KR101573061B1 - 바이폴라 플레이트용 수지조성물과 이를 이용한 사출성형에 의한 바이폴라 플레이트의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이폴라 플레이트용 수지조성물과 이를 이용한 사출성형에 의한 바이폴라 플레이트의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기적 특성이 우수하면서 성형성 및 기계적 강도가 우수한 레독스 플로우 이차전지용 바이폴라 플레이트용 수지조성물과 이를 이용한 사출성형에 의한 바이폴라 플레이트의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 바이폴라 플레이트용 수지조성물은 폴리프로필렌 50 내지 70중량%, 탄소나노튜브 5 내지 15중량%, 탄소섬유 3 내지 7중량%, 유리섬유 10 내지 15중량%, 무기충전재 10 내지 15중량%를 함유한다.

Description

바이폴라 플레이트용 수지조성물과 이를 이용한 사출성형에 의한 바이폴라 플레이트의 제조방법{resin composition for bipolar plate and method of manufacturing of bipolar plate by injection molding}

본 발명은 바이폴라 플레이트용 수지조성물과 이를 이용한 사출성형에 의한 바이폴라 플레이트의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기적 특성이 우수하면서 성형성 및 기계적 강도가 우수한 레독스 플로우 이차전지용 바이폴라 플레이트용 수지조성물과 이를 이용한 사출성형에 의한 바이폴라 플레이트의 제조방법에 관한 것이다.

전력저장 기술은 전력이용의 효율화, 전력공급 시스템의 능력이나 신뢰성 향상, 시간에 따른 변동폭이 큰 신 재생에너지의 도입확대 및 이동체의 에너지 회생 등 에너지 전체에 걸쳐 효율적 이용을 위해 중요한 기술이며 그 발전 가능성 및 사회적 기여에 대한 요구가 점점 증대되고 있다.

마이크로 그리드와 같은 반자율적인 지역 전력공급시스템의 수급밸런스의 조정 및 풍력이나 태양광발전과 같은 신 재생에너지 발전의 불균일한 출력을 평활화해주고 기존 전력계통과의 차이에서 발생하는 전압 및 주파수 변동 등의 영향을 제어하기 위해서 이차전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 이러한 분야에서 이차전지의 활용도에 대한 기대치가 높아지고 있다.

대용량 전력저장용으로 사용될 이차전지에 요구되는 특성을 살펴보면 에너지 저장 밀도가 높아야 하는데, 이러한 특성에 가장 적합한 고용량 및 고효율의 이차전지로서 레독스 플로우 이차전지가 가장 각광받고 있다.

레독스 플로우 이차전지에 있어서 바이폴라 플레이트는 양극 및 음극 전해질이 흐르는 유로를 제공하며, 전자가 이동하는 역할을 수행하는 부품으로 전해액에 대한 내부식성이 우수해야 하며, 전자 이동성이 우수해야 한다.

상용되는 흑연계 바이폴라 플레이트의 경우 전자 이동성은 우수하나 전해질에 대한 내부식성이 낮아 레독스 플로우 이차전지를 장시간 구동할 경우 전해액에 의해 전기화학적으로 부식되는 현상이 발생하기 때문에 그 사용이 매우 제한적이다. 따라서 바이폴라 플레이트의 내부식성을 향상시키기 위한 연구가 매우 시급한 실정이다.

바이폴라 플레이트의 내부식성을 향상시킬 경우 상용되는 흑연계 바이폴라 플레이트에 비해 내부식성은 향상되는 반면, 비저항이 증가하는 현상이 발생하기 때문에 레독스 플로우 이차전지에 적용시 에너지 효율이 저하되는 단점이 있다.

이러한 물성에 맞추어 주기 위해서 종래 바이폴라 플레이트는 비닐에스테르수지, 페놀수지, 프로필렌-에틸렌 공중합수지, 불소수지에 카본블랙, 그라파이트 또는 금속분말 등 도전성물질을 첨가하여 조성된 합성수지조성물로 성형 가공하여 제조하고 있다.

대한민국 등록특허 제10-0764008호에는 합성수지 55-79.5wt%, 도전성 고분자 물질로 도핑 처리한 탄소나노튜브 0.5~5wt%와 도전성 고분자 물질로 도핑처리한 카본블랙 20~50wt%를 혼합하여 조성되는 연료전지의 바이폴라 제조용 합성수지 조성물이 개시되어 있다.

하지만, 종래의 기술은 다량의 도전성 충전제를 첨가하여 충분한 전기전도성을 얻을 수 있으나, 가공성이 저하되고, 기계적 물성이 떨어지는 단점이 있다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 창출된 것으로서, 전기적 특성이 우수하면서도 성형성 및 기계적 강도가 우수한 레독스 플로우 이차전지용 바이폴라 플레이트용 수지조성물과 이를 이용한 사출성형에 의한 바이폴라 플레이트의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바이폴라 플레이트용 수지조성물은 폴리프로필렌 50 내지 70중량%, 탄소나노튜브 5 내지 15중량%, 탄소섬유 3 내지 7중량%, 유리섬유 10 내지 15중량%, 무기충전재 10 내지 15중량%를 함유하는 것을 특징으로 한다.

상기 폴리프로필렌은 230℃, 2.16kgf의 조건 하에서 용융지수가 20 내지 60g/10min이고, 상기 무기충전재는 규회석인 것을 특징으로 한다.

그리고 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 사출성형에 의한 바이폴라 플레이트의 제조방법은 폴리프로필렌 50 내지 70중량%, 탄소나노튜브 5 내지 15중량%, 탄소섬유 3 내지 7중량%, 유리섬유 10 내지 15중량%, 무기충전재 10 내지 15중량%를 혼합하여 수지조성물을 조성하는 단계와; 상기 수지조성물을 사출하여 바이폴라 플레이트를 성형하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 전기적 특성이 우수하면서도 성형성 및 기계적 강도가 우수한 바이폴라 플레이트용 수지조성물을 제공할 수 있다.

따라서 본 발명의 바이폴라 플레이트용 수지조성물을 사출성형하여 제조한 바이폴라 플레이트를 레독스 플로우 이차전지에 적용할 경우 에너지 효율이 높다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 바이폴라 플레이트용 수지조성물과 이를 이용한 사출성형에 의한 바이폴라 플레이트의 제조방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 바이폴라 플레이트용 수지조성물은 폴리프로필렌, 탄소나노튜브, 탄소섬유, 유리섬유, 무기충전재를 함유한다. 가령, 수지조성물은 폴리프로필렌 50 내지 70중량%, 탄소나노튜브 5 내지 15중량%, 탄소섬유 3 내지 7중량%, 유리섬유 10 내지 15중량%, 무기충전재 10 내지 15중량%를 함유한다. 이러한 바이폴라 플레이트용 수지조성물은 통상적인 펠릿 형상의 마스터 배치로 제공될 있다. 마스터 배치는 규칙적인 형상과 동일한 크기로 형성되거나, 불규칙적인 형상과 불균일한 크기로 형성될 수 있다.

본 발명의 바이폴라 플레이트용 수지조성물을 구성하는 주재료는 폴리프로필렌 수지이다.

폴리프로필렌 수지는 230℃, 2.16 kgf의 조건 하에서 용융지수가 230℃, 2.16kgf의 조건 하에서 용융지수가 20 내지 60g/10min인 것이 바람직하다. 폴리프로필렌의 용융지수가 10 미만인 경우 흐름성이 저하되어 성형성이 낮아지고, 용융지수가 60을 초과하면 기계적 강도와 치수 안정성이 낮아질 수 있다.

폴리프로필렌 수지로 고결정성 폴리프로필렌(HCPP, High Crystallinity PolyPropylene)을 사용할 수 있다. 고결정성 폴리프로필렌은 높은 강성과 우수한 내열성 및 내충격성을 갖는다.

전기 전도성을 갖는 수지 조성물을 제조하기 위하여 수지에 도전성 충전재가 첨가되는데, 도전성 충전재로 탄소나노튜브와 탄소섬유를 함께 사용한다. 수지에 도전성 충전재를 첨가하여 전기전도성을 부여하기 위해서는 도전성 충전재가 수지 내에서 상호 접촉하거나 수 Å 이내의 근접한 거리에서 도전성의 경로를 형성하여야 한다. 또는 수백 Å의 간격을 통해 열전자복사 혹은 전자의 튜너효과가 발생하는 경우에 전기전도성이 부여될 수 있다. 즉 수지 내에서 도전성 충전제 간에 도전경로를 형성시켜 주어야 하므로 도전성 충전제는 구형보다는 섬유상이 효과적이다.

탄소나노튜브는 1~100nm 범위의 나노 크기의 직경을 가지면서 길이가 최대 수십 cm까지 합성될 수 있는 물질이다. 탄소나노튜브는 직경에 비해 비교적 길고 튜브 자체가 서로 엉켜져 있어 수지에 직접 분산하는 것이 어렵다. 이러한 탄소나노튜브의 묶음(bundle)을 풀고 길이를 조절하여 분산성을 높이기 위해 탄소나노튜브를 분산 처리하는 공정이 필요할 수 있다. 탄소 나노 튜브의 분산 처리 공정에는 초음파처리에 의한 탄소 나노 튜브 절단 방법, 산처리된 탄소 나노튜브의 외부 표면에 기능화를 통한 정전기적 분산 방법, 각종 용매나 계면활성제를 이용한 분산 방법 등이 수행될 수 있다. 일 예로, 탄소나노튜브 표면에 카르복실기를 만들어 주기 위해 140℃의 질산용액에서 30분 동안 산처리를 한 후 증류수를 이용하여 PH가 7이 될 때까지 세척한 다음 여과하고 건조시켜 분산처리된 길이 200 내지 800nm 길이의 탄소나노튜브를 수득할 수 있다.

탄소섬유는 탄소나노튜브와 함께 전도성 충전재 역할을 하는 것으로서, 전기전도성을 향상시킨다. 탄소섬유로 길이가 0.1 내지 1mm인 것이 바람직하다.

유리섬유는 보강재로 사용되는 것으로서, 기계적 물성을 증대시킨다. 그리고 무기충전재는 기계적 물성을 향상시킨다. 본 발명에 적용될 수 있는 무기충전재로 규회석(wollastonite)이 바람직하다. 규회석으로 평균 입경 크기가 0.001 내지 0.1mm인 것을 사용할 수 있다.

상술한 본 발명의 수지 조성물은 전기적 특성이 우수하면서도 성형성 및 기계적 강도가 우수한 바이폴라 플레이트를 제공한다.

한편, 상기 수지 조성물에는 상술한 재료들 외에 통상적인 첨가제가 1 내지 5중량% 더 첨가될 수 있다. 예를 들면 가소제, 경화제, 경화개시제, 경화조제, 용제, 자외선안정제, 산화방지제, 열안정제, 소포제, 레벨링제, 이형제, 윤활제, 발수제, 증점제, 저수축제, 난연제, 또는 친수성 부여제 중에서 선택된 어느 하나 이상의 성분이 첨가될 수 있다.

이하, 상술한 수지 조성물을 이용하여 사출성형에 의한 바이폴라 플레이트의 제조방법에 대하여 설명한다.

먼저, 폴리프로필렌 50 내지 70중량%, 탄소나노튜브 5 내지 15중량%, 탄소섬유 3 내지 7중량%, 유리섬유 10 내지 15중량%, 무기충전재 10 내지 15중량%를 혼합하여 수지 조성물을 조성한다. 상술한 바와 같이 수지조성물은 펠릿 형상의 마스터 배치로 제공될 수 있다.

탄소나노튜브, 탄소섬유, 유리섬유, 무기충전재를 분말상의 폴리프로필렌 수지에 혼합한 후 압출성형하여 마스터 배치 형태의 수지조성물을 성형한다. 각 재료들을 수지에 골고루 혼합시킨 후 압출성형하기 위하여, 용매에 수지를 녹인 후 탄소나노튜브, 탄소섬유, 유리섬유, 무기충전재를 넣고 초음파 장비 또는 기타 교반 장비 등을 이용하여 혼합시킨 다음 용매를 증발시킬 수 있다.

다음으로, 수지 조성물을 사출성형기를 이용하여 바이폴라 플레이트를 성형한다. 수지 조성물을 호퍼(hopper)에 주입하면, 주입된 원료는 호퍼와 연결된 가열실에서 용융 및 혼련되고, 용융-혼련된 원료는 사출성형용 몰드 내부에 강한 압력으로 주입되어 몰드의 형상대로 바이폴라 플레이트가 제조된다.

이하, 실시 예를 통하여 본 발명에 대해 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시 예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위를 하기의 실시 예로 한정하는 것은 아니다.

(실시예)

폴리프로필렌 70중량%, 탄소나노튜브 10중량%, 탄소섬유 5중량%, 유리섬유 13중량%, 규회석 12중량%로 조성된 수지 조성물을 사출성형하여 두께 3mm인 판상의 성형시편(가로×세로: 200mm×250mm)을 제작하였다.

제작된 성형시편의 충격강도(ASTM D256 시험방법), 굴곡탄성률(ASTM D790 시험방법)을 측정하였다. 그리고 비저항값은 관통저항 측정장비를 이용하여 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

구분	충격강도	굴곡탄성률	비저항
성형시편	23kgcm/cm	150000kg/cm2	97.3mΩ·cm

상기 표 1의 결과를 참고하면, 실시예에 따라 제조된 성형시편의 기계적 물성은 양호한 것으로 나타났다. 그리고 비저항 값이 97.3mΩㆍcm으로 나타나 상용제품들의 비저항값(<100mΩㆍcm)과 동등한 수준이어서 전기전도성이 우수한 것으로 확인되었다. 또한, 사출성형시 수지조성물의 성형성도 양호한 것으로 나타났다.

따라서 본 발명의 바이폴라 플레이트용 수지조성물을 사출성형하여 제조한 바이폴라 플레이트를 레독스 플로우 이차전지에 적용할 경우 에너지 효율이 높을 것으로 기대된다.

이상, 본 발명은 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (3)

1. 삭제
2. 삭제
3. 폴리프로필렌 50 내지 70중량%, 탄소나노튜브 5 내지 15중량%, 탄소섬유 3 내지 7중량%, 유리섬유 10 내지 15중량%, 무기충전재 10 내지 15중량%를 혼합하여 수지조성물을 조성하는 단계와;
   상기 수지조성물을 사출하여 바이폴라 플레이트를 성형하는 단계;를 포함하고,
   상기 폴리프로필렌은 230℃, 2.16kgf의 조건 하에서 용융지수가 20 내지 60g/10min이고,
   상기 탄소나노튜브는 140℃의 질산용액에서 30분 동안 산처리를 한 후 증류수를 이용하여 pH가 7이 될 때까지 세척한 다음 여과하고 건조시켜 분산처리된 길이 200 내지 800nm이며,
   상기 무기충전재는 평균 입경 0.001 내지 0.1mm인 규회석이고,
   상기 바이폴라 플레이트는 비저항 값이 97.3mΩㆍcm인 것을 특징으로 하는 사출성형에 의한 바이폴라 플레이트의 제조방법.