산요 에네루프(eneloop) 개발비화 2부 기술개발편산요 에네루프(eneloop) 개발비화 2부 기술개발편

Posted at 2010.09.30 20:59 | Posted in IT/Hardware/Etc




1부에 이어 2부는 그 기술적인 특징에 대해서, 산요 에너지 기술 총괄부 부장 아키라씨에게 이야기를 들었다. 


Eneloop는 건전지 형식 니켈 수소 전지, 소위 니켈 수소 충전지라는 것이다. 

 전지는 내부에 충전된 전해액에서 2개의 전극 (양극과 음극)이 화학 반응하여 그 에너지가 방전되는 구조를 채택하고있다. 이러한 전지는 화학 전지라고 양극과 음극의 조합으로, 방전되는 전압과 특성이 다르다. 

 니켈 수소 충전지는 양극에 수산화 니켈, 음극에 수소 합금 (금속 결정 내에 수소를 파악 합금)을 사용 2차 전지이다. 니켈 수소 충전지가 방전시 전압은 1.2V와 알칼리 망간 건전지 1.5V에 가깝기 때문에, 배터리의 대체품으로 널리 사용되고있다. 지금 시판되고있는 AA와 AAA 건전지 호환 타입의 충전지는 대부분 니켈 수소 충전지이다. 

 건전지 호환 유형에서 널리 사용되고있는 니켈 수소 충전지이지만, 원래 AA와 AAA의 2차 전지 시장은 건전지에 비하면 미미한 것이다. '05 년도 건전지가 국내에서만 약 22 억개도 출시되고있는 반면, 시판용 니켈 수소 충전지는 1 %에도 못 미친다. 

 이러한 상황을 타파하려고 태어난 것이 에네루프이다. 이전 니켈 수소 충전지와 가장 다른 점은, 자기 방전 특성을 억제하는 데있다. 니켈 수소 충전지의 보급을 방해했다 "방치하면 사용할 수 없게된다"라는 약점을 해결하는 시도이다.


니켈 수소 충전지의 구조


전지는 주로 화학 전지는 것을 보여준다



건전지와 충전지의 특성을 겸비한 에네루프



● 왜 니켈 수소 충전지는 자기 방전을 일으키는가?



자기 방전 메커니즘. (1) (3) 잘 알려진 것으로, (2) 산요가 연구하는 자기 방전의 원인


 충전 후 방치하면 사용할 수 없게된다 "는 무슨 일인가. 그것은, 니켈 수소 충전지 가진 "자기 방전"성질에 따른 것이다. 

 자기 방전은 실제로 방전된 것은 아닌데, 배터리에서 방전과 같은 화학 반응이 일어나 버리는 현상이다. 완전 충전되어도 장시간 방치하면 서서히 남은 용량이 줄어 들어 버린다. 

 이러한 자기 방전은 여러 가지 원인이 있다고한다. 학회 등에서도 잘 알려져있는 것은, "양극의 자기 분해"과 "질소 화합물에 의한 셔틀 효과"라고한다. 모두 전지에서 자연적으로 일어나는 화학 반응으로 쉽게 말하면, 전지를 사용하지 않더라도, 마음대로 같은 화학 변화가 건전지에서 일어나 버리는 것이다. 

 또한 산요에서는 또 1 개의 자기 방전의 원인으로 "separator에 도전성 화합물 석출"이라는 것을 들고있다. 이것은 음극의 수소 흡 장 합금에 포함된 코발트와 망간이 에너지를 이동 매개 물질이되는 전해액으로 용출하여 일어나는 현상이다.



에네루프는 그 현상에 대해 어떻게 대처 했는가. 

 "양극의 자기 분해"에 대해서는 양극 자체를 분해하기 어려운 조성하고, 전해액의 조성을 새롭게하는 등, 소재 양상을 검토하고있다. 

 "질소 화합물에 의한 셔틀 효과"에 대해서는 사실 전지 재료의 제조 과정에서 발생하는 질소 화합물을 없애면 좋은 곳이지만, 그것은 공업으로 현실적이지 않기 때문에 배터리의 분리를 향상하기위한 대책을 세워 있다. 

 그리고 "separator에 도전성 화합물의 석출"에 대해서는 역시 분리를 향상하는 때, 음극의 수소 흡 장 합금, 코발트와 망간을 사용하지 않는다 "초격자 합금"을 채용하여 조치를 취하고있다. 코발트와 망간은 지금까지 니켈 수소 충전지에 필수 재료가 있었지만, 전지 작용 자체에 필요하지 않은 화학 물질도 포함하고 있으며, 그것이 자기 방전을 일으키는 원인이되었다. 

 이 초격자 합금은 산요 니켈 수소 충전지에서 중요한 기술이다. 이 소재를 채용하여, 전극으로부터 코발트와 망간을 배제하고 수소 흡 량의 향상 = 배터리 용량 업그레로 이어지고있는 셈이다.


초격자 합금



● 용량추적을 검토하여 실현 낮은 자기 방전 높은 사이클 수명


 사실 초격자 합금은 원래는 도시바에서 개발된 것이었으나, 처음에는 내구성이 떨어지고, 실용화할 수있는 상태가 아니었다. '01 년 도시바 건전지 니켈 수소 충전지 사업이 산요에 양도된 후, 양사의 기술을 융합하여 초격자 합금을 실용화를위한 연구 결과, '04 년 발매된 2,500 mAh 니켈 수소 충전지로 실용화되었다. 

 Eneloop는이 초격자 합금의 장점 용량 업그레 아니라 자기 방전을 방지 방향으로 배분하는 것이 기술적인 포인트가된다. 

 이전 니켈 수소 충전지는 1회 충전으로 얼마나 많은 전력을 축적할 수있는 방법, 즉 용량이 가장 중요시되고 있었다. 그러나 에네루프 용량은 2,000 mAh로, 기존 제품보다 적게되어있다. 산요 "HR-3UF"2,500 mAh 대용량 제품의 "HR-3UG"에서 2,700 mAh이다. 

 "용량과 충전 횟수 자기 방전 율은 절충 있습니다. 충전, 방전의 반복 사용 시간은 대용량 배터리가 더 짧게되어 버립니다"(타도 코로 씨) 

 사실 2,700 mAh 제품과 2,000 mAh의 에네루프도 2,500 mAh 제품을 기반으로하고있다. 사이클 수를 줄이고, 200mAh 분의 용량을 향상시킨 것이 2,700 mAh 제품, 반대로 500mAh의 용량을 희생하여 자기 방전 억제 및 충전 횟수의 향상을 실현하는 것이 Eneloop이다.

 "에네루프의 경우, 소재 개량해서 얻은 이익을 자기 방전 해소와 횟수 향상에 배분해보다 건전지 주변 쓰기로했다는 것입니다"(타도 코로 씨) 

 따라서 Eneloop는 기존 제품의 배인 약 1,000 사이클의 충 방전을 견딜 수 있다고한다. 작은 용량의 차이와 사이클 자기 방전 율이 큰 차이를 생각하면, 대부분의 사람에게는 후자가 더 매력적으로 비칠 것이다. 

 "이런 것도 산요 고용량 충전지 기술이 배경에있어 처음하는 것입니다. 과거 모델의 용량 증가를 더미, 2,500 mAh 제품을 만들 수있게 되었기 때문에, 에네루프을 만들 것입니다 "(타도 코로 씨) 

 '01 년 상용 AA 형 니켈 수소 전지의 용량은 1,700 mAh이었다. 그것을 '04 년에 2,500 mAh까지 향상시킨 대용량화된 기술이 있고, 처음 에네루프가 완성된 것이다.



초격자 합금 구조. 
AB2형과 AB5형의 2 종류의 금속 결정 형태가 섞여있다. 
그림, 파란색 니켈, 녹색은 희토류 원소, 빨강은 마그네슘이 들어있다.



디지털 카메라로 사진 촬영로드 테스트. 
반년 지나면 기존 제품은 15 장밖에 촬영할 수 없었다. 
에네루프 645장  촬영이 가능




1년 후 전지 용량 생존율. 
기존 제품이 64%, 에네루프 85%


● 또다른 특징, 약간의 전압 향상의 혜택


자기 방전 특성 그래프이지만, 초기 상태의 촬영 매수에 주목. 초기 상태의 전압 차이에 따라 메모리 효과가 일어나더라도 실제 사용에 영향을 어려운
 자기 방전이나 높은 사이클 수명 이외에도 그다지 눈에 띄는 어필은되지 않지만, 에네루프에는 전압이 미묘하게 높다는 특징이있다. 

 이전 니켈 수소 충전지의 전압은 1.2V였다. 그러나 에네루프 전압은 그것보다는 약간만 더 높다. 단 0.05V 정도의 차이이지만, 이것이 재미 이점을 제공하고있다. 

 예를 들어 일반적인 디지털 카메라의 경우에는 배터리 잔량을 전압으로 추측하는 시스템을 사용하고있다. 전지의 대부분은 남은 용량에 따라 방전 전압이 완만하게 감소하는 특성을 가지고있다. 그 특성을 이용하여 배터리가 방전 전압이 일정을 밑돌면 "반 전지 마크"등으로 배터리 잔량을 경고하는 것이다. 그러나 기존의 충전지는 방치하면 실제 에너지가 충분히 남아있어도, "배터리 잔량 소"로 표시되는 경우가 있었다. 

 에넬의 경우, 전압이 높기 때문에 잔량 표시의 타이밍이 실제 에너지 잔량은 맞는 것으로되어있다. 산요가 상용 디지털 카메라로 실험했는데, 반 배터리 표시가 나올 때까 지의 촬영 매수는 에넬이 927장 찍을 수 있었고, 2,500 mAh 제품이 897장으로 , 에네루프가 더 많았다. 

 디카가 종료되기 전에 촬영 매수는 과연 고용량이다 2,500 mAh 제품이 많다. 그러나 여전히 에네루프는 1,005장, 2,500 mAh 제품 1,128장, 
스펙상의 용량 정도의 차이가 없다. 이것도 에네루프 전압이 높은 장점중 1 개다. 전압이 높기 때문에 종료 한계 전압에 도달할 때까지이 조금 늦게, 대용량 배터리와 차이가 줄어들고있다. 


 또한 전압이 높다는 것은 완전히 다른 장점도있다. 보충한 충전시 일어나는 현상, 이른바 "메모리 효과"에 영향이다. 

 메모리 효과는 니켈 수소 충전지에서 보충한 충전 반복 후 완전 방전을하면 일시적으로 정상 방전 전압보다 전압이 낮게된다는 현상이다. 

 전압이 낮으면 앞으로도 설명했다 반 배터리 표시 및 종료 한계 전압에 도달이 빨라지고, 용량이 감소하는 것처럼 보일 것이다. 이 문제를 방지하기 위하여는, 한 번 배터리를 다 사용해야하며이를 위해 "재생 기능"으로 방전 회로를 통합 충전기도 많다. 

 원래 메모리 효과는 그 메커니즘이 명확하게 해명되지 않고, 아직 해결되지 않은 문제다. 그러나 에네루프의 경우, 원래의 전압이 높기 때문에 메모리 효과에 의한 전압 강하의 영향이 적다. 

"메모리 효과가 완전히 없어진 것은 아니지만, Eneloop는 메모리 효과를 실질적으로, 걱정하지 이용할 수 있습니다"(타도 코로 씨) 

 귀찮은 방전 과정없이 간단하게 반복 사용하는 것도, 에네루프 혜택 셈이다.

● 사용 범위가 넓어졌다 차세대 니켈 수소 충전지

 자기 방전 특성, 높은 사이클 수명보다 높은 전압에 의한 메모리 효과의 개선 등 Eneloop는 다른 충전지에없는 특성이있다. 이러한 특성으로 인해 기존의 충전지는 사용하기 곤란했던 장비, 예를 들어 잔량을 소비하는 데 시간이 걸릴 벽시계 등에도 Eneloop는 사용하기 쉽게되어있다. 

 반복 사용 충전지의 저변을 더 펼친 에네루프. 앞으로도 사용자의 시간과 비용 부담을 덜어하면서 환경에 공헌할 수있는 가치있는 상품의 등장에 기대하고 싶다.


2010/09/30 - 산요 에네루프(eneloop) 개발비화 1부 마케팅편

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