KR100644528B1 - 적층형 전기 이중층 캐패시터의 제조방법 - Google Patents

Abstract

기본 셀을 간단한 방법에 의해 정밀하게 적층할 수 있는 적층형 전기 이중층 캐패시터의 제조방법이 제공된다.

본 발명에 따른 전기 이중층 캐패시터의 제조방법은 (a) 집전체 필름 상에 복수의 분극전극을 형성하는 단계; (b) 각 분극전극의 주위를 둘러싸는 가스켓을 설치하는 단계; (c) 세퍼레이터를 사이에 두고 상기 (a) 및 (b) 단계를 포함하는 공정에 의해 만들어진 두 개의 중간 생성물을 대향 배치하는 단계; (d) 상기 두 개의 중간 생성물이 일체화될 수 있도록 상기 두 개의 가스켓을 열융착시키는 단계; 및 (e) 일측 집전체가 상호 연결된 복수의 기본 셀 어레이를 형성하도록 인접한 세퍼레이터들 사이를 가로지르는 방향으로 상하 교대로 집전체 필름 및 가스켓을 절단하는 단계를 포함한다.

전기 이중층 캐패시터, 집전체, 세퍼레이터, 가스켓, 분극전극

Description

적층형 전기 이중층 캐패시터의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING STACK TYPE ELECTRIC DOUBLE LAYER CAPACITOR}

도 1a는 종래의 전기 이중층 캐패시터의 기본 셀의 구성을 나타내는 도면이다.

도 1b는 도 1a의 기본 셀이 순차 적층되어 이루어진 종래의 전기 이중층 캐패시터의 구성을 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 적층형 전기 이중층 캐패시터의 제조방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.

본 발명은 전기 이중층 캐패시터의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기본 셀이 적층된 형태의 전기 이중층 캐패시터의 제조방법에 관한 것이다.

일반적인 캐패시터는 대향하는 두 개의 전극 사이에 유전체를 개재함으로써 그 재료가 가지는 유전율에 따라 캐패시터에 축적되는 정전용량이 결정된다. 그러나 전기 이중층 캐패시터는 유전체를 사용하는 다른 캐패시터와는 달리 고체와 액체의 다른 2층이 접한 그 계면에 정(+)과 부(-)의 전하가 매우 짧은 거리를 두고 분포됨으로써 캐패시터를 형성한다.

이 계면에 분포된 층을 '전기 이중층(Electric Double layer)'이라 부르며 이것을 이용한 캐패시터를 전기 이중층 캐패시터로 분류한다.

전기 이중층 캐패시터의 고체에는 표면적이 보다 큰 소재를 사용함으로써 전기 이중층을 많이 형성하여 보다 큰 용량을 얻을 수 있다. 따라서 전기 이중층 캐패시터에는 표면적이 1000㎡/g 이상이나 되는 활성탄 분말이나 활성탄 섬유를, 액체에는 희(希)황산 수용액 등을 각각 사용하여 종래의 캐패시터의 용량영역을 훨씬 초과하는 F(Farad) 단위의 고용량의 캐패시터를 얻을 수 있다.

이러한 전기 이중층 캐패시터는 전해콘덴서와 이차전지의 중간적인 특성을 갖는 에너지저장장치로써 급속충방전이 가능하며 높은 효율, 반영구적인 수명 특성으로 이차전지의 병용 및 대체 가능한 에너지저장장치로 주목을 받고 있다.

또한, 전기 이중층 콘덴서는 전지와는 달리 에너지를 단시간에 입/출력할 수 있어 정류회로, 잡음 감쇠 및 전원용 펄스 발생 등에 이용된다. 또한, 다른 전기화학 콘덴서에 비하여 용량이 비약적으로 증대되어 고출력 펄스 파워 능력과 고용량 에너지저장 능력을 가지므로 전지와 더불어 소형 경량의 전기 화학적 에너지 저장장치, 대 출력 펄스파워 및 피크파워의 부하 평준화용으로의 응용이 추진되고 있다.

뿐만 아니라 여러 가지 에너지 저장장치 중에서 환경 친화적 재료를 사용하고, 긴 수명과 고 충방전 효율 등으로 인하여 친환경적, 경제적 측면에서 전기이중층 콘덴서의 중요성이 더욱 부각되고 있다. 이러한 전기 이중층 콘덴서는 군사용, 우주항공용, 의료용, 전기자동차(HEV) 등의 고부가 장비의 대출력 펄스 파워의 주 전원 및 보조 전원으로 사용될 전망이다.

도 1a는 종래의 전기 이중층 캐패시터의 기본 셀의 구성을 나타내는 도면이며, 도 1b는 도 1a의 기본 셀이 순차 적층되어 이루어진 종래의 전기 이중층 캐패시터의 구성을 나타내는 도면이다.

도 1a를 참조하면, 종래의 전기 이중층 캐패시터는 시트형 다공질의 세퍼레이터(11; separator)와, 세퍼레이터(11)의 표면 및 이면에 상기 세퍼레이터와 두께 방향으로 맞추어 배치되는 한 쌍의 평판형 분극전극(12, 12)과, 이들 분극전극(12, 12)의 세퍼레이터(11)에 대한 반대측에 상기 분극전극(12, 12)과 두께 방향으로 맞추어 배치되는 한 쌍의 시트형 집전체(13, 13)와, 세퍼레이터(11) 및 분극전극(12, 12)의 두께 방향으로 직교하는 방향의 주위에 배치되는 동시에 집전체(13, 13) 사이에 개재된 프레임 형상의 가스켓(14)을 가지며, 내부에 전해액이 함유된 상태로 밀봉되는 기본 셀(10)을 구비하고 있다.

종래의 전기 이중층 캐패시터는 원하는 내전압 및 정전용량을 얻기 위하여 도 1b에 도시된 바와 같이 상술한 구조의 기본 셀(10)을 직렬로 적층하여 구성된다.

도 1b를 참조하면, 종래의 전기 이중층 캐패시터(1)는 하나 이상의 기본 셀(10)로 이루어지는데, 여기에서는 기본 셀(10)을 5층 직렬로 적층시킨 복층 셀(20)을 예로 제시하고 있다.

기본 셀(10)의 두께 방향에서의 양 외측단의 집전체(12, 12)의 외측에 각각 리드 단자를 갖는 전극판(21)이 밀착되고, 이들의 전체는 외장 패키지(22)로 외장되어 있다. 상기 외장 공정은 통상 감압 상태에서 행해진다.

리드 단자 부착 전극판(21)은 구리 표면에 땜납 도금을 실시하여 이루어지는 것으로, 평판형 전극판 본체(24)와, 그 전극판 본체(24)로부터 연장되는 띠 모양의 리드 단자(25)를 가지고 있다. 전극판 본체(24)는 복층 셀(20)의 적층 방향에서의 양단의 집전체(13, 13)와 도전성 접착제 등을 통해 접합된다.

외장 패키지(22)는 알루미늄과 수지를 복합시킨 라미네이트 필름으로 이루어지고 있고, 절연성 수지가 외표면을 구성한다.

그런데 원하는 내전압 이상을 만족시키기 위해 다수의 기본 셀(10)을 그 집전체(13)를 접촉부로 하여 직렬 적층하는 종래의 적층형 전기 이중층 캐패시터의 경우, 기본 셀들을 적층함에 있어서 각 기본 셀 층들 간의 정교할 정렬이 요구된다.

따라서, 간단한 방법으로 정밀하게 기본 셀들을 적층할 수 있는 방법의 개발이 요망된다.

본 발명은 위와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 간편한 방법으로 정밀하게 기본 셀들을 적층할 수 있는 적층형 전기 이중층 캐패시터의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적 달성을 위해, 본 발명에 따른 전기 이중층 캐패시터의 제조방법은, (a) 집전체 필름 상에 복수의 분극전극을 형성하는 단계; (b) 각 분극전극의 주위를 둘러싸는 가스켓을 설치하는 단계; (c) 세퍼레이터를 사이에 두고 상기 (a) 및 (b) 단계를 포함하는 공정에 의해 만들어진 두 개의 중간 생성물을 대향 배치하는 단계; (d) 상기 두 개의 중간 생성물이 일체화될 수 있도록 상기 두 개의 가스켓을 열융착시키는 단계; 및 (e) 일측 집전체가 상호 연결된 복수의 기본 셀 어레이를 형성하도록 인접한 세퍼레이터들 사이를 가로지르는 방향으로 상하 교대로 집전체 필름 및 가스켓을 절단하는 단계를 포함한다.

이때, 본 발명에 따른 전기 이중층 캐패시터의 제조방법은, 상호 연결된 기본 셀들의 집전체의 외측 면이 서로 맞닿도록 상기 기본 셀 어레이를 접는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 전기 이중층 캐패시터의 제조방법은, 상기 (a) 단계 및 (b) 단계의 사이 또는 상기 (b) 단계 및 (c)의 사이에 상기 분극전극에 전해액을 주입하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 전기 이중층 캐패시터의 제조방법에 있어서, 상기 집전체 필름은 탄소 분말을 함유한 도전성 수지 필름으로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 전기 이중층 캐패시터의 제조방법에 있어서, 상기 집전체 필름은 가요성(flexibility)가 있는 수지 필름으로 이루어질 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 적층형 전기 이중층 캐패시터의 제조방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 2a에 도시한 바와 같이, 먼저 집전체 필름(33) 상에 다수의 분극전극(32)을 형성한다.

집전체 필름(33)은 탄소 분말을 함유하는 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 공중합체 수지로 이루어진 도전성 필름인 것이 바람직하다. 또한, 상기 집전체 필름(33)은 가요성(flexibility)이 있는 수지 필름인 것이 바람직하다.

분극전극(32)을 형성하는 방법은, 예를 들면, 집전체 필름(33)의 상부에 마스크(미도시)를 설치하고 상기 마스크에 형성된 개구를 통해 분극전극(32)을 구성하는 물질, 예를 들면 도전재 분말에 바인더 및 용매를 혼합한 슬러리를 분사하여 소정의 패턴을 형성하고, 이를 열풍 등을 이용하여 건조시킨 후, 롤러(미도시)를 이용하여 열압착하는 방법에 의해 형성될 수 있다.

분극전극(32)의 구성 성분 중 바인더는 전극을 구성하는 도전재 분말들 간의 결착력 또는 분극전극(32)과 집전체 필름(33) 간의 결착력을 부여하고 전극밀도 (g/㎤) 및 구성 성분들 간의 접촉저항을 감소시키는 역할을 한다.

바람직하게는, 상기 바인더에는 카르복시메틸셀룰로스 , 폴리비닐알콜, 폴리비닐플루라이드, 폴리비닐피롤리돈, 메틸셀룰로스 등이 사용된다.

또한, 도전재로서는, 예를 들어, 과립상의 아세틸렌 블랙, 슈퍼 피 블랙(Super P Black), 카본 블랙, 활성카본, 하드 카본(Hard carbon), 소프트 카본 (Soft carbon), 그라파이트(Graphite), 금속 분말 (Al, Pt, Ni, Cu, Au, Stainless steel 또는 기술한 금속의 한 종류 이상을 포함하는 합금)과, 기술한 금속을 무전해 도금에 의해 카본 블랙(Carbon black), 활성카본(Activated carbon), 하드카본(Hard carbon), 소프트 카본(Soft carbon), 그라파이트(Graphite)에 코팅한 분말 중 한 종류 또는 두 종류 이상이 혼합된 것을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

분극전극(32)을 집전체 필름(33) 상에 형성한 후에, 도 2b에 도시된 바와 같이, 진공 중에서 분극전극(32)에 전해액을 주입한다.

전해액으로서는 황산이나 수산화칼륨 등을 물에 용해시킨 수용액계 전해액, 프로필렌카보네이트 등의 유기용매에 전해질로서 4급 암모니아염을 용해시킨 유기계 전해액을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 실시예에서는 후술하는 가스켓(34)의 설치 전에 전해액을 주입하였지만, 필요에 따라 가스켓(34)의 설치 후에 전해액을 주입하여도 좋다.

다음에, 도 2c에 도시된 바와 같이, 분극전극(32)을 수납할 수 있는 개구를 갖는 예를 들어 프레임 형상의 가스켓(34)을 설치한다.

가스켓(34)의 재질로는 예를 들면, ABS, 부틸고무, 폴리올레핀계 수지 등의 수지가 사용될 수 있다. 바람직하게는, 가스켓(34)의 재질은 무색 투명한 폴리올레핀계 수지이다. 폴리올레핀계 수지는 화학 특성, 열 특성, 기계적 강도의 측면에서 가스켓(34)이 필요로 하는 모든 요건을 만족할 수 있고, 무색 투명하기 때문에 제조공정에서 전해액이 누설되는 것을 육안으로 확인할 수 있는 장점이 있다.

다음에, 도 2d에 도시된 바와 같이, 가스켓(34) 상에 세퍼레이터(31)를 설치한다.

이때, 인접한 세퍼레이터들(31, 31) 사이에 가스켓(34)의 상단면의 일부가 노출될 수 있는 공간이 형성되는 것이 바람직하다. 이렇게 확보된 인접한 세퍼레이터들(31, 31) 사이의 공간은 후술하는 공정에서의 두 개의 가스켓(34, 34) 간의 열융착을 가능하게 한다.

다음에, 도 2e에 도시된 바와 같이, 도 2a 내지 도 2c의 공정에 의해 제조된 중간 생성물들을 세퍼레이터(31)를 사이에 두고 서로 대향하도록 설치한다. 그리고 세퍼레이터(31)를 사이에 두고 대향하는 가스켓(34, 34)이 서로 접합되도록 상기 중간 생성물들을 상하 방향으로 열압착하여 도 2f에 도시된 바와 같은 구조체를 제조한다.

다음, 도 2f에 도시된 구조체의 인접한 세퍼레이터(31, 31) 사이를 가로지르는 점선으로 도시된 절단선(C)을 따라 상하 교대로 집전체 필름(33) 및 가스켓(34, 34)을 절단한다. 절단선(C)에 의해 구분되는 영역은 전기 이중층 캐패시터의 하나의 기본 셀(30)을 형성하는데, 각 기본 셀(30)이 인접한 다른 기본 셀(30)과 완전히 분리되지 않고, 어느 한쪽의 집전체 필름(33)에 의해 서로 연결되도록 절단하는 것이 중요하다.

여기서, 다수의 기본 셀(30)이 인접한 다른 기본 셀(30)과 일측 집전체 필름(33)에 의해 서로 연결되며 길이 방향으로 배열된 도 2g와 같은 기본 셀 어레이(35)가 얻어진다.

마지막으로, 서로 연결된 기본 셀(30)의 집전체 필름(33)의 외측 면이 서로 맞닿게 도 2g에 도시된 화살표 방향으로 기본 셀 어레이(35)를 접는다. 이미 기술한 바와 같이, 집전체 필름(33)에는 가요성(flexibility)이 있는 수지 필름을 사용하기 때문에 위와 같이 집전체 필름(33)을 접는다 하더라도, 집전체 필름(33)이 절단되는 문제는 없다.

도 2g에 도시된 화살표 방향으로 각 기본 셀(30)을 접는 공정에 의해 복수의 기본 셀(30)이 그 두께 방향으로 적층된 기본 셀 적층 구조체를 만든다.

도시하지는 않았지만, 위와 같은 방법에 의해 적층된 기본 셀 적층 구조체의 상하 양단에 있는 기본 셀(30)의 집전체(31) 표면에 외부 전극을 부착하고, 외장 패키지로 외장하여 최종적인 전기 이중층 캐패시터를 제조할 수 있다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

본 발명에 의하면, 종래의 전기 이중층 캐패시터의 기본 셀의 적층 공정에서 요구되던 정밀한 정렬이 필요 없이도 전기 이중층 캐패시터를 간단히 제조할 수 있다.

또한, 본 발명에 따라 제조된 전기 이중층 캐패시터는 각 기본 셀간의 집전 체의 연결이 끊어지지 않아 전기적으로 연결이 확실하다.

Claims (6)

1. (a) 집전체 필름 상에 복수의 분극전극을 형성하는 단계;

   (b) 각 분극전극의 주위를 둘러싸는 가스켓을 설치하는 단계;

   (c) 세퍼레이터를 사이에 두고 상기 (a) 및 (b) 단계를 포함하는 공정에 의해 만들어진 두 개의 중간 생성물을 대향 배치하는 단계;

   (d) 상기 두 개의 중간 생성물이 일체화될 수 있도록 상기 두 개의 가스켓을 열융착시키는 단계; 및

   (e) 일측 집전체가 상호 연결된 복수의 기본 셀 어레이를 형성하도록 인접한 세퍼레이터들 사이를 가로지르는 방향으로 상하 교대로 집전체 필름 및 가스켓을 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 캐패시터의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   (f) 상호 연결된 기본 셀들의 집전체의 외측 면이 서로 맞닿도록 상기 기본 셀 어레이를 접는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 캐패시터의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 (a) 단계 및 (b) 단계의 사이에 상기 분극전극에 전해액을 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 캐패시터의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 (b) 단계 및 (c) 단계의 사이에 상기 분극전극에 전해액을 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 캐패시터의 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 집전체 필름은 탄소 분말을 함유한 도전성 수지 필름으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 이중층 캐패시터의 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 집전체 필름은 가요성이 있는 수지 필름으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 이중층 캐패시터의 제조방법.

Images