KR101353341B1 - Sodium-sulfur rechargeable battery - Google Patents

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Abstract

안전관을 통한 안전성 확보의 한계를 극복하고, 전지의 안전성을 보다 높일 수 있으며, 전해질관 파손시 나트륨의 공급을 원천적으로 차단하여 전지의 안전성을 확보할 수 있도록, 유황이 수용되는 양극실과, 나트륨이 수용되는 음극실, 양극실과 음극실 사이에 설치되어 나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 고체전해질을 포함하여 충방전이 이루어지는 전지부와; 상기 전지부 외측에 배치되며 나트륨을 수용하는 음극용기; 상기 음극용기와 상기 전지부의 음극실 사이에 연결되어 음극실로 나트륨을 유통시키기 위한 나트륨 공급부를 포함하는 나트륨 유황 전지를 제공한다.Overcoming the limitations of securing safety through safety pipes, and improving the safety of the battery, and in order to ensure the safety of the battery by blocking the supply of sodium at the time of electrolyte tube damage, the anode chamber containing sulfur, sodium A battery unit including a cathode electrolyte, a cathode electrolyte, and a cathode electrolyte provided between the cathode chamber and the cathode chamber to selectively move only sodium ions, thereby charging and discharging; A negative electrode container disposed outside the battery unit and containing sodium; It is connected between the negative electrode container and the negative electrode chamber of the battery unit provides a sodium sulfur battery including a sodium supply for distributing sodium to the negative electrode chamber.

Description

나트륨 유황 전지{SODIUM-SULFUR RECHARGEABLE BATTERY}[0001] SODIUM-SULFUR RECHARGEABLE BATTERY [0002]

본 발명은 나트륨 유황 전지에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 안전성을 높인 나트륨 유황 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a sodium sulfur battery. More particularly, the present invention relates to a sodium sulfur battery having enhanced safety.

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.Generally, a sodium-sulfur battery is developed as a large-capacity power storage battery because of its high energy density, charge / discharge efficiency, self-discharge, and irregular charge / discharge characteristics.

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.Sodium sulfur batteries use sodium alumina (Na) as the cathode, sulfur (S) as the anode, and beta-alumina ceramics of the solid electrolyte having sodium ion conductivity as the electrolyte. The sodium sulfur battery includes an anode tube enclosing an electrolyte tube and an electrolyte tube. The electrolyte tube has a structure in which a beta-alumina ceramic having a property of passing only sodium ions is formed in a tube shape. The inside of the electrolyte tube is filled with sodium, and sulfur and carbon felt are placed between the electrolyte tube and the positive electrode container. The sodium ion is transferred between the cathode and the anode through the beta alumina, which is an electrolytic tube, to charge and discharge the battery.

나트륨 유황 전지는 구동 중 전해질관이 파손되는 경우, 양극의 유황이 전해질관의 파손 부위를 통해 음극으로 흘러 들어감으로써, 음극의 나트륨과 접촉되어 급격한 화학반응을 일으키게 된다.In the case of sodium sulfur battery, when the electrolytic tube is broken during operation, the sulfur of the anode flows into the cathode through the breakage portion of the electrolytic tube, and thereby contacts with the sodium of the cathode to cause a rapid chemical reaction.

나트륨과 유황은 접촉시 나트륨화 황화물을 생성하게 된다. 황화물 형성 반응은 엔탈피변화가 300℃에서 약 -380 ~ -470KJ/mole의 값을 갖는 발열반응이다. 이에 양극의 유황이 음극의 나트륨과 다량 반응시 전지가 화재 또는 폭발될 위험이 있다. 나트륨 유황 전지는 최고 약 700 ~ 800g의 나트륨을 전지내에 담고 있어서 모든 나트륨과 유황이 반응한다고 가정하였을 때 최고 약 6 ~ 7MJ의 에너지를 발산하며 전지의 온도는 순간적으로 1000℃ 이상으로 상승하게 된다.Sodium and sulfur will produce sodium sulphide upon contact. The sulfide formation reaction is an exothermic reaction in which the enthalpy change is about -380 to -470 KJ / mole at 300 ° C. Therefore, there is a risk that the battery will fire or explode when sulfur in the anode is reacted with a large amount of sodium in the negative electrode. The sodium sulfur cell contains up to about 700-800 g of sodium in the cell, and assumes all sodium and sulfur react, it emits up to about 6 ~ 7 MJ of energy, and the temperature of the cell instantaneously rises above 1000 ℃.

이에 나트륨 유황 전지는 전해질관의 내측에 구비되어 전해질관 파손시 유황의 유입을 차단하는 안전관이 설치된다. 안전관의 내부에는 나트륨이 수납된 음극용기가 설치되며, 음극용기 하부에 형성된 구멍을 통해 나온 나트륨이 안전관과 음극용기 사이를 지나 안전관과 전해질관 사이의 틈새로 공급된다.The sodium sulfur battery is installed inside the electrolyte pipe, and a safety pipe is installed to block the inflow of sulfur when the electrolyte pipe breaks. Inside the safety tube, there is installed a negative electrode container containing sodium, and the sodium that is discharged through the hole formed in the lower portion of the negative electrode container is supplied between the safety pipe and the negative electrode container to the gap between the safety pipe and the electrolyte pipe.

상기 안전관은 열팽창계수가 큰 금속재로 전해질관과 미세한 틈을 유지한다. 따라서 상기 안전관은 전해질관의 파손시 유황과 나트륨의 발열반응에 의한 급격한 온도 상승으로 팽창되어 전해질관의 내면에 밀착된다. 이에 파손부위로 나트륨 공급이 차단되어 추가적인 화학반응과 발열을 막게 된다.The safety tube is a metallic material having a large thermal expansion coefficient and maintains a fine gap with the electrolyte tube. Therefore, the safety tube expands due to a rapid temperature rise due to an exothermic reaction of sulfur and sodium at the time of breakage of the electrolyte tube, and is adhered to the inner surface of the electrolyte tube. As a result, the supply of sodium to the damaged area is blocked to prevent further chemical reaction and heat generation.

그런데, 상기한 종래의 구조는 안전관이 제대로 역할을 수행하기 위해서는 전해질관의 내주면 전체에 걸쳐 전해질관 내주면과 안전관 사이의 틈새가 균일한 간격을 이루어야 한다.However, the above-described conventional structure requires a clearance between the inner circumferential surface of the electrolyte tube and the safety tube over the entire inner circumferential surface of the electrolyte tube in order for the safety tube to function properly.

전해질관과 안전관 사이에 위치한 모든 틈새를 일정한 간격으로 조절하기 위해서는 전해질관과 안전관의 정확한 수치 측정과 조절은 물론, 안전관 제조시 정확한 확관을 위한 복잡한 설비의 구축이 요구된다. 또한, 안전관 확관시 안전관과 전해질관 사이의 접촉 부위에 발생되는 응력으로 전해질관이 파손될 가능성이 높다.In order to control all the gaps between the electrolyte pipe and the safety pipe at regular intervals, it is necessary to measure and control the precise numerical values of the electrolytic pipe and the safety pipe, as well as to construct complicated equipment for accurate expansion of the safety pipe. In addition, there is a high possibility that the electrolyte pipe is broken due to the stress generated at the contact portion between the safety pipe and the electrolyte pipe.

특히, 국부적인 전해질관의 파손시 순간적인 대량 발열로 인해 전해질관 파손부위 주변의 온도가 금속재 안전관의 녹는점 이상으로 상승함에 따라, 대량의 나트륨이 음극용기로부터 파손부위로 유입되어 폭발적인 발열반응을 유발하는 근본적인 문제를 안고 있다.In particular, as the temperature around the electrolyte tube breaks up above the melting point of the metal safety tube due to instantaneous mass heat generation when the local electrolyte tube breaks, a large amount of sodium flows from the cathode container into the damaged part and explodes exothermic reaction. It has a fundamental problem causing it.

이에, 안전관을 이용한 안전성 확보 구조의 한계를 극복하고, 전지의 안전성을 보다 높일 수 있도록 된 나트륨 유황 전지를 제공한다.Accordingly, the present invention provides a sodium sulfur battery that overcomes limitations of a safety structure using a safety tube and can further enhance battery safety.

또한, 전해질관 파손시 나트륨의 공급을 원천적으로 차단하여 전지의 안전성을 확보할 수 있도록 된 나트륨 유황 전지를 제공한다.Further, the present invention provides a sodium sulfur battery which can secure the safety of a battery by originally shutting off the supply of sodium when the electrolyte tube is broken.

이를 위해 본 나트륨 유황 전지는, To this end, the sodium-

유황을 수용하는 양극실과, 나트륨을 수용하는 음극실, 상기 양극실과 음극실 사이에 배치되어 나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 판 형태의 고체전해질, 상기 양극실과 음극실을 감싸고 고체전해질을 지지하며 양극실과 음극실을 절연하는 절연링, 절연링에 결합되어 양극실과 음극실을 밀봉하고 양극실과 음극실로부터 전자를 집전하는 양극판과 음극판을 포함하여 충방전이 이루어지는 전지부와;A positive electrode chamber containing sulfur, a negative electrode chamber containing sodium, and a plate-shaped solid electrolyte disposed between the anode chamber and the cathode chamber to selectively move only sodium ions, surrounding the anode chamber and the cathode chamber, and supporting the solid electrolyte, An insulating ring for insulating the negative electrode chamber and a battery unit including a positive electrode plate and a negative electrode plate coupled to the insulating ring to seal the positive electrode chamber and the negative electrode chamber and to collect electrons from the positive electrode chamber and the negative electrode chamber;

상기 전지부 외측에 배치되며 나트륨을 수용하는 음극용기;A negative electrode container disposed outside the battery unit and containing sodium;

상기 음극용기와 상기 전지부의 음극실 사이에 연결되어 음극실로 나트륨을 유통시키기 위한 나트륨 공급부Sodium supply unit connected between the negative electrode container and the negative electrode chamber of the battery unit for distributing sodium to the negative electrode chamber

를 포함할 수 있다.. ≪ / RTI >

상기 나트륨 공급부는 음극용기와 음극실 사이에 연결되어 나트륨을 유통하는 이송관을 포함할 수 있다.The sodium supply unit may include a transport pipe connected between the cathode container and the cathode chamber to distribute sodium.

상기 나트륨 공급부는 음극용기와 음극실 사이에 연결되어 나트륨을 공급하는 주입관과 나트륨이 회수되는 출구관을 포함할 수 있다.The sodium supply unit may include an injection tube connected between the cathode container and the cathode chamber to supply sodium and an outlet tube for recovering sodium.

상기 나트륨 공급부는 상기 주입관 또는 출구관에 설치되어 나트륨을 이송하는 펌프를 더 포함할 수 있다.The sodium supply unit may further include a pump installed in the inlet or outlet pipe to transfer sodium.

상기 나트륨 공급부는 상기 펌프의 구동을 제어하여 나트륨의 공급량을 조절하기 위한 조절부를 더 포함할 수 있다.The sodium supply unit may further include a control unit for controlling the driving of the pump to adjust the supply amount of sodium.

상기 조절부는 나트륨의 유속을 검출하는 유속계를 더 포함할 수 있다.The control unit may further include a flow meter for detecting the flow rate of sodium.

상기 조절부는 상기 출구관을 개폐하는 밸브와, 상기 주입관 내부 압력을 검출하는 압력계를 더 포함할 수 있다.The control unit may further include a valve for opening and closing the outlet pipe, and a pressure gauge for detecting the pressure inside the injection pipe.

이와 같이 본 실시예에 의하면, 나트륨을 전지의 외부에서 필요한 만큼만 전지 내부로 공급하여 유황과 반응하도록 함으로써, 고체전해질 파손시 대량의 나트륨이 유황과 반응하는 현상을 원천적으로 차단할 수 있게 된다.As described above, according to this embodiment, sodium is supplied to the inside of the battery only from the outside of the battery to react with the sulfur, so that a phenomenon in which a large amount of sodium reacts with sulfur when the solid electrolyte breaks down can be fundamentally blocked.

이에 전지 폭발의 위험을 낮추고 전지의 안전성을 높일 수 있게 된다.This reduces the risk of battery explosion and increases the safety of the battery.

또한, 음극실의 크기를 최소화하여 전지 내부에 상존하는 나트륨의 양을 종래와 비교하여 충분히 낮춤으로써 고체전해질 파손시 전지의 발열량을 줄이고 폭발의 위험을 낮출 수 있게 된다.In addition, by minimizing the size of the cathode chamber, the amount of sodium present in the battery is sufficiently lowered compared with the conventional one, thereby reducing the amount of heat generated by the battery during the breakage of the solid electrolyte and reducing the risk of explosion.

또한, 종래와 비교하여 안전관과 고체전해질 사이의 틈새를 미세하게 관리할 필요가 없으며, 안전관 등의 부품이나 조립의 정밀도를 높이지 않아도 전지의 안전성을 충분히 확보할 수 있다. 이에 안전관의 제조나 전지 조립 공정이 보다 단순하고 용이하게 이루어질 수 있고, 전지의 제조원가를 낮춰 원가 경쟁력을 높일 수 있게 된다.In addition, it is not necessary to finely manage the clearance between the safety tube and the solid electrolyte as compared with the conventional, it is possible to sufficiently secure the safety of the battery without increasing the precision of the parts and assembly, such as safety tube. The manufacturing of the safety tube or the battery assembly process can be made more simply and easily, it is possible to increase the cost competitiveness by lowering the manufacturing cost of the battery.

도 1은 본 실시예에 따른 나트륨 유황 전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 또다른 실시예에 따른 나트륨 유황 전지를 도시한 단면도이다.
1 is a cross-sectional view of a sodium sulfur battery according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view illustrating a sodium sulfur battery according to another embodiment.

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.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that the embodiments described below may be modified in various forms without departing from the spirit and scope of the present invention, .

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.The drawings are schematic and illustrate that they are not drawn to scale. The relative dimensions and ratios of the parts in the figures are shown exaggerated or reduced in size for clarity and convenience in the figures, and any dimensions are merely illustrative and not restrictive.

도 1은 본 실시예에 따른 나트륨 유황 전지를 도시하고 있다.1 shows a sodium sulfur battery according to this embodiment.

도 1을 참조하면, 본 실시예의 나트륨 유황 전지(100)는 충방전이 이루어지는 전지부(10)와, 전지부(10)와 별도로 구비되며 나트륨을 수용하는 음극용기(50), 음극용기(50)와 전지부(10) 사이에 나트륨을 유통시키기 위한 나트륨 공급부(60)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the sodium sulfur battery 100 according to the present embodiment includes a battery unit 10 in which charging and discharging is performed, and a negative electrode container 50 and a negative electrode container 50, which are separately provided from the battery unit 10 and accommodate sodium. And a sodium supply unit 60 for distributing sodium between the cell unit 10 and the battery unit 10.

본 실시예에서 상기 전지부(10)는 납작한 평판 형태의 구조를 이룬다.In this embodiment, the battery unit 10 has a flat plate-like structure.

이를 위해, 상기 전지부(10)는 유황을 수용하는 양극실(12)과, 나트륨을 수용하는 음극실(24), 상기 양극실(12)과 음극실(24) 사이에 배치되어 나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 판 형태의 고체전해질(16), 상기 양극실(12)과 음극실(24)을 감싸고 고체전해질(16)을 지지하며 양극실(12)과 음극실(24)을 절연하는 절연링(20), 절연링(20)에 결합되어 양극실(12)과 음극실(24)을 밀봉하고 양극실(12)과 음극실(24)로부터 전자를 집전하는 양극판(26)과 음극판(28)을 포함한다.To this end, the battery unit 10 is disposed between the positive electrode chamber 12 containing sulfur, the negative electrode chamber 24 containing sodium, and the positive electrode chamber 12 and the negative electrode chamber 24 so that only sodium ions are present. Insulating the plate-shaped solid electrolyte 16 to selectively move, surrounding the anode chamber 12 and the cathode chamber 24, supporting the solid electrolyte 16, and insulating the anode chamber 12 and the cathode chamber 24. The positive electrode plate 26 and the negative electrode plate coupled to the ring 20 and the insulating ring 20 to seal the positive electrode chamber 12 and the negative electrode chamber 24 and collect electrons from the positive electrode chamber 12 and the negative electrode chamber 24. 28).

상기 전지부(10)는 절연링(20) 및 절연링 상하부의 음극판(28)과 양극판(26)이 측면과 상하면의 외형을 이루는 납작한 평판 구조로 되어 있다. 양극실(12)은 양극판(26)과 절연링(20) 및 고체전해질(16) 사이에 형성된다. 양극실(12) 내부에는 유황이 담겨진 펠트집전체(22)가 채워진다. 펠트집전체(22)는 예를 들어, 내부에 기공이 형성된 탄소펠트로, 기공 내에 유황이 담겨지게 된다. 양극실(12) 내부 공간에는 질소 가스나 아르곤 가스 등의 불활성가스가 소정의 압력으로 채워질 수 있다. The battery unit 10 has a flat plate structure in which the insulating ring 20 and the negative electrode plate 28 and the positive electrode plate 26 of the upper and lower portions of the insulating ring form a side surface and an upper and lower surface. The anode chamber 12 is formed between the anode plate 26, the insulating ring 20, and the solid electrolyte 16. In the anode chamber 12, a felt collector 22 containing sulfur is filled. The felt current collector 22 is, for example, carbon felt having pores formed therein, and sulfur is contained in the pores. An inert gas such as nitrogen gas or argon gas may be filled in the internal space of the anode chamber 12 at a predetermined pressure.

상기 고체전해질(16)은 나트륨 이온을 통과시킬 수 있는 베타알루미나 세라믹으로 이루어진다. 본 실시예에서 상기 고체전해질(16)은 평판형태로 이루어진다. The solid electrolyte 16 is made of beta alumina ceramic capable of passing sodium ions. In the present embodiment, the solid electrolyte 16 has a flat plate shape.

절연링(20)은 중앙부가 개공된 링형태의 구조물이다. 상기 절연링(20)는 알파알루미나 세라믹으로 이루어져 음극과 양극의 쇼트(short)를 방지한다. 절연링(20)의 개공된 중앙부에 고체전해질(16)이 접합된다. 절연링(20)은 고체전해질(16)과 유리 밀봉재를 이용하여 고온에서 접합된다. 절연링(20)의 상단과 하단에 각각 금속 재질의 음극판(28),양극판(26)이 덮여져 음극실과 양극실을 차단한다. 음극판(28)과 양극판(26)은 절연링에 열압축접합(TCB;Thermal Compression Bonding) 공정을 통해 접합된다.Insulation ring 20 is a ring-shaped structure with a central opening. The insulating ring 20 is made of alpha alumina ceramic to prevent a short between the cathode and the anode. The solid electrolyte 16 is bonded to the open central portion of the insulating ring 20. The insulating ring 20 is bonded at a high temperature using the solid electrolyte 16 and the glass sealant. The upper and lower ends of the insulating ring 20 are respectively covered with a metal negative electrode plate 28 and a positive electrode plate 26 to block the negative electrode chamber and the positive electrode chamber. The negative electrode plate 28 and the positive electrode plate 26 are bonded to the insulating ring through a thermal compression bonding (TCB) process.

상기 음극판(28)과 고체전해질(16) 사이의 틈새는 나트륨이 수용되는 음극실(24)을 이룬다. 이에 음극용기(50)의 나트륨은 나트륨 공급부(60)에 의해 음극판(28)와 고체전해질(16) 사이로 유입되어 음극실(24)을 채운다. The gap between the negative electrode plate 28 and the solid electrolyte 16 forms a negative electrode chamber 24 in which sodium is accommodated. Thus, sodium in the negative electrode container 50 is introduced between the negative electrode plate 28 and the solid electrolyte 16 by the sodium supply part 60 to fill the negative electrode chamber 24.

본 실시예에서 상기 음극판(28)과 고체전해질(16) 사이의 간격은 전지 반응에 필요한 나트륨만이 수용될 수 있도록 최소한의 간격으로 유지할 수 있다. 이에 전지부(10) 내에 상존하는 나트륨의 양을 최소 수준으로 감소시켜 전지의 발열에 의한 화재나 폭발의 위험을 저감시킬 수 있게 된다. 예를 들어, 상기 음극판(28)과 고체전해질(16) 사이의 간격이 100㎛로 유지하는 경우, 종래 전지와 비교하여 전지부(10) 내에 상존하는 나트륨의 양을 1/100 수준으로 감소시킬 수 있다. 따라서 전지의 발열에 의한 화재나 폭발의 위험을 그만큼 저감시킬 수 있게 된다.In this embodiment, the gap between the negative electrode plate 28 and the solid electrolyte 16 can be maintained at a minimum interval so that only sodium necessary for the battery reaction can be accommodated. Accordingly, by reducing the amount of sodium remaining in the battery unit 10 to a minimum level, it is possible to reduce the risk of fire or explosion due to heat generation of the battery. For example, when the gap between the negative electrode plate 28 and the solid electrolyte 16 is maintained at 100 μm, the amount of sodium remaining in the battery unit 10 may be reduced to 1/100 of that of the conventional battery. Can be. Accordingly, the risk of fire or explosion due to heat generation of the battery can be reduced as much as possible.

한편, 본 전지는 상기 음극용기(50)가 전지부(10)와는 별개로 분리되어 구비된 구조로 되어 있다. On the other hand, the battery has a structure in which the negative electrode container 50 is provided separately from the battery unit 10.

상기 음극용기(50)는 전지부(10)에 바로 인접하여 배치될 수 있다. 또는 전지부(10)에서 이격된 위치에 설치될 수 있다. 상기 음극용기(50)는 전지부(10) 외측에 별도로 구비되면 충분하며 그 설치 위치에 대해서는 특별히 한정되지 않는다. 상기 음극용기(50)는 알루미늄, 스테인리스 스틸 등의 금속 소재로 이루어질 수 있다. The negative electrode container 50 may be disposed immediately adjacent to the battery unit 10. Alternatively, the battery unit 10 may be installed at a position spaced apart from the battery unit 10. The negative electrode container 50 is sufficient to be provided separately to the outside of the battery unit 10 and the installation position is not particularly limited. The cathode container 50 may be made of a metal material, such as aluminum, stainless steel.

상기 음극용기(50)는 내부에 나트륨이 채워진다. 또한, 상기 음극용기 내부에는 질소가스나 아르곤가스 등의 불활성가스가 소정의 압력으로 채워질 수 있다. 불활성가스는 음극용기의 나트륨을 나트륨 공급부를 통해 밀어내는 가압력을 발생시킨다.The cathode container 50 is filled with sodium inside. In addition, an inert gas such as nitrogen gas or argon gas may be filled in the cathode container at a predetermined pressure. The inert gas creates a pressing force that pushes the sodium in the cathode vessel through the sodium feed.

상기 나트륨 공급부(60)는 음극용기(50)와 전지부의 음극실(24) 사이에 연결되어 나트륨을 유통하는 이송관(61)을 포함한다.The sodium supply unit 60 is connected between the negative electrode container 50 and the negative electrode chamber 24 of the battery unit includes a transfer tube 61 for distributing sodium.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 나트륨 공급부(60)의 이송관(61)은 음극판(28)을 지나 음극실(24)내부와 연결된다.As shown in FIG. 1, the transfer pipe 61 of the sodium supply unit 60 is connected to the inside of the cathode chamber 24 through the cathode plate 28.

이에 이송관(61)으로 공급된 나트륨은 음극실(24)로 공급되어 음극실(24) 내부에 채워진다. 음극용기(50)와 음극실(24)은 이송관(61)을 통해 연결되어, 전지 반응에 따라 필요한 나트륨 양이 이송관(61)을 통해 음극용기와 전지부 사이로 유통된다.The sodium supplied to the transfer pipe 61 is supplied to the cathode chamber 24 and filled in the cathode chamber 24. The negative electrode container 50 and the negative electrode chamber 24 are connected through a transfer tube 61, so that the amount of sodium required by the battery reaction is distributed between the negative electrode container and the battery unit through the transfer tube 61.

이와 같이 음극용기를 전지부와 분리하고 전지반응에 필요한 나트륨 양만을 전지부에 실시간으로 공급함으로써, 고체전해질이 파손되더라도 다량의 발열반응을 원천적으로 차단할 수 있게 된다.As such, by separating the negative electrode container from the battery unit and supplying only the amount of sodium necessary for the battery reaction to the battery unit in real time, even if the solid electrolyte is damaged, a large amount of exothermic reaction can be blocked.

여기서, 상기 이송관(61)에는 나트륨을 유통시킬 수 있도록 펌프가 더 설치될 수 있다. 상기 펌프는 음극용기(50)로부터 나트륨을 필요량만큼 강제 이송하게 된다. 또한, 필요시 음극실로부터 나트륨을 음극용기로 강제 회수함으로써, 고체전해질 파손시 전지부 내에 나트륨이 잔존하지 않도록 한다. 또한, 나트륨 공급량 제어를 위한 유속계 또는 유압계나 밸브가 이송관(61)에 더 설치될 수 있다. 상기 펌프나 유속계, 유압계, 밸브의 상세한 구성은 뒤에서 다시 설명하도록 한다.In this case, a pump may be further installed in the transfer pipe 61 to distribute sodium. The pump forcibly transfers sodium from the cathode container 50 by the required amount. In addition, if necessary, by forcibly recovering the sodium from the negative electrode chamber to the negative electrode container, so that sodium does not remain in the battery unit when the solid electrolyte breaks. In addition, a flow meter or hydraulic system or valve for sodium supply control may be further installed in the transfer pipe 61. Detailed configuration of the pump, the flow meter, the hydraulic system, the valve will be described later.

한편, 도 2는 나트륨 유황 전지의 또다른 실시예를 도시하고 있다.On the other hand, Figure 2 shows another embodiment of a sodium sulfur battery.

본 실시예에서 나트륨 공급부의 구조를 제외하고 나머지 구성는 위에서 언급한 다른 실시예와 동일하다. 이에 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 사용하며, 그 상세한 설명은 생략한다.Except for the structure of the sodium supply in this embodiment, the rest of the configuration is the same as the other embodiments mentioned above. The same reference numerals are used for the same components, and a detailed description thereof will be omitted.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 전지(100)는 충방전이 이루어지는 전지부(10)와, 전지부(10)와 별도로 구비되며 나트륨을 수용하는 음극용기(50), 음극용기(50)와 전지부(10) 사이에 나트륨을 유통시키기 위한 나트륨 공급부(60)를 포함한다.As shown in FIG. 2, the battery 100 includes a battery unit 10 in which charging and discharging is performed, and a negative electrode container 50, a negative electrode container 50, which is provided separately from the battery part 10, and accommodates sodium. And a sodium supply unit 60 for distributing sodium between the battery units 10.

상기 나트륨 공급부(60)는 음극용기(50)와 음극실(24) 사이에 연결되어 나트륨을 공급하는 주입관(62)과 나트륨이 회수되는 출구관(64)을 포함한다.The sodium supply unit 60 is connected between the cathode container 50 and the cathode chamber 24 includes an injection tube 62 for supplying sodium and an outlet tube 64 for recovering sodium.

상기 주입관(62)은 음극판(28)을 지나 음극실(24)의 일측 선단부와 연결된다. 그리고 상기 출구관(64)은 음극실(24)의 반대쪽 선단부와 연결된다. The injection tube 62 passes through the negative electrode plate 28 and is connected to one end portion of the negative electrode chamber 24. In addition, the outlet pipe 64 is connected to the opposite end of the cathode chamber 24.

이에 주입관(62)으로 공급된 나트륨은 음극실(24)로 공급되고, 음극실의 반대쪽에 연결된 출구관(64)을 통해 음극용기(50)로 회수된다.The sodium supplied to the injection tube 62 is supplied to the cathode chamber 24, and is recovered to the cathode container 50 through the outlet tube 64 connected to the opposite side of the cathode chamber.

여기서, 상기 나트륨 공급부(60)는 주입관(62)에 설치되어 음극용기(50)의 나트륨을 음극실(24)로 이송하는 펌프(66)를 더 포함할 수 있다.Here, the sodium supply unit 60 may further include a pump 66 installed in the injection tube 62 to transfer sodium in the negative electrode container 50 to the negative electrode chamber 24.

또한, 본 전지는 전지부(10)의 충방전에 따라 나트륨의 공급량을 조절하는 구조로 되어 있다. 이에 전지부 충방전에 따라 전지 반응에 필요한 최적의 나트륨 양만을 음극실로 공급할 수 있게 된다. 상기 나트륨의 공급량은 상기 펌프(66)의 구동을 제어함으로써 조절된다. In addition, the present battery has a structure in which the supply amount of sodium is adjusted according to the charge and discharge of the battery unit 10. Accordingly, only the optimum amount of sodium necessary for the battery reaction can be supplied to the negative electrode chamber according to the battery part charging and discharging. The supply amount of sodium is adjusted by controlling the driving of the pump 66.

본 실시예에서 나트름의 공급량이 적정한지 여부는 나트륨의 유속 검출을 통해 이루어진다. 이를 위해 상기 출구관(64)에는 나트륨의 유속을 검출하는 유속계(70)가 설치된다.In the present embodiment, whether or not the supply amount of natrium is appropriate is made by detecting the flow rate of sodium. To this end, the outlet pipe 64 is provided with a flow meter 70 for detecting the flow rate of sodium.

이에 유속계(70)에 검출되는 나트륨의 유속이 일정하게 유지될 수 있도록 펌프(66)를 제어하여 나트륨의 공급량을 조절함으로써, 전지 반응에 꼭 필요한 나트륨 양만을 음극실(24)로 공급할 수 있게 된다.Accordingly, by controlling the pump 66 so as to maintain a constant flow rate of sodium detected in the flow meter 70, the amount of sodium supplied is controlled to supply only the amount of sodium necessary for the battery reaction to the cathode chamber 24. .

이하, 도 2의 실시예에 따른 나트륨 유황 전지를 참조하여 그 작용을 살펴보면 다음과 같다. 도 1의 실시예 역시 나트륨의 유통 구조만 다를 뿐 그 작용은 동일하다.Hereinafter, the operation of the sodium sulfur battery according to the embodiment of FIG. 2 will be described. In the embodiment of Figure 1 also only the distribution structure of sodium, the operation is the same.

도 2에 도시된 바와 같이, 나트륨이 채워진 음극용기(50)로부터 액상의 나트륨이 주입관(62)을 통해 설정된 초기유속으로 이동하여 전지부(10)의 음극실(24)로 공급된다. 그리고 음극실(24)에 연결된 출구관(64)을 통해 다시 음극용기(50)로 되돌아오게 된다. 상기 초기유속은 전지 반응에 필요한 나트륨 양으로, 전지부의 크기나 구조에 따라 음극실로 공급될 최소한의 나트륨 양으로 결정될 수 있다. 상기 초기 유속을 일정하게 유지함으로써, 음극실에 전지 반응에 필요한 나트륨만이 수용될 수 있다.As shown in FIG. 2, the liquid sodium is transferred from the sodium container 50 filled with sodium to the initial flow rate set through the injection tube 62, and is supplied to the cathode chamber 24 of the battery unit 10. Then, the outlet tube 64 connected to the cathode chamber 24 is returned to the cathode container 50 again. The initial flow rate may be determined by the amount of sodium required for the battery reaction, and the minimum amount of sodium to be supplied to the cathode chamber according to the size or structure of the battery unit. By keeping the initial flow rate constant, only sodium necessary for the battery reaction can be accommodated in the negative electrode chamber.

음극용기(50)에 채워진 불활성가스의 압력에 의해 또는 펌프(66)의 구동에 따라 나트륨은 주입관(62)을 통해 전지부(10)의 음극판(28)과 고체전해질(16) 사이의 틈새에 형성되는 음극실(24)로 공급된다. By the pressure of the inert gas filled in the negative electrode container 50 or by the operation of the pump 66, sodium passes through the injection tube 62 and the gap between the negative electrode plate 28 and the solid electrolyte 16 of the battery unit 10 It is supplied to the cathode chamber 24 formed in the.

전지 구동에 따라 예를 들어, 방전시에는 음극실(24)의 나트륨 이온이 고체전해질(16)을 지나 양극실(12)로 이동한다. 나트륨 이온이 양극실(12)로 이동함에 따라 출구관(64)에서의 나트륨 유속은 설정된 초기 유속에서 감소하게 된다. 출구관(64)에서의 유속 감소는 유속계(70)에 의해 검출된다. 이에 유속계(70)를 통해 검출된 유속 감소값 만큼 즉, 양극실(12)로 이동한 나트륨 이온양 만큼 펌프(66)를 제어작동하여 주입관(62)을 통해 추가로 나트륨을 음극실(24)로 더 공급한다. 따라서 출구관(64)에서의 나트륨 유속은 초기 유속으로 회복되어 유지된다.According to the driving of the battery, for example, during discharge, sodium ions in the cathode chamber 24 move through the solid electrolyte 16 to the cathode chamber 12. As sodium ions move into the anode chamber 12, the sodium flow rate in the outlet tube 64 decreases at the set initial flow rate. The decrease in the flow rate at the outlet pipe 64 is detected by the flow meter 70. Accordingly, the pump 66 is controlled by as much as the flow rate decrease value detected through the flowmeter 70, that is, the amount of sodium ions moved to the anode chamber 12, thereby additionally adding sodium through the injection tube 62. Supply more). Thus, the sodium flow rate in the outlet pipe 64 is restored to the initial flow rate and maintained.

반대로, 충전시에는 양극실(12)의 황화물이 분해됨으로써 생성되는 나트륨 이온이 음극실(24)로 이동하여 액상 나트륨이 형성되므로, 출구관(64)에서의 나트륨 유속은 설정된 초기 유속보다 증가하게 된다. 출구관(64)에서의 유속 증가는 유속계(70)에 의해 검출된다. 이에 유속계(70)를 통해 검출된 유속 증가값 만큼 즉, 음극실(24)로 이동한 나트륨 이온양 만큼 펌프(66)를 제어작동하여 주입관(62)을 통한 나트륨의 공급량을 감소시킨다. 따라서 출구관(64)에서의 나트륨 유속은 초기 유속으로 회복되어 유지된다.On the contrary, during charging, since sodium ions generated by decomposition of the sulfide in the anode chamber 12 move to the cathode chamber 24 to form liquid sodium, the sodium flow rate in the outlet tube 64 is increased to be higher than the set initial flow rate. do. The increase in the flow rate at the outlet pipe 64 is detected by the flow meter 70. Accordingly, the pump 66 is controlled by the flow rate increase value detected through the flowmeter 70, that is, the amount of sodium ions moved to the cathode chamber 24, thereby reducing the amount of sodium supplied through the injection pipe 62. Thus, the sodium flow rate in the outlet pipe 64 is restored to the initial flow rate and maintained.

이와 같이, 전지부(10) 충방전시 나트륨의 유속을 설정된 초기 유속으로 일정하게 유지하도록 나트륨 공급량을 조절함으로써, 전지 반응에 꼭 필요한 양의 나트륨만을 음극실(24)로 공급할 수 있게 된다. As such, by adjusting the amount of sodium supplied to maintain the flow rate of sodium at the predetermined initial flow rate at the time of charging and discharging the battery unit 10, only the amount of sodium necessary for the battery reaction can be supplied to the negative electrode chamber 24.

따라서 전지부(10) 내부에 최소한의 나트륨만이 잔존하고 있어, 고체전해질(16) 파손시 대량의 나트륨이 유황과 반응하는 현상을 원천적으로 방지할 수 있게 된다.Therefore, only a minimum of sodium remains in the battery unit 10, so that a large amount of sodium reacts with sulfur when the solid electrolyte 16 is damaged.

여기서, 본 전지는 전지부(10)의 충방전에 따라 나트륨의 공급량 확인을 위한 구조로서, 나트륨의 유속 외에 압력을 이용한 구조 역시 적용할 수 있다.Here, the present battery is a structure for checking the supply amount of sodium according to the charge and discharge of the battery unit 10, a structure using a pressure in addition to the flow rate of sodium can also be applied.

이를 위해, 본 전지는 상기 출구관(64)을 개폐하는 밸브(74)와, 상기 주입관(62) 내부 압력을 검출하는 압력계(72)를 포함할 수 있다.To this end, the battery may include a valve 74 that opens and closes the outlet pipe 64, and a pressure gauge 72 that detects an internal pressure of the injection pipe 62.

이와 같이 출구관(64)을 밸브(74)로 닫은 상태에서 압력계(72)를 통해 음극실(24)로 유입된 나트륨에 의한 음극실(24) 내부 압력을 검출한다. 그리고 압력계(72)에 검출된 압력값에 따라 펌프(66)를 제어작동함으로써, 전지 반응에 꼭 필요한 나트륨 양만을 공급할 수 있게 된다.Thus, the pressure inside the cathode chamber 24 by sodium which flowed into the cathode chamber 24 through the pressure gauge 72 in the state which closed the outlet pipe 64 by the valve 74 is detected. By controlling the pump 66 according to the pressure value detected by the pressure gauge 72, it is possible to supply only the amount of sodium necessary for the battery reaction.

즉, 방전시에는 음극실(24)의 나트륨 이온이 양극실(12)로 이동되면 음극실(24)의 내부 압력은 설정된 초기 압력보다 낮아진다. 음극실(24) 내부 압력은 압력계(72)를 통해 검출된다. 이에 펌프(66)를 제어작동하여 압력감소량만큼 추가로 나트륨을 음극실(24)로 더 공급할 수 있다. 나트륨 공급에 따라 음극실(24) 내부 압력은 초기 압력으로 회복되어 유지된다. 반대로, 충전시에는 나트륨 이온이 음극실(24)로 이동하여 음극실(24) 내부 압력은 높아지게 된다. 이는 압력계(72)에 검출되고 마찬가지로 이 값에 따라 펌프(66)를 제어작동하여 나트륨의 공급량을 줄임으로써, 음극실(24) 내부 압력을 초기 압력으로 회복하여 유지할 수 있다. 따라서 유압계를 이용한 구조 역시 전지부(10) 충방전시 나트륨 공급량을 조절함으로써, 전지 반응에 꼭 필요한 양의 나트륨만을 음극실(24)로 공급할 수 있게 된다. That is, during discharge, when sodium ions in the cathode chamber 24 are moved to the anode chamber 12, the internal pressure of the cathode chamber 24 is lower than the set initial pressure. The pressure inside the cathode chamber 24 is detected through the pressure gauge 72. Accordingly, the pump 66 may be controlled to further supply sodium to the cathode chamber 24 by the amount of pressure reduction. In accordance with the sodium supply, the pressure inside the cathode chamber 24 is restored to and maintained at the initial pressure. On the contrary, during charging, sodium ions move to the cathode chamber 24 so that the pressure inside the cathode chamber 24 becomes high. This is detected by the pressure gauge 72 and similarly, by controlling the pump 66 in accordance with this value to reduce the supply amount of sodium, the pressure inside the cathode chamber 24 can be restored and maintained at the initial pressure. Therefore, the structure using the hydraulic system is also able to supply only the amount of sodium necessary for the battery reaction to the negative electrode chamber 24 by adjusting the sodium supply amount during the battery unit 10 charging and discharging.

이와 같이, 본 전지는 나트륨이 수용된 음극용기(50)를 전지부(10)에서 제거하고 나트륨을 필요량만큼 전지부(10)로 공급함으로써 전지의 안전성을 높일 수 있게 된다.As described above, the present battery can increase the safety of the battery by removing the negative electrode container 50 containing sodium from the battery unit 10 and supplying sodium to the battery unit 10 as necessary.

더욱이, 본 전지는 음극용기(50)가 전지부(10)에서 분리됨으로써, 음극용기(50) 내의 나트륨 온도를 전지의 구동온도(약 290 ~ 350℃)보다 낮게 유지할 수 있다. 나트륨은 녹는점보다 약간 높은 수준인 100℃ 근처에서도 유동성을 유지하므로, 나트륨의 온도를 충분히 낮추더라도 전지의 구동이 가능하다. 나트륨의 온도를 낮게 유지함에 따라 음극용기(50) 파손으로 나트륨 연소 반응이 발생되는 경우 반응속도 측면에서 고온 연소 반응에 비해 반응을 늦춰 추가적인 안전성을 확보할 수 있게 된다.In addition, in the battery, since the negative electrode container 50 is separated from the battery unit 10, the sodium temperature in the negative electrode container 50 can be kept lower than the driving temperature (about 290 to 350 ° C.) of the battery. Sodium maintains fluidity even at a temperature slightly higher than the melting point of 100 DEG C, so that the battery can be driven even if the temperature of the sodium is sufficiently lowered. When the sodium combustion reaction occurs due to the breakdown of the cathode container 50 by keeping the temperature of sodium low, it is possible to secure additional safety by slowing the reaction compared to the high temperature combustion reaction in terms of reaction rate.

또한, 본 실시예의 전지의 경우 전지부가 평판 형태로 이루어져 복수개의 전지부를 적층하여 대용량의 전지를 구성하기 용이한 장점이 있다.In addition, in the case of the battery of the present embodiment, the battery unit has a flat plate shape, and thus, a plurality of battery units may be stacked to configure a large capacity battery.

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.While the illustrative embodiments of the present invention have been shown and described, various modifications and alternative embodiments may be made by those skilled in the art. Such variations and other embodiments will be considered and included in the appended claims, all without departing from the true spirit and scope of the invention.

10 : 전지부 12 : 양극실
16 : 고체전해질 20 : 절연링
24 : 음극실 50 : 음극용기
60 : 나트륨 공급부 61 : 이송관
62 : 주입관 64 : 출구관
66 : 펌프 70 : 유속계
72 : 압력계 74 : 밸브
10: battery part 12: anode chamber
16: solid electrolyte 20: insulating ring
24: cathode chamber 50: cathode container
60: sodium supply unit 61: transfer pipe
62: injection pipe 64: outlet pipe
66: pump 70: flow meter
72 pressure gauge 74 valve

Claims (7)

유황을 수용하는 양극실과, 나트륨을 수용하는 음극실, 상기 양극실과 음극실 사이에 배치되어 나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 판 형태의 고체전해질, 상기 양극실과 음극실을 감싸고 고체전해질을 지지하며 양극실과 음극실을 절연하는 절연링, 절연링에 결합되어 양극실과 음극실을 밀봉하고 양극실과 음극실로부터 전자를 집전하는 양극판과 음극판을 포함하여 충방전이 이루어지는 전지부와;
상기 전지부 외측에 배치되며 나트륨을 수용하는 음극용기;
상기 음극용기와 상기 전지부의 음극실 사이에 연결되어 음극실로 나트륨을 유통시키기 위한 나트륨 공급부
를 포함하는 나트륨 유황 전지.
A positive electrode chamber containing sulfur, a negative electrode chamber containing sodium, and a plate-shaped solid electrolyte disposed between the anode chamber and the cathode chamber to selectively move only sodium ions, surrounding the anode chamber and the cathode chamber, and supporting the solid electrolyte, An insulating ring for insulating the negative electrode chamber, a battery unit including a positive electrode plate and a negative electrode plate coupled to the insulating ring to seal the positive electrode chamber and the negative electrode chamber and collecting electrons from the positive electrode chamber and the negative electrode chamber;
A negative electrode container disposed outside the battery unit and containing sodium;
Sodium supply unit connected between the negative electrode container and the negative electrode chamber of the battery unit for distributing sodium to the negative electrode chamber
≪ / RTI >
제 1 항에 있어서,
상기 나트륨 공급부는 음극용기와 음극실 사이에 연결되어 나트륨을 유통시키는 이송관을 포함하는 나트륨 유황 전지.
The method of claim 1,
The sodium supply unit is a sodium sulfur battery comprising a transfer pipe connected between the cathode container and the cathode chamber for distributing sodium.
제 1 항에 있어서,
상기 나트륨 공급부는 음극용기와 음극실 사이에 연결되어 나트륨을 공급하는 주입관과 나트륨이 회수되는 출구관을 포함하는 나트륨 유황 전지.
The method of claim 1,
The sodium supply unit is connected to the cathode container and the cathode chamber sodium sulfur battery including an inlet tube for supplying sodium and the outlet tube to recover the sodium.
제 3 항에 있어서,
상기 주입관 또는 출구관에 설치되어 나트륨을 이송하는 펌프를 더 포함하는 나트륨 유황 전지.
The method of claim 3, wherein
Sodium sulfur battery further comprises a pump for transporting the sodium is installed in the inlet or outlet pipe.
제 4 항에 있어서,
상기 나트륨 공급부는 상기 펌프의 구동을 제어하여 나트륨의 공급량을 조절하기 위한 조절부를 더 포함하는 나트륨 유황 전지.
5. The method of claim 4,
The sodium supply unit further comprises a control unit for adjusting the supply amount of sodium by controlling the driving of the pump.
제 5 항에 있어서,
상기 조절부는 나트륨의 유속을 검출하는 유속계를 포함하는 나트륨 유황 전지.
The method of claim 5, wherein
The adjusting unit includes a sodium sulfur battery comprising a flow meter for detecting the flow rate of sodium.
제 5 항에 있어서,
상기 조절부는 상기 출구관을 개폐하는 밸브와, 상기 주입관 내부 압력을 검출하는 압력계를 더 포함하는 나트륨 유황 전지.
The method of claim 5, wherein
The adjusting unit further comprises a valve for opening and closing the outlet pipe, and a pressure gauge for detecting the pressure inside the injection tube sodium sulfur battery.
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