KR102609056B1 - 비대칭 카본 양극 전극을 갖는 리튬 1차 전지 - Google Patents

비대칭 카본 양극 전극을 갖는 리튬 1차 전지 Download PDF

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Abstract

1차 전지가 제공된다. 상기 1차 전지는 일단과 타단이 마주보도록 만곡되고, 음극 집전체에 금속막이 코팅된 음극(Anode), 및 상기 음극을 감싸도록 배치되고, 양극 집전체에 카본(carbon)막이 코팅된 양극(Cathode)을 포함하되, 상기 양극의 일단은 상기 음극의 일단과 타단 사이로 삽입되어 상기 음극의 내측을 감싸고, 상기 양극의 타단은 상기 음극의 일단과 타단 사이로부터 인출되어 상기 음극의 외측을 감싸는 것을 포함할 수 있다.

Description

비대칭 카본 양극 전극을 갖는 리튬 1차 전지 {Lithium primary battery with asymmetric carbon anode electrode}
본 발명은 1차 전지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 케이스 내에 양극, 음극, 분리막, 및 전해액이 수용된 리튬 1차 전지에 관련된 것이다.
1차 전지는 전지 내의 전기화학반응이 비가역적 이기때문에 한 번 쓰고 버려야 하는 일회용 전지를 일컫는다.　충전하여 재사용이 가능한　2차 전지와는 달리, 1차 전지는 전지 내에 전류를 흘려 줌으로써　방전　시에 일어난 화학 반응을 역으로 되돌리는 것이 불가능하다. 화학반응자들(리튬 전지에서의　리튬과 같은　원소들)은 전지에 역방향의 전류를 걸어 준다고 해서 본래의 위치로 되돌아가지 않으며, 따라서 전지의 용량이 회복되지도 않는다. 1차 전지는 양극과 음극 중 어느 한쪽, 또는 양쪽 모두를 소진함으로써 수명을 다한다.
이러한 1차 전지 중 리튬 전지는 　리튬이나 리튬 혼합물을　음극으로 사용하는　전지를 말한다. 전지에 사용되는 화학물질이나 그 설계에 따라서 망간 전지나　알칼리 전지의 출력전압의 2배 가량인 1.5 V~3.7 V의 전압을 낼 수 있어 다양한 연구가 이루어지고 있다.
예를 들어, 대한민국 특허 등록번호 10-1756401(출원번호: 10-2016-0160310, 출원인: 한국과학기술원, 주식회사 풍산)에는, 음극, 양극, 전해액 및 분리막을 포함하며, 상기 음극은 리튬을 포함하고, 상기 양극은 불화흑연 및 이산화망간의 복합체를 포함하며, 상기 전해액은 리튬염 및 카보네이트계 혼합물 용매를 포함하고, 불화흑연은 CFx로 표시되며, 상기 x는 0.5이고, 상기 이산화망간은 스피넬 구조를 가지며, 상기 카보네이트계 혼합물 용매는 에틸렌 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트 및 에틸메틸 카보네이트가 10:5:5:80 부피비로 혼합된 리튬 일차 전지가 개시되어 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 안정성이 향상된 비대칭 카본 양극 전극을 갖는 리튬 1차 전지를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 카본(carbon)의 이용 효율이 향상된 비대칭 카본 양극 전극을 갖는 리튬 1차 전지를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 작동 전압이 증가된 비대칭 카본 양극 전극을 갖는 리튬 1차 전지를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 중출력 및 저출력 환경에서도 향상된 용량 특성을 갖는 비대칭 카본 양극 전극을 갖는 리튬 1차 전지를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제들을 해결하기 위하여, 본 발명은 1차 전지를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 1차 전지는 전해액이 수용되는 케이스, 상기 케이스 내에 배치되고 양극 집전체의 상부면과 하부면에 카본(carbon)막이 코팅된 양극(Cathode), 상기 양극과 대향하고 음극 집전체의 상부면과 하부면에 금속막이 코팅된 음극(Anode), 및 상기 양극과 음극 사이에 배치되는 분리막을 포함하되, 상기 양극 집전체의 상부면은, 상기 카본막이 코팅되어 상기 양극 집전체가 외부에 노출되지 않는 제1 상부 영역, 및 상기 카본막이 코팅되지 않아 상기 양극 집전체가 외부에 노출되는 제2 상부 영역을 포함하고, 상기 양극 집전체의 하부면은, 상기 카본막이 코팅되어 상기 양극 집전체가 외부에 노출되지 않는 제1 하부 영역, 및 상기 카본막이 코팅되지 않아 상기 양극 집전체가 외부에 노출되는 제2 하부 영역을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 양극 집전체의 상기 제2 상부 영역은 상기 양극 집전체의 상기 제1 하부 영역과 대향하고, 상기 양극 집전체의 상기 제2 하부 영역은 상기 양극 집전체의 상기 제1 상부 영역과 대향하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 1차 전지는 상기 양극 집전체의 상기 제2 상부 영역, 또는 상기 제2 하부 영역 중 어느 하나에 배치되는 리드(lead)를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 적층된 상기 양극, 상기 음극, 및 상기 분리막은 상기 케이스 내부에 롤 형태로 감겨서 배치되되, 상기 케이스의 내벽은, 상기 양극 및 상기 음극 중 상기 양극과 인접하는 것을 포함할 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 1차 전지는 일단과 타단이 마주보도록 만곡되고, 음극 집전체에 금속막이 코팅된 음극(Anode), 및 상기 음극을 감싸도록 배치되고, 양극 집전체에 카본(carbon)막이 코팅된 양극(Cathode)을 포함하되, 상기 양극의 일단은 상기 음극의 일단과 타단 사이로 삽입되어 상기 음극의 내측을 감싸고, 상기 양극의 타단은 상기 음극의 일단과 타단 사이로부터 인출되어 상기 음극의 외측을 감싸는 것을 포함할 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 음극 및 상기 양극의 접촉을 방지하는 분리막을 더 포함하되, 상기 분리막은 상기 음극을 감싸도록 배치되고, 상기 양극은 상기 분리막에 의하여 감싸진 상기 음극을 감싸는 것을 포함할 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 음극 집전체의 상부에서 돌출되도록, 상기 음극 집전체와 결합되는 리드를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 1차 전지는, 전해액이 수용되는 케이스, 상기 케이스 내에 배치되고 양극 집전체의 상부면과 하부면에 카본(carbon)막이 코팅된 양극(Cathode), 상기 양극과 대향하고 음극 집전체의 상부면과 하부면에 금속막이 코팅된 음극(Anode), 및 상기 양극과 음극 사이에 배치되는 분리막을 포함하되, 상기 양극 집전체의 상부면은, 상기 카본막이 코팅되어 상기 양극 집전체가 외부에 노출되지 않는 제1 상부 영역, 및 상기 카본막이 코팅되지 않아 상기 양극 집전체가 외부에 노출되는 제2 상부 영역을 포함하고, 상기 양극 집전체의 하부면은, 상기 카본막이 코팅되어 상기 양극 집전체가 외부에 노출되지 않는 제1 하부 영역, 및 상기 카본막이 코팅되지 않아 상기 양극 집전체가 외부에 노출되는 제2 하부 영역을 포함할 수 있다.
이에 따라, 상극 양극 집전체 상에 코팅되는 상기 카본막의 부피가 작아지므로, 상기 카본막이 코팅되지 않은 공간에 해당하는 만큼, 상기 전해액이 상기 케이스 내부에 더 수용될 수 있다. 이로 인해, 상기 실시 예에 따른 1차 전지는, 상기 음극 집전체 상에 배치된 상기 금속막(예를 들어, 리튬막)이 완전히 소진됨에도 불구하고, 상기 전해액이 상기 케이스 내부에 잔존되므로, 상기 1차 전지 내부의 건조 문제가 해결되어 안전사고가 예방될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 1차 전지의 절개 사시도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 1차 전지가 포함하는 양극의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 1차 전지가 포함하는 양극의 상부면의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 1차 전지가 포함하는 양극의 하부면의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 1차 전지의 절개 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 1차 전지의 횡단면도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 1차 전지가 포함하는 양극 집전체 및 리드를 나타내는 도면이다.
도 9는 종래 와운드형 리튬 1차 전지의 횡단면도이다.
도 10은 본 발명의 제1 변형 예에 따른 1차 전지가 포함하는 양극의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제2 변형 예에 따른 1차 전지가 포함하는 양극의 단면도이다.
도 12는 본 발명의 비교 예에 따른 1차 전지의 방전 결과를 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 1차 전지의 방전 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다.
여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 1차 전지의 절개 사시도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 1차 전지가 포함하는 양극의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 1차 전지가 포함하는 양극의 상부면의 사시도이고, 도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 1차 전지가 포함하는 양극의 하부면의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 1차 전지(10)는, 케이스(100), 양극(200), 음극(300), 및 분리막(400)을 포함할 수 있다. 이하, 각 구성에 대해 설명된다.
상기 케이스(100)는 내부에 수용 공간을 갖는 원통 형상일 수 있다. 상기 케이스(100) 내에는, 상기 양극(Cathode, 200), 상기 음극(Anode, 300), 및 상기 분리막(400)이 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 분리막(400)은 상기 양극(200) 및 상기 음극(300) 사이에 배치되고, 상기 음극(300), 상기 분리막(400), 및 상기 양극(200)이 순차적으로 적층된 구조체가 상기 케이스(100) 내부에 롤 형태로 감겨서 배치될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 양극(200)이 상기 케이스(100)의 내벽과 인접하도록 배치되고, 상기 케이스(100)의 내벽과 인접하도록 배치된 상기 양극(200) 및 상기 케이스(100)의 내벽 사이에 상기 분리막(400)이 더 배치될 수 있다.
또한, 상기 케이스(100) 내에는 전해액이 수용될 수 있다. 예를 들어, 상기 전해액은, 염화티오닐(SOCl2)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 1차 전지(10)에 부하가 인가되는 경우, 상기 전해액과 상기 양극(200) 및 상기 음극(300)의 산화 환원반응에 의하여 화학에너지가 전기에너지로 변환되어 전류가 발생될 수 있다.
상기 음극(300)은, 음극 집전체(미표시) 및 금속막(미표시)을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 음극 집전체는 금속으로 이루어진 망(net) 형태를 가질 수 있다. 상기 금속막은, 상기 음극 집전체의 상부면 및 하부면에 코팅된 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기 금속막은, 리튬(lithium)을 포함할 수 있다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 상기 양극(200)은, 양극 집전체(210) 및 카본막(carbon layer, 220)을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 양극 집전체(210)는 금속으로 이루어진 망(net) 형태를 가질 수 있다.
상기 양극 집전체(210)의 상부면(211)은 제1 상부 영역(211a) 및 제2 상부 영역(211b)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 양극 집전체(210)의 하부면(212)은 제1 하부 영역(212a) 및 제2 하부 영역(212b)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 상부면(211)의 상기 제1 상부 영역(211a) 및 상기 하부면(212)의 상기 제1 하부 영역(212a) 상에는, 상기 카본막(220)이 코팅된 형태로 제공될 수 있다. 이와 달리, 상기 상부면(211)의 상기 제2 상부 영역(211b) 및 상기 하부면(212)의 상기 제2 하부 영역(212b) 상에는, 상기 카본막(220)이 제공되지 않을 수 있다.
이에 따라, 상기 상부면(211)의 상기 제1 상부 영역(211a)은 상기 카본막(220)에 의하여 상기 양극 집전체(210)가 외부에 노출되지 않는 반면, 상기 상부면(211)의 상기 제2 상부 영역(211b)은 상기 카본막(220)에 의하여 상기 양극 집전체(210)가 외부에 노출될 수 있다. 또한, 상기 하부면(212)의 상기 제1 하부 영역(212a)은 상기 카본막(220)에 의하여 상기 양극 집전체(210)가 외부에 노출되지 않는 반면, 상기 하부면(212)의 상기 제2 하부 영역(212b)은 상기 카본막(220)에 의하여 상기 양극 집전체(210)가 외부에 노출될 수 있다.
상기 양극 집전체(210)의 상기 제2 상부 영역(211b), 또는 상기 제2 하부 영역(212b) 중 어느 하나에는 리드(lead, 500)가 배치될 수 있다. 즉, 상기 리드(500)는 상기 양극 집전체(210)의 상기 상부면(211) 또는 상기 하부면(212) 중 어느 하나의 면에 배치되되, 상기 양극 집전체(210)가 외부에 노출되는 영역 상에 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 양극 집전체(210)의 상기 제2 상부 영역(211b)은 상기 양극 집전체(210)의 상기 제1 하부 영역(212a)과 대향하고, 상기 양극 집전체(210)의 상기 제2 하부 영역(212b)은 상기 양극 집전체(210)의 상기 제1 상부 영역(211a)과 대향하도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 양극 집전체(210)가 노출되는 상기 제2 상부 영역(211b) 및 상기 제2 하부 영역(212b)은 서로 어긋나도록 형성될 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 실시 예에 따른 1차 전지(10)는, 상기 케이스(100) 내부에 상대적으로 많은 양의 전해액이 수용될 수 있으므로, 리튬의 고갈로 인한 안전사고 발생이 예방될 수 있다.
보다 구체적으로, 종래의 리튬 1차 전지의 경우, 전기화학반응 되는 리튬막이 전해액의 사용에 따라 함께 소모되었다. 이러한 종래의 리튬 1차 전지는, 방전 말기에 전해액이 양극(cathode)의 활물질 역할을 하게 됨으로써, 리튬막이 완전히 소진되었음에도 불구하고, 방전이 진행되면서 전해액이 고갈되고 부산물로서 황이 생성되었다. 이에 따라, 1차 전지의 내부가 건조되므로, 내부단락이나 비가역적 화학반응 등으로 인한 안전사고가 발생되는 문제점이 있었다.
하지만, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 1차 전지(10)는, 상술된 바와 같이, 상기 양극 집전체(210)의 상기 상부면(211) 및 상기 하부면(212)에 각각, 상기 카본막(220)이 형성되지 않음으로써 상기 양극 집전체(210)의 적어도 일 영역이 외부에 노출될 수 있다. 이에 따라, 상극 양극 집전체(210) 상에 코팅되는 상기 카본막(220)의 부피가 작아지므로, 상기 카본막(220)이 코팅되지 않은 공간에 해당하는 만큼, 상기 전해액이 상기 케이스(100) 내부에 더 수용될 수 있다. 이로 인해, 상기 제1 실시 예에 따른 1차 전지(10)는, 상기 음극 집전체 상에 배치된 상기 금속막(예를 들어, 리튬막)이 완전히 소진됨에도 불구하고, 상기 전해액이 상기 케이스(100) 내부에 잔존되므로, 상기 1차 전지(10) 내부의 건조 문제가 해결되어 안전사고가 예방될 수 있다.
또한, 상기 제1 실시 예에 따른 1차 전지(10)는, 상술된 바와 같이, 상기 음극(300), 상기 분리막(400), 및 상기 양극(200)이 적층된 구조체가 상기 케이스(100) 내부에 감긴 형태로 배치되되, 상기 음극(300) 또는 상기 양극(200) 중 상기 양극(200)이 상기 케이스(100)의 내부와 인접하도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 음극(300)의 면적과 비교하여 상기 양극(200)의 면적이 상대적으로 증가하여 작동 전압이 증가되고, 카본(carbon)의 이용효율이 증대될 수 있으며, 상기 금속막(예를 들어, 리튬막)을 포함하는 상기 음극(300)과의 반응 효율이 향상될 수 있다.
이상, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 1차 전지가 설명되었다. 이하, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 1차 전지가 설명된다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 1차 전지의 절개 사시도이고, 도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 1차 전지의 횡단면도이고, 도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 1차 전지가 포함하는 양극 집전체 및 리드를 나타내는 도면이고, 도 9는 종래 바빈형 리튬 1차 전지의 횡단면도이고, 도 10은 종래 와운드형 리튬 1차 전지의 횡단면도이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 상기 제2 실시 예에 따른 1차 전지(10)는 케이스(100), 양극(200), 음극(300), 분리막(400), 및 리드(500)를 포함할 수 있다. 이하, 각 구성에 대해 설명된다.
상기 케이스(100)는 내부에 수용 공간을 갖는 원통 형상일 수 있다. 상기 케이스(100) 내에는, 상기 양극(Cathode, 200), 상기 음극(Anode, 300), 상기 분리막(400), 및 상기 리드(500)가 배치될 수 있다. 또한, 상기 케이스(100) 내에는 전해액이 수용될 수 있다. 예를 들어, 상기 전해액은, 염화티오닐(SOCl2)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 1차 전지(10)에 부하가 인가되는 경우, 상기 전해액과 상기 양극(200) 및 상기 음극(300)의 산화 환원반응에 의하여 화학에너지가 전기에너지로 변환되어 전류가 발생될 수 있다.
상기 음극(300)은 음극 집전체(310) 및 금속막(320)을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 금속막(320)은, 상기 음극 집전체(310)의 표면을 코팅하는 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기 금속막(320)은 리튬(lithium)을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 음극 집전체(310)는 금속으로 이루어진 망(net) 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 음극 집전체(310)를 구성하는 금속은 니켈(Ni)일 일 수 있다. 상기 음극 집전체(310)는, 상기 금속막(미표시)으로부터 제공되는 전자를 수집하고, 전자가 움직일 수 있는 통로를 제공할 수 있다. 상기 음극(300)은, 일단과 타단이 마주보도록 만곡된 형태로 상기 케이스(100) 내에 배치될 수 있다.
상기 리드(500)는 상기 음극 집전체(310)의 상부에서 돌출되도록, 상기 음극 집전체(310)와 결합될 수 있다. 이에 따라, 상기 1차 전지(10) 내에 과전류가 흐르는 경우, 상기 리드(500)가 용이하게 단락되어 과전류로 인한 상기 제1 전지(10)의 파손이 예방될 수 있다.
상기 분리막(400)은 상기 음극(300)을 감싸도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 분리막(400)은 상기 음극(300) 및 후술되는 양극(200)의 직접적인 접촉을 방지할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 분리막(400)은 유리질 부직포로 형성될 수 있다.
상기 양극(200)은, 양극 집전체(미표시) 및 카본막(미표시)을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 양극 집전체는 금속으로 이루어진 망(net) 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 양극 집전체를 구성하는 금속은 니켈(Ni)일 일 수 있다. 상기 양극 집전체는, 상기 카본막으로부터 제공되는 전자를 수집하고, 전자가 움직일 수 있는 통로를 제공할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 카본막은 상기 양극 집전체의 표면을 코팅하는 형태로 제공될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 카본막은 롤 코팅(Roll coating) 방식으로 상기 양극 집전체 상에 제공될 수 있다. 이에 따라, 상기 양극(200)의 대량 생산이 용이해짐으로, 상기 1차 전지(10)의 대량 생산 효율이 향상될 수 있다. 예를 들어, 상기 카본막은 0.5T ~ 2.0T의 두께로 제공될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 양극 집전체와 상기 카본막 사이의 접착력을 향상시키기 위하여, 상기 카본막이 코팅되기 전, 상기 양극 집전체 상에 바인더가 제공될 수 있다.
상기 양극(200)은, 상기 분리막(400)에 의해 감싸진 상기 음극(300)을 감싸도록 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 양극(200)의 일단은 상기 분리막(400)에 의해 감싸진 상기 음극(300)의 일단과 타단 사이로 삽입되어 상기 분리막(400)에 의해 감싸진 상기 음극(300)의 내측을 감쌀 수 있다. 또한, 상기 양극(200)의 타단은 상기 분리막(400)에 의해 감싸진 상기 음극(300)의 일단과 타단 사이로부터 인출되어 상기 음극(300)의 외측을 감쌀 수 있다. 이에 따라, 상기 양극(200)은 상기 음극(300)의 내측 및 외측을 함께 감쌀 수 있다.
상술된 바와 달리, 상기 양극(200)이 일단과 타단이 마주보도록 만곡된 형태를 갖고, 상기 음극(300)이 상기 양극(200)을 감싸는 형태를 갖는 경우, 상기 양극(200)의 길이가 상대적으로 짧아짐으로써, 상기 양극 집전체 상에 배치되는 상기 카본막의 두께가 상대적으로 두꺼워질 수 있다. 이로 인해, 상기 카본막과 상기 양극 집전체 사이의 부착력을 향상시키기 위한 바인더의 함량이 증가되므로, 제조 가격이 상승하고 저항이 증가하는 문제점이 발생될 수 있다.
반면, 상술된 바와 같이, 상기 제2 실시 예에 따른 1차 전지(10)는, 상기 음극(300)이 일단과 타단이 마주보도록 만곡된 형태를 갖고, 상기 양극(200)이 상기 음극(300)을 감싸는 형태를 가짐으로써, 상기 양극(200)의 길이가 상대적으로 길어져, 상기 양극 집전체 상에 배치되는 상기 카본막의 두께가 상대적으로 얇아질 수 있다. 이로 인해, 상기 카본막과 상기 양극 집전체 사이의 부착력을 향상시키기 위한 바인더의 함량이 감소되므로, 상대적으로 제조 가격 및 저항이 감소될 수 있다.
또한, 상기 제2 실시 예에 따른 1차 전지(10)는 종래의 와운드(WOUND)형 1차 전지와 비교하여 상대적으로 적은 권취로 형성되므로, 외부 충격에 의한 양극 및 음극의 단락이나 쇼트가 감소되어, 안정성이 향상될 수 있다. 또한, 종래의 바빈(BOBBIN)형 1차 전지와 비교하여 양극과 음극 사이의 활성 면적이 넓으므로, 출력 및 방전 용량이 향상될 수 있다.
보다 구체적으로, 종래의 바빈(BOBBIN)형 1차 전지는, 케이스(100) 내부에 양극(200), 음극(300), 및 분리막(400)이 배치되되, 원통형의 양극(200) 내주면에 양극 집전체(210)가 삽입되고, 양극(200)의 외주면에 유리질 부직포로 이루어진 분리막(300)이 배치되며, 분리막(300)의 외측을 음극(400)으로 감싼 형태를 갖는다. 이러한 바빈형 1차 전지는, 양극(200)에 음극(300)을 1회 감싸준 형태이므로, 안정성이 우수하고 저전류 방전 용량 특성이 우수하지만, 양극(200)과 음극(300) 사이의 활성 면적이 작아서 출력이 낮고 방전 용량이 현저하게 저하되는 문제점이 있었다.
또한, 도 9를 참조하면, 종래의 와운드(WOUND)형 1차 전지는, 케이스(100) 내부에 양극(200), 음극(300), 및 분리막(400)이 배치되되, 양극(200), 분리막(400), 및 음극(300)이 순차적으로 적층된 구조체가, 상기 케이스(100) 내에 원형(round)으로 수 회 권취된 형태를 갖는다. 이러한 와운드형 1차 전지는, 양극(200) 및 음극(300) 사이의 활성면적이 넓어져 고전류를 방전할 수 있어 출력특성이 우수하지만, 고전류 방전에 따른 전류의 흐름이 많아 열이 쉽게 발생되고, 넓은 활성면적으로 인하여 양극(200) 및 음극(300) 사이의 접촉이 쉽게 발생되므로, 외부 충격으로 인한 화재 또는 폭발 등의 사고에 취약한 문제점이 있었다. 또한, 고출력보다 낮은 중출력 또는 저출력 용으로 사용되는 경우, 용량 특성이 낮은 문제점이 있었다.
하지만, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 1차 전지는, 상술된 바와 같이, 일단과 타단이 마주보도록 만곡된 상기 음극(300), 및 상기 음극(300)을 감싸도록 배치되는 상기 양극(200)을 포함하되, 상기 양극(200)의 일단은 상기 음극(300)의 일단과 타단 사이로 삽입되어 상기 음극의 내측을 감싸고, 상기 양극(200)의 타단은 상기 음극(300)의 일단과 타단 사이로부터 인출되어 상기 음극(300)의 외측을 감쌀 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 실시 예에 따른 1차 전지는, 종래의 와운드형 1차 전지와 비교하여, 상대적으로 적은 권취를 가짐으로, 외부 충격에 의한 단락이나 쇼트 문제가 감사되어 안정성이 향상될 수 있다.
또한, 상기 양극(200)이 상기 음극(300)에 대하여 내측과 외측을 함께 감쌈으로, 종래의 와운드형 1차 전지와 비교하여, 상기 양극(200)과 상기 음극(300) 사이의 활성면적이 상대적으로 작아, 중출력 및 저출력 환경에서도 향상된 용량 특성을 가질 수 있다.
이상, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 1차 전지가 설명되었다. 이하, 본 발명의 제1 변형 예 및 제2 변형 예에 따른 1차 전지가 설명된다.
본 발명의 제1 변형 예 및 제2 변형 예에 따른 1차 전지는, 도 6 내지 도 8을 참조하여 설명된 본 발명의 제2 실시 예에 따른 1차 전지와 같을 수 있다. 다만, 본 발명의 제1 변형 예 및 제2 변형 예에 따른 1차 전지는, 상술된 제2 실시 예에 따른 1차 전지와 비교하여, 양극(200)의 구성이 다를 수 있다. 이하, 본 발명의 제1 변형 예 및 제2 변형 예에 따른 1차 전지가 포함하는 양극이 구체적으로 설명된다.
도 10은 본 발명의 제1 변형 예에 따른 1차 전지가 포함하는 양극의 단면도이다.
도 10을 참조하면, 상기 제1 변형 예에 따른 1차 전지가 포함하는 양극(200)은, 양극 집전체(210), 상기 양극 집전체(210)의 상부면에 형성되는 제1 카본막(221), 및 상기 양극 집전체(210)의 하부면에 형성되는 제2 카본막(222)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 카본막(221) 및 상기 제2 카본막(222)은 기공의 밀도가 서로 다를 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 카본막(221)은 기공의 밀도가 상대적으로 낮고, 상기 제2 카본막(222)은 기공의 밀도가 상대적으로 높을 수 있다. 예를 들어, 상기 양극 집전체(210) 상에 상기 제1 카본막(221) 및 상기 제2 카본막(222)을 코팅하는 과정에서, 상기 제1 카본막(221)에는 상대적으로 높은 압력을 인가하는 반면 상기 제2 카본막(222)에는 상대적으로 낮은 압력을 인가함으로써, 상기 제1 카본막(221) 및 상기 제2 카본막(222)의 기공의 밀도를 서로 다르게 형성할 수 있다.
상기 제2 실시 예에 따른 1차 전지에서 설명된 바와 같이, 상기 양극(200)은 상기 음극(300)의 내측 및 외측을 함께 감싸도록 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 카본막(221)은 상기 케이스(100)의 내측벽과 인접하도록 배치될 수 있다. 반면, 상기 제2 카본막(222)은 상기 음극(300)의 일단과 타단 사이 내부 공간에 노출되도록 배치될 수 있다.
이에 따라, 상기 양극(200)과 상기 케이스(100)의 내벽 사이에 상대적으로 기공의 밀도가 낮은 상기 제1 카본막(221)이 배치됨으로써, 상기 양극(200)과 상기 케이스(100) 사이의 부착력이 향상될 수 있다. 또한, 전해액이 상대적으로 많이 분포되어 있는 상기 음극(300)의 일단과 타단 사이 내부 공간에 상대적으로 기공의 밀도가 높은 상기 제2 카본막(222)이 배치됨으로써, 카본막의 전해액 흡수 효율이 향상되어, 카본막의 활성 효율이 향상될 수 있다.
도 11은 본 발명의 제2 변형 예에 따른 1차 전지가 포함하는 양극의 단면도이다.
도 11을 참조하면, 상기 제2 변형 예에 따른 1차 전지가 포함하는 양극(200)은, 양극 집전체(210), 및 상기 양극 집전체(210)의 표면을 코팅하도록 형성된 카본막(220)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 양극 집전체(210)는 길이 방향을 따라 제1 영역 및 제2 영역으로 구분될 수 있다. 상기 양극 집전체(210)의 제1 영역 상에는 제1 카본막(220a)이 배치될 수 있다. 이와 달리, 상기 양극 집전체(210)의 제2 영역 상에는 제2 카본막(220b)이 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 카본막(220a) 및 상기 제2 카본막(220b)은 기공의 밀도가 서로 다를 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 카본막(220a)은 기공의 밀도가 상대적으로 낮고, 상기 제2 카본막(220b)은 기공의 밀도가 상대적으로 높을 수 있다. 예를 들어, 상기 양극 집전체(210) 상에 상기 제1 카본막(220a) 및 상기 제2 카본막(220b)을 코팅하는 과정에서, 상기 제1 카본막(220a)에는 상대적으로 높은 압력을 인가하는 반면 상기 제2 카본막(220b)에는 상대적으로 낮은 압력을 인가함으로써, 상기 제1 카본막(220a) 및 상기 제2 카본막(220b)의 기공의 밀도를 서로 다르게 형성할 수 있다.
상기 제2 실시 예에 따른 1차 전지에서 설명된 바와 같이, 상기 양극(200)은 상기 음극(300)의 내측 및 외측을 함께 감싸도록 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 상기 제1 카본막(220a)은 상기 케이스(100)의 내측면과 인접하도록 배치될 수 있다. 반면, 상기 제2 카본막(220b)은 상기 음극(300)의 일단과 타단 사이 내부 공간에 노출되도록 배치될 수 있다.
이에 따라, 상기 양극(200)과 상기 케이스(100)의 내벽 사이에 상대적으로 기공의 밀도가 낮은 상기 제1 카본막(220a)이 배치됨으로써, 상기 양극(200)과 상기 케이스(100) 사이의 부착력이 향상될 수 있다. 또한, 전해액이 상대적으로 많이 분포되어 있는 상기 음극(300)의 일단과 타단 사이 내부 공간에 상대적으로 기공의 밀도가 높은 상기 제2 카본막(220b)이 배치됨으로써, 카본막의 전해액 흡수 효율이 향상되어, 카본막의 활성 효율이 향상될 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 예 및 변형 예에 따른 1차 전지가 설명되었다. 이하, 본 발명의 실시 예에 따른 1차 전지의 구체적인 실험 예 및 특성 평가 결과가 설명된다.
실시 예에 따른 1차 전지 준비
도 1을 참조하여 설명된 바와 같이, 케이스 내에 음극-전해액-양극의 적층 구조체가 배치되되, 음극 및 양극 중 양극이 케이스 내벽과 인접하도록 위치된 1차 전지를 준비하였다.
비교 예에 따른 1차 전지 준비
케이스 내에 양극-전해액-음극의 적층 구조체가 배치되되, 음극 및 양극 중 음극이 케이스 내벽과 인접하도록 위치된 1차 전지를 준비하였다.
도 12는 본 발명의 비교 예에 따른 1차 전지의 방전 결과를 나타내는 그래프이고, 도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 1차 전지의 방전 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 상술된 비교 예에 따른 1차 전지 및 실시 예에 따른 1차 전지를 준비한 후, 각 전지의 용량을 측정하여 나타내었다. 보다 구체적으로, 정전류 Pulse (2A/1min, 0.2A/9min)의 방전 조건과, 23℃의 온도 조건에서 실험을 진행하였다.
도 12에서 확인할 수 있듯이, 상기 비교 예에 따른 1차 전지는 31.5 hr 이상의 사용시간을 나타내었고, 도 13에서 확인할 수 있듯이, 상기 비교 예에 따른 1차 전지는 35.5 hr 이상의 사용시간을 나타내었다. 즉, 음극이 케이스 내벽과 인접하도록 배치된 구조의 1차 전지 보다, 양극이 케이스 내벽과 인접하도록 배치된 구조의 1차 전지의 용량이 큰 것을 알 수 있었다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
10: 1차 전지
100, 110: 케이스
200: 양극
210: 양극 집전체
220: 카본막
300: 음극
310: 음극 집전체
400: 분리막
500: 리드

Claims (7)

  1. 일단과 타단이 마주보도록 만곡되고, 음극 집전체에 금속막이 코팅된 음극(Anode);
    상기 음극을 감싸도록 배치되고, 양극 집전체에 카본(carbon)막이 코팅된 양극(Cathode); 및
    상기 음극과 상기 양극이 수용되는 케이스를 포함하고,
    상기 양극의 일단은 상기 음극의 일단과 타단 사이로 삽입되어 상기 음극의 내측을 감싸고, 상기 양극의 타단은 상기 음극의 일단과 타단 사이로부터 인출되어 상기 음극의 외측을 감싸는 것을 포함하되,
    상기 양극 집전체는 길이 방향을 따라 제1 영역 및 제2 영역으로 구분되고,
    상기 제1 영역 상에는 상대적으로 기공의 밀도가 낮은 제1 카본막이 배치되고, 상기 제2 영역 상에는 상대적으로 기공의 밀도가 높은 제2 카본막이 배치되고,
    상기 제1 카본막은 상기 케이스의 내측면과 인접하도록 배치되고, 상기 제2 카본막은 상기 음극의 일단과 타단 사이 내부 공간에 노출되도록 배치되는 1차 전지.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 음극 및 상기 양극의 접촉을 방지하는 분리막을 더 포함하되, 상기 분리막은 상기 음극을 감싸도록 배치되고, 상기 양극은 상기 분리막에 의하여 감싸진 상기 음극을 감싸는 것을 포함하는 1차 전지.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 음극 집전체의 상부에서 돌출되도록, 상기 음극 집전체와 결합되는 리드를 더 포함하는 1차 전지.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 케이스 내에는 염화티오닐(SOCl2)을 포함하는 전해액이 더 수용되는 1차 전지.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 금속막은 리튬(Li)을 포함하는 1차 전지.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 음극 집전체는 니켈(Ni)을 포함하는 1차 전지.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 음극 집전체 및 상기 양극 집전체는 망(net) 형태를 갖는 1차 전지.
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