KR19980020611A - 알칼리 축전지의 전해액 주입방법 - Google Patents

Abstract

알칼리 축전지의 전해액 주입방법이 개시된다. 본 발명의 전해액 주입방법중 2단계 주입방법에 따르면 최적 전해액 주입량의 90 내지 95%까지 전해액을 주입할 수 있으며, 3단계 주입방법에 따르면 최대 100%까지 전해액을 주입할 수 있어 전지의 성능 및 수명을 크게 개선할 수 있다.

Description

알칼리 축전지의 전해액 주입방법

본 발명은 알칼리 축전지의 전해액 주입방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 니켈-아연 전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지 등과 같은 알칼리 축전지를 제조함에 있어서, 전해액의 주입을 다단계로 실시함으로써 전지의 특성을 개선한 알칼리 축전지의 전해액 주입방법에 관한 것이다.

전자 기기의 무선화가 가속화되면서 소형, 경량 및 고용량화 전지 기술이 발전되고 있다. 또한, 휴대용 전화기, 휴대용 비디오 카메라 등의 포터블 기기의 보급이 늘어나면서 대전류를 얻을 수 있고 충전이 가능한 축전지에 대한 요구가 커지고 있다. 따라서, 충방전 속도가 빠르고 수명이 길며 신뢰성이 높은 고성능의 축전지 개발이 필요하게 되었다.

축전지는 다른 전원으로부터 충전에 의해 전기를 축적하고, 사용할 때 방전하는 방식을 취함에 따라 2차 전지라고도 하며, 크게는 납 축전지와 알카리 축전지로 대별될 수 있다.

납 축전지와 마찬가지로 알칼리 축전지는 양극, 음극 및 세퍼레이터로 이루어진 전극군을 전지 케이스에 넣고 알칼리 전해액을 주입한 다음, 케이스를 봉입함으로써 제조된다.

이중 상기 알칼리 전해액은 이온의 이동 경로를 제공하여 전지 반응이 원활하게 이루어질 수 있도록 하는 역할을 하는데, 특히 축전지의 경우에는 충방전이 반복 실시됨에 따라서 전해액이 고갈되거나 조성이 변하여 전지의 수명 및 충방전 특성 등을 열화시키게 된다. 따라서, 축전지의 경우에는 알칼리 전해액의 조성 및 주입 방법 등에 주의를 기울여야 한다.

일반적으로, 통상의 알칼리 축전지에서는 수산화칼륨, 수산화리튬 및/또는 수산화나트륨을 포함하며 25 내지 35%의 농도를 갖는 2상 또는 3상의 알칼리 수용액이 전해질로서 사용된다.

또한, 전해액의 주입량은 일정량에 도달할 때까지는 전지 수명과 비례하나 그 이상 주입되면 내압이 상승하고 전해액이 누출되는 등 전지의 수명에 악영향을 미치기 때문에 최적 주입량을 결정하는 것이 매우 중요한데, 이것은 전지의 크기, 사용되는 양,음극의 용량, 세퍼레이터의 재질 및 크기 등에 따라 달라진다.

그런데, 최적 주입량이 결정되었다 하더라도 주입 공정 상의 공정 오차로 최적 주입량을 모두 주입하는데는 어려움이 많았다. 따라서, 전지 제조공정 중에서 전해액 주입공정은 전지의 성능을 결정하는 중요한 공정 중의 하나로서 그에 대한 여러 가지 방법들이 제안되고 있다.

통상적으로 사용되는 전해액 주입방법을 보면 상압(常壓)하에서의 주입법, 원심력 주입법, 진공주입법 등을 들 수 있다.

이중, 상압하에서의 주입법은 상압의 조건하에서 양극, 음극 및 세퍼레이터로 이루어진 전극군이 장착되어 있는 케이스에 25 내지 35% 농도의 알칼리 전해액을 서서히 주입함으로써 실시된다. 그러나, 이 방법에 따르면 전해액의 농도가 높을수록 전도성은 증가하지만 유동성이 감소하여 극판 내부로 전해액이 스며드는 속도가 느려지기 때문에 전해액의 총 주입 시간이 지나치게 많이 소요되므로 생산 효율이 떨어진다는 문제점이 있다.

이에 반하여, 원심력 주입법은 원심 주입기를 이용하여 25 내지 35% 농도의 전해액을 1단계로 주입함으로써 실시된다. 그러나, 이 방법의 의하면 주입 시간은 다소 단축시킬 수 있으나 설비구성이 복잡해지고 비용이 많이 소요될 뿐 아니라 전해액 주입량이 최적 주입량의 85 내지 90%에 불과하기 때문에 전지의 성능 저하를 일으킨다는 문제점이 있다.

또한, 진공 주입법은 전지를 진공 상태로 유지시킨 다음, 전해액을 주입하는 방법이다. 그러나 이 방법을 이용할 경우, 전해액 중의 수분이 쉽게 증발하기 때문에 전해액의 농도가 높아질 뿐 아니라 고가의 진공 설비를 필요로 하기 때문에 공정 단가가 상승한다. 따라서, 이 방법은 양산 체제에는 적용하기 어렵다는 단점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전술한 주입공정 상의 문제점을 해결하여 각기 다른 농도의 전해액을 여러 단계로 주입함으로써 전해액 주입량을 최대한으로 증대시키고 분포를 균일하게 하여 전지의 초기 활성화 성능 및 양,음극 이용율을 향상시키고, 전지 수명을 연장시킬 수 있는 알칼리 축전지의 전해액 주입방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제는, 양극, 음극 및 세퍼레이터로 이루어진 전극군이 삽입된 전지 케이스에 원심 주입기를 이용하여 알칼리 전해액을 주입함에 있어서, 알칼리 전해액의 주입이 2단계 또는 3단계 주입에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 알칼리 축전지의 전해액 주입방법에 의하여 이루어진다.

상기 본 발명에 따른 알칼리 축전지의 전해액 주입방법에 있어서, 알칼리 전해액이 수산화칼륨, 수산화리튬 및 수산화나트륨으로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 두개의 금속수산화물을 포함하는 것이 바람직하며, 주입된 알칼리 전해액의 최종 농도가 통상 25 내지 35%인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 전해액 주입방법에 있어서, 2단계 주입은 15 내지 25% 농도의 알칼리 전해액을 최적 전해액 주입량의 30 내지 70%만큼 주입하는 단계; 및 25 내지 35% 농도의 알칼리 전해액을 최적 전해액 주입량의 30 내지 70%만큼 주입하는 단계를 포함하며, 3단계 주입은 15 내지 25% 농도의 알칼리 전해액을 최적 전해액 주입량의 40 내지 60%만큼 주입하는 단계; 25 내지 30% 농도의 알칼리 전해액을 최적 전해액 주입량의 30 내지 40%만큼 주입하는 단계; 및 30 내지 35% 농도의 알칼리 전해액을 최적 전해액 주입량의 20 내지 30%만큼 주입하는 단계를 포함한다.

전술한 2단계 주입에 의해 알칼리 전해액을 주입하는 경우, 최적 주입량의 85 내지 90%까지 주입할 수 있으며, 3단계 주입의 경우에는 88 내지 95%, 최대 100%까지 전해액을 주입할 수 있다.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

〈실시예〉

다공성 니켈 집전체를 수산화니켈 활물질로 충진시켜 니켈 양극을 제조하고, 수소흡장합금을 음극 활물질로서 이용하여 수소 음극을 제조하였다. 상기 양극과 음극 사이에 세퍼레이터를 개재한 다음, 권취하여 전극군을 제조하였다. 이어서, 이 전극군을 전지 케이스에 삽입한 다음, 수산화칼륨 및 수산화나트륨의 혼합 용액을 전해액으로서 원심 주입하였다. 이때, 1단계로 20% 농도의 혼합 전해액으로 전체 전해액 주입량의 60%를 주입한 다음, 2단계로 36% 농도의 혼합 전해액으로 나머지량을 주입하였다. 이때, 전해액 주입량은 최적 주입량의 95%였다.

이렇게 제조된 니켈-수소 2차 전지에 대하여 0.1C, 130%로 충전한 다음, 1C, 1V까지 방전을 실시하는 사이클을 반복하여 각 사이클에서의 방전용량을 측정하였고, 초기용량의 60%까지 용량이 저하되는 시점을 전지의 사이클수명으로 하였다. 그 결과, 전지의 수명은 550 싸이클이었다.

〈비교예〉

30% 농도의 혼합 전해액을 한번에 원심주입하는 것을 제외하고는 실시예에서와 동일한 방법으로 니켈-수소 2차 전지를 제조하였는데, 이때 전해액 주입량은 최적 주입량의 90%였다. 이 전지에 대하여 실시예에서와 동일한 조건으로 충방전을 반복하여 전지의 싸이클 수명을 측정한 결과, 500 싸이클이었다.

상기 실시예 및 비교예의 결과로부터 알 수 있듯이, 전해액을 한번에 주입하는 것보다 2단계로 나누어 주입한 결과, 전지 수명이 개선되었음을 알 수 있다.

알칼리 축전지의 제조에 있어 알칼리 전해액 주입시 본 발명의 2단계 주입방법에 따르면 최적 전해액 주입량의 90 내지 95%까지, 3단계 주입방법에 따르면 최대 100%까지 전해액을 주입할 수 있다. 따라서, 전지의 성능 및 수명을 크게 개선할 수 있다.

Claims (5)

1. 양극, 음극 및 세퍼레이터로 이루어진 전극군이 삽입된 전지 케이스에 원심 주입기를 이용하여 알칼리 전해액을 주입함에 있어서,

   알칼리 전해액의 주입이 2단계 또는 3단계 주입에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 알칼리 축전지의 전해액 주입방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 2단계 주입이,

   15 내지 25% 농도의 알칼리 전해액을 최적 전해액 주입량의 30 내지 70%만큼 주입하는 단계; 및

   25 내지 35% 농도의 알칼리 전해액을 최적 전해액 주입량의 30 내지 70%만큼 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 알칼리 축전지의 2단계 전해액 주입방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 3단계 주입이,

   15 내지 25% 농도의 알칼리 전해액을 최적 전해액 주입량의 40 내지 60%만큼 주입하는 단계;

   25 내지 30% 농도의 알칼리 전해액을 최적 전해액 주입량의 30 내지 40%만큼 주입하는 단계; 및

   30 내지 35% 농도의 알칼리 전해액을 최적 전해액 주입량의 20 내지 30%만큼 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 알칼리 축전지의 3단계 전해액 주입방법.
4. 제1항 내지 3항중 어느 한항에 있어서, 상기 알칼리 전해액이 수산화칼륨, 수산화리튬 및 수산화나트륨으로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 두개의 금속수산화물의 혼합용액인 것을 특징으로 하는 알칼리 전해액 주입방법.
5. 제1항 내지 3항중 어느 한항에 있어서, 주입된 알칼리 전해액의 최종 농도가 25 내지 35%인 것을 특징으로 하는 알칼리 전해액 주입방법.