KR19990004385A - 고용량 이차 전지와 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

에너지 밀도를 향상시키기 위한 고용량 이차 전지와 그 제조방법에 관한 것으로서, 양극판 및 음극판 그리고 상기 양극판과 음극판을 격리시키는 세퍼레이터로 구성되며, 전기화학적 반응으로 화학에너지를 전기에너지로 전환시키는 극판군과; 상기 극판군의 전기화학적 반응의 매개물이 되는 전해액과 상기 극판군을 보존하는 동시에 음극판과 전기적으로 연결되며, 조건에 따라 내경이 변화하는 캔과; 상기 캔과 결합하여 극판군을 밀폐함은 물론 극판군을 구성하는 양극판과 전기적으로 연결된 캡어셈블리를 포함하여 구성되며, 상기와 같이 구성되는 고용량 이차 전지의 제조방법은 온도에 따라 그 내경이 확대 또는 복귀되는 캔을 제조하는 캔 제조공정과; 상기 캔 제조공정으로 소정의 내경을 갖는 캔의 온도를 변화시켜 내경을 확대시키는 캔 내경 확대 공정과; 상기 캔 내경 확대 공정으로 확대된 내경을 갖는 캔에 소정의 형상을 갖는 극판군과 전해액을 삽입하는 극판군 삽입 공정과; 상기 극판군 삽입 공정으로 극판군과 전해액이 삽입된 캔이 소정의 내경으로 복귀되도록 온도를 변화시키는 캔 내경 복귀 공정을 포함하여 이루어진다.

상기 조건에 따라 내경이 변화하는 캔은 소정의 온도가 되면 내경이 확대되고 전지 사용 온도에서는 소정의 내경을 갖는 형상 기억 합금으로 제작되며, 상기와 같이 구성되고 제조되는 고용량 이차 전지는 상기 캔을 전지 사용 온도에서는 소정의 형상으로, 고온에서는 공간부의 내경을 크게 변형되도록 제작하여, 상기 캔과 극판군과의 조립성을 향상시킴은 물론, 극판군의 체적을 증가시킬 수 있으므로 코드리스 기기의 급속한 발달과 더불어 요구되던 전지의 고용량화가 가능케 된다.

Description

고용량 이차 전지와 그 제조방법

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있는 이차 전지의 캔에 관한 것이다.

일반적으로 전지는 전기화학적 산화와 환원 반응에 의하여 활물질이 갖고 있는 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 변환시켜 주는 장치로서, 환원반응을 하는 양극과 산화반응을 하는 음극 그리고 전자의 흐름을 위한 매개물의 역할을 하는 전해액을 필수 구성으로 한다.

상기한 전지는 방전만이 가능한 일차 전지와 방전은 물론 충전까지 가능하여 반복적인 사용이 가능한 이차 전지로 대별되는 데, 상기한 이차 전지는 휴대용 전원으로서 코드리스 기기의 확산과 함께 급속도로 발달되고 있다.

이러한 이차 전지는 용도와 목적에 따라 그 크기와 형태를 달리하나, 통상적으로 도 4에 도시한 바와 같은 원통형 전지가 광범위하게 사용되고 있다.

상기한 원통형 이차 전지(90)는 캡어셈블리와 극판군(30)과 상기 캡어셈블리와 함께 상기 극판군(30)을 밀폐하는 캔(20)으로 구성되는 데, 상기 캡어셈블리는 안전변을 내재하고 양극단자의 역할을 하는 캡(11)과 상기 캡을 받쳐 주는 캡커버로 구성된다.

상기 극판군(30)은 전기화학적 반응으로 화학적 에너지를 전기에너지로 전환시켜 주는 역할을 하는 양극판(35)과 음극판(31) 그리고 상기 두 극판을 격리시키는 세퍼레이터(33)로 구성된다.

상기 양극판(35)과 음극판(31) 그리고 세퍼레이터(33)로 구성되는 극판군(30)은 원통형 이차 전지(90)의 에너지 밀도를 최대로 하기 위해 권취되어 상기 캔(20)의 공간부로 삽입되는 데, 상기 캔(20)에 삽입된 극판군(30)은 캔(20)의 공간부에서 권취 구조가 풀리면서 캔(20)의 내주면에 밀착, 고정된다.

그러나 상기와 같이 구성되는 원통형 이차 전지는 일정한 공간부를 갖는 캔에 활물질의 탈락을 최소화하는 동시에 상기 캔의 공간부의 내경을 고려하여 권취된 극판군이 삽입되는 바, 상기 캔에 삽입되는 극판군의 체적은 한계가 있으므로, 극판군의 체적, 즉 극판군에 충진된 활물질의 양에 비례하는 전지의 용량은 코드리스 기기의 발달과 더불어 밀어닥친 고용량화에 대한 요구를 만족시키지 못하고 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 코드리스 기기의 발달로 인한 고용량화에 대한 요구를 해소할 있는 이차 전지를 제공하는 것이다.

이를 실현하기 위하여 본 발명에 따른 이차 전지는 양극판 및 음극판 그리고 상기 양극판과 음극판을 격리시키는 세퍼레이터로 구성되며, 전기화학적 반응으로 화학에너지를 전기에너지로 전환시키는 극판군과; 상기 극판군의 전기화학적 반응의 매개물이 되는 전해액과 상기 극판군을 보존하는 동시에 음극판과 전기적으로 연결되며, 조건에 따라 내경이 변화하는 캔과; 상기 캔과 결합하여 극판군을 밀폐함은 물론 극판군을 구성하는 양극판과 전기적으로 연결된 캡어셈블리를 포함하여 구성된다.

상기 조건에 따라 내경이 변화하는 캔은 소정의 온도가 되면 내경이 확대되고 전지 사용 온도에서는 소정의 내경을 갖는 형상 기억 합금으로 제작된다.

상기 캡어셈블리는 일측에 벤트홀이 형성된 캡과 상기 캡을 받쳐 주며, 중앙부에 홀이 형성된 캡커버로 구성되며, 상기 캡과 캡커버 사이에는 상기 극판군의 전기화학적 반응으로 생성되는 가스와 상기 가스로 인한 소정의 내압에 반응하여 수축함으로서, 상기 가스를 상기 벤트홀을 통하여 배출하는 안전변이 제공된다.

상기 안전변은 탄성을 갖는 고무 또는 스프링 또는 고무와 스프링의 조합으로 이루어진다.

상기 캡어셈블리와 상기 캔은 절연성이 양호하고, 결합성을 배가시키는 가스킷을 개재하여 결합된다.

상기한 고용량 이차 전지의 제조방법은, 온도에 따라 그 내경이 확대 또는 복귀되는 캔을 제조하는 캔 제조공정과; 상기 캔 제조공정으로 소정의 내경을 갖는 캔의 온도를 변화시켜 내경을 확대시키는 캔 내경 확대 공정과; 상기 캔 내경 확대 공정으로 확대된 내경을 갖는 캔에 소정의 형상을 갖는 극판군과 전해액을 삽입하는 극판군 삽입 공정과; 상기 극판군 삽입 공정으로 극판군과 전해액이 삽입된 캔이 소정의 내경으로 복귀되도록 온도를 변화시키는 캔 내경 복귀 공정을 포함하여 이루어진다.

상기 온도에 따라 내경이 변화하는 캔은 소정의 온도가 되면 내경이 확대되고 전지 사용 온도에서는 소정의 내경을 갖는 형상 기억 합금으로 제작된다.

상기 극판군 삽입 공정에서 극판군의 삽입 단계는 상기 권취된 극판군이 상기 소정 직경을 그대로 유지하도록 잡아주는 파지단계와, 상기 파지단계로 소정 직경을 유지하는 극판군을 그대로 캔의 공간부 중심에 맞추어 밀어넣는 삽입 단계로 구성된다.

상기 캔에 삽입되는 극판군의 직경은 상기 캔의 소정의 내경과 같다.

상술한 바와 같이 구성되는 이차 전지는 상기 캔이 상기 극판군과의 조립성을 향상시켜 상기 극판군의 체적 증가를 가능해지며, 따라서 상기 극판군의 체적 증가로 전지의 용량, 즉 에너지 밀도는 향상된다.

도 1은 본 발명에 따른 고용량 이차 전지의 일측 절개 정면도.

도 2는 본 발명에 따른 고용량 이차 전지의 제조공정을 도시한 블록도.

도 3은 본 발명에 따른 고용량 이차 전지의 제조공정을 도시한 공정도.

도 4는 종래 사용되는 이차 전지의 일측 절개 정면도.

다음으로 본 발명에 따른 이차 전지의 가장 바람직한 실시예로서, 원통형 니켈-수소 이차 전지를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

먼저 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 이차 전지(100)의 일실시예는 양극단자의 역할을 하는 캡어셈블리와 전기화학적 반응으로 화학에너지를 전기에너지로 전환시키는 극판군(30)과 상기 극판군(30)과 극판군(30)의 전기화학적 반응의 매개물이 되는 전해액을 보존하는 동시에 상기 캡어셈블리와 함께 극판군(30)과 전해액을 밀폐하는 캔(21)으로 구성된다.

상기 양극단자의 역할을 하는 캡어셈블리는 일측에 벤트홀이 형성된 캡(11)과 상기 캡(11)을 받쳐주며, 중앙부에 소정형상의 홀이 형성된 캡커버로 구성되며, 상기 캡(11)의 내측 공간부에는, 수축과 팽창의 반복이 가능한 안전변이 제공된다.

상기 안전변은 본 실시예서는 고무로 이루어지지만 다른 실시예에서는 스프링 또는 상기 고무와 스프링의 조합으로도 이루어질 수 있다.

상기 캡(11)은 상기 극판군(30)의 하나인 양극판(35)과 전기적으로 연결되어 양의 전기를 띄고 있는 양극단자의 역할을 수행하며, 중앙부가 모자형상으로 돌출되어 외부회로와 연결이 용이한 구조로 되어 있다.

또한 상기 캡(11)의 주변부는 일측으로 적어도 하나 이상의 벤트홀이 형성되어 있으며, 상기 캡(11)의 저부는 중앙부에 형성된 홀을 포함하여 상기한 캡커버와 결합, 고정되어 있다.

상기한 캡커버의 중앙부에 형성된 홀은 극판군(30)에서 발생한 가스를 상기한 고무로 안내하는 역할을 하는 데, 상기한 고무는 상기 캡커버에 형성된 홀을 통해 압력을 가하는 가스를 수축작용으로 일측에 형성된 벤트홀로 안내하여 배출시키는 역할을 한다.

한편 상기한 극판군(30)은 전해액을 매개물로 하여 화학에너지를 전기에너지로 변환시켜 주는 역할을 하며, 양극판(35)과 음극판(31) 그리고 상기 양극판(35)과 음극판(31)을 격리시키는 세퍼레이터(33)로 구성된다.

상기 양극판(35)은 우수한 다공성을 갖는 폼 니켈 기판을 집전체로 하여 활물질로 니켈수산화물을 충진한 것으로서, 일측에 활물질을 제거한 무지부를 형성시켜 니켈로 제작된 양극탭을 용접, 부착하여 완성된다.

또한 상기 양극판(35)과 전기화학적 반응을 하는 음극판(31)은 다수의 구멍이 형성된 금속판을 집전체로 하여 활물질로 수소저장합금을 충진한 것이다.

한편 상기 양극판(35)과 음극판(31)의 직접적인 접촉은 단락을 일으켜, 전지의 기능은 상실됨은 물론 폭발 등의 위험성마저 갖고 있으므로, 상기 양극판(35)과 음극판(31)을 격리시킬 필요가 있다.

따라서 상기 양극판(35)과 음극판(31)사이에는 세퍼레이터(33)가 개재되는 데, 상기 세퍼레이터(33)는 친수성이 우수한 폴리프로필렌 섬유로 이루어진다.

그리고 상기 양극판(35)과 음극판(31)사이를 매개하여 전기화학적 반응을 유도하는 전해액은 칼륨수산화물 또는 나트륨수산화물을 주성분으로 하는 알칼리성 액체로 이루어진다.

한편 상기 극판군(30)과 전해액을 보존하는 동시에 음극단자의 역할을 하는 캔(21)은 도 2를 기준으로 상부가 개방되고 내부에 공간부가 형성된 원통형의 형상을 갖고 있는 바, 상기 극판군(30)은 원통형의 캔(21)에서 최대한의 용량을 얻을 수 있도록 권취된다.

그런데 상기 캔(21)이 소정의 형상만을 유지한다면, 상기 극판군(30)은 활물질의 탈락을 최소화하는 동시에 상기 보존수단의 공간부의 내경을 고려하여 권취되는 바, 캔(21)으로 삽입되는 극판군(30)의 체적은 일정할 수 밖에 없으므로, 즉, 전지의 용량을 결정하는 활물질의 양도 일정할 수 밖에 없으므로, 코드리스 기기의 발달과 더불어 밀어온 고용량 전지에 대한 요구는 해소될 수 없다.

따라서 이를 해결하여 전지의 용량을 증대시키기 위해 상기 캔(21)은 조건에 따라 형상이 변하는 금속으로 제작된다.

본 실시예에서는 상기 조건에 따라 형상이 변하는 금속으로 온도 변화에 따라 형상 변화가 가능한 형상 기억 합금이 적용된다.

상기 캔(21)은 소정의 내경을 갖는 초기 형상에서 고온으로 가열, 가공하여 그 내경을 크게 변형, 기억시킨 것으로서, 전지의 사용 온도에서는 소정의 형상을 유지하지만 온도를 증가시키면 기억시킨 대로 그 내경이 크게 변화한다.

따라서 상기와 같은 캔(21)의 특성을 이용하여 캔(21)을 가열하여 그 내경을 크게 변형시키면, 상기 권취된 극판군(30)의 직경을 조립성을 향상시키기 위하여 소정의 형상일 때의 캔(21)의 내경보다 작게 할 필요가 해소되므로, 상기 권취된 극판군(30)의 직경을 소정의 형상일 때의 캔(21)의 내경과 거의 일치할 정도로 크게 한다.

이때, 상기 극판군(30)의 권취 상태는 활물질의 탈락이 최소화된 상태이므로, 상기 극판군(30)의 내경을 크게 하기 위하여 권취를 느슨하게 하기보다는 고용량화를 위하여 극판군(30)의 체적을 증가시키는 것이 바람직하다.

상기와 같이 캔(21)과 권취된 극판군(30)의 조립이 완료되면, 상기 캔(21)의 온도를 전지 사용 온도로 냉각하여 캔(21)을 소정의 형상으로 복귀시키며, 따라서 이미 삽입된 극판군(30)을 캔(21)의 내주면과 밀착, 고정된다.

상기와 같이 극판군(30)이 상기 캔(21)으로 삽입 완료되며, 상기한 캡어셈블리가 절연성이 양호하고, 결합성을 배가시키는 가스킷을 개재하여 상기 캔(21)의 공간부를 밀폐한다.

상기한 고용량 이차 전지(100)의 제조방법은 도 2~도 3에 도시한 바와 같이, 먼저 온도에 따라 내경이 확대 또는 축소되는 캔(21)을 제조하는 캔 제조공정(S1)을 실시한 후, 상기 캔 제조공정(S1)으로 소정의 내경(d)을 갖는 캔(21)을 소정의 직경(w)을 갖는 극판군(30)과의 조립성을 향상시키기 위해 온도를 달리하여 그 내경(d)을 확대시키는 캔 내경 확대 공정(S2)을 실행한다.

상기와 같이 가열에 의하여 확대된 내경(D)을 갖는 캔(21)으로 소정의 직경(w)을 갖는 극판군(30) 및 전해액을 삽입하는 극판군 삽입 공정(S3)을 실시하고, 다시 상기 극판군(30)과 전해액이 삽입된 캔(21)이 소정의 내경(d)을 갖도록 캔(21)을 전지 사용 온도로 냉각시키는 소정 내경 복귀 공정(S4)을 실행한다.

상기 극판군 삽입 공정(S3)에서 극판군(30)을 삽입하는 단계는 권취된 극판군(30)이 확대된 내경(D)을 갖는 캔(30)에 삽입될 때, 권취가 풀림으로 인하여 캔(21)과 접촉, 활물질이 탈락되는 것을 방지하기 위해, 상기 권취된 극판군(30)이 상기 소정 직경(w)을 그대로 유지하도록 잡아주는 파지단계와, 상기 파지단계로 소정직경(w)을 유지하는 극판군(30)을 그대로 캔(21)의 공간부 중심에 맞추어 밀어 넣는 삽입 단계로 구성된다.

상기 캔(21)에 삽입되는 극판군(30)의 직경(w)은 상기 캔(21)의 내경(d)과 같다.

본 발명에 따른 전지의 제조방법에 있어서, 상기한 공정 이외의 공정은 일반적인 전지의 제조방법과 마찬가지의 공정으로 이루어진다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 실용신안등록 청구의 범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

상기와 같은 본 발명에 따른 이차 전지는 온도에 따라 그 형상이 변형될 수 있는 형상 기억 합금을 이용하여, 상기 캔을 상온에서는 소정의 형상으로, 고온에서는 공간부의 내경을 크게 변형되도록 제작하여, 상기 캔과 극판군과의 조립성을 향상시켜, 극판군의 체적을 증가시킬 수 있으므로 코드리스 기기의 급속한 발달과 더불어 요구되던 전지의 고용량화가 가능케 된다.

Claims (9)

1. 양극판(35) 및 음극판(31) 그리고 상기 양극판(35)과 음극판(31)을 격리시키는 세퍼레이터(33)로 구성되며, 전기화학적 반응으로 화학에너지를 전기에너지로 전환시키는 극판군(30)과; 상기 극판군(30)의 전기화학적 반응의 매개물이 되는 전해액과 상기 극판군(30)을 보존하는 동시에 음극판(31)과 전기적으로 연결되며, 조건에 따라 형상이 변화하는 캔(21)과; 상기 캔(21)과 결합하여 극판군(30)을 밀폐함은 물론 극판군(30)을 구성하는 양극판(35)과 전기적으로 연결된 캡어셈블리를 포함하여 구성되는 고용량 이차 전지.
2. 제1항에 있어서, 상기 조건에 따라 내경이 변화하는 캔(21)은 소정의 온도가 되면 내경이 확대되고 전지 사용 온도에서는 소정의 내경을 갖는 형상 기억 합금으로 제작됨을 특징으로 하는 고용량 이차 전지.
3. 제1항에 있어서, 상기 캡어셈블리는 일측에 벤트홀이 형성된 캡(11)과 상기 캡(11)을 받쳐주며, 중앙부에 홀이 형성된 캡커버로 구성되며, 상기 캡(11)과 캡커버 사이에는 상기 극판군(30)의 전기화학적 반응으로 생성되는 가스와 상기 가스로 인한 소정의 내압에 반응하여 수축함으로서, 상기 가스를 상기 벤트홀을 통하여 배출하는 안전변이 제공됨을 특징으로 하는 고용량 이차 전지.
4. 제3항에 있어서, 상기 안전변은 탄성을 갖는 고무 또는 스프링 또는 고무와 스프링의 조합으로 이루어짐을 특징으로 하는 고용량 이차 전지.
5. 제1항에 있어서, 상기 캡어셈블리와 상기 캔(21)은 절연성이 양호하고, 결합성을 배가시키는 가스킷을 개재하여 결합됨을 특징으로 하는 고용량 이차 전지.
6. 온도에 따라 그 내경이 확대 또는 축소되는 캔(21)을 제조하는 캔 제조공정(S1)과; 상기 캔 제조공정(S1)으로 소정의 내경(d)을 갖는 캔(21)의 온도를 변화시켜 그 내경(d)을 확대시키는 캔 내경 확대 공정(S2)과; 상기 캔 내경 확대 공정(S2)으로 확대된 내경(D)을 갖는 캔(21)에 소정의 직경(w)을 갖는 극판군(30)과 전해액을 삽입하는 극판군 삽입 공정(S3)과; 상기 극판군 삽입 공정(S3)으로 극판군(30)과 전해액이 삽입된 캔(21)이 소정의 내경(d)으로 복귀되도록 온도를 변화시키는 캔 내경 복귀 공정(S4)을 포함하여 이루어지는 고용량 이차 전지의 제조방법.
7. 제5항에 있어서, 상기 온도에 따라 내경이 변화하는 캔(21)은 소정의 온도가 되면 확대된 내경(D)을 갖고, 전지 사용 온도에서는 소정의 내경(d)을 갖는 형상 기억 합금으로 제작됨을 특징으로 하는 고용량 이차 전지의 제조방법.
8. 제5항에 있어서, 상기 캔(30)에 삽입되는 극판군(30)의 직경(w)은 상기 캔(21)의 소정의 내경(d)과 같음을 특징으로 하는 고용량 이차 전지의 제조방법.
9. 제5항에 있어서, 상기 극판군 삽입 공정에서 극판군(30)을 삽입하는 단계는 권취된 극판군(30)이 상기 소정 직경(w)을 그대로 유지하도록 잡아주는 파지단계와, 상기 파지단계로 소정직경(w)을 유지하는 극판군(30)을 그대로 캔(21)의 공간부 중심에 맞추어 밀어 넣는 삽입 단계로 구성됨을 특징으로 하는 고용량 이차 전지의 제조방법.