KR100329885B1 - 축전지 - Google Patents

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KR100329885B1
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마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 고율 방전 사이클 수명 특성에 뛰어난 납축전지를 제공하는 것을 과제로 한 것이며, 그 해결수단으로서, 양극과 음극과 전해물질을 포함하고, 상기 음극은 제 1 격자형상을 가진 제 1 격자체와, 상기 제 1 격자체에 설치된 제 1 활물질을 가지며, 상기 양극은 제 2 격자형상을 가진 제 2 격자체와, 상기 제 2 격자체에 설치된 제 2 활물질을 가지고, 상기 제 1 격자체의 제 1 격자눈 면적은 상기 제 2 격자체의 제 2 격자눈 면적 보다도 작게 한 것을 특징으로 한 것이다.

Description

축전지{LEAD ACID BETTERY}
본 발명은 축전지에 관한 것으로서, 특히 고출력 특성이 요구되는 전기 자동차 등에 사용되는 납축전지에 관한 것이다.
종래의 전동 차량용 납축전지는 골프 카트 및 잔디깎는 기계 등에 사용되고 있으며, 평균(1/5)CA[5시간 정격 전류(5 hour rate current)], 최대라도 1CA 정도의 전류가 요구되었다. 이 방전 용량(discharge capacity)은 양극(positive electrode)의 특성에 의해서 규제되고 있다. 양극 방전 용량(활물질 이용률)의 향상을 위하여, 우수한 집전 성능(current collecting characteristics)을 가진 격자체(grid)의 설계 및 양극 활물질의 증량 등의 검토가 행하여져 왔다. 한편, 음극(negative electrode)에 대해서는 전지의 중량 효율을 높이기 위하여, 활물질의 감소나 격자체의 격자눈 면적(mesh area)의 증대에 의해, 될 수 있는 한 중량을 적게 하도록 설계되어 왔다.
그러나, 최근 개발이 한창인 전기 자동차용 납축전지에 있어서 가솔린차와 같은 주행성(가속성, 등판성)이 요구되고, 전동 차량용 납축전지보다 훨씬 엄격한 고율 방전이 행하여 진다. 그 때문에, 충전 및 방전 사이클 경과에 있어서의 저율 방전 용량은 거의 저하하지 않으나, 고율 방전 용량이 조기 열화(劣化)되고, 그 때문에 가속성을 유지할 수 없게 되고, 그 결과 수명이 다한다고 하는 현상이 발생하였다.
이와 같이, 전기 자동차 등의 고율 방전을 수반하는 사이클 작동용 납축전지에 있어서, 충전 및 방전 사이클 경과에 의한 고율 방전 용량의 열화의 억제(즉, 수명의 향상)가 중요한 과제이다.
이 고율 방전 용량의 열화는 주로 음극의 용량 저하가 원인이다. 그 개선 방법으로서, 박형 극판의 개발에 의해 극판 구성 매수를 증가시켜 전류 밀도를 낮추는 방법 및 음극 활물질을 증가시키는 방법 등이 검토되고 있다.
그러나, 상기한 바와 같은 종래의 구성에서는, 충전 및 방전 사이클 경과에 있어서 음극 활물질에 황산납이 축적되고, 그 때문에 용량이 저하된다고 하는 문제가 있었다. 또한, 활물질의 증량이나, 극판 구성 매수의 증가에 의해, 중량 효율이 저하된다고 하는 결점을 가지고 있었다.
본 발명은 상기 과제를 해결하는 것이며, 고율 방전 사이클 수명 특성이 우수한 납축전지를 제공하는 것을 과제로 한 것이다.
도 1은 본 발명의 축전지의 실시예와 종래예의 2.5CA 고율 방전 사이클 수명 특성을 표시한 그래프.
도 2는 본 발명의 축전지의 일 실시예에 있어서의 [(음극 격자눈 면적)/(양극 격자눈 면적)]의 비율과 2.5CA 고율 방전 사이클 수명의 관계를 표시한 그래프.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 축전지에 사용되는 격자체의 형상을 표시한 정면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
2 : 격자살(格子骨)4 : 복수의 격자살에 둘러싸인 부분
10 : 격자체(格子體)
본 발명의 축전지는 양극과 음극과 전해물질을 포함한 축전지로서,
상기 음극은 제 1 격자 형상을 가진 제 1 격자체와, 상기 제 1 격자체에 설치된 제 1 활물질을 가지고,
상기 양극은 제 2 격자 형상을 가진 제 2 격자체와, 상기 제 2 격자체에 설치된 제 2 활물질을 가지고,
상기 제 1 격자체의 제 1 격자눈 면적은 상기 제 2 격자체의 제 2 격자눈 면적보다도 작은 것을 특징으로 한다.
특히 바람직하게는,
상기 제 1 격자눈 면적은 상기 제 2 격자눈 면적의 약 50％ 이하인 것을 특징으로 한다.
특히 바람직하게는,
상기 제 1 격자체 및 상기 제 2 격자체는 익스팬드 격자체인 것을 특징으로 한다.
이와 같은 구성에 의해서, 음극에 있어서는, 제 1 활물질과 제 1 격자체의 접촉 면적이 증가하고, 또한 제 1 활물질과 제 1 격자 사이의 평균 거리가 축소되어, 음극의 반응성이 균일하게 되고, 또한 음극의 반응성이 향상된다.
또한, 양극 격자체의 격자눈 면적을 음극 격자체의 격자눈 면적보다도 크게 함으로써, 용량은 양극에 의해 규정되고, 음극의 이용률은 그 극판의 용량 능력에 비해서 낮게 억제할 수 있다. 또한, 음극의 충전 수납성도 향상시킬 수 있다. 그 결과, 황산납의 축적을 억제할 수 있어, 고율 방전 사이클 수명이 향상된다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하면서 설명한다.
극판은 다음과 같이 해서 제작했다. 납합금을 압연한 띠형상 시트 재료에 익스팬드 격자의 슬릿을 형성하고, 그것을 전개해서 격자눈을 형성했다.
이와 같이 해서, 도 3에 도시한 바와 같은 형상을 가진 격자체를 제작하였다. 도 3에 있어서, 격자체(10)는 복수의 격자살(2)에 둘러싸인 부분(4)을 형성한다. 그 복수의 격자살(2)에 둘러싸인 부분(4)의 면적이 격자눈 면적이다.
이와 같이 제작한 익스팬드 격자체에 연속적으로 페이스트상 활물질을 도포하여 부착하는 방법에 의해 극판을 제작했다. 이 익스팬드 격자의 제작은 금형 커터를 상하 이동시킴으로써, 띠형상 시트에 슬롯을 형성하는 동시에 그것을 전개하는 왕복운동 방식을 사용했다.
시험에 사용한 격자체로서, 종래의 격자체(격자눈 면적은 약 150㎟)와, 종래의 격자체보다 작은 격자눈 면적(약 50㎟)을 가진 격자체를 제작했다.
페이스트상 활물질은 납산화물을 주성분으로 하는 분말체와 물과 황산을 첨가하여 함께 이겨 갬으로써 만들었다. 이 페이스트를 상기 격자체에 각각 동일 중량의 활물질을 도포 부착하고, 숙성하여, 건조시켰다. 이와 같이 해서, 여러 가지의 양극과 음극을 제작했다. 이들 양극과 음극을 사용해서, 여러 가지의 납축전지를 제작했다. 전해액으로서는 황산을 사용했다.
상기한 극판을 각각 조합하여 극판군을 구성하고, 그 후, 정격 12V-60Ah의 전지를 4종류 만들었다. 4종류의 시제작 전지에 사용된 각각의 격자체의 격자눈 면적을 각각 표 1에 표시한다.
전지 번호 양극의 격자눈 면적(㎟) 음극의 격자눈 면적(㎟)
A (종래 전지) 150 150
B 150 50
C 50 150
D 50 50
이상과 같이 구성된 본 발명의 납축전지와 종래의 납축전지에 대해서 다음과 같은 고율 방전 사이클 수명 특성 시험을 행하였다.
2.5CA의 정전류에서 8.4V까지 방전하고, 그 후 2단 정전류 충전에 의해 충전하는 과정을 1 사이클로 하였다. 2단 정전류 충전은 1단째 충전전류(0.2CA)에서14.4V까지 충전하고, 그 후 2단째 충전 전류(0.05CA)에서 4시간 충전하는 방법이다. 시험 결과를 도 1에 도시한다.
도 1에 있어서, 전지(B)는 다른 전지(A, C, D)보다 긴 수명을 가진다. 즉, 음극 격자체의 격자눈 면적을 양극 격자체의 격자 면적보다 작게 한 전지(전지 번호 B)의 사이클 수명 특성은 우수한 수명 특성을 가진다.
음극 격자의 격자눈 면적을 양극의 격자눈 면적보다도 작게 함으로써,
① 용량 규제가 양극이기 때문에, 음극은 극판의 용량 능력에 비해서 이용률을 억제 할 수 있다.
② 음극의 충전 수납성도 향상시킬 수 있다.
이들 이유로, 황산납의 축적 및 고정화를 억제할 수 있고, 그 결과, 고율 방전 사이클 수명을 향상시킬 수 있었다.
한편, 음극 격자체와 양극 격자체의 쌍방의 격자눈 면적이 작은 전지(전지 번호 D)는 짧은 사이클 수명을 보였다. 그 원인은 초기 단계에서부터 용량이 크고, 양극과 음극 쌍방의 활물질 이용률이 크기 때문에, 사이클 수명이 조기에 저하했기 때문이다.
이상의 결과로부터, 납축전지에 있어서, 음극 격자체의 격자눈 면적을 양극 격자체의 격자눈 면적보다도 작게함으로써, 고율 방전 사이클 수명을 향상시킬 수 있다.
다음에, 음극 격자체와 양극 격자체의 격자눈 면적 비율의 최적치를 조사하기 위하여, 표 2에 기재한 바와 같은 여러가지의 격자눈 면적을 가진 음극 격자체를 제작하여, 각각의 음극 격자체를 사용한 전지를 제작하였다.
각각의 격자눈 면적을 가진 전지를 3개씩 제작했다. 또한 제작한 각각의 전지의 규격은 12V-60Ah이다. 그리고, 이들 전지를 사용해서, 2.5CA 고율 방전 사이클 수명 시험을 행하였다.
전지 번호 양극 격자체 격자눈 면적(㎟) 음극 격자체 격자눈 면적 비율(%)
E 50 100
F 50 80
G 50 60
H 50 40
I 50 20
[(음극 격자체의 격자눈 면적)/(양극 격자체의 격자눈 면적)]의 비율과, 3개의 2.5CA 고율 방전 사이클 수명의 평균치의 관계를 도 2에 도시하였다. 도 2에 있어서, 음극 격자체의 격자눈 면적이 양극 격자체의 격자눈 면적보다도 작은 경우(전지 번호 H 및 I), 긴 수명을 가진 전지를 얻을 수 있게 된다. 특히, 음극 격자체의 격자눈 면적이 양극 격자체의 격자눈 면적보다도 약 50％ 이하로 한 전지(I)가 특히 뛰어난 수명 특성을 가진다.
또한, 본 실시예에 있어서 격자체는 왕복운동 익스팬드 방식에 의해 제작하였으나, 로터리 익스팬드 방식에 의해 제작한 격자체도 사용가능하다. 즉, 몇겹으로 겹쳐진 원판 형상 커터에 의해 형성된 금형에 의해 띠형상 시트에 슬릿을 형성하고, 그 후, 다른 공정에서 소정의 폭까지 전개함으로써 격자체가 제작된다. 이 로터리 익스팬드 방식을 사용한 격자체에 대해서도 상기와 동등한 효과를 얻을 수있다.
또한, 종래의 주조 격자를 이용한 전지도 사용가능하다. 이 경우에도 익스팬드 격자체에 비해서, 그 효과는 약간 적어진다. 이와 같이, 본 발명에 사용되는 격자체는 격자체 제조 공법을 한정하는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 축전지는 납축전지의 타입[벤트(vent)식이나 시트(sheet)식]에 한정되지 않는다. 특히, 충전시에 양극에서 발생한 산소 가스를 음극에서 흡수하여 황산납으로 하는 산소 사이클을 가진 시일(seal)식 납축전지는 특히 뛰어난 효과를 가질 수 있다.
이상의 설명에서 명백한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 양극 격자체의 격자눈 면적보다 작은 격자눈 면적을 가진 음극 격자체를 구비한 전지는 우수한 고율 방전 사이클 수명을 가진다.

Claims (9)

  1. 양극과 음극과 전해물질을 포함한 축전지에 있어서,
    상기 음극은 제 1 격자 형상을 가진 제 1 격자체와, 상기 제 1 격자체에 설치된 제 1 활물질을 가지고,
    상기 제 1 격자체는 복수의 제 1 격자눈을 가지며,
    상기 양극은 제 2 격자 형상을 가진 제 2 격자체와, 상기 제 2 격자체에 설치된 제 2 활물질을 가지고,
    상기 제 2 격자체는 복수의 제 2 격자눈을 가지며,
    상기 음극의 상기 복수의 제 1 격자눈의 대다수는 상기 양극의 상기 복수의 제 2 격자눈의 대다수의 면적보다도 작은 것을 특징으로 하는
    축전지.
  2. 양극과 음극과 전해물질을 포함한 축전지에 있어서,
    상기 음극은 제 1 격자 형상을 가진 제 1 격자체와, 상기 제 1 격자체에 설치된 제 1 활물질을 가지고,
    상기 제 1 격자체는 복수의 제 1 격자눈을 가지며,
    상기 양극은 제 2 격자 형상을 가진 제 2 격자체와, 상기 제 2 격자체에 설치된 제 2 활물질을 가지고,
    상기 제 2 격자체는 복수의 제 2 격자눈을 가지며,
    상기 음극의 상기 복수의 제 1 격자눈의 대다수는 상기 양극의 상기 복수의 제 2 격자눈의 대다수의 면적의 약 50% 이하의 면적을 가지는 것을 특징으로 하는
    축전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 격자체 및 상기 제 2 격자체는 익스팬드 격자체인 것을 특징으로 하는
    축전지.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 격자체 및 상기 제 2 격자체는 띠형상 시트로부터 가공된 익스팬드 격자인 것을 특징으로 하는
    축전지.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 복수의 격자눈의 각각의 격자눈은 서로 동등한 제 1 면적을 가지며,
    상기 제 2 복수의 격자눈의 각각의 격자눈은 서로 동등한 제 2 면적을 가지는 것을 특징으로 하는
    축전지.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 격자체의 제 1 격자눈 면적은 약 75㎟ 이하인 것을 특징으로 하는
    축전지.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 격자체 및 상기 제 2 격자체는 납 및 납합금중 적어도 1개의 재료에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는
    축전지.
  8. 양극과 음극과 전해물질을 포함한 축전지에 있어서,
    상기 음극은 제 1 격자 형상을 가진 제 1 격자체와, 상기 제 1 격자체에 설치된 제 1 활물질을 가지고,
    상기 제 1 격자체는 복수의 제 1 격자눈을 가지며,
    상기 양극은 제 2 격자 형상을 가진 제 2 격자체와, 상기 제 2 격자체에 설치된 제 2 활물질을 가지고,
    상기 제 2 격자체는 복수의 제 2 격자눈을 가지며,
    상기 음극의 상기 복수의 제 1 격자눈의 대다수는 상기 양극의 상기 복수의 제 2 격자눈의 대다수의 면적보다도 작고,
    상기 제 1 격자체 및 상기 제 2 격자체는 납 및 납합금중 적어도 1개의 재료에 의해 제조되며,
    상기 전해물질은 황산을 함유한 것을 특징으로 하는
    축전지.
  9. 전해물질과,
    납 및 납합금중 적어도 1개의 재료에 의해 제조되는 제 1 익스팬드 격자체와, 납산화물을 가진 제 1 활물질을 함유하는 음전극과,
    납 및 납합금중 적어도 1개의 재료에 의해 제조되는 제 2 익스팬드 격자체와, 납산화물을 가진 제 2 활물질을 함유하는 양전극을 구비하고,
    상기 제 1 격자체는 복수의 제 1 격자눈을 가지며,
    상기 제 2 격자체는 복수의 제 2 격자눈을 가지며,
    상기 음극의 상기 복수의 제 1 격자눈의 대다수는 상기 양극의 상기 복수의제 2 격자눈의 대다수의 면적의 약 50% 이하의 면적을 가지는 것을 특징으로 하는
    축전지.
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