KR20060106728A - 비수 전해질 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명의 과제는 경량이고 또한 밀봉 성능이 우수한 비수 전해질 전지를 제공하는 것이다.

플러스극과 마이너스극과 양 전극을 이격하는 세퍼레이터로 이루어지는 전극체와, 비수 전해질이, 바닥이 있는 원통형 외장관 내에 수용되고, 상기 바닥이 있는 원통형 외장관의 개구측 단부가 가스켓을 거쳐서 클림프 밀봉되어 상기 플러스 마이너스 전극 중 어느 한쪽에 한쪽 단부가 접속되고, 다른 쪽 단부가 상기 바닥이 있는 원통형 외장관의 개구로부터 전지 밖으로 돌출되는 전류 취출 단자를 구비한 비수 전해질 전지에 있어서, 상기 전류 취출 단자는 플랜지부와, 상기 플랜지부의 하측의 면에 형성된 테이퍼형 구석부를 갖고, 상기 플랜지부의 양면에서 상기 가스켓과 접촉하여 상기 플랜지부보다도 하측이 클림프되어 있는 것을 특징으로 한다.

비수 전해질 전지, 세퍼레이터, 가스켓, 외장관, 집전 막대

Description

비수 전해질 전지 {Nonaqueous Electrolytic Battery}

도1의 (a)는 제1 실시예에 관한 비수 전해질 전지의 외관도이고, 도1의 (b)는 도1의 (a)의 부분 단면도.

도2는 제1 실시예에 관한 전지의 밀봉 부분 확대 단면도.

도3은 제2 실시예에 관한 전지의 밀봉 부분 확대 단면도.

도4는 제1 비교예에 관한 전지의 밀봉 부분 확대 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 플러스극

2 : 마이너스극

3 : 세퍼레이터

4 : 마이너스극 집전 막대

5 : 가스켓

6 : 외장관

7 : 간극

[문헌 1] 일본 특허 출원 2003-314703

본 발명은 전지의 경량화와 밀봉 성능의 향상을 목적으로 하는 비수 전해질 전지의 개량에 관한 것이다.

최근, 휴대 전화, 노트북 퍼스널 컴퓨터, PDA 등의 이동 정보 단말의 소형 및 경량화가 급속히 진전되고 있고, 그 구동 전원으로서의 전지에는 한층 고용량화가 요구되고 있다. 리튬 이온 2차 전지로 대표되는 비수 전해질 전지는 높은 에너지 밀도를 갖고, 고용량이므로, 상기와 같은 이동 정보 단말의 구동 전원으로서 널리 이용되고 있다.

특히 바닥이 있는 원통형의 외장관에 권취형의 전극체를 삽입한 전지는 플러스극 및 마이너스극의 대향 면적이 크고, 대전류를 취출하기 쉽기 때문에 상기 용도로 널리 이용되고 있다.

이와 같은 원통형 외장관은 고분자제의 가스켓을 외장관 개구측 단부로 둘러싸도록 하고, 외장관에 기계적 변형을 가하여 가스켓을 외부로부터 압축하고, 가스켓의 반발력에 의해 외장관 개구부를 밀봉하는 클림프 밀봉이라 불리우는 방법을 채용하고 있다.

그리고, 높은 밀봉 성능을 얻기 위해, 외장관의 외부로부터 가스켓을 체결 부착하도록 강하게 압축하는 홈 마련 가공이 행해진다. 이 홈 마련 가공에 의해 외장관에 인장력이 가해져 변형되어 고리형 홈이 형성된다. 이 부분에 위치하는 가스켓에 강한 압축력이 가해지므로, 이 반작용으로서 강한 반발력이 작용하고, 이 반발력에 의해 외장관 개구부가 밀하게 밀봉된다.

그런데, 본 발명자들은 밀봉 성능을 더 높이는 기술로서, 특허문헌 1을 제안하고 있다.

[특허문헌 1] 일본 특허 출원 2003-314703

이 기술은, 도4에 도시한 바와 같이 집전 막대(4)의 가스켓(5)과 접촉하는 위치에 플랜지부(4c)를 형성하는 기술이고, 이 기술에 따르면, 플랜지부가 가스켓의 반발력이 밀봉에 기여하지 않는 방향으로 작용하는 것을 억제하므로, 가스켓의 반발력이 높아져 밀봉 성능이 비약적으로 높아진다. 그러나, 아직 밀봉 성능에 개선의 여지를 남기고 있었다.

본 발명자들은 밀봉 성능을 더 높이기 위해 예의 연구를 행하였다. 그 결과, 플랜지부를 형성한 경우에 있어서도 가스켓의 반발력의 도피가 생겨 충분한 밀봉 성능을 얻을 수 없는 것을 알 수 있었다.

본 발명은 이상의 지견을 기초로 완성된 것이며, 밀봉 성능이 우수한 비수 전해질 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은 플러스극과 마이너스극과 양 전극을 이격하는 세퍼레이터로 이루어지는 전극체와, 비수 전해질이, 바닥이 있는 원통형 외장관 내에 수용되고, 상기 바닥이 있는 원통형 외장관의 개구측 단부가 가스켓을 거쳐서 클림프 밀봉되어 상기 플러스 마이너스 전극 중 어느 한쪽에 한쪽 단부가 접속되고, 다른 쪽 단부가 상기 바닥이 있는 원통형 외장관의 개구로부터 전지 밖으로 돌출되는 전류 취출 단자를 구비한 비수 전해질 전지에 있어서, 상기 전류 취출 단자는 기둥부와, 상기 기둥부로부터 외측으로 돌출된 플랜지부를 갖고, 상기한 플랜지부의 상면 및 하면 모두 상기 가스켓과 접촉하고, 상기 기둥부와, 상기 플랜지부가 교차하는 하면에 테이퍼형 구석부가 형성되어 있고, 상기 플랜지부보다도 하측의 기둥부가 클림프되어 있는 것을 특징으로 한다.

특허문헌 1에 제안한 전지는, 도4에 도시한 바와 같이 가스켓(5)의 반발력을 플랜지부(4c)가 수용하여 전류 취출 단자(4)와 가스켓(5)의 밀착성이 향상되므로, 밀봉 성능이 향상된다. 그러나, 클림프 밀봉 시의 홈 마련 시에 플랜지부의 하면과 기둥부의 플랜지 뿌리(4b) 근방의 가스켓에 인장력이 작용하여 간극(7)이 생기기 때문에, 밀봉 성능이 충분하지 않다.

이에 대해, 본 발명에서는, 도2에 도시한 바와 같이 특허문헌 1의 기술에 있어서 간극이 생기는 위치에 미리 테이퍼형 구석부(4d)가 설치되어 있으므로, 간극이 생기지 않는다. 따라서 밀봉 성능이 향상된다.

상기 구성에 있어서, 도2에 도시하는 테이퍼형 구석부의 길이를 C1, 테이퍼형 구석부의 높이를 C2, 플랜지부의 길이를 L로 하였을 때, C1 ≥ 0.2 L 또한 C2 ≥ 0.2 L인 구성으로 할 수 있다.

테이퍼형 구석부의 길이(C1), 높이(C2)가 지나치게 작으면, 상술한 효과를 충분히 얻는 것이 어려워지므로, 상기와 같이 규제되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 테이퍼형 구석부의 길이(C1)가 플랜지부의 길이(L) 이하, 테이퍼형 구석부의 높이(C2)가 플랜지부의 하면으로부터 가스켓의 하면 사이의 직선 거리 이하이면, 충분한 효과를 얻을 수 있다. 그러나, C1 및 C2를 크게 하면, 가공 비용이 높아진다는 문제가 있으므로, 바람직하게는 C1 및 C2를 모두 0.7 L 이하로 하고, 보다 바람직하게는 0.5 L 이하로 한다.

본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태를, 도면을 기초로 하여 설명한다. 도1의 (a)는 본 발명의 실시 형태에 관한 비수 전해질 2차 전지의 외관도이고, 도1의 (b)는 도1의 (a)의 부분 단면도이고, 도2는 마이너스극 집전 막대의 부분 단면도이다. 또한, 본 발명은 그 요지를 변경하지 않는 범위에 있어서 적절하게 변경하여 실시하는 것이 가능하다.

(실시 형태)

도1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 비수 전해질 2차 전지는 전극체를 갖고 있고, 이 전극체는 외장관(6) 내에 배치되어 있다. 상기 전극체는 플러스극(1)과, 마이너스극(2)과, 이들 양 전극을 이격하는 세퍼레이터(3)를 스파이럴형으로 권취함으로써 제작된다. 또한, 상기 플러스극은 상기 외장관(6)과, 상기 마이너스극은 도2에 도시한 바와 같이 가스켓(5)과 일체 성형된, 플랜지부(4c)를 갖는 마이너스극 집전 막대(전류 취출 단자)(4)와 전기적으로 접속되어 전지 내의 화학 에너지를 상기 에너지로서 외부로 취출할 수 있도록 되어 있다.

또한, 마이너스극 집전 막대의 기둥부는, 도2에 도시한 바와 같이 권취 중심을 겸한 권취축체(4a)와, 플랜지부가 형성되어 가스켓의 반발력을 수용하는 플랜지 뿌리(4b)로 이루어지고, 권취축체는 전극을 효율적으로 권취하기 위해, 플랜지 뿌 리보다도 가늘게 되어 있다. 또한, 외장관(3)의 개구부는 플랜지부보다도 하측의 가스켓을 둘러싸고 클림프 밀봉함으로써 가스켓을 외부로부터 압축하고, 가스켓의 반발력에 의해 밀폐되어 있다. 또한, 플랜지부(4c)의 관 바닥측의 면에는 테이퍼형 구석부(4d)가 형성되어 있다.

(제1 실시예)

<플러스극의 제작>

탄산리튬과 4산화3코발트를 혼합하여 900 ℃에서 소성한 코발트산리튬(LiCoO₂) 92 중량부와, 아세틸렌블랙으로 이루어지는 도전제 3 질량부와, 폴리불화비닐리덴(PVdF)으로 이루어지는 결착제 5 질량부와, N-메틸-2-피롤리돈(NMP)을 혼합하여 활성 물질 슬러리로 하였다.

이 활성 물질 슬러리를 닥터 테이블에 의해 두께 20 ㎛의 알루미늄박으로 이루어지는 플러스극 심체의 양면에 균일하게 도포한 후, 가열한 건조기 중을 통과시켜 건조함으로써, 슬러리 제작 시에 필요했던 유기 용매를 제거하였다. 계속해서, 이 극판을 두께가 0.17 ㎜가 되도록 롤 프레스기에 의해 압연하여 플러스극을 제작하였다. 그 후, 폭 36 × 길이 70 ㎜로 절단하여 플러스극 판으로 하였다.

<마이너스극의 제작>

흑연으로 이루어지는 마이너스극 활성 물질 98 질량부와, 스틸렌부타디엔 고무(SBR)로 이루어지는 결착제 1 질량부와, 카르복시메탈셀룰로오스(CMC)로 이루어지는 증점제 1 질량부와, 물을 혼합하여 활성 물질 슬러리로 하였다. 이 활성 물 질 슬러리를 닥터 테이블에 의해 마이너스극 심체로서의 동박(두께 10 ㎛)의 양면에 균일하게 도포한 후, 건조기 중을 통과시켜 건조시킴으로써, 슬러리 제작 시에 필요했던 물을 제거하였다. 계속해서, 이 극판을 두께가 0.15 ㎜가 되도록 롤 프레스기에 의해 압연하여 마이너스극을 제작하였다. 그 후, 폭 40 × 길이 75 ㎜로 절단하여 마이너스극 판으로 하였다.

<전해액의 조제>

에틸렌카보네이트(EC)와, 디메틸카보네이트(DMC)를 질량비 3 : 7로 혼합한 혼합 용매에 전해질염으로서 LiPF₆을 1 M(몰/리터)이 되도록 용해시켜 전해액을 제작하였다.

(세퍼레이터의 준비)

폴리에틸렌제의 미세 다공 성막(두께 0.025 ㎜)을 폭 44 × 길이 170 ㎜로 절단하고, 건조시켜 세퍼레이터로 하였다.

<전극체의 제작>

상기와 같이 제작한 마이너스극 판에, 도2에 도시한 바와 같이 원통형의 권취축체(4a)와 플랜지 뿌리(4b)로 이루어지는 기둥부와, 단면 원형의 플랜지부(4c)를 구비하고, 플랜지부의 하면에 테이퍼형 구석부(4d)가 형성되어 있고, 4불화에틸렌 퍼플루오르알콕시에틸렌 공중 합체(아사히 글래스제 : 62XP)제의 가스켓(5)이 인스톨 성형된 스테인레스 스틸제 마이너스극 집전 막대(4)를 부착하였다. 이후, 플러스극 판(1), 마이너스극 판(2)을, 세퍼레이터(3) 사이로 하고, 또한 각 극 판 의 폭방향의 중심선을 일치시켜 중첩하였다. 이후, 권취기에 의해 권취축을 겸하는 마이너스극 집전 막대(4)를 중심으로 하여 권취하고, 최외주를 테이프 고정함으로써 권취 전극체를 제작하였다.

또한, 플랜지부의 길이(L)는 1.5 ㎜이고, 테이퍼형 구석부의 길이(C1) 및 테이퍼형 구석부의 높이(C2)는 모두 0.3 ㎜이다. 또한, 테이퍼형 구석부의 단면은 직선형으로 되어 있다. 또한, 집전 막대(4)는, 도2에 도시한 바와 같이 부피 에너지 밀도를 높이기 위해, 권취축체(4a)의 직경은 플랜지 뿌리(4b)의 직경보다도 작게 형성하고 있다.

이 전극체(1)를 건조시킨 후, 두께 0.30 ㎜의 알루미늄제 외장관(6) 내에 전해액을 500 ㎎ 주입한 후, 전극체를 삽입하였다. 이후, 고분자제 가스켓(5)을 둘러싸도록 하여 클림프 밀봉함으로써, 전체 높이 55 ㎜ × 직경 6 ㎜의 공칭 용량120 ㎃h인 제1 실시예에 관한 비수 전해질 2차 전지를 제작하였다.

(제2 실시예)

도3에 도시한 바와 같이, 플랜지부의 길이(L)를 1.5 ㎜, 테이퍼형 구석부의 길이(C1) 및 테이퍼형 구석부의 높이(C2)를 모두 0.7 ㎜로 한 것 이외에는 상기 제1 실시예와 마찬가지로 하여, 제2 실시예에 관한 비수 전해질 2차 전지를 제작하였다.

(제1 비교예)

플랜지부의 길이(L)를 1.5 ㎜로 하고, 테이퍼형 구석부를 형성하지 않았던 것 이외에는 상기 제1 실시예와 마찬가지로 하여 제1 비교예에 관한 비수 전해질 2 차 전지를 제작하였다.

[히트 쇼크 시험]

상기 각 전지를 정전류 1 It(120 ㎃)에서 4.2 V가 될 때까지, 그 후 정전압 4.2 V에서 0.02 It(2.4 ㎃)가 될 때까지 충전하였다. 이후, 70 ℃에서 30분 보존하고, 그 후 －30 ℃에서 30분 보존하는 히트 쇼크 사이클을 120회, 240회 실시하여 시험 전후의 질량 변화를 측정하고, 감소한 것의 개수를 카운트하였다. 이 결과를 하기 표1에 나타낸다. 또한, 검체 수는 각 전지 모두 10이다.

[표1]

	테이퍼형 구석부	120회 질량 감소 수	240회 질량 감소 수
제1 실시예	0.3 ㎜	0	0
제2 실시예	0.7 ㎜	0	0
제1 비교예	없음	2	3

상기 표1로부터 플랜지부(4c)의 하면에 테이퍼형 구석부(4d)가 형성되어 있는 마이너스극 집전 막대를 이용한 전지는 히트 쇼크 사이클을 240회 행해도 질량 감소가 보이지 않았다. 한편, 도4에 도시한 바와 같이, 플랜지부(4c)의 하면에 테이퍼형 구석부가 설치되어 있지 않은 마이너스극 집전체를 이용한 전지는 히트 쇼크 사이클 120회에서 10개 중 2개의 전지에 있어서 질량 감소가 생기고, 히트 쇼크 사이클 240회에서 10개 중 3개의 전지에 있어서 질량 감소가 생겼다.

이는 다음과 같이 사료된다. 도4에 도시한 바와 같이, 플랜지부의 하면에 테이퍼형 구석부를 형성하고 있지 않은 경우, 클림프 밀봉의 홈 마련에 의해 가스켓(5)에 인장력이 가해지고, 가스켓과 플랜지부(4c) 사이에 간극(7)이 생기기 때문에 밀봉 성능이 저하된다. 이로 인해, 히트 쇼크 사이클을 행하면, 반발력이 도피 되므로 밀봉성이 저하되어 전해액이 베어나오고, 질량 감소가 생긴다.

한편, 도2, 도3에 도시한 바와 같이, 플랜지부(4c)의 하면에 테이퍼형 구석부(4d)가 형성되어 있으면, 이 테이퍼형 구석부가 간극을 매립하므로, 전해액의 누설이 없는 밀봉 성능이 우수한 전지를 얻을 수 있다.

(그 밖의 사항)

외장체 재료로서는, 전지의 경량화를 위해 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 가스켓 재료로서는 적절한 반발력을 갖고, 유기 용매에 의해 부식되지 않은 고분자를 이용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 재료로서, 4불화에틸렌 퍼플루오르알콕시에틸렌 공중합체(PFA), 프로필렌(PP), 고무(EPDM)를 예시할 수 있다.

또한, 상기 실시예에서는 테이퍼형 구석부의 길이(C1)와, 테이퍼형 구석부의 높이(C2)를 동일하게 하였지만, 동일하지 않아도 좋다. 또한, 테이퍼형 구석부의 단면이 도2에 도시한 바와 같은 직선형이 아니라도 좋다.

또한, 마이너스극 집전 막대의 권취축체와 플랜지 뿌리의 직경을 동일하게 해도 좋다.

상기 본 발명의 구성에 따르면, 가스켓과 전류 취출 단자 사이에 간극이 생기지 않고, 밀봉 성능이 우수한 비수 전해질 전지를 실현할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 경량이고 또한 밀봉 성능이 우수한 비수 전해질 전지를 제공할 수 있다.

Claims (2)

1. 플러스극과 마이너스극과 양 전극을 이격하는 세퍼레이터로 이루어지는 전극체와, 비수 전해질이, 바닥이 있는 원통형 외장관 내에 수용되고, 상기 바닥이 있는 원통형 외장관의 개구측 단부가 가스켓을 거쳐서 클림프 밀봉되어 상기 플러스 마이너스 전극 중 어느 한쪽에 한쪽 단부가 접속되고, 다른 쪽 단부가 상기 바닥이 있는 원통형 외장관의 개구로부터 전지 밖으로 돌출되는 전류 취출 단자를 구비한 비수 전해질 전지에 있어서,

   상기 전류 취출 단자는 기둥부와, 상기 기둥부로부터 외측으로 돌출된 플랜지부를 갖고,

   상기 플랜지부의 상면 및 하면 모두 상기 가스켓과 접촉하고,

   상기 기둥부와, 상기 플랜지부가 교차하는 하면에 테이퍼형 구석부가 형성되어 있고,

   상기 플랜지부보다도 하측의 기둥부가 클림프되어 있는 것을 특징으로 하는 비수 전해질 전지.
2. 제1항에 있어서, 상기 테이퍼형 구석부의 길이를 C1, 상기 테이퍼형 구석부의 높이를 C2, 상기 플랜지부의 길이를 L로 하였을 때, C1 ≥ 0.2 L 또한 C2 ≥ 0.2 L인 것을 특징으로 하는 비수 전해질 전지.

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