KR101753737B1 - 출력 특성이 향상된 전기에너지 저장 장치용 단자판 - Google Patents

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김상길
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주식회사 비츠로셀
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Abstract

출력 특성을 향상시킬 수 있는 전기에너지 저장 장치용 단자판에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 출력 특성이 향상된 전기에너지 저장 장치용 단자판은 단자판 몸체; 상기 단자판 몸체의 일면 상에 배치되며, 제1 면적을 갖는 가단자; 상기 단자판 몸체의 일면 및 타면을 관통하여, 상기 가단자를 상기 단자판 몸체에 결속시키는 가단자 리벳; 상기 단자판 몸체의 일면 상에 배치되며, 상기 제1 면적보다 넓은 제2 면적을 갖는 극성단자; 및 상기 단자판 몸체의 일면 및 타면을 관통하여, 상기 극성단자를 상기 단자판 몸체에 결속시키는 극성단자 리벳;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

출력 특성이 향상된 전기에너지 저장 장치용 단자판{TERMINAL PLATE FOR ELECTTIC ENERGY STORAGE DEVICE WITH EXCELLENT OUTPUT CHARACTERISTIC}
본 발명은 전기에너지 저장 장치용 단자판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 출력 특성을 향상시킬 수 있는 전기에너지 저장 장치용 단자판에 관한 것이다.
슈퍼커패시터(Super Capacitor)는 울트라 커패시터(ultra Capacitor)라고도 불리우며, 종래의 전해콘덴서보다 높은 에너지 밀도를 갖고 이차전지 보다 높은 출력밀도를 갖는 전기에너지 저장 장치이다. 따라서, 이러한 슈퍼커패시터는 높은 효율 및 반영구적인 수명특성으로 인해 이차전지와의 병용 및 대체가 가능한 차세대 전기에너지 저장 장치이다.
슈퍼커패시터는 에너지 저장메커니즘에 따라 전기이중층 커패시터(EDLC; electric double layer capacitor)와 유사커패시터(pseudocapacitor)로 구분될 수 있다. 유사커패시터는 전극물질로 사용되는 금속 산화물 및 전도성 고분자의 산화 및 환원 반응에 의해 전하를 축적하며, 전기이중층 커패시터는 활성탄소 전극과 전해질 계면의 전기이중층에 전하가 흡착되는 성질을 이용한다.
전기이중층 커패시터는 활성탄소와 같이 표면적이 넓은 물질을 전극의 활물질로 하여 전극물질의 표면과 전해질의 접촉면에 전기이중층을 형성하게 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, 슈퍼커패시터는, 유지보수(Maintenance)가 용이하지 않고 장기간의 사용 수명이 요구되는 애플리케이션(Application)에 대해서는 축전지 대체용으로 이용되기도 하며, 높은 에너지밀도를 갖는 이차전지 및 일차전지와 하이브리드(hybrid)하여 사용된다. 슈퍼커패시터는 출력특성(빠른 충방전) 및 반영구적인 특성을 기반으로 메모리 백업 및 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 슈퍼커패시터의 전극은 넓은 비표면적을 통한 고에너지와, 낮은 비저항을 통한 고출력화, 그리고 계면에서의 전기화학 반응의 억제를 통한 전기화학적 안정성 등을 가지는 것이 중요하다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2009-0118325호(2009.11.18. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 모듈형 전기이중층 커패시터 및 그 제조방법이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 출력 특성을 향상시킬 수 있는 전기에너지 저장 장치용 단자판을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 저장 장치용 단자판은 단자판 몸체; 상기 단자판 몸체의 일면 상에 배치되며, 제1 면적을 갖는 가단자; 상기 단자판 몸체의 일면 및 타면을 관통하여, 상기 가단자를 상기 단자판 몸체에 결속시키는 가단자 리벳; 상기 단자판 몸체의 일면 상에 배치되며, 상기 제1 면적보다 넓은 제2 면적을 갖는 극성단자; 및 상기 단자판 몸체의 일면 및 타면을 관통하여, 상기 극성단자를 상기 단자판 몸체에 결속시키는 극성단자 리벳;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 출력 특성이 향상된 전기에너지 저장 장치용 단자판은 가단자의 면적에는 변화가 없으면서 극성단자의 면적만을 의도적으로 10 ~ 50mm3로 확장 설계함으로써, 극성단자의 면적 증대를 통한 전자의 이동통로를 증대시켜 출력 특성을 향상시킬 수 있다.
이 결과, 정격 전압 2.7V, 정격용량 350F 제품에 적용 결과, 본 발명에 따른 전기에너지 저장 장치용 단자판은 가단자 및 극성단자의 면적이 6 ~ 7mm3의 면적으로 각각 설계될 경우에 비하여, 에이징 후 교류저항은 2.5mΩ에서 2.2mΩ으로 10% 이상 감소하였으며, 방전전류 200A에서 8% 이상의 출력 특성이 향상되는 것을 확인하였다.
또한, 본 발명에 따른 전기에너지 저장 장치용 단자판은 극성단자의 수직부에 단턱을 설계하는 것에 의해, 단자판 몸체와 PCB(Printed circuit board) 간의 삽입 한계점이 부여되어 삽입 공정을 용이하게 할 수 있음과 더불어, 솔더링을 실시한 후 단턱에 의해 PCB에 밀착되는 것을 방지하여 극성단자가 외부로 노출되는 구조를 가지므로 자연 공냉 기능을 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 저장 장치를 개략적으로 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 저장 장치용 단자판을 나타낸 사시도.
도 3은 단자판의 우측을 나타낸 측 단면도.
도 4는 단자판의 정면을 나타낸 정 단면도.
도 5는 도 2의 단자판을 확대하여 나타낸 평면도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 저장 장치용 단자판과 PCB 기판과의 결합 구조를 나타낸 단면도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 출력 특성이 향상된 전기에너지 저장 장치용 단자판에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 저장 장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 저장 장치(300)는 케이스(200), 권취 소자(미도시) 및 단자판(100)을 포함한다.
케이스(200)는 상측이 개방되는 원통 형상을 가질 수 있다. 이와 달리, 케이스(200)는 직육면체 형상, 육각 기둥 형상 등 다양한 형태로 설계될 수 있다. 이러한 케이스(200)의 내부에는 전해액이 함침된다. 이때, 전해액으로는 프로필렌카보네이트(propylene carbonate : PC), 아세토니트릴(acetonitrile : AN) 및 술포란(sulfolane : SL) 중 선택된 1종 이상의 용매에 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoroborate) 중 선택된 1종 이상의 염이 용해된 것이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
권취 소자는, 도면으로 상세히 나타내지는 않았지만, 외부 분리막, 양극 활물질을 포함하는 양극, 내부 분리막 및 음극 활물질을 포함하는 음극을 포함한다. 이때, 권취 소자는 외부 분리막, 양극 활물질을 포함하는 양극, 내부 분리막 및 음극 활물질을 포함하는 음극을 차례로 적층하고, 코일링(coling)하여 롤(roll) 형태로 제작한 후, 롤 주위로 접착 테이프 등을 부착하여 롤 형태가 유지될 수 있게 한다.
단자판(100)은 케이스(200)의 내부에 삽입된 권취 소자의 내부단자와 체결되어 외부와 도선역할을 수행함과 동시에, 케이스(200)와 함께 밀봉재 역할을 수행하여 내부 권취 소자 및 전해액을 오염 및 노출로부터 방지하는 역할을 한다.
이러한 단자판(100)의 세부 구성에 대해서는 이하 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 저장 장치용 단자판을 나타낸 사시도이고, 도 3은 단자판의 우측을 나타낸 측 단면도이다. 또한, 도 4는 단자판의 정면을 나타낸 정 단면도이고, 도 5는 도 2의 단자판을 확대하여 나타낸 평면도이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 저장 장치용 단자판(100)은 단자판 몸체(110), 가단자(130), 가단자 리벳(132), 극성단자(120) 및 극성단자 리벳(122)을 포함한다.
단자판 몸체(110)는 일면 및 일면에 반대되는 타면을 갖는다. 이때, 단자판(100)은 단자판 몸체(110)의 타면이 케이스(도 1의 200)와 마주보도록 결합된다. 이에 따라, 단자판 몸체(110)의 일면은 외부로 노출된다. 이러한 단자판 몸체(110)는 원 형상을 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 케이스의 형태에 따라 그 형상이 달라질 수 있다. 이때, 단자판 몸체(110)는 절연 재질로 이루어진다.
가단자(130)는 단자판 몸체(110)의 일면 상에 배치되며, 제1 면적을 갖는다. 이러한 가단자(130)는 단자판 몸체(110) 일면의 마주보는 양측 가장자리에 2개가 배치될 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 그 수 및 위치는 필요에 따라 변경될 수 있다는 것은 자명한 사실일 것이다.
그리고, 가단자 리벳(132)은 단자판 몸체(110)의 일면 및 타면을 관통하여, 가단자(130)를 단자판 몸체(110)에 결속시키는 역할을 한다. 이때, 가단자(130)와 가단자 리벳(132)은 프레스 조립 방식에 의해 결속된다.
극성단자(120)는 단자판 몸체(110)의 일면 상에 배치되며, 제1 면적보다 넓은 제2 면적을 갖는다. 이때, 극성단자(120)는 가단자(130)와 일정 간격 이격되도록 배치된다. 이러한 극성단자(120)는 단자판 몸체(110) 일면의 마주보는 양측 가장자리에 2개가 배치될 수 있으며, 이 경우 하나는 음극으로, 그리고 나머지 하나는 양극으로 사용될 수 있다.
그리고, 극성단자 리벳(122)은 단자판 몸체(110)의 일면 및 타면을 관통하여, 극성단자(120)를 단자판 몸체(110)에 결속시키는 역할을 한다. 이때, 극성단자(120)와 극성단자 리벳(122)은 초음파 융착 조립 방식에 의해 결속된다. 이와 같이, 극성단자(120)와 극성단자 리벳(122)은 초음파 융착 조립 방식에 의해 융착되는 형태로 결속이 이루어지므로 우수한 체결력 확보가 가능해질 수 있다.
극성단자(120)는 극성단자 리벳(122)과 중첩되는 수평부(120a)와, 수평부(120a)로부터 수직 방향으로 연장된 수직부(120b)를 갖는다. 이에 따라, 극성단자 리벳(122)의 상단은 극성단자 수평부(120a)의 상부에 배치되고, 극성단자 리벳(122)의 하단은 단자판 몸체(110)의 하면으로 일부가 돌출된다.
이때, 극성단자 리벳(122)은 단자판 몸체(110)의 일면 및 타면을 관통하는 극성단자 리벳 수직부(122a)와, 단자판 몸체(110)의 타면에 배치된 극성단자 리벳 수평부(122b)를 포함한다. 이때, 극성단자 리벳 수평부(122b)는 단자판 몸체(110)의 타면에 배치되어, 극성단자 리벳 수직부(122a)의 체결력을 보강하는 역할을 한다.
특히, 본 발명에서는 가단자(130)의 면적인 제1 면적은 3 ~ 10mm3로 설계되고, 극성단자(120)의 면적인 제2 면적은 10 ~ 50mm3로 설계된다. 종래에는 가단자(130)의 면적과 극성단자(120)의 면적이 상호 동일하게 6 ~ 7 mm3의 면적으로 설계되었으며, 이로 인하여 출력 특성이 좋지 못하였다.
이와 달리, 본 발명의 실시예에 따른 출력 특성이 향상된 전기에너지 저장 장치용 단자판(100)은 가단자(130)의 면적에는 변화가 없으면서 극성단자(120)의 면적만을 의도적으로 10 ~ 50mm3로 확장 설계하였으며, 이 결과 극성단자(120)의 면적 증대를 통한 전기전도성 향상으로 저항이 낮아져 출력 특성을 향상시킬 수 있는 구조적인 이점을 갖는다.
한편, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 저장 장치용 단자판과 PCB 기판과의 결합 구조를 나타낸 단면도로, 도 2와 연계하여 설명하도록 한다.
도 2 및 도 6에 도시된 바와 같이, 극성단자 수직부(120b)는 상측 가장자리에 단턱(T)이 구비된다. 이러한 단턱(T)을 설계하는 이유는 전기에너지 저장 장치 중 복수의 전지를 PCB 기판(400)을 이용하여 연결하는 전기이중층 커패시터에 단자판(100)을 결합할 시, 자연 공냉 기능을 부여하기 위함이다.
즉, PCB 기판(400)에는 극성단자(120)를 삽입하기 위한 극성단자 체결 홀(H1) 및 가단자(130)를 삽입하기 위한 가단자 체결 홀(H2)이 구비된다. 이에 따라, 단자판(100)을 PCB 기판(400)에 삽입하게 되면, 극성단자(120) 및 가단자(130)는 PCB 기판(400)의 극성단자 체결 홀(H1) 및 가단자 체결 홀(H2) 내에 삽입되며, 극성단자 수직부(120b)에 구비되는 단턱(T)에 의해 삽입 한계점이 부여되어 단자판 몸체(110)와 PCB 기판(400) 간에 일정한 간격을 유지시킬 수 있게 된다.
따라서, 단턱(T)은 단자판(100)을 PCB 기판(400)에 삽입할 시, 단자판 몸체(110)와 PCB 기판(400) 간의 삽입 한계점을 부여하여 삽입 공정을 용이하게 함과 더불어, 솔더링을 실시한 후 단턱(T)에 의해 극성단자(120)가 외부로 노출될 수 있으므로 자연 공냉 기능이 부여될 수 있다.
이를 위해, 단턱(T)은 0.5 ~ 1.5mm의 폭을 갖는 것이 바람직하다. 단턱(T)의 폭이 0.5mm 미만일 경우에는 그 폭이 협소한 관계로 단자판(100)을 PCB (400)에 안정적으로 지지하지 못하는 결과를 초래할 수 있다. 반대로, 단턱(T)의 폭이 1.5mm를 초과할 경우에는 과도한 폭 설계로 인하여 극성단자(120)의 면적이 축소될 우려가 크므로 바람직하지 못하다.
또한, 극성단자(120)는 극성단자 수직부(120b)의 상단 중앙 부분을 관통하는 솔더 배출 홀(SH)을 구비한다. 이러한 솔더 배출 홀(SH)은 솔더링 공정시 솔더가 단자의 외면에만 존재하지 않고 단자 내부를 통과하여 고정강도를 향상시킨다. 이때, 솔더 배출 홀(SH)은 0.2 ~ 0.8mm의 직경을 갖는 것이 바람직하다. 솔더 배출 홀(SH)의 직경이 0.2mm 미만일 경우에는 그 직경이 너무 협소한 관계로 솔더의 배출이 원활히 이루어지지 못할 우려가 크다. 반대로, 솔더 배출 홀(SH)의 직경이 0.8mm를 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 극성단자 수직부(120b)의 면적만을 감소시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 바람직하지 못하다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 출력 특성이 향상된 전기에너지 저장 장치용 단자판은 가단자의 면적에는 변화가 없으면서 극성단자의 면적만을 의도적으로 10 ~ 50mm3로 확장 설계함으로써, 극성단자의 면적 증대를 통한 전자의 이동통로를 증대시켜 출력 특성을 향상시킬 수 있다.
이 결과, 정격 전압 2.7V, 정격용량 350F 제품에 적용 결과, 본 발명에 따른 전기에너지 저장 장치용 단자판은 가단자 및 극성단자의 면적이 6 ~ 7mm3의 면적으로 각각 설계될 경우에 비하여, 에이징 후 교류저항은 2.5mΩ에서 2.2mΩ으로 10% 이상 감소하였으며, 방전전류 200A에서 8% 이상의 출력 특성이 향상되는 것을 확인하였다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 저장 장치용 단자판은 극성단자의 수직부에 단턱을 설계하는 것에 의해, 단자판 몸체와 PCB(Printed circuit board) 간의 삽입 한계점이 부여되어 삽입 공정을 용이하게 할 수 있음과 더불어, 솔더링을 실시한 후 단턱에 의해 PCB에 밀착되는 것을 방지하여 극성단자가 외부로 노출되는 구조를 가지므로 자연 공냉 기능을 갖는다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 단자판 110 : 단자판 몸체
120 : 극성단자 120a : 극성단자 수평부
120b : 극성단자 수직부 122 : 극성단자 리벳
122a : 극성단자 리벳 수직부 122b : 극성단자 리벳 수평부
130 : 가단자 132 : 가단자 리벳
T : 단턱 SH : 솔더 배출 홀
H1 : 극성단자 체결 홀 H2 : 가단자 체결 홀

Claims (10)

  1. 단자판 몸체;
    상기 단자판 몸체의 일면 상에 배치되며, 제1 면적을 갖는 가단자;
    상기 단자판 몸체의 일면 및 타면을 관통하여, 상기 가단자를 상기 단자판 몸체에 결속시키는 가단자 리벳;
    상기 단자판 몸체의 일면 상에 배치되며, 상기 제1 면적보다 넓은 제2 면적을 갖는 극성단자; 및
    상기 단자판 몸체의 일면 및 타면을 관통하여, 상기 극성단자를 상기 단자판 몸체에 결속시키는 극성단자 리벳;을 포함하며,
    상기 극성단자는 상기 극성단자 리벳과 중첩되는 수평부와, 상기 수평부로부터 수직 방향으로 연장된 수직부를 갖고,
    상기 극성단자 수직부는 상측 가장자리에 단턱이 구비되며, 상기 단턱에 의해 삽입 한계점이 부여되어 상기 단자판 몸체와 PCB 기판 간에 간격이 유지되는 전기에너지 저장 장치용 단자판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 면적은 3 ~ 10mm3이고,
    상기 제2 면적은 10 ~ 50mm3인 것을 특징으로 하는 출력 특성이 향상된 전기에너지 저장 장치용 단자판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가단자와 가단자 리벳은
    프레스 조립 방식에 의해 결속되는 것을 특징으로 하는 출력 특성이 향상된 전기에너지 저장 장치용 단자판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 극성단자와 극성단자 리벳은
    초음파 융착 조립 방식에 의해 결속되는 것을 특징으로 하는 출력 특성이 향상된 전기에너지 저장 장치용 단자판.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단턱은
    0.5 ~ 1.5mm의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 출력 특성이 향상된 전기에너지 저장 장치용 단자판.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 극성단자는
    상기 극성단자 수직부의 상단 중앙 부분을 관통하는 솔더 배출 홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 출력 특성이 향상된 전기에너지 저장 장치용 단자판.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 솔더 배출 홀은
    0.2 ~ 0.8mm의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 출력 특성이 향상된 전기에너지 저장 장치용 단자판.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 극성단자 리벳은
    상기 단자판 몸체의 일면 및 타면을 관통하는 극성단자 리벳 수직부와,
    상기 단자판 몸체의 타면에 배치된 극성단자 리벳 수평부를 포함하는 것을 특징으로 하는 출력 특성이 향상된 전기에너지 저장 장치용 단자판.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006313818A (ja) * 2005-05-09 2006-11-16 Kohoku Kogyo Kk 外部端子付き封口板およびその製造方法

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