KR100943751B1

KR100943751B1 - 니켈-수소 2차전지

Info

Publication number: KR100943751B1
Application number: KR1020090002322A
Authority: KR
Inventors: 박동필; 노남종; 양준현; 김영록
Original assignee: 에너그린(주)
Priority date: 2009-01-12
Filing date: 2009-01-12
Publication date: 2010-02-23

Abstract

본 발명은 충전 및 방전이 가능한 2차전지에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 수소저장합금을 사용하는 니켈-수소 2차전지에 관한 것이다.

본 발명에 의한 니켈-수소 2차전지는, 전해질이 포함된 케이스 내부에 세퍼레이터를 사이에 두고 양극과 음극이 반복적으로 복수 개 설치된 니켈-수소 2차전지에 있어서, 상기 양극이 구멍이 형성된 박막 금속으로 제작된 포켓 안에 양극 활물질을 채운 포켓식 양극판이고, 상기 음극이 음극 활물질에 첨가제와 결착제를 첨가하여 제조한 페이스트를 집전체에 도포하여 이루어진 페이스트식 음극판이며, 상기 음극 전체를 감싸는 주머니 형상의 음극커버를 포함하는 것을 특징으로 한다.

2차전지, 니켈-수소 2차전지, 니켈-수소 전지, 니켈-수소저장합금 전지, 니켈-수소저장합금 2차전지

Description

니켈-수소 2차전지{NICKEL-METAL HYDRIDE SECONDARY BATTERY}

일반적으로 2차전지는 충전과 방전이 모두 가능하여 반복적인 사용이 가능한 전지이다. 이러한 2차전지는 납축전지로부터 실용화가 이루어져 오늘날에 이르고 있다.

납축전지는 유해한 납을 사용하기 때문에 환경보전을 위해 사용이 규제되기 시작하여 현재는 거의 사용되지 않고 있으며, 납축전지를 대신할 많은 2차전지가 개발되었다. 최근에는 전자 기술의 발달과 함께 찾아온 전기, 전자 기기의 소형화, 경량화 및 포터블화 경향에 따라 2차전지 기술이 급속도로 발전하였다. 그러나 이러한 경향에 따른 2차전지 기술의 발전은 주로 소형전지부분에서 이루어졌으며, 산업용 대형전지 분야에서는 그 발전 정도가 상대적으로 미미하다.

납축전지를 대신하여 산업용 대형전지 분야에서 사용되는 2차전지는 니켈-카드뮴 2차전지가 있으나, 카드뮴 역시 인체에 유해한 중금속이고, 메모리 효과 등 그 특성 면에서 많은 문제가 있다.

이러한 니켈-카드뮴 2차전지를 대신하기 위하여 개발된 것으로 니켈-수소 2차전지가 있다. 니켈-수소 2차전지는 양극에 수산화니켈을 사용하고 음극에 수소저장합금을 활물질로 사용하는 전지이다. 니켈-수소 2차전지는 니켈-카드뮴 2차전지에 비해 약 1.5~2배의 에너지 밀도를 가지고 있으며, 음극의 수소는 카드뮴과 전위가 유사하여 전지의 작동전압이 거의 같기 때문에 니켈-카드뮴 2차전지를 기준으로 제작된 분야에서 호환성을 갖는다. 나아가 환경적인 면에서도 매우 뛰어난 2차전지이다.

니켈-수소 2차전지는 현재 일부가 상용화되어 현장에서 사용 중에 있지만, 그 에너지 밀도나 안정성의 부분에서 개선을 여지가 많이 남아있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 포켓방식의 양극과 페이스트방식의 음극을 사용하는 니켈-수소 2차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 니켈-수소 2차전지는, 전해질이 포함된 케이스 내부에 세퍼레이터를 사이에 두고 양극과 음극이 반복적으로 복수 개 설치된 니켈-수소 2차전지에 있어서, 상기 양극이 구멍이 형성된 박막 금속으로 제작된 포켓 안에 양극 활물질을 채운 포켓식 양극판이고, 상기 음극이 음극 활물질에 첨가제와 결착제를 첨가하여 제조한 페이스트를 집전체에 도포하여 이루어진 페이스트식 음극판이며, 상기 음극 전체를 감싸는 주머니 형상의 음극커버를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이러한 음극 커버는 두께가 0.04 내지 0.12mm인 PP부직포 또는 나일론부직포를 사용할 수 있다.

그리고 음극의 집전체는 Ni-파이버 또는 NPPS로 이루어진 것이 좋다.

또한, 세퍼레이터는 두께가 0.2 내지 2.0mm이고, 전체 면적의 40 내지 80%에 해당하는 관통부가 형성되는 것이 좋다.

본 발명에 따르면, 포켓방식의 양극과 페이스트방식의 음극을 사용함으로써 모든 전극이 포켓방식인 종래의 2차전지에 비하여 부피와 중량이 매우 감소하며, 그에 따라서 높은 에너지 밀도를 나타내는 효과가 있다.

또한, 모든 전극이 페이스트방식인 종래의 2차전지에 비하여 장시간의 과충전에도 안전성이 매우 향상되는 효과가 있다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 니켈-수소 2차전지의 구성을 나타내는 도면이다.

본 발명의 니켈-수소저장합금 2차전지는 케이스(10), 양극(20), 음극(30), 음극커버(40) 및 세퍼레이터(50)를 포함하는 구성으로 이루어진다.

케이스(10)는 내부에 양극(20)과 음극(30)이 설치되도록 내부가 비어있는 구조이다. 케이스(10)의 빈 공간은 전해액(미도시)으로 채워지기 때문에 전조라고 불리기도 한다. 또한, 케이스(10)에는 양극주(14)와 음극주(12)가 형성되어, 각각 양극(20) 및 음극(30)과 연결된다.

양극(20)은 양극 활물질을 포함하는 전극물질(22)을 금속재질의 박판(24)으로 형성한 포켓 내부에 충전한 포켓식 극판 구조이다. 양극 활물질은 수산화니켈(Ni(OH)₂, nickel hydroxide)화합물을 사용함이 일반적이며, 이러한 수산화니켈화합물은 전지를 사용하는 온도 범위 및 출력 밀도 등을 고려하여 구성물질의 혼합비율을 조절할 수 있다. 양극 활물질이 채워지는 포켓(26)은 구멍이 천공된 금속 박판을 이용하여 만드는 것이 일반적이며, 니켈로 코팅된 강판을 사용할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 2차전지의 양극을 나태는 도면이다. 양극(20)에 적용되는 포켓식 극판의 구조에는 특별한 제한이 없지만, 도 2에 도시된 것과 같이 두 개의 금속 박판(24)을 이용하여 제작한 스트립으로 포켓(26)을 구성하고 복수 개의 스트립을 연결하여 극판을 만들면 효과가 뛰어나다.

음극(30)은 음극 활물질을 포함하는 페이스트(32)를 집전체 위에 도포한 페이스트식 극판 구조이다. 음극 활물질은 수소저장합금을 사용하며, 이러한 음극 활물질에 첨가제와 결착제를 첨가한 뒤 교반하여 페이스트(32)를 제조한다. 수조저장합금으로는 수십㎛의 지름을 갖는 AB₅계 합금(예를 들어, MmNi_3.55Co_0.75Mn_0.4Al_0.3, MmNi_4.3Mn_0.4Al_0.3 등 (Mm: Misch Metal, 희토류 금속의 합금))과 AB₂계 합금(예를 들어, Ti_1-xZr_xV_0.5Ni_1.1Fe_0.2Mn_0.2 등) 중 선택되는 어느 하나의 분말이 이용될 수 있다. 이러한 수소저장합금 분말은 니켈(Ni)이나 구리(Cu) 또는 니켈과 구리의 혼합물 중 어느 하나로 코팅되는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 전지의 자기방전 억제, 고온부식 억제, 고율 충방전 특성이 향상될 수 있다. 한편, 페이스트에 첨가되는 결착제로는 PTFE(Polytetrafluorethylene 및 503H), HPMC(Hydroxypropyl methyl cellulose), CMC(Carboxymethyl cellulose, sodium salt) 등의 고분자 물질을 사용하여 바인더의 역할을 하도록 한다. 또한, 페이스트에 첨가되는 첨가제는 니켈분말, 구리분말, 흑연분말 등의 도전성 물질을 사용하여 도전재의 역할을 하도록 한다.

이렇게 제조한 페이스트(32)를 집전체에 도포한 뒤에 건조 및 압착과정을 실 시한다. 집전체는 음극 활물질에 발생하는 전기적 움직임을 모아서 전달하는 부분이다. 이러한 집전체는 전도성을 부여한 섬유펠트에 다수의 관통공을 형성하여 사용하거나 그물모양의 얇은 강판을 사용할 수 있으며, 특히 Ni-파이버 또는 니켈도금된 강판에 관통공을 형성한 NPPS(nickel plated punched steel strip)를 사용하는 것이 좋다.

음극커버(40)는 서로 다른 특성을 갖는 극판구조를 양극과 음극에 별도로 사용함에 따라 추가된 구성부분이다. 페이스트식의 음극을 포켓식의 양극과 함께 사용하는 경우에 음극 활물질이 탈루되는 문제를 방지하기 위하여 음극(30) 전체를 덮는 주머니 형상의 커버를 이용할 수 있다. 도 3은 본 발명의 실시예에 의한 2차전지의 음극을 나타내는 도면이다. 이러한 음극커버(40)는 다양한 재질이 사용될 수 있으며, 특히 PP부직포(polypropylene-surface treated 부직포) 또는 나일론부직포를 사용할 수 있다. 또한, 음극커버(40)를 제조하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 두 장의 부직포를 겹치고 측면을 열 봉합하여 제작할 수 있다. 이때, 음극커버(40)의 두께가 0.04mm보다 얇은 경우 안정성이 떨어지고 제작비용이 상승하는 문제가 있고, 0.12mm보다 두꺼운 경우에는 충방전 시 과전압에 의해 성능이 저하되는 문제가 있다. 음극커버(40)는 종래의 2차전지의 구성부분인 세퍼레이터와 함께 사용되는 것이므로 0.04~0.12mm의 두께 범위에서 제작하는 것이 좋다. 이러한 커버에 의하여 활물질이 탈루되는 문제점이 없는 2차전지를 만들 수 있다.

세퍼레이터(50)는 양극(20)과 음극(30)의 사이에 장착되는 분리막이다. 이러한 세퍼레이터(50)는 다양한 재질이 사용될 수 있으며, 특히 내 알칼리성 절연체 재질의 세퍼레이터를 사용하는 것이 좋다. 이러한 내 알칼리성 절연체 재질의 세퍼레이터에는 다양한 형상의 관통부(52)가 형성되며, 이러한 관통부는 전체면적의 40~80%를 차지하도록 설계하는 것이 좋다. 본 발명에서는 특히 음극커버(40)로 덮인 음극(30)을 사용하기 때문에, 일반적인 2차전지보다 세퍼레이터의 두께가 얇게 설계되는 것이 좋다. 세퍼레이터(50)의 두께가 0.2mm보다 얇으면 세퍼레이터의 파손으로 인한 단락의 위험이 있으며, 2.0mm보다 두꺼우면 전지의 효율이 떨어지는 문제가 있다.

이러한 양극(20)과 음극커버(40)로 덮인 음극(30) 및 그 사이에 삽입된 세퍼레이터(50)는 원하는 용량에 맞춰서 적절한 개수로 적층되어 케이스(10) 내에 설치된다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 니켈-수소 2차전지의 성능을 종래의 2차전지와 비교한 결과를 살펴본다.

이하에서 살펴볼 본 발명의 실시예들은 Ni(OH)₂를 양극 활물질로 사용하고 양극 포켓을 니켈 도금한 강판으로 제작하였으며, 음극 집전체로 그리드 박막 강판을 사용하였다. 또한, 음극커버로 0.08㎜ 두께의 PP부직포를 사용하였고, 세퍼레이터로 0.9㎜ 두께의 세퍼레이터를 사용하였다.

표 1은 190Ah의 동일한 공칭용량을 갖는 종래의 2차전지(비교예1)와 본 발명 에 따른 2차전지(실시예1)를 비교한 표이며, 비교예1은 현재 판매중인 양극과 음극이 모두 포켓방식으로 제작된 니켈-수소 2차전지이다.

[표 1]

대상	공칭용량(Ah)	높이(㎜)	너비(㎜)	길이(㎜)	중량(㎏)	에너지 밀도
대상	공칭용량(Ah)	높이(㎜)	너비(㎜)	길이(㎜)	중량(㎏)	중량(Wh/㎏)	체적(Wh/ℓ)
비교예1	190	353	171	150	15.5	14.7	25.2
실시예1	190	353	171	120	13.5	16.9	31.5

이때, 에너지 밀도는 공칭용량에 1.2를 곱한 값을 중량 또는 체적으로 나눈 값이다.

표 1에서 보이듯이 동일한 용량을 갖는 경우에 본 발명의 니켈-수소 2차전지는 종래에 시판된 포켓식의 니켈-수소 2차전지에 비하여 체적과 중량이 많이 감소하였다. 또한, 그에 따라서 중량 에너지 밀도와 체적 에너지 밀도가 각각 14.9%와 25%씩 향상된 것을 확인할 수 있다.

이는 종래에 포켓식의 음극을 갖는 2차전지의 경우보다, 구조적으로 음극의 두께가 얇다는 점과 음극 활물질의 이용률이 높아 음극의 두께를 얇게 하는 것이 가능하다는 두 가지 이유 때문인 것으로 판단된다.

또한, 포켓식의 음극을 제작함에 있어서는 음극 활물질을 구리로 도금하는 과정이 필수적이지만, 본 발명에 따르면 음극 활물질을 구리로 도금할 필요가 없다. 따라서 음극을 제작하는 비용이 많이 감소된다.

표 2는 30Ah의 동일한 공칭용량을 갖는 종래의 2차전지(비교예2)와 본 발명에 따른 2차전지(실시예2)를 비교한 표이며, 비교예2는 현재 판매중인 양극과 음극 이 모두 페이스트방식으로 제작된 니켈-수소 2차전지이다.

평가 조건은 0.2C(6A)의 전류량으로 1.0V까지 방전한 뒤에, 1.0C(30A)의 전류량으로 60시간을 연속 충전하여 6000%의 과충전을 하면서 전해액의 감소와 케이스의 외형변화를 관찰하였다.

[표 2]

대상	공칭용량(Ah)	전해액 완전 감소시간	평가완료 후 외관
비교예2	30	38시간	케이스가 녹아내림
실시예2	30	53시간	외형 변화 없음

표 2에서 보이듯이 동일한 용량을 갖는 경우에 본 발명의 니켈-수소 2차전지는 종래에 시판된 페이스트식의 니켈-수소 2차전지에 비하여 전해액이 완전히 감소하는 시간이 길다. 페이스트식의 니켈-수소 2차전지의 경우 극판 간의 반응거리가 매우 가깝기 때문에 전해액의 흐름이 제한적이며, 전해액에 흐름에 의한 냉각효과의 감소로 이어진다. 따라서 과충전과 같이 활발한 반응이 일어나는 동안에는 자체 냉각능력이 떨어져 전해액이 빠르게 감소한다. 반면에 본 발명의 니켈-수소 2차전지는 전해액의 흐름이 적절하게 이루어지기 때문에, 6000%의 과충전에도 케이스 외관에 전혀 이상이 없을 정도로 안전성이 향상된 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 2차전지는 양극과 음극이 적절한 거리를 유지하기 때문에, 과도하지 않은 적절한 반응속도를 나타낼 뿐만 아니라, 전해액의 유동이 자유로워 2차전지 자체의 냉각효과도 뛰어나다. 이러한 결과, 본 발명의 2차전지는 오랜 시간 동안 계속하여 충전상태로 대기해야하는 비상전원용 축전지에 매우 적합한 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에만 국한되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위는 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 첨부된 특허청구범위에 의해 정해지는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 2차전지의 양극을 나태는 도면이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 2차전지의 음극을 나타내는 도면이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10: 케이스 12: 음극주

14: 양극주 20: 양극

22: 양극 활물질 24: 강판

26: 포켓 30: 음극

32: 페이스트 40: 음극커버

50: 세퍼레이터

Claims

삭제
전해질이 포함된 케이스 내부에 세퍼레이터를 사이에 두고 양극과 음극이 반복적으로 복수 개 설치된 니켈-수소 2차전지에 있어서,

상기 양극이 구멍이 형성된 박막 금속으로 제작된 포켓 안에 양극 활물질을 채운 포켓식 양극판이고,

상기 음극이 음극 활물질에 첨가제와 결착제를 첨가하여 제조한 페이스트를 집전체에 도포하여 이루어진 페이스트식 음극판이며,

상기 음극 전체를 감싸는 주머니 형상의 음극커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 니켈-수소 2차전지.
제2항에 있어서,

상기 음극커버의 재질이 PP부직포 또는 나일론부직포인 것을 특징으로 하는 니켈-수소 2차전지.
제3항에 있어서,

상기 음극커버의 두께가 0.04 내지 0.12mm인 것을 특징으로 하는 니켈-수소 2차전지.
제2항에 있어서,

상기 음극의 집전체가 Ni-파이버 또는 NPPS로 이루어진 것을 특징으로 하는 니켈-수소 2차전지.
제2항에 있어서,

상기 세퍼레이터의 두께가 0.2 내지 2.0mm인 것을 특징으로 하는 니켈-수소 2차전지.
삭제