KR102305187B1 - 레이저 가공을 이용한 활물질 접착력을 향상시킨 전극 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저 가공을 이용한 활물질 접착력을 향상시킨 전극 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레이저 교차 가공을 통해 스트립 표면을 국부적으로 용융시켜 거칠기를 증가시킴으로써, 활물질 도포시 활물질의 접착력을 향상시켜 고온 환경에서 활물질 탈락으로 인한 수명종지를 개선하여 납축전지의 수명을 향상시키는 레이저 가공을 이용한 활물질 접착력을 향상시킨 전극 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명을 통해, 활물질 도포시 활물질의 접착력을 향상시켜 고온 환경에서 활물질 탈락으로 인한 수명종지를 개선하여 납축전지의 수명을 향상시키는 효과를 제공하게 된다.
본 발명을 통해, 활물질 도포시 활물질의 접착력을 향상시켜 고온 환경에서 활물질 탈락으로 인한 수명종지를 개선하여 납축전지의 수명을 향상시키는 효과를 제공하게 된다.
Description
본 발명은 레이저 가공을 이용한 활물질 접착력을 향상시킨 전극 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레이저 교차 가공을 통해 스트립 표면을 국부적으로 용융시켜 거칠기를 증가시킴으로써, 활물질 도포시 활물질의 접착력을 향상시켜 고온 환경에서 활물질 탈락으로 인한 수명종지를 개선하여 납축전지의 수명을 향상시키는 레이저 가공을 이용한 활물질 접착력을 향상시킨 전극 제조 방법에 관한 것이다.
현재 납축전지 활물질 메커니즘은 활물질에 물리적 강도 및 황산과의 반응 표면적 확보를 위하여 폴리에스터 계열 화이버를 첨가하고 있다.
통상적으로 납축전지 활물질에 0.8 ~ 5 데니어의 섬도를 갖고, 1 ~ 10 mm 길이의 폴리에스터 계열의 화이버를 첨가하는데 이러한 섬유(화이버)는 내산성과 내산화성이 우수한 특징이 있다.
이때, 첨가되는 유기합성 단섬유는 통상적으로 원형 단면 형태를 가지며, 길이는 2 ~ 10mm 정도이다.
유기합성 단섬유의 성분은 내산성 및 내산화성이 우수한 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 모드아크릴 계열이 주종을 이루고 있다.
종래 기술인 대한민국특허등록번호 제10-0603908호인 "축전지용 극판 및 그 제조 방법"은 활물질 표면에 섬유 필라멘트가 박히도록 섬유강화 종이를 압력을 가해 부착하고 표면의 요철부에 활물질을 충전하여서 되는 극판 제조 방법을 개시한다.
상기한 종래 대한민국등록특허는 "축전지용 극판 및 그 제조 방법"에 관한 것으로서 축전지의 극판은 전기가 흐르는 통로 역할을 하는 기판에 전기 화학적 활성을 갖는 활물질이 도포되고, 그 활물질 표면에 섬유강화 종이를 부착 또는 압착하는 단계에서 섬유강화종이의 섬유 필라멘트가 일정 깊이로 박히도록 압력을 가해 부착하고, 섬유강화종이의 표면 요철부에 활물질이 충전되어 그 결착표면적을 증대시킴으로서, 기판으로부터 활물질이 탈리되는 것을 방지하고, 나아가, 섬유강화종이의 다공성으로 인한 극판의 초기고율방전 특성을 향상시키고 또한 섬유강화종이의 섬유필라멘트 조직의 안정된 지지력과 내산성으로 인한 활물질을 잘 보유하고 지지함으로서 축전지의 수명을 연장시키는 기술에 관한 것이다.
지금까지 납축전지용 그리드 합금으로 납(Pb)-칼슘(Ca)-주석(Sn)계 합금을 사용해 왔으나 이러한 합금구성만으로는 가혹한 사용환경(고온 및 과충전 현상)에 충분히 대응하지 못해 그리드의 부식이나 부식의 성장(growth)으로 인한 변형이 발생하여 납축전지의 수명이 짧아지고 있는 것이 문제로 지적되고 있다.
이에 따라 그리드의 내부식성, 기계적 강도 개선 및 성장 변형의 억제가 요구되고 있다.
한편, 종래의 납축전지의 활물질은 일반적으로 연분(鉛粉)과 황산수용액을 기본으로 하며, 양극과 음극 특성에 따라서 기타 첨가제를 배합한 후, 혼합하여 활물질을 만든다.
이렇게 만들어진 활물질은 기판에 바르는 작업인 도포 작업을 거쳐, 양/음극 특성에 따라 숙성공정 및 건조공정을 거친 후, 준비된 양극판과 음극판을 여러 장 교호로 중첩하며, 이때, 극판 간에 전기적 단락을 방지하기 위하여 비전도성 격리판을 설치하여, 양극판과 음극판 및 격리판이 극판군(群)을 이루도록 구성되어 있다.
극판군은 축전지 용량에 따라 여러 개가 직렬로 접속되어 전조안에 수용된다.
상기 수용된 극판군은 전기적인 성질을 가질 수 있도록 초충전인 화성공정을 거치게 되는데, 이때 양극판의 활물질은 이산화납(PbO2)이 형성되고 특성상, 산화된 납의 미립자가 무수히 결합되어 있으며 다공성이 풍부하여 입자간을 전해액이 자유로이 확산, 침투하도록 되어 있다.
또한, 음극판의 활물질은 해면상납(海綿狀鉛, Pb)으로 역시 다공성과 반응성이 풍부하여 전해액이 자유로이 확산, 침투하도록 된 것이다.
이렇게 만들어진 제품은 비로소 시장에서 사용할 수 있게 되는 것이다.
또한, 초충전 과정을 원활히 하며, 제품의 내구성을 향상시키기 위하여 극성별로 별도의 숙성 및 건조공정을 거치게 된다.
양극판의 숙성공정은 제품의 내구성을 증대시키는 중요한 공정으로서 스팀(steam)의 뜨거운 온도(약 70 ~ 100℃)와 수분(습도 99%이상)으로 활물질의 구성성분인 납(Pb)을 산화납(PbO)으로 변화시킬 뿐만 아니라, 활물질의 결정구조를 변화시킨다.
음극판은 별도 공정 없이 자연 상태에서 방치하면 숙성 및 건조를 동시에 할 수 있다.
하지만, 충분한 숙성 및 건조가 이루어지지 않으면 극판군을 형성하는 조립과정에서 극판과 극판끼리 달라붙으며, 수분이 존재하여 활물질의 내구력이 떨어져 기판사이에 박혀 있는 활물질은 조그마한 충격에도 손쉽게 떨어지게 된다.
이와 같은 과정을 거쳐 만들어진 납축전지는 충,방전의 횟수가 증가함에 따라 납과 황산의 반응에 의해서 활물질은 기판에서 더욱 쉽게 떨어지게 되며, 떨어진 활물질들은 더 이상 반응에 참가할 수 없기 때문에, 결국 납축전지의 성능을 저하시켜 납축전지의 수명을 통상 1~2년에 불과하게 만들었다.
따라서, 현재 고성능의 납 축전지를 요구하는 흐름에 맞추어 납 축전지 내구성과 성능을 향상시킬 수 있는 제조 공정이 요구되고 있는 실정이다.
한편, 통상적으로 납축전지는 Grid에 활물질 도포 후, PET재질의 부직포 또는 종이 재질의 티슈 Paper를 활물질 표면에 압착하여 부착시킨다.
이는 Grid에 도포된 활물질이 Grid에서 탈락되지 않도록 지지하는 역할로만 사용되며, 이러한 활물질 지지대(부직포 또는 티슈 Paper)는 내산성, 내열성, 내산화성이 특징이다.
하지만, 이러한 지지대는 Grid에 활물질 도포 시, 압착에 의해서만 활물질을 지지하고 있기 때문에 차량에 장착되어 사용할 경우에 사용자의 사용 조건, 환경 조건, 운행 조건에 따라 Grid에서의 활물질 탈락이 가속화되어 배터리의 용량 및 시동력 저하 또는 조기 수명 종지를 초래하는 원인이 되었다.
따라서, 고온의 환경, 운행조건, 운전습관에 따라 그리드에서 활물질의 탈락이 가속화되어 배터리의 용량 저하 및 조기 수명 종지를 개선시켜 궁극적으로 납축전지의 수명을 향상시킬 수 있는 제조 공정이 필요하게 된 것이다.
따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로,
본 발명의 목적은 레이저 교차 가공을 통해 스트립 표면을 국부적으로 용융시켜 거칠기를 증가시킴으로써, 활물질 도포시 활물질의 접착력을 향상시켜 고온 환경에서 활물질 탈락으로 인한 수명종지를 개선하여 납축전지의 수명을 향상시키는 레이저 가공을 이용한 활물질 접착력을 향상시킨 전극 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 가공을 이용한 활물질 접착력을 향상시킨 전극 제조 방법은,
레이저(100)를 이용하되, 레이저 헤드각을 일정 각도로 경사지게 기울여 교차 가공을 실시하여 스트립(10) 표면을 용융시켜 경사홈(200)을 일정 간격으로 다수 형성하는 레이저가공경사홈형성단계(S100);와
상기 스트립 표면에 레이저 가공을 수행한 후, 스태핑(stamping)을 수행하여 그리드를 제작하는 그리드제작단계(S200);와
상기 제작된 그리드 상에 활물질을 투입시켜 그리드 표면의 격자무늬 경사홈으로 활물질을 침투시켜 도포하는 활물질경사홈침투도포단계(S300);와
대기 중에서 자연 숙성 및 건조시키기 위한 자연숙성및건조단계(S400);를 포함으로써, 본 발명의 과제를 해결하게 된다.
본 발명인 레이저 가공을 이용한 활물질 접착력을 향상시킨 전극 제조 방법을 통해, 활물질 도포시 활물질의 접착력을 향상시켜 고온 환경에서 활물질 탈락으로 인한 수명종지를 개선하여 납축전지의 수명을 향상시키는 효과를 제공하게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 가공을 이용한 활물질 접착력을 향상시킨 전극 제조 방법의 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 가공을 이용한 활물질 접착력을 향상시킨 전극 제조 방법의 레이저 교차 가공을 통해 격자무늬 경사홈이 형성되는 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 가공을 이용한 활물질 접착력을 향상시킨 전극 제조 방법에서 제조된 개선품과 종래품를 비교한 저온 시동력 그래프 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 가공을 이용한 활물질 접착력을 향상시킨 전극 제조 방법의 레이저 교차 가공을 통해 격자무늬 경사홈이 형성되는 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 가공을 이용한 활물질 접착력을 향상시킨 전극 제조 방법에서 제조된 개선품과 종래품를 비교한 저온 시동력 그래프 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이저 가공을 이용한 활물질 접착력을 향상시킨 전극 제조 방법은,
레이저(100)를 이용하되, 레이저 헤드각을 일정 각도로 경사지게 기울여 교차 가공을 실시하여 스트립(10) 표면을 용융시켜 경사홈(200)을 일정 간격으로 다수 형성하는 레이저가공경사홈형성단계(S100);와
상기 스트립 표면에 레이저 가공을 수행한 후, 스태핑(stamping)을 수행하여 그리드를 제작하는 그리드제작단계(S200);와
상기 제작된 그리드 상에 활물질을 투입시켜 그리드 표면의 격자무늬 경사홈으로 활물질을 침투시켜 도포하는 활물질경사홈침투도포단계(S300);와
대기 중에서 자연 숙성 및 건조시키기 위한 자연숙성및건조단계(S400);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 레이저는 2개를 구성하며, 2개의 레이저 헤드각은 각각 45도와 135도로 설정하여 45도와 135도를 1조로 하여 반복 가공하여 격자 무늬 경사홈을 형성시키는 것을 특징으로 한다.
이러한 경우, 하측의 스트립은 컨베이어에 의해 이동하여 지속적인 레이저 교차 가공을 수행하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 경사홈(200)은 0.75t의 스트립 기준으로 100um 깊이의 홈인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 레이저 가공을 통해 스트립 표면을 국부적으로 용융시켜 거칠기를 증가시킴으로써, 활물질 도포시 활물질의 접착력을 향상시켜 고온 환경에서 활물질 탈락으로 인한 수명종지를 개선하여 납축전지의 수명을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 레이저 가공을 이용한 활물질 접착력을 향상시킨 전극 제조 방법에 의해,
레이저 가공을 통해 스트립 표면을 국부적으로 용융시켜 거칠기를 증가시키지 않은 수명인 238 사이클에서 레이저 가공을 통해 스트립 표면을 국부적으로 용융시켜 거칠기를 증가시킬 경우에 수명이 374 사이클로 57%의 수명 향상을 제공할 수 있는 것을 특징으로 한다.
이때, 본 발명의 제조 방법에 의해,
레이저 가공을 이용한 활물질 접착력을 향상시킨 전극을 포함하고 있는 납축전지를 제공할 수 있게 된다.
이하, 본 발명에 의한 레이저 가공을 이용한 활물질 접착력을 향상시킨 전극 제조 방법의 실시예를 통해 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 가공을 이용한 활물질 접착력을 향상시킨 전극 제조 방법의 공정도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명인 레이저 가공을 이용한 활물질 접착력을 향상시킨 전극 제조 방법은,
레이저(100)를 이용하되, 레이저 헤드각을 일정 각도로 경사지게 기울여 교차 가공을 실시하여 스트립(10) 표면을 용융시켜 경사홈(200)을 일정 간격으로 다수 형성하는 레이저가공경사홈형성단계(S100);와
상기 스트립 표면에 레이저 가공을 수행한 후, 스태핑(stamping)을 수행하여 그리드를 제작하는 그리드제작단계(S200);와
상기 제작된 그리드 상에 활물질을 투입시켜 그리드 표면의 격자무늬 경사홈으로 활물질을 침투시켜 도포하는 활물질경사홈침투도포단계(S300);와
대기 중에서 자연 숙성 및 건조시키기 위한 자연숙성및건조단계(S400);를 포함하게 된다.
본 발명은 레이저 가공을 이용한 활물질 접착력을 향상시킨 전극 제조 방법에 관한 것으로서, 상기와 같은 공정을 통해 활물질 도포시 활물질의 접착력을 향상시켜 고온 환경에서 활물질 탈락으로 인한 수명종지를 개선하여 납축전지의 수명을 향상시키는 효과를 제공하게 된다.
결과적으로 종래 극판보다 활물질의 접착력 향상을 통한 납축전지의 기초성능(CCA) 향상 및 조기 수명 종지를 개선하는 것을 실험을 통해 확인하였다.
또한, 납축전지의 고장 원인은 사용 중에 부하의 종류와 관리하는 방법에 따라 좌우된다.
주된 고장 요인은 활물질 설페이션화, 극판 활물질 탈락, 양극 격자부식, 격리판 파손, 복합적인 요인 등이 있다.
특히, 자동차에 장착된 제품의 경우, 운행 조건 및 전장에서의 사용부하에 따라 활물질 설페이션화가 가속화되며 극판 활물질 탈락이 발생하여 조기 수명 종지 현상이 발생된다.
따라서, 그리드에서의 활물질 탈락의 가속화를 저하시키는 것이 중요하다.
결론적으로 본 발명에서는 레이저 교차 가공을 통해 스트립 표면을 국부적으로 용융시켜 거칠기를 증가시킴으로써, 활물질 도포시 활물질의 접착력을 향상시켜 고온 환경에서 활물질 탈락으로 인한 수명종지를 개선하여 납축전지의 수명을 향상시키는 것이다.
상기와 같은 기능을 제공하기 위하여, 본 발명의 레이저가공경사홈형성단계(S100)는 레이저(100)를 이용하되, 레이저 헤드각을 일정 각도로 경사지게 기울여 교차 가공을 실시하여 스트립(10) 표면을 용융시켜 경사홈(200)을 일정 간격으로 다수 형성하는 단계이다.
도 2를 참조하여 구체적으로 설명하자면, 본 발명의 레이저는 2개를 구성하며, 2개의 레이저 헤드각은 각각 45도와 135도로 설정하여 45도와 135도를 1조로 하여 반복 가공하여 격자 무늬 경사홈(200)을 형성시키는 것이다.
예를 들어, 최초 제1레이저 헤드각 45도, 제2레이저 헤드각 135도로 설정한 후, 레이저를 동작시켜 가공을 실시하고, 해당 라인의 가공이 완료되면 하측의 스트립 표면은 컨베이어에 의해 이동하게 되고, 다시 상기 각각의 각도를 유지한 채 레이저를 동작시켜 가공을 실시하게 되는 것이다.
이때, 상기 경사홈(200)은 스트립 표면의 일면으로부터 내부를 향해 45도 각도로 오목한 형상을 가지되, 내부로 갈수록 홈 너비가 작아지는 제1경사홈부(210);와
상기 제1경사홈부(210)에서 일정 거리 이격된 위치에 형성되되, 내부를 향해 135도 각도로 오목한 형상을 가지되, 내부로 갈수록 홈 너비가 작아지는 제2경사홈부(220);를 포함하게 된다.
따라서, 상기 제1경사홈부와 제2경사홈부를 그룹으로 하여 일정 간격으로 다수 형성함으로써, 전체적으로 격자무늬 경사홈을 형성하게 되는 것이다.
한편, 부가적인 양상에 따라, 상기 경사홈(200)은 0.75t의 스트립 기준으로 100um 깊이의 홈인 것을 특징으로 한다.
즉, 상기한 스트립 기준으로 제시된 깊이를 초과할 경우에 그리드에 깊숙히 홈이 생기기 때문에 그리드가 외력에 의해 파손되는 문제점이 발생할 수 있으며, 상기 제시된 깊이 미만일 경우에는 활물질 도포한 후, 시간이 경과되면 활물질이 탈락하는 현상이 발생하기 때문에 반복적 실험을 통해 상기한 깊이의 홈을 가장 최적의 깊이로 산정하게 된 것이다.
상기 그리드제작단계(S200)는 스트립 표면에 레이저 가공을 수행한 후, 스태핑(stamping)을 수행하여 그리드를 제작하는 단계이다.
이후, 활물질경사홈침투도포단계(S300)는 상기 제작된 그리드 상에 활물질을 투입시켜 그리드 표면의 격자무늬 경사홈으로 활물질을 침투시켜 도포하는 단계이며, 자연숙성및건조단계(S400)를 통해 대기 중에서 2 ~3 일간 자연 숙성 및 건조시키게 되는 것이다.
한편, 좀 더 구체적으로 설명하자면, 통상적으로 납축전지의 그리드는 용융되는 납합금의 양을 조절하여 공급하고 납합금이 주형홈에 용입되어 스트립 캐스팅에 의해 주물원형을 이루며 압연과정을 통해 사용하고자 하는 두께로 만든다.
이렇게 만들어진 스트립을 Stamping 공정을 통하여 원하는 그리드 형상을 만들고 도포 공정을 통해서 활물질을 그리드에 압착시켜 건조 및 숙성과정을 통해 고정시킨다.
하지만 그리드에 활물질 도포 시, 압착 및 건조 과정을 통해서 활물질이 그리드에 지지되어 있기 때문에 납축전지를 사용함에 있어서 고온의 환경, 운행조건, 운전습관에 따라 그리드에서 활물질의 탈락이 가속화되어 배터리의 용량 저하 및 조기 수명 종지를 초래한다.
따라서, 이러한 현상을 개선하기 위해 본 발명에서는 stamping 공정 전, 스트립에 레이저 가공을 통해 격자모양으로 스트립의 표면을 국부적으로 용융시켜 거칠기를 증가시킨다.
일반적으로 레이저 가공은 레이저라는 특수한 빛에서 변환된 열에너지를 이용해 대상 물체를 국부적으로 용융시키는 가공법이다.
금속을 화학적으로 부식시키는 에칭을 이용해 가공 깊이를 증가시키려면 오랜 시간이 투자가 되어야 하고, 물리적인 방법인 샌드 블라스팅을 이용할 경우 깊은 가공을 위해 입자 크기를 키워 분사하는 과정에서 충격에 의해 대상 물체가 변형되는 문제가 발생한다.
따라서, 레이저 가공 시 스트립의 거칠기를 효율적으로 증가시켜 활물질 도포시 활물질의 접착력을 증대 시키기 위해서는 교차 가공으로 레이저의 헤드각이 45도, 135도로 설정하여 스트립 표면을 용융시켜 경사홈을 만든다.
이때, 홈은 0.75t의 스트립 기준으로 100μm의 깊이로 홈을 만든다.
이후, 상기와 같이 스트립의 표면에 격자로 레이저 가공을 진행한 후, Stamping을 진행하여 그리드를 제작한 후, 활물질을 도포한다.
이때, 활물질은 그리드 표면의 격자무늬 경사홈으로 침투하여 도포가 된다.
이렇게 도포한 후, 건조 및 숙성과정을 거친 극판은 종래 기술의 극판보다 활물질의 첩착력이 향상되어 고온 환경에서의 활물질 탈락으로 인한 수명종지를 개선하여 납축전지의 수명을 향상시키는 효과를 제공할 수 있게 되는 것이다.
위에서 상술한 바와 같이 본 발명의 효과를 파악하기 위해 종래의 그리드에 활물질을 도포한 후, 부직포를 활물질에 압착하여 부착시킨 극판과 본 발명인 레이저 가공을 통한 활물질 접착력을 향상시킨 극판을 가지고 기초성능 및 수명시험을 하였다.
후술하는 종래품이라 함은, 출원인이 제조하는 납축전지(BX80)에 사용하는 활물질에 부직포를 포함한 극판을 이용하여 제조된 제품을 말하며, 개선품은 본 발명의 제조 방법을 통해 레이저 가공을 통한 활물질 접착력을 향상시킨 극판을 포함하고 있는 제품을 말한다.
또한, 후속 공정인 조립 및 기판에 전기 전도도를 부여하는 화성 등의 공정을 통해 최종적인 70Ah 용량(20시간율 용량)을 갖는 종래품(활물질에 부직포를 포함한 극판)과 개선품(레이저 가공을 통한 활물질 접착력을 향상시킨 극판)을 제작하였으며, 레이저 가공을 통한 활물질 접착력을 향상시킨 극판의 효과를 입증하기 위하여 충전수입성과 50% DoD 내구성 시험을 진행하였다.
1) 충전수입성 시험 (CA: Charge Acceptance test)
만충전된 시료를 상온(25±2℃)에서 5시간율 전류(70Ah 기준 17.5A)로 2.5시간 방전한 후, 0±2℃ 온도에서 12시간이상 방치한다.
이후 정전압 14.4V±0.1V으로 충전하여 충전 10분때 전류를 측정한다.
시험결과, 전기전도도 및 충전 효율이 높아 개선품이 종래품 대비 10분 정도에 전류가 32% 증대되었음을 알 수 있었다.
| 구분 | 시간 | 종래품 | 개선품 |
| 충전수입성 |
1분 | 27.25 | 28.17 |
| 2분 | 24.21 | 26.98 | |
| 3분 | 22.14 | 26.22 | |
| 4분 | 21.25 | 25.52 | |
| 5분 | 20.11 | 24.83 | |
| 6분 | 19.35 | 23.94 | |
| 7분 | 18.74 | 23.46 | |
| 8분 | 17.68 | 22.79 | |
| 9분 | 17.04 | 22.37 | |
| 10분 | 16.43 | 21.78 |
통상적으로 납축전지는 Grid에 활물질 도포 후, PET재질의 부직포 또는 종이 재질의 티슈 Paper를 활물질 표면에 압착하여 부착시킨다.
이는 Grid에 도포된 활물질이 Grid에서 탈락되지 않도록 지지하는 역할로만 사용되게 된다.
하지만, 이러한 지지대는 Grid에 활물질 도포 시, 압착에 의해서만 활물질을 지지하고 있기 때문에 차량에 장착되어 사용 시, 사용자의 사용 조건, 환경 조건, 운행 조건에 따라 Grid에서의 활물질 탈락이 가속화 되어 배터리의 용량 및 시동력 저하 또는 조기 수명 종지를 초래한다.
그러나, 상기 방식의 경우, 갈수록 높은 기초 성능을 요구하는 환경에서는 성능 제공에 문제점이 발생하게 되었다.
반면에, 본 발명에서는 이를 개선하기 위하여 레이저 가공을 통한 스트립 표면을 국부적으로 용융시켜 거칠기를 증가시킴으로써, 활물질의 접착력을 향상시켰다.
따라서, 격자무늬 경사홈을 가지고 있는 Gird에 활물질 도포하여 활물질의 접착력을 향상시킴으로써, 납축전지의 기초성능(CCA) 향상 및 조기 수명 종지를 개선하는 것이다.
결국, 종래품 대비 수명 향상을 제공할 수 있으며, 도 3에 도시한 바와 같이, 종래품의 저온 시동력 대비 향상된 저온 시동력을 제공할 수가 있게 되는 것이다.
이에 대한 실험 자료는 후술하도록 하겠다.
2) 가속 수명 시험(SAE J2801)
납축전지를 75℃ 수조에서 약 1주일 동안 일반적인 차량 조건과 유사하게 34회 충/방전 싸이클이 진행한다.
34회 싸이클 실시 후 200A로 10초 방전하여 7.2V 이상 유지가 되면 다시 34회 싸이클을 진행하는 방식으로 수명 시험을 진행한다.
또한, 싸이클 중 충전전류가 15A 이상 올라가거나 방전 전압이 12.0V 이하로 떨어지면 시험을 중단한다.
하기 표2는 SAE J2801 시험을 실시한 결과이며, 34회 충/방전 싸이클 마다 200A로 10초 방전 시 전압을 나타내었다.
| 사이클 | 종래품 |
레이저 가공 +홈깊이 100um 미만 | 레이저 가공 +홈깊이 100um | 레이저 가공 +홈깊이 100um 초과 |
| 34 | 11.82 | 11.85 | 11.87 | 11.82 |
| 68 | 11.76 | 11.80 | 11.83 | 11.70 |
| 102 | 11.72 | 11.78 | 11.80 | 11.62 |
| 136 | 11.69 | 11.76 | 11.79 | 11.59 |
| 170 | 11.65 | 11.74 | 11.77 | 11.50 |
| 204 | 11.55 | 11.69 | 11.70 | 11.42 |
| 238 | 11.43 | 11.60 | 11.63 | 11.30 |
| 272 | 7.2 이하 | 11.49 | 11.55 | 7.2 이하 |
| 306 | 7.2 이하 | 11.48 | ||
| 340 | 11.40 | |||
| 374 | 11.31 | |||
| 408 | 7.2 이하 |
상기 표 2의 경우에는 종래품 수명은 238싸이클이고, 레이저 가공을 실시하되, 홈깊이를 100um 미만(약 90um)으로 설정한 경우의 수명은 272싸이클로 향상되었으나, 유의미한 향상은 아님을 확인하였다.
그러나, 레이저 가공을 실시하되, 홈깊이를 100um로 설정한 경우의 수명은 238싸이클에서 374 사이클로 57%의 수명 향상되었음을 알 수 있었다.
따라서, 가장 바람직한 경사홈의 깊이는 100um 임을 알 수 있었다.
한편, 레이저 가공을 실시하되, 홈깊이를 100um 초과(약 120um)로 설정한 경우의 수명은 238싸이클로 회귀되었음을 알 수 있었다.
즉, 상기한 스트립 기준(0.75t)으로 제시된 깊이(100um)를 초과할 경우에 그리드에 깊숙히 홈이 생기기 때문에 그리드가 외력에 의해 파손되는 문제점이 발생한 것으로 판단된다.
결국, 상기와 같은 반복적 실험을 통해 상기한 깊이의 홈을 가장 최적의 깊이로 산정하게 된 것이다.
상기와 같은 제조 방법을 통해, 활물질 도포시 활물질의 접착력을 향상시켜 고온 환경에서 활물질 탈락으로 인한 수명종지를 개선하여 납축전지의 수명을 향상시키는 효과를 제공하게 된다.
상기와 같은 내용의 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시된 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.
S100 : 레이저가공경사홈형성단계
S200 : 그리드제작단계
S300 : 활물질경사홈침투도포단계
S400 : 자연숙성및건조단계
S200 : 그리드제작단계
S300 : 활물질경사홈침투도포단계
S400 : 자연숙성및건조단계
Claims (4)
- 레이저 가공을 이용한 활물질 접착력을 향상시킨 전극 제조 방법에 있어서,
2 대의 레이저(100)를 이용하되, 2 대의 레이저 헤드각을 각각 45도와 135도로 경사지게 기울여 교차 가공을 실시하여 스트립(10) 표면을 용융시켜 경사홈(200)을 일정 간격으로 다수 형성하는 레이저가공경사홈형성단계(S100);와
상기 스트립 표면에 레이저 가공을 수행한 후, 스태핑(stamping)을 수행하여 그리드를 제작하는 그리드제작단계(S200);와
상기 제작된 그리드 상에 활물질을 투입시켜 그리드 표면의 격자무늬 경사홈으로 활물질을 침투시켜 도포하는 활물질경사홈침투도포단계(S300);와
대기 중에서 자연 숙성 및 건조시키기 위한 자연숙성및건조단계(S400);를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공을 이용한 활물질 접착력을 향상시킨 전극 제조 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 레이저 가공을 통해 스트립 표면을 국부적으로 용융시켜 거칠기를 증가시킴으로써, 활물질 도포시 활물질의 접착력을 향상시켜 고온 환경에서 활물질 탈락으로 인한 수명종지를 개선하여 납축전지의 수명을 향상시키는 것을 특징으로 하는 레이저 가공을 이용한 활물질 접착력을 향상시킨 전극 제조 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 레이저 가공을 이용한 활물질 접착력을 향상시킨 전극 제조 방법에 의해,
레이저 가공을 통해 스트립 표면을 국부적으로 용융시켜 거칠기를 증가시키지 않은 수명인 238 사이클에서 레이저 가공을 통해 스트립 표면을 국부적으로 용융시켜 거칠기를 증가시킬 경우에 수명이 374 사이클로 57%의 수명 향상을 제공할 수 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공을 이용한 활물질 접착력을 향상시킨 전극 제조 방법.
- 제 1항의 제조 방법에 의해,
레이저 가공을 이용한 활물질 접착력을 향상시킨 전극을 포함하고 있는 납축전지.
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| KR1020200060604A KR102305187B1 (ko) | 2020-05-20 | 2020-05-20 | 레이저 가공을 이용한 활물질 접착력을 향상시킨 전극 제조 방법 |
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Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| KR100483246B1 (ko) | 2000-11-09 | 2005-04-15 | 가부시키가이샤 유아사코오포레이션 | 음극활물질 및 그 제조방법 그리고 납축전지 |
| KR20160076797A (ko) * | 2014-12-23 | 2016-07-01 | 주식회사 엘지화학 | 이차 전지용 전극 및 그의 제조 방법 |
| KR20170052171A (ko) * | 2015-11-04 | 2017-05-12 | 주식회사 아트라스비엑스 | 납축전지 양극판 제조방법 |
| KR20180074807A (ko) * | 2011-11-03 | 2018-07-03 | 존슨 컨트롤스 테크놀러지 컴퍼니 | 변경된 내식성을 구비한 배터리 그리드 |
-
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