도전성 폴리머 코팅층을 갖는 납축전지용 그리드 document_id A220623038217

축전지는 전기 에너지를 저장하여 필요할 때 사용할 수 있게 하는 장치이다. 축전지는 통상적으로 전해질 내에 놓인 2개의 전극, 즉 애노드 (음극) 및 캐소드 (양극)를 포함한다. 잘 알려진 바와 같이, 전기 에너지는 필요할 때 보통 전기기구를 음극과 양극에 연결하여 축전지로부터 얻는다. 납축전지는 자동차, 보트, 비행기, 및 연속적인 전원장치에서 널리 이용되고 있다. 종래의 설계에서는, 납축전지의 음 및 양의 극판/그리드는 높은 비율의 납을 갖는 납 합금 (순수 납 포함)을 사용하여 만들어진다. 이들 전극에서, 납/납 합금의 주요 역할은 축전지 충방전 동안에 전기 전도를 용이하게 하는 것이다. 납 합금이 일반적으로 구리와 같은 금속만큼 좋은 전도체는 아니지만, 축전지 충방전 동안에 납 합금의 안정성과 비교적 저렴한 비용 때문에 다른 금속들보다 나은 경우가 많다. 구체적으로, 납/납 합금은 보통 산성 전해질에 의해 생긴 매우 부식성이 높은 환경을 상당히 잘 견뎌낼 수 있다. 납보다 도전성이 좋은 금속들은 산성에서 금방 부식하거나 (예컨대, 알루미늄이나 구리), 상용적으로 사용하기에 너무 비싸다 (예컨대, 백금). 납 축전지에서, 활성 물질을 지지하고 전류 컬렉터로 작용하는 축전지 극판의 틀을 "그리드"라 한다. 페이스트형 그리드를 대개 극판이라고 한다. 정의에 의하면, 전극은 전자 도체로서, 이러한 축전지에서 발생하는 전기화학 반응에 관련된 전자들의 소스 또는 싱크로서 작용한다. 납/납합금으로 만들어진 극판/그리드는 납 축전지의 산성 환경에서 상당히 안정적이지만, 축전지의 통상적인 동작 동안에 부식되어 축전지의 수명을 제한한다. 따라서, 납축전지의 내구성을 높이기 위하여 이러한 부식으로부터의 보호층을 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 납의 높은 밀도 (11.3 g/cm3) 때문에, 납 축전지는 대개 무겁다. 따라서, 높은 에너지를 저장하면서 경량인 축전지가 바람직하다. 따라서, 축전지의 중량 (kg) 당 축전지에 저장된 에너지량 (Wh) 로 측정되는 비에너지 (Wh/kg 로 간략히 표기)가 축전지의 성능을 측정하는 데 자주 이용된다. 예컨대, 병원, 공원, 리조트, 주거지, 및 도심지 등과 같은 곳에서 사용되는 전기 수송수단은 높은 비에너지를 갖는 축전지를 필요로 한다. 그렇지 않으면, 무거운 축전지를 견인하는 것만으로도 축전지에 저장된 에너지의 상당한 부분이 소모될 것이다. 상기 적용분야의 경우는, 40-50 Wh/kg의 비에너지를 갖는 축전지라면 적당할 것이다. 이에 반해, 시장에서 현재 이용가능한 많은 납 축전지는 약 30Wh/kg의 에너지 밀도를 갖는다. 비에너지가 높은 축전지는 보통 에어본(airborne) 시스템과 같은 휴대용 전력장치에서도 중요한데, 이 전력장치에서는 각 부품/서브시스템의 무게가 일반적으로 매우 중요하다. 높은 비에너지를 갖는 납 축전지는 하이브리드 전기 수송수단에서는 물론, 축전지가 경량일 때 연료효율이 더 증가하는 내연 엔진을 갖는 기존 자동차에서도 유리할 것이다. 납 축전지의 총 중량을 크게 줄이기 위해서, 축전지의 전극을 구성하는 극판/그리드의 무게를 줄이는 것이 효과적인 방법이다. 이것은 완전히 납/납합금으로 만들어진 전극 구조를, 단순히 물리적 지지 (기판)로서 작용하고 축전지의 충방전 기능을 수행하는 비교적 얇은 구리 및 납 합금 플래시층 (또는 박판) 으로 덮힌 경량 재료를 사용하는 구조로 대체함으로써 중량을 줄일 수 있다. 완전히 납 합금으로 만들어진 비교적 두꺼운 극판 대신에 이러한 축전지 극판/그리드용 복합 구조를 사용하면 결과적으로 각 극판/그리드의 총 무게가 크게 감소할 수 있다. 그러면 납 축전지의 비에너지도 이에 상응하여 증가한다. 그러나, 비교적 얇은 층의 납을 사용하면 납 축전지를 강산 환경에서의 부식으로부터 보호할 필요성이 커진다. 이에 대한 종래 방법들을 아래에 간단히 기술하기로 한다. 해머 등 (이하, "해머")의 미국특허 4,221,854 "납축전지용 경량 박판 그리드"에서는, 그리드/극판이 납/납합금 호일로 라미네이트된 폴리머 (예컨대, 폴리비닐클로라이드)로 만들어진 기판으로 구성된 납축전지에 대해 기술하고 있다. 이 조합은 축전지 극판/그리드의 무게를 줄여서 축전지의 비에너지 증가시킨다. 그러나, 해머는 내식 코팅 (및/또는 이 내식코팅을 기판에 형성하는 공정)에 대해서는 기술하고 있지 않는 것으로 보인다. 그 결과, 해머의 극판/그리드는 산성 전해질에서 부식되기 쉬워 축전지의 내구성이 제한된다. 핀스키 등 (이하, "핀스키")의 미국특허 4,713,306 "도핑된 산화주석 코팅 기판을 포함하는 축전지 및 축전지 소자"에서는, 도전성의 도핑된 산화주석으로 코팅된 양극판의 적어도 일부 (그리드을 의미하는 것으로 보임)로서 유용한 축전지 소자에 대해 기술하고 있다. 이 산화주석 코팅은 유리섬유로 만들어진 그리드가 본래 산에 대한 내식성이 있으므로 산성 부식으로부터 그리드를 보호하기 위해 형성하려고 하는 것은 아닌 것으로 보인다. 로우렛의 미국특허 5,643,696 "경량의 코어를 갖는 축전지 극판" 에서는, 납/납합금으로 코팅된 금속기판 (알루미늄 또는 티타늄 또는 그 합금)으로 만들어진 축전지 극판/그리드에 대해 기술하고 있다. 이들 금속기판은 허용하기 어려울 정도로 높은 밀도를 가질 수 있다 (예컨대, 알루미늄은 밀도가 대략 2.7g/cm-3 이다). 따라서, 훨씬 더 낮은 밀도를 갖는 물질로 만들어진 기판을 사용하여 축전지를 제조하는 것이 바람직하다. 쯔치다 등 (이하, "쯔치다")의 미국특허 6,232,017 "납축전지용 그리드" 에서는, 폴리아미드 및 유리섬유가 복합 축전지 극판/그리드를 구성하는 데 이용된다. 이 그리드의 무게는 완전히 납/납합금으로 만들어진 종래의 그리드에 비해 줄어드는데, 그 이유는 저밀도의 폴리아미드를 사용하여 지지구조를 형성하고 납/합금 박막으로 코팅된 유리섬유 시트를 사용하여 축전지 극판/그리드의 전기 컬렉터를 형성하기 때문이다. 그러나, 해머의 경우와 마찬가지로, 극판/그리드의 내식 코팅층이 쯔치다에서는 존재하지 않아서, 실시예들이 산에 부식되기 쉽다. 티몬 등 (이하, "티몬")의 미국특허 6,316,148 "납축전지용으로서 호일에 감싸인 경량의 고에너지 전극" 에서는, 납축전지의 무게를 줄이는 다른 방법에 대해 기술하고 있다. 여기서는, 전극들이 납/납합금의 도전성 호일의 얇은 시트로 감싸여진 비연 (non-lead) 기판 (예컨대 알루미늄)으로 만들어진다. 내식성이 있는 이 호일은 산 부식으로부터 기판을 보호한다. 축전지의 무게는 납 밀도의 70% 이하의 밀도를 갖는 비연 기판을 사용하여 감소시킨다. 그러나, 티몬은 극판/그리드의 내식 코팅이 존재하지 않는 것으로 보여서 해머 및 쯔치다와 마찬가지로 부적당한 것으로 보인다. 높은 비에너지를 제공하는 것 이외에도, 다른 몇가지 요건을 충족하는 축전지를 제공하는 것이 바람직하다. 예컨대, 축전지 제조 비용을 줄이기 위해 기판에 대해 비용효율적인 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 전체 제조기술은 이러한 비용효율적이면서 경량인 기판 물질에 납 합금의 얇은 코팅 공정을 더 필요로 한다. 이 기술은 또한 최종적인 납축전지의 내구성을 증가시키기 위하여 극판/그리드에 내식 코팅층을 도포하는 공정을 더 필요로 한다. 이 기판처럼 낮은 밀도를 갖는 저렴한 재료를 사용할 때의 문제점은, 이러한 재료의 용융점이 낮아서, 납축전지 제조시 채택되는 기술들과 양립할 수 없다는 점이다. 이와 유사한 양립불가능성은 충분히 좋은 도전성을 갖는 내식 코팅층을 납합금층에 도포할 때 존재할 수도 있다. 예를 들면, 축전지 극판/그리드의 납/납합금층에 산화주석층과 같은 내식코팅층을 형성하기 위해서는 보통 납의 용융점인 327℃ 보다 훨씬 더 높은 온도가 필요하다. 특히, 간단한 "딥 코팅" 법으로 산화주석층을 형성하기 위해서는 450-600℃의 온도범위에서의 하소 공정 (calcination)이 필요하다 (쿠리사와 등, "납축전지를 위한 스퍼터링법을 적용하여 SnO2 코팅층을 갖는 양극의 개발", 저널 전력원 95 (2001) pp.125-129, 이하 "쿠리사와").