KR19980028614A - 전지용 극판 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

활물질보다 낮은 융점을 가지며 상기 활물질의 결착에 사용되는 금속을 용융시키고, 상기 용융된 금속에 상기 활물질을 혼합·교반하여 극판용 예비 조성물을 제조하고, 상기 교반이 완료된 예비 조성물을 냉각시키면서 극판의 형태로 가공하여 제조되는 극판은 활물질간의 이탈을 충분히 방지할 수 있는 동시에 도전성 향상으로 내부 저항을 감소시킬 수 있고, 전지의 수명, 용량을 증가시킬 수 있으며, 전극의 부식 및 팽창을 방지하고 제조 원가를 절약할 수 있으며, 간단한 공정을 통하여 제조되므로 생산 단가를 절약할 수 있다.

Description

전지용 극판 및 그의 제조 방법
[산업상 이용 분야]
본 발명은 전지에 사용되는 극판 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 극판에 사용되는 활물질보다 저온에서 용융되는 금속을 활물질의 결착제로 사용함으로써 여러 가지 첨가제의 사용을 필요로하지 않아서 공정 단가를 절약할 수 있으며, 저항을 혁신적으로 감소시킴으로써 높은 수명, 고율의 충방전, 용량의 증가, 활물질간의 결착력 향상 및 우수한 내압 특성을 나타내는 전지의 극판 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
[종래기술]
카메라, 캠코더, 휴대용 CD 플레이어, 휴대용 라디오/녹음재생기, 노트북, 컴퓨터, 무선 호출기 또는 휴대용 전화기 등의 각종 휴대용 전자 기기의 보급이 활발해지면서 이들의 작동에 소요되는 전지에 대하여 고용량화 및 장수명화 특성이 요구되고 있다.
이와 같이 사용 분야가 광범위하고 수요량이 많은 전지는 적당한 물질간의 접촉 전위 차이를 이용하여 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 것으로서, 그 종류는 매우 다양하다. 전지를 기술적으로 분류하면, 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 방전만이 행하여지는 1차 전지, 방전과 충전을 반복할 수 있는 2차 전지, 탄화 수소류의 연소 열을 그대로 전기에너지로 변환시키는 연료 전지 그리고 빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지 등으로 분류할 수 있다. 또 전해액의 구성에 따라 알칼리 전지, 고체 전해질 전지, 및 비수용액 전지 등으로 분류할 수 있으며, 전지의 외관에 따라, 원통형 전지, 단추형 전지, 코인형 전지로 구분할 수 있다.
이중 원통형(Jelly-Roll type) 전지를 예를 들어 설명을 진행한다. 원통형 구조를 갖는 전지는 권취 극판군의 일종으로서 양극과 음극, 그리고 이들의 단락을 방지하기 위한 세퍼레이터와, 전해질 그리고 양극 단자 및 음극 단자로 이루어져 있는 전류를 방출하는 전지이다. 이들의 보다 상세한 구조를 제3도에 도시한 니켈 수소 전지를 예로 들어 설명하면 다음과 같다.
원통형 니켈 수소 전지는 Ni(OH)2를 양극 활물질을 도포한 양극판(15)과 LaNi4, MmNi5, Ti-Fe 또는 Ti-Ni 합금 등을 주성분으로 하는 음극 활물질을 도포한 수소 저장 합금인 음극판(43)과 상기 양극판(15)과 음극판(43)의 단락을 방지하기 위하여 부직포 및 셀로판테이프로 등으로 이루어진 세퍼레이터(41)와 이들의 단자로서 양극 단자인 캡(56)과 음극 단자이면서 수납 장치 역할을 하는 케이스(58)를 포함하고 있으며, 이외에 안전변(55), 봉구판(53), 절연링(51), 절연판(59)을 갖고 있다.
상기와 같은 원통형 니켈 수소 전지의 충전 및 방전 반응을 상세히 설명하면 다음과 같다.
음극 활물질을 수소 저장 합금으로 하고, 양극 활물질을 니켈하이드록사이드로 하고, 전해액으로는 칼륨하이드록사이드(KOH) 수용액을 사용하여 충전시 전해액 속의 물이 분해되어 생긴 수소 저장 합금이 저장하고 방전시에는 필요한 수소를 전해액 내로 방출하여 방전하며, 그 충전 및 방전 반응식은 다음과 같다.
방전
양극: Ni(OH)2+ OH- NiOOH + H2O
충전
방전
음극: M + H2OMH + OH-
충전
방전
M + 2NiOOHMH + 2Ni(OH)2
충전
상기 반응식에 있어서, M은 수소 이온을 흡수 및 방출할 수 있는 수소 저장 합금을 나타내는 것으로서, 희토류계 원소를 이용한 AB5계와 Ti, Zr, V 등을 이용하는 AB2계가 있다. 상기 식에서 니켈 수소 전지의 양극과 음극은 상기의 반응식에 따라 수백회 이상의 충전 및 방전이 가능하도록 되어 있다.
이와 같은 기능과 구조를 가지는 원통형 니켈 수소 전지를 포함한 권취 극판군의 제조 방법은 다음과 같다. 먼저 양극 활물질 슬러리를 금속 지지체 상에 도포, 건조 그리고 압연하여 양극판을 제조하고, 음극 활물질 슬러리를 금속 지지체 상에 도포, 건조 그리고 압연하여 음극판을 제조한 후, 상기 양극판 및 음극판 사이에 세퍼레이터를 개재하여 권취하고, 상기 권취 상태로 조립된 극판과 세퍼레이터 조립체를 캔 내부에 삽입한 후, 전해액을 주입하고 상측 개구부에 캡 어셈블리를 장착하는 공정을 거쳐 제조한다.
상기의 설명이나 제1도에 도시한 바와 같이, 종래의 양극판 및 음극판은 활물질(2)의 이탈을 방지하기 위하여 활물질 지지체(3)상에 페이스트(paste)화된 활물질을 도포하여 사용하고 있는데, 이와 같은 금속 지지체와 활물질과의 결착을 강화하기 위하여 유기계 결착제(binder)(1)를 사용하고 있으며, 페이스트의 점도 향상을 위하여 점증제를 사용하고, 기포 발생을 억제하기 위하여 분산제 및 소포제를 첨가하며, 결착제의 첨가로 인한 도전성의 회복을 위하여 별도의 도전제를 첨가하여 극판을 제조하고 있는 실정이다. 그러나 활물질의 이탈을 방지하기 위하여, 상기에서 열거된 것과 같은 각종의 첨가제를 첨가하여도 도전성이 일정한 정도 저하되는 문제점이 있다. 또한, 첨가물의 첨가로 인하여 용량이 저하되며, 전극의 부식 및 팽창 등의 문제와 함께, 제조 공정이 복잡하고 원가가 상승하는 등의 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 활물질간의 이탈을 충분히 방지하는 동시에 도전성 향상으로 내부 저항을 감소시키고, 전지의 수명, 용량을 증가시킬 수 있으며, 전극의 부식 및 팽창을 방지하고 제조 원가를 절약할 수 있는 간단한 공정을 통하여 제조가 가능한 전지의 극판 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 권취 극판군 전지에 사용되는 극판을 개략적으로 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예인 권취 극판군 전지에 사용되는 극판을 개략적으로 나타내는 단면도.
도 3은 권취 극판군 전지의 일종인 니켈 수소 전지의 구조를 나타내는 개략적인 분해도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1. 유기계 결착제
2. 활물질
3. 활물질 지지체
4. 금속
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 전기적인 활성을 제공하기 위하여 사용되는 활물질 및 상기 활물질보다 낮은 융점을 가지며, 융해되어 상기 활물질에 결착되는 금속을 포함하는 극판을 제공한다. 여기에서, 상기한 금속은 구리(Cu), 아연(Zn), 인듐(In), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하며, 상기한 활물질은 Ni(OH)2, AB5계 수소저장합금 및 AB2계 수소저장합금으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다. 여기에서, 상기한 A는 희토류계 원소들의 합금이며, B는 Ni, Al, Mn, Co등으로 이루어진 원소의 합금을 의미한다. 상기한 활물질 입자 상호간의 거리는 평균 0.1 내지 50㎛인 것이 바람직하며, 상기한 극판은 권취 극판군 전지, 단추형 전지 및 코인형 전지로 이루어진 군에서 선택되는 전지에 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 활물질보다 낮은 융점을 가지며 상기 활물질의 결착에 사용되는 금속을 용융시키고, 상기 용융된 금속에 상기 활물질을 혼합하여 교반하여 극판용 예비 조성물을 제조하고, 상기 교반이 완료된 예비 조성물을 냉각시키면서 극판의 형태로 가공하는 단계를 포함하는 극판의 제조 방법을 제공한다. 여기에서, 상기한 예비 조성물을 가열 및 교반하는 단계는 불활성 또는 진공 분위기에서 행해지는 것이 바람직하다.
[실시예]
대표적인 실시예
본 발명의 효과를 시험하기 위하여 권취극판군 전지의 일종인 니켈 수소 전지의 음극판을 본 발명의 원리에 근거하여 제조하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
니켈 수소 전지의 음극판에 사용되는 활물질 즉, 수소 저장 합금보다 낮은 융점을 가지는 금속을 용융시킨다. 사용될 수 있는 분말형의 금속은 연신성 및 수축성이 우수하며, 전해액에서 안정된 금속을 사용할 수 있는데 구리, 아연, 인듐, 알루미늄, 마그네슘 및 이들의 혼합물을 예로 들 수 있다. 상기 용융된 금속에 상기 활물질을 혼합하여 균일하게 교반함으로써 극판용 예비 조성물을 제조한다. 이 경우 혼합 및 교반 공정은 불활성 분위기 또는 진공 분위기에 행하여 진다. 교반을 균일하게 행하면 제2도에 도시된 바와 같이 활물질(2)이 용융된 금속(4)에 분포된 상태가 된다. 활물질이 충분한 활성을 발휘하기 위해서는 활물질 입자 상호간의 거리는 평균 0.1 내지 50㎛인 것이 적당한데, 이 거리는 활물질과 혼합되는 금속의 양으로써 조절할 수 있다. 상기 교반이 완료된 예비 조성물을 급속 냉각 또는 단계적으로 냉각시켜서 절단 등의 가공을 통하여 니켈 수소 전지에 사용되는 음극판을 제조한다.
바람직한 실시예
본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 구성 및 효과를 나타내는 본 발명의 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예1]
진공 상태에서 10g의 용융시킨 구리 용액에 수소 저장 합금으로써 90g의 MmNi3.55Al0.3Mn0.4Co0.75를 혼합하여 균일하게 교반함으로써 니켈 수소 전지의 음극판용 예비 조성물을 제조하였다. 교반이 완료된 예비 조성물을 단계적으로 냉각시켜서 압연 및 절단 가공을 실시하여 본 발명의 니켈 수소 전지에 사용되는 음극판을 제조하였다.
[실시예 2-5]
금속으로서 구리 대신에 아연, 인듐, 알루미늄, 마그네슘을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 사실상 동일한 방법으로 본 발명의 니켈 수소 전지에 사용되는 음극판을 제조하였다.
비교예1
강철에 홀을 형성한 후 니켈을 도금함으로써 흔히 사용되는 니켈 수소 전지용 활물질 지지체를 제조한 후 활물질 및 유기계 결착제, 도전제, 점증제, 분산제, 소포제 등의 첨가제를 혼합한 슬러리를 도포하고 압연 및 절단 공정을 통하여 니켈 수소 전지용 음극판을 제조하였다.
본 발명의 실시예 및 비교예의 방법에 의하여 제조된 음극판을 사용하여 니켈 수소 전지를 제조한 결과 실시예의 방법은 여러 가지 첨가제의 사용을 필요로하지 않아서 제조 공정이 훨씬 간단하였다. 전지의 내부 저항을 혁신적으로 감소시킴으로써 높은 수명, 고율의 충방전, 용량의 증가, 활물질간의 결합력 향상 및 우수한 내압 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

Claims (10)

  1. 전기적인 활성을 제공하기 위하여 사용되는 활물질; 및
    상기 활물질보다 낮은 융점을 가지며, 융해되어 상기 활물질에 결착되는 금속;
    을 포함하는 극판.
  2. 제1항에 있어서, 상기한 금속은 구리, 아연, 인듐, 알루미늄, 마그네슘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 극판.
  3. 제1항에 있어서, 상기한 활물질은 Ni(OH)2, AB5계 수소저장합금 및 AB2계 수소저장합금으로 이루어진 군에서 선택되며, 여기에서 상기한 A는 휘토류계 원소의 합금이며, 상기한 B는 Ni, Al, Mn, Co로 이루어진 군에서 선택되는 원소의 합금인 극판.
  4. 제1항에 있어서, 상기한 활물질 입자 상호간의 거리는 평균 0.1 내지 50㎛인 극판.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기한 극판은 권취 극판군 전지, 단추형 전지 및 코인형 전지로 이루어진 군에서 선택되는 전지에 사용되는 극판.
  6. 활물질보다 낮은 융점을 가지며 상기 활물질의 결착에 사용되는 금속을 용융시키는 단계;
    상기 용융된 금속에 상기 활물질을 혼합하여 교반하여 극판용 예비 조성물을 제조하는 단계; 및
    상기 교반이 완료된 예비 조성물을 냉각시키면서 극판의 형태로 가공하는 단계;
    를 포함하는 극판의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기한 금속은 구리, 아연, 인듐, 알루미늄, 마그네슘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 극판의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기한 활물질은 Ni(OH)2, AB5계 수소저장합금 및 AB2계 수소저장합금으로 이루어진 군에서 선택되며, 여기에서 상기한 A는 휘토류계 원소의 합금이며, 상기한 B는 Ni, Al, Mn, Co로 이루어진 군에서 선택되는 원소의 합금인 극판의 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기한 활물질 입자 상호간의 거리는 평균 0.1 내지 50㎛인 극판의 제조 방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기한 예비 조성물을 가열 및 교반하는 단계는 불활성 또는 진공 분위기에서 행해지는 극판의 제조 방법.
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