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문제 정의
- 본 연구에서는 이러한 문제점을 개선하기 위해 배터리의 전해액 개선을 통하여 싸이클 수명성능을 개선하고 태양광 및 풍력 발전에 적합한 배터리를 개발하고자 한다.
제안 방법
- 7 wt.% 함유한 합금을 사용하여 중력 주조 공법으로 제작 하였다.[5-7]
- 3 g/㎤으로 제조한다. Paste 밀도의 변화를 위해 paste 혼합 30분 경과 시 정제수로 밀도를 조절하였다.[4]
- Semi-gel 전해액은 묽은 황산, 정제수, silica를 혼합하고, Impellar mixing tool을 사용하여 잘 혼합될 수 있도록 하였으며, 실리카 함량은 각각 5%, 7%, 10%인 Semi-gel 전해액 3종을 제작하였다. Semi-gel 전해액의 주요 특성은 전지에 전해액을 주입 후 적정한 시간에 gel화되는 것이 중요한 조건이다.
- Silica전해액의 효과를 검증하기 위하여, 채택된 silica전해액 시료와 액상 전해액을 적용하여 12 V 100 AH 전지를 제작하였고, 이 시료들은 활성화 충전 후, 충ㆍ방전시험기(Digatron Co., Ltd., IBT-2000, Germany)를 사용하여 25℃에서 저율(10시간율), 고율(1시간율)방전을 통한 용량시험을 실시한다. 그리고 전해액의 성층화 현상의 개선과 싸이클 수명성능 향상에 대한 검증은 DOD 10%와 DOD 100% 싸이클 수명 시험을 통해 silica전해액과 액상 전해액의 수명 성능을 비교하였고, 중량 측정을 통해 전해액의 감액량을 측정하여 Semi-gel 전해액의 특성을 비교하였다.
- , IBT-2000, Germany)를 사용하여 25℃에서 저율(10시간율), 고율(1시간율)방전을 통한 용량시험을 실시한다. 그리고 전해액의 성층화 현상의 개선과 싸이클 수명성능 향상에 대한 검증은 DOD 10%와 DOD 100% 싸이클 수명 시험을 통해 silica전해액과 액상 전해액의 수명 성능을 비교하였고, 중량 측정을 통해 전해액의 감액량을 측정하여 Semi-gel 전해액의 특성을 비교하였다.
- 극판의 활성물질인 paste는 산화 납 분말에 첨가제를 혼합한 후 H2O을 반응시켜 Pb(OH)2을 생성시키고, 고농도의 H2SO4를 첨가하는 순으로 제조하였다.[2-3]
- 밀도가 4.3 g/㎤인 paste를 Pb-Ca-Sn 합금으로 제작된 grid에 도포한 후 고온(80℃), 고습(90%이상) 조건에서 숙성을 30시간 실시하여 극판을 제작하였다.
- 숙성(Curing)이 완료된 극판의 활물질을 SEM(HITACHI Co., Ltd., S-2400, Japan) 장비를 사용하여 관찰하고 숙성반응 시 생성된 활물질 결정을 관찰하였다.
- 숙성된 극판들을 일정한 크기의 반응조에 투입하여 비중이 1.040인 황산 용액에 1시간 침지 후 20시간율 전류의 400% 전류량으로 충전을 실시하였다. 화성이 완료된 양극판의 활성물질과 음극판의 활성물질은 SEM 장비를 사용하여 관찰하고 분석하였다.
- 전해액으로 사용되어질 Semi-Gel 황산 전해액은 묽은 황산, 정제수, silica을 사용하였고, Impellar mixing tool을 사용하여 실리카 함량이 각각 5%, 7%, 10%인 Semi-Gel 전해액 3종을 제작하였다.
- 태양광 또는 풍력으로 생성된 전기적 에너지는 납 축전지에 저장되고 이용되는데, 이 납축전지의 에너지 저장 및 이융율을 향상시키기 위해 전해액을 Semi-Gel화하여 납축전지에 적용하였고, 그 시험 결과를 아래와 같이 나타내었다.
- 화성량은400%(20시간율 전류)의 충전량을 적용하였다. 화성반응 이후 양극판 활성물질인 이산화 납 (PbO2)과 음극판 활성물질인 해면상 납 (Pb)의 생성을 SEM 분석 장비를 사용하여 관찰하였다.
- 040인 황산 용액에 1시간 침지 후 20시간율 전류의 400% 전류량으로 충전을 실시하였다. 화성이 완료된 양극판의 활성물질과 음극판의 활성물질은 SEM 장비를 사용하여 관찰하고 분석하였다.
이론/모형
- 숙성 반응이 종료된 극판을 전기적인 활성을 위해 화성공법 중 Tank Formation 공법으로 화성극판을 제작하였다.[8] 비중이 1.
성능/효과
- 2. Semi-Gel 전해액을 사용한 납축전지와 액상 전해액을 사용한 납축전지의 방전 성능을 비교한 결과, 저율방전 성능은 Semi-Gel전해액이, 고율방전 성능은 액상 전해액이 높은 성능을 나타내었다. 이는 Gel전해액의 경우 액상 전해액에 비해 반응속도가 느려 고율방전 성능이 낮은 것으로 나타났다.
- 3. 수명성능을 DOD 10%, DOD 100%로 시험한 결과, 5%-Silica 전해액이 액상전해액을 사용한 납축전지에 비해 우수한 수명 성능을 나타내었다. 이는 Semi-Gel상태의 전해액이 납축전지 내부 화학반응 시 발생하는 gas의 재결합 효율을 높여 전해액 감액량이 최소화로 한 결과로 수명성능에서 큰 차이를 나타내었다.
- 4. 태양광, 풍력 등과 같은 에너지 저장 효율을 높이고, 수명성능을 향상시키기 위해 전해액에 5%-Silica전해액을 사용하면 전해액의 감액량이 최소로 되어 DOD 100% 수명시험의 경우 4.8%, DOD 10% 수명시험의 경우 20%의 수명성능이 향상되었다.
- 그러나 수명시험에서는 액상 전해액을 사용한 시료에 비해 실리카를 적용한 시료가 전해액의 감액량이 현격히 낮았으며, 액상 전해액을 사용한 시료는 감액량이 싸이클이 진행될수록 급격하게 증가하여 전해액 고갈로 인한 수명종료 현상이 나타났다.
- 1은 고온 숙성된 극판 활성물질의 상변화 상태를 조사하기 위하여 SEM을 이용하여 관찰한 결과이다. 사진에서 나타낸 바와 같이 고온숙성 시 생성되는 4BS (Tetrabasic lead sulfate)가 양극 활성물질과 음극 활성물질에 골고루 생성되었음을 알 수 있었다.[9-11]
- 실리카 7%와 10%인 전해액은 각각 35분, 15분 경과 시 gel화가 되었다. 전해액은 gel화 되기 전에 극판과 격리판에 함습되고 활성화 반응 이후 gel화가 진행되어야 하므로 실리카 5% 혼합 전해액이 가장 적정함을 알 수 있었다.
후속연구
- 신생에너지 저장 시스템 및 전력자장용의 에너지 저장 시스템의 장애요인은 높은 시설비와 저효율 및 단수명이었으나 이를 해결하고자 하는 노력들이 이루어지고 있다. 향후에는 신생 재생에너지원의 이용 효율을 향상시킬 수 있는 에너지 저장 시스템의 개발이 필요하다. 그리고 발생된 에너지를 저장하고 이용할 수 있는 전력저장장치의 원천적인 기술이 개발되지 않고 있는 실정이다.
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