KR100938661B1 - 전극소자 및 이를 포함하는 에너지 저장장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전극소자 및 이를 포함하는 에너지 저장장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단자가 결합된 결합부에, 단자와 전해지의 직접적인 접촉을 방지하는 피복층이 형성된 전극소자 및 이를 포함하는 에너지 저장장치를 제공한다. 상기 피복층은, 바람직하게는 전도성 물질을 포함한다. 본 발명에 따르면, 상기 피복층에 의해 전해지 및 전극의 손상이 방지되어, 용량 증가 및 저항 감소 등의 전기적 특성이 향상되는 효과를 갖는다.
전극, 권취형, 단자, 전해지, 전도성
Description
본 발명은 전극소자 및 이를 포함하는 에너지 저장장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단자 결합부에 피복층을 형성시킴으로써, 전해지와 전극의 손상을 방지하고 단자의 결합력을 향상시켜 전기적 특성을 증가시킬 수 있는 전극소자 및 이를 포함하는 에너지 저장장치에 관한 것이다.
일반적으로, 충전/방전이 가능한 이차전지, 예를 들어 전해 콘덴서, 전기이중층 커패시터(EDLC) 등의 에너지 저장장치는 젤리롤 형태의 권취형(Winding-Type)이 많이 사용되고 있다. 도 1은 종래 기술에 따른 권취형 에너지 저장장치의 제작 과정을 설명하기 위한 공정도를 보인 것이고, 도 2는 종래 기술에 따른 전극소자를 보인 것이다.
먼저, 도 1을 참조하여 설명하면, 권취형 에너지 저장장치, 예를 들어, 권취형 전기이중층 커패시터(EDLC) 등은 주로 알루미늄(Al) 재질의 원통형 케이스(1) 와, 상기 케이스(1)에 내장된 권취소자(W)를 포함한다. 이러한 권취형 전기이중층 커패시터(EDLC)는 주로 풍력, 쏠라, 전기 자동차 혹은 하이브리드(hybrid) 자동차의 모터 구동 등의 목적으로 적용되고 있다. 이때, 상기 권취소자(W)는 띠 형상의 전극 적층체, 구체적으로 양극 및 음극의 전극소자(2, 도 2 참조), 상기 양극과 음극의 전극소자(2)의 사이에 개재된 전해지로 이루어지는 띠 형상의 전극 적층체를 원통형으로 권취(winding)한 후, 권취된 형태가 풀리지 않도록 외부를 테이핑(taping)하여 구성된다. 이러한 권취소자(W)는 원통형 케이스(1) 내부에 내장된 다음, 권취소자(W)의 상부에 단자판(3)이 배치되고, 상기 단자판(3)에 러그(Lug) 또는 스크류(Screw) 타입의 외부단자(4)가 체결된다. 또한, 상기 케이스(1)의 상부에는 단자판(3)이 아래로 밀리는 것을 방지하는 목부(1a)가 형성되어 있으며, 상기 권취소자(W)는 케이스(1)에 위와 같은 목부(1a)가 형성된 후 내장된다. 상기 권취소자(W)와 외부단자(4)는 단자(2a)에 의해 전기적으로 연결된다. 이후, 함침 공정을 거친 후, 케이스(1)의 상부 말단(1b)을 구부리는 커링(Curing) 공정을 통해 상기 단자판(3)이 케이스(1)에 고정되면서 완성된다.
또한, 도 2를 참조하여 상기 전극소자(2)의 제작 과정을 설명하면 다음과 같다. 전극소자(2)는 일반적으로 알루미늄 포일(foil)과 같은 전극 집전시트(2b)에 전극활물질(2c)을 도포하여 구성한다. 상기 전극활물질(2c)은 주로 활성탄을 주재료로 하는 페이스트를 도포하여 형성한다. 이후, 단자(2a)를 결합시키는 데, 이때 먼저 단자(2a)가 결합될 부위를 긁어내어 전극활물질(2c)을 제거한 다음, 천공을 실시한다. 그리고 리벳팅(rivetting) 등의 공정을 수행하여 단자(2a)를 결합시킨 다.
그러나 위와 같은 종래 기술에 따른 전극소자(2)는 다음과 같은 문제점이 있다. 구체적으로, 전술한 바와 같이 전극소자(2)는 전해지와 적층된 다음, 권취(winding)되는데, 이때 권취 시, 금속 재질의 단자(2a)와 전해지가 직접 맞닿게 되어 마찰에 의해 전해지가 손상되는 문제점이 있다. 이에 따라 절연 저항이 발생되어 전기적 특성이 저하된다. 또한, 전해지의 손상이 심할 경우에는 인접하는 전극소자(2)의 손상을 유발하고 단락을 발생시킨다. 아울러, 전극소자(2)에 단자(2a)를 결합함에 있어서, 천공 후의 리벳팅(rivetting)을 통한 물리적인 결합 이외에 별도의 결합수단이 없어 결합력 저하로 인해 접촉 저항이 커지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전해지와 전극의 손상을 방지하고 단자의 결합력을 향상시켜 전기적 특성을 증가시킬 수 있는 전극소자 및 이를 포함하는 에너지 저장장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
전극; 및 상기 전극에 결합된 단자를 포함하는 전극소자에 있어서,
상기 단자가 결합된 결합부에 피복층이 형성된 전극소자를 제공한다.
이때, 상기 피복층은 전도성 물질을 포함하는 것이 바람직하며, 상기 전도성 물질은 금속, 탄소분말 및 전도성 고분자로 이루어진 군중에서 선택된 하나 또는 2이상의 혼합으로 구성될 수 있다. 아울러, 상기 피복층은 전도성 물질과 함께 접착성의 바인더를 포함하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 본 발명은 위와 같은 본 발명에 따른 전극소자를 포함하는 에너지 저장장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 단자 결합부에 피복층이 형성되어 단자와 전해지의 직접 적인 접촉이 방지된다. 이에 따라, 권취 시, 단자와 전해지의 마찰에 의한 전해지의 손상이 방지되어, 용량 증가 및 저항 감소 등의 전기적 특성이 향상되는 효과를 갖는다. 또한, 상기 피복층이 전도성 물질을 포함하는 경우 전기적 특성이 보다 향상된다. 아울러, 상기 피복층이 접착성의 바인더를 포함하는 경우, 전극과 단자의 접촉력 및 결합력이 향상되어 전기적 특성이 보다 더 향상되는 효과를 갖는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 전극소자의 제작 과정을 설명하기 위한 공정도를 보인 것이고, 도 4는 상기 도 3의 A-A선 단면도를 보인 것이다.
도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 전극소자(20)는 전극(22) 및 상기 전극(22)에 결합된 단자(24)를 적어도 포함한다.
상기 전극(22) 및 단자(24)는 통상과 같이 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 전극(22)은 집전시트(22a)와, 상기 집전시트(22a) 상에 도포된 전극활물질(22b)을 포함하되, 상기 집전시트(22a)는 알루미늄 포일(foil) 등과 같은 금속 박막으로부터 선택될 수 있으며, 상기 전극활물질(22b)은 활성탄과 바인더 수지를 포함하는 활성탄 페이스트로 구성될 수 있다. 또한, 상기 단자(24)는 금속, 예를 들어 알루미늄, 주석, 니켈, 아연, 또는 이들의 합금으로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 SUS 재질로 구성될 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 전극소자(20)는 피복층(25)을 포함한다. 상기 피복 층(25)은, 단자(24)가 결합된 결합부(이하, '단자 결합부'라 한다), 즉 단자(24)의 표면에 형성된다. 본 발명에 따른 전극소자(20)는 통상과 같이 전해지와 적층된 후, 권취될 수 있는데, 상기 피복층(25)은 단자(24)와 전해지의 직접적인 접촉을 방지할 수 있는 것이면 본 발명에 포함한다.
상기 피복층(25)은 절연성 및 전도성을 포함하며, 바람직하게는 전도성을 갖는 것이 좋다. 피복층(25)은 예를 들어 직포, 부직포 등의 섬유시트, 그리고 플라스틱 필름 등으로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 전도성 물질을 포함하는 것이 좋다. 구체적으로, 상기 피복층(25)은 전도성 물질을 포함하는 시트가 부착되어 형성되거나, 전도성 물질을 포함하는 조성물이 코팅되어 형성되는 것이 좋다. 이때, 상기 전도성 물질은 전도성만 갖는 것이면 본 발명에 포함하며, 예를 들어 금속, 탄소분말 및 전도성 고분자로 이루어진 군중에서 선택된 하나 또는 2이상의 혼합으로 구성될 수 있다. 상기 금속은 은, 금, 백금, 구리, 아연, 니켈, 주석 또는 이들의 합금으로부터 선택될 수 있으며, 상기 탄소분말은 활성탄(여기서, 활성탄은 분말상, 파쇄상, 조립상은 물론 나노섬유 형태 및 나노튜브 형태를 포함한다), 흑연, 피치, 카본블랙, 또는 아세틸렌블랙으로부터 선택될 수 있다. 또한, 상기 전도성 고분자는 폴리아닐린(PA), 폴리피롤(PPy) 및 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF) 등으로부터 선택될 수 있다.
상기 피복층(25)은, 보다 바람직하게는 위와 같은 전도성 물질, 바인더 및 용매를 포함하는 전도성 페이스트가 도포되어 형성되는 것이 좋다. 이때, 상기 바인더는 피복층(25)과 단자 결합부의 접착력을 갖게 하는 것이면 어떠한 것이든 사 용 가능하며, 예를 들어 아크릴계, 우레탄계, 에폭시계, 아세테이트계 및 폐놀계 등으로부터 선택된 하나 이상의 수지 접착제를 유용하게 사용할 수 있다. 또한, 상기 용매로는 알콜계, 케톤계, 아세테이트계 등을 사용할 수 있으며, 예를 들어 메틸에틸케톤, 부틸아세테이트, 부틸카르비톨 등으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 아울러, 상기 전도성 페이스트는, 특별히 한정하는 것은 아니지만 전도성 물질(예를 들어, 흑연, 카본블랙 등) 5 ~ 30 중량%, 바인더(예를 들어, 아크릴수지, 페놀수지 등) 10 ~ 50 중량%, 및 용매(예를 들어, 메틸에틸케톤, 부틸아세테이트, 부틸카르비톨 등) 30 ~ 80 중량%를 포함하여 조성될 수 있다. 이때, 상기 전도성 물질의 함량이 5 중량% 미만이면 그의 함유에 따른 전도성이 미비하여 바람직하지 않고, 30 중량%를 초과하면 점도가 높아져 코팅성 등의 가공성이 떨어져 바람직하지 않다. 또한, 상기 바인더의 함량이 10 중량% 미만이면 그의 함유에 따른 접착성이 떨어져 단자 결합부와의 양호한 결합력을 도모하기 어려우며, 50 중량%를 초과하면 상대적으로 전도성 물질이나 용매의 함량이 작아져 전도성이 떨어지거나 점도가 높아져 바람직하지 않다. 아울러, 상기 용매의 함량이 30 중량% 미만이거나, 80 중량%를 초과하면 점도가 높거나, 낮아져 코팅성 등의 가공성이 떨어져 바람직하지 않다. 또한, 상기 전도성 페이스트는 200 ~ 500 포이즈(poise)의 점도를 갖는 것이 좋다. 이때, 전도성 페이스트의 점도가 200 poise 미만이거나, 500 poise를 초과한 경우 코팅이 힘들고 균일한 코팅이 되지 않을 수 있다.
또한, 상기 전극(22)은 집전시트(22a)에 전극활물질(22b)이 도포되어 형성될 수 있는 데, 상기 피복층(25)은 상기 전극(22)을 구성하는 전극활물질(22b)과 동일 한 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 전극활물질(22b)은 분말 활성탄; 바인더; 도전성 첨가제; 및 분산매를 포함하는 슬러리 형태의 조성물이 도포되어 형성될 수 있는 데, 상기 피복층(25)은 위와 같은 전극활물질(22b)과 동일한 슬러리 형태의 조성물이 코팅되어 구성될 수 있다. 이때, 상기 전극활물질(22b)을 구성하는 바인더는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE ; poly-tetrafluoroethylene), 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF ; polyvinylidenefloride), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC ; carboxymethylcellulose), 폴리비닐알코올(PVA ; poly vinyl alcohol), 폴리비닐부티랄(PVB ; poly vinyl butyral), 폴리비닐피롤리돈(PVP ; poly-N-vinylpyrrolidone), 스티렌부타디엔고무(SBR ; styrene butadiene rubber) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상으로부터 선택될 수 있고, 상기 도전성 첨가제는 카본블랙 등으로부터 선택될 수 있으며, 상기 분산매는 에탄올(EtOH), 메틸 피롤리돈(NMP) 등의 유기 용매, 또는 물을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 전극소자(20)는 다음과 같이 제조될 수 있다.
도 3을 참조하여 설명하면, 먼저 알루미늄 포일(foil) 등의 집전시트(22a)에 전극활물질(22b)을 도포하여 전극(22)을 제조한다. 그리고 전극(22)의 단자(24)가 결합될 부위를 긁어내어 전극활물질(22b)을 제거하고, 전극활물질(22b)이 제거된 부위에 단자(24)를 결합시킨다. 이때, 상기 단자(24)를 전극(22)에 결합시킴에 있어서는, 접착제나 용접방법을 이용하여 결합시킬 수 있으며, 통상과 같이 천공을 통해 홀(h)을 형성한 다음 리벳팅(rivetting)시켜 결합시킬 수 있다. 다음으로, 단자 결합부, 구체적으로는 도 2에 도시한 바와 같이 단자(24)가 외부로 노출되지 않도록 단자(24)의 표면에 피복층(25)을 형성한다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 전극소자(20)는 전해지와 적층되어, 이차전지 등의 에너지 저장장치의 전극소자(20)로 적용되며, 바람직하게는 권취형 에너지 저장장치에 유용하게 적용될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 에너지 저장장치는 상기 본 발명에 따른 전극소자(20)를 포함하여 구성된다. 본 발명에 따른 에너지 저장장치는, 예를 들어 전해 콘덴서, 전기이중층 커패시터(EDLC) 등으로서, 바람직하게는 상기 전극소자(20) 및 전해지가 적층된 전극 적층체가 와인딩되어 구성된 권취소자를 가지는 젤리롤 형태의 권취형(도 1 참조)으로부터 선택될 수 있다.
본 발명에 따르면, 단자 결합부에 형성된 피복층(25)이 단자(24)와 전해지의 직접적인 접촉을 막아 전해지의 손상을 방지한다. 또한, 전해지의 손상에 따른 전극(22)의 손상이나 단락이 방지된다. 이에 따라, 절연 저항이 감소되고 용량이 증가되는 등의 전기적 특성이 향상된다. 또한, 상기 피복층(25)이 전도성 물질이나 접착성의 바인더를 포함하는 경우 용량 등이 보다 향상되고, 전극(22)과 단자(24)의 접촉력 및 결합력이 증가하여 전기적 특성이 더욱더 개선된다.
이하, 본 발명의 실험 실시예를 예시한다. 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕도록 제시되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
먼저, 현재 가장 많이 사용되고 있는 권취형 EDLC용 3F급 전극(22) 시편을 준비하였다. 단자(24)를 결합하기 위하여 상기 전극(22)의 표면을 단자(24) 면만큼 긁어 낸 다음, 긁어낸 자리에 천공을 실시한 후, 단자(24)를 리벳팅 결합시켰다. 다음으로, 단자(24)가 결합된 부분에 전도성 페이스트를 고르게 코팅하여 도 3에 보인 바와 같이 피복층(25)을 형성시켰다. 이때, 상기 피복층(25)을 구성하는 전도성 페이스트는 흑연(Graphite) 분말 16 중량%, 페놀수지(Phenol resin) 18 중량%, 메틸에틸케톤(Methyl ethyl ketone) 22 중량%, 부틸아세테이트(Butyl acetate) 22 중량% 및 부틸카르비톨(Butyl carbitol) 22 중량%로 혼합 조성한 점도 300 poise를 가지는 것을 사용하였다. 이와 같은 전도성 페이스트를 코팅한 다음, 오븐(oven)에 투입하여 60℃에서 6시간 동안 건조시켜 전도성 페이스트를 고착시켰다.
다음으로, 위와 같이 건조가 완료된 전극소자(20) 2개의 사이에 전해지를 개재한 다음, 와인딩하여 젤리롤 상태의 권취소자를 제작하였다. 그리고 상기 권취소자를 진공 오븐에 투입하여 140℃에서 48시간 동안 건조하여 수분이 완전히 제거되게 하였다. 후속하여, 통상과 같은 방법으로 상기 권취소자를 원통형 캔(can)에 내장한 후, 전해핵(AcN/1.0mol)에 함침하고, 이후 커링(curing)을 실시하여 본 실시예에 따른 EDLC 셀 시편을 제작하였다. 이와 같이, 제작된 EDLC 셀 시편에 대하여 MACCOR 측정 장비를 이용하여 저항과 용량을 측정하였으며, 그 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다.
[비교예]
상기 실시예와 비교하여 피복층(25)을 형성시키지 않은 것을 제외하고는 동일하게 실시하여 EDLC 셀 시편을 제작하였다. 구체적으로, 3F급 전극에 단자를 결합한 후, 전도성 페이스트를 도포하지 않고 그대로 적용하여 EDLC 셀 시편을 제작하였다. 그리고 제작된 본 비교예에 따른 EDLC 셀 시편에 대하여 상기 실시예와 동일한 방법으로 저항 및 용량을 측정하였으며, 그 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다.
| 비 고 | 저항(mΩ) | 용량(F) |
| 실시예 | 29.30 | 3.40 |
| 비교예 | 36.71 | 3.00 |
상기 [표 1]에서 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라서 단자 결합부에 피복층(25)이 형성된 경우, 종래 기술에 따른 비교예보다 저항의 경우에는 20% 이상 감소하고, 용량의 경우에는 10% 이상 증가함을 알 수 있었다. 이때, 용량 증가의 원인은 저항 감소로 인한 것과 피복층(25)에 포함된 전도성 물질(흑연)로 인한 약간의 용량 축척 때문일 것으로 판단된다.
도 1은 종래 기술에 따른 권취형 에너지 저장장치의 제작 과정을 설명하기 위한 공정도를 보인 것이다.
도 2는 종래 기술에 따른 전극소자를 보인 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전극소자의 제작 과정을 설명하기 위한 공정도를 보인 것이다.
도 4는 상기 도 3의 A-A선 단면도를 보인 것이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
20 : 전극소자 22 : 전극
22a : 집전시트 22b : 전극활물질
24 : 단자 25 : 피복층
Claims (10)
- 삭제
- 삭제
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- 삭제
- 삭제
- 전극; 및 상기 전극에 결합된 단자를 포함하는 전극소자에 있어서,상기 단자가 결합된 결합부에 피복층이 형성되고,상기 피복층은 전도성 물질, 바인더 및 용매를 포함하는 전도성 페이스트가 도포되어 형성되되,상기 전도성 페이스트는 전도성 물질 5 ~ 30 중량%, 바인더 10 ~ 50 중량%, 및 용매 30 ~ 80 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극소자.
- 제6항에 있어서,상기 전도성 페이스트의 점도는 200 ~ 500 포이즈(poise)인 것을 특징으로 하는 전극소자.
- 삭제
- 제6항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 따른 전극소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
- 제9항에 있어서,상기 에너지 저장장치는 권취형 전기이중층 커패시터(EDLC)인 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
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Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| KR900002519Y1 (ko) * | 1987-03-12 | 1990-03-30 | 박상기 | 라디알 타입(non-inductive)의 필름 축전기(film capacltor) |
| JPH07201659A (ja) * | 1993-12-28 | 1995-08-04 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | アルミ電解コンデンサ |
| JP2000124072A (ja) | 1998-10-20 | 2000-04-28 | Nippon Chemicon Corp | 電解コンデンサ |
| JP2001338850A (ja) * | 2000-05-26 | 2001-12-07 | Matsuo Electric Co Ltd | 薄型板状コンデンサ |
-
2007
- 2007-12-06 KR KR1020070126106A patent/KR100938661B1/ko not_active IP Right Cessation
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