KR20240042994A - How to improve the electrical conductivity using a fullerene - Google Patents
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Abstract
본 발명은 풀러렌을 이용한 전기전도도를 향상시키는 납축전지용 극판 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래의 납축전지 음극에 첨가하는 활물질에 극판 활물질 결합체인 폴리에스터 계열 섬유 대신에 풀러렌을 첨가하여 이온 이동도를 향상시켜 납 축전지 기초 성능과 충전 효율을 향상시킬 수 있는 풀러렌을 이용한 전기전도도를 향상시키는 납축전지용 극판 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing electrode plates for lead acid batteries that improve electrical conductivity using fullerene. More specifically, the present invention relates to a method of manufacturing electrode plates for lead acid batteries that improve electrical conductivity using fullerene. More specifically, the present invention relates to an active material added to the negative electrode of a conventional lead acid battery by adding fullerene to the active material instead of polyester fiber, which is the electrode active material binder. This relates to a method of manufacturing electrode plates for lead acid batteries that improves electrical conductivity using fullerene, which can improve the basic performance and charging efficiency of lead acid batteries by improving mobility.
Description
본 발명은 풀러렌을 이용한 전기전도도를 향상시키는 납축전지용 극판 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래의 납축전지 음극에 첨가하는 활물질에 극판 활물질 결합체인 폴리에스터 계열 섬유 대신에 풀러렌을 첨가하여 이온 이동도를 향상시켜 납 축전지 기초 성능과 충전 효율을 향상시킬 수 있는 풀러렌을 이용한 전기전도도를 향상시키는 납축전지용 극판 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing electrode plates for lead acid batteries that improve electrical conductivity using fullerene. More specifically, the present invention relates to a method of manufacturing electrode plates for lead acid batteries that improve electrical conductivity using fullerene. More specifically, the present invention relates to an active material added to the negative electrode of a conventional lead acid battery by adding fullerene to the active material instead of polyester fiber, which is the electrode active material binder. This relates to a method of manufacturing electrode plates for lead acid batteries that improves electrical conductivity using fullerene, which can improve the basic performance and charging efficiency of lead acid batteries by improving mobility.
현재 납축전지 활물질 메커니즘은 활물질에 물리적 강도 및 황산과의 반응 표면적 확보를 위하여 폴리에스터 계열 화이버를 첨가하고 있다.Currently, the lead acid battery active material mechanism adds polyester-based fiber to the active material to secure physical strength and a surface area for reaction with sulfuric acid.
통상적으로 납축전지 활물질에 2 ~ 5 데니어의 섬도를 갖고, 1 ~ 10 mm 길이의 폴리에스터 계열의 화이버를 첨가하는데 이러한 섬유(화이버)는 내산성과 내산화성이 우수한 특징이 있다. Typically, polyester-based fibers with a fineness of 2 to 5 denier and a length of 1 to 10 mm are added to the lead acid battery active material, and these fibers have excellent acid resistance and oxidation resistance.
이때, 첨가되는 유기합성 단섬유는 통상적으로 원형 단면 형태를 가지며, 길이는 2 ~ 10mm 정도이다.At this time, the organic synthetic short fibers added typically have a circular cross-section and are about 2 to 10 mm in length.
유기합성 단섬유의 성분은 내산성 및 내산화성이 우수한 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 모드아크릴 계열이 주종을 이루고 있다.The ingredients of organic synthetic short fibers are mainly polypropylene, polyester, and modacrylic, which have excellent acid and oxidation resistance.
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. The prior art, Korean Patent Registration No. 10-0603908, “electrode plate for storage battery and method for manufacturing the same,” is to manufacture an electrode plate by attaching fiber-reinforced paper by applying pressure so that fiber filaments are embedded on the surface of the active material and filling the uneven portions of the surface with the active material. Disclose the method.
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. The above-mentioned conventional Korean registered patent relates to "electrode plates for storage batteries and their manufacturing method," in which an active material with electrochemical activity is applied to a substrate that serves as a passage for electricity to flow, and fiber-reinforced paper is applied to the surface of the active material. In the attaching or pressing step, pressure is applied so that the fiber filaments of the fiber-reinforced paper are embedded to a certain depth, and the surface irregularities of the fiber-reinforced paper are filled with the active material to increase the bonding surface area, thereby preventing the active material from being detached from the substrate. Technology that improves the initial high-rate discharge characteristics of the electrode plate due to the porosity of the fiber-reinforced paper and extends the life of the storage battery by retaining and supporting the active material due to the stable support and acid resistance of the fiber filament structure of the fiber-reinforced paper. It's about.
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. Until now, lead (Pb)-calcium (Ca)-tin (Sn) alloy has been used as the grid alloy for lead acid batteries, but this alloy composition alone cannot sufficiently respond to the harsh operating environment (high temperature and overcharge phenomenon), leading to corrosion or corrosion of the grid. It has been pointed out as a problem that the lifespan of lead acid batteries is shortening due to deformation due to growth.
이에 따라 그리드의 내부식성, 기계적 강도 개선 및 성장 변형의 억제가 요구되고 있다.Accordingly, there is a need to improve grid corrosion resistance, mechanical strength, and suppress growth deformation.
한편, 종래의 납축전지의 활물질은 일반적으로 연분(鉛粉)과 황산수용액을 기본으로 하며, 양극과 음극 특성에 따라서 기타 첨가제를 배합한 후, 혼합하여 활물질을 만든다. Meanwhile, the active materials of conventional lead acid batteries are generally based on lead powder and aqueous sulfuric acid solution, and other additives are mixed according to the characteristics of the anode and cathode and then mixed to make the active material.
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. The active material made in this way goes through a coating process, which is a process of applying it to a substrate, and then goes through a maturation process and drying process depending on the positive/cathode characteristics, and then multiple sheets of prepared positive and negative electrode plates are alternately overlapped to prevent electrical short-circuiting between the electrode plates. For this purpose, a non-conductive separator is installed so that the positive electrode plate, negative electrode plate, and separator plate form a group of electrode plates.
극판군은 축전지 용량에 따라 여러 개가 직렬로 접속되어 전조안에 수용된다. Several groups of electrode plates are connected in series according to the capacity of the storage battery and accommodated in the cell.
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. The received group of electrode plates undergoes a supercharged chemical process to obtain electrical properties. At this time, the active material of the positive plate is lead dioxide (PbO2), and due to its characteristics, countless fine particles of oxidized lead are combined, and the particles are rich in porosity. Electrolytes are allowed to freely diffuse and penetrate the liver.
또한, 음극판의 활물질은 해면상납(海綿狀鉛, Pb)으로 역시 다공성과 반응성이 풍부하여 전해액이 자유로이 확산, 침투하도록 된 것이다. In addition, the active material of the negative electrode plate is spongy lead (Pb), which is also rich in porosity and reactivity, allowing the electrolyte to freely diffuse and penetrate.
이렇게 만들어진 제품은 비로소 시장에서 사용할 수 있게 되는 것이다.Only then can products made in this way become available on the market.
또한, 초충전 과정을 원활히 하며, 제품의 내구성을 향상시키기 위하여 극성별로 별도의 숙성 및 건조공정을 거치게 된다. In addition, to facilitate the initial charging process and improve the durability of the product, separate aging and drying processes are performed for each polarity.
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. The aging process of the positive plate is an important process that increases the durability of the product. The hot temperature of steam (approximately 70 ~ 100℃) and moisture (humidity of 99% or more) convert lead (Pb), a component of the active material, into lead oxide (lead oxide). PbO) and also changes the crystal structure of the active material.
음극판은 별도 공정 없이 자연 상태에서 방치하면 숙성 및 건조를 동시에 할 수 있다. If the negative electrode plate is left in natural conditions without any additional processing, it can be aged and dried at the same time.
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. However, if sufficient aging and drying are not achieved, the electrode plates stick together during the assembly process to form the electrode group, and the durability of the active material decreases due to the presence of moisture, so the active material embedded between the substrates easily falls off even with a small impact.
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.As the number of charging and discharging of a lead-acid battery made through this process increases, the active material falls off the substrate more easily due to the reaction between lead and sulfuric acid, and the fallen active materials can no longer participate in the reaction, ultimately leading to the breakdown of the lead-acid battery. By degrading performance, the lifespan of lead acid batteries is usually only 1 to 2 years.
따라서, 현재 고성능의 납 축전지를 요구하는 흐름에 맞추어 납 축전지 내구성과 성능을 향상시킬 수 있는 제조 공정이 요구되고 있는 실정이다.Therefore, there is a need for a manufacturing process that can improve the durability and performance of lead acid batteries in line with the current demand for high-performance lead acid batteries.
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. As a conventional technology, 'Negative active material and its manufacturing method and lead acid battery' has disclosed a technology related to a negative electrode active material characterized in that lignin is added to lead powder.
그러나, 상기의 기술은 활물질의 수명을 향상시킨 효과는 기대하기는 어려웠다.However, it was difficult to expect the above technology to improve the lifespan of the active material.
따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로,Therefore, the present invention was devised to solve the above conventional problems,
본 발명의 목적은 종래의 납축전지 음극에 첨가하는 활물질에 극판 활물질 결합체인 폴리에스터 계열 섬유 대신에 풀러렌을 첨가하여 이온 이동도를 향상시켜 납 축전지 기초 성능과 충전 효율을 향상시킬 수 있는 풀러렌을 이용한 전기전도도를 향상시키는 납축전지용 극판 제조 방법을 제공하고자 한다.The purpose of the present invention is to improve the basic performance and charging efficiency of a lead acid battery by adding fullerene to the active material added to the negative electrode of a conventional lead acid battery instead of polyester fiber, which is a combination of the electrode active material, to improve ion mobility and improve the basic performance and charging efficiency of the lead acid battery. The aim is to provide a method of manufacturing electrode plates for lead acid batteries that improves electrical conductivity.
본 발명의 다른 목적은 납축전지 화성시 화성 효율 향상하고자 한다.Another object of the present invention is to improve the conversion efficiency of lead acid batteries.
본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 풀러렌을 이용한 전기전도도를 향상시키는 납축전지용 극판 제조 방법은,In order to achieve the problem to be solved by the present invention, a method of manufacturing an electrode plate for a lead acid battery that improves electrical conductivity using fullerene according to an embodiment of the present invention,
납축전지의 음극 활물질 혼합공정에서, In the mixing process of negative active materials for lead acid batteries,
연분, 황산, 및 음극에 따른 첨가제를 배합할 시, 폴리에스터 계열 섬유 대신에 풀러렌을 첨가해 혼합하여 음극 활물질 안에 분포시키기 위한 풀러렌혼합단계(S100);와When mixing lead powder, sulfuric acid, and additives according to the negative electrode, fullerene is added instead of polyester fiber and mixed to distribute it in the negative electrode active material (S100);
풀러렌이 포함된 음극 활물질을 납으로 제작된 기판에 도포한 후, 대기 중에서 자연 숙성 및 건조시키기 위한 자연숙성및건조단계(S200);를 포함함으로써, 본 발명의 과제를 해결하게 된다.The problem of the present invention is solved by including a natural aging and drying step (S200) for applying a negative electrode active material containing fullerene to a substrate made of lead and then naturally maturing and drying it in the air.
본 발명인 풀러렌을 이용한 전기전도도를 향상시키는 납축전지용 극판 제조 방법을 통해, 종래의 납축전지 음극에 첨가하는 활물질에 극판 활물질 결합체인 폴리에스터 계열 섬유 대신에 풀러렌을 첨가하여 이온 이동도를 향상시켜 납 축전지 기초 성능과 충전 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 제공하게 된다.Through the present invention's method of manufacturing electrode plates for lead acid batteries that improve electrical conductivity using fullerene, fullerene is added to the active material added to the negative electrode of a conventional lead acid battery instead of polyester-based fiber, which is the electrode active material binder, to improve ion mobility, thereby improving lead acid mobility. This provides the effect of improving the basic performance and charging efficiency of the storage battery.
즉, 납축전지 활물질에 풀러렌을 첨가하여, 납축전지 내에 전기 전도도를 향상시킴으로써, 충방전시 저항으로 생기는 전기 Loss를 감소시켜 납축전지의 초기 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공하게 된다. In other words, adding fullerene to the active material of a lead acid battery improves the electrical conductivity within the lead acid battery, thereby reducing electrical loss caused by resistance during charging and discharging, thereby improving the initial performance and durability of the lead acid battery.
그리고, 음극 활물질에 풀러렌을 첨가하여 제조한 납축전지에 있어서는, 풀러렌의 고전도도 특성이 기인한 납축전지의 기초성능을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 납축전지 화성시 화성 효율 향상의 효과가 있는 것이다.In addition, in the case of a lead acid battery manufactured by adding fullerene to the negative electrode active material, not only can the basic performance of the lead acid battery be increased due to the high conductivity characteristics of fullerene, but it has the effect of improving the conversion efficiency when forming a lead acid battery.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 풀러렌을 이용한 전기전도도를 향상시키는 납축전지용 극판 제조 방법의 공정도이다.
도 2는 본 발명에 포함되는 풀러렌을 나타낸 이미지이다.Figure 1 is a process diagram of a method of manufacturing an electrode plate for a lead acid battery that improves electrical conductivity using fullerene according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is an image showing fullerene included in the present invention.
본 발명의 일실시예에 따른 풀러렌을 이용한 전기전도도를 향상시키는 납축전지용 극판 제조 방법은,A method for manufacturing electrode plates for lead acid batteries that improves electrical conductivity using fullerene according to an embodiment of the present invention,
납축전지의 음극 활물질 혼합공정에서, In the mixing process of negative active materials for lead acid batteries,
연분, 황산, 및 음극에 따른 첨가제를 배합할 시, 폴리에스터 계열 섬유 대신에 풀러렌을 첨가해 혼합하여 음극 활물질 안에 분포시키기 위한 풀러렌혼합단계(S100);와When mixing lead powder, sulfuric acid, and additives according to the negative electrode, fullerene is added instead of polyester fiber and mixed to distribute it in the negative electrode active material (S100);
풀러렌이 포함된 음극 활물질을 납으로 제작된 기판에 도포한 후, 대기 중에서 자연 숙성 및 건조시키기 위한 자연숙성및건조단계(S200);를 포함하는 것을 특징으로 한다.It is characterized in that it includes a natural aging and drying step (S200) for applying a negative electrode active material containing fullerene to a substrate made of lead and then naturally maturing and drying it in the air.
이때, 상기 음극 활물질에서의 풀러렌의 함량은,At this time, the content of fullerene in the negative electrode active material is,
풀러렌을 제외한 음극 활물질 100 중량부 대비 1 ~ 5 중량부를 첨가하는 것을 특징으로 한다.It is characterized by adding 1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the negative electrode active material excluding fullerene.
이때, 상기 풀러렌혼합단계(S100)에서,At this time, in the fullerene mixing step (S100),
풀러렌을 첨가하여 이온 이동도를 향상시켜 납축전지의 기초성능 및 충전 효율을 증대시키는 것을 특징으로 한다.It is characterized by improving the basic performance and charging efficiency of lead acid batteries by adding fullerene to improve ion mobility.
이때, 상기 풀러렌을 이용한 전기전도도를 향상시키는 납축전지용 극판 제조 방법에 의해,At this time, by the method of manufacturing electrode plates for lead acid batteries that improve electrical conductivity using fullerene,
풀러렌을 첨가하지 않은 수명인 238 사이클에서 풀러렌 첨가시 수명이 306 사이클로 28.5%의 수명 향상을 제공할 수 있는 것을 특징으로 한다.It is characterized by a lifespan improvement of 28.5%, from 238 cycles without adding fullerene to 306 cycles with the addition of fullerene.
이때, 본 발명의 제조 방법에 의해,At this time, by the manufacturing method of the present invention,
풀러렌을 이용한 납축전지용 음극 활물질을 적용한 납축전지용 극판을 포함하고 있는 납축전지를 제공하게 되는 것이다.A lead acid battery containing an electrode plate for a lead acid battery applied with a negative active material for a lead acid battery using fullerene is provided.
이를 통해, 풀러렌의 고전도도 특성이 기인한 납축전지의 기초성능을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 납축전지 화성시 화성 효율 향상의 효과를 제공하게 된다.Through this, it is possible to increase the basic performance of the lead acid battery due to the high conductivity characteristics of fullerene, and also provides the effect of improving the conversion efficiency when forming the lead acid battery.
즉, 이온 이동도를 높여주기 때문에 화성 효율을 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.In other words, it is expected to further improve chemical conversion efficiency because it increases ion mobility.
이하, 본 발명에 의한 풀러렌을 이용한 전기전도도를 향상시키는 납축전지용 극판 제조 방법의 실시예를 통해 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the method of manufacturing an electrode plate for a lead acid battery that improves electrical conductivity using fullerene according to the present invention will be described in detail through examples.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 풀러렌을 이용한 전기전도도를 향상시키는 납축전지용 극판 제조 방법의 공정도이다.Figure 1 is a process diagram of a method of manufacturing an electrode plate for a lead acid battery that improves electrical conductivity using fullerene according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명인 풀러렌을 이용한 전기전도도를 향상시키는 납축전지용 극판 제조 방법은, As shown in Figure 1, the present invention's method of manufacturing electrode plates for lead acid batteries to improve electrical conductivity using fullerene is,
납축전지의 음극 활물질 혼합공정에서, In the mixing process of negative active materials for lead acid batteries,
연분, 황산, 및 음극에 따른 첨가제를 배합할 시, 폴리에스터 계열 섬유 대신에 풀러렌을 첨가해 혼합하여 음극 활물질 안에 분포시키기 위한 풀러렌혼합단계(S100);와When mixing lead powder, sulfuric acid, and additives according to the negative electrode, fullerene is added instead of polyester fiber and mixed to distribute it in the negative electrode active material (S100);
풀러렌이 포함된 음극 활물질을 납으로 제작된 기판에 도포한 후, 대기 중에서 자연 숙성 및 건조시키기 위한 자연숙성및건조단계(S200);를 포함하는 것을 특징으로 한다.It is characterized in that it includes a natural aging and drying step (S200) for applying a negative electrode active material containing fullerene to a substrate made of lead and then naturally maturing and drying it in the air.
본 발명에서 설명하고 있는 풀러렌은 도 2에 도시한 바와 같이, 탄소 원자 60 개가 축구공 모양으로 결합되어 대칭적이며 안정된 구조를 가지고 있다.As shown in FIG. 2, the fullerene described in the present invention has a symmetrical and stable structure in which 60 carbon atoms are bonded in a soccer ball shape.
구체적으로 플러렌은 탄소(C) 원자가 5각형이나 6각형으로 배열 연결된 탄소 고리를 가지되, 이러한 탄소 고리들이 결합되어 중공(中空)을 형성하고 있으면 좋으며, 탄소 수는 제한되지 않는다. Specifically, fullerenes have carbon rings in which carbon (C) atoms are arranged in a pentagonal or hexagonal shape. These carbon rings can be combined to form a hollow structure, and the number of carbon atoms is not limited.
즉, 본 발명에서 풀러렌은 C60 ~ C80의 탄소 수를 가지는 일반적인 풀러렌은 물론, 이보다 작거나 큰 탄소 수를 가지는 유사 풀러렌(fullerene-like)을 포함한다. That is, in the present invention, fullerenes include general fullerenes having a carbon number of C 60 to C 80 as well as fullerene-like fullerenes having a carbon number smaller or larger than this.
여기서, 유사 풀러렌은 일반적으로 특정하고 있는 풀러렌(예를 들어, 탄소 수 C60 ~ C80의 풀러렌)보다 탄소 수가 작거나 큰 것을 의미하는 것으로서, 상기한 바와 같이 탄소 고리들이 결합되어 중공을 형성하고 있는 것이면 여기에 포함한다.Here, pseudo-fullerene means a carbon number smaller or larger than a generally specified fullerene (e.g., fullerene with carbon numbers C 60 to C 80 ), and as described above, carbon rings are combined to form a hollow If it exists, include it here.
본 발명에서, 풀러렌은 천연 광물의 종류에 따라 다를 수 있다. In the present invention, fullerenes may vary depending on the type of natural mineral.
본 발명에서, 풀러렌은 예를 들어 C20 ~ C150의 탄소 수를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. In the present invention, fullerene may have a carbon number of, for example, C 20 to C 150 , but is not limited thereto.
또한, 본 발명에서, 풀러렌은 그 구조적 형태에 있어서, 중공 구조를 가지되, 예를 들어 축구공이나 럭비공 등의 구체, 또는 다면체 등의 형상을 가질 수 있다.In addition, in the present invention, fullerene has a hollow structure in its structural form, but may have a shape such as a sphere such as a soccer ball or rugby ball, or a polyhedron.
일반적으로 풀러렌의 제조와 관련하여 카본 블랙이나 흑연을 원료로 하여 아크 방전법이나 연속 연소법을 통해 인공적으로 합성, 제조하고 있다.In general, in relation to the production of fullerenes, they are artificially synthesized and manufactured using carbon black or graphite as raw materials through arc discharge or continuous combustion methods.
이렇게 제조되는 풀러렌을 음극 활물질 상에 포함시키게 되는 것이다.The fullerene produced in this way is included in the negative electrode active material.
이때, 풀러렌을 종래 화이버 대신에 첨가할 경우, 미세 기공에 따라 종래의 Fiber에 비해 이온 간 이동을 활성화시키게 된다. At this time, when fullerene is added instead of conventional fiber, movement between ions is activated compared to conventional fiber depending on the micropores.
즉, 풀러렌의 고전도도 특성에 의하여 결과적으로 활물질의 효율을 향상시키며, 충전 수입성의 향상을 얻을 수 있다는 것을 실험을 통해 확인하였다.In other words, it was confirmed through experiments that the efficiency of the active material can be improved and the charging ability can be improved due to the high conductivity characteristics of fullerene.
또한, 납축전지의 고장 원인은 사용 중에 부하의 종류와 관리하는 방법에 따라 좌우된다. Additionally, the cause of lead acid battery failure depends on the type of load and how it is managed during use.
주된 고장 요인은 활물질 설페이션화, 극판 활물질 탈락, 양극 격자부식, 격리판 파손, 복합적인 요인 등이 있다. The main failure factors include active material sulphation, loss of electrode active material, anode lattice corrosion, separator damage, and complex factors.
특히, 자동차에 장착된 제품의 경우, 운행 조건 및 전장에서의 사용부하에 따라 활물질 설페이션화가 가속화되며 극판 활물질 탈락이 발생하여 조기 수명 종지 현상이 발생된다. In particular, in the case of products installed in automobiles, active material sulphation is accelerated depending on operating conditions and battlefield usage load, and electrode plate active material falls off, resulting in premature termination of life.
따라서, 전극의 활물질에 반응 면적을 증가시키는 일이 중요하며, 신장율을 증가시켜 활물질 간의 접착력을 증가시키는 일이 중요하다. Therefore, it is important to increase the reaction area of the active material of the electrode and to increase the adhesion between active materials by increasing the elongation rate.
결론적으로 풀러렌을 종래 화이버 대신에 첨가할 경우, 종래의 Fiber에 비해 이온 간 이동을 활성화시켜 이온 이동도 및 저항을 감소시켜 기초 성능을 하락시키는 주요 원인을 개선하게 된다.In conclusion, when fullerene is added instead of conventional fiber, it activates movement between ions compared to conventional fiber, thereby reducing ion mobility and resistance, thereby improving the main cause of basic performance decline.
상기와 같은 기능을 제공하기 위하여, 본 발명의 풀러렌혼합단계(S100)는 연분, 황산, 및 음극에 따른 첨가제를 배합할 시, 폴리에스터 계열 섬유 대신에 풀러렌을 첨가해 혼합하여 음극 활물질 안에 분포시키기 위한 단계이다.In order to provide the above function, the fullerene mixing step (S100) of the present invention involves adding and mixing fullerene instead of polyester fibers when mixing lead powder, sulfuric acid, and additives according to the negative electrode to distribute them within the negative electrode active material. This is a step for
이때, 상기 본 발명의 효과를 제공하기 위하여, 음극 활물질에서의 풀러렌의 함량은,At this time, in order to provide the effect of the present invention, the content of fullerene in the negative electrode active material is,
풀러렌을 제외한 음극 활물질 100 중량부 대비 1 ~ 5 중량부를 첨가하는 것을 특징으로 한다.It is characterized by adding 1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the negative electrode active material excluding fullerene.
구체적으로, 상기 풀러렌혼합단계(S100)는,Specifically, the fullerene mixing step (S100),
음극 활물질 총 중량부에 대하여 연분 80 ~ 83 중량부, 황산 5 ~ 10 중량부, 물 10 ~ 15 중량부, 음극첨가제 1 ~ 3 중량부를 배합하는 기초음극활물질배합단계;와A basic anode active material mixing step of mixing 80 to 83 parts by weight of lead dust, 5 to 10 parts by weight of sulfuric acid, 10 to 15 parts by weight of water, and 1 to 3 parts by weight of anode additive based on the total weight of the anode active material;
상기 기초음극활물질배합단계에서 배합된 혼합물에 혼합물 총 중량부 대비 풀러렌 1 ~ 5 중량부를 첨가하여 85 ~ 95도의 온도에서 교반하여 75 ~ 80g/in3 밀도의 음극 활물질을 수득하기 위한 풀러렌첨가음극활물질획득단계;를 포함하게 된다.A fullerene-added anode active material to obtain a cathode active material with a density of 75 to 80 g/in 3 by adding 1 to 5 parts by weight of fullerene to the mixture mixed in the basic anode active material mixing step and stirring at a temperature of 85 to 95 degrees based on the total weight of the mixture. It includes an acquisition step.
상기 첨가되는 풀러렌의 중량부가 1 중량부 미만일 경우에는 극판의 전기 전도도는 종래와 비슷하므로 성능 향상을 기대하기가 어려운 소량에 해당하고, 5 중량부를 초과할 경우에는 가속 수명 시험에서 입증하였듯이, 수명 싸이클의 5 중량부의 싸이클 이상으로 기대하기가 어렵고, 단지 가격 상승 원인만을 제공할 뿐이다.If the weight part of the fullerene added is less than 1 part by weight, the electrical conductivity of the electrode plate is similar to the conventional one, so it is a small amount in which it is difficult to expect performance improvement, and if it exceeds 5 parts by weight, as proven in the accelerated life test, the life cycle It is difficult to expect more than a cycle of 5 parts by weight, and it only provides a cause for price increases.
상기한 75 ~ 80g/in3 밀도의 음극 활물질을 수득하여야만, 실험 데이터의 효과를 제공할 수가 있지만, 온도가 85도 미만일 경우에는 상기 밀도보다 낮아지는 문제점이 발생하여 본 발명에서 제공하는 수명 싸이클을 제공할 수 없게 되며, 온도가 95도를 넘어가게 되면 상기 밀도보다 높아지게 되어 오히려 이온 이동도가 떨어지는 문제점이 발생하였다.Only by obtaining the negative electrode active material with the above-described density of 75 to 80 g/in3 can the effect of the experimental data be provided. However, if the temperature is less than 85 degrees, a problem occurs in which the density becomes lower than the above-described density, thereby providing the life cycle provided by the present invention. This becomes impossible, and when the temperature exceeds 95 degrees, the density becomes higher than the above-mentioned density, which causes the problem of lower ion mobility.
따라서, 상기한 범위 내에서 풀러렌을 투입하는 것이 바람직할 것이다.Therefore, it would be desirable to add fullerene within the above range.
결국, 본 발명은 납축전지 음극판 활물질에 전기전도도 향상을 위해 종래 폴리에스터 계열의 화이버 대신 고전도도 특성을 가지는 풀러렌을 적용하는데, 이는 이온간 이동을 활성화시켜 납축전지의 기초성능 향상에 기여할 수 있게 되는 것이다.Ultimately, the present invention uses fullerenes with high conductivity instead of conventional polyester-based fibers to improve electrical conductivity in the negative plate active material of lead acid batteries, which can contribute to improving the basic performance of lead acid batteries by activating movement between ions. It will happen.
또한, 상기 자연숙성및건조단계(S200)는 풀러렌이 포함된 음극 활물질을 납으로 제작된 기판에 도포한 후, 대기 중에서 자연 숙성 및 건조시키는 과정이다.In addition, the natural aging and drying step (S200) is a process of applying a negative electrode active material containing fullerene to a substrate made of lead and then naturally maturing and drying it in the air.
즉, 풀러렌이 포함된 음극 활물질을 납으로 제작된 기판에 일정량 골고루 퍼지게 도포한 후, 대기 중에서 2 ~ 3일간 자연 숙성 및 건조시키게 된다.That is, a certain amount of the negative electrode active material containing fullerene is evenly spread on a lead substrate, and then it is naturally aged and dried in the air for 2 to 3 days.
위에서 상술한 바와 같이 본 발명의 효과를 파악하기 위해 활물질 혼합시 기존에 투입되던 유기합성 단섬유를 풀러렌으로 대체하여 동일 중량비로 첨가하여 극판을 제조하고 숙성 공정을 통해 숙성시킨 후, 기초성능 및 수명시험을 하였다.As described above, in order to determine the effect of the present invention, the organic synthetic short fibers previously used when mixing active materials were replaced with fullerenes and added at the same weight ratio to manufacture electrode plates, and then aged through an aging process, and then the basic performance and lifespan were evaluated. Tested.
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 풀러렌을 적용한 납축전지용 극판을 포함하고 있는 제품을 말한다.The conventional product described below refers to a product manufactured using a negative electrode plate applied after including organic synthetic short fibers in the active material used in the lead acid battery (BX80) manufactured by the applicant, and the improved product is manufactured through the manufacturing method of the present invention. This refers to a product containing electrode plates for lead acid batteries using fullerene.
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(풀러렌이 포함됨)을 제작하였으며, 풀러렌의 효과를 입증하기 위하여 충전수입성과 50% DoD 내구성 시험을 진행하였다. In addition, through subsequent processes such as assembly and chemical conversion to impart electrical conductivity to the substrate, a conventional product (containing organic synthetic short fibers) and an improved product (containing fullerene) with a final capacity of 70 Ah (20 hour rate capacity) were produced. It was manufactured, and charge acceptability and 50% DoD durability tests were conducted to prove the effectiveness of fullerene.
1) 충전수입성 시험 (CA: Charge Acceptance test)1) Charge Acceptance test (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. A fully charged sample is discharged for 2.5 hours at room temperature (25±2℃) at a 5-hour rate current (17.5A based on 70Ah), and then left at 0±2℃ for more than 12 hours.
이후 정전압 14.4V±0.1V으로 충전하여 충전 10분때 전류를 측정한다. Afterwards, charge it at a constant voltage of 14.4V±0.1V and measure the current at 10 minutes of charging.
시험결과, 전지전도도 및 충전 효율이 높아 개선품이 종래품 대비 10분 정도에 전류가 29% 증대되었음을 알 수 있었다.As a result of the test, it was found that the battery conductivity and charging efficiency were high, and the current of the improved product increased by 29% in about 10 minutes compared to the conventional product.
충전수입성
Charge income
유기합성 단섬유는 전지 활물질의 기계적 강도를 증가시킬 목적으로, 활물질에 첨가하게 된다. Organic synthetic short fibers are added to the active material for the purpose of increasing the mechanical strength of the battery active material.
재질은 전해액인 황산수용액에 대한 내산성을 고려하여, 폴리프로필렌이나 폴리에스테르 및 모드아크릴계열이 사용되고 있다. Considering acid resistance to sulfuric acid aqueous solution, which is an electrolyte, polypropylene, polyester, and modacrylic series are used as materials.
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. The organic synthetic short fibers used have a circular cross-section, which is the specification of a typical synthetic short fiber produced by direct spinning, a fineness of 2 to 5 denier (diameter is about 12 to 20 micrometers), and a length of 2 to 20 micrometers. It's 10 millimeters.
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. The amount added during mixing is 0.1 to 0.5 wt%, which improves the mechanical strength of the final electrode active material and suppresses the phenomenon of destruction of the active material structure due to contraction and expansion of the active material due to vibration and charging and discharging.
그러나, 상기 유기합성 단섬유의 경우, 갈수록 높은 기초 성능을 요구하는 환경에서는 성능 제공에 문제점이 발생하게 되었다.However, in the case of the organic synthetic short fibers, problems have arisen in providing performance in environments that require increasingly higher basic performance.
따라서, 본 발명에서는 이를 개선하기 위하여 폴리에스터 계열의 화이버 보다 이온 이동도가 우수한 풀러렌을 사용하게 된 것이다.Therefore, in order to improve this problem, the present invention uses fullerene, which has better ion mobility than polyester-based fiber.
이러한 이온 이동도가 우수한 풀러렌으로 인하여 고출력 및 기대 수명 향상을 가져올 수 있게 되어 최종적으로 전지의 기초성능 및 수명을 향상시키는 것이다.Fullerene, which has excellent ion mobility, can lead to higher output and improved life expectancy, ultimately improving the basic performance and lifespan of the battery.
따라서, 상기한 특성을 지니는 풀러렌을 본 발명에서 도입하게 된 것이며, 음극 활물질에 첨가제로 고 이온 이동도를 제공하는 풀러렌을 사용함으로써, 이온 이동도의 극대화와 전기 전도도를 증가시키는 효과를 제공하게 된다.Therefore, fullerenes having the above-mentioned characteristics were introduced in the present invention, and by using fullerenes that provide high ion mobility as an additive to the negative electrode active material, the effect of maximizing ion mobility and increasing electrical conductivity is provided. .
이에 대한 실험 자료는 후술하도록 하겠다.Experimental data for this will be described later.
2) 가속 수명 시험(SAE J2801)2) Accelerated life test (SAE J2801)
납축전지를 75℃ 수조에서 약 1주일 동안 일반적인 차량 조건과 유사하게 34회 충/방전 싸이클이 진행한다. The lead acid battery is subjected to 34 charge/discharge cycles in a water bath at 75°C for approximately one week, similar to typical vehicle conditions.
34회 싸이클 실시 후 200A로 10초 방전하여 7.2V 이상 유지가 되면 다시 34회 싸이클을 진행하는 방식으로 수명 시험을 진행한다. After performing 34 cycles, the life test is conducted by discharging at 200A for 10 seconds, and if the voltage is maintained above 7.2V, the cycle is repeated 34 times.
또한, 싸이클 중 충전전류가 15A 이상 올라가거나 방전 전압이 12.0V 이하로 떨어지면 시험을 중단한다.Additionally, the test is stopped if the charging current rises above 15A or the discharge voltage falls below 12.0V during the cycle.
하기 표2는 SAE J2801 시험을 실시한 결과이며, 34회 충/방전 싸이클 마다 200A로 10초 방전 시 전압을 나타내었다.Table 2 below shows the results of the SAE J2801 test, showing the voltage when discharged at 200A for 10 seconds for every 34 charge/discharge cycles.
중량부Fullerene 0.5
weight part
중량부fullerene 1
weight part
중량부fullerene 5
weight part
중량부fullerene 10
weight part
상기 표 2와 같이, 시험결과, 고 이온 이동성을 제공하는 풀러렌이 첨가되지 않을 경우와 0.5 중량부 첨가시에는 수명은 238 사이클이지만, 1 중량부 첨가시에는 수명은 272 사이클이며, 5 중량부 첨가시에는 수명은 306 사이클로 28.5%의 수명 향상을 제공할 수 있게 되었다.As shown in Table 2 above, the test results show that when fullerene, which provides high ion mobility, is not added and 0.5 parts by weight is added, the lifespan is 238 cycles, but when 1 part by weight is added, the lifespan is 272 cycles, and 5 parts by weight is added. The city was able to provide a lifespan improvement of 28.5% with a lifespan of 306 cycles.
그러나, 상기 5 중량부를 초과하는 풀러렌을 첨가하여도 수명은 306 사이클에서 더 증가하지 않음을 알 수 있어 이에 따라 1 중량부 ~ 5 중량부 중에서 가장 최적의 범위는 2 ~ 5 중량부가 되므로 상기한 범위 내에서 첨가하는 것이 바람직하다.However, it can be seen that even if more than 5 parts by weight of fullerene is added, the lifespan does not increase further at 306 cycles. Accordingly, the most optimal range among 1 parts by weight to 5 parts by weight is 2 to 5 parts by weight, so the above range It is preferable to add it within.
이는 이온 이동도가 향상됨으로써, 충전효율이 상승되면서 활물질에 누적되는 설페이션 함량이 감소되어 나타난 결과로 보여진다.This appears to be the result of improved ion mobility, increased charging efficiency, and reduced sulphation content accumulated in the active material.
즉, 종래품 대비 수명에서 28.5% 향상 효과를 보임으로써, 고 이온 이동도를 제공하는 풀러렌의 첨가가 수명 증가에 대한 긍정적인 영향을 주었음을 알 수 있었다.In other words, it showed a 28.5% improvement in lifespan compared to conventional products, showing that the addition of fullerene, which provides high ion mobility, had a positive effect on increasing the lifespan.
상기와 같은 제조 방법을 통해, 납축전지 활물질에 풀러렌을 첨가하여, 납축전지 내에 전기 전도도를 향상시킴으로써, 충방전시 저항으로 생기는 전기 Loss를 감소시켜 납축전지의 초기 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공하게 된다. Through the above manufacturing method, fullerene is added to the active material of a lead acid battery to improve electrical conductivity within the lead acid battery, thereby reducing electrical loss caused by resistance during charging and discharging, thereby improving the initial performance and durability of the lead acid battery. will be provided.
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. Those skilled in the art to which the present invention pertains as described above will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing its technical idea or essential features. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not limiting.
S100 : 풀러렌혼합단계
S200 : 자연숙성및건조단계S100: Fullerene mixing step
S200: Natural ripening and drying stage
Claims (5)
납축전지의 음극 활물질 혼합공정에서,
연분, 황산, 및 음극에 따른 첨가제를 배합할 시, 폴리에스터 계열 섬유 대신에 풀러렌을 첨가해 혼합하여 음극 활물질 안에 분포시키기 위한 풀러렌혼합단계(S100);와
풀러렌이 포함된 음극 활물질을 납으로 제작된 기판에 도포한 후, 대기 중에서 자연 숙성 및 건조시키기 위한 자연숙성및건조단계(S200);를 포함하는 것을 특징으로 하는 풀러렌을 이용한 전기전도도를 향상시키는 납축전지용 극판 제조 방법.
In a method of manufacturing electrode plates for lead acid batteries that improve electrical conductivity using fullerene,
In the mixing process of negative active materials for lead acid batteries,
When mixing lead powder, sulfuric acid, and additives according to the negative electrode, fullerene is added instead of polyester fiber and mixed to distribute it in the negative electrode active material (S100);
Lead that improves electrical conductivity using fullerene, comprising a natural aging and drying step (S200) for applying a negative electrode active material containing fullerene to a substrate made of lead and then naturally maturing and drying it in the air. Method of manufacturing electrode plates for storage batteries.
상기 음극 활물질에서의 풀러렌의 함량은,
풀러렌을 제외한 음극 활물질 100 중량부 대비 1 ~ 5 중량부를 첨가하는 것을 특징으로 하는 풀러렌을 이용한 전기전도도를 향상시키는 납축전지용 극판 제조 방법.
According to clause 1,
The content of fullerene in the negative electrode active material is,
A method of manufacturing an electrode plate for a lead-acid battery that improves electrical conductivity using fullerene, characterized by adding 1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of negative electrode active material excluding fullerene.
상기 풀러렌혼합단계(S100)에서,
풀러렌을 첨가하여 이온 이동도를 향상시켜 납축전지의 기초성능 및 충전 효율을 증대시키는 것을 특징으로 하는 풀러렌을 이용한 전기전도도를 향상시키는 납축전지용 극판 제조 방법.
According to clause 1,
In the fullerene mixing step (S100),
A method of manufacturing an electrode plate for a lead-acid battery that improves electrical conductivity using fullerene, characterized in that the basic performance and charging efficiency of the lead-acid battery are increased by adding fullerene to improve ion mobility.
상기 풀러렌을 이용한 전기전도도를 향상시키는 납축전지용 극판 제조 방법에 의해,
풀러렌을 첨가하지 않은 수명인 238 사이클에서 풀러렌 첨가시 수명이 306 사이클로 28.5%의 수명 향상을 제공할 수 있는 것을 특징으로 하는 풀러렌을 이용한 전기전도도를 향상시키는 납축전지용 극판 제조 방법.
According to clause 1,
By the method of manufacturing an electrode plate for a lead acid battery that improves electrical conductivity using the above fullerene,
A method of manufacturing an electrode plate for a lead-acid battery that improves electrical conductivity using fullerene, characterized in that it can provide a 28.5% lifespan improvement from 238 cycles without adding fullerene to 306 cycles when fullerene is added.
풀러렌을 이용한 납축전지용 음극 활물질을 적용한 납축전지용 극판을 포함하고 있는 납축전지.By the manufacturing method of claim 1,
A lead-acid battery containing electrode plates for lead-acid batteries using fullerene-based negative electrode active material for lead-acid batteries.
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|---|---|---|---|
| KR1020220121956A KR20240042994A (en) | 2022-09-26 | 2022-09-26 | How to improve the electrical conductivity using a fullerene |
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|---|---|---|---|---|
| KR100483246B1 (en) | 2000-11-09 | 2005-04-15 | 가부시키가이샤 유아사코오포레이션 | Negative electrode active material, process for its production and lead storage battery |
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2022
- 2022-09-26 KR KR1020220121956A patent/KR20240042994A/en unknown
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