KR100531450B1 - 실리카 분말이 도포된 겔 전해질을 포함하는 납축전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극, 음극, 황산 수용액과 실리카가 혼합된 저 농도의 실리카겔 전해질 및 상기 겔 전해질 상부에 실리카 분말을 도포하거나 고농도의 실리라 겔 전해질을 추가로 주입하여서 된 납축전지를 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따르면, 전지 초기 작동 단계에서 충전시 고점도의 상부 전해질로 인하여 산소와 수소의 재결합을 촉진시켜 발생되는 기체의 배출과 벤트 밸브의 오염 및 납축전지에서 전해질 고갈을 감소시켜 전지의 용량 성능을 높일 수 있다.

Description

실리카 분말이 도포된 겔 전해질을 포함하는 납축전지{Lead storage battery comprising gel electrolyte coated with silica powder}

본 발명은 양극, 음극 및 황산 수용액과 실리카가 혼합된 저 농도의 실리카겔 전해질로 이루어진 납축전지에 있어서, 상기 겔 전해질 상부에 실리카 분말을 도포하거나 고농도의 실리카겔 전해질을 추가로 주입하여서 된 납축전지에 관한 것이다.

일반적으로, 무정전 전원 장치 등에 사용되는 산업용 납축전지는 크게 전극과 전해질로 이루어져 있으며, 전해질은 물과 황산의 혼합물로써 납축전지 내부 전극에서 발생하는 이온의 이동 통로 역할을 한다.

납축전지는 전원을 사용할 때 전압 변동, 주파수 변동, 순간 정전, 과도 전압 등으로 인한 전원 이상을 방지하면서 항상 안정된 전원을 공급해 준다.

이러한 납축전지는 무 보수성 및 긴 수명을 위하여, 부동 충전 중에 전해질에서 분해되는 산소/수소의 배출을 막고, 기체의 재결합을 용이하게 하여 수분의 고갈을 최소화해야 한다. 그러나, 과전압으로 인해서 물의 전기 분해가 일어나, 일정한 사용 기간마다 증류수를 재 보충해야 하는 단점이 있다.

이와 같은 수분 고갈에 대한 해결 방안으로는 납축전지 집전 체의 성분 변화, 전지 케이스의 밀폐성 향상 및 전해질 성분 변화 등이 있는데, 이 가운데, 양극판 활물질의 탈락과 격리 판의 산화를 막는데 사용되는 유리 매트(Glass mat)의 기공 내에 황산용액을 흡수시키는 방식(Absorptive Glass Mat, 이하 "AGM 방식"이라고 칭함)과 실리카겔 내에 황산 용액을 포함하는 방식(이하 "겔 전해질" 방식이라고 칭함) 등 납축전지의 전해질을 이용한 방법이 많이 사용된다.

상기 AGM 방식은 제조 공정이 단순하고 저렴하여 소형 산업용 전지에 많이 사용되고, 겔 전해질 방식은 전해질 내부에서 물과 황산의 상 분리 억제효과가 뛰어나고, 많은 황산용액을 포함하여 수분 고갈 속도가 늦기 때문에 고성능을 요하는 대형 산업 전지에서 주로 사용된다.

상기 납축전지에 사용하는 황산과 실리카의 혼합체로 이루어진 겔 전해질은 혼합 초기에는 액체 상태와 유사한 점도를 유지하지만, 시간이 경과하면서 수소 결합에 의해 3차원 망상 구조를 형성하면서 점도가 증가하여 겔 형태로 변화한다.

그러나, 겔 전해질에 이용하는 실리카의 함량이 증가할수록 겔 형태로 변화하는 속도가 빨라지고, 전해질의 양도 상대적으로 부족하게 되어 전지의 용량 성능이 감소한다. 따라서, 겔 화가 가능한 한도 내에서 실리카 첨가량을 최소한으로 유지하여야 한다.

또한, 겔 화가 진행될 때, 극판 중간 부분에서는 배출되는 황산 양이 많아서 겔 형태로 변화되는 것이 쉽지만, 극판 상부에서는 황산 양이 상대적으로 적어 겔 형태로 변화되는 속도가 늦어진다.

그래서, 전지를 작동시키는 초기에 상부 전해질의 점도가 상대적으로 낮아 충전시 발생하는 기체가 대부분 재결합하지 못하고 외부로 배출되어 손실이 높고, 배출된 기체에 의해 전해질이 튀어 올라 벤트 밸브를 오염시킬 뿐만 아니라, 수평 장착용 전지에서 전해질 누액 현상이 발생한다.

한편, 실리카(SiO₂) 등을 포함하는 터프닝제를 고체 전해질을 제조하는데 직접 포함시켜 고체 전해질 내에서 용매 건조제로 사용하거나(대한민국 공개특허공보 제 2000-52735호, 2000. 8.25); 폴리비닐리덴디플루오라이드(PVdF)계 중합체와 비결정고분자로 이루어진 고분자 블랜드막 내에 이온 전도도를 높이기 위하여 실리카를 혼입하여 고분자 전해질을 제조하는 기술(대한민국 공개특허 제 2000-55682호, 2000. 9.15); 및 (ⅰ) 황산, (ⅱ) 물에 현탁시킨 실리카 및 (ⅲ) 고분자 전해질에 물/오일의 에멀젼을 혼합하여 전해질을 제조하는 기술(미국특허 제 4,937,156호) 등이 공개된 바 있으나, 종래 기술은 전해질의 다른 구성성분과 실리카를 직접 혼합하여 제조하는 경우로서, 본 발명에서와 같이 납축전지 제조시 주입된 겔전해질의 상부 표면에 실리카 분말을 별도로 도포하여 적용하는 방법에 대한 예는 알려진 바가 없다.

이에 본 발명자는 납축전지용 겔 전해질 주입 직후, 전지의 상부에 실리카 또는 고농도의 실리라 겔 전해질을 추가로 도포 또는 주입하여 충전시 발생하는 기체의 배출은 막고, 수평 장착용 전지에서 전해질의 누액 현상을 감소시켜 전지의 과충전 및 전해질 고갈의 문제점을 해결하고자 하였다.

즉, 본 발명은 상부 전해질의 느린 겔화 속도에 따른 여러 가지 문제점을 해소하기 위하여 전지 내부로 겔 전해질 주입시 극판 높이까지는 낮은 농도의 실리카겔 전해질을 주입하고, 그 상부에는 실리카 분말을 도포한 납축전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 상부 전해질의 느린 겔화 속도에 따른 여러 가지 문제점을 해소하기 위하여 전지 내부로 겔 전해질 주입시 극판 높이까지는 낮은 농도의 실리카겔 전해질을 주입하고, 그 상부에는 고농도의 실리카겔 전해질을 주입한 납축전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 양극; 음극; 및 실리카와 황산이 혼합된 저 농도의 실리카겔 전해질을 포함하는 납축전지에 있어서, 상기 저 농도의 실리카겔 전해질 상부에 실리카 분말을 0.01 내지 2중량부의 범위로 도포하여 전지 초기 작동 단계에서 상부 전해질의 점성을 높여 전해질 고갈을 방지하는 납축전지를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 양극; 음극; 및 실리카와 황산이 혼합된 저 농도의 실리카겔 전해질을 포함하는 납축전지에 있어서, 상기 저 농도의 상기 겔 전해질은 상부에 20 내지 40중량％의 황산 수용액 84 내지 90중량％와 실리카 10 내지 16중량％로 이루어진 고농도의 실리카겔 전해질을 주입하여 전지 초기 작동 단계에서 상부 전해질의 점성을 높여 전해질 고갈을 방지하는 납축전지를 제공하기 위한 것이다.

겔 전해질 상부에 도포되는 실리카 분말은 퓸드(Fumed) 실리카를 사용하며, 저 농도의 실리카겔 전해질 용액에 대하여 0.01 내지 2중량부의 양으로 도포하는 것이 바람직하다. 상기 실리카 분말을 0.01 중량부 미만으로 사용할 경우에는 저 농도의 겔 전해질과 계면을 형성하지 못하여 겔화되지 않게 되고, 반대로 2중량부를 초과하여 도포할 경우에는 실리카의 부피가 커지므로 전조 내에 도포하기 어렵고 겔 전해질 제조시 함께 혼합하여 제조하는 것에 비하여 장점이 없게 된다.

한편, 고농도의 실리카 켈 전해질은 20 내지 40중량％의 황산 수용액 84 내지 90중량％와 실리카 10 내지 16중량％로 이루어진 전해질을 주입하는 것이 바람직한데, 여기서, 실리카의 양을 10 중량％ 미만으로 사용할 경우에는 겔화 속도가 느려 하부와 별 차이가 없고, 반대로 16중량％를 초과하여 사용할 경우에는 겔화가 빨리 진행되어 주입하기 어렵다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명으로 제조된 납축전지의 구성에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명의 납축전지는 주로 플라스틱이나 애보나이트로 만들어진 전조(16) 내부에 극판군과 겔 전해질을 포함한다.

이때, 극판군은 음극판(2)과 분리판(또는 격리판)(4) 및 양극판(6)으로 구성되며, 상기 극판군은 전극결합체(8)로 연결한다.

상기 음극판(2)은 기판에 음극 활성물질인 납(Pb)을 피복하고, 양극판(6)은 기판에 양극 활성물질인 과산화납(PbO₂)을 피복한다.

격리판(4)은 비전도성이며, 다공성이 풍부하고, 전지저항이 적은 것을 사용한다.

상기 극판군 상부에는 중력 주입 방법을 이용하여 저 농도의 실리카겔 전해질(10)을 주입하고, 그 상부에는 분무 방법을 이용하여 실리카 분말(12)을 도포하거나 고농도의 실리카겔 전해질을 추가로 주입하여 본 발명의 납축전지를 제조한다.

본 발명에 사용되는 전해질의 실리카 양을 최소로 사용하여 전해질의 점도를 낮추어 주입하면, 충진이 용이하게 되므로 전지의 용량 성능이 향상된다.

전해질 주입 직후 실리카 분말을 추가적으로 도포하거나 고농도의 실리카 겔 전해질을 주입했을 때 이미 주입된 저 농도의 실리카겔 전해질(10)과 새로 첨가한 실리카 분말 또는 고농도의 실리카겔 전해질(12) 사이에 계면이 형성되어 점도가 높아진다.

그 결과, 전지 충전시 극판(2,6)에서 발생하는 산소와 수소가 상부 전해질의 높은 점도에 의한 압력으로 서로 결합되어 물이 생성되기 때문에 기체가 외부로 배출되는 것을 방지할 수 있고, 배출 기체가 감소됨에 따라 벤트 밸브의 오염이 줄어들어 수평 장착용 전지에서 전해질 누액 현상이 줄어든다.

상기 발명의 효과를 검증하기 위하여 다음과 같은 실시예와 비교예를 실행하였다. 단 실시예는 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

실시예 1: 납축전지 제조방법

35％의 황산용액 4600g과 실리카 400g을 혼합하여 겔 전해질을 제조하였다. 상기에서 만들어진 겔 전해질을 중력 주입 방법으로 전지 내부에 주입하였다.

겔 전해질 주입 직후, 퓸드 실리카(Degussa, Aerosil 200) 50g을 분무 방법으로 전지 상부에 도포하여 납축전지(2V, 600Ah)를 제조하였다.

실험예 1: 납축전지의 성능비교

종래 겔 전해질을 이용한 납축전지와 상기 실시예에서 제조한 본 발명의 납축전지(2V, 600Ah)를 50℃에서 6주간 정전압 충전을 유지한 후, 충방전 후의 무게 변화와 벤트부의 청결 상태를 비교하였다(표 1).

벤트부의 전해질 누액 현상은 리트머스 종이를 이용하여 확인하였다.

[표 1]

구분	종래 겔 전지(8중량％ 실리카겔)	본 발명의 전지(8중량％ 실리카겔 + 1중량％ 실리카분말)
충방전후 무게변화	31g	28g
벤트부	전해액 누액	변화 없음

상기 표 1의 충방전 후의 전지 무게 변화로 인하여 기체의 배출과 전해액 누출을 확인할 수 있었다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명으로 제조된 납축전지는 겔 전해질 상부에 실리카 분말을 도포하거나 고농도의 실리카겔 전해질을 추가로 주입하여 상부 전해질의 점도를 높이고, 이로 인해 납축전지의 충전시 산소와 수소의 재결합을 촉진시켜, 발생되는 기체의 외부 배출을 줄이고, 배출기체에 의해 전해질이 쉽게 튀어 벤트 밸브의 오염시키는 것과 납축전지의 전해질 고갈 현상 등을 감소시키며, 수평 장착용 전지에서 전해질 누액 현상이 발생하는 문제점을 해소시킴으로써 전지의 성능을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 납축전지의 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

2 --- 음극관 4 --- 분리막

6 --- 양극판 8 --- 전극 결합체

10 --- 저 농도의 실리카겔 전해질

12 --- 실리카 분말 또는 고농도의 실리카겔 전해질

14 --- 전극주 16 --- 전조

Claims (5)

1. 양극; 음극; 및 실리카와 황산이 혼합된 저 농도의 실리카겔 전해질을 포함하는 납축전지에 있어서, 상기 겔 전해질 상부에 실리카 분말을 도포하여 전지 초기 작동 단계에서 상부 전해질의 점성을 높여 전해질 고갈을 방지하는 것을 특징으로 하는 납축전지.
2. 제 1항에 있어서, 상기 실리카 분말은 퓸드 실리카를 사용하는 것을 특징으로 하는 납축전지.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 실리카 분말은 저 농도의 실리카겔 전해질 용액에 대하여 0.01 내지 2중량부의 양으로 도포된 것을 특징으로 하는 납축전지.
4. 양극; 음극; 및 실리카와 황산이 혼합된 저 농도의 실리카겔 전해질을 포함하는 납축전지에 있어서, 상기 저 농도의 상기 겔 전해질은 상부에 황산 수용액과 실리카로 이루어진 고농도의 실리카겔 전해질을 주입하여 전지 초기 작동 단계에서 상부 전해질의 점성을 높여 전해질 고갈을 방지하는 것을 특징으로 하는 납축전지.
5. 제 4항에 있어서, 상기 고농도 실리칼 겔 전해질은 20 내지 40중량％의 황산 수용액 84 내지 90중량％와 실리카 10 내지 16중량％로 이루어진 것을 특징으로 하는 납축전지.