CN101930852A - 双电层电容器及其电极和电极的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双电层电容器及其电极和电极的制造方法，其中，用于双电层电容器的电极包括：集电器，包括Al箔层和具有比Al的导电率高的导电率的高导电金属层，所述高导电金属层层叠在Al箔层之上；凹槽，形成在Al箔层中，以使得高导电金属层接触电极材料；电极层，由电极材料形成，位于凹槽和Al箔层之上。
Description
本申请要求于2009年6月26日提交到韩国知识产权局的第10-2009-0057839号韩国专利申请的优先权，该申请的公开通过引用被包含于此。
技术领域
本发明涉及一种用于双电层电容器的电极，制造所述电极的方法和双电层电容器，更具体地说，涉及这样一种用于双电层电容器的电极、制造所述电极的方法和双电层电容器，所述用于双电层电容器的电极具有改进的集电器结构或包括表面涂敷有高导电材料的集电器，以获得等效串联电阻(ESR)。
背景技术
双电层电容器是一种能量储存装置，其使用一对具有相反极性的电极层(电荷层)。这种双电层电容器具有以下特性：例如，快速充电/放电、对于过充电/过放电的高耐抗性(resistance)、由于没有伴随的化学反应而导致的长使用寿命、在大的温度范围内可使用以及防止由于重金属成分污染环境。
近来，双电层电容器的应用范围从需要独立电源单元的***、用于瞬时超载和能量储存单元的控制***扩展至备用电源，所述备用电源是在瞬时功率失效时操作的备用的电源。
通常，双电层电容器包括：一对极化电极层；隔离件，设置在所述电极层之间，以将电极层划分为阳极和阴极；电解质水溶液和非电解质水溶液，极化电极层通过电解质水溶液和非电解质水溶液被分别浸渍；集电器，聚集电荷。
为了提高双电层电容器的性能，需要低ESR。为了获得低ESR，提出了用于增加用作电极材料的活性碳的比表面积(specific surface area)的结构。
具体地说，具有多孔表面的铝(Al)箔被用作集电器，活性碳，即电极材料被提供到多孔表面的孔中，从而降低ESR。
但是，需要研究获得比通过上述ESR减少方法获得的ESR更低的ESR的方法，从而使双电层电容器的适用性多样化并且确保其高电容。
发明内容
本发明的一方面提供一种用于双电层电容器的电极、制造所述电极的方法和双电层电容器，所述电极可通过按照降低电荷转移阻抗的方式改变集电器的结构而实现低ESR。
本发明的一方面还提供一种用于双电层电容器的电极、制造所述电极的方法和双电层电容器，所述电极可通过将具有比电极材料的导电率更高的导电率的材料布置在集电器和电极材料之间而实现低ESR。
根据本发明的一方面，提供了一种用于双电层电容器的电极，所述电极包括：集电器，包括铝(Al)箔层和具有比Al的导电率高的导电率的高导电金属层，所述高导电金属层层叠在Al箔层之上；凹槽，形成在Al箔层中，以使得高导电金属层接触电极材料；电极层，由电极材料形成，位于凹槽和Al箔层之上。
所述Al箔层的凹槽具有粗糙表面。
所述凹槽可通过利用蚀刻形成，以扩大Al箔层与电极材料的接触表面。
集电器可包括层叠在在Al箔层上的高导电金属层上的另一Al箔层。
高导电金属层可由从由Cu、Ag、Au和Pt组成的组中选择的任一个形成。
电极材料可包括：高导电聚合物材料，直接接触高导电金属层；活性碳电极材料，涂敷在聚合物材料上。
根据本发明的另一方面，提供了一种双电层电容器，包括：多个电极单元，各自包括集电器、电极层和分隔件，所述集电器包括Al箔层和具有比Al的导电率高的导电率的高导电金属层，所述高导电金属层层叠在Al箔层之上，所述电极层的每个由接触高导电金属层的电极材料形成，所述分隔件分隔所述电极层；内部电极单元，通过将所述多个电极单元层叠而形成；金属壳，填充有电解质溶液，并且容纳内部电极单元。
在Al箔层中可形成凹槽，所述凹槽具有粗糙表面。
凹槽可利用蚀刻形成，以扩大Al箔层与电极材料的接触表面。
集电器可包括层叠在在Al箔层上的高导电金属层上的另一Al箔层。
所述高导电金属层可由从由Cu、Ag、Au和Pt组成的组中选择的任一个形成。
电极材料可包括：高导电聚合物材料，直接接触高导电金属层；活性碳电极材料，涂敷在聚合物材料上。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造用于双电层电容器的电极的方法，所述方法包括：在Al箔层上设置高导电金属层，以制备集电器；在Al箔层的表面中形成凹槽，所述凹槽与高导电金属层连通；将电极材料注入到凹槽中，以用电极材料涂敷所述凹槽和Al箔层。
在Al箔层的表面中形成凹槽的步骤可包括通过利用蚀刻将Al箔层的凹槽的表面粗糙化。
集电器可包括层叠在在Al箔层上的高导电金属层上的另一Al箔层。
所述高导电金属层可由从由Cu、Ag、Au和Pt组成的组中选择的任一个形成。
所述电极材料可包括：高导电聚合物材料，直接接触高导电金属层；活性碳电极材料，涂敷在聚合物材料上。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，本发明的上述和其它方面、特征和其它优点将被更加清楚地理解，其中：
图1是显示根据本发明示例性实施例的双电层电容器的局部切除的透视图；
图2是显示根据本发明的示例性实施例的在双电层电容器内部的电极单元的一个示例的示意性透视图；
图3是显示根据本发明示例性实施例的在双电层电容器内部的分层(laminated)电极单元的一个示例的示意性透视图；
图4A至图4C是显示根据本发明的示例性实施例的制造用于双电层电容器的电极的方法的示意图；
图5是显示在用于根据本发明示例性实施例制造的双电层电容器的电极中的电荷流(flow of charges)的示意图；
图6是显示在制造用于根据本发明示例性实施例的双电层电容器的电极时，在电极层由活性碳电极材料形成之前，高导电聚合物材料被涂敷到Al箔层上的示意图。
具体实施方式
现在，将参照附图详细描述本发明的示例性实施例。但是，本发明可按照许多不同的形式实现，而不应被理解为限制于在此阐述的实施例。此外，这些实施例被提供，从而本公开将是彻底和完整的，并且将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。
附图中的相同的标号指代相同的元件，并且将省略对它们的描述。
图1是显示根据本发明示例性实施例的双电层电容器的局部切除的透视图。图2是显示根据本发明的示例性实施例的双电层电容器内部的电极单元的一个示例的示意性透视图。图3是显示根据本发明示例性实施例的在双电层电容器内部的分层电极单元的一个示例的示意性透视图。
参照图1至图3，根据示例性实施例的双电层电容器10包括多个电极单元1C至4C、通过连续层叠所述多个电极单元1C至4C而形成的内部电极单元70以及填充有电解质溶液34并容纳内部电极单元70的金属壳30。
电极单元C是双电层电容器10的内部电极单元70中的一个基本单元，并包括集电器(current collector)20、包括第一电极层42和第二电极层44的电极层40以及将第一电极层42和第二电极层44彼此分隔开从而防止短路的分隔件(separator)50。
集电器20包括Al箔层24和高导电金属层22，所述高导电金属层22的导电率比Al高，并且层叠在Al箔层24上。这里，高导电金属层22指具有比Al的导电率高的导电率的金属，并且，在该实施例中，所述金属可以是从由Cu、Ag、Au和Pt组成的组中选择的任意一个。
凹槽26(见图4A)形成在Al箔层24中，以允许电极材料接触高导电金属层22。
根据集电器20在金属壳30中的位置，高导电金属层22可层叠在Al箔层24的一个表面上，或者可设置在Al箔层24和另一箔层24之间。
凹槽26形成在Al箔层24的表面中，并且使得电极材料接触高导电金属层22。这里，凹槽26通过切割Al箔层24而形成，并且Al箔层24的凹槽26的表面是粗糙的。
凹槽26可通过蚀刻形成，以扩展Al箔层24与电极材料的接触面积。Al箔层24的粗糙表面可将层叠在Al箔层24上的第一电极层42和第二电极层44的电极材料的量增加至最大程度。这有利于降低在Al箔层24和电极材料之间存在的ESR。
由于电极材料直接接触具有比Al箔层24的导电率更高的导电率的高导电金属层22，产生的电荷可运动通过高导电金属层22，从而进一步降低ESR。
通过按照上述方式降低双电层电容器的ESR，可提高高输出功率密度(high output power density)，这是双电层电容器的优点之一。
金属壳30提供允许内部电极单元70被容纳在电解质溶液34中的空间，并且包括暴露到外部的集电极端子(collector terminal)32a和32b，以表面安装到板上。这种双电层电容器10不仅可被应用到芯片型还可被应用到纽扣型(coin type)。
在双电层电容器10被表面安装的情况下，内部电极单元70需要被保护以避免在表面安装过程中的大约260℃的高温，并且必须防止液态电解质泄漏。因此，壳优选地由金属材料而不是例如环氧树脂的树脂形成。
第一电极层42和第二电极层44的电极材料可利用可极化(polarizable)的电极材料，例如，具有相对高的比表面积的活性碳。第一电极层42和第二电极层44用例如硫酸水溶液的电解质溶液浸渍，从而用作电荷层。
第一电极层42和第二电极层44可通过形成主要由将活性碳粉形成为固态片(solid type sheet)而形成电极材料而产生，或者通过将电极材料浆固定到集电器20上而形成。
电极材料可包括直接接触高导电金属层22的高导电聚合物材料以及涂敷在高导电聚合物材料上的活性碳电极材料。详细地说，高导电聚合物材料可首先被层叠到Al箔层24中的凹槽26上，然后用活性碳电极材料涂敷(见图6)。
分隔件50可由多孔材料形成，以使得离子可被运输。分隔件50可由例如聚丙烯(polypropylene)、聚乙烯(polyethylene)、玻璃纤维等的材料形成。
以下，将描述根据本发明示例性实施例的制造用于双电层电容器的电极的方法。
图4A至图4C是显示根据本发明示例性实施例的制造用于双电层电容器的电极的方法的示意图。
参照图4A至图4C，高导电金属层22设置在Al箔层24上，从而制备集电器20。凹槽26形成在Al箔层24的表面中，从而与高导电金属层22连通。
在凹槽26形成在Al箔层24中之后，Al箔层24可设置在高导电金属层22上。因此，Al箔层24和高导电金属层22的层叠次序以及凹槽26的形成次序可改变。
这里，在集电器20中，高导电金属层22可介于Al箔层24之间。这种高导电金属层22的描述用以上描述替代。
如图4A所示，凹槽26通过切割Al箔层24的表面而形成。然后，如图4B所示，Al箔层24的凹槽26的表面被蚀刻为粗糙的。在图4B中，标号28指代通过蚀刻形成的蚀刻表面。
如图4C所示，电极材料被注入到粗糙的Al箔层24的凹槽26中，从而用电极材料涂敷凹槽26和Al箔层24。
当Al箔层24的表面在以上述方式制造的双电层电容器10中被粗糙化时，层叠在Al箔层24上的第一电极层42和第二电极层44的电极材料的量可增加至最大程度，从而降低在Al箔层24和电极材料之间存在的ESR。
由于电极材料直接接触具有比Al箔层24的导电率高的导电率的高导电金属层22，因此，产生的电荷可运动通过高导电金属层22，从而进一步降低ESR。图5是显示用于根据本发明的示例性实施例制造的双电层电容器的电容器中的电荷流的示意图。
双电层电容器的ESR的降低可有利于提高高输出功率密度，这是双电层电容器的优点之一。
图6是显示在制造用于根据本发明示例性实施例的双电层电容器的电极时，在电极层由活性碳电极材料形成之前，高导电聚合物材料被施加到Al箔层上的示意图。
参照图6，当用于双电层电容器的电极处于图4B所示的状态时，在注入活性碳电极材料之前，高导电聚合物材料60被注入，从而高导电聚合物材料直接接触高导电金属层。这进一步降低了双电层电容器的ESR，并且增加了高输出功率密度。
如上所述，在根据本发明示例性实施例的用于双电层电容器的电极、制造所述电极的方法和双电层电容器中，集电器包括在Al箔层上的高导电金属层，并且高导电金属层直接接触电极材料。结果，可降低电荷转移阻抗(charge-transfer resistance)。
此外，高导电聚合物材料介于在集电器和电极材料之间，从而实现了在双电层电容器中的低ESR以及高输出功率。
虽然已经结合示例性实施例显示并描述了本发明，但是对于本领域技术人员来说清楚的是，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可做出各种修改和变化。
Claims (17)
1.一种用于双电层电容器的电极，所述电极包括：
集电器，包括Al箔层和具有比Al的导电率高的导电率的高导电金属层，所述高导电金属层层叠在Al箔层之上；
凹槽，形成在Al箔层中，以使得高导电金属层接触电极材料；
电极层，由电极材料形成，位于凹槽和Al箔层之上。
2.如权利要求1所述的用于双电层电容器的电极，其中，Al箔层的凹槽具有粗糙的表面。
3.如权利要求1所述的用于双电层电容器的电极，其中，凹槽通过利用蚀刻形成，以扩大Al箔层与电极材料的接触表面。
4.如权利要求1所述的用于双电层电容器的电极，其中，集电器包括层叠在在Al箔层上的高导电金属层上的另一Al箔层。
5.如权利要求1所述的用于双电层电容器的电极，其中，高导电金属层由从由Cu、Ag、Au和Pt组成的组中选择的任一个形成。
6.如权利要求1所述的用于双电层电容器的电极，其中，电极材料包括：
高导电聚合物材料，直接接触高导电金属层；
活性碳电极材料，涂敷在聚合物材料上。
7.一种双电层电容器，包括：
多个电极单元，各自包括集电器、电极层和分隔件，所述集电器包括Al箔层和具有比Al的导电率高的导电率的高导电金属层，所述高导电金属层层叠在Al箔层之上，所述电极层的每个由接触高导电金属层的电极材料形成，所述分隔件使所述电极层分隔开；
内部电极单元，通过将所述多个电极单元层叠而形成；
金属壳，填充有电解质溶液，并且容纳内部电极单元。
8.如权利要求7所述的双电层电容器，其中，在Al箔层中形成凹槽，所述凹槽具有粗糙表面。
9.如权利要求8所述的双电层电容器，其中，凹槽利用蚀刻形成，以扩大Al箔层与电极材料的接触表面。
10.如权利要求7所述的双电层电容器，其中，集电器包括层叠在在Al箔层上的高导电金属层上的另一Al箔层。
11.如权利要求7所述的双电层电容器，其中，所述高导电金属层由从由Cu、Ag、Au和Pt组成的组中选择的任一个形成。
12.如权利要求7所述的双电层电容器，其中，电极材料包括：
高导电聚合物材料，直接接触高导电金属层；
活性碳电极材料，涂敷在聚合物材料上。
13.一种制造用于双电层电容器的电极的方法，所述方法包括：
在Al箔层上设置高导电金属层，以制备集电器；
在Al箔层的表面中形成凹槽，所述凹槽与高导电金属层连通；
将电极材料注入到凹槽中，以用电极材料涂敷所述凹槽和Al箔层。
14.如权利要求13所述的方法，其中，在Al箔层的表面中形成凹槽的步骤包括通过利用蚀刻将Al箔层的凹槽中的表面粗糙化。
15.如权利要求13所述的方法，其中，集电器包括层叠在在Al箔层上的高导电金属层上的另一Al箔层。
16.如权利要求13所述的方法，其中，所述高导电金属层由从由Cu、Ag、Au和Pt组成的组中选择的任一个形成。
17.如权利要求13所述的方法，其中，所述电极材料包括：
高导电聚合物材料，直接接触高导电金属层；
活性碳电极材料，涂敷在聚合物材料上。
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