KR20220148050A

KR20220148050A - 다공성 폴리에스터 부직포를 적용하여 이온 이동성을 향상시키는 납축전지용 극판 제조방법

Info

Publication number: KR20220148050A
Application number: KR1020210055301A
Authority: KR
Inventors: 최석모; 윤강현; 은기홍
Original assignee: 한국앤컴퍼니 주식회사
Priority date: 2021-04-28
Filing date: 2021-04-28
Publication date: 2022-11-04
Also published as: KR102523085B1

Abstract

본 발명은 다공성 폴리에스터 부직포를 적용하여 이온 이동성을 향상시키는 납축전지용 극판 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다공성 PET 섬유 시트를 극판에 적용함으로써, 미세 기공 형성 및 공극률 향상으로 인하여 이온 이동도가 향상되어 충방전시 효율이 향상되고, 용량 및 기초 성능이 향상될 수 있는 다공성 폴리에스터 부직포를 적용하여 이온 이동성을 향상시키는 납축전지용 극판 제조방법에 관한 것이다.

Description

다공성 폴리에스터 부직포를 적용하여 이온 이동성을 향상시키는 납축전지용 극판 제조방법{Method for manufacturing electrode plate for lead acid battery that improves ion mobility by applying porous polyester nonwoven fabric}

기본적으로 전지 격리판은 전자적으로는 부도체이며 이온적으로는 도체이다.

즉, 격리판은 반대 극성의 전극들 간의 직접적인 전자적 접촉을 방지하는 반면에 상기 전극들 간의 이온 전류를 가능하게 한다. 이러한 두 가지 기능을 만족하기 위해서는, 격리판은 일반적으로 덴드라이트(dendrites) 또는 판(plate) 입자(particles)에 의한 전자적 단락을 방지하기 위하여 가능한 한 작은 공극(pores)을 가지며, 내부의 전지 저항을 최소화하기 위해 가능한 한 높은 공극률(porosity)을 가지는 다공성 (porous) 부도체이다.

납축전지에서 격리판은 또한 적절한 전극 간격을 결정하며, 그것에 의해 셀 반응에 참가하는 전해질의 양을 규정한다.

격리판은 전지의 사용기한 내내 안정하여야 한다.(대한민국공개특허공보 특2001-0042790참조)

잘 알려진 바와 같이 자동차 등에 사용되는 납축전지는 충전과 방전이 가능한 2차 전지로 이는 전해액으로서 묽은 황산(H2SO4)을 사용하고 전극의 활물질로서 양(+)극에 이산화연(PbO2)을 도포하고, 음(-)극에 해면상(海綿狀)납(Pb)을 도포하여 외부 회로에 연결하면 전기가 흐르면서 방전(초기의 양극과 음극의 활물질 조성이 황산납(PbSO4)으로 변하는 과정)과 외부에서 전류를 흘려주면 충전(황산납이 방전전의 초기 양극 활물질과 음극 활물질로 변하는 과정)이 되는 원리를 이용한 것이다.

이러한 납축전지의 구조를 도 1에 간략히 제시한다.

활물질이 도포된 양극판(1)과 음극판(2)은 제조 방법에 따라 여러 가지 형식의 것이 있는데, 그중에 한 예로 도 2는 본 발명이 대상으로 하는 페이스트(Paste)식 전극의 구조를 나타낸 것이다.

이는 격자 모양의 기판(5)과 그 위에 도포된 페이스트상의 활물질로 이루어진다.

보통 기판(5)은 기계적 강도 및 내부식성 강화를 위해 안티몬(Sb)과 칼슘(Ca)을 주성분으로한 합금으로 이루어져 있으며, 제조 방법은 주형에 부어 중력식으로 주조하거나 연속 압연 공법으로 주조를 한다.(대한민국공개특허번호 특2000-0031876 참조)

활물질은 납축전지 성능에 중요한 작용을 하는 부분으로서 미세한 분말 상태의 산화납(Pb0)을 묽은 황산 수용액과 페이스트상의 것을 도포기에서 그 기판상에 연속적으로 도포하여 숙성과 건조 그리고 전기적으로 산화, 환원시키는 화성 공정을 거쳐 제조된다.

양극 활물질인 이산화납(PbO2)은 산화된 납의 미립자가 무수히 많이 결합되어 있으며, 다공성이 풍부하여 입자 간을 전해액이 자유로이 확산, 침투하도록 되어 있다.

또한 음극판의 활물질인 해면상납(海綿狀鉛) 역시 다공성과 반응성이 풍부하여 전해액이 자유로이 침투하도록 된 것이다.

상기와 같이 제조된 양극판과 음극판은 두 극판의 직접적인 접촉(Short)을 방지하기 위해 다공성의 부도체인 격리판(3)으로 분리되어 제품 전조(제품을 구성하는 용기)에 넣어 조립이 되어진다.

이렇게 만들어진 납축전지는 내부 전해질에 의해 전기적 성능을 발휘하며, 자동차 내에서 충전과 방전이 이루어진다.

자동차에 장착된 납축전지는 자동차의 운행 조건(일평균 주행거리, 운전자 운행 습관, 도로 상태) 및 자동차 전장부(電裝部)의 전기적인 부하 상태에 따라 납축전지의 수명에 영향을 미친다.

그러나, 가혹한 상태에서의 운행 조건 및 과도한 전장부 부하는 다공성이 풍부한 양극판 활물질(PbO2)의 결합력을 떨어뜨리며, 이러한 활물질 탈락은 양극판과 음극판의 반응성을 떨어뜨려 전기적인 성능 저하를 초래하여 궁극적으로 납축전지의 수명을 저하시키는 요인이 된다.

상기와 같이 극판의 활물질 탈락 감소를 위해 전극을 주조 또는 익스펜딩된 기판에 전기화학적 활성을 갖는 활물질 도포되고 그 활물질 표면에 열가소성수지가 원료인 부직포를 일정 깊이로 박히도록 압착한 상태에서 극판을 제조하는 방식과 표면에 활물질층을 부착시킨 다수개의 극판으로 구성된 납축전지에 있어서 활물질층의 외면에 얇은 섬유망체를 씌우고 폴리에틸렌계의 고분자 물질로 형성되고 내면에 돌조가 형성된 공지의 격리판을 섬유망체의 외면에 설치하여 활물질 탈락을 감소시키고 덴드라이트의 성장을 억제할 수 있으며 격리판의 두께를 감소시킬수 있어 납축전지의 크기를 감소시키게 하는 방법이 사용되어지고 있다.

상기 부직포 및 섬유망체의 사용은 전지에서 각각의 특성에 맞게 활용도가 넓게 퍼져있으며, 니켈-아연 2차 전지에 있어 미공성필름과 부직포로 이루어진 세퍼레이터(격리판)의 전지 수명과 방전 성능의 균형에서 최적의 전해액량 규제하기 위해 아연 음극의 이용률을 증대시켜 전지의 수명을 연장시킬 수 있도록 한 것으로 폴리프로필렌부직포로 감싼 Ni양극과 면부직포 및 폴리프로필렌부직포로 감싼 Zn음극을 폴리프로필렌 미공성 필름으로 감싸서 세퍼레이터에 함습되는 전해액의 량과 상기 전지내의 전해액 총량 비율을 조정하는 전지, 알칼리 아연 축전지에 있어 Ni 양극과 Zn음극 사이를 분리하는 폴리프로필렌 부직포가 형성되고, 상기 Ni 양극, Zn 음극 및 폴리프로필렌 부직포의 외부에 복수겹의 미공성막을 가지는 다층분리막이 배치된 알칼리아연 축전지에 있어서, 상기 다층 분리막 의 Zn 음극과 폴리프로필렌 부직포 사이에 면부직포가 형성된 것으로 특징으로 하는 알칼리아연 축전지 및 리튬이온 전지에서의 격리판 제조에 있어30-80% 범위의 다공성, 002-20마이크론 범위의 평균 공극크기를 가지는 미공성 폴리올레핀 막을 포함하고 폴리올레핀 공중합체와 폴리올레핀 중합체의 올리고머의 블렌드로부터 제조되는 격리판 등 전지에서의 폴리머로 구성된 폴리올레핀계 부직포 및 막이 많이 활용되어 지고 있다.

현재 납축전지에 사용되는 대부분의 격리판은 충전식의 다공성 폴리에틸렌 격리판이며, 주요 목적은 양극판 및 음극판 간의 직접적인 접촉을 방지함으로써, 단락을 방지하는 것이며, 보조적인 목적은 양극판 및 음극판 간의 작은 저항으로 이온 전류 흐름을 가능하게 하여야 하는 것이다.

요약하자면, 통상적으로 납축전지는 Grid에 활물질 도포 후, 티슈 Paper를 활물질 표면에 부착시킨다.

티슈 Paper는 도포 작업시 쉽게 찢어져 작업성이 떨어지며 극판을 고정시키는 힘이 약하여 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.

또한, 티슈 Paper는 배터리의 전기적 성질을 가지게 하는 화성 공정 후 녹아 전해액의 건더기 형태로 부유물이 되어　떠다니게　된다.

이런 건더기는 저항을 증가시키는 역할을 한다.

이 단점을 보완하고자 티슈 Paper를 대체하여　폴리에틸렌 테레프탈레이트　재질의 부직포를 활물질 표면에 압착하여 사용하고 있다.

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

하지만, 지지대 역할을 하는 부직포는 전해액을 첨가하여 전기를 불어 넣어 주는 화성 공정 후, 양극, 음극 간에 이온 전자 이동을 방해하는 중합체가 됨으로써,　제품 내의　저항을 증가시켜 배터리 성능 하락의 주원인이 되는 단점을 가지고 있었다.

한편, 통상적으로 납축전지는 Grid에 활물질 도포 후, 폴리에틸렌테레프탈레이트 재질의 부직포를 활물질 표면에 압착하여 부착시킨다.

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

하지만, 이러한 지지대는 Grid에 활물질 도포 시, 압착하여 활물질 탈락을 방지하는 지지대 역할만 하고 있기 때문에 전해액을 첨가하여 전기를 불어 넣어 주는 화성 공정 후, 양극, 음극 간에 이온 전자 이동을 방해하는 중합체가 됨으로써, 제품 내의 이온 이동도 및 저항을 감소시켜 기초성능 하락의 주원인이 되는 단점을 가지고 있었다

따라서, 본 발명에서는 이온 이동도를 향상하기 위하여 극판의 활물질 지지체인 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트) 부직포 제작시, 필러인 SiO2를 첨가한 후, 제작된 부직포를 HF 에칭하여 SiO2를 부식시켜 Si화 시킴으로써, 발생되는 부피감소를 이용하여 공극률 및 미세기공을 향상시켰으며, 이를 통해 이온간의 이동을 활성화시킬 수 있는 방법을 제안하게 된 것이다.

대한민국공개특허공보 특2001-0042790호 대한민국공개특허번호 특2000-0031876호

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

다공성 PET 섬유 시트를 극판에 적용함으로써, 미세 기공 형성 및 공극률 향상으로 인하여 이온 이동도가 향상되어 충방전시 효율이 향상되고, 용량 및 기초 성능이 향상될 수 있도록 하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 폴리에스터 부직포를 적용하여 이온 이동성을 향상시키는 납축전지용 극판 제조방법은,

PET 수지와 SiO2를 혼합하여 혼합물을 제조하는 SiO2혼합물제조단계(S100);와

연속 압출기의 방사 온도를 300℃로 하여 상기 혼합물을 녹이는 혼합물녹임단계(S200);와

상기 연속 압출기의 모세공에서 방출되는 연속 필라멘트를 냉각기를 이용하여 25℃의 냉각풍으로 고화시키기 위한 냉각단계(S300);와

공기 연신기를 이용하여 방사 속도가 4,500 m/min이 되도록 연신시켜 평균 섬도가 25um인 섬유를 제조하는 섬유제조단계(S400);와

상기 연신된 섬유를 연속 이동하는 금속제 네트 상에 웹 형태로 적층시키기 위한 적층단계(S500);와

상기 적층된 섬유를 240℃ 온도에서 열 접착하여 단위 면적당 중량이 20 g/m2 인 SiO2가 포함된 섬유 시트를 제조하는 SiO2섬유시트제조단계(S600);와

상기 SiO2가 포함된 섬유 시트를 49% HF와 EtOH 를 1 : 1 질량비로 혼합한 혼합 용액에 60초 동안 딥핑하여 에칭시켜 Si화시키기 위한 에칭단계(S700);와

상기 에칭된 SiO2가 포함된 섬유 시트를 증류수로 세정하고, N2 가스를 이용하여 건조시켜 다공성 PET 섬유 시트를 제조하는 다공성PET 섬유시트제조단계(S800);와

극판에 활물질을 도포하는 활물질도포단계(S900);와

상기 활물질이 도포된 극판에 상기 다공성 PET 섬유 시트를 위치시키고, 건조기에 투입하여 고온에서 건조시켜 극판을 제조하기 위한 극판완성단계(S1000);를 포함함으로써, 납 축전지 내구성과 성능을 향상시키기 위한 과제를 해결하게 되는 것이다.

본 발명인 다공성 폴리에스터 부직포를 적용하여 이온 이동성을 향상시키는 납축전지용 극판 제조방법을 통해, 다공성 PET 섬유 시트를 극판에 적용함으로써, 미세 기공 형성 및 공극률 향상으로 인하여 이온 이동도가 향상되어 충방전시 효율이 향상되고, 용량 및 기초 성능이 향상될 수 있는 효과를 제공하게 된다.

즉, 이온 이동도를 향상하기 위하여 극판의 활물질 지지체인 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트) 부직포 제작시, 필러인 SiO2를 첨가한 후, 제작된 부직포를 HF 에칭하여 SiO2를 부식시켜 Si화시킴으로써, 발생되는 부피감소를 이용하여 공극률 및 미세기공을 향상시켰으며, 이는 이온간의 이동을 활성화시키는 효과를 제공하는 것이다.

도 1은 일반적인 납축전지의 내부 구조를 간략하게 도시한 단면도이다.
도 2는 일반적인 납축전지를 구성하는 전극의 일부분을 절개한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 폴리에스터 부직포를 적용하여 이온 이동성을 향상시키는 납축전지용 극판 제조방법의 공정도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 폴리에스터 부직포를 적용하여 이온 이동성을 향상시키는 납축전지용 극판 제조방법에 의해 제조된 SiO2 첨가 부직포 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 폴리에스터 부직포를 적용하여 이온 이동성을 향상시키는 납축전지용 극판 제조방법의 에칭 처리를 통해 Si화된 PET 부직포 예시도이다.
도 6은 일반적인 부직포를 포함한 극판 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 폴리에스터 부직포를 적용하여 이온 이동성을 향상시키는 납축전지용 극판 제조방법에 의해 제조된 개선품과 일반적 제조 방법을 통해 제조된 종래품를 비교한 그래프로서, 미국 자동차 기술자 협회 규격에 따라 고온 환경에서 수명을 검증한 그래프 도면이다.

본 발명의 일실시예에 따른 다공성 폴리에스터 부직포를 적용하여 이온 이동성을 향상시키는 납축전지용 극판 제조방법은,

상기 적층된 섬유를 240℃ 온도에서 열 접착하여 단위 면적당 중량이 20 g/m²인 SiO2가 포함된 섬유 시트를 제조하는 SiO2섬유시트제조단계(S600);와

상기 에칭된 SiO2가 포함된 섬유 시트를 증류수로 세정하고, N₂가스를 이용하여 건조시켜 다공성 PET 섬유 시트를 제조하는 다공성PET 섬유시트제조단계(S800);와

극판에 활물질을 도포하는 활물질도포단계(S900);와

상기 활물질이 도포된 극판에 상기 다공성 PET 섬유 시트를 위치시키고, 건조기에 투입하여 고온에서 건조시켜 극판을 제조하기 위한 극판완성단계(S1000);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 에칭단계(S700)는,

SiO2가 포함된 섬유 시트를 에칭하여 Si화시킴으로써, 발생되는 부피감소를 이용하여 공극률 및 미세 기공을 향상시켜 이온간의 이동을 활성화하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 다공성 PET 섬유 시트를 극판에 적용함으로써, 미세 기공 형성 및 공극률 향상으로 인하여 이온 이동도가 향상되어 충방전시 효율이 향상되고, 용량 및 기초 성능이 향상되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 연속 압출기는,

연신 후, 제조되는 섬유의 평균 섬도가 25um 가 되도록 토출량과 구금의 모세공 수를 조절하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 다공성 폴리에스터 부직포를 적용하여 이온 이동성을 향상시키는 납축전지용 극판 제조방법에 의해,

제조된 납축전지의 보유 용량이 80Ah ~ 87Ah의 용량일 경우,

수명은 1,920 싸이클에서 2,900 ~ 2,920 싸이클로 51 ~ 52% 범위 내의 내구성 향상을 제공할 수 있는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된,

다공성 폴리에스터 부직포가 포함된 납축전지의 극판을 제공함으로써, 이온 이동도를 향상하기 위하여 극판의 활물질 지지체인 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트) 부직포 제작시, 필러인 SiO2를 첨가한 후, 제작된 부직포를 HF 에칭하여 SiO2를 부식시켜 Si화시킴으로써, 발생되는 부피감소를 이용하여 공극률 및 미세기공을 향상시켰으며, 이는 이온간의 이동을 활성화시키는 효과를 제공하는 것이다.

이하, 본 발명에 의한 다공성 폴리에스터 부직포를 적용하여 이온 이동성을 향상시키는 납축전지용 극판 제조방법의 실시예를 통해 상세히 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 폴리에스터 부직포를 적용하여 이온 이동성을 향상시키는 납축전지용 극판 제조방법의 공정도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명인 다공성 폴리에스터 부직포를 적용하여 이온 이동성을 향상시키는 납축전지용 극판 제조방법은,

상기 에칭된 SiO2가 포함된 섬유 시트를 증류수로 세정하고, N₂가스를 이용하여 건조시켜 다공성 PET 섬유 시트를 제조하는 다공성PET 섬유시트제조단계(S800);

극판에 활물질을 도포하는 활물질도포단계(S900);와

본 발명은 다공성 PET 섬유 시트를 극판에 적용함으로써, 미세 기공 형성 및 공극률 향상으로 인하여 이온 이동도가 향상되어 충방전시 효율이 향상되고, 용량 및 기초 성능이 향상될 수 있는 효과를 제공하게 된다.

다음은 제조단계에 대하여 구체적으로 설명하도록 하겠다.

상기 SiO2혼합물제조단계(S100)는 PET 수지와 SiO2를 혼합하여 혼합물을 제조하는 공정이다.

바람직하게는 원료인 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지를 사용하였으며, PET 수지를 필러인 SiO2를 99:1 비율로 혼합하여 혼합물을 제조하게 된다.

상기 PET 수지는 단섬유(Staple Fiber) 부직포로서, 단일 재질의 합성수지로 제조되기도 하며, 2가지 이상의 재질의 합성수지 단섬유가 혼용되어 사용하기도 한다.

장섬유(Filament) 부직포는 주로 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에스테르(PET) 섬유가 각 단일 재료로 사용된다.

부직포를 형성시킴에 있어서, 단섬유 부직포는, 접착제를 이용한 화학적 접착(Chemical Bonding), 열이나 섬유 용용 특성을 이용한 서멀본딩(Thermal Bonding), 니들 펀칭(Needle Punching), 멜트 블로운(Melt Blown), 스티치 본딩(Stitch Bonding)법 등이 사용되고 있으며, 장섬유(Filament) 부직포는, 융용 방사된 원사를 컨베어(Conveyer)상에 균일하게 쌓아 쉬트(Sheet)상으로 만들고 여기에 Heater Embossing Roller를 통과시켜 부직포를 만드는 스펀본드(Spunbond)법이 주로 사용된다.

격리판을 제조하는 공정은 본 출원인이 출원하여 등록된 대한민국등록특허번호 제10-0645970호에 구체적으로 개시하였으며, 상기 등록특허를 간단히 설명하면, 기판에 부직포를 부착하여 격리판을 형성시킴에 있어서는, 등록특허의 도 3 에 도시된 바와 같이, 극판에 격리판을 씌우는 설비(Enveloping Machine)에 달려 있는 격리판롤(7)에 판체(6)를 권취하고, 추가로 설치한 부직포롤(8)에 부직포(9)를 권취하여 판체(6)와 부직포(9)를 함께 풀면서, 판체(6)와 부직포(9)를 접합시키어, 격리판부재를 형성시키는 것이다.

등록특허 도 3 에 도시된 바와 같은 접합장치에 의해서 격리판부재를 제조함에 있어서는, 다수의 돌조(Rib)(62)가 형성된 판체(6)에, 도 4 에 도시된 바와 같이 돌조(62)에 내열성·내화학성 핫멜트(Hot Melt)를 바르고 이에 부직포를 라미네이팅(Laminating)하여 붙이거나, 등록특허 도 5 에 도시된 바와 같이 판체(6)와 부직포(9)를 초음파(Ultrasonic) 융착 작업으로 단위 격리판의 양단에 접합부(10)를 형성시키어 붙일 수 있다.

이후, 상기 혼합물녹임단계(S200)를 통해 연속 압출기의 방사 온도를 300℃로 하여 상기 혼합물을 녹이는 공정을 수행하게 된다.

이후, 상기 냉각단계(S300)를 통해 상기 연속 압출기의 모세공에서 방출되는 연속 필라멘트를 냉각기를 이용하여 25℃의 냉각풍으로 고화시키게 된다.

이후, 섬유제조단계(S400)를 통해 공기 연신기를 이용하여 방사 속도가 4,500 m/min이 되도록 연신시켜 평균 섬도가 25um인 섬유를 제조하게 된다.

따라서, 상기 연속 압출기는,

이후, 적층단계(S500)를 통해 상기 연신된 섬유를 연속 이동하는 금속제 네트 상에 웹 형태로 적층시키게 된다.

이후, SiO2섬유시트제조단계(S600)를 통해 상기 적층된 섬유를 240℃ 온도에서 열 접착하여 단위 면적당 중량이 20 g/m² 인 SiO2가 포함된 섬유 시트를 제조하게 된다.

상기한 SiO2섬유시트제조단계(S600)를 통해 제조된 SiO2가 포함된 섬유 시트는 도 4와 같은 외형을 가지게 된다.

이후, 에칭단계(S700)를 통해 상기 SiO2가 포함된 섬유 시트를 49% HF와 EtOH 를 1 : 1 질량비로 혼합한 혼합 용액에 60초 동안 딥핑하여 에칭시켜 Si화시키게 된다.

상기와 같이, 에칭 처리하기 전에는 도 5에 도시한 바와 같이, SiO2가 포함된 섬유 시트 형상을 가지고 있으나, 에칭 처리하게 되면 Si화되게 됨으로써, 부피가 감소하게 되는 것이다.

따라서, 도 5와 같이, 공극률 및 미세 기공이 향상되게 됨으로써, 이온간의 이동을 활성화할 수 있게 되는 것이다.

이후, 섬유시트제조단계(S800)를 통해 상기 에칭된 SiO2가 포함된 섬유 시트를 증류수로 세정하고, N2 가스를 이용하여 건조시켜 다공성 PET 섬유 시트를 제조하게 되는 것이다.

즉, 도 5와 같은 다공성 PET 섬유 시트를 제조할 수가 있게 된다.

이후, 활물질도포단계(S900)를 통해 극판에 활물질을 도포하는 공정을 수행하게 된다.

이후, 극판완성단계(S1000)는 상기 활물질이 도포된 극판에 상기 다공성 PET 섬유 시트를 위치시키고, 건조기에 투입하여 고온에서 건조시켜 극판을 제조하기 위한 공정이다.

즉, 도 6과 같은 본 발명의 극판을 24시간 내외의 자연 건조 공정을 통해 고성능 극판을 제조하는 것이다.

위에서 상술한 바와 같이 본 발명의 효과를 파악하기 위해 일반적인 극판을 사용한 납축전지와 본 발명의 다공성 PET 섬유 시트를 포함한 극판을 사용한 납축전지에 대한 기초성능 및 수명시험을 하되, 후속 공정인 조립, 화성 등의 공정을 통해 최종적인 80Ah의 용량을 갖는 제품을 제작하였으며, 고온에서의 수명을 검증하기 위해 SAE J240 규격에 따라 수명 시험을 진행하였다.

후술하는 종래품이라 함은, 출원인이 제조하는 일반적인 극판을 사용한 납축전지를 말하며, 개선품은 다공성 PET 섬유 시트를 포함한 극판을 사용한 납축전지를 말한다.

시험결과 보유용량에서 87Ah의 용량과 수명이 2,920사이클에서 종지되었으며, 이는 종래품 대비 보유용량에서 35%, 수명에서는 52% 향상되었다.

이에 대한 실험 자료는 후술하도록 하겠다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 폴리에스터 부직포를 적용하여 이온 이동성을 향상시키는 납축전지용 극판 제조방법에 의해 제조된 개선품과 일반적 제조 방법을 통해 제조된 종래품를 비교한 그래프로서, 미국 자동차 기술자 협회 규격에 따라 고온 환경에서 수명을 검증한 그래프 도면이다.

상기 시험 규격은 EFB가 고온(75℃)에서 충전/방전을 반복하여 수명이 종지될 때까지의 사이클을 측정하는 시험 방법이다.

(1사이클 : 25A 4분 방전, 14.8V[최대 25A] 정전압 10분 충전)

본 시험은 1주 동안 480회 반복하며, 그 후 56시간 정치 후, 630A 고율로 방전하여 30초 시점에서의 전압을 측정함으로써 납축전지의 상태를 판정한다.

30초 시점의 전압이 7.2V 이상이면 납축전지를 온전한 상태로 판정하여 위의 싸이클을 반복하며, 7.2V 이하이면 납축전지를 수명 종지로 판정하여, 시험을 중단한다.

<시험예>

후술하는 종래품이라 함은, 출원인이 제조하는 일반적인 극판을 사용하는 납축전지를 말하며, 개선품은 다공성 PET 섬유 시트를 포함한 극판을 사용한 납축전지를 말한다.

구분	종래품	개선품
RC	100min	135min
CCA	622A	680A
C20	82Ah	97Ah
내구성(SAE J240)	1,920 Cycle	2,920 Cycle

상기 표 1은 종래의 납축전지와 본 발명의 제조 방법을 이용하여 제조한 납축전지의 성능 시험결과로서, 내구성이 종래품의 경우, 1,920 cycle을 나타냈으며, 개선품의 경우, 2,920 Cycle을 나타내고 있다.(도 7 참조)

따라서, 종래의 종래품보다 내구성이 52% 향상되었음을 실험을 통해 확인할 수 있었다.

1) 보유용량 (RC : Reserve Capacity)

보유용량 RC는 만충전 완료 후 1시간 이상 방치한 다음 25℃에서 25A의 방전전류로 방전종지전압 10.5V 도달 시까지의 방전가능지속시간을 측정하는 것으로서, 예를 들면, 이는 차량에 있어서, 시동이 정지된 상태 등에서 부하를 작동시키는데 어느 시간까지 최소한의 기능을 발휘할 수 있는가에 대한 척도가 된다.

시험결과, 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 다공성 PET 섬유 시트를 포함한 극판을 포함하여 제조하였을 경우, 보유용량(RC)은 126 ~ 140분으로, 정확하게는 135분으로 기존 종래품에 대비하여 35%의 성능 향상 효과를 보임으로써, 다공성 PET 섬유 시트를 포함한 극판을 포함한 납축전지가 보유용량에 대한 긍정적인 영향을 주었음을 알 수 있었다.

2) 저온시동전류(CCA : Cold Cranking Ampere)

일반적으로 축전지의 급속방전 특성은 -10℃이하에서 급속히 저하되는데, 저온시동전류(CCA)는 저온에서의 자동차 시동능력을 평가하기 위한 고율방전시험으로서, 만충전 완료 후 -18℃에서 630A로 30초 방전시의 전압을 측정한다.

이 시험에 있어서는 30초 때의 전압이 7.2V이상 요구되며, 높을수록 성능이 우수한 것으로 평가된다.

본 발명에서는 (30초 전압÷6-0.2)×630의 보정식을 사용하여 CCA를 계산하였다.

시험결과, 표 1에서 보는 바와 같이, 30초 전압은 7.15V ~ 7.22V, 환산 CCA는 670A ~ 685A로, 정확하게는 680A로서 종래품에 대비하여 약 9%의 성능향상 효과를 보임으로써, 다공성 PET 섬유 시트를 포함한 극판을 포함한 납축전지가 저온시동전류에 대한 긍정적인 영향을 주었음을 알 수 있었다.

3) 20 시간율 용량(AH)

이는 저율방전 특성을 알아보기 위한 것으로, 납축전지 용량에 대해 비교적 적은 전류인 3.75A로 연속 방전시켜, 전압이 10.5V에 도달할 때까지의 방전용량(AH)을 측정하는 것이다.

시험 결과, 92AH ~ 99AH로, 정확하게는 97AH로 기존제품에 대비하여 약 18%의 성능향상 효과를 보임으로써, 다공성 PET 섬유 시트를 포함한 극판을 포함한 납축전지가 20 시간율 용량(AH)에 대한 긍정적인 영향을 주었음을 알 수 있었다.

4) 수명 검증 시험(SAE J240, Cycle)

미국 자동차 기술자 협회 규격에 따라 75℃ 환경에서 수명을 검증한 그래프(SAE J240)로서, 상기 시험 규격은 납축전지가 고온(75℃)에서 충전/방전을 반복하여 수명이 종지될 때까지의 사이클을 측정하는 시험 방법이다.

(1사이클 : 25A 4분 방전, 14.8V[최대 25A] 정전압 10분 충전)

본 시험은 1주 동안 480회 반복하며, 그 후 56시간 정치 후 630A 고율로 방전하여 30초 시점에서의 전압을 측정함으로써 납축전지의 상태를 판정한다.

30초 시점의 전압이 7.2V 이상이면 납축전지를 온전한 상태로 판정하여 위의 싸이클을 반복하며, 7.2V 이하이면 납축전지를 수명종지로 판정하여, 시험을 중단한다.

시험 결과, 도 4에서 보는 것과 같이 종래품에 대비하여 수명에서 52% 향상 효과를 보임으로써, 다공성 PET 섬유 시트를 포함한 극판을 포함한 납축전지가 수명 증가에 대한 긍정적인 영향을 주었음을 알 수 있었다.

5) 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, 전기 전도도 및 충전 효율이 높아 개선품이 종래품 대비 10분 정도에 전류가 약 47% 증대되었음을 알 수 있었다.

구분	시간	종래품	개선품
충전수입성	1분	27.25	29.87
	2분	24.21	28.92
	3분	22.14	28.22
	4분	21.25	27.52
	5분	20.11	27.21
	6분	19.35	26.84
	7분	18.74	26.16
	8분	17.68	25.69
	9분	17.04	24.97
	10분	16.43	24.28

상기와 같은 제조 방법을 통해, 다공성 PET 섬유 시트를 극판에 적용함으로써, 미세 기공 형성 및 공극률 향상으로 인하여 이온 이동도가 향상되어 충방전시 효율이 향상되고, 용량 및 기초 성능이 향상될 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 : SiO2혼합물제조단계
S200 : 혼합물녹임단계
S300 : 냉각단계
S400 : 섬유제조단계
S500 : 적층단계
S600 : SiO2섬유시트제조단계
S700 : 에칭단계
S800 : 다공성PET 섬유시트제조단계
S900 : 활물질도포단계
S1000 : 극판완성단계

Claims

다공성 폴리에스터 부직포를 적용하여 이온 이동성을 향상시키는 납축전지용 극판 제조방법에 있어서,
PET 수지와 SiO2를 혼합하여 혼합물을 제조하는 SiO2혼합물제조단계(S100);와
연속 압출기의 방사 온도를 300℃로 하여 상기 혼합물을 녹이는 혼합물녹임단계(S200);와
상기 연속 압출기의 모세공에서 방출되는 연속 필라멘트를 냉각기를 이용하여 25℃의 냉각풍으로 고화시키기 위한 냉각단계(S300);와
공기 연신기를 이용하여 방사 속도가 4,500 m/min이 되도록 연신시켜 평균 섬도가 25um인 섬유를 제조하는 섬유제조단계(S400);와
상기 연신된 섬유를 연속 이동하는 금속제 네트 상에 웹 형태로 적층시키기 위한 적층단계(S500);와
상기 적층된 섬유를 240℃ 온도에서 열 접착하여 단위 면적당 중량이 20 g/m²인 SiO2가 포함된 섬유 시트를 제조하는 SiO2섬유시트제조단계(S600);와
상기 SiO2가 포함된 섬유 시트를 49% HF와 EtOH 를 1 : 1 질량비로 혼합한 혼합 용액에 60초 동안 딥핑하여 에칭시켜 Si화시키기 위한 에칭단계(S700);와
상기 에칭된 SiO2가 포함된 섬유 시트를 증류수로 세정하고, N₂가스를 이용하여 건조시켜 다공성 PET 섬유 시트를 제조하는 다공성PET 섬유시트제조단계(S800);와
극판에 활물질을 도포하는 활물질도포단계(S900);와
상기 활물질이 도포된 극판에 상기 다공성 PET 섬유 시트를 위치시키고, 건조기에 투입하여 고온에서 건조시켜 극판을 제조하기 위한 극판완성단계(S1000);를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 폴리에스터 부직포를 적용하여 이온 이동성을 향상시키는 납축전지용 극판 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 다공성 PET 섬유 시트를 극판에 적용함으로써, 미세 기공 형성 및 공극률 향상으로 인하여 이온 이동도가 향상되어 충방전시 효율이 향상되고, 용량 및 기초 성능이 향상되는 것을 특징으로 하는 다공성 폴리에스터 부직포를 적용하여 이온 이동성을 향상시키는 납축전지용 극판 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 연속 압출기는,
연신 후, 제조되는 섬유의 평균 섬도가 25um 가 되도록 토출량과 구금의 모세공 수를 조절하는 것을 특징으로 하는 다공성 폴리에스터 부직포를 적용하여 이온 이동성을 향상시키는 납축전지용 극판 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 다공성 폴리에스터 부직포를 적용하여 이온 이동성을 향상시키는 납축전지용 극판 제조방법에 의해,
제조된 납축전지의 보유 용량이 80Ah ~ 87Ah의 용량일 경우,
수명은 1,920 싸이클에서 2,900 ~ 2,920 싸이클로 51 ~ 52% 범위 내의 내구성 향상을 제공할 수 있는 것을 특징으로 하는 다공성 폴리에스터 부직포를 적용하여 이온 이동성을 향상시키는 납축전지용 극판 제조방법.
제 1항의 제조 방법에 의해 제조된,
다공성 폴리에스터 부직포가 포함된 납축전지의 극판.