KR101605767B1

KR101605767B1 - 전기 에너지 저장 소자

Info

Publication number: KR101605767B1
Application number: KR1020140072996A
Authority: KR
Inventors: 이용욱
Original assignee: 파워칩스주식회사
Priority date: 2014-06-16
Filing date: 2014-06-16
Publication date: 2016-03-24
Also published as: KR20150144425A

Abstract

전기 에너지 저장소자가 개시된다. 본 발명의 전기 에너지 저장소자는 인쇄회로기판에 직접 표면 실장할 수 있는 형태로서, 소형화가 가능하면서 내부 전해질의 누출을 방지할 수 있도록 밀봉 구조를 가짐과 동시에 복수 개의 단위 저장 소자를 직렬 또는 병렬 배치하여 하나의 칩으로 구현된 것으로써, 필요한 정격과 용량에 맞는 다양한 전기 에너지 저장소자를 구현할 수 있다. 본 발명의 전기 에너지 저장소자는 에 종래와 비교하여 부품이 피씨비 상에서 실제적으로 차지하는 설치 영역이 작아질 뿐만 아니라 부품의 두께도 작아지게 된다.

Description

전기 에너지 저장 소자{Electrical Energy Storing Device}

본 발명은 인쇄회로기판에 직접 표면 실장할 수 있는 전기 에너지 저장 소자로서, 소형화가 가능하면서 내부 전해질의 누출을 방지할 수 있도록 밀봉 구조를 가짐과 동시에 복수 개의 단위 저장 소자를 직렬 또는 병렬 배치하여 하나의 칩으로 구현한 전기 에너지 저장소자에 관한 것이다.

배터리, 커패시터 또는 콘덴서와 같은 전기 에너지 저장 소자의 용도는 매우 다양하며, 매우 다양한 분야에서 널리 사용된다. 예컨대, 스마트폰, 휴대폰, 내비게이션, 태블릿 PC, 블랙박스, MP3 플레이어 등과 같은 전자기기에 내장된 배터리는 RTC(Real Time Clock) 회로의 전기적 백업이나 메모리 전원의 백업 용도로 사용되고, 태양전지, 풍력발전 등에서는 순간적으로 발생하는 에너지를 저장하였다가 2차적으로 대용량 전지에 안정적으로 충전하게 하는 하이브리드(Hybrid) 용도로 배터리가 사용된다. 한편, 전기자동차 등에서, 전기 에너지 저장 소자는 초기구동 시 또는 고속 주행 시에 필요한 고출력 에너지원으로 사용된다.

특히 고용량의 전원을 백업하는 '파워 백업'이나, 순간적으로 큰 전원을 공급해야 하는 '파워 어시스트' 역할의 용도로 사용되는 경우에는 피시비(PCB: Printed Circuit Board)에 직접 용접이 가능한 칩 형태와 고출력이 용이한 고전압용 제품이 요구되고 있다.

에너지 저장소자는 다양한 형태로 제조가 가능한데, 내부 구성소자를 수용하고 있는 외관 포장형태에 따라서 분류하면, 실린더 형태의 알루미늄 캔(Cylinder Type Al Can)을 사용하는 실린더형과, 각형의 알루미늄 캔(Box Type Al Can)을 사용하는 각형과, 박판의 파우치백(bag) 형태의 파우치형으로 구분할 수 있다.

종래 예

이 중에서, 종래까지 고전압 용 배터리는 복수 개의 단위 소자를 직렬로 연결한 다음에 한 개의 파우치 형태로 제작하는 것이 비교적 용이한 파우치형이 널리 사용되었다.

파우치형은 내부 구성소자를 파우치 내에 수납하고 단자와 함께 열 압착하여 파우치백으로 만든다. 내부구성소자는 제1 전극 및 제2 전극과, 그 전극들 사이에 위치한 세퍼레이터로 구성되며, 복수 개를 적층하거나 젤리-롤(Jelly-Roll)형으로 권취하여 만든다.

또한, 제 1전극 및 제 2전극과는 별도로, 제 3전극, 제 4전극 및 그 사이의 또 다른 세퍼레이터를 동일한 방법으로 만든 다음 파우치 백을 이중으로 제작하여 2개의 전극쌍을 각각 수납하는 형태의 파우치형도 있다. 이 경우, 내부구성소자의 각 전극판의 한쪽으로 부터 인출된 제1 전극탭 내지 제4 전극탭은 그 표면에 보호 테이프가 접착된 상태로 파우치 백의 외부로 일부 돌출된다.

파우치 백은 백 커버와, 내부구성소자가 수용될 수 있는 공간부가 형성된 백 본체로 구성된다. 백 커버와 백 본체는 적어도 일면이 일체로 접해 있다. 백 본체의 공간부를 형성하는 4 변 중 한 변은 백 커버와 접해 있고 나머지 3 변은 밀봉된다. 이 때, 내부구성소자가 백 본체의 공간부에 미리 수용한 후 백 본체와 백 커버를 밀착시킨 상태에서 열 융착방법으로 밀봉한다. 제 2전극탭과 제3 전극탭은 서로 용접하여 직렬로 연결시킴으로써 사용 전압을 증가시킨다.

이러한 파우치 백 형태의 전지 외장재는 금속재와 수지재가 혼합된 박판 형태로 이루어지는데, 알루미늄과 같은 금속박층의 내측면에는 폴리머 수지인 무연신 폴리프로필렌(CPP: Casted Polypropylene)의 열접착층이 형성되어 있고, 외측면에는 나일론이나 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 층이 형성되어 있다. 파우치 형태의 전지 외장재를 사용하는 경우 캔에 비해 두께를 대폭 줄일 수 있어서, 같은 체적 내에 더욱 많은 내부구성소자를 수용할 수 있다.

다만, 물리적인 충격에 대한 안정성을 향상시키기 위해, 파우치 백 금속층의 두께를 증가시키거나 금속층의 소재로 스테인래스 합금(Steel Use Stainless : SUS) 처럼 강도가 강화된 금속을 사용한다. 이러한 경우 열전달율이 떨어지게 되어 파우치 백의 열접착층을 이루는 무연신 폴리프로필렌을 실링하기 위해서 실링온도를 높이거나 실링 시간을 길게 해야 한다. 높은 온도로 실링 할 경우, 고온에 의한 생산 속도는 짧아지는 효과는 있으나 파우치 표면의 금속과 표면층의 열적 파손이 발생할 수 있다. 반대로, 실링시간을 길게 할 경우, 제조시간이 길어짐에 따라 제조공정의 속도가 낮아지게 된다.

한편, 피씨비(PCB)에 각종 전기 소자를 고정시킬 때, 대부분 리플로우 납땜(Reflow Soldering) 방식으로 접착시킨다. 통상적으로, 리플로우 납땜 방식은 에너지 저장 소자를 피씨비 상에 위치시킨 후에 땜납의 융점 이상(예컨대, 230~300℃ 정도)으로 설정된 고온의 노(Furnace)내에 피씨비를 통과시켜 납땜하는 방식이다. 그런데, 통상 파우치 백의 최고 융점이 대략 120 정도이어서 리플로우 납땜이 행해지는 동안 파우치 백이 열에 의해 녹는 문제가 발생할 수 있기 때문에, 리플로 납땜을 할 수 없고 별도의 2차 공정에 의해 레이져 용접, 저항용접, 초음파용접 또는 개별 납땜을 할 수 밖에 없다.

이 같은 온도 문제는 사용 중에도 발생할 수 있다. 주행 중인 자동차 내부는 여러 원인 요인으로 100 ~ 120℃ 수준의 고온 상태가 될 수 있다. 파우치형 전기 에너지 소자가 전기자동차, 하이브리드 자동차 등에 탑재될 경우에 파우치 외장재의 열적 손상이 발생할 수 있고, 파우치 외장재의 높은 열전달 특성으로 인하여 파우치 백 내부의 내부구성 소자의 열적 충격으로 이어져 에너지 저장소자가 결국에 손상될 수 있다.

본 발명의 목적은, 인쇄회로기판에 직접 표면 실장할 수 있는 전기 에너지 저장 소자로서, 소형화가 가능하면서 내부 전해질의 누출을 방지할 수 있도록 밀봉 구조를 가짐과 동시에 복수 개의 단위 저장 소자를 직렬 또는 병렬 배치하여 하나의 칩으로 구현한 전기 에너지 저장소자를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기 에너지 저장소자는 전극구성체와 전해질을 내부 공간부에 수용하여 전기 에너지를 저장할 수 있다. 특별히, 본 발명의 전기 에너지 저장소자는, 제1 단위 전지 및 제2 단위 전지를 위한 제1 수용부 및 제2 수용부가 형성된 용기와, 전해질로 충진된 제1 수용부 및 제2 수용부 내에 수용되어 상기 제1 단위 전지와 제2 단위 전지를 각각 형성하는 제1 전극구성체 및 제2 전극구성체와, 상기 제1 수용부 내에 이격되어 마련되어 상기 제1 전극구성체와 전기적으로 연결된 제1 내부전극 및 제2 내부전극과, 상기 제2 수용부 내에 이격되어 마련되어 상기 제2 전극구성체와 전기적으로 연결된 제3 내부전극 및 제4 내부전극과, 상기 용기 상에 형성된 복수 개의 비아홀(Via Hole)을 통해 상기 제1 내지 제4 내부전극 중 선택된 두 개의 내부전극으로부터 개별적으로 연장되어 상기 용기의 외면 일측에 마련된 제1 및 제2 외부 전극과, 상기 용기의 개방된 상부를 덮어 밀봉하는 캡을 포함한다. 또한, 전기 에너지 저장소자는 상기 용기에 형성되어 상기 제1 내지 제4 내부전극을 상호 연결함으로써, 상기 제1 단위 전지 및 제2 단위 전지를 직렬 또는 병렬 연결 방식에 따라 상호 연결하는 적어도 하나의 연결도선 층을 포함한다.

예컨대, 직렬연결의 경우, 상기 연결도선 층은 상기 제1 및 제2 내부전극 중에서 선택된 어느 하나와 상기 제3 및 제4 내부전극 중에서 선택된 어느 하나를 상호 연결하는 하나의 연결도선이 된다. 병렬 연결의 경우라면, 상기 연결도선 층은 상기 제1 및 제2 내부전극을 상기 제3 및 제4 내부전극과 상호 연결하는 두 개의 연결도선이 된다.

실시 예에 따라, 상기 전기 에너지 저장소자는 상기 제1 단위 전지와 제2 단위 전지 사이에 복수 개의 단위 전지를 더 형성할 수 있다. 예컨대, 전기 에너지 저장소자는 제3 단위 전지를 형성하기 위하여, 상기 제1 수용부 및 제2 수용부 사이에 형성되어 제3 전극구성체를 수용하는 제3 수용부와, 상기 제3 수용부 내에 이격되어 마련되어 상기 제3 전극구성체와 전기적으로 연결되는 제5 및 제6 내부전극을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 연결도선 층은 상기 제1 내지 제6 내부전극을 상호 연결함으로써, 상기 제1 단위 전지 내지 제3 단위 전지를 직렬 또는 병렬 연결 방식에 따라 상호 연결하게 된다.

실시 예에 따라 상기 제1 및 제2 외부 전극은 상기 용기의 바닥면에 형성됨으로써 피씨비에 납땜할 때 별도의 공간이 필요하지 않도록 할 수 있다.

본 발명의 이러한 구성에 따른 전기 에너지 저장소자는 고용량의 전기 에너지 저장소자를 칩 형태로 구현함과 동시에, 하나의 칩 내에 직렬 또는 병렬 연결된 복수 개의 저장소자가 배치됨으로써, 필요한 정격과 용량에 맞는 다양한 전기 에너지 저장소자를 구현할 수 있다.

본 발명의 전기 에너지 저장소자는 종래의 파우치 형과 비교하여 외부 단자 자체가 용기의 바닥면에 메탈 프린팅되어 있기 때문에 종래와 비교하여 부품이 피씨비 상에서 실제적으로 차지하는 설치 영역이 작아질 뿐만 아니라 부품의 두께도 작아지게 된다.

본 발명의 전기 에너지 저장소자는 세라믹 소재를 이용하여 패키징되어 있어서 내열 특성이 우수하므로, 고온의 리플로우 납땜 공정에 적용할 수 있어서, 피씨비에 간단히 접착할 수 있다.

도 1은 본 발명의 전기 에너지 저장소자를 도시한 도면,
도 2은 도 1의 전기 에너지 저장소자를 A-A'으로 절개한 단면도,
도 3는 도 2의 저장소자의 평면도,
도 4은 전극구성체의 구조를 도시한 도면, 그리고
도 5는 전극구성체를 구성하는 전극 시트를 도시한 도면이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 3를 참조하면, 본 발명의 전기 에너지 저장소자(100)는 칩(chip) 형태로 구현되며, 그 칩 내부에 직렬 또는 병렬 연결된 적어도 두 개의 단위 전지를 구비한다. 여기서, 단위 전지란, (+) 극성과 (-) 극성의 내부 단자를 구비하여 그 자체로서 하나의 전지로 기능한다. 도시된 전기 에너지 저장소자(100)는 2 개의 단위 전지를 구비한 예로서, 이하에서는 각각 제1 단위 전지(110) 및 제2 단위 전지(130)라 한다. 제1 단위 전지(110) 및 제2 단위 전지(130)는 상호 직렬 연결될 수도 있고, 병렬 연결될 수도 있다. 다만, 도 2 및 도 3은 직렬 연결된 예이다.

구조를 간략하게 설명하면, 제1 단위 전지(110) 및 제2 단위 전지(130)는 하나의 용기(101)에 형성된다. 용기(101)에는 제1 단위 전지(110) 및 제2 단위 전지(130)를 수용하기 위한 제1 및 제2 수용부(103, 131)가 각각 마련되고, 전기 에너지를 실제로 저장하는 제1 및 제2 전극구성체(105, 133)가 전해액으로 충진된 제1 및 제2 수용부(103, 131) 내에 각각 수용된다. 육면체 형태의 제1 및 제2 수용부(103, 131) 각각의 개방된 상부는 별도의 금속 캡(107, 135)을 이용하여 덮어 밀봉한다. 실시 예에 따라 제1 및 제2 수용부(103, 131) 각각의 개방된 상부의 가장자리는 금속 캡(107, 135)을 얹어 밀봉하기 위하여 용기(101)의 상면(101c)으로부터 돌출되어 일종의 격벽의 형태를 가질 수 있다. 도 3는 금속 캡(107, 135)을 개방하고, 제1 및 제2 전극구성체(105, 133)를 제거한 상태의 평면도이다.

제1 수용부(103)의 내면 일 측에는 제1 전극구성체(105)의 두 개 공통단자와 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 내부전극(109a, 109b)이 상호 이격되어 존재하고, 제1 및 제2 내부전극(109a, 109b) 중 하나는 제2 단위 전지(130)의 두 개 내부전극(137a, 137b) 중 하나와 연결되고, 다른 하나는 용기(101)의 외면에 형성된 제1 외부전극(111)과 연결된다. 제2 수용부(131)의 내면 일 측에는 제2 전극구성체(133)의 두 개 공통단자와 전기적으로 연결되는 제3 및 제4 내부전극(137a, 137b)이 상호 이격되어 존재하고, 제3 및 제4 내부전극(137a, 137b) 중 하나는 연결도선층(151)을 통해 제1 단위 전지(110)의 내부전극(109a, 109b) 중 하나와 연결되고 나머지는 제2 외부전극(139)과 연결된다. 도 3에는, 설명의 편리를 위하여 연결도선층(151)을 점선으로 표시하였다.

연결도선층(151)은 용기(101)의 내부, 외부 어느 곳에 형성되어도 무방하나, 도 2에 도시된 것처럼 용기(101) 내부를 관통하여 배치되는 것이 바람직하다. 도 3에는 연결도선층(151)이 제1 내부전극(109a)과 제4 내부전극(137b)을 상호 연결한 것으로 도시되어 있으나 이는 하나의 예일 뿐이며, (1) 내부전극 및 외부 전극의 위치와 그 극성 배치 및 (2) 직렬 연결인가 병렬 연결인가에 따라 다양한 형태와 배치가 가능하다. 연결도선층(151)을 용기(101) 내에 형성하는 방법은 반도체 제조기술에 관한 종래의 기술을 이용할 수 있다.

제1 및 제2 외부전극(111, 139)은 용기(101)의 외측면에 배치되며, 그 중에서도 용기(101)의 바닥면(101b)에 마련되는 것이 바람직하다. 용기(101)의 바닥면(101b)에 외부전극(111, 139)이 마련되면, 전기 에너지 저장소자(100)를 피씨비 등에 납땜하는 과정에서 전기 에너지 저장소자(100) 자체의 크기만으로도 충분히 납땜을 수행할 수 있어서, 불필요한 공간 사용을 방지할 수 있다.

제1 단위 전지(110) 및 제2 단위 전지(130)가 상호 직렬 연결된 경우라면, 도 2 및 도 3에서처럼, 전기 에너지 저장소자(100)는 2 개의 외부전극(111, 139)을 용기(101)의 외측면 일 측에 구비하게 된다. 반대로 제1 단위 전지(110) 및 제2 단위 전지(130)가 상호 병렬 연결된 경우라면 전기 에너지 저장소자(100)는 4 개의 외부전극을 용기(101)의 외측면 일 측에 구비하게 된다.

본 발명의 전기 에너지 저장소자(100)는 전기적으로 무극성 소자에 해당하므로, 제1 및 제2 외부전극(111, 139)에 외부 전원의 극성을 연결하는 방법에 따라 전기 에너지 저장소자(100)의 전기적 극성이 정해진다. 예컨대, 제1 외부전극(111)에 전기적으로 (+) 극성의 전원이 연결되고 제2 외부전극(139)에 전기적으로 (-) 극성의 전원이 연결되는 경우, 도 2 및 도 3의 전기 에너지 저장소자(100)에서의 전기적 직렬 연결은 (+)제1 외부전극(111) → (+)제2 내부전극(109b) → 제1 전극구성체(105) → (-)제1 내부전극(109a) → 연결도선층(151) → (+)제4 내부전극(137b) → 제2 전극구성체(133) → (-)제3 내부전극(137a) → (-)제2 외부전극(139)의 형태가 된다.

제1 외부전극(111)과 제2 내부전극(109b)의 연결 및 제3 내부전극(137a)과 제2 외부전극(139) 사이의 연결은 용기(101)를 관통하여 각 내부전극과 외부전극을 연결하는 비아홀(Via Hole)을 통해 연결될 수 있다. 도 2에는 제3 내부전극(137a)과 제2 외부전극(139) 사이를 연결하는 비아 홀(139a)이 도시되어 있다. 비아 홀(139a)을 통해 내부전극과 외부전극을 연결하는 방법은 반도체 제조기술 또는 피씨비 제조기술에 관한 종래의 기술을 이용할 수 있다.

전극구성체(105, 133)는 각각 두 개의 공통단자를 가지며, 각 공통단자는 전기 에너지 저장소자(100)의 제조과정에서 두 개의 내부전극(109a, 109b 또는 137a, 137b)에 각각 연결된다. 전극구성체(105, 133)에 대하여는 아래에서 다시 설명한다.

이하에서는 본 발명의 전기 에너지 저장소자(100)의 제조방법을 설명한다.

<용기 및 연결도선층의 성형>

용기(101)는 알루미나(Alumina), 수정(Quartz), 칼슘지르코네이트(Calcium Zirconate), 감람석(Forsterite), 실리콘 카바이드(SiC), 흑연, 용융실리카(Fusedsilica), 뮬라이트(Mullite), 근청석(Cordierite), 지르코니아(Zirconia), 베릴리아(Beryllia), 질화알루미늄(Aluminum Nitride) 또는 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic), HTCC(High Temperature Co-fired Ceramic) 등의 세라믹 소재로 성형하는 것이 바람직하며, 플라스틱 또는 금속 등의 소재로도 형성할 수 있다. 그 중에서도 세라믹 소재는 반도체 제조공정에 의해 두께를 원하는 수치로 쉽게 조절할 수 있는 잇점이 있다.

세라믹의 경우, 용기(101)는 복수 개 층의 세라믹 시트를 적층하여 형성할 수 있다. 예컨대, 세라믹 용기(101)의 바닥판(101a)은 제1 세라믹 기판의 상부에 제2 세라믹 기판을 적층하여 성형할 수 있다. 제1 및 제2 세라믹 기판의 조성 비율은 대략 90~95 중량%의 알루미나와 5 ~ 10 중량%의 유리의 혼합물, 또는 조성 비율이 대략 40 ~ 50 중량%의 알루미나와 50 ~ 60 중량%의 유리의 혼합물로 구성된다.

제조방법을 살피면, (1) 용기(101)의 제일 아래 바닥이 되는 제1 세라믹 기판을 형성한 다음, (2) 제1 세라믹 기판 상에 도금방식으로 도전성 금속의 연결도선층(151)을 형성한다. (3) 제1 세라믹 기판 및 연결도선층(151)의 상면에 제2 세라믹 기판의 하면을 접촉시킨 후에 라미네이팅(Laminating)을 실시하고, (4) 대략 500 ~ 1600℃ 정도의 온도에서 동시 소결하게 되면 제1 세라믹 기판과 제2 세라믹 기판 내부에 함유된 유리성분이 용융되어 상호 접착하게 된다. 이로써 제1 세라믹 기판의 아래면은 용기(101)의 외부 바닥면(101b)이 되고 제2 세라믹 기판의 상면은 용기(101)의 내부 바닥면이 된다. 이때, 제2 세라믹 기판의 상면은 제1 및 제2 수용부(103, 131)의 바닥면(즉, 용기의 바닥면)이 되므로, 그에 따른 형상으로 성형한다. 상술에 의해 완성된 세라믹 용기(101)의 바닥판(101a)의 두께는 대략 1 ~ 10 ㎜ 정도로 할 수 있다.

연결도선층(151)은 니켈, 텅스텐, 티타늄, 알루미늄, 구리, 아연, 주석, 철, 몰리브덴, 금, 은 또는 백금 등의 도전성 금속을 도금 방법으로 형성할 수 있다.

제1 단위 전지(110)와 제2 단위 전지(130)를 수용하기 위한 수용부(103, 131)를 형성하기 위하여, 수용부(103, 131)의 가장자리를 따라 바닥판(101a)과 동일한 조성의 세라믹 측벽(101d)을 형성함으로써 세라믹 용기(101)를 완성한다.

<외부전극 및 내부전극의 형성>

세라믹 용기(101)를 성형한 후에, 용기(101) 표면에 니켈, 텅스텐, 티타늄, 알루미늄, 구리, 아연, 주석, 철, 몰리브덴, 금, 은 또는 백금 등의 도전성 금속을 제1 및 제2 외부전극(111, 139) 형상으로 전해 도금 또는 무전해 도금하여 대략 0.1~100 ㎛ 두께의 제1 및 제2 외부전극(111, 139)을 형성한다.

제1 내지 제4 내부전극(109a, 109b, 137a, 137b)도 용기의 제1 및 제2 수용부(103, 131)의 바닥면에 니켈, 텅스텐, 티타늄, 알루미늄, 구리, 아연, 주석, 철, 몰리브덴, 금, 은 또는 백금 등의 도전성 금속을 제1 내지 제4 내부전극(109a, 109b, 137a, 137b) 형상으로 전해 도금 또는 무전해 도금하여 대략 0.1~100 ㎛ 두께로 형성한다.

제1 내부전극(109a) 및 제4 내부전극(137b)과 연결도선층(151)의 연결, 제2 내부전극(109b)과 제1 외부전극(111)의 연결, 그리고 제3 내부전극(137a)과 제2 외부전극(139)의 연결은 용기(101)의 바닥판(101a)의 내부를 관통하고 도전성 금속으로 채워진 비아 홀을 통해 이루어진다.

<금속링의 접착>

캡(107, 135)으로 제1 및 제2 수용부(103, 131)를 밀봉하기 위하여, 캡(107, 135)과 제1 및 제2 수용부(103, 131) 사이에 금속링(113)이 장착된다. 캡(107)으로 제1 수용부(103)를 밀봉하는 것이나, 캡(135)으로 제2 수용부(131)를 밀봉하는 것은 동일한 것이므로, 캡(107)으로 제1 수용부(103)를 밀봉하는 방법을 중심으로 설명한다.

먼저 제1 수용부(103)의 돌출된 가장자리의 상부 테두리(이하, '고정부'라 함)(101e)에 금속링(113)이 브래징(Brazing) 기법으로 접착된다. 금속링(113)은 코바, 스테인레스 합금, 니켈, 니켈 합금, 텅스텐, 티타늄, 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 아연, 주석, 철, 몰리브덴, 금, 은, 및 백금 등의 도전성 금속소재로 이루어진다.

금속링과 용기의 접착

용기(101)와 금속링(113)을 브래징하기 위하여, 우선 (1) 제1 수용부(103)의 고정부(101e)에 메탈 프린팅 층을 형성한다. 메탈 프린팅 층의 소재는 텅스텐, 몰리망간 또는 은과 같은 금속을 페이스트(Paste) 상태로 사용한다. 메탈 프린팅 층 두께는 대략 0.1~100 ㎛ 정도가 바람직하다.

브레이징은 대략 350 ~ 950℃ 정도의 온도에서 진행되어 고정부(101e)와 금속링(113)을 단단히 결합시킨다. 접착 강도를 높이기 위해, 메탈 프린팅된 고정부(101e) 표면에 니켈, 알루미늄, 구리, 아연, 주석, 금, 은 또는 백금 등의 금속을 대략 0.1 ~ 100 ㎛ 정도의 두께로 합금도금한 후에 브레이징을 실시한다. 이와 같은 브레이징에 의해 금속링(113)이 고정부(101e)에 강하게 고착된다. 동일한 방법으로, 제2 수용부(131)의 고정부(101e)에 금속링(113)을 접착시킨다.

전해질로는 비수(非水)계 유기용액 또는 염기성 수용액 등의 이온성 수용액을 사용할 수 있다. 비수계 유기용액은 프로필렌 카보네이트(Propylene Carbonate) 또는 r-부틸로락톤(r-Buthylo Lactone) 등의 비 프로톤(proton)성 유기 용매에, 테트라에틸암모늄테트라플로오로보레이트(4-Ethyl-ammonium tetrafluoroborate) 또는 과염소산테트라알킬암모늄 등을 용해시켜 만들 수 있다.

<캡 접착>

캡(107, 135)은 코바, 스테인레스 합금, 니켈, 니켈 합금, 텅스텐, 티타늄, 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 아연, 주석, 철, 몰리브덴, 금, 은, 및 백금 등의 금속소재로 이루어진다. 캡(107, 135)의 두께는 용기(101)의 두께에 준하여 마련할 수 있다. 캡(107, 135)과 금속링(113)이 접합한 상태에서, 캡(107, 135)의 상부가 금속링(113)의 상단보다 높아도 무방하지만, 금속링(113)의 높이가 충분하여 캡(107, 135)의 상부와 금속링(113)의 상단이 같은 높이를 가져도 무방하다.

캡의 접착

캡(107, 135)은 금속링(113)과의 접착 강도를 높이기 위해, 캡(107, 135)의 표면에 니켈, 텅스텐, 티타늄, 알루미늄, 구리, 아연, 주석, 철, 몰리브덴, 금, 은, 및 백금 등의 금속이 대략 0.1 ~ 100 ㎛정도의 두께로 도금층을 형성할 수 있다.

제1 전극구성체(105)와 전해질 용액을 제1 수용부(103) 내부에 수용한 후, 캡(107, 135)을 금속링(113)의 도금층에 안착시킨다. 이후에 금속링(113)과 캡(107, 135)의 접합은 저항용접, 레이저 용접 등의 방법으로 용접한다.

<전극구성체의 구조>

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 전극구성체의 일 예가 도시되어 있다. 본 발명의 모든 전극구성체는 동일한 구조를 가지므로, 여기서는 제1 전극구성체(105)를 예로 들어 설명한다. 전극 구성체(105)는 (+)극과 (-)극에 대응될 수 있는 두 개의 공통단자(307, 309)를 가진다. 이때, 전극구성체(105)의 두 개 공통단자(307, 309)는 그 자체로 극성을 가지는 것이 아니라, 다른 구성, 예컨대 제1 단위 전지(110)의 내부전극(109a, 109b)에 연결될 때에 결정될 수 있다.

전극구성체(105)는 복수 개의 전극 시트(301, 303)를 세퍼레이터(305)를 사용하여 상호 이격시키면서 적층하여 초음파 용접으로 접착시켜 형성한다. 도 5를 참조하면, 각 전극 시트(301, 303)는 알루미늄(Al)의 박판(401) 양면에 분극성 전극(403)을 붙여서 만들고, 알루미늄 박판(401)의 일단이 단자(401a) 형태로 노출된다. 복수 개의 전극 시트(301, 303)들이 적층될 때는, 일 방향의 전극 시트(301)의 단자(401a)들이 한 곳으로 모여 공통단자(307)에 연결되고, 다른 방향의 전극 시트(303)의 단자(401a)들이 한 곳으로 모여 공통단자(309)에 연결된다. 공통단자(307, 309)는 초음파 용접으로 단자(401a)에 접합된다. 이처럼, 각 전극 시트(301, 303)는 세퍼레이터에 의해 분리됨과 동시에, 인접한 전극 시트(301, 303)와 서로 다른 공통단자(307, 309)에 연결된다. 따라서 일 방향의 전극 시트(301)들은 동일한 극성으로 매핑되고, 다른 방향의 전극 시트(303)들도 서로 동일한 극성으로 매핑되며, 전극 시트(301)와 전극 시트(303)은 서로 다른 극성으로 매핑된다.

공통단자(307, 309)의 극성은 미리 정해지는 것이 아니라, 해당 공통단자가 어느 내부전극에 연결되고, 해당 내부전극에는 어떤 외부 전원의 극성이 연결되는 가에 따라 결정된다. 예컨대, 제2 전극구성체(133)의 한 공통단자가 제3 내부전극(137a)에 전기적으로 연결되고, 제2 외부전극(111)에 외부전원의 (+) 단자가 연결된다면, 해당 공통단자는 (+) 전극 단자가 될 것이다.

<실시 예>

실시 예에 따라, 전기 에너지 저장소자는 제3 단위 전지를 더 수용할 수 있다. 이때, 제3 단위 전지는 제1 단위 전지(110)와 제2 단위 전지(130) 사이에 마련된다. 제3 단위 전지의 구조도 제1 단위 전지(110) 또는 제2 단위 전지(130)와 동일하다.

제3 단위 전지는 제1 수용부(103) 및 제2 수용부(131) 사이에 형성되어 제3 전극구성체를 수용하는 제3 수용부가 있고, 제3 수용부 내에 이격되어 마련되어 상기 제3 전극구성체와 전기적으로 연결되는 제5 및 제6 내부전극을 더 포함한다.

이 경우, 연결도선 층(151)은 제1 내지 제6 내부전극을 상호 연결함으로써, 제1 단위 전지(110) 내지 제3 단위 전지를 직렬 또는 병렬 연결 방식에 따라 상호 연결하게 된다. 이들이 직렬연결된 경우라면, 외부전극은 제1 외부전극(111)과 제2 외부전극(139)만으로 충분하다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

Claims

전극구성체와 전해질을 내부 공간부에 수용하여 전기 에너지를 저장하는 전기 에너지 저장소자에 있어서,
제1 단위 전지 및 제2 단위 전지를 위한 제1 수용부 및 제2 수용부가 형성된 용기;
알루미늄의 박판 양면에 분극성 전극을 붙인 복수 개의 전극 시트와 상기 전극시트 사이를 절연하는 세퍼레이터를 구비한 전극구성체로서, 전해질로 충진된 상기 제1 수용부 및 제2 수용부 내에 수용되어 상기 제1 단위 전지와 제2 단위 전지를 각각 형성하는 제1 전극구성체 및 제2 전극구성체;
상기 제1 수용부 내면에 이격되어 마련되고, 상기 제1 전극구성체의 양 극(+, -)과 전기적으로 연결된 제1 내부전극 및 제2 내부전극;
상기 제2 수용부 내면에 이격되어 마련되고, 상기 제2 전극구성체의 양 극(+, -)과 전기적으로 연결된 제3 내부전극 및 제4 내부전극;
상기 용기 상에 형성된 복수 개의 비아홀(Via Hole)을 통해 상기 제1 내지 제4 내부전극 중 선택된 두 개의 내부전극으로부터 개별적으로 연장되어 상기 용기의 외면 일측에 마련된 제1 및 제2 외부 전극;
상기 용기에 형성되어 상기 제1 내지 제4 내부전극을 상호 연결함으로써, 상기 제1 단위 전지 및 제2 단위 전지를 직렬 또는 병렬 연결 방식에 따라 상호 연결하는 적어도 하나의 연결도선 층; 및
상기 용기의 개방된 상부를 덮어 밀봉하는 캡을 포함하고,
상기 제1 및 제2 외부 전극은 상기 용기의 바닥면에 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장소자.
제1항에 있어서,
상기 연결도선 층은 상기 제1 및 제2 내부전극 중에서 선택된 어느 하나와 상기 제3 및 제4 내부전극 중에서 선택된 어느 하나를 상호 연결하는 하나의 연결도선으로써, 상기 제1 단위 전지 및 제2 단위 전지를 직렬연결하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장소자.
제1항에 있어서,
상기 연결도선 층은 상기 제1 및 제2 내부전극을 상기 제3 및 제4 내부전극과 상호 연결하는 두 개의 연결도선으로써, 상기 제1 단위 전지 및 제2 단위 전지를 병렬연결하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장소자.
제1항에 있어서,
제3 단위 전지를 위하여, 상기 제1 수용부 및 제2 수용부 사이에 형성되어 제3 전극구성체를 수용하는 제3 수용부; 및
상기 제3 수용부 내에 이격되어 마련되어 상기 제3 전극구성체와 전기적으로 연결되는 제5 및 제6 내부전극을 더 포함하고,
상기 연결도선 층은 상기 제1 내지 제6 내부전극을 상호 연결함으로써, 상기 제1 단위 전지 내지 제3 단위 전지를 직렬 또는 병렬 연결 방식에 따라 상호 연결하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장소자.
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