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KR100189809B1 - 권취 극판군 - Google Patents

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KR100189809B1
KR100189809B1 KR1019960020770A KR19960020770A KR100189809B1 KR 100189809 B1 KR100189809 B1 KR 100189809B1 KR 1019960020770 A KR1019960020770 A KR 1019960020770A KR 19960020770 A KR19960020770 A KR 19960020770A KR 100189809 B1 KR100189809 B1 KR 100189809B1
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손욱
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Abstract

유공을 제공한 세퍼레이터를 갖는 전지는 전지 내에서 세퍼레이터의 체적을 감소시킴으로써 전지 내부 공간을 증가시켜 수명이 긴 전지이다.

Description

권취 극판군
제1도는 종래의 양극판, 음극판, 세퍼레이터 부품의 권취전 개략적인 분해 평면도.
제2도는 종래의 다른 양극판, 음극판, 세퍼레이터, 세퍼레이터 조각 부품의 권취전 개략적인 분해 평면도.
제3도는 종래의 또 다른 양극판, 음극판, 세퍼레이터, 세퍼레이터 조각 부품의 권취전 개략적인 분해 평면도.
제4도는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극판, 음극판, 세퍼레이터 부품의 권취전 개략적인 분해 평면도.
제5도는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 양극판, 음극판, 세퍼레이터, 세퍼레이터 조각 부품의 권취 전 개략적인 분해 평면도.
제6도는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양극판, 음극판, 세퍼레이터, 세퍼레이터 조각 부품의 권취전 개략적인 분해 평면도.
제7도는 본 발명의 세퍼레이터에 제공되는 유공의 형상, 수, 배치 방법을 설명하는 다양한 유공이 제공된 세퍼레이터의 설명도.
제8도는 원통형 전지의 구조를 나타내는 개략적인 분해도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 권취축 13 : 양극판
15 : 음극판 17 : 세퍼레이터
31 : 세퍼레이터 조각 41 : 세퍼레이터 조각
[산업상 이용 분야]
본 발명은 권취 극판군에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원통형 전지 또는 콘덴서 등과 같은 권취 극판군에 있어서, 원통형 구조를 갖는 전지의 용량 및 수명을 증가시키고, 내압을 감소시킬 수 있는 신규한 형상의 세퍼레이터를 갖는 권취 극판군에 관한 것이다.
[종래 기술]
원통형 전지 또는 콘덴서와 같이, 양극판과 음극판을 권취하여 제조하는 권취 극판군은 양극판과 음극판의 단락을 방지하기 위하여 양 극판 사이에 세퍼레이터를 갖는다. 본 발명은 이와 같이 양극판과 음극판 그리고 세퍼레이터를 갖는 권취 극판군에 관한 기술로서, 보다 상세한 설명을 위하여 권취 극판군의 대표적인 예인 원통형 전지, 특히 원통형 니켈 수소 전지를 예로 설명한다.
카메라, 캠코더, 휴대용 CD 플레이어, 휴대용 라디오/녹음재생기, 노트북, 컴퓨터, 무선 호출기 또는 휴대용 전화기 등의 각종 휴대용 전자 기기의 보급이 활발해지면서 이들의 작동에 소요되는 전지에 대하여 고용량화 및 장수명화 특성이 요구되고 있다.
일반적으로 전지라고 하는 것은 적당한 물질간의 접촉 전위 차이를 이용하여 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 것으로서, 그 종류는 매우 다양하다. 전지를 기술적으로 분류하면, 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 방전만이 행하여지는 1차 전지, 방전과 충전을 반복할 수 있는 2차 전지, 탄화수소류의 연소 열을 그대로 전기에너지로 변환시키는 연료 전지 그리고 빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지 등으로 분류할 수 있다. 또 전해액의 구성에 따라 알칼리 전지, 고체 전해질 전지, 및 비수용액 전지 등으로 분류할 수 있으며, 전지의 외관에 따라, 원통형 전지, 단추형 전지, 코인형 전지로 구분할 수 있다.
이중 원통형(Jetly-Roll type) 구조를 갖는 전지는 양극과 음극, 그리고 이들의 단락을 방지하기 위한 세퍼레이터와, 전해질 그리고 양극 단자 및 음극 단자로 이루어져 있는 전류를 방출하는 전지이다. 이들의 보다 상세한 구조를 제8도에 도시한 니켈 수소 전지를 예로 들어 설명하면 다음과 같다. 원통형 니겔수소 전지는 Ni(OH)2를 양극 활물질을 도포한 양극판(13)과 LaNi5, MmNi5, Ti-Fe 또는 Ti-Ni 합금 등을 주성분으로 하는 음극 활물질을 도포한 수소 저장 합금인 음극판(15)과 상기 양극판(13)과 음극판(15)의 단락을 방지하기 위하여 부직포 및 셀로판테이프로 등으로 이루어진 세퍼레이터(17)와 이들의 단자로서 양극 단자인 캡(19)과 음극 단자이면서 수납 장치 역할을 하는 케이스(12)를 포함하고 있으며, 이외에 안전변(23), 봉구판(25), 절연링(27), 절연판(29)을 갖고 있다.
이와 같은 원통형 니켈 수소 전지의 제조 방법은 다음과 같다. 먼저 양극 활물질 슬러리를 금속지지체 상에 도포, 건조 그리고 압연하여 양극판을 제조하고, 음극 활물질 슬러리를 금속지지체 상에 도포, 건조 그리고 압연하여 음극판을 제조한 후, 상기 양극판 및 음극판 사이에 세퍼레이터를 개재하여 권취하고, 상기 권취 상태로 조립된 극판과 세퍼레이터 조립체를 캔 내부에 삽입한 후, 전해액을 주입하고 상측 개구부에 캡 어셈블리를 장착하는 공정을 거쳐 제조한다.
상기와 같이 제조된 원통형 니켈 수소 전지의 충전 및 방전 반응을 상세히 설명하면 다음과 같다.
음극 활물질을 수소 저장 합금으로 하고, 양극 활물질을 니켈하이드록사이드로하고, 전해액으로는 포테슘하이드록사이드(KOH) 수용액을 사용하여 충전시 전해액 속의 물이 분해되어 생긴 수소 저장 합금이 저장하고 방전시에는 필요한 수소를 전해액 내로 방출하여 방전하며, 그 충전 및 방전 반응식은 다음과 같다.
상기 반응식에 있어서, M은 수소 이온을 흡수 및 방출할 수 있는 수소 저장 합금을 나타내는 것으로서, 회토류계 원소를 이용한 AB5계와 Ti, Zr, V 등을 이용하는 AB2계가 있다. 상기 식에서 니켈 수소 전지의 양극과 음극은 상기의 반응식에 따라 수백회 이상의 충전 및 방전이 가능하도록 되어 있다.
이와 같은 기능과 구조를 갖는 원통형 니켈 수소 전지를 제조하는 공정에 있어서, 제1도에 도시한 바와 같이, 세퍼레이터(17)를 중심으로 양극판(13)과 음극판(15)을 세퍼레이터의 반대 면에 위치시킨 후, 맨드렐(mandrel) 등을 이용하여 권취하는 공정이 있다. 그러나 양극과 음극의 단락을 방지하기 위하여 삽입되는 상기 세퍼레이터는 전지의 캔내에 많은 공간을 차지하여 전지내에 전해액 주입양이 줄고 전지 내부 공간이 감소하여 결국 전지의 용량을 줄이는 문제점을 야기한다. 그리고 상기와 같은 구조를 갖는 전지는 상기한 양극판(13), 음극판(15), 세퍼레이터(17)를 권취할 때 양극과 음극의 끝단부에서 세퍼레이터가 양극 크랙(crack) 등에 의하여 찢어져 양극과 음극의 단락이 자주 발생하는 문제점이 있다.
상기와 같은 크랙에 의한 단락을 방지하기 위하여 제2도에 도시한 바와 같이, 세퍼레이터 조각(31)을 양극판(13)과 음극판(15) 사이에 배치하여 세퍼레이터를 이중 배치하여 단락을 방지하는 기술이 개발되었다. 이와 같이 세퍼레이터(17)에 추가로 세퍼레이터 조각(31)을 배치할 경우 크랙 발생에 의한 단락은 감소되었으나, 세퍼레이터 조각(31)이 차지하는 공간의 또 다른 증가로 인하여 전지의 용량이 더욱 줄어드는 문제점이 있다.
최근에는 이와 같은 전지의 용량이 줄어드는 문제점을 해결하기 위하여 최근에는, 제3도에 도시한 바와 같이, 권취축을 중심으로 일측에만 작은 세퍼레이터 조각(41)을 설치하는 방법이 개발되었다. 그러나 이와 같은 방법 역시 세퍼레이터가 차지하는 용량을 줄이는데 한계가 있어 전지의 용량을 크게 증가시키지 못하는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점은 상기 일례로 든 원통형 니켈 수소 전지뿐만 아니라, 원통형 전지 및 원통형 콘덴서를 포함한 모든 권취 극판군에서 나타난다.
[본 발명이 해결하려 하는 과제]
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 본 발명의 목적은 세퍼레이터에 의한 캔 내부 공간의 축소와 전해액 주입양의 감소를 해결하여 캔 내부의 전해액 주입양이 크고, 내부압이 작으며, 수명이 긴 원통형 전지 또는 콘덴서 등과 같은 권취 극판군을 제공하는 것을 목적으로 한다.
[과제를 해결하기 위한 수단]
상기와 같은 븐 발명의 목적을 달성하기 위하어 본 발명은, 양극과, 상기 양극에 연결되어 있는 양극 단자와, 음극과, 상기 음극에 연결되어 있는 음극 단자와, 상기 음극과 양극의 단락을 방지하기 위하여 상기 양극과 상기 음극 사이에 제공되는 세퍼레이터와, 상기 양극과 음극에서 발생한 이온 이동을 매개하는 전해질을 포함하는 권취 극판군에 있어서, 상기 세퍼레이터는, 상기 세퍼레이터중 양극 및 음극과 대향하지 않는 부위에 다수의 유공을 갖는 것을 특징으로 하는 권취 극판군을 제공한다.
상기한 본 발명의 권취 극판군에 있어서, 상기 권취 극판군은 상기 양극 또는 음구의 상기 세퍼레이터와 대향하는 일면에 이중 세퍼레이터 조각을 더욱 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 이중 세퍼레이터 조각은 상기 양극과 음극 말단을 덮을 수 있는 크기이거나 또는 상기 권취체의 권취축으로부터 양극 말단을 덮을 수 있는 크기일 수 있다. 상기한 이중 세퍼레이터 조각중 양극 및 음극과 대향하지 않는 부위에 다수의 유공을 갖는 것이 바람직하다.
[바람직한 실시예의 설명]
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
제4도에 도시한 바와 같이, 크기 263 × 38 × 0.15㎜의 세퍼레이터(17)의 양면에 권취축을 중심으로 크기 114 × 35 × 0.73㎜의 양극판(13)과 크기 149 × 35 × 0.40㎜의 음극판(15)을 배치하고, 상기 양극판(13) 및 음극판(15)과 대향하지 않는 세퍼레이터 부위(36)에 반지름 1㎜의 다수의 유공을 설치한 후, 상기 양극판(13), 음극판(15), 세퍼레이터(17)를 권취축(11)을 중심으로 권취하여 캔에 수납하고 전해액을 주입한 후 포메이션하고 어셈블리하여 전지를 제조하였다.
[실시예 2]
제5도에 도시한 바와 같이, 크기 263 × 38 × 0.15㎜의 세퍼레이터(17)의 양면에 권취축을 중심으로 크기 114 × 35 × 0.73㎜의 양극판(13)과 크기 149 × 35 × 0.40㎜의 음극판(15)을 배치하고 상기 양극판(13)과 음극판(15)의 말단을 덮을 수 있는 크기 40 × 38 × 0.15㎜의 이중 세퍼레이터 조각(31)을 상기 양극판(13)의 세퍼레이터와 대향하는 일면에 배치하였다. 이때 상기 세퍼레이터(17)와 이중 세퍼레이터(31) 부위중 상기 양극판(13) 및 음극판(15)과 대향하지 않는 부위에 반지름 1㎜인 다수의 유공을 설치하였다. 그리고 상기 양극판(13), 음극판(15), 세퍼레이터(17), 작은 이중 세퍼레이터(31)를 권취축(11)을 중심으로 권취하여 전지 캔에 수납하고 전해액을 주입한 후 포메이션하고 어셈블리하여 전지를 제조하였다.
[실시예 3]
제6도에 도시한 바와 같이, 크기 263 × 38 × 0.15㎜의 세퍼레이터(17)의 양면에 권취축을 중심으로 크기 114 × 35 × 0.73㎜의 양극판(13)과 크기 149 × 35 × 0.40의 음극판(15)을 배치하고, 상기 양극판(13)의 말단과 권취축(11)을 덮을 수 있는 크기 26 × 38 × 0.15㎜의 작은 이중 세퍼레이터 조각(41)을 상기 양극판(13)의 세퍼레이터와 대향하는 일면에 배치하였다. 이때 상기 세퍼레이터(17)와 작은 이중 세퍼레이터(41) 부위중 상기 양극판(13) 및 음극판(15)과 대향하지 않는 부위에 반지름 1㎜인 다수의 유공을 설치하였다. 그리고 상기 양극판(13), 음극판(15), 세퍼레이터(17), 작은 이중 세퍼레이터(41)를 권취축(11)을 중심으로 권취하여 전지 캔에 수납하고 전해액을 주입한 후 포메이션하고 어셈블리하여 전지를 제조하였다.
[비교예 1]
제1도에 도시한 바와 같이, 크기 263 × 38 × 0.15㎜의 세퍼레이터(17)의 양면에 권취축을 중심으로 크기 114 × 35 × 0.73㎜의 양극판(13)과 크기 149 × 35 × 0.4㎜ 음극관(15)을 배치하고, 상기 양극판(13), 음극판(15), 세퍼레이터(17)를 권취축(11)을 중심으로 권취하여 전지 캔에 수납하고 전해액을 주입한 후 포메이션하고 어셈블리하여 전지를 제조하였다.
[비교예 2]
제2도에 도시한 바와 같이, 크기 263 × 38 × 0.15㎜의 세퍼레이터(17)의 양면에 권취축을 중심으로 크기 114 × 35 × 0.73㎜의 양극판(13)과 크기 49 × 35 × 0.40㎜의 음극판(15)을 배치하고, 상기 양극판(13)과 음극판(15)의 말단을 덮을 수 있는 크기 40 × 38 × 0.15㎜의 이중 세퍼레이터 조각(31)을 상기 양극판(13)의 세퍼레이터와 대향하는 일면에 배치하였다. 그리고 상기 양극판(13), 음극판(15), 세퍼레이터(17), 이중 세퍼레이터(31)를 권취축(11)을 중심으로 권취하여 전지 캔에 수납하고 전해액을 주입한 후 포메이션하고 어셈블리하여 전지를 제조하였다.
[비교예 3]
제3도에 도시한 바와 같이, 크기 263 × 38 × 0.15㎜의 세퍼레이터(17)의 양면에 권취축을 중심으로 크기 114 × 35 × 0.73㎜의 양극판(13)과 크기 49 × 35 × 0.40㎜의 음극판(15)을 배치하고, 상기 양극판(13)의 말단과 권취축(11)을 덮을 수 있는 크기 26 × 38 × 0.15㎜의 작은 이중 세퍼레이터 조각(41)을 상기 양극판(13)의 세퍼레이터와 대향하는 일면에 배치하었다. 그리고 상기 양극판(13), 음극판(15), 세퍼레이터(17), 작은 이중 세퍼레이터(41)를 권취축(11)을 중심으로 권취하여 전지 캔에 수납하고 전해액을 주입한 후 포메이션하고 어셈블리하여 전지를 제조하였다.
상기한 실시예 및 비교예에 따라 제조된 전지의 세퍼레이터의 체적 감소량, 전지에의 전해액 주입양, 전지내의 내부 압력 감소량, 전지의 수명을 측정한 결과는 하기(표)와 같다.
[표]
[효 과]
상기한 (표)에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 유공을 부여한세퍼레이터를 갖는 전지는 유공을 부여하지 않은 비교예의 세퍼레이터를 갖는 전지에 비하여 최대 7%의 체적이 감소되었으며, 이에 따라 캔에 주입된 전해액 주입양을 기준으로 전지 내부의 실내 공간 증가량은 최대 33% 증가하였다. 이와 같이 추가 확보된 내부 공간에 의하여 가스가 발생하였을 때 내압이 상승하는 것을 억제할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따라 유공을 갖는 세퍼레이터를 사용하여 제조한 전지는 내부 공간이 증가되어, 전해액 주입양 증가하고, 내부가스압을 감소시켜 전지의 수명이 종래의 것에 비하여 월등히 길어진 우수한 전지이다.
본 발명의 세퍼레이터에 제공되는 유공의 형상은 제7도에 도시한 바와 같이 원형, 삼각형, 사각형, 육각형, 팔각형 등 다양한 형태를 취할 수 있으며, 유공의 수도 하나 또는 둘 이상의 다양한 수로 제공될 수 있으며, 유공의 배치방법도 다양하게 할 수 있다.
이상에서 설명드린 바와 같이, 본 발명에 따른 유공을 갖는 세퍼레이터를 삽입할 경우 단락을 방지하면서도 전지 내부 공간이 증가되어, 전해액 주입양 증가하고, 내부 가스압을 감소시켜 전지의 수명이 종래의 것에 비하여 월등히 증가시킬 수 있는 본 발명의 효과는 상기한 원통형 니켈 수소 전지 뿐만 아니라 동일한 구조를 갖는 원통형 전지 또는 콘덴서와 같은 권취 극판군에서도 동일한 효과를 나타낼 수 있다.

Claims (9)

  1. 양극과, 상기 양극에 연결되어 있는 양극 단자와, 음극과, 상기 음극에 연결되어 있는 음극 단자와, 상기 음극과 양극의 단락을 방지하기 위하여 상기 양극과 상기 음극 사이에 제공되는 세퍼레이터와, 상기 양극과 음극의 전자 또는 양성자 이동을 매개하는 전해질을 포함하는 권취 극판군에 있어서, 상기 세퍼레이터는, 상기 세퍼레이터중 양극 및 음극과 대향하지 않는 부위에 다수의 유공을 갖는 것을 특징으로 하는 권취 극판군.
  2. 제1항에 있어서, 상기한 권취 극판군은 상기 양극 또는 음극의 상기 세퍼레이터와 대향하는 일면에 이중 세퍼레이터 조각을 더욱 포함하는 권취 극판군.
  3. 제2항에 있어서, 상기 이중 세퍼레이터 조각은 상기 양극과 음극 말단을 덮을 수 있는 크기인 포함하는 권취 극판군·
  4. 제2항에 있어서, 상기 이중 세퍼레이터는 상기 권취체의 권취축으로부터 양극 말단을 덮을 수 있는 크기인 권취 극판군.
  5. 제3항에 있어서, 상기 이중 세퍼레이터 조각중 양극 및 음극과 대향하지 않는 부위에 다수의 유공을 갖는 권취 극판군.
  6. 제4항에 있어서, 상기 이중 세퍼레이터 조각중 양극 및 음극과 대향하지 않는 부위에 다수의 유공을 갖는 권취 극판군.
  7. 제1항에 있어서, 상기한 유공의 형상은 원, 삼각형, 사각형, 육각형, 팔각형으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상인 권취 극판군.
  8. 제1항에 있어서, 상기한 권취 극판군은 원통형 전지 또는 원통형 콘덴서인 권취극판군.
  9. 제1항에 있어서, 상기한 권취 극판군은 원통형 니겔 수소 전지인 권취 극판군.
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