KR101252631B1 - 자동차용 배터리 및 극판 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 확장(익스팬디드, expanded) 형 극판과 에이지엠(AGM) 격리판을 사용하므로 납 배터리의 중량을 줄이고 기대수명을 연장하며 고무 밸브 캡에 의하여 가스의 누출을 억제하면서 전해액의 소모를 줄이고 극판의 부식을 방지하며 충전속도를 빠르게 하는 자동차용 배터리 및 극판 제조방법에 관한 것으로, 균일한 두께로 압연된 납판 스트립에 다수의 칼집을 연속 형성하고 확장 가공하여 그물 형상으로 성형되며 전기를 화학적 반응 상태로 저장하는 다수의 양극 극판, 그물 형상을 하며 전기를 화학적 반응 상태로 저장하는 다수의 음극 극판, 양극 극판과 음극 극판 사이에 각각 구비되어 전기적으로 절연하고 기계적으로 분리하며 에이지엠에 전해액을 함침하여 전기 저장의 화학적 반응을 원활하게 발생시키고 셀의 내부 압력을 일정하게 유지시키는 다수의 격리판, 양극 극판과 음극 극판, 격리판, 전해액을 다수의 격리된 단위 셀에 각각 내장하고 폴리프로필렌으로 이루어지는 상부와 하부의 케이스 및 상부 케이스의 셀 단위에 각각 형성된 나사공과 나사결합하고 충방전에 의하여 발생한 가스가 허용된 레벨 이상의 압력이면 배기하는 캡으로 이루어지는 특징에 의하여 극판의 내 부식성을 높이고, 배터리의 중량을 가볍게 하며 수명을 연장하고, 생산성이 높아 대량생산할 수 있으며 제조비용을 줄이고, 충전시간을 빠르게 개선하여 출력전압의 신뢰성을 높이며 전해액이 유동하지 않아 충격, 진동, 기울기의 특성이 개선되고, 전해액의 레벨을 일정하게 유지하며 외부 공기의 불필요한 유입을 차단하여 극판이 부식되지 않게 되어 수명을 늘리므로 납 배터리의 기대수명을 만족시키는 효과가 있다.

Description

자동차용 배터리 및 극판 제조방법{A battery for automobile and plate manufacturing method thereof}
본 발명은 자동차용 배터리의 무게를 줄이면서 수명을 늘리는 것으로 더욱 상세하게는 확장(익스팬디드, expanded) 형 극판과 에이지엠(AGM) 격리판을 사용하므로 납 배터리의 무게를 줄이고 기대수명을 연장하며 고무 밸브 캡에 의하여 가스의 누출을 억제하면서 전해액의 소모를 줄이고 극판의 부식을 방지하며 충전속도를 빠르게 하는 자동차용 배터리 및 극판 제조방법에 관한 것이다.
배터리(battery)는 충전(charging)된 전류를 방전(discharge)에 의하여 공급하고 방전이 진행됨에 따라 내부에서 전압강하(voltage drop)가 발생하며 내부전압이 설정된 최저 전압이 될 때까지 방전하고, 허용된 최저 전압이 되기 전에 다시 충전하며 다시 방전에 의하여 전류를 다시 공급하는 과정이 허용된 횟수 동안 반복되므로 반복 재사용이 가능한 이차전지(secondary battery) 또는 축전지(이하, ‘배터리’라 한다.)라고 한다.
배터리는 양극과 음극 및 전해질(이하, ‘전해액’이라 한다.)로 사용되는 재료에 의하여 다양한 종류로 분류되고, 전극에 납을 사용하며 전해액으로는 황산을 사용하는 구성을 납 배터리로 분류한다.
납 배터리는 1860년 프랑스의 플랜트에 의해 현재와 같은 구성으로 개발되었으며 액체 전해액을 사용하는 배터리 시스템 중에서 가장 전압이 높고, 비교적 광범위한 온도에서 다양한 전류를 공급하며 에너지 효율은 80 % 이상으로 높은 상태이고, 수명이 길며 저장 성능이 우수하고 다른 배터리에 비해 값이 저렴하며 재생이 가능해 환경 친화적이라는 장점이 있어 개발된 후 현재까지 약 150년 동안 꾸준히 사용되고 있다.
납 배터리의 전극은 크게 양극과 음극용의 극판, 극주로 이루어지고, 각 극판은 격리판에 의하여 물리적 및 전기적으로 구분되며, 전해액과 함께 배터리의 케이스에 수납 또는 내장된다.
납 배터리의 양극극판과 음극극판은 납을 주성분으로 하고 일정한 두께를 필요로 하므로 가장 무거운 구성요소 중에 하나이다.
이러한 납 배터리를 충격과 진동 및 기울기가 심한 차량에서 사용하기 적합하게 구성한 것을 차량용 배터리라 하고, 고정된 장소에서 대용량의 전류를 출력하도록 구성한 것을 산업용 배터리로 분류하는 것이 일반적이다.
납 배터리는 일례로, 화학반응식 PbO2 + H2SO4 ↔ PbSO4 + 2H2O의 가역 반응을 통해 방전과 충전을 반복하는 원리로 동작하는 것으로, 생성된 전기는 방전하여 출력하고 입력된 전기는 충전하여 저장한다.
납 배터리는 이산화납(PbO2)으로 만든 극판과 황산액(H2SO4) 성분의 전해액이 황산화 납(PbSO4)과 물(H2O)로 변화하는 화학작용을 이용하는 것으로, 황산화 납(PbSO4)과 물(H2O)로 변화할 때 전기를 생성 및 방출하고, 충전이 되는 경우에는 반대로 치환하는 작용을 반복하게 된다.
이러한 화학 반응식이 진행될 때마다, 배터리 내부에서는 열이 발생하여 일부의 전해액이 증발하는 동시에 미량의 수소가스가 발생되므로 폭발 등의 방지를 위하여 생성된 가스를 외부로 배출하여야 한다.
즉, 납 배터리는 충전과 방전 과정에서 수소 가스와 열이 발생되고 또한, 열에 의하여 전해액이 증발하여 가스를 발생하며, 이와 같이 발생한 가스에 의하여 배터리가 폭발하지 않도록 가스를 배기하여야 한다.
여기서 밀폐된 케이스로 이루어지는 납 배터리는 가스 배기구를 구비하지만 가스의 배출에 의하여 전해액은 그 용량이 조금씩 줄어들므로 전해액을 주기적으로 보충해 주어야 한다.
또한, 차량용 배터리는 차량이 이동하면서 발생하는 진동과 기울어짐에 여과 없이 노출되고 이때 가스 배기구를 통하여 전해액이 외부로 누출되지 않도록 하여야 한다.
이러한 납 배터리는 다른 종류의 배터리들에 비해 에너지 밀도가 비교적 낮다는 치명적인 단점이 있어 용도 또는 응용범위의 확대에 걸림돌이 되고 있다.
일 예로 향후 수요가 폭발적으로 증가할 것으로 예상되는 전기 자동차(Electric Vehicle: EV)용 납 배터리는 현재 20∼30 Wh/㎏ 정도의 성능을 나타내며, 이 정도로는 일반적으로 약 80∼100 Km 를 주행할 수 있는 정도의 에너지 밀도로 알려져 있다.
즉, 이러한 종래 기술의 납 배터리를 이용하는 전기 자동차는 주행거리를 늘리기 위하여 중량이 무거운 납 배터리를 많이 장착하여야 하며, 납 배터리의 무게에 의하여 차량으로서의 연비 효율이 떨어지므로, 에너지 밀도가 높고 무게가 가벼운 납 배터리의 개발에 많은 관심이 집중되고 있는 실정이다.
종래기술에 의한 납 배터리는 극판을 주조 방식으로 성형하므로 대량생산하였다.
도 1 은 종래 기술의 일 실시 예에 의하여 주조 성형한 극판의 금속 조직을 확대 촬영한 도시도 이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면, 종래 기술의 일 실시 예는 극판의 형상을 음각 성형한 주조금형에 납 용액을 중력식으로 주입하고 식혀 취출하는 방식이며, 이러한 중력식 주조 방식으로 성형한 극판의 금속조직을 결정립계가 구분될 수 있을 정도로 확대 촬영한 상태이다.
종래 기술에 의하여 제조된 통판 형상의 극판은 두께를 균일하게 하기 어렵고, 첨부된 도면에서와 같이 금속조직에 의한 결정립계가 비교적 크게 나타난다.
배터리는 충방전을 반복함에 따라 극판에 부식이 발생하며 부식은 극판 금속조직의 결정립계를 따라 발생하고, 조직이 큰 결정립계에 부식이 발생하면 큰 조직의 결정립계가 극판으로부터 분리되어 떨어지므로 극판의 형상을 유지하기 어려워 배터리의 수명이 단축되는 문제가 있다.
이와 같이 큰 금속조직의 결정립계가 부식되어 분리되는 문제를 일부 해결하기 위하여 개선된 종래 기술에서는 납에 귀금속인 은(Ag), 바륨(Ba) 등을 첨가하여 금속조직이 큰 결정립계의 사이에서 작은 금속조직을 형성하므로 금속조직 사이의 결합력을 높이는 기술이다.
개선된 종래 기술은 납 극판의 내부식성을 향상시켜 배터리의 수명을 연장하는 장점이 있다.
그러나 귀금속의 사용에 의하여 극판의 제조원가가 높아지므로 납 배터리의 가격이 비싸지는 문제가 있다.
또한, 통판 형상 극판의 무게에 의하여 납 배터리의 무게를 여전히 줄이지 못하는 문제가 남아 있다.
이와 같은 납 배터리의 무게를 줄이기 위하여 무게가 많이 나가는 통판 형상의 극판을 그리드(grid) 또는 그물 형상으로 제조하는 기술이 개발되었다.
도 2 는 종래 기술의 일 실시 예에 의하여 주조금형에 납 용액을 중력식으로 주입하여 주조 성형한 극판의 사진 촬영도이며, 도 3 은 종래 기술의 다른 일 실시 예에 의하여 중력식 주조 방식으로 제조되고 가공된 극판의 사진 촬영도 이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 도 2 는 그리드(그물) 형상의 극판을 음극 성형한 중력식 주조금형에 납 용액을 주입하고 소정시간 동안 냉각시킨 후에 추출한 상태이다.
이와 같이 주조 성형된 경우는 생산성을 높이기 위하여 하나의 주조금형으로 2 개의 극판을 동시에 성형하는 것이 일반적이다.
주조된 2 개의 그물형 극판은 절단하여 분리하고, 불필요한 부분을 제거하여 하나의 극판으로의 제조가 완성된다.
첨부된 도 3 은 그리드의 격자 모양에 차이가 있으나 다른 일 실시 예로 중력식으로 주조되어 분리된 상태의 그물형 극판 상태이다.
그러나 이러한 종래 기술은 주조금형을 이용하여 납 용액을 중력식으로 주입하고 냉각시켜 추출하는 과정에서 일 실시 예로, 약 4-5초 이상의 시간이 소요되어 비교적 생산 주기(cycle time) 시간이 길어지는 문제가 있다.
또한, 중력식 주조 방식이므로 극판의 조직이 치밀하지 못하여 부식에 약하므로 수명이 짧은 문제를 여전히 개선하지 못하고 있다.
이러한 문제를 일부 개선한 종래 기술로 특허등록 제10-0289221호(2001. 02. 16.)에 의한 ‘배터리 그리드 및 플레이트 및 이러한 그리드와 플레이트를 이용하여 만들어진 납-산 배터리’가 있다.
개선된 종래 기술은 납판을 주조 생산하고 일정하고 균일한 크기의 칼집을 낸 후에 분당 약 100 피트 내지 150 피트로 확장하는 방식이며, 극판의 무게를 줄이는 장점이 있다.
그러나 개선된 종래 기술에서도 중력식 주조 방식으로 납판을 성형하므로 금속조직이 치밀하지 못하여 부식에 약하고 배터리의 수명이 짧은 문제와 생산 공정과 시간이 많이 소요되어 전체적으로 제조원가를 높이는 문제가 여전히 남아있다.
개선된 다른 종래 기술로 특허출원 제10-2009-7019301호(2008. 02. 29.)에 의한 ‘배터리용 음극 그리드’가 있다.
이러한 종래 기술에서는 주조된 납판을 펀칭(punching)하므로 극판의 크기를 비교적 일정하게 제조하고 생산성을 높이는 장점은 있으나 펀칭된 부분에 의하여 납의 소모가 커지므로 제조원가가 높아지는 문제와 중력식 주조 방식으로 납판을 성형하므로 금속 조직이 치밀하지 못하여 부식에 약하고 배터리의 기대수명이 짧아지는 문제를 여전히 가지고 있다.
따라서 납 배터리에서 전체의 무게를 줄이면서 극판의 내부식성을 개선하여 수명을 연장하며 제조원가를 줄이고 에너지 밀도를 높여 전기자동차용 에너지원 등으로 사용할 수 있는 활용도가 높은 납 배터리를 개발할 필요가 있다.
또한, 가스의 배출에 의하여 전해액이 감소되거나 외부 공기에 의하여 극판이 부식되지 않도록 하는 기술을 개발할 필요가 있다.
본 발명은 종래 기술에 의한 차량용 납 배터리의 문제와 필요성을 해소하기 위하여 압연 확장방식으로 성형한 납판에 칼집을 형성하고 확장 성형하여 극판을 제조하는 자동차용 배터리 및 극판 제조방법을 제공하는 것이 그 목적이다.
또한, 본 발명은 주조된 납판을 압연하고 칼집을 형성하며 폭을 확장하고 절단하여 극판으로 제조하는 공정을 순차 연속 처리하므로 신속하게 대량생산하여 생산성을 높이는 자동차용 배터리 및 극판 제조방법을 제공하는 것이 그 목적이다.
한편, 본 발명은 극판과 극판 사이에 에이지엠(AGM) 형 격리판을 구성하므로 내부 긴압(pressure)을 일정하게 유지하고 충전시간을 신속하게 개선하며 전해액이 유동하지 않도록 하는 자동차용 배터리 및 극판 제조방법을 제공하는 것이 그 목적이다.
그리고 본 발명은 배터리의 충방전 과정에서 발생되는 가스가 케이스 내부에서 일정한 레벨 이상의 기압을 형성하는 경우에만 외부에 배출하므로 배출되지 않은 가스를 전해액으로 다시 회수하고 극판이 외부 공기에 노출되어 부식되지 않도록 하는 자동차용 배터리 및 극판 제조방법을 제공하는 것이 그 목적이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출한 본 발명은 납 배터리에 있어서, 균일한 두께로 압연된 납판 스트립에 다수의 칼집을 연속 형성하고 확장 가공하여 그물 형상으로 성형되며 전기를 화학적 반응 상태로 저장하는 다수의 양극 극판과, 양극 극판과 같은 크기이고 그물 형상을 하며 전기를 화학적 반응 상태로 저장하는 다수의 음극 극판과, 다수의 양극 극판과 음극 극판 사이에 각각 구비되어 전기적으로 절연하고 기계적으로 분리하며 에이지엠(AGM)에 전해액을 함침하여 전기 저장의 화학적 반응을 원활하게 발생시키고 셀의 내부 압력을 일정하게 유지시키는 다수의 격리판과, 다수의 양극 극판과 음극 극판, 격리판, 전해액을 다수의 격리된 단위 셀에 각각 내장하고 폴리프로필렌으로 이루어지는 상부와 하부의 케이스 및 상부 케이스의 셀 단위에 각각 형성된 나사공과 나사결합하고 충방전에 의하여 발생한 가스가 허용된 레벨 이상의 압력이면 배기하는 캡을 포함하여 이루어지는 자동차용 배터리를 제시한다.
바람직하게, 음극 극판은 압연 확장형 극판, 일반 확장형 극판, 주조 확장형 극판 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진다.
그리고 에이지엠(AGM)은, 양극 극판과 음극 극판의 사이에 구비되고 유리섬유의 매트로 이루어지며 전해액을 함침하여 양극 극판과 음극 극판의 각각에 압력을 인가하면서 밀착하여 전해액과의 접촉이 원활하도록 하고 움직이지 않도록 지지하는 구성이다.
여기서 압연 확장형 극판은, 주조된 납판을 다수의 압연 롤러로 연속 압착하여 균일한 폭과 두께의 스트립(strip)으로 성형하고 칼집을 균일하게 연속 형성하며 폭 방향의 양쪽 끝단을 조금씩 연속적으로 잡아당겨 폭의 길이를 2.5 내지 4 배수의 범위로 확장하고 균일한 크기로 절단하는 공정으로 순차 처리하여 이루어진다.
한편, 극판의 납판은 8 내지 11 밀리미터 두께와 90 내지 110 밀리미터 폭의 범위로 주조하고, 압착은 납판의 두께를 9 내지 12 분에 1 의 크기 범위로 얇게 압연하며, 칼집은 5 내지 10 밀리미터 간격의 범위에서 8 내지 11 밀리미터 범위의 크기로 형성하고, 확장은 폭 길이를 2.5 내지 4 배수의 범위로 넓게 확장 성형하는 구성이다.
또한, 캡은 상부 케이스에 단위 셀마다 형성된 나사공에 나사 체결되어 결합하고 내부 중앙에 일측 끝단이 막힌 고정공을 형성하며 고정공의 막힌 끝단 위치에서 외부와 연결된 배기관을 형성하고 고정공의 막힌 끝단 위치의 중앙에 원뿔형상으로 돌출되어 고정핀과 압력 턱을 각각 형성하는 외부캡과, 고정공의 개방된 타측단으로 삽입되고 체결턱에 의하여 고정되며 중심축 방향의 내부에 양측 끝단이 개방된 가스공을 형성하는 내부캡 및 외부캡과 내부캡의 사이에 구비되고 고정핀에 의하여 내부캡의 일측 끝단에 고정되는 힌지막과 상기 힌지막에 연결되고 압력턱에 접촉하여 소정 압력까지 지지하며 가스공의 개방된 일측 끝단을 차단하도록 하는 압력부와 힌지막과 압력부에 연결되고 가스공의 일측 끝단을 차단하여 폐쇄하며 소정 레벨 이상으로 인가되는 압력에 의하여 압력부가 지지하지 못하면 가스공의 차단된 일측 끝단을 개방하는 차단막을 각각 형성하는 밸브를 포함하여 이루어진다.
무엇보다 개방하도록 허용된 소정 압력은, 80 내지 160 밀리바(mbar) 범위 중에서 어느 하나이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출한 본 발명은 납 배터리의 극판 제조 방법에 있어서, 납 용액을 주조 금형에 주입하여 성형하는 주조 방식으로 8 내지 11 밀리미터 두께의 범위와 90 내지 110 밀리미터 폭의 범위 중에서 선택된 어느 하나의 값에 의한 납판 스트립을 연속 주조하는 과정과, 주조된 납판 스트립을 압연 롤러로 이루어지는 압연부에 의하여 7 내지 10 회의 범위에서 순차 압연하여 9 내지 12 분에 1 범위의 두께로 얇게 연속 압연하는 과정과, 압연된 납판 스트립은 칼집부에 의하여 평면에 5 내지 10 밀리미터 간격의 범위에서 8 내지 11 밀리미터 범위의 크기로 칼집을 연속 형성하는 칼집 과정과, 칼집이 연속 형성된 납판 스트립은 확장부에 의하여 양 측면을 연속적으로 잡아당겨 2.5 내지 4 배수 범위로 폭의 길이를 넓게 확장하는 과정 및 확장된 납판 스트립은 절단부에 의하여 배터리의 극판 크기로 절단하는 과정을 포함하여 이루어지는 자동차용 배터리의 극판 제조방법을 제시한다.
바람직하게, 확장하는 과정은 납판 스트립의 양쪽 측면을 10 내지 20 미터 범위의 길이에서 조금씩 순차적으로 잡아당겨 폭의 길이를 넓게 확장 성형한다.
상기와 같은 구성의 본 발명은 극판을 압연 확장방식의 그물 형상으로 제조하여 내 부식성을 높이므로 납 배터리의 중량을 가볍게 하면서 수명을 연장하는 산업적 이용효과가 있다.
또한, 상기와 같은 구성의 본 발명은 주조된 납판을 압연, 칼집 형성, 확장 성형, 절단 가공에 의한 극판 제조를 순차 연속공정으로 처리하므로 생산성이 높아 대량생산할 수 있고 제조비용을 줄이는 산업적 이용효과가 있다.
한편, 상기와 같은 구성의 본 발명은 극판과 극판 사이에 에이지엠 형 격리판을 구성하므로 배터리 내부의 긴압을 일정하게 유지하고 충전시간을 빠르게 개선하여 출력전압의 신뢰성을 높이며 전해액이 유동하지 않아 충격, 진동, 기울기의 특성이 개선되는 사용상 편리한 효과가 있다.
그리고 상기와 같은 구성의 본 발명은 충방전 과정에서 발생되는 가스가 케이스의 내부에서 일정한 레벨 이상의 기압을 형성하는 경우에만 배출되도록 하므로 배출되지 않은 가스를 전해액으로 다시 회수하여 전해액의 레벨을 일정하게 유지하고 외부 공기의 불필요한 유입을 차단하여 극판이 부식되지 않게 되어 수명을 늘리므로 납 배터리의 기대수명을 만족시키는 사용상 편리한 효과가 있다.
도 1 은 종래 기술의 일 실시 예에 의하여 주조 성형한 극판의 금속 조직을 확대 촬영한 도시도,
도 2 는 종래 기술의 일 실시 예에 의하여 주조금형에 납 용액을 중력식으로 주입하여 주조 성형한 극판의 사진 촬영도,
도 3 은 종래 기술의 다른 일 실시 예에 의하여 중력식 주조 방식으로 제조되고 가공된 극판의 사진 촬영도,
도 4 는 본 발명의 일 실시 예의 납 배터리 구성을 설명하기 위한 부분 절단면 도시도,
도 5 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 캡의 구성을 설명하기 위한 절단면 도시도,
도 6 은 본 발명의 일 실시 예에 의하여 압연 확장형 극판을 제조하는 시스템의 구성을 설명하기 위한 기능 도시도,
도 7 은 본 발명의 일 실시 예에 의하여 압연 확장형 극판을 제조하는 방법의 설명을 위한 순서 도시도,
도 8 은 본 발명의 일 실시 예에 의하여 제조가 완료된 압연 확장형 극판을 촬영한 사진 도시도,
도 9 는 본 발명의 일 실시 예에 의하여 압연 확장형으로 제조된 극판의 조직을 확대 촬영한 도시도,
도 10 은 본 발명의 일 실시 예에 의한 극판을 사용한 배터리를 방전심도 17.5 % 로 사이클 테스트하여 검출된 용량을 비교한 그래프 도시도,
그리고
도 11 은 본 발명의 일 실시 예에 의한 극판을 사용한 배터리를 방전심도 50 % 로 사이클 테스트하여 종지 전압이 검출되는 횟수를 비교한 그래프 도시도 이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명과 도면 도시는 생략한다.
본 발명에서 아이에스지(ISG; Idling Stop & Go)는 차량이 정지되어 있을 경우 내연기관의 엔진이 꺼지고 차량이 이동하고자 하는 경우에 엔진에 시동이 걸리도록 하는 기능의 시스템을 총칭하는 것으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 긴압(pressure)은 배터리 내부에서 극판과 극판 및 격리판이 밀착하면서 생성되는 압력과 동일한 의미로 사용하기로 한다.
본 발명에서 캡은 배터리의 상측부에 형성된 구멍을 차단한 상태에서 내부에서 발생되는 가스를 배출하고 전해액의 레벨을 확인하며 개방한 상태에서 전해액을 보충할 수 있는 구성으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 에이지엠(AGM: absorbent glass mat.)은 유리섬유로 이루어지는 솜 형태의 매트(mat) 구성인 것으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 스트립(stripe)은 띠 모양의 금속판인 것으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 방전심도(depth of discharge: DOD)는 배터리가 충방전할 수 있는 정격 용량에 대비하여 허용된 출력의 깊이를 설명하는 것으로, 일 실시 예로, DOD 20 % 이면 정격 충방전 용량의 20 % 까지 방전시키는 상태이다.
즉, 70 A 용량의 배터리에서 DOD 20 % 이면 56 A가 남을 때까지 방전시키는 상태이다.
본 발명에서 종지는 배터리로서 더 이상 사용할 수 없는 상태를 설명하며, 종지 값은 배터리에 따라 각각 차이가 있다.
도 4 는 본 발명의 일 실시 예의 납 배터리 구성을 설명하기 위한 부분 절단면 도시도 이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 납 배터리(1000)는 다수의 양극 극판(1102), 다수의 음극 극판(1104), 다수의 격리판(1200), 하부 케이스(1302), 상부 케이스(1304), 캡(1400), 터미널(1500)을 포함하는 구성이다.
양극 극판(1102)과 음극 극판(1104)을 모두 합하여 극판(1100)으로 설명하기로 한다.
양극극판(1102)은 압연 확장형 극판이고, 납을 주성분으로 하여 이루어지며 그물(그리드) 형상을 하고 전기를 화학적 반응 상태로 저장한다.
양극극판(1102)은 8 내지 11 밀리미터(mm) 범위의 두께와 90 내지 110 밀리미터 범위의 폭 중에서 선택된 어느 하나의 값으로 연속 주조하여 성형된 납판 스트립(strip)을 7 내지 10 회의 범위에서 압연롤러 금형으로 순차 연속 압연하여 처음 두께의 9 분에 1 내지 12 분에 1 의 두께에 해당하는 범위로 얇게 연속 압연하므로 얇은 압연 납판 스트립으로 성형 및 제조한다.
이와 같이 얇게 압연 성형되어 제조된 납판 스트립의 평면에 8 내지 11 밀리미터 범위의 칼집을 상하좌우로 5 내지 10 밀리미터 간격의 범위에서 연속 형성한다.
그리고 칼집이 형성된 납판 스트립의 양쪽 측면을 10 내지 20 미터의 범위에서 연속적이며 조금씩 넓게 순차적으로 잡아당겨, 폭의 길이를 2.5 내지 4 배수의 범위로 크게 확장하므로 그물 형상으로 성형한다.
그물 형상으로 성형된 납판 스트립을 배터리의 하부 케이스(전조)에 내장할 수 있는 크기로 절단(cutting) 가공하므로 압연 확장형 극판이 제조된다.
극판에는 전기를 저장하는 화학적 반응이 원활하게 이루어지도록 촉진하는 활물질을 도포 및 건조할 수 있다.
이러한 압연 확장형 극판은 금속의 결정립계 조직이 치밀하고 내부식성이 좋으므로 부식에 강한 특징이 있고, 내부식성에 의하여 극판의 수명이 길어지므로 배터리의 기대수명을 만족하게 연장하는 장점이 있다.
특히, 종래 기술에 의한 주조 방식의 극판에 대비하여 본 발명에 의한 배터리의 기대수명이 약 3 배 연장되는 것으로 확인되며, 이하에서 첨부된 도 10 과 도 11 을 참조하여 기대수명이 연장되는 상태를 상세히 다시 설명하기로 한다.
또한, 극판을 확장형으로 구성하므로 무게가 작은 장점이 있고, 생산성이 우수하여, 일 실시 예로 단위 초(second) 마다 약 10 내지 20 장의 극판을 생산할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 의한 압연 확장형 극판은 종래 기술에 의한 주물 성형 방식 극판에 대비하여 생산성이 약 10 배 이상 향상되는 것으로 확인된다.
본 발명에 의한 배터리의 중량은 일 실시 예로, 종래 기술에 의한 극판을 구비하고 전해액이 유동식인 납 배터리의 중량에 대비하여 약 10 % 이상 감소하는 것으로 확인된다.
또한, 압연 확장형 극판은 내부식성을 향상시키기 위하여 은(Ag), 바륨(Ba) 등의 귀금속을 사용하지 않으므로 제조원가를 낮추는 장점이 있다.
음극 극판(1104)은 압연 확장형 극판, 일반 확장형 극판, 주조 확장형 극판 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지고 양극 극판과 같은 두께 및 그물 형상을 하며 전기를 화학적 반응 상태로 저장한다.
압연 확장형 극판의 구성 및 제조과정은 양극극판의 설명과 동일하므로 중복 설명하지 않기로 한다.
일반 확장형 극판은 필요한 최종 두께로 중력식에 의하여 주조 성형된 납 스트립을 그대로 사용하는데 차이가 있다.
칼집을 형성하는 공정, 확장 성형하는 공정 및 절단 가공하는 공정은 양극 극판을 제조하는 압연 확장형 극판의 제조공정과 동일하므로 반복 설명하지 않기로 한다.
이와 같이 압연하지 않고 주조한 납판 스트립을 사용한 일반 확장형 극판은 압연 확장형 극판과 동일하게 생산성이 뛰어나고 납 배터리의 중량을 줄이는 장점이 있다.
여기서 주조 방식의 극판은 금속의 결정립계 조직이 치밀하지 못하여 부식에 약하고 오래 동안 사용하면 부식에 의하여 극판의 형상을 유지하기 어려우므로 배터리의 기대수명을 연장하지 못한다.
그러나 음극 극판(1104)은 양극 극판(1102)에 대비하여 활성화가 조금 약하므로 일반 확장형 극판을 사용할 수도 있다.
주조 확장형 극판은 주조 금형에 그물 형상의 극판을 음각으로 성형하고 납 용액을 중력식으로 주입하여 극판을 성형 또는 찍어내는 구성이다.
주조 확장형 극판은 일반 확장형 극판과 동일하게 금속의 결정립계 조직이 치밀하지 못하여 부식에 약하고 오래 동안 사용하면 부식에 의하여 극판의 형상을 유지하기 어려우므로 배터리의 기대수명을 연장하지 못한다.
또한, 음극 극판(1104)에 주조 확장형 극판을 사용할 수 있는 것은 양극 극판(1102)에 대비하여 활성화가 약하기 때문이다.
그러나 금형을 이용하므로 한번에 2 개의 극판을 성형하고 절단 등에 의한 후가공을 필요로 하는 등, 사이클 타임(cycle time)이 많이 소요되므로 생산성이 낮다.
격리판(1200)은 양극 극판(1102)과 음극 극판(1104) 사이에 구비되어 전기적으로 절연하고 기계적으로 분리하며, 에이지엠에 의한 유리섬유 매트로 이루어져서 솜과 같이 부풀어 극판에 압력을 인가하고 움직이지 않도록 지지하며 쿠션이 있으므로 외부로부터 충격, 진동 및 기울기 등이 인가되는 경우에도 완충하고 견디는 장점이 있다.
한편, 에이지엠의 유리섬유가 액체인 전해액을 함침하여 흐르지 않게 하므로 전해액의 유동성이 없고, 소량의 전해액으로도 극판과의 화학적 반응이 원활하게 이루어지며 중량을 가볍게 줄이는 장점이 있다.
그리고 격리판(1200)은 전해액이 함침된 유리섬유 매트를 극판(1100)에 밀착 상태로 압력을 발생하여 접촉하므로 적은 용량의 전해액으로도 화학적 반응을 빠르게 발생시켜 충전속도를 개선하며 출력되는 전압의 신뢰성을 확보하는 장점이 있다.
본 발명에 의한 에이지엠 격리판은 약 20 kPa의 긴압(압력)을 발생하는 것으로 확인된다.
1 kPa는 0.0102 kgf/cm** 이므로, 20 kPa는 0.204 kgf/cm** 로 확인되는 것으로, 입방 센티미터 면적당 0.204 킬로그램의 힘이 작용하는 것을 의미한다.
즉, 배터리의 내부에서 본 발명의 에이지엠형 격리판(1200)에 의하여 입방 센티미터 당 0.204 킬로그램의 힘이 극판에 작용한다.
일 실시 예로, 종래 기술의 격리판과 유동식 전해액을 사용하는 방식에 대비하여 전해액을 함침한 에이지엠 격리판을 사용하는 경우, 전해액의 용량을 줄이므로 배터리의 중량을 약 3.4 % 줄이고, 충전속도는 약 4 배 향상되어 짧은 시간에 충전이 신속하게 진행되는 것으로 확인된다.
첨부된 표 1 은 종래 기술에 의한 에이지엠 격리판을 사용한 무게와 본 발명에 의한 에이지엠 격리판을 사용한 배터리의 무게를 비교한 도표이다.
구분 본 발명 종래 기술
크기(L*W*H)mm 278*175*190 278*175*190
용량 70AH/20HR 70AH/20HR
섭씨 -18도 CCA 760A 760A
중량(Kg) 19.8 Kg 20.5 Kg
첨부된 표 1 을 상세히 설명하면, 본 발명에 의한 배터리와 종래 기술에 의한 배터리의 성능을 동일하게 하였을 경우, 본 발명에 의한 배터리의 중량이 700 그람(g) 가벼운 것을 확인할 수 있으며, 3.4 %에 해당하는 중량 값이다.
크기는 가로, 세로, 높이로 278, 175, 190 밀리미터이고, 용량은 70AH/20HR이며, 섭씨 -18도에서 저온 시동 성능(CCA: cold clanking ampere)으로 760A를 갖는 배터리인 경우에 종래 기술에 의한 배터리는 20.5 Kg의 중량이고, 본 발명에 의한 배터리는 19.8 Kg의 중량으로 확인된다.
여기서 CCA 성능은 760 암페어(A)의 고전류로 저온인 섭씨 -18 도의 온도에서 30 초 동안 방전하였을 때 배터리가 7.2 볼트(V)가 유지되는 기준을 표시한다.
즉, 배터리의 크기, 용량 및 성능을 동일하게 한 조건에서 본 발명의 배터리는 중량이 3.4 % 감소함을 확인할 수 있다.
하부 케이스(1302)와 상부 케이스(1304)는 사출 금형을 이용하여 폴리프로필렌(polypropylene: PP)으로 성형하는 것으로, 다수의 단위 셀을 형성하고 각 단위 셀은 다수의 양극 극판(1102)과 음극 극판(1104), 격리판(1200), 전해액을 내장한다.
하부케이스(1302)는 전조(電槽)라고도 하며, 본 발명에서는 하부 케이스(1302)와 상부 케이스(1304)를 합하여 케이스(1300)로 설명하기로 한다.
상부 케이스(1304)에는 납 배터리(1000)에 구성된 모든 양극 전극(1102)이 연결된 양극 터미널(terminal, 단자)(1500)과 모든 음극 전극(1104)이 연결된 음극 터미널(1500)이 각각 형성되고, 각 단위 셀의 위치에는 해당 단위 셀의 내부와 관통되어 연결되는 나사공이 각각 형성되어 있다.
캡(1400)은 상부 케이스(1304)에 셀 단위로 각각 형성된 나사공에 나사결합하고 충방전에 의하여 배터리의 내부에서 발생하는 가스가 소정 레벨 이상의 압력을 형성하는 경우에 케이스(1300)의 외부로 가스를 배기하는 구성이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 캡의 구성을 설명하기 위한 절단면 도시도 이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면, 캡(1400)은 외부캡(1410), 내부캡(1420), 밸브(1430)로 구성된다.
외부캡(1410)은 상부 케이스(1304)에 단위 셀마다 형성된 나사공에 나사 체결되어 결합하고 내부 중앙에 일측 끝단이 막힌 고정공(1411)을 형성하며 고정공(1411)의 막힌 끝단에 연결되어 외부와 연결된 배기관(1412)을 형성하며 고정공(1411)의 막힌 끝단 중앙에 원뿔형상으로 돌출되어 고정핀(1413)과 압력턱(1414)을 각각 형성하는 구성이다.
내부캡(1420)은 외부캡(1410)을 구성하는 고정공(1411)의 개방된 타측단으로 삽입되고 체결턱(1421)에 의하여 고정공(1411)의 내부에 고정되며 중심축 방향의 내부에 양측 끝단이 개방된 가스공(1422)을 각각 형성한다.
밸브(1430)는 외부캡(1410)과 내부캡(1420)의 사이에 구비되고 고정핀(1413)에 의하여 내부캡(1420)의 일측 끝단에 고정되는 힌지막(1431)과 힌지막(1431)에 연결되고 압력턱(1414)에 접촉하여 가스에 의하여 발생하는 소정 레벨의 기압에 의한 압력을 지지하며 가스공(1422)의 개방된 일측 끝단을 차단하도록 하는 압력부(1432)와 힌지막(1431)과 압력부(1432)에 연결되고 가스공(1422)의 일측 끝단을 차단하여 폐쇄하며 허용된 소정 레벨 이상으로 인가되는 압력(기압)에 의하여 압력부(1432)가 지지하지 못하면 가스공(1422)의 차단된 일측 끝단을 개방하는 차단막(1433)을 각각 형성한다.
첨부된 도면에서 (a)는 생성된 가스가 허용된 레벨 이하의 기압인 경우에 밸브(1430)가 가스공(1422)을 차단하는 상태이고, (b)는 가스가 허용된 레벨 이상의 기압으로 생성된 경우에 압력부(1432)가 찌그러지고 차단부(1433)가 가스공을 개방하여 화살표 방향으로 가스가 배기되는 상태이다.
납 배터리(1000)는 충전과 방전에 의하여 수소가스와 열을 발생하고, 열은 전해액을 증발시켜 전해액 가스를 생성한다.
즉, 발생된 수소가스와 전해액이 증발한 가스는 누적되면 압력(기압)이 증가하므로 케이스(1300)를 폭발하게 할 수도 있다.
그러므로 케이스(1300)에 가스가 자연적으로 배기되도록 하는 배기구를 형성하는 것이 일반적이고, 전해액이 증발한 가스는 배기될수록 전해액의 용량이 줄어들어 전해액 또는 증류수를 주기적으로 보충해주어야 한다.
여기서 전해액이 증발한 가스를 배기하지 못하도록 차단하면 증발한 가스가 식는 경우에 다시 전해액으로 회수되므로 전해액의 줄어드는 양이 극히 작아진다고 하는 기술 사상이 적용된 것이 일반적인 무보수 배터리의 기술적 개념이다.
따라서 본 발명에서도 납 배터리(1000)의 충방전 과정에 의하여 발생한 가스가 배기 되지 못하도록 최대한 차단하므로 전해액이 줄어들지 않도록 한다.
그리고 소정의 허용된 압력 이상으로 가스가 발생하는 경우에만 케이스(1300)가 폭발하지 않도록 발생된 가스를 배기하는 것이 본 발명의 기술 사상 중에 하나이다.
한편, 허용된 소정 압력(기압)은 80 밀리바(mbar) 내지 160 밀리바의 범위 중에서 어느 하나의 값이 되도록 한다.
본 발명에 의한 배터리(1000)의 각 단위 셀은 다수의 양극 극판(1102)과 음극 극판(1104) 및 전해액이 함침된 에이지엠(AGM)형 격리판(1200)을 내장하고, 충방전에 의하여 가스를 발생한다.
납 배터리(1000)의 각 셀에서 발생된 가스는 나사공에 나사 결합한 캡(1400)의 가스공(1422)으로 유입되고 밸브에 의하여 배기 되지 못하고 차단된다.
캡(1400)의 내부캡(1420)은 외부캡(1410)의 고정공(1411)에 삽입된 상태에서 체결턱(1421)이 고정공(1411)의 상응하는 위치에 상응하는 형상으로 형성된 홈에 삽입되어 체결되므로 고정된다.
여기서 체결 고정된 내부캡(1420)과 외부캡(1410)의 사이에는 밸브(1430)가 구비되고, 밸브(1430)의 힌지막(1431)은 고정핀(1413)에 의하여 내부캡(1420)의 일측 끝단에 고정되며 압력부(1432)는 허용된 소정 압력 이상의 압력(기압)이 형성되는 경우에만 차단막(1433)을 개방한다.
힌지막(1431)에 의하여 고정된 차단막(1433)이 개방된 경우 가스공(1422)과 고정공(14110 및 배기관(1412)이 관통 상태로 연결된다.
그러므로 납 배터리(1000)의 내부에서 발생된 가스가 가스공(1422), 고정공(1411) 및 배기관(1412)을 통하여 케이스(1300)의 외부로 배기 된다.
이때, 케이스(1300) 내부의 가스가 외부로 배기 되면 가스 압력이 하강하므로 압력부(1432)에 의하여 개방된 차단막(1433)은 다시 가스공(1422)을 차단하고, 가스의 배기는 중단된다.
여기서 가스공(1422)을 차단하는 압력(기압)은 80 밀리바(mbar) 내지 160 밀리바 범위의 미만 값 중에서 어느 하나의 값이 된다.
본 발명에 의한 캡(1400)의 구성은 전해액의 화학적 작용에 의하여 발생한 가스가 허용된 소정 압력 이상인 경우에만 배기되도록 하므로 전해액의 증발을 억제하여 전해액의 보수를 하지 않게 하거나 전해액의 보수 주기를 늘리는 장점이 있다.
도 6 은 본 발명의 일 실시 예에 의하여 압연 확장형 극판을 제조하는 시스템의 구성을 설명하기 위한 기능 도시도 이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 주조 성형된 납판 스트립(2100)을 7 내지 10 개의 압연 롤러로 이루어지는 압연부(2200)를 순차 통과하면서 처음 두께의 1/9 내지 1/12의 두께로 얇게 성형한다.
이때 주조 성형된 납판(2100)의 두께는 8 내지 11 밀리미터이고, 폭은 90 밀리미터 내지 110 밀리미터의 범위 중에서 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다.
칼집부(2300)는 압연부(2200)를 통과한 납판 스트립(2100)에 8 내지 11 밀리미터(mm)의 칼집을 상하좌우 5 밀리미터 내지 10 밀리미터의 간격으로 연속 형성한다.
확장부(2400)는 칼집부(2300)를 통과한 납판 스트립(2100)의 폭 방향 양쪽 끝단을 10 미터 내지 20 미터의 길이에서 조금씩 순차적으로 잡아당겨 2.5 배수 내지 4 배수의 범위로 폭의 길이를 넓게 확장되도록 최종적으로 가공한다.
절단부(2500)는 확장부(2400)를 통과한 납판 스트립(2100)을 절단하므로 압연 확장형 극판(2600)을 대량 생산한다.
본 발명에 의한 시스템은 초 단위로 약 10 내지 20 장 이상의 극판을 생산할 수 있는 대량 생산 시스템의 구축이 가능한 장점이 있다.
도 7 은 본 발명의 일 실시 예에 의하여 압연 확장형 극판을 제조하는 방법의 설명을 위한 순서 도시도 이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면, 납 용액을 주조 금형에 주입하여 연속적으로 성형하는 중력식 주조 방식으로 8 내지 11 밀리미터 두께와 90 내지 110 밀리미터 폭의 범위에 의한 납판 스트립을 주조하고(S3100), 주조된 납판 스트립은 압연 롤러로 이루어지는 압연부에 의하여 7 내지 10 회의 범위에서 순차 압연하여 최초 두께의 9 내지 12 분에 1 범위의 두께로 얇게 연속 압연한다(S3200).
압연된 납판 스트립은 칼집부에 의하여 납판 스트립의 평면에 8 내지 11 밀리미터 범위의 크기에 의한 칼집을 상하좌우 5 내지 10 밀리미터 간격의 범위로 이격시켜 칼집을 연속 형성한다(S3300).
칼집이 연속 형성된 납판 스트립을 10 내지 20 미터의 길이를 갖는 확장부에 의하여 양 측면이 조금씩 연속적으로 잡아당겨 지므로 2.5 내지 4 배수 범위로 폭의 길이를 넓게 확장 성형한다(S3400).
확장 성형이 완료된 납판 스트립은 절단부에 의하여 배터리의 극판 크기로 절단하므로 압연 확장형 극판을 제조한다(S3500).
본 발명에 의하여 제조된 극판은 그물 형상을 하고 두께가 비교적 얇으므로 납 배터리의 중량을 줄이는 장점이 있다.
도 8 은 본 발명의 일 실시 예에 의하여 제조가 완료된 압연 확장형 극판을 촬영한 사진 도시도 이고, 도 9 는 본 발명의 일 실시 예에 의하여 압연 확장형으로 제조된 극판의 조직을 확대 촬영한 도시도 이다.
이하, 첨부된 도 8 을 참조하여 상세히 설명하면 납판 스트립을 압연하여 두께를 얇게 하고 칼집을 형성하며 폭 방향으로 양쪽 끝단을 서서히 잡아당기므로 폭의 길이를 확장하고 배터리의 크기에 적합하게 절단하여 제조된 압연 확장형 극판을 촬영한 상태이다.
극판은 중간 부분이 그물 형상을 하므로 무게를 줄이면서 전기를 저장하는 화학적 반응이 원활하게 이루어지도록 그물의 선 간격을 조절하는 것이 바람직하다.
한편, 이러한 극판의 표면에는 화학전 반응을 원활하게 이루어지도록 하기 위하여 활물질을 도포하고 건조시킬 수 있다.
첨부된 도 9 를 참조하면 압연된 납판 스트립의 금속 조직에 의한 결정립계가 압연에 의하여 치밀하게 층을 이루고 있는 것으로 확인된다.
즉, 본 발명에 의하여 압연된 납은 부식이 되는 경우에도 양파껍질이 벗겨지듯 얇게 떨어져 나가므로 부식에 의하여 극판의 형상이 크게 변하지 않고 형상을 일정하게 유지하므로 기대수명이 길어진다.
따라서 본 발명에 의한 압연 확장형 극판을 사용하는 납 배터리는 기대수명의 연장을 충족하면서 배터리의 중량을 줄이는 장점이 있다.
도 10 은 본 발명의 일 실시 예에 의한 극판을 사용한 배터리를 방전심도 17.5 % 로 사이클 테스트하여 검출된 용량을 비교한 그래프 도시도 이고, 도 11 은 본 발명의 일 실시 예에 의한 극판을 사용한 배터리를 방전심도 50 % 로 사이클 테스트하여 종지 전압이 검출되는 횟수를 비교한 그래프 도시도 이다.
이하, 첨부된 도 10 을 참조하여 상세히 설명하면 사각 표시는 종래 기술에 의한 액유동식 배터리의 용량 변화를 나타내고, 원형 표시는 본 발명에 의한 배터리의 용량 변화를 나타낸다.
본 발명과 종래 기술에 의한 납 배터리의 충방전 용량(capacity)은 각각 70 암페어(A)이고, 방전심도(depth of charge: DOD)를 17.5 % 로 하여 충방전에 의한 사이클 실험(cycle test)을 반복한다.
여기서 배터리의 종지 용량은 정격 출력 용량의 50 % 이하 값으로 떨어지는 것으로 하고 즉, 출력 용량이 35 암페어 이하로 떨어지는 경우를 종지 용량으로 하고, 시간은 주(week) 단위로 표시한다.
첨부된 도면에서 본 발명에 의한 배터리는 24 주 동안 사이클 테스트를 하는 경우에도 종지용량에 도달하지 않고 있으나, 종래 기술에 의한 배터리는 8 주차에 종지용량에 도달하고 있음을 확인할 수 있다.
따라서 본 발명에 의한 납 배터리는 용량을 기준으로 한 기대수명을 3 배 이상으로 연장할 수 있는 것이 확인된다.
이하, 첨부된 도 11 을 참조하여 상세히 설명하면 원 표시는 종래 기술에 의한 액유동식 배터리의 전압(V) 변화를 나타내고, 사각 표시는 본 발명에 의한 배터리의 전압 변화를 나타낸다.
본 발명과 종래 기술에 의한 납 배터리의 출력 전압은 각각 12 볼트(V)이고, 방전심도(depth of charge: DOD)를 50 % 로 하여 충방전에 의한 사이클 실험(cycle test)을 반복한다.
여기서 배터리의 종지 전압은 10 볼트 이하의 값으로 떨어지는 경우이고, 종지 전압에 도달할 때까지의 사이클 실험 횟수를 표시한다.
첨부된 도면을 참조하면 본 발명에 의한 납 배터리는 종지 전압으로 떨어질 때까지 360 회의 사이클 시험을 반복하였으나, 종래 기술에 의한 전해액 유동식 납 배터리는 약 130 회의 사이클 시험에서 종지 전압으로 떨어지는 것을 확인할 수 있다.
따라서 본 발명에 의한 납 배터리는 전압을 기준으로 한 기대수명을 약 3 배 가까이 연장할 수 있는 것으로 확인된다.
본 발명에 의한 납 배터리는 기대수명을 늘리고 충전속도를 개선하며 중량을 감소하여 에너지의 밀도를 높이므로 전기차량(EV) 또는 연비 개선형 ISG 차량에 적용할 수 있는 장점이 있다.
특히, 본 발명에 의한 납 배터리는 전해액을 함침한 에이지엠이 극판을 일정한 압력으로 지지하면서 전기 저장을 위한 화학적 반응을 원활하게 이루어지도록 하므로 차량에 장착하여 충격, 진동, 기울기가 심한 환경에서도 잘 견디고 충전시간이 개선되어 출력 전압에 신뢰성을 유지하는 장점이 있다.
또한, 납 배터리의 중량이 감소하므로 차량의 중량이 감소하여 연비를 개선하는 동시에 공해 발생을 줄이는 장점이 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체 예에 대해서 상세히 설명하였지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
1000 : 납 배터리 1100 : 극판
1102 : 양극 극판 1104 : 음극 극판
1200 : 격리판 1300 : 케이스
1302 : 하부케이스 1304 : 상부케이스
1400 : 캡 1410 : 외부캡
1411 : 고정공 1412 : 배기관
1413 : 고정핀 1414 : 압력턱
1420 : 내부캡 1421 : 체결턱
1422 : 가스공 1430 : 밸브
1431 : 힌지막 1432 : 압력부
1433 : 차단막 1500 : 터미널
2000 : 압연극판 시스템 2100 : 납판 스트립
2200 : 압연부 2300 : 칼집부
2400 : 확장부 2500 : 절단부
2600 : 압연 확장형 극판

Claims (9)

  1. 납 배터리에 있어서,
    균일한 두께로 압연된 납판 스트립에 다수의 칼집을 연속 형성하고 확장 가공하여 그물 형상으로 성형되며 전기를 화학적 반응 상태로 저장하는 다수의 양극 극판;
    상기 양극 극판과 같은 크기이고 그물 형상을 하며 전기를 화학적 반응 상태로 저장하는 다수의 음극 극판;
    상기 다수의 양극 극판과 음극 극판 사이에 각각 구비되어 전기적으로 절연하고 기계적으로 분리하며 에이지엠(AGM)에 전해액을 함침하여 전기 저장의 화학적 반응을 원활하게 발생시키고 셀의 내부 압력을 일정하게 유지시키는 다수의 격리판;
    상기 다수의 양극 극판과 음극 극판, 격리판, 전해액을 다수의 격리된 단위 셀에 각각 내장하고 폴리프로필렌으로 이루어지는 상부와 하부의 케이스; 및
    상기 상부 케이스의 셀 단위에 각각 형성된 나사공과 나사결합하고 충방전에 의하여 발생한 가스가 허용된 레벨 이상의 압력이면 배기하는 캡; 을 포함하고,
    상기 캡은
    개방된 내측 끝단에서 연장되어 상측으로 가스를 배출시키는 배기관과 내측 중앙에 원뿔형상으로 돌출되어 고정핀과 압력턱을 각각 형성하고는 외부캡;
    내측에서 가스가 이송되는 가스공이 형성되고 외측에서 돌출되는 체결턱이 형성되어 상기 외부캡의 개방된 끝단으로 삽입되어 고정되는 내부캡; 및
    상기 내부캡의 일측 끝단에 안착되도록 일방으로 연장 형성되고, 상기 고정핀과 압력턱에 의하여 상기 내부캡과 외부캡 사이에서 고정되어 상기 외부캡의 배기관과 내부캡의 가스공 사이를 차단하되, 상기 가스공에서 소정 압력이 가해지면 개방시키는 밸브를 포함하는 자동차용 배터리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극 극판은 압연 확장형 극판, 일반 확장형 극판, 주조 확장형 극판 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지는 구성을 특징으로 하는 자동차용 배터리.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 에이지엠(AGM)은,
    상기 양극 극판과 음극 극판의 사이에 구비되고 유리섬유의 매트로 이루어지며 전해액을 함침하여 상기 양극 극판과 음극 극판의 각각에 압력을 인가하면서 밀착하여 전해액과의 접촉이 원활하도록 하고 움직이지 않도록 지지하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 압연 확장형 극판은,
    주조된 납판을 다수의 압연 롤러로 연속 압착하여 균일한 폭과 두께의 스트립(strip)으로 성형하고 칼집을 균일하게 연속 형성하며 폭 방향의 양쪽 끝단을 조금씩 연속적으로 잡아당겨 폭의 길이를 2.5 내지 4 배수의 범위로 확장하고 균일한 크기로 절단하는 공정으로 순차 처리하여 이루어지는 구성을 특징으로 하는 자동차용 배터리.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 납판은 8 내지 11 밀리미터 두께와 90 내지 110 밀리미터 폭의 범위로 주조하고,
    상기 압착은 납판의 두께를 9 내지 12 분에 1 의 크기 범위로 얇게 압연하며,
    상기 칼집은 5 내지 10 밀리미터 간격의 범위에서 8 내지 11 밀리미터 범위의 크기로 형성하고,
    상기 확장은 폭 길이를 2.5 내지 4 배수의 범위로 넓게 확장 성형하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부캡은 상기 상부 케이스에 단위 셀마다 형성된 나사공에 나사 체결되어 결합하고 내부 중앙에 일측 끝단이 막힌 고정공을 형성하며 상기 고정공의 막힌 끝단 위치에서 상기 배기관을 형성하고, 상기 고정공의 막힌 끝단 위치에 상기 고정핀과 압력턱을 각각 형성하고;
    상기 내부캡은 상기 고정공의 개방된 타측단으로 삽입되고 상기 체결턱에 의하여 고정되며 중심축 방향의 내부에 양측 끝단이 개방되도록 상기 가스공을 형성하고;
    상기 밸브는 상기 고정핀에 의하여 상기 내부캡의 일측 끝단에 고정되어 상기 압력턱에 접촉하여 소정 압력까지 지지하는 힌지막과, 상기 가스공의 개방된 일측 끝단을 차단하는 압력부를 포함하고, 상기 힌지막과 압력부에 의하여 상기 가스공의 일측 끝단을 차단 및 폐쇄하며, 소정 레벨 이상으로 인가되는 압력에 의하여 상기 압력부가 지지하지 못하면 상기 가스공의 차단된 일측 끝단을 개방하는 차단막을 각각 형성하는 자동차용 배터리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 소정 압력은,
    80 내지 160 밀리바(mbar) 범위 중에서 어느 하나인 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리.

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