KR960014512B1 - 전지용 수소흡장합금 및 그 제조방법 및 그 합금을 이용한 니켈수소이차전지 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

전지용 수소흡장합금 및 그 제조방법 및 그 합금을 이용한 니켈수소이차전지

제1도는 단일롤법에 의한 용탕급냉장치를 표시한 개략도.

제2도는 이중롤법에 의한 용탕급냉장치를 표시한 개략도.

제3도는 회전디스크법에 의한 수소흡장합금입자를 제조하는 장치를 표시한 개략 단면도.

제4도는 기체 애터마이너저법에 의한 수소흡장합금입자를 제조하는 장치를 표시한 개략 단면도.

제5도는 본 발명에 관한 니켈수소전지의 구성예를 나타낸 사시도.

제6도는 용탕급냉처리한 플레이크상의 수소합장합금의 금속조직을 표시한 전자현미경사진.

제7도는 전지로부터 꺼낸 음극에 함유된 수소흡장합금입자의 금속조직을 표시한 전자현미경사진.

제8도는 전지로부터 꺼낸 음극에 함유된 수소흡장합금입자의 금속조직을 표시한 전자현미경사진.

제9도는 전지로부터 꺼낸 음극에 함유된 수소흡장합금입자의 금속조직을 표시한 전자현미경사진.

제10도는 전지로부터 꺼낸 음극에 함유된 수소흡장합금입자의 금속조직을 표시한 전자현미경사진.

제11도는 실시예 9B에 관한 수소흡장합금의 금속조직을 표시한 전자현미경사진.

제12도는 제11도에 표시한 금속조직의 기둥형상결정을 모사한 모식도.

제13도는 제11도에 표시한 금속조직에 있어서 애스펙트비가 1 : 5 이상인 기둥형상결정조직을 표시한 모식도.

제14도는 제11도에 표시한 금속조직에 있어서 애스펙트비가 1 : 4 이상인 기둥형상결정조직을 표시한 모식도.

제15도는 제11도에 표시한 금속조직에 있어서 애스펙트비가 1 : 3 이상인 기둥형상결정조직을 표시한 모식도.

제16도는 제11도에 표시한 금속조직에 있어서 애스펙트비가 1 : 2 이상인 기둥형상결정조직을 표시한 모식도.

제17도는 실시예 5A에 관한 수소흡장합금의 금속조직을 표시한 전자현미경사진.

제18도는 제17도에 표시한 금속조직의 기둥형성결정을 모사한 모식도.

제19도는 제17도에 표시한 금속조직에 있어서 애스팩트비가 1 : 5 이상인 기둥형상결정조직을 표시한 모식도.

제20도는 제17도에 표시한 금속조직에 있어서 애스펙트비가 1 : 4 이상인 기둥형상결정조직을 표시한 모식도.

제21도는 제17도에 표시한 금속조직에 있어서 애스펙트비가 1 : 3 이상인 기둥형상결정조직을 표시한 모식도.

제22도는 제17도에 표시한 금속조직에 있어서 애스펙트비가 1 : 2 이상인 기둥형상결정조직을 표시한 모식도.

제23도는 실시예 12A에 관한 수소흡장합금의 금속조직을 표시한 전자현미경사진.

제24도는 제23도에 표시한 금속조직의 기둥형성결정을 모사한 모식도.

제25도는 제23도에 표시한 금속조직에 있어서 애스팩트비가 1 : 5 이상인 기둥형상결정조직을 표시한 모식도.

제26도는 제23도에 표시한 금속조직에 있어서 애스팩트비가 1 : 4 이상인 기둥형상결정조직을 표시한 모식도.

제27도는 제23도에 표시한 금속조직에 있어서 애스팩트비가 1 : 3 이상인 기둥형상결정조직을 표시한 모식도.

제28도는 제23도에 표시한 금속조직에 있어서 애스팩트비가 1 : 2 이상인 기둥형상결정조직을 표시한 모식도.

제29도는 비교예 7B에 관한 수소흡장합금의 금속조직을 표시한 전자현미경사진.

제30도는 수소흡장합금의 결정입자직경 및 충전·방전 사이클수의 관계를 표시한 특성도.

제31도는 합금중의 Mn농도의 평균값에 대한 최대값의 비 및 합금전극의 충전·방전 사이클수의 관계를 표시한 특성도.

제32도는 합금중에 편석하여 있는 Mn입자의 최대직경 및 충전·방전 사이클수의 관계를 표시한 특성도.

제33도는 실시예 19에 있어서, 조성비율 x 및 전극용량 및 충전·방전 사이클수의 관계를 표시한 특성도.

제34도는 각종 음극/양극 합금용량비, 전해액량에 따른 전지사이클수명을 비교한 그래프.

제35도는, 각종 음극/양극 합금용량비, 전해액량에 따른 전지내압의 최대치를 비교한 그래프.

제36도는 각종 음극/양극 합금용량비, 전해액량에 따른 최대전지용량을 비교한 그래프.

제37도는 비교예 25, 비교예 26, 비교예 27, 실시예 22, 실시예 23 및 실시예 24에 있어서 충전·방전 사이클 및 전극용량의 관계를 표시한 그래프.

제38도는 AA형 전지의 충전·방전 사이클 및 전지용량의 관계를 표시한 그래프이고,

제39도는 AA형 전지의 충전·방전 사이클 및 전지내압의 관계를 표시한 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 냉각챔버 2 : 레이들

3 : 합금용탕 4 : 사출노즐

5,5a,5b : 냉각롤 6 : 수소흡장합금

7 : 용해로 8 : 용탕 깔때기

9 : 디스크회전체 10 : 입자회수용기

11 : 수소흡장합금전극(음극) 12 : 비소결식 니켈전극(양극)

13 : 세퍼레이터 14 : 용기

15 : 구멍 16 : 봉입구판

17 : 절연성 가스켓 18 : 양극리이드

19 : 양극단자 20 : 안전마개

21 : 봉입구링 23 : 가열기

24 : 용해로 25 : 불활성 기체노즐

26 : 개폐마개 30 : 침식부

31 : 기둥형성결정 32 : 동축결정

33 : 부착물 34 : 냉각롤의 접한면

35 : 급냉층

본 발명의 전지용 수소흡장합금, 그 제조방법 및 그 합금을 사용한 니켈수소전지에 관한 것으로, 특히 합금을 전지의 음전극에 사용한 경우에 있어서 높은 전극용량(전지용량), 반복사용에 견디는 오랜 수명특성(장사이클특성) 및 바람직스러운 초기활성의 삼대특성, 또한 전위안정성(전압평탄성)을 동시에 만족시킬수 있는 전지용 수소흡장금속, 그 제조방법 및 니켈수소이차전지에 관한 것이다.

최근 전자기술의 진보에 따른 전력소비 감소화, 실장 기술의 진보에 따라 종래에는 예상할 수 없었던 것 자기기가 소형화 및 휴대가능화 되고 있다. 이에 수반하여, 상기 전자기기의 전원인 이차전지에 대한 고용량화, 오랜수명화가 특히 요구되고 있다. 예를들면 개인용화, 휴대용화가 첨단 OA기기, 전화기, AV기기에 있어서는 특히 소형 경량화, 및 코드리스로 기기를 사용하는 시간연장등의 목적에서 고성능 전지의 개발이 요망되고 있다. 이와 같은 요구에 대응하는 전지로서, 종래 소결식 니켈카드뮴전지의 전극기판을 삼차원 구조체로 한 비소결식 니켈카드뮴 전지가 개발되었지만 현저히 용량증가는 달성되지 않고 있다. 따라서, 최근 음극으로서 수소흡장합금분말을 집전체에 고정한 구조의 것을 사용한 알칼리이차전지(니켈이차수소전지)가 제안되고, 각광을 받고 있다. 이 니켈수소전지에 사용되는 음극은 일반적으로, 다음과 같은 순서로 제조된다. 즉, 고주파 용해법 또는 아아크용해법등에 따라 수소흡장합금을 용해한 후에, 냉각, 분쇄하고 얻어진 분쇄분말에 도전제 또는 결합제를 첨가하여 혼연물을 형성하고 이 혼연물에 집전체에 도포 또는 압착하여 제조한다. 이 수소흡장합금을 사용한 음극은 종래의 대표적인 알칼리이차전지용 음극재료인 카드뮴에 비교하여 단위중량당 또는 용적당의 실제 효과적인 에너지밀도를 크게 할 수 있고 전지의 고용량화를 가능하게 하는 외에 독성이 적어서 환경오염의 위험이 적다고 하는 특징을 가지고 있다.

그러나, 수소흡장합금을 함유하는 음극은 이차전지에 조립된 상태에서 전해액인 진한 농도의 알칼리수용액에 침적되는 외, 특히 과충전시에는 양극으로부터 발생하는 산소에 노출되기 때문에 수소흡장합금이 부식하여 전극특성이 열화하기 쉽다. 더우기, 충전·방전시에 있어서 상기 수소흡장합금중에 수소의 흡장, 방출에 수반하여 체적이 팽창, 수축하기 때문에 수소흡장합금에 갈라짐이 생기고, 수소합증합금분말의 미세분말화가 진행한다. 수소흡장합금의 미세분말화가 진행하면, 수소흡장합금의 비표면적이 가속도적으로 증가하기 때문에 수소흡장합금표면의 알칼리성 전해액에 따른 열화면적이 비율이 증가한다. 게다가, 수소흡장합금분말과 집전체사이의 도전성도 열화하기 때문에, 사이클수명이 저하하는 위에 전극특성도 열화한다.

그래서, 상술한 문제를 해결하기 위하여 수소흡장합금을 다원화하기도 하고, 수소흡장합금분말표면 또는 수소흡장합금을 함유하는 음극표면에 니켈박막 또는 동박막을 도금하는 법, 증착법등에 의해 부착시켜 전해액과 직접 접촉하지 않도록 하여 내식성을 향상시키기도 하고, 기계적인 강도를 증가시켜 갈라짐을 방지하기도 하며, 또는 알칼리용액에 침적후 건조시킴에 의해 수소흡장합금표면의 열화를 억제하기도 하는 방법이 제안되고 있지만 충분한 개선을 도모할 수는 없었다.

또한, 종래의 수소흡장합금은 상술한 바와같고, 알칼리전해액에 의해 일종의 부식반응이 생기고 전극특성이 열화하지만, 이 반응은 전해액의 소비를 수반한다. 따라서, 어느정도 전해액량이 감소해도 전지반응을 저해할 수 없도록, 종래의 전지에서는 전지반응을 빠르게 진행시키기에 필요한 양 이상으로 전해액을 다량 봉입하고 있다. 그러나, 전해액량이 증가하고 수소흡장합금전극표면을 피복하게 되면 과층 전영역에서 발생하는 산소기체의 소비반응속도가 저하하기 때문에 전지내압력이 상승한다고 하는 문제가 생긴다.

또한, 상술한 수소흡장합금전극의 열화는 설계상으로도 문제가 되고 있다. 결국, 아칼리이차전지를 밀폐화하기 위하여 통상은 전지를 방전한때에도 일부 충전상태의 수소흡장합금전극부분이 잔존하도록, 또한 전지를 충전한때에는 일부 미충전상태의 수소흡장합금전극부분이 잔존하도록 전지설계는 이루어진다. 그러나, 충전·방전의 진행에 수반하여 수소흡장합금전극의 열화가 진행하기 때문에 전지로써 충분한 사이클수명을 확보하기 위해서는 합금이 열화해도 전술한 관계를 유지할 수 있도록 다량의 수소흡장합금을 넣을 필요가 있다. 그 때문에 용량규제전극인 니켈전극의 체적을 줄이고, 수소흡장합금전극의 체적을 증가시키고 있기 때문에 전지 용량의 증대를 저해하고 있는 한편, 수소흡장합금이 고가이기 때문에 전지가격상승을 초래하고 있었다.

그래서 상기 수소흡장금으로서는, Zr-Ti-Mn-Fe-Ag-V-Al-W 또는 Ti₁₅Zr₂₁V₁₅Ni₂₉Cr₅Co₅Fe₁Mn₈등으로 대표되는 AB₂계 또는 A₂B계의 수소흡장합금이 예시된다. 이들 수소흡장합금은 용해주조한 합금을 분쇄하는 통상의 방법으로 제조되고 있다. 이들 합금계를 전지의 음극에 사용한 경우는 어느쪽이나 전극용량이 높고 각각 300mAh/g, 400mAh/g 정도의 바람직스러운 용량을 얻을 수 있고 합금을 구성하는 대부분의 금속재료도 싼가격으로 경제적이다.

그러나, 이들 합금계는 일반적으로 균일한 조성분포가 되도록 제조가 곤란하다고 하는 결점을 갖는다. 또한 상기 합금계를 전극재료로서 사용한 전지에 있어서는 용량의 초기 활성화가 느리고 전지조립후에 있어서 수 10사이클의 활성화 조작(충전·방전조작)을 반복하여 처음 고전극 용량을 얻을 수 있다고 하는 문제가 있었다. 게다가 대전류에서의 방전특성이 나쁘다고 하는 결점이 있고 또한 저온 조건하에서의 전압강하가 큰 단점이 있었다. 즉 최근 요구되고 있는 고전극 용량, 오랜 수명 특성 및 초기 활성의 세가지 특성중 고용량화는 달성되는 반면, 초기 활성(개시성질)의 면에서 기술적 요구를 만족시키는 것이 곤란했다.

한편, 알칼리이차전지에 이용되는 다른 수소흡장합금으로서, LaNi₅로 대표되는 AB₅계 합금이 있다. 이 육방결정구조를 가진 합금계를 사용한 음극은 종래의 대표적인 알칼리이차전지용 음전극재료인 카드뮴을 사용한 경우와 비교하여 전지의 단위중량 또는 단위용적주변의 실행적 에너지밀도를 크게 하는 것이 가능하고, 전지의 고용량화를 가능하게 하는 위에 카드뮴 공해등의 환경오염을 발생할 우려도 적으며, 전지 특성도 바람직스럽다고 하는 특징을 가지고 있다. 또한, 상기 AB₅계 합금을 사용한 전지에서는 대전류 방전이 가능하다고 하는 장점이 있다. 덧붙여서 말하면, Mm-Ni-Co-Al계 합금(MmF 미쉬금속)으로 이루어진 AB₅계 수소흡장합금의 전극용량은 200mAh/g 미만인 낮은 상태이고, 또한 충전·방전에 의한 사이클수명은 400사이클 정도이다. 그러나 현재의 기술 요구 수준인 전극용량 및 사이클수명을 동시에 만족하는 단계에는 도달하고 있지 않다.

그래서, 상기 AB₅계 수소흡장합금을 사용한 전지의 전극용량을 증가하기 위하여 A사이트의 함유비율을 상대적으로 높이는 수법도 채용되고 있다. 이 방법에 따르면 전극용량을 3할 정도 증가시킬 수 있는 반면, 충전·방전의 사이클수명이 단축되는 결점이 있다.

또한 A사이트의 구성재료가 되는 미쉬금속(Mm : La를 10~50중량%, Ce를 30~60중량%, Pr을 2~10중량%, Nd를 10~45중량% 등을 함유하는 희토류원소의 혼합체)중의 La 함유량을 높이는 수법도 채용되고 있다. 즉 미쉬금속을 사용함에 의해 전극용량을 3할 정도 증대하는 것도 가능하다. 그러나 이 경우도 사이클수명을 장기화 하는 것은 곤란하다.

이상 서술한 바와 같이 종래 기술에서는 전극용량, 사이클수명 및 초기 개시 특성, 전위 안정성에 관하여 이들중 어느 것도 만족하는 니켈수소이차전지에 바람직스러운 전지용 수소흡장합금은 얻을 수 없었다.

본원 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로 그 첫 번째 목적은 Mn을 함유하는 AB₅계 합금에 이어서 전지의 전극으로서 바람직스러운 것으로 새로운 형성의 기둥형성결정조직을 가진 전지용 수소흡장합금을 얻는 것이다.

그리고, 두 번째 목적은 이 새로운 기둥형성결정조정 형성을 가진 전지용 수소흡장합금을 효율좋게 제조하는 전지용 수소흡장합금의 제조방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 세 번째 목적은 이 새로운 기둥형성결정조성 형성을 가진 전지용 수소흡장합금을 니켈수소이차전지의 음극 활성물질로 사용함에 따라 고전극용량, 장사이클수명 및 바람직스러운 초기 입상 특성의 삼대 특성을 만족하고 또한 전지출력전위가 안정하고 저렴하게 제조할 수 있는 우수한 니켈수소이차전지를 제공하는 것이다.

상기 첫 번째 목적을 이루기 위하여 본원 발명의 발명자들은 전극용량의 증가가 용이한 점 및 상온 상압부근에서 수소를 흡장 및 방출할 수 있는 점에 착안하여 AB₅계 수소흡장합금을 연구대상으로 선택했다. 그리고 이 AB₅계 합금성분을 여러 가지 원소로 치환하는 또한 여러 가지 제법을 바꾸어 각종 조성의 수소흡장합금을 제조하여 그 조성, 제법, 열처리조건등이 전지 특성에 미치는 효과를 비교 연구했다. 그 결과, 하기와 같은 결과가 단계적으로 얻어졌다.

우선 첫 번째로, 상기 첫 번째 목적을 달성한 발명에 관하여 설명한다. AB₅계 수소흡장합금의 일부를 Mn으로 치환한때 전극용량 280mAh/g 정도까지 대폭 개선되는 것을 알았다. 그러나, Mn의 치환량이 일정량을 넘으면 수소흡장합금의 내식성이 저하하고, 상기 합금을 사용한 전지의 수명특성은 저하해버린다는 사실을 알았다.

즉, 알칼리이차전지의 전해액이 농도가 진한 알칼리수용액에 의해 부식이 특히 과충전시에 양극으로부터 발생하는 산소가 공존하면 진행하기 쉬워지고, 전극 특성이 열화한다고 하는 문제가 명백해졌다. 그래서 본원 발명의 발명자들은 상기 Mn의 첨가에 의해 전지수명 특성이 저하하는 원인을 구명했다. 그리고 Mn을 첨가한 각종 AB₅계 합금조직의 구성원소를 X선 마이크로분석기(EPMA)로 분석한 경우, Mn첨가량이 증가함과 동시에 각 합금조직에 있어서 Mn의 편석량이 증가한다고 하는 경향이 확인되었다. 이 경향으로부터 관찰한 바 Mn첨가량의 증가와 동시에 진행하는 전지수명저하의 원인은 주로 Mn의 편석에 의한다는 것을 알았다.

결국, 종래 수소흡장합금의 제조기술인 냉각능력이 낮은 주입법은 냉각과정에 있어서, 결정성장이 등방적으로 일어나기 때문에 수소흡장합금의 입자내에서 입자계가 불규칙이 되기 쉬울 뿐만 아니라, 합금이 액상으로 존재하는 시간이 길어지기 때문에 입자계 부분에 편석이 생기기 쉬워진다. 또한, 냉각능력이 높은 주입법을 이용하여 부분적으로 기둥형성결정을 형성한 경우에 있어서도 기둥형성결정의 짧은 직경방향의 성장이 진행하고, 짧은 직경이 매우 커지며 편석이 커지고, 합금의 내식성도 저하하기 쉽다. 또한 Mn은 다른 합금구성원소보다도 위태롭다는 특징이 있다. 이 결과, 상기 입자계 부분의 편석이 부식개시점이 되는 한편, 기계적 강도를 저하시키기 때문에 수소의 흡장, 방출에 수반하는 합금의 미분화가 현저해진다. 또한 합장합금내의 편석의 국부전지를 형성하기 쉽고, 그 부식작용에 따라 Mn이 알칼리전해액중에 용출하기도 하고 합금표면의 Mn이 Mn(OH)₂로 변화하기도 하여 합금의 부식이 가속되고, 수소흡장합금자체의 수소흡장량이 감소하기도 하며 또는 부식에 의해 수소흡장합금이 전극으로부터 떨어짐에 따라 전지의 용량저하가 발생하는 것으로 생각할 수 있다. 또한 상기 편식에 의한 입자계 강도저하에 기인하는 합금의 미분화가 진행하여 전지특성의 시간에 따른 열화도 진행한다고 생각할 수 있다.

이러한 점으로부터 Mn의 편석을 적게 하면 고용량인데다 오랜 수명의 수소흡장합금전극을 얻을 수 있다는 것이 기대된다.

따라서, Mn의 편석을 적게하는 방법으로서, 다음과 같은 방법을 시행했다.

(1) 합금재료의 용해시에 구성원소를 가능한한 작게 해서 잘 혼합함으로부터 용해용기에 담는다. 그러나, 용융상태는 비교적 살 섞여 있지만 냉각시에 수십 ㎛~수백 ㎛의 크기인 편석이 형성되었다.

(2) 용융시에 사용하는 가열장치로서 저항발열체를 사용하지 않고 고주파 가열장치를 사용하고, 강제적으로 용탕의 교반을 수행했다. 이 경우, 용융상태에서는 매우 균일하게 교반하고 있을뿐, 냉각시에 수십 ㎛~ 수백 ㎛의 크기인 편석이 형성되었다.

(3) 합금용탕을 주입하는때에 용탕온도를 가급적 높여서 합금용탕의 점성을 낮춤에 의해 용탕의 균질화를 도모했다. 이 경우, 냉각시에 수십 ㎛~수백 ㎛의 크기인 편석이 형성되었다.

(4) 주조후에 열처리(예를들면, 1000℃, 8시간)를 수행함에 의해 편석을 저감했다. 이 경우, 결과는 크지만 수십 ㎛ 크기의 편석은 남고 말았다.

이와 같이, 예를들면 상기 방법중 하나, 또는 둘이상을 조합하여 처리를 수행해도 편석은 줄어들지만 요구 특성을 충분히 만족시킬 수는 없었다.

본원 발명의 발명자들은 상기 Mn등의 편석을 방지하는 대책을 여러 가지 검토한 결과, 당초 Mn을 함유한 조정 조정의 합금용탕을 종래의 주입법에 있어서, 냉각속도보다 빠른 100~1200℃/s의 냉각속도로 냉각하는 방법을 채택했다.

그러나, 이 방법에서는 Mn편석은 감소하나 역시 요구특성을 충분히 만족시킬수 없었다.

따라서, 또한 냉각속도가 1800℃/s 이상인 고속냉각을 채용하여 실험을 계속했다. 그 결과, 1000~10000℃/s의 범위인 조속냉각과는 전혀 실험결과가 다르다는 것을 발견했다. 즉, 냉각속도가 1800℃/s 이상이 되면 상기 합금중에 분포하는 Mn농도의 최대값이 합금전체 Mn농도의 평균치인 1.3배 이하가 됨과 동시에, 상기 합금중에 편석하고 있는 Mn의 최대직경이 0.5㎛ 이하가 된다는 것을 발견했다. 또한, 이와 같은 Mn분포를 가진 합금을 니켈수소이차전지에 적용하면 용량특성이 저하하지 않고 충전·방전 사이클수명 특성이 비약적으로 향상한다는 것을 알아냈다.

여기에서 우선 Mn농도의 분포에 대하여 기술한다. 합금중에 분포하는 Mn농도의 최대값이 합금전체의 Mn농도 평균값의 1.3배를 넘는 값을 나타내는 합금은 Mn농도가 국부적으로 큰 부위가 합금중에 분산해 있다. 그와 같은 부위에서는 니켈수소전지의 음극에 이용된 상태에 있어서 부식반응이 발생하기 쉽고, 수소흡장합금 자체의 열화가 진행하기 쉽다. 또한 그와 같이 Mn 농도가 다른 부위가 존재하면 전극반응에 의한 수소의 흡장탈리에 수반한 수소흡장합금체적의 팽창수축의 정도가 부분적으로 달라지기 때문에 합금내부의 응력이 생겨 미분화가 진행하기 쉬워지며, 미분화에 의한 비표면적 증대의 결과, 수소흡장합금의 열화가 보다 가속된다.

합금중에 분포하는 Mn농도의 최대값이 합금중의 Mn농도의 평균값의 1.3배 이하의 값을 표시하는 수소흡장합금에 있어서는 상기 현상의 발생이 생기기 어렵다. 따라서, 이와 같은 합금을 음극에 적용한때, 합금의 부식진행이 억제되기 때문에 니켈수소전지의 사이클수명 특성이 향상한다고 생각된다.

실제로 본원 설명의 발명자들이 실험으로부터 얻은 합금전체의 Mn농도의 평균값에 대한 합금중의 Mn농도의 최대값과의 비 및 합금전극의 사이클수명(충전·빙전 사이클수)과의 관계를 제31도에 표시한다. 제31도에 표시한 그래프에는 Mn농도의 최대값이 평균값의 1.3배 부근에 있어서 특이점이 존재하는 것이 명백하다. 즉 Mn농도의 최대값이 평균값의 1.3배가 되는 특이점을 경계로 하여 전지수명 특성이 대폭 변화한다고 하는 사실을 본원 발명의 발명자들은 처음으로 알아냈다.

다음에 편석해 있는 Mn의 최대직경에 대해 기술한다. 편석해 있는 Mn의 최대직경이 0.5㎛를 넘는 합금은 편석부분이 크기 때문에 이와 같은 합금을 니켈수소전지에 이용한때, 편석점이 부식반응의 기점이 되고, 수소흡장합금 자체의 열화가 진행하기 쉬워진다. 또한 전극반응에 의한 수소흡장탈리에 수반하여 합금이 팽창수축하면 Mn의 편석점에 응력이 집중하기 때문에, 그 편석점으로부터 갈라짐이 생기기 쉬워지며 미분화가 또한 진행하기 쉬워진다.

한편, 편석해 있는 Mn의 최대직경이 0.5㎛ 이하인 수소흡장합금에 있어서는, 상기 현상의 발생은 생기기 어려워진다. 따라서, 이와 같은 합금을 니켈수소전지의 음극에 적용한 때에는 음극합금의 부식진행이 억제되기 때문에 니켈수소전지의 사이클수명 특성이 향상한다고 생각할 수 있다.

합금중에 편석해 있는 Mn의 최대직경과 이 합금을 사용한 전극의 사이클수명을 측정한 실험결과를 제32도에 표시한다. 제32도에 표시한 그래프에는 합금중에 편석하는 Mn의 최대직경이 0.5㎛ 부근에 있어서 특이점이 존재하는 것이 명백해졌다. 즉, 편석해 있는 Mn의 최대직경이 0.5㎛가 되는 특이점을 경계로 하여 전지수명이 대폭 변화한다는 사실을 본원 발명의 발명자들은 처음으로 발견했다.

이상 서술한 바와 같이, 본원 발명의 발명자들은 Mn농도의 분포 및 편석해 있는 Mn이 최대직경과 전지의 요구특성과의 사이에 특이점이 있다는 것을 처음으로 알아낸 동시에, 상기 Mn농도의 균일화 및 편석의 저감을 달성하기 위해서는 1800℃/s 이상의 냉각속도로 합금용탕을 냉각처리하여 수소흡장합금을 제조하는 것이 필요하고, 종래와 같은 1000~1200℃/s정도의 저속냉각에서는 상기 목적을 달성할 수 없다는 것을 알았다.

또한, 1800℃/s 이상의 고속냉각에 따라 처음으로 새로운 형상의 기둥형상결정조직을 만들 수 있었다(후술하는 실시예의 설명에 대한 표 11을 참조할 것).

여기에서 상기 새로운 형상의 기둥형상결정조직과는 기둥형상결정입자의 짧은 직경과 긴 직경과의 비(애스펙트비)가 1: 2 이상인 결정입자를 말한다. 그리고, 합금의 분쇄입자의 단면에 있는 미세기둥형사결정의 비율이 50% 이상, 바람직스럽기로는 70%, 보다 바람직스럽기로는 80% 이상이면, 보다 고전극용량 및 사이클수명을 동시에 이룰 수 있다는 것을 알아냈다. 즉 상기 미세한 기둥형상결정조직이 형성되면 240mAh/g이상인 고전극용량과 500회 이상인 장사이클수명이 동시에 이루어진다는 것을 처음으로 알아낸 것이다.

즉, 본 발명의 발명자들은 여러 가지 검토를 거친 결과, 1800℃/s 이상의 냉각속도에 의한 용탕급냉법으로 소정의 특징을 가진 미세결정입자를 합금중에 형성함에 의해 음극재료로서의 특성을 대폭 개선할 수 있다는 것을 알아냈다.

본원 발명의 발명자들이 검토한 결과, 상기 용탕급냉법에 따라 제조한 수소흡장합금에서는 Mn등의 편석은 효과적으로 방지할 수 있다는 것을 알았다. 또한 본 발명자들은 급냉처리에 따라 발생하는 미세한 내부뒤틀림에 착안하여 이 내부 뒤틀림을 제거함에 의해 한층 특성이 우수한 전지용 수소흡장합금이 얻어진다고하는 것을 알아냈다. 즉, 용탕상태의 합금재료를 상기와 같은 방법으로 급냉하면, 주조법과는 다르고 결정핵을 다수 형성시켜 급격하게 냉각 하게 되기 때문에, 합금 내부에 급냉에 의한 비틀림이 들어가기 쉬워진다. 이 내부 뒤틀림형성에 따라, 합금 내부의 수소침입 및 방출이 곤란해지고, 전지 특성이 저하한다는 것을 알았다.

그래서 본 발명자들은 여러 가지 검토를 거친 결과, 본 발명에 관한 수소흡장합금과 같이 용탕급냉법에 따라 일단 미세한 결정조직을 형성한 용탕급냉합금의 경우에는 재결정 온도보다 매우 낮은 200~500℃의 온도범위에 있어서 단시간 열처리하는 것만으로 합금의 균일성을 유지하면서 내부 뒤틀림이 효과적으로 제거되고 특성이 보다 우수한 전지용 수소흡장합금을 얻을 수 있다는 것을 처음으로 알았다. 즉, 이 내부 뒤틀림을 상기 열처리에 따라 완화시킴에 따라 합금내부로의 수소 침입 및 방출을 한층 수월하게 하고, 음극재료의 특성을 보다 개선할 수 있다는 것을 알았다. 상기 열처리시간으로서는 적어도 1시간이 필요하다.

본 발명은 상기 각종 알려진 사실에 기초하여 완성된 것으로, 본 발명의 전지용 수소흡장합금은 일반식 ANi_aMn_bM_c(단, A는 Y(이트륨)을 함유하는 희토류원소로부터 선택되는 적어도 한가지 종류의 원소, M은 Co, Al, Fe, Si, Cr, Cu, Ti, Zr, Zn, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Ag, Pd, B, Ga, In, Ge 및 Se중으로부터 선택된 적어도 한가지 종류의 원소, 3.5≤a≤5, 0.1≤b≤1, 0≤c≤1, 4.5≤a+b+c≤6)로 표시되는 조성을 가진 합금으로 이루어지고, 이 합금이 기둥형상결정조직을 가지고 이 기둥형상결정조직의 짧은 직경과 긴 직경과의 비(애스펙트비)가 1 : 2 이상인 기둥형상결정의 면적비율이 50% 이상인 것을 특징으로 한다. 즉 AB₅계 수소흡장합금의 B성분의 일부를 Mn으로 치환하여 전극용량을 증가시킴과 동시에 새로운 형상을 가진 긴 사이클수명의 전극이 형성가능하다. 또한, 상기 합금을 급냉처리에 따라 생성한 경우, 급냉처리에 의해 생성한 용탕급냉합금의 두께는 10~150㎛로 설명하면 좋다. 또한, 기둥형사결정의 평균 짧은 직경은 30㎛ 이하인 것이 바람직스럽다.

바꾸어 말하면, 이 수소흡장합금을 X선 마이크로분석기를 이용하여 상기 합금의 단면 20㎛ 사방을 관찰 영역으로 하여 이 관찰영역의 세로를 100 분할하고, 또한 가로를 100 분할한 단위영역마다 Mn의 특성 X선 강도를 관찰한때, 각 단위영역의 Mn의 특성 X선 강도의 평균값에 대하여 각 단위영역의 Mn특성 X선 강도중의 최대값이 1.3배 이하이면 좋다.

즉, 상술한 값(합금중의 Mn농도의 최대값) / (합금중의 Mn농도의 평균값)은, 이 수소흡장합금을 X선 마이크로분석기를 이용하여 상기 합금의 단면 20㎛ 사방을 관찰영역으로 하여 이 관찰영역의 세로를 100 분할하고, 가로를 100 분할한 단위영역마다 Mn의 특성 X선 강도를 관찰한때의 (각 단위영역의 Mn의 특성 X선 강도중의 최대값) / (각 단위영역의 Mn의 특성 X선 강도의 평균값)의 값에 근사할 수 있는 것이다. 본 발명은 이 값이 1.3배 이하라면 좋지만, 보다 바람직스럽기로는 1.2 이하이다.

또한, 본 발명의 합금은 그 합금중에 편석하는 Mn입자의 최대직경이 0.5㎛ 이하인 것이 바람직스럽다.

상술한 발명에 관한 전지수소흡장합금은 어느것이나 Ni_aMn_bM_c를 B로 나타내면, 4.5≤a+b+c≤6로부터 AB_4.5~AB₆가 된다. 이 B의 조성비율 x(즉, a+b+c값)이 상기 범위외가 되면, 합금중에 AB_4.5~AB₆이외의 상(예를들면, AB, AB₂, AB₃, A₂B₇등으로 이루어진 상 및 B사이트를 구성하는 원소단위로 이루어진 상[이하, 제2상이라 함])의 생성량이 많아진다.

또한, 합금중에 AB_x로 이루어진 상 이외의 제2상이 많아지면, 수소흡장합금중에 상기 제2상을 함유하는 두가지 종류 이상의 이종조성의 합금상이 서로 접하는 비율이 높아진다. 이와 같은 이종조성의 합금상끼리의 계면은 기계적 강도가 약하고 이 계면을 기점으로 하여 수소의 흡장, 방출에 수반하는 갈라짐이 발생하기 쉬워진다.

또한 상기 계면에는 편석이 생기기 쉽고, 그 편석물을 기점으로 하여 수소흡장합금의 부식이 생기기 쉬워진다. 또한, 상기 제2상은 전극사용 조건하에 있어서, AB_x에 비하여 수소의 흡장량이 적고, 상기 제2상이 많은 합금을 전극으로 사용하면 단위체적당의 전극용량이 저하한다. 어느것이나 수소흡장합금을 전극재료로서 사용한 경우에 있어서 전극용량 및 수명의 저하를 일으킨다.

결국, 상기 X선 값을 한정한 것은 다음과 같은 이유에 따른 것이다. 상기 X를 4.5 미만으로 하면 전지의 충전·방전시의 부식이 적고, 또한 갈라짐 또는 미분화가 어려운 수소흡장합금을 얻을 수 없게 된다. 한편, 상기 x가 6을 넘으면 통상의 공업적으로 얻을 수 있는 합금 제조방법에 따라서는 제2상의 생성이 확인되고, 수소흡장합금의 특성을 향상시킬 수 없게 된다. 따라서, X즉 (a+b+c)의 값은 4.5~6의 범위로 설정되지만, 바람직스럽기로는 4.6~5.6, 보다 바람직스럽기로는 5.05~5.5의 범위이다.

또한 본 발명에 관한 ANi_aMn_bM_c를 구성하는 A성분은 Y를 함유하는 희토류원소(구체적으로는 Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu)중으로부터 선택되는 적어도 한가지 종류를 나타낸다. 즉 고순도 희토류원소 또는 단체의 희토류원소는 매우 비싸다. 그 결과 복수의 희토류원소의 홉합체인 미쉬금속(이하 Mn 또는 Lm이라 함)을 사용함에 따라 수소흡장합금의 재료비용을 대폭 저감하는 것이 가능하다. 상기 Mm으로서는 통상 La 10~50중량%, Ce 30~60중량%, Pr 2~10중량%, Nd 10~45중량%의 조성의 것이 사용된다.

또한, Ni의 조성비율 a의 값을 3.5~5의 범위로 한정한 것은 다음과 같은 이유에 의한 것이다. a값을 3.5미만으로 하면 전극의 용량이 저하한다. 한편 상기 a가 5를 넘으면 다른 합금성분의 배합비율이 상대적으로 저하하여, 고용량화가 곤란해진다.

또한 Mn은 수소흡장합금을 함유하는 음전극의 고용량화 및 수소의 흡장방출압력(평형압)의 저하에 효과적이기 때문에 본 발명의 합금의 필수 성분원소로 했다. M7은 그 조성비율 b가 0.1~1.0이 되는 범위로 첨가된다. 이 조성비율 b가 1을 넘으면, 합금전극의 미분화가 생기기 쉽고, 사이클수명이 짧아지기 때문에 조성비율 b의 상한은 1을 넘으면, 합금전극의 미분화가 생기기 쉽고, 사이클수명이 짧아지기 때문에 조성비율 b의 상한은 1로 설정했다. 한편, Mn의 조성비율이 b가 0.1 미만인 경우에는 본 발명의 목적중 하나인 전극용량의 향상을 이룰 수 없다.

또한, 일반식중의 M성분은 Co, Al, Fe, Si, Cr, Cu, Ti, Zr, Zn, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Ag, Pd, B, Ga, In, Ge 및 Sn으로부터 선택되는 적어도 한가지를 주성분으로 하는 금속이다. 상기 M성분중 Co, Al, Fe, Si, Cr, Cu는 수소흡장합금의 오랜 수명화에 특히 효과적인 원소이고, 그 조성비율 c가 1 이하가 되는 범위로 첨가된다. 상기 조성비율 c가 1을 넘으면 합금에 따라 형성한 전극의 용량이 저하해 버리기 때문에 상한을 1로 설정했다. 또한 용탕급냉법을 사용하여 합금을 제조한 경우에는 편석이 방지되기 때문에 어느정도의 오랜 수명화가 이루어진다. 따라서, M성분의 조성비율 c의 하한값은 0으로 했다.

상기 M성분중, Al은 Mn과 동일하게 수소의 흡장방출압력(해리압)을 낮추는 작용을 가짐과 동시에 내구성을 증가시킬 수 있다.

또한 M성분중, Co는 전해액등에 대한 합금의 내식성을 향상시킴에 효과적이고, 합금의 미분화는 현저히 억제된다. 즉 Co첨가량을 증가시키면 사이클수명은 향상하는 반면, 전극용량이 저하하고, 고율방전특성이 손상되는 경향이 있기 때문에 전지의 용도에 따라 Co첨가량의 최적화를 도모할 필요가 있다.

이외, 본 발명에 관한 수소합증합금에는 C, N, O, F, Cl, S 및 P등으로부터 선택되는 적어도 한가지 종류의 원소가 불순물로서 본원 발명 합금의 특성을 저해하지 않는 범위로 함유되어도 좋다.

즉, 이들 불순물의 함유량은 각각 6000ppm 이하의 범위, 바람직스럽기로는 5000ppm, 보다 바람직스럽기로는 4000ppm 이하가 좋다.

본 발명에 관한 수소흡장합금은 적어도 90체적% 이상이 AB_x(단, A는 Y를 함유하는 희토류원소(구체적으로는, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Lu)로부터 선택되는 적어도 한가지 종류이고, B는 Co, Al, Fe, Si, Cr, Cu, Mn, Ti, Zr 및 Zn중으로부터 선택되는 적어도 한가지 종류의 원소를 주성분으로 하는 금속이고, X는 5.05≤X≤6으로 구성된 단일상인 것이 필요하다. 즉, 합금중에 ABx로 이루어진 상이외의 상(예를들면, B, AB₂, AB₃, A₂B₇, AB₅, AB_1.4등으로 이루어진 상[이하, 제2상이라 함])이 10체적%를 넘으면, 합금중에서 두가지 종류 이상의 이종조성의 합금상이 서로 접하는 일이 많아진다. 이와 같은 이종 조성의 합금상끼리의 계면은 기계적 가도가 약하고, 상기 계면으로부터 수소의 흡장, 방출에 수반하는 갈라짐이 생기기 쉬워진다. 또한, 상기 계면에는 편석이 생기기 쉽고, 그 편석물이 기점으로서 합금의 부식이 생기기 쉽다. 또한, 상기 제2상은 전극사용조건하에 있어서, ABx에 비하여 수소이온의 흡장량이 적고, 상기 제2상이 10체적%를 넘는 합금을 전극으로 사용하면 단위체적당 전극용량이 저하한다.

또한, 상기 X값을 한정한 것은 다음과 같은 이유에 의해서이다. 상기 X를 5.05 미만으로 하면 전지의 충전·방전시의 부식이 적고, 또한 갈라짐 또는 미분화가 어려운 수소흡장금속을 얻을 수 없게 된다. 한편, 상기 X가 6을 넘으면 통상의 공업적으로 얻을 수 있는 합금제조법에 따라서는 제2상의 생성이 인지되고, 수소흡장합금의 특성을 향상시킬 수 없게 된다.

이 발명에서 합금의 결정계가 CaCu₅계를 유지하고 있으면, 결정형은 따지지 않지만 바람직스럽기로는 기둥형상결정을 형성하고 있으면 좋다.

이 수소흡장합금을 제조하기 위해서는 AB_x를 표시하는 조성을 가진 용탕으로부터 각종의 용탕급냉법을 사용하여 제조한다. 이 용탕급냉법에 관해서는 전술한 회전디스크법, 단일롤법, 이중롤법, 기체 애터마이저법을 들 수 있다. 이와 같은 용탕급냉법으로 제조하면 적어도 90체적% 이상이 ABx로 구성되는 단일상인 수소흡장합금을 안정적으로 얻을 수 있기 때문에 바람직스럽다.

본 발명의 두 번째 목적을 달성하기 위한 전지용 수소흡장합금의 제조방법은 일반식 ANi_aMn_bM_c(단, A는 Y(이트륨)을 함유하는 희토류원소로부터 선택되는 적어도 한가지 종류의 원소, M은 Co, Al, Fe, Si, Cr, Cu, Ti, Zr, Zn, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Ag, Pd, B, Ga, In, Ge 및 Sn중으로부터 선택되는 적어도 한가지 종류의 원소, 3.5≤a≤5, 0.1≤b≤1, 0≤c≤1, 4.5≤a+b+c≤6)으로 표시되는 조정을 가진 합금용탕을 고속회전하는 냉각롤의 주행면에 분사하여 급속의 응고시때에, 1800℃/s 이상의 냉각속도로 급냉처리하여 전지용 수소흡장합금을 형성하는 방법이다.

또한, 본 발명은 상술한 조성을 가진 합금용탕을 1800℃/s 이상의 냉각속도로 급냉처리하여 용탕급냉합금을 제조하고, 얻어진 용탕급냉합금을 200~5000℃의 온도범위에서 적어도 1시간 열처리하여 전지용 수요흡장합금을 제조하는 방법이다. 더우기, 합금용탕의 급냉처리 및 열처리는 진공하 또는 Ar등의 불활성 기체분위기에서 실시하면 좋다. 또는 상술한 제조방법에 있어서, 용탕급냉합금은 고속회전하는 냉각롤의 주행면에 분사해서 급속응고시켜 형성하고, 상기 냉각롤의 주행면의 수속을 5~15m/최의 범위로 설정하면 좋다.

본 발명에 관한 전지용 수소흡장합금의 제조방법으로서는, 본 발명에 관한 방법이라면 또한 합금조성을 균일화하여 편석을 방지할 수 있는 전지용 수소흡장합금의 제조방법이면 더욱 바람직스럽다. 예를들면, 하기에 도면을 참조하여 기술하는 단일롤법, 이중롤법과 같은 용탕급냉법을 이용하여, 냉각롤의 재질, 냉각롤의 회전수(주행면의 주속), 용탕온도, 냉각챔버내에 기체종류, 압력, 용탕분사량을 최적화함에 따라 안정하게 대량으로 제조하는 것이 가능해진다.

단일롤법

제1도는, 단일롤법에 따른 수소흡장합금 제조장치를 표시한다. 이 제조장치는 동, 니켈등의 열도전성이 우수한 직경 300mm 정도의 냉각로(5) 및 레이들(2)로부터 공급된 수소흡장합금용탕(3)을 저류한 후에 상기 냉각롤(5)의 주행면에 분사하는 사출노즐(4)을 구비한 구성이 되고 있다. 상기 냉각롤(5)은진공 또는 분활성 가스분위기에 조정된 냉각챔버(1)내에 수납되고 있다. 또한, 상기 냉각롤(5)의 회전수는 냉각롤(5)의 흐름성과 냉각속도 및 수소흡장합금용탕(3)의 분사량에 의존하지만 대개 300~5000rpm으로 설정된다. 상술한 제1도에 표시한 제조장치에 있어서, 레이들(2)로부터 공급된 수소흡장합금(3)을 사출노즐(4)로부터 냉각롤(5)의 주행면에 분사하면, 합금용탕은 냉각롤(5)에 접하는 면에 따라 고화하고 결정성장이 시작되며, 냉각롤(5)로부터 이탈할 때까지 완전히 고화가 종료한다. 그후, 냉각챔버(1)내를 비상하는 사이에 또한 냉각이 진행하고, 구성원소의 농도가 균일하여 편석이 적고, 또한 결정성장방향이 일치하는 수소흡장합금(6)이 제조된다.

이중롤법

제2도는, 이중롤법에 의한 수소흡장합금 제조장치를 표시한다. 이 제조장치는 냉각챔버(1)내에 각 주행면이 대향하도록 배치된 1대 이상의 냉각롤(5a,5b)와 원료금속을 용해하여 수소흡장합금용탕(3)을 제조하는 용해로(7)와 이 용해로(7)부터의 수소흡장합금용탕(3)을 용탕깔때기(8)를 거쳐 상기 냉각롤(5a,5b)사이에 분사하는 사출노즐(4)을 구비한 구성으로 되어 있다.

상기 냉각롤(5a,5b)은 구리, 철등의 열도전성이 우수한 재질로 형성된 직경 50mm 정도의 것이다. 상기 냉각롤(5a,5b)은 ~0.5mm 정도의 미소간격 d를 유지하면서 300~2000rpm 정도의 회전수에서 고속회전한다. 즉, 냉각롤로서는 제2도에 표시한 바와 같이 주행면이 평행이 되어 있는 것외에 주행면의 단면형상을 U자형 또는 V자형으로 한 형태의 롤를 채용할 수 있다. 또한, 냉각롤(5a,5b) 간격 d를 과대하게 하면, 합금용탕의 냉각방향이 일치하지 않고 그 결과 기둥형상결정의 성장방향이 뒤섞인 수소흡장합금이 제조되기 때문에, 0.2mm 이하로 설정하는 것이 바람직스럽다. 또한 간격 d를 과대하게 하면, 냉각속도가 저하하고, Mn의 편석을 촉진하기 위하여 Mn의 농도균일성이 저하하며 또한 입자계에서의 Mn편석입자의 크기가 크게 성장한 수소흡장합금이 제조되기 때문에, 0.2mm 이하로 설정 한다. 상술한 제2도에 표시한 제조장치에 있어서, 사출노즐(4)로부터 수소흡장합금용탕(3)을 냉각롤(5a,5b)의 간격방향으로 분사하면, 수소흡장합금용탕이 양측의 냉각롤(5a,5b)에 접하는 측으로부터 고화, 결정성장이 시작되고, 냉각롤(5a,5b)로부터 이탈하기까지 완전히 고화가 종료한다. 그후, 냉각챔버(1)내를 비상하는 사이에 더욱 냉각이 진행되고, 편석이 적어서 본 발명에 관한 기둥형상결정의 수송 브장합금(6)이 제조된다.

회전디스크법

제3도는, 회전디스크법에 의한 수소흡장합금입자의 제조장치를 표시한다. 이 제조장치는 아르곤 기체분위기의 냉각챔버(1)내에 설치된 고속회전체인 디스크형상 회전체(9)와 레이들(2)로부터 공급된 수소흡장합금용탕(3)을 일시적으로 저류하고 또한 상기 디스크형사 회전체(9)의 주행면에 분출시키는 사출노즐(4)를 구비한 구조로 되어 있다. 상기 회전체(9)는 수소흡장합금용탕(3)이 부착 응고하는 것을 방지하기 위하여 용탕에 대하여 비교적 흐름성이 낮은 세라믹 또는 금속재료로 형성되어 있다.

제3도의 제조장치에 있어서, 상기 레이들(2)로부터 공급된 수소흡장합금용탕(3)을 사출노즐(4)로부터 상기 디스크형상 회전체(9)의 주행면으로 분사하면, 상기 회전체(9)의 운동력에 의해 미세하게 분산되고 상기 냉각챔버(1)내를 그 챔버(1) 내벽에 접촉하지 않고 비상하는 사이에 자연히 표면장력에 의해 구상화 하고, 또한 아르곤 기체등의 분위기 기체에 의해 냉각되어 응고한다. 그 결과, 자유냉각면으로 덮힌 구상을 이루는 수소흡장합금입자(6)가 제조된다. 이 수소흡장합금입자(6)는 냉각챔버(1)의 저부에 설치된 상기 입자회수용기(10)으로 회수된다.

기체 애터마이저법

제4도는, 기체 애터마이저법에 의한 수소흡장합금입자의 제조장치를 표시한다. 이 제조장치는 아르곤 기체분위기의 냉각챔버(1)내에 설치된 금속원료를 가열기(23)에 의해 기열용해하고, 수소흡장합금용탕(3)을 제조하는 용해로(24)로, 이 용해로 (24)의 저부에 형성된 내경 2mm 정도의 사출노즐(4), 상기 사출노즐(4)의 하단 개구부근에 대향하도록 부설되고 아르곤 기체등의 냉각용 불활성 기체를 분사하는 다수의 불활성 기체노즐(25), 상기 사출노즐(4)을 개폐하는 개폐마개(26)를 구비한 구조로 되어 있다.

제4도의 제조장치에 있어서, 상기 수소흡장합금용탕(3)을 수용한 용해로(24)내에 아르곤 기체를 공급하면, 상기 용해로(24)내의 합금용탕(3)의 액면이 가압되고, 상기 용해로(24) 하부의 사출노즐(4)의 선단 개구부로부터 용탕(3)이 분사된다. 이때 분출방향과 거의 직교로 대향하도록 설치된 상기 불활성 기체노즐(5)로부터 아르곤 기체등의 불활성 기체를 상기 분사된 용탕(3)을 향하여 고속도로 분사한다. 이에 따라, 수소흡장합금용탕(3)은 상기 냉각챔버(1)내에서 그 챔버(1)내벽에 접촉하지 않고 불활성 기체에 의해 분무화 분산되고, 불활성 기체의 소용돌이 흐름으로 따라 아래쪽으로 길어진 사이에 냉각, 응고된다. 그 결과, 자유냉각면으로 덮힌 구상을 이루는 수소흡장합금입자(6)가 제조된다.

상기와 같은 용탕급냉법을 사용하여 리본, 플레이크상 또는 입자상의 수소흡장합금을 제조하는 경우, 냉각롤 또는 회전디스크의 재질, 합금용탕의 냉각속도등의 조건에 따라 등축결정 또는 기둥형상결정이 합금조성내 형성된다. 본 발명의 수소흡장합금은 특히 1000℃/s 이상의 냉각속도에서 용탕급냉처리함에 의해 적절히 얻을 수 있다. 즉, 1800℃/s 이상의 냉각속도에서 용탕급냉처리하여 수소흡장합금을 제조하면, 합금을 구성하는 각 결정입자가 1~100㎛ 정도로 미세화하고, 합금강도가 높아지는 동시에, 입자계의 흩어짐이 감소하기 때문에 수소의 흡장량이 증대하여 전지의 전극으로서 이용되면 전극용량을 높일 수 있다.

본 발명에 관한 전지용 수소흡장합금은 구체적으로 상술한 기둥형상결정조직을 발달시킨 것이다.

상기 기둥형상결정조직에 있어서는 등축결정조직과는 다르고 결정방위가 일치해 있기 때문에, 입자계의 흩어짐이 적어지고 수소의 흡장량이 증가하고, 전극용량을 증대화할 수 있는 것이 본 발명자들의 실험에 의해 확인되었다. 즉, 기둥형상결정조직에 있어서는 그 계면을 따라 수소분자 또는 수소원자의 통로가 형성되어있기 때문에 합금내로의 수소의 흡장 또는 방출이 용이해지고, 전극용량이 증가한다. 또한 기둥형상결정 조직에 있어서 편석은 매우 작아진다. 따라서 편석에 의한 국부전지의 형성이 적고 합금의 미세화에 따른 수명저하도 효과적으로 방지할 수 있다.

상기 용탕급냉처리에 따라 제조한 수소흡장합금의 결정조직은 수소흡장합금전극　서 전지에 조립한때에, 전지특성을 향상시키는 관점으로부터 수소흡장합금의 두께방향인 단면에 있어서 기둥형상결정조직의 면적비율 50% 이상, 바람직스럽기로는 70% 이상, 보다 바람직스럽기로는 80%으로 할 필요가 있다. 기둥형상 결정의 면적비율이 50% 이상이 되는 경우에는 이 합금을 이용한 음전극의 사이클수명이 주조법에 따라 제조된 수소흡장합금을 이용한 음전극의 사이클수명과 비교하여 길어진다. 특히 용탕급냉합금의 전체를 기둥형상결정으로 형성한 경우, 특히 편석이 적어지고 합금전극의 용량 및 수명을 보다 개선할 수 있다. 한편 상기 면적비율이 50% 미만인 경우에는 주조합금을 사용한 음전극과 비교하여 사이클수명에 현저한 차이가 나타나지 않는다.

즉, 상기 용탕급냉처리에 의해 제조하고 두께방향의 단면에 있어서 기둥형상결정조직의 면적비율이 50%이상이되는 본 발명의 수소흡장합금을 이용함에 따라, 전극용량이 240mAh/g 이상이고 사이클수명이 500회 이상이라고 하는 우수한 전지특성을 동시에 얻을 수 있다. 전극용량의 보다 바람직스러운 값은 250mAh/g 이상, 또한 바람직스럽기로는 255mAh/g 이상이다. 또한 사이클수명의 보다 바람직스러운 값은 550회 이상, 더욱 바람직스럽기로는 600회 이상이다.

여기에서 기둥형상결정으로는, 짧은 직경과 긴 직경과의 비(애스펙트비)가 1 : 2 이상인 기둥형상결정입자를 말한다.

상기와 같이 기둥형상결정조직을 발달시키고, Mn등의 편석을 저감한 전지용 수소흡장합금의 제조방업에 관하여 보다 구체적으로 설명한다. 단일롤법 또는 이중롤법에 있어서 합금용탕의 제조 및 냉각조건을 엄정하게 제어하여 제조된다.

즉 합금용탕은 미리 주조법으로 제조된 상기 조성의 수소흡장합금(모합금)을 용해이용하는 면적내에 수용하여 고주파 용해하여 제조하여도 좋다. 이때, 수소흡장합금의 구성원소중, 예를들면 희토류원소 또는 Mn과 같이 증기압이 높은 원소를 조금 많이 첨가해두면 좋다. 즉 증기압이 높은 원소의 휘산에 의한 합금조성의 변동을 방지하고, 급냉후의 수소흡장합금의 조성이 목적하는 조성이 되도록 조정하여 두면 좋다.

얻어진 합금용탕은 냉각롤의 주행면(냉각면) 위에 소정 압력으로 분사되고, 급냉처리되어 응고되고 리본상 또는 플레이크형상의 수소흡장합금이 된다. 이때 냉각롤의 표면으로부터 합금용탕의 고온부를 향하여, 즉 냉각롤의 표면에 대하여 수집방향으로 기둥형상결정이 성장한다. 이 기둥형상결정을 충분히 성장시키기 위해서는 상기 리본형상 또는 플레이트형상의 수소흡장합금의 두께는 10~150㎛, 바람직스럽기로는 15~100㎛ 범위로 설정하는 한편, 냉각롤의 주행면의 주속은 Cu제 롤의 경우에는 5~15m/초의 범위로, 또한 Fe제롤의 경우에는 8~30m/초의 범위로 설정한다. 냉각롤의 주속이 상기 범위의 하한 미만인 경우에는 합금용탕의 냉각속도가 작고, 상기 두께범위에 있어서 기둥형상결정조직을 충분히 발달시키는 것이 곤란하다. 한쪽 주속이 상기 범위의 상한을 넘는 경우는 합금용탕이 냉각롤에 접촉한 순간에 날아가버리기 때문에 냉각롤에 의한 충분한 냉각을 수행할 수 없고, 등축결정의 비율이 증대하고, 어느쪽이나 두께방향의 면적비율로 50%이상의 기둥형상결정조직을 얻을 수 없다.

또한, 상기 용탕급냉처리의 냉각속도는 전술한 바와 같이 1800℃/s 이상이 바람직스럽다. 이 냉각속도가 1800℃/s 미만이면, 전술한 바와 같은 특수한 형상의 기둥형상조직을 형성하는 것이 불가능하다. 냉각속도는 바람직스럽기로는 2000℃/s 이상, 보다 바람직스럽기로는 2400℃/s 이상으로 설정하면 좋다. 상기 용탕급냉처리는 합금용탕의 변화에 따른 열화를 방지하기 위하여 Ar 또는 He등의 불활성 기체분위기에서 실시하는 것이 바람직스럽지만, 특히 진공중에서 실시하는 것이 바람직스럽다. 즉 불활성 기체분위기중에서 냉각처리를 실시한 경우, 냉각롤과 합금용탕과의 사이에 분위기 기체가 넣어지는 경우가 있고, 충분한 냉각효과를 얻을 수 있는 조건이 좁혀진다. 한편, 진공중에서 냉각처리를 수행하는 경우에는 상기와 같은 기체의 넣음은 일어나지 않고, 합금용탕은 냉각롤 표면위에서 충분히 냉각된다.

또한 냉각롤의 구성재료로서는 Cu기합금, Fe기합금, Ni기합금등 열전도성이 양호한 재료가 사용된다. 또한 상기 재료로 형성한 롤표면에 Cr도금등을 형성하여 표면을 경화시킨 냉각롤을 사용해도 좋다.

또한 합금용탕을 제조하기 위한 도가니의 구성재료로서는 종래 범용의 석영을 사용해도 좋다. 그러나 석영제 도가니는 고주파 가열에 의해 발열하지 않기 때문에, 합금용탕이 출구를 통과하는 때에 석영에 의해 냉각되는 결과, 출구의 폐쇄되기 쉬워지는 단점이 있다. 그래서 열전도성이 양호한 Ti보라이드등의 세라믹 재료로 형성한 도가니를 사용함에 의해 상기 폐쇄를 효과적으로 방지할 수 있다.

상기와 같이 용탕급냉법에서 제조한 수소흡장합금에서는 결정조직이 미세하고 Mn등의 편석이 적기 때문에, 전지용 음극을 형성한 경우에 그 전극용량을 240mAh/g 이상의 수준으로, 또한 사이클수명 특성을 500회 이상의 수준으로 동시에 개선할 수 있다. 또한, 본 발명자들은 급냉처리에 따라 생기는 합금의 내부 뒤틀림에 착안하여 이 내부 뒤틀림을 제거함에 따라 보다 특성이 우수한 전지용 수소흡장합금을 얻을 수 있다고 하는 것을 실험에 따라 발견했다.

그래서, 본 발명에서는 용탕급냉처리하여 제조한 상기 조성의 수소흡장합금을 200~500℃의 비교적 저온에서 1시간 이상 열처리함에 따라 상기 내부 뒤틀림을 제거하고 있다. 즉, 본 발명자들이 또한 검토한 결과, 전술한 1800℃/s 이상의 냉각속도로 제조한 본 발명의 수소흡장합금에 또한 상기의 열처리를 실시함에 따라 용량 및 수명이 동시에, 보다 개선된다고 하는 새로운 사실을 알아냈다.

상기 열처리온도가 200℃ 미만인 낮은 온도의 경우에는 내부 뒤틀림의 제거가 곤란해지는 한편, 온도가 500℃를 넘는 경우에는 Mn등의 합금성분의 증발에 의한 조성변동을 야기시키기도 하고, 이차 재결정화에 의한 합금강도의 저하를 일으킨다. 그렇게 하기 위한 열처리 온도는 200~500℃ 범위로 설정된다. 특히 전극특성을 향상시키기 위해서는 250~350℃ 범위가 바람직스럽다.

또한 열처리시간이 1시간 미만인 경우는 내부 뒤틀림의 제거효과가 적다. 한편 처리시간을 장기화하면 결정입자의 초대화를 야기할 우려가 높아지기 때문에, 제조화율을 감안하여 2~5시간 정도가 바람직스럽다.

즉 열처리분위기는 수소흡장합금의 고온산화를 방지하기 위하여 불활성 기체분위기 또는 진공이 바람직스럽다.

이와 같이 비교적 낮은 온도에서 용탕급냉합금을 열처리함에 따라 합금의 균질성을 보존하면서 내부 뒤틀림을 효과적으로 제거하는 것이 가능해지고, 전극용량 및 수명을 보다 높일 수 있다. 특히 Mn을 함유하지 않는 조성의 용탕급냉합금에서는 열처리효과는 적었지만, 본원 발명의 Mn을 함유한 조성의 것은 상기 열처리에 의해 전극용량 및 전지수명이 동시에 대폭 개선된다.

다음에 상술한 첫 번째 발명인 수소흡장합금을 음극 활성물질로서 사용한 본 발명의 세 번째 발명에 관한 니켈수소이차전지(원통형 니켈수소이차전지)에 대하여 제5도를 참조하여 설명한다.

수소흡장합금을 함유하는 수소흡장합금전극(음극)(11)은 비소결식 니켈전극(양극)(12)와의 사이에 세퍼레이터(13)을 개재하여 소용돌이형상으로 감아지고, 밑이 있는 원통형상의 용기(14)내에 수납되어 있다. 알칼리전해액은 상기 용기(14)내에 수용되어 있다. 중앙에 구멍(15)을 가진 원형의 봉입구판(16)은 상기 용기(14)의 상부개구부에 배치되어 있다. 링형상의 질연성 가스켓(17)은 상기 봉입구판(16)의 주변과 상기 용기(14)의 상부 개구부 내면의 사이에 배치되고, 상기 상부 개구부를 내측으로 수축하여 지나는 카시메 가공에 의해 상기 용기(14)에 상기 봉입구판(16)을 상기 가스켓(17)을 개재하여 기밀하게 고정하고 있다. 양극 리이드(18)는, 한쪽 말단이 상기 양극(12)에 접속되고, 다른쪽 말단이 상기 봉입구판(16)의 아래면에 접속되어 있다. 모자형상을 이루는 양극단자(19)는 상기 봉입구판(16)위에 상기 구멍(15)을 덮도록 장치되어 있다. 고무제의 안전마개(20)는 상기 봉입구판(16)과 상기 정극단자(19)에서 둘러싸여진 공간내에 상기 구멍15)를 막도록 배치되어 있다. 절연튜브(21)는 상기 양극단자(19) 및 상기 용기 (14)의 상단에 배치된 칼날종이(22)를 고정하도록 상기 용기(14)의 상단부근에 장치되어 있다. 상기 수소흡장합금전극(11)은 이하에 설명하는 페이스트식 및 비페이스트식의 것을 이용할 수 있다.

(1) 페이스트식 수소흡장합금전극은 수소흡장합금을 분쇄함에 따라 얻은 수소흡장합금분말과 고분자결합제와 필요에 따라 첨가되는 도전성 분말을 혼합하여 페이스트형상으로 하고, 이 페이스트를 집전체인 도전성 기판에 도포, 충진, 건조한 후 롤러프레스등을 실시함에 따라 제조된다.

(2)비페이스트식 수소흡장합금전극은 상기 수소흡장합금분말과 고분자결착제와 필요에 따라 첨가되는 도전성 분말을 교반하여 집전체의 도전성 기판에 산포한 후 롤러프레스등을 실시함에 의해 제조된다.

상기 수소흡장합금의 분쇄방법으로서는, 예를들면 볼밀, 미분쇄기, 제트밀등의 기계적 불쇄방법, 또는 고압의 수소를 흡장, 방출시켜 그때의 체적팽창에 따라 분쇄하는 방법이 채용된다.

상기 고분자결착제로서는 예를들면 폴리아크릴산소다, 폴리테트라플루오로에틸렌(PEFE), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 폴리비닐알코올(PVA)등을 들수 있다. 이와 같은 고분자결착제는 상기 수소흡장합금 100중량부에 대하여 0.5~5중량부의 범위로 배합하는 것이 바람직스럽다. 단, 상기 (2)의 비페이스트식 수소흡장합금전극을 제조하는 경우에는 교반에 의해 섬유화하여 상기 수소흡장합금분말 및 필요에 따라 첨가되는 도전성 분말을 삼차원상(네트상)으로 고정하는 것이 가능한 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 고분자결착제로서 이용하는 것이 바람직스럽다.

상기 도전성 분말로서는 예를들면 흑연분말, 케첸블랙등의 카본분말, 또는 니켈, 구리, 코발트등의 금속분말을 예로 들 수 있다. 이와 같은 도전성 분말은 상기 수소흡장합금 100중량부에 대하여 0.1~5중량부의 범위로 배합하는 것이 바람직스럽다.

상기 도전성 기판으로서는, 예를들면 판치드금속, 엑스팬드금속, 금속그물등의 이차원기판, 또는 발포금속기판, 그물형상 소결섬유기판, 부직포에 금속을 도금한 펠트도금기판등의 삼차원기판을 들 수 있다. 단, 상기(2)의 비페이스트식 수소흡장합금전극을 제조하는 경우에는 수소흡장합금분말을 함유하는 합제가 산포되는 점으로부터 이차원기판을 도전성 기판으로서 이용하는 것이 바람직스럽다.

상기 수소흡장합금전극과 조합되는 비소결식 니켈전극(12)은 예를들면 수산화니켈 및 필요에 따라 첨가되는 수산화코발트(Co(OH)₂), 일산화코발트(CoO), 금속코발트등과의 혼합물에 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 폴리아크릴산소다등의 폴리아크릴산염을 적절히 배합하여 페이스트로 만들고, 이 페이스트를 발포 금속기판, 그물상 소결섬유기판, 부직포에 금속을 도금한 펠트도금기판등의 삼차원구조의 기판에 충진하여 건조한 후 롤러프레스등을 시행함에 의해 제조된다.

상기 세퍼레이터(13)에 사용되는 고분자섬유 부직포로서는, 예를들면 나일론, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌등의 단체 고분자 섬유, 또는 이들 고분자섬유, 또는 이들 고분자섬유를 혼방한 복합 고분자섬유를 들 수 있다.

알칼리전해액으로서는 예를들면 6규정으로부터 9규정농도를 가진 수산화칼륨용액 또는 상기 수산화칼륨용액에 수산화리튬, 수산화나트륨등을 혼합한 것이 적용된다.

본 발명에 관한 니켈수소이차전지에 있어서 수소흡장합금전극을 구성하는 수소흡장합금으로서, 용탕급냉법에 따라 제조된 합금을 사용한다.

또한 상기 수소흡장합금전극을 사용하여 구성되는 니켈수소이차전지의 전해액량은 상기 수소흡장합금 전극용량에 대하여 0.4~1.8ml/Ah의 범위로 하고, 또한 니켈전극용량에 대한 상기 수소흡장합금전극의 전지방전상태에 있어서 미충전상태합금의 용량비를 1.1~2.0 범위로 한 것이다.

상기 수소흡장합금은 상기 회전디스크법, 단일롤법, 이중롤법, 기체 애터마이저법등의 용탕급냉법에 따라 제조된다.

상기 전해액량을 상기 수소흡장합금전극의 용량과의 관계어서 상기 범위로 한정한 것은 다음과 같은 이유에 의한 것이다. 상기 전해액량을 0.4ml/Ah 미만으로 하면, 상기 수소흡장합금전극이 전해액과 접하는 면적이 감소하기 때문에, 원활한 전지반응이 저해되고 전지를 구성하고 있는 니켈전극이 가진 용량을 충분히 인출할 수 없고 그 결과 전지용량이 저하한다. 상기 전해액량이 1.8ml/Ah를 넘으면, 나머지 전해액이 수소흡장합금전극의 표면을 덮고, 과충전상태에서 니켈전극으로부터 발생하는 산소기체의 원활한 환원이 저해되며, 전지내 압력이 상승하여 결국은 안전마개동작을 수반하는 전지특성의 열화를 초래한다.

상기 니켈전극의 용량에 대한 상기 수소흡장합금전극의 방전상태에 있어서, 미충전상태합금의 용량비를 상기 범위에 한정한 것은 다음과 같은 이유에 의한 것이다. 상기 용량비를 1.1 미만으로 하면, 수소흡장합금 전극의 용량에 따라 전지용량이 규제되기 때문에, 특별한 충전제어방법 및 방전제어방법을 사용하지 않으면 충전말기 및 방전말기에서 전지내압이 상승하고, 따라서 안전마개작동을 수반하는 전지특성의 열화를 초래한다.

한편, 상기 요구량비가 2.0을 넘으면 전지특성은 큰 지장은 없지만 전지내의 공간사이 체적이 감소하기 때문에 전지내부압력이 약간 상승하는 한편, 전지용기내에서 수소흡장합금전극이 차지하는 체적이 커지기 때문에 용랑규제전극인 니켈전극의 양이 감소하고 전지용량이 감소한다.

상기 구성에 관한 전지용 수소흡장합금에 따르면, Mn을 필수성분으로 하는 AB₅형 합금이고, 고용량이며 또한 사이클수명 및 초기특성이 우수하고 더욱이 방전전위가 안정한 니켈수소이차전지용의 음극재료를 제공할 수 있다. 상기 합금은 소정 소정의 합금용탕을 1800℃/초 이상의 냉각속도로 급냉함에 따라 얻을 수 있다.

이 결정조성을 가진 전지용 수소흡장합금이 전술한 우수한 특성을 가진 동작에 관해서는 명백하지 않지만 다음과 같은 작용에 의한 것으로 추정된다. 즉, 수소흡장합금의 결정방위가 일치해 있는 기둥형상결정에서는 수소를 흡장탈장한때의 합금의 팽창수축이 일정방향으로 행해지고, 합금내부에서의 응력이 감소됨에 따라, 합금의 미분화가 억제된다. 그 때문에 전해액에 접하는 면적의 증대가 억제될 수 있기 때문에 합금의 부식이 저하한다.

또한, 종래 기술의 제조방법으로 제조된(예를들면 주입법으로 제조됨) 전지용 수소흡장합금에 있어서는 입자경계부분에 산재하는 편석이 부식의 개시점이 되고 있다. 그러나, 본 발명에 따른 전지용 수소흡장합금에서는 냉각면으로부터 한쪽방향으로 결정이 성장하여 형성되는 기둥형상결정에서는 결정의 성장과 함께 원소의 편석이 합금의 특성 개소에 모이고, 합금내부에서의 부식의 개시점이 감소하기 때문이라고 생각된다.

따라서, 본 발명에 따른 전지용 수소흡장합금을 이용하여 전극을 구성하면 사이클 특성이 대폭 개선되는 니켈수소이차전지를 제공할 수 있는 것이다.

본 발명의 전지용 수소흡장합금에 관한 Mn농도분포에 관하여 기술한다.

합금중에 분포하는 Mn농도의 최대값이 합금전체의 Mn농도의 평균값이 1.3배를 넘는 값을 나타내는 합금은 Mn농도가 국부적으로 큰 부위가 합금중에 분산해 있다. 그와 같은 부위에서는 니켈수소전지의 음극에 이용되는 상태에 있어서 부식반응이 일어나기 쉽고, 수소흡장합금 자체의 열화가 진행하기 쉽다. 또한 그와 같이 Mn농도가 다른 부위가 존재하면 전극반응에 의한 수소의 흡장탈리에 수반하는 수소흡장합금체적의 팽창수축의 정도가 부분적으로 달라지기 때문에 합금내부에 응력이 생겨 미분화가 진행하기 쉬워지고 미분화에 의한 비표면적 증대의 결과, 수소흡장합금의 열화가 보다 한층 가속된다.

합금중에 분포하는 Mn농도의 최대값이 합금중의 Mn농도의 평균값의 1.3배 이하의 값을 나타내는 수소흡장합금에 있어서는 상기 현상의 발생이 일어나기 어렵다. 따라서, 이와 같은 합금을 음극에 적용한때, 합금부식의 진행이 억제되기 때문에 니켈수소전지의 사이클수명 특성이 향상한다고 생각할 수 있다.

다음에 본 발명에 따른 수소흡장합금에 있어서 편석해 있는 Mn의 최대직경에 관하여 기술한다. 편석해 있는 Mn의 최대직경이 0.5㎛를 넘는 합금은 편석부분이 크기 때문에 이와 같은 합금을 니켈수소전지에 이용한때, 편석점이 부식반응의 기점이 되고, 수소흡장합금 자체의 열화가 진행하기 쉬워진다. 또한 전극반응에 의한 수소흡장탈리에 수반하여 합금이 팽창수축하면 Mn이 편석점에 응력이 집중하기 때문에 그 편석점으로부터 발생하기 쉬어지고 미분화가 보다 진행하기 쉬워진다.

한편, 편석하여 있는 Mn이 최대직경이 0.5㎛ 이하인 수소흡장합금에 있어서는 상기 현상의 발생은 일어나기 어려워진다. 따라서 이와 같은 합금을 니켈수소전지의 음극의 적용한때에는 음극합금의 부식진행이 억제되기 때문에 니켈수소전지의 사이클수명 특성이 향상한다고 생각될 수 있다. 더우기, 본 발명에 관한 수소흡장합금으로서, 적어도 90체적% 이상이 ABx(단, A는 Y를 함유하는 희토류원소(구체적으로, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Lu)로부터 선택되는 적어도 한가지 종류이고, B는 Co, Al, Fe, Si, Cr, Cu, Mn, Ti, Zr 및 Zn중으로부터 선택되는 적어도 한가지 종류의 원소를 주성분으로 하는 금속이며, X는 5.05≤X≤6로 이루어진 단일상이라는 것이 필요하다는 점은 상기 수소흡장합금을 활성물질로서 전극을 형성하고, 상기 전극을 이용하여 전지를 구성하는 경우, 농도가 진한 알칼리전해액에 대한 내식성이 대폭 향상할 수 있다. 그 결과, 사이클수명등의 특성을 개선한 알칼리이차전지(예를들면 니켈수소이차전지)를 실현할 수 있다.

상기 단일상의 ABx의 합금조성을 가진 수소흡장합금이 상기 우수한 내식성을 가지는 이유는 명백하지 않지만 다음과 같은 동작에 의한 것으로 추정된다.

즉, 우선 X선 회절관찰에 따라 결정구조가 CaCu₅형인 단일상으로 이루어지지 않고 복수의 상을 10체적% 이상 함유하고 있는 수소흡장합금에 있어서는 다른 종류의 조성의 합금상이 접하는 일이 많아진다. 이와 같은 이종의 조성인 합금상끼리의 계면은 기계적 강도가 약하고, 상기계면으로부터 수소의 흡장, 방출에 수반한 갈라짐이 생기기 쉬워진다. 또한, 상기 계면에는 편석에 기인한 부식이 생기기 쉬워진다. 또한, ABx이외의 조성을 가진 상을 ABx에 비해 전극사용 조건하에서 수소이온의 흡장량이 적다. 그결과, 상기 수소흡장합금을 활성물질로서 함유하는 전극이 조립된 니켈이차전극을 평가하면, 수명의 향상을 알 수 있을 뿐 아니라 용량의 감소도 알 수 있었다.

이와같은 점으로부터, 상기 수소흡장합금을 적어도 90체적%가 단일상인 AB1로 함에 따라 전극사용조건하에서 갈라짐, 부식을 억제하고, 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 결정구조가 CaCu₅형이면서, 비화학량론조성의 수소흡장합금은 결정에 비틀림이 생기기 때문에 수소의 흡장, 방출에 수반하는 팽창수축에 견디고, 그 결과 전극의 사이클수명을 늘릴 수 있다. 또한 수소의 확산이 빨라진다. 그 결과, 전지에 함유된때의 대전류방전 특성을 개선하는 효과도 가진다.

한편, 용탕급냉법에 의한 수소흡장합금은 불활성 분위기 내지 진공중에서 원료를 도가니에서 용해한 후, 주형에 주입함에 의해 제조되는 종래 방법에 의한 수소흡장합금에 비교하고 조성을 균질화할 수 있는 것과 동시에 결정크기를 미소화할수 있는 한편, 냉각중의 응고편석을 억제할 수 있다. 그결과, 상기 수소흡장합금을 활성물질로서 전극을 형성하고, 상기 전극을 이용하여 전지를 구성한 경우, 알칼리성 전해액에 의한 부식속도를 줄일 수 있다.

그러나, 용탕급냉법으로 제조한 수소흡장합금을 함유하는 음극을 이용하여 상기 니켈수소이차전지를 구성하는 경우에는 종래 방법에 따른 합금과 동일하고 전지설계로는 용탕급냉법으로 제조한 수소흡장합금이 지닌 특징을 발휘시킬 수 있을 뿐만 아니라, 특히 전해액양이 과대한 경우에는 종래의 방법에 따른 전지특성으로부터 재현할 수 없는 경우가 있다.

이와 같은 점으로부터 본 발명에 관한 니켈수소이차전지에서는 전해액양을 수소흡장합금의 음극의 용량비에 대해 0.4~1.8ml/Ah의 범위로 규정함에 의해 원활한 전지반응이 이루어지고 니켈전극의 용량을 충분히 발휘시킬 수 있으며 용량을 향상시킬 수 있다. 게다가, 과충전상태에서 니켈전극으로부터 발생하는 산소기체를 원활하게 환원할 수 있고, 전지내부압력이 상승을 억제할 수 있다.

또한, 니켈전극의 용량에 대한 상기 수소흡장합금음극의 방전상태에 있어서 미충전상태합금의 용량비를 1.1~2.0의 범위로 규정함에 의해 전지용량이 수소흡장합금전극용량으로 규제시키는 것을 회피하고, 특별한 충전억제방법 및 방전제어방법을 사용하지 않고, 충전말기 및 방전말기에서 전지내부압력의 상승을 억제할 수 있다. 동시에, 전지용기내에 붙은 수소흡장합금전극의 체적을 작게 할 수 있고 그 부분, 용량규제전극인 니켈전극의 양이 증대할 수 있기 때문에 용량을 증대할 수 있다.

따라서, 용탕급냉법으로 제조한 수소흡장합금의 특성을 살리면서 고용량에서 전지내부압력이 상승억제가 도모되는 오랜 수명에서 가격이 저렴한 니켈수소이차전지를 얻을 수 있다.

또한 상기 합금을 200~500℃정도의 비교적 저온에서 열처리함에 따라 합금의 균질성을 보존하면서 내부 뒤틀림을 제거하는 것이 가능하고 보다 전지특성이 우수한 니켈수소전지를 제공할 수 있다.

[실시예]

이하 본 발명의 실시예에 관하여 보다 구체적으로 설명한다.

실시예 1~9

용탕급냉법에 따른 냉각을 행해 얻을 수 있는 용탕급냉합금이 표 1에 표시한 조성으로 되는 것같이, 용해시의 감소를 예상하여 여러 가지 원료혼합체를 제조했다. 각 원료혼합체를 Ti보라이드제 도가니에 투입하고, 고주파 유도가열법에 따라 용해하여 각종 합금용탕을 제조했다. 다음에 얻어진 각 합금용탕을 제1도에 표시한 단일롤법장치의 냉각롤표면에 사출함에 따라 두께 50㎛의 플레이크상의 용탕급냉합금을 제조했다. 여기에서 냉각롤에서는 직경 300mm의 구리제 롤을 이용하고, 사출노즐과 냉각롤과의 간격폭은 50mm로 설정함과 동시에 사출압력은 0.02kgf/㎠으로 설정했다. 또한 냉각처리는 진공중에서 실시하고, 냉각롤의 회전수는 600rpm으로 설정하며, 합금용탕의 평균냉각속도가 약 2400℃/초가 되도록 조정했다.

다음에 얻어진 각 용탕급냉합금을 분쇄하여 200메쉬 이하로 분급하여 전지용 수소흡장합금분말을 제조했다. 다음에 제조한 전지용 수소흡장합금분말, PTFE분말 및 카본분말을 각각 중량%로 95.5%, 4.0%, 0.5%가 되도록 칭량후, 혼연하여 각 전극시트를 만들었다. 전극시트를 소정의 크기로 잘라내어 니켈제 집전체에 압착하고, 수소흡장합금전극을 각각 만들었다. 그리고, 각 수소흡장합금전극에 관하여 합금 1g당 220mA의 전류값(220mA/g)으로 300mAh/g까지 충전한후에, 상기 전류값으로 Hg/HgO 참조 전극에 대하여 -0.5V의 전위차가 될 때까지 방전한때의 최대전극용량을 측정하여 표 1에 표시한 결과를 얻었다.

또한, 각 전극의 활성회수를 측정했다. 여기에서, 이 활성회수는 제조한 전극이 최대용량을 나타낼 때까지 필요한 충전·방전 사이클수이고, 상기 합금을 사용하여 제조한 전지의 전지특성의 상승의 좋고 나쁨을 판정하는 지표가 된다.

한편, 수산화니켈 90중량% 및 일산화코발트 10중량%에 소량의 CMC(카르복시 메틸셀룰로오스) 및 물을 첨가하여 교반혼합하여 페이스트를 제조했다. 이 페이스트를 이차원구조를 가진 니켈다공체에 충진건조후, 를프레스에 의해 압연함에 따라 니켈전극을 제조했다.

그리고 상기 각 수소흡장합금전극 및 니켈전극을 조합하여 각 실시예의 AA형(단삼형) 니켈수소전지를 조립했다. 여기에서 각 전지의 용량은 니켈전극의 이론용량인 650mAh가 되도록 설정하고 전해액으로서는 7규정의 수산화칼륨 및 1규정의 수산화리튬의 혼합수용액을 사용했다.

다음에 각 전지에 관하여 650mA에서 1.5시간 충전후, 전지전압이 1V가 될 때까지 1A의 전류로 방전하는 충전·방전사이클을 되풀이하고, 전지용량이 초기용량의 80%가 될 때까지 사이클수를 전지수명으로 하여 측정했다.

또한 각 전지를 조립하여 10사이클 충전·방전한 후 전지를 분해하여 음전극으로 사용한 수소흡장합금의 금속조직의 분석을 수행했다. 즉 일단 전지에 함유된 수소흡장합금분말은 고분자결착제등과 일체화해 있고, 또한 전해액 또는 미세구조관찰시에 사용하는 엣칭액에 따라 부분적으로 부식시키고 있기 때문에, 그대로는 금속조직을 관찰하는 것은 곤란하다. 그결과, 하기에 표시한 바와 같은 (1)~(3)의 순서로 분석시료를 만들고, 또한 (4)에 표시한 방법으로 금속조직의 분석을 실시했다.

(1) 음극의 꺼냄

완전히 방전시키지 않은 상태에서 전지를 분해하면 음극에 함유된 수소흡장합금이 발화할 위험성이 있기 때문에 니켈수소전지를 완전히 방전시킨후에 전지를 분해하여 음극을 꺼낸다. 발화를 방지하기 위하여 전지로부터 꺼낸 음극은 충분히 물로 세척하여 건조시킨다. 물세척 또는 건조가 불충분하면 다음공정의 수지보충의 때에 수지와의 융합이 나빠서 떨어질 우려가 있다.

(2) 수지에 의한 음극의 메움

건조한 음극으로부터 10mm×5mm의 시료조각을 10매 잘라내어 1~10의 시료번호를 매긴다. 이들 시료조각을 성형용형의 가운데에 긴벽이 아래가 되도록 수직으로 세우고, 그 간격부에 수지를 흘려넣어 경화시키고 복합체를 형성한다. 이 메움용 수지로서는 에폭시수지등의 점성이 낮은 수지를 이용한다. 또한 시료조각과 수지의 밀착도를 높이기 위해 수지온도를 높이기 때문에 수지의 온도를 높여서 점성을 낮춘 상태에서 성형형중에 흘려 넣으면 좋다.

(3) 복합체의 연마

경화한 복합체표면을 내수연마지(#600)~(#1500)를 순차사용하여 연마하고, 수소흡장합금의 단면을 노출시킨다. 이 연마조작은 연마기계에 의해 실시해도 좋지만 마찰력이 크기 때문에 전극내의 수소흡장합금이 떨어지기 쉬워진다. 따라서 상기 연마는 손으로 실시하는 것이 바람직스럽다.

(4) 합금조직의 관찰

상기 시료조각에 함유된 수소흡장합금의 금속조직을 SEM(주사형 전자현미경)으로 관찰하는 경우, 수소흡장합금이 고분자결착제등과 일체화해 있고, 부분적으로 금속조직을 명확히 확인할 수 없는 것도 있다. 따라서 금속조직을 확인할 수 있는 합금만을 관찰대상으로 한다.

상기 관찰은 금속조직이 가장 많이 사진촬영할 수 있도록 시야를 선택하고, 전극단면에 노출한 수소흡장합금이 금속조직을 SEM을 이용하여 1500~2000배 정도의 배율로 사진촬영한때에 제12도, 제18도 및 제24도에 도해하여 표시한 바와 같이 결정입자를 확인할 수 있는 부정형 모든 결정조직중, 그 결정조직의 내부에 접하는 최대 장방형으로 면이 나누어진 영역 R의 범위내에서 수행했다. 이때, 음극에 함유된 본 발명의 수소흡장합금의 하나하나에 대하여, 확인할 수 있는 금속조직내에 있어서 애스펙트비가 1 : 2 이상인 결정입자가 차지하는 비율은 50% 이상이 바람직스럽다. 보다 바람직스럽기로는 70%이상, 더욱 바람직스럽기로는 80% 이상이다. 상기 비율이 50% 미만인 경우에는 결정입자계가 늘고, 그 결과, 편석도 증가하여 합금입자의 열화가 현저해지기 때문이다. 더구나, 상기 애스펙트비가 1 : 2 이상인 결정입자수의 비율이 확인할 수 있는 금속조직에 모든 입자수에 대하여 30% 이상, 보다 바람직스럽기로는 50% 이상, 더욱 바람직스럽기로는 70% 이상인 것이 필요하다. 상기 결정입자수의 비율이 30% 미만인 경우에는 열화하기 쉬운 결정입자수가 상대적으로 많아지고 전지를 형성한 경우에 수명이 현저히 단축해 버리기 때문이다.

여기에서 에스펙트비로는 결정입자의 짧은 직경과 긴 직경과의 비이고, 긴 직경으로는 결정입자의 축방향의 최대길이이며, 짧은 직경으로는 그 축직각방향의 최대길이를 말한다.

본 발명에 관한 수소흡장합금의 금속조직에 있어서 기둥형상결정입자의 평균 짧은 직경은 30㎛ 이하, 보다 바람직스럽기로는 20㎛ 이하, 더욱 바람직스럽기로는 10㎛ 이하인 것이 바람직스럽다. 상기 평균 짧은 직경이 30㎛를 넘으면, 편석이 많이 발생하고 합금의 내식성이 저하하여 수명이 짧아지며 더우기 전지를 제조한때의 충전·방전사이클의 저하가 현저해진다. 또한 합금내에 있어서 수소의 이동경도인 입자계면의 면적이 작아지기 때문에 수소의 확산저항이 커지고, 대전류방전시의 전지전압이 저하하기 쉬워진다.

다음에 수소흡장합금의 금속조직을 구성하는 기둥형상결정의 애스펙트비를 구하는 방법을 구체적으로 설명한다.

제6도는 실시예에 관한 수소흡장합금의 금속조직의 예를 표시한 전자현미경사진이고, 단일롤장치의 냉각롤에 접한 용탕급냉합금의 두께방향의 파단면을 나타내고 있다. 상기 수소흡장합금은 분쇄하기 전의 플레이크상의 용탕급냉합금이다. 제6도에 있어서, 파단면의 아랫측이 냉각롤에 접해 있는 냉각면이고, 상측이 자유면측이다. 용탕급냉처리에 따라, 냉각면측으로부터 수직방향으로 여러 가지 애스펙트비를 가진 기둥형상결정이 성장하는 있는 상태를 명료하게 식별할 수 있다.

그러나 실제 전지의 음극에는 상기 플레이크상의 용탕급냉합금을 분쇄한 것이 사용되고, 또한 그 분쇄분말도 전해액에 의해 침식시키고 있는 경우도 있기 때문에 SEM에 의해 관찰을 행한 경우에 반드시 설명한 기둥형상결정이 관찰한 것에 한정되는 것은 아니다. 이하 제7도 내지 제10도를 참조하여 금속조직이 선명하지 않게 되는 경우에 관하여 설명한다.

제7도 ~제10도는 실제로 사용한 전지로부터 얻은 음극에 함유된 수소흡장합금의 SEM 사진이다. 즉 제7도는 냉각롤의 냉각면에 대하여 수직방향의 파단면이 관찰되고, 수직방향으로 기둥형상결정이 성장하고 있는 상태를 식별할 수 있다. 제8도는 냉각롤에 접하는 측과 반대측의 자유면측의 표면 조직을 나타내고 있다. 이 경우는 기둥형상결정의 짧은 직경에 접하는 단면만이 관찰되기 때문에 마치 등축결정과 같이 관찰되는 경우가 있다. 제9도는 중앙부에 기둥형상결정이 부분적으로 관찰되지만, 우측상부는 전해액에 침식되어 있기 때문에 전체로서 금속조직을 명료하게 식별하는 것이 곤란하다. 제10도는 수소흡장합금의 상부표면(백색부분)이, SEM 관찰시 사용하는 엣칭액에 의해 침식되기 때문에 금속조직전체가 명료하게 식별할 수 없는 예를 표시한다.

그 결과 음전극에 함유되는 수소흡장합금의 금속조직을 분석하는 경우에는 대상면을 현미경면 연마한 후에 그 금속조직의 결정입자계를 노출시키기 때문에 엣칭처리를 행한다. 그러나, 이 엣칭액이 수소흡장합금의 조성에 적합하지 않은 경우에는 엣칭액이 합금전체를 과도하게 침식하고 말기 때문에 결정 입자계를 선명하게 노출시키는 것은 불가능해진다. 따라서 예를들면 기둥형상결정이 형성되어 있어도 침식도가 큰 경우에는 금속조직전체를 식별하는 것이 곤란해진다. 한편, 침식도가 작은 경우에도 기둥형상결정의 형태는 겨우 확인되지만 결정입자계를 선명하게 식별하는 것은 곤란하다. 즉 상기 이외에 냉각롤면에 대하여 경사진 파단면이 관찰되는 경우에는 냉각롤면과 파단면을 이루는 각도에 따라서는 기둥결정이 마치 등축결정과 같이 관찰되는 경우가 있다. 따라서 이 경우에는 기둥결정의 면적비율을 측정하는 경우에는 주의를 요한다.

제11도, 제17도 및 제23도는 실제로 사용한 전지로부터 빼낸 음극에 함유된 수소흡장합금입자의 SEM 사진이다. 상기 제11도, 제17도 및 제23도에 표시한 수소흡장합금입자는 각각 실시예 5, 실시예 1 및 실시예 8에 대응하는 것이다.

제17도의 중앙부에 표시한 바와 같이 기둥형상결정이 발달한 선명한 합금입자가 관찰되는 한편, 그 주위에는 전지의 전해액 또는 현미경으로 검사하는때 사용한 엣칭액에 의해 부식액에 의해 부식되어 있기 때문에 결정조직을 선명하게 관찰할 수 없는 합금입자도 있다. 특히 엣칭액이 수소흡장합금의 조성에 적합하지 않은 경우는 엣칭액이 합금표면을 침식하기 위해 금속조 직을 관찰하는 것이 불가능해진다.

다음에 상기 SEM 사진에 기초하여 애스펙트비가 1 : 2 이상인 결정입자가 전체 결정입자에 차지하는 비율을 산정하는 방법에 대하여 기술한다. 우선 연마된 1개의 음극조각의 단면에 관찰된 모든 수소흡장합금입자중, 금속 조직이 선명하게 표시되어 있는, 합금입자수를 계수하고, 그 값을 N1이라 한다. 이때, 합금입자가 수소흡장합금인 것을 확인하기 위하여 X선 마이크로분석기(EPMA) 또는 에너지분산형 X선분석기(EDX)등을 사용하고, 희토류원소로 부터의 특유한 신호를 검출한다. 이 특유한 신호가 검출되지 않는 경우에는 분쇄조각과 같은 부착물로 추정되고 수소흡장합금입자는 아니라고 판정하고 합금입자수로부터 제외한다.

다음에 상기 N개의 합금입자중, 애스펙트비가 1 : 2 이상인 결정입자가 금속조직면적의 50% 이상을 차지하는 합금입자수 N'을 계수한다. 이하, 음극의 각 시료조각 1~10에 대하여 동일하게 계수한다.

이와 같이하여 구한 N~N및 N'~N'의 값을 하기식에 대입하여 기둥형상결정조직의 비율을 산출할 수 있다.

×100

다음에 상기 기둥형상결정조직이 금속조직에 있어서 차지하는 비율의 산정법에 대하여 기술한다. 즉, 상기기둥형상결정으로는 애스펙트비가 1 : 2 이상인 장척의 결정입자를 조사대상으로 했다. 또한, 애스펙트비가 1 : 2 미만인 결정입자에는 등축결정뿐만 아니라 급냉층 또는 각종 부착물에도 함유되어 있다. 상기 기둥형상결정의 점유면적은 영상분석기(LUZEX 500형, 일본 레귤레이터 K·K·사제)를 사용하여 측정했다. 즉 실시예 5를 예로들어 설명하면, 제11도에 표시한 바와 같은 금속조직을 촬영한 SEM 사진상에 얇은 트레이싱페이퍼(칭량 : 40g/㎡정도)를 놓고 결정입자계를 페이퍼상에 베껴내고 제12도에 표시한 바와 같은 도면을 만든다. 제12도에 표시한 수소흡장합금입자에 있어서 기둥형상결정(31)의 좌측에는 전해액에 의해 침식된 침식부(30)이 형성되어 있다. 또한 영역 R내의 중앙에는 분쇄물의 단편등의 부착물(33)이 개재해 있다.

다음에 작성한 도면에 있어서 애스펙트비가 1 : 5 이상인 기둥형상결정에 상당하는 부분을 좌사선으로 나타내어 제13도를 얻는다. 동일하게 에스펙트비가 1 : 4 이상인 기둥형상결정부분을 우사선으로 표시하여 제14도를 얻는다. 이하 동일하게 애스펙트비가 1 : 3의 경우, 1 : 2이상의 경우에 관하여 격자선으로 표시하여 각각 제15도 및 제16도를 얻는다. 다음에 제13도~제16도에 관하여 영상분석기를 사용하여 화상처리를 행하고, 상기 애스펙트비가 상당하는 기둥 형상결정의 면적비율을 광학적으로 해석하여 연산한다. 즉, 영상분석기는 대상범위 R내의 기둥형상결정의 유무를 색의 농담으로 식별하고 기둥형상결정에 상당하는 사선부분의 면적비율을 산출한다.

제17도~제22도 및 제23도~제28도는 다른 합금조직에 관하여 상기 면적비율을 누적적으로 산출한 예를 표시하고 있다. 제17도는 실시예 1에 관한 수소흡장합금입자를 표시한 SEM 사진이다. 제17도의 SEM 사진으로 표시한 합금입자중, 결정조직이 선명하게 식별할 수 있는 중앙부의 합금입자의 결정조직을 트레이스하여 제18도에 표시한 도면을 얻을 수 있다. 제18도에 있어서, 상부가장자리의 직선부는 냉각롤에 대한 당접면(34)이고, 이 당접면(34)을 따라 냉각롤의 초급냉작용에 따라 생긴 미세한 급냉층(35)이 생성하고 있다. 즉 급냉층(35)은 미세하기 때문에 결정입자계는 도시하고 있지 않다. 또한, 영역 R의 우측에 부착물(33)이 개재하여 있다.

이하 실시예 5의 경우와 동일하게 하여 애스펙트비가 1 : 5 이상, 1 : 4 이상, 1 : 3 이상, 1 : 2 이상인 기둥형상결정부분을 사선으로 표시하여 각각 제19도 내지 제22도의 도면을 얻을 수 있다.

실시예 8에 관한 수소흡장합금에 대해서도 동일하게, 제23도에 표시된 SEM사진으로부터 결정조직을 표시한 제24도의 도면을 만들고, 이하 각 애스펙트비의 범위마다 해당하는 기둥형상결정을 사선으로 표시하고 제24도~제28도를 만들고, 각 도면에 대하여 영상분석기에 의해 해석하고, 기둥형상결정부분의 면적비율을 구할 수 있다.

제11도 내지 제28도로부터 명백한 바와 같이, 결정조직에 있어서도 기둥형상결정(31)이 충분히 성장해 있는 한편, 조직내에 부분적으로 등축결정(32)도 존재하는 것이 확인되었다.

즉 상기 해석을 행하는 범위는 제12도, 제18도 및 제24도에 표시한 바와 같이, 결정입자를 확인할 수 있는 부정형인 전체 결정조직중, 그 결정조직에 접하는 최대장방형으로 구획되는 영역 R의 범위내로 했다. 즉 상기 영역 R의 경계상에 존재하는 기둥형상결정은 영역 R내만의 면적을 채용하는 한편, 애스펙트비는 영역외에 존재하는 부분를 함유한 기둥형상결정전체의 형상으로부터 산정했다.

이와 같이 하여 실시예 1~9에 관한 각 수소흡장합금의 기둥형상결정의 면적비율, 기둥형상결정의 짧은 직경, 그 수소흡장합금을 사용한 전지의 최대전극용량, 충전·방전사이클수(수명) 및 활성회수를 정리해서 전술한 표 1에 표시한다.

표 1에 표시한 결과로부터 명백한 바와 같이, Mn을 첨가한 소정조성의 합금용탕을 급냉처리하여 제조한 실시예 1~9에 관한 전지용 수소흡장합금에 따르면, 어느쪽이나 결정조직에 충분히 기둥형상결정이 성장함과 동시에 구성원소의 편석이 매우 작기 때문에 음전극재료로서 사용한 경우에 수명을 손상시키지 않고 전극용량을 대폭 개선할 수 있었다.

또한 최대전극용량에 달할 때까지 필요한 충전·방전사이클수, 즉 활성회수가 2~3사이클로 작기 때문에, 전지특성의 초기상승이 신속하고 전지제조비용을 줄일 수 있었다.

즉, 실시예 1~9에 있어서 제조한 각 수소흡장합금분말에 대하여 전극을 제조하기 전에 하기 (A), (B) 및 상기 (4)에 표시한 순서로 금속조직의 분석을 수행했다.

(A) 수지메움

합금시료 약 100mg을 채취하여 직경 20mm의 SEM 시료용 수지메움분말(폴리프로필렌제) 중앙부에 산포한다. 이어서, SEM 시료메움용 수지로서 시판되고 있는 에폭시수지(뷰러사제 EPO-MIX) 및 경화제를 잘 혼합한 후, 혼합체를 상기 메움분말에 주입하여 경화시킨다. 이때, 시료와 수지의 밀착성을 향상시키기 위하여, 수지를 미리 60℃정도까지 온도를 올려 점도를 저하시키기도 하고, 수지주입후 진공데시케이터중에서 진공을 만들어 기포를 없애는 것이 바람직스럽다.

(B) 연마

상기 순서에 따라 메움을 실행한 시료를 이어서 연마기에서 현미경면의 마무리가 될 때까지 연마한다. 수소흡장합금시료는 물과 반응하기 쉽기 때문에 연마는 메틸알콜을 적하하면서 내수연마지의 거칠음을 180번, 400번, 800번 순서로 세밀하게 하면서 200rpm으로 회전하는 회전식 연마기에 따라 연마한후, 동일하게 회전 연마기에 펠렛을 고정하여 다이아몬드 페이스트의 입자도를 15마이크론, 3마이크론, 0.25마이크론의 순서로 세밀하게 하면서 연마하여 현미경면의 끝손질을 했다.

상기 순서로 얻을 수 있는 각 시료조각에 관하여, 상기 (4)에 표시된 방법으로 수소흡장합금의 기둥형상 결정의 면적비율 및 기둥형상결정의 짧은 직경을 측정했다. 그 결과, 실시예 1~9에 관한 수소흡장합금은 10 사이클 충전·방전을 수행한 니켈수소전지로부터 빼낸 전극에 함유된 합금의 기둥형상결정에 관한 각 측정값(표 2)과 거의 동일한 값을 나타낸다는 것을 확인했다.

실시예 10

용탕급냉법에 따른 냉각을 행해 얻을수 있는 용앝급냉합금의 조성이 LmNi_4.0Co_0.4Mn_0.3Al_0.3(Lm은 La부화 미쉬금속이고, Ce : 3중량%, La : 50중량%, Nd : 40중량%, Pr : 5중량%, 다른 희토류원소 : 2중량%로 이루어진다)로 이루어지는 것과 같이 용해시의 감소를 미리 감안하여 조성을 조정한 AB₅형 수소흡장합금 인고트 200g을 고주파 유도가열로에서 용해하여 합금용탕을 제조했다. 다음에 얻을 수 있는 합금용탕을 제1도에 표시한 단일롤법 장치의 냉각롤표면에 적하함에 의해 두께 50㎛의 플레이크상 용탕급냉합금을 제조했다.

이 용탕급냉합금을 아르곤분위기중에서 온도 300℃에서 4시간 열처리한 후에 분쇄하고, 200메쉬이하로 분급한 합금분말을 전지용 수소흡장합금(합금분발(A)라함)으로 했다. 한편, 합금분발(A)와 동일한 방법으로 용탕급냉합금을 제조하고, 열처리온도를 각각 150℃, 200℃, 250℃, 300℃, 400℃, 550℃, 600℃로 설정하고 2시간 열처리하여 200메쉬이하로 분급한 합금분말을 각각 (B)~(I)합금분말로 했다. 또한 (A)합금분말에서의 열처리 시간을 각각 0.5시간, 1시간, 6시간으로 설정한 것을 각각 (J)~(L)분말로 했다.

한편, 비교를 위해, (A) 합금분말과 동일한 방법으로 용탕급냉합금을 제조하고, 열처리하지 않고 200메쉬이하로 분급한 합금분말을 (M)합금분말로 했다.

상기 각 합금분말 (A)~(L)의 열처리후에 있어서 조성 및 열처리하지 않은 합금분말(M)의 조성을 하기 표 2에 나타낸다.

표 2에 나타낸 결과로부터 명백한 바와 같이, 열처리를 실시하지 않은 합금분말(M)은 거의 원하는 조성을 나타냈다. 또한 150~500℃의 온도범위에서 열처리를 실시한 합금분말 (A)~(G) 및 (J)~(L)에서는 큰 조성변동은 나타나지 않았다. 한편, 합금분말 (H) 및 (I)에서는 열처리온도가 높았기 때문에 증발하기 쉬운 희토류원소 및 망간(Mn)의 감량이 약간 많고 조건변동이 커졌다. 이와 같이 고온에서의 열처리는 합금조성을 바꾸기 쉽게 하기 때문에 열처리온도는 저온도영역에서 실시하는 것이 바람직스럽다.

다음에 제조한 (A)~(M)분말의 어느쪽이나 PTFE 분말 및 카본분말을 각각 중량%로 95.5%, 4.0%, 0.5%가 되도록 칭량후, 혼연하여 각 전극시이트를 제조했다. 전극시이트를 소정의 크기로 잘라서 니켈제 집전체에 압착하고, 수소흡장합금전극을 제조했다. 여기에서 합금분말 (A)~(M)으로부터 제조한 전극을 각각 전극 (A)~(M)으로 했다.

그리고, 각 수소흡장합금전극 (A)~(M)에 대하여, 합금 1g당 220mA의 전류값(220mA/g)에서 300mAh/g까지 충전한 후에, 상기 전류값에서 Hg/HgO 참조전극에 대하여 -0.5V의 전위차가 될 때까지 방전시킨때의 최대전극용량을 측정하여 표 3에 표시한 결과를 얻었다.

한편, 수산화니켈 90중량% 및 일산화코발트 10중량%에 소량의 CMC(카르복시메틸셀룰로오스) 및 물을 첨가하여 교반혼합하여 페이스트를 제조했다. 이 페이스트를 삼차원구조를 가진 니켈다공체에 충진건조후, 롤러프레스에 의해 압연시킴에 따라 니켈전극을 제조했다.

그리고 상기 각 수소흡장합금전극 (A)~(M) 및 니켈전극을 조합시켜 AA형(단삼형)니켈수소전지를 조립했다. 여기에서 상기 합금전극(A)를 음극으로서 사용한 전지를 전지(A)로 하고, 이하 동일하게 전지 (B)~(M)으로 했다. 여기에서 각 전지의 용량은 니켈전극의 이론용량인 650mAh가 되도록 설정하고 전해액으로서는 7규정 수산화칼륨 및 1규정 수산화리튬의 혼합수용액을 사용했다.

다음에 각 전지 (A)~(M)에 대해 650mA 내지 1.5시간 충전후, 전지전압이 1V가 될 때까지 1A의 전류에서 방전하는 충전·방전사이클을 반복하고, 전지용량이 초기용량의 80%가 될 때까지의 사이클수를 전지수명으로하여 측정하고, 상기 표 4에 나타낸 결과를 얻었다.

표 3에 나타낸 결과로부터 명백히 한 바와 같이, 열처리를 실시한 합금분말을 사용하면 합금전극 (A), (C)~(G), (K)~(L)에 표시되는 바와 같이, 어느쪽이나 보다 높은 전극용량을 얻을 수 있었다. 또한 수명특성에 있어서도 열처리를 실시한 합금분말을 사용한 전지 (A), (C)~(G), (K)~(L)은 650~794사이클로 보다 특성을 향상할 수 있다는 것을 확인했다.

이들 현상은 하기 기구에 따라 달성되는 것으로 추정된다. 즉, 합금전극 (A), (C)~(G), (K)~(L)에서는, 열처리가 효과적으로 작용하여 합금조직중의 미소한 결정뒤틀림을 제거했다. 이를 위해 합금의 단위중량당 수소흡장능력을 향상했다. 따라서, 열처리를 실시하지 않은 합금전극(M)보다도 전극용량이 대폭 증가하고, 수소흡장·방출시의 응력감소가 초래되었다. 또한, 이들 합금전극을 사용한 전지의 수명특성도 대폭 개선되었다. 특히 250~350℃의 온도범위에서 1시간이상 열처리한 합금분말 (A)(D)(E)(K)(L)을 사용한 경우에 특히 개선효과가 커지는 것이 실증되었다.

한편 합금분말(B)의 경우는 열처리온도가 150℃로 낮고, 또한 합금분말(J)의 경우는 열처리시간이 0.5시간으로 짧기 때문에, 어느쪽이나 결정뒤틀림의 제거가 불충분하고 열처리를 실시하지 않은 합금분말(M)과 거의 동등한 전극용량 및 전극수명밖에 얻을 수 없었다.

또한 합금분말(H) 및 (I)의 경우는 열처리온도가 550~600℃로 너무 높아지기 때문에, 휘발성이 높은 Mn 또는 희토류원소의 감량에 따른 합금조성의 변동 및 이차재결정화에 따른 합금강도의 저하가 발생하고, 전극용량 및 전지수명이 동시에 저하했다.

실시예 11

실시예 10과 동일항 용탕급냉법에 따라, Mn 첨가량 x를 변화시킨 각종 용탕급냉합금을 제조했다. 용탕급 냉합금의 조성식은 LmNiCoMnxAl이고, Mn 첨가량 x를 0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.8, 1.2로 변화시켰다.

또한 Lm은 L 부화 미쉬금속이고, 실시예 10과 동일한 것을 사용했다. 얻어진 용탕급냉합금을 열처리하지 않고, 그대로 사용하여 합금전극을 형성하고, 또한 그 합금전극과 니켈전극을 조합시켜 전지를 제조하고 그 전극용량 및 전지수명을 측정했다.

또한 각 합금에 대하여, 실시예 10에 있어서 가장 효과가 있는 열처리조건(Ar 기체분위기에서 온도 300℃로 4시간 가열한다)으로 열처리했다. 이하 실시예 10과 동일하게 각종 수소흡장합금전극 및 AA형 니켈수소전지를 제조하고, 그 전극 용량 및 전지수명을 측정했다. 즉 전극용량측정법 및 전지수명의 측정법은 실시예 10과 동일하게 행했다.

한편 비교예로서 용탕급냉법이 아니라 용해주조법에 따라 제조하여, LmNiCoMnxAl의 조성을 가진 수소흡장합금 인고트를 사용하여 동일한 전극 및 전지를 제조하고, 동일하게 전극용량 및 전지수명을 측정하여 하기 표 4에 나타낸 결과를 얻었다.

표 4에 나타낸 결과로부터 명백한 바와 같이, Mn을 함유하지 않는 합금조성에서는, 열처리효과는 적다. 한편 Mn을 함유한 합금조성에서는 전극용량 및 전지수명 둘다에 대폭 개선효과를 얻을 수 있었다. 그러나 Mn의 첨가비율이 1을 넘어 1.2가 되면, 전지수명이 급격히 저하하고, 종래의 용해주조합금 인고트 및 용탕급냉합금의 특성상의 차가 없어져 버렸다.

한편, 용해주조합금 인고트에 있어서는, 구성성분의 편석이 결정조직의 넓은 범위로 발생하고 있기 때문에, 본 실시예 방법에서 규정하는 열처리조건(300℃에서 4시간 가열)에서는 합금의 균질화가 일어나지 않았다. 따라서 열처리에 따른 효과가 거의 나타나지 않고, 전지특성의 개선은 곤란했다.

실시예 12

실시예 11과 동일한 용탕급냉처리법에 따라, Mn 첨가량을 변화시킨 6종류의 용탕급냉합금을 제조했다. 용탕급냉합금의 조성은 LmNiCoMnxCr이고, Mn 첨가량 x는 각각 0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.8, 1.2로 했다.

한편 비교예로서 용해주조법에 따라 제조한 조성 LmNiCoMnCr의 수소흡장합금 인고트를 준비했다. 그리고 상기 각종 용탕급냉합금 및 수소흡장합금 인고트를 사용하여 실시예 11과 동일하게 합금전극 및 AA형 니켈수소전지를 제조하고, 그 전극 용량 및 전지수명을 측정했다.

또한 상기 각종 용탕급냉합금 및 수소흡장합금 인고트에 관하여, 실시예 10에 있어서 가장 효과가 높은 열처리조건(300℃, 2시간, Ar 분위기중)으로 열처리했다. 그리고 열처리한 각종 합금을 사용하여 수소흡장합금전극 및 AA형 니켈수소전지를 제조하고, 실시예 10과 동일한 규정방법에 따라 전극용량 및 전지수명을 측정하여 하기 표 5에 나타난 결과를 얻었다.

표 5에 나타낸 결과로부터 명백한 바와 같이, Mn은 함유하지 않은 합금조성에 있어서는 열처리에 의한 건지특성의 개선효과가 거의 나타나지 않는다. 한편 Mn의 첨가량 x가 0.1≤x≤0.1의 범위인 합금조성에 있어서는, 열처리에 따른 전극용량의 증가 및 전지의 오랜 수명화가 달성되었다.

그러나, Mn 첨가량 x가 1을 넘으면, 실시예 11의 경우와 동일하게 전지수명이 주조합금 인고트를 사용한 경우와 동일정도까지 저하하는 것을 확인했다.

실시예 13

실시예 11과 동일한 용탕급냉처리법에 따라, Cu 첨가량 x를 변화시킨 5종류의 용탕급냉합금을 제조했다. 용탕급냉합금의 조성은, LmNiMnCu이고 Cu 첨가량 x는 각각 0, 0.3, 0.5, 0.8, 1.2으로 했다.

한편, 비교예로서 용해주조법에 따라 제조한 조성 LmNiMnCu의 수소흡장합금 인고트를 준비했다.

그리고 상기 각종 용탕급냉합금 및 수소흡장합금 인고트를 사용하여 실시예 11과 동일하게 합금전극 및 AA형 니켈수소전지를 제조하고, 그 전극용량 및 전지수명을 측정했다.

또한, 상기 용탕급냉합금 및 수소흡장합금 인고트에 대하여, Ar 기체분위기중에서 온도 300℃로 4시간 열처리했다. 그리고 열처리한 각종 합금을 사용하여 수소흡장합금전극 및 AA형 니켈수소전지를 제조하고, 실시예 10과 동일한 측정방법에 따라, 전극용량 및 전지수명을 측정하고 하기 표 6에 표시한 결과를 얻었다.

표 6에 표시한 결과에 있어서, 열처리의 유무에 따라 큰 작용효과를 나타낸 Mn의 첨가량이 일정하기 때문에 실시예 13에 관한 합금전극 및 전지의 특성 변화는 실시예 10~12와 비교하여 작다. 그러나 전체의 경향으로부터, 열처리를 실시함에 따라 전극용량 및 전지수명이 동시에 증대하는 경향을 확인할 수 있었다.

또한 Cu의 첨가량증가에 수반하여 전극용량이 저장하고, 특히 첨가량이 1 이상이 되면 급격한 용량저하가 발생하는 경향이 확인되었다. 또한 첨가량이 1을 넘으면 급격하게 수명이 짧아지는 것도 확인되었다.

이상의 실시예 10~13에 관한 전지용 수소흡장합금에 따르면, Mn을 필수성분원소로서 함유하는 소정의 합금용량을 급냉처리하여 제조하고 있기 때문에, 편석이 적고 고전극용량에서 장수명의 합금전극 및 전지를 형성할 수 있다.

특히, 상기 용탕급냉합금을 또한 200~500℃의 온도범위에서, 보다 바람직스럽기로는 200~350℃의 저온도범위에서 1시간 이상 열처리함에 따라, 합금의 균질성을 유지하면서 내부뒤틀림을 제거하는 것이 가능해진다. 따라서 보다 우수한 전지특성을 가진 니켈수소전지를 제공할 수 있다.

실시예 1A~9A

실시예 1~9에 있어서 단일롤법에 따라 제조한 각 용탕급냉합금에 대하여, 또한 Ar 기체분위기중에서 온도 300℃로 4시간 열처리하고 수소흡장합금을 제조한 이외는 실시예 1~9와 동일조건에서 처리하고, 각각 실시예 1A~9A에 관한 수소흡장합금전극을 제조했다. 또한 각 수소흡장합금전극(음극) 및 니켈전극(양극)을 조합하여 AA형 니켈수소전극을 제조했다.

이하 실시예 1 등과 동일조건에서 수소흡장합금의 기둥형상결정의 면적비율, 기둥형상결정의 짧은 직경, 최대전극용량, 수명(충전·방전사이클수), 초기전극특성의 상승(활성회수)을 측정하여 하기 표 7에 표시한 결과를 얻었다.

표 7에 나타낸 결과로부터 명백한 바와 같이 300℃라고 하는 비교적 저온에서 열처리한 각 실시예의 수소흡장합금에서는 균질성을 손상시키지 않고 결정뒤틀림이 비교적 시정되기 때문에, 수소의 흡장방출이 용이해진다. 따라서, 단순히 용탕냉각한 것만의 표 1에 나타낸 각 수소흡장합금을 사용한 전지와 비교하여 전극용량 및 전지수명이 대폭개선된다는 것이 실증되었다. 특히 전극용량은 10% 정도 증가했다.

비교예 1A~1D

직경 100mm 철제 냉각롤 2개를 대향배치한 제2도에 나타낸 바와 같은 이중롤장치를사용하여합금용탕을급냉처리하여 최종적으로 MnNiMnAlCoMnxAl로 구성된 조성을 가진 비교예 1A~1D에 관한 수소흡장합금을 제조했다. 즉 냉각롤의 회전수는 각각 1500rpm(비교예 1A), 2000rpm(비교예 1B), 2500rpm(비교예 1C), 3000rpm(비교예 1D)으로 설정했다.

비교예 2A~2D, 3A, 3B

직경 300mm의 구리제 냉각롤을 가진 단일롤 장치를 사용하여 합금용탕을 냉각처리하고 최종적으로 표 9에 나타낸 조성을 가진 비교예 2A~2D, 3A~3B에 관한 수소흡장합금을 제조했다. 또한 냉각롤의 회전수는 각각 1000rpm(비교예 2A), 1500rpm(비교예 2B), 2000rpm(비교예 2B' 및 2C), 2500rpm(비교예 2D), 200rpm(비교예 3A), 200rpm(비교예 3B)으로 설정했다. 즉, 냉각처리는 1기압의 Ar 기체분위기에서 실시하고, 합금용탕을 사출하는 사출노즐선단 및 냉각롤과의 간격은 50mm, 사출압력은 0.1kgf/㎠으로 했다.

비교예 4~6

직경 300mm의 구리에 냉각롤을 가진 단일롤장치를 사용하여 합금용탕을 급냉처리하고, 최종적으로 표 8에 나타낸 조성을 가진 비교예 4~6에 관한 수소흡장합금을 각각 제조했다. 즉 상기 급냉처리는 1기압의 Ar기체분위기중에서 실시하고, 합금용탕의 사출노즐선단과 냉각롤과의 간격은 50mm, 사출압력은 0.02kgf/㎠, 냉각롤의 회전수는 1000rpm으로 설정했다.

즉 합금용탕을 제조하는 도가니로서 각각 카르시아제 도가니(비교예 4), 알루미나제 도가니(비교예 5) 즉 석영제 도가니(비교예 6)를 사용했다.

비교예 7A~7D

직경 300mm의 세라믹사출롤을 가진 단일롤장치를 사용하여 합금용탕을 냉각처리하여 최종적으로 LmNiCoMnAl의 조성을 가진 비교예 7A~7D에 관한 수소흡장합금을 각각 제조했다. 즉 상기 급냉처리는 1기압의 Ar 기체분위기중에서 실시하고, 합금용탕의 사출노즐선단 및 냉각롤의 간격은 50mm, 사출압력은 0.1kgf/㎠로 설정했다. 또한 세라믹용사롤의 회전수는 각각 1000rpm(비교예 7A), 1500rpm(비교예 7B), 2000rpm(비교예 7C), 2500rpm(비교예 7D)로 설정했다.

비교예 8A~9B

직경 200nm인 구리제 냉각롤을 가진 단일롤장치를 사용하여, 합금용탕을 급냉처리하고, 최종적으로 표 9에 나타낸 조성을 가진 비교예 8A~9B에 관한 수소흡장합금을 각각 제조했다. 즉 상기 급냉처리는 1기압의 Ar 기체분위기중에서 실시하고 합금용탕의 사출노즐선단과 냉각롤의 간격은 50mm, 사출압력은 100mmHg, 냉각롤의 회전수는 각각 2000rpm(비교예 8A), 2500rpm(비교예 8B), 2000rpm(비교예 9A), 2500rpm(비교예 9B)로 설정했다.

비교예 10~13

합금인고트의 조성이 각각 MmNiCoAl(비교예10), MmNiCoAl(비교예 11), MmNiCoAl(비교예 12), MmNiCoAl(비교예 13)으로 이루어지도록 조정한 수소흡장합금분말원료를 알루미나제 도가니내에 투입하고, 고주파가열에 의해 1400℃에서 용해하여 합금용탕을 제조했다. 다음에 합금용탕을 구리제의 수냉주형내로 유입하여 응고시키고, 각각 비교예 10~13에 관한 수소흡장합금 인고트를 제조했다.

비교예 14A~14B

합금인고트의 조성이 MmNiCoMoAl으로 이루어지도록 제조한 수소흡장합금분말원료로 무라이트제 도가니내에 투입하여 도가니 외부주위에 설치한 고주파유도가열코일에 의해 1500℃로 가열하여 용해하고, 합금용탕을 제조했다. 다음에 얻어진 합금용탕을 구리제 수냉주형에 주입하고, 주형면 간격 55mm(비교예 14A), 주형면간격 35mm(비교예 14B) 주조속도 3kg/초/㎡ 으로 합금인고트를 제조했다. 또한 얻어진 합금인고트를 아르곤기체분위기에서 1050℃에서 6시간 열처리를 수행하고 각각 비교예 14A~14B에 관한 수소흡장금속을 제조했다.

비교예 15~20

비교예 15, 16, 18~20으로서, 합금인고트의 조성이 표 9에 표시한 값이 되도록 조정한 수소흡장합금분말 원료를 알루미나제 도가니내에 투입하고, 고주파가열에 따라 1400℃로 가열하여 합금용탕을 제조했다. 즉 비교예 17에서는 아아크용해법에 따라 합금용탕을 제조했다. 다음에 얻어진 각 합금용탕을 철제 수냉주형에 주입하고, 응고시켜서 비교예 15~20에 관한 수소흡장합금인고트를 제조했다. 또한 비교예 16의 수소흡장합금인고트에 대해서는 또한, Ar 기체분위기중에서 1000℃, 6시간의 열처리를 실시했다.

이와 같이 하여 얻어진 비교예 1A~20에 관한 용탕급냉합금 또는 수소흡장합금을 스탬프밀을 이용하여 분쇄하고, 200메쉬 이하로 분급한 것을 전지용 수소흡장합금분말로소 준비했다. 이하, 각 전지용 수소흡장합금분말을 사용하여 실시예 1과 동일한 순서로 수소흡장합금전극(음극)을 제조하고 니켈전극(양극)과 조합시켜 AA형 니켈수소전지를 조립했다. 그리고 실시예 1과 동일한 규정방법에 따라 전극용량, 충전·방전사이클수(수명) 및 활성회수를 측정하고, 상기 표 8,9에 표시한 결과를 얻었다.

표 8 및 표 9에 표시한 결과로부터 명백한 바와 같이 비교예 1A~20에 표시한 수소흡장합금에 있어서는 어느쪽이나 금속조직에 있어서 기둥형상결정의 면적비율이 표 1 및 표 7에 표시한 실시예의 것과 비교하여 작아지고 있다. 그결과, 이 합금을 사용한 전극의 전극용량도 낮고 충전·방전사이클수로 나타낸 전지수명도 낮다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 비교예의 전극에 있어서 최대전극용량을 얻기까지 필요한 충전·방전사이클수(활성회수)는 5~9회이고, 실시예 2~3의 2배이상이 되고 전극의 초기활성도 낮은점이 확인되었다.

특히 실시예와 동일하게 Mn을 첨가한 비교예 1A~1D, 2A~2D, 3A~3B, 7A~7D에 관한 수소흡장합금에 있어서도 기둥형상결정의 성장이 충분하지 않고, 등축결정조직의 비율이 많아지는 것이 있고, 표 1 및 표7에 나타낸 실시예와 비교하여 전지특성은 저하했다.

제29도는 상기 비교예 7B에 관한 수소흡장합금의 파단면의 금속조직을 나타낸 전자현미경(SEM) 사진이다. 제29도에 있어서 파단면의 하부가 냉각롤에 접해 있는 냉각면이고, 상부가 자유면이다. 냉각면으로부터 자유면방향을 향하여 기둥형상결정이 성장하고 있는 한편, 자유면에 가까운 부분은 냉각속도가 불충분했기 때문에 등축결정조직이 형성되어 있다. 전결정조직중, 기둥형상결정이 차지하는 면적비율은 50% 이하가 되고 있다.

또한 Mn을 첨가하지 않는 비교예 4, 5, 6, 8A~9B에 관한 수소흡장합금을 사용한 전지에 있어서 전극용량이 200~225mAh/g정도이고, 또한 전지수명이 300~400 사이클 대로 했다. 또한, 주조법으로 서서히 냉각하여 제조된 비교예 10~13에 관한 수소흡장합금에 있어서는, 어느쪽이나 기둥형상결정의 면적비율이 적고, 전극용량이 낮으며, 또한 전극의 초기상승성이 나쁘다는 것이 판명했다.

한편, Mn을 첨가하여 주조법으로 냉각하여 제조된 비교예 14A~14B에 관한 수소흡장합금에 있어서는, 기둥형상결정이 충분히 성장하여 있지만, 기둥형상결정의 짧은 직경이 100~120㎛로 조대하기 때문에 비교적 높은 전극용량을 얻을 수 있는 반면, 전지수명이 짧고, 전극의 초기상승성도 낮다는 것을 알 수 있다.

또한 Mn을 첨가하지 않고 주조법으로 서냉시켜 제조한 비교예 15~20에 관한 수소흡장합금에 있어서, 어느쪽이나 결정입자직경이 100~200㎛정도로 조대화하고 말기 때문에, 합금강도가 낮고, 전지수명이 짧아졌다.

이상과 같이 표 1 및 표 7에 표시한 각 실시예 및 실시예 8~9에 표시한 각 비교예를 비교하면 본 실시예에 관한 수소흡장합금 및 전지는 전극용량, 전지수명 및 초기상승성의 삼대특성을 만족한다는 것을 판명했다.

다음에 수소흡장합금의 결정입자직경과 전지수명의 관계에 관하여, 이하의 실시예 및 비교예를 참조하여 설명한다.

실시예 14~17 및 비교예 21~22

수소흡장합금의 조성이 LmNiCoMnAl이 되도록 제조한 합금분말원료를 알루미나제 도가니내에 투입하고, 고주파가열하여 합금용탕을 제조했다.

실시예 14~17로서, 직경 300mm인 냉각롤을 가진 단일롤장치를 사용하여 상기 합금용탕을 급냉처리하여 각 수소흡장합금을 제조했다. 여기에서 냉각롤의 재질 및 회전수는 표 10에 표시한 바와 같이 설정했다.

한편, 비교예 21~22로서 상기 합금용탕을 구리제 수냉주형내에 투입하고 주형면간격을 45mm(실시예 21) 및 80mm(비교예 22)의 조건하 주조하여 각 수소흡장합금을 제조했다.

상기 실시예 14~17 및 비교예 21~22에 관한 수소흡장합금을 실시예 1과 동일조건에서 분쇄하고 수소흡장합금전극(음극)을 제조하며 또한 니켈전극(양극)과 조합하여 니켈수소전지를 제조했다. 그리고 각 전지에 대하여 실시예 1과 동일조건에서 충전·방전사이클수를 측정하여 하기 표 10에 표시하는 결과를 얻었다.

또한 상기 결정입자직경 및 충전·방전사이클수의 관계를 제30도를 표시한다. 즉 기둥형상결정이 발달한 실시예 14~17에 있어서, 결정입자직경은 기둥형상결정의 짧은 직경으로 표시하고 있다.

상기 표 10 및 제30도에 나타낸 결과로부터 명백한 바와 같이, 결정입자직경이 조대화하는 것에 수반하여 전지수명이 급격히 저하하는 경향이 판명했다. 전지수명(충전·방전사이클수)을 500사이클 이상으로 하기 위해서는, 음극용의 수소흡장합금의 결정입자직경을 30㎛ 이하로 설정할 필요가 있다.

실시예 18A~18C 및 비교예 23

실시예 18A~18C로서 수소흡장합금의 조성이 LmNiCoMnAl이 되도록 제조한 합금분말원료를 티탄보라이드제 도가니내에 투입하여, 고주파 가열해서 합금용탕을 제조했다. 한편, 직경 300mm의 Cu제 냉각롤(냉각수온도 : 20℃)을 가진 단일롤장치를 사용하여 상기 합금용탕을 2400~3100℃/초의 평균냉각속도에서 급냉처리하여 실시예 18A~18C의 수소흡장합금을 제조했다.

여기에서 상기 냉각속도는 하기와 같이하여 산정했다. 합금용탕이 노즐로부터 사출되면 냉각롤에 의해 열을 뺏겨서 냉각고화된다. 그리고 급냉고화한 합금은 냉각롤로부터 탈리하여 날려진다. 냉각롤의 회전수가 600rpm 정도인 경우는 냉각합금은 고화가 완료한 후에 냉각롤로부터 탈리하고, 날려지게 된다. 한편 회전수가 1000rpm 정도인 경우에는 냉각롤의 원심력이 강하기 때문에 고화가 완료하기 전에 합금용탕이 냉각롤로부터 탈리하여 날려지고, 만다. 용탕이 냉각롤에 접촉해 있기 때문에 탈리하기까지의 이동거리는 합금조성에 따라서도 변화하지만, 상기 실시예 18A(회전수 : 600rpm)의 경우에 대하여 용탕의 사출상황을 고속비데오카메라로 촬영한 경우, 냉각롤의 1/8 회전에 상당하는 거리였다. 이 거리를 이동하는 시간을 냉각시간이라 하면, 냉각시간은 1/80초가 된다. 그리고 합금용탕의 사출온도 1380℃로부터 응고점 1350℃까지 온도를 강하시키는 시간이 1/80초이기 때문에 냉각속도는 240℃/초가 된다. 단 합금이 벗겨지는 위치는 분산되어 있기 때문에 냉각속도는 그 평균치를 택했다.

한편, 비교예 23으로서 수소흡장합금의 조성이 LmNiCoMnZnAl이 되도록 조정한 합금분말원료를 알루미나제 도가니내에 투입하고, 고주파가열하여 합금용탕을 제조했다. 한편, 직경 300mm인 Fe제 냉각롤(냉각수온도 : 50℃, 회전수 : 200rpm)을 가진 단일롤장치를 사용하여 상기 합금용탕을 1150℃/초의 냉각속도로 급냉처리하여 수소흡장합금을 제조했다.

그리고 상기 실시예 18A~18C 및 비교예 23에 관한 수소흡장합금을 실시예 1과 동일조건에서 분쇄하고 수소흡장합금전극(음극)을 제조하며, 또한 니켈전극(양극)과 조합시켜 수소전지를 제조했다. 그리고 각 전지에 대하여 실시예 1과 동일조건에서 충전·방전사이클수를 측정함과 동시에 수소흡장합금을 빼내어 그 금속 조직에 있어서 기둥형상결정의 비율을 측정하여 다음 표 11에 표시한 결과를 얻었다.

표 11에 나타낸 결과로부터 명백한 바와 같이, 냉각롤의 속도를 높이고, 높은 냉각속도로 제조한 실시예 18A~18C에 관한 합금에 있어서는 기둥형상결정이 충분히 성장하고 완만한 속도로 냉각한 비교예 23의 경우와 비교하여 우수한 전지특성을 발휘했다.

실시예 19

다음에 ABx로 이루어진 수소흡장합금에 있어서, 희토류원소 A와 그외 원소 B의 조성비율 x를 4.4로부터 6.1의 범위로 변화시키고, 그 조성비율 x의 변화가 전극용량 및 충전·방전사이클수에 미치는 영향을 조사했다. 즉 합금용탕을 냉각속도 2400℃/초로 급냉하여 Lm(NiCoMnAl)x로 표시되는 각종 수소흡장합금을 제조했다. 상기 조성비율 x=5의 경우는 실시예 1의수소흡장합금에 대응한다. 이와 같이하여 얻어진 각 수소흡장합금에 대하여 실시예 1과 동일하게 처리하고, 음극을 제조하여 그 전극용량을 측정함과 동시에 양극과 조합시켜 니켈수소전지를 제조하고 충전·방전사이클수를 측정하여 제31도에 표시한 결과를 얻었다.

제31도에 표시한 결과로부터 명백한 바와 같이, 본원 발명에 있어서 규정한 4.5≤x≤6.0의 범위에서 전극용량은 240mAh/g 이상이고 또한 충전·방전사이클수도 500회 이상으로 우수한 전지특성을 발휘할 수 있는 것을 확인했다. 또한, 보다 바람직스럽기로는 조성비율 x의 범위(4.6≤x≤5.8)에 있어서, 전극용량은 250mAh/g 이상이고 또한 충전·방전사이클수는 500회 이상을 표시하는 것도 실증되었다.

이상 설명한 바대로, 실시예에 관한 전지용 수소흡장합금에 따르면, Mn을 필수원소로 하는 AB5형 합금이고, 구성성분의 편석이 적기 때문에 고용랑인데다 사이클수명 및 초기특성이 우수한 니켈수소전지용의 음극 재료를 제공할 수 있다. 상기 합금은 180℃/초 이상의 냉각속도로 합금용탕을 급냉처리함에 의해 얻을 수 있다.

또한 상기 용탕급냉합금을 200~500℃ 정도의 비교적 저온에서 열처리함에 따라, 합금의 균질성을 유지하면서 내부뒤틀림을 제거하는 것이 가능하고, 보다 전지특성이 우수한 수소전지를 제공할 수 있다.

실시예 20

(합금의 제조)

화학양론조성이 LmNiCoMnAl(Lm은 La 부화 미쉬금속)인 수소흡장합금을 제조하는 때에, 원료 원소인 청량시 Lm의 양을 감소시킴에 따라, Ni, Co, Mn, Al의 조성비를 무너뜨리는 일없이, 비화학양론조성이 되는 양비로 원료를 칭량했다. 다음에 이들 원료를 고주파유도로에서 용해하고, 전술한 제1도에 표시한 단일롤법에 따른 레이들(2)에 수용하여 상기 레이들(2)로부터 수소흡장합금용탕(3)을 냉각시킨 냉각용롤(5)에 적하시킴에 따라, 플레이크상의 6종류(시료 a~f)의 수소흡장합금(6)을 얻었다. 얻어진 각 합금의 조성을 하기 표 12에 나타낸다. 또한 이들 합금을 볼밀에 의해 분쇄후, 200메쉬의 체로 분급하여 전극제조용 수소흡장합금으로 했다.

또한, 얻어진 수소흡장합금(상기 표 12의 시료 a~f)에 대하여 내부표준법에 따른 X선 회절측정을 수행했다. 그 결과, 상기 시료 a~e는 AB1으로 이루어진 단일상이 95체적% 이상인 것이 확인되었다. 또한, 시료 f는 AB1이외의 조성을 가진 상(제2상)이 10체적% 이상 생성하고 있는 것이 판명했다.

(전극의 제조)

상기 각 수소흡장합금분말 및 폴리테르라플루오로에틸렌(PTFE)분말, 켄첸블랙을 각각 95.5중량%, 4중량%, 0,5중량%으로 이루어지도록 칭량한 후, 커터밀에서 상기 PTFE가 섬유화할 때까지 교반, 혼합했다. 얻어진 면상의 혼합물을 니켈금속망상에 산포하고, 롤러프레스로 압연함에 의해 수소흡장합금전극(음극)을 제조했다.

(전지의 제조)

수산화니켈 90중량% 및 일산화코발트 10중량%에 소량의 CMC 및 물 50중량%를 교반, 혼합하여 페이스트로 만든 것을 삼차원구조를 한 니켈다공체에 충진, 건조후, 롤러프레스에 의해 압연함에 의해 니켈전극(양극)을 제조했다.

이론용량이 1.1Ah인 상기 니켈전극 및 상기 수소흡장합금전극을 조합하여 부직포로 이루어진 세퍼레이터를 끼워 감아서 전극그룹을 구성했다. 이 전극그룹을 AA형의 전지부에 삽입하고, 30중량%의 수산화칼륨수액을 주입하여, 작동압력 15kg/㎠의 안전마개를 가진 정극단자판으로 밀폐함에 따라 제3도에 나타낸 니켈수소이차전지를 조립했다. 즉, 상기 이차전지에 있어서 음극/양극비는 1.8, 상기 수소흡장합금전극에 대한 전해액량은 1.1ml/Ah로 했다. 단, 상기 음극/양극비는 니켈전극의 용량에 대한 수소흡장합금전극의 전지방전상태에 있어서 니켈전극중의 일산화코발트의 산화등에 따라 생성되는 수소흡장합금전극중의 방전리저브를 제거한 수소흡장합금전극의 용량과 니켈전극용량의 비율을 의미한다.

상기 각 이차전지에 대하여 사이클수명을 평가했다. 조건은 1.1A에서 1.5시간충전후, 전지전압이 0.8V가 될 때까지 1A로 방전하는 사이클을 반복했다. 전지용량이 초기용량의 50%로 저하할 때까지의 사이클수를 사이클수명으로 했다. 시험온도는 25℃로 했다. 그 결과를 하기 표 13에 표시한다.

표 13에 따라 비화학양론조성이 되면 사이클수명이 연장하고 ABx의 x가 6을 넘으면, 급격하게 사이클수명이 짧아진다는 것을 알 수 있다. AB의 합금에 관해서는, X선 회절분석의 결과, 제2상이 10체적% 이상 생성하고 있다는 것과, 또한 EPMA으로의 관찰결과 입자계에 La, Mn이 대량 편석해 있다는 것을 알아냈다. 이에 따라, 제2상의 생성 및 입자계의 편석은 합금수명을 현저히 짧게 한다는 것이 명확해졌다.

비교예 24

상기 실시예 20과 동일조성의 수소흡장합금을 종래방법인 주입법으로 제조했다. 실시예 20과 동일조성이 되도록 칭량한 원료를 도가니에 넣고, 고주파유도로에서 용해후, 철제의 주형에 넣어 혼합한 합금을 얻었다. 이와 같이하여 얻은 합금을 실시예 23과 동일한 방법에 따라 수소흡장합금전극을 제조함과 동시에, 분말 X선 회절분석을 수행하고 제2상의 생성상황을 관찰했다. 그 결과를 표 14에 나타낸다. 표 14중에 나타낸 ○은 단일상이고, ×는 제2상이 생성되어 있으며, △는 명료하지 않지만, 제2상이 10체적이상 생성하여 있을 가능성이 있다는 것을 나타낸다.

표 14에 따라 명백한 바와 같이, 주입법에서는 냉각속도가 느려지기 때문에 합금이 비화학양론조성이 되면 제2상이 생성하기 쉽다는 것을 알았다. 이것은 수냉주형을 사용하기도 하고, 주입두께를 얇게 하는 것으로 개선은 인정될 수 있지만, 성능이 대폭 향상하는 AB부근까지 안정적으로 단상으로 하는 것은 매우 곤란하다.

이에 따라, 실시예 20에 기재한 바와 같이 용탕급냉법으로 제조된 수소흡장합금이 적합하다고 생각할 수 있다.

상기 실시예 20에 있어서, 화학양론조성의 수소흡장합금을 용이하고 안정하고 제조하는 방법으로서 단일롤법에 관해 기재했지만, 다른 용탕급냉법인 제3도로 설명한 회전디스크법, 제2도로 설명 이중롤법, 제4도로 설명한 기체 애터마이저법, 그외 회전노즐법등에 따라서도 동일하게 비화학양론조성의 수소흡장합금을 안정하게 얻을 수 있었다.

상기 실시예 20에 있어서, AB로 표시되는 수소흡장합금의 B의 구성원소로서 Ni, Co, Mn, Al을 이용하지만, 예컨대 Si, Fe, Cr, Cu 등을 이용해도 동일한 결과를 얻을 수 있었다.

실시예 21

LmNiCoMnAl(Lm은 La 부화 미쉬금속)의 조성을 가진 수소흡장합금 500g을 고주파유도로에서 용해하고, 전술한 제1도에 표시한 단일롤법에 의한 제조장치의 레이들(2)에 수용하고, 이 레이들(2)로부터 수소흡장합금용탕(4)을 냉각시킨 미립자용롤(냉각롤)(5)에 적하시킴에 의해 플레이크상의 수소흡장합금(6)을 제조했다.

이 합금(6)을 볼밀에 따라 분쇄후, 200메쉬의 체에 의해 분급하고, 전극제조용 수소흡장합금으로 했다. 계속하여, 상기 수소흡장합금분말 및 PTFE 분말, 케첸블랙을 각각 95.5중량%, 4중량%, 0.5중량%가 되도록 칭량한 후, 커터밀로 상기 PTFE가 섬유화할 때까지 교반, 혼합했다. 얻어진 면상의 혼합물을 니켈금속망상에 산포하고, 롤러프레스에서 압연시킴에 의해 수소흡장 합금전극(음극)을 제조했다.

또한, 별도 수산화니켈 90중량% 및 일산화코발트 10중량%에 소량의 CMC 및 물 50중량%를 교반, 혼합하여 페이스트로 한 것을 삼차원구조를 한 니켈다공체에 충진, 건조후, 롤러프레스에 의해 압연함에 따라 니켈전극(양극)을 제조했다.

전술한 방법에 따라 제조한 수소흡장합금전극 및 니켈전극을 이용하여 상기 음극/양극비 및 수소흡장합금 전극에 대한 전극액양이 하기 15에 표시한 30종류의 AA형 니켈수소이차전지를 조립했다. 이들 이차전지용량은 니켈전극의 이론용량으로 650mAh가 되도록 하고, 전해액에는 7규정 수산화칼륨 및 1규정 수산화리튬의 혼합수용액을 사용했다. 또한, 안전마개에는 18kg/㎠에서 작동하는 것을 사용했다. 즉, 표 15중에서 전지기호가 기입되어 있지 않은 부분은 전극체적이 과대하기 때문에 소정량의 전해액의 주입이 불가능했다는 것을 나타낸다.

※ 표내의 기호는 이차전지의 기호를 나타낸다.

상기 표 15에 표시한 기호 A군(A1, A2, A3, A4, A5, A6), B군(B1, B2, B3, B4, B5, B6), C군(C1, C2, C3, C4, C5, C6), D군(D1, D2, D3, D4, D5), E군(E1, E2, E3, E4), F군(F1, F2, F3)의 이차전지를 650mA에서 1.5시간 충전후, 전지전압이 0.8V가 될 때까지 1A로 방전하는 충전·방전사이클을 반복하고, 전지용량이 초기용량의 50%가 될 때까지의 사이클수를 조사했다. 그 결과를 제32도에 나타낸다. 즉, 제34도중의 □은 상기 표 15의 A군의 전지특성을, +은 동일 표 15의 B군의 전지특성을, ◇은 동일 표 15의 C군의 전지특성을, △은 동일 표 15의 D군의 전지특성을, ×은 동일 표 15의 E군의 전지특성을, ▽은 동일 표 15의 F군의 전지특성을 각각 표시한다.

제34도로부터 명백한 바와 같이 음극/양극비가 0.5인 이차전지는 모든 전해약량에서 사이클수명이 현저히 짧다는 것을 알 수 있다. 이것은, 전지구성이 수소흡장합금전극규제가 되고 있기 때문에, 용량이 양극의 0.5배 밖에 나오지 않는 한편, 초기 충전·방전사이클에서 전지내압력이 안전마개 작동압력까지 급격히 상승하고, 전해액이 안전마개로부터 흘러나오기 위하여 전해액마름을 일으키기 때문이지만, 별도로 행한 전지내압측정 및 전지분해검사에 따라 확인되었다.

이에 대해, 음극/양극비가 1.1 이상인 이차전지를 전해액이 과다하거나 과소하지 않는한 이 충전·방전조건에 있어서 150사이클이상의 사이클수명을 달성하고 있다. 이것은 통상의 충전·방전조건에 있어서 이차전지로서 실용적인 사이클수명인 500사이클을 만족하는 값이고, 충분한 수명이라고 생각된다.

그러나, 음극/양극비가 1.1 이상이라도, 전해액양이 0.2ml/Ah 내지 2.0ml/Ah 조건에서는 사이클수명이 50사이클 전후이고, 충분한 사이클수명이 되지 않는다. 이 원인은 전해액양이 2.0ml/Ah의 조건에서는 충전·방전사이클의 초기부터 액이 마르게 되지만, 또는 2.0ml/Ah의 조건에서는 충전말기에 전지내압이 안전마개 작동압력까지 상승하여, 서서히 전해액이 마른 상태가 되게 한다는 것이 별도로 행한 전지내압측정으로부터 명백해졌다.

또한, 전지수명에 큰 영향을 부여하는 전지내압특성을 조사하기 위해, 상기 표 15중 A군~F군의 각 이차전지를 과혹한 충전조건인 650mA에서 5시간 충전한 전지내압을 측정했다. 그 결과를 제35도에 표시한다. 즉, 제35도중의은 상기 표 15의 A군의 전지특성을, +은 동일 표 15의 B군의 전지특성을, ◇은 동일 표 15의 C군의 전지특성을, △은 동일 표 15의 D군의 전지특성을, ×은 동일 표 15의 E군의 전지특성을, ▽은 동일 표 15의 F군의 전지특성을 각각 표시한다.

제35도로부터 음극/양극비가 0.5인 이차전지와 전해액양이 2ml/Ah인 이차전지는 모두 전술한 이유에 따라 전지내압이 안전마개 작동압력인 18kg/㎠에 달한다는 것을 알 수 있다. 이들 이차전지에 대하여, 시험전후에 중량측정을 행한 경우, 전해액의 분출에 기인한다고 생각되며 최대 300mg, 최소 40mg의 중량감소가 관찰되었다.

이 실험에서 전해액량이 0.2ml/Ah인 이차전지의 내압이 모두 낮다는 것은, 전해액량이 매우 적기 때문에 충전말기에 있어서 전지의 내부저항이 급격히 증대한 때문에 충분히 사용한 정전류 전원의 출력범위를 넘고 말고, 충전이 행해지지 않기 때문이다. 이점으로부터로 전해액량이 0.2ml/Ah의 이차전지는 실용상 사용할 수 없다는 것을 알 수 있다.

이상의 전지수명 및 전지내압의 측정실험으로부터 음극/양극비는 1.1 이상인 것이 필요하고, 또한 전해액량은 수소흡장합금전극 1Ah당 0.4~1.8ml범위인 것이 필요하다는 것이 판명되었다.

또한, 음극/양극비가 2를 넘는 주변으로부터 전지내압이 상승하는 경향을 알았다. 이것은 모든 이차전지의 용량을 650mAh로 통일했기 때문에, 음극/양극비가 큰 전극에서는 전극군이 차지하는 체적이 증대하고 전지내의 공간간격이 감소했기 때문이라고할 수 있다. 이점으로부터 전지설계상 전해액 양과 음극/양극비가 서로 관련해 있는 값으로 독립적으로 결정할 수 없다는 것을 알 수 있다.

다음에 니켈수소이차전지의 커다란 특징인 고용량을 확인하기 위하여 어떤 음극/양극비를 부여한때에 AA형 전지부내에 수납할 수 있는 최대용량의 전극군을 제조하고, 여러 가지 조건의 전해액을 주입하여 전지를 조립하고, 초기전지가 건전한 상태의 전지용량을 측정했다. 그 결과를 제36도에 표시한다. 즉, 제36도중의 □은 수소흡장합금전극에 대한 전해액량이 0.2ml/Ah인 이차전지특성, +은 동전해액량이 0.4ml/Ah인 이차전지특성, ◇은 동전해액량이 8ml/Ah인 이차전지특성, △은 동전해액양이 1.5ml/Ah인 이차전지특성, ×은 동전해액양이 1.8ml/Ah인 이차전지특성, ▽은 동전해액양이 0.2ml/Ah인 이차전지특성을 각각 표시한다.

제36도로부터 음극/양극비가 0.5인 전지에서는 전지용량이 니켈전극량의 반밖에 넣어져 있지 않은 수소흡장합금전극으로 결정되기 때문에, 용량이 낮은 것을 알았다. 또한, 전해액양이 0.2ml/Ah는 역시, 전해액이 전지반응을 원활하게 수행시키도록 충분하지 않기 때문에 전지용량이 낮아진다. 이들 이외는 음극/양극비가 커짐에 따라, 동일한 전극군 체적으로 이룰 수 있는 니켈전극용량이 감소하기 때문에 전지용량도 감소한다. 그리고, 음극/양극비가 0.2를 넘으면, 현재의 고용량형의 니켈카드뮴전지와 동등하거나 이하의 용량밖에 방출되지 않게 된다는 것을 알 수 있다.

전극의 활성물질 밀도를 높임에 따라, 음극/양극비가 2.0 이상이라도 또한 고용량으로 하는 것은 가능하지만, 전극제조가 곤란할뿐 아니라, 충전말기 산소 기체 환원속도가 현저히 저하하는 한편, 대전류 방전 특성도 현저히 저하하며, 실제 사용할 수 없는 전지가 되고 만다.

이 실험에 따라, 전지특성을 감소시키지 않고, 니켈수소이차전지의 고용량이라고 하는 특징을 발휘시키기 위하여 음극/양극비를 2.0 이하로 하는 것이 필요하다는 것이 판명되었다.

상기 실시예 21에 있어서는 단일롤법으로 용탕급냉한 수소흡장합금을 활성물질로 하는 수소흡장합금전극과 비소결실 니켈전극을 7규정 수산화칼륨과 1규정 수산화리튬의 혼합전해액에 의해 AA형 전지로 한 예에 관해 기술해 왔지만, 본 발명은 상기 방법에 한정되는 것은 아니다. 예를들면, 용탕급냉법으로서는 제3도에서 설명한 회전디스크법, 제2도에서 설명한 이중롤법, 제4도에서 설명한 기체 애터마이저법등에 따라 얻은 수소흡장합금도 본 실시예 21의 단일롤법과 동일한 특성을 나타냈다.

또한, 전극 제조방법도 수소흡장합금분말, 반죽체 및 물과의 혼연물을 집전체에 충진 또는 도포후, 건조, 압연한다. 이른바 페이스트식 전극에 의해서도 본 발명의 특징을 발휘하는 것이 가능하다. 상기 수소흡장합금은 용탕급냉법에서 제조한 수소흡장합금을 기계적으로 분쇄한 분말인 한편, 수소를 흡탈장시켜 분쇄한 분말을 이용하는 것도 가능하다. 특히 단일롤법 또는 이중롤법을 채택한 경우, 폭넓은 제조조건에서 플레이크상의 수소흡장합금을 얻을 수 있다. 이 플레이크상 합금은 일반적으로 얇기 때문에 비교적 수월하게 분쇄가능하고 전극을 제조하기전의 분쇄를 수 100㎛로부터 수 mm 크기까지 조분쇄해두고, 전극제조공정중의 압연공정에서 전극의 압연과 동시에 또한 분쇄를 수행하는 것도 가능하다. 이와 같은 처리에 의해, 전극제조중 수소흡장합금의 비표면적을 작게할 수 있고, 제조공정중 표면산화, 오염으로부터 상기 수소흡장합금을 보호할 수 있는 위에, 수소흡장합금의 제조공정중 발화확률을 낮게할 수 있기 때문에 안전한 환경에서 작업을 진행하는 것이 가능해진다.

전해액에 관해서도, 예를들면 8규정 수산화칼륨수용액 또는 필요에 따라 수산화나트륨수용액을 혼합한 전해액에 의해서도 어떠한 지장도 생길 수 없다.

또한, 전지크기로 AA형 이외의 예를들면 4/5A형, A형으로도 전혀 동일한 결과가 얻어지고 있다.

이상 상술한 바와 같이, 본 실시예에 따르면 알칼리이차전지의 음극 활성물질로서 사용하는때에 열화가 적고 사이클수명이 긴 수소흡장합금을 제공할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따르면 열화가 적은 수소흡장합금전극을 사용하고, 전해액량과 전극용량비를 규정함에 따라 고용량이고 오랜 수명 더구나 저렴한 가격의 니켈수소이차전지를 제공할 수 있다.

다음에 수소흡장합금중에 있어서 Mn농도의 흩어짐 또는 편석한 Mn입자의 입자직경이 전지특성에 미치는 영향에 관하여 이하의 실시예 및 비교예를 참조하여 설명한다.

실시예 22~23 및 비교예 25~27

합금으로한 때 조성이 LmNi_4.3Co_0.1Mn_0.5Al_0.1(Lm은 La 부화 미쉬금속)이 되도록 용해시 감소를 미리 알아서 Lm, Ni, Co, Mn, Al을 칭량했다. 이어서, 이들 원료를 고주파 유도로에서 용해하고, 통상의 주형에 유입한 비교예 25, 수냉주형에 두께가 10mm가 되도록 유입한 비교예 26을 얻었다. 또한, 제1도에 나타낸 단일롤법장치에 있어서, 냉각롤(5)로서 직경 300mm의 구리제 롤을 이용하고 진공중에서 600rpm으로 회전시키며, 주탕노즐(4)과 냉각롤(5)과의 간격폭을 50mm로 설정하고, 사출압력을 0.1kgf/㎠로서 두께 약 100마이크론의 비교예 27을, 사출압력을 0.05kgf/㎠으로서 두께가 50마이크론의 실시예 22을, 사출압력을 0.02kgf/㎠으로서 두께가 20마이크론의 실시예 23의 세가지 종류의 플레이크상의 합금시료를 제조했다. 이들 이외에 제4도에 표시한 불활성 기체 애터마이저법장치에 따라, 평균입자직경 20마이크론의 수소흡장합금분말을 얻어 실시예 24로 했다.

이들 합금시료의 Mn농도분포를 이하에 기술하는 방법으로 조사했다.

1) 수지메움

합금시료 약 100mg을 채취하고, 직경 20mm인 SEM시료용 수지메움 분쇄물(폴리프로필렌제) 중앙부에 산포한다. 이어서, SEM시료 메움용으로서 시판되고 있는 에폭시수지(뷰러사제 EPO-MIX)를, 수지 및 경화제를 잘 혼합한 후, 상기 메움쇄에 주입하여 경화시킨다. 이때, 시료와 수지의 밀착성을 향상시키기 위해, 수지를 미리 60℃정도까지 가온하여 점도를 저하시켜 두기로 하고 수지주입후, 진공데시케이터중에서 진공하여 기포를 없애면 더욱 바람직스럽다.

2) 연마

상기 순서에 따라 메움을 행한 시료를 이어서 연마기로 현미경면 마무리가 될 때까지 연마한다. 수소흡장합금시료는 물과 반응하기 쉽기 때문에, 연마는 메틸알콜을 적하하면서 내수연마지의 거칠음을 180번, 400번, 800번의 순서로 미세하게 하면서 200rpm으로 회전하는 회전식 연마기에 의해 연마한 후, 동일하게 회전 연마기에 펠렛을 고정하여 다이아몬드 페이스트의 입자도를 15마이크론, 3마이크론, 0.25마이크론 순서로 미세하게 하면서 연마하여 현미경면 마무리를 했다.

3) EPMA관찰

다음에, 이들 시료를 EPMA(도률제작소 V6)에 고정한다. 우산, Mn이 모두 함유되지 않는 영역(예를들면, 시료대)을 관찰하고, 맵핑관찰을 수행하여 Mn농도가 0인때의 Mn특성 X선 강도값을 기록하고, 다음에 시료를 시야의 중심에 오도록 이동하여 맵핑관찰에 따라 Mn의 농도분포의 전체상을 파악한다. 또한, 이 측정에 있어서, 배율은 20㎛ 사방을 관찰영역으로 하고, 시야에 넣어지도록 설정했다. 또한, 이때 시야에 시료단부가 들어가지 않도록 유의했다.

상기 관찰에 따라 얻어진 관찰면내에서의 특성 X선 강도분포를 먼저 구한 Mn이 함유되지 않은 영역에서의 강도값으로 수정한다. 또한, 시야는 세로 100분할×가로 100분할하여 각 점의 강도값을 측정하도록 EPMA을 설정했다. 이와 같이 하여 얻어진 100×100의 각 점에 대응하여 특정 X선 강도를 단순 평균하는 것으로, 강도의 관찰면내에서의 평균값을 구하고, 강도값의 최대값 ρ의 비를 산출했다.

결과를 표 16에 표시한다. 또한, 이 표 16에는, 동시에 실시예 18A~18C에 있어서 방법과 동일방법으로 측정한 시료제조시의 냉각속도를 표시한다.

표 16으로부터 비교예 25, 비교예 26, 비교예 27, 실시예 22, 실시예 24, 실시예 23의 순서로 평균강도값에 대한 최대강도값이 저하하고 있다는 것을 알 수 있다. 이어서, 각 시료의 결정형을 실시예 1~9에 기재한 방법에 따라 관찰하여 결과를 표 17에 기입한다.

표 17에서 비교예 25, 실시예 24에 수치기재가 없는 것은 비교예 25에서는 거의 그 전면적에 걸쳐 등축결정조직이 관찰되고, 기둥형상결정조직을 발견할 수 없었기 때문이다.

표 16 및 표 17을 비교하면 기둥형상결정이 확인된 비교예 26,27, 실시예 22,23에 있어서, 기둥형상결정의 비율과 Mn분포 균일성에 대응이 있었다는 것은 실시예 22, 23과 같이 냉각속도가 빠른 경우에는 용탕응고가 급속히 일어나기 때문에 응고가 냉각면으로부터 한쪽방향으로 진행하고 기둥형상결정이 성장하기 쉬워지고, 기둥형상결정의 비율이 증가한다. 또한, 급속히 응고하기 때문에 특정 원소가 입자내 입자계에 편석을 형성하는 것에 필요한 시간용탕상태로 존재할 수 없기 때문에 Mn과 같이 분포가 불균일 또는 편석이 생기기 쉬운 원소에 대해서도 분포의 균일성을 유지한 그대로 응고했기 때문이라고 생각된다. 또한 실시예 24가 기둥형상결정을 확인할 수 없음에도 불구하고, Mn분포의 균일성이 우수하다고 하는 것은 역시 냉각속도가 매우 급속하기 때문이며, 특정 원소가 입자내 또는 입자경계에 편석을 형성하기에 필요한 시간용탕상태로 존재할 수 없기 때문에, Mn과 같이 분포의 불균일 또는 편석을 발생시키기 쉬운 원소에 관해서도 분포의 균일성을 유지한채 응고했기 때문이라고 생각된다.

다음에 이들 자료를 사용하여 이하에 표시한 순서로 전극을 제조했다. 우선 이들 합금을 볼밀로 분쇄후, 200메쉬의 체로 200메쉬 이상의 큰 입자를 제거하고, 수소흡장합금분말로 했다. 이어서 이들 합금분말, 분말 PTFE, 케턴블랙을 각각 95.5중량%, 4중량%, 0.5중량%가 되도록 칭량한 후, 커터밀에서 PTFE가 섬유화할 때까지 교반, 혼합했다. 이와 같이 하여 생긴 면상의 혼합물을 니켈금속망 위에 산포하고, 롤러프레스에서 압연함에 따라 수소흡장합금전극으로 했다.

이들 전극을 소결식 니켈전극에서 나일론제 세퍼레이터를 개입하여 끼우고, 8규정 수산화칼륨수용액에 침적하여 충전·방전을 행함으로 사이클수명을 평가했다.

조건은 전극중의 합금중량 1g당 220mA의 전류로 1시간 충전한 후, 산화수은전극에 대하여 -0.5V가 될 때까지, 역시 합금 1g당 220mA전류도 방전을 수행하는 사이클을 반복했다. 전극용량이 초기의 50%까지 저하한 사이클수를 사이클수명이라 한다. 평가온도는 20℃이다. 사이클진행에 수반하는 용량변화를 제37도에, 사이클수명을 제18도에 표시한다.

이와 같이, 수소흡장합금중의 Mn강도값의 비가 1.2전후인 비교예 25로부터 비교예 27에서는 단일극에서의 사이클수명이 거의 350사이클인데 대해, 농도비가 본 발명의 범위인 1.10 이하가 되는 실시예 22로부터 실시예 24에 있어서는 단일극 사이클수명이 각각 620사이클로부터 740사이클로 대폭 길어진다는 것이 확인되었다.

다음에, 실제 전지에서의 성능을 조사하기 위해서 이들 합금을 사용하여 하기 순서에 따라 전지를 제조하고 사이클수명을 평가했다.

수소흡장합금전극은 상술한 전극평가용의 전극과 동일한 제조방법에 따라 제조했다. 즉, 전극중의 수소흡장합금양은 9g±0.2g이 되도록 했다.

니켈전극은 수산화니켈 90중량% 및 일산화코발트 10중량%로 소량의 CMC 및 물 50중량%를 교반, 혼합하여 페이스트로 한 것을 삼차원구조로 한 니켈다공체에 충진, 건조, 롤러프레스에 의해 압연함에 따라 제조했다. 이때, 전극중의 수산화니켈중량에 따라 산출되는 용량이 1.1Ah가 되도록 했다. 이와 같이하여 제조된 수소흡장합금전극 및 니켈전극을 조합하여 폴리프로필렌 부직포로 이루어진 세퍼레이터를 매개하여 감아서 전극군을 구성했다. 이 전극군을 AA형(단삼형)의 전지부에 삽입하고, 7규정 수산화칼륨+1규정 수산화리튬의 혼합수용액을 용해액으로 하여 주입하고, 작동압력 15kg/㎠의 안전마개를 가진 양극단자판으로 밀폐함에 의해 제5도에 표시한 시험전지를 구성했다.

이들 전지를 사용하여 사이클수명을 평가했다. 조건은 1.1A에서 1.5시간 충전한 후, 전지전압이 0.8V가 될 때까지 1A로 방전하는 사이클을 반복했다. 전지 용량이 초기용량의 50%로 저하하는 사이클수를 사이클수명이라 한다. 시험온도는 25℃이다. 제38도에 사이클진행에 수반해, 전지용량의 변화를 제39도에 동일하게 사이클진행에 수반하는 전지내부압력의 변화를 제19도에 사이클수명을 표시한다.

즉, 이때 하기 순서에서 전지화한 전극에 대해서도 Mn의 분포균일성이 합금에서의 경우와 동일하게 관찰할 수 있다는 것을 확인했다.

1) 전지방전

우선 전지제조후 충전·방전 사이클이 나아지지 않은 전지를 시료로 하여 사용한다. 충전·방전 사이클의 진행헤 수반하여, 합금중의 Mn균일성이 변화하기 때문에 시료로서 사용하는 전지의 충전·방전 사이클을 가능하다면 10사이클 이하인 것이 바람직스럽다. 이 전지를 전지상태로 100mA의 전류에서 전지전압이 0.8V가 될 때까지 방전시킨 후, 전지양극사이에 10㏀의 저항을 접속하여 10시간 방전하고 완전 방전시켰다. 이와 같이 2단계로 나누어 완전히 방전을 실행한 것은 잔류 수소에 의한 발화를 하기 위해서이다.

2) 전극수세

상기 방전이 종료한 후, 전지를 해체하여 수소흡장합금전극을 꺼낸다. 빼낸 수소흡장합금전극은 전극중에 방전 리저브로서 잔류하고 있는 수소를 제거하는 전류액에 의해 수지고화의 불충분 또는, 시료와 수지의 부착강도가 저하를 방지하는 것을 목적으로 하고 순수로 충분히 세정한 후, 진공건조기에서 완전히 건조시켰다.

3) 수지메움

건조가 종료한 전극은, 10mm×5mm 정도의 크기로 재단하고, 직경 20mm의 SEM시료용 수지메움 분쇄물(폴리프로필렌제) 중앙부에 산포한다. 이어서, SEM시료 메움용으로서 시판되고 있는 에폭시수지(뷰러사제 EPO-MIX)를, 수지와 경화제를 잘 혼합한 후, 상기 메움 분쇄물에 주입하여 경화시킨다. 이때, 시료와 수지의 밀착성을 향상시키기 위해 수지를 미리 60℃정도까지 온도를 올려 점도를 저하시켜 두기도 하고, 수지주입후 진공데시케이터중에서 진공시켜 기포를 제거하면 보다 바람직스럽다.

4) 연마

상기 순서에 따라 메움을 행한 시료를 그후 연마기에서 현미경면 마무리가 될 때까지 연마한다. 수소흡장합금시료는 물과 반응하기 쉽기 때문에, 연마는 메틸알콜을 적하하면서 내수연마지의 거칠음을 180번, 400번, 800번의 순서로 미세하게 하면서 200rpm으로 회전하는 회전식 연마기에 의해 연마한 후, 동일하게 회전연마기에 펠렛을 고정하는 다이아몬드 페이스트의 입자도를 15마이크론, 3마이크론, 0.25마이클론의 순서로 미세하게 하면서 연마하여 현미경마무리를 했다.

5) EPMA관찰

다음에, 이들 시료를 EPMA(도율제작소 V6)에 고정한다. 우선, Mn이 전혀 함유되어 있지 않은 영역(예를들면, 시료대)을 관찰하고, 맵핑관찰을 하여 Mn농도가 0인때의 Mn의 특성 X선의 강도값을 기록하고, 다음에 시료를 시야의 중심에 오도록 이동하여 맵핑관찰에 따라 Mn의 농도분포의 전체상을 파악한다. 또한, 이 측정에 있어서 배율은 20㎛사방을 관찰영역으로 하고, 시야에 들어오도록 설정했다. 또한, 이때 시야에 시료단부가 들어가지 않도록 유의한다.

상기 관찰에 따라 얻어진 관찰면내에서의 특성 X선 강도분포를 우선 구한 Mn이 함유되지 않은 영역에서의 강도값으로 보정한다. 또한, 시야는 세로 100분할×가로 100분할하여 각 점의 강도값을 측정하도록 EPMA를 설정했다. 이와 같이 하여 얻어진 100×100의 각 점에 대응하는 특성 X선 강도를 단순 평균하는 것으로, 강도의 관찰면내에서의 평균치를 구하고 강도값의 최대값 ρ의 비를 산출했다. 또한, 최대값은 상기 Mn농도의 내, 최대값을 사용했다.

상기 분석을 시야를 바꾸면서 각각 10회 수행했다.

이 관찰결과를 표 20에 나타내지만, 표 16에 나타낸 수치와 거의 동등한 수치가 얻어지고 전지화후에도 충분히 관찰가능하다는 것이 확인되었다.

이와 같이, 상술한 전극평가결과와 동일하게 Mn분포의 균일성이 낮은 비교예 25로부터 비교예 27을 사용한 전지에서는 충전·방전 사이클의 비교적 초기부터 수소흡장합금의 열화에 기인하는 전지내부압력상승이 발견되었다. 이에 수반하여 안전마개로부터의 전해액유출에 따라, 전지용량이 저하하여, 거의 130사이클 전후의 사이클수명밖에 얻을 수 없었다. 그것에 대해, 균일성이 향상한 실시예 22로부터 실시예 24를 사용한 전지에서는 내부압력상승이 비교적 완만하고, 그 결과, 사이클수명으로서, 각각 410부터 510사이클로 이차전지의 실용수명인 300사이클을 크게 넘는 수명을 얻는 것에 성공했다. 이와 같이, 실용전지에 있어서도 Mn분포의 균일성을 본 발명의 범위로 하는 것으로 사이클수명을 대폭 길게하는 것이 가능하다는 사실이 확인되었다.

실시예 25, 26, 비교예 28, 29

합금으로한 때 조성이 LmNiCoMnAl(Lm은 La 부화 미쉬금속)이 되도록 용해시 감소를 미리 감안하여 Lm, Ni, Co, Mn, Al을 칭량했다. 그후, 이들 원료를 고주파 유도로에서 용해하고, 통상의 주형에 넣은 비교예 28을 제조했다. 또한, 제1도에 표시한 단일롤법장치에 있어서, 냉각롤로서 직경 300mm 구리제 롤을 이용하고 진공중에서 800rpm으로 회전시키고, 사출노즐과 냉각롤의 간격폭을 50mm로 설정하여 사출압력을 0.1kgf/㎠으로서 두께 약 100마이크론의 비교예 29를, 사출압력을 0.02kgf/㎠으로서 두께가 20마이크론인 실시예 4의 두종류의 플레이크상인 합금시료를 제조했다. 이들 이외에 제4도에 표시한 불활성 기체 애터마이저법 장치에 따라, 평균입자직경 20마이크론의 수소흡장합금분말을 얻어 실시예 26이라 했다.

이들 합금시료의 편석해 있는 Mn의 크기 이하로 표기한 방법으로 비교했다. 우선 합금시료를 실시예 22~24와 동일한 순서에 따라 합성수지에 봉입한 후, 연마기로 현미경면 마무리를 했다.

이어서, EDX(KEVEX사제)부착의 SEM(ABT사 ABT-55)에 상기 자료를 고정하고 관찰했다. 우선, EDX에 따라 Mn 및 그외의 수소흡장합금 구성원소의 맵핑관찰을 하고, Mn이 단독으로 편석해 있는 곳을 찾아낸다. 단, EDX는 EPMA에 비교하여 분해능이 낮기 때문에, 맵핑관찰의 결과로부터 직접 편석크기를 구하는 것은 곤란하기 때문에 Mn편석의 크기를 정확히 알기 위해서는 EDX로 구한 Mn농도가 높은 점을 SEM으로 관찰할 필요가 있다. 결국, Mn 또는 그외 원소의 농도가 합금조성에 비교하여 다르다는 점은 SEM 위에 합금부분과 반사 전자선의 강도가 다르다는 점으로 관찰되기 때문에 그 강도의 다른 원인을 EDX로 단정하여 영역의 크기를 SEM으로 관찰한 결과로부터 구한 것이다.

비교예 28, 비교예 29, 실시예 25, 실시예 26에 대하여, 상술한 SEM+EDX에 따라 Mn편석크기의 관찰을 행한 결과를 표 21에 나타낸다. 즉, 본 발명에 표를 만들 때 하나의 시료당 10개소의 시야에 대해 관찰했다.

그후, 각 시료의 결정형을 실시예 1~9에 기재한 방법에 따라 관찰결과를 표 22에 나타낸다.

표 22에서 비교예 28, 실시예 26에 수치기재가 없는 것은 비교예 28에서는 거의 그 전면에 걸쳐 등축결정조직이 관찰되고, 기둥형상결정조직이 확인되지 않았기 때문이다. 또한 실시예 26은 조직을 식별할 수 없었지만, 역시 기둥형상결정이외의 조직이 형성되어 있었기 때문이다.

표 21과 표 22를 비교하면 기둥형상결정이 확인된 비교예 29, 실시예 25에 있어서, 기둥형상결정비율과 Mn편석크기에 대응이 있는 것은 비교예 29, 실시예 25와 같이 냉각속도가 빠른 경우에는 용탕의 응고가 급속히 일어나기 때문에 응고가 냉각면으로부터 한방향으로 진행하여 기둥형상결정이 성장하기 쉬워지고, 기둥형상결정의 비율이 증가한다. 또한, 급속히 응고하기 때문에 특정 원소가 입자내 또한 계면에 편석을 형성하기에 필요한 시간용탕상태로 존재하는 것이 곤란해지고, 또한 편석한 경우에도 편석물의 성장이 곤란해지기 때문에, Mn과 같이 편석이 생기기 쉬운 원소에 있어서도 큰 편석물이 되지 않는다고 생각할 수 있다. 또한 실시예 26이 기둥형상결정이 확인되지 않는데도 불구하고 Mn편석물의 크기가 작은 것은 역시 냉각속도가 매우 급속하기 때문에 특정 원소가 입자내 또는 입자계면에 편석을 형성하는데 필요한 시간용탕상태로 존재하는 것이 곤란해지고, 또한 편석한 경우에도 편석물의 성장이 곤란해지기 때문에 Mn과 같이 편석이 생기기 쉬운 원소에 있어서도 큰 편석물이 되지 않는다고 생각할 수 있다.

이어서, 이들 시료 각각 20g을 기체도입관에 부착된 밀폐용기(용적 50cc)에 봉입하고, 밀폐용기를 10℃의 냉각수에 침적시키면서 배관으로부터 10kg/㎠으로 가입한 수소를 흡장시킨 후, 밀폐용기를 60℃ 온수에 침적시키면서 배관을 진공펌프에 접속하여 흡장시킨 수소를 탈장시켰다. 상기 흡착탈장을 1000회 반복한 후 시료의 입자도분포를 레이저산란형의 입자도분포측정장치(세이신기업체)에 의해 측정했다. 그 결과를 표 23에 표시한다.

이 표로부터 Mn편석물의 크기가 작고 본 발명 범위내인 실시예 25에서는 1000회의 수소흡장탈장을 반복해도 시험전의 평균입자직경인 35마이크론이 27마이크론으로, 실시예 26에서는 평균입자직경 20마이크론이 17마이크론으로까지 밖에 저하되지 않고, 수소흡장합금에 수소의 흡장탈장에 의한 미분화가 억제되고 있다는 것을 알 수 있다. 이에 대해, 비교예 28, 비교예 29에서는 초기 평균입자직경 25마이크론이 각각 9마이크론, 13마이크론까지 미분화가 진행하고 있다는 것이 확인되었다. 다음에, 상기 시험에서 확인된 미분화 거동의 차가 실제 전극 특성 부여하는 영향을 조사하기 위해 전극에서의 사이클수명 시험을 했다.

그리고 이하에 표시한 순서로 전극을 제조했다. 우선 이들 합금을 볼밀로 분쇄한 후, 200메쉬의 체에 의해 200메쉬 이상의 큰 입자를 제거하여 수소흡장합금분말로 했다. 이어서 이들 합금분말, 분말 PTFE 및 케첸블랙을 각각 95.5중량%, 4중량%, 0.5중량%가 되도록 청량한 후, 커터밀에서 PTFE기 섬유화할 때까지 교반, 혼합했다. 이와 같이 하여 가능한 면상의 혼합물을 니켈금속망사에 산포하고 롤러프레스에서 압연함에 의해 수소흡장합금전극으로 했다.

이들 전극을 소결식 니켈전극에서 나일론제 세퍼레이터를 매개하여 자르고 8규정 수산화칼륨수용액에 침적하여 충전·방전을 수행하여 사이클수명을 평가했다.

조건은 전극중의 합금중량 1g당 220mA의 전류에서 1시간 충전한 후, 산화수은전극에 대해, -0.5V가 될 때까지, 역시 합금 1g당 220mA전류로 방전을 수행한 사이클을 반복했다. 전극용량이 초기 50%까지 저하한 사이클수를 사이클수명으로 했다. 평가온도는 20℃이다. 사이클수명을 표 24에 나타낸다.

표 24의 결과를 표 23의 결과와 비교하면, 미분화가 억제되어 있는 실시예 25,26에 비교하여 미분화가 진행하기 쉬운 비교예 28,29의 수명이 짧다는 것을 알 수 있고, 미분화의 진행을 억제함에 의해 사이클수명의 대폭 연장이 가능하다는 것이 확인되었다.

즉 이때, 이하의 순서로 전극화한 합금에 대해서도 Mn의 편석크기가 합금단체의 경우와 동일하게 관찰할 수 있다는 것을 확인했다.

1) 방전전극

우선 전지제조후 충전·방전 사이클이 향상되지 않는 전극을 시료로 하여 준비한다. 충전·방전 사이클의 진행헤 수반하여 합금중 Mn편석의 상태가 변화하기 때문에 시료로서 사용하는 전극의 충전·방전 사이클은 가능하다면 10사이클 이하인 것이 바람직스럽다. 이 전극을 0.1c의 전류에서 전극전압이 산화수은전극에 대해 -0.5V가 될 때까지 방전시켜 완전 방전을 수행했다. 이와 같이 완전히 방전을 실행한 것은 잔류 수소에 의한 발화를 방지하기 때문이다.

2) 전극수세

상기 방전이 종료한 후, 수소흡장합금전극은 전극중에 방전 리저브로서 잔류하여 있는 수소를 제거하는 전해액에 의해 수지고화의 불충분 또는, 시료와 수지의 부착강도저하를 방지하는 것을 목적으로 하며, 순수에서 충분히 세정한 후, 진공건조기로 완전히 건조시켰다.

3) 수지메움

건조가 종료한 전극을 10mm×5mm 정도의 크기로 재단하고, 직경 20mm의 SEM시료용 수지메움 분쇄물(폴리프로필렌제) 중앙부에 산포한다. 이어서, SEM시료 메움용으로서 시판되고 있는 에폭시수지(뷰러사제 EPO-MIX)를, 수지와 경화제를 잘 혼합한 후, 상기 메움 분쇄물에 주입하여 경화시킨다. 이때, 시료및 수지의 밀착성을 향상시키기 때문에 수지를 미리 60℃정도까지 온도를 올려 점도를 저하시켜 두기도 하고 수지주입후, 진공데시케이터중에서 진공시켜 기포를 제거하면 보다 바람직스럽다.

4) 연마

상기 순서에 따라 메움을 행한 시료를 그후 연마기로 현미경면 마무리가 될 때까지 연마한다. 수소흡장합금시료는 물과 반응하기 쉽기 때문에, 연마는 메틸알콜을 적하하면서 내수연마지의 거칠음을 180번, 400번, 800번의 순서로 미세하게 하면서 200rpm으로 회전하는 회전식 연마기에 의해 연마한 후, 동일하게 회전연마기에 펠렛을 고정하는 다이아몬드 페이스트입자도를 15마이크론, 3마이크론, 0.25마이크론의 순서로 미세하게 하면서 연마하여 현미경면 마무리했다.

5) EDX관찰

이어서, EDX(KEVEX사제)부착의 SEM(ABT사 ABT-55)에 상기 시료를 고정하여 관찰을 행했다. 우선, EDX에 의해 Mn 및 그외의 수소흡장합금 구성원소의 맵핑관찰을 수행하고, Mn이 단독으로 편석하여 있는 곳을 찾아낸다. 단, EDX는 EPMA에 비교하여 분해능이 낮기 때문에 맵핑관찰 결과로부터 직접 편석 크기를 구하는 것은 곤란하기 때문에 Mn편석크기를 정확히 알기 위해서는 EDX로 구한 Mn농도의 높은 점을 SEM으로 관찰할 필요가 있다. 결국, Mn 또는 그외의 원소의 농도가 합금조성에 비교하여 다르다는 점은 SEM상에서 합금부분과 반사전자선의 강도가 다른 점으로 관찰되기 때문에 그 강도가 다른 원인을 EDX로 단정하고나서 영역의 크기를 SEM에서의 관찰결과로부터 구하는 것이다.

이때 일정시료당 10개소의 시야에 대해 관찰을 수행했다.

상기 분석을 시야를 바꾸면서 각각 10회 수행했다.

이상의 실시예에서는 B의 구성원소로서 Ni, Co, Mn, Al을 이용했지만, 예를들면 Cr, Si, Fe, Cu, Ag, Pd, Sn, In, Ge, Ti, Zr, Zn등에 의해 일부 치환을 수행해도 동일한 결과를 얻을 수 있었다.

이상 기술한 바와 같이 수소흡장합금용량을 증대시키기 위해 매우 효과적인 Mn을 함유하는 수소흡장합금중의 Mn농도의 최대값을 평균값의 1.3배 이하로 하거나 또는, 합금중에 편석하는 Mn의 최대직경을 0.1㎛이하로 함에 의해 전해액인 농도가 진한 알칼리수용액에 대한 합금의 내식성이 향상하는 한편, 수소의 흡장탈장에 수반하는 팽창수축에 기인하는 미분화를 억제하는 것이 가능해지고, 수소흡장합금의 수명을 길게 하는 것이 가능해졌다. 따라서, 이들 합금을 택한 니켈수소이차전지의 장수명화가 가능해졌다. 그 결과, 본 발명에 관한 수소흡장합금의 공업적 가치는 매우 높다. 본 발명에 따르면, 알칼리이차전지, 예를들면 니켈수소이차전지로서 사용한때, 고용량이고 장사이클수명 및 초기특성이 우수한 음극재료로서 바람직스러운 전지용수소흡장합금을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 니켈수소이차전지의 음극 활성물질로서 이용한때, 고용량이고 오랜 사이클수명 및 초기 특성이 우수한 음극재료로서 바람직스러운 전지용 수소흡장합금을 제조할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 고용량이고 장사이클수명 및 초기 특성이 우수하고 더우기 가격이 저렴하고 제조할 수 있는 니켈수소이차전지를 제공할 수 있다.

Claims (10)

1. 일반식 ANiaMnbMc(단, A는 Y(이트륨)을 함유하는 희토류원소로부터 선택되는 적어도 한가지 종류의 원소, M은 Co, Al, Fe, Si, Cr, Cu, Ti, Zr, Zn, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Ag, Pd, B, Ga, In, Ge 및 Sn중에서 선택된 적어도 한가지 종류의 원소, 3.5≤a≤5, 0.1≤b≤1, 0≤c≤1, 4.5≤a+b+c≤6)로 표시되는 조성을 가지는 합금에 있어서, 기둥형상결정조직을 가지며, 상기 기둥형상결정조직의 짧은 직경과 긴 직경의 비(애스펙트비)가 1 : 2 이상인 기둥형상결정의 면적비율이 50% 이상인 것을 특징으로 하는 전지용 수소흡장합금.
2. 일반식 ANiaMnbMc(단, A는 Y(이트륨)을 함유하는 희토류원소로부터 선택되는 적어도 한가지 종류의 원소, M은 Co, Al, Fe, Si, Cr, Cu, Ti, Zr, Zn, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Ag, Pd, B, Ga, In, Ge 및 Sn중에서 선택된 적어도 한가지 종류의 원소, 3.5≤a≤5, 0.1≤b≤1, 0≤c≤1, 4.5≤a+b+c≤6)로 표시되는 조성을 가지는 합금에 있어서, 기둥형상결정조직을 가지고, 상기 기둥형상결정조직의 짧은 직경과 긴 직경의 비(애스펙트비)가 1 : 2 이상인 기둥형상결정의 면적비율이 50% 이상이며, 상기 기둥형상결정의 평균 짧은 직경이 30㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 전지용 수소흡장합금.
3. 일반식 ANiaMnbMc(단, A는 Y(이트륨)을 함유하는 희토류원소로부터 선택되는 적어도 한가지 종류의 원소, M은 Co, Al, Fe, Si, Cr, Cu, Ti, Zr, Zn, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Ag, Pd, B, Ga, In, Ge 및 Sn중에서 선택된 적어도 한가지 종류의 원소, 3.5≤a≤5, 0.1≤b≤1, 0≤c≤1, 4.5≤a+b+c≤6)로 표시되는 조성을 가진 합금용탕을 10000℃/초 이상의 냉각속도로 냉각처리하여 전지용 수소흡장합금을 형성하는 것을 특징으로 하는 전지용 수소흡장합금의 제조방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 합금용탕의 급냉처리를 진공하에서 실시하는 것을 특징으로 하는 전지용 수소흡장합금의 제조방법.
5. 일반식 ANiaMnbMc(단, A는 Y(이트륨)을 함유하는 희토류원소로부터 선택되는 적어도 한가지 종류의 원소, M은 Co, Al, Fe, Si, Cr, Cu, Ti, Zr, Zn, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Ag, Pd, B, Ga, In, Ge 및 Sn중에서 선택된 적어도 한가지 종류의 원소, 3.5≤a≤5, 0.1≤b≤1, 0≤c≤1, 4.5≤a+b+c≤6)로 표시되는 조성을 가진 합금용탕을 급속처리하여 용탕급냉합금을 조정하고, 얻어진 용탕급냉합금을 200~500℃의 온도범위에서 적어도 1시간 이상 열처리하여 전지용 수소흡장합금을 형성하는 것을 특징으로 하는 전지용 수소흡장합금의 제조방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 합금용탕의 급냉처리를 진공하에서 실시하는 것을 특징으로 하는 전지용 수소흡장합금의 제조방법.
7. 제5항에 있어서, 상기 열처리를 진공중 또는 불활성 기체분위기중에서 실시하는 것을 특징으로 하는 전지용 수소흡장합금의 제조방법.
8. 수소흡장합금을 음극(11), 니켈잔화물로 이루어진 양극(12) 및 상기 음극과 상기 양극 사이에 설치된 전기절연성을 가진 세페레이터(13)를 알칼리전해액을 충진한 밀폐용기(14)에 수용하여 형성되는 니켈수소이차전지에 있어서, 상기 수소흡장합금이 일반식 ANiaMnbMc(단, A는 Y(이트륨)을 함유하는 희토류원소로부터 선택되는 적어도 한가지 종류의 원소, M은 Co, Al, Fe, Si, Cr, Cu, Ti, Zr, Zn, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Ag, Pd, B, Ga, In, Ge 및 Sn중에서 선택된 적어도 한가지 종류의 원소, 3.5≤a≤5, 0.1≤b≤1, 0≤c≤1, 4.5≤a+b+c≤6)으로 표시되는 조성을 가진 합금의 기둥형상조성의 짧은 직경과 긴 직경의 비(애스펙트비)가 1 : 2 이상인 기둥형상결정의 면적비율이 50% 이상인 것을 특징으로 하는 니켈수소이차전지.
9. 수소흡장합금을 음극(11), 니켈산화물로 이루어진 양극(12) 및 상기 음극과 상기 양극 사이에 설치된 전기절연성을 가진 세페레이터(13)를 알칼리전해액을 충진한 밀폐용기(14)에 수용하여 형성되는 니켈수소이차전지에 있어서, 상기 수소흡장합금이 일반식 ANiaMnbMc(단, A는 Y(이트륨)을 함유하는 희토류원소로부터 선택되는 적어도 한가지 종류의 원소, M은 Co, Al, Fe, Si, Cr, Cu, Ti, Zr, Zn, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Ag, Pd, B, Ga, In, Ge 및 Sn중에서 선택된 적어도 한가지 종류의 원소, 3.5≤a≤5, 0.1≤b≤1, 0≤c≤1, 4.5≤a+b+c≤6)으로 표시되는 조성을 가진 합금의 기둥형상조성의 짧은 직경과 긴 직경의 비(애스펙트비)가 1 : 2 이상인 기둥형상결정의 면적비율이 50% 이상이고, 상기 합금의 기둥형상결정의 평균 짧은 직경이 30㎛ 인 것을 특징으로 하는 니켈수소이차전지.
10. 제8항에 있어서, 상기 음극의 수소흡장합금은, 그 합금의 기둥형상조성의 짧은 직경과 긴 직경의 비(애스펙트비)가 1 : 2 이상인 기둥형상결정의 면적비율이 50% 이상인 결정입자를 확인할 수 있는 금속조성에 함유되는 전입자수에 대해 30% 이상인 것을 특징으로 하는 니켈수소이차전지.