KR102450413B1 - 엔지니어링 플라스틱을 이용한 전기에너지 저장장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔지니어링 플라스틱(Engineering Plastics)을 이용한 전기에너지 저장장치에 관한 것이다. 본 발명은 두 개의 전극과, 상기 두 개의 전극 사이에 형성된 세퍼레이터를 포함하는 셀 소자; 상기 셀 소자가 내장되는 외장 케이스; 및 상기 외장 케이스의 상부 및 하부 중에서 선택된 하나 이상에 밀폐 결합되는 결합 유닛을 포함하고, 상기 외장 케이스는 엔지니어링 플라스틱 성형체이며, 상기 결합 유닛은 셀 소자의 전극과 결합되는 도전성 결합부재; 및 상기 도전성 결합부재와 전기적으로 연결되면서 외장 케이스를 밀폐시키는 밀폐 커버를 포함한다. 본 발명에 따르면, 전기에너지 저장장치의 경량화, 부품 수의 감소 및 조립 공정 등이 개선되고 전기적 특성이 향상된다.

Description

엔지니어링 플라스틱을 이용한 전기에너지 저장장치

본 발명은 전기이중층 커패시터(EDLC) 및 리튬이온 커패시터(LiC) 등과 같은 전기에너지 저장장치에 관한 것으로, 하나의 실시형태에 따라서 셀 소자가 내장되는 외장 케이스를 엔지니어링 플라스틱(Engineering Plastics)으로 구성하여 전기에너지 저장장치의 경량화, 부품 수의 감소, 조립 공정의 개선 및 전기적 특성의 향상 등을 구현한 전기에너지 저장장치에 관한 것이다.

충/방전이 가능한 전기에너지 저장장치, 예를 들어 전기 화학 소자로서의 커패시터(capacitor)나 리튬 이온(Li ⁺) 전지 등의 2차 전지는 여러 산업분야에서 널리 사용되고 있다. 예를 들어, 전기이중층 커패시터(EDLC ; Electric Double Layer Capacitor) 및 리튬이온 커패시터(LiC ; Lithium Ion Capacitor) 등은 고출력과 장수명 특성 등을 가져 그 적용분야가 확대되고 있다.

전기에너지 저장장치는 복수의 단위 셀(unit cell)을 직렬 및/또는 병렬로 연결하여 적정 전압과 용량을 갖도록 모듈화하여 사용된다. 이때, 상기 각 단위 셀은 양극 및 음극의 두 전극과, 상기 두 전극의 사이에 개재된 세퍼레이터(separator)를 포함하는 셀 소자를 갖는다. 이와 같은 셀 소자는 외장 케이스에 내장되며, 이는 또한 전해액에 함침된다.

일반적으로, 상기 외장 케이스는 원통형이나 각형 등의 외형을 가지며, 이는 기계적 강도, 열적 강도 및 내화학성 등을 고려하여 금속재로 구성되고 있다. 종래의 외장 케이스는 대부분의 경우 가격 및 가공성 등에서 유리한 알루미늄(Al) 재질로 구성되고 있다. 예를 들어, 한국 등록특허 제10-1527126호, 한국 공개특허 제10-2011-0131250호, 일본 공개특허 제2007-66530호 및 일본 공개특허 제2007-87704호 등에는 위와 관련한 기술이 제시되어 있다.

그러나 종래 기술에 따른 외장 케이스는 금속재로 구성되어, 적어도 전기에너지 저장장치의 경량화가 어려운 문제점이 있다. 한편, 일부에서는 외장 케이스의 경량화를 위해 폴리에틸렌(PE)이나 폴리프로필렌(PP) 등의 수지재로 구성하는 기술이 시도되었으나, 이 경우 외장 케이스의 기계적 강도, 열적 강도 및 내화학성 등이 떨어져 실용화(제품화)되기에는 어려움이 있었다.

또한, 종래 기술에 따른 전기에너지 저장장치는 외장 케이스로서 금속재를 사용한 경우에는 물론이고 수지재를 사용한 경우에도 전기에너지 저장장치의 부품 수 및 조립 공정 수가 많아 전기에너지 저장장치의 전체적인 제조 공정이 복잡하고 부피 대비 높은 중량을 가지는 문제점이 있다.

이에, 본 발명은 전기에너지 저장장치의 경량화, 부품 수의 감소 및 조립 공정의 개선 등을 도모할 수 있고, 이와 함께 전기적 특성 등을 향상시킬 수 있는 전기에너지 저장장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

두 개의 전극과, 상기 두 개의 전극 사이에 형성된 세퍼레이터를 포함하는 셀 소자;

상기 셀 소자가 내장되는 외장 케이스; 및

상기 외장 케이스의 상부 및 하부 중에서 선택된 하나 이상에 밀폐 결합되는 결합 유닛을 포함하고,

상기 외장 케이스는 엔지니어링 플라스틱 성형체이며,

상기 결합 유닛은,

상기 셀 소자의 전극과 결합되는 도전성 결합부재; 및

상기 도전성 결합부재와 전기적으로 연결되면서 외장 케이스를 밀폐시키는 밀폐 커버를 포함하는 전기에너지 저장장치를 제공한다.

하나의 실시형태에 따라서, 상기 밀폐 커버는 도전성 결합부재와 전기적으로 연결되는 도전성 단자판; 상기 도전성 단자판 상에 형성된 전극 단자부; 및 상기 도전성 단자판의 외측면에 접합되되, 상기 도전성 단자판의 둘레를 따라 접합된 절연성 밀폐부재를 포함할 수 있다. 또한, 상기 도전성 결합부재는 셀 소자의 전극에 용접, 결합되는 전극 결합판; 상기 도전성 단자판에 용접, 결합되는 단자 결합판; 및 상기 전극 결합판과 단자 결합판을 연결하는 연결부를 포함할 수 있다.

아울러, 상기 절연성 밀폐부재는 엔지니어링 플라스틱 성형체로 구성될 수 있으며, 이는 예를 들어 인서트 사출성형을 통해 도전성 단자판의 둘레를 따라 일체로 접합될 수 있다.

본 발명에 따르면, 전기에너지 저장장치를 구성하는 구성요소(외장 케이스 등)의 재질, 구조 및/또는 용접 방법 등의 개선으로 적어도 경량화가 도모되고, 이와 함께 부품 수 및 조립 공정 수 등이 감소된다. 이에 따라, 본 발명은 전기에너지 저장장치의 경량화를 도모함은 물론, 제조 공정이 단순화되고 제조비용(생산 단가) 등이 절감되는 효과를 갖는다. 또한, 본 발명에 따르면, 전기에너지 저장장치의 전기적 특성이 향상되는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 전기에너지 저장장치의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 전기에너지 저장장치를 구성하는 셀 소자의 실시형태를 보인 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 전기에너지 저장장치를 구성하는 셀 소자의 실시형태를 보인 요부 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 전기에너지 저장장치를 구성하는 밀폐 커버의 결합 사시도 및 분리 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 전기에너지 저장장치를 구성하는 밀폐 커버의 제조 과정을 보인 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 따른 전기에너지 저장장치의 요부를 보인 분해 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시형태에 따른 전기에너지 저장장치의 요부를 보인 결합 단면도이다.

본 발명에서 사용되는 용어 "및/또는"은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나 이상을 포함하는 의미로 사용된다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "제1", "제2", "일측" 및 "타측" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되며, 각 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.

본 발명은 적어도 경량이고 제조 공정(조립 공정)이 간단하며, 이와 함께 전기적 특성 등이 향상된 전기에너지 저장장치를 제공한다. 또한, 본 발명은 상기 전기에너지 저장장치의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 전기에너지 저장장치는, 충/방전이 가능한 것이면 특별히 제한되지 않는다. 본 발명에 따른 전기에너지 저장장치는 전기 화학 소자로서, 예를 들어 전기이중층 커패시터(EDLC ; Electric Double Layer Capacitor), 리튬이온 커패시터(LiC ; Lithium Ion Capacitor), 의사 커패시터(Pseudo Capacitor) 및 하이브리드 커패시터(Hybrid Capacitor) 등의 슈퍼 커패시터(Super Capacitor); 세라믹 커패시터, Al 전해 커패시터 및 Ta 커패시터 등의 일반 커패시터; 그리고 리튬 이온(Li ⁺) 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈-수소(Ni-H) 전지, 납축 전지 및 전해 콘덴서 등의 일반 2차 전지 등으로부터 선택될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 전기에너지 저장장치의 형상, 크기 및/또는 용량 등은 사용 목적 및 적용 분야 등에 따라 다양하게 구성될 수 있다. 본 발명에 따른 전기에너지 저장장치는, 예를 들어 원통형 커패시터로서, 전기이중층 커패시터(EDLC)나 리튬이온 커패시터(LiC) 등으로부터 선택되고 2.7V의 전압과 3,000F의 용량을 가질 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 전기에너지 저장장치의 실시형태를 설명한다. 이하에서는 전기에너지 저장장치로서 경우에 따라 전기이중층 커패시터(이하, "EDLC"로 약칭한다.)나 리튬이온 커패시터(이하, "LiC"로 약칭한다.)를 예로 들어 설명한다. 아울러, 본 발명에서 사용되는 용어, "전기적 특성"은 전기에너지 저장장치의 용량, 전압, 출력, 저항, 파워 밀도, 에너지 밀도 및 누설 전류 등으로부터 선택된 적어도 하나 이상을 의미한다.

도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 전기에너지 저장장치는 셀 소자(A)와, 상기 셀 소자(A)가 내장되는 외장 케이스(B)와, 상기 외장 케이스(B)의 상부 및 하부 중에서 선택된 하나 이상에 밀폐 결합되는 결합 유닛(100)(200)을 포함한다.

상기 셀 소자(A)는, 충/방전이 가능한 전지적 셀 구성 요소로서, 이는 두 개의 전극(10)(20)과, 상기 두 개의 전극(10)(20) 사이에 형성된 세퍼레이터(30)를 을 포함한다. 하나의 실시형태에 따라서, 셀 소자(A)는 제1 전극(10), 제2 전극(20) 및 상기 제1 전극(10)과 제2 전극(20)의 사이에 형성된 세퍼레이터(30)를 포함하며, 이들(10)(20)(30)의 개수는 제한되지 않는다. 세퍼레이터(30)는 절연성의 다공성 재질로서, 이는 적어도 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 간의 사이에는 형성된다. 이때, 제1 전극(10)은 양극(anode)이고, 제2 전극(20)은 음극(cathode)일 수 있으며, 이와는 반대로 제1 전극(10)이 음극이고, 제2 전극(20)이 양극일 수 있다.

상기 셀 소자(A)는 세퍼레이터(30)를 사이에 두고 제1 전극(10)과 제2 전극(20)이 교대로 적층된 적층체를 포함하되, 이러한 적층체를 적어도 하나 이상 포함한다. 상기 적층체는 통상과 같이 전해액에 함침된다. 상기 적층체는, 전해액에 함침된 후에 외장 케이스(B)의 내부에 내장되거나, 외장 케이스(B)의 내부에 내장된 후에 전해액의 주입을 통해 함침될 수 있다.

본 발명에서, 상기 셀 소자(A)를 구성하는 각 구성요소의 성분, 재질 및 형상 등은 제한되지 않는다. 셀 소자(A)는 원형이나 사각형 등의 횡단면을 가질 수 있다. 도면에는 원형의 횡단면을 가지는 원통형 셀 소자(A)가 예시되어 있다. 도면에 예시한 바와 같이, 셀 소자(A)는 제1 전극(10), 제2 전극(20) 및 세퍼레이터(30)를 포함하는 적층체가 원통형으로 와인딩(winding)된 다음, 테이프 등에 의해 밴딩(banding)된 권취 소자(W)로 구성될 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)은 각각 금속 집전체(12)(22)와, 상기 금속 집전체(12)(22) 상에 형성된 전극 활물질층(14)(24)을 포함할 수 있다. 전극 활물질층(14)(24)은 금속 집전체(12)(22)의 적어도 한 면에 형성된다. 전극 활물질층(14)(24)은 금속 집전체(12)(22)의 한쪽 면에만 형성되거나, 양쪽 면 모두에 형성될 수 있다. 도 2 및 도 3에는 전극 활물질층(14)(24)이 금속 집전체(12)(22)의 양쪽 면 모두에 형성된 모습이 예시되어 있다.

상기 금속 집전체(12)(22)는, 예를 들어 금속 포일(metal foil)로부터 선택된다. 금속 집전체(12)(22)는, 구체적인 예를 들어 알루미늄(Al), 구리(Cu), 티탄(Ti), 니켈(Ni), 스테인레스 스틸(SUS) 또는 이들의 합금으로부터 선택된 금속 박막으로 구성될 수 있다. 이때, 금속 집전체(12)(22)는 높은 표면적을 위해 표면이 에칭(etching) 처리된 금속 에칭 포일(metal etching foil)로부터 선택되는 것이 바람직하다. 하나의 예시에서, 금속 집전체(12)(22)는 알루미늄(Al) 에칭 포일을 유용하게 사용할 수 있다.

상기 전극 활물질층(14)(24)은, 예를 들어 EDLC의 경우에 활성탄, 바인더(binder) 및 도전재를 포함하는 전극 조성물이 금속 집전체(12)(22) 상에 코팅, 압연되어 형성될 수 있다. 전극 활물질층(14)(24)는, 다른 예를 들어 LiC의 경우에 전극 활물질로서, 리튬 화합물 및/또는 탄소 재료 등을 포함할 수 있으며, 음극 및 양극 활물질층(14)(24) 중에서 선택된 하나 이상은 리튬(Li)이 프리도핑(pre-doping)될 수 있다. 이때, 상기 리튬 화합물은 LiCoO ₂, LiNiO ₂, LiMnO ₂ 및/또는 LiMn ₂O ₄ 등을 예로 들 수 있으며, 상기 탄소 재료는 흑연, 흑연화 탄소섬유, 흑연화 메조카본마이크로비드, 석유 코크스, 하드 카본, 소프트 카본, 탄소나노튜브, 그래핀 및/또는 폴리아센(폴리아센세미콘덕터) 등을 예로 들 수 있다.

또한, 상기 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)은 각각 용접 결합부(12a)(22a)를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)은 금속 집전체(12)(22) 상에 전극 조성물이 코팅, 형성된 전극 활물질층(14)(24)을 포함하되, 상기 전극 활물질층(14)(24)이 형성(코팅)되지 않은 부분으로서, 제1 전극(10)에 형성된 제1 용접 결합부(12a) 및 제2 전극(20)에 형성된 제2 용접 결합부(22a)를 포함할 수 있다.

이때, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1 전극(10)에 형성된 제1 용접 결합부(12a)는 상측으로 인출되고, 상기 제2 전극(20)에 형성된 제2 용접 결합부(22a)는 하측으로 인출될 수 있다. 이와는 반대로, 상기 제1 용접 결합부(12a)는 하측으로 인출되고, 상기 제2 용접 결합부(22a)는 상측으로 인출될 수 있다. 이러한 각 용접 결합부(12a)(22a)는 EDLC의 내부 단자 기능을 할 수 있으며, 이들은 도전성 결합부재(120)(220)와 용접, 결합된다. 구체적으로, 제1 용접 결합부(12a)는 제1 도전성 결합부재(120)와 용접되고, 제2 용접 결합부(22a)는 제2 도전성 결합부재(220)와 용접되어 결합된다.

상기 외장 케이스(B)는, 예를 들어 원통형이나 각형 등의 형상을 가질 수 있다. 도면에는 원통형의 외장 케이스(B)가 예시되어 있다. 외장 케이스(B)의 상부 및 하부 중에서 선택된 하나 이상은 개방되어 있다. 외장 케이스(B)는, 예를 들어 원통형의 벽체와, 상기 벽체의 하단에 일체로 형성된 바닥부를 포함하여, 상기 바닥부에 의해 하부는 밀폐되고, 상부는 개방된 구조를 가질 수 있다. 바람직한 실시형태에 따라서, 외장 케이스(B)는 상부 및 하부 둘 모두가 개방된 구조로서, 원통형의 형상을 갖는다. 상부 및 하부 둘 모두가 개방된 구조는, 예를 들어 압출 등의 성형에 유리하며, 이와 함께 상부 및 하부에 동일한 구조의 결합 유닛(100)(200)이 결합되게 할 수 있어 조립 공정 등에서 유리할 수 있다. 이러한 외장 케이스(B)의 내부에는 셀 소자(A)가 내장된다. 셀 소자(A)가 내장된 후, 외장 케이스(B)의 상부 및/또는 하부는 결합 유닛(100)(200)의 결합에 의해 밀폐된다.

상기 외장 케이스(B)는 엔지니어링 플라스틱 성형체로 구성된다. 본 발명에서, "엔지니어링 플라스틱 성형체"란 성형체의 구성 재질이 적어도 엔지니어링 플라스틱(E/P : Engineering Plastics)을 포함하는 것이면 여기에 포함한다. 구체적으로, 상기 엔지니어링 플라스틱 성형체는 엔지니어링 플라스틱(E/P) 단독을 성형 재료로 하여 성형되거나, 엔지니어링 플라스틱(E/P)을 제1성분(주성분)으로 하되, 여기에 제2성분이 혼합된 혼합물을 성형 재료로 하여 성형될 수 있다. 상기 제2성분은, 예를 들어 비-엔지니어링 플라스틱 등의 수지 성분; 강도 보강을 위한 무기물 등의 보강재; 성형성을 위한 이형제나 활제 등의 성형 개선제; 및/또는 산화방지제나 색상 안료 등의 첨가제; 등으로부터 선택될 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 엔지니어링 플라스틱 성형체는, 그의 전체 중량 중에서 엔지니어링 플라스틱(E/P)을 80중량% 이상을 포함할 수 있으며, 구체적으로는 80 ~ 100중량%, 85 ~ 99.9중량%, 또는 90 ~ 98중량%로 포함할 수 있다.

본 발명에서, 상기 엔지니어링 플라스틱(E/P)은 폴리에틸렌(PE) 및 폴리프로필렌(PP) 등과 같은 일반적인 플라스틱과 구별되는 것으로서, 이는 고강도, 고내열성 및 고내화학성 등을 가지는 플라스틱(고분자)으로부터 선택된다. 엔지니어링 플라스틱(E/P)은 당 분야 및 다른 산업분야에서 엔지니어링 플라스틱(E/P)으로 통용되는 것이면 특별히 제한되지 않는다.

본 발명에 따라서, 상기 외장 케이스(B)는 위와 같은 엔지니어링 플라스틱(E/P)을 적어도 포함하는 성형 재료로부터 제조된 것이 사용되며, 이는 예를 들어 압출 성형이나 사출 성형 등을 통해 제조될 수 있다. 본 발명에 따르면, 전기에너지 저장장치의 주요 중량 및 부피를 차지하는 외장 케이스(B)가 엔지니어링 플라스틱 성형체로 구성되어, 종래의 알루미늄(Al) 등과 같은 금속재와 대비하여 동등 이상의 고강도 등을 유지하면서 적어도 우수한 경량성을 갖는다.

상기 엔지니어링 플라스틱(E/P)은, 구체적인 예를 들어 폴리아미드(PA ; Polyamide), 폴리아세탈(POM ; Polyacetal), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT ; Polybutylene Terephthalate), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET ; Polyethylene Terephthalate), 폴리페닐렌설파이드(PPS ; Polyphenylene Sulfide), 폴리에스테르 엘라스토머(TPEE ; Thermoplastic polyester elastomer) 및 이들의 공중합체 등으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 상기 폴리에스테르 엘라스토머(TPEE)로는 열가소성 스티렌 블록 공중합체(SBC ; Thermoplastic styrenic block copolymer) 등의 스티렌계, 열가소성 올레핀 엘라스토머(TPO ; Tthermoplastic olefinic elastomer) 등의 올레핀계 및/또는 열가소성 폴리우레탄(TPU ; Tthermoplastic polyurethane) 등의 우레탄계 등을 예로 들 수 있다. 이러한 엔지니어링 플라스틱(E/P) 중에서도 경제성, 상용성 및/또는 가공성 등을 고려하여 폴리아미드(PA), 폴리아세탈(POM), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT) 및/또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등을 유용하게 사용될 수 있다.

또한, 하나의 실시형태에 따라서, 상기 엔지니어링 플라스틱(E/P)은 강도, 내열성 및 내화학성 등을 고려하여, 중량평균분자량이 120,000 이상이고, 결정화도가 40% 이상인 결정성 엔지니어링 플라스틱(E/P)으로부터 선택될 수 있다. 구체적인 예를 들어, 상기 엔지니어링 플라스틱(E/P)은 중량평균분자량이 20만 내지 500만이고, 결정화도가 45% 내지 85%인 결정성 엔지니어링 플라스틱(E/P)으로부터 선택될 수 있다. 이와 같은 중량평균분자량 및 결정화도를 가지는 결정성 엔지니어링 플라스틱(E/P)을 사용하는 경우, 우수한 기계적 및 열적 특성을 가지면서 내전해액성 및 성형성 등에서도 유리하다. 예를 들어, 결정화도가 너무 낮은 경우, 종래의 알루미늄(Al) 등과 같은 금속재를 대체할 정도의 우수한 강도를 갖지 못하거나, 내전해액성이 떨어져 전해액에 의해 용출될 수 있다. 또한, 결정화도가 너무 높은 경우에는 성형성 및 가공성 등이 낮아지고, 결합 유닛(100)(200)과의 접합력 및 실링성이 떨어질 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 결정성 엔지니어링 플라스틱(E/P)은 45% ~ 75% 또는 50% ~ 70%의 결정화도를 가지는 것으로부터 선택될 수 있다.

상기 결정화도는, 예를 들어 조핵제(nucleating agent)의 첨가를 통해 조절될 수 있으며, 구체적으로 상기 외장 케이스(B)는 엔지니어링 플라스틱(E/P)과 조핵제를 적어도 포함하는 성형 재료로부터 제조(성형)될 수 있다. 상기 조핵제는 엔지니어링 플라스틱(E/P)의 결정화도를 증가(결정성 향상)시킬 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 이는 엔지니어링 플라스틱(E/P)의 종류에 따라 선택될 수 있다. 상기 조핵제는, 예를 들어 나트륨벤조에이트, 4-제3부틸안식향산알루미늄염, 아디핀산나트륨 등의 카르복실산금속염; 나트륨비스(4-제3부틸페닐)포스페이트, 나트륨-2,2'-메틸렌비스(4,6-디제3부틸페닐)포스페이트 등의 인산에스테르금속염; 및/또는 디벤질리덴소르비톨, 비스(메틸벤질리덴)소르비톨, 비스(디메틸벤질리덴)소르비톨 등의 다가 알코올 유도체 등의 화합물이 사용될 수 있다. 이때, 40% 이상의 결정화도를 갖도록 엔지니어링 플라스틱(E/P) 100중량부에 대하여, 예를 들어 0.05중량부 이상, 보다 구체적으로는 0.1중량부 이상의 조핵제를 첨가하여 사용할 수 있다. 이러한 조핵제의 첨가량은 엔지니어링 플라스틱(E/P)의 종류 및/또는 조핵제의 종류에 따라 조절될 수 있다. 하나의 예시에서, 약 50% ~ 70%의 결정화도를 갖도록, 상기 성형 재료는 엔지니어링 플라스틱(E/P) 100중량부에 대하여, 예를 들어 0.1 ~ 8중량부의 조핵제를 첨가하여 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시형태에 따라서, 상기 엔지니어링 플라스틱 성형체, 즉 상기 외장 케이스(B)는 아래의 물성 (a) 내지 (c)를 만족하는 것이 좋다. 본 발명에 따르면, 상기 엔지니어링 플라스틱 성형체가 적어도 이래의 물성을 만족하는 경우, 경량성을 가짐은 물론 강도, 내열성 및 내화학성 등이 우수하여, EDLC에 충격이 가해지거나 과부하 및 열화 등이 발생된 경우에도 안정성을 가져 EDLC의 셀 외장 케이스(B)로 유용하다.

(a) 밀도 1.8g/㎤ 이하

(b) 인장 강도 145MPa 이상

(c) 1.82MPa의 곡률응력에서 열변형 온도 185℃ 이상

이때, 상기 밀도가 1.8g/㎤를 초과하는 경우 경량성에 바람직하지 않으며, 밀도가 너무 낮은 경우 기계적 강도가 낮아질 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 상기 밀도는 예를 들어 1.2g/㎤ 내지 1.8g/㎤인 것이 바람직할 수 있다. 또한, 상기 인장 강도가 145MPa 미만인 경우, 내압 상승이나 외부 충격에 의해 변형이 발생될 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 인장 강도는 148MPa 이상이 바람직하며, 구체적인 예를 들어 148MPa 내지 220MPa인 것이 바람직할 수 있다. 아울러, 상기 열변형 온도가 185℃ 미만인 경우, EDLC의 내부에 고열 발생 시, 열 변형이 일어날 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 열변형 온도는 190℃ 이상이 바람직하며, 구체적인 예를 들어 190℃ 내지 300℃, 보다 바람직하게는 200℃ 내지 300℃인 것이 좋다.

본 발명에서, 상기 엔지니어링 플라스틱 성형체는 엔지니어링 플라스틱(E/P)의 종류, 분자량, 결정성(결정화도) 및/또는 개질 정도 등에 따라 상기와 같은 물성 (a) 내지 (c)을 갖는 것이면 바람직하다. 상기 엔지니어링 플라스틱 성형체는, 예를 들어 상기 나열한 엔지니어링 플라스틱(E/P)의 고유 물성에 의하거나 첨가제 및/또는 개질 등에 의하여, 1.8g/㎤ 이하의 밀도, 145MPa 이상의 인장 강도 및 185℃ 이상의 열변형 온도(1.82MPa의 곡률응력)를 가지면 좋다.

상기 외장 케이스(B)의 상부 및/또는 하부에는 결합 유닛(100)(200)이 밀폐 결합된다. 결합 유닛(100)(200)은 외장 케이스(B)의 상부 및/또는 하부를 밀폐시키면서 셀 소자(A)의 전극(10)(20)과 외부 전원이 전기적으로 통전(연결)되게 할 수 있는 것이면, 그 구조 및/또는 형태 등은 특별히 제한되지 않는다. 본 발명에서, 밀폐 결합은 전해액의 누액 및/또는 가스의 누출을 방지할 수 있는 실링성을 가지면 좋다.

상기 결합 유닛(100)(200)은 셀 소자(A)의 전극(10)(20)과 결합되는 도전성 결합부재(120)(220)와, 상기 도전성 결합부재(120)(220)에 전기적으로 연결되면서 외장 케이스(B)를 밀폐시키는 밀폐 커버(140)(240)를 포함한다. 바람직한 실시형태에 따라서, 상기 밀폐 커버(140)(240)는 도전성 결합부재(120)(220)와 전기적으로 연결되는 도전성 단자판(142)(242)과, 상기 도전성 단자판(142)(242) 상에 일체로 형성된 전극 단자부(144)(244)와, 상기 도전성 단자판(142)(242)의 외측면(42a)에 접합된 절연성 밀폐부재(146)(246)를 포함한다. 또한, 상기 밀폐 커버(140)(240)는 전극 단자부(144)(244)에 결합되는 마감 캡(148)(248)을 더 포함할 수 있다.

상기 외장 케이스(B)의 상부 및 하부가 개방된 경우, 상기 결합 유닛(100)(200)은 외장 케이스(B)의 상부 및 하부에 각각 밀폐 결합되는 제1 결합 유닛(100) 및 제2 결합 유닛(200)을 포함한다. 이때, 상기 제1 결합 유닛(100) 및 제2 결합 유닛(200)은 서로 동일하게 구성될 수 있다. 도 4 내지 도 6에는 제1 결합 유닛(100)과 제2 결합 유닛(200)를 구성하는 각 구성요소들의 도면 부호를 같이 나타내었다.

구체적인 실시형태에 따라서, 상기 제1 결합 유닛(100)은 셀 소자(A)의 제1 전극(10)과 결합되는 제1 도전성 결합부재(120)와, 상기 제1 도전성 결합부재(120)에 전기적으로 연결되면서 외장 케이스(B)의 상부를 밀폐시키는 제1 밀폐 커버(140)를 포함한다. 그리고 제1 밀폐 커버(140)는 제1 도전성 결합부재(120)와 전기적으로 연결되는 제1 도전성 단자판(142)과, 상기 제1 도전성 단자판(142) 상에 일체로 형성된 제1 전극 단자부(144)와, 상기 제1 도전성 단자판(142)의 외측면(42a)에 접합된 제1 절연성 밀폐부재(146)를 포함한다. 또한, 상기 제2 결합 유닛(200)은 셀 소자(A)의 제2 전극(20)과 결합되는 제2 도전성 결합부재(220)와, 상기 제2 도전성 결합부재(220)에 전기적으로 연결되면서 외장 케이스(B)의 하부를 밀폐시키는 제2 밀폐 커버(240)를 포함한다. 아울러, 제2 밀폐 커버(240)는 제2 도전성 결합부재(220)와 전기적으로 연결되는 제2 도전성 단자판(242)과, 상기 제2 도전성 단자판(242) 상에 일체로 형성된 제2 전극 단자부(244)와, 상기 제2 도전성 단자판(242)의 외측면(42a)에 접합된 제2 절연성 밀폐부재(246)를 포함한다. 부가적으로, 상기 제1 전극 단자부(144)에는 제1 마감 캡(148)에 결합되고, 상기 제2 전극 단자부(244)에는 제2 마감 캡(248)이 결합될 수 있다.

상기 도전성 결합부재(120)(220)는 도전성을 가지는 것으로서, 이는 금속재로부터 선택될 수 있다. 도전성 결합부재(120)(220)는, 예를 들어 알루미늄(Al), 알루미늄(Al) 합금 및/또는 SUS 등으로부터 선택된 금속재로 구성될 수 있다. 바람직한 실시형태에 따라서, 도전성 결합부재(120)(220)는 전극(10)(20)에 용접, 결합되는 전극 결합판(122)(222), 상기 도전성 단자판(142)(242)에 용접, 결합되는 단자 결합판(124)(224), 및 상기 전극 결합판(122)(222)과 단자 결합판(124)(224)을 연결하는 연결부(126)(226)을 포함한다. 상기 연결부(126)(226)는 전극 결합판(122)(222)과 단자 결합판(124)(224)의 사이에 일체로 형성되어 있다. 즉, 상기 전극 결합판(122)(222), 단자 결합판(124)(224) 및 연결부(126)(226)는 동일한 재질의 금속재로서 일체로 구성된다. 이때, 제1 전극 결합판(122)은 제1 전극(10)의 제1 용접 결합부(12a)와 용접, 결합되고, 제2 전극 결합판(222)은 제2 전극(20)의 제2 용접 결합부(22a)와 용접, 결합되어 전기적으로 통전된다. 또한, 제1 단자 결합판(124)은 제1 도전성 단자판(142)과 용접, 결합되고, 제2 단자 결합판(224)은 제2 도전성 단자판(242)과 용접, 결합된다. 그리고 제1 및 제2 연결부(126)(226)에 의해 각 전극 결합판(122)(222)과 단자 결합판(124)(224)은 상호간 전기적으로 통전된다.

상기 도전성 결합부재(120)(220)는, 예를 들어 0.08mm ~ 1.5mm의 두께를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 전극 결합판(122)(222), 단자 결합판(124)(224) 및 연결부(126)(226)는 동일한 재질의 금속재(Al 등)로서, 0.08mm ~ 1.5mm의 두께를 가질 수 있다. 도전성 결합부재(120)(220)는 위와 같은 두께 범위를 가지는 경우, 적절한 강도를 가지면서 각 전극(10)(20)과 도전성 단자판(142)(242)에 용접, 결합 시에 용접성이 향상되고 전기적 저항이 최소화될 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 도전성 결합부재(120)(220)는 0.1mm ~ 0.8mm의 두께를 가지는 것이 바람직하다.

상기 전극 결합판(122)(222)은 원판 형상이나 다각판 형상 등의 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 셀 소자(A)가 원통형의 권취 소자(W)인 경우, 전극 결합판(122)(222)은 도면에 도시한 바와 같이 원판 형상을 갖는다. 또한, 전극 결합판(122)(222)은 중앙에 형성된 중앙홀(122a)(222a)과, 상기 중앙홀(122a)(222a)의 주위에 방사형으로 형성된 복수의 관통홀(122b)(222b)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 중앙홀(122a)(222a)에는 권취 소자(W)의 중앙에 내장될 수 있는 축부(도시하지 않음)가 끼워질 수 있다. 그리고 상기 관통홀(122b)(222b)을 통해 전해액 및/또는 가스가 통과될 수 있다.

상기 단자 결합판(124)(224)은, 예를 들어 원판 형상이나 다각판 형상 등의 형상을 가지며, 이는 도전성 단자판(142)(242)과 대응되는 형상을 갖는다. 이러한 단자 결합판(124)(224)의 중앙에도 중앙홀(124a)(224a)이 형성될 수 있다. 이때, 단자 결합판(124)(224)의 중앙홀(124a)(224a)에는 상기 축부가 끼워지거나 도전성 단자판(142)(242)에 형성된 돌출부(142b)(242b)가 끼워질 수 있다.

상기 도전성 단자판(142)(242)은 도전성을 가지는 것으로서, 이는 금속재로부터 선택될 수 있다. 도전성 단자판(142)(242)은, 예를 들어 알루미늄(Al), 알루미늄(Al) 합금 및/또는 SUS 등의 금속재로 구성될 수 있다. 도전성 단자판(142)(242)은 원판 형상이나 다각판 형상 등의 형상을 갖는다. 도전성 단자판(142)(242)은 금속재로서, 예를 들어 2mm 이상의 두께를 가질 수 있으며, 구체적인 예를 들어 2mm ~ 10mm의 두께를 가질 수 있다. 이때, 도전성 단자판(142)(242)이 너무 얇으면 외부 충격이나 내압 등에 의해 변형이나 파손이 생길 수 있다. 또한, 도전성 단자판(142)(242)이 너무 두꺼우면 경량성 등에서 바람직하지 않다. 이러한 점을 고려할 때, 도전성 단자판(142)(242)은 3mm ~ 8mm 또는 4mm ~ 7mm의 두께를 가질 수 있다. 아울러, 도전성 단자판(142)(242)에는 전해액의 주입을 위한 주입공(142a)(142a)과, 상기 단자 결합판(124)(224)의 중앙홀(124a)(224a)에 끼워지는 돌출부(142b)(242b)가 형성될 수 있다.

상기 전극 단자부(144)(244)는 도전성 단자판(142)(242)의 일측에 일체로 형성되며, 이는 도전성 단자판(142)(242)과 동일한 종류의 금속재(Al 등)로 구성될 수 있다. 전극 단자부(144)(244)는, 예를 들어 원통형의 형상을 갖는다. 이러한 전극 단자부(144)(244)는 외부 전원과 연결되며, 이는 EDLC의 외부 단자 기능을 할 수 있다. 또한, 전극 단자부(144)(244)에는 마감 캡(148)(248)이 삽입, 결합되는 마감 캡 삽입홀(144a)(244a)이 형성될 수 있다. 이때, 마감 캡 삽입홀(144a)(244a)의 내부면과 마감 캡(148)(248)의 외부면에는 각각 나사산(S)이 형성되어 나사 결합될 수 있다. 아울러, 전극 단자부(144)(244)는 외주연에 나사산(S)이 형성될 수 있다. 전극 단자부(144)(244)는 외주연에 형성된 나사산(S)을 통해 외부 커넥터와 연결될 수 있다.

상기 절연성 밀폐부재(146)(246)는 절연성을 가지며, 이는 도전성 단자판(142)(242)의 외측면(42a)에 둘레를 따라 접합되어 있다. 구체적으로, 절연성 밀폐부재(146)(246)는 도전성 단자판(142)(242)의 외측면(42a)에 접합되되, 도전성 단자판(142)(242)의 원주 방향을 따라 일체적으로 접합되어 있다. 이때, 절연성 밀폐부재(146)(246)와 도전성 단자판(142)(242)의 접촉면은 요철 구조(Ta)(Tb)를 가질 수 있다. 예를 들어, 도전성 단자판(142)(242)의 외측면(42a)에는 돌부(Ta)가 형성되고, 이와 대응되는 절연성 밀폐부재(146)(246)의 내측면(46a)에는 요부(Tb)가 형성될 수 있다. 이러한 요철 구조(Ta)(Tb)는 절연성 밀폐부재(146)(246)와 도전성 단자판(142)(242)의 접촉면에서 접합력과 실링성을 개선할 수 있다.

도 4의 (a)는 상기 밀폐 커버(140)(240)의 사시도이고, 도 4의 (b)는 상기 밀폐 커버(140)(240)의 분해 사시도이다. 그리고 도 5는 상기 밀폐 커버(140)(240)의 제조 과정을 예시한 것이다.

도 4 및 도 5를 참고하면, 본 발명의 실시형태에 따라서 상기 절연성 밀폐부재(146)(246)는 원판이나 다각판 등의 형상을 가지는 밀폐 본체(146a)(246a)와, 상기 밀폐 본체(146a)(246a)의 수평 방향으로 연장 형성된 테두리부(146b)(246b)와, 상기 밀폐 본체(146a)(246a)의 외측면(46b)에서 하향으로 연장 형성된 측벽부(146c)(246c)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 밀폐 본체(146a)(246a)는, 예를 들어 2mm ~ 10mm의 두께를 가질 수 있으며, 이는 또한 도전성 단자판(142)(242)과 동일한 두께를 가질 수 있다. 밀폐 본체(146a)(246a)는 그의 중앙에 도전성 단자판(142)(242)이 삽입된 공간인 삽입공(H)이 형성된 것으로서, 이는 예를 들어 환형(ring shape)의 형상을 갖는다.

상기 밀폐 본체(146a)(246a)의 내측면(46a)은 도전성 단자판(142)(242)의 외측면(42a)과 요철 구조(Ta)(Tb)로 접합된다. 아울러, 상기 테두리부(146b)(246b)의 하측면(46d)은 외장 케이스(B)의 말단 표면(B1)에 밀착된다. 그리고 상기 밀폐 본체(146a)(246a)의 외측면(46b)과 상기 측벽부(146c)(246c)의 외측면(46c)는 외장 케이스(B)의 말단 내측면(B2)에 밀착된다. 이때, 외장 케이스(B)의 말단 표면(B1)과 내측면(B2) 중에서 적어도 내측면(B2)은 밀폐 본체(146a)(246a)와 용접(용융)을 통해 접합된다. 또한, 상기 밀폐 본체(146a)(246a)의 측벽부(146c)(246c)는 도전성 결합부재(120)(220)와 외장 케이스(B)의 사이에 삽입된 상태에서 외장 케이스(B)의 내측면(B2)과 접합될 수 있다. 이에 따라, 외장 케이스(B)의 상부 및/또는 하부는 상기 밀폐 커버(140)(240)에 의해 실링된다. 구체적으로, 외장 케이스(B)의 상부 및/또는 하부는 상기 절연성 밀폐부재(146)(246)와 도전성 단자판(142)(242)에 의해 실링되어 전해액 및/또는 가스의 유출이 방지된다.

본 발명의 다른 실시형태에 따라서, 상기 절연성 밀폐부재(146)(246)와 도전성 단자판(142)(242)의 접촉 계면에는 접합막(F)이 형성될 수 있다. 이러한 접합막(F)은 적어도 절연성 밀폐부재(146)(246)와 도전성 단자판(142)(242) 간의 접합력 및 실링성을 효과적으로 개선할 수 있다. 아울러, 절연성 밀폐부재(146)(246)는 인서트 사출성형을 통해 도전성 단자판(142)(242)과 일체 구조로 접합될 수 있다. 이를 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 5를 참조하면, 먼저 상기 도전성 단자판(142)(242)을 처리액(Fa)에 함침한다. 이때, 도전성 단자판(142)(242)의 상측에는 전극 단자부(144)(244)가 일체로 형성되어 있다. 이와 같이, 전극 단자부(144)(244)가 형성된 도전성 단자판(142)(242)을 함침조(D) 내의 처리액(Fa)에 함침하여, 적어도 도전성 단자판(142)(242)의 표면에 처리액(Fa)을 코팅한다. 이후, 상기 함침 처리된 도전성 단자판(142)(242)을 금형(M)에 장입한다. 금형(M)은 절연성 밀폐부재(146)(246)와 대응되는 내부 형상을 갖는다. 다음으로, 금형(M)에 절연성 밀폐부재(146)(246)를 위한 성형 재료를 주입한 후 경화(건조)시킴으로써, 절연성 밀폐부재(146)(246)와 도전성 단자판(142)(242)이 인서트 사출성형을 통해 일체 구조로 접합된 밀폐 커버(140)(240)를 제조할 수 있다. 이러한 인서트 사출성형을 통하여 밀폐 커버(140)(240)를 제조하는 경우, 절연성 밀폐부재(146)(246)와 도전성 단자판(142)(242) 간의 접합력 및 실링성이 향상된다. 이와 함께, 절연성 밀폐부재(146)(246)와 도전성 단자판(142)(242) 간의 접촉 계면에는 상기 처리액(Fa)에 의한 접합막(F)이 형성되어 접합력 및 실링성이 효과적으로 개선된다.

상기 처리액(Fa)은 접합막(F)을 위한 것으로서, 이는 절연성 밀폐부재(146)(246)와 도전성 단자판(142)(242) 간의 접합력 및 실링성을 향상시킬 수 있는 것이면 좋다. 처리액(Fa)은 유기계 및/또는 수계 용액으로서, 이는 예를 들어 수지 접착제를 포함하거나, 도전성 단자판(142)(242)과 절연성 밀폐부재(146)(246) 간의 화학적 결합을 도모할 수 있는 가교 화합물을 포함할 수 있다. 이때, 수지 접착제는 에폭시계, 아크릴계 및/또는 우레탄계 등으로부터 선택될 수 있다. 가교 화합물은, 예를 들어 트리아진티올 및/또는 이의 유도체 등으로부터 선택될 수 있으며, 구체적인 예를 들어 1,3,5-트리아진-2,4,6-트리티올, 1,3,5-트리아진-2,4,6-트리티올 모노나트륨, 1,3,5-트리아진-2,4,6-트리티올 트리에탄올아민, 6-아닐리노-1,3,5-트리아진-2,4-디티올, 6-아닐리노-1,3,5-트리아진-2,4-디티올 모노나트륨, 6-디라우릴 아미노-1,3,5-트리아진-2,4-디티올 모노나트륨, 6-스테아릴 아미노-1,3,5-트리아진-2,4-디티올 모노칼륨, 6-올레일 아미노-1,3,5-트리아진-2,4-디티올 및/또는 6-올레일 아미노-1,3,5-트리아진-2,4-디티올 모노칼륨 등으로부터 선택될 수 있다.

상기 접합막(F)은 50㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다. 접합막(F)은, 예를 들어 10nm ~ 50㎛의 두께, 또는 50nm ~ 30㎛의 두께를 가질 수 있다. 이러한 두께 범위에서 접합력 및 실링성에서 유리할 수 있다.

또한, 상기 도전성 단자판(142)(242)은 절연성 밀폐부재(146)(246)와 접합되는 외측면(42a)에 표면 조도(surface roughness)가 형성될 수 있다. 구체적으로, 도전성 단자판(142)(242)과 접합막(F) 간의 접촉 계면은 미세한 조도를 가질 수 있다. 도전성 단자판(142)(242)은 접합막(F)과의 접촉 계면에서, 예를 들어 0.01㎛ ~ 0.7㎛의 표면 거칠기를 가질 수 있다. 여기서, 표면 거칠기는 금속이나 필름 관련 분야에서 일반적인 방법에 따라 측정된 산술 평균 표면 조도값이다. 이러한 미세 조도는 적어도 접합성을 향상시킬 수 있다. 미세 조도는, 예를 들어 도전성 단자판(142)(242)의 산(acid) 처리, 에칭(etching) 처리, 양극 산화 처리 및/또는 연마(grinding)를 이용한 헤어 라인(hair line) 처리 등을 통해 형성될 수 있다. 또한, 미세 조도는 랜덤(random)하고 불규칙하며, 파형(wave shape)이나 톱니형(saw shape) 등의 형상을 가질 수 있다.

상기 절연성 밀폐부재(146)(246)는 절연성을 가지는 것이면 좋으며, 이는 예를 들어 플라스틱재로 구성될 수 있다. 절연성 밀폐부재(146)(246)는, 바람직하게는 엔지니어링 플라스틱 성형체로 구성된다. 구체적으로, 상기 금형(M)에는 적어도 엔지니어링 플라스틱(E/P)을 포함하는 성형 재료가 주입되어, 인서트 사출성형을 통해 도전성 단자판(142)(242)과 일체 구조로 접합된 절연성 밀폐부재(146)(246)가 성형될 수 있다. 이러한 절연성 밀폐부재(146)(246)를 구성하는 엔지니어링 플라스틱 성형체는 상기 외장 케이스(B)와 설명한 바와 같다.

또한, 상기 외장 케이스(B) 및 절연성 밀폐부재(146)(246)는 둘 모두가 엔지니어링 플라스틱 성형체로 구성될 수 있으며, 이들은 또한 동일한 종류의 엔지니어링 플라스틱(E/P)를 포함할 수 있다. 일례로, 외장 케이스(B)가 폴리아미드계의 엔지니어링 플라스틱(E/P)이면, 절연성 밀폐부재(146)(246)도 폴리아미드계의 엔지니어링 플라스틱(E/P)이다. 이 경우, 동일한 재질에 의해 용접(용융)을 통한 결합 시 적어도 접합력에서 유리하다.

상기 마감 캡(148)(248)은, 예를 들어 금속재로부터 선택되고, 이는 전술한 바와 같이 전극 단자부(144)(244)의 마감 캡 삽입홀(144a)(244a)에 삽입되어 나사 결합될 수 있다. 마감 캡(148)(248)은, 예를 들어 볼트(bolt) 등의 형상을 가질 수 있다. 또한, 마감 캡(148)(248)의 상부 중앙에는 끼움 홈(148a)(248a)이 형성될 수 있으며, 상기 끼움 홈(148a)(248a)에 렌치 등의 체결 기구를 끼워 마감 캡(148)(248)의 결합/분리가 도모될 수 있다. 아울러, 마감 캡 삽입홀(144a)(244a)과 마감 캡(148)(248)의 사이에는 실링재(147)(247)가 설치될 수 있다. 즉, 단자부(144)(244)의 마감 캡 삽입홀(144a)(244a)에는 기밀성의 실링재(147)(247)가 패킹될 수 있다. 상기 실링재(147)(247)는 기밀성을 가지는 것이면 좋으며, 이는 예를 들어 고무재로부터 선택될 수 있다. 실링재(147)(247)는, 예를 들어 대략 T자형(도 1 및 도 7 참고)의 단면 형상을 갖거나, O-링(O-ring) 등과 같은 고리 형상을 가질 수 있다. 이때, 전해액의 주입 시, 전극 단자부(144)(244)로부터 실링재(147)(247)와 마감 캡(148)(248)을 분리한 후, 상기 마감 캡 삽입홀(144a)(244a)을 통해 전해액의 초기 주입 및/또는 전해액의 보충 주입이 이루어질 수 있다.

한편, 본 발명의 제조방법에 따라서, 상기 각 구성요소들은 아래와 같은 방법으로 조립될 수 있다.

상기 외장 케이스(B)에 셀 소자(A)를 내장한 다음, 상기 도전성 결합부재(120)(220)를 셀 소자(A)에 결합한다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 먼저 각 전극 결합판(122)(222)을 각 전극(10)(20)에 용접을 통해 결합시킨다. 구체적으로, 제1 전극 결합판(122)은 제1 전극(10)의 제1 용접 결합부(12a)에 밀착시켜 용접, 결합하고, 제2 전극 결합판(222)은 제2 전극(20)의 제2 용접 결합부(22a)에 밀착시켜 용접, 결합한다. 다음으로, 각 단자 결합판(124)(224)을 각 밀폐 커버(140)(240)에 결합시킨다. 구체적으로, 제1 단자 결합판(124)은 제1 도전성 단자판(142)에 용접, 결합하고, 제2 단자 결합판(224)은 제2 도전성 단자판(242)에 용접, 결합한다.

위와 같이, 상기 도전성 결합부재(120)(220)를 셀 소자(A)와 밀폐 커버(140)(240)에 결합시킨 후, 밀폐 커버(140)(240)의 절연성 밀폐부재(146)(246)를 외장 케이스(B)에 끼워 결합시킨다. 이때, 전극 결합판(122)(222)과 연결부(126)(226)의 사이에 위치된 꺾임선(P)에서 꺾이게 되고, 이러한 꺾임에 의해 상기 연결부(126)(226)는 전극 결합판(122)(222) 상에 밀착된다. 이에 따라, 상기 전극 결합판(122)(222)은 셀 소자(A)의 전극(10)(20)에 용접되어 있고, 상기 단자 결합판(124)(224)은 전극 결합판(122)(222) 상의 중앙 영역에 밀착된다. 그리고 상기 연결부(126)(226)는 전극 결합판(122)(222) 상의 가장자리 영역에 밀착된다. 즉, 상기 연결부(126)(226)는 전극 결합판(122)(222) 상에 밀착되되, 단자 결합판(124)(224)의 일측에 동일선상으로 위치하여 전극 결합판(122)(222)에 밀착된다. 이때, 본 발명의 실시형태에 따른 도전성 결합부재(120)(220)는 아래와 같은 이유로 조립 공정 및 전기적 특성을 개선한다.

상기 도전성 결합부재(120)(220)의 변형예로서 단자 결합판(124)(224)과 연결부(126)(226)가 없는 경우를 고려해 볼 수 있다. 즉, 도전성 결합부재(120)(220)가 전극 결합판(122)(222)으로만 구성된 경우를 고려해 볼 수 있다. 이 경우, 전극 결합판(122)(222)은 전극(10)(20) 및 도전성 단자판(142)(242) 중에서 선택된 어느 하나에 용접되기 어렵다. 예를 들어, 전극 결합판(122)(222)의 한쪽 면에 전극(10)(20)을 용접한 경우, 이의 반대쪽 면에 도전성 단자판(142)(242)을 용접하기 어렵다. 도전성 단자판(142)(242)의 두께에 의해 면접촉 용접이 되지 않거나, 측방에서의 용접은 불가능하다.

본 발명의 실시형태에 따라서, 상기 도전성 결합부재(120)(220)가 전극 결합판(122)(222)과 함께 단자 결합판(124)(224) 및 연결부(126)(226)를 포함하는 경우, 상기한 바와 같이 용접이 가능하여 조립 공정이 개선되고, 도전성 단자판(142)(242)과의 면접촉에 의해 전기적 특성이 개선된다. 예를 들어, 셀 소자(A) 및 도전성 단자판(142)(242)은 각각 전극 결합판(122)(222) 및 단자 결합판(124)(224)은 면접촉되어 용접 결합되고, 상기 전극 결합판(122)(222)과 단자 결합판(124)(224)은 일체로 구성된 연결부(126)(226)를 통해 전기적으로 통전되어 저항이 최소화된다.

위와 같이 밀폐 커버(140)(240)를 외장 케이스(B)에 끼움, 결합한 다음, 용접(용융)을 통해 결합력과 실링성을 도모한다. 앞서 언급한 바와 같이, 상기 밀폐 본체(146a)(246a)의 테두리부(146b)(246b)는 외장 케이스(B)의 말단 표면(B1)에 밀착시키고, 밀폐 본체(146a)(246a)의 측벽부(146c)(246c)는 도전성 결합부재(120)(220)와 외장 케이스(B)의 사이에 삽입된 상태에서, 외장 케이스(B)와 절연성 밀폐부재(146)(246)를 용접, 결합시킨다. 즉, 테두리부(146b)(246b)의 하측면(46d)은 외장 케이스(B)의 말단 표면(B1)에 밀착시키고, 밀폐 본체(146a)(246a)의 외측면(46b)과 측벽부(146c)(246c)의 외측면(46c)는 외장 케이스(B)의 말단 내측면(B2)에 밀착시켜 용접한다.

상기 도전성 결합부재(120)(220)는 셀 소자(A)의 전극(10)(20) 및 도전성 단자판(142)(242)과 레이저(Laser) 용접을 통해 결합될 수 있으며, 바람직하게는 방사형으로 레이저 용접되는 것이 좋다. 구체적으로, 상기 전극 결합판(122)(222)은 전극(10)(20)의 용접 결합부(12a)(22a)와 방사형 레이저 용접부(L)에 의해 용접, 결합되고, 상기 단자 결합판(124)(224)은 도전성 단자판(142)(242)과 방사형 레이저 용접부(L)에 의해 용접, 결합되는 것이 좋다. 도 6에는 방사형 레이저 용접부(L)를 점선으로 나타내었다. 방사형 레이저 용접부(L)는 적어도 8개 이상인 것이 좋다. 방사형 레이저 용접부(L)는, 예를 들어 전극 결합판(122)(222) 및 단자 결합판(124)(224) 상에 4개 내지 40개 또는 8개 내지 40개가 형성될 수 있다. 이와 같은 방사형 레이저 용접부(L)에 의해 용접, 결합된 경우, 용접 면적(접촉 면적)이 증가되어, EDLC의 적어도 저항이 개선(내부 저항의 감소)된다. 또한, 저항의 개선(내부 저항의 감소)으로 EDLC의 파워 밀도 및/또는 에너지 밀도 등이 향상될 수 있다.

또한, 하나의 실시형태에 따라서, 상기 외장 케이스(B)와 절연성 밀폐부재(146)(246)는 동일한 종류의 엔지니어링 플라스틱 성형체로 구성되고, 이들은 용접을 통한 용융에 의해 상호한 접합될 수 있다. 이때, 외장 케이스(B)와 절연성 밀폐부재(146)(246) 간의 각 접촉부는 다이오드 레이저(Diode Laser)를 이용한 용접(용융)에 의해 접합되는 것이 좋다. 도 7을 참고하면, 외장 케이스(B)의 말단 내측면(B2)과 절연성 밀폐부재(146)(246)의 외측면(46b)(46c)은, 상기 외장 케이스(B)의 측방에서 수평으로 조사되는 다이오드 레이저(DL1)에 의해 용융, 접합되는 것이 좋다. 부가적으로, 경우에 따라서 외장 케이스(B)의 말단 표면(B1)과 절연성 밀폐부재(146)(246)의 하측면(46d)은, 상기 절연성 밀폐부재(146)(246)의 상측에서 수직으로 조사되는 다이오드 레이저(DL2)에 의해 용융, 접합될 수 있다.

아울러, 상기 외장 케이스(B)와 절연성 밀폐부재(146)(246)는, 예를 들어 50W 내지 400W의 전력을 이용한 다이오드 레이저(DL1)(DL2)에 의해 용접(용융), 접합될 수 있다. 이때, 상기 엔지니어링 플라스틱 성형체의 융점에 따라 다를 수 있지만, 다이오드 레이저(DL1)(DL2)의 전력이 50W 미만인 경우 용융, 접합성이 낮을 수 있으며, 400W를 초과하는 경우 EDLC에 열화를 주거나 엔지니어링 플라스틱 성형체에 변형이 발생될 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 다이오드 레이저 용접기에 80W 내지 300W의 전력을 가하여 용접(용융), 접합하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 다이오드 레이저(DL1)(DL2)를 이용하는 경우, 외장 케이스(B)와 절연성 밀폐부재(146)(246) 간의 우수한 밀폐성을 도모함은 물론, 낮은 전력으로도 용융, 접합되어 에너지 소모량이 최소화된다.

한편, 상기 외장 케이스(B)의 하부에 제2 밀폐 커버(240)를 결합시키고 이후 전해액을 주입한 다음 외장 케이스(B)의 상부에 제1 밀폐 커버(140)를 결합시키거나, 외장 케이스(B)의 상부 및 하부에 각각 제1 밀폐 커버(140) 및 제2 밀폐 커버(240)를 모두 결합시킨 다음, 전극 단자부(144)(244)의 마감 캡 삽입홀(144a)(244a)을 통해 전해액을 주입할 수 있다.

또한, 상기 밀폐 커버(140)(240)에는 경우에 따라서 안전변(도시하지 않음)이 설치될 수 있다. 예를 들어, 상기 절연성 밀폐부재(146)(246)에 가스 누출공(도시하지 않음)이 형성되고, 상기 가스 누출공에는 안전변이 설치(부착)될 수 있다. 상기 가스 누출공 및 안전변은 EDLC의 내압 상승 및/또는 폭발에 대한 안전성을 위한 것으로서, 절연성 밀폐부재(146)(246)에 하나 이상 형성될 수 있다. 이때, 상기 안전변은 전해액의 누액을 방지하고 가스를 통과시킬 수 있는 것이면 좋으며, 이는 예를 들어 미세 다공성의 합성수지 필름으로부터 선택될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명에 따르면, 적어도 외장 케이스(B)가 엔지니어링 플라스틱 성형체로 구성되어, 금속재(Al 등)와 대비하여 동등 이상의 물리적/화학적 특성을 가지면서 경량화가 도모된다. 또한, 본 발명에 따르면, 전기에너지 저장장치를 구성하는 각 구성요소들의 구조적 및/또는 형태적 개선에 의해, 경량성은 물론 부품 수 및 조립 공정 수 등이 감소된다. 아울러, 본 발명에 따르면, 각 부품 간의 결합 구조 및/또는 용접 방법 등의 개선에 의해 전기에너지 저장장치의 저항, 파워 밀도 및/또는 에너지 밀도 등의 전기적 특성이 향상된다.

이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 예시한다. 하기의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 하기의 비교예는 종래 기술을 의미하는 것이 아니며, 이는 단지 실시예들과의 비교를 위해 제공된다.

[실시예 1 내지 4]

< 엔지니어링 플라스틱(E/P) 성형체 >

엔지니어링 플라스틱(E/P)을 이용하여 원통형의 성형체를 제조하였다. 이때, 각 실시예에 따라 엔지니어링 플라스틱(E/P)의 종류를 달리하였다. 실시예 1의 경우에는 폴리아미드계(PA계, DuPont社 제품), 실시예 2의 경우에는 폴리부틸렌프탈레이트계(PBT계, DuPont社 제품), 실시예 3의 경우에는 폴리페닐렌설파이드계(PPS계, PolyPlastics社 제품)를 주성분으로 하는 결정성의 엔지니어링 플라스틱(E/P) 조성물을 사용하였다. 또한, 실시예 4의 경우에는 비결정성의 폴리아미드계(PA계, DuPont社 제품)에 조핵제(나트륨벤조에이트)를 첨가한 엔지니어링 플라스틱(E/P) 조성물을 사용하였다.

상기 각 실시예에 따른 성형체에 대해, 물성과 내전해액성을 평가하고, 그 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다. 하기 [표 1]에서, 결정화도는 XRD 측정법에 따라 평가되고, 열변형 온도는 1.82MPa의 곡률응력에서 측정된 값이다. 그리고 내전해액성은 전해염 TEABF4((C ₂H ₅) ₄NBF ₄)을 용매 아세토니트릴(ACN)에 녹여 포화 용액의 전해액을 제조한 다음, 여기에 상기 성형체를 침지하고, 침지 1달 후의 무게 변화(무게 감소)와 외관 변화(변색이나 핀홀 발생)를 관찰하는 방법으로 평가하였다.

[비교예 1 내지 4]

각 비교예에 따라 플라스틱의 종류를 달리하여 원통형의 성형체를 제조하였다. 비교예 1의 경우에는 비결정성의 엔지니어링 플라스틱(E/P)으로서 폴리카보네이트(PC)계를 사용하였다. 비교예 2의 경우에는 일반 플라스틱(비-엔지니어링 플라스틱)으로서 폴리프로필렌(PP)계를 사용하였으며, 비교예 3의 경우에는 일반 플라스틱(비-엔지니어링 플라스틱)으로서 폴리에틸렌(PE)계를 사용하였다. 또한, 비교예 4의 경우에는 실시예 1에 비하여 결정화도가 낮은 폴리아미드계(PA계, DuPont社 제품)를 사용하였다.

상기 각 비교예에 따른 성형체에 대하여, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 물성과 내전해액성을 평가하고, 그 결과를 하기 [표 1]에 함께 나타내었다.

상기 [표 1]에 보인 바와 같이, 엔지니어링 플라스틱(E/P)이고 결정화도가 40% 이상인 경우에 기계적 강도(인장 강도), 내열성(열변형 온도) 및 내화학성(내전해액성)이 우수함을 알 수 있다. 또한, 결정화도가 높을수록 우수한 결과를 보임을 알 수 있다.

[실시예 5]

< EDLC 셀 제조 >

도 1에 보인 바와 같은 구조 및 형태를 가지는 EDLC 셀로서, 약 3,000F의 용량을 가지는 원통형의 고용량 EDLC 셀을 제조하였다. 이때, 외장 케이스(B)는 결정성 엔지니어링 플라스틱(E/P)으로서 폴리아미드계(PA계, DuPont社 제품)를 사용하여 성형한 것을 사용하였다. 외장 케이스(B)는 상부 및 하부가 개방된 것으로서, 내경 약 60mm(외경 약 61.1mm)와 높이 약 138mm의 원통형으로 성형되었다.

상기 외장 케이스(B) 내에 통상의 EDLC 권취 소자(W)를 내장한 다음, 상부 및 하부에 Al 재질의 도전성 결합부재(120)(220)(두께 약 0.4mm)를 파이버 레이저 용접기를 이용하여 용접, 결합시켰다. 이후, 외장 케이스(B)의 상부 및 하부에 밀폐 커버(140)(240)를 용접, 결합시켜 밀폐시켰다. 이때, 각 전극(10)(20)에 전극 결합판(122)(222)을 방사형으로 용접한 다음, 밀폐 커버(140)(240)의 도전성 단자판(142)(242)에 단자 결합판(124)(224)을 방사형으로 용접한 후, 밀폐 커버(140)(240)를 외장 케이스(B)에 밀폐, 결합시켰다. 또한, 밀폐 커버(140)(240)는 Al 재질의 도전성 단자판(142)(242)(두께 약 6.8mm)에 인서트 사출성형을 통해 절연성 밀폐부재(146)(246)를 접합시켜 사용하였으며, 인서트 사출성형 시 절연성 밀폐부재(146)(246)의 재료는 외장 케이스(B)와 동일한 종류의 폴리아미드계를 사용하였다. 외장 케이스(B)와 절연성 밀폐부재(146)(246)는 수평 방향에서 다이오드 레이저 용접기(DL1)를 이용하여 약 100W의 전력으로 용융, 접합시켰다.

< 특성 평가 >

위와 같이 제조된 EDLC 셀에 대한 부품 종류 및 조립 공정 수 등을 하기 [표 2]에 나타내었다. 하기 [표 2]에서, 부품 종류(공정 수)는 실링재 등을 제외한 주요 부품 종류(공정 수)를 나타낸 것이다. 또한, 상기 제조된 EDLC 셀에 대하여 전기적 특성을 평가하고, 그 결과를 하기 [표 3]에 나타내었다. 그리고 [표 2] 및 [표 3]에서 비교예 5는 시중에서 판매되는 상용 제품(미국, M사 제품)으로서, 이는 Al 금속재의 외장 케이스(내경 약 60mm, 높이 약 138mm)로 이용한 EDLC 셀(3,000F)이다.

상기 [표 2] 및 [표 3]에 보인 바와 같이, 실시예에 따른 셀 시편의 경우가 가볍고 부품 수 및 공정 수가 적으며, 외장 케이스(B)의 용접 결합 시 전력이 적게 소용됨을 알 수 있다. 또한, 실시예에 따른 EDLC 셀은 내부 저항(DC-ESR)은 물론, 에너지 밀도(Max. Specific Energy density) 및 파워 밀도(Max. Specific Power density)에서도 우수한 결과를 보임을 알 수 있다.

Claims (10)

1. 두 개의 전극(10)(20)과, 상기 두 개의 전극(10)(20) 사이에 형성된 세퍼레이터(30)를 포함하는 셀 소자(A);
   상기 셀 소자(A)가 내장되는 외장 케이스(B); 및
   상기 외장 케이스(B)의 상부 및 하부 중에서 선택된 하나 이상에 밀폐 결합되는 결합 유닛(100)(200)을 포함하고,
   상기 외장 케이스(B)는 엔지니어링 플라스틱 성형체이며,
   상기 결합 유닛(100)(200)은,
   상기 셀 소자(A)의 전극(10)(20)과 결합되는 도전성 결합부재(120)(220); 및
   상기 도전성 결합부재(120)(220)와 전기적으로 연결되면서 외장 케이스(B)를 밀폐시키는 밀폐 커버(140)(240)를 포함하고,
   상기 밀폐 커버(140)(240)는,
   상기 도전성 결합부재(120)(220)와 전기적으로 연결되는 도전성 단자판(142)(242);
   상기 도전성 단자판(142)(242) 상에 형성된 전극 단자부(144)(244); 및
   상기 도전성 단자판(142)(242)의 외측면(42a)에 접합되되, 상기 도전성 단자판(142)(242)의 둘레를 따라 접합된 절연성 밀폐부재(146)(246)를 포함하며,
   상기 도전성 결합부재(120)(220)는,
   상기 셀 소자(A)의 전극(10)(20)에 용접, 결합되는 전극 결합판(122)(222);
   상기 도전성 단자판(142)(242)에 용접, 결합되는 단자 결합판(124)(224); 및
   상기 전극 결합판(122)(222)과 단자 결합판(124)(224)을 연결하는 연결부(126)(226)를 포함하되,
   상기 전극 결합판(122)(222)과 연결부(126)(226)의 사이에 위치된 꺾임선(P)에서 꺾이어, 상기 단자 결합판(124)(224)은 전극 결합판(122)(222) 상의 중앙 영역에 밀착되고, 상기 연결부(126)(226)는 전극 결합판(122)(222) 상의 가장자리 영역에 밀착된 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 도전성 단자판(142)(242)은, 절연성 밀폐부재(146)(246)와 접합되는 외측면(42a)에 표면 조도가 형성되고,
   상기 절연성 밀폐부재(146)(246)는, 상기 표면 조도가 형성된 도전성 단자판(142)(242)을 금형(M)에 장입한 후, 상기 금형(M)에 절연성 밀폐부재(146)(246)를 위한 성형 재료를 주입하여 경화시키는 인서트 사출성형을 통해 상기 도전성 단자판(142)(242)의 외측면(42a)에 둘레를 따라 접합된 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 도전성 단자판(142)(242)은 절연성 밀폐부재(146)(246)와 접합되는 외측면(42a)에 표면 조도가 형성되고,
   상기 절연성 밀폐부재(146)(246)와 도전성 단자판(142)(242)의 접촉 계면에는 접합막(F)이 형성되며,
   상기 접합막(F)은 트리아진티올을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 도전성 결합부재(120)(220)의 두께는 0.08mm ~ 1.5mm이고,
   상기 도전성 단자판(142)(242)의 두께는 2mm ~ 10mm이며,
   상기 절연성 밀폐부재(146)(246)의 두께는 도전성 단자판(142)(242)의 두께와 동일하고,
   상기 도전성 단자판(142)(242)의 외측면(42a)에 형성된 표면 조도는 0.01㎛ ~ 0.7㎛의 표면 거칠기를 가지는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 절연성 밀폐부재(146)(246)는,
   상기 도전성 단자판(142)(242)의 외측면(42a)과 요철 구조(Ta)(Tb)로 접합된 밀폐 본체(146a)(246a)와,
   상기 밀폐 본체(146a)(246a)의 수평 방향으로 연장 형성된 테두리부(146b)(246b)와,
   상기 밀폐 본체(146a)(246a)의 외측면(46b)에서 하향으로 연장 형성된 측벽부(146c)(246c)를 포함하고,
   상기 테두리부(146b)(246b)의 하측면(46d)은 외장 케이스(B)의 말단 표면(B1)에 밀착되며,
   상기 밀폐 본체(146a)(246a)의 외측면(46b)과 상기 측벽부(146c)(246c)의 외측면(46c)는 외장 케이스(B)의 말단 내측면(B2)에 접합된 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 엔지니어링 플라스틱 성형체는 엔지니어링 플라스틱(E/P) 100중량부에 대하여 0.1 ~ 8중량부의 조핵제를 포함하고,
   상기 조핵제는 카르복실산금속염을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
   
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