KR20220039008A

KR20220039008A - 이온 전도성 고분자 전해질막을 적용하여 충전 효율 향상 및 저온 시동능력을 향상시킨 납축전지용 극판 제조 방법

Info

Publication number: KR20220039008A
Application number: KR1020200121554A
Authority: KR
Inventors: 최석모; 이응래; 조용현
Original assignee: 한국앤컴퍼니 주식회사
Priority date: 2020-09-21
Filing date: 2020-09-21
Publication date: 2022-03-29
Also published as: KR102424560B1

Abstract

본 발명은 이온 전도성 고분자 전해질막을 적용하여 충전 효율 향상 및 저온 시동능력을 향상시킨 납축전지용 극판 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 납축전지 극판 제조시 친수성으로 만들어진 술폰산 전해질막을 적용하여 전기화학 반응의 효율성을 높여주고, 이에 따른 충전 효율을 향상시키고, 저온환경의 시동능력을 향상시켜주며, 전기 전도도 향상을 통한 납축전지의 기초성능(CCA) 향상 및 조기 수명 종지를 개선할 수 있는 이온 전도성 고분자 전해질막을 적용하여 충전 효율 향상 및 저온 시동능력을 향상시킨 납축전지용 극판 제조 방법에 관한 것이다.

Description

이온 전도성 고분자 전해질막을 적용하여 충전 효율 향상 및 저온 시동능력을 향상시킨 납축전지용 극판 제조 방법{Electrode plate manufacturing method for lead acid battery with improved charging efficiency and low-temperature starting capability by applying ion conductive polymer electrolyte membrane}

현재 납축전지 활물질 메커니즘은 활물질에 물리적 강도 및 황산과의 반응 표면적 확보를 위하여 폴리에스터 계열 화이버를 첨가하고 있다.

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.

이때, 첨가되는 유기합성 단섬유는 통상적으로 원형 단면 형태를 가지며, 길이는 2 ~ 10mm 정도이다.

유기합성 단섬유의 성분은 내산성 및 내산화성이 우수한 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 모드아크릴 계열이 주종을 이루고 있다.

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.

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.

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.

이에 따라 그리드의 내부식성, 기계적 강도 개선 및 성장 변형의 억제가 요구되고 있다.

한편, 종래의 납축전지의 활물질은 일반적으로 연분(鉛粉)과 황산수용액을 기본으로 하며, 양극과 음극 특성에 따라서 기타 첨가제를 배합한 후, 혼합하여 활물질을 만든다.

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.

극판군은 축전지 용량에 따라 여러 개가 직렬로 접속되어 전조안에 수용된다.

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.

또한, 음극판의 활물질은 해면상납(海綿狀鉛, Pb)으로 역시 다공성과 반응성이 풍부하여 전해액이 자유로이 확산, 침투하도록 된 것이다.

이렇게 만들어진 제품은 비로소 시장에서 사용할 수 있게 되는 것이다.

또한, 초충전 과정을 원활히 하며, 제품의 내구성을 향상시키기 위하여 극성별로 별도의 숙성 및 건조공정을 거치게 된다.

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.

음극판은 별도 공정 없이 자연 상태에서 방치하면 숙성 및 건조를 동시에 할 수 있다.

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.

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.

따라서, 현재 고성능의 납 축전지를 요구하는 흐름에 맞추어 납 축전지 내구성과 성능을 향상시킬 수 있는 제조 공정이 요구되고 있는 실정이다.

한편, 통상적으로 납축전지는 Grid에 활물질 도포 후, PET재질의 부직포 또는 종이 재질의 티슈 Paper를 활물질 표면에 압착하여 부착시킨다.

이는 Grid에 도포된 활물질이 Grid에서 탈락되지 않도록 지지하는 역할로만 사용되며, 이러한 활물질 지지대(부직포 또는 티슈 Paper)는 내산성, 내열성, 내산화성이 특징이다.

하지만, 이러한 지지대는 Grid에 활물질 도포 시, 압착에 의해서만 활물질을 지지하고 있기 때문에 차량에 장착되어 사용할 경우에 사용자의 사용 조건, 환경 조건, 운행 조건에 따라 Grid에서의 활물질 탈락이 가속화되어 배터리의 용량 및 시동력 저하 또는 조기 수명 종지를 초래하는 원인이 되었다.

따라서, 내산성, 내열성, 내산화성 특성을 유지하면서도 납 축전지 내구성과 성능을 향상시킬 수 있는 제조 공정이 요구되고 있는 실정이다.

대한민국특허등록번호 제10-0483246호

따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로,

본 발명의 목적은 납축전지 극판 제조시 친수성으로 만들어진 술폰산 전해질막을 적용하여 전기화학 반응의 효율성을 높여주고, 이에 따른 충전 효율을 향상시키고, 저온환경의 시동능력을 향상시켜주며, 전기 전도도 향상을 통한 납축전지의 기초성능(CCA) 향상 및 조기 수명 종지를 개선할 수 있도록 하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 부직포와 술폰산 전해질막이 동시에 적용된 극판을 제공하여 이에 따른 내구성 향상을 제공하고자 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 이온 전도성 고분자 전해질막을 적용하여 충전 효율 향상 및 저온 시동능력을 향상시킨 납축전지용 극판 제조 방법은,

그리드에 활물질을 도포하는 활물질도포단계(S100);와

상기 활물질이 도포된 그리드에 PET재질의 부직포 또는 종이 재질의 티슈 Paper를 활물질 표면에 압착하여 부착시키는 공정 대신에 이온 전도성 고분자 전해질막을 부착시키는 고분자전해질막부착단계(S200);와

상기 이온 전도성 고분자 전해질막이 부착된 그리드를 고온 환경에서 숙성 및 건조시키기 위한 고온숙성및건조단계(S300);를 포함함으로써, 본 발명의 과제를 해결하게 된다.

본 발명인 이온 전도성 고분자 전해질막을 적용하여 충전 효율 향상 및 저온 시동능력을 향상시킨 납축전지용 극판 제조 방법을 통해, 납축전지 극판 제조시 친수성으로 만들어진 술폰산 전해질막을 적용하여 전기화학 반응의 효율성을 높여주고, 이에 따른 충전 효율을 향상시키고, 저온환경의 시동능력을 향상시켜주며, 전기 전도도 향상을 통한 납축전지의 기초성능(CCA) 향상 및 조기 수명 종지를 개선할 수 있는 효과를 제공하게 된다.

또한, 부직포와 술폰산 전해질막이 동시에 적용된 극판을 제공하여 이에 따른 내구성 향상을 제공하게 된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이온 전도성 고분자 전해질막을 적용하여 충전 효율 향상 및 저온 시동능력을 향상시킨 납축전지용 극판 제조 방법의 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이온 전도성 고분자 전해질막을 적용하여 충전 효율 향상 및 저온 시동능력을 향상시킨 납축전지용 극판 제조 방법에서 제조된 개선품과 종래품를 비교한 저온 시동력 그래프 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 이온 전도성 고분자 전해질막을 적용하여 충전 효율 향상 및 저온 시동능력을 향상시킨 납축전지용 극판 제조 방법의 공정도이다.

이하, 본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 실시 예들은 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있으며, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.

용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 발명에서, "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 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 이온 전도성 고분자 전해질막을 적용하여 충전 효율 향상 및 저온 시동능력을 향상시킨 납축전지용 극판 제조 방법은,

그리드에 활물질을 도포하는 활물질도포단계(S100);와

상기 이온 전도성 고분자 전해질막이 부착된 그리드를 고온 환경에서 숙성 및 건조시키기 위한 고온숙성및건조단계(S300);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 고온숙성및건조단계(S300)에서,

고온의 온도는 300℃ ~ 400℃ 범위 내인 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 고온숙성및건조단계(S300)에서,

상온에서 12시간 동안 건조한 다음 건조기 내에서 200℃로 2시간 동안 예열처리(pre heat-treatment)하되,

최종적으로 건조기 내에서 300℃ ~ 400℃ 범위내에서 2시간 동안 열처리함으로써 균열이 없으며, 극판과 이온 전도성 고분자 전해질막 간의 안정적인 결합이 가능하도록 하는 것을 특징으로 한다.

이때, 고온숙성및건조단계(S300)에 온도 조건에 의해,

미세 포어(PORE)를 형성하여 전해액 내의 이온 통로로 활용할 수 있으며, 전해질막의 전도성으로 인하여 납축전지 내의 내부 저항을 감소시켜 이에 따른 저온 시동능력이 향상되고, 충전 효율을 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 이온 전도성 고분자 전해질막을 적용하여 충전 효율 향상 및 저온 시동능력을 향상시킨 납축전지용 극판 제조 방법에 의해,

고분자 전해질막이 적용되지 않을 경우의 수명인 272 사이클에서 고분자 전해질막이 적용될 경우의 수명이 374 사이클로 38%의 수명 향상을 제공할 수 있는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 이온 전도성 고분자 전해질막은,

친수성 술폰산기가 적용된 멤브레인 막인 것을 특징으로 한다.

한편, 다른 실시예에 따라, PET재질의 부직포 또는 종이 재질의 티슈 Paper를 활물질 표면에 압착하여 부착시키는 공정을 도입할 경우에, 고분자전해질막부착단계(S200) 대신에,

활물질이 도포된 그리드에 PET재질의 부직포 또는 종이 재질의 티슈 Paper를 활물질 표면에 압착하여 부착시키는 부직포부착단계(S150);와

상기 부착된 부직포 또는 티슈 페이퍼에 이온 전도성 고분자 전해질막을 위치시키는 고분자전해질막위치단계(S200A);와

초음파 또는 본딩 방식을 이용하여 부직포 또는 티슈 페이퍼와 이온 전도성 고분자 전해질막을 부착시키는 부직포/고분자전해질막부착단계(S250A);를 포함함으로써, 내구성을 향상시키는 것을 특징으로 한다.

이때, 본 발명의 제조 방법에 의해, 이온 전도성 고분자 전해질막을 적용한 납축전지용 극판을 포함하고 있는 납축전지를 제공하게 된다.

이하, 본 발명에 의한 이온 전도성 고분자 전해질막을 적용하여 충전 효율 향상 및 저온 시동능력을 향상시킨 납축전지용 극판 제조 방법의 실시예를 통해 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이온 전도성 고분자 전해질막을 적용하여 충전 효율 향상 및 저온 시동능력을 향상시킨 납축전지용 극판 제조 방법의 공정도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명인 이온 전도성 고분자 전해질막을 적용하여 충전 효율 향상 및 저온 시동능력을 향상시킨 납축전지용 극판 제조 방법은,

그리드에 활물질을 도포하는 활물질도포단계(S100);와

상기 이온 전도성 고분자 전해질막이 부착된 그리드를 고온 환경에서 숙성 및 건조시키기 위한 고온숙성및건조단계(S300);를 포함하게 된다.

본 발명은 납축전지 극판 제조시 친수성으로 만들어진 술폰산 전해질막을 적용하여 전기화학 반응의 효율성을 높여주고, 이에 따른 충전 효율을 향상시키고, 저온환경의 시동능력을 향상시켜주며, 전기 전도도 향상을 통한 납축전지의 기초성능(CCA) 향상 및 조기 수명 종지를 개선할 수 있는 효과를 제공하게 된다.

즉, 부직포 혹은 티슈 페이퍼 대신에 술폰산 전해질막을 적용함으로써, 활물질 내의 전기 전도도 향상, 전자를 받아드릴 수 있는 능력을 향상시킬 수가 있게 된다.

결과적으로 전기 전도도 향상을 통한 납축전지의 기초성능(CCA) 향상 및 조기 수명 종지를 개선하는 것을 실험을 통해 확인하였다.

또한, 납축전지의 고장 원인은 사용 중에 부하의 종류와 관리하는 방법에 따라 좌우된다.

주된 고장 요인은 활물질 설페이션화, 극판 활물질 탈락, 양극 격자부식, 격리판 파손, 복합적인 요인 등이 있다.

특히, 자동차에 장착된 제품의 경우, 운행 조건 및 전장에서의 사용부하에 따라 활물질 설페이션화가 가속화되며 극판 활물질 탈락이 발생하여 조기 수명 종지 현상이 발생된다.

따라서, 그리드에서의 활물질 탈락의 가속화를 저하시키는 것이 중요하다.

결론적으로 친수성으로 만들어진 술폰산 전해질막을 적용하여 그리드의 활물질 표면에 경화시킴으로써, 활물질의 접착력을 향상시키고, 이온 전도성 고분자 전해질막을 사용함으로써, 전기 전도도 향상을 제공하게 되어 주요 수명 종지 원인인 활물질 설페이션화 지연 및 활탈 문제를 개선하였다.

상기와 같은 기능을 제공하기 위하여, 본 발명의 활물질도포단계(S100)를 통해 그리드에 활물질을 도포하게 된다.

이후, 고분자전해질막부착단계(S200)는 상기 활물질이 도포된 그리드에 PET재질의 부직포 또는 종이 재질의 티슈 Paper를 활물질 표면에 압착하여 부착시키는 공정 대신에 이온 전도성 고분자 전해질막을 부착시키게 된다.

이후, 고온숙성및건조단계(S300)를 통해 상기 이온 전도성 고분자 전해질막이 부착된 그리드를 고온 환경에서 숙성 및 건조시켜 납축전지의 극판을 제조하게 되는 것이다.

구체적으로, 상기 고온숙성및건조단계(S300)에서,

고온의 온도는 300℃ ~ 400℃ 범위 내인 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 범위 내에서 고온 처리를 수행하는 임계적 의의는 표 2에 도시한 바와 같이, 200℃ 정도에서의 수명은 종래 238 사이클보다 높지만, 20% 이하의 미비한 수명 연장 효과를 제공하고, 400℃를 초과하는 온도에서의 수명은 종래 238 사이클과 별반 차이가 없게 되는데, 이는 400℃ 초과의 고온에서 크랙이 발생하기 때문인 것으로 판단된다.

따라서, 상기한 온도 범위 내에서의 경화를 수행하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 고온숙성및건조단계(S300)에서,

이때, 고온숙성및건조단계(S300)에 온도 조건에 의해,

구체적으로 설명하자면, 상기 예열 처리 과정에서 200℃를 초과하게 되면 최종 열처리시에 활물질, 전해질막과 극판 간에 균열이 발생할 소지가 있으며, 상기한 온도 미만일 경우에는 극판 내 활물질과의 안정적인 결합이 불가능하기 때문에 상기한 온도를 준수하는 것이 바람직할 것이다.

이후, 최종적으로 건조기 내에서 300℃ ~ 400℃ 범위내에서 2시간 동안 열처리함으로써 균열이 없으며, 극판과 이온 전도성 고분자 전해질막 간의 안정적인 결합이 가능하도록 한다.

이때, 400도를 초과하는 온도에서의 수명은 종래 238 사이클과 별반 차이가 없게 되는데, 이는 400도 초과의 고온에서 크랙이 발생하기 때문인 것으로 판단되므로 상기한 온도 범위 내에서 설정된 2시간 동안 건조 과정을 거쳐야 가장 최적의 수명 싸이클을 제공할 수가 있게 되는 것이다.

위에서 상술한 바와 같이 본 발명의 효과를 파악하기 위해 종래의 그리드에 활물질을 도포한 후, 부직포를 활물질에 압착하여 부착시킨 극판과 본 발명에 의해 제조된 이온 전도성 고분자 전해질막가 적용된 극판을 가지고 기초성능 및 수명시험을 하였다.

후술하는 종래품이라 함은, 출원인이 제조하는 납축전지(BX80)에 사용하는 활물질에 부직포를 포함한 극판을 이용하여 제조된 제품을 말하며, 개선품은 본 발명의 제조 방법을 통해 이온 전도성 고분자 전해질막을 적용한 납축전지용 극판을 포함하고 있는 제품을 말한다.

또한, 후속 공정인 조립 및 기판에 전기 전도도를 부여하는 화성 등의 공정을 통해 최종적인 70Ah 용량(20시간율 용량)을 갖는 종래품과 개선품을 제작하였으며, 이온 전도성 고분자 전해질막이 적용된 극판의 효과를 입증하기 위하여 충전수입성과 50% DoD 내구성 시험을 진행하였다.

1) 충전수입성 시험 (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.

이후 정전압 14.4V±0.1V으로 충전하여 충전 10분때 전류를 측정한다.

시험결과, 전기전도도 및 충전 효율이 높아 개선품이 종래품 대비 10분 정도에 전류가 34% 증대되었음을 알 수 있었다.

구분	시간	종래품	개선품
충전수입성	1분	27.25	28.17
	2분	24.21	26.98
	3분	22.14	26.22
	4분	21.25	25.52
	5분	20.11	24.83
	6분	19.35	23.94
	7분	18.74	23.46
	8분	17.68	22.79
	9분	17.04	22.37
	10분	16.43	22.10

통상적으로 납축전지는 Grid에 활물질 도포 후, PET재질의 부직포 또는 종이 재질의 티슈 Paper를 활물질 표면에 압착하여 부착시킨다.

이는 Grid에 도포된 활물질이 Grid에서 탈락되지 않도록 지지하는 역할로만 사용되며, 이러한 활물질 지지대(부직포 or 티슈 Paper)는 내산성, 내열성, 내산화성이 특징이다.

하지만, 이러한 지지대는 Grid에 활물질 도포 시, 압착에 의해서만 활물질을 지지하고 있기 때문에 차량에 장착되어 사용 시, 사용자의 사용 조건, 환경 조건, 운행 조건에 따라 Grid에서의 활물질 탈락이 가속화 되어 배터리의 용량 및 시동력 저하 또는 조기 수명 종지를 초래한다.

그러나, 상기 방식의 경우, 갈수록 높은 기초 성능을 요구하는 환경에서는 성능 제공에 문제점이 발생하게 되었다.

반면에, 본 발명에서는 이를 개선하기 위하여 활물질의 접착력이 우수하고, 전기 전도도가 우수한 이온 전도성 고분자 전해질막을 사용하게 된 것이다.

따라서, 부직포 또는 티슈 Paper대신 Gird에 활물질 도포 후, 이온 전도성 고분자 전해질막을 적용하여 활물질의 접착력을 향상시키고, 이온 전도성 고분자 전해질막을 사용함으로써, 전기 전도도 향상을 통한 납축전지의 기초성능(CCA) 향상 및 조기 수명 종지를 개선하는 것이다.

상기한 이온 전도성 고분자 전해질막은,

구체적으로 설명하면, 납축전지 극판 제조시 친수성으로 만들어진 술폰산 전해질막을 적용하여 전기화학 반응의 효율성을 높여주고 내구성과 저온환경의 시동능력을 향상시켜주는 게 특징이다.

일반적으로 술폰산은 연료전지에 사용되며, 멤브레인은 특정한 물질을 선택적으로 통과시키는 소재로 정의된다.

테프론이라고 알려진 소수성의 고분자 주쇄에 가지 형태로 친수성인 술폰산기(Sulfonic Acid)가 달려 있다.

납축전지에 사용되는 황산 전해액은 황산과 물의 혼합물로써 이 중 물에 의한 가습 효과로 인해 술폰산기 영역에서 미세 상분리가 일어나 미세 Pore를 형성하게 된다.

본 발명을 통해 통상적인 납축전지의 극판 (전극)을 제조함에 있어, 활물질 Pasting시 적용 가능하며, 고온 다습한 숙성 조건시에 미세 Pore 형성을 하여 전해액 내의 이온 통로에 부족함이 없으며, 전해질막의 전도성으로 인한 납축전지 제품내의 내부 저항을 감소시키며, 그로 인한 저온시동 능력 및 충전 효율 향상을 제공 할 수 있는 특징이 있다.

결국, 종래품 대비 수명 향상을 제공할 수 있으며, 도 2에 도시한 바와 같이, 종래품의 저온 시동력 대비 향상된 저온 시동력을 제공할 수가 있게 되는 것이다.

한편, 본 발명의 효과를 입증하기 위하여 하기의 실험 자료를 통해 후술하도록 하겠다.

2) 가속 수명 시험(SAE J2801)

납축전지를 75℃ 수조에서 약 1주일 동안 일반적인 차량 조건과 유사하게 34회 충/방전 싸이클이 진행한다.

34회 싸이클 실시 후 200A로 10초 방전하여 7.2V 이상 유지가 되면 다시 34회 싸이클을 진행하는 방식으로 수명 시험을 진행한다.

또한, 싸이클 중 충전단계의 말기 전류가 15A 이상 올라가거나 휴지 시, 전압이 12.0V 이하 또는 매주 검증 단계에서 200A 방전 시, 전압이 7.2V 이하 시험을 중단한다.

하기 표2는 SAE J2801 시험을 실시한 결과이며, 34회 충/방전 싸이클 마다 200A로 10초 방전 시 전압을 나타내었다.

사이클	부직포 적용	전해질막 적용+예열처리미적용	전해질막 적용+예열처리적용+200도건조	전해질막 적용+예열처리적용+350도건조	전해질막 적용+예열처리적용+450도건조
34	11.82	11.83	11.85	11.87	11.82
68	11.76	11.77	11.80	11.83	11.70
102	11.72	11.73	11.78	11.80	11.62
136	11.69	11.71	11.76	11.79	11.59
170	11.65	11.68	11.74	11.77	11.50
204	11.55	11.61	11.69	11.70	11.42
238	11.43	11.45	11.60	11.63	11.30
272	7.2 이하	7.2 이하	11.49	11.55	7.2 이하
306			7.2 이하	11.48
340				11.40
374				11.31
408				7.2 이하

상기 표 2의 경우에는 이온 전도성 고분자 전해질막 미적용시 수명은 238싸이클이고, 이온 전도성 고분자 전해질막을 적용하였으나, 예열 처리 과정을 거치지 않을 경우에 수명도 238싸이클을 나타냈다.

한편, 이온 전도성 고분자 전해질막 적용 및 예열처리를 거쳤으나, 200도의 온도로 건조할 경우에 다소 수명이 238싸이클에서 272싸이클로 향상되었으나, 유의미한 향상은 아님을 확인하였다.

그러나, 이온 전도성 고분자 전해질막 적용 및 예열처리를 거치고, 350도의 온도로 건조 과정을 거치게 되니까 238싸이클에서 374 사이클로 57%의 수명 향상되었음을 알 수 있었다.

따라서, 가장 바작직한 건조 온도는 300 ~ 400도 내의 350도 임을 알 수 있었다.

한편, 이온 전도성 고분자 전해질막 적용 및 예열처리를 거치고, 400도를 초과하는 450도의 온도로 건조 과정을 거치게 되니까 238싸이클로 회귀되었음을 알 수 있었으며, 이는 400℃ 초과의 아주 높은 고온에서 크랙이 발생하기 때문인 것으로 판단된다.

한편, 다른 실시예로서, 도 3에 도시한 바와 같이, PET재질의 부직포 또는 종이 재질의 티슈 Paper를 활물질 표면에 압착하여 부착시키는 공정을 도입할 경우에, 고분자전해질막부착단계(S200) 대신에,

즉, 부직포를 활물질 표면에 압착하여 부착시키고(S150), 이후, 상기 부직포 상면에 이온 전도성 고분자 전해질막을 위치(S200A)시키게 된다.

이후, 초음파 또는 본딩 방식을 이용하여 부직포 또는 티슈 페이퍼와 이온 전도성 고분자 전해질막을 부착(S250A)시키는 과정을 거치게 된다.

이러한 경우에는 부직포와 전해질막이 동시에 존재하기 때문에 강성이 더욱 좋아지게 됨으로써, 납축전지의 내구성이 향상되는 효과를 제공할 수 있게 된다.

이러한 지지대는 Grid에 활물질 도포 시, 압착에 의해서만 활물질을 지지하고 있기 때문에 차량에 장착되어 사용 시, 사용자의 사용 조건, 환경 조건, 운행 조건에 따라 Grid에서의 활물질 탈락이 가속화 되어 배터리의 용량 및 시동력 저하 또는 조기 수명 종지를 초래한다.

따라서, 부직포를 제거하지 않고, 부직포가 존재하는 상태에서 여기에 다시 고분자 전해질막을 위치시킨 후, 초음파로 접착시키게 되면 부직포 및 전해질막에 의한 2 중 활물질 탈락 방지 효과와 전해질막에 의한 충전 효율 향상 및 저온 시동능력을 더욱 향상시킬 수가 있게 되는 것이다.

상기와 같은 제조 방법을 통해, 납축전지 극판 제조시 친수성으로 만들어진 술폰산 전해질막을 적용하여 전기화학 반응의 효율성을 높여주고, 이에 따른 충전 효율을 향상시키고, 저온환경의 시동능력을 향상시켜주며, 전기 전도도 향상을 통한 납축전지의 기초성능(CCA) 향상 및 조기 수명 종지를 개선할 수 있는 효과를 제공하게 된다.

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.

S100 : 활물질도포단계
S200 : 고분자전해질막부착단계
S300 : 고온숙성및건조단계

Claims

이온 전도성 고분자 전해질막을 적용하여 충전 효율 향상 및 저온 시동능력을 향상시킨 납축전지용 극판 제조 방법에 있어서,
그리드에 활물질을 도포하는 활물질도포단계(S100);와
상기 활물질이 도포된 그리드에 PET재질의 부직포 또는 종이 재질의 티슈 Paper를 활물질 표면에 압착하여 부착시키는 공정 대신에 이온 전도성 고분자 전해질막을 부착시키는 고분자전해질막부착단계(S200);와
상기 이온 전도성 고분자 전해질막이 부착된 그리드를 고온 환경에서 숙성 및 건조시키기 위한 고온숙성및건조단계(S300);를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 전도성 고분자 전해질막을 적용하여 충전 효율 향상 및 저온 시동능력을 향상시킨 납축전지용 극판 제조 방법.
제 1항에 있어서,
상기 고온숙성및건조단계(S300)에 온도 조건에 의해,
미세 포어(PORE)를 형성하여 전해액 내의 이온 통로로 활용할 수 있으며, 전해질막의 전도성으로 인하여 납축전지 내의 내부 저항을 감소시켜 이에 따른 저온 시동능력이 향상되고, 충전 효율을 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 이온 전도성 고분자 전해질막을 적용하여 충전 효율 향상 및 저온 시동능력을 향상시킨 납축전지용 극판 제조 방법.
제 1항에 있어서,
상기 이온 전도성 고분자 전해질막은,
친수성 술폰산기가 적용된 멤브레인 막인 것을 특징으로 하는 이온 전도성 고분자 전해질막을 적용하여 충전 효율 향상 및 저온 시동능력을 향상시킨 납축전지용 극판 제조 방법.
제 1항에 있어서,
PET재질의 부직포 또는 종이 재질의 티슈 Paper를 활물질 표면에 압착하여 부착시키는 공정을 도입할 경우에, 고분자전해질막부착단계(S200) 대신에,
활물질이 도포된 그리드에 PET재질의 부직포 또는 종이 재질의 티슈 Paper를 활물질 표면에 압착하여 부착시키는 부직포부착단계(S150);와
상기 부착된 부직포 또는 티슈 페이퍼에 이온 전도성 고분자 전해질막을 위치시키는 고분자전해질막위치단계(S200A);와
초음파 또는 본딩 방식을 이용하여 부직포 또는 티슈 페이퍼와 이온 전도성 고분자 전해질막을 부착시키는 부직포/고분자전해질막부착단계(S250A);를 포함함으로써, 내구성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 이온 전도성 고분자 전해질막을 적용하여 충전 효율 향상 및 저온 시동능력을 향상시킨 납축전지용 극판 제조 방법.
제 1항의 제조 방법에 의해,
이온 전도성 고분자 전해질막을 적용한 납축전지용 극판을 포함하고 있는 납축전지.