KR20220163215A - 고전압 전기 이중층 커패시터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고전압 전기 이중층 커패시터에 관한 것으로, 제1극성 단면전극 도전판(232) 일면에 제1극성 단면전극 활물질 전극층(234)이 구비된 제1극성 단면전극(230)에 양극성 양면전극 도전박(252) 일면에 양극성 양면전극 제2극성 활물질 전극층(254) 및 다른 일면에 양극성 양면전극 제1극성 활물질 전극층(256)이 구비된 양극성 양면전극(250)의 양극성 양면전극 제2극성 활물질 전극층(254)이 대면하여 적층되고 적층된 양극성 양면전극(250)의 양극성 양면전극 제1극성 활물질 전극층(256)에 다른 양극성 양면전극(250)의 제2극성 활물질 전극층(254)이 대면하여 적층되고 적층된 다른 양극성 양면전극(250)의 양극성 양면전극 제1극성 활물질 전극층(256)에 또 다른 양극성 양면전극(250)의 제2극성 활물질 전극층(254)이 대면하여 적층되는 방법으로 적어도 두개이상의 다 수개인 양극성 양면전극(250)이 고전압 전기 이중층 커패시터의 정격 전압(V rated )을 전해액 최대 인가 전압(V electrolyte )으로 나눈 값에 의해 결정되는 N 값을 기준으로 N-1개 순차적으로 계속 적층되고 N-1번째 적층된 양극성 양면전극(250)의 양극성 양면전극 제1극성 활물질 전극층(256)은 제2극성 단면전극(240)의 제2극성 단면전극 활물질 전극층(244)과 대면하여 적층되어 구성되며 각각의 대면하여 배치된 N개의 전극층 쌍은 각각의 전극층면과 외곽 둘레 및 측면에 형성되는 다수의 실링패턴층(210)에 의해 소정의 거리를 두고 분리되고 밀봉되어 N개의 대면 전극 쌍 격리공간이 형성되고 N개의 격리공간에 각각 개별적으로 전해액을 주입하고 밀봉하여 구성한다.
각각의 대면 전극 쌍의 전해액에 고전압이 인가되는 것을 방지하고 전기적으로 분리 적층되면서도 전해액의 이온 이동통로를 확대 개선함으로 전기 이중층 실효면적 개선 효과에 의한 커패시턴스 증가효과로 직렬 연결된 전체 고전압 커패시터의 커패시턴스 개선효과가 있으며 양극성 양면전극에 의해 전극 전면이 직렬연결 기능을 구현하여 고전압 전기 이중층 커패시터 형성에 필요한 전극수를 절반 수준으로 줄일 수 있으며 외부연결에 의한 높은 연결저항부가가 없어 자체적인 평활 효과(self balancing effect)에 따른 고가의 별도 평활회로(balance circuit)가 필요 없어 고전압,대전류 시스템 응용 전기 이중층 커패시터 출력 특성을 크게 개선할 수 있으며, 실링패턴에 의해 전해액 밀봉과 대면 전극 쌍의 분리효과를 동시에 구현하여 내구성, 조립성 및 제조상의 용이성을 제공함으로서 제조공정단계를 줄일 수 있어 생산 비용 절감이 가능하다.
각각의 대면 전극 쌍의 전해액에 고전압이 인가되는 것을 방지하고 전기적으로 분리 적층되면서도 전해액의 이온 이동통로를 확대 개선함으로 전기 이중층 실효면적 개선 효과에 의한 커패시턴스 증가효과로 직렬 연결된 전체 고전압 커패시터의 커패시턴스 개선효과가 있으며 양극성 양면전극에 의해 전극 전면이 직렬연결 기능을 구현하여 고전압 전기 이중층 커패시터 형성에 필요한 전극수를 절반 수준으로 줄일 수 있으며 외부연결에 의한 높은 연결저항부가가 없어 자체적인 평활 효과(self balancing effect)에 따른 고가의 별도 평활회로(balance circuit)가 필요 없어 고전압,대전류 시스템 응용 전기 이중층 커패시터 출력 특성을 크게 개선할 수 있으며, 실링패턴에 의해 전해액 밀봉과 대면 전극 쌍의 분리효과를 동시에 구현하여 내구성, 조립성 및 제조상의 용이성을 제공함으로서 제조공정단계를 줄일 수 있어 생산 비용 절감이 가능하다.
Description
본 발명은 고전압 전기 이중층 커패시터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도전판 일면에 활물질 전극층이 구비된 단면전극(single-sided electrode)에 도전박 일면 및 다른 일면에 활물질 전극층이 각각 구비된 다수의 양극성 양면전극(bipolar double-sided electrode)이 전극층면이 대면되도록 적어도두개 이상의 다수 개인 양극성 양면전극이 연속하여 적층되고 도전판 일면에 활물질 전극층이 구비된 다른 단면전극의 전극층면이 대면 되도록 적층되어 상기 전극층면이 대면하여 각각의 쌍을 이루고 적층되는 단면전극, 양면전극과 다른 단면전극이 대면하는 각각의 전극층 면과 외곽 가장자리 및 측면에 형성되는 다수의 실링패턴(sealing pattern)에 의해 상기 각각의 대면 전극 쌍의 사이가 소정의 거리를 두고 분리되어 적층되고 상기 각각의 대면 전극 쌍과 대면 전극 쌍 사이에 형성된 분리 공간이 밀봉되어 각각의 대면 전극 쌍 단위로 밀봉된 격리공간이 형성되고 상기 격리공간에 개별적으로 각각 전해액을 주입하여 밀봉하여 구성되는 고전압 전기 이중층 커패시터에 관한 것이다.
전기 이중층 커패시터(electrostatic double layer capacitor)는 도전 기판면상에 활성탄소등 비표면적이 큰 재료를 이용 전극층(electrode layer)을 형성한 두개의 전극(electrode)을 각각의 전극층면이 대면하여 전극층면 쌍을 이루도록 배치하고 대면되는 전극층면 쌍이 물리적으로 분리되어 대면되는 전극층면 쌍이 접촉하여 전기적으로 도전되지 않도록 다공성 분리막(separator)을 대면되는 전극층면 쌍 사이에 대면되는 전극층면 면적보다 넓은 면적으로 대면되는 각각의 전극층면을 완전히 덮도록 끼워 넣고 조립하여 커패시터 용기(capacitor container)내에 배치하고 전해액을 커패시터 용기내에 배치된 다공성 분리막의 기공(pore)과 대면한 전극층 쌍이 충분히 흡착되도록 주입하여 전극층 쌍 각각의 활성탄소 표면과 전해액 접촉면에 전기 이중층(electrostatic double layer)이 형성되어 전해액에 용해되어 있는 양이온과 음이온 및 다공성 분리막의 기공 통로에 의해 대면된 전극층면 쌍이 이온적으로 연결되도록 구성하여 커패시터 용기를 밀봉하면 전기 이중층 커패시터로 동작된다.
통상적으로 전기 이중층 커패시터는 주입되어 충진된 전해액이 수용성 전해액인 경우 1V~1.5V, 유기성 전해액인 경우 2V~3V 정도의 정격 전압을 가지며 전해액층에 인가된 전압이 정격전압을 초과하는 경우 전해액의 전기분해가 유발되어 기능이 상실됨으로 고전압 에너지 저장 장치 적용을 위해서는 도 1의 예시와 같이 다수의 전기 이중층 커패시터(150)를 회로기판(110)을 이용 직렬 연결하여 부하에 필요한 고전압으로 구성하여 사용해야 한다.
다수의 전기 이중층 커패시터를 직렬 연결하여 고전압을 구성하여 사용하는 경우 제조공정 편차에 따른 각각의 전기 이중층 커패시터 간 특성편차에 각각의 전기 이중층 커패시터를 연결하는 외부단자들에 의한 높은 연결접속저항 증가에 따라 인가된 고전압이 직렬 연결된 다수의 전기 이중층 커패시터에 균등하게 분할되어 전해액층의 정격전압 범위로 인가되지 않고 상대적 특성이 미흡한 전기 이중층 커패시터에 정격전압이상의 고전압이 인가되어 전해액이 전기분해 되거나 다공성 분리막 절연파괴가 유발될 수 있어 편차 보정용 평활회로(balancing circuit)를 필히 적용해야하며 추가된 평활회로는 다수의 전기 이중층 커패시터의 충전편차를 보정하는 과정에 충전된 전기에너지를 소모하고 충전시간을 지연시켜 에너지 저장 장치로서의 출력, 효율 및 수명 특성이 저하되는 문제가 있고 전체 커패시턴스 값이 직렬 연결되는 전기 이중층 커패시터 연결 개수의 증가와 외부 연결접속저항 증가에 비례하여 급격히 감소되는 문제점이 있다.
전기 이중층 커패시터 외부 단자들 간 높은 연결접속저항의 증가나 전기 이중층 커패시터 간 평활문제를 해결하기 위해 도전 기판 양면에 전극층이 형성된 양면 전극을 분리막과 교대로 적층하는 양극성 방식이 사용되고 있으나 양극성 양면전극 사이 전해액에 이 완전 밀봉되지 않을 경우 인가되는 고전압에 의해 전해액이 전기분해되거나 전체 커패시턴스 값이 완전 밀봉되는 않은 미세 연결 통로에 의해 극히 제한되는 등의 문제가 발생할 수 있어 이를 해결하기 위해 개스킷(국내공개특허공보 10-2011-0035327호 2011.04.06.자 공개, 10-2007-0081915호 2007.08.20.자 공개, 일본공개특허공보 평18-294735호, 2006.10.26.자 공개)을 활용할 수 있으나 가공정밀도 및 접촉면의 밀폐 기밀성 한계로 인한 내구성과 신뢰성에 문제가 있으며 이에 따른 조립 난이도 증가에 따라 제조상 어려움이 증가하는 문제점이 있으며 대면 전극층면 쌍을 전기적으로 분리하기 위해 분리막을 사용 전해액의 이온 이동이 기공에 의한 연결 통로에 제한됨에 따른 용량 한계로 적층되는 양극성 양면전극 증가에 따라 전체 커패시턴스가 비례하여 급격히 감소되는 문제점은 동일하다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 적층되는 양극성 양면전극 사이에 주입되는 전해액을 밀봉하고 전기적으로 분리 적층되면서도 전해액의 이온이동 저항을 최소화하여 이온이동을 개선함으로 전극표면과 전해액 접촉면에 형성되는 전기 이중층의 실효면적 개선 효과(국내공개특허공보 10-2018-0101285호 2018.09.12자 공개)에 의해 커패시턴스가 증가되는 복합기능의 실링패턴을 제공하여 전해액의 정격전압에 의해 제한되는 일반적인 정격전압 이상의 고전압 정격전압 구동이 가능하고 커패시턴스 개선효과가 있는 실링패턴을 구비하여 제조공정을 용이하게 하여 내구성 및 신뢰성이 개선된 고전압 전기 이중층 커패시터를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 고전압 전기 이중층 커패시터에서 제공되는 실시예는 제1극성을 갖는 단면전극의 활물질 전극층면에 대면하여 제2극성과 제1극성을 갖는 양극성(bipolar) 양면전극의 제2극성 활물질 전극층면이 상기 제1극성을 갖는 단면전극의 활물질 전극층면과 대면 전극 쌍(pair)이 되도록 적층하고 상기 양극성 양면전극의 제1극성 활물질 전극층면에 다른 양극성 양면전극의 제2극성 활물질 전극층면이 대면하여 다른 대면 전극 쌍이 되도록 적층하여 상기 대면 전극 쌍과 상기 다른 대면 전극 쌍이 직렬연결이 구성되게 하고 상기 다른 양극성 양면전극의 제1극성 활물질 전극층면에 또 다른 양극성 양면전극의 제2극성 활물질 전극층면이 대면하여 또 다른 대면 전극 쌍이 되도록 적층하여 상기 대면 전극 쌍과 상기 다른 대면 전극 쌍 및 상기 또 다른 대면 전극 쌍이 직렬연결이 구성되게 하는 방법으로 필요한 고전압이 형성 가능할 수 있도록 양극성 양면전극을 계속 적층하여 직렬연결을 구성하며 마지막 양극성 양면전극의 제1극성 활물질 전극층면에 제2극성을 갖는 다른 단면전극 활물질 전극층면이 적층되어 마지막 대면 전극 쌍이 되도록 구성하여, 상기 제1극성을 갖는 단면전극과 상기 제2극성을 갖는 다른 단면전극 및 상기 적층되는 다수개의 양극성 양면전극은 각각의 전극층면과 외곽 둘레 및 측면에 형성되는 다수의 실링패턴에 의해 각각의 대면 전극 쌍이 분리되고 밀봉되어 대면 전극층면 쌍 별로 각각 격리공간이 형성되고, 상기 각각의 격리공간에 개별적으로 주입되어 채워진 전해액이 전해액층으로 구성되며, 상기 제1극성을 갖는 단면전극과 상기 제2극성을 갖는 단면전극은 각각 단면전극 도전판과, 상기 단면전극 도전판 일면에 형성되는 활물질층으로 구성되며, 상기 다수개의 양극성 양면전극은 각각 양극성 양면전극 도전박과, 상기 양극성 양면전극 도전박의 일면에 형성되는 제2극성 활물질층과 상기 양극성 양면전극 도전박의 다른 일면에 형성되는 제1극성 활물질층으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고전압 전기 이중층 커패시터는 다수의 실링패턴에 의해 적층되는 각각의 대면 전극 쌍이 분리되고 밀봉되어 각각의 대면 전극 쌍의 전해액에 고전압이 인가되는 것을 방지하고 전기적으로 분리 적층되면서도 전해액의 이온 이동통로를 종래 분리막을 사용하는 경우의 기공에 의한 이온통로와 비교하여 확대 개선함으로 전극표면과 전해액 접촉면에 형성되는 전기 이중층의 실효면적 개선 효과에 의한 커패시턴스 증가효과로 적층에 의해 내부적으로 직렬 연결된 전체 고전압 커패시터의 커패시턴스 개선효과가 있으며 양극성 양면전극에 의해 전극 전면이 고전압 형성을 위한 직렬연결 기능을 구현하여 고전압 전기 이중층 커패시터 형성에 필요한 전극수를 절반수준으로 줄일 수 있으며 또한 종래의 외부연결에 의한 높은 연결접속저항 없이 양극성 양면전극의 전극의 전면이 직접적인 직렬연결을 구성함에 따라 충전과 방전 시 각각의 대면 전극 쌍 특성 편차에 의한 순간 전압편차가 유발되어도 양극성 양면전극의 극히 낮은 내부저항에 따른 자체적인 평활 효과(self balancing effect)가 있어 별도의 평활회로(balance circuit) 없이도 전체 고전압 커패시터의 편차가 해소되며 종래 다수의 전기 이중층 커패시터 셀이 외부연결선에 의해 직렬 연결되어 사용되는 고전압,대전류 시스템의 경우 특성 편차를 해소하기 위해 별도로 부가되는 평활회로에 의한 전기 이중층 커패시터 고유의 고출력 특성이 제한되었으나 이온이동 통로 확대 개선에 의한 이온이동 특성 개선으로 고출력 특성을 크게 개선할 수 있으며, 실링패턴에 의해 전해액 밀봉과 대면 전극 쌍의 분리효과를 동시에 구현하여 내구성, 조립성 및 제조상의 용이성을 제공함으로서 제조공정단계를 줄일 수 있어 생산 비용 절감이 가능하다.
도 1은 종래 다수의 전기 이중층 커패시터가 외부 연결접속에 의해 직렬 연결된 고전압 전기 이중층 커패시터 모듈의 개략적인 모식도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고전압 전기 이중층 커패시터의 개략적인 구조도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고전압 전기 이중층 커패시터의 개략적인 구조도.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 고전압 전기 이중층 커패시터에 대해 설명한다. 도면들에 표시된 구성들은 본 발명의 개념을 설명하기 위한 개념도로서, 구성에 대한 설명중 공지의 기술에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장 또는 축소되어 설명될 수 있다.
도 2에서와 같이 본 발명에 따른 고전압 전기 이중층 커패시터(200)는 제1극성 단면전극(230), 제2극성 단면전극(240), 다수개의 양극성 양면전극(250), 다수개의 실링패턴층(210) 및 다수개의 전해액층(260)으로 구성된다.
상기 제1극성 단면전극(230)은 제1극성 단면전극 도전판(232)과 상기 제1극성 단면전극 도전판(232)의 일면에 형성되는 제1극성 단면전극 활물질 전극층(234)으로 이루어지고, 상기 제2극성 단면전극(240)은 제2극성 단면전극 도전판(242)과 상기 제2극성 단면전극 도전판(242)의 일면에 형성되는 제2극성 단면전극 활물질 전극층(244)으로 이루어지며 상기 다수개의 양극성 양면전극(250)은 각각 양극성 양면전극 도전박(252)과 양극성 양면전극 도전박(252)의 일면에 형성되는 양극성 양면전극 제2극성 활물질 전극층(254)과, 다른 일면에 형성되는 양극성 양면전극 제1극성 활물질 전극층(256)으로 이루어진다.
상기 제1극성 단면전극(230)의 제1극성 단면전극 활물질 전극층(234)면에 상기 양극성 양면전극(250)의 양극성 양면전극 제2극성 활물질 전극층(254)면이 대면하여 적층되고 적층된 상기 양극성 양면전극(250)의 양극성 양면전극 제1극성 활물질 전극층(256)면에 다른 양극성 양면전극(250)의 제2극성 활물질 전극층(254)면이 대면하여 적층되고 적층된 상기 다른 양극성 양면전극(250)의 양극성 양면전극 제1극성 활물질 전극층(256)면에 또 다른 양극성 양면전극(250)의 제2극성 활물질 전극층(254)면이 대면하여 적층되는 방법으로 적어도 두 개 이상의 다수 개인 양극성 양면전극(250)이 고전압 전기 이중층 커패시터의 정격 전압(V rated )을 전해액 최대 인가 전압(V electrolyte )으로 나눈 값에 의해 결정되는 N 값을 기준으로 N-1개의 상기 양극성 양면전극(250)이 순차적으로 계속 적층되고 N-1번째로 적층된 상기 양극성 양면전극(250)의 양극성 양면전극 제1극성 활물질 전극층(256)면은 상기 제2극성 단면전극(240)의 제2극성 단면전극 활물질 전극층(244)면과 대면하여 적층되어 구성된다.
상기 제1극성 단면전극(230)의 제1극성 단면전극 활물질 전극층(234)면과 대면하여 적층된 상기 양극성 양면전극(250)의 양면성 양면전극 제2극성 활물질 전극층(256)면은 대면하여 적층된 상기 전극층면과 상기 전극층면의 외곽 둘레 및 상기 전극층면의 측면에 동시에 형성되는 다수개의 실링패턴층(210)에 의해 소정의 거리를 두고 분리되어 대면하여 서브-셀(sub-Cell) 1의 대면 전극 쌍(pair)이 형성되고 형성된 상기 서브-셀 1의 대면 전극 쌍과 분리 간격이 밀봉된 격리공간을 형성하며 적층된다.
상기 양극성 양면전극(250)의 양극성 양면전극 제1극성 활물질 전극층(256)면과 대면하여 적층된 상기 다른 양극성 양면전극(250)의 양극성 양면전극 제2극성 활물질 전극층(254)면은 대면하여 적층된 상기 전극층면과 상기 전극층면의 외곽 둘레 및 상기 전극층면의 측면에 동시에 형성되는 다수개의 다른 실링패턴층(210)에 의해 분리되고 밀봉된 서브-셀 2의 대면 전극 쌍을 형성하며 직렬연결을 구성하며 적층된다.
상기 다른 양극성 양면전극(250)의 양극성 양면전극 제1극성 활물질 전극층(256)면과 대면하여 적층된 또 다른 양극성 양면전극(250)의 양극성 양면전극 제2극성 활물질 전극층(254)면은 대면하여 적층된 상기 전극층면과 상기 전극층면의 외곽 둘레 및 상기 전극층면의 측면에 동시에 형성되는 다수개의 또 다른 실링패턴층(210)에 의해 분리되고 밀봉된 서브-셀 3의 대면 전극 쌍을 형성하며 직렬연결을 구성하며 적층되는 방법으로 고전압 전기 이중층 커패시터의 정격 전압(V rated )을 전해액 최대 인가 전압(V electrolyte )으로 나눈 값에 의해 결정되는 N 개수[ex, (V reated =) 48.6V / (V electrolyte =) 2.7V = 18]를 기준으로 N-1개의 양극성 양면전극(250)을 순차적으로 계속 적층하여 직렬연결을 구성한다.
N-1번째 적층되어 직렬연결이 구성된 양극성 양면전극(250)의 양극성 양면전극 제1극성 활물질 전극층(256)면과 대면하여 적층된 제2극성 단면전극(240)의 제2극성 단면전극 활물질 전극층(244)면은 대면하여 적층된 상기 전극층면과 상기 전극층면의 외곽 둘레 및 상기 전극층면의 측면에 동시에 형성되는 다수개의 N번째 실링패턴층(210)에 의해 분리되고 밀봉된 서브-셀 N의 대면 전극 쌍을 형성하며 직렬연결을 구성하며 적층되어 이루어진다.
상기 다수개의 실링패턴층(210)은 상기 제1극성 단면전극(230)의 제1극성 단면전극 활물질 전극층(234), 상기 제2극성 단면전극(240)의 제2극성 단면전극 활물질 전극층(244)과 상기 다수개의 양극성 양면전극(250)의 양극성 양면전극 제2극성 활물질 전극층(254) 및 양극성 양면전극 제1극성 활물질 전극층(256) 각각의 전극층면과 전극층면 외곽 둘레 및 전극층면 측면 둘레에 소정의 폭과 두께를 가진 형상으로 동시에 도포되어 연한 경화로 형성되며 고전압 정격 전압 형성에 필요한 상기 제1극성 단면전극(230)과 적어도 두 개 이상의 다 수개인 상기 양극성 양면전극(250) 및 상기 제2극성 단면전극(240) 적층을 완료 후 완전 경화하여 N개의 대면되는 전극 쌍이 각각 분리되고 밀봉된 격리공간을 형성하며 직렬연결을 구성하며 상기 각각의 격리공간에 개별적으로 주입되는 전해액이 전해액층(260)을 형성하여 구성된다.
상기 구성을 갖는 본 발명의 고전압 전기 이중층 커패시터(200)의 각 구성을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 다수개의 양극성 양면전극(520)의 양극성 양면전극 도전박(252)은 5㎛~100㎛ 두께의 알루미늄박 또는 구리박이 사용되며 상기 제1극성 단면전극 도전판(232)과 상기 제2극성 단면전극 도전판(242)은 상기 양극성 양면전극(520)과 동일하게 5㎛~100㎛ 두께의 알루미늄박 또는 구리박을 사용할 수 있으나 본 발명의 고전압 전기 이중층 커패시터(200) 외형을 지지할 필요가 있는 경우 상대적으로 두께가 두꺼운 100㎛ 두께 이상의 알루미늄판 또는 구리판을 사용할 수 있다.
양극성 양면전극 제2극성 활물질 전극층(254)과 양극성 양면전극 제1극성 활물질 전극층(256)은 활성탄(activated carbon), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(CNT:Carbon Nano Tube), 그래핀옥사이드(graphene oxide) 및 메조포러스 카본(mesoporus carbon)등 전극층의 비표면적을 크게 확대할 수 있는 하나의 물질이나 둘 이상 물질을 혼합하여 사용되며 상기 알루미늄박 또는 구리박에 전극층을 형성하기 위해 순수(DI Water)용매에 바인더(binder), 도전제(conductive agent)를 적정한 몰 농도비율로 혼합하여 알루미늄박 또는 구리박인 양극성 양면전극 도전박(252) 일면 및 다른 일면에 제작 형태에 따라 80㎛~1,000㎛ 두께의 전극층막을 형성하기 적합한 점도(1,000cps~2,000cps)의 혼합 슬러리(slurry)를 제조하여 상기 양극성 양면전극 도전박(252) 일면 및 다른 일면에 전극층막으로 형성하고 상기 양극성 양면전극 도전박(252)인 알루미늄박 또는 구리박의 열적변형이 없는 80℃~150℃ 온도로 상기 슬러리를 이용하여 형성한 전극층막을 약30분 전후 구워(baking) 슬러리에 포함된 순수용매를 증발시켜는 과정을 통해 양극성 양면전극 제2극성 활물질 전극층(254) 및 양극성 양면전극 제1극성 활물질 전극층(256)을 형성한다.
상기 제1극성 단면전극 활물질 전극층(234)과 상기 제2극성 단면전극 활물질 전극층(244) 또한 활성탄(activated carbon), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(CNT:Carbon Nano Tube), 그래핀옥사이드(graphene oxide) 및 메조포러스 카본(mesoporus carbon)등 전극층의 비표면적을 크게 확대할 수 있는 하나의 물질이나 둘 이상 물질을 혼합하여 사용되며 상기 100㎛ 두께 이상의 알루미늄판 또는 구리판에 형성하기 위해 순수(DI Water)용매에 바인더(binder), 도전제(conductive agent)를 알루미늄박 또는 구리박에 비해 상대적으로 두꺼운 알루미늄판 또는 구리판에 적합하게 다른 몰 농도비율로 혼합하여 상기 100㎛ 두께 이상의 알루미늄판 또는 구리판인 제1극성 단면전극 도전판(232) 및 제2극성 단면전극 도전판(242) 일면에 80㎛~1,000㎛ 두께의 전극층막을 형성하기 적합한 점도(2,000cps~3,000cps)의 혼합 반죽(paste)을 제조하여 전극층막을 형성하고 상기 제1극성 단면전극 도전판(232) 및 제2극성 단면전극 도전판(242)의 열적변형이 유발되지 않는 120℃~200℃ 온도로 전극층막을 약30분 전후 구워(baking) 상기 반죽에 포함된 순수용매를 증발시켜는 과정을 통해 제1극성 단면전극 활물질 전극층(234) 및 제2극성 단면전극 활물질 전극층(244)을 형성하며 제1극성 단면전극 도전판(232) 및 제2극성 단면전극 도전판(242)을 5㎛~100㎛ 두께의 알루미늄박 또는 구리박을 사용하는 경우는 상기 양극성 양면전극 제2극성 활물질 전극층(254) 및 상기 양극성 양면전극 제1극성 활물질 전극층(256) 형성 방법과 같이 동일하게 형성한다.
상기 실링패턴층(210)은 열가소성 에폭시 레진(epoxy resin), 페놀(phenol) 및 피피에이(PPA, polyphthalamide) 기반의 기재를 상기 제1극성 단면전극 활물질 전극층(234), 상기 제2극성 단면전극 활물질 전극층(244) 과 상기 양극성 양면전극(252)의 양극성 양면전극 제2극성 활물질 전극층(254) 및 상기 양극성 양면전극 제1극성 활물질 전극층(256) 각각의 면과 외곽 둘레 및 측면에 상기 대면 전극 쌍을 소정의 간격으로 분리하고 상기 대면 전극 쌍과 분리된 간격을 밀봉하여 각각 분리공간을 형성하는 실링패턴층(210)을 형성하기 적합한 점도(5,500cps~6,500cps)의 후막공정으로 패턴형성이 용이한 반죽 점도를 조절하여 후막공정으로 실링패턴을 형성하고 연한 경화로 상기 실링패턴층(210)을 형성하고 실링패턴층(210)을 형성하고 고전압 정격 전압 형성에 필요한 상기 제1극성 단면전극(230)과 적어도 두 개 이상의 다 수개인 상기 양극성 양면전극(250) 및 상기 제2극성 단면전극(240) 적층 완료 후 완전 경화하여 완료한다.
전해액층(260)은 전기 이중층 커패시터용 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate)계, 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate)계 또는 아세토니트릴(acetonitrile)계 종류의 전해액을 상기 실링패턴층(210) 상부에 형성된 전해액 주입구(미도시)를 통해 각각 분리되어 밀봉된 대면 전극 쌍 격리공간에 개별적으로 주입하고 주입구를 막아 밀봉하여 본 발명의 고전압 전기 이중층 커패시터를 형성한다.
본 발명은 영하의 저온 환경, 장수명 및 고출력 동작 특성이 요구되는 고전압,대전류 전기에너지 저장장치가 필효한 개인비행차(PAV; personal aerial vehicle), 무인운반차(AGV; auto guided vehicle), 연료전지전기차(FCEV; fuel cell electric vehicle), 에너지저장장치(ESS; energy storage system), 무정전원(UPS; uninterrupted power supply)등 다양한 산업분야에 이용 가능하다.
100 : 종래 다수의 전기 이중층 커패시터 셀이 직렬 연결된 고전압 전기 이중층 커패시터 모듈
110 : 회로기판
112 : 전기 이중층 커패시터 셀 제1극성 단자 납땜구
114 : 전기 이중층 커패시터 셀 제2극성 단자 납땜구
116 : 직렬연결단자 연결 금속판
120 : 고전압 전기 이중층 커패시터 모듈 제1극성 단자
140 : 고전압 전기 이중층 커패시터 모듈 제2극성 단자
150 : 전기 이중층 커패시터
200 : 본 발명의 고전압 전기 이중층 커패시터
210 : 실링패턴층
230 : 제1극성 단면전극
232 : 제1극성 단면전극 도전판
234 : 제1극성 단면전극 활물질 전극층
240 : 제2극성 단면전극
242 : 제2극성 단면전극 도전판
244 : 제2극성 단면전극 활물질 전극층
250 : 양극성 양면전극
252 : 양극성 양면전극 도전박
254 : 양극성 양면전극 제2극성 활물질 전극층
256 : 양극성 양면전극 제1극성 활물질 전극층
260 : 전해액층
110 : 회로기판
112 : 전기 이중층 커패시터 셀 제1극성 단자 납땜구
114 : 전기 이중층 커패시터 셀 제2극성 단자 납땜구
116 : 직렬연결단자 연결 금속판
120 : 고전압 전기 이중층 커패시터 모듈 제1극성 단자
140 : 고전압 전기 이중층 커패시터 모듈 제2극성 단자
150 : 전기 이중층 커패시터
200 : 본 발명의 고전압 전기 이중층 커패시터
210 : 실링패턴층
230 : 제1극성 단면전극
232 : 제1극성 단면전극 도전판
234 : 제1극성 단면전극 활물질 전극층
240 : 제2극성 단면전극
242 : 제2극성 단면전극 도전판
244 : 제2극성 단면전극 활물질 전극층
250 : 양극성 양면전극
252 : 양극성 양면전극 도전박
254 : 양극성 양면전극 제2극성 활물질 전극층
256 : 양극성 양면전극 제1극성 활물질 전극층
260 : 전해액층
Claims (14)
- 고전압 전기 이중층 커패시터(electrostatic double layer capacitor: EDLC)에 있어서, 제1극성 단면전극; 제2극성 단면전극; 양극성으로 순차적으로 상기 제1극성 단면전극과 상기 제2극성 단면전극 사이에 전극층면이 대면하여 적층되는 적어도 두개이상의 다 수개인 양면전극과; 상기 제1극성 단면전극, 상기 제2극성 단면전극 및 상기 적어도 두개 이상의 다수개인 양면전극의 전극층면과 전극층면 외곽 둘레 및 전극층면 측면에 동시 형성되어 상기 대면 전극층면을 일정 간격을 두고 분리하고 외곽 둘레를 밀봉하여 격리공간을 대면전극별로 각각 형성하는 다수개의 실링패턴과; 상기 다수개의 실링패턴에 의해 각각 대면 전극 쌍 별로 분리되고 밀봉된 격리공간에 개별적으로 주입되어 채워져 밀봉된 전해액층을 포함하는 적어도 두개 이상의 다수개인 대면 전극 쌍이 적층되는 것을 특징으로 하는 고전압 전기 이중층 커패시터
- 제 1 항에 있어서, 상기 제1극성 단면전극은 도전판과, 제1극성 활물질 전극층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고전압 전기 이중층 커패시터
- 제 1 항에 있어서, 상기 제2극성 단면전극은 도전판과, 제2극성 활물질 전극층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고전압 전기 이중층 커패시터
- 제 1항에 있어서, 상기 다수개의 양극성 양면전극은 도전박과, 상기 도전박의 일면에 형성되는 제2극성 활물질 전극층과; 상기 도전박의 다른 일면에 형성되는 제1극성 활물질 전극층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고전압 전기 이중층 커패시터
- 제 1 항에 있어서, 상기 실링패턴은 열가소성 에폭시 레진(epoxy resin), 페놀(phenol) 및 피피에이(PPA, polyphthanlamide) 중 하나가 사용되는 것을 특징으로 하는 고전압 전기 이중층 커패시터
- 제 1 항에 있어서, 상기 전해액층은 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate)계, 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate)계 또는 아세토니트릴(acetonitrile)계 종류의 전해액을 사용되는 것을 특징으로 하는 고전압 전기 이중층 커패시터
- 제 2 항에 있어서, 상기 제1극성 단면전극의 도전판은 두께 5~100㎛의 알루미늄박이나 구리박이 사용되는 것을 특징으로 하는 고전압 전기 이중층 커패시터
- 제 2 항에 있어서, 상기 제1극성 단면전극의 도전판은 두께 100㎛이상의 알루미늄판이나 구리판이 사용되는 것을 특징으로 하는 고전압 전기 이중층 커패시터
- 제 2 항에 있어서, 상기 제1극성 단면전극의 활물질 전극층은 활성탄, 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(CNT), 그래핀옥사이드(graphene oxide), 및 메조포러스 카본(mesoporus carbon)중 하나의 물질이나 둘 이상의 물질 혼합물인 것을 특징으로 하는 고전압 전기 이중층 커패시터
- 제 3 항에 있어서, 상기 제2극성 단면전극의 도전판은 두께 5~100㎛의 알루미늄박 이나 구리박이 사용되는 것을 특징으로 하는 고전압 전기 이중층 커패시터
- 제 3 항에 있어서, 상기 제2극성 단면전극의 도전판은 두께 100㎛이상의 알루미늄판 이나 구리판이 사용되는 것을 특징으로 하는 고전압 전기 이중층 커패시터
- 제 3 항에 있어서, 상기 제2극성 단면전극의 활물질 전극층은 활성탄, 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(CNT), 그래핀옥사이드(graphene oxide), 및 메조포러스 카본(mesoporus carbon)중 하나의 물질이나 둘 이상의 물질 혼합물인 것을 특징으로 하는 고전압 전기 이중층 커패시터
- 제 4 항에 있어서, 상기 다수개의 양극전극 도전박은 두께 5~100㎛의 알루미늄박이나 구리박이 사용되는 것을 특징으로 하는 고전압 전기 이중층 커패시터
- 제 4 항에 있어서, 상기 다수개의 양극전극 활물질 전극층은 활성탄, 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(CNT), 그래핀옥사이드(graphene oxide), 및 메조포러스 카본(mesoporus carbon)중 하나의 물질이나 둘 이상의 물질 혼합물인 것을 특징으로 하는 고전압 전기 이중층 커패시터
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Citations (4)
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| KR20070081915A (ko) | 2006-02-14 | 2007-08-20 | 엘에스전선 주식회사 | 전극체-리드의 접속구조, 이를 구비한 전기이중층 캐패시터및 그 제조방법 |
| KR20110035327A (ko) | 2009-09-30 | 2011-04-06 | 삼화콘덴서공업주식회사 | 고압 및 고전력 슈퍼 커패시터 |
| KR20180101285A (ko) | 2018-07-30 | 2018-09-12 | 에스에프에너지텍 주식회사 | 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 |
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2021
- 2021-06-02 KR KR1020210071833A patent/KR20220163215A/ko unknown
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