KR102501502B1 - 전기화학 에너지 저장장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기화학 에너지 저장장치에 관한 것으로, 전해액의 누액 발생을 억제하면서 출력을 향상시키기 위한 것이다. 본 발명은 전기화학 에너지를 저장하는 축전 소자; 축전 소자의 하부에 접합되어 전기적으로 연결되는 하부 단자판; 한 쪽이 개방된 개방부가 형성된 내부 공간을 갖고, 바닥면에 벤트부가 형성되어 있고, 하부 단자판이 바닥면을 향하도록 개방부를 통하여 축전 소자가 내부 공간에 삽입되어 내장되는 금속 소재로 제조된 케이스; 케이스의 개방부에 삽입되어 축전 소자에 전기적으로 연결되며, 케이스의 상단부에 대한 비딩(beading) 및 컬링(curling)으로 고정되며, 케이스의 개방부를 밀봉하는 상부 단자판; 및 상부 단자판과 케이스 사이에 개재되는 고무 소재의 가스켓;을 포함하는 전기화학 에너지 저장장치를 제공한다.

Description

전기화학 에너지 저장장치{Electrochemical energy storage device}
본 발명은 전기화학 에너지 저장장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 누액 발생을 억제하면서 출력을 향상시킬 수 있는 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, 캔형 등이 있다. 캔형은 원통형(권취형), 각형 등을 포함한다. 이때, 원통형은 축전 소자를 젤리롤 형태로 와인딩(winding)한 다음, 원통형 케이스에 내장하여 제작하고 있다.
원통형의 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 와인딩(winding)한 후, 와인딩된 형태가 풀리지 않도록 외부 둘레를 테이핑(taping)하여 구성되고 있다. 이와 같이 와인딩된 축전 소자는 전해액에 함침된 다음, 원통형 케이스 내부에 내장된다. 그리고 와인딩된 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.
이와 같은 원통형의 전기화학 에너지 저장장치를 안전하게 이용하기 위해, 전극 적층체를 케이스에 내장시키고 러버캡(rubber cap)으로 밀봉하여 사용한다. 이때 러버캡은 케이스의 상단부에 대한 비딩(beading)과 컬링(curling)을 통해서 밀봉 및 고정된다. 리드의 상단부는 리버캡을 관통하여 밖으로 돌출된다.
이와 같은 원통형의 전기화학 에너지 저장장치를 장시간동안 이용하게 되면 러버캡 표면에 이물질이 발생하게 되고, 이물질로 인한 원통형의 전기화학 에너지 저장장치의 수명이 단축되는 문제점이 있다. 즉 러버캡을 비딩과 컬렁으로 고정하기는 했지만, 금속 소재인 케이스와 고무 소재인 러버캡 간의 열팽창계수의 차이로 인해서, 케이스와 러버캡 사이로 누액이 발생될 수 있다.
또한 원통형의 전기화학 에너지 저장장치는 한 쌍의 리드를 통하여 충방전이 수행되기 때문에, 원활한 충방전을 수행하는 데는 한계가 있다. 이로 인해 리드를 사용하는 원통형의 전기화학 에너지 저장장치의 경우 출력을 향상시키는 데도 한계가 있다.
등록특허공보 제10-1508646(2015.04.07. 공고)
따라서 본 발명의 목적은 러버캡의 사용으로 인한 누액 발생 문제를 해소할 수 있는 전기화학 에너지 저장장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 출력을 향상시킬 수 있는 전기화학 에너지 저장장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전기화학 에너지를 저장하는 축전 소자; 상면이 상기 축전 소자의 하부면에 접촉되어 접합되고, 전기적으로 연결되는 하부 단자판; 한 쪽이 개방된 개방부가 형성된 내부 공간을 갖고, 바닥면에 벤트부가 형성되어 있고, 상기 하부 단자판이 바닥면을 향하도록 상기 개방부를 통하여 상기 축전 소자가 상기 내부 공간에 삽입되어 내장되는 금속 소재로 제조된 케이스; 상기 케이스의 개방부에 삽입되어 하면이 상기 축전 소자의 상부면에 접촉되어 접합되어져 전기적으로 연결되며, 상기 케이스의 상단부에 대한 비딩(beading) 및 컬링(curling)으로 고정되며, 상기 케이스의 개방부를 밀봉하는 상부 단자판; 및 상기 상부 단자판과 상기 케이스 사이에 개재되는 고무 소재의 가스켓;을 포함하는 전기화학 에너지 저장장치.
상기 축전 소자는 양극, 분리막, 음극, 및 전해액을 포함하며 와인딩된 전극 적층체를 포함한다.
상기 하부 단자판은 케이스의 하부에 비딩 또는 초음파 용접에 의해 고정될 수 있다.
상기 상부 단자판은, 상기 축전 소자의 상부면에 접합되는 접합판; 상기 접합판의 가장자리 둘레에서 상부로 돌출되게 형성되며, 외측면에 상기 가스켓이 끼워지는 가스켓 끼움관; 및 상기 가스켓 끼움관의 안쪽의 접합판의 상부면에서 상기 가스켓 끼움관 보다 높게 돌출된 단자;를 포함할 수 있다.
상기 가스켓은 상기 가스켓 끼움관을 덮으며, 상기 가스켓 끼움관의 상부로 일정 부분이 돌출된 돌출부를 갖는다.
상기 가스켓의 돌출부는 컬링되는 상기 케이스의 상단과 상기 가스켓 끼움관의 상단면 사이에 위치한다.
상기 가스켓은, 상기 가스켓 끼움관의 하부에 결합되며, 비딩되는 케이스 부분이 삽입되는 제1 가스켓부; 및 상기 제1 가스켓부와 연결되며, 상기 제1 가스켓부 보다 큰 외경을 가지며, 상단부에 컬링되는 상기 케이스의 상단과 상기 가스켓 끼움관의 상단면 사이에 위치하는 상기 돌출부를 구비하는 제2 가스켓부;를 포함한다.
상기 가스켓의 고무 소재는 뷰틸고무일 수 있다.
본 발명은 또한, 전기화학 에너지를 저장하는 축전 소자; 상기 축전 소자의 하부에 접합되어 전기적으로 연결되는 하부 단자판; 상기 축전 소자의 상부에 접합되어 전기적으로 연결되는 상부 단자판; 상기 상부 단자판의 외측면에 끼워지는 고무 소재의 가스켓; 및 한 쪽이 개방된 개방부가 형성된 내부 공간을 갖고, 바닥면에 벤트부가 형성되어 있고, 상기 하부 단자판이 바닥면을 향하도록 상기 개방부를 통하여 상기 축전 소자가 상기 내부 공간에 삽입되어 내장되고, 상단부에 대한 비딩(beading) 및 컬링(curling)으로 상기 가스켓을 매개로 상기 상부 단자판으로 밀봉되는 금속 소재의 케이스;를 포함하는 전기화학 에너지 저장장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 금속 소재의 상부 단자판과 케이스 사이에 고무 소재의 가스켓을 개재하여 비딩 및 컬링을 통하여 케이스를 밀봉함으로써, 누액 발생 문제를 억제할 수 있다.
또한, 본 발명은 전극 적층체의 하부면과 상부면에 각각 하부 단자판과 상부 단자판을 접합하여 전기화학 에너지 저장장치의 전극 단자로 사용함으로써, 기존의 리드를 사용하는 것과 비교하여 출력 특성을 향상시킬 수 있다.
그리고, 본 발명은 하부 단자판이 케이스의 하부에 비딩 또는 초음파 용접 방식으로 접합되고, 상부 단자판이 고무 소재의 가스켓을 개재하여 비딩 및 컬링으로 케이스의 개방부를 밀봉하면서 내부의 전극 적층체를 케이스의 내부 공간에 안정적으로 고정시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기화학 에너지 저장장치의 분해 시시도이다.
도 2는 도 1의 전기화학 에너지 저장장치를 보여주는 사시도이다.
도 3은 도 1의 전기화학 에너지 저장장치의 단면도이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 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 발명의 실시예에 따른 전기화학 에너지 저장장치의 분해 시시도이다. 도 2는 도 1의 전기화학 에너지 저장장치를 보여주는 사시도이다. 그리고 도 3은 도 1의 전기화학 에너지 저장장치의 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 전기화학 에너지 저장장치(100)는 축전 소자(10), 하부 단자판(20), 금속 소재로 제조된 케이스(30), 상부 단자판(40) 및 고무 소재의 가스켓(60)을 포함한다. 축전 소자(10)는 전기화학 에너지를 저장한다. 하부 단자판(20)은 축전 소자(10)의 하부에 접합되어 전기적으로 연결된다. 케이스(30)는 한 쪽이 개방된 개방부(31)가 형성된 내부 공간(33)을 갖고, 바닥면에 벤트부(35)가 형성되어 있고, 하부 단자판(20)이 바닥면을 향하도록 개방부(31)를 통하여 축전 소자(10)가 내부 공간(33)에 삽입되어 내장된다. 상부 단자판(40)은 케이스(30)의 개방부(31)에 삽입되어 축전 소자(10)에 전기적으로 연결되며, 케이스(30)의 상단부에 대한 비딩(beading) 및 컬링(curling)으로 고정된다. 그리고 가스켓(60)은 상부 단자판(40)과 케이스(30) 사이에 개재된다.
본 실시예에 따른 케이스(30) 형태에 따라 전기화학 에너지 저장장치(100)는 원통형 구조로 구현된 예를 개시하였지만, 사각기둥의 형태로 구현될 수도 있다.
여기서 축전 소자(10)는 권심(11; winding core)과, 권심(11)에 권취된 전극 적층체(13)를 포함한다. 권심(11)은 전극 적층체(13)를 권취한 이후에 제거될 수도 있다.
전극 적층체(13)는 양극, 음극, 분리막 및 전해액을 포함한다. 양극은 산화 반응에 의해 전자를 생성한다. 음극은 생성된 전자를 흡수하여 환원반응이 일어난다. 분리막은 음극과 양극 사이에 개재되어 음극과 양극을 물리적으로 분리시켜 산화반응과 환원반응이 일어나는 장소를 격리하여 서로 구분한다. 전해액은 양극 및 음극에 전기에너지를 저장시키는 이온의 이동매개체이다. 이러한 전극 적층체(13)는 양극, 음극 및 분리막이 권심(11)을 중심으로 차례로 권취되어 전체적으로 원통 형상을 이룬다. 예컨대 전극 적층체(13)는 슈퍼 커패시터, 전기 이중층 커패시터(EDLC), 리튬 이온 커패시터(LIC)를 형성하는 셀 구조를 가질 수 있다.
케이스(30)는 축전 소자(10)를 외부와 격리시키기 위한 것으로, 축전 소자(10)의 종류에 따라 다양한 소재와 형상으로 제조될 수 있다. 케이스(30)는 관형으로, 한 쪽에 개방부(31)가 형성되고 반대쪽은 막혀 있는 형태를 갖는다. 케이스(30)는 개방부(31)를 통하여 축전 소자(10)가 삽입되어 내장될 수 있는 내부 공간(33)이 마련되어 있다. 케이스(30)는 바닥면에 전기화학 에너지 저장장치(100)의 동작 중 발생되는 가스가 내부 공간(33) 내에 일정 이상의 압력으로 차게 되면 케이스(30) 밖으로 배출시키는 벤트부(35)가 형성되어 있다. 케이스(30)의 소재로는 알루미늄, 스테인리스 스틸 또는 주석 도금강 등의 금속 소재가 사용될 수 있다.
케이스(30)에서 "B"는 비딩 부분을 나타내고, "C"는 컬링 부분을 나타낸다. 비딩 부분은 케이스(30)의 외측면에서 안쪽으로 오목하게 형성된다. 컬링 부분은 케이스(30)의 상단을 C 자형으로 굽혀서, 상부 단자판(40)의 상부면에 가스켓(60)이 개재된 상태로 밀착시켜 형성한다. 이로 인해 가스켓(60)에 의해 케이스(30)와 상부 단자판(40)은 전기적으로 이격되어 있다.
하부 단자판(20)의 상면은 축전 소자(10)의 하부면에 접촉되어 접합되고, 전기적으로 연결된다. 하부 단자판(20)의 접합 방법으로 레이저 용접 또는 초음파 용접 방법이 사용될 수 있다. 하부 단자판(20)은 케이스(30)의 하부에 비딩 또는 초음파 용접에 의해 고정된다. 본 실시예에서는 하부 단자판(20)이 비딩에 의해 고정된 예를 개시하였고, "B1"이 해당 부분을 나타낸다.
상부 단자판(40)의 하면은 축전 소자(10)의 상부면에 접촉되어 접합된다. 상부 단자판(40)의 접합 방법으로 레이저 용접 또는 초음파 용접 방법이 사용될 수 있다.
이때 하부 단자판(20) 및 상부 단자판(40)은 케이스(30)와 동일한 금속 소재로 제조될 수 있다.
또한 하부 단자판(20)의 상면 및 상부 단자판(40)의 하면은 전극 적층체(13)의 하부면 및 상부면에 각각 접촉되어 접합되고 전기적으로 연결되기 때문에, 본 실시예에 따른 전기화학 에너지 저장장치(100)의 출력 특성을 향상시킬 수 있다. 즉 기존에는 한 쌍의 리드를 통해서만 충방전을 수행했지만, 본 실시예에 따른 전기화학 에너지 저장장치(100)는 기존의 리드보다는 하부 단자판(20)의 상면 및 상부 단자판(40)의 하면이 상기 전극 적층체(13)의 하부면 및 상부면에 각각 접촉된 상태에서 접합되어져 전기적으로 연결됨으로 인해 접촉 면적이 넓은 하부 단자판(20) 및 상부 단자판(40)을 통하여 충방전을 수행하기 때문이다. 예컨대 상부 단자판(40)은 음극 단자로 사용되고, 하부 단자판(20)에 연결된 케이스(30)가 양극 단자로 사용될 수 있다.
이러한 상부 단자판(40)은 접합판(41), 가스켓 끼움관(43) 및 단자(45)를 포함한다. 접합판(41)은 축전 소자(10)의 상부면에 접합된다. 가스켓 끼움관(43)은 접합판(41)의 가장자리 둘레에서 상부로 돌출되게 형성되며, 외측면에 가스켓(60)이 끼워진다. 그리고 단자(45)는 가스켓 끼움관(43)의 안쪽의 접합판(41)의 상부면에서 가스켓 끼움관(43) 보다 높게 돌출된다.
그리고 가스켓(60)은 절연성을 갖는 고무 소재로 제조되며, 케이스(30)와 상부 단자판(40) 사이에 전해액의 누액이 발생되는 것을 억제한다. 가스켓(60)은 상부 단자판(40)의 외측면에 끼워진 형태로 제공될 수 있다. 가스켓(60)의 소재로는 뷰틸 고무가 사용될 수 있다.
가스켓(60)은 가스켓 끼움관(43)을 덮으며, 가스켓 끼움관(43)의 상부로 일정 부분이 돌출된 돌출부(65)를 갖는다. 가스켓(60)의 돌출부(65)는 컬링되는 케이스(30)의 상단과 가스켓 끼움관(43)의 상단면 사이에 위치한다. 즉 돌출부(65)는 케이스(30)와 상부 단자판(40)의 전기적인 연결을 차단한다.
이러한 가스켓(60)은 제1 가스켓부(61)와 제2 가스켓부(63)을 포함한다. 제1 가스켓부(61)는 가스켓 끼움관(43)의 하부에 결합되며, 비딩되는 케이스 부분(B)이 삽입된다. 제2 가스켓부(63)는 제1 가스켓부(61)와 연결되며, 제1 가스켓부(61) 보다 큰 외경을 가지며, 상단부에 컬링되는 케이스(30)의 상단과 가스켓 끼움관(43)의 상단면 사이에 위치하는 돌출부(65)를 구비한다.
이와 같이 케이스(30)의 개방부(31)를 통하여 하부 단자판(20), 축전 소자(10) 및 상부 단자판(40)이 케이스(30)의 내부 공간(33)에 삽입된 후, 가스켓(60)을 매개로 케이스(30)의 상단부가 비딩과 컬링으로 상부 단자판(40)에 밀착되어 케이스(30)의 개방부(31)를 밀봉하게 된다. 즉 본 실시예에서는 리드와 러버캡을 사용하지 않고, 고무 소재의 가스켓(60)을 끼운 상부 단자판(40)에 대한 비딩과 컬링으로 케이스(30)의 개방부(31)를 상부 단자판(40)으로 밀봉할 수 있기 때문에, 전해액의 누액 문제를 해소할 수 있고, 외부의 충격에 대한 강성도 높일 수 있다. 또한 케이스(30)의 개방부(31) 밀봉을 보다 간소하게 수행할 수 있다.
전극 적층체(13)의 하부면과 상부면에 각각 하부 단자판(20)과 상부 단자판(30)을 접합하여 전기화학 에너지 저장장치(100)의 전극 단자로 사용함으로써, 기존의 리드를 사용하는 것과 비교하여 출력 특성을 향상시킬 수 있다.
그리고 하부 단자판(20)은 케이스(30)의 하부에 비딩 또는 초음파 용접 방식으로 접합되고, 상부 단자판(40)은 고무 소재의 가스켓(60)을 개재하여 비딩 및 컬링으로 케이스(30)의 개방부(31)를 밀봉하면서 내부의 전극 적층체(13)를 케이스(30)의 내부 공간(33)에 안정적으로 고정할 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 : 축전 소자
11 : 권심
13 : 전극 적층체
20 : 하부 단자판
30 : 케이스
31 : 개방부
33 : 내부 공간
35 : 벤트부
40 : 상부 단자판
41 : 접합판
43 : 가스켓 끼움관
45 : 단자
60 : 가스켓
61 : 제1 가스켓부
63 : 제2 가스켓부
65 : 돌출부
100 : 전기화학 에너지 저장장치

Claims (9)

  1. 전기화학 에너지를 저장하고, 전극 적층체를 포함하는 축전 소자;
    상면이 상기 축전 소자의 전극 적층체의 하부면에 접촉되어 접합되고, 전기적으로 연결되는 하부 단자판;
    한 쪽이 개방된 개방부가 형성된 내부 공간을 갖고, 바닥면에 벤트부가 형성되어 있고, 상기 하부 단자판이 바닥면을 향하도록 상기 개방부를 통하여 상기 축전 소자가 상기 내부 공간에 삽입되어 내장되는 금속 소재로 제조된 케이스;
    상기 케이스의 개방부에 삽입되어 하면이 상기 축전 소자의 전극 적층체의 상부면에 접촉되어 접합되어져 전기적으로 연결되며, 상기 케이스의 상단부에 대한 비딩(beading) 및 컬링(curling)으로 고정되며, 상기 케이스의 개방부를 밀봉하는 상부 단자판; 및
    상기 상부 단자판과 상기 케이스 사이에 개재되는 고무 소재의 가스켓;을 포함하되,
    상기 상부 단자판은,
    상기 축전 소자의 상부면에 접합되는 접합판;
    상기 접합판의 가장자리 둘레에서 상부로 돌출되게 형성되며, 외측면에 상기 가스켓이 끼워지는 가스켓 끼움관; 및
    상기 가스켓 끼움관의 안쪽의 접합판의 상부면에서 상기 가스켓 끼움관 보다 높게 돌출된 단자;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 에너지 저장장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 축전 소자는 양극, 분리막, 음극, 및 전해액을 포함하는 전기화학 에너지 저장장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하부 단자판은 케이스의 하부에 비딩 또는 초음파 용접에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 전기화학 에너지 저장장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가스켓은 상기 가스켓 끼움관을 덮으며, 상기 가스켓 끼움관의 상부로 일정 부분이 돌출된 돌출부를 갖는 것을 특징으로 하는 전기화학 에너지 저장장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가스켓의 돌출부는 컬링되는 상기 케이스의 상단과 상기 가스켓 끼움관의 상단면 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 전기화학 에너지 저장장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 가스켓은,
    상기 가스켓 끼움관의 하부에 결합되며, 비딩되는 케이스 부분이 삽입되는 제1 가스켓부; 및
    상기 제1 가스켓부와 연결되며, 상기 제1 가스켓부 보다 큰 외경을 가지며, 상단부에 컬링되는 상기 케이스의 상단과 상기 가스켓 끼움관의 상단면 사이에 위치하는 상기 돌출부를 구비하는 제2 가스켓부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 에너지 저장장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가스켓의 고무 소재는 뷰틸고무인 것을 특징으로 하는 전기화학 에너지 저장장치.
  9. 삭제
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