KR101706382B1 - 높은 응력을 위한 갈바닉 요소 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 갈바닉 요소 특히, 심지어 높은 기계적 부하 또는 열적 부하가 존재할 때에도 긴 사용수명을 가지는 버튼 전지형태의 요소에 관한 것이다. 상기 요소는 음극, 양극, 전해질, 상기 양극과 음극사이에 배열된 격리장치 및, 하우징컵, 하우징 커버와 밀봉요소를 포함하는 하우징으로 구성되고, 상기 밀봉요소는 상기 하우징 컵을 하우징 커버로부터 절연시킨다. 본 발명에 의하면, 밀봉요소가 상기 격리장치와 강성 연결된다.
갈바닉 요소

Description

높은 응력을 위한 갈바닉 요소{Galvanic element for high stresses}
본 발명은, 특히 버튼 전지(cell) 형태를 가진 갈바닉(galvanic)요소와 관련되고, 상기 갈바닉 요소는 음극(cathode), 양극(anode), 전해질(electrolyte), 상기 양극과 음극사이에 배열된 격리장치 및 하우징을 가진다. 상기 하우징은 하우징 컵(cup), 하우징 커버 및 밀봉요소를 포함하고, 상기 밀봉요소는 상기 하우징컵을 하우징 커버에 대해 절연시킨다.
특히 버튼 전지 형태를 가지는 갈바닉요소들은 일반적으로 상기 형태의 하우징을 가진다. 상기 형태의 갈바닉 요소들은, 예를 들어 Zinc/MnO2 1차 리튬 시스템 또는 니켈/카드뮴, 니켈/수소 합금(nickel/metal hydride) 또는 2차 리튬시스템과 같은 2차 시스템의 다양한 전기화학 시스템을 포함한다.
상기 전지들의 액체밀봉(liquid tight)식 밀폐가 일반적으로 플라스틱 재질의 링과 관련하여 컵 변부를 하우징 커버의 변부위에 플랜지이음시켜서 형성되고, 상기 플라스틱재질의 링은 하우징 컵과 하우징 커버사이에 배열되고 동시에 밀봉요 소로서 이용되고 하우징 커버로부터 하우징 컵을 전기적으로 절연시키기 위해 이용된다. 상기 형태의 버튼 전지가 예를 들어 문헌 DE 31 13 309에 공개된다.
상기 형태의 공지된 갈바닉 요소들에 있어서, 상기 격리장치는 일반적으로 양극과 음극사이에서 샌드위치형태로 위치하고, 상기 세 개의 부품들이 서로 동심구조로 배열된다. 이 경우, 상기 격리장치와 밀봉요소사이의 외측부에 좁은 주변 간격이 남게 된다. 또한 상기 격리장치는, 특히 갈바닉요소가 기계적 응력을 받는 경우에, 상기 음극과 양극에 대해 미끄럼운동하고, 상기 간격은 확대된다. 따라서, 상기 갈바닉 요소가 예를 들어, 높은 온도 또는 심한 온도변화에 의해 상당한 응력을 받는 경우 또는 상기 갈바닉 요소가 높은 가속도 또는 압력차를 받는 경우에, 음극의 입자들이 방출되고 상기 외측부상에서 격리장치주위로 움직이게 된다. 그 결과, 전지내에서 회로단락(short-circuit)이 발생되고, 배터리는 통제되지 못하는 급속 자기 방전(self-discharge)이 발생한다.
본 발명은, 상기 현상이 신뢰성있게 제거되고 도입부에서 설명한 형태를 가진 갈바닉 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면 밀봉요소가 상기 격리장치와 강성 연결(rigidly connected)된다. 따라서, 상기 밀봉장치와 격리장치 사이에 주변 간격이 존재하지 않게 되어, 음극 ( 또는 양극)으로부터 발생한 입자들이 상기 격리장치 주위에서 돌아다니지 않게 된다. 또한 상기 격리장치는 더 이상 미끄러질 수 없다. 따라서, 높은 가속도 또는 높은 온도의 경우와 같은 높은 부하에 대해서도 긴 사용수명을 가지는 갈바닉 요소가 구해진다.
본 발명의 선호되는 실시예에 의하면, 밀봉요소는 사실상 원형이고 격리장치의 전체 주변부를 따라 격리장치와 강성 연결된다. 갈바닉 요소는, 전체 주변부를 따라 형성된 연속적인 연결부에 의해 서로 분리된 두 개의 챔버들로 구분되고, 상기 챔버들 중 한 개의 챔버내에 양극이 위치하고 다른 한 개의 챔버내에 음극이 위치한다. 따라서 상기 격리장치 주위를 돌아다니는 개별 입자들의 운동이 제거된다.
상기 격리장치가 상기 밀봉요소에 용접될 수 있다. 선택적으로, 상기 격리장치는 또한 상기 밀봉요소에 접착될 수 있다. 다른 형태의 고정을 고려할 때, 영구 적인 연결이 구해지는 것이 중요하다.
반경방향으로 사실상 U자형상을 가진 단면을 포함한 밀봉요소가 이용되는 것이 선호된다. 상기 형태의 밀봉요소는 종래기술에 적절하게 공지되어 있고 일반적으로 제 1 항의 전제부를 따르는 갈바닉 전지를 위해 이용된다. 본 발명의 선호되는 실시예에 의하면, 상기 격리장치가 상기 밀봉요소의 U자형상부의 반경방향으로 내측부 즉, 상기 내측 밀봉립을 지나 반경방향으로 외측으로 돌출한다. 이 경우, 상기 격리장치는 상기 밀봉요소의 내측 밀봉립과 강성(rigidly) 연결되는 것이 선호되고, 따라서 상기 밀봉요소의 내측 밀봉립과 함께 상기 격리장치는 예를 들어 음과 같은 전극을 수용할 수 있는 컵모양의 유니트를 형성한다.
밀봉요소의 내측 밀봉립을 지나 반경방향 외측으로 돌출하는 격리장치의 부분이, 상기 격리장치의 중앙영역이 위치하는 평면에 대하여 사실상 수직으로 구부러지고 다음에 상기 내측 밀봉립을 따라 밀봉요소의 U자 형상부내에서 연장되는 것이 선호된다. 이 경우, 상기 내측 밀봉립을 지나 반경방향 외측으로 연장되는 격리장치의 부분이 상기 밀봉요소의 내측 밀봉립과 하우징 커버사이에 고정되는 것이 선호된다. 상기 격리장치는 상기 밀봉요소와 예를 들어 접착되거나 용접된 결합에 의해 원하는 위치에 고정될 뿐만 아니라 격리장치가 미끄러져 발생되는 간격이 하우징커버와 밀봉부사이에 고정되는 격리장치에 의해 방지된다. 따라서 고정작용이 추가로 형성된다.
본 발명의 선호되는 실시예에 의하면, 갈바닉 요소는 또한 상기 하우징 컵 또는 하우징 커버위에서 지지되고 전기전도성 중간요소에 의해 상기 격리장치를 향 해 음극 또는 양극을 가압하는 적어도 한 개의 전기전도성 스프링요소를 포함하고, 상기 중간요소와 스프링요소에 의해 상기 음극 또는 양극이 하우징 컵 또는 하우징 커버와 전기적으로 접촉한다. 이 경우, 음극 또는 양극이 중간요소와 스프링요소에 의해 상기 하우징 컵 또는 하우징 커버와 전기적으로 접촉한다. 단지 한 개의 스프링요소가 이용되면, 스프링요소는 음극쪽 측부에 위치하는 것이 선호되고 즉, 스프링 요소가 하우징 컵위에서 지지되고 상기 스프링요소와 음극사이에 위치한 전기전도성 중간요소에 의해 격리장치를 향해 음극을 가압한다. 상기 음극쪽 측부와 양극쪽 측부에서 스프링요소가 이용되는 방법이 특히 선호된다.
상기 스프링요소는, 한편으로 음극 또는 양극의 전기 활성재료와 다른 한편으로 하우징사이의 전기적 접촉의 신뢰성을 증가시키기 위해 이용된다. 음극 또는 양극 및 하우징사이의 접촉저항은, 온도 또는 높은 기계적응력에 의해 증가될 수 있어서 접촉상태가 손상된다. 전기활성재료의 일부분이 이미 소모된 경우에 특히 그러하다. 상기 스프링요소가 한편으로 하우징과 전기접촉하고 다른 한편으로 전기전도성 중간요소를 음극 또는 양극위에 가압하여, 음극 또는 양극 및 하우징사이에 항상 전기전도성 연결이 형성된다. 따라서 신뢰성있는 전기접촉이 보장된다.
상기 스프링요소가 상기 하우징 컵 또는 하우징 커버에 강성 연결되고 예를 들어 용접되는 것이 선호된다. 갈바닉 요소가 실제로 조립되기 전에, 상기 하우징 컵 또는 하우징 커버위에 스프링요소가 강성 연결될 수 있다. 따라서, 스프링요소가 이미 상기 하우징 컵 또는 하우징커버에 대해 중심에 미리 배열될 수 있고 계속되는 조립작업동안 미끄러질 수 없다.
본 발명의 특히 선호되는 실시예에 의하면, 상기 스프링요소가 스프링요소의 중심에 대해 대칭구조로 배열된 적어도 세 개의 스프링 아암들을 가진다. 이 경우, 각각의 스프링 아암들은 접촉면을 가지고, 접촉면은 전기전도성 중간요소위에 배열된다. 상기 스프링 아암의 가압력은, 별모양으로 배열된 상기 아암들에 기인하여 전기전도성 중간요소위에 균일하게 분포되고, 상기 중간요소가 양극 또는 음극을 향해 격리장치의 평면에 대해 수직으로 가압된다. 다음에, 상대적으로 넓은 접촉면위에 세 개의 아암들의 가압력을 분포시키기 위해 상기 중간요소가 이용되고, 따라서 스프링 요소의 아암들은 전극의 전기 활성 재료내부로 천공될 수 없다.
예를 들어, 전기전도성 중간요소가 중앙의 요홈을 가진 원형 디스크를 가지고, 원형 디스크의 직경은 음극과 양극의 직경과 사실상 일치한다. 상기 요홈에 의하여, 활성재료를 위한 공간이 구해진다. 원리적으로, 스프링 아암들이 지지되는 전기전도성 중간요소로서 좁은 원형 디스크가 충분하다.
첨부된 도면들을 참고하여 선호되는 실시예에 의해 본 발명이 더욱 상세하게 설명된다.
도 3은 본 발명을 따르고 본 발명에서 버튼전지(button cell)인 갈바닉 요소의 단면도이다. 도 1은 버튼 전지가 조립되기 전의 버튼전지의 개별부품들을 도시 한다. 도 2는 상기 전지가 최종 조립되기 전에 중간단계를 도시하며, 개별부품들은 이미 서로 조립되어 있다. 발명을 이해하기 위해, 도면들은 실제 크기로 도시되지 않고 정확한 치수가 중요한 것은 아니다.
상기 버튼 전지는, 종래기술에서 공지된 것과 같이, 하우징 컵(14)과 하우징 커버(12)를 포함한 하우징을 가진다.
하우징을 밀봉하기 위하여, U자형상의 단면을 가진 원형의 밀봉요소(20)가 이용된다. 상기 밀봉요소가 동시에, 상기 하우징 컵(14)과 하우징커버(12)를 서로 전기적으로 절연시키기 위해 이용된다. U자형상의 단면을 가진 상기 형태의 밀봉링들에 관한 이용방법이 종래기술에 공지되어 있어서, 상기 전지가 완전히 조립될 때(도 3을 참고), 밀봉요소 및, 상기 하우징 컵(14)과 하우징커버(12)사이에서 밀봉요소의 위치에 관한 더욱 상세한 설명은 여기서 제공되지 않는다.
하우징 컵(14)내부에 스프링요소(24)가 자리 잡고, 상기 스프링요소(24)는 예를 들어, 얇은 금속시트와 같은 전도성 재료로부터 정확하게 하우징 컵과 같이 생산된다. 예를 들어, 스프링요소는 적합한 금속시트로부터 펀칭가공되고 다음에 형상으로 굽힘가공된다. 도 1 및 도 2에서 알 수 있는 것처럼, 상기 스프링요소(24)는 사실상 원형의 중앙 부품(26)을 가지고, 상기 중앙부품으로부터 세 개의 아암(28)들이 별모양으로 형성되며, 상기 아암들은 동일한 길이까지 연장되고 직사각형의 기저면(basic face)을 가진다. 이 경우, 인접한 두 개의 아암(28)들사이에 120도의 각이 형성된다. 상기 세 개의 아암(28)들은 상기 하우징 컵(14)으로부터 외측을 향해 멀어지는 각을 가진다. 전지가 조립되기 전에, 상기 스프링 요소(24) 는 하우징 컵(14)에 용접된다. 도 2를 참고할 때, 하우징 컵(14)에 용접된 스프링요소(24)를 포함하는 하우징 컵이 상부에 위치하고, 상기 스프링요소(24)의 원형 중앙 부품(26)이 하우징 컵(14)내에서 중앙에 배열되며 하우징 컵(14)의 기저부에 평평하게 놓이고, 하기에 상세히 설명된 것과 같이, 각을 형성하는 세 개의 아암(28)들이 상기 하우징컵(14)의 기저부로부터 떨어져 배열되며 원하는 스프링하중을 보장한다.
예를 들어, 리튬 태블릿(lithium tablet)과 같은 양극(16)이 상기 하우징 커버(12)의 측부에 위치한다. 예를 들어, 압축된 이산화망간(MnO2)태블릿인 음극(18)이 상기 하우징 컵(14)의 측부에 위치한다.
도 1에서 개별적으로 도시되고 상기 스프링요소(24)와 음극(18)사이에서 전기전도성 중간요소로서 이용되는 지지링(30)이, 음극(18) 및 스프링요소(24)를 가진 하우징 컵(14)사이에 위치한다. 상기 지지링(30)은 사실상 원형 기저부를 가진 컵형상을 가지고 동심구조를 가진 원형의 요홈(32)을 가지며 상기 기저부에 대해 수직인 원통형 벽을 가진다. 이 경우, 상기 지지링(30)은 음극(18)을 수용할 정도로 충분히 크다. 버튼 전지가 조립되기 전에, 도 2에 도시된 것과 같이, 음극(18)은 상기 지지링(30)내부로 삽입된다. 스프링요소가 양극 측부에서 이용되면, 상기 형태의 지지링 대신에 전기전도성 중간요소로서 간단한 금속 원형 디스크가 이용될 수 있고, 적어도 양극으로서 금속 리튬 태블릿으로 선택된 실시예에서처럼 변부에서 지지부가 불필요하다.
종래기술에서와 같이, 상기 양극(16)과 음극(18)이 원형 디스크형상의 격리장치(22)에 의해 서로 분리된다. 종래기술에서 공지된 버튼 전지내에서 상기 격리장치(22)는 사실상 상기 양극(16) 및 음극(18)과 동일한 직경을 가지는 반면에, 도 1에 도시된 것과 같이, 상기 격리장치(22)는 상기 음극(18) 및 양극(16)보다 큰 직경을 가진다.
버튼 전지가 조립되기 전에, 상기 격리장치(22)와 밀봉요소(20)는 고정영역(21)내에서 서로 연결된다. 상기 밀봉요소(20)를 상기 격리장치(22)와 연결시키기 위하여, 예를 들어, 밀봉요소(20)의 U자형 내측부가 상부에서 접착제로 코팅된다. 다음에 상기 격리장치(22)가 상기 밀봉요소(20)위에서 중심에 배열(centred)되고 가압되어, 접착된 원형의 연결부가 상기 고정영역(21)위에 구해진다. 선택적으로, 격리장치는 밀봉요소(20)에 용접되거나 다른 방법으로 밀봉요소에 고정된다.
도 2는 밀봉요소(20)에 연결된 격리장치(22)를 도시하고, 상기 격리장치(22)는 평면으로 연장된다. 이 경우, 상기 격리장치(22)는 상기 U자형태의 밀봉요소(20)의 내측 밀봉 립(lip)위에 놓이고 상기 밀봉립을 지나 반경방향 외측으로 돌출하여, 격리장치(22)의 외측변부는 상기 U자형 밀봉요소의 개구부상에 느슨하게 배열된다.
도 3에 도시된 버튼 전지의 조립과정은 다음과 같다:
우선, 상기 스프링 요소(24)는 상기 설명과 같이 상기 하우징 컵(14)에 용접된다. 상기 음극(18)은 지지링(30)내에 삽입된다. 또한, 상기 격리장치(22)는 상기 설명과 같이 밀봉요소(20)에 연결된다. 양극을 형성하는 리튬 태블릿(16)은 상기 하우징 커버(12)내부로 가압된다(도 2와 비교). 상기 중간단계들을 수행한 후에, 도 2의 배열이 구해진다.
상기 하우징 커버(12)내에 양극(16)이 배열되고, 양극을 가진 상기 하우징커버(12)가 상기 격리장치(22)에 이미 연결된 밀봉요소(20)내부로 가압된다. 상기 과정에서 상기 하우징 커버(12)의 변부가 상기 격리장치(22)의 반경방향 외측영역에서 접혀지고 도 3에 도시된 위치로 가압한다. 상기 격리장치(22)는 외측주변부에서 상기 하우징 커버(12)와 밀봉요소(20)사이에 고정되고 따라서, 미끄럼에 대해 이중으로 고정된다. 심지어 입자들이 음극 (또는 양극)으로부터 떨어지더라도, 입자들은 격리장치(22)주위에서 돌아다닐 수 없고 따라서 회로단락을 발생시키지 않는다.
다음 단계에서, 미리 전해질로 포화되고 상기 지지링(30)내에 삽입되는 상기 음극(18)이 상기 밀봉요소(20)내부 및 밀봉요소상에 배열된다.
마지막으로, 상기 하우징 컵(14)은, 하우징컵위에 용접된 스프링요소(24)에 의해 하우징 커버(12)상에서 가압되고, 버튼 전지가 가압상태로 밀폐된다.
도 3에 도시된 것과 같이, 지지링(30)의 원형 디스크 기저부는, 스프링요소(24)의 아암(28)을 위한 접촉면으로서 이용된다. 상기 지지링(30)과 음극(18)을 향하는 스프링요소의 아암(28)들이 음극(18)위에서 지지링(30)을 상기 하우징 컵(14)으로부터 떨어지게 가압한다. 따라서, 지지요소(24)와 지지링(30)에 의해 상기 하우징컵(14)과 음극(18)사이에 전기적 접촉이 형성된다. 음극재료가 소모되고 배터리에 높은 기계적 응력, 온도 또는 압력이 가해지더라도, 스프링요소(24)와 지지링(30)을 가진 구조에 의해 안정된 접촉이 보장된다.
도 3에 도시된 것과 같이, 지지링(30)의 원형 디스크 기저부는, 스프링요소(24)의 아암(28)을 위한 접촉면으로서 이용된다. 상기 지지링(30)과 음극(18)을 향하는 스프링요소의 아암(28)들이 음극(18)위에서 지지링(30)을 상기 하우징 컵(14)으로부터 떨어지게 가압한다. 따라서, 지지요소(24)와 지지링(30)에 의해 상기 하우징컵(14)과 음극(18)사이에 전기적 접촉이 형성된다. 음극재료가 소모되고 배터리에 높은 기계적 응력, 온도 또는 압력이 가해지더라도, 스프링요소(24)와 지지링(30)을 가진 구조에 의해 안정된 접촉이 보장된다.
도 1은 갈바닉 요소의 분해도.
도 2는 도 1의 갈바닉 요소를 부분적으로 도시한 분해도.
도 3은 도 1과 도 2의 갈바닉 요소를 도시한 단면도.
12.......하우징 커버
14.......하우징 컵
16...... 양극
18.......음극
20.......밀봉요소
21......고정영역
22......격리장치
24......스프링요소
26......스프링요소의 중앙영역
28......스프링요소의 아암(arm)
30.......지지링
32......지지링내부의 요홈

Claims (11)

  1. 음극(18), 양극(16), 전해질, 상기 양극(16)과 음극(18)사이에 배열된 격리장치(22) 및 하우징을 가지고, 상기 하우징이 하우징 컵(14), 하우징 커버(12) 및 밀봉요소(20)로 구성되며, 상기 밀봉요소가 상기 하우징 컵(14)을 하우징 커버(12)로부터 절연시키는 버튼 전지 형태의 갈바닉 요소에 있어서,
    상기 밀봉요소(20)가 U 자형상의 단면을 가지고 반경방향으로 배열된 두 개의 밀봉립들을 가지며, 상기 격리장치(22)가 적어도 반경방향으로 배열된 내부의 밀봉립을 지나 반경방향 외측으로 돌출하고,
    내측의 밀봉립을 지나 반경방향 외측으로 돌출하는 상기 격리장치(22)의 부분이 상기 밀봉요소(20)로부터 반경방향 내측에 위치한 영역에 대해 수직으로 구부러지며,
    상기 밀봉요소(20)의 내측 밀봉립을 지나 반경방향 외측으로 돌출하는 격리장치(22)의 부분이, 상기 밀봉요소(20)의 밀봉립과 상기 하우징커버(12)사이에 고정되고,
    상기 격리장치(22)는 상기 내측 밀봉립의 상부 고정영역 내의 밀봉요소의 내측 밀봉립에 접착되며,
    상기 하우징 컵(14) 또는 하우징 커버(12)위에서 지지되고 전기전도성 중간요소(30)에 의해 상기 격리장치(22)를 향해 음극(18) 또는 양극(16)을 가압하는 하나이상의 전기전도성 스프링요소(24)를 포함하고, 상기 중간요소(30)와 스프링요소(24)에 의해 상기 음극(18) 또는 양극(16)이 하우징 컵(14) 또는 하우징 커버(12)와 전기적으로 접촉하며,
    상기 전기전도성 중간요소(30)는 중앙 요홈(32)을 가진 원형 디스크를 포함하고, 상기 중간요소의 직경은 상기 음극(18) 및 양극(16)의 직경에 해당하는 것을 특징으로 하는 갈바닉 요소.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉요소(20)가 원형이고 전체 주변부를 따라 상기 격리장치(22)에 강성 연결되는 것을 특징으로 하는 갈바닉 요소.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 밀봉요소(20)가 상기 격리장치(22)에 용접 또는 접착되는 것을 특징으로 하는 갈바닉 요소.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 스프링요소(24)는 상기 하우징 컵(14) 또는 하우징 커버(12)에 용접에 의해 강성 연결되는 것을 특징으로 하는 갈바닉 요소.
  5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 스프링요소(24)는 적어도 세 개의 스프링 아암(28)들을 가지고, 상기 아암들이 상기 아암의 중심에 대해 대칭적으로 배열되고 각 아암이 접촉면을 가지며, 상기 접촉면은 전기전도성 중간요소(30)위에 배열되는 것을 특징으로 하는 갈바닉 요소.
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