KR810000921B1 - 고온 축전지 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

고온 축전지

제1도는 본 발명에 의하여 구성한 원통현 고온 축전지의 구조를 보인 사시도.

제2도는 제1도의 A-A선에 따라 절취한 횡단면도.

제3도는 제1도 축전지의 종단면도이다.

본 발명은 고온 축전지, 더욱 상세히 설명하자면 전기 자동차의 동력원 또는 비성수기의 잉여 전력저장 등에 유용하게 활용될 수 있는 고온 축전지에 관한 것이다.

일반적으로, ＂고온 축전지＂라 하는 것은 축전치 자체의 온도를 상온이 아닌 어떤 특정온도, 예컨대 전해질염의 용융온도 이상으로 높여주어야만 축전지로서 작동하는 특수전지를 가르키는 것이다. 고온 축전지는 각종 무기물의 조합에 의하여 여러가지 종류의 것으로 제조할 수 있다는 것이 알려져 있다. 현재까지 개발된 고온 축전지중 그 실용성에 비추어 유망하다고 기대되는 것들은, 알카리 금속이나 알칼리토류 금속 또는 이들금속과 보다 안정한 다른 금속과의 합금을 축전지의 음극 활성물질로 또 금속 황화물 또는 금속산화물을 양극 활성 물질로 사용하고, 전술한 알칼리 금속 또는 알칼리 토류 금속의 이온을 함유하는 용융염을 전해액으로 이용하는 전지들이다. 예를 들면, 리튬, 나트륨 또는 칼슘 또는 이들의 알루미늄 또는 규소와의 합금을 음극 활성물질로 사용하는 한편, 황화철, 황화구리, 황화니켈, 황화코발트 또는 이들 황화물의 혼합물을 양극 활성물질로 사용하는 전지들이다.

그런데, 중요한 것은 이들 전지의 수명과 출력 등 전지의 성능은 전지의 구조에 크게 영향을 받는다는 사실이다. 따라서, 각종 구조의 전지가 제안되어 왔다.

예컨데, 1973년 11월 15일자 미합중국 특허 제3,887,396호에 의하여 제안된 축전지는 단추 모양인데, 높이가 직경에 비하여 훨씬 낮고, 내부의 전극들은 원판형으로 되어 있으며 적당한 크기의 격리판을 사이에 두고 양극과 음극이 수평으로 조립되어 있다. 그러나 이 축전지에 있어서는, 두개의 전극중 어느 하나의 전극에서 전극 단자를 전지 외부로 도출시켜야 하기 때문에 여러가지 복잡한 전극 구조를 요하는 결점이 있다.

또한 1975년 4월 3일자 이. 시. 게이와 에프. 제이. 마르티노(E.C. Gay F.J Martino)의 미합중국 특허 제3,933,520호는 먼저 망상 또는 다공성 형태의 집전체를 전극형태로에 만든 다음, 그 내부에 전극활성 물질을 채워서 전극을 제조하는 방법에 대하여 기재하고 있다. 그러나, 이와 같이 하여 제조된 전극을 사용하는 전지에 있어서는 표면에 노출된 집전체로 말미암아 전지가 손괴될 가능성이 높다는 의견이 지배적이다.

1976년 1월 20일자 디. 아르. 바이서스와 비. 제이. 타니(D.R. Vissers B.J Tani)의 미합중국 특허 제3,933,521호는 금속망으로 된 집전체에 금속 섬유를 채우고, 그 금속 섬유의 미세공중에 용융 알칼리 금속이 보유되도록 하되, 집전체의 면적을 증대시키기 위하여 집전체판 양면을 이용하는 전극을 제안하고 있다. 그러나, 일반적으로 알칼리 금속은 부식성이 높으므로, 이에 대한 내부직성 재료와 선정 및 기계적 충격에 대한 안정성 등이 문제점으로 지적되고 있다.

또, 1977년 1월 18일자 제이. 시. 홀(J.C. Hall)의 미합중국 특허 제4,003,753호는 사각형, 오각형, 또는 원형이나 벌집모양의 집전체 구조에 전극 활성 물질을 압입, 보지시킨 전극에 관하여 기재하고 있다. 그러나, 이 전극을 사용하는 전지 역시 전술한 특허 제3,887,396호에서와 마찬가지로 구조가 복잡하고 활성물질을 전극면에 균일하게 압입, 보지시키는 작업이 까다로와 실제 공업화에 문제점이 있다.

더욱이, 디. 아르, 바이서스와 그의 공동 발명자(D.R. Vissers et all)등의 미합중국 특허 제4,029,860호는 평판형 집전체의 전면에 망상 또는 평행한 띠 모양의 작은 구조물을 부착하고, 그 사이에 전극 활성 물질을 압입, 보지시킨 전극 구조에 관하여 기재하고 있으나, 이 역시 전술한 제이. 시. 홀의 전극과 유사한 결점을 갖고 있다.

전극판 사이에 삽입되는 격리판 재료로서 내화성 물질, 즉 직표형의 산화물 또는 질화물을 사용하는 축전지 [Progress Report of the Period, Argon National Laboratory-78-74(Oct. 1977-Sep.1978) 및 Development of Lithium metal sulfide Batteries, EPRI EM-716, Interim Report (June, 1978)]와 산화 마그네슘 분말을 격리판 대체품으로 사용하는 축전지(Extended Abstracts Electrochem. Soc. Meeting, Pittsuburg, Pa. Oct. 15-20, 78(2), 148(1978)가 있다. 예를 들면, 리튬-황화철-축전지에는 질화붕소 또는 산화이트륨으로 된 천이나 이들의 부직포가 사용되나, 직표 형태의 섬유로 만들기가 어렵고, 또 그 재료가 고가이기 때문에 제조가의 상승 요인이 되고 있다. 이들 고가의 재료를 대체하기 위한 재료로서, 마그네슘 분말이 내열성과 내약품성에 있어서 적합하기 때문에 이용도가 높아지고 있으나, 종래와 같은 판상 전근을 사용하는 각형 또는 원통형 축전지 구조에 있어서는 그 분말 격리층이 파괴되기 쉽기 때문에 실용화가 어려운 실정이다.

종전의 축전지들에 있어서 더욱 곤란한 문제는 여러 매수위 판상 또는 벌집형 또는 망상 집전체를 평행으로 설치하여야 하므로, 각 전극을 전지 내부에서 상호 연결한 다음, 전조 외부로 1개씩의 양. 음 전극 단자를 각각 돌출시켜야 하는 번거로움이 있고, 취급시 그 연결부에 파손이 일어나기 쉽다는 점이다.

전술한 바와 같이, 현재까지 개발된 축전지들은 동력 저장용의 특수 목적에 알맞는 높은 에너지 밀도 및 높은 출력 밀도를 갖는 고성능 축전지의 제작 가능성을 충분히 보여주고 있으나, 그 신뢰도나 가격면으로 볼 때, 아직도 실용적인 축전지를 제조하기 위해서는 여러가지 해결하여야 할 문제점들이 많다는 것을 알 수 있다.

또 종전과 같은 전극 구조체를 이용한 축전지에 있어서는 전극 반응에 직접 참여하지 않는 재료의 증가를 요하게 되므로, 축전지의 중량을 증가시키는 요인이 되고, 이로 인하여 전지의 에너지 밀도를 감소시키게 된다.

따라서, 본 발명의 주목적은 이러한 종전의 문제점들을 해결한 새로운 구조의 고성능 고온 축전지 구조를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 또 하나의 목적은 구조가 간단하고 집전체가 경량이며 격리판재의 신뢰도와 에너지 밀도가 높은 고온 축전지를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 양극 단자가 직접 외통에 일체로 부착된 구조의 새로운 고온 축전지를 제공하기 위한 것이다.

이러한 본 발명의 목적 및 기타 목적들은 하나의 원통형 전조내에 원통형으로 성형된 음극 활성 물질과 그 외측에 역기 원통형 또는 관형으로 성형된 양극활성물질을 배치하고 이 두개의 활성물질 사이에 하나의 원통형 격리판을 설치함으로서 달성할 수 있다.

본 발명에 의하면, 축전지 자체가 원주형으로 설계될 수 있으므로, 전극 구조를 간단히 할 수 있고, 따라서 전극 제조 공정이 단순화될 수 있다. 그러므로 복잡한 집전체의 중량이 추가 되지 않아 에너지 밀도가 높은 전극을 얻는 것이 가능하다. 또한, 전지 내부에 예리한 첨단부가 생기지 않게 되므로, 격리판의 파괴 요인을 제거할 수 있다. 그뿐만이니라, 분말 격리판재의 사용이 쉬워지기 때문에 제조 원가가 크게 절감될 수 있다. 더욱이, 전지 내부의 전지 재료가 전지의 상단부를 제외하고는 그 중심축을 중심으로 대칭되게 채워져 있으므로, 전극 활성물질이 기계적 충격에 대하여 안정하여 활성물질의 탈락으로 인한 전지 수명 감소현상이 억제될 수 있다.

이하, 본 발명을 첨부도면에 따라 설명한다.

제1-3도에 의하면, 전지(1)은 원통형 격리판(2)를 원통형전조(3)내에 삽입하고, 상기 격리판과 상기 전조사이에 양극 활성물질(4)를 위치시키고, 상기 격리판 내의 중앙에 배지한 중공의 관형 금속제음극 집전체(6)와 격리판사이에는 음극 활성물질(5)를 위치시킴으로써 구성된다. 상기 집전체(6)의 내부에는 봉상의 음극단자(7)이 압입된다. 양극단자(8)은 전지조립 후 전지덮개판(10)과 전조(3)의 내벽을 이어붙일때 전조상연부에 용접된다. 음극단자(7)은 음극 활성물질에 직접 연결하여 음극집전체(6)과 단일체로 구성하거나, 전술한 바와 같이 중공관형집전체(6)내에 압입시켜 연결할 수도 있다. 음극단자(7)은 절연봉구(9)를 통하여 외부로 신장되는데, 적절한 절연수단에 의하여 전조덮개판(10)과 절연된다. 양극 활성물질(4)와 접하고 있는 전조(3)은 양극 집전체 역할을 한다. 격리판(2)는 음. 양극간의 전자전도를 절연시키는 한편 이온전도만 이루어지도록 한다.

본 발명에 의한 전지의 바람직한 일예에 있어서, 음극(5)는 전지의 중심부에 있고, 양극(4)는 격리판을 사이에 두고 음극의 외부에 위치하는 것으로 있으나, 이와 반대로 배치도 가능하다. 다시 말하자면, 양극을 중심부에, 음극을 외측에 배치시킬 수 있는 것이다. 이 경우에는 전극 단자들의 극성만이 바뀌게 될 뿐이다. 또한 양. 음극의 전극중 하나는 봉상체이고 다른 하나는 원통 또는 관형으로 제각된다. 이러한 형태의 전극은 적당한 금형을 이용하여 압착 성형법에 의하여 1개씩 제조할 수 있다. 압출방법에 따라서는 연속적으로 제조될 수 있다. 압출되는 전극을 소요길이로 절단하면, 전지조립에 바로 이용될 수 있다. 그 절단길이의 크기에 따라 전극의 용량이 증감 되므로, 1회의 압출성형으로 별도의 용량치를 갖는 전극을 용이하게 얻을 수 있다.

다시, 제1도 및 제3도를 보면, 본 발명에의 한축전지의 구조는 전지(1)상부에 형성된 공간을 제외하고는 전지(1)내에 공간이 없도록 구성되므로, 분말 전극 활성물질을 가압. 성형한 전극(4, 5)의 원형(原形)유지가 용이하며, 종전의 각형 전지에서와 같이 활성 물질의 탈락 현상이 전혀 일어나지 않는다.

통상, 고온 축전지에서는 금속 산화물 또는 황화물 등을 양극 활성 물질로 사용하는데, 이들은 금속에 비하여 전기 전도도가 낮기 때문에 양극에서는 집전체의 표면적이 전지 성능에 영향을 주는 경우가 많다. 본 발명에 다른 원통형 축전지에서는 전조(3) 자체가 집전체로 작용할 수 있고 또 그 표면적도 상당히 넓으므로, 전조 (3)에 접하는 외축 전극을 양극으로 택하는 것이 유리하다.

덮개판(10)의 중심부에 위치하는 통공부(11)은 단자(7)과 동일재료로 만들어 지고 예컨대 특수 세라믹이나 프리트와 같은 절연재료를 경유하여 덮개(10)에 감착된 관으로 이루어져 있다. 통공부(11)을 통하여 단자(7)이 상부로 관통된다.

본 발명에 있어서 양극(4)는, 양극는 앞에서도 언급한 바있지만, 종전의 금속 산화물 또는 황화물이 이용되고, 음극(5)는 알칼리 금속 또는 알칼리 토류금속 또는 이들의 합금이 이용된다. 알칼리 금속 또는 알칼리 토류 금속의 이온을 함유하는 용융염이 전해액으로 이용된다는 것은 본 발명의 서두에서 일찌기 언급한 바와 같다. 용융 금속, 즉 염화리튬-염화칼륨l(iCl-KCl)등의 알칼리 또는 알칼리토류 금속의 이온을 함유하는 조성물 역시 전해액으로 사용될 수 있다는 것은 전술한 바와 같다.

공간(12)에는 마그네시아와 질화붕소의 분말 혼합물 또는 질화붕소 분말 단독으로 채워진다. 용융 전해질염과 함께 이들재료의 습윤도가 낮기 때문에, 통공부 주변에 있는 부품들의 부식률을 저하시킬 수 있다. 그러므로, 부식 생성물에 의한 통공부 주위에서의 단락 형성으로 인한 빈번한 축전지 작용의 감퇴 현상을 예방할 수 있다.

이하, 본 발명을 구체적인 예를 들어 설명하겠다. 본 발명에 의하여 90WH의 용량을 갖는 고온 축전지를 제작하기 위하여, 다음의 설계치가 마련될 수 있다.

이와 같이 제작된 전지는 그 내부에 함유되어 있는 전해질염인 염화리튬-염화칼륨(LiCl-KCl)이 충분히 용융되고 양극과 음극의 활성물질들이 충분히 활성을 유지하기 위하여 전지의 사용온도를 400-450℃정도로 가열하여 유지하여야 한다.

이와 같은 전지사용 조건이 이루어 졌을때 전지내에서 일어나는 기전력 반응은 전체적으로 다음과 같은 반응식으로 표현된다.

상기 설계치 의하여 작한 전지를 5암페어로 방전시킬 경우의 시간 경과에 따른전지 전압의 변동은 다음과 같다.

본 발명의 바람직한 일예에 있어서는, 봉상, 또는 원통형 또는 관형 전극을 사용한 예에 관하여 설명하였으나, 이들 대신 각주 및 각관형 전극을 본 발명의 전지에 사용하여도 무방하다.

Claims (1)

1. 알칼리 금속, 알칼리 토류 금속 또는 이들의 합금을 음극(5)로 하고, 금속 산화물 또는 황화물을 양극(4)로 하며, 상기 알칼리 금속, 알칼리 토류 금속 이온을 함유하는 용융염을 전해질로 이용하는 고온 축전지의 구조에 있어서, 원통형 전조(3)내에 원형의 성형된 음극 활성물질과 외측에 역시 원통형 또는 관형으로 성형된 양극 활성물질을 배치하고, 이 두개의 활성물질 사이에 하나의 원통형 격리판(2)를 설치하는 것이 특징인 고온 축전지.

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