KR20240042993A

KR20240042993A - 스탬프드 그리드 금형 표면 부식을 이용한 활물질 접착력 증가 및 전기 전도도를 향상시킨 납축전지용 그리드 제조 방법

Info

Publication number: KR20240042993A
Application number: KR1020220121955A
Authority: KR
Inventors: 최석모; 이응래; 한승요
Original assignee: 한국앤컴퍼니 주식회사
Priority date: 2022-09-26
Filing date: 2022-09-26
Publication date: 2024-04-02

Abstract

본 발명은 스탬프드 그리드 금형 표면 부식을 이용한 활물질 접착력 증가 및 전기 전도도를 향상시킨 납축전지용 그리드 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스트립의 stamping 공정 전, 금형의 표면을 표면처리수단을 이용하여 다수의 미세 홈을 형성시켜 이에 따른 거친 표면을 형성시켜 금형을 통해 제조되는 그리드 표면에 일정한 크기의 다수 홈을 인위적으로 만들어서 거칠기를 증가시켜 그리드 표면이 일정한 크기의 다수 홈 때문에 거칠기 및 표면적이 증가됨으로써, 그리드에 활물질 도포시, 활물질의 접착력을 향상시킬 수 있는 효과를 제공하며, 이에 따라 납축전지의 기초성능(CCA) 향상 및 조기 수명 종지를 개선할 수 있는 스탬프드 그리드 금형 표면 부식을 이용한 활물질 접착력 증가 및 전기 전도도를 향상시킨 납축전지용 그리드 제조 방법에 관한 것이다.

Description

스탬프드 그리드 금형 표면 부식을 이용한 활물질 접착력 증가 및 전기 전도도를 향상시킨 납축전지용 그리드 제조 방법{Stamping grid mold surface corrosion increase in active material adhesion and electrical conductivity grid manufacturing method for leading battery batteries}

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, 스트립의 stamping 공정 전, 금형의 표면을 표면처리수단을 이용하여 다수의 미세 홈을 형성시켜 이에 따른 거친 표면을 형성시켜 금형을 통해 제조되는 그리드 표면에 일정한 크기의 다수 홈을 인위적으로 만들어서 거칠기를 증가시켜 그리드 표면이 일정한 크기의 다수 홈 때문에 거칠기 및 표면적이 증가되도록 하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 스탬프드 그리드 금형 표면 부식을 이용한 활물질 접착력 증가 및 전기 전도도를 향상시킨 납축전지용 그리드 제조 방법은,

스트립의 스탬핑 공정에 사용하는 금형을 제조하는 금형제조단계(S100);와

상기 제조된 금형의 표면을 표면처리수단을 이용하여 다수의 미세 홈을 형성시켜 이에 따른 거친 표면을 형성시키는 금형표면처리단계(S200);와

상기 거친 표면 처리된 금형을 이용하여 납축전지의 그리드를 제조하여 거친 표면 처리된 그리드를 제조하기 위한 거친표면처리그리드제조단계(S300);와

상기 거친 표면 처리된 그리드에 활물질을 도포함으로써, 그리드의 표면에 형성된 다수의 미세 홈에 활물질을 침투시키는 미세홈활물질침투단계(S400);와

상기 다수의 미세 홈에 활물질이 침투되어 있는 그리드를 건조기에 투입하여 고온에서 건조시켜 활물질과 그리드 간의 접착력을 증가시킨 납축전지의 극판을 제조하기 위한 거치표면처리그리드경화단계(S500);를 포함함으로써, 본 발명의 과제를 해결하게 된다.

본 발명인 스탬프드 그리드 금형 표면 부식을 이용한 활물질 접착력 증가 및 전기 전도도를 향상시킨 납축전지용 그리드 제조 방법을 통해, 스트립의 stamping 공정 전, 금형의 표면을 표면처리수단을 이용하여 다수의 미세 홈을 형성시켜 이에 따른 거친 표면을 형성시켜 금형을 통해 제조되는 그리드 표면에 일정한 크기의 다수 홈을 인위적으로 만들어서 거칠기를 증가시켜 그리드 표면이 일정한 크기의 다수 홈 때문에 거칠기 및 표면적이 증가됨으로써, 그리드에 활물질 도포시, 활물질의 접착력을 향상시킴에 따라, 납축전지의 기초성능(CCA) 향상 및 조기 수명 종지를 개선할 수 있는 효과를 제공하게 된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 스탬프드 그리드 금형 표면 부식을 이용한 활물질 접착력 증가 및 전기 전도도를 향상시킨 납축전지용 그리드 제조 방법의 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스탬프드 그리드 금형 표면 부식을 이용한 활물질 접착력 증가 및 전기 전도도를 향상시킨 납축전지용 그리드 제조 방법에 의해 제조된 극판 이미지이다.

본 발명의 일실시예에 따른 쇼트 블라스트 표면 처리에 의한 거칠기 향상을 통한 활물질 접착력 증가 및 전기 전도도를 향상시킨 납축전지용 그리드 제조 방법은,

상기 다수의 미세 홈에 활물질이 침투되어 있는 그리드를 건조기에 투입하여 고온에서 건조시켜 활물질과 그리드 간의 접착력을 증가시킨 납축전지의 극판을 제조하기 위한 거치표면처리그리드경화단계(S500);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 거치표면처리그리드경화단계(S500)에서,

고온의 온도는 300℃ ~ 400℃ 범위 내인 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 금형표면처리단계(S200)에서,

일정한 크기의 미세 홈에 활물질이 침투되도록 그리드를 제작함으로써, 납축전지의 전기 전도도 향상 및 활물질의 접착력을 향상시켜 납축전지의 저온 시동력 및 고온 내구성을 향상시키는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 금형표면처리단계(S200)는,

쇼트 블라스트 가공기에 의한 hammer 효과를 제공함으로써, 40 ~ 70um 깊이로 미세 홈을 형성할 수 있는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 표면처리수단은,

쇼트 블라스트 가공기인 것을 특징으로 하고, 이를 이용하여 금형의 표면 처리하게 된다.

이때, 상기 표면처리수단은,

상압 플라즈마 드라이기인 것을 특징으로 하고, 이를 이용하여 금형의 표면을 에칭 처리하는 것을 특징으로 한다.

이때, 본 발명의 제조 방법에 의해, 금형 표면 처리에 의한 거칠기 향상을 통한 활물질 접착력 증가 및 전기 전도도를 향상시킨 그리드를 포함하고 있는 납축전지를 제공할 수 있게 된다.

이때, 상기 거치표면처리그리드경화단계(S500)에서,

상온에서 12시간 동안 건조한 다음 건조기 내에서 200℃로 1시간 동안 예열처리(pre heat-treatment)하되,

최종적으로 건조기 내에서 300℃ ~ 400℃ 범위내에서 1시간 동안 열처리함으로써 균열 및 기공이 없으며, 그리드와 활물질 간의 안정적인 결합이 가능하도록 하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 스탬프드 그리드 금형 표면 부식을 이용한 활물질 접착력 증가 및 전기 전도도를 향상시킨 납축전지용 그리드 제조 방법의 실시예를 통해 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 스탬프드 그리드 금형 표면 부식을 이용한 활물질 접착력 증가 및 전기 전도도를 향상시킨 납축전지용 그리드 제조 방법의 공정도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명인 스탬프드 그리드 금형 표면 부식을 이용한 활물질 접착력 증가 및 전기 전도도를 향상시킨 납축전지용 그리드 제조 방법은,

상기 다수의 미세 홈에 활물질이 침투되어 있는 그리드를 건조기에 투입하여 고온에서 건조시켜 활물질과 그리드 간의 접착력을 증가시킨 납축전지의 극판을 제조하기 위한 거치표면처리그리드경화단계(S500);를 포함한다.

본 발명은 상기와 같은 공정을 거치게 되면, 스트립의 stamping 공정 전, 금형의 표면을 표면처리수단을 이용하여 다수의 미세 홈을 형성시켜 이에 따른 거친 표면을 형성시켜 금형을 통해 제조되는 그리드 표면에 일정한 크기의 다수 홈을 인위적으로 만들어서 거칠기를 증가시켜 그리드 표면이 일정한 크기의 다수 홈 때문에 거칠기 및 표면적이 증가됨으로써, 그리드에 활물질 도포시, 활물질의 접착력을 향상시킴에 따라, 납축전지의 기초성능(CCA) 향상 및 조기 수명 종지를 개선할 수 있는 효과를 제공하게 된다.

즉, 그리드를 제조하는 금형의 표면 처리 공정을 통해 이에 의해 제조되는 그리드에 도포되는 활물질의 접착력을 향상시키며, 이를 통해 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 스트립의 stamping 공정 전, 금형 표면처리를 통해서 그리드 표면의 일정한 크기의 다수 홈을 인위적으로 만들어서 거칠기를 증가시켜 그리드에 활물질 도포시, 활물질의 접착력을 향상시켜 주요 수명 종지 원인인 활물질 설페이션화 지연 및 활탈 문제를 개선하였다.

상기와 같은 기능을 제공하기 위하여, 본 발명의 금형제조단계(S100)를 통해 스트립의 스탬핑 공정에 사용하는 금형을 제조하게 된다.

이후, 금형표면처리단계(S200)를 통해, 제조된 금형의 표면을 표면처리수단을 이용하여 다수의 미세 홈을 형성시켜 이에 따른 거친 표면을 형성시키게 된다.

이후, 거친표면처리그리드제조단계(S300)는 거친 표면 처리된 금형을 이용하여 납축전지의 그리드를 제조하여 거친 표면 처리된 그리드를 제조하게 된다.

이때, 거친표면처리그리드제조단계(S300)는,

그리드 도포 전에 활물질 탈락을 방지하기 위한 그리드 엠보 공정 및 그리드 웨이브 공정을 제거할 수 있는 것을 특징으로 한다.

배경 기술에서 언급하였듯이, 활물질 탈락 현상이 수명 종지 현상 중 가장 흔한 현상 중에 하나이므로 이를 사전에 방지하기 위하여 그리드 엠보 공정을 별도로 거치거나, 그리드 웨이브 공정을 통해 활물질 탈락을 방지하게 되는 것이다.

따라서, 상기와 같은 현상을 표면 거칠기 증가를 통해 일거에 해결할 수 있게 되는 것이다.

구체적으로 설명하자면, 일반적으로 납축전지의 그리드는 용융되는 납합금의 양을 조절하여 공급하고 납합금이 주형홈(금형)에 용입되어 스트립 캐스팅에 의해 주물원형을 이루며 압연과정을 통해 사용하고자 하는 두께로 만든다.

이렇게 만들어진 스트립을 Stamping공정을 통하여 원하는 그리드 형상을 만들고 도포공정을 통해서 활물질을 그리드에 압착시켜 건조 및 숙성과정을 통해 고정시킨다.

하지만, 그리드에 활물질 도포 시, 부직포를 통한 압착 및 건조 과정을 통해서 활물질이 그리드에 지지되도록 한다.

또한, 납축전지를 사용함에 있어서 고온의 환경, 운행 환경에 따라서 그리드에서 활물질의 탈락이 가속화 되어 배터리의 용량 저하 및 조기 수명 종지를 초래한다.

따라서, 이러한 현상을 개선하기 위해 스트립의 stamping 공정 전, 금형에 표면처리를 통해서 표면의 일정한 크기의 다수 홈을 인위적으로 만들어서 거칠기를 증가 시킨다.

이렇게 만들어진 금형은 stamping 공정을 통해 그리드를 만들고 그리드 표면이 일정한 크기의 다수 홈 때문에 거칠기 및 표면적이 증가된다.

이는 그리드에 활물질 도포시, 활물질의 접착력을 향상시키는데 도움을 줄 수 있음을 실험을 통해 확인하였다.

또한, 본 발명에서 설명하고 있는 상기 표면처리수단은,

구체적으로, 일반적으로 블라스팅(blasting) 공법은 건식과 습식으로 구분되며, 건식 블라스팅이란 물 없이 연마재를 사용하여 스케일, 녹, 도막 등을 제거하고, 모재 표면에 조도를 형성하는 것을 의미하며, 습식 블라스팅이란 제제품이나 재료의 표면에 모래, 강쇼트, 그릿, 규석입자 등의 연마재를 첨가한 물 등을 압축공기 또는 기타의 방법으로 강력하게 분사하여 스케일, 녹, 도막 등을 제거하고, 모재 표면에 조도를 형성하는 것을 의미한다.

블라스팅 공법을 요약하면 강재와 같은 가공 물품의 표면을 처리하는 공법의 일종으로서, 모래, 철 가루, 그리트(grit), 규석 입자, 연소재 등 비교적 경도가 큰 연마재를 첨가한 물 등을 압축 공기 또는 기타의 방법으로 강력하게 분사하여, 강재의 표면에 있는 이물질(녹, 오일, 도막, 스케일(scale) 등)을 제거하는 세척 공법이다.

상기 블라스팅 공법은, 도장을 위한 전처리의 핵심 공정으로서, 규사나 연마재 등의 광물 입자를 투사하는 샌드블라스팅(sand blasting), 철 가루나 커트 와이어를 투사하는 쇼트(shot) 블라스팅, 예리한 각이 있는 철 조각을 투사하는 그리트(grit) 블라스팅 등이 있다.

상기 샌드 블라스트는 노즐에서 연마재를 분사하여 소재 표면을 다듬거나 절삭하는 가공 방법을 말하며, 기존에는 주로 녹 제거, 표면의 오염 제거, 돌출부 제거, 접착 또는 도금의 전처리 등에 사용되고 있다.

상기한 바와 같은 샌드 블라스트 공법을 본 발명에 도입하게 되면, 깊은 가공을 위해 입자 크기를 키워 분사하는 과정에서 스트립의 변형 또는 스트립을 파이게 하여 일부가 떨어져 나가는 문제가 발생하였다.

따라서, 상기 공법 말고, 본 발명에서는 쇼트 블라스트 공법을 사용하게 된 것이다.

한편, 일반적으로 금속시트의 표면을 거칠게 하는 처리에는 전해석출법, 에칭법, 샌드블라스트법, 롤전사법, 금속용사법 또는 분말체소결법 중 어느 하나의 수단이 이용되게 되는데, 본 발명에서는 상기한 방식을 사용하지 않고, 쇼트 블라스트 공법을 사용한 것을 특징으로 한다.

즉, 상기 금형표면처리단계(S200)는,

상기와 같이, 쇼트 블라스트 표면처리를 통해, 형성된 일정한 크기의 미세 홈에 활물질이 침투되도록 그리드를 제작함으로써, 납축전지의 전기 전도도 향상 및 활물질의 접착력을 향상시켜 납축전지의 저온 시동력 및 고온 내구성을 향상시키는 효과를 제공할 수 있게 되는 것이다.

즉, 쇼트 블라스트 가공기는 미세한 구의 크기를 조절하여 미세 홈의 크기를 조절할 수 있는데, 본 발명에서는 0.4 ~ 0.6mm 크기의 구를 이용한 쇼트 블라스팅 기법을 실행하여 40 ~ 70um 깊이로 일정한 미세 홈을 형성하게 되는 것이다.

따라서, 상기한 구의 크기가 0.4mm 미만일 경우에는 미세홈의 깊이가 40um 미만으로 형성되기 때문에 활물질이 그리드 표면에 제대로 파고 들지 못하여 본 발명에서는 원하는 내구성 및 기초 성능을 발휘할 수 없으며, 구의 크기가 0.6mm 초과일 경우에는 미세홈의 깊이가 70um 초과로 형성되기 때문에 그리드에 크랙이 발생하거나, 휨 현상이 발생하기 때문에 상기한 범위 내의 구 크기를 제공하여야 한다.

한편, 다른 실시예에 따라 상기 표면처리수단은,

즉, 상압 플라즈마 드라이기를 이용하여 에칭 처리하게 되는 것이다.

예를 들어, RF 전력의 상압 플라즈마를 사용하고, 주입 가스로 산소(O2) 및 아르곤(Ar)과 함께 CF4, CHF3, C2F6로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 에칭 가스(etching gas)를 사용할 수 있고, 상기 주입 가스의 양은 Ar 대비 10 내지 1000 부피%의 에칭 가스(etching gas)와 Ar 대비 0.001 내지 10% 부피%의 산소(O2)를 사용하는 것이 보다 바람직하다.

이때, 본 발명의 일 구현예에 따른 RF 전력의 상압 플라즈마를 사용하는 에칭의 파워(power)는 50 ~ 5000 W일 수 있고, 바람직하게는 2000 ~ 3000W이며, 표면처리 시간은 1 ~ 8000sec일수 있고, 바람직하게는 2000 ~ 5000sec 이다.

이후, 거친표면처리그리드제조단계(S300)는 상기 거친 표면 처리된 금형을 이용하여 납축전지의 그리드를 제조하여 거친 표면 처리된 그리드를 제조하게 된다.

상기와 같이 처리하게 되면, 도 2와 같은 종래 극판과 달리, 거친 표면을 제공할 수 있게 된다.

이후, 미세홈활물질침투단계(S300)를 통해 상기 거친 표면 처리된 그리드에 활물질을 도포함으로써, 그리드의 표면에 형성된 다수의 미세 홈에 활물질을 침투시켜 활물질에 대한 지지력을 향상시키게 되는 것이다.

이후, 거치표면처리그리드경화단계(S500)를 통해 상기 다수의 미세 홈에 활물질이 침투되어 있는 그리드를 건조기에 투입하여 고온에서 건조시켜 활물질과 그리드 간의 접착력을 증가시킨 납축전지의 극판을 제조하게 되는 것이다.

구체적으로, 상기 거치표면처리그리드경화단계(S500)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 거치표면처리그리드경화단계(S500)에서,

이때, 상기 예열 처리 과정에서 200℃를 초과하게 되면 최종 열처리시에 도포되는 활물질과 그리드 간에 균열이 발생할 소지가 있으며, 상기한 온도 미만일 경우에는 그리드 내 활물질과의 안정적인 결합이 불가능하기 때문에 상기한 온도를 준수하는 것이 바람직할 것이다.

이후, 최종적으로 건조기 내에서 300℃ ~ 400℃ 범위내에서 1시간 동안 열처리함으로써 균열 및 기공이 없으며, 그리드와 활물질 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 1시간 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 거친 표면 처리된 금형을 이용한 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 거친 표면 처리된 금형을 이용한 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(활물질에 부직포를 포함한 극판)과 개선품(거친 표면 처리된 금형을 이용한 극판)을 제작하였으며, 거친 표면 처리된 금형을 이용한 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 43% 증대되었음을 알 수 있었다.

구분	시간	종래품	개선품
충전수입성	1분	27.23	28.95
	2분	24.19	27.91
	3분	22.34	27.12
	4분	21.25	26.92
	5분	20.31	26.74
	6분	19.55	25.83
	7분	18.84	24.84
	8분	17.98	24.22
	9분	17.34	23.92
	10분	16.41	23.60

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 우수하도록 거친 표면 금형을 이용한 극판 제조 공정을 이용하여 거칠기를 향상시켰다.

따라서, 활물질의 접착력을 향상시키고, 궁극적으로는 납축전지의 기초성능(CCA) 향상 및 조기 수명 종지를 개선하는 것이다.

본 발명에서 일 실시예로 제시한 쇼트 블라스트라는 가공법은 미세한 금속/비금속 입자를 약 2000RPM의 속도로 회전 및 60 ~ 100m/s의 고속으로 분사함으로써 금속 표면의 거칠기 증가나, 녹 또는 도막등을 제거하는 것이다.

상기한 쇼트 블라스팅의 경우, 작은 구의 입자는 0.4 ~ 0.6mm 수준으로 표면을 깍아내기보다는 Hammer 효과로 40 ~ 70 um 깊이로 홈을 만들어낸다.

이후 그리드를 제작한 후, 활물질을 도포하게 되는데, 이때 활물질은 그리드 표면의 홈으로 침투하여 도포가 된다.

이렇게 도포 후, 건조 및 숙성 과정을 거친 극판은 종래예 극판보다 활물질의 접착력이 향상되어 고온환경에서의 활물질 탈락으로 인한 수명종지를 개선하여 납축전지의 수명을 향상시키는 효과가 있음을 실험을 통해 확인하였다.

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	거칠기 미적용	거칠기적용+예열처리미적용	거칠기적용+예열처리적용+200도건조	거칠기적용+예열처리적용+350도건조	거칠기 적용+예열처리적용+450도건조
34	11.82	11.83	11.85	11.98	11.89
68	11.76	11.77	11.82	11.94	11.80
102	11.72	11.73	11.75	11.92	11.72
136	11.69	11.71	11.71	11.89	11.61
170	11.65	11.68	11.69	11.85	11.55
204	11.55	11.61	11.64	11.81	11.48
238	11.43	11.45	11.58	11.78	11.41
272	7.2 이하	11.20	11.54	11.72	7.2 이하
306		7.2 이하	7.2 이하	11.65
340				11.61
374				11.54
408				7.2 이하

상기 표 2의 경우에는 표면 거칠기 공법 미적용시 수명은 238싸이클이고, 표면 거칠기 공법을 적용하였으나, 예열 처리 과정을 거치지 않을 경우에 수명은 306싸이클을 나타냈다.

한편, 거칠기 공법 적용 및 예열처리를 거쳤으나, 200도의 온도로 건조할 경우에 238싸이클에서 306싸이클로 향상되었으나, 예열 처리 적용에 대한 유의미한 향상은 아님을 확인하였다.

그러나, 거칠기 공법을 적용하고, 예열처리를 거치고, 350도의 온도로 건조 과정을 거치게 되니까 238싸이클에서 374 사이클로 57%의 수명 향상되었음을 알 수 있었다.

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

한편, 거칠기 공법 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.

3) 기초성능 시험(SAE CCA)

구분	종래품	개선품
SAE CCA 10sec, V (630A방전)	7.4V	8.2V

상기 표 3에 도시한 바와 같이, 기초성능 시험(SAE CCA)의 경우, 종래품의 경우, 7.4V 였으나, 개선품의 경우, 8.2V로 10% 기초 성능 향상 효과가 나타났다.

따라서, 거친 금형에 의한 거칠기 표면을 제공한 극판을 포함하는 납축전지의 경우, 전기 전도도 향상 및 기초 성능이 향상될 수 있게 되는 것이다.

상기와 같은 제조 방법을 통해, 스트립의 stamping 공정 전, 금형의 표면을 표면처리수단을 이용하여 다수의 미세 홈을 형성시켜 이에 따른 거친 표면을 형성시켜 금형을 통해 제조되는 그리드 표면에 일정한 크기의 다수 홈을 인위적으로 만들어서 거칠기를 증가시켜 그리드 표면이 일정한 크기의 다수 홈 때문에 거칠기 및 표면적이 증가됨으로써, 그리드에 활물질 도포시, 활물질의 접착력을 향상시킴에 따라, 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 : 금형제조단계
S200 : 금형표면처리단계
S300 : 거친표면처리그리드제조단계
S400 : 미세홈활물질침투단계
S500 : 거치표면처리그리드경화단계

Claims

스탬프드 그리드 금형 표면 부식을 이용한 활물질 접착력 증가 및 전기 전도도를 향상시킨 납축전지용 그리드 제조 방법에 있어서,
스트립의 스탬핑 공정에 사용하는 금형을 제조하는 금형제조단계(S100);와
상기 제조된 금형의 표면을 표면처리수단을 이용하여 다수의 미세 홈을 형성시켜 이에 따른 거친 표면을 형성시키는 금형표면처리단계(S200);와
상기 거친 표면 처리된 금형을 이용하여 납축전지의 그리드를 제조하여 거친 표면 처리된 그리드를 제조하기 위한 거친표면처리그리드제조단계(S300);와
상기 거친 표면 처리된 그리드에 활물질을 도포함으로써, 그리드의 표면에 형성된 다수의 미세 홈에 활물질을 침투시키는 미세홈활물질침투단계(S400);와
상기 다수의 미세 홈에 활물질이 침투되어 있는 그리드를 건조기에 투입하여 고온에서 건조시켜 활물질과 그리드 간의 접착력을 증가시킨 납축전지의 극판을 제조하기 위한 거치표면처리그리드경화단계(S500);를 포함하는 것을 특징으로 하는 스탬프드 그리드 금형 표면 부식을 이용한 활물질 접착력 증가 및 전기 전도도를 향상시킨 납축전지용 그리드 제조 방법.
제 1항에 있어서,
상기 거친표면처리그리드제조단계(S300)는,
그리드 도포 전에 활물질 탈락을 방지하기 위한 그리드 엠보 공정 및 그리드 웨이브 공정을 제거할 수 있는 것을 특징으로 하는 스탬프드 그리드 금형 표면 부식을 이용한 활물질 접착력 증가 및 전기 전도도를 향상시킨 납축전지용 그리드 제조 방법.
제 1항에 있어서,
상기 거친표면처리그리드제조단계(S300)를 통해,
일정한 크기의 미세 홈에 활물질이 침투되도록 그리드를 제작함으로써, 납축전지의 전기 전도도 향상 및 활물질의 접착력을 향상시켜 납축전지의 저온 시동력 및 고온 내구성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 스탬프드 그리드 금형 표면 부식을 이용한 활물질 접착력 증가 및 전기 전도도를 향상시킨 납축전지용 그리드 제조 방법.
제 1항의 제조 방법에 의해,
스탬프드 그리드 금형 표면 부식을 이용한 활물질 접착력 증가 및 전기 전도도를 향상시킨 납축전지용 그리드를 포함하고 있는 납축전지.