KR19990055239A

KR19990055239A - 전지의 에이징 방법

Info

Publication number: KR19990055239A
Application number: KR1019970075155A
Authority: KR
Inventors: 강효랑
Original assignee: 전주범; 대우전자 주식회사
Priority date: 1997-12-27
Filing date: 1997-12-27
Publication date: 1999-07-15

Abstract

전해질이 전극에 함침되도록 하기 위한 시간을 단축시킬 수 있고 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 전지의 에이징 방법이 개시된다. 전지의 에이징 조업 시, 비휘발성 용매를 포함하는 초음파 수조를 준비한 후, 음극, 양극 및 세퍼레이터를 포함하는 와인딩 어셈블리와 와인딩 어셈블리가 내장된 케이스를 포함하는 전지를 소정의 깊이까지 담그고, 초음파 발생원으로부터 발생된 약 20,000㎐ 정도의 주파수를 갖는 초음파를 초음파를 상기 용매를 통하여 약 5∼6시간 정도 전지에 공급함으로써, 전해질 이온의 확산 속도를 증가시키고 세퍼레이터의 미공을 활성 상태로 만들어 전해질 내의 이온의 물질 이동을 촉진시킴으로써 전해질이 세퍼레이터 및 전극 사이에 함침되는 데 필요한 시간을 현저하게 단축할 수 있으며, 전해질이 세퍼레이터의 미공 내부 및 전극 사이에 균일하게 함침됨으로써 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

전지의 에이징 방법

본 발명은 리튬 전지의 에이징(aging) 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전해질이 전극에 함침되도록 하기 위한 시간을 단축시킬 수 있고 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 리튬 전지의 에이징 방법에 관한 것이다.

현재 사용되고 있는 2차 전지의 대부분은 납축전지와 니켈-카드뮴 축전지가 차지하고 있다. 납축전지 또는 니켈-카드뮴 축전지는 에너지 밀도, 충방전 효율, 자기 방전율, 부하율 특성, 수명, 취급의 간편성 및 경제성 등의 전반적인 관점에서 다른 신종 전지에 비하여 우수하다고 평가되고 있다. 그러나, 더욱 우수한 2차 전지를 요구하는 강한 필요에 호응하여 새로운 2차 전지의 연구 개발이 활발히 행해지고 있다. 개발 중인 새로운 2차 전지의 용도로서는 코드리스 기기의 전원, 메모리 백업, 전기 자동차, 전력 저장, 인공 위성 등이 상정되어 있다.

코드리스 기기의 전원이나 메모리 백업용으로서는 상온형의 각종 리튬 전지나 중합체 전지가 개발되었다. 또한, 금속 수소화물을 음극 활물질로 한 저압형의 니켈-수소 전지도 상기 목적에 따라 개발되고 있다. 리튬 전지는 고에너지 밀도가 특징으로서, 5∼10 시간율의 방전 하에 중량당 에너지 밀도 90∼110Wh·㎏^-1, 부피당 에너지 밀도 250∼350Wh·ℓ^-1등을 갖는다. 이러한 특성 값은 납축전지에 비해 2 배 이상 우수하여, 코드리스 기기의 전원이나 메모리 백업용은 물론, 전기 자동차 등의 이동용 동력원으로서도 실용화될 수 있다. 상기 리튬 전지의 음극 재료로서는 리튬, 리튬 합금, 또는 리튬 인터컬레이션 재료를 사용하며, 양극 물질로는 리튬 인터컬레이션 화합물(LiCoO₂, LiNiO₂, LiMnO₂등), 이산화망간, 이황화몰리브덴, 산화 바나듐, 이황화티탄, 요오드, 이산화황 등 여러 가지 재료가 사용될 수 있다.

도 1은 종래의 리튬 전지의 사시도를 도시한 것이고, 도 2는 도 1에 도시한 장치의 단면도를 나타낸 것이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 리튬 전지(75)는, 케이스(45)와 케이스(45)에 내장된 와인딩 어셈블리(50)를 포함한다. 와인딩 어셈블리(50)는 이산화망간으로 이루어진 양극(5), 리튬으로 구성된 음극(10), 그리고 양극(5)과 음극(10) 사이에 형성되어 전해액이 함침된 세퍼레이터(20)로 구성된다.

상기 원통형 케이스(45)의 상부에는 양극(5)의 접점 역할을 하는 캡(55)이 형성되며, 그 하부에는 중앙부에 관통공이 형성된 커버(65)가 제공된다. 커버(65)와 캡(55) 사이에는 전해액의 온도가 반응열로 인하여 상승할 때 그 저항이 무한대가 됨으로써 전류의 흐름을 차단하는 피티씨(PTC : positive temperature coefficient of resistance)소자가 제공된다. 또한, 상기 리튬 전지(75)의 내부를 밀봉하기 위하여 가스켓(70)이 구비된다. 상기 케이스(45)는 금속재로 이루어지며, 음극(10)과 접촉되어 음극(10)의 접점 역할을 수행한다. 케이스(45)의 상단은 가스켓(70)을 고정하기 위하여 내부로 절곡된다.

상기 음극(10)은 리튬 인터컬레이션 재료를 음극통 또는 음극 집전체에 도포함으로써 제작된다. 리튬은 물과 격렬하게 반응하여 수소 가스를 발생시키기 때문에 전해액으로는 비프로톤성 유기 용매가 사용된다. 양극(5)은 리튬 인터컬레이션 화합물에 탄소 분말 등의 전도제와 플루오르 수지 등의 결착제를 혼합한 합제에 점성제를 가하여 슬러리 상태로 만든 후, 이를 금속제 심체(心體)에 발라 건조시킨 페이스트식 전극을 사용한다. 전해액은 프로필렌카보네이트와 디메톡시에탄의 혼합 용매에 리튬 플루오르화인(LiPF₆)을 용해하여 제조되며, 세퍼레이터(20)는 고분자 재료로 이루어진 미공성 막을 사용한다. 상기와 같이 리튬 전지(75)를 조립한 후, 전해액이 전지의 세퍼레이터 및 전극 사이에 고르게 함침되도록 통상 2∼3일 정도 기다리는 에이징(aging) 단계를 거치게 된다.

그러나, 이러한 에이징 조업 시, 전해액이 미세 공극까지 고르게 함침되는 되는 것이 어려우며, 이에 따라서 전지성능의 열화 문제가 발생하여 전지의 불량율이 증가하는 문제가 있다. 또한, 전지의 중심부로는 전해액이 쉽게 스며들지 못하는 까닭에 에이징 시간이 2∼3일 정도로 너무 오래 걸리는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 전해액의 함침성을 향상시켜 에이징 시간을 단축할 수 있고 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 리튬 전지의 에이징 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 리튬 전지의 사시도이다.

도 2는 도 1에 도시한 장치의 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 리튬 전지의 사시도이다.

도 4는 도 3에 도시한 장치의 단면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 리튬 전지의 에이징 방법을 도시한 개략도이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

105 : 양극 110 : 음극

115 : 전해액 120 : 세퍼레이터

145 : 케이스 150 : 와인딩 어셈블리

155 : 캡 165 : 커버

170 : 가스켓 175 : 리튬 전지

180 : 초음파 수조 185 : 용매

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 음극, 양극 및 상기 음극과 상기 양극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 와인딩 어셈블리 및 상기 와인딩 어셈블리가 내장된 케이스를 포함하는 전지의 에이징 방법에 있어서, 비휘발성 용매를 포함하는 초음파 수조를 제공하는 단계; 상기 초음파 수조 내의 용매에 상기 전지를 소정의 깊이까지 담그는 단계; 그리고 초음파 발생원으로부터 발생된 초음파를 상기 용매를 통하여 상기 전지에 공급하는 단계를 포함하는 전지의 에이징 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 에이징 조업 시 약 20,000㎐ 정도의 주파수를 갖는 초음파를 약 5∼6시간 정도 리튬 전지에 공급함으로써 전해질 이온의 확산 속도를 증가시키고 세퍼레이터의 미공을 활성 상태로 만들어 전해질 내의 이온의 물질 이동(mass transfer)을 촉진시킴으로써 전해질이 세퍼레이터 및 전극 사이에 함침되는 데 필요한 시간을 약 5∼6 시간 정도로 종래에 비하여 현저하게 단축할 수 있으며, 전해질이 세퍼레이터의 미공 내부 및 전극 사이에 균일하게 함침됨으로써 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 리튬 전지의 에이징 방법을 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 리튬 전지의 사시도를 도시한 것이며, 도 4는 도 3의 장치의 단면도를 도시한 것이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 리튬 전지(100)는 케이스(145) 및 와인딩 어셈블리(150)를 포함한다. 상부에 절곡부가 형성되고 절곡부의 아래로 전해액이 충전되어 있는 상기 케이스(145)의 내부에는 와인딩 어셈블리(150)가 장착된다. 상기 와인딩 어셈블리(150)는 양극(105), 세퍼레이터(120) 및 음극(110)으로 구성되어 외측으로 와인딩한 나선 또는 원형의 형태를 갖는다.

양극(105)은 리튬 인터컬레이션 화합물, 이산화망간 복합 산화물, 크롬 산화물, 또는 바나듐 산화물 등으로 구성되며, 상기 음극(110)은, 리튬 인터컬레이션 재료, 리튬/알루미늄(Li/Al) 합금과 같은 또는 리튬/금속 합금으로 이루어진다. 세퍼레이터(120)로는 폴리프로필렌과 같은 고분자 재료로 이루어진 미공성 막을 사용하며, 세퍼레이터(120)에 함침되는 전해액으로는 프로필렌카보네이트 및 디메톡시에탄 등의 유기 혼합 용매에 리튬 플루오르화인 등을 용해하여 사용한다.

상기 리튬 전지(100)의 원통형 케이스(145)의 상부에는 양극(105)의 접점 역할을 하며, 중앙에 벤트홀이 형성되어 있는 돌출부가 중심에 형성된 캡(155)이 제공된다. 캡(155)의 하부에는 그 중앙부에 관통공(160)이 형성된 커버(165)가 형성된다. 상기 캡(155)과 커버(165) 사이에는 전해액의 온도가 반응열로 인하여 소정의 온도(예를 들면, 80℃) 이상으로 상승할 때 그 저항이 무한대가 됨으로써 전류의 흐름을 차단하는 피티씨(PTC) 소자(도시되지 않음)가 제공된다. 상기 피티씨 소자의 중앙에는 커버(165)의 관통공(160)에 대응하는 개구부가 형성된다.

상기 캡(155), 피티씨 소자 및 커버(165)와 케이스(145)의 내벽 사이에는 내부를 밀봉하기 위하여 가스켓(170)이 구비되며, 케이스(145)의 상단은 가스켓(170)을 고정하기 위하여 내부로 절곡된다.

이하 본 발명에 따른 리튬 전지의 에이징 방법을 도면을 참조하여 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 리튬 전지(100)의 에이징 방법을 설명하기 위한 개략도이다. 도 5를 참조하면, 예를 들면, 물과 같은 비휘발성 용매(185)가 담긴 초음파 수소(ultrasonic bath)(180)에 리튬 전지(100)를 소정의 깊이까지, 예를 들면 케이스(145)의 절곡부까지 충분히 담근 후, 초음파 발생원(도시되지 않음)으로부터 상기 초음파 수조(185)를 통하여 리튬 전지(100)에 약 20,000㎐ 정도의 주파수를 갖는 초음파를 약 5∼6시간 정도 공급함으로써 에이징 작업을 완료한다. 이 때, 상기 용매(185)는 초음파를 리튬 전지(100)에 전달하는 매체로서의 역할을 수행한다. 종래에는 전해액이 세퍼레이터 및 전극 사이에 함침되도록하기 위하여 단순히 기다리는(waiting) 방법을 사용하기 때문에 전해액이 고르게 함침되기가 어려우며 에이징 시간이 길어지는 단점이 있었다. 본 발명에서는, 상술한 바와 같이, 에이징 조업 시 초음파를 리튬 전지(100)에 공급함으로써 전해질이 전극 사이 및 세퍼레이터의 미공 내부까지 고르고 빠르게 함침되도록 하여 에이징 시간을 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라 전지의 성능도 향상시킬 수 있다. 즉, 초음파의 공급을 통하여 전해질 이온의 확산 속도를 증가시키고 세퍼레이터의 미공을 활성 상태로 만들어 전해질 내의 이온의 물질 이동(mass transfer)을 촉진시킴으로써 전해질이 세퍼레이터 및 전극 사이에 함침되는 데 필요한 시간을 약 5∼6 시간 정도로 종래에 비하여 현저하게 단축할 수 있으며, 전해질이 세퍼레이터의 미공 내부 및 전극 사이에 균일하게 함침됨으로써 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 에이징 조업 시 약 20,000㎐ 정도의 주파수를 갖는 초음파를 약 5∼6시간 정도 리튬 전지에 공급함으로써 전해질이 전극 사이 및 세퍼레이터의 미공 내부까지 고르고 빠르게 함침되도록 하여 에이징 시간을 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라 전지의 성능도 향상시킬 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

음극, 양극 및 상기 음극과 상기 양극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 와인딩 어셈블리 및 상기 와인딩 어셈블리가 내장된 케이스를 포함하는 전지의 에이징 방법에 있어서,

비휘발성 용매를 포함하는 초음파 수조를 제공하는 단계;

상기 초음파 수조 내의 용매에 상기 전지를 소정의 깊이까지 담그는 단계; 그리고

초음파 발생원으로부터 발생된 초음파를 상기 용매를 통하여 상기 전지에 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지의 에이징 방법.
제1항에 있어서, 상기 초음파를 상기 전지에 공급하는 단계는, 약 20,000㎐의 주파수를 갖는 초음파를 약 5∼6 시간 공급하는 것을 특징으로 하는 리튬 전지의 에이징 방법.