KR20200131934A - 저 전도성 직물시트를 이용한 전극용 활성탄 시트의 제조 방법 - Google Patents

저 전도성 직물시트를 이용한 전극용 활성탄 시트의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예는 a)직물시트를 재단하는 단계와, b)도전성 슬러리를 제작하는 단계 및 직물시트에 도전성 슬러리를 침지시키는 단계를 포함하고, 직물시트는 다공성을 갖는 직물형 활성탄 시트이고, 도전성 슬러리는 도전성 카본과 바인더 및 증점제가 혼합된 것을 특징으로 하는 저 전도성 직물시트를 이용한 전극용 활성탄 시트 제조 방법을 제공할 수 있다.

Description

저 전도성 직물시트를 이용한 전극용 활성탄 시트의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING ACTIVATED CARBON SHEET FOR ELECTRODE USING A LOW CONDUCTIVE TEXTILE SHEET}
본 발명은 저 전도성 직물시트를 이용한 전극용 활성탄 시트의 제조 방법에 관한 것이다.
납 축전지는, 저렴하고 신뢰성이 높다는 특징을 갖기 때문에, 자동차 시동용의 동력원이나 골프 카트 등의 전동차량의 동력원의 전원으로서, 나아가 UPS 장치 등의 산업 기기의 전원으로서 널리 사용되고 있다.
이와 같은 납축전지는 충전되는 전기를 화학적으로 저장하기 위해 고유의 납 활물질을 사용하였으며, 해당 활물질을 보완하기 위해 여러 가지 첨가제를 사용한다. 첨가제는 다양한 금속 혹은 비금속 소재(예를 들면, 카본)이 적용되었으며, 최근에는 활성탄 소재를 전지 극판에 첨가하거나 코팅하여 부분 충방전(PSoC) 성능을 강화하는 연구가 활발하게 이루어져 왔다.
활성탄의 다양한 형태 중 직물형으로 가공된 소재는 다공성 특성만 고려되어 주로 정수기의 필터로 주로 사용되었으나, 축전성(Capacity)이라는 활성탄 고유의 전기적 특성도 가지고 있으므로 전지의 재료로 적용될 가능성을 가지고 있다.
하지만, 직물형 활성탄 소재는 전기적 전도성 낮아 납 축전지의 활물질로서 적용하기에는 무리가 있어 직물형 활성탄 소재에 전기 전도성을 높여줄 수 있는 기술이 선행 개발되어야 할 필요가 있다.
한국 특허등록 제10-1955397호(2019.02.28)
그러므로 본 발명은 상기와 같은 종래의 목적을 달성하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 직물형 활성탄 소재의 적용시에 전기 전도성을 높일 수 있고, 축전성을 유지할 수 있는 저 전도성 직물시트를 이용한 전지 전극용 활성탄 시트 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 하기와 같은 실시예를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예는 a)직물시트를 재단하는 단계와, b)도전성 슬러리를 제작하는 단계 및 직물시트에 도전성 슬러리를 침지시키는 단계를 포함하고, 직물시트는 다공성을 갖는 직물형 활성탄 시트이고, 도전성 슬러리는 도전성 카본과 바인더 및 증점제가 혼합된 것을 특징으로 하는 저 전도성 직물시트를 이용한 전극용 활성탄 시트 제조 방법을 제공할 수 있다.
그러므로 본 발명은 축전성이 우수한 저 전도성 직물시트에 도전성을 부여하여 축전성과 도전성을 갖는 전극용 활성탄 시트를 제조할 수 있어 축전지의 전극 재료로 적용할 수 있다.
또한, 본 발명은 직물형 활성탄 소재에 금속 페이스트를 추가함에 따라 납 축전지의 전극 재료로 적용시에 전해액의 감액 억제 효과가 향상되기에 수명 연장이 가능한 납 축전지가 가능한 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 직물시트 제조 시스템을 도시한 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따른 직물형 활성탄의 도전성 부여 방법을 도시한 순서도이다.
도 3은 S200 단계를 도시한 순서도이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 직물형 활성시트의 광학 현미경 사진이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있지만, 특정 실시예를 도면에 예시하여 상세하게 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 서로 다른 방향으로 연장되는 구조물을 연결 및/또는 고정시키기 위한 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물중 어느 하나에 해당되는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제 하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하에서는 본 발명에 따른 저 전도성 직물시트를 이용한 전극용 활성탄 시트 제조 방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 직물시트 제조 시스템을 도시한 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 직물시트를 설정된 크기로 절단하는 재단장치(10)와, 도전성 카본(C) 및/또는 금속 페이스트가 혼합되는 도전성 슬러리의 제작을 위하여 재료들을 혼합하는 혼합(탈포)장치(20)와, 도전성 슬러리의 특성을 확인하는 품질측정장치(30)와, 직물시트에 도전성 슬러리 및/또는 페이스트를 침지시키는 침지장치(50)와, 침지장치(50)에 초음파를 출력하는 초음파 진동장치(40)와, 축전지의 극판에 도전성이 부여된 활성탄 시트를 압착시키는 건조/압착 장치(50)를 포함한다.
재단장치(10)는 직물시트를 설정된 폭과 길이를 갖도록 재단한다. 여기서 직물시트는 직물형 활성탄 시트(A)(도 4 참조)이다.
혼합(탈포)장치(20)는 직물시트의 전기적 전도성 특성을 향상시킬 수 있는 도전성 슬러리의 제조를 위한 장치로서 내측에는 2 이상의 재료들간의 혼합을 위하여 저면에 가까운 위치에서 설치되는 교반장치(도시되지 않음)가 포함될 수 있다.
또한, 혼합(탈포)장치(20)는 2 이상의 재료들간의 혼합을 위하여 고속의 회전과 물리적 분쇄를 발생시키는 장치(볼밀 등)가 구비되는 밀폐형 챔버로 구성될 수 있다. 여기서 도전성 카본은 분쇄 제조된 구형의 세라믹 볼(예를 들면, 알루미나 볼)과 함께 투입되어 보다 미세한 입도를 갖는 분말로서 분쇄된다.
또한 혼합(탈포)장치(20)에는 고속의 원심 분리으로 진행되는 탈포 기능이 포함되어 혼합 및 제조된 도전성 슬러리에 포함된 공기방울을 제거하는 기능을 가질 수 있다.
품질측정장치(30)는 혼합/탈포가 완료된 도전성 카본 슬러리(C)(도 7 참조)의 분산도(입도)를 확인하기 위한 입도 측정 장치(도시되지 않음)와 적합한 침지 작업성이 확보되는 점도 특성을 확인하기 위한 점도 측정 장치(도시되지 않음)가 구비될 수 있다.
침지장치(50)는 재단된 직물시트, 즉 직물형 활성탄 시트(A)에 도전성 슬러리가 침지될 수 있는 공간을 구비한다. 여기서 침지장치(50)는 초음파 진동장치(40)에 의해 발생된 초음파에 의해 진동이 가해진다. 또한 침지장치(50)는 내부 온도 및 습도 조절 장치가 구비되어 활성탄 시트(A)에 슬러리가 침지될 수 있는 환경을 조성할 수 있다.
초음파 진동장치(40)는 침지장치(50)에 설치되어 초음파 진동으로 직물형 활성탄 시트(A)에 도전성 슬러리의 침투를 용이하게 한다.
건조/압착 장치(60)는 도전성 슬러리가 침지된 활성탄 시트(A)를 건조 후 축전지 극판에 압착시켜 부착하는 장치이다.
본 발명은 이와 같은 장치들에 의해 구현되며, 이하에서는 본 발명에 따른 저 전도성 직물시트를 이용한 전극용 활성탄 시트 제조 방법을 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 저 전도성 직물시트를 이용한 전극용 활성탄 시트 제조 방법을 도시한 순서도이다. 도 3은 S200 단계를 도시한 순서도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명은 직물시트를 재단하는 S100 단계와, 도전성 슬러리를 제작하는 S200 단계와, 활성탄 시트(A)에 도전성 슬러리를 침지시키는 S300 단계와, 극판에 도전성 슬러리가 침지된 활성탄 시트(A)를 부착시키는 S400 단계를 포함한다.
S100 단계를 직물시트를 설정된 크기로서 도 4에 도시된 바와 같다. 또한, 직물시트는, 예를 들면, 정수기등에서 필터로 사용되는 직물형 활성탄 시트로서 도전성이 낮은 반면, 축전성(Capacitance)이 우수한 특징을 갖는다. 따라서 이와 같은 특징으로 인하여 직물형 활성탄 시트는 축전지의 전극용 활성탄 시트(A)로 적용되기 어려운 문제점이 있었다.
하지만 본 발명은 이와 같은 직물형 활성탄 시트의 축전성을 유지한 상태에서 도전성을 보다 향상시킬 수 있는 것을 주요 특징으로 한다.
직물형 활성탄 시트(A)는 전체 중량에서 35~45 중량%를 갖는다.
S200 단계는 도전성 슬러리를 제작하는 단계이다. 여기서 도전성 슬러리는 도전성 카본(C)과, 바인더 및 증점제의 혼합으로 이루어진다.
구체적으로 설명하자면, S200 단계는 도전성 카본(C)(도 7 참조)과 세라믹 볼을 혼합(탈포)장치(20)에 투입하는 S210 단계와, 바인더 및 증점제등을 투입 후 혼합하는 S220 단계와, 탈포 후 점도 측정하는 S230 단계를 포함한다.
S210 단계는 혼합(탈포)장치(20)에 도전성 카본(C)과 세라믹 볼을 투입하여 회전시키는 단계이다. 여기서 세라믹 볼은 도전성 카본(C)과 다른 원재료를 물리적으로 분쇄 및 혼합시킬 용도로 사용된다. 즉, 도전성 카본(C)은 플레이크 형태로 투입될 수 있으며, 세라믹 볼은 알갱이 형태의 도전성 카본(C)을 보다 미세한 입자로서 분쇄 시키기 위한 것으로서 바람직하게로는 알루미나나 지르코니아와 같은 볼밀용 세라믹 재질의 볼로 이루어짐이 바람직하다.
따라서 도전성 카본(C)과 세라믹 볼은 혼합(탈포)장치(20) 내로 투입되며, 소정의 시간(예를 들면, 20g의 도전성 카본(C) 투입될 경우에 3~10분)동안 혼합된다. 여기서 혼합(탈포)장치(20)는 상하 및/또는 좌우 방향으로 회전되어 세라믹 볼과 도전성 카본(C) 간의 접촉 면적과 횟수를 높인다.
더욱 바람직하게로는 도전성 카본(C) 15~20g당 세라믹 볼 5~10개가 투입될 수 있다. 아울러 도전성 카본(C)은 직물형 활성탄 시트(A)를 포함하는 전체 중량에서 42~48 중량%에 해당되며, 도전성 카본(C)은 설정된 입도에 도달되기까지 분쇄과정을 거친다. 여기서 도전성 카본(C)의 입도는 1㎛ 이하로 설정됨이 바람직하다.
S220 단계는 도전성 카본(C)에 바인더와 증점제를 투입하여 혼합하는 단계이다. 예를 들면, 바인더는 PTFE와, PTEF Solution으로서 활성탄 시트(A)가 포함된 전체 중량에서 7~9 중량%에 해당되고, 증점제(CMC:Carboxy Methyi Cellulose)는 6-8 중량%에 해당된다.
이때 증점제는 점도 조절을 위하여 증류수가 추가될 수 있고, 이와 같은 점도 조정 증류수와 후술되는 금속 페이스트는 위 중량%에 합산되지 않은 것임에 따라 증류수의 투입 여부에 따라 증점제의 비율이 변경될 수 있다.
위와 같은 바인더와 증점제는 세라믹 볼에 의해 미세하게 분쇄된 도전성 카본(C)이 수용된 혼합(탈포)장치(20)로 투입된다. 혼합(탈포)장치(20)는 상술한 바와 같은 교반장치를 작동시켜 도전성 카본(C)과 증점제 및 바인더를 혼합한다. 이때 혼합과정에서는 점도의 측정이 필요하며, 측정된 점도에 따라서 증류수가 투입될 수 있다.
S230 단계는 혼합(탈포)장치(20)에서 혼합된 도전성 슬러리의 점도를 측정한 뒤에 설정된 점도에 도달되면, 탈포를 진행하는 단계이다.
S300 단계는 탈포된 도전성 슬러리와, 재단된 직물형 활성탄 시트(A)를 침지 장치에 투입하여 침지 시키는 단계이다. 여기서 초음파 진동장치(40)는 침지장치(50)에 초음파 진동을 발생시켜 활성탄 시트(A)에 도전성 슬러리의 침투를 보다 용이하게 한다.
직물형 활성탄 시트(A)는, 활성탄 필라맨트(B)(도 5 내지 도 7 참조)들로 이루어짐에 따라 다공성을 갖으며, 이러한 활성탄 필라맨트(B)의 표면에 도전성 카본(C)이 합침될 경우에 도전성 개선이 가능하다.
따라서 본 발명의 출원인은 도전성 카본(C) 및/또는 금속 페이스트가 혼합된 도전성 슬러리가 합침된 이후에 활성탄 필라맨트(B)의 표면에 도전성 카본(C)의 흡착 여부를 확인하였고, 그 결과는 도 5 내지 도 7의 사진에 도시된 바와 같다.
도 5는 도전성 카본이 합침된 활성탄 시트를 100배 확대 촬영한 것이며, 도 6은 500배 확대 촬영, 도 7은 4500배 확대 촬영한 것이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 출원인은 직물형 활성탄 시트(A)의 침지 처리 이후에 활성탄 필라맨트(B)의 표면에 도전성 카본(C)의 흡착 여부를 확인하였다. 이는 도 7과 같이 4500배 확대된 활성탄 필라맨트의 사진을 통하여 확인할 수 있었다. 즉, 직물형 활성탄 시트(A)의 활성탄 필라맨트(B)에 도전성 카본(C)이 흡착된 것이 확인되었다.
따라서 본 발명은 직물시트에 도전성을 개선함에 따라 축전지의 전극재료로 사용할 수 있도록 하였다.
또한, 본 발명은 도전성 슬러리에 금속 페이스트를 추가 또는 도전성 카본(C) 대신 금속 페이스트를 선택하여 제공할 수 있다.
금속 페이스트는 비스무트 또 은과 같은 금속 분말로서 용매와 함께 상술한 도전성 슬러리에 추가될 수 있다. 이때, 금속 페이스트의 투입량은 직물시트의 중량 대비 8~13wt.%, 점도는 예를 들면, 32,000~36,000cps로 한정될 수 있다. 이와 같은 비스무트와 은의 금속 페이스트는 납 축전지 전해액의 감액효과를 억제하기 위한 것이다.
S400 단계는 상기와 같이 침지 처리된 활성탄 시트(A)를 축전지의 극판에 부착 후 건조 및 압착 처리하여 극판에 카본층을 구성하는 단계이다. 위 단계는 극판의 제조 과정에 해당된다. 따라서 본 발명은 저 전도성 직물시트에 도전성을 부여함에 따라 도전성 및 축전성이 우수한 납 축전지의 개발이 가능하다.
이상에서 설명된 본 발명의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다.
10 : 재단장치 20 : 혼합(탈포)장치
30 : 품질 측정장치 40 : 초음파 진동장치
50 : 침지장치 60 : 건조/압착장치
A : 활성탄 시트 B : 활성탄 필라맨트
C : 도전성 카본

Claims (6)

  1. a)직물시트를 재단하는 단계;
    b)도전성 슬러리를 제작하는 단계; 및
    c)직물시트에 도전성 슬러리를 침지시켜 전극용 활성탄 시트를 제조하는 단계;를 포함하고,
    직물시트는 다공성을 갖는 직물형 활성탄 시트이고,
    도전성 슬러리는
    도전성 카본과 바인더 및 증점제(CMC:Carboxy Methyi Cellulose)가 혼합된 것;을 특징으로 하는 저 전도성 직물시트를 이용한 전극용 활성탄 시트 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    c)단계는 침지장치에 직물형 활성탄 시트(A)와 도전성 슬러리를 투입한 뒤에 설정된 시간동안 초음파 진동을 가하는 것;을 특징으로 하는 저 전도성 직물시트를 이용한 전극용 활성탄 시트 제조 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, b)단계는
    a-1)도전성 카본과 구형의 세라믹 볼이 투입되어 도전성 카본을 분말형으로 분쇄시키는 단계;
    a-2)분말화된 도전성 카본에 증점제 및 바인더를 혼합하는 단계; 및
    a-3)점도를 확인하여 증류수를 선택적으로 투입하고, 탈포처리를 진행하는 단계;를 포함하는 저 전도성 직물시트를 이용한 전극용 활성탄 시트 제조 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 도전성 슬러리는
    비스무트(Bi), 또는 은(Ag)과 같은 축전지 성능 강화용 기능성 금속을 포함하는 페이스트와 파우더 또는 유동성 첨가제 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저 전도성 직물시트를 이용한 전극용 활성탄 시트 제조 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 전극용 활성탄 시트는
    직물형 활성탄 시트 35~45 중량%, 도전성 카본(C) 42~48 중량%, 바인더 7~9 중량%, 증점제(CMC:Carboxy Methyi Cellulose)는 6-8 중량%인 것을 특징으로 하는 저 전도성 직물시트를 이용한 전극용 활성탄 시트 제조 방법.
  6. 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서, 도전성 카본(C)의 입도는
    1㎛ 이하 인 것을 특징으로 하는 저 전도성 직물시트를 이용한 전극용 활성탄 시트 제조 방법.
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