KR102580193B1 - Method for manufacturing anode active material for lead-acid battery using MXene - Google Patents

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Abstract

본 발명은 맥신 분말을 이용한 납축전지용 음극 활물질 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래의 납축전지 음극에 첨가하는 활물질에 맥신 분말을 첨가하여 극판 내 전해액과 활물질 계면 간의 이온 이동과 표면화학반응을 향상시킬 수 있게 됨으로써, 음극 활물질의 내부 전기전도도를 증가시켜 납 축전지 기초 성능과 내구성을 향상시킬 수 있는 맥신 분말을 이용한 납축전지용 음극 활물질 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명을 통해, Ti3C2 맥신을 첨가하여 이온 이동 활성화 증대 및 음극 활물질의 내부 전기전도도를 증대시켜 납축전지의 기초성능 및 충전 효율을 증대시키는 효과를 제공하게 된다.
The present invention relates to a method of manufacturing a negative active material for a lead acid battery using MXene powder. More specifically, the present invention relates to a method of manufacturing a negative active material for a lead acid battery using MXene powder, and more specifically, by adding MXene powder to the active material added to the negative electrode of a conventional lead acid battery, ion movement and surface chemical reaction between the electrolyte solution in the electrode plate and the interface of the active material. It relates to a method of manufacturing a negative active material for a lead acid battery using MXene powder, which can improve the basic performance and durability of a lead acid battery by increasing the internal electrical conductivity of the negative active material.
Through the present invention, the addition of Ti 3 C 2 MXene provides the effect of increasing the basic performance and charging efficiency of the lead acid battery by increasing the activation of ion movement and increasing the internal electrical conductivity of the negative electrode active material.

Description

맥신 분말을 이용한 납축전지용 음극 활물질 제조 방법{Method for manufacturing anode active material for lead-acid battery using MXene}Method for manufacturing anode active material for lead-acid battery using MXene}

본 발명은 맥신 분말을 이용한 납축전지용 음극 활물질 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래의 납축전지 음극에 첨가하는 활물질에 맥신 분말을 첨가하여 극판 내 전해액과 활물질 계면 간의 이온 이동과 표면화학반응을 향상시킬 수 있게 됨으로써, 음극 활물질의 내부 전기전도도를 증가시켜 납 축전지 기초 성능과 내구성을 향상시킬 수 있는 맥신 분말을 이용한 납축전지용 음극 활물질 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a negative active material for a lead acid battery using MXene powder. More specifically, the present invention relates to a method of manufacturing a negative active material for a lead acid battery using MXene powder, and more specifically, by adding MXene powder to the active material added to the negative electrode of a conventional lead acid battery, ion movement and surface chemical reaction between the electrolyte solution in the electrode plate and the interface of the active material. It relates to a method of manufacturing a negative active material for a lead acid battery using MXene powder, which can improve the basic performance and durability of a lead acid battery by increasing the internal electrical conductivity of the negative active material.

현재 납축전지 활물질 메커니즘은 활물질에 물리적 강도 및 황산과의 반응 표면적 확보를 위하여 폴리에스터 계열 화이버를 첨가하고 있다.Currently, the lead acid battery active material mechanism adds polyester-based fiber to the active material to secure physical strength and a surface area for reaction with sulfuric acid.

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. Typically, polyester-based fibers with a fineness of 0.8 to 5 denier and a length of 1 to 10 mm are added to the lead acid battery active material, and these fibers have excellent acid resistance and oxidation resistance.

이때, 첨가되는 유기합성 단섬유는 통상적으로 원형 단면 형태를 가지며, 길이는 2 ~ 10mm 정도이다.At this time, the organic synthetic short fibers added typically have a circular cross-section and are about 2 to 10 mm in length.

유기합성 단섬유의 성분은 내산성 및 내산화성이 우수한 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 모드아크릴 계열이 주종을 이루고 있다.The ingredients of organic synthetic short fibers are mainly polypropylene, polyester, and modacrylic, which have excellent acid and oxidation resistance.

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. The prior art, Korean Patent Registration No. 10-0603908, “electrode plate for storage battery and method for manufacturing the same,” is to manufacture an electrode plate by attaching fiber-reinforced paper by applying pressure so that fiber filaments are embedded on the surface of the active material and filling the uneven portions of the surface with the active material. Disclose the method.

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. The above-mentioned conventional Korean registered patent relates to "electrode plates for storage batteries and their manufacturing method," in which an active material with electrochemical activity is applied to a substrate that serves as a passage for electricity to flow, and fiber-reinforced paper is applied to the surface of the active material. In the attaching or pressing step, pressure is applied so that the fiber filaments of the fiber-reinforced paper are embedded to a certain depth, and the surface irregularities of the fiber-reinforced paper are filled with the active material to increase the bonding surface area, thereby preventing the active material from being detached from the substrate. Technology that improves the initial high-rate discharge characteristics of the electrode plate due to the porosity of the fiber-reinforced paper and extends the life of the storage battery by retaining and supporting the active material due to the stable support and acid resistance of the fiber filament structure of the fiber-reinforced paper. It's about.

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. Until now, lead (Pb)-calcium (Ca)-tin (Sn) alloy has been used as the grid alloy for lead acid batteries, but this alloy composition alone cannot sufficiently respond to the harsh operating environment (high temperature and overcharge phenomenon), leading to corrosion or corrosion of the grid. It has been pointed out as a problem that the lifespan of lead acid batteries is shortening due to deformation due to growth.

이에 따라 그리드의 내부식성, 기계적 강도 개선 및 성장 변형의 억제가 요구되고 있다.Accordingly, there is a need to improve grid corrosion resistance, mechanical strength, and suppress growth deformation.

한편, 종래의 납축전지의 활물질은 일반적으로 연분(鉛粉)과 황산수용액을 기본으로 하며, 양극과 음극 특성에 따라서 기타 첨가제를 배합한 후, 혼합하여 활물질을 만든다. Meanwhile, the active materials of conventional lead acid batteries are generally based on lead powder and aqueous sulfuric acid solution, and other additives are mixed according to the characteristics of the anode and cathode and then mixed to make the active material.

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. The active material made in this way goes through a coating process, which is a process of applying it to a substrate, and then goes through a maturation process and drying process depending on the positive/cathode characteristics, and then multiple sheets of prepared positive and negative electrode plates are alternately overlapped to prevent electrical short-circuiting between the electrode plates. For this purpose, a non-conductive separator is installed so that the positive electrode plate, negative electrode plate, and separator plate form a group of electrode plates.

극판군은 축전지 용량에 따라 여러 개가 직렬로 접속되어 전조안에 수용된다. Several groups of electrode plates are connected in series according to the capacity of the storage battery and accommodated in the cell.

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. The received group of electrode plates undergoes a supercharged chemical process to obtain electrical properties. At this time, the active material of the positive plate is lead dioxide (PbO2), and due to its characteristics, countless fine particles of oxidized lead are combined, and the particles are rich in porosity. Electrolytes are allowed to freely diffuse and penetrate the liver.

또한, 음극판의 활물질은 해면상납(海綿狀鉛, Pb)으로 역시 다공성과 반응성이 풍부하여 전해액이 자유로이 확산, 침투하도록 된 것이다. In addition, the active material of the negative electrode plate is spongy lead (Pb), which is also rich in porosity and reactivity, allowing the electrolyte to freely diffuse and penetrate.

이렇게 만들어진 제품은 비로소 시장에서 사용할 수 있게 되는 것이다.Only then can products made in this way become available on the market.

또한, 초충전 과정을 원활히 하며, 제품의 내구성을 향상시키기 위하여 극성별로 별도의 숙성 및 건조공정을 거치게 된다. In addition, to facilitate the initial charging process and improve the durability of the product, separate aging and drying processes are performed for each polarity.

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. The aging process of the positive plate is an important process that increases the durability of the product. The hot temperature of steam (approximately 70 ~ 100℃) and moisture (humidity of 99% or more) convert lead (Pb), a component of the active material, into lead oxide (lead oxide). Not only does it change it to PbO), but it also changes the crystal structure of the active material.

음극판은 별도 공정 없이 자연 상태에서 방치하면 숙성 및 건조를 동시에 할 수 있다. If the negative electrode plate is left in natural conditions without any additional processing, it can be aged and dried at the same time.

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. However, if sufficient aging and drying are not achieved, the electrode plates stick together during the assembly process to form the electrode group, and the durability of the active material decreases due to the presence of moisture, so the active material embedded between the substrates easily falls off even with a small impact.

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.As the number of charging and discharging of a lead-acid battery made through this process increases, the active material falls off the substrate more easily due to the reaction between lead and sulfuric acid, and the fallen active materials can no longer participate in the reaction, ultimately leading to the breakdown of the lead-acid battery. By degrading performance, the lifespan of lead acid batteries is usually only 1 to 2 years.

따라서, 현재 고성능의 납 축전지를 요구하는 흐름에 맞추어 납 축전지 내구성과 성능을 향상시킬 수 있는 제조 공정이 요구되고 있는 실정이다.Therefore, there is a need for a manufacturing process that can improve the durability and performance of lead acid batteries in line with the current demand for high-performance lead acid batteries.

종래의 기술로서, '음극활물질 및 그 제조방법 그리고 납축전지'는 리그닌이 납분말에 첨가되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 음극(負極) 활물질에 관한 기술을 개시한 바 있다. As a conventional technology, 'Negative active material and its manufacturing method and lead acid battery' has disclosed a technology related to a negative electrode active material characterized in that lignin is added to lead powder.

그러나, 상기의 기술은 활물질의 수명을 향상시킨 효과는 기대하기는 어려웠다.However, it was difficult to expect the above technology to improve the lifespan of the active material.

한편, 최근 자동차 시동용 및 구동용 배터리 성능을 향상시킬 목적으로 나노 소재를 첨가하는 연구문헌을 확인할 수 있다. Meanwhile, recent research literature on adding nanomaterials for the purpose of improving the performance of automobile starting and driving batteries can be found.

대상이 되는 원소로는 카본, 질소 및 TiO2, Graphene Oxide, PbO, PbO2 등이 있다. Targeted elements include carbon, nitrogen, TiO2, Graphene Oxide, PbO, and PbO2.

이 중 카본계 소재 및 카본화합물(Activated Carbon, Carbon Black, CNT, Graphene 등)을 AGM 등 납축전지에 첨가하는 목적 중 한가지는 PbSO4 발생을 억제함으로써, 납축전지 수명을 향상시키고자 하는 것이다. Among these, one of the purposes of adding carbon-based materials and carbon compounds (Activated Carbon, Carbon Black, CNT, Graphene, etc.) to lead-acid batteries such as AGM is to improve the lifespan of lead-acid batteries by suppressing the generation of PbSO4.

이를 응용하여 N-doped Carbon 소재를 납축전지에 첨가하고 납축전지의 PbSO4 발생을 억제함으로써 납축전지의 수명을 향상시키는데 추가적으로 N-doped Graphene Oxide/PbO 등을 납축전지에 첨가하고 납축전지의 잔존용량 (PSoC, Partial State of Charge) 성능을 향상시키고자 하는 별도의 연구개발 사례도 확인할 수 있다.By applying this, N-doped carbon materials are added to lead-acid batteries and the lifespan of lead-acid batteries is improved by suppressing the generation of PbSO4 in lead-acid batteries. In addition, N-doped Graphene Oxide/PbO, etc. are added to lead-acid batteries and the remaining capacity of lead-acid batteries ( You can also check out separate research and development cases aimed at improving PSoC (Partial State of Charge) performance.

그러나, 상기한 기술들은 카본 블랙을 포함하는 이차전지 음극재에 관한 기술을 포함하고 있으나, 아직까지는 보다 높은 전기전도성과 우수한 기계적 강도 및 안정성을 가지는 복합소재 음극재의 개발이 요구되고 있는 실정이다.However, although the above-described technologies include technologies related to secondary battery anode materials containing carbon black, the development of composite anode materials with higher electrical conductivity and excellent mechanical strength and stability is still required.

대한민국특허등록번호 제10-0483246호Republic of Korea Patent Registration No. 10-0483246

따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로,Therefore, the present invention was devised to solve the above conventional problems,

본 발명의 목적은 종래의 납축전지 음극에 첨가하는 활물질에 Ti3C2 맥신 분말을 첨가하여 극판 내 전해액과 활물질 계면 간의 이온 이동과 표면화학반응을 향상시킬 수 있게 됨으로써, 음극 활물질의 내부 전기전도도를 증가시켜 납 축전지 기초 성능과 내구성을 향상시킬 수 있는 맥신 분말을 이용한 납축전지용 음극 활물질 제조 방법을 제공하고자 한다.The purpose of the present invention is to improve the ion movement and surface chemical reaction between the electrolyte and the active material interface in the electrode plate by adding Ti 3 C 2 MXene powder to the active material added to the negative electrode of a conventional lead acid battery, thereby improving the internal electrical conductivity of the negative electrode active material. The purpose of this study is to provide a method for manufacturing a negative active material for lead acid batteries using MXene powder, which can improve the basic performance and durability of lead acid batteries by increasing .

본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 맥신 분말을 이용한 납축전지용 음극 활물질 제조 방법은,In order to achieve the problem to be solved by the present invention, a method for manufacturing a negative active material for a lead acid battery using MXene powder according to an embodiment of the present invention,

납축전지의 음극 활물질 혼합공정에서, In the mixing process of negative active materials for lead acid batteries,

연분, 황산, 및 음극에 따른 첨가제를 배합할 시, Ti3C2 맥신 분말을 첨가해 혼합하여 음극 활물질 안에 분포하게 하기 위한 맥신분말혼합단계(S100);와When mixing lead powder, sulfuric acid, and additives according to the negative electrode, Ti 3 C 2 MXene powder is added and mixed to distribute it in the negative electrode active material (S100);

Ti3C2 맥신 분말이 포함된 음극 활물질을 납으로 제작된 기판에 도포한 후, 대기 중에서 자연 숙성 및 건조시키기 위한 자연숙성및건조단계(S200);를 포함함으로써, 본 발명의 과제를 해결하게 된다.The problem of the present invention is solved by including a natural aging and drying step (S200) for applying a negative electrode active material containing Ti 3 C 2 MXene powder to a substrate made of lead and then naturally maturing and drying it in the air. do.

본 발명인 맥신 분말을 이용한 납축전지용 음극 활물질 제조 방법을 통해, 종래의 납축전지 음극에 첨가하는 활물질에 Ti3C2 맥신 분말을 첨가하여 극판 내 전해액과 활물질 계면 간의 이온 이동과 표면화학반응을 향상시킬 수 있게 됨으로써, 음극 활물질의 내부 전기전도도를 증가시켜 납 축전지 기초 성능과 내구성을 향상시키게 된다.Through the present invention's method of manufacturing a negative electrode active material for lead acid batteries using MXene powder, Ti 3 C 2 MXene powder is added to the active material added to the conventional lead acid battery negative electrode to improve ion movement and surface chemical reaction between the electrolyte solution in the electrode plate and the interface of the active material. By being able to do so, the internal electrical conductivity of the negative electrode active material is increased, thereby improving the basic performance and durability of the lead acid battery.

구체적으로는 Ti3C2 맥신을 첨가하여 이온 이동 활성화 증대 및 음극 활물질의 내부 전기전도도를 증대시켜 납축전지의 기초성능 및 충전 효율을 증대시키는 효과를 제공하게 된다.Specifically, the addition of Ti 3 C 2 MXene increases the activation of ion movement and increases the internal electrical conductivity of the negative electrode active material, providing the effect of increasing the basic performance and charging efficiency of the lead acid battery.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 맥신 분말을 이용한 납축전지용 음극 활물질 제조 방법의 공정도이다.
도 2는 본 발명에 포함되는 Ti3C2 맥신을 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 맥신 분말을 이용한 납축전지용 음극 활물질 제조 방법에 의해 제조된 납축전지와 종래 납축전지 간의 내구성 평가 그래프이다.
Figure 1 is a process diagram of a method for manufacturing a negative active material for a lead acid battery using MXene powder according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a photograph showing Ti 3 C 2 MXene included in the present invention.
Figure 3 is a graph showing the durability evaluation between a lead acid battery manufactured by a method of manufacturing an anode active material for a lead acid battery using MXene powder according to an embodiment of the present invention and a conventional lead acid battery.

본 발명의 일실시예에 따른 맥신 분말을 이용한 납축전지용 음극 활물질 제조 방법은,A method for producing a negative active material for a lead acid battery using MXene powder according to an embodiment of the present invention,

납축전지의 음극 활물질 혼합공정에서, In the mixing process of negative active materials for lead acid batteries,

연분, 황산, 및 음극에 따른 첨가제를 배합할 시, Ti3C2 맥신 분말을 첨가해 혼합하여 음극 활물질 안에 분포하게 하기 위한 맥신분말혼합단계(S100);와When mixing lead powder, sulfuric acid, and additives according to the negative electrode, Ti 3 C 2 MXene powder is added and mixed to distribute it in the negative electrode active material (S100);

Ti3C2 맥신 분말이 포함된 음극 활물질을 납으로 제작된 기판에 도포한 후, 대기 중에서 자연 숙성 및 건조시키기 위한 자연숙성및건조단계(S200);를 포함하는 것을 특징으로 한다.After applying the negative electrode active material containing Ti 3 C 2 MXene powder to a substrate made of lead, a natural aging and drying step (S200) for natural aging and drying in the air.

이때, 상기 맥신분말혼합단계(S100)는,At this time, the MXene powder mixing step (S100),

음극 활물질 총 중량부에 대하여 연분 80 ~ 83 중량부, 황산 5 ~ 10 중량부, 물 10 ~ 15 중량부, 음극첨가제 1 ~ 3 중량부를 배합하는 기초음극활물질배합단계;와A basic anode active material mixing step of mixing 80 to 83 parts by weight of lead dust, 5 to 10 parts by weight of sulfuric acid, 10 to 15 parts by weight of water, and 1 to 3 parts by weight of anode additive based on the total weight of the anode active material;

상기 기초음극활물질배합단계에서 배합된 혼합물에 혼합물 총 중량부 대비 Ti3C2 맥신 분말 30 ~ 40 중량부를 첨가하여 55 ~ 75도의 온도에서 교반하여 75 ~ 80g/in3 밀도의 음극 활물질을 수득하기 위한 맥신첨가음극활물질획득단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.To the mixture mixed in the basic anode active material mixing step, add 30 to 40 parts by weight of Ti 3 C 2 MXene powder based on the total weight of the mixture and stir at a temperature of 55 to 75 degrees to obtain a cathode active material with a density of 75 to 80 g/in 3 . It is characterized by including a MXene-added negative electrode active material acquisition step for.

이때, 상기 음극 활물질에서의 Ti3C2 맥신 분말의 함량은,At this time, the content of Ti 3 C 2 MXene powder in the negative electrode active material is,

Ti3C2 맥신 분말을 제외한 음극 활물질 100 중량부 대비 30 ~ 40 중량부를 첨가하는 것을 특징으로 한다.It is characterized by adding 30 to 40 parts by weight based on 100 parts by weight of the negative electrode active material excluding Ti 3 C 2 MXene powder.

이때, 상기 맥신분말혼합단계(S100)에서,At this time, in the MXene powder mixing step (S100),

Ti3C2 맥신 분말을 첨가하여 기공활성화와 황산과의 반응면적 증대 및 음극 활물질의 내부 전기전도도를 증대시켜 납축전지의 기초성능 및 내구성을 증대시키는 것을 특징으로 한다.The addition of Ti 3 C 2 MXene powder increases the basic performance and durability of the lead acid battery by activating pores, increasing the reaction area with sulfuric acid, and increasing the internal electrical conductivity of the negative electrode active material.

이때, 상기 맥신 분말을 이용한 납축전지용 음극 활물질 제조 방법에 의해,At this time, by the method of manufacturing a negative active material for lead acid batteries using the MXene powder,

Ti3C2 맥신 분말을 첨가하지 않은 C20 70.1Ah에서 Ti3C2 맥신 분말 첨가시 C20 77.8Ah로 10% 향상을 제공할 수 있으며,It can provide a 10% improvement from C20 70.1Ah without the addition of Ti 3 C 2 MXene powder to C20 77.8 Ah with the addition of Ti 3 C 2 MXene powder.

Ti3C2 맥신 분말을 첨가하지 않은 EN CCA 7.31V에서 Ti3C2 맥신 분말 첨가시 EN CCA 7.53V로 3% 향상을 제공할 수 있는 것을 특징으로 한다.It is characterized in that it can provide a 3% improvement from EN CCA 7.31V without the addition of Ti 3 C 2 MXene powder to EN CCA 7.53V with the addition of Ti 3 C 2 MXene powder.

이때, 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 Ti3C2 맥신 분말을 이용한 납축전지용 음극 활물질을 적용한 납축전지용 극판을 포함하고 있는 납축전지를 제공할 수 있게 된다.At this time, it is possible to provide a lead-acid battery containing an electrode plate for a lead-acid battery to which a negative electrode active material for a lead-acid battery using Ti 3 C 2 MXene powder manufactured by the manufacturing method of the present invention is applied.

이하, 본 발명에 의한 맥신 분말을 이용한 납축전지용 음극 활물질 제조 방법의 실시예를 통해 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the method for manufacturing a negative active material for a lead acid battery using MXene powder according to the present invention will be described in detail through examples.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 맥신 분말을 이용한 납축전지용 음극 활물질 제조 방법의 공정도이다.Figure 1 is a process diagram of a method for manufacturing a negative active material for a lead acid battery using MXene powder according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명인 맥신 분말을 이용한 납축전지용 음극 활물질 제조 방법은, As shown in Figure 1, the method for producing a negative active material for a lead acid battery using MXene powder of the present invention is,

납축전지의 음극 활물질 혼합공정에서, In the mixing process of negative active materials for lead acid batteries,

연분, 황산, 및 음극에 따른 첨가제를 배합할 시, Ti3C2 맥신 분말을 첨가해 혼합하여 음극 활물질 안에 분포하게 하기 위한 맥신분말혼합단계(S100);와When mixing lead powder, sulfuric acid, and additives according to the negative electrode, Ti 3 C 2 MXene powder is added and mixed to distribute it in the negative electrode active material (S100);

Ti3C2 맥신 분말이 포함된 음극 활물질을 납으로 제작된 기판에 도포한 후, 대기 중에서 자연 숙성 및 건조시키기 위한 자연숙성및건조단계(S200);를 포함하는 것을 특징으로 한다.After applying the negative electrode active material containing Ti 3 C 2 MXene powder to a substrate made of lead, a natural aging and drying step (S200) for natural aging and drying in the air.

본 발명은 맥신 분말을 이용한 납축전지용 음극 활물질 제조 방법으로서, 종래의 납축전지 음극에 첨가하는 활물질에 Ti3C2 맥신 분말을 첨가하여 극판 내 전해액과 활물질 계면 간의 이온 이동과 표면화학반응을 향상시킬 수 있게 됨으로써, 음극 활물질의 내부 전기전도도를 증가시켜 납 축전지 기초 성능과 내구성을 향상시키는 기술이다.The present invention is a method of manufacturing a negative electrode active material for a lead acid battery using MXene powder. Ti 3 C 2 MXene powder is added to the active material added to the conventional negative electrode of a lead acid battery to improve ion movement and surface chemical reaction between the electrolyte solution in the electrode plate and the interface of the active material. This is a technology that improves the basic performance and durability of lead acid batteries by increasing the internal electrical conductivity of the negative electrode active material.

종래에 사용되는 폴리에스터 계열 화이버 대신에 Ti3C2 맥신을 사용하여 음극 활물질의 내부 전기전도도를 증가시켜 납 축전지 기초 성능과 충전 효율을 향상시키기 위한 것이다.This is to improve the basic performance and charging efficiency of lead acid batteries by increasing the internal electrical conductivity of the negative electrode active material by using Ti3C 2 MXene instead of the polyester-based fiber used conventionally.

본 발명에서 설명하고 있는 Ti3C2 맥신은 도 2에 도시한 바와 같이, 전기 전도성이 우수한 2차원 판상 나노소재로서, 납축전지의 음극 활물질 첨가제로 적용함에 따라 활물질과 전해액 계면간의 이온 이동이나 표면화학 반응으로 기존 화이버 대비 빠른 충방전 성능을 기대할 수 있다.As shown in FIG. 2, Ti 3 C 2 MXene described in the present invention is a two-dimensional plate-shaped nanomaterial with excellent electrical conductivity. When applied as an additive to the negative electrode active material of a lead acid battery, ion movement between the interface of the active material and the electrolyte solution or the surface occurs. Due to chemical reaction, faster charge and discharge performance can be expected compared to existing fibers.

그리고, 에너지저장 장치가 사용되는 웨어러블전자기기, 모바일 로봇 및 전기자동차가 증가함에 따라 고용량 에너지 저장장치의 수요도 함께 증가하고 있다. Additionally, as the number of wearable electronic devices, mobile robots, and electric vehicles using energy storage devices increases, the demand for high-capacity energy storage devices is also increasing.

특히, AGM 납축전지의 경우, 높은 에너지 밀도와 수명 때문에 각광받고 있다. In particular, AGM lead acid batteries are attracting attention due to their high energy density and lifespan.

AGM 납축전지의 구성품에서 전극은 높은 에너지밀도와 파워 밀도, 장시간 사용을 달성하기 위한 핵심 구성품 중 하나이다. In the components of AGM lead acid batteries, electrodes are one of the key components to achieve high energy density, power density, and long-term use.

일반적으로 다공성구조인 그라파이트가 넓은 표면적과 높은 전기 전도성, 우수한 기계적 및 화학적 안정성을 이유로 상용 납축전지가 사용되고 있다. In general, graphite, which has a porous structure, is used in commercial lead-acid batteries due to its large surface area, high electrical conductivity, and excellent mechanical and chemical stability.

하지만, 그라파이트의 이론적 전기저장용량은 372 mAh/g에 제한되어 있다. However, the theoretical electrical storage capacity of graphite is limited to 372 mAh/g.

이러한 이유 때문에 높은 전기용량, 높은 친수성, 높은 전기전도성을 가진 MXene이라 불리는 전이금속 탄화물이 유망한 음극활물질로 각광받고 있다. For this reason, a transition metal carbide called MXene, which has high electric capacity, high hydrophilicity, and high electrical conductivity, is attracting attention as a promising anode active material.

MXene은 MAX phase로부터 A성분의 층을 식각하여 합성된다. MXene is synthesized by etching the A component layer from the MAX phase.

여기서 MAX phase, Mn+1AXn (n = 1, 2, or 3)로서 M은 전이 금속이며, A는 IIIV 또는 IVA 성분의 층이고, X는 탄소 또는 질소를 의미한다. Here, MAX phase, M n+1 AX n (n = 1, 2, or 3), where M is a transition metal, A is a layer of IIIV or IVA component, and X means carbon or nitrogen.

A 성분을 식각(etching)하면, Mn+1XnTx인 MXene이 된다. When component A is etched, MXene becomes M n +1

여기서 Tx는 합성과정에서 생성된 작용기(-F, -O, -OH)를 의미한다. Here, T x refers to the functional group (-F, -O, -OH) generated during the synthesis process.

MXene 가운데 타이타늄 탄화물(Ti3C2Tx)은 Yury Gogotsi의 연구실에서 플루오린화수소(HF)를 이용해 Ti3AlC2 MAX phase를 식각함으로써 처음으로 합성되었다. Among MXenes, titanium carbide (Ti 3 C 2 T x ) was first synthesized in the laboratory of Yury Gogotsi by etching the Ti 3 AlC 2 MAX phase using hydrogen fluoride (HF).

MXene은 두 탄소원자 층이 세 타이타늄 원자층 사이에 존재함으로써 높은 전기전도성을 보였고, 표면작용기와 층간거리를 조절함으로써 전기화학적 특성을 제어할 수 있다. MXene showed high electrical conductivity due to the presence of two layers of carbon atoms between three layers of titanium atoms, and its electrochemical properties can be controlled by adjusting the surface functional groups and the interlayer distance.

그리고, 표면작용기는 리튬, 소듐, 칼륨, 마그네슘과 같은 금속 이온의 흡착과 삽입/탈리 메커니즘에 영향을 미친다. Additionally, surface functional groups affect the adsorption and insertion/desorption mechanisms of metal ions such as lithium, sodium, potassium, and magnesium.

이를 통해 납축전지의 전극에서 이온이 반응할 수 있는 active site를 증가시킬뿐만 아니라 높은 전기저장용량을 달성하는데 도움이 된다.This not only increases the active site where ions can react at the electrode of the lead acid battery, but also helps achieve high electric storage capacity.

식각을 위해 플루오린화수소 대신 플루오린화리튬과 염산이 함께 사용되는 합성법도 존재한다. There is also a synthetic method in which lithium fluoride and hydrochloric acid are used together instead of hydrogen fluoride for etching.

이 방법은 mildetching으로서 HF를 사용했을 때보다 더 큰 flake를 가진 MXene을 합성할 수 있다. This method is mildetching and can synthesize MXene with larger flakes than when using HF.

따라서, HF로 합성된 flake의 전기 전도도(1,000 S/cm)보다 약 6.5배 뛰어난 6,500 S/cm 기록하였고, 더 큰 층간거리를 보였다. Therefore, the electrical conductivity was recorded at 6,500 S/cm, which is about 6.5 times better than the electrical conductivity (1,000 S/cm) of the flake synthesized with HF, and the interlayer distance was larger.

결과적으로 mild etching에 의해 합성된 MXene은 높은 전기전도성이 필요한 시스템에 적합하다. As a result, MXene synthesized by mild etching is suitable for systems that require high electrical conductivity.

MXene의 리튬이온저장 메커니즘은 Al원자층이 식각되고 빈 공간에 이온이 삽입/탈리되는 것으로 알려져 있다. It is known that MXene's lithium ion storage mechanism involves etching the Al atomic layer and inserting/desorbing ions into the empty space.

MXene은 우수한 구조뿐만 아니라, 그들이 가진 작용기도 전기화학적 성능에 영향을 미친다. MXene not only has an excellent structure, but also its functional groups affect electrochemical performance.

하지만, 일반적으로 합성된 MXene의 작용기는 골고루 분포되어 있지 않기 때문에 MAX phase로부터 A성분의 층을 완벽히 제거하고, 작용기를 골고루 분산시켜 합성하는 것이 중요하다. However, since the functional groups of synthesized MXene are not evenly distributed, it is important to completely remove the layer of component A from the MAX phase and synthesize the functional groups evenly dispersed.

플루오린화리튬과 염산을 이용한 mild etching으로 타이타늄 탄화물의 표면에 골고루 분산된 작용기를 합성함으로써 납축전지의 음극활물질로서 전기화학 특성을 제공할 수 있게 된다.By synthesizing functional groups evenly dispersed on the surface of titanium carbide through mild etching using lithium fluoride and hydrochloric acid, it is possible to provide electrochemical properties as a negative active material for lead acid batteries.

즉, 맥신을 첨가할 경우, MXene의 합성과정에서 생기는 작용기(-O, -F, -OH)에 의해 전극 활물질로서 사용되었을 때, 플루오린기(-F)는 높은 전기음성도를 가지고 있기 때문에, 리튬이온의 hopping을 위한 activation barrier를 낮춰주어 cycle stability를 증가시켜주며, 산소(-O)는 이온이 활물질에 흡착될 수 있도록 도와주어 전기용량을 증가시켜준다. That is, when MXene is added, the fluorine group (-F) has high electronegativity when used as an electrode active material due to the functional groups (-O, -F, -OH) generated during the synthesis of MXene. It increases cycle stability by lowering the activation barrier for lithium ion hopping, and oxygen (-O) helps ions to be absorbed into the active material, increasing electric capacity.

이를 통해 Ti3C2Tx는 기존 상용 음극활물질로 쓰이는 그라파이트(Graphite)의 이론 용량인 372 mAh/g을 능가하며, 납축전지에서 음극 용량을 증가시킬 수 있다.Through this, Ti 3 C 2 T

따라서, 타이타늄 기반 MXene, Ti3C2Tx는 기존 납축전지의 상용 음극활물질인 그라파이트나 금속산화물을 대체할 수 있는 유망한 물질임을 하기의 실험을 통해 확인할 수 있었다.Therefore, it was confirmed through the following experiment that titanium-based MXene, Ti 3 C 2 T

결과적으로 활물질의 효율을 향상시키며, 충전 수입성의 향상을 얻을 수 있다는 것을 실험을 통해 확인하였다.As a result, it was confirmed through experiments that the efficiency of the active material could be improved and the charging performance could be improved.

상기와 같은 기능을 제공하기 위하여, 본 발명의 맥신분말혼합단계(S100)는 연분, 황산, 및 음극에 따른 첨가제를 배합할 시, Ti3C2 맥신 분말을 첨가해 혼합하여 음극 활물질 안에 분포하게 하는 단계이다.In order to provide the above functions, in the MXene powder mixing step (S100) of the present invention, when mixing lead powder, sulfuric acid, and additives according to the negative electrode, Ti 3 C 2 MXene powder is added and mixed to distribute within the negative electrode active material. This is the step.

상기 본 발명의 효과를 제공하기 위하여, 음극 활물질에서의 Ti3C2 맥신 분말의 함량은,In order to provide the effect of the present invention, the content of Ti 3 C 2 MXene powder in the negative electrode active material is,

Ti3C2 맥신 분말을 제외한 음극 활물질 100 중량부 대비 30 ~ 40 중량부를 첨가하는 것을 특징으로 한다,It is characterized by adding 30 to 40 parts by weight based on 100 parts by weight of the negative electrode active material excluding Ti 3 C 2 MXene powder.

구체적으로, 상기 맥신분말혼합단계(S100)는,Specifically, the MXene powder mixing step (S100),

음극 활물질 총 중량부에 대하여 연분 80 ~ 83 중량부, 황산 5 ~ 10 중량부, 물 10 ~ 15 중량부, 음극첨가제 1 ~ 3 중량부를 배합하는 기초음극활물질배합단계;와A basic anode active material mixing step of mixing 80 to 83 parts by weight of lead dust, 5 to 10 parts by weight of sulfuric acid, 10 to 15 parts by weight of water, and 1 to 3 parts by weight of anode additive based on the total weight of the anode active material;

상기 기초음극활물질배합단계에서 배합된 혼합물에 혼합물 총 중량부 대비 Ti3C2 맥신 분말 30 ~ 40 중량부를 첨가하여 55 ~ 75도의 온도에서 교반하여 75 ~ 80g/in3 밀도의 음극 활물질을 수득하기 위한 맥신첨가음극활물질획득단계;를 포함하게 된다.To the mixture mixed in the basic anode active material mixing step, add 30 to 40 parts by weight of Ti 3 C 2 MXene powder based on the total weight of the mixture and stir at a temperature of 55 to 75 degrees to obtain a cathode active material with a density of 75 to 80 g/in 3 . It includes a step of obtaining a MXene-added negative electrode active material.

상기 첨가되는 맥신 분말의 중량부가 30 중량부 미만일 경우에는 극판의 전기 전도도는 종래와 비슷하므로 성능 향상을 기대하기가 어려운 소량에 해당하고, 40 중량부를 초과할 경우에는 가속 수명 시험에서 입증하였듯이, 수명 싸이클의 40 중량부의 싸이클 이상으로 기대하기가 어렵고, 단지 가격 상승 원인만을 제공할 뿐이다.If the weight part of the added MXene powder is less than 30 parts by weight, the electrical conductivity of the electrode plate is similar to the conventional one, so it is a small amount where it is difficult to expect performance improvement, and if it exceeds 40 parts by weight, the lifespan is reduced, as proven in accelerated life tests. It is difficult to expect more than 40 parts by weight of the cycle, and it only serves to increase the price.

따라서, 상기한 범위 내에서 맥신 분말을 투입하는 것이 바람직할 것이다.Therefore, it would be desirable to add MXene powder within the above range.

또한, 상기 자연숙성및건조단계(S200)는 Ti3C2 맥신 분말이 포함된 음극 활물질을 납으로 제작된 기판에 도포한 후, 대기 중에서 자연 숙성 및 건조시키는 과정이다.In addition, the natural aging and drying step (S200) is a process of applying a negative electrode active material containing Ti 3 C 2 MXene powder to a substrate made of lead and then naturally maturing and drying it in the air.

즉, 고전도성 맥신이 포함된 음극 활물질을 납으로 제작된 기판에 일정량 골고루 퍼지게 도포한 후, 대기 중에서 2 ~ 3일간 자연 숙성 및 건조시키게 된다.That is, a certain amount of a negative electrode active material containing highly conductive MXene is evenly spread on a lead substrate, and then it is naturally aged and dried in the air for 2 to 3 days.

위에서 상술한 바와 같이 본 발명의 효과를 파악하기 위해 활물질 혼합시 기존에 투입되던 유기합성 단섬유를 고전도성 맥신으로 대체하여 동일 중량비로 첨가하여 극판을 제조하고 숙성 공정을 통해 숙성시킨 후, 기초성능 및 수명시험을 하였다.As described above, in order to determine the effect of the present invention, the organic synthetic short fibers previously used when mixing active materials were replaced with highly conductive MXene and added at the same weight ratio to manufacture electrode plates, and then aged through an aging process, and then the basic performance was measured. and life tests were conducted.

후술하는 종래품이라 함은, 출원인이 제조하는 납축전지(BX80)에 사용하는 활물질에 유기합성 단섬유를 포함한 후 도포한 음극판을 이용하여 제조된 제품을 말하며, 개선품은 본 발명의 제조 방법을 통해 고전도성 맥신을 적용한 납축전지용 극판을 포함하고 있는 제품을 말한다.The conventional product described below refers to a product manufactured using a negative electrode plate applied after including organic synthetic short fibers in the active material used in the lead acid battery (BX80) manufactured by the applicant, and the improved product is manufactured through the manufacturing method of the present invention. This refers to a product containing electrode plates for lead acid batteries using highly conductive MXene.

또한, 후속 공정인 조립 및 기판에 전기 전도도를 부여하는 화성 등의 공정을 통해 최종적인 70Ah 용량(20시간율 용량)을 갖는 종래품(유기합성 단섬유 포함됨)과 개선품(고전도성 맥신이 포함됨)을 제작하였으며, 고전도성 맥신의 효과를 입증하기 위하여 충전수입성과 50% DoD 내구성 시험을 진행하였다. In addition, through subsequent processes such as assembly and chemical conversion to impart electrical conductivity to the substrate, a conventional product (containing organic synthetic short fibers) and an improved product (containing high conductivity MXene) with a final capacity of 70 Ah (20 hour rate capacity) are produced. ) was produced, and charge acceptability and 50% DoD durability tests were conducted to prove the effectiveness of the highly conductive MXene.

1) 충전수입성 시험 (CA: Charge Acceptance test)1) Charge Acceptance test (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. A fully charged sample is discharged for 2.5 hours at room temperature (25±2℃) at a 5-hour rate current (17.5A based on 70Ah), and then left at 0±2℃ for more than 12 hours.

이후 정전압 14.4V±0.1V으로 충전하여 충전 10분때 전류를 측정한다. Afterwards, charge it at a constant voltage of 14.4V±0.1V and measure the current at 10 minutes of charging.

시험결과, 전지전도도 및 충전 효율이 높아 개선품이 종래품 대비 10분 정도에 전류가 17% 증대되었음을 알 수 있었다.As a result of the test, it was found that the battery conductivity and charging efficiency were high, and the current of the improved product increased by 17% in about 10 minutes compared to the conventional product.

구분division 시간hour 종래품Conventional products 개선품improvement




충전수입성





Charge income
1분1 min 27.2527.25 28.6728.67
2분2 minutes 24.2124.21 26.2826.28 3분3 minutes 22.1422.14 24.8324.83 4분4 minutes 21.2521.25 23.7223.72 5분5 minutes 20.1120.11 21.8921.89 6분6 minutes 19.3519.35 20.8120.81 7분7 minutes 18.7418.74 19.3619.36 8분8 minutes 17.6817.68 19.8919.89 9분9 minutes 17.0417.04 19.6719.67 10분10 minutes 16.4316.43 19.2919.29

유기합성 단섬유는 전지 활물질의 기계적 강도를 증가시킬 목적으로, 활물질에 첨가하게 된다. Organic synthetic short fibers are added to the active material for the purpose of increasing the mechanical strength of the battery active material.

재질은 전해액인 황산수용액에 대한 내산성을 고려하여, 폴리프로필렌이나 폴리에스테르 및 모드아크릴계열이 사용되고 있다. Considering acid resistance to sulfuric acid aqueous solution, which is an electrolyte, polypropylene, polyester, and modacrylic series are used as materials.

사용되는 유기합성 단 섬유는, 직접방사법으로 제조되는 통상적인 합성 단섬유의 사양인 원형 단면를 지니며, 2 ~ 5 데니어(직경은 약 12 ~ 20 마이크로미터)의 섬도를 갖으며, 길이는 2 ~ 10밀리미터이다. The organic synthetic short fibers used have a circular cross-section, which is the specification of a typical synthetic short fiber produced by direct spinning, a fineness of 2 to 5 denier (diameter is about 12 to 20 micrometers), and a length of 2 to 20 micrometers. It's 10 millimeters.

혼합시 투입되는 양은 0.1 ~ 0.5 wt% 로, 이를 통해 최종적인 전극 활물질의 기계적 강도를 향상시켜 진동 및 충방전에 의한 활물질의 수축 팽창으로 인해 활물질 구조가 파괴되는 현상을 억제하게 된다. The amount added during mixing is 0.1 to 0.5 wt%, which improves the mechanical strength of the final electrode active material and suppresses the phenomenon of destruction of the active material structure due to contraction and expansion of the active material due to vibration and charging and discharging.

그러나, 상기 유기합성 단섬유의 경우, 갈수록 높은 기초 성능을 요구하는 현재 자동차나 기타 산업분야의 4차 산업 환경에서는 성능 제공에 문제점이 발생하게 되었다.However, in the case of the organic synthetic short fibers, problems have arisen in providing performance in the current 4th industrial environment of automobiles and other industries that require increasingly higher basic performance.

따라서, 본 발명에서는 이를 개선하기 위하여 전기 전도도가 우수한 고전도성 맥신을 사용하게 된 것이다.Therefore, in order to improve this problem, in the present invention, highly conductive MXene with excellent electrical conductivity was used.

이러한 고전도성 맥신은 도 2와 같이, 전기 전도성이 우수한 2차원 판상 나노소재로서, 이온 이동 활성화와 황산과의 반응 면적을 기존의 화이버보다 증대시킴으로써, 고출력 및 기대 수명 향상을 가져올 수 있게 되어 최종적으로 전지의 기초성능 및 수명을 향상시키는 것이다.This highly conductive MXene is a two-dimensional plate-shaped nanomaterial with excellent electrical conductivity, as shown in Figure 2. By increasing the ion movement activation and reaction area with sulfuric acid compared to existing fibers, it can bring about high output and improved life expectancy, ultimately It improves the basic performance and lifespan of the battery.

따라서, 상기한 특성을 지니는 고전도성 맥신을 본 발명에서 도입하게 된 것이며, 음극 활물질에 첨가제로 고전도성 맥신을 사용함으로써, 활물질과 전해액 계면 간의 이온 이동이나, 표면 화학 반응 면적의 극대화와 전기 전도도를 증가시키는 효과를 제공하게 된다.Therefore, highly conductive MXene having the above-mentioned characteristics was introduced in the present invention, and by using highly conductive MXene as an additive to the negative electrode active material, ion movement between the interface between the active material and the electrolyte solution, maximization of the surface chemical reaction area, and electrical conductivity were achieved. It provides an increasing effect.

이에 대한 실험 자료는 후술하도록 하겠다.Experimental data for this will be described later.

2) 20 시간율 용량(AH)2) 20 hour rate capacity (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. This is to determine the low-rate discharge characteristics, by continuously discharging at 3.75A, which is a relatively small current for the storage battery capacity, and measuring the discharge capacity (AH) until the voltage reaches 10.5V.

구분division ReqReq 종래품Conventional products 개선품improvement C20C20 70Ah70Ah 70.1Ah70.1Ah 77.8Ah77.8Ah

시험 결과, 77.5 Ah로 기존 제품에 대비하여 11%의 성능 향상 효과를 보임으로써, 맥신을 적용한 납축전지용 활물질이 20 시간율 용량(AH)에 대한 긍정적인 영향을 주었음을 알 수 있었다.As a result of the test, it showed an 11% performance improvement compared to the existing product at 77.5 Ah, showing that the active material for lead acid batteries using MXene had a positive effect on the 20 hour rate capacity (AH).

3) 저온시동전류(CCA : Cold Cranking Ampere)3) Cold Cranking Ampere (CCA: Cold Cranking Ampere)

일반적으로 축전지의 급속방전 특성은 -10℃ 이하에서 급속히 저하되는데, 저온시동전류(CCA)는 저온에서의 자동차 시동능력을 평가하기 위한 고율방전시험으로서, 만충전 완료 후 -18℃에서 630A로 30초 방전시의 전압을 측정한다. In general, the rapid discharge characteristics of storage batteries rapidly deteriorate below -10℃. Cold starting current (CCA) is a high-rate discharge test to evaluate automobile starting ability at low temperatures. After full charge, the battery's rapid discharge characteristics decrease rapidly at -10℃ and below. Measure the voltage during super discharge.

이 시험에 있어서는 30초 때의 전압이 7.5V이상 요구되며, 높을수록 성능이 우수한 것으로 평가된다. In this test, the voltage for 30 seconds is required to be 7.5V or higher, and the higher the voltage, the better the performance.

구분division ReqReq 종래품Conventional products 개선품improvement EN CCAEN CCA 7.5V7.5V 7.31V7.31V 7.53V7.53V

시험결과, 표 3에서 보는 바와 같이, 30초 전압은 7.53V로, 기존 제품에 대비하여 3 %의 성능향상 효과를 보임으로써, 맥신을 적용한 납축전지용 활물질이 저온시동전류에 대한 긍정적인 영향을 주었음을 알 수 있었다. As shown in Table 3, the 30-second voltage was 7.53V, showing a 3% performance improvement compared to existing products, showing that the active material for lead-acid batteries using MXene had a positive effect on low-temperature starting current. I could see that it had been given.

4) 가속 수명 시험(SAE J2801)4) Accelerated life test (SAE J2801)

납축전지를 75℃ 수조에서 약 1주일 동안 일반적인 차량 조건과 유사하게 34회 충/방전 싸이클이 진행한다. The lead acid battery is subjected to 34 charge/discharge cycles in a water bath at 75°C for approximately one week, similar to typical vehicle conditions.

34회 싸이클 실시 후 200A로 10초 방전하여 7.2V 이상 유지가 되면 다시 34회 싸이클을 진행하는 방식으로 수명 시험을 진행한다. After performing 34 cycles, the life test is conducted by discharging at 200A for 10 seconds, and if the voltage is maintained above 7.2V, the cycle is repeated 34 times.

또한, 싸이클 중 충전전류가 15A 이상 올라가거나 방전 전압이 12.0V 이하로 떨어지면 시험을 중단한다.Additionally, the test is stopped if the charging current rises above 15A or the discharge voltage falls below 12.0V during the cycle.

하기 표 4는 SAE J2801 시험을 실시한 결과이며, 34회 충/방전 싸이클 마다 200A로 10초 방전 시 전압을 나타내었다.Table 4 below shows the results of the SAE J2801 test, showing the voltage when discharged at 200A for 10 seconds for every 34 charge/discharge cycles.

사이클cycle 맥신 0
중량부
Maxine 0
weight part
맥신 20
중량부
maxine 20
weight part
맥신 30
중량부
maxine 30
weight part
맥신 40
중량부
maxine 40
weight part
맥신 50
중량부
maxine 50
weight part
3434 11.8211.82 11.8311.83 11.8511.85 11.8711.87 11.8911.89 6868 11.7611.76 11.7711.77 11.8011.80 11.8311.83 11.8711.87 102102 11.7211.72 11.7311.73 11.7811.78 11.8011.80 11.8411.84 136136 11.6911.69 11.7011.70 11.7611.76 11.7911.79 11.8211.82 170170 11.6511.65 11.6911.69 11.7411.74 11.7711.77 11.8011.80 204204 11.5511.55 11.6511.65 11.6911.69 11.7011.70 11.7611.76 238238 11.4311.43 11.4711.47 11.6011.60 11.6311.63 11.7011.70 272272 7.2 이하7.2 and below 7.2 이하7.2 and below 11.4911.49 11.5511.55 11.6511.65 306306 7.2 이하7.2 and below 11.5011.50 11.5511.55 340340 7.2 이하7.2 and below 7.2 이하7.2 and below

상기 표 4와 같이, 시험결과, 고전도성 맥신이 첨가되지 않을 경우와 20 중량부 첨가시에는 수명은 238 사이클이지만, 30 중량부 첨가시에는 수명은 272 사이클이며, 40 중량부 첨가시에는 수명은 306 사이클로 28.5%의 수명 향상을 제공할 수 있게 되었다.As shown in Table 4 above, the test results show that when high conductivity MXene is not added and when 20 parts by weight is added, the lifespan is 238 cycles, but when 30 parts by weight is added, the lifespan is 272 cycles, and when 40 parts by weight is added, the lifespan is 238 cycles. It was possible to provide a 28.5% lifespan improvement with 306 cycles.

그러나, 상기 40 중량부를 초과하는 고전도성 맥신을 첨가하여도 수명은 306 사이클에서 더 증가하지 않음을 알 수 있어 이에 따라 30 중량부 ~ 40 중량부 중에서 가장 최적의 조건은 40 중량부가 되므로 상기한 범위 내에서 첨가하는 것이 바람직하다.However, it can be seen that even with the addition of highly conductive MXene in excess of 40 parts by weight, the lifespan does not increase further at 306 cycles. Accordingly, the most optimal condition among 30 parts by weight and 40 parts by weight is 40 parts by weight, so the above range It is preferable to add it within.

이는 활물질간 전기 전도도가 향상되어 전기저항이 낮아지고, 이온 이동 활성화가 증가되었기 때문에 충전효율이 상승되면서 활물질에 누적되는 설페이션 함량이 감소되어 나타난 결과로 보여진다.This appears to be the result of improved electrical conductivity between active materials, lowering electrical resistance, and increased ion movement activation, which increases charging efficiency and reduces the sulphation content accumulated in the active material.

즉, 종래품 대비 수명에서 28.5% 향상 효과를 보임으로써, 고전도성 맥신의 첨가가 수명 증가에 대한 긍정적인 영향을 주었음을 알 수 있었다.In other words, it showed a 28.5% improvement in lifespan compared to conventional products, showing that the addition of highly conductive MXene had a positive effect on increasing the lifespan.

5) 내구성 평가(50% DoD)5) Durability evaluation (50% DoD)

종래품과 개선품에 대하여 내구성 평가를 실시한 결과, 종래품 100% 기준으로 개선품의 경우, 118%의 내구성을 나타내었으므로 18%의 내구성 향상을 제공할 수 있음을 알 수 있었다.As a result of conducting a durability evaluation on the conventional product and the improved product, it was found that the improved product showed a durability of 118% based on 100% of the conventional product, so it could provide an 18% durability improvement.

즉, 도 3에 도시한 바와 같이, 종래품 대비 내구성에서 18% 향상 효과를 보임으로써, 고전도성 맥신의 첨가가 내구성 증가에 대한 긍정적인 영향을 주었음을 알 수 있었다.That is, as shown in Figure 3, durability was improved by 18% compared to the conventional product, indicating that the addition of highly conductive MXene had a positive effect on increasing durability.

상기와 같은 제조 방법을 통해, 종래의 납축전지 음극에 첨가하는 활물질에 Ti3C2 맥신 분말을 첨가하여 극판 내 전해액과 활물질 계면 간의 이온 이동과 표면화학반응을 향상시킬 수 있게 됨으로써, 음극 활물질의 내부 전기전도도를 증가시켜 납 축전지 기초 성능과 내구성을 향상시키게 된다.Through the above manufacturing method, it is possible to improve ion movement and surface chemical reaction between the electrolyte solution in the electrode plate and the active material interface by adding Ti 3 C 2 MXene powder to the active material added to the negative electrode of a conventional lead acid battery, thereby improving the negative electrode active material. By increasing internal electrical conductivity, the basic performance and durability of the lead acid battery are improved.

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. Those skilled in the art to which the present invention pertains as described above will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing its technical idea or essential features. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not limiting.

S100 : 맥신분말혼합단계
S200 : 자연숙성및건조단계
S100: Maxine powder mixing step
S200: Natural ripening and drying stage

Claims (5)

맥신 분말을 이용한 납축전지용 음극 활물질 제조 방법에 있어서,
납축전지의 음극 활물질 혼합공정에서,
연분, 황산, 및 음극에 따른 첨가제를 배합할 시, Ti3C2 맥신 분말을 첨가해 혼합하여 음극 활물질 안에 분포하게 하기 위한 맥신분말혼합단계(S100);와
Ti3C2 맥신 분말이 포함된 음극 활물질을 납으로 제작된 기판에 도포한 후, 대기 중에서 자연 숙성 및 건조시키기 위한 자연숙성및건조단계(S200);를 포함하는 것을 특징으로 하되,
상기 맥신분말혼합단계(S100)는,
음극 활물질 총 중량부에 대하여 연분 80 ~ 83 중량부, 황산 5 ~ 10 중량부, 물 10 ~ 15 중량부, 음극첨가제 1 ~ 3 중량부를 배합하는 기초음극활물질배합단계;와
상기 기초음극활물질배합단계에서 배합된 혼합물에 혼합물 100 중량부 대비 Ti3C2 맥신 분말 40 중량부를 첨가하여 55 ~ 75도의 온도에서 교반하여 75 ~ 80g/in3 밀도의 음극 활물질을 수득하기 위한 맥신첨가음극활물질획득단계;를 포함하는 것을 특징으로 하며,
상기 맥신분말혼합단계(S100)에서,
Ti3C2 맥신 분말을 첨가하여 기공활성화와 황산과의 반응면적 증대 및 음극 활물질의 내부 전기전도도를 증대시켜 납축전지의 기초성능 및 내구성을 증대시키는 것을 특징으로 하며,
상기 맥신 분말을 이용한 납축전지용 음극 활물질 제조 방법에 의해,
Ti3C2 맥신 분말을 첨가하지 않은 경우에 C20 70.1Ah에서 Ti3C2 맥신 분말 첨가시 C20 77.8Ah로 10% 향상을 제공할 수 있는 것을 특징으로 하며,
Ti3C2 맥신 분말을 첨가하지 않은 경우에 EN CCA 7.31V에서 Ti3C2 맥신 분말 첨가시 EN CCA 7.53V로 3% 향상을 제공할 수 있는 것을 특징으로 하며,
Ti3C2 맥신 분말을 첨가하지 않은 경우에 충전수입성은 16.43에서 Ti3C2 맥신 분말 첨가시 19.29로 17% 향상을 제공할 수 있는 것을 특징으로 하며,
Ti3C2 맥신 분말을 첨가하지 않은 경우에 수명이 238 사이클에서 Ti3C2 맥신 분말 40 중량부 첨가시, 수명이 306 사이클로 28.5%의 수명 향상을 제공하는 것을 특징으로 하는 맥신 분말을 이용한 납축전지용 음극 활물질 제조 방법.
In the method of manufacturing a negative active material for a lead acid battery using MXene powder,
In the mixing process of negative active materials for lead acid batteries,
When mixing lead powder, sulfuric acid, and additives according to the negative electrode, Ti 3 C 2 MXene powder is added and mixed to distribute it in the negative electrode active material (S100);
After applying the negative electrode active material containing Ti 3 C 2 MXene powder to a substrate made of lead, a natural aging and drying step (S200) for natural aging and drying in the air,
The MXene powder mixing step (S100),
A basic anode active material mixing step of mixing 80 to 83 parts by weight of lead dust, 5 to 10 parts by weight of sulfuric acid, 10 to 15 parts by weight of water, and 1 to 3 parts by weight of anode additive based on the total weight of the anode active material;
40 parts by weight of Ti 3 C 2 MXene powder was added to the mixture mixed in the basic anode active material mixing step, based on 100 parts by weight of the mixture, and stirred at a temperature of 55 to 75 degrees to obtain a negative electrode active material with a density of 75 to 80 g/in 3 . Characterized by comprising a step of obtaining an added negative electrode active material,
In the MXene powder mixing step (S100),
The addition of Ti 3 C 2 MXene powder increases the basic performance and durability of the lead acid battery by activating pores, increasing the reaction area with sulfuric acid, and increasing the internal electrical conductivity of the negative electrode active material.
By the method for producing a negative active material for lead acid batteries using the MXene powder,
It is characterized in that it can provide a 10% improvement from C20 70.1 Ah when Ti 3 C 2 MXene powder is not added to C 20 77.8 Ah when Ti 3 C 2 MXene powder is added.
It is characterized in that it can provide a 3% improvement from EN CCA 7.31V when Ti 3 C 2 MXene powder is not added to EN CCA 7.53V when Ti 3 C 2 MXene powder is added.
When Ti 3 C 2 MXene powder is not added, the chargeability is characterized as being able to provide a 17% improvement from 16.43 to 19.29 when Ti 3 C 2 MXene powder is added.
Lead using MXene powder, which provides a 28.5% lifespan improvement from 238 cycles when Ti 3 C 2 MXene powder is not added to 306 cycles when 40 parts by weight of Ti 3 C 2 MXene powder is added. Method for manufacturing anode active material for storage battery.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1항의 제조 방법에 의해,
Ti3C2 맥신 분말을 이용한 납축전지용 음극 활물질을 적용한 납축전지용 극판을 포함하고 있는 납축전지.
By the manufacturing method of claim 1,
A lead-acid battery containing an electrode plate for a lead-acid battery using a negative electrode active material for a lead-acid battery using Ti 3 C 2 MXene powder.
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