KR102424533B1 - 납축전지 양극판 활물질 탈락 방지를 위한 납축전지용 열수축 분리막의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 납축전지 양극판 활물질 탈락 방지를 위한 납축전지용 열수축 분리막의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양극 활물질의 팽창, 수축에 의한 활물질 및 그리드 간 발생하는 마찰을 최소화하고, 결합이 끊긴 활물질들의 탈락을 방지하기 위해 열을 가하면 수축이 되는 고분자 소재를 이용한 분리막을 활용하여 물리적으로 그리드와 활물질을 압착하여 성능저하 방지와 수명개선을 하고자 하는 납축전지 양극판 활물질 탈락 방지를 위한 납축전지용 열수축 분리막의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명을 통해, 양극 활물질의 팽창, 수축에 의한 활물질 및 그리드 간 발생하는 마찰을 최소화하고, 결합이 끊긴 활물질들의 탈락을 방지하기 위해 열을 가하면 수축이 되는 고분자 소재를 이용한 분리막을 활용하여 물리적으로 그리드와 활물질을 압착함으로서, 성능저하 방지와 궁극적으로 납 축전지 기초 성능과 충전 효율을 향상시킬 수 있는 수명 개선 효과를 제공하게 된다.

Description

납축전지 양극판 활물질 탈락 방지를 위한 납축전지용 열수축 분리막의 제조 방법{Manufacturing method of heat shrinkable separator for lead acid battery to prevent dropping of active material on positive electrode plate of lead acid battery}

본 발명은 납축전지 양극판 활물질 탈락 방지를 위한 납축전지용 열수축 분리막의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양극 활물질의 팽창, 수축에 의한 활물질 및 그리드 간 발생하는 마찰을 최소화하고, 결합이 끊긴 활물질들의 탈락을 방지하기 위해 열을 가하면 수축이 되는 고분자 소재를 이용한 분리막을 활용하여 물리적으로 그리드와 활물질을 압착하여 성능저하 방지와 수명개선을 하고자 하는 납축전지 양극판 활물질 탈락 방지를 위한 납축전지용 열수축 분리막의 제조 방법에 관한 것이다.

기본적으로 납축전지 격리판은 전자적으로는 부도체이며 이온적으로는 도체이다.

즉, 납축전지에 구성되는 격리판은 반대 극성의 전극들 간의 직접적인 전자적 접촉을 방지하는 반면에 상기 전극들 간의 이온 전류를 가능하게 한다.

이러한 두 가지 기능을 만족하기 위해서는, 격리판은 일반적으로 덴드라이트(dendrites) 또는 판(plate) 입자(particles)에 의한 전자적 단락을 방지하기 위하여 가능한 한 작은 공극(pores)을 가지며, 내부의 전지 저항을 최소화하기 위해 가능한 한 높은 공극률(porosity)을 가지는 다공성 (porous) 부도체이다.

납축전지에서 격리판은 또한, 적절한 전극 간격을 결정하며, 그것에 의해 셀 반응에 참가하는 전해질의 양을 규정한다.

격리판은 전지의 사용기한 내내 안정하여야 한다.(대한민국공개특허공보 10-2001-0042790 참조)

잘 알려진 바와 같이, 자동차 등에 사용되는 납축전지는 충전과 방전이 가능한 2차 전지로 이는 전해액으로서 묽은 황산(H2SO4)을 사용하고 전극의 활물질로서 양(+)극에 이산화연(PbO2)을 도포하고, 음(-)극에 해면상(海綿狀) 납(Pb)을 도포하여 외부 회로에 연결하면 전기가 흐르면서 방전(초기의 양극과 음극의 활물질 조성이 황산납(PbSO4)으로 변하는 과정)과 외부에서 전류를 흘려주면 충전(황산납이 방전 전의 초기 양극 활물질과 음극 활물질로 변하는 과정)이 되는 원리를 이용한 것이다.

한편, 스마트폰 등의 모바일 기기, 전기자동차 등의 수요가 급증함에 따라 에너지원으로서 이차전지(secondarybattery) 및 납축전지의 수요는 점점 확대되고 있다.

최근들어, 전지의 수요는 전자산업, 자동차 산업 및 에너지저장 산업 등 다양한 산업분야로 더욱 확대되고 있는 추세이며, 나아가, 기존의 이차전지보다 고에너지밀도, 고전력밀도 및 우수한 전지의 안정성 등과 같은 높은 성능이 요구되고 있다.

분리막(separator)은 전지 내의 양극과 음극간의 이온의 이동은 허용하면서 전자전도는 차단함으로써, 단락(short)되는 것을 방지하는 격리막으로 작용한다.

전지용 분리막은 물리적인 절연 기능을 가지므로 전지의 안정성에 중요한 기능을 담당하고 있다.

일반적으로 사용되고 있는 분리막은 폴리프로필렌(polypropylene) 또는 폴리에틸렌(polyethylene)과 같은 폴리올레핀계 고분자로부터 만들어지고 있다.

그러나, 재료적 특성과 연신(stretching)을 포함하는 제조공정상의 특징으로 인해 100℃ 이상의 온도에서 극심한 열 수축 (thermal shrinkage)을 보이게 되고, 또한 금속 입자와 같은 전지 내부 이물질들에 의해 물리적으로 쉽게 파열되는 약점을 보여, 전지의 내부 단락을 일으키는 궁극적인 원인으로 파악되고 있다.

또한, 폴리올레핀 계열 분리막은 소수성(hydrophobicity)을 나타내기 때문에 극성인 전해액과의 친화성이 낮다.

이로 인해 전해액 침투가 어려워 전지 외부로의 누액 우려가 있고, 전해액 함침성이 낮아서 최종 전지 성능에도 좋지 않은 영향을 끼친다.

이러한 현상들은 전지자동차용 전지와 같이 고출력을 요구하는 응용 분야에서 더욱 두드러지게 나타난다.

따라서, 기존의 폴리올레핀 계열 분리막의 근본적 단점들인 열적/기계적 안정성, 전해액에 대한 친화성 등을 개선시킨 차세대 분리막 개발이 요구되는 실정이며, 이러한 연구는 고안정성, 고성능 이차전지의 개발을 앞당기는 방안이 될 수 있다.

그리고, 폴리올레핀계 분리막이란, 축전지 내에서 양극판과 음극판을 접촉을 방지하고 전기적으로 절연 시키면서도 분리막의 기공을 통해 이온의 투과도를 높여 이온 전도도를 지속적으로 유지시키며 충방전이 가능하게 하는 격리판을 의미한다.

폴리올레핀계 분리막은 외부 충격에 대해서도 손상이 없이 일정한 형태를 유지해야 하며 인장 강도 및 연신율이 높은 분리막 제조 기술 연구가 이루어지고 있다.

본 발명과 관련된 종래 기술에 대하여 부연 설명하면, 납축전지의 양극판은 전기 통로 역할을 하는 그리드와 전기에너지를 방출, 저장하는 역할인 활물질로 구성되어 있다.

활물질은 충방전을 반복하며 화학조성이 이산화납에서 황산화납으로 다시 이산화납으로 변경되기를 반복한다.

최근 개발되고 있는 차량들은 이전에 비해 운전자들의 안전 및 편의를 향상시키기 위한 전장장치가 다양해졌고 그에 따라 차량에서 필요로 하는 전력량이 증가하였다.

따라서, 납축전지의 역할도 이를 지원하기 위해 종래 얕은 수준의 방전을 유지하며 충전이 되는 환경에서 깊은 심도에서 방전이 유지됨에 따라 충전 수입성과 내구성이 개선된 납축전지의 개발이 요구되고 있다.

잦고 깊은 심도의 충방전 환경에서 양극판의 활물질은 팽창, 수축을 반복하며 활물질 - 활물질, 활물질 - 그리드간의 마찰이 발생하며, 그로 인해 상호간의 결합이 약해지며, 활물질은 진흙처럼 질퍽한 상태의 연화 현상이 관찰되며 지속되면 최종적으로 활물질이 극판에서 탈락하게 된다.

그에 따라 납축전지의 용량은 감소하며 내부저항이 증가함에 따라 그 수명 또한 감소하게 된다.

또한, 탈락된 활물질들은 납축전지 내부 바닥에 떨어져있다가 충전 시 발생하는 가스에 의해 바닥에서 전해액 상층부로 떠오르며 결집을 이루게 되고, 이렇게 연결된 활물질들이 이끼처럼 스트랍을 덮어 저항을 증가시켜 제품의 성능을 감소시키며, 결집된 활물질들이 분리막을 넘어 음극판 상단에 다리처럼 연결이 되면 양극판이 음극판에 닿는 통로역할을 하며 단락(쇼트)를 야기하여 수명단축의 원인이 된다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 개선하여 성능저하 방지와 수명개선을 제공할 수 있는 납축전지 양극판 활물질 탈락 방지를 위한 납축전지용 열수축 분리막의 제조 방법을 제안하게 된 것이다.

대한민국공개특허번호 제10-2020-0040961호

따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로,

본 발명의 목적은 양극 활물질의 팽창, 수축에 의한 활물질 및 그리드 간 발생하는 마찰을 최소화하고, 결합이 끊긴 활물질들의 탈락을 방지하기 위해 열을 가하면 수축이 되는 고분자 소재를 이용한 분리막을 활용하여 물리적으로 그리드와 활물질을 압착하여 성능저하 방지와 수명개선을 제공하고자 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 납축전지 양극판 활물질 탈락 방지를 위한 납축전지용 열수축 분리막의 제조 방법은,

납축전지의 분리막 제조 공정에서,

혼합 탱크에 열수축 고분자 수지(PE), 무기충진제, 가소제의 함량으로 원료를 투입하여 교반하기 위한 열수축분리막혼합물제조단계(S100);와

상기 혼합 탱크의 온도를 180℃ 내지 220℃ 범위 내로 유지시켜 혼합 탱크 내에 존재하는 혼합물을 용융하기 위한 열수축분리막혼합물용융단계(S200);와

압출기를 이용하여 열수축 분리막을 시트 상태로 제조하기 위한 열수축분리막성형단계(S300);와

단락을 방지하기 위하여, 상기 성형된 열수축 분리막(100)을 양극 극판(200)에 씌우는 열수축분리막양극극판씌움단계(S400);와

설정 온도를 제공하는 숙성 공정을 통해 양극 극판에 씌워진 열수축 분리막(100)을 열수축 하여 극판에 도포된 활물질의 탈락을 방지하기 위한 활물질탈락방지숙성단계(S500);를 포함함으로써, 본 발명의 과제를 해결하게 된다.

본 발명인 납축전지 양극판 활물질 탈락 방지를 위한 납축전지용 열수축 분리막의 제조 방법을 통해,

양극 활물질의 팽창, 수축에 의한 활물질 및 그리드 간 발생하는 마찰을 최소화하고, 결합이 끊긴 활물질들의 탈락을 방지하기 위해 열을 가하면 수축이 되는 고분자 소재를 이용한 분리막을 활용하여 물리적으로 그리드와 활물질을 압착함으로서, 성능저하 방지와 궁극적으로 납 축전지 기초 성능과 충전 효율을 향상시킬 수 있는 수명 개선 효과를 제공하게 된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 납축전지 양극판 활물질 탈락 방지를 위한 납축전지용 열수축 분리막의 제조 방법의 공정도이다.
도 2는 본 발명의 납축전지 양극판 활물질 탈락 방지를 위한 납축전지용 열수축 분리막의 제조 방법에 의해 제조된 열수축 분리막을 양극 극판에 씌운 예시도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 납축전지 양극판 활물질 탈락 방지를 위한 납축전지용 열수축 분리막의 제조 방법은,

납축전지의 분리막 제조 공정에서,

혼합 탱크에 열수축 고분자 수지(PE), 무기충진제, 가소제의 함량으로 원료를 투입하여 교반하기 위한 열수축분리막혼합물제조단계(S100);와

상기 혼합 탱크의 온도를 180℃ 내지 220℃ 범위 내로 유지시켜 혼합 탱크 내에 존재하는 혼합물을 용융하기 위한 열수축분리막혼합물용융단계(S200);와

압출기를 이용하여 열수축 분리막을 시트 상태로 제조하기 위한 열수축분리막성형단계(S300);와

단락을 방지하기 위하여, 상기 성형된 열수축 분리막(100)을 양극 극판(200)에 씌우는 열수축분리막양극극판씌움단계(S400);와

설정 온도를 제공하는 숙성 공정을 통해 양극 극판에 씌워진 열수축 분리막(100)을 열수축 하여 극판에 도포된 활물질의 탈락을 방지하기 위한 활물질탈락방지숙성단계(S500);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 열수축 고분자 수지(PE)는 20 ~ 40 중량부, 무기충진제는 50 ~ 60 중량부, 가소제는 30 ~ 60 중량부의 함량으로 준비하는 것을 특징으로 하며,

상기 고분자 수지(PE)를 20 ~ 40 중량부로 제공함으로써, 열수축 특성을 제공할 수 있게 되고,

상기 무기충진제를 50 ~ 60 중량부로 제공함으로써, 열수축에도 분리막 내 기공을 유지하도록 하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 열수축분리막혼합물용융단계(S200)는,

용융 시간은 2 내지 3 시간인 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 활물질탈락방지숙성단계(S500)는,

75℃ 내지 85℃ 범위 내에서 열수축을 진행함으로써, 열수축 분리막이 10% 수축되도록 하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 열수축분리막성형단계(S300)는,

성형 냉각을 수행하되, 성형 냉각 온도는 150℃ 에서 50℃ 로 순차적으로 2차에 걸쳐 50℃ 씩 냉각을 진행하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 납축전지용 열수축 분리막의 제조 방법에 의해,

제조된 열수축 분리막은,

수명이 238 사이클에서 340 사이클로 43%의 수명 향상을 제공할 수 있는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 납축전지용 열수축 분리막의 제조 방법에 의해,

제조된 열수축 분리막은,

RC 용량이 118 min 에서 130 min 으로 10%의 RC 용량 향상을 제공할 수 있는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 제조 방법에 의해,

납축전지용 열수축 분리막을 포함하고 있는 납축전지를 제공하게 된다.

이하, 본 발명에 의한 납축전지 양극판 활물질 탈락 방지를 위한 납축전지용 열수축 분리막의 제조 방법의 실시예를 통해 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 납축전지 양극판 활물질 탈락 방지를 위한 납축전지용 열수축 분리막의 제조 방법의 공정도이다.

도 2는 본 발명의 납축전지 양극판 활물질 탈락 방지를 위한 납축전지용 열수축 분리막의 제조 방법에 의해 제조된 열수축 분리막을 양극 극판에 씌운 예시도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명인 납축전지 양극판 활물질 탈락 방지를 위한 납축전지용 열수축 분리막의 제조 방법은,

납축전지의 분리막 제조 공정에서,

혼합 탱크에 열수축 고분자 수지(PE), 무기충진제, 가소제의 함량으로 원료를 투입하여 교반하기 위한 열수축분리막혼합물제조단계(S100);와

상기 혼합 탱크의 온도를 180℃ 내지 220℃ 범위 내로 유지시켜 혼합 탱크 내에 존재하는 혼합물을 용융하기 위한 열수축분리막혼합물용융단계(S200);와

압출기를 이용하여 열수축 분리막을 시트 상태로 제조하기 위한 열수축분리막성형단계(S300);와

단락을 방지하기 위하여, 상기 성형된 열수축 분리막(100)을 양극 극판(200)에 씌우는 열수축분리막양극극판씌움단계(S400);와

설정 온도를 제공하는 숙성 공정을 통해 양극 극판에 씌워진 열수축 분리막(100)을 열수축 하여 극판에 도포된 활물질의 탈락을 방지하기 위한 활물질탈락방지숙성단계(S500);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 제조 과정을 거치게 되고, 이를 통해 열을 가하면 수축이 되는 고분자 소재를 이용한 분리막을 활용하여 물리적으로 그리드와 활물질을 압착함으로서, 성능저하 방지와 궁극적으로 납 축전지 기초 성능과 충전 효율을 향상시킬 수 있는 수명 개선 효과를 제공하게 된다.

궁극적으로 납 축전지 기초 성능과 충전 효율을 향상시킬 수 있는 수명 개선효과를 제공하게 된다.

한편, 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 조건에 따라 PE 분리막이 손상되는 일이 빈번하게 이루어져 이를 개선하는 기술이 필요한 실정이다.

구체적으로 설명하자면, 폴리올레핀계 분리막이란, 납축전지 내에서 양극판과 음극판 간의 접촉을 방지하고, 전기적으로 절연시키면서도 분리막의 기공을 통해 이온의 투과도를 높여 이온 전도도를 지속적으로 유지시키며 충방전이 가능하게 하는 격리판을 의미한다.

분리막의 경우, 외부 충격에 대해서도 손상없이 일정한 형태를 유지해야 하며, 인장 강도 및 연신율이 높은 분리막 제조 기술 연구가 이루어지고 있다.

한편, 본 발명에서는 분리막 제조 기술 중 양극 활물질의 팽창, 수축에 의한 활물질 및 그리드 간 발생하는 마찰을 최소화하고, 결합이 끊긴 활물질들의 탈락을 방지하기 위해 열을 가하면 수축이 되는 고분자 소재를 이용한 분리막을 활용하여 물리적으로 그리드와 활물질을 압착하여 성능저하 방지와 수명개선을 하고자 하는 분리막 제조 기술에 해당한다.

상기와 같은 기능을 제공하기 위하여, 본 발명의 열수축분리막혼합물제조단계(S100)는 혼합 탱크에 열수축 고분자 수지(PE), 무기충진제, 가소제의 함량으로 원료를 투입하여 교반하기 위한 과정이다.

상기 단계를 설명하기에 앞서, 좀 더 구체적으로 일반적인 제조 공정에 대하여 설명하도록 하겠다.

즉, 납축전지에서 사용되는 폴리올레핀계 분리막은 제조 공정에 따라 습식과 건식으로 분류된다.

습식법은 분리막의 성형 과정에서 고분자에 첨가한 유동파라핀 또는 고상 왁스와 같은 가소제를 유기용매로 추출할 때, 발생한 기공을 연신하여 확장한 것으로서, 강도, 탄성 및 두께, 기공균일도 등이 우수하다.

건식법은 압출 필름을 저온에서 연신하여 결정계면에서 미세 균열을 발생시키는 방식으로 용매를 사용하지 않기 때문에 공정법이 간편하고 생산성이 우수하다.

본 출원인은 상기한 특성을 제공하도록 다양한 실험을 통해 활물질 탈락 방지를 극판이 아닌 분리막에 적용시켜 상기한 특성을 제공하도록 하였다.

본 발명은 열수축 성질을 이용한 활물질 탈락 방지용 격리판(분리막) 제조를 위하여 열수축을 위한 고분자 수지와 무기 충진제를 더욱 첨가하여 열수축성 및 기공 유지성을 향상시켰다.

일반적으로 납축전지 분리막은 고분자 수지 10 ~ 30 중량%, 무기충진제 30 ~ 40 중량%, 가소제 30~60 중량%의 함량으로 원료를 교반하여 혼합 후 압출기를 통해 시트 상태로 제조한다.

그러나, 본 발명의 열수축분리막혼합물제조단계(S100)는 혼합 탱크에 열수축 고분자 수지(PE), 무기충진제, 가소제의 함량으로 원료를 투입하여 교반하게 되는데, 바람직하게는 열수축 고분자 수지(PE)는 20 ~ 40 중량부, 무기충진제는 50 ~ 60 중량부, 가소제는 30 ~ 60 중량부의 함량으로 준비하는 것을 특징으로 하며,

상기 고분자 수지(PE)를 20 ~ 40 중량부로 제공함으로써, 열수축 특성을 제공할 수 있게 되고,

상기 무기충진제를 50 ~ 60 중량부로 제공함으로써, 열수축에도 분리막 내 기공을 유지하도록 하는 것을 특징으로 한다.

즉, 고분자 수지 10 ~ 30 중량부를 20 ~ 40 중량부로 향상시키고, 무기충진제를 30 ~ 40 중량부를 50 ~ 60 중량부로 향상하여 적용하게 되는 것이다.

이후, 열수축분리막혼합물용융단계(S200)는 상기 혼합 탱크의 온도를 180℃ 내지 220℃ 범위 내로 유지시켜 혼합 탱크 내에 존재하는 혼합물을 용융하기 위한 과정이다.

이때, 상기 180℃ 미만일 경우에는 제조 공정 시, 고분자 수지(PE)가 용융이 안될 수 있으며, 상기 220℃ 초과 온도에서 용융할 경우에는 PE가 탄화되어 강도가 오히려 약해 질 수 있기 때문에 상기한 온도 범위 내에서 용융을 수행하는 것이 바람직할 것이다.

이는 실험을 통해 최적의 온도 조건을 도출한 것으로서, 그 임계적 의의가 존재하고, 단순하게 종래 기술에서 설계 변경하는 정도로 도출할 수 있는 단순 기술은 아닌 것이다.

한편, 부가적인 양상에 따라, 상기 열수축분리막혼합물용융단계(S200)는,

용융 시간은 2 내지 3 시간인 것을 특징으로 한다.

즉, 상기한 열수축 고분자 수지(PE)는 20 ~ 40 중량부, 무기충진제는 50 ~ 60 중량부, 가소제는 30 ~ 60 중량부의 함량을 투입하는 것이며, 용융 시간은 혼합 양에 따라 비례하는 것을 특징으로 한다.

상기 시간 미만일 경우에 용융이 제대로 되지 않으며, 상기 시간 초과일 경우에는 탄화가 진행될 수 있으므로 바람직하게는 상기 시간을 준수하여야 한다.

이후, 열수축분리막성형단계(S300)는 압출기를 이용하여 열수축 분리막을 시트 상태로 제조하기 위한 과정이다.

이때, 열수축분리막성형단계(S300)는,

성형 냉각을 수행하되, 성형 냉각 온도는 150℃ 에서 50℃ 로 순차적으로 2차에 걸쳐 50℃ 씩 냉각을 진행하는 것을 특징으로으로 한다.

구체적으로, PE 분리막을 디자인하는 성형단계를 거치게 되는데, 성형 냉각 온도는 150℃ 에서 50℃ 로 순차적으로 냉각을 진행하는 것이 바람직하다.

즉, 150℃에서 1 시간 정도의 냉각을 진행한 후, 100℃에서 1 시간 정도의 냉각을 진행하며, 50℃에서 1 시간 정도의 냉각을 진행하는 것을 순차적 냉각으로 정의한 것이다.

상기한 냉각 온도의 시간은 환경 조건에 따라 달라질 수 있으며, 이는 일반적인 냉각 온도 시간과 동일한 시간을 의미하는 것이고, 단지 예시에 불과하므로 일반적인 냉각 시간을 따라도 종래 분리막 기술과 특성이 동일하게 유지할 수 있을 것이다.

만약, 냉각 온도 변화 속도를 급속으로 진행하면, 예를 들어, 150℃에서 3시간 정도를 진행한다면, 분리막의 강도가 강해지나 연신율이 저하되고 온도 변화를 천천히 진행하면, 예를 들어, 50℃에서 3 시간을 진행하면, 연신율이 높아지나 강도가 약해질 수 있어 상기 온도 범위 내에서의 순차적 냉각 공정으로 진행하는 것이 바람직할 것이다.

이후, 열수축분리막양극극판씌움단계(S400)는 단락을 방지하기 위하여, 상기 성형된 열수축 분리막(100)을 양극 극판(200)에 씌우는 과정이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 열수축 분리막을 양극 극판에 씌워서 단락을 방지하도록 하는 것이다.

이때, 바람직하게는 봉투 형상을 가지고 있어 오픈 부위를 통해 양극 극판을 삽입하게 된다.

이후, 활물질탈락방지숙성단계(S500)는 설정 온도를 제공하는 숙성 공정을 통해 양극 극판에 씌워진 열수축 분리막(100)을 열수축 하여 극판에 도포된 활물질의 탈락을 방지하기 위한 과정이다.

구체적으로 상기 설정 온도는 75℃ 내지 85℃ 범위일 수 있으며, 상기 범위 내에서 열수축을 진행함으로써, 열수축 분리막이 10% 수축되도록 하는 것이다.

즉, 상기한 설정 온도 미만일 경우에 열수축 분리막의 수축률이 10% 미만으로 떨어지기 때문에 활물질이 탈락되는 현상이 발생할 수 있으며, 상기한 설정 온도 초과일 경우에는 열수축 분리막의 수축률이 10%를 초과하기 때문에 얇은 분리막의 외형 변형을 가져올 수 있기 때문에 실험 결과, 상기한 온도 범위로 숙성 공정을 거치게 되는 것이다.

위에서 상술한 바와 같이 본 발명의 효과를 파악하기 위해 납축전지 양극판 활물질 탈락 방지를 위한 납축전지용 열수축 분리막의 기초성능 및 수명시험을 하였다.

후술하는 종래품이라 함은, 출원인이 제조하는 납축전지(BX80)에 사용하는 일반적인 PE 분리막을 포함하는 제품을 말하며, 개선품은 본 발명의 제조 방법을 통해 열수축 분리막을 포함하고 있는 제품을 말한다.

또한, 후속 공정인 조립 및 기판에 전기 전도도를 부여하는 화성 등의 공정을 통해 최종적인 70Ah 용량(20시간율 용량)을 갖는 종래품과 개선품을 제작하였으며, 열수축 분리막의 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, 전지전도도 및 충전 효율이 높아 개선품이 종래품 대비 10분 정도에 전류가 19% 증대되었음을 알 수 있었다.

구분	시간	종래품	개선품
충전수입성	1분	27.25	28.17
	2분	24.21	25.38
	3분	22.14	23.83
	4분	21.25	22.92
	5분	20.11	21.83
	6분	19.35	20.84
	7분	18.74	20.35
	8분	17.68	20.11
	9분	17.04	19.37
	10분	16.43	19.55

상기와 같은 결과를 나타낸 것은 열수축에도 분리막 기공 내 기공을 유지하는 것과 고분자 소재 분리막을 활용하여 그리드와 활물질을 압착하여 성능저하를 방지할 수 있었기에 가능한 것으로 분석되고, 최종적으로 납축전지의 기초성능 및 수명을 향상시키는 것이다.

따라서, 상기한 특성을 지니는 열수축 분리막을 본 발명에서 도입하게 된 것이며, 기공의 유지아 그리드와 활물질을 더욱 압착함으로 인한 이온 흐름이 원활히 이루어져 충방전 속도도 향상 및 분리막의 강도도 향상되어 short를 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

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	PE 10 중량부	PE 20 중량부	PE 30 중량부	PE 40 중량부	PE 60 중량부
34	11.82	11.83	11.85	11.87	11.89
68	11.76	11.77	11.80	11.83	11.87
102	11.72	11.73	11.78	11.80	11.84
136	11.69	11.71	11.76	11.79	11.82
170	11.65	11.68	11.74	11.77	11.80
204	11.55	11.61	11.69	11.70	11.76
238	11.43	11.45	11.60	11.63	11.70
272	7.2 이하	11.31	11.49	11.55	11.65
306		7.2 이하	11.30	11.50	11.55
340			7.2 이하	11.40	11.45
374				7.2 이하	7.2 이하

상기 표 2와 같이, 시험결과, 고분자 수지 10 중량부 첨가시에는 수명은 238 사이클이지만, 고분자 수지 20 중량부 첨가시에는 수명은 272 사이클이며, 고분자 수지 30 중량부 첨가시에는 수명은 306 사이클이며, 고분자 수지 40 중량부 첨가시에는 수명은 340 사이클로 43%의 수명 향상을 제공할 수 있게 되었다.

그러나, 상기 고분자 수지 40 중량부를 초과하여도 수명은 340 사이클에서 더 증가하지 않음을 알 수 있어 이에 따라 최적의 범위는 30 ~ 40 중량부이고, 가장 최적의 조건은 40 중량부가 되므로 상기한 중량으로 첨가하는 것이 바람직하다.

상기한 조건에서 10%의 열수축률 제공시, 가장 최적의 열수축 특성을 제공할 수 있는 것이다.

즉, 종래품 대비 수명에서 43% 라는 현저한 향상 효과를 보임으로써, 열수축 분리막이 수명 증가에 대한 긍정적인 영향을 주었음을 알 수 있었다.

구분	종래품	개선품
RC	118 min	130 min

한편, 표 3은 납축전지 성능 평가 중 RC 용량에 관한 비교표로서, 일반적인 분리막을 적용한 종래품의 경우에는 RC 용량은 118 min로 나타났으며, 열수축 분리막을 적용한 개선품의 경우에는 RC 용량은 130 min으로 나타났다.

이는 열수축 분리막을 적용함으로써, RC 용량이 10% 증대함을 알 수 있었다.

상기와 같은 제조 방법을 통해, 양극 활물질의 팽창, 수축에 의한 활물질 및 그리드 간 발생하는 마찰을 최소화하고, 결합이 끊긴 활물질들의 탈락을 방지하기 위해 열을 가하면 수축이 되는 고분자 소재를 이용한 분리막을 활용하여 물리적으로 그리드와 활물질을 압착함으로서, 성능저하 방지와 궁극적으로 납 축전지 기초 성능과 충전 효율을 향상시킬 수 있는 수명 개선 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 : 열수축분리막혼합물제조단계
S200 : 열수축분리막혼합물용융단계
S300 : 열수축분리막성형단계
S400 : 열수축분리막양극극판씌움단계
S500 : 활물질탈락방지숙성단계

Claims (5)

1. 납축전지 양극판 활물질 탈락 방지를 위한 납축전지용 열수축 분리막의 제조 방법에 있어서,
   납축전지의 분리막 제조 공정에서,
   혼합 탱크에 열수축 고분자 수지(PE), 무기충진제, 가소제의 함량으로 원료를 투입하여 교반하기 위한 열수축분리막혼합물제조단계(S100);와
   상기 혼합 탱크의 온도를 180℃ 내지 220℃ 범위 내로 유지시켜 혼합 탱크 내에 존재하는 혼합물을 용융하기 위한 열수축분리막혼합물용융단계(S200);와
   압출기를 이용하여 열수축 분리막을 시트 상태로 제조하기 위한 열수축분리막성형단계(S300);와
   단락을 방지하기 위하여, 상기 성형된 열수축 분리막(100)을 양극 극판(200)에 씌우는 열수축분리막양극극판씌움단계(S400);와
   설정 온도를 제공하는 숙성 공정을 통해 양극 극판에 씌워진 열수축 분리막(100)을 열수축 하여 극판에 도포된 활물질의 탈락을 방지하기 위한 활물질탈락방지숙성단계(S500);를 포함하되,
   상기 열수축 고분자 수지(PE)는 20 ~ 40 중량부, 무기충진제는 50 ~ 60 중량부, 가소제는 30 ~ 60 중량부의 함량으로 준비하는 것을 특징으로 하며,
   상기 고분자 수지(PE)를 40 중량부로 제공함으로써, 열수축 특성을 제공할 수 있게 되고,
   상기 무기충진제를 50 ~ 60 중량부로 제공함으로써, 열수축에도 분리막 내 기공을 유지하도록 하는 것을 특징으로 하며,
   상기 열수축분리막혼합물용융단계(S200)는,
   용융 시간은 2 내지 3 시간인 것을 특징으로 하며,
   상기 활물질탈락방지숙성단계(S500)는,
   75℃ 내지 85℃ 범위 내에서 열수축을 진행함으로써, 열수축 분리막이 10% 수축되도록 하는 것을 특징으로 하며,
   상기 열수축분리막성형단계(S300)는,
   성형 냉각을 수행하되, 성형 냉각 온도는 150℃ 에서 50℃ 로 순차적으로 2차에 걸쳐 50℃ 씩 냉각을 진행하는 것을 특징으로 하며,
   상기 제조된 열수축 분리막은,
   수명이 238 사이클에서 340 사이클로 43%의 수명 향상을 제공할 수 있는 것을 특징으로 하며,
   RC 용량이 118 min 에서 130 min 으로 10%의 RC 용량 향상을 제공할 수 있는 것을 특징으로 하는 납축전지 양극판 활물질 탈락 방지를 위한 납축전지용 열수축 분리막의 제조 방법.
   
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4. 삭제
5. 제 1항의 제조 방법에 의해,
   제조된 납축전지용 열수축 분리막을 포함하고 있는 납축전지.

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