KR20120042385A - 전기화학 커패시터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기화학 커패시터 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 적어도 2개로 적층되어 나선형으로 권취된 권취 타입의 세퍼레이터; 및 상기 권취된 세퍼레이터 사이 각각에 서로 교대로 중첩되며 개재된 적층 타입의 제 1 및 제 2 전극;을 포함하는 전기화학 커패시터 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 전기화학 커패시터에 관한 것으로, 전극의 양면과 리드단자를 서로 전기적으로 접촉시키는 전기화학 커패시터 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전기화학적 에너지 저장장치는 모든 휴대용 정보통신기기, 전자기기에 필수적으로 사용되는 완제품 기기의 핵심부품이다. 또한, 전기화학적 에너지 저장장치는 미래형 전기자동차 및 휴대용 전자장치등에 적용될 수 있는 신재생 에너지 분야의 고품질 에너지원으로써 확실하게 사용될 것이다.
전기화학 커패시터는 이차전지보다 에너지 입출력이 우수하여 순간 정전시 보조 전원인 백업 전원으로 널리 이용되고 있다. 또한, 전기화학 커패시터는 이차전지보다 높은 충방전 효율성, 장수명, 큰 사용가능 온도 및 큰 전압 범위를 가질뿐만 아니라 환경친화적이며 유지 보수가 필요 없어, 이차전지 대체용으로 검토되고 있다.
그러나, 전기화학 커패시터는 다양한 적용분야에서 사용되기 위해서 출력특성이나 낮은 등가직렬저항(ESR) 특성을 개선해야 할 필요가 있다.
따라서, 본 발명은 전기화학 커패시터에서 발생될 수 있는 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 구체적으로 전극의 양면과 리드단자를 서로 전기적으로 접촉시키는 전기화학 커패시터를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 전기화학 커패시터를 제공하는 것이다. 상기 전기화학 커패시터는 세퍼레이터를 사이에 두고 교대로 배치된 제 1 및 제 2 전극을 구비하는 전극 조립체; 용접을 통해 상기 제 1 전극의 양면과 접촉하며 외부로 돌출된 제 1 리드단자; 및 용접을 통해 상기 제 2 전극의 양면과 접촉하며 외부로 돌출된 제 2 리드단자;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제 1 및 제 2 리드단자 각각은 외부로 돌출되는 외부 리드단자부와 상기 외부 리드단자부의 일측으로부터 적어도 2개로 분기되어 상기 제 1 및 제 2 전극 각각의 양면에 접촉하는 콘택 리드단자부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 외부 리드단자부와 상기 콘택 리드단자부는 서로 용접에 의해 서로 연결될 수 있다.
또한, 상기 외부 리드단자부와 상기 콘택 리드단자부는 일체로 형성될 수 있다.
또한, 상기 외부 리드단자부는 서로 분기된 상기 콘택 리드단자부의 연장부들을 용접에 의해 접합하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 1 및 제 2 전극 각각은 집전체와 상기 집전체의 양면에 배치된 활물질층을 구비하며,
상기 콘택 리드단자부와 접촉하기 위해, 상기 활물질층은 상기 집전체의 일부를 노출하는 개구를 가질 수 있다.
또한, 상기 전극 조립체는 권취타입 또는 적층타입으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 1 및 제 2 리드 단자 각각은 다수개로 구비되고, 상기 다수개의 제 1 및 제 2 리드 단자들 각각은 일렬로 배열될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전기화학 커패시터는 리드단자를 전극의 양면에 접촉시킴에 따라, 전류 패스를 넓히며 접촉저항을 최소화할 수 있어, 출력특성 및 등가직렬저항(ESR) 특성을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전기화학 커패시터는 리드단자를 전극에 용접을 통해 접합함에 따라, 전극의 손상을 방지하며 리드단자와 전극간의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전기화학 커패시터의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전기화학 커패시터의 일부 분해된 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 전기화학 커패시터의 일부 확대도이다.
도 4는 도 3에 도시된 전기화학 커패시터의 일부 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전기화학 커패시터의 일부 분해된 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시된 전기화학 커패시터의 일부 확대 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시된 전기화학 커패시터의 일부 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전기화학 커패시터의 일부 분해된 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 전기화학 커패시터의 일부 확대도이다.
도 4는 도 3에 도시된 전기화학 커패시터의 일부 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전기화학 커패시터의 일부 분해된 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시된 전기화학 커패시터의 일부 확대 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시된 전기화학 커패시터의 일부 단면도이다.
본 발명의 실시예들은 전기화학 커패시터의 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다.
따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전기화학 커패시터를 설명하기 위해 도시한 도면들이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전기화학 커패시터의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전기화학 커패시터의 일부 분해된 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 전기화학 커패시터의 일부 확대도이다.
도 4는 도 3에 도시된 전기화학 커패시터의 일부 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전기화학 커패시터는 전극 조립체(100)와 리드 단자(110)를 포함할 수 있다.
전극 조립체(100)는 세퍼레이터(120)를 사이에 두고 교대로 배치된 제 1 및 제 2 전극(130, 140)을 포함할 수 있다. 여기서, 세퍼레이터(120), 제 1 및 제 2 전극(130, 140)은 나선형으로 권취되어 있는 권취타입일 수 있다.
세퍼레이터(120)는 제 1 전극(130) 하부에 배치된 제 1 세퍼레이터(121)와 제 1 및 제 2 전극(130, 140) 사이에 개재된 제 2 세퍼레이터(122)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 제 1 및 제 2 전극(130, 140)이 권취될 때, 제 1 및 제 2 전극(130, 140)은 제 1 세퍼레이터(121)나 제 2 세퍼레이터(122)에 의해 절연될 수 있다.
세퍼레이터(120)는 전해액이나 활물질에 대해 내구성을 갖는 절연재질로 이루어질 수 있다. 또한, 세퍼레이터(120)는 이온의 이동을 위해 다공성을 가질 수 있다. 세퍼레이터(120)를 형성하는 재질의 예로서는 셀룰로오스, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌등일 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에서, 세퍼레이터(120)의 재질에 대해 한정하는 것은 아니다.
제 1 및 제 2 전극(130, 140) 각각은 집전체와 집전체의 적어도 일면에 배치된 활물질층을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제 1 전극(130)은 양극일 수 있다. 이때, 제 1 전극(130)은 양극 집전체(131)와 양극 집전체(131)의 양면에 도포된 양극 활물질층(132)을 포함할 수 있다. 양극 집전체(131)는 금속, 예컨대 알루미늄, 티탄, 탄탈 및 니오브 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 양극 집전체(131)는 박막의 형태를 가지거나, 이온의 이동을 효율적으로 수행하기 위해 다수의 관통홀을 구비할 수도 있다. 양극 활물질층(132)은 가역적으로 이온을 도핑하거나 탈도핑할 수 있는 탄소재질, 예컨대 활성탄을 포함할 수 있다.
양극 활물질층(132)은 양극 집전체(131)의 일부를 노출하는 개구(133)를 가질 수 있다. 여기서, 개구(133)는 후술 될 리드 단자(110)와 양극 집전체(131)를 서로 전기적으로 연결시키기 위해 형성될 수 있다.
한편, 제 2 전극(140)은 음극일 수 있다. 이때, 제 2 전극(140)은 음극 집전체와 음극 집전체의 양면에 도포된 음극 활물질층을 포함할 수 있다. 음극 집전체는 금속, 예컨대 구리, 니켈 및 스테인레스 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 음극 집전체는 박막의 형태를 가지거나, 이온의 이동을 효율적으로 수행하기 위해 다수의 관통홀을 구비할 수도 있다. 음극 활물질층은 이온을 가역적으로 도핑하거나 탈도핑할 수 있는 탄소재질, 예컨대 활성탄 및 흑연 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
음극 활물질층은 음극 집전체를 노출하는 개구를 가질 수 있다. 이때, 개구는 후술 될 리드 단자와 음극 집전체를 서로 전기적으로 연결시키기 위해 형성될 수 있다.
이에 더하여, 전기화학 커패시터가 리튬 이온 커패시터일 경우, 음극 활물질층에 리튬 이온이 미리 도핑되어 있을 수 있다.
본 발명의 실시예에서 전기화학 커패시터는 권취 타입인 것으로 설명 및 도시하였으나, 이를 한정하는 것은 아니며, 예컨대 전기화학 커패시터는 세퍼레이터(120)를 사이에 두고 제 1 및 제 2 전극(130, 140)이 교대로 적층되어 있는 적층타입일 수 있다.
리드 단자(110)는 제 1 및 제 2 전극(130, 140)에 각각 연결된 제 1 및 제 2 리드단자(111, 112)를 구비할 수 있다.
제 1 리드단자(111)는 제 1 전극(130)의 양면에 접촉하며 외부로 돌출될 수 있다. 여기서, 제 1 리드단자(111)는 제 1 전극(130)의 양면에 접촉하는 콘택 리드단자부(A1)와, 콘택 리드단자부(A1)와 연결되어 외부로 돌출된 외부 리드단자부(A2)를 포함할 수 있다. 콘택 리드단자부(A1)는 외부 리드단자부(A2)의 일단부에서 적어도 두 갈래로 분기되어 제 1 전극(130)의 양면, 즉 개구(133)에 의해 노출된 집전체의 양면에 구비될 수 있다. 이때, 콘택 리드단자부(A1)와 외부 리드단자부(A2)는 서로 용접에 의해 접합되어 있을 수 있다.
콘택 리드단자부(A1)는 제 1 전극(130)의 집전체와 동일한 재질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 콘택 리드단자부(A1)는 알루미늄으로 형성될 수 있다.
외부 리드단자부(A2)는, 납땜에 의해 인쇄회로기판과 접합될 때 변형되거나 손상되는 것을 방지하기 위해, 콘택 리드단자부(A1)보다 큰 융점을 갖는 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 외부 리드단자부(A2)는, 외부에 노출될 경우 노출되는 것을 방지하기 위해, 콘택 리드단자부(A1)보다 내식성을 갖는 재질, 예컨대 니켈 합금으로 이루어질 수 있다.
콘택 리드단자부(A1)에 다수의 돌출부(A3)를 구비할 수 있다. 다수의 돌출부(A3)를 통해, 콘택 리드단자부(A1)와 제 1 전극(130)은 용접, 예컨대 냉간 용접(cold welding) 또는 레이저 용접에 의해 서로 접합되어 있을 수 있다. 이에 따라, 제 1 전극(130)의 손상, 즉 찢어짐 없이 제 1 리드단자(111)와 제 1 전극(130)을 서로 안정적으로 접합시킬 수 있다. 즉, 종래 제 1 리드단자(111)와 제 1 전극(130)은 점철 방식을 통해 물리적인 힘을 가하여 서로 접합시킴에 따라, 제 1 전극(130), 즉 집전체가 찢어지는 문제점이 있었다. 그러나, 제 1 리드단자(111)와 제 1 전극(130)은 용접에 의해 접합됨에 따라, 종래와 같이 집전체의 찢어짐 불량을 방지할 수 있었다.
제 2 리드단자(112)는 제 2 전극(140)의 양면에 접촉하며 외부로 돌출된 것을 제외하고 제 1 리드단자(111)와 동일한 형태를 가짐에 따라, 반복된 설명은 생략하기로 한다.
제 1 및 제 2 리드단자(111, 112)는 전기화학 커패시터에 각각 하나로 구비되는 것으로 설명 및 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 제 1 및 제 2 리드단자(111, 112) 각각은 다수개로 구비될 수 있다. 이때, 다수개의 제 1 리드단자(111)들은 서로 일렬로 배치될 수 있다. 또한, 다수개의 제 2 리드단자(112)들은 서로 일렬로 배치될 수 있다.
이에 따라, 제 1 전극(130)과 제 1 리드단자(111)간 및 제 2 전극(140)과 제 2 리드단자(112)간의 접합 면적을 증대시킬 수 있어, 결국 전류의 흐름 경로를 증대시키며 이와 함께 제 1 전극(130)과 제 1 리드단자(111)간의 접촉저항을 줄일 수 있으므로, 전기화학 커패시터의 등가직렬저항(ESR)특성 및 출력 특성을 향상시킬 수 있다.
이에 더하여, 도면에는 도시되지 않았으나 전기화학 커패시터는 전극 조립체(100)를 외부와 밀봉하며 수용하는 케이스를 더 포함할 수 있다. 이때, 전극 조립체는 전해액을 함침하고 있을 수 있다. 여기서, 제 1 및 제 2 리드단자(111, 112), 즉 외부 리드단자부(A2)는 케이스 외부에 설치되어 외부 전원, 예컨대 인쇄회로기판상에 납땜에 의해 직접적으로 접합될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서와 같이, 전극의 양면에 리드 단자를 접촉시킴으로써, 전류의 흐름 경로 및 전극과 리드단자간의 접촉 저항을 줄일 수 있으므로, 결국 전기화학 커패시터의 출력 특성 및 등가직류저항(ESR 특성)을 개선할 수 있다.
또한, 전극과 리드단자는 용접에 의해 접합함에 따라, 종래와 대비하여 전극의 변형을 방지할 수 있으므로, 전극과 리드단자간의 접합 신뢰성을 확보할 수 있다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전기화학 커패시터를 설명하기 위해 도시한 도면들이다.
여기서, 리드단자의 형태를 제외하고 앞서 설명한 제 1 실시예에 따른 전기화학 커패시터와 동일한 기술적 구성을 구비함에 따라, 제 1 실시예와 반복된 설명은 생략하기로 하며, 동일한 기술적 구성에 대해선 동일한 참조번호를 부여하기로 한다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전기화학 커패시터의 일부 분해된 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시된 전기화학 커패시터의 일부 확대 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시된 전기화학 커패시터의 일부 단면도이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전기화학 커패시터(100)는 세퍼레이터(120)를 사이에 두고 교대로 배치된 제 1 및 제 2 전극(130, 140)을 구비하는 전극 조립체(100)와 용접을 통해 제 1 전극(130)의 양면과 접촉하며 외부로 돌출된 제 1 리드단자(211), 및 용접을 통해 제 2 전극(140)의 양면과 접촉하며 외부로 돌출된 제 2 리드단자(212)를 포함할 수 있다.
제 1 및 제 2 전극(130, 140) 각각은 집전체와 집전체의 양면에 배치된 활물질층을 포함할 수 있다. 이때, 활물질층은 집전체의 일부를 노출하는 개구(133)를 가질 수 있다.
제 1 및 제 2 리드단자(211, 212) 각각은 외부로 돌출되는 외부 리드단자부(B2)와 외부 리드단자부(B2)의 일측으로부터 적어도 2개로 분기되어 제 1 및 제 2 전극(130, 140) 각각의 양면에 접촉하는 콘택 리드단자부(B1)를 포함할 수 있다.
외부 리드단자부(B2)와 콘택 리드단자부(B1)는 일체로 형성될 수 있다. 이때, 외부 리드단자부(B2)는 전극, 즉 제 1 및 제 2 전극(130, 140)의 양면에 각각 배치된 콘택 리드단자부(B1)의 연장부들을 서로 접합하여 형성될 수 있다. 즉, 외부 리드단자부(B2)는 콘택 리드단자부(B1)의 연장부들을 서로 마주하도록 배치시킨 후, 레이저 용접이나 냉간 용접을 통해 접합하여 형성할 수 있다. 이때, 콘택 리드단자부(B1)의 연장부는 용접을 위한 돌출부(B3)를 구비할 수 있다.
도면에 도시되지는 않았지만, 추후 외부 리드단자부(B2)는 케이스 외부에 형성된 전극단자에 연결될 수 있다. 여기서, 외부 리드단자부(B2)와 전극단자는 용접에 의해 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 외부 리드단자부(B2)는 케이스 내부에 배치되므로, 외부 환경에 의해 부식되는 것을 방지할 수 있으므로, 콘택 리드단자부(B1)와 동일한 재질로 이루어져도 무방하다.
전지화학 커패시터 모듈을 형성할 경우, 전극단자를 통해 다수개의 전지화학 커패시터들은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 전극단자는 용이하게 조립될 수 있도록, 볼트의 형태를 가질 수 있으나, 본 발명의 실시예에세 전극단자의 형태를 한정하는 것은 아니다.
따라서, 본 발명에서와 같이, 외부 리드단자부와 콘택 리드단자부를 일체화하여 형성함에 따라, 외부 리드단자부와 콘택 리드단자부의 접합 불량이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
100 : 전극 조립체 110 : 리드 단자
111. 211 : 제 1 리드 단자 112, 212 : 제 2 리드단자
120 : 세퍼레이터 130 : 제 1 전극
140 : 제 2 전극 A1, B1 : 외부 리드단자부
A2, B2 : 콘택 리드단자부
111. 211 : 제 1 리드 단자 112, 212 : 제 2 리드단자
120 : 세퍼레이터 130 : 제 1 전극
140 : 제 2 전극 A1, B1 : 외부 리드단자부
A2, B2 : 콘택 리드단자부
Claims (8)
- 세퍼레이터를 사이에 두고 교대로 배치된 제 1 및 제 2 전극을 구비하는 전극 조립체;
용접을 통해 상기 제 1 전극의 양면과 접촉하며 외부로 돌출된 제 1 리드단자; 및
용접을 통해 상기 제 2 전극의 양면과 접촉하며 외부로 돌출된 제 2 리드단자;
를 포함하는 전기화학 커패시터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 리드단자 각각은 외부로 돌출되는 외부 리드단자부와 상기 외부 리드단자부의 일측으로부터 적어도 2개로 분기되어 상기 제 1 및 제 2 전극 각각의 양면에 접촉하는 콘택 리드단자부를 포함하는 전기화학 커패시터.
- 제 2 항에 있어서,
상기 외부 리드단자부와 상기 콘택 리드단자부는 서로 용접에 의해 서로 연결된 전기화학 커패시터.
- 제 2 항에 있어서,
상기 외부 리드단자부와 상기 콘택 리드단자부는 일체로 형성된 전기화학 커패시터.
- 제 4 항에 있어서,
상기 외부 리드단자부는 서로 분기된 상기 콘택 리드단자부의 연장부들을 용접에 의해 접합하여 형성된 전기화학 커패시터.
- 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 전극 각각은 집전체와 상기 집전체의 양면에 배치된 활물질층을 구비하며,
상기 콘택 리드단자부와 접촉하기 위해, 상기 활물질층은 상기 집전체의 일부를 노출하는 개구를 갖는 전기화학 커패시터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 전극 조립체는 권취타입 또는 적층타입으로 형성된 전기화학 커패시터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 리드 단자 각각은 다수개로 구비되고, 상기 다수개의 제 1 및 제 2 리드 단자들 각각은 일렬로 배열되는 전기화학 커패시터.
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