KR20100088019A - 파워 배터리 - Google Patents

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KR20100088019A
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전민제
한상진
최상진
이동렬
황명구
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비나텍주식회사
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Abstract

본 발명은 고출력을 발휘할 수 있으며, 수명이 긴 파워 배터리(Power Battery)에 관한 것으로, 이산화납(PbO2)을 주성분으로 하는 양극판과, 상기 양극판을 기준으로 양 표면에 각각 순차적으로 형성되는 커패시터 전극 및 납(Pb)을 주성분으로 하는 음극판과, 상기 음극판의 외곽에 형성되어 상기 양극판, 상기 커패시터 전극 및 상기 음극판을 하나의 셀로 구분 지어 주는 흡수성 유리 마이크로섬유(AGM) 및 상기 흡수성 유리 마이크로섬유(AGM)를 감싸면서, 전해액을 담고 있는 케이스를 포함하되, 상기 양극판 및 상기 커패시터 전극 사이의 계면에는 10 ~ 20㎛ 두께의 다공성 폴리프로필렌(Polypropylene) 분리판이 형성되고, 상기 커패시터 전극은 상기 음극판과 병렬로 연결되고, 상기 음극판의 표면에는 다공성 납 집전체가 형성된 구조로 이루어진다.
본 발명에 따른 파워 배터리는 양극판 및 음극판 사이에 흡수성 유리 마이크로섬유(AGM)를 별도로 형성하지 않아도 되므로 셀 사이즈를 감소시킬 수 있고, 결정질 활성탄을 첨가 및 다공성 납 집전체를 형성함으로써, 음극판의 비표면적을 증대시키고, 출력 증강 및 음극판의 유지를 함께 도모할 수 있으며, 또한 음극판에 이산화망간을 첨가함으로써 음극에서 발생하는 수소의 환수를 촉진할 수 있다.

Description

파워 배터리{POWER BATTERY}
본 발명은 하이브리드 전기 자동차(Hybrid Electric Vehicle) 등에 이용할 수 있는 파워 배터리(Power Battery)에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 Pb 및 PbO2를 음극판 및 양극판의 주성분으로 하는 배터리에 있어서, 음극판의 비표면적을 증가시키고, 또한 음극판에서 발생하는 수소를 빠르게 환수할 수 있는 특성을 갖는 파워 배터리에 관한 것이다.
화석 연료의 소비를 감소시키고, 대기 오염을 방지하기 위하여, 최근 석유 등의 화석 연료에만 의존하지 않는 자동차 개발에 대한 연구가 전세계적으로 활발히 이루어지고 있다.
이러한 자동차는 전기 자동차(EV: electric vehicle), 하이브리드 전기 자동차(HEV: hybride electric vehicle) 및 마일드 하이브리드 전기 자동차(mild hybride electric vehicle)로 크게 3가지로 분류할 수 있다.
이중, 전기 자동차 및 하이브리드 전기 자동차는 파워 배터리를 비롯한 다양한 다른 배터리 유형을 사용할 수 있는 반면, 마일드 하이브리드 전기 자동차는 비용 감소 문제로 인해 주로 파워 배터리만을 사용하게 된다.
그리고, 전기 자동차 및 하이브리드 전기 자동차는 내연 기관과 전력 공급용 배터리의 조합에 의존한다. 아울러, 현재 화석 연료에 의존하는 차(내연 기관 차)에 있어서 증가하는 차내 전력 요건(power requirements)에 기인하여, 현행 14-볼트 교류발전기(alternator)의 성능은 그 한계에 근접하거나 그 한계를 초과하고 있다.
이로 인하여, 마일드 하이브리드 전기 자동차가 개발되었다. 이러한 마일드 하이브리드 전기 자동차는 32-볼트 배터리 및 42-볼트 교류발전기를 사용한다. 따라서, 마일드 하이브리드 전기 자동차는 현행 내연 기관 차에 비하여, 결과적으로 보다 낮은 배출물을 생성하는 장점을 제공한다. 그러나, 전기적으로 보다 높은 발전 전력을 사용하여야 하는 문제가 있다.
그 외에, 전기적 전력에 적어도 부분적으로 의존하고 있는 자동차에 대한 새로운 배터리 및 전력 네트워크의 개발에서 수많은 유의 적인 진보들이 이루어지고 있긴 하지만, 이러한 자동차에 사용된 배터리는 여전히 다수의 문제점이 있다.
대부분의 문제점은 배터리의 음극판 부분에서 나타나는데, 구체적으로는 음극판 부분의 비표면적이 작아 출력 증강이 잘 이루어지지 않는 점, 음극판 표면에서 황산납(PbSO4)가 결정 성장함으로 인하여 파워 배터리가 조기에 작동하지 아니하 는 점, 그리고 음극판에서 발생하는 수소 환수가 양극판에서 발생하는 산소 환수에 비하여 극히 미량만이 이루어져 전해액이 감소되는 문제점 등을 들 수 있다.
상기의 문제들로 인하여, 파워 배터리는 고출력을 발휘하기 힘들고, 수명이 짧아 상용화되기 어려운 문제점이 있었다.
따라서, 음극판의 비표면적을 증대시킴과 동시에 황산납의 결정 성장을 방지하고, 또한 음극판에서 발생하는 수소 환수를 빠르게 이루어지는 파워 배터리가 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 하이브리드 전기 자동차(Hybrid Electric Vehicle)용 동력원으로 이용할 수 있도록, 고출력 및 긴 수명을 발휘할 수 있으며, 납(Pb)을 주성분으로 하는 음극판에서 발생하는 수소(H2)를 빠르게 환수할 수 있는 파워 배터리를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 파워 배터리는 이산화납(PbO2)을 주성분으로 하는 양극판과, 상기 양극판을 기준으로 양 표면에 각각 순차적으로 형성되는 커패시터 전극 및 납(Pb)을 주성분으로 하는 음극판과, 상기 음극판의 외곽에 형성되어 상기 양극판, 상기 커패시터 전극 및 상기 음극판을 하나의 셀로 구분 지어 주는 흡수성 유리 마이크로섬유(AGM) 격리막 및 상기 흡수성 유리 마이크로섬유 격리막을 감싸면서, 전해액을 담고 있는 케이스를 포함하되, 상기 양극판 및 상기 커패시터 전극 사이의 계면에는 10 ~ 20㎛ 두께의 다공성 폴리프로필렌(Polypropylene) 분리판이 형성되고, 상기 커패시터 전극은 상기 음극판과 병렬로 연결되고, 상기 음극판의 표면에는 다공성 납 집전체가 형성된 구조를 포함한다.
여기서, 상기 커패시터 전극은 비표면적 1000 ~ 2200m2/g을 가지는 야자수계 활성탄, 석탄계 활성탄, 석유계 활성탄, 전도성 고분자계 활성탄 및 결정성고분자 수지 탄화계 활성탄 중 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 커패시터 전극은 셀룰로즈계(Cellulose) 바인더, 폴리비닐계(Polyvinyl) 바인더, 테플론계(Teflon) 바인더 및 합성고무계(Synthetic Rubber) 바인더 중 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 커패시터 전극은 10 ~ 90nm 사이즈의 카본블랙을 더 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 커패시터 전극은 질화처리, 유기산 처리 및 불화처리 중 적어도 하나로 처리되어 친수성 관능기를 갖는 것을 특징으로 하고, 상기 음극판은 납(Pb) 85 ~ 95중량%, 황산바륨(BaSO4) 2 ~ 8중량%, 카본블랙 0.1~1.5중량%, 결정질 활성탄 0.1~1.5중량% 및 이산화망간(MnO2) 0.1~5.5중량%로 이루어진 것을 특징으로 하고, 상기 결정질 활성탄은 비표면적 700 ~ 1200m2/g을 가지는 야자수계 활성탄인 것을 특징으로 하고, 상기 음극판 표면에는 이산화망간(MnO2)이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하고, 상기 다공성 납 집전체는 Pb-Ca 또는 Pb-Ag 합금으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하고, 상기 다공성 납집전체는 안티몬, 비스무스, 유기산 및 세슘 중 적어도 하나가 더 첨가되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 파워 배터리는 음극판에 결정질 활성탄을 첨가함으로써 음극판의 비표면적을 증대를 통한 출력 증강 및 음극판의 유지를 함께 도모할 수 있으 며, 또한 음극판에 이산화망간(MnO2)을 첨가함으로써 음극판에서 발생하는 수소를 빠르게 환수할 수 있는 효과가 있다.
아울러, 본 발명에 따른 파워 배터리는 고출력과 동시에 긴 수명을 가질 수 있는 특성에 따라, 하이브리드 전기 자동차 등에 동력원으로 이용할 수 있는 장점이 있다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시양태를 참조하여 파워 배터리에 관하여 보다 상세히 설명하고자 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 파워 배터리를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 이산화납(PbO2)을 주성분으로 하는 양극판(130)이 배터리의 중심부에 형성된다.
그 다음에는, 양극판(130)을 기준으로 양 표면에 커패시터 전극(110b, 120b) 및 음극판(110a, 120a)이 각각 순차적으로 형성된다. 이때, 양극판(130) 및 커패시터 전극(110b, 120b) 사이의 계면에는 각각 10 ~ 20㎛ 두께의 다공성 폴리프로필렌(Polypropylene) 분리판(131)이 형성된다.
본 발명에서, 다공성 폴리프로필렌 분리판(131)은 양극판(130)과 커패시터 전극(110b, 120b)을 분리시키는 역할을 하는 동시에 음극판(110a, 120a)과도 격리가 될 수 있도록 하는 역할을 한다. 따라서, 본 발명에 따른 파워 배터리 구조에서는 양극판(130)과 음극판(110a, 120a)을 분리시키기 위한 흡수성 유리 마이크로섬유(AGM) 격리막이 별도로 필요하지 않게 된다. 이러한 원리에서 다공성 폴리프로필렌 분리판(131)이 10㎛ 미만으로 형성될 경우 커패시터 전극(110b, 120b) 및 음극판(110a, 120a)을 동시에 분리시킬 수 있는 능력이 떨어지게 되고, 20㎛를 초과하는 두께로 형성될 경우 다공성으로 만드는 공정이 복잡하고, 폴리프로필렌 자체 성질이 딱딱한 특성이 있어 제조가 용이하지 못한 문제가 발생할 수 있다. 아울러, 흡수성 유리 마이크로섬유(AGM) 격리막 미사용으로 인하여 얻을 수 있는 셀 크기 감소 효과를 기대할 수 없게 될 수 있다.
그 다음에는, 상술한 양극판(130), 커패시터 전극(110b, 120b) 및 음극판(110a, 120a)을 하나의 셀로 구분 지어 주는 흡수성 유리 마이크로섬유(140)가 형성된다.
그 다음에는, 흡수성 유리 마이크로섬유(140)를 감싸면서, 전해액을 담고 있을 수 있는 케이스(160)를 형성하여 본 발명에 따른 파워 배터리(100)를 완성한다.
여기에서, 커패시터 전극(110b, 120b)은 상기 음극판(110a, 120a)과 내부 병렬 외부 연결 구조로 형성되고, 음극판(110a, 120a)의 표면에는 다공성 납 집전체(150)가 형성되고, 각각의 전극(110c, 120c)들과 연결된다.
이하에서는, 상술한 구성 및 그 용어에 대해 보다 상세하게 설명하는 것으로 한다.
셀 구성
용어 "파워 배터리(Power Battery)"는 하나 이상의 파워 배터리 전지를 포함하는 임의의 유닛을 포함하는 가장 넓은 의미로 사용된다.
본 발명에서 설명된 파워 배터리는 납을 주성분으로 하는 하나 이상의 음극 또는 음극판, 이산화납을 주성분으로 하는 하나의 양극 또는 양극판 및 하나 이상의 커패시터 전극을 포함한다.
그 외에 전해액, 첨가제 등을 포함하며 상기 구성을 포함하는 케이스 내에서 발생하는 가스를 제어할 수 있는 환수형 구조, 즉 밀폐형 구조를 갖도록 형성한다. 본 발명에서는 VRLA(Value Regulated Lead Acid) 구조를 형성하기 위하여, 양극판의 헤드 스페이스(Head Space)를 감쌀 수 있는 분리판을 형성한다.
양극판
양극판의 문맥에서 사용된 용어 "주성분으로 하는"은 양극판을 구성하는 물질로만 전적으로 형성된다는 사실을 암시하는 것을 피하기 위해서 사용되는데, 주어진 이산화납(PbO2) 물질을 제외한 물질 또는 첨가제를 포함할 수 있다는 사실도 나타내기 위한 것이다.
음극판
음극판의 문맥에서 사용된 용어 "주성분으로 하는"은 음극판을 구성하는 물질로만 전적으로 형성된다는 사실을 암시하는 것을 피하기 위해서 사용되는데, 주어진 납(Pb) 물질을 제외한 물질 또는 첨가제를 포함할 수 있다는 사실도 나타내기 위한 것이다.
납(Pb) 물질은 해면상 납을 사용하는 것이 바람직하며, 비표면적 증대 및 출력 증강을 위하여 카본 블랙 또는 결정형 활성탄을 첨가하는 것이 바람직하다.
특히, 본 발명에서 음극판은 납(Pb) 85 ~ 95중량%, 황산바륨(BaSO4) 2 ~ 8중량%, 카본블랙 0.1 ~ 1.5중량%, 결정질 활성탄 0.1 ~ 1.5중량% 및 이산화망간(MnO2) 0.1 ~ 5.5중량%로 형성하는 것이 바람직하다.
여기서, 황산바륨(BaSO4)은 불활성 팽창제로서, 파워 배터리의 충방전에 따른 수축을 방지하여 용량의 감소를 막는 역할을 한다. 이러한 황산바륨은 음극판 전체 중량의 2 ~ 8중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 황산바륨이 2중량% 미만으로 첨가되는 경우, 충방전시 음극판 수축이 일어날 수 있으며, 8중량%를 초과하여 첨가되면 상대적으로 납(Pb)의 함량이 감소하여 출력 특성이 저하될 수 있다.
아울러, 결정질 활성탄은 <002>방향 또는 <100>방향 결정 구조를 유지하는 것을 사용하며, 비표면적 700 ~ 1200m2/g을 가지는 야자수계 활성탄을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 결정 구조 및 비표면적 이외의 활성탄을 이용할 경우 PbSO4 형성시 결정 성장 방지 효과가 떨어지게 되어 전극 유지 효율이 감소될 수 있다.
이산화망간(MnO2)을 사용하는 이유는 음극판에서 발생하는 H2를 용이하게 환수하기 위함이다. 종래 기술에서 양극판에서 발생하는 O2 는 환수하기 용이한 반면에 음극판에서 발생되는 H2 가스의 경우 환수가 어려운 문제가 있었다. 그러나, 본 발명에서는 감극제로 이산화망간(MnO2)을 사용함으로써, H2 가스의 경우 환수를 촉진시킬 수 있다.
이러한 이산화망간(MnO2)은 음극판 형성시 조성물로 포함시키거나, 음극판 형성 후 표면 코팅하는 방식으로 사용할 수 있다. 조성물로 포함되는 경우 이산화망간(MnO2)은 음극판(110a) 전체 중량의 0.1~5.5중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 이산화망간(MnO2)이 0.1중량%미만으로 첨가될 경우 환수촉매로서의 역할을 기대하기 어렵고, 이산화망간(MnO2)이 5.5중량%를 초과하여 첨가될 경우에는 출력 증강에 장 애 요소로 작용할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 음극판은 활성 전극 물질로 구성되는 다공성 납 집전체를 포함한다. 이 다공성 납 집전체는 페이스트 형태로 음극판의 표면에 도포되는 것이 바람직하다. 다공성 납 집전체는 Pb-Ca 또는 Pb-Ag 합금으로 형성하는 것이 바람직하며, 안티몬, 비스무스, 유기산 및 세슘 중 적어도 하나가 더 첨가할 수 있다.
커패시터 전극
용어 "커패시터"는 전극에 관한 문단에서 고 표면적 물질과 전해질 용액 간의 입자/용액 계면의 이중층 커패시턴스를 통해 에너지를 저장하는 전극을 의미하는 데 사용된다.
여기에는, 2가지 주요 부류의 커패시터가 존재한다.
제 1 부류는 양극으로서 하나의 전극과 음극으로서 또 다른 나머지 전극을 포함하는 "이중층 커패시터"(달리 표현하자면 "대칭성 커패시터"라고 공지되어 있음)이다.
제 2 부류는 "하이브리드 커패시터", "울트라커패시터" 및 "수퍼커패시터"라고 칭하기도 하는 비대칭성 커패시터이다.
"비대칭성 커패시터"는 입자/용액 계면에 걸친 이중층 커패시턴스를 통해 에너지를 저장하는 하나의 전극 및 에너지를 유사전기용량적으로(pseudocapacitively) 저장하는 패러데이 또는 배터리 유형 전극인 제 2 전극을 포함한다. 접두사 "울트라" 및 "수퍼"는 경우에 따라 일반적으로 비대칭성 커패시터를 의미하는 데 사용하고, 경우에 따라 큰 저장 성능을 가진 그러한 커패시터를 의미하는 데 사용한다. 본 발명에 있어서, 접두사 "울트라"는 이러한 제 1 의미로 가장 통상적으로 사용되지만, 경우에 따라서는 제 2 의미로 사용되기도 하는데, 그 이유는 본 발명의 배터리의 커패시터 부분의 커패시턴스가 고 커패시턴스인 것이 바람직하기 때문이다. 비대칭성 커패시터 부분은 울트라커패시터 커패시턴스를 갖는 것이 바람직하고, 수퍼커패시터 커패시턴스를 갖는 것이 보다 더 바람직하다.
일반적으로, 납 전극 및 이산화납 전극에 관하여 커패시터 전극은 금속 그리드(통상적으로는 납 합금으로부터 제조됨) 및 커패시터 물질을 결합제와 함께 포함하는 페이스트화 코팅을 포함한다. 페이스트 조성물에 적합한 결합제의 예로는 카르복실메틸셀룰로즈 및 네오프렌이 있다.
커패시터 전극은 커패시터에 사용하기에 적합한 고 표면적(또는 고 비율) 물질을 포함하는 것이 적합하다. 이러한 고 비율 커패시터 물질로는 고 표면적 탄소, 루테륨 산화물, 은 산화물, 코발트 산화물 및 전도성 중합체를 들 수 있다. 커패시터 음극은 고 표면적 탄소 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 고 표면적 탄소물질의 예로는 활성탄, 카본 블랙, 비정질 탄소, 탄소 나노입자, 탄소 나노튜브, 탄소 섬유 및 이들의 혼합물이 있다.
상기 물질들의 혼합물은 표면적(이로 인한 커패시턴스)과 전도도 간의 적당한 균형 맞추어 사용되고 있는데, 본 발명에서는 비용적인 측면이 가장 유리한 활성탄을 사용한다.
본 발명에 따른 커패시터 전극은 셀룰로즈계(Cellulose) 바인더, 폴리비닐계(Polyvinyl) 바인더, 테플론계(Teflon) 바인더 및 합성고무계(Synthetic Rubber) 바인더 중 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 사용하고, 질화처리, 유기산 처리 및 불화처리 중 적어도 하나로 처리되어 친수성 관능기를 갖는 것을 특징
활성탄 물질은 표면적이 1000 내지 2000 m2/g을 가지는 야자수계 활성탄, 석탄계 활성탄, 석유계 활성탄, 전도성 고분자계 활성탄 및 결정성고분자수지 탄화계 활성탄 중 선택된 하나 이상을 사용하는 것이 바람직하다. 아울러, 상기 물질 보다 큰 전도성 물질, 예컨대 10 ~ 90nm의 카본블랙과 조합하여 사용하는 것이 적합하다. 10nm 미만의 카본블랙을 첨가할 경우 원하는 도전 특성을 얻지 못할 수 있으며, 90nm를 초과하는 카본블랙을 첨가할 경우 유효 비표면적, 유효 기공사이즈, 유효 기공분율과 같은 특성이 저하될 수 있다.
물리적 배치
본 발명에 따른 전극판은 임의의 적합한 형상을 가질 수 있으므로, 프리즘 전지 또는 나선형-권취된 전지의 형성에 있어 평평한 극판 형태 또는 나선형 권취된 극판 형태로 존재할 수 있다. 디자인의 명료성을 위해서는 평평한 극판이 바람직하다.
전해액
본 발명에 따른 파워 배터리는 산 전해질이 사용될 수 있다. 액체 또는 겔의 형태로 사용되며, 황산 전해질이 바람직하다.
다른 배터리 유형의 경우, 전해질은 알칼리, 예컨대 칼륨 및 기타 산화물, 리튬 포함 유기 용매, 중합체 전해질, 액체 또는 고체 상태의 이온성 액체 전해질 등을 비롯한 수성 또는 유기 전해질일 수 있다. 선택된 배터리 양극판 및 음극판 물질에 적합한 전해질은 통상적으로 해당 기술 분야의 당업자에 의해 선택할 수 있다.
분리판(separator)
일반적으로, 양극판과 음극판 각각은 다공성 격리막에 의해 인접한 전극들로부터 격리되어야 한다. 인접한 전극들 사이에 적당한 격리 거리를 유지한다. 바로 인접한 납을 주성분으로 하는 음극과 이산화납을 주성분으로 하는 양극 사이에 위치한 격리막은 해당 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 임의의 적합한 다공성 물질, 예컨대, 다공성 중합체 물질 또는 흡수성 유리 마이크로섬유(Absorptive Glass Microfibre; 이하 AGM 격리막)으로부터 제조할 수 있다. (격리막 두께에 상응하는) 격리 거리는 이러한 격리막의 경우 일반적으로 1 ~ 2.5 mm이다. 배터리 부분을 형성하는 양극판과 음극판 사이에 격리막을 형성시키는 데 유용한 적합한 중합체 물질로는 폴리에틸렌 및 AGM 격리막이 사용될 수 있다. 폴리에틸렌 격리막은 두께가 1 ~ 1.5 밀리미터인 것이 적합하고, AGM 격리막은 두께가 1.2 ~ 2.5 mm인 것이 적합하다.
그러나, AGM 격리막이 양극판과 음극판 사이에 포함되는 경우 배터리의 두께가 증가될 수 있으므로, 본 발명에서는 양극판을 공유하도록 커패시터 전극과 음극판을 내부 병렬 구조로 연결시킨 후 양극판과 커패시터 전극 사이의 계면에 10 ~ 20㎛ 두께의 다공성 폴리프로필렌(Polypropylene) 분리판을 사용하는 구조를 사용한다. 따라서, 본 발명에서는 양극판과 음극판 사이에 두꺼운 격리막이 사용되지 않도록 하여 배터리 크기를 감소시킬 수 있도록 하고, AGM 격리막은 셀 간 격리를 위한 분리판으로서만 사용될 수 있도록 한다.
실시예
1. 파워 배터리의 제조
실시예 1
전해액으로 황산용액(비중 1.28, 20℃)이 담긴 케이스 내에 도 1 도시된 바와 같은 배열로, 음극판, 양극판, 커패시터 전극, 분리판, 다공성 납 집전체, AGM 격리막을 다음과 같이 제조하여 파워 배터리를 제조하였다.
여기서, 납(Pb) 900g, 황산바륨 50g, 카본블랙 10g, 결정질 활성탄 10g 및 이산화망간(MnO2) 30g으로 이루어진 음극판(40mm X 68mm X 3.3mm)을 제조하였다. 상기 음극판과 동일한 사이즈로서 PbO2 1000g으로 이루어진 양극판을 제조하였다. 활성탄 65g(2000m2/g, 쿠라레이케미컬사 제조), 카본블랙 20g(60m2/g, Denki Kagaku사 제조), CMC 7.5g, 네오프렌 7.5g으로 이루어진 커패시터 전극(40mm X 68mm X 3.3mm)을 제조하였다. 양극판 및 커패시터 전극 사이의 영역에는 10㎛ 두께의 다공성 폴리프로필렌(Polypropylene) 분리판을 제조하였다. 음극판의 표면에는 Pb-Ca로 이루어진 다공성 납 집전체를 제조하였다. 흡수성 유리 마이크로섬유(AGM) 격리막은 40mm X 68mm X 2mm의 크기로 제조하였다.
실시예 2
음극판으로 납 895g, 결정질 활성탄 15g 및 10㎛ 두께의 다공성 폴리프로필렌(Polypropylene) 분리판을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 파워 배터리를 제조하였다.
실시예 3
음극판으로 납 880g, 이산화망간 50g 및 20㎛ 두께의 다공성 폴리프로필렌(Polypropylene) 분리판을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 파워 배터리를 제조하였다.
비교예 1
8㎛ 두께의 다공성 폴리프로필렌(Polypropylene) 분리판을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 파워 배터리를 제조하였다.
비교예 2
22㎛ 두께의 다공성 폴리프로필렌(Polypropylene) 분리판을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 파워 배터리를 제조하였다.
비교예 3
음극판에 다공성 납 집전체 및 이산화망간을 사용하지 않는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 파워 배터리를 제조하였다.
비교예 4
음극판에 다공성 납 집전체를 사용하지 않고 및 결정질 활성탄 대신에 비결정질 활성탄 10g을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 파워 배터리를 제조하였다.
실시예 1 ~ 3과 비교예 1 ~ 4는 음극판의 구성, 분리판의 두께 및 다공성 납 집전체 구성을 달리한 것으로, 이를 표 1에 정리하였다.
[표 1]
납
(g)		 황산바륨
(g)		 카본블랙
(g)		 결정질
활성탄(g)		 이산화망간
(g)		 분리판
두께(㎛)		 다공성 납 집전체
실시예1 900 50 10 10 30 10 O
실시예2 895 50 10 15 30 10 O
실시예3 880 50 10 10 50 20 O
비교예1 900 50 10 10 30 8 O
비교예2 900 50 10 10 30 22 O
비교예3 990 50 10 10 0 10 X
비교예4 900 50 10 10
(비결정질)		 30 10 X
2. 측정방법
(1)전압측정기(HIOKI사 제조)를 이용하여 최대 출력전압을 측정하였다.
(2)42V 전기모터에 연결 후, 1.6V의 최소 방전 전압을 설정하고, 상기 값에 도달하기 전에 각 배터리의 충방전 싸이클 수를 측정하였다.
2. 측정결과
상기 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 4의 최대 출력전압 및 충방전 싸이클 수의 측정결과를 표 2에 나타내었다.
[표 2]
최대 출력전압 충방전 싸이클 수
실시예1 47V 8627
실시예2 50V 8328
실시예3 45V 8870
비교예1 40V 4256
비교예2 37V 4525
비교예3 39V 4436
비교예4 36V 4657
표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1~3의 경우 최대 출력전압이 45~50V로서 높게 나타났지만, 비교예 1~4의 경우 39~40V로 상대적으로 낮게 나타났다. 특히, 결정질 활성탄의 함량이 상대적으로 높은 실시예 2의 경우, 최대 출력전압이 50V로 가장 높게 나타났다. 이는 비표면적의 확대 및 황산납의 결정 성장이 억제됨으로써 고출력 전압이 나타난 것으로 보인다.
한편, 실시예 1~3의 경우, 최소 방전 전압에 도달하기 전까지의 충방전 싸이 클 수가 8,000을 모두 상회하여 높은 수명을 보였으나, 비교예 1~4의 경우 4,000 정도의 충방전 싸이클을 가짐으로써, 상대적으로 수명이 짧게 나타났다. 이는 비교예 1 및 비교예 2의 경우 양극판과 음극판 사이에 형성되는 다공성 폴리프로필렌(Polypropylene) 분리판의 두께가 적절하지 못하여 발생한 것으로 보이며, 비교예 3의 경우 다공성 납 집전체 및 이산화망간이 포함되지 않아 수소 환수가 제대로 이루어지지 않은 것으로 보이며, 비교예 4의 경우 역시 다공성 납 집전체가 형성되지 않고, 비결정질 활성탄의 사용으로 황산납의 결정 성장이 이루어졌기 때문이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 파워 배터리는 음극판에 결정질 활성탄이 포함되어 전극판의 비표면적의 증대와 동시에 황산납의 결정성장을 억제할 수 있으며, 또한 이산화망간이 포함되어 수소 가스의 환수를 촉진할 수 있다. 따라서, 전체적으로 향상된 출력 특성 및 수명 특성을 보일 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 파워 배터리를 개략적으로 도시한 것이다.

Claims (10)

  1. 이산화납(PbO2)을 주성분으로 하는 양극판;
    상기 양극판을 기준으로 양 표면에 각각 순차적으로 형성되는 커패시터 전극 및 납(Pb)을 주성분으로 하는 음극판;
    상기 음극판의 외곽에 형성되어 상기 양극판, 상기 커패시터 전극 및 상기 음극판을 하나의 셀로 구분 지어 주는 흡수성 유리 마이크로섬유(AGM) 격리막; 및
    상기 흡수성 유리 마이크로섬유(AGM) 격리막을 감싸면서, 전해액을 담고 있는 케이스를 포함하되,
    상기 양극판 및 상기 커패시터 전극 사이의 계면에는 10 ~ 20㎛ 두께의 다공성 폴리프로필렌(Polypropylene) 분리판이 형성되고, 상기 커패시터 전극은 상기 음극판과 병렬로 연결되고, 상기 음극판의 표면에는 다공성 납 집전체가 형성된 구조를 포함하는 파워 배터리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 커패시터 전극은
    비표면적 1000 ~ 2200m2/g을 가지는 야자수계 활성탄, 석탄계 활성탄, 석유계 활성탄, 전도성 고분자계 활성탄 및 결정성고분자수지 탄화계 활성탄 중 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 배터리.
  3. 제1항에 있어서, 상기 커패시터 전극은
    셀룰로즈계(Cellulose) 바인더, 폴리비닐계(Polyvinyl) 바인더, 테플론계(Teflon) 바인더 및 합성고무계(Synthetic Rubber) 바인더 중 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 배터리.
  4. 제1항에 있어서, 상기 커패시터 전극은
    10 ~ 90nm 사이즈의 카본블랙을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 배터리.
  5. 제1항에 있어서, 상기 커패시터 전극은
    질화처리, 유기산 처리 및 불화처리 중 적어도 하나로 처리되어 친수성 관능기를 갖는 것을 특징으로 하는 파워 배터리.
  6. 제1항에 있어서, 상기 음극판은
    납(Pb) 85 ~ 95중량%, 황산바륨(BaSO4) 2 ~ 8중량%, 카본블랙 0.1~1.5중량% , 결정질 활성탄 0.1~1.5중량% 및 이산화망간(MnO2) 0.1~5.5중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 파워 배터리.
  7. 제6항에 있어서, 상기 결정질 활성탄은
    비표면적 700 ~ 1200m2/g을 가지는 야자수계 활성탄인 것을 특징으로 하는 파워 배터리.
  8. 제1항에 있어서, 상기 음극판 표면에는 이산화망간(MnO2)이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 배터리.
  9. 제1항에 있어서, 상기 다공성 납 집전체는
    Pb-Ca 또는 Pb-Ag 합금으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 배터리.
  10. 제9항에 있어서, 상기 다공성 납집전체는
    안티몬, 비스무스, 유기산 및 세슘 중 적어도 하나가 더 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 배터리.
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