KR102007229B1

KR102007229B1 - 열 전지용 전해질

Info

Publication number: KR102007229B1
Application number: KR1020170017622A
Authority: KR
Inventors: 이재인; 최유송; 하상현; 조장현
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2017-02-08
Filing date: 2017-02-08
Publication date: 2019-08-06
Also published as: KR20180092180A

Abstract

본 발명은 자가방전율을 저하시키기 위한 열 전지용 전해질에 관한 것이다. 본 발명은 두 개의 제1전해질층 및 상기 두 개의 제1전해질층 사이에 형성되는 제2전해질층을 포함하고, 상기 제1전해질층은 상기 제2전해질층보다 낮은 자가방전율을 가지는 것을 특징으로 하고, 상기 제2전해질층은 상기 제1전해질층보다 높은 이온전도도를 가지는 것을 특징으로 하는 열 전지용 전해질을 제공한다. 본 발명에 따른 전해질에 포함된 LiCl-KCl 혼합염은 전극이 전해질로 용융되는 것을 막아 자가방전율을 낮추고, 몸체를 구성하는 LiF-LiCl-LiBr 혼합염은 전해질의 이온의 전도를 높이다. 이를 통해, 본 발명에 따른 전해질은 종래 전해질과 비교할 때, 이온전도도의 감소 없이 자가방전율을 감소시켜 열 전지의 방전 성능에는 악영향을 주지 않고, 무부하 시 열 전지의 안정성을 향상시킨다.

Description

열 전지용 전해질{ELECTROLYTE FOR THERMAL BATTERY}

본 발명은 자가방전율을 저하시키기 위한 열 전지용 전해질에 관한 것이다.

전지는 전기화학반응을 통해 외부로 전력을 공급한다. 한편, 열 전지는 양극, 음극, 전해질, 열원, 집전체 등을 포함하여 이루어지며, 상기 부품들을 케이스로 밀봉하여 제작된다.

현재, 열 전지의 전해질로는 LiF-LiCl-LiBr 혼합염 및 LiCl-KCl 혼합염이 주로 사용된다. LiF-LiCl-LiBr 혼합염의 경우, 높은 이온전도도를 가지기 때문에, 열 전지에 주로 이용되고 있다. 한편, LiCl-KCl 전해질의 경우, LiF-LiCl-LiBr 전해질 대비 이온전도도는 낮지만 녹는점이 낮다는 장점이 있다.

높은 이온전도도를 갖는 LiF-LiCl-LiBr 전해질의 경우, 열 전지 무부하 시 자가방전율이 LiCl-KCl 전해질보다 높기 때문에, 용량 손실률 및 내부온도 상승률이 LiCl-KCl 전해질보다 높다. 이로 인하여, 장시간 동안 외부 부하가 없을 때 비정상 상황(과열, 파열 등)이 발생한다. 이 때문에, 장기간 무부하 상태를 요하는 열 전지의 경우, 내부의 열원량을 줄여 비정상 상황(과열, 파열) 등을 회피하거나, 낮은 이온전도도를 갖는 LiCl-KCl 전해질을 사용하는 방법을 사용하고 있다. 하지만, 이는 열 전지의 방전성능을 줄이는 부작용이 있다.

본 발명은 열 전지가 장시간 무부하 상태로 있는 경우 발생될 수 있는 비정상 상황(과열, 파열) 및 용량 감소를 줄여, 전지의 안정성을 향상시키기 위한 열 전지용 전해질을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 두 개의 제1전해질층 및 상기 두 개의 제1전해질층 사이에 형성되는 제2전해질층을 포함하고, 상기 제1전해질층은 상기 제2전해질층보다 낮은 자가방전율을 가지는 것을 특징으로 하고, 상기 제2전해질층은 상기 제1전해질층보다 높은 이온전도도를 가지는 것을 특징으로 하는 열 전지용 전해질을 제공한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 제1전해질층은 LiCl-KCl 혼합염을 포함하여 이루어지고, 상기 제2전해질층은 LiF-LiCl-LiBr 혼합염을 포함하여 이루어질 수 있다.

일 실시 예에 있어서, 상기 제1전해질층은 상기 제1전해질층의 전체 질량을 기준으로 62.5 내지 67.5wt%의 LiCl-KCl 혼합염과 32.5 내지 37.5wt%의 MgO로 이루어질 수 있다.

일 실시 예에 있어서, 상기 LiCl-KCl 혼합염은 상기 LiCl-KCl 혼합염의 전체질량을 기준으로 42.5 내지 47.5wt%의 LiCl 및 52.5 내지 57.5wt%의 KCl로 구성될 수 있다.

일 실시 예에 있어서, 상기 제2전해질층은 상기 제2전해질층의 전체질량을 기준으로 52.5 내지 57.5wt%의 LiF-LiCl-LiBr 혼합염과 42.5 내지 47.5wt%의 MgO로 이루어질 수 있다.

일 실시 예에 있어서, 상기 LiF-LiCl-LiBr 혼합염은 상기 LiF-LiCl-LiBr 혼합염의 전체질량을 기준으로 19.5 내지 24.5wt%의 LiCl, 65.9 내지 70.9wt%의 LiBr 및 7.1 내지 12.1wt%의 LiF로 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 전해질에 포함된 LiCl-KCl 혼합염은 전극이 전해질로 용융되는 것을 막아 자가방전율을 낮추고, 몸체를 구성하는 LiF-LiCl-LiBr 혼합염은 전해질의 이온의 전도를 높이다. 이를 통해, 본 발명에 따른 전해질은 종래 전해질과 비교할 때, 이온전도도의 감소 없이 자가방전율을 감소시켜 열 전지의 방전 성능에는 악영향을 주지 않고, 무부하 시 열 전지의 안정성을 향상시킨다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전해질을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전해질을 포함하는 열 전지 단위 셀의 방전성능 실험결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 전해질을 포함하는 열 전지 단위 셀의 무부하 성능 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 전해질을 포함하는 열 전지 단위 셀의 무부하 성능 실험 결과를 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 열 전지용 전해질에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전해질을 나타내는 개념도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전해질은 제1전해질층(110)과 제2전해질층(120)으로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 두 개의 제1전해질층(110) 사이에는 제2전해질층이 형성될 수 있다.

제1전해질층(110)은 본 발명에 따른 전해질의 상하부에 위치하며, 전극과 맞닿는다. 제1전해질층(110)은 제2전해질층(120)보다 낮은 자가방전율을 가진다. 도 1의 구조에서, 제1전해질층(110)은 전극 활물질이 전해질로 용융되는 것을 막아 전지의 자가방전율을 낮춰주는 역할을 한다.

한편, 제2전해질층(120)은 본 발명에 따른 전해질의 중앙부에 위치한다. 제2전해질층(120)은 제1전해질층(110)보다 높은 전기전도도를 가진다. 도 1의 구조에서, 제2전해질층(120)은 전해질의 이온전도도를 높여주는 역할을 한다.

한편, 제1전해질층(110)은 LiCl-KCl 혼합염을 포함하여 이루어질 수 있다. 구체적으로, 제1전해질층(110)은 제1전해질층의 전체 질량을 기준으로 62.5 내지 67.5wt%의 LiCl-KCl 혼합염과 32.5 내지 37.5wt%의 MgO로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 LiCl-KCl 혼합염은 상기 LiCl-KCl 혼합염의 전체질량을 기준으로 42.5 내지 47.5wt%의 LiCl 및 52.5 내지 57.5wt%의 KCl로 구성될 수 있다.

한편, 제2전해질층(120)은 LiF-LiCl-LiBr 혼합염을 포함하여 이루어질 수 있다. 구체적으로, 제2전해질층(120)은 제2전해질층의 전체질량을 기준으로 52.5 내지 57.5wt%의 LiF-LiCl-LiBr 혼합염과 42.5 내지 47.5wt%의 MgO로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 LiF-LiCl-LiBr 혼합염은 상기 LiF-LiCl-LiBr 혼합염의 전체질량을 기준으로 19.5 내지 24.5wt%의 LiCl, 65.9 내지 70.9wt%의 LiBr 및 7.1 내지 12.1wt%의 LiF로 구성될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전해질은 70mm의 직경을 가지고, 0.85mm의 두께로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 제1전해질층(110)의 두께는 0.2mm이고, 제2전해질층(120)의 두께는 0.45mm일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않는다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전해질은 이온전도도의 감소 없이 자가방전율을 감소시켜 열전지의 방전 성능에는 악영향을 주지 않고 무부하 시 열전지의 안정성을 향상시킬 수 있다.

이하에서는, 실시 예 및 실험 예들을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만, 후술할 실시 예 및 실험 예들에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석되지 않는다.

실험 예1. 본 발명에 따른 전해질을 포함하는 열 전지의 방전성능 실험

본 발명에 따른 전해질을 포함하는 열 전지의 방전성능을 실험하였다. 이때, 비교군으로, LiF-LiCl-LiBr 혼합염 만으로 이루어지는 전해질을 포함하는 열 전지의 방전성능을 함께 실험하였다. 구체적으로, 열 전지에 포함된 전해질이 충분히 용융되어 활성화될 수 있도록, 상술한 두 종류의 열 전지 단위 셀을 2분간 무부하 상태로 유지한 후, 상기 두 종류의 열 전지 단위 셀을 같은 전류로 방전시켜 남아 있는 활물질의 양을 확인하였다.

도 2는 본 발명에 따른 전해질을 포함하는 열 전지 단위 셀의 방전성능 실험결과를 나타내는 그래프이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전해질을 포함하는 열 전지(검은색 그래프)와 LiF-LiCl-LiBr 혼합염 만으로 이루어지는 전해질을 포함하는 열 전지(붉은색 그래프)의 방전성능은 크게 차이가 없는 것으로 확인되었다.

실험 예2. 본 발명에 따른 전해질을 포함하는 열 전지의 무부하 성능 실험

본 발명에 따른 전해질을 포함하는 열 전지의 무부하 성능을 실험하였다. 이때, 비교군으로, LiF-LiCl-LiBr 혼합염 만으로 이루어지는 전해질을 포함하는 열 전지의 무부하 성능을 함께 실험하였다. 구체적으로, 상술한 두 종류의 열 전지 단위 셀을 30분간 무부하 상태로 유지한 후, 상기 두 종류의 열 전지 단위 셀을 같은 전류로 방전시켜 남아 있는 활물질의 양을 확인하였다.

도 3은 본 발명에 따른 전해질을 포함하는 열 전지 단위 셀의 무부하 성능 실험 결과를 나타내는 그래프이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전해질을 포함하는 단위 셀(검은색 그래프)의 경우, 활물질량이 8% 줄어들었다. 이와 달리, LiF-LiCl-LiBr 혼합염 만으로 이루어지는 전해질을 포함하는 단위 셀(붉은색 그래프)의 경우, 활물질량이 16% 줄어들었다. 이를 통해, 본 발명에 따른 전해질을 포함하는 열 전지는 자가방전량이 작아, 무부하 안정성의 향상된다는 것을 확인할 수 있었다.

실험 예3. 본 발명에 따른 전해질을 포함하는 열 전지의 무부하 성능 실험 2

도 4는 본 발명에 따른 전해질을 포함하는 열 전지 단위 셀의 무부하 성능 실험 결과를 나타내는 그래프이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전해질을 포함하는 단위 셀(검은색 그래프)의 경우, 활물질량이 22% 줄어들었다. 이와 달리, LiF-LiCl-LiBr 혼합염 만으로 이루어지는 전해질을 포함하는 단위 셀(붉은색 그래프)의 경우, 활물질량이 52% 줄어들었다. 본 발명에 따른 전해질을 포함하는 단위 셀에 남아 있는 활물질량은 LiF-LiCl-LiBr 혼합염 만으로 이루어지는 전해질을 포함하는 단위 셀보다 약 2배가 많은 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 본 발명에 따른 전해질을 포함하는 열 전지는 자가방전량이 작아, 무부하 안정성의 향상된다는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

또한, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims

두 개의 제1전해질층; 및
상기 두 개의 제1전해질층 사이에 형성되는 제2전해질층을 포함하고,
상기 제1전해질층은 상기 제2전해질층보다 낮은 자가방전율을 가지는 것을 특징으로 하고,
상기 제2전해질층은 상기 제1전해질층보다 높은 이온전도도를 가지고,
상기 제1전해질층은 LiCl-KCl 혼합염을 포함하여 이루어지고,
상기 제2전해질층은 LiF-LiCl-LiBr 혼합염을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열 전지용 전해질.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제1전해질층은 상기 제1전해질층의 전체 질량을 기준으로 62.5 내지 67.5wt%의 LiCl-KCl 혼합염과 32.5 내지 37.5wt%의 MgO로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열 전지용 전해질.
제3항에 있어서,
상기 LiCl-KCl 혼합염은 상기 LiCl-KCl 혼합염의 전체질량을 기준으로 42.5 내지 47.5wt%의 LiCl 및 52.5 내지 57.5wt%의 KCl로 구성되는 것을 특징으로 하는 열 전지용 전해질.
제4항에 있어서,
상기 제2전해질층은 상기 제2전해질층의 전체질량을 기준으로 52.5 내지 57.5wt%의 LiF-LiCl-LiBr 혼합염과 42.5 내지 47.5wt%의 MgO로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열 전지용 전해질.
제5항에 있어서,
상기 LiF-LiCl-LiBr 혼합염은 상기 LiF-LiCl-LiBr 혼합염의 전체질량을 기준으로 19.5 내지 24.5wt%의 LiCl, 65.9 내지 70.9wt%의 LiBr 및 7.1 내지 12.1wt%의 LiF로 구성되는 것을 특징으로 하는 열 전지용 전해질.