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KR20100056257A - 코팅용 겔 전해액을 사용하여 표면 개질된 음극 및 분리막을 포함하는 알칼리 아연 이차전지 - Google Patents

코팅용 겔 전해액을 사용하여 표면 개질된 음극 및 분리막을 포함하는 알칼리 아연 이차전지 Download PDF

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KR20100056257A
KR20100056257A KR1020080115338A KR20080115338A KR20100056257A KR 20100056257 A KR20100056257 A KR 20100056257A KR 1020080115338 A KR1020080115338 A KR 1020080115338A KR 20080115338 A KR20080115338 A KR 20080115338A KR 20100056257 A KR20100056257 A KR 20100056257A
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KR
South Korea
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negative electrode
zinc
secondary battery
coating
alkali
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KR1020080115338A
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English (en)
Inventor
강태혁
곽윤정
정해승
박상희
박동필
Original Assignee
에너그린(주)
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Publication date
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Priority to PCT/KR2009/005218 priority patent/WO2010058901A2/en
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Abstract

본 발명은 아연 음극 또는 음극 분리막이 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리비닐알코올(PVA) 및 폴리아크릴산칼륨(PAAK)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 겔 폴리머 1 내지 10 중량% 및 수산화칼륨(KOH) 용액 99 내지 90 중량%를 포함하는 코팅용 겔 전해액으로 코팅처리된 알칼리 아연 이차전지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 알칼리 아연 이차전지는 아연 음극이 알칼리 전해액에 용해됨으로써 발생되는 아연 음극의 형태 변형 또는 수지상 결정 형성이 방지되어 전지의 수명 및 충/방전 효율을 향상시킬 수 있다.
알칼리 아연 이차전지, 아연 음극, 겔 폴리머, 코팅용 겔 전해액, 코팅처리

Description

코팅용 겔 전해액을 사용하여 표면 개질된 음극 및 분리막을 포함하는 알칼리 아연 이차전지{SECONDARY ZINC ALKALINE BATTERY COMPRISING NEGATIVE ELECTRODES AND SEPARATORS SURFACE-MODIFIED WITH GEL ELECTROLYTE FOR COATING}
본 발명은 알칼리 전해액을 사용하는 알칼리 아연 이차전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로 알칼리 아연 이차전지의 아연 음극이 알칼리 전해액에 용해됨으로써 발생되는 아연 음극의 형태 변형 또는 수지상 결정(dendrite) 형성을 방지할 수 있는 알칼리 아연 이차전지에 관한 것이다.
최근 각국의 환경보전에 대한 의지로서 각종 환경규제가 실시되고 있다. 이러한 움직임과 더불어 소형전지에서는 이미 납축전지 및 니켈/카드뮴전지가 니켈/수소, 리튬이온전지 등으로 대체되었으나, 산업용 대형전지 분야에서는 그 대안의 전지가 없어 아직 납축전지와 니켈/카드뮴전지가 사용되고 있다. 따라서 환경친화적인 대용량 축전지에 대한 관심이 높아지고 있으며 이에 따른 기술개발이 집중적으로 진행되고 있다.
그 중에서 납축전지를 대체할 수 있는 니켈(Ni)/아연(Zn) 이차전지는 작동전압이 1.6[V/cell] 이상으로, 중량 및 부피 에너지밀도가 높으며, 고유 출력 밀도(Specific power density)도 875[W/kg]으로서 납축전지의 535[W/kg]보다 우수하며, 게다가 최대 방전용량의 80%에 도달하게 되는 충방전 횟수(Cycle life)도 500 회 이상으로서 납축전지의 200~700 회에 비해서 비교적 안정적인 장점이 있다. 또한, 음극 활물질에 아연을 사용하는 알칼리 아연 이차전지는 가격이 저렴하다는 장점을 가지므로 구동용 뿐만 아니라 정치형 전력 저장용 이차전지로 널리 활용될 수 있다. 그러나 이와 같은 알칼리 아연 이차전지에서는 아연 음극이 알칼리 용액에 용해되어 충/방전 반응으로 아연의 용출 및 석출이 반복되기 때문에 충/방전 반응의 진행에 따라 극판의 형태가 변하게 되며, 용출된 아연은 충전시 균일하게 석출되지 않고 수지상으로 성장하여 그 수지상 아연이 분리막을 관통하여 전지의 단락을 야기시키기 때문에 수명이 짧다는 단점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 종래기술에 대해 하기에서 설명한다.
일본공개특허 제1985-185372호에서는 니켈/아연 이차전지의 충방전 횟수를 증가시키기 위해 높은 에너지 밀도를 유지할 수 있도록 아연 전극에 In 및 Ti의 산화물과 수화물을 첨가한 니켈/아연 이차전지에 대해 개시하고 있다.
일본공개특허 제1987-108467호에서는 알칼리 아연 전지의 충방전 횟수를 증가시키기 위해 아연 전극에 인듐 메탈 및 인듐 산화물과 탈륨을 첨가한 아연 전극을 포함하고, 전해액에는 게르마늄 이온을 첨가한 알칼리 아연 전지에 대해 개시하 고 있다.
일본공개특허 제1986-061366호에서는 알칼리 아연 전지에 있어서 아연 전극판의 변형을 방지하고 충방전 횟수를 증가시키기 위해 아연 전극에 불활성, 비전도성 유기 화합물을 첨가한 알칼리 아연 전지에 대해 개시하고 있다.
또한, 수지상 결정의 형성을 방지하기 위한 종래기술, 예를 들어, PCT/US2004/026859에서는 니켈/아연 이차전지의 음극에 수지상 결정이 형성되는 것을 방지하기 위하여 분리막층을 사용하고 수산화칼륨 전해액에 붕산염과 불화물을 포함시킨 니켈/아연 이차전지의 제조방법에 대해 개시하고 있다.
상기에서 언급한 종래기술은 니켈/아연 이차전지의 문제점들을 해결하기 위한 여러 방안들을 제시하고 있으나, 그 효과가 미미하고 생산비용이 증가되는 등 모두 만족스러운 결과를 얻지 못하였다.
최근 전지의 성능을 개선하고 알칼리 전해액 하에서 음극이 용해되어 수지상 결정이 형성되는 등의 문제점을 해결하기 위해 이차전지에 겔 형태의 전해액이 적용되고 있다. Iwakura 등은 PAAK 등과 같은 고분자를 KOH 용액과 혼합하면 실온에서 6× 10-1 Scm- 1 의 높은 이온 전도도를 갖으며, 이를 Ni-MH 이차전지에 적용하면 충/방전 거동과 용량이 개선된다고 보고하였다. 특히, 알칼리 전해액 하에서 음극이 용해되어 수지상 결정을 형성하는 등의 문제점을 갖는 Ni-Zn 이차전지에 PAAK 등으로 대표되는 고분자와 KOH 용액을 혼합한 겔 형태의 전해액을 사용하면 전지의 성능이 개선됨이 보고되었다(J. Power Source 152, 291, 2005).
그러나 겔 형태의 전해액은 충/방전 반응의 진행에 따른 전해액의 고갈로 초기의 농도를 유지하기 어려워 개방형 또는 준 밀폐형 등의 구조를 갖는 각형 전지에는 효율적이지 못하다. 뿐만 아니라, 많은 반응 면적을 갖는 대용량 전지에 겔 형태의 전해액을 적용하면 극판의 낮은 젖음성(wet ability), 전해액 고갈 및 낮은 방전 효율 등의 문제점이 나타난다. 따라서 겔 형태의 전해액을 적용하기 위해서 겔의 물성을 향상시키고 전해액 유지력을 높여주어야 할 필요성이 있다.
본 발명자들은 이러한 문제점을 해결하기 위한 보다 효과적인 방법에 대해 연구하던 중, 알칼리 아연 이차전지의 음극 및 분리막에 겔 폴리머 및 수산화 칼륨을 포함하는 코팅용 겔 전해액으로 코팅처리하는 경우 아연 수지상 결정의 생성을 효과적으로 억제시킬 수 있고, 상기 코팅용 겔 전해액에 다공성 세라믹 또는 세라믹을 첨가하여 전해력의 유지력을 향상시킬 수 있다는 것을 알게 되어 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 알칼리 아연 이차전지의 아연 음극이 알칼리 전해액에 용해됨으로써 발생되는 아연 음극의 형태 변형 또는 수지상 결정 형성을 방지하여 전지의 수명 및 충/방전 효율을 향상시킬 수 있고, 겔 형태의 전해액을 적용할 수 있 는 알칼리 아연 이차전지를 제공하기 위한 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 아연 음극 또는 음극 분리막이 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리비닐알코올(PVA) 및 폴리아크릴산칼륨(PAAK)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 겔 폴리머 1 내지 10 중량% 및 수산화칼륨(KOH) 용액 99 내지 90 중량%를 포함하는 코팅용 겔 전해액으로 코팅처리된 알칼리 아연 이차전지를 제공한다.
상기 코팅용 겔 전해액은 추가적으로 다공성 세라믹 또는 실리카를 상기 겔 폴리머 기준으로 1 내지 10 중량부 함량으로 포함한다.
상기 코팅용 겔 전해액은 추가적으로 칼슘 아연산염 분말, 수산화칼슘 분말 또는 이들의 혼합물을 겔 폴리머 기준으로 1 내지 10 중량부 함량으로 포함한다.
본 발명은 알칼리 아연 이차전지의 아연 음극이 알칼리 전해액이 용해됨으로써 발생되는 아연 음극의 형태 변형 또는 수지상 결정 형성을 방지하여 전지의 수명 및 충/방전 효율을 향상시킬 수 있고, 겔 형태의 전해액을 적용할 수 있는 알칼리 아연 이차전지를 제공한다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 아연 음극 또는 음극 분리막이 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리비닐알코올(PVA) 및 폴리아크릴산칼륨(PAAK)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 겔 폴리머 1 내지 10 중량% 및 수산화칼륨 용액(KOH) 99 내지 90 중량%를 포함하는 코팅용 겔 전해액으로 코팅처리된 알칼리 아연 이차전지를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 알칼리 아연 이차전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 알칼리 아연 이차전지는 아연 음극(103) 또는 음극 분리막(107) 표면에 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리비닐알코올(PVA) 및 폴리아크릴산칼륨(PAAK)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 겔 폴리머 1 내지 10 중량% 및 수산화칼륨(KOH) 용액 99 내지 90 중량%를 포함하는 코팅용 겔 전해액으로 코팅처리하여 겔 폴리머 코팅층(104)이 형성된 것을 특징으로 한다. 본 발명에서 겔 폴리머는 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리비닐알코올(PVA) 및 폴리아크릴산칼륨(PAAK)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이 사용되나, 이에 제한되는 것을 아니다. 이와 같이 아연 음극(103) 또는 음극 분리막(107)을 상기 코팅용 겔 전해액으로 코팅처리함으로써 알칼리 전해액에 대한 충전 생성물의 용해도를 낮추고, 아연 수지상 결정의 생성을 효과적으로 억제시킬 수 있다.
상기 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리비닐알코올(PVA) 및 폴리아크릴산칼륨(PAAK)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 겔 폴리머는 1 내지 10 중 량% 함량으로 포함된다. 상기 겔 폴리머가 1 중량% 미만으로 포함되는 경우 코팅된 겔 폴리머가 극판의 아래 부분으로 흘러내려 코팅의 효과를 기대하기 어렵고, 상기 겔 폴리머가 10 중량% 초과하여 포함되는 경우 전지의 방전 효율이 저하되는 문제점이 발생된다.
또한, 알칼리 전해액에 대한 충전 생성물의 용해도를 낮추고, 아연 수지상 결정의 생성을 효과적으로 억제시키기 위해 상기 코팅용 겔 전해액은 칼슘 아연산염 분말, 수산화칼슘 분말 또는 이들의 혼합물을 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 칼슘 아연산염(calcium zincate)은 알칼리 전해액에 대한 용해도가 아연보다 낮고, 상기 수산화칼슘(Ca(OH)2)은 아연의 충전 생성물과 화학적으로 결합하기 때문에, 이들을 아연 음극판 및 음극 분리막에 코팅하는 경우 알칼리 용액에 대한 충전 생성물의 용해도를 낮추고, 아연 수지상 결정의 생성을 효과적으로 억제시켜 전지의 수명 및 충/방전 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 상기 코팅용 겔 전해액은 상기 칼슘 아연산염 분말, 수산화칼슘 분말 또는 이들의 혼합물을 상기 겔 폴리머 기준으로 1 내지 10 중량부 함량으로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 코팅용 겔 전해액은 다공성 세라믹 또는 실리카를 추가적으로 포함할 수 있다. 이와 같이 코팅용 겔 전해액에 다공성 세라믹 또는 실리카를 첨가하여 겔이 포함할 수 있는 전해액의 양을 증가시켜 코팅하기 적합한 물성을 유지하면서 이 온의 이동도도 높은 코팅용 겔 전해액을 제조할 수 있다. 상기 다공성 세라믹 또는 실리카는 겔 폴리머 기준으로 1 내지 10 중량부 함량으로 코팅용 겔 전해액에 포함되는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 일실시형태에 따른 알칼리 아연 이차전지에서 양극 및 겔 폴리머 코팅층이 형성된 음극이 적층되어 있는 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 알칼리 아연 이차전지는 겔 폴리머 코팅층(104)이 형성된 음극(103) 및 양극(105)을 교대로 적층시켜 전지의 용량을 증대시킬 수 있다.
본 발명에서는 음극 분리막으로 폴리올레핀 미세다공막(microporous polyolefine film), Celgard 3407 등을 사용할 수 있으며, 상기 음극 분리막은 수지 결정상에 의한 쇼트(short)를 막기 위해 최소 1장 이상으로 구성된다.
본 발명에서 아연 음극이 알칼리 전해액에 용해되는 것을 방지하기 위한 상기 겔 전해액 코팅층은 아연 음극 또는 음극 분리막의 표면에 형성된다. 도 3의 (a)에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일실시형태에서는 아연 음극(103)의 표면에 겔 전해액 코팅층(104)을 형성한 후 최소 1장 이상의 음극 분리막(107)을 적층 형태로 씌워 아연 음극(103)을 형성할 수 있다. 또한, 도 3의 (b)에 나타난 바와 같이, 본 발명의 다른 실시형태에서는 2장의 음극 분리막(107) 사이에 겔 전해액 코팅층(104)을 형성한 후 상기 음극 분리막(107)을 적층 형태로 아연 음극(103)에 씌워 아연 음극(107)을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에서 양극에 의한 자기방전의 감소와 양극 열화에 의한 활물질의 탈리를 방지하기 위해 양극 또는 양극 분리막의 표면에도 상기 겔 전해액이 코팅될 수 있다. 상기 양극 또는 분리막의 코팅처리 시 상기 코팅용 겔 전해액만을 사용하거나, 다공성 세라믹 또는 실리카를 겔 폴리머 기준으로 1 내지 10 중량부 함량으로 추가로 포함하는 코팅용 겔 전해액을 사용할 수 있다.
본 발명의 일실시형태에 있어서, 상기 아연 음극은 음극 활물질과 활성탄소를 볼밀 방법으로 혼합하는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 제조된 혼합물을 웨팅한 후, 증점제를 첨가하여 슬러리를 제조하는 단계(단계 2); 상기 단계 2에서 제조된 슬러리에 바인더를 첨가하여 음극 형성용 조성물을 제조하는 단계(단계 3); 상기 단계 3에서 제조된 음극 형성용 조성물을 집전체에 코팅하는 단계(단계 4); 및 상기 단계 5에서 집전체에 코팅된 음극 형성용 조성물을 건조하는 단계(단계 5)를 수행하여 제조된다.
상기 아연 음극은 볼밀 방법을 이용하여 활성탄소 또는 흑연을 활물질과 혼합함으로써 전극의 전도성을 향상시키고, 전극 제조시 슬러리 또는 페이스트에서 활물질이 뭉치는 현상을 방지할 수 있다.
하기에서 본 발명의 일실시형태에서 사용되는 아연 음극의 제조방법을 단계별로 구체적으로 설명한다.
상기 단계 1에서는 음극 활물질과 활성탄소를 볼밀 방법으로 혼합한다.
상기 음극 활물질은 산화아연(zinc oxide), 칼슘 아연산염(calcium zincate) 및 아연(Zn) 분말로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다.
상기 활성탄소로는 예를 들어 아세틸렌 블랙 및 케첸 블랙으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다. 활성탄소 및 흑연은 평균입경 10㎛ 미만의 분말형태로 사용되는 것이 바람직하다.
아세틸렌, 케첸 블랙 등의 활성탄소는 그 부피가 매우 커서 도전제로 사용될 경우 탭 밀도 감소를 가져온다. 탭 밀도 감소는 전지의 에너지 밀도를 감소시키므로 탭 밀도를 최대한 유지하여야 한다. 볼밀 방법을 이용할 경우 활물질 및 활성탄소가 물리적으로 강하게 결합하고 탭 밀도를 최대한 유지하면서 뭉침 현상을 방지할 수 있다.
상기 단계 1에서 제조된 혼합물에서 음극 활물질과 활성탄소의 함량비는 각각 95~99 중량% 및 1~5 중량%인 것이 바람직하다. 활성탄소의 함량이 5 중량%를 초과하면 전극의 에너지 밀도가 감소하고, 1 중량% 미만이면 전극의 전도성이 감소하여 바람직하지 못하다.
본 단계에서는 음극 활물질 및 활성탄소에 첨가제를 첨가하여 혼합할 수 있는데, 첨가제로는 Ca(OH)2, Bi2O3 , Tl2O3, In2O3 및 SnO로 대표되는 금속 산화물 등이 사용될 수 있다. Ca(OH)2는 징케이트 이온이 전해액으로 녹아나는 현상을 막기 위하여 사용될 수 있으며, Bi2O3 등의 금속 산화물은 수소 과전압을 높여 가스 발생량을 줄이기 위하여 사용될 수 있다.
단계 2에서는 상기 단계 1에서 제조된 혼합물을 웨팅한 후, 증점제를 첨가하여 슬러리를 제조한다. 상기 증점제로는 예를 들어 CMC, HEC 및 아크릴산 에스테르로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다. 상기 증점제는 K+, Na+ 이온으로 치환하여 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같이 상기 증점제를 K+, Na+ 이온으로 치환하는 경우, 충전 후 징케이트 이온이 녹아나는 현상을 막기 위하여 사용되는 첨가제인 Ca(OH)2가 수계 바인더와 반응하여 급속히 뭉치는 현상을 개선할 수 있다.
본 단계에서 증점제의 첨가량은 음극 활물질과 활성탄소로 이루어진 혼합물 기준으로 0.5 내지 5 중량%인 것이 바람직하다. 증점제의 첨가량이 5 중량%를 초과하면 슬러리의 점도가 높아져 집전체에 코팅이 어렵고, 전극저항이 커져 전지 성능이 저하되는 문제가 있고, 0.5 중량% 미만이면 슬러리가 묽어져 전극 형성이 어려운 문제가 있어 바람직하지 못하다.
상기 단계 3에서는 상기 단계 2에서 제조된 슬러리에 바인더를 첨가하여 음극 형성용 조성물을 제조한다.
상기 바인더로는 PTFE, PE, SBR 등이 사용될 수 있다.
본 단계에서 바인더의 첨가량은 음극 활물질과 활성탄소로 이루어진 혼합물 기준으로 0.5 내지 5 중량%인 것이 바람직하다. 바인더의 첨가량이 5 중량%를 초과하면 슬러리의 점도가 높아지고, 전극저항이 커져 전지 성능이 저하되는 문제가 있 고, 0.5 중량% 미만이면 집전체 및 다른 음극 활물질과의 결착력이 떨어져 전지 성능이 저하되고, 전해액에 용해되는 문제가 있어 바람직하지 못하다.
다음으로, 상기 단계 4 및 단계 5에서는 상기 음극 형성용 조성물을 집전체에 코팅하고, 상기 집전체에 코팅된 음극 형성용 조성물을 건조한다.
음극 형성용 조성물을 코팅하고 건조하는 단계를 거친 후에는 제조된 전극을 롤 프레싱하는 단계를 거칠 수 있다. 롤 프레싱 단계를 통해 활물질, 활성탄소 등이 더욱 치밀하게 결합하도록 할 수 있다. 집전체로는 메탈 시트(metal sheet), 익스팬디드 메탈(expanded metal), 펀칭 메탈(punching metal), 메탈 폼(metal foam) 등이 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
< 실시예 >
실시예 1
ZnO 1764 g, AB 40 g, Ca(OH)2 44 g, Bi2O3 72 g을 용기에 넣어 180 rpm으로 3 시간 동안 볼밀 혼합한 후, 체를 통과시켜 음극 물질과 볼을 분리하였다. 제조된 음극 물질을 증류수를 사용하여 웨팅한 후, 치환된 CMC를 가하여 점성이 있는 슬러리를 형성하였다. 그후, PTFE, PE, SBR의 순서로 바인더를 첨가하여 교반한 뒤, 제조된 음극 형성용 조성물을 폼형 집전체에 코팅하였다. 코팅된 전극은 90 ℃의 오븐에서 2 시간 동안 건조한 후, 초기 두께의 30%가 될 때까지 롤 프레싱하였다. 이후, 폴리아크릴산칼륨(PAAK) 5 중량% 및 수산화칼륨 용액 95 중량%를 혼합하여 코팅용 겔 전해액을 제조하였다. 상기 코팅용 겔 전해액에 폴리아크릴산칼륨 기준으로 수산화칼슘 2 중량부 및 다공성 세라믹 2 중량부를 첨가한 후, 상기 코팅용 겔 전해액을 상기 음극 표면에 코팅하여 건조하였고, 분리막을 적층하여 음극을 구성하였다. 이 때 분리막은 Celgard 3407을 2장씩 사용하였다. 음극 제조시 사용된 물질들의 함량비는 아래 표 1과 같다.
ZnO AB Ca(OH)2 Bi2O3 PTFE PE SBR CMC
조성(%) 88.2 2.0 2.2 3.6 0.6 2.0 0.4 1.0
한편, Ni(OH)2 3657 g, Ni 분말 116 g, CoO 116 g을 믹서에 넣고, CMC를 가하여 점성이 있는 슬러리를 형성하였다. 여기에, PTFE, PE의 순서로 바인더를 첨가하고 교반하여 양극 형성용 조성물을 제조하고, 이를 집전체에 코팅하였다. 코팅된 전극을 90 ℃의 오븐에서 2 시간 동안 건조한 후, 초기 두께의 30%가 될 때까지 롤 프레싱하고, 여기에 봉투형 분리막을 씌워 양극을 구성하였다. 이 때 분리막은 NKK non-woven을 2장씩 사용하였다. 양극 제조시 사용된 물질들의 함량비는 아래 표 2와 같다.
Ni(OH)2 Ni 분말 CoO PTFE PE CMC
조성(%) 91.43 2.9 2.9 0.6 1.97 0.2
제조된 양극과 음극을 교차되게 적층하여 소망하는 용량의 전지를 구성하였다. 양극 11장과 음극 12장을 적층하여 50 Ah 의 용량을 갖는 전지를 제조할 수 있었다. 이어서, 적층한 극판을 전지 케이스에 넣고, 커버를 씌운 후, 알칼리 전해액을 주입하여 진공상태에서 1 시간, 상온에서 6 시간 에이징(aging)한 뒤 전지를 활성화하여 알칼리 니켈/아연 이차전지를 완성하였다.
도 4는 실시예 1에 따라 제조된 니켈/아연 이차전지의 성능을 평가한 그래프이다. 도 4를 통해 실시예 1에 따라 제조된 니켈/아연 이차전지는 우수한 방전 효율과 싸이클 수명을 갖는 것을 확인하였다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 알칼리 아연 이차전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시형태에 따른 알칼리 아연 이차전지에서 양극 및 겔전해액 코팅층이 형성된 음극이 적층되어 있는 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3의 (a)는 본 발명의 일실시형태에 따라 음극 상에 겔 전해액 코팅층이 형성되고 연속적으로 2장의 음극 분리막이 형성된 아연 음극의 측면도이고, 도 3의 (b)는 본 발명의 다른 실시형태에 따라 음극에 씌워지는 2장의 적층 형태의 음극 분리막 사이에 겔 전해액 코팅층이 형성된 아연 음극의 측면도이다.
도 4는 실시예 1에 따라 제조된 니켈/아연 이차전지의 성능을 평가한 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
101 : 케이스 103 : 음극
104 : 겔 전해액 코팅층 105 : 양극
107: 분리막 109: 음극 단자
111: 양극 단자

Claims (12)

  1. 양극, 아연 음극, 음극 분리막, 양극 분리막 및 알칼리 전해액을 포함하는 알칼리 아연 이차전지에 있어서, 상기 아연 음극 또는 음극 분리막은 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리비닐알코올(PVA) 및 폴리아크릴산칼륨(PAAK)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 겔 폴리머 1 내지 10 중량% 및 수산화칼륨(KOH) 용액 90 내지 99 중량%를 포함하는 코팅용 겔 전해액으로 코팅처리되고, 상기 코팅용 겔 전해액은 다공성 세라믹 또는 실리카; 및 칼슘 아연산염 분말, 수산화칼슘 분말 또는 이들의 혼합물을 각각 상기 겔 폴리머 기준으로 1 내지 10 중량부 함량으로 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 알칼리 아연 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 음극 분리막은 최소 1장 이상이 사용되는 것을 특징으로 하는 알칼리 아연 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 아연 음극은 음극 활물질과 활성탄소를 볼밀 방법으로 혼합하는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 제조된 혼합물을 웨팅한 후, 증점제를 첨가하여 슬러리 를 제조하는 단계(단계 2); 상기 단계 2에서 제조된 슬러리에 바인더를 첨가하여 음극 형성용 조성물을 제조하는 단계(단계 3); 상기 단계 3에서 제조된 음극 형성용 조성물을 집전체에 코팅하는 단계(단계 4); 및 상기 단계 5에서 집전체에 코팅된 음극 형성용 조성물을 건조하는 단계(단계 5)를 수행하여 제조되는 것을 특징으로 하는 알칼리 아연 이차전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 음극 활물질은 산화아연(zinc oxide), 칼슘 아연산염(calcium zincate) 및 아연(Zn) 분말로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 알칼리 아연 이차전지.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 활성탄소는 아세틸렌 블랙 및 케첸 블랙으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 알칼리 아연 이차전지.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 증점제는 CMC, HEC 및 아크릴산 에스테르로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 알칼리 아연 이차전지.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 증점제는 K+, Na+ 이온으로 치환되는 것을 특징으로 하는 알칼리 아연 이차전지.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 바인더는 PTFE, PE 및 SBR로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 알칼리 아연 이차전지.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 단계 1에서 제조된 혼합물에서 음극 활물질과 활성탄소의 함량비는 각각 95~99 중량% 및 1~5 중량%인 것을 특징으로 하는 알칼리 아연 이차전지.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 단계 1에서는 음극 활물질 및 활성탄소와 함께 Ca(OH)2 및 Bi2O3를 포함하는 첨가제를 첨가하여 혼합하는 것을 특징으로 하는 알칼리 아연 이차전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 양극 또는 양극 분리막 표면은 코팅용 겔 전해액으로 코팅처리된 것을 특징으로 하는 알칼리 아연 이차전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 양극 또는 양극 분리막의 코팅처리 시 상기 코팅용 겔 전해액만을 사용하거나, 다공성 세라믹 또는 실리카를 겔 폴리머 기준으로 1 내지 10 중량부 함량으로 추가적으로 포함하는 코팅용 겔 전해액을 사용하는 것을 특징으로 하는 알칼리 아연 이차전지.
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