KR101973407B1 - 전기 에너지 저장장치 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 에너지 저장장치에 관한 것으로, 양극리드와 음극리드가 각각 형성된 양극과 음극이 교대로 적층된 전극 적층체 및 상기 전극 적층체의 양측에 배치되어 양극리드와 음극리드에 각각 연결되며, 외부 단자와 하나 이상의 전해액유동구가 형성된 집전판을 포함한다.

Description

전기 에너지 저장장치 및 이의 제조방법{APPARATUS FOR STORING ELECTRIC ENERGY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 전기 에너지 저장장치 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저항 특성이 개선된 각형 구조의 전기 에너지 저장장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기 에너지를 저장하는 장치로는 전지(Battery)와 커패시터(Capacitor)가 있다.
대체로, 커패시터는 정전 커패시터(electrostatic capacitor), 전해 커패시터(electrolytic capacitor) 및 전기 화학 커패시터(electrochemical capacitor)로 분류되는데, 전기 화학 커패시터는 슈퍼 커패시터라고도 호칭되며, 전극과 전해질 간의 전기 화학적인 반응으로 야기되는 이온의 이동을 이용하여 전기 에너지를 저장 및 공급하는 전기 에너지 저장장치로서, 기존의 전해 커패시터와 이차전지에 비하여 각각 에너지 밀도와 출력 밀도가 월등하여 다량의 에너지를 신속하게 저장하거나 공급할 수 있는 신개념의 전기 에너지 저장 동력원으로 최근 들어 많은 관심을 받고 있다.
이러한, 슈퍼 커패시터는 축전용량이 매우 큰 커패시터이며, 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면화학 반응에 의한 충전 현상을 이용함에 따라, 급속한 충방전이 가능하고 높은 충방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명을 갖는다.
상기와 같은, 슈퍼 커패시터는 짧은 시간 내에 많은 양의 전류를 공급할 수 있는 특성으로 인하여 독립된 전원공급장치가 요구되는 시스템, 순간적으로 발생하는 과부하를 조절하는 시스템 및 에너지 저장장치 등으로 시장이 확대되고 있는 추세이다. 특히, 이차전지에 비해 에너지 입출력이 우수한 점이 부각되어, 순간 정전시 작동하는 보조전원인 back-up 동력원, 휴대용 이동통신기기의 펄스 동력원, 하이브리드 전기자동차의 고출력 동력원으로 많은 응용이 기대되고 있다. 또한, 충방전 효율이나 수명이 이차전지보다 우수하며, 사용 가능온도, 전압 범위가 상대적으로 넓고, 유지 보수가 필요 없으며, 환경 친화적인 장점이 있어 이차전지 대체용으로도 검토되고 있다.
이와 같은, 슈퍼 커패시터는 원통형 또는 각형의 두가지 형태로 제작되고 있는데, 각형의 슈퍼 커패시터는 모듈 제작시 원통형에 비하여 공간효율이 높아 많이 사용되고 있다.
종래의 각형의 슈퍼 커패시터는 활물질이 도포된 전극과 전극을 적층하여 전극 적층체가 제조된다. 이렇게 제조된 전극 적층체는 설계된 용량에 따라 단독 또는 여러 개의 전극 적층체를 합하여 하나의 슈퍼 커패시터를 제조하기도 한다. 그리고 각 전극의 리드를 묶어 초음파 용접 또는 냉간 용접을 하고 케이스에 형성된 외부 단자부에 리벳(Rivet)을 하여 외부 단자를 형성하여 제조된다.
이렇게 제조되는 슈퍼 커패시터는 전류 인가시 전극에서의 전하 이동은 도 5a에서 보는 바와 같이, 단자와 연결되어있는 리드로 이동할 것이고, 이는 제한된 크기의 리드로 인해 저항 성분이 나타날 수 있다. 또한, 각 전극의 리드를 묶어 외부 단자에 리벳으로 연결하기 때문에 접촉저항이 발생되어 대전류 충방전 시 외부 단자와 연결된 부분에서 열이 발생되어 슈퍼 커패시터의 열화를 촉진하게 되는 문제가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 본 발명은 전극 자체의 저항특성을 개선할 수 있는 전기 에너지 저장장치 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 전극과 케이스의 단자의 접촉 부분의 저항 특성을 개선할 수 있으며, 내부 공간을 효율적으로 활용하여 용량이 증가된 전기 에너지 저장장치 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
아울러, 전극과 전해액의 함침을 원활히 할 수 있는 전기 에너지 저장장치 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장장치는 양극리드와 음극리드가 각각 형성된 양극과 음극이 교대로 적층된 전극 적층체 및 상기 전극 적층체의 양측에 배치되어 양극리드와 음극리드에 각각 연결되며, 외부 단자와 하나 이상의 전해액유동구가 형성된 집전판을 포함한다.
여기서, 상기 양극은 양극리드가 일측부에 길이방향으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 음극은 음극리드가 일측부에 길이방향으로 형성될 수 있다.
아울러, 상기 집전판은 상기 전극 적층체에 레이저 용접을 통해 접합될 수 있다.
여기서, 상기 집전판은 상기 외부 단자가 집전판과 일체로 형성될 수 있다.
한편, 상기 전극 적층체는 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전극 적층체 및 집전판이 수용되며, 외부 단자가 관통되도록 관통공이 형성된 케이스를 더 포함하고, 상기 관통공에는 제1절연부재가 삽입될 수 있다.
여기서, 상기 케이스와 집전판 사이에 개재된 제2절연부재를 더 포함할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장장치의 제조방법은 양극리드가 형성된 양극, 분리막, 음극리드가 형성된 음극을 순차적으로 적층하여 전극 적층체를 형성하는 단계와, 상기 전극 적층체의 양측에 집전판을 접합하는 단계 및 상기 집전판이 접합된 전극 적층체를 케이스 내부에 수용하고 전해액을 투입하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 양극은 양극리드가 일측면에 길이방향으로 형성되고, 음극은 음극리드가 일측면에 길이방향으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 집전판은 하나 이상의 전해액유동구가 형성될 수 있다.
아울러, 상기 집전판은 상부에 외부 단자가 일체로 형성될 수 있다.
한편, 상기 전극 적층체의 양측에 집전판을 접합하는 단계에서, 상기 집전판은 전극 적층체의 양측에 레이저 용접을 통해 접합될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장장치 및 이의 제조방법은 전극 일측면에 길이방향으로 리드가 형성됨으로써, 전하의 흐름이 집중되지 않으므로, 전극 내부의 저항 특성을 개선할 수 있는 이점이 있다.
또한, 외부 단자가 일체로 형성된 집전판이 형성되어 전극의 리드와 접촉됨으로써, 접촉부분에 대한 저항을 낮춰 열화에 따른 내구성 저하를 방지할 수 있으며, 전극에 형성된 리드와 외부 단자를 연결하기 위한 리벳 부재가 필요 없기 때문에 내부 공간을 효율적으로 사용할 수 있으므로, 용량을 증가시킬 수 있는 이점이 있다.
아울러, 집전판에 형성된 전해액유동구를 통해 전해액이 유동될 수 있으므로, 전극과 전해액의 함침을 원활히 할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장장치를 나타낸 정단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장장치를 나타낸 측단면도.
도 3은 도 1의 전극 적층체를 나타낸 사시도.
도 4는 도 1의 전극 적층체를 나타낸 정면도.
도 5는 종래의 전극과 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장장치의 전극을 비교한 개략도.
도 6은 도 1의 전극 적층체와 집전판이 결합된 모습을 나타낸 사시도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장장치의 제조방법을 나타낸 순서도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
이하, 첨부된 도 1 내지 도 6의 도면을 참고하여 본 발명에 따른 전기 에너지 저장장치의 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장장치를 나타낸 정단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장장치를 나타낸 측단면도이며, 도 3은 도 1의 전극 적층체를 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 1의 전극 적층체를 나타낸 정면도이며, 도 5는 종래의 전극과 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장장치의 전극을 비교한 개략도이고, 도 6은 도 1의 전극 적층체와 집전판이 결합된 모습을 나타낸 사시도이다.
도 1 내지 도 6에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장장치는 양극리드(111)와 음극리드(121)가 각각 형성된 양극(110)과 음극(120)이 교대로 적층된 전극 적층체(100)와, 상기 전극 적층체(100)의 양측에 배치되어 양극리드(111)와 음극리드(121)에 각각 연결되며, 외부 단자(230)가 형성된 집전판(200)을 포함한다.
상기 전극 적층체(100)는 양극(110) 및 음극(120)으로 구분되는 전극이 적층된 것으로, 교대로 적층된 적어도 하나 이상의 양극(110) 및 음극(120)과 상기 양극(110) 및 음극(120) 사이에 개재된 분리막(도면 미도시)으로 구성될 수 있다.
상기 양극(110)은 알루미늄 등과 같은 금속 재질로 형성된 판 형상의 집전체에 활성탄소 또는 전이금속산화물 등과 같은 활물질이 도포 됨으로써 형성될 수 있다. 여기서, 상기 양극(110)에는 활물질이 도포되지 않은 부분이 형성될 수 있는데, 활물질이 도포되지 않은 부분이 양극리드(111)로 형성되게 된다. 이때, 상기 양극리드(111)는 양극(110) 외부와의 전류 흐름을 위한 통로 역할을 할 수 있다.
또한, 상기 음극(120)은 알루미늄, 구리 또는 니켈과 같은 금속 재질로 형성된 판 형상의 집전체에 활성탄소 또는 흑연 등의 활물질이 도포됨으로써, 형성될 수 있다. 여기서, 상기 음극(120)은 활물질이 도포되지 않은 부분이 형성될 수 있는데, 활물질이 도포되지 않은 부분이 음극리드(121)로 형성되게 된다. 이때, 상기 음극리드(121)는 음극(120) 외부와의 전류 흐름을 위한 통로 역할을 할 수 있다.
그러나, 본 실시예에서 상기 양극(110)과 음극(120)의 재질을 한정하는 것은 아니다.
한편, 상기 양극(110)과 음극(120)에 각각 형성된 양극리드(111)와 음극리드(121)는 양극(110)과 음극(120) 각각의 일측부에 길이방향으로 형성될 수 있다.
여기서, 도 5a와 같이 종래의 전극(10)은 리드(11)가 상부 일측에 형성됨으로써, 전극에 전류를 인가하게 되면 전하의 흐름이 상부 일측에 집중되며, 제한된 크기의 리드(11)로 인하여 저항 성분이 나타나게 된다.
그러나, 도 5b와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 양극(110) 및 음극(120)은 양극리드(111) 또는 음극리드(121)가 양극(110)과 음극(120) 각각의 일측부에 길이방향으로 형성됨으로써, 전하의 흐름을 원활히 할 수 있으므로, 저항 성분을 감소시킬 수 있다.
상기 집전판(200)은 전극 적층체(100)의 양측부에 형성된 양극리드(111)와 음극리드(121)에 각각 전기적으로 연결되도록 형성될 수 있다.
여기서, 상기 집전판(200)은 'ㄱ'자 형상으로 형성될 수 있으며, 금속 또는 그 등가물로 형성될 수 있다. 예컨대, 알루미늄, 구리, 스텐레스 스틸 중 선택된 어느 하나로 형성될 수 있다. 그러나, 이러한 재질로 집전판(200)이 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 집전판(200)은 수평집전판(210)과 수직집전판(220)으로 형성될 수 있으며, 수평집전판(210)은 전극 적층체(100)의 상면에 접촉되고, 수직집전판(220)은 전극 적층체(100)의 양측부에 형성된 양극리드(111)와 음극리드(121)에 각각 접촉되도록 형성될 수 있다.
이때, 상기 집전판(200)의 수직집전판(220)은 전극 적층체(100) 측면의 양극리드(111)와 음극리드(121)에 용접을 통해 접합되어 전기적으로 연결될 수 있다. 예컨대, 상기 집전판(200)의 수직집전판(220)은 전극 적층체(100)의 양극리드(111)와 음극리드(121)에 각각 레이저 용접으로 접합되는 것이 바람직하다.
즉, 상기 집전판(200)이 전극 적층체(100)의 양측에 레이저 용접으로 접합됨으로써, 외부 충격으로 인한 파손을 방지할 수 있으며, 전극 적층체(100)의 길이방향으로 형성된 양극리드(111)와 음극리드(121)의 전체 면에 접합되어 넓은 접촉면적을 확보할 수 있으므로, 저항을 감소시킬 수 있다.
아울러, 상기 집전판(200)의 수평집전판(210) 상부에는 후술되는 케이스(300)를 관통하여 결합되는 외부 단자(230)가 형성될 수 있다.
이때, 상기 외부 단자(230)는 사출 성형 방법을 통하여 집전판(200)과 일체로 형성될 수 있다.
즉, 종래에는 리벳과 같은 별도의 결합부재를 이용하여 케이스의 외부 단자와 결합함으로써, 결합부분에서 저항이 발생되었으나, 본 발명의 실시예에서는 외부 단자(230)가 집전판(200)에 일체로 형성됨으로써, 저항 발생을 줄일 수 있으며, 리벳과 같은 별도의 결합부재 없이 케이스(300)와 결합할 수 있으므로, 제조시간을 단축시킬 수 있고, 결합부재가 차지하였던 공간을 효율적으로 사용할 수 있으므로, 전기 에너지 저장장치의 용랑을 증대시킬 수 있다.
한편, 상기 집전판(200)의 수직집전판(220)에는 하나 이상의 전해액유동구(240)가 형성될 수 있다.
즉, 상기 전해액유동구(240)는 후술되는 케이스(300)에 전극 적층체(100)와 함께 수용되고, 전해액에 투입되면, 전해액이 전해액유동구(240)를 통해 집전판(200) 내측의 전극 적층체(100)와 집전판(200)의 외측으로 유동됨으로써, 전극 적층체(100)의 양극(110) 및 음극(120)에 전해액이 원활히 함침될 수 있다.
상기와 같이, 상기 집전판(200)이 접합된 전극 적층체(100)는 내부에 공간이 형성된 케이스(300)에 수용될 수 있다.
여기서, 상기 케이스(300)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 형성될 수 있으며, 대략 육면체 형상으로 형성될 수 있다.
이때, 상기 케이스(300)의 상부에는 집전판(200)에 형성된 외부 단자(230)가 관통되어 돌출되도록 관통공(310)이 형성될 수 있으며, 관통공(310)을 관통한 외부 단자(230)에는 너트(320)가 결합되어 고정될 수 있다.
한편, 상기 케이스(300)의 관통공(310) 내측에는 외부 단자(230)와 케이스(300)간의 절연을 위하여 제1절연부재(331)가 삽입될 수 있다.
또한, 상기 케이스(300)의 상부 내측과 케이스(300)에 수용되는 집전판(200) 사이에 제2절연부재(332)가 배치되어 케이스(300)와 집전판(200)을 절연시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 전기 에너지 저장장치의 제조방법에 대해 살펴보기로 한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장장치의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 7에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장장치의 제조방법은 먼저, 양극리드(111)가 형성된 양극(110), 분리막(도면 미도시), 음극리드(121)가 형성된 음극(120)을 순차적으로 적층하여 전극 적층체(100)를 형성하는 단계(S100)를 수행할 수 있다.
여기서, 상기 양극(110)은 양극리드(111)가 일측면에 길이방향으로 형성되고, 음극(120)은 음극리드(121)가 일측면에 길이방향으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 전극 적층체(100)는 양극(110)과 음극(120)을 교대로 적층할 수 있다. 이때, 상기 양극(110)과 음극(120)의 사이에는 분리막을 개재하는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 전극 적층체(100)의 양측에 집전판(200)을 접합하는 단계(S200)를 수행할 수 있다.
여기서, 상기 집전판(200)은 수평집전판(210)과 수직집전판(220)으로 구성된 'ㄱ'자 형상으로 형성될 수 있고, 상기 수평집전판(210)에는 외부 단자(230)가 일체로 형성될 수 있으며, 수직집전판(220)에는 전해액유동구(240)가 형성될 수 있다.
한편, 상기 집전판(200)은 상기 수평집전판(210)이 전극 적층체(100)의 상면에 접촉되고, 수직집전판(220)이 전극 적층체(100)의 양측부에 형성된 양극리드(111)와 음극리드(121)에 각각 접촉되도록 배치한 후 레이저 용접하여 전극 적층체(100)에 접합할 수 있다.
이후, 상기 집전판(200)이 접합된 전극 적층체(100)를 케이스(300) 내부에 수용하고 전해액을 투입하는 단계(S300)를 수행할 수 있다.
여기서, 상기 케이스(300)의 상부에 형성된 관통공(310)으로 집전판(200)의 외부 단자를(230)를 관통시킨 후 외부 단자를(230)에 너트(320)를 결합하여 전기 에너지 저장장치를 얻을 수 있다.
이때, 상기 관통공(310)에는 제1절연부재(331)를 삽입하여 외부 단자(230)와 케이스(200)를 절연할 수 있으며, 케이스(300)의 내측 상부와 집전판(200) 사이에는 제2절연부재(332)가 배치되어 집전판(200)과 케이스(300)를 절연시킬 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 전극 적층체 110 : 양극
111 : 양극리드 120 : 음극
121 : 음극리드 200 : 집전판
210 : 수평집전판 220 : 수직집전판
230 : 외부 단자 240 : 전해액유동구
300 : 케이스 310 : 관통공
320 : 너트 331 : 제1절연부재
332 : 제2절연부재

Claims (13)

  1. 양극리드가 일측부에 길이방향으로 형성된 양극과, 음극리드가 일측부에 길이방향으로 형성된 음극이 교대로 적층된 전극 적층체;
    상기 전극 적층체의 양측에 배치되어 상기 양극리드와 상기 음극리드에 각각 연결되며, 외부 단자와 하나 이상의 전해액유동구가 형성된 집전판; 및
    상기 전해액유동구를 통해 상기 집전판 내측의 상기 전극 적층체와 상기 집전판의 외측으로 유동하며 상기 전극 적층체의 상기 양극 및 상기 음극에 함침되는 전해액;
    을 포함하며,
    상기 전해액유동구는 상기 집전판의 길이 방향을 따라 다수개가 이격 배치되는 전기 에너지 저장장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 집전판은
    상기 전극 적층체에 레이저 용접을 통해 접합되는 전기 에너지 저장장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 집전판은
    상기 외부 단자가 상기 집전판과 일체로 형성되는 전기 에너지 저장장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 적층체는
    상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막을 더 포함하는 전기 에너지 저장장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 적층체 및 상기 집전판이 수용되며, 상기 외부 단자가 관통되도록 관통공이 형성된 케이스를 더 포함하고,
    상기 관통공에는 제1절연부재가 삽입되는 전기 에너지 저장장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 케이스와 상기 집전판 사이에 개재된 제2절연부재를 더 포함하는 전기 에너지 저장장치.
  9. 양극리드가 형성된 양극, 분리막, 음극리드가 형성된 음극을 순차적으로 적층하여 전극 적층체를 형성하는 단계;
    상기 전극 적층체의 양측에 집전판을 접합하는 단계; 및
    상기 집전판이 접합된 전극 적층체를 케이스 내부에 수용하고 전해액을 투입하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 양극은 상기 양극리드가 일측면에 길이방향으로 형성되고 상기 음극은 상기 음극리드가 일측면에 길이방향으로 형성되며,
    상기 집전판에는 전해액유동구가 형성되고,
    상기 전해액유동구는 상기 집전판의 길이 방향을 따라 다수개가 이격 배치되며,
    상기 전해액은 상기 전해액유동구를 통해 상기 집전판 내측의 상기 전극 적층체와 상기 집전판의 외측으로 유동하며 상기 전극 적층체의 상기 양극 및 상기 음극에 함침되는 전기 에너지 저장장치의 제조방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 집전판은
    상부에 외부 단자가 일체로 형성되는 전기 에너지 저장장치의 제조방법.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 전극 적층체의 양측에 상기 집전판을 접합하는 단계에서,
    상기 집전판은 상기 전극 적층체의 양측에 레이저 용접을 통해 접합되는 전기 에너지 저장장치의 제조방법.
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