KR101353599B1 - Hybride sodium battery - Google Patents

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Abstract

하이브리드 나트륨 전지를 제공한다. 본 발명에 따르면, 양극용 도전재에 제1 양극 활물질로서 용융 유황(S)을 포함하여 이루어진 제1 양극부; 음극 활물질로서 나트륨(Na)을 수용하는 음극부; 상기 제1 양극부와 상기 음극부 사이에 배치되고, 상기 나트륨 이온을 선택적으로 투과시킬 수 있는 제1 전해질부; 제2 양극 활물질로서 나트륨-금속 혼합물로 이루어진 제 2 양극부; 및 상기 음극부와 상기 제2 양극부 사이에 배치되고, 상기 나트륨 이온을 선택적으로 투과시킬 수 있는 제2 전해질부를 포함한다.Provided is a hybrid sodium cell. According to the present invention, the first positive electrode portion including molten sulfur (S) as the first positive electrode active material in the positive electrode conductive material; A negative electrode unit accommodating sodium (Na) as a negative electrode active material; A first electrolyte part disposed between the first anode part and the cathode part and capable of selectively transmitting the sodium ions; A second positive electrode portion made of a sodium-metal mixture as a second positive electrode active material; And a second electrolyte part disposed between the cathode part and the second anode part and capable of selectively transmitting the sodium ions.

Description

하이브리드 나트륨 전지{HYBRIDE SODIUM BATTERY}Hybrid sodium battery {HYBRIDE SODIUM BATTERY}

본 발명은 하이브리드 나트륨 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 충전과 방전을 동시에 할 수 있고, 고 출력특성과 장시간 출력특성을 나타낼 수 있는 하이브리드 나트륨 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid sodium battery, and more particularly, to a hybrid sodium battery capable of simultaneously charging and discharging, and exhibiting high output characteristics and long time output characteristics.

일반적으로, 나트륨-유황(NaS) 전지는 높은 에너지 밀도, 장시간 출력특성, 저 가격 등의 장점으로 대용량 전력 저장 장치로서 활용성이 높다. 이러한 나트륨-유황 전지는 음극의 나트륨(Na)이 전해질을 통과하여 양극의 황(S)과 반응함으로써 외부회로로 방전이 이루어지고, 외부회로로부터 충전을 통해 반대 반응이 진행된다.In general, sodium-sulfur (NaS) batteries have high utility as high-capacity power storage devices due to high energy density, long time output characteristics, and low cost. In this sodium-sulfur battery, sodium (Na) of the negative electrode passes through the electrolyte and reacts with sulfur (S) of the positive electrode to discharge to an external circuit, and the opposite reaction proceeds through charging from the external circuit.

또한, 나트륨-메탈 할라이드(metal halide; Na-(Ni,Fe)Cl2) 전지는 나트륨-유황 전지보다 고 가격이지만 출력특성이 높으므로 전기자동차 등 고출력 저장장치가 필요한 분야에 활용성이 높다.In addition, sodium-metal halide (Na- (Ni, Fe) Cl 2 ) batteries are more expensive than sodium-sulfur batteries, but have higher output characteristics, and thus have high utility in applications requiring high power storage devices such as electric vehicles.

그러나, 종래의 나트륨-유황 전지는 장시간 출력특성을 나타내지만 출력특성이 낮은데 비해, 종래의 나트륨-메탈 할라이드 전지는 출력특성이 높지만 단시간 출력특성을 나타내므로, 이들 전지의 장점을 결합한 전지, 즉 고 출력특성을 가지면서도 장시간 출력특성을 나타낼 수 있는 새로운 전지가 절실히 요구되고 있다.
However, while conventional sodium-sulfur batteries show long-term output characteristics but low output characteristics, conventional sodium-metal halide batteries have high output characteristics but short-term output characteristics, and thus combine the advantages of these batteries, that is, high There is an urgent need for a new battery having output characteristics and capable of displaying output characteristics for a long time.

본 발명은 하나의 단전지 내에 나느륨 유황 전지와 나트륨-메탈 할라이드를 전지를 결합한 구조를 가지는 하이브리드 나트륨 전지를 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a hybrid sodium battery having a structure in which a sodium sulfur battery and a sodium-metal halide are combined in a single cell.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 양극용 도전재에 제1 양극 활물질로서 용융 유황(S)을 포함하여 이루어진 제 1 양극부;According to an embodiment of the present invention, a first positive electrode portion including molten sulfur (S) as the first positive electrode active material in the positive electrode conductive material;

음극 활물질로서 나트륨(Na)을 수용하는 음극부;A negative electrode unit accommodating sodium (Na) as a negative electrode active material;

상기 제1 양극부와 상기 음극부 사이에 배치되고, 상기 나트륨 이온을 선택적으로 투과시킬 수 있는 제1 전해질부;A first electrolyte part disposed between the first anode part and the cathode part and capable of selectively transmitting the sodium ions;

제2 양극 활물질로서 나트륨-금속 혼합물로 이루어진 제 2 양극부; 및A second positive electrode portion made of a sodium-metal mixture as a second positive electrode active material; And

상기 음극부와 상기 제2 양극부 사이에 배치되고, 상기 나트륨 이온을 선택적으로 투과시킬 수 있는 제2 전해질부를 포함하는 하이브리드 나트륨 전지가 제공된다.A hybrid sodium battery is disposed between the cathode portion and the second anode portion, and includes a second electrolyte portion capable of selectively permeating the sodium ions.

상기 제1 양극부와 상기 제2 양극부는 원통형의 양극 용기 내에 수용될 수 있다.The first anode portion and the second anode portion may be accommodated in a cylindrical anode container.

상기 제1 전해질부 및 상기 제2 전해질부는 β-알루미나로 이루어질 수 있다.The first electrolyte portion and the second electrolyte portion may be made of β-alumina.

상기 나트륨-금속 혼합물은 Ni/Fe/NaAlCl4로 이루어질 수 있다.The sodium-metal mixture may consist of Ni / Fe / NaAlCl 4 .

상기 양극 용기와 상기 제1 전해질부의 사이에는 상기 제1 양극부를 덮어주기 위한 제1 양극 덮개부가 배치될 수 있다.A first positive electrode cover part may be disposed between the positive electrode container and the first electrolyte part to cover the first positive electrode part.

상기 제1 전해질부와 상기 제2 전해질부의 사이에는 상기 음극부를 덮어주기 위한 음극 덮개부가 배치될 수 있다.A negative electrode cover part may be disposed between the first electrolyte part and the second electrolyte part to cover the negative electrode part.

상기 제2 전해질부와 상기 양극 용기의 사이에는 상기 제2 양극부를 덮어주기 위한 제2 양극 덮개부가 배치될 수 있다.A second anode cover part may be disposed between the second electrolyte part and the cathode container to cover the second anode part.

상기 제1 양극 덮개부, 상기 음극 덮개부 및 상기 제2 양극 덮개부는 금속으로 이루어질 수 있다.
The first positive electrode cover part, the negative electrode cover part, and the second positive electrode cover part may be made of metal.

본 실시예에 따르면, 하나의 단전지 내에 나느륨 유황 전지와 나트륨-메탈 할라이드를 전지를 결합하여 충전과 방전을 동시에 할 수 있고, 고 출력특성을 가지면서도 장시간 출력특성을 나타낼 수 있으므로, 외부회로로부터 전지를 충전하면서 동시에 방전이 가능하고, 그 역 구동도 가능하며, 외부 환경에 따라서 순간출력을 높이거나 방전시간을 늘이는 등 능동적인 대응이 가능하다.
According to the present embodiment, it is possible to simultaneously charge and discharge the battery by combining a sodium sulfur battery and a sodium-metal halide battery in one unit cell, and have a high output characteristic and a long time output characteristic. It is possible to simultaneously discharge the battery while charging the battery, and reverse operation is possible, and active response is possible such as increasing the instantaneous output or increasing the discharge time depending on the external environment.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 나트륨 전지의 개략적인 구성도이다.1 is a schematic configuration diagram of a hybrid sodium battery according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 나트륨 전지의 개략적인 구성도이다.1 is a schematic configuration diagram of a hybrid sodium battery according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 나트륨 전지는, 하나의 단전지 내에 나느륨 유황 전지와 나트륨-메탈 할라이드를 전지를 결합한 전지이다.Referring to FIG. 1, a hybrid sodium battery according to an exemplary embodiment of the present invention is a battery in which a battery including a sodium sulfur battery and a sodium metal halide battery is combined in a single cell.

이러한 하이브리드 나트륨 전지는, 탄소펠트(carbon felt) 등의 양극용 도전재에 제1 양극 활물질로서 용융 유황(S)을 포함하여 이루어진 제1 양극부(10);The hybrid sodium battery includes: a first positive electrode portion 10 including molten sulfur (S) as a first positive electrode active material in a positive electrode conductive material such as carbon felt;

음극 활물질로서 나트륨(Na)을 수용하는 음극부(20);A negative electrode unit 20 containing sodium (Na) as a negative electrode active material;

상기 제1 양극부(10)와 상기 음극부(20) 사이에 배치되고, 상기 나트륨 이온을 선택적으로 투과시킬 수 있는 제1 전해질부(30);A first electrolyte part 30 disposed between the first anode part 10 and the cathode part 20 and capable of selectively transmitting the sodium ions;

제2 양극 활물질로서 나트륨-금속 혼합물로 이루어진 제 2 양극부(40); 및A second positive electrode portion 40 made of a sodium-metal mixture as a second positive electrode active material; And

상기 음극부(20)와 상기 제2 양극부(40) 사이에 배치되고, 상기 나트륨 이온을 선택적으로 투과시킬 수 있는 제2 전해질부(50)을 포함할 수 있다.The second electrolyte part 50 may be disposed between the cathode part 20 and the second anode part 40, and may selectively transmit the sodium ions.

상기 제1 양극부(10)와 상기 제2 양극부(40)는 원통형의 양극 용기(60) 내에 수용될 수 있다.The first anode part 10 and the second anode part 40 may be accommodated in a cylindrical anode container 60.

상기 제1 전해질부(30) 및 상기 제2 전해질부(50)는 β-알루미나로 이루어질 수 있다.The first electrolyte part 30 and the second electrolyte part 50 may be made of β-alumina.

또한, 상기 제2 양극부(40)의 나트륨-금속 혼합물은 Ni/Fe/NaAlCl4로 이루어질 수 있다.In addition, the sodium-metal mixture of the second anode part 40 may be made of Ni / Fe / NaAlCl 4 .

상기 양극 용기(60)와 상기 제1 전해질부(30)의 사이에는 상기 제1 양극부(10)를 덮어주기 위한 제1 양극 덮개부(12)가 배치될 수 있다.A first positive electrode cover part 12 may be disposed between the positive electrode container 60 and the first electrolyte part 30 to cover the first positive electrode part 10.

상기 제1 전해질부(30)와 상기 제2 전해질부(50)의 사이에는 상기 음극부(20)를 덮어주기 위한 음극 덮개부(22)가 배치될 수 있다.A negative electrode cover part 22 may be disposed between the first electrolyte part 30 and the second electrolyte part 50 to cover the negative electrode part 20.

상기 제2 전해질부(50)와 상기 양극 용기(60)의 사이에는 상기 제2 양극부(40)를 덮어주기 위한 제2 양극 덮개부(42)가 배치될 수 있다.A second anode cover part 42 may be disposed between the second electrolyte part 50 and the cathode container 60 to cover the second anode part 40.

상기 제1 양극 덮개부(12), 음극 덮개부(22) 및 상기 제2 양극 덮개부(42)는 금속으로 이루어질 수 있다.The first positive electrode cover part 12, the negative electrode cover part 22, and the second positive electrode cover part 42 may be made of metal.

또한, 상기 양극 용기(60)와 상기 제1 양극 덮개부(12)는 용접 등에 의하여 결합되는 제1 용접부(70)를 형성할 수 있다.In addition, the anode container 60 and the first anode cover portion 12 may form a first welding portion 70 coupled by welding or the like.

상기 양극 용기(60)와 상기 제2 양극 덮개부(40)는 용접 등에 의하여 결합되는 제2 용접부(72)를 형성할 수 있다.The anode container 60 and the second anode cover portion 40 may form a second welding portion 72 coupled by welding or the like.

상기 제1 양극 덮개부(12)와 상기 제1 전해질부(30)는 유리 접합(glass frit) 등에 의하여 결합되는 제1 접합부(80)를 형성할 수 있다.The first anode cover part 12 and the first electrolyte part 30 may form a first junction part 80 coupled by a glass frit or the like.

상기 제1 전해질부(30)와 상기 음극 덮개부(22)는 유리 접합 등에 의하여 결합되는 제2 접합부(82)를 형성할 수 있다.The first electrolyte part 30 and the negative electrode cover part 22 may form a second junction part 82 joined by glass bonding or the like.

또한, 상기 음극 덮개부(22)와 상기 제2 전해질부(50)는 유리 접합 등에 의하여 결합되는 제3 접합부(84)를 형성할 수 있다.In addition, the negative electrode cover part 22 and the second electrolyte part 50 may form a third junction part 84 coupled by glass bonding or the like.

상기 제2 전해질부(50)와 상기 제2 양극 덮개부(42)는 유리 접합 등에 의하여 결합되는 제4 접합부(86)를 형성할 수 있다.The second electrolyte part 50 and the second anode cover part 42 may form a fourth junction part 86 joined by glass bonding or the like.

이하에서, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 나트륨 전지의 작동에 대해서 설명한다.Hereinafter, with reference to Figure 1, the operation of the hybrid sodium battery according to an embodiment of the present invention will be described.

먼저, A 회로를 통해 전기를 충전하면, 상기 제 2 양극부(40)의 활물질이 반응하여 하기의 화학 반응식(1)에 의하여 나트륨(Na)이 생성된다First, when the electricity is charged through the A circuit, the active material of the second positive electrode portion 40 reacts to produce sodium (Na) by the following chemical reaction formula (1).

Ni, Fe + 2NaCl → (Ni,Fe)Cl2 + 2Na -------- (1)Ni, Fe + 2NaCl → (Ni, Fe) Cl 2 + 2Na -------- (1)

이와 같이, 생성된 나트륨은 상기 제 2 전해질부(50)를 통해 이온 전도되어 상기 음극부(20)에 유입된다. As such, the generated sodium is ion-conducted through the second electrolyte portion 50 and flows into the cathode portion 20.

또한, B회로를 통해 전기를 방전하면, 상기 음극부(20)의 나트륨은 상기 제 1 전해질부(30)를 통과하여 상기 제 1 양극부(10)로 유입되며 양극 활물질인 황(S)과 반응하여 NaxSy를 생성한다. In addition, when the electricity is discharged through the B circuit, sodium of the negative electrode portion 20 passes through the first electrolyte portion 30 to enter the first positive electrode portion 10 and sulfur (S) as a positive electrode active material and React to produce NaxSy.

A 회로를 구성하는 셀 부분은 나트륨-메탈 할라이드(Na-metal halide) 전지 구조이므로 고출력 특성을 가지고 있고, B 회로를 구성하는 셀 부분은 나트륨-유황(NaS) 전지 구조이므로 장시간 출력 특성을 나타낸다. The cell part constituting the A circuit has a high output characteristic because of the sodium-metal halide battery structure, and the cell part constituting the B circuit has a long-time output characteristic because of the sodium-sulfur (NaS) battery structure.

또한, A 회로의 전지 구동과 B 회로의 전지 구동이 정반대로 일어나는데, 이는 나트륨-유황 전지와 나트륨-메탈 할라이드(Na-metal halide) 전지의 충방전 구동이 반대인 점을 이용한 것이다. In addition, the battery driving of the A circuit and the battery driving of the B circuit occur oppositely, using the fact that the charge-discharge driving of the sodium-sulfur battery and the sodium-metal halide battery is opposite.

즉, 나트륨-유황 전지는 Na + S 반응을 통해 나트륨(Na)이 소모되면서 방전이 되며, 나트륨-메탈 할라이드 전지는 NaCl + Ni, Fe 반응을 통해 나트륨(Na)이 생성되면서 충전이 진행된다. That is, the sodium-sulfur battery is discharged while Na (S) is consumed through the Na + S reaction, and the sodium-metal halide battery is charged while the sodium (Na) is produced through the NaCl + Ni, Fe reaction.

따라서, 외부회로로부터 전지를 충전하면서 동시에 방전이 가능하고, 그 역 구동도 가능하다. 또한, 외부 환경에 따라서 순간출력을 높이거나, 방전시간을 늘이는 등으로 능동적인 대응이 가능하다.Therefore, it is possible to simultaneously discharge the battery while charging the battery from the external circuit, and vice versa. In addition, active response is possible by increasing the instantaneous output or increasing the discharge time depending on the external environment.

또한, 나트륨(Na)의 출발물질로 NaCl을 사용하므로, 종래 나트륨-유황(NaS)전지 제작에서 액상 나트륨을 사용하는 것에 비하여 제작공정이 안전하다.In addition, since NaCl is used as a starting material of sodium (Na), the manufacturing process is safer than using liquid sodium in the conventional sodium-sulfur (NaS) battery manufacturing.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Of course.

10: 제1 양극부 20: 음극부
30: 제1 전해질부 40: 제2 양극부
50: 제2 전해질부 60: 양극 용기
70: 용접부 80: 접합부10: first anode portion 20: cathode portion
30: first electrolyte portion 40: second anode portion
50: second electrolyte 60: anode container
70: welded portion 80: joined portion

Claims (8)

양극용 도전재에 제1 양극 활물질로서 용융 유황(S)을 포함하여 이루어진 제 1 양극부;
음극 활물질로서 나트륨(Na)을 수용하는 음극부;
상기 제1 양극부와 상기 음극부 사이에 배치되고, 상기 나트륨 이온을 선택적으로 투과시킬 수 있는 제1 전해질부;
제2 양극 활물질로서 나트륨-금속 혼합물을 포함하여 이루어진 제 2 양극부; 및
상기 음극부와 상기 제2 양극부 사이에 배치되고, 상기 나트륨 이온을 선택적으로 투과시킬 수 있는 제2 전해질부
를 포함하는 하이브리드 나트륨 전지.A first positive electrode portion including molten sulfur (S) as a first positive electrode active material in a positive electrode conductive material;
A negative electrode unit accommodating sodium (Na) as a negative electrode active material;
A first electrolyte part disposed between the first anode part and the cathode part and capable of selectively transmitting the sodium ions;
A second positive electrode portion including a sodium-metal mixture as a second positive electrode active material; And
A second electrolyte part disposed between the cathode part and the second anode part and capable of selectively permeating the sodium ions;
Hybrid sodium battery comprising a. 제1항에 있어서,
상기 제1 양극부와 상기 제2 양극부는 원통형의 양극 용기 내에 수용되는 하이브리드 나트륨 전지.The method of claim 1,
And the first positive electrode portion and the second positive electrode portion are accommodated in a cylindrical positive electrode container. 제2항에 있어서,
상기 제1 전해질부 및 상기 제2 전해질부는 β-알루미나로 이루어지는 하이브리드 나트륨 전지.3. The method of claim 2,
And said first electrolyte portion and said second electrolyte portion are made of β-alumina. 제2항에 있어서,
상기 나트륨-금속 혼합물은 Ni/Fe/NaAlCl4로 이루어지는 하이브리드 나트륨 전지.3. The method of claim 2,
The sodium-metal mixture is a hybrid sodium battery consisting of Ni / Fe / NaAlCl 4 . 제3항에 있어서,
상기 양극 용기와 상기 제1 전해질부의 사이에는 상기 제1 양극부를 덮어주기 위한 제1 양극 덮개부가 배치되는 하이브리드 나트륨 전지.The method of claim 3,
And a first positive electrode cover portion disposed between the positive electrode container and the first electrolyte portion to cover the first positive electrode portion. 제5항에 있어서,
상기 제1 전해질부와 상기 제2 전해질부의 사이에는 상기 음극부를 덮어주기 위한 음극 덮개부가 배치되는 하이브리드 나트륨 전지.The method of claim 5,
A hybrid sodium battery, wherein a negative electrode cover portion for covering the negative electrode portion is disposed between the first electrolyte portion and the second electrolyte portion. 제6항에 있어서,
상기 제2 전해질부와 상기 양극 용기의 사이에는 상기 제2 양극부를 덮어주기 위한 제2 양극 덮개부가 배치되는 하이브리드 나트륨 전지.The method according to claim 6,
And a second positive electrode cover portion disposed between the second electrolyte portion and the positive electrode container to cover the second positive electrode portion. 제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 제1 양극 덮개부, 상기 음극 덮개부 및 상기 제2 양극 덮개부는 금속으로 이루어지는 하이브리드 나트륨 전지.
8. The method according to claim 6 or 7,
And the first positive electrode cover part, the negative electrode cover part, and the second positive electrode cover part are made of metal.
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