KR101572996B1 - 전기 에너지 저장소자를 위한 고분자 수지 용기 및 전기 에너지 저장소자 - Google Patents
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Abstract
파우치 용기를 사용한 전기 에너지 저장소자의 열적 불안정성에 의한 자동 실장의 불가능, 원재료비용 증가 및 전해액의 가스화에 의한 내압에 대한 내구성 결여에 대한 문제점을 해결하도록 하는 전기 에너지 저장소자를 위한 고분자 수지 용기 및 전기 에너지 저장소자를 제시한다. 제시된 고분자 수지 용기는 일면 및 타면에 금속-고분자 수지 접합층이 각각 형성된 평판의 제 1 금속 기판, 중앙부가 천공되고 제 1 금속 기판의 상부에 배치되되 저면에 금속-고분자 수지 접합층이 형성된 제 2 금속 기판, 중앙부가 천공되고 제 1 금속 기판의 하부에 배치되되 상면에 금속-고분자 수지 접합층이 형성된 제 3 금속 기판, 제 1 금속 기판과 제 2 금속 기판 사이에 배치되되 중앙부가 천공된 고분자 수지 재질의 제 1 절연 기판, 및 제 1 금속 기판과 제 3 금속 기판 사이에 배치되되 중앙부가 천공된 고분자 수지 재질의 제 2 절연 기판을 포함한다.
Description
본 발명은 전기 에너지 저장소자를 위한 고분자 수지 용기 및 전기 에너지 저장소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기 에너지 저장소자의 내부 전극과 전해액 및 세퍼레이터를 수납할 수 있는 고분자 수지 용기와 이를 이용하여 제조되는 전기 에너지 저장소자에 관한 것이다.
최근에 전자기기, 가전제품 및 산업기기 등의 발전과 더불어 전자부품이 고급화, 소형화 및 경량화되고 있다. 이에 따라 전자부품의 다양화에 따른 부품의 다기능화도 요구되고 있다.
그 한가지의 예로써 2차 전지와 축전기의 기능을 합친 전기 에너지 저장소자의 사용이 날로 증가하고 있다. 전기 에너지 저장소자는 서로 다른 계면에 형성된 전기이중층에서 발생하는 정전하 현상을 이용한 것이다.
또한, 휴대용 기기, 통신기기 등의 발전으로 전자제품의 두께가 점점 얇아져서 제품 내에 탑재되는 전자 부품의 칩(chip)화가 요구되는 실정이다.
또한, 사용하는 작동 전압에 따라 단위 셀을 단독으로 사용하거나, 작동 전압이 높을 경우에는 여러 개의 단위 셀을 직렬로 연결하여 사용한다.
적층 형태의 칩형 전기 에너지 저장소자를 제조하기 위한 중요한 기술로는 적층 구조 및 칩 형태를 갖추기 위한 용기를 제조하는 기술, 전기 에너지 저장소자로서의 성능을 구현하기 위하여 용기 내부에 수납되는 전극, 전해액 및 세퍼레이터 기술, 및 적층형 전기 에너지 저장소자를 완성하기 위하여 용기 내부에 전극, 전해액 및 세퍼레이터가 수납된 상태에서 봉구하기 위하여 밀봉판을 용접하는 기술 등이 있다.
종래의 적층 형태의 파우치(Pouch)형 전기 에너지 저장소자의 용기 및 적층형태의 예를 설명하면 다음과 같다. 도 1은 종래의 파우치형 전기 에너지 저장소자의 일 예를 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A선의 단면도이고, 도 3은 도 1의 B-B선의 단면도이고, 도 4는 도 1의 파우치형 전기 에너지 저장소자 내부의 적층 전극 및 단자의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
일반적으로, 파우치 용기는 얇은 판 형상의 금속 시트를 중심으로 해당 금속 시트의 상부면과 하부면에 절연물질이 코팅된 파우치 시트를 사용한다. 여기서, 금속 시트의 재질은 알루미늄이 될 수 있다. 2장의 시트를 서로 접촉시킨 상태에서 열압착에 의하여 금속 시트 표면에 코팅된 절연 물질인 폴리에틸렌수지를 녹여 서로 접착하여 봉지형태의 파우치 용기를 제작한다.
그에 따라, 종래 적층 형태의 파우치형 전기 에너지 저장소자(100)의 파우치 용기는, 1장의 분리 필름(5)을 중심으로 상부 및 하부에 각각 파우치 시트를 열압착하여 2개의 봉지가 접착되어 있는 형태이다. 즉, 분리 필름(5)을 중심으로 상부의 파우치 용기 및 하부의 파우치 용기가 서로 접착되어 있는 형태라고 할 수 있다. 여기서, 상부의 파우치 용기 및 하부의 파우치 용기는 각각 얇은 판 형상의 금속 시트(7)를 중심으로 해당 금속 시트의 상부면과 하부면에 절연물질이 코팅(즉, 외부 절연 코팅층(8), 내부 절연 코팅층(9))된 파우치 시트라고 할 수 있다.
그리고, 제작된 적층형 파우치 용기는 제 1 적층 내부 전극 셀(4) 및 제 2 적층 내부 전극 셀(6)을 수납한다. 여기서, 제 1 적층 내부 전극 셀(4) 및 제 2 적층 내부 전극 셀(6)은 각각 제 1 내부 전극과 세퍼레이터 및 제 2 내부 전극을 2회 이상 반복하여 권회하거나, 스텍(Stack)하여 적층하여 제작할 수 있다. 그리고, 적층형 파우치 용기의 내부로 전해액(12)을 투입하여 제 1 내부 전극(13, 18)과 제 2 내부 전극(15, 16) 및 세퍼레이터(14, 17)을 함침시킨다.
또한, 종래 적층 형태의 파우치형 전기 에너지 저장소자(100)는 제 1 적층 내부 전극 셀(4)의 제 1 내부 전극(13)의 접속 단자(13a)가 인출 단자(2)에 연결된다. 그리고, 제 1 적층 내부 전극 셀(4)의 제 2 내부 단자(15)의 접속 단자(15a)와 제 2 적층 내부 전극 셀(6)의 제 1 내부 단자(18)의 접속 단자(18a)가 상호 연결되어 밸런스 단자(3)에 연결된다. 그리고, 제 2 적층 내부 전극 셀(6)의 제 2 내부 전극(16)의 접속 단자(16a)가 인출 단자(1)에 연결된다. 이때, 연결 방법은 초음파 용접 또는 저항 용접 또는 레이저 용접으로 실시한다.
그리고, 적층형 파우치 용기의 개구부는 폴리에틸렌 수지 등으로 실링(sealing)된다. 이와 같이 폴리에틸렌 수지 등으로 실링한 부위를 실링부(11)라고 할 수 있다.
또한, 인출 단자(1, 2) 및 밸런스 단자(3)의 열압착을 실시할 부분(즉, 폴리에틸렌 수지가 코팅되어 있는 부분)과 개방되어진 파우치의 개구부를 밀착시켜 열압착을 실시함으로써 개구부를 밀폐한다. 이에 의해, 파우치 용기를 이용한 적층형 전기에너지 저장소자가 완성된다. 도 2에서, 미설명 부호 10a 및 10b는 접속 단자를 나타낸다.
그런데, 상술한 바와 같은 종래의 적층형 전기 에너지 저장소자(100)는 파우치 용기 표면에 코팅된 절연물의 내열 온도가 대략 80℃ ~ 120℃ 정도이어서 PCB에 자동으로 실장하는 온도인 260℃ 보다 현저히 낮기 때문에 수작업으로 납땜을 해야 하는 문제가 발생된다.
또한, 파우치의 소재 중 금속 시트의 두께는 통상적으로 20㎛ ~ 100㎛의 알루미늄을 사용하기 때문에, 완성된 적층형 전기 에너지 저장소자를 고온 또는 고압의 환경에 노출시킬 경우 적층형 전기 에너지 저장소자의 내부 전해액의 가스화로 인해 내부 압력이 증가하게 된다. 그에 따라, 파우치 용기를 이용한 적층형 전기에너지 저장소자는 풍선과 같이 부풀어 오르는 현상이 발생한다. 이러한 현상은 전지 단락을 발생시켜 전기적인 특성을 발휘하지 못하게 한다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 파우치 용기를 사용한 전기 에너지 저장소자의 열적 불안정성에 의한 자동 실장의 불가능, 원재료비용 증가 및 전해액의 가스화에 의한 내압에 대한 내구성 결여에 대한 문제점을 해결하도록 하는 전기 에너지 저장소자를 위한 고분자 수지 용기 및 전기 에너지 저장소자를 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 전기 에너지 저장소자를 위한 고분자 수지 용기는, 일면 및 타면에 금속-고분자 수지 접합층이 각각 형성된 평판의 제 1 금속 기판; 중앙부가 천공되고, 상기 제 1 금속 기판의 상부에 배치되되 저면에 금속-고분자 수지 접합층이 형성된 제 2 금속 기판; 중앙부가 천공되고, 상기 제 1 금속 기판의 하부에 배치되되 상면에 금속-고분자 수지 접합층이 형성된 제 3 금속 기판; 상기 제 1 금속 기판과 상기 제 2 금속 기판 사이에 배치되되 중앙부가 천공된 고분자 수지 재질의 제 1 절연 기판; 및 상기 제 1 금속 기판과 상기 제 3 금속 기판 사이에 배치되되 중앙부가 천공된 고분자 수지 재질의 제 2 절연 기판;을 포함한다.
상기 제 2 금속 기판의 상면 및 상기 제 3 금속 기판의 저면에는 금속 도금층이 형성될 수 있다.
상기 제 1 절연 기판은 내부 전극과 세퍼레이터를 수납하는 수납 공간을 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 내부 전극은 상호 다른 극성인 제 1 내부 전극 및 제 2 내부 전극을 포함할 수 있고, 상기 제 1 내부 전극은 상기 제 2 금속 기판에 접속될 수 있고, 상기 제 2 내부 전극은 상기 제 1 금속 기판에 접속될 수 있다.
상기 제 2 절연 기판은 내부 전극과 세퍼레이터를 수납하는 수납 공간을 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 내부 전극은 상호 다른 극성인 제 1 내부 전극 및 제 2 내부 전극을 포함할 수 있고, 상기 제 1 내부 전극은 상기 제 1 금속 기판에 접속될 수 있고, 상기 제 2 내부 전극은 상기 제 3 금속 기판에 접속될 수 있다.
상기 제 1 금속 기판은, 스테인레스 합금, 알루미늄, 알루미늄 합급, 티타늄, 주석, 구리 중에서 어느 한 소재로 구성될 수 있다.
상기 제 2 금속 기판 및 상기 제 3 금속 기판은 코바(Kovar) 합금, 알로이42(Alloy42) 합금, 스테인레스 합금, 니켈(Ni), 니켈 합금, 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 알루미늄 합금, 구리(Cu), 아연(Zn), 주석(Sn), 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt) 및 이종금속간 접합으로 형성된 클래드메탈 중에서 어느 한 소재로 구성될 수 있다.
그리고, 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 전기 에너지 저장소자는, 일면 및 타면에 금속-고분자 수지 접합층이 각각 형성된 평판의 제 1 금속 기판, 중앙부가 천공되고 상기 제 1 금속 기판의 상부에 배치되되 저면에 금속-고분자 수지 접합층이 형성된 제 2 금속 기판, 중앙부가 천공되고 상기 제 1 금속 기판의 하부에 배치되되 상면에 금속-고분자 수지 접합층이 형성된 제 3 금속 기판, 상기 제 1 금속 기판과 상기 제 2 금속 기판 사이에 배치되되 중앙부가 천공된 고분자 수지 재질의 제 1 절연 기판, 및 상기 제 1 금속 기판과 상기 제 3 금속 기판 사이에 배치되되 중앙부가 천공된 고분자 수지 재질의 제 2 절연 기판을 포함하는 고분자 수지 용기; 상기 고분자 수지 용기의 내부에 수납된 제 1 내부 전극 및 제 2 내부 전극; 및 상기 고분자 수지 용기를 밀봉하는 밀봉판;을 포함한다.
상기 밀봉판은, 상기 제 1 금속 기판과 상기 제 1 절연 기판 및 상기 제 2 금속 기판에 의해 형성된 수납 공간을 밀봉하되, 제 1 인출 단자가 접합된 제 1 밀봉판; 및 상기 제 1 금속 기판과 상기 제 2 절연 기판 및 상기 제 3 금속 기판에 의해 형성된 수납 공간을 밀봉하되, 제 2 인출 단자가 접합된 제 2 밀봉판;을 포함할 수 있다.
이러한 구성의 본 발명에 따르면, 전기 에너지 저장소자의 고분자 수지 용기를 제공함으로써 종래 제품의 내구성 제공의 어려움과 전기적 성능 저하의 문제를 개선하게 된다.
그리고, 제조 원가상승의 주요원인인 복잡한 제조 공정을 단순화할 수 있다.
도 1은 종래의 파우치형 전기 에너지 저장소자의 일 예를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A선의 단면도이다.
도 3은 도 1의 B-B선의 단면도이다.
도 4는 도 1의 파우치형 전기 에너지 저장소자 내부의 적층 전극 및 단자의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장소자를 위한 고분자 수지 용기의 분해 사시도이다.
도 6은 도 5의 결합상태도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장소자를 위한 고분자 수지 용기를 제조하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장소자의 단위 셀을 단면도이다.
도 9는 도 8에 도시된 제 1 적층 내부 전극 셀을 확대한 도면이다.
도 10은 도 8에 도시된 제 2 적층 내부 전극 셀을 확대한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 의한 적층 내부 전극의 구조를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예 설명에 채용되는 전극체의 구조를 나타낸 도면이다.
도 13은 도 8의 단위 셀에 인출 단자를 연결시킨 구조를 나타낸 도면이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시예 설명에 채용되는 회로도이다.
도 2는 도 1의 A-A선의 단면도이다.
도 3은 도 1의 B-B선의 단면도이다.
도 4는 도 1의 파우치형 전기 에너지 저장소자 내부의 적층 전극 및 단자의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장소자를 위한 고분자 수지 용기의 분해 사시도이다.
도 6은 도 5의 결합상태도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장소자를 위한 고분자 수지 용기를 제조하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장소자의 단위 셀을 단면도이다.
도 9는 도 8에 도시된 제 1 적층 내부 전극 셀을 확대한 도면이다.
도 10은 도 8에 도시된 제 2 적층 내부 전극 셀을 확대한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 의한 적층 내부 전극의 구조를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예 설명에 채용되는 전극체의 구조를 나타낸 도면이다.
도 13은 도 8의 단위 셀에 인출 단자를 연결시킨 구조를 나타낸 도면이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시예 설명에 채용되는 회로도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장소자를 위한 고분자 수지 용기의 분해 사시도이고, 도 6은 도 5의 결합상태도이다.
본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장소자를 위한 고분자 수지 용기는, 제 1 금속 기판(20), 제 2 금속 기판(30), 제 1 절연 기판(40), 제 3 금속 기판(50), 및 제 2 절연 기판(60)을 포함한다. 보다 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장소자를 위한 고분자 수지 용기는 적층 형태의 고분자 수지 용기라고 할 수 있다.
제 1 금속 기판(20)은 평탄한 형태의 기판이다. 제 1 금속 기판(20)은 하나의 도전성 금속을 이용하여 대략 0.1 ~ 10 ㎜의 두께로 형성할 수 있다. 여기서, 제 1 금속 기판(20)을 베이스 기판이라고 칭할 수 있다.
제 1 금속 기판(20)의 소재로는 전해액에 대한 내식성과 도금층을 형성하기 용이한 특징 등을 고려하여 선택적으로 사용할 수 있다. 예를 들어, 제 1 금속 기판(20)은 스테인레스 합금, 알루미늄, 알루미늄 합급, 티타늄, 주석, 구리 등과 같은 소재를 사용할 수 있다. 전해질 용액에 대한 내식성이 강한 알루미늄이 적절하지만, 알루미늄의 특성상 도금층을 형성하기 어려우므로 도금층을 형성하기 용이한 스테인레스 합금 소재를 사용할 수 있다.
제 2 금속 기판(30) 및 제 3 금속 기판(50)은 코바(Kovar) 합금, 알로이42(Alloy42) 합금, 스테인레스 합금, 니켈(Ni), 니켈 합금, 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 알루미늄 합금, 구리(Cu), 아연(Zn), 주석(Sn), 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt) 및 이종금속간 접합으로 형성된 클래드메탈(예: 스테인레스 합금과 알루미늄, 스테인레스 합금과 구리 등) 등의 도전성 금속소재를 선택적으로 사용한다.
그리고, 밀봉판과의 용접에 의한 접합을 보다 용이하도록 하기 위해, 밀봉판과 접합하는 제 2 금속 기판(30) 및 제 3 금속 기판(50)의 일면에는 니켈을 대략 1 ~ 15㎛의 두께로 하여 밀봉판의 표면과 접합하는 영역이 되는 금속 도금층을 형성할 수 있다. 즉, 제 2 금속 기판(30)의 상면에는 금속 도금층(34)이 형성될 수 있고, 제 3 금속 기판(50)의 저면에는 금속 도금층(54)이 형성될 수 있다. 여기서, 금속 도금층(34)은 상응하는 밀봉판에 형성시킨 금속의 도금층과 동일한 재질로 형성됨이 바람직하고, 금속 도금층(54)은 상응하는 밀봉판에 형성시킨 금속의 도금층과 동일한 재질로 형성됨이 바람직하다.
제 2 금속 기판(30)은 제 1 금속 기판(20)의 상부에 배치될 수 있고, 제 3 금속 기판(50)은 제 1 금속 기판(20)의 하부에 배치될 수 있다.
제 2 금속 기판(30) 및 제 3 금속 기판(50)은 제 1 절연 기판(40) 및 제 2 절연 기판(60)의 형상과 동일한 고리의 형상으로 구성된다.
제 1 절연 기판(40) 및 제 2 절연 기판(60)은 내부 전극과 전해액 및 세퍼레이터를 수납할 수 있는 수납 공간을 형성하기 위한 것으로서, 중앙부가 천공(관통)되어 고리의 형태로 구성될 수 있다. 여기서, 제 1 절연 기판(40) 및 제 2 절연 기판(60)은 고분자 수지로 형성됨이 바람직하다.
필요에 따라, 제 1 절연 기판(40) 및 제 2 절연 기판(60)의 재질은 앞서 설명한 고분자 수지 이외의 것으로 하여도 된다. 예를 들어, 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리뷰틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리이미드(PI), 액정폴리머(LCP), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르케톤(PEK), 에틸렌프로필렌 디엔메틸렌고무(EPDM), 아크릴고무(ACM), 폴리프로필렌과 에틸렌/프로필렌디엔메틸렌 고무(PP + EPDM)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이 절연 기판(40, 60)의 재질이 될 수도 있다. 만약, 내열성이 요구되는 경우에는 글라스필러를 10% ~ 40% 정도 첨가하여 사용할 수 있다.
제 1 절연 기판(40)은 제 1 금속 기판(20)과 제 2 금속 기판(30) 사이에 배치될 수 있고, 제 2 졀연 기판(60)은 제 1 금속 기판(20)과 제 3 금속 기판(50) 사이에 배치될 수 있다.
제 1 절연 기판(40) 및 제 2 절연 기판(60)은 용기(즉, 적층 형태의 고분자 수지 용기)의 상부 개구부 및 하부 개구부를 밀봉하는 밀봉판과 도전성의 제 1 금속 기판(20)을 전기적으로 절연시킨다.
특히, 본 발명의 실시예에서, 제 1 금속 기판(20)과 제 2 금속 기판(30) 및 제 3 금속 기판(50)에는 제 1 절연 기판(40) 및 제 2 절연 기판(60)과의 결합을 위하여 금속-고분자 수지 접합층이 형성됨이 바람직하다. 예를 들어, 제 1 금속 기판(20)의 상면에는 제 1 절연 기판(40)의 저면과의 결합을 위하여 금속-고분자 수지 접합층(22)이 형성된다. 또한, 제 2 금속 기판(30)의 저면에는 제 1 절연 기판(40)의 상면과의 결합을 위하여 금속-고분자 수지 접합층(32)이 형성된다. 또한, 제 1 금속 기판(20)의 저면에는 제 2 절연 기판(60)의 상면과의 결합을 위하여 금속-고분자 수지 접합층(24)이 형성된다. 제 3 금속 기판(50)의 상면에는 제 2 절연 기판(60)의 저면과의 결합을 위하여 금속-고분자 수지 접합층(52)이 형성된다.
여기서, 금속-고분자 수지 접합층(22, 24, 32, 52)은, ⅰ) 금속 기재에 탈지 및 산처리 공정을 수행하여 표면 거칠기를 확보하는 단계; ⅱ) 거칠기가 확보된 금속표면에 전기화학적 양극산화를 통한 적절한 나노 다공성 구조의 표면을 확보하는 단계; ⅲ) 산화금속에 S 원소를 함유하는 디아졸계 유도체, 디아민계 유도체, 티올계 유도체, 피리미딘계 유도체 및 실란 커플링제로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 표면처리 화합물을 도포하는 단계; 및 ⅳ) 표면처리 화합물이 도포된 금속상에 고분자 수지를 사출하는 단계를 거침에 의해 형성할 수 있다.
상기의 방식으로 형성된 금속-고분자 수지 접합층(22, 24, 32, 52)을 이차이온질량본석기(SIMS)로 분석하여 본 결과, 강도비(intensity ratio)가 100 ㎚ 내지 500 ㎚의 깊이에서 9.75 × 10-6 ~ 9.5 × 10-1인 것을 확인하였다. 이러한 강도비 수치는 금속-고분자 수지 접합층(22, 24, 32, 52)의 상당한 깊이(depth)에서도 고분자 수지가 접합할 수 있는 원소가 적절한 수치범위로 존재한다는 것을 의미한다.
그리고, 금속-고분자 수지 접합층(22, 24, 32, 52)을 형성하는 방법을 보다 구체적으로 설명하면 하기와 같을 수 있다.
먼저, 금속 기재(제 1 금속 기판(20)의 상면과 저면, 제 2 금속 기판(30)의 저면, 제 3 금속 기판(50)의 상면)에 탈지공정 및 산처리 공정을 통하여 표면 거칠기를 확보한다.
다음으로, 금속상을 염기상에 산을 혼합하여 화학산화 반응을 이용하여 검은 산화막의 산화금속을 형성한다. 표면처리 과정을 통하여 형성된 산화금속의 두께는 100 내지 5,000 ㎚인 것이 바람직하다.
산화금속의 두께가 100 ㎚ 미만인 경우에는 산화금속 표면에 충분한 다공성 표면거칠기를 확보할 수 없어서 바람직하지 못하다. 반대로, 5,000 ㎚를 초과하는 경우에는 산화금속 표면의 기공간 경계가 약해져서 표면에서 쉽게 탈리되는 현상이 발생하여 바람직하지 못하다.
이후, 탈지 과정 및 산 염기처리 공정을 거친 금속 기재를 양극산화시킨다. 구체적으로, 대략 10℃ ~ 20℃의 온도에서 30 ~ 40V 정도의 전압을 10 ~ 20 분 정도 인가하여 양극산화한다. 양극산화를 통하여 고분자 결합 시 표면 안쪽을 고분자 수지가 침투하여 금속-고분자 수지 간의 점착력 및 인장강도가 개선되고, 열 충격 후에도 인장강도가 유지될 수 있다.
그리고, 선택적으로, 금속을 열처리하는 단계를 추가로 처리할 수 있다. 적정한 온도범위(바람직하게는 200℃ ~ 300℃)의 열처리와 시간을 통해 산화상태의 금속을 만들어 금속-고분자 수지 간의 점착력 및 인장강도를 개선시키고 열충격 후에도 인장강도가 유지되도록 할 수 있다.
다음으로, 양극산화 공정을 거친 산화금속을 S 원소를 함유하는 디아졸계 유도체, 디아민계 유도체, 티올계 유도체, 피리미딘계 유도체 및 실란 커플링제로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 표면처리 화합물로 처리한다. S 원소를 함유하는 표면 처리 화합물은 1차원 (One dimensional (Linear)) 고분자인 2,5-디머캅토 티아디아졸(2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazol)계 유도체, 디티오피페라진(Dithio piperazine), 디메틸에틸렌 디아민(Dimethylethylene diaamine); 2차원 (사닥다리) (Two dimensional (Ladder)) 고분자인 테트라티오에틸렌 디아민(Tetrathioethylene diamine), 폴리에틸렌 이민 디티올(Polyethylene imine dithiol); 3차원 (Three dimensional (Cross-linked)) 고분자인 트리아진 티올 (triazine thiol)계 유도체, 디티오 피리미딘(2,4-dithio pyrimidine) 유도체; 및 머캅토프로필메톡시실란 중에서 선택될 수 있다.
여기서, 산화금속을 표면처리 화합물로 처리하는 방법은 화학적 방법과 전기화학적 방법으로 나눌 수 있다.
화학적 방법은 상기 화학종 유도체들을 일정한 농도로 물을 포함한 유기 용매에 용해하여 스프레이 코팅, 딥코팅, 플로우 코팅 및 스핀 코팅 등의 방법을 통하여 코팅하는 것이다. 바람직한 두께는 대략 100㎚ ~ 5,000㎚ 이다.
전기화학적 방법은 순환전압전류법 (CV, cyclic voltametry)으로 ~0.5V 내지 2.0V vs, SCE 범위로 수차례 순환하는 방법, 3V ~ 50V 사이를 인가해 주는 정전압 방법, 0.1㎃ ~ 30㎃의 전류 밀도를 주사하는 정전류 방법 등으로 코팅할 수 있다.
용매로서는 메탄올, 에탄올, 물 또는 다양한 다른 용매 시스템 및 혼합용매도 사용 가능하다. 유기물이 코팅된 막은 고분자화되어 고분자 수지와의 결합을 용이하게 하기 위하여 벤조일퍼옥사이드(BPO) 또는 아조비스이소부티로니트릴(AIBN)와 같은 개시제를 용매에 적절한 농도로 녹여 첨가하고, UV조사, 광경화(photo-curing), 열적(thrtmal), 전기화학적인 방법 등으로 처리할 수 있다.
상술한 바와 같은 방식에 의해, 금속-고분자 수지 접합층(22, 24, 32, 52)이 형성될 수 있다.
그리고 나서, 이와 같이 형성된 금속-고분자 수지 접합층 표면 위에 고분자 수지(추후에 절연 기판(40, 60)이 됨)를 적절한 온도와 압력으로 원하는 여러 형상으로 고분자 수지 인서트 사출을 수행함으로써, 금속(즉, 금속 기판)-고분자 수지(즉, 고분자 수지 재질의 절연 기판)가 접합한다.
상술한 도 5에서는 제 1 금속 기판(20)과 제 2 금속 기판(30)과 제 1 절연 기판(40)과 제 3 금속 기판(50) 및 제 2 절연 기판(60)을 사각 형상으로 하였는데, 필요에 따라서는 그 형상을 사각 이외의 다각형 또는 원형으로도 할 수 있다.
그리고, 상술한 도 5 및 도 6에서는 제 1 금속 기판(20)을 하나만 사용한 것을 설명하였으나, 필요에 따라서는 두 개 이상 사용하여도 된다. 두 개 이상의 제 1 금속 기판(20)을 사용할 경우 그에 따라 절연 기판 및 또 다른 금속 기판이 추가로 사용될 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장소자를 위한 고분자 수지 용기를 제조하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 제 1 금속 기판(20), 제 2 금속 기판(30), 및 제 3 금속 기판(50)을 각각 준비한다(S10). 이때, 상면 및 저면에 금속-고분자 수지 접합층(22, 24)이 형성된 제 1 금속 기판(20), 저면에 금속-고분자 수지 접합층(32)이 형성된 제 2 금속 기판(30), 상면에 금속-고분자 수지 접합층(52)이 형성된 제 3 금속 기판(50)을 준비할 수 있다.
그리고 나서, 제 3 금속 기판(50)의 위에 제 1 금속 기판(20)을 적층 또는 정렬시키고, 제 1 금속 기판(20)의 위에 제 2 금속 기판(30)을 적층 또는 정렬시킨다. 다시 말해서, 고분자 수지 인서트 사출 금형 내부에 제 3 금속 기판(50)을 삽입한 후에 제 1 금속 기판(20)을 삽입한 후에 제 2 금속 기판(30)을 순차적으로 삽입하여 적층한다(S20). 이때, 제 1 금속 기판(20)과 제 2 금속 기판(30) 사이, 및 제 1 금속 기판(20)과 제 3 금속 기판(50) 사이에는 추후에 형성될 고분자 수지 재질의 절연 기판의 두께만큼 갭(gap)이 형성됨이 바람직하다.
그 후, 대략 150℃ ~ 300℃ 정도의 온도로 유지한 상태의 고분자 수지 인서트 사출 금형에 고분자 수지를 압출하여 제 1 절연 기판(20) 및 제 2 절연 기판(60)을 형성시킴과 더불어 각각의 금속기판(20, 30, 50)과 접합하여 고정시킨다(S30)
이러한 접합에 의해 고정된 접합체를 금속 도금(즉, 금속 도금층(34, 54)을 형성)하게 되면 도 5 및 도 6의 적층 형태의 고분자 수지 용기가 완성된다.
이와 같이 상술한 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장소자를 위한 고분자 수지 용기는 판 형상의 제 1 금속 기판을 중심으로 중앙부가 관통된 절연 기판 및 금속 기판을 상하 대칭으로 서로 적층하여 고분자 수지 인서트 사출에 의해 일체화시킴으로써 완성된다. 다시 말해서, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장소자를 위한 용기는 적층형 고분자 수지 용기를 구성하는 제 1 금속 기판, 제 2 금속 기판 및 제 3 금속 기판을 개별적으로 마련하고, 각각을 정렬한 상태에서 분자 수지 인서트 사출하여 접합하는 방식의 1개 단일 공정으로 완성된다.
이와 같이 상술한 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장소자를 위한 고분자 수지 용기는 판 형상의 제 1 금속 기판을 중심으로 중앙부가 관통된 절연 기판 및 금속 기판을 상하 대칭으로 서로 적층하여 고분자 수지 인서트 사출에 의해 일체화시킴으로써 완성된다. 다시 말해서, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장소자를 위한 고분자 수지 용기는 적층 형태의 고분자 수지 용기를 구성하기 위해 제 1 금속 기판, 제 2 금속 기판 및 제 3 금속 기판을 개별적으로 마련하고, 각각을 정렬한 상태에서 고분자 수지 인서트 사출하여 접합하는 방식의 1개 단일 공정으로 완성된다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장소자의 단위 셀을 단면도이고, 도 9는 도 8에 도시된 제 1 적층 내부 전극 셀을 확대한 도면이고, 도 10은 도 8에 도시된 제 2 적층 내부 전극 셀을 확대한 도면이고, 도 11은 본 발명의 실시예에 의한 적층 내부 전극의 구조를 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장소자의 단위 셀은 적층 형태의 고분자 수지 용기(도 5 및 도 6 참조), 제 1 적층 내부 전극 셀(80), 제 2 적층 내부 전극 셀(90), 및 밀봉판(70, 72)을 포함한다.
적층 형태의 고분자 수지 용기의 상부 수납 공간(즉, 제 1 금속 기판(20)과 제 1 절연 기판(40) 및 제 2 금속 기판(30)에 의해 형성됨)에는 제 1 적층 내부 전극 셀(80)이 수납되고, 적층 형태의 고분자 수지 용기의 하부 수납 공간(즉, 제 1 금속 기판(20)과 제 2 절연 기판(60) 및 제 3 금속 기판(50)에 의해 형성됨)에는 제 2 적층 내부 전극 셀(90)이 수납된다. 그에 따라, 적층 형태의 고분자 수지 용기의 상부 수납 공간을 상부 용기라고 할 수 있고, 적층 형태의 고분자 수지 용기의 하부 수납 공간을 하부 용기라고 할 수 있다. 필요에 따라서는, 제 1 적층 내부 전극 셀(80)을 하부 용기에 수납시키고, 제 2 적층 내부 전극 셀(90)을 상부 용기에 수납시켜도 된다.
제 1 적층 내부 전극 셀(80)은 제 1 내부 전극(82)과 세퍼레이터(83) 및 제 2 내부 전극(84)을 2회 이상 반복하여 권회하거나, 스택(stack)하여 적층한다.
제 1 적층 내부 전극 셀(80) 내의 제 1 내부 전극(82)들의 일측 끝단에는 접속 단자(86)가 형성되고, 접속 단자(86)는 적층 형태의 고분자 수지 용기의 상부 용기(바람직하게, 제 2 금속 기판(30)) 및/또는 밀봉판(70)에 접속된다.
제 1 적층 내부 전극 셀(80) 내의 제 2 내부 전극(84)들의 일측 끝단에는 접속 단자(88)가 형성되고, 접속 단자(88)는 제 1 금속 기판(20)에 접속된다.
여기서, 제 1 적층 내부 전극 셀(80) 내에서 접속 단자(86)와 접속 단자(88)는 서로 반대 방향으로 위치하도록 배열된다.
제 2 적층 내부 전극 셀(90)은 제 1 내부 전극(92)과 세퍼레이터(93) 및 제 2 내부 전극(94)을 2회 이상 반복하여 권회하거나, 스택(stack)하여 적층한다.
제 2 적층 내부 전극 셀(90) 내의 제 1 내부 전극(92)들의 일측 끝단에는 접속 단자(96)가 형성되고, 접속 단자(96)는 제 1 금속 기판(20)에 접속된다.
제 2 적층 내부 전극 셀(90) 내의 제 2 내부 전극(94)들의 일측 끝단에는 접속 단자(98)가 형성되고, 접속 단자(98)는 적층 형태의 고분자 수지 용기의 하부 용기(바람직하게, 제 3 금속 기판(50)) 및/또는 밀봉판(72)에 접속된다.
여기서, 제 2 적층 내부 전극 셀(90) 내에서 접속 단자(96)와 접속 단자(98)는 서로 반대 방향으로 위치하도록 배열된다.
한편, 세퍼레이터(83, 93)는 다공질 구조의 종이, 부직포 또는 폴리머 재질 등으로 이루어질 수 있다. 세퍼레이터(83, 93)는 서로 다른 극성인 도전성의 내부 전극 간(제 1 내부 전극(82)과 제 2 내부 전극(84) 사이, 제 1 내부 전극(92)과 제 2 내부 전극(94) 사이)의 접촉에 의한 전기적인 단락을 방지함과 더불어 전해액의 이동을 위한 통로 역할을 한다.
그리고, 적층 형태의 고분자 수지 용기의 상부 용기 및 하부 용기에는 전해액이 채워진다. 전해액은 외부의 전기 에너지를 물리적 또는 화학적인 에너지로 변환시키는 것으로서, 액체상태, 고체상태 또는 겔상태를 유지할 수 있다. 그에 따라, 제 1 내부 전극(82, 92), 세퍼레이터(83, 93), 및 제 2 내부 전극(84, 94)는 전해액에 함침된다.
밀봉판(70, 72)은 적층 형태의 고분자 수지 용기를 최종적으로 밀봉한다. 즉, 밀봉판(70)은 적층 형태의 고분자 수지 용기에서 상부 용기의 개구부를 밀봉하고, 밀봉판(72)은 하부 용기의 개구부를 밀봉한다.
밀봉판(70, 72)은 도전성 금속으로 구성된다. 이때, 밀봉판(70, 72)의 소재는 코바(Kovar) 합금, 알로이42(Alloy42) 합금, 스테인레스 합금, 니켈(Ni), 니켈 합금, 알루미늄(Al), 알루미늄 합금, 구리(Cu), 아연(Zn), 주석(Sn), 철(Fe), 금(Au), 은(Ag), 및 백금(Pt) 등을 사용할 수 있다. 특히, 밀봉판(70, 72)은 제 2 금속 기판(30) 및 제 3 금속 기판(50)과의 접합 시 발생하는 열팽창과 수축을 고려하여 제 2 금속 기판(30) 및 제 3 금속 기판(50)의 소재와 동일하게 선택하는 것이 바람직할 것이다. 그리고, 니켈을 대략 1 ~ 15㎛의 두께로 하여 밀봉판(70, 72)의 표면에 최소한 금속 기판(30, 50)과 접합하는 영역으로 도금층을 형성할 수 있다.
필요에 따라서, 밀봉판(70, 72)은 제 2 금속 기판(30) 및 제 3 금속 기판(50)과의 접합 강도를 높이기 위해 밀봉판(70, 72)의 표면에 니켈을 대략 16 ~ 30㎛ 정도의 두께로 최소한 금속 기판(30, 50)과 접합하는 영역으로 도금층을 형성할 수 있다. 이때, 전해액과의 반응을 고려하여 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 아연(Zn), 주석(Sn), 금(Au), 은(Ag), 및 백금(Pt) 중 1가지 혹은 그 이상의 도금층을 형성시킬 수 있다.
상술한 바와 같은 접속 구조에 따르면 제 1 적층 내부 전극 셀(80)의 제 2 내부 전극(84)과 제 2 적층 내부 전극 셀(90)의 제 1 내부 전극(92)은 제 1 금속 기판(20)에 접속되므로, 실질적으로 본 발명의 실시예에 의한 적층 내부 전극의 구조는 도 11에서와 같은 구조로 될 것이다.
상술한 바와 같은 도 8의 구조를 본 발명의 실시예에서는 전기 에너지 저장소자를 구성하는 단위 셀이라고 할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예 설명에 채용되는 전극체의 구조를 나타낸 도면으로서, 내부 전극의 단면을 나타낸 것으로 이해하면 된다.
제 1 적층 내부 전극 셀(80) 및 제 2 적층 내부 전극 셀(90)의 내부 전극(82, 84, 92, 94)은 각각 전극체(110)라고 할 수 있다.
여기서, 전극체(110)는 집전체(112)의 역할을 수행하는 두께 30㎛ 정도의 알루미늄 애칭박 표면에 두께 100㎛ 정도의 활성탄 전극(114)을 코팅하였다.
그리고, 집전체(112)의 일측은 노출되는 것으로 한다. 여기서, 노출된 부분을 참조부호 116으로 표시하였다.
도 13은 도 8의 단위 셀에 인출 단자를 연결시킨 구조를 나타낸 도면이다.
제 3 금속 기판(50)의 저면에 인출 단자(122)를 연결시키고, 밀봉판(70)의 상면에 인출 단자(120)를 연결시킨다.
여기서, 인출 단자(120, 122)는 레이저 용접 또는 저항 용접 등으로 용접하여 연결시킬 수 있다.
그리고, 인출 단자(120)와 인출 단자(122)는 상호 이격된다.
도 13에서는, 인출 단자(120)를 밀봉판(70)의 상면에 연결되는 것으로 하였으나, 밀봉판(70)의 상면 이외로 측면에 연결될 수도 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장소자는 2개의 인출 단자만 있으면 되는데 반해, 종래의 파우치형 전기 에너지 저장소자는 2개의 인출 단자와 1개의 밸런스 단자를 갖추어야 했다. 이와 같이 본 발명에서는 밸런스 단자를 제거함으로써 외관상 드러나는 단자의 수를 줄일 수 있는 보다 간단한 구조의 전기 에너지 저장소자를 제공할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장소자를 제조하는 방법에 대해 설명한다.
먼저, 제 1 적층 내부 전극 셀(80)을 준비한다. 이때, 제 1 적층 내부 전극 셀(80)은 집전체(112) 역할을 수행하는 두께 30㎛ 정도의 알루미늄 애칭박 표면에 두께 100㎛ 정도의 활성탄 전극(114)이 코팅되되 해당 집전체(112)의 일측면이 노출되어 접속 단자(116)로 사용되는 전극체(110)(즉, 제 1 내부 전극(82) 및 제 2 내부 전극(84)이 됨), 및 다공질의 세퍼레이터(83)를 이용한다.
제 1 적층 내부 전극 셀(80)을 배열시킴에 있어서, 도 9에 예시된 바와 같이 제 2 내부 전극(84)을 제일 밑에 배치하고, 이어 그 위에 세퍼레이터(83), 제 1 내부 전극(82), 세퍼레이터(83), 제 2 내부 전극(84), 세퍼레이터(83), 제 1 내부 전극(82), … 의 순으로 적층한다. 여기서, 제 1 내부 전극(82)의 노출된 면(즉, 접속 단자(86))이 한 쪽으로 위치하고, 이와 상극인 제 2 내부 전극(84)의 노출된 면(즉, 접속 단자(88))은 접속 단자(86)와는 반대 방향으로 위치하도록 배열된다. 이때, 세퍼레이터(83)는 각각의 내부 전극(82, 84)(전극체)의 활성탄을 충분히 노출이 되지 않도록 위치함이 바람직하다.
노출된 각각의 접속 단자(86, 88)를 초음파 용접을 실시하여 각 층의 집전체를 접합하여 제 1 적층 내부 전극 셀(80)을 제작한다. 이때, 집전체를 용접하여 접합할 때 다수의 제 1 내부 전극(82) 중에서 적어도 하나의 제 1 내부 전극(82)은 적층 형태의 고분자 수지 용기와 밀봉판(70)에 접합할 수 있도록 충분히 길게 인출된 상태로 준비됨이 바람직하다. 그리고, 다수의 제 2 내부 전극(84) 중에서 적어도 하나의 제 2 내부 전극(84)은 제 1 금속 기판(20)에 접합할 수 있도록 충분히 길게 인출된 상태로 준비됨이 바람직하다.
이후, 제 1 적층 내부 전극 셀(80)을 적층 형태의 고분자 수지 용기의 상부 용기에 수납한다. 이때, 제 1 적층 내부 전극 셀(80)의 제 2 내부 전극(84)들의 접속 단자(88)를 레이저 용접으로 제 1 금속 기판(20)에 접합하고, 제 1 내부 전극(82)들의 접속 단자(86)를 레이저 용접으로 제 2 금속 기판(30)에 접합한다.
그리고 나서, 제 1 적층 내부 전극 셀(80)이 수납된 적층 형태의 고분자 수지 용기의 상부 용기에 정량토출기를 이용하여 전해액을 함침한다.
그 후, 제 2 금속 기판(30)과 접촉하게 되는 밀봉판(70)을 제 2 금속 기판(30)의 최외곽 상면의 도금층(도시 생략)에 안착시킨 후, 레이저 용접으로 가접한 후에 제 2 금속 기판(30)과 밀봉판(70)을 저항용접의 방법으로 서로를 완전 접합하여 밀봉한다.
이후에는 제 2 적층 내부 전극 셀(90)을 준비한다. 이때, 제 2 적층 내부 전극 셀(90)은 집전체(112) 역할을 수행하는 두께 30㎛ 정도의 알루미늄 애칭박 표면에 두께 100㎛ 정도의 활성탄 전극(114)이 코팅되되 해당 집전체(112)의 일측면이 노출되어 접속 단자(116)로 사용되는 전극체(110)(즉, 제 1 내부 전극(92) 및 제 2 내부 전극(94)이 됨), 및 다공질의 세퍼레이터(83)를 이용한다.
제 2 적층 내부 전극 셀(90)을 배열시킴에 있어서, 도 10에 예시된 바와 같이 제 2 내부 전극(94)을 제일 밑에 배치하고, 이어 그 위에 세퍼레이터(93), 제 1 내부 전극(92), 세퍼레이터(93), 제 2 내부 전극(94), 세퍼레이터(93), 제 1 내부 전극(92), … 의 순으로 적층한다. 여기서, 제 1 내부 전극(92)의 노출된 면(즉, 접속 단자(96))이 한 쪽으로 위치하고, 이와 상극인 제 2 내부 전극(94)의 노출된 면(즉, 접속 단자(98))은 접속 단자(96)와는 반대 방향으로 위치하도록 배열된다. 이때, 세퍼레이터(93)는 각각의 내부 전극(92, 94)(전극체)의 활성탄을 충분히 노출이 되지 않도록 위치함이 바람직하다.
노출된 각각의 접속 단자(96, 98)를 초음파 용접을 실시하여 각 층의 집전체를 접합하여 제 1 적층 내부 전극 셀(90)을 제작한다. 이때, 집전체를 용접하여 접합할 때 다수의 제 1 내부 전극(92) 중에서 적어도 하나의 제 1 내부 전극(92)은 제 1 금속 기판(20)에 접합할 수 있도록 충분히 길게 인출된 상태로 준비됨이 바람직하다. 그리고, 다수의 제 2 내부 전극(94) 중에서 적어도 하나의 제 2 내부 전극(94)은 밀봉판(72)에 접합할 수 있도록 충분히 길게 인출된 상태로 준비됨이 바람직하다.
이후, 제 2 적층 내부 전극 셀(90)을 적층 형태의 고분자 수지용기의 하부 용기에 수납한다. 이는 적층 형태의 고분자 수지용기(도 8 참조)의 하부 용기가 상방향에 위치하도록 제 1 적층 내부 전극 셀(80)을 수납한 적층 형태의 고분자 수지 용기를 180도 반전시키면 제 2 적층 내부 전극 셀(90)의 수납이 용이하다. 이때, 제 2 적층 내부 전극 셀(90)의 제 2 내부 전극(94)들의 접속 단자(98)를 레이저 용접으로 밀봉판(72)에 접합하고, 제 1 내부 전극(92)들의 접속 단자(96)를 레이저 용접으로 제 1 금속 기판(20)에 접합한다.
그리고 나서, 제 2 적층 내부 전극 셀(90)이 수납된 적층 형태의 고분자 수지 용기의 하부 용기에 정량토출기를 이용하여 전해액을 함침한다.
그 후, 제 3 금속 기판(50)과 접촉하게 되는 밀봉판(72)을 제 3 금속 기판(50)의 최외곽 상면의 도금층(도시 생략)에 안착시킨 후, 레이저 용접으로 가접한 후에 제 3 금속 기판(50)과 밀봉판(72)을 저항용접의 방법으로 서로를 완전 접합하여 밀봉한다.
이와 같이 하여 도 8과 같은 구조의 단위 셀을 완성한다.
그리고 나서, 완성된 단위 셀에서, 제 3 금속 기판(50)의 노출된 저면에 인출 단자(122)를 안착하여 레이저 용접 등의 방법으로 서로를 접합하고, 밀봉판(70)의 노출된 상부 표면에 인출 단자(120)를 안착하여 레이저 용접 등의 방법으로 서로를 접합함으로써, 도 13에서와 같은 전기 에너지 저장소자를 완성한다.
이때, 밀봉판(70, 72)과의 접합성을 고려하여, 인출 단자(120, 122)의 소재 금속은 스테인레스 합금을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 밀봉판(70)은 본 발명의 청구범위에 기재된 제 1 밀봉판의 일 예라고 할 수 있고, 밀봉판(72)은 본 발명의 청구범위에 기재된 제 2 밀봉판의 일 예라고 할 수 있다. 그에 따라, 인출 단자(120)는 본 발명의 청구범위에 기재된 제 1 인출 단자의 일 예라고 할 수 있고, 인출 단자(122)는 본 발명의 청구범위에 기재된 제 2 인출 단자의 일 예라고 할 수 있다.
완성된 전기 에너지 저장소자의 표면실장을 위한 각각의 인출 단자의 종단점 부분에는 전기 저항이 낮은 니켈 하지도금 후 금도금을 실시하여 사용하거나, 니켈 하지도금후 주석도금을 실시하여 사용한다.
(비교예 설명)
본 발명의 실시예에 의한 제품과 종래 예의 완성된 제품을 비교한 결과는 다음과 같다.
종래 파우치 용기를 사용하여 제작된 제품과 본 발명에 의하여 제작된 제품의 초기 내부 저항을 측정하였다.
측정방법은 도 14에 예시한 측정회로를 구성하여, 교류전류가 10∼200㎃이 되도록 발신기의 출력을 설정한 후에 제품의 단자 전압을 측정하고, 하기의 저항 계산식에 의해 내부 저항(Ω)을 산출하였다.
(수학식 1)
Z = V/0.001 (Ω)
상술의 방법으로 제품의 저항을 측정한 결과, 하기의 표 1에서와 같이 종래의 파우치 용기는 내부 전극체를 충분히 압박하지 못하여 전극간의 접촉 저항이 높아 70mΩ대 영역의 저항을 나타내었지만, 본 발명의 실시예에 따른 제품은 상대적으로 전극간 접촉 저항이 작아 50mΩ대 영역의 저항을 나타내었다.
제품의 저항은 제품의 출력 밀도와 밀접한 관계가 있으며, 낮을수록 출력 밀도가 증가한다. 이에 본 발명에 의한 제품의 출력 밀도가 보다 우수함을 알 수 있다.
하기의 표 1은 제품(가로 21.0㎜, 세로 14.0㎜, 두께 2.5㎜)의 저항 측정치(mΩ)를 비교한 결과를 나타내었다.
| 항목 | 샘플1 | 샘플2 | 샘플3 | 샘플4 | 샘플5 | 샘플6 | 샘플7 | 샘플8 | 샘플9 | 샘플10 |
| 종래예 | 74 | 70 | 72 | 76 | 75 | 72 | 77 | 75 | 71 | 73 |
| 실시예 | 53 | 54 | 52 | 53 | 52 | 54 | 51 | 51 | 53 | 52 |
표 1의 전압과 전류의 측정은 공인 검정 및 교정을 실시한 임피던스 분석기로 측정하였으며, 측정오차는 ±0.1%이다.
또한, 종래 파우치 용기를 사용하여 제작된 제품과 본 발명에 의하여 제작된 제품의 초기 용량을 측정하였다. 측정 방법은 도 15에 예시된 측정회로를 구성하여 측정하였다.
먼저, 직류전원 E를 5.5V로 설정하고, 스위치(SW)를 단자(1) 쪽으로 향한 후 5.5V에 도달 후 1시간동안 전압을 인가하여 충전한다. 규정 시간동안의 전압 인가가 끝나면 스위치(SW)를 단자(2) 쪽으로 전환하고 정전류 부하장치를 통해 100㎃로 방전한다. 이때, 제품단자 전압이 4.2V에서 2.0V로 전압 변화 시간을 측정하고, 하기의 용량 계산식에 의해 용량을 산출하였다.
(수학식 2)
C = (I×(T2-T1))/(V1-V2) [F]
여기서, C는 용량(단위: F)을 의미하고, I는 방전 전류(100㎃)를 의미하고, T1은 제품 단자 전압이 4.2V 시의 시간(단위: 초)을 의미하고, T2는 제품 단자 전압이 2.0V 시의 시간(단위: 초)을 의미한다. 그리고, V1은 4.2V의 제품 단자 전압을 의미하고, V2는 2.0V의 제품 단자 전압을 의미한다.
상술의 방법으로 제품의 용량을 측정한 결과, 종래의 파우치 용기는 내부 저항이 상대적으로 크기 때문에 방전 초기에 발생하는 IR drop에 의하여 소모되는 초기 에너지 값이 증가하여 방전 시간이 상대적으로 짧아, 용량이 작았다.
제품의 용량은 제품의 에너지 밀도와 밀접한 관계가 있으며, 용량이 높을수록 에너지 밀도가 증가한다. 이에 본 발명에 의한 제품의 에너지 밀도가 보다 우수함을 하기의 표 2를 통해 알 수 있다.
| 항목 | 샘플1 | 샘플2 | 샘플3 | 샘플4 | 샘플5 | 샘플6 | 샘플7 | 샘플8 | 샘플9 | 샘플10 |
| 종래예 | 342 | 345 | 341 | 349 | 353 | 348 | 351 | 348 | 346 | 359 |
| 실시예 | 450 | 465 | 455 | 434 | 423 | 421 | 432 | 441 | 450 | 439 |
상기의 표 2는 제품(가로 21.0㎜, 세로 14.0㎜, 두께 2.5㎜)의 용량 측정치(mF)를 비교한 결과를 나타내었다.
표 2의 용량 측정은 공인 검정 및 교정을 실시한 배터리 테스터로 측정하였으며, 측정오차는 ±0.1%이다.
그리고, 종래예의 제품과 본 발명에 의한 실시예의 제품의 외관 변화를 비교하여 보았다. 그 외관 변화의 비교의 결과는 하기의 표 3과 같다. 하기의 표 3은 가로 21.0㎜, 세로 14.0㎜, 두께 2.5㎜의 제품을 샘플로 하였다.
| 항목 | 샘플1 | 샘플2 | 샘플3 | 샘플4 | 샘플5 | 샘플6 | 샘플7 | 샘플8 | 샘플9 | 샘플10 |
| 종래예 | 팽창 | 팽창 | 팽창 | 팽창 | 팽창 | 팽창 | 팽창 | 팽창 | 팽창 | 팽창 |
| 실시예 | 변화 없음 | 변화 없음 | 변화 없음 | 변화 없음 | 변화 없음 | 변화 없음 | 변화 없음 | 변화 없음 | 변화 없음 | 변화 없음 |
표 3의 측정은 전기적 용량 측정용 PCB를 제작하고, 종래예의 제품과 본 발명에 의한 제품 각각 10개의 샘플을 납땜하여 고정하고, 인출되어 있는 각각의 측정용 단자와 파워서플라이와 연결하고, PCB를 온도 80℃의 오븐에 적채한 상태에서 전압을 인가하였다. 이때, 조건은 직류전압 5.5V, 전류 10㎃로 정전압 조건에서 500시간 인가한 후 상온상태로 냉각한 상태에서 외관을 육안으로 관찰하였다.
이와 같은 시험 결과, 종래 예의 제품의 파우치 용기는 고온, 고압의 환경에 노출될 경우 적층형 전기 에너지 저장소자의 내부 전해액의 가스화에 의한 내부압력 증가로 인하여 풍선과 같이 부풀어 오르는 현상이 발생하는 문제를 제공하는 것을 확인하였다. 이에 반해, 본 발명에 의한 적층 형태의 고분자 수지 용기는 고온, 고압의 환경에 노출되어 발생하는 내부 전해액의 가스화에 의한 내부 압력에 대응하는 내구성을 제공함을 알 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
20 : 제 1 금속 기판
22, 24, 32, 52 : 금속-고분자 수지 접합층
30 : 제 2 금속 기판
34, 54 : 금속 도금층
40 : 제 1 절연 기판
50 : 제 3 금속 기판 60 : 제 2 절연 기판
70, 72 : 밀봉판 80 : 제 1 적층 내부 전극 셀
82, 92 : 제 1 내부 전극 83, 93 : 세퍼레이터
84, 94 : 제 2 내부 전극 86, 88, 96, 98 : 접속 단자
90 : 제 2 적층 내부 전극 셀 120, 122 : 인출 단자
22, 24, 32, 52 : 금속-고분자 수지 접합층
30 : 제 2 금속 기판
34, 54 : 금속 도금층
40 : 제 1 절연 기판
50 : 제 3 금속 기판 60 : 제 2 절연 기판
70, 72 : 밀봉판 80 : 제 1 적층 내부 전극 셀
82, 92 : 제 1 내부 전극 83, 93 : 세퍼레이터
84, 94 : 제 2 내부 전극 86, 88, 96, 98 : 접속 단자
90 : 제 2 적층 내부 전극 셀 120, 122 : 인출 단자
Claims (15)
- 일면 및 타면에 금속-고분자 수지 접합층이 각각 형성된 평판의 제 1 금속 기판;
중앙부가 천공되고, 상기 제 1 금속 기판의 상부에 배치되되 저면에 금속-고분자 수지 접합층이 형성된 제 2 금속 기판;
중앙부가 천공되고, 상기 제 1 금속 기판의 하부에 배치되되 상면에 금속-고분자 수지 접합층이 형성된 제 3 금속 기판;
상기 제 1 금속 기판과 상기 제 2 금속 기판 사이에 배치되되 중앙부가 천공된 고분자 수지 재질의 제 1 절연 기판; 및
상기 제 1 금속 기판과 상기 제 3 금속 기판 사이에 배치되되 중앙부가 천공된 고분자 수지 재질의 제 2 절연 기판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장소자를 위한 고분자 수지 용기. - 청구항 1에 있어서,
상기 제 2 금속 기판의 상면 및 상기 제 3 금속 기판의 저면에는 금속 도금층이 형성된 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장소자를 위한 고분자 수지 용기. - 청구항 1에 있어서,
상기 제 1 절연 기판은 내부 전극과 세퍼레이터를 수납하는 수납 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장소자를 위한 고분자 수지 용기. - 청구항 3에 있어서,
상기 내부 전극은 상호 다른 극성인 제 1 내부 전극 및 제 2 내부 전극을 포함하고,
상기 제 1 내부 전극은 상기 제 2 금속 기판에 접속되고, 상기 제 2 내부 전극은 상기 제 1 금속 기판에 접속되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장소자를 위한 고분자 수지 용기. - 청구항 1에 있어서,
상기 제 2 절연 기판은 내부 전극과 세퍼레이터를 수납하는 수납 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장소자를 위한 고분자 수지 용기. - 청구항 5에 있어서,
상기 내부 전극은 상호 다른 극성인 제 1 내부 전극 및 제 2 내부 전극을 포함하고,
상기 제 1 내부 전극은 상기 제 1 금속 기판에 접속되고, 상기 제 2 내부 전극은 상기 제 3 금속 기판에 접속되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장소자를 위한 고분자 수지 용기. - 청구항 1에 있어서,
상기 제 1 금속 기판은,
스테인레스 합금, 알루미늄, 알루미늄 합급, 티타늄, 주석, 구리 중에서 어느 한 소재로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장소자를 위한 고분자 수지 용기. - 청구항 1에 있어서,
상기 제 2 금속 기판 및 상기 제 3 금속 기판은 코바(Kovar) 합금, 알로이42(Alloy42) 합금, 스테인레스 합금, 니켈(Ni), 니켈 합금, 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 알루미늄 합금, 구리(Cu), 아연(Zn), 주석(Sn), 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt) 및 이종금속간 접합으로 형성된 클래드메탈 중에서 어느 한 소재로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장소자를 위한 고분자 수지 용기. - 일면 및 타면에 금속-고분자 수지 접합층이 각각 형성된 평판의 제 1 금속 기판, 중앙부가 천공되고 상기 제 1 금속 기판의 상부에 배치되되 저면에 금속-고분자 수지 접합층이 형성된 제 2 금속 기판, 중앙부가 천공되고 상기 제 1 금속 기판의 하부에 배치되되 상면에 금속-고분자 수지 접합층이 형성된 제 3 금속 기판, 상기 제 1 금속 기판과 상기 제 2 금속 기판 사이에 배치되되 중앙부가 천공된 고분자 수지 재질의 제 1 절연 기판, 및 상기 제 1 금속 기판과 상기 제 3 금속 기판 사이에 배치되되 중앙부가 천공된 고분자 수지 재질의 제 2 절연 기판을 포함하는 고분자 수지 용기;
상기 고분자 수지 용기의 내부에 수납된 제 1 내부 전극 및 제 2 내부 전극; 및
상기 고분자 수지 용기를 밀봉하는 밀봉판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장소자. - 청구항 9에 있어서,
상기 제 2 금속 기판의 상면 및 상기 제 3 금속 기판의 저면에는 금속 도금층이 형성된 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장소자. - 청구항 9에 있어서,
상기 제 1 절연 기판은 내부 전극과 세퍼레이터를 수납하는 수납 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장소자. - 청구항 11에 있어서,
상기 내부 전극은 상호 다른 극성인 제 1 내부 전극 및 제 2 내부 전극을 포함하고,
상기 제 1 내부 전극은 상기 제 2 금속 기판에 접속되고, 상기 제 2 내부 전극은 상기 제 1 금속 기판에 접속되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장소자. - 청구항 9에 있어서,
상기 제 2 절연 기판은 내부 전극과 세퍼레이터를 수납하는 수납 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장소자. - 청구항 13에 있어서,
상기 내부 전극은 상호 다른 극성인 제 1 내부 전극 및 제 2 내부 전극을 포함하고,
상기 제 1 내부 전극은 상기 제 1 금속 기판에 접속되고, 상기 제 2 내부 전극은 상기 제 3 금속 기판에 접속되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장소자. - 청구항 9에 있어서,
상기 밀봉판은,
상기 제 1 금속 기판과 상기 제 1 절연 기판 및 상기 제 2 금속 기판에 의해 형성된 수납 공간을 밀봉하되, 제 1 인출 단자가 접합된 제 1 밀봉판; 및
상기 제 1 금속 기판과 상기 제 2 절연 기판 및 상기 제 3 금속 기판에 의해 형성된 수납 공간을 밀봉하되, 제 2 인출 단자가 접합된 제 2 밀봉판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장소자.
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| KR1020150144021A KR101572996B1 (ko) | 2015-10-15 | 2015-10-15 | 전기 에너지 저장소자를 위한 고분자 수지 용기 및 전기 에너지 저장소자 |
| PCT/KR2016/006919 WO2017065385A1 (ko) | 2015-10-15 | 2016-06-29 | 전기 에너지 저장소자를 위한 고분자 수지 용기 및 전기 에너지 저장소자 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020150144021A KR101572996B1 (ko) | 2015-10-15 | 2015-10-15 | 전기 에너지 저장소자를 위한 고분자 수지 용기 및 전기 에너지 저장소자 |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100792954B1 (ko) | 2006-09-12 | 2008-01-08 | 엘에스전선 주식회사 | 전기 이중층 커패시터 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0658865B2 (ja) * | 1989-04-14 | 1994-08-03 | 株式会社村田製作所 | 電気二重層コンデンサの製造方法 |
| KR101069606B1 (ko) * | 2009-09-30 | 2011-10-05 | 삼화콘덴서공업주식회사 | 고압 및 고전력 슈퍼 커패시터 |
| KR101079497B1 (ko) * | 2010-02-16 | 2011-11-03 | 삼성전기주식회사 | 전기 이중층 커패시터 셀과 전기 이중층 커패시터의 제조방법 및 전기 이중층 커패시터 셀의 제조장치 |
| KR20120038075A (ko) * | 2010-10-13 | 2012-04-23 | 삼성전기주식회사 | 파우치형 슈퍼커패시터 고정장치 |
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2015
- 2015-10-15 KR KR1020150144021A patent/KR101572996B1/ko active IP Right Grant
-
2016
- 2016-06-29 WO PCT/KR2016/006919 patent/WO2017065385A1/ko active Application Filing
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100792954B1 (ko) | 2006-09-12 | 2008-01-08 | 엘에스전선 주식회사 | 전기 이중층 커패시터 |
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