KR100855507B1 - 아말감 처리한 아연메쉬 음극을 적용한 산화은-아연1차전지 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 아말감 처리한 아연메쉬 음극을 적용한 산화은-아연 1차전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 상기 음극을 기판 집전체에 수은 도금을 한 후, 활물질인 아연메쉬(zinc expanded metal)를 집전체에 3∼7겹 감은 다음, 12∼24시간 동안 30∼50℃의 건조기에 보관하여 아연메쉬에 수은이 전이되게 함으로써 아연메쉬가 아말감되는 음극 및 그 제조방법을 특징으로 하는 것으로서, 전해액이 별도의 공급장치에 있어, 보관시 자기 방전에 의한 용량 손실이 발생하지 않기 때문에 보관 수명을 매우 길게 유지할 수 있고, 1차전지의 활성화 시간이 매우 짧고, 고율방전 특성이 우수하므로 군수용과 같은 몇몇 특수한 응용에 적합하며, 아연메쉬를 집전체에 감아 음극을 완성하므로, 제조 방법이 매우 간단하고, 금속아연이 곧바로 활물질로 이용되므로, 별도의 환원 공정이 필요없으며, 음극 활물질이 분말이 아닌 금속이기 때문에 전도도가 매우 높은 효과가 있다.

아말감, 아연메쉬, 집전체, 산화은-아연, 1차전지, 활물질

Description

아말감 처리한 아연메쉬 음극을 적용한 산화은-아연 1차전지 및 그 제조방법{SILVER OXIDE-ZINC PRIMARY BATTERY WHICH APPLIED THE ZINC MESH CATHODE WHICH IT TREATED AMALGAM AND THE MANUFACTURING METHOD}

본 발명은 아말감 처리한 아연메쉬 음극을 적용한 산화은-아연 1차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 충방전 사이클 운용을 하지 않고, 1회 방전만 수행하는 드라이 차지된(dry charged) 1차전지로, 음극 활물질로 전기화학적인 충전이 필요 없는 금속아연메쉬를 적용한 산화은-아연 1차전지에 관한 것이다.

산화은-아연 1차전지의 반응식은 다음과 같다.

Zn + 2AgO + H₂O ⇒ Zn(OH)₂ + Ag₂O

Zn + Ag₂O + H₂O ⇒ Zn(OH)₂ + 2Ag

일반적으로 산화은-아연 1차전지는 전해액 주액장치가 별도로 있고, 장기간 전해액이 없는 드라이 차지된 상태로 보관되며, 전지 출력이 요구되는 시점에서 전해액이 주액되고, 수초 내에 방전 가능한 전압이 형성돼야 한다. 따라서, 전지가 방전 가능한 전압을 형성하기 위해서는 전극 활물질 내로 전해액이 빠르게 침투해 야되며, 활물질의 전기화학적인 활성이 높아야 한다.

아연메쉬는 얇은 금속아연 포일을 익스팬디드 머신(expanded machine)에 통과시켜 메쉬 형태로 쉽게 제조하며, 이렇게 제조된 아연메쉬를 수은 도금된 기판 집전체에 감고, 감긴 아연메쉬의 이탈을 방지하고, 전기접촉을 높이기 위해 스폿 용접하며, 일정 온도에서 수은을 집전체에서 아연메쉬로 전이시켜 아말감 처리를 한 음극으로 전기화학적인 충전을 하지 않고, 곧바로 방전 가능한 전극이 된다.

지금까지 알려진 산화은-아연 1차전지용 음극은 기판 집전체에 아연메쉬를 감아서 제작하는 것과 기판 집전체에 일정량의 아연을 전착한 후 아연메쉬를 감아서 제작하였다.

그러나, 이들 방법으로 제작된 전극은 다음과 같은 단점을 갖고 있다.

아연메쉬를 기판 집전체에 감은 전극의 활성화 시간은 본 발명과 동일하나, 방전 도중 아연메쉬 활물질의 부동태로 인한 급격한 전압감소가 발생하고, 보유 용량의 절반 수준에서 방전이 중단된다.

아연메쉬 단독으로 사용한 전극의 단점을 극복하기 위해 개발된 전극, 기판 집전체에 아연을 먼저 전착한 후, 그 위에 아연메쉬를 감은 전극으로, 이 전극은 아연메쉬를 감을 때 전착된 아연의 활탈이 매우 심하게 일어나고, 활탈된 아연으로 인한 전지 내부의 절연이 나빠지고, 양음극간 단락이 빈번히 발생하여, 전지 제조가 상당히 어렵다.

또한, 전착된 아연은 다공성이 메쉬 형태보다 좋지 않기 때문에 전해액 침투가 어려워 활성화 시간이 길어지는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로, 매우 간단한 제조 공정, 즉 별도의 환원 공정이 필요 없고, 전극 제조 후 취급이 용이하며, 우수한 방전성능을 갖는 음극을 산화은-아연 1차전지에 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 기존 아연메쉬를 기판 집전체에 감아서 제조하는 방법은 동일하게 적용하지만, 아연메쉬 단독 사용시 발생하는 부동태 형성에 의한 성능저하를 방지하기 위해, 소량의 수은을 아연메쉬에 전이시켜 아연메쉬와 아말감을 형성하도록 하는 제조공정을 도입하여, 방전성능 및 활성화 특성이 우수한 음극이 적용된 산화은-아연 1차전지를 제공하는데 다른 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 아말감 처리한 아연메쉬 음극을 적용한 산화은-아연 1차전지의 제조방법은, 기판 집전체를 수은이 용해된 20∼40%의 염산 수용액에 1∼5분 동안 침적하여 기판 집전체 표면에 수은을 도금하는 단계와; 수은 도금된 기판 집전체에 아연메쉬를 3∼7겹 감는 단계와; 기판 집전체에 아연메쉬를 감은 전극에 아연메쉬의 이탈을 방지하고, 전기전도도를 높이기 위해 2군데 이상의 스폿용접을 하는 단계와; 스폿용접된 전극을 0.5∼2kgf/cm²의 압력으로 프레스하여 평탄화시키는 단계와; 프레스된 전극의 상하에 도출된 날카로운 메쉬를 제거하는 단계; 및 아연메쉬를 감은 전극을 12∼24시간 동안 30∼50℃의 건조기에 보관하여 기판 집전체에 도금된 수은이 아연메쉬로 아연메쉬 중량의 0.5∼3% 전이되어, 아연메쉬가 아말감되는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 본 발명은 아말감이 완료된 전극의 상하에 내알카리성 테이프를 2∼5mm 두께로 앞뒷면에 붙이는 단계;를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고, 본 발명에 따른 상기 아연메쉬는, 원포일 시트 두께 0.05∼0.3mm를 익스펜디드 머신(expanded machine)를 통과시켜 익스펜드 한 것으로, 최종 두께는 0.1∼0.5mm의 메쉬인 것이 바람직하다.

한편, 본 발명은 상기의 제조방법으로 음극을 기판 집전체에 수은 도금을 한 후, 아연메쉬를 집전체에 3∼7겹 감고, 12∼24시간 동안 30∼50℃의 건조기에 보관하여 아연메쉬에 수은이 전이되게 함으로써 아연메쉬가 아말감되는 음극을 제조하고, 이를 전지에 적용한 아말감 처리한 아연메쉬 음극을 적용한 산화은-아연 1차전지를 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 전해액이 별도의 공급장치에 있어, 보관시 자기 방전에 의한 용량 손실이 발생하지 않기 때문에 보관 수명을 매우 길게 유지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 1차전지의 활성화 시간이 매우 짧고, 고율방전 특성이 우수하므로 군수용과 같은 몇몇 특수한 응용에 적합하다.

또한, 본 발명에 따르면 아연메쉬를 집전체에 감아 음극을 완성하므로, 제조 방법이 매우 간단한 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 금속아연이 곧바로 활물질로 이용되므로, 별도의 환원 공정이 필요없으며, 음극 활물질이 분말이 아닌 금속이기 때문에 전도도가 매우 높은 효과가 있다.

이하에서는 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명을 다음의 도면을 참조하여 상세히 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명에 따른 완성된 아연메쉬 음극 전극의 정면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 집전체에 아연메쉬를 감는 음극 전극의 정면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 집전체에 아연메쉬가 감긴 음극 전극의 평면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 음극 전극 제조 공정도를 각각 나타낸 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 산화은-아연 1차전지의 완성된 음극 전극(1)은 기판 집전체(10), 음극탭(15), 아연메쉬(20), 전극의 상하부에 붙인 내알카리성 테이프(30)를 포함하여 구성된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 음극 전극(1)은 기판 집전체(10)에 음극탭(15)을 스폿용접하여 기판 집전체(10)를 준비한다. 기판 집전체(10)는 이물질 및 산화피막을 제거하기 위해 세척액으로 초음파 세척한 다음, 세척액을 깨끗이 제거한다. 이 기판 집전체(10)를 수은이 용해된 20∼40중량% 염산 용액에 1∼5분간 침적하여 기판 집전체(10)의 표면에 수은이 도금되게 한 후(S100), 기판 집전체(10)의 표면에 묻은 산기가 없을 때까지 수세한다. 3∼7겹 감을 수 있는 직사각형 형태의 아연메쉬(20)를 준비한다.

그리고, 직사각형 아연메쉬(20)의 단방향 테두리(21)를 기판 집전체(10)의 단방향 테두리(11)의 약 절반 정도 크기에 해당하게 접고, 기판 집전체(10)의 장방향 테두리(12)를 아연메쉬(20)의 접힌 부분에 일치시킨다.

이 후, 기판 집전체(10) 크기에 딱 맞게, 도 3에 도시된 바와 같이, 아연메쉬(20)를 감는다(S200). 아연메쉬(20)를 감은 기판 집전체(10)는 아연메쉬(20)가 빠지지 않도록 2군데 이상 스폿용접하고(S300), 프레스하여 평평하게 한다(S400).

프레스된 음극 전극(1)의 상하에 도출된 날카로운 메쉬 부분을 제거한 후(S500), 30∼50℃의 건조기에서 12∼24시간 보관하여 기판 집전체(10)에 있는 수은을 아연메쉬(20)로 아연메쉬(20) 중량의 0.5∼3% 만큼 전이시켜 아말감을 형성시킨다(S600).

아말감된 음극 전극(1)의 상하 끝부분은 내알카리성 테이프(30)를 붙여(S700) 날카로운 메쉬가 노출되지 않도록 하여 음극 전극(1)을 완성한다(S800).

다음은 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.

[실시예]

상기 제조방법으로 제조한 음극 전극(1) 12매와 별도로 제작한 산화은 양극 11매로 구성된 극군 2개와 별도의 전해액 분배기를 셀케이스에 삽입한 후, 밑판을 씰링하여 2전지를 제조하였다. 전해액으로 수산화칼륨을 별도의 공급장치에 준비하여, 상온에서 2전지에 동시에 공급한다. 활성화 시간을 기록하고, 450A로 방전을 수행하였다.

비교예 1은 아말감 처리를 하지 않은 아연메쉬를 기판 집전체와 감은 음극을 적용한 산화은-아연 1차전지로 나머지 조건은 상기 실시예와 동일하다. 비교예 2는 기판 집전체에 아연 전착을 먼저하고, 아연메쉬를 감은 음극을 적용한 산화은-아연 1차전지로 나머지 조건은 상기 실시예와 동일하다.

표 1에서는 본 발명에 따른 실시예와 비교예 1,2에 대한 활성화 시간과 방전시간을 나타내었다.

[표 1]

구 분	실시예	비교예 1	비교예 2
활성화 시간	1∼3초	1∼3초	60∼120초
방전 시간	13분 이상	6.5∼7분	12분 이상

도 5는 본 발명에 따른 1차전지 방전그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명은 1차전지의 활성화 시간이 1~3초로 매우 짧고, 보관시 자기 방전에 의한 용량 손실이 발생하지 않기 때문에 방전 시간이 13분 이상 지속될 수 있음을 알 수 있다.

이상 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것인바, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.

본 발명에 따른 아말감 처리한 아연메쉬 음극을 적용한 산화은-아연 1차전지 및 그 제조방법은 높은 에너지 및 전력밀도를 가지고 있어 우주항공, 잠수함, 군사무기 등 특수한 분야에서 주로 이용될 수 있는 유용한 기술이다.

도 1은 본 발명에 따른 완성된 아연메쉬 음극 전극의 정면도.

도 2는 본 발명에 따른 집전체에 아연메쉬를 감는 음극 전극의 정면도.

도 3은 본 발명에 따른 집전체에 아연메쉬가 감긴 음극 전극의 평면도.

도 4는 본 발명에 따른 음극 전극의 제조 공정도.

도 5는 본 발명에 따른 1차전지 방전그래프.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1: 음극 전극 10: 기판 집전체

11: 집전체 단방향 테두리 12: 집전체 장방향 테두리

15: 음극탭 20: 아연메쉬

21: 아연메쉬 단방향 테두리 30: 내알카리성 테이프

Claims (4)

1. 기판 집전체(10)를 수은이 용해된 20∼40%의 염산 수용액에 1∼5분 동안 침적하여 기판 집전체 표면에 수은을 도금하는 단계(S100)와;

   수은 도금된 기판 집전체(10)에 활물질인 아연메쉬를 3∼7겹 감는 단계(S200)와;

   기판 집전체(10)에 아연메쉬(20)를 감은 전극에 아연메쉬(20)의 이탈을 방지하고, 전기전도도를 높이기 위해 2군데 이상에 스폿용접을 하는 단계(S300)와;

   스폿용접된 전극을 0.5∼2kgf/cm²의 압력으로 프레스하여 평탄화시키는 단계(S400)와;

   프레스된 전극의 상하에 도출된 날카로운 메쉬를 제거하는 단계(S500); 및

   아연메쉬를 감은 전극을 12∼24시간 동안 30∼50℃의 건조기에 보관하여 기판 집전체에 도금된 수은이 아연메쉬로, 아연메쉬 중량의 0.5∼3% 전이되어, 아연메쉬가 아말감되는 단계(S600);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 아말감 처리한 아연메쉬 음극을 적용한 산화은-아연 1차전지의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   아말감이 완료된 전극의 상하에 내알카리성 테이프를 2∼5mm 두께로 앞뒷면에 붙이는 단계(S700);를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 아말감 처리 한 아연메쉬 음극을 적용한 산화은-아연 1차전지의 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 아연메쉬는,

   원포일 시트 두께 0.05∼0.3mm를 익스펜디드 머신(expanded machine)를 통과시켜 익스펜드 한 것으로, 최종 두께는 0.1∼0.5mm의 메쉬인 것을 특징으로 하는 아말감 처리한 아연메쉬 음극을 적용한 산화은-아연 1차전지의 제조방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 아말감 처리한아연메쉬 음극을 적용한 산화은-아연 1차전지.

Images