KR101381842B1

KR101381842B1 - 절연기능을 높인 비축전지용 전극

Info

Publication number: KR101381842B1
Application number: KR1020120126470A
Authority: KR
Inventors: 전경열; 양인천; 김기홍; 이강식
Original assignee: 주식회사 비츠로셀
Priority date: 2012-11-09
Filing date: 2012-11-09
Publication date: 2014-04-04

Abstract

본 발명은 양극(Cathode), 컴파트먼트(Compartment), 음극(Anode) 및 세퍼레이터(Separator)가 적층되는 바이폴라(Bipolar) 전극구조에 있어서 컴파트먼트의 일면에 부착되는 음극의 외경을 컴파트먼트의 외경보다 작게, 음극의 내경을 컴파트먼트의 내경보다 크게 형성되도록 하여 음극의 내주면 및 외주면에 각각 인슐레이터(Insulator)들을 삽입 설치함으로써 인슐레이터가 음극의 내주면 및 외주면에서 발생되는 전하의 이동을 방지하여 누설전류를 획기적으로 절감시키며, 전지제조 시 절연기능을 높인 비축전지용 전극에 관한 것이다.

Description

절연기능을 높인 비축전지용 전극{Cell of reserve battery for enhancing insulation function}

본 발명은 절연기능을 높인 비축전지용 전극에 관한 것으로서, 상세하게로는 양극(Cathode), 컴파트먼트(Compartment), 음극(Anode) 및 세퍼레이터(Separator)가 적층되는 바이폴라(Bipolar) 전극구조에 있어서 양극의 내주면 및 외주면에 절연 재질의 인슐레이터(Insulator)를 삽입 설치함으로써 전지제조 시 절연기능이 향상되어 제조 수율을 증가시킬 뿐만 아니라 누설전류를 획기적으로 절감시켜 전지용량을 증가시키는 비축전지용 전극에 관한 것이다.

비축전지는 자기방전이 지속적으로 진행됨에 따라 시간이 경과하면 전기를 발생시키지 못하는 전지의 단점을 극복하기 위해 고안된 것으로서, 통상적으로 하부가 개구된 케이스와, 전해액이 수용되는 앰플(Ample)과, 양극, 음극 및 세퍼레이터를 포함하여 전기를 발생시키는 셀(Cell)과, 셀을 케이스 내부에 안착시키는 셀 가이드로 이루어진다.

이러한 비축전지는 사용 전에는 전해액과 셀이 서로 분리되어 비활성이 상태로 보관되며, 사용 시에는 앰플에 힘을 가하여 앰플을 파손시켜 앰플 내부에 수용된 전해액이 셀에 접촉되도록 하여 전기를 생성시킴으로써 사용 전 자기방전이 억제되어 사용 시 소망의 전지성능을 발휘할 수 있는 장점을 갖는다.

그러나 비축전지는 양극과 음극이 분리되어 설치되는 경우 전지용량이 떨어지는 단점을 갖기 때문에 이러한 문제점을 극복하기 위해 양극 및 음극이 적층 설치되는 바이폴라(Bipolar) 전극구조가 연구되어 실제 사용되고 있다.

그러나 바이폴라 전극은 음극과 양극이 내외측 단부에서 전하가 생성되며, 생성된 전하들이 상호 간에 반응함에 따라 누설전류가 발생되어 전지수명 및 용량이 떨어지게 된다.

따라서 바이폴라 전극의 누설전류를 최소화하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.

도 1은 종래의 바이폴라 전극을 나타내는 측단면도이다.

도 1의 종래의 바이폴라 전극(200)은 수평부와 수평부의 외단으로부터 수직 절곡된 수직부로 이루어진 니켈(Ni) 판으로 이루어진 컴파트먼트(201)와, 수평부의 하면에 접촉된 리튬(Lithium)으로 이루어진 음극(203)과, 수평부의 상면에 접촉되는 Ni의 메쉬망(205)과 수평부의 내단에 수직으로 형성된 테프론 계열의 가스켓(Gasket)(207)과, 가스켓(207)과 컴파트먼트(201)의 수직부 사이에 충진되는 양극(202)으로 이루어진다.

또한 음극(203)은 컴파트먼트(201)와 접촉되는 반대면에 세퍼레이터(209)가 개재되어 다른 양극과 대향되게 된다.

이와 같이 종래의 바이폴라 전극(200)은 양극(202) 및 음극(203)의 내측 단부에 수직으로 설치되는 가스켓(207)을 포함함으로써 가스켓(207)이 양극(202) 및 음극(203)의 내측 단부에서 생성되는 전하들이 이동을 차단하여 누설전류를 절감시키는 장점을 갖는다.

그러나 종래의 바이폴라 전극(200)은 양극(202)과 음극(203)의 내측 단부에서 생성되는 전하의 이동을 막기 위하여 수평부의 내측 단부에 수직으로 가스켓(207)을 설치하고 있으나, 이와 같이 가스켓(207)을 별도로 설치하는 작업은 매우 까다로워 작업자의 숙련도를 요하며, 제조공정이 복잡하여 불량이 발생될 우려가 많고, 제조원가가 증가하게 된다.

또한 종래의 바이폴라 전극(200)은 가스켓(207)이 양극(202)과 음극(203)의 내측 단부에서 발생되는 전하의 이동은 방지하나 외측 단부에서 발생되는 전하의 이동을 방지하기 위한 수단이 기재되어 있지 않아 누설전류를 막는데 한계를 지니게 된다.

따라서 양극(202) 및 음극(203)의 내외측 단부에서 발생되는 누설전류를 효율적으로 막되 설치가 간단하게 이루어지는 바이폴라 전극에 대한 연구가 시급한 실정이다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 해결과제는 음극의 외경을 컴파트먼트의 외경보다 작게, 음극의 내경을 컴파트먼트의 내경보다 크게 형성되도록 하고, 음극의 내주면 및 외주면에 절연재질의 인슐레이터들을 설치함으로써 양극 및 음극의 내외측 단부에서 생성된 전하의 이동으로 인한 누설전류를 획기적으로 절감시킬 수 있는 비축전지용 전극을 제공하기 위한 것이다.

또한 본 발명의 다른 해결수단은 인슐레이터를 음극의 내주면 및 외주면에 단순히 삽입하는 작업만으로 누설전류를 절감시킬 수 있기 때문에 종래에 누설전류를 줄이기 위해 정밀한 설계 및 설치작업을 요구하는 수단들에 비해 설치 및 조립이 용이하게 이루어지고, 이에 따라 제조시간 및 비용이 절감되는 비축전지용 전극을 제공하기 위한 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 해결수단은 적어도 하나 이상의 전극층이 적층되어 형성되는 바이폴라 전극구조를 갖는 비축전지용 전극에 있어서: 상기 전극층은 중공 원판의 컴파트먼트; 상기 컴파트먼트의 일면에 대접되는 중공 원판의 양극; 상기 컴파트먼트의 타면에 대접되는 중공 원판의 음극; 환형 고리 형상의 절연 재질로 형성되며, 상기 음극의 내주면의 내측으로 삽입 설치되는 인슐레이터(Insulator); 상기 컴파트먼트에 대접되는 음극 면과 반대되는 면에 대접되는 절연재질의 세퍼레이터(Separator)를 포함하고, 상기 양극, 상기 컴파트먼트, 상기 음극, 상기 인슐레이터 및 상기 세퍼레이터는 중심이 일치하게 적층되고, 상기 음극은 내경이 상기 컴파트먼트의 내경보다 크게 형성됨으로써 조립 시 상기 인슐레이터가 상기 컴파트먼트의 타면에 대접되는 것이다.

삭제

또한 본 발명에서 환형 고리 형상의 절연 재질로 형성되며, 상기 음극의 외주면의 외측으로 삽입 설치되는 제2 인슐레이터를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 음극은 외경이 상기 컴파트먼트의 외경보다 작게 형성됨으로써 조립 시 상기 제2 인슐레이터가 상기 컴파트먼트의 타면에 대접되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 다른 해결수단은 적어도 하나 이상의 전극층이 적층되어 형성되는 바이폴라 전극구조를 갖는 비축전지용 전극에 있어서: 상기 전극층은 중공 원판의 컴파트먼트; 상기 컴파트먼트의 일면에 대접되는 중공 원판의 양극; 상기 컴파트먼트의 타면에 대접되는 중공 원판의 음극; 환형 고리 형상의 절연 재질로 형성되며, 상기 음극의 내주면의 내측으로 삽입 설치되는 인슐레이터(Insulator); 상기 컴파트먼트에 대접되는 음극 면과 반대되는 면에 대접되는 절연재질의 세퍼레이터(Separator)를 포함하고, 상기 양극, 상기 컴파트먼트, 상기 음극, 상기 인슐레이터 및 상기 세퍼레이터는 중심이 일치하게 적층되고, 상기 컴파트먼트는 중공 원판의 원판부와, 상기 원판부의 외측 단부에서 수직 절곡되는 수직면으로 이루어지고, 상기 수직면과 상기 원판부에 형성되는 공간으로 상기 양극이 설치되어 상기 양극의 외주면이 상기 수직면에 의해 차폐되는 것이다.

상기 과제와 해결수단을 갖는 본 발명에 따르면 컴파트먼트의 일면에 부착되는 음극의 외경을 컴파트먼트의 외경보다 작게, 내경을 컴파트먼트의 내경보다 크게 형성되도록 하고, 음극의 내주면 및 외주면에 각각 인슐레이터들을 삽입 설치함으로써 음극 및 양극의 내외측 단부에서 생성되는 전하의 이동이 방지되어 전지 제조 시 절연기능이 향상되고, 이에 따라 제조 수율이 증가함과 동시에 전지용량이 증가하게 된다.

또한 본 발명에 의하면 인슐레이터는 음극의 내주면 및 외주면에 삽입 설치되기 때문에 정밀한 설계 및 설치작업이 요구되지 않아 제조비용 및 시간이 획기적으로 절감된다.

또한 본 발명에 의하면 컴파트먼트가 외측 단부에서 수직 절곡되는 수직면이 형성되고, 양극의 외주면은 컴파트먼트의 수직면에 의해 차폐됨으로써 누설전류가 양극을 차폐하고 있는 컴파트먼트로 흐르게 되어 누설전류가 더욱 효과적으로 절감된다.

도 1은 종래의 바이폴라 전극을 나타내는 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예인 전극부가 적용되는 비축전지를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예인 전극부를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 측면도이다.
도 5는 도 4의 전극부의 전극층을 나타내는 사시도이다.
도 6은 도 5의 측면도이다.
도 7은 도 5의 컴파트먼트를 나타내는 사시도이다.
도 8은 도 5의 컴파트먼트, 음극 및 인슐레이터들을 설명하기 위한 개념도이다.
도 9는 도 8의 실제사진이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예인 전극부가 적용되는 비축전지를 나타내는 단면도이다.

도 2의 비축전지(100)는 상하부가 개구된 원통 형상의 케이스(101)와, 케이스(101)의 내부 중심부에 설치되어 내부 공간에 전해액(150)이 저장되는 앰플(103)과, 앰플(103)의 상하부 각각에 설치되어 앰플(103)을 고정 및 지지하는 상부 앰플 지지체(105) 및 하부 앰플 지지체(106)와, 앰플(103)의 외측으로부터 외측을 감싸듯이 설치되는 전극부 가이드(107)와, 전극부 가이드(107)에 적층되게 설치되는 전극부(1)로 이루어진다.

또한 비축전지(100)는 케이스(101)의 개구된 하단부에 설치되는 헤더(108)를 더 포함하고, 헤더(108)는 실링재(182)에 의하여 절연되게 설치되는 중심에 헤더 핀(181)이 중앙에 설치된다. 이때 헤더 핀(181)은 리드선(184)에 의하여 전극부(1)의 양극 단자에 연결된다.

이와 같이 구성되는 비축전지(100)는 사용 전에는 전해액(150)이 앰플(103) 내에 수용되어 전극부(1)와 이격되게 설치됨으로써 비활성인 상태로 보관되고, 사용 시에는 일정한 힘에 의해 앰플(103)이 파손되어 전해액(150)이 전극부(1)로 유입되어 전극이 활성화된다.

또한 도 2에서는 설명의 편의를 위해 본 발명의 일실시예인 전극부(1)가 적용되는 비축전지(100)가 케이스(101), 앰플(103), 상부 앰플 지지체(105), 하부 앰플지지체(106), 전극부 가이드(107) 및 헤더(108)로 이루어지는 것으로 예를 들어 설명하였으나 비축전지(100) 및 비축전지(100)에 포함되는 부품들의 구성 및 형상은 이에 한정되지 않으며, 공지된 다양한 형상 및 구성의 비축전지가 적용될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예인 전극부를 나타내는 사시도이고, 도 4는 도 3의 측면도이다.

도 3과 4의 전극부(1)는 바이폴라 전극구조 방식에 따라 양극(Cathode)(2), 컴파트먼트(Compartment)(3), 음극(Anode)(4), 인슐레이터(7), (8) 및 세퍼레이터(Separator)(5)들이 순차적으로 적층되는 하나의 층을 전극층(10)이라고 할 때 적어도 하나 이상의 전극층(10)들이 적층되어 형성된다.

또한 전극부(1)는 전극층(10), (10'), (10'')들이 적층되면 최하부 세퍼레이터(5'')의 하부면에 양극(2)이 설치되고, 양극(2)의 하부면에는 양극단자(70)가 설치된다. 이때 양극단자(70)는 리드 선(184)을 통해 헤더 핀(181)에 연결 접속된다.

또한 전극부(1)는 최상부 세퍼레이터(5''')의 상부에 음극(4)이 설치되고, 음극(4)은 전지의 케이스(1)에 설치된다.

도 5는 도 4의 전극부의 전극층을 나타내는 사시도이고, 도 6은 도 5의 측면도이다.

도 5와 6의 전극층(10)은 복수개가 적층되어 전극부(1)를 형성한다. 이때 본 발명에서는 설명의 편의를 위해 전극부(1)가 복수개의 전극층(10)들이 적층되어 전해액(150)이 유입되면 전기를 발생시키는 것으로 예를 들어 설명하였으나 전극부(1)는 하나의 전극층(10)으로 구성될 수 있다.

또한 전극층(10)은 중공 원판으로 형성되는 양극(2)과, 중공 원판으로 형성되되 외측 단부에 수직 절곡되는 수직면(33)이 형성되어 수직면(33)의 내측으로 양극(2)이 삽입 설치되는 컴파트먼트(3)와, 중공 원판으로 형성되어 컴파트먼트(3)의 수직면(33)이 형성되지 않은 일면에 대접되게 결합되는 음극(4)과, 환형 고리 형상으로 형성되어 음극(4)의 내주면 및 외주면에 각각 삽입 결합되는 인슐레이터(Insulator)(7), (8)들과, 음극(4)의 하부면에 대접되는 세퍼레이터(5)로 이루어진다.

이때 양극(2), 컴파트먼트(3), 음극(4) 및 세퍼레이터는 모두 중심이 일치한 상태, 즉 일체로 적층된다.

즉 본 발명의 전극층(10)은 음극(4)의 내주면(41) 및 외주면(42)에 인슐레이터(7), (8)들이 삽입 설치되고, 양극(2)의 외주면(22)은 수직면(33)에 의해 차폐됨으로써 양극(2) 및 음극(2)의 내외측 단부에서 생성된 전하의 이동, 즉 누설전류를 효과적으로 방지하게 된다.

도 7은 도 5의 컴파트먼트를 나타내는 사시도이다.

도 7의 컴파트먼트(3)는 금속 재질로 형성되며, 상세하게로는 우수한 전도성을 갖는 니켈(Ni)인 것이 바람직하다.

또한 컴파트먼트(3)는 중공 원판으로 형성되어 일면에 양극(2)이 대접되게 설치되며, 타면에 음극(4)이 대접되게 설치된다.

또한 컴파트먼트(3)는 중공 원판의 원판부(31)와, 원판부(31)의 외측 단부에서 수직으로 절곡되되 테두리를 따라 연결되는 수직면(33)으로 이루어지고, 수직면(33)과 원판부(31)에 의해 형성되는 공간에 양극(2)이 삽입 설치된다.

양극(2)은 도 5와 6에 도시된 바와 같이 중공 원판으로 형성되며, 도전성 접착제 등과 같은 접착수단에 의해 일면이 원판부(31)에 대접되게 결합된다.

이때 본 발명에서는 도시되지 않았지만 전극부(1)는 양극(2)과 컴파트먼트(3) 사이에 설치되는 메쉬망(미도시)을 포함하여도 무방하다.

또한 양극(2)은 컴파트먼트(3)에 삽입 설치되면 외주면이 컴파트먼트(3)의 수직면(33)에 의해 차폐됨으로써 누설전류가 효과적으로 절감된다.

도 8은 도 5의 컴파트먼트, 음극 및 인슐레이터들을 설명하기 위한 개념도이고, 도 9는 도 8의 실제사진이다.

도 8과 9의 음극(4)은 외경(R') 및 내경(r')을 갖는 리튬(Lithium)재질의 중공 원판으로 형성되며, 수직면(33)이 형성되지 않은 컴파트먼트(3)의 타면에 대접되게 설치된다. 이때 컴파트먼트(3)의 일면의 외경을 R로, 내경을 r로 하기로 한다.

즉 음극(4)은 외경(R')이 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이 컴파트먼트(3)의 외경(R)보다 작고(R'〈 R), 내경(r')이 컴파트먼트(3)의 내경(r)보다 크게(r'〉r) 형성됨으로써 음극(4)의 외경(R') 및 내경(r')의 차이(x1)가 컴파트먼트(3)의 외경(R) 및 내경(r)의 차이(x)보다 작은 길이로 형성된다.

따라서 음극(4)이 컴파트먼트(3)의 일면에 대접되게 결합될 때 음극(4)의 외측단부 및 컴파트먼트(3)의 외측 단부 사이와, 음극(4)의 내측단부 및 컴파트먼트(3)의 내측 단부 사이에는 음극(4)이 대접되지 않은 컴파트먼트(3)의 일면이 노출되게 된다.

인슐레이터(7), (8)들은 환형 고리 형상의 절연 재질로 형성된다.

또한 인슐레이터(7), (8)들은 내경(r)이 작은 제1 인슐레이터(7)와, 내경(R')이 큰 제2 인슐레이터(8)들 중 어느 하나로 구성된다. 이때 제1 인슐레이터(7)는 음극(4)의 내주면의 내측으로, 제2 인슐레이터(8)는 음극(4)의 외주면의 외측으로 삽입 설치된다.

이때 제1 인슐레이터(7)는 도 8의 (d)에 도시된 바와 같이 외경(r')이 음극(4)의 내경(r')에, 내경(r)이 컴파트먼트(3)의 내경(r)에 동일하게 형성되도록 하여 음극(4)의 외주면 억지끼움 되고, 제2 인슐레이터(8)는 도 8의 (c)에 도시된 바와 같이 외경(R)이 컴파트먼트(3)의 외경(R)에, 내경(R')이 음극(4)의 외경(R')에 동일하게 형성되도록 하여 음극(4)의 외주면에 억지끼움 되는 것이 바람직하다.

즉 컴파트먼트(3)의 내주면과 외주면 사이의 길이(x)는 음극(4), 제1 인슐레이터(7) 및 제2 인슐레이터(8)들 각각의 내주면과 외주면 사이의 길이들의 합(x1 + x3 + x2)과 동일하게 된다.

이와 같이 본 발명의 일실시예인 전극부(1)에 적용되는 전극층(10)은 절연재질로 형성되어 음극(4)의 내주면 및 외주면들 각각에 삽입 설치되는 인슐레이터(7), (8)들을 포함함으로써 음극(4)의 내외측 단부에서 생성되는 전하가 인접한 양극으로 이동하는 것을 방지하여 누설전류를 획기적으로 절감시킬 수 있다.

또한 본 발명의 일실시예인 전극부(1)는 누설전류를 최소화하되 정밀한 설계가 요구되는 별도의 수단 없이, 음극(4)의 내주면 및 외주면에 인슐레이터(7), (8)들을 단순히 삽입 설치하는 것만으로 누설전류를 최소화할 수 있기 때문에 제조가 용이하게 이루어지고, 제조비용 및 시간이 절감되는 효과를 창출할 수 있다.

1:전극부 2:양극 3:컴파트먼트
4:음극 5:세퍼레이터 6:제1 인슐레이터
7:제2 인슐레이터 31:원판부 33:수직면
100:비축전지 101:케이스 103:앰플
105:상부 앰플 지지체 106:하부 앰플 지지체
107:전극부 가이드 108:헤더

Claims

적어도 하나 이상의 전극층이 적층되어 형성되는 바이폴라 전극구조를 갖는 비축전지용 전극에 있어서:
상기 전극층은
중공 원판의 컴파트먼트;
상기 컴파트먼트의 일면에 대접되는 중공 원판의 양극;
상기 컴파트먼트의 타면에 대접되는 중공 원판의 음극;
환형 고리 형상의 절연 재질로 형성되며, 상기 음극의 내주면의 내측으로 삽입 설치되는 인슐레이터(Insulator);
상기 컴파트먼트에 대접되는 음극 면과 반대되는 면에 대접되는 절연재질의 세퍼레이터(Separator)를 포함하고,
상기 양극, 상기 컴파트먼트, 상기 음극, 상기 인슐레이터 및 상기 세퍼레이터는 중심이 일치하게 적층되고, 상기 음극은 내경이 상기 컴파트먼트의 내경보다 크게 형성됨으로써 조립 시 상기 인슐레이터가 상기 컴파트먼트의 타면에 대접되는 것을 특징으로 하는 비축전지용 전극.
삭제
청구항 1에 있어서, 환형 고리 형상의 절연 재질로 형성되며, 상기 음극의 외주면의 외측으로 삽입 설치되는 제2 인슐레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비축전지용 전극.
청구항 3에 있어서, 상기 음극은 외경이 상기 컴파트먼트의 외경보다 작게 형성됨으로써 조립 시 상기 제2 인슐레이터가 상기 컴파트먼트의 타면에 대접되는 것을 특징으로 하는 비축전지용 전극.
적어도 하나 이상의 전극층이 적층되어 형성되는 바이폴라 전극구조를 갖는 비축전지용 전극에 있어서:
상기 전극층은
중공 원판의 컴파트먼트;
상기 컴파트먼트의 일면에 대접되는 중공 원판의 양극;
상기 컴파트먼트의 타면에 대접되는 중공 원판의 음극;
환형 고리 형상의 절연 재질로 형성되며, 상기 음극의 내주면의 내측으로 삽입 설치되는 인슐레이터(Insulator);
상기 컴파트먼트에 대접되는 음극 면과 반대되는 면에 대접되는 절연재질의 세퍼레이터(Separator)를 포함하고,
상기 양극, 상기 컴파트먼트, 상기 음극, 상기 인슐레이터 및 상기 세퍼레이터는 중심이 일치하게 적층되고, 상기 컴파트먼트는 중공 원판의 원판부와, 상기 원판부의 외측 단부에서 수직 절곡되는 수직면으로 이루어지고, 상기 수직면과 상기 원판부에 형성되는 공간으로 상기 양극이 설치되어 상기 양극의 외주면이 상기 수직면에 의해 차폐되는 것을 특징으로 하는 비축전지용 전극.