KR20170105780A - 초음파 용착을 이용한 에너지 저장 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

초음파 용착을 이용한 에너지 저장 장치 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

초음파 용착을 이용한 에너지 저장 장치에 관한 기술이 개시된다.
본 발명에 따른 초음파 용착을 이용한 에너지 저장 장치는, 에너지 저장용 베어셀(bare cell)을 수용하여 상기 베어셀의 일 전극과 초음파 용착(ultrasonic welding)되는 셀 케이스; 및 상기 베어셀의 타 전극과 초음파 용착되는 터미널 부재를 포함함으로써, 에너지 저장 장치의 구조 및 제조 공정을 단순화하고 에너지 효율을 증가시킬 수 있다.

Description

초음파 용착을 이용한 에너지 저장 장치 및 그 제조 방법{Energy storage device using ultrasonic welding and fabricating method thereof}
본 발명은 초음파 용착을 이용한 에너지 저장 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 초음파 용착을 이용하여 에너지 저장 장치의 구조 및 제조 공정을 단순화시키는 에너지 저장 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
현재, 전기 에너지를 저장하기 위해 사용되는 대표적인 에너지 저장 소자로는 배터리(battery)와 커패시터(capacitor) 등이 있다.
예컨대, 커패시터의 일종인 울트라 커패시터(ultra capacitor)는 슈퍼 커패시터(super capacitor)라고도 불리며, 전해콘덴서와 이차전지의 중간자적 특성을 지니는 에너지 저장장치로서, 높은 효율과 반영구적인 수명 특성으로 인해 이차전지와의 병용 및 대용이 가능한 차세대 에너지 저장 장치이다.
따라서, 울트라 커패시터는, 장시간의 사용 수명이 요구되는 반면 유지보수가 용이하지 않은 애플리케이션(application)에서 축전지의 대용으로 이용되고 있다. 특히, 울트라 커패시터는 신속한 충전 특성으로 인해 이동통신 정보기기인 핸드폰, 노트북, PDA 등의 보조 전원으로서 뿐만 아니라, 고용량을 요구하는 전기 자동차, 야간 도로 표시등, UPS(Uninterrupted Power Supply) 등에서 주전원 혹은 보조전원으로서 널리 이용되고 있다.
기존의 울트라 커패시터 구조와 관련하여서는 한국 특허 등록번호 제10-1258545호 등에 개시되어 있다.
도 1에는 기존의 울트라 커패시터가 단면도로 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 기존의 울트라 커패시터(100)는 양극, 음극 및 세퍼레이터를 구비한 권취소자 형태의 베어셀(110)과, 베어셀(110)을 수용하는 금속 케이스(140)를 포함함은 물론, 특히 베어셀(110)의 음극과 양극에 각각 연결되어 금속 케이스(140)의 상부와 하부에 결합하는 두 개의 내부 터미널(120, 130)과, 금속 케이스(140)의 상단에 위치하는 음극 측 외부 터미널(151)과, 상기 금속 케이스(140)의 하단에 위치하는 양극 측 외부 터미널(145)을 더 포함해야 하는 등 그 구성 및 구조가 복잡한 문제가 있다.
기존의 울트라 커패시터가 외부 터미널들과 별도로 이러한 내부 터미널(120, 130)들을 채용할 수밖에 없는 이유는, 기존의 기술들이 베어셀과 터미널들을 결합할 때 레이저 용접(laser welding)을 사용하기 때문이다. 구체적으로 설명하면, 레이저 용접을 사용하여 베어셀과 터미널을 결합하는 경우, 레이저가 터미널을 관통하여 용접이 이루어지는데, 이때 내부 터미널 없이 외부 터미널을 바로 베어셀에 용접하는 경우 케이스 내부로부터 전해질 용액의 리크(leak)가 발생할 수 있게 된다.
따라서, 기존의 기술들은 우선 베어셀의 양극과 음극에 각각 내부 터미널을 레이저 용접하여 결합한 후, 이를 케이스에 수용한 다음 내부 터미널과 외부 터미널을 다시 레이저 용접하여 결합하는 복잡한 공정을 거치게 되는 문제가 있다.
또한, 기존의 울트라 커패시터(100)에서는 음극 측 내부 터미널(120)은 절연 부재(160)에 의해 금속 케이스(140)에 대하여 절연되는 동시에 상판(150)의 중심에 위치하는 음극 측 외부 터미널(151)에 전기적으로 연결되어야 하고, 상기 양극 측 내부 터미널(130)은 금속 케이스(140)와 전기적으로 연결되어야 한다. 더욱이, 울트라 커패시터는 상온에서 과충전이나 과방전과 같은 비정상적인 동작 발생 시에 전해질과 전극 판의 계면에서 부반응이 진행되어 그에 따른 부산물로서 가스가 발생하므로, 내부 발생 가스에 의한 변형이나 폭발을 방지하기 위해 금속 케이스(140) 내부에 일정한 여유 공간을 형성하도록 설계하거나, 상판(150)에 형성된 중공(152)에 안전변(171)을 설치하여 가스가 배출될 수 있도록 설계하여야 한다.
따라서, 기존의 기술들과 같이 별도의 내부 터미널을 사용하는 경우, 설계 및 공정이 복잡해지고 생산 효율을 저해하는 문제가 있다. 또한, 셀 케이스 및 터미널 구조의 복잡화는 제품의 소형화 및 경량화를 어렵게 하며, 에너지 저장 소자의 효율을 감소시키는 문제가 있다.
그 결과, 에너지 저장 소자의 구조 및 제조 공정을 단순화하여 생산 효율의 증가와 제품의 소형화, 경량화를 달성하면서도 에너지 효율을 증가시킬 수 있는 기술에 대한 요청이 높아지고 있는 실정이다.
본 발명이 해결하고자 첫 번째 기술적 과제는, 초음파 용착을 이용하여 에너지 저장 장치의 구조 및 제조 공정을 단순화함으로써 생산 효율의 증가와 제품의 소형화 및 경량화를 달성하면서도 에너지 효율을 증가시킬 수 있는 에너지 저장 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 기술적 과제는, 초음파 용착을 이용하여 에너지 저장 장치의 구조 및 제조 공정을 단순화함으로써 생산 효율의 증가와 제품의 소형화 및 경량화를 달성하면서도 에너지 효율을 증가시킬 수 있는 에너지 저장 장치 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 첫 번째 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용착을 이용한 에너지 저장 장치는, 에너지 저장용 베어셀(bare cell)을 수용하여 상기 베어셀의 일 전극과 초음파 용착(ultrasonic welding)되는 셀 케이스; 및 상기 베어셀의 타 전극과 초음파 용착되는 터미널 부재를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 케이스는, 상기 셀 케이스의 일 면에 구비되어 상기 베어셀의 상기 일 전극과 초음파 용착되는 제1 초음파 용착부; 및 상기 셀 케이스의 타 면에 구비되어 상기 제1 초음파 용착부를 통해 상기 베어셀의 상기 일 전극과 도전되는 제1 단자부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 케이스는, 상기 베어셀이 삽입되고 상기 터미널 부재가 결합되는 개구부; 및 상기 삽입된 베어셀을 수용하는 수용부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 케이스는, 상기 개구부의 테두리를 만곡시켜 상기 터미널 부재를 고정하는 컬링 가공부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 에너지 저장 장치는, 상기 컬링 가공부 및 상기 터미널 부재 사이에 배치되는 제1 절연 부재를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 터미널 부재는, 상기 터미널 부재의 일 면에 구비되어 상기 베어셀의 상기 타 전극과 초음파 용착되는 제2 초음파 용착부; 및 상기 터미널 부재의 타 면에 구비되어 상기 제2 초음파 용착부를 통해 상기 베어셀의 상기 타 전극과 도전되는 제2 단자부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 에너지 저장 장치는, 상기 셀 케이스 및 상기 터미널 부재 사이에 배치되는 제2 절연 부재를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 두 번째 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용착을 이용한 에너지 저장 장치 제조 방법은, 에너지 저장용 베어셀(bare cell)이 셀 케이스의 개구부를 통해 상기 셀 케이스에 수용되어 상기 베어셀의 일 전극과 상기 셀 케이스의 일 면이 초음파 용착(ultrasonic welding)되는 셀 케이스 용착 단계; 및 상기 베어셀의 타 전극과 터미널 부재의 일 면이 초음파 용착되는 터미널 부재 용착 단계를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제조 방법은, 상기 셀 케이스 용착 단계 전에, 상기 베어셀이 삽입되고 상기 터미널 부재가 결합되는 개구부, 상기 삽입된 베어셀을 수용하는 수용부, 상기 셀 케이스의 일 면에 구비되어 상기 베어셀의 상기 일 전극과 초음파 용착되는 제1 초음파 용착부, 및 상기 셀 케이스의 타 면에 구비되어 상기 제1 초음파 용착부를 통해 상기 베어셀의 상기 일 전극과 도전되는 제1 단자부를 포함하는 상기 셀 케이스를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제조 방법은, 상기 터미널 부재 용착 단계 전에, 상기 터미널 부재의 일 면에 구비되어 상기 베어셀의 상기 타 전극과 초음파 용착되는 제2 초음파 용착부, 및 상기 터미널 부재의 타 면에 구비되어 상기 제2 초음파 용착부를 통해 상기 베어셀의 상기 타 전극과 도전되는 제2 단자부를 포함하는 상기 터미널 부재를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제조 방법은, 상기 터미널 부재 용착 단계 후에, 상기 셀 케이스의 개구부 테두리를 만곡시켜 상기 터미널 부재를 고정하는 컬링 가공 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 초음파 용착을 이용하여 베어셀과 셀 케이스, 베어셀과 외부 터미널을 직접 결합함으로써 에너지 저장 장치의 제조 공정을 단순화하고 제조 원가를 절감할 수 있다.
또한, 전기적으로 연결되는 에너지 저장 장치의 내부 부품 수를 최소화하여 전류 이동 경로를 단축함으로써 에너지 저장 장치의 내부 저항을 감소시키고 에너지 효율 개선할 수 있다.
또한, 셀 케이스 및 터미널 구조를 단순화함으로써 제품의 소형화 및 경량화를 가능하게 할 수 있다.
또한, 용접 면적을 확장시킴으로써 접촉 저항을 감소시키고 에너지 효율을 더욱 개선할 수 있다.
나아가, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명에 따른 다양한 실시예들이 상기 언급되지 않은 여러 기술적 과제들을 해결할 수 있음을 이하의 설명으로부터 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 기존의 울트라 커패시터를 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용착을 이용한 에너지 저장 장치를 나타내는 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용착을 이용한 에너지 저장 장치를 나타내는 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용착을 이용한 에너지 저장 장치 제조 방법을 나타내는 흐름도.
이하, 본 발명의 기술적 과제에 대한 해결 수단을 명확화하기 위해 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련 공지기술에 관한 설명이 오히려 본 발명의 요지를 불명료하게 하는 경우 그에 관한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 설계자, 제조자 등의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있을 것이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용착을 이용한 에너지 저장 장치가 사시도로 도시되어 있다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용착을 이용한 에너지 저장 장치가 단면도로 도시되어 있다. 첨부된 도면들에서 동일한 참조 번호는 동일한 부재를 나타내는 것이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용착을 이용한 에너지 저장 장치는, 에너지 저장용 베어셀(bare cell; 210)을 수용하는 셀 케이스(220)와, 상기 셀 케이스(220)의 개구부(222)에 결합되어 상기 베어셀(210)의 전극과 전기적으로 연결되는 터미널 부재(230)를 포함한다. 상기 베어셀(210)은 양극 전극, 음극 전극, 세퍼레이터 및 전해질 용액을 포함하여 전기화학적 에너지 저장 기능을 제공하는 것이다.
도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용착을 이용한 에너지 저장 장치 제조 방법이 흐름도로 도시되어 있다.
도 2 및 도 3의 에너지 저장 장치의 구성을 도 4의 제조 방법에 따라 설명하면, 우선 상기 베어셀(210)이 상기 셀 케이스(220)의 개구부(222) 통해 상기 셀 케이스(220)에 수용되고, 상기 베어셀(210)의 일 전극, 예컨대 양극 전극과 상기 셀 케이스(220)의 일 면이 초음파 용착된다(S410).
일 실시예에 있어서, 상기 제조 방법은 사전에 스템핑(stamping) 공정 등을 통하여 상기 셀 케이스(220)를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 셀 케이스(220)는, 개구부(222)와 수용부(224)를 포함할 수 있으며, 또한 제1 초음파 용착부(226)와 제1 단자부(228)를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 단자부(228)는 상기 셀 케이스(220)와 일체로 형성될 수 있다. 더욱 상세히 설명하면, 상기 베어셀(210)은 상기 셀 케이스(220)의 개구부(222)를 통해 삽입되어 상기 수용부(224)에 수용된다. 그리고 상기 셀 케이스(220)의 일 면, 즉 상기 셀 케이스(220)의 내부 면에 구비된 제1 초음파 용착부(226)와 상기 베어셀(210)의 양극 전극이 초음파 용착된다.
초음파 용착(ultrasonic welding)은, 모재에 압력을 가하면서 적당한 전도부를 통해 모재에 초음파 진동을 전달하여, 그 진동에 따라 발생하는 높은 마찰열로 모재 표면을 용융시켜 용접하는 기술이다. 레이저 용접이 점 접촉인 것과는 달리, 초음파 용착은 면 접촉이므로, 이러한 초음파 용착에 의해 상기 베어셀(210)과 상기 셀 케이스(220), 그리고 상기 베어셀(210)과 상기 터미널 부재(230)를 결합하는 경우 용접 면적이 확대되어 접촉 저항을 감소시키고 에너지 효율을 개선할 수 있게 된다. 또한, 레이저 용접을 사용하는 경우와 달리 초음파 용접을 사용하는 경우 전해질 용액의 리크(leak) 위험을 방지할 수 있으므로, 에너지 저장 장치의 설계 시에 별도의 내부 터미널들을 채용하지 않을 수 있다. 그 결과, 전기적으로 연결되는 에너지 저장 장치의 내부 부품 수가 최소화되어 전류 이동 경로가 단축되므로, 에너지 저장 장치의 내부 저항을 감소시키고 에너지 효율 개선함은 물론, 나아가 에너지 저장 장치의 구조와 제조 공정의 단순화, 제품의 소형화 및 경량화를 달성할 수 있다.
한편, 상기 제1 단자부(228)는, 상기 셀 케이스(220)의 타 면, 즉 상기 셀 케이스(220)의 외부 면에 구비되어 상기 제1 초음파 용착부(226)를 통해 상기 베어셀(210)의 양극 전극과 도전된다. 상기 제1 단자부(228)는, 상기 셀 케이스(220)의 상기 타 면에서 외부로 돌출되도록 형성될 수 있다. 상기 셀 케이스(220)는 금속 등의 도전성 물질로 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 베어셀(210)의 양극 전극과 상기 제1 단자부(228)는 일반적으로 등전위 관계가 된다.
그 다음, 상기 베어셀(210)의 타 전극, 예컨대 음극 전극과 상기 터미널 부재(230)의 일 면이 초음파 용착된다(S420).
일 실시예에 있어서, 상기 제조 방법은 사전에 스템핑 공정 등을 통하여 상기 터미널 부재(230)를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 터미널 부재(230)는 기본적으로 판형 구조를 가지며 제2 초음파 용착부(232) 및 제2 단자부(234)를 포함할 수 있다. 상기 제2 단자부(234)는 상기 터미널 부재(230)와 일체로 형성될 수 있다. 더욱 상세히 설명하면, 상기 제2 초음파 용착부(232)는, 상기 터미널 부재(230)의 일 면에 구비되어 상기 베어셀(210)의 음극 전극과 초음파 용착된다. 그리고 상기 제2 단자부(234)는, 상기 터미널 부재(230)의 타 면에 구비되어 상기 제2 초음파 용착부(232)를 통해 상기 베어셀(210)의 음극 전극과 도전된다. 상기 제2 단자부(234)는, 상기 터미널 부재(230)의 상기 타 면에서 외부로 돌출되도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 셀 케이스(220)는 금속 등의 도전성 물질로 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 베어셀(210)의 음극 전극과 상기 제2 단자부(234)는 일반적으로 등전위 관계가 된다.
일 실시예에 있어서, 상기 터미널 부재(230)는, 전해질 용액의 함침 작업과 진공 작업을 위한 중공(236)을 포함할 수 있으며, 상기 중공(236)에는 내부 발생 가스를 배출하는 안전 밸브(safety valve; 237)가 설치될 수 있다. 또한, 설계 시 해당 에너지 저장 장치의 내압 특성을 고려하여 상기 터미널 부재(230)에 적절한 여유 공간(238)을 마련할 수도 있다.
그 다음, 상기 터미널 부재(230)는 상기 셀 케이스(220)의 개구부(222)에 결합되며, 이 경우 상기 개구부(222)의 테두리를 만곡시켜 상기 터미널 부재(230)를 고정하는 컬링(curling) 가공 단계를 포함할 수 있다(S430).
일 실시예에 있어서, 상기 컬링 가공 단계에 의한 컬링 가공부(229)와 상기 터미널 부재(230) 사이에는 제1 절연 부재(240)가 배치될 수 있다. 그 이유는, 상기 셀 케이스(220) 및 상기 셀 케이스(220)의 상기 컬링 가공부(229)가 도전성 물질로 형성되는 경우 상기 베어셀(210)의 양극 전극과 상기 터미널 부재(230)가 전기적으로 연결되는 것을 방지하기 위함이다. 또한, 동일한 이유에서 상기 셀 케이스(220) 및 상기 터미널 부재(230) 사이에 제2 절연 부재(242)가 배치될 수 있다. 실시예에 따라 상기 제1 절연 부재(240) 및 상기 제2 절연 부재(242)는 일체로 형성될 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 초음파 용착을 이용하여 베어셀과 셀 케이스, 베어셀과 외부 터미널을 직접 결합함으로써 에너지 저장 장치의 제조 공정을 단순화하고 제조 원가를 절감할 수 있다. 또한, 전기적으로 연결되는 에너지 저장 장치의 내부 부품 수를 최소화하여 전류 이동 경로를 단축함으로써 에너지 저장 장치의 내부 저항을 감소시키고 에너지 효율 개선할 수 있다. 또한, 셀 케이스 및 터미널 구조를 단순화함으로써 제품의 소형화 및 경량화를 가능하게 할 수 있다. 또한, 용접 면적을 확장시킴으로써 접촉 저항을 감소시키고 에너지 효율을 더욱 개선할 수 있다. 나아가, 본 발명에 따른 다양한 실시예들은, 당해 기술 분야는 물론 관련 기술 분야에서 본 명세서에 언급된 내용 이외의 다른 여러 기술적 과제들을 해결할 수 있음은 물론이다.
지금까지 본 발명에 대해 구체적인 실시예들을 참고하여 설명하였다. 그러나 당업자라면 본 발명의 기술적 범위에서 다양한 변형 실시예들이 구현될 수 있음을 명확하게 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 앞서 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 즉, 본 발명의 진정한 기술적 사상의 범위는 첨부된 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 균등범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
210 : 베어셀 220 : 셀 케이스
222 : 개구부 224 : 수용부
226 : 제1 초음파 용착부 228 : 제1 단자부
229 : 컬링 가공부 230 : 터미널 부재
232 : 제2 초음파 용착부 234 : 제2 단자부
240 : 제1 절연 부재 242 : 제2 절연 부재

Claims (5)

  1. 에너지 저장용 베어셀(bare cell)을 수용하여 상기 베어셀의 일 전극과 초음파 용착(ultrasonic welding)되는 셀 케이스; 및
    상기 베어셀의 타 전극과 초음파 용착되는 터미널 부재를 포함하고,
    상기 셀 케이스는, 상기 셀 케이스의 일 면에 구비되어 상기 베어셀의 상기 일 전극과 초음파 용착되는 제1 초음파 용착부, 및 상기 셀 케이스의 타 면에 구비되어 상기 제1 초음파 용착부를 통해 상기 베어셀의 상기 일 전극과 도전되는 제1 단자부를 포함하고,
    상기 터미널 부재는, 상기 터미널 부재의 일 면에 구비되어 상기 베어셀의 상기 타 전극과 초음파 용착되는 제2 초음파 용착부, 및 상기 터미널 부재의 타 면에 구비되어 상기 제2 초음파 용착부를 통해 상기 베어셀의 상기 타 전극과 도전되는 제2 단자부를 포함하는 초음파 용착을 이용한 에너지 저장 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀 케이스는,
    상기 베어셀이 삽입되고 상기 터미널 부재가 결합되는 개구부; 및
    상기 삽입된 베어셀을 수용하는 수용부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 용착을 이용한 에너지 저장 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 셀 케이스는, 상기 개구부의 테두리를 만곡시켜 상기 터미널 부재를 고정하는 컬링 가공부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 용착을 이용한 에너지 저장 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 에너지 저장 장치는, 상기 컬링 가공부 및 상기 터미널 부재 사이에 배치되는 제1 절연 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 용착을 이용한 에너지 저장 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 저장 장치는, 상기 셀 케이스 및 상기 터미널 부재 사이에 배치되는 제2 절연 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 용착을 이용한 에너지 저장 장치.
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