KR100993868B1 - 납축전지용 극판 활물질 지지체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 납축전지용 극판 활물질 지지체에 관한 것으로서, 경사는 단면이 원형인 열가소성 멀티필라멘트이거나 단면이 이형인 이형단면사이고, 위사는 단면이 이형인 이형단면사이고, 친수성 수지가 함침되어 있는 직물로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명은 전해액의 보액성과 흡습성(확산성)이 우수하여 납축전지의 성능을 향상시킴과 동시에 기계적 물성이 뛰어나 작업성과 생산성을 향상시키고, 배터리 생산 공정에 있어 작업환경이 유해하게 되는 것을 방지하고, 극판 활물질의 탈락을 효과적으로 방지하여 납축전지의 수명을 연장할 수 있다.
납축전지, 극판, 활물질, 지지체, 이형단면사, 직물, 친수성 수지, 보액성, 기계적물성, 흡습성, 조직

Description

납축전지용 극판 활물질 지지체 {A support of activie material in polar plate used in lead-acid battery}
도 1은 본 발명의 극판 활물질 지지체가 내장된 납축전지의 단면개략도.
도 2는 본 발명의 극판 활물질 지지체가 부착된 극판의 사시개략도.
도 3은 본 발명에서 사용하는 이형단면사의 단면예시도.
* 도면 중 주요부분에 대한 부호 설명 *
1 : 양극판 2 : 음극판
3 : 납축전지 4 : 격리판
5 : 극판 활물질 지지체
본 발명은 납축전지용 극판 활물질 지지체에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 황산 전해액의 보액성과 흡습성(확산성)이 우수하여 납축전지의 성능을 향상시키고, 뛰어난 기계적 강도로 인해 작업성 및 작업환경을 크게 향상시킬 수 있고, 극판 활물질의 탈락을 효과적으로 방지하여 납축전지의 수명을 연장시 킬 수 있는 납축전지용 극판 활물질 지지체에 관한 것이다.
일반적으로 납축전지의 극판 제조공정은 중력주조방식과 익스팬디드 그리드 방식으로 크게 나누어진다.
이들 중 중력주조 방식은 크게 4단계를 거쳐서 극판이 형성된다.
첫 번째 단계로서 납-안티몬 합금이나 납-칼슘등의 합금연을 금형에 부어서 냉각시켜 기판을 형성한 후 그것을 절단하여 기판의 모양을 형성 한다.
두 번째 단계는 앞에서 형성된 기판에 도장할 연호를 제조하는 공정이다.
이 연호는 연분기에 연괴를 투입하여 Pb와 PbO로 구성된 작은 입자의 연분을 제조한 후 물 및 황산 기타 첨가제를 혼합하여 제조한다.
세 번째와 네 번째 단계는 이와 같이 생성된 연호를 기판에 도장하는 도장 공정과, 도장 극판중에 수분과 Pb 함량을 감소시키는 건조 공정과 숙성공정을 거친후 이 극판의 활물질인 PbO와 PbSO4를 PbO2 +와 Pb-로 변화시키는 초충전 공정을 거쳐서 극판이 완성된다.
그러나 이와 같이 생성된 극판은 생산성이 좋지 못하며 일정시간이 경과한 후 금형의 교체가 필요하며, 그에 따라서 부가적인 경비로 인해서 원가 상승의 원인이 된다.
또한 금형으로 제조되어 극판의 두께가 일정치 못하다.
그에 반해서 익스팬디드 그리드 방식은 합금연을 용융하여 코일처럼 권선한 후 그것을 사용하여 메쉬형태의 기판을 제작하고, 그위에 위에서 언급한 연호를 도장하여 건조 및 숙성과정, 초충전 과정을 거쳐서 극판을 완성한다.
상기의 익스팬디드 그리드 방식의 극판은 생산성이 좋으며 금형의 사용이 없어서 부가 경비의 절감효과와 함께 공정의 단순화로 인한 원가 절감의 효과까지 겸하고 있다.
또한 이와 같이 제조된 극판은 자체의 두께가 일정하므로 인해서 전지의 제조 공정에서 균일한 셀(Cell)의 제조가 가능하다.
그러나 이와 같이 우수한 극판 제조 기술인 익스팬디드 그리드 방식도 극판 활물질의 약한 결합력은 개선하지 못한다. 즉 극판과 활물질의 약한 결합력으로 인해 일정 시간 전지를 사용하면 활물질이 극판에서 탈락되어 전지의 출력저하 및 충방전 횟수 감소의 직접적인 원인이 된다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해서 유리 섬유 매트로 구성된 극판 활물질 지지체를 극판에 부착시키는 방식이 제안된 바 있으나, 상기의 유리섬유 매트의 극판 활물질 지지체는 약한 활물질 보지력과 유리 섬유의 유해성 그리고 약한 기계적 강도로 인한 작업성 및 생산성이 떨어지는 문제점이 있다.
이와 같은 문제를 개선하기 위해서 한국등록특허 제0250381호에서는 유리 섬유 매트 대신에 부직포로 구성된 극판 활물질 지지체를 제안하고 있으나, 이 경우에는 전해액의 침투성이 상대적으로 낮을뿐 아니라, 우수한 전해액 침투성을 가지고 있더라고 낮은 기계적 물성으로 인해 작업성 및 생산성의 저하는 여전히 존재한다.
본 발명의 목적은 이와같은 종래의 문제점들을 해결하기 위해서, 기계적 강도 특성이 뛰어나 작업성이 향상되고, 유해한 작업환경을 해결할 수 있고, 전해액 의 보액성과 흡습성(확산성)이 우수하여 납축전지의 성능을 향상시키고, 극판 활물질의 탈락을 효과적으로 방지하여 납축전지의 수명을 연장시 킬 수 있는 납축전지용 극판 활물질 지지체를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 납축전지용 극판 활물질 지지체를 작업성 및 작업환경에 문제가 있는 유리섬유 매트 대신에 경사는 단면이 원형인 열가소성 멀티필라멘트이거나 단면이 이형인 이형단면사이고, 위사는 단면이 이형인 이형단면사이고, 친수성 수지가 함침되어 있는 직물로 제조함으로써, 기계적 강도 특성이 뛰어나 작업성이 향상되고, 유해한 작업환경을 해결할 수 있고, 전해액 보액성과 흡습성(확산성)이 뛰어난 납축전지용 극판 활물질 지지체를 제공하고자 한다.
이와 같은 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 납축전지용 극판 활물질 지지체는, 경사는 단면이 원형인 열가소성 멀티필라멘트이거나 단면이 이형인 이형단면사이고, 위사는 단면이 이형인 이형단면사이고, 친수성 수지가 함침되어 있는 직물로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 통하여 상세하게 설명한다.
본 발명은 도1 및 도2와 같이 납축전지의 극판, 다시말해 양극판(1)과 음극판(2) 각각을 또는 동시에 감싸는 형태로 부착, 사용된다.
도 1은 본 발명이 내장된 납축전지의 단면개략도이고, 도2는 본 발명의 극판 활물질 지지체가 부착된 극판의 사시개략도 이다.
본 발명은 종래의 유리섬유 매트 또는 부직포 대신에 경사는 단면이 원형인 열가소성 멀티필라멘트이거나 단면이 이형인 이형단면사이고, 위사는 단면이 이형인 이형단면사이고, 친수성 수지가 함침되어 있는 직물로 구성된다.
상기의 원형 단면을 갖는 열가소성 멀티필라멘트로서, 바람직 하기로는 내산성이 우수한 폴리에스테르 멀티필라멘트, 폴리올레핀계 멀티필라멘트 또는 방향족 폴리아미드 멀티필라멘트 등이 좋다.
보다 바람직하기로는, 상기의 열가소성 멀티필라멘트는 평균 직경이 0.1∼10㎛인 극세 모노필라멘트를 구성되어 직물내에 미세기공을 형성하는 것이 좋다.
경사로 해도형 복합섬유를 사용하여 직물을 제직한 다음, 제직된 직물을 알칼리 수용액으로 처리하여 경사내 해성분을 제거하는 방식으로 상기의 극세 모노필라멘트로 구성된 열가소성 멀티필라멘트를 제조할 수 있다.
한편, 상기 이형단면사의 단면형태는 3∼8개의 각을 갖는 다각형 또는 3∼8개의 돌출부를 갖는 타원형 등이다. 도 3은 상기 이형단면사의 단면예시도 이다.
본 발명은 경사와 위사 또는 위사가 이형단면사 이기 때문에 직물의 경사 및 위사 방향으로 전해액 이송 통로가 형성되고, 모세관 현상 등에 의해 경사 및 위사 방향의 전해액의 확산성(흡습성)이 크게 향상된다.
상기 직물의 조직은 경사방향의 전해액 확산성과 흡습성을 보다 개선하기 위해서 5∼16매의 능직(Twill) 또는 5∼16매의 주자직(Satin)인 것이 바람직하다.
한편, 상기의 직물은 극판 활물질 지지체 제조를 위한 봉제 공정을 생략할 수 있도록 자카드로 제직되어 봉투형태인 것이 바람직하다.
상기의 5∼16매의 주자직은 조직의 반복단위내 경사 및 위사 개수가 각각 5∼16본인 주자직을 의미하며, 5∼16매의 능직은 변화능직인 것이 바람직하다.
구체적으로는, 경사 및 위사 방향의 조직점이 적어 직물의 표면이나 이면에 부출된 경사 및 위사의 길이가 비교적 길게 형성되는 직물 조직이다.
상기와 같이 경사 및 위사 방향으로 길게 부출된 경사들은 직물내에 공극을 형성함 동시에 전해액의 이동 통로 역할을 수행하여 전해액 흡습성(확산성)과 보액성을 향상시킨다.
상기 직물은 압착 로울러(Calendering Roller)로 압착 처리된 직물을 포함한다.
한편, 본 발명의 직물내에는 친수성 수지가 함침되어 있어서 전해액의 보액성과 흡습성(확산성)이 더욱 향상된다.
또한, 직물내에 함침되어 있는 친수성 수지는 폴리비닐알코올, 수성 아크릴수지, 수성 폴리부타디엔수지, 수성 초산비닐수지, 수성 비닐아세테이트수지, 수성 폴리우레탄수지 또는 이들의 혼합물 등이다.
직물내에 친수성 수지를 함침시키는 방법으로는 친수성 수지 용액에 직물을 디핑하거나, 상기 직물에 친수성 수지 용액을 스프레이 하여 제조할 수 있다.
본 발명에서는 수지 결정상(Dendrite)에 의한 내부 쇼트 서킷 현상을 방지하고, 절대 황산 흡수량 및 원활한 산소 전달 싸이클을 결정하기 위하여 본 발명의 두께를 0.1~0.4㎜, 보다 바람직하기로는 0.2~0.3㎜로 하는 것이 좋다. 평균 두께가 0.1㎜미만이면 납축전지용 전극 활물질 지지체로 적용하기 어렵다.
또한, 본 발명은 두께가 0.1~0.4mm이고, 횡방향 및 종방향의 인장강도가 5㎏f이상이고, 흡수 속도가 40∼60mm/분이고, 보액성(부피당흡수량)이 0.6g/cc이상이다.
보액성이 높을수록 배터리 적용시 충/방전 특성이 안정적이고 우수하다.
본 발명에 있어서 극판 활물질 지지체의 각종 물성들은 아래방법으로 평가(측정)하였다.
·인장강도(Kgf)/연신율(%)
시료의 규격은 폭 15㎜×길이 70㎜로 하였고, 인장속도는 20㎜/분으로 하였다.
·다공성(%)
수은 침투법(기기명 : AutoporeIV9500)을 사용하여 측정하며 이 방법은 수은을 공극률 분석기를 사용하여 수은에 가해지는 압력을 변화시켜 상이한 공극에 주입한다. 폴리머층의 미세공극의 크기는 공극을 형성하기전에 측정한다.
·흡수속도(㎜/10분)
폭 15㎜×길이 70㎜ 시편의 밑부분 20㎜를 25℃에서 비중이 1.3인 황산 수용액에 수직으로 10분동안 침지시킨 후 시편을 통해 상승한 황산 수용액의 높이를 측 정한다.
·내산성
50×50㎜의 시료를 황산 (비중:1.300/25℃, 150cc, 온도 65℃)에서 3일간 방치하여 이물질 생성 여부를 판별하였다.
·전기저항
70×70㎜의 시편을 온도 25±2℃의 묽은 황산(1.280/20℃)에 5시간 침적하면서 전극간 직류 전류 1A 인가하여 액 저항에 의한 전압강하를 측정하여 아래식으로 저항(R)값 계산하였다.
Figure 112005050801003-pat00001
[상기식에서, R은 격리판의 저항(Ω,100㎠/매)이고, R1은 시험편을 삽입한 경우의 저항이고, R2는 시험편을 삽입하지 않은 경우의 저항이고, n은 삽입한 시험편의 수 이다]
·보액성
15×70mm의 시료를 황산(비중 : 1.3000/25℃)에 30초간 침적한 후 45℃의 PVC판에서 5분간 유지한 후 아래식으로 보액성을 계산 하였다.
Figure 112005050801003-pat00002
[상기식에서, W1:시험전 중량, W2:시험후 중량, L:길이(mm), W:너비(mm), T:두께(mm) 이다]
·두께
40㎏f/d㎡의 힘을 시편에 가했을 때 두께를 측정한 값으로 하였다.
이하, 실시예 및 비교실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 살펴본다.
그러나 본 발명은 하기 실시예에만 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
평균직경이 3㎛인 폴리에틸렌테레프탈레이트의 도성분과 디메틸렌설포이소프탈산나트륨 7몰%가 공중합되어 알카리 가수분해성이 우수한 폴리에스테르 공중합 폴리머의 해성분이 해도형으로 복합되어 있는 30데니어/24필라멘트의 폴리에스테르 해도형 복합섬유를 경사로 사용하고, 복합섬유가 아닌 75데니어/72필라멘트의 폴리에스테르 이형단면사를 위사로 사용하여 270본/인치의 경사밀도와 110본/인치의 위사밀도로 10매 주자직의 직물을 제조한 후, 제직된 직물을 알칼리 수용액으로 처리하여 상기 해성분을 용출(제거)시켜 평균직경이 1.8㎛인 미세기공들이 형성되어 있는 직물(공극율 68%)를 제조한 다음, 계속해서, 제조한 상기 직물을 수성 폴리아크릴 용액에 디핑후 수성 폴리아크릴수지 함량이 3중량%가 되도록 스퀴칭하고, 계속해서 180℃로 열고정하여 두께가 0.15㎜인 납축전지용 극판 활물질 지지체를 제조하였다.
제조한 납축전지용 극판 활물질 지지체의 각종 물성들은 평가한 결과는 표 1과 같다.
실시예 2
50데니어/24필라멘트의 폴리에스테르 이형단면사를 경사로 사용하고, 75데니어/72필라멘트×3합사인 폴리에스테르 이형단면사를 위사로 사용하여 270본/인치의 경사밀도와 100본/인치의 위사 밀도로 5매 주자직의 직물을 제조한 후, 제조한 상기 직물을 수성 폴리우레탄 용액에 디핑후 수성 폴리우레탄 함량이 3중량%가 되도록 스퀴징하고, 계속해서 180℃로 열고정하여 두께가 0.15㎜인 납축전지용 극판 활물질 지지체를 제조하였다.
제조한 납축전지용 극판 활물질 지지체의 각층 물성들은 평가한 결과는 표 1과 같다.
비교실시예 1
원형 단면을 갖는 50데니어/24필라멘트의 폴리에스테르 멀티필라멘트를 경사 및 위사로 사용하여 150본/인치의 경사밀도와 70본/인치의 위사 밀도를 평직의 직물을 제조한 다음, 이를 사용하여 두께가 0.22㎜인 납축전지용 극판 활물질 지지체를 제조하였다.
제조한 납축전지용 극판 활물질 지지체의 각층 물성들은 평가한 결과는 표 1과 같다.
물성 평가 결과
구 분 실시예 1 실시예 2 비교실시예 1
두께(mm) 0.15 0.15 0.22
다공성(%, Porosity) 68 69 70
인장강도
(15mm/min,Kgf)		 횡방향
(MD)		 18.32 18.71 17.01
종방향
(TD)		 17.96 18.38 16.25
내산성 이물질 발생 안됨 이물질 발생 안됨 이물질 발생 안됨
전기저항(Ω) 0.00040 0.00048 0.00078
보액성 1.90 1.80 1.45
흡수 속도(mm/10분) 42 45 26
본 발명은 직물로 구성되어 기계적 물성이 뛰어나 작업성과 생산성이 우수하다.
또한, 유리섬유를 사용하지 않아 작업환경이 유해하게 되는 것을 방지 할 수 있다.
또한, 본 발명은 경사 및/또는 위사 방향으로 전해액 이송 통로가 형성되어 전해액의 보액성과 흡습성(확산성)이 뛰어나며, 친수성 수지를 함유하여 친수성과 형태안정성도 우수하다.

Claims (8)

  1. 경사는 단면이 원형인 열가소성 멀티필라멘트이거나 단면이 이형인 이형단면사이고, 위사는 단면이 이형인 이형단면사이고, 친수성 수지가 함침되어 있는 직물로 이루어지고, 상기 이형단면사는 단면 형태가 3~8개의 각을 갖는 다각형이거나 3~8개의 돌출부를 갖는 타원형인 것을 특징으로 하는 납축전지용 극판 활물질 지지체.
  2. 1항에 있어서, 직물의 조직이 5∼16매의 능직(Twill) 또는 5∼16매의 주자직(Satin)인 것을 특징으로 하는 납축전지용 극판 활물질 지지체.
  3. 1항에 있어서, 친수성 수지가 폴리비닐알코올, 수성 아크릴수지, 수성 폴리부타디엔수지, 수성 초산비닐수지, 수성 비닐아세테이트수지, 수성 폴리우레탄수지 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 납축전지용 극판 활물질 지지체.
  4. 삭제
  5. 1항에 있어서 극판 활물질 지지체의 두께가 0.1∼0.4mm이고, 횡방향 및 종방향의 인장강도가 5kgf 이상이고, 흡수속도가 40∼60mm/분이고, 보액성(부피당 흡수량)이 0.6g/cc이상인 것을 특징으로 하는 납축전지용 극판 활물질 지지체.
  6. 1항에 있어서, 직물이 압착로울러에 의해 압착(Calendering) 처리된 것을 특징으로 하는 납축전지용 극판 활물질 지지체.
  7. 1항에 있어서, 직물이 자카드로 제직된 봉투 형태인 것을 특징으로 하는 납축전지용 극판 활물질 지지체.
  8. 1항에 있어서, 친수성 수지의 함침량이 0.5∼10중량%인 것을 특징으로 하는 납축전지용 극판 활물질 지지체.
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