WO2010062071A2 - 고출력 전기에너지 저장장치 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an electrical energy storage device such as a capacitor or a secondary battery. Specifically, a voltage terminal is connected to an electrode of the electrical energy storage device, and a high voltage characteristic is improved by using a voltage measured at the voltage terminal as a control voltage. Electrical energy storage device.
  • Electrical energy storage devices have some electrical resistance, depending on the structure, materials and materials. When such an electric energy storage device is used for driving an industrial device or a vehicle using a large power, there is a problem in that a large difference occurs between a voltage actually stored and a measured voltage by the electric resistance.
  • the present invention is to solve the above-mentioned problems, the problem to be solved by the present invention is to provide an electrical energy storage device that can accurately measure the voltage stored in the actual terminal by excluding the voltage drop according to the current.
  • an electrical energy storage device for storing electrical energy;
  • An anode current terminal and a cathode current terminal connected to the anode electrode and the cathode electrode to apply current;
  • a positive voltage terminal and a negative voltage terminal connected to the positive electrode and the negative electrode to detect the voltage between the positive electrode and the negative electrode, and using the detected positive voltage as a control voltage. It is characterized by controlling the discharge operation.
  • the voltage terminal is attached to the electrode of the electrical energy storage device and the voltage is measured using the voltage terminal, the voltage drop component due to the resistance can be excluded, so that the voltage can be measured more accurately than before. .
  • FIG. 1 is a structural diagram of a unit cell of an electric energy storage device such as a battery or a capacitor.
  • FIG. 2 is a perspective view of an electrode that can be used as an anode electrode or a cathode electrode in a unit cell.
  • FIG. 3 is a perspective view showing an arrangement of electrodes and terminals in a unit cell
  • FIG. 4 is a perspective view showing the arrangement of the electrode assembly and the terminal.
  • FIG. 5 is a perspective view showing a pre-lamination arrangement of a stacked type electric double layer capacitor.
  • 6 is a graph showing voltage and current during constant current charging or discharging of an electric double layer capacitor.
  • FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of a resistance element of the electrical energy storage device shown in FIG.
  • FIG. 8 is a perspective view showing an arrangement of electrodes and terminals of the electric double layer capacitor according to the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a method of connecting a voltage lead according to the present invention to an electrode.
  • FIGS 10A to 10B are perspective views showing the structure of an electric double layer capacitor according to the present invention.
  • FIG. 11 is a perspective view of a series electric double layer capacitor according to the present invention.
  • FIG. 12 is an equivalent circuit diagram of a resistance element of the electric double layer capacitor unit cell of FIG. 10.
  • 13a to 13b are graphs showing the charging and discharging behavior of the electric double layer capacitor according to the present invention.
  • FIG. 1 is a structural diagram of a unit cell of an electric energy storage device such as a battery or a capacitor.
  • the unit cell of the electrical energy storage device includes a positive electrode 110, a negative electrode 120, a separator 130, and a positive terminal ( 140, a negative terminal 150, an electrolyte 180, and a case 190 may be included.
  • the anode electrode 110 and the cathode electrode 120 are composed of an active material and a current collector.
  • the configuration of the electrodes 110 and 120 will be described later with reference to FIG. 2.
  • the electrolyte 180 is a carrier of ions, and may store electrical energy in the active material through the ions.
  • the electrolyte 180 is an essential element for an electrochemical or electrolytic cell such as a battery, an electric double layer capacitor, and an aluminum electrolytic capacitor, but is not necessarily required for an electrostatic cell such as a film capacitor.
  • the separator 130 is inserted between the anode electrode 110 and the cathode electrode 120 to be electrically insulated from each other. However, if the structure can electrically insulate between the anode electrode 110 and the cathode electrode 120, the unit cell can be configured without the separator 130.
  • a liquid electrolyte such as a secondary battery, an electric double layer capacitor, or an aluminum electrolytic capacitor
  • a porous sheet such as paper or fiber, which transmits ions of the liquid electrolyte but is electrically insulator, may be used as the separator 130.
  • the terminals 140 and 150 serve as passageways through which electrical energy is transferred to the electrical energy storage device, and may be applied in various forms for each application.
  • the case 190 is to isolate the electrical energy storage device from the outside and may be formed of various materials and shapes according to the type of the electrical energy storage device.
  • FIG 2 is a perspective view of an electrode that may be used as an anode electrode or a cathode electrode in a unit cell.
  • the anode electrode 110 will be described as an example.
  • the electrode 110 includes a current collector 111 and an active material layer 112.
  • the active material layer 112 serves to store electrical energy, and the current collector 111 serves as a passage through which electrical energy of the active material layer may move.
  • activated carbon is mainly used as an active material
  • an aluminum sheet may be mainly used as the current collector 111, and particularly, to improve adhesion to the active material layer.
  • the aluminum sheet whose surface was etched can be used.
  • the active material layer 112 is mixed with powdered activated carbon, a binder, a conducting agent, and a solvent to form a slurry or paste, and then roll coated. Coating) is applied directly to the current collector 111, or an active material sheet is made using a method such as calendering (Calendering) and then the electrode 110 by adhering to the current collector 111 using a conductive adhesive ) Can be formed.
  • the electrode 110 may be configured by forming an active material layer 112 by etching an active material on the aluminum sheet current collector 111.
  • the active material layer 112 is generally formed on both surfaces of the current collector 111, and in the case of the electric double layer capacitor, the anode electrode 110 and the cathode electrode 120 are formed on the electrode 110.
  • the same active material can be used.
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating an arrangement of electrodes and terminals in a unit cell.
  • connecting means in the current collector of the anode electrode 110 and the cathode electrode 120 by using a bonding method such as stitching and welding (141,151).
  • a bonding method such as stitching and welding (141,151).
  • the separator 130 may be located between the anode electrode 110 and the cathode electrode 120.
  • the unit cell may be applied to an electric energy storage device such as a secondary battery, an electric double layer capacitor, an aluminum electrolytic capacitor, and a film capacitor.
  • FIG. 4 is a perspective view showing the arrangement of the wound electrode assembly and the terminal.
  • the electrode assembly 100 illustrated in FIG. 4 may be made by winding the anode electrode 110, the cathode electrode 120, the leads 141 and 151 and the separator 130 shown in FIG. 3, and then the lead ( 141 and 151 are connected to the terminals 140 and 150, respectively.
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating a lamination arrangement of a stacked type electric double layer capacitor.
  • active materials layers 222 are formed on both surfaces of the current collector 221 to form an electrode, and leads 251 connected to the terminals are formed on the current collector 221.
  • the cathode electrode 210, the cathode electrode 220, and the separator 230 configured as described above are stacked together to form an electrode assembly.
  • the anode lead 241 of the anode electrode 210 and the cathode lead of the cathode electrode 220 are formed.
  • 251 may be connected to terminals of each polarity.
  • the electrical energy storage device as described above has a certain electrical resistance depending on the structure, material and material.
  • a small current such as for memory backup
  • various problems can be caused by its electrical resistance.
  • FIG. 6 is a graph illustrating voltage and current during constant current charging or discharging of the aforementioned electric double layer capacitor.
  • FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of a resistance element of the electrical energy storage device shown in FIG. 3.
  • R T (+) and R T ( ⁇ ) represent the self resistance of the positive electrode terminal or the negative electrode terminal.
  • R T- L (+) and R TL (-) are the contact resistances generated at the connection surface between the terminal and the lead.
  • R L (+) and R L (-) are the self-resistances of the positive or negative lead
  • R LC (+) and R LC (-) are the contact resistances generated at the interface between the lead and the current collector of the electrode.
  • R C (+) and R C (-) are self-resistances occurring in the current collector of the terminal.
  • R CA (+) and R CA ( ⁇ ) are the contact resistances between the current collector and the active material layer, and R A (+) and R A ( ⁇ ) are the self resistances of the active material layer of the electrode.
  • R E is the resistance due to the ionic conductivity of the electrolyte.
  • the resistance R E caused by the electrolyte is inversely proportional to the electrode area, as the capacity of the electric energy storage device decreases, the area of the electrode decreases, so the R E increases, and as the capacity of the electric energy storage device increases, R E decreases. Done. Therefore, as the capacity of the electrical energy storage device increases, the specific gravity of the remaining portion except for R E in the total resistance increases.
  • the resistance R E by the electrolyte is a characteristic of the electrolyte itself, there is a limit in reducing it.
  • the charging and discharging of the electric energy storage device having the above-described structure is controlled through the voltage detected through the terminal. Therefore, when no current flows through the electric energy storage device, the voltage of the electrode through which the electric energy is stored is stored. It can be measured accurately. However, when a current is applied to the electrical energy storage device, a voltage drop is generated by the resistance of the current path as shown in FIG. 7. Therefore, when the voltage is measured using the terminal, the voltage of the electrode as well as the current path is measured. The voltage drop component due to resistance is also included, so accurate measurement of the voltage is difficult.
  • FIG. 8 is a perspective view showing an arrangement of electrodes and terminals of an electric double layer capacitor according to the present invention.
  • an anode current lead 341 and an anode voltage lead 361 are connected to the anode electrode 310.
  • the positive current lead 341 is a path through which current flows with the outside, and is connected to the positive current terminal 340, and the positive voltage lead 361 is used to detect the voltage of the positive electrode 310. 360).
  • the cathode current lead 351 connected to the cathode current terminal 350 and the cathode voltage lead 371 connected to the cathode voltage terminal 370 to detect the voltage of the cathode electrode 320 are provided in the cathode electrode 320. Connected. As described above, the voltage leads 361 and 371 may be wound together with the anode electrode 310, the cathode electrode 320, and the separator 330 to form an electrode assembly.
  • the electrodes 310 and 320 move away from the current leads 341 and 351, the resistance by the current collector increases, so that the applied current decreases. Therefore, the electrode part farther from the current leads 341 and 351 is closer to the current lead. Charge and discharge rate is reduced.
  • the voltage leads 361 and 371 are connected to a portion farthest from the current leads 341 and 351 at the electrode (for example, an edge portion of the electrode as shown in FIG. 8).
  • the material of the voltage leads 361 and 371 preferably uses the same series of materials as that of the current collector.
  • FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a method of connecting a voltage lead according to the present invention to an electrode.
  • the anode electrode will be described as an example.
  • the voltage lead 361 is connected on the active material layer 312 formed in the current collector of the electrode 310.
  • the voltage lead 361 is for detecting the voltage of the electrode 310. Since a small amount of current flows in the voltage lead 361 for detecting the voltage, the contact resistance between the voltage lead 361 and the active material layer is the voltage of the electrode. The effect on detection is not great. Therefore, the voltage lead 361 may be formed by attaching the conductive lead to the active material layer of the electrode by using a conductive adhesive or by inserting the electrode into the predetermined position while winding the electrode 310 and the separator 330.
  • FIG. 10 illustrates a case where a portion of the electrode lead 310 located on the active material layer uses a voltage-shaped voltage lead 361. Further, not only the portion located on the active material layer but also the entire portion of the voltage lead 361 may be formed in a net shape. By using such a voltage lead 361, it is possible to prevent the voltage lead 361 from interfering with the movement of ions present in the electrolyte even in an electrical energy storage device using an electrolyte.
  • FIG. 11 illustrates a case where the voltage lead 361 is attached to the current collector 311 of the electrode 310.
  • the active material layer 312 of the electrode portion to which the voltage lead 361 is attached is removed or the voltage lead 361 is removed.
  • a binder and a conductive agent are used to form the active material layer 312 in the current collector 311.
  • the binder is an insulator
  • the active material layer 312 also has a certain amount of Since it has a resistance, it is preferable to connect the voltage lead 361 on the active material layer 312 of the electrode in order to minimize this resistance.
  • FIG 12 and 13 are perspective views showing the structure of the electric double layer capacitor according to the present invention.
  • the anode assembly 310, the cathode electrode 320, and the separator 330 illustrated in FIG. 8 may be wound together with the leads 341, 351, 361 and 371 to form an electrode assembly.
  • the positive electrode current lead 341 and the negative electrode current lead 351 of the electrode assembly may be a cathode current terminal 340 and a cathode current terminal 350 of the terminal plate by means of welding, riveting, soldering, or conductive adhesive as described above.
  • the positive voltage lead 361 and the negative voltage lead 371 are also connected to the positive voltage terminal 360 and the negative voltage terminal 370 of the terminal plate by means of welding, riveting, soldering, or conductive adhesive. Each is connected.
  • the electrolyte is injected into the electrolyte injection hole 381 formed in the terminal plate after being placed in the case 390 to seal the terminal plate and sealing the terminal plate.
  • the electric double layer capacitor unit cell as shown in FIG. 10B can be completed.
  • the unit cell of the electrical energy storage device thus completed has a rated voltage of only 2.5 to 3.6V.
  • electrical devices that use electrical energy often require tens or hundreds of volts. Therefore, in order to satisfy the required voltage as described above, the unit cell of the electrical energy storage device can be connected in series.
  • FIG. 14 is a perspective view of a series electric double layer capacitor according to the present invention.
  • the series electric double layer capacitor according to the present invention electrically connects the electric double layer capacitor unit cell of FIG. 10 by using a conductor such as metal, such as welding, soldering, and screw.
  • the current terminals 350 and 350 ' are connected in series with the current terminals 340' and 340 ', and the voltage terminals 370 and 370' in series with the voltage terminals 360 'and 360'.
  • FIG. 15 is an equivalent circuit diagram of a resistance element of the electric double layer capacitor unit cell of FIG. 10.
  • the resistive elements of the electric double layer capacitor unit cell according to the present invention are the same as those of the resistive element shown in FIG. 7, but as the voltage lead is disposed on the active material layer of the electrode, The negative voltage lead 371 may be directly connected to both ends of the electrolyte resistance R E. Therefore, the voltage between both the positive voltage terminal 360 and the negative voltage terminal 370 may include only the voltage drop between the positive electrode and the negative electrode and the voltage drop due to the electrolyte resistance.
  • the resulting voltage will show a big difference. That is, as shown in FIG. 15, voltages across the current terminals 340 and 350 include all voltage drop components of all resistance elements, but only voltage drop components due to electrolyte resistance are included in voltages across the voltage terminals 360 and 370. .
  • 16 is a graph showing the charging and discharging behavior of the electric double layer capacitor according to the present invention.
  • (a) graph is a graph showing the voltage and the current when the electric double layer capacitor according to the present invention is controlled to charge and discharge by using the voltage between both terminals (340, 350), (b) The graph is a graph showing the voltage and the current when the electric double layer capacitor according to the present invention is controlled to charge and discharge by using the voltage between the voltage terminals 360 and 370.
  • the discharge time is long as ⁇ T d when the electric double layer capacitor is controlled by using the voltages between the voltage terminals 360 and 370 shown in (b). That is, when the electric double layer capacitor is discharged using the voltages at both ends of the voltage terminals 360 and 370 as the control voltage, the electric energy of the electric double layer capacitor can be further utilized.
  • the voltage drop component due to the resistance included in the voltages 340 and 350 of the current terminals also increases, so that the difference in the discharge time increases more than when the voltage is discharged using the voltage terminals 360 and 370.
  • the voltage at both ends of the current terminals 340 and 350 may exceed the rated voltage. This is because the actual electrode voltage has not yet reached the rated voltage, but the voltage at both ends of the current terminals 340 and 350 includes a voltage drop component due to resistance between both ends of the current terminal.
  • the present invention is very effective.
  • a voltage refers to a voltage of an electrode, but in a secondary battery using a conventional terminal structure, when a current is applied to a terminal, voltages between both terminals include a voltage drop component due to the electrode voltage and resistance. It is. Therefore, the capacity decreases as the current applied to the terminal increases due to the voltage drop caused by the resistor.
  • the present invention is very effective for large current charging as well as large current discharge in the case of a secondary battery.
  • the electric double layer capacitor is mainly used among the electric energy storage devices, but the present invention is not limited to the electric double layer capacitor.
  • the invention can also be used for capacitors that do not use electrolyte.
  • the present invention can be used in electrical energy storage devices such as capacitors such as electric double layer capacitors, aluminum electrolytic capacitors, film capacitors, batteries such as lead acid batteries, nickel-hydrogen batteries, nickel cadmium batteries, lithium ion batteries or fuel cells.
  • capacitors such as electric double layer capacitors, aluminum electrolytic capacitors, film capacitors, batteries such as lead acid batteries, nickel-hydrogen batteries, nickel cadmium batteries, lithium ion batteries or fuel cells.
  • the present invention can be used in an electrical energy storage device that can accurately measure the voltage stored in the actual terminal by excluding the voltage drop according to the current.

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Abstract

본 발명은 캐패시터나 이차전지 등의 전기에너지 저장장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 전압단자를 이용하여 고출력 특성을 향상시킨 전기에너지 저장장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전기에너지 저장장치는, 전기에너지를 저장하는 양극전극 및 음극전극; 상기 양극전극 및 상기 음극전극에 접속되어 전류를 인가하는 양극 전류단자 및 음극 전류단자; 및 상기 양극전극 및 상기 음극전극에 접속되어 상기 양극전극과 상기 음극전극 사이의 양단 전압을 검출하는 양극 전압단자 및 음극 전압단자;를 포함하며, 상기 검출된 양단 전압을 제어전압으로 이용하여 충전 또는 방전동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

고출력 전기에너지 저장장치
본 발명은 캐패시터나 이차전지 등의 전기에너지 저장장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 전기에너지 저장장치의 전극에 전압단자를 접속하고, 그 전압단자에서 측정된 전압을 제어전압으로 이용하여 고출력 특성을 향상시킨 전기에너지 저장장치에 관한 것이다.
전기에너지 저장장치는 구조, 재료 및 재질에 따라 어느 정도의 전기저항을 갖는다. 이러한 전기에너지 저장장치가 대전력을 사용하는 산업용 기기나 자동차의 구동용으로 사용될 때에는 그 전기저항에 의하여 실제 축전된 전압과 측정되는 전압 사이에 차이가 크게 발생하게 되는 문제점이 있다.
즉, 전기에너지 저장장치에 전류가 인가된 상태에서 전압을 측정하게 되면 전류이동경로의 저항에 의하여 전압강하가 발생하게 되며, 따라서 이러한 상태에서 전류가 인가된 전극으로 전압을 측정하면 실제 전극의 전압뿐만 아니라 전류이동경로의 저항에 의한 전압강하성분도 포함되기 때문에 정확한 전압을 측정하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전류에 따른 전압강하를 배제하여 실제 단자에 축전된 전압을 정확하게 측정할 수 있는 전기에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
전술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일면에 따른 전기에너지 저장장치는, 전기에너지를 저장하는 양극전극 및 음극전극; 상기 양극전극 및 상기 음극전극에 접속되어 전류를 인가하는 양극 전류단자 및 음극 전류단자; 및 상기 양극전극 및 상기 음극전극에 접속되어 상기 양극전극과 상기 음극전극 사이의 양단 전압을 검출하는 양극 전압단자 및 음극 전압단자;를 포함하며, 상기 검출된 양단 전압을 제어전압으로 이용하여 충전 또는 방전동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 전압 단자를 전기에너지 저장장치의 전극에 부착하고 이러한 전압단자를 이용하여 전압을 측정하여 저항에 의한 전압강하 성분을 배제할 수 있으므로, 종래보다 정확하게 전압을 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한 전압단자를 통하여 검출된 양단전압을 제어전압으로 이용함으로써, 전기에너지 저장장치의 대전류 특성을 향상시킬 수 있어, 전기에너지 저장장치의 충전 또는 방전 효율성을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한 정확한 전압을 기초로 충전 및 방전을 수행함으로써, 전기에너지 저장장치의 가용용량을 실질적으로 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
전압단자와 전류단자를 사용함으로써 기존의 저장장치에 비해 대전류 특성을 향상시킬 수 있어, 충전 및 방전성능을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 전지나 캐패시터 같은 전기에너지 저장장치의 단위셀의 구조도.
도 2는 단위셀에서 양극전극 또는 음극전극으로 사용될 수 있는 전극의 사시도 .
도 3은 단위셀에서 전극과 단자의 배치를 나타낸 사시도.
도 4는 전극조립체와 단자의 배치를 나타낸 사시도.
도 5는 적층형 전기이중층 캐패시터의 적층전 배치를 나타낸 사시도.
도 6은 전기이중층 캐패시터의 정전류 충전 또는 방전시 전압 및 전류를 도시한 그래프.
도 7은 도 3에 도시된 전기에너지 저장장치의 저항요소에 대한 등가회로도.
도 8은 본 발명에 따른 전기이중층 캐패시터의 전극과 단자의 배치상태를 나타낸 사시도.
도 9는 본 발명에 따른 전압리드를 전극에 접속하는 방법을 나타낸 개략도.
도 10a 내지 도 10b는 본 발명에 따른 전기이중층 캐패시터의 구조를 나타낸 사시도.
도 11는 본 발명에 따른 직렬 전기이중층 캐패시터의 사시도.
도 12는 도 10의 전기이중층 캐패시터 단위셀의 저항요소에 대한 등가회로도.
도 13a 내지 도 13b는 본 발명에 따른 전기이중층 캐패시터의 충전, 방전 거동을 나타내는 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 전지(Battery)나 캐패시터(Capacitor) 같은 전기에너지 저장장치의 단위셀(Unit Cell)의 구조도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전기에너지 저장장치 단위셀은 양극전극(Positive Electrode)(110), 음극전극(Negative Electrode)(120), 세퍼레이터(Separator)(130), 양극단자(Positive Terminal)(140), 음극단자(Negative Terminal)(150), 전해액(Electrolyte)(180), 및 케이스(190)를 포함하여 구성될 수 있다.
양극전극(110)과 음극전극(120)에는 전기에너지가 저장된다. 일반적으로 양극전극(110)과 음극전극(120)은 활물질(Active Material)과 집전체(Current Collector)로 구성된다. 이러한 전극(110,120)의 구성은 도 2를 참조하여 후술한다.
전해액(180)은 이온의 이동 매개체로서, 이러한 이온을 통하여 활물질에 전기에너지를 저장할 수 있다. 이러한 전해액(180)은 전지나 전기이중층 캐패시터, 알루미늄 전해 콘덴서(Aluminum Electrolytic Capacitor) 같은 전기화학셀(Electrochemical or Electrolytic Cell)에는 반드시 필요한 요소이지만, 필름콘덴서 같은 정전기셀(Electrostatic Cell)에는 반드시 필요하지 않다.
세퍼레이터(130)는 양극전극(110)과 음극전극(120) 사이에 삽입되어 두 전극 상호간에 전기적으로 절연되도록 한다. 그러나 구조적으로 양극전극(110)과 음극 전극(120) 사이를 전기적으로 절연시킬 수 있다면, 세퍼레이터(130) 없이도 단위셀을 구성할 수 있다.
이차전지, 전기이중층 캐패시터, 알루미늄 전해 콘덴서와 같이 액체 전해액이 사용되는 경우, 이러한 세퍼레이터(130)로서 액체전해질의 이온은 투과시키지만 전기적으로는 부도체인 종이나 섬유 같은 다공성 시트가 사용될 수 있다.
단자(140,150)는 전기에너지 저장장치에 전기에너지가 전달되는 통로역할을 하는 것으로 응용분야별로 다양한 형태로 적용될 수 있다.
케이스(190)는 전기에너지 저장장치를 외부와 격리시키기 위한 것으로 전기에너지 저장장치 종류에 따라 다양한 재질과 형상으로 구성될 수 있다.
도 2는 단위셀에서 양극전극 또는 음극전극으로 사용될 수 있는 전극의 사시도이다. 이하에서는 양극전극(110)을 예로서 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전극(110)은 집전체(Current Collector)(111)와 활물질(Active Material)층(112)으로 구성된다.
활물질층(112)은 전기에너지를 저장하는 역할을 하며, 집전체(111)는 활물질층의 전기에너지가 이동할 수 있는 통로로서의 역할을 수행한다.
전기이중층 캐패시터(Electric Double Layer Capacitor)의 경우, 활물질로는 주로 활성탄소(Activated Carbon)가 사용되고, 집전체(111)로는 알루미늄 시트가 주로 사용될 수 있으며, 특히 활물질층과의 접착성을 향상시키기 위해 표면이 에칭처리된 알루미늄 시트를 사용할 수 있다. 그 후 활물질층(112)을 파우더상의 활성탄소와 바인더(Binder), 도전제(Conductivity Improving Agent), 용매(Solvent)를 혼합하여 슬러리(Slurry)나 페이스트(Paste)로 만든 후, 롤코팅(Roll Coating)과 같은 방법을 사용하여 집전체(111)에 직접 도포되거나, 칼렌더링(Calendering)과 같은 방법을 사용하여 활물질시트를 만든 후 도전성접착제를 사용하여 집전체(111)에 접착하여 전극(110)을 형성할 수 있다.
반면, 알루미늄 전해콘덴서의 경우에는, 알루미늄 시트 집전체(111)에 활물질을 에칭처리(Etching Treatment)하여 활물질층(112)을 형성함으로써 전극(110)을 구성할 수 있다.
이러한 전극은, 도 2에 도시된 바와 같이, 일반적으로 집전체(111)의 양쪽 면에 활물질층(112)이 형성되며, 또한 전기이중층 캐패시터의 경우 양극전극(110)과 음극전극(120)에는 동일한 활물질이 사용될 수 있다.
도 3은 단위셀에서 전극과 단자의 배치를 나타낸 사시도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 양극전극(110)과 음극전극(120)의 집전체에 스티칭, 용접과 같은 접착방법을 이용하여 연결수단(이하에서는, '리드'의 경우로서 설명함)(141,151)이 접속되고, 이러한 리드(141,151)는 용접이나 리벳팅과 같은 방법으로 단자(140,150)에 접속될 수 있다. 그리고 양극전극(110)과 음극전극(120) 사이에 세퍼레이터(130)가 위치할 수 있다. 이러한 단위셀의 구성은 이차전지, 전기이중층 캐패시터, 알루미늄 전해콘덴서, 필름콘덴서와 같은 전기에너지 저장장치에 적용될 수 있다.
도 4는 권취형 전극조립체와 단자의 배치를 나타낸 사시도이다.
도 4에 도시된 전극조립체(100)는 도 3에 도시된 양극전극(110), 음극전극(120), 리드(141,151) 및 세퍼레이터(130)를 함께 권취하여 만들어질 수 있으며, 그 후 리드(141,151)를 각각의 단자(140,150)에 접속한다.
도 5는 적층형 전기이중층 캐패시터의 적층 배치를 나타낸 사시도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 집전체(221)의 양쪽 면에는 활물질층(222)이 형성되어 전극을 구성하며, 또한 집전체(221)에는 단자에 연결되는 리드(251)가 형성되어 있다. 이와 같이 구성된 양극전극(210) 및 음극전극(220)과 세퍼레이터(230)가 함께 적층되어 전극조립체가 만들어지며, 이때 양극전극(210)의 양극 리드(241)와 음극전극(220)의 음극 리드(251)는 각 극성의 단자에 접속될 수 있다.
전술한 바와 같은 전기에너지 저장장치는 구조, 재료 및 재질에 따라 어느 정도의 전기저항을 갖는다. 이러한 전기에너지 저장장치가 메모리 백업용과 같이 작은 전류가 사용되는 응용분야에 사용될 때에는 전기에너지 저장장치의 전기저항이 크더라도 특별한 문제를 야기하지는 않지만, 전기에너지 저장장치가 대전력을 사용하는 산업용 기기나 자동차의 구동용으로 사용될 때에는 그 전기저항에 의하여 다양한 문제를 야기할 수 있다.
도 6은 전술한 전기이중층 캐패시터의 정전류 충전 또는 방전시 전압 및 전류를 도시한 그래프이다.
도시된 바와 같이, 충전 또는 방전전류가 크면 충전 또는 방전 시간이 더 단축됨을 알 수 있다. 또한 충전 또는 방전 전류가 증가하면 전기이중층 캐패시터의 자체 전기저항에 의한 전압강하가 증가하게 되며, 이로 인하여 전기이중층 캐패시터의 사용가능한 용량이 저하됨을 알 수 있다. 이러한 현상은 전기이중층 캐패시터뿐만 아니라 이차전지 같은 전기에너지 저장장치에서 나타날 수 있는 일반적인 현상으로, 이러한 전기에너지 저장장치 자체의 전기저항은 전기에너지 저장장치의 구조 및 재료에서 기인하여 발생할 수 있다.
도 7은 도 3에 도시된 전기에너지 저장장치의 저항요소에 대한 등가회로도이다.
도 7에서 RT(+), RT(-)는 양극단자 또는 음극단자의 자체저항을 나타낸다. RT-L(+), RT-L(-)는 단자와 리드 사이의 접속면에서 발생되는 접촉저항이다. RL(+), RL(-)는 양극리드 또는 음극리드의 자체저항이고, RL-C(+), RL-C(-)는 리드와 전극의 집전체 사이의 접속면에서 발생되는 접촉저항이며, RC(+), RC(-)는 단자의 집전체에서 발생하는 자체저항이다. RC-A(+), RC-A(-)는 집전체와 활물질층 사이의 접촉저항이고, RA(+), RA(-)는 전극의 활물질층의 자체저항이다. RE는 전해질의 이온전도도에 의한 저항이다.
이러한 전해액에 의한 저항 RE는 전극면적에 반비례하므로, 전기에너지 저장장치의 용량이 감소하면 전극의 면적이 감소하게 되므로 RE가 증가하게 되고, 전기에너지 저장장치의 용량이 증가할수록 RE는 감소하게 된다. 따라서 전기에너지 저장장치의 용량이 증가할수록 전체저항에서 RE를 제외한 나머지 부분의 비중이 증가한다. 또한 전해액에 의한 저항 RE는 전해액 자체의 특성이므로 이를 줄이는 데에는 한계가 있다.
전술한 구조를 갖는 전기에너지 저장장치의 충전과 방전을 제어는 단자를 통해 검출된 전압을 통하여 이루어지며, 따라서 전기에너지 저장장치에 전류가 흐르지 않을 때에는 단자를 통하여 전기에너지가 저장되는 전극의 전압을 정확하게 측정할 수 있다. 그러나 전기에너지 저장장치에 전류가 인가된 상태에서는 도 7에 도시된 바와 같은 전류이동경로의 저항에 의하여 전압강하가 발생하게 되며, 따라서 단자를 이용하여 전압을 측정하면 전극의 전압뿐만 아니라 전류이동경로의 저항에 의한 전압강하성분도 포함되어 정확한 전압의 측정이 어렵다.
도 8은 본 발명에 따른 전기이중층 캐패시터의 전극과 단자의 배치상태를 나타낸 사시도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 양극전극(310)에는 양극 전류리드(341) 및 양극 전압리드(361)가 연결되어 있다. 양극 전류리드(341)는 외부와 전류가 전달되는 통로로서 양극 전류단자(340)와 연결되어 있으며, 양극 전압리드(361)는 양극전극(310)의 전압을 검출하기 위하여 사용되며 양극 전압단자(360)와 연결되어 있다. 마찬가지로 음극전극(320)에도, 음극 전류단자(350)에 연결된 음극 전류리드(351) 및 음극전극(320)의 전압을 검출하기 위하여 음극 전압단자(370)와 연결되는 음극 전압리드(371)가 연결된다. 이러한 전압리드(361,371)는 전술한 바와 같이 양극전극(310), 음극전극(320) 및 세퍼레이터(330)와 함께 권취되어 전극조립체를 형성할 수 있다.
이러한 전극(310,320)은 전류리드(341,351)로부터 거리가 멀어질수록 집전체에 의한 저항이 증가하여 인가되는 전류가 작아지므로, 따라서 전류리드(341,351)에서 먼 전극부분은 전류리드와 가까운 부분에 비해 충전 및 방전속도가 감소한다.
따라서 전압리드(361,371)는 전극에서 전류리드(341,351)와 가장 거리가 먼 부분(예컨대, 도 8과 도시된 바와 같이 전극의 모서리 부분)에 접속되는 것이 더욱 바람직하다. 또한 전압리드(361,371)의 재질은 집전체의 재질과 동일한 계열의 재질을 사용하는 것이 바람직하다.
도 9는 본 발명에 따른 전압리드를 전극에 접속하는 방법을 나타낸 개략도이다. 이하에서는 양극전극을 예로 설명한다.
도 9는 전압리드(361)가 전극(310)의 집전체에 형성된 활물질층(312) 위에 접속된 것을 도시한다. 전압리드(361)는 전극(310)의 전압을 검출하기 위한 것으로, 전압리드(361)에는 전압검출을 위한 미량의 전류가 흐르므로 전압리드(361)와 활물질층과의 접촉저항이 전극의 전압검출에 주는 영향은 크지 않다. 따라서 전압리드(361)는 전극의 활물질층에 도전성접착제를 사용하여 부착하거나 혹은 전극(310)과 세퍼레이터(330)를 권취하는 도중에 정해진 위치에 삽입하여 형성될 수 있다.
도 10은 전극(310)의 활물질층 위에 위치하는 부분이 그물모양인 전압리드(361)를 사용한 경우를 도시한 것이다. 또한 활물질층 위에 위치하는 부분 뿐만 아니라 전압리드(361)의 전체적인 부분이 그물모양이 되도록 실시할 수도 있다. 이러한 전압리드(361)를 사용함으로써, 전해질을 사용하는 전기에너지 저장장치에 있어서도 전압리드(361)가 전해질에 존재하는 이온의 이동을 방해하는 것을 방지할 수 있다.
도 11은 전압리드(361)가 전극(310)의 집전체(311)에 부착된 경우를 나타내는 것으로, 전압리드(361)가 부착되는 전극부분의 활물질층(312)을 제거하거나 전압리드(361)가 부착되는 부분에 활물질층을 도포하지 않고 전극(310)을 제작한 후 전압리드(361)를 용접, 스티칭, 솔더링, 도전성접착제와 같은 접속수단을 사용하여 전극의 집전체에 접속함으로써 형성할 수 있다.
일반적으로 파우더 형태의 활물질을 사용하는 경우, 집전체(311)에 활물질층(312)을 형성시키기 위하여 바인더와 도전제를 사용하게 되고, 대부분의 경우 바인더는 부도체이므로 활물질층(312)도 일정량의 저항을 갖게 되므로, 이러한 저항을 최소화하기 위하여 전압리드(361)를 전극의 활물질층(312)위에 접속시키는 것이 바람직하다.
도 12 및 도 13은 본 발명에 따른 전기이중층 캐패시터의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 도 8에 도시된 양극전극(310), 음극전극(320) 및 세퍼레이터(330)를 리드들(341,351,361,371)과 함께 권취하여 전극조립체를 형성할 수 있다. 이러한 전극조립체의 양극 전류리드(341)와 음극 전류리드(351)는 전술한 바와 같이 용접, 리벳팅, 솔더링, 도전성 접착제 같은 수단을 사용하여 단자판의 양극 전류단자(340)와 음극 전류단자(350)에 각각 접속되고, 양극 전압리드(361)와 음극 전압리드(371) 또한 용접, 리벳팅, 솔더링, 도전성 접착제 같은 수단을 사용하여 단자판의 양극 전압단자(360)와 음극 전압단자(370)에 각각 접속된다.
각 리드(341,351,361,371)와 그에 대응되는 단자(340,350,360,370)를 접속한 후, 케이스(390)에 넣고 단자판을 덮어 밀봉한 후 단자판에 형성되어 있는 전해액 주입구(381)로 전해액을 주입하고 전해액 주입구(381)를 밀봉함으로써, 도 10b에 도시된 것과 같은 전기이중층 캐패시터 단위셀을 완성할 수 있다.
이와 같이 완성된 전기에너지 저장장치의 단위셀은 그 정격전압이 2.5 ~ 3.6V에 불과하다. 그러나 전기에너지를 사용하는 전기기기들이 필요 전압은 수십 또는 수백 볼트인 경우도 허다하다. 따라서 이와 같이 필요 전압을 만족시키기 위하여, 전기에너지 저장장치 단위셀을 직렬로 연결하여 사용할 수 있다.
도 14는 본 발명에 따른 직렬 전기이중층 캐패시터의 사시도이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 직렬 전기이중층 캐패시터는 도 10의 전기이중층 캐패시터 단위셀을 금속 등의 도체(Conductor)를 이용하여 용접, 솔더링, 나사와 같은 방법으로 전기적으로 직렬 연결한 것으로, 전류단자(350,350')는 전류단자(340',340'')와, 전압단자(370,370')는 전압단자(360',360'')와 직렬로 연결된다.
이와 같이 전기이중층 캐패시터를 직렬로 연결한 후, 양쪽 끝단에 위치한 단위셀의 전류단자(340,350'')에 전류를 공급하고 양쪽 끝단에 위치한 단위셀의 전압단자(360, 370'') 사이의 전압을 검출함으로써, 직렬로 연결된 전기이중층 캐패시터에 인가된, 저항에 의한 전압강하 성분이 제외된 전압을 검출할 수 있다.
도 15는 도 10의 전기이중층 캐패시터 단위셀의 저항요소에 대한 등가회로도이다.
도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기이중층 캐패시터 단위셀의 저항 요소들은 도 7에 도시된 저항요소와 동일하지만, 전압리드가 전극의 활물질층 위에 배치됨에 따라 양극 전압리드(361)와 음극 전압리드(371)는 전해액 저항(RE)의 양단에 바로 연결될 수 있다. 따라서 양극 전압단자(360)와 음극 전압단자(370)의 양단전압에는 양극전극과 음극전극 사이의 전압 및 전해액 저항에 의한 전압강하 만이 포함될 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 전기이중층 캐패시터를 충전, 방전시키는 과정에서 양극 전류단자(340)와 음극 전류단자(350) 양단에서 측정되는 전압과 양극 전압단자(360)와 음극 전압단자(370) 양단에서 측정되는 전압은 큰 차이를 나타나게 된다. 즉, 도 15에서 나타나듯이 전류단자(340,350) 양단전압에는 모든 저항요소에 의한 전압강한 성분이 모두 포함되어 있지만, 전압단자(360,370) 양단전압에는 전해액 저항에 의한 전압강하 성분만이 포함되어 있을 뿐이다.
도 16은 본 발명에 따른 전기이중층 캐패시터의 충전, 방전 거동을 나타내는 그래프이다.
도 16에서, (a) 그래프는 본 발명에 따른 전기이중층 캐패시터를, 전류단자 간(340,350)의 양단 전압을 사용하여 충전과 방전을 제어한 경우에 전압과 전류를 도시한 그래프이고, (b) 그래프는 본 발명에 따른 전기이중층 캐패시터를, 전압단자 간(360,370)의 양단 전압을 사용하여 충전과 방전을 제어한 경우에 전압과 전류를 도시한 그래프이다.
(a) 그래프와 (b) 그래프의 방전과정에서 비교하면, (b)에 도시된 전압단자 간(360,370)의 양단 전압을 사용하여 전기이중층 캐패시터를 제어한 경우가 방전시간이 ΔTd 만큼 길다. 즉 전압단자(360,370)의 양단 전압을 제어전압으로 사용하여 전기이중층 캐패시터를 방전시킬 경우, 전기이중층 캐패시터의 전기에너지를 더 활용할 수 있음을 알 수 있다. 또한 방전 전류가 증가할수록 전류단자의 양단 전압(340,350)에 포함된 저항에 의한 전압강하 성분도 증가하므로, 전압단자(360,370)를 이용하여 방전할 때 보다 방전시간의 차이는 더 증가한다.
또한 (a) 그래프와 (b) 그래프의 충전과정을 비교하면, 전압단자(360,370)의 양단 전압을 제어전압으로 사용하여 전기이중층 캐패시터를 정전류 충전시킨 경우가, 전류단자(340,350)의 양단전압을 제어전압으로 사용한 경우보다 충전시간이 더 길다. 또한 충전 후 전압에 있어서도, 전압단자(360,370)의 양단 전압을 제어전압으로 사용한 경우가 전류단자(340,350)의 양단전압을 제어전압으로 사용한 경우보다 충전 후 전압이 더 높다. 또한 이러한 차이는 충전전류가 증가할수록 더욱 증가함은 자명하다.
특히, (b)에 도시된 정전류 충전과정에서 나타나듯이, 전압단자(360,370)의 양단 전압을 제어전압으로 충전하면, 전류단자(340,350)의 양단 전압이 정격전압을 초과할 수 있다. 이는 실제적인 전극의 전압은 아직 정격전압에 도달하지 못하였지만, 전류단자(340,350)의 양단 전압은 전류단자의 양단 사이의 저항에 의한 전압강하성분이 포함되어 있기 때문이다.
따라서, 전압단자(360,370)의 양단 전압을 사용하여 전기이중층 캐패시터를 제어할 경우 매우 효과적임을 알 수 있다. 또한 전압단자(360,370)의 양단 저항이 전류단자(340,350)의 양단 저항보다 훨씬 작으므로, 전압단자(360,370)의 양단 전압을 제어전압으로 사용할 경우 시상수(Time Constant)가 훨씬 작아지며 고출력에 훨씬 유리하다.
특히 전기자동차나 하이브리드 자동차, 전철과 같이 가감속이 빈번한 경우 특히 회생제동(Regenerative Braking)과 같이 급속충전이 사용되는 경우 본 발명은 매우 효과적이다.
대부분의 이차전지는 전지의 성능을 유지시키기 위해 정격전압뿐만 아니라 방전종료전압도 엄격히 준수되어야 한다. 보다 더 정확하게는 전압이라 함은 전극의 전압을 지칭하는 것이지만 종래의 단자구조를 사용하는 이차전지에서 단자에 전류가 인가되는 경우 단자 사이의 양단 전압에는 전극의 전압과 저항에 의한 전압강하 성분이 포함되어 있다. 따라서 이러한 저항에 의한 전압강하에 의해 단자에 인가되는 전류가 증가할수록 용량감소가 가속화된다.
따라서 이차전지의 경우에도 본 발명에 따른 단자구조 및 제어방법을 사용할 경우 저항에 의한 전압강하 성분을 배제하고 보다 더 전극의 전압을 정확하게 측정할 수 있으므로 종래의 기술보다 가용용량을 더 증대시킬 수 있다. 전술한 바와 같이 본 발명은 이차전지의 경우에도 대전류 방전뿐만 아니라 대전류 충전에도 매우 효과적이다.
본 발명의 실시예에서는 전기에너지 저장장치 중에서 주로 전기이중층 캐패시터를 사용하였지만 본 발명이 전기이중층 캐패시터만으로 한정되지는 않는다. 또한 본 발명은 전해액을 사용하지 않는 캐패시터에도 사용될 수 있다.
본 발명은 전기이중층 캐패시터, 알루미늄 전해 캐패시터, 필름 캐패시터 같은 캐패시터나 납축전지, 니켈수소전지, 니켈카드뮴전지, 리튬이온전지 같은 전지나 연료전지 등과 같은 전기에너지 저장장치에 사용될 수 있다.
이상, 본 발명에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 자명하다. 따라서 본 발명의 보호 범위는, 전술한 실시예에 국한되서는 아니되며 이하의 특허청구범위의 기재에 의한 범위 및 그와 균등한 범위를 포함하여 정하여져야 할 것이다.
본 발명은 전류에 따른 전압강하를 배제하여 실제 단자에 축전된 전압을 정확하게 측정할 수 있는 전기에너지 저장장치에 이용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 전기에너지가 저장되는 전극;
    상기 전극에 접속되고 전류가 인가되는 전류단자; 및
    상기 전극에 접속되고 전압검출에 사용되는 전압단자;를 포함하며,
    상기 전압단자를 이용하여 검출된 전압을 제어전압으로 이용하여 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전압단자는 연결수단을 사용하여 상기 전극의 활물질층에 접속되는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전압단자는 연결수단을 사용하여 상기 전극의 집전체에 접속되는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전압단자와 상기 전극을 연결하는 연결수단의 재질은 상기 전극의 집전체와 동일한 계열인 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전압단자와 상기 전극을 연결하는 연결수단은 그물 형상인 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전압단자와 상기 전극을 연결하는 연결수단은 상기 전극에서 상기 전류단자로부터 전기저항이 가장 큰 부분에 접속되는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  7. 전기에너지가 저장되는 전극;
    상기 전극에 접속되고 전류가 인가되는 전류단자; 및
    상기 전극에 접속되고 전압검출에 사용되는 전압단자;를 포함하는 복수 개의 전기에너지 저장장치를 직렬로 연결하되,
    상기 전류단자는 전류단자와 직렬로 연결되고 상기 전압단자는 전압단자와 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 직렬로 연결된 전기에너지 저장장치의 상기 전압단자로부터 검출된 전압을 이용하여 상기 전기에너지 저장장치의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
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