KR100690016B1

KR100690016B1 - 박형 1차 전지

Info

Publication number: KR100690016B1
Application number: KR1020050075332A
Authority: KR
Inventors: 임영호; 송영숙; 박현우; 김영호; 조완구
Original assignee: 주식회사 엘지생활건강
Priority date: 2005-08-17
Filing date: 2005-08-17
Publication date: 2007-03-08
Also published as: KR20070020938A

Abstract

외피와 전기 생성부를 포함하는 박형 1차 전지가 제공된다. 외피는 밀폐 체임버(sealed chamber)를 형성하며, 전기 생성부는 상기 밀폐 체임버에 배치되며 전기를 생성한다. 상기 외피는, 내부층(inner layer)과 외부층(outer layer)을 포함한다. 내부층은 전기 절연성을 가지는 재질로 형성된다. 외부층은, 상기 내부층의 외측에 형성되며, 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate), 폴리이미드(polyimide), 폴리다이비닐리덴클로라이드(polyvinylidene chloride), 에틸렌비닐아세테이트공중합체(ethylene vinylacetate copolymer), 폴리에틸렌비닐알코올(polyethylene vinyle alcohol), 및 나일론(nylon) 중 어느 하나의 재질로 형성된다.

1차 전지, 외피, 전해액, 밀폐성

Description

박형 1차 전지{THIN TYPE PRIMARY BATTERY}

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 박형 1차 전지의 사시도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 박형 1차 전지의 분해 사시도이다.

도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 절개한 단면도이다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예들에 의한 박형 1차 전지의 전류용량 특성을 보여주는 도면이다.

본 발명은 필름형 박형 1차 전지(thin type primary battery)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전해액의 누출 및 외부로부터의 기체의 침투를 최소화할 수 있도록 양호한 밀폐성을 가지는 박형 1차 전지에 관한 것이다.

일반적으로 전지(battery)는 내부에 들어 있는 화학물질의 전기 화학적 산화-환원 반응시에 발생하는 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 장치를 의미한다. 전지는 그 사용상의 특성에 따라 전지 내부의 에너지가 고갈되면 폐기하여야 하는 1차 전지(primary battery)와 계속 충전하면서 여러 번 재사용이 가능한 2차 전지(rechargeable battery)로 구분될 수 있다. 1차 전지의 주된 형태는 원통형, 각형, 그리고 버튼형이 있다. 전통적인 1차 전지의 사용 용도는 시계, 리모콘, 카세트, 렌턴 등의 에너지원이었으며, 최근에는 기술발전에 따라 디지털카메라, 무선키보드, MP3 플레이어, CD 플레이어, 도어락 시스템 등의 새로운 응용기기에 사용되는 등 그 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 이러한 형태의 전지들은 정/부극 및 전해질의 종류에 따라 망간 전지, 알칼라인 전지, 수은 전지, 은 전지, 리튬 전지, 공기아연 전지 등으로 나뉠 수 있으며, 이러한 전지들은 작게는 수십 mAhr의 전류 용량으로부터 크게는 수백 Ahr까지의 높은 전류 용량을 가진다. 1차 전지의 특성 상 그 사용기간의 증가시키기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.

한편, 액정 디스플레이, 전자계산기, IC카드, 온도센서, 압력감지부저, 또는 약물전달에 사용되는 이온토포레시스와 같은 장치에 사용될 수 있는 소형 박막 전지의 필요성이 대두되고 있다.

박막 전지는 습식 전해질을 포함하는 전지(즉, 액상 전지)와 고상 전해질을 포함하는 전지(즉, 고상 전지)로 분류될 수 있다. 고상 전해질은 일반적으로 액상 전해질에 친수성 고분자를 첨가하여 액상 전해질의 점도를 높임으로써 전해액의 증발이나 누액을 방지하는 장점을 가지고 있다. 그러나, 고상 전해질은 이온의 전달측면에서는 액상 전해질보다는 이온의 확산 속도가 제한되는 문제가 있다. 따라서, 고상 전지는 그 작동이 온도에 크게 의존하게 되며 많은 경우에는 단지 고온 영역에서만 잘 작동하는 문제가 있다. 이러한 제한된 이온의 확산 속도는 발생된 전기 에너지에 대한 포텐셜(potential) 화학 에너지의 낮은 비를 유발하기 때문에 고상 전지는 액상 전지와 비교하여 큰 단점을 가진다.

일반적으로, 박형 전지는 외부필름층, 박막집전층, 정/부극활물질층, 전해액을 함유하는 세퍼레이터(separator)층을 포함한다.

외부필름층은 전기 절연성과 형상을 유지할 수 있는 성질을 가지는 폴리에스터(polyester)와 같은 재질로 형성되는 것이 일반적이다.

그러나, 이러한 폴리에스터로 형성된 외부필름층은 밀폐성이 양호하지 못하기 때문에 전해액의 손실을 야기하는 문제가 있었다. 특히, 종래의 박형 1차 전지의 외부필름층으로 사용되는 폴리에틸렌 필름(polyethylene film), 폴리프로필렌 필름(polypropylene film), 폴리염화비닐 필름(polyvinyl chloride film), 폴리에스터 필름(polyester film) 등은 전기 절연성과 코팅성은 우수한 반면에, 수증기 투과도가 수 내지 수십 g/㎡ㅇ day(40??/100% RH) 정도로 크기 때문에 수증기 밀폐성이 매우 나쁘다.

이러한 전해액 손실의 문제를 해결하기 위하여, 미국특허 제6106973호에서는, 폴리프로필렌 필름(polypropylene film)에 알루미늄 포일(aluminum foil)을 증착하는 방법이 소개된 바 있다. 그러나, 알루미늄층을 형성하는 방법은 밀폐성은 높일 수 있으나, 금속성분의 고유한 경도에 의해 박형 전지의 가요성(flexibility)을 현저히 떨어뜨리는 문제가 있다.

본 발명은 상기 전술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 외부필름층에 밀폐성이 우수한 필름을 부착함으로써 전해액 손실을 최소화할 수 있는 박형 1차 전지를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 의한 박형 1차 전지는 외피와 전기 생성부를 포함한다. 외피는 밀폐 체임버(sealed chamber)를 형성하며, 전기 생성부는 상기 밀폐 체임버에 배치되며 전기를 생성한다. 상기 외피는, 내부층(inner layer)과 외부층(outer layer)을 포함한다. 내부층은 전기 절연성을 가지는 재질로 형성된다. 외부층은, 상기 내부층의 외측에 형성되며, 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate), 폴리이미드(polyimide), 폴리다이비닐리덴클로라이드(polyvinylidene chloride), 에틸렌비닐아세테이트공중합체(ethylene vinylacetate copolymer), 폴리에틸렌비닐알코올(polyethylene vinyle alcohol), 및 나일론(nylon) 중 어느 하나의 재질로 형성된다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조로 설명한다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 박형 1차 전지(100)는, 밀폐 체임버(sealed chamber)(115)를 형성하는 외피(110)와, 밀폐 체임버(115)에 배치되며 전기를 생성하는 전기 생성부(120)를 포함한다.

외피(110)는 서로 마주보는 두 개의 가요성 필름(flexible film)(111,113)을 접합하여 형성될 수 있다. 이때, 가요성 필름(111,113)은 임의의 방법을 통하여 서로 대응하는 모서리가 접합될 수 있으며, 예를 들어, 서로 마주보는 가요성 필름(111,113)은 열(heat) 접착 방법을 통하여 서로 접합될 수 있다.

가요성 필름(111,113) 각각은 두 개의 층을 포함한다. 즉, 도 3을 참조하면, 참조번호 111의 가요성 필름(111)은 내부층(inner layer)(111b)과 외부층(outer layer)(111a)을 포함하고, 참조번호 113의 가요성 필름(113)은 내부층(inner layer)(113b)과 외부층(outer layer)(113a)을 포함한다.

결과적으로, 외피(110)는 내부층(111b,113b)과 외부층(111a,113a)을 포함하는 중층 구조를 가지게 되는 것이다.

내부층(111b,113b)은 전기 절연성을 가지는 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 내부층(111b,113b)은 양호한 전기 절연성을 가지는 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리염화비닐 필름(polyvinyl chloride), 또는 폴리에스터(polyester) 등으로 형성될 수 있다.

외부층(111a,113a)은 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate), 폴리이미드(polyimide), 폴리다이비닐리덴클로라이드(polyvinylidene chloride), 에틸렌비닐아세테이트공중합체(ethylene vinylacetate copolymer), 폴리에틸렌비닐알코올(polyethylene vinyle alcohol), 및 나일론(nylon) 중 어느 하나의 재질로 형성될 수 있다. 이러한 재질들은 양호한 밀폐성을 가지는 것들이며, 밀폐성이 양호한 재질로 형성되는 외부층(111a,113a)은 전기 생성부(120)의 전해질의 증발 및 증발된 수증기의 외부로의 누출을 방지함으로써 전해질의 손실을 최소화할 수 있는 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의한 박형 1차 전지(100)는 외부층(111a,113a)을 구비함으로써, 전해질의 손실을 최소화할 수 있고 이로 인해 전지의 전체적인 성능이 크게 향상되는 것이다.

외부층(111a,113a)은 내부층(111b,113b)의 외측에 형성된다. 이때, 예를 들어, 외부층(111a,113a)은 라미네이션(lamination) 방법을 통하여 내부층 (111b,113b)의 외면에 형성될 수 있다.

전기 생성부(120)는 1차 전지에 사용되는 전기를 생성하는 임의의 구조로 구현될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 도 2 및 도 3을 참조하면, 전기 생성부(120)는 세퍼레이터(separator)(121), 양극 활물질층(123), 음극 활물질층(125), 및 한 쌍의 집전층(127)을 포함한다.

세퍼레이터(121)는 전해액을 함유하는 부분이며, 예를 들어, 세퍼레이터(101)는 셀룰로오스 종이(cellulose paper), 비닐론(vinylon), 펄프(pulp), 필터 페이퍼(filter paper), 또는 부직포 등으로 형성될 수 있다.

양극 활물질층(123)은 양극 활물질을 함유하며, 양극 활물질은 도전성 카본(carbon), 이산화망간(manganese dioxide), 이산화납(lead dioxide), 산화니켈(nickel oxide), 산화은(silver oxide), 또는 산화구리(copper oxide) 등을 포함할 수 있다.

음극 활물질층(125)은 음극 활물질을 함유하며, 음극 활물질은 아연(zinc), 철(iron), 마그네슘(magnesium), 알루미늄(aluminum), 카드뮴(cadmium), 납(lead), 또는 주석(tin) 등으로 할 수 있다.

한 쌍의 집전층(127)은 외피(110)의 내면에 호일(foil)의 형태나 인쇄, 코팅(coating) 등의 방법을 통해 형성될 수 있다. 양극 활물질층(123)과 음극 활물질층(125)은 인쇄(printing), 코팅(coating), 또는 캐스팅(casting) 등의 방법을 통하여 집전층(127) 상에 형성될 수 있다.

집전층(107)은, 구리, 아연, 알루미늄, 니켈 등의 호일(foil) 형태이거나, 박막 형태의 도전성 카본 필름(conductive carbon film), 절연성 필름 위에 도전성 카본 잉크(conductive carbon ink) 혹은 도전성 카본 페이스트(conductive carbon paste)가 스크린 인쇄(screen print) 혹은 코팅(coating) 되어진 층으로 할 수 있다.

한편, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 집전층(107)의 일부는 외피(110)의 외부로 돌출되어 전극을 형성하게 된다.

이하에서, 실험예와 비교예를 통하여 본 발명의 실시예에 의한 박형 1차 전지의 밀폐성 및 이에 따른 성능 안정성에 대해 설명한다.

실험예1

50㎛의 폴리염화비닐(PVC) 위에 도전성 카본 페이스트를 스크린 인쇄를 이용해 코팅하고 80??의 오븐(oven)에서 2시간 이상 충분히 건조한 후 박막 집전체를 준비한다. 음극에는 아연분말 30g과 20% 농도의 폴리아크릴산(polyacryllic acid)과 양극에서는 이산화망간 30g과 도전성카본 5g 그리고 20%의 폴리아크릴산 10g을 고루 섞어 각각 집전체 위에 2ㅧ 3㎝로 도포한 후 80??의 오븐에서 2시간 이상 충분히 건조하여, 각각 양극과 음극을 형성한다. 여기에 물 12g에 암모늄-염화물을 16.8g을 녹인 전해액을 필터 페이퍼 스트립(filter paper strip)에 적심 혹은 담금기술에 의해 완전히 적신 후 꺼내어 2.5ㅧ 3.5㎝의 크기로 잘라 준비하여, 이들을 접착제를 이용하여 조립한 후 전압을 측정하여 보았더니, 1.5ㅁ 0.02 V의 전압을 유지하였다.

실험예2

상기한 실험예1에서의 기술된 바와 같은 방법으로 형성된 전지 소자에 외부필름층으로 50㎛의 폴리프로필렌(CPP)을 사용하여 전지를 조립하였다.

실험예3

상기한 실험예1에서의 기술된 바와 같은 방법으로 형성된 전지 소자에 외부필름층으로 50㎛의 폴리에스터 필름을 사용하여 전지를 조립하였다.

비교예1

25㎛의 폴리에스터 필름에 30㎛의 폴리에틸렌나프탈레이트 필름을 합지하여 형성한 외피에 도전성 카본 페이스트를 스크린 인쇄 방법을 이용해 코팅하고 80??의 오븐에서 2시간 이상 충분히 건조 후 박막 집전체를 준비하였다. 음극에는 아연분말 30g과 20% 농도의 폴리아크릴산과 양극에는 이산화 망간 30g과 도전성카본 5g 그리고 20%의 폴리아크릴산 10g을 고루 섞어 각각 집전체 위에 2ㅧ 3㎝로 도포한 후 80??의 오븐에서 2시간 이상 충분히 건조하여, 각각 양극과 음극을 준비한다. 여기에 물 12g에 암모늄-염화물을 16.8g을 녹인 전해액을 필터 페이퍼 스트립에 적심 혹은 담금기술에 의해 완전히 적신 후 꺼내어 2.5ㅧ 3.5㎝의 크기로 잘라 준비하여, 이들을 접착제를 이용하여 조립한 후 전압을 측정하여 보았더니, 1.5ㅁ 0.02V의 전압을 유지하였다.

비교예2

25㎛의 폴리에스터 필름에 30㎛의 폴리이미드 필름을 합지하여 형성한 외피를 이용하여 비교예1과 유사한 방법으로 전지를 형성하였다.

비교예3

25㎛의 폴리에스터 필름과 15㎛의 폴리아마이드(Nylon) 필름을 합지하여 형성된 외피를 이용하여 비교예1과 유사한 방법으로 전지를 형성하였다.

비교예4

25㎛의 폴리에스터 필름과 15㎛의 폴리비닐리덴다이클로라이드(PVDC) 필름을 합지하여 형성된 외피를 이용하여 비교예1과 유사한 방법으로 전지를 형성하였다.

상기의 실험예와 비교예에 의해 형성된 전지들의 필름의 수증기 투과도는 다음의 표1과 같다.

[표1]

표1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 의한 비교예들에서 수증기 투과도가 훨씬 낮은 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의하면, 외피의 수증기 투과도가 낮기 때문에, 전기 생성부의 전해액의 손실을 최소화할 수 있게 된다.

한편, 도 4 및 도 5는 실험예들과 비교예들에 의한 전지를 일정기간 방치한 후 전류용량을 관찰한 결과를 보여준다. 도 4는 상온에서 보관한 경우의 결과를 보여주고, 도 5는 45??에서 보관한 경우의 결과를 보여준다.

도 4 및 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 밀폐성이 우수한 층을 구비하는 외피를 가지는 전지(즉, 본 발명의 실시예들에 의한 전지)의 전류용량에 관한 보존성이 우수하다는 것을 알 수 있다. 특히, 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의하면, 비교적 고온에서 장시간 보관하는 경우의 전류용량의 손실이 작은 것을 알 수 있다.

이상에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경 및/또는 수정을 포함한다.

이 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용되는 포함한다는 용어 및 그 활용형태는, 반대되는 의미로 명백히 기재되지 않는 한, 나열된 구성요소 외의 다른 구성요소를 배제하는 의미로 해석되어서는 안된다.

상기와 같은 본 발명의 실시예에 의하면, 박형 1차 전지의 외피가 전기 절연성을 가지는 내부층과 밀폐성이 양호한 외부층을 구비함으로써, 전해액의 손실을 최소화할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 의하면 수증기 밀폐성을 높이기 위해, 금속 재질을 사용하는 것이 아니라 밀폐성이 양호하면서도 유연성이 좋은 재질을 사용하여 외피를 형성하기 때문에, 전해액의 손실 방지 및 박형 전지의 유연성 확보를 동시에 도모할 수 있다.

Claims

밀폐 체임버(sealed chamber)를 형성하는 외피, 및

상기 밀폐 체임버에 배치되며 전기를 생성하는 전기 생성부

를 포함하는 박형 1차 전지로서,

상기 외피는,

전기 절연성을 가지는 재질로 형성되는 내부층(inner layer), 및

상기 내부층의 외측에 형성되며, 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate), 폴리이미드(polyimide), 폴리다이비닐리덴클로라이드(polyvinylidene chloride), 에틸렌비닐아세테이트공중합체(ethylene vinylacetate copolymer), 폴리에틸렌비닐알코올(polyethylene vinyle alcohol), 및 나일론(nylon) 중 어느 하나의 재질로 형성되는 외부층(outer layer)

을 포함하는 박형 1차 전지.