KR102041997B1 - 전류집적체기판 및 이를 구비하는 전지 - Google Patents

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KR102041997B1 KR1020140031984A KR20140031984A KR102041997B1 KR 102041997 B1 KR102041997 B1 KR 102041997B1 KR 1020140031984 A KR1020140031984 A KR 1020140031984A KR 20140031984 A KR20140031984 A KR 20140031984A KR 102041997 B1 KR102041997 B1 KR 102041997B1
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Abstract

본 발명은 전지의 양극 전극의 적어도 일부를 형성하는 전류집적체기판으로서, 복수개의 전류집적판;을 포함하고, 상기 전류집적판은 상기 전지의 길이방향 중심축을 중심으로 방사상으로 배치되는 방사형 구조를 형성하거나, 상기 전지의 길이방향으로 상호 이격되어 배치되는 적층형 구조를 형성하는 전류집적체기판 및 이를 구비하는 전지로서, 상기 전류집적체기판에 의해 탄소분말체와의 접촉 면적을 증가시킬 수 있고, 이를 이용하여 전지의 방전 성능을 향상시킬 수 있는 전류집적체기판 및 전지가 제시된다.

Description

전류집적체기판 및 이를 구비하는 전지{Current collector substrate and battery cell having the same}
본 발명은 전류집적체기판 및 이를 구비하는 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전지의 방전 성능을 향상시킬 수 있는 전류집적체기판 및 이를 구비하는 전지에 관한 것이다.
일반적으로, 전지는 전기 화학 반응의 원리를 이용하여 전기를 얻는 장치로서, 특히, 리튬-염화티오닐(Li-SOCl2) 전지는 고온 및 저온 환경에서도 일정한 작동전압을 유지할 수 있어 산업용 및 군사용으로 사용되고 있다.
상술한 리튬-염화티오닐 전지는 양극 전극, 음극 전극 및 격리 막의 결합 구조에 따라 보빈형(bobbin-type) 리튬-염화티오닐 전지(이하, 보빈형 전지) 및 권취형(wound-type) 리튬-염화티오닐 전지(이하, 권취형 전지)로 구분된다. 예컨대, 보빈형 전지로서 대한민국 공개특허공보 2013-0037093호에 고온형 리튬-염화티오닐 전지가 개시되어 있고, 대한민국 공개특허공보 2011-0106506호에 리튬 전지가 개시되어 있다. 또한, 권취형 전지로서 예컨대 대한민국 등록특허공보 1306274호에 리튬 전지가 개시되어 있다.
일반적인 보빈형 전지를 도 1에 도시하였다. 보빈형 전지는 용기(1)의 내주면에 리튬 재질의 음극 전극(2)을 두르고, 음극 전극(2)의 내주면에 격리 막(3)을 둘러 고정시킨다. 파이프 형태로 제작된 금속 재질의 전류집적체기판(4a)의 외주면을 튜브 형태로 성형된 탄소분말체(4b)로 감싸 양극 전극(4)을 마련하고, 이를 격리 막(3)으로 둘러쌓인 공간 내에 넣는다. 용기(1)의 내부에 염화티오닐 전해액을 주입하고, 용기(1)의 개구를 밀봉부재(5)로 밀봉한다. 양극 핀(6)은 용기(1)의 외측에서 밀봉부재(5)를 관통하여 전류집적체기판(4a)에 연결된다. 이때, 용기(1)의 내부에는 격리 막(3)의 상측 개구와 하측 개구를 전기적으로 절연하도록 상측 절연체(6a)와 하측 절연체(6b)가 마련된다. 일반적으로, 보빈형 전지는 전술한 양극 전극(4), 음극 전극(2) 및 격리 막(3)의 결합 구조로 인하여 권취형 전지보다 외부 충격 등에 의한 내부 구성부의 손상이 적다. 즉, 보빈형 전지는 권취형 전지와 비교하면 안전성이 우수하다.
한편, 보빈형 전지는 전류집적체기판(4a)과 탄소분말체(4b)의 접촉 면적에 따라 방전 성능이 달라지며, 일반적으로, 보빈형 전지는 동일한 크기의 권취형 전지에 구비된 전류집적체 및 탄소분말의 접촉 면적에 비하여 10％ 이하의 접촉 면적을 가진다. 따라서, 보빈형 전지는 최대 연속 방전 전류의 크기가 권취형 전지에 비하여 현저히 작아 고전류 방전시에는 사용이 제한된다. 특히, 사용 온도가 낮아질수록, 보빈형 전지와 권취형 전지는 방전 전류의 크기 차이가 증가하고, 이에 보빈형 전지는 극저온에서의 사용에 한계가 있다.
KR 10-2013-0037093 A KR 10-2011-0106506 A KR 10-1306274 B1
본 발명은 탄소분말체와의 접촉 면적을 증가시킬 수 있는 전류집적체기판 및 이를 구비하는 전지를 제공한다.
본 발명은 양극 전극의 전류밀도분포를 균일하게 조절할 수 있는 전류집적체기판 및 이를 구비하는 전지를 제공한다.
본 발명은 전지의 방전 성능을 향상시킬 수 있는 전류집적체기판 및 이를 구비하는 전지를 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 전류집적체기판은, 전지의 양극 전극의 적어도 일부를 형성하는 전류집적체기판으로서, 복수개의 전류집적판;을 포함하고, 상기 전류집적판들은 상기 전지의 길이방향 중심축을 중심으로 방사상으로 배치되는 방사형 구조를 형성하거나, 상기 전지의 길이방향으로 상호 이격되어 배치되는 적층형 구조를 형성한다.
상기 전지의 길이방향으로 연장되는 지지대를 포함하고, 상기 전류집적판들은 상기 지지대에 연결되어 지지될 수 있다.
상기 전류집적판은 상기 방사형 구조의 경우 4 내지 16개 범위로 배치되며, 상기 적층형 구조의 경우 4 내지 20개 범위로 배치될 수 있다.
상기 전류집적판은 두께가 일정하거나 외측으로 갈수록 두께가 감소할 수 있고, 상기 전류집적판들은 폭 또는 반경의 크기가 서로 다른 집적판이 교대로 배치될 수 있으며, 상기 전류집적판은 적어도 일부에 매시(mesh)영역을 가질 수 있다.
상기 전류집적판은 0.1mm 내지 0.5mm의 두께를 가질 수 있고, 상기 매시영역은 0.01mm 내지 2.0mm의 눈 크기를 가질 수 있다.
상기 전류집적판의 재질은 스테인리스 스틸, 니켈 및 니켈 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 전지는, 상면이 개방된 케이스; 상기 케이스의 내부에 수용되는 양극 전극, 격리 막 및 음극 전극; 상기 케이스의 상면에 결합되는 캡 조립체;를 포함하고, 상기 양극 전극은 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 하나의 전류집적체기판 및 상기 전류집적체기판에 피복되는 탄소분말체를 포함한다.
상기 전류집적체기판의 상기 전류집적판의 외측 단부는 상기 탄소분말체를 사이에 두고 상기 격리 막과 마주보고 배치될 수 있다.
상기 전류집적체기판의 상기 전류집적판의 폭 혹은 반경의 크기는 길이방향의 중심축에서 상기 격리 막까지의 거리보다 작을 수 있고, 상기 전류집적체기판의 상기 전류집적판들의 길이방향의 양단측 사이의 거리는 상기 음극 전극의 길이보다 작을 수 있다.
상기 전지는 Li-SOCl2 전지, Li-SO2Cl2 전지, Li-SO2Cl2+Cl2 전지 Li-SO2 전지 및 BCX Li-SOCl2 전지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 탄소분말체와의 접촉 면적을 증가시키고, 양극 전극의 전류밀도분포을 균일하게 조절하도록 전류집적판들이 방사형 구조 또는 적층형 구조로 배치되는 전류집적체기판을 형성할 수 있고, 이를 이용하여 전지의 방전 성능을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 전지의 사용 온도 범위를 종래보다 증가시킬 수 있다.
또한, 전류집적체기판과 탄소분말체와의 접촉 면적 증가에 의해 방전 시 전지 내부의 축열을 전류집적체기판을 통하여 전지의 외부로 원활하게 배출시킬 수 있다. 따라서, 전지의 과열에 의한 내부 구성부의 손상을 억제 혹은 방지할 수 있다.
또한, 양극 전극 내에서 방사형 구조 또는 적층형 구조로 배치되는 전류집적판에 의하여 각 전류집적판들을 양극 전극 내에 균일하게 분포시킬 수 있고, 탄소분말체의 전류집적판과 접하는 면을 향하는 방향으로의 두께가 감소될 수 있다. 따라서, 탄소분말체의 내부저항을 감소시킬 수 있고, 전지의 방전 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 전류집적체기판의 소정 영역에는 매시영역이 형성되며, 이에 탄소분말체와의 결합력이 증가될 수 있고, 이에 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 보빈형 리튬-염화티오닐 전지의 개략도.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전류집적체기판 및 이를 구비하는 전지의 개략도.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전류집적체기판 및 이를 구비하는 양극 전극의 개략도.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전류집적체기판 및 이를 구비하는 양극 전극의 개략도.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 변형 예들에 따른 전류집적체기판의 개략도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다. 단지 본 발명의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면은 실시 예를 설명하기 위해 그 크기가 과장될 수 있고, 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전류집적체기판 및 이를 구비하는 전지의 개략도이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전류집적체기판 및 이를 구비하는 양극 전극의 개략도이며, 도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전류집적체기판 및 이를 구비하는 양극 전극의 개략도이다. 또한, 도 5 내지 도 7은 본 발명의 변형 예들에 따른 전류집적체기판의 개략도이다.
본 발명의 실시 예들에 따른 전류집적체기판(210)은 탄소분말체(220)와의 접촉 면적을 종래보다 증가시키고, 양극 전극(200)의 전류밀도분포를 균일하게 조절하도록 방사형 구조로 배치되는 전류집적판(211)들 또는 적층형 구조로 배치되는 전류집적판(211a)들을 포함한다. 이에, 전류집적체기판(210)이 전지(1000)에 적용되는 경우, 전류집적체기판(210)은 전지(1000)의 방전 성능을 종래보다 향상시킬 수 있다.
예컨대, 종래와 동일한 규격 예컨대 외경, 높이 및 질량을 가지는 양극 전극(200)에 네 개의 전류집적판(211)이 후술하는 방사형 구조로 배치될 경우, 전류집적판(211)과 탄소분말체(220)의 접촉 면적은 종래보다 6 내지 7배 증가될 수 있고, 전지(1000)의 전류밀도는 종래보다 2배 이상 증가될 수 있다.
먼저, 본 발명의 실시 예들에 따른 전류집적체기판(210)을 구비하는 전지(1000)를 설명한다. 도 2를 참조하면, 전지(1000)는 상면이 개방된 케이스(100), 케이스(100)의 내부에 수용되는 양극 전극(200)과 격리 막(400)과 음극 전극(300), 케이스(100)의 상면에 결합되는 캡 조립체(500)를 포함한다. 여기서, 양극 전극(200)은 본 발명의 실시 예들에 따른 전류집적체기판(210) 및 전류집적체기판(210)에 피복되는 탄소분말체(220)를 포함한다.
케이스(100)는 내부에 소정 공간이 마련되고, 상면이 개방된 예컨대 원통 형상으로 제작될 수 있다. 물론 케이스(100)의 형상은 원통 형상에 한정하지 않으며, 내부에 양극 전극(200)과 격리 막(400)과 음극 전극(300)이 수용될 수 있는 것을 만족하는 다양한 형상 예컨대 사각통 형상일 수 있다. 케이스(100)의 내부에는 양극 전극(200), 격리 막(400), 음극 전극(300) 및 전해액이 수용된다. 이때, 케이스(100)의 중심으로부터 외측을 향하는 방향으로 양극 전극(200), 격리 막(400), 음극 전극(300)의 순서로 배치되어 극판 조립체를 형성하고, 극판 조립체는 예컨대 보빈형 결합 구조를 가지는 원통 형상의 극판 조립체일 수 있다.
전해액은 티오닐클로라이트(SOCl2)나 설퍼릴클로라이드(SO2Cl2)의 용매에 리튬염과 알루미늄염 또는 갈륨염을 용해시켜 제조되는 염화티오닐(thionyl chloride)이나 설퍼릴클로라이드(sulfuryl chloride) 전해액일 수 있다. 리튬염으로는 LiCl이 이용될 수 있으며, 알루미늄염으로는 AlCl3, 갈륨염으로는 GaCl3 이 이용될 수 있다. 전해액에는 전해질이온의 유동성을 조절하기 위하여 SO2 가 포함될 수 있다.
양극 전극(200)은 전류집적체기판(210)과 탄소분말체(220)를 포함할 수 있고, 본 발명의 실시 예들에 따른 전류집적체기판(210)을 마련한 후, 이의 외주면을 감싸도록 탄소분말을 전류집적체기판(210)에 피복하여 제작될 수 있다. 제작된 양극 전극(200)의 외형은 원통 형상을 가질 수 있다. 전류집적체기판(210)로부터 탄소분말체(220)로 전자가 공급될 수 있고, 전자는 탄소분말체(220)의 기공에 혼입된 액상의 염화티오닐과 반응하여 염화티오닐의 환원 반응이 일어날 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전류집적체기판(210) 및 이를 구비하는 전지(1000)의 개략도이고, 도 3(a) 내지 도 3(c)는 순차적으로 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전류집적체기판(210)의 개략도, 평면도 및 측면도이며, 도 5(a) 내지 도 5(c) 및 도 7(a)는 본 발명의 제1 실시 예의 변형 예들을 도시한 개략도이다.
이하에서는, 도 2, 도 3, 도 5 및 도 7(a)를 참조하여, 본 발명의 제1 실시 예 및 그 변형 예에 따른 전류집적체기판(210)을 설명한다. 전류집적체기판(210)은 전지(1000) 예컨대 보빈형(bobbin-type) 결합 구조의 전극을 구비하는 전지의 양극 전극의 적어도 일부를 형성하는 전류집적체기판(210)으로서, 복수개의 전류집적판(211)을 포함하고, 전류집적판(211)들은 전지(1000)의 길이방향 중심축을 중심으로 방사상으로 배치되는 방사형 구조를 형성한다. 또한, 전류집적체기판(210)은 전지(1000)의 길이방향으로 연장되는 지지대(212)를 포함할 수 있고, 전류집적판(211)들은 지지대(212)에 연결되어 지지될 수 있다.
전류집적판(211)은 그 재질로서 스테인리스 스틸, 니켈 및 니켈 합금 중 적어도 하나를 포함하며, 이에 탄소분말체에 전자를 용이하게 공급할 수 있다. 또한, 전류집적판(211)은 제작이 용이하도록 평면판의 형태로 제작될 수 있고, 도면으로 도시하지 않았으나, 탄소분말체(220)와의 접촉 면적을 보다 증가시키도록 곡면판의 형태로 제작될 수 있다. 또한, 전류집적판(211)은 탄소분말체(220)와의 결합력을 증가시키도록 적어도 일부에 매시(mesh)영역을 가질 수 있고, 도 7(a)에 도시된 바와 같이 전부에 매시영역을 가질 수 있다.
전류집적판(211)들은 전지(1000)의 길이방향 중심축을 중심으로 방사상으로 배치될 수 있다. 이때, 각각의 전류집적판(211)들은 균일한 전류밀도분포를 가질 수 있도록, 전지(1000)의 길이방향 중심축을 중심으로 서로 동일 각도 이격되어 배치될 수 있다. 전류집적체기판(210)은 지지대(212)를 더 구비할 수 있고, 전류집적판(211)들은 지지대(212)에 연결되어 지지될 수 있다. 물론, 이에 한정되지 않고, 전류집적판(211)들은 방사형 구조의 중심을 향하는 각각의 단부가 직접 결합될 수 있다. 본 발명의 제1 실시 예에서는 전류집적판(211)들을 전지(1000)의 중심축을 기준으로 방사상으로 배치함에 의하여 전류집적판(211)들을 양극 전극(200) 내에 균일하게 분포시킬 수 있고, 이로부터 전지(1000)의 전류밀도분포를 균일하게 조절할 수 있다.
전류집적판(211)은 방사형 구조의 경우 4 내지 16개 범위로 배치될 수 있다. 방사상으로 배치되는 전류집적판(211)의 개수가 4개 미만일 경우 접촉 면적이 목적하는 만큼 충분하게 증가되지 않고, 이로부터 전지(1000)의 방전 성능이 목적하는 만큼 향상되지 않는다. 그리고, 방사상으로 배치되는 전류집적판(211)의 개수가 16개를 초과하는 경우 전류집적판(211) 사이의 간격이 목적하는 간격에 비하여 좁아지게 되며, 전지(1000) 내에 충진되는 탄소분말의 량이 감소하게 되고, 이로부터 전지의 용량이 감소하게 된다. 즉, 전류집적판(211)의 개수는 전류집적체기판(210)이 적용되는 전지(1000)에서 목적하는 방전 성능을 위해 요구되는 탄소분말의 충진량 및 탄소분말과의 접촉 면적을 만족하도록 범위가 형성될 수 있다.
한편, 전류집적판(211)의 개수는 전류집적체기판(210)이 적용되는 전지(1000)의 크기(또는, 규격)에 대응하여 다양한 변형 예를 가질 수 있다. 이를 하기에서, 본 발명의 제2 실시 에에 따른 전류집적체기판(210a)을 설명한 이후에, 다시 상세하게 설명하기로 한다.
전류집적판(211)은 그 두께(t)가 전지(1000)의 길이방향 중심축의 외측을 향하는 방향으로 일정(도 3 참조)하거나, 외측으로 갈수록 감소(도 5(b)참조)할 수 있다. 전류집적판(211)의 두께(t)가 외측으로 갈수록 감소되는 경우 전류집적판(211)과 탄소분말체(220)와의 접촉 면적의 크기를 유지하면서 전지(1000) 내에 충진되는 탄소분말의 량을 증가시킬 수 있다.
또한, 전류집적판(211)은 그 폭(w)의 크기가 서로 다른 전류집적판(211)이 교대로 배치(도 5(a)참조)될 수 있다. 즉, 전류집적판(211)의 폭(w)의 크기를 조절함으로써 충진되는 탄소분말의 량을 목적하는 량으로 조절할 수 있다.
지지대(212)는 전지(1000) 내에서 그 중심축이 전지(1000)의 길이방향 중심축에 정렬되도록 전지(1000)의 길이방향으로 연장 형성되며, 그 외주면에 상술한 전류집적판(211)들이 방사상으로 연결될 수 있다. 지지대(212)의 재질은 전류집적판(211)의 재질과 동일한 재질일 수 있다. 지지대(212)는 예컨대 원형 단면을 가지는 길이 부재일 수 있고, 그 직경은 지지대(212)의 외주면에 연결되는 전류집적판(211)의 개수 및 전류집적판(211)의 두께(t)에 대응하여 형성되며, 연결되는 전류집적판(211)의 개수가 증가하는 경우 이를 수용하도록 그 직경이 증가될 수 있다(도 3 참조).
한편, 그 변형 예로서, 지지대(212')는 전류집적판(211)의 개수 증가에 대응하여 그 직경이 증가됨에 따라 지지대(212')의 무게 또는 단면적이 목적하는 크기를 넘어서는 것을 방지할 수 있는 길이방향의 중공을 가지는 파이프 형상의 부재일 수 있다(도 5(c)참조). 지지대(212')의 내측 상단에는 지지대(212')를 가로지르는 막대 형상의 제1 부재(213)가 마련되고, 제1 부재(213)의 길이방향의 중심위치에서 상측으로 돌출되는 원기둥 형상의 제2 부재(214)가 마련된다. 제2 부재(214)의 단부에 후술하는 양극핀(600)이 접촉되어 예컨대 웰딩에 의해 결합된다. 제1 부재(213), 및 제2 부재(214)는 지지대(212')의 재질과 동일한 재질일 수 있다.
본 발명의 제1 실시 예에서는 12 초과 16 이하의 개수의 전류집적판(211)이 방사형 구조로 연결되는 경우, 전류집적판(211)들은 파이프 형상의 지지대(212')에 연결되어 지지되며, 4 내지 12개의 전류집적판(211)이 방사형 구조로 연결되는 경우 전류집적판(211)들은 원기둥 형상의 지지대(212)에 연결된다.
한편, 지지대(212)는 상술한 형상에 한정하지 않으며, 양극 전극(200) 내에 방사상으로 배치되는 전류집적판(211)들을 지지할 수 있는 것을 만족하는 다양한 형상일 수 있다. 예컨대, 지지대는 원판 형상으로 제작되어 전류집적판(211)들이 그 상면 또는 하면에 결합 예컨대 웰딩(welding) 결합될 수 있다.
도 4(a) 내지 도 4(c)는 순차적으로 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전류집적체기판(210a)의 개략도, 평면도 및 측면도이며, 도 6(a) 내지 도 6(c) 및 도 7(b)는 본 발명의 제2 실시 예의 변형 예들을 도시한 개략도이다.
이하에서는, 도 4, 도 6 및 도 7(b)를 참조하여, 본 발명의 제2 실시 예 및 그 변형 예에 따른 전류집적체기판(210a)을 설명한다. 이때, 하기에서는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전류집적체기판(210)에 대한 상세한 설명과 중복되는 설명은 생략하거나 간단히 설명하기로 한다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 전류집적체기판(210a)은 전지(1000)의 양극 전극의 적어도 일부를 형성하는 전류집적체기판(210a)으로서, 복수개의 전류집적판(211a)을 포함하고, 전류집적판(211a)들은 전지(1000)의 길이방향으로 상호 이격되어 배치되는 적층형 구조를 형성한다. 전류집적체기판(210a)은 전지(1000)의 길이방향으로 연장되는 지지대(212)를 포함할 수 있고, 전류집적판(211a)들은 지지대(212)에 연결되어 지지될 수 있다.
전류집적판(211a)은 소정 두께를 가지는 평면원판의 형태로 제작될 수 있고, 도면으로 도시하지 않았으나, 탄소분말체(220)와의 접촉 면적을 보다 증가시키도록 곡면원판의 형태로 제작될 수 있다. 물론, 전류집적판(211a)의 형상은 원판 형상에 한정하지 않으며, 양극 전극(200) 및 이를 수용하는 케이스(100)의 내부형상에 따라 다양하게 변형 가능하다. 전류집적판(211a)는 예컨대 수평 방향으로 형성되는 사각판 형상으로 제작될 수 있다. 또한, 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 전류집적판(211a)은 탄소분말체(220)와의 결합력을 증가시키도록 매시(mesh)영역을 가질 수 있고, 매시 영역은 전류집적판(211a)의 적어도 일부(미도시) 또는 전부(도 7(b) 참조)에 형성될 수 있다.
전류집적판(211a)들은 전지(1000)의 길이방향으로 상호 이격되는 적층형 구조로 배치될 수 있다. 이때, 각각의 전류집적판(211a)들은 균일한 전류밀도분포를 가질 수 있도록, 전지(1000)의 길이방향으로 서로 동일 거리 이격되어 배치될 수 있다.
전류집적체기판(210a)은 지지대(212, 212')를 더 구비할 수 있고, 지지대(212, 212')는 전류집적판(211a)들의 중심위치를 관통하도록 전류집적판(211a)들에 연결되어 이들을 지지할 수 있다. 보다 상세하게는, 지지대(212, 212')는 전지(1000) 내에서 그 중심축이 전지(1000)의 길이방향 중심축에 정렬되도록 전지(1000)의 길이방향으로 연장 형성되며, 전류집적판(211a)의 중심위치를 관통하여 결합될 수 있다. 물론, 이에 한정되지 않고, 지지대(212, 212')는 전류집적판(211a)들의 중심위치에서 이격된 일측을 상하방향으로 관통하도록 전류집적판(211a)들에 연결되어 이들을 지지할 수 있다.
본 발명의 제2 실시 예에서는 전류집적판(211a)들을 전지(1000)의 길이방향으로 동일 거리 이격되도록 즉, 상하방향으로 이격되도록 배치함에 의하여 전류집적판(211a)들을 양극 전극(200) 내에 균일하게 분포시킬 수 있고, 이로부터 전지(1000)의 전류밀도분포를 균일하게 조절할 수 있다.
전류집적판(211a)은 적층형 구조의 경우 4 내지 20개 범위로 배치될 수 있다. 적층형으로 배치되는 전류집적판(211a)의 개수가 4개 미만일 경우 접촉 면적이 목적하는 만큼 충분하게 증가되지 않고, 이로부터 전지(1000)의 방전 성능이 목적하는 만큼 향상되지 않는다. 그리고, 적층형으로 배치되는 전류집적판(211a)의 개수가 20개를 초과하는 경우 전류집적판(211a) 사이의 간격이 목적하는 간격보다 좁아지게 되며, 전지(1000) 내에 충진되는 탄소분말의 량이 감소하게 되고, 이로부터 전지의 용량이 감소하게 된다. 즉, 전류집적판(211a)의 개수는 전류집적체기판(210a)이 적용되는 전지(1000)에서 목적하는 방전 성능을 위해 요구되는 탄소분말의 충진량 및 탄소분말과의 접촉 면적을 만족하도록 범위가 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전류집적판(211a)의 개수는 전류집적체기판(210a)이 적용되는 전지(1000)의 크기(또는, 규격)에 대응하여 다양한 변형 예를 가질 수 있다. 이를 하기에서, 본 발명의 실시 예들에 따른 전류집적체기판(210, 210a)의 기술적 특징을 설명하면서, 다시 상세하게 설명하기로 한다.
전류집적판(211a)은 그 두께(t)가 전지(1000)의 길이방향 중심축의 외측을 향하는 방향으로 일정(도 4참조)하거나, 외측으로 갈수록 감소(도 6(b)참조)할 수 있다. 또한, 전류집적판(211a)은 그 반경(R)의 크기가 서로 다른 전류집적판(211a)이 교대로 배치(도 6(a)참조)될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시 예들에 따른 전류집적판(211, 211a)의 개수의 범위를 상세히 설명한다. 전류집적판(211)은 전지(1000)의 목적하는 방전 성능(또는, 전류밀도)을 위해 요구되는 탄소분말의 충진량 및 탄소분말과의 접촉 면적을 만족하도록 개수의 범위가 형성되며, 이때, 전지(1000)의 크기(또는, 규격)에 대응하여 개수의 범위가 형성될 수 있다.
여기서, 전지(1000) 예컨대 원통 형상의 전지(1000)는 그 크기(또는, 표준 규격)에 따라 종류가 구분될 수 있고, 본 실시 예에서는 예컨대 C형 전지(C type battery), D형 전지(D type battery) 및 DD형 전지(DD type battery)를 기준으로 하여 전류집적판(211, 211a)의 개수의 범위를 다음과 같이 예시한다.
예컨대, C형 전지는 그 지름이 25mm 이고, 길이가 45mm인 규격으로 제조되는 원통형 전지이며, D형 전지는 그 지름이 33mm 이고, 길이가 61mm인 규격으로 제조되는 원통형 전지이고, DD형 전지는 그 지름이 33mm 이고, 길이가 125mm인 규격으로 제조되는 원통형 전지이다.
C형 전지에 적용되는 전류집적체기판(210, 210a)은 방사형 구조의 경우 4 내지 12개의 범위로 전류집적판(211)들이 배치되며, 적측형 구조의 경우 4 내지 8개의 범위로 전류집적판(211a)들이 배치될 수 있다.
또한, D형 전지에 적용되는 전류집적체기판(210, 210a)은 방사형 구조의 경우 6 내지 16개의 범위로 전류집적판(211)들이 배치되며, 적측형 구조의 경우 5 내지 10개의 범위로 전류집적판(211a)들이 배치될 수 있다.
또한, DD형 전지에 적용되는 전류집적체기판(210, 210a)은 방사형 구조의 경우 6 내지 16개의 범위로 전류집적판(211)들이 배치되며, 적측형 구조의 경우 10 내지 20개의 범위로 전류집적판(211a)들이 배치될 수 있다.
물론, 이에 한정하지 않고, 전류집적판(211)의 개수는 상술한 C형 전지, D형 전지 및 DD형 전지 이외의 전지에 적용되는 경우, 전지의 크기(또는, 규격)에 대응하여 그 개수의 범위가 다양하게 변형될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시 예들에 따른 전류집적체기판(210, 210a)의 기술적 특징을 설명함에 있어 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전류집적체기판(210)의 전류집적판(211)을 기준으로 하여 설명하며, 특별히 구분하지 않는 경우에는, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전류집적판(211)에 대한 기술적 특징들은 본 발명의 제2 실시 예 및 변형 예들에도 동일하게 적용 가능하다.
전류집적판(211)은 0.1㎜ 내지 0.5㎜의 두께를 가지도록 제작될 수 있다. 이때, 전류집적판(211)의 두께는 양극 전극(200)을 형성하는 탄소분말체(220)가 일정 규격 내에서 목적하는 중량 및 기공율을 가질 수 있도록 조절될 수 있다. 예컨대, 전류집적체기판(210)을 형성하는 전류집적판(211)의 개수가 많아질수록 각각의 전류집적판(211)의 두께가 얇아질 수 있다.
한편, 전류집적판(211)과 탄소분말체(220)의 접촉 면적이 넓어질수록 전지에 외부 충격이 가해질 수 외부 충격에 의한 탄소분말체(200)의 손상 예컨대 단락 면적이 증가할 수 있다. 이를 방지하고자, 즉, 전류집적판(211)과 탄소분말체(220)의 결합력을 증가시키도록, 각각의 전류집적판(211)은 적어도 일부 영역 또는 전부에 매시(mesh)가 형성될 수 있다. 이때, 매시영역은 0.01㎜ 내지 2.0㎜의 눈의 크기를 가지도록 형성될 수 있다. 매시 영역이 0.01㎜ 미만의 눈 크기를 가질 경우 전류집적판(211)과 탄소분말체(220)의 결합력의 증가가 미미하며, 2.0㎜ 초과의 눈 크기를 가질 경우 전류집적판(211)과 탄소분말체(220)의 접촉 면적이 목적하는 접촉 면적보다 감소될 수 있다. 즉, 전류집적판(211)에 매시 영역이 형성되는 경우, 목적하는 접촉 면적의 범위 내에서 목적하는 만큼 결합력이 증가될 수 있도록 매시 영역의 눈의 크기가 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이 형성되는 전류집적체기판(210)의 전류집적판(211)의 외측 단부는 탄소분말체(220)를 사이에 두고 격리 막(400)과 마주보고 배치될 수 있다. 이때, 제1 실시 예에 따른 전류집적판(211)의 폭(w) 또는 제2 실시 예에 따른 전류집적판(211a)의 반경(R)의 크기는 전지(1000)의 길이방향의 중심축에서 격리 막(400)까지의 거리(R0)보다 작을 수 있다. 또한, 전류집적판(211, 211a)들의 길이방향의 양단측 사이의 거리(L)는 음극 전극(300)의 길이(L0)보다 작을 수 있다.
즉, 전류집적판(211, 211a)은 케이스(100) 내에서 목적하는 탄소량이 유지되면서 면적을 가능한 증가시킬 수 있게 배치되는 것이 좋다. 따라서, 폭(w)(또는, 반경(R)) 및 길이(L)를 전지(1000)의 다른 구성부 예컨대 음극 전극(300), 격리 막(400)에 방해가 되지 않는 한 최대한 크게 한다. 즉, 폭(w)(또는, 반경(R))과 전지(1000)의 길이방향의 중심축에서 격리 막(400)까지의 거리(R0)와의 차이 간극(d)는 최대한 작게 한다. 이러한, 전류집적판(211, 211a)은 탄소분말체(220)를 사이에 두고 격리막(400)과 근접 배치되며, 이들 사이에는 실질적으로 틈이 없다.
탄소분말체(220)는 탄소 분말을 전류집적체기판(210)의 전체를 덮도록 도포하여 성형할 수 있고, 이에 전류집적판(211)들의 사이에는 탄소 분말이 채워질 수 있다. 또한, 탄소분말체(220)는 복수의 기공을 가지는 다공성 탄소분말체(220)일 수 있다. 탄소분말체(220)는 케이스(100)의 내주면의 형상에 대응하여 그 외주면의 형상이 형성될 수 있고, 예컨대 외형이 원통 형상을 갖도록 성형될 수 있다.
격리 막(400)은 예컨대 유리 섬유 재질의 파이프 형상의 막일 수 있고, 양극 전극(200)의 외주면을 감싸도록 배치되며, 음극 전극(300)과 양극 전극(200) 사이에 배치될 수 있다.
음극 전극(300)은 리튬 재질일 수 있고, 파이프 형상으로 형성되어 그 외주면이 케이스(100)의 내주면에 마주하여 접촉 배치되도록 케이스(100) 내에 수용될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예들에 따른 전지(1000)의 나머지 구성부를 설명한다. 격리 막(400)의 개방된 하면을 절연시키도록, 격리 막(400)의 개방된 하면에는 원판 형상의 하측 절연체(720)가 마련될 수 있다. 또한, 격리 막(400)의 개방된 상면를 절연시키도록, 격리 막(400)의 개방된 상면에는 원판 형상의 상측 절연체(710)가 마련될 수 있다. 이때, 상측 절연체(710)의 끝단은 케이스(100)의 내주면과 연결되도록 연장 형성될 수 있다. 상측 절연체(710) 및 하측 절연체(720)의 재질은 격리 막(400)의 재질과 동일한 재질일 수 있다. 케이스(100)의 개방된 상면에는 이를 밀폐시키도록 캡 조립체(500)가 마련될 수 있다. 양극 핀(600)은 전극 단자의 역할을 하도록 예컨대 니켈-철 합금 재질일 수 있고, 전지(1000)의 상측에서 캡 조립체(500)와 상측 절연체(710)을 관통하여 장착되며, 그 단부가 전류집적체기판(210)의 지지대(212) 또는 전류집적판(211)에 연결될 수 있다. 양극핀(600)과 전류집적판(211)(또는, 지지대(212))은 서로 접촉 결합되며, 예를 들면, 스팟 웰딩으로 결합된다. 양극핀(600)은 중앙의 지지대(212)와 연결되어도 되고, 집적판(211)과 직접 연결되어도 된다. 예를 들면 지지대(212)가 전류집적판(211) 상측으로 돌출되고 여기에 양극핀(600)이 접촉되며, 이들 사이를 웰딩으로 결합한다. 양극 핀(600)과 캡 조립체(500)의 사이에는 양극 핀(600)과 캡 조립체(500)의 사이를 밀봉하며, 양극 핀(600)이 캡 조립체(500)에 접촉되지 않도록, 밀봉부(510)가 마련될 수 있다.
상술한 바와 같이 형성되는 전류집적체기판(210, 210a)은 방사형 구조 또는 적층형 구조로 형성되는 복수개의 전류집적판(211, 211a)에 의해 탄소분말체(220)와의 접촉 면적을 증가시킬 수 있다. 또한, 탄소분말체(220)는 전류집적판(211, 211a)과 접하는 면을 향하는 방향으로의 두께가 종래보다 감소될 수 있고, 이에 탄소분말체(220)의 내부저항을 감소시킬 수 있다. 따라서, 전지(1000)의 방전 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 접촉 면적의 증가에 의해 방열이 원활할 수 있고, 이에 내부 구성부의 손상을 억제 혹은 방지 가능하다. 이외에도 전류집적판(211, 211a)의 일부 또는 전체 영역에 매시가 형성될 수 있고, 이에 탄소분말체(220)와의 결합력이 증가될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 전류집적체기판(210)이 적용된 전지(1000)는 그 안전성 및 방전 성능이 종래에 비하여 향상될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예들에 따른 전류집적체기판(210)은 이를 사용하는 전지의 종류를 특별히 한정하는 것은 아니나, 본 발명의 실시 예들에 따른 전류집적체기판(210)을 구비하는 전지(1000)는 예컨대 Li-SOCl2 전지, Li-SO2Cl2 전지, Li-SO2Cl2+Cl2 전지 Li-SO2 전지 및 BCX Li-SOCl2 전지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 물론, 전류집적체기판(210)이 구비되는 전지의 종류는 특별히 한정하지 않으며, 예컨대 보빈형(bobbin-type) 결합 구조의 전극을 가지는 각종 전지에 적용될 수 있다.
본 발명의 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명이 해당되는 기술분야에서의 업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100: 케이스 200: 양극 전극
210: 전류집적체기판 211: 전류집적판
220: 탄소분말체 300: 음극 전극
400: 격리 막 500: 캡 조립체

Claims (14)

  1. 전지의 양극 전극의 일부를 형성하는 전류집적체기판으로서,
    복수개의 전류집적판;을 포함하고,
    상기 전류집적판들은 상기 전지의 길이방향 중심축을 중심으로 방사상으로 배치되는 방사형 구조를 형성하거나, 상기 전지의 길이방향으로 상호 이격되어 배치되는 적층형 구조를 형성하는 전류집적체기판.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전지의 길이방향으로 연장되는 지지대를 포함하고,
    상기 전류집적판들은 상기 지지대에 연결되어 지지되는 전류집적체기판.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류집적판은 상기 방사형 구조의 경우 4 내지 16개 범위로 배치되며, 상기 적층형 구조의 경우 4 내지 20개 범위로 배치되는 전류집적체기판.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류집적판은 두께가 일정하거나 외측으로 갈수록 두께가 감소하는 전류집적체기판.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류집적판들은 폭 또는 반경의 크기가 서로 다른 집적판이 교대로 배치되는 전류집적체기판.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류집적판은 적어도 일부에 매시(mesh)영역을 가지는 전류집적체기판.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류집적판은 0.1mm 내지 0.5mm의 두께를 가지는 전류집적체기판.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 매시영역은 0.01mm 내지 2.0mm의 눈 크기를 가지는 전류집적체기판.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류집적판의 재질은 스테인리스 스틸, 니켈 및 니켈 합금 중 적어도 하나를 포함하는 전류집적체기판.
  10. 상면이 개방된 케이스;
    상기 케이스의 내부에 수용되는 양극 전극, 격리 막 및 음극 전극;
    상기 케이스의 상면에 결합되는 캡 조립체;를 포함하고,
    상기 양극 전극은 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 하나의 전류집적체기판 및 상기 전류집적체기판에 피복되는 탄소분말체를 포함하는 전지.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 전류집적체기판의 상기 전류집적판의 외측 단부는 상기 탄소분말체를 사이에 두고 상기 격리 막과 마주보고 배치되는 전지.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 전류집적체기판의 상기 전류집적판의 폭 혹은 반경의 크기는 길이방향의 중심축에서 상기 격리 막까지의 거리보다 작은 전지.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 전류집적체기판의 상기 전류집적판들의 길이방향의 양단측 사이의 거리는 상기 음극 전극의 길이보다 작은 전지.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 전지는 Li-SOCl2 전지, Li-SO2Cl2 전지, Li-SO2Cl2+Cl2 전지 Li-SO2 전지 및 BCX Li-SOCl2 전지 중 적어도 하나를 포함하는 전지.
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