KR101557489B1 - 나트륨 유황 전지 - Google Patents

Abstract

절연링과 접합되는 금속칼라의 내경을 확대함으로써, 음극용기의 내부 용적을 증대할 수 있도록, 유황을 수용하는 양극용기와, 나트륨을 수용하는 음극용기, 양극용기와 음극용기 사이에 설치되고 나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 전해질관, 음극용기와 양극용기 사이에서 음극용기와 양극용기를 절연시키는 절연링, 음극용기에 설치되고 절연링에 접합되는 금속칼라, 양극용기에 설치되고 절연링에 접합되는 금속브라켓을 포함하고, 상기 절연링은 내면 상부에 금속칼라와의 접합면을 따라 단차가공된 접합홈이 형성되고, 상기 금속칼라가 상기 접합홈에 끼워져 절연링과 접합되어, 금속칼라의 내경이 상기 절연링의 내경이 일치되는 구조의 나트륨 유황 전지를 제공한다.

Description

나트륨 유황 전지{SODIUM-SULFUR RECHARGEABLE BATTERY}

본 발명은 나트륨 유황 전지에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 절연링과 금속 칼라의 접합 구조를 개선한 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 한편에 음극 활물질로 나트륨(Na)을, 다른 편에 양극 활물질로 유황(S)을 배치하고, 양쪽을 나트륨 이온 에 대한 전도성을 가지는 베타-알루미나 세라믹 고체 전해질로 격리하고, 외부는 금속 부재에 의해 밀봉되어, 300~350도의 고온에서 구동되는 이차전지이다.

나트륨 유황 전지는 전지 내외부 또는 전지내 양음극부간을 밀봉하기 위해, 다 수의 금속-금속간, 금속-세라믹간, 그리고 세라믹-세라믹간 의 접합 및 밀봉이 필요하다.

대용량의 나트륨 유황전지의 경우 금속-금속간 접합은 GTAW(Gas Tunsten Arc Welding), EBW(E-Beam Welding) 등의 접합 방법이 많이 사용된다. 세라믹-세라믹간 접합은 유리밀봉이 주로 사용되며, 세라믹-금속간 접합은 열간진공압착접합법(TCB: Thermal Compression Bonding)이 주로 사용된다.

열간진공 압착접합법은 음극부의 금속칼라(collar)와 알파알루미나 절연링간 접합 및 양극부의 금속브라켓(bracket)과 알파알루미나 절연링간의 접합에 사용된다.

원통형태의 나트륨 유황 전지에 있어서, 상기 금속칼라나 삽입금속, 절연링 등은 링 형상을 이룬다. 상기 음극부의 금속칼라는 통상 절연링과의 조립 공차 및 가공의 용이성을 고려하여, 절연링의 내경보다 외경이 작고 두께는 대략 2mm 이상의 두께를 갖는 원통형태로 형성되어 절연링의 내면에 접합된다.

이에, 종래에는 상기 금속칼라를 절연링에 접합시켰을 때, 금속칼라가 절연링 내면에서 내측으로 돌출되어 음극용기의 장착 공간이 줄어드는 문제가 발생된다.

나트륨이 수납된 음극용기는 링 형상의 금속칼라를 통과하여 고체 전해질 내부로 조립되는 데, 음극용기의 외경이 금속칼라의 내경에 대해 대략 2mm 이상 작아야 부품 공차를 고려하여 조립이 제대로 이루어질 수 있다.

따라서 종래 구조의 경우 절연링에 설치되는 고체전해질의 용적 대비 음극용기의 내부 용적이 상당히 축소되기 때문에 내부에 수용되는 나트륨의 함량이 줄게 된다. 또한, 음극용기와 고체전해질 사이의 공간이 너무 커지면서 상기 공간에 사용되지 못하는 나트륨이 많이 잔존하여 전지의 충방전 효율 및 유효 에너지가 줄어드는 문제가 있다.

이에, 절연링과 접합되는 금속칼라의 내경을 확대함으로써, 음극용기의 내부 용적을 증대할 수 있도록 된 나트륨 유황 전지를 제공한다.

또한, 링 형상의 소재 간의 동심도를 보다 용이하고 정확하게 맞춰질 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 절연링, 음극용기에 설치되고 절연링에 접합되는 금속칼라, 양극용기에 설치되고 절연링에 접합되는 금속브라켓을 포함하고,

상기 절연링은 내면 상부에 금속칼라와의 접합면을 따라 단차가공된 접합홈이 형성되고, 상기 금속칼라는 상기 접합홈에 끼워져 절연링과 접합되어, 금속칼라의 내경과 상기 절연링의 내경이 일치되는 구조일 수 있다.

상기 전지의 두께 방향을 따라 상기 접합홈의 형성 두께는 상기 금속칼라의 두께에 대응되는 구조일 수 있다.

상기 금속칼라는 하부에 외주면을 따라 상기 절연링의 상단으로 연장되는 접합플랜지가 돌출 형성되어, 절연링 상단에 접합되는 구조일 수 있다.

상기 절연링은 상단에 상기 접합플랜지와 대응되는 위치에 접합플랜지가 놓여지도록 단차가공된 단턱이 더 형성될 수 있다.

상기 절연링은 내측 하단에 고체 전해질이 접합되고, 상기 절연링과 고체전해질 및 상기 금속칼라는 내경이 동일한 구조일 수 있다.

이와 같이 본 실시예에 의하면, 금속칼라와 절연링 간의 접합구조를 개선함으로써, 금속칼라의 내경을 최대한 확장할 수 있어, 음극용기의 크기를 증대시킬 수 있게 된다. 이에, 같은 전지 크기에 대해 종래와 비교하여 음극용기의 내부 용적을 늘려 보다 많은 나트륨을 수용할 수 있게 된다. 또한, 음극용기의 크기를 절연링의 내경에 맞춰 충분히 크게 제조함으로써, 음극용기와 고체전해질 사이의 간격을 줄일 수 있게 된다.

따라서, 전지의 충방전 효율을 높이고, 전지에서 사용할 수 있는 유효 에너지량을 증대시킬 수 있게 된다.

또한, 링 형상의 부품간 동심도를 정확히 맞출 수 있게 되어, 부품 접합시 고른 가압력을 접합부에 전달할 수 있고, 동일한 접합 조건에서 전체적으로 고른 접합력을 얻을 수 있으며 접합강도의 편차를 최소화할 수 있게 된다.

도 1은 본 실시예에 따른 나트륨 유황 전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 나트륨 유황 전지의 절연링 구조를 도시한 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 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 담겨진다. 유황은 예를 들어, 내부에 기공이 형성되어 유황이 담지된 탄소펠트를 이용할 수 있다. 음극용기(12)와 양극용기(14) 사이에는 절연링(20)이 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 개구부가 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. 또한, 상기 전해질관(10)과 음극용기(12) 사이에는 소정의 간극을 두고 원통형 안전관(도시되지 않음)이 더 설치될 수 있다. 안전관은 전해질관이 파손되어 나트륨과 유황의 발열반응에 의해 온도가 상승할 때, 방사상으로 팽창되어 전해질관의 내벽에 밀착됨으로써 나트륨의 흐름을 차단하게 된다.

나트륨 유황 전지는 음극과 양극의 쇼트(short)를 방지하기 위하여, 음극용기(12)와 양극용기(14) 사이에 절연링(20)이 설치되어 음극용기(12)와 양극용기(14)를 절연시킨다.

상기 절연링(20)은 알파알루미나 세라믹으로 이루어진 링 형태의 구조물로, 양극 용기(14)와 음극용기(12) 사이에 설치되어 두 부재 사이를 절연시키게 된다.

본 실시예에서, 음극용기 및 양극용기는 상기 절연링(20)과의 접합을 위해 금속재인 금속칼라(16)와 금속브라켓(18)이 장착된다. 상기 음극용기(12)는 금속칼라(16)를 매개로 절연링(20) 상단에 결합되며, 양극용기(14)는 금속브라켓(18)을 매개로 절연링(20)의 하단에 결합된다. 이하 설명에서 상 또는 위는 도 1에서 y축 방향을 따라 위쪽을 의미하며, 하 또는 아래는 그 반대방향을 의미하고, 두께 방향이라 함은 x축 방향을 의미한다. 또한 내측이라 함은 x축 방향을 따라 전지의 안쪽방향을 의미하며 외측은 그 반대인 바깥쪽 방향을 의미한다.

상기 금속칼라(16)와 세라믹인 절연링(20) 사이 또는 금속브라켓(18)과 절연링(20) 사이에는 결합재로 삽입금속이 더 설치될 수 있다. 삽입금속은 Al-Si-Mg계가 사용될 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다.

본 실시예에서, 상기 금속칼라(16)는 금속 재질의 링 형태로 이루어져 절연링(20)의 내측 상단에 접합된다. 이를 위해, 상기 절연링(20)은 내면 상부에 금속칼라(16)와의 접합면을 따라 단차가공된 접합홈(22)이 형성되고, 상기 금속칼라(16)가 상기 접합홈(22)에 끼워져 절연링(20)과 접합된 구조로 되어 있다.

이에, 상기 금속칼라(16)는 접합홈(22)에 삽입되어 절연링과 접합됨으로써, 절연링의 내면에서 안쪽으로 돌출되지 않는다.

본 실시예에서, 상기 접합홈(22)의 형성 두께 즉, 상기 전지의 두께 방향에 대한 접합홈(22)의 형성 두께는 상기 금속칼라(16)의 두께에 대응된다. 대응된다라 함은 두 부재간의 크기가 동일함을 의미한다.

따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 금속칼라(16)의 크기가 상기 접합홈(22)의 내경에 대응되는 크기로 확장되어, 절연링(20)에 금속칼라(16)가 접합되면, 금속칼라(16)의 내경(D2)이 상기 절연링(20)의 내경(D1)과 일치하게 된다.

상기 절연링(20)은 내측 하단에 고체 전해질(10)이 접합되므로, 본 실시예에서, 상기 금속칼라(16)의 내경(D2)과 절연링(20)의 내경(D1) 및 고체 전해질(10)의 내경(D3)은 모두 동일하게 된다.

또한, 상기 금속칼라(16)는 절연링(20)과의 접합력을 높일 수 있도록, 하부에 외주면을 따라 상기 절연링(20)의 상단으로 연장되는 접합플랜지(17)가 돌출 형성되어, 절연링(20) 상단에 접합된다. 상기 절연링(20)의 상단에는 상기 접합플랜지(17)와 대응되는 위치에 접합플랜지가 놓여지도록 단차가공된 단턱(24)이 더 형성될 수 있다.

이에, 상기 금속칼라(16)는 하부와 접합플랜지(17)가 절연링(20)에 형성된 접합홈(22) 및 단턱(24) 내에 접합된다. 이에, 접합력을 충분히 확보할 수 있게 된다.

여기서, 상기 접합홈(22)은 링 형태의 절연링(20)을 따라 형성되어 링 형태를 이룬다. 이에, 상기 접합홈(22)은 절연링(20)과 동심원을 이루며 형성된다. 즉, 상기 접합홈(22)과 절연링(20)의 중심축은 동일하다. 이에, 금속칼라(16)가 상기 접합홈(22)에 접합되면 금속칼라(16)는 접합홈(22)에 의해 그 위치가 규제되어 절연링(20)과 동심원상으로 맞춰지게 된다. 따라서, 링 형상 부품인 절연링(20)과 금속칼라(16)의 동심도를 정확히 맞출 수 있게 되어, 부품 접합시 고른 가압력을 접합부에 전달할 수 있고, 동일한 접합 조건에서 전체적으로 고른 접합력을 얻을 수 있으며 접합강도의 편차를 최소화할 수 있게 된다.

이와 같이, 절연링(20)의 내면에 금속칼라(16)의 두께에 대응되는 두께를 갖는 접합홈(22)을 형성하여 금속칼라(16)와 접합되도록 함으로써, 금속칼라(16)의 내경 크기를 절연링(20)의 내경 크기와 동일하게 형성할 수 있게 된다.

따라서, 금속칼라(16)의 간섭에 의한 방해없이 음극용기의 외경을 고체 전해질관의 내경에 맞춰 음극용기를 크게 형성할 수 있어, 나트륨의 주입량을 증대하고, 고체 전해질과 음극용기 사이의 갭(gap)을 줄일 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 17 : 접합플랜지
18 : 금속브라켓 20 : 절연링
22 : 접합홈 24 : 단턱

Claims (5)

1. 유황을 수용하도록 적용된 양극용기와, 나트륨을 수용하도록 적용된 음극용기, 양극용기와 음극용기 사이에 설치되고 나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 전해질관, 음극용기와 양극용기 사이에서 음극용기와 양극용기를 절연시키는 절연링, 및 상기 음극용기에 설치되고 상기 절연링에 접합되는 금속칼라를 포함하고,
   상기 절연링은 내면 상부에 금속칼라와의 접합면을 따라 단차가공된 접합홈이 형성되고, 상기 금속칼라는 상기 접합홈에 끼워져 절연링과 접합되며,
   상기 절연링의 내측 하단에 전해질관이 접합되어, 상기 절연링과 전해질관 및 금속칼라의 내경이 동일한 구조의 나트륨 유황 전지.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 전지의 두께 방향을 따라 상기 접합홈의 형성 두께는 상기 금속칼라의 두께에 대응되는 구조의 나트륨 유황 전지.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 금속칼라는 하부에 외주면을 따라 상기 절연링의 상단으로 연장되는 접합플랜지가 돌출 형성되어, 절연링 상단에 접합되는 구조의 나트륨 유황 전지.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 절연링은 상단에 상기 접합플랜지와 대응되는 위치에 접합플랜지가 놓여지도록 단차가공된 단턱이 더 형성된 나트륨 유황 전지.
5. 삭제

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