KR102215525B1 - Sodium/metal-carbon secondary battery - Google Patents

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Abstract

본 발명은 충전에 따른 전자 전도도가 감소를 방지할 수 있는 나트륨 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 일 관점에 의한 상기 나트륨/금속-탄소 이차 전지는 염화나트륨(NaCl) 및 금속-탄소 분말복합체를 포함하는 캐소드를 구비한다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 금속-탄소 분말복합체는, 금속분말 및 탄소분말과, 상기 금속분말 및 탄소분말을 서로 결합시키는 바인더를 포함하는 것일 수 있다.An object of the present invention is to provide a sodium secondary battery capable of preventing a decrease in electronic conductivity due to charging. The sodium/metal-carbon secondary battery according to an aspect of the present invention includes a cathode including sodium chloride (NaCl) and a metal-carbon powder composite. According to an embodiment of the present invention, the metal-carbon powder composite may include a metal powder and a carbon powder, and a binder for bonding the metal powder and the carbon powder to each other.

Description

나트륨/금속-탄소 이차 전지{Sodium/metal-carbon secondary battery} Sodium/metal-carbon secondary battery

본 발명은 나트륨/금속-탄소 이차 전지에 관한 것으로서, 더 상세하게는 용융 나트륨을 아노드 활물질로 사용하고, 금속의 염화물을 캐소드 활물질로 이용하는 나트륨 이차 전지에 관한 것이다. The present invention relates to a sodium/metal-carbon secondary battery, and more particularly, to a sodium secondary battery using molten sodium as an anode active material and a metal chloride as a cathode active material.

일반적으로 전지는 일회용의 일차전지와 여러 차례 충전이 가능한 이차전지로 구분할 수 있다. 이 중, 이차전지는 여러 차례 사용이 가능하다는 점에서, 노트북, 캠코더, 및, 핸드폰과 같은 휴대용 전자기기의 필수적인 에너지원으로 대중화되었다. 최근, 이차전지는 전력 저장을 위한 대용량전지, 운송 수단에 적용되는 중형전지, 및 휴대용 기기의 전원으로 사용되는 소형 전지에 이르기까지 그 사용 목적에 따라 전지의 형태 및 크기가 변화되어 사용 범위가 확대되고 있는 추세이다.In general, batteries can be classified into disposable primary batteries and secondary batteries that can be charged several times. Among them, secondary batteries have been popularized as an essential energy source for portable electronic devices such as notebook computers, camcorders, and mobile phones in that they can be used several times. Recently, secondary batteries have changed the shape and size of the battery according to the purpose of use, ranging from large-capacity batteries for power storage, medium-sized batteries applied to transportation means, and small batteries used as power sources for portable devices, and the range of use has expanded. It is a trend.

이러한 이차전지는 음극, 양극, 전해질 및 집전체로 구성된다. 양극에서는 음극에서 발생된 전자에 의한 환원반응이 발생하며, 집전체는 전지의 방전 시에 음극으로부터 발생되는 전자를 양극 활물질로 공급하거나 충전 시에는 양극으로부터 공급되는 전자를 음극 활물질로 공급하는 역할을 한다. 이차전지 중에서 나트륨 이차전지는, 지구상에 풍부한 나트륨을 이용함에 따라 재료 수급성 및 제조원가 측면에서 뛰어난 경쟁력을 갖추고 있으며, 대용량의 전지를 리튬이온전지 대비 단순한 구조로 만들 수 있는 장점을 갖고 있다. 이에 따라, 나트륨 이차전지는 기존 이차전지와 유사한 에너지밀도를 가지면서도 값이 싸고, 전력보존 시간도 길게 제작할 수 있어서 태양광이나 풍력 등 신재생 에너지 저장용 이차전지로 활용될 경우, 대용량의 전력을 효율적으로 저장할 수 있는 차세대 저장 매체로 대두되고 있다. This secondary battery is composed of a negative electrode, a positive electrode, an electrolyte, and a current collector. In the positive electrode, a reduction reaction occurs due to electrons generated from the negative electrode, and the current collector serves to supply electrons generated from the negative electrode to the positive electrode active material when the battery is discharged, or to supply electrons supplied from the positive electrode to the negative electrode active material during charging. do. Among secondary batteries, sodium secondary batteries have excellent competitiveness in terms of material supply and demand and manufacturing cost as they use abundant sodium on the earth, and have the advantage of making large-capacity batteries in a simpler structure compared to lithium-ion batteries. Accordingly, the sodium secondary battery has an energy density similar to that of the existing secondary battery, is inexpensive, and can be manufactured with a long power retention time, so that when used as a secondary battery for storing renewable energy such as solar or wind power, large-capacity power is consumed. It is emerging as a next-generation storage medium that can be stored efficiently.

본 발명은 충전에 따른 전자 전도도가 감소를 방지할 수 있는 나트륨 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.An object of the present invention is to provide a sodium secondary battery capable of preventing a decrease in electronic conductivity due to charging. However, these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereby.

본 발명의 일 관점에 의한 상기 나트륨/금속-탄소 이차 전지는 염화나트륨(NaCl) 및 금속-탄소 분말복합체를 포함하는 캐소드를 구비한다. The sodium/metal-carbon secondary battery according to an aspect of the present invention includes a cathode including sodium chloride (NaCl) and a metal-carbon powder composite.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 금속-탄소 분말복합체는, 금속분말 및 탄소분말과, 상기 금속분말 및 탄소분말을 서로 결합시키는 바인더를 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the metal-carbon powder composite may include a metal powder and a carbon powder, and a binder for bonding the metal powder and the carbon powder to each other.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 금속-탄소 분말복합체에 있어서, 탄소분말의 중량을 바인더의 중량으로 나눈 값의 범위가 1.1 내지 2.45일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, in the metal-carbon powder composite, the range of a value obtained by dividing the weight of the carbon powder by the weight of the binder may be 1.1 to 2.45.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 금속-탄소 분말복합체에 있어서, 상기 금속분말과 상기 탄소분말은 볼-밀링 처리되어 서로 결합된 형태를 가질 수 있다. According to an embodiment of the present invention, in the metal-carbon powder composite, the metal powder and the carbon powder may be ball-milled to have a combined form.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 활물질인 금속분말은 니켈(Ni), 철(Fe), 구리(Cu) 및 아연(Zn) 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 분말을 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the metal powder as the active material may include at least one powder selected from nickel (Ni), iron (Fe), copper (Cu), and zinc (Zn).

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탄소분말은 카본블랙, 카본 파이버, CNT 및 그라핀 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the carbon powder may include at least one selected from carbon black, carbon fiber, CNT, and graphene.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 바인더는 융점이 250℃ 이상의 값을 가지는 고분자 물질을 포함할 수있다. According to an embodiment of the present invention, the binder may include a polymer material having a melting point of 250°C or higher.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 바인더는 아라미드, 테트라플루오르에틸렌, 폴리아크릴로니트릴 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the binder may include at least one of aramid, tetrafluoroethylene, and polyacrylonitrile.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 나트륨/금속-탄소 이차 전지는, 용융 나트륨을 포함하는 애노드부; 및 나트륨 이온이 관통하여 이동할 수 있도록, 상기 캐소드부와 상기 애노드부 사이에 개재된 고체 전해질로 이루어진 베이스부;을 구비할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a sodium/metal-carbon secondary battery includes an anode portion including molten sodium; And a base portion made of a solid electrolyte interposed between the cathode portion and the anode portion so that sodium ions can pass therethrough and move.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 충전이 진행되더라도 전자전도도가 감소하는 현상이 나타나지 않아 나트륨 이차 전지의 충전특성을 크게 향상시킬 수 있다. 그러나 이러한 효과는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present invention made as described above, even if charging is in progress, there is no phenomenon in which the electronic conductivity decreases, so that the charging characteristics of the sodium secondary battery can be greatly improved. However, these effects are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereby.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨/금속-탄소 이차 전지의 단위셀을 개념적으로 도해하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨/금속-탄소 이차 전지의 단위셀에서 충전과 방전 과정에서 이루어지는 반응을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 3a는 본 발명의 비교예에 따른 나트륨 이차 전지의 단위셀에서 충전이 진행되기 전의 니켈 분말 입자들의 양호한 연결상태를 도해하는 도면이다.
도 3b는 본 발명의 비교예에 따른 나트륨 이차 전지의 단위셀에서 충전이 진행됨에 따라 니켈 분말 입자들의 불량한 연결상태를 도해하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 최대 용량의 변화를 나타낸 그래프이다.
1 is a diagram conceptually illustrating a unit cell of a sodium/metal-carbon secondary battery according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a reaction performed in a charging and discharging process in a unit cell of a sodium/metal-carbon secondary battery according to an embodiment of the present invention.
3A is a view illustrating a good connection state of nickel powder particles before charging is performed in a unit cell of a sodium secondary battery according to a comparative example of the present invention.
3B is a diagram illustrating a poor connection state of nickel powder particles as charging proceeds in a unit cell of a sodium secondary battery according to a comparative example of the present invention.
4 is a graph showing the change in the maximum dose according to the experimental example of the present invention.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 적어도 일부의 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 도면에서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and the following embodiments make the disclosure of the present invention complete, and the scope of the invention to those of ordinary skill in the art. It is provided to fully inform you. In addition, in the drawings for convenience of description, at least some of the constituent elements may be exaggerated or reduced in size. In the drawings, the same reference numerals refer to the same elements.

명세서 전체에 걸쳐서, 층 또는 영역과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 상기 다른 구성요소 "상에" 접하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. Throughout the specification, when mentioning that one component such as a layer or region is located “on” another component, the one component directly contacts “on” the other component, or between them. It can be interpreted that there may be other intervening elements. On the other hand, when it is mentioned that one component is positioned "directly on" another component, it is interpreted that there are no other components interposed therebetween.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨/금속-탄소 이차 전지의 단위셀을 개념적으로 도해하는 도면이고, 도 2는 도 1의 E 영역에서 충전과 방전 과정에서 이루어지는 반응을 도식적으로 나타낸 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨/금속-탄소 이차 전지는 Na/NiCl2 전지 또는 ZEBRA 전지에서 개선된 형태의 전지로 이해할 수 있다. FIG. 1 is a diagram conceptually illustrating a unit cell of a sodium/metal-carbon secondary battery according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a reaction performed during charging and discharging in area E of FIG. 1 to be. The sodium/metal-carbon secondary battery according to an exemplary embodiment of the present invention may be understood as a battery of an improved form from a Na/NiCl 2 battery or a ZEBRA battery.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨/금속-탄소 이차 전지의 단위셀(10)은 양극인 캐소드(cathode)부와 음극인 애노드(anode)부를 구비한다. Referring to FIGS. 1 and 2, a unit cell 10 of a sodium/metal-carbon secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a cathode portion as a positive electrode and an anode portion as a negative electrode.

캐소드부는 활물질을 포함하는 혼합체(20) 및 캐소드 집전체(50)을 포함한다. 상기 혼합체(20)은, 선택적으로, 나트륨 이온이 신속하게 이동할 수 있도록 하기 위하여 용융 상태의 NaAlCl4(융점 150~160℃)와 같은 2차 전해질(30)을 더 포함할 수 있다. 애노드부는 용융 나트륨(40) 및 애노드 집전체(70)를 포함한다. 캐소드 집전체(50)는 니켈로 이루어질 수 있으며, 애노드 집전체(70)가 전지의 외곽부에 구비될 수 있다. The cathode portion includes a mixture 20 including an active material and a cathode current collector 50. The mixture 20 may optionally further include a secondary electrolyte 30 such as NaAlCl 4 (melting point 150 ~ 160°C) in a molten state in order to allow sodium ions to move quickly. The anode portion includes molten sodium 40 and an anode current collector 70. The cathode current collector 50 may be made of nickel, and the anode current collector 70 may be provided on the outer portion of the battery.

캐소드부와 애노드부 사이에는 고체 전해질로 이루어진 베이스(BASE, beta-alumina solid electrolyte)부(60)가 개재될 수 있다. 베이스부(60)를 구성하는 고체 전해질은, 예를 들어, 베타 알루미나를 포함할 수 있다. 베타 알루미나의 결정구조는 조밀 충전된 층과 느슨하게 충진된 층이 교대로 이루어진 구조를 가질 수 있다. 종래의 Na/S(나트륨/황) 전지에서는 베타 알루미나 고체 전해질(beta-alumina solid electrolyte)로 이루어진 베이스부의 파괴 시에 고온에서 양극의 S와 음극의 Na이 집적 반응을 일으켜, 폭발의 위험성이 있었다. 또한 셀을 구성하는 재료들이 부식성이 강하여 사용하는 재료 선정이 매우 곤란하였다. 하지만, 본 발명의 실시예에 따른 나트륨/금속-탄소 이차 전지에서는, 양극에서 S 대신에 NaCl을 사용함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있다. 베이스부(60)의 나트륨 이온 전도도는 온도 의존성을 가지므로(예를 들어, 260℃에서 ≥ 0.2 Scm-1), 나트륨/금속-탄소 이차 전지의 동작 온도는 소정의 범위를 가질 수 있다. Between the cathode portion and the anode portion, a base (beta-alumina solid electrolyte) portion 60 made of a solid electrolyte may be interposed. The solid electrolyte constituting the base portion 60 may include, for example, beta alumina. The crystal structure of beta alumina may have a structure consisting of alternating densely packed layers and loosely filled layers. In the conventional Na/S (sodium/sulfur) battery, when the base part made of beta-alumina solid electrolyte is destroyed, the S of the positive electrode and the Na of the negative electrode generate an accumulation reaction at high temperature, and there is a risk of explosion. . In addition, the materials constituting the cell were highly corrosive, making it very difficult to select the material to be used. However, in the sodium/metal-carbon secondary battery according to the embodiment of the present invention, this problem can be solved by using NaCl instead of S in the positive electrode. Since the sodium ion conductivity of the base portion 60 has a temperature dependence (eg, ≥ 0.2 Scm -1 at 260°C), the operating temperature of the sodium/metal-carbon secondary battery may have a predetermined range.

상기 캐소드부를 구성하는 혼합체(20)는 염화나트륨(NaCl), 활물질인 금속분말 및 전자전도체인 탄소분말을 포함할 수 있다. 본 발명의 기술사항에 의하면, 상기 금속분말과 탄소분말은 바인더로 서로 결합된 형태이며, 이하 이를 '금속-탄소 분말복합체'로 지칭하며, 이에 대해서는 자세하게 후술하도록 한다. The mixture 20 constituting the cathode portion may include sodium chloride (NaCl), a metal powder as an active material, and a carbon powder as an electron conductor. According to the technical specification of the present invention, the metal powder and the carbon powder are combined with each other by a binder, and hereinafter, this is referred to as a'metal-carbon powder composite', which will be described in detail later.

상기 활물질로서의 금속분말은 니켈(Ni), 철(Fe), 구리(Cu) 및 아연(Zn) 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 분말을 포함할 수 있다. 또한 상기 탄소분말은 카본블랙, 카본 파이버, CNT 및 그라핀 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. The metal powder as the active material may include at least one powder selected from nickel (Ni), iron (Fe), copper (Cu), and zinc (Zn). In addition, the carbon powder may include at least one selected from carbon black, carbon fiber, CNT, and graphene.

본 발명의 기술사상에 의하면, 상기 활물질인 금속분말은 캐소드부 내에서 전자전도체로서의 역할을 수행하게 되며, 상기 탄소분말은 역시 상기 금속분말과 같이 전자전도를 담당하는 2차 전자전도체의 역할을 수행하게 된다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따르면, 첨가된 탄소가 2차 전자전도체의 역할을 수행함에 따라 금속분말의 역할 중 양극 활물질로서의 역할의 비중을 높임으로써 나트륨/금속 2차 전지의 충/방전 용량을 현저히 향상 시킬 수 있다. According to the technical idea of the present invention, the metal powder, which is the active material, plays a role as an electron conductor in the cathode, and the carbon powder also plays a role of a secondary electron conductor responsible for electron conduction like the metal powder Is done. Therefore, according to an embodiment of the present invention, as the added carbon plays the role of the secondary electron conductor, the charge/discharge capacity of the sodium/metal secondary battery is increased by increasing the proportion of the role as the positive electrode active material among the roles of the metal powder. It can be significantly improved.

이하에서는 캐소드부는 금속분말로서, Ni 분말 및 보조적으로 소량의 Fe 분말이 포함된 혼합분말을 사용한 경우를 예를 들어 본 발명의 기술사상에 대해서 상세하게 기술한다. Hereinafter, a case in which a mixed powder containing Ni powder and an auxiliary small amount of Fe powder is used as a metal powder for the cathode part will be described in detail with respect to the technical idea of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨/금속-탄소 이차 전지의 단위셀(10)에서, 금속분말로서 Ni 분말 및 Fe 분말이 혼합된 혼합분말을 사용할 경우, 나트륨/금속-탄소 이차 전지의 충전시 컷-오프 전압(cut-off voltage)은 Ni, Fe의 개방회로전압(open circuit voltage, OCV)보다 더 크므로 충전시 Ni 및 Fe는 모두 아래와 같은 충전반응에 참여하게 된다. 구체적으로, 상기 컷-오프 전압은 2.67 ~ 2.7 V이며, Ni및 Fe의 개방회로전압(OCV)은 각각 2.58 V 및 2.35 V이다. In the case of using a mixed powder in which Ni powder and Fe powder are mixed as a metal powder in the unit cell 10 of the sodium/metal-carbon secondary battery according to an embodiment of the present invention, when charging the sodium/metal-carbon secondary battery Since the cut-off voltage is greater than the open circuit voltage (OCV) of Ni and Fe, both Ni and Fe participate in the charging reaction as follows during charging. Specifically, the cut-off voltage is 2.67 to 2.7 V, and the open circuit voltage (OCV) of Ni and Fe is 2.58 V and 2.35 V, respectively.

반응식 (1) : Ni + 2NaCl → NiCl2 + 2Na+ + 2e- Reaction Scheme (1): Ni + 2NaCl → NiCl 2 + 2Na + + 2e -

반응식 (2) : Fe + 2NaCl → FeCl2 + 2Na+ + 2e- Reaction Scheme (2): Fe + 2NaCl → FeCl 2 + 2Na + + 2e -

한편, 반응식 (1)은 충전 과정의 양극 반응에 해당하며, 이에 대응하는 충전 과정의 음극반응은 반응식 (3)과 같다. Meanwhile, Reaction Formula (1) corresponds to the anode reaction in the charging process, and the cathode reaction in the charging process corresponding thereto is shown in Reaction Formula (3).

반응식 (3) : 2Na+ + 2e- → 2Na Reaction Scheme (3): 2Na + + 2e - → 2Na

이 때 Ni은 활물질이면서 양극 내 전자전도체 역할을 수행한다. 즉, 충전 시 나트륨 이온은 캐소드부에서 고체전해질로 이루어진 베이스부(60) 쪽으로 이동하며, 전자는 서로 연결된 니켈 입자들을 통해서 캐소드부의 집전체(50) 쪽으로 이동한다. 만약 니켈 입자들 간의 연결상태가 좋지 않으면 전자전도가 잘 되지 않아 전지성능이 떨어진다. At this time, Ni is an active material and acts as an electron conductor in the positive electrode. That is, during charging, sodium ions move from the cathode portion to the base portion 60 made of a solid electrolyte, and electrons move toward the current collector 50 of the cathode portion through nickel particles connected to each other. If the connection between the nickel particles is poor, electron conduction is not good and battery performance is degraded.

도 3a는 본 발명의 비교예에 따른 나트륨 이차 전지의 단위셀에서 충전이 진행되기 전의 니켈 분말 입자들의 양호한 연결상태를 도해하는 도면이고, 도 3b는 본 발명의 비교예에 따른 나트륨 이차 전지의 단위셀에서 충전이 진행됨에 따라 니켈 분말 입자들의 불량한 연결상태를 도해하는 도면이다. 3A is a diagram illustrating a good connection state of nickel powder particles before charging in a unit cell of a sodium secondary battery according to a comparative example of the present invention, and FIG. 3B is a unit of a sodium secondary battery according to a comparative example of the present invention. A diagram illustrating a poor connection state of nickel powder particles as charging proceeds in the cell.

도 3a를 참조하면, 충전이 진행되기 전이나 초기의 충전 과정에서는 니켈 입자들(22a)이 서로 연결되어 전자 전도도가 확보될 수 있다. Referring to FIG. 3A, the nickel particles 22a are connected to each other before charging is performed or during the initial charging process, so that electronic conductivity may be secured.

도 3b를 참조하면, 충전이 진행됨에 따라서 니켈 입자들(22a)의 표면에서 전기적 부도체인 NiCl2(24)을 포함하는 반응 생성물(24)이 나타나며, 반응에 의하여 니켈이 소모됨에 따라서 니켈 입자들(22a) 간의 연결 부위가 가늘어지는 경우(A)나 끊어지는 경우(B)가 발생한다. 반응 생성물(24)인 NiCl2는 부도체이므로 충전이 진행됨에 따라 니켈 입자들(22a) 및 반응 생성물(24)을 통한 전자 전도성은 나빠지게 된다. 즉, 본 발명의 비교예에 따른 나트륨 이차 전지에서는 니켈 분말이 양극활물질과 전자 전도체로 모두 활용되기 때문에 원천적으로 니켈 분말 입자 간의 연결상태에 따라 성능의 차이가 현저하며, 원천적으로 충전이 진행될수록 전자전도도가 떨어질 수 밖에 없는 문제점이 있다. Referring to FIG. 3B, as charging proceeds, a reaction product 24 including NiCl 2 (24), which is an electrical nonconductor, appears on the surface of the nickel particles 22a. As nickel is consumed by the reaction, the nickel particles The connection between (22a) becomes thinner (A) or breaks (B). Since NiCl 2, which is the reaction product 24, is a non-conductor, electron conductivity through the nickel particles 22a and the reaction product 24 deteriorates as charging proceeds. That is, in the sodium secondary battery according to the comparative example of the present invention, since nickel powder is used as both the positive electrode active material and the electron conductor, the difference in performance is remarkable depending on the connection state between the nickel powder particles. There is a problem that the conductivity inevitably decreases.

따라서, 종래에는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 이론적으로 필요한 Ni 함량을 초과하여 과잉의 Ni을 첨가하였다. 즉, 이론 상 첨가된 Ni이 모두 전지반응에 참여하기 위해서는 Ni 및 NaCl의 비율은 질량비로 1:2로 하여야 한다. 그러나, 상술한 바와 같이 충전시 Ni의 표면에 NiCl2가 형성되는 문제가 있음에 따라 이론적인 비율보다 과잉으로 Ni을 첨가하여 왔으며, 통상 질량비로 Ni:NaCl=1.6~1.9:1 범위로 첨가하였다. Therefore, in the prior art, in order to solve this problem, excess Ni was added in excess of the theoretically necessary Ni content. That is, in theory, in order for all of the added Ni to participate in the battery reaction, the ratio of Ni and NaCl should be 1:2 by mass. However, as described above, due to the problem that NiCl 2 is formed on the surface of Ni during charging, Ni has been added in excess of the theoretical ratio, and Ni:NaCl = 1.6 to 1.9:1 by mass ratio is usually added. .

본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨/금속-탄소 이차 전지에서는, 양극 구성물질 중 전지반응에 참여하지 않으면서 전자전도체의 역할을 수행하는 물질로 탄소를 사용하는 것을 기술적 특징으로 한다. 탄소분말은 충전이 진행되더라도 전지반응에 참여하지 않으므로 전자전도성은 악화되지 않는다. In the sodium/metal-carbon secondary battery according to an embodiment of the present invention, it is a technical feature that carbon is used as a material that plays a role of an electron conductor without participating in a battery reaction among positive electrode constituent materials. Carbon powder does not participate in the battery reaction even if charging proceeds, so electron conductivity does not deteriorate.

따라서 본 발명의 일 실시예에 따르면, 첨가된 탄소를 보조적인 전자전도체로서 전자전도를 담당하게 하여, Ni 입자를 양극활물질로서의 비중을 더 증대시킴으로써, 나트륨/금속 2차 전지의 충/방전 용량을 현저히 향상 시킬 수 있다. 또한 종래와 같이 과잉의 Ni을 첨가하지 않고 Ni: NaCl의 질량비는 이론값인 질량비 1:2로 유지하더라도 종래와 같이 전지특성이 열화되는 현상이 나타나지 않게된다. 이로인해 종래와 비교하여 Ni 사용에 소요되는 비용을 감소시킬 수 있는 경제적인 효과를 얻을 수 있다. Therefore, according to an embodiment of the present invention, the added carbon is used as an auxiliary electron conductor to perform electron conduction, thereby further increasing the specific gravity of the Ni particles as a positive electrode active material, thereby increasing the charge/discharge capacity of the sodium/metal secondary battery. It can be significantly improved. In addition, even if the mass ratio of Ni: NaCl is maintained at the theoretical value of 1:2 without adding excessive Ni as in the prior art, the phenomenon of deteriorating battery characteristics as in the prior art does not occur. Due to this, it is possible to obtain an economical effect that can reduce the cost required for using Ni compared to the conventional one.

전지반응에 의해 활물질인 금속분말에서 만들어진 전자가 탄소분말을 통해 집전체로 잘 전도되기 위해서는 금속분말과 탄소분말이 물리적으로 서로 잘 결합되어 있어야 한다. 이를 구현하기 위하여. 상기 금속분말과 탄소분말을 결합시키기 위한 바인더가 이용될 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 의하면, 캐소드부는 금속분말과 탄소분말이 바인더에 의해 서로 결합된 형태인 금속-탄소 분말복합체로 구성될 수 있다. The metal powder and the carbon powder must be physically bonded to each other in order for electrons made from the metal powder, which is an active material, to be well conducted through the carbon powder to the current collector by the battery reaction. To implement this. A binder for bonding the metal powder and the carbon powder may be used. Therefore, according to an embodiment of the present invention, the cathode portion may be composed of a metal-carbon powder composite in a form in which metal powder and carbon powder are bonded to each other by a binder.

이러한 바인더는 고분자 소재를 포함하며, 나트륨/금속 2차 전지의 충/방전 온도를 고려하여 250℃ 이상의 융점, 바람직하게는 300℃ 이상의 융점을 가질 수 있다. 융점이 상기 수치범위의 미만일 경우 나트륨/금속 2차 전지 충/방전 과정에서 바인더의 용융에 의해 캐소드부를 구성하는 금속-탄소 분말복합체가 분리되는 등의 문제가 발생할 수 있다. 이러한 바인더로는, 예를 들어 폴리이미드를 포함할 수 있다. 폴리이미드 이외에 아라미드, 테트라플루오르에틸렌, 폴리아크릴로니트릴 등이 사용될 수 있다. Such a binder includes a polymer material, and may have a melting point of 250° C. or higher, preferably 300° C. or higher in consideration of the charging/discharging temperature of the sodium/metal secondary battery. When the melting point is less than the above numerical range, problems such as separation of the metal-carbon powder composite constituting the cathode portion may occur due to melting of the binder during the charging/discharging process of the sodium/metal secondary battery. As such a binder, for example, polyimide may be included. In addition to polyimide, aramid, tetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, and the like may be used.

금속분말과 탄소를 바인더로 결합시킨 후 추가적으로 볼-밀링에 의해 밀링처리함으로써 금속분말과 탄소의 결합력을 향상시킬 수 있다. 이 경우 금속-탄소 분말복합체의 미세조직은 볼-밀링 과정에서 볼에 의해 기계적으로 합금화된 형태의 볼-밀링 조직을 가질 수 있다. The bonding strength between the metal powder and carbon can be improved by combining the metal powder and carbon with a binder and then further milling by ball-milling. In this case, the microstructure of the metal-carbon powder composite may have a ball-milling structure in a form mechanically alloyed by balls in the ball-milling process.

금속-탄소 분말복합체 내에서, 첨가되는 탄소의 비율은 양극활물질인 금속분말의 역할 수행의 최적화 측면에서 적절하게 정해질 수 있다. 첨가되는 탄소의 비율이 너무 높을 경우, 상대적으로 양극활물질인 금속분말의 비율이 감소하게 되면서 이에 따른 전지특성의 감소가 나타날 수 있다. 반면, 지나치게 작은 값을 가질 경우에는 상기 수치범위 미만일 경우 2차 전도체로서의 탄소의 역할이 충분히 수행되지 않을 수 있다. In the metal-carbon powder composite, the ratio of carbon to be added can be appropriately determined in terms of optimizing the performance of the metal powder, which is a positive electrode active material. If the proportion of carbon added is too high, the proportion of the metal powder, which is a positive electrode active material, is relatively decreased, resulting in a decrease in battery characteristics. On the other hand, when the value is too small, when the value is less than the above numerical range, the role of carbon as a secondary conductor may not be sufficiently performed.

금속-탄소 분말복합체 내에서, 첨가되는 바인더의 비율은 금속분말과 탄소의 결합력 및 전기전도도 측면을 모두 고려하여 적절하게 정해질 수 있다. 상기 바인더의 첨가 비율이 지나치게 작을 경우, 금속분말과 탄소를 서로 결합시키는 역할의 수행이 원활하지 않아 전지 특성의 향상이 나타나지 않을 수 있다. 반면, 지나치게 많이 첨가될 경우에는 부도체인 바인더가 금속분말과 탄소 사이에 개재되는 비율이 증가하면서 금속분말과 탄소 사이의 절연효과에 의해 전기전도가 원활하게 이루어지지 않을 수 있으며, 이는 전지특성의 열화로 이어지게 된다. 이러한 측면에서, 금속-탄소 분말복합체 내에서, 탄소의 중량을 바인더의 중량으로 나눈 값은 1.1 내지 2.45의 범위, 바람직하게는 1.3 내지 2.0의 범위를 가질 수 있다. In the metal-carbon powder composite, the ratio of the binder to be added may be appropriately determined in consideration of both the bonding strength of the metal powder and carbon and the electrical conductivity aspects. When the addition ratio of the binder is too small, the function of bonding the metal powder and carbon to each other is not smoothly performed, so that improvement in battery characteristics may not appear. On the other hand, if too much is added, the ratio of the non-conductor binder interposed between the metal powder and carbon increases, and electrical conduction may not be smoothly achieved due to the insulating effect between the metal powder and carbon, which deteriorates battery characteristics. It leads to. In this aspect, in the metal-carbon powder composite, the value obtained by dividing the weight of carbon by the weight of the binder may have a range of 1.1 to 2.45, preferably 1.3 to 2.0.

이하에서는 본 발명의 이해를 돕기 위한 실험예를 제시한다. 하기 제시된 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서, 본 발명이 하기 실험예로 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, an experimental example for aiding understanding of the present invention is presented. The experimental examples presented below are intended to aid understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the following experimental examples.

실험예로서 금속분말-탄소 분말복합체(이하 '복합체'라고 함)를 제조하기 위하여 금속분말, 탄소 및 바인더로서 각각 Ni 분말, 카본블랙 및 폴리이미드를 준비하였다. 표 1에는 준비된 각 재료의 중량이 나타나 있다. As an experimental example, in order to prepare a metal powder-carbon powder composite (hereinafter referred to as a'composite'), Ni powder, carbon black and polyimide were prepared as metal powder, carbon, and binder, respectively. Table 1 shows the weight of each prepared material.

준비된 폴리이미드를 용매인 메탄올에 용해하였다. 폴리이미드가 용해된 용액에 카본블랙 분말을 추가한 후 교반기로 충분히 교반하여 폴리이미드와 카본블랙 분말이 전체적으로 균일하게 혼합되도록 하였다. 교반이 완료된 후 상기 혼합액과 Ni 분말을 같이 볼-밀 장비에 투입하고 볼-밀링 처리함으로 복합체를 제조하였다. The prepared polyimide was dissolved in methanol as a solvent. After adding the carbon black powder to the solution in which the polyimide was dissolved, the mixture was sufficiently stirred with a stirrer so that the polyimide and the carbon black powder were uniformly mixed as a whole. After the stirring was completed, the mixed solution and Ni powder were added to a ball-mill equipment, and a composite was manufactured by ball-milling treatment.

표 1에서 C/P는 복합체 내에서 카본블랙의 중량을 폴리이미드의 중량으로 나눈 값이다.In Table 1, C/P is a value obtained by dividing the weight of carbon black in the composite by the weight of polyimide.

한편, 비교예로서, 양극재료로 Ni 분말만 사용한 결과(표 1의 시편 1)와, 바인더 없이 Ni 분말과 카본블랙 분말만을 볼-밀링하여 제조한 복합체를 사용한 결과(표1의 시편 2)도 표 1에 나타내었다. On the other hand, as a comparative example, the result of using only Ni powder as a cathode material (sample 1 in Table 1) and the result of using a composite manufactured by ball-milling only Ni powder and carbon black powder without a binder (sample 2 in Table 1) are also shown. It is shown in Table 1.

시편Psalter 니켈
(g)
nickel
(g)
카본블랙
(g)
Carbon black
(g)
폴리이미드
(g)
Polyimide
(g)
C/PC/P 최대 용량
(mAh/g)
Maximum capacity
(mAh/g)
1One 1.01.0 00 00 -- 217217 22 1.01.0 0.020.02 00 -- -- 33 0.50.5 0.1250.125 0.180.18 0.690.69 157157 44 0.50.5 0.1250.125 0.090.09 1.391.39 263263 55 0.50.5 0.1250.125 0.06250.0625 2.02.0 363363 66 0.50.5 0.1250.125 0.050.05 2.52.5 196196

표 1의 실험예 및 비교예를 이용하여 도 1에 도시된 이차 전지를 구성한 후 충방전 시험을 수행하여 상기 이차전지의 최대 용량을 조사하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다. 도 4에는 C/P 값에 따른 최대 용량을 도시하였다. After configuring the secondary battery shown in FIG. 1 using the Experimental Examples and Comparative Examples of Table 1, a charge/discharge test was performed to investigate the maximum capacity of the secondary battery, and the results are shown in Table 1. 4 shows the maximum dose according to the C/P value.

표 1 및 도 4를 참조하면, 양극재료로 니켈 분말만 사용한 시편 1에 비해 복합체를 사용한 시편 4 및 시편 5의 결과가 더 높은 최대 용량 결과를 나타내었다. Referring to Tables 1 and 4, the results of Specimen 4 and Specimen 5 using the composite showed a higher maximum capacity result than that of Specimen 1 using only nickel powder as the anode material.

반면 Ni 분말과 카본블랙 분말만을 볼-밀링 처리하였던 시편 2의 경우에는 정상적인 전지반응이 나타나지 않았으며, 이에 최대 용량을 측정할 수 없었다. 이로부터 Ni 분말과 카본블랙 분말만을 볼-밀링으로 처리하는 방법으로는 전지 특성의 향상을 기대할 수 없다는 것을 확인할 수 있다. On the other hand, in the case of Specimen 2, in which only Ni powder and carbon black powder were ball-milled, a normal battery reaction did not appear, and the maximum capacity could not be measured. From this, it can be seen that the improvement of battery characteristics cannot be expected by the method of treating only Ni powder and carbon black powder by ball-milling.

이에 비해 바인더를 사용한 시편 4 및 5의 경우에는 시편 1에 비해 우수한 최대 용량을 나타내었다. 이는 바인더인 폴리이미드를 사용할 경우, Ni 분말과 카본블랙분말이 서로 물리적으로 결합될 확률이 증가하여 두 분말간의 양호한 결합상태가 유지되기 때문으로 해석된다. In contrast, specimens 4 and 5 using the binder exhibited superior maximum capacity compared to specimen 1. This is interpreted to be because when polyimide as a binder is used, the probability that the Ni powder and the carbon black powder are physically bonded to each other increases, thereby maintaining a good bonding state between the two powders.

다만, 복합체 내에서 폴리이미드의 중량이 가장 높은 시편 3의 경우에는 오히려 시편 1에 비해 더 낮은 최대 용량을 나타내었다. 이는 복합체 내에 폴리이미드의 양이 지나치게 많이 포함될 경우, 전기적 부도체인 폴리이미드가 Ni 분말과 카본블랙분말 사이에 과량으로 개재됨에 따라 양 분말 간의 전기적 연결이 열악해지기 때문으로 해석된다. However, in the case of specimen 3, which had the highest polyimide weight in the composite, the maximum capacity was rather lower than that of specimen 1. This is interpreted as because, when an excessive amount of polyimide is included in the composite, the electrical connection between the two powders is poor as polyimide, which is an electrical nonconductor, is excessively interposed between the Ni powder and the carbon black powder.

또한 복합체 내에서 폴리이미드의 중량이 가장 작은 시편 6의 경우에도 시편 1에 비해 더 낮은 최대 용량을 나타내었으며, 이는 바인더인 폴리이미드의 함량이 적정 범위 보다 작은 경우에는 니켈 분말과 카본블랙의 결합력 향상에 큰 영향을 주지 못하고 오히려 전지 특성을 열화시키는 것으로 해석된다. In addition, specimen 6, which has the smallest polyimide weight in the composite, exhibited a lower maximum capacity than that of specimen 1. This improves the bonding strength of nickel powder and carbon black when the content of polyimide, a binder, is less than the appropriate range. It is interpreted that it does not have a significant effect on the battery and rather degrades the battery characteristics.

도 4의 그래프로부터 비교예인 시편 1의 최대 용량인 217 mAh/g 보다 큰 값을 나타내는 C/P의 범위(도 4의 화살표 표시)는 1.1 내지 2.45 범위를 가지는 것을 알 수 있다. From the graph of FIG. 4, it can be seen that the range of C/P (marked by the arrow in FIG. 4) indicating a value greater than 217 mAh/g, which is the maximum capacity of the Comparative Example 1, has a range of 1.1 to 2.45.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다. The present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but these are merely exemplary, and those of ordinary skill in the art will appreciate that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

Claims (8)

염화나트륨(NaCl) 및 금속-탄소 분말복합체를 포함하는 캐소드부를 구비하되,
상기 금속-탄소 분말복합체는
금속분말 및 탄소분말과,
상기 금속분말 및 탄소분말을 서로 결합시키는 바인더를 포함하며,
상기 바인더는 융점이 250℃ 이상의 값을 가지는 고분자 물질인,
나트륨/금속-탄소 이차 전지.
A cathode portion including sodium chloride (NaCl) and a metal-carbon powder complex is provided,
The metal-carbon powder composite is
Metal powder and carbon powder,
It includes a binder for bonding the metal powder and the carbon powder to each other,
The binder is a polymer material having a melting point of 250° C. or higher,
Sodium/metal-carbon secondary battery.
제 1 항에 있어서,
상기 금속-탄소 분말복합체에 있어서,
탄소분말의 중량을 바인더의 중량으로 나눈 값의 범위가 1.1 내지 2.45인 나트륨/금속-탄소 이차 전지.
The method of claim 1,
In the metal-carbon powder composite,
A sodium/metal-carbon secondary battery having a range of 1.1 to 2.45, obtained by dividing the weight of the carbon powder by the weight of the binder.
제 1 항에 있어서,
상기 금속-탄소 분말복합체에 있어서,
상기 금속분말과 상기 탄소분말은 볼-밀링 처리되어 서로 결합되어 있는,
나트륨/금속-탄소 이차 전지.
The method of claim 1,
In the metal-carbon powder composite,
The metal powder and the carbon powder are ball-milled to be bonded to each other,
Sodium/metal-carbon secondary battery.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
활물질인 상기 금속분말은 니켈(Ni), 철(Fe), 구리(Cu) 및 아연(Zn) 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 분말을 포함하는,
나트륨/금속-탄소 이차 전지.
The method according to any one of claims 1 to 3,
The metal powder as an active material includes at least one powder selected from nickel (Ni), iron (Fe), copper (Cu), and zinc (Zn),
Sodium/metal-carbon secondary battery.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탄소분말은 카본블랙, 카본 파이버, CNT 및 그라핀 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는,
나트륨/금속-탄소 이차 전지.
The method according to any one of claims 1 to 3,
The carbon powder contains at least one selected from carbon black, carbon fiber, CNT and graphene,
Sodium/metal-carbon secondary battery.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 바인더는 폴리이미드, 아라미드, 테트라플루오르에틸렌, 폴리아크릴로니트릴 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 나트륨/금속-탄소 이차 전지.
The method of claim 1,
The binder includes at least one of polyimide, aramid, tetrafluoroethylene, and polyacrylonitrile, sodium/metal-carbon secondary battery.
제 1 항에 있어서,
용융 나트륨을 포함하는 애노드부; 및
나트륨 이온이 관통하여 이동할 수 있도록, 상기 캐소드부와 상기 애노드부 사이에 개재된 고체 전해질로 이루어진 베이스부;
을 구비하는,
나트륨/금속-탄소 이차 전지.
The method of claim 1,
An anode portion containing molten sodium; And
A base portion made of a solid electrolyte interposed between the cathode portion and the anode portion to allow sodium ions to pass therethrough;
Having,
Sodium/metal-carbon secondary battery.
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