KR101597292B1 - 나트륨-유황 전지 - Google Patents

Abstract

나트륨-유황 전지를 제공한다. 본 발명에 따르면, 베타 알루미나 세라믹 고체전해질, 상기 고체전해질의 내부에 위치하고 음극 활물질로서 나트륨(Na)이 채워진 카트리지관, 상기 고체전해질의 외부에 위치하며 양극 활물질로서 유황이 주입되는 양극펠트가 채워지는 양극용기, 및 상기 고체전해질과 상기 카트리지관 사이에 위치하고, 상기 양극펠트에 의해 상기 고체전해질에 가해지는 응력을 상쇄하기 위한 반대 응력을 상기 고체전해질에 부여하기 위한 음극 지지 펠트를 포함한다.

Description

나트륨-유황 전지{sodium sulfur batteries}

본 발명은 통상 양극부에 압축된 상태로 장착되는 양극펠트의 압축반발력으로 인해 전지 구동 시 베타알루미나 고체전해질에 가해지는 응력을 보상해 주기 위한 음극부의 지지펠트(supporting felt)를 이용한 나트륨-유황전지 설계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 음극부의 지지펠트를 포함한 나트륨-유황전지에 대한 설계로서 양극펠트의 응력에 의한 고체전해질의 파손 가능성을 감소시키고, 고체전해질의 파손 시에도 고체전해질 양면을 모두 펠트 등 지지체로서 지지함으로써 대량파손가능성을 원천적으로 차단함으로써 나트륨-유황 전지의 안전성을 향상시킬 수 있는 나트륨-유황 전지에 관한 것이다.

일반적으로, 나트륨-유황 전지는 에너지 밀도 및 충방전 효율이 높고 자가 방전이 없으며, 장기간의 운전에도 성능의 저하가 없는 특성에 의해 대용량 전력 저장용 전지로 개발되고 있다. 나트륨-유황 전지는 한편에 음극 활물질로 나트륨(Na)을 다른 편에 양극 활물질로 유황(S)을 배치하고, 양쪽을 나트륨 이온에 대한 전도성을 가지는 베타알루미나 세라믹 고체전해질로 격리하고, 외부는 금속 부재에 의해 밀봉되어, 대략 300~350도의 고온에서 구동되는 이차전지이다. 통상적인 원통형과 평판형 나트륨-유황 전지의 형상과 양극부 구조를 도 1에 도시한다.

대용량 나트륨-유황전지를 제작함에 있어서, 양극 활물질인 유황은 절연체이므로, 양극부의 전기전도성을 부여하고 유황과 반응생성물인 다황화나트륨(Na2Sx)의 유동성을 신장시키기 위해 흑연펠트에 유리섬유쉬트를 니들펀칭한 양극펠트를 제조한 후, 펠트 내에 용융 유황을 주입하여 양극재를 제조한다.

이 때, 양극펠트와 베타알루미나 계면, 그리고 양극펠트와 양극 집전체 내면과의 접촉이 양호하지 않으면, 전체 전지의 저항을 높이며, 충방전 특성에도 악영향을 줄 수 있으므로, 통상 양극펠트는 대략 10~50% 압축된 상태로 양극부에 설치된다. 계면저항을 최소화하기 위해 압축 후 펠트의 반발력(압축 반발력)을 적정하게 유지하는 것이 중요하며, 통상 30% 압축시 50~300MPa을 유지하는 것이 적절하며, 장기 구동에 따라서도 화학적, 기계적 안정성을 유지하는 것이 중요하다.

그러나, 이러한 압축 반발력은 베타알루미나에 지속적인 응력을 가하게 되고, 베타알루미나의 직진도(원통형 전지의 경우) 또는 평편도(평판형 전지의 경우)에 따라 응력이 한 곳에 집중되어 베타알루미나에 크랙의 생성을 유발할 수 있으며, 크랙의 전파와 베타알루미나의 대량파손도 유발할 수 있다. 이러한 크랙의 생성가능성은 원통 또는 평판의 베타알루미나의 크기가 커질 경우(즉, 유리 밀봉부로부터 응력집중부의 거리가 커질수록), 토크가 커지므로 이러한 경향은 가중될 수 있다.

본 발명은 통상 양극부에 압축된 상태로 장착되는 양극펠트의 압축반발력으로 인해 전지 구동 시 베타알루미나 고체전해질에 가해지는 응력을 보상해 주기 위해 음극부에 양극부의 압축반발력을 상쇄할 수 있는 반발력을 가해줄 수 있도록 한 나트륨-유황 전지를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 베타 알루미나 세라믹 고체전해질,

상기 고체전해질의 내부에 위치하고 음극 활물질로서 나트륨(Na)이 채워진 카트리지관,

상기 고체전해질의 외부에 위치하며 양극 활물질로서 유황이 주입되는 양극펠트가 채워지는 양극용기, 및

상기 고체전해질과 상기 카트리지관 사이에 위치하고, 상기 양극펠트에 의해 상기 고체전해질에 가해지는 응력을 상쇄하기 위한 반대 응력을 상기 고체전해질에 부여하기 위한 음극 지지 펠트를 포함하는 나트륨-유황 전지가 제공될 수 있다.

상기 음극 지지 펠트의 소재로서는 흑연펠트는 물론 유리섬유펠트, 다공성금속(metal foam), 금속 메쉬(mesh) 등에서 선택된 어느 하나가 사용될 수 있다.

상기 음극 지지 펠트는 상기 양극펠트보다 작은 두께를 가질 수 있다.

상기 음극 지지 펠트는 상기 양극펠트의 압축 반발력보다 큰 압축 반발력을 가질 수 있다.

상기 양극펠트에는 상기 양극펠트의 압축 반발력을 측정하기 위한 반발력 측정부가 설치될 수 있다.

상기 압축 반발력 측정부에는 상기 압축반발력 측정부에서 측정된 상기 양극펠트의 압축 반발력으로 상기 고체전해질에 가해지는 응력을 계산하기 위한 응력 계산부가 연결될 수 있다.

상기 음력 지지 펠트에는 상기 응력 계산부에서 계산된 응력에 상응하는 압축 반발력이 부여될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 통상 양극부에 압축된 상태로 장착되는 양극펠트의 압축반발력으로 인해 전지 구동 시 베타알루미나 고체전해질에 가해지는 응력을 보상해 주기 위해, 음극부에 양극부의 압축 반발력을 상쇄할 수 있는 반발력을 가해줌으로써, 양극펠트의 압축 반발력으로 인해 고체전해질에 가해지는 응력을 감쇠시킬 수 있으며, 또한, 고체전해질 파손시 고체전해질을 양쪽에서 지지해 줌으로써 추가적인 대량파손을 원천적으로 차단함으로써 안전성을 강화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 나트륨-유황 전지의 개략적인 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.

이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하는” 의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 나트륨-유황 전지의 개략적인 구성도이다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨-유황 전지는, 베타 알루미나 세라믹 고체전해질(10),

상기 고체전해질(10)의 내부에 위치하고 음극 활물질로서 나트륨(Na)이 채워진 카트리지관(20),

상기 고체전해질(10)의 외부에 위치하며 양극 활물질로서 유황(S)이 주입된 양극펠트(30)가 채워지는 양극용기(40), 및

상기 고체전해질(10)과 상기 카트리지관(20) 사이에 위치하고, 상기 양극펠트(30)에 의해 상기 고체전해질(10)에 가해지는 응력을 상쇄하기 위한 반대 응력을 상기 고체전해질(10)에 부여하기 위한 음극 지지 펠트(50)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 양극펠트(30)는 양극부의 전기전도성을 부여하고 유황과 반응생성물인 다황화나트륨(Na2Sx)의 유동성을 신장시키기 위해 흑연펠트에 유리섬유쉬트를 니들펀칭하여 제조되며, 상기 양극펠트(30) 내에는 양극활물질로서 용융 유황이 주입된다.

상기 양극펠트(30)에 의해 상기 고체전해질(10)에 가해지는 응력을 감쇠할 수 있다면, 상기 음극 지지 펠트(50)의 소재로서는 흑연펠트는 물론 유리섬유펠트, 다공성금속(metal foam), 금속 메쉬(mesh) 등에서 선택된 어느 하나가 사용 가능하다.

상기 음극 지지 펠트(50)의 두께는 상기 양극펠트(30)의 두께와 같을 필요는 없으며, 응력을 최소화하기 위해 소재 특성, 펠트 제조 조건 등을 변화하여 압축반발력을 조절할 수 있으며, 상기 양극펠트(30)보다 작은 두께에서도 압축률에 따른 압축반발력을 고려하여 음극부의 폭을 설계함으로써 음극부의 지지력을 결정할 수 있다.

또한, 상기 음극 지지 펠트(50)는 상기 양극펠트(30)보다 작은 두께를 가질 수 있으며, 상기 음극 지지 펠트(50)는 상기 양극펠트(30)보다 작은 두께를 가지면서도 상기 양극펠트(30)의 압축 반발력을 충분히 상쇄할 수 있도록 상기 양극펠트(30)의 압축 반발력보다 큰 압축 반발력을 가질 수 있다.

또한, 상기 양극펠트(30)에는 상기 양극펠트(30)의 압축 반발력을 측정하기 위한 압축 반발력 측정부(100)가 설치될 수 있다.

또한, 상기 압축 반발력 측정부(100)에는 상기 압축반발력 측정부(100)에서 측정된 상기 양극펠트(30)의 압축 반발력으로 상기 고체전해질(10)에 가해지는 응력을 계산하기 위한 응력 계산부(110)가 연결될 수 있다.

이에 따라, 상기 음력 지지 펠트(50)에는 상기 양극펠트(30)에 의해 상기 고체전해질(10)에 가해지는 압축 반반력을 상쇄할 수 있도록 상기 응력 계산부(110)에서 계산된 응력에 상응하는 압축 반발력이 부여될 수 있다.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 나트륨-유황 전지에 음극 지지 펠트(50)를 장착한 도면을 도시하고 있으며, 또한, 도 1은 평판형 나트륨-유황 전지를 예로 들어 도시하였으나, 원통형 나트륨-유황 전지에서도 동일한 개념이 적용될 수 있음은 물론이다.

이하에서, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨-유황 전지의 작동에 대해서 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨-유황 전지에서는 상기 고체전해질(10)과 상기 카트리지관(20) 사이에, 상기 양극펠트(30)에 의해 상기 고체전해질(10)에 가해지는 응력을 상쇄하기 위한 반대 응력을 상기 고체전해질(10)에 부여하기 위한 음극 지지 펠트(50)가 채워져 있다.

즉, 양극부의 상기 양극펠트(30)에 의해 상기 고체전해질(10)에 가해지는 응력을 상쇄하기 위해서는, 음극부에 상기 양극펠트(30)의 압축 반발력을 감쇠할 수 있는 반대 응력을 음극부의 상기 음극 지지 펠트(50)에서 고체전해질(30)쪽으로 가해줌으로써 가능하다.

상기 압축 반발력 측정부(100)에서 상기 양극펠트(30)의 압축 반발력을 측정하고, 이와 같이 측정된 압축 반발력으로 상기 고체전해질(10)에 가해지는 응력을 상기 응력 계산부(110)에서 계산한 다음, 그에 상응하는 압축 반발력을 상기 음극 지지 펠트(50)에 부여함으로써, 양극부의 압축 반발력에 의한 응력이 최소화될 수 있다.

또한, 동일 전지에 대해 음극부에 음극 지지 펠트 장착 전,후 과충전 시험을 실시하여, 고체전해질을 고의적으로 파손시킨 후 단전지의 온도 상승분을 측정하였을 때, 음극부에 음극 지지 펠트가 있는 경우에 온도 상승이 적으므로, 대량파손 방지효과가 있다

10: 고체전해질 20: 카트리지관
30: 양극펠트 40: 양극용기
50: 음극 지지 펠트 100: 압축 반발력 측정부
110: 응력 계산부

Claims (7)

1. 베타 알루미나 세라믹 고체전해질,
   상기 고체전해질의 내부에 위치하고 음극 활물질로서 나트륨(Na)이 채워진 카트리지관,
   상기 고체전해질의 외부에 위치하며 양극 활물질로서 유황이 주입되는 양극펠트가 채워지는 양극용기, 및
   상기 고체전해질과 상기 카트리지관 사이에 위치하고, 상기 양극펠트에 의해 상기 고체전해질에 가해지는 응력을 상쇄하기 위한 반대 응력을 상기 고체전해질에 부여하기 위한 음극 지지 펠트
   를 포함하고,
   상기 양극펠트에는 상기 양극펠트의 압축 반발력을 측정하기 위한 압축 반발력 측정부가 설치되는 나트륨-유황 전지.
2. 제1항에 있어서,
   상기 음극 지지 펠트의 소재는 흑연펠트, 유리섬유펠트, 다공성금속(metal foam), 금속 메쉬(mesh)에서 선택된 어느 하나가 사용되는 나트륨-유황 전지.
3. 제2항에 있어서,
   상기 음극 지지 펠트는 상기 양극펠트보다 작은 두께를 가지는 나트륨-유황 전지.
4. 제3항에 있어서,
   상기 음극 지지 펠트는 상기 양극펠트의 압축 반발력보다 큰 압축 반발력을 가지는 나트륨-유황 전지.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 압축 반발력 측정부에는 상기 압축반발력 측정부에서 측정된 상기 양극펠트의 압축 반발력으로 상기 고체전해질에 가해지는 응력을 계산하기 위한 응력 계산부가 연결되는 나트륨-유황 전지.
7. 제6항에 있어서,
   상기 음극 지지 펠트에는 상기 응력 계산부에서 계산된 응력에 상응하는 압축 반발력이 부여되는 나트륨-유황 전지.
   

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