KR19980016338A - 알칼리 2차전지용 전극 활물질의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 도전제, 증점제 및 용매를 혼합하여 제1조성물을 형성하는 단계: 상기 제1조성물에 초음파를 가하여 분산시키는 단계; 결합제와 전극 활물질 주성분인 금속 화합물을 포함하는 제2조성물에 상기 제1조성물을 부가하고 혼련하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 알칼리 2차전지용 전극 활물질의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 도전제, 결합제 및 증점제와 같은 첨가제를 활물질내에 균일하게 분산시킴으로써 상기 첨가제의 함량을 최소화시킬 수 있다. 그 결과 전지의 용량이 향상된 알칼리 2차전지를 얻을 수 있다.

Description

알칼리 2차전지용 전극 활물질의 제조방법
본 발명은 알칼리 2차전지용 전극 활물질의 제조방법에 관한 것으로서, 상세하기로는 도전제, 결합제, 증점제 등의 첨가제 함량이 최소화됨으로써 용량이 극대화된 알칼리 2차전지용 전극의 제조방법에 관한 것이다.
알칼리 2차 전지의 전극은 다수의 구멍을 갖는 다공성 집전체와, 다공성 집전체의 구멍들에 충진되는 전극 활물질을 포함하여 된 것으로서, 일반적으로 소결식 방법에 의해 제조되었다. 그러나 이 소결식 제조방법으로 제조된 전지는 내구성은 우수하지만 용량이 작고 제조공정이 복잡할 뿐만 아니라 제조시간이 길다는 단점이 있다.
알칼리 2차 전지의 전극을 제조하는 다른 방법으로서, 80년대 말부터 실용화되기 시작한 페이스트식 제조방법이 알려져 있다.
상기 페이스트식 제조방법은 다음과 같다. 즉, 수산화니켈이나 수소저장합금과 같은 활물질 주성분, 도전제 및 증점제를 볼밀에서 혼합한 다음, 여기에 정제수와 결합제를 부가하여 페이스트상으로 만든다. 얻어진 페이스트상 전극 활물질을 다공성 집전체상에 스프레이 등으로 분무하거나 로울러 등으로 도포한 후 건조하면 전극이 완성된다.
상기 증점제는 활물질의 점도를 높이기 위하여 첨가하는 물질으로서, 수분을 함유하면 서로 엉겨붙는 성질을 가지고 있어서 물에 완전히 균일하게 분산시킨다는 것은 매우 어렵다. 이러한 문제를 감안하여 활물질 혼합물을 볼밀과 같은 교반용 믹서에서 고속으로 교반하는 방법을 사용한다. 이러한 과정중에 많은 양의 기포가 발생되는데, 이러한 기포를 제거하기 위해서는 소포제를 함께 사용해야 한다. 따라서 제조상 매우 번거로울 뿐만 아니라 생산단가가 상승된다는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 도전제, 결합제, 증점제 등과 같은 첨가제가 활물질 조성물내에 균일하게 분산됨으로써 상기 첨가제 함량을 최소화시킬 수 있으며, 그 결과 전지의 용량이 극대화될 수 있는 알칼리 2차전지용 전극 활물질의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명에서는 도전제, 증점제 및 용매를 혼합하여 제1조성물을 형성하는 단계: 상기 제1조성물에 초음파를 가하여 분산시키는 단계; 결합제와 전극 활물질 주성분인 금속 화합물을 포함하는 제2조성물에 상기 제1조성물을 부가하고 혼련하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 알칼리 2차전지용 전극 활물질의 제조방법을 제공한다.
상기 금속 화합물의 함량은 전극 활물질 조성물에 대하여 99 내지 99.9중량%이고, 도전제의 함량은 전극 활물질 전체 조성에서 0.05 내지 0.15중량%이다.
상기 도전제는 카본블랙 및 인조흑연으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 상기 결합제로는 폴리사불화에틸렌(PTFE), 폴리불화비닐리덴(PVDF) 및 스티렌부타디엔고무(SBR)중에서 선택된다.
상기 증점제로는 카르복시메틸셀룰로오즈(CMC), 하이드록시 프로필 메틸셀룰로오즈(HPMC) 등이 사용된다.
본 발명에서는 도전제 및 증점제를 포함하는 활물질 혼합물에 초음파를 가함으로써 상기 첨가제가 활물질내에서 균일하게 분산되도록 한 것이다. 이로써 종래보다 소량의 도전제, 결합제 및 증점제를 사용하고서도 우수한 결착력을 갖는 전극판을 얻을 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명하기로 하되, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
〈실시예 1〉
물 150g, 카본블랙 0.5g과 HPMC 0.5g을 합한 혼합물에 초음파를 약 30분동안 가하였다. 이어서, 상기 혼합물, PTFE 1g 및 수소저장합금 1kg을 교반용기에 투입하고 약 30분동안 혼련하여 수소 음극 활물질 페이스트를 제조하였다.
상기 페이스트를 0.06mm 두께의 강철 그리드에 도포한 다음, 가압하고 소결하여 수소 음극판을 제조하였다. 얻어진 수소 음극판을 30×50mm2크기로 절단하였다.
양극으로는 통상적인 방법에 따라 제조된 소결식 니켈 양극을 사용하였다.
상기 수소 음극과 니켈 양극을 이용하여 니켈수소전지를 제조하였다.
〈실시예 2〉
카본블랙 1g, PTFE 3.5g 및 HPMC 1g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
〈실시예 3〉
카본블랙 1.5g, PTFE 7g 및 HPMC 1.5g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
〈실시예 4〉
카본블랙 2g, PTFE 10g 및 HPMC 2g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
〈비교예 1〉
수소저장합금 1kg, HPMC 2g 및 카본블랙 2g의 혼합물을 볼밀에 투입한 다음, 8rpm으로 약 2시간에 걸쳐 혼합하였다. 얻어진 혼합물과 PTFE 10g을 교반용기에 투입하고 약 30분동안 혼련하여 수소 음극 페이스트를 제조하였다.
상기 페이스트를 0.06mm 두께의 강철 그리드에 도포한 다음, 가압하고 소결하여 수소 음극을 제조하였다. 얻어진 수소 음극판을 30×50mm2크기로 절단하였다.
양극으로는 통상적인 방법에 따라 제조된 니켈 양극을 사용하였다.
상기 수소 음극과 니켈 양극을 이용하여 니켈수소전지를 제조하였다.
〈비교예 2〉
카본블랙 20g, PTFE 20g 및 HPMC 5g을 사용한 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 니켈수소전지를 1C 150% 충전하고 0.2C, 0.9V 차단 방전을 진행하였고, 이를 3회 반복한 후, 이론용량, 활물질 이용률, 용량밀도 및 극판에 대한 활물질의 결착력 특성을 살펴보았다. 그 결과를 다음의 표 1에 나타내었다.
이론용량(270mAH/g) 활물질 이용률(%) 용량밀도(270mAH/g) 결착력
실시예 1 800 85 1510 소
실시예 2 770 92 1480 중
실시예 3 750 105 1450 강
실시예 4 730 101 1350 최강
비교예 1 730 93 1350 강
비교예 2 680 90 1150 최강
상기 표 1에서 알 수 있듯이, 분산시 초음파를 가하고 수소저장합금의 함량이 전극 활물질 조성물에 대해 99.8중량%(실시예 1), 99.5중량%(실시예 2) 및 99.0중량%(실시예 3)인 경우, 용량밀도가 모두 매우 우수하였다. 또한 수소저장합금의 함량이 활물질 전체 조성에서 98.6중량%(실시예 4)인 경우에는 용량밀도가 우수하였다. 이에 반하여 볼밀과 같은 교반용 믹서를 사용하고 수소저장합금의 함량이 활물질 전체 조성에서 98.6중량%(비교예 1) 및 95.7중량%(비교예 2)인 경우에는 상기 실시예 1-4의 경우보다 작은 용량밀도를 갖는 것으로 나타났다.
본 발명에 따르면, 도전제, 결합제 및 증점제와 같은 첨가제를 활물질내에 균일하게 분산시킴으로써 상기 첨가제의 함량을 최소화시킬 수 있다. 그 결과 전지의 용량이 향상된 알칼리 2차전지를 얻을 수 있다.

Claims (4)

  1. 도전제, 증점제 및 용매를 혼합하여 제1조성물을 형성하는 단계:
    상기 제1조성물에 초음파를 가하여 분산시키는 단계;
    결합제와 전극 활물질 주성분인 금속 화합물을 포함하는 제2조성물에 상기 제1조성물을 부가하고 혼련하여 전극 활물질을 얻는 단계;
    다공성 집전체상에 상기 전극 활물질을 도포하고 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 알칼리 2차전지용 전극 활물질의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전극 활물질 주성분의 함량이 99 내지 99.9중량%인 것을 특징으로 하는 알칼리 2차전지용 전극 활물질의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 도전제의 함량이 전극 활물질 전체 조성에서 0.05 내지 0.15중량%인 것을 특징으로 하는 알칼리 2차전지용 전극 활물질의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 도전제가 카본블랙 및 인조흑연으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 알칼리 2차전지용 전극 활물질의 제조방법.
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