KR20110130909A - 전기 저장 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기 저장 시스템에 관한 것으로, 리튬 황 배터리 셀에 전기 화학 커패시터 셀을 적층하여, 리튬 황 배터리 셀의 특성인 고에너지 밀도를 가지고, 전기 화학 커패시터 셀의 특성인 고출력 및 고속 충방전이 가능하여, 높은 출력과 높은 에너지 밀도를 가질 수 있다.
Description
본 발명은 전기 저장 시스템에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 높은 출력과 높은 에너지 밀도를 갖는 전기 저장 시스템에 관한 것이다.
일반적인 자동차는 휘발유나 경유로 동작하는 엔진을 동력원으로 한다. 그러나 환경오염이 세계적인 문제로 떠오르면서 전기 모터를 이용하는 전기 자동차가 업계에서 주목을 받고 있다.
이와 같은 전기 자동차의 전기 저장 시스템은 화학에너지와 전기에너지간의 상호변환이 가역적이어서 충전과 방전을 반복할 수 있다. 이러한 전기 저장 시스템은 양극판과 음극판이 분리막(separator)을 사이에 두고 위치하는 전극군(electrode assembly), 전극군이 수용되는 공간을 가지는 케이스 및 상기 케이스에 결합되어 이를 밀폐하는 캡 플레이트 등을 포함한다.
이러한 전기 저장 시스템 중에서 현재 하이브리드 차량에서 많이 사용되는 리튬 이온 배터리는 이론 에너지 밀도가 570Wh/kg이다. 그러나 실질적으로 실현 가능한 최대 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도는 250Wh/kg로, 한번 충전시 500km이상을 주행해야하는 전기 자동차에 적용하기에는 한계가 있다.
그러므로 전기 자동차의 높은 에너지 밀도를 구현하기 위해 이론적으로 2600Wh/kg의 고에너지 밀도를 갖는 리튬 황 배터리가 주목 받고 있다. 그리고 이러한 리튬 황 배터리의 실현가능한 에너지 밀도를 늘리기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다.
그러나 이러한 리튬 황 배터리는 동작 전압이 2.0~2.5V로, 기존 리튬 이온 배터리(3.7V)보다 낮고 출력 특성이 낮은 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 리튬 황 배터리 셀에 전기 화학 커패시터 셀을 적층하여, 고에너지 밀도를 가짐과 동시에 고출력 및 고속 충방전할 수 있는 전기 저장 시스템을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 전기 저장 시스템은 배터리 음극판, 배터리 양극판 및 상기 배터리 음극판과 상기 배터리 양극판 사이에 개재되어 이들을 전기적으로 절연시키는 배터리 분리막을 포함하는 리튬 황 배터리 셀과, 상기 리튬 황 배터리 셀과 셀 분리막을 통해 전기적으로 절연되도록 적층되며, 커패시터 음극판, 커패시터 양극판 및 상기 커패시터 음극판과 상기 배터리 양극판 사이에 개재되어 이들을 전기적으로 절연시키는 커패시터 분리막을 포함하는 전기 화학 커패시터 셀을 포함할 수 있다.
상기 셀 분리막은 다공성 분리막으로 상기 리튬 황 배터리 셀과 상기 전기 화학 커패시터 셀의 각 전자 및 이온의 이동은 가능하고, 상기 리튬 황 배터리 셀과 상기 전기 화학 커패시터 셀 사이를 전기적으로 분리할 수 있다.
상기 리튬 황 배터리 셀의 상기 배터리 음극판과 상기 배터리 분리막 사이와, 배터리 양극판과 배터리 분리막 사이에 개재된 전해질과 상기 전기 화학 커패시터 셀의 상기 커패시터 음극판과 상기 커패시터 분리막 사이와, 커패시터 양극판과 커패시터 분리막 사이에 개재된 전해질은 동일한 전해질일 수 있다.
상기 리튬 황 배터리 셀과 상기 전기 화학 커패시터 셀은 서로 교번하여 복수개가 적층될 수 있다.
본 발명에 의한 전기 저장 시스템은 리튬 황 배터리 셀에 전기 화학 커패시터 셀을 적층하여, 고에너지 밀도를 가짐과 동시에 고출력 및 고속 충방전할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 저장 시스템을 도시한 구조도이다.
도 2는 도 1의 리튬 황 배터리 셀을 도시한 구조도이다.
도 3은 도 1의 전기 화학 커패시터 셀을 도시한 구조도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 저장 시스템을 도시한 구조도이다.
도 2는 도 1의 리튬 황 배터리 셀을 도시한 구조도이다.
도 3은 도 1의 전기 화학 커패시터 셀을 도시한 구조도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 저장 시스템을 도시한 구조도이다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 여기서, 명세서 전체를 통하여 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전기 저장 시스템이 도시되어 있고, 도 2를 참조하면 도 1의 전기 저장 시스템의 리튬 황 배터리 셀이고, 도 3을 참조하면 도 1의 전기 화학 커패시터 셀이 도시되어 있다.
우선 전기 저장 시스템(100)은 리튬 황 배터리 셀(110)과 전기 화학 커패시터 셀(120)을 포함한다.
그리고 리튬 황 배터리 셀(110)은 배터리 음극판(111)과, 배터리 양극판(112)과, 배터리 음극판(111)과 배터리 양극판(112) 사이에 개재된 배터리 분리막(113)으로 이루어진다.
여기서 배터리 음극판(111)은 음극 집전체와, 리튬, 리튬 합금 또는 리튬을 포함하는 복합재중에 적어도 하나의 활 물질로 이루어진다.
그리고 배터리 양극판(112)은 양극 집전체와, 황, 황 합금 또는 황을 포함하는 복합재중에 적어도 하나로 이루어진 활물질로 이루어진다.
그리고 배터리 분리막(113)은 배터리 음극판(111)과 배터리 양극판(112) 사이의 접촉을 방지함으로써, 배터리 음극판(111)과 배터리 양극판(112)을 전기적으로 절연시키고, 충 방전시 리튬 이온이 이동 가능한 다공성 분리막이다.
그리고 리튬 황 배터리 셀(110)은 배터리 음극판(111)과 배터리 분리막(113) 사이와, 배터리 양극판(112)과 배터리 분리막(113) 사이에는 전해질(114)이 개재된다. 이와 같은 리튬 황 배터리 셀(110)은 이론적으로 2600Wh/kg의 높은 에너지 밀도를 가지고 있다.
그리고 전기 화학 커패시터 셀(120)은 커패시터 음극판(121), 커패시터 양극판(122) 및 커패시터 음극판(121)과 커패시터 양극판(122) 사이에 개재된 커패시터 분리막(123)으로 이루어진다.
그리고 커패시터 음극판(121)과 커패시터 양극판(122)은 각 극성 집전체를 각각 포함하고, 각 극성 집전체와 커패시터 분리막(123) 사이에 개재된 각 극성에 대한 활물질과, 전도성을 부여하기 위한 도전체와, 활물질과 도전체 사이에 결착력을 증가시키기 위한 바인더를 포함한다. 그리고 커패시터 음극판(121)의 활물질은 탄소 나노튜브(CNT; Carbon Nano Tube)로 이루어질 수 있으며, 커패시터 양극판(122)의 활물질은 이산화망간(MnO2)으로 이루어질 수 있다.
여기서 커패시터 분리막(123)은 커패시터 음극판(121)과 커패시터 양극판(122) 사이의 접촉을 방지함으로써, 커패시터 음극판(121)과 커패시터 양극판(122)을 전기적으로 절연시키고, 전자 및 충 방전 시 전해질 이온이 이동 가능한 다공성 분리막이다.
그리고 전기 화학 커패시터 셀(120)은 커패시터 음극판(121)과 커패시터 분리막(123) 사이와, 커패시터 양극판(122)과 커패시터 분리막(123) 사이에는 전해질(124)이 개재된다. 그리고 전기 화학 커패시터 셀(120)의 전해질(124)은 리튬 황 배터리 셀(110)의 전해질(114)과 동일한 전해질로 이루어진다. 이러한 전해질은 LiCF3SO3, LiTFSi, DME(1.2-Dimethoxyethane), DEGDME, TEGDME 및 DIOX를 포함할 수 있다.
이러한 전기 화학 커패시터 셀(120)은 이온보다 속도가 빠른 전자가 커패시터 음극판(121)과 커패시터 양극판(122) 사이를 이동함으로써, 전압을 충전 또는 방전하므로, 짧은 시간 안에 높은 에너지를 충 방전 할 수 있다.
그리고 전기 화학 커패시터 셀(120)은 리튬 황 배터리 셀(110)과 셀 분리막(130)을 통해 전기적으로 절연되도록 리튬 황 배터리 셀(110)에 적층된다.
이러한 셀 분리막(130)은 리튬 황 배터리 셀(110)의 배터리 양극판(112)과 전기 화학 커패시터 셀(120)의 커패시터 음극판(121) 사이에 개재되어 리튬 황 배터리 셀(110)과 전기 화학 커패시터 셀(120)을 전기적으로 절연시키거나, 이와 반대로 셀 분리막(130)은 리튬 황 배터리 셀(110)의 배터리 음극판(111)과 전기 화학 커패시터 셀(120)의 커패시터 양극판(122) 사이에 개재되어 리튬 황 배터리 셀(110)과 전기 화학 커패시터 셀(120)을 전기적으로 절연시킬 수 있다.
즉, 셀 분리막(130)은 리튬 황 배터리 셀(110)과 전기 화학 커패시터 셀(120) 사이에 개재되어, 리튬 황 배터리 셀(110)과 전기 화학 커패시터 셀(120)의 각각의 극판이 접촉되는 것을 방지하여 각 셀을 전기적으로 절연시킨다.
그리고 셀 분리막(130)은 리튬 황 배터리 셀(110)의 이온 및 전자와 전기 화학 커패시터 셀(120)의 이온 및 전자의 이동이 용이하도록 다공성 분리막으로 이루어진다. 그러므로 리튬 황 배터리 셀(110)과 전기 화학 커패시터 셀(120)은 셀 분리막(130)을 통해 전기적으로 절연되고, 전자 및 이온의 이동이 가능하여, 충방전시 서로 상호 보완하여 동작할 수 있다.
또한 전기 저장 시스템(100)은 리튬 황 배터리 셀(110)과 전기 화학 커패시터 셀(120)이 수용되기 위한 공간을 갖는 케이스(미도시)를 더 가지며, 상기 케이스 내부는 전해질(114, 124)로 모두 채워질 수 있다.
그리고 전기 저장 시스템(100)은 리튬 황 배터리 셀(110)에 전기 화학 커패시터 셀(120)을 적층하여, 리튬 황 배터리 셀(110)의 특성인 고에너지 밀도를 가지며, 전기 화학 커패시터 셀(120)의 특성인 고출력 및 고속 충방전이 가능하다. 즉 전기 저장 시스템(100)은 리튬 황 배터리 셀(110)과 전기 화학 커패시터 셀(120)을 적층하여 리튬 황 배터리 셀(110)의 단점인 출력 저하와, 전기 화학 커패시터 셀(120)의 낮은 에너지 밀도를 보완하여, 높은 출력과 높은 에너지 밀도를 가질 수 있다.
그리고 전기 저장 시스템(200)은 도 4에 도시된 바와 같이, 리튬 황 배터리 셀(110)과 전기 화학 커패시터 셀(120)이 서로 순차적으로 교번하여 적층된 복수의 셀로 이루어질 수 있다. 또한 이와 반대로 전기 저장 시스템(200)은 리튬 황 배터리 셀(110)과 전기 화학 커패시터 셀(120)이 불규칙 적으로 적층된 복수의 셀로 이루어질 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 전기 저장 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 전기 저장 시스템
110; 리튬 황 배터리 셀 120; 전기 화학 커패시터 셀
130; 셀 분리막
110; 리튬 황 배터리 셀 120; 전기 화학 커패시터 셀
130; 셀 분리막
Claims (4)
- 배터리 음극판, 배터리 양극판 및 상기 배터리 음극판과 상기 배터리 양극판 사이에 개재되어 이들을 전기적으로 절연시키는 배터리 분리막을 포함하는 리튬 황 배터리 셀;
상기 리튬 황 배터리 셀과 셀 분리막을 통해 전기적으로 절연되도록 적층되며, 커패시터 음극판, 커패시터 양극판 및 상기 커패시터 음극판과 상기 배터리 양극판 사이에 개재되어 이들을 전기적으로 절연시키는 커패시터 분리막을 포함하는 전기 화학 커패시터 셀을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 저장 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 셀 분리막은 다공성 분리막으로 상기 리튬 황 배터리 셀과 상기 전기 화학 커패시터 셀의 각 전자 및 이온의 이동은 가능하고, 상기 리튬 황 배터리 셀과 상기 전기 화학 커패시터 셀 사이를 전기적으로 분리하는 것을 특징으로 하는 전기 저장 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 리튬 황 배터리 셀의 상기 배터리 음극판과 상기 배터리 분리막 사이와, 배터리 양극판과 배터리 분리막 사이에 개재된 전해질과
상기 전기 화학 커패시터 셀의 상기 커패시터 음극판과 상기 커패시터 분리막 사이와, 커패시터 양극판과 커패시터 분리막 사이에 개재된 전해질은 동일한 전해질인 것을 특징으로 하는 전기 저장 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 리튬 황 배터리 셀과 상기 전기 화학 커패시터 셀은 서로 교번하여 복수개가 적층된 것을 특징으로 하는 전기 저장 시스템.
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