KR20230003626A - 커패시터 충전 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

울트라커패시터를 충전 및 방전하기 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 일 실시예에서, 커패시터를 충전하기 위한 회로는, 전원 전압을 제공하도록 구성되는 전력원을 포함할 수 있다. 상기 회로는, 울트라커패시터, 온도 감지 장치, 전력 변환기 및 하나 이상의 제어 장치를 포함하며, 상기 하나 이상의 제어 장치는, 온도 감지 장치로부터 온도를 나타내는 신호를 수신하고, 온도를 나타내는 하나 이상의 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 전력 변환기의 작동을 제어하도록 구성된다.

Description

커패시터 충전 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CHARGING A CPACITOR}
본 출원은 2016년 5월 20일에 출원된 미국 가출원 제62/339,167호의 우선권을 주장하며, 이는 본원에 참조로서 그 전체가 통합된다.
전기 에너지 저장 셀은 전자 장치, 전자기계 장치, 전기화학 장치 및 다른 유용한 장치들에 전력을 제공하기 위해 널리 사용된다. 예를 들어, 전기 2중층 울트라커패시터는 일반적으로, 액체 전해질이 함침된(impregnated) 탄소 입자(예를 들어, 활성 탄소)를 함유하는 한 쌍의 분극성 전극을 이용한다. 하지만, 종래의 많은 울트라커패시터와 관련한 한가지 문제점은, 이들이 고온에 비교적 민감하다는 것이다. 이와 같이, 현재 울트라커패시터가 고온에서 작동할 수 있도록 하는 기술에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 울트라커패시터에 구동 전압을 제공하기 위한 회로가 개시된다. 상기 회로는, 전원 전압을 제공하도록 구성되는 전력원을 포함한다. 상기 회로는, 제1 전극, 제2 전극, 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치되는 분리막, 제1 전극 및 제2 전극과 이온 접촉하는 비수 전해질, 그리고 제1 전극, 제2 전극, 분리막 및 전해질이 그 안에 유지되는 하우징을 포함하는 울트라커패시터를 추가적으로 포함한다. 상기 회로는 또한, 온도 감지 장치와, 전원 전압을 수신하고 울트라커패시터에 구동 전압을 공급하도록 구성되는 전력 변환기를 포함한다. 상기 회로는, 온도 감지 장치로부터 온도를 나타내는 하나 이상의 신호를 수신하고 온도를 나타내는 하나 이상의 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 전력 변환기의 작동을 제어하도록 구성되는, 하나 이상의 제어 회로를 추가적으로 포함한다.
통상의 기술자에게 지시된, 본 발명의 최상의 모드를 포함한, 본 발명의 완전하고 실행 가능한 개시가, 첨부된 도면을 참조한 본 명세서의 나머지 부분에서 보다 구체적으로 설명된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 커패시터 충전 및/또는 방전하기 위한 예시적인 회로를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 예시적인 커패시터 경감 곡선의 도표를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 예시적인 커패시터 충전 방법의 흐름도를 나타낸다.
본 명세서 및 도면에서 반복 사용되는 도면부호는 본 발명의 동일한 또는 유사한 구성 또는 요소를 나타내기 위한 것이다.
본 기술 분야의 통상의 기술자라면, 본 설명은 단지 예시적인 실시예들의 설명으로, 본 발명의 넓은 양태를 제한하기 위한 것이 아니며, 더 넓은 양태들이 예시적인 구성으로 실시된다는 것을 이해할 것이다.
일반적으로, 본 발명은 울트라커패시터와 관련된 온도에 적어도 부분적으로 기초하여 울트라커패시터를 작동시킬 수 있는 전력 관리 회로에 관한 것이다. 본 발명의 예시적인 양태들에 따르면, 전력 관리 회로는, 직류 전류(DC)를 수신하고, (예를 들어, 울트라커패시터의 충전 또는 방전 상태 중에) DC 입력을 울트라커패시터를 작동시키기에 적절한, 적절한 구동 전압으로 변환하도록 구성되는 전력 변환기를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 구동 전압은 울트라커패시터와 관련된 온도, 예컨대 울트라커패시터가 작동하는 주변 온도에 적어도 부분적으로 기초하여 결정될 수 있다. 특히, 예컨대 서미스터 장치와 같은 온도 감지 장치가 울트라커패시터와 관련된 온도를 결정하는 데 사용될 수 있다. 울트라커패시터를 충전/방전하기 위한 구동 전압은 결정되는 온도에 적어도 부분적으로 기초하여 결정될 수 있다. 이렇게 함으로써, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 시스템 및 방법은 온도가 상승함에 따라 울트라커패시터의 구동 전압을 경감(derating)시킬 수 있어, 더 높은 온도에서 울트라커패시터를 작동시킬 수 있는 능력을 향상시킨다.
보다 구체적으로, 전력 관리 회로는 DC 입력을 울트라커패시터를 작동시키기에 적절한 구동 전압으로 변환하도록 구성될 수 있는 전력 변환기를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전력 변환기는 하나 이상의 제어 장치(예를 들어, 하나 이상의 프로세서, 마이크로컨트롤러 등)를 포함하거나 이에 커플링될 수 있다. 전력 변환기의 작동은, 예컨대 펄스 폭 변조 제어 기법과 같은 스위칭 제어 기법에 따라, 하나 이상의 제어 장치에 의해 제어될 수 있다. 이러한 방식으로, 전력 변환기는 DC 입력을 울트라커패시터에 적절한 구동 전압으로 변환하도록 제어될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 하나 이상의 제어 장치는 울트라커패시터와 관련된 온도를 나타내는 하나 이상의 신호에 기초하여 전력 변환기의 작동을 제어할 수 있다. 하나 이상의 신호는 온도 감지 장치로부터 수신될 수 있다. 일부 실시예에서, 온도 감지 장치는, 예컨대 부특성 서미스터(NTC 서미스터) 또는 정특성 서미스터(PTC 서미스터)와 같은 서미스터일 수 있다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않고, 다른 적절한 온도 감지 장치들이 사용될 수 있다.
하나 이상의 제어 장치는 울트라커패시터와 관련된 온도를 나타내는 하나 이상의 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 울트라커패시터를 작동하기 위한 구동 전압을 결정할 수 있다. 일부 구현예에서, 구동 전압은 경감 곡선에 적어도 부분적으로 기초하여 결정될 수 있다. 경감 곡선은 구동 전압과 온도의 상관관계를 보여주거나(correlate) 맵핑한다. 일 예시로서, 경감 곡선은 구동 전압과 커패시터 온도 사이의 역 상관관계를 나타낼 수 있다. 이로 인해, 상승된 온도에 보상하기 위해 커패시터에 공급되는 구동 전압이 감소될 수 있다. 이러한 감소된 구동 전압은, 상승된 온도에서 커패시터가 보다 효율적으로 작동할 수 있도록 한다.
이하에서는 도면들을 참조하여, 본 발명의 예시적인 양태들이 보다 자세하게 설명될 것이다. 예를 들어, 도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 전력 관리 회로(100)의 개요를 나타낸다. 회로(100)는 전력 변환기(102), 제어 회로(200) 및 온도 감지 장치(106)를 포함한다. 전력 변환기(102)는 DC 전력원(108)으로부터 DC 전원 전압을 수신하고, 이 전원 전압을 커패시터(110)를 작동시키기에 적절한 구동 전압으로 변환하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 전력 변환기(102)는, 하나 이상의 스위칭 소자, 예컨대 하나 이상의 트랜지스터(예를 들어, MOSFET 또는 다른 스위칭 소자)를 포함하는 집적 회로일 수 있다. 전력 변환기(102)는 하나 이상의 추가적인 구성요소, 예컨대 하나 이상의 다이오드, 커패시터, 인덕터 등을 추가적으로 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 전력 변환기(102)는, 울트라커패시터(110)가 충전되는 하나 이상의 충전기간 동안에는 벅 컨버터(buck converter)로서 작동하고, 울트라커패시터(110)가 방전되는 하나 이상의 방전기간 동안에는 부스트 컨버터(boost converter)로서 작동하도록 구성되는 벅-부스트 컨버터일 수 있다.
예를 들어, 온도 감지 장치(106)는, 예컨대 서미스터 장치와 같이 임의의 적절한 온도 감지 장치일 수 있다. 온도 감지 장치(106)는 주변 또는 울트라커패시터(110)와 관련된 온도를 나타내는 하나 이상의 신호를 제어 회로(200)에 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 제어 회로(200)는 온도 감지 장치로부터 수신한 하나 이상의 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 온도 값을 결정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 온도 감지 장치(106)가 서미스터 장치인 구현예에서, 온도를 나타내는 하나 이상의 신호는 서미스터 장치를 걸치는 저항 또는 전압을 명시할 수 있다.
제어 회로(200)는 전력 변환기(102)와 통합될 수도 있고, 전력 변환기와 별개일 수도 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 제어 회로(200)는 하나 이상의 프로세서(들)(212) 및 하나 이상의 메모리 장치(들)(214)을 포함할 수 있다. 하나 이상의 메모리 장치는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 등에서 구현되는 컴퓨터-판독 가능한 명령어를 저장할 수 있다. 명령어가 프로세서(들)(212)에 의해 실행될 때, 명령어는 프로세서(들)(212)로 하여금 본 발명의 예시적인 양태들에 따른 작업을 수행하도록 할 수 있다. 예를 들어, 명령어들은, 프로세서(들)(212)에 의해 실행될 때, 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 온도 감지 장치(106)로부터 수신되는 하나 이상의 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 전력 변환기(102)를 제어하도록 할 수 있다.
특정 실시예에서, 하나 이상의 프로세서들(212)은, 당 업계에서 컴퓨터에 포함되는 것으로 간주되는 집적 회로를 포함할 수 있다. 추가적으로 및/또는 대안적으로, 하나 이상의 프로세서(212)는 제어기, 마이크로컨트롤러, 마이크로컴퓨터, 프로그램 가능 논리 제어 장치(PLC), 주문형 반도체, 및 다른 프로그램 가능한 회로를 포함할 수 있다. 일반적으로, 하나 이상의 메모리 장치(214)는, 컴퓨터 판독 가능한 매체(예를 들어, 랜덤 액세스 메모리(RAM)), 컴퓨터 판독 가능한 비휘발성 매체(예를 들어, 플래시 메모리), CD-ROM(computer disc-read only memory), 광자기 디스크(MOD), 디지털 다기능 디스크(DVD), 및/또는 다른 적절한 메모리 소자를 포함한 메모리 소자(들)를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 국한된 것은 아니다. 이러한 메모리 장치(들)(214)는 일반적으로, 프로세서(들)(212)에 의해 구현될 때 제어 회로(200)가 본 명세서에 설명되는 것과 같은 다양한 기능을 수행하도록 설정하는, 적절한 컴퓨터 판독 가능 명령어를 저장하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 제어 회로(200)는 온도 감지 장치(106)로부터 수신되는 신호(들)에 기초하여, 울트라커패시터(110)와 관련된 온도를 결정하도록 구성될 수 있다. 온도는, 온도 감지 장치(106)로부터 제공되는 신호들에 적어도 부분적으로 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 온도 감지 장치(106)가 서미스터 장치인 구현예에서, 제어 회로(200)는 서미스터 저항과 서미스터 온도의 상관관계를 보여주는 룩업 테이블에 접속(access)함으로써 온도를 결정할 수 있다. 일부 구현예에서, 제어 회로(200)는 서미스터 장치와 관련된 Steinhart-Hart 식을 풀이함으로써 온도를 결정할 수 있다.
제어 회로(200)는 결정된 온도에 적어도 부분적으로 기초하여 울트라커패시터(110)에 공급될 구동 전압 수준을 결정하도록 구성될 수 있다. 구동 전압은 경감 곡선 또는 울트라커패시터(110)와 관련된 커패시터 온도와 커패시터 전압의 다른 상관관계에 적어도 부분적으로 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 구동 전압은 룩업 테이블에 접속함으로써 결정될 수 있다. 위에 표시되어 있는 바와 같이, 구동 전압은 온도와 역 상관관계에 있어, 온도가 상승함에 따라 구동 전압이 감소할 수 있다. 일부 구현예에서, 구동 전압의 경감은 울트라커패시터(110)와 관련된 정격 사용 전압(rated working voltage)에 적어도 부분적으로 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 구동 전압의 경감은 사용 전압에 대한 백분율로서 명시될 수 있다.
일부 구현예에서, 제어 회로(200)는 울트라커패시터(110)와 관련된 온도를 결정하지 않고도 구동 전압을 결정하도록 구성될 수 있다. 이러한 구현예에서, 구동 전압은 온도 감지 장치(106)로부터 수신한 하나 이상의 신호로부터 직접적으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 구동 전압은 온도 감지 장치(106)의 저항 측정값에 적어도 부분적으로 기초하여 결정될 수 있다. 또 다른 예시로서, 온도 감지 장치(106)의 저항은 온도 감지 장치(106)에 걸친 전압 측정값에 적어도 부분적으로 기초하여 결정될 수 있다. 저항은, 룩업 테이블 및/또는 온도 감지 장치(106)의 저항의 함수로서 커패시터 전압을 명시하는 경감 곡선을 이용하여 구동 전압과의 상관관계를 보일 수 있다.
제어 회로(200)는 또한, 결정된 구동 전압에 적어도 부분적으로 기초하여 변환기(102)의 작동을 제어하도록 구성될 수 있다. 특히, 제어 회로(200)는, 울트라커패시터(110)와 관련된 하나 이상의 충전기간 동안 희망하는 구동 전압을 제공하기 위해, 변환기(102)의 하나 이상의 스위칭 소자(들)의 스위칭 동작을 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어 회로(200)는, 스위칭 기법, 예컨대 펄스 폭 변조 스위칭 기법에 따라, 하나 이상의 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 이렇게 함으로써, 스위칭 요소(들)은 희망하는 구동 전압이 울트라커패시터(110)에 공급되도록 스위치를 껐다 켰다할 수 있다.
표시된 바와 같이, 제어 회로(200)는, 회로(100) 내 온도 편차에 적어도 부분적으로 기초하여, 울트라커패시터(110)에 공급되는 구동 전압을 한번 이상 조절하도록 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 제어 회로(200)는, 구동 전압이 조절될 필요가 있는지 결정하기 위해, 주기적으로 또는 다른 기준으로, 회로(100)와 관련된 온도를 측정할 수 있다. 예를 들어, 제어 회로(200)는 각 충전기간에 대한 각각의 구동 전압을 결정하기 위해, 각 충전기간 동안에 또는 바로 직전에 온도를 측정할 수 있다. 또 다른 예시로서, 제어 회로(200)는 일시적으로, 예컨대 사전 결정된 시간 간격 또는 기간마다 한번 씩 온도를 측정할 수 있다. 일부 구현예에서, 온도 측정 빈도는 회로(100) 내 온도가 변하는 빈도에 적어도 부분적으로 기초하여 결정될 수 있다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 예시적인 커패시터 경감 곡선(302)의 도표(300)를 나타낸다. 경감 곡선(302)은 커패시터(예를 들어, 울트라커패시터(110))에 공급될 전압을 커패시터 온도의 함수로서 도시한다. 도시된 바와 같이, 경감 지점(304) 이하의 온도에서는 전압이 일정하다. 경감 지점(304)보다 높은 온도에서, 전압은 온도의 함수로서 저하한다. 도시된 바와 같이, 경감 지점(304)보다 높은 온도에서, 경감 곡선(302)은, 커패시터 온도가 상승함에 따라 커패시터에 공급될 전압이 감소한다는 것을 명시한다. 표시된 바와 같이, 경감 지점(304)보다 높은 온도에서 전압은 커패시터와 관련된 사용 전압의 백분율로서 표현될 수 있다.
경감 곡선(302)은 커패시터 전압이 경감될 수 있는 하나의 예시적인 방식을 명시한다. 특히, 통상의 기술자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 여러 가지 다른 적절한 경감 곡선들이 사용될 수 있음을 알 것이다. 예를 들어, 커패시터 및/또는 커패시터가 구현되는 회로의 다양한 특성 및 특징에 적어도 부분적으로 기초하여, 여러 가지 다른 경감 곡선들이 결정되어 사용될 수 있다. 또한, 도표(300)는 선형 경감 곡선(302)을 나타내지만, 비-선형 경감 곡선들, 예컨대 지수 경감 곡선, 계단-함수 경감 곡선 등이 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른, 울트라커패시터를 충전하는 예시적인 방법(400)의 흐름도를 나타낸다. 방법(400)은 하나 이상의 컴퓨팅 장치, 예컨대 하나 이상의 도 1에 도시된 컴퓨팅 장치에 의해 구현될 수 있다. 또한, 도 3은 예시 및 설명의 목적으로 특정 순서로 수행되는 단계들을 도시한다. 본 명세서에서 제공되는 개시를 이용하는 통상의 기술자는, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고, 본 명세서에서 설명되는 방법들 중 임의의 단계들을 다양한 방법으로 조정, 재배치, 확장, 생략 또는 변형할 수 있음을 이해할 것이다.
단계 402에서, 방법(400)은 커패시터 전력 관리 회로와 관련된 온도를 나타내는 하나 이상의 신호를 수신하는 단계를 포함할 수 있다. 위에서 표시된 바와 같이, 온도를 나타내는 하나 이상의 신호는 커패시터 전력 관리 회로와 관련된 온도 감지 장치(예를 들어, 서미스터 장치)에 의해 제공될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 신호는 온도 감지 장치를 걸친 전압 및/또는 온도 감지 장치의 저항을 나타내는 데이터를 포함할 수 있다.
단계 404에서, 방법(400)은 온도를 나타내는 하나 이상의 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 온도 감지 장치 및/또는 커패시터 전력 관리 회로의 제1 온도를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 표시된 바와 같이, 결정된 온도 감지 장치의 온도는 커패시터 전력 관리 회로와 관련된 주변 온도에 대응할 수 있다.
단계 406에서, 방법(400)은 커패시터 전력 관리 회로의 제1 온도에 적어도 부분적으로 기초하여 하나 이상의 울트라커패시터에 공급될 제1 구동 전압을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 구동 전압은 커패시터 전력 관리 회로 내 하나 이상의 울트라커패시터를 충전하는 데 사용되는 전압일 수 있다. 일부 구현예에서, 구동 전압은 울트라커패시터(들)의 정격 사용 전압 또는 다른 적절한 특성에 적어도 부분적으로 기초하여 결정될 수 있다. 일부 구현예에서, 구동 전압은 울트라커패시터(들)과 관련된 사전 결정된 경감 곡선에 적어도 부분적으로 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 경감 곡선(예를 들어, 룩업 테이블)을 나타내는 데이터가 획득되거나 접속될 수 있고, 경감 곡선을 나타내는 상기 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여 제1 구동 전압이 결정될 수 있다. 특히, 제1 구동 전압은 경감 곡선을 따라서, 제1 온도에 대응하는 전압일 수 있다.
단계 408에서, 방법(400)은 실질적으로 제1 구동 전압에 도달하기 위해 커패시터 전력 관리 회로와 관련된 전력 변환기의 작동을 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 변환기의 하나 이상의 스위칭 소자와 관련된 전환 동작이 결정될 수 있는데, 이는 스위칭 소자(들)이 스위칭 동작에 따라 스위치 온 및 스위치 오프될 때, 출력으로서 전력 변환기가 실질적으로 제1 구동 전압을 제공하도록 한다. 스위칭 동작은 스위칭 소자(들)의 게이트 또는 베이스에 적용되는 펄스 폭 변조 스위칭 기법, 또는 다른 적절한 스위칭 기법일 수 있다.
일부 구현예에서, 변환기는 커패시터 충전 작업에 따라 구동 전압을 출력하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 충전 작업은 울트라커패시터(들)에 전압이 공급되는 기간인 복수의 충전기간과 울트라커패시터(들)에 의해 전압이 방전되는 기간인 복수의 방전기간을 포함할 수 있다. 이렇게 함으로써, 제1 충전기간 동안에 울트라커패시터(들)에 제1 구동 전압이 출력되도록 전력 변환기의 작동이 제어될 수 있다.
단계 410에서, 방법(400)은 커패시터 전력 관리 회로의 제2 온도를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 온도는 제1 온도에 후속하여 결정될 수 있다. 이렇게 함으로써, 제2 온도는, 제1 온도 결정의 시점 이후의 시점의 회로 온도일 수 있다. 일부 구현예에서, 제2 온도는 커패시터 충전 작업에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 제2 온도는 제2 충전기간의 바로 직전에 결정될 수 있다.
단계 412에서, 방법(400)은 제2 온도가 제1 온도와 다른지를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 제2 온도가 제1 온도와 다르지 않을 경우, 방법(400)은 단계 408로 되돌아갈 수 있고, 제2 충전기간 동안에 실질적으로 제1 구동 전압에 도달하도록 전력 변환기의 작동이 제어될 수 있다. 제2 온도가 제1 온도와 다를 경우, 단계 414에서, 방법(400)은 제2 온도에 적어도 부분적으로 기초하여 울트라커패시터에 공급될 제2 구동 전압을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 구동 전압은 경감 곡선을 따라서, 제2 온도에 대응하는 전압일 수 있다.
단계 416에서, 방법(400)은 실질적으로 제2 구동 전압에 도달하도록 전력 변환기의 작동을 제어할 수 있다. 예를 들어, 전력 변환기의 스위칭 소자(들)과 관련된 스위칭 동작이 조절되어, 조절된 스위칭 기법이 스위칭 소자(들)에 적용될 때, 전력 변환기가 출력으로서 제2 구동 전압을 제공하도록 할 수 있다. 이러한 방식으로, 제2 구동 전압이 제1 구동 전압에 대해 조절된 구동 전압이 될 수 있다. 제2 구동 전압은 충전 작업에 따라 울트라커패시터(들)에 제공될 수 있다.
방법(400)은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따라 울트라커패시터의 충전 작업의 하나의 예시적인 모드를 나타낸다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 여러 가지 다른 적절한 작업 모드가 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 일 예시로서, 일부 구현예에서는, 하나 이상의 구동 전압이 온도 감지 장치와 관련된 온도를 결정하지 않고도 결정될 수 있다. 예를 들어, 서미스터 장치가 사용되는 구현예에서, 구동 전압(들)은, 예를 들어 룩업 테이블 또는 서미스터 저항에 대한 구동 전압을 명시하는 다른 표시기를 사용하여, 구동 전압을 서미스터 저항에 관련시킴으로써 결정될 수 있다.
위에서 표시된 바와 같이, 본 발명의 회로에 사용되는 울트라커패시터는 일반적으로, 제1 전극, 제2 전극, 제1전극과 제2 전극의 사이에 위치되는 분리막, 제1 전극 및 제2 전극과 이온 접촉하는 비수 전해질, 그리고 제1 전극, 제2 전극, 분리막 및 전해질이 그 안에 유지되는 하우징을 포함할 수 있다. 이러한 특정 부품들의 다양한 실시예들이 이하에서 자세하게 설명된다.
I. 전극
제1 및 제2 전극은 제1 및 제2 집전체를 각각 포함할 수 있다. 집전체들은 동일한 재료 또는 서로 다른 재료로 형성될 수 있다. 이에 관계없이, 통상적으로, 각각의 집전체는 예컨대 알루미늄, 스테인리스 강, 니켈, 은, 팔라듐 등뿐만 아니라 이들의 합금과 같은 도전성 금속을 포함하는 기판으로부터 형성된다. 본 발명에 사용하기에는 알루미늄 및 알루미늄 합금이 특히 적절하다. 기판은 호일, 시트, 플레이트, 메시 등의 형태일 수 있다. 또한, 기판의 두께는 비교적 얇을 수 있으며, 예컨대 약 200㎛ 이하, 일부 실시예에서는 약 1 내지 약 100㎛, 일부 실시예에서는 약 5 내지 약 80㎛, 그리고 일부 실시예에서는 약 10 내지 약 50㎛일 수 있다. 필수적인 것은 아니지만, 기판의 표면은 경우에 따라서, 예컨대 세정, 에칭, 블라스팅 등에 의해 거칠게 처리(roughened)될 수 있다.
특정 실시예에서, 집전체는 기판으로부터 외측으로 돌출하는 복수의 섬유형 위스커를 포함한다. 위스커는 통상적으로, 탄소 및/또는 탄소와 도전성 금속의 반응 생성물을 함유하는 재료로부터 형성된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 재료는 예컨대 알루미늄 카바이드(Al4C3)와 같은 도전성 금속의 탄화물을 함유할 수 있다. 희망한다면, 경우에 따라서는 위스커들이 기판(1) 내에 내장되는 씨드 부분(seed portion)(3)으로부터 돌출할 수 있다. 위스커(21)와 유사하게, 씨드 부분(3)도 탄소 및/또는 예컨대 도전성 금속의 탄화물(예를 들어, 알루미늄 카바이드)과 같은, 탄소와 도전성 금속의 반응 생성물을 함유하는 재료로부터 형성될 수 있다.
이러한 위스커가 기판에 형성되는 방식은 희망하는 대로 다양할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 기판의 도전성 금속이 탄화수소 화합물과 반응한다. 예를 들어, 이러한 탄화수소 화합물의 예시로는, 파라핀 탄화수소 화합물(예컨대 메탄, 에탄, 프로판, n-부탄, 이소부탄, 펜탄 등), 올레핀 탄화수소 화합물(예컨대 에틸렌, 프로필렌, 부텐, 부타디엔 등), 아세틸렌 탄화수소 화합물(예컨대 아세틸렌); 및 이들 중 임의의 것의 유도체 또는 조합물이 포함된다. 일반적으로, 탄화수소 화합물은 반응 중에 기체 형태인 것이 바람직하다. 따라서, 가열되었을 때 기체 형태인, 예컨대 메탄, 에탄 및 프로판과 같은 탄화수소 화합물을 이용하는 것이 바람직할 수 있다. 반드시 필수적인 것은 아니지만, 탄화수소 화합물은 통상적으로, 100중량부의 기판을 기준으로, 약 0.1중량부 내지 약 50중량부, 일부 실시예에서는 약 0.5중량부 내지 약 30중량부 범위로 사용될 수 있다. 탄화수소와 도전성 금속의 반응을 개시하기 위해, 일반적으로 기판은 온도가 약 300℃ 이상, 일부 실시예에서는 약 400℃ 이상, 그리고 일부 실시예에서는 500℃ 내지 650℃인 분위기에서 가열된다. 가열 시간은 선택되는 정확한 온도에 따라 다르지만, 통상적으로는 약 1시간 내지 약 100시간이다. 기판의 표면에 유전체 막 형성을 최소화하기 위해, 분위기는 통상적으로 비교적 낮은 양의 산소를 함유한다. 예를 들어, 분위기의 산소 함량은 부피로 약 1% 이하일 수 있다.
울트라커패시터에 사용되는 전극들은, 제1 집전체 및 제2 집전체의 일 측 또는 양측에 각각 코팅되는 제1 및 제2 탄소질 코팅도 포함한다. 제1 및 제2 탄소질 코팅은 동일한 종류의 재료 또는 서로 다른 종류의 재료로 형성될 수 있고, 단일 층 또는 다중 층을 포함할 수 있지만, 일반적으로 각각의 탄소질 코팅은 활성화된 입자들을 포함하는 적어도 하나의 층을 포함한다. 예를 들어, 특정 실시예에서는, 활성 탄소층이 집전체 위에 직접적으로 위치될 수 있고, 경우에 따라서는 이러한 활성 탄소층이 탄소질 코팅의 단 하나의 층일 수 있다. 예를 들어, 적절한 활성 탄소 입자들의 예시로는, 코코넛 껍질-기반 활성 탄소, 석유 코크스-기반 활성 탄소, 피치-기반 활성 탄소, 폴리염화비닐리덴-기반 활성 탄소, 페놀 수지-기반 활성 탄소, 폴리아크릴로니트릴-기반 활성 탄소, 및 예컨대 석탄, 숱, 또는 다른 천연 유기 자원과 같은 천연 원료로부터 획득한 활성 탄소가 포함된다.
특정 실시예에서는, 하나 이상의 충전-방전 사이클을 거친 후, 특정 종류의 전해질에 대한 이온 이동도의 향상을 돕기 위해, 예컨대 활성 탄소 입자들의 크기 분포, 표면적 및 기공 크기 분포와 같은 활성 탄소 입자들의 특정 양태를 선택적으로 제어하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 입자 부피 중 적어도 50%(D50 입도)는 약 0.01 내지 약 30㎛, 일부 실시예에서는 약 0.1 내지 약 20㎛, 그리고 일부 실시예에서는 약 0.5 내지 약 10㎛ 범위 내 크기를 갖는다. 유사하게, 입자 부피 중 적어도 90%(D90 입도)는 약 2 내지 약 40㎛, 일부 실시예에서는 약 5 내지 약 30㎛, 그리고 일부 실시예에서는 약 6 내지 약 15㎛ 범위 내 크기를 갖는다. 또한, BET 표면적은 약 900m2/g 내지 약 3,000m2/g, 일부 실시예에서는 약 1,000m2/g 내지 약 2,500m2/g, 그리고 일부 실시예에서는 약 1,100m2/g 내지 약 1,800m2/g일 수 있다.
특정 크기 및 표면적을 갖는 것 이외에도, 활성 탄소 입자들은 특정한 크기 분포를 갖는 기공을 포함할 수 있다. 예를 들어, 크기가 약 2㎚보다 작은 기공(즉, 마이크로 기공)의 양은 총 기공 부피의 약 50vol% 이하, 일부 실시예에서는 약 30vol% 이하, 그리고 일부 실시예에서는 0.1vol% 내지 15vol%인 기공 부피를 제공할 수 있다. 또한, 약 2㎚ 내지 약 50㎚ 크기의 기공(즉, 메조 기공)의 양은 약 20vol% 내지 약 80vol%, 일부 실시예에서는 약 25vol% 내지 약 75vol%, 그리고 일부 실시예에서는 약 35vol% 내지 약 65vol%일 수 있다. 마지막으로, 크기가 약 50㎚보다 큰 기공(즉, 매크로 기공)의 양은 약 1vol% 내지 약 50vol%, 일부 실시예에서는 약 5vol% 내지 약 40vol%, 그리고 일부 실시예에서는 약 10vol% 내지 약 35vol%일 수 있다. 탄소 입자들의 총 기공 부피는 약 0.2cm3/g 내지 약 1.5 cm3/g, 일부 실시예에서는 약 0.4 cm3/g 내지 약 1.0 cm3/g 범위 내에 있을 수 있고, 기공 폭의 중간 값은 약 8㎚ 이하, 일부 실시예에서는 약 1 내지 약 5㎚, 그리고 일부 실시예에서는 약 2 내지 약 4㎚일 수 있다. 업계에 공지되어 있는 바와 같이, 기공 크기와 총 기공 부피는 질소 흡착을 이용하여 측정되고, "BJH"(Barett-Joyner-Halenda)기술로 분석될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 하나의 특별한 양태는, 종래에 울트라커패시터 전극에 사용되었던 상당한 양의 바인더가 본 발명의 전극에는 함유될 필요가 없다는 것이다. 즉, 제1 및/또는 제2 탄소질 코팅에서, 탄소 100부에 대하여, 바인더는 약 60부 이하, 일부 실시예에서는 40부 이하, 그리고 일부 실시예에서는 약 1부 내지 25부의 양만큼 존재할 수 있다. 예를 들어, 바인더는 탄소질 코팅의 총 중량의 약 15wt% 이하, 일부 실시예에서는 약 10wt% 이하, 그리고 일부 실시예에서는 약 0.5wt% 내지 약 5wt%를 구성할 수 있다. 하지만, 바인더가 사용되는 경우에는, 다양한 종류의 적당한 바인더가 전극에 사용될 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예에서는, 수-불용성 유기 바인더가 사용될 수 있는데, 예컨대 스티렌-부타디엔 코폴리머, 폴리비닐 아세테이트 호모폴리머, 비닐-아세테이트 에틸렌 코폴리머, 비닐-아세테이트 아크릴릭 코폴리머, 에틸렌-비닐 클로라이드 코폴리머, 에틸렌-비닐 클로라이드-비닐 아세테이트 터폴리머, 아크릴릭 폴리비닐 클로라이드 폴리머, 아크릴릭 폴리머, 니트릴 폴리머, 플루오로폴리머(예컨대, 폴리테트라플루오로에틸렌 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리올레핀 등)뿐만 아니라, 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 예컨대, 폴리사카라이드 및 그 유도체와 같은 수용성 유기 바인더가 사용될 수도 있다. 특정한 일 실시예에서, 폴리사카라이드는, 예컨대 알킬 셀룰로오스 에테르(예를 들어, 메틸 셀룰로오스 및 에틸 셀룰로오스); 히드록시알킬 셀룰로오스 에테르(예를 들어, 히드록시에틸 셀룰로오스, 히드록시프로필 셀룰로오스, 히드록시프로필 히드록시부틸 셀룰로오스, 히드록시에틸 히드록시프로필 셀룰로오스, 히드록시에틸 히드록시부틸 셀룰로오스, 히드록시에틸 히드록시프로필 히드록시부틸 셀룰로오스 등); 알킬 히드록시알킬 셀룰로오스 에테르(예를 들어, 메틸 히드록시에틸 셀룰로오스, 메틸 히드록시프로필 셀룰로오스, 에틸 히드록시에틸 셀룰로오스, 에틸 히드록시프로필 셀룰로오스, 메틸 에틸 히드록시에틸 셀룰로오스, 및 메틸 에틸 히드록시프로필 셀룰로오스); 카르복시알킬 셀룰로오스 에테르(예를 들어, 카르복시메틸 셀룰로오스); 등과 같은 비이온성 셀룰로오스 에테르뿐만 아니라, 예컨대 카르복시메틸 셀룰로오스 나트륨과 같이 전술한 것 중 임의의 것의 양성자화(protonated)된 염일 수 있다.
희망하는 경우, 제1 및/또는 제2 탄소질 코팅의 활성 탄소층 및/또는 제1 및/또는 제2 탄소질 코팅의 다른 층 내에 다른 재료가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 특정 실시예에서, 전기 전도도를 더 높이기 위해 도전성 향상제(conductivity promoter)가 사용될 수 있다. 예를 들어, 예시적인 도전성 향상제로는, 카본 블랙, (천연 또는 인공적인) 흑연, 흑연, 탄소 나노튜브, 나노 와이어 또는 나노튜브, 금속 섬유, 그래핀 등뿐만 아니라, 이들의 혼합물이 포함될 수 있다. 카본 블랙이 특히 적절할 수 있다. 도전성 향상제가 사용되는 경우, 도전성 향상제는 통상적으로, 탄소질 코팅에서 활성 탄소 입자들 100부에 대하여, 약 60부 이하, 일부 실시예에서는 약 40부 이하, 그리고 일부 실시예에서는 약 1부 내지 약 25부를 구성할 수 있다. 도전성 향상제는 예를 들어, 탄소질 코팅의 총 중량의 약 15wt% 이하, 일부 실시예에서는 약 10wt% 이하, 그리고 일부 실시예에서는 약 0.5wt% 내지 약 5wt%를 구성할 수 있다. 또한, 활성 탄소 입자들은 통상적으로, 탄소질 코팅의 85wt% 이상, 일부 실시예에서는 약 90wt% 이상, 그리고 일부 실시예에서는 약 95wt% 내지 약 99.5wt%를 구성한다.
통상의 기술자에게 잘 알려진 바와 같이, 탄소질 코팅이 집전체에 도포되는 특정 방법은, 예컨대 인쇄(예를 들어, 로토 그라비어), 분무, 슬롯-다이 코팅, 드롭-코팅, 딥-코팅 등과 같이 다양할 수 있다. 탄소질 코팅이 도포되는 방법에 관계없이, 코팅된(resulting) 전극은 통상적으로, 코팅으로부터 수분을 제거하기 위해, 약 100℃ 이상, 일부 실시예에서는 약 200℃ 이상, 그리고 일부 실시예에서는 약 300℃ 내지 약 500℃의 온도에서 건조된다. 또한, 울트라커패시터의 부피 효율을 최적화하기 위해 전극이 압축(예를 들어, 캘린더 가공)될 수 있다. 경우에 따라서 압축한 후의 각 탄소질 코팅의 두께는 일반적으로, 울트라커패시터의 희망하는 전기 특성 및 작동 범위에 따라 다를 것이다. 하지만, 통상적으로 코팅의 두께는 약 20㎛ 내지 약 200㎛, 30㎛ 내지 약 150㎛, 그리고 일부 실시예에서는 약 40㎛ 내지 약 100㎛이다. 코팅은 집전체의 일측 또는 양측에 존재할 수 있다. 이와는 관계없이, 전극의 전체 두께(선택적인 압축 이후의 집전체와 탄소질 코팅(들) 포함)는 통상적으로 약 20㎛ 내지 약 350㎛, 일부 실시예에서는 약 30㎛ 내지 약 300㎛, 그리고 일부 실시예에서는 약 50㎛ 내지 약 250㎛이다.
II. 비수 전해질
일반적으로, 울트라커패시터에 사용되는 전해질은 사실상 비수성이며, 따라서 적어도 하나의 비수 용매를 함유한다. 울트라커패시터의 작동 온도 범위의 확장을 돕기 위해, 통상적으로는 비수 용매의 끓는 점이 비교적 높은 것이 바람직하며, 이는 예컨대 약 150℃ 이상, 일부 실시예에서는 약 200℃ 이상, 그리고 일부 실시예에서는 약 220℃ 내지 약 300℃이다. 예를 들어, 끓는 점이 높은 특히 적절한 용매는, 예컨대 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트 등과 같은 시클릭 카보네이트 용매를 포함할 수 있다. 프로필렌 카보네이트는 높은 전기 전도도와 분해전압, 그리고 넓은 온도 범위에서의 사용 가능성 때문에 특히 적절하다. 물론, 다른 비수 용매가 단독으로 또는 시클릭 카보네이트 용매와 함께 사용될 수도 있다. 이러한 용매의 예시로는, 예를 들어 열린-사슬 카보네이트(예를 들어, 디메틸 카보네이트, 에틸 메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트 등), 지방족 모노카르복실레이트(예를 들어, 메틸 아세테이트, 메틸 프로피오네이트 등), 락톤 용매(예를 들어, 부티로락톤 발레로락톤 등), 니트릴(예를 들어, 아세토니트릴, 글루타로니트릴, 아디포니트릴, 메톡시아세토니트릴, 3-메톡시프로피오니트릴, 등), 아마이드(예를 들어, N,N-디메틸포름아마이드, N,N-디에틸아세트아마이드, N-메틸피롤리디논), 알케인(예를 들어, 니트로메탄, 니트로에탄 등), 황 화합물(예를 들어, 술포란, 디메틸 술폭시드 등); 등이 포함될 수 있다.
전해질은 비수 용매에 용해될 수 있는 적어도 하나의 이온성 액체도 함유한다. 이온성 액체의 농도는 달라질 수 있다. 하지만, 통상적으로 이온성 액체는 비교적 높은 농도로 존재하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 이온성 액체는 전해질의 리터당 몰(M)이 약 0.8M 이상, 일부 실시예에서는 약 1.0M 이상, 일부 실시예에서는 약 1.2M 이상, 그리고 일부 실시예에서는 약 1.3M 내지 약 1.8M인 양만큼 존재할 수 있다.
이온성 액체는 일반적으로, 녹는점이 비교적 낮은 염이며, 녹는 점은 예컨대 약 400℃ 이하, 일부 실시예에서는 약 350℃ 이하, 일부 실시예에서는 약 1℃ 내지 약 100℃, 그리고 일부 실시예에서는 약 5℃ 내지 약 50℃이다. 염은 양이온 종과 반대 이온을 포함한다. 양이온 종은, 적어도 하나의 헤테로 원자(예를 들어, 질소 또는 인)를 "양이온 중심(cationic center)"으로서 구비하는 화합물을 함유한다. 예를 들어, 이러한 헤테로 원자 화합물의 예시로는, 비치환된 또는 치환된 유기-제4급 암모늄 화합물이 포함되는데, 이는 예컨대, 암모늄(예를 들어, 트리메틸암모늄, 테트라에틸암모늄 등), 피리디늄, 피리다지늄, 피라미디늄, 피라지늄, 이미다졸륨, 피라졸륨, 옥사졸륨, 트리아졸륨, 티아졸륨, 퀴놀리늄, 피페리디늄, 피롤리디늄, 2개 이상의 고리가 스피로 원자(예컨대, 탄소, 헤테로원자 등)에 의해 함께 연결되는 제4급 암모늄 스피로 화합물, 제4급 암모늄 축합 고리 구조(예를 들어, 퀴놀리늄, 이소퀴놀리늄 등) 등이다. 예를 들어, 일 특정 실시예에서, 양이온 종은 N-스피로 이고리식 화합물로, 예컨대 고리(cyclic rings)를 구비하는 대칭 또는 비대칭 N-스피로 이고리식 화합물일 수 있다. 이러한 화합물의 일 예시는 다음의 구조를 갖는다.
Figure pat00001
이때, m 및 n은 독립적인 3 내지 7의 숫자이며, 일부 실시예(예를 들어, 피롤리디늄 또는 피페리디늄)에서는 4 내지 5의 숫자이다.
또한, 양이온 종에 대한 적절한 반대 이온은, 할로겐(예를 들어, 염화물, 브롬화물, 요오드화물 등); 황산염 또는 술폰산염(예를 들어, 메틸 설페이트, 에틸 설페이트, 부틸 설페이트, 헥실 설페이트, 옥틸 설페이트, 하이드로겐 설페이트, 메탄 설포네이트, 도데실벤젠 설포네이트, 도데실설페이트, 트리플루오로메탄 설포네이트, 헵타데카플루오로옥탄설포네이트, 소듐 도데실에톡시설페이트 등); 설포석시네이트; 아마이드(예를 들어, 디시안아미드); 이미드(예를 들어, 비스(펜타플루오로에틸술포닐)이미드, 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드, 비스(트리플루오로메틸)이미드 등); 붕산염(예를 들어, 테트라플루오로보레이트, 테트라시아노보레이트, 비스[옥살라토]보레이트, 비스[살리실라토]보레이트, 등); 포스페이트 또는 포스피네이트(예를 들어, 헥사플루오로포스페이트, 디에틸포스페이트, 비스(펜타플루오로에틸)포스피네이트, 트리스(펜타플루오로에틸)-트리플루오로포스페이트, 트리스(노나플루오로부틸)트리플루오로포스페이트 등); 안티몬산염(예를 들어, 헥사플루오로안티모네이트); 알루민산염(예를 들어, 테트라클로로알루미네이트); 지방산 카르복실레이트(예를 들어, 올레산염, 이소스테아레이트, 펜타데카플루오로옥타노에이트, 등); 시안산염; 아세트산염; 등등 및 전술한 것들의 임의의 배합물을 포함할 수 있다.
예를 들어, 적절한 이온성 액체의 몇몇 예시로는, 스피로-(1,1')-비피롤리디늄 테트라플루오로보레이트, 트리에틸메틸 암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트, 스피로-(1,1')-비피롤리디늄 아이오다이드, 트리에틸메틸 암모늄 아이오다이드, 테트라에틸 암모늄 아이오다이드, 메틸트리에틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라에틸암모늄 헥사플루오로포스페이트 등을 포함할 수 있다.
III. 분리막
분리막은 하나의 전극을 다른 하나로부터 전기적으로 절연(isolation)시키지만, 그래도 여전히 두 전극들 사이의 이온 이동은 가능하게 한다. 예를 들어, 특정 실시예에서는, 셀룰로오스 섬유상 재료(예를 들어, 에어레이드 페이퍼 웹, 습식-레이드 페이퍼 웹 등), 부직포 재료(예를 들어, 폴리올레핀 부직 웹), 직물, 필름(예를 들어, 폴리올레핀 필름) 등을 포함하는 분리막이 사용될 수 있다. 예컨대 천연 섬유, 합성 섬유 등을 함유하는 셀룰로오스 섬유상 재료가 울트라커패시터에 사용하기에 특히 적절하다. 예를 들어, 분리막으로 사용하기에 적절한 셀룰로오스 섬유의 특정 예시로는, 활엽수 펄프 섬유, 침엽수 펄프 섬유, 레이온 섬유, 재생 셀룰로오스 섬유 등이 포함될 수 있다. 사용되는 특정 재료와는 관계없이, 분리막의 두께는 통상적으로 약 5㎛ 내기 약 150㎛, 일부 실시예에서는 약 10㎛ 내지 약 100㎛, 그리고 일부 실시예에서는 약 20㎛ 내지 약 80㎛이다.
IV. 하우징
*울트라커패시터는 또한, 전극들, 전해질 및 분리막을 그 안에 유지하는 하우징을 사용한다. 당 업계에 공지되어 있는 바와 같이, 이들 구성요소들이 하우징 내에 삽입되는 방법은 다양할 수 있다. 예를 들어, 먼저 전극들 및 분리막을 접거나 권취하여 또는 서로 접촉시켜, 전극 조립체를 형성할 수 있다. 경우에 따라서는, 전해질이 조립체의 전극들에 침지될 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 전극들과 분리막, 그리고 경우에 따라서는 전해질도 함께 "젤리-롤" 구조를 갖는 전극 조립체로 권취될 수 있다.
하우징의 특성은 희망하는 대로 다양할 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예에서, 하우징은 그 안에 울트라커패시터의 구성요소들을 봉입하는 가요성 패키지의 형태일 수 있다. 패키지는 차단 특성을 희망하는 수준으로 달성하기 위해 희망되는 임의의 층수, 예컨대 1 이상, 일부 실시예에서는 2 이상, 그리고 일부 실시예에서는 2 내지 4개의 층을 포함할 수 있다. 통상적으로, 기판은, 예컨대 알루미늄, 니켈, 탄탈륨, 티타늄, 스테인리스 강 등과 같은 금속을 포함할 수 있는 장벽 층을 포함한다. 이러한 장벽 층은 일반적으로 전해질을 통과시키지 않아 전해질 누출을 억제할 수 있고, 물과 다른 오염물질도 통과시키지 않는 것이 일반적이다. 희망하는 경우에는, 기판이 패키지의 보호 층 역할을 하는 외부 층도 포함할 수 있다. 이렇게 함으로써, 장벽 층은 전기화학 셀을 향하며, 외부 층들은 패키지의 외부를 향한다. 예를 들어, 외부 층은, 예컨대 폴리올레핀(예를 들어, 에틸렌 코폴리며, 프로필렌 코폴리머, 프로필렌 호모폴리머), 폴리에스테르 등으로부터 형성되는 것과 같은, 폴리머 필름으로부터 형성될 수 있다. 특히 적절한 폴리에스테르 필름은 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 등을 포함할 수 있다.
희망하는 경우, 기판은 밀봉 층을 포함할 수도 있다. 밀봉 층은 전기화학 셀을 향하도록 패키지 상에서 연속적일 수 있다. 대안적으로, 단자 쪽에서 그리고 단자 둘레에서 패키지의 밀봉을 돕기 위해 커패시터의 에지에만 밀봉 층이 이용될 수 있다. 이와 관계없이, 밀봉 층은 열-접착성 폴리머를 함유할 수 있다. 예를 들어, 적절한 열-접착성 폴리머로는, 비닐 클로라이드 폴리머, 비닐 클로리딘(vinyl chloridine)폴리머, 이오노머 등뿐만 아니라 이들의 조합물도 포함할 수 있다. 특히 이소노머가 적절할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 이오노머는 α-올레핀 및 (메트)아크릴산 반복 단위를 함유하는 공중합체일 수 있다. 특정한 α-올레핀은 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐; 3-메틸-1-부텐; 3,3-디메틸-1-부텐; 1-펜틴; 하나 이상의 메틸, 에틸 또는 프로필 치환기를 갖는 1-펜틴; 하나 이상의 메틸, 에틸 또는 프로필 치환기를 갖는 1-헥센; 하나 이상의 메틸, 에틸 또는 프로필 치환기를 갖는 1-헵텐; 하나 이상의 메틸, 에틸 또는 프로필 치환기를 갖는 1-옥텐; 하나 이상의 메틸, 에틸 또는 프로필 치환기를 갖는 1-노넨; 하나 이상의 메틸, 에틸 또는 프로필 치환기를 갖는 1-데센, 1-도데센; 및 스티렌을 포함할 수 있다. 에틸렌이 특히 적절하다. 지적한 바와 같이, 공중합체는 (메트)아크릴산 반복 단위도 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "(메트)아크릴릭"이라는 용어는, 아크릴릭 및 메타아크릴릭 모노머뿐만 아니라 예컨대 아크릴레이트 및 메타아크릴레이트 모노머와 같이 이들의 염 또는 에스테르를 포함한다. 이러한 (메트) 아크릴릭 모노머의 예시로는, 메틸 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, n-프로필 아크릴레이트, i-프로필 아크릴레이트, n-부틸 아크릴레이트, s-부틸 아크릴레이트, i-부틸 아크릴레이트, t-부틸 아크릴레이트, n-아밀 아크릴레이트, i-아밀 아크릴레이트, 이소보르닐 아크릴레이트, n-헥실 아크릴레이트, 2-에틸부틸 아크릴레이트, 2-에틸헥실 아크릴레이트, n-옥틸 아크릴레이트, n-데실 아크릴레이트, 메틸시클로헥실 아크릴레이트, 사이클로펜틸 아크릴레이트, 사이클로헥실 아크릴레이트, 메틸 메타아크릴레이트, 에틸 메타아크릴레이트, 2-하이드록시에틸 메타아크릴레이트, n-프로필 메타아크릴레이트, n-부틸 메타아크릴레이트, i-프로필 메타아크릴레이트, i-부틸 메타아크릴레이트, n-아밀 메타아크릴레이트, n-헥실 메타아크릴레이트, i-아밀 메타아크릴레이트, s-부틸-메타아크릴레이트, t-부틸 메타아크릴레이트, 2-에틸부틸 메타아크릴레이트, 베틸시클로헥실 메타아크릴레이트, 신나밀 메타아크릴레이트, 크로틸 메타아크릴레이트, 사이클로헥실 메타아크릴레이트, 사이클로펜틸 메타아크릴레이트, 2-에톡시에틸 메타아크릴레이트, 이소보르닐 메타아크릴레이트 등뿐만 아니라 이들의 조합물도 포함할 수 있다.
통상적으로, α-올레핀/(메트)아크릴산 공중합체는 금속 이온으로 적어도 부분적으로 중화되어, 이오노머를 형성한다. 예를 들어, 적절한 금속 이온으로는 알칼리 금속(예를 들어, 리튬, 나트륨, 칼륨 등), 알칼리 토금속(예를 들어, 칼슘, 마그네슘 등), 전이 금속(예를 들어, 망간, 아연 등) 등 및 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 금속 이온은, 예컨대 금속 포름산염, 아세트산염, 질산염, 탄산염, 탄산수소염, 산화물, 수산화물, 알콕시화물 등과 같은 이온성 화합물에 의해 제공될 수 있다.
전술한 것과 같은 가요성 패키지외에도, 다른 하우징 구조가 사용될 수 있다. 예를 들어, 하우징은 예컨대 탄탈륨, 니오븀, 알루미늄, 니켈, 하프늄, 티타늄, 구리, 은, 강(예를 들어, 스테인리스 강), 이들의 합금, 이들의 조성물(예를 들어, 전기 전도성 산화물로 코팅된 금속) 등으로부터 형성된 것과 같은, 금속 용기("캔")을 포함할 수 있다. 본 발명에 사용하기에는 알루미늄이 특히 적절하다. 금속 용기는 예컨대 원통형, D-자형 등과 같이, 여러 가지 다양한 형상 중 임의의 형상을 가질 수 있다. 원통 형상이 특히 적절하다.
일반적으로, 울트라커패시터는 우수한 전기적 특성을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 울트라커패시터는, 인가전압 없이 23℃의 온도에서 120Hz의 주파수로 측정할 때, 입방 센티미터당 약 6패럿("F/cm3") 이상, 일부 실시예에서는 약 8F/cm3 이상, 일부 실시예에서는 약 9 내지 100F/cm3, 일부 실시예에서는 약 10 내지 80F/cm3의 용량을 나타낼 수 있다. 또한, 울트라커패시터는 낮은 등가 직렬 저항("ESR")을 가질 수 있으며, ESR 값은 예컨대, 인가전압 없이 23℃의 온도에서 100kHz의 주파수에서 결정될 때, 약 150mΩ 이하, 일부 실시예에서는 약 125mΩ 이하, 일부 실시예에서는 약 0.01 내지 약 100mΩ, 그리고 일부 실시예에서는 약 0.05 내지 약 70mΩ일 수 있다.
특히, 울트라커패시터는 고온에 노출되었을 때에도 우수한 전기적 특성을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 울트라커패시터는 온도가 약 80℃이상, 일부 실시예에서는 약 100℃ 내지 약 150℃, 그리고 일부 실시예에서는 약 105℃ 내지 약 130℃(예를 들어, 85℃ 또는 105℃)인 분위기(atmosphere)와 접촉하도록 배치될 수 있다. 이러한 온도에서, 예컨대 약 100시간 이상, 일부 실시예에서는 약 300시간 내지 약 5000시간, 그리고 일부 실시예에서는 약 600시간 내지 약 4500시간(예를 들어, 168시간, 336시간, 504시간, 672시간, 840시간, 1008시간, 1512시간, 2040시간, 3024시간 또는 4032시간)과 같이, 상당히 긴 시간동안 용량 및 ESR 값이 안정적으로 유지될 수 있다.
예를 들어, 일 실시예에서, 처음으로 고온 분위기(예를 들어, 85℃ 또는 105℃)에 노출되었을 때의 울트라커패시터의 용량 값에 대한, 1008시간 동안 고온 분위기에 노출되고난 이후의 울트라커패시터의 용량 값의 비율은 약 0.75 이상, 일부 실시예에서는 약 0.8 내지 1.0, 그리고 일부 실시예에서는 약 0.85 내지 1.0이다. 이렇게 높은 용량 값은 다양한 극한의 조건에서도, 예컨대 전압을 인가했을 때 및/또는 습한 분위기에서도 유지될 수 있다. 예를 들어, 전압이 인가되기 전에 고온 분위기(예를 들어, 85℃ 또는 105℃)에 노출될 때의 울트라커패시터의 초기 용량 값에 대한, 고온 분위기에 노출되고 난 이후에 전압이 인가된 울트라커패시터의 용량 값의 비율은 약 0.60 이상, 일부 실시예에서는 약 0.65 내지 1.0, 그리고 일부 실시예에서는 약 0.7 내지 1.0일 수 있다. 예를 들어, 전압은 1V 이상, 일부 실시예에서는 약 1.5V 이상, 그리고 일부 실시예에서는 약 2 내지 10V(예를 들어, 2.1V)일 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전술한 비율은 1008시간보다 긴 시간동안 유지될 수 있다. 울트라커패시터는, 높은 습도 수준에 노출되었을 때, 예컨대 상대 습도가 약 40% 이상, 일부 실시예에서는 약 45% 이상, 일부 실시예에서는 약 50% 이상, 그리고 일부 실시예에서는 약 70% 이상(예를 들어, 약 85% 내지 100%)인 분위기와 접촉하도록 배치되었을 때에도, 전술한 용량 값을 유지할 수 있다. 예를 들어, 상대 습도는 ASTM E337-02, 방법A(2007)에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 높은 습도(예를 들어, 85%)에 노출되기 이전에 고온 분위기(예를 들어, 85℃ 또는 105℃)에 노출되었을 때의 울트라커패시터의 초기 용량 값에 대한, 고온의 분위기 및 높은 습도에 노출되고 난 이후의 울트라커패시터의 용량 값의 비율은 약 0.7 이상, 일부 실시예에서는 약 0.75 내지 1.0, 그리고 일부 실시예에서는 약 0.80 내지 1.0일 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 이 비율은 1008시간보다 긴 시간동안 유지될 수 있다.
ESR도 이러한 온도에서 예컨대 전술된 것과 같이 충분한 시간 동안 안정적으로 유지될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 고온 분위기(예를 들어, 85℃ 또는 105℃)에 처음으로 노출되었을 때의 울트라커패시터의 ESR에 대한, 1008시간 동안 고온 분위기에 노출되고 난 이후의 울트라커패시터의 ESR의 비율은 약 1.5 이하, 일부 실시예에서는 약 1.2 이하, 그리고 일부 실시예에서는 약 0.2 내지 약 1일 수 있다. 특히, 전술한 것과 같은 다양한 극한의 조건, 예컨대 고압이 인가되었을 때 및/또는 습한 분위기에서도 이러한 낮은 ESR 값이 유지될 수 있다. 예를 들어, 전압이 인가되기 전에 고온 분위기(예를 들어, 85℃ 또는 105℃)에 노출되었을 때의 울트라커패시터의 초기 ESR 값에 대한, 고온 분위기에 노출되고 전압이 인가되고 난 이후의 울트라커패시터의 ESR 값의 비율은 약 1.8 이하, 일부 실시예에서는 약 1.7 이하, 그리고 일부 실시예에서는 약 0.2 내지 약 1.6일 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전술한 비율은 1008시간보다 긴 시간동안 유지될 수 있다. 울트라커패시터는 높은 습도 수준에 노출되었을 때에도 전술된 ESR 값을 유지할 수 있다. 예를 들어, 고습(예를 들어, 85%)에 노출되기 전에 고온 분위기(예를 들어, 85℃ 또는 105℃)에 노출되었을 때의 울트라커패시터의 초기 용량 값에 대한, 고온 분위기와 고습에 노출되고 난 이후의 울트라커패시터의 ESR의 비율은 약 1.5 이하, 일부 실시예에서는 약 1.4 이하, 그리고 일부 실시예에서는 약 0.2 내지 1.2일 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 이러한 비율은 1008시간보다 긴 시간 동안 유지될 수 있다.
본 발명은 다음의 예시를 참조하면 보다 잘 이해될 수 있다.
테스트 방법
등가 직렬 저항(ESR)
등가 직렬 저항은 Keithley 3330 Precision LCZ 미터를 사용하여, DC 바이어스 0.0V, 1.1V, 또는 2.1V(피크 투 피크 값이 0.5V인 사인파 신호)로 측정될 수 있다. 동작 주파수는 1kHz이다. 여러 온도 및 상대 습도 수준이 테스트될 수 있다. 예를 들어, 온도는 23℃, 85℃ 또는 105℃일 수 있고, 상대 습도는 25% 또는 85%일 수 있다.
용량
용량은 Keithley 3330 Precision LCZ 미터를 사용하여 DC바이어스 0.0V, 1.1V 또는 2.1V(피크 투 피크 값이 0.5V인 사인파 신호)로 측정될 수 있다. 동작 주파수는 120Hz이다. 여러 온도 및 상대 습도 수준이 테스트될 수 있다. 예를 들어, 온도는 23℃, 85℃ 또는 105℃일 수 있고, 상대 습도는 25% 또는 85%일 수 있다.
예시
본 발명에 따른 전기화학 셀을 형성할 수 있다는 것이 입증되었다. 먼저, 알루미늄 카바이드 위스커를 포함하는 두 알루미늄 집전체(두께는 12 내지 50㎛임)의 각 측이, 10 내지 40wt%의 활성 탄소 입자, 2 내지 10wt%의 스티렌-부타디엔 공중합체, 그리고 5 내지 40wt%의 나트륨 카르복시메틸셀룰로오스의 혼합물로 코팅되었다. 활성 탄소 입자들은 D50 입도가 약 5 내지 20㎛이고, BET 표면적이 약 1300 내지 2200m2/g이었다. 활성 탄소 입자들은 크기가 2㎚ 미만인 기공을 10vol% 미만의 양으로, 크기가 2 내지 50㎚인 기공을 약 40 내지 70vol%의 양으로, 그리고 크기가 50㎚보다 큰 기공을 약 20 내지 50vol%의 양으로 포함하였다. 각각의 생성된 코팅의 두께는 약 12 내지 200㎛이었다. 이어서, 전극이 캘린더 가공되고, 진공상태에서 70℃ 내지 150℃의 온도로 건조되었다. 전극이 형성되고 나면, 두 전극이 전해질과 분리막(두께가 25㎛인 셀룰로오스 재료)과 함께 조립되었다. 전해질은 프로필렌 카보네이트에 1.05 내지 2.5M의 농도로, 5-아조니아스피로[4,4]-노난테트라플루오로보레이트를 함유한다. 생성된 스트립이 개별적인 전극으로 절단되고, 사이에 분리막을 두고 교대로 전극을 적층함으로써 조립된다. 전극 스택이 완성되면, 모든 전극 단자가 단일의 알루미늄 단자로 용접된다. 이어서, 이 조립체를 플라스틱/알루미늄/플라스틱 적층형 패키징 재료내에 집어넣고, 에지들 중 하나만을 제외하고 모두 가열 밀봉하였다. 그 다음, 개방된 에지를 통해 패키지 내로 전해질이 주입되었다. 이어서, 전해질이 채워진 패키지는 진공상태에 놓여지고, 마지막 에지가 가열 밀봉되어, 마무리된 패키지를 완성하였다. 결과적인 셀이 형성되어, ESR, 용량 및 부피 효율에 대해 테스트하였다. 결과는 이하의 표 1 내지 표 6에 기재되어 있다.
0.0V 바이어스에서의 24개 샘플의 평균 ESR(mΩ)
시간(시간) 0 168 336 504 672 840 1008 1512 2040 3024 4032
85℃ 65 61 59 62 64 63 64 64 62 62 64
105℃ 62 54 52 57 60 60 60 58 58 57 58
0.0V 바이어스에서의 24개 샘플의 평균 용량
시간(시간) 0 168 336 504 672 840 1008 1512 2040 3024 4032
85℃ F 2.1 2.0 2.0 2.0 1.9 1.9 1.9 2.0 2.0 2.0 1.9
85℃ F/cm3 10.3 10.1 9.8 9.7 9.7 9.7 9.7 9.7 9.7 9.7 9.6
105℃ F 2.0 2.0 1.9 1.9 1.9 1.9 1.9 1.9 1.9 1.9 1.8
105℃ F/cm3 9.9 9.9 9.7 9.6 9.5 9.4 9.4 9.4 9.3 9.2 9.0
0.0V 바이어스에서의 16개 샘플의 평균 ESR(mΩ)
시간(시간) 0 168 336 504 672 840 1008
85℃, 상대습도 85% 121 133 144 152 166 177 187
0.0V 바이어스에서의 16개 샘플의 평균 용량
시간(시간) 0 168 336 504 672 840 1008
85℃, 상대 습도 85% F 1.5 1.2 1.1 1.2 1.1 1.1 1.1
85℃, 상대 습도 85% F/cm3 7.7 5.7 5.7 6.0 5.5 5.6 5.5
2.1V 바이어스에서의 10개 샘플의 평균 ESR(mΩ)
시간(시간) 0 168 336 504 672 840 1008
85℃ 146 163 167 169 171 173 175
2.1V 바이어스에서의 16개 샘플의 평균 용량
시간(시간) 0 504 1008
85℃, 상대습도 85% F 2.0 1.8 1.7
85℃, 상대습도 85% F/cm3 10.1 9.2 8.7
본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고, 볼 발명의 이들 또는 다른 수정 및 변형이 통상의 기술자에 의해 수행될 수 있다. 또한, 다양한 실시예의 양태들이 전체적으로 또는 부분적으로 상호 교환될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 통상의 기술자는 전술한 설명이 단지 예시를 위한 것이고, 첨부되는 청구항에 추가적으로 기재되는 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아님을 이해할 것이다.

Claims (1)

  1. 울트라커패시터에 구동 전압을 제공하기 위한 회로로서,
    상기 회로는,
    전원 전압을 제공하도록 구성되는 전력원;
    제1 전극, 제2 전극, 제1 전극 및 제2 전극 사이에 위치되는 분리막, 제1 전극 및 제2 전극과 이온 접촉하는 비수 전해질, 그리고 제1 전극, 제2 전극, 분리막 및 전해질을 내부에 유지하는 하우징을 포함하는, 울트라커패시터;
    온도 감지 장치;
    전원 전압을 수신하여 울트라커패시터에 구동 전압을 공급하도록 구성되는 전력 변환기; 및
    울트라커패시터와 관련된 온도를 나타내는 하나 이상의 신호를 온도 감지 장치로부터 수신하고, 울트라커패시터와 관련된 온도를 나타내는 하나 이상의 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 전력 변환기의 작동을 제어하도록 구성되는, 하나 이상의 제어 회로;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 울트라커패시터에 구동 전압을 제공하기 위한 회로.
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