KR100347480B1 - 경질의납전지전극제조방법 - Google Patents
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Abstract
경질 납전지전극을 제조하기 위한 방법에 있어서 전기 분해납 분리가 이루어지는 동안 전해질에 용해되거나 현탁된 고체물질은 납매트릭스에 구성되며, 캐소드를 알맞게 형성하므로서 동시에 주조된다. 전기 화학전지는 캐소드 내지 Cu/Ta/Pt-애노드로 구성되고 100-2000A/㎡의 전류밀도를 나타낸다. 전해질은 PbO, Pb(OH)2또는 PbCO3를 포함하고, 공기의 유입에 의해 강하게 움직인다. 전해질을 제조하기 위하여 HBF4-용액 및 납, 납을 포함하고 있는 폐기물 그리고/또는 탈황된 납전지-전극 페이스트를 이용한다.
Description
본 발명은 경질의 납전지전극 제조방법에 관한 것으로서, 납으로 구성된 매트릭스내에 다수의 비용해성 미립자의 고체물질은 납에 의해 분산된다.
특히 납 축전지용 양극(陽極)그리드는 사람 또는 주형기계에 의한 중력을 이용한 중력주조(重力鑄造)에 의해서, 그리고 온실- 또는 냉동실-압력주조기계를 이용한 압력주조에 의해서 만들어진다. 그것은 드럼주조기를 이용한 연속적 중력주조 및 신전선(伸展線) 기술을 이용한 그리드제조를 의미한다. 예를들어 중력- 또는 압력주조에 의하여 코드압착되는 격자살과 같은 것은 양극 그리드의 각인과 일부 그리드의 용접에 의해 약간 확장된다. 이 제조방법은 각각 특수한 단점을 나타낸다. 중력주조시에 최소 평면두께는 1㎜로 제한되고, 평면두께는 특히 주형내의 성층이 불규칙하기 때문에 항상 일정하지는 않다. 압력주조-방법은 금속용해시에 일정한 점성을 필요로 한다. 그런 이유로 예를들어 3-8% 비중의 안티몬 성분을 가지고 납-안티몬-합금을 제조할 수는 없다. 드럼주조기내에서의 연속적 중력주조시에 최소 평면두께는 대략 1㎜로 한정된다. 각인(刻印) 및 타인(打印)에 의한 그리드제조시에 원료의 사용은 비교적 경미하고, 그리드-디자인 가능성은 제한된다. 신전선기술에 따라 그리드를 제조함에 있어서 수학적으로 최적의 그리드를 완성하는 것은 불가능하다.
순수 납에 의한 탄성한계(고정 강도) 및 영속성(시간고정)은 매우 낮기 때문에 납전지 전극용 제작재료로서 납-합금을 이용한다.
납의 강도를 높이기 위하여, 예를들어 안티몬 또는 칼슘, 주석과 같은 재료와 합금하며, 이때 혼합결정- 및 분리는 효과적으로 수행된다(W. 호프만, 납과 납합금, 슈프링어-출판, 베르린/괴팅엔./하이델베르그 1962). 그러나 이 합금재료는 기본적으로 전기적 저항을 높이고, 내부반응 및 전지반응과 같은 전기화학적 특성은 가스화에 의해 불리하게 작용한다.
종래에 납전지전극의 강도를 분산경화에 의해 높이기 위하여 일정한 부피의 원소 및 가능한 평균차이가 적은 비용해성 원소를 납물질내에서 납에 의해 분산시켜야만 하였다. A. 로이드, E.R. 뉴슨에 의한 미국특허 제 3,253,912호에 표시된 분산 경연(硬鉛): 케미컬 인더스트리에 발표, 납에 대한 처리, 연구, 1968, 255-267에서 납에 의한 산화연-분산을 발생시키기 위한 여러가지 분말야금(powder metallurgy) 방법이 제안되었다. M.M. 틸먼, R.L. 크로스비, D.H.데시가 발표한 공동침전에 의하여 납을 강화시키는 분산은(BM RI 7570연구논문, 미국 내무성, 워싱턴 1971) 납에 의한 산화알루미늄-분산을 발생하기 위한 분말야금 방법을 설명하였다. 그러나, 이들 방법은 모두 비-최적 원소량 및- 분산, 엄청나게 높은 비용발생 등의 단점을 가지고 있었고, 그 밖에 완전한 전기화학 반응을 위한 문제점 및 용접이 부분적으로 될 수 있는 가능성과 같은 것들이 기술화되어야 하는 문제점이 있었다. 그로 인해 이들 방법은 예를들어 전지의 기술적 이용에 대하여 경제적, 기술적 문제점이 있었다.
예를들어, 구리, 니켈, 철, 아연, 납과 같이 갈바니 분리가 가능한 모든 금속은 그 안의 지층사이에 끼여 구성된 위상을 포함하는 엷은 금속층을 순수 원소 위에 침전하여 제조할 수 있다.
본 발명의 기술에 따르면 갈바니층내에 흑연, PTDE, Al2O3, SiC 및 기타 물질이 반입되고(분산도금) 동시에 들은 조절된 조건하에 전해질의 현탁애긍로부터 하층에서 분해된다. 이 기술상태는 갈바니식으로 분해된 분산도금의 특성을 개선하기 위한 방법을 거쳐 수많은 공정에 유효하게 쓰인다. 그 분산도금은 금속매트릭스일 때 기능적 표면층으로 이용되며, 특히 니켈에 의해 폐쇄보호층으로 이용된다. 대개 분산 배치된 위상(분산모양)의 상층 부분은 금속매트릭스에 가능한 균등한 분할을 이루려 한다. 그래서 DE-AS 22 36 443의 아미노유기물 규소화합, DE-AS 26 43 768의 양이온 내지 비-이온성 불소탄화물화합, DE-AS 26 44 035의 이미다졸린하이드록시드(Imidazolingydroxide), DE-AS 26 46 881의 디메칠아미녹시드 (Dimethylaminoxide)는 투여성분의 분리율을 높이기 위한 첨가물로 제안되었다.
비너(Wiener)등은 (도금 4, 1970, 소제목 3,5,8-3,6,1) 전해질 분해된 납 및 납-합금의 경화를 특수첨가물의 사용에 의하여 그리고 분산 축적에 의하여 설명하였다. 시험된 첨가제중에서 리그닌설폰산과 구마린의 결합이 가장 효과적인 것으로 입증되었다. 그것은 0.03-0.01 ㎛의 중간 입자크기의 TiO2를 첨가하여 소망하는 경화-강도의 증가를 이루었다. 전류밀도는 270-540A/㎡였다.
일본 공개특허 JP-O-47 11264의 전기분해 방법은 전해질을 이용한 납-물질의적층 및 전기도금에 관한 것으로서, 상기 전해질은 Pb-플루오르붕화물, Pb-플루오르실리케이트 또는 Pb-황산염, 0.005-5g/ι의 구리와 선택적으로 0.025-5g/ι의 고분자 폴리아크릴아미드를 포함하였다. 그 용액은 자석 교반기에 의해 교반되었다. 납 분해는 연판(鉛板)의 음극, 강철판 양극으로 500-1,000A/㎡ 의 전류밀도하에 실행되었다.
본 발명에 따르면 보다 낮은 수소팽창을 하는 금속을 포함하는 납-원료는, 수소를 발생하여 음전극에 자가방출을 효과적으로 행한다. 납 자체가 특별히 높은 수소팽창을 하기 때문에 납전극은 전해질 용액내에서 수소팽창이 낮은 다른 금속과 화합되며, 그래서 이 금속에 상응하여 보다 많은 수소발생이 이루어지고 납전극은 그에 상응하여 보다 빠르게 방전된다. 그것은 전극 분리된 금속의 갈바니도금에 적합하다(일부성분 형성). 특히 매우 낮은 수소팽창을 하는 금속(귀금속, 은, 니켈, 구리)은 수포형성이 강하게 이루어질 정도로 수소발생을 강하게 할 수 있으며, "후가열금속"의 표시는 여기에 기인한다(논문집 "납전지", 바르타 바테리 아게 (Hrsg.), VDI(독일기술자협회-출판사, 뒤셀도르프 1986). 그러므로 구리를 함유한 납전지재료를 양극에 사용하는 것은 의미가 없는 것으로 밝혀졌다.
본 발명의 목적은 순수 납 및 종래 사용되었던 납-합금에 비하여 기술적으로 필요한 짧은 시간내에 경제적으로 제조할 수 있는 개량된 특성을 가진 경질의 납전지 전극을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 상기 목적을 달성하기 위하여 전기분해 납분리가 이루어지는 동안 전해질내에 용해되거나 현탁된 고체물질을 납매트릭스에 공급하고, 분리와 동시에 캐소드의 전기 전도성 표면영역이 주조되고, 전해질은 천공판을 관통하는 공기의 유입에 의해 전해질용기의 바닥에서 강하게 움직이고, 전류밀도는 100-2000A/㎡, 바람직하게는 600-2000A/㎡ 이고, 전기화학 전지는 캐소드 및 Cu/Ta/Pt-애노드로 구성하고 전해질을 제조하기 위한 원료로서 HBF4-용액과 아울러 납, 납을 포함하고 있는 폐기물 그리고/또는 PbO, Pb(OH)2또는 PbCO3등의 탈황(脫黃) 납전지-전해페이스트(Paste)를 이용한다.
"전기 전도성 캐소드 표면영역 주조"로 이해할 수 있는 것은 캐소드의 전기 전도성 표면영역은 일정한 틀을 형성하고, 그것은 분리된 전지전극의 바람직한 형태와 일치한다는 것이다.
종래의 납전지용 전극과 비교해 보면 본 발명 방법에 따라 분산경화된 납 전지전극은 개량된 기계적 특성과 감소된 전기저항을 나타낸다. 고정 강도와 시간강도는 높아지고, 그것은 전극의 운반 횡단면을 축소시킬 수 있다. 이 횡단면의 축소는 중량이동된 에너지-축전지밀도를 전기화학적 전지전극의 특성에 대해 부정적 영향을 끼치는 일 없이 증가시킨다. 또한, 횡단면의 축소는 종래 전지전극과 반대로 제조방법에 기초한 아무런 제한도 없다. 본 발명에 따른 방법은 신속 균등한 납-물질의 분리를 실현한다. 그렇게하여 납전지전극을 경제적으로 제조할 수 있다. 왜냐하면 분리된 전지전극의 직접 구성과 기술적으로 유용한 결합 및 -표면특성으로 인해 비용이 많이 소요되는 뒷처리가 요구되지 않기 때문이다. 또한, 전지전극의 두께와 구성은 보다 넓은 범위내에서 변화시킬 수 있고, 그렇게하여 전극과의 최적두께 및 최적 접촉면을 통해 최대 페이스트 이용이 가능해진다. 또한, 본 발명에 따른 방법에 의하면 납매트릭스내에 구성된 고체물질의 부분은 전해질에 주어진 화합물과 비교하여 일정한 전류밀도의 조정에 의하여 달리할 수 있다. 예를들어 그것은 납매트릭스에 구성된 상대적 구리 비율이기 때문에 전해질용액의 구리-함량과 관련하여 보다 낮은 전류밀도로 증가한다.
본 발명에 따른 과제를 해결하기 위하여 전해질에 용해되거나 현탁시킨 고체물질은 전기분해 납분리가 이루어지는 동안 납매트릭스내에 구성하고, 캐소드의 전기전도성 표면영역은 분리와 동시에 알맞게 주조되고, 전해질은 전해질용기 바닥에서 천공판을 통하여 유입된 공기에 의해 강하게 움직이고, 전류밀도는 100-2000A/㎡, 바람직하게는 600-2000A/㎡ 로 하고, 전기화학 전지는 캐소드, 격벽 내비 흑연-애노드로 구성하고, Fe(BF4)3-용액과 아울러 납, 납을 포함한 폐기물 그리고/또는 납폐기물은 전해질을 제조하기 위한 원료로 이용한다.
본 발명에 따른 방법의 이들 변형, 특히 유용한 방법에 의해, 예를들어 이미 사용된 납전지전극이나 전극페이스트와 같은 일정한 폐기물은 전해질을 제조하기 위한 원료로 이용하며, 그것은 또한 분리된 납전지전극의 제조에 쓰이는 코스트의 절감을 의미한다.
또한, 본 발명의 또 다른 구성은 50-300g/ι의 Pb++, 50-200g/ι의 유리된 HBF4, 1-5g/ι의 Fe+++, 10-100g/ι의 유리된 HBF4를 전해질내에 포함시킨다. 철이온의 첨가로 바람직한 방법으로 결정생성이 이루어진다.
본 발명의 또 다른 구성은 전류밀도를 1100-2000A/㎡로 한다. 매우 높은 이 전류밀도는 분리비율을 높이고 그래서 전지전극의 제조시간은 매우 짧아진다.
본 발명의 또 다른 구성에서 캐소드의 적절한 형성에 의해 또는 분리된 재료의 일정한 범위내에서 행하는 캐소드 격리에 의해 전기 전도성 캐소드의 표면영역에 그리드의 형태가 형성된다.
본 발명의 또 다른 구성에서 전해질에 각각 0.1-2g/ι농도의 젤라틴, 아교, β-나프톨, 레조르신, 리그닌황화칼슘 그리고/또는 펩톤이 첨가제로서 혼합된다. 이들 첨가제의 혼합은 납과 고체물질을 균등하게 분리시킨다.
본 발명의 또 다른 구성에서 전해질에는 추가 첨가제로서 폴리아크릴산아미드가 0.05-5g/ι의 농도로 혼합된다. 이 첨가제의 혼합은 납 및 고체물질의 균등한 분리에 작용한다.
본 발명의 또 다른 구성에서 고체물질로서 각각 5-150g/ι전해질의 농도는 Y2O3, Al2O3, ZrO2, SiO2,TiO2, SiC, WC, TiC, BaSO4, BN 그리고/또는 Si3N4혼합물이 이용되고, 각각 0.01-5g/ι전해질 농도의 금속 Sn, As, Sb, Bi, Cu, Se, Te 그리고/또는 Ag가 이용된다.
본 발명의 또 다른 구성에서 화합물은 0.005-5 ㎛ 크기의 Y2O3, Al2O3, ZrO2, SiO2, TiO2, SiC, WC, TiC, BaSO4, BN 그리고/또는 Si3N4이다.
본 발명의 또 다른 구성에서 전기분해의 납분리는 30-90℃사이의 온도에서실행한다.
본 발명의 또 다른 구성에서 캐소드판은 그 위에 마련된 전기전도성 통로와 함께 전기 절연체로 구성하고, 그것들 위에서 납물질이 분리되고, 그것에 의해 조형이 결정된다.
본 발명의 또 다른 구성에서 전기 전도성 통로로서 구리통로가 이용되고, 그것은 마스크로 덮이며, 전기 절연체 상에 형성된 구리-층의 도금에 의해 구성된다. 이때, 마스크의 제조는 광전기 방법에 의해 행해진다.
본 발명의 또 다른 구성은 순수 납에 의해 전기분해 경화된 납전극은 나중에 층을 형성한다. 순수 납, 예를들어 미세납을 이용하여 나중에 층을 형성하므로서 납전극의 내부식성은 향상된다.
본 발명의 목적을 하기의 예에 의거하여 자세히 설명한다.
실시예 1
전기분해-용액을 제조하기 위한 원료로서 PbO를 이용하며, 그것은 드럼 믹서 내에서 HBF4로 용해시킨다. Pb(BF4)2는 :
2HBF4+ PbO ---> Pb(BF4)2+ H2O 제조된다.
함수성 Pb(BF4)2-용액은 150g/ι의 Pb++,100g/ιHBF4, 2.5g/ι의 H3PO4, 0.6g/ι의 아교 및 0.4g/ι의 리그닌황화칼슘을 포함하고, 전기분해 전지내의 납은 캐소드에 분해되고 상기 캐소드는 에폭시 수지판으로 구성되고 그 위에는 그리드 형태의 구리통로가 마련된다. 구리/탄탈/백금-철사로 구성된 애노드에는 산소가 분해된다 :
Pb(BF4)2+ H2O ---> Pb + 2HBF4+ 1/2 O2
전해질 속에 현탁된 고체물질 1 ㎛의 평균 입자크기 및 50g/ι농도의 SiC-분말 또는 0.4g/ι농도의 구리는 천공판을 통하는 공기의 유입에 의해 전해질 용기의 바닥에서 부유하며, 매 시간당 대략 10번 회전한다. 전기분해 납분리는 35-45℃의 온도와 800-1200A/㎡의 전류밀도에서 실시된다. 이 방법에 의해 0.3-0.6㎜의 분산 경화된 납전지 전극이 만들어진다. 납매트릭스내의 분산-성분은 4중량%까지의 SiC와 0.8중량%까지의 구리이다. 납전지전극내에서의 분산은 순수 납에 의한 전극에 비해 뚜렷하게 강성이 증가한다. 순수 납(HB(19/62.5/30) 전극의 경도는 4이고, 분산 경화된 납전지전극 경화값은 8-10(SiC-분산)과 20-24(구리-분산)에 달한다.
실시예 2
전기분해-용액을 제조하기 위한 원료로서 납폐기물이 낡은 납전지 전극의 형태내에 투입되며, 드럼믹서 내에서 Fe(BF4)3에 의해 용해된다. Pb(BF4)3:
2Fe(BF4)3+ Pb ---> Pb(BF4)3+ 2Fe(BF4)3로 제조된다.
함수성 Pb(BF4)2-용액은 100g/ι의 Pb++, 30g/ι의 Fe++, 1g/ι의 Fe+++, 30g/ι의 HBF4및 1g/ι의 아교를 포함하고 전기분해전지내에서 납은 캐소드에 분해된다:
Pb(BF4)2---> Pb + 2HBF4-
캐소드는 에폭시수지판으로 구성되고 그 위에 그리드 형태의 구리-통로가 형성된다. 격벽에 의해 캐소드로 부터 분리되는 흑연-애노드에서 강철이 산화된다 :
Fe(BF4)2+ BF4- --->Fe(BF4)3
전해질에 현탁된 고체물질, l㎛ 의 평균입자크기 및 50g/ι농도의 SiC-분말 또는 0.4g/ι농도의 구리는 전기분해용기 바닥의 천공판을 통하여 공기가 유입되므로서 공기중에 부유되며, 매 시간마다 대략 10번 회전한다. 전기분해 납분리는 35-45℃의 온도, 800-1200A/㎡의 전류밀도에서 실시된다. 그것은 분산경화된 0.3-0.6㎜ 두께의 납전지전극을 만든다. 납매트릭스 내의 분산-성분은 4중량% 까지의 SiC또는 0.8중량%까지의 구리이다. 납전지전극의 분산구조는 순수 납의 전극에 비해 뚜렷한 강성상승을 일으킨다. 순수 납(HB(19/62.5/30)전극의 경도는 4이다. 그것에 비해 분산경화된 납전지전극의 경도(HV)는 8-10(SiC-분산) 및 20-24(구리-분산)를 나타낸다. 전기화학적 측정을 하면 구리에 의하여 분산경화된 전극의 수소팽창은 납 뿐만아니라 일반적인 납전지전극물질에 비해서도 도달가능한 치수의 정밀도의 범위내에서 비특징적으로 낮아진다.
Claims (15)
- 임의로 구성된 매트릭스내에서 납에 의해 용해성 미립자와의 고체물질이 분산되는 경질의 납전지전극 제조방법에 있어서,a) 전기분해 납분리가 이루어지는 동안 전해질에 용해되거나 현탁된 고체 물질은 납매트릭스내에 구성되며, 캐소드의 전기 전도성 표면영역의 형성에 의해 분리와 동시에 주조되고,b) 전해질은 천공판을 통하는 공기의 유입에 의해 전해질용기 바닥에서 강하게 움직이고, 전류밀도는 100-2000A/㎡, 바람직하게는 600-2000A/㎡이고,c) 전기화학 전지는 캐소드 및 Cu/Ta/Pt-애노드로 구성되고, HBF4용액 및 납, 납을 함유하고 있는 폐기물 그리고/또는 PbO, Pb(OH)2, PbCO3를 포함하는 탈황 납전지-전극 페이스트는 전해질의 제조를 위한 원료로 이용되는 것을 특징으로 하는 경질의 납전지전극 제조방법.
- 납으로 구성된 매트릭스내에서 납에 의해 비용해성 미립자의 고체물질이 분산되는 경질의 납전지전극 제조방법에 있어서,a) 전기분해 납분리가 이루어지는 동안 전해질에 용해되거나 현탁된 고체 물질을 납매트릭스내에 구성되며, 캐소드의 전기 전도성 표면영역의 형성에 의해 분리와 동시에 주조되고,b) 전해질은 천공판을 통하는 공기의 유입에 의해 전해질용기바닥에서 강하게 움직이고, 전류밀도는 100-2000A/㎡, 바람직하게는 600-2000A/㎡이고,c) 전기화학 전지는 캐소드, 격벽 및 흑연-애노드로 구성되고, Fe(BF4)2/Fe(BF4)3-용액 및 납, 납을 함유하고 있는 폐기물 그리고/ 또는 납폐기물은 전해질을 제조하기 위한 원료로 이용되는 것을 특징으로 하는 경질의 납전지전극 제조방법.
- 제1항에 있어서,전해질내에 50-300g/ι의 Pb++, 50-200g/ι의 HBF4와 1-5g/ι의 H3PO4를 포함하는 것을 특징으로 하는 경질의 납전지전극 제조방법.
- 제2항에 있어서,전해질내에 50-300g/ι의 Pb++, 10-50g/ι의 Fe++, 0.1-5g/ι의 Fe++와 10-100g/ι의 HBF4를 포함하는 것을 특징으로 하는 경질의 납전지전극 제조방법.
- 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한항에 있어서,전류밀도는 1100-2000A/㎡ 인 것을 특징으로 하는 경질의 납전지전극 제조방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,캐소드의 주조 또느 캐소드의 절연에 의해 분리 재료의 일정한 틀 내에서 캐소드의 전기 전도성 표면영역에는 그리드 형태가 만들어지는 것을 특징으로 하는 경질의 납전지전극 제조방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,전해질에는 0.1-2g/ι농도의 젤라틴, 아교, β-나프톨, 레조르신, 리그닌황화칼슘 그리고/또는 펩톤이 첨가제로서 첨가되는 것을 특징으로 하는 경질의 납전지전극의 제조방법.
- 제 7항에 있어서,전해질에는 각 0.05g/ι의 농도의 폴리아크릴산아미드가 보조 첨가제로서 첨가되는 것을 특징으로 하는 경질의 납전지전극의 제조방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,고체물질로서 각각 5-150g/ι전해질의 농도의 Y2O3, Al2O3, ZrO2, SiO2,TiO2, SiC, WC, TiC, BaSO4, BN 그리고/또는 Si3N4화합물과 그리고/또는 각각 0.01-5g/ι전해질 농도의 금속 Sn, As, Sb, Bi, Cu, Se, Te 그리고/또는 Ag가 이용되는 것을특징으로 하는 경질의 납전지전극의 제조방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,각각 0.01-5g/ι전해질 농도의 금속 Sn, As, Sb, Bi, Cu, Se, Te 그리고/또는 Ag가 고체물질로서 이용되는 것을 특징으로 하는 경질의 납전지전극의 제조방법.
- 제 9항에 있어서,화합물은 0.005-5 ㎛ 크기의 Y2O3, Al2O3, ZrO2, SiO2,TiO2, SiC, WC, TiC, BaSO4, BN 그리고/또는 Si3N4인것을 특징으로 하는 경질의 납전지전극 제조방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,전기분해 납분리는 30-90℃ 사이의 온도에서 실행되는 것을 특징으로 하는 경질의 납전지전극 제조방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,캐소드의 전기 절연물질의 판 및 그 위에 마련된 전기전도성 통로로 구성하고, 그들 위에서 납물질이 분리되고 그것들에 의해 조형이 정해지는 것을 특징으로 하는 경질의 납전지전극 제조방법.
- 제 13항에 있어서,전기전도성 통로로서 구리통로가 이용되고, 그것을 마스크로 덮이고 전기 절연물질 위에 형성된 구리-층의 도금에 의해 구성되고, 이 때 마스크의 제조는 광전기 방법에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 경질의 납전지전극 제조방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,순수 납에 의해 전기분해 경화된 납전극은 나중에 층을 형성하는 것을 특징으로 하는 경질의 납전지전극 제조방법.
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