KR920010002B1 - 티타늄으로 보강된 축전지 그리드 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

티타늄으로 보강된 축전지 그리드

제1도는 산업용 축전지에서 흔히 사용되는 형태의 축전지의 그리드 구조도.

제2도는 본 발명의 한 실시예에 따른, 4가닥의 티타늄 보강부를 갖는 제1도의 그리드 부재중 하나의 단면도.

본 발명은 납축전지에서 사용하기 위한 티타늄(titanium) 와이어로 보강된 납합성물 전극 구조에 관한 것이다.

모든 납축전지는 활성물질을 지지하고 집전을 제공하는 포지티브 및 네거티브 전극을 이루는 구조를 갖는다. 전형적으로, 이러한 구조는 평편한 그리드의 모양으로 이루어지지만, 바구니, 평판, 또는 다른 여러가지의 모양으로 구성될 수 있다. 그 기능을 동작하기 위해서 그리드는 전기적으로 도전 상태이어야 하며, 조밀한 활성물질을 지지하기에 충분한 기계적인 강도를 지녀야 하고, 활성물진과 양호한 전기적 접촉을 유지해야 하며, 축전지 환경에서 적절한 부식 저항을 가져야 한다.

최근에 판매되는 납축전지는, 그리드가 순수한 납보다 더 강한 납합금으로 되어 있어서, 전형적으로 납 및 납이산화물인 활성물질을 지지할 수 있다. 물론 다른 물질도 고려되고 있다. 그리드를 구성하기 위한 종래의 공지된 방법에서는 그 자체에 많은 결점을 내포하고 있다.

공지된 모든 납합금은 순수납과 비교하여 훨씬 나쁜 부식성질을 갖고 있다. 따라서 포지티브 전극에서의 전극 그리드 구조는 시간이 지나면 활성물질과의 접촉이 손실되어 축전지의 용량을 감소시면서 부식된다. 사실상, 대부분의 납축전지 라이프 사이클은 이런 부식 작용에 의해 제한된다. 반면에 네거티브 전극에 있어서 부식은 일반적으로 문제가 되지 않는다. 또한, 이러한 납합금에서 하나 이상의 합금 원소는 백만개당 200개 또는 그 보다 낮은 합성 한계내에서 유지되어야 한다.

1960년대 초반에는 그리드 물질의 심한 부식 성질 때문에 포지티브 전극에서 티타늄을 그리드 물질로 사용하기 위한 연구가 있었다. 예를들면, 코튼등에 허여된 영국 특허 제869,618호에서는 납이산화물이 순차적으로 가해지는 귀금속의 코팅을 사용하여 납축전지의 포지티브 전극에 대한 티타늄 구조의 사용을 기술하고 있다. 상기 특허에서 주목해야할 점은 납은 티타늄과 활성물질 사이에서 사용하기에는 적당한 물질이 아니라는 점이다.

네거티브 전극 환경에서 티타늄은 매우 빈약한 부식 성질을 갖는 반면에 포지티브 전극에서는 우수한 부식 성질을 갖고 있어서 실제적으로는 부식없이 동작할 수가 있다. 또한, 티타늄은 납보다 훨신 더 낮은 밀도로 이루어져 있어서 축전지의 무게를 감소시킬 수가 있다. 그러나, 납이산화물 활성물진과 티타늄 그리드 사이의 양호한 접촉이 어렵기 때문에 티타늄의 사용이 감소되기 시작했다. 귀금속의 표면처리 및 광택에 비용이 비싸게 들어감에도 불구하고, 납이산화물은 티타늄 그리드에 적당한 접착을 형성하지 못한다.

최근에, 하트만에 허여된 미합중국 특허 제4,282,922호는 납축전지용 포지티브 전극 구조로서 사용되는 납매트릭스 합성물을 제공하는, 납으로 코팅된 알루미늄 파이버의 사용에 대해서 기술하고 있다. 상기 하트만의 특허는 고유의 양호한 부식 저항을 갖는 순수납을 사용하는 방법을 제공한다.

알루니늄 파이버 및 순수납 합성을 그리드가 보다 실용적이다. 파이버 보강은 필요한 강도를 공급하고, 순수납의 부식은 초기 테스트에서 매우 낮은 것으로 나타난다. 부식 성질을 보다 완전한 특성으로 이루기 위한 실험적인 연구가 아직도 실행되지만, 그러나, 중요한 두가지 결점이 이 시스템의 가치를 떨어뜨린다. 이 물질의 비용은 현재 매우 비싼편이고, 장래에도 비용이 줄어들 가능성은 거의 없다.

그러나, 주요한 결점은 이런 기술을 생산으로 변환하는데 필요한 수단이 부족한 것이다. 실험실에서, 보강된 그리드는 보강 파이버를 주형의 각 그리드 부재 공동내에 위치시켜 파이버 둘레에 납을 주조하여 제조된다. 이러한 수동 레이업(lay-up)은 매우 많은 시간을 소비하고 생산을 용이하게 하는 것을 불가능하게 한다. 필요로 하는 것은 주조전에 주형 세턴드(second)로 강하되는 알루미늄 파이버의 예비성형체이다. 상기 예비성형체에 세라믹 파이버를 결합시키는 기술은 현재 존재하지 않는다.

본 발명은 그리드가 티타늄 와이어로 보강된 납 구조인 신규의 납축전지용 전극을 제공한다. 그리드 전극의 구성 및 크기는 특별히 제조된 납축전지에 적당한 크기 및 구조를 갖는다.

본 발명에 사용된“티타늄”또는“티타늄 와이어”는 용접등극 ERTi-1 티타늄, ASTM 등급 1,2,3,4 및 7의 합금되지 않은 티타늄과 같은 순수하고 비합금된 티타늄의 모든 크기 및 등급을 포함하며, 티타늄과 알루미늄의 2원 합금 티타늄과 주석의 2원 합금, Ti-5Al-2.5Sn과 다른 적당한 합금과 같은 티타늄과 알루미늄과 주석의 3원 합금도 포함한다. 일반적으로 바나듐, 몰리브덴, 또는 납축전지의 전기 화학상 악영향을 끼치는 다른 합금 원소와 티타튬과의 합금은 별로 적당하지 않다.

여기에 사용된 납이라는 용어는 일반적으로 원소상의 납을 의미하지만 특별히 강도 이외의 효과 즉, 개선된 전기 화학적 효과를 얻기 위하여 낮은 레벨에서 사용될 수 있는 합금 원소의 사용과 같은 효과를 얻도록 합금 원소가 가해지는 곳에서 예를들어 적어도 98.5%이 납을 포함하는 희석된 납의 합금도 포함하는 것을 인식해야 한다.

특히, 비교적 낮은 안티몬 함량을 가진 납안티몬 2원 합금은 납에 포함된 거으로 특별히 고려된다. 안티몬의 함유가 적은 납합금은 “포지티브 플로우트(positive float)”역량을 제공하는데 상기 포지티브 플로우트 역량은 축전지를 최대의 축전지 캐패시터로 유지하기 위해 상당히 낮은 비율(세류충전)로 계속 충전하고 낮은 깊이로 자주 방전되게 한다. 자유 안티몬 그리드에 의해, 이러한 세류 충전 및 얕은 방전의 일상적인 조작 순서는 캐패시터에 격심한 감쇠를 일으킬 수 있다. 반면에, 축전지가 해저와 같은 폐쇄된 환경에서 사용되는 경우에 안티몬의 함량은 스티븐(stibine)(SbH₃), 독성 가스 및 충전지 과도한 수소(H₂)가 발생하지 않도록 약 1.25%를 초과하지 말아야 한다.

일반적으로, 본 발명의 그리드는 티타늄을 체적당 약 5 내지 약 30%, 적합하게는 약 10 내지 약 20%를 포함하며, 단일 티타늄 와이어나 얇은 티타늄 와이어를 2회 이상 단단히 감은 묶음을 사용하여 구성된다. 티타늄 와이어는 적당한 그리드 주형의 구조에서 각각의 그리드 부재내에 놓이며, 주형은 폐쇄되고 남은 티타늄 와이어 둘레에서 주형내로 주조된다. 상주 주물은 냉각되고, 주형으로부터 제거되어 종래의 방법을 사용하여 축전지를 구성시킨다.

본 발명의 장점은 저렴하면서도 용착가능한 순수납 그리드의 티타늄 보강부를 사용한다는 것이다. 그리드는 순수납의 우수한 부식 저항과 높은 기계적 강도 및 양호한 도전성을 지닌 티나늄과의 조합으로 만들어진다. 점용착된 티타늄 와이어 예비성형체에 대한 기술은 종래의 제조 기법이나 설비에 주요한 변화를 주지않고도 제조 설비에 이용할 수 있게 한다.

티타늄으로 보강된 순수납 그리드는 보다 얇은 단면을 갖기 때문에 두꺼운 합금 그리드와 동일한 수명을 갖는 반면에 중량이 낮게 된다. 또한, 티타늄으로 보강된 순수납 그리드는 합금 그리드와 동일한 단면으로 제조될 경우 약 200% 또는 300% 정도로 수명이 증가된다. 또한, 티타늄 보강부 주위에 주조된 순수납은 하나 이상의 합금 원소가 백만개당 200개 또는 그 이하의 합성 한계치내에서 유지되는 정밀하게 조절된 납합금이 필요없게 된다.

본 발명에 따른 그리드는 포지티브 전극에서 양호하게 사용되지만, 네거티브 전극에서도 사용된다는 것에 특히 주목해야 한다. 종래의 공지된 티타늄 그리드는 네거티브 전극에서 사용될때는 부식되었지만, 본 발명의 티나늄 보강부는 부식 환경에 노출되지 않으므로, 본 발명의 그리드 포지티브 전극이나 네거티브 전극 어디에서나 적절히 사용될 수 있다.

일련의 포지티브 전극 그리드 지지체는 본 발명의 범위내에서 구성된다. 하기의 실시예는 제1도에 도시된 그리드의 구조를 이용하였지만, 제1도의 그리드의 구조는 실시예인 것을 유의해야 한다. 축전지 그리드는 활성물질을 지지하고 전기를 도전시킨다. 축전지의 용도에 따라서, 그리드는 길이와 폭이 수 평방 인치의 작은 것에서 수 피트 정도 큰 것이 될 수 있다. 두께는 또한 수천분의 1인치에서 4분의 1인치 이상으로 변화될 수 있다. 그리드 회로망은 제1도에서 처럼 규칙적인 사각형이거나 엇갈리는 일련의 장방형 부재를 포함한다. 그리드는 또한 대각선 부재나 곡선인 부재를 포함한다. 현재 축전지를 제조하는 대기업은 다른 많은 그리드 구조를 제조하고 있으며 그 대부분은 본 발명의 티타늄 및 납합성물을 이용하여 구성할 것으로 여겨진다.

제1도에 도시된 그리드는 본 발명에 기술된 모든 테스트에 사용되었으며 상당히 간단한 구조를 갖는다. 이것은 길이가 14.127cm(5.562인치)인 33개의 수평 리브(프레임 포함)를 가진다. 10개의 수직 리브(프레임 포함)는 길이가 41.249cm(16.24)인치이다. 모든 그리드 부재는 제2도의 모양과 거의 비슷한 “다이아몬드형”모양을 이룬다. 수평 및 수직 그리드 부재의 단면적은 거의 0.045㎠(0.007 평방인치)이다. 프레임은 약 0.07㎠(0.011 평방인치)이다. 그리드 부재 전체는 약 1.27cm(0.50인치) 및 1.52cm(0.60인치)정도 이격된 중심상에서 직각을 이룬다. 그리드의 두께는 약 0.406cm(0.160인치)이다.

일련의 새로운 그리드 지지체는 후술되는 방법으로 구성된다. 직경이 0.025cm(0.010인치)인 ERTi-1 등급의 티타늄 와이어는 일정 길이로 절단되고 함께 감겨져 4,6 또는 8묶음의 와이어를 형성한다. 4가닥, 6가닥 또는 8가닥의 와이어는 일정 길이로 절단되어 제1도에서 도시된 그리드의 수직 또는 수평 그리드 부재에 알맞게 된다. 여러가닥의 와이어중 하나는 각각의 그리드 부재 및 주형의 프레임내로 손에 의해서 들어가고, 주형은 닫혀지고 원소인 납은 티타늄 와이어 둘레에서 주조된다. 주물은 냉각되어서 주형으로부터 제거된다. 주형의 횡단면은 제2도에 도시되어 있다. 다른 그리드는 각각의 그리드 부재에서 하나의 8가닥으로 감겨진 티나늄 와이어 및 그리드 프레임에 대해서 보강하여 형성한 하나의 점 용착된 8가닥으로 감겨진 티타늄 와이어 루프를 사용하여 주조된다. 다른 일련의 그리드는 직경이 0.076cm(0.030인치)인 와이어를 사용하여 제거되며 단일 와이어는 각각의 그리드 부재 및 프레임내로 손으로 들어가게 된다.

인장 시험은 상술된 바와 같이 미리 준비된 티타늄 와이어로 보강된 납로드상에서 행하여진다. 직경이 0.76mm(0.030인치)인 4개의 티타늄 와이어(9.28중량% 부하)로 보강된 직경이 5.00mm인 납로드는 750kg/㎠(10.675lb/in²)의 인장강도를 받는다. 이것은 순수납에 대해서는 거의 500% 정도 강도가 증가하고 산업용 납축전지에서 사용되는 납합금에 대해서는 거의 200% 정도 강도가 증가된 것이다. 약 10중량% 티타늄의 부하력은 확실히 증가된 강도를 부여한다.

대부분의 납축전지는 제1도에 도시된 형태의 그리드를 사용하여 제조되는 반면에 관 모양의 전극이나 평편한 판 모양의 전극 즉 플랑떼(plante’)형 간은 다른 형태도 사용될 수 있다. 그리드를 제외한 다른 형태에서 순수납의 티타늄 보강부 또한 유용하게 사용될 수 있다.

본 발명은 양호한 실시예에 적용되도록 기술되었지만 본 기술분야의 숙련자는 본 발명의 사상 및 범주를 벗어남 없이 여러가지의 변경 및 수정이 가능한 것을 인식하고 있다. 따라서, 본 발명의 사상 및 범주내에 속한 모든 변형 및 수정은 첨부된 청구범위에 포함된다.

Claims (29)

1. 납축전지용 축전지 그리드 구조체에 있어서, 티나늄 와이어로 보강되고 납으로 주조된 합성물을 구비하는 것을 특징으로 하는 티타늄으로 보강된 축전지 그리드 구조체.
2. 제1항에 있어서, 상기 티나늄의 그리드의 부피중 약 5 내지 30%를 차지하는 것을 특징으로 하는 티타늄으로 보강된 축전지 그리드 구조체.
3. 제1항에 있어서, 상기 티타늄이 그리드의 부피중 약 10 내지 20%를 차지하는 것을 특징으로 하는 티타늄으로 보강된 축전지 그리드 구조체.
4. 제1항에 있어서, 상기 티타늄은 합금되지 않은 티타늄인 것을 특징으로 하는 티타늄으로 보강된 축전지 그리드 구조체.
5. 제1항에 있어서, 상기 티타늄 보강부는 단단히 감겨진 티타늄 와이어의 묶음을 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄으로 보강된 축전지의 그리드 구조체.
6. 제1항에 있어서, 상기 티타늄 보강부는 단일의 티타늄 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄으로 보강된 축전지 그리드 구조체.
7. 제5항에 있어서, 상기 티타늄은 알루니늄 및 알루미늄의 2원 합금인 것을 특징으로 하는 티타늄으로 보강된 축전지 그리드 구조체.
8. 제5항에 있어서, 상기 티타늄은 티타늄 및 주석의 2원 합금인 것을 특징으로 하는 티타늄으로 보강된 축전지 그리드 구조체.
9. 제1항에 있어서, 상기 납은 원소인 납을 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄으로 보강된 축전지 그리드 구조체.
10. 제1항에 있어서, 상기 납은 98.5% 이상의 납을 함유하는 납합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄으로 보강된 축전지 그리드 구조체.
11. 제10항에 있어서, 상기 납은 1.25% 이하의 안티몬을 함유하는 것을 특징으로 하는 티타늄으로 보강된 축전지 그리드 구조체.
12. 납축전지에 대한 포지티브 축전지 그리드 구조체에 있어서, 티타늄 와이어로 보강되고 납으로 주조된 합성물을 구비하는 것을 특징으로 하는 티타늄으로 보강된 포지티브 축전지 그리드 구조체.
13. 제12항에 있어서, 상기 티타늄이 그리드의 부피중 약 5 내지 30%를 차지하는 것을 특징으로 하는 티타늄으로 보강된 포지티브 축전지 그리드 구조체.
14. 제12항에 있어서, 상기 티타늄이 그리드의 부피중 약 10 내지 20%를 차지하는 것을 특징으로 하는 티타늄으로 보강된 포지티브 축전지 그리드 구조체.
15. 제12항에 있어서, 상기 티타늄은 합금되지 않은 티타늄인 것을 특징으로 하는 티타늄으로 보강된 포지티브 축전지 그리드 구조체.
16. 제12항에 있어서, 상기 티타늄의 보강부는 단단히 감겨진 티타늄 와이어의 묶음을 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄으로 보강된 포지티브 축전지 그리드 구조체.
17. 제12항에 있어서, 상기 티타늄의 보강부는 단일의 티타늄 와이어의 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄으로 보강된 포지티브 축전지 그리드 구조체.
18. 상기 청구된 바와 같이 축전지 그리드 및 그 제조방법.
19. 티타늄 와이어로 보강되고 납으로 주조된 합성물을 포함하는 납축전지용 전극 지지 구조체 형성 방법에 있어서, 그리드 주형에 복수개의 그리드 부재를 제공하는 단계와, 상기 각 그리드 부재에 티타늄 와이어를 위치시키는 단계와, 상기 티타늄 와이어 주위로 상기 주형내에 납을 주조하는 단계와, 최종 지지 구조체를 냉각하는 단계와, 상기 주형으로부터 상기 지지 구조체를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 지지 구조체 형성 방법.
20. 제19항에 있어서, 상기 티타늄이 지지 구조체의 부피중 약 5 내지 30%를 차지하는 것을 특징으로 하는 전극 지지 구조체 형성 방법.
21. 제19항에 있어서, 상기 티타늄이 지지 구조체의 부피중 약 10 내지 20%를 차지하는 것을 특징으로 하는 전극 지지 구조체 형성 방법.
22. 제19항에 있어서, 상기 티타늄은 합금되지 않은 티타늄인 것을 특징으로 하는 전극 지지 구조체 형성 방법.
23. 제19항에 있어서, 상기 티타늄 보강부는 단단히 감겨진 티타늄 와이어의 묶음을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 지지 구조체 형성 방법.
24. 제19항에 있어서, 상기 티타늄 보강부는 단일의 티타늄 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 지지 구조체 형성 방법.
25. 제23항에 있어서, 상기 티타늄 보강부 및 알루니늄의 2원 합금인 것을 특징으로 하는 전극 지지 구조체 형성 방법.
26. 제23항에 있어서, 상기 티타늄은 티타늄 및 주석의 2원 합금인 것을 특징으로 하는 전극 지지 구조체 형성 방법.
27. 제19항에 있어서, 상기 납은 원소인 납으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극 지지 구조체 형성 방법.
28. 제19항에 있어서, 상기 납은 98.5% 이상의 납을 함유하는 납함금을 포함하는것을 특징으로 하는 전극 지지 구조체 형성 방법.
29. 제28항에 있어서, 상기 납은 1.25% 이하의 안티몬을 함유하는 것을 특징으로 하는 전극 지지 구조체 형성 방법.

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