KR102575732B1 - 에너지 저장 장치 - Google Patents

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Abstract

상하 방향(V)을 따라 전극과 분리막이 교대로 적층된 구조를 갖는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하는 외장재; 및 상기 전극 조립체에 구비되는 전극에 접합되는 전극 리드; 를 포함하고, 상기 전극 리드는 상기 외장재 내에 구비되고, 상기 전극은 양극 및 음극을 포함하고, 상기 전극 리드는, 일 측이 상기 양극에 접합되는 양극 리드; 및 일 측이 상기 음극에 접합되는 음극 리드; 를 포함하고, 상기 외장재의 상기 상하 방향(V)의 상면 및 하면에는 각각 제1 관통홀과 제2 관통홀이 형성되고, 상기 양극 리드 중 일부는 상기 제1 관통홀과 마주보도록 구비되고, 상기 음극 리드 중 일부는 상기 제2 관통홀과 마주보도록 구비되는 에너지 저장 장치가 개시된다.

Description

에너지 저장 장치{ENERGY STORAGE DEVICE}
본 발명은 에너지 저장 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 종래와 비교하여 신규한 구조를 갖는 에너지 저장 장치에 관한 것이다.
전극과 분리막이 적층된 전극 조립체(electrode assembly)를 포함하는 슈퍼 커패시터(super capacitor) 또는 이차전지(secondary battery)에는 외부의 다른 구성들과 전기적으로 연결되기 위한 단자가 구비되는 것이 일반적이다.
이러한 단자의 경우 슈퍼 커패시터 또는 이차전지로부터 외측으로 돌출되는 구조를 갖는 것이 일반적이다. 특히, 종래 기술에 따르면, 이러한 단자가 전극 조립체의 측면으로부터 돌출된 구조를 갖는 것이 일반적이었고, 복수의 슈퍼 커패시터 또는 복수의 이차전지가 구비된 에너지 저장 모듈의 경우 단자를 통해 각 슈퍼 커패시터 또는 이차전지를 직렬 연결한 구조를 갖는 것이 일반적이었다.
그러나, 종래 기술의 경우, 단자가 전극 조립체의 측면으로부터 돌출됨으로 인해, 복수의 슈퍼 커패시터 또는 복수의 이차전지를 직렬 연결하기 위해서는 별도의 외부 구성이 필요하다는 문제가 있었다.
또한, 종래 기술의 경우 단자가 전극 조립체의 측면으로부터 돌출되므로 단자의 폭이 상대적으로 좁았는데, 이는 단자에서의 저항 증가 및 발열 문제를 야기한다는 문제도 있었다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 별도의 외부 구성이 없이도 복수의 에너지 저장 장치 간에 직렬 연결이 가능한 구조를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 단자의 폭을 증대시킴으로써 에너지 저장 장치의 저항 및 발열을 최소화할 수 있는 구조를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 상하 방향(V)을 따라 전극과 분리막이 교대로 적층된 구조를 갖는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하는 외장재; 및 상기 전극 조립체에 구비되는 전극에 접합되는 전극 리드; 를 포함하고, 상기 전극 리드는 상기 외장재 내에 구비되고, 상기 전극은 양극 및 음극을 포함하고, 상기 전극 리드는, 일 측이 상기 양극에 접합되는 양극 리드; 및 일 측이 상기 음극에 접합되는 음극 리드; 를 포함하고, 상기 외장재의 상기 상하 방향(V)의 상면 및 하면에는 각각 제1 관통홀과 제2 관통홀이 형성되고, 상기 양극 리드 중 일부는 상기 제1 관통홀과 마주보도록 구비되고, 상기 음극 리드 중 일부는 상기 제2 관통홀과 마주보도록 구비되는 에너지 저장 장치가 제공된다.
상기 양극은, 양극 집전체; 및 상기 양극 집전체의 일면 또는 양면에 도포되는 양극 활물질; 을 포함하고, 상기 음극은, 음극 집전체; 및 상기 음극 집전체의 일면 또는 양면에 도포되는 음극 활물질; 을 포함하고, 상기 양극 집전체 및 상기 음극 집전체에는 각각 상기 양극 활물질과 상기 음극 활물질이 도포되지 않은 제1 무지부와 제2 무지부가 구비되고, 상기 양극 리드와 상기 음극 리드는 각각 상기 제1 무지부와 상기 제2 무지부에 접합될 수 있다.
상기 양극 리드는, 상기 제1 무지부에 접합되는 영역인 제1 양극 리드 영역; 및 상기 제1 관통홀을 통해 외부에 노출되는 영역인 제2 양극 리드 영역; 을 포함하고, 상기 양극 리드에는 상기 제2 양극 리드 영역이 상기 제1 양극 리드 영역에 대해 소정의 각을 이루도록 제1 절곡부가 형성될 수 있다.
상기 음극 리드는, 상기 제2 무지부에 접합되는 영역인 제1 음극 리드 영역; 및 상기 제2 관통홀을 통해 외부에 노출되는 영역인 제2 음극 리드 영역; 을 포함하고, 상기 음극 리드에는 상기 제2 음극 리드 영역이 상기 제1 음극 리드 영역에 대해 소정의 각을 이루도록 제2 절곡부가 형성될 수 있다.
상기 제1 관통홀을 통해 상기 제2 양극 리드 영역의 상면에 부착되는 제1 전도성 물질층; 을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 관통홀을 통해 상기 제2 음극 리드 영역의 하면에 부착되는 제2 전도성 물질층; 을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 양극 리드 영역은, 상기 제2 양극 리드 영역의 상면에 구비되고 상방으로 볼록하게 돌출된 형상을 갖는 제1 돌출부; 를 포함할 수 있다.
상기 제2 음극 리드는, 상기 제2 음극 리드의 하면에 구비되고 하방으로 볼록하게 돌출된 형상을 갖는 제2 돌출부; 를 포함할 수 있다.
상기 제1 돌출부는 상기 외장재의 상면보다 상방으로 돌출되어 있을 수 있다.
상기 제2 돌출부는 상기 외장재의 하면보다 하방으로 돌출되어 있을 수 있다.
상기 제1 전도성 물질층은 상기 외장재의 상면보다 상방으로 돌출되어 있을 수 있다.
상기 제2 전도성 물질층은 상기 외장재의 하면보다 하방으로 돌출되어 있을 수 있다.
상기 제2 양극 리드 영역과 상기 외장재의 상면 사이에 구비되고, 일 면이 상기 제2 양극 리드 영역에 접합되고 타 면이 상기 외장재의 상면에 접합되는 제1 실런트층; 을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 음극 리드 영역과 상기 외장재의 하면 사이에 구비되고, 일 면이 상기 제2 음극 리드 영역에 접합되고 타 면이 상기 외장재의 하면에 접합되는 제2 실런트층; 을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 무지부와 상기 제1 양극 리드 영역이 접합되는 영역에서 상기 제1 무지부의 폭은 상기 제1 양극 리드 영역의 폭보다 작을 수 있다.
상기 제2 무지부와 상기 제1 음극 리드 영역이 접합되는 영역에서 상기 제2 무지부의 폭은 상기 제1 음극 리드 영역의 폭보다 작을 수 있다.
상기 에너지 저장 장치는 슈퍼 커패시터일 수 있다.
상기 에너지 저장 장치는 이차전지일 수 있다.
상기 외장재의 내측면에는 전기 절연성을 갖는 수지(resin) 코팅층이 구비될 수 있다.
본 발명에 따르면, 별도의 외부 구성이 없이도 복수의 에너지 저장 장치 간에 직렬 연결이 가능한 구조를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 단자의 폭을 증대시킴으로써 에너지 저장 장치의 저항 및 발열을 최소화할 수 있는 구조를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 저장 장치를 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 에너지 저장 장치의 일 예를 도시한 측단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 에너지 저장 장치의 다른 예를 도시한 측단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 에너지 저장 장치의 제조 과정에서 전극 리드가 절곡되기 전의 모습을 도시한 평면도 및 측단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 에너지 저장 장치의 제조 과정에서 전극 리드가 절곡된 후의 모습을 도시한 평면도 및 측단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 에너지 저장 장치에 구비되는 전극 조립체의 제조 방법의 일 예를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 에너지 저장 모듈에 구비되는 제1 에너지 저장 장치 및 제2 에너지 저장 장치를 도시한 사시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 에너지 저장 모듈에 구비되는 에너지 저장 장치와 주변 구성들을 도시한 평면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 에너지 저장 모듈에 구비되는 에너지 저장 장치와 주변 구성들을 도시한 측단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 에너지 저장 모듈을 도시한 사시도이다.
도 11은 본 발명에 따른 에너지 저장 모듈을 도시한 측단면도이다.
도 12는 본 발명에 따른 에너지 저장 모듈에서 가압부 및 주변 구성들을 확대 도시한 사시도이다.
도 13은 본 발명에 따른 에너지 저장 모듈에 구비되는 가압부를 도시한 분해 사시도이다.
이하, 도면을 참고하여 본 발명에 따른 에너지 저장 장치 및 에너지 저장 모듈을 설명한다.
에너지 저장 장치
도 1은 본 발명에 따른 에너지 저장 장치를 도시한 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 에너지 저장 장치의 일 예를 도시한 측단면도이다. 도 3은 본 발명에 따른 에너지 저장 장치의 다른 예를 도시한 측단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 에너지 저장 장치의 제조 과정에서 전극 리드가 절곡되기 전의 모습을 도시한 평면도 및 측단면도이다. 또한, 도 5는 본 발명에 따른 에너지 저장 장치의 제조 과정에서 전극 리드가 절곡된 후의 모습을 도시한 평면도 및 측단면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 에너지 저장 장치에 구비되는 전극 조립체의 제조 방법의 일 예를 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지 저장 장치(100)는 전극 조립체(110)를 포함할 수 있다. 전극 조립체(110)는 전극과 분리막이 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다. 이하, 본 명세서에서는 전극 조립체(110)에서 전극과 분리막이 교대로 적층되는 방향을 상하 방향(V)으로 정의하고, 상하 방향(V)에 수직으로 연장되는 방향을 수평 방향(H)으로 정의한다.
에너지 저장 장치(100)는 전극 조립체(110)를 수용하는 외장재(120)를 포함할 수 있다. 보다 상세하게, 외장재(120)에는 만입된 형상을 갖는 포밍부(122)가 형성될 수 있고, 전극 조립체(110)는 포밍부(122)에 수용될 수 있다.
에너지 저장 장치(100)는 전극 조립체(110)에 구비되는 전극에 접합되는 전극 리드(130)를 더 포함할 수 있다. 후술할 바와 같이, 전극 리드(130)는 에너지 저장 장치(100)를 외부의 다른 구성(예를 들어, 다른 에너지 저장 장치)과 전기적으로 연결하기 위한 구성일 수 있다.
한편, 전극 조립체(110)에 구비되는 전극은 양극 및 음극을 포함할 수 있고, 전극 리드(130)는 양극 리드(132) 및 음극 리드(136)를 포함할 수 있다. 양극 리드(132)는 일 측이 양극에 접합될 수 있고, 음극 리드(136)는 일 측이 음극에 접합될 수 있다. 한편, 본 발명에 다르면, 전극 리드(130)는 외장재(120) 내에 구비될 수 있다. 도 2에는 양극 리드(132) 및 음극 리드(136)가 외장재(120) 내에 구비된 모습이 도시되어 있다.
한편, 본 발명에 따른 전극 조립체(110)는 다양한 방식으로 제조될 수 있다. 일 예로, 도 6을 참고하면, 전극 조립체(110)는 i) 양극 집전체(110a)에 양극 활물질(110b)를 도포하여 양극을 제조하고, 음극 집전체(110c)에 음극 활물질(110d)을 도포하여 음극을 제조하고, 분리막(110e)을 구비한 후, 양극, 분리막, 음극 및 분리막을 교대로 배치하고(도 6의 (a) 참고), ii) 양극, 분리막, 음극 및 분리막 적층체를 일 방향으로 와인딩함으로써 제조될 수 있다(도 6의 (b) 참고). 이 경우, 전극 조립체는 젤리 롤 타입 또는 스택 앤 폴딩 타입의 전극 조립체일 수 있다. 그러나, 전극 조립체(110)의 구조는 전술한 내용에 제한되지 않고, 다양한 제조 방법에 의해 제조될 수 있다.
계속해서 도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 에너지 저장 장치(100)에 구비되는 외장재(120)에는 관통홀이 형성될 수 있다. 보다 상세하게, 외장재(120)의 상하 방향(V) 상면 및 하면에는 각각 제1 관통홀(H1)과 제2 관통홀(H2)이 형성될 수 있다.
이때, 본 발명에 따르면, 양극 리드(132) 중 일부는 제1 관통홀(H1)과 마주보도록 구비될 수 있고, 음극 리드(136) 중 일부는 제2 관통홀(H2)과 마주보도록 구비될 수 있다. 도 1 및 도 2에는 제1 관통홀(H1)이 외장재(120)의 상면의 중앙 영역에 형성되고, 제2 관통홀(H2)이 외장재(120)의 하면의 중앙 영역에 형성된 모습이 도시되어 있다.
본 발명에 따르면, 에너지 저장 장치(100)에 구비되는 전극 리드가 에너지 저장 장치(100)의 상면 및 하면에 구비되므로 에너지 저장 장치의 측면을 통해 전극 리드가 돌출 또는 노출되던 종래 기술과 비교하여 전극 리드의 저항이 현저하게 줄어들 수 있다. 즉, 에너지 저장 장치(100)의 경우 구조적인 특성상 측면에 비해 상면 및 하면의 면적이 현저하게 크기 때문에 전극 리드가 에너지 저장 장치의 상면 및 하면에 구비되는 경우 전극 리드의 면적 역시 큰 상태로 구비될 수 있다. 한편, 전도체의 저항의 크기는 전도체의 면적에 비례한다. 따라서, 본 발명에 따르면, 에너지 저장 장치에 구비되는 전극 리드의 저항이 현저하게 감소하게 되므로, 전극 리드에서의 발열 역시 현저하게 감소할 수 있다.
또한, 후술할 바와 같이, 본 발명에 따르면, 별도의 외부 구성이 없이도, 에너지 저장 모듈(10)에 구비되는 복수의 에너지 저장 장치(100)를 단순히 상하 방향(V)으로 적층함으로써 복수의 에너지 저장 장치를 직렬 연결할 수 있게 되므로, 에너지 저장 모듈(10, 도 10 등 참고)을 제조하는 과정 역시 현저하게 간소화될 수 있다.
한편, 종래에 공지된 바와 같이, 전극 조립체(110)에 구비되는 양극은 양극 집전체 및 양극 집전체의 일면 또는 양면에 도포되는 양극 활물질을 포함할 수 있고, 음극은 음극 집전체 및 음극 집전체의 일면 또는 양면에 도포되는 음극 활물질을 포함할 수 있다. 이때, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 양극 집전체 및 음극 집전체에는 각각 양극 활물질과 음극 활물질이 도포되지 않은 영역인 제1 무지부(112)와 제2 무지부(114)가 구비될 수 있고, 양극 리드(132)와 음극 리드(136)는 각각 제1 무지부(112)와 제2 무지부(114)에 접합될 수 있다.
보다 상세하게, 양극 리드(132)는 제1 무지부(112)에 접합되는 영역인 제1 양극 리드 영역(133) 및 제1 관통홀(H1)을 통해 외부에 노출되는 영역인 제2 양극 리드 영역(134)을 포함할 수 있다. 또한, 음극 리드(136)는 제2 무지부(114)에 접합되는 영역인 제1 음극 리드 영역(137) 및 제2 관통홀(H2)을 통해 외부에 노출되는 영역인 제2 음극 리드 영역(138)을 포함할 수 있다. 이때, 양극 리드(132)에는 제2 양극 리드 영역(134)이 제1 양극 리드 영역(133)에 대해 소정의 각을 이루도록 제1 절곡부(135)가 형성될 수 있고, 음극 리드(136)에는 제2 음극 리드 영역(138)이 제1 음극 리드 영역(137)에 대해 소정의 각을 이루도록 제2 절곡부(139)가 형성될 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 제1 절곡부(135)와 제2 절곡부(139)를 경계로 양극 리드(132) 및 음극 리드(136)는 각각 절곡된 형상을 가질 수 있다.
보다 상세하게, 도 4를 참고하면, 전극 조립체(110)에서 제1 무지부(112)가 형성되는 일 측에 양극 리드(132)가 구비되고, 전극 조립체(110)에서 제2 무지부(114)가 형성되는 타 측에 음극 리드(136)가 구비될 수 있다. 이후에, 제1 무지부(112)와 양극 리드(132)가 서로 접합되고, 제2 무지부(114)와 음극 리드(136)가 서로 접합될 수 있다.
이후에, 도 5에 도시된 바와 같이, 양극 리드(132)는 제1 절곡부(135)를 경계로 절곡됨으로써 전극 조립체(110)의 상면과 제2 양극 리드 영역(134)이 서로 마주보도록 구비될 수 있고, 음극 리드(136)는 제2 절곡부(139)를 경계로 절곡됨으로써 전극 조립체(110)의 하면과 제2 음극 리드 영역(138)이 서로 마주보도록 구비될 수 있다.
한편, 본 발명에 따르면, 에너지 저장 장치(100)는 전극 리드(130)에 부착되는 전도성 물질층(142, 144)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1 및 도 2를 참고하면, 에너지 저장 장치(100)는 제1 관통홀(H1)에 구비되고 제1 관통홀(H1)을 통해 제2 양극 리드 영역(134)의 상면에 부착되는 제1 전도성 물질층(142)을 더 포함할 수 있고, 제2 관통홀(H2)에 구비되고 제2 관통홀(H2)을 통해 제2 음극 리드 영역(138)의 상면에 부착되는 제2 전도성 물질층(144)을 더 포함할 수 있다. 양극 리드(132) 및 음극 리드(136)가 외부 구성(예를 들어, 다른 에너지 저장 장치의 전극 리드)과 용이하게 연결될 수 있도록 제1 전도성 물질층(142)은 외장재(120)의 상면보다 상방으로 돌출될 정도의 두께를 가질 수 있고, 제2 전도성 물질층(144)은 외장재(120)의 하면보다 하방으로 돌출될 정도의 두께를 가질 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 양극 리드 영역(134)은 제2 양극 리드 영역(134)의 상면에 구비되고 상방으로 볼록하게 돌출된 형상을 갖는 제1 돌출부(134a)를 더 포함할 수 있고, 제2 음극 리드 영역(138)은 제2 음극 리드 영역(138)의 하면에 구비되고 하방으로 볼록하게 돌출된 형상을 갖는 제2 돌출부(138a)를 더 포함할 수 있다. 제1 돌출부(134a)와 제2 돌출부(138a)가 구비되는 경우, 에너지 저장 장치를 상하 방향(V)으로 적층할 때 에너지 저장 장치에 구비되는 전극 리드 간의 직렬 연결이 보다 용이하게 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이 제1 돌출부(134a)는 외장재(120)의 상면보다 상방으로 돌출되어 있을 수 있고, 제2 돌출부(138a)는 외장재(120)의 하면보다 하방으로 돌출되어 있을 수 있다.
한편, 에너지 저장 장치(100)에 구비되는 전극 리드(130)는 외장재(120)와 전기적으로 절연될 필요가 있다. 이를 위해, 본 발명에 따르면, 에너지 저장 장치(100)는 제2 양극 리드 영역(134)과 외장재(120)의 상면 사이에 구비되고 일 면이 제2 양극 리드 영역(134)에 접합되고 타 면이 외장재(120)의 상면에 접합되는 제1 실런트층(152)을 포함할 수 있다. 또한, 에너지 저장 장치(100)는 제2 음극 리드 영역(138)과 외장재(120)의 하면 사이에 구비되고, 일 면이 제2 음극 리드 영역(138)에 접합되고 타 면이 외장재(120)의 하면에 접합되는 제2 실런트층(154)을 포함할 수 있다. 제1 실런트층(152) 및 제2 실런트층(154)은 각각 전기 절연성을 가질 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 에너지 저장 장치(100)의 외장재(120)의 내측면에는 전기 절연성을 갖는 코팅층이 추가로 구비될 수 있다. 상기 코팅층은 예를 들어, 수지(resin) 코팅층일 수 있으나, 이에 제한되지 않고 전기 절연성을 갖는 다양한 재질들이 전술한 코팅층에 적용될 수 있다.
한편, 다시 도 4 및 도 5를 참고하면, 제1 무지부(112)와 제1 양극 리드 영역(133)이 접합되는 영역에서 제1 무지부(112)의 폭은 제1 양극 리드 영역(133)의 폭보다 작을 수 있다. 또한, 제2 무지부(114)와 제1 음극 리드 영역(137)이 접합되는 영역에서 제2 무지부(114)의 폭은 제1 음극 리드 영역(137)의 폭보다 작을 수 있다. 이를 위해, 본 발명에 따른 에너지 저장 장치(100)를 제조하는 과정에서 전극 조립체(110)의 집전체의 양 측을 절단하는 노칭 공정이 추가될 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 저장 장치(100)의 제조 방법의 일 예는 다음과 같다.
전극 조립체(110)를 제조하고 전극 조립체(110)에 전극 리드(130)를 접합하고 전극 리드(130)를 절곡한 후, 전극 조립체-전극 리드 어셈블리는 포밍부(122)가 형성된 외장재(120)에 수용된다. 이후에, 외장재(120)의 일 측을 통해 전해액이 주입된 후 외장재의 1차 실링이 이루어진다. 이후에, 전극 조립체(110)의 에이징 과정, 외장재(120)의 일부를 커팅한 후 디가스 과정, 외장재(120)의 2차 실링, 에너지 저장 장치(100)의 설계 규격에 맞게 외장재를 절단하는 트리밍 공정 등을 순차적으로 거친 후 에너지 저장 장치(100)가 제조될 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 에너지 저장 장치(100)의 제조 방법은 전술한 내용에 제한되지 않는다.
한편, 본 발명에 따른 에너지 저장 장치(100)는 슈퍼 커패시터(super capacitor)일 수 있다. 슈퍼 커패시터는 에너지를 저장한 후 필요할 때 순간적으로 고출력의 전력을 보낼 수 있는 에너지 저장 장치로서, 일반적인 배터리에 비해 에너지의 저장량은 작지만 출력은 현저한 것이 특징이다. 그러나, 본 발명에 따른 에너지 저장 장치(100)는 슈퍼 커패시터에 제한되지 않고 다양한 종류의 축전 장치에 적용될 수 있다. 예를 들어, 에너지 저장 장치(100)는 리튬 이온 이차전지 등의 이차전지(secondary battery)일 수도 있다.
에너지 저장 모듈
도 7은 본 발명에 따른 에너지 저장 모듈에 구비되는 제1 에너지 저장 장치 및 제2 에너지 저장 장치를 도시한 사시도이고, 도 8은 본 발명에 따른 에너지 저장 모듈에 구비되는 에너지 저장 장치와 주변 구성들을 도시한 평면도이다. 도 9는 본 발명에 따른 에너지 저장 모듈에 구비되는 에너지 저장 장치와 주변 구성들을 도시한 측단면도이고, 도 10은 본 발명에 따른 에너지 저장 모듈을 도시한 사시도이다. 도 11은 본 발명에 따른 에너지 저장 모듈을 도시한 측단면도이고, 도 12는 본 발명에 따른 에너지 저장 모듈에서 가압부 및 주변 구성들을 확대 도시한 사시도이다. 또한, 도 13은 본 발명에 따른 에너지 저장 모듈에 구비되는 가압부를 도시한 분해 사시도이다.
본 발명에 따른 에너지 저장 모듈(10)은 복수의 에너지 저장 장치를 포함할 수 있다. 보다 상세하게, 복수의 에너지 저장 장치는 서로 직렬 연결될 수 있다. 예를 들어, 에너지 저장 모듈(10)은 제1 에너지 저장 장치(100a) 및 제2 에너지 저장 장치(100b)를 포함할 수 있고, 제1 에너지 저장 장치(100a) 및 제2 에너지 저장 장치(100b)는 서로 직렬 연결된 구조를 가질 수 있다. 그러나, 이는 에너지 저장 모듈(10)이 제1 에너지 저장 장치(100a) 및 제2 에너지 저장 장치(100b)만을 포함한다는 것은 아니다. 오히려, 본 발명에 따른 에너지 저장 모듈(10)은 3개 이상의 에너지 저장 장치를 포함할 수 있다. 다만, 전술한 제1 및 제2 에너지 저장 장치(100a, 100b)는 본 발명에 따른 에너지 저장 모듈(10)을 용이하게 설명하기 위해 편의상 선택 및 명명된 것이며, 제1 및 제2 에너지 저장 장치에 대해 후술할 내용은 본 발명에 따른 에너지 저장 모듈(10) 내에 구비되는 모든 에너지 저장 장치에 동일하게 적용될 수 있다.
도 1 내지 도 5를 참고하여 전술한 본 발명에 따른 에너지 저장 장치(100)에 대한 내용은 제1 및 제2 에너지 저장 장치에도 동일하게 적용될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 에너지 저장 장치는 각각 상하 방향(V)을 따라 전극과 분리막이 교대로 적층된 구조를 갖는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 포밍부가 형성되고 포밍부에 전극 조립체를 수용하는 외장재, 및 전극 조립체에 구비되는 전극에 접합되는 전극 리드를 포함할 수 있다. 또한, 전극은 양극 및 음극을 포함할 수 있고, 전극 리드는 일 측이 양극에 접합되는 양극 리드 및 일 측이 음극에 접합되는 음극 리드를 포함할 수 있다, 또한, 외장재의 상하 방향(V)의 상면 및 하면에는 각각 제1 관통홀과 제2 관통홀이 형성될 수 있고, 양극 리드 중 일부는 제1 관통홀과 마주보도록 구비될 수 있고, 음극 리드 중 일부는 상기 제2 관통홀과 마주보도록 구비될 수 있다.
이때, 도 2 및 도 7을 참고하면, 제1 에너지 저장 장치(100a)의 전극 리드(130)와 제2 에너지 저장 장치(100b)의 전극 리드(130)가 서로 전기적으로 연결될 수 있도록 제1 에너지 저장 장치(100a)와 제2 에너지 저장 장치(100b)는 상하 방향(V)으로 적층될 수 있다. 예를 들어, 도 2 및 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 제1 에너지 저장 장치(100a)의 양극 리드(132)와 제2 에너지 저장 장치(100b)의 음극 리드(136)가 서로 전기적으로 연결되도록 제1 에너지 저장 장치(100a)와 제2 에너지 저장 장치(100b)는 상하 방향(V)으로 적층될 수 있다.
보다 상세하게, 도 7 내지 도 9를 참고하면, 에너지 저장 모듈(10)은 에너지 저장 장치의 상면 또는 하면에 밀착 구비되는 터미널부(200)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 터미널부(200)는 제1 에너지 저장 장치(100a)의 상면 또는 하면에 밀착 구비되는 제1 터미널부(200a)와 제2 에너지 저장 장치(100b)의 상면 또는 하면에 밀착 구비되는 제2 터미널부(200b)를 포함할 수 있다. 도 7 내지 도 9에는 제1 터미널부(200a)가 제1 에너지 저장 장치(100a)에서 양극 리드(132)가 구비되는 상면에 밀착 구비되고, 제2 터미널부(200b)가 제2 에너지 저장 장치(100b)에서 양극 리드(132)가 구비되는 상면에 밀착 구비된 모습이 도시되어 있다.
후술할 바와 같이, 터미널부(200)는 에너지 저장 장치(100)에서 발생한 열을 외부에 전달하는 기능을 하기 위한 구성일 수 있다. 예를 들어, 터미널부(200)가 양극 리드(132)에 밀착 구비되는 경우, 양극 리드(132)에서 발생하는 열은 전도에 의해 터미널부(200)에 전달될 수 있고, 터미널부(200)에 전달된 열은 후술할 냉각 부재를 통해 외부에 방출될 수 있다.
또한, 터미널부(200)는 에너지 저장 모듈(10) 내에서 직렬 연결된 두 에너지 저장 장치(100) 간의 전압을 측정할 때, 전압을 측정하는 장치와 직접 연결되는 기능도 수행할 수 있다.
한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 터미널부(200)는 에너지 저장 장치(100)에 구비되는 전극 리드와 마주보도록 구비되고 적어도 표면이 전기 전도성을 갖는 전도 영역(210) 및 전도 영역(210)의 일 측에 구비되고 적어도 표면이 전기 절연성을 갖는 절연 영역(220)을 포함할 수 있다. 일 예로, 터미널부(200)는 전기 전도성을 갖는 전도성 부재 및 전도성 부재의 표면에 도포되고 전기 절연성을 갖는 절연성 부재를 포함할 수 있고, 전술한 절연 영역(220)은 상기 절연성 부재가 도포된 영역일 수 있으며, 전도 영역(210)은 상기 절연성 부재가 도포되지 않아 상기 전도성 부재가 외부에 노출된 영역일 수 있다. 따라서, 절연 영역(220)이 형성된 구간에서도 터미널부(200)의 내부에서는 통전이 가능할 수 있다.
일 예로, 전도 영역(210)은 에너지 저장 장치(100)에 구비되는 양극 리드와 마주보도록 구비될 수 있다. 또한, 전도 영역(210)과 절연 영역(220)은 서로 직접 연결될 수 있다. 전도 영역과 절연 영역이 직접 연결된다는 것은 전도 영역과 절연 영역이 서로 맞닿아 있는 것을 의미할 수 있다. 보다 상세하게, 터미널부(200)의 전도 영역(210)은 전극 리드(130, 도 2 참고)에, 보다 바람직하게는 양극 리드(132, 도 2 참고)에 밀착 구비될 수 있다. 따라서, 복수의 에너지 저장 장치를 직렬 연결하기 위해 복수의 에너지 저장 장치를 적층하였을 때, 전도 영역(210)은 복수의 에너지 저장 장치 간의 전기적 연결을 매개하는 통전 부재로서의 기능도 수행할 수 있다. 그러나, 이와 달리 본 발명에 따른 에너지 저장 모듈(10)에서는 터미널부(200)가 구비되지 않을 수도 있다.
계속해서 도 8 및 도 9를 참고하면, 터미널부(200)에 구비되는 절연 영역(220)은 전도 영역(210)과 직접 연결되고 전도 영역(210)으로부터 연장되는 연결 구간(222) 및 연결 구간(222)으로부터 연장되고 연결 구간(222)으로부터 상하 방향(V)으로 절곡되어 에너지 저장 장치(100)의 측면을 감싸도록 구비되는 절곡 구간(224)을 포함할 수 있다.
또한, 터미널부(200)는 연결 구간(222)으로부터 연장되고 에너지 저장 장치(100)로부터 수평 방향(H)으로 돌출되도록 구비되는 돌출 영역(230)을 더 포함할 수 있다. 이때, 돌출 영역(230)의 표면 중 적어도 일부는 전기 전도성을 가질 수 있다. 일 예로, 도 8에 도시된 바와 같이, 연결 구간(222)으로부터 돌출 영역(230)이 연장되는 방향과 연결 구간(222)으로부터 전도 영역(210)이 연장되는 방향은 서로 수직일 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 에너지 저장 장치(100)는 전극 리드(130)에 부착되는 전도성 물질층(142, 144, 도 1 참고)을 더 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 에너지 저장 모듈(10)에 구비되는 제1 및 제2 에너지 저장 장치(100a, 100b) 역시 각각 전극 리드(130)에 부착되는 전도성 물질층(142, 144, 도 1 참고)을 더 포함할 수 있다. 보다 상세하게, 에너지 저장 장치(100)는 제1 관통홀(H1, 도 2 참고)을 통해 양극 리드(132)의 상면에 부착되는 제1 전도성 물질층(142, 도 1 참고)를 더 포함할 수 있는데, 전도 영역(210)은 제1 전도성 물질층(142)에 부착될 수 있다. 또한, 에너지 저장 장치(100)는 제2 관통홀(H2, 도 2 참고)을 통해 음극 리드(136)의 하면에 부착되는 제2 전도성 물질층(144, 도 1 참고)을 더 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지 저장 모듈(10)에는 터미널부(200)가 구비되지 않을 수도 있는데, 이 경우 양극 리드(132)의 상면에 부착되는 제1 전도성 물질층(142, 도 1 참고)과 음극 리드(136)의 하면에 부착되는 제2 전도성 물질층(144, 도 1 참고)이 서로 밀착 구비됨으로써 복수의 에너지 저장 장치(100)가 서로 직렬 연결될 수 있다.
한편, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 에너지 저장 모듈(10)은 에너지 저장 장치(100)의 일 측에서 터미널부의 절곡 구간(224)에 밀착 구비되는 냉각 부재(300)를 더 포함할 수 있다. 냉각 부재(300)는 에너지 저장 모듈에 구비되는 전극 단자, 예를 들어, 양극 단자를 냉각하기 위한 구성일 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 절곡 구간(224)이 냉각 부재(300)에 밀착 구비될 수 있으므로, 전극 단자에서 발생한 열이 터미널부의 전도 영역(210), 연결 구간(222) 및 절곡 구간(224)을 거쳐 냉각 부재(300)에 전달될 수 있다. 냉각 부재(300)는 공냉 방식 또는 수냉 방식으로 열을 방출할 수 있다.
한편, 도 10 내지 도 12를 참고하면, 본 발명에 따른 에너지 저장 모듈(10)은 제1 및 제2 에너지 저장 장치를 포함하는 복수의 에너지 저장 장치의 일 측에 구비되되, 제1 및 제2 터미널부(200a, 200b)를 포함하는 복수의 터미널부에 각각 구비되는 돌출 영역(230)과 접촉하도록 구비되는 지지부재(400)를 더 포함할 수 있다. 지지부재(400)는 예를 들어, PCB일 수 있으나 지지부재의 재질은 이에 제한되지 않는다. 이때, 본 발명에 따르면, 복수의 터미널부에 각각 구비되는 돌출 영역(230)은 지지부재(400)에 삽입되거나, 지지부재(400)에 접합될 수 있다.
본 발명에 따르면, 별도의 추가 구성 없이 에너지 저장 모듈(10) 내에서 직렬 연결된 에너지 저장 장치(100) 간의 전압을 용이하게 측정할 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 전압을 측정하고자 하는 두 에너지 저장 장치를 선택한 후, 두 에너지 저장 장치에 구비된 돌출 영역(230) 간의 전압을 측정함으로써 두 에너지 저장 장치 간의 전압을 용이하게 측정할 수 있다. 이때, 지지부재(400)는 에너지 저장 모듈(10)에 구비되는 복수의 돌출 영역(230)을 지지하고 고정하는 역할을 수행할 수 있다.
한편, 도 7 및 도 8을 참고하면, 에너지 저장 모듈(10)은 에너지 저장 장치(100)의 외장재(120)의 상하 방향(V)의 상면에 밀착 구비되는 탄성 패드(500)를 더 포함할 수 있다. 본 발명에 따르면 탄성 패드(500)가 갖는 탄성력에 의해 에너지 저장 장치(100)가 상하 방향(V)으로 가압될 수 있으므로, 에너지 저장 모듈의 성능이 극대화될 수 있고, 에너지 저장 모듈의 제조 과정에서 에너지 저장 장치들 간의 정렬도가 향상될 수 있다.
보다 상세하게, 탄성 패드(500)는 전도 영역(210)의 둘레 영역을 감싸도록 구비될 수 있다. 이는, 상하 방향(V)으로 에너지 저장 모듈(10)을 바라보았을 때, 탄성 패드(500)가 전도 영역(210)과 오버랩되지 않도록 구비되는 것으로 이해될 수 있다. 일 예로, 탄성 패드(500)는 터미널부 전체와 오버랩되지 않도록 구비될 수 있다.
한편, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지 저장 모듈은 제1 및 제2 에너지 저장 장치를 포함하는 복수의 에너지 저장 장치가 상하 방향(V)으로 적층됨으로써 구비되는 적층체의 상하 방향(V)의 일 끝부에 구비되고 상기 적층체 내 복수의 에너지 저장 장치가 서로 밀착될 수 있도록 상기 복수의 에너지 저장 장치를 가압하는 가압부(600)를 더 포함할 수 있다.
보다 상세하게, 가압부(600)는 상기 적층체의 상하 방향(V) 일 끝부에 밀착 구비되는 단자 플레이트(610), 상하 방향(V)으로 단자 플레이트의 외측면에 밀착 구비되는 내측 플레이트(620), 상하 방향(V)으로 단자 플레이트로부터 이격된 상태로 구비되는 외측 플레이트(630) 및 내측 플레이트와 외측 플레이트 사이에 구비되고 내측 플레이트 및 외측 플레이트에 밀착 구비되는 탄성 부재(640)를 포함할 수 있다. 탄성 부재(640)는 예를 들어, 코일 형상을 가질 수 있다.
또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 에너지 저장 모듈(10)은 복수의 에너지 저장 장치가 상하 방향(V)으로 적층되어 구비되는 적층체에 밀착 구비되되, 일 끝부가 적층체의 상하 방향(V) 상부 끝부에 체결되고, 타 끝부가 적층체의 상하 방향(V) 하부 끝부에 체결되는 체결부(700)를 더 포함할 수 있다. 보다 상세하게, 체결부(700)는 적층체의 상부 끝부로부터 적층체의 하부 끝부까지 연장되는 구간이 적층체의 상하 방향(V)을 따라 형성될 수 있고, 상기 연장된 구간은 적층체의 측면에 밀착 구비될 수 있다.
한편, 복수의 에너지 저장 장치(100)를 상하 방향(V)으로 적층하는 과정에서 복수의 에너지 저장 장치(100)의 직렬 연결이 원활하게 이루어질 수 있도록 제1 및 제2 터미널부를 포함하는 복수의 터미널부에는 각각 전도 영역(210)으로부터 돌출된 형상을 갖는 요철 영역이 추가로 구비될 수 있다. 전술한 요철 영역은 외장재(120)의 상면보다 상방으로 돌출될 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 에너지 저장 장치는 슈퍼 커패시터 또는 이차전지일 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능함은 물론이다.
10 : 에너지 저장 모듈
100 : 에너지 저장 장치
100a : 제1 에너지 저장 장치
100b : 제2 에너지 저장 장치
110 : 전극 조립체
112 : 제1 무지부
114 : 제2 무지부
120 : 외장재
122 : 포밍부
130 : 전극 리드
132 : 양극 리드
133 : 제1 양극 리드 영역
134 : 제2 양극 리드 영역
134a : 제1 돌출부
135 : 제1 절곡부
136 : 음극 리드
137 : 제1 음극 리드 영역
138 : 제2 음극 리드 영역
138a : 제2 돌출부
139 : 제2 절곡부
142 : 제1 전도성 물질층
144 : 제2 전도성 물질층
152 : 제1 실런트층
154 : 제2 실런트층
200 : 터미널부
200a : 제1 터미널부
200b : 제2 터미널부
210 : 전도 영역
220 : 절연 영역
222 : 연결 구간
224 : 절곡 구간
230 : 돌출 영역
300 : 냉각 부재
400 : 지지부재
500 : 탄성 패드
600 : 가압부
610 : 단자 플레이트
620 : 내측 플레이트
630 : 외측 플레이트
640 : 탄성 부재
700 : 체결부
H1 : 제1 관통홀
H2 : 제2 관통홀
H : 수평 방향
V : 상하 방향

Claims (19)

  1. 상하 방향(V)을 따라 전극과 분리막이 교대로 적층된 구조를 갖는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하는 외장재; 및
    상기 전극 조립체에 구비되는 전극에 접합되는 전극 리드; 를 포함하고,
    상기 전극 리드는 상기 외장재 내에 구비되고,
    상기 전극은 양극 및 음극을 포함하고,
    상기 전극 리드는,
    일 측이 상기 양극에 접합되는 양극 리드; 및
    일 측이 상기 음극에 접합되는 음극 리드; 를 포함하고,
    상기 외장재의 상기 상하 방향(V)의 상면 및 하면에는 각각 제1 관통홀과 제2 관통홀이 형성되고,
    상기 양극 리드 중 일부는 상기 제1 관통홀과 마주보도록 구비되고,
    상기 음극 리드 중 일부는 상기 제2 관통홀과 마주보도록 구비되고,
    상기 양극 리드는,
    상기 제1 관통홀을 통해 외부에 노출되는 영역인 제2 양극 리드 영역 을 포함하고,
    상기 제2 양극 리드 영역과 상기 외장재의 상면 사이에 구비되고, 일 면이 상기 제2 양극 리드 영역에 접합되고 타 면이 상기 외장재의 상면에 접합되는 제1 실런트층 을 더 포함하는 에너지 저장 장치.
  2. 청구항 1에서,
    상기 양극은,
    양극 집전체; 및
    상기 양극 집전체의 일면 또는 양면에 도포되는 양극 활물질; 을 포함하고,
    상기 음극은,
    음극 집전체; 및
    상기 음극 집전체의 일면 또는 양면에 도포되는 음극 활물질; 을 포함하고,
    상기 양극 집전체 및 상기 음극 집전체에는 각각 상기 양극 활물질과 상기 음극 활물질이 도포되지 않은 제1 무지부와 제2 무지부가 구비되고,
    상기 양극 리드와 상기 음극 리드는 각각 상기 제1 무지부와 상기 제2 무지부에 접합되는 에너지 저장 장치.
  3. 청구항 2에서,
    상기 양극 리드는,
    상기 제1 무지부에 접합되는 영역인 제1 양극 리드 영역을 더 포함하고,
    상기 양극 리드에는 상기 제2 양극 리드 영역이 상기 제1 양극 리드 영역에 대해 소정의 각을 이루도록 제1 절곡부가 형성되는 에너지 저장 장치.
  4. 청구항 2에서,
    상기 음극 리드는,
    상기 제2 무지부에 접합되는 영역인 제1 음극 리드 영역; 및
    상기 제2 관통홀을 통해 외부에 노출되는 영역인 제2 음극 리드 영역; 을 포함하고,
    상기 음극 리드에는 상기 제2 음극 리드 영역이 상기 제1 음극 리드 영역에 대해 소정의 각을 이루도록 제2 절곡부가 형성되는 에너지 저장 장치.
  5. 청구항 3에서,
    상기 제1 관통홀을 통해 상기 제2 양극 리드 영역의 상면에 부착되는 제1 전도성 물질층; 을 더 포함하는 에너지 저장 장치.
  6. 청구항 4에서,
    상기 제2 관통홀을 통해 상기 제2 음극 리드 영역의 하면에 부착되는 제2 전도성 물질층; 을 더 포함하는 에너지 저장 장치.
  7. 청구항 3에서,
    상기 제2 양극 리드 영역은,
    상기 제2 양극 리드 영역의 상면에 구비되고 상방으로 볼록하게 돌출된 형상을 갖는 제1 돌출부; 를 포함하는 에너지 저장 장치.
  8. 청구항 4에서,
    상기 제2 음극 리드는,
    상기 제2 음극 리드의 하면에 구비되고 하방으로 볼록하게 돌출된 형상을 갖는 제2 돌출부; 를 포함하는 에너지 저장 장치.
  9. 청구항 7에서,
    상기 제1 돌출부는 상기 외장재의 상면보다 상방으로 돌출되어 있는 에너지 저장 장치.
  10. 청구항 8에서,
    상기 제2 돌출부는 상기 외장재의 하면보다 하방으로 돌출되어 있는 에너지 저장 장치.
  11. 청구항 5에서,
    상기 제1 전도성 물질층은 상기 외장재의 상면보다 상방으로 돌출되어 있는 에너지 저장 장치.
  12. 청구항 6에서,
    상기 제2 전도성 물질층은 상기 외장재의 하면보다 하방으로 돌출되어 있는 에너지 저장 장치.
  13. 상하 방향(V)을 따라 전극과 분리막이 교대로 적층된 구조를 갖는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하는 외장재; 및
    상기 전극 조립체에 구비되는 전극에 접합되는 전극 리드; 를 포함하고,
    상기 전극 리드는 상기 외장재 내에 구비되고,
    상기 전극은 양극 및 음극을 포함하고,
    상기 전극 리드는,
    일 측이 상기 양극에 접합되는 양극 리드; 및
    일 측이 상기 음극에 접합되는 음극 리드; 를 포함하고,
    상기 외장재의 상기 상하 방향(V)의 상면 및 하면에는 각각 제1 관통홀과 제2 관통홀이 형성되고,
    상기 양극 리드 중 일부는 상기 제1 관통홀과 마주보도록 구비되고,
    상기 음극 리드 중 일부는 상기 제2 관통홀과 마주보도록 구비되고,
    상기 양극 리드는,
    상기 제1 관통홀을 통해 외부에 노출되는 영역인 제2 양극 리드 영역 을 포함하고,
    상기 제2 양극 리드 영역은,
    상기 제2 양극 리드 영역의 상면에 구비되고 상방으로 볼록하게 돌출된 형상을 갖는 제1 돌출부; 를 포함하는 에너지 저장 장치.
  14. 청구항 4에서,
    상기 제2 음극 리드 영역과 상기 외장재의 하면 사이에 구비되고, 일 면이 상기 제2 음극 리드 영역에 접합되고 타 면이 상기 외장재의 하면에 접합되는 제2 실런트층; 을 더 포함하는 에너지 저장 장치.
  15. 청구항 3에서,
    상기 제1 무지부와 상기 제1 양극 리드 영역이 접합되는 영역에서 상기 제1 무지부의 폭은 상기 제1 양극 리드 영역의 폭보다 작은 에너지 저장 장치.
  16. 청구항 4에서,
    상기 제2 무지부와 상기 제1 음극 리드 영역이 접합되는 영역에서 상기 제2 무지부의 폭은 상기 제1 음극 리드 영역의 폭보다 작은 에너지 저장 장치.
  17. 청구항 1에서,
    상기 에너지 저장 장치는 슈퍼 커패시터인 에너지 저장 장치.
  18. 청구항 1에서,
    상기 에너지 저장 장치는 이차전지인 에너지 저장 장치.
  19. 청구항 1에서,
    상기 외장재의 내측면에는 전기 절연성을 갖는 수지(resin) 코팅층이 구비되는 에너지 저장 장치.
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