KR20100034291A - 슈퍼-커패시터를 활용한 하이브리드 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드용 슈퍼-커패시터를 기존 배터리와 병렬로 연결시킨 슈퍼-커패시터를 활용한 하이브리드 전지에 관한 것으로, 주 전원 및 주 전원에 병렬로 연결된 보조 전원으로 이루어진 하이브리드 전지에 있어서, 보조 전원을 직렬로 2개 또는 그 이상 연결된 슈퍼-커패시터를 사용하도록 함으로써, 배터리의 사용 시간을 연장시키고 과부하 또는 고출력 펄스 특성을 향상시키고 사용 온도의 범위를 확장할 수 있다.
하이브리드 전지, 슈퍼-커패시터

Description

슈퍼-커패시터를 활용한 하이브리드 전지{Hybrid Battery Using Super-capacitor}
본 발명은 슈퍼-커패시터를 활용한 하이브리드 전지에 관한 것으로, 특히 하이브리드용 슈퍼-커패시터를 기존 배터리와 병렬로 연결시킨 슈퍼-커패시터를 활용한 하이브리드 전지에 관한 것이다.
최근 들어, 기술의 발달로 인해 휴대폰, 캠코더, 노트북 등과 같은 휴대용 전자기기에 휴대용 전원으로 연료전지와 같은 배터리를 대부분 적용하고 있는데, 양방향 통신, 위성을 이용한 이동 통신 등에서 휴대용 전자기기의 고출력, 소형화, 경량화, 고성능화 등이 이루어짐에 따라 순간적인 고전류의 펄스 또는 밀도를 요구하는 특성을 가진다.
그리고 휴대용 전자기기뿐만 아니라, 이산화탄소(CO2) 용접기, 아크 용접기 등과 같은 용접기, 자동차, 풍력 발전기, 태양광 발전기, 용접기, 전동 휠체어, 전기 자전거, 지게차 등의 경우에도 순간 고출력이 요구되며, 이와 같은 순간 고출력 특성을 가지는 기기에 기존의 배터리를 사용하는 경우에 순간 고출력으로 인해 과 부하가 발생되는 문제점이 있다.
이때, 기존의 배터리는 420(Wh/Kg)의 고 에너지 밀도를 가지는 장점이 있으나, 2 ~ 3(옴)의 높은 내부 저항과 고출력 펄스의 전원 특성에 열악하다는 단점을 가지고 있기 때문이다.
예를 들어, 최대 연속 방전 전류가 230(mA)이고 최대 펄스 방전 전류가 500(mA)인 3.6(V) 배터리를 상술한 바와 같은 순간 고출력 특성을 가지는 기기에 사용할 경우에, 부하 테스트를 수행한 결과로, 스타트(Start) 시에 '3.6741'이고, 24시간 5(mA) 방전 시에 '3.6384'이고, 70(Sec) 117(mA) 방전 시에 '3.3388'이며, 특히 0.01(Sec) 3A 방전 시에 '2.5795'이고, 0.2(Sec) 3A 방전 시에 '0.1389'로 나타났다.
다시 말해서, 상술한 바와 같은 순간 고출력 특성을 가지는 기기에 만족하는 전원 공급 장치로서 기존의 배터리를 단독으로 하는 시스템을 사용하는 경우, 배터리 사양 이상의 과부하 출력 시에, 대전류 방전에 의한 자체 저항에서의 급격한 전압 강하가 발생하여 출력 전압이 낮아지며, 이에 대전류 방전에 의해서 전체적인 배터리의 사용 기간도 단축시키는 문제점을 가지고 있다.
그리고 배터리 출력 과부하로 인해 산업 기기의 경우에는 순간 기동 능력을 저하시키고, 통신 기기의 경우에는 송수신 응답의 에러를 유발시키는 문제점을 가지고 있다.
따라서 상술한 바와 같은 순간 고출력 특성을 가지는 기기에서 요구하는 순간적인 고전류 펄스 또는 밀도를 공급해 주기 위해서, 기존의 배터리와 별도로 커 패시터(Capacitor)를 설치하는 방안이 제시되고 있다.
그러나 커패시터의 경우에 5 ~ 50(미리옴)의 낮은 내부 저항과 오십만 이상의 높은 사이클 수명을 가지고 있으나, 에너지 밀도가 낮고 누설 전류가 크다는 문제점도 가지고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 하이브리드용 슈퍼-커패시터를 기존 배터리와 병렬로 연결시킨 슈퍼-커패시터를 활용한 하이브리드 전지를 제공한다.
이러한 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따르면, 순간 고출력 특성을 가지는 기기에 있어서, 순간 고출력을 제공해 주는 슈퍼-커패시터를 주 전원인 배터리와 병렬 하이브리드로 연결시켜 슈퍼-커패시터를 활용한 하이브리드 전지를 구현하도록 함으로써, 슈퍼-커패시터가 배터리의 순간 고출력을 보강하여 전지의 성능을 개선하고 이로 인해 배터리의 수명을 연장시켜 주도록 한다. 또한, 본 발명에 따르면, 2개 또는 그 이상이 직렬 연결된 슈퍼-커패시터를 배터리와 병렬로 연결시킨 하이브리드 전지에 있어서, 슈퍼-커패시터의 전극 및 전해액 구성 물질을 개선하여 내부 ESR(Equivalent Series Resistance) 특성을 향상시켜 배터리 하이브리드 시에 로드(Load) 현상을 개선하도록 구현한다.
본 발명의 한 특징에 따르면, 주 전원 및 상기 주 전원에 병렬로 연결된 보 조 전원으로 이루어진 하이브리드 전지에 있어서, 상기 보조 전원은 직렬로 2개 또는 그 이상 연결된 슈퍼-커패시터인 것을 특징으로 하는 하이브리드 전지를 제공한다.
여기서, 상기 주 전원은 메모리 효과가 없는 타입의 전지인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 슈퍼-커패시터는 TEMABF4(Tetra Methyl Amonium Tetra Fluoro Borate) 염을 사용한 전해질을 구비하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 슈퍼-커패시터는 니딩 코팅 방식을 사용하여 제조된 전극을 구비하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 전극은 활물질 고형분 대비 10 ~ 15(%)의 중량을 가진 도전재를 내부에 구비하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 도전재는 카본 파이버인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 전극은 활물질 고형분 대비 3 ~ 10(%)의 중량을 가진 바인더를 내부에 구비하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 2개의 직렬 연결된 슈퍼-커패시터를 배터리와 병렬로 결합시켜 순간 과부하 출력 발생 시에 배터리 방전 전압을 보상함으로써, 배터리의 사용 시간을 연장시키고 과부하 또는 고출력 펄스 특성을 향상시키고 사용 온도의 범위를 확장할 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼-커패시터를 활용한 하이브리드 전지에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼-커패시터를 활용한 하이브리드 전지의 구성을 나타낸 회로도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼-커패시터를 활용한 하이브리드 전지는, 도 1에 도시된 바와 같이, 1개의 배터리(110)와, 직렬 연결된 2개 또는 그 이상의 슈퍼-커패시터(121, 122)를 포함하되, 슈퍼-커패시터(121, 122)를 배터리(110)와 병렬로 팩 구성하여 이루어진다. 여기서, 본 발명의 실시 예에서는 슈퍼-커패시터(121, 122)를 2개 사용한 것을 예로 들었으나, 본 발명은 이에 국한된 것이 아니라 용량, 안정성 등에 따라 3개 이상으로 사용할 수 있음을 잘 이해해야 한다.
배터리(110)는 납축전지, 리튬이차전지 등과 같은 메모리 효과가 없는 타입의 2차 전지를 사용하고, 순간 고출력 특성을 가지는 기기의 주 전원으로서 사용된다. 예를 들어, 배터리(110)는 3.6V/19Ah, 3.9V/19Ah 등의 제노 에너지 Li/SoCl2 전지를 사용한다.
슈퍼-커패시터(121, 122)는 예를 들어, 2.5V/5F, 2.5V/10F, 2.5V/50F, 2.7V/5F, 2.7V/10F, 2.7V/50F 등의 EDLC(Electric Double Layer Capacitor)를 사용하며, 순간 고출력(또는, 과부하) 특성을 가지는 기기의 순간 과부하 출력 발생 시에 배터리(110)의 순간 고출력을 보강하는 보조 전원으로서의 역할(즉, 배터리(110)의 방전 전압을 보상하는 역할)을 수행한다. 또한, 슈퍼-커패시터(121, 122)는 예를 들어, 상온(예로, 25(도)) 시에는 자체 저항 값이 20(미리옴)이고 정전 용량이 3F를 사용하도록 하며, 저온(예로, -40(도)) 시에는 자체 저항 값이 60(미리옴)이고 정전 용량이 2.8F를 사용하도록 한다.
그리고 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼-커패시터를 활용한 하이브리드 전지는, 주 전원인 배터리(110)와 보조 전원인 슈퍼-커패시터(121, 122)를 병렬로 결합하되, 주 전원으로 납축전지 및 리튬이차전지와 같은 2차 전지를 사용하고, 보조 전원으로 고출력 EDLC를 사용하여 하이브리드 셀을 구성함으로써, 배터리(110)를 사용하여 구동하는 응용 분야(즉, 순간 고출력 특성을 가지는 기기)에서의 순간 과 부하 출력 발생 시에, 슈퍼-커패시터(121, 122)가 배터리(110)의 순간 고출력 기능을 보조해 줌으로써, 배터리(110)의 방전 전압 보상으로 배터리(110)의 수명 특성을 향상시키고 부하 경감 및 구동 시간 증가를 가질 수 있도록 한다.
여기서, 슈퍼-커패시터(121, 122)의 구성 재료를 살펴보면, 케이스(Case) 및 터미널(Terminal), 집전체, 전극, 세퍼레이터(Separator), 전해질로 이루어진다.
케이스 및 터미널은 내부식성 및 내구성에 강하고 경량화 및 가공성이 용이하며, 실링(Sealing), 패키징(Packaging) 및 열 교환(Heat Exchange)이 좋은 재질을 사용하도록 한다.
집전체는 전기화학적으로 안정성을 가지며, 박막화 및 경량화가 용이하고 열 교환이 좋으며, 높은 전도성의 금속 재질을 사용하도록 한다.
전극은 낮은 저항 및 높은 유효비표면적을 가지며, 적절한 기공 크기(Pore Size)를 가지며, 전극 제조 공정이 용이하며, 고밀도 및 고용량의 전극 재료를 사용하도록 한다.
세퍼레이터는 낮은 임피던스 및 습윤성(Wettabillity)을 가지도록 한다.
전해질은 높은 이온 전도도 및 우수한 온도 특성을 가지도록 한다. 또한, 전해질의 전해액을 변경시켜 주는데, 기존에는 ACN(Aceto Nitrile) 전해액 용매를 사용하였으나, 본 발명의 실시 예에서는 TEMABF4(Tetra Methyl Amonium Tetra Fluoro Borate) 염을 사용하여 소정의 양만큼 전해액 농도를 증가시켜 줌으로써, 용질 농도 증가로 전해액의 전도도를 향상시켜 ESR을 감소시켜 준다.
이때, 기존의 전해질은 일반적으로 안정성이 높은 PC를 사용하거나, 저점도와 높은 이온전도도를 가지는 ACN 전해액 용매를 사용한다. 이에 사용되는 염은 주로 TEABF4(Tetra Ethyl Amonium Tetra Fluoro Borate)이다.
본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼-커패시터(121, 122)의 전해질은 TEMABF4 염을 사용하여 전해액 농도를 증가시켜 출력 향상 및 저항 감소를 실현한다. 이에, 상온에서 기존 TEABF4의 용융 한계는 약 1.2M이고 본 발명의 실시 예에 따른 TEMABF4의 용융 한계는 1.8M이므로, 기존 TEABF4보다 본 발명의 실시 예에 따른 TEMABF4를 사용할 시에 높은 이온 농도를 가지며, 이에 용량 향상에 기여할 수 있으며, 또한 이온경이 작아 활성탄의 기공의 출입에 저항이 적고 보다 높은 전해액 농도로 인하여 이온 확산시의 저항을 감소시킬 수 있다. 즉, 본 발명에서는 1.8M의 몰농도를 가지는 TEMABF4/ACN 전해액을 사용하는 것이 바람직하다.
상술한 전극에 대해 보다 상세히 살펴보면 다음과 같다.
첫 번째, 전극을 제조할 때에 기존의 슬러리 코팅 방식을 사용하지 않고 니딩(Kneading) 코팅 방식을 사용함으로써 전극 저항을 감소시켜 준다.
여기서, 기존의 슬러리 코팅 방식은 CMC(Carboxyl Methyl Cellulose) 기반의 각종 바인더들과 활성탄, 도전재를 혼합하여 페이스트상의 슬러리 형태로 만들어 집전체에 코팅하여 20 ~ 100(마이크로미터) 정도의 전극을 형성하도록 하는 방식이다. 또한, 기존의 슬러리 코팅 방식은 주 바인더로 사용되어지는 CMC의 경우, 면결 합을 하는 바인더가 활물질을 감싼 형태로, 이때 이온 전도 및 전자 전도는 활물질에 코팅된 CMC 바인더에 의해 직접 전도와 호핑에 의한 효과가 복합적으로 나타나며, 이에 따라 저항이 커지는 단점을 가지고 있다.
그리고 본 발명의 실시 예에 따른 니딩 코딩 방식은, PTFE(Poly Tetra Fluoro Ethylene)를 이용하여 반죽(Kneading) 공정을 거쳐 100 ~ 150(마이크로미터) 정도의 두께를 가지는 시트상의 전극을 제작한 후에, 전도성 접착제를 이용하여 집전체에 접착하여 제조하는 방식이다.
본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼-커패시터를 활용한 하이브리드 전지(즉, 하이브리드 셀)에 있어서, 슈퍼-커패시터(121, 122)가 상술한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 니딩 코딩 방식을 사용하여 제조한 전극을 구비하는 목적은, 하이브리드 셀 구성 시의 부하 경감을 위해서 슈퍼-커패시터(121, 122)의 출력 향상 및 저항 감소를 이루도록 하는 것이다.
그리고 본 발명의 실시 예에 따른 니딩 코딩 방식은, 연신된 PTFE 바인더가 네트워크 구조를 형성하여 활물질 및 도전재를 고정시켜 시트상의 전극을 만들어 내는 방식으로, 두께가 두꺼움에도 불구하고 기존의 슬러리 코팅 방식에 비교하여 보다 높은 출력 특성을 가진다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 니딩 코딩 방식은, 기존의 슬러리 코팅 방식에 비하여 바인더의 종류가 간소화된다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 니딩 코딩 방식은, 표면이 바인더에 의한 덮임이 거의 발생하지 않으므로, 활성탄과 도전재 사이로 전해액의 젖음이 용이하고, 이온의 확산 저항이 줄어들어 출력 향상을 이룰 수 있다.
두 번째, 전극의 권취 방식을 변경시켜 주는데, 기존의 권취 텐션(Tension)을 1로 가정할 경우에 기존의 권취 텐션 대비 1.3으로 권취 텐션을 강화해 줌으로써, 전극간의 거리를 단축시키고, 전극간의 접촉 저항을 감소시키고, 정전 용량을 향상시켜 준다.
세 번째, 전극 내의 도전재는 기존의 아세틸렌 블랙(Acetylene Black)을 사용하지 않고 카본 파이버(Carbon Fiber)를 사용함으로써 전극 저항을 감소시켜 준다.
이때, 기존 전극 내의 도전재는 활물질 고형분 대비 약 15 ~ 25(%)의 중량을 가지도록 하나, 본 발명의 실시 예에 따른 니딩 코딩 방식에 의해 제조된 전극 내의 도전재는 활물질 고형분 대비 약 10 ~ 15(%)의 중량을 가지도록 한다.
이에 따라, 바인더에 의한 활물질 입자간의 직접 접촉 효과를 극대화하여 이로 인해 도전재의 함량을 줄여 낮은 저항을 나타내며, 도전재 함량을 줄이고 용량 발현을 하는 활물질의 함량을 증가시킬 수 있으므로, 에너지 밀도도 향상시켜 줄 수 있다.
네 번째, 전극 내 바인더(Binder)의 양을 변경시켜 주는데, 기존의 바인더 함량을 1로 가정할 경우에 기존의 바인더 대비 0.7 수준으로 감소시켜 줌으로써, 전극 저항 물질인 바인더 함량의 감소로 인해 전극 저항을 현저히 감소시켜 준다.
이때, 기존 전극 내 바인더는 활물질 고형분 대비 약 10 ~ 15(%)의 중량의 값을 가진다. 기존 전극은 모든 활물질과 도전재를 바인더가 감싸 안아야 하는 구조를 가지므로, 분말의 유효비표면적이 늘어날수록 바인더의 양이 많아져야 하며, 또한 CMC 계열 전극의 바인더는 순간 고부하와 고전압에서의 사용에 있어서 바인더의 미반응 유리기에 의한 전해액과의 반응으로 인한 가스 발생이 있는 단점을 가진다.
그러나 본 발명의 실시 예에 따른 니딩 코딩 방식에 의해 제조된 전극 내 바인더는 활물질 고형분 대비 약 3 ~ 10(%)의 중량을 가지도록 한다. 여기서, PTFE는 내화학성과 반응성이 현저히 낮은 물질로 부반응에 의한 가스 반응을 제어할 수 있다.
이에, 바인더의 함량이 적어지므로 전극의 젖음 특성이 향상되고 저항이 감소되며, 바인더가 연신되어 그물상의 구조를 가지므로 활물질과 점결합을 형성하며, 또한 전극이 가지는 굴곡 강도 및 인장 강도에서 기존 전극의 5배 이상의 강인성을 가진다.
이에 따라, 전극 권취 시에 50(%) 이상 권취 텐션을 향상시켜도 전극의 변형, 깨짐 또는 찢어짐이 발생하지 않으며, 또한 가스 발생이 줄어듦으로 인하여 고온 부하 시에 수명 특성을 향상시켜 준다. 단, PTFE가 가지는 낮은 표면 장력에 기인한 발수성에 의하여 적은 양을 사용할 시에도 전극의 적심이 저하될 수 있고, 이는 에이징(Aging) 공정에서의 불필요한 시간 및 에너지의 손실이 있게 되므로, 전극 활물질의 0.3 ~ 1(%) 함량으로 PVP(Poly-4-vinylphenol) 등을 첨가하여 적심성을 개선한다.
아래에서는 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼-커패시터를 활용한 하이브리드 전지의 동작 및 부하 테스트에 대해서 상세하게 설명한다.
우선, 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼-커패시터를 활용한 하이브리드 전지를 순간 고출력 특성을 가지는 기기에 적용하게 되는데, 이때, 주 전원인 배터리(110)와, 해당 배터리(110)에 병렬로 연결된 보조 전원인 슈퍼-커패시터(121, 122)로 이루어진 하이브리드 전지에 있어서, 해당 배터리(110)는 메모리 효과가 없는 타입의 전지를 이용하도록 하며, 슈퍼-커패시터(121, 122)는 직렬로 2개 또는 그 이상이 연결된 EDLC를 이용하도록 한다.
여기서, 순간 고출력 특성을 가지는 기기는 평상시에 배터리(110)로부터 전원을 공급받아 동작을 수행하게 되며, 이때 배터리(110)와 병렬로 연결된 슈퍼-커패시터(121, 122)도 전원을 공급받아 배터리(110)의 전압 레벨까지 충전하게 된다.
그리고 슈퍼-커패시터(121, 122)가 배터리(110)의 전압 레벨까지 충전이 완료되면, 슈퍼-커패시터(121, 122)는 더 이상 충전하지 않고 배터리(110)의 전압 레벨만큼을 항상 유지시켜 대기 상태에 있도록 한다.
이때, 슈퍼-커패시터(121, 122)의 충전 전압 레벨을 감지하여, 해당 감지된 충전 전압 레벨이 기 설정된 기준치 이하로 되는 경우에 배터리(110)로부터 전원을 공급받아 슈퍼-커패시터(121, 122)에 충전하는 동작을 수행하도록 하며, 슈퍼-커패시터(121, 122)가 충전 완료되는 경우에 배터리(110)로부터 공급받던 전원을 차단하는 동작을 수행하도록 할 수도 있다. 이러한 방식으로 슈퍼-커패시터(121, 122)의 충전 전압 레벨을 배터리(110)의 전압 레벨까지 항상 유지시켜 주도록 할 수 있다.
그런 후에, 순간 고출력 특성을 가지는 기기에서 순간 과부하 출력 발생 시 에, 이와 동시에 슈퍼-커패시터(121, 122)에 충전된 전원을 공급하여 배터리(110)의 방전 전압을 보상해 줌으로써, 즉 슈퍼-커패시터(121, 122)에 충전된 전원을 배터리(110)의 순간 고출력을 보강하는 보조 전원으로 공급해 줌으로써, 하이브리드 전지의 성능을 개선하고 이로 인해 배터리의 수명을 연장시켜 준다. 또한, 내부 ESR 특성을 향상시켜 배터리 하이브리드 시에 로드 현상을 개선해 주도록 한다.
한편, 순간 고출력 특성을 가지는 기기에 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼-커패시터를 활용한 하이브리드 전지를 적용한 상태에서 아래의 예와 같은 부하 테스트를 수행하게 되는 경우에 그 결과를 살펴보면 다음과 같다.
첫 번째 예를 들어보면, 2.5V/5F 2직렬을 사용한 EDLC(121, 122)를 3.6(V) 배터리와 함께 병렬 결합한 경우에, 부하 테스트를 수행한 결과로, 스타트 시에 '3.6690'이고, 24시간 5(mA) 방전 시에 '3.6333'이고, 70(Sec) 117(mA) 방전 시에 '3.3621'이며, 특히 0.01(Sec) 3A 방전 시에 '3.3742'이고, 0.2(Sec) 3A 방전 시에 '3.0055'로 나타났다.
두 번째 예를 들어보면, 2.5V/50F 2직렬을 사용한 EDLC(121, 122)를 3.6(V) 배터리와 함께 병렬 결합한 경우에, 부하 테스트를 수행한 결과로, 스타트 시에 '3.6750'이고, 24시간 5(mA) 방전 시에 '3.6642'이고, 70(Sec) 117(mA) 방전 시에 '3.5338'이며, 특히 0.01(Sec) 3A 방전 시에 '3.4138'이고, 0.2(Sec) 3A 방전 시에 '3.2943'으로 나타났다.
다시 말해서, 순간 고출력 특성을 가지는 기기에 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼-커패시터를 활용한 하이브리드 전지를 적용하는 경우, 하이브리드용 슈퍼-커 패시터(121, 122)의 전극 및 전해액 구성 물질을 개선하여 내부 ESR 특성을 향상시켜 주고, 이에 배터리 하이브리드 시에 로드 현상을 개선시켜 주게 된다. 이에 따라, 배터리(110)의 사양 이상으로 과부하가 출력할 시에도, 슈퍼-커패시터(121, 122)가 배터리 방전 전압을 보상하여 출력을 보강함으로써, 배터리(110)의 수명을 연장시킬 수 있게 됨을 잘 알 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 예는 순간 고출력을 제공해 주는 슈퍼-커패시터를 주 전원인 배터리와 병렬 하이브리드로 연결시켜 줌으로써, 기존 배터리의 장점과 슈퍼-커패시터의 장점을 살려 배터리의 사용 시간을 연장시키고 고출력 펄스 특성을 향상시키고 -40 ~ 80(도)의 넓은 사용 온도를 가지도록 한 슈퍼-커패시터를 활용한 하이브리드 전지에 대해서 설명하였다.
그러나 본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼-커패시터를 활용한 하이브리드 전지의 구성을 나타낸 회로도이다.

Claims (7)

  1. 주 전원 및 상기 주 전원에 병렬로 연결된 보조 전원으로 이루어진 하이브리드 전지에 있어서,
    상기 보조 전원은 직렬로 2개 또는 그 이상 연결된 슈퍼-커패시터인 것을 특징으로 하는 하이브리드 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주 전원은 메모리 효과가 없는 타입의 전지인 것을 특징으로 하는 하이브리드 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 슈퍼-커패시터는 TEMABF4(Tetra Methyl Amonium Tetra Fluoro Borate) 염을 사용한 전해질을 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 슈퍼-커패시터는 니딩 코팅 방식을 사용하여 제조된 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전극은 활물질 고형분 대비 10 ~ 15(%)의 중량을 가진 도전재를 내부에 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 도전재는 카본 파이버인 것을 특징으로 하는 하이브리드 전지.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 전극은 활물질 고형분 대비 3 ~ 10(%)의 중량을 가진 바인더를 내부에 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105680119A (zh) * 2015-07-13 2016-06-15 中国第一汽车股份有限公司 一种混合储能器件及其制备方法
US9484069B2 (en) 2014-06-09 2016-11-01 Samsung Electronics Co., Ltd. Auxiliary power supply devices and nonvolatile memory systems including the same
WO2016190536A1 (ko) * 2015-05-26 2016-12-01 킴스테크날리지 주식회사 전기적 하이브리드 에너지 저장장치
US10044219B2 (en) 2015-06-02 2018-08-07 Lsis Co., Ltd. Power supply apparatus
KR20180093572A (ko) * 2017-02-14 2018-08-22 주식회사 엘지화학 수평방향으로 배열된 전극들을 포함하는 캐패시터

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9484069B2 (en) 2014-06-09 2016-11-01 Samsung Electronics Co., Ltd. Auxiliary power supply devices and nonvolatile memory systems including the same
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US10044219B2 (en) 2015-06-02 2018-08-07 Lsis Co., Ltd. Power supply apparatus
CN105680119A (zh) * 2015-07-13 2016-06-15 中国第一汽车股份有限公司 一种混合储能器件及其制备方法
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