KR101112688B1 - lithium battery - Google Patents

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Abstract

본 발명에는 방전특성을 개선하기 위하여 양극의 상면을 가압시키는 스톱퍼가 설치된 리튬전지가 개시된다.
스톱퍼는 양극의 상하방향의 팽창을 억제하고, 음극방향으로의 팽창을 유도함으로써 방전 중에 음극의 두께감소로 인한 극간 거리의 불균형과 양극의 반응 유효면적의 감소를 방지할 수 있다. Disclosed is a lithium battery provided with a stopper for pressurizing an upper surface of a positive electrode in order to improve discharge characteristics.
The stopper suppresses the expansion of the anode in the vertical direction and induces the expansion in the direction of the cathode, thereby preventing the disparity of the distance between the poles and the reduction of the reaction effective area of the anode due to the decrease in the thickness of the cathode during discharge.

Description

리튬 전지{lithium battery}Lithium battery

본 발명은 양극(cathode)과 음극(anode)의 극간 거리가 방전 중 변화되지 않도록 스톱퍼(stoper)가 설치된 리튬전지에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium battery provided with a stopper such that the distance between the cathode and the anode does not change during discharge.

보빈 타입 리튬 티오닐 (Li/SOCl2) 전지는 음극(Anode)으로서 리튬 또는 리튬 합금을 사용하여 Case의 내부에 물리적인 힘으로 완전히 붙이고, 양극(Cathode)으로서 바인더(binder)가 포함된 무결정 카본을 성형하여 양극과 음극을 격리하는 세퍼레이터(seperator)를 사이에 두고 삽입하여 조립한다. 조립된 전지에는 리튬염(LiAlCl4)이 해리된 SOCl2 전해액이 주입되어 리튬 티오닐 전지를 구성한다. 이와 같이 구성된 리튬 티오닐 전지에 부하가 연결되면 전해액과 전극의 산화 환원 반응에 의해 화학에너지가 전기에너지로 변환되어 전류를 발생한다. The bobbin-type lithium thionyl (Li / SOCl 2 ) battery is completely attached to the inside of the case by using a lithium or lithium alloy as an anode, with a physical force, and an amorphous containing a binder as a cathode. The carbon is molded and assembled by inserting a separator separating the positive and negative electrodes. The assembled battery is injected with SOCl 2 electrolyte in which lithium salt (LiAlCl 4 ) is dissociated to form a lithium thionyl battery. When the load is connected to the lithium thionyl battery configured as described above, chemical energy is converted into electrical energy by the redox reaction of the electrolyte and the electrode to generate a current.

리튬은 주입된 전해액과 반응하여 에너지를 생성하고, 반응의 부산물로 고상의 LiCl과 황이 석출된다. 이 반응 부산물들이 카본 양극의 기공 내에 쌓이면서 지속적인 반응이 이어지도록 만들어 준다.      Lithium reacts with the injected electrolyte to produce energy, and solid LiCl and sulfur precipitate as a by-product of the reaction. These reaction by-products accumulate in the pores of the carbon anode, allowing a continuous reaction.

등록실용신안 제20-0199351호(고안의 명칭: 보빈형 리튬전지)에는 도 1과 같은 보빈형 리튬전지가 개시되어 있다.The utility model No. 20-0199351 (the name of the design: bobbin-type lithium battery) discloses a bobbin-type lithium battery as shown in FIG. 도 1에서, 리튬전지는 상부가 개구된 원통형 케이스(1)의 내부에 리튬 음극(2)이 설치되고, 리튬 음극(2)의 내부에 세퍼레이터(4)가 설치되고, 세퍼레이터(4)의 내부에 탄소 양극(5)이 설치된다. 탄소 양극(5)의 중앙에 관통공이 형성되어 있으며, 관통공 내부에는 전지 외부로 돌출되는 집전체(7)가 설치되며, 원통형 케이스(1)의 밑판과 절연되게 설치된다. 원통형 케이스의 상부에는 개구부를 덮는 헤더(20)가 설치되며, 헤더(20)의 하부에는 음극판(8)이 설치되고, 음극판(8)과 집전체(7)는 공지된 유리 용융접합에 의하여 절연되게 설치된다.In FIG. 1, a lithium battery has a lithium negative electrode 2 installed inside a cylindrical case 1 having an upper opening, a separator 4 installed inside the lithium negative electrode 2, and an inside of the separator 4. The carbon anode 5 is installed in the. A through hole is formed in the center of the carbon anode 5, and a current collector 7 protruding to the outside of the battery is installed inside the through hole, and is insulated from the bottom plate of the cylindrical case 1. The upper portion of the cylindrical case is provided with a header 20 covering the opening, the lower portion of the header 20 is provided with a negative electrode plate 8, the negative electrode plate 8 and the current collector 7 is insulated by a known glass melt bonding It is installed. 이와 같이 구성되는 리튬전지는 반응이 진행됨에 따라 리튬 음극은 점점 고갈되고, 반응의 부산물로 인해 탄소 양극의 부피는 방전말기까지 계속해서 증가하게 된다. 이 과정에서 리튬 음극과 카본 양극의 전극간의 거리가 최초의 값을 유지해주면 안정적인 방전특성을 보이지만, 불균일하게 감소하거나 팽창하면 전극간의 거리가 멀어지게 되고 전도도가 감소하여 이온의 이동이 어렵게 되므로 불안정한 방전특성을 보이게 된다. 특히 방전 말기에 탄소 양극의 공극 감소, 전해액 소진으로 인한 전도도 감소 등의 복합적 원인으로 인하여 급격한 전압 하강 및 전압 떨림 현상을 나타낸다.In the lithium battery configured as described above, as the reaction proceeds, the lithium anode is gradually depleted, and the volume of the carbon anode continues to increase until the end of discharge due to the byproducts of the reaction. In this process, if the distance between the electrode of the lithium anode and the carbon anode maintains the initial value, it shows stable discharge characteristics.However, if it is unevenly reduced or expanded, the distance between the electrodes becomes farther away and the conductivity decreases, making the ions difficult to move. Will show characteristics. In particular, due to a combination of a decrease in the porosity of the carbon anode and a decrease in conductivity due to exhaustion of the electrolyte at the end of the discharge, a sudden voltage drop and voltage tremor are observed. 세부적으로 리튬 티오닐 전지 중 보빈 타입에서 방전 진행시에 양극의 팽창은 상대적으로 여유 공간이 많이 존재하는 상하 팽창을 하게 된다. 하지만 상하 팽창된 캐소드는 전극 반응에 참여하지 못하여 효율이 줄어들 뿐 아니라 기술된 문제점들의 최대 원인으로 작용하는 것이다.In detail, in the bobbin type of the lithium thionyl battery, the expansion of the anode during the discharge progresses up and down expansion in which a large amount of free space exists. However, the up-and-down expanded cathode not only participates in the electrode reaction, but also reduces the efficiency and serves as the biggest cause of the problems described.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 해결과제는 탄소 양극의 상하 팽창을 막아주고 양극과 음극간의 거리를 변화하지 않도록 하기 위한 것이다.The present invention is to solve this problem, the problem of the present invention is to prevent the vertical expansion of the carbon anode and to prevent the distance between the anode and the cathode does not change.

또한 본 발명의 다른 해결과제는 방전 말기 전압 떨림 현상을 해결하고 고율 방전 특성을 달성하기 위한 것이다.In addition, another problem of the present invention is to solve the voltage shaking phenomenon at the end of discharge and to achieve high rate discharge characteristics.

상기 과제를 해결하기 위한 해결수단은 상부가 개구된 원통형 케이스의 내측에 리튬의 음극이 설치되고, 상기 원통형 케이스의 상부에 헤더가 설치되며, 상기 음극의 내측에는 세퍼레이터가 설치되며, 상기 세퍼레이터 내부에는 탄소로 이루어진 양극이 설치되는 리튬전지에 있어서: 상기 양극의 중앙에는 집전체가 설치되며, 상기 집전체의 중앙에는 상기 헤더의 음극판을 통과하여 외부로 돌출되며 상기 음극판과는 유리 용융 접합되어 절연되게 설치되는 양극 핀이 설치되며, 상기 양극 핀에는 상기 양극의 상기 헤더에 대향되는 면을 가압시키도록 스톱퍼가 설치되는 것이다.Solution for solving the above problems is that the cathode of lithium is installed on the inside of the cylindrical case with the upper opening, the header is installed on the upper portion of the cylindrical case, the separator is installed inside the cathode, the inside of the separator In a lithium battery provided with a positive electrode made of carbon: a current collector is installed in the center of the positive electrode, protrudes to the outside through the negative plate of the header in the center of the current collector to be glass-melted and insulated from the negative electrode plate A positive electrode pin is installed, and a stopper is installed on the positive electrode pin to press a surface of the positive electrode opposite to the header.

삭제delete

또한 본 발명에서 상기 스톱퍼는 도전체인 것이 바람직하다.In the present invention, the stopper is preferably a conductor.

또한 본 발명에서 상기 스톱퍼는 원판 형상인 것이 바람직하다.In addition, in the present invention, the stopper is preferably in the shape of a disc.

상기 과제와 해결수단을 갖는 본 발명에 따르면, 방전중에 양극의 상면을 스톱퍼로 가압함으로써 양극이 상하 방향으로 팽창됨으로써 발생되는 양극의 반응유효면적의 감소를 방지할 수 있으며, 음극의 두께의 감소에 의하여 발생되는 극간거리의 불균형과 전압 떨림 현상을 양극이 음극 방향으로 팽창되도록 함으로써 해소하는 효과를 발생시킨다.According to the present invention having the above problems and solving means, by pressing the upper surface of the positive electrode with a stopper during discharge, it is possible to prevent the reduction of the effective reaction area of the positive electrode caused by the expansion of the positive electrode in the vertical direction, and to reduce the thickness of the negative electrode. This causes the anode to expand in the direction of the cathode, which is caused by the disparity of the inter-pole distance and the voltage tremor.

도 1은 등록실용신안 제20-0199351호에 개시된 통상의 전지 구조의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예의 리튬전지의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예의 100mA 방전실험의 그래프이다.
도 4는 도 3과 비교하기 위한 종래전지의 100mA 방전실험의 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예의 50mA의 방전실험의 그래프이다.
도 6은 도 5와 비교하기 위한 종래전지의 50mA의 방전실험의 그래프이다. 1 is a block diagram of a conventional battery structure disclosed in Korean Utility Model Registration No. 20-0199351.
2 is a cross-sectional view of a lithium battery in one embodiment of the present invention.
Figure 3 is a graph of the 100mA discharge experiment of one embodiment of the present invention.
4 is a graph of a 100 mA discharge test of a conventional battery for comparison with FIG.
5 is a graph of a 50 mA discharge test of one embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph of a 50 mA discharge test of a conventional battery for comparison with FIG. 5.

도 2는 본 발명의 일실시예의 리튬전지의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예의 100mA 방전실험의 그래프이고, 도 4는 도 3과 비교하기 위한 종래전지의 100mA 방전실험의 그래프이고, 도 5는 본 발명의 일실시예의 50mA의 방전실험의 그래프이고, 도 6은 도 5와 비교하기 위한 종래전지의 50mA의 방전실험의 그래프이다. 2 is a cross-sectional view of a lithium battery of one embodiment of the present invention, FIG. 3 is a graph of a 100 mA discharge test of an embodiment of the present invention, FIG. 4 is a graph of a 100 mA discharge test of a conventional battery for comparison with FIG. FIG. 5 is a graph of a 50 mA discharge test of one embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a graph of a 50 mA discharge test of a conventional battery for comparison with FIG. 5.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 리튬전지(100)는 원통형 케이스(101)의 내측에 리튬의 음극(103)이 설치되고, 음극(103)의 내측에는 세퍼레이터(105)가 설치되며, 세퍼레이터(105) 내부에는 탄소로 이루어진 양극(107)이 설치된다. 이때, 양극(107)은 중앙에 집전체(109)가 설치될 수 있도록 관 형태로 이루어지며, 집전체(109)의 중앙에는 양극 핀(111)이 설치된다. 이때 양극 핀(111)은 헤더의 음극판(113)을 통과하여 전지 케이스 외부로 돌출되며, 음극판(113)과는 유리 용융 접합되어 절연되게 설치된다.As shown in FIG. 2, in the lithium battery 100 of the present invention, a negative electrode 103 of lithium is installed inside the cylindrical case 101, and a separator 105 is installed inside the negative electrode 103. An anode 107 made of carbon is installed inside the separator 105. At this time, the positive electrode 107 is made of a tubular shape so that the current collector 109 can be installed in the center, the positive electrode pin 111 is installed in the center of the current collector 109. In this case, the positive electrode pin 111 passes through the negative electrode plate 113 of the header and protrudes to the outside of the battery case, and is installed to be insulated from the negative electrode plate 113 by glass fusion bonding.

또한, 양극(107)의 헤더에 대향되는 면인 상부면에는 원판 형상의 스톱퍼(113)가 설치된다. 스톱퍼(113)는 중앙에 양극 핀(111)이 통과되도록 양극 핀(111)에 용접되어 장착되거나, 양극핀(111)의 외주면에 원판 형상으로 양극핀(111)과 일체로 성형된다.In addition, a disk-shaped stopper 113 is provided on the upper surface, which is a surface opposite to the header of the anode 107. The stopper 113 is welded and mounted on the positive pin 111 so that the positive pin 111 passes through the center, or is integrally formed with the positive pin 111 in a disc shape on the outer circumferential surface of the positive pin 111.

이때 스톱퍼(113)는 양극핀(111)에 고정되고, 양극핀(111)은 음극판(113)에 고정되고, 음극판(113)은 원통형 전지 케이스(101)에 고정되기 때문에 결국 스톱퍼(113)는 전지 케이스(101)에 유동되지 않게 되어 양극(107)이 방전중 전기화학 반응에 의하여 생성되는 부산물이 양극(107)의 기공내에 축적됨으로써 발생되는 상하 팽창을 억제함으로써 양극(107)이 음극(103)을 향하여 팽창되도록 하고, 극간 거리를 방전 중에 일정하게 유지하도록 한다. At this time, the stopper 113 is fixed to the positive electrode pin 111, the positive electrode pin 111 is fixed to the negative electrode plate 113, and the negative electrode plate 113 is fixed to the cylindrical battery case 101. The positive electrode 107 is prevented from flowing into the battery case 101, thereby suppressing vertical expansion caused by accumulation of by-products generated by the electrochemical reaction during discharging in the pores of the positive electrode 107. ), And the inter-pole distance is kept constant during discharge.

또한 스톱퍼(113)는 양극(107)의 전하의 균일도를 높이기 위해서 전도성 금속재질로 형성되는 것이 바람직하다.In addition, the stopper 113 is preferably formed of a conductive metal material in order to increase the uniformity of the charge of the anode 107.

실험적으로 스톱퍼(113)의 장착 유/무에 따른 전지특성을 비교하기 위해 "D" size의 리튬 티오닐 전지를 제조하여 동일한 전류밀도로 방전하여 평가하였다. In order to experimentally compare the battery characteristics according to whether or not the stopper 113 is installed, a lithium thionyl battery of "D" size was prepared and evaluated by discharging at the same current density.

도 3은 스톱퍼(113)를 장착한 전지를 100mA로 방전한 결과로써 스톱퍼(113)를 장착하지 않은 종래의 전지의 방전 결과인 도 4와 비교해보면 전지수명이 약 10시간 이상의 차이가 나타남을 알 수 있다.3 is a result of discharging the battery equipped with the stopper 113 at 100 mA, and compared with FIG. 4, which is the discharge result of the conventional battery without the stopper 113, the battery life is about 10 hours or more. Can be.

또한 스톱퍼(113)를 장착한 "D" size의 리튬 티오닐 전지를 50mA로 방전한 도 5의 실험결과와 스톱퍼(113)를 장착하지 않은 동일한 전지를 50mA로 방전한 도 6의 그래프를 비교하였을 경우에는 약 50시간의 차이가 발생함을 알 수 있다.In addition, the experimental results of FIG. 5 in which the lithium thionyl battery of “D” size equipped with the stopper 113 was discharged at 50 mA and the graph of FIG. 6 in which the same battery without the stopper 113 were discharged at 50 mA were compared. In this case, it can be seen that a difference of about 50 hours occurs.

스톱퍼(113)를 장착한 전지의 경우, 장착하지 않은 전지에 비해 100mA 와 50mA 의 방전전류에서 약 20%의 방전 용량이 증가하는 특성을 보이고 있으며, 스톱퍼(113)에 의하여 방전말기까지 극간거리가 유지되기 때문임을 알 수 있다.In the case of the battery equipped with the stopper 113, the discharge capacity of the battery is increased by about 20% at the discharge current of 100 mA and 50 mA, compared to the battery without the battery. It is because it is maintained.

본 발명의 실시예에서 스톱퍼(113)가 양극핀(111)에 설치되어 고정되는 것을 예시하였으나, 이는 하나의 실시예에 불과한 것으로 양극(107)의 상면을 압박하여 상하 팽창을 억제하도록 원통 케이스 내부에 유동되지 않는 구조라면 다양한 형상 및 구조가 사용가능하다.In the embodiment of the present invention has been illustrated that the stopper 113 is installed and fixed to the positive pin 111, but this is only one embodiment to press the upper surface of the positive electrode 107 to suppress the vertical expansion inside the cylindrical case Various shapes and structures can be used as long as the structure does not flow in.

이와 같이 본 발명은 단순히 실시예에 국한되는 것이 아니라 다양한 변형예가 존재할 수 있으며 본 발명은 청구범위에 의하여 보호되어야 한다.As such, the present invention is not limited to the embodiments, but various modifications may exist and the present invention should be protected by the claims.

100: 리튬전지 101: 원통형 케이스
103: 음극 105: 세퍼레이터
107: 양극 109: 집전체
111: 양극 핀 113: 음극판
113: 스톱퍼100: lithium battery 101: cylindrical case
103: cathode 105: separator
107: anode 109: current collector
111: anode pin 113: cathode plate
113: stopper

Claims (4)

상부가 개구된 원통형 케이스의 내측에 리튬의 음극이 설치되고, 상기 원통형 케이스의 상부에 헤더가 설치되며, 상기 음극의 내측에는 세퍼레이터가 설치되며, 상기 세퍼레이터 내부에는 탄소로 이루어진 양극이 설치되는 리튬전지에 있어서:
상기 양극의 중앙에는 집전체가 설치되며, 상기 집전체의 중앙에는 상기 헤더의 음극판을 통과하여 외부로 돌출되며 상기 음극판과는 유리 용융 접합되어 절연되게 설치되는 양극 핀이 설치되며, 상기 양극 핀에는 상기 양극의 상기 헤더에 대향되는 면을 가압시키도록 스톱퍼가 설치되는 것을 특징으로 하는 리튬 전지.A lithium battery is installed inside the cylindrical case of which the upper part is opened, a header is installed on the upper part of the cylindrical case, a separator is installed inside the cathode, and a positive electrode made of carbon is installed inside the separator. In:
A current collector is installed at the center of the positive electrode, and a positive electrode pin is installed at the center of the current collector to protrude to the outside through the negative electrode plate of the header and is insulated from glass by fusion bonding with the negative electrode plate. A lithium battery, characterized in that a stopper is provided to press the surface of the positive electrode facing the header. 삭제delete 청구항 1에서, 상기 스톱퍼는 도전체인 것을 특징으로 하는 리튬 전지.The lithium battery of claim 1, wherein the stopper is a conductor. 청구항 1에서, 상기 스톱퍼는 원판 형상인 것을 특징으로 하는 리튬전지.The lithium battery of claim 1, wherein the stopper has a disc shape.
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