KR101513417B1 - 판형의 고체전해질을 갖는 나트륨 유황전지 - Google Patents

판형의 고체전해질을 갖는 나트륨 유황전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 판형의 고체전해질을 갖는 나트륨 유황전지에 관한 것이다.
본 발명의 나트륨 유황전지는, 나트륨을 음극(-)으로 유황을 양극(+)으로 가지며 베타알루미나를 고체전해질로 갖는 나트륨 유황전지로서, 절연성 재질로 이루어져 있는 저장용기에 나트륨이 위치되는 나트륨위치공간과 유황이 위치되는 유황위치공간을 갖고, 고체전해질은 판 형태를 이루고 있으며, 나트륨위치공간과 유황위치공간 사이에 위치되어 나트륨위치공간과 유황위치공간을 분리하면서 나트륨 이온이 나트륨위치공간이나 유황위치공간으로 이동되도록 하고, 전도성 재질이 나트륨위치공간과 유황위치공간에 연결된 구조이다.
본 발명의 나트륨 유황전지는, 베타알루미나를 고체전해질로 갖는 구조이며, 나트륨과 유황이 절연성을 갖는 용기에 각각 위치되고, 나트륨과 유황을 분리하면서 절연성을 갖는 용기에 고정되는 고체전해질이 판 형태를 갖는 것이므로 양극과 음극 및 베타알루미나의 요소기술을 평가하거나 전극의 출력과 수명 등을 평가하는 것이 용이한 특징이 있다.

Description

판형의 고체전해질을 갖는 나트륨 유황전지{SODIUM-SULFUR BATTERY HAVING PLATE TYPE SOLID ELECTROLYTE}
본 발명은 나트륨과 유황 및 고체전해질로 이루어지는 나트륨 유황전지에 관한 것이다.
전기, 전자, 통신 등의 산업이 급속히 발전함에 따라 에너지밀도가 높고 고출력이 가능하며, 수명이 긴 고성능 전지의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
이러한 요구에 따라 안출된 전지 중 나트륨 유황전지가 있다.
나트륨-유황전지(NaS전지)는 야간에 전력을 비축하여 주간에 이용하는 용도로 주로 사용되고 있는 전지이다.
즉, 전력소모의 평준화를 실시하여 전력설비의 합리적 이용을 촉진할 목적으로 도입된 것이다.
나트륨 유황전지는, 나트륨의 표준환원전위가 -2.71V이어서 이를 이용하여 2V이상의 셀전압을 얻을 수 있다는 원리에 근거한 것이다.
구체적으로 설명하면, 나트륨 유황전지는 음극에 나트륨(Na)를 양극에 유황(S)를 사용하고, 전해질로 나트륨이온 전도성을 갖는 고체 전해질의 베타 알루미늄 세라믹스를 주로 사용한다.
나트륨 유황전지는 300~350℃부근에서 고체전해질 입자층에 나트륨 이온을 전도시켜 반대극인 유황극과 반응하여 기전력을 발생시켜 방전하게 된다.
또, 충전시에는 전기 에너지를 투입하여 나트륨 이온을 나트륨 전극으로 환원시켜 전기를 저장하게 된다.
이러한 나트륨 유환전지의 구조 등에 대하여는 한국 특허등록 제10-1075145호 및 한국 특허등록 제10-0402109호 등에 구체적으로 제시되어 있기도 하다.
종래 나트륨 유황전지의 단전지 전체는 원통 구조로 금속용기에 밀폐되어 있는 구조이고, 중심으로부터 나트륨극(-극), 베타알루미나(전해질), 외곽에 유황극(+극)순으로 구성되어 있었다.
따라서 양극과 음극 및 베타알루니나의 요소기술을 평가하거나 전극의 출력과 수명 등을 평가하기 위해서는 실제 전지의 제작이 요구되는 문제점이 있었다.
또, 나트륨 유황전지는 나트륨과 유황이 각각 별도의 위치에서 완전히 밀봉되어 단절되도록 하는 것이 매우 중요한데 종래기술은 이러한 부분에서 취약한 문제점이 있었다.
한국 특허등록 제10-1075145호 한국 특허등록 제10-0402109호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하려는 것으로서, 양극과 음극 및 베타알루미나의 요소기술을 평가하거나 전극의 출력과 수명 등을 평가하는 것이 용이한 나트륨 유황전지를 제공하려는데 목적이 있다.
또, 나트륨과 유황이 완전히 단절되도록 밀봉하는 기능이 우수한 구조를 제공하려는 목적도 있다.
본 발명에서는 베타알루미나를 고체전해질로 갖는 구조에서, 나트륨과 유황이 절연성을 갖는 용기에 각각 위치되고, 나트륨과 유황을 분리하면서 절연성을 갖는 용기에 고정되는 고체전해질은 판 형태를 갖도록 한다.
이를 통하여 양극과 음극 및 베타알루미나의 요소기술을 평가하거나 전극의 출력과 수명 등을 평가하는 것이 용이한 나트륨 유황전지가 되도록 한다.
이러한 본 발명의 나트륨 유황전지는 나트륨과 유황을 가지며, 베타알루미나를 고체전해질로 갖는 나트륨 유황전지이다.
또, 절연성 재질로 이루어져 있는 저장용기에 나트륨이 위치되는 나트륨위치공간과 유황이 위치되는 유황위치공간을 갖는다.
또, 고체전해질은 판 형태를 이루고 있으며, 나트륨위치공간과 유황위치공간 사이에 위치되어 나트륨위치공간과 유황위치공간을 분리하면서 나트륨 이온이 나트륨위치공간이나 유황위치공간으로 이동되도록 한다.
또, 전도성 재질이 나트륨위치공간과 유황위치공간에 연결된다.
본 발명의 나트륨 유황전지는, 베타알루미나를 고체전해질로 갖는 구조이며, 나트륨과 유황이 절연성을 갖는 용기에 각각 위치되고, 나트륨과 유황을 분리하면서 절연성을 갖는 용기에 고정되는 고체전해질이 판 형태를 갖는 것이므로 양극과 음극 및 베타알루미나의 요소기술을 평가하거나 전극의 출력과 수명 등을 평가하는 것이 용이한 특징이 있다.
또, 고체전해질을 저장용기에 접합하되 고체전해질과 저장용기 사이에 소결용 글래스 접착물질을 위치시킨 후 소결용 글래스 접착물질이 녹아서 접합이 이루어지도록 한 경우 고체전해질이 저장용기에 견고하게 고정되는 특징이 있다.
또, 나트륨위치공간과 유황위치공간이 각각 금속 재질의 상부덮개와 하부덮개에 의해 외부와 차단되는데 상부덮개와 하부덮개 사이에 금속 재질의 가스켓이 위치되어 있으며, 가스켓은 상부덮개와 하부덮개의 체결시 상부덮개와 하부덮개에 형성된 돌기에 의해 가압되어 함몰되는 부분을 갖는 경우 나트륨과 유황이 외부와 완전히 단절되도록 밀봉하는 기능이 우수한 특징이 있다.
또, 유황위치공간 중 나트륨위치공간에 인접한 지점에 형성되어 있는 걸림턱에 고체전해질이 접촉되어 이동이 방지되는 형태로 고체전해질이 위치되어 있는 경우 나트륨 유황전지의 작동온도에서 유황위치공간의 펠트가 팽창될 때에도 고체전해질이 견고한 고정상태를 유지하고, 우수한 씰링효과가 유지되는 특징이 있다.
도 1은 본 발명의 판형의 고체전해질을 갖는 나트륨 유황전지를 설명하기 위한 단면 개략도
도 2는 본 발명의 구성요소인 고체전해질의 형상이 원형의 판형인 것을 도시한 고체전해질의 사시도
도 3은 또 다른 형태의 본 발명 판형 고체전해질을 갖는 나트륨 유황전지를 설명하기 위한 단면 개략도
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.
그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일 예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 나트륨과 유황을 가지며, 베타알루미나를 고체전해질(20)로 갖는 나트륨 유황전지에 관한 것이다.
그런데 본 발명은 양극과 음극 및 베타알루미나의 요소기술을 평가하거나 전극의 출력과 수명 등을 평가하는 것이 용이한 나트륨 유황전지를 제공하려는 목적을 갖는다.
이를 위하여 본 발명에서는 나트륨과 유황이 절연성을 갖는 저장용기(10)에 각각 위치되고, 고체전해질(20)은 나트륨(30)과 유황(40)을 분리하면서 절연성을 갖는 저장용기(10)에 고정되며 판 형태를 갖도록 한다.
더욱 구체적으로 설명하면, 절연성 재질로 이루어져 있는 저장용기(10)에 나트륨(30)이 위치되는 나트륨위치공간(11)과 유황이 위치되는 유황위치공간(12)을 갖는다.
또, 고체전해질(20)은 판 형태를 이루고 있으며, 나트륨위치공간(11)과 유황위치공간(12) 사이에 위치되어 나트륨위치공간(11)과 유황위치공간(12)을 분리하면서 충, 방전 여부에 따라 나트륨 이온이 나트륨위치공간(11)이나 유황위치공간(12)으로 이동되도록 한다.
또, 전도성 재질이 나트륨위치공간(11)과 유황위치공간(12)에 연결된다.(전도성 재질이 연결되어야 하는 것은 전기에너지를 충전하거나 출력을 위해 방전을 하도록 하기 위한 것임)
즉, 본 발명의 나트륨 유황전지는 절연성 재질로 이루어진 저장용기(10)를 갖는 것이다.
또, 나트륨(30)과 유황(40)은 저장용기(10)의 나트륨위치공간(11)과 유황위치공간(12)에 각각 위치되는데 나트륨위치공간(11)과 유황위치공간(12)의 분리는 고체전해질(20)에 의해 분리되어 있는 것이다.
또, 고체전해질(20)이 판 형태를 이루고 있는 것이다.
이러한 고체전해질(20)은 표면이 평탄한 것이 좋으며, 크랙 발생 방지와 원활한 접합을 고려할 때 원형의 판 형태를 갖도록 하는 것이 좋다.
본 발명에 있어서, 고체전해질(20)은 견고한 고정상태를 유지하고 우수한 씰링효과를 유지할 필요성이 있다.
이러한 고체전해질(20)을 저장용기(10)에 접합하되 고체전해질(20)과 저장용기(10) 사이에 소결용 글래스 접착물질(글라스 소결체인 글라스비드 등이 있음)을 위치시킨 후 소결용 글래스 접착물질이 녹아서 접합이 이루어지도록 할 경우 경제적이면서 고체전해질(20)이 견고하게 고정되고 우수한 씰링효과가 확보된다.
이러한 소결용 글래스 접착물질 사용 방식은 저장용기(10)가 세라믹 재질일 때 더욱 바람직하다.
본 발명에 있어서, 나트륨위치공간(11)과 유황위치공간(12)이 각각 금속 재질의 상부덮개(50)와 하부덮개(60)에 의해 외부와 차단되도록 할 수 있다.
이때, 상부덮개(50)와 하부덮개(60)를 전도성 금속 재질로 구현할 경우 나트륨위치공간(11)과 유황위치공간(12)이 각각 상부덮개(50)와 하부덮개(60)에 의해 전기적으로 연결될 수 있는 구성이 된다.
본 발명과 같은 나트륨 유황전지에서 나트륨(30)과 유황(40)이 외부와 완전히 단절되도록 밀봉하는 기능은 매우 중요한 사항이다.
나트륨이 수분과 접촉시 폭발 위험성이 있는 등 여러 가지 문제가 발생될 수 있기 때문이다.
이러한 밀봉효과를 향상시키기 위하여, 상부덮개(50)와 하부덮개(60) 사이에 고온에서 안정적인((나트륨 유황전지의 구동 온도에서 안정적인) 금속 재질의 가스켓(70)을 위치시키되 가스켓(70)은 상부덮개(50)와 하부덮개(60)의 체결시 상부덮개(50)와 하부덮개(60)에 형성된 돌기(51, 61)에 의해 가압되어 함몰되는 부분을 갖도록 할 수 있다.
즉, 상부덮개(50)와 하부덮개(60)에 형성된 돌기(51, 61)가 가스켓(70)을 파고들어가면서 결합이 이루어지도록 하는 것이다.
상부덮개(50)와 하부덮개(60)의 재질을 가스켓(70)의 재질보다 단단한 재질로 구현하면 상부덮개(50)와 하부덮개(60)의 결합시 상부덮개(50)와 하부덮개(60)에 형성된 돌기(51, 61)가 가스켓(70)을 파고들어가면서 결합이 이루어질 수 있다.
구체적인 예로 설명하면 상부덮개(50)와 하부덮개(60)는 내식성이 우수하고 경도가 높은 스테인레스 재질로 구현하고, 기스켓(70)은 상대적으로 경도가 낮은 알루미늄 재질로 구현할 수 있다.
상부덮개(50)와 하부덮개(60)의 돌기(51, 61)는 링의 형태를 이루면서 돌출되어 밀봉효과를 높이는 것이다.
나트륨위치공간(11)과 유황위치공간(12)이 전도성 금속 재질의 상부덮개(50)와 하부덮개(60)에 의해 외부와 차단되어 있는 구조에서 상부덮개(50)와 하부덮개(60)의 고정을 위한 체결수단(80)은 쇼트현상이 발생되지 않도록 하면서 체결되도록 할 필요성이 있다.
또, 나트륨 유황전지가 작동하는 고온의 조건에서도 체결력을 견고하게 유지하여 나트륨과 유황이 누출되는 것을 방지할 필요성도 있다.
첨부된 도면에서 체결수단(80)은 상부덮개(50), 저장용기(10), 하부덮개(60)를 일체화되게 체결하고 있다.
이러한 구조에서 유황(40)에 의한 양극(+극)과 나트륨(30)에 의한 음극(-극)의 연결에 의한 쇼트현상이 발생되지 않도록 하면서 체결할 필요성이 있는 것이다.
쇼트현상 방지를 위한 구조는, 유황(40)에 의한 양극(+극)과 나트륨(30)에 의한 음극(-극)이 상호 전기적으로 연결되는 것을 방지하는 구조이다.
첨부된 도면과 같이 상부덮개(50), 저장용기(10), 하부덮개(60)를 일체화되게 체결하고 있는 체결수단(80)인 경우 절연성 재질로 이루어진 와셔나 부싱(81)을 통해 쇼트현상을 방지하면서 체결력이 상부덮개(50)나 하부덮개(60)에 고르게 전달되도록 할 수 있다.
구체적으로 설명하면, 첨부된 도1에서 체결수단(80)은 볼트(82), 너트(83), 부싱(81)을 가지고 있다.
또, 부싱(81)은 절연성 재질로서 스테인레스 재질의 상부덮개(50)에 형성된 결합홀(52)에 하부가 삽입되고 상부는 결합홀(52)에 걸려 상부덮개(50)의 상부로 돌출되어 있다.
따라서 하부가 하부덮개(60)에 고정되고 상부가 결합홀(52)을 경유하여 상부덮개(50)의 상부로 돌출되어 있는 볼트(82)에 너트(83)를 체결하여 부싱(81)이 가압되도록 하면 하부덮개(60), 상부덮개(50), 저장용기(10)가 일체화되게 체결된다.
이때 너트(83)의 체결력이 부싱(81)을 통해 상부덮개(50)에 고르게 전달되고, 너트(83)의 체결력이 과도하더라도 손상되는 것은 상부덮개(50)가 아닌 부싱(81)이므로 수리가 용이하다.
또, 볼트(82)는 절연성 재질의 부싱(81)에 형성된 볼트삽입홀(81a)을 경유하기 때문에 상부덮개(50)와 볼트(82)가 접촉되지 못하므로 볼트(82)가 전도성의 금속재질이더라도 쇼트가 발생되지 않는다.
즉, 나트륨(30)에 의한 음극(-극)과 유황(40)에 의한 양극(+극)이 연결되지 않도록 되어 있으므로 쇼트현상이 발생되지 않는 것이다.
참고로 너트(83)에 의한 체결력으로 인해 스테인레스 재질의 상부덮개(50)와 하부덮개(60)에 형성된 돌기(51, 61)가 알루미늄 재질의 가스켓(70)을 함몰시키면서 들어가 견고하게 결합된다.
도 3의 구조에서는 부싱(81) 대신에 와셔 형태의 가압판(84)을 사용하는데 가압판(84)에는 체결수단(80)의 볼트(82)가 복수 개의 통과되도록 복수 개의 홀이 형성된 구조이다. 따라서 가압판(84)의 움직임이 볼트(82)에 의해 제한되어 쇼트가 방지된다.
전술한 설명에서 체결수단(80)은 나트륨 유황전지가 작동하는 고온의 조건에서도 체결력을 견고하게 유지하여 나트륨(30)과 유황(40)이 유출되는 것을 방지할 필요성도 있다고 설명한 바 있다.
이를 위하여 체결수단(80)은, 열팽창계수가 체결수단(80)을 제외한 구성요소들 중에서 가장 낮은 구성요소보다 낮거나 동일하도록 하는 것이 바람직하다.
즉, 열팽창계수가 낮을수록 고온의 조건에서도 안정적인 기능을 발휘하므로 나트륨 유황전지에서 체결수단(80)의 열팽창계수가 다른 구성요소보다 낮도록 하는 것이 가장 바람직한 것이다.
본 발명에 있어서, 유황위치공간 내에는 많은 공극을 형성하여 유황이 공극 내에 들어가 결과적으로 유황이 고르게 분포되고 나트륨 유황전지의 구동을 위해 더 많은 유황이 반응하도록 하는 펠트(90)를 위치시킬 수 있다.
이러한 펠트(90)는 탄소섬유로 구현된다.
본 발명에 있어서, 첨부된 도면과 같이 유황위치공간(12) 중 나트륨위치공간(11)에 인접한 지점에 형성되어 있는 걸림턱(12a)에 고체전해질(20)이 접촉되어 이동이 방지되는 형태로 고체전해질(20)이 위치되어 있도록 하는 것이 좋다.
이러한 경우 나트륨 유황전지의 구동시에 유황위치공간 내에 위치되는 펠트(90)의 팽창이 이루어져도 고체전해질(20)이 걸림턱(12a)에 걸린 형상이 되어 움직이지 않으므로 고체전해질(20)이 견고한 고정상태 및 우수한 씰링효과를 유지하는 특징이 있다.
본 발명에 있어서, 나트륨위치공간(11)에서 나트륨 이온이 유황위치공간(12)으로 이동되면 나트륨위치공간(11) 내의 나트륨 레벨이 낮아지게 되므로 이에 대처하기 위해 금속박판(100)의 일측을 상부덮개(50)에 연결하고 타측을 유황위치공간으로(12) 방향으로 연장시켜 놓는 것이 좋다.
10. 저장용기
11. 나트륨위치공간
12. 유황위치공간
12a. 걸림턱
20. 고체전해질
30. 나트륨
40. 유황
50. 상부덮개
51. 돌기
52. 결합홀
60. 하부덮개
61. 돌기
70. 가스켓
80. 체결수단
81. 부싱
81a. 볼트삽입홀
82. 볼트
83. 너트
84. 가압판
90. 펠트
100. 금속박판

Claims (7)

  1. 나트륨(30)과 유황(40)을 가지며, 베타알루미나를 고체전해질(20)로 갖는 나트륨 유황전지에 있어서,
    절연성 재질로 이루어져 있는 저장용기(10)에 나트륨(30)이 위치되는 나트륨위치공간(11)과 유황(40)이 위치되는 유황위치공간(12)을 갖고,
    상기 고체전해질(20)은 판 형태를 이루고 있으며, 나트륨위치공간(11)과 유황위치공간(12) 사이에 위치되어 나트륨위치공간(11)과 유황위치공간(12)을 분리하면서 나트륨 이온이 나트륨위치공간(11)이나 유황위치공간(12)으로 이동되도록 하고,
    전도성 재질이 상기 나트륨위치공간(11)과 유황위치공간(12)에 연결되며,
    상기 유황위치공간(12) 중 나트륨위치공간(11)에 인접한 지점에 형성되어 있는 걸림턱(12a)에 고체전해질(20)이 접촉되어 이동이 방지되는 형태로 고체전해질(20)이 위치되어 있는, 판형의 고체전해질을 갖는 나트륨 유황전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고체전해질(20)을 저장용기(10)에 접합하되 고체전해질(20)과 저장용기(10) 사이에 소결용 글래스 접착물질을 위치시킨 후 소결용 글래스 접착물질이 녹아서 접합이 이루어지도록 한, 판형의 고체전해질을 갖는 나트륨 유황전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 나트륨위치공간(11)과 유황위치공간(12)은 각각 금속 재질의 상부덮개(50)와 하부덮개(60)에 의해 차단되어 있되 상부덮개(50)와 하부덮개(60) 사이에 금속 재질의 가스켓(70)이 위치되어 있으며, 가스켓(70)은 상부덮개(50)와 하부덮개(60)의 체결시 상부덮개(50)와 하부덮개(60)에 형성된 돌기(51, 61)에 의해 가압되어 함몰되는 부분을 갖는, 판형의 고체전해질을 갖는 나트륨 유황전지
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나트륨위치공간(11)과 유황위치공간(12)은 전도성 금속 재질의 상부덮개(50)와 하부덮개(60)에 의해 차단되어 있고,
    상부덮개(50), 저장용기(10), 하부덮개(60)를 일체화되게 체결하되 유황(40)에 의한 양극(+극)과 나트륨(30)에 의한 음극(-극)의 연결에 의한 쇼트현상이 발생되지 않도록 하면서 체결하고 있는 체결수단(80)이 더 구비된, 판형의 고체전해질을 갖는 나트륨 유황전지.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 체결수단(80)은 절연성 재질로 이루어진 와셔나 부싱(81)을 통해 쇼트현상을 방지하면서 체결력이 상부덮개(50)나 하부덮개(60)에 고르게 전달되도록 하는, 판형의 고체전해질을 갖는 나트륨 유황전지.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 체결수단(80)은 열팽창계수가 체결수단(80)을 제외한 구성요소들 중에서 가장 낮은 구성요소보다 낮거나 동일한 것을 특징으로 하는, 판형의 고체전해질을 갖는 나트륨 유황전지.
  7. 삭제
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