KR100291699B1 - 납축전지의 전해액 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 납축전지의 전해액 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 축전기의 성능과 수명을 향상시켜 저온에서도 축전기의 성능이 유지되고, 전류효율이 크기 때문에 단시간에 완충전할 수 있으며, 극판부식이 없고 백색 황산납의 제거 효과가 있어 축전지의 수명이 연장되며, 백색 황산납으로 인한 폐축전지를 재생할 수 있는 납축전지의 전해액 조성물에 관한 것이다.

Description

납축전지의 전해액 조성물{COMPOSITION OF ELECTROLYTE OF LEAD STORAGE BATTERY}

본 발명은 납축전지의 전해액 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 축전기의 성능과 수명을 향상시켜 저온에서도 축전기의 성능이 유지되고, 전류효율이 크기 때문에 단시간에 완충전할 수 있으며, 극판부식이 없고 백색 황산납의 제거 효과가 있어 축전지의 수명이 연장되며, 백색 황산납으로 인한 폐축전지를 재생할 수 있는 납축전지의 전해액 조성물에 관한 것이다.

축전지로서 가장 오랜 역사를 가지고 있는 납축전지는 시대의 변천과 더불어 많은 개량이 되어 왔고 자동차용, 비상전원용 및 전력부하 평준화를 위한 전력저장 용 등 광범위한 범위에 사용되며, 현재에도 2차전지의 총생산량에 약 90%를 점유하고 있다.

납축전지는 양극판(PbO₂), 음극판(Pb) 및 전해질로 구성되어 있으며, 방전에 의하여 두 극 모두 황산납(PbSO₄)으로 변한다. 양극의 과산화납(PbO₂)은 납 또는 납산화물을 전해산화해서 만들며, 이 활물질은 다공성으로 적용면적이 크고 반응하기 쉬우며, 동시에 충·방전에 의한 체적의 팽창·수축으로 붕괴, 탈락하지 않을 필요가 있으나, 방전시 생성되는 황산납은 양극 활물질의 성능저해에 영향을 주며 축전지의 노화에 주원인이 된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 합성된 개량물질을 양극 활물질로 사용하여 노화억제에 대한 연구가 진행되고 있으며, 전해질 특성을 개량하여 노화억제 효과를 개선하는 방안도 있으나 이에 대한 연구는 미비한 실정이다.

대한민국특허공보 제83-1674호에서는 납축전지에서 황산의 양을 줄이고 황산마그네슘, 황산알루미늄, 붕불화암모늄을 첨가한 전해액 조성방법이 개시되어 있으나 기존의 황산전해액의 문제점을 개선한 것에 불과하며 실용화되지 못하고 있는 상태이며, 대한민국특허 제127040호에는 황산납의 발생을 방지하기 위하여 황산전해액에 가성소다 등의 화합물을 첨가한 전해액 조성물이 개시되어 있으나 주성분인 황산과 가성소다의 중화반응에 의하여 실시가 의문시 된다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 기존의 황산전해액에서 황산을 배제하여 축전기의 성능과 수명을 향상시키는 납축전지의 전해액 조성물을 제공하는 것이다.

도 1은 충·방전 실험장치의 개략도이다.

도 2는 종래의 황산 전해액과 본 발명에 따른 전해액의 전류변화에 따른 방전효과를 도시한 그래프이다.

도 3은 종래의 황산 전해액과 본 발명에 따른 전해액의 온도변화에 따른 방전효과를 도시한 그래프이다.

도 4는 충전시 종래의 황산 전해액과 본 발명에 따른 전해액의 비중을 비교한 그래프이다.

도 5는 방전시 종래의 황산 전해액과 본 발명에 따른 전해액의 비중을 비교한 그래프이다.

도 6은 연속 충·방전에 따른 종래의 황산 전해액과 본 발명에 따른 전해액의 방전효과를 도시한 그래프이다.

도 7은 6V-10W 부하에서의 종래의 황산 전해액과 본 발명에 따른 전해액의 방전 전압을 도시한 그래프이다.

도 8은 6V-15W 부하에서의 종래의 황산 전해액과 본 발명에 따른 전해액의 방전 전압을 도시한 그래프이다.

도 9는 12V-100W 부하에서의 종래의 황산 전해액과 본 발명에 따른 전해액의 방전 전압을 도시한 그래프이다.

도 10은 12V-150W 부하에서의 종래의 황산 전해액과 본 발명에 따른 전해액의 방전 전압을 도시한 그래프이다.

본 발명의 납축전지의 전해액 조성물은 증류수 100부에 황산코발트(CoSO₄) 0.5∼1.7중량부, 황산마그네슘(MgSO₄) 40∼50중량부, 염화암모늄(NH₄Cl) 0.2∼0.8중량부, 염화알루미늄(AlCl₃) 15∼25중량부, 니코틴산 0.05∼1.0중량부로 이루어진 것을 특징으로 하며, 이들 화합물의 혼합방법은 공지의 방법들을 이용할 수 있다.

본 발명의 전해액 조성물에 있어서, 각 성분들의 함량 범위의 상한은 최고의 전기 효율을 얻기 위한 것이고, 하한은 전해액 조성물의 성능 효율을 위하여 한정한 것이다.

기존의 황산 축전지는 급속충전시 성능저하 및 폭발을 일으킬 수 있는바, 본 발명의 전해액 조성물을 사용한 축전지는 전류효율이 크기 때문에 단시간에 완충전할 수 있고, 극판부식이 없으며 백색 황산납(PbSO₄)의 제거 효과가 있으므로 축전지 수명단축의 원인인 백색 황산납의 발생을 방지함으로써 축전지의 수명이 연장되며 백색 황산납으로 인한 폐축전지를 재생할 수 있다.

그리고 본 발명의 전해액 조성물의 비중은 1.15∼1.17로 기존의 황산 전해액(약 1.28)보다 비중이 낮아, 본 발명의 전해액 조성물을 적용한 축전지의 경우 그 중량 감소를 이룰 수 있다.

또한 전기자동차의 축전지로 현재 문제시되고 있는 수명, 효율성, 급충전을 해결할 수 있어 전기자동차용 축전지로 적용이 가능하다.

본 발명은 하기 실시예 및 실험예에 의하여 보다 구체적으로 이해될 수 있고, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것에 지나지 않으며 본 발명의 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예

전해액 조성물의 제조

증류수 100부에 황산코발트 1.0중량부, 황산마그네슘 50중량부, 염화암모늄 0.3중량부, 염화알루미늄 20중량부, 니코틴산 0.07중량부를 각각 첨가하여 본 발명의 전해액 조성물을 제조하였다.

실험예 1

상기 전해액 조성물과 종래의 황산 전해액을 사용하여 충·방전 특성을 측정하였다. 본 실험예에서 사용된 충·방전 실험장치를 도 1에 나타내었다. 양극판 4개와 음극판 5개로 구성된 단위셀(전압 4V, 전류 2A)에 각기 본 발명의 전해액과 황산 전해액을 주입하고 단위셀로부터 확장된 도선과 연결된 포텐티오스태트/갈바노스태트(Potentiostat/Galvanostat, MRV-350A, IMACE Co.)로 충·방전 특성을 측정하였다. 이 때 축전지 테스터를 사용하여 전압값을 보정하였다. 전해액의 온도를 유지시키며 전류변화에 따른 방전특성과 온도변화에 따른 방전특성을 측정하였다.

또한 충전과 방전시 본 발명에 따른 전해액과 황산 전해액의 비중변화 및 연속 충·방전에 대한 납축전지의 성능 저하를 측정하였으며, 그 결과를 도 2, 3, 4, 5, 6에 나타내었다.

도 2에서와 같이 본 발명의 전해액(b)이 황산 전해액(a)보다 높은 방전용량을 나타내었으며, 도 3에서와 같이 본 발명의 전해액(b)이 황산 전해액(a)보다 온도가 증가함에 따라 높은 방전효율을 나타내었고, 특히 0℃에서 커다란 방전용량차를 보여, 저온에서 본 발명의 전해액의 방전효율이 탁월하였다.

도 4에서와 같이 충전시는 황산 전해액은 본 발명의 전해액보다 높은 비중에서 빠른 상승곡선을 나타내며, 도 5에서와 같이 방전시에는 황산 전해액이 본 발명의 전해액보다 높은 비중에서 떨어지기 시작하며 종말비중도 본 발명의 전해액보다 더 높게 나타났다. 도 6에서와 같이 황산 전해액(a)의 경우 충·방전 횟수를 거듭함에 따라 방전용량이 급속하게 감소함을 알 수 있었다. 그러나 본 발명의 전해액(b)의 경우는 충·방전 횟수에 따라 방전용량의 변화가 거의 없었으며 오히려 충·방전 횟수에 따라 방전용량이 조금씩 증가하였다.

실험예 2

본 발명의 전해액 조성물과 종래의 황산 전해액을 사용하여 방전 전압특성을 측정하였다. 방전 전압 측정을 위해 6V-10W부하(전체저항 3.66Ω)인 경우는 최대정격이 10W인 2.2의 전력저항 2개와 최대정격이 10W인 5의 전력저항 2개를 사용하였으며, 6V-15W부하(전체저항 2.46Ω)인 경우는 최대정격이 10W인 2.2의 전력저항 3개와 최대정격이 10W인 5의 전력저항 3개를 사용해서 부하회로를 꾸미고 매 5분마다 전압을 측정하였고, 그 결과를 도 7(6V-10W 부하), 도 8(6V-15W 부하), 도 9 (12V-100W 부하), 도 10(12V-150W 부하) 및 표 1에 나타내었다.

표 1

도 7, 8, 9, 10에서와 같이 본 발명의 전해액의 전압곡선은 완만한 형태로 방전이 되는 반면, 황산 전해액은 완만하지 않은 특성을 보였다. 또한 전압강하가 일어나는 시간이 본 발명의 전해액이 더 오래 걸리었다. 상기 표 1에서 알 수 있듯이 본 발명의 전해액이 전압강하가 이루어지기까지 소요되는 시간이 종래의 황산 전해액에 비하여 매우 길었다.

실험예 3

사용년수가 2년이 초과된 축전지(24V-120A)에 본 발명의 전해액을 충액하여 종래의 황산 전해액과 특성을 비교하였다. 정류기로는 부동형 120 앰패어 디시(DC)를 사용하여 본 발명의 전해액의 안전성, 독성, 부식성, 충방전 시간에 따른 전압, 증류수 보충성, 축전지 극판의 백색 황산납 상태를 측정하였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다.

표 2

구 분	종래의 황산 전해액	본 발명의 전해액
안 전 성	인체 유해, 취급주의	인체 무해,취급용이
독 성	후각 자극	후각 자극 없음
부 식	단자, 배선극판 등 부식	부식없음
충전 효과	2.00v-2.45v	2.05v-2.65∼2.85v
방전 효과	2.00v-1.80v	2.20v-1.80v
증류수 보충	보충요함	보충 불필요
백색 황산납	백색 황산압이 발생, 극판에 부착됨	백색 황산납이 극판에 부착된 것도 소멸됨

본 발명의 전해액은 황산 전해액보다 취급이 용이하고 인체에 무해하며 후각자극이 없었으며, 축전지 단자 및 배선에 백색 황산납이 발생하지 않았으며, 증류수를 보충할 필요가 없어 불순물의 잠입이 방지되었다.

본 실시예에서 사용된 축전지는 내용년수가 2년이 초과된 것으로 백색 황산납이 발생되어, 이 백색 황산납이 모든 극판에 극심하여 화학에너지로 잘 전환시키지 못하여 극판 탈락, 축전지 용량 감퇴 등 축전기의 성능이 감퇴된 폐기된 축전지이나 본 발명이 전해액으로 충액하여 한 결과, 20시간 후 백색 황산납이 깨끗이 소멸되었다.

실험예 4

사용년수가 동등한 축전지(320AH)들에 본 발명의 전해액을 충액하여, 황산 전해액이 충액된 축전지와 성능을 비교하였다. 축전지의 효율평가는 1/175의 갱도구배로 1.500m의 운행거리를 광산용 축전차로 운행한 횟수와 광산용 안전등의 방전시간 등을 측정하였고, 정류기로는 씨리콘 정류기, 광산용 축전차는 5톤 규격, 4V-12AH의 광산용 안전등을 사용하였으며, 그 결과를 표 3, 표 4에 나타내었다.

표 3

표 4

	평균 방전 시간	비고
종래의 황산전해액	9:08	폐기
	8:13	〃
	9:20	〃
	9:41	〃
본 발명의전해액	12:53	양호
	11:56	〃
	12:20	〃
	12:34	〃

상기 표 3에서 보듯이 종래의 황산 전해액을 충액한 축전지의 경우는 평균 120톤의 석탄을 채굴하였으나, 본 발명의 전해액을 충액한 축전지는 평균 270톤의 석탄을 채굴하여 그 효율이 2배 이상임을 확인하였다. 또한 충전시 본 발명의 전해액이 종래의 황산 전해액보다 회복이 빨랐으며 방전효율도 15%이상 높았다.

상기 표 4에서 보듯이 안전등에 대한 실험에서 본 발명의 전해액이 종래의 황산 전해액보다 방전시 용량이 30% 증가되었고, 종래의 황산 전해액은 평균 5개월 사용시 사용년수가 완료되어 방전시간 단축으로 갱내 작업시에 지속사용이 불가능하였으나, 본 발명의 전해액은 작업시에 연장사용이 가능하였다.

이상에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 전해액은 축전기의 성능과 수명을 향상시켜 저온에서도 축전기의 성능이 유지되고, 전류효율이 크기 때문에 단시간에 완충전할 수 있으며, 극판부식이 없고 백색 황산납의 제거 효과가 있으므로 축전지 수명단축의 원인인 백색 황산납의 발생을 방지함으로써 축전지의 수명이 연장되며, 백색 황산납으로 인한 폐축전지를 재생할 수 있음을 알 수 있다.

Claims (1)

1. 납축전지의 전해액에 있어서, 증류수 100부에 황산코발트 0.5∼1.7중량부, 황산마그네슘 40∼50중량부, 염화암모늄 0.2∼0.8중량부, 염화알루미늄 15∼25중량부, 니코틴산 0.05∼1.0중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 납축전지의 전해액 조성물.