KR100312593B1 - 이극식 납축전지용 경량 기판의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이극식 납축전지용 플라스틱 기판의 제조방법에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 플라스틱 기재로 된 기판 표면에 납 도금층을 형성시킨 후, 납용탕에 담금질하여 원하는 두께의 납 담금층을 형성시키는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따라서 제조된 납축전지용 경량 기판은 플래스틱 기재로 된 기판의 표면 위에 납을 균일하게 도금함으로써 기판과 납과의 접착성을 향상시킬 수 있으며, 납용탕에 도금된 기판을 담금질하는 후공정을 거침으로써 기판에서의 납 두께를 효과적으로 조절할 수 있기 때문에 전지의 수명을 향상시킬 수 있다. 따라서 본 발명의 이극식 납축전지용 경량 기판을 사용함으로써 중량 에너지 밀도가 향상되고, 장수명을 갖는 납축전지를 제공하는 것이 가능하다.

Description

이극식 납축전지용 경량 기판의 제조방법{A PROCESS OF LIGHT GRID FOR A BIPOLAR LEAD STORAGE BATTERY}

본 발명은 이극식 납축전지용 경량 기판의 제조방법에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 플라스틱 기재로 된 기판 표면 위에 납 도금층을 형성시킨 후, 납용탕에 담금질하여 원하는 두께의 납 담금층을 형성시키는 방법에 관한 것이다.

1860년 프랑스의 플랜트에 의해 개발된 납축전지는 액체 전해액을 사용하는 전지 시스템 중에서 가장 전압이 높고, 비교적 광범위한 온도에서 다양한 전류를 공급할 수 있으며, 또한 에너지 효율(〉80%)이 높은 상태에서 수명이 길고, 저장 성능이 우수하며, 다른 2차 전지에 비해 값이 저렴하고, 재생이용이 가능해 환경 친화적이라는 특징을 가지고 있어, 발명 후 약 140년 동안 꾸준히 사용되어 왔다.

그러나 납축전지는 다른 전지들에 비해 에너지 밀도가 낮다는 치명적인 단점을 지니고 있고, 이것은 납축전지의 용도 확대에 상당한 걸림돌이 되고 있는 실정이다. 실제적으로 향후 수요가 증가할 것으로 생각되는 전기 자동차(Electric Vechicle, 이하 EV라 칭함)용 납축전지는 현재의 수준으로는 20∼30 Wh/㎏ 정도의 성능을 나타내고 있으며, 이 정도의 성능으로는 약 80∼100Km 밖에 주행할 수 없다. 따라서 에너지 밀도가 높은 이극식 납축전지에 대한 관심이 증가하고 있는 실정이다.

이극식 개념이 도입된 것은 이미 70여년이 지났으며, 특히 근래 들어 EV 등에 관심이 커짐에 따라 많은 과학자의 관심이 집중되고 있다.

이극식 전지(표준형)는 도 1(a)에 나타낸 바와 같이, 기판(11)의 양면에 각각 (+) 활물질(12) 및 (-) 활물질(13)을 도포한 다음, 상기와 같이 이루어진 기판체 사이에 격리막(14)을 삽입한 후 적층하여 조립하는 전지 시스템이다. 도 1b에 나타낸 종래의 단극식 전지와는 달리 전류가 기판의 수직 방향으로 흐르며, 적층된 기판체의 수에 따라 전압이 결정된다. 또한, 이러한 이극식 전지는 스트랩(strap)과 포스트(post)가 필요 없고, 조밀한 구조가 가능하기 때문에 무게와 저항을 감소시킬 수 있으며, 기판체의 적층에 의해 손쉽게 전압을 향상시킬 수 있어 고전압이 필요한 응용 분야에서 유용하다.

그러나 상기 이극식 전지에 대하여 아직 상용화된 제품은 없으며, 앞으로 개발하기 위해서는 가볍고 안정한 기판 뿐만 아니라, 새로운 전지 디자인 고안, 활물질과 기판 사이의 접착성 향상, 전해질 투과에 의해 생기는 자기방전과 얇은 기판에서 일어나는 부식 방지 등의 해결해야 할 근원적인 과제를 남기고 있다.

그러나 무엇보다도 이극식 전지 개발의 관건은 전극 기판의 개발에 달려있다고 해도 과언은 아니다. 전극 기판은 전해액인 황산 수용액과 접촉시 전기화학적으로 안정해야 하며, 활물질은 PbO₂, PbSO₄등과의 접착성이 좋아야 한다. 또한, 양, 음극 활물질이 서로 반대편에 동시에 도포되기 때문에 부식에 약할 경우, 내부 쇼트에 의해 전지성능이 급격히 감소하므로, 전지 사용 영역에서 부식에 강해야 한다. 아울러 가벼워야 전지 자체의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.

지금까지 기판에 대한 연구는 Al, Cu 및 Fe 등과 같은 중량 대비 고강도인 금속 표면에 납이나 산화물을 피복하는 방안과 폴리머 내에 도전재와 강화 섬유 등을 섞어 성형한 복합재료를 적용하는 방안 등이 고려되어 왔다. 그러나 금속계 기판의 경우는 부식 등의 문제가 아직 해결되지 않았고, 폴리머계 기판의 경우는 전도도 문제, 도전재의 산화 등의 문제를 아직 해결하지 못하고 있다.

이에 본 발명은 플라스틱 기재로 된 기판 표면에 납을 도금하여 기판과 납과의 접착성을 향상시키고, 납용탕에 도금된 기판을 담금질하는 후처리를 함으로써, 장수명을 갖는 이극식 납축전지용 경량 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1a는 표준형 이극식 납축 전지의 단면도이고, 도 1b는 종래의 단극식 전지의 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 이극식 납축전지용 기판의 단면도이다.

본 발명은 이극식 납축전지용 경량 기판의 제조방법에 있어서, 플라스틱 기재로 된 기판을 납으로 도금하는 단계와 납 도금된 기판을 납용탕에 담금질하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이극식 납축전지용 경량 기판의 제조방법인것이다.

이하 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 이극식 납축 전지에 사용하기 위한 기판은, 전지 자체의 에너지 밀도를 향상시키기 위하여, 경량 재질인 플라스틱 기재로 된 기판을 사용한다. 상기 플라스틱 기재로서 폴리프로필렌 또는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌이 바람직하다.

상기와 같은 기재로 이루어진 기판 표면 위에 묻어있는 도금에 좋지 않은 영향을 미치는 오일 등의 불순물을 제거하기 위하여 탈지한 다음 증류수로 수세한다. 이어서, 상기 기판 표면에서 납 도금이 원활히 진행되도록 활성화 처리를 한 다음 다시 수세를 실시한다.

그 후, 통상적인 전기 도금법을 이용하여 수세된 기판에 납 도금을 실시하고, 도금이 완료된 기판을 수세한 다음, 건조시킨다. 도금 공정만으로도 원하는 두께의 납층을 형성시킬 수 있으나, 비용 및 공정 시간을 고려하여 상기 도금 공정으로는 0.1∼30㎛ 정도 두께의 납 도금층을 형성하는 것이 바람직하다.

이어서 원하는 두께의 납층을 형성하기 위하여, 상기 납 도금된 기판을 납의 비등점 이상의 온도를 갖는 327∼500℃의 납용탕에 1초∼30초간 담금질 한다. 담금 시간이 너무 길어지게 되면 도금층의 납이 녹아 나올 수 있으므로, 상기 시간 동안 담금질 하는 것이 바람직하다. 이때 형성되는 바람직한 납 담금층의 두께는 5㎛∼2㎜ 이다.

추가로, 상기 납 담금질 단계 전에 납 도금되어 건조된 기판을 -190 내지 20℃ 온도로 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 납 도금된 기판의 온도는 담금질에 의해 형성되는 납 담금층의 응고 시간 및 두께 등을 결정하는 변수로서 작용하게 된다. 따라서, 납 도금된 기판을 상기와 같은 상온 이하의 온도로 냉각함으로써, 납 담금질에 의해 형성되는 납 담금층을 조절 할 수 있다.

상기 냉각온도 및 담금질 유지 시간, 납용탕 온도에 따라 최종적인 납층 두께가 결정되어 진다.

상기 제조방법에 의해 이극식 납축전지용 경량 기판이 제조될 수 있고, 이와 같이 제조된 경량 기판의 단면을 도 2에 나타냈다. 도 2에서, (21)은 플라스틱 기재로 된 기판을 나타내고, (22)는 전기 도금에 의해 플라스틱 기재로 된 기판 표면에 형성된 납 도금층이며, (23)은 상기 납 도금층이 형성된 기판을 납용탕에 담금질하여 형성된 납 담금층이고, (24)는 양·음극에서 발생한 전기가 전달되는 전류 이동로를 나타내고, (25)는 납축전지의 양극 또는 음극을 의미하고, (26)은 (25)에서 결정된 전극에 대하여 반대전극을 의미한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라서 제조된 납축전지용 경량 기판은 플래스틱 기재로 된 기판의 표면 위에 납을 균일하게 도금함으로써 기판과 납과의 접착성을 향상시킬 수 있으며, 납용탕에 도금된 기판을 담금질하는 후공정을 거침으로써 기판에서의 납 두께를 효과적으로 조절할 수 있기 때문에 전지의 수명을 향상시킬 수 있다. 따라서 본 발명의 이극식 납축전지용 경량 기판을 사용함으로써 중량 에너지 밀도가 향상되고, 장수명을 갖는 납축전지를 제공하는 것이 가능하다.

Claims (8)

1. 이극식 납축전지용 경량 기판의 제조방법에 있어서, 플라스틱 기재로 된 기판을 납으로 도금하는 단계와 납 도금된 기판을 납용탕에 담금질하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이극식 납축전지용 경량 기판의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 플라스틱 기재는 폴리프로필렌 또는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌인 것을 특징으로 하는 이극식 납축전지용 경량 기판의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 납 도금층의 두께가 0.1∼30㎛인 것을 특징으로 하는 이극식 납축전지용 경량 기판의 제조방법.
4. 제 1항에 있어서, 납용탕의 온도가 327∼500℃인 것을 특징으로 하는 이극식 납축전지용 경량 기판의 제조방법.
5. 제 1항에 있어서, 납용탕에 담금질하는 시간이 1초∼30분인 것을 특징으로 하는 이극식 납축전지용 경량 기판의 제조방법.
6. 제 1항에 있어서, 납 담금층의 두께가 5㎛∼2㎜인 것을 특징으로 하는 이극식 납축전지용 경량 기판의 제조방법.
7. 제 1항에 있어서, 납용탕에 담금질 하는 단계 이전에 추가로 냉각 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이극식 납축전지용 경량 기판의 제조방법.
8. 제 7항에 있어서, 냉각 온도는 -190∼20℃인 것을 특징으로 하는 이극식 납축전지용 경량 기판의 제조방법.