KR100304823B1 - 니켈-아연전지의아연전극제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 니켈-아연전지의 아연전극 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알칼리 전해액을 사용하는 니켈-아연 전지등의 아연 활물질을 전극재료로 사용하는 전극을 제조함에 있어 통상적인 아연전극의 전류밀도분포가 집중되는 단자부위에 다량의 유기결합제를 첨가시킴에 따라 활물질의 결합력이 증가되므로, 전극내 전류밀도분포가 균일화되어 전극수명 연장 및 용량특성 저하를 방지할 수 있도록 한 것에 관한 것으로서, 알칼리 전해액을 사용하는 니켈-아연전지등과 같이 아연활물질을 전극재료로 사용하는 아연 전극의 제조방법에 있어서, 집전체에 아연활물질을 가압 또는 도포시켜서 아연전극을 성형하되, 아연전극의 전류밀도분포가 큰 단자부위를 유기결합제가 다량 함유된 용액에 침적시켜 활물질의 결합력을 증가시킴을 특징으로 하는 아연전극의 제조방법인 것이다.

Description

니켈-아연전지의 아연전극 제조방법

제1도는 일반적인 아연전극의 제조 공정도.

제2도는 일반적인 극판의 전류밀도 분포도.

제3도는 본 발명에 의해 극판부위에 첨가되는 유기결합제 분포도.

제4도는 본 발명과 종래기술에 의한 전지의 싸이클수를 비교한 그래프이다.

본 발명은 니켈-아연전지의 아연전극 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알칼리 전해액을 사용하는 니켈-아연 전지등의 아연 활물질을 전극재료로 사용하는 전극을 제조함에 있어 통상적인 아연전극의 전류밀도분포가 집중되는 단자부위와 극판의 모서리 부분에 다량의 유기결합제를 첨가시키므로써 활물질의 결합력을 증가시키고, 전극내 전류밀도분포를 균일화 시키므로써 전극수명 연장 및 용량특성의 저하를 방지할수 있도록 한 것에 관한 것이다.

통상적으로 -극 활물질로 주로 아연을 사용하는 전지는 활물질 자체의 가격이 싸고 에너지밀도가 높은등의 장점으로 인하여 오래전부터 주목의 대상이 되어왔지만, 충방전을 반복하여 사용하는 Ni-Zn와 같은 2차전지에 적용하는 경우 아연활물질이 갖는 알칼리 수용액에 대한 높은 용해도로 인하여 수명저하 및 용량저하가 급격히 발생, 전지성능이 열화되는 문제점이 있기 때문에 널리 사용되지 못하는 실정이다.

일반적으로 알려진 것처럼 집전체에 활물질, 특히 아연등과 같이 알칼리 수용액 전해질에 대한 용해도가 큰 활물질을 사용하는 경우에는 전극내 전류분포차에 의한 활물질의 탈락이 심하여 충방전을 반복하여 사용하는 경우 수명이 급격히 저하되는 경향이 있다. 또한 이러한 전류분포는 전극의 구성상 극판의 크기가 커질수록 지역적인 전류밀도차가 크고, 제2도와 같이 전극판을 외부와 연결시켜 전류공급을 하는 단자부는 극판 하단부위 및 중앙부에 비하여 현저히 전류밀도가 크게 된다. 이러한 전류밀도차는 전류밀도가 크게 작용하는 부분에서 활물질의 활성이 크게되므로, 아연 전극에서와 같이 아연활물질의 용해도가 큰 경우 활성에 따른 용해도차는 크게되고, 충방전이 반복됨에 따라 점차 이부분에서 아연활물질이 많이 용해되어 결국에는 활물질의 탈락을 유발, 전극으로서 사용불가능한 지경에 이르도록 할 수 있다. 이러한 현상은 전극 엣지(Edge)부에서도 동일하게 발생된다.

아연 활물질을 -전극재료로 주로 사용하는 전지를 제조하는데 있어서 지금까지 가장 큰 문제점으로 지적되고 있는 단점중의 하나가 아연 활물질의 큰 용해도로 인한 활물질의 탈락이었다. 특히 충방전이 반복됨에 따라 전류밀도가 큰부분에서는 용해 현상이 심하고 용해된 활물질이 원래의 위치로 석출되지 않아 극판모양의 변화가 극심해지고 활물질의 이용률이 저하되며, 결국에는 전지수명이 단축되는 악영향을 초래하게 된다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 종래에는 집전체의 도전성을 증진시키거나 활물질의 집전체에 대한 결합력을 향상시키는 방안이 고려되어 왔다. 또한 충방전시 활물질의 전류전달경로가 되는 집전체의 형상을 개선하여 전류밀도가 집중되는 전극단자부의 집전체부분에 전류밀도를 크게 할 수 있도록 제조하여 문제점을 해결하려는 시도가 이루어지고 있다. 그러나 이러한 제안들은 궁극적으로 해결책이 되지 못하고 있는바, 즉 집전체의 도전성을 향상시키는 방법의 경우 전극 전체의 도전성이 향상되어 어느정도 활물질의 탈락을 억제하는 능력을 가지지만, 전극의 면적이 커지는 경우 부분적인 전류밀도분포차를 해결하기는 곤란한다. 또한 집전체의 형상을 개선하는 경우에도 전극판의 부위별 집전체의 형상이 달라야 하므로 제조하기가 어렵고 제조원가도 상승되는 문제점을 초래하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 니켈-아연전지등 알칼리 전해액을 사용하여 아연 활물질을 전극재료로 사용하는 2차전지를 제조하는 경우 아연전극의 전류밀도 분포가 집중되는 부위에 다량의 유기결합제를 함유시켜 활물질의 결합력을 증가시켜 주므로써, 전극의 충방전시 아연 활물질의 탈락을 방지하여 전지의 수명을 연장시키고 활물질 용해석출에 따른 전극모양의 변형을 최소화 할수 있도록 된 아연전극의 제조방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목절을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 알칼리 전해액을 사용하는 니켈-아연전지등과 같이 아연활물질을 전극재료로 사용하는 아연 전극의 제조방법에 있어서, 집전체에 아연활물질을 가압 또는 도표시켜 아연 전극을 성형하되, 아연전극의 전류밀도분포가 큰 단자부위를 유기결합제가 다량 함유된 용액에 침적시켜 활물질의 결합력을 증가시킴을 특징으로 하는 아연전극의 제조방법인 것이다.

이하, 본 발명에 의한 니켈-아연전지의 아연전극 제조방법을 첨부도면을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

제1도는 일반적인 아연전극의 제조공정도이고, 제3도는 본 발명에 의해 아연 극판부위에 첨가되는 유기결합제 분포상태도이며, 제4도는 본 발명에 의한 전지와 종래전지의 특성을 비교한 그래프이다.

니켈-아연전지등 알칼리 전해액을 사용하여 아연활물질을 -전극의 활물질로 사용하는 2차전지를 제조함에 있어서, 소정형상으로 천공된 펀치메탈(Punch Metal) 또는 메쉬(Mesh)등의 전류의 통로가 되는 집전체에 아연활물질을 가압성형하거나 페이스트(paste)도포등의 공정에 의해 아연전극을 성형하며, 상기와 같이 형성된 아연전극의 전류밀도분포가 극판의 하단부 및 중앙부위에 비하여 현저하게 집중된(제2도에 도시됨) 전극판을 외부로 연결시켜 전류공급을 하는 단자 연결부위에 다량의 유기결합제를 첨가시켜(제3도에 도시됨) 활물질의 집전체에 대해서 활물질간의 결합력을 향상시키므로써, 전극의 충방전시 전류밀도 분포차이에 의한 활물질의 탈락을 방지하여 전극수명이 연장되고 활물질탈락 및 재석출시 전극형상변화를 억제하여 전지특성을 향상시키는 것이다.

상기 유기결합제로서 PTFE(폴리테트라 플루오르 에틸렌)이나 PVA를 사용하는 것이 바람직하다.

그리고, 전류밀도가 큰 전극부위에 결합제를 첨가시키는 방법으로 종래에서와 같이 집전체의 도전성을 향상시키거나 집전체의 형상을 변화시키는 공정을 지양하는 대신에 전류밀도가 큰 단자부위를 유기결합제가 다량 함유된 용액에 소정시간동안 침적시켜 결합제를 함유시키므로써 공정이 간단하게 되는 장점이 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 의한 아연전극 제조방법은 통상의 방법으로 성형된 아연전극의 전류밀도가 큰 전극의 일부위에 활물질간의 결합력을 증대시켜주도록 유기결합제를 첨가시켜 주는 것으로, 간단한 조작을 통하여 아연전극이 갖는 큰 문제점중의 하나인 전지의 충방전시 활물질의 탈락을 억제함으로써 이 전극을 사용하는 전지의 수명을 향상시킬수 있는 잇점과, 결합제의 사용량을 변화시키며 아연 활물질의 알칼리 전해액에 대한 용해도를 조절하여 충방전에 따른 전극의 모양변화를 억제할수 있으므로 전지의 충방전을 반복하며 사용할 때 나타나는 형상변화 현상을 억제하여 이에 따른 전지용량저하를 방지할수 있는 잇점과, 기존의 개선책에서 나타난 것처럼 집전체의 도전성을 향상시킨다거나 집전체의 형상을 변화시키는 복잡한 과정을 거치지 않고서도 간단한 결합제 첨가공정만을 거침으로써 공정복잡화에 따른 제조원가상승을 피할수 있고, 또한 연속적인 작업도 가능하므로 대량생산도 가능토록 된 것이다.

그리고, 본원발명의 아연전극 제조방법의 일실시예를 첨부도면 제1도를 참조로 아래와 같이 설명하되, 이는 본원발명의 기술적인 범주를 한정시키는 것이 아니고 본원발명에 의한 아연전극 제조공정의 이해를 돕기 위한 것이다.

[실시예 1]

아연활물질을 전극재료로 사용하는 아연전극을 제조하는 경우 Zn극의 조성을 ZnO 85%, Zn 8%, PTFE(결합제) 3%, CdO 또는 PbO(첨가제) 4%를 혼합하여 롤 프레싱(Roll Pressing)에 의한 드라이 컴팩션(Dry compaction)방법에 의해 가로*세로*폭 60*60*1.4(mm)인 전극을 제조하는 것이며, 이때 전극의 용량은 4.5Ah이고 유공성(有孔性)(porosity)은 60%이다. 아연전극의 활물질 탈락 방지를 위해 내 알칼리성 부직포를 이용 부직포 표면에 접착제용액을 코팅한 후 극판을 써서, 건식오븐에서 50℃에서 3시간 건조시킨 후 다시 접착제 용액을 전극 단자부 및 엣지부분에 코팅하였다.

상기 아연전극에 대한 Ni전극은 용량 1.5Ah, 유공성 45%로 -극과 같은 크기로 전지를 제조 조합하되, 조합방법은 2장의 +극을 PP부직포에 밀봉하고, -극은 수지상 결정(dendrite)의 성장방지를 위하여 Cellgard 3401 separator를 이용하여 2중으로 밀봉하였으며, 이를 -극 3장과 +극 2장을 하나로 한 Double 극인 +극 2장을 조합 싸이클을 측정하였다. 측정법은 0.2C로 5시간 충전한 후 0.2C로 1.2V까지 방전시켜, +극 이론용량의 50%까지 방전용량이 나오면 싸이클로 인정하였다.

상기와 같이 제조된 본원발명에 의한 전지는 제4도에 도시된 바와 같이 싸이클이 223회까지 유지된 반면에 종래기술에 의해 제조된 전지는 148회로서 본원발명에 비해 현저하게 적은 것으로 나타났다.

상기와 같이 성형된 아연전극에서 전류밀도분포가 큰 단자부위를 결합제가 다량 함유된 용액에 소정시간동안 침적시켜주므로써 활물질의 결합력이 증가된다는 것을 알수 있다.

Claims (2)

1. 알칼리 전해액을 사용하는 니켈-아연 전지 등과 같이 아연활물질을 전극재료로 사용하는 아연 전극의 제조방법에 있어서, 집전체에 아연 활물질을 가압 또는 도포시켜서 아연전극을 형성한 후 아연전극의 전류밀도분포가 큰 단자부위를 유기 결합제가 다량 함유된 용액에 침적시켜 활물질의 결합력을 증가시킴을 특징으로 하는 아연전극의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 유기결합제는 PTFE 또는 PVA인 것을 특징으로 하는 아연전극의 제조방법.