KR20070006190A - 직렬연결 초박형 망간전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 두 개의 단위전지를 동일한 포장지 내에서 층 구조 또는 평면 구조로 직렬 연결함으로써, 전지의 집적화를 기하고 내부저항 증가를 최소화한 것을 특징으로 하는 3V급 직렬연결 초박형 망간전지의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 두 개의 단위전지에 대해 하나의 포장지 내에서 전지의 전압을 배가시킬 수 있는 효과를 제공한다. 또한, 본 발명으로 인하여 라벨 형 전자태그(Tag)에서와 같이 3V급 초박형 전지를 필요로 하는 응용분야에 적용하는 것이 용이하게 되었고 직렬연결에서 나타나는 전압 강하 현상과 장착 공간 문제를 해결할 수 있게 되었다.
Description
도 1은 단위 초박형 망간전지의 기본 구조를 나타내는 사시도.
도 2는 단위 초박형 망간전지의 기본 구조를 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 직렬연결 초박형 망간전지의 구조를 도시한 단면도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 직렬연결 초박형 망간전지의 구조를 도시한 단면도.
도 5는 본 발명의 실시 예와 비교 예에 의해서 제조된 초박형 망간전지의 4㏀ 정 저항 방전 전압을 나타낸 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1, 1a, 1b: 양극 2, 2a, 2b: 음극
3: 세퍼레이터 4, 4a, 4b: 양극집전체
5, 5a, 5b: 음극집전체 6: 양극단자
7: 음극단자 8: 고분자 포장지
9: 양면접착제 10: 젤 전해액
본 발명은 초박형 망간전지의 조립시 포장지 내부에서 두 개의 전지를 직렬 연결함으로써 전지의 공정을 단순화시킴과 동시에 정 저항 방전시 전압강하 현상을 최소화한 초박형 망간전지의 직렬연결 방법에 관한 것이다.
최근 들어 전자, 통신, 컴퓨터 산업 등의 급속한 발전과 더불어, 고주파 인식기(Radio frequency identification)의 전자태그 등과 같이 전파 기술을 이용하는 새로운 응용기기의 출현으로, 전지의 형태도 기존의 규격화된 틀에서 벗어나, 보다 다양한 형태로 전개되는 추세이다.
이와 같은 요구를 충족하기 위한 전지 개발이 지속적으로 추진되고 있으며, 현재 이러한 수요에 부응하여 많은 관심과 각광을 받고 있는 전지가 바로 페이퍼전지 또는 시트형전지라고도 불리는 초박형 전지(Ultra thin battery)이다.
초박형 전지는 시트 모양의 얇은 전지를 말하는 것으로서, 일반적인 전지와 마찬가지로 전해질, 양극, 음극 및 세퍼레이터를 기본요소로 하여 구성되는데, 이중 액상의 전해액을 시트 모양의 고체전해질로 대체하고 기존 전지에 비해 보다 유연한 형태의 집전체와 전극, 그리고 고분자 포장재를 적용함으로써 부드러운 초박형 전지를 만들 수 있게 되는 것이다.
이러한 초박형 망간 전지는 양극 활물질로 이산화망간을, 음극 활물질로 아연을 사용하기 때문에 개로전압은 약 1.5V가 형성되지만, 대부분 3.0V이상이 요구되는 RFID tag의 전원용으로 사용되기 위해서는 두 개의 전지를 전기적으로 직렬 연결해야 한다. 이때, 2개의 단위전지에 대해 외부에서 양극과 음극단자를 직렬연결하면 3.0V급으로 승압이 가능하지만 이는 공정이 복잡함은 물론 긴 연결선 때문에 저항이 증가하고 이로 인한 전압 강하 현상이 자주 관찰 되어 왔다.
이에 대한 선행기술을 살펴보면, Nitzan 등의 미국 특허 제5897522호 및 대한민국 특허 출원 제1999-7011665호에는, 다수의 전지에 대해 헤드-투-테일 구성으로, 이웃하는 전지들의 양극 및 음극 연장부가 서로 전기적으로 접촉되어 직렬접속용 단자로서 전압을 배가시키는 방법에 관하여 개시되어 있지만, 이는 전해액에 조해성 물질을 첨가하여 전지를 개방형으로 제작하는 것에 관한 것으로, 이 경우 전지 작동 기간이 매우 짧아 현실적으로 응용기기에 적용하기가 곤란할 뿐만 아니라, 가능하다고 해도 전해액의 부식성으로 인해 기기가 손상될 염려가 있다.
그러므로, 상술한 바와 같은 종래 기술은 실제 초박형 전지 분야에 적용되어 구현되기는 어려울 것으로 판단되고, 따라서 기존 직렬연결방법에서 대두되었던 저항 증가와 일정 공간을 확보해야 하는 문제점을 극복하기 위해 보다 효과적인 초박형 망간 전지에 직렬연결 방법이 필요한 시점이라 할 수 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것 으로, 두 개의 단위전지를 하나의 포장지 내에서 적절하게 직렬연결함으로써, 방전시 전지의 전압강하 현상을 최대한 억제시킬 수 있는 3V급 직렬연결 초박형 망간전지의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
특히, 포장지 내의 두 개의 단위전지에 대해 적어도 한 전극의 집전체를 이웃하는 단위전지의 반대극 집전체와 전기적으로 연결함으로써 전지의 전압을 배가시킬 수 있는 직렬연결 초박형 망간전지의 제조방법을 제공하려 한다.
본 발명은 초박형 망간전지의 전압을 배가시키기 위하여 서로 마주보는 두 단위전지 사이에 위치한 중간 고분자 필름에 구멍을 뚫어 전지의 양극 집전체와 이웃하는 전지의 음극 집전체 사이에 전기적 통로를 제공함으로써, 두 전지사이에 직렬 회로가 구성되는 것을 특징으로 한다. 이때 뚫린 구멍의 직경은 전지의 방전 전류와 집전체 슬러리의 물리적 성질에 따라 다르지만 대략 15∼25 ㎛이 바람직하다. 또한 집전체 단위 면적당 구멍수 역시 방전 전류의 영향을 받게 되어 사용 시 최대 방전전류를 감안하여 설계하는 것이 바람직하다.
중간 고분자상의 구멍은 집전체를 코팅할 때 집전체 성분이 충분히 메울 수 있도록 작아야 원하는 효과를 충분히 발휘 할 수 있고 구멍의 직경이 너무 크면 전지조립시 전해액이 이 통로로 이동하게 되어 인접하는 두 개의 전지는 단락으로 인하여 실패하게 된다. 따라서 가장 바람직한 방법은 집전체 코팅시 고분자 필름상의 구멍이 집전체 성분으로 완전히 채워져 두 단위 전지 간에 전해액의 이동을 완벽하 게 차단시키고 전자의 흐름을 유도하는 것이다.
즉, 고분자 필름 구멍은 이를 채운 도전성 물질을 매개체로 앞뒤로 관통하게 되어 전기적 통로 역할을 하게 되는 것이다. 이러한 방법은 최소한의 공간에서 두개의 단위전지를 일체형으로 직렬 연결하는 것을 가능하게 하여 매우 집적된 효과를 얻을 수 있다.
이때, 상기 고분자 필름을 전자 전도성 필름으로 대체하면 구멍을 뚫지 않아도 동일한 효과를 얻는 것이 가능하다.
또 하나의 유사한 원리로 두 개의 단위 전지를 동일 평면상에 평탄하게 배치하여 직렬로 연결시키는 방법을 구상하였다. 양극 집전체와 이웃하는 전지의 음극 집전체를 동일한 포장지 위에 배치시키고 이들을 전기적으로 연결하여 얻어진 집전체를 직렬 매개체로 하여 승압시킨 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 1은 단위 초박형 망간전지의 기본 구조를 나타내는 사시도이며, 도 2는 단위 초박형 망간전지의 기본 구조를 나타내는 단면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예1에 따른 직렬연결 초박형 망간전지의 구조를 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예2에 따른 직렬연결 초박형 전지의 구조를 도시한 단면도이다.
이하, 실시예, 비교예 및 이들을 이용한 시험예로서 본 발명을 더 구체적으로 설명하고자 한다.
[실시 예 1]
본 발명에 따른 실시 예 1로서 하기와 같은 방법에 의해 전극을 제조하고 이를 이용하여 직렬연결 초박형 망간전지를 조립하였다.
먼저, 염화아연과 염화암모늄이 혼합된 전해액 98.5g에 5.26g의 폴리에틸렌옥사이드를 첨가한 후 20시간 동안 교반기로 용해시켜 젤(Gel)형 전해액을 제조한다.
중간 지지체인 고분자 필름 위(11)에 직경 1 cm의 가상적인 원안에 위치하도록 직경 15∼25 ㎛의 구멍(12)을 5∼10 개 정도를 미리 뚫는다.
중간 지지체인 고분자 필름(11)위의 가상 원 안에 카본 분말과 바인더로 구성된 슬러리를 사용하여 20㎛ 두께로 코팅한 후 60℃에서 2시간 건조한 후 다시 뒷면의 동일한 가상 원 안에 코팅하여 건조한 후 양극집전체(4a)와 음극집전체(5a)로 작용하게 한다.
파쇄된 아세틸렌블랙 0.5g과 이산화망간 9.5g을 고속블렌더 믹서로 2시간 동안 혼합한 후 여기에 양극 합제 기준 5 중량%가 되도록 바인더 용액을 혼합하여 양극 제조용 양극합제 슬러리(slurry)를 제조한다.
다음에, 중간 지지체인 고분자 필름(11)의 양극 집전체(4a)위에 상기 양극 슬러리를 부은 다음, doctor blade로 코팅하여 60℃로 설정된 건조기에서 2시간 이상 건조시킴으로써 양극(1a)을 제조한다.
파쇄된 아세틸렌블랙 0.5g과 아연분말 10g을 채취하여 잘 혼합한 후 여기에 음극 합제 기준 5 중량%가 되도록 미리 제조한 바인더 용액을 첨가하여 음극 제조용 슬러리를 준비 한다.
다음에, 중간 지지체인 고분자 필름(11)의 음극 집전체(5a) 위에 음극제조용 슬러리로 양극 제조공정과 동일하게 하여 음극(2a)을 제조한다.
한편, 고분자 필름(8)에 카본 분말과 바인더가 혼합된 슬러리로 코팅하여 양극 집전체(4b)를 제조 하고 이 위에 양극 슬러리를 코팅하여 또 다른 양극(1b)를 제조한다. 상기 양극(1b)의 가장자리에 폭 3.6mm의 양면접착제(9)를 부착하고 여기에 젤형 전해액(10)에 함침 시킨 세퍼레이터(3)을 안착시킨 후 음극(2a)과 마주치게 위치하도록 밀봉한다.
한편, 고분자 필름(8)에 카본 분말과 바인더가 혼합된 슬러리로 코팅한 후 건조하고 이 위에 음극 슬러리를 다시 코팅하여 건조함으로써 또 다른 음극(2b)이 완성되게 되는데, 두 번째로 제조된 음극(2b)의 가장자리에 폭 3.6mm의 양면접착제(9)를 부착하고 여기에 젤형 전해액(10)에 함침 시킨 세퍼레이터(3)을 안착시킨 후 미리 완성된 양극(1a)과 마치치게 위치하도록 하여 밀봉한 후, 보다 확실한 밀봉을 위해 보조 포장지(14)로 재밀봉함으로써 직렬연결 초박형 망간전지가 완성된다.
여기서, 상기 고분자 필름(8)은 PET(poly ethylene terephthalate), PEN(poly ethylene naphthalate), 또는 PI(poly imide)이며, 상기 보조 포장지(14)는 PP(poly propylene)와 같은 올레핀 계열인 것을 특징으로 한다.
[실시 예 2]
고분자 필름(8)위에 집전체용 슬러리로 코팅하여 양극 및 음극 집전체로 사 용한다. 한쪽 편에 실시 예 1에서와 같이 양극 슬러리를 집전체 위에 코팅하여 양극(1a)을 제조하고 이웃하는 부위에 실시예 1에서와 동일한 음극 슬러리를 집전체위에 코팅하여 음극(2a)을 제조한다. 여기에 적당하게 양면 접착제(9)를 부착한 후 양극(1a)과 음극(2a)위에 각각 전해액으로 함침된 세퍼레이터(3)를 안착 시킨다. 이때 양극(1a)과 음극(2a) 사이에는 전자 흐름은 가능하지만 전해액 이동은 철저히 막음으로써 두 전지가 단락되는 것을 방지 할 수 있다.
한편, 또 다른 고분자 필름(8)위에 집전체용 슬러리를 코팅하여 제조한 양극집전체(4)와 음극 집전체(5)를 전기적으로 독립시켜 이웃하게 배치시킨다. 양극 집전체(4)위에 양극 슬러리를 코팅한 후 건조 하고, 계속해서 음극 집전체(5)위에 음극 슬러리를 코팅하여 건조 한 후 일체형 두 개의 전극을 하나의 고분자 필름위에 배열 한다. 이렇게 준비된 일체형 두 전극 필름의 양극(1b) 부분과 음극(2b) 부분이 각각 미리 제조된 음극(2a)과 양극(1a)에 서로 맞닿게 하여 밀봉한 후, 보조 포장지(14)로 재밀봉한다. 여기서, 서로 이웃하는 전지는 양극과 음극이 서로 전자 흐름이 가능하고 전해액 흐름은 철저히 차단함으로써 직렬연결 초박형 망간전지의 제조가 가능하게 된다.
여기서, 상기 고분자 필름(8)은 PET(poly ethylene terephthalate), PEN(poly ethylene naphthalate), 또는 PI(poly imide)이며, 상기 보조 포장지(14)는 PP(poly propylene)와 같은 올레핀 계열인 것을 특징으로 한다.
[시험예]
상기와 같이 제조한 실시 예 1 및 실시 예 2의 전지를 사용하여 종지전압까지의 전지 용량을 시험하고 비교예로서 두 개의 단위 셀을 외부에서 직렬 연결한 기존 방식에 대해 정 저항 방전을 실시하여 방전 시 전압의 강하 현상을 관찰하였다.
상기 실시 예 및 비교 예에서 제작된 전지들을 상온에서 1일 동안 방치시킨 다음, 전용 방전기를 이용하여 4㏀ 정 저항 조건으로 방전하였으며 종지전압은 0.9V로 하였다.
시험 결과, 도 5에 나타난 바와 같이, 본 발명 실시 예 1와 실시 예2에 의해 조립된 직렬연결 전지는 단위셀 방전 값에 2를 곱한 경우의 데이터와 방전 전압 면에서 크게 차이를 보이지 않음에 따라 저항이 매우 작게 형성 되었음을 알 수 있다. 이에 비해 기존 방식인 비교예에서는, 실시예에 비해 현저히 낮은 방전 전압이 관찰되어 직렬연결로 인한 보다 높은 저항이 생성되었음을 확인할 수 있다.
이와 같은 결과로부터 본 발명의 효과는 직렬연결 하여 고출력을 요하는 응용분야에서 유리 하다는 것을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양 한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 직렬연결 초박형 망간전지의 제조방법은 두 개의 단위전지에 대해 하나의 포장지 내에서 전지의 전압을 배가시킬 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은 라벨 형 전자태그(Tag)에서와 같이 3V급 초박형 전지를 필요로 하는 응용분야에 적용하는 것이 용이하게 되었고 직렬연결에서 나타나는 전압 강하 현상과 장착 공간 문제를 해결할 수 있게 되었다.
Claims (9)
- 고분자 필름과 인접하여 생성된, 한 단위전지의 양극 집전체와 이웃하는 다른 단위전지의 음극 집전체를 층 구조로 직렬연결하여 밀봉하는 것을 특징으로 하는 직렬연결 초박형 망간전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 두 개의 단위전지 사이에 위치한 고분자 필름에 구멍을 뚫고, 상기 구멍에 집전체를 코팅하여 상기 양극 집전체와 음극 집전체를 전기적으로 연결하여 밀봉한 후, 보조 포장지로 재밀봉하는 것을 특징으로 하는 직렬연결 초박형 망간전지의 제조방법.
- 제2항에 있어서,상기 고분자 필름 상의 구멍은 5∼10개이며, 각 구멍의 직경은 15∼25㎛인 것을 특징으로 하는 직렬연결 초박형 망간전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 고분자 필름을 전자전도성 필름으로 대체하여, 상기 두 개의 단위전지 사이에 위치한 고분자 필름에 구멍을 뚫지 않고, 한 단위전지의 양극 집전체와 이웃하는 다른 단위전지의 음극 집전체를 층 구조로 직렬연결하여 밀봉한 후, 보조 포장지로 재밀봉하는 것을 특징으로 하는 직렬연결 초박형 망간전지의 제조방법.
- 고분자 필름과 인접하여 생성된, 한 단위전지의 양극 집전체와 이웃하는 다른 단위전지의 음극 집전체를 평면 구조로 직렬연결하여 밀봉하는 것을 특징으로 하는 직렬연결 초박형 망간전지의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 양극 집전체 위에 양극을 위치시키고, 상기 음극 집전체 위에 음극을 위치시킨 후, 각각의 전극에 세퍼레이터를 안착시키고, 양극에는 또 다른 음극이 맞닿게 하고, 음극에는 또 다른 양극이 맞닿게 한 채로 이들을 동일 평면상에 배열하여 밀봉한 후, 보조 포장지로 재밀봉하는 것을 특징으로 하는 직렬연결 초박형 망간전지의 제조방법.
- 제1항, 제4항, 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서,각 단위전지의 양극과 음극의 가장자리에는 양면접착제를 부착하여 전해액의 이동을 차단하는 것을 특징으로 하는 직렬연결 초박형 망간전지의 제조방법.
- 제1항 또는 제5항에 있어서,상기 고분자 필름은 PET(poly ethylene terephthalate), PEN(poly ethylene naphthalate), 또는 PI(poly imide)인 것을 특징으로 하는 직렬연결 초박형 망간전지의 제조방법.
- 제2항 또는 제6항에 있어서,상기 보조 포장지는 PP(poly propylene)와 같은 올레핀 계열인 것을 특징으로 하는 직렬연결 초박형 망간전지의 제조방법.
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