KR20090035328A

KR20090035328A - 스웰링에 의한 극판 변형을 방지하는 구조의 극판 압착판을갖는 전극조립체 및 이를 이용한 전지

Info

Publication number: KR20090035328A
Application number: KR1020070100560A
Authority: KR
Inventors: 공기천; 이병세
Original assignee: 주식회사 씨엠파트너
Priority date: 2007-10-05
Filing date: 2007-10-05
Publication date: 2009-04-09

Abstract

본 발명은 전지의 극판 바인딩 기술에 관한 것으로서, 본 발명은 교대로 적층된 제1 및 제2 극판과, 이들 두 극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하는 전기 발생부; 상기 전기 발생부의 적층 방향 양단에 서로 마주보도록 설치되며, 극판 방향 면은 평평하고 그 반대 면은 볼록한 형상을 갖는 제1 및 제2 극판 압착판; 및 상기 제1 및 제2 극판 압착판을 압착 고정하는 고정 수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 스웰링에 의한 극판 변형을 방지하는 구조의 극판 압착판을 갖는 전극조립체 및 이를 이용한 전지를 제공한다.

극판 바인딩, 전지, 극판 압착판, 스웰링

Description

스웰링에 의한 극판 변형을 방지하는 구조의 극판 압착판을 갖는 전극조립체 및 이를 이용한 전지{ELECTRODE ASSEMBLY HAVING COMPRESSION PLATE FOR AN ELECTRODE PLATE WITH A STRUCTURE PREVENTING DEFORMATION OF THE ELECTRODE PLATE BY SWELLING AND THE BATTERY USING THE SAME}

본 발명은 전지의 극판 바인딩 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전지의 스웰링 현상에 의한 극판 변형 및 활물질의 탈리를 방지하는 구조의 극판 압착판을 구비하여 전지의 고율 충·방전 성능을 향상시키고 전지의 수명을 증대시킨 전극조립체 및 이를 이용한 전지에 관한 것이다.

일반적으로, 전지는 물질의 화학 반응을 전기 에너지로 변환하는 장치를 말한다. 이 중 이차 전지 (secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리, 충전 및 방전이 가능한 전지로서, 최근에는 고에너지 밀도의 비수 전해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있다.

이러한 이차 전지로는 활물질로서 리튬 또는 리튬 이온을 사용하는 리튬 이차 전지와, 알칼리계 전해질을 사용하는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-수소 전지 같은 알칼리계 이차 전지 등이 있다.

도 1에 의하면, 종래의 니켈-수소 이차 전지의 전극조립체 (1)는 전기 발생부 (10)와, 제1 및 제2 극판 압착판 (20, 30)과, 바인딩 밴드 (40)를 포함하여 이루어진다.

전기 발생부 (10)는 교대로 적층된 제1 및 제2 극판 (11, 13)과, 이들 두 극판 (11, 13) 사이에 개재된 세퍼레이터 (12)를 구비한다. 제1 극판 (11)이 양극인 경우 활물질로서 수산화니켈 (Ni(OH)₂/NiOOH)이 사용되고, 제2 극판 (13)이 음극인 경우 활물질로서 수소저장합금 (M)이 사용된다. 세퍼레이터로는 내알칼리성의 나일론, 폴리프로필렌 또는 폴리아미드 부직포 등이 사용된다.

제1 및 제2 극판 압착판 (20, 30)은 평판 형태를 가지며, 상기 전기 발생부 (10)의 적층 방향 양단에 서로 마주보도록 설치된다. 이러한 제1 및 제2 극판 압착판 (20, 30)으로는 알루미늄이나 스테인리스 같은 금속, 아크릴계 수지, ABS, 또는 AB 계열의 수지가 사용된다.

바인딩 밴드 (40)는, 도시한 바와 같이, 상기 전기 발생부 (10)와 상기 제1 및 제2 극판 압착판 (20, 30)을 일체로 묶어, 상기 전기 발생부 (10)에 상기 제1 및 제2 극판 압착판 (20, 30)을 압착 고정한다.

그러나, 종래의 평판 형태를 갖는 제1 및 제2 극판 압착판 (20, 30)의 사용은 다음과 같은 문제점을 가진다.

전지의 과충전 등으로 인하여 전지의 내부 압력이 증가하게 되면 전기 발생부 (10)가 부풀어 오르게 되는데, 이러한 현상을 스웰링 (swelling) 현상이라고 한 다. 이러한 스웰링 현상은 산소 발생이 많은 전기 발생부 (10)의 중앙 부위에서 심하게 일어난다. 이렇게 전기 발생부 (10)의 중앙 부위에서 팽창 압력의 존재하에 전지를 장시간 사용하게 되면, 제1 및 제2 극판 (11, 13)의 중앙 부위는 제1 및 제2 극판 압착판 (20, 30)에 의해 압착을 받을 수 있지만, 제1 및 제2 극판 (11, 13)의 외곽 부위는 압착을 받지 못하게 되어 제1 및 제2 극판 압착판 (20, 30)과의 사이에 간격이 생기게 된다. 이리하여, 제1 및 제2 극판 (11, 13)의 외곽 부위는 전해질에 그대로 노출되므로 활물질이 탈리되거나 단락이 일어나기 쉽고, 극판 변형이 발생할 위험이 있으며, 결국 전지의 성능에 악영향을 초래한다.

또한, 상기 제1 및 제2 극판 압착판 (20, 30)의 평판 구조로 인하여 바인딩 밴드 (40)의 압착력은 상기 제1 및 제2 극판 압착판 (20, 30)의 모서리 부위에 집중되므로 일정 수준 이상의 압착력을 달성하기 곤란하다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 전지의 스웰링 현상에 의한 극판 변형 및 활물질의 탈리를 방지하고, 극판을 압착시키는 극판 압착판의 압착력을 향상시키는 데 그 목적이 있다.

이러한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 다음과 같다.

(1) 교대로 적층된 제1 및 제2 극판과, 이들 두 극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하는 전기 발생부;

상기 전기 발생부의 적층 방향 양단에 서로 마주보도록 설치되며, 극판 방향 면은 평평하고 그 반대 면은 볼록한 형상을 갖는 제1 및 제2 극판 압착판; 및

상기 제1 및 제2 극판 압착판을 압착 고정하는 고정 수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 스웰링에 의한 극판 변형을 방지하는 구조의 극판 압착판을 갖는 전극조립체.

(2) 상기 (1)의 전극조립체;

상기 전극조립체의 전기 발생부에 함침되는 전해질; 및

상기 전극조립체와 전해질을 수납하는 케이스를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 스웰링에 의한 극판 변형을 방지하는 구조의 극판 압착판을 갖는 전지.

본 발명에 의하면, 전지의 스웰링 현상에 의한 극판 변형 및 활물질의 탈리를 방지하여 전지의 고율 충·방전 성능을 향상시키고 전지의 수명을 증대시킬 수 있다. 또한, 극판을 압착시키는 압착 공정이 용이해지고, 극판 압착판의 압착력을 향상시킬 수 있다.

이하, 첨부 도면에 따라 본 발명의 바람직한 실시 상태를 상세히 설명하겠다.

도 2에 의하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체 (100)는 전기 발생부 (110)와, 제1 및 제2 극판 압착판 (120, 130)과, 고정 수단 (140)을 포함하여 이루어진다. 여기서, 전기 발생부 (110)로부터 전기를 인출하는 전극 탭 또는 리드를 더 포함할 수도 있으나, 이는 공지의 기술이 그대로 적용 가능하므로 이에 대한 도시는 생략하였다.

전기 발생부 (110)는 교대로 적층된 제1 및 제2 극판 (111, 113)과, 이들 두 극판 (111, 113) 사이에 개재된 세퍼레이터 (112)를 구비한다. 제1 및 제2 극판 (111, 113)은 각각 집전체에 활물질이 결합된 구조를 취한다. 본 발명은 극판 압착판에 의한 바인딩 기술을 요하는 전지 모두에 적용 가능하므로, 집전체와 활물질의 구조 및 종류에 특별한 제한을 두지 않는다.

예를 들어, 본 발명의 전극조립체 (110)가 니켈-수소 이차 전지에 사용되고, 상기 제1 및 제2 극판 (111, 113)이 각각 양극 및 음극이라면, 상기 제1 극판 (111)은 다공성 포켓 망 속에 수산화니켈 (Ni(OH)₂/NiOOH)이 충진된 구조를 취하거나, 혹은 평판 또는 발포 형태의 니켈 지지체 위에 수산화니켈과 바인더를 함유하는 페이스트가 도포된 구조를 취할 수 있다. 또한, 상기 제2 극판 (113)은 니켈 집전체 위에 수소저장합금 분말과 바인더를 함유하는 페이스트가 도포된 구조를 취할 수 있다. 이 경우, 세퍼레이터 (112)로는 내알칼리성의 나일론, 폴리프로필렌 또는 폴리아미드 부직포 등이 사용될 수 있다. 또는, 본 발명의 전극조립체 (110)가 리튬 이차 전지에 사용된다면, 상기 제1 및 제2 극판 (111, 113)과 세퍼레이터 (112)는 종래의 공지된 것이 사용 가능하다.

또한, 제1 및 제2 극판 압착판 (120, 130)은 상기 전기 발생부 (110)의 적층 방향 양단에 서로 마주보도록 설치된다. 본 발명의 특징은 상기 제1 및 제2 극판 압착판 (120, 130)의 형상이 극판 방향 면은 평평하고, 그 반대 면은 볼록한 형상을 가지고 있다는 점에 있다. 도 2의 실시예에서는, 상기 제1 및 제2 극판 압착판 (120, 130)의 상기 적층 방향 단면 형상이 활꼴 (즉, 궁형(弓形))이다. 다만, 본 발명의 내용은 이러한 단면 형상에 한정되지 않고, 중앙 부위가 외곽 부위에 비해 두꺼운 구조를 갖는 극판 압착판에 적용 가능하다.

상기 제1 및 제2 극판 압착판 (120, 130)은 경량이면서도 극판을 최대한 압착시켜 줄 수 있는 고강도의 재질인 것이 바람직하므로, 종래의 알루미늄이나 스테인리스 같은 금속, 아크릴계 수지, ABS, 또는 AB 계열의 수지 대신, 테프론 또는 폴리프로필렌 (PP) 계열의 수지로 이루어진 것이 좋다.

또한, 고정 수단 (140)은 상기 제1 및 제2 극판 압착판 (120, 130)을 압착 고정한다. 이러한 고정 수단 (140)으로 다양한 방법이 적용 가능한데, 본 실시예에서는 상기 전기 발생부 (110)와 상기 제1 및 제2 극판 압착판 (120, 130)을 일체로 묶는 끈 또는 밴드를 사용하였다. 본 발명의 전극조립체 (100)가 알칼리계 전해질이 사용되는 환경에 노출된다면, 상기 끈 또는 밴드는 내알칼리성 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 예컨대, 이러한 끈 또는 밴드는 폴리프로필렌으로 이루어질 수 있다.

이와 같이 하여, 스웰링 현상에 의해 상기 전기 발생부 (110)의 중앙 부위에서 심한 팽창 압력이 발생하더라도, 제1 및 제2 극판 압착판 (120, 130)의 중앙 부위와 외곽 부위의 두께 차이로 인하여 팽창 압력이 분산되는 효과가 발생한다. 따라서, 전지를 장시간 사용하더라도 제1 및 제2 극판 (111, 113)의 변형이 방지되고, 활물질의 탈리 현상이 방지된다. 결국, 전지의 고율 충·방전 성능이 향상되고, 전지의 수명이 연장될 수 있다.

또한, 고정 수단 (140)으로서 상기 끈 또는 밴드를 사용할 경우, 상기 제1 및 제2 극판 압착판 (120, 130)의 외형이 평판이 아닌 볼록한 형상을 취하므로, 상기 끈 또는 밴드의 압착력이 상기 제1 및 제2 극판 압착판 (120, 130)의 외면 전체로 고르게 분산되는 효과가 발생하여 극판을 최대한 압착시킬 수 있게 된다.

도 3의 실시예는 도 2의 실시예와 거의 동일한 구조를 취한다. 다만, 제1 및 제2 극판 압착판 (220, 230)의 볼록한 측면에 고정 수단으로서의 끈 또는 밴드 (240)의 경로를 따라 상기 끈 또는 밴드 (240)가 삽입되는 가이드 홈 (235)이 형성 되어 있는 점에 차이가 있다. 이 가이드 홈 (235)은 전극조립체 제조시 상기 끈 또는 밴드 (240)가 제1 및 제2 극판 압착판 (220, 230)에 안착될 위치를 안내해줄 뿐만 아니라, 전지의 거듭된 충·방전에 따른 전지 내압의 변화로 인하여 상기 끈 또는 밴드 (240)의 위치가 이동되는 것을 방지할 수도 있다.

도 4의 실시예는 도 3의 실시예와 거의 동일한 구조를 취한다. 다만, 도 4의 실시예에서는, 제1 및 제2 극판 압착판 (320, 330)의 단면 형상이 다각형인 점에 도 3의 실시예와 차이가 있다.

한편, 본 발명은 상기 구조의 전극조립체와, 상기 전극조립체의 전기 발생부에 함침되는 전해질과, 상기 전극조립체 및 전해질을 수납하는 케이스를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다. 본 발명은 알칼리계 이차 전지 또는 리튬 이차 전지 등에 적용 가능하며, 상기 전극조립체 외에 다른 부분, 예컨대 전해질 및 케이스에 관해서는 기존 전지 내용이 그대로 적용 가능하므로, 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에 따른 전지의 케이스 외형은 상기 전극조립체의 외형에 따라 변할 수 있는데, 상기 전극조립체의 외형은 상기 극판 압착판의 외형에 의해 크게 좌우된다. 따라서, 본 발명에 의하면 극판 압착판의 외형을 설계함에 있어 획일적이지 않고 자유로운 설계가 가능하여, 전지의 사용처에 적합한 형상을 갖도록 설계할 수 있다. 예를 들어, 전기 발생부의 외형이 직육면체이고, 극판 압착판의 단면 형상이 활꼴인 경우, 원통형 전지의 제작이 가능하다.

이상, 본 발명을 도시된 예를 중심으로 하여 설명하였으나 이는 예시에 지나지 아니하며, 본 발명은 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 다양한 변형 및 균등한 기타의 실시예를 수행할 수 있다는 사실을 이해하여야 한다.

도 1은 종래의 니켈-수소 이차 전지의 전극조립체를 나타내는 사시도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체의 사시도 및 평면도로서, 극판 압착판의 일 단면이 활꼴 (궁형)이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극조립체의 사시도 및 평면도로서, 극판 압착판의 볼록한 측면에는 바인딩 끈 또는 밴드가 삽입되는 가이드 홈이 형성되어 있다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 사시도 및 평면도로서, 극판 압착판의 일 단면이 다각형이다.

Claims

교대로 적층된 제1 및 제2 극판과, 이들 두 극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하는 전기 발생부;

상기 전기 발생부의 적층 방향 양단에 서로 마주보도록 설치되며, 극판 방향 면은 평평하고 그 반대 면은 볼록한 형상을 갖는 제1 및 제2 극판 압착판; 및

상기 제1 및 제2 극판 압착판을 압착 고정하는 고정 수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 스웰링에 의한 극판 변형을 방지하는 구조의 극판 압착판을 갖는 전극조립체.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 극판 압착판의 상기 적층 방향 단면은 활꼴 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 스웰링에 의한 극판 변형을 방지하는 구조의 극판 압착판을 갖는 전극조립체.
제1항에 있어서, 상기 고정 수단은 상기 전기 발생부와 상기 제1 및 제2 극판 압착판을 일체로 묶는 끈 또는 밴드인 것을 특징으로 하는 스웰링에 의한 극판 변형을 방지하는 구조의 극판 압착판을 갖는 전극조립체.
제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 극판 압착판의 볼록한 측면에는 상기 끈 또는 밴드의 경로를 따라 상기 끈 또는 밴드가 삽입되는 가이드 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 스웰링에 의한 극판 변형을 방지하는 구조의 극판 압착판을 갖는 전극조립체.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 극판 압착판은 테프론 또는 폴리프로필린(PP) 계열의 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 스웰링에 의한 극판 변형을 방지하는 구조의 극판 압착판을 갖는 전극조립체.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 전극조립체;

상기 전극조립체의 전기 발생부에 함침되는 전해질; 및

상기 전극조립체와 전해질을 수납하는 케이스를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 스웰링에 의한 극판 변형을 방지하는 구조의 극판 압착판을 갖는 전지.
제6항에 있어서, 상기 전지는 알칼리계 이차 전지 또는 리튬 이차 전지인 것을 특징으로 하는 스웰링에 의한 극판 변형을 방지하는 구조의 극판 압착판을 갖는 전지.