KR101601290B1 - 에너지 저장장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에너지 저장장치에 관한 것으로, 과충전 또는 과열시 하우징(1)내에서 발생한 수소가스를 상기 하우징(1)의 규정압력에 상관없이 모두 하우징(1)의 외부로 배출할 수 있게 됨으로써, 수소가스에 의한 폭발위험을 없앨 수 있게 됨은 물론 이로 인해 안전성 향상을 도모할 수 있고, 이와 함께 셀의 사용수명의 증대도 도모할 수 있을 뿐만 아니라, 수분이 일부 함유된 저가의 전해액 사용이 가능하고 동시에 수분이 일부 함유된 저가 소재의 전극사용 가능하게 됨으로써 비용을 크게 절감시킬 수 있도록 된 것이다.

Description

에너지 저장장치{Energy storage device}

본 발명은 에너지 저장장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폭발위험을 없앨 수 있게 됨으로써 안전성 향상을 도모할 수 있도록 함과 더불어 사용수명의 증대를 도모할 수 있도록 하는 에너지 저장장치에 관한 기술이다.

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 에너지 저장장치로서 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 유사 커패시터(pseudo capacitor)로 나눌 수 있다.

유사 커패시터는 화학적 반응을 수반하지만, 전기적 거동은 마치 커패시터처럼 거동하여 유사 커패시터라 칭하며, EDLC는 전극과 전해질 계면의 전기이중층에 전하가 흡착하는 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 가스(산소, 질소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄 등)가 발생하게 된다.

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

종래 에너지 저장장치의 경우 이러한 문제점을 해결하고자 가스의 압력이 하우징의 규정압력을 초과할 경우 하우징 내부의 가스를 외부로 배출할 수 있는 구조를 갖추도록 하였다.

상기 하우징의 규정압력은 보통 하우징의 크기 및 형상 등에 의해 정해진다.

하지만, 수분이 함유된 전해액의 분해반응 또는 전극에 불순물로서 포함되어 있는 수분의 전기분해반응에 의해 수소가스가 다른 종류의 가스와 함께 발생할 경우, 가스의 압력이 하우징의 규정압력을 초과하지 못하는 상황에서는 하우징 내부의 가스가 외부로 배출되지 못하는 구조이기 때문에, 수소가스는 지속적으로 하우징 내부에 쌓이게 되고, 이럴 경우 폭발위험에 따른 안정성 문제가 대두될 뿐만 아니라 셀의 수명저하를 유발하는 문제점이 있었다.

상기와 같은 수소가스에 의한 폭발위험을 없애고 셀의 수명저하를 방지하며 이와 함께 고에너지화를 위해 비수계 전해액을 사용하고, 또한 후처리공정을 통해 불순물인 수분을 제거한 전극을 사용하고 있는 추세이기는 하나, 이럴 경우 비용이 크게 상승하는 새로운 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 과충전 또는 과열시 하우징내에 가스가 발생하고, 또한 수분이 함유된 전해액의 분해반응 또는 전극에 포함되어 있는 수분의 전기분해반응에 의해 수소가스가 다른 종류의 가스와 함께 발생하며, 또한 가스의 압력이 하우징의 규정압력을 초과하지 못하는 상황일지라도, 수소가스만이라도 하우징의 외부로 배출시킬 수 있는 구조를 갖출 수 있도록 함으로써, 수소가스에 의한 폭발위험을 없앨 수 있도록 하여 안전성 향상을 도모할 수 있도록 하고, 이와 함께 사용수명의 증대를 도모할 수 있도록 하는 에너지 저장장치를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 수분이 일부 함유된 저가의 전해액의 사용이 가능하도록 하고, 동시에 수분이 일부 함유된 저가 소재의 전극사용이 가능하도록 함으로써, 비용을 크게 절감시킬 수 있는 에너지 저장장치를 제공하는 것에 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 에너지 저장장치는, 과충전 또는 과열시 전해액의 분해반응 또는 전극에 포함되어 있는 수분의 전기분해반응에 의해 수소가스 및 다른 종류의 기타 가스가 하우징내에 함께 발생하고, 상기 하우징내에서 발생한 가스의 총 압력이 상기 하우징의 규정압력보다 낮은 상황에서 상기 수소가스만을 상기 하우징의 외부로 배출시킬 수 있는 기능을 구비한 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 하우징과 외부를 연결하는 가스배출통로가 구비되고; 상기 가스배출통로를 가로지르도록 금속판이 설치되되 상기 금속판에는 상기 가스배출통로와 연결된 가스통과구멍이 형성되고; 상기 금속판의 일면에는 수소가스만 통과시킬 수 있는 멤브레인(membrane)이 상기 가스통과구멍을 밀폐시키는 형태로 코팅된 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 멤브레인은 실리카막, 파라듐막, 세라믹막 중 어느 하나이거나 또는 실리카막과 세라믹막의 조합으로 이루어진 것이거나 또는 파라듐막과 세라믹막의 조합으로 이루어진 것임을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 에너지 저장장치는, 전극과 리드선과 분리막 및 전해액이 수용되는 하우징과; 상기 하우징의 상부에 덮여져 결합되는 하우징커버와; 상기 하우징커버에 분리 가능하도록 결합되어 설치된 가스배출용 캡과; 상기 하우징커버와 상기 가스배출용 캡을 일직선으로 관통한 형태로 형성되어서 상기 하우징의 내부와 외부를 연결하는 가스배출통로와; 상기 가스배출통로를 가로지르도록 상기 하우징커버와 상기 가스배출용 캡 사이에 설치되면서 상기 가스배출통로와 연결되도록 가스통과구멍이 형성된 금속판과; 상기 하우징내에서 발생한 가스의 압력이 상기 하우징의 규정압력보다 낮은 상황에서 상기 가스 중 수소가스만을 상기 하우징의 외부로 배출시킬 수 있도록 상기 금속판의 일면에 코팅된 멤브레인(membrane)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 금속판은 상기 멤브레인이 코딩된 일면이 상기 하우징을 향한 방향으로 아래쪽에 위치하도록 설치된 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 멤브레인과 상기 하우징커버 사이에는 기밀유지를 위한 오링이 설치된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 에너지 저장장치는, 과충전 또는 과열시 하우징내에서 발생한 수소가스를 상기 하우징의 규정압력에 상관없이 모두 하우징의 외부로 배출할 수 있게 됨으로써, 수소가스에 의한 폭발위험을 없앨 수 있게 됨은 물론 이로 인해 안전성 향상을 도모할 수 있고, 이와 함께 셀의 사용수명의 증대도 도모할 수 있을 뿐만 아니라, 수분이 일부 함유된 저가의 전해액 사용이 가능하고 동시에 수분이 일부 함유된 저가 소재의 전극사용 가능하게 됨으로써 비용을 크게 절감시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 사시도,
도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도이다.

이하 본 발명의 실시예에 대해 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 에너지 저장장치는 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 전극(양극 전극, 음극 전극)과 리드선(양극 리드선, 음극 리드선)과 분리막 및 전해액이 수용되는 하우징(1)과, 상기 하우징(1)의 상부에 덮여져 결합되는 하우징커버(2)를 포함하여 구성된다.

상기 분리막은 양극 전극과 음극 전극을 전기적으로 분리하기 위한 것으로, 상기 하우징내에서 순차적으로 적층된 양극 전극과 음극 전극 사이에 배치되도록 설치된다.

상기 하우징커버(2)에는 양극 리드선과 음극 리드선이 각각 연결되는 단자(3)가 결합되어 설치된다.

상기 단자(3) 중 어느 하나는 양극 단자이고 나머지 하나는 음극 단자이다.

또한, 상기 하우징커버(2)에는 가스배출용 캡(4)이 분리 가능한 구조로 결합되어 설치된다.

이를 위해, 상기 하우징커버(2)에는 캡설치홈(2a)이 형성된다.

상기 가스배출용 캡(4)은 상기 캡설치홈(2a)속에 삽입된 형태로 설치되는 바, 상기 가스배출용 캡(4)은 상기 캡설치홈(2a)에 압입되는 형태로 끼워져 설치될 수 있고, 또한 상기 가스배출용 캡(4)의 외주면과 상기 캡설치홈(2a)의 내주면에 각각 나사홈이 형성되어 있어서 나사결합에 의해 서로 체결되어 설치될 수도 있으며, 또한 상기 가스배출용 캡(4)이 상기 캡설치홈(2a)속에 삽입된 상태에서 너트와 같은 별도의 고정부재를 매개로 고정 설치될 수도 있는 바, 이와 같이 상기 가스배출용 캡(4)의 설치구조는 어느 하나에 한정되는 것은 아니다.

한편, 본 발명에 따른 에너지 저장장치에는 상기 하우징(1)의 내부와 외부를 연결하는 가스배출통로(5)가 형성되는데, 상기 가스배출통로(5)는 상기 하우징커버(2)와 상기 가스배출용 캡(4)을 일직선으로 관통하여 형성된 구조이다.

여기서, 상기 가스배출통로(5)는 하우징커버(2)에 형성된 통로와 가스배출용 캡(4)에 형성된 통로로 분리될 수도 있으며, 이럴 경우 상기 가스배출용 캡(4)이 상기 캡설치홈(2a)속에 설치되면 두 개로 분리된 통로는 하나의 가스배출통로(5)를 형성하게 된다.

상기 하우징커버(2)와 상기 가스배출용 캡(4) 사이에는 상기 가스배출통로(5)를 가로지르도록 원형의 금속판(6)이 설치되며, 상기 금속판(6)의 중앙부위에는 가스통과구멍(6a)이 형성되는 바, 상기 가스통과구멍(6a)은 상기 금속판(6)이 설치될 때 상기 가스배출통로(5)와 연결되도록 설치된다.

그리고, 상기 금속판(6)의 일면에는 본 발명에 따른 멤브레인(7;membrane)이 코팅되어 결합된다.

상기 멤브레인(7)은 과충전 또는 과열시 전해액의 분해반응 또는 전극에 포함되어 있는 수분의 전기분해반응에 의해 수소가스 및 다른 종류의 기타 가스(산소, 질소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄 등)가 하우징(1)내에 함께 발생하고, 상기 하우징(1)내에서 발생한 가스의 총 압력이 상기 하우징(1)의 규정압력보다 낮은 상황일 경우 상기 수소가스만을 상기 하우징(1)의 외부로 배출시킬 수 있는 기능을 구비한 것이다.

한편, 상기 금속판(6)은 상기 멤브레인(7)이 코딩된 일면이 상기 하우징(2)을 향한 방향으로 아래쪽에 위치하도록 설치되는 바, 이는 가스배출시 상기 금속판(6)과 상기 멤브레인(7)의 결합력 감소를 방지하기 위함이다.

상기 멤브레인(7)은 수소가스를 분리하는데 유용한 실리카막, 파라듐막, 세라믹막 중 어느 하나를 사용하거나 또는 실리카막과 세라믹막의 조합으로 이루어진 것을 사용하거나 또는 파라듐막과 세라믹막의 조합으로 이루어진 것을 사용한다.

또한, 본 발명에 따른 에너지 저장장치는 상기 멤브레인(7)과 상기 하우징커버(2) 사이에 기밀유지를 위한 오링(8)이 설치된 구조인 바, 이를 위해 상기 캡설치홈(2a)의 하부쪽에 오링설치홈(2b)이 형성된 구조를 갖는다.

이하, 본 발명 실시예의 작용에 대해 설명한다.

과충전 또는 과열시 전해질과 전극의 계면에서 진행된 반응의 부산물로서 하우징(1)내에는 가스(산소, 질소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄 등)가 발생하게 된다.

이때, 가스의 압력이 하우징(1)의 규정압력을 초과하지 못하는 상황이면 상기 가스는 멤브레인(7)을 통과하지 못하여 상기 하우징(1)내에 잔존하게 된다.

그리고, 지속적인 가스의 발생으로 인해 가스의 압력이 하우징(1)의 규정압력을 초과하는 상황이 발생되면, 멤브레인(7)을 포함한 금속판(6)의 중앙부위가 가스의 압력에 의해 상측으로 돌출되는 변형을 일으키게 된다.

그러면, 금속판(6)의 테두리부와 하우징커버(2) 사이에는 틈새가 발생하게 되고, 상기의 틈새를 통해 가스가 하우징(1)의 외부로 배출되어서 하우징(1)의 내부 압력을 낮추게 된다.

한편, 전해액에 수분이 함유되어 있거나 또는 전극에 불순물로서 수분이 포함되어 있는 경우 하우징(1)내에는 가스(산소, 질소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄 등) 뿐만 아니라 수분의 전기분해반응에 의해 수소가스가 함께 발생하게 된다.

이때, 수소가스를 포함한 하우징(1)내 모든 가스의 총 압력이 하우징(1)의 규정압력을 초과하지 못하는 상황이면, 수소가스만 멤브레인(7)을 통과하여 하우징(1)의 외부로 배출되고, 수소가스를 제외한 나머지 가스는 상기 멤브레인(7)을 통과하지 못하게 됨으로써 상기 하우징(1)내에 잔존하게 된다.

그리고, 수소가스를 포함한 하우징(1)내 모든 가스의 총 압력이 하우징(1)의 규정압력을 초과하는 상황이 발생되면, 전술한 바와 같이 멤브레인(7)을 포함한 금속판(6)의 중앙부위가 가스의 압력에 의해 상측으로 돌출되는 변형을 일으키게 되고, 이로 인해 하우징(1)내 모든 가스는 금속판(6)의 테두리부와 하우징커버(2) 사이에는 틈새를 통해 하우징(1)의 외부로 배출된다.
즉, 규정압력을 초과하는 경우에는 가스의 압력에 의해 금속판(6)의 중앙부가 상부로 들려지면서 볼록하게 변형되고, 이때 상기 금속판(6)의 변형으로 금속판(6)의 테두리가 수축하면서 캡설치홈(2a)의 내측면과 틈새가 발생한다. 또한 압력이 규정압력을 초과하는 경우에는 오링(8)이 기밀을 유지할 수 없을 정도로 내부 압력이 발생한 상태이므로, 상기 오링(8)과 멤브레인(7)의 계면 사이에도 틈새가 발생한다.
따라서, 규정압력 초과시에는 가스가 오링(8)과 멤브레인(7) 계면 사이의 틈새를 통과한 후, 상기 금속판(6)의 테두리와 캡설치홈(2a)의 내측면 사이의 틈새를 통과하여 배출될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 에너지 저장장치는 과충전 또는 과열시 하우징(1)내에서 발생한 수소가스를 상기 하우징(1)의 규정압력에 상관없이 모두 하우징(1)의 외부로 배출할 수 있게 됨으로써, 수소가스에 의한 폭발위험을 없앨 수 있게 됨은 물론 이로 인해 안전성 향상을 도모할 수 있게 되고, 이와 함께 셀의 사용수명의 증대도 도모할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 에너지 저장장치는 하우징(1)의 규정압력에 상관없이 수소가스를 배출할 수 있는 기능을 구비하고 있기 때문에, 수분이 일부 함유된 저가의 전해액 사용이 가능하고, 동시에 수분이 일부 함유된 저가 소재의 전극사용 가능하게 됨으로써, 비용을 크게 절감시킬 수 있는 장점도 있다.

1 - 하우징 2 - 하우징커버
3 - 단자 4 - 가스배출용 캡
5 - 가스배출통로 6 - 금속판
7 - 멤브레인 8 - 오링

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 전극과 리드선과 분리막 및 전해액이 수용되는 하우징과;
   상기 하우징의 상부에 덮여져 결합되는 하우징커버와;
   상기 하우징커버에 분리 가능하도록 결합되어 설치된 가스배출용 캡과;
   상기 하우징커버와 상기 가스배출용 캡을 일직선으로 관통한 형태로 형성되어서 상기 하우징의 내부와 외부를 연결하는 가스배출통로와;
   상기 가스배출통로를 가로지르도록 상기 하우징커버와 상기 가스배출용 캡 사이에 설치되면서 상기 가스배출통로와 연결되도록 가스통과구멍이 형성된 금속판과;
   상기 하우징내에서 발생한 가스의 압력이 상기 하우징의 규정압력보다 낮은 상황에서 상기 가스 중 수소가스만을 상기 하우징의 외부로 배출시킬 수 있도록 상기 금속판의 일면에 코팅된 멤브레인(membrane);
   을 포함하는 에너지 저장장치.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 금속판은 상기 멤브레인이 코딩된 일면이 상기 하우징을 향한 방향으로 아래쪽에 위치하도록 설치된 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 멤브레인과 상기 하우징커버 사이에는 기밀유지를 위한 오링이 설치된 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
7. 청구항 4에 있어서, 상기 멤브레인은 실리카막, 파라듐막, 세라믹막 중 어느 하나이거나 또는 실리카막과 세라믹막의 조합으로 이루어진 것이거나 또는 파라듐막과 세라믹막의 조합으로 이루어진 것임을 특징으로 하는 에너지 저장장치.

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