KR100246942B1 - 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명의 전지는, 양극시트(401), 음극시트(402) 및 시트형상의 제 1 세퍼레이터(403)가 소용돌이형태로 감겨진 전지로서, 상기 제 1 세퍼레이터(403)의 상기 양극시트(401) 또는 상기 음극시트(402)의 바깥둘레쪽의 끝단부에 대응하는 제 1 영역을 덮도록 배열설치된 제 2 세퍼레이터(405a,405b)를 구비한다.

Description

전지{An electric cell}

본 발명은 양극시트, 음극시트 및 이들을 절연하는 시트형상의 세퍼레이터를 감아 적층한 구조를 가지는 전지에 관한 것으로서, 특히 알칼리 이차전지에 관한 것이다.

종래의 전지, 예컨대 니켈수소 이차전지, 혹은 니켈카드뮴 이차전지 등으로 대표되는 알칼리 이차전지는, 예를들어 휴대용 전화기나 휴대형 VTR을 비롯하여 각종 전자기기의 전원으로서 널리 실용화되어 있다. 이러한 종류의 알칼리 이차전지는 충전과 방전을 반복하여 할 수 있기 때문에, 반영구적인 전원으로서 각종 전자기기에 조립되어 사용되고 있다.

그리고, 이들의 알칼리 이차전지의 대표적인 구성으로서, 시트형상의 양극층 및 음극층을 시트형상의 세퍼레이터층을 개재하여 감아 적층한 감기형 전극을 전지 외장용기의 내부에 수용하여 액체 밀폐적으로 밀봉한 구성을 예로 들 수 있다. 즉 수산화니켈 분말 등의 활성물질을 니켈 섬유기판 등의 집전체에 담지(擔持)시킨 시트형상의 양극층과, 수소흡착 합금분말 등을 니켈제 네트 등의 집전체에 담지시킨 시트형상의 음극층과의 사이에, 표면에 친수처리를 실시한 폴리올레핀 섬유제의 부직포 등으로 이루어지는 시트형상의 세퍼레이터를 끼워 넣고 감아서 적층하여 감기형 전극을 형성하고 있다. 그리고 기전요소부인 감기형 전극을 전지 외장용기의 내부에 수용하고, 또 소망의 알칼리 전해액을 주입한 후, 외부단자를 도출시켜서 전지 외장용기를 액체 밀폐적으로 밀봉한 구성을 채용하고 있다.

또한, 상기 알칼리 이차전지의 기전요소부인 감기형 전극의 구조에 있어서는, 제조공정의 문제에 대응하여, 감겨지는 양극시트, 음극시트의 안둘레쪽의 끝단부(권심축에 가까운 쪽 시트의 끝단둘레부) 및 그 주변부의 세퍼레이터를 2중∼3중으로 하여 보강하는 경우가 있다. 다시 말해 양극시트 및 음극시트를 시트형상의 세퍼레이터를 개재하여 감을 때, 양극시트, 음극시트의 안둘레쪽 끝단부에 배열설치되는 세퍼레이터가, 감기는 것에 의해 가해지는 장력 등으로 인해 파손되는 일이 있다. 또 반대로 양극시트 및 음극시트의 안둘레쪽의 끝단부가 파손되는 경우도 있다. 감겨지는 시트형상의 기전요소의 안둘레쪽 끝단부에서의 파손, 단락의 발생을 방지하는 방법으로서, 세퍼레이터를 2중∼3중으로 하여 보강하는 방법이 알려져 있다.

그런데, 이러한 종류의 전지, 예를들어 알칼리 이차전지에 대하여는 고용량화가 요구되고 있으며, 이 고용량화에 대응하여, 기전요소부를 이루는 전극시트의 감기는 수가 증대하고, 전극시트도 두꺼워지는 경향이 있다. 따라서 감겨지는 전극층도 두꺼워지는 경향이 있고, 이러한 감기형 전극을 수용하는 전지 외장용기의 벽면과의 사이의 긴박도가 커지고 있다. 즉 감기형 전극체의 바깥둘레쪽 끝단부(바깥둘레에 가까운쪽, 즉 권심축에서 먼쪽 시트의 끝단둘레부)에도 강한 압박이 가해지기 쉬우며, 이 부분에서 단락이 발생하기 쉬워진다는 문제가 있다. 또 알칼리 이차전지의 구성에 이용되고 있는 기전요소부인 감기형 전극의 대부분은, 충전, 방전에 따라 팽윤(膨潤)을 반복하므로, 기전요소부를 구성하는 감기형 전극의 바깥둘레쪽 끝단부에서는 보다 단락이 발생하기 쉽다는 문제가 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것이다.

도 1은 본 발명의 알칼리 이차전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면,

도 2는 본 발명의 알칼리 이차전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면,

도 3은 본 발명의 알칼리 이차전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면,

도 4는 종래의 전극제조장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면,

도 5는 종래의 전극제조장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

401 : 양극층(양극시트) 402 : 음극층(음극시트)

403 : 제 1 세퍼레이터 404 : 기전요소부

405a,405b : 제 2 세퍼레이터 406 : 전지 외장통

407 : 밀봉판 408 : 가스켓

409 : 양극단자 410 : 충전재

411 : 제 3 세퍼레이터

본 발명의 전지는, 양극시트, 음극시트 및 시트형상의 제 1 세퍼레이터가 소용돌이형태로 감긴 전지로서, 상기 제 1 세퍼레이터의 상기 양극시트 또는 상기 음극시트의 바깥둘레쪽의 끝단부에 대응하는 제 1 영역을 씌우도록 배열설치된 제 2 세퍼레이터를 구비한 것을 특징으로 한다.

또 본 발명의 전지는, 양극시트, 음극시트 및 시트형상의 제 1 세퍼레이터가 소용돌이형태로 감겨진 적층구조를 가지는 전지로서, 상기 제 1 세퍼레이터의 상기 양극시트 또는 상기 음극시트의 바깥둘레쪽의 끝단부에 대응하는 제 1 영역이, 제 1 영역에서 안둘레쪽의 제 2 영역보다 두꺼운 막으로 형성된 것을 특징으로 한다.

또 본 발명의 전지는, 양극시트, 음극시트 및 시트형상의 제 1 세퍼레이터가 소용돌이형태로 감겨진 적층구조를 가지는 전지로서, 상기 제 1 세퍼레이터의 상기 양극시트 또는 상기 음극시트의 바깥둘레쪽의 끝단부에 대응하는 제 1 영역이, 제 1 영역에서 안둘레쪽의 제 2 영역보다 고밀도로 형성된 것을 특징으로 한다.

그리고, 이들 본 발명의 전지는, 제 1 세퍼레이터와 상기 양극시트 또는 상기 음극시트의 사이에, 상기 적층구조가 어긋나도록 배열설치된 쐐기형상의 제 3 세퍼레이터를 더욱 구비하도록 해도 좋다.

본 발명의 전지는, 양극시트, 음극시트 및 시트형상의 제 1 세퍼레이터가 소용돌이형태로 감겨진 전지로서, 제 1 세퍼레이터의 양극시트 또는 음극시트의 바깥둘레쪽의 끝단부에 대응하는 제 1 영역을 씌우도록 배열설치된 제 2 세퍼레이터를 구비한 것이다. 즉 본 발명의 전지는 감기형 전극을 구성하는 양극시트, 음극시트의 바깥둘레쪽의 끝단부(감기가 끝난 부분)가 제 1 세퍼레이터 이외에, 제 2 세퍼레이터에 의해 씌워진 것이다. 제 2 세퍼레이터의 크기, 두께는 이용하는 양극시트, 음극시트의 두께 등에 따라 조절하도록 하면 좋다.

또, 제 2 세퍼레이터를 형성하는 것 대신에, 제 1 세퍼레이터의 양극시트 또는 음극시트의 바깥둘레쪽의 끝단부에 대응하는 제 1 영역이, 제 1 영역에서 안둘레쪽의 제 2 영역보다 두꺼운 막으로 형성하도록 해도 좋다.

또한, 제 1 세퍼레이터의 양극시트 또는 음극시트의 바깥둘레쪽의 끝단부에 대응하는 제 1 영역이, 제 1 영역에서 안둘레쪽의 제 2 영역보다도 고밀도로 형성하도록 해도 좋다.

이와 같이 세퍼레이터가 파손되기 쉬운 양극시트, 음극시트의 바깥둘레쪽의 끝단부를 제 2 세퍼레이터에 의해 씌우므로써, 또 해당부분의 제 1 시트를 두꺼운 막 내지는 고밀도 부재에 의해 형성하므로써, 전지의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또 이들 본 발명의 전지에 있어서는, 제 1 세퍼레이터와 양극시트의 사이 혹은 제 1 세퍼레이터와 음극시트의 사이에, 감겨지는 이들 시트의 적층구조가 어긋나게 배열설치된 쐐기형상의 제 3 세퍼레이터를 더 구비하도록 해도 좋다. 이 세퍼레이터는 양극시트, 음극시트의 안둘레쪽의 끝단부와 바깥둘레쪽의 끝단부의 사이에 배열설치하도록 하면 좋다. 제 3 세퍼레이터는 감겨지는 시트의 적층구조를 어긋나게 하므로써, 특히 외장용기에 삽입된 감기형 전극의 바깥둘레부에 걸리는 큰 응력을 분산시킬 수 있어, 전지의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 감기형 전극을 구비한 전지라면 어떠한 전지에 적용해도 좋다. 예를들어 감기형 전극을 구비한 알칼리 이차전지 등에 본 발명을 적용하도록 해도 좋다.

(실시예 1)

이하, 도 1 및 도 2에 의거하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

이 실시예는, 본 발명에 관계되는 용량 1500mAh이고 4/5A타입인 원통형 니켈수소 알칼리 이차전지의 경우로서, 도 1은 요부구성을 나타낸 일부 절결 종단면도, 도 2는 도 1에 도시한 니켈수소 알칼리 이차전지를 내장·구비하는 기전요소부를 이루는 감기체의 횡단면도이다.

각 도면에 있어서, (401)은 양극층, (402)는 음극층, (403)은 예를들어 폴리올레핀 섬유제 부직포로 이루어지는 주세퍼레이터(제 1 세퍼레이터), (404)는 이들로 구성된 기전요소부, (405a,405b)는 보조세퍼레이터(제 2 세퍼레이터), (406)은 음극단자를 겸하는 전지 외장통(용기)이다. 여기에서 기전요소부(404)에 함침되는 형태로 알칼리 전해액이 전지 외장통(406) 내부에 주입되어 있다. 또한 (407)은 중앙에 구멍(407a)을 가지는 밀봉판으로서, 상기 전지 외장통(406)의 개구부[기전요소부(404) 등을 장착하기 위함]를, 링형상의 절연성 가스켓(408)으로 전기적인 절연을 확보하면서 액체 밀폐적으로 밀봉한다. 또한 여기에서의 액체 밀폐적인 밀봉은, 상기 전지 외장통(406)의 개구부를 내측으로 직경이 축소되는 코킹가공에 의해 행하고 있다. 또한 (409)는 양극리드(409a)를 통해 기전요소부(404)의 양극층 (401)에 접속되면서, 상기 밀봉판(407)의 구멍(407a)을 덮도록 설치된 모자형상을 이루는 양극단자, (410)은 상기 양극단자(409)와 밀봉판(407)에 형성되는 공간부에 배치·장착된 고무제의 충전재이다.

여기에서, 양극층(401)은 예를들어 수산화 니켈분말 90중량부, 일산화코발트 10중량부의 혼합물에 접착제로서 카르복시 메틸셀룰로오스 0.3중량부, 폴리아크릴산 나트륨 0.175중량부 및 폴리테트라 플루오르에틸렌 0.5중량부를 첨가하고, 또한 물 45중량부를 첨가하여 혼합·조제한 페이스트를, 니켈섬유계 기판에 충전한 후, 건조하여 롤러 프레스방식으로 성형한 것이다.

또한, 음극층(402)은 예를들어 LmNi_4.0Co_0.4Mn_0.3Al_0.3(단, Lm은 La부화 메쉬메탈임)의 조성으로 이루어진 수소흡착 합금분말 100중량부에, 폴리아크릴산염 0.5중량부, 카르복시 메틸셀룰로오스 0.125중량부, 폴리테트라 플루오르에틸렌 1.5중량부, 카본분말 1.0중량부 및 순수한 물 50중량부를 첨가하여 혼합·조제한 페이스트를 판티드메탈에 도포·건조하고, 롤러 프레스하여 제작한 것이다. 또한 주세퍼레이터는 친수처리를 행한 폴리올레핀 섬유부직포이다.

그리고, 이들 양극층(401), 음극층(402), 주세퍼레이터(403)는 양극층(401)과 음극층(402)의 사이에 주세퍼레이터(403)를 사이에 끼우는 형태로 하여 스파이럴형상으로 감겨지고, 기전요소부(404)를 이루는 감기체를 구성하고 있다. 또한 이 기전요소부(404)의 구성에 있어서는, 감기체의 감기 안둘레쪽의 끝단부에서는 주세퍼레이터(403)가 복층화에 의해 강화되고, 또 감기체의 감기 바깥둘레쪽 끝단부에서는 양극층(401)의 양면쪽에, 예를들면 친수처리를 행한 폴리올레핀섬유제 부직포로 이루어지는 보조세퍼레이터(405a,405b)가 설치되어 있다. 또한 이 알칼리 이차전지의 구성에서는, 전해액으로서 7N의 수산화칼륨 및 1N의 수산화리튬으로 이루어지는 수용액이 주입되어 있다.

상기한 구성의 원통형 니켈 이차전지 100개에 대하여, 소정의 초기 활성화를 행한 후, 소정의 충방전 전류로서, 충방전 사이클시험(충방전 사이클 500회)을 행하였다. 이 시험종료후 모든 원통형 니켈수소 이차전지를 분해하여 기전요소부 (404)를 이루는 감기체의 바깥둘레쪽 끝단부를 관찰·평가한 결과, 전극감기 바깥쪽부에서의 손상 등이 완전히 인정되지 않고, 또한 바깥둘레쪽 끝단부에서의 양극층과 음극층 사이에서의 단락도 발생하지 않았다.

한편, 비교를 위해, 상기 원통형 니켈수소 이차전지의 구성에 있어서, 보조세퍼레이터(5a,5b)의 설치를 생략한 것 이외에는, 동일 구성으로 한 용량 1500mAh이고 4/5A타입인 원통형 니켈수소 알칼리 이차전지 100개에 대하여, 상기와 마찬가지로 충방전 사이클시험(충방전 사이클 500회)을 행한 결과, 100개 중 4개가 기전요소부(404)를 이루는 감기체의 바깥둘레쪽 끝단부에서 단락이 발생하였다.

(실시예 2)

상기 실시예 1의 구성에 있어서, 기전요소부(404)를 이루는 감기체의 바깥둘레쪽 끝단부에 설치한 보조세퍼레이터(405a,405b)보다 내측에, 제 3 도에 주요부를 횡단면적으로 나타낸 바와 같이, 친수처리를 한 폴리올레핀섬유계 부직포제의 보조부재인 제 3 세퍼레이터(411)를 배치한 것 이외에는, 동일구성으로 한 용량 1500mAh이고 4/5A타입인 원통형 니켈수소알칼리 이차전지 100개에 대하여, 상기와 마찬가지로 충방전 사이클시험(충방전 사이클 500회)을 행한 결과, 상기 실시예 1의 경우보다도, 한층 더 높은 신뢰성을 기대할 수 있다는 것이 확인되었다. 여기서 직사각형의 보조부재(411)의 배치장소는, 보조세퍼레이터(405a,405b)보다 내측의 감기층 영역이라면, 보조세퍼레이터(405a,405b)에 근접시켜도, 혹은 보조세퍼레이터(405a,405b)에서 떨어진 감기체의 중심부쪽이라도 좋다.

또한, 상기 구성에 있어서는 양극층(401)의 양면쪽에 보조세퍼레이터 (405a,405b)를 설치하였으나, 예를들면 음극층(402)에 대향하는 양극층(401)의 한쪽면 쪽에만 보조세퍼레이터(405a)(또는 405b)를 설치하거나, 혹은 양극층(401)에 대향하는 음극층(402) 면에만 보조세퍼레이터(405a)(또는 405b)를 설치하여도 좋다.

또한, 상기에서는 용량 1500mAh이고 4/5A타입인 원통형 니켈수소 알칼리 이차전지인 경우를 예시하였으나, 본 발명은 이 예시에 한정되지 않고, 발명의 취지를 벗어나지 않은 범위에서 여러가지 변형을 취할 수 있다. 예컨대 다른 용량의 원통형 니켈수소 알칼리 이차전지, 혹은 니켈카드뮴 이차전지 등의 경우에도, 동일한 작용효과가 얻어진다.

이와 같이 본 발명의 알칼리 이차전지에 의하면, 기전요소부, 즉 양극층, 주세퍼레이터층, 음극층으로 이루어진 감기체의 바깥둘레쪽 끝단부가 보강된 구성을 취하고 있기 때문에, 충방전에 따른 그 자체의 팽창, 전지 외장통의 내벽면과의 사이에 가해지는 긴박도 등에 기인하는 파손이 용이하게 회피, 해소되며, 이 부분에서의 단락의 발생도 방지된다. 즉 품질의 신뢰성이 대폭적으로 향상·개선된 알칼리 이차전지로 하여 기능하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 전지에 의하면, 기전요소부, 즉 양극층, 주세퍼레이터층, 음극층으로 이루어지는 감기체의 바깥둘레쪽 끝단부가 보강된 구성을 취하고 있기 때문에, 충방전에 따른 그 자체의 팽창이나, 전지 외장통의 내벽면과의 사이에 가해지는 긴박도 등에 기인하는 파손이 용이하게 회피, 해소되고, 이 부분에서의 단락의 발생도 방지된다. 즉 품질의 신뢰성이 대폭적으로 향상·개선된 전지로서 기능하게 된다.

Claims (6)

1. 양극시트, 음극시트 및 시트형상의 제 1 세퍼레이터가 소용돌이형태로 감겨진 전지로서,

   상기 제 1 세퍼레이터의 상기 양극시트 또는 상기 음극시트의 바깥둘레쪽의 끝단부에 대응하는 제 1 영역을 덮도록 배열설치된 제 2 세퍼레이터를 구비한 것을 특징으로 하는 전지.
2. 제 1 항에 있어서, 제 1 세퍼레이터와 상기 양극시트 또는 상기 음극시트의 사이에, 상기 적층구조가 어긋나도록 배열설치한 쐐기형상의 제 3 세퍼레이터를 더욱 구비하는 것을 특징으로 하는 전지.
3. 양극시트, 음극시트 및 시트형상의 제 1 세퍼레이터가 소용돌이형태로 감겨진 적층구조를 가지는 전지로서,

   상기 제 1 세퍼레이터의 상기 양극시트 또는 상기 음극시트의 바깥둘레쪽의 끝단부에 대응하는 제 1 영역이, 제 1 영역에서 안둘레쪽의 제 2 영역보다 두꺼운 막으로 형성된 것을 특징으로 하는 전지.
4. 제 3 항에 있어서, 제 1 세퍼레이터와 상기 양극시트 또는 상기 음극시트의 사이에, 상기 적층구조가 어긋나도록 배열설치한 쐐기형상의 제 3 세퍼레이터를 더욱 구비하는 것을 특징으로 하는 전지.
5. 양극시트, 음극시트 및 시트형상의 제 1 세퍼레이터가 소용돌이형태로 감겨진 적층구조를 가지는 전지로서,

   상기 제 1 세퍼레이터의 상기 양극시트 또는 상기 음극시트의 바깥둘레쪽의 끝단부에 대응하는 제 1 영역이, 제 1 영역에서 안둘레쪽의 제 2 영역보다 고밀도로 형성된 것을 특징으로 하는 전지.
6. 제 5 항에 있어서, 제 1 세퍼레이터와 상기 양극시트 또는 상기 음극시트의 사이에, 상기 적층구조가 어긋나도록 배열설치한 쐐기형상의 제 3 세퍼레이터를 더욱 구비하는 것을 특징으로 하는 전지.