KR20020051292A - 자가충전식 고율 충방전이 가능한 전원소자 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 외부에서 안정적인 전원 공급을 하지 못하는 환경에 적합하게 태양전지를 사용하며, 태양전지에 의해 충전된 리튬 2차 전지와 초고용량 캐패시터는 방전율에 따라 선택적으로 작동하여 보다 효율적인 에너지원으로 기능을 하게 만든 전원 소자를 제공한다. 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 태양전지와, 상기 태양전지에 의해 충전되고, 고율의 방전을 수행하는 초고용량 캐패시터와, 상기 태양전지에 의해 충전되고, 저율의 방전을 수행하는 재충전이 가능한 리튬 2차전지로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

자가충전식 고율 충방전이 가능한 전원소자{POWER SOURCE DEVICE WITH SELF-CHARGE TYPE WHICH IS POSSIBLE OF HIGH RATE CHARGE AND DISCHARGE}

본 발명은 전원 소자에 관한 것으로, 특히 리튬 2차 전지, 초고용량 캐패시터 및 태양전지를 결합하여 자가충전식 고율 충방전이 가능한 전원소자에 관한 것이다.

오늘날 우리사회가 본격적으로 고도 정보화 사회가 되어감에 따라 상업적인 정보는 물론 개인정보의 부가가치가 점차 높아지고 있다. 이에 따라 신뢰성이 높은 정보통신 시스템이 요구되어졌으며, 이와 함께 안정적인 전기에너지 확보가 절대적으로 필요하게 되었다. 이에 따라 태양광발전, 풍력발전의 도입, 하이브리드 자동차의 개발 등이 활발히 이루어지고 있으며 이들이 효율적인 시스템이 되기 위해서는 우수한 에너지 축적시스템이 요구되고 있다. 최근 이 같은 안정적인 전기에너지의 확보와 우수한 에너지 공급원 시스템의 양자를 만족하는 에너지원 시스템으로서 리튬 2차전지, 초고용량 캐패시터 및 태양전지가 관심의 대상이 되고 있다.

특히 셀룰러폰과 같은 개인 휴대통신 기기에 사용되는 소형 2차전지의 경우 특히 고에너지밀도화, 장수명화, 초소형화, 경량화, 안전성 확보, 환경친화성 보장 등의 조건이 강력히 요구되어 현재 이에 상응하는 2차전지가 현재도 계속 개발되고 있다. 소형 2차전지 시스템으로서 초기에 개발된 것으로는 니카드 (Ni-Cd), 납축전지 등이 있다. 그러나 니카드와 납축전지는 환경 문제와 관련하여 한계가 드러났으며, 또한 고성능 전자기기에 필요한 높은 에너지밀도와 출력밀도의 요구 조건을 충분히 만족시키지 못하는 단점이 있다. 그리하여 고에너지밀도가 가능한 재료로서 니켈 수소 (Ni-MH), 리튬계 2차전지가 대두하여 현재에 이르고 있다.

초고용량 캐패시터는 소위 슈퍼캐패시터(Supercapacitor) 혹은 울트라캐패시터(ultracapacitor)라고 불리는 매우 큰 용량을 지닌 캐패시터를 지칭한 것이다. 이들은 작동 원리상으로 볼 때 총괄적으로 전기화학 캐패시터라고 불리어 질 수 있으며 종래의 캐패시터와 이차전지와는 다른 새로운 범주의 에너지 저장장치이다. 이 전기화학 캐패시터는 전기 이중층 캐패시터(Electric Double Layer Capacitor: 이하 EDLC로서 약칭함)와 산화환원 캐패시터(redox capacitor)라고 부르는 두 형태로 분류될 수 있다. 고체전극과 전해질용액 같이 두상의 계면에 있어서 정, 부의 전하는 굉장히 짧은 거리를 배열 분포한다. 전극이 정전하를 띄고 있는 경우에서는 전하를 보상하기 위해 용액중의 음이온이 배열한다. 이 전하의 배열에 의해 생기는 층이 전기이중층이다. 전기 이중층은 전극과 이온사이에 전자의 이동을 동반하지 않은 비 파라데이(faradic) 반응에 의해 형성된다. 그리고 전자의 수수를 동반하는 흡착반응 또는 산화환원반응 등의 파라데이 반응에 있어서도 용량이 생긴다. 이 용량을 가상용량(pseudo-capacitance)이라고 하며, 이것을 이용한 캐패시터를 산화환원 캐패시터, 가상캐패시터(pseudocapacitor)라고 한다. 이것은 EDLC에 비해 축전용량이 3-4배정도 크지만 RuOx, IrOx 등 고가의 금속산화물을 전극활물질로 하며 제조상의 어려움과 높은 ESR(equivalent series resistance) 등의 문제점으로 아직 보편화되지 못하고 있다. 그 외에도 전도성고분자는 가상 슈퍼캐패시터의 또 다른 가능성을 지닌 전극물질이다. 적당한 형태를 가진 고분자의 충전 방전과정 (도핑 반도핑 과정)의 반응이 빠르기 때문에 전하를 물질의 부피를 통해 축적할 수 있고 또한 금속산화물에 비해 매우 낮은 가격이라는 중요한 점이 있다. 폴리아닐린, 폴리필롤, 폴리사이오펜 등과 같은 간단한 전도성고분자들은 카본을 전극으로 하는 슈퍼캐패시터에 견줄 수 있을 만큼 대량생산이 가능할 것으로 예상하고 있다.

쏠라셀(solar cell) 또는 포토볼타익(photovoltaic)으로 불리는 태양전지는 태양빛을 전기로 직접 변환시키는 에너지 변환 기술 장치로서 이미 우리생활에 중요한 일부가 되고있다. 간단하게는 계산기나 손목시계에서부터 복잡하게는 항공우주 및 전자통신 장비의 전원 또는 오지의 발전시스템에 사용되어진다. 태양전지를 구성하는 반도체의 밴드갭(전도띠와 가전자띠 간의 갭) 보다 큰 에너지를 갖는 광자를 태양전지가 흡수하게 되면 전자-홀 쌍이 형성되고, 전자는 n-형 반도체로 유입되며 홀은 p-형 반도체로 전이되어 전류를 발생하게 된다. 반도체 접합 태양전지는 대개 밴드갭이 1.1-1.7 eV 인 물질들을 사용하는데 현재까지 상품화 되었거나 연구되고 있는 물질로는 Si (실리콘), GaAs (갈륨비소), CuInSe2 (CIS), CdS/CdTe 등이며 이론적인 에너지 변환 효율은 GaAs가 가장 좋은 것으로 알려져 있다. 그러나 이들 물질은 원료 가격이 비싼 것이 단점이다.

반도체 접합 태양전지와는 달리 광합성 원리를 이용한 광전기 화학적 태양전지가 있다. 최근 (1991년) 스위스 Gartzel 그룹에서 발표한 염료감응 나노입자 산화물 광전기 화학적 태양전지 (dye-sensitized nanocrystalline solar cell) 는 에너지 변환 효율이 비정질 실리콘 태양전지에 버금가는 높은 에너지 변환 효율과 함께 매우 저렴한 제조단가로 인하여 전세계적으로 연구계 및 산업계의 비상한 관심을 모으고 있다.

한편 전지와 캐패시터의 장단점을 보완하는 관점에서 하이브리드 전원에 대한 연구와 개발이 진행되고 있다. 이 두 전원소자의 하이브리드는 주로 본 발명과 같이 따로따로 전원소자를 구성하여 두 전원소자를 같이 연결하여 사용하는 경우가 대부분이다. 이때는 전지는 안정적인 전원소자의 역할을 하며 캐패시터는 일시적이며 고율의 에너지를 공급할 때 역할을 하는 것으로 구분져 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 외부에서 안정적인 전원 공급을 하지 못하는 환경에 적합하게 태양전지를 사용하며, 태양전지에 의해 충전된 리튬 2차 전지와 초고용량 캐패시터는 방전율에 따라 선택적으로 작동하여 보다 효율적인 에너지원으로 기능을 하게 만든 전원 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위한 자가충전식 고율 충방전이 가능한 전원소자를 구성하는 개념도.

도 1b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자가충전식 고율 충방전이 가능한 전원소자의 구성도.

도 2a 및 도 2b는 도 1에서 시간에 따른 실리콘 태양전지의 전압 및 전류 변화를 보인 도면.

도 3는 도 1b에서의 자가충전식 고율 충방전 전원 방전곡선도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 리튬 2차전지 2 : 초고용량 캐패시터

3 : 태양 전지4 : 논리 스위치

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자가충전식 고율 충방전이 가능한 전원소자는 태양전지와, 상기 태양전지에 의해 충전되고, 고율의 방전을 수행하는 초고용량 캐패시터와, 상기 태양전지에 의해 충전되고, 저율의 방전을 수행하는 재충전이 가능한 리튬 2차전지로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자가충전식 고율 충방전이 가능한 전원소자의 개념도이고, 도 1b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자가충전식 고율 충방전이 가능한 전원소자의 구성도이다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 바와같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자가충전식 고율 충방전이 가능한 전원소자는 태양전지(3)와, 상기 태양전지(3)에 의해 충전되고, 고율의 방전을 수행하는 초고용량 캐패시터(2)와, 상기 태양전지(3)에 의해 충전되고, 저율의 방전을 수행하는 재충전이 가능한 리튬 2차전지(1)와, 충전시에는 상기 태양전지(3)와 연결되고, 방전시에는 상기 태양전지(3)와 분리되는 논리 스위치(4)로 구성된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자가충전식 고율 충방전이 가능한 전원소자를 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 자가 충전식이 되기 위해서는 태양전지(3)를 채택해야 한다. 태양전지(3)로는 실리콘 태양전지나 나노입자 염료감응 태양전지등을 사용할 수 있다. 또한 전지로는 리튬 2차전지(1)가 가능하며, 초고용량 캐패시터(2)로는 전기이중층 캐패시터나 산화환원형 초고용량 캐패시터를 사용할 수 있다.

자가충전식 고율 충방전이 가능한 전원소자를 구성하기 위해서 우선 각각의 용량과 전압을 고려해서 설계하여야 한다. 용량과 전압은 사용하는 목적에 따라 달라지므로 어떤 하나로 규정하지는 못하지만 기본적인 개념은 도 1a에 도시된 바와 같다.

도 1b에 도시된 바와같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자가충전식 고율 충방전이 가능한 전원소자는 실리콘 태양전지(3), 리튬이온 고분자 전지(1) 및 전기 이중층 캐패시터(2)로 구성된다.

자가충전식 고율 충방전이 가능한 전원소자를 구성하기 위해서는, 충전시에는 태양전지(3)와 연결되고, 방전시 즉 일을 하는 과정에는 태양전지(3)와 분리하는 논리 스위치(4)가 필요하다. 왜냐하면 태양전지(3) 쪽으로 방전이 이루어지는 것을 방지하기 위해서다.

도 2a 및 도 2b에 도시된 바와같이, 시간에 따른 전원소자의 충전에 사용된 실리콘 태양전지의 전압전류 변화를 측정하였다. 사용한 태양전지를 기본으로 하여 두개의 태양전지를 병렬로 연결하여 측정된 전압 전류의 변화를 나타내었다.

태양에너지는 태양의 고도에 따라 혹은 태양빛의 조건에 따라 달라질 수 있다. 본 발명에서는 충전시 사용한 태양에너지는 11월 첫째주와 두번째주의 측정결과를 평균한 에너지를 기초로 하였다. 이 기간동안 자가충전식 고율 충방전이 가능한 전원소자를 구성하여 전지와 캐패시터를 충전하여 사용하였다. 낮시간동안 전압은 3.7V~4.1V, 전류는 10mA~100mA로 변했다.

도 3은 상기의 실리콘 태양전지에 의해 충전된 리튬이온고분자 전지 및 탄소계 초고용량 캐패시터 (EDLC)로 구성된 자가충전식 고율 충방전 전원의 방전곡선을 나타내었다. 실리콘 태양전지에 의해 충전된 리튬이온 고분자전지와 EDLC를 병렬로 연결한 후 이들의 방전특성을 측정하기 위해 같은 용량의 리튬이온 고분자전지를 같은 조건하에서 실리콘 태양전지로 충전 하여 방전 시켜 보았다. 방전 조건은100mA로 10분, 1A로 10초 동안 방전하며 전압이 2.8V되면 방전을 멈추는 형태로 방전을 실시하였다. 방전 결과를 살펴보면 리튬이온 고분자전지만 사용한 경우보다는 리튬이온 고분자전지와 초고용량 캐패시터를 같이 사용한 경우가 방전 특성이 약간 우수한 것을 알 수 있다.

이와 같이 자가 충전이 가능하고 고율충방전이 가능한 전원소자시스템이 가능한 것을 알 수 있으며 사용목적과 용도에 따라 전압전류를 고려하여 시스템을 설계한다면 새로운 효율적인 에너지원으로 사용이 가능할 것이다.

이렇듯, 본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상기와 같이 본 발명은 태양전지에 의해 리튬2차전지와 초고용량 캐패시터가 충전이 이루어지며, 고율방전시에는 초고용량 캐패시터가 작동하고 저율방전시에는 안정적인 리튬 2차전지에 의해 작동되는 자가충전식 고율 충방전 가능하다.

Claims (5)

1. 태양전지;

   상기 태양전지에 의해 충전되고, 고율의 방전을 수행하는 초고용량 캐패시터; 및

   상기 태양전지에 의해 충전되고, 저율의 방전을 수행하는 재충전이 가능한 리튬 2차전지

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자가충전식 고율 충방전이 가능한 전원소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   충전시에는 상기 태양전지와 연결되고, 방전시에는 상기 태양전지와 분리되는 논리 스위치가 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자가충전식 고율 충방전이 가능한 전원소자.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 리튬 2차 전지는 리튬이온전지, 리튬이온고분자전지, 리튬고분자전지 및 그외 재충전이 가능한 2차 전지를 사용하는 것을 특징으로 하는 자가충전식 고율 충방전이 가능한 전원소자.
4. 제 1 항에 있어서,

   상시 초고용량 캐패시터는 전지 이중층 캐패시터, 금속산화물을 이용한 초고용량 캐패시터, 전도성고분자를 이용한 초고용량 캐패시터를 사용하는 것을 특징으로 하는 자가충전식 고율 충방전이 가능한 전원소자.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 태양전지는 실리콘 태양전지나 나노입자 염료감응 태양전지를 사용하는 것을 특징으로 하는 자가충전식 고율 충방전이 가능한 전원소자.