KR100882375B1 - 대용량 각형 밀폐형 니켈 수소 이차전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 양극판, 음극판, 격리막, 전해액 그리고 이 전해액을 담고 있는 케이스를 구비하는 이차전지에 있어서, 상기 양극판 및 음극판은 페이스티드 타입 극판 제조방법으로 제조된 소형, 박형 극판이고, 상기 격리막은 우수한 다공성과 전기저항이 낮고 이온 이동이 용이한 폴리올레핀계 슬폰화 처리 부직포이고, 상기 케이스의 접착은 히트 실링(heat sealing) 방식으로 수행되고, 상기 케이스의 재질은 고강도 엔지니어링 플라스틱을 사용한 것을 특징으로 하는 니켈 수소(Ni-MH) 이차전지를 제공한다.
배기부, 배기변, 배기캡, 페이스티드
Description
도 1은, 본 발명에 따른 대용량 각형 밀폐형 니켈 수소 이차전지의 개략도이고,
도 2a와 도 2b는, 종래의 배기식 니켈 수소 전지의 단면도와 측면도를 각각 나타낸 도면이고,
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 니켈 수소 전지의 정면도와 측면도를 각각 나타낸 도면이고,
도 4는 음극판, 양극판 격리막의 봉합 개략도이고,
도 5는 도 3에 있어서 본 발명의 전지 케이스의 배기부의 상세도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1: 전조 2: 커버
3. 음극판, 양극판 4, 100: 격리막(도3에서 전조임)
5: 와샤 6: 너트
7: O-링 8: 배기변
9: 금속 덮개 10: 스프링
11: 배기캡 12: 극주
20: 양극 극주 20': 음극 극주
25: 극군 40:배기부
50: 양극판, 음극판 70: 극군
110: 배기부 110a: 기공(Hole)
111: 배기캡 112: 스프링
113: 배기변 113a: 배기변 받이부
200: 음극판 300: 양극판
400: 전조
본 발명은 니켈 수소 2차 전지의 음극판 및 양극판의 제조 방법에 있어서, 각형 밀폐형 니켈 수소 축전지를 개시하며, 특히 초고율 방전 성능과 충방전 사이클 성능이 우수한 소형 경량화를 실현한 초고율 방전 특성을 만족하며, 전해액을 보충할 필요가 없는 각형 밀폐형 니켈수소 이차전지에 관한 것이다.
근래 골프카, 근거리이동용 전기 자동차, 전동 공구 및 발전기 시동용을 시작으로 하는 대전류 방전이 필요한 전동기기 및 산업분야가 급속히 증가하고 있는 경향에 있다. 이러한 기기들의 전원으로서 니켈 축전지는 니켈 카드뮴 축전지나 납축전지보다도 단위 체적 및 단위 질량당의 에너지 밀도가 높을 뿐만 아니라 환경친화적인 재료로서 주목받고 있다.
그러나 현재 양산중인 축전지는 밀폐형이 아닌 액식 전지로써 음, 양극판 제 조방식이 포켓타입을 적용하기 때문에 박판화가 불가능하고 또한, 전조, 커버 등의 케이스로 ABS 수지 또는 스틸을 사용하기 때문에 봉구제나 접착제 사용 및 용접을 하여야 하는 문제가 있었으며, 이로 인해 유동액이 많아 중량 및 체적 밀도가 낮아 설비 설치면적 효율이 떨어지고, 또한 전지 설치시 제약을 받으며, 장기 사용시 전해액 고갈로 전해액을 보충하여야 하고, 뿐만아니라 케이스 소손시 전해액 유출로 문제를 야기할 수 있는 문제가 있었다.
도 2a와 도 2b는, 종래의 배기식 니켈 수소 전지의 단면도와 측면도를 각각 나타낸 도면으로서, 전지의 전조(30)의 양극판(50), 음극판(50), 격리막(도시 않음)으로 구성된 전지의 극군(25) 사이에 여유가 있어 많은 량의 전해액을 전지 전조(30) 내에 수동 주액 가능하였으며, 전조(30) 내부의 음극 판, 양극 판 및 격리 막이 전해액에 충분히 함침되도록 다량의 전해액을 사용하였다. 그러나 장기간 사용시 전지 외부 배기부(40)에 의해 전지의 충·방전시 발생되는 전해액 분해가스(수소, 산소)가 배기부(40)를 통해 방출되어 전해액이 고갈되는 현상이 발생하여 사용자가 주기적으로 전해액을 주액 해야만 하는 보수관리가 필요하였다. 배기부(10)는 단순히 전지의 내외부가 완전 밀폐될 수 없는 플라스틱 재질의 캡을 사용하였다. 도면에 있어서, 20, 20'는 각기 음극 탭과 양극 탭이다.
이와 같은 방법은 전해액을 주입시에 일정량의 전해액을 주기적으로 주액할 수 없고, 또한 전해액 주액 완료후, 주액관로상에 남아있는 잔여 전해액이 전해액 노즐을 통하여 흘러내리는 단점이 있었다.
따라서 본 발명은 기존 액유동식 니켈 수소 및 니켈 카드뮴 전지의 중량 및 체적 에너지 밀도가 낮고 전해액을 주기적으로 보충해야 하는 문제점을 해결하기 위하여 페이스티드(pasted) 타입의 극판 제조 방법을 개발하여 소형화, 경량화를 통한 중량 및 체적 에너지 밀도를 극대화하고 또한 초고율 방전 특성을 만족하고 전해액을 보충할 필요가 없는 각형 밀폐형 니켈수소 이차전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은, 양극판, 음극판, 격리막, 전해액 그리고 이 전해액을 담고 있는 케이스를 구비하는 이차전지에 있어서,
상기 양극판 및 음극판은 페이스티드 타입 극판 제조방법으로 제조된 소형, 박형 극판이고, 상기 격리막은 우수한 다공성과 전기저항이 낮고 이온 이동이 용이한 폴리올레핀계 슬폰화 처리 부직포이고, 상기 케이스의 접착은 히트 실링(heat sealing) 방식으로 수행되고, 상기 케이스의 재질은 고강도 엔지니어링 플라스틱을 사용한 것을 특징으로 하는 니켈 수소 이차전지를 제공한다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1 은 본 발명에 따른 대용량 각형 밀폐형 니켈 수소 이차전지의 개략도로서, 도면에 있어서, 1은 전조이고, 2는 커버로서 엔지니어링 플라스틱으로 구성되고, 난연성이다. 3은 발포 Ni+니켈 산화물로 된 양극판 및 천공체 + 수소 흡장합금 으로 구성되어 있다. 4는 격리막으로 우수한 다공성과 전기저항이 낮고 이온 이동이 용이한 폴리올레핀계 부직포를 적용하여 자기 방전 특성을 개선하였으며, 5는 와셔이고, 6은 너트인데 이들은 스틸로 되어 있으며, 또한 도금되어 있다. 7은 O 링으로서 고무로 되어 있으며, 8은 배기변으로서 고무로 되어 있으며, 9는 금속 덮개로서 스틸로 되어 있으며, 10은 스프링으로서 스틸로 되어 있는데, 금속 덮개와 스프링은 도금되어 있다. 11은 배기캡으로 엔지니어링 플라스틱으로 되어 있으며, 난연성이다. 12는 극주로서 스틸재질에 도금로 되어 있다.
또한 케이스인 전조(1)와 커버(2)의 경우 융착부(도시 않음)와 배기변(8)이 5기압 정도의 내압에 견뎌야 하기 때문에 이에 적합한 고강도 엔지니어링 플라스틱을 케이스재질로 자체개발하여 내충격, 내알카리성이 우수하고 열융착이 용이하게 하였다. 이의 접착은 히트 실링(heat sealing) 방식을 적용하고, 배기변도 고무와 스프링을 사용하여 밀폐화 하였는데 이 밀폐화에 대해서는 후술한다. 한편 전해액으로서는 KOH(수산화칼륨)를 주성분으로 하고 이에 저온 및 고온 특성을 향상시키기 위하여 첨가제를 사용하였으며, 밀폐화에 있어서 가장 중요한 전해액 주액은 진공 주액을 실시하였다. 주액이 완료된 전지는 전해액의 고른 분산과 도전성 향상을 위해 활성화전 시효처리를 하였으며, 그후 스텝 충전 방식에 의해 1사이클에 90%이상 활성화가 되는 대용량 초고율 방전특성이 우수한 각형 밀폐형 니켈수소 이차전지를 사용하였다.
또한 수산화 니켈을 사용하여 만든 양극판과 수소 저장 합금을 사용하여 만든 음극판을 슬러리를 제조하여 Foam nickel과 NPPS(Nickel Plated Perforated Steel:천공강판)에 코팅하는 페이스티드 방식을 적용하여 박판화하고, 고율방전에 유리한 격리막으로 봉합하여 극군(도시 않음)을 제조하였으며, 이때 고율특성을 개선하기 위하여 도선 역할을 하는 탭(도시 않음)을 별도 제조하여 스폿 용접과 심(seam) 용접을 실시하였으며, 극군 탭과 극주(12) 용접도 극판(3)손상을 최소하하면서 고율 특성이 우수하도록 레이저 용접을 실시하였다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 니켈 수소 전지의 정면도와 측면도를 각각 나타낸 도면으로서, 밀폐형 니켈 수소 전지(100)의 경우, 밀폐화를 위해 전지 외부에 별도의 내압 조정용 배기부(110)가 장착되어 있다.
도면에 있어서 100은 전조이고, 70은 극군으로서, 전지의 특성상 밀폐화를 위해서는 충방전시 발생하는 수소와 산소가스를 재결합할 수 있는 극군으로 구성하였다. 120은 극주이다.
도 4는 음극판, 양극판 격리막의 봉합 개략도로서, 도면에 있어서, 100은 격리막이고, 200은 음극판이고, 300은, 양극판이고, 400은 전조이다.
본 발명에서는 활물질을 슬러리화하여 Ni-foam과 NPPS에 페이스팅하는 방식을 적용하여 음극의 경우 0.6mm이하로 양극의 경우 0.9mm이하로 박판화를 실현하였다. 전술한 바와 같이 음양극판의 절연을 통해 음양극판의 절연을 통해 단락을 방지하는 격리막으로 우수한 다공성과 전기저항이 낮고 이온의 이동이 용이한 폴리올레핀계 슬폰화 처리한 부직포를 사용하여 자기방전 특성을 개선하였다. 이때 충방전 사이클중 발생할 수 있는 단락방지를 위하여 100㎛이하의 얇은 격리막을 사용하여 음극판만을 봉합하던 것을 도 4의 도시와 같이 음극판 및 양극판을 모두 봉합하 여 내구성을 향상시켰다.
도 5는 도 3에 있어서 본 발명의 전지 케이스의 배기부(110)의 상세도이다.
케이스는 배기캡(111), 스프링(112) 및 고무 재질의 배기변(113)으로 구성된배기부(110)를 구비한다. 상기 배기부(110)는 전지 내의 압력이 일정압력이 도달하기 전까지는 열리지 않으며, 전해액의 완전밀폐가 가능하도록 구성되어 있다. 또한 배기변(113)는 배기변 받이부(113a)를 구비한다. 그리고 배기캡(111)을 왼나사를 적용하였다.
그러면 상기와 같이 구성된 배기부(110)의 동작에 대해서 설명한다.
평상시 즉 전지의 내부 압력이 일정한 압력이 도달하기 전에는 배기부(110)는 도면에 도시한 바와 같이 배기변(113)이 전지 내부의 압력을 견디어 전해액이 기공(110a)을 통해 전지의 내부 압력이 배출되지 않는다. 그러나, 전지의 반응중 전지 내부의 발생가스가 일정 압력 이상이 되게 되면 배기변(113)을 밀게 되어 그러면 배기변(113)이 배기변 받이부(113a)로부터 격리되게 되고, 이로 인해 배기변(113)과 배기변 받이부(113a) 사이에 간극이 생기어 이 사이의 간극을 통해 그리고 기공(110a)을 통해 발생 가스가 배출되게 되어 이러한 작용에 의해 충·방전시의 전지 내부에서 발생되는 수소와 산소가스가 일정한 압력 상태에서 외부로 방출되지 않고 전지 내부에서 재결합 반응할 수 있도록 구성되고, 전지 내부의 이상에 의해 압력이 급격하게 상승될 경우에만 배기부(110)를 통해 내부 가스가 방출되게 될 수 있다.
본 발명에 의하면, 페이스티드 타입의 극판 제조 방법을 개발하여 소형화, 경량화를 통한 중량 및 체적 에너지 밀도를 극대화하고 또한 초고율 방전 특성을 만족하고 전해액을 보충할 필요가 없는 각형 밀폐형 니켈수소 이차전지를 제공할 수 있다. 또한, 우수한 다공성과 전기저항이 낮고 이온 이동이 용이한 폴리올레핀계 슬폰화 처리 부직포를 적용하여 자기방전 특성을 개선하였으며, 또한 케이스를 고강도 엔지니어링 플라스틱을 사용하여 내충격,내알카리성이 우수하고 열융착이 용이하게 할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 또한 본원발명의 경우, DOD(Depth of Discharge) 100%의 경우에도 방전용량의 저하없이 충분한 전지 사이클 수명을 유지할 수 있는 효과를 얻을 수 있었다.
지금까지 본 발명을 일 실시예를 참고로 하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 이하의 부속 청구범위의 사상 및 영역을 일탈하지 않는 범위내에서 당업자에 의해 여러 가지로 변형 및 수정실시될 수 있다.
Claims (6)
- 양극판, 음극판, 격리막, 전해액 그리고 이 전해액을 담고 있는 케이스를 구비하는 이차전지에 있어서,상기 양극판 및 음극판은 페이스티드 타입 극판 제조방법으로 제조된 소형, 박형 극판이고, 상기 격리막은 우수한 다공성과 전기저항이 낮고 이온 이동이 용이한 폴리올레핀계 슬폰화 처리 부직포이고, 상기 케이스의 접착은 히트 실링(heat sealing) 방식으로 수행되고, 상기 케이스의 재질은 고강도 엔지니어링 플라스틱을 사용하고,상기 케이스는, 배기캡, 스프링, 금속 덮개 및 고무 재질의 배기변으로 구성된 배기부를 포함하고,상기 배기변은 배기변 받이부를 구비하고, 상기 배기캡은 기공을 포함하며,상기 배기캡은 왼나사 방식을 적용하고,상기 배기부의 배기변은 전지의 내부 가스 압력이 일정 이상의 압력에서만 상방으로 이동하여 상기 배기변과 상기 배기변 받이부 사이의 간극 및 상기 기공을 통해 내부 가스가 배출되고,상기 격리 막은 100㎛이하의 얇은 격리막으로서, 음극판 및 양극판을 모두 봉합하는 것을 특징으로 하는 대용량 각형 밀폐형 니켈 수소 이차전지.
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Patent Citations (2)
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