KR101853109B1 - 나트륨 유황 전지의 양극재 펠트 및 양극재 펠트 제조 방법 - Google Patents

나트륨 유황 전지의 양극재 펠트 및 양극재 펠트 제조 방법 Download PDF

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Abstract

니들 펀칭에 의한 펠트 손상을 방지하면서 펠트 내에 유리섬유를 함침시킬 수 있도록, 중앙부가 개공된 링 형태의 탄소섬유시트와, 중앙부가 개공된 링 형태의 유리섬유시트를 포함하고 상기 탄소섬유시트와 유리섬유시트가 교대로 복수회 적층된 구조의 나트륨 유황 전지의 양극재 펠트를 제공한다.

Description

나트륨 유황 전지의 양극재 펠트 및 양극재 펠트 제조 방법{FELT OF SODIUM SULFUR BATTERY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE FELT}
본 발명은 나트륨 유황 전지에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 나트륨 유황 전지에 사용되는 양극재에 관한 것이다.
일반적으로, 나트륨-유황 전지는 에너지 밀도 및 충방전 효율이 높고 자기 방전이 없으며, 불규칙적인 충방전에도 성능의 저하가 없는 특성으로, 대용량 전력 저장용 전지로 개발되고 있다.
나트륨 유황 전지는 음극 활물질로 나트륨(Na)을 사용하고, 양극 활물질로 유향(S)을 사용하며, 고체 전해질로 나트륨 이온 전도성을 갖는 베타 알루미나(ㅯ-alumina) 세라믹을 사용한다. 나트륨 유황 전지는 고체 전해질관 및 고체 전해질관을 둘러싸는 양극용기를 포함한다. 상기 고체 전해질관은 나트륨 이온만을 통과시키는 성질을 가진 베타-알루미나 세라믹을 이용하여 한쪽 끝이 막힌 관(Tube) 형태로 제조된다. 음극용기의 내부는 나트륨으로 채워지고, 고체 전해질관과 양극용기 사이에는 유황과 탄소펠트가 위치한다. 이에 나트륨 이온이 베타알루미나 전해질관을 통과하여 음극과 양극간을 이동함으로써 충방전이 이루어진다.
나트륨-유황전지에서 사용되는 베타 알루미나는 280℃ 이상에서 이온 전도성이 유지되기 때문에 300℃ 이상의 온도에서 정상적으로 작동되는데, 300~350 정도의 온도에서 나트륨이 나트륨 이온과 전자로 분리되고, 분리된 전자는 전류전도체를 통하여 외부 회로로 방출되고 나트륨 이온은 고체전해질관을 투과하고 양극으로 이동한다. 양극 활물질인 유황(S)은 외부 회로로부터 공급되는 전자와 반응하여 Sx-2가 형성된 후 상기 나트륨 양이온과 결합하여 다황화나트륨(Na2Sx)을 생성하면서 전압을 발생시키며 방전된다. 방전됨에 따라 상기 x의 값은 5에서 2.7~3.0으로 작아진다.
반면, 충전시에는 외부 회로로부터 전압을 인가받아 상기 다황화나트륨이 외부 회로에 전자를 방출하고, 유황과 나트륨 이온을 생성하면, 상기 나트륨 이온은 고체전해질관을 투과하여 음극인 나트륨극으로 이동하게 된다.
즉, 베타 알루미나 입자층에 나트륨 이온을 전도시켜 반대극인 유황극과 반응하여 기전력을 발생시켜 방전하고, 충전시에는 전기 에너지를 투입하여 나트륨 이온을 나트륨 전극으로 환원시켜 전기를 저장하게 된다.
나트륨 유황전지 충전을 위해 나트륨 이온이 나트륨극으로 복귀할 때 고체전해질의 표면에서 나트륨과 유황의 반응이 잘 일어나 S가 침전되는데, S가 다량 침전되면 반응이 차단될 수 있다. 즉, 상기 나트륨 유황전지의 충방전 특성을 향상시키기 위해서는 유황전극의 전기전도성 및 이온전도성을 증가시켜야 하는데, 이를 위하여 고체전해질인 베타 알루미나와 접하는 부위에 고저항층을 형성하는 방안이 모색되었다. 종래에는 글라스 울(glass wool)이나 유리 섬유(glass fiber)를 고체전해질 등에 단순히 부착하여 해결하려 하였으나, 이 방법은 상기 글라스 울이나 유리 섬유의 부착력에 한계가 있다. 이에 니들 형태의 유리섬유를 양극재 펠트에 펀칭하여 박아넣는 방법이 고안되어 사용되고 있다.
그러나, 상기한 종래의 양극재 펠트 구조는 유리섬유를 니들 펀칭하여 제작함에 따라 니들의 관통으로 인해 펠트 자체의 압축회복률 및 압축반발강도가 저하되는 문제가 있다.
또한, 니들 펀칭 시 펠트의 표면 피복율 및 내부 도달율(유리섬유가 박힌 깊이의 비율)을 정밀하게 제어하기 쉽지 않다. 또한, 니들 펀칭 시 펠트의 파손 및 유리섬유의 파손으로 인해 파편이 비산되는 문제가 있다.
이에, 니들 펀칭에 의한 펠트 손상을 방지하면서 펠트 내에 유리섬유를 함침시킬 수 있도록 된 나트륨 유황 전지의 양극재 펠트 및 양극재 펠트 제조 방법를 제공한다.
또한, 펠트의 압축 회복률 및 압축 반발강도 저하를 방지할 수 있도록 된 나트륨 유황 전지의 양극재 펠트 및 양극재 펠트 제조 방법를 제공한다.
또한, 펠트 내의 유리섬유 피복율과 내부 도달율을 정밀하게 제어할 수 있도록 된 나트륨 유황 전지의 양극재 펠트 및 양극재 펠트 제조 방법를 제공한다.
본 나트륨 유황 전지의 양극재 펠트는 중앙부가 개공된 링 형태의 탄소섬유시트와, 중앙부가 개공된 링 형태의 유리섬유시트를 포함하고, 상기 탄소섬유시트와 유리섬유시트가 교대로 복수회 적층된 구조일 수 있다.
상기 탄소섬유시트는 외경이 상기 유리섬유시트의 외경보다 상대적으로 큰 구조일 수 있다.
상기 유리섬유시트는 내경이 상기 탄소섬유시트의 내경보다 상대적으로 작은 구조일 수 있다.
상기 유리섬유시트의 두께는 상기 탄소섬유시트의 두께보다 상대적으로 얇은 구조일 수 있다.
상기 양극재 펠트에서 상기 유리섬유시트는 상기 탄소섬유시트에 대해 20중량% 이하로 포함될 수 있다.
본 나트륨 유황 전지의 양극재 펠트 제조 방법은 중앙부가 개공된 링 형태의 탄소섬유시트와 중앙부가 개공된 링 형태의 유리섬유시트를 제조하는 단계와, 제조된 탄소섬유시트와 유리섬유시트를 교대로 적층하는 단계, 상기 적층된 적층체를 성형 몰드에 삽입하여 압축 성형하는 단계, 유황을 주입하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제조 방법은 압축 성형 단계 전에 적층된 적층체를 묶어 고정하는 단계와, 묶여진 적층체를 분할하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제조 방법은 상기 탄소섬유시트 제조시 탄소섬유시트의 외경이 상기 유리섬유시트의 외경보다 상대적으로 크게 제조할 수 있다.
상기 제조 방법은 상기 유리섬유시트 제조시 유리섬유시트의 내경이 상기 탄소섬유시트의 내경보다 상대적으로 작도록 제조할 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 의하면, 니들 펀칭 공정없이 페트 내에 유리섬유를 함침시키고 이에, 니들 펀칭에 의한 펠트 손상을 방지하고, 펠트의 압축 회복율 및 압축 반발강도 저하를 방지할 수 있게 된다.
또한, 펠트 제조시 유리섬유나 펠트의 파손에 의한 비산을 방지할 수 있게 된다.
또한, 설정된 크기로 유리섬유를 제조하여 적층함으로써, 펠트 내의 유리섬유 피복율과 내부 도달율을 정밀하게 제어하여 전지의 성능을 개선할 수 있게 된다.
도 1은 본 실시예에 따른 양극재 펠트를 구비한 나트륨 유황 전지를 도시한 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 양극재 펠트 구성을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 양극재 펠트의 적층 구조를 도시한 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 실시예에 따른 나트륨 유황 전지의 양극재 펠트 제조 공정을 도시한 개략적인 순서도이다.
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 전지의 단면을 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 나트륨 유황 전지(100)(이하, 전지라 한다)는 베타 알루미나 세라믹으로 제조된 고체 전해질관(10)과, 고체 전해질관(10)의 내부에 위치하고 나트륨(Na)이 채워진 카트리지관(12)과, 고체 전해질관(10)의 외부에 위치하며 유황(S)을 수용하는 양극용기(14), 상기 카트리지관(12)과 양극용기(14) 사이를 절연하는 절연부재(16)를 포함한다. 또한, 상기 고체전해질관(10)과 카트리지관(12) 사이에는 전지 이상시 팽창되어 고체 전해질관(10)에 밀착되는 안전관(19)이 더 설치될 수 있다.
상기 양극용기(14)는 고체 전해질관(10) 외측에 배치되며, 양극용기와 고체 전해질관 사이에 양극재 펠트(20)가 구비된다. 상기 양극재 펠트(20)는 유황이 담겨진 탄소 재질의 펠트로 이루어진다. 상기 양극재 펠트는 예를 들어, 내부에 기공이 형성된 구조로, 기공 내에 유황이 담겨지게 된다.
상기 양극재 펠트(20)는 고체 전해질관(10)인 베타 알루미나와 접하는 부위에 고저항층을 형성하기 위해 유리섬유가 구비된다. 이와 같이 유리섬유가 양극재 펠트(20)에 고저항층을 형성함으로써 고체 전해질관에 절연물 석출로 인한 내부 저항 상승을 방지하여 충방전 특성이 향상된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 상기 양극재 펠트(20)는 중앙부가 개공되어 구멍(26)이 형성된 링 형태의 탄소섬유시트(22)와, 중앙부가 개공되어 구멍(26)이 형성된 링 형태의 유리섬유시트(24)를 포함하고 상기 탄소섬유시트(22)와 유리섬유시트(24)가 교대로 복수회 적층된 구조로 되어 있다.
상기 탄소섬유시트(22)와 유리섬유시트(24)는 원형으로 형성되고 두께가 얇은 판 구조로 중앙부에 원형의 구멍(26)을 형성한 구조로 되어 있다.
상기 탄소섬유시트(22)와 유리섬유시트(24)의 두께는 다양하게 변경가능하며, 특별히 한정되지 않는다. 본 실시예에서 상기 유리섬유시트(24)의 두께는 탄소섬유시트(22)보다 상대적으로 얇은 구조일 수 있다. 이러한 구조는 양극재 펠트(20)에 있어서 탄소섬유시트(22)에 대한 유리섬유시트(24)의 비율을 낮출 수 있도록 한다. 본 실시예에서 상기 양극재 펠트(20)는 탄소섬유시트(22)에 대해 유리섬유시트(24)가 비율이 20중량% 이하의 비율로 포함된다. 이에 상기 유리섬유시트(24)의 두께는 상기 탄소섬유시트(22)의 두께의 20% 이하로 형성될 수 있다. 또다른 실시예에 의하면, 유리섬유시트(24)와 탄소섬유시트(22)의 두께가 동일한 경우 유리섬유시트(24)의 적층 회수와 탄소섬유시트(22)의 적층회수를 달리하여 비율을 맞출 수 있다. 즉, 양극재 펠트(20)는 탄소섬유시트(22)가 4회 연속 적층되고 유리섬유시트(24)가 1회 적층되는 구조로 형성될 수 있다. 상기 탄소섬유시트(22)와 유리섬유시트(24)의 적층 구조는 다양하게 변형 가능하며 모두 본 발명의 진정한 정신에 속한다 할 것이다.
이와 같이, 탄소섬유시트(22)와 유리섬유시트(24)를 반복 적층함으로써, 도 3에 도시된 바와 같이, 소정 높이를 갖는 양극재 펠트(20)를 형성하게 된다.
따라서, 본 실시에의 양극재 펠트(20)는 종래와 같이 니들 펀칭을 통해 유리섬유를 양극재 펠트(20)에 함침하지 않고서도 유리섬유가 함침된 것과 같은 상태로 형성할 수 있게 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 상기 탄소섬유시트(22)는 외경(C)이 상기 유리섬유시트(24)의 외경(A)보다 상대적으로 큰 구조로 되어 있다.
또한, 상기 유리섬유시트(24)는 내경(B)이 상기 탄소섬유시트(22)의 내경(D)보다 상대적으로 작은 구조로 되어 있다.
이에, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 탄소섬유시트(22)와 유리섬유시트(24)가 적층되어 양극재 펠트(20)를 구성할 때, 유리섬유시트(24)는 양극재 펠트(20)의 내측으로 돌출되고, 탄소섬유시트(22)는 양극재 펠트(20)의 외측으로 돌출된 구조를 이룬다.
상기 양극재 펠트(20)는 내주면과 외주면은 각각 고체 전해질관(10)의 외주면과 양극용기(14)의 내주면에 접하게 된다. 이에 고체 전해질관(10)의 내주면에 접하는 양극재 펠트(20)의 내주면으로는 내경이 상대적으로 작은 유리섬유시트(24)가 돌출되어 고체 전해질관(10)의 외주면에 접하게 된다. 따라서, 양극재 펠트(20)의 내주면은 유리섬유시트(24)가 고체 전해질관(10)에 접하여 고저항층을 형성하게 된다.
또한, 상기 양극재 펠트(20)의 외주면은 상대적으로 외경이 큰 탄소섬유시트(22)가 유리섬유시트(24)보다 돌출되어 있어서 탄소섬유시트(22)만이 양극용기(14)와 접하게 된다.
여기서, 상기 탄소섬유시트(22)와 유리섬유시트(24)의 내경 및 외경을 적절히 변경하에 제조함으로서, 양극재 펠트(20) 전체에 대해 유리섬유시트(24)의 적정 내부 도달율을 균일하게 조절할 수 있게 된다. 또한, 양극재 펠트(20) 내주면에 형성되는 유리섬유에 의한 고저항층 역시 양극재 펠트(20) 전체에 대해 균일하게 형성할 수 있게 된다.
한편, 도 4를 참조하여 상기한 구조의 양극재 펠트(20) 제조 과정을 살펴보면 다음과 같다.
양극재 펠트(20)를 제조하기 위해 먼저, 중앙부가 개공된 링 형태의 탄소섬유시트(22)와 중앙부가 개공된 링 형태의 유리섬유시트(24)를 제조한다.
그리고, 복수개 제조된 탄소섬유시트(22)와 유리섬유시트(24)를 교대로 적층하고, 탄서섬유시트와 유리섬유시트(24)가 적층된 적층체를 성형 몰드에 삽입하여 압축 성형한 후 유황을 주입함으로써 양극재 펠트(20)를 제조할 수 있다.
여기서, 상기 적층체를 몰드에서 압축 성형하기 위해서는 원통형태를 이루는 적층체를 적어도 두 개로 분할해야 한다. 이에, 본 제조 방법은 적층체를 분할할 때 적층된 탄소섬유시트(22)와 유리섬유시트(24)가 떨어지지 않도록 적층체를 묶어 고정하는 과정과 묶여진 양극재 펠트(20)를 분할하는 과정을 더 거치게 된다.
상기 과정을 거쳐 탄소섬유시트(22)와 유리섬유시트(24)가 교대 적층되어 내부에 마치 유리섬유가 함침된 것과 같은 양극재 펠트(20)를 제조할 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 : 고체 전해질관 12 : 카트리지관
14 : 양극용기 16 : 절연부재
19 : 안전관 20 : 양극재 펠트
22 : 탄소섬유시트 24 : 유리섬유시트
26 : 구멍

Claims (9)

  1. 중앙부가 개공된 링 형태의 탄소섬유시트와, 중앙부가 개공된 링 형태의 유리섬유시트를 포함하고, 상기 탄소섬유시트와 유리섬유시트가 교대로 복수회 적층된 구조이며,
    상기 유리섬유시트의 두께는 상기 탄소섬유시트의 두께보다 상대적으로 얇은 구조이고,
    상기 탄소섬유시트는 외경이 상기 유리섬유시트의 외경보다 상대적으로 큰 구조의 나트륨 유황 전지의 양극재 펠트.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유리섬유시트는 내경이 상기 탄소섬유시트의 내경보다 상대적으로 작은 구조의 나트륨 유황 전지의 양극재 펠트.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 양극재 펠트에서 상기 유리섬유시트는 상기 탄소섬유시트에 대해 20중량% 이하로 포함된 나트륨 유황 전지의 양극재 펠트.
  6. 중앙부가 개공된 링 형태의 탄소섬유시트 및 중앙부가 개공된 링 형태의 유리섬유시트를 제조하는 단계와,
    제조된 탄소섬유시트와 유리섬유시트를 교대로 적층하는 단계,
    상기 적층된 적층체를 성형 몰드에 삽입하여 압축 성형하는 단계,
    유황을 주입하는 단계를 포함하고,
    상기 압축 성형 단계 전에 적층된 적층체를 묶어 고정하는 단계와, 묶여진 적층체를 분할하는 단계를 더 포함하며,
    상기 탄소섬유시트 제조시 탄소섬유시트의 외경이 상기 유리섬유시트의 외경보다 상대적으로 크게 제조하는 나트륨 유황 전지의 양극재 펠트 제조 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 유리섬유시트 제조시 유리섬유시트의 내경이 상기 탄소섬유시트의 내경보다 상대적으로 작도록 제조하는 나트륨 유황 전지의 양극재 펠트 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2002015767A (ja) * 2000-06-30 2002-01-18 Hitachi Ltd 高温ナトリウム二次電池及びその利用方法
JP2005149773A (ja) * 2003-11-12 2005-06-09 Hitachi Ltd ナトリウム硫黄電池

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