KR101694176B1 - 나트륨 유황 전지의 나트륨 주입 장치 및 나트륨 주입 방법 - Google Patents

나트륨 유황 전지의 나트륨 주입 장치 및 나트륨 주입 방법 Download PDF

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Abstract

나트륨 유황 전지의 나트륨 주입시 나트륨 사이 또는 나트륨과 전해질 사이에 기체가 존재하는 것을 최소화할 수 있고, 전지의 사용에 맞춰 정확한 양의 나트륨을 주입할 수 있도록, 전지에 주입될 나트륨이 수용되는 보관용기, 상기 보관용기와 전지 사이에 연결되어 나트륨이 이송되는 주입관, 상기 보관용기와 전지에 열을 가하는 가열로, 및 상기 보관용기에 연결되어 주입관을 통해 전지 내부 가스를 제거하는 진공부를 포함하는 나트륨 유황 전지의 나트륨 주입 장치를 제공한다.

Description

나트륨 유황 전지의 나트륨 주입 장치 및 나트륨 주입 방법{DEVICE AND METHOD FOR INJECTING CATHODE OF SODIUM SULFUR BATTERY}
나트륨 유황 전지의 제조 장치로, 나트륨을 전지 내부에 주입하기 위한 나트륨 주입장치 및 주입 방법을 개시한다.
일반적으로 나트륨-유황 전지는 양극으로 유황(S), 음극으로 나트륨(Na)을 사용하는 2차 전지로서, 높은 에너지 밀도와 축전용량을 가지는 대용량 전력저장 전지로써 개발되고 있다.
음극으로 사용하는 나트륨은 불순물의 함량이 엄밀하게 제어되어야 하므로 배터리용으로 생산되는 고순도의 나트륨 금속을 산소나 수분이 극히 낮은 조건에서 용융하여 전지에 주입하는 방식을 적용하는 것이 일반적이다.
나트륨은 대표적인 액체금속 냉각재로써, 끓는점이 높고, 열전도율도 높아 냉각능력이 우수하다. 이러한 나트륨의 특성으로 인해 용융된 나트륨을 취급할 때 온도 감소시 급속 응고가 일어나게 된다.
나트륨이 급속 응고되는 과정에서 잔류 가스는 음극 용기 내경 또는 고화된 나트륨 내에 잔류 가스로 남아 기공(pore)으로 형성될 수 있다. 음극용기 또는 전해질 표면에 발생된 기공이나 가스는 전지 구동시 음극과 양극간의 압력 불안정을 일으키고, 나트륨과 고체전해질간의 접촉면적을 작게 또는 불균일하게 만든다.
또한, 용융된 나트륨은 녹는점 이하에서 급격하게 고체로 변화하며, 용융된 온도에 따라 부피의 팽창 및 수축량도 커진다. 따라서, 용적에 의한 주입이나 저울에 의한 용융 주입방법과 같은 종래의 방식은 나트륨 주입시 많은 어려움을 동반한다.
또한, 나트륨은 수분과 반응하여 격렬한 폭발 및 화재를 발생시키므로 취급이 어렵고 나트륨 주입시 수분과의 반응을 최소화할 필요가 있다.
나트륨 유황 전지의 나트륨 주입시 나트륨 사이 또는 나트륨과 전해질 사이에 기체가 존재하는 것을 최소화할 수 있도록 된 나트륨 유황 전지의 나트륨 주입 장치 및 주입 방법을 제공한다.
또한, 전지의 사용에 맞춰 정확한 양의 나트륨을 주입할 수 있도록 된 나트륨 유황 전지의 나트륨 주입 장치 및 주입 방법을 제공한다.
또한, 나트륨 주입 과정에서 산소나 수분과의 반응을 방지할 수 있도록 된 나트륨 유황 전지의 나트륨 주입 장치 및 주입 방법을 제공한다.
본 실시예에 따른 나트륨 주입 장치는, 전지에 주입될 나트륨이 수용되는 보관용기, 상기 보관용기와 전지 사이에 연결되어 나트륨이 이송되는 주입관, 상기 보관용기와 전지에 열을 가하는 가열로, 및 상기 보관용기에 연결되어 주입관을 통해 전지 내부 가스를 제거하는 진공부를 포함할 수 있다.
상기 보관용기는 내부에 고체 나트륨이 수용될 수 있다.
상기 진공부는 가열로 외측에 배치되는 진공펌프, 상기 진공펌프에 연결되고 가열로 내부로 연장되어 상기 보관용기에 설치되는 진공라인, 및 상기 진공라인 일측에 설치되어 진공라인을 개폐하는 진공밸브를 포함할 수 있다.
상기 보관용기는 개방된 상단을 개폐하는 커버를 구비하고, 상기 커버와 보관용기 사이에는 보관용기 내부를 밀폐하는 가스켓이 설치되고, 상기 커버의 상단에는 상기 진공라인과 연결되는 어댑터가 설치되고, 상기 어댑터에는 관로를 개폐하는 고온밸브가 설치된 구조일 수 있다.
상기 보관용기로 연결되는 가스라인과, 상기 가스라인에 설치되어 보관용기로 불활성가스를 공급하는 가스탱크, 상기 가스라인에 설치되어 가스라인을 개폐하는 가스밸브를 더 포함할 수 있다.
본 구현예의 나트륨 주입 방법은, 수분과 산소를 제어할 수 있는 공간 내에서 보관용기 내에 나트륨을 담는 준비 단계와, 가열로 내에 전지와 보관용기를 배치하고 전지 내부에 진공압을 가해 가스를 제거하는 탈가스 단계, 가열로를 통해 보관용기와 전지에 열을 가하는 승온 단계, 보관용기 내에 수용된 나트륨을 전지에 주입하는 주입 단계를 포함할 수 있다.
상기 준비 단계는 나트륨을 저울에 달아 평량하는 단계를 포함하여, 원하는 량의 나트륨만을 보관용기에 담는 구조일 수 있다.
상기 준비 단계는 보관용기에 고체 나트륨을 담는 구조일 수 있다.
상기 승온 단계는 가열로 내부 온도를 150 ~ 350℃ 범위로 승온하는 구조일 수 있다.
상기 주입 단계에서 보관용기에 불활성가스를 주입하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이와 같이 본 구현예에 의하면, 기체의 발생을 최소화하여 나트륨을 주입할 수 있게 된다. 이에, 나트륨과 전해질 내에 존재하는 기체가 최소화되어 전해질 표면과 나트륨의 접촉면적을 높일 수 있고, 전지의 충방전량을 크게 설계할 수 있으며, 고체전해질에 집중되는 응력을 고르게 하여 파손을 방지할 수 있게 된다.
또한, 전지 내에 전지의 사용에 맞는 정확한 양의 나트륨을 주입할 수 있게 된다.
또한, 보다 안전하게 나트륨을 주입할 수 있게 된다.
도 1은 본 실시예에 따른 나트륨 유황 전지의 나트륨 주입 장치를 도시한 개략적인 구성도이다.
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. 이에, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
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.
도 1은 본 실시예에 따른 나트륨 유황 전지의 나트륨 주입 장치를 도시하고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 나트륨 주입 장치(100)는, 나트륨 유황 전지(B)(이하 전지라 한다)에 주입될 나트륨이 수용되는 보관용기(20), 상기 보관용기(20)와 전지(B) 사이에 연결되어 나트륨이 이송되는 주입관(20), 상기 보관용기(20)와 전지(B)에 열을 가하는 가열로(30), 및 상기 보관용기(20)에 연결되어 주입관(20)을 통해 전지(B) 내부 가스를 제거하는 진공부(40)를 포함한다.
상기 가열로(30)는 내부 공간에 보관용기(20)와 전지(B)를 수용하며 외측에는 예를 들어, 히터가 구비되어 내부를 가열하는 구조로 되어 있다.
본 실시예에서 상기 보관용기(20)에는 고체나트륨(N)이 수용된다. 이와 같이 나트륨을 고체 상태로 보관용기(20)에 채워 준비함으로써, 전지(B)의 사양에 따라 요구되는 정확한 양의 나트륨을 준비하여 전지(B) 내에 주입할 수 있게 된다. 고체나트륨(N)은 예를 들어, 보관용기(20)의 크기에 따라 절단하여 저울을 이용하여 정확한 무게로 평량한 후 보관용기(20)에 담을 수 있다. 또한, 고체 나트륨을 사용함으로써, 진공압에 의한 탈가스 과정에서 탈가스 효과를 높일 수 있게 된다.
상기 진공부(40)는 전지(B) 내부의 가스를 제거하기 위한 것으로, 가열로(30) 외측에 배치되는 진공펌프(42), 상기 진공펌프(42)에 연결되고 가열로(30) 내부로 연장되어 상기 보관용기(20)에 설치되는 진공라인(44), 및 상기 진공라인(44) 일측에 설치되어 진공라인(44)을 개폐하는 진공밸브(46)를 포함한다. 상기 진공라인(44)은 고온에 견딜 수 있는 스테인레스 재질로 이루어질 수 있다.
상기 진공펌프(42)가 구동되면 진공라인(44)을 통해 보관용기(20) 내부에 진공압이 걸린다. 상기 보관용기(20)는 주입관(20)을 통해 전지(B)와 연결되어 있어서, 주입관(20)을 통해 전지(B) 내부에 진공압이 형성된다. 이에, 전지(B) 내부의 가스가 주입관(20)과 보관용기(20)에 연결된 진공라인(44)을 통해 외부로 배출된다. 언급한 바와 같이, 상기 보관용기(20) 내에는 고체 상태의 나트륨이 수용되어 있어 전지(B) 내부의 가스가 보관용기(20)를 통해 진공라인으로 보다 용이하게 빠져나갈 수 있게 된다. 따라서 탈가스 작업 효율을 높일 수 있게 된다. 여기서, 상기 보관용기(20) 내에 고체 상태의 나트륨을 넣을 때, 고체나트륨(N)이 탈가스 경로를 형성하도록 하여 탈가스 효과를 보다 더 높일 수 있게 된다.
상기 보관용기(20)는 예를 들어, 수분과 산소가 제어된 글러브박스(도시되지 않음) 내에서 고체나트륨(N)이 채워진다. 상기 보관용기(20)는 밀폐되어 글러브박스에서 가열로(30)로 이동하는 과정에서 외부 산소나 수분으로부터 내부의 나트륨을 차단한다.
상기 보관용기(20)는 상단이 개방된 용기 형태의 구조물로, 고체나트륨(N)은 개방된 상단을 통해 내부에 적재된다. 상기 보관용기(20)의 하단에는 주입관(20)이 설치된다. 그리고 상기 보관용기(20)의 개방된 상단에는 커버(12)가 설치된다. 상기 커버(12)는 보관용기(20) 내부를 밀페할 수 있도록, 커버(12)와 보관용기(20) 사이에 메탈재질의 가스켓(14)이 설치된다. 상기 보관용기(20)는 가열로(30) 내에서 고온 환경에 놓여지므로, 상기와 같이 고열에 충분히 견딜 수 있는 메탈 재질의 가스켓(14)을 이용하여 커버(12)와 보관용기(20)를 밀폐한다. 본 실시예에서 상기 가스켓(14)은 알루미늄 재질의 가스켓일 수 있다.
또한, 상기 커버(12)의 상단에는 상기 진공라인(44)과 연결되는 어댑터(16)가 설치되고, 상기 어댑터(16)에는 관로를 개폐하는 고온밸브(18)가 설치된다. 이에, 가열로(30) 내에서 진공라인(44)을 커버(12)의 어댑터(16)에 연결함으로써, 진공부(40)와 보관용기(20)를 연결할 수 있다. 상기 고온밸브(18)는 가열로(30) 내부 고열에 견딜 수 있는 고온용 밸브이다.
상기 가열로(30) 내부 온도에 따라 보관용기(20) 내에 적재된 고체나트륨(N)이 용융되어 주입관(20)을 통해 전지(B) 내부로 나트륨이 주입된다. 나트륨의 주입을 용이하게 할 수 있도록, 본 장치는 상기 보관용기(20)로 연결되는 가스라인(50)과, 상기 가스라인(50)에 설치되어 보관용기(20)로 불활성가스를 공급하는 가스탱크(52), 상기 가스라인(50)에 설치되어 가스라인(50)을 개폐하는 가스밸브(54)를 더 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 상기 가스라인(50)은 가열로(30) 외측에서 진공라인(44) 일측에 연결된다. 이에, 가스탱크(52)에서 공급된 불활성가스는 가스라인(50)을 통해 진공라인(44)으로 이송되어 진공라인(44)을 따라 보관용기(20) 내부로 주입된다.
상기 가스탱크(52)와 진공라인(44) 사이의 가스라인(50) 상에는 가스라인(50)을 개폐하는 가스밸브(54)가 설치된다.
이하, 본 실시예의 장치를 통해 전지(B)에 나트륨을 주입하는 과정을 살펴보면 다음과 같다.
본 실시예의 나트륨 주입 공정은, 수분과 산소를 제어할 수 있는 공간 내에서 보관용기(20) 내에 나트륨을 담는 준비 단계와, 가열로(30) 내에 전지(B)와 보관용기(20)를 배치하고 전지(B) 내부에 진공압을 가해 가스를 제거하는 탈가스 단계, 가열로(30)를 통해 보관용기(20)와 전지(B)에 열을 가하는 승온 단계, 보관용기(20) 내에 수용된 나트륨을 전지(B)에 주입하는 주입 단계를 포함한다.
상기 준비 단계는 고체나트륨을 준비하여 보관용기(20)에 적재한다. 준비단계는 수분과 산소가 차단된 글로브박스 내에서 실시되어 수분이나 산소가 나트륨과 반응하는 것을 최소화할 수 있게 된다.
상기 준비 단계는 고체나트륨을 보관용기(20) 크기에 맞게 절단하고, 저울에 달아 정확하게 평량한 후 보관용기(20)에 담는다. 이와 같이 고체나트륨을 사용함으로써, 전지(B)의 사양에 맞는 원하는 량의 나트륨만을 보관용기(20)에 담아 전지(B)로 주입할 수 있게 된다.
준비 작업은 글로브 박스 내에서 실시하고 탈가스 과정 및 나트륨 용융 과정은 가열로(30) 내에서 이루어진다.
고체나트륨이 적재된 보관용기(20)는 가열로(30) 내로 이동되어 전지(B)와 함께 배치된다. 그리고 보관용기(20)에 진공라인(44)을 연결한다.
이 상태에서 전지(B) 내부의 가스를 제거하는 탈가스 과정을 진행한다.
먼저, 보관용기(20)에 설치된 고온밸브(18)를 폐쇄작동하여 관로를 닫고, 진공밸브(46)는 개방작동한 상태에서 진공펌프(42)를 구동하여 진공라인(44)에 진공압을 형성한다. 진공압이 형성된 후 고온밸브(18)를 개방작동하여 보관용기(20) 및 전지(B)에 존재하는 가스를 제거한다. 보관용기(20)와 보관용기(20)에 주입관(20)으로 연결된 전지(B)에 진공압이 걸리게 되어, 전지(B) 내부 가스는 주입관(20)과 보관용기(20)를 통해 진공라인(44)으로 배출된다.
탈가스 과정이 시작되면 가열로(30)를 작동하여 내부 온도를 상승시킨다. 본 실시예에서, 상기 승온 단계는 가열로(30) 내부 온도를 150 ~ 350℃ 범위로 승온하는 구조일 수 있다. 가열로(30) 내부 온도가 150℃ 보다 낮은 경우에는 보관용기(20) 내의 고체나트륨이 용융되지 않는다. 가열로(30) 내부 온도가 350℃를 넘게 되면 전지(B)나 장치에 손상이 발생할 수 있다.
가열로(30)가 충분히 고르게 가열되면 보관용기(20)에서 용융된 나트륨을 전지(B)로 주입한다. 본 실시예에서, 상기 주입 단계는 보관용기(20)에 불활성가스를 주입하여 나트륨을 전지(B)로 주입하게 된다.
진공라인(44)에 설치된 진공밸브(46)를 닫고, 가스밸브(54)를 개방작동하게 되면, 가스탱크(52)의 불활성가스가 진공라인(44)을 통해 보관용기(20) 내부로 주입된다. 불활성가스에 의해 보관용기(20) 내부 압력은 전지(B)의 내부 압력보다 커지게 된다. 이에, 보관용기(20) 내부의 불활성가스 압력에 의해 용융된 나트륨이 주입관(20)을 통해 전지(B) 내부로 보다 용이하게 주입된다.
이와같이 본 실시예에 따라 전지(B) 내부에 나트륨을 주입함으로써, 전지(B) 내부의 탈가스가 확실히 이루어져 기체 발생을 최소화하면서 정량의 나트륨을 주입할 수 있게 된다.
동일한 부피 내에서 전해질표면과 나트륨의 접촉면적이 높을수록 그리고 균일할수록 동일 시간에서 전지(B)의 충방전량을 크게 설계할 수 있고, 고체전해질에 집중되는 응력도 고르게 하여 파손을 막을 수 있게 된다. 따라서, 본 실시예의 경우, 상기와 같이, 기체 발생을 최소화하여 전해질 표면과 나트륨의 접촉면적을 높일 수 있고, 전지(B)의 충방전량을 크게 설계할 수 있으며, 고체전해질에 집중되는 응력을 고르게 하여 파손을 방지할 수 있게 된다.
이상, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명과 균등한 범위에 속하는 다양한 변형예 또는 다른 실시예가 가능하다.
10 : 보관용기 12 : 커버
14 : 가스켓 16 : 어댑터
18 : 고온밸브 20 : 주입관
30 : 가열로 40 : 진공부
42 : 진공펌프 44 : 진공랑니
46 : 진공밸브 50 : 가스라인
52 : 가스탱크 54 : 가스밸브

Claims (10)

  1. 전지에 주입될 나트륨이 고체 상태로 수용되는 보관용기,
    상기 보관용기와 전지를 모두 수용하며 보관용기와 전지에 열을 가하는 가열로,
    상기 보관용기와 전지 사이에 연결되어 용해된 나트륨이 이송되는 주입관, 및
    상기 보관용기에 연결되어 전지와 보관용기 내부 가스를 제거하는 진공부
    를 포함하고,
    상기 진공부는 보관용기에 고체 상태의 나트륨이 수용된 상태에서 보관용기의 고체 나트륨 사이에 형성되는 경로와 주입관을 통해 전지와 보관용기 내부 가스를 제거하는 구조의 나트륨 유황 전지의 나트륨 주입 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 진공부는 가열로 외측에 배치되는 진공펌프, 상기 진공펌프에 연결되고 가열로 내부로 연장되어 상기 보관용기에 설치되는 진공라인, 및 상기 진공라인 일측에 설치되어 진공라인을 개폐하는 진공밸브를 포함하는 나트륨 유황 전지의 나트륨 주입 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 보관용기는 개방된 상단을 개폐하는 커버를 구비하고, 상기 커버와 보관용기 사이에는 보관용기 내부를 밀폐하는 가스켓이 설치되고, 상기 커버의 상단에는 상기 진공라인과 연결되는 어댑터가 설치되고, 상기 어댑터에는 관로를 개폐하는 고온밸브가 설치된 구조의 나트륨 유황 전지의 나트륨 주입 장치.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 보관용기로 연결되는 가스라인과, 상기 가스라인에 설치되어 보관용기로 불활성가스를 공급하는 가스탱크, 상기 가스라인에 설치되어 가스라인을 개폐하는 가스밸브를 더 포함하는 나트륨 유황 전지의 나트륨 주입 장치.
  6. 수분과 산소를 제어할 수 있는 공간 내에서 보관용기 내에 고체 나트륨을 담는 준비 단계와,
    가열로 내에 전지와 보관용기를 배치하고 고체 나트륨이 수용된 보관용기의 고체 나트륨 사이에 형성되는 경로를 통해 전지 내부에 진공압을 가해 전지 내부의 가스와 보관용기 내부의 가스를 제거하는 탈가스 단계,
    가열로를 통해 보관용기와 전지에 열을 가하는 승온 단계, 및
    보관용기 내에 수용된 용융된 나트륨을 전지에 주입하는 주입 단계
    를 포함하는 나트륨 유황 전지의 나트륨 주입 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 주입 단계에서 보관용기에 불활성가스를 주입하는 단계를 더 포함하는 나트륨 유황 전지의 나트륨 주입 방법.
  8. 삭제
  9. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 준비 단계는 나트륨을 저울에 달아 평량하는 단계를 포함하여, 원하는 량의 나트륨을 보관용기에 담는 나트륨 유황 전지의 나트륨 주입 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 승온 단계는 가열로 내부 온도를 150 ~ 350℃ 범위로 승온하는 나트륨 유황 전지의 나트륨 주입 방법.
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