KR20010074765A - 세퍼레이터용 컵 시일을 갖는 원통형 전기화학 전지 - Google Patents

Abstract

원통형 전기화학 전지는 캐소드(14)와, 애노드(18)와, 상기 캐소드와 상기 애노드를 전기적으로 분리하기 위해 상기 전지와 동축상에 놓여지는 원통형 세퍼레이터(20)와, 상기 애노드와 상기 캐소드를 전기적으로 분리하고 이들 사이에서 이온의 연결을 유지하기 위해 상기 세퍼레이터의 일단부에 위치하는 컵 시일(35, 36, 37, 38, 39, 40)을 포함한다. 상기 컵 시일은 미세다공성 막 또는 비 다공성 막 또는 이들의 조합으로 이루어진 하나 또는 그 이상의 제 1 층과, 다공성 시트형 재료의 하나 또는 그 이상의 제 2 층으로 구성되고; 세퍼레이터의 적어도 일부분과 중첩영역(34)을 형성한다.

Description

세퍼레이터용 컵 시일을 갖는 원통형 전기화학 전지{Cylindrical electrochemical cell with cup seal for separator}

전기화학 전지의 작동에서, 모두 전해질에 의해 적셔진 상태인 애노드와 캐노드는 단락을 방지하기 위해 전기적으로 서로 절연상태가 되도록 하는 것이 중요하다. 이러한 작업은 상기 두 전극 사이의 바람직한 이온 연결상태를 유지하는 동안 양호한 전기절연상태를 확보하는 세퍼레이터 시스템에 의해 수행된다. 아연의 애노드와 이산화망간의 캐소드를 가지는 충전 가능한 전지의 경우에서, 상기 세퍼레이터는 애노드와 캐소드 사이에서 단락을 일으킬 수도 있는 아연 수지상결정(樹枝狀結晶; dendrite)들 또는 기타 그러한 침전물들의 침투를 방지할 수도 있어야 한다. 상기 문제는 특히 충전상태동안 발생하게 된다. 상기 세퍼레이터는 원통으로 말려져 제조과정 중 전지 내부로 삽입되는 시트형태의 적절한 재료로 만들어진다.

최적 세퍼레이터 시스템의 선택에 관한 많은 연구작업이 이루어져 오는 동안, 세퍼레이터의 하단부 주변에서 발생되는 단락을 방지하기 위한 세퍼레이터의 하단부 가장자리의 시일링에 관한 문제들에 대해선 많은 연구작업이 이루어지지 않았으며, 지금까지의 그 해결책들은 이상적인 것들에 못미치는 것들이었다. 원통형인 세퍼레이터의 양 단부가 개방된 형태이기 때문에 상기 문제는 위에서 언급된 전지의 제조방법에 기인하여 발생한다. 전지의 음극 터미널 인근의 단부인 세퍼레이터 상단부는 종래기술에서 공지된 바와 같은 밀폐수단으로 시일링된다. 상기 세퍼레이터 하단부(전지의 양극 터미널 인근)의 시일링은 많은 경우에서 이하 설명되는 핫 멜트 접착제(hot-melts)나 밀봉제(sealants)들을 이용하여 이루어진다.

상기 전극들이 서로의 주변에 동축상으로 배치되는 원통형의 전지에서, 상기 세퍼레이터는 얇은 원통형의 형태를 취하고 있으며, 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 위치하게 된다. 그러나, 상기 원통형의 형태는 전지의 하단부에서의 바람직한 분리상태를 제공하지는 못한다. 다양한 해결책들이 이러한 문제점들을 해결하기 위해 제안되어왔으나, 이러한 대부분의 해결책들도 결함들을 가지고 있는 것으로 드러났다. 한가지 예를 든다면, 세퍼레이터가 밀폐된 하단부를 가지는 똑바로 선 형태의 원통으로 형성된 것이 있다. 그러나, 상기 세퍼레이터가 일반적으로 다중 층의 시트형 재료로 만들어지기 때문에, 원통의 하단부에서 필요한 접힘은 시트의 주름 접힘을 초래하게 되고, 이는 결국 통상 단락을 발생시키는 하단부에서의 취약함을 초래하게 된다.

또 다른 해결책이 스위스특허번호 669,479에서 제안되고 있는 바, 이는 다중 층의 세퍼레이터 재료가 이용되는 것이며, 여기서 핫 멜트 재료는 하단부를 시일링하는데 이용되고 있다. 상기 발명의 일 구현예에서는, 밀봉제가 세퍼레이터의 하단부에서 접혀진 부분을 덮을 수 있도록 칠해진다. 또 다른 구현예에서는, 원통형 세퍼레이터의 하부 가장자리가 접혀 젖혀지고, 단차를 가진 직경의 플라스틱 원판이 세퍼레이터의 접혀진 하부 테두리에 부착되며, 핫 멜트가 상기 원판의 단차부와 세퍼레이터 원통의 내측 사이에 칠해진다. 그러나, 상기 방법은 복잡한 제조공정을 필요로 하며, 이로 인해 제작비가 상승한다.

미국특허번호 5,272,020에서는 세퍼레이터를 전지의 하단부까지 확장시키고 여기에 시일로서 핫 멜트 비드(beed)를 칠하는 세퍼레이터 하단부 시일이 공지되고 있다.

미국특허번호 5,462,819에서 또 다른 전지가 공지되고 있는데, 세퍼레이터가 전지 내측으로 배치되되, 핫 멜트 재료가 세퍼레이터 하단부 가장자리 밑으로 흐르도록 한 후, 세퍼레이터를 아래로 밀어 핫 멜트 재료가 냉각될 때 상기 세퍼레이터가 핫 멜트 재료에 고정될 수 있도록, 핫 멜트 재료가 전지 내측으로 측정되어 들어간다. 이것은 전지의 하단부에서와 세퍼레이터의 양 측면상에서 장벽이 형성되는 것을 초래하게 된다.

배터리 시스템에서, 단위체적과 단위질량당 파워와 에너지를 증가시키는 것은 많은 이점을 제공한다. 상업적인 1차(또는 충전 불가능한)전지에 의해 현재 제공받는 기기들을 위해 사용하고자 하는 충전 가능한 알카라인 이산화망간-아연 전지에서, 국제 표준은 표준 사이즈로 최대 치수를 명시하고 있다. 고로, 제조자들은 최대 치수의 한계 내에서 최대 성능을 위해 노력하고 있다. 시일링 요소들과 핫 멜트 재료들과 같은 내부 재료들이 차지하게 되는 체적을 최소화하는 것과, 캐소드와 애노드와 전해질 재료들과 같은 활성 재료를 위해 사용되는 체적을 최소화하는 것은 증가된 성능을 이룰 수 있게 한다. 충전 가능한 알카라인 이산화망간-아연 전지에서, 전지의 체적에 관한 또 다른 강제성은 충전과 방전의 사이클 중 가스가 채워지는 것(수소가스의 형성)으로부터 생기는 임의의 압력을 최소화할 수 있는 충분한 빈 공간의 필요성에 관련한다.

고로, 알수 있는 바와 같이, 위에서 언급된 모든 특허들이 공간을 차지하게 되는 핫 멜트 접착제 또는 밀봉제의 이용을 포함하고 있으며, 이때 상기 공간이 활성 재료들과 빈 공간, 또는 활성 재료들, 또는 빈 공간을 위해 이용될 수도 없다.

또한, 핫 멜트 접착제 또는 다른 밀봉제가 세퍼레이터의 하단부를 시일링하는데 이용될 때, 시일링이 이루어지는 영역은 이온이 침투할 수 없도록 하여 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에서 어떠한 이온의 연결도 고려할 수 없도록 한다. 이것은 전지의 파워에 있어 가능 출력을 감소시키고 보다 높은 비율의 방전에서 효율을 감소시키게 한다. 세퍼레이터의 하단부에서 컵과 컵들, 또는 컵, 또는 컵들이 세퍼레이터와 같은 이온의 침투가 가능한 재료들로써 제작될 때, 재료의 흡수성 부직(不織)(non-woven) 섬유질층들이 압축될 지라도 보다 많은 표면적이 이용될 수있고 보다 높은 방전 비율에서 향상된 효율과 성능이 얻어진다.

핫 멜트 또는 다른 밀봉제의 축소 또는 삭제는 전해질 흡수를 위해 충분한 딜레이 시간을 제공하면서 보다 빠른 기계적 속도와 목록표상의 보다 적은 투자, 또는 빠른 기계속도, 또는 목록표상의 적은 투자를 허락하면서, 캐소드/세퍼레이터의 하위 부품으로 투여되는 전해질이 보다 빨리 흡수될 수 있는 전지의 상업적 고속 생산을 위해 보다 많은 이익을 제공한다.

미국특허번호 5,424,145에서는 하단부 시일에 대한 향상된 내용을 제공하는 전지가 공지되어 있다. 상기 참증에서는 세퍼레이터에 중첩된 컵이 전지의 하단부 상에 구비된다. 또한, 상기 참증에서 컵은 하나의 폴리에틸렌층으로 구성되고 있다.

본 발명은 활성 재료와 빈 공간, 또는 활성 재료, 또는 빈 공간을 위한 보다 많은 공간을 제공할 수 있는 세퍼레이터 하단부의 향상된 시일링을 갖는 원통형의 이산화망간-아연 전지를 제공하고자 한 것이다.

본 발명은 원통형 전기화학 전지에서 세퍼레이터(separator)의 일단부를 위한 컵 시일(seal)에 관한 것이다. 상기 전지는 동축의 원통형 공동(空洞)을 갖는 원통형 캐소드(cathod)와, 상기 원통형 공동 내에 배치되는 원통형 애노드(anode)와, 상기 애노드와 상기 캐소드사이의 세퍼레이터와, 알카라인 전해질로 이루어진다. 본 발명은 특히 충전 가능한 원통형의 이산화망간-아연 전지를 위해서 적합하다.

도 1은 당해 기술에서 공지된 일반적인 원통형 전지의 단면도이다.

도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 전지의 하단부를 나타내는 확대단면도

도 3은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 전지의 하단부를 나타내는 확대단면도이다.

도 4는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 전지의 하단부를 나타내는 확대단면도이다.

도 5는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 전지의 하단부를 나타내는 확대단면도이다.

도 6은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 전지의 하단부를 나타내는 확대단면도이다.

도 7은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 전지의 하단부를 나타내는 확대단면도이다.

따라서, 구현예에서와 같이, 본 발명은 애노드와 캐소드를 분리하는 동축상의 원통형 세퍼레이터를 갖는 원통형 전기화학 전지를 위한 세퍼레이터용 시일을 제공하고자 한 것으로서, 애노드와 캐소드 사이에서 이온의 연결을 허락하면서 애노드와 캐소드를 전기적으로 분리시키기 위해, 전지의 양극 터미널 인근에 위치되고, 세퍼레이터의 일단부에 인접하는 시일에 있어서,

상기 시일은 미세다공성(micro-porous) 막 또는 비 다공성(non-porous) 막 또는 이들의 조합으로 이루어진 하나 또는 그 이상의 제 1 층과, 다공성 시트형 재료로 이루어진 하나 또는 그 이상의 제 2 층으로 구성되고, 세퍼레이터의 적어도 일부분에 겹쳐진다.

애노드와, 캐소드와, 전지와 동축상에 놓여지고 애노드와 캐소드를 전기적으로 분리하기 위한 원통형 세퍼레이터를 갖는 원통형 전기화학 전지로서, 전지의 양극 터미널 인근에 배치되고 세퍼레이터의 일단부를 위한 시일을 형성하는 컵을 포함하는 원통형 전기화학 전지에 있어서,

상기 컵은 미세다공성 막 또는 비 다공성 막 또는 이들의 조합으로 이루어진 하나 또는 그 이상의 제 1 층과, 다공성 시트형 재료의 하나 또는 그 이상의 제 2 층으로 구성되고, 세퍼레이터의 적어도 일부분에 겹쳐진다.

도 1에 도시한 바와 같이, 충전 가능한 알카라인 이산화망간-아연 전지는 다음의 메인 유니트들 즉, 원통형의 내부공간을 형성하는 스틸 캔(12)과, 캔 내에서 압축된 다수개의 공동(空洞) 원통형 펠리트(pellet)들에 의해 형성된 이산화망간 캐소드(14)와, 애노드 겔(gel)로 만들어지고 상기 캐소드(14)의 공동 내부에 배치되는 아연 애노드(18)와, 상기 캐소드(14)로부터 상기 애노드(18)를 분리시키는 원통형 세퍼레이터(20)로 구성된다. 상기 애노드와 상기 캐소드사이의 이온 전도성은 미리 결정된 양으로 전지 내에 첨가된 전해질 즉, 수산화칼륨(KOH)이 존재됨으로써 제공된다.

상기 캔(12)은 하단부가 닫혀진 형태이며, 닫혀진 형태의 하단부 바닥의 중앙에는 양극 터미널로서 사용되어지는 원형의 핍(pip)이 형성되어 있다. 상기 캔(12)의 상단부는 얇은 금속시트(sheet)로 이루어진 음극의 캡(24)과, 상기 음극 캡(24)에 부착되고 애노드와 전기접촉을 제공하는 애노드 겔 안으로 깊이 삽입된 집전용 네일(26)과, 음극 캡(24)을 캔(12)로부터 전기적으로 절연시키고 캐소드와애노드 구조를 위해 별도로 형성된 각 가스 공간을 분리시키는 플라스틱 상부부재(28)를 포함하여 이루어진 전지 폐쇄 조립체(cell closure assembly)에 의해 밀폐되도록 시일링된다.

세퍼레이터(20)의 재료는 두 가지의 서로 다른 재료로 구성되는데, 예를 들면 전해질로써 적셔질 수 있는 섬유질의 시트형 재료로 만들어진 제 1 재료와, 작은 입자들에는 불투과성이나 이온에 대해선 투과성을 가지는 제 2 재료로 구성된다. 상기 제 1 재료로서 부직 폴리아미드 섬유의 시트형 재료가 사용될 수 있는데, 상기 재료는 흡수성을 지니고 있으며 전해질의 저장수단으로 사용된다. 흡수성 층인 큰세다공성(macro-porous) 구조로는 방전/충전의 사이클링동안 아연 수지상결정들 또는 침전물들에 의한 내부 단락을 막을 수 없다.

제 2 재료로써 상기와 같은 단락을 막을 수 있는데, 상기 제 2 재료는 섬유질의 시트형 재료 상에 적층되거나 코팅되는 미세다공성 재료 또는 비 다공성 재료로 이루어진 하나의 층 또는 다수의 층으로 이루어질 수 있다. 이에 부합하는 재료로서 부직 폴리아미드 시트에 하나 또는 그 이상의 셀로판막이 적층된 것을 들 수 있다. 또 하나로는 부직 폴리아미드 시트 상에 코팅되고 부분적으로 폴리아미드 시트를 품고 있는 재생된 셀룰로우스(cellulose) 또는 비스코스(viscose)의 하나 또는 그 이상의 코팅 재료들이 있다.

적층 또는 복합재료의 하나 또는 그 이상의 층은 원통형 튜브를 형성하도록 감겨져 공동의 원통형 캐소드 구조 내측으로 배치된다.

도 1에 도시한 바와 같이, 세퍼레이터 하단부를 시일링하는 종래기술의 한방법으로 세퍼레이터(20)를 전지내의 와셔(33)에 시일링하는 핫 멜트 비드(31)에 의한 방법이 있다.

도 2와 도3과 도4는 본 발명에 따른 세퍼레이터 하단부 시일링 방법을 보여주고 있다. 도시된 바와 같이, 상기 세퍼레이터(20)의 하단부 시일링은 본 발명에서 세퍼레이터 하단부 외측과 내측, 또는 외측, 또는 내측을 둘러싸고 있는 하나 또는 그 이상의 컵들(35, 36, 37, 38, 39, 40)에 의해 이루어지고 있다. 전술한 바와 같이, 상기 세퍼레이터(20)는 도면부호 20a와 20b로 나타낸 바와 같이 바람직하게는 두 개의 층으로 구성된다. 상기 컵 또는 컵들(35, 36, 37, 38, 39, 40)은 하나 또는 그 이상의 부직 섬유질의 다공성 시트형 재료에 적층되거나 코팅된 하나 또는 그 이상의 얇은 미세다공성 막 또는 얇은 비 다공성 막으로 이루어진 재료로 만들어진다. 배치되는 동안, 상기 세퍼레이터와 상기 컵 또는 컵들의 부직 섬유질 재료는 컵과 컵들, 또는 컵, 또는 컵들이 상기 세퍼레이터(20)의 하단부와 겹쳐지는 중첩영역(34)에서 압축된다. 얇은 미세다공성 층들 또는 얇은 비 다공성 층들의 주름에 의해 형성되는 상기 세퍼레이터와 상기 컵 또는 컵들사이의 갭은 내부 단락의 효과적인 방책이 되는 다공성의 부직 층들의 압축된 섬유에 의해 채워지게 된다. 이것은 컵들에 있어서의 재료의 선택, 이용되는 컵의 수, 공동인 캐소드 원통의 내측으로 상기 컵 또는 컵들과 상기 세퍼레이터를 배치하는데 이용되는 툴(tool)의 형태와 크기에 의해 완성된다. 상기 컵의 재료는 섬유의 압축과, 컵 형태로의 몰딩과, 미세다공성 막 또는 비 다공성 막의 주름의 최소화를 용이하게 하기 위해 배치 전에 젖게 할 수 있다.

분명, 본 발명에 따라 제작된 전지의 기본적인 장점들은 주로 충전 가능한, 또는 2차형의 전지에 적용될 수 있을 것이다. 그러나, 본 발명은 1차형 전지의 경우에서도 동일하게 이용될 수 있다.

본 발명에 따른 컵은 두 가지 기능을 제공하는데 이용된다. 우선, 상기 컵은 충전상태동안 형성된 아연 수지상결정에 의해 야기되는 전지 내의 내부 단락을 방지한다. 전술한 바와 같이, 상기 컵은 상기 수지상결정이 침투하여 애노드와 캐소드 사이가 연결되는 것을 방지할 수 있도록 설계되어야 한다. 다음으로, 상기 컵은 전해질을 흡수할 수 있어야 하는데, 그렇게 함으로써 캐소드의 이산화망간(MnO₂) 펠리트들을 젖게 하는 것이다. 또한, 그것에 의해 그러한 기준은 컵이 형성될 수 있는 재료의 특별한 선택을 필요로 한다. 본 발명의 바람직한 구현예에서, 상기 컵은 위에서 지시한 바와 같이 두 개의 층으로 형성된다. 상기 컵의 재료는 적층재료 또는 복합재료 또는 이들의 조합(즉, 적층과 복합층)일 수 있다. 또한, 상기 컵은 전해질을 흡수한 상태에서 갈라져서는 안된다.

상기 세퍼레이터와 컵은 함께 합쳐지지 않기 때문에, 상기 컵은 컵과 세퍼레이터 사이의 아연 수지상결정을 위한 이동경로를 증가시키는데 이용되기도 하는데, 이로써 전지의 단락을 방지하게 된다. 이 점에 있어서, 도 2는 본 발명에 따른 하나의 구현예를 도시하고 있는데, 여기서 하나의 컵(35)이 세퍼레이터의 하단부 내측에 배치되고 다른 하나의 컵(36)이 세퍼레이터 하단부의 외측에 배치되고 있다. 이 방법에서, 약간의 아연 수지상결정은 세퍼레이터의 단부 둘레를 따라 돌면서 길게 형성된 경로를 통해 이동하게 된다. 이러한 배치가 아연 수지상결정을 위한 이동경로를 최대화할 수 있는 기능적인 면에서는 바람직할 수 있으나, 복잡한 제조공정을 필요로 하게 되고, 고로 이는 비용을 증가시키게 된다.

도 3은 두 개의 컵(37, 38)이 세퍼레이터의 하단부 외측 둘레를 따라 배치되고 있는 본 발명의 또 다른 구현예를 보여주고 있다. 본 구현예는 제조공정에 있어서 가장 능률적이면서도 아연 수지상결정의 침투를 가장 확실하게 방지할 수 있다.

도 4는 두 개의 컵(39, 40)이 세퍼레이터의 하단부 내측에 배치되고 있는 본 발명의 또 다른 구현예를 보여주고 있다. 이러한 배치는 원하는 결과를 얻을 수는 있어도 도 2와 도 3에 도시한 구현예 이상으로 바람직하지는 않다.

전술한 바와 같이, 상기 전지를 위한 추가적인 시일링을 제공하기 위해 작은 양의 핫 멜트 물질을 이용하는 것도 가능하다. 이러한 구현예는 도 5와 도 6과 도 7에서 도시되고 있다. 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 또 다른 구현예는 상기 컵과 상기 세퍼레이터 사이에서 중첩영역(34)의 추가적인 시일링을 제공하기 위해 도 2의 컵 구현예에서 핫 멜트 물질(41) 또는 다른 유사한 밀봉제의 비드를 이용하는 것을 포함하고 있다. 본 구현예에서, 핫 멜트 비드는 세퍼레이터에 의해 형성된 원통의 내측에 생성되도록 하는데, 내측 컵(35)과 세퍼레이터의 내측 층(20b) 사이 접합부를 덮도록 생성시킨다.

도 6는 본 발명의 또 다른 구현예를 보여주고 있으며, 여기서 최소량의 핫 멜트 또는 다른 밀봉제가 도 3의 컵 설계와 함께 이용된다. 도 5의 구현예와 마찬가지로, 밀봉제의 비드가 세퍼레이터와 컵의 내측 표면 상에 생성되도록 하고 상기두 요소사이의 접합부를 덮도록 한다.

도 7은 밀봉제가 도 4의 컵 설계에서 이용되는 또 다른 구현예를 보여주고 있다.

도 5에서 도 7까지 도시된 구현예에서, 핫 멜트 비드는 컵 재료로 스며들면서 동일하게 접착시킬 수 있는 점성의 밀봉제로 대체될 수 있다. 이러한 설계에서의 장점은 밀봉제의 용제가 증발하고 이로써 비드가 차지하게 되는 체적을 줄일수 있다는 것이다. 상기 용제는 KOH 또는 기타 그러한 전해질 용액으로의 노출에 결딜 수 있어야 한다.

전술한 바와 같이, 상기 컵은 다양한 적층재료 또는 복합재료 또는 이들의 조합으로부터 만들어질 수 있다. 예로써, 상기 컵의 재료로는 다음과 같은 것들이 이용될 수 있다.

a) 폴리아미드층과 비스코스층으로 이루어진 복합재료

b) 두 개의 폴리아미드층 사이에 그래프트 폴리에틸렌층(미세다공성 막)을 포함하는 적층재료

c) 두 개의 폴리아미드층 사이에 비 다공성 막의 층을 포함하는 적층재료

다른 유사한 재료들이 상기 컵을 위해 선택될 수 있을 것이다. 예를 들어, 상기 컵을 위한 비 다공성 층으로서 셀로판이 이용될 수 있다. 그러나, 셀로판은 너무 부서지기 쉽고 유연하지 않기 때문에 그 결과로 전지 내에 배치될 때 재료의 주름 접힘을 초래하게 되므로 바람직하지 않다. 또한, 셀로판 층을 적층하기 위해서는 접착제를 필요로 한다. 일반적인 경우에 있어서, 그러한 접착제는 KOH 전해질에 노출될 때 용해되므로 상기 컵 재료의 적층이 떨어지게 되고 수지상결정의 침투 가능성이 있게 된다. 다공성 부직 시트의 또 다른 재료로는 폴리비닐 알코올, 레이온, 셀룰로우스 섬유 등으로 만들어진 재료들이 있다. 상기 컵(들은) 임의의 주어진 전지에서 세퍼레이터와 동일 재료로 만들 필요는 없다. 또한, 각 층들의 배치는 세퍼레이터의 그것과 상응하여야 할 필요도 없다. 그러나, 컵과 세퍼레이터가 동일 방법으로 배치되는 것이 기능면에서 조화로울 수 있다. 이제 본 발명의 바람직한 상기 구현예들이 본 발명의 범위에 철저한 또는 한정인 것으로 고려되지 않은 실시예로써 증명될 것이다.

실시예 1

AA 사이즈의 충전 가능한 실험용 알카라인 이산화망간-아연 전지들이 세퍼레이터의 하단부를 시일링하기 위해 0.21㎖의 핫 멜트 접착제를 사용하여 제작되었다. 또한, 이에 비교되는 실험용 전지들이 세퍼레이터 튜브의 하단부 외측 둘레를 감싸는 하나의 컵과, 세퍼레이터 튜브의 하단부 내측의 또 하나의 컵을 이용하여 핫 멜트 접착제를 사용하지 않고 제작되었다. 그러한 컵 설계는 도 2에 도시되고 있다. 상기 세퍼레이터는 두 개의 층으로 만들어졌으며, 각 층이 셀로판과 부직 폴리아미드의 적층재료이다. 상기 컵들은 부직 폴리아미드에 비스코스가 입혀진 복합재료로 만들어졌다. 이때, 상기 컵들이 형성하고 있는 원판의 직경은 캐소드의 내측으로 배치될 때 세퍼레이터와의 중첩영역이 형성될 수 있도록 캔의 내경과 동일하다. 상기 세퍼레이터와 컵들은 부직 폴리아미드의 다공성 섬유층들이 압축되도록놓여져 약간의 갭, 또는 미세다공성 셀로판과 비스코스 층들에 존재하는 주름들을 채우게 된다.

상기 컵들의 실제 체적은 0.05㎖, 0.16㎖의 절약공간, 하단부 시일 재료의 체적에 있어서 76%의 감소, 전지 내부 체적의 2.7%를 나타내고 있다. 절약된 공간은 전지를 제작하는데 이용되는 전해질과 애노드의 양을 증가시키는데 이용되었고, 전지의 가스생성을 고려한 빈 공간이 똑같이 남겨졌다. 두 개 세트의 전지들의 테스트는 전지를 표 1에 나타낸 바와 같은 부하 저항기에 연결하여 최종 볼트값까지 방전시키고 이를 1.65볼트까지 12시간동안 충전하는 방식으로 이를 연속적으로 25사이클에 걸쳐 테스트한 사이클 성능이다.

실시예 2

실시예 1과 약간 다른 설계를 갖는 AA 사이즈의 충전 가능한 실험용 알카라인 이산화망간-아연 전지들이 제작되었다. 캐소드의 체적과 애소드:캐소드의 비가 변경되었다. 세퍼레이터의 하단부 시일링을 위해 0.21㎖의 핫 멜트 접착제를 사용하여 전지들이 제작되었다. 이에 비교되는 실험용 전지들은 실시예 1에서와 같이 세퍼레이터 튜브의 하단부 외측 둘레를 감싸는 하나의 컵과, 세퍼레이터 튜브의 하단부 내측의 또 하나의 컵을 이용하여 제작되었다. 실시예 1에서와 같이, 절약된 공간은 역시 전지를 제작하는데 이용되는 전해질과 애노드의 양을 증가시키는데 이용되었고, 전지의 가스생성을 고려한 빈 공간이 똑같이 남겨졌다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 두 개 세트의 전지들이 테스트되었다.

표 1에서, "사이클 1"은 첫 번째 방전용량에 관한 것이고 "사이클 25 누적"은 25 방전 사이클에 걸쳐 각 사이클의 개별 용량이 누적되어 더해진 총 방전용량에 관한 것이다. 여러 테스트에서 %의 증가된 성능은 실시예 1과 2의 경우 첫 번째 방전에서 약 10%의 전체 평균 성능증가와, 25사이클동안의 누적성능에서 약 16%의 증가가 있는 것으로 나타나고 있는데, 이는 핫 멜트에 비교되어지는 컵에 의해 절약된 공간내의 보조 활성 재료들로부터 얻어지는 성능의 이익을 증명하고 있다. 보조 활성 재료들에 의해 전지의 이론적인 용량이 증가될 뿐만 아니라, 상기 전지들이 고차원적 이용을 위해 보다 효과적으로 성능을 발휘할 수 있었다. 내부 단락을 체크하기 위해, 방전 후 충전용량은 앞선 방전용량에 비교된다. 충전용량이 약간의 퍼센트 이상으로라도 방전용량을 초과하게 된다면, 큰 정도의 단락이 기록된 것이다. 25번째 사이클에서 전지의 내부 단락이 없었으며, 세퍼레이터 하단부에서 컵들의 유효성이 증명된 것이다. 실시예 2에서, 조립동안, 15분 딜레이 후, 핫 멜트 접착제에 의한 전지에 비해 컵을 가진 전지 내에서 70% 적은 흡수되지 않은 전해질이 존재하였으며, 이는 고속생산에 이용할 수 있는 이점을 증명한다.

실시예 3

실시예 1과 약간 다른 설계를 갖는 AA 사이즈의 충전 가능한 실험용 알카라인 이산화망간-아연 전지들이 제작되었다. 캐소드의 내용물인 흑연을 줄였고 캐소드의 내경은 증가되었다. 세퍼레이터의 하단부 시일링을 위해 0.21㎖의 핫 멜트 접착제를 사용하여 전지들이 제작되었다. 비교되는 실험용 전지들은 실시예 1에서와같이 세퍼레이터 튜브의 하단부 외측 둘레를 감싸는 하나의 컵과, 세퍼레이터 튜브의 하단부 내측의 또 하나의 컵을 이용하여 제작되었다. 절약된 공간은 애노드를 증가시키지 않고 전지들의 제작에 사용되는 전해질의 양을 증가시키는데 이용되었고, 전지에서 가스생성을 고려한 빈 공간이 똑같이 남겨졌다. 상기 전지는 표 1에 나타낸 바와 같은 부하 저항기와 최종 전압값을 이용하여 실시예 1에서 설명한 바와 같이 테스트되어지는데, 상기의 여러 테스트결과 증가된 성능을 볼 수 있다. 전체적으로, 첫 번째 방전시 11%의 평균 성능증가와 25사이클동안의 누적성능에 있어서 19%의 증가가 나타나고 있는데, 이는 핫 멜트에 비교되어지는 컵에 의해 절약되는 공간 내의 보조 활성 재료로부터의 성능 이익을 증명한다. 25번째 사이클에서 전지의 내부 단락이 없었으며, 이는 세퍼레이터 하단부에서 컵의 유효성이 증명된 것이다.

실시예 4

두 개의 컵이 세퍼레이터 튜브의 하단부 외측 둘레를 감싸도록 배치되는 AA 사이즈의 충전 가능한 실험용 알카라인 이산화망간-아연 전지들이 제작되었다. 상기 컵들의 재료는 부직 폴리비닐 알코올 시트의 두 개층 사이에 미세다공성인 복사 그래프트 폴리에틸렌(radiation-grafted polyethylene) 막이 적층된 것이다. 세퍼레이터의 부직 재료와 컵 재료의 섬유는 상기 세퍼레이터와 컵에서 미세다공성 막 층 사이에서 압축되었다. 상기 전지는 1.0, 2.2, 3.9, 10, 43오옴(ohm)의 저항기 부하에서 각각 0.8, 0.8, 0.9, 0.9, 0.9볼트(Volt)를 최종 볼트값으로 하여 실시예1에 설명된 바와 같이 테스트되었다. 상기 테스트의 어느 것에서도 사이클 25에서의 단락이 없었으며, 이는 세퍼레이터 하단부의 외측 둘레를 감싸는 구조에서 세퍼레이터 하단부 시일의 효과성을 보여주는 것이다.

전술한 바와 같이, 위에서 논한 내용은 충전 가능한 이산화망간-아연 전지들에서 본 발명의 이용에 초점을 맞추었다. 그러나, 본 발명에 따른 컵 시일은 어떠한 원통형 전지에서도 이용될 수 있을 것이다.

본 발명이 확실하고 구체적인 구현예와 관련하여 설명되었을지라도, 첨부한 청구항에서 밝히고 있는 바와 같이 본 발명의 기술적 사상과 범위에서 벗어나지 않는다면 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 그 누구에게라도 본 발명의 다양한 수정들이 명확하게 그려질 것이다.

본 발명은 세퍼레이터의 하단부 주변에서 발생되는 단락을 보다 확실하게 방지할 수 있는 향상된 세퍼레이터 하단부 시일링을 갖는 원통형 전기화학 전지를 제공한다.

또한, 본 발명은 활성 재료와 빈 공간, 또는 활성 재료, 또는 빈 공간을 위한 보다 많은 공간을 제공할 수 있는 세퍼레이터 하단부의 향상된 시일링을 갖는 원통형 전기화학 전지를 제공한다.

본 발명에 따라 제작된 전지의 기본적인 장점들은 주로 충전 가능한, 또는 2차형의 전지에 적용될 수 있을 것이다. 그러나, 본 발명은 1차형 전지의 경우에서도 동일하게 이용될 수 있다.

Claims (17)

1. 애노드와 캐소드를 분리하는 동축상의 원통형 세퍼레이터를 갖는 원통형 전기화학 전지로서, 상기 애노드와 상기 캐소드 사이의 이온 연결을 허락하면서 상기 애노드와 상기 캐소드를 전기적으로 분리시키기 위해 상기 전지의 양극 터미널 인근에 위치되고 상기 세퍼레이터의 일단부에 인접하는 세퍼레이터용 시일이 형성된 전지에 있어서,

   상기 시일은 미세다공성 막 또는 비 다공성 막 또는 이들의 조합으로 이루어진 하나 또는 그 이상의 제 1 층과, 다공성 시트형 재료의 하나 또는 그 이상의 제 2 층으로 구성되고, 상기 세퍼레이터의 적어도 일부분에 겹쳐지도록 된 것을 특징으로 하는 세퍼레이터용 컵 시일을 갖는 원통형 전기화학 전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 층은 전지 내부에서 생성된 침전물로부터의 침투에 대한 장벽층을 제공하는 것을 특징으로 하는 세퍼레이터용 컵 시일을 갖는 원통형 전기화학 전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 층은 전지 내부에서 전해질을 흡수하기 위한 층을 제공하는 것을 특징으로 하는 세퍼레이터용 컵 시일을 갖는 원통형 전기화학전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 층과 상기 제 2 층은 함께 적층되거나 코팅된 것을 특징으로 하는 세퍼레이터용 컵 시일을 갖는 원통형 전기화학 전지.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 층은 비스코스와, 그래프트 폴리에틸렌(grafted polyethylene)과, 셀로판으로부터 택일된 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 세퍼레이터용 컵 시일을 갖는 원통형 전기화학 전지.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 층은 폴리아미드, 또는 폴리비닐 알코올, 또는 레이온, 또는 셀룰로우스 섬유를 포함하는 부직(不織) 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 세퍼레이터용 컵 시일을 갖는 원통형 전기화학 전지.
7. 제 4 항에 있어서, 상기 시일이 상기 시일과 상기 세퍼레이터의 접합부에 칠해지는 최소량의 핫 멜트 접착제 또는 밀봉제로써 상기 세퍼레이터에 부착되는 것을 특징으로 하는 세퍼레이터용 컵 시일을 갖는 원통형 전기화학 전지.
8. 애노드와, 캐소드와, 전지와 동축상에 놓여지고 상기 애노드와 상기 캐소드를 전기적으로 분리하기 위한 원통형 세퍼레이터를 갖는 원통형 전기화학 전지로서, 상기 전지의 양극 터미널 인근에 배치되고 상기 세퍼레이터의 일단부를 위한 시일을 형성하는 컵을 포함하는 전지에 있어서,

   상기 컵은 미세다공성 막 또는 비 다공성 막 또는 이들의 조합으로 이루어진 하나 또는 그 이상의 제 1 층과, 다공성 시트형 재료의 하나 또는 그 이상의 제 2 층으로 구성되고, 상기 세퍼레이터의 적어도 일부분에 겹쳐지도록 된 것을 특징으로 하는 세퍼레이터용 컵 시일을 갖는 원통형 전기화학 전지.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 층은 상기 전지 내부에서 생성된 침전물로부터의 침투에 대한 장벽층을 제공하는 것을 특징으로 하는 세퍼레이터용 컵 시일을 갖는 원통형 전기화학 전지.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 층은 상기 전지 내부에서 전해질을 흡수하기 위한 층을 제공하는 것을 특징으로 하는 세퍼레이터용 컵 시일을 갖는 원통형 전기화학 전지.
11. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 층과 상기 제 2 층은 함께 적층되거나 코팅된 것을 특징으로 하는 세퍼레이터용 컵 시일을 갖는 원통형 전기화학 전지.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 제 1 층은 비스코스와, 그래프트 폴리에틸렌과, 셀로판으로부터 택일된 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 세퍼레이터용 컵 시일을 갖는 원통형 전기화학 전지.
13. 제 11 항에 있어서, 상기 제 2 층은 폴리아미드, 또는 폴리비닐 알코올, 또는 레이온, 또는 셀룰로우스 섬유를 포함하는 부직(不織) 재료들로 이루어진 것을 특징으로 하는 세퍼레이터용 컵 시일을 갖는 원통형 전기화학 전지.
14. 제 11 항에 있어서, 다수개의 상기 컵이 구비된 것을 특징으로 하는 세퍼레이터용 컵 시일을 갖는 원통형 전기화학 전지.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 컵들은 상기 세퍼레이터의 내측면 상에 위치된 것을 특징으로 하는 세퍼레이터용 컵 시일을 갖는 원통형 전기화학 전지.
16. 제 14 항에 있어서, 상기 컵들은 상기 세퍼레이터의 외측면 상에 위치된 것을 특징으로 하는 세퍼레이터용 컵 시일을 갖는 원통형 전기화학 전지.
17. 제 11 항에 있어서, 상기 시일이 상기 시일과 상기 세퍼레이터의 접합부에 칠해지는 최소량의 핫 멜트 접착제 또는 밀봉제로써 상기 세퍼레이터에 부착되는 것을 특징으로 하는 세퍼레이터용 컵 시일을 갖는 원통형 전기화학 전지.