KR20230020667A - 친수성 화이버를 이용한 납축전지용 극판 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 친수성 화이버를 이용한 납축전지용 극판 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래의 납축전지 음극에 첨가하는 활물질에 친수성 화이버 혹은 흡착성의 카본을 첨가하여 극판에 코팅처리함으로써, 친수성 화이버에 의해 종래 납축전지보다 활물질의 기공도를 향상시켜 활물질 내의 물 함량을 높이고, 이에 따른 다공도를 향상시키며, 흡착성의 카본에 의해 기공의 크기를 종래보다 더욱 크게 하여 잔여 불순물인 PbSO4를 흡착시킬 수 있도록 하는 친수성 화이버를 이용한 납축전지용 극판 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명을 통해, 음극 활물질의 내부 전기전도도를 증가시켜 납 축전지 기초 성능과 충전 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 제공하게 된다.
본 발명을 통해, 음극 활물질의 내부 전기전도도를 증가시켜 납 축전지 기초 성능과 충전 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 제공하게 된다.
Description
본 발명은 친수성 화이버를 이용한 납축전지용 극판 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래의 납축전지 음극에 첨가하는 활물질에 친수성 화이버 혹은 흡착성의 카본을 첨가하여 극판에 코팅처리함으로써, 친수성 화이버에 의해 종래 납축전지보다 활물질의 기공도를 향상시켜 활물질 내의 물 함량을 높이고, 이에 따른 다공도를 향상시키며, 흡착성의 카본에 의해 기공의 크기를 종래보다 더욱 크게 하여 잔여 불순물인 PbSO4를 흡착시킬 수 있도록 하는 친수성 화이버를 이용한 납축전지용 극판 제조 방법에 관한 것이다.
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.
종래의 기술로서, '음극활물질 및 그 제조방법 그리고 납축전지'는 리그닌이 납분말에 첨가되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 음극(負極) 활물질에 관한 기술을 개시한 바 있다.
그러나, 상기의 기술은 활물질의 수명을 향상시킨 효과는 기대하기는 어려웠다.
따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로,
본 발명의 목적은 종래의 납축전지 음극에 첨가하는 활물질에 친수성 화이버 혹은 흡착성의 카본을 첨가하여 극판에 코팅처리함으로써, 친수성 화이버에 의해 종래 납축전지보다 활물질의 기공도를 향상시켜 활물질 내의 물 함량을 높이고, 이에 따른 다공도를 향상시키며, 흡착성의 카본에 의해 기공의 크기를 종래보다 더욱 크게 하여 잔여 불순물인 PbSO4를 흡착시킬 수 있도록 하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 친수성 화이버를 이용한 납축전지용 극판 제조 방법은,
납축전지의 활물질 혼합공정에서,
연분, 황산, 및 음극에 따른 첨가제를 배합할 시, 첨가제로서, PE 화이버와 바인더를 혼합하여 바인더 용액을 준비하는 바인더용액준비단계(S100);와
상기 준비된 바인더 용액을 CVD(chemical vapor deposition)법, Deeping 코팅법, 캐스팅법 중 어느 하나의 코팅법을 이용하여 납으로 제작된 기판에 도포함으로써, 친수성혼합물코팅층을 형성하기 위한 친수성혼합물코팅층형성단계(S200);
상기 친수성혼합물코팅층이 형성된 기판을 60℃ 내지 80℃ 범위 내에서 1일 내지 10일 간 건조시키는 기판건조단계(S300);를 포함함으로써, 본 발명의 과제를 해결하게 된다.
본 발명인 친수성 화이버를 이용한 납축전지용 극판 제조 방법을 통해, 종래의 납축전지 음극에 첨가하는 활물질에 친수성 화이버 혹은 흡착성의 카본을 첨가하여 극판에 코팅처리함으로써, 친수성 화이버에 의해 종래 납축전지보다 활물질의 기공도를 향상시켜 활물질 내의 물 함량을 높이고, 이에 따른 다공도를 향상시키며, 흡착성의 카본에 의해 기공의 크기를 종래보다 더욱 크게 하여 잔여 불순물인 PbSO4를 흡착시킬 수 있도록 함으로써, 성능 개선 및 수명 연장의 효과를 제공하게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 슈왈차이트를 이용한 납축전지용 음극 활물질 제조 방법의 공정도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 친수성 화이버를 이용한 납축전지용 극판 제조 방법은,
납축전지의 활물질 혼합공정에서,
연분, 황산, 및 음극에 따른 첨가제를 배합할 시, 첨가제로서, PE 화이버와 바인더를 혼합하여 바인더 용액을 준비하는 바인더용액준비단계(S100);와
상기 준비된 바인더 용액을 CVD(chemical vapor deposition)법, Deeping 코팅법, 캐스팅법 중 어느 하나의 코팅법을 이용하여 납으로 제작된 기판에 도포함으로써, 친수성혼합물코팅층을 형성하기 위한 친수성혼합물코팅층형성단계(S200);
상기 친수성혼합물코팅층이 형성된 기판을 60℃ 내지 80℃ 범위 내에서 1일 내지 10일 간 건조시키는 기판건조단계(S300);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 바인더용액준비단계(S100)에서,
흡착 소재인 Activated Carbon을 0.1 ~ 5 중량부를 추가적으로 준비하여 바인더 용액에 혼합시키는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 바인더는,
친수성 계열의 계면활성제, 실리콘계, 불소계, 탄화수수계 혹은 알코올계의 -COONa, -COOK, -SO3Na, CH2CH2O, -O- 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 바인더의 함량은,
바인더를 제외한 음극 활물질 100 중량부 대비 0.1 ~ 10 중량부를 첨가하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 바인더용액준비단계(S100)에서,
바인더로서, 친수성 계열의 계면활성제, 실리콘계, 불소계, 탄화수수계 중 어느 하나를 적용함으로써, 활물질 내의 기공층의 평균 입경이 50 ~ 65nm 에서 55 ~ 70nm로 향상되며,
흡착 소재인 Activated Carbon을 추가 적용함으로써, 활물질 내의 기공층의 평균 입경이 50 ~ 65nm 에서 60 ~ 75nm로 향상되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 바인더용액준비단계(S100)에서,
바인더로서, 친수성 계열의 계면활성제, 실리콘계, 불소계, 탄화수수계 중 어느 하나를 적용함으로써, 활물질 내의 기공층의 평균 입경이 50 ~ 65nm 에서 55 ~ 70nm로 향상시켜 PbSO4 가 누적되는 현상을 지연시키며,
흡착 소재인 Activated Carbon을 추가 적용함으로써, 활물질 내의 기공층의 평균 입경이 50 ~ 65nm 에서 60 ~ 75nm로 향상시켜 PbSO4 를 흡착시켜 전해액 내 불순물을 제거하는 것을 특징으로 한다.
이때, 본 발명인 친수성 화이버를 이용한 납축전지용 극판 제조 방법에 의해,
친수성혼합물코팅층을 형성하지 않은 수명인 238 사이클에서 친수성혼합물코팅층 형성시 수명이 306 사이클로 28.5%의 수명 향상을 제공할 수 있는 것을 특징으로 한다.
이때, 본 발명의 제조 방법에 의해,
친수성 화이버를 이용한 납축전지용 극판을 포함하고 있는 납축전지를 제공하게 되는 것이다.
이하, 본 발명에 의한 친수성 화이버를 이용한 납축전지용 극판 제조 방법의 실시예를 통해 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 친수성 화이버를 이용한 납축전지용 극판 제조 방법의 공정도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명인 친수성 화이버를 이용한 납축전지용 극판 제조 방법은,
납축전지의 활물질 혼합공정에서,
연분, 황산, 및 음극에 따른 첨가제를 배합할 시, 첨가제로서, PE 화이버와 바인더를 혼합하여 바인더 용액을 준비하는 바인더용액준비단계(S100);와
상기 준비된 바인더 용액을 CVD(chemical vapor deposition)법, Deeping 코팅법, 캐스팅법 중 어느 하나의 코팅법을 이용하여 납으로 제작된 기판에 도포함으로써, 친수성혼합물코팅층을 형성하기 위한 친수성혼합물코팅층형성단계(S200);
상기 친수성혼합물코팅층이 형성된 기판을 60℃ 내지 80℃ 범위 내에서 1일 내지 10일 간 건조시키는 기판건조단계(S300);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 친수성 화이버를 이용한 납축전지용 극판 제조 방법에 관한 것으로서, 종래의 납축전지 음극에 첨가하는 활물질에 친수성 화이버 혹은 흡착성의 카본을 첨가하여 극판에 코팅처리함으로써, 친수성 화이버에 의해 종래 납축전지보다 활물질의 기공도를 향상시켜 활물질 내의 물 함량을 높이고, 이에 따른 다공도를 향상시키며, 흡착성의 카본에 의해 기공의 크기를 종래보다 더욱 크게 하여 잔여 불순물인 PbSO4를 흡착시킬 수 있도록 함으로써, 성능 개선 및 수명 연장의 효과를 제공하게 된다.
일반적으로 납축전지의 활물질을 제조함에 있어 적용하는 소수성(PE 계열) Fiber에 친수성기 or 흡착소재를 적용함으로써, 납축전지 활물질 효율을 향상시켜 충전 수입성의 향상을 얻을 수 있다는 것을 실험을 통해 확인하였다.
예를 들어, ISS 차량 (Stop & Start) 시스템이 적용된 차량에 납축전지 성능 (Performance) 및 내구 성능을 향상시키는 방법으로 본 발명의 제조 방법이 활용되는데, 구체적으로 기존 납축전지보다 활물질의 기공도를 향상시키기 위해 친수성 Fiber를 적용하여 활물질 내의 물의 함량을 높이고 그에 따른 다공도를 향상시키게 되는 것이다.
통상적인 납축전지 활물질 제작시, 납 활물질의 기공도를 높이기 위해 소수성(PE계열)의 화이버를 첨가하고 도포, 숙성, 건조하여 활물질의 기공을 형성하게 되는데, 납축전지 활물질의 기공 형성에 기여하는 메커니즘은 Mixing된 혼합물이 건조되면서 기공을 형성하고 기공 안에 전해액이 스며 들어 활물질의 효율을 향상시키게 되는데, 본 발명에서 친수성 Fiber를 적용하여 활물질 내의 물의 함량을 높이고 그에 따른 다공도를 향상시키게 되는 것이다.
상기와 같은 기능을 제공하기 위하여, 본 발명의 바인더용액준비단계(S100)는 연분, 황산, 및 음극에 따른 첨가제를 배합할 시, 첨가제로서, PE 화이버와 바인더를 혼합하여 바인더 용액을 준비하는 단계이다.
상기 본 발명의 효과를 제공하기 위하여, 음극 활물질에서의 바인더의 함량은,
바인더를 제외한 음극 활물질 100 중량부 대비 0.1 ~ 10 중량부를 첨가하는 것을 특징으로 한다.
상기 첨가되는 바인더의 중량부가 0.1 중량부 미만일 경우에는 극판의 전기 전도도는 종래와 비슷하므로 성능 향상을 기대하기가 어려운 소량에 해당하고, 10 중량부를 초과할 경우에는 가속 수명 시험에서 입증하였듯이, 수명 싸이클의 10 중량부의 싸이클 이상으로 기대하기가 어렵고, 단지 가격 상승 원인만을 제공할 뿐이다.
따라서, 상기한 범위 내에서 바인더를 투입하는 것이 바람직할 것이다.
이때, 상기 바인더는,
친수성 계열의 계면활성제, 실리콘계, 불소계, 탄화수수계 혹은 알코올계의 -COONa, -COOK, -SO3Na, CH2CH2O, -O- 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 바인더용액준비단계(S100)에서, 바인더로서, 친수성 계열의 계면활성제, 실리콘계, 불소계, 탄화수수계 중 어느 하나를 적용함으로써, 활물질 내의 기공층의 평균 입경이 50 ~ 65nm 에서 55 ~ 70nm로 향상시키게 된다.
한편, 부가적인 양상에 따라, 상기 바인더용액준비단계(S100)에서,
흡착 소재인 Activated Carbon을 0.1 ~ 5 중량부를 추가적으로 준비하여 바인더 용액에 혼합시키는 것을 특징으로 한다.
따라서, 상기 흡착 소재인 Activated Carbon을 추가 적용함으로써, 활물질 내의 기공층의 평균 입경이 50 ~ 65nm 에서 60 ~ 75nm로 향상되는 것을 특징으로 한다.
결국, 상기 바인더용액준비단계(S100)에서,
바인더로서, 친수성 계열의 계면활성제, 실리콘계, 불소계, 탄화수수계 중 어느 하나를 적용함으로써, 활물질 내의 기공층의 평균 입경이 50 ~ 65nm 에서 55 ~ 70nm로 향상시켜 PbSO4 가 누적되는 현상을 지연시키며,
흡착 소재인 Activated Carbon을 추가 적용함으로써, 활물질 내의 기공층의 평균 입경이 50 ~ 65nm 에서 60 ~ 75nm로 향상시켜 PbSO4 가 누적되어 일정 크기 이상으로 형성되는 것을 방지하는 것을 특징으로 한다.
즉, 활물질의 믹싱시, 물을 더 흡수할 수 있는 친수성기 Fiber를 적용함에 따라 극판 제작 후, 활물질을 건조할 경우에 종래보다 더 많이 흡수되어진 물에 의한 공극 형성이 증대됨에 따라 다공도가 향상되며, 흡착성의 재료인 카본을 추가함에 따라 기공이 더 커지는 효과를 제공할 수 있게 된다.
일반적으로 납축전지는 잦은 충/방전 또는 Deep 충, 방전시 PbSO4의 Size가 누적되게 되는데, 충전 및 방전으로 인해 점점 더 커지며, 이로 인하여 충전을 해도 이온화되지 않은 부동염의 형태로 되어지며 수명 종지에 이르게 되는 원인을 제공하게 된다.
따라서, 본 발명에서는 납축전지 활물질로 인해 얻어지는 문제점을 친수성 Fiber를 적용하여 활물질 내의 기공 형성이 크고 원활하게 해주어 PbSO4가 누적됨을 지연시키며, 흡착성 소재인 액티베이티드 카본(Activated Carbon)을 Fiber에 적용하여 PbSO4가 누적되어 커지는 문제점을 제거하게 된다.
이로 인해 형성된 납축전지는 용량의 Drop 율이 상대적으로 적어지는 현상을 보이며, 용량 Drop이 적은 제품은 내구성 향상을 제공하게 되는 것이다.
본 발명에서 설명하고 있는 활물질 설페이션화는 극판이 황산납(PbSO4)으로 결정체가 되는 것으로, 납축전지가 충, 방전을 반복하여 진행하면 극판이 불활성 물질로 덮이는 현상을 말한다.
주요 원인으로는 오랜 기간 충, 방전을 반복하여 사용하였을 경우, 과방전하였을 경우, 장기간 방전 상태로 방치하였을 경우, 전해액의 비중이 너무 낮을 경우, 전해액의 부족으로 극판이 노출되었을 경우, 전해액에 불순물이 혼입되었을 경우, 불충분한 충전을 반복하였을 경우 등이다.
상기 친수성혼합물코팅층형성단계(S200)는 준비된 바인더 용액을 CVD(chemical vapor deposition)법, Deeping 코팅법, 캐스팅법 중 어느 하나의 코팅법을 이용하여 납으로 제작된 기판에 도포함으로써, 친수성혼합물코팅층을 형성하기 위한 단계이다.
즉, 상기 준비된 바인더 용액을 CVD(chemical vapor deposition)법, Deeping 코팅법, 캐스팅법 중 어느 하나의 코팅법을 이용하여 납으로 제작된 기판에 도포하게 되는데, 바람직하게는 Deeping 코팅법을 이용하여 기판에 도포하여 친수성혼합물코팅층을 형성하게 되는 것이다.
상기 기판건조단계(S300)는 상기 친수성혼합물코팅층이 형성된 기판을 60℃ 내지 80℃ 범위 내에서 1일 내지 10일 간 건조시키는 단계이다.
즉, 음극 활물질을 납으로 제작된 기판에 일정량 골고루 퍼지게 도포한 후, 60℃ 내지 80℃ 범위 내에서 1일 내지 10일 간 건조시키게 된다.
위에서 상술한 바와 같이 본 발명의 효과를 파악하기 위해 활물질 혼합시 기존에 투입되던 유기합성 단섬유(PE 화이버)에 본 발명의 친수성 계열의 바인더를 코팅한 극판을 제조하고 숙성 공정을 통해 숙성시킨 후, 기초성능 및 수명시험을 하였다.
후술하는 종래품이라 함은, 출원인이 제조하는 납축전지(BX80)에 사용하는 활물질에 유기합성 단섬유를 포함한 후 도포한 음극판을 이용하여 제조된 제품을 말하며, 개선품은 본 발명의 제조 방법을 통해 친수성 화이버를 이용한 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 종래품(유기합성 단섬유 포함됨)과 개선품(친수성 화이버가 포함됨)을 제작하였으며, 친수성 화이버의 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, 전지전도도 및 충전 효율이 높아 개선품이 종래품 대비 10분 정도에 전류가 15% 증대되었음을 알 수 있었다.
| 구분 | 시간 | 종래품 | 개선품 |
| 충전수입성 |
1분 | 27.25 | 28.17 |
| 2분 | 24.21 | 27.32 | |
| 3분 | 22.14 | 26.83 | |
| 4분 | 21.25 | 24.92 | |
| 5분 | 20.11 | 23.83 | |
| 6분 | 19.35 | 22.74 | |
| 7분 | 18.74 | 20.96 | |
| 8분 | 17.68 | 19.29 | |
| 9분 | 17.04 | 19.67 | |
| 10분 | 16.43 | 18.89 |
유기합성 단섬유는 전지 활물질의 기계적 강도를 증가시킬 목적으로, 활물질에 첨가하게 된다.
재질은 전해액인 황산수용액에 대한 내산성을 고려하여, 폴리프로필렌이나 폴리에스테르 및 모드아크릴계열이 사용되고 있다.
사용되는 유기합성 단 섬유는, 직접방사법으로 제조되는 통상적인 합성 단섬유의 사양인 원형 단면를 지니며, 2 ~ 5 데니어(직경은 약 12 ~ 20 마이크로미터)의 섬도를 갖으며, 길이는 2 ~ 10밀리미터이다.
혼합시 투입되는 양은 0.1 ~ 0.5 wt% 로, 이를 통해 최종적인 전극 활물질의 기계적 강도를 향상시켜 진동 및 충방전에 의한 활물질의 수축 팽창으로 인해 활물질 구조가 파괴되는 현상을 억제하게 된다.
그러나, 상기 유기합성 단섬유의 경우, 갈수록 높은 기초 성능을 요구하는 환경에서는 성능 제공에 문제점이 발생하게 되었다.
따라서, 본 발명에서는 이를 개선하기 위하여 친수성 계열의 바인더를 사용하게 된 것이다.
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 충전전류가 15A 이상 올라가거나 방전 전압이 12.0V 이하로 떨어지면 시험을 중단한다.
하기 표2는 SAE J2801 시험을 실시한 결과이며, 34회 충/방전 싸이클 마다 200A로 10초 방전 시 전압을 나타내었다.
| 사이클 | 바인더 0 중량부 | 바인더 5 중량부 | 바인더 10 중량부 | 바인더 15 중량부 |
| 34 | 11.82 | 11.83 | 11.85 | 11.87 |
| 68 | 11.76 | 11.77 | 11.80 | 11.83 |
| 102 | 11.72 | 11.73 | 11.78 | 11.80 |
| 136 | 11.69 | 11.71 | 11.76 | 11.79 |
| 170 | 11.65 | 11.68 | 11.74 | 11.77 |
| 204 | 11.55 | 11.61 | 11.69 | 11.70 |
| 238 | 11.43 | 11.45 | 11.60 | 11.63 |
| 272 | 7.2 이하 | 11.21 | 11.49 | 11.55 |
| 306 | 7.2 이하 | 11.55 | 11.50 | |
| 340 | 7.2 이하 | 7.2 이하 |
상기 표 2와 같이, 시험결과, 친수성 바인더가 도포되지 않을 경우에는 수명은 238 싸이클을 보이지만, 5 중량부 첨가 후 도포시에는 수명은 272 사이클이며, 10 중량부 첨가 후 도포시에는 수명은 306 사이클로 28.5%의 수명 향상을 제공할 수 있게 되었다.
그러나, 상기 10 중량부를 초과하는 친수성 바인더를 첨가 후 도포하여도 수명은 306 사이클에서 더 증가하지 않음을 알 수 있어 이에 따라 5 ~ 10 중량부가 되므로 상기한 범위 내에서 첨가하는 것이 바람직하다.
이는 친수성 화이버에 의해 종래 납축전지보다 활물질의 기공도를 향상시켜 활물질 내의 물 함량을 높이고, 이에 따른 다공도를 향상시켜 반응 표면적이 증가되었기 때문에 충전 효율이 상승되면서 활물질에 누적되는 설페이션 함량이 감소되어 나타난 결과로 보여진다.
즉, 종래품 대비 수명에서 28.5% 향상 효과를 보임으로써, 친수성 화이버의 첨가가 수명 증가에 대한 긍정적인 영향을 주었음을 알 수 있었다.
한편, 실험한 결과, 바인더로서, 친수성 계열을 사용할 경우에 활물질 내의 기공층의 평균 입경이 50 ~ 65nm 에서 55 ~ 70nm로 향상되었음을 확인하였다.
이때, 흡착 소재인 Activated Carbon을 5 중량부를 추가할 경우에 활물질 내의 기공층의 평균 입경이 50 ~ 65nm 에서 60 ~ 75nm로 향상되었음을 확인하였다.
따라서, 상기 바인더용액준비단계(S100)에서, 흡착 소재인 Activated Carbon을 0.1 ~ 5 중량부를 추가적으로 준비하여 바인더 용액에 혼합시킬 경우에 활물질 내의 기공층의 평균 입경이 50 ~ 65nm 에서 60 ~ 75nm로 향상되게 되는 것이다.
특히, 5 중량부를 추가할 경우에 기공층의 평균 입경이 65nm 에서 75nm로 향상됨을 알 수 있었으며, 바람직하게는 5 중량부를 추가하게 되는 것이다.
상기와 같은 제조 방법을 통해, 종래의 납축전지 음극에 첨가하는 활물질에 친수성 화이버 혹은 흡착성의 카본을 첨가하여 극판에 코팅처리함으로써, 친수성 화이버에 의해 종래 납축전지보다 활물질의 기공도를 향상시켜 활물질 내의 물 함량을 높이고, 이에 따른 다공도를 향상시키며, 흡착성의 카본에 의해 기공의 크기를 종래보다 더욱 크게 하여 잔여 불순물인 PbSO4를 흡착시킬 수 있도록 함으로써, 성능 개선 및 수명 연장의 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 : 바인더용액준비단계
S200 : 친수성혼합물코팅층형성단계
S300 : 기판건조단계
S200 : 친수성혼합물코팅층형성단계
S300 : 기판건조단계
Claims (5)
- 친수성 화이버를 이용한 납축전지용 극판 제조 방법에 있어서,
납축전지의 활물질 혼합공정에서,
연분, 황산, 및 음극에 따른 첨가제를 배합할 시, 첨가제로서, PE 화이버와 바인더를 혼합하여 바인더 용액을 준비하는 바인더용액준비단계(S100);와
상기 준비된 바인더 용액을 CVD(chemical vapor deposition)법, Deeping 코팅법, 캐스팅법 중 어느 하나의 코팅법을 이용하여 납으로 제작된 기판에 도포함으로써, 친수성혼합물코팅층을 형성하기 위한 친수성혼합물코팅층형성단계(S200);와
상기 친수성혼합물코팅층이 형성된 기판을 60℃ 내지 80℃ 범위 내에서 1일 내지 10일 간 건조시키는 기판건조단계(S300);를 포함하는 것을 특징으로 하는 친수성 화이버를 이용한 납축전지용 극판 제조 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 바인더는,
친수성 계열의 계면활성제, 실리콘계, 불소계, 탄화수수계 혹은 알코올계의 -COONa, -COOK, -SO3Na, CH2CH2O, -O- 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 친수성 화이버를 이용한 납축전지용 극판 제조 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 바인더의 함량은,
바인더를 제외한 음극 활물질 100 중량부 대비 0.1 ~ 10 중량부를 첨가하는 것을 특징으로 하는 친수성 화이버를 이용한 납축전지용 극판 제조 방법.
- 제 2항에 있어서,
상기 바인더용액준비단계(S100)에서,
바인더로서, 친수성 계열의 계면활성제, 실리콘계, 불소계, 탄화수수계 중 어느 하나를 적용함으로써, 활물질 내의 기공층의 평균 입경이 증가되어 PbSO4 가 누적되는 현상을 지연시키는 것을 특징으로 하는 친수성 화이버를 이용한 납축전지용 극판 제조 방법.
- 제 1항의 제조 방법에 의해,
친수성 화이버를 이용한 납축전지용 극판을 포함하고 있는 납축전지.
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| KR1020210102335A KR102658470B1 (ko) | 2021-08-04 | 2021-08-04 | 친수성 화이버를 이용한 납축전지용 극판 제조 방법 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210102335A KR102658470B1 (ko) | 2021-08-04 | 2021-08-04 | 친수성 화이버를 이용한 납축전지용 극판 제조 방법 |
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR100483246B1 (ko) | 2000-11-09 | 2005-04-15 | 가부시키가이샤 유아사코오포레이션 | 음극활물질 및 그 제조방법 그리고 납축전지 |
| KR20180045327A (ko) * | 2016-10-25 | 2018-05-04 | 주식회사 아트라스비엑스 | 납축전지의 활물질 제조 방법 |
| KR102225190B1 (ko) * | 2019-09-18 | 2021-03-09 | 주식회사 한국아트라스비엑스 | 수계 바인더를 이용한 납축전지용 양극 활물질 제조 방법 |
-
2021
- 2021-08-04 KR KR1020210102335A patent/KR102658470B1/ko active IP Right Grant
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| KR102225190B1 (ko) * | 2019-09-18 | 2021-03-09 | 주식회사 한국아트라스비엑스 | 수계 바인더를 이용한 납축전지용 양극 활물질 제조 방법 |
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