Sand-Blasting법을 이용한 활물질/기판간 결합력 향상에 따른 AGM 연축전지의 성능 및 충방전 거동 Performance and Charging-Discharging Behavior of AGM Lead Acid Battery according to the Improvement of Bonding between Active Material/Substrate using Sand-Blasting Method원문보기
To cope with automobile exhaust gas regulations, ISG (Idling Stop & Go) and charging control systems are applied to HEVs (Hybrid Electric Vehicle) for the purpose of improving fuel economy. These systems require quick charge/discharge performance at high current. To satisfy this characteristic, impr...
To cope with automobile exhaust gas regulations, ISG (Idling Stop & Go) and charging control systems are applied to HEVs (Hybrid Electric Vehicle) for the purpose of improving fuel economy. These systems require quick charge/discharge performance at high current. To satisfy this characteristic, improvement of the positive electrode plate is studied to improve the charge/discharge process and performance of AGM(Absorbent Glass Mat) lead-acid batteries applied to ISG automotive systems. The bonding between grid and A.M (Active Material) can be improved by applying the Sand-Blasting method to provide roughness to the surface of the positive grid. When the Sand-Blasting method is applied with conditions of ball speed 1,000 rpm and conveyor speed 5 M/min, ideal bonding is achieved between grid and A.M. The positive plate of each condition is applied to the AGM LAB (Absorbent Glass Mat Lead Acid Battery); then, the performance and ISG life characteristics are tested by the vehicle battery test method. In CCA, which evaluates the starting performance at -18 ℃ and 30 ℃ with high current, the advanced AGM LAB improves about 25 %. At 0 ℃ CA (Charge Acceptance), the initial charging current of the advanced AGM LAB increases about 25 %. Improving the bonding between the grid and A.M. by roughening the grid surface improves the flow of current and lowers the resistance, which is considered to have a significant effect on the high current charging/discharging area. In a Standard of Battery Association of Japan (SBA) S0101 test, after 300 A discharge, the voltage of the advanced AGM LAB with the Sand-Blasting method grid was 0.059 V higher than that of untreated grid. As the cycle progresses, the gap widens to 0.13 V at the point of 10,800 cycles. As the bonding between grid and A.M. increases through the Sand Blasting method, the slope of the discharge voltage declines gradually as the cycle progresses, showing excellent battery life characteristics. It is believed that system will exhibit excellent characteristics in the vehicle environment of the ISG system, in which charge/discharge occurs over a short time.
To cope with automobile exhaust gas regulations, ISG (Idling Stop & Go) and charging control systems are applied to HEVs (Hybrid Electric Vehicle) for the purpose of improving fuel economy. These systems require quick charge/discharge performance at high current. To satisfy this characteristic, improvement of the positive electrode plate is studied to improve the charge/discharge process and performance of AGM(Absorbent Glass Mat) lead-acid batteries applied to ISG automotive systems. The bonding between grid and A.M (Active Material) can be improved by applying the Sand-Blasting method to provide roughness to the surface of the positive grid. When the Sand-Blasting method is applied with conditions of ball speed 1,000 rpm and conveyor speed 5 M/min, ideal bonding is achieved between grid and A.M. The positive plate of each condition is applied to the AGM LAB (Absorbent Glass Mat Lead Acid Battery); then, the performance and ISG life characteristics are tested by the vehicle battery test method. In CCA, which evaluates the starting performance at -18 ℃ and 30 ℃ with high current, the advanced AGM LAB improves about 25 %. At 0 ℃ CA (Charge Acceptance), the initial charging current of the advanced AGM LAB increases about 25 %. Improving the bonding between the grid and A.M. by roughening the grid surface improves the flow of current and lowers the resistance, which is considered to have a significant effect on the high current charging/discharging area. In a Standard of Battery Association of Japan (SBA) S0101 test, after 300 A discharge, the voltage of the advanced AGM LAB with the Sand-Blasting method grid was 0.059 V higher than that of untreated grid. As the cycle progresses, the gap widens to 0.13 V at the point of 10,800 cycles. As the bonding between grid and A.M. increases through the Sand Blasting method, the slope of the discharge voltage declines gradually as the cycle progresses, showing excellent battery life characteristics. It is believed that system will exhibit excellent characteristics in the vehicle environment of the ISG system, in which charge/discharge occurs over a short time.
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문제 정의
ISG 시스템이 적용되는 자동차에서 요구되는 순간적인 대전류 급속 충전/방전 특성 향상과 이로 인한 수명 향상을 위해서 AGM 연축전지 양극 기판에 sand blasting 기법을 적용한 기판/활물질 계면에 대한 연구를 진행하였다.
본 연구에서는 양극판에 별도의 첨가제를 적용하지 않고, 기계적인 방법으로 기판과 활물질의 계면 결합력을향상시켜 충전/방전 특성을 개선하고 Micro HEV 차량에 적합한 AGM 연축전지를 개발하고자 한다. 기판에 sandblasting 방법을 통해 기판 표면을 처리하여 비표면 적을 증대시킴으로써 숙성 때 기판과 활물질의 bonding을 향상시키고, 용량, 충전수입성, 저온 고율방전, 수명시험 등을 통해 전지의 충전/방전 거동을 비교 고찰하였다.
제안 방법
직렬로 용접하여 연결하였다. Cover를 접착하였고, 전해액으로 황산 수용액을 사용하여 충전을 통해 극판 활성화를 진행하였다. 20시간율 용량 70Ah 제품으로 제작하였으며, AGM 연축전지의 전반적인 제조 공정을 Fig.
AGM 연축전지를 개발하고자 한다. 기판에 sandblasting 방법을 통해 기판 표면을 처리하여 비표면 적을 증대시킴으로써 숙성 때 기판과 활물질의 bonding을 향상시키고, 용량, 충전수입성, 저온 고율방전, 수명시험 등을 통해 전지의 충전/방전 거동을 비교 고찰하였다.
시험은 낮은 전류로 충전/방전이 되는 용량과 큰 전류로 충전/방전이 되는 저온시동성능 및 충전수입 성을 시험을 진행하였고, 수명중 충전/방전 거동을 확인하기 위해서 SBA S0101 수명시험을 진행하였다. 시험환경은 Table 2에 제시된 항목별 조건을 적용하였다.
양극용 기판인 Pb-Ca-Sn기판의 표면을 sand blasting 기법을 통해 표면가공을 실시하였으며, 이때 사용한 방법은 Fig. 1과 같은 방법으로 진행하였고 적용된 조건은 Table 1과 같이 conveyor speed (M/min.)와 ball 분사 speed (RPM)을 4가지로 적용하였다.
4(D) 로 진행될수록 표면의 거칠기가 증가하고, 요철이 심화되는 것을 확인하였다. 이를 추가로 확인하기위해 Fig. 5과 같이 주사전자현미경으로 양극 기판 표면을 관찰하였다. Fig.
7에서 line scanning한 결과처럼 PbO 산화층인 것을 알 수 있었다. 이산화 층 두께 증가가 활물질과 기판의 결합력을 실제로 향상시켰는지 평가하기 위하여 진동 활물질 탈락 시험을 진행하였고, 그 결과를 Fig. 8에 나타내었다. Fig.
제작된 전지는 자동차에서 요구하는 battery 시험 방법과 ISG 수명시험을 진행하였고, 시험 방법은 Table 2에 나타내었다. 시험은 낮은 전류로 충전/방전이 되는 용량과 큰 전류로 충전/방전이 되는 저온시동성능 및 충전수입 성을 시험을 진행하였고, 수명중 충전/방전 거동을 확인하기 위해서 SBA S0101 수명시험을 진행하였다.
총 4가지로 제조된 양극 극판과 기존의 음극판을 AGM 격리판과 서로 한장씩 배열하여 cell을 구성하였으며, 6 개의 구분된 공간으로 이루어진 Case에 2V cell을 차입하고 직렬로 용접하여 연결하였다. Cover를 접착하였고, 전해액으로 황산 수용액을 사용하여 충전을 통해 극판 활성화를 진행하였다.
표면 가공된 기판은 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)과 3D scan 장비(ZeeScan, PhaseView) 를 활용하여 표면 상태를 관찰 비교하였고, 숙성/건조를 진행한 후 기판과 활물질 계면의 두께, 성분을 조사하고, 기판과 활물질 결합력을 자체 제작한 진동 활탈 시험기로 평가하였으며, 3, 000rpm 조건으로 5 분간 활 탈 실험을 진행하였다.
성능/효과
1) 적용된 새로운 시스템은 x-HEV (hybrid electric vehicle)자동차에 적용되는 기본 시스템인 ISG (idling stop & go) 시스템과 발전제어 시스템을 들 수 있다. ISG 시스템은 신호대기, 교통이 혼잡한 상황 등에서 공회전을 해야 할 상황이 처했을 때, 엔진에서 연소가 발생하지 않도록 엔진을 정지하고, 출발을 위해 엑셀을 밟는 순간 시동이 걸리는 시스템을 말하며, 이로 인해 연료의 불연소구간에서 발생되는 이산화산소등 배기가스를 감소시키고 있다.
8에 나타내었다. Fig. 8(A)~8(D) 에 대한 활물질 탈락율은 12.74%, 9.84%, 3.69%, 7.12% 로 각각 나타났으며, Fig. 8(C)가 활물질 탈락 상태가 가장 양호한 것으로 확인하였다. 이는 앞선 Fig.
3% 대비 약 3% 높은 용량을 보여주고 있다. 계면 부식층이 두껍고 기판과 활물질 결합력이 높을수록 formation 시 충전 효율이 높아져서 초기 용량이 우수한 것으로 판단된다.
9는 각 조건별 AGM 연 축전지 평가 결과를 보여주고 있다. 모두 100% 이상의 용량을 가지고 있음을 확인하였고, Fig. 9(C) 조건이 104.5%로 Sand blasting을 적용하지 않은 Fig. 9(A) 101.3% 대비 약 3% 높은 용량을 보여주고 있다. 계면 부식층이 두껍고 기판과 활물질 결합력이 높을수록 formation 시 충전 효율이 높아져서 초기 용량이 우수한 것으로 판단된다.
13V로 더욱 벌어졌다. 이 결과로 기판과 활물질 결합력이 가장 큰 조건의 전지가 cycle이 진행되어도 전압이 하강되는 기울기 폭이 완만한 것을 확인할 수 있었다. 이는 sand blasting기법으로 양극 기판 표면에 거칠기를 부여함으로써 기판과 활물질 계면에서 부식층을 형성하면 기판과 활물질 결합력을 향상시켜서 전지의 대전류 충전 /방전 특성을 향상시키는 것으로 판단할 수 있었다.
이 결과로 기판과 활물질 결합력이 가장 큰 조건의 전지가 cycle이 진행되어도 전압이 하강되는 기울기 폭이 완만한 것을 확인할 수 있었다. 이는 sand blasting기법으로 양극 기판 표면에 거칠기를 부여함으로써 기판과 활물질 계면에서 부식층을 형성하면 기판과 활물질 결합력을 향상시켜서 전지의 대전류 충전 /방전 특성을 향상시키는 것으로 판단할 수 있었다.
이는 양극 기판의 표면에 sand blasting 기법을 적용하여 거칠기를 부여함으로써 극판의 숙성 시 기판과 활물질의 계면에 Pb 산화층을 형성하였고, 이렇게 형성된 산화 층은 기판과 활물질의 계면 결합력을 향상시키고 충전/방전 때 저항을 감소시켜서 큰 전류의 방전과 충전이 이루어지는 반응에서 우수한 결과를 가져올 수 있었다.
저온 대전류 방전인 CCA 특성에서 sand blasting 최적 조건을 적용한 AGM 연축전지가 sand blasting을 적용하지 않은 일반 AGM 연축전지 대비 약 25%의 향상된 우수한 특성을 보였으며, 충전수입성의 경우도 초기 충전전류가 sand blasting을 적용하지 않은 AGM 연 축전지 대비 동일하게 약 25% 향상된 값을 확인하였다. 이는 빈번한 시동과 가속/감속 시 순간 대전류 충/ 방전이 요구하는 micro-HEV 차량 시스템에 적합한 특성을 보여주고 있다.
4의 결과와 일치한다. 즉, sand blasting 변수인 ball speed가 빨라지고 conveyor speed가 느려 질수록 표면의 거칠기가 커지고, 요철의 깊이와 간격이 커짐을 확인할 수 있었다.
향상된 충전/방전 특성에 의해 수명측면에서도 양호한 방전 거동을 보였으며, 수명이 진행될수록 sand blasting 최적 조건이 적용된 전지가 적용되지 않은 전지에 비해 높은 전압을 유지하면서 수명에 유리한 거동을 나타냄을 확인하였다.
참고문헌 (11)
K. Kawajiri, M. Kobayashi and K. Sakamoto, J. Cleaner Prod., 253, 119805 (2020).
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