KR101405474B1 - 나트륨 유황 전지 - Google Patents

Abstract

전지의 안전성을 보다 높일 수 있고, 전해질관 파손시 나트륨의 공급을 원천적으로 차단하여 전지의 안전성을 확보할 수 있도록, 나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 평판 형태의 고체전해질, 유황을 수용하고 상기 고체전해질의 일면에 배치되는 양극실, 나트륨을 수용하고 양극실에 대해 상기 고체전해질의 반대쪽 면에 배치되는 음극실, 상기 고체전해질 둘레를 따라 설치되어 양극실과 음극실을 절연하는 절연링, 절연링에 결합되어 양극실과 음극실을 각각 밀봉하는 양극판과 음극판을 포함하여, 충방전이 이루어지는 단전지와, 상기 단전지 외측에 배치되며 나트륨을 수용하는 음극용기, 상기 음극용기와 상기 단전지의 음극실 사이에 연결되어 음극실로 나트륨을 유통시키기 위한 나트륨 유통부를 포함하고, 상기 단전지는 복수개가 적층되어 이웃하는 단전지간에 양극판과 음극판이 접하도록 설치되고, 각 단전지는 나트륨 유통부를 통해 공통의 음극용기에 개별적으로 연결된 구조의 나트륨 유황 전지를 제공한다.

Description

나트륨 유황 전지{SODIUM-SULFUR RECHARGEABLE BATTERY}

본 발명은 나트륨 유황 전지에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 평판형태의 나트륨 유황 전지에 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.

원통형태의 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 음극 활물질인 나트륨이 수용된 음극용기가 배치되고, 전해질관과 양극용기 사이에는 유황과 탄소펠트가 위치한다. 이에 나트륨 이온이 전해질관인 베타알루미나를 거쳐 음극과 양극간을 이동함으로써 충방전이 이루어진다.

평판형태의 나트륨 유황 전지는 원통형태의 전지와 달리 고체전해질로 베타알루미나 세라믹을 디스크(disk) 형태로 제조하여 사용한다. 디스크 형태의 고체전해질 양면에 각각 유황을 수용한 양극부와 나트륨을 수용한 음극부가 전기적으로 절연된 상태로 배치된다.

나트륨 유황 전지는 구동 중 전해질관이 파손되는 경우, 양극의 유황이 전해질관의 파손 부위를 통해 음극으로 흘러 들어감으로써, 음극의 나트륨과 접촉되어 급격한 화학반응을 일으키게 된다.

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.

이에, 종래의 나트륨 유황 전지는 고체전해질 파손시 전지 내부의 대량의 나트륨이 유황과 반응하면서 폭발적인 발열반응을 유발할 수 있고, 급격한 반응 발생 이후 나트륨과 유황의 반응이 계속해서 지속되는 문제점이 있다.

또한, 평판형 나트륨 유황 전지의 경우 안전성을 보다 높일 수는 있으나, 종래 구조의 경우 전지 내부에 수용되는 나트륨의 양에 한계가 있어 부피에 비해 전지의 용량을 높이는 데 어려움이 있다.

이에, 전지의 안전성을 보다 높일 수 있고, 전해질관 파손시 나트륨의 공급을 원천적으로 차단하여 전지의 안전성을 확보할 수 있도록 된 나트륨 유황 전지를 제공한다.

또한, 충방전 효율이 높으면서 부피에 대해 전지 용량을 높일 수 있도록 된 나트륨 유황 전지를 제공한다.

이를 위해 본 나트륨 유황 전지는,

나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 평판 형태의 고체전해질, 유황을 수용하고 상기 고체전해질의 일면에 배치되는 양극실, 나트륨을 수용하고 양극실에 대해 상기 고체전해질의 반대쪽 면에 배치되는 음극실, 상기 고체전해질 둘레를 따라 설치되어 양극실과 음극실을 절연하는 절연링, 절연링에 결합되어 양극실과 음극실을 각각 밀봉하는 양극판과 음극판을 포함하여, 충방전이 이루어지는 단전지와;

상기 단전지 외측에 배치되며 나트륨을 수용하는 음극용기;

상기 음극용기와 상기 단전지의 음극실 사이에 연결되어 음극실로 나트륨을 유통시키기 위한 나트륨 유통부;

를 포함하고,

상기 단전지는 복수개가 적층되어 설치되고, 각 단전지는 나트륨 유통부를 통해 공통의 음극용기에 개별적으로 연결된 구조일 수 있다.

상기 나트륨 유통부는 음극용기에 연결되어 나트륨이 유통되는 메인관과, 상기 메인관에서 분기되어 각 단전지로 연장되는 분기관, 상기 각 단전지의 음극판 내부를 통해 음극실과 연통 형성되고 음극실과 분기관을 연결하어 나트륨을 유통하는 이송로를 포함할 수 있다.

상기 나트륨 유통부는 메인관 또는 각 분기관 일측에 설치되어 메인관 또는 분기관을 개폐하는 밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 복수개의 단전지는 적층된 일측 단전지의 양극판과 이웃하는 단전지의 음극판 사이에 설치되어 이웃하는 단전지 사이를 절연하는 절연판을 더 포함하여, 병렬 연결된 구조일 수 있다.

상기 복수개의 단전지는 이웃하는 단전지간에 양극판과 음극판이 접하도록 설치되어 직렬 연결된 구조일 수 있다.

이웃하는 두 개의 단전지 사이에 접하는 양극판과 음극판은 일체로 형성되어 한 몸체를 이룰 수 있다.

상기 음극용기는 일단이 개방되고 내부에 나트륨 수용 공간을 갖는 카트리지와 상기 카트리지의 개방된 선단에 접합되는 뚜껑, 내부에 설치되어 나트륨 공급압력을 부여하기 위한 압력발생구를 포함할 수 있다.

상기 압력발생구는 음극용기 내에 구비되는 아지드화나트륨(sodium azide;NaN3)을 포함할 수 있다.

상기 압력발생구는 음극용기 내측에 설치되고 내부에는 아지드화나트륨이 채워진 홀더와, 상기 홀더에 연통되고 음극용기 내부로 연장되어 가스를 배출하는 배출로를 포함할 수 있다.

상기 뚜껑의 내면에 암나사가 형성된 홈이 형성되고, 외주면에 수나사가 가공된 홀더가 상기 홈에 착탈가능하게 결합되고, 상기 홈의 저부와 뚜껑의 내면 사이를 연통하는 배출로가 형성되어, 홀더에서 발생된 가스가 뚜껑의 배출로를 통해 배출되는 구조일 수 있다.

상기 절연링과 양극판 사이에 접합되는 양극칼라를 더 포함하고, 상기 양극칼라는 양단이 개방된 통 형태를 이루어 일측 선단은 상기 절연링의 일면에 접합되며, 타측 선단에는 상기 양극판이 접합되어 양극실을 밀봉하는 구조일 수 있다.

상기 절연링과 양극칼라 사이에 접합되는 삽입금속을 더 포함할 수 있다.

상기 양극판 또는 음극판은 브레이징 접합된 구조일 수 있다.

상기 각 단전지에 연결되어 단전지 내의 나트륨을 선택적으로 제거하는 나트륨 제거부를 더 포함할 수 있다.

상기 나트륨 제거부는 내부에 진공압이 형성된 진공탱크와, 상기 진공탱크와 상기 메인관을 연결하는 배출관, 상기 배출관과 메인관의 관로를 선택적으로 차단하여, 각 분기관을 메인관 또는 배출관과 연결시키는 3웨이밸브를 포함할 수 있다.

상기 나트륨 제거부는 단전지의 온도를 검출하는 온도센서와, 상기 온도센서의 검출값을 연산하여 상기 3웨이밸브를 제어작동하는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.

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.

이에 전지 폭발의 위험을 낮추고 전지의 안전성을 높일 수 있게 된다.

또한, 열간압착접합방식 대신 브레이징 접합 방식을 통해 양극판이나 음극판을 접합하여 접합과정에서 발생되는 구성부의 파손을 방지할 수 있게 된다.

또한, 음극실의 크기를 최소화하여 전지 내부에 상존하는 나트륨의 양을 종래와 비교하여 충분히 낮춤으로써 고체전해질 파손시 전지의 발열량을 줄이고 폭발의 위험을 낮출 수 있게 된다.

또한, 전지 파손에 따른 급격한 반응으로 고열이 발생되는 경우, 나트륨을 전량 외부로 배출시킴으로써, 황과 나트륨의 급격한 반응을 최소화하고 안전성을 보다 높일 수 있게 된다.

또한, 복수개의 단전지를 적층하고 하나의 공통된 음극용기에서 나트륨을 공급받게 되어, 전지의 전체 부피 대비 용량 및 효율을 증대할 수 있게 된다.

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

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.

이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 실시예에 따른 나트륨 유황 전지를 도시하고 있다.

도 1을 참조하면, 본 실시예의 나트륨 유황 전지(이하, 전지모듈(100)이라 한다)는 충방전이 이루어지는 복수개의 단전지(10)와, 단전지(10)에 대해 별도로 구비되며 나트륨을 수용하는 음극용기(30), 음극용기(30)와 각 단전지(10) 사이에 나트륨을 유통시키기 위한 나트륨 유통부(50)를 포함한다.

전지모듈(100)은 복수개의 단전지(10)가 적층되고, 각 단전지(10)는 나트륨 유통부(50)를 통해 공통의 음극용기(30)에 개별적으로 연결된 구조로 되어 있다. 즉, 본 실시예의 전지모듈(100)은 복수개의 단전지(10)가 적층되어 하나의 모듈을 이룬다.

먼저, 상기 단전지(10)의 구조를 살펴보면 다음과 같다.

본 실시예에서 상기 단전지(10)는 납작한 평판 형태의 구조를 이룬다. 이하 설명에서 상부나 상단이라 함은 도 2에서 위쪽을 의미하며, 하부나 하단은 그 반대인 아래쪽을 의미한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 단전지(10)는 나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 평판 형태의 고체전해질(12), 유황을 수용하고 상기 고체전해질(12)의 일면에 배치되는 양극실(14), 나트륨을 수용하고 양극실(14)에 대해 상기 고체전해질(12)의 반대쪽 면에 배치되는 음극실(16), 상기 고체전해질(12) 둘레를 따라 설치되어 양극실(14)과 음극실(16)을 절연하는 절연링(18), 절연링(18)에 결합되어 양극실(14)과 음극실(16)을 각각 밀봉하는 양극판(20)과 음극판(22)을 포함한다. 상기 단전지(10)는 음극판(22)과 양극판(20)이 상하면을 이루는 납작한 평판 구조로 되어 있다.

상기 고체전해질(12)은 나트륨 이온을 통과시킬 수 있는 베타알루미나 세라믹으로 이루어진다. 본 실시예에서 상기 고체전해질(12)은 평면의 판 구조로 이루어진다. 상기 고체전해질(12)은 디스크와 같은 원형 구조 또는 사각 등의 다각형태로 이루어질 수 있으며, 평판 구조이면 그 형태에 있어서 특별히 한정되지 않는다. 상기 고체전해질(12)의 양면에 각각 양극실(14)과 음극실(16)이 배치된다.

절연링(18)은 중앙부가 개공된 링형태의 구조물이다. 상기 절연링(18)은 알파알루미나 세라믹으로 이루어져 음극과 양극의 쇼트(short)를 방지한다. 절연링(18)의 개공된 중앙부에 고체전해질(12)이 접합된다. 절연링(18)은 고체전해질(12)과 유리 밀봉재를 이용하여 고온에서 접합된다.

절연링(18)의 상단과 하단에 각각 금속 재질의 음극판(22), 양극판(20)이 덮여져 음극실(16)과 양극실(14)을 밀봉한다.

상기 양극실(14)은 고체전해질(12) 하단에 위치한다. 양극판(20)과 고체전해질(12) 사이의 공간이 양극실(14)을 형성한다. 양극실(14) 내부에는 유황이 담겨진 펠트집전체(24)가 채워진다. 펠트집전체는 예를 들어, 내부에 기공이 형성된 탄소펠트로, 기공 내에 유황이 담겨지게 된다. 상기 펠트집전체(24)의 형태는 양극실(14)의 형태와 대응될 수 있다. 양극실(14) 내부 공간에는 질소 가스나 아르곤 가스 등의 불활성가스가 소정의 압력으로 채워질 수 있다.

상기 양극판(20)은 판 구조물로, 절연링(18)의 하단에 접합되어 양극실(14)을 밀봉한다. 상기 양극판(20)은 알루미늄, 스테인리스 스틸 등의 금속 소재로 제조된다. 양극판(20)의 표면에는 크롬, 몰리브덴 등을 주성분으로 하는 합금이 코팅되어 내식층을 형성할 수 있다. 상기 양극판(20)은 전지의 외형을 이루며 양극의 외부 단자의 역할도 수행할 수 있다.

본 실시예에서, 상기 양극판(20)은 양극칼라(26)를 매개로 절연링(18) 하단에 접합된다.

상기 양극칼라(26)는 절연링(18)과 양극판(20)를 연결하는 구조물로, 금속재질의 링 형태로 이루어져 상단이 절연링(18) 하부에 접합된다. 양극칼라(26)의 하단은 아래로 연장되어 양극판(20)과 접합된다. 양극판은 브레이징 접합 구조를 통해 접합될 수 있다.

상기 음극판(22)은 판 구조물로, 절연링(18)의 상단에 접합되어 음극실(16)을 밀봉한다. 이에, 상기 음극판(22)과 고체전해질(12) 사이의 틈새는 나트륨이 수용되는 음극실(16)을 이룬다. 음극용기(30)의 나트륨은 나트륨 유통부(50)에 의해 음극판(22)과 고체전해질(12) 사이로 유입되어 음극실(16)을 채운다.

본 실시예에서, 상기 음극판(22)은 절연링(18)의 상단에 브레이징 접합된다. 음극판(22)은 내부에 나트륨이 유통되는 이송로(56)가 형성되므로, 브레이징 접합 구조를 통해 접합될 필요가 있다. 브레이징 접합은 압력이 가해지지 않은 상태에서 접합이 이루어지므로, 본 실시예는 브레이징 접합 구조를 통해 음극판 접합시 음극판과 절연링의 손상을 방지할 수 있게 된다.

본 실시예에서 상기 음극판(22)과 고체전해질(12) 사이의 간격은 전지 반응에 필요한 나트륨만이 수용될 수 있도록 최소한의 간격으로 유지할 수 있다. 이에 단전지(10) 내에 상존하는 나트륨의 양을 최소 수준으로 감소시켜 전지의 발열에 의한 화재나 폭발의 위험을 저감시킬 수 있게 된다. 예를 들어, 상기 음극판(22)과 고체전해질(12) 사이의 간격이 100㎛로 유지하는 경우, 종래 전지와 비교하여 단전지(10) 내에 상존하는 나트륨의 양을 1/100 수준으로 감소시킬 수 있다. 따라서 전지의 발열에 의한 화재나 폭발의 위험을 그만큼 저감시킬 수 있게 된다.

한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 전지모듈(100)은 상기한 구조의 단전지(10) 복수개가 적층되어 하나의 모듈을 이룬다.

상기 단전지(10)의 적층구조를 살펴보면, 본 실시예에서 각 단전지(10)는 상하방향으로 따라 적층된다. 즉, 각 단전지(10)는 상하로 배치되어, 이웃하는 단전지 중 위쪽에 배치되는 단전지의 하단 양극판과 아래쪽에 배치된 단전지의 상단 음극판이 서로 이웃하도록 적층된다.

본 실시예의 전지모듈은 적층되는 각 단전지가 서로 전기적으로 절연되어 개별 구동되거나 병렬 연결된 구조일 수 있다. 이를 위해, 적층된 일측 단전지의 양극판(20)과 이웃하는 단전지의 음극판(22) 사이에 절연판(23)이 설치되어 이웃하는 단전지 사이를 절연한다. 상기 절연판(23)은 세라믹 재질로 이루어질 수 있다. 상기 절연판(23)은 이웃하는 양극판과 음극판 사이를 충분히 절연시킬 수 있는 크기와 형태로 이루어질 수 있다. 상기 절연판과 절연판의 양면에 접하는 양극판,음극판은 서로 브레이징 접합될 수 있다.

이와 같이, 본 실시예의 전지 모듈은 서로 전기적으로 분리된 복수개의 단전지를 구비하며, 이웃하는 단전지의 음극판과 음극판 또는 음극판과 양극판 간의 전기적 접속을 통해 복수개의 단전지를 병렬방식 또는 직렬방식으로 구동할 수 있게 된다.

도 2는 나트륨 유황 전지의 또다른 실시예를 도시하고 있다.

도 2의 나트륨 유황 전지 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 도 2의 나트륨 유황 전지를 다양한 형태로 변형할 수 있다.

도 2의 나트륨 유황 전지 구조는 적층된 단전지가 직렬연결된 구조를 제외하고 도 1의 나트륨 유황 전지 구조와 유사하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면부호를 사용하며 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2을 참조하면, 본 실시예의 나트륨 유황 전지(이하, 전지모듈(100)이라 한다)는 복수개의 단전지(10)가 적층되어 이웃하는 단전지(10)간에 양극판과 음극판이 접하도록 설치되고, 각 단전지(10)는 나트륨 유통부(50)를 통해 공통의 음극용기(30)에 개별적으로 연결된 구조로 되어 있다.

상기 단전지(10)의 적층구조를 살펴보면, 본 실시예에서 각 단전지(10)는 상하방향으로 따라 적층된다. 즉, 각 단전지(10)는 상하로 배치된 이웃하는 단전지(10) 간에 양극판(20)과 음극판(22)이 접하도록 적층된다.

본 실시예에서, 이웃하는 두 개의 단전지(10) 사이에 접한 상태로 위치하는 양극판(20)과 음극판(22)은 일체로 형성되어 한 몸체(이하 계속 음극판(22)이라 한다)를 이룬다. 한 몸체라 함은 서로 분리되지 않고 단일 재질로 된 하나의 구조물임을 의미한다. 이에, 단일 구조물인 음극판(22)은 적층방향을 따라 아래쪽 단전지(10)에 대해서는 음극판(22) 역할을 하며, 위쪽 단전지(10)에 대해서는 양극판(20) 역할을 한다. 이와 같이, 두 단전지(10) 사이의 양극판(20)과 음극판(22)을 한 몸체로 형성함으로써, 전지 모듈의 구성부품 개수를 줄이고, 양극판(20)과 음극판(22) 사이의 전류 흐름을 개선하여 전지 효율을 극대화할 수 있게 된다.

상기 음극판(22)은 상단이 위쪽에 적층된 단전지(10)의 양극칼라(26)에 접합되며, 하단은 아래쪽에 위치한 단전지(10)의 절연링(18) 상단에 접합된다. 본 실시예에서 상기 음극판(22)은 절연링(18)의 상단에 브레이징 접합된다.

이에, 본 실시예의 전지모듈은 이웃하는 단전지간의 양극과 음극이 서로 전기적으로 연결된 직렬 연결 구조를 이룬다.

도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 본 전지모듈은 음극용기(30)가 단전지(10)와는 별개로 분리되어 구비된 구조로 되어 있다.

적층된 각 단전지(10)는 하나의 음극용기(30)에 각각 개별적으로 연결된다. 이에 상기 각 단전지(10)는 나트륨 유통부(50)를 통해 음극용기(30)와의 사이에서 개별적으로 나트륨을 유통하는 구조로 되어 있다.

상기 음극용기(30)는 단전지(10)에 바로 인접하여 배치될 수 있다. 본 실시예에서 상기 음극용기(30)는 적층된 단전지(10)의 최상단에 설치된다. 상기 음극용기(30)는 단전지(10) 외측에 별도로 구비되면 충분하며 그 설치 위치에 대해서는 특별히 한정되지 않는다.

상기 음극용기(30)는 내부에 나트륨이 수용될 수 있도록 일단이 개방되고 내부에 공간을 갖는 카트리지(32)와, 상기 카트리지(32)의 개방된 선단에 접합되어 음극용기(30)를 밀봉하는 뚜껑을 포함한다. 상기 음극용기(30)를 이루는 카트리지(32)와 뚜껑은 알루미늄, 스테인리스 스틸 등의 금속 소재로 이루어질 수 있다.

상기 음극용기(30)는 카트리지(32) 내부에 적정 용량의 나트륨을 용융 상태에서 주입한 후 카트리지(32) 상단에 뚜껑(34)을 체결한 후 용접하여 제조된다. 또는 음극용기(30)의 카트리지(32) 측면에 나트륨 주입을 위한 별도의 주입구(36)가 더 설치될 수 있다. 제조된 음극용기(30)는 적층된 단전지(10)의 최상층에 위치한 단전지(10)의 음극판(22) 상단에 설치될 수 있다.

이와 같이, 본 실시예의 전지모듈(100)은 단전지(10) 제조와는 별도로 음극용기(30) 내부에 나트륨을 주입하고, 나트륨이 채워진 음극용기(30)를 단전지(10)에 후결합 시킴으로써, 전지 제조시 나트륨을 주입하는 공정을 분리할 수 있게 된다. 즉, 종래 구조의 경우 전지 제조 과정에서 용융 나트륨을 전지 내부로 주입해야 하므로, 전지의 온도를 용융 나트륨 온도로 승온시키는 복잡합 공정이 요구되고, 고온의 용융 나트륨이 직접 고체전해질(12)과 접촉하여 손상을 일으키게 된다. 그러나, 상기와 같이, 본 실시예의 전지모듈(100)은 음극용기(30)를 별도로 구비하여 단전지(10)와는 별도로 나트륨을 음극용기(30)에 주입시킬 수 있고, 이에, 음극용기(30)를 단전지(10)에 접합시키는 것으로 전지모듈(100)을 보다 용이하게 제조할 수 있게 된다.

상기 음극용기(30)의 뚜껑(34)의 내측면에는 나트륨 공급압력을 부여하기 위한 압력발생구(40)가 설치될 수 있다. 상기 압력발생구(40)는 음극용기(30) 내에 채워진 나트륨을 나트륨 유통부를 통해 밀어내는 내부압력을 발생시킨다. 따라서 본 전지모듈(100)은 음극용기(30)의 나트륨을 음극실(16) 내에 원활하게 공급하여 고체전해질(12)의 표면에 나트륨을 고르게 접촉시킬 수 있게 된다.

본 실시예에서, 상기 압력발생구(50)는 음극용기(30) 내에 구비되어 질소가스를 생성하는 아지드화나트륨(sodium azide;NaN3)을 포함할 수 있다. 상기 아지드화나트륨은 적정 함량을 펠릿(pallet) 형태로 가공하여 사용된다. 펠릿 형태로 가공된 아지드화나트륨은 뚜껑(34)에 설치되는 그릇 형태의 홀더(42)에 담겨져 음극용기(30) 내부에 수용된다. 상기 뚜껑(34)에는 홀더(42)에서 생성되는 질소가스를 음극용기(30) 내부로 배출하는 배출로(44)가 형성된다. 아지드화나트륨은 상온에서 고체로 존재하다가, 단전지 조립 후 초기 승온시에 300 ~ 350℃의 온도 범위에서 나트륨과 질소가스로 분해된다. 아지드화나트륨에서 분해된 질소가스는 내부 공간에 압력을 형성한다. 아지드화나트륨 1몰(mole)에서 1.5몰의 질소가스가 생성되므로 필요로하는 음극용기의 내부 압력에 맞춰 아지드화나트륨의 장입량을 알맞게 정할 수 있다.

상기 홀더(42) 장착을 위해, 상기 뚜껑(34)의 내면에 암나사가 형성된 홈이 형성되고, 상기 홀더는 외주면에 수나사가 가공되어 뚜껑(34)의 홈에 나사결합 방식으로 착탈된다. 상기 홀더(42)는 아지드화나트륨이 담겨진 상태로 뚜껑(34)과 카트리지(32)가 용접되기 전에 뚜껑(34)에 장착된다.

상기 배출로(44)는 상기 홈의 저부와 뚜껑(34)의 내면 사이에 연통 형성된다. 이에, 홀더(42)에서 발생된 가스가 뚜껑의 홈에 형성된 배출로(44)를 통해 뚜껑(34)의 내면에서 배출된다. 아지드화나트륨에서 발생된 질소가스는 홀더(42)와 연통된 배출로(44)를 통해 음극용기(30) 내부로 배출된다. 질소가스는 밀폐되어 있는 음극용기(30) 내에 채워지면서 내부 압력을 가하게 된다. 이에, 음극용기(30) 내에 수용된 나트륨은 질소가스의 압력에 의해 카트리지(32)에서 각 단전지(10)의 음극실(16)로 공급된다.

이와 같이 음극용기(30)를 단전지(10)와 분리하고 전지반응에 필요한 나트륨 양만을 단전지(10)에 실시간으로 공급함으로써, 단전지(10)의 고체전해질(12)이 파손되더라도 다량의 발열반응을 원천적으로 차단할 수 있게 된다.

상기 나트륨 유통부(50)는 음극용기(30)에 연결되어 나트륨이 유통되는 메인관(52)과, 상기 메인관(52)에서 분기되어 각 단전지(10)로 연장되는 분기관(54), 상기 각 단전지(10)의 음극판(22) 내부를 통해 음극실(16)과 연통 형성되고 음극실(16)과 분기관(54)을 연결하어 나트륨을 유통하는 이송로(56)를 포함한다.

이에 메인관(52)에 연결된 각 분기관(54)을 통해 나트륨은 각 단전지(10)로 공급된다. 분기관(54)을 통해 공급된 나트륨은 분기관(54)에 연결된 음극판(22)의 이송로(56)를 통해 각 단전지(10)의 음극실(16)로 유입되어 음극실(16) 내부에 채워진다. 음극용기(30)에 수용된 나트륨은 각 단전지(10)의 전지 반응에 따라 메인관(52)과 분기관(54)을 통해 음극용기(30)와 각 단전지(10) 사이로 유통된다. 이에, 적층된 각 단전지(10)는 각 분기관(54)을 통해 나트륨을 공급받아 개별 구동된다.

상기 각 분기관(54) 일측에는 분기관(54)을 개폐하는 밸브(58)가 더 설치될 수 있다. 상기 밸브(58)는 필요시 분기관(54)을 개폐하여 단전지(10)에서 필요한 양만큼만 나트륨을 각 단전지(10)의 음극실(16)로 공급할 수 있게 된다.

따라서 단전지(10) 내부에 최소한의 나트륨만이 잔존하고 있어, 고체전해질(12) 파손시 대량의 나트륨이 유황과 반응하는 현상을 원천적으로 방지하여 전지의 안전성을 높일 수 있게 된다.

더욱이, 본 전지모듈(100)은 음극용기(30)가 단전지(10)에서 분리됨으로써, 음극용기(30) 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(30) 파손으로 나트륨 연소 반응이 발생되는 경우 반응속도 측면에서 고온 연소 반응에 비해 반응을 늦춰 추가적인 안전성을 확보할 수 있게 된다.

또한, 본 실시예의 전지는 필요한 경우 상기 나트륨 제거부를 통해 단전지(10)의 음극실(16)의 나트륨을 제거하는 구조로 되어 있다.

이를 위해, 상기 나트륨 제거부는 내부에 진공압이 형성된 진공탱크(60)와, 상기 진공탱크(60)와 상기 메인관(52)을 연결하는 배출관(62), 상기 배출관(62)과 메인관(52)의 관로를 선택적으로 차단하여 각 분기관(54)을 메인관(52) 또는 배출관(62)과 연결시키는 3웨이밸브(64)를 포함할 수 있다.

이에, 전지 이상으로 나트륨과 황이 급격히 반응하는 경우, 상기 3웨이밸브(64)를 제어작동함으로써 진공탱크(60)의 진공압을 이용하여 각 단전지(10)의 음극실(16)에 있는 나트륨을 단전지(10) 외부로 강제 배출할 수 있게 된다. 이와 같이, 긴급 상황에서 음극실(16)로부터 나트륨을 진공탱크(60)로 강제 배출함으로써, 전지부 내에 나트륨이 잔존하지 않아 나트륨과 황의 반응을 최소화할 수 있게 된다.

상기 진공탱크(60)는 내부에 진공을 형성한 상태에서 밀폐된 구조로 3웨이밸브(64)가 배출관(62)을 닫고 있는 상태에서 진공상태를 유지하게 된다. 상기 진공탱크(60) 내부에 걸려있는 진공압은 전지모듈(100)을 구성하는 각 단전지(10)의 음극실(16) 내에 채워진 나트륨을 충분히 흡입할 수 있는 정도면 특별히 한정되지 않는다. 또한, 상기 진공탱크(60)의 내부 용적은 상기 전지모듈(100)의 음극실(16)에 채워진 나트륨을 모두 수용할 수 있는 정도면 충분하며 특별히 한정되지 않는다.

본 실시예에서 상기 진공탱크(60)는 음극용기(30) 상부에 배치된다. 상기 진공탱크(60)의 설치 위치는 이에 한정되지 않으며, 예를 들어 전지모듈 하단에 배치될 수 있다. 이러한 구조의 경우 나트륨이 전지모듈 아래쪽에 위치한 진공탱크로 보다 신속하게 잘 빠져나갈 수 있게 된다.

상기 배출관(62)은 메인관(52)의 상부쪽 즉, 음극용기(30)와 분기관(54) 사이에서 메인관(52)의 일측에 연결된다. 상기 3웨이밸브(64)는 배출관(62)과 메인관(52)의 연결지점에 설치되어, 배출관(62) 또는 메인관(52)을 선택적으로 차단하게 된다. 이에, 3웨이밸브(64)가 배출관(62)을 차단하게 되면 메인관(52)이 개방되어 각 분기관(54)은 메인관(52)과 연결된다. 반대로 3웨이밸브(64)가 메인관(52)을 차단하면 배출관(62)이 개방되어 각 분기관(54)은 배출관(62)과 연결된다.

본 실시예에서 상기 3웨이밸브(64)는 단전지(10)의 급격한 전지 반응으로 고열이 발생된 경우, 제어 작동되는 구조로 되어 있다. 이를 위해 상기 나트륨 제거부는 상기 단전지(10)의 온도를 검출하는 온도센서(66)와, 상기 온도센서(66)의 검출값을 연산하여 상기 3웨이밸브(64)를 제어작동하는 컨트롤러(68)를 더 포함한다. 상기, 온도센서(66)는 단전지(10)의 급격한 온도 변화를 정확히 검출할 수 있는 위치에 설치될 수 있다.

이에, 전지 구동에 따라 고체전해질 등의 파손에 의해 음극실 내의 나트륨이 양극실의 유황과 직접 반응하게 되면, 급격한 반응으로 고열이 발생된다. 전지 내부에서 고열이 발생되면 본 장치의 온도센서(64)가 이를 검출하게 되고, 상기 온도센서(64)의 검출값을 연산한 컨트롤러(68)는 3웨이밸브(64)를 제어작동하게 된다.

3웨이밸브(64)가 개방작동됨에 따라 메인관(52)는 닫혀지고 배출관(62)이 개방되어 배출관(62)을 통해 진공탱크(60)와 각 단전지의 음극실(16)이 연통된다. 상기 진공탱크(60)는 내부에 진공압이 형성되어 있어서, 음극실(16)에는 배출관(62)을 통해 진공탱크의 진공압이 걸리게 된다. 따라서 음극실 내부의 나트륨이 배출관(62)을 통해 진공탱크(60)로 순식간에 빨려나가게 된다.

이와 같이, 음극실 내부의 나트륨이 음극실로부터 전지 외측에 구비된 진공탱크로 빠져나감에 따라 단전지 내부에는 유황과 반응할 나트륨이 남지 않게 된다. 따라서 나트륨과 유황의 직접적인 반응은 더 이상 일어나지 않게 되어 전지 모듈의 안전성을 확보할 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 : 단전지 12 : 고체전해질
14 : 양극실 16 : 음극실
18 : 절연링 20 : 양극판
22 : 음극판 24 : 펠트집전체
26 : 양극칼라 30 : 음극용기
32 : 카트리지 34 : 뚜껑
40 : 압력발생구 42 : 홀더
44 : 배출로 50 : 나트륨 유통부
52 : 메인관 54 : 분기관
56 : 이송로 58 : 밸브
60 : 진공탱크 62 : 배출관
64 : 3웨이밸브 66 : 온도센서
68 : 컨트롤러

Claims (11)

1. 나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 평판 형태의 고체전해질, 유황을 수용하고 상기 고체전해질의 일면에 배치되는 양극실, 나트륨을 수용하고 양극실에 대해 상기 고체전해질의 반대쪽 면에 배치되는 음극실, 상기 고체전해질 둘레를 따라 설치되어 양극실과 음극실을 절연하는 절연링, 절연링에 결합되어 양극실과 음극실을 각각 밀봉하는 양극판과 음극판을 포함하여, 충방전이 이루어지는 평판형태의 단전지와;
   상기 단전지 외측에 배치되며 나트륨을 수용하는 음극용기;
   상기 음극용기와 상기 단전지의 음극실 사이에 연결되어 음극실로 나트륨을 유통시키기 위한 나트륨 유통부;
   를 포함하고,
   상기 평판 형태의 단전지는 이웃하는 단전지 간에 양극판과 음극판이 마주하도록 복수개가 적층되어 설치되고, 각 단전지는 나트륨 유통부를 통해 공통의 음극용기에 개별적으로 연결된 구조의 나트륨 유황 전지.
2. 제 1 항에 있어서,
   적층된 일측 단전지의 양극판과 이웃하는 단전지의 음극판 사이에 설치되어 이웃하는 단전지 사이를 절연하는 절연판을 더 포함하는 나트륨 유황 전지.
3. 제 1 항에 있어서,
   이웃하는 두 개의 단전지 사이에 접하는 양극판과 음극판은 일체로 형성되어 한 몸체를 이루는 나트륨 유황 전지.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 나트륨 유통부는 음극용기에 연결되어 나트륨이 유통되는 메인관과, 상기 메인관에서 분기되어 각 단전지로 연장되는 분기관, 상기 각 단전지의 음극판 내부를 통해 음극실과 연통 형성되고 음극실과 분기관을 연결하어 나트륨을 유통하는 이송로를 포함하는 나트륨 유황 전지.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 각 단전지에 연결되어 단전지 내의 나트륨을 선택적으로 제거하는 나트륨 제거부를 더 포함하는 나트륨 유황 전지.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 나트륨 제거부는 내부에 진공압이 형성된 진공탱크와, 상기 진공탱크와 상기 메인관을 연결하는 배출관, 상기 배출관과 메인관의 관로를 선택적으로 차단하여, 각 분기관을 메인관 또는 배출관과 연결시키는 3웨이밸브를 포함하는 나트륨 유황 전지.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 나트륨 제거부는 단전지의 온도를 검출하는 온도센서와, 상기 온도센서의 검출값을 연산하여 상기 3웨이밸브를 제어작동하는 컨트롤러를 더 포함하는 나트륨 유황 전지.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 음극판 또는 양극판은 브레이징 접합된 구조의 나트륨 유황 전지.
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 음극용기는 일단이 개방되고 내부에 나트륨 수용 공간을 갖는 카트리지와 상기 카트리지의 개방된 선단에 접합되는 뚜껑, 내부에 설치되어 나트륨 공급압력을 부여하기 위한 압력발생구를 포함하는 나트륨 유황 전지.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 압력발생구는 음극용기 내에 구비되는 아지드화나트륨(sodium azide;NaN3)을 포함하는 나트륨 유황 전지.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 압력발생구는 음극용기 내측에 설치되고 내부에는 아지드화나트륨이 채워진 홀더와, 상기 홀더에 연통되고 음극용기 내부로 연장되어 가스를 배출하는 배출로를 포함하는 나트륨 유황 전지.

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