KR860000820B1 - 축전지 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

축전지

제 1도는 본 발명의 일부 절개사시도이다.

1-양극판 2-음극판

3-격리판 4-축전지케이스

본 발명은 질산납(Pb(NO₃)₂)수용액을 전해액으로 하고 스테인레스강판이나 카본 또는 흑연과 같이 부식되지 않는 판으로 극판을 형성시켜 전기 화학적 방법에 의해 전해액중에 함유되어 있는 납이온을 분리시켜 음극과 양극을 형성하도록 된 축전지에 관한 것이다.

축전지는 양극과 음극의 극판 및 전해액으로 구성되어 화학 작용에 의해 화학에너지를 전기에너지로 변화(방전)시킴과 더불어 외부전원에 의한 전기에너지를 화학에너지로 흡수(충전)시키도록 된 것으로서, 이는 충전 및 방전이 자유로와 차량이나 항공기 및 기타 직류전원을 필요로하는 곳에 널리 사용되고 있는 것이다.

그러나 종래 이와같은 일반적인 납축전지나 알카리축전지는 제조공정 및 구조가 복잡하며 중량이 무겁고 제작비용이 많이 들어 경제적이지 못할 뿐만 아니라, 충전하는데 시간이 많이 걸리고 설페이션(Sulfation)현상(즉, 유화의 산화에 의해 화합물이 황산염으로 전화(轉化)되는 현상 또는 황산기(SO₄ ^--)를 부가하는 현상을 말함. 예를들어 황산나트륨(Na₂S)의 산화에 의해 황산나트륨(Na₂SO₄)을 생성하는 현상 또는 나트륨과 황산의 반응에 의해 황산나트륨을 생성하는 현상)이 일어나게 된다는 단점을 지니고 있어 축전지의 수명이 단축되었다. 이런 현상은 특히 양극으로 과산화납(PbO₂)을 양극으로 하고 해면상의 납(Pb)을 음극으로 사용하면서 전해액으로 황산을 사용하고 있는 납축전지에서는 납에 의한 중량 증가와 황산의 취급으로 말미암는 위험성을 배제할 수 없었을 뿐 아니라 과방전시에는 축전지를 폐기해야만 한다는 결점이 있었고, 이와는 달리 수산화니켈을 양극으로 카드뮴을 음극으로 하면서 전해액으로는 알카리용액을 사용하고 있는 알카리전지는 진동에 잘 견디고 자기방전이 적어 오래 사용할 수 있는 등 여러가지 장점을 갖고 있으나 이또한 제조공정이 복잡하며 제작비용이 많이 드는등 여러가지 단점을 갖고 있었다.

여기서 종래의 황산을 전해액으로 사용하고 있는 납축전지의 페이스트식 극판제조과정을 간단히 설명하면 이는 우선 납합금을 용해로에서 용해하며 기판을 주조하고, 또 기판위에다 산화납(PbO)을 주성분으로 하는 페이스트를 발라 도금한 후 페이스트와 기판과의 접착력 및 기판의 강도를 높이기 위해 고온 다습한 숙성실에서 숙성을 시킨다. 이렇게 숙성이 끝난 기판은 장시간 건조시켜 수분을 제거하고 최종적으로 화성에 들어가게 되는데, 화성에 의해서 양극 및 음극판이 각각 과산화납과 해면상의 납으로 되어 비로소 축전지의 극판으로 충방전이 가능한 상태로 된다.

이상에서와 같이 납축전지의 극판제조에 있어서도 여러가지 단계를 거쳐야 하므로 제조공정이 복잡해지며 제조비용이 많이 드는 단잠이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 질산납을 수용액에 용해시켜 전해액을 형성시키고, 스테인레스 강판과 같이 부식되지 않는 판을 절단하여 양극및 음극을 형성시키며, 양극과 음극의 극판사이에 격리판을 설치하므로서 제조가 간단하고 중량이 가벼우며 취급한 위험이 없고 설페이션 효과를 방지할 수 있는 축전지를 제공함에 목적이 있다.

본 발명에 따른 축전지를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 첫째 스테인레스 강판 또는 흑연이나 카본과 같은 부식되지 않는 판을 절단하여 양극 및 음극판을 제조하고, 둘째 미공성 절연판을 극판의 크기보다 약간 크게 절단하여 격리판을 제조한 후, 제조된 양극판과 격리판및 음극판을 차례로 축전지케이스내에 설치시키며, 셋째 증류수에 질산납을 정량첨가한 후 충분히 교반하여 완전히 용해시키므로서 전해액을 조성하고 조성된 전해액을 축전지케이스 내부로 주입하게 한다.

여기서 전해액을 겔상의 전해질로 조성시켜 사용할 수도 있는데, 이때의 겔상의 전해질조성은 증류수에 질산납을 정량 첨가하여 용해시킨 후 젤라틴을 첨가하여 교반하므로서 전해액을 겔상태로 만든다.

상기와 같은 방법으로 제조된 축전지는 증류수에 질산납(Pb(NO₃)₂)을 첨가하여 완전히 용해시켜 전해액을 조성시키고, 스테인레스 강판과 같이 부식되지 않는 판을 이용하여 양극판(1)과 음극판(2)을 형성시키며 상기 양극판과 음극판 사이에 미공성 격리판(3)을 끼워서 설치한 구조로 되어있다.

미설명 부호 4는 축전지케이스이다.

이상과 같은 본 발명은 활물질인 질산납(Pb(NO₃)₂)을 수용액에 완전히 용해시켜 전해액을 조성하므로서 전해액중에 Pb⁺⁺이온을 함유시키고 외부전원에 의한 충전에 의해 상기 이온을 분리하여 스테인레스강판과 같이 부식이 되지 않는 판으로 형성된 양극판(1)과 음극판(2)에 과산화납과 납이 생성되도록하되 음극판에는 납(Pb)이 생성되도록하고, 양극판에는 과산화납(PbO₂)이 생성되도록 한 것이다.

여기서 축전지케이스(4)내부에 스테인레스강판과 같이 부식되지 않는 판으로 형성된 양극판(1)과 음극판(2)을 설치하고, 질산납수용액인 전해액을 주입한 다음, 양극판(1)과 음극판(2)의 양극단자와 음극단자에 외부전원을 연결하여 전기를 가하면 전해액속에 녹아있는 납(Pb)성분은 음극판(2)의 표면에 흡착되고 과산화납(PbO₂)은 양극판(1)의 표면에 흡착되어 결과적으로 음극판(2)에는 납(Pb)이 생성 도포되고, 양극판는 과산화납(PbO₂)이 생성 도포되는데 이때의 반응식은 다음과 같다.

여기서 충전시 음극에서의 반응은

가 되며 양극에서의 반응은

가 되고 전체적인 반응은

가 된다.

이렇게하여 축전지의 충전이 이루어지게되며, 축전지의 방전의 충전된 전기를 사용하므로서 방전되게 되는데 이때의 음극 및 양극에서의 반응은 다음과 같다.

즉, 방전시 음극에서의 반응은

가 되며 양극에서의 반응은

가 되며 전체적인 반응식은

가 되며 이때 상기 질산이온

은 실질적으로 반응에 관여하지 않는다.

여기서 Pb⁺⁺+ 2^e→Pb(

을 제외한 상태)의 표준환원 전위는 -0.126V가 되며, PbO₂+4H⁺+2e→Pb⁺⁺+2H₂O(

을 제외한 상태)의 표준환원 전위는 ＋1.46V가 되므로 표준환원전위를 기준한 축전지의 기전력은 1.586V이나 실제의 기전력은 용액의 pH와 Pb⁺⁺의 농도에 따라 달라지게되며, 특히 pH에 크게 좌우되는 것으로 전해액이 강한 산성일 경우 축전지의 기전력은 1.8-1.9V정도가 되며 pH가 조금 높아지면, 즉 약한산성이 되면 기전력도 떨어져 1.7-1.8V정도가 된다.

[실시예 1]

부도체용기에 200cc정도의 순수한 물을 붓고 10g의 질산납을 넣은 후 교반하여 완전히 용해시켜 전해액을 조성하고 두께가 0.2mm인 스테레스강판을 이용하여 양극판(1)및 음극판(2)을 형성시켜 전해액에 담근 다음, 양극판(1)및 음극판(2)에 전기를 가해 충전시킨 결과 음극판(2)에는 납(Pb)이 생성되고 양극판(1)에는 과산화납(PbO₂)이 생성되었다.

이때 양극판(1)은 충전이 됨에 따라 색깔이 변하여 옅은 갈색에서 검은색을 띄게되는데 충전초기에는 열은 갈색으로 되었다가 충전이 계속됨에 따라 완전히 검은색을 띄게된다.

여기서 충전하던 전원을 끊고 암페어메터와 가변저항기를 이용하여 방전시키게 되면 음극표면에 생성되었던 납(Pb)과 양극표면에 생성되었던 과산화납(PbO₂)은 축전지의 방전과 함께 용액속으로 용해되어 들어가게 되는데, 이때의 개로전압은 1.75V정도였으며 저율로 방전시킬 경우 방전이 다 될때까지 양극과 음극의 단자전압은 1.5V정도를 유지하였다.

[실시예 2]

부도체용액에 200cc의 순수한 물을 붓고 약 10g의 질산납에 2cc의 질산을 첨가하여 잘 교반하여 용해기킨 후 0.2mm두께의 스테인레스강판으로 된 극판을 상기 전해액에 담근 다음 외부전원을 이용하여 음극판(2)과 양극판(1)에 전기를 가하였더니 실시에 1과 같은 반응이 일어났으며, 개로전압은 1.85V였고 전해액의 전기전도도가 증가하여 충방전시의 전류 밀도가 증가하였다.

[실시예 3]

축전지케이스(4)에 두께 0.2mm의 스테인레스 강판을 70×70mm로 절단하여 두장의 극판을 만들고 극판과 극판사이에 두께 0.8mm의 미공성 격리판(3)을 70×70mm로 절단하여 끼워넣은 다음 극판의 양쪽 외측에 플라스틱판을 밀착시켜 극판중 한쪽면만을 반응토록하며, 증류수 250cc에 질산납 75g과 질산 약 2cc를 첨가하여 교반한 용액을 전해액으로 사용하고 전류 약 350mA전압 약 2.5V로 2분간 충전시킨 후 10mA의 방전전류를 방전시킨 결과, 단자전압이 1.5V까지 떨어지는데 약 45분이 소요되었다.

여기서 축전질을 계속 방전시킨 결과 단자전압이 1.5V이하에서도 단자전압의 강하속도가 급격하게 증가되지 않았다.

[실시예 4]

내용적 135×100×130mm 의 축전지케이스 내부에 100×100×0.2mm의 스테인레스양극판(1) 22개와 100×100×0.2mm의 스테인레스음극판(22) 22개를 교대로 설치한 후 양극판(1)과 음극판(2)사이에 두개의 미공성 합성수지 격리판(3)을 설치하되 격리판(3)의 크기를 120×120×0.8mm로 하여 총 88개의 격리판(3)을 축전지케이스(4)내에 설치하고 증류수 1000cc에 질산납을 350g을 첨가하여 용해시킨 전해액을 상기 축전지케이스(4)에 주입하여 2.55V의 충전 전압과 40A의 축전전류로 10분간 충전시켰더니 개로전압이 1.8V였으며 암메터와 가저변항기로 방전시킨 결과 0.5V의 전류로 10시간 40분 정도 방전시킬 수 있었으며 방전후의 전압은 1.4V였다.

[실시예 5]

질산압 약 10g을 약 100cc의 증류수에 첨가하여 잘 교반해거 용해시킨 후, 이 용액을 40×40×10mm의 용기에 높이 약 2mm정도 되게 붓고 여기에 적당량의 젤라틴을 첨가하여 가열하면서 잘 교반한 후 냉각시키면 용액이 겔화되는데 이것을 그대로 용기로부터 덜어내어 두장의 스테인 레스강판 사이에 삽입 밀착시키고 각각의 스테인레스강판에 외부전원의 양극 및 음극단자를 연결하고 충전시킨 결과 음극엔 납(Pb)이, 양극엔 과산화납(PbO2)이 생성되었다.

전류를 끊고 전압을 측정해보니 개로전압이 약 1.9V였으며 방전시켜본 결과 단자암의 강하속도가 비교적 빨랐으나 대신에 음극에서의 압의 수지상(dendrite)생성이 훨씬 억제되는 효과를 얻을 수 있었다.

이상의 실시예에서와 같이 본 발명의 축전지는 스테인레스와 같이 부식되지 않는 판을 절단하여 극판을 형성시키므로서 종래의 축전지에서 사용되던 극판의 제조공정을 생략할 수 있으며, 활물질을 극판에 연도할 필요가 없기 때문에 제조공정을 간단히 할 수 있고, 본 발명에 따른 축전지 역시 양극판(1)과 음극판(2)의 두께가 얇기 때문에 황산을 전해액으로 사용하던 납축전지와 비교하여 같은 부피의 축전지케이스(4)에 더 많은 수의 양극판(1)과 음극판(2)을 넣을 수 있을 뿐 아니라 양극판(1)과 음극판(2)의 전체적인 반응면적이 넓어 짐에 따라 일시에 대전류를 받아들일 수 있고, 전해액량을 조절하여 원하는 용량을 얻을 수 있는 장점이 있다.

다시 말해서, 사용해아 할 전기량 만큼을 일시에 큰 전류로 충전시켜 장시간 서서히 방전시킬 수 있기 때문에 종래의 납축전지에 비해 충전시간을 대폭 감소시킬 수 있으며, 황산을 전해액으로 이용하던 종래의 납축전지의 경우 활물질의 양에 의해 축전지의 용량이 결정되었으나, 본 발명에 의한 축전지는 충전시의 전류 및 시간을 조절하여 축전의 필요한 용량을 조절할 수 있는 효과가 있는 것이다.

또한 본 발명의 축전지는 방전시 전극에 생성되어 있던 납과 과산화납이 전해액으로 녹아 들어감에 따라 방전시 생성되던 황산납(PbSO₄, 도전성이 없어 충전이 불가능하게 됨)으로 인한 설페이션현상을 제거할 수 있는 큰 장점이 있으며 활물질을 고체상태로 극판에 연도해야 하는 종래의 납축전지에 비해 숙성 및 화성공정을 안하게 되어 제조공정이 단축되고, 황산과 납판을 사용하지 않음에 따라 황산에 의한 위험성 및 축전지 자체의 무게를 줄일 수 있는 효과는 물론 전해액을 겔상태의 전해질로도 조성할 수 있어 취급상 용이한 장점이 있는 것이다.

Claims (3)

1. (정정) 스테인레스, 흑연 또는 카본과 같이 부식되지 않는 판으로 양극판(1)및 음극판(2)을 형성시키고, 상기 양극판(1)과 음극판(2) 사이에 미공성 절연물로 이루어진 격리판(3)을 설치하되 양극판(1)과 음극판(2)및 격리판(3)을 적층시켜 케이스(4)내에 삽입시키고, 상기 케이스(4)내에 납이온(Pb⁺⁺)과 질산이온

   

   을 함유하는 수용액을 주입시켜 전해액으로 사용하도록 된 축전지.
2. (정정) 제 1 항에 있어서, 전해액은 질산납(Pb(NO₃)₂)으로 된것,
3. (정정) 제 1항에 있어서, 전해액은 증류수에 질산납(Pb(NO₃)₂)을 용해시킨 질산납수용액에 젤라틴을 첨가하여 겔(gel)상태의 전해질을 조성하도록 된 것.

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