KR101249048B1 - SODIUM SULFUR(NaS) CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF - Google Patents
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Abstract
나트륨유황(NsS) 전지 및 그 제조방법이 개시된다. NaS 전지는 전해질과 나트륨극 및 유황극을 포함하며, 전해질은 튜브 및 튜브 외면에 코팅된 반구형상의 세라믹을 포함한다. 튜브는 베타알루미나로 이루어질 수도 있고 알파알루미나 모재 및 베타알루미나층의 2층 적층구조로 이루어질 수도 있다. 반구형상의 세라믹은 직경이 0.3~100㎛일 수 있고, 반구형상의 세라믹으로 코팅된 표면적과 미코팅된 표면적의 비율이 3:7 ~ 7:3 범위일 수 있다. 반구형상의 세라믹은 폭과 높이의 크기에 있어서 ±25%의 균일도를 가지면서 코팅될 수 있다. 이러한 NaS 전지는 나트륨황화물이 전해질 튜브 외면에 부착되는 것을 방지하고 부착되더라도 쉽게 이탈되도록 한다. 그리하여 전지 충방전시 나트륨와 유황의 반응면적을 일정하게 유지함으로써 입출력 품질을 향상시키고 장기적인 출력효율을 안정적으로 제공한다. A sodium sulfur (NsS) battery and a method of manufacturing the same are disclosed. The NaS cell includes an electrolyte, a sodium electrode and a sulfur electrode, and the electrolyte includes a tube and a hemispherical ceramic coated on the tube outer surface. The tube may be made of beta alumina or a two-layer laminated structure of an alpha alumina base material and a beta alumina layer. The hemispherical ceramic may have a diameter of 0.3 to 100 μm, and the ratio of the surface area coated with the hemispherical ceramic to the uncoated surface area may range from 3: 7 to 7: 3. The hemispherical ceramic can be coated with a uniformity of ± 25% in width and height. Such NaS cells prevent sodium sulfide from adhering to the outer surface of the electrolyte tube and allow it to escape easily even if attached. Thus, by keeping the reaction area of sodium and sulfur constant during battery charging and discharging, the input / output quality is improved and long-term output efficiency is stably provided.
Description
본 발명은 나트륨유황(NaS) 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고체전해질을 개선한 NaS 전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a sodium sulfur (NaS) battery, and more particularly to a NaS battery with improved solid electrolyte and a method of manufacturing the same.
NaS 전지는 대용량 전력저장용 전지로서, 에너지 밀도 및 충방전 효율이 높고 자기방전이 없으며 15년 이상의 긴 수명을 가지고 불규칙한 충방전에도 성능의 저하가 없는 특성을 나타낸다. 특히 사용되는 원료가 저렴하고 손쉽게 구할 수 있으며 주위 온도변화 등의 환경변화에 영향을 받지 않는 특성을 나타낸다. NaS battery is a large capacity power storage battery, which has high energy density and charging and discharging efficiency, no self-discharge, long life of 15 years or more, and exhibits no deterioration in performance even in irregular charging and discharging. In particular, the raw materials used are inexpensive and easily available, and they are not affected by environmental changes such as ambient temperature changes.
NaS 전지는 음극 활물질에 나트륨을, 양극 활물질에 유황을, 전해질에 고체의 베타(β)알루미나 세라믹을 이용한다. 베타알루미나는 나트륨 이온만을 통과시키는 성질을 가진 세라믹이다. 이 베타알루미나를 거쳐 음극과 양극간을 나트륨 이온이 이동함으로써 충방전이 이루어진다.NaS batteries use sodium as the negative electrode active material, sulfur as the positive electrode active material, and solid beta (β) alumina ceramics as the electrolyte. Beta alumina is a ceramic having the property of passing only sodium ions. Through this beta alumina, sodium ions move between the negative electrode and the positive electrode to perform charge and discharge.
NaS 단전지의 가장 핵심적인 부품은 베타알루미나 전해질로서, 정확한 조성의 분말 합성, 얇고 긴 튜브 형상으로의 성형, 최종 치수제어를 위한 소결 등의 기술 개발에 성공 여부가 달려있다.The most critical component of NaS cells is beta alumina electrolyte, which depends on the successful development of technologies such as powder synthesis with accurate composition, molding into thin and long tube shapes, and sintering for final dimensional control.
베타알루미나 전해질 튜브는 분말 성형체로부터 소결체까지 15% 정도의 수축이 일어나 최종제품의 치수제어가 매우 까다롭기 때문에 출발분말을 균일한 크기의 구형분말로 제조하는 것이 매우 중요하다.Since the beta alumina electrolyte tube shrinks about 15% from the powder compact to the sintered compact, it is very difficult to control the size of the final product, so it is very important to prepare the starting powder into a spherical powder of uniform size.
베타알루미나는, Na2O·11Al2O3 조성의 β상(phase)과, Na2O·5Al2O3 ~ 3Na2O·16Al2O3 조성의 β 〃 상을 통칭한다. Beta alumina has a β phase of Na 2 O · 11Al 2 O 3 composition and Na 2 O · 5Al 2 O 3 The β 〃 phase of 3Na 2 O · 16Al 2 O 3 composition is collectively referred to.
β상 알루미나의 비저항 및 β 〃 상 알루미나의 비저항은 각각 16Ω·㎝ 및 2.5Ω·㎝ 이다. 즉, β 〃 상이 1/6 정도의 낮은 값을 가져 우수하므로 최종 제품에서 β 〃 상 함량이 95% 이상 되도록 제조하여야 한다.The specific resistance of the β-phase alumina and the specific resistance of the β 〃 phase alumina are 16 Ω · cm and 2.5 Ω · cm, respectively. That is, since the β 〃 phase has a low value of about 1/6, it is excellent, so that the β 〃 phase content in the final product should be 95% or more.
β상 알루미나의 이론밀도 및 β 〃 상 알루미나의 이론밀도는 각각 3.25g/㎤ 및 3.28g/㎤이다. 베타알루미나의 비저항과 밀도를 감안할 때 이론밀도 98% 이상의 치밀화를 달성하여야 한다.The theoretical density of the β-phase alumina and the theoretical density of the β- VII alumina are 3.25 g / cm 3 and 3.28 g / cm 3, respectively. Considering the specific resistance and density of beta alumina, densification of more than 98% of theoretical density should be achieved.
그런데 β 〃 상은 소결온도범위인 1400℃ 이상의 고온에서 불안정하기 때문에 β상으로 분해되거나 준안정상(meta-stable phase)으로 존재한다. 따라서 β 〃 상이 많으면서도 안정한 구조를 가지도록 제조하여야 한다.However, the β 〃 phase is unstable at a high temperature of more than 1400 ° C., which is a sintering temperature range, and thus decomposes into a β phase or exists as a meta-stable phase. Therefore, many β 제조 phases should be manufactured to have a stable structure.
이를 위해 소결온도를 낮추거나 MgO 나 Li2O와 같은 안정화제를 첨가하거나, 또는 열처리를 통해 β 〃 상 함량을 높이는 방법 등이 있다. 그러나 이러한 방법들은 제조공정이 복잡하고 제어가 어려우며 제조비용이 높은 문제점이 있다. To this end, there is a method of lowering the sintering temperature, adding a stabilizer such as MgO or Li 2 O, or increasing the β 〃 phase content by heat treatment. However, these methods have a problem that the manufacturing process is complicated, difficult to control and high manufacturing cost.
한편, 베타알루미나 튜브의 내부에 위치하는 나트륨은 방전 시 전자를 방출하여 나트륨이온이 된다. 나트륨이온은 베타알루미나 튜브를 통과해서 양극측으로 이동한 후, 유황 및 전자와 반응하여 나트륨황화물을 생성한다.Meanwhile, sodium located inside the beta alumina tube emits electrons when discharged to become sodium ions. The sodium ions pass through the beta alumina tube to the anode side and then react with sulfur and electrons to produce sodium sulfide.
충전 시에는 나트륨황화물이 전자를 방출하여 나트륨이온 및 유황으로 분리된다. 나트륨이온은 베타알루미나 튜브를 통과해서 음극측으로 이동한 후 전자를 받고 나트륨으로 복귀한다. During charging, sodium sulfide releases electrons to separate sodium ions and sulfur. Sodium ions pass through the beta alumina tube to the cathode and then receive electrons and return to sodium.
그런데 방전 시 생성된 나트륨황화물은 베타알루미나튜브 외면에 쉽게 부착된다. 그러면 나트륨황화물이 부착된 만큼 반응면적이 감소되기 때문에 NaS 전지의 출력 효율이 떨어지며, 결과적으로 시간이 흐를수록 전지 성능이 열화되는 문제점이 있다.However, sodium sulfide produced during discharge is easily attached to the outer surface of the beta alumina tube. Then, since the reaction area is reduced as much as sodium sulfide is attached, the output efficiency of the NaS battery is decreased, and as a result, battery performance is deteriorated with time.
본 발명은 방전 시 생성되는 나트륨황화물이 전해질 튜브 외면에 부착되지 못하게 하고, 부착되더라도 쉽게 이탈되도록 한 고체전해질을 포함하는 NaS 전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.The present invention is to provide a NaS battery comprising a solid electrolyte that prevents the sodium sulfide produced during discharge from adhering to the outer surface of the electrolyte tube, and easily detached even when attached thereto, and a method of manufacturing the same.
본 발명의 일 실시예에 따른 NaS 전지는 전해질과 나트륨극 및 유황극을 포함하며, 전해질은 튜브 및 튜브 외면에 코팅된 반구형상의 세라믹을 포함한다. The NaS battery according to an embodiment of the present invention includes an electrolyte, a sodium electrode, and a sulfur electrode, and the electrolyte includes a tube and a hemispherical ceramic coated on the tube outer surface.
튜브는 베타알루미나로 이루어지고 두께가 1~2.5mm일 수 있다. The tube is made of beta alumina and may be 1 to 2.5 mm thick.
본 발명의 다른 실시예에 따른 NaS 전지는 전해질과 나트륨극 및 유황극을 포함하며, 전해질은, 알파(α)알루미나 튜브, 튜브 외면에 코팅된 베타알루미나층, 및 베타알루미나층 상에 코팅된 반구형상의 세라믹을 포함한다.NaS battery according to another embodiment of the present invention comprises an electrolyte, a sodium electrode and a sulfur electrode, the electrolyte, hemispherical coated on the alpha (α) alumina tube, the beta alumina layer coated on the outer surface of the tube, and the beta alumina layer Ceramics of the phase.
반구형상의 세라믹은 직경이 0.3~100㎛일 수 있다. The hemispherical ceramic may have a diameter of 0.3 to 100 μm.
반구형상의 세라믹은 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 알루미나-실리카(Al2O3-SiO2), 지르코니아(ZrO2), 및 뮬라이트(mullite: 3Al2O3·2SiO2) 중의 어느 하나일 수 있다. Hemispherical ceramics include alumina (Al 2 O 3 ), silica (SiO 2 ), alumina-silica (Al 2 O 3 -SiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), and mullite (3Al 2 O 3 · 2SiO 2 ) It may be any one of.
반구형상의 세라믹으로 코팅된 표면적과 미코팅된 표면적의 비율이 3:7 ~ 7:3 범위일 수 있다. The ratio of the surface area coated with the hemispherical ceramic to the uncoated surface area may range from 3: 7 to 7: 3.
반구형상의 세라믹은 폭과 높이의 크기에 있어서 ±25%의 균일도를 가지면서 코팅될 수 있다.The hemispherical ceramic can be coated with a uniformity of ± 25% in width and height.
알파알루미나 튜브는 35~70% 기공율을 가지는 다공성 재질일 수 있다.The alpha alumina tube may be a porous material having a 35 to 70% porosity.
알파알루미나 튜브의 두께는 1~2.5mm이고, 베타알루미나층의 두께는 5~500㎛일 수 있다.The thickness of the alpha alumina tube is 1 ~ 2.5mm, the thickness of the beta alumina layer may be 5 ~ 500㎛.
본 발명의 일 실시예에 따른 NaS 제조방법은, 전해질과 나트륨극 및 유황극을 포함하는 나트륨유황(NaS) 전지의 전해질을 제조함에 있어서, 튜브를 제작하는 단계, 및 튜브 외면에 반구형상의 세라믹을 코팅하는 단계를 포함한다. NaS manufacturing method according to an embodiment of the present invention, in preparing an electrolyte of a sodium sulfur (NaS) battery including an electrolyte and a sodium electrode and a sulfur electrode, the step of producing a tube, and the hemispherical ceramic on the outer surface of the tube Coating.
튜브를 제작하는 단계는, 베타알루미나 분말 합성, 성형 및 소결의 과정을 포함할 수 있다.Producing the tube may include processes of beta alumina powder synthesis, molding and sintering.
또는, 상기 튜브를 제작하는 단계는, 베타알루미나 분말을 합성하고, 합성한 분말을 성형하는 과정을 포함하고, 상기 튜브 외면에 반구형상의 세라믹을 코팅하는 단계 이후에 소결하는 단계를 더 포함할 수도 있다. Alternatively, the manufacturing of the tube may include synthesizing beta alumina powder and molding the synthesized powder, and may further include sintering after coating the hemispherical ceramic on the outer surface of the tube. .
튜브를 제작하는 단계는, 알파알루미나 분말 합성, 성형 및 소결하는 과정, 및 소결된 알파알루미나의 외면에 베타알루미나층을 코팅하는 과정을 포함할 수 있다.The manufacturing of the tube may include synthesizing, molding and sintering an alpha alumina powder, and coating a beta alumina layer on an outer surface of the sintered alpha alumina.
또는 상기 튜브를 제작하는 단계는, 합성한 알파알루미나 분말을 성형하고, 상기 성형된 알파알루미나의 외면에 베타알루미나층을 코팅하는 과정을 포함하고, 상기 튜브 외면에 상기 반구형상의 세라믹을 코팅하는 단계 이후에 소결하는 단계를 더 포함할 수도 있다.Alternatively, the manufacturing of the tube may include forming a synthesized alpha alumina powder and coating a beta alumina layer on the outer surface of the formed alpha alumina, and after coating the hemispherical ceramic on the outer surface of the tube. It may further comprise the step of sintering.
반구형상의 세라믹은 습식분무 후 건조, 용사코팅, 화학기상증착(CVD), 및 물리기상증착(PVD) 중의 어느 하나를 이용하여 직경 0.3~100㎛으로 코팅할 수 있다.The hemispherical ceramic may be coated with a diameter of 0.3 to 100 μm using any one of wet spraying followed by drying, thermal spray coating, chemical vapor deposition (CVD), and physical vapor deposition (PVD).
반구형상의 세라믹은 코팅된 표면적과 미코팅된 표면적의 비율이 3:7 ~ 7:3 범위가 되도록 코팅할 수 있다. The hemispherical ceramic may be coated such that the ratio of coated and uncoated surface area is in the range of 3: 7 to 7: 3.
반구형상의 세라믹은 폭과 높이의 크기에 있어서 ±25%의 균일도를 가지도록 코팅할 수 있다.The hemispherical ceramic may be coated to have a uniformity of ± 25% in width and height.
베타알루미나층은 침지(dipping)법, 습식분무 후 건조, 졸-겔(sol-gel)법, 용사코팅, 화학기상증착(CVD), 및 물리기상증착(PVD) 중의 어느 하나를 이용하여 5~500㎛ 두께로 코팅할 수 있다. The beta alumina layer is formed by using any one of dipping method, drying after wet spraying, sol-gel method, thermal spray coating, chemical vapor deposition (CVD), and physical vapor deposition (PVD). It can be coated to a thickness of 500 μm.
본 발명에 의한 NaS 전지에 따르면, 전해질 튜브의 외면에 반구형상의 세라믹을 코팅함으로써 나트륨황화물이 튜브 외면에 부착되는 것을 방지하고 부착되더라도 쉽게 이탈되도록 한다. 따라서 전지 충방전시 나트륨와 유황의 반응면적을 일정하게 유지함으로써 입출력 품질을 향상시키고 장기적인 출력효율을 안정적으로 제공하는 효과가 있다. According to the NaS battery according to the present invention, by coating the hemispherical ceramic on the outer surface of the electrolyte tube to prevent the sodium sulfide from adhering to the outer surface of the tube and easily detached even if attached. Therefore, by maintaining a constant reaction area of sodium and sulfur during battery charging and discharging, there is an effect of improving input / output quality and stably providing long-term output efficiency.
전해질 튜브를 알파알루미나 모재(母材)와 베타알루미나층의 2층 적층구조로 할 경우, 베타알루미나층이 얇은 두께로 코팅되어 전기저항이 낮으므로 고성능의 전해질을 제공하는 효과가 있다.When the electrolyte tube has a two-layer laminated structure of an alpha alumina base material and a beta alumina layer, the beta alumina layer is coated with a thin thickness, and thus has low electrical resistance, thereby providing a high performance electrolyte.
2층 적층구조인 경우, 모재인 알파알루미나의 기계적 강도를 이용하여 전체 전해질 튜브로서의 기계적 강도를 유지하므로 기계적인 안정성을 제공하며 파손이 미연에 방지되는 효과가 있다.In the case of the two-layer laminated structure, the mechanical strength of the entire electrolyte tube is maintained by using the mechanical strength of the alpha-alumina, which is the base material, thereby providing mechanical stability and preventing breakage in advance.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 NaS 단전지의 내부 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 NaS 전지의 전해질을 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 NaS 전지의 전해질을 도시한 단면도이다. 1 is a view showing the internal structure of a NaS unit cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view showing an electrolyte of a NaS battery according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view showing an electrolyte of a NaS battery according to another embodiment of the present invention.
본 발명의 이점과 특징 및 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 아래에서 개시되는 실시예들에 한정되지 않으며 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 아래의 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의된다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and may be implemented in various different forms. The following examples are merely provided to make the disclosure of the present invention complete, and to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the present invention is defined by the scope of the claims. Is defined. Like reference numerals refer to like elements throughout.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 NaS 전지에 대해 설명한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공기지능공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, a NaS battery according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. For reference, in the following description of the present invention, if it is determined that the detailed description of the related air intelligence function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 NaS 단전지(100)의 내부 구조를 도시한 도면이다.1 is a view showing the internal structure of the
도 1을 참고하면, NaS 단전지(100)는 원통형으로 되어 있으며, 중심에서부터 나트륨극(10), 금속관(20), 전해질(30), 유황극(40), 전조(50)의 순서로 배치된다.Referring to FIG. 1, the
이러한 단전지만으로는 기전력이 2V로 낮으며 용량이 작으므로 다수의 단전지를 직·병렬로 접속하여 집합화한 모듈 전지를 구성한다.Such a single cell alone has a low electromotive force of 2 V and a small capacity, thus forming a modular battery in which a plurality of single cells are connected in series and in parallel.
전해질(30)은 튜브 형상이며 튜브 내부에는 금속관(20)이 수납되어 있어 단전지의 비정상적인 전류나 전해질인 알루미나 세라믹 파손시의 내부온도 상승을 방지하고 있다.The
도 1에서 점선 원으로 표시한 부분을 확대도시한 것을 살펴보면, 금속관(20)의 외부에 나트륨이 흐르는 통로인 나트륨유로(15)가 형성되어 있다.Referring to an enlarged view of a portion indicated by a dotted circle in FIG. 1, a
도 2는 전해질(30)을 도시한 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing the
도 1 및 도2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전해질(30)은 튜브(32)와 튜브(32) 외면에 코팅된 반구형상의 세라믹(36)을 포함하는 구조이다.1 and 2, the
튜브(32)는 베타알루미나로 이루어질 수도 있고, 또는 2층 적층구조일 수도 있다.The
베타알루미나로 이루어진 튜브(32)의 두께는 1~2.5mm일 수 있다.The
베타알루미나 튜브(32)의 두께가 1mm 미만이면 너무 얇아서 고체전해질로서의 기계적 안정성을 보장할 수가 없고, 튜브(32) 두께가 2.5mm 초과하면 지나치게 두꺼워져 전기저항이 높아지기 때문이다. This is because if the thickness of the
도 3은 튜브(32)가 2층 적층구조인 경우를 도시한 전해질(30)의 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이 튜브(32)는 알파알루미나 모재(32a) 상에 베타알루미나층(32b)이 얇게 코팅된 2층 적층구조이며, 반구형상의 세라믹(36)은 베타알루미나층(32b) 상에 코팅된다.3 is a cross-sectional view of the
이 경우 알파알루미나 모재(32a)는 나트륨 이온이 투과될 수 있도록 다공성 재질이어야 한다. 이 때 기공들은 서로 연결되는 오픈포어(open pore) 형태인 것이 바람직하다. 예를 들면 35~70% 기공율을 가지는 다공성 재질인 것이 바람직하다.In this case, the alpha
기공율이 35% 미만이면 Na 이온의 투과율이 떨어져서 전지의 충방전 성능이 떨어지고 기공율이 70%를 초과하면 강도가 낮아서 전해질 튜브로서의 기계적인 안정성을 보장할 수가 없기 때문이다.This is because when the porosity is less than 35%, the permeation rate of Na ions decreases, thereby deteriorating the charge / discharge performance of the battery. When the porosity exceeds 70%, the strength is low, and mechanical stability as an electrolyte tube cannot be guaranteed.
알파알루미나 모재(32a)의 두께는 전해질 튜브로서 기계적인 안정성을 보장할 수 있는 정도로 정해지며, 예를 들면 1~2.5mm 두께일 수 있다.The thickness of the alpha
알파알루미나 모재(32)의 두께가 1mm 미만이면 너무 얇아서 전해질 튜브로서의 기계적인 안정성을 보장할 수 없고 2.5mm 초과하면 지나치게 두꺼워서 컴팩트한 모듈 제조가 어렵기 때문이다.If the thickness of the alpha
베타알루미나층(32b)의 두께는 얇을수록 전기저항이 낮아서 바람직하나 알파알루미나 모재(32a)의 외면을 빈틈없이 완전히 덮을 수 있는 두께로 정한다. 예를 들면 5~500㎛ 두께일 수 있다. The thinner the
베타알루미나층(32b)의 두께가 5㎛ 미만이면 알파알루미나 모재(32a) 외면을 완전히 덮을 수가 없고 500㎛ 초과하면 지나치게 두꺼워져 전기저항이 높아지기 때문이다.This is because if the thickness of the
이처럼 얇은 베타알루미나층(32b)은 기존의 β 〃 상 함량 수준을 유지함은 물론이고 낮은 비저항값을 가져서 고성능의 전해질이 된다.The thin
반구형상의 세라믹(36)은 직경이 0.3~100㎛로서 표면에 물방울이 맺힌 것과 같은 형상이다. 여기서 '반구형상'이라는 용어는 코팅될 입자가 막을 형성하기 전에 섬(island) 형태로 코팅된 것을 의미한다. 따라서 정확하게 구의 절반에 해당하는 기하학적인 반구를 의미하는 것이 아니며, 경우에 따라서는 반구에 못 미치는 얕은 섬 형상일 수도 있고, 또는 반구보다 더 구에 가까운 형상일 수도 있다.The hemispherical ceramic 36 has a diameter of 0.3 to 100 µm and is shaped like water droplets on the surface. The term “semi-spherical” here means that the particles to be coated are coated in island form before forming the film. Therefore, it does not mean a geometric hemisphere exactly half of the sphere, and in some cases, may be a shallow island shape less than the hemisphere, or may be a shape closer to the sphere than the hemisphere.
반구형상의 세라믹(36)은 폭과 높이의 크기에 있어서 ±25%의 균일도를 가지면서 코팅될 수 있다. The hemispherical ceramic 36 may be coated with a uniformity of ± 25% in width and height.
반구형상의 세라믹(36)은 튜브(32) 외면에 표면요철을 만들어서 요철이 없는 평탄한 면에 비해 나트륨황화물의 부착을 어렵게 한다. 설령 나트륨황화물이 어렵사리 부착되었다 하더라도 튜브(32) 내부로부터 외부를 향해 이동하는 나트륨이온에 의해 나트륨황화물을 쉽게 이탈시킨다. The hemispherical ceramic 36 makes surface unevenness on the outer surface of the
반구형상의 세라믹(36)의 직경이 0.3~100㎛ 범위를 벗어나면 목적하는 나트륨황화물 부착 방지 효과가 떨어진다. If the diameter of the hemispherical ceramic 36 is outside the range of 0.3 ~ 100㎛ range, the desired effect of preventing the attachment of sodium sulfide.
반구형상의 세라믹(36)을 이루는 물질은 유황과 반응하지 않으며, 튜브(32)와 원자간 거리 및 구조 등의 면에서 큰 차이가 나지 않아 쉽게 코팅이 되고 전기적 물성도 크게 차이가 나지 않아 전지 성능에 악영향을 미치지 않는 물질이면 적당하다.The material of the hemispherical ceramic 36 does not react with sulfur and does not show a big difference in terms of the distance and structure between the
예를 들면, 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 알루미나-실리카(Al2O3-SiO2), 지르코니아(ZrO2), 및 뮬라이트(mullite: 3Al2O3·2SiO2) 중의 어느 하나일 수 있다. For example, alumina (Al 2 O 3 ), silica (SiO 2 ), alumina-silica (Al 2 O 3 -SiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), and mullite (3Al 2 O 3 · 2SiO 2 ) It may be any one of.
반구형상의 세라믹(36)으로 코팅된 표면적과 미코팅된 표면적의 비율은 3:7 ~ 7:3 범위일 수 있다. The ratio of the surface area coated with the hemispherical ceramic 36 to the uncoated surface area may range from 3: 7 to 7: 3.
이는, 코팅된 표면적과 미코팅된 표면적의 비율이 3:7 미만이면 반구형상의 세라믹이 너무 적게 코팅되어 목적하는 나트륨황화물 부착 방지 효과가 떨어지고, 7:3을 초과하면 지나치게 많이 코팅되어 나트륨이온이 양극측으로 이동하는 것을 막아 전지 성능이 떨어지기 때문이다.This means that when the ratio of the coated surface area and the uncoated surface area is less than 3: 7, the hemispherical ceramic is coated with too little to reduce the desired sodium sulfide adhesion preventing effect, and when the ratio exceeds 7: 3, the sodium ion is positively coated. This is because battery performance is reduced by preventing movement to the side.
반구형상의 세라믹(36)은 튜브(32) 외면 전체에 걸쳐서 가능하면 균등하게 분포하는 것이 바람직하다. The hemispherical ceramic 36 is preferably distributed as evenly as possible over the entire outer surface of the
반구형상의 세라믹(36)이 튜브(32) 외면 전체에 걸쳐서 균등하게 분포되지 못하고 일정 영역에 밀집되어 있으면 다른 영역은 미코팅층으로 남아있게 된다. 그러면 미코팅된 영역으로 전류가 집중적으로 흘러서 과부하가 걸리고 이로 인해 튜브(32)가 파괴될 수 있다. 이러한 이유로 반구형상의 세라믹(36)은 튜브(32) 외면 전체에 걸쳐서 균등하게 분포하는 것이 바람직하다. If the hemispherical ceramic 36 is not evenly distributed over the entire outer surface of the
본 발명의 실시예에 의한 NaS 전지에 있어서 전해질 제조를 위해서는 먼저 튜브(32)를 제작한다. In the NaS battery according to the embodiment of the present invention, in order to prepare an electrolyte, a
튜브(32)는 베타알루미나 분말 합성, 튜브 형상으로의 성형 및 소결하는 통상의 세라믹스 제조공정으로 제작할 수 있다.The
또는 알파알루미나 모재(32a) 및 베타알루미나층(32b)의 2층 적층구조로 튜브(32)를 제조할 수도 있다. 이 경우, 알파알루미나 분말 합성, 튜브 형상으로의 성형 및 소결하는 통상의 세라믹스 제조공정으로 알파알루미나 모재(32a)를 제작한 후, 그 외면에 베타알루미나층(32b)을 얇게 코팅한다. Alternatively, the
2층 적층구조로 할 경우, 베타알루미나층(32b)은 침지(dipping)법, 습식분무 후 건조, 졸-겔(sol-gel)법, 용사코팅, 화학기상증착(CVD), 물리기상증착(PVD)을 포함하는 통상의 세라믹스 코팅법을 사용하여 코팅할 수 있다.In the case of the two-layer laminated structure, the
예를 들어 침지법의 경우, 베타알루미나 분말이 분산된 슬러리에 알파알루미나 모재(32a)를 일정시간 침지한 후 건조하여 베타알루미나층(32b)을 코팅한다.For example, in the immersion method, the alpha
튜브(32)의 소결은 반구형상의 세라믹(36)을 코팅한 후에 수행할 수도 있다.Sintering of the
다음, 튜브(32)의 외면에 반구형상의 세라믹(36)을 코팅한다. Next, the hemispherical ceramic 36 is coated on the outer surface of the
반구형상의 세라믹(36)을 코팅할 때에는, 습식분무 후 건조, 졸-겔(sol-gel)법, 용사코팅, 화학기상증착(CVD), 물리기상증착(PVD)을 포함하는 통상의 세라믹스 코팅법을 사용할 수 있다. When coating the hemispherical ceramic 36, conventional ceramic coating methods including wet spraying, drying, sol-gel method, thermal spray coating, chemical vapor deposition (CVD) and physical vapor deposition (PVD) Can be used.
이 때 코팅 시간이 길어지면 막을 형성해버리기 때문에 그 전에 물방울이 맺힌 것과 같은 형상으로 직경이 0.3~100㎛인 반구형상의 세라믹(36)이 코팅되면 코팅을 종료하도록 한다.At this time, since the film is formed when the coating time is long, the hemispherical ceramic 36 having a diameter of 0.3 to 100 μm is coated in the same shape as that of water droplets before the coating is finished.
코팅할 때에는 반구형상의 세라믹(36)으로 코팅된 표면적과 미코팅된 표면적의 비율이 3:7 ~ 7:3 범위가 되도록, 그리고 튜브(32) 외면에 균등하게 분포되도록 코팅하는 것이 바람직하다.When coating, it is preferable to coat so that the ratio of the surface area coated with the hemispherical ceramic 36 and the uncoated surface area is in the range of 3: 7 to 7: 3, and evenly distributed on the outer surface of the
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 본 발명은 하기 실시예로 한정되지 않는다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, the following examples are intended to illustrate the present invention is not limited to the following examples.
<실시예><Examples>
알파알루미나 분말을 합성하고 튜브 형상으로 성형한 다음, 소결하여 알파알루미나 모재를 제작하였다. 이 때 알파알루미나 모재는 기공율 50%로 제작하고, 두께는 1.5mm로 하였다.The alpha alumina powder was synthesized, molded into a tube shape, and then sintered to prepare an alpha alumina base material. At this time, the alpha alumina base material was produced with a porosity of 50%, and the thickness was 1.5mm.
알파알루미나 모재 외면에 베타알루미나층을 졸-겔법으로 15㎛ 두께로 코팅하였다.A beta alumina layer was coated on the outer surface of the alpha alumina base material to a thickness of 15 μm by the sol-gel method.
베타알루미나층의 비저항은 350℃에서 0.2Ω·㎝ 를 나타내었다. 이것은 기존의 0.5 Ω·㎝ 에 비해 현저히 낮은 값임을 확인할 수 있었다.The specific resistance of the beta alumina layer was 0.2 Ω · cm at 350 ° C. This was confirmed to be a significantly lower value than the conventional 0.5 Ω · cm.
다음, 베타알루미나층 상에 용사코팅법으로 Al2O3를 코팅하였다. 이 때 코팅된 Al2O3는 직경 0.8㎛의 반구형상이었고, 반구형상의 Al2O3로 코팅된 표면적과 미코팅된 표면적의 비율은 5:5 이었으며, 반구형상의 Al2O3는 폭과 높이의 크기에 있어서 ±25% 범위로 균일하였다.Next, Al 2 O 3 was coated on the beta alumina layer by thermal spraying. At this time, the coated Al 2 O 3 had a hemispherical shape with a diameter of 0.8 μm, and the ratio of the hemispherical Al 2 O 3 coated surface area and the uncoated surface area was 5: 5, and the hemispherical Al 2 O 3 width and height It was uniform in the range of ± 25% in the size of.
이렇게 제조된 전해질을 사용하여 나트륨 및 황의 누출(leak)이 없음을 확인하였다.Using the electrolyte thus prepared it was confirmed that there is no leakage of sodium and sulfur.
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.
100: 단전지 10: 나트륨극
20: 금속관 30: 전해질
32: 튜브 36: 반구형상의 세라믹
32a: 알파알루미나 모재 32b: 베타알루미나층
40: 유황극 50: 전조100: cell 10: sodium electrode
20: metal tube 30: electrolyte
32: tube 36: hemispherical ceramic
32a: alpha
40: sulfur pole 50: precursor
Claims (19)
상기 전해질은,
튜브; 및
상기 튜브 외면에 코팅된 반구형상의 세라믹
을 포함하는 나트륨유황(NaS) 전지.In a sodium sulfur (NaS) battery comprising an electrolyte, a sodium electrode and a sulfur electrode,
The electrolyte,
tube; And
Hemispherical ceramic coated on the outer surface of the tube
Sodium sulfur (NaS) battery comprising a.
상기 튜브는 베타알루미나로 이루어지고, 두께가 1~2.5mm인 나트륨유황(NaS) 전지.The method of claim 1,
The tube is made of beta alumina, the thickness of 1 ~ 2.5mm sodium sulfur (NaS) battery.
상기 전해질은,
알파알루미나 튜브;
상기 튜브 외면에 코팅된 베타알루미나층; 및
상기 베타알루미나층 상에 코팅된 반구형상의 세라믹
을 포함하는 나트륨유황(NaS) 전지.In a sodium sulfur (NaS) battery comprising an electrolyte, a sodium electrode and a sulfur electrode,
The electrolyte,
Alpha alumina tubes;
A beta alumina layer coated on the outer surface of the tube; And
Hemispherical ceramic coated on the beta alumina layer
Sodium sulfur (NaS) battery comprising a.
상기 반구형상의 세라믹은 직경이 0.3~100㎛인 나트륨유황(NaS) 전지.The method according to claim 1 or 3,
The hemispherical ceramic is sodium sulfur (NaS) battery having a diameter of 0.3 ~ 100㎛.
상기 반구형상의 세라믹은 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 알루미나-실리카(Al2O3-SiO2), 지르코니아(ZrO2), 및 뮬라이트(mullite: 3Al2O3·2SiO2) 중의 어느 하나인 나트륨유황(NaS) 전지.The method according to claim 1 or 3,
The hemispherical ceramic is alumina (Al 2 O 3 ), silica (SiO 2 ), alumina-silica (Al 2 O 3 -SiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), and mullite (mullite: 3Al 2 O 3 .2SiO 2) Sodium sulfur (NaS) battery of any one of).
상기 반구형상의 세라믹으로 코팅된 표면적과 미코팅된 표면적의 비율이 3:7 ~ 7:3 범위인 나트륨유황(NaS) 전지.The method according to claim 1 or 3,
Sodium sulfur (NaS) battery wherein the ratio of the surface area coated with the hemispherical ceramic and the uncoated surface area is in the range of 3: 7 ~ 7: 3.
상기 반구형상의 세라믹은 폭과 높이의 크기에 있어서 ±25%의 균일도를 가지면서 코팅된 나트륨유황(NaS) 전지.The method according to claim 1 or 3,
The hemispherical ceramic is coated with a sodium sulfur (NaS) battery having a uniformity of ± 25% in width and height.
상기 알파알루미나 튜브는 35~70% 기공율을 가지는 다공성 재질인 나트륨유황(NaS) 전지.The method of claim 3,
The alpha alumina tube is a sodium sulfur (NaS) battery is a porous material having a 35 to 70% porosity.
상기 알파알루미나 튜브의 두께는 1~2.5mm이고 상기 베타알루미나층의 두께는 5~500㎛인 나트륨유황(NaS) 전지. The method of claim 3,
The thickness of the alpha alumina tube is 1 ~ 2.5mm and the thickness of the beta alumina layer is 5 ~ 500㎛ sodium sulfur (NaS) battery.
상기 전해질의 제조는,
튜브를 제작하는 단계; 및
상기 튜브 외면에 반구형상의 세라믹을 코팅하는 단계
를 포함하는 나트륨유황(NaS) 전지 제조방법.In the manufacture of a sodium sulfur (NaS) battery comprising an electrolyte, a sodium electrode and a sulfur electrode,
Preparation of the electrolyte,
Manufacturing a tube; And
Coating a hemispherical ceramic on the outer surface of the tube
Sodium sulfur (NaS) battery manufacturing method comprising a.
상기 튜브를 제작하는 단계는,
베타알루미나 분말 합성, 성형 및 소결의 과정을 포함하는 나트륨유황(NaS) 전지 제조방법.The method of claim 10,
Producing the tube,
Sodium sulfur (NaS) battery manufacturing method comprising the process of beta alumina powder synthesis, molding and sintering.
상기 튜브를 제작하는 단계는, 베타알루미나 분말을 합성하고, 합성한 분말을 성형하는 과정을 포함하고,
상기 튜브 외면에 반구형상의 세라믹을 코팅하는 단계 이후에 소결하는 단계를 더 포함하는 나트륨유황(NaS) 전지 제조방법.The method of claim 10,
The manufacturing of the tube includes synthesizing beta alumina powder and molding the synthesized powder,
Sodium sulfur (NaS) battery manufacturing method further comprising the step of sintering after coating the hemispherical ceramic on the outer surface of the tube.
상기 튜브를 제작하는 단계는,
알파알루미나 분말 합성, 성형 및 소결하는 과정, 및 상기 소결된 알파알루미나의 외면에 베타알루미나층을 코팅하는 과정을 포함하는 나트륨유황(NaS) 전지 제조방법.The method of claim 10,
Producing the tube,
Synthesis, molding and sintering of alpha alumina powder, and coating a beta alumina layer on the outer surface of the sintered alpha alumina.
상기 튜브를 제작하는 단계는, 합성한 알파알루미나 분말을 성형하고, 상기 성형된 알파알루미나의 외면에 베타알루미나층을 코팅하는 과정을 포함하고,
상기 튜브 외면에 상기 반구형상의 세라믹을 코팅하는 단계 이후에 소결하는 단계를 더 포함하는 나트륨유황(NaS) 전지 제조방법.The method of claim 10,
The manufacturing of the tube may include forming a synthesized alpha alumina powder and coating a beta alumina layer on an outer surface of the formed alpha alumina,
Sodium sulfur (NaS) battery manufacturing method further comprising the step of sintering after coating the hemispherical ceramic on the outer surface of the tube.
상기 반구형상의 세라믹은 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 알루미나-실리카(Al2O3-SiO2), 지르코니아(ZrO2), 및 뮬라이트(mullite: 3Al2O3·2SiO2) 중의 어느 하나를 직경이 0.3~100㎛가 되도록 코팅하는 나트륨유황(NaS) 전지 제조방법.The method according to any one of claims 10 to 14,
The hemispherical ceramic is alumina (Al 2 O 3 ), silica (SiO 2 ), alumina-silica (Al 2 O 3 -SiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), and mullite (mullite: 3Al 2 O 3 .2SiO 2) Sodium sulfur (NaS) battery manufacturing method for coating any one of)) so that the diameter is 0.3 ~ 100㎛.
상기 반구형상의 세라믹은 습식분무 후 건조, 용사코팅, 화학기상증착(CVD), 및 물리기상증착(PVD) 중의 어느 하나로 코팅하는 나트륨유황(NaS) 전지 제조방법.The method according to any one of claims 10 to 14,
The hemispherical ceramic is coated with any one of dry, spray coating, chemical vapor deposition (CVD), and physical vapor deposition (PVD) after wet spraying.
상기 반구형상의 세라믹은 상기 세라믹으로 코팅된 표면적과 미코팅된 표면적의 비율이 3:7 ~ 7:3 범위가 되도록 코팅하는 나트륨유황(NaS) 전지 제조방법.The method according to any one of claims 10 to 14,
The hemispherical ceramic is a sodium sulfur (NaS) battery manufacturing method of coating so that the ratio of the surface area and the uncoated surface area coated with the ceramic is in the range of 3: 7 ~ 7: 3.
상기 반구형상의 세라믹은 폭과 높이의 크기에 있어서 ±25%의 균일도를 가지도록 코팅하는 나트륨유황(NaS) 전지 제조방법.The method according to any one of claims 10 to 14,
The hemispherical ceramic is a sodium sulfur (NaS) battery manufacturing method for coating to have a uniformity of ± 25% in the size of the width and height.
상기 베타알루미나층은 침지(dipping)법, 습식분무 후 건조, 졸-겔(sol-gel)법, 용사코팅, 화학기상증착(CVD), 및 물리기상증착(PVD) 중의 어느 하나를 이용하여 5~500㎛ 두께로 코팅하는 나트륨유황(NaS) 전지 제조방법.The method according to claim 13 or 14,
The beta alumina layer may be dried using any one of dipping, wet spraying, sol-gel, spray coating, chemical vapor deposition (CVD), and physical vapor deposition (PVD). Sodium sulfur (NaS) battery manufacturing method of coating to a thickness of ~ 500㎛.
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