KR20100011257A - 에너지 저장장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 에너지 저장장치는 중앙에 개구가 형성된 양극전극과, 중앙에 개구가 형성된 음극전극과, 상기 양극전극과 음극전극 사이에 위치하여 상기 양극전극과 음극전극을 분리하며 중앙에 개구가 형성된 분리막이 적층되어 구성된 전극소자와; 상기 전극소자의 상부 및 하부에서 상호 결합되는 제 1 집전부재와; 상기 중앙 개구를 통해 상기 전극소자의 상부 및 하부에서 상호 결합되는 제 2 집전부재와; 상기 전극소자를 수용하는 하우징과; 상기 하우징 내에 수용되는 전해액을 포함한다.
본 발명에 의해, 집전부재와 전극소자 간의 충분한 접촉면적을 확보함으로써 전기적 저항 특성을 개선시킬 수 있으며, 전극소자의 형성 시 작업의 편의성을 높일 수 있어 제품의 불량율을 감소시킬 수 있다.
또한, 충격에 의한 전극소자의 파손을 최소한으로 방지함과 동시에 전극소자의 교환을 용이하게 할 수 있다.
에너지, 저장, 커패시터
Description
본 발명은 에너지 저장장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 전기적 저항 특성을 개선시키면서도 전극소자의 형성 시 작업의 편의성을 높일 수 있어 제품의 불량율을 감소시킬 수 있는 에너지 저장장치에 관한 것이다.
일반적으로, 전기에너지를 저장하는 소자로는 전지(battery)와 커패시터(capacitor)가 대표적이다.
울트라 캐패시터(Ultra Capacitor)는 슈퍼 커패시터(Super Capacitor)라고도 불리우며, 전해콘덴서와 이차전지의 중간적인 특성을 갖는 에너지저장장치로서 높은 효율, 반영구적인 수명특성으로 인해 이차전지와의 병용 및 대체가 가능한 차세대 에너지 저장장치이다.
울트라 캐패시터는 에너지 저장메커니즘에 따라 전기이중층 캐패시터(EDLC; electric double layer capacitor)와 유사캐패시터(pseudocapacitor)로 나눌수 있다.
유사캐패시터는 전극표면 혹은 표면근처의 전극내부에 전하가 축전되는 현상을 이용하지만, EDLC는 전극과 전해질 계면의 전기이중층에 전하가 흡착되는 성질 을 이용한다.
EDLC는 활성탄소와 같이 표면적이 넓은 물질을 전극의 활물질로 하여 전극물질의 표면과 전해질의 접촉면에 전기이중층을 형성하게 된다.
즉, 전극과 전해질 용액의 경계면에서 서로 다른 극성을 갖는 전하층이 정전 효과에 의해 생성되는데, 이렇게 형성된 전하 분포를 전기이중층이라고 하며, 이와 같은 현상으로 마치 축전지에서와 같은 축전 용량을 갖게 된다.
그러나, 전기이중층 커패시터의 경우 축전지와는 다른 충/방전 특성을 가지는데, 축전지의 경우 충/방전 과정동안 시간에 대한 전압 특성이 마치 고원과 같은 평탄형(Plateau)의 그래프 특성을 보임에 비해, 전기이중층 커패시터의 경우 충/방전 과정동안 시간에 대한 전압 특성이 선형적인 그래프 특성을 보인다.
따라서, 전기이중층 커패시터의 경우 전압을 측정함으로써 충/방전된 에너지의 양이 용이하게 계산될 수 있는 특성을 지닌다.
한편, 상기와 같은 전기이중층 커패시터는 전기를 저장하는 메커니즘이 화학반응을 이용하는 축전지와 달리 전해질의 계면에 형성되는 전기이중층에 전하를 저장하므로, 즉 물리적인 전하의 축적에 의한 축전현상을 이용하므로, 반복사용에 따른 열화현상이 없으며, 높은 가역특성과 긴 사용 수명을 가진다.
따라서, 유지보수(Maintenance)가 용이하지 않고 장기간의 사용 수명이 요구되는 에플리케이션(Application)에 대해서는 축전지 대체용으로 이용되기도 한다.
한편, 상기와 같이 전기이중층 커패시터는 전극과 전해액 간의 계면에서 발생되는 전기이중층에 전하를 흡/탈착하는 원리를 이용하므로 빠른 충방전 특성을 가지며, 이에 따라 이동통신 정보기기인 핸드폰, 노트북, PDA 등의 보조 전원으로서 뿐만 아니라, 고용량이 요구되는 전기자동차, 야간 도로 표시등, UPS(Uninterrupted Power Supply) 등의 주전원 혹은 보조 전원으로 매우 적합하다.
이러한 다양한 용도를 가지는 전기이중층 커패시터의 전극은 넓은 비표면적을 통한 고에너지와, 낮은 비저항을 통한 고파워화, 그리고 계면에서의 전기화학 반응의 억제를 통한 전기화학적 안정성을 가지는 것이 주요한 과제이다.
따라서, 현재 넓은 비표면적을 가지는 활성탄소 분말 혹은 활성탄소 섬유가 전극의 주재료로 가장 널리 이용되고 있으며, 이에 도전체를 혼합하거나 혹은 금속 가루의 분사코팅 방식을 이용하여 낮은 비저항을 구현하고 있다.
또한, 다양한 방법을 통하여 전극 계면에서 발생하는 전기화학적 부반응을 억제하여 보다 안정적인 전극 물질을 연구 개발하고 있다.
한편, 도 1 은 종래 기술에 따른 에너지 저장장치의 분해사시도이며, 도 2 는 종래 기술에 따른 에너지 저장장치의 전극과 분리막 및 리드선이 배치된 후 권취된 상태를 도시하는 사시도이다.
도 1 에 도시된 종래의 원통형 전기이중층 커패시터의 경우, 양극전극(110)과 음극전극(120) 및 분리막(130)을 적층하여 원형으로 권취한 상태에서, 상기 양극전극(110) 및 음극전극(120)에 연결된 리드부(106, 116)를 고르게 눕혀 전극소자(115)를 형성하게 된다.
상기와 같이 전극소자(115)를 형성한 상태에서, 상기 전극소자(115)와 상부하우징(150) 사이에는 상기 전극소자의 리드부와 상기 상부하우징(150)을 전기적으 로 연결하기 위한 집전부재(160)가 배치된다.
그런데, 상기와 같은 종래 기술에 따른 전기이중층 커패시터의 경우 전극과 분리막을 함께 와인딩(Winding)하여 전극소자를 형성하므로, 이러한 와인딩 시 적절한 텐션(Tension)을 확보함과 동시에 전극과 분리막이 일정한 간격을 유지하여야 한다.
따라서, 상기와 같은 적절한 텐션 및 일정한 간격의 유지가 보장되어야 전극소자의 제작에 불량품이 발생되지 않는다.
또한, 1000F 이상의 출력 특성을 가지는 전기이중층 커패시터의 경우 순간출력 전류가 100A 를 초과하는 경우가 발생되며, 이와 같은 대용량 전기이중층 커패시터의 경우, 상기 집전부재와 외부 단자 간의 연결 면적을 충분히 확보함으로써, 연결부분의 전기 저항을 감소시키는 것이 매우 중요하다.
그런데, 종래 기술에 따른 전기이중층 커패시커의 경우 상기 집전부재와 외부 단자 간에 충분한 연결면적이 확보되지 못하여, 시간의 경과에 따라 상기 전극소자의 열화를 일으키며, 저항 특성과 용량 특성을 저하시키는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 집전부재와 전극소자 간의 충분한 접촉면적을 확보함으로써, 전기적 저항 특성을 개선시킬 수 있는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 전극소자의 형성 시 적층방법에 의한 구성이 가능하도록 하여, 상대적으로 와인딩 방식에 비해 작업의 편의성을 높일 수 있어, 제품의 불량율을 감소시킬 수 있는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 하우징 내에 수용되는 전극소자를 복수 개로 구성하고 집전부재를 통한 물리적 고정을 수행함으로써, 충격에 의한 전극소자의 파손을 최소한으로 방지함과 동시에 전극소자의 교환을 용이하게 할 수 있는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 에너지 저장장치는 중앙에 개구가 형성된 양극전극과, 중앙에 개구가 형성된 음극전극과, 상기 양극전극과 음극전극 사이에 위치하여 상기 양극전극과 음극전극을 분리하며 중앙에 개구가 형성된 분리막이 적층되어 구성된 전극소자와; 상기 전극소자의 상부 및 하부에서 상호 결합되는 제 1 집전부재와; 상기 중앙 개구를 통해 상기 전극소자의 상부 및 하부에서 상호 결합되는 제 2 집전부재와; 상기 전극소자를 수용하는 하우징과; 상기 하우징 내에 수용되는 전해액을 포함한다.
바람직하게는, 상기 양극전극과 음극전극 및 분리막은 원형으로 형성된다.
또한, 상기 양극전극 및 음극전극의 중앙에 형성되는 개구는 원형으로 형성될 수 있다.
한편, 양극전극과 음극전극 및 이들을 전기적으로 분리하기 위한 분리막이 적층되어 구성된 전극소자가 복수개로 구성될 수 있다.
여기서, 상기 양극전극의 중앙개구와 음극전극의 중앙개구는 서로 다른 크기로 형성된다.
바람직하게는, 상기 제 2 집전부재를 관통하는 코어부재를 추가적으로 포함할 수 있다.
본 발명에 의해, 집전부재와 전극소자 간의 충분한 접촉면적을 확보함으로써 전기적 저항 특성을 개선시킬 수 있다.
또한, 전극소자의 형성 시 작업의 편의성을 높일 수 있어 제품의 불량율을 감소시킬 수 있다.
또한, 충격에 의한 전극소자의 파손을 최소한으로 방지함과 동시에 전극소자의 교환을 용이하게 할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하기로 한다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어는 사전적인 의미로 한정 해석되어서는 아니되며, 발명자는 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절히 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예 및 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 존재할 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3 은 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 분해 사시도이며, 도 4 는 본 발명에 따른 전극과 분리막 및 제 1, 제 2 집전부재를 도시하는 사시도이다.
도 3 및 4 를 참조하면, 본 발명에 따른 에너지 저장장치는 중앙에 개구(12)가 형성된 양극전극(10)과, 중앙에 개구(22)가 형성된 음극전극(20)과, 상기 양극전극(10)과 음극전극(20) 사이에 위치하여 상기 양극전극(10)과 음극전극(20)을 분리하며 중앙에 개구(32)가 형성된 분리막(30)이 적층되어 구성된 전극소자(40)와, 상기 전극소자(40)의 상부 및 하부에서 상호 결합되는 제 1 집전부재(52, 54)와, 상기 중앙 개구(12, 22)를 통해 상기 전극소자의 상부 및 하부에서 상호 결합되는 제 2 집전부재(62, 64)와, 상기 전극소자(40)를 수용하는 하우징(72, 74)과, 상기 하우징(72, 74) 내에 수용되는 전해액을 포함한다.
본 발명에 따른 에너지 저장장치는, 금속물질로 이루어진 상/하부하우징(72, 74)과 상기 하우징(72, 74) 내에 내장되는 전극소자(40) 및 제 1(52, 54), 제 2 집전부재(62, 64)를 포함한다.
상기 전극소자(40)는 중앙에 개구(12)가 형성된 양극전극(10)과 중앙에 개구(22)가 형성된 음극전극(20) 및 상기 양극전극(10)과 음극전극(20)을 전기적으로 분리하기 위한 분리막(30)이 적층되어 구성된다.
상기 양극전극(10)은 금속성의 집전체와 다공성 활성탄으로 구성된 활물질층을 포함하며, 그 중앙에는 상기 제 2 집전부재(62, 64)의 관통을 위한 중앙 개구(12)가 형성된다.
또한, 상기 음극전극(20) 역시 금속성의 집전체와 다공성 활성탄으로 구성된 활물질층을 포함하며, 그 중앙에는 상기 제 2 집전부재(62, 64)의 관통을 위한 중앙 개구(22)가 형성된다.
상기 집전체는 통상 금속 포일(Foil)의 형태로 구성되며, 상기 활물질층은 활성탄소로서 상기 금속 집전체의 양면에 넓게 도포 코팅된 형태로 구성된다.
상기 활물질층은 양극 및 음극의 전기에너지를 저장하는 부분이며, 상기 집전체는 활물질층으로부터 방출되거나 공급되는 전하의 이동통로 역할을 한다.
순차적으로 적층된 상기 양극전극(10) 및 음극전극(20) 사이에는, 본 양극전극(10)과 음극전극(20) 사이의 전자 전도를 제한하기 위한 분리막(30)이 배치된다.
여기서, 상기 다공성의 활성물질층은 마이크로적으로 거의 원형에 가까운 기공들을 포함하여 넓은 표면적을 가지며, 상기 양극전극(10)과 음극전극(20)에 동일하게 활물질로 작용되어, 그 각 표면이 상기 전해액과 접촉하게 된다.
상기 전극들(10, 20)에 전압이 가해지면 상기 전해액에 포함된 양이온 및 음이온이 각각 양극전극(10)과 음극전극(20)으로 이동하여 상기 다공성 활물질층의 세부 기공으로 침투하게 된다.
상기와 같이 적층된 양극전극(10)과 음극전극(20) 및 분리막(30)은 바람직하게는 모두 원형으로 형성되어, 상기 제 1 집전부재(52, 54) 및 제 2 집전부재(62, 64)에 의해 고정되어 상기 하우징(72, 74) 내에 수용된다.
여기서 상기 하우징(72, 74) 내에는 상기 전극소자(40)가 복수개 수용될 수 있으며, 바람직하게는 상기 단위 전극소자의 전기적 용량이 전체 에너지 저장장치의 1/4 이 되도록 구성될 수 있다.
상기 하부하우징(74)은 금속성 또는 합성수지재로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄 또는 그 합금으로 구성된다.
상기 하부하우징(74)은 상기 전극소자(40)들과 전해액(미도시)을 수용하기 위한 구성요소이다.
상기 상부하우징(72)은 상기 하부하우징(74)의 상부에서 상기 하부하우징(74)과 결합되며, 상기 상부하우징(72) 역시 금속성 또는 합성수지재로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄 또는 그 합금으로 구성된다.
여기서, 상기 상부하우징(50)과 하부하우징(40)은 상호간 전기적으로 절연되도록 구성될 수 있다.
상기 양극전극(10) 및 음극전극(20) 및 분리막(30)의 중앙에 형성되는 개구(12, 22, 32)는 바람직하게는 모두 원형으로 형성된다.
그런데, 여기서 상기 양극전극(10)과 음극전극(20)과 분리막(30) 및 이들의 중앙에 각각 형성되는 중앙개구(12, 22, 32)들은 서로 다른 크기로 형성된다.
왜냐하면, 적층되는 복수 개의 상기 음극전극(20)들은 상기 제 2 집전부재(62, 64)에 의해 고정 및 통전되고, 적층되는 상기 복수 개의 상기 양극전극(10)들은 상기 제 1 집전부재(52, 54)에 의해 고정 및 통전되기 때문이다.
따라서, 상기 양극전극(10) 자체의 직경은 상기 음극전극(20)의 직경보다 크게 형성되며, 상기 분리막(30)의 직경은 이들의 중간 크기로 형성된다.
상기 중앙개구(12, 22, 32)들의 크기는 먼저, 상기 양극전극(10)의 중앙개구(12)가 가장 큰 직경으로 형성되며, 상기 음극전극(10)의 중앙개구(22)가 가장 작은 직경으로 형성되며, 상기 분리막(30)의 중앙개구(32)는 이들의 중간 크기로 형성된다.
그리하여, 상기 양극전극(10)의 외주연부는 상기 제 1 집전부재(52, 54)와 접촉 고정되며, 상기 음극전극(20)의 중앙개구(22) 부분은 상기 제 2 집전부재(62, 64)와 접촉 고정되도록 구성된다.
여기서, 상기 제 1, 제 2 집전부재들과 접촉되는 양극전극과 음극전극의 부분에는 활물질이 도포되지 않을 수도 있다.
또한, 그 자체의 직경 및 중앙개구(32)의 크기에 있어 상기 양극전극(10)과 음극전극(20)의 중간 크기로 형성된 상기 분리막(30)에 의해 상기 양극전극(10)과 음극전극(20)은 상호 전기적 절연상태가 된다.
그리하여, 복수 개의 양극전극(10)들은 양극전극들과 상호 통전되며, 복수 개의 음극전극(20)들은 음극전극들과 상호 통전되도록 구성된다.
상기 제 1 집전부재(52, 54)는 상부 제 1 집전부재(52) 및 하부 제 1 집전부 재(54)로 분리 구성될 수 있다.
상기 제 2 집전부재(62, 64) 역시 상부 제 2 집전부재(62) 및 하부 제 2 집전부재(64)로 분리 구성될 수 있다.
상기와 같이 상/하부로 분리 구성된 제 1 집전부재(52, 54) 및 제 2 집전부재(62, 64)는 상호 간 나사결합, 압입, 용접 등의 방식에 의해 결합되도록 구성될 수 있다.
상기와 같이 제 1 집전부재(52, 54) 및 제 2 집전부재(62, 64)에 의해 결합 고정된 전극소자(40)가 상기 하우징(72, 74) 내에 복수 개 적층되면, 상기 제 1 집전부재(52, 54)는 제 1 집전부재와 접촉 통전하게 되며, 상기 제 2 집전부재(62, 64)는 제 2 집전부재와 상호 접촉 통전하게 된다.
상기와 같이 제 1 집전부재(52, 54) 및 제 2 집전부재(62, 64)에 의해 결합 고정된 전극소자(40)를 상기 하우징(72, 74) 내에 복수 개 적층하여 에너지 저장장치를 구성할 수도 있으나, 바람직하게는 상기 제 2 집전부재(62, 64)를 관통하는 코어부재(80)를 추가적으로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 코어부재(80)를 상기 상부하우징(72)에 형성된 단자부(71)에 고정함으로써, 상기 복수 개의 전극소자(40) 및 집전부재들을 정위치에 고정함과 동시에, 상기 제 2 집전부재(62, 64)와 상기 코어부재(80)간의 충분한 통전 면적을 확보할 수 있다.
또한, 제 1 집전부재(52, 54)는 상기 하부하우징(74)의 측부와 접촉하여 충분한 통전 면적을 확보하게 된다.
여기서, 상기 단자부(71)는 비록 도 3 에서 상기 상부하우징(72)에 형성되는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 단자부 형성을 위한 절연체의 배치 구성에 따라 다양한 위치에 배치될 수 있으며, 일 예로써 상기 하부하우징(74)의 바닥부에 형성되거나 상기 상부하우징(72) 그 자체가 단자부로 형성될 수도 있다.
상기 코어부재(80)와 단자부 간의 결합은 나사결합, 압입, 용접 등의 다양한 방식에 의해 결합될 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 제 1 집전부재(52, 54), 제 2 집전부재(62, 64), 코어부재(80)는 모두 원형의 단면을 갖도록 구성됨으로써, 통전을 위한 충분한 접촉면적을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 단자부 또는 하우징의 회전 충격력이 발생되는 경우에도 전기적 연결상태를 확보할 수 있다.
이상, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명의 기술적 사상은 이러한 것에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해, 본 발명의 기술적 사상과 하기 될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 실시가 가능할 것이다.
따라서, 양극/음극 단자의 위치뿐만 아니라 양극/음극전극 그 자체의 크기 및 이들의 중앙에 형성된 개구의 크기 등은 필요에 따라 다양한 변형 실시가 가능할 것이다.
첨부의 하기 도면들은, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 이해시키기 위한 것이므로, 본 발명은 하기 도면에 도시된 사항에 한정 해석되어서는 아니 된다.
도 1 은 종래 기술에 따른 에너지 저장장치의 분해사시도이며,
도 2 는 종래 기술에 따른 에너지 저장장치의 전극과 분리막 및 리드선이 배치된 후 권취된 상태를 도시하는 사시도이며,
도 3 은 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 분해 사시도이며,
도 4 는 본 발명에 따른 전극과 분리막 및 제 1, 제 2 집전부재를 도시하는 사시도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 양극전극 20: 음극전극
30: 분리막 40: 전극소자
52, 54: 제 1 집전부재 62, 64: 제 2 집전부재
72: 상부하우징 74: 하부하우징
80: 코어부재
Claims (6)
- 중앙에 개구가 형성된 양극전극과, 중앙에 개구가 형성된 음극전극과, 상기 양극전극과 음극전극 사이에 위치하여 상기 양극전극과 음극전극을 분리하며 중앙에 개구가 형성된 분리막이 적층되어 구성된 전극소자와;상기 전극소자의 상부 및 하부에서 상호 결합되는 제 1 집전부재와;상기 중앙 개구를 통해 상기 전극소자의 상부 및 하부에서 상호 결합되는 제 2 집전부재와;상기 전극소자를 수용하는 하우징과;상기 하우징 내에 수용되는 전해액을 포함하는 에너지 저장장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 양극전극과 음극전극 및 분리막은 원형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 양극전극 및 음극전극의 중앙에 형성된 개구는 원형인 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
- 제 1 항에 있어서,양극전극과 음극전극 및 이들을 전기적으로 분리하기 위한 분리막이 적층되어 구성된 전극소자가 복수개로 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
- 제 3 항에 있어서,상기 양극전극의 중앙개구와 음극전극의 중앙개구는 서로 다른 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 집전부재를 관통하는 코어부재를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
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