KR100315370B1 - 버턴셀에서기체밀봉된알칼라인저장밧데리 - Google Patents

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Abstract

버턴셀형의 Ni/Cd 또는 Ni/하이드리드 저장 밧데리에서 양전극 정제는 활성물질로써 고비중 밀도 (d > 3.5g/㎤)와 구형입자와 수산화니켈 분말제 물질이다. 불규칙한 입자(도면 2a)를 가지는 통상의 수산화니켈과는 대조적으로 구형 입자표면과 최대 입자 크기가 5 내지 20㎛ 인 비교적 범위가 좁은 입자크기 분포를 가지기 때문에 건조압착 동안에 양호한 공간 이용성을 가진다. 구형 수산화니켈계 버턴셀의 특정 용적 용량은 통상의 양성버턴-셀 전극보다 25% 높다. 구형입자의 평균 직경 보다 적은 포어크기를 가지는 미세공 세퍼레이터는 단락-회로의 위험을 방지한다.

Description

버턴셀에서 기체 밀봉된 알칼라인 저장 밧데리
본 발명은 셀케이스내에 배치되고 세퍼레이터에 의해 떨어져 있는 양전극과 음전극을 가지는 버턴셀형의 기체가 새지 않도록 밀봉된 알칼라인 저장 밧데리에 관계한다.
버턴셀의 케이스는 양동이 모양의 하부와 니켈-판 쉬트강으로된 덮개로 형성된다. 하부에는 양전극이 있고 그다음 알칼라인-저항 플라스틱물질이 세퍼레이터로 위치해 있고; 그다음에 음전극이 위치해 있다. 전극들과 세퍼레이터는 전해질에 침잠되어 있다. 음전극과 덮개 사이에는 셀용기와 전극의 충돌을 유도하기 위해 스프링이 위치해 있다. 셀용기와 덮개는 플라스팅링에 의해 서로 절연된다. 완전한 밀봉차단은 용기의 주변을 플랜지로 붙이고 압착하여 이루어질 수 있다.
실린더형 셀과는 구별이되는 이와 같은 특정구조와는 별도로 버턴셀은 항상 약 1Ah 까지 낮은 용량을 가지도록 디자인된다. 전반적으로 작은 크기 때문에 전자산업에서 다양하게 이용되는 것을 볼 수 있다.
버턴셀 전극은 일반적으로 질량전극이다. 이들은 각 활성물질-양전극의 경우에 수산화 니켈-선택적으로 전도물질과 결합제 첨가되는 건조혼합물에 기초한다. 건조혼합물에서 압착된 분말정제가 형성되고 Ni/Cd형 버턴셀에서 공지된 것과 같이 최종적으로 압축을 보강하고 그리고 전류집합을 개선하기 위한 목적으로 니켈선 가우즈의 작은 바스켓내로 압착한다.
버턴셀의 케이스내에 점진적인 소형화는 단위용적당 전기화학적 저장용량에 더 높은 요구성을 부과하는 것으로 이해되는 반면에, Ni/Cd 와 Ni/금속수화물 버턴셀은 용적에너지 밀도에 대해 이들의 가능성을 제한하도록 한다. 입자크기와 입자분포 때문에 사용되는 수산화니켈은 이론치의 약 80 정도의 용적이용만을 허용하고, 즉 약 289mAh/g 와 비교할때 230mAh/g 가 된다. 상응하게는 전극 용적에 기초하여 용적이용은 약 300mAh/㎤ 의 값을 가진다.
버턴셀에서 현재 이용되는 수산화니켈 분말은 연속적인 연마후에 입자크기가 30 내지 300㎛ 인 분말을 생산하는 초기 덩어리 물질로써 침전과 건조공정에서 얻을 수 있다.
실제 활성물질량으로써 수산화니켈에 추가하여 입자크기가 수산화니켈 입자보다 상당히 적은 1 내지 5㎛의 평균 입자크기를 가지는 첨가제가 양성 버턴-셀 전극에 요구되기 때문에 혼합과 프레스에 의해 컴팩트하는 모든 성분의 균일한 분포의 밀도가 어렵다.
미국특허 명세서 4,844,999 와 4,985,318 에서는 페이스트 전극으로 사용될 수산화니켈 분말에 대해 상술하고 있으며 이때 분말은 총 포어용적이 0.05㎖/g 을 가지고, 분말의 포어반경은 15 내지 30Å 이다. 이와 같은 물질의 비교적 높은 밀도와 미세분말은 이들 자료와 표면적이 15 내지 30㎡/g 이 된다.
그러나, 경험에 따르면 질량이용 증가는 입자크기가 20㎛ 이하인 통상의 수산화니켈 분말을 후연만하고 그다음 Ni(OH)2질량입자의 전기적 결합을 강화시키고 또한 전극에서 이 부분이 전자전이에 도달할 수 없도록 위로 개방되도록 하기 위해 좀더 미세하고 그리고 좀더 균일하게 전자 집적을 위해 혼합된 분말을 분배함으로써 이루어질 수 있다. 그러나 동시에 다른 단점들이 있을 수 있다.
본 발명의 목적은 알칼라인 버턴셀 특히 현재 이용하는 동일구조의 버턴셀과 비교할 때 상당히 개선된 저장능력을 가지는 Ni/하이드라이드 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이 목적은 양전극의 활성물질을 형성하고 건조상태에서 압착되고 원형입자 모양과 고형상태 밀도가 높은 수산화니켈 분말로 이루어질 수 있다.
본 발명의 수산화니켈 분말의 비중밀도는 적절하게는 3.3g/㎤ 이상이고 상한선은 3.9g/㎤ 이다. 대부분 입자크기는 5 내지 20㎛ 이고 가장 적절한 경우는 10 ㎛ 내지 15 ㎛ 이다. 결과적으로 전술한 1 내지 5 ㎛ 첨가제의 동크기를 이룰 수 있다. 결과적으로 후자와 혼합할때 더 균질한 분포와 더 유용한 공간이용이 이루어질 수 있다.
본 발명에 따라 적절한 Ni/하이드리드 버턴셀에 적절한 음전극물질은 LaNi5형 또는 TiNi형을 포함하는데 특히 수소저장 합금이다. 란타늄 그리고/또는 다른 희귀광물요소가 MmNi5합금의 미쉬-금속 성분을 포함하는 LaNi5형의 합금이 적절하다. 대표적인 합금은 MmNi4.3-xCOxMn0.3Al0.4조성물을 가지고 이때 0.2 < x < 0.7 이 된다.
양전극의 일반적인 질량 혼합물은 수산화니켈에 추가하여 금속니켈, 코발트와 흑연 그리고 산화코발트이다. 이와 같은 첨가제들은 주로 절연물질로 작용하는데; 추가로 산화코발트는 양전극에서 산소 오버볼테이지를 증가시키고 결과적으로 충전효능을 증가시키기 위해 제공된다.
건조중량이 압력을 받을 때 기계적 강도를 개선시키기 위해 분말형 플라스틱 결합제 예로써, 폴리테트라플로오르에틸렌(PTFE), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 또는 폴리비닐리덴 플로라이드(PVDF)가 첨가될 수 있다.
일반적인 질량혼합물은 다음과 같이 구성된다.
플라스틱 결합제가 0.5 내지 3wt%
Ni(OH)2가 나머지 중량으로 100% 되게 채운다.
Ni(OH)2성분의 가변범위는 약 40wt% 내지 70wt% 가 된다.
수산화니켈이 구형입자 모양과 동시에 높은 고형상밀도 (적절하게는 >3.5g/㎤)를 가지기 때문에, 본 발명에 따르면, 균일하고 유연한 입자표면과 적절한 입자크기 분포때문에 높은 패키지 밀도를 얻는 것도 가능하다.
질량의 진행능력에 대해서 정제로 건조혼합물을 압착하기전에 전술한 질량혼합물을 입자화시키는 것이 특히 유익하다. 이로써 입자크기가 100 ㎛ 내지 1000 ㎛ 를 가지고 이들의 유동성 때문에 우수하게 분배될 수 있는 질량역암을 생산한다. 또한, 입자가 클수록 작은 니켈-가우즈 비스켓에서 슬러리로써 질량이 누수되는 것을 막는다. 세퍼레이터의 침투위험 또한 감소될 수 있다.
입자크기가 50 내지 300 ㎛ 을 가지는 통상의 수산화니켈 분말은 이들을 약 20 ㎛의 미세입자가 되도록 후 연마시키더라도 후 연마산물의 입자가 여전히 불규칙적이어서 컴펙트동안에 적절한 공간채우기가 방해되어 유사한 성공을 얻을 수가 없다. 단위 용적당 높은 용량과 높은 밀도를 가지는 전극의 성기게 연마된 표준물질에서 후 연마된 양성물질 사용의 성공은 결과적으로 제한적이다.
질량이용의 특정증가는 표준 수산화니켈 분말의 후 연마 결과로써 가능한 것이 사실이고; 전기화학적 활성부분과 금속 도체 매트릭스 사이의 공간은 더작아지고 결과적으로 전극물질의 생산동안에 용량을 운반하는 적하가 더 좋아진다. 그러나 입자크기가 50 내지 300 ㎛ 인 수산화니켈 분말을 포함하는 이와 같은 셀의 경우에 장기간 특히 고온에서 짧은 회로 조건하에 저장되더라도 용량세팅에서 비가역적으로 감소하게 된다. 용량손실은 입자크기가 20 ㎛ 미만인 수산화니켈 분말을 이용하는 경우에만 해결될 수 있다.
그러나 미세하게 연마된 수산화니켈의 장점에도 불구하고 특히, 주기적 충전/방전 처리동안에 그리고 지속적은 과충전동안에 개별 질량입자가 양전극에서 떨어지고, 이와 같이 음전극에 짧은-회로 연결이 서서히 이루어지는 위험이 있다. 약 0.2mm 두께 개방-포어 세퍼레이터는 섬유성 비-편직물질로 구성되고 약 100 내지 300 ㎛ 크기의 포어를 가지고 이는 버턴셀에서 현재 이용될 수 있으나 질량입자의 이동을 방해할 수는 없으며 따라서 셀이 실패하게 된다.
이들의 미세성 때문에 본 발명에 따라 사용된 수산화니켈의 구형입자는 후 연마된 표준물질 보다 통상의 세퍼레이터에서 분리되는 것을 방지할 수는 없다. 이 두 가지 경우에서 효과적인 해결책은 미세공 세퍼레이터 물질은 PE 또는 PP 막으로 형성하고 이때 오픈코어는 5 내지 20 ㎛ 입자이하의 작은 크기가 되도록 한다. 미세분할된 물질로 구성된 양성 수산화니켈 전극은 따라서 단락회로-방지 미세공 세퍼레이터에 연결하여 적절하게 사용된다. 동시에 양호한 공간이용성 때문에 미세 분할된 Ni(OH)2와 이와같은 세퍼레이터의 복합은 실제로 후 연마된 표준물질과의 상응하는 복합보다 더 유익하다.
구형 수산화니켈 분말로 구성된 양전극을 가지는 버턴셀 저장 밧데리의 유익한 성질은 일부도면을 참고하면 명백해진다.
제1도에 따르면, 통상의 구조를 가진 버턴 저장밧데리(1)는 구형입자 모양의 수산화니켈과 양전극(3)을 포함하는 양동이 모양의 하부분(2)과 수소 저장용량을 가지는 압착된 합금분말로 구성된 음전극(5)을 수용하는 덮개부분(4)과, 접촉스프링(6), 밀봉링(7)과 세퍼레이터(8)로 구성된다.
제2a와 2b도에는 양성 압착된 분말정제의 채워지는 공간에 수산화니켈 입자의 모양에 영향을 받는 것으로 보이고, 노면에서는 상당히 확대된 크기로 도면1의 양전극의 Z 부위를 나타낸다.
보통 사용되는 수산화니켈에서 입자의 불규칙성 때문에(도면 2a), 압착후에 양전극(3)에는 데드(dead) 용적이 남아있게 된다.
대조적으로, 입자-크기 분포가 적절히 조정된 구형입자 표면의 균질하고 부드러운 토양은 높은 패킹밀도를 가진다(도면 2b), 구형 수산화니켈 입자를 이용한 결과로 전극용적은 불규칙한 입자표면을 가지는 Ni(OH)2물질 보다는 실제 더잘 이용된다.
도면3에 따른 용적분포 다이아그램에서 누적곡선(1)은 입자크기 x [㎛] 에 대한 함수로써 구형 Ni(OH)2분말(누적분포 Q3)의 총용적의 파괴를 나타낸다. 동일크기 또는 더작은 크기의 입자에 의해 점령된 총용적의 일부는 선택된 각 입자크기에 대해 곡선에서 감소될 수 있다. 따라서, 대체적으로 구형분말은 30 ㎛ 크기를초과하지 않는 입자로만 구성된다는 것을 볼수 있다.
누적곡선1에서 유도된 입자크기 분포의 곡선 2는 10 내지 20 ㎛ 가 최대이고 이와 유사하게 폭은 10 내지 20 ㎛ 을 가진다. 이것은 좁은 범위의 크기분포내에 구형입자의 최대빈도를 나타낸다. 적정공간 이용과 같은 적정 패키지 밀도에 대한 실제요구가 존재한다.
본 발명에 따라서 통상의 압착된 분말전극과 비교하여 구형 수산화니켈 분말로 구성되고 이용된 버턴셀 전극의 최대용적 용량은 도면4에 나타낸다. 후에, 단위용적을 기초하여 특이적 용량 K [mAh/㎤] 는 셀을 전해질 (a)로 채운후에 그리고 100회 (b) 충전후에 각각 그 상태를 막대그래프로 나타내었다.
본 발명에 따라 이용된 전극과는 대조적으로 통상의 수산화니켈(입자크기는 50 내지 300 ㎛)로 구성된 압착된 전자는 전해질과 접촉하자마자 자발적으로 팽창하게 된다. 전해질로 포어시스템에 충전은 전극높이를 최대 25% 까지 증가시키는데 효과가 있고 이는 용적용량을 이에 상응하게 떨어뜨리는 결과가 된다. 통상의 새로운 전극의 용적용량은 순환 작용시작((a) 우측막대)에서 약 300mAh/㎤ 로 떨어지는 반면에, Ni(OH) 분말로 구성된 양전극의 초기용량이 실제로 400mAh/㎤ 이다.
팽창하는 경향이 없기 때문에 구형입자로 구성된 압착된 전극은 버턴셀에서 용량적 능력을 증가시키기 위해 중요한 필수조건이다.
한편, 셀을 구성하는데 있어서 비구형 표준물질의 경우에 발생할 수 있는 용적증가를 허용한다. 외부적 특정용적은 따라서 다소 적은 크기만에 이용될 수 있다.
제 1 도는 본 발명에 따른 Ni/하이드라이드 저장 밧데리의 단면을 나타낸다.
제 2a 도는 도면상으로 표준생산된 수산화니켈 분말을 나타내고,
제 2b 도는 구형입자를 가지는 수산화-니켈 분말을 나타낸다.
제 3 도는 구형입자를 가지는 수산화-니켈 분말의 입자크기 분포를 나타내고
제 4 도는 통상의 수산화니켈과 구형입자를 가지는 수산화 니켈로 구성된 압착된 분말전극의 특이적 용적 용량을 나타낸다.

Claims (8)

  1. 셀케이스내에 양극과 음극이 배치되어 있고, 세퍼레이터에 의해 분리되어 있는 버턴셀의 기체 밀봉된 알칼라인 저장 밧데리에 있어서, 건조압착에 의해 생산되는 양성 물질전극 혼합물이 활성물질로써 고형상태 밀도가 높고 구형입자 모양을 가지는 수산화니켈을 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 밀봉된 알칼라인 저장 밧데리.
  2. 제 1 항에 있어서, 니켈/하이드리드 저장 밧데리인 것을 특징으로 하는 기체 밀봉된 알칼라인 저장 밧데리.
  3. 제1항 또는 2항에 있어서, 구형 수산화니켈의 비중밀도가 3.3g/㎤ 내지 3.9 g/㎤ 이고 이 입자의 주요크기는 5 내지 20 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 기체 밀봉된 알칼라인 저장 밧데리.
  4. 제1항 내지 3항중 어느 한항에 있어서, 금속니켈과 코발트 그리고 하이드록시드 코발트에 추가하여 분말형 플라스틱 결합제가 양성전극의 활성물질에 첨가되는 것을 특징으로 하는 기체 밀봉된 알칼라인 저장 밧데리.
  5. 제1항 내지 4항중 어느 한항에 있어서, 양전극의 질량혼합물은 정제로 건조압착하기전에 미리 입자로 만들어진 것을 특징으로 하는 기체 밀봉된 알칼라인 저장 밧데리.
  6. 제 5 항에 있어서, 입자화된 물질은 입자크기가 100 ㎛ 내지 1000 ㎛ 를 가지는 것을 특징으로 하는 기체 밀봉된 알칼라인 저장 밧데리.
  7. 제2항 내지 6항중 어느 한항에 있어서, 음전극물질은 미쉬-금속을 포함하는 MmNi5수소 저장 합금인 것을 특징으로 하는 기체 밀봉된 알칼라인 저장 밧데리.
  8. 제1항 내지 7항중 어느 한항에 있어서, 세퍼레이터에는 구형 수산화니켈의 최소 입자크기 보다 적은 포어직경을 가지는 미세공물질이 제공되는 것을 특징으로 하는 기체 밀봉된 알칼라인 저장 밧데리.
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