KR101508646B1 - 전기화학적 에너지 저장장치 및 그 제조방법 - Google Patents
전기화학적 에너지 저장장치 및 그 제조방법Info
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Abstract
본 발명은 전기화학적 에너지 저장장치 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 전기화학적 에너지 저장장치는 전기화학 에너지를 저장하는 전극 소자, 전극 소자 상부에 각각 돌출 형성된 한 쌍의 전극 단자, 한 쪽에 개방부가 형성되고, 개방부를 통하여 전극 소자가 내장되는 케이스, 한 쌍의 전극 단자가 관통되는 한 쌍의 관통홀이 형성되고, 전극 소자 상부에 이격되어 설치되며, 개방부 상부 내측에 결합하여 케이스를 밀봉하는 러버캡을 포함하고, 전극 소자와 러버캡 사이에 이격 거리는 0.4 내지 10mm인 것을 특징으로 한다.
이를 통해, 전극 소자와 러버캡 사이에 일정 거리의 이격거리를 두고 밀봉되기 때문에, 러버캡 표면에 이물질이 발생하지 않아, 전기화학적 에너지 저장장치의 평균 수명이 향상된다.
이를 통해, 전극 소자와 러버캡 사이에 일정 거리의 이격거리를 두고 밀봉되기 때문에, 러버캡 표면에 이물질이 발생하지 않아, 전기화학적 에너지 저장장치의 평균 수명이 향상된다.
Description
본 발명은 전기화학적 에너지 저장장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기화학적 에너지 저장장치의 수명을 향상시킬 수 있는 전기화학적 에너지 저장장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
정보화 시대에는 각종 정보통신기기를 통해 다양하고 유용한 정보를 실시간으로 수집 및 활용하는 고부가가치 산업이 주도하고 있으며, 이러한 시스템의 신뢰성 확보를 위해서는 안정적인 에너지의 공급이 중요한 요소로 인식되고 있다.
안정적인 에너지 확보의 일환으로서, 전기에너지를 화학에너지로 변환하여 저장하였다가 필요시 다시 전기에너지로 변환하여 쓸 수 있는 전기화학적 에너지 저장장치(electrochemical energy storage device)가 사용되고 있다.
가장 일반적인 전기화학적 에너지 저장장치인 배터리는 비교적 작은 부피와 중량으로 상당히 많은 에너지를 저장할 수 있고, 여러 용도에서 적당한 출력을 내어 줄 수 있기 때문에 널리 사용되고 있다. 그러나 배터리는 종류에 무관하게 저장특성 및 사이클 수명이 낮은 공통적인 문제점을 가지고 있다. 이는 배터리에 내포되어 있는 화학물질의 자연적인 열화현상 또는 사용에 따른 열화현상 때문이다. 이러한 배터리의 단점은 자연적인 현상이기 때문에 별다른 대안이 제시되지 못하고 있는 실정이다.
한편, 전기이중층 커패시터(electric double-layer capacitor, EDLC)는 화학반응을 이용하는 배터리와는 달리 전극과 전해액 사이에 형성되는 전기 이중층을 이용한 에너지 저장장치이다.
전기이중층 커패시터의 기본구조는 전극(electrode), 전해액(electrolyte), 집전체(current collector), 분리막(separator)으로 이루어져 있으며, 단위 셀 전극의 양단에 수 볼트의 전압을 가해 전해액 내의 이온들이 전기장을 따라 이동하여 전극표면에 흡착되는 일련의 전기 화학적 메커니즘을 작동원리로 한다.
전기이중층 커패시터에서 전해액은 주로 유기계 용액에 금속염 또는 유기계염을 일정량 용해시켜 사용한다. 이 경우, 기존의 커패시터보다 많은 에너지를 저장할 수 있으며, 급속 충방전이 가능하다는 장점이 있다.
이와 같은 전기이중충 커패시터를 안전하게 이용하기 위해, 전극 소자를 케이스에 내장시키고 러버캡(rubber cap)으로 밀봉하여 사용한다. 이 때, 전기이중충 커패시터를 장시간동안 이용하게 되면 러버캡 표면에 이물질이 발생하게 되고, 이물질로 인한 전기이중충 커패시터의 수명이 단축되는 문제점이 있다.
따라서 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 전극 소자와 러버캡 사이에 이격 거리를 두어 전기화학적 에너지 저장장치의 평균 수명을 향상시킬 수 있는 전기화학적 에너지 저장장치 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전기화학 에너지를 저장하는 전극 소자, 상기 전극 소자 상부에 각각 돌출 형성된 한 쌍의 전극 단자, 한 쪽에 개방부가 형성되고, 상기 개방부를 통하여 상기 전극 소자가 내장되는 케이스, 상기 한 쌍의 전극 단자가 관통되는 한 쌍의 관통홀이 형성되고, 상기 전극 소자 상부에 이격되어 설치되며, 상기 개방부 상부 내측에 결합하여 상기 케이스를 밀봉하는 러버캡을 포함하고, 상기 전극 소자와 러버캡 사이에 이격 거리는 0.4 내지 10mm인 것을 특징으로 하는 전기화학적 에너지 저장장치를 제공한다.
본 발명에 따른 전기화학적 에너지 저장장치에 있어서, 상기 러버캡의 중앙을 관통하여 형성되고, 상기 케이스 내부에서 발생되는 가스로 인한 상기 케이스의 내부 압력이 일정 압력 이하인 경우 상기 러버캡의 탄성에 의해 닫히고, 상기 일정 압력 이상인 경우 상기 러버캡의 탄성에 의해 열려 가스를 상기 케이스 외부로 배출하는 가스배출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전기화학적 에너지 저장장치에 있어서, 상기 가스배출부는 상기 러버캡 하부에서 상부로 갈수록 내경이 작아져, 상기 케이스 내부의 가스의 배출 방향을 유도하는 가스유도부, 상기 가스유도부 상단과 연결되고, 상기 러버캡의 중앙을 관통하여 형성되며, 상기 케이스 내부에서 발생되는 가스로 인한 상기 케이스의 내부 압력이 일정 압력 이하인 경우 상기 러버캡의 탄성에 의해 닫히고, 상기 일정 압력 이상인 경우 상기 러버캡의 탄성에 의해 열려 가스를 상기 케이스 외부로 배출하는 가스개폐부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상부에 각각 돌출 형성된 한 쌍의 전극 단자를 구비하고, 전기화학 에너지를 저장하는 전극 소자를 준비하는 준비단계, 0.4 내지 10mm 이격거리를 두고, 상기 한 쌍의 전극 단자에 러버캡을 부착하는 러버캡 부착단계, 케이스 내부에 전해액을 투입 후 상기 러버캡이 부착된 전극 단자를 상기 케이스에 삽입한 뒤 밀봉하는 밀봉단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 전기화학적 에너지 저장장치 및 그 제조방법에 따르면, 전극 소자와 러버캡 사이에 일정 거리의 이격거리를 두고 밀봉되기 때문에, 러버캡 표면에 이물질이 발생하지 않아, 전기화학적 에너지 저장장치의 평균 수명이 향상된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 케이스가 분리된 전기화학적 에너지 저장장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 러버캡에 의해 밀봉된 전기화학적 에너지 저장장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기화학적 에너지 저장장치 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기화학적 에너지 저장장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 러버캡에 의해 밀봉된 전기화학적 에너지 저장장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기화학적 에너지 저장장치 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기화학적 에너지 저장장치를 나타낸 도면이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 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 바람직한 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.
본 발명에 따른 전기화학적 에너지 저장장치 및 그 제조방법을 이하 도면을 참조하면 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 케이스가 분리된 전기화학적 에너지 저장장치를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 러버캡에 의해 밀봉된 전기화학적 에너지 저장장치를 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기화학적 에너지 저장장치(100)는 전극 소자(10), 한 쌍의 전극단자(15), 케이스(20), 러버캡(30)을 포함한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 전기화학적 에너지 저장장치(100)는 전극과 전해액 사이에 형성되는 전기 이중층을 이용한 전기이중충 커패시터(electric double-layer capacitor, EDLC)가 사용되고 있지만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않는다. 즉, 전기화학적 에너지 저장장치(100)는 전기화학 에너지를 저장할 수 있는 장치라면 제한 없이 적용될 수 있는데, 그 사용 목적에 따라 수십 내지 수백 ㎌(마이크로 패럿)의 전기용량을 갖는 전해 콘덴서, 수 패럿의 전기용량을 갖는 슈퍼 커패시터, 리튬 이온 커패시터 등이 사용될 수 있다.
전극 소자(10)는 전기화학 에너지를 저장하며, 전기에너지를 화학에너지로 또는 화학에너지를 전기에너지로 변환한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 전극 소자(10)는 원통형 형상을 가지고 있지만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않는다. 즉, 전극 소자(10)는 원통형 형상뿐만 아니라, 4각기둥, 5각기둥, 6각기둥 등의 각주형 형상으로 이루어 질 수 있다.
전극 소자(10)는 양극, 음극, 전해액, 분리막을 포함한다.
양극은 양극 집전체와 양극 집전체 양면 또는 일면에 구비된 슬러리(slurry)로 만들어진 양극재료를 포함하고, 음극은 음극 집전체와 음극 집전체 양면 또는 일면에 구비된 슬러리(slurry)로 만들어진 음극재료를 포함할 수 있다.
양극 집전체 및 음극 집전체는 전극 소자(10)에서 활물질의 전기화학 반응으로 생성된 전자를 축적하여 외부회로에 전달하는 역할을 한다. 양극 집전체 및 음극 집전체는 폴리카보네이트(polycabonate, PC), 알루미늄, 니켈, 티타늄, 동, 금, 은, 백금, 코발트 등의 단체, 합금 혹은 화합물이 사용될 수 있고, 도전성 카본, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리프로필 등의 도전성 폴리머 등이 사용될 수 있다.
슬러리(slurry)로 만들어진 음극재료 및 양극재료는 전극 활물질, 도전재 및 바인더가 사용된다.
전극 활물질로는 전해액 내 염(salt)의 양이온 또는 음이온이 양극 집전체 및 음극 집전체에 흡착되거나 탈착이 가능한 물질이 사용될 수 있다. 즉, 전극 활물질로 활성탄이 사용될 수 있는데, 활성탄은 높은 전기전도성, 열전도성, 낮은 밀도, 적합한 내부식성, 낮은 열팽창율 그리고 높은 순도를 지닌 다공성 탄소계 물질이 이용될 수 있다. 예를 들어, 활성 탄소분말(ACP ; Activated Carbon Powder), 탄소 나노튜브 (CNT ; carbon nano tube), 흑연, 기상 성장 탄소섬유(VGCF ; vapor grown carbon Fiber), 탄소 에어로겔(carbon aerogel), 폴리 아크릴로나이트릴(PAN ; poly acrylonitrile) 및 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF ; polyvinylidenefluoride)와 같은 고분자를 탄화하여 제조하는 탄소 나노섬유(CNF ; carbon nano fiber) 및 활성화탄소 나노 섬유(ACNF ; activated carbon nano fiber) 등이 사용될 수 있다.
도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위한 물질로서, 카본 블랙(CB ; carbon black), 아세틸렌 블랙(acetylene black), 캐첸 블랙(ketjen black), 흑연 또는 슈퍼-피(super-p) 등이 사용될 수 있다.
바인더는 전극 활물질과 도전재의 결합 및 전극 활물질과 양극 집전체 및 음극 집전체 결착을 위한 가교역할을 한다. 바인더로 사용될 수 있는 물질로는 CMC(carboxy methyl cellulose), 폴리비닐피롤리돈 (PVP ; polyvinylpyrrolidone), 불소계의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE ; poly tetra fluoroethylene) 분말이나 에멀젼, 및 고무계의 스티렌 부타디엔 러버(SBR ; styrene butadiene rubber) 등이 사용될 수 있고, 이와 같은 물질이 적어도 하나 이상이 혼합된 형태로 사용될 수 있다. CMC(carboxy methyl cellulose)는 전극 슬러리의 점도를 풀과 비슷한 상태로 유지하면서 양극 집전체 및 음극 집전체와 결착력을 높이는 역할을 한다. CMC는 결착력을 높이지만 전극 슬러리가 캐스팅(casting) 된 후에는 전극물질층의 취성(embrittlement)을 증가시킨다. 이러한 CMC는 집전체와 전극 슬러리의 결착력을 얻기 위해 사용될 수 있다. 폴리비닐피롤리돈(PVP)은 분산제로 작용하며 전극 슬러리를 이루고 있는 입자들의 분산을 도와주는 역할을 한다. 이러한 폴리비닐피롤리돈은 첨가량이 적고 분산에 도움을 줄 수 있는 다른 물질이 있다면 대체 가능하다. 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 전극 슬러리 내부에서 에멀젼 상태로 포진하고 있다가 용융점이상에서 용융되면 거미줄과 같이 폴리머가 입자들을 감싸 안게 된다. 이러한 폴리테트라플루오로에틸렌은 입자간의 결합력을 안정적으로 높여줄 수 있다. 고무계의 스티렌 부타디엔 러버(SBR)는 입자들의 표면을 코팅하여 표면을 보호하는 역할을 한다. 추가로 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드, 카르복시메틸셀룰로오즈, 하이드로프로필메틸셀룰로오즈 및 폴리비닐알콜로 등을 더 포함할 수 있다.
전해액은 양극 및 음극에서 발생하는 전하가 원할하게 이동하게 할 수 있으며, 액체 상태의 용매로 양이온과 음이온으로 이루어진 염으로 구성할 수 있다.
예를 들어, 전해액으로는 염산, 황산, 질산, 초산을 단독으로 또는 2종 이상을 선택하여 증류수와 혼합하여 사용될 수 있다. 또한, Li2SO4, Na2SO4, K2SO4, (NH4)2SO4, LiOH, NaOH, KOH, NH4OH을 단독으로 또는 2종 이상을 선택하여 증류수와 혼합하여 사용될 수 있다.
또한, 전해액으로는 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 락톤, 에테르, 에스테르, 케톤, 및/또는 물을 사용할 수 있다.
환형 카보네이트의 예로는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC) 등이 있고, 선형 카보네이트의 예로는 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디프로필 카보네이트(DPC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 및 메틸 프로필 카보네이트(MPC) 등이 있다. 락톤의 예로는 감마부티로락톤(GBL)이 있으며, 에테르의 예로는 디부틸에테르, 테트라히드로푸란, 2-메틸테트라히드로푸란, 1,4-디옥산, 1,2-디메톡시에탄 등이 있다. 또한 에스테르의 예로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 메틸 피발레이트 등이 있으며, 케톤으로는 폴리메틸비닐 케톤이 있으나, 이에 한정하지 않는다. 이와 같은 용매는 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
이 뿐만 아니라, 전해액으로 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온이나 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하고, PF6 -, BF4 -, Cl-, Br-, I-, ClO4 -, ASF6 -, CH3CO2 -, CF3SO3 -, N(CF3SO2)2 -, C(CF2SO2)3 -와 같은 음이온이나 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하는 염인 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 디프로필카보네이트(DPC), 디메틸설폭사이드, 아세토니트릴(AN), 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 테트라하이드로퓨란, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 에틸메틸카보네이트(EMC), 감마 부티로락톤 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 유기 용매를 사용할 수 있고, 이와 같은 유기 용매에 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluorborate), TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluorborate), LiCl04(lithium perchlorate), LiPF6(lithium hexafluorophosphate), LiAsF6(lithium hexafluoroarsenate), LiBF4(lithium tetraflouroborate)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 단독으로 또는 2종 이상의 염을 혼합하여 사용할 수 있다.
이와 같은 전해액은 분리막에 함침 또는 코팅되도록 사용될 수 있다.
분리막은 양극과 음극 사이에 위치하여 이들을 전기적으로 절연시켜주는 역활을 한다.
분리막은 특정 형태로 한정되는 것은 아니지만, 다공성 분리막을 사용하는 것이 바람직하며, 일예로서 펄프계, 폴리프로필렌계, 폴리에틸렌계, 또는 폴리올레핀계 다공성 분리막 등이 이용될 수 있다.
전극 소자(10)는 양극, 음극, 양극과 음극 사이 또는 양극과 음극 양면에 분리막은 적층하고, 권취하여 형성된다. 즉, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극 소자(10)는 권취되어 원통형으로 형성될 수 있다.
전극 소자(10)는 전극 소자(10) 상부에 각각 돌출 형성된 한 쌍의 전극 단자(15)를 포함한다.
한 쌍의 전극 단자(15)는 각각 양극 및 음극과 연결되어, 전극 소자(10)를 외부전력과 연결해주는 역할을 한다.
한 쌍의 전극 단자(15)의 재질은 알루미늄 스틸 또는 스테인레스 스틸 중의 하나가 사용될 수 있으며, 표면은 니켈 또는 주석에 의해 코팅 형성될 수 있다.
케이스(20)는 한 쪽에 개방부(22)가 형성되고, 개방부(22)를 통하여 전극 소자(10)가 내장된다. 케이스(20) 내부에는 전극 소자(10) 뿐만 아니라 전극 소자(10)에서 발생되는 가스 등도 함께 존재하게 되므로, 케이스(20)의 소재로는 가벼우면서도 가스 등에 의한 부식의 영향이 적은 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용될 수 있다.
케이스(20)은 원통형으로 형성되는데, 전극 소자(10)의 형상에 대응하는 형상으로 이루어질 수 있다. 달리 말하면, 전극 소자(10)가 원통형일 경우 케이스(20)도 원통형이 되며, 전극 소자(10)가 다각형 형상일 경우 케이스(20)도 다각형 형상일 수 있다. 하지만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니며, 전극 소자(10)가 원통형일 때, 케이스(20)가 다각형 형상일 수 있고, 전극 소자(10)가 다각형 형상일 때, 케이스(20)가 원통형일 수 있다.
러버캡(30)은 개방부(22) 상부에 내측에 결합하여 케이스(20)를 밀봉한다. 즉, 러버캡(30)은 케이스(20)의 내부가 밀봉된 상태로 만들어, 전극 소자(10)의 내부와 외부를 차단시킬 수 있다.
이 때, 러버캡(30)을 이용하여 케이스(20)를 밀봉하기 위해, 러버캡(30)이 개방부(22) 상부 내측에 결합된 상태에서 개방부(22)에 가까운 케이스(20)의 상단부를 안쪽으로 눌러 변형하고, 러버캡(30)의 하부에 가까운 케이스(20) 부분을 안쪽으로 눌러 변형하여 케이스(20)와 러버캡(30)을 밀착시킴으로서 밀봉할 수 있다.
러버캡(30)은 탄성이 있는 고무 소재가 사용될 수 있다. 예컨데, 고무 소재로는 에틸렌프로필렌 공중합체(EPT), 에틸렌프로필렌디엔 공중합체(EPDM) 등의 올레핀계 합성 고무, 실리콘계 고무, 불소계 고무, 부틸계 고무 등이 사용될 수 있다.
러버캡(30)에는 한 쌍의 관통홀이 형성되어 한 쌍의 전극단자(15)가 끼움 결합할 수 있다. 즉, 러버캡(30)은 한 쌍의 관통홀을 통해 전극 소자(10) 상부에 이격되어 설치되게 된다. 달리 말하면, 러버캡(30)과 전극 소자(10) 사이에 0.4 내지 10mm의 이격거리(a)를 두고 설치된다.
이와 같이, 러버캡(30)과 전극 소자(10) 사이에 이격거리(a)를 두고 설치되는 이유는 러버캡(30) 표면에 이물질의 발생을 억제시키기 위해서이다. 일반적으로, 전기화학적 에너지 저장장치를 제작할 때, 러버캡과 전극 소자 사이에 틈없이 결합하여 제조되고, 이와 같이 제조된 전기화학적 에너지 저장장치를 장시간 사용하게 되면 러버캡 표면에 이물질이 발생하여, 전기화학적 에너지 저장장치의 수명이 단축되게 된다. 하지만, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기화학적 에너지 저장장치(100)는 러버캡(30)과 전극 소자(10) 사이에 이격거리(a)를 두고 설치함으로서, 장시간 사용하여도 이물질이 발생하지 않고, 이로 인해 기존의 전기화학적 에너지 저장장치보다 수명이 증가될 수 있다.
앞서 언급했듯이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기화학적 에너지 저장장치(100)는 러버캡(30)과 전극 소자(10) 사이에 0.4 내지 10mm의 이격거리(a)를 두고 설치되는데, 만일 이격거리(a)가 0.4mm 보다 짧게되면, 전기화학적 에너지 저장장치(100)를 장시간 사용시 러버캡(30) 표면에 이물질이 생성되거나 수명이 빨리 단축되고, 이격거리(a)가 10mm보다 멀게되면, 전기화학적 에너지 저장장치(100)의 에너지밀도가 낮아지게 된다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예를 비교예와 비교하여, 본 발명의 경우 러버갭(30) 표면에 이물질이 발생하지 않아, 이로 인한 전기화학적 에너지 저장장치(100)의 평균 수평이 증가되는 점을 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예 및 비교예는 본 발명의 설명하기 위해서 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
[비교예 1]
비교예 1은 일반적으로 제작되는 전기화학적 에너지 저장장치로서 용량 50F으로 원통형의 직경 18Ф, 높이 40mm로 제작된다.
활성탄소(MSP 20, kansai사) 80wt%, 도전제(Super P, belgium사) 12wt%, 접착체 PTFE(polytetrafluoroethylene)와 SER(styrene butadiene rubber) 각각 2wt%, 2wt%를 CMC(carboxy methyl cellulose) 4wt%가 용해된 증류수에 첨가하여 슬러리(slurry)를 제조한다. 제조된 슬러리는 집전체인 알루미늄 호일에 도포하였다. 이 때, CMC와 증류수 양의 비는 1 : 30~600의 비율로 한다. 슬러리가 도포된 알루미늄 호일은 약 100℃에서 건조시킨 후 롤프레스를 사용하여 압착하여 음극 및 양극을 제조하였다. 이 때, 제조된 양극 또는 음극의 두께는 100~300㎛이다.
이와 같이 제조된 양극 또는 음극은 일정한 길이로 제단한 뒤 한 쌍의 전극 단자를 점철한 후, 펄프계 분리막과 순차적으로 적층한 뒤 건취하여 전극 소자를 제작하였다.
제작된 전극 소자의 전극 단자에 러버캡(직경 17Ф 부틸계 고무, JCC사)을 삽입하여 부착한다. 이 때, 전극 소자의 전극 단자에 러버캡을 부착시 전극 소자와 러버캡이 서로 맞닿게 제작된다.
마지막으로, 케이스에 1M TEABF4 가 용해된 아세토나이트릴(AN) 전해액을 1㎖ 투입 후 러버캡이 부착된 전극 소자를 케이스 내부에 삽입한뒤 밀봉하여 전기화학적 에너지 저장장치를 제작하였다.
[실시예 1]
본 발명의 실시예 1에 따른 전기화학적 에너지 저장장치는 전극 단자에 러버캡을 부착시 전극 소자와 러버캡 사이에 1mm의 이격간격을 두는 점만 제외하고는, 비교에 1과 동일한 방법으로 제작하였다.
비교예 1 및 실시예 1를 통해 제작된 전기화학적 에너지 저장장치는 2.7V로 충전 후 항온항습기(온도 60℃, 습도 90%)에 4주간 방치시켜 그 결과를 표 1에 나타내었다.
비교예 1 및 실시예 1을 통해 제작된 전기화학적 에너지 저장장치를 항온항습기(온도 60℃, 습도 90%)에 4주간 방치 전과 방치 후의 용량을 측정하여 그 결과를 표 2에 나타내었다. 이 때, 용량 측정 방법은 비교예 1 및 실시예 1을 통해 제작된 전기화학적 에너지 저장장치에 500mA의 전류를 인가하여 2.7V까지 충전한 뒤 2.7V의 전압을 30분간 인가하였다. 그 후, 10초간 휴지시간을 둔 뒤 50mA로 방전하였다.
| 실시예 1 | 비교예 1 | |
| 러버캡 표면의 이물질 관찰여부 |
관찰 안 됨 |
관찰 됨 |
| 항온항습기 방치 전 용량(F) | 항온항습기 방치 후 용량(F) | 용량 보존율(%) | |
| 실시예 1 | 53.24 | 51.49 | 96.7 |
| 비교예 1 | 53.64 | 46.67 | 87.0 |
실시예 1의 경우 러버캡 표면에서 이물질이 관찰되지 않았지만, 비교예 1의 경우 러버캡 표면에 이물질이 관찰되었다. 또한, 실시예 1의 경우 용량보존율이 96.7%로 측정되었지만, 비교예 1의 경우 용량보존율이 87.0%로 측정되었다.
결과적으로, 실시예 1과 비교예 1의 비교를 통하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기화학적 에너지 저장장치는 장시간 사용하여도 이물질이 발생하지 않고, 이로 인해 기존의 전기화학적 에너지 저장장치보다 수명이 증가될 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기화학적 에너지 저장장치 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기화학적 에너지 저장장치 제조방법은 준비단계(S10), 러버캡 부착단계(S20) 및 밀봉단계(S30)를 포함한다.
준비단계(S10)에서 전기화학 에너지를 저장하는 전극 소자를 준비한다.
전극 소자는 원통형 형상의 전극 소자가 준비될 수 있지만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니고, 원통형 형상뿐만 아니라, 4각 기둥, 5각기둥, 6각기둥 등의 각주형 형상으로 이루어 질 수 있다.
전극 소자 상부에는 한 쌍의 전극 단자가 각각 돌출형성되어 있다. 한 쌍의 전극 단자는 각각 전극 소자의 양극 및 음극과 연결되어, 전극 소자를 외부전력과 연결해주는 역할을 한다. 전극 단자의 재질은 알루미늄 스틸 또는 스테인레스 스틸 중의 하나가 사용될 수 있으며, 표면은 니켈 또는 주석에 의해 코팅 형성될 수 있다.
다음으로, 러버캡 부착단계(S20)에서 한 쌍의 전극 단자에 러버캡이 부착된다. 달리 말하면, 러버캡은 한 쌍의 관통홀이 형성되어 있어, 형성된 관통홀에 한 쌍의 전극 단자가 관통삽입되어 결합되는 것이다. 이 때, 한 쌍의 전극 단자는 전극 소자 상부에 형성되어 있기 때문에, 러버캡은 한 쌍의 전극 단자에 부착되어 전극 소자 상부에 위치하게 된다.
러버캡이 한 쌍의 전극 단자에 부착될 때, 전극 소자와 러버캡 사이에 0.4 내지 10mm 이격거리를 두고 부착된다. 이와 같이, 이격 거리를 두고 부착되는 이유는 러버캡 표면에 이물질의 발생을 억제시키기 위해서이다. 일반적으로, 전기화학적 에너지 저장장치를 제작할 때, 러버캡과 전극 소자 사이에 틈없이 결합하여 제조되고, 이와 같이 제조된 전기화학적 에너지 저장장치를 장시간 사용하게 되면 러버캡 표면에 이물질이 발생하여, 전기화학적 에너지 저장장치의 수명이 단축되게 된다. 하지만, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기화학적 에너지 저장장치는 러버캡과 전극 소자 사이에 이격거리를 두고 설치함으로서, 장시간 사용하여도 이물질이 발생하지 않고, 이로 인해 기존의 전기화학적 에너지 저장장치보다 수명이 증가될 수 있다.
앞서 언급했듯이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기화학적 에너지 저장장치는 러버캡과 전극 소자 사이에 0.4 내지 10mm의 이격거리를 두고 설치되는데, 만일 이격거리가 0.4mm 보다 짧게되면, 전기화학적 에너지 저자장치를 장시간 사용시 러버캡 표면에 이물질이 생성되거나 수명이 빨리 단축되고, 이격거리가 10mm보다 멀게되면, 전기화학적 에너지 저장장치의 에너지밀도가 낮아지게 된다.
다음으로, 밀봉단계(S30)에서 전극 소자를 밀봉하기 위해 한 쪽에 개방부가 형성된 케이스를 준비한다. 케이스는 원통형으로 형성되는데, 이는 전극 소자의 형상에 대응하는 형상으로 형성될 수 있는 것이다. 달리 말하면, 전극 소자가 원통형일 경우 케이스도 원통형이 되며, 전극 소자가 다각형 형상일 경우 케이스도 다각형 형상일 수 있다. 하지만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니며, 전극 소자가 원통형일 때, 케이스가 다각형 형상일 수 있고, 전극 소자가 다각형 형상일 때, 케이스가 원통형일 수 있다.
준비된 케이스 내부에 일정량의 전해액을 투입 후, 러버캡이 부착된 전극 소자를 케이스에 삽입한다. 러버캡은 탄성이 있는 고무 소재가 사용될 수 있는데, 이와 같은 러버캡은 케이스 개방부 상부 내측에 밀착되어 결합할 수 있기 때문에 전극 소자를 밀봉할 수 있다. 또한, 러버캡이 개방부 상부 내측에 결합된 상태에서 개방부에 가까운 케이스 상단부를 안쪽으로 안쪽으로 눌러 변형하고, 러버캡의 하부에 가까운 케이스 부분을 안쪽으로 눌려 변형하여 케이스와 러버캡을 더욱 면밀히 밀착시켜 밀봉할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기화학적 에너지 저장장치를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기화학적 에너지 저장장치(200)는 전극 소자(10), 한 쌍의 전극단자(15), 케이스(20), 러버캡(30)을 포함한다. 전극 소자(10), 한 쌍의 전극단자(15), 케이스(20)는 제1 실시예에 따른 전극 소자(10), 한 쌍의 전극단자(15), 케이스(20)와 동일하고, 러버캡(30)은 제1 실시예에 따른 러버캡(30)의 구성에 가스배출부(40)를 더 포함한다. 따라서, 이하에서는 가스배출부(40)를 위주로 설명한다.
가스배출부(40)는 러버캡(30)의 중앙을 관통하여 형성된다. 즉, 가스배출부(40)는 러버캡(30)의 중앙에 수직으로 관통하는 방향으로 형성될 수 있다. 앞서 언급했듯이, 러버캡(30)은 탄성이 있이 고무 소재로 만들어지는데, 케이스(20) 내부가 전극 소자(10)에 의해 발생되는 가스로 인해 압력이 일정치 이상 상승하게 되면 러버캡(30)의 중앙에 형성되어 있는 가스배출부(40)가 열려 가스가 케이스(20) 외부로 배출되게 된다. 달리 말하면, 케이스(20) 내부에서 발생되는 가스로 인한 케이스(20)의 내부 압력이 일정 압력 이하인 경우, 가스배출부(40)는 러버캡(20)의 탄성에 의해 닫히고, 일정 압력 이상인 경우, 가스배출부(40)는 러버캡(20)의 탄성에 의해 열러 가스를 케이스(20) 외부로 배출할 수 있다.
가스배출부(40)는 가스유도부(42)와 가스개폐부(44)를 포함한다.
가스유도부(42)는 러버캡(30) 하부에서 상부로 갈수록 내경이 작아져, 케이스(20) 내부의 가스의 배출 방향을 유도한다. 즉, 가스유도부(42)는 러버캡(30) 하부 중앙에 하부에서 상부로 갈수록 내경이 작아지는 홈 형태로 형성되어 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 전기화학 에너지 저장장치(200)는 러버캡(30) 표면에 이물질의 발생을 억제시키고, 전기화학적 에너지 저장장치(200)의 에너지 밀도를 높게 유지하기 위해, 러버캡(30)과 전극 소자(10) 사이에 0.4 내지 10mm의 이격 거리(a)를 두고 설치된다. 이 때, 가스유도부(40)는 러버캡(30) 하부 중앙에 홈 형태로 형성되어 있기 때문에, 러버캡(30)과 전극 소자(10) 사이에 이격 거리(a)에는 영향을 주지 않고, 효율적으로 케이스(20) 내부에서 생성된 가스를 중앙으로 유도하여 배출할 수 있는 것이다.
가스개폐부(44)는 가스유도부(42) 상단과 연결되고, 러버캡(30)의 중앙을 관통하여 형성되어, 가스유도부(42)로 모아진 가스를 케이스(20) 외부로 배출한다. 러버캡(30)은 탄성이 있이 고무 소재로 만들어지는데, 케이스(20) 내부가 전극 소자(10)에 의해 발생되는 가스로 인해 압력이 일정치 이상 상승하게 되면 가스유도부(42) 상단과 연결되고, 러버캡(30)의 중앙을 관통하여 형성되어 있는 가스개폐부(44)가 열려 가스유도부(42)로 모아진 가스가 케이스(20) 외부로 배출되게 된다. 달리 말하면, 케이스(20) 내부에서 발생되는 가스로 인한 케이스(20)의 내부 압력이 일정 압력 이하인 경우, 가스배출부(40)는 러버캡(30)의 탄성에 의해 닫히고, 일정 압력 이상인 경우, 가스배출부(40)는 러버캡(30)의 탄성에 의해 열려 가스를 케이스(20) 외부로 배출할 수 있다.
한편, 본 도면에 개시된 실시예는 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10 : 전극 소자
15 : 전극 단자
20 : 케이스
22 : 개방부
30 : 러버캡
40 : 가스배출부
42 : 가스유도부
44 : 가스개폐부
100, 200 : 전기화학적 에너지 저장장치
15 : 전극 단자
20 : 케이스
22 : 개방부
30 : 러버캡
40 : 가스배출부
42 : 가스유도부
44 : 가스개폐부
100, 200 : 전기화학적 에너지 저장장치
Claims (4)
- 전기화학 에너지를 저장하는 전극 소자;
상기 전극 소자 상부에 각각 돌출 형성된 한 쌍의 전극 단자;
한 쪽에 개방부가 형성되고, 상기 개방부를 통하여 상기 전극 소자가 내장되는 케이스;
상기 한 쌍의 전극 단자가 관통되는 한 쌍의 관통홀이 형성되고, 상기 전극 소자 상부에 이격되어 설치되며, 상기 개방부 상부 내측에 결합하여 상기 케이스를 밀봉하는 러버캡; 을 포함하고,
상기 전극 소자와 러버캡 사이에 이격 거리는 0.4 내지 10mm이며,
상기 러버캡의 중앙을 관통하여 형성되고, 상기 케이스 내부에서 발생되는 가스로 인한 상기 케이스의 내부 압력이 일정 압력 이하인 경우 상기 러버캡의 탄성에 의해 닫히고, 상기 일정 압력 이상인 경우 상기 러버캡의 탄성에 의해 열려 가스를 상기 케이스 외부로 배출하는 가스배출부를 포함하며,
상기 가스배출부는
상기 러버캡 하부에서 상부로 갈수록 내경이 작아져, 상기 케이스 내부의 가스의 배출 방향을 유도하는 가스유도부;
상기 가스유도부 상단과 연결되고, 상기 러버캡의 중앙을 관통하여 형성되며, 상기 케이스 내부에서 발생되는 가스로 인한 상기 케이스의 내부 압력이 일정 압력 이하인 경우 상기 러버캡의 탄성에 의해 닫히고, 상기 일정 압력 이상인 경우 상기 러버캡의 탄성에 의해 열려 가스를 상기 케이스 외부로 배출하는 가스개폐부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 에너지 저장장치. - 삭제
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20170113909A (ko) | 2016-03-29 | 2017-10-13 | 비나텍주식회사 | 전기화학 에너지 저장장치 |
| KR20180021953A (ko) | 2016-08-22 | 2018-03-06 | 비나텍주식회사 | 전기화학 에너지 저장장치 |
| KR20180021952A (ko) | 2016-08-22 | 2018-03-06 | 비나텍주식회사 | 외부접속단자를 갖는 전기화학 에너지 저장장치 |
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2013
- 2013-07-29 KR KR20130089624A patent/KR101508646B1/ko active IP Right Grant
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