KR101322637B1 - 나트륨 유황 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

세라믹과 금속의 접합에 있어서, 나트륨에 대한 내부식성이 우수하고 접합강도가 좋으며, 별도의 단자 접합 공정을 생략할 수 있어 접합 공정을 단순화할 수 있도록, 유황을 수용하는 양극용기와, 나트륨을 수용하는 음극용기, 양극용기와 음극용기 사이에 설치되고 나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 전해질관, 음극용기와 양극용기 사이에서 음극용기와 양극용기를 절연시키는 절연체, 음극용기에 설치되고 절연체에 접합되는 금속칼라, 양극용기에 설치되고 절연체에 접합되는 금속브라켓을 포함하고, 상기 금속칼라 또는/및 상기 금속브라켓은 절연체에 삽입금속을 매개로 접합되며, 상기 삽입금속은 일측에 형성되고 외측으로 연장되는 단자를 포함하는 나트륨 유황 전지를 제공한다.

Description

나트륨 유황 전지 및 그 제조 방법{SODIUM-SULFUR RECHARGEABLE BATTERY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 나트륨 유황 전지에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 세라믹과 금속의 접합 구조를 개선한 나트륨 유황전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 나트륨 유황 전지는 에너지 밀도 및 충방전 효율이 높고 자기 방전이 없으며 불규칙적인 충방전에도 성능의 저하가 없는 특성으로, 대용량 전력 저장용 전지로써 개발되고 있다.
나트륨 유황 전지는 음극으로 나트륨(Na)을 사용하고, 양극으로 유황(S)을 사용하며, 전해질로 나트륨이온 전도성을 갖는 고체전해질의 베타알루미나 세라믹을 사용한다. 나트륨 유황 전지는 전해질관 및 전해질관을 둘러싸는 양극용기를 포함한다. 상기 전해질관은 나트륨 이온만을 통과시키는 성질을 가진 베타알루미나 세라믹을 튜브 형태로 제조한 구조이다. 상기 전해질관의 내부는 나트륨으로 채워지고, 전해질관과 양극용기 사이에는 유황과 탄소펠트가 위치한다. 이에 나트륨 이온이 전해질관인 베타알루미나를 거쳐 음극과 양극간을 이동함으로써 충방전이 이루어진다.
나트륨 유황 전지는 양극과 음극 사이를 절연하는 절연체로서, 알파알루미나 세라믹이 사용된다.
세라믹(ceramic)은 내식성, 전기 절연성 및 고온에서의 기계적 특성이 우수하기 때문에 화학 공업용 장치의 부품으로 많이 이용되고 있다. 그러나, 세라믹은 딱딱하고 부서지기 쉽기 때문에 금속재료에 비해 성형가공성이 뒤떨어진다. 특히 인성이 부족하기 때문에 충격력에 대한 저항이 약하다.
따라서 세라믹만으로 나트륨 유황 전지의 부품을 제조하기 어려워 금속 재료와의 접합체로써 사용되는 경우가 많다. 전지의 설계 구성에서 음극과 양극을 절연하기 위해서는 반드시 세라믹 부품을 사용하여야 하며, 금속과의 접합이 양호하게 이루어져야 한다. 이에 절연체의 상단과 하단에는 각각 링 형태의 금속칼라(collar)와 금속브라켓이 접합된다. 상기 금속칼라를 매개로 음극용기가 절연체에 결합되며, 금속브라켓을 매개로 양극용기가 절연체에 결합된다.
이러한 부품의 접합 방법으로는 세라믹의 표면에 메탈라이징(metalizing)층을 형성하여 납땜재를 녹여서 접합하는 브레이징 공법이 일반적이다. 또한, 세라믹과 금속 부품간에 티탄(Titan)을 함유하는 활성 금속 부재를 이용하여 융점에서 접합하는 방법이 있다.
그러나, 상기한 종래 기술은 접합을 위한 삽입부재의 온도가 대부분 800도 이상이기 때문에 전지의 부품 소재를 알루미늄으로 선택하기 어려워진다. 더욱이 글래스 접합(세라믹과 세라믹의 접합)시 온도가 900도 부근이기 때문에 브레이징 공정을 적용하기 곤란하다. 또한, 삽입부재로 사용되는 금속 성분 중에 Si 등이 함유되는 데, 온도가 완전 융점 이상이 되어 액체에서 고체로 응고될 때 Si이 수지상정과 같은 연속한 형상의 결정을 형성한다. 이에 전지 내부에 존재하는 Na에 대한 내부식성이 급격히 저하되고 전지의 수명이 단축되는 요인이 된다.
이에, 세라믹과 금속의 접합에 있어서, 나트륨에 대한 내부식성이 우수하고 접합강도가 좋은 나트륨 유황 전지 및 그 제조방법을 제공한다.
또한, 별도의 단자 접합 공정을 생략할 수 있어 접합 공정을 단순화할 수 있도록 된 나트륨 유황 전지 및 그 제조방법을 제공한다.
이를 위해 나트륨 유황 전지의 양극과 음극을 절연하는 절연체에 금속재를 접합하는 공정을 포함하는 나트륨 유황 전지 제조 방법에 있어서,
절연체와 금속재 사이에 접합되는 삽입금속을 제조하는 단계와, 상기 삽입금속을 절연체와 금속재 사이에 삽입하는 단계, 삽입금속을 매개로 절연체와 금속재를 접합하는 단계를 포함하며,
상기 삽입금속 제조 단계에서 삽입금속의 외주면에 외측으로 연장되는 단자를 일체로 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 절연체와 금속재 접합은 열압축접합 공정을 통해 이루어질 수 있다.
상기 절연체와 금속재 접합시 상기 삽입금속의 단자 외측에 가이드치구를 배치하여 단자를 받쳐 지지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 절연체와 금속재 접합시 상기 삽입금속 내측에 중심치구를 배치하여 삽입금속의 접합 위치를 중심에 맞추는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 금속재는 음극용기와 절연체 사이에 접합되는 금속칼라 또는/및 양극용기에 설치되고 절연체에 접합되는 금속브라켓일 수 있다.
한편, 본 나트륨 유황 전지는 유황을 수용하는 양극용기와, 나트륨을 수용하는 음극용기, 양극용기와 음극용기 사이에 설치되고 나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 전해질관, 음극용기와 양극용기 사이에서 음극용기와 양극용기를 절연시키는 절연체, 음극용기에 설치되고 절연체에 접합되는 금속칼라, 양극용기에 설치되고 절연체에 접합되는 금속브라켓을 포함하고, 상기 금속칼라 또는/및 상기 금속브라켓은 절연체 상에 삽입금속을 매개로 접합되며, 상기 삽입금속은 일측에 형성되고 외측으로 연장되는 단자를 포함할 수 있다.
상기 삽입금속은 링 형태로 이루어지고, 외주면 일측이 수직으로 연장되어 단자를 형성하는 구조일 수 있다.
상기 단자는 삽입금속에 일체로 형성될 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 의하면, 알파알루미나 세라믹인 절연체에 금속재를 접합함에 있어서, 나트륨에 대한 내부식성이 높은 세라믹 금속 접합부를 얻을 수 있게 된다.
또한, 한번의 접합 공정을 통해 세라믹과 금속재의 접합은 물론, 전지에 단자를 동시에 접합 설치할 수 있게 되어 전지를 별도로 접합해야 하는 불편과, 단자 접합시 발생되는 열변형을 최소화할 수 있게 된다.
또한, 전지 제조 공정을 단순화하고 소요 시간을 단축하여 생산성을 높일 수 있게 된다.
또한, 단자를 용접하지 않고 설치할 수 있어, 용접부위에서 발생되는 전기저항을 현저하게 감소시킴으로써, 전지의 충방전 효율을 높일 수 있게 된다.
도 1은 본 실시예에 따른 나트륨 유황 전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 나트륨 유황 전지의 삽입금속을 도시한 개략적인 사시도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 나트륨 유황 전지 과정을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도에서 다양한 형태로 변형될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다.
도 1은 본 실시예에 따른 나트륨 유황 전지를 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 나트륨 유황 이차전지(100)는 베타알루미나 세라믹으로 제조된 전해질관(10)과, 전해질관(10)의 내부에 위치하고 나트륨이 채워진 음극용기(12)와, 전해질관(10)의 외부에 위치하는 양극용기(14)를 포함한다.
상기 양극용기(14)는 전해질관(10) 외측에 배치되며, 내부에는 전해질관(10)과의 사이에 유황이 담겨진 펠트집전체(18)가 채워진다. 펠트집전체(18)는 예를 들어, 내부에 기공이 형성된 탄소펠트로, 기공 내에 유황이 담겨지게 된다. 음극용기(12)와 양극용기(14) 사이에는 절연체(20)가 설치되어 음극용기(12)와 양극용기(14)를 절연시킨다. 상기 양극용기(14)는 원통 형태로 이루어지며 알루미늄, 스테인리스 스틸 등의 금속 소재로 이루어진다. 또한 양극용기(14)의 표면에는 크롬, 몰리브덴 등을 주성분으로 하는 내식층이 코팅될 수 있다.
상기 음극용기(12)는 나트륨이 수용되며, 내측 상부 공간에는 질소 가스나 아르곤 가스 등의 불활성가스가 소정의 압력으로 채워질 수 있다.
상기 음극용기는 양극용기(14)와 동일하게 알루미늄, 스테인리스 스틸 등의 금속 소재로 이루어질 수 있다. 음극용기(12)의 표면에는 크롬, 몰리브덴 등을 주성분으로 하는 내식층이 코팅될 수 있다.
상기 음극용기(12)의 하단에는 음극용기(12)에 채워진 나트륨이 전해질관(10)과 접촉할 수 있도록 나트륨이 빠져나올 수 있는 개구부(13)가 형성된다. 상기 개구부(13)를 통해 나온 나트륨은 전해질관(10)과 음극용기(12) 사이에 채워져 전해질관(10)의 내벽과 접촉한다.
상기 전해질관(10)은 나트륨 이온을 통과시킬 수 있는 베타알루미나 세라믹으로 이루어진다. 상기 전해질관(10)은 튜브 형태로 이루어져 소정 간격을 두고 음극용기(12)를 감싸며 설치된다.
본 나트륨 유황 이차전지(100)는 음극으로 나트륨을 사용하고 양극으로 황을 사용한다. 이에 본 나트륨 유황 이차전지(100)의 방전 시에는 나트륨이온이 전해질관(10)을 통과하여 양극 측으로 이동하고 유황 및 전자와 반응하여 다황화나트륨이 된다. 충전 시에는 다황화나트륨이 전자를 방출하여 나트륨이온과 유황으로 분리된다. 나트륨이온은 전해질관(10)을 통과하여 음극 측으로 이동하고 전자를 받아 나트륨으로 복귀한다. 나트륨 유황 이차전지(100)의 충방전은 대략 300℃ 내지 350℃ 온도에서 이루어진다.
이러한 나트륨 유황 전지는 음극과 양극의 쇼트(short)를 방지하기 위하여, 음극용기(12)와 양극용기(14) 사이에 절연체(20)가 설치되어 음극용기(12)와 양극용기(14)를 절연시킨다.
상기 절연체(20)는 알파알루미나 세라믹으로 이루어진 링 형태의 구조물로, 양극 용기(14)와 음극용기(12) 사이에 설치되어 두 부재 사이를 절연시키게 된다.
음극용기 및 양극용기는 상기 절연체(20)에 접합되는 금속재인 금속칼라(16)와 금속브라켓(19)를 매개로 절연체(20)에 고정된다. 상기 금속칼라(16)를 매개로 음극용기가 절연체(20)에 결합되며, 금속브라켓(19)을 매개로 양극용기가 절연체(20)에 결합된다.
상기 금속칼라(16)는 금속 재질의 링 형태로 이루어져 절연체(20)의 내측에 배치된다. 금속칼라(16)의 하단은 절연체(20)의 윗면에 접합되고, 상단은 위로 연장되어 음극용기(12)와 접합된다. 상기 금속브라켓(19)은 절연체(20)와 양극용기(14)를 연결하는 구조물로, 금속재질의 링 형태로 이루어져 절연체(20)의 외측에 배치된다. 상기 금속브라켓(19)의 하단은 절연체(20) 하단에 접합된다.
상기 금속칼라(16)와 금속브라켓(19)은 알루미늄 합금으로 이루어지며, 알파알루미나 세라믹재질인 절연체(20)와는 열압착접합 공정을 통해 용접된다.
여기서, 상기 금속칼라(16)와 금속브라켓(19)은 동일한 금속재로 동일한 공정을 통해 절연체(20)에 접합될 수 있으며, 이하 금속브라켓(19)을 예로서 절연체(20)에 접합되는 구조에 대해 설명한다.
본 실시예에서, 상기 금속브라켓(19)은 세라믹인 절연체(20)와 금속재인 금속브라켓(19) 사이에 결합재인 삽입금속(30)을 매개로 접합된다.
상기 삽입금속(30)은 Al-Si-Mg계가 사용될 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 삽입금속(30)은 링 형태로 이루어지며, 일측에는 단자(32)가 수직으로 돌출되도록 형성된 구조로 되어 있다.
상기 단자(32)는 전지와 전지간 전기적 연결을 위한 구조물로 이해할 수 있다. 상기 삽입금속(30)은 양극용기(14)와 접합되는 금속재인 금속브라켓(19)과 절연체(20) 사이에 삽입되므로, 양극용기와 전기적으로 연결된다. 따라서 본 실시예에서 상기 삽입금속(30)에 형성되는 단자(32)는 양극의 단자 역할을 하게 된다.
상기 단자(32)는 삽입금속(30)에 일체로 형성된다. 상기 단자(32)는 삽입금속(30)의 외측선단에서 수직으로 절곡되어 위로 연장형성된다. 상기 단자(32)는 링 형태의 삽입금속(30) 외주면과 같이 표면이 원호형태로 만곡된 구조일 수 있으며, 이와 달리 평면형태로 형성될 수 있다.
삽입금속(30)은 링 형태의 구조물로 단자(32)의 설치 위치에 대해서는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 단자(32)는 링 형태의 삽입금속(30) 어느 한쪽 부분을 대략 폭 10 ~ 20mm, 두께 1 ~ 1.5mm 정도의 크기로 하여 일체로 형성할 수 있다. 상기 단자(32)의 크기는 전지의 크기나 형태에 따라 달라질 수 있으며, 삽입금속(30) 접합 위치에서 전지의 상부로 충분히 돌출되어 단자 역할을 할 수 있을 정도로 충분하다.
이와 같이 단자(32)가 일체로 형성된 삽입금속(30)을 매개로 금속브라켓(19)과 절연체(20)를 접합시킴으로써, 삽입금속(30)은 절연체에 금속브라켓을 접합하는 삽입재로의 역할을 수행하며, 동시에 상기 단자(32)가 전지의 위쪽으로 돌출되어 양극단자 역할을 수행하게 된다. 따라서 전지의 양극에 양극단자를 별도로 설치할 필요가 없게 된다.
여기서, 본 실시예는 금속브라켓(19) 접합을 위한 삽입금속(30)을 예로서 설명하였으나, 이에 한정되지 않으며 음극을 이루는 금속칼라의 접합을 위한 삽입금속에도 동일하게 적용될 수 있다. 이 경우, 금속칼라 접합을 위한 삽입금속 역시 단자가 일체로 형성되어 음극 단자의 역할을 수행할 수 있다.
한편, 상기와 같이 절연체에 금속브라켓를 접합하여 전지를 제조하기 위한 공정에 대해 살펴보면 다음과 같다.
본 실시예의 제조 공정은 절연체와 금속재 사이에 접합되는 삽입금속을 제조하는 단계와, 상기 삽입금속을 절연체와 금속재 사이에 삽입하는 단계, 삽입금속을 매개로 절연체와 금속재를 접합하는 단계를 포함하고, 상기 삽입금속 제조 단계시 삽입금속에 단자를 일체로 형성하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 절연체와 금속재 접합은 열압축접합 공정을 통해 이루어질 수 있다. 즉, 절연체(20)의 접합면에 삽입금속(30)이 놓여지면 금속재인 금속브라켓(19)을 삽입금속(30) 상에 위치시키고 열압축접합(TCB;Thermal Compression Bonding) 공정을 통해 절연체와 금속브라켓을 접합한다. 상기 열압축접합은 절연체(20)와 금속브라켓(19)의 상하부를 가압하는 가압부재(50)를 이용하여 분위기 온도 600도, 진공도 10-4 torr 이상에서 접합된다.
이 과정에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 삽입금속(30)에 일체로 형성된 단자(32)는 금속브라켓(19)과 절연체(20) 사이를 지나 전지 위쪽으로 돌출된다. 상기 열압축접합 공정시 내부 분위기 온도는 600도 정도이기 때문에 단자(32)가 기울어질 가능성이 높다.
이에 본 제조방법은 단자를 받쳐 지지하는 단계를 더 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 단자를 받쳐 지지하기 위해, 상기 절연체(20)와 금속재인 금속브라켓(19) 접합시 상기 삽입금속(30)의 단자(32) 외측에 가이드치구(40)를 배치한다. 사기 가이드치구(40)는 단자(32)의 바깥쪽에 배치되어 절연체와 금속재 접합시 단자를 수직 상태로 유지시키게 된다.
또한, 본 제조 방법은 상기 절연체(20)와 금속재인 금속브라켓(19) 접합시 상기 삽입금속(30) 내측에 중심치구(42)를 배치하여 삽입금속의 접합 위치를 중심에 맞추는 단계를 더 포함한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 중심치구(42)는 링 형태의 삽입금속(30) 중심쪽에 배치된다. 상기 중심치구(42)를 이용하여 접합부의 센터링을 보다 용이하게 수행할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 나트륨 유황 전지는 단자(32)가 일체로 형성된 삽입금속(30)을 이용하여 절연체와 금속재를 접합시킴으로써, 삽입금속(30)은 절연체와 금속재를 접합시키고 삽입금속(30)에 형성된 단자(32)는 전지 위쪽으로 돌출되어 단자(32) 역할을 수행하게 된다. 따라서 단자를 별도로 제조하여 전지에 용접하는 수고를 덜 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.
10 : 전해질관 12 : 음극용기
13 : 개구부 14 : 양극용기
16 : 금속칼라 19 : 금속브라켓
20 : 절연체 30 : 삽입금속
32 : 단자

Claims (7)

  1. 유황을 수용하는 양극용기와, 나트륨을 수용하는 음극용기, 양극용기와 음극용기 사이에 설치되고 나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 전해질관, 음극용기와 양극용기 사이에서 음극용기와 양극용기를 절연시키는 절연체, 음극용기에 설치되고 절연체에 접합되는 금속칼라, 양극용기에 설치되고 절연체에 접합되는 금속브라켓을 포함하고,
    상기 금속칼라 또는 상기 금속브라켓은 절연체에 삽입금속을 매개로 접합되며, 상기 삽입금속은 일측에 일체로 형성되고 외측으로 연장되는 단자를 포함하는 나트륨 유황 전지.
  2. 삭제
  3. 나트륨 유황 전지의 양극과 음극을 절연하는 절연체에 금속재를 접합하는 공정을 포함하는 나트륨 유황 전지 제조 방법에 있어서,
    절연체와 금속재 사이에 접합되는 삽입금속을 제조하는 단계와, 상기 삽입금속을 절연체와 금속재 사이에 삽입하는 단계, 삽입금속을 매개로 절연체와 금속재를 접합하는 단계를 포함하며,
    상기 삽입금속 제조 단계에서 삽입금속의 외주면에 외측으로 연장되는 단자를 일체로 형성하는 단계를 포함하는 나트륨 유황 전지 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 절연체와 금속재 접합은 열압축접합 공정을 통해 이루어지는 나트륨 유황 전지 제조 방법.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 금속재는 음극용기와 절연체 사이에 접합되는 금속칼라 또는 양극용기에 설치되고 절연체에 접합되는 금속브라켓인 나트륨 유황 전지 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 절연체와 금속재 접합시 상기 삽입금속의 단자 외측에 가이드치구를 배치하여 단자를 받쳐 지지하는 단계를 더 포함하는 나트륨 유황 전지 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 절연체와 금속재 접합시 상기 삽입금속 내측에 중심치구를 배치하여 삽입금속의 접합 위치를 중심에 맞추는 단계를 더 포함하는 나트륨 유황 전지 제조 방법.
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