KR101207372B1 - 내압특성의 향상 구조를 갖는 전기에너지 저장장치 및 이를 위한 금속 케이스 - Google Patents

내압특성의 향상 구조를 갖는 전기에너지 저장장치 및 이를 위한 금속 케이스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 베어셀이 수용되는 금속 케이스와, 상기 금속 케이스에 결합된 제1 터미널 및 제2 터미널을 구비한 전기에너지 저장장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전기에너지 저장장치는 제1 터미널에 인접한 부분의 두께에 비해 제2 터미널에 인접한 부분의 두께가 상대적으로 두껍도록 금속 케이스의 측면부에 두께 구배가 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

내압특성의 향상 구조를 갖는 전기에너지 저장장치 및 이를 위한 금속 케이스{ELECTRIC ENERGY STORAGE DEVICE HAVING STRUCTURE FOR IMPROVING PRESSURE-RESISTANT-CHARACTERISTICS AND METAL-CASE FOR THE SAME}
본 발명은 전기에너지 저장장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 베어셀(Bare cell)을 수용하는 금속 케이스의 구조 개선을 통해 내압특성이 향상된 전기에너지 저장장치와 그 금속 케이스에 관한 것이다.
일반적으로 울트라 캐패시터(Ultra Capacitor)는 슈퍼 캐패시터(Super Capacitor)라고도 불리우며, 전해콘덴서와 이차전지의 중간적인 특성을 갖는 에너지 저장장치로서 높은 효율, 반영구적인 수명특성으로 인해 이차전지와의 병용 및 대체가 가능한 차세대 전기에너지 저장장치이다.
울트라 캐패시터는 에너지 저장메커니즘에 따라 전기이중층 캐패시터(EDLC; electric double layer capacitor)와 유사캐패시터(pseudocapacitor)로 나눌수 있다. 유사캐패시터는 전극표면 혹은 표면근처의 전극 내부에 전하가 축전되는 현상을 이용하지만, EDLC는 전극과 전해질 계면의 전기이중층에 전하가 흡착되는 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. 전기이중층 캐패시터는 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.
한편, 울트라 캐패시터는, 유지보수(Maintenance)가 용이하지 않고 장기간의 사용 수명이 요구되는 애플리케이션(Application)에 대해서는 축전지 대체용으로 이용되기도 한다. 울트라 캐패시터는 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 적합하며, 이와 같은 용도로 많이 이용되고 있다.
이러한 다양한 용도를 가지는 울트라 캐패시터의 전극은 넓은 비표면적을 통한 고에너지와, 낮은 비저항을 통한 고출력화, 그리고 계면에서의 전기화학 반응의 억제를 통한 전기화학적 안정성 등을 가지는 것이 중요하다.
울트라 캐패시터는 소형화를 위해 도 1에 도시된 바와 같이 원통 형상으로 이루어진 형태가 많이 이용되고 있다.
도 1을 참조하면, 울트라 캐패시터는 양극, 음극, 세퍼레이터 및 전해질로 구성된 베어셀이 담긴 내부 하우징(10)과, 내부 하우징(10)을 수용하는 금속 케이스(40)와, 금속 케이스(40)의 상부와 하부에 결합되어 각각 베어셀의 음극과 양극에 연결되는 제1 터미널(20) 및 제2 터미널(30)을 포함한다.
제1 터미널(20)은 절연부재(60)에 의해 금속 케이스(40)에 대하여 절연되는 동시에 상판(50)과 접촉되고, 제2 터미널(30)은 금속 케이스(40)와 접촉된다. 여기서, 상판(50)의 중심과 금속 케이스(40)의 하단 중심에는 외부 터미널(51,55)이 마련되는 것이 일반적이다.
상기 제1 터미널(20)과 상판(50) 간의 결합과, 제2 터미널(30)과 금속 케이스(40) 간의 결합은 체결볼트(70)에 의해 이루어진다.
울트라 캐패시터는 상온에서 과충전이나 과방전, 과전압과 같은 이상 동작시 전해질과 전극의 계면에서 부반응이 진행되어 그에 따른 부산물로서 기체가 발생하게 된다. 이와 같이 기체가 발생하여 내부에 축적되면 금속 케이스(40)의 내부압력이 지속적으로 증가하게 되고 결국에는 금속 케이스(40)가 볼록하게 부풀어 오르거나 금속 케이스(40)의 취약한 부분에서 급격하게 기체가 배출되면서 폭발이 발생하게 된다.
특히, 금속 케이스(40)가 부풀어 오르는 현상은 제2 터미널(30)에 인접한 금속 케이스(40)의 측면부와 바닥부가 제1 터미널(20) 부근에 비해 상대적으로 심하게 발생하게 된다.
그럼에도 불구하고, 금속 케이스(40)의 측면부에 있어서 제1 터미널(20) 부근은 케이스 상단에 상판(50) 방향으로 형성되는 커링(Curling) 가공부(45)의 커링 양 조절에 의해 내압성능의 강화가 용이한 반면에, 제2 터미널(30) 부근은 커링 가공을 하지 않으므로 내압성능의 강화가 용이하지 않은 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 창안된 것으로서, 금속 케이스의 두께 분포에 대한 최적화를 통해 내압특성이 개선된 전기에너지 저장장치와 이를 위한 금속 케이스를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 금속 케이스와 제2 터미널 간의 결합을 간소화할 수 있도록 금속 케이스의 두께 분포가 최적화된 전기에너지 저장장치와 이를 위한 금속 케이스를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 베어셀이 수용되는 금속 케이스와, 상기 금속 케이스에 결합된 제1 터미널 및 제2 터미널을 구비한 전기에너지 저장장치에 있어서, 상기 금속 케이스에는, 상기 제1 터미널에 인접한 부분의 두께에 비해 상기 제2 터미널에 인접한 부분의 두께가 상대적으로 두껍도록 측면부에 두께 구배가 형성된 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치를 제공한다.
상기 제1 터미널은 상기 베어셀의 음극에 연결되고, 상기 제2 터미널은 상기 베어셀의 양극에 연결될 수 있다.
상기 금속 케이스의 양단면 중 적어도 어느 한쪽의 중심에는 동심확보용 돌출부가 형성될 수 있다.
상기 동심확보용 돌출부는 상기 금속 케이스의 몸체에 일체화되는 것이 바람직하다.
상기 금속 케이스의 측면부는, 적어도 상기 제2 터미널의 높이에 대응하는 부분의 두께가 상기 제1 터미널에 인접한 부분의 두께에 비해 두꺼운 것이 바람직하다.
상기 제1 터미널에 인접한 부분의 두께에 대한 상기 제2 터미널에 인접한 부분의 두께 비율은 120~150%인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 양단을 가진 몸체를 구비하고, 상기 몸체의 측면부에 두께 구배가 형성된 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치의 금속 케이스가 제공된다.
본 발명에 따른 전기에너지 저장장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 내압성이 상대적으로 취약한 터미널 부근의 금속 케이스 측면부를 보강하여 형상변형을 방지함으로써 전기에너지 저장장치의 안전성을 향상시킬 수 있다. 이러한 본 발명은 상용 울트라 캐패시터에 매우 유용하게 적용될 수 있다.
둘째, 금속 케이스 측면부의 두께 구배를 조절함으로써 내압성능을 용이하게 조절할 수 있다.
셋째, 터미널 부근의 금속 케이스 측면부를 비딩(Beading) 가공하는 경우 두께 손실이 보상될 수 있으므로, 별도의 체결볼트를 사용하지 않고, 간편하게 측면부에 대한 비딩 가공을 통해 금속 케이스와 터미널 간을 결합하는 것이 가능하다.
넷째, 동심확보용 돌출부에 의해 터미널이 금속 케이스의 내부 중심에 정확히 정렬될 수 있으며, 금속 케이스가 보강되어 형상변형 방지성능이 강화될 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래기술에 따른 울트라 캐패시터의 구성을 도시한 단면도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기에너지 저장장치의 외관을 도시한 사시도,
도 3은 도 2의 단면도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 두께 구배를 갖는 금속 케이스의 실제 단면 구조를 보여주는 엑스레이 사진,
도 5는 도 2에서 금속 케이스의 내부 바닥부의 구성을 도시한 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기에너지 저장장치의 외관을 도시한 사시도이며, 도 3은 도 2의 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기에너지 저장장치는 베어셀(미도시)과, 상기 베어셀의 음극과 양극에 각각 연결되는 제1 터미널(110) 및 제2 터미널(120)과, 상기 베어셀을 비롯하여 제1 터미널(110) 및 제2 터미널(120)을 수용하는 원통형의 금속 케이스(130)를 포함한다.
베어셀은 양극, 음극, 세퍼레이터 및 전해질로 구성되어 전기화학적 에너지 저장기능을 제공한다.
제1 터미널(110)과 제2 터미널(120)에는 각각 베어셀의 음극과 양극이 연결된다.
제1 터미널(110)과 제2 터미널(120)은 금속 케이스(130)의 내주면에 대응하는 원형의 외주면을 갖는다. 제1 터미널(110)은 절연부재(150)에 의해 금속 케이스(130)에 대하여 절연되는 동시에 상판(140)에 접촉되어 상판(140)의 중심에 마련된 음극측 외부 터미널(141)과 연결되고, 제2 터미널(120)은 금속 케이스(130)에 접촉되어 금속 케이스(130)의 하단 중심에 마련된 양극측 외부 터미널(145)과 연결된다.
금속 케이스(130)는 권취소자 형태로 가공된 후 내부 하우징(100)에 담긴 베어셀을 수용할 수 있는 내부공간이 형성된 원통형의 몸체를 갖는다. 바람직하게, 금속 케이스(130)는 알루미늄 원통 형태로 구성될 수 있다. 금속 케이스(130)에 있어서 제2 터미널(120)이 위치하는 쪽의 단부는 측면부(131)와 일체로 연결된 바닥부(132)에 의해 폐쇄된다.
제1 터미널(110)에 가까운 금속 케이스(130)의 상단에는 내측으로 구부러진 형태의 커링 가공부(160)가 형성된다. 커링 가공부(160)의 커링 양 조절에 의해 제1 터미널(110) 부근의 금속 케이스(130) 측면부(131)는 내압성능이 용이하게 조절될 수 있다.
금속 케이스(130)의 측면부(131)는 제1 터미널(110) 부근에 비해 제2 터미널(120) 부근의 두께가 상대적으로 더 두꺼운 형태로 두께 구배를 갖는다. 즉, 금속 케이스(130)의 측면부(131)는 제1 터미널(110)에 인접한 부분(A)의 두께에 비해 제2 터미널(120)에 인접한 부분(B)의 두께가 상대적으로 두껍게 구성된다.
상기 두께 구배는, 적어도 바닥부(132)의 표면으로부터 제2 터미널(120)의 높이(h)에 대응하는 부분의 두께가 제1 터미널(110)에 인접한 부분(A)의 두께에 비해 두껍게 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 구조에 따르면, 금속 케이스(130)와 제2 터미널(120) 간의 결합을 위한 측면 비딩 가공을 실시하는 경우 제2 터미널(120)의 측면에 대응하는 금속 케이스(130)의 측면부(131)에서 발생하는 두께 손실을 보상하여 내압특성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 있어서 측면부(131)의 두께가 상대적으로 두꺼운 부분은 제2 터미널(120)의 높이(h)에 대응하는 부분에 한정되지 않고, 제2 터미널(120)에서 멀어지는 방향으로 소정 구간만큼 연장되는 것도 가능하다. 또한, 측면부의 두께 구배는 급격한 단차를 갖도록 형성될 수 있으며, 대안으로는 점진적으로 두께가 변화하도록 형성될 수도 있다.
상기 두께 구배는 제1 터미널(110)에 인접한 부분(A)의 두께에 대한, 제2 터미널(120)에 인접한 부분(B)의 두께 비율이 120~150%가 되도록 형성되는 것이 바람직하다. 두께 비율이 상기 수치범위의 하한을 벗어나는 경우에는 제2 터미널(120) 부근에 대한 보강 효과가 미미하고, 상기 수치범위의 상한을 벗어나는 경우에는 베어셀 등 내부 부품에 대한 조립 및 비딩공정에 의한 그루빙(Grooving)이 용이하지 않아 터미널(110,120)과 금속 케이스(130)의 접촉상태가 불안정하게 되어 저항이 증가하게 된다.
도 4는 본 발명에 따라 두께 구배를 갖는 금속 케이스(130)의 실제 단면 구조를 보여주는 엑스레이 사진이다. 도면을 참조하면, 금속 케이스(130)의 측면부(131)에 있어서 제2 터미널(120)에 인접한 부분이 여타의 부분에 비해 두꺼운 형태로 두께 구배를 가짐을 확인할 수 있다. 도 4에 도시된 금속 케이스(130)는 금속 케이스(130)와 제2 터미널(120) 간의 결합을 위하여 측면부(131)에 비딩부(135)가 형성된 경우로서, 제2 터미널(120)에 인접한 부분의 두께가 보강됨으로써 비딩 가공에 의한 두께 손실이 보상되는 효과도 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이 금속 케이스(130)의 바닥부(132)의 중심에는 동심확보용 돌출부(133)가 형성된다. 동심확보용 돌출부(133)는 제2 터미널(120)의 중심에 삽입됨으로써 금속 케이스(130)의 내부 중심에 제2 터미널(120)을 정확히 정렬시키는 용도로 사용된다. 동심확보용 돌출부(133)가 금속 케이스(130)의 측면부(131) 및 바닥부(132)와 일체를 이루도록 구성되는 경우에는 금속 케이스(130)가 보강되어 형상변형 방지성능이 더욱 강화될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 전기에너지 저장장치는 금속 케이스(130)의 측면부(131)에 형성된 두께 구배에 의해, 제1 터미널(110) 부근에 비해 상대적으로 내압성이 취약한 제2 터미널(120) 부근의 측면부(131)가 효과적으로 보강됨으로써 내압특성이 개선될 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100: 내부 하우징 110: 제1 터미널
120: 제2 터미널 130: 금속 케이스
131: 측면부 132: 바닥부
133: 동심확보용 돌출부 135: 비딩부
140: 상판 150: 절연부재
160: 커링 가공부

Claims (10)

  1. 베어셀이 수용되는 금속 케이스와, 상기 금속 케이스에 결합된 제1 터미널 및 제2 터미널을 구비한 전기에너지 저장장치에 있어서,
    상기 금속 케이스에는, 상기 제1 터미널에 인접한 부분의 두께에 비해 상기 제2 터미널에 인접한 부분의 두께가 상대적으로 두껍도록 측면부에 두께 구배가 형성된 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 터미널은 상기 베어셀의 음극에 연결되고, 상기 제2 터미널은 상기 베어셀의 양극에 연결되는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속 케이스의 양단면 중 적어도 어느 한쪽의 중심에는 동심확보용 돌출부가 형성된 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 금속 케이스의 몸체에 상기 동심확보용 돌출부가 일체화된 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 금속 케이스의 측면부는,
    적어도 상기 제2 터미널의 높이에 대응하는 부분의 두께가 상기 제1 터미널에 인접한 부분의 두께에 비해 두꺼운 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 터미널에 인접한 부분의 두께에 대한 상기 제2 터미널에 인접한 부분의 두께 비율이 120~150%인 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  7. 전기에너지 저장장치에 이용되는 금속 케이스에 있어서,
    양단을 가진 몸체를 구비하고, 상기 몸체의 측면부에 두께 구배가 형성된 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치의 금속 케이스.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 몸체는 원통형 몸체이며,
    상기 원통형 몸체의 일단은 상기 측면부와 연결된 바닥부에 의해 폐쇄되고,
    상기 바닥부의 중심에는 동심확보용 돌출부가 형성된 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장장치의 금속 케이스.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 측면부, 바닥부 및 동심확보용 돌출부가 일체화된 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치의 금속 케이스.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 원통형 몸체의 양단 간 측면부 두께 비율이 120~150%인 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치의 금속 케이스.
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