KR100914732B1 - 축전지용 다층구조의 극판 및 그 제조방법 - Google Patents

축전지용 다층구조의 극판 및 그 제조방법

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Abstract

본 발명은 축전지용 다층구조의 극판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판; 상기 기판 상에 활물질이 도포되어 형성된 활물질층; 상기 활물질층에 내재되고, 상기 활물질 입자의 출입이 가능한 통공을 가지는 지지체; 및 상기 활물질층의 외측면에 형성되어, 활물질의 탈리를 방지하는 다공질 활탈 방지막을 포함하는 축전지용 다층구조의 극판 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 활물질층에 내재된 지지체에 의해 지지 강도가 향상되고, 작업 공정에서 발생되는 극판의 휨 현상과 충/방전 시에 발생되는 극판의 성장이 억제되는 효과를 갖는다. 이에 따라, 축전지의 제조 작업성이 개선되며, 전기적 성능 및 수명성이 향상된다.

Description

축전지용 다층구조의 극판 및 그 제조방법 {ELECTRODE PLATE WITH MULTI-LAYER FOR BATTERY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 축전지용 다층구조의 극판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 축전지용 극판을 구성함에 있어서, 활물질층의 외측면에 활물질이 탈리되는 것을 방지하는 다공질 필름막을 이용한 활탈 방지막을 형성하되, 이에 더하여 상기 활물질층의 내부에 극판의 휨 현상과 충/방전 시의 성장을 억제할 수 있는 내부 지지체를 형성함으로써, 축전지의 제조 작업성을 개선하고, 전기적 성능 및 수명을 향상시킬 수 있는 축전지용 다층구조의 극판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 납축전지(연축전지), 니켈-수소(Ni-MH) 전지, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지 등의 축전지는, 양극판과 음극판이 격리판을 사이에 두고 교호로 적층된 극판군을 갖는다. 축전지는 위와 같은 극판군이 전조에 내장된 후, 전해액이 함침된 상태에서 전조의 상부에 커버를 밀폐, 결합함으로써 제작, 완성된다. 그리고 양극판과 음극판은 (+)단자와 (-)단자에 각각 연결되며, 단자는 전조의 외부에 노출된다. 축전지는 전원을 필요로 하는 기기의 형태 및 용도에 따라 여러 가지 형상을 가지는데, 원통형 또는 다각주형(일례로, 직사각형) 등과 같은 전지가 보편적으로 많이 사용된다.
극판(양극판 및 음극판)은, 일반적으로 기판; 및 상기 기판의 양면에 페이스트(paste) 상의 전극 활물질이 도포되어 고착된 활물질층을 갖는다. 활물질층은 전해액의 함침에 의해 전기적인 성능을 발휘한다. 예를 들어, 납축전지의 경우에는 극판의 활물질로서 양극(+)으로는 이산화납(PbO2)이 주로 사용되고, 음극(-)으로는 납(Pb)이 주로 사용되며, 전해액으로는 황산(H2SO4)이 주로 사용된다. 이때, 외부 기기에 연결되면 양극(+)과 음극(-)의 활물질이 황산납(PbSO4)으로 변화되면서 방전되고, 반대로 전기가 공급되면 황산납(PbSO4)이 다시 PbO2(+)와 Pb(-)로 변화되면서 충전된다. 이러한 납축전지의 기판으로는 납 합금, 예를 들어 납(Pb)-칼슘(Ca) 합금이나 납(Pb)-안티몬(Sb) 합금을 재질로 하여, 주로 주형을 이용한 중력주조방식이나 연속압연공법을 이용한 익스팬딩방식 등으로 제조된다. 또한, 니켈-수소(Ni-MH) 전지의 경우에는, 양극판은 니켈(Ni) 폼 메탈(양극 기판)에 니켈산화물(양극 활물질)이 고착되어 구성되고, 음극판은 니켈(Ni) 펀칭 메탈(음극 기판)에 수소저장합금(음극 활물질)이 고착되어 구성된다.
도 1은 종래 기술에 따른 극판으로서, 납축전지에 일반적으로 사용되고 있는 극판의 구조를 보인 사시도이다. 도 1을 참조하면, 극판은 주로 격자(grid) 구조를 가지는 기판(1)의 양면에 활물질이 도포되어 형성되어 형성된 활물질층(2)을 갖는다. 도 1에서 도면 부호 1a는 극판 간의 전기적인 연결을 위한 극탭이다.
그러나 도 1에 보인 바와 같은 극판은 기판(1)에 도포되어 있는 활물질이 탈리(활탈)되어 전기적 성능이 저하되고, 이후 작업 공정(스태킹, 극판군 용접, 전조 내부로의 내장 등)에서 어려움이 많았다. 또한, 활탈로 인해 기판(1)이 전해액에 직접적으로 노출되어 부식성 증가에 의한 기판의 내식성 감소로 조기에 수명이 다하는 현상이 발생하였다. 이에 따라, 활물질층(2)의 외측면에 페이퍼(paper)를 부착하여 활물질을 방지하고 하는 기술이 시도되었다. 그러나 페이퍼는 비다공성으로 인하여 전해액이 활물질 입자 사이로 침투, 확산하는 것을 방해하여 축전지의 초기 고율방전 특성을 크게 저하시킬 뿐만 아니라, 전해액에 녹아있는 페이퍼를 제거하기 위한 덤핑공정이 추가적으로 필요한 문제점이 지적되었다. 아울러, 덤핑공정을 실시한다 하더라도 전해액에 존재하고 있는 페이퍼가 완전히 제거되지 않아, 전해액에 잔존하는 페이퍼에 의해 전기 저항이 증가되어 축전지의 전기적 성능이 저하되는 문제점이 있었다.
이에 따라, 위와 같은 페이퍼를 대체하기 위한 활탈 방지막으로서 부직포나 섬유강화페이퍼를 적용한 기술이 제시되었다. 대한민국 공개특허 제1999-0060539호(등록공고 제0250381호; 선행 특허문헌 1)에는 활물질층(2)을 도포(도장)한 도장 극판의 상하면에 부직포를 부착시킨 축전지가 제시되어 있으며, 대한민국 공개특허 제2006-0054849호(등록 제0603908호; 선행 특허문헌 2)에는 활물질층(2)에 섬유강화페이퍼를 가압 접착시킨 축전지용 극판이 제시되어 있다.
그러나 상기 선행 특허문헌들을 포함한 종래 기술에 따른 극판은 다음과 같은 문제점이 있다.
활물질층(2)에 부직포나 섬유강화페이퍼로 구성된 활탈 방지막을 형성한 경우 활탈을 방지할 수 있다. 그러나 상기 선행 특허문헌들에 제시된 기술은, 단지 활물질층(2)의 외각 표면에 존재한 활물질의 탈리를 방지하는 것으로서, 활물질층(2)의 내부(중간)에 존재한 활물질 입자들 간의 결합력이나, 기판(1)과 활물질층(2) 간의 결합력은 도모하지 못하고 있다.
또한, 축전지를 제조함에 있어서는 기판(1)에 활물질을 도포하여 극판을 제조한 다음 스태킹, 극판군 용접, 전조 내부로의 내장 등의 다수의 후속 공정을 거치는데, 이때 상기 선행 특허문헌들을 포함한 종래 기술에 따른 극판은 지지 강도가 부족하고 활물질 입자들 간의 결합력 및 기판(1)과 활물질층(2) 간의 결합력이 약하여, 상기와 같은 후속 공정에서의 충격에 의해 극판이 휘어지는 현상이 발생되고 전기적인 성능이 저하되어 불량률이 많이 발생되는 문제점이 있다.
아울러, 축전지의 조기 수명 단축의 원인으로는 충/방전 시 발생되는 극판의 성장에서 기인된 쇼트를 들 수 있는데, 상기 선행 특허문헌들을 포함한 종래 기술은 극판의 성장에 대한 대응이 없어 수명성이 떨어지는 문제점이 지적된다.
[선행 특허문헌 1] 대한민국 공개특허 제1999-0060539호
[선행 특허문헌 2] 대한민국 공개특허 제2006-0054849호
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 활물질층의 외측면에 다공질 필름막을 이용하여 활탈 방지막을 형성하되, 상기 활물질층의 내부에 극판의 휨 현상과 충/방전 시의 성장을 억제하기 위한 내부 지지체를 형성함으로써, 축전지의 제조 작업성이 개선되며, 전기적 성능 및 수명성이 향상된 축전지용 다층구조의 극판 및 그 제조방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
기판;
상기 기판 상에 활물질이 도포되어 형성된 활물질층;
상기 활물질층에 내재되고, 상기 활물질 입자의 출입이 가능한 통공을 가지는 지지체; 및
상기 활물질층의 외측면에 형성되어, 활물질의 탈리를 방지하는 다공질 활탈 방지막을 포함하는 축전지용 다층구조의 극판을 제공한다.
본 발명에 따른 극판은 기판; 제1활물질층; 내부 필름막 지지체; 제2활물질층; 및 다공질 활탈 방지막을 포함하는 다층구조를 가질 수 있다.
이때, 상기 지지체의 통공은 10 ㎜ ~ 35 ㎜의 크기인 것이 바람직하고, 상기 다공질 활탈 방지막의 다공도는 50 ~ 150 ppi(활탈 방지막 1 inch 당 기공의 개수)인 것이 좋다.
본 발명의 구현예에 따라서, 상기 기판의 어느 한쪽 일면에 형성된 지지체와 반대 쪽 타면에 형성된 기지체가 하나의 지지체로 구성될 수 있다. 아울러, 상기 활물질층과 다공질 활탈 방지막의 접촉 계면은 요철면을 가질 수 있다.
또한, 본 발명은,
기판 상에 활물질을 1차 페이스팅하여 제1활물질층을 형성하는 단계;
상기 제1활물질층 상에 통공을 가지는 지지체를 적층하는 단계;
상기 지지체 상에 활물질을 2차 페이스팅하여 제2활물질층을 형성하는 단계; 및
상기 제2활물질층 상에 다공질 필름 활탈 방지막을 부착하는 단계;를 포함하는 축전지용 다층구조 극판의 제조방법을 제공한다.
이때, 상기 다공질 활탈 방지막을 부착하는 단계는,
상기 제2활물질층 상에 다공질 활탈 방지막을 적층하는 공정 a); 및
상기 다공질 활탈 방지막을 롤러로 압착하여 제2활물질층와 다공질 활탈 방지막을 열 융착하는 공정 b);를 포함하는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 공정 b)는 다공질 활탈 방지막을 엠보 롤러로 압착하여 제2활물질층과 다공질 활탈 방지막의 접촉 계면에 요철면을 갖게 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 활물질층의 외측면에 형성된 다공질 활탈 방지막에 의해 활물질의 탈리가 방지됨은 물론, 활물질층에 내재된 내부 지지체에 의해 지지 강도가 향상되고, 작업 공정에서 발생되는 극판의 휨 현상과 충/방전 시에 발생되는 극판의 성장이 억제되는 효과를 갖는다. 이에 따라, 축전지의 제조 작업성이 개선되며, 전기적 성능 및 수명성이 향상된다.
도 1은 종래 기술에 따른 축전지용 극판의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1형태에 따른 극판의 사시 구성도이다.
도 3은 상기 도 2의 A-A선 단면 구성도이다.
도 4는 본 발명에 적용되는 지지체의 예시적인 구현예를 보인 평면 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제2형태에 따른 극판의 단면 구성도이다.
도 6은 상기 도 5에 보인 극판의 요부 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제3형태에 따른 극판의 평면 구성도이다.
도 8은 본 발명의 제4형태에 따른 극판의 평면 구성도이다.
도 9는 본 발명에 따른 극판의 제조방법을 설명하기 위한 일부 공정도이다.
도 10은 전해액의 온도 변화에 따른 용량 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 고율방전시간 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 싸이클 수명 시험 테스트를 한 후의 극판 사진이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 기판 20, 20' : 활물질층
21, 21' : 제1활물질층 22, 22' : 제2활물질층
30, 30' : 지지체 35 : 통공
40, 40' : 다공질 활탈 방지막 100 : 극판
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 실시예를 도시한 것으로, 이는 본 발명의 이해를 돕도록 하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 제1형태에 따른 극판의 사시 구성도이고, 도 3은 상기 도 2의 A-A선 단면 구성도이며, 도 4는 본 발명에 적용되는 내부 필름막 지지체의 예시적인 구현예를 보인 평면 구성도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 극판(100)은 기판(10); 활물질층(20)(20'); 지지체(30)(30'); 및 다공질 활탈 방지막(40)(40')을 포함하는 다층구조를 갖는다.
상기 기판(10)은 통상과 같은 것이 사용될 수 있으며, 예를 들어 납축전지(연축전지)인 경우 격자(grid) 구조를 가지는 것으로서, 주형을 이용한 중력주조방식이나 연속압연공법을 이용한 익스팬딩방식 등으로 제조된 것을 사용할 수 있다. 이러한 기판(10)의 재질은 납 합금, 예를 들어 납(Pb)-칼슘(Ca) 합금이나 납(Pb)-안티몬(Sb) 합금 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 니켈-수소(Ni-MH) 전지인 경우, 상기 기판(10)은 예를 들어 니켈(Ni) 폼 메탈이나 니켈(Ni) 펀칭 메탈 등을 사용할 수 있다. 도 2에서 도면 부호 12는 극판(100) 간의 전기적인 연결을 위한 극탭이다.
상기 활물질층(20)(20')은 통상과 같은 활물질이 기판(10) 상에 페이스팅(도포)되어 형성된 것으로서, 예를 들어 납축전지인 경우 납화합물(예, PbO2)을 주재료로 하는 페이스트(양극 활물질)나, 납(Pb)을 주재료로 하는 페이스트(음극 활물질)가 도포되어 형성될 수 있다. 또한, 니켈-수소(Ni-MH) 전지인 경우, 상기 활물질층(20)(20')은 니켈산화물(양극 활물질)이나 수소저장합금(음극 활물질)이 고착되어 형성될 수 있다. 아울러, 상기 활물질에는 페이스트화를 위한 용액이나 활물질 입자 간의 결합을 위한 바인더로서 고분자물질(바람직하게는 전도성 고분자)을 더 포함할 수 있다. 기판(10) 상에 도포된 활물질은 소결이나 열 압착, 냉간 압착 등의 방법으로 기판(10)에 고착될 수 있다.
이때, 상기 활물질층(20)(20')의 내부에는 본 발명에 따라서 적어도 하나 이상의 내부 지지체(30)(30')가 내재된다. 구체적으로 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 극판(100)은 활물질층(20)(20')의 내부, 즉 제1활물질층(21)(21')과 제2활물질층(22)(22')의 사이에 내부 지지체(30)(30')가 개재된 다층구조를 갖는다. 도 2 및 도 3은, 본 발명에 따른 극판(100)의 예시적인 형태를 보인 것으로서, 기판(10)의 양면(도 3에서 상부면 및 하부면)에 순차적으로 제1활물질층(21)(21'), 지지체(30)(30'), 제2활물질층(22)(22') 및 다공질 활탈 방지막(40)(40')이 형성된 다층구조를 보인 것이다. 이때, 도 2 및 도 3은, 제1활물질층(21)(21')과 제2활물질층(22)(22')의 사이에 1장의 지지체(30)(30')가 개재된 모습을 보여준다.
또한, 도 2 및 도 3에 예시한 바와 같이, 활물질층(20)(20')의 내부에는 1장의 내부 지지체(30)(30')가 개재될 수 있으나, 본 발명의 다른 구현예에 따라서는 활물질층(20)(20')의 내부에는 2장 이상의 내부 지지체(30)(30')가 개재될 수 있다. 예를 들어, 상기 활물질층(20)(20')이 제1활물질층(21)(21'), 제2활물질층(22)(22') 및 제3활물질층(도시하지 않음)으로 구분되고, 상기 내부 지지체(30)(30')는 제1활물질층(21)(21')과 제2활물질층(22)(22')의 사이에 1장, 그리고 제2활물질층(22)(22')과 제3활물질층의 사이에 1장이 개재되어, 활물질층(20)(20')의 내부에 2장의 내부 지지체(30)(30')가 개재될 수 있다. 또한, 도 2 및 도 3에서는 제1활물질층(21)(21')과 제2활물질층(22)(22')의 사이에는 1장의 내부 지지체(30)(30')가 개재된 모습을 예시하였지만, 상기 제1활물질층(21)(21')과 제2활물질층(22)(22')의 사이에는 2장 이상의 내부 지지체(30)(30')가 적층되어 내재될 수 있다. 이러한 지지체(30)(30')는 0.01 ㎜ ~ 0.2 ㎜의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 지지체(30)(30')는 1장의 두께가 0.001 ㎜ ~ 0.2 ㎜인 것을 사용할 수 있으며, 2장 이상을 적층하여 0.2㎜ 이하의 두께를 갖도록 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 내부 지지체(30)(30')에 의해 극판(100)의 지지 강도가 보강된다. 구체적으로, 본 발명에 따른 극판(100)은 주 뼈대 역할을 하는 기판(10)에 의해 소정의 지지력을 확보함은 물론, 보조 뼈대 역할을 하는 내부 지지체(30)(30')에 의해 지지 강도가 보강되어 우수한 지지력을 갖는다. 또한, 상기 내부 지지체(30)(30')에 의해 활물질 입자들 간의 결합력이 향상된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 위와 같이 지지 강도의 보강 및 활물질 입자들 간의 결합력 향상으로 인하여, 후속 공정(스태킹, 극판군 용접, 전조 내부로의 내장 등)에서 충격에 의해 발생될 수 있는 극판(100)의 휨 현상이 방지된다. 아울러, 충/방전 시 발생될 수 있는 극판(100)의 성장이 억제된다. 이에 따라, 후속 공정에서 축전지의 제조 작업성이 개선되고, 전기적 성능이 저하되거나 조기 수명이 단축되는 현상이 방지된다.
상기 내부 지지체(30)(30')는 활물질 입자의 출입이 가능한 통공(35)을 가지면 여기에 포함한다. 구체적으로, 상기 내부 지지체(30)(30')는 활물질의 입자보다 큰 통공(35)을 가지면 좋다. 이러한 내부 지지체(30)(30')의 통공(35)에 의해 제1활물질층(21)(21')과 제2활물질층(22)(22')은 상호 연결되어 전기적으로 통전된다. 즉, 도 3에 도시한 바와 같이, 제1활물질층(21)(21')과 제2활물질층(22)(22')은 통공(35)에 매입된 활물질에 의해 일체적으로 연결된다.
상기 내부 지지체(30)(30')는 위와 같이 활물질 입자의 출입이 가능한 통공(35)을 가지는 것으로서, 예를 들어 섬유 메쉬(mesh), 유리 섬유, 직물(통상, 천), 부직포 및 플라스틱 필름 등으로부터 선택될 수 있다. 이때, 상기 유리 섬유, 직물, 부직포 및 플라스틱 필름 등의 경우에는 활물질 입자의 출입이 자유롭도록 인위적으로 통공(35)을 천공하여 사용할 수 있다. 또한, 상기 섬유 메쉬는 네트(net) 구조를 가지는 것으로서, 이러한 섬유 메쉬는 x-y 평면 상(2차원)의 네트 구조; 및 x-y-z 입체 상(3차원)의 네트 구조를 가지는 것을 포함한다.
도 4는 내부 지지체(30)(30')의 예시적인 구현예를 도시한 것으로서, x-y 평면 상(2차원)의 네트 구조를 가지는 섬유 메쉬를 도시한 것이다. 도 4에 예시한 바와 같이, 상기 내부 필름막 지지체(30)(30')는 x-축의 가로 섬유사(31)와 y-축의 세로 섬유사(32)를 포함하여, 이들(31)(32)에 의해 통공(35)을 가지는 네트 구조의 섬유 메쉬를 사용할 수 있다.
또한, 상기 지지체(30)(30')에 형성된 통공(35)의 크기는 활물질의 입자 크기 이상이면 가능하며, 예를 들어 0.1 ㎜ 이상, 바람직하게는 10 ㎜ 이상의 크기를 가질 수 있다. 통공(35)은, 보다 바람직하게는 10 ㎜ ~ 35 ㎜의 크기를 가지는 것이 좋다. 이때, 통공(35)의 크기가 10 ㎜미만으로서 너무 작으면 활물질의 자유로운 통과가 어렵고 활물질층(20)(20') 간의 결합력 도모가 어려울 수 있으며, 35 ㎜를 초과하여 너무 크면 지지 강도의 보강 효과가 미미할 수 있다. 아울러, 특별히 한정하는 것은 아니지만, 통공(35)의 다공도는 50 ~ 150 ppi(pixel per inch)의 범위가 될 수 있다. 구체적으로, 상기 내부 지지체(30)(30')의 길이 1 inch 내에 존재하는 통공(35)의 개수(다공도)는 50 ~ 150 ppi(길이 1 inch 당 통공의 개수)가 될 수 있다. 이때, 통공(35)의 다공도가 50 ppi 미만이면 지지체(30)(30')와 활물질 간의 결합력, 그리고 제1활물질층(21)(21')과 제2활물질층(22)(22') 간의 결합력 및 접촉력(전도성)이 다소 부족할 수 있으며, 다공도가 150 ppi를 초과하는 경우 지지력 보강도가 약해질 수 있다.
상기 다공질 활탈 방지막(40)(40')은 활물질층(20)(20')의 외측면에 형성되어, 활물질의 탈리를 방지하기 위한 것으로서, 이는 전해액의 출입은 가능하고 활물질의 입자의 출입은 불가능한 미세 기공을 가지는 것이면 여기에 포함한다. 구체적으로, 상기 미세 다공질 활탈 방지막(40)(40')은 활물질의 입자보다 작은 기공을 갖는 액체 투과성으로서, 예를 들어 직물이나 부직포 등의 섬유 시트; 및 미세다공질 필름막 등으로부터 선택될 수 있다. 이때, 상기 미세 다공질 필름막은, 플라스틱 필름에 활물질의 입자보다 작은 미세 기공을 기계적으로 천공한 것이거나, 플라스틱 수지 원료에 탄산칼슘 등의 기포제를 첨가해 성형(압출 또는 사출)함으로써 필름에 미세 기공을 형성한 것을 사용할 수 있다.
상기 미세 다공질 활탈 방지막(40)(40')에 형성된 미세 기공은, 특별히 한정하는 것은 아니지만 0.1 ㎜ 이하, 바람직하게는 전해액의 출입은 자유롭고 활물질 입자의 이동은 불가능한 크기로서 0.1 ㎛ ~ 5.0 ㎛의 범위가 좋으며, 보다 바람직하게는 3.0 ㎛ ~ 5.0 ㎛의 범위가 좋다. 또한, 상기 미세 다공질 활탈 방지막(40)(40')은 전해액의 침투 및 확산이 좋도록 50 ~ 150 ppi의 다공도를 가지는 것이 좋다. 구체적으로, 미세 다공질 활탈 방지막(40)(40')의 길이 1 inch 내에 존재하는 미세 기공의 개수(다공도)는 50 ~ 150 ppi(길이 1 inch 당 미세 기공의 개수)가 될 수 있다. 이때, 다공도가 50 ppi 미만이면 전해액의 침투 및 확산이 용이하지 못하여 초기 고율방전 특성이 양호하지 않을 수 있으며, 다공도가 150 ppi를 초과하는 경우 미세다공질 필름 활탈 방지막(40)(40')의 인장 강도 등이 약해질 수 있다.
한편, 도 2 및 도 3에 보인 바와 같은 극판(100)은, 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다.
먼저, 기판(10)의 일면(도 3에서 상부면)과 반대 쪽 타면(도 3에서 하부면)에 활물질을 1차 페이스팅(도포)하여 제1활물질층(21)(21')을 형성한다. 그리고 상기 제1활물질층(21)(21') 상에 내부 지지체(30)(30'), 예를 들어 도 4에 보인 바와 같은 직조형 섬유 메쉬를 적층한다. 다음으로, 상기 내부 지지체(30)(30') 상에 활물질을 2차 페이스팅(도포)하되, 내부 필름막 지지체(30)(30')의 통공(35)에 활물질을 매입되도록 페이스팅(도포)하여 제2활물질층(22)(22')을 형성한다. 이때, 활물질 입자들이 긴밀히 밀착되고 내부 지지체(30)(30')의 통공(35)에 활물질이 충분이 매입되도록, 내부 지지체(30)(30') 상에 활물질을 2차 페이스팅(도포)한 다음에는 롤러(roller)를 이용하여 압착하는 것이 좋다. 이와 같이 제2활물질층(22)(22')을 형성한 다음에는 그 위에 미세 다공질 활탈 방지막(40)(40')을 부착, 형성하면, 도 2 및 도 3에 보인 바와 같은 극판 제조될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2형태에 따른 극판(100)의 단면 구성도이고, 도 6은 상기 도 5에 보인 극판(100)의 요부 사시도이다.
상기 내부 지지체(30)(30')는 기판(10)의 상부 및 하부에 위치되어지되, 도 3에 도시한 바와 같이 기판(10)의 상부 위치된 것(30)과 하부에 위치된 것(30')이 각각 적층되어 별개의 지지체(30)(30')로 구성되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 내부 지지체(30)(30')는 본 발명의 예시적인 구현예에 따라서 기판(10)의 상부에 위치된 것(30)과 하부에 위치된 것(30')이 하나의 지지체(30)(30')로 구성될 수 있다. 이를 도 5 및 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 5 및 도 6을 참조하여 설명하면, 본 발명의 다른 구현예에 따라서는 극판(100)의 어느 한쪽 일면(도 5에서 상부면)에 형성된 내부 지지체(30)와, 반대 쪽 타면(도 5에서 하부면)에 형성된 내부 지지체(30')는 하나의 지지체(30)(30')로 구성되어 일체로 될 수 있다. 구체적으로, 기판(10)의 일면(도 5에서 상부면) 상에 위치된 내부 지지체(30)와, 반대 쪽 타면(도 5에서 하부면) 상에 위치된 내부 지지체(30')는 1장의 지지체(30)(30')가 감겨져 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 1장의 지지체(30)(30')를 기판(10)의 일면(도 5에서 상부면) 상에 위치된 제1활물질층(21) 상에 적층한 다음, 기판(10)의 측면 쪽으로 감아서 기판(10)의 반대 쪽 타면(도 5에서 하부면) 상에 위치된 제1활물질층(21') 상으로 연장되게 적층함으로써, 기판(10)의 상하부면에 위치된 지지체(30)(30')가 하나로 구성되게 할 수 있다. 이때, 제2활물질층(22)(22')을 위한 활물질의 도포, 압착에 의해 상하부 지지체(30)(30')의 끝단은 고착된다.
지지체(30)(30')를 구성함에 있어서, 위와 같이 상하부의 지지체(30)(30')를 하나 구성하여 일체로 연장되게 경우, 기판(10)과 활물질층(20)(20') 간의 결합력이 보다 향상될 수 있다. 즉, 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 기판(10)과 제1활물질층(21)(21')이 1장의 지지체(30)(30')에 의해 감싸지게 되어, 기판(10)과 제1활물질층(21)(21')은 견고한 결합력을 갖는다. 그리고 상기 제2활물질층(22)(22')은 압착에 의해 통공(35)에 매입된 활물질을 연결 매개로 하여 제1활물질층(21)(21')과 일체감을 갖는다. 이에 따라, 극판(100)의 지지 강도가 더 향상됨은 물론, 기판(10)과 활물질층(20)(20') 간의 결합력이 강화되어, 후속 공정에서 발생될 수 있는 극판(100)의 휨 현상과, 충/방전 시에 발생될 수 있는 극판(100)의 성장이 보다 효과적으로 억제된다.
도 7은 본 발명의 제3형태에 따른 극판(100)의 평면 구성도이고, 도 8은 본 발명의 제4형태에 따른 극판(100)의 평면 구성도이다.
상기 내부 지지체(30)(30')는 극판(100)의 평면상에서 볼 때 전체 부분, 윗부분, 아랫부분 또는 중간부분에 적용될 수 있다. 구체적으로, 도 2에서와 같이, 내부 지지체(30)(30')는 평면상에서 볼 때 활물질층(20)(20')의 전체 면적에 대응되는 면적(가로 x 세로의 면적이 활물질층의 면적과 동일)으로 개재되거나, 또는 도 7에 예시한 바와 같이 활물질층(20)(20')의 윗부분에만 적용될 수 있는 면적으로 개재될 수 있다. 또한, 내부 지지체(30)(30')는 도 8에 예시한 바와 같이 활물질층(20)(20')의 중간부분에만 적용될 수 있는 면적으로 개재될 수 있다.
한편, 도 9는 본 발명에 따른 극판(100)의 제조방법을 설명하기 위한 일부 공정도이다.
도 9를 참조하여 설명하면, 상기 미세 다공질 활탈 방지막(40)(40')을 형성함에 있어서는, 상기 활물질층(20)(20'), 즉 제2활물질층(22)(22') 상에 미세 다공질 활탈 방지막(40)(40')을 적층한 다음, 제2활물질층(22)(22')과 미세 다공질 활탈 방지막(40)(40')이 열융착에 의해 부착되도록 상기 미세 다공질 활탈 방지막(40)(40')을 가열된 롤러(R)로 압착하는 것이 좋다. 이때, 미세 다공질 활탈 방지막(40)(40')이 용융되면 다공도가 떨어질 수 있으므로, 바람직하게는 제2활물질층(22)(22')을 구성하는 활물질에 고분자가 포함되도록 하여, 상기 고분자가 용융될 수 있는 온도로 롤러(R, roller)를 가온하여 압착하는 것이 좋다. 보다 바람직하게는, 도 9에 도시한 바와 같이, 상기 롤러(R)는 요철구조(凹凸)를 가지는 가온된 엠보 롤러(R, emboss roller)를 사용하여 압착하는 것이 좋다. 이와 같이, 엠보 롤러(R)를 사용하는 경우, 상기 제2활물질층(22)(22')과 다공질 활탈 방지막(40)(40')의 접촉 계면이 요철면(45)으로서 넓은 접촉 면적을 가짐에 따라 양자 간의 부착력이 보다 향상될 수 있다.
한편, 본 발명에서 축전지는 상기에서 예시한 납축전지나 니켈-수소(Ni-MH) 전지에 한정되는 것은 아니며, 충/방전이 가능한 전지이면 여기에 포함된다. 본 발명에서 축전지는, 바람직하게는 납축전지, 니켈-수소(Ni-MH) 전지 및 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지 등으로부터 선택될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 예시한다.
[실시예 1] - 다층구조 극판 적용 시편
통상과 같은 방법으로 납축전지를 제작 조립하되, 본 발명의 실시예에 따라서 극판(100)은 도 3에 보인 바와 같은 다층구조의 극판(100)을 제작하여 조립하였다. 이때, 극판(100)의 지지체(30)(30')로는 도 4에 보인 바와 같은 네트 구조의 섬유 메쉬를 사용하였으며, 활탈 방지막(40)(40')으로는 부직포를 사용하였다.
[비교예 1] - 페이퍼 극판 적용 시편
극판의 활탈 방지막으로서 페이퍼(paper)를 사용한 종래의 납축전지를 본 비교예에 따른 시편으로 적용하였다.(지지체 없음)
[비교예 2] - 부직포 극판 적용 시편
극판의 활탈 방지막으로서 부직포를 사용한 납축전지를 본 비교예에 따른 시편으로 적용하였다.(지지체 없음)
먼저, 상기와 같이 제작된 실시예 1(다층구조 극판 적용 시편) 및 비교예 1(페이퍼 극판 적용 시편)에 대하여 전해액(황산)의 온도 변화에 따른 용량을 평가하고, 그 결과를 하기 [표 1] 및 첨부된 도 10에 나타내었다.
< 전해액의 온도 변화에 따른 용량 평가 결과 >
온도(℃) -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
용량(%) 실시예 1 62 74.5 84.5 91 95 97 98 99 100 100
비교예 1 41 55 68 77 84 89 93 96 98.5 100
전해액(황산용액)의 온도가 높으면 황산의 확산이 자유로워 용량이 증대된다. 반면에, 온도가 낮으면 황산의 확산도가 떨어져 용량이 감소하게 된다. 상기 [표 1] 및 도 10에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라서 활탈 방지막으로 부직포를 사용한 실시예 1의 경우가, 페이퍼를 사용한 비교예 1보다 높은 다공도로 인하여 전해액의 확산도가 높아 모든 온도 구간에서 용량이 우수하게 평가됨을 알 수 있었다.
또한, 상기와 같이 제작된 실시예 1(다층구조 극판 적용 시편), 비교예 1(페이퍼 극판 적용 시편) 및 비교예 2(부직포 극판 적용 시편)에 대하여 전압 7.2V에서의 고율방전시간(sec)을 평가하고, 그 결과를 하기 [표 2] 및 첨부된 도 11에 나타내었다.
< 고율방전시간 평가 결과 >
비 고 고율방전시간(sec) 전압(V)
비교예 1 30 7.2
비교예 2 33.6 7.2
실시예 1 40.2 7.2
상기 [표 2] 및 도 11에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라서 지지체를 적용한 실시예 1의 경우가, 지지체 없는 비교예 1 및 비교예 2보다 활물질간의 결합력 등이 우수한 고율방전특성을 가짐을 알 수 있었다.
한편, 상기와 같이 제작된 실시예 1(다층구조 극판 적용 시편), 비교예 1(페이퍼 극판 적용 시편) 및 비교예 2(부직포 극판 적용 시편)에 대하여, 싸이클 수명 시험 테스트를 한 후의 각 시편의 극판 사진(극판의 활탈 정도)을 첨부된 도 12에 나타내었다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 활탈 방지막으로서 페이퍼를 사용한 비교예 1의 경우에는 50% 이상의 활탈이 발생하였으며, 부직포를 사용한 비교예 2의 경우에는 약간의 활탈이 발생하였다. 그러나 본 발명에 따라서 부직포 및 지지체를 적용한 실시예 1의 경우에는 활탈 정도가 거의 없음을 알 수 있었다. 이는 또한 수명성이 우수함을 의미한다.
이상의 결과로부터 활탈 방지막으로는 페이퍼보다는 다공도가 높은 부직포가 바람직함을 알 수 있었다. 또한, 본 발명에 따라서 지지체를 개재한 경우 활탈 방지능과 함께 고율방전특성 및 수명성이 우수해짐을 알 수 있었다.

Claims (12)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 활물질이 도포되어 형성된 활물질층;
    상기 활물질층에 내재되고, 상기 활물질 입자의 출입이 가능한 통공을 가지는 지지체; 및
    상기 활물질층 상에 형성되어, 활물질의 탈리를 방지하는 다공질 활탈 방지막을 포함하고,
    상기 활물질층과 다공질 활탈 방지막의 접촉 계면은 요철면을 가지는 것을 특징으로 하는 축전지용 다층구조의 극판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 극판은 기판; 제1활물질층; 내부 필름막 지지체; 제2활물질층; 및 다공질 활탈 방지막을 포함하는 것을 특징으로 하는 축전지용 다층구조의 극판.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 지지체의 통공은 10 ㎜ ~ 35 ㎜의 크기인 것을 특징으로 하는 축전지용 다층구조의 극판.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 다공질 활탈 방지막의 다공도는 50 ~ 150 ppi(1 inch 당 기공의 개수)인 것을 특징으로 하는 축전지용 다층구조의 극판.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 극판의 일면에 형성된 내부 필름막 지지체와 반대 쪽 타면에 형성된 내부 필름막 지지체는 하나의 지지체로 구성된 것을 특징으로 하는 축전지용 다층구조의 극판.
  6. 삭제
  7. 기판 상에 활물질을 1차 페이스팅하여 제1활물질층을 형성하는 단계;
    상기 제1활물질층 상에 통공을 가지는 지지체를 적층하는 단계;
    상기 지지체 상에 활물질을 2차 페이스팅하여 제2활물질층을 형성하는 단계; 및
    상기 제2활물질층 상에 다공질 활탈 방지막을 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 축전지용 다층구조 극판의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 지지체의 통공은 10 ㎜ ~ 35 ㎜의 크기인 것을 특징으로 하는 축전지용 다층구조 극판의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 다공질 활탈 방지막의 다공도는 50 ~ 150 ppi(1 inch 당 기공의 개수)인 것을 특징으로 하는 축전지용 다층구조 극판의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 지지체를 적층하는 단계는,
    지지체를 기판의 일면 상에 위치된 제1활물질층 상에 적층한 다음, 기판의 측면으로 감아서 기판의 반대 쪽 타면 상에 위치된 제1활물질층 상으로 연장되게 적층하여, 극판의 일면에 형성된 지지체와 반대 쪽 타면에 형성된 지지체가 하나의 지지체로 구성되게 하는 것을 특징으로 하는 축전지용 다층구조 극판의 제조방법.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 다공질 활탈 방지막을 부착하는 단계는,
    상기 제2활물질층 상에 다공질 활탈 방지막을 적층하는 공정 a); 및
    상기 다공질 활탈 방지막을 롤러로 압착하여 제2활물질층와 다공질 활탈 방지막을 열융착하는 공정 b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 축전지용 다층구조 극판의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 공정 b)는, 다공질 활탈 방지막을 엠보 롤러로 압착하여 제2활물질층과 다공질 활탈 방지막의 접촉 계면에 요철면을 갖게 하는 것을 특징으로 하는 축전지용 다층구조 극판의 제조방법.
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