KR102424556B1

KR102424556B1 - 표면적이 증가된 납축전지용 기판 제조 방법

Info

Publication number: KR102424556B1
Application number: KR1020200104539A
Authority: KR
Inventors: 최석모; 이응래; 유범근
Original assignee: 한국앤컴퍼니 주식회사
Priority date: 2020-08-20
Filing date: 2020-08-20
Publication date: 2022-07-25
Also published as: KR20220023067A

Abstract

본 발명은 표면적이 증가된 납축전지용 기판 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 납 축전지에서 황산 처리된 Grid를 적용함으로써, Grid와 Active Material간의 Bonding Area 및 화성 후 Corrosion Layer 두께를 증가시켜 Grid와 Active Material의 결합력을 향상시키고, 향상된 결합력을 통해 과 충전이 포함된 충 방전 조건에서 Grid 성장에 따라 Active Material이 쉽게 분리되는 것을 지연시켜 내구성을 향상시키는 표면적이 증가된 납축전지용 기판 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명을 통해, Grid와 Active Material간의 Bonding Area 및 화성 후 Corrosion Layer 두께를 증가시켜 Grid와 Active Material의 결합력을 향상시키고, 향상된 결합력을 통해 과 충전이 포함된 충 방전 조건에서 Grid 성장에 따라 Active Material이 쉽게 분리되는 것을 지연시켜 내구성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공하게 된다.

Description

표면적이 증가된 납축전지용 기판 제조 방법{Method for manufacturing a substrate for a lead acid battery with increased surface area}

본 발명은 표면적이 증가된 납축전지용 기판 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 납 축전지에서 황산 처리된 Grid를 적용함으로써, Grid와 Active Material간의 Bonding Area 및 화성 후 Corrosion Layer 두께를 증가시켜 Grid와 Active Material의 결합력을 향상시키고, 향상된 결합력을 통해 과 충전이 포함된 충 방전 조건에서 Grid 성장에 따라 Active Material이 쉽게 분리되는 것을 지연시켜 내구성을 향상시키는 표면적이 증가된 납축전지용 기판 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.

그리고, 납 축전지에서 전극은 전기 에너지를 저장하고 있는 Active Material과 전기 에너지를 이동시켜주는 Current Collector(Grid)로 이루어져 있다.

Current Collector와 Grid는 Corrosion Layer라는 ~ 2um 정도의 부식층에 의하여 물리 화학적으로 연결되어 있는데. 이 부식층은 고온의 과 충전 상태에서 Grid가 부식되면서 성장함에 따라 Grid와 쉽게 분리된다.

이것은 갑작스런 수분소비량 증가와 함께 배터리 성능 저하를 유발하여 배터리 수명 종지의 원인이 된다.

따라서, 고온 충 방전 사이클 환경에서의 Grid 성장에 의한 Grid - Active Material 분리를 지연시켜 내구성을 향상시키는 제조 공법이 필요하게 되었으며, 이와 같은 시대 흐름에 맞추어 본 발명은 부식된 Grid 표면에 의한 Grid, Active Material의 접촉면적 증가 및 이에 따른 Corrosion Layer 두께 증가 및 Grid -Active Material의 접촉면적을 증가시키기 위한 표면적이 증가된 납축전지용 기판 제조 방법을 제안하게 된 것이다.

대한민국공개특허번호 제10-2020-0040961호

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

본 발명의 목적은 납 축전지에서 황산 처리된 Grid를 적용함으로써, Grid와 Active Material간의 Bonding Area 및 화성 후 Corrosion Layer 두께를 증가시켜 Grid와 Active Material의 결합력을 향상시키고, 향상된 결합력을 통해 과 충전이 포함된 충 방전 조건에서 Grid 성장에 따라 Active Material이 쉽게 분리되는 것을 지연시켜 내구성을 향상시키고자 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 표면적이 증가된 납축전지용 기판 제조 방법은,

Strip Punching 공정 이후에 펀칭된 Strip 표면에 1차적으로 황산 스프레이를 분사하여 Strip 표면을 보호하고 있는 얇은 산화 보호층(100)의 일부를 설페이션(sulfation)시켜 Strip 표면에 미세 크랙(200)을 형성시켜 그리드 표면적을 증가시켜 활물질(Active Material)과 그리드(Grid) 간의 접촉 면적을 증가시키는 접촉면적증가단계(S100);와

2차적으로 화성 후, 그리드(Grid)와 활물질(Active Material) 사이의 부식층(300, Corrosion Layer) 두께를 증가시켜 그리드(Grid)와 활물질(Active Material) 간의 결합력을 향상시키는 결합력향상단계(S200);를 포함함으로써, 본 발명의 과제를 해결하게 된다.

본 발명인 표면적이 증가된 납축전지용 기판 제조 방법을 통해, 납 축전지에서 황산 처리된 Grid를 적용함으로써, Grid와 Active Material간의 Bonding Area 및 화성 후 Corrosion Layer 두께를 증가시켜 Grid와 Active Material의 결합력을 향상시키고, 향상된 결합력을 통해 과 충전이 포함된 충 방전 조건에서 Grid 성장에 따라 Active Material이 쉽게 분리되는 것을 지연시켜 내구성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공하게 된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 표면적이 증가된 납축전지용 기판 제조 방법의 공정도이다.
도 2는 본 발명의 표면적이 증가된 납축전지용 기판 제조 방법의 황산 스프레이 공정을 나타낸 예시도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 표면적이 증가된 납축전지용 기판 제조 방법은,

납축전지의 Punched Grid 제조 공정에서,

2차적으로 화성 후, 그리드(Grid)와 활물질(Active Material) 사이의 부식층(300, Corrosion Layer) 두께를 증가시켜 그리드(Grid)와 활물질(Active Material) 간의 결합력을 향상시키는 결합력향상단계(S200);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 접촉면적증가단계(S100)와 결합력향상단계(S200)를 통해, 그리드 성장에 의한 그리드와 활물질 간의 분리를 지연시키는 것을 특징으로 한다.

이때, 표면적이 증가된 납축전지용 기판 제조 방법에 의해,

제조된 기판을 적용한 납축전지의 수명은 1,920 사이클에서 2,440 사이클로 27%의 수명 향상을 제공할 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 제조 방법에 의해,

제조된 표면적이 증가된 납축전지용 기판을 포함하고 있는 납축전지를 제공할 수 있게 됨으로써, 납 축전지에서 황산 처리된 Grid를 적용함으로써, Grid와 Active Material간의 Bonding Area 및 화성 후 Corrosion Layer 두께를 증가시켜 Grid와 Active Material의 결합력을 향상시키고, 향상된 결합력을 통해 과 충전이 포함된 충 방전 조건에서 Grid 성장에 따라 Active Material이 쉽게 분리되는 것을 지연시켜 내구성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공하게 된다.

이하, 본 발명에 의한 표면적이 증가된 납축전지용 기판 제조 방법의 실시예를 통해 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 표면적이 증가된 납축전지용 기판 제조 방법의 공정도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명인 표면적이 증가된 납축전지용 기판 제조 방법은,

납축전지의 Punched Grid 제조 공정에서,

본 발명은 상기와 같은 제조 과정을 거치게 되고, 이를 통해 납 축전지에서 황산 처리된 Grid를 적용함으로써, Grid와 Active Material간의 Bonding Area 및 화성 후 Corrosion Layer 두께를 증가시켜 Grid와 Active Material의 결합력을 향상시킬 수 있는 효과를 제공하게 된다.

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

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, 고온의 과 충전 상태에서 Grid가 부식되면서 성장함에 따라 Grid와 쉽게 분리된다.

이것은 갑작스런 수분소비량 증가와 함께 배터리 성능 저하를 유발하여 배터리 수명 종지의 원인이 되므로 이를 개선하는 기술이 필요한 실정이다.

상기와 같은 기능을 제공하기 위하여, 본 발명의 접촉면적증가단계(S100)는 납축전지의 Punched Grid 제조 공정에서,

Strip Punching 공정 이후에 펀칭된 Strip 표면에 1차적으로 황산 스프레이를 분사하여 Strip 표면을 보호하고 있는 얇은 산화 보호층(100)의 일부를 설페이션(sulfation)시켜 Strip 표면에 미세 크랙(200)을 형성시켜 그리드 표면적을 증가시켜 활물질(Active Material)과 그리드(Grid) 간의 접촉 면적을 증가시키는 과정이다.

도 2를 참조하여 설명하자면, 도 2의 ①의 Strip Punching 공정 이후에 Punching된 Strip 표면에 1차적으로 황산 스프레이를 분사하여 ②와 같이 금속 표면을 보호하고 있는 얇은 산화 보호층(100)의 일부를 Sulfation시켜 ③과 ④와 같이 Strip 표면에 미세한 Crack(200)을 만들어 주어 Grid 표면적을 증가시키게 되는 것이다.

따라서, 그리드 표면적이 증가되었기 때문에 활물질(Active Material)과 그리드(Grid) 간의 접촉 면적이 증가되는 것이다.

이후, 결합력향상단계(S200)는 2차적으로 화성 후, 그리드(Grid)와 활물질(Active Material) 사이의 부식층(300, Corrosion Layer) 두께를 증가시켜 그리드(Grid)와 활물질(Active Material) 간의 결합력을 향상시키는 과정이다.

즉, 화성 공정을 거쳐, 그리드(Grid)와 활물질(Active Material) 사이의 부식층(300, Corrosion Layer) 두께를 증가시키게 되고, 이는 곧 그리드(Grid)와 활물질(Active Material) 간의 결합력을 향상시킬 수가 있게 되는 것이다.

따라서, 상기 접촉면적증가단계(S100)와 결합력향상단계(S200)를 통해, 그리드 성장에 의한 그리드와 활물질 간의 분리를 지연시키는 것을 특징으로 한다.

즉, 납 축전지에서 황산 처리된 Grid를 적용함으로써 Grid와 Active Material간의 Bonding Area 및 화성 후 Corrosion Layer 두께를 증가 시켜 Grid와 Active Material의 결합력을 향상시키고, 향상된 결합력은 과 충전이 포함된 충 방전 조건에서 Grid 성장에 따라 Active Material이 쉽게 분리되는 것을 지연시켜 내구성을 향상시키게 되는 것이다.

위에서 상술한 바와 같이 본 발명의 효과를 파악하기 위해 본 발명의 표면적이 증가된 납축전지용 기판 제조 방법을 이용하여 제조된 납축전지용 기판을 사용하여 제품으로 만들어 초기성능 시험과 수명시험을 진행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

다음의 표에서 보는 종래품은 본 발명의 출원인 회사에서 만들고 있는 종래 기술을 적용하여 생산된 기판을 사용하여 만든 제품(BX80)이며, 실시예 1과 실시예 2는 본 발명의 제조 방법을 이용하여 생산된 기판을 사용하여 만든 제품의 실험 결과이다.

동일 규격의 제품이라 하더라도 예컨대, 격리판의 밀도 등이 각 제품마다 동일할 수 없어 각 제품이 동일한 작용과 효과를 낼 수 없으므로 본 발명의 위 바람직한 실시예에 의하여 제조된 제품 2개를 선정하고 이를 각 실시예 1 및 실시예 2라 정의하여 아래와 같이 시험하고 그 결과를 아래의 표 1 및 표 2로 작성하였다.

구분	요구기준	종래제품	실시예1	실시예2
RC	130분	133분	137분	135분
RC	130분	102%	105.6%	103.8%
CCA	7.2V 630A	7.23V	7.95V	7.6V
		633A	689A	680A
		100.9%	109.2%	108.2%
C20	75AH	75.52AH	77.9AH	76.21AH
C20	75AH	100.7%	103.8%	101.6%

1) 보유용량 (RC : Reserve Capacity)

보유용량 RC는 만충전 완료 후 1시간 이상 방치한 다음 25℃에서 25A의 방전전류로 방전종지전압 105V 도달 시까지의 방전가능지속시간을 측정하는 것으로, 예를 들면 이는 차량에 있어서 시동이 정지된 상태 등에서 부하를 작동시키는데 어느 시간까지 최소한의 기능을 발휘할 수 있는가에 대한 척도가 된다.

시험결과, 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 기판을 사용하여 극판을 제조하였을 경우, 보유용량(RC)은 135 ~ 137분으로, 대체로 기존의 기판보다는 좀 더 나아진 보유용량을 제공할 수 있었다.

2) 저온시동전류(CCA : Cold Cranking Ampere)

일반적으로 축전지의 급속방전 특성은 -10℃이하에서 급속히 저하되는데, 저온시동전류(CCA)는 저온에서의 자동차 시동능력을 평가하기 위한 고율방전시험으로서, 충전 완료 후 -18℃에서 630A로 30초 방전시의 전압을 측정한다.

이 시험에 있어서는 30초 때의 전압이 7.2V이상 요구되며, 높을수록 성능이 우수한 것으로 평가된다.

본 발명에서는 (30초 전압/6 - 0.2)×630의 보정식을 사용하여 CCA를 계산하였다.

시험결과, 표 1에서 보는 바와 같이, 30초 전압은 기존 기판의 경우 7.23V, 환산 CCA는 633A였으나, 본 발명의 기판을 사용하였을 경우 7.6V이상, 환산 CCA는 680A 이상으로 기존대비 약 7% ~ 8%의 효과를 보였다.

3) 20시간율 용량(AH)

이는 저율방전 특성을 알아보기 위한 것으로, 축전지 용량에 대해 비교적 적은 전류인 3.75A로 연속 방전시켜, 전압이 10.5V에 도달할 때까지의 방전용량(AH)을 측정하는 것이다.

시험 결과, 76.21AH ~ 77.9AH로 기존의 기판을 사용한 제품과 거의 동일한 시험 결과를 보였으나, 기존 기판보다 용량이 1 ~ 3% 증가하였다.

4) 수명시험

수명시험은 만충전 상태에서 25A로 4분간 방전시킨 후, 10분 14.8V 최대 25A로 충전하는 과정을 1주 480회 반복하고, 그 후 56시간 정치 후, 630A로 고율방전하여 30초 전압을 측정함으로써 수명을 판정한다.

이 시험에서 30초 전압이 7.2V이상이면 다시 1주 반복하고, 7.2V 미만이면 수명종지로 판정한다.

수명시험결과, 본 발명의 기판은 표 2에서 보는 바와 같이 충방전 2,440(Cycles)에 수명 종지되어, 기존 기판에 비하여 27%의 수명연장 효과를 보였다.

총방전횟수	30초 전압[V]			비고
총방전횟수	종래품1	실시예1	실시예2	비고
480	9.21	9.35	9.30
960	8.81	9.05	9.03
1440	8.19	8.53	8.75
1920	7.68	8.25	8.17
2440	6.88	7.58	7.33
2920		5.15	5.08
수명판정	1920	2440	2440	27% 상승

결국, 상기 시험을 통해, 부식된 Grid 표면에 의한 Grid와 Active Material의 접촉면적 증가 및 Corrosion Layer 두께 증가를 제공할 수 있으며, 이로 인해 고온 충 방전 사이클 환경에서의 Grid 성장에 의한 Grid - Active Material 분리를 지연시켜 내구성을 향상시킬 수 있는 것이다.

즉, 그리드와 활물질의 접촉 면적을 증가시켜 늘어난 반응 면적으로 인하여 납축전지의 시동 능력을 향상시킬 수 있는 효과와 제품의 성능 향상 및 수명 연장에 상당한 효과를 획득할 수 있음을 알 수 있었다.

상기와 같은 제조 방법을 통해, 납 축전지에서 황산 처리된 Grid를 적용함으로써, Grid와 Active Material간의 Bonding Area 및 화성 후 Corrosion Layer 두께를 증가시켜 Grid와 Active Material의 결합력을 향상시키고, 향상된 결합력을 통해 과 충전이 포함된 충 방전 조건에서 Grid 성장에 따라 Active Material이 쉽게 분리되는 것을 지연시켜 내구성을 향상시킬 수 있는 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 : 접촉면적증가단계
S200 : 결합력향상단계

Claims

표면적이 증가된 납축전지용 기판 제조 방법에 있어서,
납축전지의 Punched Grid 제조 공정에서,
Strip Punching 공정 이후에 펀칭된 Strip 표면에 1차적으로 황산 스프레이를 분사하여 Strip 표면을 보호하고 있는 얇은 산화 보호층(100)의 일부를 설페이션(sulfation)시켜 Strip 표면에 미세 크랙(200)을 형성시켜 그리드 표면적을 증가시켜 활물질(Active Material)과 그리드(Grid) 간의 접촉 면적을 증가시키는 접촉면적증가단계(S100);와
2차적으로 화성 후, 그리드(Grid)와 활물질(Active Material) 사이의 부식층(300, Corrosion Layer) 두께를 증가시켜 그리드(Grid)와 활물질(Active Material) 간의 결합력을 향상시키는 결합력향상단계(S200);를 포함하되,
상기 접촉면적증가단계(S100)와 결합력향상단계(S200)를 통해, 그리드 성장에 의한 그리드와 활물질 간의 분리를 지연시키는 것을 특징으로 하며,
표면적이 증가된 납축전지용 기판 제조 방법에 의해,
제조된 기판을 적용한 납축전지의 수명은 1,920 사이클에서 2,440 사이클로 27%의 수명 향상을 제공할 수 있는 것을 특징으로 하며,
보유용량의 경우, 133분에서 135 ~ 137분으로 증대되는 것을 특징으로 하며,
저온시동전류의 경우, 633A에서 680A ~ 689A로 증대되는 것을 특징으로 하며,
20시간율 용량의 경우, 75.52AH에서 76.21AH ~ 77.9AH로 증대되는 것을 특징으로 하는 표면적이 증가된 납축전지용 기판 제조 방법.
삭제
삭제
제 1항의 제조 방법에 의해,
제조된 표면적이 증가된 납축전지용 기판을 포함하고 있는 납축전지.