KR950002958B1 - 알칼리 전해질을 갖는 고온에서 방전가능 갈바노 일차전기 - Google Patents

알칼리 전해질을 갖는 고온에서 방전가능 갈바노 일차전기 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

알칼리 전해질을 갖는 고온에서 방전가능 갈바노 일차전기
첨부도면은 본 발명 앨리먼트의 단면을 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 하우징 컵(housing cup) 2 : 음극 링(cathode ring)
4 : 이온 교환막 7 : 카드뮴 전극
8 : 로드(rod) 9 : 원판(접촉판)
11 : 리드(lid) 12 : 너트
14 : 절연원판 15 : 전해액
본 발명은 환상의 원통형 금속 하우징내의 알칼리 전해질을 포함하는 고온에서 방전가능한 일차 엘리먼트에 관한 것이다.
본 발명 대상의 종전형태를 하는 한 엘리먼트가 브렌너(Brenner)등의 미국특허 제4,650,680호에서 공지된 바 있다. 이같은 형태를 하는 환상의 원통형 전지는 알칼리 산화은/아연 시스템의 성능때문에 지구자원탐사에서 사용되는 탐침 및 보조장치에 특히 바람직하다. 이같은 탐사에서는 계속하여 깊은 지층이 조사되어야 하며 더욱 깊이 들어갈수록 높아지는 온도는 전지구조 구성부분에서의 결정적인 제한요소가 된다. 예를들어 수성 수산화나트륨으로 채워진 산화망간 전지는 종전 일차전지에서 사용되는 르클랑세 전해액 대신 100℃ 이상에서도 제 기능을 발휘하는 것으로 알려져 있다. 전술한 특허에서는 보다 높은 온도에서 동작할수 있으며 전지내부 전해질의 부식을 최소화 하기 위한 연구가 분리기를 위한 내성 엘리먼트의 선택에 있음을 밝히고 있다. 세라믹 종이와 이온 교환막의 결합이 매우 유용한 것으로 밝혀졌다.
매우 안정된 분리기의 제공에도 불구하고 아연 음전극을 갖는 알칼리 산화망간 및 산화은 원통형 전지는 약 160℃에서 동작한계에 달하였다. 그 이유는 전기화학적으로 안정치 못한 전지구성부분의 질적 결합에서 보다는 앞서 여러 전지에서 지적된 바와 같이 160℃에서의 저장시험중 3일째 가서 파열이 발생된데 있다. 이같은 파열의 이유는 아연 전극에서 상당한 양의 가스가 발생되었기 때문이며 이같은 가스의 발생은 아연에서의 퍼텐셜을 초과한 수소가 온도가 상승함에 따라 떨어지게 되고, 결국 가스발생을 지수학적으로 증가시키도록 하기 때문이다.
따라서 기본적으로는 공기된 환상의 원통형 전지 구조 원리에 따라 만들어지며, 과잉된 가스발생 가능성없이 상기 설명된 높은 온도범위에서 신뢰하며 사용될 수 있도록 변경된 외부에 놓인 양전극이 있는 알칼리일차전지를 제공함이 바람직하다.
본 발명에 따라, 내향 동심이 배치로 a) 적어도 하나의 압축된 분말 실린더 형태를 한 산화은 또는 이산화 망간의 외측 양전극, 그리고 b) 음전극이 사이에 끼인 분리기에 의해 전술한 양전극으로부터 분리되는 동심을 갖도록 감겨진 카드뮴 전극으로 구성된 내측 음전극을 에워싸는 금속의 환상원통형 하우징내 알칼리전해질을 포함하는 고온에서 방전가능한 신규한 일차전지가 제공된다.
전극은 동심을 갖는 구조로 만드는 것이 바람직하며, 양전극을 포함하는 외측 링 실린더가 빽빽히 채워진 산화은 또는 산화망간 분말로 만들어지고, 분리기에 의해 양전극으로부터 분리된 내측공간이 코일식으로 감긴 카드뮴 전극으로 구성됨이 바람직하다. 카드뮴 전극은 DE-OS 2,822,821호의 기술에 따라 만들며, 여기서 카드뮴은 음극 침전에 의해 카드뮴 염 용액으로부터 전해석출 전극으로 표시되는 금속 캐리어 밴드위에 석출된다.
하기에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도면에 도시된 바와 같이 본 발명 장치는 환상의 원통형 금속하우징 컵(1)을 포함한다. 이같은 하우징내 양전극으로 작용하며 필요에 따라 탄소와 같은 전도성재를 더욱 포함하기도 하는 산화은 및/또는 산화 마그네슘 분말이 빽빽히 채워진 음극 링(cathode ring)(2)이 놓여 있다. 이같은 환상 실린더 내부에서 이와 접촉하여 한 분리기(separator)가 제공되며, 이때의 분리는 외측격자의 PTEE(3)와 내측 슬리브(sleeve) 이온 교환막(4)을 포함하는 하나 또는 둘 이상의 얇은 시이트층 및/또는 섬유층으로 되어 있다. 전술한 슬리브의 베이스는 PTEE로 만들어지는 절연 인레이(inlay)에 의해 강화된다. 이온 교환막으로는 뉴욕, 롱 아이런드 시티(Long Island City, New York) 소재의 RAI 리서치 코퍼레이션((RAZ Research Corporation)에서 상표 Permion으로 판매되는 방사 교차결합(radiation crosslinked) 폴리에틸렌/폴리프로필렌 시이트와 같은 막이 사용될 수 있다. Nafion(델웨어, 윌밍톤 소재의 E.I. 듀폰드 데 네모스에서 제조되는 테트라플루오르에틸렌/페르플루오로설포닐 에톡시 비닐 에테르 공중합체) 시이트가 동등물로 적합하기도 할 것이다. 이같은 막들은 단지 예로서 기재된 것에 불과하다. 동작온도에 의해 부정적인 영향을 받지 않는 한 다른 분리기를 사용함이 가능하다.
게다가 또 다른 절연층(6)이 외측금속 컵(1)의 금속 베이스(metal base)로부터 전지의 내부성분을 분리시킨다. 남아있는 내부공간을 코일이 감긴 카드뮴 전극(7)으로 점유되며, 전술한 코일은 전극위치에 따라 니켈, 니켈/강철, 은 또는 구리가 코팅된 금속 캐리어 밴드(metallic carrier band)를 포함한다.
음전도체는 너트(10)에 의해 원판(9)에 접촉하도록 고정된 스텐레스 강철로드(8)에 의해 제공된다. 이같은 연결은 필요에 따라 용접되거나 리베트에 의해서도 가능해진다. 접촉 판(9)은 코일(7)이 상측 에지(topedge)에 용접되며 이를 에워싸도록 한다. 리드(lid)(11)는 금속 컵(1)의 상측 개구를 폐쇄시키며, 극로드(8)가 리베트 링 너트(12)에 의해 부착되는 전술한 리드(11)내 개구를 통과하여 전지의 음극을 형성시키도록 한다. 극(8)과 너트(12)사이 그리고 극과 리드(11)사이에 어떤 전기적 접촉도 일어나지 않도록 하기 위해 상측 저부표면과 극(8)과 리드(11)의 수직측면 표면사이에 적절한 절연 밀폐수단(13)과 링(12)과 리드(11)사이에 위치한 절연원판(14)이 제공되며, (13)과 (12) 모두는 PTFE로 만들어진다,
폴리에테르 케톤(ketone)과 같은 알칼리 및 고온 인내 합성재가 사용되기도 한다.
전해질(15)은 수성 수산화칼륨과 같은 수성 알칼리 고농도 용액으로 되며, 수산화나트륨이 또한 사용되기도 한다. 적합한 실시예에서, 리드(11)는 레이저 용접에 의해 외측 금속 하우징(1)에 밀폐되어진다.
상기에서와 같이 만들어진 일차전지는 주어진 조건하에서 어떤 수소도 발생되지 않기 때문에 200℃ 및 그 이상의 상승된 온도에서 동작가능하다. 전지의 내부압은 전해질의 증기압에 의해 결정되며, 예를들어 200℃에서 6바아(bar)이다.
종전 기술의 산화은/아연 또는 산화망간/아연 시스템을 사용한 알칼리 원통형 전지와 비교해 이들 전지의 장점은 확연한 것이다.
저장시험에서 본 발명에 따라 생산된 전지는 그 동작성이 손실되지 않고 6주동안 200℃의 온도에서 유지될 수 있음이 밝혀졌다. 이와는 대조적으로 종래 사용되었던 산화은/아연형태의 알칼리 고온전지는 163℃에서 단 5일만에 발생된 수소의 양이 전지의 보유용량을 초과하였기 때문에 파열되어 버렸다.

Claims (18)

  1. a) 적어도 하나의 압축된 분말 실린더 형태를 한 산화은 또는 이산화 망간의 외측 양전극, 그리고 b) 음전극이 사이에 끼인 분리기에 의해 전술한 양전극으로부터 분리되는 동심을 갖도록 감겨진 카드뮴 전극으로 구성된 내측 음전극을 에워싸는 금속의 환상 원통형 하우징내 알칼리 전해질을 포함하는 고온에서 방전가능한 일차전지.
  2. 제1항에 있어서, 전술한 카드뮴이 금속시이트 캐리어상에 전해석출된 카드뮴 층으로 이루어짐을 특징으로 하는 일차전지.
  3. 제2항에 있어서, 캐리어가 니켈 또는 니켈/스틸, 은 또는 구리 캐리어임을 특징으로 하는 일차전지.
  4. 제2항에 있어서, 캐리어가 니켈 또는 니켈 시이트 캐리어(sheet carrier)임을 특징으로 하는 일차전지.
  5. 제1항에 있어서, 전술한 분리기가 적어도 두개의 층으로 구성되며, 바깥층이 PTFE 래티스(lattice)이고, 안쪽층이 이온 교환막임을 특징으로 하는 일차전지.
  6. 제2항에 었어서, 전술한 분리기가 적어도 두개의 층을 포함하며, 그 바깥측 층이 PTFE 래티스이고, 안쪽층이 이온 교환막임을 특징으로 하는 일차전지.
  7. 제3항에 있어서, 전술한 분리기가 적어도 두개의 층을 포함하며, 그 바깥측 층이 PTFE 래티스이며 안쪽층이 이온 교환막임을 특징으로 하는 일차전지.
  8. 제4항에 있어서, 전술한 분리기가 적어도 두개의 층을 포함하며, 그 바깥층이 PTFE 래티스이며, 안쪽층이 이온 교환막임을 특징으로 하는 일차전지.
  9. 제5항에 있어서, 이온 교환막이 내측의 PTFE 절연 삽입물이 있는 슬리브(sleeve)임을 특징으로 하는 일차전지.
  10. 제9항에 있어서, 이온 교환막이 방사 교차결합된 폴리에틸렌/폴리프로필렌 공중합체임을 특징으로 하는 일차전지.
  11. 제9항에 있어서, 이온 교환막이 방사 교차결합된(radiation cross-linked) 테트라플루오르에틸렌/페르플루오로술포닐 에톡시 비닐 에테르 공중합체임을 특징으로 하는 일차전지.
  12. 제1항에 있어서, 양전극이 산화은임을 특징으로 하는 일차전지.
  13. 제1항에 있어서, 양전극이 이산화 망간임을 특징으로 하는 일차전지.
  14. 제1항에 있어서, 전해액이 수성의 수산화칼륨 또는 나트륨 고농도 용액임을 특징으로 하는 일차전지.
  15. 제14항에 있어서, 전해액이 수성의 수산화칼륨 고농도 용액임을 특징으로 하는 일차전지.
  16. 제1항에 있어서, 전술한 외측하우징이 밀폐된 리드(lid)를 포함함을 특징으로 하는 일차전지.
  17. 제16항에 있어서, 전술한 리드가 레이저 용접된 밀폐된 리드임을 특징으로 하는 일차전지.
  18. 제16항에 있어서, 음 전도체가 전술한 리드를 통하나 리드로부터 전기적으로 격리됨을 특징으로 하는 일차전지.
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