KR20120027665A - 전기이중층 커패시터 - Google Patents

전기이중층 커패시터 Download PDF

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KR20120027665A
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 전기이중층 커패시터에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 원통형, 각형의 외장케이스 내부에 절연체 가스켓을 삽입하여 안전성을 향상시키고자 하는 데 있다.
이를 위해 본 발명의 일 실시예는, 상부가 개방되어 있고, 외측벽에 내부방향으로 함몰되어 있는 비딩부가 형성되어 있는 외장케이스; 상기 외장케이스의 내면이고, 또한 상기 비딩부의 하부에 설치되며, 전극과 상기 전극에 결합된 단자를 포함하는 전극소자와, 상기 전극 사이에 개제된 절연지를 포함하여 와인딩되어 있는 권취소자; 상기 비딩부의 상부에 설치되어 외부단자가 체결되는 단자플레이트; 및 상기 권취소자에 패킹되되, 상기 권취소자의 단자가 관통하는 관통홀이 형성되어 있는 가스켓을 포함하는 전기이중층 커패시터를 개시한다.

Description

전기이중층 커패시터{HIGH-VOLTAGE ELECTRIC DOUBLE LAYER CAPACITOR}
본 발명은 전기이중층 커패시터에 관한 것이다.
일반적으로 전기이중층 커패시터(EDLC; Electric Double Layer Capacitor)는 절연지를 사이에 두고 양극과 음극의 2개의 전극을 서로 대향하게 배치하여 대향 면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(즉, 전기이중층)이 생성되는 것을 이용한 에너지 저장 매체이다. 이러한 전기이중층 커패시터는 계속적인 충전 및 방전이 가능한 소자로서, 각종 전기ㆍ전자기기의 보조전원, IC 백업전원 등으로 주로 사용되고 있다. 또한, 최근에는 장난감, 산업용 전원, UPS(UNINTERRUPTED POWER SUPPLY), 태양열 에너지 저장, HEV/EV SUB POWER 등에 까지 폭넓게 응용되고 있다.
전기이중층 커패시터는 일반적으로 케이스 내에 단위셀을 내장한 다음 전해질을 수용함으로써 제작된다. 여기서, 단위셀은 전극과 절연지가 교호(交互)로 적층된 후 말아져서 구성된다. 통상적으로, 러그, 스크류볼트 형태의 단자를 가지는 전기이중층 커패시터는 3개 내지 10개의 알루미늄 단자가 전극과 연결되어, 순간 고출력을 요구하는 분야에 사용된다. 그러나, 이러한 러그, 스크류볼트 형태의 단자를 가지는 전기이중층 커패시터는 커패시턴스가 100F이상이고 순간 출력이 50A이상이 되므로, 내부 단자 연결 구조의 안전성이 유지될 수 있도록 설계될 필요성이 있다.
본 발명의 일 실시예는 정격용량이 100F이상인 원통형, 각형의 구조에 절연체 가스켓을 삽입하여 안전성을 향상시킨 전기이중층 커패시터를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전기이중층 커패시터는, 상부가 개방되어 있고, 외측벽에 내부방향으로 함몰되어 있는 비딩부가 형성되어 있는 외장케이스; 상기 외장케이스의 내면이고, 또한 상기 비딩부의 하부에 설치되며, 전극과 상기 전극에 결합된 단자를 포함하는 전극소자와, 상기 전극 사이에 개제된 절연지를 포함하여 와인딩되어 있는 권취소자; 상기 비딩부의 상부에 설치되어 외부단자가 체결되는 단자플레이트; 및 상기 권취소자에 패킹되되, 상기 권취소자의 단자가 관통하는 관통홀이 형성되어 있는 가스켓을 포함한다.
상기 비딩부의 내경은 상기 권취소자의 내경보다 크다.
상기 가스켓은 절연성 고분자 물질로 이루어진다.
상기 절연성 고분자 물질은, ABS 수지(Acrylonitrile-butadiene-styrene Resin), HDPE (High Density Polyethylene), EP 수지(Epoxy Resin), PA(Polyamide), PBT(Polybutylene Terephthalate), PC(Polycarbonate), POM 수지(Poly Acetal Resin), PPO(Polypenylene Oxide), MPPO(Modified PPO), PS(Polystyrene), PPS 수지(Poly phenylene sulfide resin), LCP(Liquid crystal polymer), PSU(Polysulfone), PES(Polyethersulfone), PEI(Polyetherimide), PI 수지(Poly imide resin), PEEK(Poly erher-ether-ketone), PTFE(Polytetrafluorethylene), PP(Polypropylene), Acetal 중 적어도 어느 하나 이상이다.
상기 가스켓은 상기 관통홀이 형성되어 있는 평탄부와, 상기 평탄부의 외측 하부에 형성된 테두리부로 이루어지고, 상기 테두리부가 상기 권취소자의 상단 둘레를 감싸도록 구비되어 있다.
상기 권취소자의 단자는 상기 외부단자와 절곡되어 연결될 수 있고, 상기 절곡된 부위는 상기 가스켓의 평탄부에 접촉되어진다.
상기 외장케이스의 개방된 상부 외측벽의 끝단은 내부방향으로 컬링되어 있다.
상기 외장케이스는 원통형 또는 각형일 수 있다.
상기 단자플레이트는 상면에 상기 외부단자가 체결되는 체결부가 형성되어 있고, 하면에 상기 외부단자와 상기 권취소자의 단자가 터미널결합되어 전기적으로 연결되도록 터미널단자가 형성되어 있다.
러그, 스크류볼트 형태의 단자를 가지는 전기이중층 커패시터의 경우 단자플레이트가 안착될 수 있는 비딩부가 존재한다. 이러한 비딩부의 내경은 권취소자의 외경보다 크게 형성된다. 따라서, 비딩부까지 권취소자의 절연지가 올라오게 되고, 권취소자의 단자와 터미널 단자가 결합하면 터미널 단자가 절연지를 누르게 된다. 이러한 경우 터미널 단자의 양 끝 절단부의 버가 절연지를 뚫고 권취소자의 전극과 단락될 가능성이 있다. 또한, 비딩부까지 절연지를 올리지 않으면, 권취소자가 외장케이스 내부에서 흔들릴 수 있고, 이로 인하여 전기이중층 커패시터의 수명이 단축될 수 있다.
그러나, 본 발명에서는, 비딩부와 권취소자 사이에 가스켓을 위치시키고 있기 때문에, 터미널 단자의 버(bur)에 의한 권취소자 내부로의 단락을 막을 수 있고, 가스켓 외측 상면의 높이를 제한하여 권취소자의 흔들림을 막아줄 수 있으며, 나아가 전기이중층 커패시터의 신뢰성 및 안전성을 확보할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기이중층 커패시터의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 사시도이다.
도 3은 도 1의 권취소자의 적층구조를 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 1의 권취소자의 권취된 모습을 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 1의 비딩플레이트의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 6은 도 1의 가스켓의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 1의 외장케이스의 개방된 상부 끝단이 커링된 후의 모습을 나타내는 단면도이다.
이하, 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기이중층 커패시터의 구조를 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1의 사시도이며, 도 3은 도 1의 권취소자의 적층구조를 나타내는 단면도이고, 도 4는 도 1의 권취소자의 권취된 모습을 나타내는 사시도이며, 도 5는 도 1의 비딩플레이트의 구조를 나타내는 사시도이고, 도 6은 도 1의 가스켓의 구조를 나타내는 사시도이며, 도 7은 도 1의 외장케이스의 개방된 상부 끝단이 커링된 후의 모습을 나타내는 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기이중층 커패시터(100)는, 비딩부(Beading unit)(150)가 형성되어 있는 외장케이스(110)와, 상기 외장케이스(110)의 내면이고 또한 상기 비딩부(150)의 하부에 설치되어 있는 권취소자(120)와, 상기 비딩부(150)의 상부에 체결되어 있는 단자플레이트(130)와, 상기 권취소자(120)와 상기 비딩부(150) 사이에 설치되어 상기 권취소자(120)에 패킹되는 가스켓(140)을 포함한다.
상기 외장케이스(110)는, 상부가 개방되어 있는 형상을 가진다. 또한, 상기 외장케이스(110)의 상부, 즉 상기 가스켓(140)의 상부에는 상기 외장케이스(110)의 내부 방향으로 함몰되어 있는 비딩부(150)가 형성되어진다. 이러한 비딩부(150)는 그 상부에 설치되는 상기 단자플레이트(130)가 아래방향으로 밀리는 것을 방지할 수 있다. 여기서, 상기 비딩부(150)의 내경은 상기 권취소자(120)의 내경보다 크게 형성되어, 상기 권취소자(120)가 상기 외장케이스(110)의 내부로 삽입되도록 할 수 있다. 또한, 상기 비딩부(150)의 하면은 상기 가스켓(140)의 테두리측 상면에 접촉되도록 하여, 상기 가스켓(140) 하부의 권취소자(120)의 흔들림을 방지할 수 있다. 또한, 상기 가스켓(140)의 외경은 상기 비딩부(150)의 내경보다 크게 형성되어, 상기 가스켓(140)이 상기 권취소자(120)의 상부에 억지끼워지게 한다. 이를 통하여, 상기 가스켓(140) 하부의 권취소자(120)가 흔들리는 것을 더욱 더 방지할 수 있다.
그리고, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 외장케이스(110)의 개방된 상부 측벽의 끝단(111)은 내부방향으로 컬링되어 있다. 이로 인하여, 상기 비딩부(150)는 상기 단자플레이트(130)를 상기 외장케이스(110) 내부에 고정시키는 역할을 한다.
한편, 상기 외장케이스(110)는 상기 권취소자(120)가 원통형, 각형 또는 파우치 형태일 수 있다. 이러한 외장케이스(110)의 내부에는 상기 권취소자(120)가 내장된 다음 전해액과 함께 위치된다. 또한, 상기 외장케이스(110)는 알루미늄(Al)을 사용하여 제작될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 SUS와 같은 내식성이 뛰어나고 열에 의한 안정성이 뛰어난 물질로 구성될 수 있다.
상기 권취소자(120)는 상기 외장케이스(110)의 내면이고, 또한 상기 비딩부(150)의 하부에 설치된다. 이러한 권취소자(120)는 전극(122)과 상기 전극(122)에 결합된 단자(121a) (121b)를 포함하는 전극소자(A)와, 상기 전극(122) 사이에 개제된 절연지(124a)(124b)를 포함하여 와인딩되어 있다. 또한, 이러한 와인딩 형태가 풀리지 않도록 외부를 테이핑(taping)(123)하여 형성한다. 이와 같이 형성된 권취소자(120)는 전해액에 함침된 후, 상기 외장케이스(110) 내부에 내장된다.
구체적으로 설명하자면, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 권취소자(120)는 제1 절연지(124a) 및 제2 절연지(124b)와 제1 전극(122a) 및 제2 전극(122b)을 사용하여, 제1 전극(122a) 및 제2 전극(122b)이 서로 절연되도록 제1 전극(122a) 및 제2 전극(122b)과 제1 절연지(124a) 및 제2 절연지(124b)를 서로 교호로 적층한 후, 롤(roll) 형태로 권취하여 형성된다. 이때, 제1 전극(122a) 및 제2 전극(122b)은 외부에서 인가되는 전기의 부호에 따라 양극(+) 또는 음극(-)으로 그 부호가 결정되며, 이러한 제1 전극(122a) 및 제2 전극(122b)에는 외부에서 전기를 인가하기 위한 제1 단자(121a) 및 제2 단자(121b)가 각각 인출되어 있다. 상기 제1 단자(121a) 및 제2 단자(121b)에 전기가 인가되면, 제1 전극(122a)과 제1 절연지(124a), 그리고 제2 절연지(124b)와 제2 전극(122b)에서 양전하(+)와 음전하(-)가 분극되어 2곳의 전하층, 즉 전기이중층이 생성된다.
한편, 이와 같이, 롤 형태로 권취된 권취소자(120)는 원통형의 외장케이스(110)에 내장되거나, 도시되어 있지는 않지만 각형 또는 파우치 형태의 외장케이스에 압착하여 내장될 수도 있다.
상기 단자플레이트(130)는 상기 비딩부(150)의 상부에 설치되어 외부단자(131a)(131b)가 체결되어진다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 단자플레이트(130)는 상면에 상기 외부단자(131a)(131b)가 체결되는 체결부(132a)(132b)가 형성되어 있고, 하면에 상기 외부단자(131a)(131b)와 상기 권취소자(120)의 단자(121a)(121b)가 각각 터미널결합되어 전기적으로 연결되도록 터미널단자(133a)(133b)가 형성되어 있다. 여기서, 상기 외부단자(131a)(131b)는 러그(Lug) 또는 스크류 볼트(Screw Volt) 형태의 단자이다. 또한, 터미널 단자(133a)(133b)는 알루미늄(Al)으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 가스켓(140)은 상기 비딩부(150)의 하부에 설치되어 상기 권취소자(120)에 패킹되되, 상기 권취소자(120)의 단자가 관통하는 관통홀(141)이 형성되어 있다. 보다 구체적으로 설명하자면, 상기 가스켓(140)은 상기 관통홀(141)이 형성되어 있는 평탄부(142)와, 상기 평탄부(142)의 외측 하부에 형성된 테두리부(143)로 이루어지고, 상기 테두리부(143)가 상기 권취소자(120)의 상단 둘레를 감싸도록 구비되어 있다. 또한, 상기 가스켓(140)의 테두리측 상면, 즉 평탄부(142)는 상기 비딩부(150)의 하면과 접족되어 있다. 따라서, 상기 비딩부(150)의 하면이 상기 가스켓(140)의 평탄부(142)와 접촉하여 상기 가스켓(140)에 패킹된 권취소자(120)가 고정되게 되므로, 상기 권취소자(120)가 외장케이스(110) 내부에서 흔들리는 것을 방지할 수 있고, 나아가 본 전기이중층 커패시터(100)의 수명이 단축되는 현상도 방지할 수 있게 된다.
또한, 상기 가스켓(140)의 관통홀(141)을 관통하여 상기 외부단자(131a)(131b)와 각각 연결되는 상기 권취소자(120)의 단자(121a)(121b)는, 상기 단자플레이트(130)와 상기 가스켓(140)사이에서 절곡된 형상을 가질 수 있다. 이때, 본 전기이중층 커패시터에서는, 상기 권취소자(120)의 단자(121a)(121b)의 절곡된 부위가 상기 가스켓(140)의 평탄부(142)에 접촉하게 하여 상기 단자(121a)(121b)와 상기 전극들(121a, 121b)간에 발생될 수 있는 단락현상을 방지할 수 있다.
한편, 상기 가스켓(140)은 절연성 고분자 물질로 이루어진다. 이는 상기 단자플레이트(130)의 터미널단자(133a)(133b)와 상기 권취소자(120)의 전극간에 발생되는 미세단락 현상과, 상기 권취소자(120)가 상기 외장케이스(110) 내부에서 흔들리는 현상을 방지하기 위함이다. 여기서, 상기 절연성 고분자 물질은, ABS 수지(Acrylonitrile-butadiene-styrene Resin), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE; High Density Polyethylene), 에폭시 수지(EP; Epoxy Resin), 폴리아미드(PA; Polyamide), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT; Polybutylene Terephthalate), 폴리카보네이트(PC; Polycarbonate), 폴리 아세탈 수지(POM; Poly Acetal Resin), 폴리페닐렌 옥사이드(PPO; Polypenylene Oxide), 변형 폴리페닐렌 옥사이드(MPPO; Modified PPO), 폴리스티렌(PS; Polystyrene), 폴리페닐렌 설파이드 수지(PPS; Poly phenylene sulfide resin), 액정 크리스탈 폴리머(LCP; Liquid crystal polymer), 폴리술폰(PSU; Polysulfone), 폴리에테르 술폰(PES; Polyethersulfone), 폴리에테르 이미드(PEI; Polyetherimide), 폴리 이미드 수지(PI; Poly imide resin), 폴리에테르에테르케톤(PEEK; Poly erher-ether-ketone), 폴리테트라플루로에틸렌(PTFE; Polytetrafluorethylene), 폴리프로필렌(PP; Polypropylene), 아세탈(Acetal) 중 적어도 어느 하나 이상이다. 이러한 절연성 고분자 물질은, 상기 단자플레이트(130)의 하부로 들어갈 수 있는 탄성을 가지고, 상기 터미널 단자(133a)(133b)와 절연지(124)를 격리시켜줌과 동시에 상기 가스켓(140)의 테두리측 하면에 상기 권취소자(120)를 고정할 수 있도록 하여 상기 권취소자(120)의 흔들림을 방지할 수 있다.
또한, 상기와 같이 구성된 하나의 전기이중층 커패시터(100)를 다른 전기이중층 커패시터와 직렬 연결하여 모듈화할 수 있다.
한편, 본 전기이중층 커패시터(100)에서는 상기 전극(122), 상기 절연지(124) 그리고 전해액은 통상의 것이 사용될 수 있다. 특히, 상기 전극(122)으로는 활성탄계 전극이 사용되는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 활성탄계 전극은 통상의 활성탄계 전극활물질(활성탄, 바인더, 도전제 등의 혼합물)을 연신 압연하여 제조한 시트 형태이거나, 상기 전극활물질을 알루미늄 포일등과 같은 금속박에 코팅, 건조하여 제조한 형태를 포함한다. 그리고, 이와 같이 시트 형태로 제조한 것을 절단하여 사용한다. 이때, 금속박에 전극활물질이 코팅된 전극을 사용할 경우에는 상기 전극활물질이 상기 금속박의 양면에 코팅된 양면전극이 바람직하다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 전기이중층 커패시터를 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: 전기이중층 커패시터 110: 외장케이스
111: 외장케이스의 개방된 상부 측벽의 끝단(111)
120: 권취소자 121a, 121b: 단자
122: 전극 123: 테이핑
124: 절연지 130: 단자플레이트
131a, 131b: 외부단자 132a, 132b: 체결부
133a, 133b: 터미널단자 140: 가스켓
141: 관통홀 142: 평탄부
143: 테두리부 150: 비딩부

Claims (9)

  1. 상부가 개방되어 있고, 외측벽에 내부방향으로 함몰되어 있는 비딩부가 형성되어 있는 외장케이스;
    상기 외장케이스의 내면이고, 또한 상기 비딩부의 하부에 설치되며, 전극과 상기 전극에 결합된 단자를 포함하는 전극소자와, 상기 전극 사이에 개제된 절연지를 포함하여 와인딩되어 있는 권취소자;
    상기 비딩부의 상부에 설치되어 외부단자가 체결되는 단자플레이트; 및
    상기 비딩부의 하부에 설치되어 상기 권취소자에 패킹되되, 상기 권취소자의 단자가 관통하는 관통홀이 형성되어 있는 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비딩부의 내경은 상기 권취소자의 내경보다 큰 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가스켓은 절연성 고분자 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 절연성 고분자 물질은, ABS 수지(Acrylonitrile-butadiene-styrene Resin), HDPE (High Density Polyethylene), EP 수지(Epoxy Resin), PA(Polyamide), PBT(Polybutylene Terephthalate), PC(Polycarbonate), POM 수지(Poly Acetal Resin), PPO(Polypenylene Oxide), MPPO(Modified PPO), PS(Polystyrene), PPS 수지(Poly phenylene sulfide resin), LCP(Liquid crystal polymer), PSU(Polysulfone), PES(Polyethersulfone), PEI(Polyetherimide), PI 수지(Poly imide resin), PEEK(Poly erher-ether-ketone), PTFE(Polytetrafluorethylene), PP(Polypropylene), Acetal 중 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가스켓은 상기 관통홀이 형성되어 있는 평탄부와, 상기 평탄부의 외측 하부에 형성된 테두리부로 이루어지고, 상기 테두리부가 상기 권취소자의 상단 둘레를 감싸도록 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 권취소자의 단자는 상기 외부단자와 절곡되어 연결될 수 있고, 상기 절곡된 부위는 상기 가스켓의 평탄부에 접촉되어지는 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 외장케이스의 개방된 상부 외측벽의 끝단은 내부방향으로 컬링되어 있는 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 외장케이스는 원통형 또는 각형일 수 있는 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 단자플레이트는 상면에 상기 외부단자가 체결되는 체결부가 형성되어 있고, 하면에 상기 외부단자와 상기 권취소자의 단자가 터미널결합되어 전기적으로 연결되도록 터미널단자가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터.
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