KR101255242B1 - 전기화학전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기화학전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제1 챔버, 제1 챔버를 사이에 두고 서로 반대편에 배치되는 제2 챔버 및 제3 챔버를 구비하는 하우징과, 제1 챔버와 제2 챔버를 공간적으로 분리하는 제1 세퍼레이터, 및 제1 챔버와 제3 챔버를 공간적으로 분리하는 제3세퍼레이터를 포함하는 전기화학전지를 제공한다.
Description
본 발명은 전기화학전지에 관한 것이다.
주택용 발전, 태양광 발전, 풍력 발전 등을 통해 생산된 전력의 저장 및 전기 자동차에 전력을 공급하기 위한 장치로서 나트륨을 기반으로 하는 전기화학전지에 대한 연구 개발 지속되고 있다.
나트륨을 기반으로 하는 전기화학전지는 수 kW에서 수 MW에 이르는 전력을에너지 저장할 수 있는 대용량 전지로서 고에너지 밀도를 구비할 수 있으며, 수명이 길어 다양한 분야에 활용될 수 있다.
본 발명의 일실시예는, 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터로 이루어진 이중의 세퍼레이터를 구비한 전기화학전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 챔버, 상기 제1 챔버를 사이에 두고 서로 반대편에 배치되는 제2 챔버 및 제3 챔버를 구비하는 하우징; 상기 제1 챔버와 상기 제2 챔버를 공간적으로 분리하는 제1 세퍼레이터; 및 상기 제1 챔버와 상기 제3 챔버를 공간적으로 분리하는 제3세퍼레이터;를 포함하는 전기화학전지를 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 제2 챔버와 상기 제3 챔버는 동일한 극성을 띄고, 상기 제1 챔버는 상기 제2 챔버 및 상기 제3 챔버와 다른 극성을 띌 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제2 챔버와 상기 제3 챔버는 양극 챔버이고, 상기 제1 챔버는 음극 챔버일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 챔버의 내부에 구비되는 음극 집전체를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제2 챔버와 상기 제3 챔버는 음극 챔버이고, 상기 제1 챔버는 양극 챔버일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제2 챔버 및 상기 제3 챔버 중 적어도 어느 하나의 내부에 구비되는 음극 집전체를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제2세퍼세이터는 상기 제1 세퍼레이터의 내부에 배치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제2 챔버는 상기 제1 세퍼레이터의 외측에 구비되고, 상기 제1 챔버는 상기 제1 세퍼레이터와 상기 제2 세퍼레이터의 사이에 구비되며, 상기 제3 챔버는 상기 제2 세퍼레이터의 내측에 구비될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 세퍼레이터와 상기 제2 세퍼레이터는 내부가 중공인 관의 형상일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 세퍼레이터와 상기 제2 세퍼레이터는 횡단면이 원형, 타원형 또는 다각형일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제2 세퍼레이터는 복수개로, 상기 복수의 제2 세퍼레이터들은 상기 제1 세퍼레이터의 내부에 상호 이격되어 배치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 제1 챔버, 상기 제1 챔버를 사이에 두고 서로 반대편에 배치되는 제2 챔버 및 제3 챔버를 구비하는 하우징; 상기 제1 챔버와 상기 제2 챔버를 공간적으로 분리하며, 상기 제1 챔버를 향해 노출된 제1 면 및 상기 제2 챔버를 향해 노출된 제2 면을 구비하는 제1 세퍼레이터; 및 상기 제1 챔버와 상기 제3 챔버를 공간적으로 분리하며, 상기 제1 챔버를 향해 노출된 제3 면 및 상기 제3 챔버를 향해 노출된 제4 면을 구비하는 제2 세퍼레이터;를 포함하며, 상기 제1 챔버는 상기 제2 챔버 및 상기 제3 챔버와 다른 극성을 갖는 전기화학전지를 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 제1 챔버는 음극 챔버이고, 상기 제2 챔버와 상기 제3 챔버는 양극 챔버일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 챔버의 내부에 구비되는 음극 집전체를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 음극 집전체는, 상기 제1 세퍼레이터의 제1 면 및 상기 제2 세퍼레이터의 제3 면과 인접하게 배치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 챔버는 양극 챔버이고, 상기 제2 챔버와 상기 제3 챔버는 음극 챔버일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제2 챔버 및 상기 제3 챔버 중 적어도 하나인 챔버의 내부에 구비되는 음극 집전체를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 세퍼레이터의 제2 면 및 상기 제2 세퍼레이터의 제4 면 중 적어도 어느 하나의 면과 인접하게 배치되는 음극 집전체를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제2 세퍼레이터는 상기 제1 세퍼레이터의 내부에 배치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제2 챔버는 상기 제1 세퍼레이터의 외측에 구비되고, 상기 제1 챔버는 상기 제1 세퍼레이터와 상기 제2 세퍼레이터의 사이에 구비되며, 상기 제3 챔버는 상기 제2 세퍼레이터의 내측에 구비될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 세퍼레이터와 상기 제2 세퍼레이터는 내부가 중공인 관의 형상일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 세퍼레이터와 상기 제2 세퍼레이터는 횡단면이 원형, 타원형 또는 다각형일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제2 세퍼레이터는 복수개로, 상기 복수의 제2 세퍼레이터들은 상기 제1 세퍼레이터의 내부에 상호 이격되어 배치될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 일실시예에 따르면, 나트륨과 같은 제1족 금속을 기반으로 한 전기화학전지에 있어서 이중의 세퍼레이터를 포함함으로써 에너지 밀도 및 출력 밀도를 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 튜브형 전기화학전지를 개략적으로 나타낸 종단면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 취한 단면으로서, 전기화학전지의 횡단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기화학전지를 개략적으로 나타낸 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예예 따른 튜브형 전기화학전지를 개략적으로 나타낸 종단면도이다.
도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ선을 따라 취한 단면으로서, 전기화학전지의 횡단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기화학전지를 개략적으로 나타낸 횡단면도이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기화학전지의 횡단면으로서, 하우징, 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터를 발췌하여 나타낸 횡단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 평판형의 전기화학전지를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 9는 전기화학전지의 충방전 횟수에 따른 에너지 저장 용량을 나타낸 그래프이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 취한 단면으로서, 전기화학전지의 횡단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기화학전지를 개략적으로 나타낸 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예예 따른 튜브형 전기화학전지를 개략적으로 나타낸 종단면도이다.
도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ선을 따라 취한 단면으로서, 전기화학전지의 횡단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기화학전지를 개략적으로 나타낸 횡단면도이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기화학전지의 횡단면으로서, 하우징, 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터를 발췌하여 나타낸 횡단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 평판형의 전기화학전지를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 9는 전기화학전지의 충방전 횟수에 따른 에너지 저장 용량을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 튜브형 전기화학전지의 종단면도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 취한 단면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전기화학전지(10)는 하우징(110), 하우징(110)의 내부에 구비된 제1 세퍼레이터(120) 및 제2 세퍼레이터(130)를 포함한다. 제1 세퍼레이터(120)는 하우징(110)의 내부 공간을 제1 챔버(C1)와 제2 챔버(C2)로 구획하고, 제2 세퍼레이터(130)는 하우징(110)의 내부 공간을 제1 챔버(C1)와 제3 챔버(C3)로 구획한다.
하우징(110)은 종방향으로 긴 대략 육면체의 형상일 수 있다. 하우징(110)은 종방향으로 연장된 측벽과 측벽에 대하여 수직으로 절곡된 하부벽 및 상부벽을 포함할 수 있다. 하우징(110)의 크기와 길이는 다양하게 형성될 수 있다. 하우징(110)은 스테인리스스틸(SUS)와 같은 금속성 소재를 포함할 수 있다.
제1 세퍼레이터(120)는 하우징(110)의 내부에 구비되어, 제1 챔버(C1)와 제2 챔버(C2)를 공간적으로 분리한다. 제1 세퍼레이터(120)의 내측면(121)은 제1 챔버(C1)를 향해 노출되고, 제1 세퍼레이터(120)의 외측면(122)은 제2 챔버(C2)를 향해 노출된다. 제1 세퍼레이터(120)는 종 방향으로 긴 관(tube)의 형상으로 상부가 개방되어 있으며, 하부면은 하우징(110)의 아래쪽 내측면에 대하여 소정의 간격 이격되어 배치된다.
제2 세퍼레이터(130)는 제1 세퍼레이터(120)의 내부에 구비되어, 제1 챔버(C1)와 제3 챔버(C3)를 공간적으로 분리한다. 제2 세퍼레이터(130)의 내측면(131)은 제3 챔버(C3)를 향해 노출되고, 제2 세퍼레이터(130)의 외측면(132)은 제1 챔버(C1)를 향해 노출된다. 제2 세퍼레이터(130)는 종방향으로 긴 관(tube)의 형상으로 상부가 개방되어 있으며, 하부면은 제1 세퍼레이터(120)의 아래쪽 내측면(121)에 대하여 소정의 간격 이격되어 배치된다. 개방된 제1 세퍼레이터(120)의 상부와 제2 세퍼레이터(130)의 상부는 절연체(140)와 결합될 수 있다.
제1 세퍼레이터(120)와 제2 세퍼레이터(130)는 단면이 원형인 관의 형상으로, 제2 세퍼레이터(130)의 외경은 제1 세퍼레이터(120)의 내경보다 작게 형성된다. 따라서, 제1 세퍼레이터(120)와 제2 세퍼레이터(130)는 하우징(110)에서부터 중심축으로 동심원의 형태를 이룰 수 있다(도 2 참조).
제1 세퍼레이터(120)와 제2 세퍼레이터(130)는 제1족 금속 이온 전도성을 갖는다. 예를 들어, 제1,2 세퍼레이터(120, 130)는 나트륨 이온 전도성이 우수한 β-알루미나, β"-알루미나 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 또는, 제올라이트, 장석 또는 나트륨-이온 전도 유리를 포함할 수 있다.
절연체(140)는 제1,2 세퍼레이터들(120, 130)의 상부 개방 영역을 밀봉시키고, 제1 챔버(C1), 제2 챔버(C2) 및 제3 챔버(C3)를 전기적으로 상호 절연시킨다. 제1,2 세퍼레이터들(120, 130)은 글라스 프릿과 같은 접착 물질을 통해 절연체(140)와 결합될 수 있다. 예를 들어, 절연체(140)는 α-알루미나가 사용될 수 있다.
제1 챔버(C1)는 제2 챔버(C2) 및 제3 챔버(C3)와 서로 다른 극성을 갖는 챔버로서 양극 챔버일 수 있고, 제2 챔버(C2)와 제3 챔버(C3)는 동일한 극성을 갖는 챔버로서 음극 챔버일 수 있다.
음극 챔버로서 제2 챔버(C2)와 제3 챔버(C3)는 음극(anode) 물질을 포함한다. 음극 물질로는 나트륨과 같은 제1족 금속이 사용될 수 있다. 예컨대, 나트륨은 용융된 상태로서 액상으로 존재한다. 음극 물질은 나트륨 이외에도 제1족 금속에 속하는, 리튬, 칼륨, 또는 이들 금속과 나트륨을 혼합한 혼합물이 사용될 수 있다.
제1 음극 집전체(151)는 니켈 또는 SUS와 같은 도전성 물질을 포함하여 전기화학전지(10)의 충전 및 방전 반응시에 전자의 이동 경로를 제공한다. 이 때, 하우징(110)도 음극 집전체로서의 기능을 수행할 수 있다.
한편, 제1 음극 집전체(151)는 제2 챔버(C2) 내에서 제1 세퍼레이터(120)의 외측면(122)과 인접하게 배치될 수 있다. 이 경우, 모세관 현상을 유도하도록 제1 음극 집전체(151)와 제1 세퍼레이터(120)의 외측면(122) 사이에 좁은 틈을 형성한다. 따라서, 제2 챔버(C2)가 음극 물질인 나트륨으로 가득 채워지지 않더라도, 제1 세퍼레이터(120)의 외측면(122)과 제1 음극 집전체(151) 사이에 나트륨이 구비될 수 있다.
제2 음극 집전체(161)도 제1 음극 집전체(151)와 마찬가지로 니켈 또는 SUS와 같은 도전성 물질을 포함하여, 전기화학전지(10)의 충전 및 방전 반응시에 전자의 이동 경로를 제공한다.
한편, 제2 음극 집전체(161)는 제3 챔버(C3) 내에서 제2 세퍼레이터(130)의 내측면(131)과 인접하게 배치될 수 있다. 이 경우에도, 모세관 현상을 유도하도록 제2 음극 집전체(161)와 제2 세퍼레이터(130)의 내측면(131) 사이에 좁은 틈을 형성할 수 있다. 따라서, 제3 챔버(C3)가 음극 물질인 나트륨으로 가득 채워지지 않더라도, 제2 세퍼레이터(130)의 내측면(131)과 제2 음극 집전체(161) 사이에 나트륨이 구비되어 충전 및 방전 반응에 참여할 수 있다.
도 2를 참조하면, 제1 음극 집전체(151)는 복수개로, 제1 세퍼레이터(120)의 외측면(122)과 인접하게 배치될 수 있다. 제2 음극 집전체(161)는 일체형으로, 제2 세퍼레이터(130)의 내측면(131)과 인접하게 배치될 수 있다.
본 실시예에서는 제1 세퍼레이터(120)의 외측면(122)에 복수개의 제1 음극 집전체(151)가 배치되고, 제2 세퍼레이터(130)의 내측면(131)에 하나의 제2 음극 집전체(161)가 배치되는 경우를 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정하는 것은 아니다. 예컨대, 하나의 제1 음극 집전체(151)가 제1 세퍼레이터(120)의 외측면(122)에 배치되고, 복수개의 제2 음극 집전체(161)가 제2 세퍼레이터(130)의 내측면(131)에 배치될 수 있음은 물론이다.
본 실시예에서는 제1,2 음극 집전체(151, 161)가 전자의 이동 경로를 제공함과 동시에 모세관 현상을 유도하는 경우를 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 제1,2 음극 집전체(151, 161)는 전자의 이동 경로를 제공하는 음극 집전체로서의 기능만 수행하고, 모세관 현상은 별도의 부재(미도시)를 더 구비함으로써 유도할 수 있다.
양극 챔버로서 제1 챔버(C1)는 양극(cathode) 물질을 포함한다. 양극 물질은 전기 전도성 및 다공성을 구비할 수 있다. 양극 물질은 니켈, 코발트, 아연, 크롬, 철 등을 포함하는 전이 금속으로 형성될 수 있다. 충전 상태에서 양극 물질은 TCl2를 형성한다. 여기서 Cl은 액체 전해질의 염화기(chloride of the electrolyte)이고, T는 전이 금속을 나타낸다.
제1 챔버(C1)는 액체 전해질을 포함할 수 있다. 액체 전해질은 전기 전도성 및 다공성을 구비하는 양극 물질에 함침된 상태로 존재할 수 있다. 예컨대, 액체 전해질은 사염화알루민산 나트륨(NaAlCl4)을 사용할 수 있다. NaAlCl4는 실질적으로 같은 몰(equimolar)의 염화나트륨(NaCl)과 염화알루미늄(AlCl3)의 혼합물로 구성될 수 있다. 액체 전해질은 전지의 동작 온도에서 용융된 상태로 존재한다.
양극 집전체(470)는 제1 챔버(C1) 내에서 종 방향을 따라 연장될 수 있다. 양극 집전체(470)는 니켈과 같은 금속성 소재를 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 양극 집전체(470)가 막대형(pole)인 경우를 도시하였으나, 원통형, 격자형 등 다양한 형상으로 제작될 수 있음은 물론이다. 또한, 본 실시예에서는 양극 집전체(470)가 2개 구비된 경우를 도시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학전지(10)는 충전 및 방전이 가능한 전지로서, 충방전 반응식은 다음과 같다. 본 반응식에서는 양극 물질이 니켈(Ni)이고, 음극 물질이 나트륨(Na)인 경우를 가정한다.
방전시, 음극 챔버인 제2 챔버(C2)에서는 나트륨 이온과 전자가 생성되고, 나트륨 이온은 제1 세퍼레이터(120)를 통해 양극 챔버인 제1 챔버(C1)로 이동한다. 이동한 나트륨 이온은 제1 챔버(C1)에서 양극 물질 및 전자와 반응한다. 마찬가지로, 음극 챔버인 제3 챔버(C3)에서도 나트륨 이온과 전자가 생성되고, 생성된 나트륨 이온은 제2 세퍼레이터(130)를 통해 제3 챔버(C3)에서부터 제1 챔버(C1)로 이동한 후, 제1 챔버(C1)에서 양극 물질 및 전자와 반응한다.
충전시의 반응은 방전시의 반응과 역반응을 이룬다. 충전시, 양극 챔버인 제1 챔버(C1)에서 나트륨 이온이 생성된다. 생성된 나트륨 이온들 중 일부는 제1 세퍼레이터(120)를 통해 제2 챔버(C2)로 이동하고, 나머지는 제2 세퍼레이터(130)를 통해 제3 챔버(C3)로 이동한다. 이동한 나트륨 이온들은 제2 챔버(C2)와 제3 챔버(C3)에서 전자와 반응한다.
본 발명의 실시예에 따른 전기화학전지(10)는, 1개의 세퍼레이터만 구비하는 전기화학전지에 비하여 세퍼레이터(120, 130)의 전체 면적이 크게 증가된다. 즉, 나트륨과 제1,2세퍼레이터(120, 130)가 직접 접촉할 수 있는 면적이 증가되므로 출력 밀도가 높아진다. 또한, 충전 및 방전시 생성된 나트륨 이온이 드나들 수 있는 경로가 증가되므로 나트륨 이온이 충전 및 방전 반응에 더욱 활발하게 참여하여, 전기화학전지(10)의 에너지 밀도도 높아진다.
또한, 제1 세퍼레이터(120)와 제2 세퍼레이터(130)의 이중 세퍼레이터 구조에 의해, 충전 및 방전 반응은 제1 챔버(C1)와 제2 챔버(C2) 사이, 및 제1 챔버(C1)와 제3 챔버(C3) 사이에서 동시에 이루어진다. 그러므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학전지(10)의 에너지 밀도 및 출력 밀도는, 1개의 세퍼레이터만 구비하는 전기화학전지에 비하여 크게 증가된다. 예컨대, 본 실시예에 따른 전기화학전지(10)의 에너지 밀도는 약 130Wh/kg 이상이고, 출력 밀도는 약 150W/kg ~ 200W/kg 이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기화학전지(10)를 개략적으로 나타낸 횡단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전기화학전지(10)는 제1 세퍼레이터(120)의 내부에 구비되는 제2 세퍼레이터(130)가 복수 개라는 점에서 앞서 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 전기화학전지(10)와 차이를 보인다. 제2 세퍼레이터(130)가 복수 개 구비된 본 실시예는, 도 2를 참조하여 설명한 실시예에 비하여 충전 및 방전 반응이 일어날 수 있는 양극 챔버와 음극 챔버의 수가 더 증가되었다. 따라서, 에너지 밀도 및 출력 밀도가 더욱 향상될 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 튜브형 전기화학전지의 종단면도이고, 도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ선을 따라 취한 단면으로서 전기화학전지의 횡단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 전기화학전지(10)도 하우징(410), 하우징(410)의 내부에 구비되는 제1 세퍼레이터(420), 제1 세퍼레이터(420)의 내부에 구비되는 제2 세퍼레이터(430)를 포함하며, 제1 세퍼레이터(420)에 의하여 제1 챔버(C1)와 제2 챔버(C2)가 공간적으로 분리되고, 제2 세퍼레이터(430)에 의하여 제1 챔버(C1)와 제3 챔버(C3)가 공간적으로 분리됨은 앞서 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 전기화학전지(10)와 마찬가지이다.
다만, 본 발명에 따른 전기화학전지(10)는 제1 챔버(C1)가 음극 챔버이고, 제2 챔버(C2)와 제3 챔버(C3)가 양극 챔버라는 점에서 도 1 및 도 2를 참고하여 설명한 전기화학전지(10)와 차이를 보인다.
제1 챔버(C1)는 음극 챔버로서 음극 물질을 포함한다. 음극 물질은 앞서 설명한 바와 같이 나트륨과 같은 제1족 금속을 포함할 수 있다.
제1 음극 집전체(451)와 제2 음극 집전체(461)가 제1 챔버(C1)의 내부에 포함된다. 제1 음극 집전체(451)와 제2 음극 집전체(461)는 도전성 물질을 포함하여 전기화학전지(10)의 충전 및 방전 반응시 전자의 이동 경로를 제공한다.
한편, 제1 음극 집전체(451)는 제1 세퍼레이터(420)의 내측면(421)과 인접하게 배치되며, 제2 음극 집전체(161)는 제2 세퍼레이터(430)의 외측면(432)과 인접하게 배치될 수 있다. 이 경우, 제1 음극 집전체(451)는 모세관 현상을 유도하기 위해 제1 음극 집전체(451)와 제1세퍼레이터(420)의 내측면(421) 사이에 좁은 틈이 형성되도록 배치된다. 따라서, 제1 챔버(C1)에 음극 물질인 나트륨이 가득 채워지지 않더라도, 나트륨은 충전 및 방전에 따른 반응에 효율적으로 참여할 수 있다. 제2 음극 집전체(461)도 모세관 현상을 유도하기 위해 제2 음극 집전체(461)와 제2 세퍼레이터(430)의 외측면(432)과 제2 음극 집전체(161) 사이에 좁은 틈이 형성되도록 배치될 수 있다.
본 실시예에서는 제1,2 음극 집전체(451, 461)가 전자의 이동 경로를 제공함과 동시에 모세관 현상을 유도하는 경우를 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 제1,2 음극 집전체(451, 461)는 전자의 이동 경로를 제공하는 음극 집전체로서의 기능만 수행하고, 모세관 현상은 별도의 부재(미도시)를 더 구비함으로써 유도할 수 있음은 물론이다.
본 실시예에서는 제1 세퍼레이터(420)의 내측면(421)에 복수개의 제1 음극 집전체(451)가 배치되고, 제2 세퍼레이터(430)의 외측면(432)에 복수개의 제2 음극 집전체(461)가 배치되는 경우를 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 하나의 제1 음극 집전체(451)가 제1 세퍼레이터(420)의 내측면(421)에 배치되고, 하나의 제2 음극 집전체(461)가 제2 세퍼레이터(430)의 외측면(431)에 배치될 수 있음은 물론이다.
제2 챔버(C2)와 제3 챔버(C3)는 양극 물질로서 양극 물질을 포함한다. 양극 물질은 앞서 설명한 바와 같이 전기 전도성 및 다공성을 구비할 수 있다. 예컨대, 양극 물질은 니켈, 코발트, 아연, 크롬, 철 등을 포함하는 전이 금속으로 형성될 수 있다.
또한, 제2 챔버(C2)와 제3 챔버(C3)는 사염화알루민산 나트륨(NaAlCl4)과 같은 액체 전해질을 포함할 수 있다. 액체 전해질은 다공성을 갖는 양극 물질에 함침된 상태로 존재할 수 있다.
양극 집전체(470)는 양극 챔버인 제3 챔버(C3) 내에서 종 방향을 따라 연장될 수 있다. 양극 집전체(470)는 니켈과 같은 금속성 소재를 포함할 수 있다. 또 다른 양극 챔버인 제2 챔버(C2)에 있어서, 하우징(410)은 양극 집전체(470)의 역할을 수행할 수 있다. 이 경우, 하우징(410)은 전기 전도성의 소재를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전기화학전지(10)는, 1개의 세퍼레이터만 구비하는 전기화학전지에 비하여 세퍼레이터(420, 430)의 전체 면적이 크게 증가된다. 즉, 나트륨과 제1,2 세퍼레이터(420, 430)가 직접 접촉할 수 있는 면적이 증가되므로 출력 밀도가 높아진다. 또한, 충전 및 방전시 생성된 나트륨 이온이 드나들 수 있는 경로가 증가되어 나트륨 이온은 충전 및 방전 반응에 활발하게 참여하여, 전기화학전지(10)의 에너지 밀도도 높아진다.
또한, 제1 세퍼레이터(420)와 제2 세퍼레이터(430)의 이중 세퍼레이터 구조로 인하여 충전 및 방전 반응은 제1 챔버(C1)와 제2 챔버(C2) 사이, 및 제1 챔버(C1)와 제3 챔버(C3) 사이에서 동시에 이루어진다. 그러므로, 전기화학전지(10)의 에너지 밀도 및 출력 밀도는, 1개의 세퍼레이터만 구비하는 전기화학전지에 비하여 크게 증가된다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기화학전지의 횡단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 전기화학전지(10)는 제1 세퍼레이터(420)의 내부에 구비되는 제2 세퍼레이터(430)가 복수 개라는 점에서 앞서 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한 전기화학전지(10)와 차이를 보인다. 제2 세퍼레이터(430)가 복수 개 구비된 본 실시예는, 도 5를 참조하여 설명한 실시예 보다 충전 및 방전 반응이 일어나는 양극 챔버와 음극 챔버의 개수가 증가되었다. 따라서, 에너지 밀도 및 출력 밀도가 더욱 향상될 수 있다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 실시예에 따른 전기화학전지의 횡단면으로서, 하우징(110, 410), 제1 세퍼레이터(120, 420)와 제2세퍼레이터(130, 430)를 발췌하여 도시한 것이다.
도 7a 내지 도 7d를 참고하면, 제1 세퍼레이터(120, 420)와 제2세퍼레이터(130, 430)는 횡단면이 삼각형, 사각형, 또는 육각형으로 제작될 수 있다. 이외에도, 제1 세퍼레이터(120, 420)와 제2세퍼레이터(130, 430)의 횡단면은 다양한 형태의 다각형으로 제작될 수 있음은 물론이다.
한편, 제1 세퍼레이터(120, 420)와 제2세퍼레이터(130, 430)의 형상은 닮은꼴이 아닐 수 있다. 예컨대, 제1 세퍼레이터(120, 420)는 원형이고 제2 세퍼레이터(130, 430)는 타원형으로 횡단면이 서로 다른 형상일 수 있다.
하우징(110, 410)도 그 횡단면이 사각형, 원형, 타원형 등 다양한 형상으로 제작될 수 있음은 물론이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 평판형인 전기화학전지의 단면도이다. 도 1 내지 7을 참고하여 설명한 전기화학전지(10)는 종 방향으로 긴 튜브형인데 반하여, 본 실시예에 따른 전기화학전지(10)는 평판형으로 그 형상에 차이가 있다.
도 8을 참고하면, 본 실시예에 따른 전기화학전지(10)는 하우징(810), 하우징(810)의 내부에 구비된 제1 세퍼레이터(820) 및 제2 세퍼레이터(830)를 포함한다. 제1 세퍼레이터(820)는 하우징(810)의 내부 공간을 제1 챔버(C1)와 제2 챔버(C2)로 구획하고, 제2 세퍼레이터(830)는 하우징(810)의 내부 공간을 제1 챔버(C1)와 제3 챔버(C3)로 구획한다.
하우징(810)은 대략 육면체의 형상일 수 있다. 하우징(810)은 스테인레스스틸(SUS)와 같은 금속성 소재로 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 하우징(810)이 일체형으로 도시되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 절연체(140)를 중심으로 좌측 하우징(미도시)과 우측 하우징(미도시)으로 분리되어 서로 마주보도록 배치될 수 있다.
제1 세퍼레이터(820)는 평판형이다. 제1 세퍼레이터(820)는 하우징(810)의 내부에 구비되어 제1 챔버(C1)와 제2 챔버(C2)를 공간적으로 분리한다. 제1 세퍼레이터(820)의 일측면(821)은 제1 챔버(C1)를 향해 노출되고, 제1 세퍼레이터(820)의 타측면(822)은 제2 챔버(C2)를 향해 노출된다.
제2 세퍼레이터(830)는 평판형으로 제1 세퍼레이터(820)와 소정의 간격 이격되어 배치된다. 제2 세퍼레이터(830)는 하우징(810)의 내부에 구비되어 제1 챔버(C1)와 제3 챔버(C3)를 공간적으로 분리한다. 제2 세퍼레이터(830)의 일측면(832)은 제1 챔버(C1)를 향해 노출되고, 제2 세퍼레이터(830)의 타측면(831)은 제3 챔버(C3)를 향해 노출된다.
제1 세퍼레이터(820)와 제2 세퍼레이터(830)는 제1족 금속 이온 전도성을 갖는다. 예를 들어, 제1,2 세퍼레이터(820, 830)는 나트륨 이온 전도성이 우수한 β-알루미나, β"-알루미나 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 또는, 제올라이트, 장석 또는 나트륨-이온 전도 유리도 사용될 수 있다.
제1 세퍼레이터(820)와 제2 세퍼레이터(830)의 양단은 절연체(840)와 결합될 수 있다. 예컨대 글라스 프릿과 같은 접착 물질을 통해 절연체(840)와 결합된다. 절연체(840)는 제1 세퍼레이터(820)와 제2 세퍼레이터(830)가 소정의 간격 이격되도록 제1,2 세퍼레이터(820, 830)를 고정하며, 제1 챔버(C1), 제2 챔버(C2)와 제3 챔버(C3)를 전기적으로 절연시킨다. 절연체(840)로는 α-알루미나가 사용될 수 있다.
제1 챔버(C1)는 제2 챔버(C2) 및 제3 챔버(C3)와 서로 다른 극성을 갖고, 제2 챔버(C2)와 제3 챔버(C3)는 동일한 극성을 갖는다.
음극 챔버로서 제2 챔버(C2)와 제3 챔버(C3)는 음극(anode) 물질을 포함한다. 음극 물질로는 나트륨과 같은 제1족 금속이 사용될 수 있다. 예컨대, 나트륨은 용융된 상태로서 액상으로 존재한다. 음극 물질은 나트륨 이외에도 제1족 금속에 속하는, 리튬, 칼륨, 또는 이들 금속과 나트륨을 혼합한 혼합물이 사용될 수 있다.
제1 음극 집전체(851)는 스테인리스스틸(SUS)과 같은 물질을 포함할 수 있다. 또한, 하우징(810)도 음극 집전체로서 기능할 수 있다.
한편, 제1 음극 집전체(851)는 제2 챔버(C2) 내에서 제1 세퍼레이터(820)의 타측면(822)과 인접하게 배치될 수 있다. 이 경우, 제1 음극 집전체(851)와 제1 세퍼레이터(820)의 타측면(822) 사이에 좁은 틈이 형성되어 모세관 현상을 유도할 수 있다. 따라서, 제2 챔버(C2)가 음극 물질인 나트륨으로 가득 채워지지 않더라도, 나트륨은 제1 세퍼레이터(820)와 제1 음극 집전체(851) 사이에 구비되어 충전 및 방전 반응에 참여할 수 있다.
제2 음극 집전체(861)도 스테인레스스틸(SUS)과 같은 물질을 포함할 수 있다. 또한, 하우징(810)도 음극 집전체로서 기능할 수 있다.
한편, 제2 음극 집전체(861)는 제3 챔버(C3) 내에서 제2 세퍼레이터(830)의 타측면(831)과 인접하게 배치될 수 있다. 이 경우, 제2 음극 집전체(861)와 제2 세퍼레이터(830)의 타측면(831) 사이에 좁은 틈이 형성되어 모세관 현상을 유도할 수 있다. 모세관 현상에 의해, 나트륨은 제2 세퍼레이터(830)와 제2 음극 집전체(861) 사이에 구비되어 충전 및 방전 반응에 참여할 수 있다.
양극 챔버로서 제1 챔버(C1)는 양극(cathode) 물질을 포함한다. 양극 물질은 전기 전도성 및 다공성을 구비할 수 있다. 양극 물질은 니켈, 코발트, 아연, 크롬, 철 등을 포함하는 전이 금속으로 형성될 수 있다. 예컨대, 충전 상태에서 양극 물질은 TCl2를 형성한다. 여기서 Cl은 액체 전해질의 염화기(chloride of the electrolyte)이고, T는 전이 금속을 나타낸다.
제1 챔버(C1)는 액체 전해질을 포함할 수 있다. 액체 전해질은 전기 전도성 및 다공성을 구비하는 양극 물질에 함침된 상태로 존재할 수 있다. 예컨대, 액체 전해질은 사염화알루민산 나트륨(NaAlCl4)을 사용할 수 있다. 액체 전해질은 전지의 동작 온도에서 용융된 상태로 존재한다.
양극 집전체(870)는 제1 챔버(C1) 내에 구비되어, 제1 챔버(C1) 내에서의 충전 및 방전 반응에 참여하는 전자의 이동을 원활하게 해준다.
본 실시예에 따른 전기화학전지(10)도 제1 세퍼레이터(820)와 제2 세퍼레이터(830)의 이중 세퍼레이터를 구비함으로써 세퍼레이터(820, 830)의 전체 면적이 증가되고, 충전 및 방전 반응이 제1 챔버(C1)와 제2 챔버(C2) 사이, 및 제1 챔버(C1)와 제3 챔버(C3)에서 동시에 이루어진다. 따라서, 나트륨과 제1,2세퍼레이터(820, 830)가 직접 접촉할 수 있는 면적이 증가되므로 출력 밀도가 높아진다. 또한, 전기화학전지(10)의 에너지 밀도도 높아진다.
전기화학전지(10)의 에너지 밀도 및 출력 밀도가, 동일한 크기이면서 1개의 세퍼레이터만 구비하는 전기화학전지 보다 크게 향상될 수 있다.
본 실시예에서는 제1 챔버(C1)가 양극 챔버이고 , 제2 챔버(C2)와 제3 챔버(C3)가 음극 챔버인 경우를 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 제1 챔버(C1)가 음극 챔버이고 제2 챔버(C2)와 제3 챔버(C3)가 양극 챔버일 수 있다. 이 경우, 제1 음극 집전체(851)와 제2 음극 집전체(861)는 제1 챔버(C1) 내에 구비된다. 예컨대, 제1 음극 집전체(851)는 제1 챔버(C1) 내에서 제1 세퍼레이터(820)와 인접하게 배치되고, 제2 음극 집전체(861)는 제1 챔버(C1) 내에서 제2 세퍼레이터(830)와 인접하게 배치될 수 있다. 한편, 하우징(810)이 양극 집전체로서의 역할을 수행할 수 있다.
도 9는 충방전 사이클에 대한 에너지 저장 용량(capacity)을 나타낸 그래프로서, 본 발명의 실시예에 따른 전기화학전지(10)와, 비교예에 따른 전기화학전지(10)를 나타낸다. 그래프에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 전기화학전지(10)는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 전기화학전지(10)의 경우이고, 비교예에 따른 전기화학전지는 실시예에 따른 전기화학전지(10)와 달리 1개의 세퍼레이터만 구비된 경우이다.
도 9를 참조하면, 충방전이 진행되는 동안 본 발명의 실시예에 따른 전기화학전지의 용량은 5Ah 이상인데 반하여, 비교예에 따른 전기화학전지의 용량은 단약 3.8Ah 정도이다. 본 발명의 실시예에 따른 전기화학전지는 비교예에 따른 전기화학전지에 비하여 에너지 저장 용량이 크게 향상됨을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 전기화학전지(10)는 양극 물질이 니켈과 같은 전이 금속이고, 사염화알루민산 나트륨과 같은 액체 전해질이 사용되는 경우로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않음은 물론이다. 예컨대, 양극 물질이 황을 포함하는 나트륨-황(NaS) 전지의 경우에도 동일하게 적용될 수 있음은 물론이다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
10: 전기화학전지 110, 410, 810: 하우징
111, 411, 811: 음극 물질 112, 412, 812: 양극 물질
115, 415, 815: 액체 전해질 120, 420, 820: 제1 세퍼레이터
130, 430, 830: 제2 세퍼레이터 140, 440, 840: 절연체
151, 451, 851: 제1 음극 집전체
161, 461, 861: 제2 음극 집전체
170, 470, 870: 양극 집전체 C1: 제1 챔버
C2: 제2 챔버 C3: 제3 챔버
111, 411, 811: 음극 물질 112, 412, 812: 양극 물질
115, 415, 815: 액체 전해질 120, 420, 820: 제1 세퍼레이터
130, 430, 830: 제2 세퍼레이터 140, 440, 840: 절연체
151, 451, 851: 제1 음극 집전체
161, 461, 861: 제2 음극 집전체
170, 470, 870: 양극 집전체 C1: 제1 챔버
C2: 제2 챔버 C3: 제3 챔버
Claims (23)
- 제1 챔버, 상기 제1 챔버를 사이에 두고 서로 반대편에 배치되는 제2 챔버 및 제3 챔버를 구비하는 하우징;
상기 제1 챔버와 상기 제2 챔버를 공간적으로 분리하는 제1 세퍼레이터; 및
상기 제1 챔버와 상기 제3 챔버를 공간적으로 분리하는 제2 세퍼레이터;를 포함하며,
상기 제2 챔버와 상기 제3 챔버는 동일한 극성을 띄고, 상기 제1 챔버는 상기 제2 챔버 및 상기 제3 챔버와 다른 극성을 띄는 전기화학전지.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제2 챔버와 상기 제3 챔버는 양극 챔버이고, 상기 제1 챔버는 음극 챔버인 전기화학전지. - 제3항에 있어서,
상기 제1 챔버의 내부에 구비되는 음극 집전체를 더 포함하는 전기화학전지. - 제1항에 있어서,
상기 제2 챔버와 상기 제3 챔버는 음극 챔버이고, 상기 제1 챔버는 양극 챔버인 전기화학전지. - 제5항에 있어서,
상기 제2 챔버 및 상기 제3 챔버 중 적어도 어느 하나의 내부에 구비되는 음극 집전체를 더 포함하는 전기화학전지. - 제1항에 있어서,
상기 제2세퍼세이터는 상기 제1 세퍼레이터의 내부에 배치되는 전기화학전지. - 제7항에 있어서,
상기 제2 챔버는 상기 제1 세퍼레이터의 외측에 구비되고,
상기 제1 챔버는 상기 제1 세퍼레이터와 상기 제2 세퍼레이터의 사이에 구비되며,
상기 제3 챔버는 상기 제2 세퍼레이터의 내측에 구비되는 전기화학전지. - 제7항에 있어서,
상기 제1 세퍼레이터와 상기 제2 세퍼레이터는 내부가 중공인 관의 형상인 전기화학전지. - 제7항에 있어서,
상기 제1 세퍼레이터와 상기 제2 세퍼레이터는 횡단면이 원형, 타원형 또는 다각형인 전기화학전지. - 제7항에 있어서,
상기 제2 세퍼레이터는 복수개로,
상기 복수의 제2 세퍼레이터들은 상기 제1 세퍼레이터의 내부에 상호 이격되어 배치되는 전기화학전지. - 제1 챔버, 상기 제1 챔버를 사이에 두고 서로 반대편에 배치되는 제2 챔버 및 제3 챔버를 구비하는 하우징;
상기 제1 챔버와 상기 제2 챔버를 공간적으로 분리하며, 상기 제1 챔버를 향해 노출된 제1 면 및 상기 제2 챔버를 향해 노출된 제2 면을 구비하는 제1 세퍼레이터; 및
상기 제1 챔버와 상기 제3 챔버를 공간적으로 분리하며, 상기 제1 챔버를 향해 노출된 제3 면 및 상기 제3 챔버를 향해 노출된 제4 면을 구비하는 제2 세퍼레이터;를 포함하며,
상기 제1 챔버는 상기 제2 챔버 및 상기 제3 챔버와 다른 극성을 갖는 전기화학전지. - 제12항에 있어서,
상기 제1 챔버는 음극 챔버이고, 상기 제2 챔버와 상기 제3 챔버는 양극 챔버인 전기화학전지. - 제13항에 있어서,
상기 제1 챔버의 내부에 구비되는 음극 집전체를 더 포함하는 전기화학전지. - 제14항에 있어서,
상기 음극 집전체는,
상기 제1 세퍼레이터의 제1 면 및 상기 제2 세퍼레이터의 제3 면과 인접하게 배치되는 전기화학전지. - 제12항에 있어서,
상기 제1 챔버는 양극 챔버이고, 상기 제2 챔버와 상기 제3 챔버는 음극 챔버인 전기화학전지. - 제16항에 있어서,
상기 제2 챔버 및 상기 제3 챔버 중 적어도 하나인 챔버의 내부에 구비되는 음극 집전체를 더 포함하는 전기화학전지. - 제16항에 있어서,
상기 제1 세퍼레이터의 제2 면 및 상기 제2 세퍼레이터의 제4 면 중 적어도 어느 하나의 면과 인접하게 배치되는 음극 집전체를 더 포함하는 전기화학전지. - 제12항에 있어서,
상기 제2 세퍼레이터는 상기 제1 세퍼레이터의 내부에 배치되는 전기화학전지. - 제19항에 있어서,
상기 제2 챔버는 상기 제1 세퍼레이터의 외측에 구비되고,
상기 제1 챔버는 상기 제1 세퍼레이터와 상기 제2 세퍼레이터의 사이에 구비되며,
상기 제3 챔버는 상기 제2 세퍼레이터의 내측에 구비되는 전기화학전지. - 제19항에 있어서,
상기 제1 세퍼레이터와 상기 제2 세퍼레이터는 내부가 중공인 관의 형상인 전기화학전지. - 제19항에 있어서,
상기 제1 세퍼레이터와 상기 제2 세퍼레이터는 횡단면이 원형, 타원형 또는 다각형인 전기화학전지. - 제19항에 있어서,
상기 제2 세퍼레이터는 복수개로,
상기 복수의 제2 세퍼레이터들은 상기 제1 세퍼레이터의 내부에 상호 이격되어 배치되는 전기화학전지.
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