KR101009995B1 - Lead acid battery having gelled electrolyte - Google Patents

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Abstract

겔화된 전해질을 갖는 납축전지가 제공된다. 이 납축전지는 복수개의 교대하는 양극 극판과 음극 극판, 상기 양극 극판과 상기 음극 극판 사이에 샌드위치된 복수개의 세퍼레이터, 및 겔화된 전해질을 포함한다. 이 겔화된 전해질은 묽은 황산, 및 상기 전해질의 중량을 기준으로 실질적으로 0.1중량% 내지 3중량% 함량 범위의 실리카 입자를 포함한다. 상기 실리카 입자는 흄드 실리카(fumed silica) 입자이다.

Figure R1020070052807

A lead acid battery having a gelled electrolyte is provided. The lead acid battery includes a plurality of alternating positive electrode plates and negative electrode plates, a plurality of separators sandwiched between the positive electrode plates and the negative electrode plates, and a gelated electrolyte. This gelled electrolyte comprises dilute sulfuric acid and silica particles in a substantially 0.1% to 3% by weight content based on the weight of the electrolyte. The silica particles are fumed silica particles.

Figure R1020070052807

Description

겔화된 전해질을 갖는 납축전지{Lead acid battery having gelled electrolyte}Lead acid battery having gelled electrolyte

도 1은 통상적인 납축전지의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a conventional lead acid battery.

도 2는 비교예의 표준 배터리 및 겔화된 전해질을 갖는 납축전지 의 300 수명 사이클에 걸친 방전 시간 커브를 비교하는 도면이다.FIG. 2 is a diagram comparing the discharge time curves over 300 life cycles of a lead acid battery with a standard battery of the comparative example and a gelled electrolyte.

본 발명은 납축전지에 관한 것으로서, 더 상세하게는 겔화된 전해질을 갖는 향상된 밀폐형 납축전지(Valve-regulated lead acid battery)에 관한 것이다.The present invention relates to a lead acid battery, and more particularly, to an improved valve-regulated lead acid battery having a gelled electrolyte.

1800년대에 개발된 납축전지는 최초로 상업적으로 실용화된 배터리이었다. 1950년대 이후부터 재충전가능한 납축전지가 입수가능하게 되었으며 전세계적으로 가장 널리 사용되는 형태의 배터리가 되었다. 다음 식은 납산 셀 내에서의 방전화학반응을 나타낸다:The lead acid battery developed in the 1800s was the first commercially available battery. Since the 1950s, rechargeable lead acid batteries have become available and become the most widely used type of battery in the world. The following equation shows the discharge chemical reaction in a lead acid cell:

PbO2 + Pb + 2 H2SO4 → 2 PbSO4 + 2 H2OPbO 2 + Pb + 2 H 2 SO 4 → 2 PbSO 4 + 2 H 2 O

납축전지는 넓은 온도범위에서 대전류 또는 소전류를 생산할 수 있으며 우수한 보존기간(shelf life) 및 라이프 사이클을 가지고 있기 때문에 여전히 인기가 있다. 또한, 납축전지는 생산 및 구입하기에 상대적으로 값싸다. 납축전지의 다른 장점은 가정용 배터리부터 잠수함용 대형 배터리까지 형상 및 크기가 다양하다는 것이다.Lead acid batteries are still popular because they can produce large or small currents over a wide temperature range and have good shelf life and life cycles. In addition, lead acid batteries are relatively inexpensive to produce and purchase. Another advantage of lead acid batteries is that they vary in shape and size, from home batteries to large submarine batteries.

밀폐형 납축전지(VRLA)는 납축전지의 일종이다. VRLA 납축전지는 양극판, 음극판, 세퍼레이터, 전해질, 및 일방향 밸브를 구비하는 용기를 포함한다. 일방향 밸브는 산소가 극판과 반응하여 내부 방전을 초래하는 배터리 내로 외부기체가 들어가는 것을 방지하고 또한 특정한 내부 압력을 초과한 경우에 배터리 내부로부터 기체를 방출하기 위하여 설치된 것이다. 도 1을 참조하기 바란다. 도 1은 통상적인 납축전지의 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 납축전지(10)는 복수개의 교대하는 양극판(12)과 음극판(14), 이웃한 극판사이에 샌드위치된 세퍼레이터(16), 및 전해질(미도시)을 포함한다. 양극판(12) 및 음극판(14)은 납산화물과 같은 양극활물질로 페이스트된 납 그리드(lead grid) 및 납 분말과 같은 음극활물질로 페이스트된 납 그리드를 각각 양극판(12)과 음극판(14)으로 전환시키는 성형 프로세스에 의하여 제조된다.Sealed lead acid battery (VRLA) is a type of lead acid battery. The VRLA lead acid battery includes a container having a positive electrode plate, a negative electrode plate, a separator, an electrolyte, and a one-way valve. One-way valves are installed to prevent the entry of external gases into the battery where oxygen reacts with the pole plates to cause internal discharges and to release gas from the interior of the battery when a certain internal pressure is exceeded. See FIG. 1. 1 is a cross-sectional view of a conventional lead acid battery. As shown in FIG. 1, the lead acid battery 10 includes a plurality of alternating positive electrode plates 12 and negative electrode plates 14, a separator 16 sandwiched between adjacent electrode plates, and an electrolyte (not shown). The positive electrode plate 12 and the negative electrode plate 14 convert the lead grid pasted with the positive electrode active material such as lead oxide and the lead grid pasted with the negative electrode active material such as lead powder to the positive electrode plate 12 and the negative electrode plate 14, respectively. It is manufactured by a molding process.

VRLA 납축전지에서, 전해질은 일반적으로 고정되어 있다. VRLA 납축전지내에서 전해질이 고정(immobilization)되어 있으므로 하나의 전극에서 발생한 기체는 충전동안에 다른 전극에 접근할 수 있다. 그 결과 산소 기체는 배터리 내부로 들어갈 수 있으며, 음극판의 표면에서 환원되어 배터리의 전해질로 돌아온다. 또한, 전 해질이 고정되어 있으므로 매우 산성이고 부식성인 액체 전해질이 유출되는 위험이 방지된다.In VRLA lead acid batteries, the electrolyte is generally fixed. Since the electrolyte is immobilized in the VRLA lead acid battery, gas generated at one electrode can access the other electrode during charging. As a result, oxygen gas can enter the battery and is reduced at the surface of the negative electrode plate to return to the battery's electrolyte. In addition, since the electrolyte is fixed, the risk of leaking a very acidic and corrosive liquid electrolyte is prevented.

납축전지에서 전해질을 고정하는 방법에는 2개의 잘 알려진 카테고리가 있다: 흡수 또는 겔화. 미국 특허 제4,871,428호는 유리 마이크로섬유로 제조되고 흡수에 의하여 액체 전해질을 고정하는데 사용되는 유리 매트 세퍼레이터(glass mat separator)로서, 극판과 확고하고 밀접하게 접촉하며 이에 의하여 우수한 초기 전해질-극판 접촉 및 따라서 높은 에너지 효율을 보장하는 유리 매트 세퍼레이터를 개시한다. 그러나, 유리 매트 세퍼레이터와 극판 표면과의 밀접한 접촉은 음극 극판에서 바늘같은 덴드라이트(needle-like dendrite)를 쉽게 형성하게 하며 이것이 터널과 같은 통로(tunnel-like passage way)로 성장하여 이웃한 세퍼레이터 기공을 통하여 양극 극판과 접촉하여 궁극적으로는 배터리 단락(shorting)을 일으킨다.There are two well known categories of methods for fixing electrolytes in lead acid batteries: absorption or gelation. U. S. Patent No. 4,871, 428 is a glass mat separator made of glass microfibers and used to fix a liquid electrolyte by absorption, which firmly and intimately contacts the pole plate, thereby providing good initial electrolyte-pole plate contact and thus Disclosed is a glass mat separator that ensures high energy efficiency. However, the intimate contact of the glass mat separator with the electrode plate surface facilitates the formation of needle-like dendrite in the cathode electrode plate, which grows in a tunnel-like passage way, causing neighboring separator pores. Contact with the positive electrode plate ultimately results in battery shorting.

미국 특허 제4,317,872호는 황산을 실리카 입자와 반응시켜 겔 전해질을 형성함으로써 전해질을 고정하는 대체적인 방법을 개시한다. 그러나, 이 겔 전해질은 높은 내부 전기저항, 낮은 에너지 용량, 및 감소된 사이클 특성과 같은 다양한 나쁜 전기특성을 나타낸다. 또한, 이 겔 전해질은 수축하는 경향이 있어서 겔 전해질과 극판상의 활물질 사이의 접촉이 단절될 수 있다. 게다가, 이 겔의 초기의 높은 점도는 배터리 용기를 충전하기 어렵게 하고 또한 극판 기공을 효율적으로 삼투(saturation)시킬 수 없게 한다.U. S. Patent No. 4,317, 872 discloses an alternative method of immobilizing an electrolyte by reacting sulfuric acid with silica particles to form a gel electrolyte. However, this gel electrolyte exhibits various bad electrical properties such as high internal electrical resistance, low energy capacity, and reduced cycle characteristics. In addition, this gel electrolyte tends to shrink so that the contact between the gel electrolyte and the active material on the electrode plate may be interrupted. In addition, the initial high viscosity of this gel makes it difficult to fill the battery container and also makes it impossible to efficiently saturate the plate pores.

미국특허 제4,889,778호는 식 [Y2O]ㆍx[SiO2]ㆍnH2O을 갖는 알칼리 금속 폴리 실리카 약 30중량%의 수성 콜로이드상 분산액과 황산의 1:3 내지 1:6 부피비의 블렌드로 이루어진 요변성 겔 전해질(thixotropic gel electrolyte)을 개시한다. x값은 20 내지 350의 범위이며, Y는 알칼리 금속이고, n은 물의 몰수이다.U.S. Pat.No. 4,889,778 discloses a 1: 3 to 1: 6 volume ratio blend of sulfuric acid with an aqueous colloidal dispersion of about 30% by weight of an alkali metal polysilica having the formula [Y 2 O] .x [SiO 2 ] .nH 2 O. Disclosed is a thixotropic gel electrolyte. The x value is in the range of 20 to 350, Y is an alkali metal, and n is the number of moles of water.

마지막으로, 미국 특허공개 제2005/0042512호는 1,250 내지 1.280의 비중을 갖는 황산과 2 내지 15중량% 농도의 실리카 입자를 포함하는 납축전지 전해질을 개시한다. 상기 실리카 입자의 적어도 10중량%가 무건조 침강 실리카 슬러리로부터 유래한다.Finally, U.S. Patent Publication No. 2005/0042512 discloses a lead acid battery electrolyte comprising sulfuric acid having a specific gravity of 1,250 to 1.280 and silica particles at a concentration of 2 to 15% by weight. At least 10% by weight of the silica particles are derived from dry precipitated silica slurry.

상기한 선행기술이 용기내로의 충전을 용이하게 하는 향상된 겔 전해질 제조방법을 개시하지만, 이 겔 전해질계 납축전지는 여전히 보통의 액체 전해질로 제조된 납축전지 보다 방전중의 증가하는 내부 전기저항, 감소된 양의 활성 전해질 재료에 기인하는 낮은 에너지 용량, 및 높은 실리카 함량에 기인하는 전위 저하 문제 등과 같은 일반적인 나쁜 전기 특성을 갖는다.Although the above prior art discloses an improved gel electrolyte manufacturing method which facilitates filling into a container, this gel electrolyte lead acid battery still increases the internal electrical resistance, decreases during discharge, compared to a lead acid battery made of ordinary liquid electrolyte. General electrical properties such as low energy capacity attributable to a positive amount of active electrolyte material, and potential dropping problems due to high silica content.

따라서 본 발명의 주요 목적은 상기한 문제점들을 극복하기 위하여 겔화된 고정된 전해질(immobilized electrolyte)에 기초한 VRLA 납축전지를 제공하는 것이다.It is therefore a main object of the present invention to provide a VRLA lead acid battery based on an gelled immobilized electrolyte to overcome the above problems.

본 발명의 청구범위에 따르면, 납축전지의 겔화된 전해질은 묽은황산 및 상기 전해질의 중량을 기준으로 실질적으로 0.1중량% 내지 3중량% 범위의 실리카 입자를 포함한다. 이 실리카 입자는 흄드 실리카(fumed silica) 입자이다.According to the claims of the present invention, the gelled electrolyte of a lead acid battery comprises dilute sulfuric acid and silica particles in the range of substantially 0.1% to 3% by weight, based on the weight of the electrolyte. These silica particles are fumed silica particles.

본 발명의 청구범위에 따르면, 겔화된 전해질을 갖는 납축전지가 또한 제공된다. 이 납축전지는 복수개의 교대하는 양극판과 음극판, 상기 양극 극판과 상기 음극 극판 사이에 샌드위치된 복수개의 세퍼레이터, 및 묽은황산 및 상기 전해질의 중량을 기준으로 실질적으로 0.1중량% 내지 3중량% 범위의 실리카 입자를 포함하는 겔화된 전해질을 포함한다. 이 실리카 입자는 흄드 실리카(fumed silica) 입자이다.According to the claims of the present invention, there is also provided a lead acid battery having a gelled electrolyte. The lead acid battery includes a plurality of alternating positive electrode plates and negative electrode plates, a plurality of separators sandwiched between the positive electrode plate and the negative electrode plate, and diluted sulfuric acid and silica in a range of substantially 0.1 wt% to 3 wt% based on the weight of the electrolyte. A gelled electrolyte comprising particles. These silica particles are fumed silica particles.

본 발명에서 제공되는 상기한 겔화된 전해질을 갖는 납축전지는 낮은 내부 저항, 고율 충전능력(high rate charging capability), 높은 에너지 밀도, 및 전해질 수축 문제가 없는 것과 같은 훨씬 향상된 전기 특성을 갖는다. 이 배터리는 높은 충전율(charging rate) 및 높은 에너지 용량을 필요로 하는 용도에서 비용 효율적인 배터리로서 특히 적당하다.The lead acid battery having the gelled electrolyte provided in the present invention has much improved electrical properties such as low internal resistance, high rate charging capability, high energy density, and no electrolyte shrinkage problem. This battery is particularly suitable as a cost effective battery in applications requiring high charging rate and high energy capacity.

본 발명의 이들 및 다른 목적은, 다양한 도면으로 도시되는 바람직한 구현예에 대한 이하의 상세한 설명을 읽은 후에는 의심할 여지없이 당업자에게 자명하게 될 것이다.These and other objects of the present invention will no doubt become apparent to those skilled in the art after reading the following detailed description of the preferred embodiments, which is illustrated in various figures.

본 발명은 이하에서 구현예 및 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 상기 구현예 및 실시예에 의하여 한정되지 않는다.The invention will be explained in more detail by the following embodiments and examples. However, the present invention is not limited to the above embodiments and examples.

본 발명은 납축전지, 특히 VRLA 납축전지에서 전해질을 고정하는 새로운 방법을 발견한 것에 기초한다. 본 발명의 이 구현예에서, 겔화된 전해질은 비중 1.28 내지 1.34의 황산 및 소량의 실리카 입자를 혼합함으로써 제조된다. 여기서, 실리카 입자의 함량은 전해질의 중량을 기준으로 실질적으로 0.1중량% 내지 3중량% 범위, 더 바람직하게는 0.5중량% 내지 1중량%이다. The present invention is based on the discovery of a new method for fixing electrolytes in lead acid batteries, in particular VRLA lead acid batteries. In this embodiment of the invention, the gelled electrolyte is prepared by mixing sulfuric acid with a specific gravity of 1.28 to 1.34 and a small amount of silica particles. Here, the content of the silica particles is substantially in the range of 0.1% to 3% by weight, more preferably 0.5% to 1% by weight based on the weight of the electrolyte.

우선, 상기 겔화된 전해질은 낮은 점도를 가지며 또한 장기간의 시간동안 자유로이 유동한다. 그러나, 납축전지내에서 약 2 내지 3 충전/방전 사이클 후에 전해질 전체를 통하여, 특히 극판에 이웃한 유리 매트(glass mat)의 표면 영역에서, 굳은 국소화된 페이스트성의 덩어리진 겔이 혼합된 2상 전해질(mixed two-phase electrolyte)로서 형성되기 시작하는 것이 관찰된다. 또한, 본 발명의 이 혼합된 2상 전해질은 고율 충전 조건하에서 대부분 액상으로 되돌아 갈 수 있다. 궁극적으로, 전체 전해질은 반복된 방전/충전 사이클 후에 방전 동안에 굳은 페이스트성의 겔상으로 변화한다.First, the gelled electrolyte has a low viscosity and freely flows for a long time. However, after about two to three charge / discharge cycles in lead-acid batteries, a two-phase electrolyte mixed with a hard localized paste-like mass of gel throughout the entire electrolyte, especially in the surface area of the glass mat adjacent to the electrode plate. It begins to form as a mixed two-phase electrolyte. In addition, this mixed two-phase electrolyte of the present invention can return to the liquid phase mostly under high rate charging conditions. Ultimately, the whole electrolyte changes into a hard pasty gel phase during discharge after repeated discharge / charge cycles.

사용되는 실리카 입자의 형태 및 함량에 따라서, 이 겔화된 전해질은 실질적으로 투명하거나 또는 약간 흐릿하다. 흄드 실리카가 사용되는 경우, 얻어진 전해질은 약간 흐릿하며, 이 흐릿한 정도(haziness)는 시간이 경과함에 따라 서서히 증가한다. 적합한 흄드 실리카의 예는 Degussa AEROSIL® 200, 200V, 미리 분산된 AERODISP® W 7520(암모니아로 안정화됨), 또는 W 7520 N(수산화나트륨으로 안정화됨)이다.Depending on the form and content of the silica particles used, this gelled electrolyte is substantially transparent or slightly hazy. When fumed silica is used, the electrolyte obtained is slightly hazy and this haze increases gradually over time. Examples of suitable fumed silicas are Degussa AEROSIL ® 200, 200 V, pre-dispersed AERODISP ® W 7520 (stabilized with ammonia), or W 7520 N (stabilized with sodium hydroxide).

혼합장치가 갖추어야 할 특별한 필요사항은 없다. 프로펠러 교반기(propeller stirrer), Cowless dissolver 등과 같은 다양한 통상적인 믹서 및 테프론 코팅된 탱크와 같은 내산성 용기가 이용될 수 있다. 그러나, 균질한 용액을 얻고 바람직하지 않은 응집 또는 침전을 피하거나 최소화하기 위하여 혼합 속도는 적당해야 한다. 예를 들면, 약 1250 내지 2000 rpm의 혼합 속도를 갖는 프로펠러 교반기가 약 20분의 시간 동안 묽은 황산을 서서히 가해진 실리카와 혼합하고 이어서 이 혼합을 완성하기 위하여 10분 더 혼합하는 데 사용된다. 혼합 동안에, 이 혼합물의 온도는 40℃ 이하로 유지된다.There is no special need for the mixing device. Acid resistant containers such as various conventional mixers such as propeller stirrers, cowless dissolvers and teflon coated tanks can be used. However, the mixing speed should be appropriate to obtain a homogeneous solution and to avoid or minimize undesirable flocculation or precipitation. For example, a propeller stirrer with a mixing speed of about 1250 to 2000 rpm is used to mix dilute sulfuric acid with the slowly added silica for a time of about 20 minutes, followed by another 10 minutes to complete this mixing. During the mixing, the temperature of this mixture is kept below 40 ° C.

전해질의 고정은 유리 매트의 흡수 능력 및 전해질의 약한 겔화(light gelling)를 결합함으로써 달성된다. 일반적으로, 전해질은 도움없이 효율적으로 유리 매트 세퍼레이터내로 흡수된다. 그러나, 진공 도움 충전 단계가 세퍼레이터 및 극판내로 겔화된 전해질의 흡수를 촉진하는 데 유리한 것이 밝혀졌다.Fixation of the electrolyte is achieved by combining the absorption ability of the glass mat and the light gelling of the electrolyte. In general, the electrolyte is absorbed into the glass mat separator efficiently and without assistance. However, it has been found that the vacuum assisted filling step is advantageous for promoting the absorption of the gelled electrolyte into the separator and the electrode plate.

완전히 충전된 상태에서의 전해질의 낮은 점도 및 세퍼레이터 기공내에서의 건조(dry out)를 방지하는 친수성 실리카 입자의 존재 때문에, 본 발명의 겔화된 전해질을 갖는 납축전지는 효율적인 충전을 위한 낮은 내부 저항을 가지고, 또한 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있으며, 또한 필요한 경우 긴 방전 시간 및 높은 전류 또는 방전율(discharge rate)을 제공할 수 있다는 것은 주목할 만하다. 방전시, 상기한 가역성의 페이스트성 겔 덩어리가 유리 매트의 기공내에 형성되고, 또한 극판의 표면에 이웃하므로, 이들 겔 덩어리는 추정하건데 덴드라이트 성장을 중단시키고 또한 극판 표면으로부터 상기 활성 페이스트 재료의 떨어짐(shedding)과 같은 악화시키는 문제를 방지하거나 또는 늦춤으로써 극판을 보호한다. 따라서 본 발명의 겔화된 전해질을 갖는 납축전지는 일반적으로 기대된 것 보다 더 긴 사이클 수명을 제공한다.Because of the low viscosity of the electrolyte in the fully charged state and the presence of hydrophilic silica particles that prevent dry out in the separator pores, the lead acid battery with the gelled electrolyte of the present invention has a low internal resistance for efficient charging. It is noteworthy that it is also possible to achieve high energy densities and also to provide long discharge times and high currents or discharge rates if necessary. Upon discharge, the reversible pasty gel lumps are formed in the pores of the glass mat and are also adjacent to the surface of the electrode plate, so these gel lumps allegedly stop dendrite growth and also fall off of the active paste material from the electrode plate surface. Protects the plates by preventing or slowing down aggravating problems such as shedding. Thus, lead acid batteries with the gelled electrolyte of the present invention generally provide longer cycle life than expected.

또한, 조립된 배터리내에서의 극판 성형도 가능하지만, 미리 성형된 극판이 바람직하다. 또한, 유리 매트 세퍼레이터가 바람직하지만, 내산성 고분자 부직포 시트와 같은 대체적인 전해질 흡수성 세퍼레이터가 또한 사용될 수 있다. 예를 들면, 적당한 친수성 표면처리된 폴리올레핀 또는 폴리에스테르계 부직포가 적합한 흡수성 세퍼레이터이다.It is also possible to form the electrode plate in the assembled battery, but it is preferable that the electrode plate is molded in advance. In addition, although glass mat separators are preferred, alternative electrolyte absorbing separators, such as acid resistant polymeric nonwoven sheets, may also be used. For example, suitable hydrophilic surface treated polyolefin or polyester based nonwovens are suitable absorbent separators.

이하의 실시예는 본 발명의 바람직한 구현예를 더 상세하게 예시하기 위하여 기술된다. 그러나 이들 실시예는 한정적인 것이 아니다. 여기에 개시된 발명 개념으로부터 벗어나지 않고 다른 구현예를 생성하는 것도 여전히 가능하다. 그러한 구현예는 당업자의 능력범위내에 존재한다.The following examples are described to illustrate in more detail the preferred embodiment of the present invention. However, these examples are not limiting. It is still possible to generate other embodiments without departing from the inventive concept disclosed herein. Such embodiments are within the capabilities of those skilled in the art.

실시예 1Example 1

흄드 실리카(Degussa AEROSIL® 200) 100g을 먼저 탈이온수 900g과 혼합하여 균질한 혼합물을 얻었다. 이와 별도로, 비중 1.32의 희석한 황산 9kg을 프로펠러 믹서를 구비한 내산성 탱크에 넣었다. 20분 동안에 걸쳐서 흄드 실리카 혼합물을 희석한 황산내로 믹서를 1457rpm으로 작동시키면서 서서히 가하였다. 흄드 실리카 첨가가 완료된 후, 균질한 혼합물이 얻어질 때까지 믹서를 10분 동안 계속해서 작동하였다. 얻어진 겔화된 전해질의 점도는 혼합전의 황산의 점도 보다 약간 높았고, 이 혼합물은 약간 흐릿한 것이 관찰되었다. 흐릿한 정도는 시간이 경과함에 따라 증가하였지만, 3주 동안 자유롭게 유동할 수 있는 상태로 남아 있었다. 12 암페어-아워(AH) 방전용량의 12-볼트 배터리가 조립되어 시험을 위하여 상기 겔화된 전해질로 충전되었다. 50 mm 이격된 2개의 구리선 사이의 상기 전해질의 전기저항을 측정하였으며 아래 표 1에 나타내었다. 본 발명의 겔화된 전해질을 갖는 납축전지에 대하여 방전시험을 하였으며, 다양한 초기 방전율하에서 방전시간을 아래 표 2에 종합하였다.100 g of fumed silica (Degussa AEROSIL ® 200) was first mixed with 900 g of deionized water to obtain a homogeneous mixture. Separately, 9 kg of diluted sulfuric acid having a specific gravity of 1.32 was placed in an acid resistant tank equipped with a propeller mixer. The mixer was slowly added running at 1457 rpm into sulfuric acid diluted with the fumed silica mixture over 20 minutes. After the fumed silica addition was complete, the mixer was kept on for 10 minutes until a homogeneous mixture was obtained. The viscosity of the obtained gelled electrolyte was slightly higher than that of sulfuric acid before mixing, and the mixture was observed to be slightly cloudy. The blurring level increased over time, but remained free to flow for 3 weeks. A 12-volt battery of 12 amp-hour (AH) discharge capacity was assembled and charged with the gelled electrolyte for testing. The electrical resistance of the electrolyte between two 50 mm spaced copper wires was measured and shown in Table 1 below. The discharge test was conducted on the lead acid battery having the gelled electrolyte of the present invention, and the discharge time under various initial discharge rates was summarized in Table 2 below.

실시예 2Example 2

비중 1.33의 묽은 황산을 전해질 제조에 사용하였고 또한 믹서가 1360rpm에서 작동한 것만을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 절차에 따라서 시험하였다. 겔화된 전해질의 일반적인 특성은 실시예 1에서 관찰된 바와 동일하였다. 이 전해질의 전기저항을 표 1에 나타냈다. 초기 방전시험 결과를 표 2에 종합하였다.Dilute sulfuric acid with a specific gravity of 1.33 was used for the preparation of the electrolyte and was also tested according to the same procedure as in Example 1 except that the mixer was operated at 1360 rpm. General properties of the gelled electrolyte were the same as observed in Example 1. Table 1 shows the electrical resistance of this electrolyte. The results of the initial discharge test are summarized in Table 2.

비교예 1Comparative Example 1

비교를 위하여, 12 암페어-아워(AH) 방전용량의 12 볼트 배터리가 조립되어 시험을 위하여 비중 1.32의 보통 황산으로 충전되었다. 이 전해질의 전기저항을 표 1에 나타냈다. 초기 방전시험 결과를 표 2에 종합하였다.For comparison, a 12 volt battery with a 12 amp-hour (AH) discharge capacity was assembled and charged with normal sulfuric acid with a specific gravity of 1.32 for testing. Table 1 shows the electrical resistance of this electrolyte. The results of the initial discharge test are summarized in Table 2.

[표 1]TABLE 1

실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 비교예 1Comparative Example 1 전기
저항
Electricity
resistance
3.10Ω 3.10Ω 3.00Ω3.00Ω 2.80Ω2.80Ω

1) 50 mm 이격된 2개의 구리선 사이에서 측정됨.1) Measured between two copper wires 50 mm apart.

[표 2]TABLE 2

실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 비교예 1Comparative Example 1 2 Hr. 방전율
@ 0.42 C
2 Hr. Discharge rate
@ 0.42 C
02:17:3102:17:31 02:28:3702:28:37 02:27:5402:27:54
5 Hr. 방전율
@ 0.17 C
5 Hr. Discharge rate
@ 0.17 C
06:42:1606:42:16 07:13:5707:13:57 --
10 Hr. 방전율
@ 0.1 C
10 Hr. Discharge rate
@ 0.1 C
11:30:5511:30:55 12:17:2012:17:20 --
20 Hr. 방전율
@ 0.05 C
20 Hr. Discharge rate
@ 0.05 C
23:09:1623:09:16 26:43:4626:43:46 22:10:3322:10:33
33 Min. 방전율
@ 1 C
33 Min. Discharge rate
@ 1 C
50:2750:27 57:0957:09 53:2753:27
7.2 Min. 방전율
@ 3 C
7.2 Min. Discharge rate
@ 3 C
12:3512:35 13:3913:39 13:3613:36

1) 모든 배터리는 12 암페어-아워(AH) 방전용량의 12 볼트 배터리이었다.1) All batteries were 12 volt batteries with a 12 amp-hour (AH) discharge capacity.

2) 방전시간은 시:분:초로 기록되었다.2) The discharge time was recorded as hours: minutes: seconds.

표 1에 나타난 바와 같이, 겔화된 전해질의 전기저항은 보통 묽은 황산 보다 약간 높았지만, 증가량은 작았고, 배터리 방전 특성에 대한 이들의 영향은 2시간 방전율에서는 무시할 수 있을 정도로 작았다. 실제로, 일반적으로 실시예 1-2의 20시간 방전율은 비교예 1의 표준 황산 배터리의 성능에 비하여 예측할 수 없는 향상을 나타냈다. 이들 데이타는 본 발명이 전기 자전거 및 실외 태양 조명(outdoor solar lighting)과 같이 오랜 방전시간을 요하는 용도에 특히 적합하다는 것을 나타낸다.As shown in Table 1, the electrical resistance of the gelled electrolyte was usually slightly higher than that of dilute sulfuric acid, but the increase was small, and their effect on battery discharge characteristics was negligibly small at the 2 hour discharge rate. In fact, in general, the 20 hour discharge rate of Example 1-2 showed an unpredictable improvement over the performance of the standard sulfuric acid battery of Comparative Example 1. These data indicate that the present invention is particularly suitable for applications requiring long discharge times, such as electric bicycles and outdoor solar lighting.

게다가, 표 2는 또한 본 발명의 1C 및 3C와 같은 고율방전 시험결과가 표준 황산 배터리에 비하여 예측할 수 없이 동등한 범위이거나 또는 더 좋을 수 있는 것을 나타낸다.In addition, Table 2 also shows that high rate discharge test results, such as the 1C and 3C of the present invention, may be in an unpredictably equivalent range or better than standard sulfuric acid batteries.

본 발명의 향상된 성능을 더 설명하기 위하여, 도 2는 실시예 2의 300 수명 사이클에 걸친 방전 시간 커브를 나타낸다. 중요하고도 예측할 수 없이, 본 발명의 배터리는 비교예 1의 통상적인 배터리 보다 긴 방전시간을 지속할 수 있는 더 큰 능력을 제공하는 것이 발견되었다.To further illustrate the improved performance of the present invention, FIG. 2 shows a discharge time curve over 300 life cycles of Example 2. FIG. Importantly and unpredictably, it has been found that the battery of the present invention provides greater ability to sustain longer discharge times than the conventional battery of Comparative Example 1.

상기한 바와 같이 본 발명의 겔화된 고정된 전해질(immobilized electrolyte)에 기초한 납축전지는 종래의 납축전지의 여러 문제점을 해결할 수 있다.As described above, the lead acid battery based on the gelled immobilized electrolyte of the present invention can solve various problems of the conventional lead acid battery.

당업자는 상기 장치 및 방법에 대한 수 많은 개량 및 변경이 본 발명의 가르침을 유지하면서 이루어질 수 있는 것을 알 것이다. 따라서, 상기한 개시내용은 이하의 특허청구범위에 의하여만 제한되는 것으로 해석되어야 한다.Those skilled in the art will appreciate that numerous improvements and modifications to the above apparatus and methods can be made while retaining the teachings of the present invention. Accordingly, the above disclosure should be construed as limited only by the following claims.

Claims (12)

납축전지의 겔화된 전해질(gelled electrolyte)로서,As a gelled electrolyte of a lead acid battery, 1.28 내지 1.34의 비중을 갖는 묽은 황산; 및Dilute sulfuric acid with a specific gravity of 1.28 to 1.34; And 상기 전해질의 중량을 기준으로 실질적으로 0.1중량% 내지 3중량% 함량범위의 실리카 입자를 포함하며,It comprises silica particles in the content range of substantially 0.1% by weight to 3% by weight based on the weight of the electrolyte, 상기 실리카 입자는 흄드 실리카(fumed silica) 입자인 것을 특징으로 하는 겔화된 전해질.The silica particles are gelled electrolyte, characterized in that the fumed silica (fumed silica) particles. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 실리카 입자의 함량은 상기 전해질의 중량을 기준으로 0.5중량% 내지 1중량% 범위인 것을 특징으로 하는 겔화된 전해질.The gelated electrolyte of claim 1, wherein the content of the silica particles is in a range of 0.5 wt% to 1 wt% based on the weight of the electrolyte. 겔화된 전해질을 갖는 납축전지로서,A lead acid battery having a gelled electrolyte, (a) 용기;(a) a container; (b) 상기 용기내에 배치된 양극 극판과 음극 극판;(b) a positive electrode plate and a negative electrode plate disposed in the container; (c) 상기 용기내의 상기 양극 극판과 상기 음극 극판 사이에 샌드위치된 세퍼레이터; 및(c) a separator sandwiched between said positive electrode plate and said negative electrode plate in said container; And (d) 상기 용기 내의 상기 양극 극판과 상기 음극 극판 사이에 전해질 연결을 제공하는 겔화된 전해질을 포함하며,(d) a gelled electrolyte providing an electrolyte connection between the positive electrode plate and the negative electrode plate in the vessel, 상기 겔화된 전해질이The gelled electrolyte 1.28 내지 1.34의 비중을 갖는 묽은 황산; 및Dilute sulfuric acid with a specific gravity of 1.28 to 1.34; And 상기 전해질의 중량을 기준으로 실질적으로 0.1중량% 내지 3중량% 함량범위의 실리카 입자를 포함하며,It comprises silica particles in the content range of substantially 0.1% by weight to 3% by weight based on the weight of the electrolyte, 상기 실리카 입자는 흄드 실리카(fumed silica) 입자인 것을 특징으로 하는 납축전지.The silica particle is a lead acid battery, characterized in that the fumed silica (fumed silica) particles. 삭제delete 제4항에 있어서, 상기 실리카 입자의 함량은 상기 전해질의 중량을 기준으로 실질적으로 0.5중량% 내지 1중량% 범위인 것을 특징으로 하는 납축전지.The lead acid battery of claim 4, wherein the content of the silica particles is in a range of about 0.5 wt% to about 1 wt% based on the weight of the electrolyte. 제4항에 있어서, 상기 납축전지는 밀폐형(valve-regulated)인 것을 특징으로 하는 납축전지.The lead acid battery of claim 4, wherein the lead acid battery is valve-regulated. 제4항에 있어서, 상기 세퍼레이터는 전해질 흡수성인 것을 특징으로 하는 납축전지.The lead acid battery according to claim 4, wherein the separator is electrolyte absorbent. 제8항에 있어서, 상기 세퍼레이터는 유리 매트(glass mat)인 것을 특징으로 하는 납축전지.The lead acid battery according to claim 8, wherein the separator is a glass mat. 제8항에 있어서, 상기 세퍼레이터는 고분자 부직포 시트인 것을 특징으로 하는 납축전지.The lead acid battery according to claim 8, wherein the separator is a polymer nonwoven sheet. 제8항에 있어서, 상기 세퍼레이터는 폴리올레핀인 것을 특징으로 하는 납축전지.The lead acid battery according to claim 8, wherein the separator is a polyolefin. 제8항에 있어서, 상기 세퍼레이터는 폴리에스테르계 부직포 시트인 것을 특징으로 하는 납축전지.The lead acid battery according to claim 8, wherein the separator is a polyester nonwoven sheet.
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