KR19990012199A - 니켈수소전지의 수소저장합금 - Google Patents

Abstract

목적 : AB₂계 합금의 내부에 크랙의 생성이 촉진되게 하여, 비표면적이 증대되고 고율 특성이 향상되게 한 니켈수소전지의 수소저장합금을 제안한다.

구성 : AB₂M_X의 조성으로 형성되어서, 상기 M_X에 의해 AB₂계 합금의 결정 구조에서 크랙의 생성이 촉진되게 한 기술적 구성으로 이루어진다. 여기서, A는 Zr, Ti 중에서 하나 또는 둘이고, B는 Ni, Mn, V, Cr, Co, Fe 중에서 하나 또는 둘 이상의 화합물이며, M은 B, Si, C 중에서 하나의 물질로 구성되고, 0.001X≤0.05의 범위로 된다.

효과 : 상기 M_X는 AB₂계 합금의 결정 구조가 미세화되게 하고 비표면적이 증가되게 하므로서, 단위 면적당 다량의 수소 확산을 필요로 하는 고율 충·방전시 높은 효율을 얻도록 한다.

Description

니켈수소전지의 수소저장합금

본 발명은 니켈수소(Ni-MH)전지의 수소저장합금에 관한 것으로서, 특히 결정의 비표면적이 증가되게 하여 고율 특성이 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 AB₅계와 Ti, Zr, V 등을 이용하는 AB₅계로 구분될 수 있다.

종래 기술에서 언급된 Ni-MH전지용 음극은 AB₅계의 수소저장합금이 주로 사용되고 있다. 그러나 AB₅계의 수소저장합금은 희토류 금속화합물로 구성되어서 수소의 흡장능력이 AB₂계의 합금에 비해 떨어지는 문제점이 있다.

예를 들어, AB₂계의 수소저장합금은 수소의 흡장량이 400mAh/g 이상이고, AB₅계의 수소저장합금은 수소의 흡장량이 270mAh/g 이상으로 된다.

이러한 이유에서, 근래 들어 전지 메이커에서는 AB₂계의 수소저장합금을 개발하기 위한 노력들이 진행되고 있다. 그러나 AB₂계의 수소저장합금은 그 표면 특성이 불량하여 활성화가 늦고, 전류를 낮은 전류치와 높은 전류치로 방전할 때 고율특성이 나쁜 단점이 있다.

이러한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위한 목적에서 안출된 것으로, 본 발명은 AB₂계 합금의 내부에 크랙의 생성이 촉진되게 하여, 비표면적이 증대되고 고율 특성이 향상되게 한 Ni-MH전지의 수소저장합금을 제안한다.

이를 위하여, 본 발명은 AB₂M_X의 조성으로 형성되어서, 상기 M_X에 의해 AB₂계 합금의 결정 구조에서 크랙의 생성이 촉진되게 한 기술적 구성으로 이루어진다.

여기서, A는 Zr, Ti 중에서 하나 또는 둘이고, B는 Ni, Mn, V, Cr, Co, Fe 중에서 하나 또는 둘 이상의 화합물이며, M은 B, Si, C 중에서 하나의 물질로 구성되고, 0.001X≤0.05의 범위로 된다.

위에서 언급된 M_X는 AB₂계 합금의 결정 구조가 미세화되게 하고 비표면적이 증가되게 하므로서, 단위 면적당 다량의 수소 확산을 필요로 하는 고율 충·방전시 높은 효율을 얻도록 한다.

도 1은 본 발명의 수소저장합금에 의한 전지의 고율 특성을 나타낸 도면.

이하, 본 발명을 실현하기 위한 구체적인 수단으로 AB₂계 합금의 결정 구조가 미세화되게 하고 그 비표면적이 증가되게 하는 수소저장합금의 제조방법과 그 조성 및 작용을 설명한다.

본 발명에 관련된 AB₂계 합금은 A가 Zr 또는 Ti 중에서 하나로 구성되며, 또한 Zr과 Ti의 화합물로 구성될 수 있다. AB₂계 합금 중에서 B는 Ni, Mn, V, Cr, Co, Fe 중에서 하나로 구성되며, Ni, Mn, V, Cr, Co, Fe 중에서 둘 이상의 화합물로 구성될 수도 있다.

이러한 AB₂계의 수소저장합금은 앞에서 언급된 바와 같이, AB₅계의 수소저장합금에 비해 1.5배 이상의 수소 흡장 능력을 가지는 반면, 그 표면 특성이 불량하여 활성화가 늦고 과전압이 높은 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기 AB₂계 합금의 내부에 크랙의 생성이 촉진되게 하는 조성을 첨가하여, 수소저장합금의 비표면적이 증대되고 고율 특성이 향상되게 한다.

보다 구체적인 예로서, 본 발명의 수소저장합금은 AB₂계 합금에 M_X이 첨가되어서, (ZrNi 1.1, Mn 0.4, V 0.3, Co 0.1, Cr 0.1)M_X의 조성으로 이루어질 수 있다.

여기서, 상기 M_X은 AB₂계 합금의 결정 구조에서 크랙의 생성이 촉진되게 하는 것으로서, M은 B, Si, C 중에서 하나의 물질로 이루어지고, M_X에서 X는 0.001X≤0.05의 범위로 된 기술적 구성으로 이루어진다.

결과적으로, 본 발명의 수소저장합금은 AB₂M_X의 조성으로 이루어지는데, 이것은 99.9% 이상의 순도를 갖는 원재료 금속을 1/1,000g까지 정확하게 칭량하여, Ar 분위기에서 아크 용해하여 제조된다. 이때, 합금의 균질성을 높이기 위해 용해시 4차례 이상 뒤집어가면서 재용해 한다.

이와 같이 제조된 수소저장합금의 용량은 다음과 같은 방법에 의해 측정된다. 수소저장합금은 20~75㎛의 입도를 갖도록 분말상으로 제조되고, 그 합금과 Ni분말 및 PE(polyethylene)이 무게비 1:3:0.12로 하여 7톤의 압력을 가하여 직경 15cm의 펠릿(pallet)으로 제조된다. 이때, 양극은 소결식 양극을 음극의 이론 용량에 2배 이상으로 제조하여 개방형 전지를 구성한다. 전해액은 31중량%의 KOH가 사용된다.

이렇게 제조된 전지는 초기 활성화 단계에서 40mA/g로 15시간 충전되고, 저율방전시 40mA/g, 고율방전시 240mA/g으로 전압이 0.9V까지 방전한다. 이때, 전지의 방전률은 저율방전용량을 고율방전용량으로 나눈 값으로 나타내었다.

그 결과 본 발명의 수소저장합금이 채용된 Ni-MH전지는 도 1에 상세하게 표시된 바와 같이, 고율 특성이 60%까지 향상됨을 알 수 있었다.

또한, 본 발명에 의하면 수소저장합금의 비표면적이 증가되고 활성화가 촉진되어, 전압이 안정화된다.

이상에서 설명된 구성 및 작용을 통하여 알 수 있듯이, 본 발명에 의한 Ni-MH전지의 수소저장합금은 종래 기술의 문제점을 실질적으로 해소하고 있다.

즉, 본 발명은 AB₂계 합금에 B_X, Si_X, C_X중에서 하나가 첨가되어, AB₂계 합금의 결정 구조에서 크랙의 생성이 촉진되게 하므로서, 전지의 고율 특성이 향상되게 하는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 수소저장합금의 비표면적이 증대되어서 전지의 충·방전 용량이 증대되도록 한다.

한편, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 발명에 한정되지 아니하며, 특허청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

Claims (4)

1. AB₂M_X의 조성으로 형성된 것을 특징으로 하는 니켈수소전지의 수소저장합금.

   (단, A는 Zr, Ti 중에서 하나 또는 둘이고, B는 Ni, Mn, V, Cr, Co, Fe 중에서 하나 또는 둘 이상의 화합물이며, M은 B, Si, C 중에서 하나의 물질로 구성되고, 0.001X≤0.05의 범위로 된다.)
2. 제 1 항에 있어서, AB₂B_X의 조성으로 형성된 것을 특징으로 하는 니켈수소전지의 수소저장합금.
3. 제 1 항에 있어서, AB₂Si_X의 조성으로 형성된 것을 특징으로 하는 니켈수소전지의 수소저장합금.
4. 제 1 항에 있어서, AB₂C_X의 조성으로 형성된 것을 특징으로 하는 니켈수소전지의 수소저장합금.