KR100878343B1 - 니켈/아연 2차 전지용 음극판 및 그의 제조방법 - Google Patents

니켈/아연 2차 전지용 음극판 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 니켈/아연 2차 전지용 음극판 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 니켈-아연(Ni-Zn) 전지에서 아연 분말의 표면에 금속층을 코팅하여 음극 활물질이 알칼리 전해질에 의해서 분해되는 것을 억제하기 위한 것이다.
이를 위하여 본 발명은, 전극단자를 포함하는 음극판 프레임; 상기 음극판 프레임에 삽입되며, 다수의 관통구멍이 형성된 2장의 금속판 사이에, 산화아연(ZnO)등의 금속산화물을 포함한 전도성 재료들이 첨가되고 캡슐화된 음극 활물질이 충전되어 형성되는 2장 이상의 스트립으로 구성된 니켈/아연 2차 전지용 음극판, 및 그 제조방법을 제공하여, 산화아연(ZnO)를 포함한 음극 활물질이 알칼리 전해질에 의해서 분해되는 것을 억제하고, 산화아연(ZnO) 보다 더 전기적 양성을 가진 금속산화물을 포함한 전도성 재료들을 첨가하여 전지의 충/방전시 발생하는 아연의 수지상 결정의 성장을 억제함으로써 부도체인 음극 활물질의 전기적 특성을 향상시켜 전지의 용량 및 사이클 수명을 높일 수 있게 한다.
2차 전지, 니켈/아연, 캡슐, 금속 코팅, 음극 활물질

Description

니켈/아연 2차 전지용 음극판 및 그의 제조방법{Negative electrode for nickel/zinc secondary battery and fabrication method thereof}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 니켈/아연 2차 전지용 음극판의 정면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 니켈/아연 2차 전지용 음극판의 한 조립과정을 예시하는 참고도,
도 3은 도 1의 B-B'선 단면도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 니켈/아연 2차 전지용 음극판에서 스트립의 연결상태를 예시한 상세도,
도 5a와 도 5b는 본 발명에 의한 니켈/아연 2차 전지용 음극판에서 펠렛형 음극 활물질과 덩어리형 음극 활물질이 충전된 상태의 각 스트립을 절개하여 예시한 사시도,
도 6은 도 5a의 펠렛형 음극 활물질을 발췌하여 도시한 상세도,
도 7은 본 발명에 의한 니켈/아연 2차 전지용 음극판의 한 제조 과정을 예시한 공정 흐름도,
도 8은 본 발명에 의한 니켈/아연 2차 전지용 음극판의 다른 제조 과정을 예시한 공정 흐름도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100; 스트립 101,102: 금속판
101a,102a: 관통구멍 107: 연결부
200: 캡슐화된 음극 활물질 200a: 펠렛형 음극 활물질
200b: 덩어리형 음극 활물질 201: 아연 분말
202: 코팅층 203: 첨가제
300: 음극판 프레임 310: 전극단자
본 발명은 충전 및 방전이 가능한 2차 전지 중 니켈/아연 2차 전지에 적용되는 음극판 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 니켈-아연(Ni-Zn) 전지에서 산화아연(ZnO)을 포함한 음극 활물질의 표면에 금속층을 코팅함으로써 음극 활물질이 알칼리 전해질에 의해서 분해되는 것을 억제하여 음극 활물질의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 니켈/아연 2차 전지용 음극판 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
아울러 본 발명은 산화아연(ZnO)보다 더 전기적 양성을 가진 금속산화물을 포함한 전도성 재료들을 첨가하여 전지의 충/방전시 발생하는 아연의 수지상 결정(Zn dendrite)의 성장을 억제함으로써 부도체인 음극 활물질의 전기적 특성을 좋게 하고, 용량 및 사이클 수명을 높일 수 있는 니켈/아연 2차 전지용 음극판 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
최근 각국의 환경보전에 대한 의지로서 각종 환경규제가 실시되고 있다. 따라서 소형전지에서는 이미 납축전지 및 니켈/카드뮴전지가 니켈/수소, 리튬이온전지 등으로 대체되었으나, 산업용 대형전지의 분야에서는 그 대안의 전지가 없어 아직 납축전지와 니켈/카드뮴전지가 사용되고 있다. 따라서 환경친화적인 대용량 축전지에 대한 관심이 높아지고 있으며 이에 따른 기술개발이 집중적으로 진행되고 있다.
그 중에서 납축전지를 대체할 수 있는 니켈(Ni)/아연(Zn)축전지는 체적 및 부피 에너지밀도가 유사하며 작동전압이 1.6[V/cell] 이상으로 높고, 고유 에너지 밀도(Specific power density)도 875[W/kg]으로서 납축전지의 535[W/kg]보다 우수하며, 게다가 최대 방전용량의 80%에 도달하게 되는 충방전 횟수(Cycle life)도 600회 이상으로서 납축전지의 200~700 회에 비해서 비교적 안정적인 장점이 있다.
그럼에도 불구하고, 니켈/아연 축전지의 상업성은 아연 전극의 분해, 자가 방전, 보호 피막, 모양 변화, 수지상 결정화로 인해서 제한되는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명은 니켈-아연(Ni-Zn) 전지에서 산화아연(ZnO)를 포함한 음극 활물질의 표면에 금속층을 코팅함으로써 산화아연(ZnO)를 포함한 음극 활물질이 알칼리 전해질에 의해서 분해되는 것을 억제하여 부도체인 음극 활물질의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 니켈/아연 2차 전지용 음극판 및 그의 제조방법을 제공함에 목적이 있다.
아울러 본 발명은 산화아연(ZnO)보다 더 전기적 양성을 가진 금속산화물을 포함한 전도성 재료들을 첨가하여 전지의 충/방전시 발생하는 아연의 수지상 결정의 성장을 억제함으로써 부도체인 음극 활물질의 전기적 특성을 향상시켜 전지의 용량 및 사이클 수명을 높일 수 있는 니켈/아연 2차 전지용 음극판 및 그의 제조방법을 제공함에 다른 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 특징은, 전극단자를 포함하는 음극판 프레임; 상기 음극판 프레임에 삽입되며, 다수의 구멍이 형성된 2장의 금속판 사이에 금속 코팅층에 의해 캡슐화된 음극 활물질이 충전되어 포켓형으로 형성되는 2장 이상의 스트립으로 구성된 니켈/아연 2차 전지용 음극판이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징은, (a) 금속판에 다수의 구멍을 천공하는 단계; (b) 상기 구멍이 천공된 2장의 금속판 사이에 캡슐화된 음극 활물질을 채워 넣는 단계; (c) 상기 금속판에 외력을 가하여 상기 2장의 금속판을 캡슐화된 음극 활물질과 함께 압착함으로써, 상기 캡슐화된 음극 활물질을 2장의 금속판 사이에 구속시키는 스트립을 형성하는 단계; (d) 필요한 용량만큼 상기 스트립을 2장 이상 연결하는 단계; 및, (e) 상기 연결된 2장 이상의 스트립들을 음극판 프레임에 삽입하는 단계를 포함하는 니켈/아연 2차 전지용 음극판의 제조방법이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 특징은, (a) 금속판에 다수의 구멍을 천공하는 단계; (b) 상기 구멍이 천공된 2장의 금속판 사이에 캡슐화된 음극 활물질을 채워 넣는 단계; (c) 상기 금속판에 외력을 가하여 2장의 금속판을 캡슐화된 음극 활물질과 함께 압착함으로써, 상기 캡슐화된 음극 활물질을 2장의 금속판 사이에 구속시키는 스트립을 형성하는 단계; (d1) 상기 스트립을 요구되는 용량에 해당하는 수만큼 음극판 프레임에 각각 삽입하는 단계; 및, (e1) 상기 음극판 프레임에 삽입된 2장 이상의 스트립을 서로 연결하는 단계를 포함하는 니켈/아연 2차 전지용 음극판의 제조방법이다.
상기 본 발명의 각 특징에 의한 음극판 제조방법은, (a1) 아연분말의 표면에 Cu, Ag, Cd, Zn, Pb, Sr, Bi, Sn, In, Ga, 그리고 Tl 중에서 선택되는 어느 하나의 금속으로 코팅하여 금속코팅층을 형성하여 상기 금속코팅층에 의해 캡슐화된 음극 활물질을 형성하는 단계, 또는 (a2) 아연분말의 표면에 PbO 또는 Bi2O3, CdO, Ga2O3, Tl2O3 중에서 선택되는 어느 하나의 금속산화물로 코팅하여 금속산화물 코팅층을 형성하여, 상기 금속산화물 코팅층에 의해 캡슐화된 음극 활물질을 형성하는 단계를 상기 (b) 단계 이전에 선택적으로 더 실시하는 형태로 실시예가 각각 구현될 수 있다.
또한 상기 본 발명의 각 실시예에서, 상기 아연 분말은, PbO 또는 Bi2O3, CdO, Ga2O3, Tl2O3 중에서 선택되는 어느 하나의 금속산화물로 된 첨가제가 혼합된 아연분말인 것을 사용할 수도 있다,
또한 상기 본 발명의 각 실시예에서, 상기 (a1) 단계에서 금속코팅층이 형성된 아연분말, 또는 상기 (a2) 단계에서 금속산화물 코팅층이 형성된 아연분말에, PbO 또는 Bi2O3, CdO, Ga2O3, Tl2O3 중에서 선택되는 어느 하나의 금속산화물로 된 첨가제를 혼합하여 캡슐화된 음극활물질을 구성하는 것도 가능하다.
또한 상기 본 발명의 각 특징에 의한 음극판 제조방법은, 상기 음극판 프레임과 상기 스트립의 삽입부분을 압착하거나 용접하는 단계를 상기 (e) 단계 또는 (e1) 단계 이후에, 더 실시하는 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 니켈/아연 2차 전지용 음극판 및 그의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 니켈/아연 2차 전지용 음극판의 정면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 니켈/아연 2차 전지용 음극판의 한 조립과정을 예시하는 참고도로서, 본 발명에 의한 니켈/아연 2차 전지용 음극판은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 전지의 충/방전을 위한 전극단자(310)를 포함하는 음극판 프레임(300)과, 코팅층(202)에 의해 캡슐화된 음극 활물질(200)이 내부에 채워져 있고 상기 음극판 프레임에 삽입되어 결합되는 2장 이상의 스트립(100)으로 구성되며, 상기 음극판 프레임(300)과 스트립(100)의 결합부(W: 점선으로 도시됨)는 도 1 및 도 2의 A-A'로 표시한 부분의 확대도에 나타난 바와 같이, 음극판 프레임(300)에 스트립(100)이 삽입된 후 가압에 의해 압착되거나 용접되어 접속된다.
상기 스트립(100)은 다수의 관통구멍(101a,102a)이 각각 형성되고 서로 대향하여 포켓형으로 결합되는 2장의 금속판(101,102)과, 상기 두 개의 금속판 사이에 형성되는 포켓에 충전되는 캡슐화된 음극 활물질(200)로 구성된다. 이와 같은 구성 되는 스트립(100)은 캡슐화된 음극 활물질(200)을 제외한 천공된 두 개의 금속판(101,102)이 집전체로서 작용할 수 있게 되며, 이로써 전류가 전극단자(310)에 공급될 경우, 상기 전류를 전극물질인 캡슐화된 음극 활물질(200)로 흘려줄 수 있게 된다.
도 3은 도 1의 B-B'선 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 니켈/아연 2차 전지용 음극판에서 스트립의 연결상태를 발췌하여 예시한 상세도로서, 상기 각각의 금속판(101,102)은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 그 상단부와 하단부에 각각 연결부(107)를 돌출시켜 그 연결부(107)를 통해 서로 연결될 수 있도록 하며, 상기 스트립(100)은 이들 연결부(107)를 결합함으로써 2장 이상의 스트립이 서로 연결될 수 있게 된다. 그리고 상기 각각의 금속판(101,102)은 그 중앙이 캡슐화된 음극 활물질을 채워 넣을 수 있도록 내부로 오목하게 형성되는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 각 금속판(101,102)에 천공되는 관통구멍(101a,102a)은 전지 내의 전해액이 전극 내에 충분히 존재할 수 있게 해주는 전해액의 통로로서, 그 직경이 수십㎚ ∼ 수백㎚의 크기를 갖는 것이 바람직하다.
상기 금속판(101,102)은 철판(steel plate, 두께 수백㎛~수mm)에 다수의 관통구멍(101a,102a)을 뚫은 뒤 니켈을 도금하여 완성하거나 니켈판에 직접 천공하여 사용할 수도 있다.
도 5a와 도 5b는 본 발명에 의한 니켈/아연 2차 전지용 음극판에서 펠렛형 음극 활물질과 덩어리형 음극 활물질이 충전된 상태의 각 스트립을 절단하여 예시 한 사시도이다. 도 5a는 펠렛형으로 압착된 음극 활물질(200a)을 충전하는 경우이며, 도 5b는 덩어리형태의 음극 활물질(200b)을 충전하는 경우이다.
도 6의 (a)는 도 5a의 펠렛형 음극 물질을 발췌하여 도시한 상세도로서, 상기 캡슐화된 음극 활물질(200)은 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 펠렛(pellet)형(200a) 또는 덩어리(agglomerate)형(200b)으로 충전될 수 있다. 한편, 상기 음극 활물질의 분말은 그대로 스트립(100)에 충전하거나, 또는 음극 활물질(200)에 압력을 가하여 도 6에 도시된 바와 같이 직사각형의 펠렛 형태로 만들어 충전할 수도 있다. 이때 펠렛(pellet) 형태로 만들어진 직사각형 음극 활물질의 두께(T)는 스트립(100)의 오목부 부분의 깊이보다 높다. 또 폭(L)은 금속판(101,102)의 폭보다 작다. 또 길이(W)는 5[mm] 이상이다.
상기 캡슐화된 음극 활물질(200)은 바람직하게는 아연분말(201)의 표면을 금속 또는 금속산화물로 코팅하여 코팅층(202)이 형성되는 것이 바람직하며, 상기 코팅층(202)이 형성된 아연분말(201)에 금속산화물로 된 첨가제(203)가 혼합되어 이루어질 수 있다. 여기서 상기 코팅층(202)은 Cu, Ag, Cd, Zn, Pb, Sr, Bi, Sn, In, Ga, 그리고 Tl 중에서 선택되는 어느 하나의 금속, 또는 PbO 또는 Bi2O3, CdO, Ga2O3, Tl2O3 중에서 선택되는 어느 하나의 금속산화물일 수 있다. 그리고 상기 첨가제(203)는 PbO 또는 Bi2O3, CdO, Ga2O3, Tl2O3 중에서 선택되는 어느 하나의 금속 산화물일 수 있다.
즉, 상기 캡슐화된 음극 활물질(200)은 또한 도 6의 (a)에 도시된 바와 같 이, 아연 분말(201)의 표면을 Cu, Ag, Cd, Zn, Pb, Sr, Bi, Sn, In, Ga, 그리고 Tl 중에서 선택되는 어느 하나의 금속으로(또는 그들의 금속 합금으로) 코팅하여 코팅층(202)을 형성함으로써, 상기 아연분말(201)이 금속 코팅층에 의해 캡슐화될 수 있게 된다.
또한 상기 캡슐화된 음극 활물질(200)은 다른 실시예로서, 아연 분말(201)의 표면을 PbO 또는 Bi2O3, CdO, Ga2O3, Tl2O3 중에서 선택되는 어느 하나의 금속산화물로 코팅하여 코팅층(202)을 형성함으로써, 상기 아연 분말(201)이 금속산화물 코팅층에 의해 캡슐화될 수도 있게 된다.
한편으로, 상기 캡슐화된 음극 활물질(200)은 또한 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 아연 분말은 PbO 또는 Bi2O3, CdO, Ga2O3, Tl2O3 중에서 선택되는 어느 하나의 금속산화물로 된 첨가제(203)와 혼합된 아연 분말(201)을 사용하는 것도 가능하다. 이로써 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 첨가제(203)와 아연 분말(201)이 금속 또는 금속산화물에 의해 형성되는 코팅층(202)의 의해 캡슐화될 수 있게 된다.
또한 상기 첨가제가 혼합되지 않은 상태에서 금속 또는 금속산화물에 의한 코팅층이 형성된 아연 분말에는 PbO 또는 Bi2O3, CdO, Ga2O3, Tl2O3 중에서 선택되는 어느 하나의 금속 산화물로 된 첨가제(203)를 혼합하여 캡슐화된 음극활물질을 구성할 수도 있게 된다.
도 7은 본 발명에 의한 니켈/아연 2차 전지용 음극판의 한 제조 과정을 예시 한 공정 흐름도로서, (a) 니켈판 또는 니켈이 도금된 금속판(101,102)에 다수의 관통구멍(101a,102a)을 각각 천공하는 단계(S110)와, (a1) 아연분말의 표면에 금속을 코팅하거나 (a2) 아연분말의 표면에 금속산화물을 코팅하여, 코팅층에 의해 캡슐화된 음극 활물질을 형성하는 단계(S120)와, (b) 상기 관통구멍(101a,102a)이 천공된 2장의 금속판(101,102) 사이에 캡슐화된 음극 활물질(200)을 채워 넣는 단계(S130)와, (c) 상기 금속판(101,102)에 외력을 가하여 상기 2장의 금속판을 캡슐화된 음극 활물질과 함께 압착함으로써, 상기 캡슐화된 음극 활물질을 2장의 금속판 사이에 구속시키는 스트립(100)을 형성하는 단계(S140)와, (d) 필요한 용량만큼 상기 스트립을 2장 이상 연결하는 단계(S150) 및, (e) 상기 연결된 2장 이상의 스트립들을 음극판 프레임(300)에 삽입하는 단계(S160)로 본 발명에 의한 음극판 제조공정이 이루어지며, 상기 (e) 단계 이후에는 선택적으로 상기 음극판 프레임(300)과 상기 스트립의 삽입부분을 압착하거나 용접하는 단계가 더 실시될 수 있다.
도 8은 본 발명에 의한 니켈/아연 2차 전지용 음극판의 다른 제조 과정을 예시한 공정 흐름도로서, (a) 니켈판 또는 니켈이 도금된 금속판(101,102)에 다수의 관통구멍(101a,102a)을 천공하는 단계(S210)와, (a1) 아연분말의 표면에 금속을 코팅하거나 (a2) 아연분말의 표면에 금속산화물을 코팅하여, 코팅층에 의해 캡슐화된 음극 활물질을 형성하는 단계(S220)와, (b) 상기 관통구멍(101a,102a)이 천공된 2장의 금속판 사이에 캡슐화된 음극 활물질(200)을 채워 넣는 단계(S230)와, (c) 상기 금속판(101,102)에 외력을 가하여 상기 2장의 금속판을 캡슐화된 음극 활물질과 함께 압착함으로써, 상기 캡슐화된 음극 활물질을 2장의 금속판 사이에 구속시키는 스트립(100)을 형성하는 단계(S240)와, (d1) 상기 스트립을 요구되는 용량에 해당하는 수만큼 음극판 프레임(300)에 삽입하는 단계(S250)와, 및 (e1) 상기 음극판 프레임(300)에 삽입된 2장 이상의 스트립을 서로 연결하는 단계(S260)로 본 발명에 의한 음극판 제조공정이 이루어지며, 상기 (e1) 단계 이후에 상기 음극판 프레임과 상기 스트립의 삽입부분을 압착하거나 용접하는 단계가 더 실시될 수 있다.
이상의 본 발명은, 먼저, 니켈판 또는 니켈이 도금되어 이루어진 금속판(101,102)에 다수의 관통구멍(101a,102a)을 천공하여 음극판에 사용될 집전체를 준비한다. 이와 아울러, 니켈/아연 2차 전지에서 산화아연을 포함한 음극 활물질은 알칼리 전해질에 의해서 분해되기 때문에 이를 개선하기 위해서, PbO 또는 Bi2O3, CdO, Ga2O3, Tl2O3 중에서 선택되는 어느 하나의 금속산화물로 된 첨가제(203)가 혼합된 분말 상의 산화아연(ZnO), 또는 필요에 따라 첨가제(203)가 포함되지 않은 아연 분말을 포함하는 음극 활물질을 준비한다.
다음으로 상기 분말 상의 음극 활물질의 표면에 전기 전도성이 좋은 Ag, Cu, Cd, Zn, Pb, Sr, Bi, Sn, In, Ga, 그리고 Tl 중에서 선택되는 어느 하나의 금속 또는 금속 합금, 또는 PbO 또는 Bi2O3, CdO, Ga2O3, Tl2O3 중에서 선택되는 어느 하나의 금속산화물을 코팅하여 음극 활물질의 표면에 금속 또는 금속 산화물에 의해 코팅층(202)이 형성된, 캡슐화된 음극 활물질(200)을 형성한다.
즉, PbO 또는 Bi2O3, CdO, Ga2O3, Tl2O3의 혼합물 중 선택되는 어느 하나의 금속 산화물로 된 첨가제(203)가 혼합된 아연 분말(201)이나 첨가제가 혼합되지 않은 아연 분말(201)의 표면에 Cu, Ag, Cd, Zn, Pb, Sr, Bi, Sn, In, Ga, 그리고 Tl 중에서 선택되는 어느 하나의 금속, 또는 PbO 또는 Bi2O3, CdO, Ga2O3, Tl2O3 중에서 선택되는 어느 하나의 금속산화물로 코팅하여 코팅층(202)을 형성함으로써, 상기 금속 또는 금속 산화물 코팅층(202)에 의해 도 6과 같이 캡슐화된 음극 활물질(200)을 형성한다.
다음으로 상기 관통구멍(101a,102a)이 천공된 2장의 금속판 사이에 상기와 같이 캡슐화된 음극 활물질(200)을 채워 넣은 후 상기 금속판(101,102)에 외력을 가하여 상기 2장의 금속판을 캡슐화된 음극 활물질과 함께 압착함으로써, 상기 캡슐화된 음극 활물질을 2장의 금속판 사이에 구속시키는 스트립(100)을 형성한다.
이어서 도 7과 같이 필요한 용량만큼 상기 스트립을 2장 이상 연결하여 그 스트립들을 음극판 프레임(300)에 삽입하거나, 또는 도 8과 같이 상기 스트립을 요구되는 용량에 해당하는 수만큼 음극판 프레임(300)에 삽입한 후 2장 이상의 스트립을 서로 연결하고, 상기 음극판 프레임(300)과 상기 스트립(100)의 삽입부분을 압착하거나 용접함으로써 음극판 제조공정이 완료된다.
그 결과 상기와 같이 캡슐화된 음극 활물질(200)을 구속하고 있는 스트립(100)에 의해 제조된 본 발명의 니켈/아연 2차전지용 음극판은, 상기 캡슐화된 음극 활물질(200)의 코팅층(202)에 의해 알칼리 전해질에 대한 산화아연(ZnO)의 분해가 억제되는 효과를 갖게 된다.
또한 상기 코팅층(202)에 의해 부도체인 음극 활물질에 전도성이 부여되기 때문에 코팅층(202) 간의 전기적인 접촉 및 그에 의한 이웃하는 금속층간의 결합에 의해 집전체인 금속판(101,102)과 음극 활물질(200) 사이에 존재하는 저항을 크게 감소시킬 수 있게 되므로, 별도의 결합제를 사용하지 않고도 음극 활물질을 물리적으로 결합시킬 수 있게 되며, 따라서 포켓형 전지의 용량 및 사이클 수명을 향상시킬 수 있게 된다.
또한 상기 금속 도전재로 된 코팅층(202)의 형성과 함께 산화아연(ZnO) 보다 더 전기적 양성을 가진 금속산화물을 포함한 전도성 재료들을 첨가제(203)로 첨가하여 2차 전지의 충/방전시 발생하는 아연의 수지상 결정의 성장을 억제할 수 있게 되므로, 음극 활물질의 전기적 특성을 좋게 하여 용량 및 사이클 수명을 높일 수 있게 된다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
이상의 본 발명에 의하면, 음극판에 사용되는 아연의 용량이 결합제(바인더) 및 도전재를 사용하는 종래 기술의 음극판에 비해 월등하게 증가될 수 있게 된다. 반면에 본 발명은 판형의 두꺼운 니켈판 또는 니켈이 도금된 철판을 전극물질 양쪽에 배치하여 강하게 압착하여 줌으로 전지의 충/방전에 따른 전극의 팽창, 축소 등 으로 인한 전극물질의 탈리를 방지할 수 있게 된다. 따라서 아연의 탈리 현상은 발생하지 않으므로, 본 발명의 음극판을 적용한 2차 전지의 사이클 수명이 현저하게 향상될 수 있게 된다.
또한 본 발명은 금속판과 아연 사이의 접촉저항이 크게 감소되므로, 2차 전지의 고율방전특성이 현저하게 향상될 수 있으며, 음극 활물질 양쪽에 있는 니켈판은 전류 집전체로 사용되므로 갑작스러운 대전류의 충전 및 방전 시, 저항에 의한 열발생을 막아 줄 수 있어 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있게 된다.
또한 본 발명은 일정 크기로 관통구멍이 천공된 양쪽의 니켈판 사이에 음극 활물질(전극물질)을 넣어 포켓형 스트립을 제조하고, 다시 이 스트립을 서로 연결하여 정해진 용량에 다다르면 전극단자와 연결해 줌(전극단자와 양옆의 프레임을 먼저 연결하고 스트립을 적층한 후 용접을 하는 것임)으로써 균일한 전극을 크게 만들 수가 있게 되며, 따라서 보다 큰 용량의 전지를 쉽게 제조할 수 있는 장점이 있게 된다.

Claims (22)

  1. 니켈/아연 2차 전지용 음극판의 제조방법에 있어서,
    (a) 금속판에 다수의 관통구멍을 천공하는 단계;
    (b) 상기 관통구멍이 천공된 2장의 금속판 사이에 캡슐화된 음극 활물질을 분말 형태로 채워 넣는 단계;
    (c) 상기 금속판에 외력을 가하여 상기 2장의 금속판을 캡슐화된 음극 활물질과 함께 압착함으로써, 상기 캡슐화된 음극 활물질을 2장의 금속판 사이에 구속시키는 스트립을 형성하는 단계;
    (d) 필요한 용량만큼 상기 스트립을 2장 이상 연결하는 단계; 및
    (e) 상기 연결된 2장 이상의 스트립들을 음극판 프레임에 삽입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 니켈/아연 2차 전지용 음극판의 제조방법.
  2. 니켈/아연 2차 전지용 음극판의 제조방법에 있어서,
    (a) 금속판에 다수의 관통구멍을 천공하는 단계;
    (b) 상기 관통구멍이 천공된 2장의 금속판 사이에 캡슐화된 음극 활물질을 분말 형태로 채워 넣는 단계;
    (c) 상기 금속판에 외력을 가하여 상기 2장의 금속판을 캡슐화된 음극 활물질과 함께 압착하므로써, 상기 캡슐화된 음극 활물질을 2장의 금속판 사이에 구속시키는 스트립을 형성하는 단계;
    (d1) 상기 스트립을 요구되는 용량에 해당하는 수만큼 음극판 프레임에 삽입하는 단계; 및
    (e1) 상기 음극판 프레임에 삽입된 2장 이상의 스트립을 서로 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 니켈/아연 2차 전지용 음극판의 제조방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 (b) 단계 이전에, (a1) 아연분말의 표면에 Cu, Ag, Cd, Zn, Pb, Sr, Bi, Sn, In, Ga, 그리고 Tl 중에서 선택되는 어느 하나의 금속으로 코팅하여 금속코팅층을 형성하여, 상기 금속 코팅층에 의해 캡슐화된 음극 활물질을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 니켈/아연 2차 전지용 음극판의 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 아연분말은,
    PbO 또는 Bi2O3, CdO, Ga2O3, Tl2O3 중에서 선택되는 어느 하나의 금속산화물로 된 첨가제가 혼합된 아연분말인 것을 특징으로 하는 니켈/아연 2차 전지용 음극판 제조방법.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 (a1) 단계에서 금속코팅층이 형성된 아연분말에, PbO 또는 Bi2O3, CdO, Ga2O3, Tl2O3 중에서 선택되는 어느 하나의 금속 산화물로 된 첨가제를 혼합하여 캡 슐화된 음극활물질을 구성하는 것을 특징으로 하는 니켈/아연 2차 전지용 음극판의 제조방법.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 (b) 단계 이전에, (a2) 아연분말의 표면에 PbO 또는 Bi2O3, CdO, Ga2O3, Tl2O3 중에서 선택되는 어느 하나의 금속산화물로 코팅하여 금속산화물 코팅층을 형성하여, 상기 금속산화물 코팅층에 의해 캡슐화된 음극 활물질을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 니켈/아연 2차 전지용 음극판의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 아연 분말은,
    PbO 또는 Bi2O3, CdO, Ga2O3, Tl2O3 중에서 선택되는 어느 하나의 금속산화물로 된 첨가제가 혼합된 아연분말인 것을 특징으로 하는 니켈/아연 2차 전지용 음극판 제조방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 (a2) 단계에서 금속산화물 코팅층이 형성된 아연분말에, PbO 또는 Bi2O3, CdO, Ga2O3, Tl2O3 중에서 선택되는 어느 하나의 금속산화물로 된 첨가제를 혼합하여 캡슐화된 음극활물질을 구성하는 것을 특징으로 하는 니켈/아연 2차 전지용 음극판의 제조방법.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 (e) 단계 또는 (e1) 단계 이후에, 상기 음극판 프레임에 스트립이 삽입된 뒤에, 상기 음극판 프레임과 상기 스트립의 삽입부분을 압착하거나 용접하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 니켈/아연 2차 전지용 음극판의 제조방법.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 금속판이 니켈이 도금된 것이거나 니켈판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 니켈/아연 2차 전지용 음극판의 제조방법.
  11. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 스트립이 단부에 돌출된 연결부를 더 포함하며, 이들 연결부를 결합함으로써 2 이상의 스트립이 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 니켈/아연 2차 전지용 음극판의 제조방법.
  12. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 2장의 금속판의 중앙이 캡슐화된 음극 활물질을 채워넣을 수 있도록 내부로 오목하게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 니켈/아연 2차 전지용 음극판의 제조방법.
  13. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 2장의 금속판 사이에 충전되는 상기 캡슐화된 음극 활물질이 펠렛(pellet) 또는 덩어리(agglomerate) 형태로 충전되는 것을 특징으로 하는 니켈/아연 2차 전지용 음극판의 제조방법.
  14. 전극단자를 포함하는 음극판 프레임;
    다수의 관통구멍이 형성된 2장의 금속판 사이에 금속 코팅층에 의해 캡슐화된 음극 활물질이 분말 형태로 충전되어 포켓형으로 형성되며 상기 음극판 프레임에 삽입되는 2장 이상의 스트립;으로 구성된 것을 특징으로 하는 니켈/아연 2차 전지용 음극판.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 캡슐화된 음극 활물질은,
    아연분말의 표면에 Cu, Ag, Cd, Zn, Pb, Sr, Bi, Sn, In, Ga, 그리고 Tl 중에서 선택되는 어느 하나의 금속으로 코팅하여 금속코팅층을 형성한 것을 특징으로 하는 니켈/아연 2차 전지용 음극판.
  16. 제 14항에 있어서, 상기 캡슐화된 음극 활물질은,
    상기 아연분말의 표면에 PbO 또는 Bi2O3, CdO, Ga2O3, Tl2O3 중에서 선택되는 어느 하나의 금속산화물로 코팅하여 금속산화물 코팅층을 형성한 것을 특징으로 하는 니켈/아연 2차 전지용 음극판.
  17. 제 15항 또는 제 16항에 있어서, 상기 캡슐화된 음극 활물질은,
    상기 금속코팅층 또는 금속산화물 코팅층이 형성된 아연분말과, PbO 또는 Bi2O3, CdO, Ga2O3, Tl2O3 중에서 선택되는 어느 하나의 금속산화물로 된 첨가제를 혼합하여 구성한 것을 특징으로 하는 니켈/아연 2차 전지용 음극판.
  18. 제 15항에 있어서, 상기 아연분말은,
    PbO 또는 Bi2O3, CdO, Ga2O3, Tl2O3 중에서 선택되는 어느 하나의 금속산화물로 된 첨가제가 혼합된 아연분말인 것을 특징으로 하는 니켈/아연 2차 전지용 음극판.
  19. 제 14항에 있어서,
    상기 음극판 프레임과 스트립의 결합부가 압착되거나 용접되는 것을 특징으로 하는 니켈/아연 2차 전지용 음극판.
  20. 제 14항에 있어서,
    상기 금속판이 니켈이 도금된 것이거나 니켈판인 것을 특징으로 하는 니켈/아연 2차 전지용 음극판.
  21. 제 14항에 있어서,
    상기 금속판의 중앙이 캡슐화된 음극 활물질을 넣을 수 있도록 내부로 오목하게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 니켈/아연 2차 전지용 음극판.
  22. 제 14항에 있어서,
    상기 금속판 사이에 충전되는 캡슐화된 음극 활물질이 펠렛(pellet) 또는 덩어리(agglomerate) 형태로 충전되는 것을 특징으로 하는 니켈/아연 2차 전지용 음극판.
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