KR100923863B1 - 에너지 저장장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에너지 저장장치에 관한 것으로서, 양극전극 및 음극전극과; 양극리드선 및 음극리드선과; 상기 양극전극들과 음극전극들 사이에 위치하여 본 양극전극들과 음극전극들을 분리하기 위한 분리막과; 상기 양극전극들과 음극전극들과 분리막을 수용하는 하우징과; 본 하우징 내에 수용되는 전해액과; 상기 양극리드선과 음극리드선이 각각 연결되는 양극단자 및 음극단자를 포함하며, 상기 양극전극들과 음극전극들은 상호 교대로 배치되며, 상기 분리막은 상기 교대로 배치된 복수 개의 양극전극들과 음극전극들을 각각 분리하면서 연속적으로 일체 형성되는 것을 특징으로 한다.

이에 의해, 본 발명에 따른 에너지 저장장치는 각 극 전극의 폭을 동일하게 구성하여, 생산 원가를 절감시킬 수 있으며, 양극전극과 음극전극의 배치시, 대향위치를 정확하게 배치시킬 수 있도록 구성되어, 전극 이용효율을 극대화 할 수 있다.

분리막, 양극전극, 접힘기준부

Description

에너지 저장장치 {ENERGY STORING DEVICE}

본 발명은 에너지 저장장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 양극전극과 음극전극을 분리시키는 분리막을 일체로 형성하여, 제조공정시 투입되는 전극면적의 양을 줄임으로써, 생산원가를 절감시킬 수 있는 에너지 저장장치에 관한 것이다.

일반적으로, 전기에너지를 저장하는 소자로는 전지(battery)와 커패시터(capacitor)가 대표적이다.

울트라 커패시터(Ultra Capacitor)는 슈퍼 커패시터(Super Capacitor)라고도 불리우며, 전해콘덴서와 이차전지의 중간적인 특성을 갖는 에너지저장장치로서 높은 효율, 반영구적인 수명특성으로 인해 이차전지와의 병용 및 대체가능한 차세대 에너지 저장장치이다.

울트라 커패시터는 에너지 저장메커니즘에 따라 전기이중층 커패시터(EDLC; electric double layer capacitor)와 유사커패시터(pseudocapacitor)로 나눌수 있다.

유사커패시터는 화학적 반응을 수반하지만, 전기적 거동은 마치 커패시터처 럼 거동하여 유사 커패시터라 칭하며, EDLC는 전극과 전해질 계면의 전기이중층에 전하가 흡착는 성질을 이용한다.

EDLC는 활성탄소와 같이 표면적이 넓은 물질을 전극의 활물질로 하여 전극물질의 표면과 전해질의 접촉면에 전기이중층을 형성하게 된다.

즉, 전극과 전해질 용액의 경계면에서 서로 다른 극성을 갖는 전하층이 정전 효과에 의해 생성되는데, 이렇게 형성된 전하 분포를 전기이중층이라고 하며, 이와 같은 현상으로 마치 축전지에서와 같은 축전 용량을 갖게 된다.

그러나, 전기이중층 커패시터의 경우 축전지와는 다른 충/방전 특성을 가지는데, 축전지의 경우 충/방전 과정동안 시간에 대한 전압 특성이 마치 고원과 같은 평탄형(Plateau)의 그래프 특성을 보임에 비해, 전기이중층 커패시터의 경우 충/방전 과정동안 시간에 대한 전압 특성이 선형적인 그래프 특성을 보인다.

따라서, 전기이중층 커패시터의 경우 전압을 측정함으로써 충/방전된 에너지의 양이 용이하게 계산될 수 있는 특성을 지닌다.

한편, 상기와 같은 전기이중층 커패시터는 전기를 저장하는 메커니즘이 화학반응을 이용하는 축전지와 달리 전해질의 계면에 형성되는 전기이중층에 전하를 저장하므로, 즉 물리적인 전하의 축적에 의한 축전현상을 이용하므로, 반복사용에 따른 열화현상이 없으며, 높은 가역특성과 긴 사용 수명을 가진다.

따라서, 유지보수(Maintenance)가 용이하지 않고 장기간의 사용 수명이 요구되는 에플리케이션(Application)에 대해서는 축전지 대체용으로 이용되기도 한다.

한편, 상기와 같이 전기이중층 커패시터는 전극과 전해액 간의 계면에서 발 생되는 전기이중층에 전하를 흡/탈착하는 원리를 이용하므로 빠른 충방전 특성을 가지며, 이에 따라 이동통신 정보기기인 핸드폰, 노트북, PDA 등의 보조 전원으로서 뿐만 아니라, 고용량이 요구되는 전기자동차, 야간 도로 표시등, UPS(Uninterrupted Power Supply) 등의 주전원 혹은 보조 전원으로 매우 적합하다.

이러한 다양한 용도를 가지는 전기이중층 커패시터의 전극은 넓은 비표면적을 통한 고에너지와, 낮은 비저항을 통한 고파워화, 그리고 계면에서의 전기화학 반응의 억제를 통한 전기화학적 안정성을 가지는 것이 주요한 과제이다.

따라서, 현재 넓은 비표면적을 가지는 활성탄소 분말 혹은 활성탄소 섬유가 전극의 주재료로 가장 널리 이용되고 있으며, 이에 도전체를 혼합하거나 혹은 금속 가루의 분사코팅 방식을 이용하여 낮은 비저항을 구현하고 있다.

또한, 다양한 방법을 통하여 전극 계면에서 발생하는 전기화학적 부반응을 억제하여 보다 안정적인 전극 물질을 연구 개발하고 있다.

한편, 에너지 저장장치는 전해질 용액이 함침된 양극전극 및 음극전극과 상기 양극전극 및 음극전극의 절연 및 단락의 방지를 위한 분리막이 상호 적층되어 금속 재질의 하우징에 수용되는 형태로 이루어진다.

도 1 은 종래의 에너지 저장장치의 양극전극(10), 음극전극(20), 양극리드선(6) 및 음극리드선(16), 그리고 분리막(30)이 배치된 상태를 도시하는 평면도이다.

순차적으로 적층된 상기 양극 및 음극의 전극(10, 20) 사이에는 본 양극전극(10)과 음극전극(20) 사이의 전자 전도를 제한하기 위한 분리막(30)이 배치되고 상기 양극/음극 전극(10, 20)과 분리막(30)이 내장된 하우징 내에는 전해액이 충진된다.

여기서, 상기 에너지 저장장치 내부의 양극전극(10), 음극전극(20) 및 분리막(30)을 배치함에 있어서, 종래에는 판형으로 이루어진 양극전극(10)과 분리막(30)과 음극전극(20)을 순차적으로 적층시키는 방법을 사용하였다.

그러나, 상기의 방법으로 양극전극(10), 음극전극(20) 및 분리막(30)을 배치시키는 경우, 공정상의 제작 공차 문제로 인해 기준 전극의 폭에 비해 상대 전극의 폭이 넓게 마련되어야 한다는 문제점이 있었다.

또한, 양극전극(10)과 음극전극(20)을 배치함에 있어서, 대향 위치를 정확히 배치시키기 위한 기준이 마련되지 않아 양 전극의 적층시 정확한 위치에 배치하는 것이 까다로운 문제점이 있었다.

또한, 수십 마이크로미터 두께의 분리막을 개별적으로 적층할 경우, 정전기 현상에 의하여 분리막의 위치를 정확히 배치시키기 어렵다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 양극전극과 음극전극 사이에 배치되는 분리막을 일체로 형성함으로써, 개별적으로 다루기 어려운 분리막의 배치공정을 용이하게 하는 울트라 캐패시터를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 양극전극과 음극전극의 배치시, 대향 위치를 정확하게 배치시킬 수 있는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 각 극 전극의 폭을 동일하게 구성하여, 생산 원가를 절감시킬 수 있는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은 본 발명에 따라, 양극전극 및 음극전극과; 양극리드선 및 음극리드선과; 상기 양극전극들과 음극전극들 사이에 위치하여 본 양극전극들과 음극전극들을 분리하기 위한 분리막과; 상기 양극전극들과 음극전극들과 분리막을 수용하는 하우징과; 본 하우징 내에 수용되는 전해액과; 상기 양극리드선과 음극리드선이 각각 연결되는 양극단자 및 음극단자를 포함하며, 상기 양극전극들과 음극전극들은 상호 교대로 배치되며, 상기 분리막은 상기 교대로 배치된 복수 개의 양극전극들과 음극전극들을 각각 분리하면서 연속적으로 일체 형성되는 울트라 캐패시터에 의해 달성된다.

여기서, 상기 분리막에는 본 분리막의 접힘을 용이하게 하기 위한 복수의 접힘기준부가 형성될 수 있다.

또한, 상기 에너지 저장장치 내에 배치되는 복수 개 전극들 중 양 단부에 배치되는 전극은 동일한 극성으로 마련된다.

여기서, 상기 양극전극들과 음극전극들은 가공 오차 범위 내의 동일한 폭과 두께로 형성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 접힘기준부 사이의 간격을 Sw 라 하고, 상기 양극전극 또는 음극전극의 폭을 Ew 라 하고, 상기 양극전극 또는 음극전극의 두께를 Et 라로 정의할 경우,상기 접힘기준부 사이의 간격 Sw 는, Ew + Et≤ Sw ≤ Ew + 20 × Et 의 관계가 성립되도록 형성될 수 있다.

본 발명에 의해, 양극전극과 음극전극 사이에 배치되는 분리막을 일체로 형성함으로써, 개별적으로 다루기 어려운 분리막의 배치공정을 용이하게 하는 효과를 발휘할 수 있다.

또한, 양극전극과 음극전극의 배치시 대향위치를 정확하게 배치시킬 수 있도록 구성되어, 전극 이용효율을 극대화 할 수 있다.

또한, 각 극 전극의 면적을 동일하게 구성하여, 생산 원가를 절감시킬 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하기로 한다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어는 사전적인 의미로 한정 해석되어서는 아니되며, 발명자는 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절히 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예 및 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 존재할 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2 는 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 전극과 리드선, 그리고 분리막이 배치된 상태를 도시하는 평면도이며, 도 3 은 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 전극과 리드선, 그리고 분리막이 배치된 상태를 도시하는 사시도이며, 도 4 는 본 발명에 따른 분리막의 전개도이며, 도 5 는 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 분해사시도이며, 도 6 은 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 결합사시도이다.

도 2 내지 6 을 참조하면, 본 발명에 따른 에너지 저장장치(100)는, 양극전극 및 음극전극(10, 20)과; 양극리드선 및 음극리드선(6, 16)과; 상기 양극전극(10)들과 음극전극(20)들 사이에 위치하여 본 양극전극(10)들과 음극전극(20)들을 분리하기 위한 분리막(30)과; 상기 양극전극(10)들과 음극전극(20)들과 분리막(30)을 수용하는 하우징(40, 50)과; 본 하우징(40, 50) 내에 수용되는 전해액과; 상기 양극리드선(6)과 음극리드선(16)이 각각 연결되는 양극단자(62) 및 음극단자(64)를 포함하며, 상기 양극전극(10)들과 음극전극(20)들은 상호 교대로 배치되며, 상기 분리막(30)은 상기 교대로 배치된 복수 개의 양극전극(10)들과 음극전 극(20)들을 각각 분리하면서 연속적으로 일체 형성된다.

여기서, 상기 양극전극(10)은 금속성의 양극집전체(2)와 다공성 활성탄으로 구성된 활물질층(4)을 포함하며, 그 일 측에는 상기 양극리드선(6)이 연결된다.

여기서, 상기 양극집전체(2)는 통상 금속 포일(Foil)의 형태로 구성되며, 상기 활물질층(4)은 상기 양극집전체(2)의 양면에 넓게 도포 코팅된 형태로 구성된다.

또한, 상기 양극리드선(6)이 연결되는 상기 양극집전체(2) 부분에는 상기 활물질층(4)이 제거되는 것이 바람직하다.

상기 활물질층(4)은 양극 및 음극의 전기에너지를 저장하는 부분이며, 상기 집전체(2)는 활물질층으로부터 방출되거나 공급되는 전하의 이동통로 역할을 한다.

상기와 같이 상기 리드선이 별개의 구성으로 제작되어 상기 집전체에 연결될 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 상기 리드선과 상기 집전체가 일체로 형성될 수도 있다.

한편, 순차적으로 적층된 상기 양극 및 음극의 전극(10, 20) 사이에는 본 양극전극(10)과 음극전극(20) 사이의 전자 전도를 제한하고, 이온 전도를 허용하기 위한 분리막(30)이 배치되고 상기 상/하부 하우징(50, 40) 내에는 전해액이 충진된다.

상기 분리막(30)은 수십마이크로미터의 얇은 막으로써, 폴리올레핀 부직포, PTFE(Polytetrafluorethylene), 다공체 필름, 크래프트지, 레이온 섬유, 사이잘마섬유 혼초 시트, 마닐라마 시트, 유리섬유 시트, 셀룰로스계 전해지, 레이온 섬유 로 이루어진 초지, 셀룰로스와 유리 섬유의 혼초지, 또는 이것들을 조합하여 복수층으로 구성된 것등으로 마련될 수 있다.

여기서, 상기 분리막(30)은 일체로 형성됨에 따라, 종래의 개별적으로 분리막을 이용하는 방법에 비해, 관리의 용이성 및 생산의 효율성이 향상될 수 있다.

여기서, 상기 다공성의 활성물질층(4, 14)은 마이크로적으로 넓은 표면적을 가지며, 상기 양극전극(10)과 음극전극(20)에 동일하게 활물질로 작용되어 그 각 표면이 상기 전해액과 접촉하게 된다.

여기서, 상기 전극들(10, 20)에 전압이 가해지면 상기 전해액에 포함된 양이온 및 음이온이 각각 양극전극(10)과 음극전극(20)으로 이동하여 상기 다공성 활물질층(4, 14)의 세부 기공으로 침투하게 된다.

상기 하우징(40, 50)은 금속성 재질로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄 또는 그 합금으로 구성된다.

여기서, 하부하우징(40)은 상기 양극/음극 전극(10, 20)과 본 양극/음극 전극(10, 20)들을 전기적으로 분리하기 위한 상기 분리막(30)과 상기 리드선(6, 16)들을 수용하기 위한 구성요소이다.

상부하우징(50)은 상기 하부하우징(4)의 상부에서 본 하부하우징(40)과 결합되며, 상기 상부하우징(50) 역시 금속성 재질로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄 또는 그 합금으로 구성된다.

여기서, 상기 상부하우징(50)에는 상기 양극리드선(6)과 음극리드선(16)이 각각 연결되는 양극단자(62) 및 음극단자(64)가 결합 설치된다.

여기서, 상기 양극단자(62) 및 음극단자(64)의 외면에는 나사산이 가공될 수 있으며, 상기 나사산이 가공된 양극/음극 단자(62, 64)가 상기 상부하우징(50)의 하부로부터 삽입되어 너트(63, 65)에 의해 상기 상부하우징(50)에 고정될 수 있다.

바람직하게는, 상기 상부하우징(50)의 일측에는 상기 에너지 저장장치 내의 증가된 압력을 배출하기 위한 압력배출부(66)가 추가적으로 설치될 수 있다.

여기서, 상기 분리막(30)에는 본 분리막(30)의 접힘을 용이하게 하기 위한 복수의 접힘기준부(70)가 형성될 수 있다.

상기 접힘기준부(70)는 상기 분리막(30) 사이에 배치되는 양극단자(10)와 음극단자(20)의 위치를 고정시키는 기준의 역할을 함과 동시에, 접힘공정을 용이하게 구현시키는 구성으로서, 제품의 양산성을 향상시킨다.

또한, 상기 접힘기준부(70)를 마련함으로써, 종래 기술에서와 같이 제작 공차 상의 이유로 기준전극보다 상대전극의 폭을 넓게 구성할 것이 요구되지 않는다.

즉, 상기 접힘기준부(70)를 기준으로 접혀진 분리막(30)의 일측에 상기 전극(10, 20)의 일측을 대면시켜 배치함으로써, 전극 배치 위치를 보다 정확히 구현할 수 있는 바, 따라서 양극전극(10)의 폭과 음극전극(20)의 폭을 동일하게 구성하는 것이 가능해진다.

여기서, 상기 에너지 저장장치(100) 내에 배치되는 복수 개 전극들 중 양 단부에 배치되는 전극은 동일한 극성으로 마련된다.

이는 상기 에너지 저장장치(100)의 상부하우징(50) 및 하부하우징(40)의 파손시, 노출된 전극의 극성이 서로 상이할 경우, 에너지 저장장치(100)의 단락이 발 생하는 것을 방지하기 위함이다.

또한, 상기 양극전극(10)들과 음극전극(20)들은 가공 오차 범위 내의 동일한 폭과 두께로 형성될 수 있다. 즉, 상기 양극전극(10) 및 음극전극(20)들을 배치함에 있어서, 상기 접힘기준부(70)를 기준으로 순차적으로 배치시킴으로써, 종래와 같이 기준전극보다 면적이 큰 상대전극을 마련할 필요가 없어지는 바, 이는 재료절감효에 따른 생산원가절감 효과를 이룰 수 있다.

또한, 동일한 폭과 두께로 마련된 상기 양/음극전극(10, 20)들은 상기 접힘기준부(70)를 정확하게 대향 배치됨으로써 전극 이용효율을 극대화할 수 있다.

도 3 및 도 4 에서와 같이, 상기 접힘기준부(70) 사이의 간격을 Sw 라 하고, 상기 양극전극(10) 또는 음극전극(20)의 폭을 Ew 라 하고, 상기 양극전극(10) 또는 음극전극(20)의 두께를 Et 라로 정의할 경우, 상기 접힘기준부(70) 사이의 간격 Sw 는,

Ew + Et ≤ Sw ≤ Ew + 20 × Et

의 관계가 성립되도록 형성될 수 있다.

여기서, Sw 가 Ew + Et 보다 작을 경우에는 전극을 접힘기준부(70) 사이의 공간에 전극(10, 20)을 위치시킬 수 없으며, 접힘공정 시 접힘기준부(70) 사이에 배치된 전극이 접히는 문제가 발생될 수 있으며, Sw 가 Ew + 20 × Et 보다 클 경우에는 분리막(30)을 제작하는데 전극(10, 20)을 대면하지 않는 분리막(30)의 잔여부분이 지나치게 증가하여 자재소모가 심해져 생산원가가 증가되는 문제점이 있다.

한편, 도 3 에서와 같이, 상기 분리막(30)은 양극전극(10)과 음극전극(20)을 순차적으로 분리시킨 후, 말단의 분리막(30) 부분이 연장형성되어 분리시킨 양극전극(10)들과 음극전극(20)들을 전체적으로 감싸서 하나의 단위 소자를 형성하여 상기 상/하부 하우징(50, 40) 내부로 수용될 수도 있다.

이상, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명의 기술적 사상은 이러한 것에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해, 본 발명의 기술적 사상과 하기 될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 실시가 가능할 것이다.

도 1 은 종래의 에너지 저장장치의 전극과 리드선, 그리고 분리막이 배치된 상태를 도시하는 평면도이며,

도 2 는 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 전극과 리드선, 그리고 분리막이 배치된 상태를 도시하는 평면도이며,

도 3 은 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 전극과 리드선, 그리고 분리막이 배치된 상태를 도시하는 사시도이며,

도 4 는 본 발명에 따른 분리막의 전개도이며,

도 5 는 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 분해사시도이며,

도 6 은 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 결합사시도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

2: 양극집전체 4: 양극활물질층

6: 양극리드선 10: 양극전극

12: 음극집전체 14: 음극활물질층

16: 음극리드선 20: 음극전극

30: 분리막 40: 하부하우징

50: 상부하우징 62: 양극단자

64: 음극단자 66: 압력배출부

70: 접힘기준부

Claims (7)

1. 양극전극 및 음극전극과;

   양극리드선 및 음극리드선과;

   상기 양극전극들과 음극전극들 사이에 위치하여 본 양극전극들과 음극전극들을 분리하기 위한 분리막과;

   상기 양극전극들과 음극전극들과 분리막을 수용하는 하우징과;

   상기 하우징 내에 수용되는 전해액과;

   상기 양극리드선과 음극리드선이 각각 연결되는 양극단자 및 음극단자를 포함하며,

   상기 양극전극들과 음극전극들은 상호 교대로 배치되며,

   상기 분리막은 상기 교대로 배치된 복수 개의 양극전극들과 음극전극들을 각각 분리하면서 연속적으로 일체 형성되되,

   상기 양극전극들과 음극전극들은 가공 오차 범위 내의 동일한 폭과 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 분리막에는 본 분리막의 접힘을 용이하게 하기 위한 복수의 접힘기준부가 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 에너지 저장장치 내에 배치되는 복수 개 전극들 중 양 단부에 배치되는 전극은 동일한 극성으로 마련되는 것을 특징으로 하는 에너지저장장치.
4. 삭제
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 접힘기준부 사이의 간격을 Sw 라 하고, 상기 양극전극 또는 음극전극의 폭을 Ew 라 하고, 상기 양극전극 또는 음극전극의 두께를 Et 라로 정의할 경우,상기 접힘기준부 사이의 간격 Sw 는,

   Ew + Et≤ Sw ≤ Ew + 20 × Et

   의 관계가 성립되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 분리막은 양극전극과 음극전극을 순차적으로 분리시킨 후, 말단의 분리막 부분이 연장형성되어 분리시킨 상기 양극전극들과 음극전극들을 전체적으로 감싸서 하나의 단위 소자를 형성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 에너지 저장장치는 울트라 커패시터인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.

Images