KR20140143641A

KR20140143641A - 전기 이중층 소자

Info

Publication number: KR20140143641A
Application number: KR1020130065482A
Authority: KR
Inventors: 김영진; 유기상; 이상석; 정관구
Original assignee: 주식회사 네스캡
Priority date: 2013-06-07
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2014-12-17
Also published as: KR101537999B1

Abstract

본 발명의 기술적 특징에 따라 언더 접속플레이트(31)는 언더 접속평판(31a) 및 언더 접속측면(31b)으로 이루어지되, 와인딩 유닛(10)의 제 1 집전체(11)에 언더 접속평판(31a)을 접속시키고(서로 레이저 용접시키고), 언더 접속측면(31b)은 언더 접속평판(31a)의 테두리로부터 하측방향으로 절곡되어 케이스(20)의 내주연에 밀착되도록 하며, 이러한 상태에서 케이스(20)의 하단, 언더 접속측면(31b)의 하단 및 언더 단자플레이트(32)의 테두리를 일체 레이저 용접시켜 밀봉되도록 함으로써 간단한 고정(생산성 향상)은 물론이거니와 세 부품의 일거 용접으로 신속성(작업성 향상)과 더불어 견고한 결합(결합성 향상)을 취할 수 있으며 실링(Sealing)의 극대화까지 도모할 수 있는 전기 이중층 소자에 관한 것이다.

Description

전기 이중층 소자{ELECTRIC DOUBLE LAYER DEVICE}

본 발명은 전기 이중층 소자에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 생산성, 안정성 및 기밀성을 보장할 수 있는 전기 이중층 소자에 관한 것이다.

일반적으로 전기 이중층 소자는 전지(Battery), 캐패시터(Capacitor) 또는 전해 콘덴서(Electrolytic Condenser)와 같이 전기 에너지를 저장하는 소자로서 통전이 가능한 전극을 사용하여 전기적인 충전과 방전을 행하며, 휴대폰, GPS수신기, MP3 플레이어 또는 메모리 백업의 용도로 사용되거나 풍력, 쏠라(Solar), 전기 자동차 혹은 하이브리드(hybrid) 자동차의 모터 구동 등의 목적으로 사용되고 있다.

통상적으로 전기 이중층(electric double layer)은 물체의 박막 층에서 한쪽 면에 양전하 그리고 다른 쪽 면에 음전하가 연속적으로 위치되거나 면밀도가 같은 상태로 분포되어 있는 것을 일컫고, 주로 전기 쌍극자(雙極子)로 이루어진 이중층을 말하며, 그리고 보통적으로 서로 다른 물질 상의 경계에서는 전하의 재배열이 일어나고 전기 이중층이 형성된다.

그리고, 고체상태의 전극과 액체상태의 전해질 수용액의 계면(界面)에서는 용액 중의 양이온 또는 음이온 어느 한쪽의 선택적인 흡착이나 고체표면 분자의 해리(解離), 쌍극자의 계면으로의 배열흡착 등이 전기 이중층 형성의 원인이 되기도 한다. 이것을 헬름홀츠(Helmholtz)층이라 한다.

이러한 전기 이중층은 여러 가지의 계면전기화학현상, 즉 전극반응·계면동전현상(界面動電現象; 계면전기영동현상)·콜로이드의 안정성 등과도 밀접한 관계를 가진다.

전기 이중층 소자로서 캐패시터를 하나의 예로 들 수 있다.

전기 이중층 캐패시터는 활성탄 전극과 유기계 전해질의 경계면에 정전층을 만들어 전기 이중층 상태를 유전체의 기능으로 이용해 전지와 마찬가지로 전기를 축적시키는 기능을 한다.

특히, 고체전극과 고체 또는 액체상태의 전해질 사이에 발생하는 전기 이중층에 축적되는 전하를 이용한다.

캐패시터의 경우는 전지와 비교해 에너지 밀도가 낮지만 순간적으로 높은 출력을 나타내는 파워밀도 면에서 우수한 특성을 보이고 있으며, 수십만 회를 웃도는 반영구적인 수명 등으로 여러 분야의 응용되고 있다.

전기 이중층 캐패시터의 원리로서는 한 쌍의 고체전극을 전해질이온 용액 속에 넣어서 직류전압을 걸어주면 양극으로 분극된 전극에는 음이온이, 음극으로 분극된 전극에는 양이온이 정전적으로 유도되어 전극과 전해질 계면에 전기 이중층을 형성하게 된다. 특히, 활성탄의 경우에는 무수히 많은 세공이 분포해 전기 이중층이 자연스럽게 형성된다. 이와 같이 저장된 전하는 아래의 수학식 1에 의해 그 정전용량을 계산할 수 있다.

[수학식 1]

(ε₀; 공기 유전율, ε; 전해질 유전율, σ; 전해질이온반경, S ; 전극 비표면적)

전기 이중층 캐패시터에서 용량을 결정짓는 요인을 살펴보면, 위 수학식 1에서 보는 바와 같이 전극의 비표면적이 클수록, 전해질의 유전율이 클수록, 그리고 이중층 형성시의 이온의 반경이 작을수록 큰 용량을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 그 외에 전극의 내부저항, 전극의 세공분포와 전해질 이온간의 관계 또는 내전압 등에 의해 정전용량이 결정된다.

이때, 전기 이중층 캐패시터의 구성은 전극, 세퍼레이터, 전해질, 집전체와 케이스로 구성된다.

이중에서 캐패시터의 가장 핵심이 되는 부분은 전극에 사용되는 재료의 선택이라 할 수 있으나, 여러 다른 구성요소들에 의해 정전용량 역시 변하게 된다.

그리고, 전극재료는 전기전도성이 크고 비표면적이 높아야 하며 전기화학적으로 안정되어야 한다.

다음으로, 전기 이중층 소자로서 전지(Battery)를 하나의 예로 들 수 있다.

전지는 그 내부에 들어있는 화학물질(활물질; active material)의 화학 에너지를 전기 화학적 산화-환원반응(redox reaction)을 통하여 전기 에너지(electrical energy)로 변환하는 소자를 말한다.

전지는 두 개 이상의 전기 화학적 셀(cell)의 집합체를 나타내지만, 보통 단위 전지(single cell)에도 사용되고 있다. 이러한 전지는 화학반응 대신 전기 화학반응이 일어나 전자가 도선을 통하여 외부로 흐를 수 있도록 이루어져 있으며, 도선을 통하여 흐르는 전자는 전기 에너지의 원천이 되어 전기적인 유용함을 제공한다.

더욱 구체적으로, 전지는 집전체 위에 씌워진 양극(cathode or positive electrode)과 음극(anode or negative electrode)이라는 활물질 들을 가지고 있고, 세퍼레이터에 의해 서로 떨어져 있으며, 또한 두 전극사이의 이온 전달을 가능하게 하는 전해질(electrolyte)에 담겨져 있다.

전등, 기계 및 기구 등을 작동하기 위해서는 전지의 두 전극 사이에 충분한 전압과 전류가 생성될 수 있도록 적절한 전극물질과 전해질이 선정되어 특별한 구조로 배열되어져야 한다.

예를 들어, 외부 도선으로부터 전자를 받아 양극 활물질이 환원되는 양극과, 음극 활물질이 산화되면서 도선으로 전자를 방출하는 음극, 그리고 양극의 환원반응 및 음극의 산화반응이 화학적 조화를 이루도록 물질의 이동을 가능하게 하는 전해질, 더불어 양극과 음극의 물리적 접촉 방지를 위한 세퍼레이터 등이 상호 작용되어 화학적 에너지를 전기적 에너지로 제공할 수 있도록 배열되어야 하는 것이다.

이와 같이 배열된 전지의 음극은 기본적으로 전자를 내어주고 자신은 산화되며, 양극은 전자를 받아(양이온과 함께) 자신은 환원되어 전지가 외부 부하와 연결되어 작동할 때 두 전극은 각각 전기 화학적으로 변화를 일으켜 전기적인 일을 하게 된다.

이때, 음극의 산화반응에 의해 생성된 전자는 외부 부하를 경유하여 양극으로 이동하고 양극에 이르러 양극 물질과 환원반응을 일으켜, 전해질 내에서 음극과 양극 방향으로의 anion(negative ion)과 cation(positive ion)의 물질이동에 의한 전하의 흐름을 완성한다.

이렇게 전해질 내부에서는 외부도선에서 계속해서 전하가 흐르도록 반응을 일으키고 이에 힘입어 그 전하로의 전기적인 일을 하게 되는 것이다.

전지는 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와 고분자 전해질 전지로 분류할 수 있으며, 일반적으로는 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 배터리, 고분자 전해질을 사용하는 경우는 리튬 폴리머 배터리라고 한다.

도 1은 일반적인 전기 이중층 소자의 구조를 나타내는 개략도이고, 도 2는 일반적인 전기 이중층 소자에 응용된 전기 이중층 캐패시터의 충전원리를 설명하기 위한 개략도이며, 도 3은 일반적인 전기 이중층 소자에 응용된 전기 이중층 캐패시터의 충방전원리를 설명하기 위한 회로도이다.

일반적인 전기 이중층 소자(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 전극(10), 전해액(20), 집전체(30), 세퍼레이터(40), 제 1 리드단자(61) 및 제 2 리드단자(62)를 포함한다.

이때, 전기 이중층 소자(100)를 전지로 비유할 경우에는, 그 내부에 들어있는 화학물질(활물질; active material)의 화학 에너지를 전기 화학적 산화-환원반응을 통하여 전기 에너지로 변환시키게 될 것이고, 집전체(30) 위에 씌워진 전극(10)은 양극과 음극이라는 활물질을 갖게 된다.

반면, 전기 이중층 소자(100)를 캐패시터로 비유하면서 그 특성을 더욱 구체적으로 설명하면, 서로 다른 두 전극(10) 사이에 존재하는 계면에서 +, - 전하가 단거리에 접하여 배열된 분포를 이용하여 에너지를 저장하고, farad 단위의 높은 정전용량 특성을 나타내며 충·방전 사이클에 의한 성능변화 및 열화가 극히 작은 특성을 가지게 된다.

그리고, 전극(10)은 비표면적이 큰 활성탄(activated carbon)을 사용하여 전해액(20)과의 계면에서 형성된 전기 이중층에 의한 전하를 저장하고, 이러한 전극(10)은 전기적 특성 중 정전용량(capacitance)과 내부저항 특성이 성능평가의 가장 중요한 기준이 되므로 그 소재의 자체 비저항이 낮아야 하고 다공질 구조체이어야 하며, 다공질 구조 중 세공크기 및 분포가 단순하고 일정범위에 편중되어야 한다. 이러한 전극(10) 소재의 특성은 전기 이중층 캐패시터의 고유 충·방전 특성을 지배한다.

따라서, 현재 전극(10)으로 비표면적이 넓고 가격이 저렴한 활성탄소계를 많이 사용하고 있으며 에너지 밀도를 높이기 위하여 금속산화물 및 전도성고분자를 이용한 연구가 증가되고 있다.

한편, 전해액(20)은 유기용매와 4급 암모늄염(유기계), 황산수용액(수용액계) 등을 사용한다. 유기용매 전해액 중에서 PC와 ethylmethyl carbonate(EMC) 그리고 PC와 dimethoxyethane(DME)을 일정비율 혼합시켜 전기 전도도를 향상시킬 수 있다.

유기계 전해액을 사용한 전기 이중층 캐패시터(100)의 면적당 정전용량은 4∼6㎌/㎠이며, 유기계보다 수용액계의 전기 전도도가 높기 때문에 수용액계 전해액의 경우에는 5∼10㎌/㎠으로 수용액계 전해액이 우수한 특성을 나타내기도 하나 potential window가 좁고 분해가 일어나는 등의 단점이 있기도 한다.

세퍼레이터(40)는 부직포, 다공질 polyethylene(PE), polypropylene(PP) film 등을 사용한다.

전기 이중층 캐패시터의 충전원리는 도 1에 도시된 바와 같이 세퍼레이터(40)를 사이에 두고 두 전극(10)과 전해액(20)이 대립하고 있는 상황에서 도 2의 전기 이중층 캐패시터의 충전원리를 설명하기 위한 개략도에 도시된 바와 같이 외부로부터 전기 에너지의 공급이 없는 상태에서는 내부의 전하분포가 불균일한 bulk 상태가 되어 전극(10)간 전위차가 0이 되고, 도 3의 전기 이중층 캐패시터의 충방전원리를 설명하기 위한 회로도에 도시된 바와 같이 외부로부터 전기 에너지가 공급되면 내부의 전하분포가 균일하게 형성되어 도 2에 도시된 바와 같이 두 전극(10) 사이에 전위차 2Φ₁ 전압의 에너지가 충전된다.

이때, 전기 에너지의 공급이 중단되더라도 이미 형성된 전기 이중층은 소멸되지 않으며 충전된 전기 에너지는 그대로 유지 보존된다.

선행기술문헌(10-2008-0044054; 모듈형 전기 이중층 커패시터 및 그 제조방법) 도 4는 선행기술문헌에 따른 전기이중층 커패시터의 제작과정을 도시한 공정도이고, 도 5는 선행기술문헌에 따른 일체형 전기이중층 커패시터의 제조방법을 설명하기 위한 구성도이며, 도 6은 선행기술문헌에 따른 전기이중층 커패시터에 구성되는 전극소자의 제작과정을 설명하기 위한 구성도이다. 일반적으로 충전/방전이 가능한 이차전지, 예를 들어 전해 콘덴서, 전기이중층 커패시터(EDLC) 등의 에너지 저장장치는 젤리롤 형태의 권취형(Winding-Type)이 많이 사용되고 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 권취형 에너지 저장장치, 예를 들어, 권취형 전기이중층 커패시터(EDLC : Electrochemical Double Layer Capacitors) 등은 주로 알루미늄(Al) 재질의 원통형 케이스(20)와, 케이스(20)에 내장된 권취소자(10)를 포함한다. 권취소자(10)는 띠 형상의 전극 적층체 즉, 양극 및 음극의 전극소자와, 상기 양극과 음극의 전극소자의 사이에 개재된 전해지로 이루어지는 띠 형상의 전극 적층체를 원통형으로 권취 즉 와인딩(Winding)한 후, 와인딩된 형태가 풀리지 않도록 외부를 테이핑(Taping)하여 형성된다. 이와 같이 형성된 권취소자(10)는 전해액에 함침된 후, 원통형 케이스(20) 내부에 내장되며, 권취소자(10)의 상부에는 단자판(30)이 설치되고, 단자판(30)에는 러그(Lug) 또는 스크류(Screw) 타입의 외부단자(40)가 체결된다. 또한, 케이스(20)의 상부에는 단자판(30)이 아래로 밀리는 것을 방지하는 목부(21)가 함몰되게 형성되며, 권취소자(10)는 케이스(20)에 위와 같은 목부(21)가 형성된 후 내장되고, 권취소자(10)와 외부단자(40)는 단자(23)에 의해 전기적으로 연결된다. 이후, 케이스(20)의 상부 단부(22)를 구부리는 커링(Curing) 공정을 통해 단자판(30)이 케이스(20)내에 고정되면서 조립 완료된다. 한편, 전극소자(100)는 도 6의 상부측에 도시된 도면을 참조하여 보면, 통상적인 알루미늄 포일(foil)과 같은 전극 집전시트(111)와, 집전시트(111)에 도포된 전극활물질(112)로 구성된다. 전극활물질(112)은 주로 활성탄을 주재료로 하는 전도성 페이스트의 도포에 의해 형성된다. 전극소자(100)에는 단자(120)가 결합되는데, 이때 먼저 단자(120)가 결합될 부위를 긁어내어 전극활물질(112)을 제거한 다음 천공한 후, 리벳팅(rivetting) 등의 공정으로 단자(120)를 결합시키는 구성으로 이루어진다. 본원 출원인은 상술한 바와 같은 특성들을 갖는 전기 이중층 소자를 더욱 개량 발전시켜 본 발명으로 제안하기로 한다.

본 발명의 목적은 간단한 고정(생산성 향상)은 물론이거니와 부품의 일거 용접으로 신속성(작업성 향상)과 더불어 견고한 결합(결합성 향상)을 취할 수 있으면서 실링(Sealing)의 극대화까지 도모할 수 있는 전기 이중층 소자를 제공함에 있다.

본 발명의 목적은 언더 단자플레이트에 세이프티 벤트장홈을 부여하여 안정성은 물론이거니와 소재비용의 절감 나아가 무게의 축소를 더불어 가능케 할 수 있는 전기 이중층 소자를 제공함에 있다.

본 발명의 목적은 기밀성의 극대화는 물론이거니와 간단 조립에 의한 생산성 및 작업성까지 보장할 수 있는 전기 이중층 소자를 제공함에 있다.

본 발명의 목적은 밀봉력의 극대화를 도모할 수 있는 전기 이중층 소자를 제공함에 있다.

본 발명의 목적은 컬링러버의 찢김현상을 미연에 방지함과 동시에 컬링러버의 가압면적을 넓혀 실링의 효과를 극대화할 수 있는 전기 이중층 소자를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

세퍼레이터에 의해 격리되면서 와인딩되는 제 1 집전체 및 제 2 집전체로 된 와인딩 유닛과, 상기 와인딩 유닛을 수용하는 케이스와, 상기 케이스의 하부에 조립되어 상기 와인딩 유닛의 제 1 집전체에 접속되는 베이스와, 상기 케이스의 상부에 조립되어 상기 와인딩 유닛의 제 2 집전체에 접속되는 캡을 포함하는 전기 이중층 소자에 있어서,

상기 베이스는

상기 와인딩 유닛의 제 1 집전체에 접속되는 언더 접속평판 및 상기 언더 접속평판의 테두리로부터 하측방향으로 절곡되어 상기 케이스의 내주연에 밀착되는 언더 접속측면으로 된 언더 접속플레이트와, 상기 언더 접속평판의 하측에 지지되면서 상기 언더 접속측면의 내주연에 맞닿는 언더 단자플레이트를 구비하고,

상기 케이스의 하단, 상기 언더 접속측면의 하단 및 상기 언더 단자플레이트의 테두리를 일체 레이저 용접시켜 밀봉되도록 한 것을 그 기술적 구성상의 기본 특징으로 한다.

본 발명은 케이스의 하단, 언더 접속측면의 하단 및 언더 단자플레이트의 테두리를 일체 레이저 용접시켜 밀봉되도록 함으로써 간단한 고정(생산성 향상)은 물론이거니와 부품의 일거 용접으로 신속성(작업성 향상)과 더불어 견고한 결합(결합성 향상)을 취할 수 있으면서 실링(Sealing)의 극대화까지 도모할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 케이스의 넓이 대비 상대적으로 작은 언더 단자플레이트의 두께를 더 크게 하는 대신 바로 이 곳에 세이프티 벤트장홈을 부여하여 안정성을 담보로 하면서도 소재비용의 절감 나아가 무게의 축소까지 가능케 할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 어퍼 접속플레이트와 어퍼 단자플레이트가 어퍼 접속평판의 상면 및 어퍼 단자테두리의 하면 그리고 어퍼 접속측면 및 어퍼 단자테두리의 측면으로 보다 넓게 절곡되면서 상호간의 접촉상태를 유지한 상태에서 케이스 상단의 컬링부에 의해 컬링러버가 일거에 가압하면서 실링(Sealing)될 수 있도록 함으로써 기밀성의 극대화는 물론이거니와 간단 조립에 의한 생산성까지 보장할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 컬링러버가 수직부 및 수평부와 더불어 사선부를 구비하므로써 보다 넓은 표면적으로 절곡됨과 동시에 실링까지 가능케 하여 밀봉력의 극대화를 기대할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 와인딩 유닛의 상부가 비딩부에 근접할 경우 서로 접촉될 수 있는 현상을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 케이스의 하부에 베이스를 결합시키고 케이스 속에 와인딩 유닛을 조립시킨 후 다시 케이스의 상부를 캡으로 결합한 상태에서 진공을 통한 전해액이 중심홀을 통해 채워지도록 한 후 간단히 러버 플러그를 끼운 후 알루미늄 플러그로서 용접하여 최종 밀봉토록 할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 컬링러버의 찢김현상을 미연에 방지함과 동시에 컬링러버의 가압면적을 넓혀 실링의 효과를 극대화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 전기 이중층 소자의 구조를 나타내는 개략도.
도 2는 일반적인 전기 이중층 소자에 응용된 전기 이중층 캐패시터의 충전원리를 설명하기 위한 개략도.
도 3은 일반적인 전기 이중층 소자에 응용된 전기 이중층 캐패시터의 충방전원리를 설명하기 위한 회로도.
도 4는 선행기술문헌에 따른 전기이중층 커패시터의 제작과정을 도시한 공정도.
도 5는 선행기술문헌에 따른 일체형 전기이중층 커패시터의 제조방법을 설명하기 위한 구성도.
도 6은 선행기술문헌에 따른 전기이중층 커패시터에 구성되는 전극소자의 제작과정을 설명하기 위한 구성도.
도 7a는 본 발명에 따른 전기 이중층 소자를 상측에서 바라본 사시도.
도 7b는 본 발명에 따른 전기 이중층 소자를 하측에서 바라본 사시도.
도 8은 본 발명에 따른 전기 이중층 소자를 나타내는 분해 사시도.
도 9는 본 발명에 따른 전기 이중층 소자를 나타내는 단면도.
도 10a는 본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 와인딩 유닛을 나타내는 평면도.
도 10b는 본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 와인딩 유닛을 나타내는 반단면도.
도 10c는 본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 와인딩 유닛을 나타내는 요부 전개도.
도 11은 본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 케이스의 하단, 언더 단자플레이트의 언더 접속측면의 하단 및 언더 단자플레이트의 테두리를 나타내는 요부 단면도.
도 12a는 본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 언더 접속플레이트를 나타내는 평면도.
도 12b는 전기 이중층 소자에 적용된 언더 접속플레이트를 나타내는 단면도.
도 13a는 은 본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 언더 단자플레이트를 나타내는 평면도.
도 13b는 전기 이중층 소자에 적용된 언더 단자플레이트를 나타내는 단면도.
도 14는 본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 케이스 및 캡을 나타내는 요부 단면도.
도 15a는 본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 캡의 구성이 되는 어퍼 접속플레이트를 나타내는 평면도.
도 15b는 본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 캡의 구성이 되는 어퍼 접속플레이트를 나타내는 단면도.
도 16은 본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 캡의 구성이 되는 어퍼 단자플레이트를 나타내는 단면도.
도 17은 본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 캡의 구성이 되는 컬링러버를 나타내는 단면도.
도 18은 본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 캡의 구성이 되는 어퍼 단자플레이트, 러버 플러그 및 알루미늄 플러그를 나타내는 단면도.
도 19는 본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 케이스의 컬링부를 부여하는 과정을 나타내는 컬링롤러를 포함한 공정도.

본 발명에 따른 전기 이중층 소자의 바람직한 실시예를 도면을 참조하면서 설명하기로 하고, 그 실시예로는 다수 개가 존재할 수 있으며, 이러한 실시예를 통하여 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 더욱 잘 이해할 수 있게 된다.

도 7a는 본 발명에 따른 전기 이중층 소자를 상측에서 바라본 사시도이고, 도 7b는 본 발명에 따른 전기 이중층 소자를 하측에서 바라본 사시도이고, 도 8은 본 발명에 따른 전기 이중층 소자를 나타내는 분해 사시도이며, 도 9는 본 발명에 따른 전기 이중층 소자를 나타내는 단면도이다.

그리고, 도 10a는 본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 와인딩 유닛(10)을 나타내는 평면도이고, 도 10b는 본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 와인딩 유닛(10)을 나타내는 정단면도이며, 도 10c는 본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 와인딩 유닛(10)을 나타내는 요부 전개도이다.

먼저, 도 10a 내지 도 10c에 도시된 바와 같이 본 발명에 적용된 와인딩 유닛(10)은 세퍼레이터(10a)를 사이에 두고 제 1 집전체(11)가 하측으로 연장됨과 동시에 제 2 집전체(12)가 상측으로 연장된 상태로 와인딩된 것을 이해할 수 있고, 예를 들어 제 1 집전체(11)는 음극(- Electrode)이고 제 2 집전체(12)는 양극(+ Electrode)으로 할 수 있으며, 서로 뒤바뀌는 경우도 가능함은 물론이다.

본 발명에 따른 전기 이중층 소자는 도 7a 내지 도 10c에 도시된 바와 같이 세퍼레이터(10a)에 의해 격리되면서 와인딩되는 제 1 집전체(11) 및 제 2 집전체(12)로 된 와인딩 유닛(10)과, 와인딩 유닛(10)을 수용하는 케이스(20)와, 케이스(20)의 하부에 조립되어 와인딩 유닛(10)의 제 1 집전체(11)에 접속되는 베이스(30)와, 케이스(20)의 상부에 조립되어 와인딩 유닛(10)의 제 2 집전체(12)에 접속되는 캡(40)을 포함한다.

본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 와인딩 유닛(10)은 위 [발명의 배경이 되는 기술]에 언급된 도 1의 세퍼레이터를 사이에 두고 전극, 전해액이 채워진 집전체를 와인딩한 것이나, 위 [선행기술문헌]에 언급된 도 4 내지 도 6의 케이스에 내장된 권취소자를 의미할 수 있으며, 본 발명에서는 이에 제한되지 않는 것으로 한다.

도 11은 본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 케이스(20)의 하단, 언더 단자플레이트(32)의 언더 접속측면(31b)의 하단 및 언더 단자플레이트(32)의 테두리를 나타내는 요부 단면도이고, 도 12a는 본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 언더 접속플레이트(31)를 나타내는 평면도이며, 도 12b는 전기 이중층 소자에 적용된 언더 접속플레이트(31)를 나타내는 단면도이다.

본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 베이스(30)는 도 8, 도 9 및 도 11에 도시된 바와 같이 와인딩 유닛(10)의 제 1 집전체(11)에 접속되는 언더 접속평판(31a) 및 이 언더 접속평판(31a)의 테두리로부터 하측방향으로 절곡되어 케이스(20)의 내주연에 밀착되는 언더 접속측면(31b)으로 된 언더 접속플레이트(31)와, 언더 접속평판(31a)의 하측에 지지되면서 언더 접속측면(31b)의 내주연에 맞닿는 언더 단자플레이트(32)를 구비하고, 나아가 케이스(20)의 하단, 언더 접속측면(31b)의 하단 및 언더 단자플레이트(32)의 테두리를 일체 레이저 용접시켜 밀봉되도록 한 것을 가장 큰 기술적 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 특징에 따라 언더 접속플레이트(31)는 언더 접속평판(31a) 및 언더 접속측면(31b)으로 이루어지되, 와인딩 유닛(10)의 제 1 집전체(11)에 언더 접속평판(31a)을 접속시키고(서로 레이저 용접시키고), 언더 접속측면(31b)은 언더 접속평판(31a)의 테두리로부터 하측방향으로 절곡되어 케이스(20)의 내주연에 밀착되도록 하며, 이러한 상태에서 케이스(20)의 하단, 언더 접속측면(31b)의 하단 및 언더 단자플레이트(32)의 테두리를 일체 레이저 용접시켜 밀봉되도록 함으로써 간단한 고정(생산성 향상)은 물론이거니와 세 부품의 일거 용접으로 신속성(작업성 향상)과 더불어 견고한 결합(결합성 향상)을 취할 수 있으며 실링(Sealing)의 극대화까지 도모할 수 있게 된다.

도 13a는 은 본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 언더 단자플레이트(32)를 나타내는 평면도이며, 도 13b는 전기 이중층 소자에 적용된 언더 단자플레이트(32)를 나타내는 단면도이다.

본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 언더 단자플레이트(32)는 도 13a 및 도 13b에 도시된 바와 같이 상측에 세이프티 벤트(Safety Vent)장홈(32a)이 뚫려져 케이스(20) 속에 가스압력이 차 오를 경우 미리 터지도록 할 수 있다.

케이스(20)는 통상적으로 알루미늄 재질로 제작되는데, 상하 길이가 크므로 두께를 두껍게 할 경우 무게가 상당할 뿐만 아니라 소재비용도 상승할 수밖에 없음을 고려하여, 본 발명에서는 케이스(20)의 넓이 대비 상대적으로 작은 언더 단자플레이트(32)의 두께를 크게 하는 대신 바로 이 곳에 세이프티 벤트장홈(32a)을 부여하여 안정성을 담보로 하면서도 소재비용의 절감 나아가 무게의 축소까지 가능케 한다.

도 14는 본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 케이스(20) 및 캡(40)을 나타내는 요부 단면도이고, 도 15a는 본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 캡(40)의 구성이 되는 어퍼 접속플레이트(41)를 나타내는 평면도이고, 도 15b는 본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 캡(40)의 구성이 되는 어퍼 접속플레이트(41)를 나타내는 단면도이고, 도 16은 본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 캡(40)의 구성이 되는 어퍼 단자플레이트(42)를 나타내는 단면도이다.

본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 캡(40)은 도 14 내지 도 16에 도시된 바와 같이 와인딩 유닛(10)의 제 2 집전체(12)에 접속되는 어퍼 접속평판(41a) 및 이 어퍼 접속평판(41a)의 테두리로부터 상측방향으로 절곡되는 어퍼 접속측면(41b)으로 된 어퍼 접속플레이트(41)를 구비하고, 어퍼 접속평판(41a)의 테두리 상측에 지지되는 어퍼 단자테두리(42a) 및 이 어퍼 단자테두리(42a)로부터 상측방향으로 솟아오른 어퍼 단자볼록부(42c)를 지닌 어퍼 단자플레이트(42)를 포함한다.

그리고, 어퍼 접속플레이트(41)의 어퍼 접속측면(41b)의 외주연으로부터 어퍼 단자플레이트(42)의 어퍼 단자테두리(42a)의 상측을 감싸는 컬링러버(50)를 포함하고, 나아가 케이스(20)의 상단을 컬링시켜 컬링러버(50)의 상측을 가압토록 하는 컬링러버(22)를 포함하는 구성으로 이루어진다.

어퍼 접속플레이트(41)와 어퍼 단자플레이트(42)가 어퍼 접속평판(41a)의 상면 및 어퍼 단자테두리(42a)의 하면 그리고 어퍼 접속측면(41b) 및 어퍼 단자테두리(42a)의 측면으로 보다 넓게 절곡되면서 상호간의 접촉상태를 유지한 상태에서 케이스(20) 상단의 컬링부(22)에 의해 컬링러버(50)가 일거에 가압되면서 실링(Sealing)될 수 있도록 함으로써 기밀성의 극대화는 물론이거니와 간단 조립에 의한 생산성까지 보장할 수 있게 된다.

이때, 어퍼 단자플레이트(42)는 도 16에 도시된 바와 같이 어퍼 단자테두리(42a)의 상단에 돌출되어 컬링러버(50)의 하측에 밀착 가압되는 밀착돌기(42b)를 포함하여 컬링러버(50)와의 밀착력으로 기밀성을 더욱 극대화시킬 수 있도록 한다.

특히, 도 14에 도시된 바와 같이 어퍼 접속측면(41b)의 상단 및 어퍼 단자플레이트(42)의 어퍼 단자테두리(42a)를 일거에 레이저 용접시켜 일체화되도록 하여 작업성과 더불어 견고한 결합력을 발휘할 수 있도록 함은 물론이다.

도 17은 본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 캡(40)의 구성이 되는 컬링러버(50)를 나타내는 단면도이다.

본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 컬링러버(50)는 도 17에 도시된 바와 같이 어퍼 접속플레이트(41)의 어퍼 접속측면(41b)의 외주연을 감싸는 수직부(42)와, 어퍼 접속측면(41b)의 상단 및 어퍼 단자플레이트(42)의 어퍼 단자테두리(42a)를 덮는 수평부(52), 그리고 어퍼 단자플레이트(42)의 어퍼 단자볼록부(42c)의 측면을 향하여 사선방향으로 솟아올라 케이스(20) 상단의 컬링부(22)에 의해 어퍼 단자볼록부(42c)의 측면에 밀착되는 사선부(53)를 포함한다.

컬링러버(50)가 수직부(42) 및 수평부(52)와 더불어 사선부(53)를 지니므로써 보다 넓은 표면적으로 절곡되면서 실링을 가능케 하여 밀봉력의 극대화를 도모할 수 있게 된다.

또한, 사선부(53)에 의해 어퍼 단자플레이트(42)의 어퍼 단자볼록부(42c)가 커버링될 수 있게 되어 케이스(20) 상단과의 쇼트현상을 미연에 방지할 수 있어 더욱 바람직하게된다.

나아가, 컬링러버(50)는 수직부(42)로부터 와인딩 유닛(10)의 상단에 이르기까지 하측방향으로 연장된 연장부(54)를 포함하고, 케이스(20)는 비딩되어 연장부(54)를 안쪽으로 밀어내는 비딩부(21)를 가지도록 하여, 와인딩 유닛(10)의 상부가 비딩부(21)에 근접할 경우 서로 접촉될 수 있는 현상(쇼트현상)을 미연에 방지토록 한다.

도 18은 본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 캡(40)의 구성이 되는 어퍼 단자플레이트(42), 러버 플러그(42e) 및 알루미늄 플러그(42f)를 나타내는 단면도이다.

본 발명에 따라 도 18에 도시된 바와 같이 어퍼 단자플레이트(42)는 중심홀(42d)이 뚫려지고, 이 중심홀(42d)에 러버 플러그(42e)가 끼워지며, 다시 중심홀(42d)의 상단에 용접되는 알루미늄 플러그(42f)를 포함한다.

본 발명에서 케이스(20)의 하부에 베이스(30)를 결합시키고 케이스(20) 속에 와인딩 유닛(10)을 조립시킨 후 다시 케이스(20)의 상부를 캡(40)으로 결합한 상태에서 진공을 통한 전해액이 중심홀(42d)을 통해 채워지도록 한 후 간단히 러버 플러그(42e)를 끼운 후 알루미늄 플러그(42f)로서 용접하여 최종 밀봉토록 할 수 있다.

도 19는 본 발명에 따른 전기 이중층 소자에 적용된 케이스(20)의 컬링부(22)를 부여하는 과정을 나타내는 컬링롤러(C)를 포함한 공정도이다.

본 발명에 따라 컬링부(22)는 도 19에 도시된 바와 같이 컬링러버(50)의 상측, 즉 수평부(52)를 면접촉 가압할 수 있도록 케이스(20)의 상단을 180°이상부터 360°미만의 각도로 컬링시키는 것이 바람직하고, 이때, 컬링롤러(C)는 1차 각이 큰 것으로 케이스(20)의 상단을 굽힌 후, 2차 각이 완만한 것으로 케이스(20)의 상단을 굽혀, 컬링부(22)로 하여금 컬링러버(50)의 수평부(52)를 면접촉 가압토록 함으로써, 컬링러버(50)의 찢김현상을 미연에 방지함과 동시에 컬링러버(50)의 가압면적을 더욱 넓혀 실링효과를 극대화할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명은 전지(Battery), 캐패시터(Capacitor) 또는 전해 콘덴서(Electrolytic Condenser) 등과 같이 전기 에너지를 저장하는 소자 분야에 이용될 수 있다.

10 : 와인딩 유닛 10a : 세퍼레이터
11 : 제 1 집전체 12 : 제 2 집전체
20 : 케이스 21 : 비딩부
22 : 컬링부 30 : 베이스
31 : 언더 접속플레이트 31a : 언더 접속평판
31b : 언더 접속측면 32 : 언더 단자플레이트
32a : 세이프티 벤트장홈 40 : 캡
41 : 어퍼 접속플레이트 41a : 어퍼 접속평판
41b : 어퍼 접속측면 42 : 어퍼 단자플레이트
42a : 어퍼 단자테두리 42b : 밀착돌기
42c : 어퍼 단자볼록부 42d : 중심홀
42e : 러버 플러그 42f : 알루미늄 플러그
50 : 컬링러버 51 : 수직부
52 : 수평부 53 : 사선부
54 : 연장부

Claims

세퍼레이터(10a)에 의해 격리되면서 와인딩되는 제 1 집전체(11) 및 제 2 집전체(12)로 된 와인딩 유닛(10)과, 상기 와인딩 유닛(10)을 수용하는 케이스(20)와, 상기 케이스(20)의 하부에 조립되어 상기 와인딩 유닛(10)의 제 1 집전체(11)에 접속되는 베이스(30)와, 상기 케이스(20)의 상부에 조립되어 상기 와인딩 유닛(10)의 제 2 집전체(12)에 접속되는 캡(40)을 포함하는 전기 이중층 소자에 있어서,
상기 베이스(30)는
상기 와인딩 유닛(10)의 제 1 집전체(11)에 접속되는 언더 접속평판(31a) 및 상기 언더 접속평판(31a)의 테두리로부터 하측방향으로 절곡되어 상기 케이스(20)의 내주연에 밀착되는 언더 접속측면(31b)으로 된 언더 접속플레이트(31)와, 상기 언더 접속평판(31a)의 하측에 지지되면서 상기 언더 접속측면(31b)의 내주연에 맞닿는 언더 단자플레이트(32)를 구비하고,
상기 케이스(20)의 하단, 상기 언더 접속측면(31b)의 하단 및 상기 언더 단자플레이트(32)의 테두리를 일체 레이저 용접시켜 밀봉되도록 한 것을 특징으로 하는 전기 이중층 소자.
제 1 항에 있어서,
상기 언더 단자플레이트(32)는 상측에 세이프티 벤트장홈(32a)이 뚫려지는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 소자.
세퍼레이터(10a)에 의해 격리되면서 와인딩되는 제 1 집전체(11) 및 제 2 집전체(12)로 된 와인딩 유닛(10)과, 상기 와인딩 유닛(10)을 수용하는 케이스(20)와, 상기 케이스(20)의 하부에 조립되어 상기 와인딩 유닛(10)의 제 1 집전체(11)의 하측에 접속되는 베이스(30)와, 상기 케이스(20)의 상부에 조립되어 상기 와인딩 유닛(10)의 제 2 집전체(12)의 상측에 접속되는 캡(40)을 포함하는 전기 이중층 소자에 있어서,
상기 캡(40)은
상기 와인딩 유닛(10)의 제 2 집전체(12)에 접속되는 어퍼 접속평판(41a) 및 상기 어퍼 접속평판(41a)의 테두리로부터 상측방향으로 절곡되는 어퍼 접속측면(41b)으로 된 어퍼 접속플레이트(41)와, 상기 어퍼 접속평판(41a)의 테두리 상측에 지지되는 어퍼 단자테두리(42a) 및 상기 어퍼 단자테두리(42a)로부터 상측방향으로 솟아오른 어퍼 단자볼록부(42c)를 지닌 어퍼 단자플레이트(42)를 구비하고,
상기 어퍼 접속플레이트(41)의 어퍼 접속측면(41b)의 외주연으로부터 상기 어퍼 단자플레이트(42)의 어퍼 단자테두리(42a)의 상측을 감싸는 컬링러버(50)를 포함하고,
상기 케이스(20)의 상단을 컬링시켜 상기 컬링러버(50)의 상측을 가압토록 하는 컬링부(22)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 소자.
제 3 항에 있어서,
상기 어퍼 단자플레이트(42)는 상기 어퍼 단자테두리(42a)의 상단에 돌출되어 상기 컬링러버(50)의 하측에 밀착 가압되는 밀착돌기(42b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 소자.
제 3 항에 있어서,
상기 어퍼 접속측면(41b)의 상단 및 상기 어퍼 단자플레이트(42)의 어퍼 단자테두리(42a)를 일거에 레이저 용접시켜 일체화되도록 하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 소자.
제 3 항에 있어서,
상기 컬링러버(50)는
상기 어퍼 접속플레이트(41)의 어퍼 접속측면(41b)의 외주연을 감싸는 수직부(42)와,
상기 어퍼 접속측면(41b)의 상단 및 상기 어퍼 단자플레이트(42)의 어퍼 단자테두리(42a)를 덮는 수평부(52)와,
상기 어퍼 단자플레이트(42)의 어퍼 단자볼록부(42c)의 측면을 향하여 사선방향으로 솟아올라 상기 케이스(20) 상단의 컬링부(22)에 의해 상기 어퍼 단자볼록부(42c)의 측면에 밀착되는 사선부(53)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 소자.
제 3 항에 있어서,
상기 컬링부(22)는 상기 컬링러버(50)의 상측을 면접촉 가압할 수 있도록 상기 케이스(20)의 상단을 180°이상부터 360°미만의 각도로 컬링시키는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 소자.
제 6 항에 있어서,
상기 컬링러버(50)는 상기 수직부(42)로부터 상기 와인딩 유닛(10)의 상단에 이르기까지 하측방향으로 연장된 연장부(54)를 포함하고,
상기 케이스(20)는 비딩되어 상기 연장부(54)를 안쪽으로 밀어내는 비딩부(21)를 가지는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 소자.
제 3 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 어퍼 단자플레이트(42)는 중심홀(42d)이 뚫려지고,
상기 중심홀(42d)에 러버 플러그(42e)가 끼워지며,
상기 중심홀(42d)의 상단에 용접되는 알루미늄 플러그(42f)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이중층 소자.