KR101342767B1 - 다층의 전기화학적인 에너지 저장 장치 및 제조방법 - Google Patents

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Abstract

하나 이상의 셀을 포함하는 에너지 저장장치에 있어서, 각각의 셀은 셀 사이에 배치된 한 쌍의 전극 및 하나의 분리막으로 규정되며 두 개의 집전장치로 경계 지어지고, 상기 분리막의 기하학적 형태 및 크기는 상기 집전장치의 형태 및 크기와 동일하고, 각각의 셀 내에서, 하나의 전극이 상기 두 개의 집전장치 중 하나에 인쇄되고 다른 전극이 상기 분리막의 한 면에 인쇄되며, 두 개의 전극은 상기 분리막에 의해 전기적으로 절연되며, 분리막 위에 인쇄된 전극을 둘러싸는 분리막의 주변 영역이 밀폐되는 에너지 저장장치.
분리막, 집전장치, 전극, 스택, 전해질

Description

다층의 전기화학적인 에너지 저장 장치 및 제조방법{MULTILAYERED ELECTROCHEMICAL ENERGY STORAGE DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURE THEREOF}
본 발명은 에너지 저장장치에 관한 것으로, 특히 다층의 전기화학적인 에너지 저장장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 다층의 전기화학적인 커패시터 또는 인쇄가능한 전극을 포함하는 배터리 제조 방법에 관한 것이다.
단일 셀 에너지 저장 장치는 일반적으로 두 개의 도체판(이후에는 집전장치(current collector)라고 함) 및 그 사이에 배치된 전기적으로 절연된 층(유전체, 이후에는 분리막(separator)이라고 함)으로 구성된다. 전극은 일반적으로 집전장치 및 분리막 사이에 배치되며 여기에 함유된 액상 전해질은 전하 축적 접점으로 사용된다.
전기화학적인 에너지 저장장치(예를 들어, 1차 또는 2차 배터리, 연료전지와 같은 전기화학적인 셀)는 일반적으로 전극을 만드는데 사용되는 전해질 형태에 따라 두 개의 분명한 범주로 나누어지는데, 수성 또는 유기 전해질 용액이 그것이다. 수성 형태는 셀당 1.2볼트까지 생성하는데 반면에 유기전해질 용액 형태는 일반적으로 셀당 약 2.5 내지 4.0 볼트를 제공한다. 전기화학적인 저장장치의 동작 전압은 당업계에는 양극 셀(예를 들어 양극 커패시터)로 알려진 배열을 얻기 위해 전술된 개별 셀을 직렬로 여러 개 결합함으로써 증가할 수 있다.
미국 특허 제6,212,062호는 다층 커패시터 셀의 구성을 설명하고 있는데, 탄소 전극이 셀의 집전장치에 배치된다.
국제특허 제03/071564호는 이중 층의 전기화학적인 셀을 포함하는 전기화학적인 에너지 저장장치 및 그 제조방법을 설명하고 있다. 이 전기화학적인 에너지 저장장치에서, 전극은 셀의 집전장치에 인쇄되고 분리제가 그 사이에 배치되며, 집전장치상의 비인쇄 영역에 해당하는(즉, 인쇄된 전극을 포함하는 영역을 보완하는) 영역의 격리 매질의 기공은 접착제 층 또는 다른 폴리머에 의해 폐쇄된다.
이러한 방법에 따라, 에너지 저장 셀의 스택으로부터 구성되는 양극 에너지 저장장치의 구조는 스택의 각각의 내부 집전장치 양측의 전극 및 두 개의 외부 집전장치(집전장치는 스택의 상부 및 기부에 존재한다)의 내부면에 접촉하는 하나의 전극을 제공하는 것을 포함한다. 이 구조는 이 전극 배열 때문에 불편한데, 두 전극이 양극 에너지 저장장치의 각각의 내부 집전장치의 양측에 제공되는 것이다. 또한, 이러한 셀 스택의 밀폐 및 포장은 간단한 일이 아니며 이들의 다층 구조의 폭은 비교적 크다.
본 발명의 목적은 전극이 각각의 집전장치의 일 측면에 인쇄될 수도 있는 간단한 다층 에너지 저장장치 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 다층 스택에 기반한 양극 에너지 저장장치를 제조하기 위한 개선된 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 개별 에너지 저장장치가 가위, 칼 또는 다른 기계적인 수단에 의해 쉽게 잘라내질 수 있는 다수의 에너지 저장장치 스택을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 장점은 아래의 설명에서 명확해질 것이다.
용어 "분리막(separator)" 또는 "분리제(separating medium)"는 여기에서 사실상 같은 의미로 사용되어 전기화학적인 셀의 전극 사이에서 전기적으로 분리하기 위해 일반적으로 사용되는 멤브레인 또는 모든 얇은 다공질 필름을 설명한다. 소정의 패턴에 따라 하나 이상의 비밀폐(non-sealed) 영역을 구성하는 주변 영역에서 분리막의 기공을 밀폐하는 것과 분리막의 하나 이상의 비밀폐 영역에 전극을 직접 인쇄하는 것이 가능하다는 것이 알려져 있다. 합성 구조, 즉 각 전극이 분리막의 밀폐된 영역으로 둘러싸인, 인쇄된 하나 이상의 전극을 갖는 분리막은 그중에서도 특히 양극 전기화학적 커패시터로 작용할 다층 구조의 준비로 효과적으로 사용될 수도 있다.
따라서, 본 발명은 하나 이상의 셀을 포함하는 에너지 저장장치를 제공하며, 각 셀은 한 쌍의 전극 및 그 사이에 배치된 분리막으로 규정되고 각 셀은 두 개의 집전장치, 상기 집전장치의 형태 및 크기와 동일한 상기 분리막의 기하학적인 형태 및 크기에 의해 경계가 지어지고, 각 셀에서 하나의 전극은 상기 두 개의 집전장치중 하나에 인쇄되고 다른 전극은 분리막의 한 면에 인쇄되며, 두 전극은 상기 분리막에 의해 전기적으로 절연되고, 그 위에 인쇄된 전극을 둘러싼 분리막의 주변 영역은 밀폐된다.
"밀폐된(sealed)"이라는 용어는 영역이 전극에 포함된 전해질에 불투과성이라는 것을 나타내고 분리막에 인쇄된 전극을 둘러싼 밀폐된 영역은 전극으로부터 셀의 주변영역으로의 전해질의 누출을 방지한다. 바람직한 일실시예에 따르면, 분리막위에 인쇄된 전극을 둘러싸는 분리막의 밀폐된 주변 영역은 전기적으로 비도전성인 물질로 채워지며, 이물질은 바람직하게는 접착제이며, 상기 영역의 분리막의 기공을 폐쇄하며 또한 분리막이 집전장치에 부착되도록 한다.
이후에 n으로 지정되는 에너지 저장장치의 셀 수는 1 이상의 정수로 2에서 100 사이의 수이며, 더욱 바람직하게는 3에서 20 사이의 수이며, 가장 바람직하게는 3에서 10 사이의 수이다. 본 발명의 에너지 저장장치는 하나 이상의 셀을 포함하며, 상기 셀은 스택 구조에서 동일한 집전장치를 차지하는 인접하는 셀과 전기적으로 직렬로 연결되어 있다. 따라서, 이 배열에서, 집전장치의 수는 n+1과 같으며, 그 중의 2개는 외부 집전장치를 말한다. 외부 집전장치는 내부에 위치하는 집전장치와 두께 및 구성면에서 서로 다를 수도 있다.
각 셀 내에 배치된 두 개의 전극 중 하나가 분리막의 표면에 직접 인쇄될 수도 있다는 사실 때문에, 전술된 배열을 갖는 에너지 저장장치(예를 들어, 양극의 전기화학적 커패시터)의 구조를 상당히 간단하게 만드는 것이 가능해졌다. 따라서, 본 발명은 다층 구조를 만드는 방법에 관한 것이며, 상기 구조는 하나 이상의 에너지 저장장치를 포함하며, 각 에너지 저장장치는 전술된 바와 같이 n 셀을 포함하며, 상기 방법은
n+1개의 집전장치 및 n개의 분리막을 제공하는 단계, 각각의 상기 n 개의 분리막의 주변 영역의 기공을 밀폐하여 각각의 상기 분리막 안에 하나 이상의 불연속 비밀폐 영역을 구성하는 단계, 상기 각각의 분리막의 하나 이상의 비밀폐 영역에 전극을 인쇄하는 단계, 상기 n+1 개의 집전장치로부터 선택된 n개의 집전장치 각각의 한 측면에 하나 이상의 전극을 인쇄하여 각각의 상기 n개의 집전장치가 그 위에 배치된 전극(들)을 구비한 오직 한 면을 갖는 단계, 다층 구조를 구성하기 위해 상기 n+1개의 집전장치 및 상기 n개의 분리막을 교대로 배치하는 단계를 포함한다. 이 다층 구조에서, 그 위에 배치된 전극을 하나도 갖지 않는 집전장치는 가장 단순하게 외부에 배치된다.
가장 바람직하게는, 각각의 n개의 분리막에 인쇄된 불연속 전극 영역은 수량, 크기, 형태 및 위치로 각각의 n개의 집전장치에 인쇄된 전극에 대응하여 상기 다층 구조가 병렬의 상기 전극에 의해 구성된다.
가장 바람직하게는, 밀폐는 각각의 상기 n개의 분리막의 한 면에 전기적으로 비전도성인 물체를 부착하여 달성되어 상기 비전도성인 물체가 그 주변 영역의 상기 분리막의 기공을 밀폐하게 되며, 이로 인해 하나 이상의 비밀폐 영역이 상기 분리막 안에 구성된다. 전술된 바와 같이, 전극들이 분리막의 이러한 비밀폐 영역에 인쇄된다.
전술된 방법에 의해 얻어진 다층 구조는 일반적으로 직사각형의 평행육면체 형태를 갖는 공간적인 입체이다. 이 입체의 높이는 수직으로 정렬된 층(n+1개의 집전장치 및 n개의 분리막)의 수에 의해 결정된다. 다층 구조로부터 분리될 수도 있는 개별 집전장치의 수는 n개의 집전장치의 표면에 분배된 불연속 전극의 수 및 분리막 표면에 인쇄된 불연속 전극의 해당하는 수에 의존한다. 따라서, 각각 n개의 수직으로 정렬된 셀을 포함하는 다수의 개별 에너지 저장장치는 가위, 커터, 칼 또는 다른 기계적 수단에 의해 다층구조로부터 쉽게 분리될 수 있다.
바람직하게는, 이 방법은 밀폐 및 인쇄 이전에 각각의 분리막을 지지부에 설치하는 단계를 더 포함하는데, 지지부는 다층구조에서 상기 분리막을 이동시킨 후 분리막으로부터 제거된다.
이 방법은 과다한 전해질이 인쇄된 전극으로부터 제거되고, 이러한 제거는 전극에 배치된 흡수제에 의해 인쇄된 전극으로부터 상기 초과 전해질을 흡수 및/또는 전극을 건조시켜 달성할 수 있다, 약한 압력이 적용되어 인쇄 전극으로부터의 초과 전해질 흡수를 용이하게 한다.
"인쇄하는" 또는 "인쇄된" 등과 같은 용어는 여기에 사용된 것처럼 스크린 인쇄, 스텐실 인쇄, 잉크제트 인쇄 및 페이스트형 물질 또는 잉크형 물질을 기판에 전달하는 임의의 다른 형태와 같은 기지의 인쇄 기술을 말하지만 이러한 인쇄기술에만 국한되는 것은 아니다.
도1a 내지 도1c는 본 발명의 양극 에너지 저장장치 스택의 내부 및 상부(외부) 집전장치의 조제품(preparation)을 개략적으로 나타내는 도면.
도2a 내지 도2d는 본 발명의 양극 에너지 저장장치 의 분리막의 조제품을 개략적으로 나타내는 도면.
도3a 내지 도3b는 집전장치, 분리막의 준비 및 양극 구조에서 동일한 것을 적재하는 과정을 예시하는 흐름도.
도4는 n개의 셀을 포함하는 양극 에너지 저장장치의 구조를 개략적으로 나타내는 도면.
도5는 각각 다섯 개의 전기화학적 셀을 포함하는 다수의 에너지 저장장치를 포함하는 구조을 개략적으로 예시한 도면.
도6a 내지 도6c는 단일 셀 커패시터 제품 및 다수의 병렬 및 직렬 셀 커패시터 제품을 나타내는 도면.
본 발명은 다층 에너지 저장장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 n+1개의 집전장치 및 그 사이에 배치된 n개의 분리막으로 구성된 양극 커패시터에 관한 것으로, 하나의 전극은 스택의 n개의 집전장치 및 n개(n은 전수, n >=1)의 분리막에 부착된다.
본 발명에 따르는 집전장치는 전극에 포함된 액상 전해질에 화학적으로 불활성인 전도성 물질로 만들어진다. 집전장치는 알루미늄 호일, 도금된 금속 또는 보 호 산화물로 코팅된 금속 등과 같은 금속 호일 형태로 제공된다. 또한, 집전장치는 카본블랙, 흑연(graphite), 금속성 또는 도금된 금속 입자와 같은 전도성 입자로 채워진 폴리에틸렌 또는 폴리테트라플루오로에탄(테프론), 고무 또는 PVC(폴리비닐클로라이드)와 같은 중합체(polymeric) 또는 공중합체(co-polymeric) 시트이다. 다른 실시예에서, 집전장치는 적절한 중합체, 금속 호일 및 카본 또는 흑연, 또는 유사한 화합물의 교호 층들을 포함하는 다층 구조를 갖는다. 집전장치의 두께는 바람직하게는 10㎛ 내지 150㎛ 범위에 있다.
외부 집전장치(다층 구조의 가장 위쪽과 가장 아래쪽의 집전장치)는 바람직하게는 하나 이상의 내식층(corrosion resistant layer)(예를 들어 카본 및/또는 적당한 전도성 중합체 화합물)에 의해 덮인 금속 호일로 만들어진다. 금속 호일 표면은 바람직하게는 거칠다(예를 들어 금속 증착, 제거가공(sputtering), 전자 증착 또는 기계적 거칠어짐 또는 화학적 에칭에 의해). 용어 "거친 표면"은 명세서 전반에 걸쳐 표면의 작은 불규칙함으로 인한 거칠기를 나타내는데 사용되며, 금속 호일 및 그 위에 부착된 내식층 사이의 접촉을 최대화하기 위한 것이다. 내부 집전장치는 금속성일수도 있고, 또는 전술된 바와 같이 중합체로 코팅된 금속 시트 또는 중합체 시트로 교호적으로 만들어질 수도 있다.
전극은 카본, 흑연, 카본-나노입자, 풀러린(fullerene), 중공 흑연 튜브(hollow graphite tube), 금속 입자, 금속산화물 입자 및/또는 금속염, 전기 전도성 중합체, 퀴논(quinone) 및 그 유도체, 케톤 화합물, 다가의 산화 화합물, 점토, 인터셀레이션(intercelation) 화합물, 세라믹 산화물 및 그 혼합물을 포함할 수 있다. 전극은 액상 전해질(산성, 염기성 또는 중성의) 및 접착제(유기 또는 무기의) 및 다른 접착제를 포함할 수도 있다. 전극은 호일, 의류 또는 밀집한 분말 구조 형태일 수도 있다.
도3a는 도1a 내지 도1c 및 도2a 내지 도2d에 개략적으로 예시된 바와 같이 본 발명의 양극 커패시터용 집전장치 및 분리막을 준비하는 사전 단계를 예시하는 흐름도이다. 프로세스는 단계 30에서 시작되며, 여기에서 n개의 분리막(15)이 n개의 라이너(5) 위에 설치된다. 분리막(15)은 투과성 멤브레인(예를 들어 폴리에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 올레핀, 키나르(Kynar®)처럼 상업적으로 사용될 수 있는 폴리불화비닐리덴(polyvinylidene fluoride))일 수도 있으며, 가장 바람직하게는 분리막은 다공성 필름이다. 예를 들어, 바람직한 일실시예에 따르면, 설치된 분리막(3)은 25 마이크론 두께의 테프론 기반 물질로부터 준비되고 일반적인 적층 기술에 의해 150 마이크론 두께의 실리콘 라이너 위에 설치된다. 라이너 상에 분리막매질(15)를 설치하는 것은 프로세스의 추가 단계 동안 분리막에 휨 및/또는 접힘이 발생하는 것을 방지하기 위해 필요하다.
그 다음, 단계 31에서, 설치된 분리막(3)은 접착제 층(16)으로 코팅되어 분리막(15)이 라이너(5) 및 접착제 층(16) 사이에서 끼인다. 접착제 층(16)은 바람직하게는 접착제에 의해 설치된 분리막(3) 주변 영역의 완전한 접착을 제공하고, 접근할 수도 있는 분리막 영역(7)을 통해 접착제가 없는 영역(17)을 벗어나기 위해 기 위해 템플릿(도시되지 않음)을 통해 붙여진다.
이 단계는 WO03/071563에 기재된 바와 같은 인쇄 기술을 사용하여 수행될 수도 있다. 분리막(15) 코팅을 사용된 접착제는 용매 기반 압력 감지 접착제, UV 기반 압력 감지 접착제, UV 기반 열 활성 접착제, 용매 기반 열 활성 압력 감지 접착제, 용융 압력 감지 접착제, 용융 열 활성 접착제 또는 접착제 특성을 갖는 임의의 다른 중합체 형태일 수도 있다. 예를 들어, 접착제는 코팅에 의해 제조된 C-70일 수도 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 15 내지 30 마이크론 두께의 접착제 층은 약 6 내지 100mm2의 7행 8열(예를 들어 직사각형)의 비접착제 영역(17)을 제공하기 위해 스크린 인쇄에 의해 적절한 템플릿을 통해 120x105mm의 설치된 분리막(3)에 붙여진다. 그 다음 코팅된 분리막(4)의 접착제 용액이 건조된다. 건조는 예를 들어, 보통의 열 건조 터널을 통과하여 수행되거나 실온 또는 상승된 온도에서 고정된 또는 대류 건조 프로세스와 같은 임의의 다른 건조 프로세스에 의해 수행될 수 있다. 단계 31은 코팅된 분리막(4) 상의 접착제 층(16)을 더 두껍게 하기 위해 추가적인 접착제 층이 필요할 경우 반복될 수도 있다.
단계 32에서 물 기반 중합체(18)(도2c)가 코팅된 분리막(4)의 비접착체 영역(17)에 가해진다. 물 기반 중합체(18)는 최종 제품에 개선된 저장 수명을 제공한다. 물 기반 중합체(18)는 PVA(polyvinylalcohol), PAA(polyacrylic acid), PEO(polyethylene oxide), PEI(polyethylene imide), 이미다졸과 같은 물 기반 중합체 또는 다름 물 기반 중합체 또는 공중합체의 단일 혼합 또는 복수의 혼합물일 수도 있다. 수용성 중합체를 운반하기 위해 사용되는 차량은 계면활성제 또는 침전장치처럼 유기 또는 무기의 첨가제를 더 포함한다. 이 단계에 사용되는 용액은 물 기반이거나 물과 유기 용액의 화합물 또는 에탄올, 이소프로필알코올(isopropanol) 또는 그 화합물일 수도 있다. 물 기반 중합체(18)는 스크린 인쇄에 의해 가해질 수 있다. 바람직하게는, 10 내지 30 마이크론 두께의 물 기반 중합체(18) 층이 비접착제 영역(17)에 인쇄되어, 접근가능한 분리막 영역(7)의 기공을 채운다. 필요할 경우, 적용된 물 기반 중합체(18)는 예를 들어, 보통의 열 건조 터널을 통과하여 수행되거나 실온 또는 상승된 온도에서 고정된 또는 대류 건조 프로세스와 같은 임의의 다른 건조 프로세스에 의해 건조된다. 이 단계(32)는 필요할 경우 접근가능한 분리막 영역(7)의 기공에 추가 중합체 화합물을 제공하기 위해 반복될 수도 있다.
단계 30 내지 32 다음에 또는 이와 동시에, 단계 32에서 각각의 집전장치(10)의 측면 중 하나의 표면(9)은 접착제 층(11)(도1a 및 도1b)으로 코팅된다. 접착제 층(11)은 바람직하게는 접착제에 의해 집전장치(10)의 주변 영역의 완전한 적용범위를 제공하고 집전장치 영역(2)을 통해 접근할 수도 있는(도1b) 비접착제 영역(12)을 제거하기 위해 템플릿(도시되지 않음)을 통해 적용된다. 코팅된 집전장치(6)의 비접착제 영역의 위치 및 면적은 대체로 코팅된 분리막(4)의 비접착제 영역(17)의 위치 및 면적에 대응한다.
유사하게, 이 단계는 보통의 인쇄 기술을 사용하여 수행될 수도 있다. 집전장치(10) 코팅을 위해 사용된 접착제는 용액 기반 압력 감지 접착제, UV 기반 압력 감지 접착제, UV 기반 열 활성 접착제, 용매 기반 열 활성 압력 감지 접착제, 용융 압력 감지 접착제, 용융 열 활성 접착제 또는 접착제 특성을 갖는 임의의 다른 중합체 형태일 수도 있다. 예를 들어, 접착제는 코팅에 의해 제조된 C-70일 수도 있다.
분리막 매질(15) 및 집전장치(10)는 대체로 동일한 공간적 치수를 갖는다.
예를 들어, 본 발명의 바람직한 일실시예에서, 외부 집전장치는 4 내지 100 마이크론 금속 호일로부터 제조된다.
각각의 외부 집전장치는 상이한 물질로부터 제조될 수 있으며, 외부 집전장치 하나 또는 두 개는 내부 집전장치의,두께보다 두꺼울 수 있다. 교호적으로 또는 추가적으로, 전술된 바와 같은 임의의 적절한 전기 전도성 물질로 제조된 하나 이상의 외부 집전장치의 내부 면(즉, 분리막 매질을 향하는 면)은 그 표면을 전해질 누출에 대해 더욱 저항하여 렌더링하도록 하나 이상의 물질로 덮일 수 있다. 예를 들어, 외부 집전장치(들)의 내부 측면은 비 금속성이지만 전도성 중합체 물질(예를 들어, 베이트론(Baytron®)) 또는 티타늄 산화물에 의해 덮인다.
내부 집전장치(예를 들어, 도4의 45-2)는 카본 및 중합체 판 또는 적절한 내부식성 금속 호일로 제조될 수 있다. 가장 바람직하게는 외부 집전장치는 구리, 니켈 또는 니켈 도금 구리(상업적으로 사용가능한)로 만들어진 약 6 내지 20 마이크론 두께의 금속 호일 형태이고, 30 내지 150 마이크론의 하나 이상의 내 부식성 층(카본 또는/및 적당한 중합체 화합물로 만들어진)으로 덮여지며, 바람직하게는 약 100 마이크론 두께의 층이 상기 호일에 더해진다. 내부식성 층은 내부식성의 전 기적인 도전성 접착제 층(예를 들어 5 내지 40 마이크론)을 통해 금속 호일에 접착될 수 있다. 금속 호일 표면은 바람직하게는 내부식층과 금속 호일 표면 사이의 접촉을 최대화하기 위해 거칠다. 금속 호일 표면의 거침은 예를 들어 금속 증착, 제거가공, 전자 증착 또는 기계적 조면화(roughening) 또는 화학적 또는 에칭에 의해 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 약 10x10mm의 12행 12열(예를 들어 직사각형)의 비접착제 영역을 제공하기 위해 스크린 인쇄에 의해 적당한 템플릿을 통해 15 내지 3 마이크론의 접착제 층이 약 30 내지 70 마이크론 두께의 10.5x15mm 집전장치에 더해진다. 그 다음 코팅된 집전장치(6)는 접착 용매가 건조된다. 건조는 예를 들어 집전장치를 보통의 열 건조 터널에 통과시켜서 또는 실온 또는 상승된 온도에서 고정된 또는 대류 건조 프로세스와 같은 임의의 다른 건조 프로세스에 의해 건조될 수 있다. 이 단계(33)는 코팅된 집전장치(6) 위에 두꺼운 접착제 층(11)을 이루기 위해 추가적인 접착제 층이 필요할 경우 반복될 수도 있다.
도3b는 도4에 설명된 바와 같이 본 발명에 따르는 에너지 저장장치의 구성 단계를 설명하는 흐름도이다. 스택의 제1층이 단계 34에서 배치되는데, 스택의 하부층(45-1)(도4), 외부 집전장치가 배치되어 코팅된 표면(9)이 위를 향하게 된다. 단계 35에서 전극(19)(도2d)이 코팅된 분리막(4)의 비접착제 영역(17)에 가해진다. 전극(19)은 예를 들어 WO03/071563에 기재된 카본 기반 화합물(액상 전해질을 포함하는)과 같은 적당한 전극 화합물을 사용하여 준비할 수도 있고 스크린 인쇄 기술 또는 스텐실 기술 같은 다른 기술을 사용하는 적당한 메시 번호 40-200(예를 들어 스테인리스스틸 메시, 코팅된 스테인리스스틸 메시 또는 폴리에스테르 메시와 같은, 그러나 이에 한정되지 않는)을 통해 가해질 수 있다. 이러한 메시는 적당한 광 감광제 또는 당업계에 알려진 기술을 사용하는 다른 마스킹 기술을 사용하여 개발될 수도 있다.
분리막 층(16)의 준비는 코팅된 분리막(4)에 전극을 가한 뒤에 완료된다. 단계 36에서, 블로팅(blotting) 또는 다른 건조 프로세스가 (선택적으로) 수행되며, 전극은 압축되며 초과 전해질은 흡수제에 의해 흡수된다. 예를 들어, 블로팅 물질(도시되지 않음)이 전극(19) 위에 배치되고 블로팅 물질에서 흡수되는 초과 전해질을 제거하기 위해 블로팅법에 의해 압력이 가해진다. 그 다음 블로팅 물질이 전극(19)으로부터 제거되고 폐기된다. 단계 37에서 분리막(예를 들어 제1 셀(48-1)의 분리막(46-1))이 스택에 배치되어 전극(19)을 포함하는 면이 이전에 배치된 집전장치(예를 들어 45-1)의 상부면을 덮는다. 그 다음 일부 진공 또는 완전한 진공에서 예를 들어 상승된 온도 및 압력에서 그들을 함께 용접함으로써 분리막(46)이 집전장치(45)에 부착된다. 용접은 층의 열용접 또는 임펄스 열용접 또는 다른 용접 기술을 통해 실행될 수도 있다. 집전장치(45)에 분리막(46)을 부착한 후 라이너(5)가 분리막의 상부면으로부터 제거된다.
단계 38에서 마지막 분리막 층(46-n)이 이전 단계의 스택에 배치되었다는 것이 판단되면 프로세스는 단계 42-44를 수행하여 종료된다. 단계 42에서 전극(13)(도1c)이 코팅된 집전장치(6)의 비접착제 영역(12)에 가해진다. 바람직하게는 전극(13)은 전극(19)처럼 동일한 성분을 포함하며 바람직하게는 단계 35에서처럼 적당한 메시를 통해 가해진다. 가장 위쪽의 집전장치(45)의 준비는 블로팅(또는 건조) 단계(43) 실행 후에 완료되는데, 초과 전해질은 전술된 단계 36에서처럼 블로팅 물질(도시되지 않음)로 흡수된다. 마지막으로, 단계 44에서, 가장 위쪽의 집전장치(45)가 스택의 마지막 분리막 층(46-n) 위에 부착되어 전극(13)을 포함하는 가장 위쪽의 집전장치 면이 이전에 설치된 분리막 층(46-n)의 상부면을 덮게 된다.
그 다음 예를 들어 상승된 온도 및 압력, 부분적인 진공 또는 완전한 진공에서 이들을 함께 용접함으로써 가장 위쪽의 집전장치(45-(n+1))가 이전에 설치된 분리막 층(46-n)에 부착된다. 용접은 층의 열 용접 또는 임펄스 열 용접 또는 다른 용접 기술을 통해 수행될 수도 있다.
추가적인 셀 층이 스택에 추가되어야 한다고 단계 38에서 판단될 경우 단계 39-41에서 내부 집전장치가 준비되고 배치된 다음 제어를 단계 35로 전달함으로써 새로운 셀이 추가된다. 내부 집전장치(예를 들어 45-2)의 준비는 코팅된 집전장치(6)의 비접착제 영역(12)에 전극(13)을 가하는 것과 블로팅 또는 건조 단계(40)에서 초과 전해질을 제거하는 것과 단계 41에서 내부 집전장치를 이전에 배치된 분리막(예를 들어 46-1)에 연결하는 단계를 포함하여 전극(13)을 포함하는 집전장치의 면이 이전에 배치된 분리막 층의 상부면을 덮는다. 그 다음 내부 집전장치는 예를 들어 상승된 온도 및 압력, 부분적인 진공 또는 완전한 진공에서 그들을 함께 용접함으로써 이전에 배치된 분리막 층에 부착된다. 용접은 층의 열 용접 또는 임펄스 열 용접 또는 다른 용접 기술을 통해 실행될 수도 있다.
도5는 다수의 에너지 저장장치(50)를 포함하는 스택의 다층구조를 나타낸다. 이 예에서, 각각의 에너지 저장장치(50)는 5개의 셀(n=5), 48-1, 48-2,..,48-5를 포함한다. 약 50 내지 90 마이크론의 접착제 층으로 코팅된 10 내지 30 마이크론 두께의 분리막 매질(15) 및 약 5 내지 40 마이크론의 접착제 층으로 코팅된 40 내지 70 마이크론 두께의 집전장치를 사용할 때 이러한 스택(55)의 폭(w)은 약 1 내지 1.2mm이다. 앞서 예시된 바와 같이, 이 다층 구조는 5개의 분리막 및 4개의 내부 집전장치를 포함하며, 각각은 전극과 2개의 외부 집전장치를 포함하는데, 가장 위쪽의 외부 집전장치만이 전극을 포함한다. 에너지 저장장치(50)는 가위 또는 칼 또는 다른 기구에 의해 쉽게 스택에서 절단될 수 있다.
유사한 다층 스택을 구성하는 것이 당연히 가능하고, 전극은 또한 스택의 하부에서 외부 집전장치에 배치된다. 이 경우 스택의 하부에서 외부 집전장치의 상부에 배치된 분리막은 단계 35를 수행하지 않고, 즉 전극을 비접착제 영역에 가하지 않고도 준비되고 배치될 수도 있다.
도6a는 단일 셀 커패시터 제품(60)을 나타낸다. 커패시터(60)는 바람직하게는 용접 또는 전도성 에폭시 접착제에 의해 부착된 다층 에너지 저장장치(50) 및 다층 에너지 저장장치의 외부 집전장치에 두 개의 전선 또는 플랫 케이블 리드(61)를 포함한다. 도6b는 m개의 셀 커패시터 제품(62)을 나타내는데, m개의 다층 에너지 저장장치(50-1, 50-2, 50-3,..., 50-m)의 스택은 병렬 커패시터 제품(62)을 구성하기 위해 연속으로 적층된다. 병렬 커패시터 제품(62)에서 리드선(61)이 다층 에너지 저장장치(50-1)의 외부 집전장치(하부) 및 다층 에너지 저장장치(50-m)의 외부 집전장치(상부)에 부착된다.
도6c는 m개 셀 커패시터 제품(66)을 나타내는데, m 개의 다층 에너지 저장장치(50-1, 50-2, 50-3, ..., 50-m)가 직렬 커패시터 제품(66)을 구성하기 위해 직렬로 연결된다. 도시된 것처럼, m-1개의 전도성 매질(65)(예를 들어 금속 호일)이 다층 에너지 저장장치(50-1, 50-2, 50-3,..., 50-m)를 직렬로 연결하고 다층 에너지 저장장치의 집전장치(50-1, 50-m)에 리드선을 연결한다.
전슬된 모든 파라미터는 오직 예시로서 제시된 것이며 본 발명의 다양한 실시예의 차별화 요구에 따라 변경될 수도 있다. 따라서 전술된 파라미터는 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
상기 예 및 설명은 당연히 단지 예시를 목적으로 하여 제공된 것이며, 본 발명을 어떤 식으로도 한정하기 위한 것이 아니다. 본 발명은 전슬된 하나 이상의 기술을 사용하여 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 다양한 방법으로 실행될 수 있음을 당업자는 알 수 있을 것이다.

Claims (17)

  1. 하나 이상의 셀을 포함하는 에너지 저장장치에 있어서,
    각각의 셀은 셀 사이에 배치된 한 쌍의 전극 및 하나의 분리막으로 규정되며 두 개의 집전장치로 경계 지어지고, 상기 분리막의 기하학적 형태 및 크기는 상기 집전장치의 형태 및 크기와 동일하고, 각각의 셀 내에서, 하나의 전극이 상기 두 개의 집전장치 중 하나에 인쇄되고 다른 전극이 상기 분리막의 한 면에 인쇄되며, 두 개의 전극은 상기 분리막에 의해 전기적으로 절연되며, 분리막 위에 인쇄된 전극을 둘러싸는 분리막의 주변 영역이 밀폐되는 에너지 저장장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분리막 위에 인쇄된 전극을 둘러싸는 상기 분리막의 밀폐된 주변 영역이 전기적으로 비전도성인 접착제로 채워지는 에너지 저장장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 셀은 두 개의 외부 집전장치 사이에 적층되어 전기적으로 직렬로 연결되는 에너지 저장장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 에너지 저장장치는 양극의 전기화학적 커패시터인 에너지 저장장치.
  5. 제3항에 있어서,
    외부 집전장치가 하나 이상의 내부식층으로 선택적으로 덮여진 금속 호일로 구성되는 에너지 저장장치.
  6. 제5항에 있어서,
    하나 이상의 내부식층은 카본, 전도성 중합체, 또는 이들 둘 모두를 포함하는 에너지 저장장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 금속 호일의 표면은 증가된 접촉 표면 면적을 갖는 거친 표면인 에너지 저장장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 집전장치는 전도성 중합체 시트, 금속 시트 또는 전도성 중합체로 코팅된 금속 시트로 구성되는 에너지 저장장치.
  9. 청구항 1에 따르는 하나 이상의 에너지 저장장치를 포함하는 다층 구조의 준비 방법에 있어서,
    n+1개의 집전장치 및 n개의 분리막을 제공하는 단계;
    각각의 상기 n개의 분리막의 주변 영역의 기공을 밀폐하여 각각의 상기 분리막 안에 불연속적인 하나 이상의 비밀폐 영역을 구성하는 단계;
    각각의 상기 분리막의 상기 하나 이상의 비밀폐 영역 위에 전극을 인쇄하는 단계;
    상기 n+1개의 집전장치로부터 선택된 n개의 집전장치 각각의 한 면에 하나 이상의 전극을 인쇄하여 각각의 상기 n개의 집전장치가 집전장치 위에 증착된 전극을 갖는 오직 한 면에만 가도록 하는 단계; 다층 구조를 구성하기 위해 상기 n+1개의 집전장치 및 상기 n개의 분리막을 교대로 배치하는 단계;
    를 포함하는 다층 구조 준비 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 n개의 분리막의 각각에 인쇄된 불연속적인 전극 영역은 수량, 크기 형태 및 위치면에서 상기 n개의 집전장치의 각각에 인쇄된 전극에 대응하는 다층 구조 준비 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 밀폐는 상기 n개의 분리막의 각각의 한 면에 전기적으로 비전도성 물질을 발라서 상기 비전도성 물질이 상기 분리막 주변 영역에서 상기 분리막의 상기 기공을 밀폐하는 단계를 포함하며, 이로 인해 하나 이상의 불연속적인 비밀폐 영역이 상기 분리막에 구성되는 다층 구조 준비 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    분리막 위에 인쇄 및 밀폐하기 전에 지지부에 각각의 상기 분리막을 처음에 설치하는 단계를 더 포함하며, 지지부는 다층 구조에 상기 분리막을 배치한 후에 상기 분리막으로부터 분리되는 다층 구조 준비 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 인쇄된 전극으로부터 초과 전해질을 제거하는 단계를 포함하는 다층 구조 준비 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제거하는 단계는 전극을 건조하는 단계를 포함하는 다층 구조 준비 방법.
  15. 전기화학적 셀에 사용하기 위한 분리막은 분리막 위에 인쇄된 하나 이상의 전극을 갖는 얇은 다공성 필름 또는 멤브레인을 포함하고, 각각의 전극은 상기 분리막의 밀폐된 영역에 의해 둘러싸이며, 상기 밀폐된 영역의 기공은 전기적으로 비전도성 접착제에 의해 채워지는 분리막.
  16. 제 13항 또는 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제거하는 단계는 상기 전극상에 배치된 흡수제에 의해 전해질을 흡수하는 단계를 포함하는
    다층 구조 준비 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제거하는 단계는 압력하에서 상기 전극상에 배치된 흡수제에 의해 전해질을 흡수하는 단계를 포함하는
    다층 구조 준비 방법.
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