KR20090055088A - 전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

공기-금속 전지 및 그 제조방법이 개시된다. 전지는 상부에 개구가 형성되고 하면에 관통공을 갖는 절연성 재질의 바디로서, 전해질을 수용하는 바디, 바디의 개구를 덮는 도전성의 양극 캔, 및 양극 캔과 바디의 결합부를 밀봉하는 밀봉체를 포함한다. 밀봉체는 양극 캔이 결합된 바디를 인서트 사출하여 형성된다. 본 발명에 의하면, 전지를 적은 비용으로 간단하게 제조할 수 있으며, 다양한 형상의 대용량 공기-금속 전지를 제조할 수 있다.
밀봉체, 양극 캔, 바디, 인서트 사출, 핀

Description

전지 및 그 제조방법{BATTERY CELL AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은 전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 공기-아연 전지 등의 공기-금속 전지를 직육면체 형상으로 구현할 수 있도록 하는 전지의 제조방법 및 그에 의한 전지에 관한 것이다.
전자 기기에 대한 전력 공급을 위한 수단으로서 전지가 널리 사용되고 있으며, 특히 양극으로서 공기 중의 산소를 사용하는 공기-금속 전지가 알려져 있다.
이들 중 공기 아연 전지는 1.4 V 의 상대적으로 높은 전압을 제공하며, 에너지 밀도가 높고 방전 용량이 크다는 장점을 갖는다. 또한, 전지의 방전이 완료될 때까지 거의 일정한 방전 특성을 나타내어, 중금속의 함유로 사용이 억제되고 있는 수은 전지를 대체할 수 있는 건전지로 생각되고 있다.
도 1 은 종래의 버튼형 공기 아연 전지의 단면도이다. 도 1 을 참조하면, 종래의 버튼형 공기 아연 전지는 양극으로서의 막 (membrane; 14) 과 음극으로서의 아연겔 (12) 을 포함하며, 막 (14) 과 아연겔 (12) 사이에는 세퍼레이터 (separator; 16) 가 개재된다. 그리고, 막 (14) 과 아연겔 (12) 은 각각 도전성의 양극캔 (20) 과 음극캔 (22) 내에 수용되어 전지를 구성한다.
막 (14) 은 물 분자를 포함하고 있는 투과성의 막으로서, 공기 중의 산소와 접촉하여 수산화 이온 (OH-) 을 발생시킨다. 이 반응은 다음의 화학식으로 표시될 수 있다.
O2 + 2H2O + 4e- ↔ 4OH-
상기의 반응에서 전자는 양극캔 (20) 을 통해 공급된다. 막의 재질로서는 통상 탄소를 많이 사용하나, 필요 전압 또는 응용 분야에 따라 적절한 재료를 사용할 수 있다.
이와 같이 양극에서의 반응에 산소가 필요하므로, 양극은 공기와 접촉할 수 있는 경로를 가지고 있어야 하며, 그에 따라 양극캔 (20) 의 하부에는 공기구멍 (28) 이 형성된다. 공기구멍 (28) 은 전지를 사용하지 않을 때에는 밀봉되어 양극에서의 반응을 억제한다.
상술한 화학 반응에 의해 발생된 수산화 이온은 세퍼레이터 (16) 를 통해 음극인 아연겔 (12) 로 전달된다. 세퍼레이터 (16) 는 수산화 이온에 대하여서는 투과성을 갖는 한편, 아연겔 (12) 이 누출되는 것을 막고 아연겔 (12) 과 막 (14) 을 절연하는 기능을 갖는다.
아연겔 (12) 은 아연 분말을 주로 포함하며, 첨가제와 전해질이 혼합된다. 통상 전해질로서는 수산화칼륨 (KOH) 수용액이 사용된다. 수산화 이온이 아연겔 (12) 내로 전달되면, 아연 분말이 수산화 이온과 반응하여 산화된다. 이 반응은 다음의 화학식으로 나타낼 수 있다.
Zn + 2OH- ↔ Zn(OH)2 + 2e-
Zn + 2OH- ↔ ZnO + H2O + 2e-
이 반응에 의하여 음극에서 전자가 발생되며, 발생된 전자는 음극캔 (22) 을 통해 전달된다. 이와 같은 화학 반응에 의해 이론적으로는 최대 1.65V 의 전압이 발생될 수 있다.
버튼 셀 전지에 있어서, 전해액인 아연겔의 누액을 방지하기 위한 캔의 밀봉이 매우 중요하며, 이를 위한 기술이 일본 특허 공개 공보 제 2002-373711 호에 개시된다. 종래 기술에 있어서는, 캔의 말단부에서 음극 캔 (22) 과 양극 캔 (20) 사이에 개스킷 (26) 이 개재되며, 양극 캔 (20) 과 캐스킷 (26) 이 음극 캔 (22) 쪽으로 절곡됨으로써 전지의 밀봉이 이루어진다.
이와 같이 종래의 전지 제조방법은 캔을 굽힘으로써 전지를 밀봉하므로 공정이 간단하다는 장점이 있었으나, 양극 캔 (20) 을 구부리는 경우 그에 의해 양극 (14) 과 접촉하는 양극 캔 (20) 의 중심부에도 압력이 가해져 변형이 일어난다는 문제가 있었다. 밀봉 정도를 높이기 위해서 굽힘 압력을 증가시키는 경우, 이러한 문제는 더욱 심각해진다. 또한, 양극 캔 (20) 과 음극 캔 (22) 사이에 개스킷 (26) 이 개재되므로 그 제조가 번거롭다는 문제도 있다.
뿐만 아니라, 원형의 버튼 셀 전지를 제조하는 경우에는 종래의 굽힘에 의한 방법이 적합하나, 사각형, 오각형 등의 다각형으로 전지를 제조하고자 하는 경우에는 다각형의 모서리 부분에서 절곡부가 중첩되는 문제가 있어, 다각형의 전지 제조에는 적용할 수 없었다.
이러한 문제를 개선하기 위한 기술이 본 출원인의 한국 특허 제 0764827 호에 개시되어 있다. 본 발명은 본 출원인의 종래 특허를 더욱 개선한 것이다.
본 발명은 공기-금속 전지에 있어서 전해질의 누액을 방지함과 동시에, 다양한 형태의 전지를 제조할 수 있도록 하는 전지의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 태양에 따르면, 상부에 개구가 형성되고 하면에 관통공을 갖는 절연성 재질의 바디의 상기 개구를 덮도록 상기 바디와 도전성의 양극 캔을 결합하는 단계, 상기 양극 캔이 결합된 상기 바디를 인서트 사출하여, 상기 바디와 상기 양극 캔의 결합부를 밀봉하는 단계, 상기 관통공을 통해 상기 바디 내부에 전해질을 충진하는 단계, 및 상기 관통공을 밀봉하는 단계를 포함하는 전지의 제조방법이 제공된다.
상기 결합하는 단계는 상기 양극 캔의 하면에 세퍼레이터를 배치하여 상기 양극 캔을 상기 바디에 결합할 수 있다. 또는 상기 결합하는 단계는 상기 양극 캔의 하면에 MEA (Membrane-Electrode Assembly) 를 배치하여 상기 양극 캔을 상기 바디에 결합할 수 있다.
상기 관통공을 밀봉하는 단계는 도전성 재질의 핀을 상기 관통공에 삽입하여 상기 관통공을 밀봉하며, 상기 핀은 적어도 일부가 상기 전해질과 접촉하여 전지의 음극 단자로 기능하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 상기 핀과 상기 바디 사이에 개스킷이 개재되어 상기 관통공이 밀봉된다.
상기 결합하는 단계는 상기 양극 캔의 적어도 일부와 상기 바디의 외면 사이에 공간이 형성되도록 상기 양극 캔을 상기 바디에 결합하고, 상기 양극 캔의 상기 일부에는 개구가 형성되어, 상기 결합부를 밀봉하는 단계에서 상기 개구로 사출 재질이 유입되어 상기 양극 캔과 상기 바디 사이의 공간을 충진하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 상부에 개구가 형성되고 하면에 관통공을 갖는 절연성 재질의 바디로서, 전해질을 수용하는 상기 바디, 상기 바디의 상기 개구를 덮는 도전성의 양극 캔, 및 상기 양극 캔과 상기 바디의 결합부를 밀봉하는 밀봉체를 포함하며, 상기 밀봉체는 상기 양극 캔이 결합된 상기 바디를 인서트 사출하여 형성된, 전지가 제공된다.
본 발명에 따르면, 공기-금속 전지에 있어서 전해질의 누액을 방지함과 동시에, 다양한 형태의 전지를 제조할 수 있다.
이하 본 발명의 구체적인 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
먼저, 도 2 를 참조하여 본 발명의 일 실시형태에 따른 전지의 구성을 설명한다.
본 실시형태의 전지는 바디 (210) 와 바디 (210) 에 결합된 양극 캔 (220) 을 포함한다. 바디 (210) 는 플라스틱 등의 절연성 재질로 형성되며, 사출 성형에 의해 자유로운 모양으로 형성될 수 있다. 바디 (210) 의 상부에는 개구가 형성되고 하면에는 관통공 (214) 이 형성된다. 바디 (210) 의 내측 공간에는 전해질 (270) 이 수용된다. 공기 아연 전지에 있어서는 전해질 (270) 로서 아연겔이 이용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
바디 (210) 의 개구는 도전성의 양극 캔 (220) 에 의해 폐쇄된다. 양극 캔 (220) 은 그 외측이 절곡되어 바디 (210) 의 외측을 둘러쌈으로써 바디 (210) 와 결합된다. 바디 (210) 와 양극 캔 (220) 간의 결합은 견고할 필요가 없으며, 후술하는 밀봉체 (230) 에 의해 견고하게 결합되면 족하다.
한편, 양극 캔 (220) 의 하면에는 세퍼레이터 또는 MEA (Membrane-Electrode Assembly) (250) 가 배치된다. 이로써, 양극 캔 (220) 과 전해질 (270) 사이에 세퍼레이터 또는 MEA (250) 가 배치되므로, 상술한 화학식 1 의 반응이 일어나고 양극 캔 (220) 과 전해질 (270) 의 직접 접촉이 차단될 수 있다. 화학 반응에 필요한 산소 공급을 위하여 양극 캔 (220) 에는 공기 구멍 (미도시) 이 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 양극 캔 (220) 과 바디 (210) 는 밀봉체 (230) 에 의해 견고하게 결합되며 밀봉된다. 밀봉체 (230) 는 양극 캔 (220) 이 결합된 바디 (210) 를 인서트 사출하여 형성된다. 즉, 양극 캔 (220) 이 둘러싸고 있는 바디 (210) 를 금형 내에 배치하고 양극 캔 (210) 의 일부와 바디 (210) 의 측면을 포획하도록 밀봉체 (230) 를 사출 성형함으로써, 밀봉체 (230) 는 양극 캔 (210) 과 바디 (220) 를 밀봉하면서 결합하도록 형성된다.
이때, 밀봉 및 결합의 효과를 향상시키기 위하여, 밀봉체 (230) 가 양극 캔 (220) 과 바디 (210) 사이에서 본딩을 수행하도록 할 수 있다. 구체적으로, 양극 캔 (220) 의 적어도 일부는 바디 (210) 의 외면과 이격되어 공간 (212) 을 형성하도록 배치된다. 동시에, 바디 (210) 와 공간을 이루는 양극 캔 (220) 의 일부에는 개구 (222) 가 형성된다. 이로써, 밀봉체 (230) 의 인서트 사출 시에 사출 재질이 개구 (222) 를 통해 공간 (212) 으로 흘러들어가게 되고, 그에 의해 밀봉체 (230) 가 양극 캔 (220) 과 바디 (210) 를 본딩하며 밀봉 및 결합 효과를 향상시킨다.
전지의 음극은 관통공 (214) 을 밀봉하면서 구현된다. 구체적으로, 관통공 (214) 은 리벳 형태의 도전성 핀 (240) 을 삽입함으로써 밀봉된다. 핀 (240) 역시 소결, 캐스팅, 절삭가공, 단조 등에 의해 용이하게 제조될 수 있다. 이때, 핀 (240) 은 적어도 일부가 바디 (210) 내부에 수용된 전해질 (270) 과 접촉하게 되며, 따라서 전해질 (270) 에서 발생한 전자의 이동 통로로 기능하여 음극 단자의 역할을 하게 된다. 핀 (240) 은 도전성의 재질로 형성되므로, 바디 (210) 와 더욱 밀착하게 하여 밀봉 효과를 높이기 위하여 핀 (240) 과 바디 (210) 사이에 개스킷 (260) 이 개재되는 것이 바람직하다. 한편, 핀 (240) 과 바디 (210) 의 결합은 초음파 융착, 레이저 용접 등의 물리-화학적 방법이나 후크 등의 기계적 구조, 또는 이들의 조합에 의해 이루어질 수 있으며 이에 대해서는 당업자에게 명백하다.
다음, 도 3 을 참조하여 본 발명의 일 실시형태에 따른 전지의 제조방법을 설명한다.
본 실시형태의 방법은 먼저, 바디 (210) 와 양극 캔 (220) 을 준비하여 시작 한다. 바디 (210) 는 절연성 재질로서, 플라스틱의 사출 성형에 의해 제조될 수 있다. 바디 (210) 는 상부에 개구가 형성되고 하면에 관통공을 갖는 형상으로 준비된다. 그리고 바디 (210) 의 내측에는 전해질을 수용할 수 있는 공간이 형성된다.
양극 캔 (220) 은 도전성 재질로서, 금속 재질로 제조되는 것이 바람직하며, 소결, 캐스팅, 절삭가공, 단조 등에 의해 용이하게 제조될 수 있다. 양극 캔 (220) 은 그 외측이 절곡되어 바디 (210) 의 외면을 둘러싸도록 형성된다. 또한, 양극 캔 (220) 은 전지의 양극 단자로 기능하기 위해 공기 소통을 위한 공기 구멍 (224) 을 포함할 수 있다.
다음 도 3(a) 에 도시된 바와 같이, 바디 (210) 의 상부 개구를 덮도록 바디 (210) 와 양극 캔 (220) 을 결합한다. 이때, 양극 캔 (220) 의 하면에 세퍼레이터 또는 MEA 를 배치하여 양극 캔 (220) 과 전해질의 직접적인 접촉을 차단하는 것이 바람직하다.
또한, 양극 캔 (220) 의 일부가 바디 (210) 의 외면과 이격되도록 배치되어, 양극 캔 (220) 과 바디 (210) 사이에 공간 (212) 이 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 양극 캔 (220) 에는 공간 (212) 과의 소통이 가능하도록 개구 (222) 가 형성된다. 이로써, 후술하는 인서트 사출 공정에서 양극 캔 (220) 과 바디 (210) 의 밀봉 및 결합이 강화될 수 있다.
다음 도 3(b) 에 도시된 바와 같이, 인서트 사출에 의해 밀봉체 (230) 를 형성하여 양극 캔 (220) 과 바디 (210) 를 결합한다. 구체적으로, 양극 캔 (220) 과 결합된 바디 (210) 를 사출 금형에 배치하고 사출 재질을 사출함으로써 바디 (210) 의 측면이 밀봉체 (230) 로 덮이게 한다. 이로써 양극 캔 (220) 의 일부와 바디 (210) 의 일부가 하나의 밀봉체 (230) 에 삽입 고정되고 이들이 결합 및 밀봉될 수 있다.
이때, 상술한 바와 같이 양극 캔 (220) 과 바디 (210) 사이에 형성된 공간 (212) 으로, 양극 캔 (220) 에 형성된 개구 (222) 를 통해 사출 재질이 유입된다. 따라서 양극 캔 (220) 과 바디 (210) 사이에서 사출 재질이 본딩 역할을 하게 되고 이들 간의 결합 및 밀봉이 더욱 견고해 진다.
다음, 바디 (210) 의 하면에 형성된 관통공 (214) 을 통해 바디 (210) 내측으로 전해질을 충진한다. 전해질은 전지의 종류에 따라 다양한 것을 사용할 수 있으며, 예를 들어 공기 아연 전지에 있어서는 아연겔을 사용할 수 있다. 양극 캔 (220) 과 바디 (210) 는 밀봉체 (230) 에 의해 밀봉되었으므로 전해질이 바디 (210) 의 상측으로 누액되지 않는다.
최종적으로, 도 3(c) 를 참조하면, 핀 (240) 을 관통공 (214) 에 삽입하여 관통공 (214) 을 밀봉한다. 핀 (240) 은 도전성 재질로 형성되며 그 일부가 바디 (210) 내측에 충진된 전해질과 접촉하므로, 전지의 음극 단자로 기능하게 된다. 이 때, 밀봉 효과를 높이기 위하여 핀 (240) 과 바디 (210) 사이에 개스킷 (260) 을 개재시키는 것이 바람직하다. 핀 (240) 과 바디 (210) 의 결합은 초음파 융착, 레이저 융착 등에 의할 수 있다.
본 실시형태에 따르면, 인서트 사출에 의해 전지를 밀봉하므로 전지의 제조 비용이 감소한다. 그리고, 핀 (240) 에 의해 밀봉과 단자 구현을 동시에 달성하므로 제조 공정이 간소화되고 비용이 절감된다. 또한 인서트 사출에 의하여 밀봉체 (230) 를 형성하므로 전지의 외형을 자유롭게 설계할 수 있어 다양한 애플리케이션에 적용이 가능하다. 뿐만 아니라, 전지의 밀봉에 있어서 금속 재질의 절곡이 필요 없으므로, 원형의 버튼 셀 전지뿐만 아니라, 사각형을 포함하는 다각형의 버튼 셀 전지를 용이하게 구현할 수 있게 되며, 그에 의해 대용량의 전지 구현이 용이해 진다.
이상, 본 발명의 구체적인 전지의 구성과 관련하여 본 발명의 실시형태를 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 본 발명의 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함은 당업자가 용이하게 인식할 수 있을 것이다. 구체적으로, 본 실시형태와 관련하여 설명한 각 단계의 순서는 절대적인 것이 아니며, 본 발명의 핵심적 사상을 변경하지 않는 범위에서 변경이 가능하다. 또한, 본 발명의 실시형태에서 전지의 주요 기능과 관련한 필수적인 구성요소만을 설명하였으나, 전지의 기능을 향상시키기 위하여 공지된 다양한 구성요소의 추가가 가능하다. 예를 들어, 공기 아연 전지의 MEA 와 양극캔 사이에 발수막, 확산막 등 다양한 기능성 막이 개재될 수 있다. 한편, 본 발명을 버튼 셀 전지와 관련하여서만 설명하였으나, 본 발명이 핵심적인 사상은 버튼 셀 전지 외에 일반적인 전지에 대해서도 적용할 수 있음은 명백할 것이며, 이 역시 본 발명의 범위에 속한다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 첨부된 특허청구범위 및 그 균등물에 의해서 정해져야 한다.
도 1 은 종래의 버튼 셀 전지를 도시하는 도면.
도 2 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 전지의 단면도.
도 3 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전지의 제조 방법을 설명하는 단면 사시도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
210 : 바디 220 : 양극 캔
230 : 밀봉체 240 : 음극 핀
250 : MEA 260 : 개스킷
270 : 전해질

Claims (12)

  1. 상부에 개구가 형성되고 하면에 관통공을 갖는 절연성 재질의 바디의 상기 개구를 덮도록 상기 바디와 도전성의 양극 캔을 결합하는 단계;
    상기 양극 캔이 결합된 상기 바디를 인서트 사출하여, 상기 바디와 상기 양극 캔의 결합부를 밀봉하는 단계;
    상기 관통공을 통해 상기 바디 내부에 전해질을 충진하는 단계; 및
    상기 관통공을 밀봉하는 단계를 포함하는 전지의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합하는 단계는 상기 양극 캔의 하면에 세퍼레이터를 배치하여 상기 양극 캔을 상기 바디에 결합하는, 전지의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합하는 단계는 상기 양극 캔의 하면에 MEA (Membrane-Electrode Assembly) 를 배치하여 상기 양극 캔을 상기 바디에 결합하는, 전지의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 관통공을 밀봉하는 단계는 도전성 재질의 핀을 상기 관통공에 삽입하여 상기 관통공을 밀봉하며,
    상기 핀은 적어도 일부가 상기 전해질과 접촉하여 전지의 음극 단자로 기능하는, 전지의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 핀과 상기 바디 사이에 개스킷이 개재되어 상기 관통공이 밀봉되는, 전지의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합하는 단계는 상기 양극 캔의 적어도 일부와 상기 바디의 외면 사이에 공간이 형성되도록 상기 양극 캔을 상기 바디에 결합하고,
    상기 양극 캔의 상기 일부에는 개구가 형성되어, 상기 결합부를 밀봉하는 단계에서 상기 개구로 사출 재질이 유입되어 상기 양극 캔과 상기 바디 사이의 공간을 충진하는, 전지의 제조방법.
  7. 상부에 개구가 형성되고 하면에 관통공을 갖는 절연성 재질의 바디로서, 전해질을 수용하는 상기 바디;
    상기 바디의 상기 개구를 덮는 도전성의 양극 캔; 및
    상기 양극 캔과 상기 바디의 결합부를 밀봉하는 밀봉체를 포함하며,
    상기 밀봉체는 상기 양극 캔이 결합된 상기 바디를 인서트 사출하여 형성된, 전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 양극 캔의 하면에 배치된 세퍼레이터를 더 포함하는, 전지.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 양극 캔의 하면에 배치된 MEA (Membrane-Electrode Assembly) 를 더 포함하는, 전지.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 관통공에 삽입되어 상기 관통공을 밀봉하는 도전성 재질의 핀을 더 포함하며,
    상기 핀은 적어도 일부가 상기 전해질과 접촉하여 전지의 음극 단자로 기능하는, 전지.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 핀과 상기 바디 사이에 개스킷이 개재되어 상기 관통공이 밀봉되는, 전지.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 양극 캔의 적어도 일부와 상기 바디의 외면 사이에 공간이 형성되도록 상기 양극 캔이 상기 바디에 결합되고,
    상기 양극 캔의 상기 일부에는 개구가 형성되어, 상기 밀봉체는 인서트 사출 시 상기 개구로 유입되어 상기 양극 캔과 상기 바디 사이의 공간을 충진하는, 전지.
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