KR101023677B1 - 납축전지용 극판 활물질 지지체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 납축전지용 극판 활물질 지지체에 관한 것으로서, 평균직경이 0.1~10㎛인 극세섬유가 전체중량 대비 40중량% 이상 함유되어 미세기공을 갖는 부직포로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명은 다공성이 높아 전해액의 침투성이 향상되며, 배터리 생산 공정에 있어 작업환경이 유해하게 되는 것을 방지 할 수 있다.
납축전지, 극판, 활물질, 지지체, 부직포, 극세섬유, 친수성 수지, 침투성, 기계적물성
Description
도 1은 본 발명의 극판 활물질 지지체가 내장된 납축전지의 단면개략도.
도 2는 본 발명의 극판 활물질 지지체가 부착된 극판의 사시개략도.
* 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 전해질의 흡수성이 우수하며 뛰어난 기계적 강도로 인해 작업성 및 작업환경을 크게 향상시킬 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 없 어서 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, 유해한 작업환경을 해결할 수 있고, 전해액 침투성이 뛰어난 납축전지용 극판 활물질 지지체를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 납축전지용 극판 활물질 지지체를 작업성 및 작업환경에 문제가 있는 유리섬유 대신에 극세섬유가 함유된 부직포로 제조함으로서, 유해한 작업환경을 해결할 수 있고, 전해액 침투성이 뛰어난 납축전지용 극판 활물질 지지체를 제공하고자 한다.
이와 같은 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 납축전지용 극판 활물질 지지체는, 평균직경이 0.1~10㎛인 극세섬유가 전체중량 대비 40중량% 이상 함유되어 있고, 상기 극세섬유 사이에는 용출성분과 섬유형성성 성분으로 구성되어 합성섬유 원단 제조용 원사로 사용된 2성분 복합섬유내 용출성분의 용출에 의해 형성된 미세기공을 갖는 부직포로 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 통상의 부직포 대신에 (ⅰ)평균직경이 0.1~10㎛인 극세섬유가 전체 중량 대비 40중량% 이상 함유되어 미세기공들이 형성되어 있고, (ⅱ)선택적으로 내부에 친수성 수지가 함침되어 있는 부직포로 구성된다.
상기 극세섬유의 평균직경이 10㎛를 초과하는 경우에는 부직포상에 미세기공들이 효과적으로 형성되지 않고, 평균직경이 0.1㎛ 미만인 경우에는 부직포의 기계적 물성이 저하되고 제조원가가 상승하게 된다.
또한, 상기의 극세섬유의 중량비가 40중량% 미만인 경우에는 부직포상에 미세기공들이 충분하게 형성되지 않아 다공성이 저하된다.
상기 부직포내에 친수성 수지가 함침될 수도 있고 함침되지 않을 수도 있다.
그러나, 친수성 수지가 함침되어 있는 것이 부직포의 형태 안정성(stiffness)이 우수하여 작업성을 향상시키는데 바람직하다.
또한, 부직포내에 함침되어 있는 친수성 수지는 폴리비닐알코올, 수용성 아크릴수지, 수용성 폴리부타디엔수지, 수용성 초산비닐수지, 수용성 비닐아세테이트수지, 수용성 폴리우레탄수지 또는 이들의 혼합물 등이다.
상기의 극세섬유는 폴리에스테르 수지로 구성된 섬유인 것이 내산성등의 물성 개선에 바람직하다.
본 발명은 용출성분과 섬유형성성 성분으로 구성되며 용출성분의 단사섬도(평균직경)가 0.1~10㎛가 되는 2성분 복합섬유의 단섬유를 단독으로 또는 상기 2성분 복합섬유의 단섬유와 통상의 합성섬유 단섬유들을 함께 카딩, 크로스래핑 및 니들펀칭하여 부직포를 제조한 다음, 제조된 부직포를 알칼리 수용액으로 처리하여 부직포내의 용출성분을 용출하여 부직포에 미세기공들을 형성하는 방법으로 제조할 수 있다.
이때, 2성분 복합섬유의 단섬유와 통상의 합성섬유 단섬유를 함께 사용하는 경우에는 전체 중량대비 2성분 복합섬유의 단섬유 중량비가 40중량%이 되도록 한다.
또한, 부직포내의 용출성분을 용출하여 부직포에 미세기공들을 형성한 다음, 이를 친수성 수지 용액에 디핑하거나, 친수성 수지 용액을 상기 부직포에 스프레이하여 부직포내에 친수성 수지를 함침시키는 공정을 선택적으로 추가하여 본 발명을 제조 할 수도 있다.
본 발명은 극세섬유가 40중량%이상 함유하기 때문에 미세공극들이 형성되어 다공성이 향상되고, 친수성 수지를 함유하는 경우에는 친수성이 향상됨과 동시에 형태안정성(stiffness)도 우수하여 작업성도 향상된다.
본 발명은 다공성이 80~98%이고, 미세기공의 평균직경은 0.5~15㎛인 것이 바람직하다.
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, 종방향의 인장강도가 5㎏f이상이고, 보액성(부피당 흡수량)이 1g/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 15mm×길이 70mm로 하였고, 인장속도는 20mm/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 15mm×길이 70mm 시편의 밑부분 200㎜를 25℃에서 비중이 1.3인 황산 수용액에 수직으로 10분 동안 침지시킨 후 시편을 통해 상승한 황산 수용액의 높이를 측정한다.
· 내산성
50×50mm의 시료를 황산 (비중:1.300/25℃, 150cc, 온도 65℃)에서 3일간 방치하여 이물질 생성 여부를 판별하였다.
· 전기저항
70×70mm의 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.
[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.
[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 75데니어/36필라멘트의 폴리에스테르 해도형 복합섬유 단섬유를 카딩, 크로스래핑하여 웹(Web)을 제조한 다음, 상기 웹(Web)을 니들펀칭 한 후 알칼리 수용액으로 처리하여 상기 해성분을 용출(제거)시켜 평균직경이 1.3㎛인 미세기공들이 형성되어 있는 부직포(공극율 85%)를 제조한 다음, 계속해서, 제조한 상기 부직포를 수성 폴리아크릴 용액에 디핑후 수성 폴리아크릴수지 함량이 3중량%가 되도록 스퀴칭하고, 계속해서 120℃로 건조하여 두께가 0.21㎜인 납축전지용 극판 활물질 지지체를 제조하였다.
제조한 납축전지용 극판 활물질 지지체의 각종 물성들은 평가한 결과는 표 1과 같다.
실시예 2
평균직경이 3㎛인 폴리에틸렌테레프탈레이트의 도성분과 디메틸렌설포이소프탈산나트륨 7몰%가 공중합되어 알카리 가수분해성이 우수한 폴리에스테르 공중합 폴리머의 해성분이 해도형으로 복합되어 있는 75데니어/36필라멘트의 폴리에스테르 해도형 복합섬유 단섬유 50중량%와 복합섬유가 아닌 통상의 75데니어/36필라멘트의 폴리에스테르 멀티필라멘트의 단섬유 50중량%를 카딩, 크로스래핑하여 웹(Web)을 제조한 다음, 상기 웹(Web)을 니들펀칭하여 부직포를 제조한 다음, 상기 부직포를 알칼리 수용액으로 처리하여 상기 해성분을 용출(제거)시켜 평균직경이 2.3㎛인 미 세기공들을 80%의 공극율로 형성시켜 두께가 0.22㎜인 납축전지용 극판 활물질 지지체를 제조 하였다.
제조한 납축전지용 극판 활물질 지지체의 각층 물성들은 평가한 결과는 표 1과 같다.
비교실시예 1
75데니어/36필라멘트의 폴리에스테르 멀티필라멘트 단섬유(복합섬유 아님)를 카딩, 크로스래핑 및 워터 펀칭하여 두께가 0.21mm인 부직포 형태의 납축전지용 극판 활물질 지지체로 하였다.
제조된 납축전지용 극판 활물질 지지체의 각종 물성들을 측정한 결과는 표 1과 같다.
| 구 분 | 실시예1 | 실시예2 | 비교실시예1 | |
| 두께(mm) | 0.21 | 0.23 | 0.21 | |
| 다공성(%, Porosity) | 85 | 80 | 88 | |
| 인장강도 (15mm/min,Kgf) |
횡방향 (MD) |
3.11 | 2.21 | 1.24 |
| 종방향 (TD) |
6.21 | 5.01 | 4.02 | |
| 내산성 | 이물질 발생 안됨 | 이물질 발생 안됨 | 이물질 발생 안됨 | |
| 전기저항(Ω) | 0.0005 | 0.00052 | 0.00055 | |
| 보액성 | 1.8 | 2.0 | 1.23 | |
| 흡수 속도(mm/10분) | 59.01 | 54.30 | 42.02 | |
본 발명은 유리섬유를 사용하지 않아 작업환경이 유해하게 되는 것을 방지 할 수 있다.
또한, 본 발명은 미세기공들이 형성되어 전해질 침투성이 뛰어나며, 친수성 수지를 함유하여 친수성과 형태안정성도 우수하다.
Claims (7)
- 평균 직경이 0.1~10㎛인 극세섬유가 전체중량 대비 40중량% 이상 함유되어 있고, 상기 극세섬유 사이에는 용출성분과 섬유형성성 성분으로 구성되어 합성섬유 원단 제조용 원사로 사용된 2성분 복합섬유내 용출성분의 용출에 의해 형성된 미세기공을 갖는 부직포로 이루어진 것을 특징으로 하는 납축전지용 극판 활물질 지지체.
- 1항에 있어서, 부직포내에 친수성 수지가 함침되어 있는 것을 특징으로 하는 납축전지용 극판 활물질 지지체.
- 2항에 있어서, 친수성 수지가 폴리비닐알코올, 수용성 아크릴수지, 수용성 폴리부타디엔수지, 수용성 초산비닐수지, 수용성 비닐아세테이트수지, 수용성 폴리우레탄수지 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 납축전지용 극판 활물질 지지체.
- 1항에 있어서, 부직포의 다공성이 80~98%인 것을 특징으로 하는 납축전지용 극판 활물질 지지체.
- 1항에 있어서, 부직포내 미세기공의 평균 직경이 0.5~15㎛인 것을 특징으로 하는 납축전지용 극판 활물질 지지체.
- 1항에 있어서, 극판 활물질 지지체의 두께가 0.1~0.4mm이고, 종방향의 인장강도가 5㎏f 이상이고, 보액성(부피당 흡수량)이 1g/cc이상인 것을 특징으로 하는 납축전지용 극판 활물질 지지체.
- 1항에 있어서, 극세섬유가 폴리에스테르 수지로 구성됨을 특징으로 하는 납축전지용 극판 활물질 지지체.
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| KR20030005759A (ko) * | 2001-07-10 | 2003-01-23 | 한국전지주식회사 | 연축전지용 전극 및 그 제조방법 |
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