KR100477730B1 - 니켈수소전지의수소저장합금 - Google Patents

니켈수소전지의수소저장합금 Download PDF

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Abstract

목적 :
Figure pat00001
계 합금의 수소화물 형성열을 낮추어 고율특성이 향상되게 하고, 동시에 수소화물을 안정화시켜 수소의 흡장용량이 향상되도록 한 Ni-MH전지용 수소저장합금을 제안한다.
구성 :
Figure pat00002
의 조성으로 형성되어서
Figure pat00003
가 ｘ값만큼
Figure pat00004
를 치환하고 동시에 α값만큼 첨가된 기술적 구성으로 이루어진다. 여기서, 0＜ｘ≤0.5, 0＜α≤0.2이고, 1.0≤ａ≤1.2, 0.1≤ｂ≤0.3, 0.5≤ｃ≤0.6, 0＜ｄ≤0.1이며, ａ+ｂ+ｃ+ｄ=2.0인 범위로 된다.
효과 : 상기
Figure pat00005
는 ｘ값만큼
Figure pat00006
를 치환하여 수소화물의 안정성을 낮추고, 수소화물의 형성열이
Figure pat00007
의 범위로 낮아지게 하므로서, 그에 반비례하여 고율특성이 향상되게 한다. 또한, 상기

Description

니켈수소전지의 수소저장합금{Hydrogen storage alloy for nickel hydrogen battery}
본 발명은 니켈수소(Ni-MH)전지의 수소저장합금에 관한 것으로서, 특히 수소화물의 형성열이 낮아져 고율특성이 향상되게 하고, 동시에 수소화물이 안정화되어서 수소의 흡장용량이 향상되도록 하는데 적합한 Ni-MH전지용 음극의 수소저장합금에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, Ni-MH전지는 양극으로 금속산화물이 사용되고 음극으로 수소저장합금이 사용되어서, 충전시 양극에서 발생된 수소가 음극에서 수소저장합금에 의해 흡수되고 방전시 필요한 수소가 전해액 내로 방출되어, 전지의 충·방전이 이루어지도록 한다.
이러한 Ni-MH전지는 시트(sheet)상의 양극과 음극 및 그 사이에 개재되는 세퍼레이터가 캔의 내부로 수납되고, 그 내부에 전해액이 충진되며, 상기 캔의 상부에 캡 어셈블리가 밀봉된 구조로 이루어진다.
여기서, Ni-MH전지의 음극은 수소저장합금과, 도전제, 증점제 및 결착제가 혼합 및 교반되어 페이스트(paste)로 제조되고, 그 페이스트가 Ni도금된 집전체에 도포/충전되는 방법에 의해 제조된다.
수소저장합금은 수소 이온을 고밀도로 흡수 및 방출하는 특성이 있으며, 미시메탈계 원소를 이용한
Figure pat00009
계와 Ti, Zr, V등을 이용하는
Figure pat00010
계로 구분될 수 있다.
종래 기술에서 언급된 Ni-MH전지용 음극은
Figure pat00011
계의 수소저장합금이 주로 사용되고 있다. 그러나
Figure pat00012
계의 수소저장합금은 희토류 금속화합물로 구성되어서 수소의 흡장능력이
Figure pat00013
계의 합금에 비해 떨어지는 문제점이 있다.
예를 들어,
Figure pat00014
계의 수소저장합금은 수소의 흡장량이
Figure pat00015
이상이고,
Figure pat00016
계의 수소저장합금은 수소의 흡장량이
Figure pat00017
이상으로 된다.
이러한 이유에서, 근래 들어 전지 메이커에서는 고용량을 갖는
Figure pat00018
계의 수소저장합금을 개발하기 위한 연구가 진행되고 있다.
그러나 상기한
Figure pat00019
계의 수소저장합금은 표면특성이 불량하고 수소의 확산속도가 늦어 고율특성이 불량한 문제점이 있다. 고율특성은 표면특성뿐아니라 합금내에서 수소의 확산속도에 의해 결정되는데, 이것은 수소 확산속도의 개념에서 수소화물이 안정할수록 또한 수소화물의 형성열(ΔＨ)의 범위가 높을수록 그것에 반비례하여 나빠지게 된다.
한편, 종래에는
Figure pat00020
계 수소저장합금의 고용량화를 위해,
Figure pat00021
의 화학량론 범위 안에서나 Ｂ금속의 조성이 2보다 큰 족에 대한 연구가 진행되고 있으나, 지금까지는 그 효과가 미미한 실정이다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위한 목적에서 안출된 것으로서,
Figure pat00022
계 합금의 수소화물 형성열을 낮추어 고율특성이 향상되게 하고, 동시에 수소화물을 안정화시켜 수소의 흡장용량이 향상되도록 한 Ni-MH전지용 수소저장합금을 제공한다.
이를 위하여, 본 발명은
Figure pat00023
의 조성으로 형성되어서
Figure pat00024
가 ｘ값만큼
Figure pat00025
를 치환하고 동시에 α값만큼 첨가되어 수소화물이 안정화 되도록 하고, 그 합금의 수소화물 형성열이
Figure pat00026
의 범위에 있도록 한다.
여기서, 0＜ｘ≤0.5, 0＜α≤0.2이고, 1.0≤ａ≤1.2, 0.1≤ｂ≤0.3, 0.5≤ｃ≤0.6, 0＜ｄ≤0.1이며, ａ+ｂ+ｃ+ｄ=2.0인 범위로 된다.
이에 따라, 본 발명에 의한
Figure pat00027
계 합금은
Figure pat00028
가 ｘ값만큼
Figure pat00029
를 치환하여 수소화물의 안정성을 낮추고, 수소화물의 형성열이
Figure pat00030
의 범위로 낮아지게 하므로서, 그에 반비례하여 고율특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의한
Figure pat00031
계 합금은
Figure pat00032
가 α값만큼 첨가되어 수소화물이 안정화되게 하므로서, 수소의 흡장용량을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명을 실현하기 위한 바람직한 일 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에 관련된
Figure pat00033
계 수소저장합금은 Ａ가
Figure pat00034
과
Figure pat00035
의 화합물로 되고, Ｂ가
Figure pat00036
,
Figure pat00037
,
Figure pat00038
,
Figure pat00039
의 화합물로 된 조성으로 이루어진다.
여기서, 본 발명의
Figure pat00040
계 수소저장합금은 특히 Ａ가
Figure pat00041
과
Figure pat00042
의 화합물로 조성됨에 있어서,
Figure pat00043
가
Figure pat00044
로 치환됨과 동시에
Figure pat00045
가 소정의 값만큼 첨가된 기술적 구성으로 이루어진다.
여기서, 상기
Figure pat00046
의 치환은 합금의 중량을 감소시켜 무게당 용량이 증가되게 하고, 그로 인하여 수소화물의 안정성이 낮아지고 수소화물 형성열이 낮아져, 그에 반비례하는 고율특성이 향상되도록 한다. 반면, 상기
Figure pat00047
의 첨가는 수소화물을 안정화시켜 수소의 흡장용량이 증대되도록 한다.
보다 구체적으로, 본 발명의 수소저장합금은
Figure pat00048
의 조성으로 형성된다.
여기서, 상기
Figure pat00049
는 ｘ값만큼
Figure pat00050
을 치환하여,
Figure pat00051
계 수소저장합금의 수소화물 형성열이 낮아지게 한다. ｘ값은 0＜ｘ≤0.5의 범위에서 유용하고, 용량면에서 0.1≤ｘ≤0.3의 범위로 되는 것이 바람직하다. 특히, ｘ값은 0.3 이상에서 점차 증가될수록 수소화물의 안정성을 저하시켜, 수소의 흡장용량을 떨어뜨릴 수 있다.
결과적으로, 본 발명의
Figure pat00052
계 수소저장합금은 상기
Figure pat00053
의 치환에 의해 수소화물의 형성열이
Figure pat00054
의 범위로 한정된다. 수소화물의 형성열은 수소화물의 안정성을 나타낸다. 따라서, 본 발명의
Figure pat00055
계 수소저장합금은 수소화물의 불안정화로 인해 수소가 표면으로 용이하게 방출되고, 그 확산속도가 향상되어 고율특성이 향상된다.
한편, 상기
Figure pat00056
는 α값만큼 첨가되어서 수소화물의 안정성이 향상되게 한다. α값은 0＜α≤0.2의 범위에서 유용하고, 0＜α≤0.1의 범위로 되는 것이 바람직하다. 이때, α값은 0.2 이상에서 수소화물의 안정화를 과도하게 실현하여, 수소의 표면 방출을 어렵게 만들 수 있다.
Figure pat00057
계 수소저장합금 중에서 Ｂ를 구성하는
Figure pat00058
의 조성은 1.0≤ａ≤1.2의 범위로 된다. 여기서, ａ값이 1.0 미만이면 촉매특성이 낮아지고, 1.2 보다 크면 수소화물의 안정성이 떨어진다.
상기 Ｂ를 구성하는
Figure pat00059
의 조성은 0.1≤ｂ≤0.3으로 된다. 여기서, ｂ값이 0.1 미만이면 수소화물의 안정성이 떨어져 수소의 흡장용량이 감소되고, 0.3을 초과하면 수소화물이 너무 안정하게 되어 합금내에서 수소의 방출이 어려워진다.
상기 Ｂ를 구성하는
Figure pat00060
의 조성은 0.5≤ｃ≤0.6으로 된다. 여기서, ｃ값이 0.5 미만이면 합금의 활성화가 느리고, 0.6을 초과하면 충·방전 사이클에 따른 용량 감소가 크게 된다.
또한, 상기 Ｂ를 구성하는
Figure pat00061
의 조성은 0＜ｄ≤0.1로 된다. 여기서, ｄ값이 0.1을 초과하면 활성화가 느려지게 된다.
여기서, 상기 Ｂ는
Figure pat00062
,
Figure pat00063
,
Figure pat00064
,
Figure pat00065
의 조성이 ａ+ｂ+ｃ+ｄ=2.0인 값으로 이루어진다.
이상에서 언급된 본 발명의
Figure pat00066
계 수소저장합금은 99.9% 이상의 순도를 갖는 원재료 금속을 1/1,000ｇ까지 정확하게 칭량하여,
Figure pat00067
분위기에서 아크 용해하여 제조된다. 이때, 합금의 균질성을 높이기 위해 용해시 4차례 이상 뒤집어가면서 재용해 한다.
이와 같이 제조된 본 발명의
Figure pat00068
계 수소저장합금은 PCT(pressure composition temperature)특성을 온도(303, 333Ｋ)에 따라 측정하여, 수소화물 형성열이
Figure pat00069
로 계산됨을 알 수 있었다.
또한, 본 발명의
Figure pat00070
계 수소저장합금의 용량은 다음과 같은 방법에 의해 측정된다. 수소저장합금은 20∼75㎛의 입도를 갖도록 분말상으로 제조되고, 그 분말상의 합금과
Figure pat00071
분말 및 PE(polyethylene)가 무게비 1:3:0.12로 하여 7톤의 압력을 가하여 직경 15㎝의 펠릿(pallet)으로 제조된다. 이때, 양극은 소결식 양극을 음극의 이론 용량에 2배 이상으로 제조하여 개방형 전지를 구성한다. 전해액은 31중량%의
Figure pat00072
가 사용된다.
이렇게 제조된 전지는 초기 활성화 단계에서
Figure pat00073
로 15시간 충전하고, 저율방전시
Figure pat00074
, 고율방전시
Figure pat00075
으로 전압이 0.9Ｖ까지 방전한다. 이때, 전지의 활성화정도는 최대 방전용량의 90%이상의 용량이 확보되는 충·방전 사이클수로 나타내었고, 방전율은 저율방전용량을 고율방전용량으로 나눈값으로 나타내었다.
그 결과 본 발명의
Figure pat00076
계 수소저장합금이 채용된 Ni-MH전지는 도 1에 상세하게 표시된 바와 같이, 방전용량이 향상된 실험 결과를 얻을 수 있었다.
보다 구체적으로, 본 실험은
Figure pat00077
의 치환값 ｘ가 0.4로 설정되고,
Figure pat00078
의 첨가값 α가 0, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2로 변환되도록 하여, 충·방전 사이클을 반복하면서 측정하였다. 또한,
Figure pat00079
의 조성 ａ는 1.1,
Figure pat00080
의 조성 ｂ는 0.3,
Figure pat00081
의 조성 ｃ는 0.5,
Figure pat00082
의 조성 ｄ는 0.1로 된다.
이 경우, 본 발명의
Figure pat00083
계 수소저장합금은 표 1에 표시된 조성으로 이루어진다.
시료 번호 합금 조성
1
Figure pat00084
2
Figure pat00085
3
Figure pat00086
4
Figure pat00087
5
Figure pat00088
실험의 결과로서, 본 발명의
Figure pat00089
계 수소저장합금은
Figure pat00090
의 첨가값이 0＜α≤0.2 범위에 있을 때, 즉 시료 번호 2 내지 5번의 조성이 시료 번호 1번의 조성에 비해 대략 8% 까지 방전용량이 향상됨을 알 수 있다.
한편, 본 발명의
Figure pat00091
계 수소저장합금이 채용된 Ni-MH전지는 도 2에 표시된 바와 같이, 고율 특성이 향상됨을 알 수 있다. 이 경우에, 본 실험은
Figure pat00092
의 치환값 ｘ가 0.4로 설정되고,
Figure pat00093
의 첨가값 α가 0, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2로 변환되도록 하여, 방전율을 측정하였다. 또한,
Figure pat00094
의 조성 ａ는 1.1,
Figure pat00095
의 조성 ｂ는 0.3,
Figure pat00096
의 조성 ｃ는 0.5,
Figure pat00097
의 조성 ｄ는 0.1로 된다.
실험의 결과, 본 발명의
Figure pat00098
계 수소저장합금은 의 첨가값이 0＜α≤0.2 범위에 있을 때, 고율특성이 향상됨을 알 수 있다.
이상에서 설명된 발명을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 Ni-MH전지의 수소저장합금은 종래 기술의 문제점을 실질적으로 해소하고 있다.
즉, 본 발명은
Figure pat00100
계 합금중에서 Ａ의 조성이
Figure pat00101
과
Figure pat00102
의 화합물로 되고
Figure pat00103
가
Figure pat00104
로 치환되게 하여, 수소화물의 안정성과 수소화물 형성열이 낮아지게 하고, 그에 반비례하는 고율특성이 향상되도록 하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은
Figure pat00105
계 합금중에서 Ａ의 조성이
Figure pat00106
과
Figure pat00107
의 화합물로 되고,
Figure pat00108
가
Figure pat00109
로 치환되며 동시에
Figure pat00110
가 소정의 값만큼 첨가되게 하므로서, 고율특성의 향상은 물론 수소화물의 안정화로 수소의 흡장용량이 증대되도록 하는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 발명에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.
도 1은 본 발명의 수소저장합금에 의한 전지의 방전효율을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 수소저장합금에 의한 전지의 고율특성을 나타낸 도면.

Claims (1)

  1. Figure pat00111
    의 조성으로 형성되어서,
    Figure pat00112
    가 ｘ값만큼
    Figure pat00113
    로 치환되고 동시에
    Figure pat00114
    가 α값만큼 첨가된
    Figure pat00115
    계 합금을 특징으로 하는 니켈수소전지의 수소저장합금 (단, 0＜ｘ≤0.5, 0＜α≤0.2이고, 1.0≤ａ≤1.2, 0.1≤ｂ≤0.3, 0.5≤ｃ≤0.6, 0＜ｄ≤0.1이며, ａ+ｂ+ｃ+ｄ=2.0)으로서,
    상기
    Figure pat00116
    계 합금의 수소화물의 형성열이
    Figure pat00117
    의 범위인 것을 특징으로 하는 니켈수소전지의 수소저장합금.
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