KR100619281B1 - 권취형 커패시터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 집전체에 활물질이 코팅되어 구성된 띠 형상의 양극 전극 및 띠 형상의 음극 전극을 격리막을 개재시켜 권취하고 원통 형상의 케이스에 수용한 권취형 커패시터로서, 양극 전극의 금속 집전체 및 음극 전극의 금속 집전체는 폭 방향 단부가 서로 역방향으로 각각 소정 길이만큼 돌출되어 있고, 금속 집전체의 돌출된 각각의 단부 사이에 개재된 도전성의 내부단자를 구비하며, 케이스의 상면 및 저면은 각각 내부단자와 전기적으로 접속되어 외부전극을 형성하는 권취형 커패시터를 제공함으로써, 전기저항이 최소화되며 대전류 통전이 가능하고, 단위 부피당 에너지밀도와 출력밀도를 극대화시킨다.

권취형, 전기이중층, 금속 띠, 내부단자, 용접 홈

Description

권취형 커패시터{Winding Type Capacitor}

도 1은 본 발명에 따른 권취형 전기이중층 커패시터 단위셀의 내부 구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 권취형 전기이중층 커패시터 단위셀의 절개 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 권취형 전기이중층 커패시터의 단위셀의 평면도이다.

도 4는 제1 종래기술에 따른 권취형 전기이중층 커패시터 단위셀의 내부 구성도이다.

도 5는 제1 종래기술에 따른 권취형 전기이중층 커패시터 단위셀의 절개 단면도이다.

도 6은 제1 종래기술에 따른 권취형 전기이중층 커패시터의 단위셀의 평면도이다.

도 7은 제2 종래기술에 따른 권취형 전기이중층 커패시터 단위셀의 내부 구성도이다.

도 8은 제2 종래기술에 따른 권취형 전기이중층 커패시터 단위셀의 절개 단면도이다.

도 9는 제2 종래기술에 따른 권취형 전기이중층 커패시터의 단위셀의 평면도 이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 활물질층 2, 2' : 금속 집전체

3 : 격리막 4, 4a, 4b: 내부리드

5 : 권심 6, 6a, 6b : 외부단자

7 : 전해액주입구 8 : 가스켓

9, 9a, 9b : 리드 접점 10, 10a, 10b : 케이스 캡

11 : 케이스 12 : 용접 홈

본 발명은 권취형 커패시터에 관한 것으로서, 특히 단자구조를 개량하여 에너지 밀도와 출력밀도를 동시에 향상시킨 고출력 권취형 전기이중층 커패시터에 관한 것이다.

각종 휴대용 전자기기를 비롯하여 전기자동차 등과 같은 전원 공급 장치가 요구되는 시스템이나, 순간적으로 발생하는 과부하를 조절 또는 공급하는 시스템을 위한 전기에너지 저장장치로는 배터리, 전해 커패시터, 전기이중층 커패시터, 수도 커패시터 등이 있으며, 특히 전기이중층 커패시터는 서로 다른 상의 계면에 형성된 전기이중층(electric double layer)에서 발생하는 정전하현상을 이용한 커패시터로 서 에너지 저장 메커니즘이 산화 환원과정에 의존하는 배터리에 비하여 충방전 속도가 빠르고 충방전 효율이 배터리보다 높으며 사이클 특성이 월등하여 백업 전원에 광범위하게 사용되며, 향후 전기자동차의 보조전원으로서의 가능성이 무한하다.

이와 같은 전기이중층 커패시터는 집전체와 활물질층으로 구성된 양극 및 음극의 전극, 양극 및 음극 사이에 설치되어 이온전도만 가능케 하고 절연 및 단락방지를 위한 다공성 재질의 격리막, 및 케이스 내에 충전된 전해액으로 구성되어 있다.

활물질층은 전기에너지를 저장하는 부분으로서 종류에 따라 다른 활물질이 사용되며, 집전체는 활물질층에 저장된 전기에너지를 외부로 방출시키거나 외부로부터 인가된 전기에너지를 활물질에 전달하는 역할을 하며 주로 Al, Cu 등의 금속이 사용된다. 격리막은 양극과 음극사이에 설치되어 이온전도만 가능케 하고 절연 및 단락방지를 위한 것으로 보통 다공성 폴리프로필렌 또는 종이가 많이 사용된다. 전해액은 전기에너지를 저장할 수 있도록 용제에 녹아있는 것으로서 활물질의 종류에 따라 여러 가지 전해질이 사용된다.

전기이중층 커패시터와 같은 전기에너지 저장장치는 활물질의 종류 및 양에 따라 중량당/부피당 전기에너지 저장량이 결정되므로 단위 체적당 용량을 증대시키기 위하여 활물질층의 양을 증가시켜야 하며 또한 전기저항을 최소화하기 위하여 리드 접촉 면적의 극대화가 필요하다.

전기이중층 커패시터는 형태별로 주로 메모리 백업용도로 사용되는 코인형, 권취형 및 각형이 있으며, 특히, 권취형은 전극 길이에 따라 용량조절이 용이하고, 각형에 비하여 동일 체적당 활물질 충진율이 높으며, 각형에 비하여 내부구조상 내압성이 뛰어나 중대용량 전기이중층 커패시터에 알맞은 방법이다.

도 4 내지 도 6은 제1 종래기술에 따른 권취형 전기이중층 커패시터 단위셀을 도시한 것이다. 도 4는, 제1 종래기술에 따른 권취형 전기이중층 커패시터 단위셀의 내부 구성도로서, 권심(5)에 내부리드(4a)가 접합된 금속 집전체(2, 2'), 활물질층(1) 및 격리막(3)이 권취되어 권취형 전기이중층 커패시터의 내부소자를 구성한다.

또한 도 5는, 제1 종래기술에 따른 권취형 전기이중층 커패시터 단위셀의 절개 단면도로서, 도 4에 도시한 바와 같은 내부소자는 금속케이스(11)에 삽입되며, 내부리드(4a)와 외부단자(6a)간의 리드접점(9a)에 리벳 또는 용접방식으로 접합하여 연결하고 케이스 캡(10)을 덮고, 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락 방지를 위한 가스켓(8)을 내장한 상태에서 케이스(11)를 커링하여 조립한다.

한편, 도 6은 도 4 및 도 5에 따른 권취형 전기이중층 커패시터 단위셀의 평면도로서 케이스 캡(10)에는 각각 내부리드(4a)에 접속된 양극과 음극의 외부단자(6a)가 형성되어 있으며 중앙에 전해액 주입구(7)가 형성되어 있다.

상술한 바와 같은 제1 종래기술에 따른 권취형 전기이중층 커패시터는, 금속 집전체(2)에 내부리드(4a)를 구간마다 리벳하거나 용접하여 인출하는 방식이기 때문에, 다수의 내부리드(4a)를 인출하는 것이 공정상 어렵고 이에 따라 다수를 인출하여 출력효율을 향상시키기에는 한계가 있으며, 또한 내부리드(4a)의 길이가 길어서 도 5에 도시한 바와 같이 전극과 케이스 캡(10a) 사이의 빈 공간이 크게 형성됨 으로써 부피당 에너지 효율이 크게 떨어지게 되고, 다수의 내부리드(4a)와 외부단자(6a)간의 리드접점(9a)이 두껍게 형성되어 용접방식 접합에도 한계가 있는 문제점이 있다.

장시간 대전류 방전을 필요로 하는 중대형 전기이중층 커패시터의 경우는 동일부피당 빈 공간을 최소화하여 전극면적을 극대화하고, 최대한 많은 수의 리드를 구성하여 셀의 저항을 최소화하는 것이 중대형 전기이중층 커패시터 설계의 핵심이다. 이러한 측면에서 제1 종래기술에는 상술한 바와 같은 한계가 있다.

도 7 내지 도 9는 제2 종래기술에 따른 권취형 전기이중층 커패시터 단위셀을 도시한 것이다. 도 7 및 도 8은, 제2 종래기술에 따른 권취형 전기이중층 커패시터 단위셀의 내부 구성도와 단위셀의 절개 단면도로서 제1 종래기술에 비해 전극과 케이스 캡(10b) 사이의 빈 공간을 줄여 활물질층(1)의 면적을 넓힌 기술이다. 도 7에 도시한 바와 같이 권심(5)에 상하로 엇갈린 금속 집전체(2), 활물질층(1) 및 격리막(3)이 권취되고, 상하로 엇갈려 권취된 금속 집전체(2)는 내부리드(4b)의 역할을 동시에 하게 된다. 권취된 내부소자는 도 8에 도시한 바와 같이 외부단자(6b)의 역할을 동시에 지닌 케이스 캡을 상하로 배열하여 금속케이스(11)의 상부와 하부를 각각 커링하여 조립한다. 도 9는 도 7 및 도 8에 따른 권취형 전기이중층 커패시터의 평면도로서 케이스 캡은 자체가 외부단자(6b)의 역할을 하며, 중앙에 전해액 주입구(7)가 형성되어 있다.

이러한 제2 종래기술은 금속 집전체(2)를 내부리드(4b, 도 4 및 도 5의 4a에 대응)로 사용함으로써 제1 종래기술의 경우와 같은 내부리드(4a)를 인출하기 위한 공정이 없어 제1 종래기술에 비해 양산효율을 높일 수 있다. 또한 도 8에서 보인 바와 같이, 전극과 케이스 캡(10b) 사이의 빈 공간이 줄어 제1 종래기술에 비하여 에너지 밀도를 향상 시킬 수 있으나, 외부단자(6b)와의 리드접점(9b)이 금속 집전체(2)의 단면적으로만 형성되어 있고, 극성은 상하로 구성되기 때문에 한쪽 극성에 있어서 동일 극성의 금속 집전체(2)의 단면적으로만 리드접점(9b)이 형성된다.

따라서 동일 극성의 금속 집전체(2)간에는 도 8에 보인 바와 같이 4층의 활물질층(1)과 2층의 격리막(3) 및 1층의 금속 집전체(2)를 포함한 두께만큼의 빈 공간이 형성되어 대전류 통전이 어려우며, 금속 집전체(2)는 보통 20㎛~70㎛의 두께의 알루미늄 포일을 사용하기 때문에 리드접점(9b)의 폭이 좁아 외부단자(6b)와의 용접도 용이하지 않은 문제점이 있다. 상술한 바와 같은 제2 종래기술도 대전류 방전을 요하는 고출력 중대형 전기이중층 커패시터에 이용하는 데에는 한계가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 권취형 대용량 전기이중층 커패시터를 구성할 때 기존의 리드를 개량하여 권취함으로써 리드부는 단단한 금속판 형태를 이루어 접촉 면적이 극대화되며, 동시에 단위 부피당 활물질 충진율을 최대화할 수 있으며, 효율적으로 고안된 외부단자와 레이저 용접함으로써 고용량, 고출력의 권취형 구조의 대용량 전기이중층 커패시터를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 금속 집전체에 활물질이 코팅되어 구성된 띠 형상의 양극 전극 및 띠 형상의 음극 전극을 격리막을 개재시켜 권취하고 원통 형상의 케이스에 수용한 권취형 커패시터에 있어서, 양극 전극의 금속 집전체 및 음극 전극의 금속 집전체는 폭 방향 단부가 서로 역방향으로 각각 소정 길이만큼 돌출되어 있고, 금속 집전체의 돌출된 각각의 단부 사이에 개재된 도전성의 내부단자를 구비하며, 케이스의 상면 및 저면은 각각 내부단자와 전기적으로 접속되어 외부전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 권취형 커패시터를 제공한다.

또한, 상기 발명에 있어서, 내부단자는 금속 집전체의 돌출된 각각의 단부에 접합 또는 접촉한 상태에서 권취되는 것이 바람직하다. 그리고, 내부단자는 금속 집전체의 돌출된 각각의 단부에 용접, 리벳, 또는 전도성 페이스트에 의해 접합되는 것이 바람직하다.

또한, 내부단자는 연속된 띠 형상을 갖는 것이 바람직하고, 다수의 띠 형상을 적층하여 형성할 수 있고, 전극의 길이방향으로 소정 간격만큼 이격되어 배치될 수도 있다.

또한, 케이스의 상면 및 저면은 반경 방향으로 형성된 하나 이상의 용접 홈을 구비하고, 용접 홈을 통해 내부단자와 용접되어 있는 것이 바람직하다. 그리고, 용접 홈은 내부단자 방향으로 돌출되어 내부단자와 압착되는 것이 바람직하고, 용접은 레이저 용접일 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 권취형 전기이중층 커패시터 단위셀을 도 시한 것이다. 도 1은 본 발명에 따른 권취형 전기이중층 커패시터 단위셀의 권취소자의 권취를 일부 해제하여 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 권취형 전기이중층 커패시터 단위셀을 절개한 단면도, 도 3은 평면도이다.

본 발명의 권취형 전기이중층 커패시터는 도 1에 도시한 바와 같이 금속 집전체(2, 2')에 활물질(1)을 코팅하여 양극 및 음극 전극을 구성하며, 양극 금속 집전체(2) 및 음극 금속 집전체(2')를 폭 방향으로 엇갈려 격리막(3)을 양극과 음극 사이에 개재하여 권심(5)을 주회하여 권취한 것이다. 즉, 양극 금속 집전체(2) 및 음극 금속 집전체(2')는 폭 방향 단부가 서로 역방향으로 각각 소정 길이만큼 돌출되어 있다. 여기에서 양극과 음극은 설명을 위해 임의적으로 가정한 것으로서 서로 바뀌더라도 무관하다. 양극 금속 집전체(2)와 음극 금속 집전체(2')의 구성 및 배치는 대략 대칭이기 때문에, 이하에서는, 특별한 경우를 제외하고는 양극 금속 집전체(2)를 예로 들어 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 권취형 전기이중층 커패시터의 단위셀의 절개 단면도로서, 본 도면을 참조하면 인접하는 양극 금속 집전체(2)의 돌출된 단부 사이에 도전성 내부단자(4)가 개재되어 있다. 마찬가지로, 인접하는 음극 금속 집전체(2')의 돌출된 단부사이에도 도전성 내부단자(4)가 개재되어 있다. 도전성 내부단자는 금속인 것이 바람직하다.

이러한 내부단자(4)의 횡방향 두께는 인접하는 금속 집전체(2) 사이의 거리, 즉 4층의 활물질층(1), 2층의 격리막(3) 및 1층의 금속 집전체(2')를 포함한 두께 이하이면 되고, 인접하는 금속 집전체(2) 사이의 거리에 근접할수록 바람직하다. 이와 같이 도전성 내부단자(4b)가 동일 극성의 인접하는 금속 집전체(2) 사이의 공간을 채우기 때문에 본 발명에 의해 권취된 내부소자는 그 상하에 넓은 면적의 견고한 금속판 형태의 리드를 형성할 수 있게 되어 리드의 접합 면적이 극대화된다.

이와 같이 인접하는 금속 집전체(2, 2') 사이에 도전성 내부단자(4)를 개재시키기 위한 일 실시예가 도 1에 도시되어 있다. 도 1에 도시한 바와 같이 양극 전극과 음극 전극을 격리막(3)을 개재시켜 권취함에 있어서, 상하로 돌출된 금속 집전체(2, 2')의 단부에 적정한 두께의 띠 형태 금속인 내부단자(4)를 접합 또는 접촉하여 권취함으로서 도전성 내부단자(4)를 설치할 수 있다. 내부단자(4)를 금속 집전체(2, 2')의 단부에 접합시키는 방법으로는 용접 또는 리벳에 의해 접합시키는 방법이나 전도성 페이스트에 의해 접합시키는 방법이 있다.

도 1에 도시한 본 발명의 일 실시예에 따르면 금속 집전체(2, 2')에 접촉 또는 접합되는 내부단자(4)가 연속된 띠 형상을 갖는다. 이러한 내부단자는 다수의 띠 형상의 금속을 적층하여 원하는 두께를 갖도록 형성할 수도 있다. 한편, 도시하지는 않았지만, 내부단자(4)가 연속된 띠 형상을 갖지 않도록 권취하는 것도 가능하다. 일 실시예에 따르면, 내부단자를 전극의 길이 방향을 따라 소정 간격씩 이격되도록 배치하여, 금속 집전체(2, 2')에 접촉 또는 접합하여 권취할 수 있다.

도 3은 본 발명의 권취형 전기이중층 커패시터의 평면도를 나타내고 있다. 본 도면에서는 케이스(11)의 상면으로서, 양극 전극과 전기적으로 접속되어 양극의 외부전극을 구성하는 양극 케이스 캡(10)을 도시하고 있지만, 케이스(11)의 하면으로서, 음극 전극과 전기적으로 접속되어 음극의 외부전극을 구성하는 음극 케이 스 캡도, 전해액 주입구(7)가 설치되지 않는 점을 제외한다면 본 도면의 구성과 마찬가지이다.

본 발명의 케이스 캡(10)은 내부단자(4)와 리드접점(9)을 통해 전기적으로 접속되어 외부단자(6)로서 기능하며, 중앙에 설치된 전해액 주입구(7)와, 케이스 캡에 반경 방향으로 형성되어 있는 하나 이상의 용접 홈을 구비하고 있다. 본 발명에 따르면 금속 판상의 내부전극(4)과 케이스 캡(10)이 넓은 리드 접점(9) 면적으로 접촉함으로써 종래기술에 비하여 대전류 통전이 가능한 구조를 갖게 된다. 이에 더하여 도 3에 도시한 바와 같이 케이스 캡(10)에 용접 홈(12)을 구성하여 레이저 용접을 함으로써 내부전극(4)과 케이스 캡(10)의 접합을 확실하고 강고하게 하는 것이 가능해져, 셀의 저항특성을 향상시킬 수 있다.

용접 홈(12)은 권취되는 구간마다 골고루 분산되어 용접될 수 있도록 반경 방향으로 형성되어 있다. 또한 용접 홈은, 도 2에 도시한 바와 같이, 케이스 캡(10)을 판상의 내부단자(4)에 압착을 할 때 판상의 내부단자(4)에 완전히 압착할 수 있도록 내부단자(4) 방향으로 돌출된 하부구조를 가질 수도 있다. 이 경우, 내부단자(4)에 압착된 용접 홈(12)의 하부는 견고한 접촉구조가 됨으로써, 외부단자와 내부단자가 결합을 강고히 하고, 레이저 용접 시의 효율을 높여주게 된다.

상술한 설명에서는, 권취형 전기이중층 커패시터를 중심으로 설명하였으나, 본 발명은 여기에 한정되는 것이 아니다. 본 발명의 상세한 설명에 기재한 권취형 전기이중층 커패시터에 대한 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 실시가능한 커패시터도 본 발명에 속하게 된다.

즉, 본 발명은 전술한 전형적인 바람직한 실시예에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하의 첨부된 특허청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 보아야 한다.

본 발명에 의한 권취형 대용량 전기이중층 커패시터는 리드부가 단단한 금속판 형태를 이루어 리드 접촉 면적이 극대화되어 전기저항이 최소화되며 대전류 통전이 가능하게 되고, 케이스 캡에 구성된 용접 홈에 레이저 용접을 함으로써 리드부의 접촉을 견고하게 한 고출력의 권취형 커패시터를 제공한다. 특히 대용량 전기이중층 커패시터는 권취형이 적층형에 비하여 동일 부피당 활물질 충진율이 높으며, 구조상 내압성이 뛰어나며, 권취에 의한 생산으로 인해 양산성이 월등함에도 불구하고, 종래의 권취형 커패시터의 설계상 내부리드의 면적 증대가 어려운 실정이었다.

또한, 본 발명은 단자의 구조를 개량함으로써 빈 공간을 감소시키는 것에 의해 동일 부피당 활물질량을 증대시켜 에너지 밀도와 출력밀도를 동시에 향상시킴으로써, 권취형 커패시터에 고출력 특성을 부여하여 권취형 커패시터의 중,대용량화를 가능하게 한다.

Claims (9)

1. 금속 집전체에 활물질이 코팅되어 구성된 띠 형상의 양극 전극 및 음극 전극을 격리막을 개재시켜 권취하고 원통 형상의 케이스에 수용한 권취형 커패시터에 있어서,

   상기 양극 전극의 금속 집전체 및 음극 전극의 금속 집전체는 폭 방향 단부가 서로 역방향으로 각각 소정 길이로 돌출되고,

   상기 동일 극성의 인접하는 금속 집전체 사이에 도전성의 내부단자가 개재되되 상기 도전성의 내부단자는 해당 금속 집전체의 돌출부위에 형성되며,

   상기 케이스의 상면 및 저면은 각각 상기 도전성의 내부단자와 전기적으로 접속되는 외부전극을 형성하며,

   상기 케이스의 상면 및 저면에는 반경 방향으로 형성된 하나 이상의 용접 홈이 구비되어 상기 용접 홈을 통해 상기 도전성의 내부단자와 용접되되, 상기 용접 홈의 하부는 상기 도전성의 내부단자 방향으로 돌출된 것을 특징으로 하는 권취형 커패시터.
2. 제1항에 있어서,

   상기 내부단자는 상기 금속 집전체의 돌출된 각각의 단부에 접합 또는 접촉한 상태에서 권취되는 것을 특징으로 하는 권취형 커패시터.
3. 제2항에 있어서,

   상기 내부단자는 상기 금속 집전체의 돌출된 각각의 단부에 용접, 리벳, 또는 전도성 페이스트에 의해 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 권취형 커패시터.
4. 제1항에 있어서,

   상기 내부단자는 연속된 띠 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 권취형 커패시터.
5. 제4항에 있어서,

   상기 내부단자는 다수의 띠 형상을 적층한 것을 특징으로 하는 권취형 커패시터.
6. 제1항에 있어서,

   상기 내부단자는 상기 전극의 길이방향으로 소정 간격만큼 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 권취형 커패시터.
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