KR20200046404A

KR20200046404A - 납축전지 격자 제조방법

Info

Publication number: KR20200046404A
Application number: KR1020180127523A
Authority: KR
Inventors: 최석모; 서세영; 유범근
Original assignee: 주식회사 한국아트라스비엑스
Priority date: 2018-10-24
Filing date: 2018-10-24
Publication date: 2020-05-07

Abstract

본 발명은 납축전지의 격자 제조 방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게 타발된 격자 제조 방법에 있어서, 스트립 타발 이후 에칭 단계를 도입하여 1차 격자 표면의 서페이스 에리어(surface area)를 증가시켜 활물질과 격자간의 접촉면적을 증가 시키고, 2차 화성 후 격자와 활물질 사이의 부식층 두께를 증가시켜 격자와 활물질간의 결합력을 향상시키는 납축전지의 격자 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명을 통해, 에칭된 표면에 의한 격자와 활물질의 접촉면적 증가 및 이에 따른 부식층 두께 증가가 이루어지고 아울러 격자와 활물질 결합력이 증가되며, 이로 인해 고온 충 방전 사이클 환경에서의 격자 성장에 의한 격자와 활물질 분리를 지연시켜 내구성을 향상시키는 것이다.

Description

납축전지 격자 제조방법{Manufacturing method of lead accumulator grid}

본 발명은 납축전지의 격자 제조 방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게 타발된 격자 제조 방법에 있어서, 스트립 타발 이후 에칭 단계를 도입하여 1차 격자 표면의 서페이스 에리어(surface area)를 증가시켜 활물질과 격자간의 접촉면적을 증가 시키고, 2차 화성 후 격자와 활물질 사이의 부식층 두께를 증가시켜 격자와 활물질간의 결합력을 향상시키는 납축전지의 격자 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명에 관한 선행문헌으로는 '특허문헌 1'이 있다.

밀폐형 납축전지(종종 "밸브 조정 납(VRLA : valve-regulated lead-acid)" 축전지라 칭하여진다.)는 오늘날 상업적으로 널리 사용된다.

공지된 바와 같이, 밀폐형 납축전지는 고흡수성 세퍼레이터를 이용하며, 필수적인 전해액은 세퍼레이터와 극판에 흡수된다.

따라서, 이러한 축전지는 플러디드(flooded)형 전해질 납축전지(lead-acid battery)에서 일어날 수 있는 전해질의 누액없이 어떠한 자세에서도 사용될 수 있다.

이러한 축전지(cells)는 통상적으로 단전지(cell)내부압을 조정하여 유효 "산소 재결합 사이클"로 칭하여 진 것을 제공하도록 고안된 밸브에 의하여 대기로부터 밀폐된다(이 때문에 "밀폐형(sealed)" 및 "밸브제어(valve-regulated)"라는 용어가 사용된다).

종래의 플러디드형 납축전지와 비교하여 밀폐형 납축전지에 의하여 제공되는 장점은 가치있고 다양하다.

밀폐형 납축전지 기술은 따라서 보수(예를 들면, 셀에 물보충하기), 비용(예를 들면, 산 구입), 환경(예를 들면, 고가의 폐기물 처리 시스템 및 공기중의 산 미스트(acid mist)) 및 안전(예를 들면, 산에 의한 화상)에 관한 사항들을 제거함으로써 실질적인 이익을 제공한다.

따라서, 밀폐형 납축전지가 요구조건이 다양한 여러 응용분야에서 상업적으로 널리 사용되고 있는 것은 놀랍지 않다.

일반적으로 거치 응용(stationary applications)이라 칭하여 지는 하나의 응용분야에서, 납축전지는 예를 들면 부하일정화(load leveling), 상업용 빌딩의 비상조명, 케이블 텔레비젼 시스템용 예비전력, 및 무정전 전원 장치로 사용된다.

하나의 예로서, 도 1은 양극판(10), 양극판(10)을 감싼 세퍼레이터(12)를 나타낸다.

양극판(10)은 통상적으로 극판귀(16)를 갖는 격자(14), 격자(14)위에 발려진 양극 활물질(18)을 포함한다.

또한, 밀폐형 납축전지는 동력 응용(motive power application)이라고 칭하여지는 많은 응용분야에서 이용된다.

따라서, 밀폐형 납축전지는 전기자동차, 지게차 등의 동력원으로서 이용된다.

요구되는 전기화학적 성능을 고려하면, 양극판용 격자 합금은 적당한 내부식성을 갖는 단전지를 생산할 수 있어야 한다.

그러나, 경제적으로 바람직한 연속 직접 주조 공정을 사용하면 내부식성이 현저하게 저하된다.

이러한 연속 공정은 격자내의 결정립(grain)을 배향시킴으로써 입간 경로(intergranular path)를 짧게 하고, 부식성 공격에 더 취약하게 하며 조기에 파괴되게 한다.

따라서, 양극판 격자 부식은 VRLA 납축전지의 주요 파손(failure) 모드이다.

양극판 격자 부식이 발생하면 단전지의 전기전도도가 저하된다.

부식에 의한 격자의 전도도 저하에 의하여 특정 응용에 적당한 값 이하로 방전전압이 감소되면 단전지 파손이 발생한다.

역시 격자 부식과 관련된 두번째 파손 메커니즘은 "격자 성장(grid groth)"으로 인한 파손을 수반한다.

납축전지의 사용기간 동안, 양극판 격자는 부식한다.

그리고, 이 부식 생성물은 격자의 표면에 형성된다.

대부분의 경우, 이 부식 생성물은 결정립계(grain boundary) 및 부식 프로세스가 격자의 "와이어"의 내부를 관통한 납단전지의 격자 표면에 형성된다.

이들 부식 생성물은 일반적으로 격자를 형성하는 납합금 보다 훨씬 경질이지만 밀도가 작다.

이러한 조건에 의하여 형성된 응력때문에, 격자 합금은 운동 또는 성장하여 부피가 큰 부식 생성물을 수용한다.

격자의 이러한 물리적인 변위에 의하여 격자의 길이 및/또는 너비가 증가한다.

격자의 사이즈 증가는 불균일할 수 있다.

격자의 부식에 의한 치수 변화는 일반적으로 "격자 성장"(또는 때때로 "크리프")라고 불린다.

격자 성장이 일어날 때, 격자의 운동 및 팽창은 양극 활물질과 격자 자신과의 전기적 접점을 깨뜨리기 시작한다.

이 운동 및 팽창은 반응 사이트로부터 격자로의 전기 흐름을 방해하여 단전지의 전기적인 방전용량을 저하시킨다.

이 격자 성장이 계속됨에 따라 많은 양극 활물질이 격자로부터 전기적으로 고립되어 단전지의 방전용량이 특정 응용에 요구되는 값이하로 저하한다.

따라서 합금의 기계적 물성은 사용기간동안 과도한 크리프가 일어나는 것을 방지하기 위하여 중요하다.

또 하나의 본 발명에 관한 선행문헌으로는 '특허문헌 2'가 있다.

도 2는 스트립 연판을 타발하여 형성시킨 격자의 일 예시 정면도이다.

프레임(1)과 프레임의 상부에 형성되는 러그(2)와 프레임(1) 내측에 타발(punching)에 의해 형성되는 공극(3)과 공극(3)을 형성시킴에 따라 형성되는 와이어로 구성되는 타공 격자가 있다.

종래 기술의 문제점은,

축전지에는 에칭 처리된 격자와 격자와 활물질간의 본딩에리어가 있으며, 화성후 상기 격자와 상기 활물질의 결합력을 향상시키기 위하여 두께를 증가시키는 부식층이 있다.

축전지는 전기에너지를 저장하는 활물질이 있으며, 전기에너지를 이동시켜주는 격자(커런트 컬렉터)로 이루어진 전극이 있다.

상기 활물질과 상기 격자를 물리화학적으로 연결해주는 2 마이크로미터 두께 정도의 부식층이 있는데, 이 부식층의 특징은 고온이며 과충전 상태에서는 격자가 부식되면서 성장하며 결국 부식층은 격자와 쉽게 분리된다. 이것은 갑작스런 수분 소비량 증가와 함께 배터리 성능저하를 유발하여 수명 종지(終止)의 원인이 된다.

대한민국공개특허공보 10-2001-0012251 (2001년02월15일) 대한민국공개실용신안공보 20-2008-0001708 (2008년06월11일)

본 발명은 상기 서술한 문제점에 대하여 보완하고자 창안되었다.

본 발명은 납축전지의 격자 제조 방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 타발된 격자 제조 방법에 있어서, 스트립 타발 이후 에칭 단계를 도입하여 1차 격자 표면의 서페이스 에리어(surface area)를 증가시켜 활물질과 격자간의 접촉면적을 증가 시키고, 2차 화성 후 격자와 활물질 사이의 부식층 두께를 증가시켜 격자와 활물질간의 결합력을 향상시키는 납축전지의 격자 제조 방법에 관한 것이다.

상기 서술한 문제점을 해결하고 목적을 달성하기 위하여 본 발명인 납축전지 격자 제조방법:은

납축전지 격자 제조방법에 있어서,

격자 스트립 타발 단계 이후에 타발 처리된 격자 표면을 에칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 납축전지 격자 제조방법을 제안한다.

본 발명의 또 하나의 실시예로는,

상기 타발 처리된 격자 표면을 에칭하는 단계는 격자를 산화분위기(酸化雰圍氣)의 산화 환원 챔버(Chamber)를 연속적으로 통과시키는 것을 특징으로 하는 납축전지 격자 제조방법이 있다.

본 발명의 또 다른 하나의 실시예로는,

상기 산화분위기는 황산분위기(黃酸雰圍氣)인 것을 특징으로 하는 납축전지 격자 제조방법을 제안한다.

본 발명으로 얻고자 하는 것은 에칭된 표면에 의한 격자와 활물질의 접촉면적 증가 및 이에 따른 부식층 두께 증가가 이루어지고 아울러 격자와 활물질 결합력이 증가되며, 이로 인해 고온 충 방전 사이클 환경에서의 격자 성장에 의한 격자와 활물질 분리를 지연시켜 내구성을 향상시키는 것이다.

도 1은 세퍼레이터에 둘러싸인 종래기술에 따른 양극판의 사시도이다.
도 2는 스트립 연판을 타발하여 형성시킨 격자의 일 예시 정면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 격자 제조방법의 일실시예이다.

본 발명은 납축전지의 극판에 사용되는 격자 제조방법에 관한 것으로 특히, 연판을 타발하여 형성시킨 타발 격자를 에칭하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차 등에 사용되는 납축전지는 충전과 방전이 가능한 2차 전지이다.

이는 전해액으로서 희황산(H2SO4)이 사용되고, 극판의 활물질로서 양극(+)에 이산화납(PbO2)을, 음극(-)에 해면상(海綿狀)납(Pb)을 도포하여, 외부회로에 연결하면 전기가 흐르면서 그 양극(+)과 음극(-)의 활물질이 황산납(PbSO4)으로 변화(방전)되고, 반대로 외부에서 전류를 흘려주면 그 황산납이 다시 이산화연(+)과 해면상납(-)으로 변화(충전)되는 원리를 이용한 것이다.

이 중 양극과 음극은 전기적인 신호를 발생시키는 활물질과 이 전기적인 신호의 통로 및 활물질을 지지시켜주는 격자로 이루어진 것으로 활물질의 중량에 따라서 납축전지의 성능과 용량이 변화하며, 격자는 납축전지의 크기에 따라 변화한다.

납축전지의 격자는 활물질을 지지할 뿐 아니라, 전류의 이동 통로 역할도 같이 한다.

보통 납축전지의 격자 제조 공정은 중력주조(Casting), 익스펜디드(Expanded metal forming), 타발(Stamping Punching) 방식이 이용되고 있다.

중력주조 방식은 납물을 격자 몰드(Mold)에 부어 식힌 후 몰드로부터 분리시키는 방법이다.

이러한 방법으로 제조되는 격자는 격자를 구성하는 와이어 내에 큰 기공을 가지게 되어 납축전지에서 격자 부식을 빨리 가져올 수 있는 원인을 제공한다.

그리고 공법상 제한된 수평·수직 와이어 패턴을 가질 수밖에 없으며, 격자 몰드와 격자를 분리시키려면 주기적으로 몰드를 코팅해주어야만 하는 작업의 어려움 때문에 생산성이 증가하지 못하는 단점들이 있다.

익스펜디드 방식은 압착된 스트립(Strip)을 찢어 늘리어 격자를 만드는 방법으로서 연속적인 스트립이 공급되면 이에 따라 격자가 만들어지기 때문에 중력주조방식보다 월등한 생산성을 가지고 있다.

그러나, 익스펜디드 방식 또한 단점을 보유하고 있다.

연속적으로 생산하는 상황에서 격자의 와이어 성형은 다이아몬드 패턴을 제공하며, 좌·우 프레임을 가지지 못하기 때문에 제품 사용 중 그리드 성장에 취약한 면을 가지고 있다.

또한, 와이어가 꼬아지는 결점이 있으며, 압착된 연판을 늘이거나 확장시킬 때 와이어와 와이어가 만나는 부분인 노드(Node)에 격자의 스트레스가 집중되어 잘 끊어지는 단점을 가지고 있으며, 제품 사용 중 격자 부식으로 인하여 노드 부분이 먼저 끊어져 단수명을 초래하기도 한다.

중력 주조와 익스펜디드 방식의 단점들을 보완하기 위하여 개발된 방식이 타발(Stamping, Punching) 방식이다.

압착 또는 중력주조로 만들어진 연판에 구멍을 뚫어 격자를 성형하는 방식으로서 중력주조 방식의 장점인 좌·우 프레임을 보유하고 있으며, 익스펜디드 방식에서 사용되는 압착된 연판을 사용하면서 제품 사용 중 격자 부식과 성장에 강하다는 점과 타발 방식에 의하여 만들어 지기 때문에 와이어의 스트레스를 저감시켜 제품 사용 중 격자 노드 부분이 끊어지지 않는다는 장점을 가지고 있다.

하지만, 타발 방식에서 나타나는 문제점은 연판에 상하 왕복운동을 하는 펀치로 구멍을 형성시키기 때문에 구멍사이에 활물질이 자리 잡게 되면 활물질과 격자가 접하는 면적이 좁아, 제품 사용 중 잦은 진동이 가해지면 활물질이 격자에서 이격될 수 있는 빈도가 높아지기 때문에 제품의 수명을 단축시키는 결점이 있다.

이러한 문제점을 보완하고자 종래에는 격자를 감싸도록 활물질을 격자 양측에 걸쳐 두텁게 도포하거나 극판 표면에 종이를 붙여 극판을 형성시켜 왔다.

그러나, 활물질을 격자 양측에 도포한다던지 종이를 붙이는 것은 제조비용을 앙등시키고 생산성을 악화시키는 결점이 있다.

이에 본 발명은 종래의 타발 격자로 제조된 극판에 있어서는 격자의 전단면(剪斷面)이 직벽면으로 이루어짐으로, 격자에 충전된 활물질이 지지되기 어려워 활물질의 이격 염려가 컸던 점에 착안하여 격자의제조 단계에 에칭단계를 도입하여 접착력을 향상시키게 하였다.

이와 같은 본 발명을 첨부된 도면에 의하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 의한 격자 제조방법의 일실시예이다.

본 발명에 의한 에칭단계는 스트립 타발(Strip Punching)단계(100) 이후 타발(Punching)된 스트립(Strip)을 황산 분위기의 산화 환원 챔버(Chamber)를 연속적으로 통과시켜 격자 표면을 에칭시키는 단계(200)것이다.

상기 챔버는 에칭 챔버로서 황산 가스를 이용하여 격자 표면을 부식시키는 챔버이다.

상기 황산 가스는 상기 챔버를 통해 흐르고, 플라즈마는 약 150 Ｗ 내지 약 450 Ｗ의 범위에서 상기 격자에 가해진 바이어스 전력으로 상기 챔버내에서 발생한다.

부가적으로, 고주파 전력은 상기 챔버의 외부에 배치된 코일을 통해 상기 챔버에 가해진다.

약 100 Ｗ 내지 약 300 Ｗ의 바이어스 전력에 대한 약 -100 Ｖ 내지 약 -600 Ｖ의 직류 바이어스가 이온을 상기 격자쪽으로 가속시킨다.

스퍼터링 중에 상기 챔버(10)의 압력은 일반적으로 약 0.4 mTorr 내지 약 0.5 mTorr 범위에 있다.

상기 서술한 내용 중 도면에 표시되지 않은 내용은 상기 서술된 내용을 바탕으로 당업자가 충분히 이해할 수 있는 내용으로 이하 도면에 표시되지 않아도 본 발명의 권리에 포함되어야 한다.

이상에서와 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 것으로 이해해야만 한다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구 범위의 의미 및 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 격자 스트립 타발 단계
200 : 타발 처리된 격자 표면을 에칭하는 단계

Claims

납축전지 격자 제조방법에 있어서,
격자 스트립 타발 단계 이후에 타발 처리된 격자 표면을 에칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 납축전지 격자 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 타발 처리된 격자 표면을 에칭하는 단계는 격자를 산화분위기(酸化雰圍氣)의 산화 환원 챔버(Chamber)를 연속적으로 통과시키는 것을 특징으로 하는 납축전지 격자 제조방법.
제 2항에 있어서,
상기 산화분위기는 황산분위기(黃酸雰圍氣)인 것을 특징으로 하는 납축전지 격자 제조방법.
제 2항에 있어서,
상기 챔버는 플라즈마를 약 150 Ｗ 내지 약 450 Ｗ의 범위에서 상기 격자에 가하는 것을 특징으로 하는 납축전지 격자 제조방법.