KR101525879B1 - Hybrid electric energy storage device - Google Patents

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KR101525879B1
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이동열
한상진
우대중
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비나텍주식회사
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Abstract

The present invention relates to a hybrid electric energy storage device, and aims to implement the hybrid electric energy storage device by connecting an auxiliary power supply to a battery (primary battery) used as a main power supply without a protection circuit. The present invention provides the hybrid electric energy storage device comprising: a lithium primary battery including lithium; and a lithium ion capacitor connected in parallel to the lithium primary battery. The lithium primary battery is the main power supply having a rated voltage of 3.6V, and the lithium ion capacitor is an auxiliary power supply having a rated voltage of 3.6-3.8V. Accordingly, the voltage balance between the lithium primary battery and the lithium ion capacitor can be optimized, leading to a benefit in energy density.

Description

복합 전기 에너지 저장 장치{Hybrid electric energy storage device}[0001] Hybrid electric energy storage device [0002]

본 발명은 전기 에너지 저장 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주전원으로 리튬이 포함된 리튬일차전지를 사용하고 보조전원으로 리튬이온커패시터를 사용하는 복합 전기 에너지 저장 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to an electric energy storage device, and more particularly, to a composite electric energy storage device using a lithium primary battery including lithium as a main power source and a lithium ion capacitor as an auxiliary power source.

최근 들어, 기술의 발달로 인해 휴대폰, 캠코더, 노트북 등과 같은 휴대용 전자기기에 휴대용 전원으로 연료전지와 같은 배터리를 대부분 적용하고 있는데, 양방향 통신, 위성을 이용한 이동 통신 등에서 휴대용 전자기기의 고출력, 소형화, 경량화, 고성능화 등이 이루어짐에 따라 순간적인 고전류의 펄스 또는 밀도를 요구하는 특성을 가진다.In recent years, due to the development of technology, most of portable electronic devices such as mobile phones, camcorders, notebooks, etc. are powered by batteries such as fuel cells as portable power sources. In portable communication devices using bi- Weight, high performance, and the like, it has characteristics that require instantaneous high current pulse or density.

그리고 휴대용 전자기기 뿐만 아니라, 이산화탄소(CO2) 용접기, 아크 용접기 등과 같은 용접기, 자동차, 풍력 발전기, 태양광 발전기, 용접기, 전동 휠체어, 전기 자전거, 지게차 등의 경우에도 순간 고출력이 요구되며, 이와 같은 순간 고출력 특성을 가지는 기기에 기존의 배터리를 사용하는 경우에 순간 고출력으로 인해 과부하가 발생되는 문제점이 있다.In the case of welding machines such as carbon dioxide (CO2) welding machines and arc welding machines, automobiles, wind power generators, solar generators, welding machines, electric wheelchairs, electric bicycles and forklifts, When an existing battery is used in a device having a high output characteristic, there is a problem that an overload occurs due to a momentary high output.

기존의 배터리는 420(Wh/Kg)의 고에너지 밀도를 가지는 장점이 있으나, 2 ~ 3Ω의 높은 내부 저항과 고출력 펄스의 전원 특성에 열악하다는 단점을 가지고 있기 때문이다.Conventional batteries have the advantage of having a high energy density of 420 (Wh / Kg), but they are disadvantageous in that they have a high internal resistance of 2 to 3 Ω and poor power characteristics of high output pulses.

예를 들어, 최대 연속 방전 전류가 230(mA)이고 최대 펄스 방전 전류가 500(mA)인 3.6(V) 배터리를 상술한 바와 같은 순간 고출력 특성을 가지는 기기에 사용할 경우에, 부하 테스트를 수행한 결과로, 스타트(Start) 시에 '3.6741'이고, 24시간 5(mA) 방전 시에 '3.6384'이고, 70(Sec) 117(mA) 방전 시에 '3.3388'이다. 특히 0.01(Sec) 3A 방전 시에 '2.5795'이고, 0.2(Sec) 3A 방전 시에 '0.1389'로 나타났다.For example, when a 3.6 (V) battery having a maximum continuous discharge current of 230 (mA) and a maximum pulse discharge current of 500 (mA) is used for a device having the instantaneous high output characteristic as described above, a load test As a result, it is '3.6741' at the start, '3.6384' at the discharge of 24 hours 5 (mA), and '3.3388' at the discharge of 70 (Sec) 117 (mA). In particular, it was 2.5795 at 0.01 (Sec) 3A discharge and 0.1389 at 0.2 (Sec) 3A discharge.

다시 말해서, 상술한 바와 같은 순간 고출력 특성을 가지는 기기에 만족하는 전원 공급 장치로서 기존의 배터리를 단독으로 하는 시스템을 사용하는 경우, 배터리 사양 이상의 과부하 출력 시에, 대전류 방전에 의한 자체 저항에서의 급격한 전압 강하가 발생하여 출력 전압이 낮아지며, 이에 대전류 방전에 의해서 전체적인 배터리의 사용 기간도 단축시키는 문제점을 가지고 있다.In other words, in the case of using a system in which an existing battery is used singly as a power supply device satisfying an apparatus having instantaneous high output characteristics as described above, in the case of overload output over battery specification, The voltage drop occurs and the output voltage is lowered, and the use of the battery is shortened due to the large current discharge.

그리고 배터리 출력 과부하로 인해 산업 기기의 경우에는 순간 기동 능력을 저하시키고, 통신 기기의 경우에는 송수신 응답의 에러를 유발시키는 문제점을 가지고 있다.In the case of industrial devices, the instantaneous starting capability is lowered due to the overload of the battery output, and in the case of communication devices, errors in transmission / reception response are caused.

따라서 상술한 바와 같은 순간 고출력 특성을 가지는 기기에서 요구하는 순간적인 고전류 펄스 또는 밀도를 공급해 주기 위해서, 기존의 배터리와 별도로 커패시터(Capacitor)를 설치하는 방안이 제시되고 있다.Therefore, a method of installing a capacitor separately from a conventional battery in order to supply instantaneous high-current pulses or densities required by a device having instantaneous high-output characteristics as described above has been proposed.

기존의 배터리에 연결하는 커패시터로는 전기이중층 커패시터(EDLC; Electric Double Layer Capacitor)가 사용되고 있다.An electric double layer capacitor (EDLC) is used as a capacitor connected to a conventional battery.

전기이중층 커패시터는 서로 다른 상의 계면에 형성된 전기이중층에서 발생하는 정전하현상을 이용한 커패시터이다. 전기이중층 커패시터는 에너지 저장 메커니즘이 산화 및 환원과정에 의존하는 배터리에 비하여 충방전 속도가 빠르고, 충방전 효율이 높으며, 사이클 특성이 월등하여 백업 전원에 광범위하게 사용되며, 향후 전기자동차의 보조전원으로서의 가능성도 무한하다.The electric double layer capacitor is a capacitor using an electrostatic charge phenomenon occurring in an electric double layer formed at an interface between different phases. Electric double layer capacitors are widely used as back-up power sources because they have faster charging / discharging speed, higher charging / discharging efficiency and higher cycle characteristics than batteries whose energy storage mechanism depends on oxidation and reduction processes. The possibilities are endless.

하지만 전기이중층 커패시터는 셀 전압이 2.5 ~ 2.7V 수준으로, 3.6V인 기존의 배터리와 전압 밸런스가 맞지 않다. 이로 인해 배러리와 전기이중층 커패시터가 결합된 복합 전기 에너지 저장 장치는 두 개 이상의 전기이중층 커패시터를 배터리에 직렬로 연결해서 사용해야 하고, 직렬로 연결된 전기이중층 커패시터로 인해 보호회로도 필요하다.However, electric double-layer capacitors have cell voltages of 2.5 to 2.7 V, which do not balance voltage with existing batteries of 3.6 V. As a result, composite electrical energy storage devices that combine barriers and electric double-layer capacitors require two or more electric double-layer capacitors connected in series to the battery, and a protective circuit is required due to the electric double-layer capacitors connected in series.

따라서 종래의 복합 전기 에너지 저장 장치는 구조가 복잡하고, 제조 공정도 복잡하고, 제조 비용도 상승하는 문제점을 안고 있다.Therefore, the conventional hybrid electric energy storage device has a complicated structure, a complicated manufacturing process, and a manufacturing cost increase.

한국공개특허공보 제2010-0034291호(2010.04.01.)Korean Patent Publication No. 2010-0034291 (Apr.

따라서 본 발명의 목적은 구조가 간단하고, 제조 공정도 간단하며, 제조 원가도 낮출 수 있는 복합 전기 에너지 저장 장치를 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a composite electric energy storage device which is simple in structure, simple in manufacturing process, and capable of lowering the manufacturing cost.

본 발명의 다른 목적은 주전원으로 사용되는 배터리에 보호회로 없이 보조전원 하나를 연결하여 구현할 수 있는 복합 전기 에너지 저장 장치를 제공하는 데 있다.It is another object of the present invention to provide a combined electric energy storage device that can be implemented by connecting one auxiliary power source to a battery used as a main power source without a protection circuit.

본 발명의 또 다른 목적은 주전원으로 리튬이 포함된 리튬일차전지를 사용하고 보조전원으로 리튬이온커패시터를 사용하는 복합 전기 에너지 저장 장치를 제공하는 데 있다.Still another object of the present invention is to provide a composite electric energy storage device using a lithium primary battery containing lithium as a main power source and using a lithium ion capacitor as an auxiliary power source.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 리튬이 포함된 리튬일차전지와, 상기 리튬일차전지에 병렬로 연결된 하나의 리튬이온커패시터를 포함하는 복합 전기 에너지 저장 장치를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a composite electric energy storage device including a lithium primary battery including lithium and one lithium ion capacitor connected in parallel to the lithium primary battery.

본 발명에 따른 복합 전기 에너지 저장 장치에 있어서, 상기 리튬일차전지는 정격전압이 3.6V이고, 상기 리튬이온커패시터는 정격전압이 3.6 ~ 3.8V이다.In the composite electric energy storage device according to the present invention, the lithium primary battery has a rated voltage of 3.6 V, and the lithium ion capacitor has a rated voltage of 3.6 to 3.8 V.

본 발명에 따른 복합 전기 에너지 저장 장치에 있어서, 상기 리튬이온커패시터는 적층형, 권취형, 칩형 또는 코인형일 수 있다.In the composite electric energy storage device according to the present invention, the lithium ion capacitor may be of a laminated type, a wound type, a chip type or a coin type.

본 발명에 따른 복합 전기 에너지 저장 장치에 있어서, 상기 리튬이온커패시터는 3차원 구조의 다공성 집전체를 포함할 수 있다.In the composite electric energy storage device according to the present invention, the lithium ion capacitor may include a porous collector having a three-dimensional structure.

본 발명에 따른 복합 전기 에너지 저장 장치에 있어서, 상기 리튬이온커패시터는 구리 집전체를 구비하는 음극을 포함할 수 있다.In the composite electric energy storage device according to the present invention, the lithium ion capacitor may include a cathode having a copper current collector.

그리고 본 발명에 따른 복합 전기 에너지 저장 장치에 있어서, 상기 리튬이온커패시터는 상기 음극이 구리에 니켈이 도금된 터미널을 구비할 수 있다.In the composite electric energy storage device according to the present invention, the lithium ion capacitor may include a terminal where the anode is plated with nickel on copper.

본 발명에 따르면, 주전원으로 리튬이 포함된 리튬일차전지를 사용하고 보조전원으로 리튬이온커패시터를 사용함으로써, 리튬일차전지와 리튬이온커패시터 간의 전압 밸런스를 최적화할 수 있고, 이에 따라 에너지 밀도 측면에서 이점이 있다.According to the present invention, by using a lithium primary battery including lithium as a main power source and using a lithium ion capacitor as an auxiliary power source, it is possible to optimize the voltage balance between the lithium primary battery and the lithium ion capacitor, .

즉 리튬이온커패시터는 정격전압이 3.6 ~ 3.8V로서, 3.6V의 리튬일차전지와 연결하여 사용할 경우, 전압 밸러스를 맞출 수 있기 때문에, 보호회로의 필요 없이 하나의 리튬이온커패시터를 리튬일차전지에 연결하여 복합 전기 에너지 저장 장치를 구현할 수 있다.In other words, the rated voltage of the lithium ion capacitor is 3.6 ~ 3.8V, and when used in connection with the 3.6V lithium primary battery, the voltage balance can be adjusted so that one lithium ion capacitor is connected to the lithium primary battery Thereby realizing a hybrid electric energy storage device.

이와 같이 본 발명에 따른 복합 전기 에너지 저장 장치는 리튬일차전지에 연결하는 커패시터로서 하나의 리튬이온커패시터만 사용하는 것이 가능하기 때문에, 구조가 간단하고, 제조 공정도 간단하며, 제조 원가도 낮출 수 복합 전기 에너지 저장 장치를 제공할 수 있다. 제조 공정이 간단하기 때문에, 복합 전기 에너지 저장 장치의 제조 공정 수율도 향상시킬 수 있다.As described above, since the composite electric energy storage device according to the present invention can use only one lithium ion capacitor as a capacitor to be connected to a lithium primary battery, it is simple in structure, simple in manufacturing process, An electric energy storage device can be provided. Since the manufacturing process is simple, the manufacturing yield of the composite electric energy storage device can be improved.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합 전기 에너지 저장 장치를 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 리튬이온커패시터의 적층 셀을 보여주는 사시도이다.
도 3은 도 2의 단면도이다.1 is a view showing a combined electric energy storage device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing a stacked cell of the lithium ion capacitor of FIG. 1; FIG.
3 is a cross-sectional view of Fig.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.In the following description, only parts necessary for understanding embodiments of the present invention will be described, and descriptions of other parts will be omitted to the extent that they do not disturb the gist of the present invention.

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.The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary meanings and the inventor is not limited to the meaning of the terms in order to describe his invention in the best way. It should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are merely preferred embodiments of the present invention, and are not intended to represent all of the technical ideas of the present invention, so that various equivalents And variations are possible.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합 전기 에너지 저장 장치를 보여주는 도면이다. 도 2는 도 1의 리튬이온커패시터의 적층 셀을 보여주는 사시도이다. 그리고 도 3은 도 2의 단면도이다.1 is a view showing a combined electric energy storage device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a perspective view showing a stacked cell of the lithium ion capacitor of FIG. 1; FIG. And Fig. 3 is a sectional view of Fig.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 복합 전기 에너지 저장 장치(300)는 주전원과, 주전원에 병렬로 연결된 보조전원을 포함한다.Referring to FIGS. 1 to 3, a combined electric energy storage device 300 according to an embodiment of the present invention includes a main power source and an auxiliary power source connected in parallel to the main power source.

이때 주전원으로는 리튬이 포함된 리튬일차전지(200)가 사용될 수 있다. 리튬일차전지(200)는 정격전압이 3.6V이다.As the main power source, a lithium primary battery 200 including lithium may be used. The lithium primary battery 200 has a rated voltage of 3.6V.

리튬일차전지(200)는 금속 리튬 혹은 리튬 합금과 같이 리튬 성분을 음극 물질로 사용하는 일차전지이다.The lithium primary battery 200 is a primary battery using a lithium component as a negative electrode material such as metal lithium or a lithium alloy.

리튬일차전지(200)는 기존의 망간계 전지에 비하여 고출력과 고용량을 발휘하는 특성이 있으며, 이에 따라 각종 전자제품의 구동용 전원으로 많이 활용되고 있다. 또한 리튬일차전지(200)는 종래의 수용액계 전지에 비해서 고전압이고 에너지 밀도가 높기 때문에, 소형화 및 경량화가 용이하다. 이로 인해 리튬일차전지(200)는 소형 전자기기의 주전원이나 백업용 전원 등으로도 사용되고 있다.The lithium primary battery 200 has a high output and a high capacity compared with the conventional manganese batteries and is widely used as a driving power source for various electronic products. Also, since the lithium primary battery 200 has higher voltage and higher energy density than conventional aqueous solution batteries, it is easy to miniaturize and lighten the battery. Therefore, the lithium primary battery 200 is also used as a main power source for a small electronic apparatus, a backup power source, and the like.

이러한 리튬일차전지(200)는 케이스, 리튬 음극, 분리막 및 양극을 포함한다.The lithium primary cell 200 includes a case, a lithium negative electrode, a separator, and a positive electrode.

리튬일차전지(200)의 제조 과정에서, 양극은 케이스에 리튬 음극 및 분리막이 형성된 상태에서 분리막 사이에 일정한 마진을 두고 장착된다. 여기서 분리막과 양극과의 마진은 양극에 결합되는 집전체를 양극에 결합할 때에 집전체가 삽입된 부분만큼 양극이 팽창하는 것을 고려한 것이다.In the process of manufacturing the lithium primary battery 200, the positive electrode is mounted with a certain margin between the separators in a state where the lithium negative electrode and the separator are formed in the case. Here, the margin between the separator and the anode considers that when the current collector coupled to the positive electrode is coupled to the positive electrode, the positive electrode expands by the portion where the current collector is inserted.

그리고 양극 활물질에는 이산화망간 등의 금속 산화물이나, 불화 흑연이 이용되고 있다. 특히 불화 흑연을 이용한 리튬 일차전지는 이산화망간을 이용한 것보다, 장기 저장성이나 고온 영역에서의 안정성이 뛰어나고, 폭넓은 사용 온도 범위를 가진다.Metal oxide such as manganese dioxide or graphite fluoride is used as the cathode active material. In particular, the lithium primary battery using graphite fluoride has a long service life and stability in a high temperature range, and has a wide operating temperature range, as compared with the use of manganese dioxide.

그리고 보조전원으로는 커패시터가 사용되며, 본 실시예에서는 리튬이온커패시터(100)가 사용된 예를 개시하였다. 리튬이온커패시터(100)는 정격전압이 3.6 ~ 3.8V이다.A capacitor is used as the auxiliary power source, and an example in which the lithium ion capacitor 100 is used in this embodiment is disclosed. The lithium ion capacitor 100 has a rated voltage of 3.6 to 3.8V.

리튬이온커패시터(100)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 적층형으로 구현될 수 있다. 이러한 리튬이온커패시터(100)는 복수의 음극 전극부(10), 복수의 양극 전극부(20), 리튬 전극부(30) 및 복수의 세퍼레이터(50)가 적층된 적층 셀(80)을 구비하고, 리튬 이온의 이송이 가능한 전해액(도시안됨)을 주액한 후 외장재(90)에 의해 봉합된 구조를 갖는다. 이러한 리튬이온커패시터(100)는 음극 전극부(10), 양극 전극부(20) 및 리튬 전극부(30)가 각각 접촉하지 않도록, 각 전극부(10,20,30)의 사이에는 세퍼레이터(50)가 개재된 구조를 갖는다.The lithium ion capacitor 100 may be realized as a stacked type as shown in FIGS. The lithium ion capacitor 100 includes a laminated cell 80 in which a plurality of cathode electrode portions 10, a plurality of anode electrode portions 20, a lithium electrode portion 30 and a plurality of separators 50 are stacked , An electrolyte solution (not shown) capable of transferring lithium ions, and then sealed with a casing member 90. The lithium ion capacitor 100 is provided with a separator 50 between the electrode portions 10, 20 and 30 so that the cathode electrode portion 10, the anode electrode portion 20 and the lithium electrode portion 30 are not in contact with each other, ) Are interposed.

음극 전극부(10)는 음극(12)과 다공성 음극 집전체(14)를 포함한다. 양극 전극부(20)는 양극(22)과 다공성 양극 집전체(24)를 포함한다.The cathode electrode unit 10 includes a cathode 12 and a porous cathode current collector 14. The positive electrode portion 20 includes a positive electrode 22 and a porous positive electrode collector 24.

음극(12)은 리튬 이온이 프리도핑되며, 리튬 이온을 삽입 및 탈리할 수 있는 음극 활물질을 포함하며, 다공성 음극 집전체(24) 위에 형성된다. 음극(12)은 다공성 음극 집전체(14) 위에 적어도 한 층으로 형성되며, 본 실시예에서는 다공성 음극 집전체(14)의 양면에 각각 한 층씩 형성된 예를 개시하였다. 음극 활물질로는 하드카본, 소프트카본, 인조흑연, 천연흑연, 흑연화탄소 섬유, 흑연화 메조카본마이크로비드, 석유코크스, 수지소성체, 탄소섬유 또는 열분해 탄소와 같은 탄소계 소재가 사용될 수 있다.The cathode 12 is formed on the porous cathode current collector 24, which includes a negative electrode active material that is pre-doped with lithium ions and can insert and desorb lithium ions. The cathode 12 is formed on at least one layer on the porous anode current collector 14, and one layer is formed on each side of the porous anode current collector 14 in this embodiment. As the negative electrode active material, carbon-based materials such as hard carbon, soft carbon, artificial graphite, natural graphite, graphitized carbon fiber, graphitized mesocarbon microbead, petroleum coke, resinous material, carbon fiber or pyrolysis carbon can be used.

양극(22)은 리튬 이온을 흡착 및 탈리할 수 있는 양극 활물질을 포함하며, 다공성 양극 집전체(24) 위에 형성된다. 양극(22)은 다공성 양극 집전체(24) 위에 적어도 한 층으로 형성되며, 본 실시예에서는 다공성 양극 집전체(24)의 양면에 각각 한 층씩 형성된 예를 개시하였다. 이러한 양극 활물질로는 활성탄 소재 및 활성탄 소재를 개선한 활성탄-금속산화물 복합소재, 전도성고분자-활성탄 복합소재, 탄소나노튜브를 사용할 수 있으며, 상기한 양극 활물질 중 l종 혹은 2종 이상을 사용할 수 있다. 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(SWNT; Single- wall NanoTube), 다중벽 탄소나노튜브(MWNT; Multi-wall Nanotube) 또는 이중벽 탄소나노튜브(DWNT; Dual-wall Nanotube)를 포함한다. 또한 양극(22)은 탄소나노튜브의 입자 지름 또는 탄소나노튜브 사이의 층을 이온의 흡장구조로 가져가는 탄소재료 또는 도전성 고분자 및 그 혼합체를 기본 구조로 하여 이온의 흡장을 유도할 수 있는 활물질 재료를 포함할 수 있다. 한편 상기한 양극 활물질은 하나의 예시에 불과하며, 이것에 한정되는 것은 아니다.The positive electrode 22 includes a positive electrode active material capable of adsorbing and desorbing lithium ions, and is formed on the porous positive electrode collector 24. The anode 22 is formed on at least one layer on the porous cathode current collector 24, and one layer is formed on each side of the porous cathode current collector 24 in this embodiment. Examples of the cathode active material include an activated carbon-metal oxide composite material, a conductive polymer-activated carbon composite material, and carbon nanotubes, which are improved in the activated carbon material and the activated carbon material. One or more of the above cathode active materials can be used . Carbon nanotubes include single-wall carbon nanotubes (SWNTs), multi-wall nanotubes (MWNTs), or dual-wall nanotubes (DWNTs). The anode 22 is made of a carbon material or a conductive polymer that brings the layer of carbon nanotubes or a layer between the carbon nanotubes into an ion storage structure, and an active material . ≪ / RTI > On the other hand, the above-mentioned cathode active material is only one example, and the present invention is not limited thereto.

다공성 음극 집전체(14) 및 다공성 양극 집전체(24)는 일반적으로 유기 전해질 전지 등의 용도로 제안되고 있는 여러 가지의 재질을 사용할 수 있다. 예컨대 다공성 음극 집전체(14)로는 스테인레스 스틸, 구리(Cu), 니켈(Ni) 등이 사용될 수 있다. 다공성 양극 집전체(24)로는 알루미늄(Al), 스테인레스 스틸 등이 사용될 수 있다. 음극(12) 및 양극(22)으로 리튬 이온이 자유롭게 이동할 수 있도록, 다공성 음극 집전체(14) 및 다공성 양극 집전체(24)는 표리면을 관통하는 다수의 구멍이 형성되어 있다.The porous cathode current collector 14 and the porous cathode current collector 24 may be made of various materials which are generally proposed for use in an organic electrolyte battery or the like. For example, stainless steel, copper (Cu), nickel (Ni), or the like may be used as the porous anode current collector 14. As the porous cathode current collector 24, aluminum (Al), stainless steel, or the like may be used. The porous cathode current collector 14 and the porous cathode current collector 24 are formed with a plurality of holes passing through the front and back surfaces so that lithium ions can freely move to the cathode 12 and the anode 22.

이러한 복수의 음극 전극부(10) 및 복수의 양극 전극부(10)는 복수의 세퍼레이터(50)를 매개로 적층되어 적층 전극부(81)를 형성한다. 본 실시예에서는 적층 전극부(81)는 각 4층의 음극(12)과 양극(22)을 갖는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니며, 적어도 한 층의 음극(12) 및 양극(22)을 구비할 수 있다.The plurality of cathode electrode portions 10 and the plurality of anode electrode portions 10 are laminated via a plurality of separators 50 to form a laminated electrode portion 81. In the present embodiment, the laminated electrode unit 81 has four cathodes 12 and anodes 22, but the present invention is not limited thereto, and at least one of the cathodes 12 and the anodes 22 may be formed. .

리튬 전극부(30)는 음극(12)에 리튬 이온을 공급하는 부분으로서, 적층 전극부(81)의 최외곽에 위치하는 음극 전극부(10)에 적층되며, 리튬(32) 및 리튬 집전체(34)를 포함한다. 리튬(32)으로는 리튬 금속, 리튬 합금과 같이 적어도 리튬 원소를 함유하고, 리튬 이온을 공급할 수 있는 물질을 사용한다. 리튬 합금으로는 알루미늄(Al), 칼슘(Ca) 또는 나트륨(Na)에 리튬이 합금된 합금일 수 있다. 리튬 전극부(30)는 리튬 이온을 방출하여 서서히 감소해 간다. 따라서 리튬극 집전체(34)로는 도전성을 가지며 리튬(32)과 반응하지 않는 금속 다공체로서, 예컨대 스테인레스 메쉬를 사용할 수 있으며, 리튬(32)의 적어도 일부를 리튬극 집전체(34)의 기공부에 충전하여 배치할 수 있다. 한편 본 실시예에서는 리튬극 집전체(34) 위에 리튬(32)이 형성된 예를 개시하였지만, 리튬극 집전체(34)를 사용하지 않을 수도 있다.The lithium electrode portion 30 is a portion for supplying lithium ions to the cathode 12 and is stacked on the cathode electrode portion 10 located at the outermost portion of the laminated electrode portion 81, (34). As the lithium 32, a material containing at least a lithium element such as lithium metal or a lithium alloy and capable of supplying lithium ions is used. The lithium alloy may be an alloy in which lithium is alloyed with aluminum (Al), calcium (Ca), or sodium (Na). The lithium electrode unit 30 emits lithium ions and gradually decreases. Therefore, stainless steel mesh can be used as the metal porous body which has conductivity and does not react with the lithium 32 as the lithium electrode current collector 34. At least a part of the lithium metal 32 can be used as the pore- As shown in Fig. On the other hand, in the present embodiment, the example in which the lithium 32 is formed on the lithium electrode current collector 34 is described. However, the lithium electrode current collector 34 may not be used.

전해질은 리튬 이온의 염을 포함하는 액상 전해질 또는 폴리머 전해질을 포함한다. 리튬염으로는 LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiPF6, Li(C2F5SO2)2N 등을 사용할 수 있다. 또한 리튬염을 용해시키는 용매로는 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, γ-부티로락톤, 아세트니트릴, 디메톡시 메탄, 테트라히드로푸란, 디옥소란, 염화 메틸렌, 설폰 등의 비양자성 유기용매를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 또는 전해질로는 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트 또는 메틸 에틸 카보네이트를 포함하는 카보네이트계 액상 전해질, 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), PVdF또는 PVdF-HFP를 포함하는 PVdF공중합체, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리옥소메탈레이트(POM), 폴리프로필렌옥사이드(PPO), 폴리실록산계 등의 고체 매트릭스에 가소제를 첨가하는 겔 타입의 전해질을 사용할 수 있다. 전해질은 리튬염, 금속염 또는 유기염 전해질을 사용할 수있고, 액체 전해질, 겔형 전해질, 고체전해질 또는 이온성 전해액과 같이 전해질의 형태에 영향을 받지 않는다. 여기서 전해질이 액상 형태일 때 전해질 내에는 세퍼레이터(50)를 더 포함할 수 있으나, 겔형 전해질이나 고체 전해질의 경우 세퍼레이터(50)의 도입이 생략될 수 있다.The electrolyte includes a liquid electrolyte or a polymer electrolyte containing a salt of lithium ion. As the lithium salt, LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiPF 6 , Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N and the like can be used. Examples of the solvent for dissolving the lithium salt include ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate,? -Butyrolactone, acetonitrile, dimethoxymethane, tetrahydrofuran, dioxolane, The magnetic organic solvent may be used alone or in combination. (PVdF) or PVdF-HFP, a polymethylmethacrylate (PMMA), a polyvinylidene fluoride (PVDF), or a polyvinylidene fluoride (PVDF) , Polyoxometalate (POM), polypropylene oxide (PPO), and polysiloxane-based solid matrix may be used. The electrolyte may be a lithium salt, a metal salt or an organic salt electrolyte, and is not affected by the shape of the electrolyte, such as a liquid electrolyte, a gel electrolyte, a solid electrolyte or an ionic electrolyte. Here, when the electrolyte is in a liquid form, the electrolyte may further include a separator 50, but in the case of a gel electrolyte or a solid electrolyte, introduction of the separator 50 may be omitted.

세퍼레이터(50)로는 전해액 혹은 전극 활물질 등에 대하여 내구성이 있는 연통 기공을 가지는 전자 전도성이 없는 다공체 등을 사용할 수 있다. 예컨대 세퍼레이터(50)로는 다공성 폴리머 필름 또는 다공성 부직포 등이 사용될 수 있다.As the separator 50, there can be used a porous body having a communicating pore having durability against an electrolytic solution or an electrode active material, etc., and having no electron conductivity. For example, as the separator 50, a porous polymer film or a porous nonwoven fabric may be used.

그리고 외장재(90)로는 적층 셀(80)을 보호하고 전해액의 누액을 방지할 수 있는 소재로서, 알루미늄(Al) 등의 금속 소재, 플라스틱 소재, 금속 소재와 플라스틱 소재가 복합된 복합 소재 등이 사용될 수 있다. 리튬이온커패시터(100)의 소형화 및 경량화의 관점에서는 외장재(90)로는 복합 소재가 사용될 수 있으며, 예컨대 알루미늄과 나일론, 폴리프로필렌 등의 고분자 필름이 라미네이트된 적층형 복합 필름이 사용될 수 있다.The casing member 90 may be made of a metal material such as aluminum (Al), a plastic material, a composite material made of a combination of a metal material and a plastic material, and the like to protect the stacked cell 80 and prevent leakage of the electrolyte solution . From the viewpoint of downsizing and weight reduction of the lithium ion capacitor 100, a composite material can be used for the casing member 90, and a laminate type composite film in which a polymer film such as aluminum and nylon or polypropylene is laminated can be used.

특히 다공성 음극 집전체(14) 및 다공성 양극 집전체(24)는 각각 일측으로 돌출되게 음극 단자부(19) 및 양극 단자부(29)가 형성되어 있다. 후술되겠지만 다공성 음극 집전체(14) 및 다공성 양극 집전체(24)는 3차원 구조를 가질 수 있다. 이때 음극 단자부(19) 및 양극 단자부(29)는 서로 어긋나게 형성된다. 복수의 음극 전극부(10) 및 복수의 양극 전극부(20)에 각각 형성된 음극 단자부(19) 및 양극 단자부(29)는 서로 대응되는 위치에 일렬로 형성될 수 있다. 또한 리튬 집전체(34) 또한 일측으로 돌출되게 리튬 단자(36)가 형성되어 있으며, 리튬 단자(36)는 음극 단자부(19)의 위치에 대응되는 위치에 형성된다. 여기서 다공성 집전체(14,24)는 음극 다공성 집전체(14)와 양극 다공성 집전체(24)를 포함한다. 내부 단자(16,26)는 제1 내부 단자(16)와 제2 내부 단자(26)를 포함한다. 외부 단자(18.28)는 제1 외부 단자(18)와 제2 외부 단자(28)를 포함한다.In particular, the porous cathode current collector 14 and the porous cathode current collector 24 each have a cathode terminal portion 19 and a cathode terminal portion 29 so as to protrude to one side. As will be described later, the porous cathode current collector 14 and the porous cathode current collector 24 may have a three-dimensional structure. At this time, the negative electrode terminal portion 19 and the positive electrode terminal portion 29 are formed to be shifted from each other. The negative terminal portions 19 and the positive electrode terminal portions 29 formed on the plurality of the cathode electrode portions 10 and the plurality of the anode electrode portions 20 may be formed in a row at positions corresponding to each other. A lithium terminal 36 is formed so as to protrude to one side of the lithium current collector 34 and a lithium terminal 36 is formed at a position corresponding to the position of the cathode terminal 19. Here, the porous collectors 14 and 24 include a cathode porous body 14 and a cathode porous body 24. The internal terminals 16, 26 include a first internal terminal 16 and a second internal terminal 26. The external terminal 18.28 includes a first external terminal 18 and a second external terminal 28.

음극 단자부(19)는 다공성 음극 집전체(14)의 일측으로 각각 돌출된 제1 내부 단자(16)와, 제1 내부 단자(16)에 접합된 제1 외부 단자(18)를 포함한다. 이때 제1 내부 단자(16)는 도전성 페이스트를 매개로 초음파 용접에 의해 제1 외부 단자(18)에 접합된다. 복수의 음극 전극부(10)에 형성된 각각의 제1 내부 단자들(16)은 일괄적으로 제1 외부 단자(18)에 도전성 페이스트를 매개로 접합된다. 도전성 페이스트는 제1 내부 단자(16) 또는 제1 외부 단자(18)에 도포될 수 있다. 도전성 페이스트는 복수의 제1 내부 단자(16) 사이에도 도포된다. 도전성 페이스트는 제1 내부 단자(16) 사이와, 제1 내부 단자(16) 및 제1 외부 단자(18)에 접합층(60)을 형성한다. 리튬 단자(36)도 도전성 페이스트가 도포되며, 리튬 단자(36)는 제1 외부 단자(18)에 접합되는 제1 내부 단자(16)에 접합된다. 이때 도전성 페이스트는 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni), 납(Pb), 알루미늄(Al) 중의 적어도 하나의 금속 분말을 포함한다.The cathode terminal portion 19 includes a first internal terminal 16 protruding from one side of the porous cathode current collector 14 and a first external terminal 18 bonded to the first internal terminal 16. At this time, the first internal terminal 16 is bonded to the first external terminal 18 by ultrasonic welding via a conductive paste. The respective first internal terminals 16 formed on the plurality of cathode electrode portions 10 are bonded to the first external terminals 18 through the conductive paste collectively. The conductive paste may be applied to the first internal terminal 16 or the first external terminal 18. The conductive paste is also applied between the plurality of first internal terminals 16. The conductive paste forms the bonding layer 60 between the first internal terminals 16 and between the first internal terminal 16 and the first external terminal 18. [ The lithium terminal 36 is also coated with a conductive paste and the lithium terminal 36 is bonded to the first internal terminal 16 bonded to the first external terminal 18. At this time, the conductive paste includes at least one metal powder of silver (Ag), copper (Cu), gold (Au), platinum (Pt), nickel (Ni), lead (Pb) and aluminum (Al).

양극 단자부(20)는 다공성 양극 집전체(24)의 일측으로 각각 돌출된 제2 내부 단자(26)와, 제2 내부 단자(26)에 접합된 제2 외부 단자(28)를 포함한다. 이때 제2 내부 단자(26)는 도전성 페이스트를 매개로 초음파 용접에 의해 제2 외부 단자(28)에 접합된다. 복수의 양극 전극부(20)에 형성된 각각의 제2 내부 단자들(26)은 일괄적으로 제2 외부 단자(28)에 도전성 페이스트를 매개로 접합된다. 도전성 페이스트는 제2 내부 단자(26) 또는 제2 외부 단자(28)에 도포될 수 있다. 도전성 페이스트는 복수의 제2 내부 단자(26) 사이에도 도포된다. 도전성 페이스트는 제2 내부 단자(26) 사이와, 제2 내부 단자(26) 및 제2 외부 단자(28)에 접합층(60)을 형성한다.The positive electrode terminal portion 20 includes a second internal terminal 26 protruding from one side of the porous positive electrode collector 24 and a second external terminal 28 bonded to the second internal terminal 26. At this time, the second internal terminal 26 is bonded to the second external terminal 28 by ultrasonic welding via a conductive paste. Each of the second internal terminals 26 formed on the plurality of anode electrode portions 20 is bonded to the second external terminal 28 through the conductive paste in a lump. The conductive paste may be applied to the second internal terminal 26 or the second external terminal 28. [ The conductive paste is also applied between the plurality of second inner terminals 26. The conductive paste forms the bonding layer 60 between the second internal terminals 26 and between the second internal terminals 26 and the second external terminals 28. [

이와 같이 다공성 집전체(14,24)의 내부 단자(16,26)와 외부 단자(18,28) 간에 도전성 페이스트를 개재한 상태에서 초음파 용접을 통하여 내부 단자(16,26)와 외부 단자(18,28)를 서로 접합시킴으로써, 초음파 용접하는 과정에서 다공성 집전체(14,24)로 전달되는 에너지를 도전성 페이스트가 흡수하기 때문에, 다공성 집전체(14,24)가 손상되는 것을 억제할 수 있다. 또한 도전성 페이스트를 사용함으로써, 내부 단자(16,26)와 외부 단자(18,28) 사이, 및 전극 사이의 접촉 저항이 낮아지고 접합 강도가 향상되어 단자 끊김 현상을 억제할 뿐만 아니라 견고한 셀 제작이 가능하다.In the state where the conductive paste is interposed between the internal terminals 16 and 26 of the porous current collectors 14 and 24 and the external terminals 18 and 28, the internal terminals 16 and 26 and the external terminals 18 28 are bonded to each other, the conductive paste absorbs the energy transmitted to the porous current collectors 14, 24 in the process of ultrasonic welding, so that damage to the porous current collectors 14, 24 can be suppressed. Further, by using the conductive paste, the contact resistance between the internal terminals 16 and 26 and the external terminals 18 and 28 and between the electrodes is lowered and the bonding strength is improved, so that the disconnection of the terminals is suppressed, It is possible.

이때 리튬이온커패시터(100)는 전술된 바와 같이, 집전 효율을 높이기 위해서 다공성 집전체(14,24)를 사용할 수 있다. 더욱이 리튬이온커패시터(100)는 집전 효율을 더욱 향상시키기 위해서, 3차원 구조의 다공성 집전체(14,24)를 포함한다. 3차원 구조의 다공성 집전체(14,24)는 전극(12,22)이 수납되거나 충전될 수 있는 공간을 제공하는 형태를 가질 수 있다.At this time, as described above, the lithium ion capacitor 100 can use the porous current collectors 14 and 24 to increase the current collecting efficiency. Furthermore, the lithium ion capacitor 100 includes a porous collector 14, 24 of a three-dimensional structure in order to further improve the current collection efficiency. The three-dimensional structure of the porous current collectors 14 and 24 may have a shape providing a space in which the electrodes 12 and 22 can be stored or charged.

그리고 리튬이온커패시터(100)의 음극(12)은 구리 소재의 음극 다공성 집전체(14)를 구비할 수 있다. 구리 소재의 음극 다공성 집전체(14)를 구비한 음극(12)은 구리에 니켈이 도금된 터미널, 즉 제1 외부 단자(18)을 사용할 수 있다.The negative electrode 12 of the lithium ion capacitor 100 may have a negative electrode porous collector 14 made of copper. The cathode 12 having the cathode porous collector 14 made of copper can use a terminal made of nickel-plated copper, that is, the first external terminal 18.

한편 본 실시예에서는 리튬이온커패시터(100)가 적층형으로 구현된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 리튬이온커패시터(100)는 권취형, 칩형 또는 코인형으로 구현될 수 있다.On the other hand, in this embodiment, an example in which the lithium ion capacitor 100 is implemented as a laminate type is disclosed, but the present invention is not limited thereto. For example, the lithium ion capacitor 100 may be implemented in a wound type, a chip type, or a coin type.

이와 같이 본 발명의 실시예에서 보조전원으로 리튬이온커패시터(100)를 사용하는 이유는 리튬일차전지(200)와 정격전압이 비슷하기 때문에, 전압 밸러스 및 에너지 밀도 측면에서 유리하기 때문이다.The reason why the lithium ion capacitor 100 is used as the auxiliary power source in the embodiment of the present invention is that it is advantageous in terms of the voltage balance and the energy density because the rated voltage is similar to that of the lithium primary battery 200.

즉 리튬이온커패시터(100)는 정격전압이 3.6 ~ 3.8V로서, 3.6V의 리튬일차전지(200)와 연결하여 사용할 경우, 정격전압이 거의 동일하기 때문에 전압 밸러스를 쉽게 맞출 수 있다.That is, when the lithium ion capacitor 100 is used in connection with the lithium primary battery 200 having a rated voltage of 3.6 to 3.8 V and 3.6 V, the voltage rating can be easily adjusted because the rated voltage is almost the same.

이로 인해 본 실시예에 따른 복합 전기 에너지 저장 장치(300)는 보호회로의 필요 없이 하나의 리튬이온커패시터(100)를 리튬일차전지(200)에 연결하여 전기 에너지 저장 장치를 구현할 수 있다.Accordingly, the combined electric energy storage device 300 according to the present embodiment can realize an electric energy storage device by connecting one lithium ion capacitor 100 to the lithium primary battery 200 without the need for a protection circuit.

이와 같이 본 실시예에 따른 복합 전기 에너지 저장 장치(300)는 리튬일차전지(200)에 연결하는 커패시터로서 하나의 리튬이온커패시터(100)만 사용하는 것이 가능하기 때문에, 구조가 간단하고, 제조 공정도 간단하며, 제조 원가도 낮출 수 전기 에너지 저장 장치를 제공할 수 있다.Since the combined electric energy storage device 300 according to the present embodiment can use only one lithium ion capacitor 100 as a capacitor connected to the lithium primary battery 200, And can also provide an electric energy storage device that can lower the manufacturing cost.

또한 본 실시예에 따른 복합 전기 에너지 저장 장치(300)는 제조 공정이 간단하기 때문에, 복합 전기 에너지 저장 장치(300)의 제조 공정 수율도 향상시킬 수 있다.Also, since the manufacturing process of the hybrid electric energy storage device 300 according to the present embodiment is simple, the production yield of the hybrid electric energy storage device 300 can be improved.

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.It should be noted that the embodiments disclosed in the present specification and drawings are only illustrative of specific examples for the purpose of understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention are possible in addition to the embodiments disclosed herein.

10 : 음극 전극부 12 : 음극
14 : 음극 다공성 집전체 16 : 제1 내부 단자
18 : 제1 외부 단자 20 : 양극 전극부
22 : 양극 24 : 다공성 양극 집전체
26 : 제2 내부 단자 28 : 제2 외부 단자
30 : 리튬 전극부 32 : 리튬
34 : 리튬 집전체 36 : 리튬 단자
50 : 세퍼레이터 60 : 도전성 페이스트
80 : 적층 셀 81 : 적층 전극부
90 : 외장재 100 : 리튬이온커패시터
200 : 리튬일차전지 300 : 복합 전기 에너지 저장 장치10: cathode electrode part 12: cathode
14: cathode porous body 16: first internal terminal
18: first external terminal 20: anode electrode part
22: positive electrode 24: porous positive electrode collector
26: second internal terminal 28: second external terminal
30: lithium electrode part 32: lithium
34: Lithium collector 36: Lithium terminal
50: separator 60: conductive paste
80: laminated cell 81: laminated electrode part
90: exterior material 100: lithium ion capacitor
200: lithium primary cell 300: composite electric energy storage device

Claims (6)

리튬이 포함된 리튬일차전지;
상기 리튬일차전지에 병렬로 연결된 하나의 리튬이온커패시터;
를 포함하는 복합 전기 에너지 저장 장치.A lithium primary battery including lithium;
A lithium ion capacitor connected in parallel to the lithium primary battery;
And a second electric energy storage device. 제1항에 있어서,
상기 리튬일차전지는 정격전압이 3.6V이고, 상기 리튬이온커패시터는 정격전압이 3.6 ~ 3.8V인 것을 특징으로 하는 복합 전기 에너지 저장 장치.The method according to claim 1,
Wherein the lithium primary battery has a rated voltage of 3.6V and the lithium ion capacitor has a rated voltage of 3.6 to 3.8V. 제2항에 있어서,
상기 리튬이온커패시터는 적층형, 권취형, 칩형 또는 코인형인 것을 특징으로 하는 복합 전기 에너지 저장 장치.3. The method of claim 2,
Wherein the lithium ion capacitor is of a laminated type, a wound type, a chip type, or a coin type. 제2항에 있어서,
상기 리튬이온커패시터는 3차원 구조의 다공성 집전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 전기 에너지 저장 장치.3. The method of claim 2,
Wherein the lithium ion capacitor comprises a porous current collector having a three-dimensional structure. 제2항에 있어서,
상기 리튬이온커패시터는 구리 집전체를 구비하는 음극을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 전기 에너지 저장 장치.3. The method of claim 2,
Wherein the lithium ion capacitor comprises a negative electrode having a copper current collector. 제5항에 있어서,
상기 리튬이온커패시터는 상기 음극이 구리에 니켈이 도금된 터미널을 구비하는 것을 특징으로 하는 복합 전기 에너지 저장 장치.6. The method of claim 5,
Wherein the lithium ion capacitor is characterized in that the negative electrode comprises a nickel-plated terminal on the copper.
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