Ni-Zn(니켈아연 전지)

자동차 학습/전기자동차 2020. 5. 25. 14:01 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

Ni-Zn(니켈아연 전지)

 Zn/Ni 전지는 1901년경 러시아인 Mikhailouski가 특허를 출원한 이후 독일에서는 1930년에 들어 이를 전기자동차용으로 사용하기 위한 연구개발이 진행되었다.

 2Hi(OH)2(s) + Zn(OH)2(s) 2Ni (OH)3(s) + Zn

(−) electrode:  Zn + 4 OH− ⇌ Zn(OH)42− + 2e− (E0 = −1.2 V/SHE )
Electrolyte: KOH
Zn(OH)42− ⇌ Zn(OH)2 + 2OH−
Zn(OH)2 ⇌ ZnO + H2O
(+) electrode:  2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 e− ⇌ 2 Ni(OH)2 + 2 OH− (E0 = +0.50 V/SHE)
Overall reaction:  Zn + 2 NiO(OH) + H2O ⇌ ZnO + 2 Ni(OH)2
Parasitic reaction:  Zn + 2 H2O → Zn(OH)2 + H2

 그러나 1950년대에 이르기까지 실용화된 기록이 없다가 1960년대에 접어들면서 유럽 및 미국에서 연구가 활발하게 진행되었다.

니켈아연 전지의 특징

① 에너지 밀도가 45~65 Wh/kg으로 납축전지보다 높다

② 가격은 Ni-Cd 전지 대비 저렴하다

③ 충전량은 방전량의 110% 이내여서 충분하다

④ 충전 상태나 방전 상태에서도 장시간의 보존이 가능하여 유지보수가 간단하다

⑤ 내진동성, 내충격성 등이 우수하다.

 그러나 에너지 밀도가 높더라도 납축전지와의 차이가 적기 때문에 1 충전 주행 거리를 획기적으로 확장하기는 어렵고, 아연 전극의 수명이 짧다는 단점도 있다. 따라서 미래의 전기자동차 전원으로 사용하기 위해서는 대폭적인 수명 성능의 향상이 필요하다.

 

찻대 전지, 니켈-아연 전지

 높은 에너지 밀도와 높은 비율의 방전이 가능하나 우수한 성능로 인해 많은 종류의 알카리 전지에서 아연이 사용되는데, 그 중에서 전기 자동차용 2차 전지로서 니켈-아연 전지의 활용 가능성이 가장 크다. 그러나 충전 반응 시 일어나는 아연 전극에서의 불균일한 조직형성 때문에 누전과 수차례 충방전을 반복하면서 발생하는 전극 변형에 의한 전지용량 감소가 초래되어 전지의 수명이 200~300회 정도에 불과해서 아직까지 상용화에는 어려움이 있다.

 니켈-아연 전지는 전극에 따라 다소 제조과정이 다르다. 먼저, 양극에 해당하는 니켈전극은 일반적으로 소결식으로 제조되는데, 이 방법은 니켈 집전체 위에 부피비로 75~80%에 달하는 기공을 갖는 Ni 소형판을 소결방법으로 제조한 후, Ni(NO3)2를 함침하여 Ni(OH)2 활물질을 생성시키고 나서 충방전을 통한 화성공정을 거쳐 전극으로 제조한다.

 음극 전극의 경우, 아연산화물 분말을 주성분으로 하여 아연금속 분말과 몇 가지 첨가제를 혼합하여 집전체에 도포하는데, 도포하는 방법으로는 건식법으로 해야 전극에서 발생하는 산소의 발생전위를 높을 수 있다. 다음, 내알카리성을 갖는 금속이 전착도금 된 구리 집전체 위에 활성물질과 첨가제가 혼합된 분말을 가압 성형함으로써 전극이 제조된다.

 전지의 수명에 영향을 미치는 요인 중의 하나인 분리판은 각종 재질과 구조가 이용되는데, 알카리에 강한 종이, 유기질 다공성 박막 등 3중 구조로 이루어져 있다. 수명에 중대한 또 한가지 요인인 전해액은 일반적으로 25~35% 수산화칼륨 용액이나, 여기에 수산화리튬 용액을 혼합하여 사용한다.

 니켈-아연 전지는 전기자동차용으로 많은 가능성을 지니고 있다. 또한 높은 출력과 에너지 밀도, 낮은 가격, 안정성, 원료 및 제조 공정의 무공해성 등 전기자동차용 전지가 갖추어야 할 성능을 갖추고 있으므로 그 수명 특성을 개선 할 경우 전지의 가격과 더불어 성능을 비교하면 니켈-금속수소화합물, 나트륨-황 등의 여타 전지들과 경쟁이 가능할 것이다. 결국 니켈-아연 전지의 실용화를 앞당김으로써 가까운 장래에 환경오염 및 에너지고갈 문제를 완전 해결한 전기자동차가 실용화 될 수가 있다.

 

 

 

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