KR20190030973A - 에너지 저장장치 - Google Patents

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KR20190030973A
KR20190030973A KR1020170118706A KR20170118706A KR20190030973A KR 20190030973 A KR20190030973 A KR 20190030973A KR 1020170118706 A KR1020170118706 A KR 1020170118706A KR 20170118706 A KR20170118706 A KR 20170118706A KR 20190030973 A KR20190030973 A KR 20190030973A
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이정걸
김희수
배상현
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엘에스엠트론 주식회사
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Abstract

본 발명은 원통형 에너지 저장장치에 관한 것으로, 양극판, 분리막 및 음극판이 적층된 후 권취되어 이루어지는 전극소자; 상기 전극소자를 수용하는 하부 하우징과 상기 하부 하우징의 개방된 상면을 커버하는 상부 하우징으로 이루어지는 하우징; 상기 상부 하우징의 외부로 돌출되며, 양극 단자와 음극 단자로 구성되는 전극단자; 및 상기 전극소자와 상기 전극단자를 전기적으로 연결하고, 하나 이상 홈 영역을 구비하는 복수의 리드선을 포함한다.

Description

에너지 저장장치{ENERGY STORAGE DEVICE}
본 발명은 에너지 저장장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원통형으로 권취된 전극소자에 연결되는 리드선의 구조를 개선한 에너지 저장장치에 관한 것이다.
전기 에너지를 저장하는 대표적인 에너지 저장장치로는 전지(battery)와 캐패시터(capacitor)가 있다. 이러한 캐패시터 중 울트라 캐패시터(Ultra-Capacitor, UC)는 슈퍼 캐패시터(Super Capacitor)라고도 불리며, 전해 콘덴서와 이차전지의 중간적인 특성을 갖는 에너지 저장장치로써 높은 효율, 반영구적인 수명 특성으로 이차전지와의 병용 및 대체 가능한 차세대 에너지 저장장치이다.
울트라 캐패시터는 에너지 저장 메커니즘에 따라 전기이중층 캐패시터(EDLC; electric double layer capacitor)와 유사 캐패시터(pseudo-capacitor)로 구분할 수 있다.
유사 캐패시터는 전극표면 혹은 표면근처의 전극 내부에 전하가 축전되는 현상을 이용하지만, 전기이중층 캐패시터는 전극과 전해질 계면의 전기이중층에 전하가 흡착되는 성질을 이용한다.
전기이중층 캐패시터는 활성탄소와 같이 표면적이 넓은 물질을 전극의 활 물질로 하여 전극물질의 표면과 전해질의 접촉면에 전기이중층을 형성하게 된다. 즉, 전극과 전해질 용액의 경계면에서 서로 다른 극성을 갖는 전하층이 정전 효과에 의해 생성되는데, 이렇게 형성된 전하 분포를 전기이중층이라고 하며, 이와 같은 현상으로 마치 축전지에서와 같은 축전 용량을 갖게 된다.
전기이중층 캐패시터는 전극과 전해액 간의 계면에서 발생되는 전기이중층에 전하를 흡/탈착하는 원리를 이용하므로 빠른 충/방전 특성을 가지며, 이에 따라 이동통신기기인 핸드폰, 노트북, PDA 등의 보조 전원으로서 사용될 수 있다. 또한, 전기이중층 캐패시터는 고용량이 요구되는 전기자동차, 야간 도로 표시등, UPS(Uninterrupted Power Supply) 등의 주전원 혹은 보조 전원으로 매우 적합하다.
이러한 전기이중층 캐패시터의 전극은 넓은 비표면적을 통한 고 에너지와, 낮은 비 저항을 통한 고출력화, 그리고 계면에서의 전기화학 반응의 억제를 통한 전기화학적 안정성을 가지는 것이 매우 중요하다. 따라서, 현재 넓은 비표면적을 가지는 활성탄소 분말 혹은 활성탄소 섬유가 전극의 주 재료로 가장 널리 이용되고 있으며, 여기에 도전체를 혼합하거나 혹은 금속 가루의 분사 코팅 방식을 이용하여 낮은 비저항을 구현하고 있다.
종래의 전기이중층 캐패시터는 소형화를 위해 전극소자를 권취하여 원통 형상으로 이루어진 형태가 많이 이용되고 있다. 이러한 권취형 에너지 저장장치의 전기적 특성을 향상시키기 위해 에너지 저장장치의 내부 저항을 최소화하기 위한 다양한 연구가 진행 중이다. 더 나아가, 권취형 에너지 저장장치에서 원통형으로 권취된 전극소자와 전극단자를 연결하는 리드선의 배치 및 구조에 대한 연구의 필요성도 대두되고 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 일반적인 리드선은, 리벳(rivet) 압입 공정 시, 사선 방향으로 실장된 리드선이 수평 방향으로 평평해지면서 뒤틀리는 구조이므로, 전극소자와 만나는 지점에서의 리드선이 분리막을 손상할 수 있으며, 이로 인해 에너지 저장 셀의 신뢰성에 나쁜 영향을 미치는 문제가 발생한다. 따라서, 에너지 저장 셀의 신뢰성 향상을 위해 원통형으로 권취된 전극소자에 연결되는 리드선 구조를 개선할 필요가 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 원통형으로 권취된 전극소자에 연결되는 하나 이상의 리드선 구조를 변경하여 리벳 압입 공정으로 인한 분리막 손상 가능성을 최소화할 수 있는 에너지 저장장치를 제공함에 있다.
또 다른 목적은 원통형으로 권취된 전극소자에 연결되는 리드선에 하나 이상의 홈을 형성하여 리벳 압입 공정으로 인한 분리막 손상 가능성을 최소화할 수 있는 에너지 저장장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 양극판, 분리막 및 음극판이 적층된 후 권취되어 이루어지는 전극소자; 상기 전극소자를 수용하는 하부 하우징과 상기 하부 하우징의 개방된 상면을 커버하는 상부 하우징으로 이루어지는 하우징; 상기 상부 하우징의 외부로 돌출되며, 양극 단자와 음극 단자로 구성되는 전극단자; 및 상기 전극소자와 상기 전극단자를 전기적으로 연결하고, 하나 이상 홈 영역을 구비하는 복수의 리드선을 포함하는 에너지 저장장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 전극소자와 연결되는 각각의 리드선은 소정의 리벳이 삽입되는 홀 영역을 추가로 구비할 수 있다. 또한, 각각의 리드선에 형성되는 홈 영역은 홀 영역의 하단에서부터 시작해서 리드선과 전극소자의 상면이 만나는 지점까지 연장될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에서, 각각의 리드선에 형성되는 홈 영역은 각 리드선의 중심 축을 기준으로 길이 방향으로 연장될 수 있다. 또한, 상기 홈 영역은 상단에서 하단으로 갈수록 점점 넓어지는 형태로 형성될 수 있다. 상기 홈 영역의 너비는 각 리드선의 전체 너비의 1/5 이하로 형성될 수 있고, 상기 홈 영역의 길이는 각 리드선의 전체 길이의 1/3 내지 1/2 사이로 형성될 수 있다.
한편, 리벳 압입 공정 시, 각 리드선이 사선 방향에서 수평 방향으로 뒤틀림에 따라 야기되는 분리막 손상 가능성은 해당 리드선의 변위 값에 비례하는 특성을 갖는다. 상기 리드선의 변위 값(a')은 수학식
Figure pat00001
을 통해 계산될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에서, 각 리드선에 구비된 홈 영역들이 복수개인 경우, 상기 홈 영역들은 서로 동일한 너비 및 길이를 갖도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 홈 영역들은 각 리드선 상에서 서로 균등한 간격으로 배치되도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 원통형으로 권취된 전극소자에 연결되는 하나 이상의 리드선 구조를 변경함으로써, 리벳 압입 공정 시 리드선이 사선 방향에서 수평 방향으로 뒤틀어짐에 따라 야기되는 분리막 손상 가능성을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 원통형으로 권취된 전극소자에 연결되는 리드선에 하나 이상의 홈을 형성함으로써, 리벳 압입 공정 시 리드선이 사선 방향에서 수평 방향으로 뒤틀어짐에 따라 야기되는 분리막 손상 가능성을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.
다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 에너지 저장장치가 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 리벳 압입 공정 시, 분리막을 손상할 수 있는 종래의 리드선 구조를 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 외형을 나타내는 사시도;
도 3은 도 2의 에너지 저장장치에 포함되는 전극소자의 구성을 나타내는 도면;
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 리벳 압입 공정을 설명하는 도면;
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 리드선의 구조를 설명하는 도면;
도 6a는 종래의 리드선 구조에서 리벳 압입 공정으로 인한 리드선의 변위 값을 계산하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 리드선 구조에서 리벳 압입 공정으로 인한 리드선의 변위 값을 계산하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 리드선의 구조를 설명하는 도면;
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 리드선의 구조를 설명하는 도면;
도 9는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 리드선의 구조를 설명하는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은, 원통형으로 권취된 전극소자에 연결되는 하나 이상의 리드선 구조를 변경하여 리벳 압입 공정으로 인한 분리막 손상 가능성을 최소화할 수 있는 에너지 저장장치를 제안한다.
이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 외관을 나타내는 사시도이고, 도 3은 도 2의 에너지 저장장치에 포함되는 전극소자의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치(100)는 원통형의 전극소자(110), 상기 전극소자(110)를 수용하는 하우징(120), 상기 하우징(120) 내에 수용되어 전극소자(110)를 함침하는 전해액(미도시), 상기 하우징(120) 외부로 돌출된 전극단자(130), 상기 전극소자(110)와 전극단자(130)를 전기적으로 연결하는 복수의 리드선(140)을 포함할 수 있다.
전극소자(110)는 양극판(10), 분리막(separator, 30) 및 음극판(20)을 포함할 수 있다. 상기 양극판(10), 분리막(30) 및 음극판(20)을 순차적으로 적층한 다음 원통형으로 권취하여 전극소자(110)를 형성하게 된다.
양극판(10)은 금속성의 집전체(12)와 다공성 활성탄으로 구성된 활물질층(14)을 포함하며, 그 일 측에는 하나 이상의 양극 리드선들(142)이 연결된다. 상기 양극 리드선들(142)이 연결되는 집전체 부분에는 활물질층(14)이 제거되는 것이 바람직하다. 이하, 본 실시 예에서는 3개의 양극 리드선(142)이 양극판(10)에 연결되는 것을 예시하고 있으나 이를 제한하지는 않으며, 이보다 더 많거나 혹은 더 작은 개수의 양극 리드선(142)이 양극판(10)에 연결될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
음극판(20)은 금속성의 집전체(22)와 다공성 활성탄으로 구성된 활물질층(24)을 포함하며, 그 일 측에는 하나 이상의 음극 리드선(144)이 연결된다. 상기 음극 리드선(144)이 연결되는 집전체 부분에는 활물질층(24)이 제거되는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 본 실시 예에서는 3개의 음극 리드선(144)이 음극판(20)에 연결되는 것을 예시하고 있으나 이를 제한하지는 않으며, 이보다 더 많거나 혹은 더 작은 개수의 음극 리드선(144)이 음극판(20)에 연결될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
집전체(12, 22)는 통상 금속 포일(Foil)의 형태로 구성되며, 활물질층(14, 24)으로부터 방출되거나 상기 활물질층(14, 24)으로 공급되는 전하의 이동통로 역할을 수행한다. 활물질층(14, 24)은 활성탄소로서 집전체(12, 22)의 양면에 넓게 코팅되는 형태로 구성되며, 양극 및 음극의 전기 에너지를 저장하는 역할을 수행한다.
양극판(10)과 음극판(20) 사이에는 전하의 전도를 제한하기 위한 분리막(30)이 배치되고, 상기 하우징(120) 내에는 전해액이 충진된다. 여기서, 다공성의 활성물질층(14, 24)은 넓은 표면적을 구비하며, 상기 양극판(10)과 음극판(20)에 동일하게 활물질로 적용되어 그 각 표면이 전해액과 접촉하게 된다.
양극판(10) 및 음극판(20)에 소정의 전압이 가해지면, 전해액에 포함된 양이온 및 음이온이 각각 양극판(10) 및 음극판(20)으로 이동하여 다공성 활물질층(14, 24)의 세부 기공으로 침투하게 된다.
하우징(120)은 상부 하우징(122)과 하부 하우징(124)으로 구성된다. 하부 하우징(124)은 전극소자(110) 및 전해액을 수용하는 역할을 수행하고, 상부 하우징(122)은 하부 하우징(124)의 개방된 상면을 밀폐(또는 커버)하는 역할을 수행한다.
상부 하우징(122)은 합성 고무 재질 및 합성 수지 재질 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 상부 하우징(122)은 EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer) 층과 베크라이트(bakelite) 층으로 구성될 수 있다.
하부 하우징(124)은 금속 재질 또는 합성 수지 재질로 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 하부 하우징(122, 124)은 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금으로 이루어진다.
상부 하우징(122)에는 하나 이상의 양극 리드선(142)이 연결되는 양극단자(132)와 하나 이상의 음극 리드선(144)이 연결되는 음극단자(134)를 포함하는 전극단자(130)가 결합된다. 상기 전극단자(130)는 기계적 강도를 확보할 수 있도록 알루미늄(Al), 스틸(steel) 또는 스테인레스강(Stainless steel) 중 적어도 하나의 재질로 구성될 수 있다. 더 나아가, 상기 전극단자(130)의 표면에 니켈(Ni) 또는 주석(Tin) 등을 코팅하여 납땜 등에 의한 접합성을 확보할 수 있다.
전극단자(130)는 상부 하우징(122)의 외부에서 양극단자(132)와 음극단자(134)가 서로 수직한 방향으로 배치되도록 한다. 이는 외력에 의한 굽힘 모멘트가 어느 방향으로 작용하든지 간에 동일한 지지력을 발생시킬 수 있도록 하기 위함이다.
복수의 리드선들(140)은 레이저 용접 공정 또는 리벳 압입 공정 등을 통해 양극판(10) 및 음극판(20)과 연결될 수 있다. 양극 리드선들(142)은 양극판(10) 상에 균등한 간격으로 배치될 수 있고, 음극 리드선들(144)은 음극판(20) 상에 균등한 간격으로 배치될 수 있다. 이는 리드선들(140)이 전극판(10, 20)에 불규칙적으로 연결될 경우에 전극판(10, 20)에 인가되는 전기흐름이 전극에 균일하게 퍼지지 못해 저항 수치가 높아지게 되고, 이로 인해 에너지 저장장치의 신뢰성에 나쁜 영향을 줄 수 있기 때문이다.
복수의 리드선들(140)은 리벳 압입 공정을 통해 전극단자(130)와 전기적으로 연결될 수 있다. 각각의 리드선(140)은, 리벳 압입 공정 시, 사선 방향에서 수평 방향으로 뒤틀어짐에 따라 야기되는 분리막 손상 가능성을 최소화하기 위한 하나 이상의 홈들을 구비할 수 있다. 상기 홈들은 리드선(140)의 길이 방향을 따라 연장될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 리벳 압입 공정을 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 제조 공정은 크게 전극소자 제조 공정, 리벳 압입 공정 및 하우징 공정 등으로 구성될 수 있다.
전극소자 제조 공정은 양극판(10), 분리막(30) 및 음극판(20)을 순서대로 적층한 다음 원통형으로 권취하여 전극소자(110)를 형성하는 공정이다. 하우징 공정은 리벳 압입 공정이 완료된 상부 하우징(122)을 하부 하우징(124)에 결합(또는 실링)하는 공정이다.
리벳 압입 공정은 전극단자(130), 상부 하우징(122) 및 리드선들(140)의 홀(hall)에 소정의 리벳(rivet)을 삽입한 다음 해당 리벳을 압입함으로써 전극단자(130)와 리드선들(140)을 전기적으로 연결하고, 상기 전극단자(130), 상부 하우징(122) 및 리드선들(140)을 결합하는 공정이다.
좀 더 구체적으로, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 원통형의 전극소자(110)를 수평 방향으로 눕힌 다음 양극 리드선(142) 위에 상부 하우징(122)을 배치하고, 그 위에 양극단자(132)를 배치할 수 있다. 상기 양극 리드선(142), 상부 하우징(122) 및 양극단자(132)의 일 영역에는 제1 리벳(136)이 통과할 홀(hall)이 형성될 수 있다. 상기 홀의 크기는 제1 리벳(136)의 직경과 동일하거나 혹은 더 큰 것이 바람직하다.
양극 리드선(142), 상부 하우징(122) 및 양극단자(132)의 일 영역에 형성된 홀에 제1 리벳(136)을 삽입한 다음, 압입 장비(미도시)를 이용하여 상기 제1 리벳(136)을 압입함으로써 양극단자(132)와 양극 리드선(142)을 전기적으로 연결할 수 있고, 상기 양극단자(132), 상부 하우징(122) 및 양극 리드선(142)을 결합할 수 있다.
한편, 도면에 도시되고 있지 않지만, 원통형의 전극소자(110)를 수평 방향으로 눕힌 다음 음극 리드선(144) 위에 상부 하우징(122)을 배치하고, 그 위에 음극단자(134)를 배치할 수 있다. 상기 음극 리드선(144), 상부 하우징(122) 및 음극단자(134)의 일 영역에는 제2 리벳(미도시)이 통과할 홀(hall)이 형성될 수 있다. 마찬가지로, 상기 홀의 크기는 제2 리벳의 직경과 동일하거나 혹은 더 큰 것이 바람직하다.
음극 리드선(144), 상부 하우징(122) 및 음극단자(134)의 일 영역에 형성된 홀에 제2 리벳을 삽입한 다음, 압입 장비를 이용하여 상기 제2 리벳을 압입함으로써 음극단자(134)와 음극 리드선(144)을 전기적으로 연결할 수 있고, 상기 음극단자(134), 상부 하우징(122) 및 음극 리드선(144)을 결합할 수 있다.
이후, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 리벳 압입 공정이 완료된 상부 하우징(122)이 반 시계 방향으로 약 90도 회전된 다음(즉, 상부 하우징이 수평 방향에서 수직 방향으로 회전된 다음), 상부 하우징(122)을 하부 하우징(124)에 결합하기 위해 상부 하우징(122)이 하부 하우징(124) 방향으로 이동하게 된다. 상부 하우징(122)의 이동에 따라 복수의 리드선들(142, 144)이 적어도 한 번 이상 접혀서 전극소자(110)의 상면과 밀착하게 된다.
이러한 리벳(rivet) 압입 공정 시, 사선 방향으로 실장된 리드선이 수평 방향으로 평평해지면서 뒤틀리는 구조이므로, 전극소자(110)와 만나는 지점에서의 리드선이 분리막을 손상할 수 있다. 하지만, 본 발명은 원통형으로 권취된 전극소자에 연결되는 하나 이상의 리드선 구조를 변경하여 리벳 압입 공정으로 인한 분리막 손상 가능성을 최소화할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 리드선 구조를 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 전극소자(110)와 연결되는 각각의 리드선(142a, 142b, 142c)은 소정의 리벳(rivet)이 삽입되는 홀 영역(41)과 리벳 압입 공정으로 인한 분리막 손상 가능성을 최소화하기 위한 홈 영역(또는 개구 영역, 42)을 포함할 수 있다.
홀 영역(41)은 리드선(142a, 142b, 142c)의 상단에 원형으로 형성될 수 있다. 한편, 다른 실시 예로, 홀 영역(41)은 리벳의 단면 모양과 동일하게 형성될 수 있다. 가령, 리벳의 단면이 사각형 모양인 경우, 상기 홀 영역(41)은 사각형 모양으로 형성될 수 있다.
홈 영역(42)은 리드선(142a, 142b, 142c)의 중심 축을 기준으로 세로 방향(즉, 길이 방향)으로 길게 연장되도록 형성될 수 있다. 홈 영역(42)은 홀 영역(41)의 하단에서부터 시작해서 리드선(142a, 142b, 142c)과 전극소자(110)의 상면이 서로 만나는 지점까지 연장될 수 있다. 한편, 다른 실시 예로, 홈 영역(42)은 리드선(142a, 142b, 142c)의 상부 방향으로 계속 연장되어, 상기 홀 영역(41)과 연결되도록 형성될 수 있다.
홈 영역(42)의 너비는 리드선(142a, 142b, 142c) 너비의 1/5 이하로 형성될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. 홈 영역(42)은 일정한 너비로 형성되거나 혹은 상단에서 하단으로 갈수록 홈이 점점 넓어지도록 형성될 수 있다.
가령, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 홈 영역이 상단에서 하단으로 갈수록 점점 넓어지는 형태로 형성되면, 리벳 압입 공정 시 리드선이 받는 영향이 하단으로 갈수록 작아지게 되므로, 하단에서 받는 변위는 상대적으로 상단에서 받는 변위보다 작아질 수 있다.
홈 영역(42)의 길이는 리드선(142a, 142b, 142c) 전체 길이의 1/3 내지 1/2 사이로 형성될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
이와 같이, 본 실시 예에 따른 리드선 구조는 하나의 홈(42)을 각 리드선(142a, 142b, 142c)의 일정 영역에 형성함으로써, 리벳 압입 공정 시 리드선이 사선 방향에서 수평 방향으로 뒤틀어짐에 따라 야기되는 분리막 손상 가능성을 최소화할 수 있다. 즉, 리드선(140)에 인한 분리막 손상 가능성(즉, 전극소자와 만나는 지점에서의 리드선이 분리막에 인가하는 힘)은 해당 리드선(140)의 변위(displacement)에 비례하기 때문에, 상기 리드선의 변위를 감소시킴으로써 분리막 손상 가능성을 최소화할 수 있다.
가령, 도 6a에 도시된 바와 같이, 종래의 리드선(610)이 리벳 압입 공정으로 인해 사선 방향에서 수평 방향으로 뒤틀리는 경우, 상기 리드선(610)의 변위 값은 아래 수학식 1을 통해 계산될 수 있다.
Figure pat00002
여기서, a는 리드선(610)의 변위이고, b는 리드선(610)의 너비이며, θ는 리드선(610)의 뒤틀림 각도임.
한편, 도 6b에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에 따른 리드선(142a, 142b, 142c)이 리벳 압입 공정으로 인해 사선 방향에서 수평 방향으로 뒤틀리는 경우, 상기 리드선(142a, 142b, 142c)의 변위 값은 아래 수학식 2를 통해 계산될 수 있다.
Figure pat00003
여기서, a'는 리드선(142a, 142b, 142c)의 변위이고, b/2는 리드선(142a, 142b, 142c)의 너비이며, θ는 리드선(142a, 142b, 142c)의 뒤틀림 각도임. 실제 리드선의 너비는 홈의 너비로 인해 b/2보다 약간 작은 값을 가지나, 설명의 편의를 위해 b/2로 가정하여 설명하도록 한다.
상술한 수학식 1 및 2를 이용하여 각 리드선의 변위 값을 계산한 결과, 본 실시 예에 따른 리드선(142a, 142b, 142c)의 변위 값은 종래 리드선(610)의 변위 값의 1/2로 감소한다. 이에 따라, 본 실시 예에 따른 리드선(142a, 142b, 142c)이 전극소자(110)와 만나는 지점에서 분리막에 인가하는 힘 역시 종래의 리드선(610)이 전극소자(110)와 만나는 지점에서 분리막에 인가하는 힘의 절반으로 감소하므로, 종래의 리드선 구조에 비해 리벳 압입 공정으로 인한 분리막 손상 가능성을 감소시킬 수 있다.
한편, 이상 본 실시 예에서는, 각각의 리드선에 하나의 홈이 형성되는 것을 예시하고 있으나 이를 제한하지는 않으며, 복수의 홈들이 각각의 리드선에 형성될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 리드선 구조를 설명하는 도면이다.
도 7을 참조하면, 전극소자(110)와 연결되는 각각의 리드선(142a, 142b, 142c)은 소정의 리벳(rivet)이 삽입되는 홀 영역(41)과 리벳 압입 공정으로 인한 분리막 손상 가능성을 최소화하기 위한 두 개의 홈 영역(42a, 42b)을 포함할 수 있다.
제1 및 제2 홈 영역(42a, 42b)은 리드선(142a, 142b, 142c)의 중심 축을 기준으로 세로 방향(즉, 길이 방향)으로 길게 연장되도록 형성될 수 있다. 제1 및 제2 홈 영역(42a, 42b)은 홀 영역(41)의 하단에서 시작해서 전극소자(110)의 상면과 만나는 지점까지 연장될 수 있다. 한편, 다른 실시 예로, 제1 및 제2 홈 영역(42a, 42b)은 리드선(142a, 142b, 142c)의 상부 방향으로 계속 연장되어, 상기 홀 영역(41)과 연결되도록 형성될 수 있다.
제1 및 제2 홈 영역(42a, 42b)은 서로 동일한 너비 및 길이를 갖도록 형성될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 홈 영역(42a, 42b)은 리드선(142a, 142b, 142c)의 일 측면과 제1 홈 영역(42a) 사이의 거리(d1), 제1 홈 영역(42a)과 제2 홈 영역(42b) 사이의 거리(d2), 제2 홈 영역(42b)과 리드선(142a, 142b, 142c)의 타 측면 사이의 거리(d3)가 서로 동일하도록 각 리드선(142a, 142b, 142c) 상에 균등한 간격으로 배치될 수 있다.
이와 같이, 본 실시 예에 따른 리드선 구조는 두 개의 홈(42a, 42b)을 각 리드선(142a, 142b, 142c)의 일정 영역에 형성함으로써, 리벳 압입 공정으로 인한 분리막 손상 가능성을 최소화할 수 있다.
가령, 본 실시 예에 따른 리드선(142a, 142b, 142c)이 리벳 압입 공정으로 인해 사선 방향에서 수평 방향으로 뒤틀리는 경우, 상기 리드선의 변위 값은 아래 수학식 3을 통해 계산될 수 있다.
Figure pat00004
여기서, a'는 리드선(142a, 142b, 142c)의 변위이고, b/3는 리드선(142a, 142b, 142c)의 너비이며, θ는 리드선(142a, 142b, 142c)의 뒤틀림 각도임.
상술한 수학식 1 및 3을 이용하여 각 리드선의 변위 값을 계산한 결과, 본 실시 예에 따른 리드선(142a, 142b, 142c)의 변위 값은 종래 리드선(610)의 변위 값의 1/3로 감소한다. 이에 따라, 본 실시 예에 따른 리드선(142a, 142b, 142c)이 전극소자(110)와 만나는 지점에서 분리막에 인가하는 힘 역시 종래의 리드선(610)이 전극소자(110)와 만나는 지점에서 분리막에 인가하는 힘의 1/3로 감소하므로, 종래의 리드선 구조에 비해 리벳 압입 공정으로 인한 분리막 손상 가능성을 감소시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 리드선 구조를 설명하는 도면이다.
도 8을 참조하면, 전극소자(110)와 연결되는 각각의 리드선(142a, 142b, 142c)은 소정의 리벳(rivet)이 삽입되는 홀 영역(41)과 리벳 압입 공정으로 인한 분리막 손상 가능성을 최소화하기 위한 세 개의 홈 영역(42a, 42b, 42c)을 포함할 수 있다.
제1 내지 제3 홈 영역(42a, 42b, 42c)은 리드선(142a, 142b, 142c)의 중심 축을 기준으로 세로 방향(즉, 길이 방향)으로 길게 연장되도록 형성될 수 있다. 제1 내지 제3 홈 영역(42a, 42b, 42c)은 홀 영역(41)의 하단에서 시작해서 전극소자(110)의 상면과 만나는 지점까지 연장될 수 있다. 한편, 다른 실시 예로, 제1 내지 제3 홈 영역(42a, 42b, 42c)은 리드선(142a, 142b, 142c)의 상부 방향으로 계속 연장되어, 상기 홀 영역(41)과 연결되도록 형성될 수 있다.
제1 내지 제3 홈 영역(42a, 42b, 42c)은 서로 동일한 너비 및 길이를 갖도록 형성될 수 있다. 또한, 제1 내지 제3 홈 영역(42a, 42b, 42c)은 각각의 리드선(142a, 142b, 142c) 상에서 서로 균등한 간격으로 배치되도록 형성될 수 있다(d1 = d2 = d3 = d4).
이와 같이, 본 실시 예에 따른 리드선 구조는 세 개의 홈(42a, 42b, 42c)을 각 리드선(142a, 142b, 142c)의 일정 영역에 형성함으로써, 리벳 압입 공정으로 인한 분리막 손상 가능성을 최소화할 수 있다.
가령, 본 실시 예에 따른 리드선(142a, 142b, 142c)이 리벳 압입 공정으로 인해 사선 방향에서 수평 방향으로 뒤틀리는 경우, 상기 리드선의 변위 값은 아래 수학식 4를 통해 계산될 수 있다.
Figure pat00005
여기서, a'는 리드선(142a, 142b, 142c)의 변위이고, b/4는 리드선(142a, 142b, 142c)의 너비이며, θ는 리드선(142a, 142b, 142c)의 뒤틀림 각도임.
상술한 수학식 1 및 4를 이용하여 각 리드선의 변위 값을 계산한 결과, 본 실시 예에 따른 리드선(142a, 142b, 142c)의 변위 값은 종래 리드선(610)의 변위 값의 1/4로 감소한다. 이에 따라, 본 실시 예에 따른 리드선(142a, 142b, 142c)이 전극소자(110)와 만나는 지점에서 분리막에 인가하는 힘 역시 종래의 리드선(610)이 전극소자(110)와 만나는 지점에서 분리막에 인가하는 힘의 1/4로 감소하므로, 종래의 리드선 구조에 비해 리벳 압입 공정으로 인한 분리막 손상 가능성을 감소시킬 수 있다.
한편, 이외에도, 4 개 이상의 홈 영역들을 각각의 리드선(142a, 142b, 142c)에 형성할 수 있다. 각각의 리드선(142a, 142b, 142c)에 형성된 홈 영역들의 개수가 n개인 경우, 본 실시 예에 따른 리드선(142a, 142b, 142c)이 리벳 압입 공정으로 인해 사선 방향에서 수평 방향으로 뒤틀리는 경우, 상기 리드선의 변위 값은 아래 수학식 5를 통해 계산될 수 있다.
Figure pat00006
여기서, a'는 리드선(142a, 142b, 142c)의 변위, b는 리드선(142a, 142b, 142c)의 너비, n은 홈 영역들의 개수, θ는 리드선(142a, 142b, 142c)의 뒤틀림 각도임.
이와 같이, 각각의 리드선(142a, 142b, 142c)에 형성되는 홈 영역들의 개수가 증가함에 따라 상기 리드선의 변위 값이 계속적으로 감소하기 때문에, 상기 홈 영역들의 개수가 많을수록 리벳 압입 공정으로 인한 분리막 손상 가능성을 점점 더 감소시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 에너지 저장소자 110: 전극소자
120: 하우징 130: 전극단자
140: 복수의 리드선

Claims (10)

  1. 양극판, 분리막 및 음극판이 적층된 후 권취되어 이루어지는 전극소자;
    상기 전극소자를 수용하는 하부 하우징과 상기 하부 하우징의 개방된 상면을 커버하는 상부 하우징으로 이루어지는 하우징;
    상기 상부 하우징의 외부로 돌출되며, 양극 단자와 음극 단자로 구성되는 전극단자; 및
    상기 전극소자와 상기 전극단자를 전기적으로 연결하고, 하나 이상 홈 영역을 구비하는 복수의 리드선을 포함하는 에너지 저장장치.
  2. 제1항에 있어서,
    각각의 리드선은 리벳이 삽입되는 홀 영역을 구비하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 홈 영역은 상기 홀 영역의 하단에서부터 시작해서 리드선과 전극소자의 상면이 만나는 지점까지 연장되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 홈 영역은 각 리드선의 중심축을 기준으로 길이 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 홈 영역은 상단에서 하단으로 갈수록 점점 넓어지는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 홈 영역의 너비는 각 리드선의 전체 너비의 1/5 이하로 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 홈 영역의 길이는 각 리드선의 전체 길이의 1/3 내지 1/2 사이로 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 분리막 손상 가능성은 상기 리벳 압입 공정으로 인한 각 리드선의 변위 값에 비례하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 리드선의 변위 값(a')은 아래 수학식을 통해 계산되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
    [수학식]
    Figure pat00007

    여기서, b는 리드선의 너비, n은 홈 영역들의 개수, θ는 리드선의 뒤틀림 각도임.
  10. 제1항에 있어서, 상기 홈 영역들이 복수개인 경우,
    상기 홈 영역들은 서로 동일한 너비 및 길이를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
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CN115461925A (zh) * 2020-11-26 2022-12-09 株式会社Lg新能源 电极组件和包括该电极组件的二次电池

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