KR100404934B1 - 니켈/수소저장합금 2차 전지 - Google Patents

니켈/수소저장합금 2차 전지 Download PDF

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Abstract

니켈/수소저장합금 2차 전지가 게시된다. 본 발명의 니켈/수소저장합금 2차 전지는 음극주에 연결되며, 충방전시에, 화이버가 이탈되는 니켈 화이버가 혼합된 판상의 전도체로 형성되는 음극 집전체 및 음극 집전체의 표면에 소정의 수소저장합금을 도포하여 형성되는 제1활물질층을 각각 구비하는 복수의 음극판과, 양극주에 연결되는 복수의 양극판과, 음극판과 양극판이 전기적으로 단락되는 것을 방지하기 위하여, 충방전시에, 화이버의 이동을 차단할 수 있는 소정의 두께로 형성되는 복수의 분리막을 포함한다. 전술한 본 발명의 니켈/수소저장합금 2차 전지는, 니켈/카드뮴 전지에 비해 전지의 고율충방전 특성 및 에너지 밀도가 향상됨은 물론, 기존의 니켈/수소저장합금 전지에 비해 고출력 특성 및 수명 특성이 향상된다. 이와 같은 본 발명의 니켈/수소저장합금 2차 전지는 고출력, 장수명 특성을 필요로하는 산업용 전지로 적합하게 사용될 수 있다.

Description

니켈/수소저장합금 2차 전지{NICKEL/METAL HYDRYDE SECONDARY BATTERY}
본 발명은 충전 및 방전(충방전)이 가능한 2차 전지에 관한 것으로서, 특히, 니켈/수소저장합금 2차 전지에 관한 것이다.
일반적으로, 충방전이 가능한 2차 전지에는 니켈/카드뮴(Ni-Cd) 2차 전지, 니켈/수소저장합금(Ni-MH) 2차 전지 등이 있다. 여기서, 니켈/수소저장합금 2차 전지는 동일한 크기의 니켈/카드뮴 2차 전지에 비하여 약 2배 이상의 용량을 가지며, 고속충방전 특성 및 수명 특성이 우수하므로, 수요가 급증하고 있다.
이와 같은 니켈/수소저장합금 2차 전지는 양극(+)주에 연결되는 양극판, 음극(-)주에 연결되는 음극판 및 상기 양극판과 음극판의 사이에 설치되는 분리막(Separator)을 포함하여 형성된다. 이러한 경우, 기존의 니켈/수소저장합금 2차 전지에서는, 양극판 및 음극판이 압연 공정 등에 의해 다공성 판상으로 형성되는 니켈(Ni) 판재인 집전체를 구비한다. 그리고, 상기 양극판의 집전체에 형성된 기공들에는 도전재 화합물이 첨가된 수산화니켈이 활물질로서 충진되고, 음극판의 집전체에 형성된 기공들에는 수소저장합금이 충진된다. 상기 양극판과 음극판의 사이에 설치된 분리막은 수백 ㎛ ∼ 2㎜정도로 얇은 두께를 가진 다공성의 판재로 형성되며, 양극판과 음극판의 단락을 방지한다.
그러나, 전술한 기존의 니켈/수소저장합금 2차 전지는, 양극판 및 음극판의 집전체로서 다공성의 니켈 판재를 사용하므로, 고출력 특성이 저하되며, 전극 제조시, 양극판 및 음극판 모두의 집전체에 크랙(Crack)이 발생하여 수명이 저하될 가능성이 있다.
따라서, 전술한 바와 같이 다공성 니켈 판재를 양극판 및 음극판의 집전체로사용하는 기존의 니켈/수소저장합금 2차 전지는 장수명, 고출력 특성을 필요로하는 대형 산업용 전지로 사용하기에는 부적합한 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 효과적으로 해결할 수 있는 니켈/수소저장합금 2차 전지를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 사용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여, 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도1은 본 발명에 따른 니켈/수소저장합금 2차 전지의 내부 구성을 나타내는 단면도이다.
도2는 도1에 도시한 양극판의 일부분을 나타내는 도면이다.
도3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 니켈/수소저장합금 2차 전지의 양극판의 일부분을 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110: 음극판 120: 양극판
130: 분리막
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면은 니켈/수소저장합금 2차 전지에 관한 것이다. 본 발명의 니켈/수소저장합금 2차 전지는 음극주에 연결되는 복수의 음극판, 양극주에 연결되는 복수의 양극판 및 상기 음극판과 양극판의 사이에 각각 설치되는 복수의 분리막을 구비한다. 여기서, 상기 각각의 음극판은 상기 음극주에 연결되는 음극 집전체로서, 충방전시에, 화이버가 이탈되는 니켈 화이버가 혼합된 판상의 전도체로 형성되는 음극 집전체와, 상기 음극 집전체의 표면에 소정의 수소저장합금을 도포하여 형성되는 제1활물질층을 구비한다. 그리고, 상기 각각의 분리막은 음극판과 양극판이 전기적으로 단락되는 것을 방지하기 위하여, 상기 충방전시에, 상기 이탈되는 화이버의 이동을 차단할 수 있는 소정의 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도1 내지 도3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 니켈/수소저장합금 2차 전지에 대하여 상세히 설명하므로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 대하여, 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
도1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 니켈/수소저장합금 2차 전지의 내부구성을 나타내는 단면도이다. 도1을 참조하면, 본 발명에 따른 니켈/수소저장합금 2차 전지는 하우징(100)내에 서로 교번적으로 배치되는 복수의 음극판(110) 및 복수의 양극판(120)과, 상기 음극판(110) 및 양극판(120)의 사이에 각각 설치되는 복수의 분리막(Separator)(130)을 구비한다.
상기 각각의 음극판(110)은 음극(-)주(도시하지 않음)에 연결되며, 판상의 음극 집전체(112)와, 음극 집전체(112)의 표면에 형성되는 음극 활물질층(114)을 포함하여 이루어진다.
상기 음극 집전체(112)는 니켈 화이버(Ni fiber)를 압연 공정 등의 가공 공정을 통해 판상으로 가공하여 형성되며, 충방전시에, 화이버가 이탈된다. 이러한 음극 집전체(112)의 소재로 사용되는 니켈 화이버는 니켈 화이버 : 니켈 분말(Ni Powder)을 약 50wt% : 50wt%의 비율로 혼합하여 제조되며, 기존의 음극 집전체로 사용된 다공성 니켈 판재 보다 고출력 특성이 양호하다. 이와 같은 니켈 화이버로 형성되는 음극 집전체(112)가 기존의 니켈/수소저장합금 2차 전지에 단순 적용될 경우, 충방전시에 음극 집전체(112)로부터 이탈되는 화이버가 분리막을 투과하여 음극판과 양극판이 단락되므로, 본 발명의 니켈 화이버로 형성된 음극 집전체(112)가 기존의 니켈/수소저장합금 2차 전지에 단순 적용되는 것이 불가능하다.
상기 음극 활물질층(114)은 음극 집전체(112)의 표면에 수소저장합금을 도포하여 형성되며, 충방전시에, 수소를 방출 또는 흡수하고, 과충전시에는,양극판(120)에서 발생하는 가스를 흡수하여 소비한다. 바람직하기로는, 상기 음극 활물질층(114)을 형성하는 수소저장합금으로 AB5계 수소저장합금이 사용된다.
상기 각각의 양극판(120)은 양극(+)주(도시하지 않음)에 연결되며, 양극 집전체(122)와, 양극 집전체(122) 상에 형성되는 양극 활물질층(124)을 포함하여 이루어진다.
상기 양극 집전체(122)는 음극 집전체(112)와 실질적으로 동일한 조성 및 방법으로 제조된 니켈 화이버로 형성되며, 충방전시에, 화이버가 이탈된다. 상기 양극 활물질층(124)은 음극판(110)의 음극 활물질층(114) 보다 상대적으로 저항이 큰 니켈 산화물, 본 실시예에서는 도전재인 코발트화합물을 첨가한 수산화니켈 분말을 양극 집전체(122)의 표면에 도포하여 형성된다(도2참조). 이러한 경우, 상기 양극 집전체(122)와 양극 활물질층(124) 사이의 간격이 다공성 니켈 판재를 사용하는 기존의 니켈/수소저장합금 2차 전지에 비해 멀어져, 전류가 양극 집전체(122)로부터 양극 활물질층(124)으로 원활하게 흐르지 못하게 되므로, 본 발명의 양극 활물질층(124)을 형성하는 수산화니켈 분말은 전기 전도성을 가지는 물질(예를 들어, 은(Ag))로 피복된다. 즉, 상기 니켈 화이버로 형성된 양극 집전체(122)의 표면에 도포되는 수산화니켈 분말은 전기 전도성을 가지는 물질로 표면 개질된다.
상기 각각의 분리막(130)은 인접한 음극판(110) 및 양극판(120)을 격리시켜, 음극판(110)과 양극판(120)의 단락을 방지하며, 전해액을 함침하여 이온전도가 가능하도록 한다. 이러한 분리막(130)은 PVC(PolyVinyl Chloride), PP(PolyPropylene) 등으로 형성된 다공성의 판재로서, 상기 음극판(110) 및 양극판(120) 보다 크게 형성된다. 여기서, 상기 전해액으로는 수산화칼륨(KOH)를 주성분으로한 수용액이 사용된다. 바람직하기로는, 상기 분리막(130)은 충방전시에 음극 집전체(112) 및 양극 집전체(122)로부터 이탈되는 화이버가 투과되어 음극판(110)과 양극판(120)이 단락되는 것을 방지하기 위해, 즉, 화이버의 이동을 차단하기 위하여 100㎛ ∼ 3㎜의 두께와, 30 ∼ 90%의 기공도를 가지도록 형성된다. 또한, 상기 PVC로 형성되는 분리막(130)은 일측면에 보강재인 유리섬유가 증착될 수도 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 니켈/수소저장합금 2차 전지는, 전해액의 전해질과 물분자가 분해되어 수소가 생성되는 경우, 음극 활물질층(114)의 수소저장합금이 생성된 수소를 흡수하여 충전된다. 그리고, 본 발명의 니켈/수소저장합금 2차 전지는, 과충전시에, 상기 양극판(120)으로부터 산소 가스가 발생하고, 상기 발생되는 산소 가스가 분리막(130)을 통해 음극판(110)으로 확산되는 경우, 상기 수소저장합금의 수소와 반응하여 물을 생성하므로써, 방전된다.
이와 같은 본 발명의 니켈/수소저장합금 2차 전지는, 음극판(110)의 집전체(112) 및 양극판(120)의 집전체(122)로 니켈 화이버를 사용하므로, 고출력 특성이 향상되며, 압연 공정 등의 가공 공정에 의해 크랙이 발생될 가능성이 현저하게 감소되어 수명 특성이 크게 향상될 수 있다.
한편, 전술한 실시예에서는 양극판(120)이 니켈 화이버로 형성된 양극 집전체(122)의 표면에 도전재가 첨가되고 소정의 전기 전도성 물질로 피복된 수산화니켈 분말을 도포하여 형성되는 것으로 도시하고 설명하였으나, 이에 국한되는 것은 아니고, 후술되는 예에서와 같이 양극판의 변경, 변형 및 치환이 가능하다.
도3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 니켈/수소저장합금 2차 전지의 양극판의 일부분을 나타내는 도면으로, 다공성 니켈 판재가 양극 집전체로 사용된 상태를 나타내는 도면이다. 도3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 니켈/수소저장합금 2차 전지에 사용되는 양극판(320)은 다수의 기공(322a)이 관통되게 형성된 니켈(Ni) 판재인 양극 집전체(322)와, 상기 양극 집전체(322)의 기공들(322a)에 형성된 양극 활물질층(324)를 포함하여 이루어진다.
상기 양극 활물질층(324)은 도전재인 코발트화합물이 첨가된 수산화니켈 분말을 양극 집전체(322)의 기공들(322a)에 충진하여 형성된다. 이러한 경우, 상기 양극 활물질층(324)을 형성하는 수산화니켈 분말과 양극 집전체(322) 사이의 간격이 전술한 실시예의 양극 활물질층(124)과 양극 집전체(122) 사이의 간격 보다 밀접하게 되어, 양극 집전체(322)로부터 양극 활물질층(324)으로의 전류 흐름이 원활하게 이루어지므로, 전술한 실시예에서와 같은 수산화니켈 분말의 표면개질 공정이 불필요하게 된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따른 니켈/수소저장합금 2차 전지는, 니켈/카드뮴 전지에 비해 전지의 고율충방전 특성 및 에너지 밀도가 향상됨은 물론, 기존의 니켈/수소저장합금 전지에 비해 고출력 특성 및 수명 특성이 향상된다.
또한, 상기와 같은 특성을 가지는 본 발명의 니켈/수소저장합금 2차 전지는 고출력, 장수명 특성을 필요로하는 산업용 전지로 적합하게 사용될 수 있다.

Claims (5)

  1. 음극주에 연결되는 복수의 음극판, 양극주에 연결되는 복수의 양극판 및 상기 음극판과 양극판의 사이에 각각 설치되는 복수의 분리막을 구비하는 니켈/수소저장합금 2차 전지에 있어서,
    상기 각각의 음극판은
    상기 음극주에 연결되는 음극 집전체로서, 충방전시에, 화이버가 이탈되는 니켈 화이버가 혼합된 판상의 전도체로 형성되는 상기 음극 집전체; 및
    상기 음극 집전체의 표면에 소정의 수소저장합금을 도포하여 형성되는 제1활물질층을 구비하며,
    상기 각각의 분리막은
    상기 음극판과 상기 양극판이 전기적으로 단락되는 것을 방지하기 위하여, 상기 충방전시에, 상기 이탈되는 화이버의 이동을 차단할 수 있는 소정의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 니켈/수소저장합금 2차 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 각각의 분리막은
    두께가 100㎛ ∼ 3㎜이고, 기공도가 30 ∼ 90%인 다공성의 판재인 것을 특징으로 하는 니켈/수소저장합금 2차 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 각각의 양극판은
    상기 양극주에 연결되는 양극 집전체로서, 상기 충방전시에, 화이버가 이탈되는 니켈 화이버가 혼합된 판상의 전도체로 형성되는 상기 양극 집전체; 및
    소정의 도전재가 첨가된 니켈 산화물을 상기 양극 집전체의 표면에 도포하여 형성되는 제2활물질층
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 니켈/수소저장합금 2차 전지.
  4. 제3항에 있어서, 상기 니켈 산화물은
    소정의 전기 전도성 물질로 피복되는 것을 특징으로 하는 니켈/수소저장합금 2차 전지.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 각각의 양극판은
    상기 양극주에 연결되며, 다수의 기공이 관통되게 형성된 다공성 니켈 판재; 및
    소정의 도전재가 첨가된 니켈 산화물을 상기 니켈 판재의 기공들에 충진하여 형성되는 제2활물질층
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 니켈/수소저장합금 2차 전지.
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