KR20180001891A - 전지용량을 높인 리튬일차전지용 음극 및 이의 제조 방법 - Google Patents

전지용량을 높인 리튬일차전지용 음극 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 음극 집전체에 대접되지 않는 리튬호일의 외부면에 복수개의 패턴홈들을 형성함으로써 동일 치수 대비 전극반응면적을 극대화하여 함유성분 및 치수를 변경하지 않더라도 전지용량을 획기적으로 높일 수 있고, 경도가 낮은 리튬의 특성을 감안하여 프레싱장치를 이용하여 리튬호일의 외면에 패턴홈들을 형성하는 공정만이 추가됨으로써 공정이 간단하게 이루어질 수 있으며, 패턴홈이 리튬호일 두께의 0.8% 이상의 두께로 형성되도록 함과 동시에 출력사양에 따라 패턴홈들의 깊이를 조절함으로써 간단한 공정을 통해 다양한 출력의 전지를 제조할 수 있는 리튬일차전지용 음극 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

전지용량을 높인 리튬일차전지용 음극 및 이의 제조 방법{Cathode of lithium primary battery for enhancing ampere hour and manufacturing method therefor}
본 발명은 전지용량을 높인 리튬일차전지용 음극 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 상세하게로는 음극 집전체에 대접되지 않는 리튬호일의 일면에 복수개의 패턴홈들을 형성하여 전극 반응에 참여하는 반응면적을 증가시킴으로써 동일 치수 대비 전지용량을 극대화시킴과 동시에 공정이 간단하게 이루어지는 리튬일차전지용 음극 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
전지는 일반적으로 전기화학반응을 유발하여 전기를 발생시키는 구동원으로서, 소형 제작이 가능할 뿐만 아니라 휴대가 용이하여 다양한 종류 및 목적의 장비에 전기를 공급하기 위한 용도로 널리 사용되고 있으며,
특히, 리튬-염화 티오닐전지(Li/SOCl2)는 자가 방전(Self-discharge)이 적어 높은 수명을 가지며, 저온(- 32 ~ - 20 ℃)에서도 우수하고, 무게가 가벼울 뿐만 아니라 공간소모가 적고, 일반 망간전지, 알카라인 전지에 비교하여 용량이 큰 장점으로 인하여 그 수요량 및 사용분야가 점차 확대되고 있다.
또한 이러한 리튬-염화 티오닐전지는 결합구조에 따라 바빈(Bobbin)형 및 와운드(Wound)형으로 분류된다.
통상적으로 종래의 와운드형 리튬일차전지는 양극(Cathode) 및 음극(Anode)이 격리막(Separator)의 양면에 대접된 상태로 동심원 상으로 수 회 권취된 후 케이스 내부에 설치되고, 음극은 전류 집전체와, 전류 집전체의 양면 중 적어도 하나 이상에 압착되는 리튬 금속판과, 전류 집전체에 연결되는 단자로 이루어진다.
전류 집전체는 그물망 또는 메쉬 형상으로 형성되어 양면 중 적어도 하나 이상에 리튬 금속판이 압착되며, 국부 반응으로 인한 리튬 금속판의 절단을 방지함과 동시에 전지 성능을 높인다.
이와 같이 구성되는 종래의 와운드형 리튬일차전지는 양극 또는 음극이 다수회 권취되어 형성되기 때문에 보빈형에 비교하여 전극반응이 이루어지는 양극 또는 음극의 반응면적이 넓어 전지용량이 우수한 장점을 갖는다.
즉 와운드형 리튬일차전지는 양극 또는 음극의 성능에 따라 전지용량이 결정되기 때문에 양극 또는 음극의 성능을 개선하여 전지용량을 높이기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.
도 1은 국내등록특허 제10-2016-0040160호(발명의 명칭 : 음극, 전지 및 그것들의 제조 방법)에 개시된 음극을 나타내는 구성도이다.
도 1의 음극(이하 종래기술이라고 함)(100)은 전도성이 높인 금속재질의 판재로 형성되는 음극 집전체(101)와, 음극 집전체(101)의 양면에 대접되는 음극 활물질층(103)들과, 금속염을 함유하여 음극 활물질층(103)들 각각의 외면에 코팅되는 피막(105)들로 이루어진다.
이와 같이 구성되는 종래기술(100)은 피막(105)에 금속염이 함유됨에 따라 리튬이온의 흡장 및 방출이 용이하게 이루어짐과 동시에 전해액의 분해가 억제되게 된다.
즉, 종래기술(100)은 피막(105)의 함유성분을 조절하여 전지성능을 개선할 수는 있으나, 음극 집전체(101)에 대접되지 않는 음극 활물질층(103)의 외면이 평탄한 면으로 형성되기 때문에 전극반응면적이 제한되어 전지용량이 크게 개선되지 않는 구조적 한계를 갖는다.
다시 말하면, 종래기술(100)은 음극집전체(101), 음극활물질층(103)들 및 피막(105)들이 동일한 치수, 함유성분으로 이루어진다고 가정할 때 전지용량을 개선시킬 수 있는 별도의 기술 및 방법이 기재되어 있지 않아, 전지용량의 개선이 제한적으로 이루어지는 단점을 갖는다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 해결과제는 음극 집전체에 대접되지 않는 리튬호일의 외부면에 복수개의 패턴홈들을 형성함으로써 동일 치수 대비 전극반응면적을 극대화하여 함유성분 및 치수를 변경하지 않더라도 전지용량을 획기적으로 높일 수 있는 리튬일차전지용 음극 및 이의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 다른 해결과제는 경도가 낮은 리튬의 특성을 감안하여 프레싱장치를 이용하여 리튬호일의 외면에 패턴홈들을 형성하는 공정만이 추가됨으로써 공정이 간단하면서도 효율이 높은 리튬일차전지용 음극 및 이의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 해결과제는 패턴홈이 리튬호일 두께의 0.8% 이상의 두께로 형성되도록 함과 동시에 출력사양에 따라 패턴홈들의 깊이를 조절함으로써 간단한 공정을 통해 다양한 출력의 전지를 제조할 수 있는 리튬일차전지용 음극 및 이의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
과제를 해결하기 위한 본 발명의 해결수단은 음극 집전체; 상기 음극집전체의 양면 중 적어도 하나 이상에 압착되는 리튬호일을 포함하고, 상기 리튬호일은 상기 음극집전체에 대접되지 않는 외부면에 내측으로 복수개의 패턴홈들이 형성되는 것이다.
또한 본 발명에서 상기 리튬호일의 패턴홈의 깊이는 상기 리튬호일의 두께의 0.8% 이상으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 음극집전체는 전기 전도성이 높은 금속 재질의 메쉬 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 다른 해결수단은 음극 집전체 제조단계; 리튬호일의 일면인 외부면에 복수개의 패턴홈들을 형성시키는 프레싱단계; 상기 프레싱단계에 의해 패턴홈들이 형성된 리튬호일을 기 설정된 치수로 절개시키는 치수 가공단계; 상기 음극 집전체 제조단계에 의한 음극 집전체의 일측에 음극단자를 결합시키는 음극단자 연결단계; 상기 음극단자 연결단계에 의해 음극단자가 연결된 음극 집전체의 양면 중 적어도 하나 이상에, 상기 치수 가공단계에 의한 리튬호일을 외부면이 외측을 향하도록 대접시키는 배치단계; 상기 배치단계에 의해 대접된 음극집전체 및 리튬호일을 압착시키는 압착단계를 포함하는 것이다.
또한 본 발명에서 상기 프레싱단계에 적용되는 프레싱장치는 가압면에 복수개의 돌부들이 형성되는 가압판과, 상기 가압판을 상하 방향으로 이동시키는 구동부를 포함하고, 상기 가압판의 직하부에 상기 리튬호일이 배치되면 상기 구동부에 의해 상기 가압판이 상기 리튬호일을 프레싱하여 패턴홈들을 형성시키는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 리튬호일의 패턴홈의 깊이는 상기 리튬호일의 두께의 0.8% 이상으로 형성되는 것이 바람직하다.
과제와 해결수단을 갖는 본 발명에 따르면 음극 집전체에 대접되지 않는 리튬호일의 외부면에 복수개의 패턴홈들을 형성함으로써 동일 치수 대비 전극반응면적을 극대화하여 함유성분 및 치수를 변경하지 않더라도 전지용량을 획기적으로 높일 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 경도가 낮은 리튬의 특성을 감안하여 프레싱장치를 이용하여 리튬호일의 외면에 패턴홈들을 형성하는 공정만이 추가됨으로써 공정이 간단하게 이루어질 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 패턴홈이 리튬호일 두께의 0.8% 이상의 두께로 형성되도록 함과 동시에 출력사양에 따라 패턴홈들의 깊이를 조절함으로써 간단한 공정을 통해 다양한 출력의 전지를 제조할 수 있게 된다.
도 1은 국내등록특허 제10-2016-0040160호(발명의 명칭 : 음극, 전지 및 그것들의 제조 방법)에 개시된 음극을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예인 리튬일차전지용 음극을 나타내는 구성도이다.
도 3은 도 2의 측단면도이다.
도 4는 도 2의 리튬호일의 외면을 나타내는 평면도이다.
도 5는 도 4의 측단면도이다.
도 6은 도 2의 리튬일차전지용 음극을 제조하기 위한 제조 방법을 나타내는 공정순서도이다.
도 7은 표 2의 실험예를 통해 측정된 데이터를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예인 리튬일차전지용 음극을 나타내는 구성도이고, 도 3은 도 2의 측단면도이다.
도 2와 3의 리튬일차전지용 음극(1)은 전극 반응이 이루어지는 전극반응면적을 증가시킴으로써 음극(1)을 형성하는 구성수단의 함유성분 및 크기 등의 동일한 조건하에서 전지용량을 극대화시키기 위한 것이다.
또한 리튬일차전지용 음극(1)은 음극 집전체(3)와, 리튬호일(5), (5`)들, 음극단자(7)로 이루어지고, 음극집전체(3) 및 리튬호일(5), (5`)들은 다수회 권취된 후 케이스 또는 캔 내부에 설치된다.
이때 본 발명에서는 설명의 편의를 위해 음극 집전체(3)의 양면에 리튬호일(5), (5`)들이 압착되는 것을 예를 들어 설명하였으나, 리튬호일은 음극 집전체의 일면에 압착되는 것으로 구성되어도 무방하다. 즉 리튬호일은 음극 집전체의 양면 중 적어도 하나 이상에 압착된다.
음극 집전체(3)는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 스테인레스 스틸(STS) 등과 같이 전기 전도성이 높은 금속재질의 판재로 형성되며, 상세하게로는 메쉬 또는 그물망 형상의 판재로 형성되는 것이 바람직하다.
또한 음극 집전체(3)는 대략 95 ~ 105㎛의 두께로 형성되며, 개구율이 전체 면적에 대해 30 ~ 80%이며, 각 메쉬는 100nm ~ 100㎛의 크기로 형성된다.
또한 음극 집전체(3)는 양면에 리튬호일(5), (5`)들이 대접된 후 압착됨으로써 전기 전도성을 높여 전지의 전기적 특성을 향상시킴과 동시에 국부반응으로 인한 리튬호일의 절단을 방지하게 된다.
음극단자(7)는 전도성이 높은 금속 재질의 판재로 형성되며, 음극 집전체(3)의 일측에 연결되어 타측이 음극 집전체(3)로부터 외측으로 돌출되도록 설치된다.
도 4는 도 2의 리튬호일의 외면을 나타내는 평면도이고, 도 5는 도 4의 측단면도이다.
도 4와 5의 리튬호일(5)은 얇은 박 형상의 판체로 형성되며, 음극 집전체(3)의 양면 중 적어도 하나 이상에 대접된 후 압착된다.
또한 리튬호일(5)은 음극 집전체(3)에 대접되지 않는 일면(이하 외부면이라고 함)(51)에 내측으로 직사각형 형상의 패턴홈(511)들이 동일 간격으로 형성된다. 이때 도 4와 5에서는 설명의 편의를 위해 패턴홈(511)들이 직사각형 형상으로 형성되는 것으로 예를 들어 설명하였으나, 패턴홈(511)들의 형상은 이에 한정되지 않으며, 원형, 마름모, 다각형 등의 다양한 형상으로 형성되어도 무방하다.
즉 본원 발명의 리튬일차전지용 음극(1)은 리튬호일(5)의 외부면에 복수개의 패턴홈(511)들이 형성됨으로써 종래에 리튬호일(5)의 외부면이 평탄면으로 형성될 때에 비교하여 동일 치수 대비 전극반응이 이루어지는 반응면적을 획기적으로 높일 수 있고, 이러한 반응면적이 증가함에 따라 전지용량을 현저히 개선시킬 수 있게 된다.
또한 리튬호일(5)의 패턴홈(511)의 깊이는 리튬호일(5) 두께의 0.8% 이상으로 형성되는 것이 바람직하다. 이때 패턴홈(511)의 깊이가 만약 리튬호일(5) 두께의 0.8% 미만이면 반응면적의 증가가 미세하게 이루어져 전지용량 개선이 미비하게 이루어지게 된다. 예를 들어 리튬호일(5)의 두께가 10mm일 때 패턴홈(511)의 깊이는 0.08mm 이상으로 형성될 수 있다.
또한 리튬호일(5)의 패턴홈(511)의 깊이는 반응면적의 증가로 이어지기 때문에 전지의 출력사양에 대응하여 패턴홈(511)의 깊이를 조절할 수 있다.
또한 리튬호일(5)의 패턴홈(511)들은 가로, 세로 1.0mm로 형성되며, 인접하는 패턴홈들의 간격은 0.5mm로 형성되는 것이 바람직하다.
도 6은 도 2의 리튬일차전지용 음극을 제조하기 위한 제조 방법을 나타내는 공정순서도이다.
도 6의 리튬일차전지용 음극(S1)은 음극집전체 제조단계(S10), 리튬호일 준비단계(S20), 프레싱단계(S30), 치수 가공단계(S40), 음극단자 연결단계(S50), 배치단계(S60), 압착단계(S70)로 이루어진다.
음극집전체 제조단계(S10)는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 스테인레스 스틸(STS) 등과 같이 전기 전도성이 높은 금속재질의 판재를 기 설정된 치수로 절개하여 음극집전체를 가공하는 공정단계이다.
리튬호일 준비단계(S20)는 공지된 리튬호일을 준비하는 공정단계이다.
프레싱 단계(S30)는 리튬호일 준비단계(S20)에 의해 준비된 리튬호일(5)의 외부면(51)에 복수개의 패턴홈(511)들을 형성시키는 공정단계이다. 이때 프레싱단계(S30)에 적용되는 프레싱장치는 가압면에 복수개의 돌부들이 형성되는 가압판과, 가압판을 상하방향으로 이동시키는 이동수단을 포함할 수 있고, 가압판의 하부에 리튬호일(5)이 배치되면 가압판을 프레싱 하여 리튬호일(5)의 외부면에 복수개의 패턴홈(511)들을 형성시킨다.
이때 프레싱 단계(S30)는 경도가 낮은 물성을 갖는 리튬의 특성을 이용하여 프레싱장치를 이용하여 간단하게 리튬호일(5)의 외부면(51)에 패턴홈(511)들을 형성시킬 수 있게 된다.
치수 가공단계(S40)는 프레싱 단계(S30)에 의해 패턴홈(511)들이 형성된 리튬호일(5)을 기 설정된 치수로 절개시키는 공정단계이다.
음극단자 연결단계(S50)는 음극집전체 제조단계(S10)에 의한 음극 집전체(3)의 일측에 음극단자(7)를 연결시키는 공정단계이다.
배치단계(S60)는 음극단자 연결단계(S50)에 의해 음극단자(7)가 연결된 음극 집전체(3)의 양면 중 적어도 하나 이상에, 치수 가공단계(S40)에 의해 가공된 리튬호일(5)이 대접되도록 배치시키는 공정단계이다.
압착단계(S70)는 배치단계(S60)에 의해 음극 집전체(3)에 대접된 리튬호일(5)을 압착시키는 공정단계이다.
이하, 본 발명의 일실시예인 리튬일차전지용 음극에 대한 실시예를 들어 더욱 상세하게 설명한다. 또한 다음의 실시예들은 설명의 목적을 위한 것으로, 본 발명의 보호범위를 제한하지 않는다.
표 1은 실시예들 및 비교예들을 나타낸다.
구 성 실시예 비교예
리튬일차전지용
음극		 리튬호일 100mm 100mm
패턴홈 깊이 1mm ×
[실시예]
음극집전체;
상기 음극집전체의 양면에 압착되는 두께 100mm의 리튬호일들 포함하고,
상기 리튬호일들 상기 음극집전체에 대접되지 않는 외부면에 내측으로 깊이 1mm의 패턴홈들이 복수개가 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬일차전지용 전지.
[비교예]
음극집전체;
상기 음극집전체의 양면에 압착되는 두께 100mm의 리튬호일들 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬일차전지용 전지.
[실험예]
실험예는 실시예 및 비교예의 온도별 특성에 따른 전지용량을 측정하였다.
실험예는 리튬일차전지 모델 중 SC-DD01 제품을 적용하였고, 제이오텍사의 항온항습기 제품을 이용하여 10℃, 25℃, 50℃, 100℃의 환경을 제공하였고, 시험 전 개별 온도에서 1시간 동안 에이징(Aging) 한 후 Maccor사의 4000 series 방전기를 이용하여 60hm의 저항으로 평가를 진행하였다.
표 2는 표 1의 실시예 및 비교예에 대한 실험예의 측정값을 나타낸다.
평가온도 실시예 비교예 용량상향
-10℃ 27.45Ah 26.05Ah 5.1%
25℃ 33.14Ah 31.93Ah 3.6%
50℃ 34.58Ah 32.76Ah 5.3%
100℃ 33.37Ah 32.18Ah 3.6%
도 7은 표 2의 실험예를 통해 측정된 데이터를 나타내는 그래프이다.
표 2와 실시예 및 비교예를 살펴보면, -10℃의 온도에서 실시예는 방전전류가 `27.45Ah`로, 비교예는 `26.05Ah`로 측정되었고, 즉 실시예와 같이 리튬호일(5)의 외부면에 패턴홈(511)들을 형성하는 경우 패턴홈(511)들을 형성하지 않은 경우와 비교하여 10℃의 환경에서 동일 치수 대비 전지용량이 5.1% 증가한 것을 알 수 있다.
또한 25℃의 온도에서 실시예는 방전전류가 `33.14Ah`로, 비교예는 `31.93Ah`로 측정되었고, 즉 실시예와 같이 리튬호일(5)의 외부면에 패턴홈(511)들을 형성하는 경우 패턴홈(511)들을 형성하지 않은 경우와 비교하여 25℃의 환경에서 동일 치수 대비 전지용량이 3.6% 증가한 것을 알 수 있다.
또한 50℃의 온도에서 실시예는 방전전류가 `34.58Ah`로, 비교예는 `32.76Ah`로 측정되었고, 즉 실시예와 같이 리튬호일(5)의 외부면에 패턴홈(511)들을 형성하는 경우 패턴홈(511)들을 형성하지 않은 경우와 비교하여 50℃의 환경에서 동일 치수 대비 전지용량이 5.3% 증가한 것을 알 수 있다.
또한 100℃의 온도에서 실시예는 방전전류가 `33.37Ah`로, 비교예는 `32.18Ah`로 측정되었고, 즉 실시예와 같이 리튬호일(5)의 외부면에 패턴홈(511)들을 형성하는 경우 패턴홈(511)들을 형성하지 않은 경우와 비교하여 100℃의 환경에서 동일 치수 대비 전지용량이 3.6% 증가한 것을 알 수 있다.
또한 도 7을 참조하여 실시예 및 비교예를 살펴보면, `-10℃`, `25℃`, `50℃`, `100℃`의 모든 환경에서 실시는 비교예와 비교하였을 때 방전시간 및 방전출력이 높게 측정된 것을 알 수 있다.
다시 말하면, 본원 발명의 리튬일차전지용 음극(1)은 외부면(51)에 복수개의 패턴홈(511)들이 형성되어 반응면적이 증가됨에 따라 외부면(51)에 패턴홈(511)들이 형성되지 않은 평탄한 면으로 형성되는 경우와 비교하여 동일 치수 대비 전지용량을 현저히 높일 수 있게 된다.
1:리튬일차전지용 음극 3:음극 집전체
5, 5`:리튬호일 7:음극단자
51:외부면 511:패턴홈
S1:리튬일차전지용 음극 제조방법 S10:음극집전체 제조단계
S20:리튬호일 준비단계 S30:프레싱단계
S40:치수 가공단계 S50:음극단자 연결단계
S60:배치단계 S70:압착단계

Claims (6)

  1. 음극집전체;
    상기 음극집전체의 양면 중 적어도 하나 이상에 압착되는 리튬호일을 포함하고,
    상기 리튬호일은 상기 음극집전체에 대접되지 않는 외부면에 내측으로 복수개의 패턴홈들이 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬일차전지용 음극.
  2. 청구항 제1항에 있어서, 상기 리튬호일의 패턴홈의 깊이는 상기 리튬호일의 두께의 0.8% 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬일차전지용 음극.
  3. 청구항 제2항에 있어서, 상기 음극집전체는 전기 전도성이 높은 금속 재질의 메쉬 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬일차전지용 음극.
  4. 음극 집전체 제조단계;
    리튬호일의 일면인 외부면에 복수개의 패턴홈들을 형성시키는 프레싱단계;
    상기 프레싱단계에 의해 패턴홈들이 형성된 리튬호일을 기 설정된 치수로 절개시키는 치수 가공단계;
    상기 음극 집전체 제조단계에 의한 음극 집전체의 일측에 음극단자를 결합시키는 음극단자 연결단계;
    상기 음극단자 연결단계에 의해 음극단자가 연결된 음극 집전체의 양면 중 적어도 하나 이상에, 상기 치수 가공단계에 의한 리튬호일을 외부면이 외측을 향하도록 대접시키는 배치단계;
    상기 배치단계에 의해 대접된 음극집전체 및 리튬호일을 압착시키는 압착단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬일차전지용 음극 제조방법.
  5. 청구항 제4항에 있어서, 상기 프레싱단계에 적용되는 프레싱장치는
    가압면에 복수개의 돌부들이 형성되는 가압판과, 상기 가압판을 상하 방향으로 이동시키는 구동부를 포함하고,
    상기 가압판의 직하부에 상기 리튬호일이 배치되면 상기 구동부에 의해 상기 가압판이 상기 리튬호일을 프레싱하여 패턴홈들을 형성시키는 것을 특징으로 하는 리튬일차전지용 음극 제조방법.
  6. 청구항 제5항에 있어서, 상기 리튬호일의 패턴홈의 깊이는 상기 리튬호일의 두께의 0.8% 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬일차전지용 음극 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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