KR20190010658A - 높은 전력 밀도의 통합 탄소/탄소 울트라커패시터 및 울트라커패시터들로 구성되는 배터리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 이중층 커패시터 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 울트라커패시터는 일측 단부에 바닥을 가지는 실린더형의 하우징(1)을 포함하며, 상기 하우징은 제1 전류 단자(3)와 통합된 단부 캡(2)에 의해 폐쇄된다. 상기 하우징의 바닥으로부터 상기 제2 전류 단자의 단자 단부가 돌출된다. 이전에 알려진 해결 방안들과는 달리, 상기 전류 단자들은 내부 저항을 감소시키고, 최적의 패킹 밀도에 이르도록 상기 울트라커패시터 내로 배치되며, 상기 전극 단자에 스폿 용접된다.

Description

높은 전력 밀도의 통합 탄소/탄소 울트라커패시터 및 울트라커패시터들로 구성되는 배터리
본 발명은 실린더형의 하우징을 갖는 높은 에너지 밀도의 탄소 복합 전극들을 구비하는 통합 전기 이중층 울트라커패시터 및 울트라커패시터들로 구성되는 배터리에 관한 것이다.
종래 기술에서 상기 이중층 커패시터들의 다양한 구성이 알려져 있다. 오위 스켈톤 테크놀로지즈(OU Skeleton Technologies)의 EE05629(2012. 04. 16)의 문헌에서, 본 발명의 발명자들은 프리즘형의 이중층 커패시터를 설명하였다. 현재까지 실린더형의 이중층 커패시터들에 대한 주요 문제점은 전극 및 전류 단자 사이의 접촉이다.
맥스웰 테크놀로지즈사(Maxwell Technologies, Inc.)의 WO03/041097(2003. 05. 15) 문헌에는 제1 단자 및 제2 단자와 커패시터 캔 내로 배치되는 감겨진 전극 구조를 포함하는 이중층 커패시터가 기재되어 있다. 이후에, 상기 커패시터는 접촉 각도와 제1 스터드(stud)/컬렉터(collector)로 폐쇄될 수 있다. 상기 제2 디스크/단자 포스트는 상기 커패시터 캔의 다른 단부에 배치된다. 실린더형의 커패시터들의 주요 문제점은 "젤리-롤(jelly-roll)" 전극 및 전류 단자 사이의 접촉이다.
맥스웰 테크놀로지즈사의 미국 특허출원 공개 US2009/0180238(2009. 07. 16)에는 대향하는 측부들을 갖는 제1 전류 컬렉터 및 제2 전류 컬렉터를 포함하는 이중층 에너지 저장 장치가 기재되어 있으며, 제1 및 제2 전극 구조가 대응되는 전류 컬렉터의 대향하는 측부들에 인접한다.
본 발명의 목적은 낮은 내부 저항을 가지는 높은 전력 밀도의 실린더형 울트라커패시터(ultracapacitor)의 설계를 제공하는 것이다. 전술한 목적은 제1 전류 단자 및 상기 커패시터의 단부 캡을 통합하여 구현될 수 있었고, 상기 제1 전류 단자는 피트(feet) 또는 프롱(prong)들을 혹은 상기 전류 단자의 중심으로부터 방사상으로 연장되는 부재들 및 상기 방사상으로 연장되는 부재들의 에지들의 하나에 형성되는 보강 리브(reinforcing rib)들을 가지는 성상 구조 또는 별 형상의 구조를 포함한다. 상기 전류 단자들은 상기 방사상으로 연장되는 부재들의 바닥을 따라 상기 커패시터 전극에 레이저 용접된다. 상기 커패시터는 제2 전류 단자의 단자 단부가 하우징으로부터 돌출되는 개구를 구비하는 폐쇄된 바닥을 갖는 하우징을 포함한다. 상기 설계는 종래 기술의 다른 울트라커패시터들에 비하여 보다 간결하고 높은 전력 밀도의 울트라커패시터를 구현하게 한다.
본 발명에서는 높은 비용량 및 에너지 밀도의 탄소/탄소 전기 이중층 커패시터(EDLC)가 설명되며, 이는 전체적으로 다공성을 갖는 세퍼레이터(separator)에 의해 서로 분리되는 음성으로 대전된 마이크로/메조포러스(micro/mesoporous) 탄소 복합 전극 및 양성으로 대전된 마이크로/메조포러스 탄소 복합 전극을 포함한다.
본 발명에서는 또한 높은 비용량과 에너지 밀도의 실린더 형상의 탄소/탄소 EDLC의 구조가 설명되며, 이는 전기 화학적 시스템의 효율적인 패킹 밀도와 낮은 내부 저항을 부분적으로 보증한다.
본 발명에서는 또한 추가적인 지지 요소들이 없이 EDLC의 개별적인 요소들을 고전압 EDLC 배터리 내로 통합하게 할 수 있는 실린더형의 EDLC의 특성이 설명된다.
본 발명의 실시예들은 도면들을 참조하여 다음의 상세한 설명에서 설명되며, 첨부된 도면들에 있어서,
도 1은 본 발명에 따른 실린더형의 울트라커패시터의 부분 절개 단면도를 나타내고,
도 2는 울트라커패시터 하우징, 커패시터 단부 캡 및 탄소 전극 팩 사이의 패킹의 확대 단면도를 나타내며,
도 3은 본 발명에 따른 실린더형의 이중층 울트라커패시터의 선택적인 실시예를 나타내고;
도 4는 고전압 배터리 블록 내의 인접하는 울트라커패시터들의 접합으로부터의 단면도를 나타내며,
도 5a 내지 도 5d는 보강 리브들을 갖는 별 형상의 구조를 구비하는 제1 전류 단자의 단면도와 별 형상의 구조의 하측 내의 방사상으로 연장되는 부재들과 리브들 및 채널의 단면도를 나타내고,
도 6 및 도 7은 실린더형의 하우징을 폐쇄하기 위한 울트라커패시터의 단부 캡을 나타내며,
도 8은 울트라커패시터를 전해질로 채운 후의 상기 단부 캡, 제1 전류 단자, 커패시터 하우징, 패키징된 탄소 전극, 씰 및 밀폐 캡의 부분 단면도를 나타내고,
도 9는 본 발명에 따른 제2 전류 단자의 부분 단면도를 나타내며,
도 10은 전류 단자의 중심으로부터 방사상으로 연장되는 부재들을 갖는 별 형상의 구조를 예시하기 위한 도 9의 제2 전류 단자의 평면도를 나타내고,
도 11은 양면 코팅된 탄소 전극의 구조를 나타내며,
도 12는 전극 쌍들의 실린더 형상의 젤리-롤에 감기는 층의 개략적인 도면을 나타내고,
도 13은 본 발명에 따라 제조된 커패시터 내로 배치되는 실린더형의 젤리-롤의 개략적인 도면을 나타내며,
도 14는 높은 전력 밀도의 울트라커패시터 내에 사용되는 패키징된 탄소/탄소 전극의 젤리-롤에 부착되는 본 발명에 따른 전류 단자를 나타내고,
도 15a 내지 도 15d는 본 발명에 따른 울트라커패시터와 같은 에너지 저장 장치에 사용되는 통합 전류 단자의 다른 도면들을 나타내며, 여기서 도 15a는 보강 리브들을 갖는 별 형상의 구조를 구비하는 전류 단자의 부분 평면도이고, 도 15b는 도 15a의 A-A 라인을 따른 전류 단자의 단면도이며, 도 15c는 도 15b의 B-B 라인을 따른 전류 단자의 보강 리브의 단면도이고, 도 15d는 이중층 커패시터의 제조 공정 동안에 전해질들 젤리-롤로 안내하기 위한 채널을 예시하는 전류 단자의 저면도이다.
본 발명에 따른 전기 이중층 커패시터는 일측 단부가 닫히고, 타측 단부가 제1 전류 단자(3)와 통합되는 단부 캡(cap) 또는 리드(2)에 의해 폐쇄되는 실린더형의 하우징(1)을 포함한다(도 1). 상기 제1 전류 단자(3)는 제조 공정 동안에 커패시터를 전해질로 채우기 위해 관통 홀(6)을 가진다. 씰(seal)(5)은 상기 단부 캡(2)을 상기 실린더형의 하우징(1)으로부터 전기적으로 분리하도록 의도된다. 상기 실린더형의 하우징 내로 패키징된 탄소/탄소 전극들(7)이 배치된다. 상기 실린더형 하우징(1)의 닫힌 단부(바닥) 내에는 상기 커패시터 하우징(1) 내로 배치되는 제2 전류 단자(4)의 단자 단부가 돌출되는 개구/홀(8)이 위치한다. 상기 제2 전류 단자(4)의 단부는 상기 개구(8)의 주위를 따라 상기 하우징(1)의 바닥에 용접된다(도 3).
상기 커패시터 하우징을 폐쇄하기 위한 상기 단부 캡(2)은 상기 커패시터로부터 돌출되는 상기 제1 전류 단자(3)의 단자 단부를 외부로 안내하기 위한 개구/홀(9)을 가지는 반면, 상기 단부 캡(2) 및 상기 제1 전류 단자(3)의 단자 단부는 상기 개구(9)의 주위를 따라 함께 용접된다(도 8). 상기 단부 캡(2)은 외부 에지에 상기 씰(5)의 두께에 대응되는 높이의 단차(12)를 가지고, 상기 단부 캡(2)은 상기 개구(9) 주위에 상기 실린더형의 하우징의 단부의 평면 상부로 연장되는 실린더형의 칼라(collar)(13)를 가지며, 이는 상기 실린더형의 칼라(13)의 외부 직경에 대응되는 외부 직경을 갖는 연결 슬리브(sleeve)(14)에 부착된다. 상기 연결 슬리브(14)는 나사형의 관통 홀(15)을 가지며, 상기 슬리브는 상기 단부 캡(2)의 칼라(13)에 용접된다.
상기 제2 전류 단자(4)의 단자 단부는 나사형지만, 나사형의 치수는 상기 연결 슬리브(14) 내의 상기 나사형의 관통 홀(15)의 나사형의 치수에 대응되어, 개개의 전기 이중층 커패시터들이 커패시터들의 블록으로 직렬로 연결될 수 있다. 즉, 고전압 배터리가 조립된다(도 4).
상기 별 형상의 구조의 중심으로부터 방사상으로 연장되는 직사각형의 프롱(prong)들(10)(또는 전류 단자의 중심으로부터 방사상으로 연장되는 부재들)을 구비하는 별 형상의 구조를 포함하며, 여기서 상기 방사상으로 연장되는 부재들(10)의 상측(일측)에 상기 커패시터의 단부 캡(2)의 바닥과 접촉되게 배치되는 보강 리브(reinforcing rib)들(11)이 형성된다. 본 명세서에서, 상기 별 형상의 구조라는 용어는 피트(feet)들 또는 방사상으로 연장되는 부재들 혹은 상기 전류 단자의 중심으로부터 방사상으로 돌출되는 프롱들을 포함하는 세부 구조로 이해되어야 하며, 여기서 상기 피트들 또는 방사상으로 연장되는 부재들 혹은 방사상으로 돌출되는 프롱들은 상기 전류 단자의 중심에서만 서로 연결된다(도 5b, 도 5d 및 도 10 참조).
상기 전류 단자(3)의 별 형상의 구조의 하측에서 상기 방사상으로 연장되는 부재들(10)은 상기 이중층 커패시터를 조립하는 동안에 상기 실린더형의 하우징(1) 내로 배치되는 감겨진 탄소 전극들(7)의 젤리-롤(jelly-roll)의 평탄하게 된 양의 및 음의 단부들에 각기 레이저 용접된다. 상기 보강 리브들(11)을 구비하는 직사각형의 방사상으로 연장되는 부재들(10)은 상기 전류 단자들(3)의 별 형상의 구조의 상측 내에 형성되고 방사상으로 배치된다. 상기 제1 전류 단자(3)의 관통 홀(6)로부터 상기 제1 전류 단자(3)의 별 형상의 구조의 방사상으로 연장되는 부재들(10) 사이로 채널들(17)이 연장된다. 이들 채널들(17)은 상기 커패시터의 제조 공정 동안에 상기 전류 단자(3)가 전극에 용접될 때에 상기 전해질을 상기 젤리-롤(7)로 안내한다.
상기 제2 전류 단자(4)는 유사하게 상기 전류 단자(4)의 중심으로부터 방사상으로 돌출되는 직사각형의 방사상으로 연장되는 부재들(20)을 구비하는 별 형상의 구조를 포함하며, 여기서 상기 별 형상의 구조의 프롱들(20)의 상측에 상기 실린더형의 하우징(1)의 바닥과 접촉되게 배치되는 상기 보강 리브들(21)이 형성된다. 상기 별 형상의 구조의 하측에는 상기 이중층 커패시터를 조립하는 동안에 상기 제2 전류 단자(4)의 방사상으로 연장되는 부재들(20)이 상기 실린더형의 하우징(1) 내로 위치하는 감겨진 탄소 전극들(7)의 젤리-롤의 평탄한 음극 및 양극 단부들에 각기 레이저-스폿 용접된다.
도 14 및 도 15a 내지 도 15d에는 높은 전력 밀도의 울트라커패시터들 또는 상기 커패시터들로 구성되는 배터리와 같은 에너지 저장 장치에 사용되는 통합 전류 단자가 도시된다. 상기 통합 전류 단자는 상기 전류 단자(103)의 중심으로부터 방사상으로 연장되는 직사각형의 방사상으로 연장되는 부재들(110)을 구비하는 "별 형상의 구조(star-like structure)"(3)를 포함하며, 여기서 상기 방사상으로 연장되는 부재들(110)의 상측의 에지들에 보강 리브들(111)이 형성된다.
상기 통합 전류 단자(103)는, 예를 들면, 제조 공정 동안에 이중층 커패시터를 전해질로 채우기 위해 관통 홀(106)을 가진다. 전해질을 고르게 분산시키기 위해, 채널들(117)이 상기 전류 단자의 하측에 제공되며, 상기 채널들은 상기 관통 홀(106)로부터 상기 별 형상의 구조(100)의 방사상으로 연장되는 부재들(10) 사이의 접촉점까지 연장된다.
이들 채널들(117)은 상기 전류 단자가 전극에 용접될 때에 상기 울트라커패시터의 제조 공정 동안에 상기 전해질을 상기 젤리-롤로 안내하게 된다.
전류 단자 방사상으로 연장되는 부재들(114)의 하측은 상기 감겨진 전극들의 실린더형의 젤리-롤의 평면 상부에서 구부려지는 전류 컬렉터(collector) 포일들의 평탄한 단부들에 용접된다. 상기 레이저 용접 또는 레이저 스폿 용접이 용접 공정을 위해 이용될 수 있다.
상기 제1 및 제2 전류 단자의 하측과 둥근 베이스는 상기 이중층 커패시터의 조립 동안에 상기 실린더형의 하우징(1) 내로 배치되는 상기 패키징된 실린더형의 탄소 전극(7)의 양극 및 음극 단부들에 각기 레이저-스폿 용접된다. 상기 보강 리브들(11, 21)은 상기 전류 단자들의 상측 내에 형성되고, 방사상으로 배치된다.
본 발명에 따라 상기 패키징된 탄소 전극들의 젤리-롤의 상부로 구부려지는 상기 전류 컬렉터 포일들의 평탄한 양극 및 음극 단부들에 각기 레이저 용접되는 "별 형상의 전류 단자들"에 의해 제공되는 이점들은 다음과 같다.
(1) 컬렉터 포일들 및 전류 단자들 사이의 낮은 접촉 저항,
(2) 공통적인 플레이트 형상의 전류 단자들에 비교되는 중량의 절감 및
(3) 충진 동안에 상기 전해질을 위한 추가 공간의 절감.
상기 단부 캡(2) 및 패키징된 탄소 전극(7)을 상기 커패시터 실린더형의 하우징(1)으로부터 전기적으로 분리하기 위해 상기 씰(5)이 사용된다. 상기 씰(5)은 L자 형상의 단면의 링이고, 여기서 L자형의 보다 짧은 프롱은 상기 단부 캡(2)의 외측 에지 내의 단차(12)에 대해 지지되며, L자형의 보다 긴 프롱은 실린더 형상으로 패키징된 탄소 전극 주위에 감겨진다. 상기 전극은 이러한 방식으로 하우징 내로 중심을 두게 되고, 상기 하우징으로부터 분리된다.
상기 전기 이중층 커패시터는 다음과 같이 제조된다. 우선, 상기 제2 전류 단자가 상기 실린더형의 하우징 내로 배치되어, 상기 제2 전류 단자의 엷은 판 형상의 둥근 베이스의 상측 내의 상기 보강 리브들이 실린더형의 하우징의 바닥에 지지되고, 상기 제2 전류 단자의 단자 단부가 상기 하우징으로부터 외부로 연장된다. 상기 제2 전류 단자의 단자 단부는 상기 하우징의 바닥의 외측 상에 용접된다. 상기 실린더형의 패키징된 탄소 전극들은 상기 하우징 내로 배치되고, 상기 실린더형의 하우징은 씰을 구비하는 상기 단부 캡으로 밀폐되어, 상기 씰이 상기 탄소 전극의 상부를 둘러싼다(상기 전극은 상기 하우징으로부터 분리된다). 이후에, 상기 실린더형의 하우징의 상부 에지가 감겨져서, 상기 커패시터가 폐쇄되고, 긴밀하게 밀봉된다. 상기 커패시터는 상기 제조 공정 동안에 상기 제1 전류 단자 내의 홀(6)을 통해 상기 전해질로 채워지며, 이후에 상기 홀은 밀폐 캡(16)으로 폐쇄된다. 상기 연결 슬리브(14)는 상기 커패시터를 전해질로 채우기 이전 또는 이후에 상기 제1 전류 단자의 단자 단부에 용접된다.
접착된 전극들의 제조의 예
커패시터의 재충전 가능한 양의 전극(애노드)을 제조하기 위해, 불규칙하고 비-흑연 구조의 마이크로포러스 합성 일차 탄소로부터 유래된 0.85그램의 티타늄 카바이드(titanium carbide)(H.C. 스탁(Starck)) 및 마이크로포러스 그래핀(graphene) 층들로 구성되는 합성 이차 탄소로부터 유래된 0.15그램의 실리콘 카바이드(시카-테크(Sika-Tech))가 3ml의 에탄올 내에서 혼합되었다. 결과적인 혼합물에 8%의 중합 결합제(PTFE, 알드리치(Aldrich), 수중에 60%의 분산)가 첨가되었다. 혼합 후, 결과적인 혼합물은 90℃에서 대략 1시간 동안 대기압에서 건조되었다. 이후에, 상기 혼합물은 2㎜-3㎜ 두께의 시트로 가압되었고, 로타리 컴팩터(rotary compactor)를 이용하여 서서히 대략 90㎛(마이크로미터)의 두께 및 대략 50㎜ 넓이의 탄소 활성층 필름으로 형성되었다. 유사하게, 재충전 가능한 음의 전극이 제조되었으며, 여기서 상기 일차 탄소는 바람직하게는 보다 큰 비표면적을 가지는 것을 사용하였다. 탄소 필름들은 진공 하의 150℃에서 건조되었다. 건조된 탄소 필름들은 접착층을 이용하여 165㎜의 폭의 알루미늄 포일(예를 들면, C209, KDK 코포레이션(Corporation), 20㎜)에 접착되었다. 사용된 접착층은 미리 제조된 NMP(N-메틸(methyl)-2-피르롤리돈(pyrrolidone)) 내의 50%의 카본 블랙(carbon black) 및 10%의 PVDF(알드리치)의 용액이었다. 이후에, 상기 전극들은 100℃에서 건도된 상기 활성 탄소층으로 일면이 코팅되었고, 상기 탄소 필름들이 상기 탄소층의 대향하는 측면의 알루미늄 스트립의 대향하는 측면에 부착되었다. 이후에, 결과적인 양면 코팅된 전극들은 진공에서 130℃에서 48시간 동안 건조되었다.
상기 활성 탄소층을 갖는 양면 전극들은 원하는 크기로 절단되어, 탄소 스트립의 폭은 50㎜이었고, 하나의 에지로부터 돌출되는 포일의 폭은 60㎜이었다.
동작 표면에 60㎜ 폭의 세퍼레이터가 배치되었고, 양성으로 대전된 커패시터 전극이 세퍼레이터 상에 배치되어, 상기 세퍼레이터의 에지들이 각 측으로부터 균등하게 상기 활성 탄소 필름을 넘었다. 동일한 방식으로, 상기 제2 세퍼레이터가 상기 전극 및 이전의 전극과 함께 그 포일 에지는 대향하는 에지 상에 있는 음성으로 대전된 전극의 상단 상으로 배치되었다. 상기 전극 및 세퍼레이터 테이프의 일측 단부에 5㎜ 직경의 튜브가 부착되었고, 상기 전극 및 세퍼레이터 테이프는 상기 튜브 주위에 감겨졌다. 29㎜의 외측 직경을 갖는 형성된 롤은 테이프로 고정되었고, 상기 5㎜의 튜브가 제거되었다. 상기 전극들의 돌출되는 포일은 평탄하게 형성되었고, 양극 패키지의 단자는 상기 커패시터의 양극 전류 단자에 스폿 용접되었다. 이후에, 상기 실린더형의 패키지는 커패시터 하우징 내로 배치되었고, 상기 패키지의 음극 단자는 상기 커패시터의 음극 전류 단자에 스폿 용접되었다. 상기 제1 전류 단자는 하우징 내로 밀어 넣어졌고, 대응되는 씰로 밀봉되었으며, 상기 하우징은 긴밀히 폐쇄되고 감겨졌다.
폐쇄된 커패시터의 전기 저항은 옴(Ohm) 미터로 점검되었고, 대략 5기압의 압력(506,625kPa)으로 He 가스로 기밀 유지되었다. 상기 커패시터를 조정한 후, 진공 시스템(대략 7㎜/Hg)에 연결되었고, 120℃에서 72시간 동안 두었다.
모든 공기를 제거한 후, 상기 커패시터는 미리 제조된 아세토니트릴(acetonitrile)(알드리치) 및 30%의 트리에틸메틸 암모늄 테트라플루오로보레이트(triethylmethyl ammonium tetrafluoroborate)(스텔라 케미컬(Stella Chemical))로 구성된 무수의 전해질의 용액으로 채워졌다.
다음 표는 본 발명에 사용되는 나노 다공성 전극 쌍들의 예들을 나타내며, 이에 의해 탄소의 다른 구성을 가지는 본 발명의 사용이 자명하게 한정되지는 않는다.
No.
SC*		 애노드(+) 캐소드(-) 중량 비율 +/- 탄소 전극들의
커패시턴스
 탄소의 5s 전력
(W/㎤)
F/g F/㎤
1479 CDC1 CDC1 0.909 29.1 21.8 9.37
1487 CDC2 CDC2 0.998 28.6 20.9 6.1
1464 CDC3 CDC2 0.973 28.9 21.9 9.38
1462 CDC3 CDC1 0.931 28.3 21.5 9.18
1481 CDC4 CDC1 0.975 27.0 21.6 9.0
* 1487을 제외하면 상기 컬렉터에 부착된 탄소 전극들이며, 여기서 상기 탄소 전극의 압력 접촉은 탄소층으로 덮인 포일에 대한 것이다.
본 발명에 따르면, 활성화된 탄소의 층은 상기 전류 단자의 양 표면들에 연결되며, 여기서 상기 연결 방법들은, 상기 전류 컬렉터의 표면에 대한 탄소 필름의 압력 접촉; 상기 컬렉터의 표면에 대한 탄소 필름의 부착; 탄소의 건조 혼합물이나 페이스트 및 상기 전류 컬렉터에 대한 결합제의 간결화가 될 수 있다. 상기 전류 컬렉터는 매우 우수한 전기 전도성을 갖는 임의의 전기 화학적인 저항 물질-통상적으로는 얇은 금속 포일, 예를 들어 5m㎞-100m㎞ 두께의 Al-포일이 될 수 있으며, 이는 결국 상기 활성 탄소 및 전류 컬렉터 사이의 전기적 접촉을 향상시키기 위해 얇은(예를 들어, 1m㎞-2m㎞의 두께) 세라믹 또는 임의의 다른 전기적으로 도전성인 층으로 코팅될 수 있다. 선택적으로는, 전기적 접촉을 향상시키기 위한 방법은 열 또는 플라즈마 진공 증착 PVD 방법(물리 기상 증착)과 같은 진공 증착 방법 또는 금속 분사 방법을 이용하여 활성화 탄소 필름을 금속의 얇은 층으로 코팅하는 것이 될 수 있다.
전류 컬렉터들과 단자를 연결하기 위한 가능한 방법은 스폿 용접; TIG 용접; 레이저 용접; 확산 용접; 알루미늄(Al) 스퍼터링이다.
비양자성(aprotic) 전해질은 이온쌍들에 대한 도너가 되는 유기 용매 및 비양자성 염을 포함할 수 있다. 상기 전해질 염들은 4차 암모늄염들, 4차 포스포늄(phosphonium) 염들 등, 예를 들면, 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트; 트리에틸메틸 암모늄 테트라플루오로보레이트 등이 될 수 있다.
양이온의 전해질 염은 (R1R2)4N+ 또는 R1R2P+가 될 수 있으며, 여기서 R1 및 R2는 -CH3 내지 -C5H11까지 또는 사이클릭 페닐(cyclic phenyl) 고리 -C6H5의 알킬기(alkyl group)들이고, 음이온은 BF4-; PF6-; AsF6-; Ph4B-; CF3SO3- 또는 다른 것들이다.
사용되는 용매들은 다음의 용매들 및 이들의 혼합물들로부터 선택된다. 아세토니트릴(acetonitrile), 벤조니트릴(benzonitrile), 술포란(sulfolane), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 에틸메틸 카보네이트(ethylmethyl carbonate), 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate), 메틸 아세테이트(methyl acetate), γ-부티로락톤(butyrolactone), 테트라히드로푸란(tetrahydrofuran), N,N-디메틸포름아미드(dimethylformamide), 디메틸 술폭시드(dimethyl sulfoxide), 피리딘(pyridine), 술포란(sulfolane), 디메틸 케톤(dimethyl ketone) 및 이와 유사한 것들.
전해질들, 이온성 액체들은 농축되거나 용매들과 함께 이미다졸 모이어티(imidazole moiety), 예를 들면, EMIBF6, EMICF3SO3 등으로 사용될 수 있다.
1：실린더형의 하우징 2：단부 캡 또는 리드
3：제1 전류 단자 4：제2 전류 단자
5：씰 6：관통 홀
7：탄소 전극들 8：개구
9：홀 10：직사각형의 프롱
11：보강 리브 12：단차
13：실린더형의 칼라 14：연결 슬리브
15：나사형의 관통 홀 16：밀폐 캡
17：채널 20：직사각형의 프롱들
21：보강 리브 100：별 형상의 구조
103：전류 단자 106：관통 홀
110：방사상으로 연장되는 부재들 111：보강 리브
117：채널들

Claims (13)

  1. 바닥을 갖고, 제1 전류 단자(3)와 통합되는 단부 캡(2)에 의해 다른 단부가 폐쇄되는 실린더형의 하우징(1)을 포함하는 높은 에너지 밀도의 통합 탄소/탄소 울트라커패시터(ultracapacitor)에 있어서, 상기 제1 전류 단자(3)는 상기 울트라커패시터를 전해질로 채우기 위해 관통 홀(6)을 가지며, 씰(seal)(5)은 상기 단부 캡(2)을 상기 울트라커패시터의 실린더형의 몸체(1)로부터 전기적으로 분리하고, 이중층 탄소 전극(7)은 상기 실린더형의 하우징(1) 내로 배치되며, 제2 전류 단자(4)를 포함하고, 상기 하우징의 외부에서 상기 홀(8)의 주위를 따라 상기 하우징(1)의 바닥에 용접되는 상기 제2 전류 단자(4)의 단자 단부가 외부로 돌출되는 개구(8)가 상기 실린더형의 하우징(1)의 바닥 내에 위치하며, 상기 단부 캡(2)은 상기 커패시터로부터 돌출되는 상기 제1 전류 단자(3)의 단자 단부를 외부로 안내하고, 상기 단부 캡(2) 및 상기 제1 전류 단자(3)의 단자 단부는 상기 개구(9)의 주위를 따라 함께 용접되는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전류 단자(3, 4)는 상기 전류 단자 (3, 4)의 중심으로부터 방사상으로 연장되는 직사각형의 연장되는 부재들(10, 20)을 갖는 별 형상의 구조(star-like structure)를 포함하고, 보강 리브들(reinforcing rib)(11, 21)이 상기 별 형상의 구조의 방사상으로 연장되는 부재들(10, 20)의 상부 표면에 형성되며, 상기 별 형상의 구조(10, 20)의 하부 표면은 상기 울트라커패시터를 조립하는 동안에 패키징된 실린더형의 탄소 전극의 양극 또는 음극 단부에 대응되게 용접되는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 별 형상의 구조의 방사상으로 연장되는 부재들(10, 20)의 상부 표면상으로 형성되는 상기 보강 리브들(11, 21)은 방사상으로 배향되는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터.
  4. 제 1 항에 있어서, 단부 캡(2)은 그 외측 에지 상에 상기 씰(5)의 두께에 대응되는 높이를 갖는 단차(12)를 가지고, 상기 단부 캡(2)은 상기 개구(9) 주위에 상기 실린더형의 하우징의 단부의 평면 상부로 연장되는 칼라(collar)(13)를 가지며, 상기 칼라의 직경에 대응되는 외측 직경의 연결 슬리브(sleeve)(14)가 상기 칼라(13)에 부착되는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 연결 슬리브(14)는 나사형의 관통 홀(15)을 가지며, 상기 단부 캡(2)의 칼라(13)에 용접되는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 제2 전류 단자(4)의 단부는 나사형이고, 상기 나사형의 치수는 개개의 전기 이중층 울트라커패시터들이 커패시터 배터리 내로 직렬로 조립될 수 있는 방식으로 상기 연결 슬리브(14)의 나사형의 관통 홀(15)의 치수에 대응되는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 씰(5)은 L자형의 보다 짧은 프롱(prong)으로 상기 단부 캡(2)의 외측 에지 내의 상기 단차(12)에 대해 지지되는 L자 형상의 단면을 갖는 링이며, L자형의 보다 긴 프롱이 탄소 전극을 상기 실린더형의 하우징 내로 중심을 두게 하고, 상기 하우징으로부터 상기 탄소 전극을 분리시키기 위해 실린더형의 패키징된 탄소 전극 주위에 감겨지는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터.
  8. 에너지 저장 장치를 위한 통합 전류 단자는 전류 단자(103)의 중심으로부터 방사상으로 연장되는 직사각형의 연장되는 부재들(110)을 갖는 별 형상의 구조(100)를 포함하며, 상기 연장되는 부재들(110)의 상측의 에지들에 보강 리브들(111)이 형성되는 것을 특징으로 하는 통합 전류 단자.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 전류 단자(103)는 제조 공정 동안에 이중층 커패시터와 같은 에너지 저장 장치를 상기 전해질로 채우기 위해 관통 홀(106)을 가지는 것을 특징으로 하는 통합 전류 단자.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 전류 단자의 하측에서 채널들(117)이 상기 관통 홀(106)로부터 상기 별 형상의 구조(100)의 상기 방사상으로 연장되는 부재들(110) 사이의 상기 연장되는 부재들의 접촉점까지 연장되는 것을 특징으로 하는 통합 전류 단자.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전류 단자의 하측에서 방사상으로 연장되는 부재들(100)이 상기 감겨진 전극들의 실린더형의 젤리-롤(jelly-roll)의 평면 상부로 구부려지는 전류 컬렉터 포일들의 평탄한 단부들에 용접되는 것을 특징으로 하는 통합 전류 단자.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 용접은 레이저 용접 또는 레이저 스폿 용접인 것을 특징으로 하는 통합 전류 단자.
  13. 전기 이중층 전극을 구비하는 울트라커패시터를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    (a) 상기 울트라커패시터의 실린더형의 하우징 내로 제2 전류 단자를 배치하여, 별 형상의 구조의 상측 상에 형성되는 보강 리브들을 상기 하우징의 바닥에 부착시키고, 상기 전류 단자의 단자 단부를 상기 하우징의 외부로 돌출시키는 단계;
    (b) 상기 제2 전류 단자의 단자 단부를 상기 실린더형의 하우징의 바닥에 용접하는 단계;
    (c) 실린더 형상으로 패키징된 탄소 전극을 하우징 내로 배치하는 단계;
    (d) 이후에, 씰을 갖는 단부 캡들 조립하여, 상기 씰이 상기 탄소 전극의 상부를 둘러싸게 하는 단계;
    (e) 상기 실린더형의 하우징의 상부 에지를 내측으로 감아서, 상기 울트라커패시터를 폐쇄시키고 긴밀히 밀봉시키는 단계;
    (f) 상기 제1 전류 단자 내의 홀을 통해 전해질로 울트라커패시터를 채우고, 상기 홀을 캡으로 폐쇄하는 단계;
    (g) 상기 연결 슬리브를 상기 제1 전류 단자에 용접하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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