KR20010021428A - 축전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20010021428A KR1020000049808A KR20000049808A KR20010021428A KR 20010021428 A KR20010021428 A KR 20010021428A KR 1020000049808 A KR1020000049808 A KR 1020000049808A KR 20000049808 A KR20000049808 A KR 20000049808A KR 20010021428 A KR20010021428 A KR 20010021428A
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다카노 야스아키
산요 덴키 가부시키가이샤
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Abstract

집전체(14, 15)가 양극판(11)과 음극판(12) 사이에 구획부(13)를 개재시킴으로써 형성된 나선형 전극군의 상부면 및 하부면에 용접되는 전극체(10)가 전지 케이스(16) 내에 수납된다. 집전체(15)가 전지 케이스(20)에 용접된 후, 집전체(14)의 직경 상에 실린더 몸체(20)가 장착되고, 그 다음 날개부(22, 22)가 용접된 후, 전해액이 주입되어, 포트 밀봉체(17)의 바닥면을 실린더 몸체(20)의 주연 측면과 접촉되는 동안 한 쌍의 전극(W1, W2)은 포트 밀봉체(17)와 전지 케이스(16) 상에 배치된다. 전극(W1, W2) 사이에 압력을 가하는 동안 포트 밀봉체(17)와 실린더 몸체(20)의 주연 측면 사이의 접촉부가 방전 방향으로 전류를 공급함으로써 용접된 다음, 전지의 개구는 전지 케이스(16)의 개구 에지를 코오킹함으로써 밀봉되고, 그 다음 포트 밀봉체(17)는 포트 밀봉체(17)에 힘을 가함으로써 전지 케이스(16) 내에 압입되어 축전지가 제작된다.

Description

축전지 및 그 제조 방법 {STORAGE BATTERY AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
본 발명은, 한쪽 전극의 단자로 사용되고 개구를 구비한 전지 케이스와, 이 개구를 밀봉하는 다른쪽 전극의 단자로 사용되는 포트 밀봉체와, 전지 케이스 내에 설치되고 양/음극의 적어도 일 단부에 접속된 집전체를 갖는 전극체를 구비하는 축전지와 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 알칼리 전지 및 납 전지와 같은 수용액계 전지의 포트 밀봉체와 양/음극의 적어도 한쪽에 접속된 집전체를 접속시키기 위한 리드부의 집전 구조 및 그 용접 방법의 개량에 관한 것이다.
일반적으로, 니켈-수소 축전지, 니켈-카드뮴 축전지 등과 같은 알칼리 축전지는, 양극과 음극 사이에 구획부를 개재시킨 다음, 이들을 나선형으로 권취한 후, 양극 혹은 음극의 단부에 집전체를 접속하여 전극체를 형성하여, 이 전극체를 금속 전지 케이스에 설치한 뒤, 집전체로부터 연장된 리드부를 포트 밀봉체에 용접하고, 그 다음 절연 가스켓을 거쳐 전지 케이스의 개구부에 포트 밀봉체를 끼워 전지 케이스를 단단히 밀봉한다.
충/방전이 고율로 수행되는 전동 공구, 전기 자동차 등과 같은 적용예에 이러한 알칼리 축전지가 사용되는 경우, 집전체와 포트 밀봉체를 접속하는 리드부의 전기 저항은 전지 특성에 큰 영향을 준다. 따라서, 만일 리드부의 전기 저항이 크면, 큰 전류로 방전을 할 때, 리드부의 전기 저항에 기인하는 큰 전압 강하가 생겨 전지 전압이 저하한다는 문제가 있다. 그러므로, 일본 특허 제2762599호에서, 리드부를 구성하도록 여러 매(sheet)의 집전 부품을 사용하거나 또는 집전 부품의 두께를 증가시킴으로써, 리드부의 전기 저항을 감소시키는 것을 제안하였다.
한편, 리드부를 구성하는 다수의 집전 부품이 사용되는 경우, 부품 개수가 많아지는 동시에 리드부에 가요성이 없기 때문에 포트 밀봉체와의 용접이 곤란하고, 포트 밀봉체가 밀봉하도록 전지 케이스의 개구부에 코오킹될 때에 리드부를 절첩하기 어려워지게 되어서 생산성이 떨어진다는 문제가 발생한다. 또한, 리드부를 구성하는 집전 부품의 두께가 증가된 경우, 저항 용접하기 위한 용접 전류에 반응 전류가 증가되어 포트 밀봉체와의 용접성이 나빠지고, 포트 밀봉체가 밀봉하도록 전지 케이스의 개구부에 코오킹될 때에 리드부를 절첩하기 어렵게 되어서 생산성이 떨어진다는 문제가 발생한다.
그와 반대로, 리드부가 포트 밀봉체에 용접되는 경우, 우선 집전체로부터 수직으로 상승한 리드부의 이웃에 포트 밀봉체가 위치된 후 리드부의 측면에 용접 전극을 미는 동안 리드부는 포트 밀봉체에 저항 용접된다. 이 후, 포트 밀봉체가 리드부를 절첩시킴으로써 전지 케이스의 개구부 내에 끼워져서, 개구부의 에지부는 밀봉하도록 코오킹된다. 일반적으로, 두껍고 짧은 리드부가 이용되면, 그 비저항이 작아져서 전지 내부 저항은 저하될 수 있다.
그러나, 상술한 바와 같이, 리드부가 포트 밀봉체에 용접된 후에 포트 밀봉체를 전지 케이스의 개구부 내에 끼우기 위해서, 포트 밀봉체는 밀봉시에 리드부를 절첩시키도록 긴 리드부를 이용함으로써 전지 케이스의 개구부 내에 끼워질 필요가 있다. 그러므로, 리드부의 길이는 전극체의 적어도 반경 이상의 길이가 필요하고, 또한 리드부가 절첩될 수 있도록 얇고 긴 리드부가 이용되어야 한다. 따라서, 리드부의 비저항이 증가되기 때문에 전지 내부 저항이 증가되는 문제가 발생한다.
그러므로, 집전 경로를 단축시킴으로써 전지 내부 저항을 감소시키는 접속 방법이, 예를 들면 심사되지 않은 일본 특허 공개 (JP-A) 10-261397호에 제안되어 있다. 이 방법에 따라서, 전극체가 전지 케이스 내에 설치된 후, 전지 케이스의 개구부는 집전체에 용접된 리드부를 포트 밀봉체의 하부면에 접촉시킨 상태로 포트 밀봉체로 단단히 밀폐되고, 그 다음 리드부와 포트 밀봉체 사이의 접촉 부분은 전지 케이스와 포트 밀봉체 사이에 전류를 흐르게 함으로써, 용접된다.
따라서, 만일 리드부가 짧더라도 전지 케이스의 개구부에 포트 밀봉체를 용이하게 설치하는 것이 가능하고, 집전 거리를 단축함으로써 전지 내부 저항을 감소시키는 것이 가능하다. 또한, 개구를 밀봉할 때에 리드부를 절첩할 필요가 없기 때문에, 두꺼운 리드부를 이용하는 것이 가능하고, 전지 내부 저항을 감소시키는 것도 가능하다.
그러나, 일본 특허 공개 (JP-A) 10-261397호에 제안된 접속 방법에서, 전지 케이스 내에 설치된 전극체의 높이에 변동이 있는 경우, 포트 밀봉체와 리드부 사이의 접촉부가 확실하게 형성될 수 없는 상태가 발생된다. 따라서, 용접부가 확실하게 형성될 수 없다는 문제가 발생된다. 또한, 리드부를 포트 밀봉체에 접촉시키는 것만으로는 용접후의 용접점의 강도 및 품질이 떨어져, 몇몇 경우에 제품 수율이 나빠지게 된다.
그러므로, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해서 이루어졌고, 두께가 두껍고 길이가 짧더라도 확실하게 포트 밀봉체와 집전체를 용접할 수 있는 리드 부품을 이용함으로써 고율 방전 성능이 우수한 축전지를 얻는 것이 본 발명의 제1 목적이다. 또한, 이러한 리드 부품을 이용하여 리드부와 포트 밀봉체 또는 리드부와 집전체를 용접하여 확실하게 이를 접속할 수 있는 용접 방법을 제공하는 것이 본 발명의 제2 목적으로 한다.
상기 제1 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 축전지는, 포트 밀봉체와 집전체를 접속시키기 위한 리드부가 중공부를 구비한 실린더 몸체에 의해 구성되고, 중공부를 구비한 이 실린더 몸체가 포트 밀봉체와 집전체 사이에 구비되어, 포트 밀봉체와 집전체가 실린더 몸체로 이루어진 리드부에 용접된다.
만일 포트 밀봉체와 집전체가 중공부를 구비한 실린더 몸체로 이루어진 리드부에 용접되면, 전류가 공급될 때의 전류 경로는 실린더 몸체의 주연 측벽을 따라서 집전체로부터 포트 밀봉체로 (혹은, 포트 밀봉체로부터 집전체로) 2개의 경로로 분리되어 전류를 흐르게 한다. 그러므로, 리드부의 집전 거리는 실린더 몸체의 반원주로 되어, 리드부에서의 전압 강하는 절반만큼 감소될 수 있다. 그 결과, 리드부로서 작용하는 실린더 몸체의 기부의 두께를 증가시킬 필요가 없기 때문에, 리드부와 포트 밀봉체 혹은 집전체 사이의 용접이 용이하게 되고, 전지 케이스의 개구부를 코오킹함으로써 포트 밀봉체의 개구를 밀봉하기 위한 작업이 용이하게 된다. 따라서, 이러한 종류의 축전지 제조가 용이하게 된다.
더욱이, 고압에서 전해액을 거쳐서 큰 전류를 흐르게 함으로써 용접을 하는 것에 따르면, 매우 용이하고 고품질로 신뢰성이 있게 용접될 수 있다. 그리고, 확실하고 접합 강도가 높은 용접부가 달성될 수 있다.
또한, 상기 제2 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 축전지의 제조 방법은, 집전체와 포트 밀봉체를 전기적으로 접속시키는 리드부를 거쳐서 집전체가 포트 밀봉체와 접촉하도록 전지 케이스의 개구부에 포트 밀봉체를 배치하는 배치 단계와, 전지 케이스와 포트 밀봉체를 가압하는 동안 전지 케이스와 포트 밀봉체 사이에 전류를 흐르게 함으로써 리드부를 포트 밀봉체 및 집전체 중의 어느 하나에 용접하는 용접 단계를 포함한다.
여기서, 저항 용접에 의해 용접부의 강도를 향상시키기 위하여, 용접점에 가해지는 용접력(welding force)뿐만 아니라 용접 전류의 전류값도 중요한 인자이다. 만일 용접 전류가 용접점에 공급되면, 접촉 부분의 금속은 용접점에서 주울열에 의해 용융되어 용접된다. 이 경우, 만일 용접점이 가압되지 않으면, 용융된 금속 비산 현상이 생겨 소위 "용접 먼지"가 발생한다. 이는 전지 단락의 원인의 하나이다. 또한, 용접점이 가압되지 않으면, 내부 결함이 용접점에서 발생하여 용접 강도가 저하된다.
그러나, 상술한 일본 특허 공개 10-261397호에서 제안된 용접 방법에서, 전지 케이스의 개구부가 포트 밀봉체에 의해 밀봉된 후에 용접이 수행되기 때문에, 이러한 포트 밀봉체는 고정된다. 따라서, 용접력이 용접시 용접점에 인가될 수 없기 때문에, "용접 먼지" 및 내부 결함이 발생되는 문제가 있다.
그러나, 본 발명에서, 리드부를 거쳐서 포트 밀봉체를 집전체와 접촉하도록 전지 케이스의 개구부에 포트 밀봉체가 배치되고, 그 다음 전지 케이스와 포트 밀봉체 사이에 용접 전류가 공급된다. 그러므로, 용접시에 접촉부를 가압하는 것이 가능하다. 이에 따라, "용접 먼지"의 발생 없이, 리드부는 포트 밀봉체 및 집전체 중의 어느 하나에 양호하게 용접된다. 그 결과, 만일 리드부가 포트 밀봉체와 집전체를 접속시키는 길이만 가지면, 이러한 리드부는 포트 밀봉체 혹은 집전체에 용접될 수 있다.
또한, 만일 리드부가 중공부를 구비한 실린더 몸체로 구성되면, 전류가 공급될 때의 전류 경로는 실린더 몸체의 주연 측벽을 따라서 집전체로부터 포트 밀봉체로 (혹은, 포트 밀봉체로부터 집전체로) 2개의 경로로 분리되어 전류를 흐르게 한다. 그러므로 한 매의 리드판이 사용되는 경우에 비하여 리드부에서의 전압 강하는 절반으로 감소될 수 있다. 이러한 이유로, 리드부로서 작용하는 실린더 몸체의 기부의 두께를 증가시킬 필요가 없기 때문에, 리드부와 포트 밀봉체 혹은 집전체 사이의 용접이 용이하게 되고, 전지 케이스의 개구부에 코오킹함으로써 포트 밀봉체의 개구를 밀봉하는 작업도 용이하게 된다. 따라서, 이러한 종류의 축전지의 제조가 용이하게 된다.
또한, 리드부의 주연 측면의 외부 단부가 밀봉체의 바닥면보다 더 내측에 위치되는 구성을 갖기 때문에, 전류가 공급될 때의 전류 경로는 실린더 몸체의 주연 측면을 따라서 포트 밀봉체로부터 집전체로 2개의 경로로 분리되고, 전류 경로는 짧아질 수 있다. 또한, 실린더 몸체를 집전체에 미리 용접하는 제1 용접 단계 혹은 실린더 몸체를 포트 밀봉체에 미리 용접하는 제1 용접 단계를 구비함으로써, 실린더 몸체의 주연 측면이 집전체 혹은 포트 밀봉체에 미리 용접될 수 있기 때문에, 나중에 수행되는 제2 용접 단계에서 실린더 몸체의 이동이 방지될 수 있다. 이에 따라, 제2 용접 단계에서 실린더 몸체를 포트 밀봉체에 용접하는 것, 혹은 실린더 몸체를 집전체에 용접하는 것이 용이하게 된다.
더욱이, 실린더 몸체의 주연 측면이 집전체 혹은 포트 밀봉체에 미리 용접되어 있으면, 용접 전류는 나중에 수행될 제2 용접 단계에서 실린더 몸체의 주연 측면과 포트 밀봉체 사이의 접촉 부분 또는 실린더 몸체의 주연 측면과 집전체 사이의 접촉 부분에 집중될 수 있다. 그 결과, 양호한 용접부가 형성될 수 있어, 용접강도가 우수한 용접부가 형성될 수 있다.
그 다음, 만일 제2 용접 단계에서 포트 밀봉체와 전지 케이스를 가압하는 동안 전류가 공급되면, 전극체의 높이 치수에 변동이 있더라도 또는 집전체 혹은 포트 밀봉체에 미리 용접된 실린더 몸체의 용접 위치에 변동이 있더라도, 실린더 몸체의 주연 측면과 포트 밀봉체 혹은 집전체 사이의 접촉점을 형성하는 것이 가능하다.
집전체 및 리드부를 가압하는 동안 용접 단계를 수행함으로써, 집전체와 리드부는 용융하는 순간에 서로 결합되어, 집전체와 리드부를 용접하기 용이하다. 공극(void)과 같은 추가의 내부 결함이 억제될 수 있다.
그러므로, 내부 단락을 발생시키는 원인으로 작용하는 "용접 먼지"의 발생과 용접 강도의 저하를 일으키는 내부 결함의 발생이 억제될 수 있는 동시에, 우수한 용접 강도를 갖는 용접부가 형성될 수 있다. 따라서, 용접부에서의 저항값이 감소될 수 있다. 그 결과, 단락이 발생하지 않고 내부 저항이 낮은 축전지를 얻을 수 있다.
이 경우, 용접 단계 혹은 제2 용접 단계가 수행된 후 포트 밀봉체와 집전체 사이의 리드부를 가압하는 동안 전지 케이스와 포트 밀봉체 사이에 전류를 공급함으로써 전지 케이스의 개구부가 포트 밀봉체에 의해 단단히 밀봉되면, "용접 먼지"의 발생은 확실하게 억제될 수 있고, 내부 결함이 없고 용접 강도가 우수한 용접부가 형성될 수 있다. 그렇지 않고, 만일 전지 케이스의 개구부를 포트 밀봉체로 밀봉하여 이 포트 밀봉체의 주위에 밀봉부를 형성한 후 전지 케이스의 상부에 형성된 환상형 홈을 압착하는 동안 포트 밀봉체와 집전체 사이에서 리드부를 가압할 뿐만 아니라 전지 케이스와 포트 밀봉체 사이에 전류를 공급함으로써 용접 단계 혹은 제2 용접 단계가 수행된다면, "용접 먼지"의 발생은 확실하게 억제될 수 있고, 또한 내부 결함이 없는 용접 강도가 우수한 용접부가 형성될 수 있다.
그 다음, 만일 어떠한 형상이 전류를 공급할 때 전류 경로를 2개의 경로로 분리시킬 수 있고 이러한 형상이 밀봉 단계에서의 가압력에 의해 용이하게 압착되면, 어떠한 형상도 리드부를 구성하는 실린더 몸체로서 이용될 수 있다. 이 경우, 원형, 타원형 혹은 다각형의 단면을 가지는 실린더 몸체는 이들 조건을 만족시키기 때문에 바람직하다. 그러므로, 실린더 몸체의 단면 형상은 밀봉 단계에서의 가압력에 의해 원형, 타원형 혹은 다각형을 압착함으로써 얻어지는 형상을 갖는다.
더욱이, 축방향으로 연장하는 노치부가 실린더 몸체의 양 에지 상에 구비되면, 실린더 몸체는 노치부를 따라서 밀봉 단계에서의 가압력에 의해 용이하게 압착된다. 또한, 실린더 몸체의 양 에지의 적어도 하나가 비스듬히 절단되면, 양 단부 상에서 실린더 몸체의 내주면의 일부가 이 절단에 의해 노출되기 때문에 용접용 전극 막대는 노출면에 수직으로 위치될 수 있다. 따라서, 실린더 몸체는 실린더 몸체의 단부를 비스듬히 절단시킴으로써 얻어지는 단순인 구성을 이용하여 포트 밀봉체 혹은 집전체에 미리 용접될 수 있다. 그러므로, 집전 거리는 집전체 상의 용접점에서 포트 밀봉체 상의 용접점까지의 반원주의 거리이기 때문에, 이러한 집전 거리가 감소될 수 있다.
더욱이, 실린더 몸체가 주연 측면으로부터 양 측으로 연장하는 평판형의 날개부를 구비하고 있으면, 이러한 실린더 몸체를 포트 밀봉체 혹은 집전체에 미리 용접하는 것은 용이해진다. 또한, 돌출부가 포트 밀봉체의 하부면에 구비되거나 혹은 돌출부가 포트 밀봉체의 상부면에 접촉하는 실린더 몸체의 주연 측면에 구비되면, 전류가 돌출부에 집중될 수 있기 때문에, 더 큰 용접 강도를 갖는 용접부가 형성될 수 있다. 또한, 날개부가 실린더 몸체의 주연 측벽의 일부를 연장시킴으로써 형성되면, 날개부의 형성은 용이해진다.
더욱이, 상기 전극체의 하부면 및 케이스의 내부면 중의 적어도 하나에 돌출부를 구비함에 따라서, 전류를 돌출부에 집중시키고, 전극체의 하부면과 케이스의 내부면은 매우 용이하고 확실하게 서로 용접될 수 있고, 확실하고 낮은 저항을 갖는 접속이 달성될 수 있다.
도1은 본 발명의 리드부를 구성하는 실린더 몸체가 전극체에 용접된 상태를 도시한 사시도.
도2는 전극체를 전지 케이스에 삽입함으로써 도1의 리드부를 구성하는 실린더 몸체가 포트 밀봉체에 용접된 상태를 도시한 단면도.
도3은 포트 밀봉체가 전지 케이스의 개구부에 밀봉된 상태를 도시한 단면도.
도4는 포트 밀봉체가 프레스된 상태를 도시한 단면도.
도5는 전지 케이스에 삽입된 전극체를 리드부를 구성하는 실린더 몸체를 거쳐서 포트 밀봉체에 용접함으로써 완성된 니켈-수소 축전지를 도시한 단면도.
도6은 본 발명의 리드부를 구성하는 다른 실린더 몸체가 전극체에 용접된 상태를 도시한 사시도.
도7은 본 발명의 리드부를 구성하는 다른 실린더 몸체가 전극체에 용접된 상태를 도시한 사시도.
도8은 본 발명의 리드부를 구성하는 또 다른 실린더 몸체가 전극체에 용접된 상태를 도시한 사시도.
도9는 본 발명의 리드부를 구성하는 여전히 다른 실린더 몸체가 전극체에 용접된 상태를 도시한 사시도.
도10은 본 발명의 리드부를 구성하는 여전히 또 다른 실린더 몸체가 전극체에 용접된 상태를 도시한 사시도.
도11은 전극체를 전지 케이스에 삽입함으로써 도8의 리드부를 구성하는 실린더 몸체가 포트 밀봉체에 용접된 상태를 도시한 단면도이다.
도12는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 사시도.
도13은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 사시도.
도14a 및 도14b는 본 발명과 종래예의 접속 상태를 비교하여 도시한 설명도.
도15는 종래 기술(비교예)의 축전지를 도시하고, 리드부가 포트 밀봉체에 용접된 상태를 도시한 단면도.
도16은 각 전지의 전압-전류(V-I)의 특성을 도시한 도면.
도17은 전지 케이스의 개구부에 포트 밀봉체가 밀봉된 상태를 도시한 변형예의 단면도.
도18은 도1의 리드부를 구성하는 실린더 몸체가 포트 밀봉체에 용접된 상태 및 밀봉부가 프레스된 상태를 도시한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 전극체
11 : 니켈 양극판
12 : 수소 흡장 합금 음극판
13 : 구획부
14 : 양극 집전체
15 : 음극 집전체
16 : 전지 케이스
17 : 포트 밀봉체
18 : 방진링
19 : 가스켓
20, 30, 40, 50, 60, 70 : 실린더 몸체
21 : 실린더 본체부
22 : 날개부
23 : 노치부
W1, W2 : 용접 전극
V : 공극
A1, A2 : 분할 주형
P : 펀치
본 발명이 니켈-수소 축전지에 적용되는 경우의 실시예는 이후에 도면을 참고로 설명될 것이다. 도1은 본 발명의 실시예 1의 리드부를 구성하는 실린더 몸체가 전극체에 용접된 상태를 도시한 사시도이고, 도2는 도1의 실린더 몸체가 전극체를 전지 케이스 내에 삽입함으로써 포트 밀봉체에 용접된 상태를 도시한 단면도이다. 또한, 도3은 포트 밀봉체가 전지 케이스의 개구부 상에 밀봉된 상태를 도시한 단면도이며, 도4는 포트 밀봉체가 프레스된 상태를 도시한 단면도이다. 더욱이, 도5는 전지 케이스 내에 삽입된 전극체를 리드부를 구성하는 실린더 몸체를 거쳐서 포트 밀봉체에 용접함으로써 완성된 니켈-수소 축전지를 도시한 단면도이다.
1. 전극체의 제작
본 실시예의 니켈-수소 축전지는 니켈 양극판(11)과 수소 흡장 합금 음극판(12)을 포함한다. 니켈 양극판(11)은 펀칭 금속으로 이루어진 전극판 코어체의 표면 상에 니켈 소결 다공체를 형성한 후 화학 함침법에 의해 수산화 니켈을 주성분으로 하는 니켈 소결 다공체 내에 함유시키는 활성 재료를 충전시킴으로써 제조된다. 그와 반대로, 수소 흡장 합금 음극판(12)은, 펀칭 금속으로 이루어진 전극판 코어체의 표면 상에 수소 흡장 합금으로 이루어진 접착제(paste)형 음극 활성 재료를 충전시킨 후, 이들을 건조시켜 소정의 두께가 될 때까지 압연함으로써 제작된다.
니켈 양극판(11)과 수소 흡장 합금 음극판(12) 사이에 구획부(13)를 개재시켜 이들을 나선형으로 권취함으로써 나선형 전극군이 제작된다. 니켈 양극판(11)의 전극판 코어체로서의 펀칭 금속의 단부는 나선형 전극군의 상단부면으로부터 노출된다. 또한, 수소 흡장 합금 음극판(12)의 전극판 코어체로서의 펀칭 금속의 단부는 하단부면으로부터 노출된다. 그 다음, 나선형 전극군의 상단부면으로부터 노출되는 양극 코어체에 다수의 개구를 갖는 원판형의 양극 집전체(14)를 용접한 다음 하단부면으로부터 노출된 음극 코어체에 다수의 개구를 갖는 원판형의 음극 집전체(15)를 용접함으로써 나선형 전극체(10)가 제작된다.
2. 니켈-수소 축전지의 제작
(1) 실시예 1
그 다음, 양극 집전체(14)와 포트 밀봉체(17)를 도전성으로 접속하도록 리드부로서의 기능을 하는 실린더 몸체(20)가 준비된다. 실린더 몸체(20)는 실린더 본체부(21)와, 본체부(21)로부터 번갈아서 양 측으로 연장하는 날개부(22, 22)로 구성된다. 축방향으로 연장하는 한 쌍의 노치부(23, 23)가 본체부(21)의 양 단부 상에 구비된다. 또한, 실린더 몸체(20)는, (예를 들면, 두께가 0.3 mm 인 니켈로 만들어진) 직사각형 판 부재의 한 쌍의 대각선 코너부를 직사각형으로 절단한 다음 중심부가 실린더와 같이 형성될 수 있도록 이를 절첩함으로써 형성된다. 그 다음, 실린더 몸체(20)의 높이, 즉 날개부(22)의 바닥면으로부터 본체부(21)의 상단부면까지의 높이는 실린더 몸체(20)의 직경(예를 들면, 5 mm)의 길이이다. 후술되는 포트 밀봉체(17)의 바닥면의 용접부에서 양극 집전체(14)의 상부면의 용접부까지의 집전 거리는 실린더 몸체(20)의 반원주의 길이(예를 들면, 7.85 mm)이다.
그 다음, 니켈-수소 축전지를 조립할 때, 우선 상술한 전극체(10)가 바닥부를 갖는 실린더를 형성하도록 니켈 도금된 철로 형성된 (바닥면의 외부면이 음극 외부 단자로서 작용하는) 전지 케이스(16) 내에 설치된 다음, 도시하지 않은 용접 전극이 전극체(10)의 중심부에 형성된 공간부(10a)에 삽입되고, 그 다음 수소 흡장 합금 음극판(12)에 용접된 음극 집전체(15)가 전지 케이스(16)의 내부 바닥면에 점용접(spot-weld)된다. 이 후에, 상술한 실린더 몸체(20)의 본체부(21)는 본체부(21)가 양극 집전체(14)의 직경 상에 위치되도록 양극 집전체(14) 상에 위치되고, 양 날개부(22, 22)가 양극 집전체(14) 상에 장착된다. 그 다음, 양 날개부(22, 22)와 양극 집전체(14)는 점용접(제1 용접)에 의해 용접된다.
이렇게 해서, 실린더 몸체(20)의 날개부(22, 22)와 양극 집전체(14)는 용접된다. 그 다음, 도2에 도시한 바와 같이, 전지 케이스(16)의 상부 내주연측으로 방진링(18)이 삽입된 후, 환상형 홈은 전지 케이스(16)의 외주연측으로 홈 가공을 함으로써 방진링(18)의 상단부에 형성된다. 30 질량%의 수산화칼륨(KOH) 수용액으로 이루어진 전해액이 전지 케이스(16) 내에 주입된 후, 절연 가스켓(19)이 주연부 상에 끼워져 있는 포트 밀봉체(17)는 전지 케이스(16)의 개구부 상에 배치된다. 이 경우, 포트 밀봉체(17)의 바닥면은 본체부(21)의 주연 측면과 접촉하게 된다. 포트 밀봉체(17)는 원형의 하방 돌출부가 형성되는 바닥면 상의 덮개(17a)와, 양극 캡(17b)(양극외부 단자)과, 덮개(17a)와 양극 캡(17b) 사이에 개재되는 스프링(17c)과, 밸브판(17d)으로 이루어진 밸브 본체를 포함한다. 덮개(17a)의 중심에는 통기공이 형성되어 있다.
포트 밀봉체가 상술된 바와 같이 배치된 후, 한쪽 용접 전극(W1)이 양극 캡(17b)(양극 외부 단자)의 상부면에 배치되고, 다른쪽 용접 전극(W2)은 전지 케이스(16)의 바닥면(음극외부 단자)의 하부면에 배치된다. 이 후, 이들 한 쌍의 용접 전극(W1, W2) 사이에 2×106N/m2의 압력을 가하는 동안, 이들 용접 전극(W1, W2) 사이에 전지의 방전 방향으로 24 V의 전압을 가하여 3 KA의 전류를 약 15 msec의 시간동안 흐르게 하는 전류 공급 공정이 실시된다. 그러므로, 포트 밀봉체(17)의 바닥면과 실린더 몸체(20)의 본체부(21)의 주연 측면 사이의 접촉 부분은 전류 공급 공정에 의해 용접(제2 용접)되어, 용접부가 형성된다.
한 쌍의 용접 전극(W1, W2) 사이에 2×106N/m2의 압력을 가하는 동안 이들 용접 전극(W1, W2) 사이에 전압을 인가함으로써 전류 공급 공정이 실시되기 때문에, 전극체(10)의 높이 치수가 변동되거나 혹은 양극 집전체(14)에 용접된 실린더 몸체(20)의 용접 위치가 변동되더라도, 실린더 몸체(20)의 본체부(21)의 주연 측면과 포트 밀봉체(17)의 바닥면 사이에 접촉점을 형성하는 것이 가능하다. 이에 따라, 내부 단락의 발생 원인으로서 작용하는 "용접 먼지"의 발생이 억제될 뿐만 아니라, 내부 결함이 없고 용접 강도가 우수한 용접부가 형성될 수 있다.
용접된 부분의 용접 상태는 도14a 및 도14b에 도시된다. 본 발명의 방법에 따르면, 용접 단계가 집전체와 리드부를 가압는 동안 수행되기 때문에, 집전체와 리드부는 용융 순간에 서로 결합되어, 집전체와 리드부를 용접하기가 용이하다. 더욱이, 도14a에 도시된 공극(V)과 같은 내부 결함이 억제될 수 있다. 이와 달리, 집전체와 리드부를 가압하지 않는 용접 단계의 경우, 도14b에 도시한 바와 같은 공극(V)이 형성되어 쉽다.
그 다음, 전지의 포트는 전지 케이스(16)의 개구 에지(16b)를 내향 코오킹함으로써 밀봉되어, 그에 의해 도3에 도시한 바와 같이, 반완성(semi-complete) 전지가 형성된다. 그 다음, 도4에 도시한 바와 같이, 이 반완성 전지는 한 쌍의 분할 주형(A1, A2) 내에 배치된 후에, 프레스기에 연결된 펀치(P)가 포트 밀봉체(17) 상에 배치된다. 그 다음, 펀치(P)가 프레스기의 구동에 의해 하강되어서, 포트 밀봉체(17)의 포트 밀봉부[전지 케이스(16)의 개구 에지(16b)]가 펀치(P)에 의해 가압되어 포트 밀봉체(17)를 전지 케이스(16) 내에 압입한다.
이에 따라, 환상형 홈(16a)이 압착된 뒤, 절연 가스켓(19)의 하단은 방진링(18)의 상단부에 가깝게 하강할 수 있다. 그러므로, 도5에 도시한 바와 같이, 6.5 Ah의 공칭 용량을 갖는 실린더형 니켈-수소 축전지가 제작된다. 실린더 몸체(20)의 본체부(21)는 축방향을 따라 양 에지 상에 형성된 한 쌍의 노치부(23, 23)를 따라서 이 펀치(P)에 의한 가압력에 의해 압착되고, 그에 의해 단면 형상은 원형을 압착함으로써 형성된 타원형이 된다. 이와 같이 제작된 실시예 1의 니켈-수소 축전지를 전지 A로 간주한다.
전술된 용접부를 형성기 위하여, 양극 캡(17b)(양극 외부 단자)과 전지 케이스(16) 사이에 용접 전류를 흐르게 함으로써, 포트 밀봉체(17)의 바닥면과 실린더 몸체(20)의 본체부(21)의 주연 측면 사이의 접촉부의 전류 밀도가 증가되고, 따라서 접촉부는 이 접촉부에서 주울열의 발생을 증가시킴으로써 용이하게 적열 상태로 되어야 한다. 그러므로, 이하에서 다양한 실시예가 고려될 수 있다.
(2) 실시예 2
도6은 실시예 2의 리드부를 구성하는 실린더 몸체가 전극체에 용접된 상태를 도시한 사시도이다. 실시예 2에 이용되는 전극체(10)는 실시예 1과 유사하다. 실시예 2에는, 사각형 실린더 몸체(30)가 이용되는 특징이 있다.
사각형 실린더 몸체(30)는 단면 형상이 사각형인 본체부(31)와 본체부(31)로부터 번갈아서 양 측부로 연장하는 날개부(32, 32)를 포함한다. 날개부(32, 32)는 본체부(31)의 하나의 코너부로부터 연장한다. 사각형 실린더 몸체(30)는 (예를 들면, 0.3 mm의 두께를 갖는 니켈로 만들어진) 직사각형 판 부재의 한 쌍의 대각선 코너부를 직사각형으로 절단한 다음 그를 중심부가 사각형 실린더와 같이 형성될 수 있도록 절첩함으로써 형성된다. 그 다음, 사각형 실린더 몸체(30)의 높이, 즉 날개부(32)의 바닥면으로부터 본체부(31)의 상단부면까지의 높이는 사각형 실린더 몸체(30)의 대각선의 길이(예를 들면, 5 mm)이다. 후술되는 포트 밀봉체(17)의 바닥면의 용접부에서 양극 집전체(14)의 상부면의 용접부까지의 집전 거리는 사각형 실린더 몸체(30)의 반원주의 길이(예를 들면, 7.09 mm)이다.
그 다음, 실린더 몸체(30)의 본체부(31)는 본체부(31)가 양극 집전체(14)의 직경 상에 위치되도록 양극 집전체(14) 상에 놓여지고, 양 날개부(32, 32)는 양극 집전체(14) 상에 놓여진다. 그 다음, 양 날개부(32, 32)와 양극 집전체(14)는 점용접(제1 용접)에 의해 용접된다. 그 후, 상술한 실시예 1과 같이, 포트 밀봉체(17)의 바닥면과 실린더 몸체(30)의 본체부(31)의 측 에지를 용접(제2 용접)한 후 포트를 밀봉하고 펀치(P)를 사용하여 가압함으로써, 6.5 Ah의 공칭 용량을 갖는 실린더형 니켈-수소 축전지는 제작된다. 단면 형상이 사각형인 본체부(31)는 거의 타원형인 단면으로 압착된다. 이와 같이 제작된 실시예 2의 니켈-수소 축전지를 전지 B로 간주한다.
실시예 2의 본체부(31)가 사각형 단면을 갖고 날개부(32, 32)는 하나의 코너부로부터 연장하기 때문에, 이 하나의 코너부에 대응하는 코너부의 측부는 포트 밀봉체(17)의 바닥부에 접하게 된다. 그러므로, 다른 한 쌍의 코너부(33, 33)가 실린더 몸체(30)의 중심에 배치되기 때문에, 코너부(33, 33)는 상술한 실시예 1에서의 노치부를 구비하지 않더라도 가압시에 코너부(33, 33)의 측부를 따라서 압착될 수 있다.
(3) 실시예 3
도7은 실시예 3의 리드부를 구성하는 실린더 몸체가 전극체에 용접된 상태를 도시한 사시도이다. 실시예 3에 이용되는 전극체(10)는 실시예 1과 유사하다. 실시예 3에서는, 양 단부가 비스듬히 절단된 실린더 몸체(40)가 이용되는 특징이 있다.
실린더 몸체(40)는 양 단부가 비스듬히 절단된 원형 실린더 본체부(41)를 포함한다. 축방향으로 연장하는 한 쌍의 노치부(43, 43)가 본체부(41)의 비스듬히 절단된 양 에지(42, 42)에 구비된다. 그 다음, 실린더 몸체(40)는 (예를 들면, 0.3 mm의 두께를 갖는 니켈로 만들어진) 원형 실린더 파이프를 이용하고 파이프의 양 단부를 비스듬히 절단함으로써 형성된다. 그 다음, 실린더 몸체(40)의 높이는 본체부(41) 직경의 길이이다. 포트 밀봉체(17)의 바닥면의 용접부에서 양극 집전체(14)의 상부면의 용접부까지의 집전 거리는 실린더 몸체(40)의 반원주의 길이 (예를 들면, 7.85 mm)이다.
그 다음, 실린더 몸체(40)의 본체부(41)는 본체부(41)가 양극 집전체(14)의 직경 상에 위치되도록 양극 집전체(14) 상에 놓여진다. 실린더 몸체(40)의 양 에지(42, 42)로부터 노출된 내주면에 용접용 전극 막대를 수직으로 세우는 동안, 본체부(41)는 점용접(제1 용접)에 의해 양극 집전체(14)에 용접된다. 그 후에, 상술한 실시예 1과 같이, 포트 밀봉체(17)의 바닥면과 실린더 몸체(40)의 본체부(41)의 주연 측 에지를 용접(제2 용접)하여 포트를 밀봉하고 펀치(P)로 가압함으로써 6.5 Ah의 공칭 용량을 갖는 실린더형 니켈-수소 축전지가 제작된다. 본체부(41)는 거의 타원형으로 압착된다. 이와 같이 제작된 실시예 3의 니켈-수소 축전지를 전지 C로 간주한다.
(4) 실시예 4
도8은 실시예 4의 리드부를 구성하는 실린더 몸체가 전극체에 용접된 상태를 도시한 사시도이다. 실시예 4에 이용되는 전극체(10)는 실시예 1과 유사하다. 실시예 4에서는, 실린더형의 원형 실린더 몸체(50)가 이용되는 특징이 있다.
실린더 몸체(50)는 간극을 형성하도록 중심부의 주연벽의 일부가 전개된 원형 실린더인 본체부(51)와, 본체부(51)의 중심부에서 전개된 날개부(52, 52)를 포함한다. 그 다음, 실린더 몸체(50)는 (예를 들면, 0.3 mm의 두께를 갖는 니켈로 만들어진) 원형 실린더 파이프을 이용하고, 중심부의 주연벽의 일부를 전개함으로써 형성된다. 실린더 몸체(50)의 높이, 즉 날개부(52)의 바닥면으로부터 본체부(51)의 상단부면까지의 높이는 실린더 몸체(50)의 직경(예를 들면, 5 mm)의 길이이다. 포트 밀봉체(17)의 바닥면의 용접부에서 양극 집전체(14)의 상부면의 용접부까지의 집전 거리는 실린더 몸체(50)의 반원주의 길이(예를 들면, 7.85 mm)이다.
그 다음, 이 실린더 몸체(50)의 본체부(51)는 본체부(51)가 양극 집전체(14)의 직경 상에 위치되도록 양극 집전체(14) 상에 놓인다. 본체부(51)의 날개부(52, 52)는 점용접(제1 용접)에 의해 양극 집전체(14)에 용접된다. 이 후에, 상술한 실시예 1과 같이, 포트 밀봉체(17)의 바닥면과 실린더 몸체(50)의 본체부(51)의 주연 측면을 용접(제2 용접)하여 포트를 밀봉하고 펀치(P)로 가압함으로써 6.5 Ah의 공칭 용량을 갖는 실린더형 니켈-수소 축전지가 제작된다. 펀치(P)에 의한 가압력에 의해, 본체부(51)는 거의 타원형으로 압착된다. 이와 같이 제작된 실시예 4의 니켈-수소 축전지를 전지 D로 간주한다.
(5) 실시예 5
도9는 실시예 5의 리드부를 구성하는 실린더 몸체가 전극체에 용접된 상태를 도시한 사시도이다. 실시예 5에 이용되는 전극체(10)는 실시예 1과 유사하다. 실시예 5의 실린더 몸체(60)는 중심부가 원형 실린더와 같게 형성된 본체부(61)와, 본체부(61)의 바닥부 양 측부로 연장하는 날개부(62, 62)를 포함한다. 축방향으로 연장하는 한 쌍의 노치부(63, 63)는 본체부(61)의 양 에지 상에 구비된다. 실린더 몸체(60)는 (예를 들면, 0.3 mm의 두께를 갖는 니켈로 만들어진) 직사각형 판 부재를 사용하고, 바닥부의 양 측부로 연장하는 날개부(62, 62)는 원형 실린더와 같이 중심부를 절첩함으로써 형성된다. 실린더 몸체(60)의 높이, 즉 날개부(62)의 바닥면으로부터 본체부(61)의 상단부면까지의 높이는 실린더 몸체(60)의 직경(예를 들면, 5 mm)의 길이이다. 포트 밀봉체(17)의 바닥면의 용접부에서 양극 집전체(14)의 상부면의 용접부까지의 집전 거리는 실린더 몸체(60)의 반원주의 길이(예를 들면, 7.85 mm)이다.
그 다음, 실린더 몸체(60)의 본체부(61)는 본체부(61)가 양극 집전체(14)의 직경 상에 위치되도록 양극 집전체(14) 상에 놓인다. 날개부(62, 62)는 점용접(제1 용접)에 의해 양극 집전체(14)에 용접된다. 이 후에, 상술한 실시예 1과 같이, 포트 밀봉체(17)의 바닥면과 실린더 몸체(60)의 본체부(61)의 주연 측면을 용접(제2 용접)하여 포트를 밀봉하고 펀치(P)에 의해 가압함으로써 6.5 Ah의 공칭 용량을 갖는 실린더형 니켈-수소 축전지가 제작된다. 펀치(P)에 의한 가압력에 의해, 본체부(61)는 거의 타원형으로 압착된다. 이와 같이 제작된 실시예 5의 니켈-수소 축전지를 전지 E로 간주한다.
(6) 실시예 6
도10은 실시예 6의 리드부를 구성하는 실린더 몸체가 전극체에 용접된 상태를 도시한 사시도이다. 실시예 6에 이용되는 전극체(10)는 실시예 1과 유사하다. 실시예 6의 실린더 몸체(70)는 원형 실린더 본체부(71)와 이 본체부(71)로부터 번갈아서 양 측부로 연장하는 날개부(72, 72)를 포함한다. 축방향으로 연장하는 한 쌍의 노치부(73, 73)는 본체부(71)의 양 에지 상에 구비된다. 본체부(71)의 주연 측면 상에는 4개의 돌출부(74)가 구비된다.
실린더 몸체(70)는 한 쌍의 대각선 코너부가 직사각형으로 절단된 (예를 들면, 0.3 mm의 두께를 갖는 니켈로 만든) 직사각형 판 부재를 이용한다. 4개의 돌출부(74)는 등간격으로 짧은 측부를 따라 중심에서 일직선 상에 구비되고, 그 다음 실린더 몸체(70)는 원형 실린더를 형성하기 위하여 4개의 돌출부(74)가 등간격으로 형성된 일직선을 중심으로 절첩함으로써 형성된다. 그 다음, 실린더 몸체(70)의 높이, 즉 날개부(72)의 바닥면으로부터 본체부(71)의 상단부면까지의 높이는 실린더 몸체(70)의 직경(예를 들면, 5 mm)의 길이이다. 포트 밀봉체(17)의 바닥면의 용접부에서 양극 집전체(14)의 상부면의 용접부까지의 집전 거리는 실린더 몸체(70)의 반원주의 길이(예를 들면, 7.85 mm)이다.
그 다음, 실린더 몸체(70)의 본체부(71)는 본체부(71)가 양극 집전체(14)의 직경 상에 위치하도록 양극 집전체(14) 상에 놓인다. 날개부(72, 72)는 점용접(제1 용접)에 의해 양극 집전체(14)에 용접된다. 이 후에, 도11에 도시한 바와 같이, 상술한 실시예 1과 같이, 포트 밀봉체(17)의 바닥면과 실린더 몸체(70)의 본체부(71)의 돌출부(74) 사이의 접촉부를 용접(제2 용접)하여 포트를 밀봉하고 펀치(P)로 가압함으로써, 6.5Ah의 공칭 용량을 갖는 실린더형 니켈-수소 축전지가 제작된다. 이 때, 전류가 제2 용접시 돌출부(74)에 집중되기 때문에, 더 큰 용접 강도를 갖는 용접부가 형성될 수 있다. 펀치(P)에 의한 가압력에 의해, 본체부(71)는 거의 타원형으로 압착된다. 이와 같이 제작된 실시예 6의 니켈-수소 축전지를 전지 F로 간주한다.
(7) 실시예 7
도12는 실시예 7의 리드부를 구성하는 실린더 몸체가 전극체에 용접된 상태를 도시한 사시도이다. 실시예 7에 이용되는 전극체(10)는 실시예 1과 유사하다. 실시예 7의 실린더 몸체(80)는 리드부의 주연 측면의 외부 단부가 밀봉체의 바닥면의 외부 단부보다 더 내부에 위치되는 구조를 갖는다. 그러므로, 전류 경로는 실린더 몸체의 주연 측면을 따라서 집전체로부터 포트 밀봉체로 2개의 경로로 분리되어, 전류 경로는 짧게될 수 있다.
(8) 실시예 8
도13은 실시예 8의 리드부를 구성하는 실린더 몸체가 전극체에 용접된 상태를 도시한 사시도이다. 실시예 8에 이용되는 전극체(10)는 실시예 1과 유사하다. 돌출부(15S)는 음극 집전체(15)에 구비되기 때문에, 전류의 공급에 의해서, 케이스(16)와 음극 집전체(15)는 밀봉체(17a)와 리드부(70)의 용접과 동시에 용이하고 확실하게 서로 용접될 수 있다. 돌출부는 전지 케이스(16) 상에 형성될 수 있다.
(9) 비교예
도15에 도시한 바와 같이, 원판형의 양극 집전체(14a)는 다수의 개구를 가지며 리드부(14b)가 그 일부로부터 연장되는 데, 양극 집전체(14a)는 상술한 실시예 1과 유사하게 제작된 나선형 전극군의 상단부면으로부터 노출되는 양극 코어체에 용접된다. 이와 달리, 다수의 개구를 가지는 원판형 음극 집전체(15)는 나선형 전극군의 하단부면으로부터 노출된 음극 코어체에 용접되어, 나선형 전극체가 제작된다. 전극체는 전지 케이스(16) 내에 설치된 다음, 음극 집전체(15)는 전지 케이스(16)의 내부 바닥면에 점용접된다. 그 다음, 방진링(18)이 전지 케이스(16)의 상부 내주연측에 삽입된 후, 환상형 홈(16a)은 전지 케이스(16)의 외주연측에 홈 가공을 함으로써 방진링(18)의 상단부에 형성된다.
다음으로, 양극 집전체(14a)로부터 연장된 리드부(14b)는 수직으로 절첩된 후, 리드부(14b)의 단부는 포트 밀봉체(17)의 바닥면에 저항 용접된다. 그 다음, 30 질량%의 수산화칼륨(KOH) 수용액으로 이루어진 전해액이 전지 케이스(16) 내에 주입된 후, 절연 가스켓(19)이 주연부 상에 끼워져 있는 포트 밀봉체(17)는 리드부(14b)를 절첩시킴으로써 전지 케이스(16)의 개구부 상에 배치된다. 그 다음, 전지 케이스(16)의 개구의 에지(16b)를 내향으로 코오킹하여 전지의 포트를 밀봉함으로써, 6.5 Ah의 공칭 용량을 갖는 실린더형 니켈-수소 축전지가 제작된다. 이와 같이 제작된 비교예의 니켈-수소 축전지를 전지 X로 간주한다.
3. 전지 특성 시험
(1) 활성화
상술된 바와 같이 하여 제작된 각 실시예의 전지 A 내지 F 및 비교예의 전지X를 이용하고, 전지들이 실온(약 25도)에서 650 mA의 전류값으로 16시간 동안 충전된 후, 1시간 동안 중지되고, 그 다음 1300 mA의 전류값으로 전지 전압이 0.8 V가 될 때까지 방전되는 충전/방전 사이클을 10회 반복함으로써, 전지의 활성화가 수행된다.
(2) V-I 특성 시험
그 다음, 상술된 바와 같이 활성화된 각 실시예의 전지 A 내지 F 및 비교예의 전지 X를 이용하고, 실온(약 25도)에서 1300 mA의 전류값으로 전지 전압이 0.8 V로 감소될 때까지 방전시킨 전지는 1300 mA의 전류값으로 3시간 동안 충전된다. 그 다음, 전지는 1시간 동안 중지된 다음, 25 A의 전류값으로 30초 동안 방전된 후에, 전지 전압은 10초 후에 측정되었다.
그 다음, 방전된 전력에 상응하는 전력이 충전된 후, 전기들은 50A, 70A, 100A의 전류값으로 30초 동안 각각 유사하게 방전된다. 그 다음, 전지 전압은 10초 후에 각각 측정된다. 이와 같이 얻어진 10초 후의 전지 전압을 종축으로 하고, 전류값을 횡축으로 함으로써 V-I 직선(V-I 특성)이 얻어지면, 도13에 도시된 결과가 얻어진다.
도13으로부터 분명한 바와 같이, 비교예의 전지 X의 V-I 직선이 큰 기울기를 갖는 반면, 각 실시예의 전지 A 내지 F의 V-I 직선은 작은 기울기를 갖는 것을 알 수 있다. 이러한 점에서, 각 실시예의 전지 A 내지 F의 작동 전압은 모두 높고, 전지 내부 저항은 낮은 것을 알 수 있다. 이에 대한 이유는, 리드부로서 작용하는 각 실린더 몸체(20, 30, 40, 50, 60, 70)의 높이가 각 실시예의 전지 A 내지 F에서 낮아서 포트 밀봉체(17)의 바닥면의 용접부에서 양극 집전체(14)의 상부면의 용접부까지의 집전 거리가 짧기 때문에, 리드부에서의 내부 저항이 감소될 수 있어서 높은 출력 특성이 얻어지는 것으로 생각된다.
또한, 전류 공급시의 전류 경로는 각 실린더 몸체(20, 30, 40, 50, 60, 70)의 주연 측벽을 따라서 2개의 경로에 분리되기 때문에, 전류 경로는 각 실린더 몸체(20, 30, 40, 50, 60, 70)의 전체 주연 측벽의 절반과 같게 된다. 따라서, 리드부에서의 전압 강하가 절반 만큼 감소될 수 있기 때문에, 작동 전압도 증가될 수 있다.
4. 변형예
상술한 실시예에서, 각 실린더 몸체(20, 30, 40, 50, 60, 70)와 포트 밀봉체(17)를 용접하고 전지 케이스(16)의 개구의 에지(16b)를 내향으로 코오킹하여 포트를 밀봉함으로써 반완성 전지가 구성된 후, 포트 밀봉체(17)의 포트 밀봉부를 펀치(P)로 가압하여 포트 밀봉체(17)를 전지 케이스(16) 내로 압입함으로써, 전지 A 내지 F가 제작되는 예가 설명된다. 그러나, 본 발명은 다른 방법에 의해서도 제작될 수 있기 때문에, 이하에서는 다른 제작 방법이 도17 및 도18을 참고로 하여 변형예로서 설명될 것이다. 이 경우, 전지가 실린더 몸체(20)를 이용하여 제작되는 예가 이후에 설명될 것이지만, 다른 실린더 몸체(30, 40, 50, 60, 70)에 대해서도 마찬가지이다.
우선, 상술한 전극체(10)는 니켈 도금된 철로 형성된 전지 케이스(16) 내에 설치되어 바닥부를 갖는 실린더를 형성한 후, 전극체(10)의 중심부에 형성된 공간부(10a) 내에 도시되지 않은 용접 전극이 삽입되고, 그 다음 수소 흡장 합금 음극판(12)에 용접된 음극 집전체(15)가 전지 케이스(16)의 내부 바닥면에 점용접된다. 그 후에, 실린더 몸체(20)의 본체부(21)는 본체부(21)가 양극 집전체(14)의 직경 상에 위치되도록 양극 집전체(14) 상에 놓여지고, 양 날개부(22, 22)는 양극 집전체(14) 상에 놓여진다. 그 다음, 양 날개부(22, 22)와 양극 집전체(14)는 점용접(제1 용접)에 의해 용접된다.
이러한 식으로, 실린더 몸체(20)의 양 날개부(22, 22)와 양극 집전체(14)가 용접된 후, 전지 케이스(16)의 상부 내주연측 내에 방진링(18)이 삽입되고, 그 다음 전지 케이스(16)의 외주연측으로 홈 가공을 함으로써 방진링(18)의 상단부에 환상형 홈(16a)이 형성된다. 그 다음, 30 질량%의 수산화칼륨(KOH) 수용액으로 이루어진 전해액이 전지 케이스(16) 내에 주입된 후, 절연 가스켓(19)이 주연부 상에 끼워져 있는 포트 밀봉체(17)는 전지 케이스(16)의 개구부 상에 배치된다. 이 경우, 포트 밀봉체(17)의 바닥면은 실린더 몸체(20)의 본체부(21)의 주연 측면과 접촉하게 된다.
그 다음, 전지 케이스(16)의 개구의 에지(16b)를 내측으로 코오킹함으로써 전지가 밀봉되어, 도17에 도시한 바와 같이, 반완성 전지가 형성된다. 그 후에, 전지의 포트가 상술된 바와 같이 밀봉된 후, 도18에 도시한 바와 같이, 한쪽 용접 전극(W1)이 양극 캡(17b)(양극외부 단자)의 상부면 상에 배치되는 한편, 다른쪽 용접 전극(W2)은 전지 케이스(16)의 바닥면(음극 외부 단자)의 하부면 상에 배치된다. 그 다음, 이러한 반완성 전지 및 한 쌍의 용접 전극(W1, W2)은 한 쌍의 분할 주형(A1, A2) 내에 배치된 후에, 프레스기에 연결된 펀치(P)가 포트 밀봉체(17) 상에 배치된다.
그 다음, 프레스기의 구동에 의해 펀치(P)를 하강시킴으로써, 포트 밀봉체(17)의 밀봉부[전지 케이스(16)의 개구 에지(16b)]를 펀치(P)에 의해 가압하고 한 쌍의 용접 전극(W1, W2) 사이에 2×106N/m2의 압력을 가하는 동안, 이들 용접 전극(W1, W2) 사이에 전지의 방전 방향으로 24 V의 전압을 가하여 3 KA의 전류를 약 15 msec의 시간 동안 흐르게 함으로써, 전류 공급 공정(제2 용접)이 수행된다. 이에 따라, 포트 밀봉체(17)는 전지 케이스(16) 내에 압입될 수 있고, 포트 밀봉체(17)의 바닥면과 실린더 몸체(20)의 본체부(21)의 주연 측면 사이의 접촉 부분이 전류 공급 공정에 의해 용접되어 용접부를 형성한다.
포트 밀봉체(17)의 포트 밀봉부[전지 케이스(16)의 개구 에지(16b)]를 펀치(P)로 가압하고 한 쌍의 용접 전극(W1, W2) 사이에 2×106N/m2의 압력을 가하는 동안 전압을 가함으로써 전류 공급 공정이 수행되기 때문에, 전극체(10)의 높이 치수가 변동되거나 혹은 양극 집전체(14)에 용접된 실린더 몸체(20)의 용접 위치가 변동되더라도, 실린더 몸체(20)의 본체부(21)의 주연 측면과 포트 밀봉체(17)의 바닥면 사이에 우수한 접촉점을 형성하는 것이 가능하다. 그 결과, 내부 단락의 발생 원인으로 작용하는 "용접 먼지"의 발생이 확실하게 억제될 수 있을 뿐만 아니라, 내부 결함이 없고 용접 강도가 우수한 용접부가 형성될 수 있다.
그 다음, 포트 밀봉체(17)의 포트 밀봉부를 펀치(P)로 가압함으로써 환상형 홈(16a)이 압착된 후, 절연 가스켓(19)의 하단부는 방진링(18)의 상단부에 가깝게 하강할 수 있다. 그러므로, 도5에 도시된 바와 같이, 6.5 Ah의 공칭 용량을 갖는 실린더형 니켈-수소 축전지가 제작된다. 축방향을 따라 양 에지 상에 형성된 한 쌍의 노치부(23, 23)를 따라서 펀치(P)에 의해 발생된 가압력에 의해, 실린더 몸체(20)의 본체부(21)는 압착되어, 단면 형상은 원형을 압착시킴으로써 형성된 타원형이 된다. 이와 같이 제작된 니켈-수소 축전지는 높은 작동 전압과 낮은 내부 저항을 갖는다.
상술한 실시예의 실시예 6에는, 4개의 돌출부(74)가 실린더 몸체(70)의 주연 측면 상에 구비된 예가 설명되었다. 이 경우, 많은 돌출부가 선택될 수 있다. 다시 말해서, 적어도 하나의 돌출부는 포트 밀봉체(17)의 바닥면 혹은 양극 집전체(14)의 상부면에 접촉하여 접촉부에 용접 전류를 집중시켜서, 용접부가 형성될 수 있다. 그러나, 돌출부의 수가 너무 많으면 용접 전류가 분산되어 소정의 용접 강도가 얻어지지 않고, 또는 돌출부의 수가 너무 적으면 집전 특성이 저하되기 때문에, 돌출부의 개수는 4개 정도가 바람직하다. 또한, 돌출부는 실린더 몸체(70)의 주연 측면 대신에 포트 밀봉체(17)의 바닥면 혹은 양극 집전체(14)의 상부면에 구비될 수 있다. 이에 따라, 전류가 돌출부에 집중될 수 있기 때문에 큰 용접 강도를 갖는 용접부가 형성될 수 있다.
또한, 상술한 실시예 및 변형예에서, 전류가 양극 외부 단자(양극 캡)(17a)와 음극 외부 단자[전지 케이스(16)의 바닥면] 사이에 공급되기 전에, 각 실린더 몸체(20, 30, 40, 50, 60, 70)가 양극 집전체(14)에 용접되고, 그 다음 각 실린더 몸체(20, 30, 40, 50, 60, 70)와 포트 밀봉체(17)가 함께 용접된다. 이와 달리, 각 실린더 몸체(20, 30, 40, 50, 60, 70)와 포트 밀봉체(17)가 용접된 후 양극 외부 단자(양극 캡)(17a)와 음극 외부 단자[전지 케이스(16)의 바닥면] 사이에 전류를 공급함으로써, 양극 집전체(14)와 각 실린더 몸체(20, 30, 40, 50, 60, 70)가 용접되면, 유사한 결과가 얻어질 수 있다.
또한, 상술한 실시예 및 변형예에서, 음극 집전체(15)와 전지 케이스(16)의 내부 바닥면이 용접된 후, 양극 외부 단자(양극 캡)(17a)와 음극 외부 단자[전지 케이스(16)의 바닥면] 사이에 전류를 공급함으로써, 각 실린더 몸체(20, 30, 40, 50, 60, 70)와 포트 밀봉체(17)가 용접된다. 이와 달리, 이러한 용접은 음극 집전체(15)와 전지 케이스(16)의 내부 바닥면의 용접과 동시에 수행될 수 있다. 이 경우, 각 실린더 몸체(20, 30, 40, 50, 60, 70)와 양극 집전체(14)의 용접은, 전극체(10)가 전지 케이스(16) 내에 삽입되기 전이지만 전극체(10)가 구성된 후에, 수행될 수 있다.
또한, 상술한 실시예 및 변형예에서, 양극 캡(양극외부 단자)(17b)과 전지 케이스(16)의 바닥면(음극 외부 단자) 사이에 전지의 방전 방향으로 24 V의 전압을 가함으로써 3 KA의 전류를 약 15 msec 동안 흐르게 하도록 용접이 수행된다. 이 경우, 전지에 가하는 전류의 방향에 대해서 상관성이 없고, 전지의 방전 방향 및 충전 방향 모두에서 유사한 결과가 얻어질 수 있다. 또한, 공급된 전류값은 전지의 크기에 관계 없고, 300 A 이상의 전류를 사용함으로써 유사한 이점이 얻어질 수 있다. 더욱이, 용접 단계에서 전지 케이스와 포트 밀봉체 사이에 공급된 용접 전류의 전원으로서, 직류 또는 교류 전원이 사용될 수 있다.
그러나, 과다한 전류가 공급되면, 이러한 전류가 단시간 동안 공급되더라도 각 실린더 몸체(20, 30, 40, 50, 60, 70)는 용융된다. 이러한 용융 전류의 상한값은 각 실린더 몸체(20, 30, 40, 50, 60, 70)의 재질 및 형상에 따라서 변한다. 그러므로, 전류값은 300 A 이상으로 설정되어야 하지만, 각 실린더 몸체(20, 30, 40, 50, 60, 70)를 용융시키지 않는 값으로 설정되어야 한다. 더욱이, 공급 시간이 0.25 msec 이상이면, 유사한 이점이 얻어질 수 있다. 그러나, 1초 정도의 긴 시간 동안 전류가 공급되면 각 실린더 몸체(20, 30, 40, 50, 60, 70)가 용융되기 때문에 바람직하지 못하다.
더욱이, 상술한 실시예 및 변형예에서, 포트 밀봉체가 양극 단자로 사용되고 전지 케이스가 음극 단자로 사용되는 예가 설명되었다. 이와 달리, 포트 밀봉체가 음극 단자로 사용되고, 전지 케이스가 양극 단자로 사용될 수 있다. 이 경우, 양극 집전체는 전지 케이스의 내부 바닥면에 용접되는 반면, 포트 밀봉체의 바닥면은 각 실린더 몸체(20, 30, 40, 50, 60, 70)를 거쳐서 음극 집전체에 용접된다.
더욱이, 상술한 실시예 및 변형예에서, 본 발명이 니켈-수소 축전지에 적용되는 예가 설명되었다. 이와 달리, 본 발명은 니켈-수소 축전지에 한정되지 않고, 본 발명이 니켈-카드뮴 축전지 등과 같은 다른 축전지에도 적용될 수 있는 것은 명백하다.
상기의 구성에 위해 본 발명의 축전지는 두께가 두껍고 길이가 짧더라도 확실하게 포트 밀봉체와 집전체를 용접할 수 있는 리드 부품을 이용함으로써 우수한 고율 방전 성능을 갖는다. 또한, 리드부와 포트 밀봉체 또는 리드부와 집전체가 확실하게 접속된다.

Claims (29)

  1. 한쪽 전극의 단자로 사용되고 개구부를 구비한 전지 케이스와,
    상기 개구부를 밀봉하는 다른쪽 전극의 단자로 사용되는 포트 밀봉체와,
    상기 전지 케이스 내에 설치되고 양극 및 음극의 적어도 일 단부에 접속된 집전체를 갖는 전극체를 포함하고,
    상기 포트 밀봉체와 집전체는 중공부를 갖는 실린더 몸체로 이루어진 리드부의 주연 측면의 일부에 용접된 것을 특징으로 하는 축전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 리드부는 포트 밀봉체 및 상기 집전체에 가압하는 동안 용접함으로써 접착되는 것을 특징으로 하는 축전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 리드부의 주연 측면의 외부 단부는 밀봉체의 바닥면의 외부 단부보다 내측에 위치되는 것을 특징으로 하는 축전지.
  4. 제2항에 있어서, 상기 실린더 몸체는 원형 또는 타원형의 단면이 가압력에 의해 압착됨으로써 얻어지는 단면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 축전지.
  5. 제2항에 있어서, 상기 실린더 몸체는 다각형의 단면 형상이 가압력에 의해 압착됨으로써 얻어지는 단면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 축전지.
  6. 제1항에 있어서, 상기 실린더 몸체의 양 에지 상에 축방향으로 연장하도록 구비된 노치부를 더 포함하고, 상기 실린더 몸체는 노치부를 따라서 압착되는 것을 특징으로 하는 기재된 축전지.
  7. 제1항에 있어서, 상기 실린더 몸체의 양 에지의 적어도 하나는 비스듬히 절단되고, 이러한 절단에 의해 가장 짧은 주연 측면은 상기 포트 밀봉체 혹은 집전체에 용접되고, 가장 긴 주연 측면은 상기 집전체 혹은 포트 밀봉체에 용접된 것을 특징으로 하는 축전지.
  8. 제1항에 있어서, 상기 실린더 몸체는 주연 측면으로부터 양 측부로 연장하는 평판형 날개부를 갖고, 상기 날개부는 포트 밀봉체 혹은 집전체에 용접되고, 상기 날개부에 대향하는 주연 측면은 집전체 혹은 포트 밀봉체에 용접된 것을 특징으로 하는 축전지.
  9. 제8항에 있어서, 상기 날개부는 실린더 몸체의 주연 측벽의 일부를 연장함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 축전지.
  10. 제1항에 있어서, 상기 포트 밀봉체의 하부면 또는 집전체의 상부면 상에 구비된 돌출부를 포함하고, 상기 돌출부는 실린더 몸체의 주연 측면에 용접된 것을 특징으로 하는 축전지.
  11. 제10항에 있어서, 상기 돌출부는 다수인 것을 특징으로 하는 축전지.
  12. 제1항에 있어서, 상기 중공부를 갖는 실린더 몸체로 형성된 리드부의 주연 측면 상에 구비된 돌출부를 포함하고, 상기 돌출부는 집전체의 상부면 혹은 포트 밀봉체의 하부면에 용접된 것을 특징으로 하는 축전지.
  13. 제12항에 있어서, 상기 돌출부는 다수가 구비되고, 상기 다수의 돌출부 중 4개의 돌출부는 집전체의 상부면 혹은 포트 밀봉체의 하부면에 용접된 것을 특징으로 하는 축전지.
  14. 집전체가 양극 및 음극의 단부 중의 적어도 하나에 접속되는 전극체를 전지 케이스 내에 설치하는 설치 단계와,
    전지 케이스 내에 전해액을 주입하는 주입 단계와,
    한쪽 전극 단자로 사용되는 포트 밀봉체를 다른쪽 전극 단자로서 사용되는 전지 케이스의 개구부 내의 전극체 뒤에 배치하여 집전체와 상기 포트 밀봉체를 전기적으로 접속하는 리드부를 거쳐서 상기 집전체가 상기 포트 밀봉체와 접촉되도록 하는 배치 단계와,
    상기 전지 케이스와 포트 밀봉체를 가압하는 동안 상기 전지 케이스와 포트 밀봉체 사이에 전류를 공급함으로써 상기 리드부를 포트 밀봉체 및 집전체 중 어느 하나에 용접하는 용접 단계와,
    개구부를 포트 밀봉체로 밀봉하는 밀봉 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 축전지의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 전류는 축전지 내의 수용액의 전기 분해에 의해서 전류가 흐르게 할 정도로 큰 것을 특징과 하는 축전지의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 배치 단계에 앞서 집전체의 상부면 내에 리드부를 미리 용접하는 예비 용접 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축전지의 제조 방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 배치 단계에 앞서 포트 밀봉체의 하부면 내에 리드부를 미리 용접하는 예비 용접 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축전지의 제조 방법.
  18. 제15항에 있어서, 상기 배치 단계는 집전체의 상부면 상에 집전체와 포트 밀봉체를 전기적으로 접속하는 리드부를 배치하는 제1 배치 단계와 상기 전지 케이스의 개구부 내에 포트 밀봉체를 배치하는 제2 배치 단계를 포함하며, 상기 용접 단계는 전지 케이스와 포트 밀봉체 사이에 전류를 공급함으로써 상기 리드부를 포트 밀봉체의 하부면 및 집전체의 상부면에 동시에 용접시키는 용접 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 축전지의 제조 방법.
  19. 제14항에 있어서, 상기 용접 단계를 행한 후, 전지 케이스의 개구부를 포트 밀봉체로 단단히 밀봉하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축전지의 제조 방법.
  20. 제14항에 있어서, 상기 용접 단계에 앞서 밀봉부를 형성하도록 전지 케이스의 개구부를 포트 밀봉체로 단단히 밀봉하는 밀봉 단계를 더 포함하며, 상기 용접 단계는, 포트 밀봉부가 전지 케이스의 개구부를 단단히 밀봉함으로써 포트 밀봉체 둘레에 형성된 후, 전지 케이스의 상부에 형성된 환상형 홈을 압착하는 동안 상기 포트 밀봉체와 집전체 사이에 리드부를 가압함으로써 그리고 상기 전지 케이스와 포트 밀봉체 사이에 전류를 공급함으로써, 상기 밀봉 단계 후에 수행되는 것을 특징으로 하는 축전지의 제조 방법.
  21. 제14항에 있어서, 상기 전지 케이스의 내부 바닥면에 접속되는 하부 집전체가 상기 전극체에 구비되고, 상기 용접 단계에서 전지 케이스의 내부 바닥면은 상기 용접 단계에 의해 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 축전지의 제조 방법.
  22. 제14항에 있어서, 상기 리드부는 중공부를 갖는 실린더 몸체로 형성되고, 상기 실린더 몸체는 원형의 단면 형상을 갖고, 타원형 형상은 포트 밀봉체가 밀봉된 후에 가압력에 의해 압착되는 것을 특징으로 하는 축전지의 제조 방법.
  23. 제14항에 있어서, 상기 리드부는 중공부를 갖는 실린더 몸체로 형성되고, 상기 실린더 몸체는 다각형의 단면 형상을 갖고, 이 단면 형상은 포트 밀봉체가 밀봉된 후에 가압력에 의해 압착되는 것을 특징으로 하는 축전지의 제조 방법.
  24. 제14항에 있어서, 상기 리드부는 중공부를 갖는 실린더 몸체로 형성되고, 상기 실린더 몸체는 에지부가 상단부 또는 하단부에 위치된 다각형의 단면 형상을 갖고, 이 단면 형상은 포트 밀봉체가 밀봉된 후에 가압력에 의해 압착되는 것을 특징으로 하는 축전지의 제조 방법.
  25. 제14항에 있어서, 상기 노치부는 축방향으로 연장하도록 실린더 몸체의 양 에지 상에 구비되고, 단면 형상은 상기 노치부를 따라서 압착되는 것을 특징으로 하는 축전지의 제조 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 돌출부들은 포트 밀봉체의 하부면, 집전체의 상부면, 또는 리드부의 주연 측면 상에 형성되고, 상기 용접 단계 동안의 용접 전류는 상기 돌출부에 집중되는 것을 특징으로 하는 축전지의 제조 방법.
  27. 제14항에 있어서, 상기 리드부는 중공부를 갖는 실린더 몸체와, 상기 주연 측면으로부터 양 측부로 연장하는 평판형의 날개부를 포함하고, 상기 날개부는 제1 용접 단계에 의해 집전체 혹은 포트 밀봉체에 미리 용접되는 것을 특징으로 하는 축전지의 제조 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 날개부는 상기 실린더 몸체의 주연 측벽의 일부를 연장함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 축전지의 제조 방법.
  29. 제21항에 있어서, 돌출부는 전극체의 하부면 혹은 전지 케이스의 내부면 상에 형성되고, 상기 용접 단계 동안의 용접 전류는 상기 돌출부에 집중되는 것을 특징으로 하는 축전지의 제조 방법.
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