KR101353555B1 - 나트륨 유황 전지 - Google Patents

Abstract

음극의 접속단자 구조를 개선하여 용접에 따른 간섭을 없애고 음극과의 배선 연결 작업을 보다 용이하게 수행할 수 있도록, 유황을 수용하는 양극용기와, 나트륨을 수용하는 음극용기, 양극용기와 음극용기 사이에 설치되고 나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 전해질관, 음극용기와 양극용기 사이에서 음극용기와 양극용기를 절연시키는 절연체, 상기 음극용기 상부에 연결되어 전자를 집전하는 음극판, 상기 음극판에 형성되는 접속단자부를 포함하고, 상기 접속단자부는 음극판에 형성되는 적어도 하나 이상의 나사탭을 포함하는 나트륨 유황 전지를 제공한다.

Description

나트륨 유황 전지{SODIUM-SULFUR RECHARGEABLE BATTERY}

본 발명은 나트륨 유황 전지에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 음극 접속단자의 구조를 개선한 나트륨 유황전지에 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 전지와 전지 간의 전기적 연결을 위해 접속 단자를 구비한다. 나트륨 유황 전지는 언급한 바와 같이 에너지 용량이 크고 전류의 흐름이 원활하여야 하므로 별도의 접속단자를 구비하여 전지에 설치하게 된다.

통상 음극의 접속단자는 전지의 중앙부에 설치되며, 양극의 접속단자는 전지의 외곽부에 설치되며, 전지의 상부를 향해 돌출 형성된다.

이에 전지를 제작하기 위해서는 접속단자 설치를 위한 용접 공정이 요구되며, 특히 원통형태의 전지의 경우 원형 타입의 접합 공정이 많이 도입된다.

종래 구조의 경우 음극의 접속단자는 전지의 중앙부에서 수직방향으로 세워져 용접이 이루어진다.

그런데, 상기한 종래의 구조는 음극의 접속단자를 전지에 대해 수직으로 세워 용접해야 하므로 작업이 불편하였다. 또한, 접속단자에 배선 연결 작업시 접속단자가 상부로 돌출되어 있어서, 상부 용접 공간이 매우 협소하고, 이에 따른 용접 동선과 접속단자 사이의 간섭에 의해 배선 용접 작업이 곤란하고 용접 불량이 자주 발생하였다.

이에, 음극의 접속단자 구조를 개선하여 용접에 따른 간섭을 없애고 음극과의 배선 연결 작업을 보다 용이하게 수행할 수 있도록 된 나트륨 유황 전지를 제공한다.

이를 위해 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, 상기 음극용기 상부에 연결되어 전자를 집전하는 음극판, 상기 음극판에 형성되는 접속단자부를 포함하고, 상기 접속단자부는 음극판에 형성되는 적어도 하나 이상의 나사탭을 포함할 수 있다.

상기 나사탭은 음극판의 외측면에서 내부를 향해 함몰 형성될 수 있다.

상기 음극판은 외측면 일측에 위쪽으로 돌출되어 두께가 상대적으로 크게 형성된 돌출부를 구비하고, 상기 나사탭은 상기 돌출부에 형성될 수 있다.

본 전지는 상기 나사탭에 나사체결되는 체결볼트를 매개로 배선이 음극판에 접속되는 구조일 수 있다.

이와 같이 본 실시예에 의하면, 접속단자가 전지 상부로 돌출되지 않고 내부로 형성됨에 따라 배선 연결시 전지 상부 공간을 충분히 확보하여 간섭을 최소화할 수 있게 된다.

또한, 볼트를 이용하여 전지에 배선을 연결할 수 있게 되어, 배선 연결 작업이 보다 간편하고, 전지간의 조립을 보다 효율적으로 수행할 수 있게 된다.

도 1은 본 실시예에 따른 나트륨 유황 전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 또다른 실시예에 따른 나트륨 유황 전지의 음극 접속단자 구조를 도시한 개략적인 단면도이다.

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.

또한, 상기 음극용기(12)와 전해질관(10) 사이에는 전해질관 파손시 파손부위를 막아 나트륨이 유입을 차단하는 안전관(17)이 더 설치될 수 있다.

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 전지(100)는 음극용기(12)의 상부에 연결되어 전자를 집전하는 음극판(20)이 설치되고, 상기 음극판(20)에는 전지와 전지간 전기적 연결을 위한 음극단자 역할을 하는 접속단자부(30)가 구비된다.

본 실시예에서, 상기 접속단자부(30)는 음극판(20)에 형성되는 적어도 하나 이상의 나사탭(32)을 포함한다. 이와 같이 접속단자부(30)가 나사탭(32) 구조로 음극판(20)의 내부를 향해 함몰되어 형성됨으로써, 전지 상부 공간을 충분히 확보할 수 있고, 추후 배선 연결시 보다 편리하게 작업할 수 있게 된다.

도 2는 본 전지의 음극판(20)에 형성되는 접속단자부(30)의 구조를 보다 상세하게 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, 상기 음극판(20)은 중앙에 음극용기(12) 내부로 나트륨을 주입하기 위한 나트륨 주입구(24)가 관통 형성된다. 상기 나트륨 주입구(24)에는 별도의 체결구(26)가 설치되어 주입구를 막고 있다.

상기 나트륨 주입구(24)를 중심으로 소정 거리 이격되어 음극판(20)에 복수개의 나사탭(32)이 형성된다. 상기 나사탭(32)은 다양한 개수로 구비될 수 있으며 그 형성 개수에 대해서는 특별히 한정되지 않는다.

상기 나사탭(32)은 음극판(20)의 외측면에서 내부를 향해 수직방향으로 형성된다. 상기 나사탭(32)은 소정 깊이로 형성되며 내주면에는 나사 체결을 위한 암나사가 가공된 구조로 되어 있다. 상기 나사탭(32)의 형성 깊이나 직경은 전지나 음극판의 크기 등에 따라 달라질 수 있으며 특별히 한정되지 않는다.

여기서, 상기 음극판(20)은 나사탭(32)이 형성되는 중앙부가 위쪽으로 돌출되어 두께가 상대적으로 큰 돌출부(22)를 형성하고, 상기 나사탭(32)은 상기 돌출부(22)에 형성된 구조로 되어 있다. 상기 돌출부(22)의 형성 두께는 나사탭의 두께에 따라 다양하게 설정될 수 있다.

이와 같이 돌출부(22)에 나사탭(32)을 형성함으로써, 나사탭(32)의 깊이를 충분히 깊게 형성할 수 있어, 추후 나사탭(32)에 배선을 결합하였을 때 결합력을 높여 배선이 쉽게 이탈되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 전지와 전지간에 전기적인 연결을 하고자 하는 경우, 본 실시예의 접속단자부(30)는 별도의 체결볼트(40)를 이용하여 배선(50)을 음극판(20)에 간단히 접속할 수 있다. 즉, 상기 배선(50)은 나사탭(32)에 체결되는 체결볼트(40)와 음극판(20) 사이에서 가압 고정되어 전지와 전기적으로 연결된다.

여기서, 배선(50)의 접속을 보다 용이하게 하기 위해, 예를 들어 상기 배선(50)은 선단에 체결볼트(40)가 삽입될 수 있는 직경을 갖는 링 형태의 접속구(52)가 더 설치될 수 있다.

이에 작업자는 상기 링형태의 접속구(52)를 체결볼트(40)에 끼우고 체결볼트(40)를 상기 음극판(20)에 형성된 나사탭(32)에 체결하여 조여주는 것으로 배선(50)의 연결 작업을 완료할 수 있다. 상기 체결볼트(40)를 나사탭(32)에 체결하여 조여주게 되면 체결볼트(40)에 끼워져 있는 접속구(52)가 체결볼트(40)와 나사탭(32)이 형성된 음극판(20) 사이에 밀착되어 고정된다. 이에 접속구(52)는 음극판(20)에 접합된 상태가 되고 상기 나사탭(32)은 접속단자부(30)의 역할을 수행하게 되는 것이다.

이와 같이 본 전지는 단지 음극판(20)에 형성된 나사탭(32)에 체결볼트(40)를 체결하는 것으로 용접없이 배선(50)을 용이하게 연결할 수 있게 된다. 또한, 음극판(20) 위쪽으로 돌출되는 부분을 없애 배선(50) 접합 작업을 위한 충분한 공간을 확보할 수 있어 보다 효율적인 작업이 가능하다.

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 : 절연체 17 : 안전관
18 : 펠트집전체 20 : 음극판
22 : 돌출부 30 : 접속단자부
32 : 나사탭 40 : 체결볼트
50 : 배선 52 : 접속구

Claims (4)

1. 유황을 수용하는 양극용기와, 나트륨을 수용하는 음극용기, 양극용기와 음극용기 사이에 설치되고 나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 전해질관, 음극용기와 양극용기 사이에서 음극용기와 양극용기를 절연시키는 절연체, 상기 음극용기 상부에 연결되어 전자를 집전하는 음극판, 상기 음극판에 구비되어 전지와 전지간 전기적 연결을 위한 음극단자 역할을 하는 접속단자부를 포함하고,
   상기 음극판은 외측면 중앙부가 위쪽으로 돌출되어 두께가 음극판보다 상대적으로 크게 형성된 돌출부를 구비하고, 상기 돌출부의 중앙에 음극용기 내부로 나트륨을 주입하기 위한 나트륨 주입구가 관통 형성되며, 상기 돌출부 외측면에는 상기 나트륨 주입구를 막는 체결구가 설치되며,
   상기 접속단자부는 상기 음극판의 돌출부에 나트륨 주입구 주변을 따라 형성되는 복수개의 나사탭을 구비하며, 상기 복수개의 나사탭은 상기 돌출부 외측면에서 내부를 향해 함몰 형성되며, 복수개의 나사탭에 나사체결되는 체결볼트를 매개로 복수개의 배선이 음극판에 접속되는 구조의 나트륨 유황 전지.
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