KR20040032479A - 전기에너지 저장장치 - Google Patents

Abstract

전기에너지 저장장치가 개시되어 있다. 양극, 격리막 및 음극이 순차적으로 반복하여 적층된 권취체를 내장하고 있는 직육면체의 케이스 및 상기 케이스의 대면적을 이루고 있는 2개의 면을 따라 상기 케이스의 외벽을 일방향으로 둘러싸는 금속띠로 이루어진다. 이와 같이, 내압에 의해 영향을 받는 면에 금속띠를 부착하거나 두껍게 형성함으로서 케이스의 외관 변형에 의한 권취체의 전극 간격의 불균일 및 단위 부피 증가 및 전해질 부족 현상을 감소시킨다.

Description

전기에너지 저장장치{ELECTRIC ENERGY STORAGE DEVICE}

본 발명은 전기에너지 저장장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 각형 전기에너지 저장장치에 관한 것이다.

현재 사용되고 있는 전기에너지 저장장치로서는 전지, 전해 콘덴서, 전기 이중층 커패시터 및 수도 커패시터 등이 있다. 특히, 전기 이중층 커패시터, 전해 콘덴서 및 전지와 같은 전기에너지 저장장치는 전해액이라는 액체를 사용하여 이루어진다.

도 1은 종래의 전기에너지 저장장치의 단위 셀을 개략적으로 나타낸 모식도이다.

도 1을 참조하면, 전해질을 사용한 종래의 전기에너지 저장장치의 단위 셀 구조는 금속물질 또는 몰딩 수지로 이루어진 케이스(100), 상기 케이스(100) 내에 설치된 집전체(120) 및 활물질층(140)으로 구성된 양극 및 음극의 전극, 상기 양극 및 음극 사이에 설치되어 양극과 음극 사이에서 전자 전도를 제한하고 이온전도만을 가능케 하는 다공성 재질의 격리막(150) 및 상기 케이스(100) 내에 충전된 전해액(180)으로 구성되어 있다. 상기 활물질층(140)은 양극 및 음극의 전기에너지를 저장하는 부분이며, 집전체(120)는 활물질층(140)으로부터 방출되거나 공급되는 전하의 이동 통로 역할을 한다.

상기와 같은 단위 셀을 여러 개 적층한 권취체는 상기 권취체의 모양에 따라 원통형 또는 각형 모양의 케이스에 보관된다.

도 2는 종래의 전기에너지 저장장치의 원통형 전극의 적층 상태를 나타내는개략도이다.

도 2를 참조하면, 상기 원통형 전극은 복수개의 양극(220a, 220b) 및 음극(200a, 200b)들이 격리막(240a, 240b)에 의해 격리되면서 적층되고, 양극 단자 및 음극 단자에 연결하기 위해 형성된 리드선들이 각각 서로 구별되도록 집합되어 있다.

그러나, 원통형 전극은 전극의 일정거리 마다 리드선을 만들고 전극을 원통형으로 감아 전극의 리드선을 양극단자와 음극단자에 각각 연결하여야 한다. 따라서, 리드선의 수가 작은 경우에는 공정이 간단하다. 그러나, 대용량의 전기에너지 저장장치의 경우에는 충방전 시 수백 암페어의 전류가 흐르므로, 전기저항을 감소시키기 위해서는 리드선의 수를 증가시키는 것이 유리하므로, 그 공정이 매우 복잡해진다. 또한, 양극 및 음극의 리드선이 일정한 위치에 있도록 원통형으로 감는 공정도 어려워진다.

도 3a 내지 3b은 종래의 전기에너지 저장장치의 각형 전극의 적층 상태를 나타내는 개략도이다.

도 3a을 참조하면, 사각형 형상의 양극(320a) 및 음극(300a, 300b)이 각각 격리막(340a, 340b)에 의해 격리되어 복수개가 적층되어 있다. 상기 양극(320a) 및 음극(300a, 300b)은 각기 양극 단자 및 음극 단자에 연결하기 위해 리드선들이 형성되며, 이들 리드선들은 서로 다른 쪽으로 각각 집합되어 있다.

도 3b를 참조하면, 각형의 제1 양극(360a, 360b) 및 제1 음극(362a, 362b)이 제1 격리막(364a, 364b)에 의해 격리된 제1 권취체(A) 및 각형의 제2 양극(370a,370b) 및 제2 음극(372a, 372b)이 제2 격리막(374a, 374b)에 의해 격리된 제2 권취체(B)를 전극의 길이를 짧게 하여 또 다른 격리막(366, 376)에 의해 여러 개 적층함으로써 리드선을 용이하게 많이 인출할 수 있다. 즉, 원통형에 비해 공간의 손실도 적고, 전극의 배치가 용이하다.

따라서, 충방전시 수백 암페어 이상의 전류가 흐르는 수백 내지 수천 F 이상의 대용량 전기에너지 저장장치에서는 전기 저항을 감소시키기 위해 많은 수의 리드선이 필요하므로 각형 구조가 유용하다.

전기에너지 저장장치에서는 충방전이 반복적으로 진행되는 경우, 에너지 저장 및 방출과정에서 줄 발열(Joule heating)이 발생하며, 상온 및 고온에서 전극에 특정 전위 인가시 반응 부산물인 H₂, O₂, CO 및 CO₂등과 같은 가스가 발생하여 밀폐된 케이스 내부의 압력이 상승된다.

특히, 금속이나 몰딩수지를 재료로 사용하는 외부 케이스는 내부 압력 상승으로 인해 쉽게 변형된다. 따라서, 전극의 대면적 방향으로 압력이 집중되어 변형되므로 전극간 거리가 불균일해지며, 케이스 내부의 여유 공간이 증가하여 전해질이 부족해지는 문제점이 발생한다.

또한, 케이스가 압력에 의해 부풀게되면, 전극과 전극이 서로 압착되는 정도가 떨어지게 되면서 내부 저항이 증가하여 에너지 손실이 발생함으로서 신뢰성을 상실하게 되고 수명이 단축된다.

본 발명의 제1 목적은 신뢰성이 우수하며 수명이 긴 전기에너지 저장장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 제2 목적은 신뢰성이 우수하며 수명이 긴 전기에너지 저장장치를 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 전기에너지 저장장치의 단위 셀을 개략적으로 나타낸 모식도이다.

도 2는 종래의 전기에너지 저장장치의 원통형 전극의 적층 상태를 나타내는 개략도이다.

도 3a 내지 3b은 종래의 전기에너지 저장장치의 각형 전극의 적층 상태를 나타내는 개략도이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 각형 전기에너지 저장장치의 단면도이다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예 1에 의한 케이스 변형 방지 금속띠를 두른 전기에너지 저장장치의 개략도이다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예 2에 의한 전기에너지 저장장치 케이스의 구조를 나타낸 개략도이다.

도 7은 본 발명의 실시예 3에 의한 각형 전기에너지 저장장치의 단면도이다.

도 8은 본 발명의 실시예 3에 의한 각형 전기에너지 저장장치의 개략도이다.

상기 제1 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 양극, 격리막 및 음극이 순차적으로 반복하여 적층된 권취체를 내장하고 있는 직육면체의 케이스 및 상기 케이스의 대면적을 이루고 있는 2개의 면을 따라 상기 케이스의 외벽을 일방향으로 둘러싸는 금속띠를 포함한다.

상기 제2 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 양극, 격리막 및 음극이 순차적으로 반복하여 적층된 권취체를 내장하고 있는 직육면체 케이스의 상기 권취체의 대면적과 마주하며 제1 노출면적 및 제1두께를 갖는 제1면들, 상기 권취체의 적층방향과 마주하며 상기 제1 노출면적 보다 좁은 제2 노출면적 및 상기 제1두께 보다 얇은 제2두께를 갖는 제2면들 및 상기 권취체의 상단 및 하단과 마주하며 상기 제1 노출면적 보다 좁은 제3 노출면적 및 상기 제1두께 보다 얇은 제3두께를 갖는 제3면들을 포함한다.

이와 같이, 케이스 외벽에 금속띠를 두르거나, 상기 외벽을 두껍게 형성함으로서 전기에너지 저장장치를 장시간 사용하여도 우수한 신뢰성을 유지할 수 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.

전기에너지 저장장치는 양극, 격리막 및 음극이 순차적으로 반복하여 적층된 권취체를 내장하고 있는 직육면체의 케이스 및 상기 케이스의 대면적을 이루고 있는 2개의 면을 따라 상기 케이스의 외벽을 일방향으로 둘러싸는 금속띠로 이루어진다.

이때, 상기 케이스는 상기 권취체의 대면적과 마주하며 제1 노출면적을 갖는 제1면들, 상기 권취체의 적층방향과 마주하며 상기 제1 노출면적 보다 좁은 제2 노출면적을 갖는 제2면들 및 상기 권취체의 상단 및 하단과 마주하며 상기 제1 노출면적 보다 좁은 제3 노출면적을 갖는 제3면들로 이루어진다.

또는, 상기 케이스는 상기 권취체의 대면적과 마주하며 제1 노출면적을 갖는 제1면들, 상기 권취체의 적층방향과 마주하며 상기 제1 노출면적 보다 넓은 제2 노출면적을 갖는 제2면들 및 상기 권취체의 상단 및 하단과 마주하며 상기 제2 노출면적 보다 좁은 제3 노출면적을 갖는 제3면들로 이루어진다.

이때, 상기 금속띠는 1000kfg/cm²이상의 인장강도를 갖는다.

전기에너지 저장장치는 양극, 격리막 및 음극이 순차적으로 반복하여 적층된 권취체를 내장하고 있는 직육면체 케이스의 상기 권취체의 대면적과 마주하며 제1 노출면적 및 제1두께를 갖는 제1면들, 상기 권취체의 적층방향과 마주하며 상기 제1 노출면적 보다 좁은 제2 노출면적 및 상기 제1두께 보다 얇은 제2두께를 갖는 제2면들 및 상기 권취체의 상단 및 하단과 마주하며 상기 제1 노출면적 보다 좁은 제3 노출면적 및 상기 제1두께 보다 얇은 제3두께를 갖는 제3면들로 이루어진다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.

실시예 1

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 각형 전기에너지 저장장치의 단면도이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예 1에 의한 케이스 변형 방지 금속띠를 두른 전기에너지 저장장치의 개략도이다.

도 4 내지 도5를 참조하면, 상기 각형 전기에너지 저장장치는 직사각형의 양극 및 음극이 격리막에 의해 순차적으로 적층된 권취체(400)를 포함하며, 상기 양극 및 음극에는 동일방향으로 양극 리드선(440a) 및 음극 리드선(440b)이 돌출되어 있다.

상기 권취체(400)는 전해액과 함께 직육면체 형상의 알루미늄 또는 몰딩수지로 이루어지는 케이스(420)에 내장된다. 상기 케이스(420)는 전극의 대면적과 마주하는 제1면(423)들, 권취체(400)의 적층 방향과 마주하는 제2면(425)들 및 권취체(400)의 리드선(440a, 440b)이 돌출된 방향 및 그 반대방향과 마주하는 제3면(428)들로 이루어진다.

상기 리드선(440a, 440b)이 돌출된 방향의 제3면(428)에는 양극단자(460) 및 음극단자(480)가 조립되는 두 개의 관통공이 형성되어 있다. 상기 제3면(428)을 관통하여 설치되는 양극 및 음극단자(460, 480)는 머리부를 갖는 볼트 형상이며, 상기 케이스(420)의 내측에서 외측으로 상기 제3면(428)을 관통하여 돌출되고 상기 돌출된 단부에 너트(441)가 체결되어 상기 케이스에 고정된다. 상기 양극 및 음극단자(460, 480)의 머리부는 권취체(400)의 음극 및 양극 리드선(440a, 440b)과 각각 연결된다.

상기 케이스(420)를 이루고 있는 면들 중 가장 큰 면적의 제1면(423)들 및 상기 제1면(423)들과 연결된 제2면(425)들의 외벽을 금속띠(430)로 둘러싼다. 상기 금속띠(430)는 탄성이 작고 고압에서 변형이 적은 재질인 서스, 철, 니켈 등과 같은 물질로서 1000kfg/cm²이상의 인장강도를 갖는다. 상기 금속띠(430)의 폭은 제1면(423)의 최장축 길이의 5% 이상에 해당하는 길이이며 상기 최장축의 길이방향을 가로지르도록 진행하며 상기 케이스를 둘러싼다.

상기 전기에너지 저장장치는 미국 에너지부(Department of Energy;DOE) 기준으로 1000F 이상의 대용량 전기에너지 저장장치로서 2.7V의 상온에서 1분 간격으로 충방전시킨다. 특히 5000F과 같은 큰 용량의 제품의 경우, DOE 기준에 따른 사이클 시험을 하게 되면, 전류값이 300A에 달하며, 이에 의한 접촉저항의 열발생으로 온도가 상승하게 된다. 이 때, 케이스(420)의 내부온도는 40??이상 상승하며 3기압 이상의 압력을 형성하게 된다.

상기 금속띠(430)로 둘러싸인 전기에너지 저장장치는 충방전을 반복하여도 금속띠를 부착하지 않은 전기에너지 저장장치보다 최대 4%정도 전기 용량(capacitance)이 증가하였다. 또한, 금속띠(430)를 부착하지 않은 경우보다10% 이상 낮은 저항값을 구현하였다.

따라서, 상기 케이스(420)가 고온 및 고압으로 인해 대면적 방향으로 변형되는 것을 방지하여 장시간 사용 후에도 신뢰성을 유지할 수 있다.

실시예 2

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예 2에 의한 전기에너지 저장장치 케이스의 구조를 나타낸 개략도이다.

도 4 및 도 6를 참조하면, 상기 각형 전기에너지 저장자치는 직사각형의 양극 및 음극이 격리막에 의해 순차적으로 적층된 권취체(400)를 포함하며, 상기 양극 및 음극에는 동일방향으로 양극 리드선(440a) 및 음극 리드선(440b)이 돌출되어 있다.

상기 권취체(400)는 전해액과 함께 직육면체 형상의 알루미늄 또는 몰딩수지로 이루어지는 케이스(420)에 내장된다. 상기 케이스(420)는 전극의 대면적과 마주하는 제1면(623)들, 권취체(400)의 적층 방향과 마주하는 제2면(625)들 및 권취체(400)의 리드선(440a, 440b)이 돌출된 방향 및 그 반대방향과 마주하는 제3면(628)들로 이루어진다.

상기 리드선(440a, 440b)이 돌출된 방향의 제3면(628)에는 양극단자(460) 및 음극단자(480)가 조립되는 두 개의 관통공이 형성되어 있다. 상기 제3면(628)을 관통하여 설치되는 양극 및 음극단자(460, 480)는 머리부를 갖는 볼트 형상이며, 상기 케이스(420)의 내측에서 외측으로 상기 제3면(628)을 관통하여 돌출되고 상기 돌출된 단부에 너트(441)가 체결되어 상기 케이스에 고정된다. 상기 양극 및 음극단자(460, 480)의 머리부는 권취체(400)의 음극 및 양극 리드선(440a, 440b)과 각각 연결된다.

외부로 노출되는 가장 넓은 면적을 갖는 제1면(623)들의 제1두께를 상기 제2면(625)들 및 상기 제3면(628)들보다 두껍게 형성한다. 상기 제1면(623)들의 두께는 상기 제1면(623)의 면적이 증가할수록 두꺼워진다. 케이스(420)의 내부가 균일하게 압력을 받을 때, 두꺼운 쪽보다 얇은 쪽으로 우선 변형이 발생하여 권취체(400)의 적층방향과 마주하는 제2면(625) 방향으로 케이스(420)가 부풀어 오르는 현상이 발생하게 된다. 상기 제2면(625)들이 밀려나는 만큼, 상기 제1면(623)들은 내부 방향으로 힘이 작용하게 되어 상기 제1면(623)들의 변형이 발생하여도 전극간의 간격이 멀어지는 현상이 발생하지 않는다. 따라서, 장시간 사용하여도 우수한 신뢰성을 유지할 수 있다.

실시예 3

도 7은 본 발명의 실시예 3에 의한 각형 전기에너지 저장장치의 단면도이고, 도 8은 본 발명의 실시예 3에 의한 각형 전기에너지 저장장치의 개략도이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 각형 전기에너지 저장장치는 직사각형의 양극 및 음극이 격리막에 의해 순차적으로 적층된 권취체(700)를 포함하며, 상기 양극 및 음극에는 동일방향으로 양극 리드선(740a) 및 음극 리드선(740b)이 돌출되어 있다.

상기 권취체(700)는 전해액과 함께 직육면체 형상의 알루미늄 또는 몰딩수지로 이루어지는 케이스(720)에 내장된다. 상기 케이스(720)는 전극의 대면적과 마주하는 제1면(723)들, 권취체(700)의 적층 방향과 마주하는 제2면(725)들 및 권취체(700)의 리드선(740a, 740b)이 돌출된 방향 및 그 반대방향과 마주하는 제3면(728)들로 이루어진다.

상기 리드선(740a, 740b)이 돌출된 방향의 제3면(728)은 양극단자(760) 및 음극단자(780)가 조립되는 두 개의 관통공이 형성되어 있다. 상기 제3면(728)을 관통하여 설치되는 양극 및 음극단자(760, 780)는 머리부를 갖는 볼트 형상이며, 상기 케이스(720)의 내측에서 외측으로 상기 제3면(728)을 관통하여 돌출되고 상기 돌출된 단부에 너트(741)가 체결되어 상기 케이스(720)에 고정된다. 상기 양극 및 음극단자(760, 780)의 머리부는 권취체(700)의 음극 및 양극 리드선(740a, 740b)과 각각 연결된다.

상기 케이스(720)의 제1면(723)의 면적보다 상기 제2면적(725)을 넓게 형성한다. 즉, 상기 케이스(720)에 내장되는 권취체(700)의 전극 길이를 짧게하여 권취회수를 증가시킴으로서 상기 권취체(700)의 적층 개수가 증가하여 상기 제2면(725)의 장축이 상기 제1면(723)의 장축보다 길어지게 된다. 이때, 상기 제1면(723)이 제3면(728)과 맞닿는 길이의 최소길이는 상기 권취체(700)로부터 돌출된 양극 및 음극 리드선(740a, 740b)과 연결되는 양극 및 음극 단자(760, 780)의 최소길이이다.

상기 케이스는 고온 및 고압의 조건에서 제1면보다 제2면으로 우선 변형이 발생하여 상기 권취체의 대면적 방향으로 압력을 가하므로 전극간의 간격의 멀어지는 현상을 방지할 수 있다. 따라서, 상기 동일한 용량을 유지하면서도 소자의 신뢰성이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 권취회수가 적을수록 리드의 간격을 일정하게 형성하는 것이 용이하므로 권취체의 적층 수를 증가하는 것이 전기에너지 저장장치 제조방법에서도 유리하다.

부가적으로 상기 케이스의 제2면(725)들 및 제1면(723)들을 따라 진행하도록 상기 케이스의 외부를 금속띠로 둘러쌈으로서 상기 케이스의 외관변형을 막을 수 있다. 이때 상기 금속띠의 최소폭은 상기 제2면(725)의 최장축의 5%이상으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 전기에너지 저장장치의 케이스를 이루고 있는 면 중, 내부 압력 증가에 의해 힘을 가장 많이 받는 면들을 따라 금속띠로 둘러싸거나, 상기 면들을 다른 면에 비해 두껍게 형성한다.

이와 같이, 내압에 의해 영향을 받는 면을 따라 케이스의 외벽을 금속띠로 둘러싸거나 상기 내압의 영향을 받는 면을 두껍게 형성하여 고온 및 고압의 조건에서 케이스의 외관 변형에 의한 권취체의 전극 간격의 불균일 및 단위 부피 증가 및 전해질 부족 현상을 감소시킨다. 따라서, 장기 사용 후에도 우수한 신뢰성을 유지할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

1. 양극, 격리막 및 음극이 순차적으로 반복하여 적층된 권취체를 내장하고 있는 직육면체의 케이스; 및

   상기 케이스의 대면적을 이루고 있는 2개의 면을 따라 상기 케이스의 외벽을 일방향으로 둘러싸는 금속띠로 이루어지는 전기에너지 저장장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 케이스는

   상기 권취체의 대면적과 마주하며 제1 노출면적을 갖는 제1면들;

   상기 권취체의 적층방향과 마주하며 상기 제1 노출면적 보다 좁은 제2 노출면적을 갖는 제2면들; 및

   상기 권취체의 상단 및 하단과 마주하며 상기 제1 노출면적 보다 좁은 제3 노출면적을 갖는 제3면들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 케이스는

   상기 권취체의 대면적과 마주하며 제1 노출면적을 갖는 제1면들;

   상기 권취체의 적층방향과 마주하며 상기 제1 노출면적 보다 넓은 제2 노출면적을 갖는 제2면들; 및

   상기 권취체의 상단 및 하단과 마주하며 상기 제2 노출면적 보다 좁은 제3 노출면적을 갖는 제3면들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 금속띠는 1000kfg/cm2 이상의 인장강도를 갖는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
5. 양극, 격리막 및 음극이 순차적으로 반복하여 적층된 권취체를 내장하고 있는 직육면체 케이스의 상기 권취체의 대면적과 마주하며 제1 노출면적 및 제1두께를 갖는 제1면들;

   상기 권취체의 적층방향과 마주하며 상기 제1 노출면적 보다 좁은 제2 노출면적 및 상기 제1두께 보다 얇은 제2두께를 갖는 제2면들; 및

   상기 권취체의 상단 및 하단과 마주하며 상기 제1 노출면적 보다 좁은 제3 노출면적 및 상기 제1두께 보다 얇은 제3두께를 갖는 제3면들로 이루어지는 전기에너지 저장장치.