JP2014131035A - 電気エネルギー貯蔵装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】抵抗特性が改善した電気エネルギー貯蔵装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】電気エネルギー貯蔵装置は、陽極リードと陰極リードがそれぞれ形成された陽極と陰極が交互に積層された電極積層体１００と、前記電極積層体の両側に配置されて陽極リードと陰極リードにそれぞれ連結され、外部端子２３０と一つ以上の電解液流動口２４０が形成された集電板２００とを含む。外部端子は集電体と一体に形成され、陽極リード、陰極リードは、それぞれ陽極、陰極の一側部に長さ方向に形成されていることが好ましい。
【選択図】図６

Description

本発明は、電気エネルギー貯蔵装置及びその製造方法に関し、より詳細には、抵抗特性が改善した角型構造の電気エネルギー貯蔵装置及びその製造方法に関する。
通常、電気エネルギーを貯蔵する装置としては、電池（Ｂａｔｔｅｒｙ）とキャパシタ（Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）が挙げられる。
通常、キャパシタは、静電キャパシタ（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）、電解キャパシタ（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）及び電気化学キャパシタ（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）に分類するが、電気化学キャパシタはスーパーキャパシタとも称され、電極と電解質との間の電気化学的な反応がもたらすイオンの移動を用いて電気エネルギーを貯蔵及び供給する電気エネルギー貯蔵装置であり、従来の電解キャパシタと二次電池に比べてエネルギー密度と出力密度に優れることで多量のエネルギーを迅速に貯蔵及び供給することができる新概念の電気エネルギー貯蔵動力源として最近注目を浴びている。
このような、スーパーキャパシタは、蓄電容量が非常に大きいキャパシタであり、電極と電解質界面への単純なイオンの移動や表面化学反応による充電現象を用いることで、急速な充放電が可能であり、高い充放電効率及び半永久的なサイクル寿命を有する。
前記のようなスーパーキャパシタは、短時間内に多量の電流を供給することができる特性により、独立した電源供給装置が要求されるシステム、瞬間的に発生する過負荷を調節するシステム及びエネルギー貯蔵装置などに市場が拡大している傾向にある。特に、二次電池に比べてエネルギー入出力に優れた点が強調され、瞬間静電時に作動する補助電源であるｂａｃｋ‐ｕｐ動力源、携帯用移動通信器機のパルス動力源、ハイブリッド電気自動車の高出力動力源として多くの応用が期待されている。また、充放電効率や寿命において二次電池より優れており、使用可能温度、電圧範囲が相対的に広く、メンテナンスが要らず、環境にやさしいという長所があり、二次電池代替用としても検討されている。
このようなスーパーキャパシタは、円筒型又は角型の二つの形態に製作されているが、モジュール製作時に、角型のスーパーキャパシタが円筒型より高い空間効率を有するため多く用いられている。
従来の角型のスーパーキャパシタは、活物質が塗布された電極と電極を積層して電極積層体を製造する。このように製造された電極積層体は、設計された容量に応じて単独又は複数の電極積層体を合わせて一つのスーパーキャパシタを製造することもあり、各電極のリードを束ねて超音波溶接又は冷間溶接を行い、ケースに形成された外部端子部にリベット（Ｒｉｖｅｔ）を行って外部端子を形成して製造される。
このように製造されるスーパーキャパシタにおいて、電流印加時に電極での電荷移動は、図５（ａ）から分かるように、端子と連結されているリードに移動し、これは制限された大きさのリードによって抵抗成分が現われ得る。また、各電極のリードを束ねて外部端子にリベットで連結するため、接触抵抗が発生して大電流の充放電時に外部端子と連結された部分に熱が発生してスーパーキャパシタの劣化を促進するという問題がある。
韓国公開特許第１０−２０１１−００８７８４４号公報 韓国公開特許第１０−２０１１−００４７６０９号公報
前記のような問題点を解決するために提案された本発明は、電極自体の抵抗特性を改善することができる電気エネルギー貯蔵装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
また、電極とケースの端子の接触部分の抵抗特性を改善することができ、内部空間を効率的に活用して容量が増加した電気エネルギー貯蔵装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
さらに、電極と電解液をスムーズに含浸することができる電気エネルギー貯蔵装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
前記目的を果たすための本発明の実施形態による電気エネルギー貯蔵装置は、陽極リードと陰極リードがそれぞれ形成された陽極と陰極が交互に積層された電極積層体と、前記電極積層体の両側に配置されて陽極リードと陰極リードにそれぞれ連結され、外部端子と一つ以上の電解液流動口が形成された集電板と、を含む。
ここで、前記陽極の一側部に、陽極リードが長さ方向に形成されることができる。
また、前記陰極の一側部に、陰極リードが長さ方向に形成されることができる。
さらに、前記集電板は、前記電極積層体にレーザー溶接により接合されることができる。
ここで、前記集電板の前記外部端子が、集電板と一体に形成されることができる。
一方、前記電極積層体は、前記陽極と陰極との間に介在された分離膜をさらに含むことができる。
また、前記電極積層体及び集電板が収容され、外部端子を貫通するように貫通孔が形成されたケースをさらに含み、前記貫通孔には第１絶縁部材が挿入されることができる。
ここで、前記ケースと集電板との間に介在された第２絶縁部材をさらに含むことができる。
前記目的を果たすための本発明の実施形態による電気エネルギー貯蔵装置の製造方法は、陽極リードが形成された陽極、分離膜、陰極リードが形成された陰極を順に積層して電極積層体を形成する段階と、前記電極積層体の両側に集電板を接合する段階と、前記集電板が接合された電極積層体をケースの内部に収容し、電解液を投入する段階と、を含む。
ここで、前記陽極の一側部に、陽極リードが長さ方向に形成され、前記陰極の一側部に、陰極リードが長さ方向に形成されることができる。
また、前記集電板には、一つ以上の電解液流動口が形成されることができる。
さらに、前記集電板の上部に外部端子が一体に形成されることができる。
一方、前記電極積層体の両側に集電板を接合する段階において、前記集電板は、電極積層体の両側にレーザー溶接により接合されることができる。
本発明の実施形態による電気エネルギー貯蔵装置及びその製造方法は、上述したように、電極の一側部に長さ方向にリードが形成されることで電荷の流れが集中しないため、電極内部の抵抗特性を改善することができるという利点がある。
また、外部端子が一体に形成された集電板が形成されて電極のリードと接触することにより、接触部分に対する抵抗を低減して劣化による耐久性低下を防止することができ、電極に形成されたリードと外部端子を連結するためのリベット部材が要らないため、内部空間を効率的に使用することができ、容量を増加させることができるという利点がある。
さらに、集電板に形成された電解液流動口を介して電解液が流動されることができるため、電極と電解液をスムーズに含浸することができるという利点がある。
本発明の実施形態による電気エネルギー貯蔵装置を示す正断面図である。 本発明の実施形態による電気エネルギー貯蔵装置を示す側断面図である。 図１の電極積層体を示す斜視図である。 図１の電極積層体を示す正面図である。 従来の電極と本発明の実施形態による電気エネルギー貯蔵装置の電極を比較した概略図である。 図１の電極積層体と集電板が結合された状態を示す斜視図である。 本発明の実施形態による電気エネルギー貯蔵装置の製造方法を示すフローチャートである。
以下、図面を参照して本発明の具体的な実施形態を説明する。しかし、これは例示に過ぎず本発明はこれに制限されない。
本発明を説明するにあたり、本発明に係わる公知技術についての具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にする可能性があると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。そして、後述する用語は本発明においての機能を考慮して定義された用語であり、これは使用者、運用者の意図または慣例などによって変わることができる。従って、その定義は本明細書の全体における内容を基に下すべきである。
本発明の技術的思想は請求範囲によって決まり、以下の実施形態は本発明の技術的思想を本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者に効率的に説明するための一つの手段に過ぎない。
以下、添付の図１から図６の図面を参照して本発明による電気エネルギー貯蔵装置の実施形態をより詳細に説明すると次のとおりである。
図１は本発明の実施形態による電気エネルギー貯蔵装置を示す正断面図であり、図２は本発明の実施形態による電気エネルギー貯蔵装置を示す側断面図であり、図３は図１の電極積層体を示す斜視図であり、図４は図１の電極積層体を示す正面図であり、図５（ａ）は従来の電極を示す概略図であり、図５（ｂ）は本発明の実施形態による電気エネルギー貯蔵装置の電極を示す概略図であり、図６は図１の電極積層体と集電板が結合された状態を示す斜視図である。
図１から図６を参照すると、本発明の実施形態による電気エネルギー貯蔵装置は、陽極リード１１１と陰極リード１２１がそれぞれ形成された陽極１１０と陰極１２０が交互に積層された電極積層体１００と、前記電極積層体１００の両側に配置されて陽極リード１１１と陰極リード１２１にそれぞれ連結され、外部端子２３０が形成された集電板２００と、を含む。
前記電極積層体１００は、陽極１１０及び陰極１２０に分けられる電極が積層されたものであり、交互に積層された少なくとも一つ以上の陽極１１０及び陰極１２０と、前記陽極１１０及び陰極１２０の間に介在された分離膜（不図示）と、で構成されることができる。
前記陽極１１０は、アルミニウムなどの金属材質で形成された板形状の集電体に活性炭素又は遷移金属酸化物などの活物質を塗布することで形成されることができる。ここで、前記陽極１１０には活物質が塗布されていない部分が形成されることができるが、活物質が塗布されていない部分が陽極リード１１１として形成される。この際、前記陽極リード１１１は、陽極１１０外部との電流の流れのための通路の役割をすることができる。
また、前記陰極１２０は、アルミニウム、銅又はニッケルのような金属材質で形成された板形状の集電体に活性炭素又は黒鉛などの活物質を塗布することで形成されることができる。ここで、前記陰極１２０には活物質が塗布されていない部分が形成されることができるが、活物質が塗布されていない部分が陰極リード１２１として形成される。この際、前記陰極リード１２１は、陰極１２０外部との電流の流れのための通路の役割をすることができる。
しかし、本実施形態において、前記陽極１１０と陰極１２０の材質を限定しない。
一方、前記陽極１１０と陰極１２０にそれぞれ形成された陽極リード１１１と陰極リード１２１は、陽極１１０と陰極１２０それぞれの一側部に長さ方向に形成されることができる。
ここで、図５の（ａ）のように、従来の電極１０は、リード１１が上部一側に形成されることで、電極に電流を印加する場合に電荷の流れが上部一側に集中し、制限された大きさのリード１１によって抵抗成分が現われる。
しかし、図５の（ｂ）のように、本発明の実施形態による陽極１１０及び陰極１２０は、陽極リード１１１又は陰極リード１２１が陽極１１０と陰極１２０それぞれの一側部に長さ方向に形成されることで、電荷の流れがスムーズになることができ、抵抗成分を減少させることができる。
前記集電板２００は、電極積層体１００の両側部に形成された陽極リード１１１と陰極リード１２１にそれぞれ電気的に連結されるように形成されることができる。
ここで、前記集電板２００は「┐」状に形成されることができ、金属又はその等価物で形成されることができる。例えば、アルミニウム、銅、ステンレススチールから選択される何れか一つで形成されることができる。しかし、集電板２００はこのような材質に限定されない。
また、前記集電板２００は、水平集電板２１０と垂直集電板２２０で形成されることができ、水平集電板２１０は電極積層体１００の上面に接触し、垂直集電板２２０は電極積層体１００の両側部に形成された陽極リード１１１と陰極リード１２１にそれぞれ接触するように形成されることができる。
この際、前記集電板２００の垂直集電板２２０は、電極積層体１００の側面の陽極リード１１１と陰極リード１２１に溶接により接合されて電気的に連結されることができる。例えば、前記集電板２００の垂直集電板２２０は、電極積層体１００の陽極リード１１１と陰極リード１２１にそれぞれレーザー溶接により接合されることが好ましい。
すなわち、前記集電板２００が電極積層体１００の両側にレーザー溶接により接合されることで外部衝撃による破損を防止することができ、電極積層体１００の長さ方向に形成された陽極リード１１１と陰極リード１２１の全面に接合されて広い接触面積を確保することができ、これにより抵抗を減少させることができる。
さらに、前記集電板２００の水平集電板２１０の上部には後述するケース３００を貫通して結合される外部端子２３０が形成されることができる。
この際、前記外部端子２３０は、射出成形方法により集電板２００と一体に形成されることができる。
すなわち、従来、リベットのような別の結合部材を用いてケースの外部端子と結合したため結合部分で抵抗が発生したが、本発明の実施形態では、外部端子２３０が集電板２００に一体に形成されることで抵抗発生を低減することができ、リベットのような別の結合部材なしにケース３００と結合することで製造時間を短縮することができ、結合部材が占めた空間を効率的に使用することで電気エネルギー貯蔵装置の容量を増大させることができる。
一方、前記集電板２００の垂直集電板２２０には一つ以上の電解液流動口２４０が形成されることができる。
すなわち、前記電解液流動口２４０は後述するケース３００に電極積層体１００とともに収容され、電解液に投入されると、電解液が電解液流動口２４０を介して集電板２００の内側の電極積層体１００と集電板２００の外側に流動されることにより、電極積層体１００の陽極１１０及び陰極１２０に電解液がスムーズに含浸されることができる。
前記のように、前記集電板２００が接合された電極積層体１００は、内部に空間が形成されたケース３００に収容することができる。
ここで、前記ケース３００は、アルミニウム、アルミニウム合金又はニッケルがメッキされたスチールのような導電性金属で形成されることができ、略六面体形状に形成されることができる。
この際、前記ケース３００の上部には集電板２００に形成された外部端子２３０が貫通して突出するように貫通孔３１０が形成されることができ、貫通孔３１０を貫通した外部端子２３０にはナット３２０が結合されて固定されることができる。
一方、前記ケース３００の貫通孔３１０の内側には、外部端子２３０とケース３００との間の絶縁のために第１絶縁部材３３１が挿入されることができる。
また、前記ケース３００の上部内側とケース３００に収容される集電板２００との間に第２絶縁部材３３２が配置されてケース３００と集電板２００を絶縁させることができる。
以下、本発明の電気エネルギー貯蔵装置の製造方法について説明する。
図７は本発明の実施形態による電気エネルギー貯蔵装置の製造方法を示すフローチャートである。
図７を参照すると、本発明の実施形態による電気エネルギー貯蔵装置の製造方法は、まず、陽極リード１１１が形成された陽極１１０、分離膜（不図示）、陰極リード１２１が形成された陰極１２０を順に積層して電極積層体１００を形成する段階（Ｓ１００）を行うことができる。
ここで、前記陽極１１０の一側部に陽極リード１１１が長さ方向に形成され、陰極１２０の一側部に陰極リード１２１が長さ方向に形成されることができる。
また、前記電極積層体１００において、陽極１１０と陰極１２０を交互に積層することができる。この際、前記陽極１１０と陰極１２０との間には分離膜を介在することが好ましい。
次に、前記電極積層体１００の両側に集電板２００を接合する段階（Ｓ２００）を行うことができる。
ここで、前記集電板２００は、水平集電板２１０と垂直集電板２２０で構成された「┐」状に形成されることができ、前記水平集電板２１０には外部端子２３０が一体に形成されることができ、垂直集電板２２０には電解液流動口２４０が形成されることができる。
一方、前記集電板２００の前記水平集電板２１０が電極積層体１００の上面に接触し、垂直集電板２２０が電極積層体１００の両側部に形成された陽極リード１１１と陰極リード１２１にそれぞれ接触するように配置した後、レーザー溶接して電極積層体１００に接合することができる。
次に、前記集電板２００が接合された電極積層体１００をケース３００の内部に収容し、電解液を投入する段階（Ｓ３００）を行うことができる。
ここで、前記ケース３００の上部に形成された貫通孔３１０に集電板２００の外部端子２３０を貫通させた後、外部端子２３０をナット３２０に結合して電気エネルギー貯蔵装置を得ることができる。
この際、前記貫通孔３１０には第１絶縁部材３３１を挿入して外部端子２３０とケース３００を絶縁することができ、ケース３００の内側上部と集電板２００との間には第２絶縁部材３３２が配置されて集電板２００とケース３００を絶縁させることができる。
以上、代表的な実施形態を参照して本発明に対して詳細に説明したが、本発明に属する技術分野において通常の知識を有する者であれば、上述の実施形態に対して本発明の範囲を外れない限度内で多様な変形が可能であることを理解するのであろう。
従って、本発明の権利範囲は上述の実施形態に限定されてはならず、後述する特許請求範囲だけでなくこの特許請求範囲と均等なものによって決められるべきである。
１００ 電極積層体
１１０ 陽極
１１１ 陽極リード
１２０ 陰極
１２１ 陰極リード
２００ 集電板
２１０ 水平集電板
２２０ 垂直集電板
２３０ 外部端子
２４０ 電解液流動口
３００ ケース
３１０ 貫通孔
３２０ ナット
３３１ 第１絶縁部材
３３２ 第２絶縁部材

Claims (13)

  1. 陽極リードと陰極リードがそれぞれ形成された陽極と陰極が交互に積層された電極積層体と、
    前記電極積層体の両側に配置されて前記陽極リードと前記陰極リードにそれぞれ連結され、外部端子と一つ以上の電解液流動口が形成された集電板と、を含む、電気エネルギー貯蔵装置。
  2. 前記陽極の一側部に、前記陽極リードが長さ方向に形成される、請求項１に記載の電気エネルギー貯蔵装置。
  3. 前記陰極の一側部に、前記陰極リードが長さ方向に形成される、請求項１に記載の電気エネルギー貯蔵装置。
  4. 前記集電板は、前記電極積層体にレーザー溶接により接合される、請求項１に記載の電気エネルギー貯蔵装置。
  5. 前記集電板の前記外部端子が、前記集電板と一体に形成される、請求項１に記載の電気エネルギー貯蔵装置。
  6. 前記電極積層体は、前記陽極と前記陰極との間に介在された分離膜をさらに含む、請求項１に記載の電気エネルギー貯蔵装置。
  7. 前記電極積層体及び前記集電板が収容され、前記外部端子が貫通するように貫通孔が形成されたケースをさらに含み、
    前記貫通孔には第１絶縁部材が挿入される、請求項１に記載の電気エネルギー貯蔵装置。
  8. 前記ケースと前記集電板との間に介在された第２絶縁部材をさらに含む、請求項７に記載の電気エネルギー貯蔵装置。
  9. 陽極リードが形成された陽極、分離膜、陰極リードが形成された陰極を順に積層して電極積層体を形成する段階と、
    前記電極積層体の両側に集電板を接合する段階と、
    前記集電板が接合された前記電極積層体をケースの内部に収容し、電解液を投入する段階と、を含む、電気エネルギー貯蔵装置の製造方法。
  10. 前記陽極の一側部に、前記陽極リードが長さ方向に形成され、前記陰極の一側部に、前記陰極リードが長さ方向に形成される、請求項９に記載の電気エネルギー貯蔵装置の製造方法。
  11. 前記集電板には、一つ以上の電解液流動口が形成される、請求項９に記載の電気エネルギー貯蔵装置の製造方法。
  12. 前記集電板の上部に外部端子が一体に形成される、請求項９に記載の電気エネルギー貯蔵装置の製造方法。
  13. 前記電極積層体の両側に集電板を接合する段階において、
    前記集電板は、前記電極積層体の両側にレーザー溶接により接合される、請求項９に記載の電気エネルギー貯蔵装置の製造方法。
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