專利名稱：雙電層電容器及其電極和電極的制造方法
技術領域：
本發明涉及一種用于雙電層電容器的電極，制造所述電極的方法和雙電層電容 器，更具體地說，涉及這樣一種用于雙電層電容器的電極、制造所述電極的方法和雙電層電 容器，所述用于雙電層電容器的電極具有改進的集電器結構或包括表面涂敷有高導電材料 的集電器，以獲得等效串聯電阻(ESR)。
背景技術：
雙電層電容器是一種能量儲存裝置，其使用一對具有相反極性的電極層(電荷 層)。這種雙電層電容器具有以下特性例如，快速充電/放電、對于過充電/過放電的高 耐抗性(resistance)、由于沒有伴隨的化學反應而導致的長使用壽命、在大的溫度范圍內 可使用以及防止由于重金屬成分污染環境。近來，雙電層電容器的應用范圍從需要獨立電源單元的系統、用于瞬時超載和能 量儲存單元的控制系統擴展至備用電源，所述備用電源是在瞬時功率失效時操作的備用的 電源。通常，雙電層電容器包括一對極化電極層；隔離件，設置在所述電極層之間，以 將電極層劃分為陽極和陰極；電解質水溶液和非電解質水溶液，極化電極層通過電解質水 溶液和非電解質水溶液被分別浸漬；集電器，聚集電荷。為了提高雙電層電容器的性能，需要低ESR。為了獲得低ESR，提出了用于增加用 作電極材料的活性碳的比表面積(specific surface area)的結構。具體地說，具有多孔表面的鋁(Al)箔被用作集電器，活性碳，即電極材料被提供 到多孔表面的孔中，從而降低ESR。但是，需要研究獲得比通過上述ESR減少方法獲得的ESR更低的ESR的方法，從而 使雙電層電容器的適用性多樣化并且確保其高電容。
發明內容
本發明的一方面提供一種用于雙電層電容器的電極、制造所述電極的方法和雙電 層電容器，所述電極可通過按照降低電荷轉移阻抗的方式改變集電器的結構而實現低ESR。本發明的一方面還提供一種用于雙電層電容器的電極、制造所述電極的方法和雙 電層電容器，所述電極可通過將具有比電極材料的導電率更高的導電率的材料布置在集電 器和電極材料之間而實現低ESR。根據本發明的一方面，提供了一種用于雙電層電容器的電極，所述電極包括集電 器，包括鋁(Al)箔層和具有比Al的導電率高的導電率的高導電金屬層，所述高導電金屬層 層疊在Al箔層之上；凹槽，形成在Al箔層中，以使得高導電金屬層接觸電極材料；電極層，由電極材料形成，位于凹槽和Al箔層之上。所述Al箔層的凹槽具有粗糙表面。所述凹槽可通過利用蝕刻形成，以擴大Al箔層與電極材料的接觸表面。集電器可包括層疊在在Al箔層上的高導電金屬層上的另一 Al箔層。高導電金屬層可由從由Cu、Ag、Au和Pt組成的組中選擇的任一個形成。電極材料可包括高導電聚合物材料，直接接觸高導電金屬層；活性碳電極材料， 涂敷在聚合物材料上。根據本發明的另一方面，提供了一種雙電層電容器，包括多個電極單元，各自包 括集電器、電極層和分隔件，所述集電器包括Al箔層和具有比Al的導電率高的導電率的高 導電金屬層，所述高導電金屬層層疊在Al箔層之上，所述電極層的每個由接觸高導電金屬 層的電極材料形成，所述分隔件分隔所述電極層；內部電極單元，通過將所述多個電極單元 層疊而形成；金屬殼，填充有電解質溶液，并且容納內部電極單元。在Al箔層中可形成凹槽，所述凹槽具有粗糙表面。凹槽可利用蝕刻形成，以擴大Al箔層與電極材料的接觸表面。集電器可包括層疊在在Al箔層上的高導電金屬層上的另一 Al箔層。所述高導電金屬層可由從由Cu、Ag、Au和Pt組成的組中選擇的任一個形成。電極材料可包括高導電聚合物材料，直接接觸高導電金屬層；活性碳電極材料， 涂敷在聚合物材料上。根據本發明的另一方面，提供了一種制造用于雙電層電容器的電極的方法，所述 方法包括在Al箔層上設置高導電金屬層，以制備集電器；在Al箔層的表面中形成凹槽， 所述凹槽與高導電金屬層連通；將電極材料注入到凹槽中，以用電極材料涂敷所述凹槽和 Al箔層。在Al箔層的表面中形成凹槽的步驟可包括通過利用蝕刻將Al箔層的凹槽的表面 粗糙化。集電器可包括層疊在在Al箔層上的高導電金屬層上的另一 Al箔層。所述高導電金屬層可由從由Cu、Ag、Au和Pt組成的組中選擇的任一個形成。所述電極材料可包括高導電聚合物材料，直接接觸高導電金屬層；活性碳電極 材料，涂敷在聚合物材料上。
通過以下結合附圖的詳細描述，本發明的上述和其它方面、特征和其它優點將被 更加清楚地理解，其中圖1是顯示根據本發明示例性實施例的雙電層電容器的局部切除的透視圖；圖2是顯示根據本發明的示例性實施例的在雙電層電容器內部的電極單元的一 個示例的示意性透視圖；圖3是顯示根據本發明示例性實施例的在雙電層電容器內部的分層(laminated) 電極單元的一個示例的示意性透視圖；圖4A至圖4C是顯示根據本發明的示例性實施例的制造用于雙電層電容器的電極 的方法的示意圖5是顯示在用于根據本發明示例性實施例制造的雙電層電容器的電極中的電 荷流(flow of charges)的示意圖；圖6是顯示在制造用于根據本發明示例性實施例的雙電層電容器的電極時，在電 極層由活性碳電極材料形成之前，高導電聚合物材料被涂敷到Al箔層上的示意圖。
具體實施例方式現在，將參照附圖詳細描述本發明的示例性實施例。但是，本發明可按照許多不同 的形式實現，而不應被理解為限制于在此闡述的實施例。此外，這些實施例被提供，從而本 公開將是徹底和完整的，并且將本發明的范圍完全傳達給本領域技術人員。附圖中的相同的標號指代相同的元件，并且將省略對它們的描述。圖1是顯示根據本發明示例性實施例的雙電層電容器的局部切除的透視圖。圖2 是顯示根據本發明的示例性實施例的雙電層電容器內部的電極單元的一個示例的示意性 透視圖。圖3是顯示根據本發明示例性實施例的在雙電層電容器內部的分層電極單元的一 個示例的示意性透視圖。參照圖1至圖3，根據示例性實施例的雙電層電容器10包括多個電極單元IC至 4C、通過連續層疊所述多個電極單元IC至4C而形成的內部電極單元70以及填充有電解質 溶液34并容納內部電極單元70的金屬殼30。電極單元C是雙電層電容器10的內部電極單元70中的一個基本單元，并包括集 電器(current collector) 20、包括第一電極層42和第二電極層44的電極層40以及將第 一電極層42和第二電極層44彼此分隔開從而防止短路的分隔件(s印aratOr)50。集電器20包括Al箔層24和高導電金屬層22，所述高導電金屬層22的導電率比 Al高，并且層疊在Al箔層24上。這里，高導電金屬層22指具有比Al的導電率高的導電率 的金屬，并且，在該實施例中，所述金屬可以是從由Cu、Ag、Au和Pt組成的組中選擇的任意 一個。凹槽26 (見圖4A)形成在Al箔層24中，以允許電極材料接觸高導電金屬層22。根據集電器20在金屬殼30中的位置，高導電金屬層22可層疊在Al箔層24的一 個表面上，或者可設置在Al箔層24和另一箔層24之間。凹槽26形成在Al箔層24的表面中，并且使得電極材料接觸高導電金屬層22。這 里，凹槽26通過切割Al箔層24而形成，并且Al箔層24的凹槽26的表面是粗糙的。凹槽26可通過蝕刻形成，以擴展Al箔層24與電極材料的接觸面積。Al箔層24 的粗糙表面可將層疊在Al箔層24上的第一電極層42和第二電極層44的電極材料的量增 加至最大程度。這有利于降低在Al箔層24和電極材料之間存在的ESR。由于電極材料直接接觸具有比Al箔層24的導電率更高的導電率的高導電金屬層 22，產生的電荷可運動通過高導電金屬層22，從而進一步降低ESR。通過按照上述方式降低雙電層電容器的ESR，可提高高輸出功率密度(high output power density)，這是雙電層電容器的優點之一。金屬殼30提供允許內部電極單元70被容納在電解質溶液34中的空間，并且包括 暴露到外部的集電極端子(collector terminal) 32a和32b，以表面安裝到板上。這種雙電 層電容器10不僅可被應用到芯片型還可被應用到紐扣型(coin type)。
在雙電層電容器10被表面安裝的情況下，內部電極單元70需要被保護以避免在 表面安裝過程中的大約260°C的高溫，并且必須防止液態電解質泄漏。因此，殼優選地由金 屬材料而不是例如環氧樹脂的樹脂形成。第一電極層42和第二電極層44的電極材料可利用可極化(polarizable)的電極 材料，例如，具有相對高的比表面積的活性碳。第一電極層42和第二電極層44用例如硫酸 水溶液的電解質溶液浸漬，從而用作電荷層。第一電極層42和第二電極層44可通過形成主要由將活性碳粉形成為固態片 (solid type sheet)而形成電極材料而產生，或者通過將電極材料漿固定到集電器20上而 形成。電極材料可包括直接接觸高導電金屬層22的高導電聚合物材料以及涂敷在高導 電聚合物材料上的活性碳電極材料。詳細地說，高導電聚合物材料可首先被層疊到Al箔層 24中的凹槽26上，然后用活性碳電極材料涂敷(見圖6)。分隔件50可由多孔材料形成，以使得離子可被運輸。分隔件50可由例如聚丙烯 (polypropylene)、聚乙烯(polyethylene)、玻璃纖維等的材料形成。以下，將描述根據本發明示例性實施例的制造用于雙電層電容器的電極的方法。圖4A至圖4C是顯示根據本發明示例性實施例的制造用于雙電層電容器的電極的 方法的示意圖。參照圖4A至圖4C，高導電金屬層22設置在Al箔層24上，從而制備集電器20。凹 槽26形成在Al箔層24的表面中，從而與高導電金屬層22連通。在凹槽26形成在Al箔層24中之后，Al箔層24可設置在高導電金屬層22上。因 此，Al箔層24和高導電金屬層22的層疊次序以及凹槽26的形成次序可改變。這里，在集電器20中，高導電金屬層22可介于Al箔層24之間。這種高導電金屬 層22的描述用以上描述替代。如圖4A所示，凹槽26通過切割Al箔層24的表面而形成。然后，如圖4B所示，Al 箔層24的凹槽26的表面被蝕刻為粗糙的。在圖4B中，標號28指代通過蝕刻形成的蝕刻表面。如圖4C所示，電極材料被注入到粗糙的Al箔層24的凹槽26中，從而用電極材料 涂敷凹槽26和Al箔層24。當Al箔層24的表面在以上述方式制造的雙電層電容器10中被粗糙化時，層疊在 Al箔層24上的第一電極層42和第二電極層44的電極材料的量可增加至最大程度，從而降 低在Al箔層24和電極材料之間存在的ESR。由于電極材料直接接觸具有比Al箔層24的導電率高的導電率的高導電金屬層 22，因此，產生的電荷可運動通過高導電金屬層22，從而進一步降低ESR。圖5是顯示用于 根據本發明的示例性實施例制造的雙電層電容器的電容器中的電荷流的示意圖。雙電層電容器的ESR的降低可有利于提高高輸出功率密度，這是雙電層電容器的 優點之一。圖6是顯示在制造用于根據本發明示例性實施例的雙電層電容器的電極時，在電 極層由活性碳電極材料形成之前，高導電聚合物材料被施加到Al箔層上的示意圖。參照圖6，當用于雙電層電容器的電極處于圖4B所示的狀態時，在注入活性碳電極材料之前，高導電聚合物材料60被注入，從而高導電聚合物材料直接接觸高導電金屬 層。這進一步降低了雙電層電容器的ESR，并且增加了高輸出功率密度。如上所述，在根據本發明示例性實施例的用于雙電層電容器的電極、制造所述電 極的方法和雙電層電容器中，集電器包括在Al箔層上的高導電金屬層，并且高導電金屬層 直接接觸電極材料。結果，可降低電荷轉移阻抗(charge-transfer resistance) 0此外，高導電聚合物材料介于在集電器和電極材料之間，從而實現了在雙電層電 容器中的低ESR以及高輸出功率。雖然已經結合示例性實施例顯示并描述了本發明，但是對于本領域技術人員來說 清楚的是，在不脫離由權利要求限定的本發明的精神和范圍的情況下，可做出各種修改和變化。
權利要求
一種用于雙電層電容器的電極，所述電極包括集電器，包括Al箔層和具有比Al的導電率高的導電率的高導電金屬層，所述高導電金屬層層疊在Al箔層之上；凹槽，形成在Al箔層中，以使得高導電金屬層接觸電極材料；電極層，由電極材料形成，位于凹槽和Al箔層之上。
2.如權利要求1所述的用于雙電層電容器的電極，其中，Al箔層的凹槽具有粗糙的表
3.如權利要求1所述的用于雙電層電容器的電極，其中，凹槽通過利用蝕刻形成，以擴 大Al箔層與電極材料的接觸表面。
4.如權利要求1所述的用于雙電層電容器的電極，其中，集電器包括層疊在在Al箔層 上的高導電金屬層上的另一 Al箔層。
5.如權利要求1所述的用于雙電層電容器的電極，其中，高導電金屬層由從由Cu、Ag、 Au和Pt組成的組中選擇的任一個形成。
6.如權利要求1所述的用于雙電層電容器的電極，其中，電極材料包括 高導電聚合物材料，直接接觸高導電金屬層；活性碳電極材料，涂敷在聚合物材料上。
7.一種雙電層電容器，包括多個電極單元，各自包括集電器、電極層和分隔件，所述集電器包括Al箔層和具有比 Al的導電率高的導電率的高導電金屬層，所述高導電金屬層層疊在Al箔層之上，所述電極 層的每個由接觸高導電金屬層的電極材料形成，所述分隔件使所述電極層分隔開； 內部電極單元，通過將所述多個電極單元層疊而形成； 金屬殼，填充有電解質溶液，并且容納內部電極單元。
8.如權利要求7所述的雙電層電容器，其中，在Al箔層中形成凹槽，所述凹槽具有粗糙表面。
9.如權利要求8所述的雙電層電容器，其中，凹槽利用蝕刻形成，以擴大Al箔層與電極 材料的接觸表面。
10.如權利要求7所述的雙電層電容器，其中，集電器包括層疊在在Al箔層上的高導電 金屬層上的另一 Al箔層。
11.如權利要求7所述的雙電層電容器，其中，所述高導電金屬層由從由Cu、Ag、Au和 Pt組成的組中選擇的任一個形成。
12.如權利要求7所述的雙電層電容器，其中，電極材料包括 高導電聚合物材料，直接接觸高導電金屬層；活性碳電極材料，涂敷在聚合物材料上。
13.—種制造用于雙電層電容器的電極的方法，所述方法包括 在Al箔層上設置高導電金屬層，以制備集電器；在Al箔層的表面中形成凹槽，所述凹槽與高導電金屬層連通； 將電極材料注入到凹槽中，以用電極材料涂敷所述凹槽和Al箔層。
14.如權利要求13所述的方法，其中，在Al箔層的表面中形成凹槽的步驟包括通過利 用蝕刻將Al箔層的凹槽中的表面粗糙化。
15.如權利要求13所述的方法，其中，集電器包括層疊在在Al箔層上的高導電金屬層 上的另一 Al箔層。
16.如權利要求13所述的方法，其中，所述高導電金屬層由從由Cu、Ag、Au和Pt組成 的組中選擇的任一個形成。
17.如權利要求13所述的方法，其中，所述電極材料包括 高導電聚合物材料，直接接觸高導電金屬層；活性碳電極材料，涂敷在聚合物材料上。
全文摘要
本發明提供了一種雙電層電容器及其電極和電極的制造方法，其中，用于雙電層電容器的電極包括集電器，包括Al箔層和具有比Al的導電率高的導電率的高導電金屬層，所述高導電金屬層層疊在Al箔層之上；凹槽，形成在Al箔層中，以使得高導電金屬層接觸電極材料；電極層，由電極材料形成，位于凹槽和Al箔層之上。
文檔編號H01G9/155GK101930852SQ200910265730
公開日2010年12月29日 申請日期2009年12月29日 優先權日2009年6月26日
發明者李圣鎬, 趙英洙, 鄭昌烈, 鄭玄喆 申請人:三星電機株式會社