일한 권선 소자내에서 4개의 슈퍼캐패시터(A, B, C, D)를 포함하는 슈퍼캐패시터가 그로서 획득된다.
물론, 상이한 복합체들(1, 2, 3)의 전극들(12, 13, 22, 23, 32, 33)은, 이미 기술된 바와 같이, 비대칭성을 획득하기 위해 상이한 활성 물질들로 구성될 수 있다(상이한 복합체들의 전극들을 위한 활성 물질들의 상이한 혼합). 유리하게, 카본의 세공(pore)의 크기를 사용되는 이온의 크기에 적합시키는 것에 의해, 상이한 활성 카본을 상이한 전극들(12, 13, 22, 23, 32, 33)에 대해 사용할 수 있다.
비대칭성을 획득하기 위해 상이한 복합체(1, 2, 3)의 전극(12, 13, 22, 23, 32, 33)의 체적에 작용하는 것이 또한 가능하다.
개수 n의 슈퍼캐패시터를 포함하는 슈퍼캐패시터는 도 10에 예시되어 있다.
슈퍼캐패시터는 세퍼레이터(4)의 위에 그리고 아래에 교호로 위치되는 복수의 복합체(1, 2, 3a, 3b)를 포함한다.
복수의 복합체의 2개의 연속적인 복합체들(3a(각각, 3b))는 영(zero)이 아닌 폭을 가진 마진(margin)(40a(각각, 40b))에 의해 분리된다. 세퍼레이터(4) 위에 위치되는 나란히 놓인 복합체들(3a) 사이의 마진들(40a)은 세퍼레이터(4) 아래에 위치되는 나란히 놓인 복합체들(3b) 사이에서 마진들(40b)에 관련하여 시프트(shift)된다.
2개의 연속적인 복합체들에 공통되는 복합체의 전자적 연속성은 - 마진(40)을 면하여 위치되는 공통의 복합체로의 내부 연결 영역을 통해 - 2개의 그로서 형성되는 슈퍼캐패시터의 직렬 연결을 보장한다.
직렬로 전기적으로 연결되는 n개의 슈퍼캐패시터들을 포함하는 슈퍼캐패시터가 그에 의해서 획득된다.
도 1 내지 10에 예시된 상이한 실시예들에 있어서, 마진(40)은, 마진(40)에 대해 제공되는 폭만큼 이격되어 있는 연속적인 복합체들의 동시 권선을 수행하는 것에 의한 권선 기계의 권선 동안에 획득된다.
비연속적인 세퍼레이터(즉, 나란히 놓인 복합체들과 공통의 복합체 사이의 몇몇의 나란히 놓인 세퍼레이터들)의 경우에, 세퍼레이터들 사이에 간격을 만들기 위해 동일한 방법이 사용될 수 있다.
마진(40)의 폭 d - 나란히 놓인 복합체들 사이의 간격에 대응함 -는, 권선 작업의 시작시에 복합체들의 적절한 포지셔닝(positioning)에 의해 기계적으로 획득된다.
마진(40)의 폭 “d”는 사용되는 절연 재료에 좌우된다.
만약, 마진(40)이 가스(예컨대, 가스 형태의 전해질의 용제)를 함유하면, 일반적인 동작 동안에 요소에 적용되는, 전압 Un은 가스의 파괴 필드(breakdown field)보다 “d”배 더 낮아야 한다.
만약, 마진(40)이 액체를 함유하면,
Figure pct00001
와 동등한, 마진(40)의 총 저항은 -
Figure pct00002
은 전해질의 전도성, N은 총 권선 길이, 그리고 ec는 마진(40)의 두께 - 1kΩ보다 더 커야 한다. 이러한 제약은 폭 d의 용납될 수 있는 값을 설정한다.
만약, 마진(40)이 (전기 절연) 고체를 함유하면, 나란히 놓인 복합체들 사이의 전압 Un은 절연 재료의 파괴 필드보다 더 낮아야 한다.
만약, 마진(40)이 혼합 구조체(상이한 재료들 및/또는 상이한 상(phase)들의 혼합)를 함유하면, 폭 d는 모든 값들 중 최대 값으로 선택될 것이다.
유리하게, 슈퍼캐패시터는 복합체들의 스택(stack)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 일 실시예에 있어서, 슈퍼캐패시터는 세퍼레이터에 의해 나란히 놓인 복합체들로부터 분리되는, 적어도 하나의 면하는 공통 복합체를 갖는 2개의 나란히 놓인 복합체들을 포함한다. 복합체들과 세퍼레이터는 제1 권선 소자를 형성하기 위해 차례로 함께 감겨 있다. 슈퍼캐패시터는 또한, 다른 세퍼레이터에 의해 분리되는, 다른 면하는 공통의 복합체를 갖는 2개의 다른 나란히 놓인 복합체들을 포함한다. 다른 복합체들과 다른 세퍼레이터는 제2 권선 소자를 형성하기 위해 제1 권선 소자 주위에 차례로 함께 감겨 있다. 제1 및 제2 권선 소자는 전기 절연 공간에 의해 분리된다.
이로서, 스트랩과 뚜껑을 통해 전기적으로 연결되는 슈퍼캐패시터들을 포함하는 종래 기술의 모듈들의 질량 및 체적에 비해서, 슈퍼캐패시터의 질량 및 체적을 감소시킬 수 있다.
이것은 또한, 스트랩과 뚜껑의 장착 및 구매에 관련된 제조 비용의 감소를 가능케 하고, 그와 더불어 그에 의해 획득되는 슈퍼캐패시터의 직렬 저항의 감소를 가능케 한다.
슈퍼캐패시터들은 상이한 형태들을 가질 수 있다. 예를 들어, 슈퍼캐패시터들은 원통형일 수 있다.
슈퍼캐패시터들은 또한, 육각형, 또는 삼각형, 또는 팔각형, 또는 직사각형 또는 또한 권축에 직교하는 타원형의, 베이스를 가질 수 있다. 이로서, 2개의 인접한 슈퍼캐패시터들 사이의 사용할 수 없는 체적(dead volume)을 제한할 수 있다. 권선 소자들의 각도들은 비-돌출일 수 있다.
[다수 트랙 시스템의 체적에 있어서의 이득의 증명을 가능케 하는 일반적인 사례]
이미 기술된 바와 같이, 본 발명에 따른 슈퍼캐패시터는 종래 기술의 모듈들과 비교하여 2개의 슈퍼캐패시터들의 전기적인 직렬 연결과 관련되는 체적에 있어서의 감소를 제공한다.
종래 기술의 그러한 모듈은 도 11에 예시되어 있다. 모듈은 2개의 슈퍼캐패시터(20)를 포함한다. 각각의 슈퍼캐패시터(20)는 2개의 전극과 1개의 세퍼레이터를 포함하는 원통형 권선 소자를 포함한다. 전극의 부분(85)은 외부쪽으로 돌출한다. 슈퍼캐패시터들은 연결 스트랩(70) 및 뚜껑(90)에 의해서 직렬로 연결된다. 각각의 뚜껑(90)은 외향 돌출하는 전극 부분(85)에서 후자에 전기적으로 연결되도도록 개개의 슈퍼캐패시터(20)를 캡핑한다. 각각의 뚜껑(80)은, 양쪽의 슈퍼캐패시터들(20)을 직렬로 전기적으로 연결하도록, 스트랩(70)의 관통구멍과 접촉될 수 있는, 연결 단자(80)를 더 포함한다.
도 12를 참조하여 보면, 직렬로 전기적으로 연결된 2개의 슈퍼캐패시터의 설계에 의해 형성되는, 본 발명에 따른 모범적인 슈퍼캐패시터가 예시되어 있다. 이러한 슈퍼캐패시터는, 연결 스트랩에 의해 동일한 타압의 인접한 슈퍼캐패시터에 연결될 수 있다.
도 11에 예시된 모듈에 관하여 도 12에 예시된 슈퍼캐패시터의 체적에 있어서의 이득을 증명하기 위해서, 하기의 파라미터들이 요구된다:
H: 활성 높이(cm)
e: 권선 소자를 넘어서 연장하는 전극 부분의 높이(cm)
ec: 뚜껑의 두께(cm)
eb: 연결 스트랩의 두께(cm)
Figure pct00003
: 슈퍼캐패시터의 외경(cm)
d: 마진의 폭(e > d 임)(cm)
이 파라미터들로부터, 본 발명에 따른 슈퍼캐패시터의 그리고 최신 기술의 모듈의 체적을 계산할 수 있다:
Nn: 동등한 값
Figure pct00004
의 n-트랙 슈퍼캐패시터의 체적(cm3)
V: 값 C의 n개의 슈퍼캐패시터를 직렬로 포함하는 종래 기술의 모듈의 체적(cm3)
도 11 및 12에서의 동일한 값들 h, ec,
Figure pct00005
, e, et, eb에 있어서, 하나가 다음을 얻는다:
Figure pct00006
종래 기술의 모듈과 본 발명에 따른 슈퍼캐패시터 사이의 체적 차이
Figure pct00007
는 따라서 다음과 동등하다:
Figure pct00008
[다수-트랙 시스템의 질량에 있어서의 이득의 증명을 가능케 하는 일반적인 사례]
도 11에 예시된 모듈과 비교하여 도 12에 예시된 슈퍼캐패시터의 질량에 있어서의 이득을 증명하기 위해, 하기의 파라미터들이 또한 요구된다:
et: 권선 소자들이 위치되는 튜브의 두께(cm)
mu: 슈퍼캐패시터 C의 질량(g)
mc: 값 C의 슈퍼캐패시터의 뚜껑의 질량(g)
mb: 연결 스트랩의 질량(g)
Figure pct00009
: 뚜껑의 그리고 튜브의 재료의 비중(g/cm3)
이러한 파라미터들로부터, 하기의 질량을 계산할 수 있다:
mt C: (종래 기술의 모듈에서의) 값 C의 슈퍼캐패시터의 튜브의 질량(g)
mt C /n: (본 발명에 따른 슈퍼캐패시터에서의) 동등한 값
Figure pct00010
의 n-트랙 슈퍼캐패시터의 튜브의 질량(g)
m: (종래 기술의 모듈에서의) 값 C의 n개의 슈퍼캐패시터의 총 질량(g)
mn: (본 발명에 따른 슈퍼캐패시터에서의) 동등한 값
Figure pct00011
의 n-트랙 슈퍼캐패시터의 총 질량(g)
도 11 및 12에서의 동일한 값들 h, ec,
Figure pct00012
, e, et, eb에 있어서, 하나가 다음을 얻는다:
Figure pct00013
종래 기술의 모듈과 본 발명에 따른 슈퍼캐패시터 사이의 질량 차이
Figure pct00014
는 따라서 다음과 동등하다:
Figure pct00015
이 계산들에서는, n-트랙 코일의 질량이 단위 코일의 질량의 n배와 동등하다고 가정한다. d = 2e일 경우에만 참(true)이기 때문에, 이러한 가정은 비관적이라는 것이 알려져 있다. 실제의 사례에 있어서는, e는 d보다 매우 더 크다.
[이미 수립된 식의 수치적 응용]
2,600F의 표준 슈퍼캐패시터와 2,600F의 본 발명에 따른 2-트랙 쇼퍼캐패시터 사이의 비교
mu = 370g
Figure pct00016
= 7cm
C = 2,600F
et = 0.05cm
h = 8cm
e = 0.7cm
ec = 0.3cm
eb = 0.4cm
d = 0.4cm
Figure pct00017
= 2.7cm
결과
mc = 30g
mb = 15g
mt C = 30g
mt C /n = 55g
m = 935g (연결 스트랩을 통해 결합되는 2개의 슈퍼캐패시터들의 총 질량)
mn = 855g (2-트랙 슈퍼캐패시터의 질량)
Vn = 900cm3
V = 1,020cm3
종래 기술의 모듈과 비교하여 본 발명에 따른 슈퍼캐패시터의 질량 및 체적에 있어서의 이득은 따라서: 체적에서의 -11.7%와 질량에서의 9%이다.
[모듈을 만들기 위한 다수-트랙 소자들의 본 발명의 응용의 예]
도 13a에 딸 위치되는 12개의 소자들의 모듈을 고려해보도록 한다. 3,000F 소자의 질량은 469g이며, 질량은 뚜껑과 튜브를 포함한다. 모듈은 각각 15g의 11개의 연결 스트랩들을 포함한다. 소자들의 직경은 6.85cm이고 단위 높이는 9cm이다.
12개의 슈퍼캐패시터들의 체적은 다음의 계산에 따라 3,980.1cm3의 값을 갖는다:
Figure pct00018
슈퍼캐패시터들은 (회로 단락을 회피하기 위해) 그것들 사이에 2mm만큼 이격되어 있다. 슈퍼캐패시터들의 전체는 2mm의 자유 공간을 갖고서 하부 및 상부면에서 덮이며, 그 다음에는 3mm의 상부 및 하부 판들에 의해 캡핑된다. 이들 판들은 알루미늄(d = 2.7)으로 되어 있다. 모듈의 측면은 알루미늄(d = 2.7)으로 된 2mm 두께의 금속 시트로 구성된다. 모듈의 외부 체적은 따라서 다음의 값을 갖는다:
Figure pct00019
모듈의 총 질량은 따라서 다음의 값을 갖는다:
Figure pct00020
이제, 종래 기술에서 기술된 시스템과 비교하여 2배 전압의 2-트랙 1,500F 소자를 고려해보도록 한다. 종래 기술의 소자의 동일한 (권선의 높이)/(권선의 직경)을 유지하는 것에 의해, 하기의 높이 및 직경 파라미터들이 2-트랙 소자에 대해서 획득된다:
Dwinding = 8.5cm
Hwinding = 11cm
2-트랙 소자 단위의 질량은 863g의 값을 가지며, 질량은 양쪽의 뚜껑 및 튜브를 포함한다.
도 13b에 따르면, 이제 5개의 스트랩에 의해 직렬로 함께 연결되는 6개의 2-트랙 소자들이 있다. 모듈은 각각 17g의 5개의 연결 스트랩들을 포함한다.
6개의 2-트랙 슈퍼캐패시터의 체적은 다음의 계산에 따라 3,745.2cm3의 값을 갖는다:
Figure pct00021
슈퍼캐패시터들은 (회로 단락을 회피하기 위해) 그것들 사이에 2mm만큼 이격되어 있다. 슈퍼캐패시터들의 전체는 2mm의 자유 공간을 갖고서 하부 및 상부면에서 덮이며, 그 다음에는 3mm의 상부 및 하부 판들에 의해 캡핑된다. 이들 판들은 알루미늄(d = 2.7)으로 되어 있다. 모듈의 측면은 2mm 두께의 알루미늄 시트(d = 2.7)로 구성된다. 모듈의 외부 체적은 따라서 다음의 값을 갖는다:
Figure pct00022
모듈의 총 질량은 따라서 다음의 값을 갖는다:
Figure pct00023
이제, 종래 기술에서 기술된 시스템과 비교하여 3배 전압의 3-트랙 1,000F 소자를 고려해보도록 한다. 종래 기술의 소자의 동일한 (권선의 높이)/(권선의 직경)을 유지하는 것에 의해, 하기의 높이 및 직경 파라미터들이 3-트랙 소자에 대해서 획득된다:
Dwinding = 9.7cm
Hwinding = 12.3cm
3-트랙 소자 단위의 질량은 1,251g의 값을 가지며, 질량은 양쪽의 뚜껑 및 튜브를 포함한다.
도 13c에 따르면, 이제 3개의 스트랩에 의해 직렬로 함께 연결되는 4개의 3-트랙 소자들이 있다. 모듈은 각각 20g의 3개의 연결 스트랩들을 포함한다.
4개의 3-트랙 슈퍼캐패시터의 체적은 다음의 계산에 따라 3,635.8cm3의 값을 갖는다:
Figure pct00024
슈퍼캐패시터들은 (회로 단락을 회피하기 위해) 그것들 사이에 2mm만큼 이격되어 있다. 슈퍼캐패시터들의 전체는 2mm의 자유 공간을 갖고서 하부 및 상부면에서 덮이며, 그 다음에는 3mm의 상부 및 하부 판들에 의해 캡핑된다. 이들 판들은 알루미늄(d = 2.7)으로 되어 있다. 모듈의 측면은 2mm 두께의 알루미늄 시트(d = 2.7)로 구성된다. 모듈의 외부 체적은 따라서 다음의 값을 갖는다:
Figure pct00025
모듈의 총 질량은 따라서 다음의 값을 갖는다:
Figure pct00026
하기의 표는, 종래 기술에 기술되어있는 모듈과 비교하여 2-트랙 또는 3-트랙 소자들을 포함하는 모듈들의 체적에 있어서의 그리고 질량에 있어서의 이득을 요약한 것이다. 모듈의 총 전압이 변화되지 않았기 때문에, 질량 및 체적에 있어서의 이러한 이득들은 질량 및 벌크 비중 에너지에 대해서 획득되는 것들과 동일하다:
Figure pct00027
[ 저항에서의 총 이득 ]
저항에서의 이득은 스트랩의 부재에 그리고 뚜껑 개수의 감소에 기인한다.
전자의 경로는 따라서 2개의 별개의 슈퍼캐패시터들의 조립체에 관하여 감소된다.
2개의 슈퍼캐패시터들의 조립체의 등가의 저항은 약 0.4mΩ이다. 2-트랙 소자의 등가의 저항은 0.2mΩ으로 값이 구해진다.
이러한 특정한 사례에 있어서, 저항은 따라서 2로 분할된다.
저항에 있어서의 이득은 따라서 전력 밀도(V²/(4Rs))를 증가시킬 가능성을 부여한다.
앞서 언급된 예들은 슈퍼캐패시터들로의 응용에 대해서 상세하게 설명되었으며, 이 명세서에 기술된 새로운 가르침들과 장점들로부터 실질적으로 벗어나지 않고, 배터리나 배터리 셀과 같은 다양한 다른 예측되는 저장 소자들의 구성에 적합시키기 위해서, 많은 변형들이 이미 기술된 슈퍼캐패시터에 필요한 부분만 약간의 수정을 가져올 수 있다는 것을 독자는 이해할 것이다.
따라서, 이러한 타입의 모든 변형들은 첨부 도면들에서 규정되는 바와 같은 슈퍼캐패시터의 범위내에서 통합되도록 의도된다.
여기에는 2가지 타입의 슈퍼캐패시터들이 존재한다.
제1 타입의 슈퍼캐패시터(이하 “다수 트랙 슈퍼캐패시터”로 나타냄)는, 거리 d만큼 서로 이격되는 적어도 2개의 나란히 놓인 복합체들과, 양쪽의 복합체들을 면하고 적어도 하나의 세퍼레이터에 의해 후자로부터 분리되는 적어도 하나의 공통 복합체를 포함하며, 세퍼레이터와 복합체들이 권선 소자를 형성하기 위해 차례로 함께 감겨있다.
제2 타입의 슈퍼캐패시터(“다수코일 슈퍼캐패시터”로 나타냄)는 적어도 2개의 복합체들 및 양쪽의 복합체들 사이의 적어도 하나의 세퍼레이터를 포함하며, 복합체들과 세퍼레이터는 권선 소자를 형성하기 위해 차례로 함께 감겨 있고, 다수 코일 슈퍼캐패시터는 적어도 하나의 다른 복합체과 적어도 다른 세퍼레이터를 더 포함하는 점에서 주목할만하며, 다른 복합체와 다른 세퍼레이터는, 적어도 하나의 연속적인 권선 소자를 형성하도록 권선 소자 주위에 차례로 함께 감겨 있고, 연속적인 권선 소자들은 전자 절연 공간에 의해 분리된다.
다수 트랙 및 다수 코일 슈퍼캐패시터들은 많은 장점들을 갖는다:
- 2개의 표준 슈퍼캐패시터들과 동일한 벌크 에너지를 가진 다수 트랙 또는 다수 코일 슈퍼캐패시터들에 대해서, 더 낮은 전압이 인가될 수 있고 따라서 가수의 생성을 매우 강력하게 제한할 수 있으며 따라서 고도로 유리한 방식으로 수명을 증가시킬 수 있고,
- 다수 트랙 또는 다수 코일 슈퍼 캐패시터의 내부 체적이, 2개의 관련된 표준 슈퍼캐패시터들의 내부 체적보다, 조립체당, 유리하게 더 클 수 있다. 이러한 사례에 있어서, 수명이 또한 증가될 수 있다.
최종적으로, 서로 연결되어 있는 복수의 슈퍼캐패시터를 포함하는 모듈에 있어서, 모듈의 직렬 저항의 적어도 절반은 코일들과 뚜껑들 사이의 연결 저항이다.
복수의 다수 트랙 또는 다수 코일 슈퍼캐패시터를 포함하는 모듈에 있어서, 복수의 표준 슈퍼캐패시터를 포함하는 모듈과 비교하여 뚜껑과 코일 사이의 요구되는 접합들의 개수의 감소로 인해서, 모듈의 직렬 저항이 강력하게 감소된다.
다수 트랙 슈퍼캐패시터는 다수 코일 슈퍼캐패시터와 비교하여 장점들을 더 갖는다.
명료하게, 다수 트랙 슈퍼캐패시터는, 2개의 인접한 다수트랙 슈퍼캐패시터들을 전기적으로 연결하기 위한 종래 기술로부터의 뚜껑들과 스트랩들의 사용을 가능케 한다.
따라서, 다수 트랙 슈퍼캐패시터를 제조하기 위한 방법은, 그것이 특정한 뚜껑들을 제조하거나 납땜하기 위한 단계의 적용을 요구하지 않기 때문에, 다수 코일 슈퍼캐패시터를 제조하기 위한 방법보다 기존의 슈퍼캐패시터 제조 방법에 적합시키기가 더 용이하다.

Claims (27)

  1. 2중 전기화학 층을 가진 슈퍼캐패시터(supercapacitor)로서,
    거리 d만큼 이격되어 있는 적어도 2개의 나란히 놓인 복합체들(1, 2)과, 나란히 놓인 복합체들(1, 2) 둘다에 면하고 적어도 하나의 세퍼레이터(separator)(4)에 의해 상기 나란히 놓인 복합체들(1, 2)로부터 분리되는 적어도 하나의 공통 복합체(3)를 포함하며, 상기 세퍼레이터(4)와 상기 복합체들(1, 2, 3)은 권선 소자(wound element)를 형성하기 위해 차례로 함께 감겨있는 것을 특징으로 하는 슈퍼캐패시터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 세퍼레이터(4)는 상기 거리 d보다 더 짧은 거리 w만큼 이격되어 있는 적어도 2개의 부분들로 구성되고, 상기 부분들의 각각은 서로 면하는 상기 복합체들(1, 2, 3)을 완전히 분리시키는 것을 특징으로 하는, 슈퍼캐패시터.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 거리 w는 1 mm보다 더 큰 것을 특징으로 하는, 슈퍼캐패시터.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 복합체(1, 2, 3)는 전류 컬렉터(current collector)(11, 21, 31)의 양측에 2개의 대향하는 전극들(12, 13, 22, 23, 32, 33)을 포함하여, 각각의 전극이 상기 전류 컬렉터의 개개의 면과 공통되는 전기 전도성 표면을 갖는 것을 특징으로 하는, 슈퍼캐패시터.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공통 복합체(3)는 거리 g만큼 이격되어 있는 적어도 2개의 나란히 놓인 전극들(32a, 32b)을 포함하고, 각각의 전극은 나란히 놓인 복합체들(1, 2)의 전극(12, 22)에 면하여 위치되는 것을 특징으로 하는, 슈퍼캐패시터.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 거리 g는 상기 거리 d와 동등한 것을 특징으로 하는, 슈퍼캐패시터.
  7. 청구항 4 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공통 복합체(3)의 전극들(32a, 32b, 33a, 33b)은 상이한 두께인 것을 특징으로 하는, 슈퍼캐패시터.
  8. 청구항 4 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공통 복합체(3)의 전극들(32a, 32b, 33a, 33b)의 폭이 상이한 것을 특징으로 하는, 슈퍼캐패시터.
  9. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나란히 놓인 복합체들(1, 2)의 전극들(12, 13, 22, 23)의 두께가 상이한 것을 특징으로 하는, 슈퍼캐패시터.
  10. 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
    서로 면하는 상기 복합체들(1, 2, 3)의 길이가 상이한 것을 특징으로 하는, 슈퍼캐패시터.
  11. 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나란히 놓인 복합체들(1, 2)의 전극들(12, 13, 22, 23)의 폭이 상이한 것을 특징으로 하는, 슈퍼캐패시터.
  12. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복합체들(1, 2, 3)의 전극들은 상이한 성질인 것을 특징으로 하는, 슈퍼캐패시터.
  13. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나란히 놓인 복합체들(1, 2)의 전극들의 길이, 폭, 두께 및 성질이 동등한 것을 특징으로 하는, 슈퍼캐패시터.
  14. 청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 있어서,
    권축(winding axis)에 직교하는 상기 권선 소자의 베이스는 원형인 것을 특징으로 하는, 슈퍼캐패시터.
  15. 청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 있어서,
    권축에 직교하는 상기 권선 소자의 베이스는 육각형인 것을 특징으로 하는, 슈퍼캐패시터.
  16. 청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 있어서,
    권축에 직교하는 상기 권선 소자의 베이스는 삼각형인 것을 특징으로 하는, 슈퍼캐패시터.
  17. 청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 있어서,
    권축에 직교하는 상기 권선 소자의 베이스는 팔각형인 것을 특징으로 하는, 슈퍼캐패시터.
  18. 청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 있어서,
    권축에 직교하는 상기 권선 소자의 베이스는 직사각형인 것을 특징으로 하는, 슈퍼캐패시터.
  19. 청구항 14 내지 18 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 권선 소자의 각도가 비-돌출(non-protruding)인 것을 특징으로 하는, 슈퍼캐패시터.
  20. 청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 있어서,
    권축에 직교하는 상기 권선 소자의 베이스는 타원형인 것을 특징으로 하는, 슈퍼캐패시터.
  21. 청구항 1 내지 20 중 어느 한 항에 있어서,
    2개의 나란히 놓인 복합체들 및 공통 복합체를 포함하고, 나란히 놓인 복합체들 둘다는 외부에 연결되는 것을 특징으로 하는, 슈퍼캐패시터.
  22. 청구항 1 내지 20 중 어느 한 항에 있어서,
    외부에 연결되고 2 바이(by) 2로 나란히 놓이는 3개의 복합체들, 및 공통 복합체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 슈퍼캐패시터.
  23. 청구항 1 내지 20 중 어느 한 항에 있어서,
    공통 복합체에 나란히 놓이는 외부에 연결되는 복합체의 2개의 조립체를 포함하며, 이 조립체들 둘다는 서로 면함으로써, 제1 조립체의 공통 복합체가 제2 조립체의 외부에 연결되는 복합체에 면하는 것을 특징으로 하는, 슈퍼캐패시터.
  24. 청구항 1 내지 23 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 세퍼레이터에 의해 분리되는 적어도 하나의 면하는 공통 복합체를 갖고 제1 권선 소자를 형성하기 위해 차례로 함께 감기는 적어도 2개의 나란히 놓인 복합체들을 포함하며, 적어도 하나의 다른 세퍼레이터에 의해 분리되는 적어도 하나의 다른 면하는 공통 복합체를 갖는 2개의 다른 나란히 놓인 복합체들을 더 포함하고, 상기 2개의 다른 나란히 놓인 복합체들은 적어도 제2 권선 소자를 형성하기 위해 상기 제1 권선 소자 주위에 차례로 함께 감기며, 이들 연속적인 권선 소자들은 전자적 절연 공간에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는, 슈퍼캐패시터.
  25. 청구항 21에 있어서,
    2개의 연속적인 권선 소자들에 공통되는 복합체가 존재하는 것을 특징으로 하는, 슈퍼캐패시터.
  26. 청구항 1 내지 25 중 어느 한 항에 기재된 적어도 하나의 슈퍼캐패시터가 위치되어 있는 케이싱을 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈.
  27. 청구항 26에 있어서,
    케이싱과 상기 케이싱을 폐쇄하기 위해 의도된 뚜껑들 내에 위치된 권선 소자를 형성하기 위해 차례로 함께 감기는 적어도 2개의 전극들 및 적어도 하나의 세퍼레이터를 포함하는 원통형 권선 소자를 포함하는 적어도 하나의 표준 슈퍼캐패시터를 더 포함하고, 상기 표준 슈퍼캐패시터가 적어도 하나의 연결 스트랩(strap)을 통해 청구항 1 내지 25 중 어느 한 항에 기재된 슈퍼캐패시터에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 모듈.
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