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KR20180101286A - 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 - Google Patents

분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 Download PDF

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KR20180101286A
KR20180101286A KR1020180088800A KR20180088800A KR20180101286A KR 20180101286 A KR20180101286 A KR 20180101286A KR 1020180088800 A KR1020180088800 A KR 1020180088800A KR 20180088800 A KR20180088800 A KR 20180088800A KR 20180101286 A KR20180101286 A KR 20180101286A
Authority
KR
South Korea
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electric double
layer capacitor
electrode
double layer
separator
Prior art date
Application number
KR1020180088800A
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KR101956267B1 (ko
Inventor
정윤철
Original Assignee
에스에프에너지텍 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Abstract

본 발명은 분리막이 없이 분리체 구비 전극을 이용하여 전기 이중층 커패시터 기본 셀의 전도성을 개선하여 전기에너지 저장 및 출력 성능이 우수한 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 기본 셀에 관한 것이다. 또한 다수의 전극 쌍을 동일한 극성의 집전판이 접속되도록 적층하고 같은 극성이 접속된 다수의 적층 전극 쌍의 집전판을 서로 연결하여 전기 이중층 커패시터 셀의 전기에너지 저장 밀도 및 출력 성능이 개선되는 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀에 관한 것이다. 그리고 다수의 전기 이중층 커패시터 셀이 외부의 별도회로기판 없이 직렬 연결하여 접촉저항 증가에 의한 특성왜곡을 줄여 별도의 보정회로 필요성을 현저히 줄이는 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀을 직렬 연결한 에너지 저장 장치에 관한 것이다.
본 발명의 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 기본 셀은 집전판; 상기 집전판에 일정 문양의 연속된 패턴으로 볼록하게 돌출되어 집전판의 길이 및 폭 방향으로 반복된 패턴이 형성된 철조(凸彫) 형상 또는 집전판 길이 방향으로 연속되는 패턴으로 볼록하게 돌출되고 집전판의 폭 방향으로 반복된 패턴이 형성되는 분리체를 포함하는 전극을 이용하여 전기 이중층 커패시터 기본 셀을 구성한 것일 수 있다. 본 발명에 따른 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 기본 셀은 대향 전극 사이의 간격을 줄여 종래 전기 이중층 커패시터 기본 셀과 비교하여 전도성이 개선되어 전기에너지 저장 및 출력 성능이 뛰어난 효과가 있다. 본 발명의 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀은 다수의 상기 본 발명의 분리체 구비 전극 이중층 커패시터 기본 셀의 전극 쌍이 동일한 극성끼리 인접하여 접촉되어 연결되도록 교호(交互)하여 적층 배치하여 종래 적층되는 전극 쌍과 전극 쌍 사이에 분리막을 사용하여 적층한 전기 이중층 커패시터 셀과 비교하여 적층되는 전극 쌍이 증가하여 상기 전도성 개선에 따른 전기 에너지 저장 및 출력 성능 개선과 함께 전기에너지 저장밀도 개선 효과가 있다. 또한 다수의 분리막이 필요 없어 이에 따른 품질문제 개선과 제조원가 절감 효과가 있다. 그리고 본 발명에 따른 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀이 직렬 연결된 에너지 저장 장치는 에너지 저장 장치 용기 내에 다수의 본 발명의 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀의 끝단 음극집전판 전면과 인접하여 직렬 연결되는 다른 본 발명의 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀의 시작단 양극집전판의 전면을 연결하여 에너지 저장 장치 용기 내에서 직렬 연결되도록 구성되어 종래 별도의 외부 회로기판을 사용하여 다수의 전기 이중층 커패시터 셀을 직렬 연결한 에너지 저장장치와 비교하여 외부 회로기판 연결에 따른 접속저항 증가에 의한 특성왜곡을 현저히 줄여 별도의 보정회로 필요성을 현저히 줄이고 외부 회로기판 사용에 따른 내구성 한계를 개선할 수 있다. 또한 외부 회로 보호를 위해 별도로 필요했던 기구물이 필요 없어 제조원가 절감과 내구성 개선에 탁월한 효과가 있다.

Description

분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 {electric double layer capacitor with separating objects included electrodes}
본 발명은 전기 에너지 저장 장치, 특히 전기 이중층 커패시터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분리체를 구비한 전극을 이용하여 분리막 없이 전기 이중층 커패시터 내부의 양극전극과 음극전극이 물리적으로 분리되어 전기적으로 접촉되는 것을 방지하면서도 양극전극과 음극전극이 근접하여 바로 대향하도록 배치하여 전해질의 양이온과 음이온 이동에 방해되는 경계면 없이 이온적으로 연결하도록 구성하여 전도도를 개선하여 에너지 저장 및 출력 특성이 향상되는 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터에 관한 것이다.
일반적으로, 전기 이중층 커패시터(electric double layer capacitor)는 커패시터 용기(capacitor container) 내부에 집전판(current collector plate)역할을 하는 전도체 기판에 큰 전기에너지 저장 용량을 얻기 위해 단위 표면적이 큰 활성탄소(activated carbon)등으로 전극층(electrode layer)을 형성한 두 개의 전도체 집전판을 각각 형성된 전극층이 대면하도록 배치하고 두 전극을 물리적으로 분리하여 전기적으로 절연하는 절연체이면서 내부의 미세한 다공성 통로를 가진 다공성 분리막(separator)을 두 전극 층 사이에 배치하여 구성하고 전해질을 커패시터 용기에 채워 해리된 양이온과 음이온이 분리막의 다공성 통로를 통해 이동하여 두 전극을 연결하도록 하고 커패시터 용기 뚜껑(capacitor container cap)으로 밀봉하여 구성하면 전기 이중층 커패시터 기본 셀로서 동작 된다.
도 1은 종래의 전기 이중층 커패시터 기본 셀을 개략적으로 도시한 구조도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 전기 이중층 커패시터 기본 셀(100)은 커패시터 용기(110)에 일면이 단위 표면적이 큰 활성탄소등으로 양극전극층(positive electrode layer)(122)이 형성된 양극집전판(positive current collector plate)(126)과 동일한 방법으로 일면이 활성탄소등으로 음극전극층(negative electrode layer)(124)이 형성된 음극집전판(negative current collector plate)(128)을 양극전극층(122)과 음극전극층(124) 두 전극층 면이 서로 대면하도록 배치하고 양극전극층(122)과 음극전극층(124)사이에 다공성의 분리막(separator)(140)을 배치하여 양극전극층(122)과 음극전극층(124)이 분리되어 전기적으로 절연되고 전해질(electrolyte)(160)을 커패시터 용기(110)에 채워 해리되는 양이온과 음이온이 분리막(140)의 다공성 통로를 이동하여 연결되도록 구성한다. 커패시터 용기(110)에 전해질(160)이 채워지면 양극전극층(122)과 음극전극층(124)의 활성전극 표면 경계면에 전해질(160) 용매분자가 흡착되고 흡착된 전해질(160) 용매분자를 사이에 두고 양극전극층(122)에는 양극전극층(122)의 양전하와 전해질(160) 음이온, 음극전극층(124)에는 음극전극층(124)의 음전하(전자)와 전해질(160) 양이온이 각각 대향하여 배열 축적되는 전해질(160) 용매분자 두께(수 옹스트롱,0.3nm~0.8nm)의 헬름홀츠층(Helmholtz layer)이 양극전극층(122)과 음극전극층(124) 표면 경계면에 각각 형성되어 이중층이 형성되며 외부부하(미도시) 또는 충전기(미도시) 연결을 위해 커패시터 용기 뚜껑(112)을 통해 양극집전판(126)과 음극집전판(128)에 각각 양극전기리드(positive electrical lead)(172), 음극전기리드(negative electrical lead)(174)를 연결하여 구성된다. 이러한 종래 전기 이중층 커패시터 기본 셀(100)의 양극전기리드(172)와 음극전기리드(174) 양단에 충전기가 연결되어 음극전극층(124)에 음전하(전자)가 인가되면 음극전극층(124)과 전해질(160) 표면 경계면에 형성된 헬름홀츠층에 접한 전해질(160)에 임의 분포된 양이온이 전해질(160) 용매와 분리막(140)의 다공성 통로로 이동하여 인가되는 음전하(전자)에 비례하여 헬름홀츠층을 사이에 두고 대향하여 배열 축적되고 동시에 양극전극층(122)에는 음극전극층(124)에 측적되는 전자에 비례한 양전하가 축적되어 양극전극층(122)과 전해질(160) 표면 경계면에 형성된 헬름홀츠층에 음이온이 이동하여 헬름홀츠층을 사이에 두고 대향하여 배열 축적되는 과정으로 전기에너지가 저장하여 충전되고 부하에 연결되면 양극전극층(122)와 음극전극층(124) 각각의 헬름홀츠층에 배열 축적된 전기에너지의 전위차에 의해 음극전극층(124)에 축적된 음전하(전자)가 부하를 통해 일을 하고 양극전극층(122)의 양전하와 결합 소멸되면서 양극전극층(122)과 음극전극층(124) 표면경계의 헬름홀츠이중층에 대전 구속되어 물리적으로 배열 축적되어 있던 양이온과 음이온은 헬름홀츠이중층에서 분리되어 임의 분포되는 과정을 통해 전기에너지를 방전한다.
그러나 종래의 전기 이중층 커패시터 기본 셀(100)은 양극전극층(122)과 음극전극층(124) 사이에 배치되어 두 전극의 직접적인 접촉을 방지하고 다공성 기공을 통해 이온이 통과하는 분리막(140)은 일반적인 다공성 지표기준 기공율 30~50%내지 20~50㎛ 두께로 전하를 직접적으로 축적하는 용매 분자 두께(수 옹스트롱, 0.3~0.8nm)의 헬름홀츠층에 비해 수십만 배 두꺼운 층으로 양이온과 음이온의 이동을 가능하게 함과 동시에 저항으로 작용 전기 이중층 커패시터 기본 셀(100)의 전도도(conductivity) 저하를 유발한다. 더욱이 절연 특성 저하를 유발할 수 있는 기공율을 개선하거나 제조공정 상의 용이성을 높이기 위해 분리막(140)의 두께를 증가 시킬 경우 양극전극층(122)와 음극전극층(124)에 각각 형성된 헬름홀츠이중층간 이온 이동거리는 분리막(140) 두께 증가에 비례하여 증가되고 전기 이중층 커패시터 기본 셀(100)의 전도도를 더욱 저하하여 전기 이중층 커패시터 기본 셀(100)의 에너지 저장 효율 및 출력특성 저하를 유발하는 단점이 있다.
도 2 및 도 3은 종래 전기 이중층 커패시터 셀을 개략적으로 도시한 구조도와 전극 적층 모식도이다.
도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 종래 전기 이중층 커패시터 셀(200)은 전기에너지 저장 용량을 높이기 위해 상기 전기 이중층 커패시터 기본 셀(100)의 전극 쌍(electrode pair)을 적층하고 각 전극 쌍 사이에는 분리막(140)을 배치하여 각 전극 쌍의 양극전기리드(172)와 음극전기리드(174)를 양극커넥터(positive connector)(210)와 음극커넥터(negative connector)(220)로 연결하거나 각 전극 쌍의 양극전기리드(172)와 음극전기리드(174)를 직접 접속하여 병렬연결 되도록 구성한다. 전기 이중층 커패시터 기본 셀(100)의 전극 쌍은 커패시터 특성에 따라 전극 면적이 증가하면 커패시터 용량이 증가하며 전기 이중층 커패시터 셀(200)은 적층된 각 전극 쌍이 병렬 연결되어 전극 면적이 증가되어 전기 에너지 저장 용량이 확장된다.
그런데, 전기에너지 저장 용량 확장을 위해 적층되는 전기 이중층 커패시터 기본 셀(100)의 전극 쌍 간에 분리막(140)을 배치하여 면적당 용량확대에 한계를 가지는 단점이 있다.
도 4는 다수의 종래 이중층 커패시터 셀이 직렬 연결된 에너지 저장장치를 개략적으로 도시한 구조도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 다수의 종래 이중층 커패시터 셀(200)이 직렬 연결된 에너지 저장장치(400)는 직렬 연결되는 전기 이중층 커패시터 셀(200)이 사용되는 전해질(160)에 따라 수용성 전해질과 유기성 전해질로 구분되며 수용성 전해질을 사용한 경우 1V~1.5V의 셀 전압을 가지고 유기성 전해질을 사용한 경우 2V~3V의 셀 전압을 가지고 있어 일반적으로 고전압이 필요한 에너지 저장 장치에 사용하기 위해서는 다수의 전기 이중층 커패시터 셀(200)을 직렬 연결하여 사용전압을 부하에 적합한 고전압으로 구성하여 사용한다. 다수의 전기 이중층 커패시터 셀(200)이 직렬연결 되도록 에너지 저장 장치 양극단자(energy storage pack positive terminal)(420), 에너지 저장 장치 음극단자(energy storage pack negative terminal)(440), 개별 전기 이중층 커패시터 셀을 부착하기 위한 양극전선 납땜구(positive electrical lead solder hole)(412), 음극전선 납땜구(negative electrical lead solder hole)(414) 및 연결금속판(connection metal plate)(416)이 구성된 별도의 회로기판(printed circuit board)(410)을 사용하여 각각의 전기 이중층 커패시터 셀 양극 리드(double layer capacitor positive lead)(250)와 전기 이중층 커패시터 셀 음극 리드(double layer capacitor negative lead)(260)를 연결하여 구성된다.
전압을 높이기 위해 외부에 별도 구성된 회로기판(410)에 전기 이중층 커패시터 셀 양극 리드(250)와 전기 이중층 커패시터 셀 음극 리드(260)를 사용하여 연결함으로서 분리막(140)에 의한 각각의 전기 이중층 커패시터 셀(200)의 내부 저항에 부가하여 전기 이중층 커패시터 셀 양극 리드(250) 및 전기 이중층 커패시터 셀 음극 리드(260)의 접촉 저항성분, 외부 회로기판(410)을 사용한 직렬연결로 양극전선 납땜구(412), 음극전선 납땜구(414)의 접속저항 및 연결금속판(416)에 의한 저항성분 증가로 전기 이중층 커패시터 셀(200)의 전체 접속저항이 크게 증가하게 되어 다수의 전기 이중층 커패시터 셀(200)을 직렬 연결하여 높은 전압을 사용하는 경우 제조공정에 따른 전기 이중층 커패시터 셀(200) 간의 커패시터 용량성분과 저항성분의 특성편차에 직렬연결에 의해 증가한 접속저항에 비례한 시정수 증가에 따라 전기 이중층 커패시터 셀(200)의 충전 특성 편차가 심화될 수 있고 결과적으로 다수의 전기 이중층 커패시터 셀(200)이 직렬 연결된 에너지 저장 장치(400)에 짧은 시간에 충전이 완료되는 셀과 충전 완료에 긴 시간이 소요되는 셀의 충전 편차 현상이 유발될 수 있다.
이러한 충전 편차 심화현상이 유발될 수 있는 다수의 전기 이중층 커패시터 셀(200)이 직렬 연결된 에너지 저장 장치(400)의 전체 셀을 계속해서 충전할 경우 먼저 충전이 완료되는 전기 이중층 커패시터 셀(200)은 충전완료에 따라 셀의 저항이 추가적으로 증가되어 다수의 전기 이중층 커패시터 셀(200)이 직렬 연결된 에너지 저장 장치(400)의 양극단자(420)와 음극단자(440)에 인가된 고전압이 직렬 연결된 다수의 셀에 균등하게 분할되어 인가되지 않고 완전 충전에 의해 저항이 증가되는 전기 이중층 커패시터 셀(200)에 높은 전압이 집중되는 현상이 유발되어 전기 이중층 커패시터 셀(200) 내부에 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene) 또는 폴리아미드(polyamide)등의 재질인 다공성 분리막(140)의 절연파괴가 발생할 수 있어 다수의 전기 이중층 커패시터 셀(200)이 직렬 연결된 에너지 저장 장치(400)의 동작기능을 상실되는 경우가 있기 때문에 외부의 회로기판(410)에는 전기 이중층 커패시터 셀(200)별로 접속저항 증가에 따른 특성편차를 보정하기 위한 평활회로(balancing circuit)를 적용해야 하는 단점이 있으며 추가된 평활회로는 다수 셀의 충전편차를 보정하는 과정에 충전된 전기에너지를 소모하며 충전시간을 지연시켜 다수의 전기 이중층 커패시터 셀(200)이 직렬 연결된 에너지 저장 장치(400)의 효율, 수명 및 특성이 평활회로 기능에 의해 추가적으로 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 분리체 구비 전극을 제공하여 분리막 없이 분리체 구비 전극으로 구성된 전기 이중층 커패시터 기본 셀을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 다수의 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 기본 셀 전극 쌍이 적층되어 병렬 연결되는 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀에 있어서 분리체 구비 양극전극층이 형성된 양극집전판과 분리체 구비 음극전극층이 형성된 음극집전판이 대향된 전극 쌍의 음극집전판과 적층되는 다른 전극 쌍의 음극집전판이 접속되도록 반대방향으로 적층하고 상기의 다른 전극 쌍의 양극집전판과 인접하여 추가 적층되는 또 다른 전극 쌍의 양극집전판과 인접하여 동일한 극성끼리 접촉되도록 다시 반대방향으로 교호(交互)하여 적층하는 방법을 제공하여 적층되는 상기 전극 쌍과 상기 다른 전극 쌍 및 상기 또 다른 전극 쌍 사이에 절연을 위한 분리막 없이 다수의 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀이 적층되는 것을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 다수의 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀이 직렬 연결되어 구성되는 에너지저장장치에 있어서 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀의 끝단 음극 집전판 전면과 인접하여 연결되는 다른 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀의 시작단 양극 집전판 전면이 적층되어 직렬 연결되도록 하고 상기 다른 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀의 끝단 음극 집전판 전면에 인접하여 연결되는 또 다른 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀의 시작단 양극 집전판 전면이 적층되어 직렬 연결하는 방법과 직렬 연결되는 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀의 전면 접촉면의 가장자리 둘레에 셀틀(cell sill)이 구비되는 용기를 제공하여 외부의 별도 직렬연결 회로기판 없이 다수의 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀을 직렬 연결한 에너지 저장 장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 기본 셀은 커패시터 용기; 상기 커패시터 용기 내에 양극 집전판; 상기 양극 집전판 일면에 일정 문양의 연속된 패턴으로 볼록하게 돌출되어 상기 양극 집전판의 길이 및 폭 방향으로 반복된 패턴이 형성된 철조(凸彫)형상의 높이가 더 높은 절연체 재질의 분리체를 구비한 양극전극층;과 음극 집전판; 상기 음극 집전판 일면에 일정 문양의 연속된 패턴으로 볼록하게 돌출되어 상기 음극 집전판의 길이 및 폭 방향으로 반복된 패턴이 형성된 철조(凸彫) 형상의 높이가 더 높은 절연체 재질의 분리체를 구비한 음극전측층;이 서로 대향하는 전극 쌍으로 배치되고 상기 양극전극층과 상기 음극전극층에 각각 더 높게 구비된 절연 분리체의 상부 끝단이 서로 맞닿아 상기 양극전극층과 상기 음극전극층이 물리적으로 분리되어 전기적으로 접촉되는 것을 방지하도록 구성하고 상기 커패시터 용기에 전해질을 채워 상기 양극전극층과 상기 음극전측층이 전해질의 양이온과 음이온 이동에 의해서는 연결되도록 구성한 것을 특징으로 한다.
상기 절연체 재질의 분리체는 원형 또는 다각형의 형태로 전극층보다 높게 돌출된 것이며, 전극층보다 높게 돌출된 절연체 재질의 분리체의 크기와 간격을 영역별로 달리하여 다양한 크기와 간격을 갖는 분리체가 전극층보다 높게 돌출되도록 구현 된 것이다.
상기와 같은 다른 목적을 달성하기 위하여 다수의 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀 전극 쌍이 적층되어 병렬 연결되는 본 발명의 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀은 커패시터 용기; 상기 커패시터 용기 내에 분리체 구비 양극전극층이 형성된 양극집전판과 분리체 구비 음극전극층이 형성된 음극집전판이 대향된 전극 쌍의 음극집전판과 인접하여 적층되는 다른 전극 쌍의 음극집전판이 접속되도록 다른 전극 쌍을 반대방향으로 적층하고 상기의 다른 전극 쌍의 양극집전판과 인접하여 적층되는 또 다른 전극 쌍의 양극집전판이 인접하여 동일한 극성끼리 접촉되도록 또 다른 전극 쌍을 다시 반대방향으로 교호(交互)하여 적층하는 방법으로 다수의 상기 본 발명의 분리체 구비 전극 이중층 커패시터 기본 셀 전극 쌍을 적층하여 배치하고 각 전극 쌍의 양극전극리드와 음극전극리드를 연결하여 병렬 연결되도록 구성하고 상기 커패시터 용기를 전해질로 채운 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 또 다른 목적을 달성하기 위하여 다수의 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀이 직렬 연결되는 본 발명의 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀이 직렬 연결된 에너지 저장 장치는 에너지 저장 장치 용기; 상기 에너지 저장 장치 용기 내에 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀의 끝단 음극 집전판 전면과 인접하여 연결되는 다른 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀의 시작단 양극 집전판 전면이 적층되어 직렬 연결되도록 하고 상기 다른 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀의 끝단 음극 집전판 전면에 인접하여 연결되는 또 다른 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀의 시작단 양극 집전판 전면이 적층되어 직렬 연결되도록 구성하여 배치하고 상기 커패시터 용기 내에 직렬 연결되는 본 발명의 분리체 구비 전극 이중층 커패시터 셀의 전면 접촉면의 가장자리 둘레에 셀틀을 구비하여 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀 각각이 구분되도록 한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 기본 셀은 대향하는 양극전극층과 음극전극층이 각각에 더 높게 구비된 절연체 재질의 분리체 끝단이 서로 맞닿아 물리적으로 분리되도록 간극을 형성하여 전기적으로 접촉되는 것을 방지한다. 따라서, 분리체와 전극층 단차를 수 마이크로미터와 같거나 그 이하의 범위로 한정하면 대향되는 두 전극 사이 간극을 수 마이크로 이하로 줄여 상대적으로 전해질의 양이온과 음이온 이동 거리를 줄일 수 있고, 대면되는 양극전극층과 음극전극층 사이에 방해물이 없어 종래의 수십 마이크로 두께의 다공성 분리막을 사용하는 전기 이중층 커패시터 기본 셀과 비교하여 전도성이 크게 향상되어 전기에너지 저장 및 출력 성능이 뛰어난 효과가 있다. 또한, 제조공정이 까다로운 다공성 분리막을 사용하지 않아 분리막 에 의한 내구성 한계를 개선할 수 있고 제조원가를 절감할 수 있다.
본 발명에 따른 다수의 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 기본 셀 전극 쌍이 적층되어 병렬 연결되는 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀은 분리체 구비 전기 이중층 커패시터 기본 셀 전극 쌍의 음극집전판과 적층되는 다른 분리체 구비 전기 이중층 커패시터 기본 셀 전극 쌍의 음극집전판이 접속되도록 반대방향으로 적층하고 상기의 다른 분리체 구비 전극 이중층 커패시터 기본 셀 전극 쌍의 양극집전판과 인접하여 추가 적층되는 또 다른 분리체 구비 전극 이중층 커패시터 기본 셀 전극 쌍의 양극집전판과 인접하여 동일한 극성끼리 접촉되도록 다시 반대방향으로 교호(交互)하여 적층 배치하여 종래 적층되는 전극 쌍과 전극 쌍 사이에 절연 분리막을 사용하여 적층 연결한 전기 이중층 커패시터 셀과 비교하여 단위 면적당 적층되는 전극 쌍이 증가하여 상기 단위 전극 쌍의 전도성 개선에 따른 전기 에너지 저장 및 출력 성능 개선에 전기에너지 저장밀도 추가 개선 효과가 있다. 또한 적층에 필요한 다수의 분리막을 사용하지 않아 분리막에 의한 내구성 한계를 개선할 수 있고 제조원가를 절감 효과가 있다.
본 발명에 따른 다수의 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀이 직렬 연결되어 구성되는 에너지 저장 장치는 에너지 저장 장치 용기 내에 본 발명의 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀을 셀의 끝단 음극집전판 전면과 인접하여 직렬 연결되는 다른 본 발명의 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀의 시작 단인 양극집전판의 전면이 직접 접촉 연결하고 상기 본 발명의 다른 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀의 끝단 음극 집전판 전면에 인접하여 연결되는 또 다른 본 발명의 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀의 시작단 양극 집전판 전면이 적층되어 직렬연결하고 상기 본 발명의 분리체 구비 전기 이중층 커패시터 셀이 직렬 연결되는 접촉면의 가장자리 둘레에 셀 틀(cell sill)을 구비하여 에너지 저장 장치 용기 내에서 직렬 연결되도록 구성되어 종래 별도의 외부 회로기판을 사용하여 다수의 전기 이중층 커패시터 셀을 직렬 연결한 에너지 저장장치와 비교하여 외부 회로기판 연결에 따른 접속저항 증가에 의한 특성왜곡을 현저히 줄여 별도의 보정회로 필요성을 현저히 줄이고 외부 회로기판 사용에 따른 내구성 한계를 개선할 수 있다. 또한 외부 회로 보호를 위해 별도로 필요했던 기구물이 필요 없어 제조원가 절감과 내구성 개선에 효과가 있다.
도 1은 종래의 전기 이중층 커패시터 기본 셀을 개략적으로 도시한 구조도.
도 2는 종래의 전기 이중층 커패시터 셀을 개략적으로 도시한 구조도.
도 3은 종래의 전기 이중층 커패시터 셀의 전극 적층을 개략적으로 도시한 모식도.
도 4는 종래의 다수 전기 이중층 커패시터 셀이 직렬 연결된 에너지 저장 장치를 개략적으로 도시한 모식도.
도 5a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 기본 셀을 개략적으로 도시한 구조도.
도 5b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 분리체 구비 전극 구조의 측면도.
도 5c는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 분리체 구비 전극 구조의 평면도.
도 5d는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 분리체 구비 이중 전극 집전판 구조의 측면도.
도 5e는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 세로줄 분리체 구비 전극 집전판 구조의 측면도.
도 5f는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 세로줄 분리체 구비 전극 집전판 구조의 평면도.
도 5g는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 세로줄 분리체 구비 이중 전극 집전판 구조의 측면도.
도 6a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀을 개략적으로 도시한 구조도.
도 6b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀의 전극 쌍 적층을 개략적으로 도시한 모식도.
도 7a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 분리체 구비 이중 전극 전기 이중층 커패시터 셀을 개략적으로 도시한 구조도.
도 7b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 분리체 구비 이중 전극 전기 이중층 커패시터 셀의 전극 쌍 적층을 개략적으로 도시한 모식도.
도 8a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다수의 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀이 직렬 연결된 에너지 저장 장치의 개략적인 구조도.
도 8b는 다수의 본 발명의 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀이 직렬 연결된 에너지 저장 장치 용기의 개략적인 내부 구조 측면도.
도 8c는 다수의 본 발명의 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀이 직렬 연결된 에너지 저장 장치 용기를 개략적으로 도시한 모식도.
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다수의 분리체 구비 이중 전극 전기 이중층 커패시터 셀이 직렬 연결된 에너지 저장 장치의 개략적인 구조도.
세로줄 분리체(541)로 구성되어 있다.
상기한 본 발명의 제 3 실시예에 따른 세로줄 분리체 구비 집전판(540)을 상기 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 기본 셀(500), 상기 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀(600) 및 상기 다수의 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀(600)이 직렬 연결된 에너지 저장 장치(800)에 분리체 구비전극(520)과 양극집전판(526), 분리체구비전극(520)과 음극집전판(527)을 대체하여 구성할 수 있다.
도 5g는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 세로줄 분리체 구비 이중전극 집전판 구조의 측면도이다.
도 5g를 참조하면, 제 4 실시예에 따른 세로줄 분리체 구비 이중전극 집전판(550)은 집전판(527); 상기 집전판(527)의 양면 각각에 형성되는 전극층(523); 상기 집전판(527) 양면 각각에 상기 집전판(527)의 길이 방향으로 길게 폭 방향으로 일정한 간격을 두고 막대 형상으로 돌출되는 높이가 상기 전극층(523) 보다 더 높은 세로줄 분리체(541)로 구성되어 있다.
상기한 본 발명의 제 4 실시예에 따른 세로줄 분리체 구비 이중전극 집전판(550)을 상기 분리체 구비 이중전극 전기 이중층 커패시터 셀(700) 및 상기 다수의 분리체 구비 이중전극 전기 이중층 커패시터 셀(700)이 직렬 연결된 에너지저장장치(900)에 분리체 구비 이중전극 집전판(530)을 대체하여 구성할 수 있다.
100 : 전기 이중층 커패시터 기본 셀
110, 510 : 커패시터 용기 112 : 커패시터 용기 뚜껑
122, 522 : 양극전극층 124, 524 : 음극전극층
126, 526 : 양극집전판 128, 528 : 음극집전판
140 : 분리막 160, 560 : 전해질
172, 572 : 양극전기리드 174, 574 : 음극전기리드
200 : 전기 이중층 커패시터 셀
210 : 양극커넥터 220 : 음극커넥터
250 : 전기 이중층 커패시터 셀 양극 리드
260 : 전기 이중층 커패시터 셀 음극 리드
400 : 다수의 전기 이중층 커패시터 셀이 직렬 연결된 에너지 저장 장치
410 : 회로기판 412 : 양극전선 납땜구
414 : 음극전선 납땜구 416 : 연결금속판
420 : 에너지 저장 장치 양극단자
440 : 에너지 저장 장치 음극단자
500 : 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 기본 셀
520 : 분리체구비전극 521 : 분리체
530 : 분리체 구비 이중전극 집전판
540 : 세로줄 분리체 구비 전극 집전판
541 : 세로줄 분리체
550 : 세로줄 분리체 구비 이중전극 집전판
600 : 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀
610 : 양극전기리드연결선 620 : 음극전기리드연결선
650 : 전기 이중층 커패시터 셀 양극리드
660 : 전기 이중층 커패시터 셀 음극리드
700 : 분리체 구비 이중전극 전기 이중층 커패시터 셀
800 : 다수의 분리체 구비 전극 전기 이중층 커패시터 셀이 직렬 연결된 에너지저장장치
810 : 에너지저장장치 용기
812 : 에너지저장장치 용기 뚜껑
814 : 셀틀
850 : 분리체 구비 전극 전기이중층 커패시터 에너지저장장치 양극 접속단자
860 : 분리체 구비 전극 전기이중층 커패시터 에너지저장장치 음극 접속단자
900 : 다수의 분리체 구비 이중전극 전기 이중층 커패시터 셀이 직렬 연결된 에너지저장장치

Claims (8)

  1. 적어도 하나 이상의 전기 이중층 커패시터를 직렬 연결한 에너지 저장 장치에 있어서; 전기 이중층 커패시터 끝단 집전판과 다른 전기 이중층 커패시터 시작단의 집전판이 서로 직접 접속되어 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터 직렬연결 에너지 저장 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 집전판 접속면 가장자리 둘레에 전기 이중층 커패시터 셀 틀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터 직렬연결 에너지 저장 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 집전판의 일면에 일정 문양의 연속된 패턴으로 볼록하게 돌출되어 집전판의 길이 및 폭 방향으로 반복된 패턴이 형성된 철조(凸彫) 형상의 분리체를 포함하는 전기 이중층 커패시터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 분리체는 원형 또는 다각형의 형태로 집전판으로부터 돌출되어 형성된 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
  5. 제4항에 있어서, 상기 분리체는 집전판에 형성되는 분리체 철조(凸彫) 형상의 크기와 간격을 영역별로 달리하여 다양한 크기와 간격을 갖는 분리체가 하나의 집전판에 구현되도록 된 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
  6. 제1항에 있어서, 상기 집전판의 양면에 일정 문양의 연속된 패턴으로 볼록하게 양면에 각각 돌출되어 집전판의 길이 및 폭 방향으로 반복된 패턴이 형성된 철조(凸彫) 형상의 분리체를 포함하는 전기 이중층 커패시터.
  7. 제1항에 있어서, 상기 집전판의 일면에 집전판의 길이 방향으로 연속된 패턴으로 볼록하게 돌출되고 폭 방향으로 반복된 패턴이 형성된 형상의 분리체를 포함하는 전기 이중층 커패시터.
  8. 제7항에 있어서, 상기 분리체는 막대형 또는 다각형 형태로 집전판으로부터 돌출되어 형성된 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
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