KR20120036079A - 슈퍼 캐패시터 모듈 - Google Patents

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KR20120036079A
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Abstract

본 발명은 슈퍼 캐패시터 모듈에 관한 것이다.
본 발명의 슈퍼 캐패시터 모듈은, 다수개의 슈퍼 캐패시터; 및 상기 다수개의 슈퍼 캐패시터가 삽입되어 적층되고, 양측부에 냉각유로가 돌출되게 연결된 다수개의 수냉자켓;을 포함하되, 상기 슈퍼 캐패시터와 수냉자켓이 교대로 적층되어 상부에 하부에 각각 고정판이 결합되고, 상기 고정판이 지지대에 고정된 구조로 이루어진다.

Description

슈퍼 캐패시터 모듈{Supercapacitor module}
본 발명은 슈퍼 캐패시터 모듈에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 캐패시터와 수냉자켓을 교대로 적층하여 고정시킴에 의해서 캐패시터의 냉각과 동시에 캐패시터의 변형이 방지되도록 한 슈퍼 캐패시터 모듈에 관한 것이다.
최근에 이르러, 슈퍼 커패시터는 전기 자동차, 하이브리드 전기자동차, 연료전지 자동차, 중장비 및 휴대용 전자장치등의 다양한 분야에 적용될 수 있는 고품질의 신재생 에너지원으로 각광받고 있다.
이때, 슈퍼 커패시터는 전기이중층 원리를 이용하는 전기이중층 커패시터(EDLC : Electrical double layer capacitor)와 전기화학적 산화-환원 반응을 이용하는 하이브리드 슈퍼 커패시터(Hybrid supercapacitor)로 구분될 수 있다.
여기서, 슈퍼 캐패시터는 고출력 에너지 특성을 필요로 하는 분야에서 많이 사용되고 있으나, 2차 전지에 비해 작은 용량을 가지고 있으며, 하이브리드 슈퍼 커패시터는 전기이중층 커패시터의 용량 특성을 개선할 새로운 대안으로 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히, 하이브리드 슈퍼 커패시터 중 리튬 이온 커패시터(Lithium ion capacitor; LIC)는 작은 크기에도 불구하고 전기이중층 커패시터에 비해 3 내지 4배 정도의 축적용량을 가질 수 있다.
이와 같은 슈퍼 커패시터는 서로 교대로 적층된 양극 및 음극과 적층된 양극 및 음극 사이에 삽입되어 양극과 음극을 서로 전기적으로 분리하는 세퍼레이터를 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 슈퍼 커패시터는 높은 출력 특성을 가질 수 있으나, 비교적 낮은 에너지 저장 특성을 가짐에 따라 자동차나 중장비와 같은 대형의 축적 용량이 필요한 장치에서는 여러 개의 슈퍼 커패시터들을 직렬 또는 병렬로 연결한 모듈의 형태로 사용되고 있다.
이때, 슈퍼 커패시터 모듈은 다수개의 슈퍼 커패시터의 구동을 통해 에너지 저장 특성을 향상시킬 수 있으나, 슈퍼 커패시터 모듈의 구동시 발생되는 열도 함께 급격하게 증가되어 슈퍼 커패시터 모듈의 신뢰성이나 안정성이 저하될 수 있다. 이에 따라, 슈퍼 커패시터 모듈에서 구비될 수 있는 슈퍼 커패시터의 개수나 슈퍼 커패시터 모듈의 사용환경이 제한적일 수 밖에 없는 문제점이 지적되고 있다.
이에 따라, 슈퍼 커패시터 모듈은 다수의 슈퍼 커패시터의 구동시 발생된 열을 효율적으로 방열하기 위한 기술이 필요되고 있다.
따라서, 본 발명은 종래의 슈퍼 캐패시터 모듈에서 제기되고 있는 상기 제반 단점과 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 파우치 형태로 패키징된 슈퍼 캐패시터와 수냉자겟을 교대로 적층하여 고정판에 의해 고정시킴에 의해서 다수의 슈퍼 캐패시터 연결에 의한 축적 용량이 증대된 슈퍼 캐패시터 모듈이 제공됨에 발명의 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 다수의 캐패시터와 수냉자켓이 교대로 적층된 상태에서 상하부에 각각 고정판을 결합하여 모듈화함에 따라 슈퍼 캐패시터의 냉각과 동시에 각 슈퍼 캐패시터를 가압하여 외형의 변형이 방지되도록 한 슈퍼 캐패시터 모듈이 제공됨에 있다.
본 발명의 상기 목적은, 다수개의 슈퍼 캐패시터; 및 상기 다수개의 슈퍼 캐패시터가 삽입되어 적층되고, 양측부에 냉각유로가 돌출되게 연결된 다수개의 수냉자켓;을 포함하되, 상기 슈퍼 캐패시터와 수냉자켓이 교대로 적층되어 상부에 하부에 각각 고정판이 결합되고, 상기 고정판이 지지대에 고정된 슈퍼 캐패시터 모듈이 제공됨에 의해서 달성된다.
이때, 수냉자켓의 사이에 적층되는 상기 슈퍼 캐패시터는, 상, 하부에 한 쌍의 라미네이트 필름이 열융착된 파우치 형태로 패키징될 수 있다.
또한, 상기 수냉자켓은 열전도율이 높은 알루미늄 또는 구리의 금속 재질로 구성됨이 바람직하며, 냉각유로가 상기 수냉자켓의 몸체 내부에 형성된 수로부와 연결되어 상기 각 수냉자켓에서 돌출된 다른 냉각유로와 상호 연결됨에 따라 냉각수의 순환이 이루어지도록 할 수 있다.
한편, 상기 슈퍼 캐패시터와 수냉자켓이 적층된 상태에서, 최상부층과 최하부층에 배치된 상기 수냉자켓에 각각 수냉자켓 내부로 냉각수가 유입되는 냉각수 유입부와 순환이 완료된 냉각수가 외부로 배출되는 냉각수 배출부가 구비될 수 있다.
그리고, 상기 고정판은, 최상부층과 최하부층에 배치되는 상기 수냉자켓의 상면과 하면에 각각 결합되어 각 모서리측에 상기 지지대가 관통 결합되며, 상기 지지대의 각 단부에는 고정수단이 결합되어 상기 고정판의 압착 정도가 조절되도록 할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 슈퍼 캐패시터 모듈은 파우치 형태로 패키징된 다수의 슈퍼 캐패시터를 순차적으로 적층하여 대용량의 충전 모듈을 구성할 수 있는 바, 슈퍼 캐패시터의 상, 하부에 각각 수냉자켓을 배치하여 슈퍼 캐패시터와 수냉자켓이 밀착되도록 함에 의해 슈퍼 캐패시터에서 충전 중 발생되는 열을 방출시켜 열변형이 최소화될 수 있도록 하는 이점이 있으며, 교대로 적층된 수냉자켓과 슈퍼 캐패시터가 고정판에 의해 압착되어 결합됨에 따라 파우치 형태로 패키징된 슈퍼 캐패시터의 파우치가 부풀어오르는 등의 변형을 원천적으로 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 슈퍼 캐패시터 모듈에 적용되는 슈퍼 캐패시터의 조립 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 슈퍼 캐패시터 모듈에 적용되는 슈퍼 캐패시터의 사시도.
도 3은 도 2의 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 슈퍼 캐패시터 모듈의 정면도.
도 5는 본 발명에 따른 슈퍼 캐패시터 모듈의 측면도.
본 발명에 따른 슈퍼 캐패시터 모듈의 상기 목적에 대한 기술적 구성을 비롯한 작용효과에 관한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된 도면을 참조한 아래의 상세한 설명에 의해서 명확하게 이해될 것이다.
먼저, 도 1은 본 발명에 따른 슈퍼 캐패시터 모듈에 적용되는 슈퍼 캐패시터의 조립 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 슈퍼 캐패시터 모듈에 적용되는 슈퍼 캐패시터의 사시도이며, 도 3은 도 2의 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 실시예의 슈퍼 캐패시터 모듈에 적용되는 슈퍼 캐패시터는(100)는 다수의 전극셀(110)과 전해액 및 하우징(150)을 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 전극셀(110)은 세퍼레이터(160)를 사이에 두고 교대로 적층된 제 1 및 제 2 전극(111, 112)을 포함할 수 있다. 그리고, 세퍼레이터(160)는 제 1 전극(111)과 제 2 전극(112)을 서로 전기적으로 분리하는 역할을 할 수 있다. 세퍼레이터(150)는 종이 또는 부직포일 수 있으나, 본 발명의 실시예에서 세퍼레이터(150)의 종류에 대해서 한정하지는 않는다.
제 1 전극(111)은 제 1 집전체(111a)와 제 1 집전체(111a)의 양면에 각각 배치된 제 1 활물질층(111b)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 제 1 전극(111)은 양극(cathode)일 수 있으며, 제 1 집전체(111a)는 알루미늄, 스텐레스, 동, 니켈, 티탄, 탄탈 및 니오브 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
상기 제 1 집전체(111a)는 박막의 형태를 가질 수 있으나, 이온의 이동을 효율적으로 수행하며 균일한 도핑 공정을 위해 다수의 관통홀을 구비할 수도 있다.
또한, 상기 제1 집전체(111a)의 양면에 배치된 제 1 활물질층(111b)은 이온을 가역적으로 도핑 및 탈도핑할 수 있는 탄소재료인 활성탄을 포함할 수 있으며, 바인더를 더 포함할 수 있다.
그리고, 제 1 활물질층(111b)은 카본 블랙 및 용매등을 더 포함하는 도전재로 구성될 수 있다.
제 2 전극(112)은 제 2 집전체(112a)와 제 2 집전체(112a)의 양면에 각각 배치된 제 2 활물질층(112b)을 포함할 수 있다.
예를 들면, 제 2 전극은 음극(anode)일 수 있으며, 제 2 집전체(112a)는 제1 집전체(111a)와 마찬가지로 구리, 니켈 및 스테인레스 중 어느 하나의 금속 재질을 포함할 수 있다. 또한, 제 2 집전체(112a)는 박막의 형태를 구성되거나 이온의 이동을 효율적으로 수행하며 균일한 도핑 공정을 위해 다수의 관통홀을 구비할 수 있다.
또한, 제 2 활물질층(112b)은 리튬 이온을 가역적으로 도핑 및 탈도핑할 수 있는 탄소재질로 흑연 또는 활성탄일 수 있다. 여기서, 전기화학 커패시터가 리튬이온 커패시터일 경우, 제 2 활물질층(112b)은 리튬이온이 프리도핑된 흑연일 수 있다.
이에 따라, 제 2 전극(112)의 전위는 리튬의 전위, 즉 OV에 가깝게 낮춰질 수 있어, 리튬 이온 커패시터의 에너지 밀도를 증대시킬 수 있다. 이때, 제 2 전극(112)의 전위는 리튬 이온의 프리도핑 공정을 제어하여 조절될 수 있다.
이에 더하여, 제 1 전극(111)은 외부전원과 연결되기 위한 제 1 단자(120)를 구비할 수 있다. 제 1 단자(120)는 제 1 집전체(111a)의 일측에서 연장되어 형성될 수 있다.
전극셀(110)에서 제 1 전극(111)이 다수개로 적층될 경우, 각 제 1 전극(111)과 연장된 제 1 단자(120)들도 다수개로 적층될 수 있다. 이때, 외부와 연결되기 위해, 적층된 제 1 단자(120)들은 융착되어 일체화될 수 있다.
융착된 제 1 단자(120)들이 직접적으로 외부 전원과 접촉될 수 있으며, 별도의 외부단자와 융착되어 외부단자를 통해 외부 전원과 연결될 수 있다.
또한, 제 2 전극(112)은 외부 전원과 연결되기 위한 제 2 단자(130)를 구비할 수 있다. 이때, 제 2 단자(130)는 제 2 집전체(112a)의 일측에서 연장되어 형성될 수 있다. 여기서, 다수의 제 2 단자(130)들은 융착되어 일체화될 수 있다. 이때, 융착된 제 2 단자(130)들은 외부 전원과 직접적으로 연결되거나, 별도의 외부단자와 융착되어 외부 단자를 통해 외부 전원과 연결될 수 있다.
이에 더하여, 제 1 및 제 2 단자(120, 130) 또는 외부 단자의 상하부에 절연부재(140)가 더 구비될 수 있다. 절연부재(140)는 제 1 및 제 2 단자(120, 130) 또는 외부 단자와 후술될 하우징(150)을 서로 절연시키는 역할을 할 수 있다.
여기서, 전해액은 전극셀(110)에 함침되어 있으며, 경우에 따라 제 1 및 제 2 활물질층(111b, 112b) 및 세퍼레이터(160)에 함침되어 있을 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 전극셀(110)은 파우치 타입인 것으로 도시 및 설명하였으나 이에 한정되는 것은 아니며, 전극셀(110)은 제 1 및 제 2 전극(111, 112)과 세퍼레이터가 롤 형태로 권취된 권취 타입일 수도 있다.
상기 하우징(150)은 두 장의 금속 라미네이트 필름을 열융착하여 다수의 전극셀이 파우치 형태로 패키징될 수 있다.
이와 같이 파우치 형태로 패키징된 슈퍼 캐패시터를 이용하여 대용량의 모듈 구성을 아래 도시된 도 4 내지 도 5를 통해 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 따른 슈퍼 캐패시터 모듈의 정면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 슈퍼 캐패시터 모듈의 측면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 슈퍼 캐패시터 모듈(200)은 다수개의 슈퍼 캐패시터(100)와 수냉자켓(210)이 교대로 적층될 수 있다. 이때, 다수개의 슈퍼 캐패시터(100)는 상, 하부에 한 쌍의 라미네이트 필름이 열융착된 파우치 형태로 패키징된 슈퍼 캐패시터(100)로 구성될 수 있다.
상기 수냉자켓(210)은 슈퍼 캐패시터의 형태에 따라 동일한 형태로 구성될 수 있으며, 슈퍼 캐패시터(100)와 교대로 적층될 때 슈퍼 캐패시터(100)의 전면이 수냉자켓(210)과 접촉되어 냉각 효율이 향상될 수 있도록 슈퍼 캐패시터(100)와 동일한 크기와 높이의 몸체로 형성됨이 바람직하다.
또한, 수냉자켓(210)은 몸체 내부에 냉각수 또는 냉매가 유동되는 수로부(도면 미도시)가 구비될 수 있으며, 냉각수 또는 냉매의 흐름에 의해서 수냉자켓(210) 상, 하부에 접촉된 슈퍼 캐패시터(100)에서 발생된 열을 냉각할 수 있다.
이때, 수냉자켓(210)은 우수한 열전도율을 갖는 재질인 금속 재질로 이루어질 수 있으며, 열전도율이 높은 알루미늄이나 구리 등으로 구성됨이 바람직하다. 그러나 본 발명의 실시예에서 수냉자켓(210)의 재질에 관하여 한정하지는 않는다.
한편, 상기 수냉자켓(210)은 양측면에 몸체 내부에서 유동될 수 있는 냉각수가 다수의 수냉자켓(210)을 통해 순환될 수 있도록 양측부에 냉각유로(211)가 연결될 수 있다. 상기 냉각유로(211)는 몸체 내부에 형성된 수로부와 연결되어 수냉자켓(210)의 외부로 돌출될 수 있으며, 수냉자켓(210) 외부로 돌출된 각 냉각유로(211)는 슈퍼 캐패시터(100)의 상, 하부에 위치한 수냉자켓(210)에서 돌출된 각 냉각유로(210)와 상호 연결될 수 있다.
이와 같이 구성된 수냉자켓(210)은 다수의 슈퍼 캐패시터(100)와 함께 적층되어 각 슈퍼 캐패시터(100) 사이와 최상부층과 최하부층 슈퍼 캐패시터(100)의 각 상면과 하면에 위치하여 각 슈퍼 캐패시터(100)의 상면과 하면에 각각 접촉됨에 따라 슈퍼 캐패시터(100)의 상면 또는 하면에서 발생된 열을 효과적으로 방열되도록 함으로써, 슈퍼 캐패시터(100)의 발열에 의한 신뢰성과 안전성을 확보할 수 있다.
또한, 수냉자켓(210)은 최상부층과 최하부층에 적층되는 수냉자켓(210)에 각각 냉각수를 외부로부터 공급받아 몸체 내부로 주입되는 냉각수 유입부(211a)와 수냉자켓(210)들을 순환하는 냉각수가 배출되는 냉각수 배출부(211b)가 형성될 수 있다.
한편, 다수의 슈퍼 캐패시터(100)와 수냉자켓(210)이 교대로 적층된 상태에서 상부와 하부의 수냉자켓(210) 외측에는 각각 고정판(220)이 결합되고. 상기 고정판(220)은 상, 하부 수냉자켓(210)을 결합하는 지지대(230)에 의해서 고정될 수 있다.
상기 고정판(220)은 지지대(230)를 통해 슈퍼 캐패시터(100)와 수냉자켓(210)이 교대로 적층되어 상, 하부에 수냉자켓(210)을 압착할 수 있다. 따라서 수냉자켓(210) 사이에 적층된？슈퍼 캐패시터(100)의 상, 하면에 수냉자켓(210)의 일면에 각각 압착됨으로써, 슈퍼 캐패시터(100)의 충전시 자체적인 열이 발생된다 하여도 파우치 형태로 패키징된 슈퍼 캐패시터의 열변형을 방지함에 따라 캐패시터의 ESR(등가직렬저항)이 증가되는 것을 방지할 수 있다.
상기 고정판(220)에 결합된 지지대(230)는 상단부와 하단부에 볼트 또는 너트 등의 고정수단(240)이 결합될 수 있다. 이때, 상기 고정수단(240)을 통해 지지대(230)에 결합된 고정판(220)의 압착 정도를 조절할 수 있다.
이와 같이 구성된 슈퍼 캐패시터 모듈(200)은 양측으로 냉각유로(211)가 돌출된 수냉자켓(210)의 사이에 양측으로 양극과 음극이 돌출된 슈퍼 캐패시터(100)가 배치되고, 최상부층과 최하부층 수냉자켓(210)의 상, 하면에 각각 고정판(220)을 지지대(230)에 의해 결합함으로써, 슈퍼 캐패시터(100) 상, 하부를 수냉자켓(210)이 압착하여 슈퍼 캐패시터(100)의 변형을 방지함과 아울러 냉각수가 순환되는 수냉자켓(210)이 슈퍼 캐패시터(100)의 양면에 밀착됨에 의해 캐패시터에서 발생되는 열이 방열될 수 있도록 할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이나, 이러한 치환, 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100. 슈퍼 캐패시터 200. 슈퍼 캐패시터 모듈
210. 수냉자켓 220. 냉각유로
230. 고정판 240. 지지대

Claims (7)

  1. 다수개의 슈퍼 캐패시터;
    상기 다수개의 슈퍼 캐패시터가 삽입되어 적층되고, 양측부에 냉각유로가 돌출되게 연결된 다수개의 수냉자켓;을 포함하되,
    상기 슈퍼 캐패시터와 수냉자켓이 교대로 적층되어 상부에 하부에 각각 고정판이 결합되고, 상기 고정판이 지지대에 고정된 슈퍼 캐패시터 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 슈퍼 캐패시터는, 상, 하부에 한 쌍의 라미네이트 필름이 열융착된 파우치 형태로 패키징된 슈퍼 캐패시터 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수냉자켓은 열전도율이 높은 알루미늄 또는 구리의 금속 재질로 이루어진 슈퍼 캐패시터 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉각유로는, 상기 수냉자켓의 몸체 내부에 형성된 수로부와 연결되며, 상기 각 수냉자켓에서 돌출된 다른 냉각유로와 상호 연결된 슈퍼 캐패시터 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 슈퍼 캐패시터와 수냉자켓이 적층된 상태에서, 최상부층과 최하부층에 배치된 상기 수냉자켓에 각각 냉각수 유입부와 냉각수 배출부가 구비된 슈퍼 캐패시터 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고정판은, 최상부층과 최하부층에 배치되는 상기 수냉자켓의 상면과 하면에 각각 결합되어 각 모서리측에 상기 지지대가 관통 결합된 슈퍼 캐패시터 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 지지대의 각 단부에는 고정수단이 결합되어 상기 고정판의 압착 정도가 조절되는 슈퍼 캐패시터 모듈.
KR1020100097758A 2010-10-07 2010-10-07 슈퍼 캐패시터 모듈 KR101138548B1 (ko)

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