KR102103454B1 - 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터 - Google Patents

하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터에 관한 것으로, 원통형 금속 케이스; 원통형 금속 케이스의 상부 끝단에 절연링을 개재하여 연결되어 원통형 금속 케이스의 내측이 밀봉되도록 하는 원형 금속 커버판; 원통형 금속 케이스의 내측에 배치되는 커패시터 소자; 커패시터 소자의 상부에 위치되도록 원통형 금속 케이스의 내측에 배치되는 배터리 소자; 및 원통형 금속 케이스의 내측에 커패시터 소자가 밀봉되도록 커패시터 소자가 감싸지게 형성되는 절연 밀봉부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터{Battery capacitor with hybrid assembly structure}
본 발명은 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터에 관한 것으로, 특히 하나의 원통형 케이스의 내측에 배터리와 커패시터를 병렬 연결시켜 배치한 후 전기적으로 연결시킴으로써 동일 전압을 가지는 배터리와 커패시터의 조립을 용이하게 할 수 있는 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터에 관한 것이다.
배터리(battery)는 충,방전 전류의 평준화와 충,방전횟수를 줄임으로써 배터리의 수명을 연장시키기 위해 커패시터와 연결되어 사용되며, 관련 기술이 한국등록특허공보 제10-1544024호(특허문헌 1)에 공개되어 있다.
한국등록특허공보 제10-1544024호는 배터리와 전기 이중층 커패시터를 병용하여 광범위한 입력에 대응할 수 있는 충,방전 장치에 관한 것으로, 발전부는 발전유닛과 충전기 및 회생에너지로 구성하여 충,방전 제어부에 각각 연결하여서 된 충전장치에 있어서, 충,방전 제어부의 축전회로부는 탄소 배터리와 전기 이중층 커패시터를 번갈아 부하에 연결되는 축전회로부로 구성하여 충전경로를 따로 함에 의해 전기 이중층 커패시터의 이점인 대전류 충전 대응이나 배터리 충,방전 전류를 평준화하고 충,방전 회수를 줄여 배터리의 수명을 연장시킨다.
한국등록특허공보 제10-1544024호와 같이 배터리의 충방전에 따른 수명 연장을 위해 전기 이중층 커패시터를 병렬로 연결하여 사용한다. 즉, 한국등록특허공보 제10-1544024호와 같이 종래의 배터리는 수명 연장을 위해 전기 이중층 커패시터와 병렬로 연결시켜 사용하고 있으며, 배터리와 전기 이중층 커패시터를 서로 병렬로 연결 시 별도의 배선연결 등과 같은 작업이 요구되어 조립 작업이 용이하지 않은 문제점이 있다.
1): 한국등록특허공보 제10-1544024호
본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 하나의 원통형 케이스의 내측에 배터리와 커패시터를 병렬 연결시켜 배치한 후 전기적으로 연결시킴으로써 동일 전압을 가지는 배터리와 커패시터의 조립을 용이하게 할 수 있는 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 배터리와 커패시터를 하나의 원통형 케이스의 내측에 조립함으로써 배터리와 커패시터의 조립 공수를 줄임으로써 제조원가를 절감할 수 있는 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터를 제공함에 있다.
본 발명의 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터는 원통형 금속 케이스; 상기 원통형 금속 케이스의 상부 끝단에 절연링을 개재하여 연결되어 원통형 금속 케이스의 내측이 밀봉되도록 하는 원형 금속 커버판; 상기 원통형 금속 케이스의 내측에 배치되는 커패시터 소자; 상기 커패시터 소자의 상부에 위치되도록 상기 원통형 금속 케이스의 내측에 배치되는 배터리 소자; 및 상기 원통형 금속 케이스의 내측에 상기 커패시터 소자가 밀봉되도록 커패시터 소자가 감싸지게 형성되는 절연 밀봉부재를 포함하며, 상기 커패시터 소자는 제1금속 보빈과 상기 제1금속 보빈에 권취되며 제1금속 보빈과 이격되도록 하부의 끝단에는 상기 원통형 금속 케이스의 내측의 하부와 연결되는 제1금속층이 형성되고 상부의 끝단에 제1금속 보빈과 연결되도록 제2금속층이 형성되는 제1원통형 권취체를 포함하며, 상기 배터리 소자는 하부는 상기 제1금속 보빈과 연결되며 상부는 원형 금속 커버판에 연결되는 제2금속 보빈과 상기 제2금속 보빈에 권취되며 하부의 끝단에는 제2금속 보빈과 연결되도록 제1금속층이 형성되고 상부의 끝단에는 절연원판에 의해 제2금속 보빈과 이격되며 원통형 금속 케이스의 내측의 상부와 연결되는 제2금속층이 형성되는 제2원통형 권취체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터는 하나의 원통형 케이스의 내측에 배터리와 커패시터를 병렬 연결시켜 배치한 후 전기적으로 연결시킴으로써 동일 전압을 가지는 배터리와 커패시터의 조립을 용이하게 할 수 있는 이점이 있으며, 배터리와 커패시터를 하나의 원통형 케이스의 내측에 조립함으로써 배터리와 커패시터의 조립 공수를 줄임으로써 제조원가를 절감할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터를 나타낸 전단면도,
도 2는 도1에 도시된 원통형 금속 케이스의 전단면도,
도 3은 도 1에 도시된 배터리와 커패시터의 전단면도,
도 4는 도 3에 도시된 커패시터의 분해 조립 전단면도,
도 5는 도 3에 도시된 배터리의 분해 조립 전단면도,
도 6은 도 3에 도시된 커패시터의 원통형 권취체의 사시도,
도 7은 도 3에 도시된 배터리의 원통형 권취체의 사시도.
이하, 본 발명의 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 3에서와 같이 본 발명의 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터는 원통형 금속 케이스(110), 원형 금속 커버판(120), 커패시터 소자(130), 배터리 소자(140) 및 절연 밀봉부재(150)를 포함하여 구성된다.
원통형 금속 케이스(110)는 본 발명의 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터를 전반적으로 지지하며, 원형 금속 커버판(120)은 원통형 금속 케이스(110)의 상부 끝단에 절연링(120a)을 개재하여 연결되어 원통형 금속 케이스(110)의 내측이 밀봉되도록 한다. 커패시터 소자(130)는 원통형 금속 케이스(110)의 내측에 배치되며, 배터리 소자(140)는 커패시터 소자(130)의 상부에 위치되도록 원통형 금속 케이스(110)의 내측에 배치된다. 절연 밀봉부재(150)는 원통형 금속 케이스(110)의 내측에 커패시터 소자(130)가 밀봉되도록 커패시터 소자(130)가 감싸지게 형성되며, 절연 밀봉부재(150)에 의해 밀봉되는 커패시터 소자(130)는 제1금속 보빈(131)과 제1원통형 권취체(132)를 포함하여 구성되며, 제1금속 보빈(131)은 제1원통형 권취체(132)가 권취된다. 제1원통형 권취체(132)는 제1금속 보빈(131)에 권취되며 제1금속 보빈(131)과 이격되도록 하부의 끝단에는 원통형 금속 케이스(110)의 내측의 하부와 연결되는 제1금속층(133)이 형성되고 상부의 끝단에 제1금속 보빈(131)과 연결되도록 제2금속층(134)이 형성된다. 배터리 소자(140)는 제2금속 보빈(141)과 제2원통형 권취체(142)를 포함하여 구성되며, 제2금속 보빈(141)은 제2원통형 권취체(142)가 권취되고 하부는 제1금속 보빈(131)과 연결되며 상부는 원형 금속 커버판(120)과 연결된다. 제2원통형 권취체(142)는 제2금속 보빈(141)에 권취되며 부의 끝단에는 제2금속 보빈(141)과 연결되도록 제1금속층(143)이 형성되고 상부의 끝단에는 절연원판(145)에 의해 제2금속 보빈(141)과 이격되어 원통형 금속 케이스(110)의 내측의 상부와 연결되는 제2금속층(144)이 형성된다.
본 발명의 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터의 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
원통형 금속 케이스(110)는 도 1 및 도 2에서와 같이 본 발명의 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터를 전반적으로 지지하고 상부가 개방되도록 형성되며 하부에 제1외부 단자(111)가 하부방향으로 돌출되어 형성된다. 원통형 금속 케이스(110)의 상부는 각각 비드(bead)부(112)와 컬링(curling)부(113)가 형성된다. 비드부(112)는 원통형 금속 케이스(110)의 내측에 배치된 배터리 소자(140)의 상부의 끝단을 지지하여 접촉됨에 의해 전기적으로 연결되도록 형성되며, 컬링부(113)는 비드부(112)의 일측에 위치 즉, 원통형 금속 케이스(110)의 상부의 끝단에 형성되어 원형 금속 커버판(120)의 가장자리에 삽입되는 절연링(120a)을 지지하여 원통형 금속 케이스(110)의 내부가 밀폐되도록 한다. 여기서, 절연링(120a)은 오링이 사용된다.
원통형 금속 케이스(110)의 재질은 알루미늄(Al)이나 서스(SUS)가 사용됨으로 전기 전도성이 우수해 본 발명의 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터에서 공통전극 즉, 음극단자로 사용되는 제1외부 단자(111)가 하부에 일체로 형성된다. 원통형 금속 케이스(110)는 내측의 하부와 커패시터 소자(130)의 제1원통형 권취체(132)의 하부의 끝단에 제1금속 보빈(131)과 이격되도록 형성된 제1금속층(133)과 공지된 레이저 용접 방법 등을 이용해 접합되어 전기적으로 도통되도록 연결된다.
원통형 금속 케이스(110)는 비드부(112)가 원통형 금속 케이스(110)의 내측에 배치된 배터리 소자(140)의 제2원통형 권취체(142)의 상부의 끝단을 지지하여 접촉됨에 의해 원통형 금속 케이스(110)와 배터리 소자(140)의 제2원통형 권취체(142)의 상부에 형성된 제2금속층(144)이 비드부(112)에 의해 전기적으로 연결된다. 배터리 소자(140)의 상부의 끝단을 비드부(112)가 보다 견고하게 지지하며, 제2원통형 권취체(142)의 제2금속층(144)과 원통형 금속 케이스(110)에 형성된 비드부(112) 사이의 전기적인 연결의 내구성을 개선시키기 위해 배터리 소자(140)의 상부의 끝단을 비드부(112) 사이에는 연결금속층(114)을 형성한다. 연결금속층(114)은 원통형 금속 케이스(110)의 상부에 배터리 소자(140)의 상부의 끝단을 지지하기 위해 비드부(112)를 형성한 후 금속재질을 디스펜싱(dispensing) 방법을 이용해 도포하여 형성한다.
원형 금속 커버판(120)은 도 1 및 도 2에서와 같이 원형 금속판(121)과 제2외부 단자(122)를 포함하여 구성되며, 원통형 금속 케이스(110)의 상부 끝단에 절연링(120a)을 개재하여 연결되어 원통형 금속 케이스(110)의 내측이 밀봉되도록 한다. 원형 금속 커버판(120)의 원형 금속판(121)은 가장자리를 따라 절연링(120a)이 삽입되며, 하부에 제2금속 보빈(141)이 삽입되어 제2금속 보빈(141)의 제2나사산부(141b)와 나사 결합되어 체결되도록 내주면에 나사산(121b)이 형성된 나사산 홈부(121a)가 형성된다. 제2외부 단자(122)는 원형 금속판(121)의 상부에 돌출되도록 형성되는 형성된다.
커패시터 소자(130)는 도 1, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 제1금속 보빈(131), 제1원통형 권취체(132) 및 절연캡부재(135)를 포함하여 구성된다.
제1금속 보빈(131)은 중공형 원통형으로 형성되고 내주면의 하부에 제1나사산부(131a)가 형성되며 상부에 제2나사산부(131b)가 형성되며, 제1원통형 권취체(132)는 제1금속 보빈(131)과 절연캡부재(135)의 외주면에 원통형으로 권취된다. 절연캡부재(135)는 제1나사산부(131a)와 치합되는 제3나사산부(135a)가 외주면에 형성되어 제1나사산부(131a)에 제3나사산부(135a)를 치합시킴에 의해 제1금속 보빈(131)과 결합된다. 즉, 절연캡부재(135)는 제1금속 보빈(131)의 하부의 끝단이 원통형 금속 케이스(110)의 내측의 하부와 접촉되어 전기적으로 연결되는 것을 방지하며, 제1원기둥(11)과 제2원기둥(12)을 포함하여 구성된다. 절연캡부재(135)의 제1원기둥(11)은 외주면에 제3나사산부(135a)가 형성되어 제1금속 보빈(131)의 내측으로 삽입되어 제1금속 보빈(131)의 제1나사산부(131a)와 치합되며, 제2원기둥(12)은 제1원기둥(11)의 하부에 제1원기둥(11)과 일체로 형성되며 지름이 제1금속 보빈(131)과 동일하게 형성된다. 즉, 제2원기둥(12)의 외주면이 제1금속 보빈(131)의 외주면에 각각 제1원통형 권취체(132)를 권취하기 위해 제2원기둥(12)의 지름과 제1금속 보빈(131)의 지름이 서로 동일하게 형성된다.
제1원통형 권취체(132)는 도 6에서와 같이 음극(132a), 양극(132b) 및 분리막(132c)을 포함하여 구성된다.
음극(132a)은 음극층(21a)과 제1집전체(21)를 갖으며, 음극층(21a)은 커패시터 소자(130)의 음극으로 작용하며, 제1집전체(21)은 하부가 노출되도록 음극층(21a)이 형성된다. 양극(132b)은 양극층(22a)과 제2집전체(22)를 갖으며, 양극층(22a)은 음극층(21a)과 마주대하도록 형성되어 커패시터 소자(130)의 양극으로 작용한다. 제2집전체(22)은 상부가 노출되도록 양극층(22a)이 형성된다. 분리막(132c)은 양극(132b)과 음극(132a) 사이에 배치된다.
제1원통형 권취체(132)의 제1집전체(21)는 음극층(21a)이나 분리막(132c)보다 하부로 돌출되며 제2집전체(22)는 양극층(22a)이나 분리막(132c)보다 상부로 돌출되도록 제1집전체(21), 제2집전체(22) 및 분리막(132c)을 각각 적층한 상태에서 제1집전체(21)와 제2집전체(22)의 일측이나 타측에 각각 절연막(132d)을 개재하여 제1금속 보빈(131)의 외주면에 원통형으로 권취한 후 전해액에 함침시킨다. 전해액이 함침되면 하부의 끝단에는 원통형 금속 케이스(110)의 하부와 레이저 용접에 의해 접합되어 연결되는 제1금속층(133)이 형성되고, 상부의 끝단에는 제1금속 보빈(131)과 연결되도록 제2금속층(134)이 형성된다. 즉, 전해액이 함침되면 전해액에 함침된 제1원통형 권취체(132)는 하부의 끝단에 원통형 금속 케이스(110)의 하부와 레이저 용접에 의해 접합되어 연결되는 제1금속층(133)이 형성되고, 상부의 끝단에는 제1금속 보빈(131)과 연결되도록 제2금속층(134)이 형성된다.
제1금속층(133)은 제1원통형 권취체(132)의 하부의 끝단 즉, 음극층(21a)이나 분리막(132c)보다 하부로 돌출되도록 위치된 제1집전체(21)의 하부와 접합되어 전기적으로 도통되도록 연결되며, 제2금속층(134)은 제1원통형 권취체(132)는 상부의 끝단 즉, 양극층(22a)이나 분리막(132c)보다 상부로 돌출되도록 위치된 제2집전체(22)의 상부와 접합되어 전기적으로 도통되도록 연결된다. 여기서, 음극층(21a)과 양극층(22a)의 재질은 커패시터 소자(130)가 전기 이중층 커패시터가 적용됨으로 각각 활성탄, 도전제 및 바인더(binder)를 혼합하여 형성되고, 도전제는 슈퍼-피(Super-P), 케쳔블랙(ketjen black) 및 카본블랙(carbon black) 중 하나가 사용되며, 바인더는 PVDF(polyvinylidene difluoride), PTFE(polytetrafluoroethylene), SBR(styrene butadiene rubber) 및 CMC(carboxymethylcellulose) 중 하나가 사용되며, 전해액은 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate), TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluorborate) 및 SBPBF4(spiro-(1,1′)-bipyrrolidium tetrafluoroborate) 중 하나나 둘 이상이 포함된다.
배터리 소자(140)는 도 1, 도 3 및 도 5에서와 같이 제2금속 보빈(141), 제2원통형 권취체(142) 및 절연원판(145)을 포함하여 구성된다.
제2금속 보빈(141)은 중공형 원통형으로 형성되고 외주면의 하부에 제1나사산부(141a)가 형성되며 상부에 제2나사산부(141b)가 형성된다. 제2원통형 권취체(142)는 제2금속 보빈(141)의 외주면에 원통형으로 권취되며, 절연원판(145)은 제2원통형 권취체(142)의 상부에 위치되도록 제2금속 보빈(141)에 삽입된다.
제2금속 보빈(141)은 제1금속 보빈(131)에 삽입되어 제2금속 보빈(141)의 제1나사산부(141a)가 제1금속 보빈(131)의 제2나사산부(131b)와 치합되어 결합되고 제2금속 보빈(141)의 제2나사산부(141b)는 원형 금속 커버판(120)에 삽입되어 체결된다. 즉, 제2금속 보빈(141)은 제2나사산부(141b)이 원형 금속 커버판(120)에 형성된 나사산 홈부(121a)에 삽입되어 나사산 홈부(121a)의 내주면에 형성된 나사산(121b)과 치합되어 결합됨에 의해 제2금속 보빈(141)은 원형 금속 커버판(120)과 전기적으로 연결되어 제2금속 보빈(141)은 원형 금속 커버판(120)에 형성된 제2외부 단자(122)와 전기적으로 도통되도록 연결된다. 절연원판(145)은 제2원통형 권취체(142)와 원통형 금속 커버판(120) 사이에 위치되어 각각의 사이가 절연되도록 제2금속 보빈(141)의 상부에 삽입된다. 즉, 절연원판(145)은 제2금속층(144)이 제2금속 보빈(141)과 원형 금속 커버판(120)에 각각 접촉되어 전기적으로 연결되는 것을 방지한다.
배터리 소자(140)에 포함되는 제2원통형 권취체(142)는 도 7에서와 같이 음극(142a), 양극(142b) 및 분리막(142c)을 포함하여 구성된다.
음극(142a)은 음극층(31a)과 제1집전체(31)를 갖으며, 음극층(31a)은 배터리 소자(140)의 음극으로 작용하며, 제1집전체(31)은 상부가 노출되도록 음극층(31a)이 형성된다. 양극(142b)은 양극층(32a)과 제2집전체(32)를 갖으며, 양극층(32a)은 음극층(31a)과 마주대하도록 형성되어 배터리 소자(140)의 양극으로 작용한다. 제2집전체(32)은 하부가 노출되도록 양극층(32a)이 형성된다. 분리막(142c)은 양극(142b)과 음극(142a) 사이에 배치된다.
제2원통형 권취체(142)의 제1집전체(31)는 음극층(31a)이나 분리막(142c)보다 상부로 돌출되며 제2집전체(32)는 양극층(32a)이나 분리막(142c)보다 하부로 돌출되도록 제1집전체(31), 제2집전체(32) 및 분리막(142c)을 각각 적층한 상태에서 제1집전체(31)와 제2집전체(32)의 일측이나 타측에 각각 절연막(142d)을 개재하여 제2금속 보빈(141)의 외주면에 원통형으로 권취한 후 전해액에 함침시킨다. 전해액이 함침되면 하부의 끝단에는 제2금속 보빈(141)과 연결되도록 제1금속층(143)이 형성되고, 상부의 끝단에는 절연원판(145)에 의해 제2금속 보빈(141)과 이격되도록 제2금속층(144)이 형성된다. 즉, 제2금속 보빈(141)의 외주면에 원통형으로 제2원통형 권취체(142)가 권취되면 제2원통형 권취체(142)를 전해액에 함침시킨 후 제2원통형 권취체(142)의 하부나 상부의 끝단에 제1금속층(143)이나 제2금속층(144)을 형성한다.
제1금속층(143)은 제2원통형 권취체(142)의 상부의 끝단 즉, 음극층(31a)이나 분리막(132c)보다 상부로 돌출되도록 위치된 제1집전체(31)의 상부와 접합되어 전기적으로 도통되도록 연결되며, 제2금속층(144)은 제2원통형 권취체(142)는 하부의 끝단 즉, 양극층(32a)이나 분리막(142c)보다 하부로 돌출되도록 위치된 제2집전체(32)의 하부와 접합되어 전기적으로 도통되도록 연결된다.
배터리 소자(140)는 본 발명에서 리튬 이온 전지가 사용됨으로 음극층(31a)의 재질은 Li4Ti5O11, 도전제 및 바인더(binder)를 혼합하여 형성되고, 양극층(32a)의 재질은 LiMn1.5Ni0.5O4 와 LiCoPO4 중 하나, 도전제 및 바인더를 혼합하여 형성되며, 도전제는 슈퍼-피(Super-P), 케쳔블랙(ketjen black) 및 카본블랙(carbon black) 중 하나가 사용되며, 바인더는 PVDF(polyvinylidene difluoride), PTFE(polytetrafluoroethylene), SBR(styrene butadiene rubber) 및 CMC(carboxymethylcellulose) 중 하나가 사용되며, 전해액은 LiBF4, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiC(SO2CF3)3, LiBOB(Lithium bis(oxalato)borate) 중 하나나 둘 이상이 포함된다.
절연 밀봉부재(150)는 EMC(epoxy molding compound)나 우레탄을 이용해 커패시터 소자(130)가 밀봉되도록 형성하여 커패시터 소자(130)와 배터리 소자(140)가 서로 완전하게 하나의 원통형 금속 케이스(110) 내측에 서로 독립적으로 연결 즉, 서로 병렬로 연결된 상태를 유지시킨다.
전술한 바와 같이 본 발명의 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터는 하나의 원통형 금속 케이스(110) 내측에 커패시터 소자(130)와 배터리 소자(140)가 서로 독립적으로 배치된 상태에서 서로 병렬로 연결된다. 즉, 본 발명의 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터의 커패시터 소자(130)는 전기 이중층 커패시터 소자가 사용되며 배터리 소자(140)는 리튬 이온 배터리 소자가 사용되고, 커패시터 소자(130)와 배터리 소자(140)는 서로 동일한 전압 즉, 서로 동일한 정격전압을 갖는 것이 사용된다. 예를 들어, 커패시터 소자(130)의 정격전압은 배터리 소자(140)의 정격전압이 2.3V(voltage)이면 2.3V인 것이 사용되며, 배터리 소자(140)의 정격전압이 3.2V(voltage)이면 커패시터 소자(130)의 정격전압은 3.2V인 것이 사용된다. 즉, 커패시터 소자(130)의 정격전압과 배터리 소자(140)의 정격전압은 서로 동일한 것이 사용되며, 커패시터 소자(130)의 정격전압이 2.3 내지 3.2V(voltage)이고 배터리 소자(140)의 정격전압은 2.3 내지 3.2V인 것이 사용된다. 이러한 커패시터 소자(130)는 사용 가능한 정격전압이 0.1 내지 3.2V(voltage)이고 배터리 소자(140)는 사용가능한 정격전압이 2.3 내지 3.2V이다. 즉, 커패시터 소자(130)는 정격전압이 0.1 내지 3.2V(voltage)이고 배터리 소자(140)는 정격전압이 2.3 내지 3.2V이며, 커패시터 소자(130)와 배터리 소자(140)의 에너지 비(Wh)는 커패시터 소자(130) 30 내지 70％이고 배터리 소자(140) 30 내지 70％이며, 출력전압(V)을 기준으로는 커패시터 소자(130) 10 내지 30％이며 배터리 소자(140) 70 내지 90％가 사용되도록 커패시터 소자(130)와 배터리 소자(140)가 서로 독립적으로 배치된 상태에서 서로 병렬로 연결된다.
본 발명의 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터는 하나의 원통형 금속 케이스(110) 내측에 커패시터 소자(130)와 배터리 소자(140)가 서로 독립적으로 배치된 상태에서 서로 병렬로 연결된다. 즉, 커패시터 소자(130)와 배터리 소자(140) 중 커패시터 소자(130)의 제1금속층(133)과 배터리 소자의 제1금속층(143)이 서로 원통형 금속 케이스를 통해 제1외부 단자(111)와 전기적으로 연결되며, 커패시터 소자(130)의 제2금속층(134)과 배터리 소자(140)의 제2금속층(144)이 서로 삽입되어 연결되는 제1금속 보빈(131)과 제2금속 보빈(141)을 통해 제2외부 단자(122)와 전기적으로 연결되어 커패시터 소자(130)와 배터리 소자(140)가 서로 병렬로 연결된다. 즉, 커패시터 소자(130)의 제1금속층(133)은 제1원통형 권취체(132)의 하부의 끝단에 형성되어 음극층(21a)이나 분리막(132c)보다 하부로 돌출되도록 위치된 제1집전체(21)의 하부와 접합되어 전기적으로 도통되도록 연결되며, 커패시터 소자(130)의 제2금속층(134)은 제1원통형 권취체(132)의 상부의 끝단에 형성되어 양극층(22a)이나 분리막(132c)보다 상부로 돌출되도록 위치된 제2집전체(22)의 상부와 접합되어 전기적으로 도통되도록 연결된다. 배터리 소자(140)의 제1금속층(143)은 제2원통형 권취체(142)의 상부의 끝단에 형성되어 음극층(31a)이나 분리막(142c)보다 상부로 돌출되도록 위치된 제1집전체(31)의 상부와 접합되어 전기적으로 도통되도록 연결되며, 배터리 소자(140)의 제2금속층(144)은 제2원통형 권취체(142)의 하부의 끝단에 형성되어 양극층(32a)이나 분리막(142c)보다 하부로 돌출되도록 위치된 제2집전체(32)의 하부와 접합되어 전기적으로 도통되도록 연결됨에 의해 커패시터 소자(130)와 배터리 소자(140)가 서로 병렬로 연결된다.
이상과 같이 본 발명의 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터는 하나의 원통형 케이스의 내측에 배터리와 커패시터를 병렬 연결시켜 배치한 후 전기적으로 연결시킴으로써 동일 전압을 가지는 배터리와 커패시터의 조립을 용이하게 할 수 있는 이점이 있으며, 배터리와 커패시터를 하나의 원통형 케이스의 내측에 조립함으로써 배터리와 커패시터의 조립 공수를 줄임으로써 제조원가를 절감할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터는 배터리나 전기 이중층 커패시터 제조산업 분야에 적용할 수 있다.
110: 원통형 금속 케이스 111: 제1외부 단자
112: 비드부 113: 컬링부
120: 원형 금속 커버판 121: 원형 금속판
122: 제2외부 단자 120a: 절연링
130: 커패시터 소자 131: 제1금속 보빈
132: 제1원통형 권취체 140: 배터리 소자
141: 제2금속 보빈 142: 제2원통형 권취체
150: 절연 밀봉부재

Claims (12)

  1. 원통형 금속 케이스;
    상기 원통형 금속 케이스의 상부 끝단에 절연링을 개재하여 연결되어 원통형 금속 케이스의 내측이 밀봉되도록 하는 원형 금속 커버판;
    상기 원통형 금속 케이스의 내측에 배치되는 커패시터 소자;
    상기 커패시터 소자의 상부에 위치되도록 상기 원통형 금속 케이스의 내측에 배치되는 배터리 소자; 및
    상기 원통형 금속 케이스의 내측에 상기 커패시터 소자가 밀봉되도록 커패시터 소자가 감싸지게 형성되는 절연 밀봉부재를 포함하며,
    상기 커패시터 소자는 제1금속 보빈과 상기 제1금속 보빈에 권취되며 제1금속 보빈과 이격되도록 하부의 끝단에는 상기 원통형 금속 케이스의 내측의 하부와 연결되는 제1금속층이 형성되고 상부의 끝단에 제1금속 보빈과 연결되도록 제2금속층이 형성되는 제1원통형 권취체를 포함하며, 상기 배터리 소자는 하부는 상기 제1금속 보빈과 연결되며 상부는 원형 금속 커버판과 연결되는 제2금속 보빈과 상기 제2금속 보빈에 권취되며 하부의 끝단에는 제2금속 보빈과 연결되도록 제1금속층이 형성되고 상부의 끝단에는 절연원판에 의해 제2금속 보빈과 이격되며 원통형 금속 케이스의 내측의 상부와 연결되는 제2금속층이 형성되는 제2원통형 권취체를 포함하는 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 원통형 금속 케이스는 상부가 개방되고 상부에 원통형 금속 케이스의 내측에 배치된 배터리 소자의 상부의 끝단을 지지하여 접촉됨에 의해 전기적으로 연결되도록 비드(bead)부가 형성되고, 상기 비드부의 일측에 원통형 금속 케이스에 삽입되는 절연링을 지지하는 컬링(curling)부가 형성되며, 하부에 제1외부 단자가 돌출되어 형성되며, 재질은 알루미늄(Al)이나 서스(SUS)가 사용되는 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 원형 금속 커버판은 가장자리를 따라 절연링이 삽입되는 원형 금속판;및
    상기 원형 금속판의 상부에 돌출되도록 형성되는 제2외부 단자를 포함하며,
    상기 원형 금속판은 하부에 제2금속 보빈이 삽입되어 제2금속 보빈의 제2나사산부와 나사 결합되어 체결되도록 내주면에 나사산이 형성된 나사산 홈부가 형성되는 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 커패시터 소자는 중공형 원통형으로 형성되고 내주면의 하부에 제1나사산부가 형성되며 상부에 제2나사산부가 형성되는 제1금속 보빈;
    상기 제1나사산부와 치합되는 제3나사산부가 외주면에 형성되어 제1나사산부에 제3나사산부를 치합시킴에 의해 상기 제1금속 보빈과 결합되는 절연캡부재; 및
    상기 제1금속 보빈과 상기 절연캡부재의 외주면에 원통형으로 권취되는 제1원통형 권취체를 포함하고,
    상기 절연캡부재는 외주면에 상기 제3나사산부가 형성되는 제1원기둥과 상기 제1원기둥의 하부에 제1원기둥과 일체로 형성되며 지름이 제1금속 보빈과 동일하게 형성되는 제2원기둥을 포함하는 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1원통형 권취체는 음극층과 하부가 노출되도록 상기 음극층이 형성되는 제1집전체를 갖는 음극;
    상기 음극층과 마주대하도록 형성되는 양극층과 상부가 노출되도록 양극층이 형성되는 제2집전체를 갖는 양극;
    상기 양극과 음극 사이에 배치되는 분리막을 포함하고,
    상기 제1집전체는 상기 음극층이나 상기 분리막보다 하부로 돌출되며 상기 제2집전체는 상기 양극층이나 상기 분리막보다 상부로 돌출되도록 상기 제1집전체, 상기 제2집전체 및 상기 분리막을 각각 적층한 상태에서 상기 제1집전체와 상기 제2집전체의 일측이나 타측에 각각 절연막을 개재하여 상기 제1금속 보빈의 외주면에 원통형으로 권취한 후 전해액에 함침하며 전해액이 함침되면 하부의 끝단에는 원통형 금속 케이스의 하부와 레이저 용접에 의해 접합되어 연결되는 제1금속층이 형성되고, 상부의 끝단에는 제1금속 보빈과 연결되도록 제2금속층이 형성되며,
    상기 음극층과 상기 양극층의 재질은 각각 활성탄, 도전제 및 바인더(binder)를 혼합하여 형성되고, 상기 도전제는 슈퍼-피(Super-P), 케쳔블랙(ketjen black) 및 카본블랙(carbon black) 중 하나가 사용되며, 상기 바인더는 PVDF(polyvinylidene difluoride), PTFE(polytetrafluoroethylene), SBR(styrene butadiene rubber) 및 CMC(carboxymethylcellulose) 중 하나가 사용되며, 상기 전해액은 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate), TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluorborate) 및 SBPBF4(spiro-(1,1′)-bipyrrolidium tetrafluoroborate) 중 하나나 둘 이상이 포함되는 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 소자는 중공형 원통형으로 형성되고 외주면의 하부에 제1나사산부가 형성되며 상부에 제2나사산부가 형성되는 제2금속 보빈;
    상기 제2금속 보빈의 외주면에 원통형으로 권취되는 제2원통형 권취체; 및
    상기 제2원통형 권취체의 상부에 위치되도록 제2금속 보빈에 삽입되는 절연원판을 포함하며,
    상기 제2금속 보빈은 제1금속 보빈에 삽입되어 제2금속 보빈의 제1나사산부가 제1금속 보빈의 제2나사산부와 치합되어 결합되고 제2금속 보빈의 제2나사산부는 원형 금속 커버판에 삽입되어 체결되며, 상기 제2원통형 권취체와 상기 원통형 금속 커버판 사이에 위치되어 각각의 사이가 절연되도록 제2금속 보빈의 상부에 절연원판이 삽입되는 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2원통형 권취체는 음극층과 상부가 노출되도록 상기 음극층이 형성되는 제1집전체를 갖는 음극;
    상기 음극층과 마주대하도록 형성되는 양극층과 하부가 노출되도록 양극층이 형성되는 제2집전체를 갖는 양극;
    상기 양극과 음극 사이에 배치되는 분리막을 포함하고,
    상기 제1집전체는 상기 음극층이나 상기 분리막보다 상부로 돌출되며 상기 제2집전체는 상기 양극층이나 상기 분리막보다 하부로 돌출되도록 상기 제1집전체, 상기 제2집전체 및 상기 분리막을 각각 적층한 상태에서 상기 제1집전체와 상기 제2집전체의 일측이나 타측에 각각 절연막을 개재하여 상기 제2금속 보빈의 외주면에 원통형으로 권취한 후 전해액에 함침되며, 전해액에 함침되면 하부의 끝단에는 제2금속 보빈과 연결되도록 제1금속층이 형성되고, 상부의 끝단에는 상기 절연원판에 의해 제2금속 보빈과 이격되도록 제2금속층이 형성되며,
    상기 음극층의 재질은 Li4Ti5O11, 도전제 및 바인더(binder)를 혼합하여 형성되고, 상기 양극층의 재질은 LiMn1.5Ni0.5O4 와 LiCoPO4 중 하나, 도전제 및 바인더를 혼합하여 형성되며, 상기 도전제는 슈퍼-피(Super-P), 케쳔블랙(ketjen black) 및 카본블랙(carbon black) 중 하나가 사용되며, 상기 바인더는 PVDF(polyvinylidene difluoride), PTFE(polytetrafluoroethylene), SBR(styrene butadiene rubber) 및 CMC(carboxymethylcellulose) 중 하나가 사용되며, 상기 전해액은 LiBF4, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiC(SO2CF3)3, LiBOB(Lithium bis(oxalato)borate) 중 하나나 둘 이상이 포함되는 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 커패시터 소자와 상기 배터리 소자 중 상기 커패시터 소자는 전기 이중층 커패시터 소자가 사용되며 상기 배터리 소자는 리튬 이온 배터리 소자가 사용되는 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 커패시터 소자와 상기 배터리 소자는 서로 동일한 정격전압인 것이 사용되는 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 커패시터 소자와 상기 배터리 소자 중 상기 커패시터 소자는 정격전압이 2.3 내지 3.2V(voltage)이고 상기 배터리 소자의 정격전압은 2.3 내지 3.2V이며, 상기 커패시터 소자와 상기 배터리 소자의 에너지 비(Wh)는 커패시터 소자 30 내지 70％이고 배터리 소자 30 내지 70％이며, 출력전압(V)을 기준으로는 커패시터 소자 10 내지 30％이며 배터리 소자 70 내지 90％인 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 커패시터 소자와 상기 배터리 소자 중 상기 커패시터 소자의 제1금속층과 상기 배터리 소자의 제1금속층이 서로 원통형 금속 케이스를 통해 제1외부 단자와 전기적으로 연결되며, 커패시터 소자의 제2금속층과 배터리 소자의 제2금속층이 서로 삽입되어 연결되는 제1금속 보빈과 제2금속 보빈을 통해 제2외부 단자와 전기적으로 연결되어 커패시터 소자와 배터리 소자가 서로 병렬로 연결되고,
    상기 커패시터 소자의 제1금속층은 제1원통형 권취체의 하부의 끝단에 형성되어 음극층이나 분리막보다 하부로 돌출되도록 위치된 제1집전체의 하부와 접합되어 전기적으로 도통되도록 연결되며, 상기 커패시터 소자의 제2금속층은 제1원통형 권취체의 상부의 끝단에 형성되어 양극층이나 분리막보다 상부로 돌출되도록 위치된 제2집전체의 상부와 접합되어 전기적으로 도통되도록 연결되며, 상기 배터리 소자의 제1금속층은 제2원통형 권취체의 상부의 끝단에 형성되어 음극층이나 분리막보다 상부로 돌출되도록 위치된 제1집전체의 상부와 접합되어 전기적으로 도통되도록 연결되며, 상기 배터리 소자의 제2금속층은 제2원통형 권취체의 하부의 끝단에 형성되어 양극층이나 분리막보다 하부로 돌출되도록 위치된 제2집전체의 하부와 접합되어 전기적으로 도통되도록 연결되는 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 절연 밀봉부재는 EMC나 우레탄을 이용해 커패시터 소자가 밀봉되도록 형성되는 하이브리드 어셈블리 구조를 가지는 배터리 커패시터.
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