KR20100056260A - Fabrication method of nickel/zinc secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 니켈/아연 이차전지의 제조방법 및 그를 이용하여 제조된 니켈/아연 이차전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로 음극 형성 과정에서 활물질을 포함하는 페이스트 형성시 뭉침 현상을 개선할 수 있고, 분리막을 음극에 압착시켜 음극을 제조함으로써 음극이 알칼리 전해액에 용해되어 발생되는 아연 음극의 형태 변형 또는 수지상 결정(dendrite) 형성을 방지할 수 있는 니켈/아연 이차전지의 제조방법 및 그를 이용하여 제조된 니켈/아연 이차전지에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a nickel / zinc secondary battery and to a nickel / zinc secondary battery manufactured using the same, and more particularly, to improve agglomeration when forming a paste including an active material in a process of forming a negative electrode, and to form a separator. A method of manufacturing a nickel / zinc secondary battery capable of preventing the shape deformation or the formation of dendrite of a zinc anode generated by dissolving the negative electrode in an alkaline electrolyte solution by pressing the negative electrode to prepare a negative electrode, and the nickel / produced using the same It relates to a zinc secondary battery.
최근 각국의 환경보전에 대한 의지로서 각종 환경규제가 실시되고 있다. 이러한 움직임과 더불어 소형전지에서는 이미 납축전지 및 니켈/카드뮴전지가 니켈/수소, 리튬이온전지 등으로 대체되었으나, 산업용 대형전지 분야에서는 그 대안의 전지가 없어 아직 납축전지와 니켈/카드뮴 전지가 사용되고 있다. 따라서 환경친화적인 대용량 축전지에 대한 관심이 높아지고 있으며 이에 따른 기술개발이 집중적 으로 진행되고 있다.In recent years, various environmental regulations have been implemented as a will to protect the environment of each country. With this movement, lead-acid batteries and nickel / cadmium batteries have already been replaced with nickel / hydrogen and lithium-ion batteries in small batteries, but lead-acid batteries and nickel / cadmium batteries are still used in the industrial large battery field because there are no alternative batteries. . Therefore, interest in environmentally friendly large-capacity storage batteries is increasing, and technology development is intensively progressed accordingly.
그 중에서 납축전지를 대체할 수 있는 니켈(Ni)/아연(Zn) 이차전지는 작동전압이 1.6[V/cell] 이상으로, 중량 및 부피 에너지밀도가 높으며, 고유 출력 밀도(Specific power density)도 875[W/kg]으로서 납축전지의 535[W/kg]보다 우수하며, 게다가 최대 방전용량의 80%에 도달하게 되는 충방전 횟수(Cycle life)도 500 회 이상으로서 납축전지의 200~700 회에 비해서 비교적 안정적인 장점이 있다. 또한, 음극 활물질에 아연을 사용하는 니켈/아연 이차전지는 가격이 저렴하다는 장점을 가지므로 구동용 뿐만 아니라 정치형 전력 저장용 이차전지로 널리 활용될 수 있다. 그러나 이와 같은 알칼리 아연 이차전지에서는 아연 음극이 알칼리 용액에 용해되어 충/방전 반응으로 아연의 용출 및 석출이 반복되기 때문에 충/방전 반응의 진행에 따라 극판의 형태가 변하게 되며, 용출된 아연은 충전시 균일하게 석출되지 않고 수지상으로 성장하여 그 수지상 아연이 분리막을 관통하여 전지의 단락을 야기하기 때문에 수명이 짧다는 단점이 있다.Among them, nickel (Ni) / zinc (Zn) secondary batteries, which can replace lead acid batteries, have an operating voltage of 1.6 [V / cell] or higher, high weight and bulk energy density, and specific power density. It is 875 [W / kg], which is superior to 535 [W / kg] of lead acid battery, and the cycle life that reaches 80% of the maximum discharge capacity is also 500 times or more. There is a relatively stable advantage compared to. In addition, since nickel / zinc secondary batteries using zinc as the negative electrode active material have an advantage of low cost, they may be widely used as secondary batteries for stationary power storage as well as for driving. However, in such an alkaline zinc secondary battery, since the zinc anode is dissolved in an alkaline solution and the elution and precipitation of zinc are repeated in the charging / discharging reaction, the shape of the electrode plate changes as the charging / discharging reaction proceeds, and the eluted zinc is charged. It has a disadvantage in that the life span is short because the dendritic zinc does not uniformly precipitate and grows dendritic and penetrates the separator to cause a short circuit of the battery.
이러한 문제점을 해결하기 위한 종래기술에 대해 하기에서 설명한다.The prior art for solving this problem will be described below.
일본공개특허 제1985-185372호에서는 니켈/아연 이차전지의 충방전 횟수를 증가시키기 위해 높은 에너지 밀도를 유지할 수 있도록 아연 전극에 In 및 Ti의 산화물과 수화물을 첨가한 니켈/아연 이차전지에 대해 개시하고 있다.Japanese Patent Laid-Open No. 1985-185372 discloses a nickel / zinc secondary battery in which oxides and hydrates of In and Ti are added to zinc electrodes to maintain high energy density in order to increase the number of charge / discharge cycles of the nickel / zinc secondary battery. Doing.
일본공개특허 제1987-108467호에서는 알칼리 아연 전지의 충방전 횟수를 증가시키기 위해 아연 전극에 인듐 메탈 및 인듐 산화물과 탈륨을 첨가한 아연 전극 을 포함하고, 전해액에는 게르마늄 이온을 첨가한 알칼리 아연 전지에 대해 개시하고 있다.Japanese Patent Laid-Open No. 1987-108467 includes a zinc electrode in which an indium metal, an indium oxide, and thallium is added to a zinc electrode to increase the number of charges and discharges of an alkaline zinc battery, and the electrolyte is applied to an alkali zinc battery containing germanium ions. Is disclosed.
일본공개특허 제1986-061366호에서는 알칼리 아연 전지에 있어서 아연 전극판의 변형을 방지하고 충방전 횟수를 증가시키기 위해 아연 전극에 불활성, 비전도성 유기 화합물을 첨가한 알칼리 아연 전지에 대해 개시하고 있다.Japanese Patent Laid-Open No. 1986-061366 discloses an alkali zinc battery in which an inert, non-conductive organic compound is added to a zinc electrode in order to prevent deformation of the zinc electrode plate and increase the number of charge and discharge in the alkali zinc battery.
PCT/US2004/026859에서는 니켈/아연 이차전지의 음극 슬러리 또는 페이스트 제작에 있어서 산화아연 입자들의 뭉침 현상을 발견하고, 이는 전지의 성능 열화를 가져오게 되므로 분산제로 계면활성제 등을 사용하여 이를 막고자 하였다. 그러나 분산제는 분해되지 않는 한 전지반응에 역시 부정적인 결과를 가져올 수 있으므로 분산제를 사용하여 제작한 아연 음극을 진공 및 불활성 가스 분위기에서 300 ℃ 이상으로 열처리시켜야 한다. 그러나, 이와 같은 공정의 증가는 과도한 공정비용의 발생 및 공정의 비효율성으로 이어지며, 열처리한 전극은 기공이 닫힐 수 있어 전지 성능을 보장하기 어렵다. 또한, PCT/US2004/026859에서는 니켈/아연 이차전지의 음극에 수지상 결정이 형성되는 것을 방지하기 위하여 분리막층을 사용하고 수산화칼륨 전해액에 붕산염과 불화물을 포함시킨 니켈/아연 이차전지의 제조방법에 대해 개시하고 있다.PCT / US2004 / 026859 discovered agglomeration of zinc oxide particles in the production of negative electrode slurry or paste of nickel / zinc secondary battery, which caused degradation of battery performance. . However, as long as the dispersant does not decompose, it can also have a negative effect on the cell reaction. Therefore, the zinc anode prepared using the dispersant should be heat-treated at 300 ° C. or higher in a vacuum and an inert gas atmosphere. However, such an increase in process leads to excessive process cost and process inefficiency, and the heat-treated electrode can close pores, making it difficult to guarantee battery performance. In addition, PCT / US2004 / 026859 describes a method for manufacturing a nickel / zinc secondary battery in which a separator layer is used to prevent the formation of dendritic crystals on the negative electrode of a nickel / zinc secondary battery and boric acid and a fluoride are included in the potassium hydroxide electrolyte. It is starting.
US 6,649,305 B1에서는 산화아연의 전도성이 매우 낮은 것을 지적하고 있으며 이를 개선하는 방법으로 전도성 세라믹의 사용을 제안하고 있다. 그러나, 전도성 세라믹을 사용할 경우 슬러리 또는 페이스트 제조시 활물질들의 뭉침 현상을 개선할 수 없는 문제점이 있다.US 6,649,305 B1 points out that the conductivity of zinc oxide is very low and suggests the use of conductive ceramics as a way to improve it. However, when the conductive ceramic is used, there is a problem in that the aggregation of the active materials may not be improved when the slurry or the paste is prepared.
상기에서 언급한 종래기술은 니켈/아연 이차전지의 문제점들을 해결하기 위한 여러 방안들을 제시하고 있으나, 그 효과가 미미하고 생산비용이 증가되는 등 모두 만족스러운 결과를 얻지 못하였다.The above-mentioned prior art has proposed various methods for solving the problems of the nickel / zinc secondary battery, but did not obtain satisfactory results such as the effect is insignificant and the production cost is increased.
본 발명자들은 이러한 문제점을 해결하기 위한 보다 효과적인 방법에 대해 연구하던 중, 니켈/아연 이차전지의 아연 음극 형성시, 아세틸렌 블랙과 같은 활성탄소 또는 흑연 분말을 음극 활물질과 함께 볼밀 방법 등의 물리적 혼합 방법을 통해 전도성을 향상시키고 페이스트에서 뭉침 현상을 개선할 수 있다는 것을 확인하였다. 또한 음극 분리막의 형성 시 종래의 봉투형태 대신, 음극에 분리막을 적층한 뒤 열과 압력을 가하여 압착시키는 라미네이션 방법을 사용하는 경우, 음극과 분리막 사이에 치밀한 계면이 형성되어 종래의 음극보다 충/방전 반응시 알칼리 전해액에의 용해도가 감소되어 전지의 수명 및 충/방전 효율을 증가시킬 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하기에 이르렀다.While the present inventors are studying a more effective method for solving such a problem, in the formation of a zinc anode of a nickel / zinc secondary battery, an active carbon or graphite powder such as acetylene black is mixed with a cathode active material, such as a ball milling method, or the like. It was confirmed that the conductivity can be improved and the agglomeration phenomenon in the paste can be improved. In addition, when the lamination method of laminating a separator on the cathode and applying heat and pressure to the cathode instead of the conventional envelope when forming the cathode separator is used, a dense interface is formed between the cathode and the separator so that the charge / discharge reaction is performed. It has been found that the solubility in alkaline electrolyte solution can be increased to increase battery life and charge / discharge efficiency, thereby completing the present invention.
본 발명의 목적은 음극 형성 과정에서 활물질을 포함하는 페이스트 형성 시 뭉침 현상을 개선하고, 또한 음극이 알칼리 전해액에 용해됨으로써 발생되는 음극의 형태 변형 또는 수지상 결정 형성을 방지하여 전지의 수명 및 충/방전 효율을 향상시킬 수 있는 니켈/아연 이차전지의 제조방법 및 그를 이용하여 제조된 니켈/ 아연 이차전지를 제공하기 위한 것이다.An object of the present invention is to improve the agglomeration phenomenon when forming a paste containing an active material during the formation of the negative electrode, and also to prevent the deformation of the negative electrode or the formation of dendritic crystals generated by dissolving the negative electrode in the alkaline electrolyte solution, and the battery life and charge / discharge The present invention provides a method for manufacturing a nickel / zinc secondary battery capable of improving efficiency and a nickel / zinc secondary battery manufactured using the same.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (S1) 음극 활물질과 활성탄소 또는 흑연 분말을 볼밀 방법으로 혼합하는 단계; (S2) 상기 (S1) 단계에서 제조된 혼합물을 웨팅한 후, 증점제를 첨가하여 슬러리를 제조하는 단계; (S3) 상기 슬러리에 바인더를 첨가하여 음극 형성용 조성물을 제조하는 단계; (S4) 상기 음극 형성용 조성물을 집전체에 코팅하는 단계; (S5) 상기 집전체에 코팅된 음극 형성용 조성물을 건조하여 음극을 형성하는 단계; (S6) 분리막을 다공성 세라믹 또는 실리카; 바인더; 또는 증점제를 분산시킨 분산액으로 코팅한 후 건조하는 단계; 및 (S7) 상기 S5 단계에서 형성된 음극에 상기 분리막을 열과 압력을 가하여 압착하는 단계를 포함하는 니켈/아연 이차전지의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of mixing the (S1) negative electrode active material and activated carbon or graphite powder by a ball mill method; (S2) after wetting the mixture prepared in step (S1), preparing a slurry by adding a thickener; (S3) preparing a composition for forming a negative electrode by adding a binder to the slurry; (S4) coating the negative electrode forming composition on a current collector; (S5) drying the composition for forming a negative electrode coated on the current collector to form a negative electrode; (S6) the separator is a porous ceramic or silica; bookbinder; Or coating with a dispersion in which the thickener is dispersed, followed by drying; And (S7) provides a method for producing a nickel / zinc secondary battery comprising the step of pressing the separator by applying heat and pressure to the negative electrode formed in step S5.
상기 음극 활물질은 산화아연(zinc oxide), 칼슘 아연산염(calcium zincate) 및 아연(Zn) 분말로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다.The anode active material may be one or more selected from the group consisting of zinc oxide, calcium zincate, and zinc (Zn) powder.
상기 활성탄소는 아세틸렌 블랙 및 케첸 블랙으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다.The activated carbon may be used one or more selected from the group consisting of acetylene black and Ketjen black.
상기 증점제는 CMC, HEC 및 아크릴산 에스테르로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있으며, 상기 증점제는 K+, Na+ 이온으로 치환될 수 있다.The thickener may be used one or more selected from the group consisting of CMC, HEC and acrylic acid esters, the thickener may be substituted with K +, Na + ions.
상기 바인더는 PTFE, PE 및 SBR 등을 포함하여 이루어질 수 있다.The binder may include PTFE, PE, SBR, and the like.
상기 (S1) 단계에서 제조된 혼합물에서 음극 활물질과 활성탄소의 함량비는 각각 95~99 중량% 및 1~5 중량%이다.The content ratio of the negative electrode active material and the activated carbon in the mixture prepared in step (S1) is 95 to 99% by weight and 1 to 5% by weight, respectively.
상기 다공성 세라믹 또는 실리카는 음극판 1장당 평균 활물질 기준으로 1 내지 10 중량부 함량으로 분산액에 포함될 수 있다.The porous ceramic or silica may be included in the dispersion in an amount of 1 to 10 parts by weight based on the average active material per sheet of negative electrode.
상기 분산액은 PE 분말 및 수산화칼슘을 추가로 포함할 수 있다.The dispersion may further comprise PE powder and calcium hydroxide.
상기 수산화칼슘은 음극판 1장당 평균 활물질 기준으로 1 내지 10 중량부 함량으로 분산액에 포함될 수 있다.The calcium hydroxide may be included in the dispersion in an amount of 1 to 10 parts by weight based on the average active material per sheet of negative electrode.
본 발명의 니켈/아연 이차전지의 제조방법에 따르면, 음극 형성 과정에서 활물질을 포함하는 페이스트 형성 시 뭉침 현상을 개선할 수 있고, 아울러 라미네이션 방법으로 분리막과 음극을 압착시켜 치밀한 계면을 형성하여 음극이 알칼리 전해액에 용해됨으로써 발생되는 음극의 형태 변형 또는 수지상 결정 형성을 방지하여 전지의 수명 및 충/방전 효율을 향상시킬 수 있는 니켈/아연 이차전지를 제공할 수 있다.According to the manufacturing method of the nickel / zinc secondary battery of the present invention, it is possible to improve the agglomeration phenomenon when forming the paste containing the active material in the negative electrode formation process, and to form a dense interface by pressing the separator and the negative electrode by lamination method to form a negative interface It is possible to provide a nickel / zinc secondary battery capable of improving the lifespan and charging / discharging efficiency of a battery by preventing form deformation or dendritic crystal formation of a negative electrode generated by dissolving in an alkaline electrolyte solution.
본 발명은,The present invention,
(S1) 음극 활물질과 활성탄소 또는 흑연 분말을 볼밀 방법으로 혼합하는 단계;(S1) mixing the negative electrode active material and activated carbon or graphite powder by a ball mill method;
(S2) 상기 (S1) 단계에서 제조된 혼합물을 웨팅한 후, 증점제를 첨가하여 슬 러리를 제조하는 단계;(S2) after wetting the mixture prepared in step (S1), preparing a slurry by adding a thickener;
(S3) 상기 슬러리에 바인더를 첨가하여 음극 형성용 조성물을 제조하는 단계;(S3) preparing a composition for forming a negative electrode by adding a binder to the slurry;
(S4) 상기 음극 형성용 조성물을 집전체에 코팅하는 단계;(S4) coating the negative electrode forming composition on a current collector;
(S5) 상기 집전체에 코팅된 음극 형성용 조성물을 건조하여 음극을 형성하는 단계;(S5) drying the composition for forming a negative electrode coated on the current collector to form a negative electrode;
(S6) 분리막을 다공성 세라믹 또는 실리카; 바인더; 또는 증점제를 분산시킨 분산액으로 코팅한 후 건조하는 단계; 및(S6) the separator is a porous ceramic or silica; bookbinder; Or coating with a dispersion in which the thickener is dispersed, followed by drying; And
(S7) 상기 S5 단계에서 형성된 음극에 상기 분리막을 열과 압력을 가하여 압착하는 단계;(S7) compressing the separator by applying heat and pressure to the cathode formed in the step S5;
를 포함하는 니켈/아연 이차전지의 제조방법을 제공한다.It provides a method of manufacturing a nickel / zinc secondary battery comprising a.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.
도 1 및 도 2를 참조하여 니켈/아연 이차전지의 제조방법에 대해 간략하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막이 음극에 압착되어 제조된 니켈/아연 이차전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈/아연 이차전지에서 양극 및 분리막이 압착된 음극이 적층되어 있는 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다. A method of manufacturing a nickel / zinc secondary battery will be briefly described with reference to FIGS. 1 and 2. 1 is a view schematically illustrating a structure of a nickel / zinc secondary battery manufactured by compressing a separator according to an embodiment of the present invention to a negative electrode. FIG. 2 is a view schematically showing a state in which a cathode and a separator in which a cathode is compressed are stacked in a nickel / zinc secondary battery according to an embodiment of the present invention.
먼저, 전극을 제조한다. 전극은 음극 또는 양극 활물질, 증점제 및 바인더를 이용하여 전극 형성용 조성물을 형성하고, 이 전극 형성용 조성물을 집전체에 도포한 후 건조함으로써 제조할 수 있다. 이와 같이 전극이 형성되면 전극에 분리막을 열과 압력을 가하여 압착시키고, 단자를 노출시킨다. 이후, 이들 전극을 케이스에 장착하고 전해액을 주입한 후 밀봉함으로써 니켈/아연 이차전지를 제조할 수 있다. 이때, 도 2에 도시된 바와 같이 음극 및 양극을 교대로 적층시켜 전지의 용량을 증대시킬 수 있다. First, an electrode is manufactured. An electrode can be manufactured by forming a composition for electrode formation using a negative electrode or a positive electrode active material, a thickener, and a binder, apply | coating this composition for electrode formation to a collector, and drying. When the electrode is formed as described above, the separator is pressed by applying heat and pressure to the electrode to expose the terminal. Subsequently, nickel / zinc secondary batteries can be manufactured by mounting these electrodes in a case, injecting electrolyte, and sealing the same. In this case, as illustrated in FIG. 2, the capacity of the battery may be increased by alternately stacking the negative electrode and the positive electrode.
다음으로, 도 3 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 니켈/아연 이차전지의 제조방법에 대해 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈/아연 이차전지의 제조방법에 따라 니켈/아연 이차전지가 제조되는 과정을 나타낸 공정도이다. 도 4는 (S6) 단계에서 분리막을 음극에 압착시키는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.Next, a method of manufacturing the nickel / zinc secondary battery of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 to 4. 3 is a process diagram illustrating a process of manufacturing a nickel / zinc secondary battery according to a method of manufacturing a nickel / zinc secondary battery according to an embodiment of the present invention. 4 is a view schematically showing a process of compressing the separator on the cathode in step (S6).
도 3을 참조하면, 먼저 음극 활물질과 활성탄소 또는 흑연 분말을 볼밀 방법으로 혼합한다(S1).Referring to FIG. 3, first, an anode active material and activated carbon or graphite powder are mixed by a ball mill method (S1).
음극 활물질로는 예를 들어 산화아연(zinc oxide), 칼슘 아연산염(calcium zincate) 및 아연(Zn)분말로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다.As the negative electrode active material, for example, one or more selected from the group consisting of zinc oxide, calcium zincate, and zinc (Zn) powder may be used.
상기 활성탄소로는 예를 들어 아세틸렌 블랙 및 케첸 블랙으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다. 활성탄소 및 흑연은 평균입경 10 ㎛ 미 만의 분말형태로 사용되는 것이 바람직하다.As the activated carbon, for example, one or more selected from the group consisting of acetylene black and Ketjen black may be used. Activated carbon and graphite are preferably used in the form of a powder having an average particle diameter of less than 10 ㎛.
본 발명의 니켈/아연 이차전지의 제조방법은 볼밀 방법을 이용하여 활성탄소 또는 흑연을 활물질과 혼합함으로써 전극의 전도성을 향상시키고, 전극 제조시 슬러리 또는 페이스트에서 활물질이 뭉치는 현상을 방지할 수 있다. 아세틸렌, 케첸 블랙 등의 활성탄소는 그 부피가 매우 커서 도전제로 사용될 경우 탭 밀도 감소를 가져온다. 탭 밀도 감소는 전지의 에너지 밀도를 감소시키므로 탭밀도를 최대한 유지하여야 한다. 볼밀 방법을 이용할 경우 활물질 및 활성탄소가 물리적으로 강하게 결합하고 탭 밀도를 최대한 유지하면서 뭉침 현상을 방지할 수 있다.In the method of manufacturing a nickel / zinc secondary battery of the present invention, the conductivity of an electrode may be improved by mixing activated carbon or graphite with an active material by using a ball mill method, and the active material may be prevented from aggregating in a slurry or paste during electrode production. . Activated carbon, such as acetylene and Ketjen black, has a very large volume, which leads to a decrease in tap density when used as a conductive agent. Decreasing the tap density reduces the energy density of the cell, so the tap density must be maintained to the maximum. When the ball mill method is used, the active material and the activated carbon may be physically strongly bonded and the aggregation may be prevented while maintaining the maximum tap density.
상기 (S1) 단계에서 제조된 혼합물에서 음극 활물질과 활성탄소의 함량비는 각각 95~99 중량% 및 1~5 중량%인 것이 바람직하다. 활성탄소의 함량이 5 중량%를 초과하면 전극의 에너지 밀도가 감소하고, 1 중량% 미만이면 전극의 전도성이 감소하여 바람직하지 못하다. The content ratio of the negative electrode active material and the activated carbon in the mixture prepared in step (S1) is preferably 95 to 99% by weight and 1 to 5% by weight, respectively. If the content of activated carbon exceeds 5% by weight, the energy density of the electrode is reduced, and if it is less than 1% by weight, the conductivity of the electrode decreases, which is not preferable.
본 단계에서는 음극 활물질 및 활성탄소에 첨가제를 첨가하여 혼합할 수 있는데, 첨가제로는 Ca(OH)2, Bi2O3, Tl2O3, In2O3 및 SnO로 대표되는 금속 산화물 등이 사용될 수 있다. Ca(OH)2는 징케이트 이온이 전해액으로 녹아나는 현상을 막기 위하여 사용될 수 있으며, Bi2O3 등의 금속 산화물은 수소 과전압을 높여 가스 발생량을 줄이기 위하여 사용될 수 있다.In this step, an additive may be added and mixed with the negative electrode active material and the activated carbon. Examples of the additive include a metal oxide represented by Ca (OH) 2 , Bi 2 O 3 , Tl 2 O 3 , In 2 O 3, and SnO. Can be used. Ca (OH) 2 may be used to prevent the phenomena of melting zinc ions into the electrolyte, and metal oxides such as Bi 2 O 3 may be used to reduce the amount of gas generated by increasing hydrogen overvoltage.
다음으로, 상기 (S1) 단계에서 제조된 혼합물을 웨팅한 후, 증점제를 첨가하 여 슬러리를 제조한다(S2).Next, after wetting the mixture prepared in step (S1), a thickener is added to prepare a slurry (S2).
증점제로는 예를 들어 CMC, HEC 및 아크릴산 에스테르로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다. As the thickener, for example, one or more selected from the group consisting of CMC, HEC and acrylic acid esters can be used.
상기 니켈/아연 이차전지의 제조 방법은 상기 증점제를 K+, Na+ 이온으로 치환하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method of manufacturing the nickel / zinc secondary battery may further include replacing the thickener with K + and Na + ions.
충전 후 징케이트 이온이 녹아나는 현상을 막기 위하여 사용되는 첨가제인 Ca(OH)2의 경우는 수계 바인더와 반응하여 급속히 뭉치는 현상을 보이나, 본 발명의 이차전지의 제조방법을 이용하면 이러한 현상을 개선할 수 있다. 다만, 소량의 Ca(OH)2의 뭉침 현상도 전지의 성능에 영향을 미칠 수 있으므로, 상기 증점제를 K+, Na+ 이온으로 치환함으로써 이를 해결할 수 있다. 본 단계는 수산화칼륨, 수산화나트륨 용액 등을 증점제에 첨가함에 의해 이루어질 수 있다. In the case of Ca (OH) 2 , an additive used to prevent the melting of the zinc ions after charging, it is rapidly agglomerated by reacting with an aqueous binder, but this phenomenon can be solved by using the method of manufacturing the secondary battery of the present invention. It can be improved. However, the aggregation of a small amount of Ca (OH) 2 may also affect the performance of the battery, it can be solved by replacing the thickener with K +, Na + ions. This step can be done by adding potassium hydroxide, sodium hydroxide solution, etc. to the thickener.
본 단계에서 증점제의 첨가량은 음극 활물질과 활성탄소로 이루어진 혼합물 기준으로 0.5 내지 5 중량%인 것이 바람직하다. 증점제의 첨가량이 5 중량%를 초과하면 슬러리의 점도가 높아져 집전체에 코팅이 어렵고, 전극저항이 커져 전지 성능이 저하되는 문제가 있고, 0.5 중량% 미만이면 슬러리가 묽어져 전극 형성이 어려운 문제가 있어 바람직하지 못하다.The amount of the thickener added in this step is preferably 0.5 to 5% by weight based on the mixture consisting of the negative electrode active material and activated carbon. If the amount of the thickener is more than 5% by weight, the viscosity of the slurry becomes high, so that it is difficult to coat the current collector, the electrode resistance is increased, and the battery performance is deteriorated. It is not desirable.
다음으로, 상기 슬러리에 바인더를 첨가하여 음극 형성용 조성물을 제조한다(S3).Next, a binder is added to the slurry to prepare a composition for forming a negative electrode (S3).
상기 바인더로는 PTFE, PE, SBR 등이 사용될 수 있다.PTFE, PE, SBR, etc. may be used as the binder.
본 단계에서 바인더의 첨가량은 음극 활물질과 활성탄소로 이루어진 혼합물 기준으로 0.5 내지 5 중량%인 것이 바람직하다. 바인더의 첨가량이 5 중량%를 초과하면 슬러리의 점도가 높아지고, 전극저항이 커져 전지 성능이 저하되는 문제가 있고, 0.5 중량% 미만이면 집전체 및 다른 음극 활물질과의 결착력이 떨어져 전지 성능이 저하되고, 전해액에 용해되는 문제가 있어 바람직하지 못하다.The amount of the binder added in this step is preferably 0.5 to 5% by weight based on the mixture consisting of the negative electrode active material and activated carbon. If the amount of the binder is more than 5% by weight, the viscosity of the slurry becomes high, the electrode resistance is increased, and the battery performance is deteriorated. If the amount of the binder is less than 0.5% by weight, the binding performance between the current collector and the other negative electrode active material decreases, thereby deteriorating the battery performance. There is a problem of dissolving in electrolyte solution, which is not preferable.
다음으로, 상기 음극 형성용 조성물을 집전체에 코팅하고(S4), 상기 집전체에 코팅된 음극 형성용 조성물을 건조하여 음극을 형성한다(S5).Next, the negative electrode forming composition is coated on a current collector (S4), and the negative electrode forming composition coated on the current collector is dried to form a negative electrode (S5).
음극 형성용 조성물을 코팅하고 건조하는 단계를 거친 후에는 제조된 전극을 롤 프레싱하는 단계를 거칠 수 있다. 롤 프레싱 단계를 통해 활물질, 활성탄소 등이 더욱 치밀하게 결합하도록 할 수 있다. 집전체로는 메탈 시트(metal sheet), 익스팬디드 메탈(expanded metal), 펀칭 메탈(punching metal), 메탈 폼(metal foam) 등이 사용될 수 있다.After coating and drying the composition for forming a cathode, the prepared electrode may be subjected to roll pressing. Through the roll pressing step, the active material, the activated carbon, and the like may be more tightly bonded. As the current collector, a metal sheet, an expanded metal, a punched metal, a metal foam, or the like may be used.
다음으로, 분리막에 다공성 세라믹 또는 실리카; 바인더 또는 증점제를 분산시킨 분산액으로 코팅한 후 건조한다(S6). 보다 구체적으로, 본 발명에서는 음극의 용해로 인한 수지상 결정(dendrite) 형성을 막기 위하여 분리막을 열과 압력을 가하여 음극에 압착시키며 음극 쪽 분리막으로 최소 1장 이상 사용하는 것이 바람직하다. 이때 분리막은 미세한 다공성 막으로 이루어져 있고 음극에 압착시 열에 의 해 미세 기공이 닫힐 수 있다. 본 발명에서는 분리막의 다공도(porosity)를 유지하기 위하여 다공성 세라믹 또는 실리카 등을 PTFE, PE, SBR 등을 포함하는 바인더와 CMC, HEC 및 아크릴산 에스테르 등의 증점제 등에 균일하게 분산시킨 후, 분리막의 표면에 코팅한 후 건조하여 사용한다. 이와 같이 분리막 표면에 상기 분산액을 코팅하는 경우, 열과 압력에 의해 닫혀지는 기공수를 열을 가하기 전 분리막 기공수의 5 내지 20% 정도로 상당히 저하시킬 수 있다. 상기 다공성 세라믹 또는 실리카는 음극판 1장당 평균 활물질 기준으로 1 내지 10 중량부 함량으로 포함되는 것이 바람직하다.Next, the porous ceramic or silica in the separator; After coating with a dispersion in which the binder or thickener is dispersed (S6). More specifically, in the present invention, in order to prevent dendrite formation due to dissolution of the negative electrode, the separator is applied to the negative electrode by applying heat and pressure, and at least one sheet is preferably used as the negative electrode separator. At this time, the separation membrane is composed of a fine porous membrane and the pores may be closed by heat when pressed to the cathode. In the present invention, in order to maintain the porosity of the separator (porosity), the porous ceramic or silica is uniformly dispersed in a binder including PTFE, PE, SBR, etc. and thickeners such as CMC, HEC and acrylic esters, and then on the surface of the separator After coating, dry it. As described above, when the dispersion is coated on the surface of the separator, the pore water closed by heat and pressure may be considerably reduced to about 5 to 20% of the pore water of the separator before applying heat. The porous ceramic or silica is preferably contained in an amount of 1 to 10 parts by weight based on the average active material per sheet of negative electrode.
또한 상기 분산액은 분리막이 음극에 보다 잘 접착될 수 있도록 열이 가해지면 바인딩 능력이 높아지는 PE 분말과 아연의 충전 생성물과 화학적으로 결합하여 알칼리 용액에의 용해를 막는 수산화칼슘(Ca(OH)2) 등이 추가로 첨가된 후 분리막에 코팅될 수 있다. 상기 수산화칼슘은 음극판 1장당 평균 활물질 기준으로 1 내지 10 중량부 함량으로 포함되는 것이 바람직하다.In addition, the dispersion is a calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ), etc. to prevent the dissolution in the alkaline solution by chemically bonding to the filling product of the zinc powder and PE powder binding ability increases when the heat is applied to the separator to better adhere to the negative electrode This may be added and then coated on the separator. The calcium hydroxide is preferably contained in an amount of 1 to 10 parts by weight based on the average active material per sheet of negative electrode.
마지막으로, 상기 S5 단계에서 제조한 음극에 상기 분리막을 열과 압력을 가하여 압착한다(S7). 도 4를 참조하면, S5 단계에서 음극(103)의 양면에 상기 분리막(107)을 위치시킨 후 열과 압력을 가하여 압착시킨다. 상기 압착 과정은 히팅 롤 프레스(heating roll press), 히팅 플레이트 프레스(heating plate press) 등을 사용하여 수행될 수 있다. 상기 압착 과정은 70~120 ℃ 온도, 50~500 kgf/cm2 인가 압 력, 5~180 초 동안의 열접착 시간의 조건 하에서 수행되는 것이 바람직하다.Finally, the separator is pressed by applying heat and pressure to the cathode prepared in step S5 (S7). Referring to FIG. 4, in step S5, the
이와 같이, 라미네이션 방법으로 분리막을 음극에 압착하여 치밀한 계면을 형성함으로써 종래의 봉투형태의 구조를 갖는 분리막을 사용하는 음극보다 충/방전 반응시 알칼리 용액에의 용해도가 감소하여 전지의 수명 및 충/방전 효율을 크게 향상시킬 수 있다.As such, the membrane is pressed to the cathode by a lamination method to form a dense interface, so that the solubility in the alkaline solution is reduced during the charge / discharge reaction than the cathode using the separator having a conventional envelope-type structure, and thus the battery life and charge / The discharge efficiency can be greatly improved.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred examples are provided to aid the understanding of the present invention, but the following examples are merely for exemplifying the present invention, and it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope and spirit of the present invention. It is natural that such variations and modifications fall within the scope of the appended claims.
<< 실시예Example >>
실시예Example 1 One
ZnO 1764 g, AB 40 g, Ca(OH)2 44 g, Bi2O3 72 g을 용기에 넣어 180 rpm으로 3 시간 동안 볼밀 혼합한 후, 체를 통과시켜 음극 물질과 볼을 분리하였다. 제조된 음극 물질을 증류수를 사용하여 웨팅한 후, 치환된 CMC를 가하여 점성이 있는 슬러리를 형성하였다. 그후, PTFE, PE, SBR의 순서로 바인더를 첨가하여 교반한 뒤, 제조된 음극 형성용 조성물을 폼형 집전체에 코팅하였다. 코팅된 전극은 90 ℃의 오븐에서 2 시간 동안 건조한 후, 초기 두께의 30%가 될 때까지 롤 프레싱하여 음극 을 형성하였다. 이후, 분리막 Celgard 3407 표면을 다공성 세라믹, 수산화칼슘, PTFE 및 CMC를 균일하게 분산시킨 분산액으로 코팅한 후 건조하였다. 이와 같이 제조된 분리막 사이에 상기에서 형성한 음극을 위치시킨 후 히팅 롤 프레스를 사용하여 90 ℃ 온도, 100 kgf/cm2 인가 압력의 조건 하에서 10 초간 압착시켜 음극을 구성하였다. 음극 제조시 사용된 물질들의 함량비는 아래 표 1과 같다.1764 g of ZnO, 40 g of AB, 44 g of Ca (OH) 2 , and 72 g of Bi 2 O 3 were placed in a vessel and ball milled at 180 rpm for 3 hours, and then passed through a sieve to separate the negative electrode material and the ball. The prepared negative electrode material was wetted using distilled water, and then substituted CMC was added to form a viscous slurry. Thereafter, the binder was added and stirred in the order of PTFE, PE, and SBR, and the prepared negative electrode composition was coated on a foam current collector. The coated electrode was dried in an oven at 90 ° C. for 2 hours, and then roll-pressed to reach 30% of the initial thickness to form a cathode. Thereafter, the separator Celgard 3407 surface was coated with a dispersion in which porous ceramics, calcium hydroxide, PTFE and CMC were uniformly dispersed, and then dried. The negative electrode formed above was placed between the separators prepared as described above, and the negative electrode was formed by pressing for 10 seconds at a temperature of 90 ° C. and 100 kgf / cm 2 using a heating roll press. The content ratio of the materials used in the preparation of the negative electrode is shown in Table 1 below.
한편, Ni(OH)2 3657 g, Ni 분말 116 g, CoO 116 g을 믹서에 넣고, CMC를 가하여 점성이 있는 슬러리를 형성하였다. 여기에, PTFE, PE의 순서로 바인더를 첨가하고 교반하여 양극 형성용 조성물을 제조하고, 이를 집전체에 코팅하였다. 코팅된 전극을 90 ℃의 오븐에서 2 시간 동안 건조한 후, 초기 두께의 30%가 될 때까지 롤 프레싱하고, 여기에 봉투형 분리막을 씌워 양극을 구성하였다. 이 때 분리막은 NKK non-woven을 2장씩 사용하였다. 양극 제조시 사용된 물질들의 함량비는 아래 표 2와 같다. On the other hand, 3657 g of Ni (OH) 2 , 116 g of Ni powder, and 116 g of CoO were put into a mixer, and CMC was added to form a viscous slurry. Here, a binder was added and stirred in the order of PTFE and PE to prepare a composition for forming an anode, which was coated on a current collector. The coated electrode was dried in an oven at 90 ° C. for 2 hours, roll-rolled to 30% of the initial thickness, and an anode was formed by covering an envelope-type separator. In this case, two separator sheets of NKK non-woven were used. The content ratio of the materials used in the production of the positive electrode is shown in Table 2 below.
제조된 양극과 음극을 교차되게 적층하여 소망하는 용량의 전지를 구성하였다. 양극 11장과 음극 12장을 적층하여 50 Ah 의 용량을 갖는 전지를 제조할 수 있었다. 이어서, 적층한 극판을 전지 케이스에 넣고, 커버를 씌운 후, 알칼리 전해액을 주입하여 진공상태에서 1 시간, 상온에서 6 시간 에이징(aging)한 뒤 전지를 활성화하여 알칼리 니켈/아연 이차전지를 완성하였다.The produced positive electrode and negative electrode were laminated alternately to constitute a battery having a desired capacity. A battery having a capacity of 50 Ah could be manufactured by stacking 11 positive electrodes and 12 negative electrodes. Subsequently, the stacked electrode plates were placed in a battery case, covered, and then alkaline electrolyte was injected, aged for 1 hour in a vacuum state and 6 hours at room temperature, and then the battery was activated to complete an alkali nickel / zinc secondary battery. .
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막이 음극에 압착되어 제조된 니켈/아연 이차전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically illustrating a structure of a nickel / zinc secondary battery manufactured by compressing a separator according to an embodiment of the present invention to a negative electrode.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈/아연 이차전지에서 양극 및 분리막이 압착된 음극이 적층되어 있는 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다. FIG. 2 is a view schematically showing a state in which a cathode and a separator in which a cathode is compressed are stacked in a nickel / zinc secondary battery according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈/아연 이차전지의 제조방법에 따라 니켈/아연 이차전지가 제조되는 과정을 나타낸 공정도이다.3 is a process diagram illustrating a process of manufacturing a nickel / zinc secondary battery according to a method of manufacturing a nickel / zinc secondary battery according to an embodiment of the present invention.
도 4는 분리막을 음극에 압착시키는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.4 is a view schematically illustrating a process of compressing a separator on a cathode.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
101 : 케이스 103 : 음극 101: case 103: cathode
105 : 양극 107 : 분리막105: anode 107: separator
109 : 음극 단자 111 : 양극 단자 109: negative terminal 111: positive terminal
Claims (11)
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WO2015199520A3 (en) * | 2015-04-02 | 2016-03-31 | Тоо "Институт Аккумуляторов" | Non-flowing zn/niooh storage battery |
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WO2015060698A1 (en) * | 2013-10-25 | 2015-04-30 | 주식회사 엘지화학 | Method for applying adhesive binder to separation membrane |
WO2015199520A3 (en) * | 2015-04-02 | 2016-03-31 | Тоо "Институт Аккумуляторов" | Non-flowing zn/niooh storage battery |
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