KR20060029341A - 소형 전자기기의 에너지 저장장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차전지의 사용시간을 연장시키고 소형전자기기 시스템의 성능 및 기능을 향상시킬 수 있는 에너지 저장장치를 제공하기 위한 것으로서, 소형 전자기기에 전기적으로 연결되어 순간 동작에 필요한 고율의 방전을 수행하는 슈퍼 캐패시터와, 상기 슈퍼 캐패시터와 연계되어 소형 전자기기의 연속 동작에 따른 저율의 방전을 수행하는 재충전이 가능한 이차전지를 포함하여 구성되어 고에너지밀도화, 장수명화, 초소형화, 경량화, 안전성 확보, 환경친화성 보장 등을 갖는 효과가 있다.

슈퍼 캐패시터, 이차전지, 리튬 이차전지

Description

소형 전자기기의 에너지 저장장치{energy storage devices for electronic equipment with small type}

도 1 은 일반적인 슈퍼 캐패시터의 초고용량 발현원리를 나타낸 도면

도 2a, 2b는 본 발명에 따른 소형 전자기기의 에너지 저장장치의 구성을 나타낸 제 1 실시예

도 3a, 3b는 본 발명에 따른 소형 전자기기의 에너지 저장장치의 구성을 나타낸 제 2 실시예

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 다공성 활성나노탄소 전극 20 : 전해질 음이온

30 : 전해질 양이온 100 : 이차전지

200 : 슈퍼 캐패시터

본 발명은 에너지 저장장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 휴대형 소형전자기기에 사용되는 하이브리드형 에너지 저장장치에 관한 것이다.

오늘날 우리사회가 본격적으로 고도 정보화 사회가 되어감에 따라 상업적인 정보는 물론 개인정보의 부가가치가 점차 높아지고 있다. 이에 따라 신뢰성이 높은 정보통신 시스템이 요구되어 졌으며, 이와 함께 안정적인 전기에너지 확보가 절대적으로 필요하게 되었다.

또한 최근 노트북 컴퓨터, 휴대전화 등 소형 혹은 휴대전자기기의 급속한 시장확대에 따라, 이들에 사용되는 전지에 대해서 고에너지밀도화, 장수명화, 초소형화, 경량화, 안전성 확보, 환경친화성 보장 등의 조건에 대한 요구가 높아지고 있다.

이와 같은 요구에 부응하기 위해, 최근 안정적인 전기에너지의 확보를 만족하는 에너지원 시스템으로 리튬 이차전지 및 초고용량 캐패시터가 관심의 대상이 되고 있다.

상기 리튬 이차전지는 리튬이온 등의 알칼리 금속이온을 하전 담체로 하여 그 전하 수수에 수반하는 전기 화학 반응을 이용한 전지로 현재 한창 개발되고 있다. 그 중에서도 리튬이온 이차전지는 안정성이 우수한 에너지 밀도가 큰 고용량 전지로서 각종 전자기기에 이용되고 있다.

이러한 리튬이온 이차전지는 활 물질(active material)로서 양극에 망간산 리튬이나 코발트산 리튬이라는 리튬함유 전이금속 산화물, 음극에 탄소를 사용한 것으로, 이들 활 물질로의 리튬이온의 삽입, 이탈 반응을 이용하여 충방전을 실시하고 있다.

그러나, 이 리튬이온 이차전지는 특히 양극에 비중이 큰 금속산화물을 사용하고 있기 때문에, 단위질량 당 전기용량은 충분하다고는 할 수 없다. 따라서 보다 경량인 전극재료를 사용하여 고용량전지를 개발하고자 하는 시도가 검토되어 왔다.

예컨대, 미국 특허공보 제4,833,048호 및 일본 특허공보 제2715778호에는 디설파이드 결합을 갖는 유기화합물을 양극에 사용한 전지가 개시되어 있다. 이것은 디설파이드 결합의 생성, 해리를 수반하는 전기 화학적 산화 환원반응을 전지의 원리로서 이용한 것이다. 이 전지는 황이나 탄소라는 비중이 작은 원소를 주성분으로 하는 전극재료로 구성되어 있기 때문에, 고에너지 밀도의 대용량 전지라는 점에 있어서 일정한 효과를 나타내고 있다.

그러나, 해리된 결합이 재차 결합하는 효율이 작은 것이나, 활 물질의 전해액으로의 확산 때문에, 충방전 사이클을 거듭하면 용량이 저하되기 쉽다는 문제점이 있다.

한편, 동일하게 유기화합물을 이용한 전지로서, 도전성 고분자를 전극재료에 사용한 전지가 제안되어 있다. 이것은 도전성 고분자에 대한 전해질 이온의 도핑, 탈도핑 반응을 원리로 한 전지이다.

여기에서 설명하는 도핑 반응이란, 도전성 고분자의 산화 혹은 환원에 의해 생기는 하전 솔리톤이나 폴라론 등의 엑시톤을 대(對)이온에 의해 안정화시키는 반응이다. 또한 상기 탈도핑 반응이란 그 역반응에 상당하고, 대이온에 의해 안정화된 엑시톤을 전기 화학적으로 산화 혹은 환원하는 반응을 나타내고 있다.

미국 특허공보 제4,442,187호에는 이러한 도전성 고분자를 양극 혹은 음극의 재료로 하는 전지가 개시되어 있다. 이 전지는 탄소나 질소라는 비중이 작은 원소만으로 구성된 것으로, 고용량 전지로서 개발이 기대되었다.

그러나 도전성 고분자에는 산화환원에 의해 생기는 엑시톤이 pi 전자공액계의 넓은 범위에 걸쳐 비국재화하고, 이들이 상호 작용한다는 성질이 있다. 이것은 발생하는 엑시톤의 농도에 한계를 초래하는 것으로, 전지의 용량을 제한하는 것이다. 이 때문에, 도전성 고분자를 전극 재료로 하는 전지에서는 경량화라는 점에서는 일정한 효과를 나타내고 있지만, 대용량이라는 점에서는 불충분하다.

이상 설명한 바와 같이, 고용량전지를 실현하기 위해서, 전이금속 함유 활 물질을 이용하지 않은 여러 가지 전지의 제안이 이루어지고 있으나, 에너지 밀도가 높고 고용량이며 안정성이 우수한 전지는 아직 얻어지지 않고 있다.

또한, 앞에서 설명한 바와 같이, 양극에 전이금속 산화물을 사용하는 리튬이온 전지에서는 원소의 비중이 크기 때문에 현상을 상회하는 고용량 전지의 제조가 원리적으로 곤란하였다. 이 때문에 고용량 전지를 실현하기 위해서 전이금속 함유 활 물질을 이용하지 않은 여러 가지 전지의 제안이 이루어지고 있지만, 에너지 밀도가 높고 고용량이며 안정성이 우수한 전지는 아직 얻어지지 않고 있다.

또한, 상기 초고용량 캐패시터는 소위 슈퍼 캐패시터(super capacitor) 혹은 울트라 캐패시터(ultra capacitor)라고 불리는 매우 큰 용량을 지닌 캐패시터를 지칭한 것이다. 이들은 작동 원리상으로 볼 때 총괄적으로 전기화학 캐패시터라고 불리어질 수 있으며, 종래의 캐패시터와 이차전지와는 다른 새로운 범주의 에너지 저장장치이다.

이 전자화학 캐패시터는 전기 이중층 캐패시터(Electrochemical Double-Layer Capacitors : EDLC)와 산화환원 캐패시터(redox capacitor)라고 부르는 두 형태로 분류될 수 있다.

상기 EDLC는 도 1에서 도시된 것과 같이, 다공성 활성나노탄소 고체전극(10)과 전해질용액 같이 두상의 개면에 있어서 정, 부의 전하는 굉장히 짧은 거리를 배열 분포한다.

이때, 상기 다공성 활성나노탄소 고체전극(10)이 정전하(+)를 띄고 있는 경우에서는 전하를 보상하기 위해 용액중의 전해질 음이온(-)(20)이 배열하고, 상기 다공성 활성나노탄소 고체전극(10)이 부전하(-)를 띄고 있는 경우에서는 전하를 보상하기 위해 용액중의 전해질 양이온(+)(30)이 배열하는데, 이 전하의 배열에 의해 전기 이중층이 생기게 되며, 이것을 이용한 캐패시터이다. 여기서, 상기 전기 이중층은 다공성 활성나노탄소 전극(10)과 전해질 이온(20)(30)사이에 전자의 이동을 동반하지 않은 비 유도전류(faradic) 반응에 의해 형성된다.

한편, 전자의 수수를 동반하는 흡착반응 또는 산화환원반응 등의 유도전류 반응에 있어서도 용량이 생기는데, 이 용량을 가상용량(pseudo capacitor)라고 하며, 이것을 이용한 캐패시터를 산화환원 캐패시터, 가상 캐패시터라고 한다.

이 산화환원 캐패시터는 상기 EDLC에 비해 축적용량이 3~4배정도 크지만 RuOx, IrOx 등 고가의 금속산화물을 전극활 물질로 하여 제조상의 어려움과 높은 ESR(Equivalent series resistance) 등의 문제점으로 아직 보편화되지 못하고 있다.

그 외에도 전도성 고분자는 가상 슈퍼 캐패시터의 또 다른 가능성을 지닌 전극물질이다. 이는 적당한 형태를 가진 고분자의 충전 방전과정(도핑 반도핑 과정) 의 반응이 빠르기 때문에 전하를 물질의 부피를 통해 축적할 수 있고, 또한 금속산화물에 비해 낮은 가격이라는 중요한 점이 있다. 특히 폴리아닐린, 폴리필롤, 폴리사이오펜 등과 같은 간단한 전도성고분자들은 카본을 전극으로 하는 슈퍼 캐패시터에 견줄 수 있을 만큼 대량 생산이 가능할 것으로 예상하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 고에너지밀도화, 장수명화, 초소형화, 경량화, 안전성 확보, 환경친화성 보장 등을 갖는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 이차전지의 사용시간을 연장시키고 소형전자기기 시스템의 성능 및 기능을 향상시킬 수 있는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 소형 전자기기에 전기적으로 연결되어 순간 동작에 필요한 고율의 방전을 수행하는 슈퍼 캐패시터와, 상기 슈퍼 캐패시터와 연계되어 소형 전자기기의 연속 동작에 따른 저율의 방전을 수행하는 재충전이 가능한 이차전지를 포함하여 구성되는 소형 전자기기의 에너지 저장장치를 제공한다.

이때, 상기 슈퍼 캐패시터는 상기 이차전지와 일체형으로 구성하고 소형 전자기기 외부에 탈착이 가능한 외장형 구조로 구성되거나 또는 상기 슈퍼 캐패시터는 탈착이 가능한 외장형 이차전지를 갖는 소형 전자기기 내에 삽입하여 회로적으로 연결한 내장형 구조로 구성되는 것이 바람직하다.

이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 소형 전자기기의 에너지 저장장치의 구성을 나타낸 제 1 실시예이고, 도 3은 본 발명에 따른 소형 전자기기의 에너지 저장장치의 구성을 나타낸 제 2 실시예이다.

도 2(a)(b) 내지 도 3(a)(b)과 같이, 소형 전자기기에 전기적으로 연결되어 순간 동작에 필요한 고율의 방전을 수행하는 슈퍼 캐패시터(200)와, 상기 슈퍼 캐패시터(200)와 연계되어 소형 전자기기의 연속 동작에 따른 저율의 방전을 수행하는 재충전이 가능한 이차전지(100)로 구성된다.

이때, 상기 슈퍼 캐패시터(200)는 도 2와 같이, 상기 이차전지(100)와 일체형으로 구성하고 소형 전자기기 외부에 탈착이 가능한 외장형 구조로 구성되거나, 도 3과 같이, 탈착이 가능한 외장형 이차전지(100)를 갖는 소형 전자기기 내에 삽입하여 회로적으로 연결한 내장형 구조로 구성된다.

한편, 도 2와 같이 슈퍼 캐패시터(200)의 외장형 구조는 소형 전자기기의 연속 동작에 따른 저율의 방전에 사용되는 이차전지(100)의 역할을 부분적으로 대체할 수 있게 됨으로써, 고에너지밀도화 및 이차전지(100)의 충방전의 횟수를 줄여 전지의 수명을 늘릴 수 있으며, 이에 따라 소형 전자기기의 안전성을 확보할 수 있게 된다.

또한, 도 3과 같이 슈퍼 캐패시터(200)의 내장형 구조는 소형 전자기기 내부의 보드, 즉 기존 소형 전자기기에서 고율의 방전에 사용되던 수십개의 캐패시터를 고에너지밀도화를 갖는 슈퍼 캐패시터(200) 하나로 대체할 수 있게 됨으로써, 소형 전자기기의 초소형화 및 경량화를 이룰 수 있으며, 또한 전지의 고에너지밀도화를 확보할 수 있게 된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 소형 전자기기의 에너지 저장장치의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 다기능화되고 소형화되고 있는 소형 전자기기에서 기존 이차전지(100)와 슈퍼 캐패시터(200)를 일체형(외장형)으로, 혹은 슈퍼 캐패시터(200)를 기기 내로 삽입을 하여 회로적으로 연결(내장형)하는 하이브리드형의 에너지 저장장치를 통해 출력과 에너지밀도의 동시향상을 통해 전자기기내에서 에너지이용의 효율을 극대화시킴과 동시에 이차전지의 사용시간 향상을 시킬 수 있게 되며, 이를 통해 배터리의 소형화를 이룰 수 있다.

또한, 슈퍼 캐패시터(200)가 휴대용 전자기기 내부로 삽입되는 즉 내장형의 경우 기기내에서 사용되는 수십개의 기존 캐패시터의 기능을 대신할 수 있기에 가격면에서 유리한 장점을 가지고 있다.

에너지 밀도와 파워밀도 측면에서 기존 캐패시터인 전해 콘덴서(미도시)와 이차 전지(100)의 중간 특성을 갖는 슈퍼 캐패시터는 이차 전지에 비해 충전 시간이 짧고, 수명이 길며, 고 출력이 가능하며, 기존 전해 콘덴서에 비해 10배 이상의 에너지 밀도가 높은 시스템이다.

즉, 전해 콘덴서의 파워 특성과 이차 전지(100)의 높은 에너지 저장 특성의 장점만을 조합한 시스템을 의미한다.

이처럼 슈퍼 캐패시터(200)가 배터리와 기존 전해 콘덴서의 중간역할을 할 수 있는 이유 즉 높은 에너지 밀도와 출력밀도를 동시에 가질 수 있는 이유는 다음과 같이 이해될 수 있다.

상기 슈퍼 캐패시터(200)는 전극/전해질 계면에서 이온들의 정전기적 배향(전기화학이중층 : electrochemical double-layer)을 이용하여 화학반응을 전기에너지로 전환하여 저장하는 전기에너지 저장장치의 일종이다.

따라서 기존 캐패시터에서 캐패시턴스(capacitance)(C) 값은 접촉하는 면적에 비례상을 시청할 때 혹은 카메라의 광학줌 기능 등을 사용할 때 그리고 통화시 정확한 음질전달을 위한 연속적인 펄스파를 사용할 때 등 순간적으로 높은 출력을 요구하는 과정에서하고 양전하와 음전하간의 거리, 즉 유전층의 두께에 반비례하게 되는데 상기 슈퍼 캐패시터에서는 면적면에서 나노스케일의 다공성 탄소전극재료를 사용함으로서 그 면적이 획기적으로 증가하였고 또한 유전층의 두께면에서는 기존 캐패시터가 μm 오더인데 반해 슈퍼 캐패시터(200)는 도면 1에서 볼 수 있듯이 유전층의 두께가 10Å의 이온층 (ionic layer)으로 감소하여 결국 캐패시턴스(capacitance)의 값이 초고용량으로 증가될 수 있게 된다.

따라서, 휴대용 소형전자기기, 즉 예를 들어 카메라폰의 경우 플래쉬를 과다하게 사용하거나 동영는 슈퍼 캐패시터(200)를 사용하게 된다.

이에 따라, 이차전지(100)가 낮은 출력밀도로 인해 과부하에 따른 이차전지의 수명이 짧아지는 단점을 해결할 수 있게 된다.

본 발명을 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있 는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가지 자에 의해 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

상기에서 설명한 본 발명에 따른 소형 전자기기의 에너지 저장장치의 효과를 설명하면 다음과 같다.

첫째, 이차 전지와 슈퍼 캐패시터를 적절하게 조합해서 사용함으로써, 휴대용 소형전자기기 시스템의 전체적인 성능 및 기능 향상을 꾀할 수 있어 에너지의 효율적인 이용에 유리하고 현재 사용되고 있는 이차전지의 수명 및 사용시간을 증대시킬 수 있다. 또한 가격면에서 제조비용의 단가가 이차전지에 비해 싸다는 장점이 있어 조합후 전체 단말기의 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

둘째, 전기에너지를 사용하는 다양한 동력시스템의 여러 요소에서 그 활용이 가능하므로 엄청난 규모의 수요잠재력을 가질 수 있으며, 가장 가까이에서는 이차전지와 교체되는 에너지원으로서의 활용에 그 무게를 둘 수 있다. 이 경우 모든 휴대형 소형 전자기기에 적용이 가능할 것으로 기대된다.

Claims (5)

1. 소형 전자기기에 전기적으로 연결되어 순간 동작에 필요한 고율의 방전을 수행하는 슈퍼 캐패시터와,

   상기 슈퍼 캐패시터와 연계되어 소형 전자기기의 연속 동작에 따른 저율의 방전을 수행하는 재충전이 가능한 이차전지를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 소형 전자기기의 에너지 저장장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 슈퍼 캐패시터는 상기 이차전지와 일체형으로 구성하고 소형 전자기기 외부에 탈착이 가능한 외장형 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 소형 전자기기의 에너지 저장장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 외장형 구조의 슈퍼 캐패시터는 소형 전자기기의 연속 동작에 따른 저율의 방전에 사용되는 이차전지의 역할을 부분적으로 대체되는 것을 특징으로 하는 소형 전자기기의 에너지 저장장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 슈퍼 캐패시터는 탈착이 가능한 외장형 이차전지를 갖는 소형 전자기기 내에 삽입하여 회로적으로 연결한 내장형 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 소형 전자기기의 에너지 저장장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 내장형 구조의 슈퍼 캐패시터는 소형 전자기기 내부의 보드, 즉 기존 소형 전자기기에서 고율의 방전에 사용되는 것을 특징으로 하는 소형 전자기기의 에너지 저장장치.

Images