KR100948471B1 - 에너지 저장장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 에너지 저장장치는, 양극전극 및 음극전극과, 양극리드선 및 음극리드선과, 상기 양극전극과 음극전극 사이에 위치하여 본 양극전극과 음극전극을 분리하기 위한 분리막과, 상기 양극전극과 음극전극과 분리막을 수용하는 하우징과, 본 하우징 내에 수용되는 전해액과, 상기 양극리드선과 음극리드선이 각각 연결되는 양극단자 및 음극단자와, 상기 하우징에 결합되며 상기 하우징 내의 압력을 배출하기 위한 압력배출부를 포함하며, 상기 하우징에는 외기와 소통되는 하우징개구가 형성되며, 상기 압력배출부는, 상기 하우징개구에 설치되며 외기와 소통되는 연통부재와, 상기 연통부재를 상기 하우징개구에 고정하기 위한 고정부재를 포함한다. 이에 의해, 하우징 내부의 압력을 배출하기 위한 압력배출부를 반복사용이 가능하게 구성하여 제품의 사용 수명을 현저히 연장시킬 수 있으며, 단순한 공정에 의해 상기 압력배출부를 설치가능하게 구성함으로써, 제품의 조립 수율을 향상시킬 수 있고, 상기 압력배출부의 설치 구조를 보다 견고히 유지할 수 있다.

에너지 저장장치, 압력, 배출

Description

에너지 저장장치{ENERGY STORING DEVICE}

본 발명은 에너지 저장장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하우징 내부의 압력을 배출할 수 있는 압력배출부를 반복사용이 가능하면서도 견고하게 설치가능한 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 커패시터처럼 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 발생되는 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.

그런데, 상기 에너지 저장장치는 과전압과 같은 오용 또는 고온에서의 장기간 사용 시 전해질과 전극의 계면에서 진행된 반응의 부산물로서 기체가 발생하게 된다.

이러한 기체의 발생으로 하우징 내부의 압력이 계속적으로 증가하게 되며, 경우에 따라서는 하우징의 취약한 부분에서 갑작스런 폭발을 야기하게 된다.

종래 에너지 저장장치의 경우 이러한 문제점을 해결하고자 하우징의 일부분에 노치를 형성하여 특정 압력 이상에서 본 노치부가 파열되도록 구성함으로써 압력을 방출할 수 있도록 하였다.

그러나, 이러한 방식에 의할 경우 하우징의 파열로 인해 파열 이후에는 하우 징이 개방된 상태로 유지되며, 전해질의 유출 또는 불순물의 유입을 일으켜 커패시터의 전기적 성능을 현저히 저하시키게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 하우징 내부의 압력을 배출하기 위한 압력배출부를 반복사용이 가능하게 구성하여 제품의 사용 수명을 현저히 연장시킬 수 있는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 단순한 공정에 의해 상기 압력배출부를 설치가능하게 구성함으로써, 제품의 조립 수율을 향상시킬 수 있는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 상기 압력배출부의 설치 구조를 보다 견고히 유지할 수 있는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 에너지 저장장치는, 양극전극 및 음극전극과, 양극리드선 및 음극리드선과, 상기 양극전극과 음극전극 사이에 위치하여 본 양극전극과 음극전극을 분리하기 위한 분리막과, 상기 양극전극과 음극전극과 분리막을 수용하는 하우징과, 본 하우징 내에 수용되는 전해액과, 상기 양극리드선과 음극리드선이 각각 연결되는 양극단자 및 음극단자와, 상기 하우징에 결합되며 상기 하우징 내의 압력을 배출하기 위한 압력배출부를 포함하며, 상기 하우징에는 외기와 소통되는 하우징개구가 형성되며, 상기 압력배출부는, 상기 하우징개구에 설치되며 외기와 소통되는 연통부재와, 상기 연통부재를 상기 하 우징개구에 고정하기 위한 고정부재를 포함한다.

여기서, 상기 하우징개구에는 상기 연통부재를 지지하기 위한 하우징지지부가 형성되고, 상기 연통부재에는 상기 하우징지지부에 의해 지지될 수 있는 연통부재걸림부가 형성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 고정부재는 상기 하우징개구에 나사결합되도록 구성된다.

또한, 상기 고정부재의 상부에는 다각형 홈이 형성되어 본 고정부재의 체결을 용이하게 하도록 구성될 수 있다.

한편, 상기 연통부재는 상기 하우징 내의 압력에 저항하면서 가동되는 가동부재와 본 가동부재에 탄성력을 인가하기 위한 탄성부재를 포함할 수 있다.

또는, 상기 연통부재는, 탄성재질로 구성되며 상기 하우징 내의 압력에 저항하면서 가동되는 탄성가동부재를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 연통부재의 연통부재걸림부와 상기 하우징의 하우징지지부 사이에는 실링부재가 설치된다.

본 발명에 의해, 하우징 내부의 압력을 배출하기 위한 압력배출부를 반복사용이 가능하게 구성하여 제품의 사용 수명을 현저히 연장시킬 수 있다.

또한, 단순한 공정에 의해 상기 압력배출부를 설치가능하게 구성함으로써, 제품의 조립 수율을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 압력배출부의 설치 구조를 보다 견고히 유지할 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 1 은 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 외관 사시도이며, 도 2 는 상부하우징에 압력배출부가 설치되는 분해사시도이며, 도 3 은 상부하우징에 압력배출부가 설치된 상태의 단면도이다.

도 1 내지 도 3 을 참조하면, 본 발명에 따른 에너지 저장장치는, 양극전극 및 음극전극과, 양극리드선 및 음극리드선과, 상기 양극전극과 음극전극 사이에 위치하여 본 양극전극과 음극전극을 분리하기 위한 분리막과, 상기 양극전극과 음극전극과 분리막을 수용하는 하우징(40, 50)과, 본 하우징(40, 50) 내에 수용되는 전해액과, 상기 양극리드선과 음극리드선이 각각 연결되는 양극단자(62) 및 음극단자(64)와, 상기 하우징에 결합되며 상기 하우징(40, 50) 내의 압력을 배출하기 위한 압력배출부(70)를 포함하며, 상기 하우징(50)에는 외기와 소통되는 하우징개 구(52)가 형성되며, 상기 압력배출부(70)는, 상기 하우징개구(52)에 설치되며 외기와 소통되는 연통부재(72)와, 본 연통부재(72)를 상기 하우징개구(52)에 고정하기 위한 고정부재(74)를 포함한다.

본 발명에 따른 에너지 저장장치의 셀은 금속물질로 이루어진 하우징(50, 40)과 본 하우징(50, 40) 내에 내장되는 양극전극과 음극전극을 포함한다.

상기 양극전극은 금속성의 집전체와 다공성 활성탄으로 구성된 활물질층을 포함하며, 그 일 측에는 상기 양극리드선이 연결된다.

상기 집전체는 통상 금속 포일(Foil)의 형태로 구성되며, 상기 활물질층은 상기 금속 집전체의 양면에 넓게 도포 코팅된 형태로 구성된다.

상기 양극리드선이 연결되는 상기 집전체 부분에는 상기 활물질층이 제거되는 것이 바람직하다.

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

상기 활물질층은 양극 및 음극의 전기에너지를 저장하는 부분이며, 상기 집전체는 활물질층으로부터 방출되거나 공급되는 전하의 이동통로 역할을 한다.

한편, 순차적으로 적층된 상기 양극 및 음극의 전극 사이에는 본 양극전극과 음극전극 사이의 전자 전도를 제한하기 위한 분리막이 배치되고 상기 하우징(50, 40) 내에는 전해액이 충진된다.

여기서, 상기 다공성의 활성물질층은 마이크로적으로 넓은 표면적을 가지며, 상기 양극전극과 음극전극에 동일하게 활물질로 작용되어 그 각 표면이 상기 전해액과 접촉하게 된다.

상기 전극들에 전압이 가해지면 상기 전해액에 포함된 양이온 및 음이온이 각각 양극전극과 음극전극으로 이동하여 상기 다공성 활물질층의 세부 기공으로 침투하게 된다.

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

상기 하부하우징(40)의 형상은 비록 도 3 에서 육면체 형상으로 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 원기둥 형상 등으로 구성될 수 있음은 물론이다.

상기 하부하우징(40)은 상기 양극/음극 전극과 본 양극/음극 전극을 전기적으로 분리하기 위한 상기 분리막과 상기 리드선들을 수용하기 위한 구성요소이다.

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

상기 상부하우징(50)에는 상기 양극리드선과 음극리드선이 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.

도 2 를 참조하면, 상기 상부하우징(50)의 일측에는 외기와 소통되는 하우징 개구(52)가 형성되며, 본 하우징개구(52)에는 상기 에너지 저장장치 내의 증가된 압력을 배출하기 위한 압력배출부(70)가 설치된다.

상기 압력배출부(70)는 상기 하우징개구(52)에 설치되며, 외기와 소통되는 연통부재(72)와 본 연통부재(72)를 상기 하우징개구(52)에 고정하기 위한 고정부재(74)를 포함한다.

도 3 을 참조하면, 상기 하우징개구(52)에는 상기 연통부재(72)를 지지하기 위한 하우징지지부(54)가 형성되고, 상기 연통부재(72)에는 상기 하우징지지부(54)에 의해 지지될 수 있는 연통부재걸림부(77)가 형성된다.

여기서, 상기 고정부재(74)의 상면에는 바람직하게는 사각형의 홈(74-1)이 형성되며, 하부에는 상기 상부하우징(50)과 나사결합되기 위한 나사산(74-2)이 형성된다.

상기 사각형의 홈(74-1)은 렌치(Wrench) 등의 공구를 삽입하여 상기 고정부재(74)를 용이하게 회전시킬 수 있도록 마련된 구성으로서, 상기 홈(74-1)의 형상은 사각형에 한정되지 않고, 육각형 등의 다양한 다각형으로 형성될 수 있다.

상기와 같이, 상기 하우징개구(52)에 상기 연통부재(72)가 거치된 상태에서, 상기 고정부재(74)를 상기 상부하우징(50)에 나사결합시켜 상기 연통부재(72)를 압박함으로써, 상기 고정부재(74)를 회전시키는 단순한 작업에 의해 상기 연통부재(72)를 상기 상부하우징(50)에 견고히 설치할 수 있다.

또한, 상기 연통부재(72)와 상기 하우징지지부(54) 사이에는 상호 간의 기밀성을 더욱 증대시키기 위해 실링부재(79)가 추가적으로 설치될 수 있다.

도 4 는 상기 연통부재(72)의 작동원리를 도시한 도면이며, 도 5 는 본 연통부재(72)의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.

도 4 및 5 를 참조하면, 상기 연통부재(72)는 상기 하우징(40, 50) 내의 압력에 저항하면서 가동되는 원판 형상의 가동부재(75)와 본 가동부재(75)에 탄성력을 인가하기 위한 탄성부재(73)를 포함한다.

여기서, 상기 연통부재(72)의 하부에는 상기 하우징(40, 50) 내의 압력을 통과시키기 위한 제1연통개구(71-1) 가 형성되며, 또한 상기 연통부재(72)의 일 측부에는 상기 하우징(40, 50) 내의 압력을 외부로 배출하기 위한 제2연통개구(71-2)가 형성된다.

만약 상기 하우징(40, 50) 내의 압력이 과다할 경우 이러한 과다 압력으로 인해 하우징(40, 50) 내의 기체는 상기 제1연통개구(71-1)를 통과하게 되고, 상기 가동부재(75)를 상방으로 가압하게 된다.

상기 가압에 의해 상기 가동부재(75)는 상방으로 이동하게 되며, 본 가동부재(75)가 상기 제2연통개구(71-2)보다 높은 위치로 이동될 경우에는, 본 제2연통개구(71-2)를 통해 압력이 외기로 배출된다.

이때, 상기 가동부재(75)는 상기 탄성부재(73)에 의해 하방으로 압력을 받고 있는 상태이므로, 만약 상기 하우징(40, 50) 내의 압력이 일정 압력 이하로 감소될 경우에는 상기 가동부재(75)가 다시 최초의 위치로 복귀하게 된다.

여기서, 상기 가동부재(75)와 탄성부재(73)는 하나의 부재로 구성될 수 있는데, 이러한 하나의 부재로 구성된 경우가 도 5 에 도시된 탄성가동부재(78)이다.

상기 탄성가동부재(78)의 일 측(79)은 상기 연통부재(72) 내의 일측에 고정된 상태로 설치되며, 상기 탄성가동부재(78)의 타측은 상기 연통부재(72) 내의 타측 내벽에 상시 압력을 가하도록 구성되었다.

상기와 같이, 상기 연통부재(72)가 반복사용이 가능하게 구성됨으로써, 과다 압력 발생의 경우에는 이러한 과다 압력을 배출하게 되고, 이후 상기 상/하부 하우징(40, 50) 내부를 폐쇄상태로 유지하도록 하여 에너지 저장장치의 사용 수명을 현저히 연장시킬 수 있다.

그리하여, 상기와 같이 상기 상/하부 하우징(40, 50) 내의 압력이 과다할 경우 상기 압력은 상기 탄성가동부재(78)를 상방으로 밀어올리면서 외부로 배출된다.

이러한 배출 압력이 일정 압력 이하로 감소될 경우, 상기 탄성가동부재(78)는 그 탄성력에 의해 최초의 위치로 복귀하게 된다.

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.

따라서, 반복사용이 가능하게 구성된 상기 연통부재(72)의 내부 구성 및 본 연통부재를 상기 하우징에 고정하기 위한 고정부재(74)의 구체적 구성에 대해서는 다양한 변형 실시가 가능할 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 외관 사시도이며,

도 2 는 상부하우징에 압력배출부가 설치되는 분해사시도이며,

도 3 은 상부하우징에 압력배출부가 설치된 상태의 단면도이며,

도 4 는 압력배출부의 작동원리를 도시한 도면이며,

도 5 는 압력배출부의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

40, 50: 하우징 62: 양극단자

64: 음극단자 70: 압력배출부

72: 연통부재 73: 탄성부재

74: 고정부재 75: 가동부재

77: 연통부재걸림부 78: 탄성가동부재

Claims (8)

1. 양극전극 및 음극전극과;

   양극리드선 및 음극리드선과;

   상기 양극전극과 음극전극 사이에 위치하여 본 양극전극과 음극전극을 분리하기 위한 분리막과;

   상기 양극전극과 음극전극과 분리막을 수용하는 하우징과;

   상기 하우징 내에 수용되는 전해액과;

   상기 양극리드선과 음극리드선이 각각 연결되는 양극단자 및 음극단자와;

   상기 하우징에 결합되며 본 하우징 내의 압력을 배출하기 위한 압력배출부를 포함하며,

   상기 하우징에는 외기와 소통되는 하우징개구가 형성되며,

   상기 압력배출부는,

   상기 하우징개구에 설치되며 외기와 소통되는 연통부재와;

   상기 연통부재를 상기 하우징개구에 고정하기 위한 고정부재;를 포함하며,

   상기 하우징개구에는 상기 연통부재를 지지하기 위한 하우징지지부가 형성되고, 상기 연통부재에는 상기 하우징지지부에 의해 지지될 수 있는 연통부재걸림부가 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지저장장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 고정부재는 상기 하우징개구에 나사결합되는 것을 특징으로 하는 에너지저장장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 고정부재의 상부에는 다각형 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 에너지저장장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 연통부재는 상기 하우징 내의 압력에 저항하면서 가동되는 가동부재와 본 가동부재에 탄성력을 인가하기 위한 탄성부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지저장장치.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 연통부재는, 탄성재질로 구성되며 상기 하우징 내의 압력에 저항하면서 가동되는 탄성가동부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지저장장치.
7. 제 5 항 또는 6 항에 있어서,

   상기 연통부재의 연통부재걸림부와 상기 하우징의 하우징지지부 사이에는 실링부재가 설치되는 것을 특징으로 하는 에너지저장장치.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 에너지 저장장치는 전기이중층 커패시터인 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.

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