KR101731282B1 - 납축전지용 활물질 및 이를 이용한 납축전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 납축전지의 전극 제조시 적용 되는 활물질 페이스트 첨가제에 대한 것으로서, 다공성 실리카 나노튜브를 납축전지 활물질에 첨가 하여, 황산(전해액)과 활물질 사이의 접촉 표면적, 반응 표면적 증대와 황산 이온의 (S04-) 원활한 이동을 도와 납축전지의 성능 향상을 도모한 것이다. 이에 본 발명은 납축전지용 활물질에 있어서, 납축전지의 활물질 페이스트에 다공성 실리카 나노튜브가 첨가되는 것을 특징으로 하는 납축전지용 활물질을 제공한다.

Description

납축전지용 활물질 및 이를 이용한 납축전지{Active Material for Lead-acid battery}

본 발명은 납축전지의 전극 제조시 적용 되는 활물질 페이스트 첨가제에 대한 것으로서, 다공성 실리카 나노튜브를 납축전지 활물질에 첨가 하여, 황산(전해액)과 활물질 사이의 접촉 표면적, 반응 표면적 증대와 황산 이온의 (S04-) 원활한 이동을 도와 납축전지의 성능 향상을 도모한 것이다.

본 발명은 납축전지의 활물질 페이스트 제조시 첨가 되어 지는 다공성 실리카 나노튜브에 관한 것이다. 종래의 납축전지는 활물질이라고 하는 납으로 된 페이스트 형태를 납 기판에 도포하여, 극판을 형성, 이러한 극판의 전기적인 단락 형태를 방지 하기 위하여, 부도체 및 다공성이 부여된 격리판으로 감싸며, 양극과 음극을 구분하고, 여러장으로 중첩하여, 극판군을 형성하고 있다. 이러한 극판군은 배터리 용량에 따라 직렬로 접속되어 전조 (Case) 안에 넣어지고, 묽은 황산(H2SO4)으로 된 전해액에 잠기게 하고 전기를 부여 해줌으로써 납축전지의 역할을 하게 된다.

등록특허 10-0483246 '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 기대할 수 있으나 표면적의 증대 및 황산이온 투과력 증대의 효과를 기대하기는 어려웠다.

등록특허 10-0483246 '음극활물질 및 그 제조방법 그리고 납축전지' 국제공개일자 2002년05월16일

종래의 납축전지 활물질을 제조함에 있어서 광명단 (Pb3O4), 과붕산나트륨, 화이버, 리그닌, 바륨설페이트, 카본 블랙과 같은 물질을 혼합 하여 납 으로 된 기판에 도포하여 제조한다. 이렇게 제조된 납축전지의 극판은 도포시 압력 및 설계 된 밀도로 인하여, 활물질과 황산(전해액)과의 접촉면적이 작고, 활물질 내의 기공도 형성이 작아 황산 이온의 반응이 적어 성능이 기대에 미치지 못한 문제가 있었다.

이에, 본 발명은 납축전지용 활물질에 있어서, 납축전지의 활물질 페이스트에 다공성 실리카 나노튜브가 첨가되는 것을 특징으로 하는 납축전지용 활물질을 제공함으로써 상기의 과제를 해결하고자 한다.

본 발명에 따르면, 다공성 실리카 나노튜브를 적용하여 황산 이온이 드나들수 있는 통로를 확보 하고, 다공성 실리카 나노튜브가 가진 특성으로 활물질 내의 황산 침투 증대 및 높은 기공형성률을 구현하여 납축전지의 성능을 크게 향상시킬 수 있다.

도 1은 납축전지 저율방전 특성 확인하는 그래프로 축전지 용량에 대하여 일정 전류로 (축전지 대비) 전압이 10.5V에 도달할 때까지 의 방전용량(AH)을 측정한 그래프이다. (여기서 3.5A는 용량 70AH의 20HR율 전류값을 나타내는 것임)
도 2 는 저온에서 (-18℃)에서의 고율 방전 특성을 알아보기 위한 것으로 축전지 용량에 맞추어 7.2V에 도달하기까지의 유지시간을 나타낸 그래프이다.
도 3 는 0℃ 온도에서 부분 방전된 밧데리가 정전압 충전으로부터 어느 정도의 전류를 받느냐에 따른 능력을 측정한 그래프 (10분 기준) (실험방법은 일정량의 부분 방전을 한 배터리를 (0℃)에 보관 한 뒤, 정전압 충전에 의해 전류를 받아들이는 능력을 검증하는 것이다.)
도4는 도 1,2,3의 그래프 데이터를 수치화 하여 나타낸 표이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

종래의 납축전지 활물질을 제조함에 있어서 광명단 (Pb3O4), 과붕산나트륨, 화이버, 리그닌, 바륨설페이트, 카본 블랙과 같은 물질을 혼합 하여 납 으로 된 기판에 도포하여 제조한다. 이렇게 제조된 납축전지의 극판은 도포시 압력 및 설계 된 밀도로 인하여, 활물질과 황산(전해액)과의 접촉면적이 작고, 활물질 내의 기공도 형성이 작아 황산 이온의 반응이 적어 성능이 기대에 미치지 못한 문제가 있다. 이에, 본 발명은 다공성 실리카 나노튜브를 적용하여 황산 이온이 드나들수 있는 통로를 확보 하고, 다공성 실리카 나노튜브가 가진 특성으로 활물질 내의 황산 침투 증대 및 높은 기공형성률을 구현하고자 한다.

이에, 본 발명은 납축전지용 활물질에 있어서, 납축전지의 활물질 페이스트에 다공성 실리카 나노튜브가 첨가되는 것을 특징으로 하는 납축전지용 활물질을 제공한다.

상기 다공성 실리카 나노튜브는 전체 납축전지 활물질 페이스트 중량 대비 0.1 ~ 5wt%로 첨가되는 것이 바람직하다.

필요에 따라, 상기 실리카 나노튜브에 부가하여 전체 납축전지 활물질 페이스트 중량 대비 0.05～2.0wt%로 탄소나노튜브가 첨가될 수 있다. 탄소나노튜브는 그 구조적인 형태에 의해 넓은 반응 면적을 가지고 있으며, 전자를 받아들이는 즉 전자 억셉터(acceptor) 역할을 크게 함으로써 전자의 흐름을 지연시키고 방전의 효과를 최소화 시켜 성능향상을 기대할 수 있게 한다.

또한, 본 발명은 납축전지의 극판에 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 납축전지용 활물질이 도포된 것을 특징으로 하는 납축전지를 제공한다.

본 발명을 통하여, 납축전지의 성능 시험을 실시하였으며, 그 결과는 다음과 같다.

1) 20Hr 캐퍼시티(Capacity) (Ah)

도 1은 납축전지 저율방전 특성 확인하는 그래프로 축전지 용량에 대하여 일정 전류로 (축전지 대비) 전압이 10.5V에 도달할 때까지 의 방전용량(AH)을 측정한 그래프이다. (여기서 3.5A는 용량 70AH의 20HR율 전류값을 나타내는 것임)

상온 수조에서 납축전지 저율 방전을 하는 시험으로 표기치 Ah 기준의 1/20A로 방전 하여(70A 기준시 3.75A) 축전지 방전이 10.5 V 까지의 방전용량 (AH)를 측정하였다.

본 시험 결과 비교 예 (종래 대비) 약 3~5%의 용량 상승 효과의 결과를 얻을 수 있었다.

2) 저온 시동력 (Cold Cranking Ampere, A)

도 2 는 저온에서 (-18℃)에서의 고율 방전 특성을 알아보기 위한 것으로 축전지 용량에 맞추어 7.2V에 도달하기까지의 유지시간을 나타낸 그래프이다. 본 시험은 겨울철 및 추운 지역에서의 시동력을 알아 보기 위한 시험으로 저온 (-18℃) 환경에서의 고율 방전 시험이다.축전지 표기치 (630A) 기준으로 30초간 고율로 방전 후 컷오프(Cut off) 전압이 7.2V 이상 이어야 하며, 컷오프(Cut off) 전압이 높을수록 저온 시동능력이 우수하다고 판단한다. 도2의 그래프에서 나타난 바와 같이 다공성실리카나노튜브를 적용한 본원발명의 유지시간이 더 많음을 확인할 수 있다.

3) 충전수입성

도 3 는 0℃ 온도에서 부분 방전된 밧데리가 정전압 충전으로부터 어느 정도의 전류를 받느냐에 따른 능력을 측정한 그래프 (10분 기준) (실험방법은 일정량의 부분 방전을 한 배터리를 (0℃)에 보관 한 뒤, 정전압 충전에 의해 전류를 받아들이는 능력을 검증하는 것이다.) 0℃ 온도에서 부분 방전된 밧데리가 정전압 충전으로부터 어느 정도의 전류를 수용하는지의 능력을 측정하였다. 다공성실리카나노튜브를 적용한 본원발명의 전류수용능력이 더 큼을 확인할 수 있다.

도4는 도 1,2,3의 그래프 데이터를 수치화 하여 나타낸 표로서 20Hr 캐퍼시티(Capacity) (Ah), 저온 시동력 (Cold Cranking Ampere, A), 충전수입성의 전 부문에서 본원발명의 성능적 향상을 확인할 수 있다.

본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시예에 불과하며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면의 일부 구성은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다. 또한, 청구항 부호는 이해를 돕기 위한 것일 뿐 본 발명의 형상과 구조를 첨부된 도면에 한정한다는 뜻이 아니다.

Claims (4)

1. 납축전지용 활물질에 있어서,
   납축전지의 활물질 페이스트에 다공성 실리카 나노튜브가 첨가되며,
   상기 다공성 실리카 나노튜브는 전체 납축전지 활물질 페이스트 중량 대비 0.1 ~ 5wt%로 첨가되고,
   상기 실리카 나노튜브에 부가하여 전체 납축전지 활물질 페이스트 중량 대비 0.05∼2.0wt%로 탄소나노튜브가 첨가되는 것을 특징으로 하는 납축전지용 활물질.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 납축전지에 있어서,
   납축전지의 극판에 청구항 제1항의 납축전지용 활물질이 도포된 것을 특징으로 하는 납축전지.
   
   

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