KR101209098B1

KR101209098B1 - 전극용 도전재의 전구 펠트재 및 전극용 도전재의 제조법

Info

Publication number: KR101209098B1
Application number: KR1020077010030A
Authority: KR
Inventors: 가츠지 아오키
Original assignee: 가부시키가이샤 후지코
Priority date: 2004-11-04
Filing date: 2005-10-14
Publication date: 2012-12-06
Also published as: EP1855346A4; CN101048911A; WO2006049005A1; CN100486028C; JP4531768B2; EP1855346A1; KR20070083923A; JPWO2006049005A1; US7501109B2; EP1855346B1; US20080131678A1

Abstract

본 발명은 탄소섬유 펠트로 구성하는 전극용 도전재가, 펠트밀도가 낮고 또한 공극이 많음으로써 용융 유황 등의 전극재료를 다량으로 유지할 수 있는 것이다.

이 전극용 도전재를 제조하기 위해서는 비교적 다량의 내염화 섬유와 비교적 소량의 유기섬유를 혼선하여 랩을 형성하고, 니들 펀칭에 의하여 섬유를 두께방향으로 배향시켜 적층 랩을 펠트화한 다음에, 얻어진 펠트재를 1100 ~ 2000℃에서 소성함으로써 내염화 섬유를 탄소화함과 동시에, 유기섬유를 소성시켜 고형분을 거의 증산시킨다.

Description

전극용 도전재의 전구 펠트재 및 전극용 도전재의 제조법{PRECURSOR FELT FOR ELECTROCONDUCTIVE MATERIAL FOR ELECTRODE AND METHOD FOR PRODUCING ELECTROCONDUCTIVE MATERIAL FOR ELECTRODE}

본 발명은, 공극이 많음으로써 용융 유황 등의 전극재료를 다량으로 유지할 수 있는 전극용 도전재의 전구 펠트재에 관한 것으로, 또한 저밀도의 탄소섬유 펠트로 구성하는 전극용 도전재의 제조법에 관한 것이다.

현재, 환경파괴에 대한 배려로부터 전기의 이용에 대하여 이산화탄소의 배출량이 적은 클린에너지에 대한 요망이 높아지고, 소비전력이 적은 시간으로 발전한 전력을 2차 전지에 축적하여, 그 전력을 필요한 때에 사용하는 전력저장시스템이 실용화되고, 연료전지의 개발도 급피치로 진행되고 있다. 연료전지는 천연가스 등으로부터 추출한 수소를 공기 중의 산소와 전기화학적으로 반응시켜 전기를 추출하는 시스템으로, 발전 시에 나오는 약 100℃의 폐열을 급탕?난방에 이용할 수 있어, 인산 수용액형이 소규모인 자가발전용에 적합하다. 2차 전지에서는 전력 저장용으로서는 나트륨-유황전지(Na-S전지)가 일반적이고, Na-S 전지의 경우에는, 유황에 전자를 공급하기 위한 탄소재료를 양극으로서 사용하고 있다. 이 탄소재료는, 일반적으로 높은 전자 도전성을 나타내고 또한 과학적으로 불활성이며, 또한 물질과 반응하지 않기 때문에 전극의 보조재료로서 적합하다.

2차 전지는, 전력저장을 목적으로 하기 때문에, 충방전 시의 내부저항이 낮고 또한 충방전 효율이 높은 것이 바람직하며, Na-S 전지의 충방전 효율을 개선하기 위해서는 β-알루미나 고체 전해질 그것의 저저항화를 행하고, 양극에 관해서도, 각 부재 사이의 접촉저항을 작게 하며, 또한 양극 내의 활물질 반응을 촉진하기 위하여 내부저항을 저감화하지 않으면 안된다. 또 전극용 도전재로서는 용융유황을 함유?유지하고, 또한 강도가 커서 전기저항이 작은 소재가 바람직하며, 이점에서 일반적으로 탄소섬유 펠트재를 사용한다. 예를 들면 일본국 특개평8-130032호는, 도전 특성의 개선 및 각 부재 사이의 접촉저항을 감소시키기 위하여 PAN계의 내염화 섬유 펠트를 사용하고, 또한 탄소섬유 펠트의 표면에α-알루미나의 분말을 살포하고 있다. PAN계의 탄소섬유 펠트는, 그것 단독으로 사용하면 전극용 도전재로서 전지성능의 개선에 한계가 있고, α-알루미나의 분말을 살포하여도 성능개선은 충분하지 않다.

이것에 대하여 일본국 특개평11-158737호, 특개2000-306587호 및 특개2001-115369호는, 고온소성으로 탄소섬유 펠트로 하기 전의 내염화 섬유 펠트에 주목하여, 탄소섬유 펠트의 개질을 전구체의 내염화 섬유 펠트에 대하여 행하고 있다. 일본국 특개평11-158737호에서는, 내염화 섬유 단독 또는 내염화 섬유와 탄소섬유와의 혼합물을 최고 온도 1100℃ 이상에서 탄소화함으로써, 높은 탄소화 수율로 탄소섬유로 전환시킨다. 일본국 특개2000-306587호에서는, 내염화 섬유랩의 한쪽 면 또는 양면에서 치밀하게 니들 펀칭하여 두께방향의 섬유 배열도를 20% 이상으로 함으로써 얻어진 탄소섬유 펠트는 통상의 탄소섬유 펠트에 비하여 눈막힘의 문제가 발생하는 일이 적고, 양극 도전재로서 필요한 전도성 및 높은 내열성을 가진다. 일본국 특개2001-115369호에서는, 내염화 섬유웹을 약한 니들 펀칭으로 예비 펠트를 형성하고, 상기 예비 펠트의 한쪽 면 또는 양면에 다시 웹을 적층하고 나서 니들 펀칭함으로써, 얻어진 탄소섬유 펠트재는 부피밀도가 높아 기계적 강도가 높은 데다가 두께방향의 섬유 배열량이 대폭으로 증가하여 전기전도성이 우수하다.

[특허문헌 1]

일본국 특개평8-130032호 공보

[특허문헌 2]

일본국 특개평11-158737호 공보

[특허문헌 3]

일본국 특개2000-306587호 공보

[특허문헌 4]

일본국 특개2001-115369호 공보

전극용 도전재를 제조함에 있어서, 전구체의 내염화 섬유 펠트는, 탄소섬유 펠트에 비하여 훨씬 유연하기 때문에 대략 원하는 니들 펀치처리를 할 수 있고, 상기한 여러 방법에 의하여 펠트섬유를 두께방향으로 배향시켜, 어느 정도는 부피가 큰 탄소섬유 펠트를 얻는 것이 가능하다. 그러나 현실로는, 내염화 섬유가 치밀한 니들 펀치처리로 상당히 가라앉아 버림으로써, 탄소섬유 펠트의 밀도를 작게 하는 것에 한계가 있어, 펠트 밀도가 어느 정도 높아지는 것을 회피할 수 없다. 이 결과, 이들 전극용 도전재는, Na-S 전지에 사용하는 경우에, 여전히 양극 내의 내부 저항이 상당히 존재하여 활물질 반응을 저해함과 동시에, 전극재료의 용융유황의 함유?유지가 충분하다고는 할 수 없다.

본 발명은 종래의 전극용 도전재에 관한 상기한 문제점을 개선하기 위하여 제안된 것으로, 비교적 고가의 내염화 섬유의 사용량을 줄이고 또한 소성효율이 향상하는 전극용 도전재의 전구 펠트재를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 통상의 탄소섬유 펠트에 비하여 펠트 밀도가 낮고 공극이 많아진 전극용 도전재의 제조법을 제공하는 것이다.

본 발명에 관한 전극용 도전재의 제조법은, 비교적 다량의 내염화 섬유와 비교적 소량의 유기섬유를 혼선(混線)하여 랩을 형성하고, 니들 펀치에 의하여 섬유를 두께방향으로 배향시켜 적층 랩을 펠트화한다. 이후에 얻어진 펠트재를 1100～2000℃에서 소성함으로써, 내염화 섬유를 탄소화함과 동시에, 유기섬유를 연소시켜 고형분을 거의 증발시키고, 펠트재에서의 유기섬유의 부분을 공극화하여 펠트밀도를 저하시켜 저밀도의 전극용 도전재를 제조한다. 본 발명의 방법에 있어서, 전극용 도전재의 펠트 밀도는 0.065～0.107 g/㎤ 이면 바람직하고, 더욱 바람직하게는0.077～0.100 g/㎤ 이다.

본 발명에 관한 전구 펠트재는, 펠트밀도가 0.065～0.107 g/㎤, 전기저항이 1～500 mΩ인 저밀도의 전극용 도전재로 소성 가공하기 위하여 사용한다. 본 발명의 전구 펠트재는, 내염화 섬유 70～98 중량% 및 유기섬유 2～30 중량%를 혼선하여 랩를 형성하고, 적층 랩의 한쪽 면 또는 양면에서 치밀하게 니들 펀칭하여 섬유를 두께 방향으로 배향시키고, 밀도가 0.120～0.155 g/㎤, 두께방향의 섬유 배열도가 30% 이상이다. 바람직하게는 이 전구 펠트재에서 내염화 섬유 90～95 중량% 및 유기섬유 5～10 중량%를 혼선한다.

본 발명의 전구 펠트재에 있어서, 내염화 섬유가 PAN계 섬유이고, 유기섬유는 폴리올레핀, 폴리아미드 또는 폴리에스테르섬유 등으로서, 폴리올레핀섬유가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 폴리프로필렌섬유이다. 이 때에 유기섬유인 폴리프로필렌섬유는, 섬도가 3～22 데시텍스이면 바람직하고, 더욱 바람직하게는 6～15 데시텍스이다. 또 유기섬유의 섬유장은 5 mm부터 내염화 섬유의 길이까지의 사이이면 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10 mm부터 내염화 섬유의 길이에서 10 mm 뺀 길이까지의 사이이다.

본 발명을 도면에 의하여 설명하면 본 발명에 관한 전극용 도전재(1)(도 2)는, 실질적으로 탄소섬유 펠트로 이루어지고, 도 1에 나타내는 전구 펠트재(2)를 1100～2000℃에서 소성함으로써 제조한다. 전극용 도전재(1)는, 예를 들면 Na-S 전지(3)(도 3)와 같은 2차 전지 또는 연료전지 등에 사용할 수 있다. 이 연료전지에는 발전효율 40%의 인산 수용액형, 발전효율 50%의 내부 리포밍식 용융 탄산염형, 대규모 전원의 고정 전해질형 등이 존재한다.

2차 전지의 일례인 Na-S 전지(3)는, 주로 전력저장시스템에 사용하고, 도 3에 예시하는 바와 같이 원통형상의 양극 용기(5)와, 상기 양극 용기의 중심부에 배치하는 β-알루미나 고체 전해질관(6)을 구비하고, 상기 고체 전해질관은 바닥이 있는 원통형상이며, Na 이온에 대하여 선택 투과성을 가진다. 고체 전해질관(6)의 내부에는 바닥부에 개구를 설치한 용융 금속나트륨의 수납용기(7)를 배치한다. 양극 도전재(9)인 전극용 도전재(1)는 용융 유황을 함침하여 원통형상으로 만곡시켜 고체 전해질관(6)의 바깥 둘레면과 양극 용기(5)의 안 둘레면과의 사이에 배치한다.

Na-S 전지(3)에서 방전시에 용융 금속나트륨이 전자를 방출하여 Na 이온이 되고, Na 이온이 고체 전해질관(6)을 투과하여 양극측으로 이동하며, 전극용 도전재(1)에서 Na 이온은 유황 및 외부 회로를 통하여 온 전자와 반응하여 다황화 나트륨을 생성하고, 약 2V의 전압이 발생한다. 한편 충전시에는 다황화 나트륨이 Na 이온, 유황, 전자로 나뉘어져 Na 이온이 고체 전해질관(6)을 투과하여 음극측으로 이동하고, 전자를 수취하여 나트륨으로 되돌아간다. 도시 생략하나, Na-S 전지(3)는, 예를 들면 출력이 4 kW가 되도록 각주(角柱)형상의 전지모듈 등에 다수개 조립하고, 상기 전지모듈은 5직렬?5병렬의 25대에 의하여 전력저장시스템을 구성한다.

도 1에 나타내는 전구 펠트재(2)를 제조하기 위해서는, 비교적 다량의 내염화 섬유(8)와 비교적 소량의 유기섬유(10)를 혼선하여 랩을 형성하고, 치밀한 니들 펀칭에 의하여 섬유를 두께방향으로 배향시켜 적층 랩을 펠트화시킨다. 이 랩에서는 내염화 섬유가 70～98 중량% 및 유기섬유가 2～30 중량%이고, 바람직하게는 내염화 섬유가 90～95 중량% 및 유기섬유는 5～10 중량% 이다. 유기섬유가 2 중량% 미만이면 양 섬유의 균일한 분산이 곤란하고, 30 중량%를 넘으면 소성효율이 저하한다.

전구 펠트재(2)에서 내염화 섬유(8)는 통상의 PAN계 섬유이면 바람직하다. 내염화 섬유(8)는 탄소섬유를 제조할 때의 전구체이고, 흑화섬유 또는 카본 프리 옥사이드 파이버라고도 부른다. 내염화 섬유는 기본적으로 나프틸리딘 고리의 생성에 의한 라더폴리머화에 의하여 내염화 즉 열안정화한다. 일반적으로 내염화 섬유(8)의 섬유물성은, 밀도 1.3～1.5 g/㎤, 인장강도 1.0 g/데시텍스 이상, 신장도 10% 이상, 섬도 1.5～4.0 데시텍스, 크림프율 8% 이상이다. 이와 같은 물성의 내염화 섬유(8)이면 비교적 소량의 유기섬유(10)와 혼선하여 니들 펀칭 및 소성 후에 내부저항이 작은 전극용 도전재를 제조하는 것이 가능하다.

한편, 비교적 소량의 유기섬유(10)는 그 종류가 특별히 한정되지 않고 폴리올레핀, 폴리아미드 또는 폴리에스테르 섬유 등이면 좋다. 유기섬유(10)는 소성하기 쉽고, 또한 소성 후의 잔사가 적은 점에서 폴리올레핀 섬유가 바람직하고, 펠트화시키기 쉬운 점에서 폴리프로필렌 섬유이면 한층 바람직하다. 폴리프로필렌 섬유의 경우에는 유기섬유(10)의 섬도는 3～22 데시텍스이면 바람직하고, 6～15 데시텍스이면 한층 바람직하다. 섬유의 섬도가 3 데시텍스 미만이면 펠트가 가라앉기 쉽고, 전극용 도전재에 있어서 공극의 확보가 곤란하게 되고, 22 데시텍스를 넘으면 전극용 도전재에서의 공극의 크기가 불균일하기 쉽다.

유기섬유(10)의 섬유장은, 5 mm부터 내염화 섬유(8) 길이까지의 사이이면 바람직하고, 그것이 10 mm부터 내염화 섬유의 길이에서 10 mm 뺀 길이까지의 사이이면 한층 바람직하다. 유기섬유(10)의 섬유장이 5 mm 미만이면 내염화 섬유(8)와 얽히지 않아 탈락하기 쉽고, 그 섬유장이 내염화 섬유(8)의 길이를 넘으면 섬유의 얽힘이 너무 많아져 펠트가 가라앉아 버려 펠트 밀도의 저감화가 불충분하게 된다.

상기한 내염화 섬유(8) 및 유기섬유(10)는, 카딩 등에 의하여 혼선하여 랩을 형성한다. 이 랩으로부터 원하는 전구 펠트재(도 1)를 제조할 수 있다. 전구 펠트재(2)는 얻어진 랩의 한쪽 면 또는 양면에서 치밀하게 니들 펀칭함으로써 제조하고, 도 2에 나타내는 바와 같이 이 니들 펀칭으로 섬유(10)를 두께방향으로 배향시킨다. 이때, 니들 펀칭을 랩 한쪽 면에만 행하면 전극용 도전재(1)로서 그 니들 펀치면을 고체 전해질관측에 위치시킨다. 또 니들 펀칭을 랩 양면에 행하면 니들 펀치수를 펠트면마다 다르게 하여 더욱 치밀한 니들 펀치면을 고체 전해질관측에 위치시킨다.

전구 펠트재(2)는 치밀한 니들 펀칭에 의하여 두께방향의 섬유 배열도를 30 % 이상으로 정하고, 그 밀도가 0.120～0.155 g/㎤ 이면 바람직하다. 섬유 배열도가 30% 미만이면 Na-S 전지 등에서 눈막힘의 문제가 발생하기 쉽고, 상기 전지의 내부저항을 저감화하는 것이 곤란하게 된다. 일반적으로 전구 펠트재(2)의 두께는 소정의 전극 두께의 120～145% 정도이면 좋고, 17 mm 전후의 두께가 소성에 의하여 2 mm 정도 감소한다.

전극용 도전재(1)는, 전구 펠트재(2)를 1100～2000℃에서 소성, 즉 탄소화처리함으로써 얻는다. 전구 펠트재(2)를 1100～2000℃에서 소성하면, 상기 펠트재에서의 유기섬유(10)가 연소하여 그 고형분이 거의 증산하고, 유기섬유(10)의 부분이 공극화하여 펠트밀도를 저하시킨다. 전극용 도전재(1)는, 유기섬유부분의 공극화에 따라 그 펠트밀도가 0.065～0.107 g/㎤로 저하하고, 바람직하게는 0.077～0.100 g/㎤가 된다.

전극용 도전재(1)는, Na-S 전지(3)(도 3)에 사용하는 경우, 적당하게 재단하여 원통형상으로 만곡시켜, 고체 전해질관(6)의 바깥 둘레면과 양극 용기(5)의 안 둘레면과의 사이에 배치한다. 전극용 도전재(1)는, 전구 펠트재(2)가 전기적으로 절연체이어도 치밀한 니들 펀칭 후의 소성에 의하여 필요한 도전성을 가진다. 또 전극용 도전재(1)는, 전구 펠트재(2)의 내염화 섬유(8)가 300℃ 전후인 내열성밖에 없어도, 소성에 의하여 필요한 고내열성을 발현하게 된다.

본 발명의 방법으로 얻어진 전극용 도전재는, 통상의 탄소섬유 펠트에 비하여 펠트밀도가 낮고, 또한 공극이 많기 때문에, Na-S 전지와 같은 2차 전지 또는 연료전지 등에 사용하면 용융 유황과 같은 전극재료를 더욱 다량으로 함침할 수 있어, 발전효율이 비약적으로 상승한다. 이 전극용 도전재는, 섬유 사이의 공극이 많고, 또한 섬유 배열도가 높음으로써 2차 전지에 사용하면 통상의 탄소섬유 펠트에 비하여 눈막힘의 문제가 발생하는 것이 더욱 적어지고, 또한 Na-S 전지 등의 내부저항을 한층 더 저감화한다.

본 발명에 관한 전구 펠트재에서는 전극용 도전재가 소정의 두께와 밀도가 되어도 비교적 고가의 내염화 섬유의 사용량이 적어, 전극용 도전재의 비용절감을 달성할 수 있다. 이 전구 펠트재에는 소성시에 연소하는 유기섬유가 존재함으로써 전극용 도전재에의 소성효율이 향상되어 이 점에서도 상당한 비용절감이 된다.

도 1은 본 발명에 관한 전구 펠트재를 개략적으로 나타내는 확대 단면도,

도 2는 본 발명의 방법으로 제조한 전극용 도전재를 개략적으로 나타내는 확대 단면도,

도 3은 전극용 도전재의 사용예인 전력저장시스템용 Na-S 전지를 나타내는 개략 단면도이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 전극용 도전재 2 : 전구 펠트재

3 : Na-S 전지 5 : 양극 용기

8 : 내염화 섬유 10 : 유기섬유

(실시예 1)

다음에 본 발명을 실시예에 의거하여 설명하나, 본 발명은 실시예에 한정되는 것이 아니다. 전극용 도전재(1)를 제조하기 위하여 아크릴섬유를 공기 등의 활성 분위기 중에서 200～300℃에서 소성한 PAN계 내염화 섬유(8)(예를 들면, 상품명 : 파일로멕스, 도호 테낙스제)를 이용하고, 이 PAN계 내염화 섬유(8)는 섬도 2.2 데시텍스 및 섬유장 51 mm인 단섬유이다.

이 PAN계 내염화 섬유(8)에 대하여, 섬도 11 데시텍스 및 섬유장 32 mm인 폴리프로필렌 단섬유를 10 중량% 혼합하고, 공지의 카드기에서의 카딩에 의하여 랩을 형성한다. 얻어진 랩을 소정 수 적층하고, 그 한쪽 면에서 니들 펀칭에 의하여 밀 도 0.148 g/㎤ 및 섬유 배열도 38%인 전구 펠트재(2)를 제작한다.

전구 펠트재(2)는, 또한 약 1600℃에서 소성됨으로써 내염화 섬유(8)를 탄소화함과 동시에, 폴리프로필렌 단섬유를 연소시켜 고형분을 거의 증산시키고, 펠트재(2)에서의 폴리프로필렌 단섬유의 부분을 공극화하여, 펠트형상의 전극용 도전재(1)를 얻었다. 전극용 도전재(1)는 그 밀도가 한층 저하하여 0.095 g/㎤가 되었다. 이 전극용 도전재(1)는 통상의 탄소섬유 펠트에 비하여 펠트 밀도가 낮고, 또한 공극이 많아져, Na-S 전지에 사용하면 용융 유황을 더욱 다량으로 함침할 수 있어, Na-S 전지의 발전효율이 상승한다.

(실시예 2)

실시예 1에서 사용한 PAN계 내염화 섬유(8)에 대하여, 섬도 7.7 데시텍스 및 섬유장 32 mm인 폴리프로필렌 단섬유를 10 중량% 혼합하고, 공지의 카딩기에 서의 카딩에 의하여 랩을 형성한다. 얻어진 랩을 소정 수 적층하고, 그 한쪽 면에서 니들 펀칭에 의하여 밀도 0.148 g/㎤ 및 섬유 배열도 38%인 전구 펠트재(2)를 제작한다.

전구 펠트재(2)는, 또한 약 1600℃에서 소성됨으로써, 내염화 섬유(8)를 탄소화함과 동시에, 폴리프로필렌 단섬유를 연소시켜 고형분을 거의 증산시키고, 펠트재(2)에서의 폴리프로필렌 단섬유의 부분을 공극화하여, 펠트형상의 전극용 도전재(1)을 얻었다. 전극용 도전재(1)는, 그 밀도가 한층 저하하여 0.099 g/㎤ 가 되었다. 이 전극용 도전재(1)는, 통상의 탄소섬유 펠트에 비하여 펠트밀도가 낮고 또한 공극이 많아져, Na-S 전지에 사용하면 용융 유황을 더욱 다량으로 함침할 수 있어, Na-S 전지의 발전효율이 상승한다.

(실시예 3)

실시예 1에서 사용한 PAN계 내염화 섬유(8)에 대하여, 섬도 4.4 데시텍스 및 섬유장 30 mm인 폴리프로필렌 단섬유를 5 중량% 혼합한다. 다음에 실시예 1과 동일하게 처리함으로써 밀도 0.154 g/㎤ 및 섬유 배열도는 33%인 전구 펠트재(2)를 제작한다.

전구 펠트재(2)는 소성에 의하여 내염화 섬유(8)를 탄소화함과 동시에, 폴리프로필렌 단섬유를 연소시켜 고형분을 거의 증산시키고, 펠트재(2)에서의 폴리프로필렌 단섬유의 부분을 공극화하여, 펠트형상의 전극용 도전재(1)를 얻었다. 전극용 도전재(1)는, 그 밀도가 0.101 g/㎤ 가 되었다. 이 전극용 도전재(1)는 통상의 탄소섬유 펠트에 비하여 펠트밀도가 낮고 또한 공극이 많아져 Na-S 전지에 사용하면 용융 유황을 더욱 다량으로 함침할 수 있어, Na-S 전지의 발전효율이 상승한다.

(실시예 4)

실시예 1에서 사용한 PAN계 내염화 섬유(8)에 대하여, 폴리프로필렌 단섬유 대신에, 섬도 6.6 데시텍스 및 섬유장 38 mm인 폴리에스테르 섬유를 10 중량% 혼합한다. 다음에 실시예 1과 동일하게 처리함으로써 밀도 0.142 g/㎤ 및 섬유 배열도 31%인 전구 펠트재(2)를 제작한다.

전구 펠트재(2)는, 소성에 의하여 내염화 섬유(8)를 탄소화함과 동시에, 폴리에스테르 섬유를 연소시켜 고형분을 거의 증산시키고, 펠트재(2)에서의 폴리에스테르 섬유의 부분을 공극화하여 펠트형상의 전극용 도전재(1)를 얻었다. 전극용 도전재(1)는, 그 밀도가 0.095 g/㎤ 가 되었다. 이 전극용 도전재(1)는, 통상의 탄소섬유 펠트에 비하여 펠트 밀도가 낮고 또한 공극이 많아져 Na-S 전지에 사용하면 용융 유황을 더욱 다량으로 함침할 수 있어, Na-S 전지의 발전효율이 상승한다.

(비교예 1)

전구 펠트재를 제조하기 위하여 실시예 1과 동일한 PAN계 내염화 섬유를 사용하여, PAN계 내염화 섬유 100%의 랩을 형성한다. 다음에 실시예 1과 거의 마찬가지로 처리하나, 니들 펀치 회수를 많게 하고, 밀도 0.173 g/㎤ 및 섬유 배열도 42%인 전구 펠트재를 제작한다.

상기한 전구 펠트재를 소성에 의하여 탄소화하여, 펠트형상의 전극용 도전재를 얻는다. 얻어진 전극용 도전재는, 그 밀도가 0.115 g/㎤ 이었다. 이 전극용 도전재는 통상의 탄소섬유 펠트에 비하여 펠트밀도가 다소 낮으나, 공극이 적어 Na-S 전지에 사용하면 용융 유황의 함침량은 종래와 대략 동일하고, Na-S 전지의 발전효율은 거의 상승하지 않는다.

(비교예 2)

전구 펠트재를 제조하기 위하여 실시예 1과 동일한 PAN계 내염화 섬유를 사용하여 PAN계 내염화 섬유 100%의 랩을 형성한다. 다음에 실시예 1과 대략 동일하게 처리하나 니들 펀치회수를 적게 하고, 밀도 0.155 g/㎤ 및 섬유 배열도23%인 전구 펠트재를 제작한다.

상기한 전구 펠트재를 소성에 의하여 탄소화하여, 펠트형상의 전극용 도전재 를 얻는다. 얻어진 전극용 도전재는 그 밀도가 0.110 g/㎤ 이었다. 이 전극용 도전재는 통상의 탄소섬유 펠트에 비하여 펠트 밀도가 다소 낮으나, 공극이 적고, Na-S 전지에 사용하면 용융 유황의 함침량은 종래와 대략 동일하며 Na-S 전지의 발전효율은 거의 상승하지 않는다.

(비교예 3)

전구 펠트재를 제조하기 위하여 실시예 1과 동일한 PAN계 내염화 섬유에 대하여 섬도 7.7 데시텍스 및 섬유장 72 mm인 폴리프로필렌 단섬유를 10 중량% 혼합한다. 다음에 실시예 1과 대략 마찬가지로 처리하나 니들 펀치 회수를 적게 하고, 밀도 0.145 g/㎤ 및 섬유 배열도 13%인 전구 펠트재를 제작한다.

상기한 전구 펠트재를 소성에 의하여 탄소화하여 펠트형상의 전극용 도전재를 얻는다. 얻어진 전극용 도전재는, 그 밀도가 0.100 g/㎤ 이었다. 이 전극용 도전재는 폴리프로필렌 섬유가 긴 것으로 섬유의 얽힘이 너무 많아져 펠트가 가라앉아 있어, 펠트밀도의 저감화가 약간 불충분하다. 이 전극용 도전재는, 통상의 탄소섬유 펠트보다 낮은 펠트밀도이어도 Na-S 전지에 사용하면 용융 유황의 함침량은 종래와 동일하고, Na-S 전지의 발전효율은 상승하지 않는다.

Claims

펠트밀도가 0.065～0.107 g/㎤, 전기저항이 1～500 mΩ인 전극용 도전재로 소성 가공하는 전구 펠트재에 있어서,

내염화 섬유 70～98 중량% 및 유기섬유 2～30 중량%를 혼선(混線)하여 랩을 형성하고, 적층 랩의 한쪽 면 또는 양면에서 니들 펀칭하여 섬유를 두께방향으로 배향시키고, 밀도가 0.120～0.155 g/㎤, 두께방향의 섬유 배열도가 30% 이상인 것을 특징으로 하는 전극용 도전재의 전구 펠트재.
내염화 섬유와 당해 내염화 섬유보다도 소량의 유기섬유를 혼선하여 랩을 형성하고, 니들 펀칭에 의하여 섬유를 두께방향으로 배향시켜 적층 랩을 펠트화한 후에, 얻어진 펠트재를 1100～2000℃에서 소성함으로써, 내염화 섬유를 탄소화함과 동시에, 유기섬유를 연소시켜 고형분을 증산시키고, 펠트재에서의 유기섬유의 부분을 공극화하여 펠트밀도를 저하시키는 것을 특징으로 하는 전극용 도전재의 제조법.
제 2항에 있어서,

내염화 섬유가 PAN계 섬유이고, 유기섬유가 폴리올레핀, 폴리아미드 및 폴리에스테르 섬유로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전극용 도전재의 제조법.
제 2항에 있어서,

유기섬유는 섬도가 3～22 데시텍스의 폴리프로필렌 섬유인 것을 특징으로 하는 전극용 도전재의 제조법.
제 4항에 있어서,

폴리프로필렌 섬유는 섬도가 6～15 데시텍스인 것을 특징으로 하는 전극용 도전재의 제조법.
제 2항에 있어서,

유기섬유의 섬유장은, 5 mm에서 내염화 섬유의 길이까지의 사이인 것을 특징으로 하는 전극용 도전재의 제조법.
제 2항에 있어서,

전극용 도전재의 펠트밀도가 0.077～0.100 g/㎤인 것을 특징으로 하는 전극용 도전재의 제조법.