KR20080028765A - 배터리의 수명을 연장하기 위한 배터리 분리막 - Google Patents

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Abstract

배터리의 수명을 연장하기 위한 배터리 분리막은 분리막 및 전도층을 포함한다. 상기 전도층은 상기 분리막 상에 배치되어 있다. 상기 전도층은 상기 배터리의 양극과 접촉하도록 형성되며 상기 양극으로 흘러들어가는 전류와 상기 양극으로부터 흘러나오는 전류에 대해 새로운 길을 제공한다.
배터리 분리막, 수명

Description

배터리의 수명을 연장하기 위한 배터리 분리막 {A BATTERY SEPARATOR FOR EXTENDING THE CYCLE LIFE OF A BATTERY}
본 발명은 이차 전지들에 사용되는 배터리 분리막에 관한 것이다.
배터리 분리막은 전지 내에서 양극과 음극을 나누는, 또는 "분리하는" 구성 요소이다. 배터리 분리막은 두 가지의 주된 기능을 가진다. 첫째로, 배터리 분리막은 양극과 음극이 물리적으로 떨어져 있도록 유지시켜야 하는데, 이는 두 전극 간에 발생할 수 있는 어떠한 전류의 흐름도 방지하기 위해서이다. 둘째로, 배터리 분리막은 최소의 가능한 저항으로 양극과 음극 사이에 이온의 흐름을 허용해야 한다. 배터리 분리막은 다양한 물질로부터 만들어질 수 있으나, 다공성 절연체로 제조된 배터리 분리막이 상기 두 가지의 상반되는 기능들을 가장 훌륭히 충족시켜 왔다.
배터리를 기술하는 데 있어서 중요한 변수는 달성할 수 있는 주기의 수(number of cycles), 즉 배터리의 수명이다. 상기 수명은 배터리 용량의 하한점에 달하기 전, 또는 배터리의 고장(failure) 전에 배터리가 얼마나 자주 반복적으로 충전되고 방전될 수 있는지를 나타낸다. 수명을 가진 배터리로는 모든 이차 전 지들, 또는 수차례 재충전될 수 있는 배터리를 포함한다. 이차 전지로는 납축 전지들을 포함하여 다양한 종류가 있으며, 이에 한정되지 않는다. 경제적 및 생태적 이유들로, 수명이 긴 배터리들이 바람직하다.
많은 배터리들은 양극 전도체의 열화(deterioration of the positive electrode conductor)로 인해 수명이 짧거나, 고장이 난다. 상기 양극 전도체는 납축 전지 내에서 일반적으로 그리드(grid) 형태를 가지며, 전기화학적 프로세스 동안 부식이 일어나 열화하게 된다. 상기 양극 전도체는 음극 전도체보다 빠르게 부식되는데, 이는 양극에서 전기화학적 프로세스의 영향이 훨씬 크기 때문이다. 양극 전도체를 통해 더 많은 양의 전류가 흐를수록, 상기 양극 전도체의 열화는 보다 빠르게 진행된다. 상기 양극 전도체는 전류가 양극으로 흘러들어가고 양극으로부터 흘러나오는 수단을 제공하기 때문에 배터리의 성능을 좌우하는 가장 핵심적인 요소이다. 그러므로, 상기 양극 전도체가 열화되면 상기 배터리에 흘러들어가고 배터리로부터 흘러나오는 전류의 흐름이 나빠진다. 이러한 열화 현상은 상기 배터리의 전력이 저하되는 원인으로 작용하고, 결국 배터리의 수명이 다하게 된다.
따라서, 배터리의 수명을 연장해야 하는 필요성이 있다. 보다 구체적으로는, 배터리의 수명 연장을 달성하기 위해 양극 전도체의 수명을 연장하는 것이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안한 것으로서, 배터리의 수명을 연장하기 위한 배터리 분리막을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 특히 배터리의 양극 전도체의 내부식성을 강화하여 양극 전도체의 열화 현상을 저지함으로써 궁극적으로는 배터리의 수명을 연장할 수 있는 배터리 분리막을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 배터리의 수명을 연장하기 위한 배터리 분리막에 관한 것이다. 상기 배터리 분리막은 분리막 및 전도층을 포함한다. 상기 전도층은 상기 분리막 상에 배치된다. 상기 전도층은 상기 배터리의 양극과 접촉하도록 형성됨으로써, 전류가 상기 양극으로 흘러들어가고 상기 양극으로부터 흘러나올 수 있는 새로운 길을 제공한다.
본 발명은 배터리 분리막에 전도성 물질로 배터리의 전극과 접촉하는 전도층을 형성함으로써, 전류가 상기 전극으로 흘러들어가는 길과 상기 전극으로부터 흘러나오는 새로운 길을 제공하여 배터리의 수명을 연장할 수 있다.
특히 본 발명은 배터리 내에서 쉽게 열화되는 양극 전도체의 역할을 대신 수행할 수 있는 배터리 분리막을 제공함으로써, 배터리의 수명을 연장할 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하며, 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성 요소를 지칭한다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리(12)의 수명을 연장하기 위한 배터리 분리막(10)이 도시되어 있다. 상기 배터리(12)의 종류는 특정한 것에 한정되지 않는다. 보다 구체적으로, 상기 배터리(12)에는 전극 전도체 열화에 민감한 어떠한 종류의 배터리도 포함될 수 있다. 배터리(12)는 이차 전지(second battery)일 수 있다. 예를 들어, 배터리(12)는 도 1에 도시된 바와 같이, 납축 전지(lead-acid battery)일 수 있다.
적어도 하나의 배터리 분리막(10)이 배터리(12)에 포함될 수 있다(도 1 참조). 바람직하게는, 배터리(12)의 각 셀(cell)(24)에는 하나의 배터리 분리막(10)이 포함될 수 있다. 배터리 분리막(10)은 양극(16)과 음극(17) 간의 전류의 흐름을 차단하는 반면, 양극(16)과 음극(17) 간의 이온의 흐름은 허용하기 위한 목적으로 사용된다. 추가적으로, 배터리 분리막(10)은 전류가 양극(16)으로 흐르거나 또는 전류가 양극(16)으로부터 흘러나올 수 있는 새로운 길을 제공함으로써, 배터리(12)의 수명을 연장하기 위하여 사용된다. 또한, 배터리 분리막(10)은 양극 전도체(18)의 전도성(conductive capability)이 열화되는 경우 양극 전도체로써의 기능을 수행함으로써 배터리(12)의 수명을 연장할 수 있다. 배터리 분리막(10)은 다공성 부도체(porous nonconductor)와 같은 알려진 분리막 재료들로 만들어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 다공성 부도체는 어떤 특정한 종류에 한정되지 않는다. 배터리 분리막(10)은 평평한 형태이거나 늑골(rib) 형태(22)를 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 크기 또는 형태를 가질 수 있다. 바람 직하게, 상기 배터리 분리막(10)은 늑골(22) 형태를 가질 수 있다(도 2 참조). 배터리 분리막(10)은 전도층(14)을 포함할 수 있다. 상기 늑골(22)은 복수 개의 얇은 막대 형상이 나열된 형태로서, 상기 늑골(22)에서 막대 형상의 윗 가장 자리 부분을 팁(26)이라 한다. 각각의 팁(26)에는 전도성 물질로 이루어진 전도부(20)가 포함되며, 이러한 복수 개의 전도부(20)는 전도층(14)을 이룬다.
전도층(14)은 배터리 분리막(10)에 배치될 수 있다(도 2 참조). 전도층(14)은 배터리(12)의 양극(16)과 접촉되도록 형성된다(도 1 참조). 전도층(14)은 양극(16)으로 전류가 흘러들어가고 양극(16)으로부터 전류가 흘러나오는 새로운 길을 제공할 수 있다. 전도층(14)은 납(lead), 금(gold), 안티몬(antimony), 비소(arsenic), 아연(zinc), 바륨(barium), 베릴륨(beryllium), 리튬(lithium), 마그네슘(magnesium), 니켈(nickel), 알루미늄(aluminium), 은(silver), 주석(tin), 및 이들의 조합으로 이루어진 합금, 또는 탄소 섬유(carbon fibers), 흑연(graphite), 탄소 나노튜브(carbon nanotubes), 또는 버키볼(buckyballs)과 같은 전도성 물질을 포함하는 다양한 종류의 전도성 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 탄소 나노튜브 또는 버키볼은 바인더와 함께 매체 내에 분산될 수 있으며, 배터리 분리막(10) 상에 페인트될 수 있다. 전도층(14)은 양극 전도체(18)보다 내식성이 강한 전도성 물질로 형성됨으로써, 상기 양극 전도체(18)의 전도성(conductive capability)이 열화된 경우 상기 전도층(14)이 양극 전도체(18)로써 기능할 수 있게 된다. 전도층(14)은 납이 주 성분이고 0.8% 내지 1.17%의 주석과 0.015% 이하의 은이 함유된 합금일 수 있다. 전도층(14)은 납이 주 성분이고 0.02% 내지 0.06%의 칼슘, 0.3% 내지 3%의 주석, 및 0.01% 내지 0.05%의 은이 함유된 합금일 수 있다. 전도층(14)은 띠(strip), 스크린(screen), 포일(foil), 실(thread), 와이어(wire), 코팅(coating) 등의 다양한 형태를 가질 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 전도층(14)은 3 마이크로미터의 두께를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 두께의 값을 가질 수도 있다. 전도층(14)은 접착제(adhesives), 핫 멜팅(hot melting), 페인팅(painting)등에 의해 배터리 분리막(10) 상에 배치될 수 있으나, 상기 방법들에 한정되는 것은 아니다.
늑골(22)은 배터리 분리막(10)에 포함될 수 있다. 늑골(22)은 양극(16)과 상기 배터리 분리막(10) 사이의 간격을 최대로 유지하기 위한 것이다. 늑골(22)은 또한 배터리(12) 내에 바람직한 전해질 분포를 달성하는 역할을 할 수 있다. 늑골(22)은 다양한 모양(곧은 모양(straight), 각진 모양(angled), 웨이브(wave) 등) 또는 형태(삼각형(triangular), 원형(circular), 정사각형(square) 등)를 가질 수 있다. 늑골(22)은 팁(26)을 포함할 수 있다.
팁(26)은 늑골(22)의 구성 요소일 수 있다. 팁(26)은 각 늑골(22)의 말단부일 수도 있다. 팁(22)은 전도층(14)이 배터리 분리막(10)에 배치될 수 있는 위치를 제공하여 전도층(14)이 양극 전도체(16)과 접촉하는 것을 허용할 수 있다. 보다 구체적으로, 팁(26)은 전도층(14)을 위한 특정한 위치를 제공하기 위한 것이며, 이는 전도층(14)이 경제적 목적상 최소량의 재료로 만들어질 수 있게 한다.
예를 들어, 도 1 내지 도 2에 도시되어 있듯이, 배터리 분리막(10)은 다공성 부도체로 형성되며, 팁(26)을 가지는 늑골(22)을 포함한다. 전도층(14)은 용매 내 에 분산된 미세한 은 분말로 형성될 수 있으며, 늑골(22)의 팁(26) 위에 페인트된다. 배터리 분리막(10)은 배터리(12)의 각 셀(24)에서 분리막으로서 사용될 수 있다.
배터리가 작동 중이면, 배터리 분리막(10)은 배터리 분리막의 기능을 수행할 수 있다. 상기 배터리 분리막의 기능이라는 것은, 배터리 분리막(10)이 양극(16)과 음극(17) 간의 전류가 흐르는 것을 방지하기 위하여 상기 양극(16)과 상기 음극(17)은 물리적으로 분리되어 있게 유지하면서, 상기 양극(16)과 상기 음극(17) 사이에 이온의 흐름은 허용할 수 있게 한다는 것을 의미한다. 이러한 기능들은 전기화학적 프로세스가 일어나도록 허용하며, 양극 전도체(18)로부터 음극 전도체(19)로 전류가 흐를 수 있게 함으로써 배터리(12)에 에너지를 공급할 수 있게 한다.
배터리 분리막(10)은 또한 배터리(12)의 수명을 연장하는데 제공될 수 있다. 수명 연장은 전도층(14)을 통해 달성될 수 있다. 전도층(14)은 배터리(12)의 수명 연장을 두 가지 방식으로 제공할 수 있다.
첫째는, 전도층(14)이 배터리(12)의 양극(16)과 접촉하도록 형성될 수 있고, 상기 전도층(14)은 전도성 물질로 이루어질 수 있기 때문에, 상기 전도층(14)은 제2 양극 전도체(second positive electrode conductor)로 역할을 할 수 있다. 이것은 전도층(14)이 양극(16)으로 흘러들어가고 흘러나오는 전류의 새로운 길을 제공할 수 있다는 것을 의미한다. 상기 전도층(14)에 의한 상기 전류의 새로운 길은 양극 전도체(18)를 통한 전류의 양을 감소시킬 수 있다. 이로 인해, 상기 양극 전 도체(18)가 열화되는 속도는 감소될 수 있게 된다. 따라서, 상기 전도층(14)은 배터리(12)의 수명을 연장시킬 수 있게 된다.
둘째는, 전도층(14)이 양극(16)과 접촉하도록 형성되어 양극(16)으로부터 흘러나오는 전류와 양극(16)으로 흘러들어가는 전류에 대해 새로운 길을 제공하고, 또한 상기 전도층(14)이 양극 전도체(18)보다 내식성이 강하기 때문에, 상기 전도층(14)은 양극 전도체(18)의 전도성이 열화된 경우 양극 전도체(18)로써 기능할 수 있다. 이것은 기존의 배터리는 양극 전도체의 열화로 인해 고장이 나더라도, 본 발명의 배터리 분리막(10)을 포함하고 있는 배터리(12)는 전도층(14)이 양극 전도체(18)로서 기능할 수 있기 때문에 고장이 나지 않을 수 있다.
그러므로, 배터리 분리막(10), 및 보다 구체적으로는 배터리 분리막(10) 상의 전도층(14)은 배터리(12)의 수명을 연장시킬 수 있는 두 가지 방법을 제공할 수 있다.
테스트 1
다양한 대안들을 사용하여 늑골의 끝 부위가 전도성을 나타낼 수 있는 삼판 셀(three-plate cell)을 하나 설계하였다. 아래에는 사용된 다양한 아이디어들에 대한 설명이다.
셀 A는 늑골의 팁에 접착제로 부착된 순도 높은 얇은 납 띠(strips of thin pure lead)를 사용하였다.
셀 B는 몇몇 외측 늑골(outer rib)의 팁에 핫 멜트를 사용하여 부착된 알루 미늄 포일을 사용하였다.
셀 C1 및 C2는 늑골의 팁에 핫 멜트로 부착된 알루미늄 포일을 사용하였으며, 분리막의 중앙에서 포일의 고체층이 천공된다(with a punctured solid layer of foil in the center of the separator). 포일의 성능을 측정하는 두 가지 다른 아이디어가 사용되었는데, 하나는 큰 "윈도우 "를 가지고 하는 것(one being with large "windows")이고, 다른 하나는 포일층의 작은 슬릿(the other with small slits in the foil layer)을 가지고 하는 것이며, 이에 의해 전해질은 자유로이 흐를 수 있다.
셀 D는 본 테스트에서 대조를 위한 비교예(control material for the test)였다.
셀 E는 실버 페인트(용매 내에 미세한 은 분말이 분산되어 있으며, SEM 샘플을 코팅하는데 사용됨)를 사용하였으며, 상기 실버 페인트는 상기 분리막에서 늑골의 팁 위에 페인트되었다. 대략 1g의 은 분말이 상기 분리막에 사용되어 대략 20 마이크로미터의 층이 형성되었다.
상기의 셀들을 형성한 후, 하기의 순환 방식에 따르게 하였다.
10A에서 1.65V로 방전;
2.50V에서 충전(10A가 한계)하여 120%Ah 제거;
5A에서 1.65V로 방전;
2.50V에서 충전(10A가 한계)하여 120%Ah 제거;
1A에서 1.65V로 방전;
2.50V에서 충전(10A가 한계)하여 120%Ah 제거; 및
1A에서 100 시간 동안 충전.
상기의 순환은 초기 용량에 비해 용량이 50% 이하로 떨어질 때까지 반복되었다.
상기 테스트 1의 결과를 보여주는 차트가 도 3에 도시되어 있다. 도 3에서 y-축은 1회 순환의 용량에 대한 퍼센트(percentage of cycle 1 capacity)를 나타내고, x-축은 순환 횟수(cycle number)를 나타낸다.
테스트 1의 결과에서 알 수 있듯이, 전도층이 추가된 배터리 분리막은 배터리의 수명을 연장할 수 있다. 분리막에 실버 페인트를 한 셀의 경우, 비교예를 포함한 다른 대안들보다 2배 오래 배터리의 수명이 지속되었다.
테스트 2
테스트 1에서 수행된 작업 및 달성된 결과로, 테스트 1의 결과를 확인하기 위하여 테스트 2가 준비되었다(도 4 참조). 상기 테스트 2를 위하여, 총 6개의 완성된 배터리가 제조되었다. 그 중 3개는 늑골의 팁에 은이 있는 배터리 분리막을 가지며, 나머지 3개는 대조를 위한 비교예로 사용하였다. 상기 배터리들은 아래의 수정이 가해진 고온(75℃) SAE J-250 수명 테스트를 통해 차례로 테스트되었다. 상기 배터리들은 실내에서 제조되었으며 표준 등급(standard ratings) 또는 인터셀 커넥터(intercell connectors)를 가지고 있지 않았으며, CCA 레이트에서의 방전(discharge at the CCA rate) 대신에 저장 용량(reserve capacity)이 측정되었 다.
테스트 2의 결과를 상술하는 차트가 도 4에 도시되어 있다. 도 4에서 y-축은 분으로 표시된 용량(capacity in minutes)이고 x-축은 주의 횟수(week number)이다. 비교예의 배터리들은 참조 부호 A로, 실시예의 배터리들은 참조 부호 B로 표시되었다.
테스트 2의 결과로, 늑골에 은이 페인트된 배터리들은 비교예의 대조 배터리들보다 더 오래 지속될 수 있다는 것이 확인되었다.
배터리에 대한 두 테스트 결과를 분석해보면, 배터리 분리막(10)은 배터리의 수명을 연장하는 결과를 보여 준다. 추가적으로, 본 발명에 따른 배터리 분리막을 가진 배터리의 저장 용량은 비교예의 대조 배터리들보다 더 클 수 있다.
본 발명은 본 발명의 기술 사상 및 핵심적인 특징에서 벗어나지 않는 한 다른 형태의 실시예로 활용될 수 있으며, 앞의 명세서뿐만 아니라 첨부된 청구범위를 참조하여 본 발명의 범주로 정할 것이다.
본 발명의 내용을 기술하기 위해, 현재 바람직한 형태의 실시예들을 도시하였다. 그러나, 본 발명이 도면에 도시된 구체적인 배열와 수단들에 제한되지 않음이 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 분리막의 부분 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 분리막의 등각도(isometric view)이다.
도 3은 테스트 1의 결과를 도시한 선 그래프(line graph)이다.
도 4는 테스트 2의 결과를 도시한 선 그래프이다.

Claims (20)

  1. 분리막(separator); 및
    상기 분리막 상에 배치된 전도층(conductive layer);
    을 포함하며, 상기 전도층은 배터리의 전극과 접촉함으로써 전류가 상기 전극으로 흘러들어가는 길과 상기 전극으로부터 흘러나오는 길을 제공하는 것을 특징으로 하는 배터리의 수명을 연장하기 위한 배터리 분리막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전도층은 상기 배터리의 양극과 접촉하도록 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 분리막.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전도층은 상기 배터리의 전극 전도체(electrode conductor)보다 내식성(corrosion resistant)이 강하도록 형성됨으로써, 상기 전극 전도체의 전도성(conductive capability)이 열화(deteriorate)된 경우 상기 전도층이 상기 전극 전도체로서의 기능을 수행할 수 있는 것을 특징으로 하는 배터리 분리막.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전도층은 상기 배터리의 양극 전도체(positive electrode conductor)보 다 내식성이 강하도록 형성됨으로써, 상기 양극 전도체의 전도성이 열화된 경우 상기 전도층이 상기 양극 전도체로서의 기능을 수행할 수 있는 것을 특징으로 하는 배터리 분리막.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전도층은 전도성 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 분리막.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 납(lead), 금(gold), 안티몬(antimony), 비소(arsenic), 아연(zinc), 바륨(barium), 베릴륨(beryllium), 리튬(lithium), 마그네슘(magnesium), 니켈(nickel), 알루미늄(aluminium), 은(silver), 주석(tin) 및 이들의 조합으로 형성된 합금(alloy)으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 배터리 분리막.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 탄소 섬유(carbon fibers), 흑연(graphite), 탄소 나노튜브(carbon nanotubes) 및 버키볼(buckyballs)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질인 것을 특징으로 하는 배터리 분리막.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전도층은 띠(strip) 형태인 것을 특징으로 하는 배터리 분리막.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전도층은 스크린(screen) 형태인 것을 특징으로 하는 배터리 분리막.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전도층은 포일(foil) 형태인 것을 특징으로 하는 배터리 분리막.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전도층은 실(thread) 형태인 것을 특징으로 하는 배터리 분리막.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전도층은 와이어(wire) 형태인 것을 특징으로 하는 배터리 분리막.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 전도층은 코팅된 형태인 것을 특징으로 하는 배터리 분리막.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 전도층은 상기 분리막 상에 접착제로 상기 분리막과 결합되어 상기 분리막 상에 배치된 것을 특징으로 하는 배터리 분리막.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 전도층은 상기 분리막 상에 상기 전도층이 핫 멜팅(hot melting)되어 상기 분리막 상에 배치된 것을 특징으로 하는 배터리 분리막.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 전도층은 상기 분리막 상에 상기 전도층이 페인팅(painting)되어 상기 분리막 상에 배치된 것을 특징으로 하는 배터리 분리막.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 분리막은 늑골(rib) 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 분리막.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 전도층은 상기 늑골의 팁(tip) 부위 상에 페인트되어 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 분리막.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 분리막은 납축 전지(lead-acid battery)에 사용되는 것을 특징으로 하는 배터리 분리막.
  20. 팁 부위들이 있는 늑골 형태를 갖는 분리막(a separator having ribs with tips); 및
    상기 분리막에 배치된 전도층(a conductive layer being disposed upon said separator);
    을 포함하는 배터리의 수명을 연장하기 위한 배터리 분리막으로서,
    상기 전도층은 상기 팁 부위 상에 은 입자들이 분산된 용매가 페인트 되어 형성되며, 상기 전도층은 배터리의 양극과 접촉하도록 형성됨으로써 상기 양극으로 흘러들어가는 전류와 상기 양극으로부터 흘러나오는 전류에 길을 제공하는 것을 특징으로 하는 배터리 분리막.
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