KR101059891B1 - 단위셀 및 상기 단위셀을 갖는 고출력 전기에너지 저장장치 - Google Patents

단위셀 및 상기 단위셀을 갖는 고출력 전기에너지 저장장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 캐패시터나 이차전지 등의 전기에너지 저장장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 전압단자를 이용하여 고출력 특성을 향상시킨 전기에너지 저장장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전기에너지 저장장치는, 전기에너지를 저장하는 양극전극 및 음극전극; 상기 양극전극 및 상기 음극전극에 접속되어 전류를 인가하는 양극 전류단자 및 음극 전류단자; 및 상기 양극전극 및 상기 음극전극에 접속되어 상기 양극전극과 상기 음극전극 사이의 양단 전압을 검출하는 양극 전압단자 및 음극 전압단자;를 포함하며, 상기 검출된 양단 전압을 제어전압으로 이용하여 충전 또는 방전동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.
전기에너지, 저장장치, 저항, 단자, 전압검출

Description

단위셀 및 상기 단위셀을 갖는 고출력 전기에너지 저장장치{Unit Cell and High Power Electric Energy Storage Device}
본 발명은 단위셀 및 캐패시터나 이차전지 등의 전기에너지 저장장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 전기에너지 저장장치의 전극에 전압단자를 접속하고, 그 전압단자에서 측정된 전압을 제어전압으로 이용하여 고출력 특성을 향상시킨 단위셀 및 전기에너지 저장장치에 관한 것이다.
전기에너지 저장장치는 구조, 재료 및 재질에 따라 어느 정도의 전기저항을 갖는다. 이러한 전기에너지 저장장치가 대전력을 사용하는 산업용 기기나 자동차의 구동용으로 사용될 때에는 그 전기저항에 의하여 실제 축전된 전압과 측정되는 전압 사이에 차이가 크게 발생하게 되는 문제점이 있다.
즉, 전기에너지 저장장치에 전류가 인가된 상태에서 전압을 측정하게 되면 전류이동경로의 저항에 의하여 전압강하가 발생하게 되며, 따라서 이러한 상태에서 전류가 인가된 전극으로 전압을 측정하면 실제 전극의 전압뿐만 아니라 전류이동경로의 저항에 의한 전압강하성분도 포함되기 때문에 정확한 전압을 측정하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전류에 따른 전압강하를 배제하여 실제 단자에 축전된 전압을 정확하게 측정할 수 있는 전기에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
전술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일면에 따른 전기에너지 저장장치는, 전기에너지를 저장하는 양극전극 및 음극전극; 상기 양극전극 및 상기 음극전극에 접속되어 전류를 인가하는 양극 전류단자 및 음극 전류단자; 및 상기 양극전극 및 상기 음극전극에 접속되어 상기 양극전극과 상기 음극전극 사이의 양단 전압을 검출하는 양극 전압단자 및 음극 전압단자;를 포함하며, 상기 검출된 양단 전압을 제어전압으로 이용하여 충전 또는 방전동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 전압 단자를 전기에너지 저장장치의 전극에 부착하고 이러한 전압단자를 이용하여 전압을 측정하여 저항에 의한 전압강하 성분을 배제할 수 있으므로, 종래보다 정확하게 전압을 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한 전압단자를 통하여 검출된 양단전압을 제어전압으로 이용함으로써, 전기에너지 저장장치의 대전류 특성을 향상시킬 수 있어, 전기에너지 저장장치의 충전 또는 방전 효율성을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한 정확한 전압을 기초로 충전 및 방전을 수행함으로써, 전기에너지 저장 장치의 가용용량을 실질적으로 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
전압단자와 전류단자를 사용함으로써 기존의 저장장치에 비해 대전류 특성을 향상시킬 수 있어, 충전 및 방전성능을 향상시키는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 전지(Battery)나 캐패시터(Capacitor) 같은 전기에너지 저장장치의 단위셀(Unit Cell)의 구조도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전기에너지 저장장치 단위셀은 양극전극(Positive Electrode)(110), 음극전극(Negative Electrode)(120), 세퍼레이터(Separator)(130), 양극단자(Positive Terminal)(140), 음극단자(Negative Terminal)(150), 전해액(Electrolyte)(180), 및 케이스(190)를 포함하여 구성될 수 있다.
양극전극(110)과 음극전극(120)에는 전기에너지가 저장된다. 일반적으로 양극전극(110)과 음극전극(120)은 활물질(Active Material)과 집전체(Current Collector)로 구성된다. 이러한 전극(110,120)의 구성은 도 2를 참조하여 후술한다.
전해액(180)은 이온의 이동 매개체로서, 이러한 이온을 통하여 활물질에 전기에너지를 저장할 수 있다. 이러한 전해액(180)은 전지나 전기이중층 캐패시터, 알루미늄 전해 콘덴서(Aluminum Electrolytic Capacitor) 같은 전기화학 셀(Electrochemical or Electrolytic Cell)에는 반드시 필요한 요소이지만, 필름콘덴서 같은 정전기셀(Electrostatic Cell)에는 반드시 필요하지 않다.
세퍼레이터(130)는 양극전극(110)과 음극전극(120) 사이에 삽입되어 두 전극 상호간에 전기적으로 절연되도록 한다. 그러나 구조적으로 양극전극(110)과 음극 전극(120) 사이를 전기적으로 절연시킬 수 있다면, 세퍼레이터(130) 없이도 단위셀을 구성할 수 있다.
이차전지, 전기이중층 캐패시터, 알루미늄 전해 콘덴서와 같이 액체 전해액이 사용되는 경우, 이러한 세퍼레이터(130)로서 액체전해질의 이온은 투과시키지만 전기적으로는 부도체인 종이나 섬유 같은 다공성 시트가 사용될 수 있다.
단자(140,150)는 전기에너지 저장장치에 전기에너지가 전달되는 통로역할을 하는 것으로 응용분야별로 다양한 형태로 적용될 수 있다.
케이스(190)는 전기에너지 저장장치를 외부와 격리시키기 위한 것으로 전기에너지 저장장치 종류에 따라 다양한 재질과 형상으로 구성될 수 있다.
도 2는 단위셀에서 양극전극 또는 음극전극으로 사용될 수 있는 전극의 사시도이다. 이하에서는 양극전극(110)을 예로서 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전극(110)은 집전체(Current Collector)(111)와 활물질(Active Material)층(112)으로 구성된다.
활물질층(112)은 전기에너지를 저장하는 역할을 하며, 집전체(111)는 활물질층의 전기에너지가 이동할 수 있는 통로로서의 역할을 수행한다.
전기이중층 캐패시터(Electric Double Layer Capacitor)의 경우, 활물질로는 주로 활성탄소(Activated Carbon)가 사용되고, 집전체(111)로는 알루미늄 시트가 주로 사용될 수 있으며, 특히 활물질층과의 접착성을 향상시키기 위해 표면이 에칭처리된 알루미늄 시트를 사용할 수 있다. 그 후 활물질층(112)을 파우더상의 활성탄소와 바인더(Binder), 도전제(Conductivity Improving Agent), 용매(Solvent)를 혼합하여 슬러리(Slurry)나 페이스트(Paste)로 만든 후, 롤코팅(Roll Coating)과 같은 방법을 사용하여 집전체(111)에 직접 도포되거나, 칼렌더링(Calendering)과 같은 방법을 사용하여 활물질시트를 만든 후 도전성접착제를 사용하여 집전체(111)에 접착하여 전극(110)을 형성할 수 있다.
반면, 알루미늄 전해콘덴서의 경우에는, 알루미늄 시트 집전체(111)에 활물질을 에칭처리(Etching Treatment)하여 활물질층(112)을 형성함으로써 전극(110)을 구성할 수 있다.
이러한 전극은, 도 2에 도시된 바와 같이, 일반적으로 집전체(111)의 양쪽 면에 활물질층(112)이 형성되며, 또한 전기이중층 캐패시터의 경우 양극전극(110)과 음극전극(120)에는 동일한 활물질이 사용될 수 있다.
도 3은 단위셀에서 전극과 단자의 배치를 나타낸 사시도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 양극전극(110)과 음극전극(120)의 집전체에 스티칭, 용접과 같은 접착방법을 이용하여 연결수단(이하에서는, '리드'의 경우로서 설명함)(141,151)이 접속되고, 이러한 리드(141,151)는 용접이나 리벳팅과 같은 방법으로 단자(140,150)에 접속될 수 있다. 그리고 양극전극(110)과 음극전극(120) 사이에 세퍼레이터(130)가 위치할 수 있다. 이러한 단위셀의 구성은 이차전지, 전기 이중층 캐패시터, 알루미늄 전해콘덴서, 필름콘덴서와 같은 전기에너지 저장장치에 적용될 수 있다.
도 4는 권취형 전극조립체와 단자의 배치를 나타낸 사시도이다.
도 4에 도시된 전극조립체(100)는 도 3에 도시된 양극전극(110), 음극전극(120), 리드(141,151) 및 세퍼레이터(130)를 함께 권취하여 만들어질 수 있으며, 그 후 리드(141,151)를 각각의 단자(140,150)에 접속한다.
도 5는 적층형 전기이중층 캐패시터의 적층 배치를 나타낸 사시도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 집전체(221)의 양쪽 면에는 활물질층(222)이 형성되어 전극을 구성하며, 또한 집전체(221)에는 단자에 연결되는 리드(251)가 형성되어 있다. 이와 같이 구성된 양극전극(210) 및 음극전극(220)과 세퍼레이터(230)가 함께 적층되어 전극조립체가 만들어지며, 이때 양극전극(210)의 양극 리드(241)와 음극전극(220)의 음극 리드(251)는 각 극성의 단자에 접속될 수 있다.
전술한 바와 같은 전기에너지 저장장치는 구조, 재료 및 재질에 따라 어느 정도의 전기저항을 갖는다. 이러한 전기에너지 저장장치가 메모리 백업용과 같이 작은 전류가 사용되는 응용분야에 사용될 때에는 전기에너지 저장장치의 전기저항이 크더라도 특별한 문제를 야기하지는 않지만, 전기에너지 저장장치가 대전력을 사용하는 산업용 기기나 자동차의 구동용으로 사용될 때에는 그 전기저항에 의하여 다양한 문제를 야기할 수 있다.
도 6은 전술한 전기이중층 캐패시터의 정전류 충전 또는 방전시 전압 및 전류를 도시한 그래프이다.
도시된 바와 같이, 충전 또는 방전전류가 크면 충전 또는 방전 시간이 더 단축됨을 알 수 있다. 또한 충전 또는 방전 전류가 증가하면 전기이중층 캐패시터의 자체 전기저항에 의한 전압강하가 증가하게 되며, 이로 인하여 전기이중층 캐패시터의 사용가능한 용량이 저하됨을 알 수 있다. 이러한 현상은 전기이중층 캐패시터뿐만 아니라 이차전지 같은 전기에너지 저장장치에서 나타날 수 있는 일반적인 현상으로, 이러한 전기에너지 저장장치 자체의 전기저항은 전기에너지 저장장치의 구조 및 재료에서 기인하여 발생할 수 있다.
도 7은 도 3에 도시된 전기에너지 저장장치의 저항요소에 대한 등가회로도이다.
도 7에서 RT(+), RT(-)는 양극단자 또는 음극단자의 자체저항을 나타낸다. RT-L(+), RT-L(-)는 단자와 리드 사이의 접속면에서 발생되는 접촉저항이다. RL(+), RL(-)는 양극리드 또는 음극리드의 자체저항이고, RL-C(+), RL-C(-)는 리드와 전극의 집전체 사이의 접속면에서 발생되는 접촉저항이며, RC(+), RC(-)는 단자의 집전체에서 발생하는 자체저항이다. RC-A(+), RC-A(-)는 집전체와 활물질층 사이의 접촉저항이고, RA(+), RA(-)는 전극의 활물질층의 자체저항이다. RE는 전해질의 이온전도도에 의한 저항이다.
이러한 전해액에 의한 저항 RE는 전극면적에 반비례하므로, 전기에너지 저장장치의 용량이 감소하면 전극의 면적이 감소하게 되므로 RE가 증가하게 되고, 전기 에너지 저장장치의 용량이 증가할수록 RE는 감소하게 된다. 따라서 전기에너지 저장장치의 용량이 증가할수록 전체저항에서 RE를 제외한 나머지 부분의 비중이 증가한다. 또한 전해액에 의한 저항 RE는 전해액 자체의 특성이므로 이를 줄이는 데에는 한계가 있다.
전술한 구조를 갖는 전기에너지 저장장치의 충전과 방전을 제어는 단자를 통해 검출된 전압을 통하여 이루어지며, 따라서 전기에너지 저장장치에 전류가 흐르지 않을 때에는 단자를 통하여 전기에너지가 저장되는 전극의 전압을 정확하게 측정할 수 있다. 그러나 전기에너지 저장장치에 전류가 인가된 상태에서는 도 7에 도시된 바와 같은 전류이동경로의 저항에 의하여 전압강하가 발생하게 되며, 따라서 단자를 이용하여 전압을 측정하면 전극의 전압뿐만 아니라 전류이동경로의 저항에 의한 전압강하성분도 포함되어 정확한 전압의 측정이 어렵다.
도 8은 본 발명에 따른 전기이중층 캐패시터의 전극과 단자의 배치상태를 나타낸 사시도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 양극전극(310)에는 양극 전류리드(341) 및 양극 전압리드(361)가 연결되어 있다. 양극 전류리드(341)는 외부와 전류가 전달되는 통로로서 양극 전류단자(340)와 연결되어 있으며, 양극 전압리드(361)는 양극전극(310)의 전압을 검출하기 위하여 사용되며 양극 전압단자(360)와 연결되어 있다. 마찬가지로 음극전극(320)에도, 음극 전류단자(350)에 연결된 음극 전류리드(351) 및 음극전극(320)의 전압을 검출하기 위하여 음극 전압단자(370)와 연결되는 음극 전압리드(371)가 연결된다. 이러한 전압리드(361,371)는 전술한 바와 같이 양극전극(310), 음극전극(320) 및 세퍼레이터(330)와 함께 권취되어 전극조립체를 형성할 수 있다.
이러한 전극(310,320)은 전류리드(341,351)로부터 거리가 멀어질수록 집전체에 의한 저항이 증가하여 인가되는 전류가 작아지므로, 따라서 전류리드(341,351)에서 먼 전극부분은 전류리드와 가까운 부분에 비해 충전 및 방전속도가 감소한다.
따라서 전압리드(361,371)는 전극에서 전류리드(341,351)와 가장 거리가 먼 부분(예컨대, 도 8과 도시된 바와 같이 전극의 모서리 부분)에 접속되는 것이 더욱 바람직하다. 또한 전압리드(361,371)의 재질은 집전체의 재질과 동일한 계열의 재질을 사용하는 것이 바람직하다.
도 9는 본 발명에 따른 전압리드를 전극에 접속하는 방법을 나타낸 개략도이다. 이하에서는 양극전극을 예로 설명한다.
도 9a는 전압리드(361)가 전극(310)의 집전체에 형성된 활물질층(312) 위에 접속된 것을 도시한다. 전압리드(361)는 전극(310)의 전압을 검출하기 위한 것으로, 전압리드(361)에는 전압검출을 위한 미량의 전류가 흐르므로 전압리드(361)와 활물질층과의 접촉저항이 전극의 전압검출에 주는 영향은 크지 않다. 따라서 전압리드(361)는 전극의 활물질층에 도전성접착제를 사용하여 부착하거나 혹은 전극(310)과 세퍼레이터(330)를 권취하는 도중에 정해진 위치에 삽입하여 형성될 수 있다.
도 9b는 전극(310)의 활물질층 위에 위치하는 부분이 그물모양인 전압리 드(361)를 사용한 경우를 도시한 것이다. 또한 활물질층 위에 위치하는 부분 뿐만 아니라 전압리드(361)의 전체적인 부분이 그물모양이 되도록 실시할 수도 있다. 이러한 전압리드(361)를 사용함으로써, 전해질을 사용하는 전기에너지 저장장치에 있어서도 전압리드(361)가 전해질에 존재하는 이온의 이동을 방해하는 것을 방지할 수 있다.
도 9c는 전압리드(361)가 전극(310)의 집전체(311)에 부착된 경우를 나타내는 것으로, 전압리드(361)가 부착되는 전극부분의 활물질층(312)을 제거하거나 전압리드(361)가 부착되는 부분에 활물질층을 도포하지 않고 전극(310)을 제작한 후 전압리드(361)를 용접, 스티칭, 솔더링, 도전성접착제와 같은 접속수단을 사용하여 전극의 집전체에 접속함으로써 형성할 수 있다.
일반적으로 파우더 형태의 활물질을 사용하는 경우, 집전체(311)에 활물질층(312)을 형성시키기 위하여 바인더와 도전제를 사용하게 되고, 대부분의 경우 바인더는 부도체이므로 활물질층(312)도 일정량의 저항을 갖게 되므로, 이러한 저항을 최소화하기 위하여 전압리드(361)를 전극의 활물질층(312)위에 접속시키는 것이 바람직하다.
도 10a 내지 도 10b는 본 발명에 따른 전기이중층 캐패시터의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 10a에 도시된 바와 같이, 도 8에 도시된 양극전극(310), 음극전극(320) 및 세퍼레이터(330)를 리드들(341,351,361,371)과 함께 권취하여 전극조립체를 형성할 수 있다. 이러한 전극조립체의 양극 전류리드(341)와 음극 전류리드(351)는 전술한 바와 같이 용접, 리벳팅, 솔더링, 도전성 접착제 같은 수단을 사용하여 단자판의 양극 전류단자(340)와 음극 전류단자(350)에 각각 접속되고, 양극 전압리드(361)와 음극 전압리드(371) 또한 용접, 리벳팅, 솔더링, 도전성 접착제 같은 수단을 사용하여 단자판의 양극 전압단자(360)와 음극 전압단자(370)에 각각 접속된다.
각 리드(341,351,361,371)와 그에 대응되는 단자(340,350,360,370)를 접속한 후, 케이스(390)에 넣고 단자판을 덮어 밀봉한 후 단자판에 형성되어 있는 전해액 주입구(381)로 전해액을 주입하고 전해액 주입구(381)를 밀봉함으로써, 도 10b에 도시된 것과 같은 전기이중층 캐패시터 단위셀을 완성할 수 있다.
이와 같이 완성된 전기에너지 저장장치의 단위셀은 그 정격전압이 2.5 ~ 3.6V에 불과하다. 그러나 전기에너지를 사용하는 전기기기들이 필요 전압은 수십 또는 수백 볼트인 경우도 허다하다. 따라서 이와 같이 필요 전압을 만족시키기 위하여, 전기에너지 저장장치 단위셀을 직렬로 연결하여 사용할 수 있다.
도 11는 본 발명에 따른 직렬 전기이중층 캐패시터의 사시도이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 직렬 전기이중층 캐패시터는 도 10의 전기이중층 캐패시터 단위셀을 금속 등의 도체(Conductor)를 이용하여 용접, 솔더링, 나사와 같은 방법으로 전기적으로 직렬 연결한 것으로, 전류단자(350,350')는 전류단자(340',340'')와, 전압단자(370,370')는 전압단자(360',360'')와 직렬로 연결된다.
이와 같이 전기이중층 캐패시터를 직렬로 연결한 후, 양쪽 끝단에 위치한 단 위셀의 전류단자(340,350'')에 전류를 공급하고 양쪽 끝단에 위치한 단위셀의 전압단자(360, 370'') 사이의 전압을 검출함으로써, 직렬로 연결된 전기이중층 캐패시터에 인가된, 저항에 의한 전압강하 성분이 제외된 전압을 검출할 수 있다.
도 12는 도 10의 전기이중층 캐패시터 단위셀의 저항요소에 대한 등가회로도이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기이중층 캐패시터 단위셀의 저항 요소들은 도 7에 도시된 저항요소와 동일하지만, 전압리드가 전극의 활물질층 위에 배치됨에 따라 양극 전압리드(361)와 음극 전압리드(371)는 전해액 저항(RE)의 양단에 바로 연결될 수 있다. 따라서 양극 전압단자(360)와 음극 전압단자(370)의 양단전압에는 양극전극과 음극전극 사이의 전압 및 전해액 저항에 의한 전압강하 만이 포함될 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 전기이중층 캐패시터를 충전, 방전시키는 과정에서 양극 전류단자(340)와 음극 전류단자(350) 양단에서 측정되는 전압과 양극 전압단자(360)와 음극 전압단자(370) 양단에서 측정되는 전압은 큰 차이를 나타나게 된다. 즉, 도 12에서 나타나듯이 전류단자(340,350) 양단전압에는 모든 저항요소에 의한 전압강한 성분이 모두 포함되어 있지만, 전압단자(360,370) 양단전압에는 전해액 저항에 의한 전압강하 성분만이 포함되어 있을 뿐이다.
도 13은 본 발명에 따른 전기이중층 캐패시터의 충전, 방전 거동을 나타내는 그래프이다.
도 13a는 본 발명에 따른 전기이중층 캐패시터를, 전류단자 간(340,350)의 양단 전압을 사용하여 충전과 방전을 제어한 경우에 전압과 전류를 도시한 그래프이고, 도 13b는 본 발명에 따른 전기이중층 캐패시터를, 전압단자 간(360,370)의 양단 전압을 사용하여 충전과 방전을 제어한 경우에 전압과 전류를 도시한 그래프이다.
도 13a와 도 13b의 방전과정에서 비교하면, 13b에 도시된 전압단자 간(360,370)의 양단 전압을 사용하여 전기이중층 캐패시터를 제어한 경우가 방전시간이 ΔTd 만큼 길다. 즉 전압단자(360,370)의 양단 전압을 제어전압으로 사용하여 전기이중층 캐패시터를 방전시킬 경우, 전기이중층 캐패시터의 전기에너지를 더 활용할 수 있음을 알 수 있다. 또한 방전 전류가 증가할수록 전류단자의 양단 전압(340,350)에 포함된 저항에 의한 전압강하 성분도 증가하므로, 전압단자(360,370)를 이용하여 방전할 때 보다 방전시간의 차이는 더 증가한다.
또한 도 13a와 도 13b의 충전과정을 비교하면, 전압단자(360,370)의 양단 전압을 제어전압으로 사용하여 전기이중층 캐패시터를 정전류 충전시킨 경우가, 전류단자(340,350)의 양단전압을 제어전압으로 사용한 경우보다 충전시간이 더 길다. 또한 충전 후 전압에 있어서도, 전압단자(360,370)의 양단 전압을 제어전압으로 사용한 경우가 전류단자(340,350)의 양단전압을 제어전압으로 사용한 경우보다 충전 후 전압이 더 높다. 또한 이러한 차이는 충전전류가 증가할수록 더욱 증가함은 자명하다.
특히, 도 13b에 도시된 정전류 충전과정에서 나타나듯이, 전압단자(360,370)의 양단 전압을 제어전압으로 충전하면, 전류단자(340,350)의 양단 전압이 정격전압을 초과할 수 있다. 이는 실제적인 전극의 전압은 아직 정격전압에 도달하지 못하였지만, 전류단자(340,350)의 양단 전압은 전류단자의 양단 사이의 저항에 의한 전압강하성분이 포함되어 있기 때문이다.
따라서, 전압단자(360,370)의 양단 전압을 사용하여 전기이중층 캐패시터를 제어할 경우 매우 효과적임을 알 수 있다. 또한 전압단자(360,370)의 양단 저항이 전류단자(340,350)의 양단 저항보다 훨씬 작으므로, 전압단자(360,370)의 양단 전압을 제어전압으로 사용할 경우 시상수(Time Constant)가 훨씬 작아지며 고출력에 훨씬 유리하다.
특히 전기자동차나 하이브리드 자동차, 전철과 같이 가감속이 빈번한 경우 특히 회생제동(Regenerative Braking)과 같이 급속충전이 사용되는 경우 본 발명은 매우 효과적이다.
대부분의 이차전지는 전지의 성능을 유지시키기 위해 정격전압뿐만 아니라 방전종료전압도 엄격히 준수되어야 한다. 보다 더 정확하게는 전압이라 함은 전극의 전압을 지칭하는 것이지만 종래의 단자구조를 사용하는 이차전지에서 단자에 전류가 인가되는 경우 단자 사이의 양단 전압에는 전극의 전압과 저항에 의한 전압강하 성분이 포함되어 있다. 따라서 이러한 저항에 의한 전압강하에 의해 단자에 인가되는 전류가 증가할수록 용량감소가 가속화된다.
따라서 이차전지의 경우에도 본 발명에 따른 단자구조 및 제어방법을 사용할 경우 저항에 의한 전압강하 성분을 배제하고 보다 더 전극의 전압을 정확하게 측정할 수 있으므로 종래의 기술보다 가용용량을 더 증대시킬 수 있다. 전술한 바와 같이 본 발명은 이차전지의 경우에도 대전류 방전뿐만 아니라 대전류 충전에도 매우 효과적이다.
본 발명의 실시예에서는 전기에너지 저장장치 중에서 주로 전기이중층 캐패시터를 사용하였지만 본 발명이 전기이중층 캐패시터만으로 한정되지는 않는다. 또한 본 발명은 전해액을 사용하지 않는 캐패시터에도 사용될 수 있다.
본 발명은 전기이중층 캐패시터, 알루미늄 전해 캐패시터, 필름 캐패시터 같은 캐패시터나 납축전지, 니켈수소전지, 니켈카드뮴전지, 리튬이온전지 같은 전지나 연료전지 등과 같은 전기에너지 저장장치에 사용될 수 있다.
이상, 본 발명에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 자명하다. 따라서 본 발명의 보호 범위는, 전술한 실시예에 국한되서는 아니되며 이하의 특허청구범위의 기재에 의한 범위 및 그와 균등한 범위를 포함하여 정하여져야 할 것이다.
도 1은 전지나 캐패시터 같은 전기에너지 저장장치의 단위셀의 구조도.
도 2는 단위셀에서 양극전극 또는 음극전극으로 사용될 수 있는 전극의 사시도 .
도 3은 단위셀에서 전극과 단자의 배치를 나타낸 사시도.
도 4는 전극조립체와 단자의 배치를 나타낸 사시도.
도 5는 적층형 전기이중층 캐패시터의 적층전 배치를 나타낸 사시도.
도 6은 전기이중층 캐패시터의 정전류 충전 또는 방전시 전압 및 전류를 도시한 그래프.
도 7은 도 3에 도시된 전기에너지 저장장치의 저항요소에 대한 등가회로도.
도 8은 본 발명에 따른 전기이중층 캐패시터의 전극과 단자의 배치상태를 나타낸 사시도.
도 9는 본 발명에 따른 전압리드를 전극에 접속하는 방법을 나타낸 개략도.
도 10a 내지 도 10b는 본 발명에 따른 전기이중층 캐패시터의 구조를 나타낸 사시도.
도 11는 본 발명에 따른 직렬 전기이중층 캐패시터의 사시도.
도 12는 도 10의 전기이중층 캐패시터 단위셀의 저항요소에 대한 등가회로도.
도 13a 내지 도 13b는 본 발명에 따른 전기이중층 캐패시터의 충전, 방전 거동을 나타내는 그래프.

Claims (8)

  1. 집전체와 전기에너지가 저장되는 활물질층을 포함하는 전극;
    상기 전극에 접속되고 전류가 인가되는 전류단자; 및
    상기 전극에 접속되고 전압검출에 사용되는 전압단자; 를 포함하며,
    상기 전압단자를 이용하여 검출된 전압을 제어전압으로 이용하여 충전 및 방전을 제어하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치의 단위셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전압단자는 연결수단을 사용하여 상기 전극의 활물질층에 접속되는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치의 단위셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전압단자는 연결수단을 사용하여 상기 전극의 집전체에 접속되는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치의 단위셀.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전압단자와 상기 전극을 연결하는 연결수단의 재질은 상기 전극의 집전체와 동일한 금속계열인 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치의 단위셀.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전압단자와 상기 전극을 연결하는 연결수단은 그물 형상인 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치의 단위셀.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전압단자와 상기 전극을 연결하는 연결수단은 상기 전극에서 상기 전류단자로부터 전기저항이 가장 큰 부분에 접속되는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치의 단위셀.
  7. 단위셀이 직렬로 연결된 전기에너지 저장장치에 있어서,
    집전체와 전기에너지가 저장되는 활물질층을 포함하는 전극;
    상기 전극에 접속되고 전류가 인가되는 전류단자; 및
    상기 전극에 접속되고 전압검출에 사용되는 전압단자; 를 포함하는,
    복수개의 단위셀을 직렬로 연결하되,
    상기 전류단자는 전류단자와 직렬로 연결되고 상기 전압단자는 전압단자와 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전기에너지 저장장치의 상기 전압단자로부터 검출된 전압을 이용하여 상기 전기에너지 저장장치의 충전 및 방전을 제어하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
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