KR20210113476A - 권취형 전기화학 에너지 저장장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 권취형 전기화학 에너지 저장장치에 관한 것으로, 축전 소자의 용량 감소율을 줄이고 저항 증가율을 낮추기 위한 것이다. 본 발명은 양극, 분리막 및 음극을 포함하는 전극 적층체가 권취된 축전 소자를 포함하는 권취형 전기화학 에너지 저장장치로서, 권취된 축전 소자는 양극부터 먼저 권취된다.
Description
본 발명은 전기화학 에너지 저장장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극 적층체를 권취하여 형성한 축전 소자를 구비하는 권취형 전기화학 에너지 저장장치에 관한 것이다.
정보화 시대에는 각종 정보통신기기를 통해 다양하고 유용한 정보를 실시간으로 수집 및 활용하는 고부가가치 산업이 주도하고 있으며, 이러한 시스템의 신뢰성 확보를 위해서는 안정적인 에너지의 공급이 중요한 요소로 인식되고 있다.
안정적인 에너지 확보의 일환으로서, 전기에너지를 화학에너지로 변환하여 저장하였다가 필요시 다시 전기에너지로 변환하여 쓸 수 있는 전기화학 에너지 저장장치(electrochemical energy storage device)가 사용되고 있다.
전기화학 에너지 저장장치로는 전해 콘덴서, 슈퍼 커패시터(Super Capacitor), 전기 이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC), 리튬 이온 커패시터(Lithium Ion Capacitor; LIC) 등이 있으며, 그 형태에 따라 파우치형, 권취형 등이 있다. 권취형은 축전 소자(셀)를 젤리롤 형태로 권취(winding)한 다음, 관형의 케이스에 내장하여 제작하고 있다.
권취형 전기화학 에너지 저장장치 예를 들어, 전기이중층 커패시터(EDLC) 및 리튬 이온 커패시터 등은 주로 알루미늄(Al) 재질의 원통형 케이스와 원통형 케이스에 내장된 축전 소자를 포함한다. 이때 축전 소자는 띠 형상의 전극 적층체, 구체적으로 양극 및 음극의 전극소자, 양극과 음극의 전극소자의 사이에 개재된 분리막으로 이루어지는 띠 형상의 전극 적층체를 원통형으로 권취한 후, 권취된 형태가 풀리지 않도록 외부 둘레를 테이핑(taping)하여 구성되고 있다. 이와 같이 권취된 축전 소자는 전해액에 함침된 다음, 원통형 케이스 내부에 내장된다. 그리고 권취된 축전 소자의 상부에는 축전 소자를 외부와 전기적으로 연결시키는 한 쌍의 리드가 형성된다. 한 쌍의 리드는 각각 양극 및 음극에 각각 접합되어 전극 적층체의 상부로 돌출된다.
이러한 권취형 전기화학 에너지 저장장치는 전기화학적 특성을 향상시키기 위해서, 축전 소자의 용량 감소를 줄이면서 저항 증가를 낮출 필요가 있다.
따라서 본 발명의 목적은 축전 소자의 용량 감소를 줄이면서 저항 증가를 낮출 수 있는 권취형 전기화학 에너지 저장장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 양극, 분리막 및 음극을 포함하는 전극 적층체가 권취된 축전 소자를 포함하는 권취형 전기화학 에너지 저장장치로서, 상기 권취된 축전 소자는 상기 양극부터 먼저 권취된 것을 특징으로 하는 권취형 전기화학 에너지 저장장치를 제공한다.
상기 양극의 길이가 상기 음극의 길이 보다 길다.
상기 권취된 축전 소자는 권취가 시작되는 부분의 상기 양극의 길이가 상기 음극의 길이 보다 길게 하여 상기 양극부터 먼저 권취된다.
상기 전극 적층체는, 제1 분리막; 상기 제1 분리막 위에 적층된 상기 양극; 상기 양극 위에 적층된 제2 분리막; 및 상기 제2 분리막 위에 적층되며, 상기 양극 보다 길이가 짧은 상기 음극;을 포함한다.
상기 권취된 축전 소자는 중심에 권취 홀이 형성되고, 상기 권취 홀 내에 양극의 단부와 음극의 단부가 서로 마주보게 권취된다.
상기 권취된 축전 소자는 외곽에 상기 제1 분리막이 위치한다.
그리고 본 발명에 따른 권취형 전기화학 에너지 저장장치는 슈퍼 커패시터, 전기 이중층 커패시터(EDLC) 또는 리튬 이온 커패시터(LIC)를 포함한다.
본 발명에 따르면, 전극 적층체의 권취 시 양극부터 먼저 감음으로써, 권취 시 음극부터 먼저 감는 것과 비교할 때, 축전 소자의 용량 감소율을 줄이고 저항 증가율을 낮출 수 있다. 즉 전극 적층체에 있어서, 양극의 길이를 음극의 길이보다 길게 형성하고, 권심에 권취가 시작되는 부분의 양극 길이를 음극 길이 보다 길게 하여 양극부터 먼저 권취함으로써, 축전 소자의 용량 감소율을 줄이고 저항 증가율을 낮출 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 권취되기 전의 전극 적층체를 보여주는 단면도이다.
도 2는 도 1의 전극 적층체가 원형으로 권취된 축전 소자를 보여주는 사진이다.
도 3은 비교예에 따른 권취되기 전의 전극 적층체를 보여주는 단면도이다.
도 4는 도 3의 전극 적층체가 원형으로 권취된 축전 소자를 보여주는 사진이다.
도 5 내지 도 7은 실시예 및 비교예에 따른 권취된 축전 소자를 포함하는 권취형 전기화학 에너지 저장장치에 대한 충방전 테스트 후 축전 소자의 상태를 보여주는 사진이다.
도 8은 실시예 및 비교예에 따른 권취형 전기화학 에너지 저장장치의 고온부하 테스트에서의 용량감소율을 보여주는 그래프이다.
도 9는 실시예 및 비교예에 따른 권취형 전기화학 에너지 저장장치의 고온부하 테스트에서의 저항증가율을 보여주는 그래프이다.
도 2는 도 1의 전극 적층체가 원형으로 권취된 축전 소자를 보여주는 사진이다.
도 3은 비교예에 따른 권취되기 전의 전극 적층체를 보여주는 단면도이다.
도 4는 도 3의 전극 적층체가 원형으로 권취된 축전 소자를 보여주는 사진이다.
도 5 내지 도 7은 실시예 및 비교예에 따른 권취된 축전 소자를 포함하는 권취형 전기화학 에너지 저장장치에 대한 충방전 테스트 후 축전 소자의 상태를 보여주는 사진이다.
도 8은 실시예 및 비교예에 따른 권취형 전기화학 에너지 저장장치의 고온부하 테스트에서의 용량감소율을 보여주는 그래프이다.
도 9는 실시예 및 비교예에 따른 권취형 전기화학 에너지 저장장치의 고온부하 테스트에서의 저항증가율을 보여주는 그래프이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 권취되기 전의 전극 적층체를 보여주는 단면도이다. 도 2는 도 1의 전극 적층체가 원형으로 권취된 축전 소자를 보여주는 사진이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 권취형 전기화학 에너지 저장장치는 양극(14), 분리막(12,16) 및 음극(18)을 포함하는 전극 적층체(10)가 권취된 축전 소자(100)를 포함한다. 이때 권취된 축전 소자(100)는 양극(14)부터 먼저 권취된다. 권취된 축전 소자(100)에 전해액이 함침된다.
여기서 권취된 축전 소자(100)는 권심을 매개로 원형으로 권취된 전극 적층체(10)를 포함한다. 권심은 전극 적층체(10)를 권취한 이후에 제거될 수 있다. 권취된 축전 소자(100)는 중심에 권취 홀(19)을 형성한다. 양극 단자(21)는 양극(14)에 접합되어 전기적으로 연결되며, 권취된 전극 적층체(10)로부터 돌출된다. 음극 단자(23)는 음극(18)에 접합되어 전기적으로 연결되며, 권취된 전극 적층체(10)로부터 돌출된다.
전극 적층체(10)는 양극(14), 음극(18) 및 분리막(12,16)을 포함한다. 양극(14)은 산화 반응에 의해 전자를 생성한다. 음극(18)은 생성된 전자를 흡수하여 환원반응이 일어난다. 분리막(12,16)은 음극(18)과 양극(14) 사이에 개재되어 음극(18)과 양극(14)을 물리적으로 분리시켜 산화반응과 환원반응이 일어나는 장소를 격리하여 서로 구분한다. 전해액은 양극(14) 및 음극(18)에 전기에너지를 저장시키는 이온의 이동매개체이다. 이러한 전극 적층체(10)는 양극(14), 음극(18) 및 분리막(12,16)이 권심을 중심으로 차례로 권취되어 전체적으로 원통 형상을 이룬다. 예컨대 전극 적층체(10)는 슈퍼 커패시터, 전기 이중층 커패시터(EDLC), 리튬 이온 커패시터(LIC)를 형성하는 셀 구조를 가질 수 있다.
양극(14)은 유연성을 갖는 양극판의 양면에 양극 활물질층이 형성된 구조를 갖는다. 이때 양극판으로는 알루미늄 소재의 박막이 사용할 수 있다. 양극 활물질층은 활성탄을 포함한다.
음극(18)은 유연성을 갖는 음극판의 양면에 음극 활물질층이 형성된 구조를 갖는다. 이때 음극판으로는 표면에 알루미늄산화막이 형성된 알루미늄 소재의 박막이 사용할 수 있다. 음극 활물질층은 활성탄 또는 흑연을 포함한다.
그리고 제1 및 제2 분리막(12,16)은 각각 양극(14)과 음극(18) 사이에 개재된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전극 적층체(10)는 제1 분리막(12), 양극(14), 제2 분리막(16) 및 음극(18) 순으로 적층된 구조를 갖는다. 전극 적층체(10)는 권심을 중심으로 권취하여 축전 소자(100)를 형성한다. 최종적으로 권취된 축전 소자(100)는 외곽에 제1 분리막(12)이 위치한다.
여기서 권취된 축전 소자(200)는 권심을 매개로 원형으로 권취된 전극 적층체(110)를 포함한다. 권심은 전극 적층체(110)를 권취한 이후에 제거될 수 있다. 권취된 축전 소자(200)는 중심에 권취 홀(119)을 형성한다. 양극 단자(121)는 양극(114)에 접합되어 전기적으로 연결되며, 권취된 전극 적층체(110)로부터 돌출된다. 음극 단자(123)는 음극(118)에 접합되어 전기적으로 연결되며, 권취된 전극 적층체(110)로부터 돌출된다.
이때 전극 적층체(10)는 양극(14)의 길이(A)가 음극(18)의 길이(B) 보다 길다. 전극 적층체(10)는 권취가 시작되는 부분의 양극(14)의 길이가 음극(18)의 길이 보다 길게 하여 양극(14)부터 먼저 권취될 수 있도록 한다. 전극 적층체(10)는 권취 홀(19) 내에 양극(14)의 단부와 음극(18)의 단부가 서로 마주보게 권취된다.
이와 같이 본 발명에 따른 권취형 전기화학 에너지 저장장치는 전극 적층체(10)의 권취 시 양극(14)부터 먼저 감음으로써, 권취 시 음극(18)부터 먼저 감는 것과 비교할 때, 축전 소자(100)의 용량 감소율을 줄이고 저항 증가율을 낮출 수 있다. 즉 전극 적층체(10)에 있어서, 양극(14)의 길이(A)를 음극(18)의 길이(B)보다 길게 형성하고, 권심에 권취가 시작되는 부분의 양극(14) 길이를 음극(18) 길이 보다 길게 하여 양극(14)부터 먼저 권취함으로써, 축전 소자(100)의 용량 감소율을 줄이고 저항 증가율을 낮출 수 있다.
[실시예 및 비교예]
이와 같은 본 발명에 따른 권취형 전기화학 에너지 저장장치의 전기화학적인 특성을 확인하기 위해서, 실시예 및 비교예에 따른 권취형 전기화학 에너지 저장장치를 제조하였다.
도 3은 비교예에 따른 권취되기 전의 전극 적층체(110)를 보여주는 단면도이다. 그리고 도 4는 도 3의 전극 적층체가 원형으로 권취된 축전 소자(200)를 보여주는 사진이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 비교예에 따른 권취형 전기화학 에너지 저장장치는 양극(114), 분리막(112,116) 및 음극(118)을 포함하는 전극 적층체(110)가 권취된 축전 소자(200)를 포함한다. 이때 권취된 축전 소자(200)는 음극(118)부터 먼저 권취된다.
전극 적층체(110)는 제1 분리막(112), 음극(118), 제2 분리막(116) 및 양극(114) 순으로 적층된 구조를 갖는다. 전극 적층체(110)는 권심을 중심으로 권취하여 축전 소자(200)를 형성한다. 최종적으로 권취된 축전 소자(200)는 외곽에 제1 분리막(112)이 위치한다.
이때 전극 적층체(110)는 음극(118)의 길이(b)가 양극(114)의 길이(a) 보다 길다. 전극 적층체(110)는 권취가 시작되는 부분의 음극(118)의 길이가 양극(114)의 길이 보다 길게 하여 음극(118)부터 먼저 권취될 수 있도록 한다.
실시예 및 비교예에 따른 전극 적층체(10,110)에 있어서, 분리막으로는 셀룰로오스계의 종이 분리막을 사용하였다. 양극 활물질층 및 음극 활물질층은 활성탄, 도전재 및 바인더를 혼합하여 형성하였다. 양극 집전체로는 알루미늄 포일을 사용하고, 음극 집전체로는 표면에 알루미늄산화막이 형성된 알루미늄 포일을 사용하였다. 그리고 전해액으로는 유기용매에 4급 암모늄염이 용해된 전해액을 사용하였다.
[충방전 사이클 테스트]
도 5 내지 도 7은 실시예 및 비교예에 따른 권취된 축전 소자를 포함하는 권취형 전기화학 에너지 저장장치에 대한 충방전 테스트 후 축전 소자의 상태를 보여주는 사진이다. 여기서 도 5에 따른 권취형 전기화학 에너지 저장장치는 전해액 함침율이 95%이다. 도 6에 따른 권취형 전기화학 에너지 저장장치는 전해액 함침율이 98%이다. 도 7에 따른 권취형 전기화학 에너지 저장장치는 전해액 함침율이 100%이다. 도 5 내지 도 7에서 (a)는 비교예, (b)는 실시예를 나타낸다.
충방전 테스트는 실시예 및 비교예에 따른 권취형 전기화학 에너지 저장장치에 대해서 1.7~2.7V(△V=1), 100mA/F 조건에서 65,000회 충방전 사이클을 수행하였다. 충방전 테스트 이후에 권취형 전기화학 에너지 저장장치를 분해하여 권취된 축전 소자를 분리한 후 바닥부를 관찰하였다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 비교예에 따른 축전 소자는 중심부가 노란색으로 변화된 것을 확인할 수 있고, 이것은 탄화 현상에 의한 것으로 판단된다.
반면에 실시예에 따른 축전 소자는 중심부의 변색이 확인되지 않았다.
따라서 충방전 사이클에 따른 축전 소자 중심부의 변색 기준으로 판단할 때, 실시에에 따른 축전 소자가 충방전 사이클에 안정적임을 알 수 있다.
[고온 부하 테스트]
실시예 및 비교예에 따른 권취형 전기화학 에너지 저장장치에 대한 고온 부하 테스트는 2.7V 부하를 걸고 65℃ 챔버에 투입한 후 250 시간이 지난 시점에 꺼내 식힌 후 상온에서 용량과 저항을 측정하였다. 측정 결과는 도 8 및 도 9의 그래프로 도시하였다.
도 8은 실시예 및 비교예에 따른 권취형 전기화학 에너지 저장장치의 고온부하 테스트에서의 용량감소율을 보여주는 그래프이다. 도 9는 실시예 및 비교예에 따른 권취형 전기화학 에너지 저장장치의 고온부하 테스트에서의 저항증가율을 보여주는 그래프이다. 여기서 도 8 및 도 9의 그래프에 도시된 측정 결과는 고온 부하 테스트 전에 측정한 초기값과, 250 시간 시점의 측정값을 표시한 것이다. 측정값은 용량과 저항이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 실시예가 비교예와 비교할 때, 용량 감소율이 낮고 저항 증가율도 낮아 상대적으로 전기화학적으로 안정적임을 알 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10, 110 : 전극 적층체
12, 112 : 제1 분리막
14, 114 : 양극
16, 116 : 제2 분리막
18, 118 : 음극
19, 119 : 권취 홀
21, 121 : 양극 단자
23, 123 : 음극 단자
100, 200 : 축전 소자
12, 112 : 제1 분리막
14, 114 : 양극
16, 116 : 제2 분리막
18, 118 : 음극
19, 119 : 권취 홀
21, 121 : 양극 단자
23, 123 : 음극 단자
100, 200 : 축전 소자
Claims (7)
- 양극, 분리막 및 음극을 포함하는 전극 적층체가 권취된 축전 소자를 포함하는 권취형 전기화학 에너지 저장장치로서,
상기 권취된 축전 소자는 상기 양극부터 먼저 권취된 것을 특징으로 하는 권취형 전기화학 에너지 저장장치. - 제1항에 있어서,
상기 양극의 길이가 상기 음극의 길이 보다 긴 것을 특징으로 하는 권취형 전기화학 에너지 저장장치. - 제2항에 있어서,
상기 권취된 축전 소자는 권취가 시작되는 부분의 상기 양극의 길이가 상기 음극의 길이 보다 길게 하여 상기 양극부터 먼저 권취된 것을 특징으로 하는 권취형 전기화학 에너지 저장장치. - 제3항에 있어서, 상기 전극 적층체는,
제1 분리막;
상기 제1 분리막 위에 적층된 상기 양극;
상기 양극 위에 적층된 제2 분리막; 및
상기 제2 분리막 위에 적층되며, 상기 양극 보다 길이가 짧은 상기 음극;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 권취형 전기화학 에너지 저장장치. - 제3항에 있어서,
상기 권취된 축전 소자는 중심에 권취 홀이 형성되고, 상기 권취 홀 내에 양극의 단부와 음극의 단부가 서로 마주보게 권취된 것을 특징으로 하는 권취형 전기화학 에너지 저장장치. - 제3항에 있어서,
상기 권취된 축전 소자는 외곽에 상기 제1 분리막이 위치하는 것을 특징으로 하는 권취형 전기화학 에너지 저장장치. - 제1항에 있어서, 상기 권취형 전기화학 에너지 저장장치는 슈퍼 커패시터, 전기 이중층 커패시터(EDLC) 또는 리튬 이온 커패시터(LIC)를 포함하는 것을 특징으로 하는 권취형 전기화학 에너지 저장장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200027780A KR102336044B1 (ko) | 2020-03-05 | 2020-03-05 | 권취형 전기화학 에너지 저장장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200027780A KR102336044B1 (ko) | 2020-03-05 | 2020-03-05 | 권취형 전기화학 에너지 저장장치 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20210113476A true KR20210113476A (ko) | 2021-09-16 |
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ID=77926734
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020200027780A KR102336044B1 (ko) | 2020-03-05 | 2020-03-05 | 권취형 전기화학 에너지 저장장치 |
Country Status (1)
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| KR (1) | KR102336044B1 (ko) |
Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| JP2005093859A (ja) * | 2003-09-19 | 2005-04-07 | Nichicon Corp | 電気二重層キャパシタ |
| KR20070115579A (ko) * | 2005-03-31 | 2007-12-06 | 후지 주코교 카부시키카이샤 | 리튬 이온 커패시터 |
| KR101476474B1 (ko) | 2007-04-24 | 2014-12-26 | 블루 솔루션즈 | 전기에너지 저장 어셈블리용 모듈 |
| KR101803086B1 (ko) * | 2016-06-08 | 2017-11-29 | 주식회사 네스캡 | 전기화학 커패시터 |
-
2020
- 2020-03-05 KR KR1020200027780A patent/KR102336044B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005093859A (ja) * | 2003-09-19 | 2005-04-07 | Nichicon Corp | 電気二重層キャパシタ |
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| KR101476474B1 (ko) | 2007-04-24 | 2014-12-26 | 블루 솔루션즈 | 전기에너지 저장 어셈블리용 모듈 |
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| Publication number | Publication date |
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