KR100647741B1 - 통공을 갖는 리튬전지용 탄소전극 및 그의 제조방법 - Google Patents

통공을 갖는 리튬전지용 탄소전극 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전지 방전 효율 증가 및 전해액의 함침속도를 증가시키기 위하여 탄소전극에 2개 이상의 통공들을 갖는 리튬전지용 탄소전극 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 동체의 중심부에 양극핀 관입부가 형성된 탄소전극에 있어서, 상기 양극핀 관입부를 중심으로 상기 동체에 2개 이상의 통공들을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하며, 그에 의해 전지 방전 효율이 증가하고, 그리고 전해액의 함침속도를 증가시켜 결과적으로 리튬전지의 생산량을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
리튬전지, 탄소전극, 통공, 대칭, 전해액 주입, 함침, 방전 특성

Description

통공을 갖는 리튬전지용 탄소전극 및 그의 제조방법 {Carbon electrode having hole for lithium cell and manufacturing method thereof}
도 1은 리튬전지의 구조를 개략적으로 도시한 부분절개 사시도이다.
도 2 내지 도 4는 종래의 리튬전지용 탄소전극들을 개략적으로 도시한 측단면도 및 평면도들이다.
도 5는 본 발명의 하나의 구체적인 실시예에 따른 탄소전극의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 하나의 구체적인 실시예에 따른 탄소전극의 평면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 하나의 구체적인 실시예에 따른 탄소전극의 평면도이다.
도 8은 도 7의 탄소전극을 포함하는 리튬전지의 구조를 개략적으로 도시한 부분절개 사시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 탄소전극들을 포함하는 리튬전지의 방전에 있어서의 탄소전극의 형상에 따른 리튬전지의 방전 특성을 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 전지음극 2 : 집전체
3 : 절연지 4 : 양극핀
5 : 케이스 6 : 전해액 주입구
11 : 동체 12 : 양극핀 관입부
13 : 통공
21 : 전지음극 22 : 탄소전극
23 : 절연지 24 : 양극핀
25 : 케이스 26 : 글래스 실
27 : 상부절연체 28 : 상부판
29 : 전해액 주입구 30 : 하부절연체
본 발명은 통공을 갖는 리튬전지용 탄소전극 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 전지 방전 효율 증가 및 전해액의 함침속도를 증가시키기 위하여 탄소전극에 적어도 2개 이상의 통공을 갖는 리튬전지용 탄소전극 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
화학전지는 양극(anode ; 전지음극), 음극(cathode ; 전지양극), 양 전극들을 분리하는 절연지(세퍼레이터(separator)) 및 전하의 이동을 가능하게 하여 전기화학반응 중 발생하는 분극현상을 해소하기 위한 전해액(electrolyte)를 포함하여 이루어지며, 음극물질로 리튬을 사용하는 전지를 통상 리튬전지라 한다.
근래, 소형 또는 휴대용 전자기기의 전원 또는 전력 저장용의 전지로서, 고에너지 리튬전지는 밀도라는 측면에서 우수한 성능을 보이는 리튬전지가 주목을 끌고 있으며, 또한 널리 사용되고 있다.
전지는 목적에 따라 전극의 형상을 달리 할 수 있으며, 고에너지 출력용의 권취형(wound type)과, 저전류 방전용의 원통형(bobbin type)으로 구별할 수 있다.
리튬전지 중 리튬/염화티오닐(Li/SOCl2) 배터리는 480Wh/㎏(950Wh/??)까지의 출력을 나타내는 고에너지 시스템의 하나이다. 이러한 고에너지를 얻기 위해서는, 전지나 배터리의 설계가 매우 중요하다.
오늘날 전자, 통신기술의 발달로 점차 고에너지를 필요로 하는 에너지원이 필수적으로 요구되고 있다. 그 중, 원통형의 리튬/염화티오닐 배터리는 산업용, 전자기기용 및 통신용으로 많이 이용되고 있다. 이 배터리는 기기의 자동화, 자동검침시스템(AMR ; auto meter reading system) 장비의 수효 증가, 이동용이화(portable), 메모리 백업(memory back-up)용 등의 수요증가에 따라 그 수요가 날로 증가하고 있다.
원통형 리튬/염화티오닐 배터리는 이미 1970년대 후반부터 생산하고 있으며, 초기 특수 목적의 전원으로 많이 사용되었었으나, 그 사용 용도는 한계가 있었다. 따라서 용도를 증가시키기 위하여 전극형상을 변형하거나, 커패시터(capacitor)와 같은 보조전원을 이용하고 있다.
통상의 리튬전지의 구조를 도 1에 개략적으로 도시하였다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 리튬전지는 일정한 케이스(5)의 내부에 음극활물질로서 전지음극(1)과, 양극활물질로서 염화티오닐(SOCl2)의 산화-환원반응을 하는 전기화학시스템이고, 집전체(2)(양극집전체라고도 함)로서 탄소전극이 사용되며, 상기 탄소전극에는 양극핀(4)이 연결되어 고정되어 있다. 그리고 상기 전지음극(1)과 집전체(2) 사이에 절연지(3)가 개재되어 이루어진다. 즉, 리튬전지의 양극물질(-극)로는 금속 리튬을, 음극물질(+극)로는 전해액을, 그리고 집전체로 탄소전극을 사용하게 된다. 양극과 음극의 절연을 위해 유리섬유 부직포(non-woven glass fiber)를 절연지로 사용하고, 전해액은 리튬알루미늄 염화물/염화티오닐(LiAlCl4/SOCl2) 용액을 사용한다. 상기 전해액은 전해액 주입구(6)를 통해 주입되게 되며, 이후 밀봉된다.
전지는 대개 +극에서는 환원반응이, -극에서는 산화반응이 일어난다. -극에서는 금속 리튬이 리튬이온(Li+)과 전자(e-)가 생성되고, +극에서는 염화티오닐(SOCl2)과 리튬이온(Li+)과 전자(e-)가 반응하여 황(S), 이산화황(SO2) 및 염화리튬(LiCl)이 생성되며, 이 두 반응이 함께 전지반응을 형성하며, 이를 식으로 표현하면 하기 반응식 1과 같다.
-극 ; 4Li → 4Li+ + 4e-
+극 ; 4Li+ + 4e- + 2SOCl2 → S + 4LiCl + SO2
전체반응 ; 4Li + 2SOCl2 → S + 4LiCl + SO2
상기 반응은 전극 표면에서 일어난다.
그러나 +극에서 생성되는 황과 염화리튬은 집전체인 탄소전극에 침적되고, 이산화황 가스는 쉽게 염화티오닐 용액에 용해된다.
황과 염화리튬은 집전체로서의 탄소전극에 침적되면서 전극반응에서 생성되는 리튬이온의 이동을 저해하는 저항체로 작용하여 전지의 내부저항을 증가시키는 원인이 된다.
따라서 여러 리튬 전지 제조사들은 이를 개선하기 위하여 탄소전극의 형상을 변형하거나 입자상의 카본을 압출 또는 압출 성형하여 사용하여 왔다. 그러나 이러한 정도의 변경이나 변형만으로는 이러한 문제점을 완전히 해결하지 못하였다.
일반적으로 탄소전극을 제조하는 공정은 일반화 되어 있다. 전도성 카본을 바인더와 혼합하여 형상을 형성한 후, 바인더를 활성화하여 형상화된 형태를 일정하게 유지하는 방법이다. 대개, 전도성 카본 분말을 이소프로필알코올과 혼합한다. 이 혼합물에 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 고분자 고형분을 액상에 에멀젼화시킨 바인더를 혼합한다. 혼합된 카본 분말을 압출성형한 후, 혼합에 사용된 이소프로필알코올을 자연송풍 조건 하에서 건조시킨다. 건조된 혼합물을 300 내지 350??의 고온으로 가열, 활성화시킨 후, 냉각 및 건조시킨다. 활성화된 탄소전극은 일정한 형상을 유지하며, 장기간 보관하여도 형상 및 강도가 변하지 않으며, 리 튬전지의 제조 등에 사용된다.
상기 탄소전극으로서 기존의 탄소전극은 단순하게 압출성형하거나(도 2), 외관 형상을 변형하거나(도 3), 입자 알갱이 형태로 성형(도 4)하여 집전체로 사용하여 왔다.
이들 종래의 탄소전극들은 전도성 카본에 바인더로서 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE ; polytetrafluoroethylene)과 같은 수지를 혼합하고, 카본 분말을 압출성형하여 원통형 등과 같은 전극의 형상으로 성형하여 사용한다(도 2 및 도 3). 압출성형 방식의 탄소전극을 사용하여 전지를 제조하는 경우, 전해액을 주입할 때 전극 내부에 전해액이 함침되는 속도가 매우 느리다는 단점이 있으며, 방전 시 탄소전극 내부에 염화리튬(LiCl) 및 황(S)이 석출되어 전지의 내부저항을 증가시키고, 카본이 팽창하여 절연지(세퍼레이터)를 파손시켜 전지의 안정성에 문제가 발생될 수 있다.
달리, 도 4에 나타낸 바와 같이, 탄소전극을 입상체(granule) 상으로 성형하여 사용하여 전지를 제조하는 경우, 전해액의 주입속도가 빠르기는 하나, 방전 시, 입자(granule)들 사이에 염(salt)이 형성되어 탄소전극이 팽창하게 되고, 입자들 간의 접촉저항을 증가시키는 원인이 된다. 이 경우, 방전 말기의 전지효율이 감소하고, 탄소전극의 외경이 팽창하여 절연지를 파손시켜 전지 내부가 단락되는 현상이 발생하기도 한다.
본 발명의 목적은 전지 방전 효율 증가 및 전해액의 함침속도를 증가시키기 위하여 탄소전극에 적어도 2개 이상의 통공을 갖는 리튬전지용 탄소전극 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
즉, 본 발명의 제1목적은 탄소전극의 형상 변형에 따른 전지성능 및 전해액 주입성을 개선하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 제2목적은 전해액 주입성 개선에 따른 전지 생산성을 향상시키는데 목적이 있다.
본 발명의 제3목적은 다수의 통공 형성에 따른 전지 방전 효율 증가 및 펄스 특성을 개선하는 데 목적이 있다.
본 발명에 따른 통공을 갖는 리튬전지용 탄소전극은, 동체의 중심부에 양극핀 관입부가 형성된 탄소전극에 있어서, 상기 양극핀 관입부를 중심으로 상기 동체에 2개 내지 4개의 통공들을 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 통공을 갖는 리튬전지용 탄소전극의 제조방법은, 탄소전극의 제조에 있어서, (1) 전도성 카본 100중량부를 기준으로 바인더 7 내지 20중량부를 균질하게 혼합하고, 이 혼합물에 이소프로필알코올을 가하여 혼합하는 혼합단계; (2) 상기 혼합단계에서 수득되는 혼합물을 동체의 중심부에 양극핀 관입부가 형성된 원통형으로 성형하는 성형단계; (3) 상기 성형단계에서 수득되는 성형물을 건조시키는 건조단계; (4) 상기 건조단계에서 건조된 성형물을 300 내지 350℃의 온도에서 가열하여 바인더를 활성화시키는 활성화단계; (5) 상기 활성화단계를 거친 성형물을 냉각시키는 냉각단계; 및 (6) 상기 성형물에 적어도 2개 내지 4개의 통공들을 형성시키는 통공형성단계;들을 포함하여 이루어진다.
또한 본 발명에 따른 통공을 갖는 리튬전지용 탄소전극의 제조방법은, 탄소전극의 제조에 있어서, (1) 전도성 카본 100중량부를 기준으로 바인더 7 내지 20중량부를 균질하게 혼합하고, 이 혼합물에 이소프로필알코올을 가하여 혼합하는 혼합단계; (2) 상기 혼합단계에서 수득되는 혼합물을 동체의 중심부에 양극핀 관입부가 형성되도록 하고, 상기 양극핀 관입부를 중심으로 대칭적으로 적어도 2개 이상의 통공들이 형성되도록 하여 원통형으로 성형하는 성형단계; (3) 상기 성형단계에서 수득되는 성형물을 건조시키는 건조단계; (4) 상기 건조단계에서 건조된 성형물을 300 내지 350℃의 온도에서 가열하여 바인더를 활성화시키는 활성화단계; 및 (5) 상기 활성화단계를 거친 성형물을 냉각시키는 냉각단계;들을 포함하여 이루어진다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 5 내지 도 8에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 통공을 갖는 리튬전지용 탄소전극은, 동체(11)의 중심부에 양극핀 관입부(12)가 형성된 탄소전극에 있어서, 상기 양극핀 관입부(12)를 중심으로 상기 동체(11)에 적어도 2개 이상의 통공(13)들을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
종래의 탄소전극이 원통형의 동체의 중심부에 양극핀 관입부가 형성되어 이루어짐에 비하여, 본 발명에 따른 탄소전극(22)은 상기 양극핀 관입부(12)를 중심으로 상기 동체(11)에 적어도 2개 이상의 통공(13)들을 포함하여 이루어짐에 특징이 있다. 이때, 상기 통공(13)들은 전지 방전 시 생성되는 염이 통공 내부에 침적하여 탄소전극(22)의 팽창이 심하게 진행되지 않도록 기능한다. 즉, 상기 통공(13)들은 염이 침적하는 탄소전극(22)의 표면적을 증대시킴은 물론, 이러한 통공이 없는 탄소전극의 경우, 염이 탄소전극의 표면에 침적됨에 따라 탄소전극 자체의 외경이 증대하여 그에 인접하게 설치되는 절연지를 파손시킬 수 있음에 비하여, 본 발명에 따른 탄소전극(22)은 동일한 양의 염이 탄소전극(22)의 표면에 침적된다 하여도 상기한 통공(13)의 내부에도 염이 상당량 침적될 수 있고, 통공(13)의 내부에 침적되는 염은 전혀 탄소전극(22)의 외경의 증대를 가져오지 않기 때문에 탄소전극(22)을 덜 팽창시킬 수 있고, 그에 의해 절연지(23)의 파손 등의 문제를 덜 일으키게 되는 효과가 있다.
상기 통공(13)들은 전해액 주입 시, 전해액이 통공(13)들을 통해 주입되도록 하여, 탄소전극(22) 내부로 함침될 때, 전해액을 공급하는 통로 역할을 한다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 전해액의 주입은 통상 전해액 주입구(29)를 통해 주입하게 되며, 이때 전해액 주입구(29)의 하방은, 종래의 경우와 같이 통공이 없는 탄소전극을 사용하는 리튬전지의 경우, 거의 탄소전극으로 채워져 있기 때문에 전해액이 충분히 스며들기 까지 상당한 시간이 소요되게 되며, 그에 따라 전해액을 완전히 투입하고, 밀봉하기 위해서는 상당한 시간이 경과되어 리튬전지의 생산성의 향상을 제한하는 문제점이 있으나, 본 발명에서와 같이 탄소전극(22)에 다수의 통공(13)들이 형성되는 경우, 이 통공(13)들을 통하여 전해액이 빨리 그리고 충분히 투입될 수 있고, 후속하는 밀봉공정 등을 바로 수행할 수 있어 리튬전지 자체의 생산성을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따라 통공들이 형성된 탄소전극을 포함하는 리튬전지의 경우, 이온의 이동속도가 빨라 전지 방전 특성, 펄스(pulse) 특성을 향상시키고, 전해액 주입 속도를 증가시킴으로써 전지의 생산성이 향상되는 특성이 있다. 이는 탄소전극(22)의 표면에 침적되는 염에 의한 탄소전극(22)의 팽창의 억제 및 탄소전극(22)을 구성하는 입자들 간의 접촉저항을 증가시키는 것을 원인적으로 제거하는 것에 기인하는 것으로 여겨진다.
상기 통공(13)들은 바람직하게는, 도 5에 도시한 바와 같이, 양극핀 관입부(12)를 중심으로 좌우로 대칭하여 2개의 통공(13)들이 형성되거나, 도 6에 도시한 바와 같이, 3개의 통공(13)들이 형성되거나, 또는 도 7에 도시한 바와 같이, 4개의 통공(13)들이 형성될 수 있다. 2개 이상의 통공(13)들이 대칭적으로 형성되기 위해서는, 2개의 통공(13)들은 180°간격으로, 3개의 통공(13)들은 120°간격으로, 그리고 4개의 통공(13)들은 90°의 간격으로 형성될 수 있다. 상기 통공(13)들은 대칭적으로 형성되어야 전지 방전 시, 전지 효율을 극대화시킬 수 있고, 전지의 효율을 일정하게 유지할 수 있도록 한다.
상기 통공(13)의 내경은 0.5 내지 2.0㎜의 범위 이내가 될 수 있다. 상기 통공(13)의 내경이 0.5㎜ 미만으로 되는 경우, 통공이 막히거나, 전해액 주입속도 에 문제점이 있을 수 있고, 반대로 2.0㎜를 초과하는 경우, 통공(13)의 형성 동안에 또는 형성 후의 사용 등에서 기계적인 강도가 낮아 탄소전극(22)이 쉽게 파손되어 수율이 낮아지는 문제점이 있을 수 있다.
상기 통공(13)들의 총 면적은 탄소전극(22)의 전체 표면적을 기준으로 하여 5 내지 40%의 범위 이내가 바람직하다. 상기 통공(13)의 면적이 5% 미만인 경우, 탄소전극(22)에서의 통공(13)의 형성 효과가 전혀 나타나지 않거나, 거의 나타나지 않게 되는 문제점이 있을 수 있고, 반대로 40%를 초과하는 경우, 전해액 주입 특성 등은 향상되나, 탄소전극(22) 내 전자 이동 속도가 급격히 감소하여 전지 성능이 저하되는 문제점이 있을 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 통공을 갖는 리튬전지용 탄소전극을 포함하는 리튬전지를 도 8에 개략적으로 도시하였다. 즉, 도 8에 나타낸 바와 같이, 일정한 케이스(25)의 내부에 음극활물질로서 전지음극(21)과, 양극활물질로서 염화티오닐(SOCl2)을 포함하고, 집전체로서 탄소전극(22)이 사용되며, 상기 탄소전극(22)에는 양극핀(24)이 연결되어 고정되어 있다. 그리고 상기 전지음극(21)과 탄소전극(22) 사이에 절연지(23)가 개재되어 이루어진다. 상기 케이스(25)의 상단은 상부판(28)으로 덮여지고, 상기 상부판(28)과 상기 양극핀(24) 사이는 글래스 실(glass seal)(26)로 밀봉되고, 상기 상부판(28)의 하방에는 상부절연체(27)가 개재되어 고정되며, 상기 상부절연체(27)에는 적어도 하나 이상의 전해액 주입구(29)가 상기 상부절연체(27)를 관통하도록 하여 형성되어 조립공정에 이은 후속공정에서 전해액을 주입하도록 할 수 있다. 상기 케이스(25)의 하단은 하부절연체(30)로 밀봉된다.
본 발명에 따른 통공을 갖는 리튬전지용 탄소전극의 제조방법은, 탄소전극의 제조에 있어서, (1) 전도성 카본 100중량부를 기준으로 바인더 7 내지 20중량부를 균질하게 혼합하고, 이 혼합물에 이소프로필알코올을 가하여 후속의 성형단계에서 성형하기에 적절한 정도의 점도를 갖도록 혼합하는 혼합단계; (2) 상기 혼합단계에서 수득되는 혼합물을 동체의 중심부에 양극핀 관입부가 형성된 원통형으로 성형하는 성형단계; (3) 상기 성형단계에서 수득되는 성형물을 건조시키는 건조단계; (4) 상기 건조단계에서 건조된 성형물을 300 내지 350℃의 온도에서 가열하여 바인더를 활성화시키는 활성화단계; (5) 상기 활성화단계를 거친 성형물을 냉각시키는 냉각단계; 및 (6) 상기 성형물에 적어도 2개 이상의 통공들을 형성시키는 통공형성단계;들을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
상기 (1)의 혼합단계는 전도성 카본 100중량부를 기준으로 바인더 7 내지 20중량부를 균질하게 혼합하고, 이 혼합물에 이소프로필알코올을 가하여 후속의 성형단계에서 성형하기에 적절한 정도의 점도를 갖도록 혼합하는 것으로 이루어지며, 이러한 혼합에 의해 상기 분말 상의 전도성 카본을 소정의, 바람직하게는 원통형의 탄소전극으로 성형할 수 있게 된다. 상기 혼합단계는 상기 전도성 카본과 이소프로필알코올 및 바인더를 함께 혼합할 수도 있으나, 바람직하게는 전도성 카본과 바인더가 균질하게 혼합되도록 하기 위하여 상기 전도성 카본과 이소프로필알코올을 먼저 혼합하고, 상기 전도성 카본과 이소프로필알코올의 혼합물에 바인더를 첨가하고, 다시 혼합시킬 수 있다. 본 발명에서는 비록 이소프로필알코올을 예로 들어 설명하였으나, 이는 단순히 용매로서 전도성 카본을 바인더와 균질하게 혼합시키기 위한 것으로서, 성형 후, 건조에 의해 제거되는 것으로서, 탄소전극에 잔류하여 특정의 기능을 수행하는 것은 아니므로, 메탄올, 에탄올 등과 같은 탄소수 1 내지 4의 저급 알코올, 기타 공지의 유기 용매 또는 무기 용매가 될 수 있다.
상기 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌을 현탁시킨 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 현탁액이 될 수 있다. 상기 폴리테트라플루오로에틸렌 현탁액은 현탁액 중 고형분 함량이 60% 인 것이 될 수 있다. 상기 바인더의 현탁에 사용되는 용매 및 고형분 함량 등은 당업자에게는 적절하게 용매를 선택하고, 이를 적절한 고형분 함량이 되도록 조절하여 사용할 수 있음은 충분히 이해될 수 있는 것이다.
상기 (2)의 성형단계는 상기 혼합단계에서 수득되는 혼합물을 동체(11)의 중심부에 양극핀 관입부(12)가 형성된 원통형으로 성형하는 것으로 이루어지며, 이러한 성형은 통상의 압출 성형기에서 소정의 구금(다이)을 통해 가압하여 압출 성형시키는 것으로 달성되며, 이러한 압출성형 및 압출성형기 등은 당업자에게는 상용적으로 이를 구입하여 실시할 수 있을 정도로 공지된 것으로 이해될 수 있다.
상기 (3)의 건조단계는 상기 통공형성단계에서 수득되는 성형물을 건조시키는 것으로 이루어지며, 여기에서 건조는 통상의 건조방법들이 모두 사용될 수 있다. 즉, 열풍건조, 냉풍건조 등의 강제건조방법과, 자연방치에 의한 자연건조방법들이 모두 사용될 수 있으며, 기타 가열건조 및 건조로에서의 건조 등도 사용될 수 있으며, 본 발명이 이들 건조방법에 의해 제한되는 것은 아니다.
상기 (4)의 활성화단계는 상기 건조단계에서 건조된 성형물을 300 내지 350??의 온도에서 가열하여 바인더를 활성화시키는 것으로 이루어진다.
상기 (5)의 냉각단계는 상기 활성화단계를 거친 성형물을 냉각시키는 것으로 이루어진다. 냉각은 실온에의 방치에 의한 자연냉각이나 송풍기에 의한 바람의 송풍에 의한 강제건조 등 통상의 건조방법들이 수행될 수 있다.
상기 (6)의 통공형성단계는 상기 성형단계에서 수득되는 성형물에 적어도 2개 이상의 통공(13)들을 형성시키는 것으로 이루어진다. 통공(13)의 형성은 상기한 성형물에 소정의 외경을 갖는 타공침으로 가압하는 것으로 달성될 수 있다. 그러나 달리 드릴 등의 사용도 가능하며, 본 발명이 이들에 제한되는 것이 아님은 당연히 이해될 수 있는 것이다.
또한, 상기 통공형성단계는 상기 성형단계 이후, 상기 건조단계 이전에 수행될 수 있다. 상기 타공이 상기 성형단계 이후, 건조 이전에 수행되도록 함으로써 완전히 건조되지 않은 상태에서 타공함으로써 성형물의 파손율을 낮춰 생산성을 높일 수 있다.
또한, 상기 통공형성단계는 상기 건조단계 이후, 상기 활성화단계 이전에 수행될 수 있다. 상기 타공이 상기 활성화단계 이전에 수행되도록 함으로써 성형물이 경화되지 않은 상태에서 타공함으로써 성형물의 파손율을 낮춰 생산성을 높일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 통공을 갖는 리튬전지용 탄소전극의 제조방법은, 탄소 전극의 제조에 있어서, (1) 전도성 카본 100중량부를 기준으로 바인더 7 내지 20중량부를 균질하게 혼합하고, 이 혼합물에 이소프로필알코올을 가하여 후속의 성형단계에서 성형하기에 적절한 정도의 점도를 갖도록 혼합하는 혼합단계; (2) 상기 혼합단계에서 수득되는 혼합물을 동체의 중심부에 양극핀 관입부가 형성되도록 하고, 상기 양극핀 관입부를 중심으로 대칭적으로 적어도 2개 이상의 통공들이 형성되도록 하여 원통형으로 성형하는 성형단계; (3) 상기 성형단계에서 수득되는 성형물을 건조시키는 건조단계; (4) 상기 건조단계에서 건조된 성형물을 300 내지 350℃의 온도에서 가열하여 바인더를 활성화시키는 활성화단계; 및 (5) 상기 활성화단계를 거친 성형물을 냉각시키는 냉각단계;들을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
상기한 방법은 앞서 설명한 방법에서 별도로 통공형성단계를 거치지 아니하고, 성형단계에서 양극핀 관입부와 통공들을 금형(금구)에 의해 동시에 형성시키는 것을 내용으로 하고 있으며, 그 외에는 앞서 설명한 방법과 동일 또는 유사한 것으로 이해될 수 있다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예들이 기술되어질 것이다.
이하의 실시 예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 국한시키는 것으로 이해되어져서는 안될 것이다.
실시예 1
전도성 카본 100중량부를 기준으로 바인더로서 폴리테트라플루오로에틸렌의 고형분 함량 60% 에멀젼 15중량부를 균질하게 혼합하고, 이 혼합물에 이소프로필알코올을 가하여 후속의 성형단계에서 성형하기에 적절한 정도의 점도를 갖도록 혼합 한 후, 이 혼합물을 동체의 중심부에 양극핀 관입부가 형성되도록 하여 원통형으로 성형한후, 건조시키고, 건조된 성형물을 320℃의 온도에서 가열하여 바인더를 활성화시킨 후, 상기 양극핀 관입부를 중심으로 대칭적으로 위치하도록 하여 2개의 통공들을 형성시켜서 본 발명에 따른 탄소전극을 제조하였다.
실시예 2
통공을 상기 양극판 관입부를 중심으로 대칭적으로 위치하도록 하여 3개의 통공들을 형성시키는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
실시예 3
통공을 상기 양극판 관입부를 중심으로 대칭적으로 위치하도록 하여 4개의 통공들을 형성시키는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
비교예
통공을 형성시키지 않는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
실험예
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예에서 수득된 탄소전극을 이용하여 통상의 리튬전지를 제조하고, 이들의 방전특성을 측정하였으며, 그 결과를 도 9에 나타내었다.
도 9에서, 곡선 1은 통공이 전혀 형성되지 않은 비교예의 방전특성을 나타내 고, 곡선 2는 본 발명에 따라 통공이 2개 및 3개인 실시예 1 및 실시예 2의 방전특성을 나타내고, 그리고 곡선 3은 본 발명에 따라 통공이 4개인 실시예 3의 방전특성을 나타낸 것이다.
상기한 실시예들을 종합한 결과, 본 발명에 따라 통공이 형성된 탄소전극을 사용하는 경우, 도 9에 나타난 바와 같이, 용량 대비 통공(13)의 개수의 증가에 따라 전지 방전 효율, 특히 일정한 전압으로 방전이 가능하게 되며, 또한 전해액의 함침속도를 증가시켜 결과적으로 리튬전지의 생산량을 증가시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
따라서 본 발명에 의하면 탄소전극에 적어도 2개 이상의 통공을 갖는 리튬전지용 탄소전극 및 그의 제조방법을 제공하는 것에 의해 전지 방전 효율이 증가하고, 그리고 전해액의 함침속도를 증가시켜 결과적으로 리튬전지의 생산량을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허 청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 동체의 중심부에 양극핀 관입부가 형성된 탄소전극에 있어서,
    상기 양극핀 관입부를 중심으로 좌우로 대칭하여 2 내지 4개의 통공이 형성됨을 특징으로 하는 통공을 갖는 리튬전지용 탄소전극.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 통공의 내경이 0.5 내지 2.0㎜의 범위 이내임을 특징으로 하는 통공을 갖는 리튬전지용 탄소전극.
  4. 동체의 중심부에 양극핀 관입부가 형성된 탄소전극에 있어서,
    상기 양극핀 관입부를 중심으로 상기 동체에 2개 이상의 통공들이 형성되되, 상기 통공들의 총 면적이 탄소전극의 전체 표면적을 기준으로 하여 5 내지 40%의 범위 이내임을 특징으로 하는 통공을 갖는 리튬전지용 탄소전극.
  5. 탄소전극의 제조에 있어서,
    (1) 전도성 카본 100중량부를 기준으로 바인더 7 내지 20중량부를 균질하게 혼합하고, 이 혼합물에 이소프로필알코올을 가하여 혼합하는 혼합단계;
    (2) 상기 혼합단계에서 수득되는 혼합물을 동체의 중심부에 양극핀 관입부가 형성된 원통형으로 성형하는 성형단계;
    (3) 상기 성형단계에서 수득되는 성형물을 건조시키는 건조단계;
    (4) 상기 건조단계에서 건조된 성형물을 300 내지 350℃의 온도에서 가열하여 바인더를 활성화시키는 활성화단계;
    (5) 상기 활성화단계를 거친 성형물을 냉각시키는 냉각단계; 및
    (6) 상기 성형물에 2 내지 4개의 통공들을 형성시키는 통공형성단계;
    들을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 통공을 갖는 리튬전지용 탄소전극의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 (1)의 혼합단계가 상기 전도성 카본과 이소프로필알코올을 먼저 혼합하고, 상기 전도성 카본과 이소프로필알코올의 혼합물에 바인더를 첨가하고, 다시 혼합시키는 것으로 이루어짐을 특징으로 하는 통공을 갖는 리튬전지용 탄소전극의 제조방법.
  7. 탄소전극의 제조에 있어서,
    (1) 전도성 카본 100중량부를 기준으로 바인더 7 내지 20중량부를 균질하게 혼합하고, 이 혼합물에 이소프로필알코올을 가하여 혼합하는 혼합단계;
    (2) 상기 혼합단계에서 수득되는 혼합물을 동체의 중심부에 양극핀 관입부가 형성되도록 하고, 상기 양극핀 관입부를 중심으로 대칭적으로 2개 내지 4개의 통공들이 형성되도록 하여 원통형으로 성형하는 성형단계;
    (3) 상기 성형단계에서 수득되는 성형물을 건조시키는 건조단계;
    (4) 상기 건조단계에서 건조된 성형물을 300 내지 350℃의 온도에서 가열하여 바인더를 활성화시키는 활성화단계; 및
    (5) 상기 활성화단계를 거친 성형물을 냉각시키는 냉각단계;
    들을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 통공을 갖는 리튬전지용 탄소전극의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 (1)의 혼합단계가 상기 전도성 카본과 이소프로필알코올을 먼저 혼합하고, 상기 전도성 카본과 이소프로필알코올의 혼합물에 바인더를 첨가하고, 다시 혼합시키는 것으로 이루어짐을 특징으로 하는 통공을 갖는 리튬전지용 탄소전극의 제조방법.
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