KR20120048189A - 배터리 활물질 지지체용 스펀본드 부직포 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량용 배터리 활물질 지지체용 스펀본드 부직포 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 상기 본 발명의 배터리 활물질 지지체용 스펀본드 부직포는 폴리에스테르 부직포를 서로 다른 섬도를 갖은 다층으로 구성함에 있어 제1섬유층은 노즐 크기 200Ø 내에 방사 구금 0.4Ø 크기의 구금 수가 200 내지 300개 홀을 갖는 노즐을 사용하여 1 내지 3데니아의 필라멘트를 제조하고 다른 제2섬유층은 상기 동일한 노즐크기 및 홀 직경의 구금 수가 30 내지 180개 홀을 갖는 노즐을 사용하여 섬도가 5 내지 15데니아의 폴리에스테르 필라멘트 섬유를 방사하여 연속 이동하는 스핀벨트(spinbelt) 상에 다층 웹으로 적층하여 열접착시키거나 또는 니들펀칭하여 제조된 것임을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 배터리 활물질 지지체용 스펀본드 부직포는 제1섬유층이 저섬도로 구성되고 제2섬유층은 태섬도로 구성됨에 의해서 태데니아로 구성된 제2섬유층에 활물질의 부착이 견고해지고 저섬도로 구성된 제1섬유층에 의해서 부착된 활물질이 배어나오지 않으므로서 견고한 부착성을 유지하고, 나아가 활물질이 배어나오지 않으므로 극판이 상호 부착되지 않고 분리성이 우수하게 되어 상기한 종래의 배터리 활물질 지지체로 부직포를 사용함에 따른 문제점을 해소하였다.

Description

배터리 활물질 지지체용 스펀본드 부직포 및 그 제조 방법{Spunbond non-woven fabric for supporting an active material of battery and manufacturing method thereof}

본 발명은 차량용 배터리 활물질 지지체용 스펀본드 부직포 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 차량용 축전지의 납과 산화납의 표면에 부착되어 제조공정을 용이하게 하고 축전지 내부 장착시 묽은 황산과 반응에 따른 활물질인 납 반죽이 유출되지 않도록 하여 우수한 내구성으로 인하여 배터리의 수명을 획기적으로 증가시키는 다층구조의 배터리 활물질 지지체용 스펀본드 부직포 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 차량, 선박, 농기계 또는 기타 산업용에 널리 사용되고 있는 각종 배터리(Battery)는 내부에 묽은 황산과 판(Plate) 형태의 납 및 산화납 극판이 다수 배열되어 있어 묽은 황산과 납이 상호 반응에 의해 전하를 발생시킨다. 극판은 납이 부착되는 메쉬(mesh) 형태의 망과 납 반죽 및 이를 지지 및 보호해 주는 외부커버로 구성되어 진다. 자세하게는, 도 1에 도시된 바와 같이, 외부커버의 역할을 하는 지지체(3)는 종래로부터 통상 펄프 재질의 종이 시트(pulp tissue)나 유리 섬유의 글라스 매트 등이 주로 사용되어 왔다. 그런데, 상기 종이시트 재질의 분리막은 고온 내열 성능이 취약하고 내산화성이 약하여 전해질에 쉽게 용해되어 배터리의 수명이 다할 때까지 극판을 보호할 수 없다는 문제점이 있었으며, 또한 글라스 매트를 이용하여 활물질(1)을 지지하여 주는 방법은 활물질과 양극판과의 결합력이 약하여 축전지 성능이 저하되고 그 주성분인 유리 섬유의 특성으로 인해 작업성과 생산성이 떨어지는 등의 문제점 있었다.

따라서, 상기한 문제점을 해결하기 위하여 대한민국 특허출원 제1997-0080771호의 "축전지용 극판에 활물질을 지지하는 방법 및 그 축전지"는 "유리 섬유를 교차시켜 만든 글래스 매트를 적당한 압력으로 격리판에 부착시켜 양극판의 활물질을 지지하여 주는 통상의 축전지용 극판에 활물질을 지지하는 방법에 있어서, 메쉬형 기판에 활물질인 연호를 도장 극판의 상하면에 부직포를 부착시켜 극판의 활물질을 지지하여 줌을 특징으로 하는 축전지용 극판에 활물질을 지지하는 방법"을 개시하고 있다.

그런데, 상기한 특허발명에서 개시하고 있는 방법은 이미 종래의 기술인 대한민국 특허출원 제1993-0030048호의 "알카리 아연축전지"에서 개시하고 있는, "Ni 양극과 Zn 음극 사이를 분리하는 폴리프로필렌 부직포가 형성되고, 상기 Ni 양극, Zn 음극 및 폴리프로필렌 부직포의 외부에 복수 겹의 미공성막을 가지는 다층분리막이 배치된 알카리 아연 축전지에 있어서, 상기 다층분리막의 Zn 음극과 폴리프로필렌 부직포 사이에 면 부직포가 형성된 것을 특징으로 하는 알카리 아연 축전지"의 구성과 같이 배터리의 분리막으로는 부직포가 그 특성상 우수하게 적용될 수 있음이 인지되어 있었으며, 따라서 이러한 기술적 사상을 원용하여 제안된 것으로 인정되고, 이러한 사정을 인지하여 배터리 분야에서 분리막에 부직포를 채용한 것이 다수 개시되어 있다.

그러나, 상기와 같이 부직포를 이용하는 배터리는 주로 리튬이온 건전지 등에 대한 것이며, 납축전지용 분리막에 대한 문제점을 해결하는 적절한 방안은 여전히 제안되고 있지 않은 상태이다.

특히, 상기 전자의 발명은 기판과 활물질 간의 결합력이 우수하게 하여 조립 공정 시에 벗겨짐이나 너덜거림 등이 없어 작업성 및 생산성이 향상될 있도록 하여 종래의 글라스 매트를 사용함에 따른 문제점을 해결하는데 그 주목적이 있는 것으로 하고 있으나, 일반적인 부직포의 경우 표면의 기공이 막혀서 활물질인 납 페이스트(lead paste)의 부착이 용이하지 않고, 또한 섬도가 크고 섬유 구성수가 적은 외부커버는 납반죽이 배어나와 공정과정의 여러 장을 일정한 압력으로 부여하면서 숙성과정 이후에 상호간 분리되지 않는 문제점이 있었으나 이에 대한 해결책이 전혀 제시되고 있지 못한 실정이다.

특허문헌 1: 대한민국 특허출원 제1993-0030048호 특허문헌 2: 대한민국 특허출원 제1997-0080771호

따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술에 있어서의 기술적 문제점을 감안하여 된 것으로, 본 발명의 주요 목적은 각종 배터리의 극판을 구성하는 활물질 지지체인 외부커버로 부직포를 사용함에 따른 상기한 종래의 문제점을 해소하여 활물질에 부착이 우수하고 배어나옴을 방지하여 분리성이 우수한 특성을 갖는 차량용 배터리 활물질 지지체용 스펀본드 부직포를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기한 우수한 특성을 갖는 배터리 활물질 지지체용으로서 서로 다른 섬도를 갖는 다층 스펀본드 부직포를 보다 용이하게 제조할 수 있는 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 또한 상기한 명확한 목적 이외에 이러한 목적 및 본 명세서의 전반적인 기술로부터 이 분야의 통상인에 의해 용이하게 도출될 수 있는 다른 목적을 달성함을 그 목적으로 할 수 있다.

상기한 본 발명의 목적은 스펀본드 부직포의 서로 다른 섬도를 갖는 다층의 섬유층으로 구성되어 지며 일면은 세섬도로 구성되고 다른 일면은 태섬도로 구성되는 스펀본드 부직포를 제공하므로서 달성되어 질 수 있었다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배터리 활물질 지지체용 스펀본드 부직포는;

폴리에스테르 부직포를 서로 다른 섬도를 갖은 다층으로 구성함에 있어 제1섬유층은 노즐 크기 200Ø 내에 방사 구금 0.4Ø 크기의 구금 수가 200 내지 300개, 우수하기로는 220 내지 280홀, 더욱 우수하기로는 240홀을 갖는 노즐을 사용하여 1 내지 3데니아의 필라멘트를 제조하고 다른 제2섬유층은 상기 동일한 노즐크기 및 홀 직경의 구금 수가 30 내지 180개 수준, 우수하기로는 50 내지 80홀을 갖는 노즐을 사용하여 섬도가 5 내지 15데니아의 폴리에스테르 필라멘트 섬유를 방사하여 연속 이동하는 스핀벨트(spinbelt) 상에 다층 웹으로 적층하여 열접착시키거나 또는 니들펀칭하여 제조된 것임을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 구성에 따르면, 상기 제1섬유층과 제2섬유층의 구성비율은 50:50임을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상기 부직포의 기본 중량은 10 내지 40g/㎡임을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상기 서로 다른 섬도을 갖는 다층의 장섬유 폴리에스테르 부직포는 고유점도(IV)가 0.60 내지 0.70인 폴리에스테르를 사용한 것임을 특징으로 한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배터리 활물질 지지체용 스펀본드 부직포의 제조 방법은;

폴리에스테르를 제1 섬유층은 홀(Hole)수가 200 내지 300홀수를 갖는 노즐을 통해서 방사 및 연신을 통해서 1 내지 3데니아의 저데니아 필라멘트를 형성하고 제2섬유층은 홀(Hole)수가 30 내지 180개를 갖는 노즐을 통해서 방사 및 연신을 행하여서 5 내지 15데니아의 태데니아 필라멘트 섬유로 제조하는 단계;

상기 제조된 폴리에스테르 필라멘트 섬유를 연속 이동하는 컨베이어 상에 웹을 적층하는 단계; 및

상기 적층된 필라멘트 웹을 열접착 시키거나 또는 니들펀칭하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 배터리 활물질 지지체용 스펀본드 부직포는 제1섬유층이 저섬도로 구성되고 제2섬유층은 태섬도로 구성됨에 의해서 태데니아로 구성된 제2섬유층에 활물질의 부착이 견고해지고 저섬도로 구성된 제1섬유층에 의해서 부착된 활물질이 배어나오지 않으므로서 견고한 부착성을 유지하고, 나아가 활물질이 배어나오지 않으므로 극판이 상호 부착되지 않고 분리성이 우수하게 되어 상기한 종래의 배터리 활물질 지지체로 부직포를 사용함에 따른 문제점을 해소하였다.

도 1은 일반적인 납축전지의 개략도로서, 극판과 이를 지지하는 분리막의 구조를 확대 도시한 확대도이고,
도 2는 본 발명에 따른 배터리 분리막 활물질 지지체용 다층구조의 스펀본드 부직포의 단면도이고,
도 3은 배터리 극판의 제조공정을 나타낸 제조공정 흐름도이다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참고로 바람직한 실시형태에 의해 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 일반적인 납축전지의 개략도로서, 극판과 이를 구성하는 자재를 도시한 확대도이고, 도 2는 본 발명에 따른 배터리 분리막 활물질 지지체용 다층구조의 스펀본드 부직포의 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 분리막 활물질 지지체용 스펀본드 부직포는 제1섬유층(31)과 제2섬유층(32)으로 구성되어 진다.

도 3은 차량용 배터리 극판을 만드는 과정을 도시한 흐름도로, 통상적으로 배터리용 극판은 납판을 메쉬 형태로 가공된 판이 준비되고, 산화납 및 납 분말은 물과 황산 및 기타 첨가제와 섞여 납반죽(Paste)을 만들어 이동되는 메쉬형 납판에 도포된다. 그런 다음 상기와 같이 준비된 납판의 상부 및 하부에 활물질 지지체(3)로, 본 발명에 따른 부직포가 부여된다. 이 극판은 상/하부 롤러에 의해서 약하게 압착되고 형상에 맞게 절단된다. 그런 다음 극판의 표면을 건조시키기 위해서 예비건조가 70 내지 120℃ 범위에서 수행된다. 예비건조된 극판을 여러 겹으로 쌓은 후 숙성을 시키기 위해서 일정한 온도와 압력하의 챔버에 3 내지 7일 동안 숙성된다. 이후, 숙성된 극판은 개별적으로 분리되고 축전지 케이스에 위치되어 지며 묽은 황산이 채워진다.

상기한 일반적인 과정에서 활물질 지지체인 부직포가 활물질과 적합하게 부착되지 않으면 활물질과 분리되는 문제가 있으며, 또한 활물질이 지지체로부터 배어나오면 숙성과정 이후 극판의 개별 분리시 분리가 되지 않아 불량을 발생시키는 문제가 발생한다. 따라서, 일 측면은 활물질과 결합성이 우수해야 하면 다른 일 측면은 조밀하여 활물질이 배어나오지 않도록 하는 지지체가 필요하다.

따라서, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 차량용 배터리 극판의 활물질 지지체용 다층구조 스펀본드 부직포는, 도 2에 도시된 바와 같이 특정한 구성으로 되는 다층의 형태로, 폴리에스테르 수지를 사용하여 제조된 것이다. 자세하게는, 폴리에스테르 칩을 익스투루더에서 용융하여 노즐 크기 200Ø 내에 방사 구금0.4Ø 크기의 구금 수가 200 내지 300개, 우수하기로는 220 내지 280홀, 더욱 우수하기로는 240홀을 갖는 노즐을 사용하여 용융방사하고 이젝터를 통해서 공기압력에 의해서 연신하여 1 내지 3데니아의 필라멘트를 제조하여 본 발명의 부깆포의 제1섬유층을 형성한다. 이때, 1데니아 이하의 경우에는 구금 당 폴리머 토출량이 작게 되어 사절이 빈번하게 발생될 수 있게 되어 바람직하기 않고, 반대로 3데니아를 초과하면 활물질이 배어나와서 예비건조시나 숙성 공정에서 적층된 극판이 분리되지 않는 문제점을 발생시켜 바람직하지 않다.

다음으로, 본 발명에 따른 부직포의 제2섬유층은 폴리에스테르 수지를 사용하여 제조된 것으로, 제1섬유층 형성과 동일하게 폴리에스테르 칩을 익스투루더에서 용융하고 노즐 크기 크기 200Ø 내에 방사 구금0.4Ø 크기의 구금 수가 30 내지 180개를 갖는 노즐로부터 방사하고 이젝터를 통해서 공기압력에 의해서 연신하여 5 내지 15데니아의 필라멘트를 제조한다. 이때, 제2섬유층이 15데니아를 초과하는 경우에는 섬유 간 공간(기공)이 과도하게 크게 되어 활물질이 견고하게 부착되지 못하기 때문에 바람직하지 않다.

상기 방사되어 연신된 섬유는 연속 이동하는 컨베이어 상에 제1섬유층과 제2섬유층의 다층웹으로 적층되고 일정 두께로 적층된 필라멘트 웹은 열접착 또는 니들펀칭에 의해 부직포로 형성된다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 부직포의 기본중량이 10g/㎡ 보다 작으면 활물질의 지지력이 약하고 반대로 40g/㎠ 보다 크게 되면 두께가 두꺼워져 분리막의 특성에 바람직하지 않다.

배터리 극판은, 도 1에 도시된 바와 같이, 납판인 메쉬 망(2) 표면에 활물질(1)이 도포되고 활물질 표면에 상기와 같이 제조된 본 발명의 다층구조의 스펀본드 부직포가 지지체(3)로서 부착됨에 있어서 활물질과 접촉되는 면은 제2섬유층(32), 즉 태데니어로 구성된 섬유층의 면이 부착되도록 하여 활물질과 섬유층이 잘 결합될 수 있도록 하고, 그 이면은 저데니어로 구성된 제1섬유층(31)이 되도록하여 섬유의 밀집도가 높아 상기 활물질(1)이 배어나오지 않도록 구성된다.

따라서, 본 발명에 따른 스펀본드 부직포는 상기와 같이 차량용 배터리 극판 구성시 활물질과의 결합성과 활물질의 묽은 황산에 의한 용출성을 제어할 수 있게 구성됨으로서 수명이 획기적으로 증가한 차량용 배터리 성능을 확보할 수 있게 한다.

또한, 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 본 발명의 활물질 지지체용 부직포는 고유점도(IV)가 0.60 내지 0.70인 폴리에스테르 칩을 건조기에서 수분율이 100ppm 이하가 되도록 결정화 및 건조시켜 제조된다. 만일, 고유점도(IV)가 0.60 미만인 폴리에스테르 칩을 사용하면 부직포의 강도가 저하되어 바람직하지 않고, 반대로 고유점도(IV)가 0.70를 초과하는 폴리에스테르 칩을 사용하면 방사가 잘되지 않아 고속 생산이 불가능하다는 단점이 있어 바람직하지 않다.

상기에서 결정화되고 건조된 칩을 220 내지 300℃ 온도의 익스트루더에서 용융시켜 제1섬유층의 필라멘트는 구금 수가 200 내지 300개인 노즐에서 방사시킨다. 구금수가 300개를 초과하는 경우에는 구금 간 거리가 너무 작게 되어 방사시 충분한 냉각이 어려우며 상호 간섭에 의해서 사절이 발생되기 쉽게 된다. 또한, 200개 미만인 경우에 섬도가 커지게 되기 때문에 요구하는 특성을 만족시키기 어렵게 되어 바람직하지 않다. 상기 제2섬유층을 구성시키는 노즐은 30 내지 180개의 구금으로 구성되며 30개 미만의 경우에는 과도하게 섬도가 커지게 되어 섬유 간 기공크기가 커지게 되기 때문에 활물질을 충분히 보지할 수 없게 되어 바람직하지 않으며, 180개를 초과하는 경우에는 저섬도가 되기 때문에 섬유 간 기공이 작게 되어 활물질의 침투성이 용이하지 않게 되어 바람직하지 않다.

상기와 같이 하여 방사된 폴리머는 벌집모양의 챔버를 통하여 분사되는 10 내지 25℃의 냉각공기에 의해 냉각, 고화되며, 이때 냉각공기 풍속은 10m/min 내지 45m/min이 바람직하다. 냉각된 폴리머를 공기압이 2 내지 10kg/㎠인 이젝터를 통하여 필라멘트를 연신시킨다.

각각의 필라멘트 섬유의 섬도는 제2섬유층은 5 내지 15데니아가 되도록 필라멘트를 방사하고 제1섬유층은 1 내지 3데니아가 되도록 방사한다. 이 필라멘트를 일정한 각도와 속도로 충돌판에 충돌시켜 필라멘트를 분산시키고, 이동되는 컨베이어 벨트 위에 균일하게 하부의 흡입장치를 이용하여 적층시켜 웹을 형성시킨다. 상기 웹의 기본 중량은 폴리머의 토출량과 스핀벨트의 속도에 의해서 결정된다. 본 발명의 바람직한 실시형태로는 10 내지 40g/㎡이 되도록 한다.

상기의 웹의 기본 중량은 토출구금의 홀 수, 토출량 및 컨베이어의 속도에 의해 조절되는데, 상기와 같이 형성된 웹은 일정한 형태 및 물리적 특성 등을 부여하기 위해서 열접착 또는 니들펀칭 시킴으로 본 발명에 따른 부직포로 제조된다.

다른 바람직한 일 실시형태에 따르면, 본 발명에 따른 부직포의 상기 제2섬유층을 구성하는 태데니아 필라멘트 섬유는 그 형상이 원형 이외의 이형의 형상을 가질 수 있다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 섬유층은 중공의 형태를 갖는 것일 수 있으며, 이때 중공형의 태데니아 폴리에스테르 필라멘트 섬유는 방사 구금 내 방사공 슬릿의 개수가 2 내지 4개이며, 그 슬릿의 폭이 0.05 내지 0.3mm이고, 슬릿의 간격이 0.05 내지 0.3mm이고, 슬릿의 내경이 0.4 내지 1.2mm이고, 구금의 캐필러리 길이(Capillary length)가 0.1 내지 1.0mm인 것을 사용할 수 있다.

상기와 같이 본 발명에 따라 제조된 서로 다른 섬도를 갖는 다층구조의 폴리에스테르 스펀본드 부직포는, 통상적인 방법으로 이를 한정하는 것은 아니지만, 도 3에 나타난 바와 같이 배터리 극판 제조 공정 흐름도에서 배터리 활물질 지지체로 적용이 될 수 있다.

1 --- 활물질
2 --- 메쉬 망
3 --- 지지체 (스펀본드 부직포)

Claims (4)

1. 폴리에스테르 부직포를 서로 다른 섬도를 갖은 다층으로 구성함에 있어 제1섬유층은 노즐 크기 200Ø 내에 방사 구금 0.4Ø 크기의 구금 수가 200 내지 300개 홀을 갖는 노즐을 사용하여 1 내지 3데니아의 필라멘트를 제조하고, 다른 제2섬유층은 상기 동일한 노즐크기 및 홀 직경의 구금 수가 30 내지 180개 홀을 갖는 노즐을 사용하여 섬도가 5 내지 15데니아의 폴리에스테르 필라멘트 섬유를 방사하여 연속 이동하는 스핀벨트(spinbelt) 상에 다층 웹으로 적층하여 열접착시키거나 또는 니들펀칭하여 제조된 것임을 특징으로 하는 배터리 활물질 지지체용 스펀본드 부직포.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 부직포의 기본 중량은 10 내지 40g/㎡임을 특징으로 하는 배터리 활물질 지지체용 스펀본드 부직포.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 서로 다른 섬도을 갖는 다층의 장섬유 폴리에스테르 부직포는 고유점도(IV)가 0.60 내지 0.70인 폴리에스테르를 사용한 것임을 특징으로 하는 배터리 활물질 지지체용 스펀본드 부직포.
   
4. 폴리에스테르를 제1 섬유층은 홀(Hole)수가 200 내지 300홀수를 갖는 노즐을 통해서 방사 및 연신을 통해서 1 내지 3데니아의 저데니아 필라멘트를 형성하고 제2섬유층은 홀(Hole)수가 30 내지 180개를 갖는 노즐을 통해서 방사 및 연신을 행하여서 5 내지 15데니아의 태데니아 필라멘트 섬유로 제조하는 단계;
   상기 제조된 폴리에스테르 필라멘트 섬유를 연속 이동하는 컨베이어 상에 웹을 적층하는 단계; 및
   상기 적층된 필라멘트 웹을 열접착 시키거나 또는 니들펀칭하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 배터리 활물질 지지체용 스펀본드 부직포의 제조 방법.

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