KR20110106506A - 리튬 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명에는 방전특성을 개선하기 위하여 양극의 상면을 가압시키는 스톱퍼가 설치된 리튬전지가 개시된다.
스톱퍼는 양극의 상하방향의 팽창을 억제하고, 음극방향으로의 팽창을 유도함으로써 방전 중에 음극의 두께감소로 인한 극간 거리의 불균형과 양극의 반응 유효면적의 감소를 방지할 수 있다.

Description

리튬 전지{lithium battery}

본 발명은 양극(cathode)과 음극(anode)의 극간 거리가 방전 중 변화되지 않도록 스톱퍼(stoper)가 설치된 리튬전지에 관한 것이다.

보빈 타입 리튬 티오닐 (Li/SOCl₂) 전지는 음극(Anode)으로서 리튬 또는 리튬 합금을 사용하여 Case의 내부에 물리적인 힘으로 완전히 붙이고, 양극(Cathode)으로서 바인더(binder)가 포함된 무결정 카본을 성형하여 양극과 음극을 격리하는 세퍼레이터(seperator)를 사이에 두고 삽입하여 조립한다. 조립된 전지에는 리튬염(LiAlCl₄)이 해리된 SOCl₂ 전해액이 주입되어 리튬 티오닐 전지를 구성한다. 이와 같이 구성된 리튬 티오닐 전지에 부하가 연결되면 전해액과 전극의 산화 환원 반응에 의해 화학에너지가 전기에너지로 변환되어 전류를 발생한다.

리튬은 주입된 전해액과 반응하여 에너지를 생성하고, 반응의 부산물로 고상의 LiCl과 황이 석출된다. 이 반응 부산물들이 카본 양극의 기공 내에 쌓이면서 지속적인 반응이 이어지도록 만들어 준다.

등록실용신안 제20-0199351호(고안의 명칭: 보빈형 리튬전지)에는 도 1과 같은 보빈형 리튬전지가 개시되어 있다. 도 1에서, 리튬전지는 상부가 개구된 원통형 케이스(1)의 내부에 리튬 음극(2)이 설치되고, 리튬 음극(2)의 내부에 세퍼레이터(4)가 설치되고, 세퍼레이터(4)의 내부에 탄소 양극(5)이 설치된다. 탄소 양극(5)의 중앙에 관통공이 형성되어 있으며, 관통공 내부에는 전지 외부로 돌출되는 집전체(7)가 설치되며, 원통형 케이스(1)의 밑판과 절연되게 설치되며, 헤더(21)와는 공지된 유리 용융접합에 의하여 절연되게 설치된다. 이와 같이 구성되는 리튬전지는 반응이 진행됨에 따라 리튬 음극은 점점 고갈되고, 반응의 부산물로 인해 탄소 양극의 부피는 방전말기까지 계속해서 증가하게 된다. 이 과정에서 리튬 음극과 카본 양극의 전극간의 거리가 최초의 값을 유지해주면 안정적인 방전특성을 보이지만, 불균일하게 감소하거나 팽창하면 전극간의 거리가 멀어지게 되고 전도도가 감소하여 이온의 이동이 어렵게 되므로 불안정한 방전특성을 보이게 된다. 특히 방전 말기에 탄소 양극의 공극 감소, 전해액 소진으로 인한 전도도 감소 등의 복합적 원인으로 인하여 급격한 전압 하강 및 전압 떨림 현상을 나타낸다. 세부적으로 리튬 티오닐 전지 중 보빈 타입에서 방전 진행시에 양극의 팽창은 상대적으로 여유 공간이 많이 존재하는 상하 팽창을 하게 된다. 하지만 상하 팽창된 캐소드는 전극 반응에 참여하지 못하여 효율이 줄어들 뿐 아니라 기술된 문제점들의 최대 원인으로 작용하는 것이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 해결과제는 탄소 양극의 상하 팽창을 막아주고 양극과 음극간의 거리를 변화하지 않도록 하기 위한 것이다.

또한 본 발명의 다른 해결과제는 방전 말기 전압 떨림 현상을 해결하고 고율 방전 특성을 달성하기 위한 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 해결수단은 전지 케이스 내부에 리튬 음극과 관 형상의 탄소 양극을 구비한 리튬 전지에 있어서: 상기 탄소 양극의 전지의 헤더 쪽에 있는 면을 가압시키는 스톱퍼가 상기 전지 케이스에 대하여 유동되지 않도록 설치되는 것을 특징으로 하는 리튬 전지이다.

또한 본 발명에서 상기 리튬전지는 상기 탄소 양극에 삽입되고, 전지 케이스 외부로 돌출되는 양극 핀이 설치되고, 상기 스톱퍼는 상기 양극 핀에 장착되거나 상기 양극 핀과 일체로 성형되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 스톱퍼는 도전체인 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 스톱퍼는 원판 형상인 것이 바람직하다.

상기 과제와 해결수단을 갖는 본 발명에 따르면, 방전중에 양극의 상면을 스톱퍼로 가압함으로써 양극이 상하 방향으로 팽창됨으로써 발생되는 양극의 반응유효면적의 감소를 방지할 수 있으며, 음극의 두께의 감소에 의하여 발생되는 극간거리의 불균형과 전압 떨림 현상을 양극이 음극 방향으로 팽창되도록 함으로써 해소하는 효과를 발생시킨다.

도 1은 등록실용신안 제20-0199351호에 개시된 통상의 전지 구조의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예의 리튬전지의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예의 100mA 방전실험의 그래프이다.
도 4는 도 3과 비교하기 위한 종래전지의 100mA 방전실험의 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예의 50mA의 방전실험의 그래프이다.
도 6은 도 5와 비교하기 위한 종래전지의 50mA의 방전실험의 그래프이다.

도 2는 본 발명의 일실시예의 리튬전지의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예의 100mA 방전실험의 그래프이고, 도 4는 도 3과 비교하기 위한 종래전지의 100mA 방전실험의 그래프이고, 도 5는 본 발명의 일실시예의 50mA의 방전실험의 그래프이고, 도 6은 도 5와 비교하기 위한 종래전지의 50mA의 방전실험의 그래프이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 리튬전지(100)는 원통형 케이스(101)의 내측에 리튬의 음극(103)이 설치되고, 음극(103)의 내측에는 세퍼레이터(105)가 설치되며, 세퍼레이터(105) 내부에는 탄소로 이루어진 양극(107)이 설치된다. 이때, 양극(107)은 중앙에 집전체(109)가 설치될 수 있도록 관 형태로 이루어지며, 집전체(109)의 중앙에는 양극 핀(111)이 설치된다. 이때 양극 핀(111)은 헤더의 음극판(113)을 통과하여 전지 케이스 외부로 돌출되며, 음극판(113)과는 유리 용융 접합되어 절연되게 설치된다.

또한, 양극(107)의 상부면에는 원판 형상의 스톱퍼(113)가 설치된다. 스톱퍼(113)는 중앙에 양극 핀(111)이 통과되도록 양극 핀(111)에 용접되어 장착되거나, 양극핀(111)의 외주면에 원판 형상으로 양극핀(111)과 일체로 성형된다.

이때 스톱퍼(113)는 양극핀(111)에 고정되고, 양극핀(111)은 음극판(113)에 고정되고, 음극판(113)은 원통형 전지 케이스(101)에 고정되기 때문에 결국 스톱퍼(113)는 전지 케이스(101)에 유동되지 않게 되어 양극(107)이 방전중 전기화학 반응에 의하여 생성되는 부산물이 양극(107)의 기공내에 축적됨으로써 발생되는 상하 팽창을 억제함으로써 양극(107)이 음극(103)을 향하여 팽창되도록 하고, 극간 거리를 방전 중에 일정하게 유지하도록 한다.

또한 스톱퍼(113)는 양극(107)의 전하의 균일도를 높이기 위해서 전도성 금속재질로 형성되는 것이 바람직하다.

실험적으로 스톱퍼(113)의 장착 유/무에 따른 전지특성을 비교하기 위해 "D" size의 리튬 티오닐 전지를 제조하여 동일한 전류밀도로 방전하여 평가하였다.

도 3은 스톱퍼(113)를 장착한 전지를 100mA로 방전한 결과로써 스톱퍼(113)를 장착하지 않은 종래의 전지의 방전 결과인 도 4와 비교해보면 전지수명이 약 10시간 이상의 차이가 나타남을 알 수 있다.

또한 스톱퍼(113)를 장착한 "D" size의 리튬 티오닐 전지를 50mA로 방전한 도 5의 실험결과와 스톱퍼(113)를 장착하지 않은 동일한 전지를 50mA로 방전한 도 6의 그래프를 비교하였을 경우에는 약 50시간의 차이가 발생함을 알 수 있다.

스톱퍼(113)를 장착한 전지의 경우, 장착하지 않은 전지에 비해 100mA 와 50mA 의 방전전류에서 약 20%의 방전 용량이 증가하는 특성을 보이고 있으며, 스톱퍼(113)에 의하여 방전말기까지 극간거리가 유지되기 때문임을 알 수 있다.

본 발명의 실시예에서 스톱퍼(113)가 양극핀(111)에 설치되어 고정되는 것을 예시하였으나, 이는 하나의 실시예에 불과한 것으로 양극(107)의 상면을 압박하여 상하 팽창을 억제하도록 원통 케이스 내부에 유동되지 않는 구조라면 다양한 형상 및 구조가 사용가능하다.

이와 같이 본 발명은 단순히 실시예에 국한되는 것이 아니라 다양한 변형예가 존재할 수 있으며 본 발명은 청구범위에 의하여 보호되어야 한다.

100: 리튬전지 101: 원통형 케이스
103: 음극 105: 세퍼레이터
107: 양극 109: 집전체
111: 양극 핀 113: 음극판
113: 스톱퍼

Claims (4)

1. 전지 케이스 내부에 리튬 음극과 관 형상의 탄소 양극을 구비한 리튬 전지에 있어서:
   상기 탄소 양극의 전지의 헤더 쪽에 있는 면을 가압시키는 스톱퍼가 상기 전지 케이스에 대하여 유동되지 않도록 설치되는 것을 특징으로 하는 리튬 전지.
2. 청구항 1에서, 상기 리튬전지는 상기 탄소 양극에 삽입되고, 전지 케이스 외부로 돌출되는 양극 핀이 설치되고, 상기 스톱퍼는 상기 양극 핀에 장착되거나 상기 양극 핀과 일체로 성형되는 것을 특징으로 하는 리튬 전지.
3. 청구항 1에서, 상기 스톱퍼는 도전체인 것을 특징으로 하는 리튬 전지.
4. 청구항 1에서, 상기 스톱퍼는 원판 형상인 것을 특징으로 하는 리튬전지.

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