KR101812195B1 - 전기에너지 저장장치 모듈용 셀 외장 케이스 및 이를 포함하는 전기에너지 저장장치 모듈 - Google Patents

전기에너지 저장장치 모듈용 셀 외장 케이스 및 이를 포함하는 전기에너지 저장장치 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기에너지 저장장치 모듈용 셀 외장 케이스 및 이를 포함하는 전기에너지 저장장치 모듈에 관한 것이다. 본 발명은 복수의 셀 소자(A)가 내장되는 하우징(100)을 포함하되, 상기 하우징(100)은 각 셀 소자(A)가 수용되는 복수의 셀 수용부(S1 ~ S6)를 포함하는 전기에너지 저장장치 모듈용 셀 외장 케이스(B), 및 이를 포함하는 전기에너지 저장장치 모듈을 제공한다. 본 발명에 따르면, 전기에너지 저장장치 모듈의 제조 공정(모듈화 조립 공정)이 단순화되고 제조비용(생산 단가) 등이 절감되며, 경량화가 구현된다.

Description

전기에너지 저장장치 모듈용 셀 외장 케이스 및 이를 포함하는 전기에너지 저장장치 모듈 {CELL OUTER CASE FOR ELECTRIC ENERGY STORAGE DEVICE MODULE, AND ELECTRIC ENERGY STORAGE DEVICE MODULE HAVING THE SAME}
본 발명은 전기에너지 저장장치 모듈용 셀 외장 케이스 및 이를 포함하는 전기에너지 저장장치 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기에너지 저장장치 모듈의 제조 공정(조립 공정)의 개선, 경량화, 및/또는 전기적 특성의 향상 등을 도모할 수 있는 전기에너지 저장장치 모듈용 외장 케이스 및 이를 포함하는 전기에너지 저장장치 모듈에 관한 것이다.
충/방전이 가능한 전기에너지 저장장치, 예를 들어 전기 화학 소자로서의 커패시터(capacitor)나 리튬 이온(Li+) 전지 등의 2차 전지는 여러 산업 분야에서 널리 사용되고 있다. 예를 들어, 전기이중층 커패시터(EDLC ; Electric Double Layer Capacitor)는 에너지 밀도가 높고, 충전과 방전의 반복으로 인한 열화가 작아 보수가 거의 필요 없어 그 수요가 높다.　 이에 따라, 전기이중층 커패시터(EDLC)는 각종 전기ㆍ전자기기의 보조전원이나 IC 백업 전원 등으로 주로 사용되고 있으며, 최근에는 장난감, 산업용 전원, UPS(UNINTERRUPTED POWER SUPPLY), 태양열 에너지 저장, HEV/EV SUB POWER 등에까지 폭넓게 응용되고 있다.
일반적으로, 전기이중층 커패시터(EDLC) 등의 전기에너지 저장장치는 복수의 단위 셀(unit cell)을 직렬 및/또는 병렬 연결하여 적정 전압을 갖도록 모듈화하여 사용된다. 이때, 상기 각 단위 셀은 셀 소자와, 이를 내장하기 위한 셀 외장 케이스를 포함한다. 상기 셀 소자는 양극 및 음극의 두 전극과, 상기 두 전극의 사이에 개재되어 이온(ion) 이동만 가능하게 하고 단락 방지(절연)를 위한 다공성 재질의 세퍼레이터(separator)를 포함한다.
일반적으로, 전기이중층 커패시터(EDLC)의 셀을 구성하는 전극은 전극활물질로서 다공성의 활성탄이 주로 사용되며, 이는 구체적으로 활성탄, 바인더(binder) 및 도전재를 포함하는 활성탄 전극 조성물(슬러리)을 알루미늄 포일(Al foil) 등의 금속 집전체 상에 코팅, 압연하여 제조한 것이 사용된다.
또한, 위와 같은 셀 소자, 즉 상기 전극(양극 및 음극)과 세퍼레이터는 셀 외장 케이스 내에 내장되며, 전해액에 의해 함침된다. 상기 셀 외장 케이스는 원통형이나 각형 등의 외형을 가지며 기계적 강도, 열적 강도 및 내화학성 등을 고려하여 금속재로 구성되고 있다. 이러한 셀 외장 케이스는 대부분의 경우 가격 및 가공성 등에서 유리한 알루미늄(Al) 재질로 구성되고 있다.
예를 들어, 대한민국 등록특허 제10-0967504호, 대한민국 등록특허 제10-1462155호, 대한민국 등록특허 제10-1527126호, 대한민국 공개특허 제10-2011-0131250호, 일본 공개특허 제2007-66530호 및 일본 공개특허 제2007-87704호 등에는 위와 관련한 기술이 제시되어 있다.
또한, 전기이중층 커패시터(EDLC) 등의 셀을 모듈화함에 있어서는 상기와 같은 단위 셀을 모듈 컨테이너(Module Container) 내에 복수개 수납하고, 복수의 단위 셀들을 버스 바(Buss bar)로 직렬 및/또는 병렬 연결하여 모듈화한다. 예를 들어, 대한민국 공개특허 제10-2013-0093697호 및 대한민국 공개특허 제10-2014-0122537호 등에는 위와 관련한 커패시터 모듈이 제시되어 있다.
그러나 종래 기술에 따른 전기에너지 저장장치 모듈은 적어도 다음과 같은 문제점이 있다.
먼저, 상기 복수의 단위 셀들은 각각 독립된 요소로 모듈 컨테이너 내에 수납되므로 흔들림이 발생되는 경우 단위 셀들 간에 단락이 발생될 수 있다. 이러한 단락은 자동차나 중장비 등과 같이 진동이나 충격이 많이 발생되는 장비에 탑재되는 경우에 심해질 수 있다. 이에 따라, 단위 셀들을 고정하기 위한 고정 수단을 필요로 하는 문제점이 있다. 예를 들어, 상기 대한민국 공개특허 제10-2013-0093697호에서는 상기 고정 수단으로서 모듈 컨테이너 내에 셀 고정틀을 설치하여 셀들을 고정하고 있다.
또한, 상기 복수의 단위 셀들은 모듈 컨테이너 내에 각각 독립적으로 수납, 설치되므로 단위 셀의 개수에 비례하여 수납 공정수가 증가된다. 무엇보다, 종래 기술에 따른 모듈은 상기한 바와 같이 각 단위 셀마다 각 셀 소자를 내장하기 위한 각각의 셀 외장 케이스를 포함하여, 전체적인 부품 수 및 조립 공정수가 많다. 이에 따라, 적어도 중량이 커지고, 모듈의 제조 공정(모듈화 공정)이 복잡한 문제점이 있다.
부가적으로, 상기 각 셀 외장 케이스는 알루미늄(Al) 등의 금속재로 구성되어, 전기에너지 저장장치 모듈의 경량화가 어려운 문제점이 있다. 이는 전기에너지 저장장치 모듈의 용량 및 용적이 커지거나 셀 개수가 증가할수록 심해진다.
한편, 일부에서는 상기 셀 외장 케이스의 경량화를 위해 폴리에틸렌(PE)이나 폴리프로필렌(PP) 등의 수지재로 구성하는 기술이 시도되었으나, 이 경우 셀 외장 케이스의 기계적 강도, 내열성 및 내화학성 등이 떨어져 실용화(제품화)되기에는 어려움이 있었다.
대한민국 등록특허 제10-0967504호 대한민국 등록특허 제10-1462155호 대한민국 등록특허 제10-1527126호 대한민국 공개특허 제10-2011-0131250호 일본 공개특허 제2007-66530호 일본 공개특허 제2007-87704호 대한민국 공개특허 제10-2013-0093697호 대한민국 공개특허 제10-2014-0122537호
이에, 본 발명은 개선된 전기에너지 저장장치 모듈용 셀 외장 케이스 및 이를 포함하는 전기에너지 저장장치 모듈을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
구체적으로, 본 발명은 전기에너지 저장장치 모듈의 제조 공정(모듈화 조립 공정)의 개선, 경량화, 및/또는 전기적 특성의 향상 등을 도모할 수 있는 전기에너지 저장장치 모듈용 셀 외장 케이스, 및 상기 셀 외장 케이스를 포함하는 전기에너지 저장장치 모듈을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
복수의 셀 소자가 내장되는 하우징을 포함하고,
상기 셀 소자는 제1 전극, 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 제2 전극의 사이에 형성된 세퍼레이터를 포함하며,
상기 하우징은 각 셀 소자가 수용되는 복수의 셀 수용부를 포함하는 전기에너지 저장장치 모듈용 셀 외장 케이스를 제공한다.
바람직한 실시 형태에 따라서, 상기 하우징은 제1 하우징과, 상기 제1 하우징의 하부에 결합되는 제2 하우징을 포함하되,
상기 제1 하우징은 제1 벽체와, 상기 제1 벽체에 형성된 제1 구획부와, 상기 제1 벽체의 상단에 형성된 상판과, 상기 제1 벽체의 하단에 형성된 제1 결합부를 포함하며,
상기 제2 하우징은 제2 벽체와, 상기 제2 벽체에 형성된 제2 구획부와, 상기 제2 벽체의 하단에 형성된 하판과, 상기 제2 벽체의 상단에 형성되고 상기 제1 결합부와 결합되는 제2 결합부를 포함하고,
상기 복수의 셀 수용부는, 상기 제1 구획부에 의해 형성된 복수의 제1 셀 수용부와 상기 제2 구획부에 의해 형성된 복수의 제2 셀 수용부의 조합(합체)에 의해 형성된다.
또한, 본 발명에 따른 전기에너지 저장장치 모듈용 셀 외장 케이스는,
상기 상기 하우징의 내측 상부에 설치되고, 상기 셀 소자의 제1 전극과 결합되는 제1 도전성 결합판;
상기 제1 도전성 결합판에 결합되는 제1 단자 부재;
상기 하우징의 내측 하부에 설치되고, 상기 셀 소자의 제2 전극과 결합되는 제2 도전성 결합판; 및
상기 제2 도전성 결합판에 결합되는 제2 단자 부재를 포함하는 바람직하다.
아울러, 상기 제1 도전성 결합판은, 1개의 셀 소자가 용접, 결합되는 단위 셀 결합판과, 복수 개의 셀 소자가 용접, 결합되는 복수 셀 결합판을 포함하는 것이 바람직하며, 상기 제2 도전성 결합판은, 복수 개의 셀 소자가 용접, 결합되는 복수 셀 결합판을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 상기 본 발명에 셀 외장 케이스를 포함하는 전기에너지 저장장치 모듈을 제공한다. 상기 전기에너지 저장장치 모듈은, 예를 들어 전기이중층 커패시터(EDLC) 모듈 등으로부터 선택될 수 있다.
본 발명에 따르면, 전기에너지 저장장치를 모듈화를 위한 개선된 셀 외장 케이스 및 이를 포함하는 전기에너지 저장장치 모듈이 제공된다.
구체적으로, 본 발명에 따르면, 셀 외장 케이스의 구조, 재질, 및/또는 용접 방법 등의 개선으로 적어도 부품 수 및 조립 공정 수 등이 감소되고, 이와 함께 경량화가 도모된다. 이에 따라, 본 발명은 전기에너지 저장장치 모듈의 제조 공정(모듈화 조립 공정)이 단순화되고 제조비용(생산 단가) 등이 절감되며, 경량화가 구현되는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 전기에너지 저장장치 모듈의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 전기에너지 저장장치 모듈의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전기에너지 저장장치 모듈을 구성하는 모듈 조립체의 실시 형태를 보인 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전기에너지 저장장치 모듈을 구성하는 모듈 조립체의 실시 형태를 보인 저면 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 전기에너지 저장장치 모듈을 구성하는 모듈 조립체의 실시 형태를 보인 결합 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 전기에너지 저장장치 모듈을 구성하는 셀 소자의 실시 형태를 보인 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 전기에너지 저장장치 모듈을 구성하는 셀 소자의 실시 형태를 보인 요부 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시 형태에 따른 하우징의 분해 단면 사시도이다.
도 9는 본 발명의 실시 형태에 따른 모듈 조립체의 요부 분해 사시도이다.
도 10은 본 발명의 실시 형태에 따른 모듈 조립체의 요부 단면 사시도이다.
도 11은 본 발명의 실시 형태에 따른 모듈 조립체의 요부 분해 사시도이다.
도 12는 본 발명의 실시 형태에 따른 전기에너지 저장장치 모듈의 요부 분해 사시도이다.
도 13은 본 발명의 실시 형태에 따른 전기에너지 저장장치 모듈의 요부 분해 사시도이다.
도 14는 본 발명의 실시 형태에 따른 모듈 조립체의 요부 단면도 및 확대 단면 사시도이다.
도 15는 본 발명의 실시 형태에 따른 전기에너지 저장장치 모듈의 분해 사시도이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 성형체에 대해 무게를 측정하고 있는 모습을 보인 사진이다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "및/또는"은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나 이상을 포함하는 의미로 사용된다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "하나 이상"은 하나 또는 둘 이상의 복수를 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "제1", "제2", "제3", "제4", "일측" 및 "타측" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되며, 각 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "상에 형성", "상부(상측)에 형성", "하부(하측)에 형성", "상에 설치", "상부(상측)에 설치" 및 "하부(하측)에 설치" 등은, 당해 구성요소들이 직접 접하여 적층 형성(설치)되는 것만을 의미하는 것은 아니고, 당해 구성요소들 간의 사이에 다른 구성요소가 더 형성(설치)되어 있는 의미를 포함한다. 예를 들어, "상에 형성된다", "상에 설치된다" 라는 것은, 제1구성요소에 제2구성요소가 직접 접하여 형성(설치)되는 의미는 물론, 상기 제1구성요소와 제2구성요소의 사이에 제3구성요소가 더 형성(설치)될 수 있는 의미를 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 '형성', '설치', '연결', '결합' 및 '체결' 등은, 두 개의 부재가 착탈(결합과 분리)이 가능하게 결합된 것은 물론, 일체 구조의 의미를 포함한다. 구체적으로, 본 명세서에서 사용되는 용어 '형성', '설치', '연결', '결합' 및 '체결' 등은, 예를 들어 강제 끼움 방식(억지 끼움 방식); 홈과 돌기를 이용한 끼움 방식; 및 나사, 볼트, 피스, 리벳 등의 체결 부재를 이용한 체결 방식 등을 통하여, 두 개의 부재가 결합과 분리가 가능하도록 결합되는 것은 물론 용접, 접착제 및/또는 일체적 성형 등을 통하여 두 개의 부재가 결합된 후, 분리가 불가능하게 구성된 의미를 포함한다. 또한, 상기 '형성' 및 '설치'의 경우에는 별도의 결합력 없이 두 개의 부재가 적층(안착)되어 있는 의미도 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태를 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 실시 형태를 도시한 것으로, 이는 단지 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공된다. 첨부된 도면에서, 도면 부호 H는 각 구성요소 간을 결합시키기 위한 체결구(H)이다. 이러한 체결구(H)는, 예를 들어 나사, 볼트, 피스 및/또는 리벳 등으로부터 선택될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지의 범용적인 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 하나의 실시 형태에 따라서, 구조적 및/또는 형태적으로 개선되어 종래보다 적어도 부품 수 및 조립 공정 수 등이 절감된 전기에너지 저장장치 모듈용 셀 외장 케이스(B) 및 이의 제조방법(조립방법)을 제공한다. 또한, 본 발명은 다른 실시 형태에 따라서, 셀 외장 케이스(B)를 구성하는 주요 부품의 재질이 개선되어 적어도 경량성이 우수하고, 이에 더하여 내화학성(내전해액성 등) 및 기계적 강도 등이 향상된 전기에너지 저장장치 모듈용 셀 외장 케이스(B) 및 이의 제조방법(조립방법)을 제공한다.
이에 더하여, 본 발명은 적어도 상기 본 발명에 따른 셀 외장 케이스(B)를 포함하여, 전기에너지 저장장치 모듈의 제조 공정(모듈화 조립 공정)이 단순화되고 제조비용(생산 단가) 등이 절감되며, 이와 함께 경량화가 구현된 전기에너지 저장장치 모듈 및 이의 제조방법(조립방법)을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 전기에너지 저장장치 모듈의 실시 형태를 설명하면서 본 발명에 따른 전기에너지 저장장치 모듈용 셀 외장 케이스(B)를 함께 설명한다.
본 발명에서, 전기에너지 저장장치는, 충/방전이 가능한 것이면 특별히 제한되지 않는다. 본 발명에서, 전기에너지 저장장치는 전기 화학 소자로서, 예를 들어 전기이중층 커패시터(EDLC ; Electric Double Layer Capacitor), 의사 커패시터(Pseudo Capacitor) 및 하이브리드 커패시터(Hybrid Capacitor) 등의 슈퍼 커패시터(Super Capacitor); 세라믹 커패시터, Al 전해 커패시터 및 Ta 커패시터 등의 일반 커패시터; 그리고 리튬 이온(Li+) 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈-수소(Ni-H) 전지, 납축 전지 및 전해 콘덴서 등의 일반 2차 전지 등으로부터 선택될 수 있다.
하나의 예시에서, 전기에너지 저장장치는 전기이중층 커패시터(EDLC)로부터 선택될 수 있다. 이하, 본 발명에 따른 전기에너지 저장장치 모듈을 설명함에 있어, 경우에 따라 전기이중층 커패시터(이하, "EDLC"로 약칭한다.)를 예로 들어 설명한다. 아울러, 이하에서 사용되는 용어, "전기적 특성"은 전기에너지 저장장치(예, EDLC)의 용량, 저항, 파워 밀도, 에너지 밀도, 전압 및 누설 전류 등으로부터 선택된 적어도 하나 이상을 의미한다. 예를 들어, "전기적 특성이 우수하다(개선된다)."라는 것은 "전기에너지 저장장치(예, EDLC)의 용량, 저항, 파워 밀도, 에너지 밀도, 전압 및 누설 전류 등으로부터 선택된 적어도 하나 이상이 우수하다(개선된다)."라는 것을 의미한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전기에너지 저장장치 모듈(이하, "모듈"로 약칭한다.)은 적어도 하나 이상의 모듈 조립체(M)를 포함한다. 본 발명에 따른 모듈은, 예를 들어 1개 내지 10개의 모듈 조립체(M)를 포함할 수 있으며, 도 1 및 도 2에는 2개의 모듈 조립체(M)를 포함하는 모듈을 예시하였다.
본 발명에 따른 모듈은 구체적인 실시 형태에 따라서, 하나 또는 복수 개의 모듈 조립체(M)와, 적어도 하나 이상의 제어부(D)를 포함할 수 있다. 상기 제어부(D)는 모듈 조립체(M)의 작동을 제어 및/또는 관리하는 것으로서, 이는 예를 들어 PCB 기판을 포함할 수 있다. 아울러, 상기 제어부(D)는, 통상과 같이 커패시터 관리 시스템(CMS ; Capacitor Management System), 또는 울트라-커패시터 관리 유닛(UMU ; Ultra-Capacitor Management Unit)을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 모듈은 2개 이상 복수 개의 모듈 조립체(M)를 포함하는 경우, 상기 모듈 조립체(M)들을 전기적으로 연결하는 연결 버스 바(E)(Connecting Buss Bar)를 더 포함할 수 있다. 상기 연결 버스 바(E)는 도전성으로서, 이는 예를 들어 금속재로부터 선택된다. 본 발명에서, 도전성은 전기 전도성을 의미한다. 상기 연결 버스 바(E)는 모듈에 하나 또는 2개 이상 복수 개 설치될 수 있으며, 이는 상기 모듈 조립체(M)의 상단 및/또는 하단에 설치되어 모듈 조립체(M) 상호간을 직렬 및/또는 병렬로 연결한다. 아울러, 본 발명에 따른 모듈은 모듈 조립체(M)의 일측에 설치된 외부 단자(G)를 더 포함할 수 있다. 외부 단자(G)는 외부 전원과 연결된다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 모듈은 다른 실시 형태에 따라서, 상기 모듈 조립체(M)를 수납하는 모듈 컨테이너(F)(Module Container)를 선택적으로 더 포함할 수 있다. 모듈 컨테이너(F)의 내부에는 적어도 이상의 모듈 조립체(M)가 수납된다. 도 2에는 모듈 컨테이너(F)의 내부에 2개의 모듈 조립체(M)가 수납되는 모습이 예시되어 있다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 상기 모듈 조립체(M)는 복수의 셀 소자(A)와, 상기 셀 소자(A)를 내장하기 위한 셀 외장 케이스(B)를 포함한다. 이때, 본 발명에 따라서, 상기 셀 외장 케이스(B)에는 복수 개의 셀 소자(A)가 내장된다. 즉, 본 발명에 따라서, 상기 모듈 조립체(M)는 1개의 셀 외장 케이스(B)와 복수의 셀 소자(A)를 포함하되, 상기 1개의 셀 외장 케이스(B)에는 복수의 셀 소자(A)가 내장된다. 또한, 상기 모듈 조립체(M)는 셀 외장 케이스(B) 상에 설치된 조립 부재(C)를 더 포함할 수 있다. 이하, 본 발명에 따른 모듈을 구성하는 각 구성요소들의 예시적인 실시 형태를 설명하면 다음과 같다.
[1] 셀 소자(A)
도 6 및 도 7에는 상기 셀 소자(A)의 실시 형태가 도시되어 있다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 셀 소자(A)는 전지적 구동이 가능한 것이면 특별히 제한되지 않으며, 이는 예를 들어 통상과 같이 구성될 수 있다. 셀 소자(A)는 충/방전이 가능한 전지적 셀 구성 요소로서, 이는 적어도 하나 이상의 제1 전극(10)과, 적어도 하나 이상의 제2 전극(20)과, 적어도 하나 이상의 세퍼레이터(30)를 포함한다.
본 발명에서, 상기 제1 전극(10), 제2 전극(20) 및 세퍼레이터(30)의 개수는 제한되지 않는다. 세퍼레이터(30)는 적어도 제1 전극(10)과 제2 전극(20)의 사이에는 적층, 형성된다. 이때, 어느 하나의 셀 소자(A)에서, 제1 전극(10)은 양극(anode)이고, 제2 전극(20)은 음극(cathode)일 수 있으며, 이와는 반대로 제1 전극(10)이 음극이고, 제2 전극(20)이 양극일 수 있다. 각 셀 소자(A)를 구성하는 제1 및 제2 전극(10)(20)은 직렬/병렬 연결에 따라 양극 및/또는 음극이 될 수 있다.
상기 셀 소자(A)는 하나 이상의 세퍼레이터(30)를 사이에 두고 제1 전극(10)과 제2 전극(20)이 교대로 적층된 적층체를 포함하되, 이러한 적층체를 적어도 하나 이상 포함한다. 이러한 셀 소자(A)를 구성하는 각 구성요소의 성분, 재질 및 형상 등은 특별히 제한되지 않는다. 도면에는 원통형의 셀 소자(A)가 예시되어 있다. 도면에 예시한 바와 같이, 셀 소자(A)는 제1 전극(10), 제2 전극(20) 및 세퍼레이터(30)를 포함하는 적층체가 원통형으로 와인딩(winding)된 다음, 테이프 등에 의해 밴딩(banding)된 권취 소자(W)로 구성될 수 있다.
상기 셀 소자(A), 즉 상기 권취 소자(W)는 전해액에 함침된다. 셀 소자(A)는, 전해액에 함침된 후에 셀 외장 케이스(B)의 내부에 내장되거나, 셀 외장 케이스(B)의 내부에 내장된 후에 전해액의 주입을 통해 함침될 수 있다. 셀 소자(A)는, 구체적으로 셀 외장 케이스(B)를 구성하는 하우징(100) 내에 복수 개 내장된다.
도 6 및 도 7을 참조하면, EDLC의 경우, 상기 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)은 각각 금속 집전체(12)(22)와, 상기 금속 집전체(12)(22) 상에 형성된 활성탄 전극(14)(24)을 포함할 수 있다. 상기 활성탄 전극(14)(24)은 금속 집전체(12)(22)의 적어도 한 면에 형성된다.
구체적으로, 상기 활성탄 전극(14)(24)은 금속 집전체(12)(22)의 한쪽 면에만 형성되거나, 양쪽 면 모두에 형성될 수 있다. 도 6 및 도 7에는 활성탄 전극(14)(24)이 금속 집전체(12)(22)의 양쪽 면 모두에 형성된 모습이 예시되어 있다. 상기 금속 집전체(12)(22)는, 예를 들어 알루미늄 포일(Al foil)이 사용될 수 있으며, 상기 활성탄 전극(14)(24)는 활성탄, 바인더(binder) 및 도전재를 포함하는 활성탄 전극 조성물이 금속 집전체(12)(22) 상에 코팅, 압연되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)은 각각 용접 결합부(12a)(22a)를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)은 금속 집전체(12)(22) 상에 활성탄 전극 조성물이 코팅, 형성된 활성탄 전극(14)(24)을 포함하되, 상기 활성탄 전극(14)(24)이 형성(코팅)되지 않은 부분으로서의 제1 용접 결합부(12a) 및 제2 용접 결합부(22a)를 포함할 수 있다.
이때, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 전극(10)에 형성된 제1 용접 결합부(12a)는 상측으로 인출되고, 제2 전극(20)에 형성된 제2 용접 결합부(22a)는 하측으로 인출될 수 있다. 이와는 반대로, 상기 제1 용접 결합부(12a)는 하측으로 인출되고, 상기 제2 용접 결합부(22a)는 상측으로 인출될 수 있다. 이러한 각 용접 결합부(12a)(22a)는 EDLC의 내부 단자 기능을 할 수 있으며, 이들은 셀 외장 케이스(B)의 도전성 결합판(210)(220)과 용접, 결합된다. 구체적으로, 제1 용접 결합부(12a)는 제1 도전성 결합판(210)에 용접되고, 제2 용접 결합부(22a)는 제2 도전성 결합판(220)에 용접된다.
상기 모듈 조립체(M)는 위와 같은 셀 소자(A)를 복수개 포함한다. 셀 소자(A)의 개수는 제한되지 않는다. 1개의 모듈 조립체(M)는, 예를 들어 2개 내지 18개의 셀 소자(A)를 포함할 수 있다. 도면에는 6개의 셀 소자(A)를 포함하는 모듈 조립체(M)를 예시하였다. 또한, 상기 복수의 셀 소자(A)들은 상호간 직렬 및/또는 병렬로 연결된다. 복수의 셀 소자(A)들은, 예를 들어 도전성 결합판(210)(220) 및/또는 연결 버스 바(E)를 통해 직렬 및/또는 병렬로 연결된다.
[2] 셀 외장 케이스(B)
상기 셀 외장 케이스(B)는 적어도 하우징(100)을 포함한다. 도 8에는 본 발명의 실시 형태에 따른 하우징(100)의 분해 단면 사시도가 도시되어 있다. 도 3 및 도 8을 참조하면, 본 발명에 따라서 하우징(100)에는 복수의 셀 소자(A)가 내장된다. 즉, 본 발명에 따라서 하우징(100)은 복수의 셀 소자(A)를 내장할 수 있는 복수의 셀 수용부(S)(S1 ~ S6)를 포함한다. 구체적으로, 상기 하우징(100)은 복수의 셀 소자(A)가 내장되는 내부 공간(S)을 가지되, 상기 내부 공간(S)은 각 셀 소자(A)가 수용되는 복수의 셀 수용부(S1 ~ S6)를 포함한다.
구체적인 실시 형태에 따라서, 상기 하우징(100)은 내부 공간(S)을 형성하는 벽체(110)와, 상기 벽체(110)에 형성된 구획부(120)와, 상기 구획부(120)에 의해 형성된 복수의 셀 수용부(S1 ~ S6)를 포함한다. 상기 벽체(110)는, 복수의 셀 소자(A)가 내장될 수 있는 내부 공간(S)을 형성할 수 있는 것이면, 그의 형상이나 크기(두께, 길이 및 높이 등) 등은 제한되지 않는다.
상기 내부 공간(S)은, 복수의 셀 소자(A)가 내장될 수 있는 공간으로서, 이는 상기 구획부(120)에 의해 복수 개의 셀 수용부(S1 ~ S6)로 분할, 구획된다. 이때, 상기 복수의 셀 수용부(S1 ~ S6)는 인접하는 셀 수용부(S1 ~ S6)와 연통로(125)를 통해 서로 연통되어 있다.
상기 구획부(120)는 내부 공간(S)을 복수의 셀 수용부(S1 ~ S6)로 분할, 구획할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 구획부(120)는, 예를 들어 벽체(110)의 내측에 형성되되, 도면에 도시된 바와 같이 벽체(110)로부터 일체로 요입되어 형성될 수 있다. 복수의 셀 수용부(S1 ~ S6)는 위와 같이 벽체(110)의 내측으로 요입, 형성된 복수의 구획부(120)에 의해 벽체(110)가 굴곡되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 구획부(120)는 칸막이 형태로 형성되되, 복수의 셀 수용부(S1 ~ S6)가 서로 연통되게 할 수 있으면 좋다. 구체적으로, 구획부(120)는 벽체(110)의 내측에 형성된 칸막이 부재로 구성되되, 상기 칸막이 부재에는 연통로(125)가 형성되어, 상기 내부 공간(S)을 복수의 셀 수용부(S1 ~ S6)로 분할, 구획하면서 셀 수용부들(S1 ~ S6)이 서로 연통되게 할 수 있으면 좋다.
상기 셀 수용부(S1 ~ S6)는, 예를 들어 원형 또는 사각형 등의 단면 형상을 가질 수 있다. 셀 수용부(S1 ~ S6)는, 바람직하게는 셀 소자(A)의 형상과 대응되는 형상을 갖는다. 구체적으로, 셀 소자(A)가 원통형의 권취 소자(W)인 경우, 셀 수용부(S1 ~ S6)는 원형으로서, 셀 소자(A)와 동일한 단면 형상을 갖는다. 이때, 본 발명에서, 원형은 완전한 원형만을 의미하는 것은 아니다.
상기 셀 수용부(S1 ~ S6)의 개수는 제한되지 않는다. 셀 수용부(S1 ~ S6)의 개수는 셀 소자(A)의 개수와 대응된다. 즉, 셀 수용부(S1 ~ S6)와 셀 소자(A)의 개수는 동일하다. 셀 수용부(S1 ~ S6)는, 예를 들어 하우징(100)에 2개 내지 18개가 형성될 수 있다. 도면에 예시한 바와 같이, 상기 셀 소자(A)가 6개인 경우, 셀 수용부(S1 ~ S6)의 개수는 6개로서 셀 소자(A)의 개수와 대응되며(동일하며), 1개의 셀 수용부(S1 ~ S6)에는 1개의 셀 소자(A)가 내장된다.
아울러, 위와 같이 셀 수용부(S1 ~ S6)가 6개인 경우, 각 셀 수용부(S1 ~ S6)는 5개의 연통로(125)를 통해 서로 연통된다. 이때, 상기 연통로(125)는 전해액의 흐름 통로를 제공하여 전해액 함침 공정을 개선할 수 있다. 즉, 하우징(100)의 일측에 형성된 전해액 주입구(105)를 통해 전해액이 주입되면, 각 연통로(125)를 통해 각 셀 수용부(S1 ~ S6)에 전해액이 주입되어, 복수의 셀 소자(A)는 한번의 주입 공정으로 전해액에 함침될 수 있다.
본 발명에서, 상기 하우징(100)은 위와 같이 서로 연통되고 복수의 셀 소자(A)가 각각 내장되는 내부 공간(S), 즉 각 셀 소자(A)가 수용되는 복수의 셀 수용부(S1 ~ S6)를 포함하는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 하우징(100)은, 예를 들어 금속재 및/또는 플라스틱재로 구성될 수 있으며, 이는 또한 사출 성형 및/또는 압출 성형을 통해 제조될 수 있다.
첨부된 도면에는 본 발명에 따른 셀 외장 케이스(B)와, 이를 포함하는 모듈의 바람직한 실시 형태가 도시되어 있다. 상기 셀 외장 케이스(B)는, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따라서 상기와 같은 하우징(100)과, 상기 하우징(100)의 내측 상부에 설치되는 제1 도전성 결합판(210)과, 상기 제1 도전성 결합판(210)에 결합되는 제1 단자 부재(310)와, 상기 하우징(100) 내측 하부에 설치되는 제2 도전성 결합판(220)과, 상기 제2 도전성 결합판(220)에 결합되는 제2 단자 부재(320)를 포함한다.
상기 하우징(100)은, 바람직한 실시 형태에 따라서, 복수의 셀 수용부(S1 ~ S6)을 형성된 벽체(110)와, 상기 벽체(110)의 상부에 형성된 상판(130)과, 상기 벽체(110)의 하부에 형성된 하판(140)을 포함할 수 있다. 이러한 하우징(100)은 전술한 바와 같이 상기 벽체(110)에 의해 형성된 내부 공간(S)을 가지되, 상기 내부 공간(S)은 벽체(110)의 내측에 형성된 구획부(120)에 의해 복수의 셀 수용부(S1 ~ S6)로 분할, 구획되고, 상기 복수의 셀 수용부(S1 ~ S6)는 연통로(125)를 통해 서로 연통된다.
상기 상판(130)은 벽체(110)의 상단에 밀봉성을 갖도록 결합되어, 벽체(110)의 상부를 밀폐, 마감한다. 또한, 상판(130)은 제1 단자 부재(310)와도 결합될 수 있다. 상판(130)에는 예를 들어 적어도 하나 이상의 제1 결합공(133)이 형성될 수 있으며, 상기 제1 결합공(133)에는 제1 단자 부재(310)가 밀봉 구조로 삽입, 결합될 수 있다.
상기 하판(140)은 벽체(110)의 하단에 밀봉성을 갖도록 결합되어, 벽체(110)의 하부를 밀폐, 마감한다. 또한, 하판(140)은 제2 단자 부재(320)와도 결합될 수 있다. 하판(140)에는 예를 들어 적어도 하나 이상의 제2 결합공(143)이 형성될 수 있으며, 상기 제2 결합공(143)에는 제2 단자 부재(320)가 밀봉 구조로 삽입, 결합될 수 있다.
바람직한 실시 형태에 따라서, 상기 하우징(100)은 제1 하우징(101)과, 상기 제1 하우징(101)의 하부에 결합되는 제2 하우징(102)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 벽체(110)는 제1 벽체(111)와, 이와 대응되는 제2 벽체(112)를 포함하고, 상기 구획부(120)는 제1 구획부(121)와, 이와 대응되는 제2 구획부(122)를 포함할 수 있다.
위와 같이 하우징(100)이 제1 하우징(101)과 제2 하우징(102)를 포함하여 2개로 분할, 구성되는 경우, 하우징(100)의 성형에 유리하고, 벽체(110)의 상/하부를 밀폐시키기 위한 밀폐 구조의 형성에 있어 바람직하다. 즉, 일체적 성형을 통하여 제1 하우징(101)에는 상판(130)을 일체로 형성할 수 있고, 제2 하우징(102)에는 하판(140)을 일체로 형성할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제1 하우징(101)은 제1 벽체(111)와, 상기 제1 벽체(111)에 형성된 복수의 제1 구획부(121)와, 상기 제1 벽체(111)의 상단에 일체로 형성된 상판(130)을 포함할 수 있다. 상기 제1 구획부(121)에 의해 복수의 제1 셀 수용부(S-1)가 형성된다. 그리고 상기 각 제1 셀 수용부(S-1)는 셀 소자(A) 높이의 대략 절반에 해당하는 높이(깊이)를 갖는다.
또한, 상기 제2 하우징(102)은 제2 벽체(112)와, 상기 제2 벽체(112)에 형성된 복수의 제2 구획부(122)와, 상기 제2 벽체(112)의 하단에 일체로 형성된 하판(140)을 포함할 수 있다. 상기 제2 구획부(122)에 의해 복수의 제2 셀 수용부(S-2)가 형성된다. 그리고 상기 각 제2 셀 수용부(S-2)는 셀 소자(A) 높이의 대략 절반에 해당하는 높이(깊이)를 갖는다. 이에 따라, 각 셀 소자(A)는 각 제1 셀 수용부(S-1)와 각 제2 셀 수용부(S-2)의 조합(합체)에 의해 형성된 각 셀 수용부(S1 ~ S6)에 내장된다.
아울러, 상기 상판(130)은 제1 하우징(101)의 상단을 밀폐, 커버링하는 제1 베이스판(131)과, 상기 제1 베이스판(131)에 형성된 적어도 하나 이상의 제1 결합공(133)을 포함할 수 있다. 보다 구체적인 예를 들어, 상기 상판(130)은 제1 벽체(111)의 상단에 일체로 형성되어 제1 벽체(111)의 상단을 밀폐, 마감하는 제1 베이스판(131)과, 상기 제1 베이스판(131)으로부터 일체로 돌출, 형성된 제1 결합판(132)과, 상기 제1 결합판(132)에 형성된 제1 결합공(133)을 포함할 수 있다. 상기 제1 결합판(132)과 제1 결합공(133)은 하나 또는 2개 이상의 복수 개이며, 이들(132)(133)은 제1 단자 부재(310)와 밀폐, 결합 구조를 도모한다. 도면에서는 제1 결합판(132)과 제1 결합공(133)이 4개인 상판(130)을 예시하였다.
또한, 상기 하판(140)은 제2 하우징(101)의 하단을 밀폐, 커버링하는 제2 베이스판(141)과, 상기 제2 베이스판(141)에 형성된 적어도 하나 이상의 제2 결합공(143)을 포함할 수 있다. 보다 구체적인 예를 들어, 상기 하판(140)은 제1 벽체(112)의 하단에 일체로 형성된 제2 베이스판(141)과, 상기 제1 베이스판(141)으로부터 일체로 돌출, 형성된 제2 결합판(142)과, 상기 제2 결합판(142)에 형성된 제2 결합공(143)을 포함할 수 있다. 상기 제2 결합판(142)과 제2 결합공(143)은 하나 또는 2개 이상의 복수 개이며, 이들(142)(143)은 제2 단자 부재(320)와 밀폐, 결합 구조를 도모한다. 도면에서는 제2 결합판(142)과 제2 결합공(143)이 3개인 하판(140)을 예시하였다.
상기 제1 하우징(101)과 제2 하우징(102)은 상호간 결합을 위한 결합부(151)(152)를 각각 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 하우징(101)은 제1 벽체(111)의 하단에 일체로 형성된 제1 결합부(151)를 포함하고, 상기 제2 하우징(102)은 제2 벽체(112)의 상단에 일체로 형성된 제2 결합부(152)를 포함할 수 있다. 상기 제1 결합부(151)와 제2 결합부(152)는 각각 제1 벽체(111)의 하단과 제2 벽체(112)의 상단을 따라 테두리 형태로 돌출, 형성되어 사각형의 형상을 가질 수 있다. 상기 제1 결합부(151)와 제2 결합부(152)는, 예를 들어 체결구(H)를 통한 체결 결합 및/또는 용접(용융) 결합 등을 통해 밀폐, 결합될 수 있다.
상기 제1 도전성 결합판(210)은 도전성을 가지는 것으로서, 이는 예를 들어 금속재로부터 선택될 수 있다. 구체적인 예를 들어, 제1 도전성 결합판(210)은 알루미늄(Al), 알루미늄(Al) 합금 및/또는 스테인레스 스틸(SUS) 등의 금속재로부터 선택될 수 있다. 제1 도전성 결합판(210)은 셀 소자(A)의 형상에 따라 원판 형상, 다각판 형상, 및/또는 이들 형상이 2개 이상 조합된 형상 등을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 셀 소자(A)가 원통형의 권취 소자(W)인 경우, 제1 도전성 결합판(210)은 도면에 도시한 바와 같이 원판 형상, 및/또는 원판 형상이 2개 이상 조합된 형상을 갖는다.
상기 제1 도전성 결합판(210)은 중앙에 형성된 결합홀(212)과, 상기 결합홀(212)의 주위에 방사형으로 형성된 복수의 관통홀(214)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 결합홀(212)에는 제1 단자 부재(310)가 끼움, 결합된다. 그리고 상기 관통홀(214)을 통해 전해액 및/또는 가스가 통과될 수 있다.
또한, 상기 제1 도전성 결합판(210)은 제1 하우징(101)의 내측 상부에 설치되며, 이는 셀 소자(A)의 제1 전극(10)과 용접, 결합된다. 보다 구체적으로, 상기 제1 도전성 결합판(210)의 일측 면(도 3에서, 하부 면)은 제1 전극(10)의 제1 용접 결합부(12a)와 용접, 결합되어 전기적으로 통전된다. 그리고 상기 제1 도전성 결합판(210)의 타측 면(도 3에서, 상부 면)은 상판(130)에 밀착되면서 제1 단자 부재(310)와 결합된다.
도 3 및 도 9를 참조하면, 상기 하우징(100)의 내측에는 위와 같은 제1 도전성 결합판(210)이 1개 또는 2개 이상 복수 개가 설치되며, 1개의 제1 도전성 결합판(210)에는 1개 또는 2개 이상 복수 개의 셀 소자(A)가 용접, 결합된다.
바람직한 실시 형태에 따라서, 상기 제1 도전성 결합판(210)은 하우징(100)의 내측 상부에 복수 개 설치되되, 1개의 셀 소자(A)가 용접, 결합되는 단위 셀 결합판(210)(210a)과, 2개 이상 복수 개의 셀 소자(A)가 용접, 결합되는 복수 셀 결합판(210)(210b)을 포함할 수 있다. 이때, 도면에 예시한 바와 같이, 상기 단위 셀 결합판(210)(210a)은 원판 형상을 가질 수 있으며, 상기 복수 셀 결합판(210)(210b)은 원판이 2개 이상 조합된 형상을 가질 수 있다. 도면에는 하우징(100)의 내측에 총 4개의 제1 도전성 결합판(210)이 설치되되, 원판 형상을 가지는 단위 셀 결합판(210a) 2개와, 원판이 2개 조합된 형상을 가지는 복수 셀 결합판(210b) 2개가 설치되는 모습을 예시하였다.
본 발명에 따라서, 상기 제1 도전성 결합판(210)이 위와 같은 구성을 가지는 경우, 권취된 셀 소자(A), 즉 권취 소자(W)의 제1 전극(10)과 넓은 접촉 면적으로 접속되어 전기적 특성을 개선한다. 예를 들어, 낮은 저항 특성을 구현한다. 또한, 상기 제1 도전성 결합판(210)은 하우징(100)의 내측 상부에서 복수의 셀 소자(A)를 직별 및/또는 병렬로 연결한다. 즉, 셀 소자(A)들은 복수의 제1 도전성 결합판(210)을 통해 직별 및/또는 병렬로 연결된다. 이러한 점에서, 상기 제1 도전성 결합판(210)은 내부 버스 바(Buss Bar) 기능을 겸한다.
바람직한 실시 형태에 따라서, 상기 제1 도전성 결합판(210)이 복수 셀 결합판(210b)을 포함하는 경우, 적어도 제1 단자 부재(310)의 설치 개수를 감소시킬 수 있다. 구체적으로, 1개의 복수 셀 결합판(210b)에는 1개의 제1 단자 부재(310)가 결합되되, 상기 1개의 복수 셀 결합판(210b)에는 복수 개의 셀 소자(A)가 용접, 결합되므로 제1 단자 부재(310)의 전체 설치 개수를 감소시킬 수 있다.
일례를 들어, 상기 하우징(100)에 6개의 셀 소자(A)를 내장하는 경우, 6개의 제1 단자 부재(310)를 설치하여야 하나, 위와 같이 제1 도전성 결합판(210)이 복수 셀 결합판(210b)을 포함하는 경우, 상기 복수 셀 결합판(210b)에는 2개 이상의 셀 소자(A)를 결합시킬 수 있으므로 제1 단자 부재(310)의 개수가 감소된다. 즉, 도 3에 예시한 바와 같이, 하우징(100)의 내부에 6개의 셀 소자(A)를 설치하는 경우, 복수 셀 결합판(210b)에 의해 제1 단자 부재(310)는 4개로서 제1 단자 부재(310)의 설치 개수가 감소된다.
상기 제1 단자 부재(310)는 도전성을 가지는 것으로서, 이는 예를 들어 금속재로부터 선택될 수 있다. 구체적인 예를 들어, 제1 단자 부재(310)는 알루미늄(Al), 알루미늄(Al) 합금 및/또는 SUS 등의 금속재로 구성될 수 있다. 제1 단자 부재(310)는 상기 제1 도전성 결합판(210)의 결합홀(212)에 끼움, 결합되며, 이는 또한 제1 하우징(101)의 상판(130)과도 결합된다. 이러한 제1 단자 부재(310)의 설치 개수는 상기 제1 도전성 결합판(210)의 개수와 대응된다. 예를 들어, 상기 제1 도전성 결합판(210)이 4개인 경우, 상기 제1 단자 부재(310)의 설치 개수는 4개로서 제1 도전성 결합판(210)의 설치 개수와 동일하다.
바람직한 구현예에 따라서, 상기 제1 단자 부재(310)는 원통형의 제1 단자 본체(311)와, 상기 제1 단자 본체(311)의 중앙에 형성된 체결홈(312)과, 상기 제1 단자 본체(311)의 일측(도 3에서, 하측)에 일체로 돌출, 형성된 돌출부(313)와, 상기 제1 단자 본체(311)의 타측(도 3에서, 상측)에서 결합되는 결합구(315)와, 상기 제1 단자 본체(311)의 말단(도 3에서, 하측 말단)에 형성된 홀 체결부(316)를 포함할 수 있다.
상기 제1 단자 본체(311)는 상판(130)의 제1 결합공(133)에 삽입된다. 이때, 제1 단자 본체(311)의 상부 말단은 제1 결합공(133)을 삽입, 관통한 다음, 상판(130)의 상부에 노출된다. 아울러, 도 10을 참조하면, 상기 결합구(315)는 제1 단자 본체(311)의 상측에서 결합되어지되, 상기 돌출부(313)와 결합구(315)의 사이에 밀봉 부재(314)와 제1 결합판(132)이 삽입된 상태에서 결합된다. 결합구(315)는, 일례로 제1 단자 본체(311)의 외주면과 나사 결합되는 너트(nut) 등으로부터 선택될 수 있다. 아울러, 상기 홀 체결부(316)는 제1 도전성 결합판(210)의 결합홀(212)에 삽입, 결합된다.
또한, 상기 제1 단자 부재(310)는 제1 도전성 결합판(210)과 용접, 결합될 수 있다. 구체적으로, 제1 단자 부재(310)는, 그의 홀 체결부(316)가 제1 도전성 결합판(210)의 결합홀(212)에 삽입, 결합된 다음, 제1 도전성 결합판(210)과 접촉되는 면은 용접된다. 도 10을 참조하면, 제1 단자 부재(310)와 제1 도전성 결합판(210)의 접촉면 중에서, 적어도 돌출부(313)의 하부 면과, 이와 접촉되는 제1 도전성 결합판(210)의 상부 면은 용접되며, 이들(313)(210)은 예를 들어 레이저(Laser) 용접될 수 있다.
상기 제2 도전성 결합판(220)은 제2 하우징(102)의 내측 하부에 설치되며, 이는 셀 소자(A)의 제2 전극(20)과 용접, 결합된다. 보다 구체적으로, 상기 제2 도전성 결합판(220)의 일측 면(도 4에서, 하부 면)은 제2 전극(20)의 제2 용접 결합부(22a)와 용접, 결합되어 전기적으로 통전된다. 그리고 제2 도전성 결합판(220)의 타측 면(도 4에서, 상부 면)은 하판(140)에 밀착되면서 제2 단자 부재(320)와 결합된다.
상기 제2 도전성 결합판(220)은 중앙에 형성된 결합홀(222)과, 상기 결합홀(222)의 주위에 방사형으로 형성된 복수의 관통홀(224)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 결합홀(222)에는 제2 단자 부재(320)가 결합된다. 이러한 제2 도전성 결합판(220)은 상기 제1 도전성 결합판(210)과 동일하게 구성될 수 있다. 이하, 제2 도전성 결합판(220)을 설명함에 있어서, 설명되지 않은 부분이 있다면, 이는 상기 제1 도전성 결합판(210)을 설명한 바와 같다.
도 4 및 도 11을 참조하면, 상기 제2 도전성 결합판(220)은 제1 도전성 결합판(210)을 설명한 바와 같이, 셀 소자(A)의 형상에 따라 원판 형상, 다각판 형상 및/또는 이들 형상이 2개 이상 조합된 형상 등을 가질 수 있다. 상기 하우징(100)의 내측에는 위와 같은 제2 도전성 결합판(220)이 1개 또는 2개 이상 복수 개가 설치되며, 1개의 제1 도전성 결합판(220)에는 1개 또는 2개 이상 복수 개의 셀 소자(A)가 용접, 결합된다.
바람직한 실시 형태에 따라서, 상기 제2 도전성 결합판(220)은 하우징(100)의 내측에 복수 개 설치되되, 2개 이상 복수 개의 셀 소자(A)가 용접, 결합되는 복수 셀 결합판(220b)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 복수 셀 결합판(220b)은 원판이 2개 이상 조합된 형상을 가질 수 있다. 도면에는 하우징(100)의 내측에 총 3개의 제2 도전성 결합판(220)이 설치되되, 원판이 2개 조합된 형상을 가지는 복수 셀 결합판(220b) 3개가 설치되는 모습을 예시하였다.
상기 제1 도전성 결합판(210)을 설명한 바와 같이, 상기 제2 도전성 결합판(220)은 권취된 셀 소자(A), 즉 권취 소자(W)의 제2 전극(20)과 넓은 접촉 면적으로 접속되어 전기적 특성을 개선한다. 또한, 상기 제2 도전성 결합판(220)은 하우징(100)의 내측 하부에서 복수의 셀 소자(A)를 직별 및/또는 병렬로 연결한다.
바람직한 실시 형태에 따라서, 상기 제2 도전성 결합판(220)이 복수 셀 결합판(220b)을 포함하는 경우, 적어도 제2 단자 부재(320)의 설치 개수를 감소시킬 수 있다. 구체적으로, 1개의 복수 셀 결합판(220b)에는 1개의 제2 단자 부재(320)가 결합되되, 상기 1개의 복수 셀 결합판(220b)에는 복수 개의 셀 소자(A)가 용접, 결합되므로 제2 단자 부재(320)의 전체 설치 개수를 감소시킬 수 있다. 일례를 들어, 하우징(100)에 6개의 셀 소자(A)를 내장하는 경우, 6개의 제2 단자 부재(320)를 설치하여야 하나, 위와 같이 제2 도전성 결합판(220)이 복수 셀 결합판(220b)을 포함하는 경우, 상기 복수 셀 결합판(220b)에는 2개 이상의 셀 소자(A)를 결합시킬 수 있으므로 제2 단자 부재(320)의 개수가 감소된다. 즉, 도 4에 예시한 바와 같이, 하우징(100)의 내부에 6개의 셀 소자(A)를 설치하는 경우, 복수 셀 결합판(220b)에 의해 제2 단자 부재(320)는 3개로서 제2 단자 부재(310)의 설치 개수가 감소된다.
상기 제2 단자 부재(320)는 도전성으로서 제1 단자 부재(310)와 동일하게 구성될 수 있다. 제2 단자 부재(320)는 상기 제2 도전성 결합판(220)의 결합홀(222)에 끼움, 결합되며, 이는 또한 제2 하우징(102)의 하판(140)과도 결합된다. 이러한 제2 단자 부재(320)의 설치 개수는 상기 제2 도전성 결합판(220)의 개수와 대응된다. 예를 들어, 상기 제2 도전성 결합판(220)이 3개인 경우, 상기 제2 단자 부재(320)의 설치 개수는 3개로서 제2 도전성 결합판(220)의 설치 개수와 동일하다.
바람직한 구현예에 따라서, 상기 제2 단자 부재(320)는 원통형의 제2 단자 본체(321)와, 상기 제2 단자 본체(321)의 중앙에 형성된 체결홈(322)과, 상기 제2 단자 본체(321)의 일측(도 4에서, 하측)에 일체로 돌출, 형성된 돌출부(323)와, 상기 제2 단자 본체(321)의 타측(도 4에서, 상측)에서 결합되는 결합구(325)와, 상기 제2 단자 본체(321)의 말단(도 4에서, 하측 말단)에 형성된 홀 체결부(326)를 포함할 수 있다.
상기 제2 단자 본체(321)는 하판(140)의 제2 결합공(143)에 삽입된다. 이때, 제2 단자 본체(321)의 하부 말단은 제2 결합공(13)을 삽입, 관통한 다음, 하판(140)의 하부에 노출된다. 아울러, 상기 결합구(325)는 제2 단자 본체(321)의 타측(도 4에, 상측)에서 결합되어지되, 상기 돌출부(323)와 결합구(325)의 사이에 밀봉 부재(324)와 제1 결합판(142)이 삽입된 상태에서 결합된다. 아울러, 상기 홀 체결부(326)는 제2 도전성 결합판(220)의 결합홀(222)에 삽입, 결합된다.
또한, 상기 제2 단자 부재(320)는 제2 도전성 결합판(220)과 용접, 결합될 수 있다. 구체적으로, 제2 단자 부재(320)는, 그의 홀 체결부(326)가 제2 도전성 결합판(220)의 결합홀(222)에 삽입, 결합된 다음, 제2 도전성 결합판(220)과 접촉되는 면은 용접된다. 제2 단자 부재(320)와 제2 도전성 결합판(220)의 접촉면 중에서, 적어도 돌출부(323)의 하부 면과, 이와 접촉되는 제2 도전성 결합판(220)의 상부 면은 용접되며, 이들(323)(220)은 예를 들어 레이저(Laser) 용접될 수 있다.
또한, 상기 상판(130) 및 하판(140)에는 가스 누출공(161)(162)이 형성되고, 상기 가스 누출공(161)(162)에는 안전변(171)(172)이 설치(부착)될 수 있다. 상기 가스 누출공(161)(162) 및 안전변(171)(172)은 EDLC의 내압 상승 및/또는 폭발에 대한 안전성을 위한 것으로서, 이들은 상판(130) 및 하판(140)에 각각 하나 이상 형성될 수 있다. 상기 안전변(171)(172)은 가스 누출공(161)(162)을 통해 전해액이 누액되는 것을 방지할 수 있고, 가스 투과성인 것이면 특별히 제한되지 않는다. 안전변(171)(172)은, 예를 들어 합성수지나 고무재의 필름(film) 및/또는 멤브레인(Membrane) 등으로부터 선택될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 상기 복수의 셀 소자(A)에는 이들의 상부 및 하부에 각각 제1 및 제2 도전성 결합판(210)(220)이 결합되고, 상기 제1 및 제2 도전성 결합판(210)(220)에는 각각 제1 및 제2 단자 부재(310)(320)가 결합된다. 그리고 이러한 결합체는 제1 및 제2 하우징(101)(102)에 내장된 후, 상기 제1 및 제2 단자 부재(310)(320)는 각각 제1 및 제2 하우징(101)(102)의 상판(130) 및 하판(140)과 밀봉 부재(314)(324)를 통해 밀폐, 결합된다.
또한, 하우징(100)의 일측에는 전해액 주입구(105)가 형성되고, 타측에는 전해액 유출구(106)가 형성될 수 있다. 도면에 예시한 바와 같이, 상기 전해액 주입구(105) 및 유출구(106)는 제2 하우징(102)에 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 3 및 도 5를 참조하면, 상기 제2 하우징(102)은 제2 결합부(152)로부터 일체로 하향하여 연장 형성된 지지부(155)를 포함하되, 상기 지지부(155)와 제2 벽체(112)를 관통하여 형성된 전해액 주입구(105) 및 유출구(106)가 형성될 수 있다. 그리고 상기 전해액 주입구(105) 및 유출구(106)에는 밀봉 부재(184)가 삽입된 상태에서 마감 캡(180)이 밀폐, 결합될 수 있다.
상기 전해액 주입구(105)를 통해 전해액의 초기 주입 및 보충 주입이 진행될 수 있다. 이때, 상기한 바와 같이, 전해액 주입구(105)를 통해 전해액이 주입되면, 각 연통로(125)를 통해 각 셀 수용부(S1 ~ S6)에 전해액이 주입되어, 복수의 셀 소자(A)는 한번의 주입 공정으로 전해액에 함침될 수 있다. 그리고, 전해액의 남은 여액은 전해액 유출구(106)를 통해 유출될 수 있다.
본 발명에서, 상기 밀봉 부재(314)(324)(184)는 적어도 전해액의 누액을 방지할 수 있는 밀봉성을 가지는 것이면 좋다. 밀봉 부재(314)(324)(184)는, 예를 들어 실리콘이나 고무 등으로 구성된 O-링(O-ring) 등으로부터 선택될 수 있으나, 이에 의해 한정되는 것은 아니다.
이상에서 설명한 셀 외장 케이스(B)는 각 구성요소들의 구조 및/또는 형태적인 구성에 의해, 셀 외장 케이스(B)의 상부와 하부를 최소의 구성요소 및 최소의 부피로 컴팩트(compact)하게 마감한다. 또한, 각 구성요소들이 상호간 간단한 조립 구조로 결합된다.
한편, 구체적인 조립 공정에 따라서, 상기 도전성 결합판(210)(220)은 단자 부재(310)(320)와 먼저 결합된 후에 상기 셀 소자(A)와 결합될 수 있다. 보다 구체적인 조립 공정에 따라서, 상기 제1 도전성 결합판(210)은 홀 체결부(316)와의 끼움, 결합과 적어도 돌출부(313)와의 용접, 결합을 통해 상기 제1 단자 부재(310)와 결합된 다음, 상기 제1 전극(10)의 제1 용접 결합부(12a)와 용접, 결합될 수 있다. 또한, 상기 제2 도전성 결합판(220)은 홀 체결부(326)와의 끼움, 결합과 적어도 돌출부(323)와의 용접, 결합을 통해 상기 제2 단자 부재(320)와 결합된 다음, 상기 제2 전극(20)의 제2 용접 결합부(22a)와 용접, 결합될 수 있다.
다음으로, 위와 같이 셀 소자(A)의 상/하부에 도전성 결합판(210)(220)과 단자 부재(310)(320)가 결합된 소자 결합체는, 제1 및 제2 하우징(101)(102)에 내장된다. 이후, 예를 들어 각 하우징(101)(102)의 제1 결합부(151)와 제2 결합부(152)를 먼저 결합시킨 다음, 각 하우징(101)(102)의 상판(130) 및 하판(140)에 각 단자 부재(310)(320)를 밀폐, 결합함으로써 모듈 조립체(M)의 조립이 완성될 수 있다.
또한, 도 9 및 도 11을 참조하면, 상기 각 도전성 결합판(210)(220)은 각 전극(10)(20)에 용접, 결합되되, 이들은 레이저(Laser) 용접을 통해 결합되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 방사형으로 레이저 용접되는 것이 좋다. 보다 구체적으로, 상기 제1 도전성 결합판(210)은 제1 전극(10)의 제1 용접 결합부(12a)와 방사형 레이저 용접부(L)에 의해 용접, 결합되고, 상기 제2 도전성 결합판(220)은 제2 전극(20)의 제2 용접 결합부(22a)와 방사형 레이저 용접부(L)에 의해 용접, 결합되는 것이 바람직하다. 도 9 및 도 11에는 상기 방사형 레이저 용접부(L)를 점선으로 나타내었다. 상기 방사형 레이저 용접부(L)는 적어도 8개 이상인 것이 좋다. 구체적인 예를 들어, 상기 방사형 레이저 용접부(L)는 원판 상의 도전성 결합판(210)(220) 상에 8개 내지 40개, 12개 내지 40개, 또는 16개 내지 40개가 형성된 것이 좋다. 도면에는 1개의 원판에 방사형 레이저 용접부(L)가 20개인 것을 예시적으로 도시하였다.
위와 같이, 도전성 결합판(210)(220)과 용접 결합부(12a)(22a)가 적어도 8개 이상의 방사형 레이저 용접부(L)에 의해 용접, 결합된 경우, 도전성 결합판(210)(220)과 용접 결합부(12a)(22a) 간의 용접 면적(접촉 면적)이 증가되어, EDLC의 적어도 저항이 개선(내부 저항의 감소)된다. 이는 또한 저항의 개선(내부 저항의 감소)으로 EDLC의 파워 밀도 및/또는 에너지 밀도 등을 향상시킬 수 있다.
[3] 조립 부재(C)
상기 조립 부재(C)는 셀 외장 케이스(B) 상에 설치되며, 여기에는 적어도 제어부(D)가 조립될 수 있다. 또한, 이러한 조립 부재(C)를 통해 와어어(P)(도 15 참조)가 정리/정돈될 수 있다. 조립 부재(C)는 셀 외장 케이스(B)의 상부에 설치되는 제1 조립 부재(C1)와, 셀 외장 케이스(B)의 하부에 설치되는 제2 조립 부재(C2)를 포함할 수 있다. 이러한 제1 조립 부재(C1)와 제2 조립 부재(C2)는 동일하게 구성될 수 있다.
상기 각 조립 부재(C)(C1)(C2)는, 예를 들어 상판(130)과 하판(140)에 밀착 설치되는 기판(411)과, 상기 기판(411)의 측면에 형성된 하측벽(412) 및 상측벽(413)을 포함할 수 있다. 이때, 하측벽(412)은 하우징(100)의 벽체(110) 외주면에 밀착된다. 또한, 상기 각 조립 부재(C)(C1)(C2)는 기판(411)을 관통하여 형성된 관통공(415)이 형성될 수 있다. 이러한 관통공(415)을 통해, 상기 단자 부재(310)(320) 및/또는 가스 누출공(161)(162)이 노출될 수 있다.
한편, 셀을 모듈화함에 있어서는 와어어(P)의 정리/정돈이 중요하다. 이를 위해, 상기 각 조립 부재(C)(C1)(C2)는 상판(130)과 하판(140)에 밀착 설치되는 기판(411)과, 상기 기판(411) 상에 형성된 하나 또는 복수의 와이어 고정부(416)를 포함할 수 있다. 상기 와이어 고정부(416)에 의해 와어어(P)가 정리/정돈된다. 상기 와이어 고정부(416)는, 구체적으로 기판(411) 상에 복수 개로 형성된다. 그리고 상기 와이어 고정부(416)에는 와이어(P)가 끼움, 고정되는 와이어 고정홈(416a)이 형성될 수 있다.
또한, 각 단자 부재(310)(320)의 말단에는 와이어 연결구(450)가 결합될 수 있다. 상기 와이어 연결구(450)는 각 단자 부재(310)(320)의 체결홈(312)(323)에 체결구(H)를 통해 결합될 수 있다. 구체적인 실시 형태에 따라서, 상기 와이어 연결구(450)는 와이어(P)가 결합되는 와이어 삽입부(451)와, 상기 와이어 삽입부(451)의 일측에 형성되고 각 단자 부재(310)(320)의 체결홈(312)(322)에 체결구(H)를 통해 결합되는 단자 결합부(452)를 포함할 수 있다. 이때, 도 15를 참조하면, 상기 와이어(P)의 일측은 각 단자 부재(310)(320)에 결합된 와이어 연결구(450)에 연결되고, 상기 와이어(P)의 타측은 제어부(D)에 연결된다.
아울러, 도 2 및 도 15를 참조하면, 상기 각 조립 부재(C)(C1)(C2)에는 와이어(P)가 통과되는 와이어 통로홀(P410)이 형성되고, 상기 각 하우징(101)(102)의 결합부(151)(152)에는 와이어 정리홈(P151)(P152)이 형성될 수 있다. 이에 따라, 도 15에 보인 바와 같이, 상기 모듈 조립체(M)의 하부(바닥)에 연결된 와이어(P), 즉 제2 조립부재(C2) 상에 정리/정돈된 와이어(P)는 상기 각 결합부(151)(152)에 형성된 와이어 정리홈(P151)(P152)을 따라 와이어 통로홀(P410)을 통과한 다음, 모듈 조립체(M)의 상부에 조립된 제어부(D)에 연결되어 정리될 수 있다.
[4] 모듈 컨테이너(F)
상기 모듈 컨테이너(F)의 내부에는 적어도 하나 이상의 모듈 조립체(M)가 수납되며, 이는 외부의 충격 등으로부터 모듈 조립체(M)를 보호할 수 있으면 좋다.
상기 모듈 컨테이너(F)는, 예를 들어 금속재 및/또는 플라스틱재의 재질로 구성될 수 있다. 이러한 모듈 컨테이너(F)는, 예를 들어 사각 형상의 컨테이너 본체(F10)와, 상기 컨테이너 본체(F10)의 상부에 결합되는 컨테이너 덮개(F20)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 컨테이너 덮개(F20)는 컨테이너 본체(F10)의 상부에 체결구를 통해 착탈 가능하도록 밀폐, 결합되거나, 레이저(Laser) 용접 등의 용접 방법을 통해 밀폐, 결합될 수 있다.
또한, 상기 컨테이너 덮개(F20)의 일측에는 2개의 단자 결합홈(F21)(F22)이 형성될 수 있다. 상기 단자 결합홈(F21)(F22)에는 외부 단자(G)가 삽입, 결합된다. 아울러, 도 14 및 도 15를 참조하면, 상기 컨테이너 덮개(F20)의 하부에는 하나 이상의 압착 리브(F25)가 형성될 수 있다. 이러한 압착 리브(F25)는 제1 조립 부재(C1)의 상단을 가압하여, 모듈 조립체(M)의 흔들림을 방지하면서 제1 조립 부재(C1)와 셀 외장 케이스(B) 간의 결합력을 향상시킨다.
[5] 외부 단자(G)
상기 외부 단자(G)는 모듈 조립체(M)의 일측에 설치된다. 외부 단자(G)는 외부 전원과 연결되며, 이는 제1 외부 단자(G1)와 제2 외부 단자(G2)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 외부 단자(510)는 컨테이너 덮개(F20)의 제1 단자 결합홈(F21)과 결합되고, 상기 제2 외부 단자(520)는 컨테이너 덮개(F20)의 제2 단자 결합홈(F22)과 결합될 수 있다.
상기 각 외부 단자(G)(G1)(G2)는 도전성의 외부 단자 본체(511)와, 상기 외부 단자 본체(511)의 중앙에 형성된 체결홈(512)과, 상기 외부 단자 본체(511)의 하단에 결합되는 도전성의 단자 결합판(515)을 포함할 수 있다. 그리고 상기 단자 결합판(515)에는 삽입공(515a)이 형성될 수 있다. 또한, 각 외부 단자(G)(G1)(G2)는 각 단자 결합홈(F21)(F22)과 밀봉 부재(514)를 통해 밀폐, 결합되어, 외부로부터의 습기 등의 유입이 방지될 수 있다.
아울러, 상기 단자 결합판(515)은 제1 단자 부재(310) 상에 설치되되, 상기 삽입공(515a)에는 제1 단자 부재(310)의 제1 단자 본체(311)가 삽입된다. 아울러, 상기 삽입공(515a)에 제1 단자 본체(311)가 삽입, 결합된 후, 상기 단자 결합판(515)의 상부에서는 와이어 연결구(450)가 제1 단자 부재(310)의 체결홈(312)에 체결구(H)를 통해 결합될 수 있다. 그리고 외부 전원은 상기 외부 단자 본체(511)의 외주면에 접속되거나, 상기 외부 단자 본체(511)의 중앙에 형성된 체결홈(512)에 접속될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시 형태에 따라서, 상기 셀 외장 케이스(B)를 구성하는 구성요소들 중에서 적어도 상기 하우징(100)은 플라스틱 성형체로 구성될 수 있으며, 이는 바람직하게는 엔지니어링 플라스틱 성형체로 구성될 수 있다. 경우에 따라서, 상기 조립 부재(C)(C1)(C2)의 경우에도 엔지니어링 플라스틱 성형체로 구성될 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 셀 외장 케이스(B)를 구성하는 구성요소들 중에서, 적어도 상기 하우징(300)은 엔지니어링 플라스틱 성형체로 구성되고, 바람직하게는 상기 조립 부재(C)(C1)C2)의 경우도 엔지니어링 플라스틱 성형체로 구성되는 것이 좋다.
본 발명에서, "엔지니어링 플라스틱 성형체"란 성형체의 구성 재질이 적어도 엔지니어링 플라스틱(E/P : Engineering Plastics)을 포함하는 것이면 여기에 포함한다. 구체적으로, 상기 엔지니어링 플라스틱 성형체는 엔지니어링 플라스틱(E/P) 단독을 성형 재료로 하여 성형되거나, 엔지니어링 플라스틱(E/P)을 제1성분(주성분)으로 하되, 여기에 엔지니어링 플라스틱(E/P) 이외의 제2성분이 혼합된 혼합물을 성형 재료로 하여 성형될 수 있다. 상기 제2성분은 엔지니어링 플라스틱(E/P)이 아닌 것이면 특별히 제한되지 않으며, 이는 예를 들어 비-엔지니어링 플라스틱 등의 수지 성분; 강도 보강을 위한 무기물 등의 보강재; 성형성을 위한 이형제나 활제 등의 성형 개선제; 및/또는 산화방지제나 색상 안료 등의 첨가제; 등으로부터 선택될 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 엔지니어링 플라스틱 성형체는 전체 중량 중에서 엔지니어링 플라스틱(E/P)을 80중량% 이상, 구체적으로는 80 ~ 100중량%, 85 ~ 99.9중량%, 또는 90 ~ 98중량%로 포함할 수 있다.
본 발명에서, 상기 엔지니어링 플라스틱(E/P)은 폴리에틸렌(PE) 및 폴리프로필렌(PP) 등과 같은 일반적인 플라스틱과 구별되는 고강도, 고내열성 및 고내화학성 등을 가지는 플라스틱(고분자)으로서, 이는 당 분야 및 다른 산업분야에서 엔지니어링 플라스틱(E/P)으로 통용되는 것이면 특별히 제한되지 않는다.
본 발명에 따라서, 상기 하우징(100)은 위와 같은 엔지니어링 플라스틱(E/P)을 적어도 포함하는 성형 재료로부터 제조(성형)된 것이 사용되며, 이는 예를 들어 압출 성형 및/또는 사출 성형 등을 통해 제조(성형)될 수 있다. 본 발명에 따르면, 셀 외장 케이스(B)의 주요 중량 및 부피를 차지하는 하우징(100)이 엔지니어링 플라스틱 성형체로 구성되어, 종래의 알루미늄(Al) 등과 같은 금속재 외장 케이스와 대비하여 동등 이상의 고강도 등을 유지하면서 적어도 우수한 경량성을 갖는다.
하나의 구현예에 따라서, 상기 엔지니어링 플라스틱(E/P)은 강도, 내열성 및 내화학성 등을 고려하여, 중량평균분자량이 120,000 이상이고, 결정화도가 40% 이상인 결정성 엔지니어링 플라스틱(E/P)으로부터 선택되는 것이 좋다. 이때, 결정화도가 너무 낮은 경우, 전해액에 의해 용출될 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 결정화도가 45% 이상, 또는 50% 이상인 결정성 엔지니어링 플라스틱(E/P)으로부터 선택되는 것이 좋다.
구체적인 구현예에 따라서, 상기 엔지니어링 플라스틱(E/P)은 중량평균분자량이 예를 들어 20만 내지 500만이고, 결정화도가 예를 들어 50% 내지 85%인 결정성 엔지니어링 플라스틱(E/P)으로부터 선택될 수 있다. 이와 같은 중량평균분자량 및 결정화도를 가지는 결정성 엔지니어링 플라스틱(E/P)을 사용하는 경우, 강도 및 내열성 등에서 우수한 기계적/열적 특성을 가지면서 내전해액성 및 성형성 등에서도 유리하다.
상기 엔지니어링 플라스틱(E/P)은, 구체적인 예를 들어 폴리아미드(PA ; Polyamide), 폴리아세탈(POM ; Polyacetal), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT ; Polybutylene Terephthalate), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET ; Polyethylene Terephthalate), 폴리페닐렌설파이드(PPS ; Polyphenylene Sulfide), 폴리에스테르 엘라스토머(TPEE ; Thermoplastic polyester elastomer) 및 이들의 공중합체 등으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 상기 폴리에스테르 엘라스토머(TPEE)로는 열가소성 스티렌 블록 공중합체(SBC ; Thermoplastic styrenic block copolymer) 등의 스티렌계, 열가소성 올레핀 엘라스토머(TPO ; Tthermoplastic olefinic elastomer) 등의 올레핀계 및/또는 열가소성 폴리우레탄(TPU ; Tthermoplastic polyurethane) 등의 우레탄계 등을 예로 들 수 있다. 이러한 엔지니어링 플라스틱(E/P) 중에서도 경제성, 상용성 및/또는 가공성 등을 고려하여 폴리아미드(PA), 폴리아세탈(POM), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT) 및/또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등을 유용하게 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따라서, 상기 엔지니어링 플라스틱 성형체는, 즉 상기 하우징(100) 및/또는 조립 부재(C)(C1)(C2)는 적어도 아래의 물성 (a) 내지 (c)를 만족하는 것이 좋다. 본 발명에 따르면, 상기 엔지니어링 플라스틱 성형체가 적어도 이래의 물성을 만족하는 경우, 경량성을 가짐은 물론 강도, 내열성 및 내화학성 등이 우수하여, EDLC에 충격이 가해지거나 과부하 및 열화 등이 발생된 경우에도 안정성을 가져 EDLC의 셀 외장 케이스(B)로 유용함을 알 수 있었다.
(a) 밀도 1.8g/㎤ 이하
(b) 인장 강도 145MPa 이상
(c) 1.82MPa의 곡률응력에서 열변형 온도 185℃ 이상
이때, 상기 밀도가 1.8g/㎤를 초과하는 경우 경량성에 바람직하지 않으며, 밀도가 너무 낮은 경우 기계적 강도가 낮아질 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 상기 밀도는 예를 들어 1.2g/㎤ 내지 1.8g/㎤인 것이 바람직할 수 있다. 또한, 상기 인장 강도가 145MPa 미만인 경우, 내압 상승이나 외부 충격에 의해 변형이 발생될 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 인장 강도는 148MPa 이상이 바람직하며, 구체적인 예를 들어 148MPa 내지 220MPa인 것이 바람직할 수 있다. 아울러, 상기 열변형 온도가 185℃ 미만인 경우, EDLC의 내부에 고열 발생 시, 열 변형이 일어날 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 열변형 온도는 190℃ 이상이 바람직하며, 구체적인 예를 들어 190℃ 내지 300℃, 보다 바람직하게는 200℃ 내지 300℃인 것이 좋다.
본 발명에서, 상기 엔지니어링 플라스틱 성형체는 엔지니어링 플라스틱(E/P)의 종류, 분자량, 결정성(결정화도) 및/또는 개질 정도 등에 따라 상기와 같은 물성을 갖는 것이면 바람직하다. 상기 엔지니어링 플라스틱 성형체는, 예를 들어 상기 나열한 엔지니어링 플라스틱(E/P)들의 고유 물성에 의하거나 개질에 의해, 밀도는 1.8g/㎤ 이하이고, 인장 강도는 145MPa 이상이며, 열변형 온도(1.82MPa의 곡률응력)는 185℃ 이상이면 바람직하다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따라서, 상기 하우징(100)은 제1 하우징(101)과 제2 하우징(102)으로 구성되되, 이들은 상기한 바와 같은 엔지니어링 플라스틱 성형체로 구성되고, 이들은 상호간 용접 방법을 통한 용융에 의해 결합되는 것이 좋다. 즉, 각 하우징(101)에 형성된 제1 결합부(151)와 제2 결합부(152)는 용접 방법을 통한 용융에 의해 밀폐, 결합되는 것이 좋다. 보다 바람직하게는, 상기 제1 결합부(151)와 제2 결합부(152)는 다이오드 레이저(Diode Laser)를 이용한 용접(용융)에 밀폐, 결합되는 것이 좋다.
일반적으로, 종래의 금속재 외장 케이스의 경우, 금속재의 하우징과 커버를 결합시킴에 있어서, 수직 방향에서 고출력의 파이버 레이저(Fiber Laser)를 이용한 용접으로 결합시키는 방법이 주류를 이루고 있다. 그러나 이 경우, 약 2kW 이상의 고출력을 필요로 하며, 또한 파이버 레이저 용접기는 약 2.5억원으로서 매우 고가이다. 또한, 고출력의 레이저 용접에 의해, EDLC에 열화가 가해져 전기적 특성이 저하된다.
이에 반해, 본 발명에 따라서, 다이오드 레이저를 이용하는 경우, 제1 하우징(101)과 제2 하우징(102)의 우수한 밀폐성을 도모함은 물론, 낮은 전력으로도 용융, 접합되어 에너지 소모량이 최소화된다. 아울러, 다이오드 레이저 용접기는 약 1억원 정도로서 파이버 레이저 용접기에 비해 장비 가격도 낮다. 무엇보다, 다이오드 레이저 용접은 EDLC의 열화를 발생시키지 않아 전기적 특성의 저하를 방지한다.
또한, 구체적인 구현예에 따라서, 상기 제1 결합부(151)와 제2 결합부(152)는 220W 내지 380W의 전력을 이용한 다이오드 레이저에 의해 용접(용융), 접합되는 것이 좋다. 이때, 상기 엔지니어링 플라스틱 성형체의 융점에 따라 다를 수 있지며, 전력이 220W 미만인 경우 용융, 접합성이 낮을 수 있으며, 380W를 초과하는 경우 EDLC에 열화를 주거나 결합부(151)(152)의 변형이 발생될 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 예를 들어 다이오드 레이저 용접기에 280W 내지 320W의 전력을 가하여 용접(용융), 접합하는 바람직할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따르면, 셀 외장 케이스(B)를 구성하는 구성요소들의 구조적 및/또는 형태적 개선에 의해, 경량성은 물론 부품 수 및 조립 공정 수 등이 감소된다. 또한, 셀 외장 케이스(B)의 부품 수 및 조립 공정 수 등의 감소로 인해, 전기에너지 저장장치 모듈의 제조 공정(모듈화 조립 공정)이 단순화되고 제조비용(생산 단가) 등이 절감된다.
부가적으로, 적어도 하우징(100)이 엔지니어링 플라스틱 성형체로 구성된 경우, 경량화가 향상된다. 이에 따라, 종래의 금속재 외장 케이스보다 적어도 절연체의 사용이 배제되어 부품 수가 감소되며, 이는 결국 전기에너지 저장장치 모듈의 경량화에 의해 취급이 양호함은 물론, 예를 들어 자동차의 연비를 절감할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 예시한다. 하기의 실시예 및 비교예는 엔지니어링 플라스틱(E/P)의 사용에 따른 기계적/열적 특성 및 내화학성(내전해액성)을 예시적으로 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 하기의 비교예는 종래 기술을 의미하는 것이 아니며, 이는 단지 실시예들과의 비교를 위해 제공된다.
[실시예 1 내지 3]
< 엔지니어링 플라스틱(E/P) 성형체 >
결정성 엔지니어링 플라스틱(E/P)을 이용하여 원통형의 성형체를 제조하였다. 이때, 각 실시예에 따라 결정성 엔지니어링 플라스틱(E/P)의 종류를 달리하였다. 실시예 1의 경우에는 폴리아미드계(PA계, DuPont社 제품), 실시예 2의 경우에는 폴리부틸렌프탈레이트계(PBT계, DuPont社 제품), 실시예 3의 경우에는 폴리페닐렌설파이드계(PPS계, PolyPlastics社 제품)를 주성분으로 하는 수지 조성물을 사용하였다.
상기 각 실시예에 따른 성형체에 대해, 물성과 내전해액성을 평가하고, 그 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다. 이때, 상기 내전해액성은 전해염 TEABF4((C2H5)4NBF4)을 용매 아세토니트릴(ACN)에 녹여 포화 용액의 전해액을 제조한 다음, 여기에 상기 성형체를 침지하고, 침지 1달 후의 무게 변화(무게 감소)와 외관 변화(변색이나 핀홀 발생)를 관찰하는 방법으로 평가하였다. 첨부된 도 16은 실시예 1에 따른 성형체(PA계)에 대해 초기 무게를 측정하고 있는 모습을 보인 사진이다.
[비교예 1 내지 3]
각 비교예에 따라 플라스틱의 종류를 달리하여 원통형의 성형체를 제조하였다. 비교예 1의 경우에는 비결정성의 엔지니어링 플라스틱(E/P)으로서 폴리카보네이트(PC)계를 사용하였다. 그리고 비교예 2의 경우에는 일반 플라스틱(비-엔지니어링 플라스틱)으로서 폴리프로필렌(PP)계를 사용하였으며, 비교예 3의 경우에는 일반 플라스틱(비-엔지니어링 플라스틱)으로서 폴리에틸렌(PE)계를 사용하였다.
또한, 각 비교예에 따른 성형체에 대하여, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 물성과 내전해액성을 평가하고, 그 결과를 하기 [표 1]에 함께 나타내었다.
< E/P 성형체의 물성 및 내전해액성 평가 결과 >
비 고 성형체의
재질		 결정화도
[%]		 밀도
[g/㎤]		 인장 강도
[MPa]		 열변형 온도
[℃],(@1.82MPa)		 내전해액성
무게 감소 외관 변화
실시예 1 PA 58 1.44 151 283 없음 없음
실시예 2 PBT 64 1.56 149 264 없음 없음
실시예 3 PPS 42 1.66 180 265 없음 없음
비교예 1 PC 비결정성 - - - 발생 핀홀
비교예 2 PP 27 - 143 168 없음 없음
비교예 3 PE 14 - 82 112 발생 없음
* PA : 폴리아미드계 - 결정성 엔지니어링 플라스틱(E/P)
* PBT : 폴리부틸렌프탈레이트계 - 결정성 엔지니어링 플라스틱(E/P)
* PPS : 폴리페닐렌설파이드계 - 결정성 엔지니어링 플라스틱(E/P)
* PC : 폴리카보네이트계 - 비결정성 엔지니어링 플라스틱(E/P)
* PP : 폴리프로필렌계 - 일반 플라스틱(비-엔지니어링 플라스틱)
* PE : 폴리에틸렌계 - 일반 플라스틱(비-엔지니어링 플라스틱)
상기 [표 1]에 보인 바와 같이, 엔지니어링 플라스틱(E/P)이고 결정성인 경우에 기계적 강도(인장 강도) 및 내열성(열변형 온도)은 물론 내화학성(내전해액성)이 우수함을 알 수 있다. 또한, 결정화도가 큰 경우에 우수한 결과를 보임을 알 수 있다.
10 : 제1 전극 20 : 제2 전극
30 : 세퍼레이터 100 : 하우징
110 : 벽체 120 : 구획부
210 : 제1 도전성 결합판 220 : 제2 도전성 결합판
310 : 제1 단자 부재 320 : 제2 단자 부재
A : 셀 소자 B : 셀 외장 케이스
C : 조립 부재 D : 제어부
E : 연결 버스 바 F : 모듈 컨테이너
G : 외부 단자 M : 모듈 조립체
S : 내부 공간 S1 ~ S6 : 셀 수용부

Claims (12)

  1. 복수의 셀 소자(A)가 내장되는 하우징(100)을 포함하고,
    상기 셀 소자(A)는, 제1 전극(10), 제2 전극(20), 및 상기 제1 전극(10)과 제2 전극(20)의 사이에 형성된 세퍼레이터(30)를 포함하는 적층체가 와인딩(winding)되어 구성된 권취 소자(W)이며,
    상기 하우징(100)은, 각 셀 소자(A)가 수용되는 복수의 셀 수용부(S1 ~ S6)를 포함하는 전기에너지 저장장치 모듈용 셀 외장 케이스(B)에 있어서,
    상기 하우징(100)의 내측 상부에 설치되고, 상기 셀 소자(A)의 제1 전극(10)과 결합되는 제1 도전성 결합판(210);
    상기 제1 도전성 결합판(210)에 결합되는 제1 단자 부재(310);
    상기 하우징(100)의 내측 하부에 설치되고, 상기 셀 소자(A)의 제2 전극(20)과 결합되는 제2 도전성 결합판(220); 및
    상기 제2 도전성 결합판(220)에 결합되는 제2 단자 부재(320)를 더 포함하고,
    상기 제1 도전성 결합판(210) 및 제2 도전성 결합판(220)은, 각각 제1 단자 부재(310) 및 제2 단자 부재(320)가 끼움, 결합되는 결합홀(212)(222)과, 상기 결합홀(212)(222)의 주위에 형성되고 전해액 및 가스가 통과될 수 있는 관통홀(214)(224)을 포함하고,
    상기 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)은, 각각 금속 집전체(12)(22) 상에 활성탄 전극 조성물이 코팅, 형성된 활성탄 전극(14)(24)을 포함하되, 상기 활성탄 전극(14)(24)이 형성(코팅)되지 않은 부분으로서의 제1 용접 결합부(12a) 및 제2 용접 결합부(22a)를 각각 포함하며,
    상기 제1 도전성 결합판(210)은 제1 전극(10)의 제1 용접 결합부(12a)와 방사형 레이저 용접부(L)에 의해 용접, 결합되고, 상기 제2 도전성 결합판(220)은 제2 전극(20)의 제2 용접 결합부(22a)와 방사형 레이저 용접부(L)에 의해 용접, 결합되며,
    상기 제1 도전성 결합판(210)은, 1개의 셀 소자(A)가 용접, 결합되는 단위 셀 결합판(210a)과, 복수 개의 셀 소자(A)가 용접, 결합되는 복수 셀 결합판(210b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치 모듈용 셀 외장 케이스(B).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하우징(100)은 벽체(110)에 의해 형성되고, 복수의 셀 소자(A)가 내장되는 내부 공간(S)을 가지되,
    상기 내부 공간(S)은 벽체(110)에 형성된 구획부(120)에 의해 복수의 셀 수용부(S1 ~ S6)로 분할되고,
    상기 복수의 셀 수용부(S1 ~ S6)는 서로 연통된 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치 모듈용 셀 외장 케이스(B).
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하우징(100)은 제1 하우징(101)과, 상기 제1 하우징(101)의 하부에 결합되는 제2 하우징(102)을 포함하고,
    상기 제1 하우징(101)은 제1 벽체(111)와, 상기 제1 벽체(111)에 형성된 제1 구획부(121)와, 상기 제1 벽체(111)의 상단에 형성된 상판(130)과, 상기 제1 벽체(111)의 하단에 형성된 제1 결합부(151)를 포함하며,
    상기 제2 하우징(102)은 제2 벽체(112)와, 상기 제2 벽체(112)에 형성된 제2 구획부(122)와, 상기 제2 벽체(112)의 하단에 형성된 하판(140)과, 상기 제2 벽체(112)의 상단에 형성되고 상기 제1 결합부(151)와 결합되는 제2 결합부(152)를 포함하고,
    상기 복수의 셀 수용부(S1 ~ S6)는, 상기 제1 구획부(121)에 의해 형성된 복수의 제1 셀 수용부(S-1)와 상기 제2 구획부(122)에 의해 형성된 복수의 제2 셀 수용부(S-2)의 조합에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치 모듈용 셀 외장 케이스(B).
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하우징(100)은 제1 하우징(101)과, 상기 제1 하우징(101)의 하부에 결합되는 제2 하우징(102)을 포함하고,
    상기 제1 하우징(101)은 제1 벽체(111)와, 상기 제1 벽체(111)에 형성된 제1 구획부(121)와, 상기 제1 벽체(111)의 상단에 형성된 상판(130)과, 상기 제1 벽체(111)의 하단에 형성된 제1 결합부(151)를 포함하며,
    상기 제2 하우징(102)은 제2 벽체(112)와, 상기 제2 벽체(112)에 형성된 제2 구획부(122)와, 상기 제2 벽체(112)의 하단에 형성된 하판(140)과, 상기 제2 벽체(112)의 상단에 형성되고 상기 제1 결합부(151)와 결합되는 제2 결합부(152)를 포함하고,
    상기 복수의 셀 수용부(S1 ~ S6)는, 상기 제1 구획부(121)에 의해 형성된 복수의 제1 셀 수용부(S-1)와, 상기 제2 구획부(122)에 의해 형성된 복수의 제2 셀 수용부(S-2)의 조합에 의해 형성되며,
    상기 상판(130)은,
    제1 벽체(111)의 상단에 일체로 형성된 제1 베이스판(131)과,
    상기 제1 베이스판(131)으로부터 일체로 돌출, 형성된 제1 결합판(132)과,
    상기 제1 결합판(132)에 형성된 제1 결합공(133)을 포함하고,
    상기 제1 단자 부재(310)는,
    상기 제1 결합공(133)에 삽입되는 제1 단자 본체(311)와,
    상기 제1 단자 본체(311)의 중앙에 형성된 체결홈(312)과,
    상기 제1 단자 본체(311)의 일측에 일체로 돌출, 형성되고, 상기 제1 도전성 결합판(210)과 용접, 결합되는 돌출부(313)와,
    상기 제1 단자 본체(311)의 타측에서 결합되어지되, 상기 돌출부(313)와의 사이에 밀봉 부재(314)와 제1 결합판(132)이 삽입된 상태에서 결합되는 결합구(315)와,
    상기 제1 단자 본체(311)의 말단에 형성되고, 상기 제1 도전성 결합판(210)에 형성된 결합홀(212)에 삽입, 결합되는 홀 체결부(316)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치 모듈용 셀 외장 케이스(B).
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도전성 결합판(220)은, 복수 개의 셀 소자(A)가 용접, 결합되는 복수 셀 결합판(220b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치 모듈용 셀 외장 케이스(B).
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하우징(100)은 엔지니어링 플라스틱 성형체인 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치 모듈용 셀 외장 케이스(B).
  9. 제8항에 있어서,
    상기 엔지니어링 플라스틱 성형체는,
    밀도가 1.8g/㎤ 이하이고,
    인장 강도가 145MPa 이상이며,
    1.82MPa의 곡률응력에서 열변형 온도가 185℃ 이상인 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치 모듈용 셀 외장 케이스(B).
  10. 하나 또는 복수의 모듈 조립체(M)를 포함하고,
    상기 모듈 조립체(M)는 제1항, 제2항, 제3항, 제5항, 제7항, 제8항 또는 제9항에 따른 셀 외장 케이스(B)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 모듈 조립체(M)는, 상기 셀 외장 케이스(B)의 상부 및 하부에 설치된 조립 부재(C1)(C2)를 더 포함하고,
    상기 조립 부재(C1)(C2)는 기판(411)과, 상기 기판(411) 상에 형성된 와이어 고정부(416)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치 모듈.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 전기에너지 저장장치 모듈은, 상기 하나 또는 복수의 모듈 조립체(M)를 수납하는 모듈 컨테이너(F)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치 모듈.
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