KR100237137B1 - Electrode material alloy for secondary cell composed of ni/mh - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Ni/MH(Metal Hydride 이하 MH라 함) 2차 전지용 전극재료인 Ti-Zr-V-Cr-Mn-Ni계 수소저장합금의 개발을 목적으로 하는 니켈과 수소저장합금으로 구성된 2차 전지용 전극재료 합금에 관한 것이다.The present invention is a secondary electrode composed of nickel and hydrogen storage alloys for the purpose of developing a Ti-Zr-V-Cr-Mn-Ni-based hydrogen storage alloy, which is an electrode material for Ni / MH (Metal Hydride MH) secondary batteries. It relates to an electrode material alloy for batteries.

본 발명은 니켈과 수소저장합금으로 됨을 기본적 구성으로 하고 상기 수소저장합금은 Ti, Zr, Mn, Cr, V, Ni로 구성하는 한편 수소저장 합금의 조성은 (Ti0.5-xZr0.5+x)(MnaCrbVcNid)-0.1 ≤ x ≤ 0.1, 0.1 ≤ a ≤ 0.3, 0.4 ≤ b ≤0.6, -0.15 ≤ V ≤ 0.35, 0.8 ≤ d ≤ 1.1 식으로 됨을 특징으로 한다.The present invention has a basic configuration consisting of nickel and hydrogen storage alloy and the hydrogen storage alloy is composed of Ti, Zr, Mn, Cr, V, Ni while the composition of the hydrogen storage alloy is (Ti 0.5 -xZr 0.5 + x) ( Mn a Cr b V c Ni d ) -0.1? X? 0.1, 0.1? A? 0.3, 0.4? B? 0.6, -0.15? V? 0.35, and 0.8? D? 1.1.

본 발명은 기존의 상용화된 AB5계 수소저장합금에 비하여 방전용량이 크고 전류밀도의존성이 우수한 AB5계 수소저장합금과 유사한 특성을 보인다. 또한 본 발명은 방전용량의 감소현상을 개선함으로서 기존의 상용화된 AB5계 수소저장합금을 대체할 수 있다.Compared to the conventional commercially available AB5 hydrogen storage alloy, the present invention exhibits similar characteristics to that of the AB5 hydrogen storage alloy, which has a large discharge capacity and excellent current density dependency. In addition, the present invention can replace the existing commercially available AB5-based hydrogen storage alloy by improving the reduction of the discharge capacity.

Description

니켈과 수소저장합금으로 구성된 2차 전지용 전극재료 합금Electrode material alloy for secondary battery composed of nickel and hydrogen storage alloy

본 발명은 Ni/MH(Metal Hydride 이하 MH라 함) 2차 전지용 전극재료인 Ti-Zr-V-Cr-Mn-Ni계 수소저장합금의 개발에 관한 것이다. 현재까지, Ni/MH 전지의 성능은 음극을 구성하고 있는 수소저장합금(metal hydride : MH)에 의해 좌우된다고 알려져 있다.The present invention relates to the development of a Ti-Zr-V-Cr-Mn-Ni-based hydrogen storage alloy, which is an electrode material for Ni / MH (hereinafter referred to as MH) secondary battery. To date, the performance of Ni / MH cells is known to depend on the metal hydride (MH) constituting the negative electrode.

H. Miyamura와 T.Sakai 등이 개발한 Ti-Zr-Mn-Ni계 수소저장합금은 방전용량이 약 300mAh/g 내외로 AB5계 수소저정합금에 비해 크지만 본 발명에서 개발한 수소정장합금보다 방전용량이 훨씬 작다. 이 합금계의 경우 200싸이클 이내에 합금의 특성이 퇴화되는 거동을 갖고 있다.Ti-Zr-Mn-Ni-based hydrogen storage alloys developed by H. Miyamura and T. Sakai have a discharge capacity of about 300mAh / g, which is larger than that of AB5-based hydrogen low-alloy alloys. The discharge capacity is much smaller. In the case of this alloy system, there is a behavior in which the characteristics of the alloy deteriorate within 200 cycles.

G.Xupeing 등이 개발한 Ti-Zr-Mn-V-Ni-Fe계 수소저장합금의 경우 수명은 우수하지만 0.2C의 전류밀도에서 방전용량이 280-291mAh/g으로 본 발명에서 개발한 합금에 비해 방전용량이 훨씬 낮음을 알 수 있다. 또 전류밀도의존성이 기존에 상용화된 AB5계 수소저장합금 및 본 발명에서 개발한 합금에 비해 매우 나쁜 특성을 갖고 있다.The Ti-Zr-Mn-V-Ni-Fe-based hydrogen storage alloy developed by G. Xupeing et al. Has excellent lifespan but has a discharge capacity of 280-291mAh / g at a current density of 0.2C. It can be seen that the discharge capacity is much lower than. In addition, the current density dependency has very poor characteristics compared to the conventional commercially available AB5 hydrogen storage alloy and the alloy developed in the present invention.

K.Morii 등이 개발한 Ti-Zr-Mn-V-Ni계 수소저장합금의 경우 상온에서 10기압 내외의 평형수소압력을 갖고 있으며 hysteresis와 sloping특성이 굉장히 우수하다. 하지만 이들이 개발한 합금은 본 발명에서 개발한 합금에 비해 Ti에 대한 Zr의 함량이 크고 이들의 연구는 Ni/MH 2차전지용 수소저장합금으로의 응용보다는 heat pump나 수소저장용 수소저장합금으로 활용하기 위한 것이다.The Ti-Zr-Mn-V-Ni-based hydrogen storage alloy developed by K. Morii et al. Has an equilibrium hydrogen pressure of around 10 atm at room temperature and has excellent hysteresis and sloping characteristics. However, the alloys they developed have a higher Zr content than Ti compared with the alloys developed in the present invention, and their studies are used as heat storage or hydrogen storage alloys for storage of hydrogen rather than as a hydrogen storage alloy for Ni / MH secondary batteries. It is to.

Ni/MH전지의 교용량화 및 고성능화를 이루기 위해서는 MH음극의 고성능화, 고용량화가 필수적이다. 2차전지용 전극재료로서 수소저장합금이 사용되기 위해서는 적당한 평탄압력(plateau pressure), 큰 수소저장용량(hydrogen storage capacity), 긴 수명(cycle life)등이 우수한 수소화 반응 특성 및 낮은 제조가격을 지니고 있어야 한다.In order to achieve high capacity and high performance of Ni / MH batteries, high performance and high capacity of MH cathodes are essential. In order to use a hydrogen storage alloy as an electrode material for a secondary battery, it has to have excellent hydrogenation characteristics and low manufacturing price, such as moderate flat pressure, large hydrogen storage capacity, and long cycle life. do.

한편, Ti-Mn-Ni계 수소저장합금의 경우 기존의 전극용 수소저장합금에 비해 큰 수소저장용량을 갖고 있으며 상대적으로 낮은 합금의 제조 가격을 갖고 있어 전극용 수소저장합금으로 매우 유망하다고 할 수 있다. 하지만 이와 같은 Ti--Mn-Ni계 수소저장합금을 전해질내에서 충/방전을 행할 경우 수십 싸이클이내에 합금의 퇴화가 발생하여 전해질내에서 수소의 흡수/방출이 더 이상 일어나지 않게 되므로 전극용재료로 사용하기에 부적합하다. 이와같은 Ti계 수소저장합금 퇴화의 원인은 몇몇의 연구가에 의해 Ti계 수소저장합금의 전극표면에 형성된 두꺼운 TiO2피막에 의해 접촉저항(cont act resistance) 및 전하전달저항(charge transfer resistance)이 증가하기 때문이라고 알려져 있다.On the other hand, Ti-Mn-Ni-based hydrogen storage alloys have a larger hydrogen storage capacity than conventional hydrogen storage alloys and have a relatively low alloy production price, which makes them very promising as hydrogen storage alloys for electrodes. have. However, when the Ti-Mn-Ni-based hydrogen storage alloy is charged / discharged in the electrolyte, the alloy degenerates within tens of cycles, so that hydrogen absorption / emission in the electrolyte no longer occurs. Not suitable for use The cause of such Ti-based hydrogen storage alloy deterioration is due to the increase in contact act resistance and charge transfer resistance due to the thick TiO 2 film formed on the electrode surface of the Ti-based hydrogen storage alloy. It is known because

따라서, Ti-Mn-Ni계 수소저장합금을 전극용재료로 사용하기 위해서는 전해질 내에서 충/방전시 퇴화가 발생하지 않는 긴 수명을 갖도록 하여야 한다.Therefore, in order to use the Ti-Mn-Ni-based hydrogen storage alloy as an electrode material, the Ti-Mn-Ni-based hydrogen storage alloy should have a long life without deterioration during charge / discharge in the electrolyte.

제1도는 Ti0.8Zr0.2V0.5Mn0.5-xCrxNi0.8합금(x=0, 0.2, 0.5)의 30℃에서 P-C-T 곡선을 측정한 결과이다.1 is a result of measuring the PCT curve at 30 ℃ of Ti 0.8 Zr 0.2 V 0.5 Mn 0.5- x CrxNi 0.8 alloy (x = 0, 0.2, 0.5).

제2도는 Ti0.8Zr0.2V0.5Mn0.5-xCrxNi0.8합금(x=0, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5)의 전해질 내에서의 충/방전싸이클에 따른 방전용량의 변화를 나타낸 것이다.2 shows the change of discharge capacity according to the charge / discharge cycles in the electrolyte of Ti 0.8 Zr 0.2 V 0.5 Mn 0.5- x CrxNi 0.8 alloy (x = 0, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5).

제3도는 Ti0.8Zr0.2V0.5Mn0.5Ni0.8합금과 Ti0.8Zr0.2V0.5Cr0.5Ni0.8합금의 충/방전싸이클에 따른 충/방전전위의 변화를 나타낸 것이다.3 shows the change of charge / discharge potential according to charge / discharge cycles of Ti 0.8 Zr 0.2 V 0.5 Mn 0.5 Ni 0.8 alloy and Ti 0.8 Zr 0.2 V 0.5 Cr 0.5 Ni 0.8 alloy.

제4도는 Ti0.8Zr0.2V0.5Mn0.5Ni0.8합금과 Ti0.8Zr0.2V0.5Cr0.5Ni0.8합금의 충/방전 싸이클에 따른 전기화학적인 임피던스의 분석결과이다.4 is an analysis result of the electrochemical impedance according to the charge / discharge cycle of Ti 0.8 Zr 0.2 V 0.5 Mn 0.5 Ni 0.8 alloy and Ti 0.8 Zr 0.2 V 0.5 Cr 0.5 Ni 0.8 alloy.

제5도는 Ti0.8Zr0.2V0.5Mn0.5-xCrxNi0.8합금(x=0, 0.5) 전극이 충/방전 싸이클 후에 관찰한 AES(auger electron spectroscopy)의 depth profile을 분석한 결과이다.5 is a result of analyzing the depth profile of the AES (auger electron spectroscopy) observed after the Ti 0.8 Zr 0.2 V 0.5 Mn 0.5- x CrxNi 0.8 alloy (x = 0, 0.5) electrode.

제6도는 Ti0.5Zr0.5V0.5Mn0.5-xCrxNi0.8합금(x=0, 0.2, 0.5)합금 전극의 충분히 활성화된 후의 표면을 관찰한 SEM사진의 모습이다.6 is a SEM photograph of the surface of the Ti 0.5 Zr 0.5 V 0.5 Mn 0.5- x CrxNi 0.8 alloy (x = 0, 0.2, 0.5) alloy electrode after fully activated.

제6(a)도 43싸이클후의 Ti0.5Zr0.5V0.5Mn0.5Ni0.8합금.Fig. 6 (a) also shows Ti 0.5 Zr 0.5 V 0.5 Mn 0.5 Ni 0.8 alloy after 43 cycles.

제6(b)도 50싸이클후의 Ti0.5Zr0.5V0.5Mn0.3Cr0.2Ni0.8합금.6 (b) is a Ti 0.5 Zr 0.5 V 0.5 Mn 0.3 Cr 0.2 Ni 0.8 alloy after 50 cycles.

제6(c)도 87싸이클후의 Ti0.5Zr0.5V0.5Cr0.5Ni0.8합금.6 (c) is a Ti 0.5 Zr 0.5 V 0.5 Cr 0.5 Ni 0.8 alloy after 87 cycles.

제7도는 Ti0.5Zr0.5V0.5Mn0.5-xCr0.2+xNi0.8합금(x=0, 0.3,)의 30℃에서 측정한 P-C-T 곡선의 결과이다.7 is the result of the PCT curve measured at 30 ° C. of Ti 0.5 Zr 0.5 V 0.5 Mn 0.5- xCr 0.2+ xNi 0.8 alloy (x = 0, 0.3,).

제8도는 Ti0.5Zr0.5Mn0.5-xCr0.2+xNi0.8합금(x=0, 0.15, 0.3)의 전해질 내에서의 충/방전싸이클에 따른 방전용량의 변화를 관찰한 것이다.8 shows the change of discharge capacity according to the charge / discharge cycle in the electrolyte of Ti 0.5 Zr 0.5 Mn 0.5- xCr 0.2+ xNi 0.8 alloy (x = 0, 0.15, 0.3).

제8도는 Ti0.5Zr0.5Mn0.5-xCr0.2+xNi0.8합금(x=0, 0.15, 0.3) 합금에 대한 SEM과 EDS 분석결과이다.FIG. 8 shows SEM and EDS analysis results for Ti 0.5 Zr 0.5 Mn 0.5- xCr 0.2+ xNi 0.8 alloy (x = 0, 0.15, 0.3) alloy.

제9도는 Ti0.5Zr0.5Mn0.5-xCr0.2+xNi0.8합금의 용해후 관찰한 SEM분석 결과이다.FIG. 9 shows SEM analysis results after dissolution of Ti 0.5 Zr 0.5 Mn 0.5- xCr 0.2+ xNi 0.8 alloy.

제10도는 Ti0.5Zr0.5Mn0.2Cr0.5V0.2Ni0.9합금에 대한 30℃에서 측정한 P-C-T곡선이다.FIG. 10 is a PCT curve measured at 30 ° C. for Ti 0.5 Zr 0.5 Mn 0.2 Cr 0.5 V 0.2 Ni 0.9 alloy.

제11도는 Ti0.5Zr0.5Mn0.2Cr0.5V0.2Ni0.9합금의 충/방전싸이클후 표면을 AES depth profile로 고찰한 도면이다.FIG. 11 is a diagram illustrating the AES depth profile of the surface after the charge / discharge cycle of Ti 0.5 Zr 0.5 Mn 0.2 Cr 0.5 V 0.2 Ni 0.9 alloy.

제12도는 Ti0.5Zr0.5Mn0.2Cr0.5V0.2Ni0.9합금의 전해질 내에서의 충/방전싸이클에 따른 방전용량의 변화를 고찰한 것이다.12 shows the change of discharge capacity according to the charge / discharge cycle in the electrolyte of Ti 0.5 Zr 0.5 Mn 0.2 Cr 0.5 V 0.2 Ni 0.9 alloy.

제13도는 Ti0.5Zr0.5Mn0.2Cr0.5V0.2Ni0.9합금의 방전전류밀도에 따른 방전용량의 변화를 나타낸 것이다.FIG. 13 shows the change of discharge capacity according to the discharge current density of Ti 0.5 Zr 0.5 Mn 0.2 Cr 0.5 V 0.2 Ni 0.9 alloy.

본 발명에서는 전해질내에서 퇴화가 급속히 발생하는 Ti0.8Zr0.2V0.5Mn0.5Ni0.8합금에 대하여 각 구성원소의 분율을 조정하거나 새로운 합금원소를 치환하여 긴 수명과 고용량을 갖는 수소저장합금을 개발하고자 하였다. 발명에 사용된 합금의 제조는 아르곤 분위기하에서 아크용해를 통하여 제조하였으며 제조된 합금은 공기중에서 기계적으로 분쇄하였다. 합금의 열역학적인 특성을 조사하기 위하여 자동 P-C-T(pressure-composition-temperature) 측정장치를 사용하여 P-C-T 곡선을 측정하였으며, 제조한 합금의 구조분석은 XRD 분석과 SEM, EDS분석을 동시에 수행하였다. 분쇄된 합금은 400mesh 이하의 분말만을 분리하여 Ni분말과 냉간압착하여 전극을 제조하였다. 제조한 전극은 반쪽전지(half cell) 실험을 행하였으며 충/방전류밀도는 100mA/g이었으며 6시간 충전하였다.In the present invention, to develop a hydrogen storage alloy having a long service life and a high capacity by adjusting the fraction of each element or by substituting a new alloy element for Ti 0.8 Zr 0.2 V 0.5 Mn 0.5 Ni 0.8 alloy which rapidly degenerates in the electrolyte. It was. The alloy used in the invention was prepared by arc melting under argon atmosphere, and the alloy was mechanically ground in air. In order to investigate the thermodynamic properties of the alloy, the PCT curve was measured using an automatic pressure-composition-temperature (PCT) measuring device. The structural analysis of the alloy was carried out simultaneously with XRD analysis, SEM and EDS analysis. The pulverized alloy was separated from the powder of 400 mesh or less and cold pressed with Ni powder to prepare an electrode. The prepared electrode was subjected to a half cell experiment, and the charge / discharge current density was 100 mA / g and charged for 6 hours.

제1도는 Ti0.8Zr0.2V0.5Mn0.5-xCrxNi0.8합금(x=0, 0.2 0.5)의 P-C-T곡선을 측정한 결과이다. Mn대신 치환한 Cr의 양이 증가함에 따라 전체적인 수소저장용량 및 평탄압력구간이 급격히 감소하고 있음을 알 수 있다. 이는 SEM분석결과 합금의 내부에 석출된 제 2상인 수소를 거의 흡수하지 않는 V-Cr rich상이 형성되었기 때문이다.1 is a result of measuring the PCT curve of Ti 0.8 Zr 0.2 V 0.5 Mn 0.5-x Cr x Ni 0.8 alloy (x = 0, 0.2 0.5). As the amount of Cr substituted instead of Mn increases, the overall hydrogen storage capacity and the flat pressure range decrease rapidly. This is because the SEM analysis resulted in the formation of the V-Cr rich phase, which hardly absorbs hydrogen, which is the second phase deposited inside the alloy.

제2도는 Ti0.8Zr0.2V0.5Mn0.5-xCrxNi0.8합금(x=0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5)의 전해질 내에서의 충/방전에 따른 퇴화거동을 나타낸 것이다. Cr의 함량이 증가함에 따라 P-C-T곡선의 측정결과와 동일하게 방전용량 또한 감소하고 있는 반면 합금전극의 수명이 향상되고 있음을 알 수 있다. Ti0.8Zr0.2V0.5Mn0.5Ni0.8합금의 경우 약 400mAh/g의 방전용량을 갖고 있지만 10싸이클 이내에 급격히 퇴화하고 있음을 알 수 있다. 제3도는 Ti0.8Zr0.2V0.5Mn0.5Ni0.8합금과 Ti0.8Zr0.2V0.5Cr0.5Ni0.8합금의 싸이클에 따른 충/방전곡선을 나타낸 것이다.FIG. 2 shows the degradation behavior of the Ti 0.8 Zr 0.2 V 0.5 Mn 0.5-x Cr x Ni 0.8 alloy (x = 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5) according to the charge / discharge in the electrolyte. As the Cr content is increased, the discharge capacity is also reduced as in the PCT curve, while the life of the alloy electrode is improved. Ti 0.8 Zr 0.2 V 0.5 Mn 0.5 Ni 0.8 alloy has a discharge capacity of about 400mAh / g, but it can be seen that it rapidly degenerates within 10 cycles. 3 shows the charge / discharge curves according to the cycles of Ti 0.8 Zr 0.2 V 0.5 Mn 0.5 Ni 0.8 alloy and Ti 0.8 Zr 0.2 V 0.5 Cr 0.5 Ni 0.8 alloy.

Ti0.8Zr0.2V0.5Mn0.5Ni0.8합금의 경우 싸이클이 진행됨에 따라 충전전위(chargi ng potential)이 증가하고 방전전위(discharging potential)는 감소함을 알 수 있으며 Ti0.8Zr0.2V0.5Cr0.5Ni0.8합금의 경우는 충/방전에 따른 전위의 변화가 크게 없음을 알 수 있다. 제4도는 Ti0.8Zr0.2V0.5Mn0.5Ni0.8합금과 Ti0.8Zr0.2V0.5Cr0.5Ni0.8합금의 충/방전 싸이클에 따른 임피던스의 분석결과이다. Ti0.8Zr0.2V0.5Mn0.5Ni0.8합금의 경우 충/방전 싸이클이 진행됨에 따라 반응저항이 크게 증가하고 있는 반면 Ti0.8Zr0.2V0.5C r0.5Ni0.8합금의 경우 충/방전 싸이클이 진행됨에 따라 반응저항은 크게 변화가 없음을 알 수 있다. 또, 싸이클이 진행함에따라 전해질내로의 많은 양의 Mn이 용출되거나 전극표면에 침전됨을 알 수 있었고 AES(Auger electron spectroscopy)로 depth profile을 분석한 결과 퇴화된 Ti0.8Zr0.2V0.5Mn0.5Ni0.8전극의 표면은 두꺼운 TiO2, ZrO2, MnO2의 두꺼운 산화막으로 쌓여 있음을 알 수 있다(제5도). 또, V는 전해질내에서 쉽게 용해되므로 표면에 나타나지 않으며 표면의 Ni양이 매우 작음을 알 수 있다. 이와 같은 표면조건은 전하전달반응(charge transfer reaction)에 대한 촉매효과(catalytic activity)나 전자 전도도(electronic conductivity)가 매우 작음을 예상할 수 있다. 반면 Mn의 일부를 Cr으로 치환한 경우 도면 제4도에서 알 수 있듯이 60싸이클이 지난 후에도 전하전달반응에 대한 반응저항이 크게 증가하지 않음을 알 수 있다.In the case of Ti 0.8 Zr 0.2 V 0.5 Mn 0.5 Ni 0.8 alloy, the charging potential increases and the discharging potential decreases as the cycle progresses.Ti 0.8 Zr 0.2 V 0.5 Cr 0.5 Ni In the case of the 0.8 alloy, it can be seen that there is no significant change in dislocation due to charge / discharge. 4 is an analysis result of impedance according to charge / discharge cycles of Ti 0.8 Zr 0.2 V 0.5 Mn 0.5 Ni 0.8 alloy and Ti 0.8 Zr 0.2 V 0.5 Cr 0.5 Ni 0.8 alloy. In the case of Ti 0.8 Zr 0.2 V 0.5 Mn 0.5 Ni 0.8 alloy, the reaction resistance increased greatly as the charge / discharge cycle proceeded, whereas in the case of Ti 0.8 Zr 0.2 V 0.5 C r 0.5 Ni 0.8 alloy, the charge / discharge cycle proceeded. Accordingly, it can be seen that the reaction resistance does not change significantly. Also, as the cycle progressed, it was found that a large amount of Mn in the electrolyte was eluted or precipitated on the surface of the electrode. Degraded Ti 0.8 Zr 0.2 V 0.5 Mn 0.5 Ni 0.8 It can be seen that the surface of the electrode is stacked with thick oxide films of thick TiO 2 , ZrO 2 , and MnO 2 (FIG. 5). In addition, since V is easily dissolved in the electrolyte, it does not appear on the surface, and the amount of Ni on the surface is very small. Such surface conditions can be expected to have a very small catalytic activity or electronic conductivity for the charge transfer reaction. On the other hand, when a part of Mn is replaced with Cr, as shown in FIG. 4, it can be seen that the reaction resistance to the charge transfer reaction does not increase significantly even after 60 cycles.

제6도는 Ti0.8Zr0.2V0.5Mn0.5-xCrxNi0.8합금(x=0, 0.2, 0.5)전극이 충분히 활성화된 후에 관찰한 SEM 사진의 모습이다. Cr의 양이 점차로 증가하면서 전극의 pulverization rate가 감소하고 있음을 알 수 있다. 또, 제5도에서 알 수 있듯이 Ti0.8Zr0.2V0.5Cr0.5Ni0.8합금의 경우 표면에서의 산소의 농도가 매우 낮으며 Ni의 농도가 높음을 알 수 있다. 즉 Mn을 많이 가지고 있는 합금의 경우보다 Cr을 가지고 있는 합금의 경우가 표면에서의 산화층의 형성이 훨씬 억제됨을 알 수 있다. 하지만 이 합금의 경우 Ni/MH전지용 전극재료로 활용하기에는 방전용량이 너무 작은 단점이 있다. 이상의 연구결과로부터 Ti의 농도가 높은 합금계에서는 충분한 수명과 큰 방전용량을 갖는 2차전지용 수소저장합금을 개발하는 것이 매우 어렵다고 생각된다.FIG. 6 shows the SEM photographs observed after the Ti 0.8 Zr 0.2 V 0.5 Mn 0.5-x Cr x Ni 0.8 alloy (x = 0, 0.2, 0.5) electrode was sufficiently activated. It can be seen that as the amount of Cr gradually increases, the pulverization rate of the electrode decreases. In addition, as shown in FIG. 5, in the case of the Ti 0.8 Zr 0.2 V 0.5 Cr 0.5 Ni 0.8 alloy, the concentration of oxygen on the surface is very low and the concentration of Ni is high. In other words, it can be seen that the formation of an oxide layer on the surface is much more suppressed in the case of an alloy having Cr than in the case of an alloy having much Mn. However, this alloy has a disadvantage in that the discharge capacity is too small to be used as an electrode material for Ni / MH batteries. From the above research results, it is considered very difficult to develop a hydrogen storage alloy for secondary batteries having a sufficient lifetime and a large discharge capacity in an alloy system having a high Ti concentration.

따라서 고용량과 적정의 수명을 갖는 전극용 수소저장합금을 개발하기 위하여 Cr과 쉽게 고용체를 형성하는 V을 합금원소에서 제거하고 Ti 대신 Zr의 양을 상대적으로 증가시킨 Ti0.5Zr0.5Mn0.5-xCr0.2+xNi0.8합금(x=0, 0.3)을 개발하여 그 특성을 조사하였다. 제7도는 Ti0.5Zr0.5Mn0.5-xCr0.2+xNi0.8합금(x=0, 0.3)합금의 P-C-T곡선을 나타낸 것이다. 앞서의 합금의 결과와 유사하게 Cr의 양이 증가할수록 평탄압력구간( plateau region)이 감소함을 알 수 있다.Therefore, in order to develop a hydrogen storage alloy for electrodes having a high capacity and an appropriate lifetime, Ti 0.5 Zr 0.5 Mn 0.5-x Cr which removed V, which easily forms a solid solution with Cr, from the alloying element and increased the amount of Zr instead of Ti A 0.2 + x Ni 0.8 alloy (x = 0, 0.3) was developed and its characteristics investigated. 7 shows the PCT curve of Ti 0.5 Zr 0.5 Mn 0.5-x Cr 0.2 + x Ni 0.8 alloy (x = 0, 0.3) alloy. Similar to the results of the previous alloy, it can be seen that as the amount of Cr increases, the plateau region decreases.

제8도는 Ti0.5Zr0.5Mn0.5-xCr0.2+xNi0.8합금(x=0, 0.15, 0.3) 합금의 전해질 내에서의 충/방전싸이클에 따른 방전용량의 변화를 관찰한 것이다. Mn에 대신 치환한 Cr의 함량이 증가할수록 전극의 활성화특성이 저하되고 있음을 알 수 있으며 방전용량은 감소하지만 수명은 향상됨을 알 수 있다. 도면 제9도는 이 합금계에 대하여 합금의 제조한 직후 관찰한 SEM분석 결과이다. 이 합금계의 경우 C14상의 matrix와 소량의 TiNi 상으로 이루어져 있음을 알 수 있다. 이 합금계에 대하여 제 2상을 제거하고 방전용량을 증가시키기 위해서 평탄압력을 유지하면서 화학양론비를 증가시키도록 V을 소량 첨가하였다.8 shows the change of discharge capacity according to the charge / discharge cycle in the electrolyte of Ti 0.5 Zr 0.5 Mn 0.5-x Cr 0.2 + x Ni 0.8 alloy (x = 0, 0.15, 0.3) alloy. It can be seen that as the content of Cr substituted for Mn increases, the activation characteristics of the electrode decreases, and the discharge capacity decreases, but the lifetime improves. 9 is a SEM analysis result immediately after the alloy is manufactured for this alloy system. It can be seen that this alloy consists of a matrix of C14 phase and a small amount of TiNi phase. A small amount of V was added to the alloy system to increase the stoichiometric ratio while maintaining the flat pressure to remove the second phase and increase the discharge capacity.

이 합금의 조성은 Ti0.5Zr0.5Mn0.2Cr0.5V0.2Ni0.9합금으로 구조는 C14상을 갖는 단상으로 이루어져 있음을 XRD분석으로부터 알 수 있었다. 도면 제10도는 Ti0.5Zr0.5Mn0.2Cr0.5V0.2Ni0.9합금의 P-C-T곡선으로 넓은 평탄압력구간과 적당한 평형수소압력을 갖고 있음을 알 수 있다. 제11도는 Ti0.5Zr0.5Mn0.2Cr0.5V0.2Ni0.9합금의 전해질 내에서의 충/방전싸이클에 따른 방전용량의 변화를 고찰한 것이다. 기존의 Ti기지의 수소저장 합금에 비해 월등히 우수한 방전용량과 우수한 싸이클 특성을 갖고 있음을 알 수 있다. 제12도는 Ti0.5Zr0.5Mn0.2Cr0.5V0.2Ni0.9충/방전 싸이클 후 표면을 AES depth profile로 고찰한 도면이다. 합금의 표면은 매우 낮은 산소의 농도와 Ni의 양이 상대적으로 농축되어 있음을 알 수 있다. 도면 제3도는 Ti0.5Zr0.5Mn0.2Cr0.5V0.2Ni0.9합금의 방전전류밀도에 따른 방전용량의 변화를 관찰한 그림이다. 700mA/g 이상의 고전류밀도에서의 방전효율이 약 85%이상으로 기존의 AB2계 수소저장합금에 비하여 월등히 우수한 전류밀도의존상을 갖고 있음을 알 수 있다.The composition of this alloy was Ti 0.5 Zr 0.5 Mn 0.2 Cr 0.5 V 0.2 Ni 0.9 alloy, and the structure was found from XRD analysis. FIG. 10 shows that the PCT curve of Ti 0.5 Zr 0.5 Mn 0.2 Cr 0.5 V 0.2 Ni 0.9 alloy has a wide flat pressure range and an appropriate equilibrium hydrogen pressure. 11 illustrates the change of discharge capacity according to the charge / discharge cycles in the electrolyte of Ti 0.5 Zr 0.5 Mn 0.2 Cr 0.5 V 0.2 Ni 0.9 alloy. It can be seen that it has an excellent discharge capacity and excellent cycle characteristics compared to the existing Ti-based hydrogen storage alloy. FIG. 12 is a view illustrating the surface after the Ti 0.5 Zr 0.5 Mn 0.2 Cr 0.5 V 0.2 Ni 0.9 charge / discharge cycle with an AES depth profile. It can be seen that the surface of the alloy has a relatively low concentration of oxygen and a relatively high concentration of Ni. 3 is a diagram illustrating the change in discharge capacity according to the discharge current density of Ti 0.5 Zr 0.5 Mn 0.2 Cr 0.5 V 0.2 Ni 0.9 alloy. It can be seen that the discharge efficiency at high current density of 700mA / g or more is about 85% or more, which is superior to the existing AB2 hydrogen storage alloy.

[실시예 1]Example 1

본 발명에서 개발된 합금의 제조는 다음과 같은 방법을 통하여 제조하였다.Preparation of the alloy developed in the present invention was prepared through the following method.

Ti0.5, Zr0.5, Mn0.2, Cr0.5, V0.2, Ni0.8의 조성으로 각각의 순금속 조각을 정량한 후 아르곤가스 분위기 하에서 아크용해를 하였다. 이 때 제조한 합금의 무게는 약 5g 이었다.The pure metal fragments were quantified in Ti 0.5 , Zr 0.5 , Mn 0.2 , Cr 0.5 , V 0.2 , and Ni 0.8 , and then arc-dissolved under argon gas atmosphere. At this time, the weight of the prepared alloy was about 5g.

제조된 합금은 공기중에서 분쇄하였다. 이와 같이 제조한 분말을 미세한 채를 이용하여 일정한 크기 이하의 분말로 분리하였다. 이와 같은 합금의 분말을 Ni분말과 1:3의 무게비율로 혼합한 후 냉간압착하여 전극을 제조하였다. 제조한 전극은 반쪽전지(half cell)실험을 행하였으며 충/방전전류밀도는 100m/A/g이었으며 6시간 충전하였다.The alloy produced was ground in air. The powder thus prepared was separated into a powder having a predetermined size or less using a fine state. The powder of the alloy was mixed with Ni powder in a weight ratio of 1: 3, and then cold-pressed to prepare an electrode. The prepared electrode was subjected to a half cell test, and the charge / discharge current density was 100 m / A / g and was charged for 6 hours.

[실시예 2]Example 2

실시예 1과 동일하게 Ti0.8, Zn0.2, V0.5, Cr0.5, Ni0.8의 조성으로 합금을 제조하였다.In the same manner as in Example 1, an alloy was prepared in a composition of Ti 0.8 , Zn 0.2 , V 0.5 , Cr 0.5 , and Ni 0.8 .

[실시예 3]Example 3

실시예 1과 동일하게 하고 Ti0.8, Zn0.2, V0.5, Mn0.5, Ni0.8의 조성으로하여 합금을 제조하였다.An alloy was prepared in the same manner as in Example 1 and having a composition of Ti 0.8 , Zn 0.2 , V 0.5 , Mn 0.5 , and Ni 0.8 .

이상의 실시예는 오로지 본 발명을 실시하기 위한 것으로서, 이들 실시예에 의하여 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.The above embodiments are only for carrying out the present invention, and the technical scope of the present invention is not limited to these examples.

[실험예]Experimental Example

본 발명에서 Ti, Zr, Mn, V, Cr, Ni 등 금속 조성의 최적조건을 알아보기 위하여 조성비에 따른 방전용량과 전지의 수명을 실험하여 표 1과 같이 나타냈다.In the present invention, in order to determine the optimum conditions of the metal composition, such as Ti, Zr, Mn, V, Cr, Ni, the discharge capacity according to the composition ratio and the life of the battery is shown as shown in Table 1.

Figure kpo00002
Figure kpo00002

본 발명은 Ni/MH 2차전지용 전극재료합금의 개발에 관한 것으로 본 연구에서 개발한 합금의 경우 기존의 상용화된 AB5계 수소저장합금에 비하여 방전용량이 훨씬 크고 전류밀도의존성은 기존의 AB2계 수소저장합금과는 다르게 전류밀도의존성이 우수한 AB5계 수소저장합금과 유사한 특성을 보인다. 또한 본 발명은 Ti계 수소저장합금의 문제점으로 지적된 전해질 내에서의 금속한 퇴화에 따른 방전용량의 감소현상을 크게 개선함으로서 기존의 상용화된 AB5계 수소저장합금을 대체할 수 있을 것으로 생각된다. 기존의 개발된 전지보다 훨씬 방전용량이 큰 Ni/MH 2차전지의 개발을 앞당길 수 있으며 실제 고용량, 고성능 2차전지가 주요성능인지인 전기자동차의 개발을 촉진할 수 있다.The present invention relates to the development of an electrode material alloy for Ni / MH secondary batteries. The alloy developed in this study has a much higher discharge capacity and a higher current density dependence than the conventional commercially available AB5 hydrogen storage alloy. Unlike storage alloys, it shows similar characteristics to AB5-based hydrogen storage alloys with excellent current density dependence. In addition, the present invention is thought to be able to replace the conventional commercially available AB5 hydrogen storage alloy by greatly improving the reduction of discharge capacity due to metal degradation in the electrolyte pointed out as a problem of Ti-based hydrogen storage alloy. It can accelerate the development of Ni / MH secondary battery, which has much higher discharge capacity than the existing developed battery, and can promote the development of electric vehicle, which is the actual performance of high capacity and high performance secondary battery.

Claims (3)

니켈과 수소저장합금으로 구성된 것을 특징으로 하는 2차전지용 전극재료 합금.Electrode material alloy for secondary batteries, characterized in that consisting of nickel and hydrogen storage alloy. 제1항에 있어서 수소저장합금은 Ti, Zr, Mn, Cr, V, Ni 로 구성된 것을 특징으로 하는 2차전지용 전극재료 합금.The electrode material alloy of claim 1, wherein the hydrogen storage alloy is composed of Ti, Zr, Mn, Cr, V, and Ni. 제2항에 있어 수소저장합금의 조성은 다음식으로 표현된 2차전지용 전극재료 합금 (Ti0.5-xZr0.5+x)(MnaCrbVcNid) -0.1 ≤ x ≤0.1, 0.1 ≤ a ≤0.3, 0.4 ≤b ≤0.6, -0.15≤ v ≤0.35, 0.8 ≤ d ≤1.1.The composition of the hydrogen storage alloy according to claim 2, wherein the composition of the electrode material alloy for secondary battery (Ti 0.5-x Zr 0.5 + x ) (Mn a Cr b V c Ni d ) -0.1 ≤ x ≤0.1, 0.1 ≤ a ≤ 0.3, 0.4 ≤ b ≤ 0.6, -0.15 ≤ v ≤ 0.35, 0.8 ≤ d ≤ 1.1.
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KR940007277A (en) * 1992-09-18 1994-04-26 김오년 Manufacturing method of polypropylene sizing agent

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