Ni-MH 2차전지의 열화기구 및 수명향상 방안 연구 = (A)study on the degradation and improvement of cycle life in Ni-MH secondary batteries

국문 초록 (Abstract)

최근 에너지 자원 고갈 및 환경오염에 대한 관심이 증가하면서, 내연기관과 2차 전지를 함께 사용하여 연비를 크게 향상시킨 하이브리드 자동차(HEV)의 수요가 증가하고 있다.
하이브리드 자동차(HEV)용 Ni-MH 2차 전지는 빠른 초기 활성화, 긴 싸이클 수명 및 고율 충· 방전 특성 등이 요구된다. 특히 싸이클 수명 특성을 향상시키기 위해서는 전극의 열화(퇴화) 현상에 관한 연구가 필수적이다. 본 연구에서는 음극 활물질을 이용한 Ni-MH 2차전지의 열화원인을 규명하고, 음극 활물질의 전처리 및 첨가제(Y2O3, Co nano powder)첨가를 통하여 Ni-MH 2차전지의 싸이클 수명 특성을 향상시키고자 하였다.
전처리는 음극 활물질을 6M KOH + 0.1M NaBH4 용액에 넣고 85℃의 온도에서 1시간동안 실시하였다. 전처리를 실시한 합금을 이용하여 전극을 제조하고 상대전극으로는 백금(Pt), 기준전극으로는 Hg/HgO, 전해질로는 6M의 KOH용액을 사용하여 상온(25℃) 및 고온(50℃)에서 전극의 싸이클 수명 특성 평가를 수행하였으며, 첨가제 첨가의 효과에 관한 실험은 첨가제(Y2O3, Co nano powder)를 각각의 비율로 첨가하여 전극을 제조한 후 고온(50℃)에서의 싸이클 수명 특성 평가를 실시하였다. 전극 표면의 퇴화를 관찰하기 위해서 SEM분석을 실시하였으며, 전극의 표면생성물(산화물) 및 산화 정도를 관찰하기 위해 XPS, CV 및 EIS 분석을 실시하였다.
실험결과 전극의 표면에 산화막 형성 및 가스 발생 등으로 인하여 상온 및 고온에서 충·방전이 반복됨에 따라 전극의 퇴화가 나타나는 것을 확인하였다. 전극 표면의 퇴화 및 산화 정도를 관찰한 결과 충·방전 전류가 증가 할수록 전극의 퇴화가 심화되고, Rct(charge transfer resistance)값이 증가하는 것을 확인하였다. 또한 고온에서 전처리를 행한 합금이 전처리를 행하지 않은 합금보다 향상된 싸이클 수명 특성을 나타내었고, 전처리를 실시한 합금에 첨가제를 첨가한 전극이 전처리를 실시하지 않은 합급에 첨가제를 첨가한 전극보다 우수한 방전용량 특성을 나타내었다. 이는 전극 표면에 니켈과 코발트 성분이 증가하여 촉매적 특성을 향상시키는 전처리 효과와 첨가제인 코발트 성분이 표면에 증가하여 표면 촉매 활동도를 향상시키고 부식 저항성이 우수한 Y2O3 첨가제가 합금의 산화 및 전해질 내로의 용출을 방지한 효과라 할 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 문헌조사 및 이론적 배경 3
• 2.1. Ni-MH 2차 전지의 원리 3
• 2.2. Ni-MH 2차전지용 수소저장합금의 설계 및 요구특성 8
• 2.3. Ni-MH 2차전지의 기본 특성 13
• 2.4. Ni-MH 2차 전지의 밀폐화 원리 18
• 3. 실험방법 20
• 가. Ni-MH 2차 전지의 열화원인 규명 20
• 1) 전극 제조 20
• 2) 충?방전 실험 21
• 3) 전기화학적 특성 평가 22
• 4) 전극의 표면 형상 및 조성 분석 23
• 나. Ni-MH 2차 전지의 고온 싸이클 특성 개선 24
• 1. 합금의 전처리를 통한 고온 싸이클 특성 개선 24
• 1.1. 합금의 전처리 및 전극제조 24
• 2. 첨가제 첨가를 통한 고온 싸이클 특성 개선 25
• 2.1. 전극 제조 25
• 3. 전처리 합금 + Y2O3/Co nano powder 첨가를 통한 고온 싸이클 특성 개선 25
• 3.1. 전극 제조 25
• 4. 결과 및 고찰 26
• 가. Ni-MH 2차 전지의 열화원인 규명 26
• 1) 충·방전 전류 값의 크기에 따른 Cycle 특성 (상온) 26
• 2) 전극 표면 형상 분석 (SEM) 27
• 3) 전극 표면 전하 전달 반응 분석 28
• 4) 순환 전위 분극시험(Cyclic Voltammetry) 거동 29
• 5) 전극 표면 성분 분석(XPS) 30
• 6) 충·방전 전류 값의 크기에 따른 Cycle 특성 (고온) 32
• 7) 전극 표면 형상 분석 (SEM) 33
• 8) 전극 표면 전하 전달 반응 분석(EIS) 35
• 9) 전극의 열화억제를 통한 싸이클 특성 향상 36
• 나. Ni-MH 2차 전지의 고온 싸이클 특성 개선 37
• 1. 합금의 전처리를 통한 고온 싸이클 특성 개선 37
• 1) 충·방전 전류 값의 크기에 따른 Cycle 특성 (고온) 37
• 2) 전극 표면 형상 분석 (SEM) 38
• 3) 전극 표면 전하 전달 반응 분석 40
• 2. 첨가제 첨가를 통한 고온 싸이클 특성 개선 42
• 1) 충·방전 전류 값의 크기에 따른 Cycle 특성 (고온) 42
• 2) 전극 표면 형상 분석 43
• 3) 전극 표면 전하 전달 반응 분석(EIS) 44
• 3. 전처리 합금 + Y2O3/Co nano powder 첨가를 통한 고온 싸이클 특성 개선 45
• 1) 충·방전 전류 값의 크기에 따른 Cycle 특성 (고온) 45
• 2) 전극 표면 형상 분석 46
• 3) 전하 전달 반응 분석(EIS) 47
• 5. 결론 48
• 6. 참고문헌 49
• 7. 영문초록 51