KR102276170B1 - Sodium Secondary Battery Including Cathode Unified with Collector - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소듐 이차전지에 관한 것으로, 상세하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지는 소듐을 함유하는 음극; 양극활물질을 포함하며, 집전체가 내부에 함입된 소결체인 집전체 일체형 양극; 상기 양극이 장입되는 양극액; 및 상기 음극과 양극액을 분리하는 소듐 이온 전도성 고체전해질;을 포함한다.The present invention relates to a sodium secondary battery, and more particularly, a sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a negative electrode containing sodium; A current collector integrated positive electrode comprising a positive electrode active material, a sintered body having a current collector embedded therein; an anolyte in which the positive electrode is charged; and a sodium ion conductive solid electrolyte for separating the anode and the anolyte.

Description

집전체 일체형 양극이 구비된 소듐 이차전지{Sodium Secondary Battery Including Cathode Unified with Collector}Sodium Secondary Battery Including Cathode Unified with Collector

본 발명은 소듐 이차전지에 관한 것으로, 상세하게, 양극과 집전체가 일체를 이루는 집전체 일체형 양극을 포함하는 소듐 이차전지에 관한 것이다.
The present invention relates to a sodium secondary battery, and more particularly, to a sodium secondary battery including a current collector-integrated positive electrode in which a positive electrode and a current collector are integrally formed.

신재생에너지의 이용이 급격히 증가되면서, 배터리를 이용한 에너지 저장 장치에 대한 필요성이 급격히 증가하고 있다. 이러한 배터리 중에는 납 전지, 니켈/수소 전지, 바나듐 전지 및 리튬 전지가 이용될 수 있다. 그러나 납 전지, 니켈/수소 전지는 에너지 밀도가 매우 작아서 동일한 용량의 에너지를 저장하려면 많은 공간을 필요로 하는 문제점이 있다. 또한 바나듐 전지의 경우에는 중금속이 함유된 용액을 사용함으로 인한 환경 오염적 요소와 음극과 양극을 분리하는 멤브레인을 통해 음극과 양극간의 물질이 소량씩 이동함으로 인해 성능이 저하되는 문제점을 가지고 있어서 대규모로 상업화하지 못하는 상태이다. 에너지 밀도 및 출력 특성이 매우 우수한 리튬 전지의 경우에는 기술적으로 매우 유리하나, 리튬 재료의 자원적 희소성으로 인해 대규모 전력저장용 이차전지로 사용하기에는 경제성이 부족한 문제점을 가지고 있다. As the use of renewable energy is rapidly increasing, the need for an energy storage device using a battery is rapidly increasing. Among these batteries, a lead battery, a nickel/hydrogen battery, a vanadium battery, and a lithium battery may be used. However, lead batteries and nickel/hydrogen batteries have very small energy densities, so there is a problem that requires a lot of space to store energy of the same capacity. In addition, in the case of vanadium batteries, environmental pollutants due to the use of a solution containing heavy metals and a small amount of material between the negative electrode and the positive electrode move through the membrane separating the negative electrode and the positive electrode, thereby reducing the performance. It cannot be commercialized. In the case of a lithium battery having very excellent energy density and output characteristics, it is technically very advantageous, but due to the resource scarcity of the lithium material, it has a problem that it is not economical to use as a secondary battery for large-scale power storage.

이러한 문제점을 해결하고자 자원적으로 지구상에 풍부한 소듐을 이차 전지의 재료로 이용하고자 하는 많은 시도가 있었다. 그 중, 미국 공개특허 제20030054255호와 같이, 소듐 이온에 대한 선택적 전도성을 지닌 베타 알루미나를 이용하고, 음극에는 소듐을 양극에는 황을 담지한 형태의 소듐 유황 전지는 현재 대규모 전력 저장 장치로서 사용되고 있다. In order to solve this problem, there have been many attempts to use the resource-rich sodium on the earth as a material for secondary batteries. Among them, as in US Patent Publication No. 20030054255, a sodium-sulfur battery in which beta-alumina having selective conductivity for sodium ions is used, sodium is supported on the negative electrode, and sulfur is supported on the positive electrode is currently used as a large-scale power storage device. .

그러나 소듐-유황 전지와 같은 기존의 소듐 기반의 이차 전지는 전도도 및 전지 구성물의 녹는점을 고려하여, 소듐-유황 전지의 경우에는 최소 300℃ 이상의 작동 온도를 갖는 단점을 갖고 있다. 이러한 문제점으로 인하여, 온도 유지, 기밀성 유지, 안전성 측면을 보강하기 위하여 제작상 혹은 운영상 경제성 측면에서 불리한 점이 많다. However, conventional sodium-based secondary batteries such as sodium-sulfur batteries have a disadvantage in that they have an operating temperature of at least 300° C. or higher in the case of sodium-sulfur batteries in consideration of conductivity and the melting point of battery components. Due to these problems, there are many disadvantages in terms of economic feasibility in terms of manufacturing or operation in order to maintain temperature, maintain airtightness, and reinforce safety aspects.

상기와 같은 문제점을 해결하고자 상온(Room temperature)형의 소듐 기반의 전지가 개발되고 있으나, 출력이 매우 낮아 니켈-수소 전지 혹은 리튬 전지에 비해 경쟁력이 매우 떨어지고 있다.
In order to solve the above problems, a room temperature type sodium-based battery has been developed, but the output is very low, so the competitiveness is very low compared to a nickel-hydrogen battery or a lithium battery.

미국 공개특허 제20030054255호US Patent Publication No. 20030054255

본 발명의 목적은 기존의 고온 운전의 문제와 열 관리 문제를 극복하여 저온 운전 가능하면서도 높은 출력을 갖는 소듐 이차전지를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a sodium secondary battery capable of low-temperature operation and having a high output by overcoming the problems of conventional high-temperature operation and thermal management.

본 발명의 다른 목적은 감소된 내부 저항을 가지며 전지 충방전 동작의 반복시도 전기 전도가 안정적으로 유지되는 소듐 이차전지를 제공하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide a sodium secondary battery having reduced internal resistance and stably maintaining electrical conduction even during repeated battery charging and discharging operations.

본 발명에 따른 소듐 이차전지는 소듐을 함유하는 음극; 양극활물질을 포함하며, 집전체가 내부에 함입된 소결체인 집전체 일체형 양극; 양극이 장입되는 양극액; 및 음극과 양극액을 분리하는 소듐 이온 전도성 고체전해질;을 포함한다.A sodium secondary battery according to the present invention includes a negative electrode containing sodium; A current collector integrated positive electrode comprising a positive electrode active material, a sintered body having a current collector embedded therein; anolyte in which the anode is charged; and a sodium ion conductive solid electrolyte that separates the anode and the anolyte.

본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지에 있어, 집전체는 전도성 물질의 폼(foam), 박(film), 메쉬(mesh), 펠트(felt), 다공성 박(perforated film), 필름(film), 봉(rod) 및 와이어(wire)에서 하나 이상 선택될 수 있다.In the sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the current collector is a conductive material foam (foam), foil (film), mesh (mesh), felt (felt), porous foil (perforated film), film (film) ), rods and wires may be selected from one or more.

본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지에 있어, 집전체의 적어도 일 단이 소결체 외부로 돌출되어 전지 외부와의 전기적 연결을 위한 전도성 부재와 연결될 수 있다.In the sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention, at least one end of the current collector may protrude out of the sintered body and be connected to a conductive member for electrical connection with the outside of the battery.

본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지에 있어, 소결체 내부에 함입된 집전체는 주름진 상태일 수 있다.In the sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the current collector embedded in the sintered body may be in a wrinkled state.

본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지에 있어, 소결체 내부에 함입된 집전체는 나선형(helical) 구조를 갖는 상태일 수 있다. In the sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the current collector embedded in the sintered body may be in a state having a helical structure.

본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지에 있어, 소결체는 기둥형 또는 속 빈 기둥형일 수 있다.In the sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the sintered body may have a columnar shape or a hollow columnar shape.

본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지에 있어, 소결체에는 둘 이상의 집전체가 서로 이격 배열될 수 있다.In the sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention, two or more current collectors may be arranged to be spaced apart from each other in the sintered body.

본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지에 있어, 소결체의 기공률(겉보기 기공률)은 50 내지 75%일 수 있다.In the sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the porosity (apparent porosity) of the sintered body may be 50 to 75%.

본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지에 있어, 양극활물질은 전이금속 및 12 내지 14족 금속에서 하나 이상 선택되는 금속인 양극활금속; 또는 양극활금속의 할로겐화물;을 함유할 수 있다.In the sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the cathode active material includes a cathode active metal, which is at least one metal selected from a transition metal and a group 12 to 14 metal; Or a halide of the positive electrode active metal; may contain.

본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지에 있어, 양극활물질은 소듐 할로겐화물을 더 함유할 수 있다.In the sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the cathode active material may further contain sodium halide.

본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지에 있어, 양극액은 하기 화학식 1을 만족하는 소듐염을 함유할 수 있다.In the sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the anolyte may contain a sodium salt satisfying the following formula (1).

(화학식 1)(Formula 1)

NaM(X1)n(X2)4-n NaM(X 1 ) n (X 2 ) 4-n

화학식 1에서 M은 3가의 산화수를 갖는 금속 및 준금속 군에서 선택된 원소이며, X1 및 X2는 서로 상이한 할로겐 원소이며, n은 0≤n≤4인 실수이다.In Formula 1, M is an element selected from the group of metals and metalloids having a trivalent oxidation number, X 1 and X 2 are different halogen elements, and n is a real number with 0≤n≤4.

본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지에 있어, X1과 X2는 염소(Cl)와 요오드(I)이며, n은 2.0 내지 3.8일 수 있다.In the sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention, X 1 and X 2 are chlorine (Cl) and iodine (I), and n may be 2.0 to 3.8.

본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지에 있어, X1과 X2는 염소(Cl)와 브롬(Br)이며, n은 0.2 내지 3.8일 수 있다.In the sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention, X 1 and X 2 are chlorine (Cl) and bromine (Br), and n may be 0.2 to 3.8.

본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지에 있어, 양극활금속은 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 카드뮴(Cd) 및 주석(Sn)에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있다.In the sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the positive electrode active metal is titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel ( Ni), copper (Cu), zinc (Zn), aluminum (Al), cadmium (Cd), and tin (Sn) may be selected from one or two or more.

본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지는 하기 반응식 1에 따른 충전 및 하기 반응식 2에 따른 방전이 이루어질 수 있다.The sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention may be charged according to the following Reaction Formula 1 and discharged according to the following Reaction Formula 2.

(반응식 1)(Scheme 1)

mNaX+Mact → mNa+MactXm mNaX+M act → mNa+M act X m

반응식 1에서, NaX는 소듐 할로겐화물이며, Mact는 양극활금속이며, m은 1 내지 4의 자연수이다.In Scheme 1, NaX is sodium halide, M act is a positive electrode active metal, and m is a natural number of 1 to 4.

(반응식 2)(Scheme 2)

mNa+MactXm→ mNaX+Mact mNa+M act X m → mNaX+M act

반응식 2에서, Mact는 양극활금속이며, MactX는 양극활금속의 할로겐화물이며, m은 1 내지 4의 자연수이다.
In Scheme 2, M act is a positive electrode active metal, M act X is a halide of a positive electrode active metal, and m is a natural number of 1 to 4.

본 발명에 따른 소듐 이차전지는, 양극활물질과 집전체간 작은 접촉 저항을 갖는 장점이 있고, 전지의 충방전 반응시 발생하는 양극에서의 부피변화에도 안정적인 전기적 및 물리적 연결을 유지하는 장점이 있다. 또한, 100 내지 200℃의 저온에서 운전이 가능하며, 저온 운전에도 불구하고 높은 에너지 밀도를 갖는 장점이 있으며, 상대적으로 낮은 온도에서의 운전에 따라 열 안정성 및 열 밀봉 문제를 해결하는데 용이하며, 기밀성 유지를 위한 용기 설계 조건이 보다 완화되는 장점이 있고, 온도 유지에 소요되는 열 에너지가 감소되어 경제성을 높일 수 있는 장점이 있다.
The sodium secondary battery according to the present invention has the advantage of having a small contact resistance between the positive electrode active material and the current collector, and has the advantage of maintaining a stable electrical and physical connection despite the volume change in the positive electrode that occurs during the charging/discharging reaction of the battery. In addition, it is possible to operate at a low temperature of 100 to 200 ℃, has the advantage of having a high energy density despite the low temperature operation, it is easy to solve the problem of thermal stability and heat sealing according to the operation at a relatively low temperature, airtightness There is an advantage in that the container design conditions for maintenance are more relaxed, and the thermal energy required to maintain the temperature is reduced, thereby increasing economic efficiency.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지에 있어, 집전체 일체형 양극의 일 사시도를 도시한 도면이며,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지에 있어, 집전체 일체형 양극의 다른 일 사시도를 도시한 도면이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지에 있어, 집전체 일체형 양극의 또 다른 일 사시도를 도시한 도면이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지에 있어, 집전체 일체형 양극의 또 다른 일 사시도를 도시한 도면이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지의 단면을 도시한 단면도이다.
1 is a view showing a perspective view of a current collector-integrated positive electrode in a sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention;
2 is a view showing another perspective view of a current collector-integrated positive electrode in a sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention;
3 is a view showing another perspective view of a current collector-integrated positive electrode in a sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention;
4 is a view showing another perspective view of a current collector-integrated positive electrode in a sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention;
5 is a cross-sectional view illustrating a cross-section of a sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 소듐 이차전지를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. Hereinafter, a sodium secondary battery of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The drawings introduced below are provided as examples in order to sufficiently convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the present invention is not limited to the drawings presented below and may be embodied in other forms, and the drawings presented below may be exaggerated to clarify the spirit of the present invention. At this time, if there is no other definition in the technical terms and scientific terms used, it has the meaning commonly understood by those of ordinary skill in the technical field to which this invention belongs, and the gist of the present invention in the following description and accompanying drawings Descriptions of known functions and configurations that may be unnecessarily obscure will be omitted.

본 발명에 따른 소듐 이차전지는 소듐을 함유하는 음극; 양극활물질을 포함하며, 집전체가 내부에 함입된 소결체인 집전체 일체형 양극; 양극이 장입되는 양극액; 및 음극과 양극액을 분리하는 소듐 이온 전도성 고체전해질;을 포함한다.A sodium secondary battery according to the present invention includes a negative electrode containing sodium; A current collector integrated positive electrode comprising a positive electrode active material, a sintered body having a current collector embedded therein; anolyte in which the anode is charged; and a sodium ion conductive solid electrolyte that separates the anode and the anolyte.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는, 집전체 일체형 양극에 의해, 전지 충방전 반응시, 전지 반응에 관여하는 양극활물질과 집전체간 현저히 작은 접촉 저항을 가질 수 있다. 즉, 양극활물질과 집전체간 낮은 접촉 저항을 가짐에 따라, 작은 전지 내부 저항을 갖는 장점이 있다. 나아가, 충전 및 방전의 상태 변화에 따라, 양극활물질에 야기되는 부피변화에도, 양극활물질과 집전체간의 안정적인 접촉이 지속적으로 이루어질 수 있는 장점이 있다. 또한, 소결체 내부에 위치하는 집전체의 면적 및/또는 부피를 증진시킴으로써, 집전체와 양극활물질간의 접촉면적의 향상이 가능한 장점이 있다.The secondary battery according to an embodiment of the present invention may have a remarkably small contact resistance between the positive electrode active material involved in the battery reaction and the current collector during a battery charging/discharging reaction due to the current collector integrated positive electrode. That is, as it has a low contact resistance between the positive electrode active material and the current collector, there is an advantage of having a small internal resistance of the battery. Furthermore, there is an advantage in that stable contact between the positive electrode active material and the current collector can be continuously made in spite of a change in volume caused to the positive electrode active material according to the change in the state of charging and discharging. In addition, by increasing the area and/or volume of the current collector located inside the sintered body, there is an advantage in that the contact area between the current collector and the positive electrode active material can be improved.

본 발명의 일 실시예에 있어, 소결체는 양극활물질을 포함하는 전극물질이 물리적 압력에 의해 일정 형상으로 압축 성형된 후, 열처리에 의해 소결된 소결체를 의미할 수 있다. 이에 따라, 집전체 일체형 양극은 양극활물질 내에 집전체가 위치하며 양극활물질간 및 양극활물질과 집전체간 서로 결착된 일체일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the sintered body may refer to a sintered body in which an electrode material including a positive electrode active material is compression molded into a predetermined shape by physical pressure and then sintered by heat treatment. Accordingly, the current collector-integrated positive electrode may be a single body in which the current collector is positioned within the positive electrode active material and bonded to each other between the positive electrode active material and the positive electrode active material and the current collector.

상술한 바와 같이, 집전체 일체형 양극이 양극액에 함침됨에 따라, 소결체에 존재하는 열린 기공이 양극액과 양극활물질간의 접촉면적에 영향을 미칠 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 소결체는 그 기공률이 50 내지 75%, 구체적으로 60 내지 70%일 수 있다. 이때, 기공률은 소결체의 부피 중 열린 기공이 차지하는 부피의 비율을 의미할 수 있으며, 겉보기 기공률을 의미할 수 있다. 50 내지 75%의 기공률은 전지 제조 또는 전지 구동시 집전체 일체형 양극에 가해지는 물리적 충격에 견딜 수 있으며, 집전체와 양극활물질간 강한 결착력을 가질 수 있으면서도 다량의 양극액이 집전체 일체형 양극에 침투할 수 있는 범위이다. 이러한 소결체의 기공률은 압축 성형시 인가되는 압력, 소결을 위한 열처리 온도나 시간 같은 공정 인자를 제어하여 조절될 수 있다. As described above, as the current collector-integrated positive electrode is impregnated in the anolyte, open pores present in the sintered body may affect the contact area between the positive electrode and the positive electrode active material. The sintered compact according to an embodiment of the present invention may have a porosity of 50 to 75%, specifically 60 to 70%. In this case, the porosity may mean a ratio of the volume occupied by the open pores among the volume of the sintered body, and may mean the apparent porosity. A porosity of 50 to 75% can withstand the physical impact applied to the positive electrode integrated with the current collector when manufacturing or driving the battery, and while it can have a strong binding force between the current collector and the positive electrode active material, a large amount of the anolyte penetrates the positive electrode with the current collector integrated. range that can be done. The porosity of the sintered body may be adjusted by controlling process factors such as pressure applied during compression molding and heat treatment temperature or time for sintering.

상술한 바와 같이, 집전체 일체형 양극이 집전체가 내부 구비된 소결체임에 따라, 집전체 일체형 양극은 별도의 유기 및/또는 무기 바인더를 함유하지 않을 수 있다. 즉, 집전체 일체형 양극은 순수하게 양극활물질과 집전체로 구성될 수 있다. 이는, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지가 바인더에 의한 전기화학 반응 표면적의 감소, 열적, 전기 화학적 안정성 감소, 단위 부피당 활물질의 질량 감소등으로부터 자유로움을 의미한다.As described above, since the current collector-integrated positive electrode is a sintered body in which the current collector is provided, the current collector-integrated positive electrode may not contain a separate organic and/or inorganic binder. That is, the current collector-integrated positive electrode may be purely composed of a positive electrode active material and a current collector. This means that the battery according to an embodiment of the present invention is free from a decrease in the electrochemical reaction surface area, a decrease in thermal and electrochemical stability, and a decrease in the mass of the active material per unit volume due to the binder.

또한, 상술한 바와 같이, 집전체 일체형 양극이 집전체가 내부 구비된 소결체임에 따라, 양극활물질간 및 집전체와 양극활물질은 서로 계면을 이루며 결착된 상태일 수 있다. 즉, 양극활물질간 및 양극활물질과 집전체간 점 접촉 또는 불균일한 면 접촉을 하지 않고, 양극활물질이 이웃하는 양극활물질이나 집전체와 안정적이며 균질한 2차원 면접촉을 하며, 서로 물리적으로 결착된 상태일 수 있다. In addition, as described above, since the current collector-integrated positive electrode is a sintered body having an internal current collector, the positive electrode active material and the current collector and the positive electrode active material may be in a bonded state while forming an interface with each other. That is, there is no point contact or non-uniform surface contact between the positive electrode active material and the positive electrode active material and the current collector, and the positive electrode active material makes stable and homogeneous two-dimensional surface contact with the neighboring positive electrode active material or current collector, and is physically bound to each other. state may be

이러한 계면 결착에 의해, 집전체 일체형 양극은 양극활물질간 및 양극활물질과 집전체간 낮은 접촉 저항을 가질 수 있다. 나아가, 전지의 충방전 반응시 발생하는 활물질의 부피 변화가 반복됨에도, 집전체와 양극활물질간 전기적, 물리적 접촉이 안정적으로 유지될 수 있다. Due to such interfacial bonding, the current collector-integrated positive electrode may have low contact resistance between the positive electrode active material and the positive electrode active material and the current collector. Furthermore, even though the volume change of the active material generated during the charging/discharging reaction of the battery is repeated, electrical and physical contact between the current collector and the positive electrode active material may be stably maintained.

또한, 양극활물질 간 서로 결착된 상태임에 따라, 양극으로부터 양극활물질이 탈리되는 것을 방지할 수 있어, 장시간의 반복 구동에도, 전지 용량이 감소되는 것을 방지할 수 있다. In addition, since the positive electrode active materials are bound to each other, it is possible to prevent the positive electrode active material from being detached from the positive electrode, and thus, it is possible to prevent the battery capacity from being reduced even during repeated driving for a long time.

집전체 일체형 양극은 집전체의 일 단이 소결체 내부에 위치하고 다른 일 단이 소결체 외부로 돌출된 구조를 갖거나, 집전체가 소결체를 관통하며 집전체의 양 단이 모두 소결체 외부로 돌출된 구조를 가질 수 있다. The current collector integrated positive electrode has a structure in which one end of the current collector is located inside the sintered body and the other end protrudes outside the sintered body, or the current collector penetrates the sintered body and both ends of the current collector protrude outside the sintered body. can have

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지에 있어, 집전체 일체형 양극(1000)의 일 투과 사시도를 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 일 예와 같이, 집전체 일체형 양극(1000)은 양극활물질이 일정 형상으로 성형 및 소결된 소결체(1100)이며, 소결체 내부에 집전체(1200)가 위치할 수 있다.1 is a view showing a perspective view in one transmission of a current collector-integrated positive electrode 1000 in a secondary battery according to an embodiment of the present invention. 1 , the current collector-integrated positive electrode 1000 is a sintered body 1100 in which a positive electrode active material is molded and sintered into a predetermined shape, and the current collector 1200 may be positioned inside the sintered body.

도 1(a)의 일 예에서, 소결체의 형상이 기둥형인 일 예를 도시하였으나, 설계되는 전지의 구조에 따라, 도 1(b) 내지 도 1(c)에 도시한 바와 같이, 양극의 형상에 대응되는 소결체의 형상은 판형이나 속빈 기둥형과 같이 다양한 형상을 가질 수 있다. 기둥형 또는 속 빈 기둥형인 경우, 그 단면 형상이 원, 타원, 삼각, 사각, 오각, 육각 또는 팔각과 같이 다양한 형상을 가질 수 있으나, 공간 채움이 좋은 원 기둥형 또는 속 빈 원 기둥형이 가장 용이할 수 있음은 물론이다. In the example of FIG. 1 ( a ), an example in which the shape of the sintered body is a columnar shape is illustrated, but according to the structure of the designed battery, as shown in FIGS. 1 ( b ) to 1 ( c ), the shape of the positive electrode The shape of the sintered body corresponding to may have various shapes, such as a plate shape or a hollow column shape. In the case of a columnar or hollow columnar shape, the cross-sectional shape may have various shapes such as circle, ellipse, triangle, square, pentagon, hexagon, or octagon, but a columnar or hollow columnar shape with good space filling is the most Of course, it can be easy.

도 1의 일 예는 집전체(1200)의 일 단이 소결체(1100)의 내부에 위치하고, 집전체(1200)의 다른 일 단이 소결체(1100)의 외부로 돌출된 형태를 도시한 예이다.An example of FIG. 1 is an example in which one end of the current collector 1200 is positioned inside the sintered body 1100 and the other end of the current collector 1200 protrudes to the outside of the sintered body 1100 .

즉, 집전체 일체형 양극(1000)은 소결체(1100) 내부에 집전체(1200)가 위치하되, 집전체(1200)의 일 단이 소결체(1100) 내부에 위치하고, 집전체(1200)의 다른 일 단은 소결체(1100) 외부로 돌출된 상태일 수 있다. 소결체(1100) 외부로 돌출된 집전체(1200)의 다른 일 단은 그 자체가 전지 외부와의 전기적 연결을 위한 도선 및/또는 단자의 역할을 수행할 수 있다. 이와 달리, 소결체(1100) 외부로 돌출된 집전체(1200)의 다른 일 단은, 전지 외부와의 전기적 연결을 위한 전도성 부재(미도시)와 연결될 수 있다. That is, in the current collector integrated positive electrode 1000 , the current collector 1200 is located inside the sintered body 1100 , but one end of the current collector 1200 is located inside the sintered body 1100 , and the other end of the current collector 1200 is located inside the sintered body 1100 . The stage may be in a state protruding to the outside of the sintered body 1100 . The other end of the current collector 1200 protruding to the outside of the sintered body 1100 may itself serve as a conductor and/or a terminal for electrical connection with the outside of the battery. Alternatively, the other end of the current collector 1200 protruding to the outside of the sintered body 1100 may be connected to a conductive member (not shown) for electrical connection to the outside of the battery.

그러나, 도 2에 도시한 바와 같이, 집전체(1200)는 양 단이 모두 소결체(1100) 외부로 돌출되도록 소결체(1100)를 관통할 수 있다. 집전체(1200)가 소결체(1100)를 관통하는 경우, 소결체(1100) 외부로 돌출된 집전체(1200)의 양단 모두가 전지 외부와의 전기적 연결을 위한 도선 및/또는 단자의 역할을 수행할 수 있다. 이와 달리, 소결체(1100) 외부로 돌출된 집전체(1200)의 양단 모두가 전지 외부와의 전기적 연결을 위한 전도성 부재(미도시)와 연결될 수 있다. 도 2에 도시한 일 예는, 설계된 양극의 크기가 커, 집전체 자체의 저항에 의한 저항 증가를 최소화하기에 적합하다.However, as shown in FIG. 2 , the current collector 1200 may penetrate the sintered body 1100 so that both ends protrude to the outside of the sintered body 1100 . When the current collector 1200 passes through the sintered body 1100, both ends of the current collector 1200 protruding to the outside of the sintered body 1100 serve as a conductor and/or a terminal for electrical connection with the outside of the battery. can Alternatively, both ends of the current collector 1200 protruding to the outside of the sintered body 1100 may be connected to a conductive member (not shown) for electrical connection to the outside of the battery. In the example shown in FIG. 2, the size of the designed positive electrode is large, and thus it is suitable to minimize the increase in resistance due to the resistance of the current collector itself.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는, 단지 소결체 내부에 위치하는 집전체의 부피 및/또는 면적을 증가시킴으로써, 집전체와 양극활물질간의 접촉면적을 늘일 수 있다. 전지의 용도에 따라, 양극은 기 설계된 크기 및 형상을 갖는 것이 통상적이다. 이미 정해진 크기 및 형상의 양극에서, 물리적으로 변형된 집전체를 사용함으로써, 소결체 내부에 위치하는 집전체의 부피 및/또는 면적을 증가시킬 수 있다.The secondary battery according to an embodiment of the present invention may increase the contact area between the current collector and the positive electrode active material only by increasing the volume and/or area of the current collector positioned inside the sintered body. Depending on the use of the battery, the positive electrode typically has a pre-designed size and shape. In a positive electrode having a predetermined size and shape, by using a physically deformed current collector, the volume and/or area of the current collector positioned inside the sintered body may be increased.

구체적으로, 도 3(a)에 도시한 일 예와 같이, 소결체(1100) 내부에 함입된 집전체(1200)는 주름진 상태일 수 있다. 즉, 집전체(1200)는 적어도 소결체(1100) 내부에 위치하는 영역에 주름(1210)이 형성된 것일 수 있다. 특별히 한정되지는 않으나, 집전체(1200)에 형성된 주름(1210)은 소결체가 판형인 경우 두께 방향으로, 속빈 기둥형이나 기둥형인 경우, 기둥의 높이 방향에 수직인 방향으로, 주름의 산과 골이 형성된 것일 수 있다. 도 3은 소결체(1100)가 기둥형인 경우이며, 집전체(1200)가 기둥의 높이 방향을 따라 주름(1210)이 져 있는 경우, 즉, 높이 방향에 수직인 방향으로 주름의 산과 골이 형성된 경우를 도시한 예이다. 주름(1210)의 골(L)과 산(H) 사이의 거리인 주름 폭이나, 골과 골(또는 산과 산)사이의 거리인 주름간 거리는 소결체의 전체적인 크기나 형상을 고려하여, 집전체(1200)와 양극활물질간의 접촉을 가능한 늘이면서, 단위 부피당 양극활물질의 질량 감소에 의해 전지 성능의 저하가 발생하지 않는 범위이면 족하다.Specifically, as shown in the example shown in Fig. 3 (a), the current collector 1200 impregnated in the sintered body 1100 may be in a wrinkled state. That is, the current collector 1200 may have wrinkles 1210 formed in at least an area located inside the sintered body 1100 . Although not particularly limited, the corrugations 1210 formed on the current collector 1200 are in the thickness direction when the sintered body is plate-shaped, and in the case of a hollow columnar or columnar shape, in a direction perpendicular to the height direction of the column, the peaks and valleys of the corrugations are may be formed. 3 is a case in which the sintered body 1100 is of a columnar shape, and when the current collector 1200 is wrinkled 1210 along the height direction of the column, that is, the peaks and valleys of the corrugations are formed in the direction perpendicular to the height direction. is an example showing In consideration of the overall size or shape of the sintered body, the wrinkle width, which is the distance between the valleys (L) and the peaks (H) of the corrugation 1210, or the corrugation distance, which is the distance between the valleys and the valleys (or mountains and mountains), the current collector ( 1200) and the positive electrode active material as long as possible, while increasing the amount of contact between the positive electrode active material and the positive electrode active material as long as it is within a range in which a decrease in battery performance does not occur due to a decrease in the mass of the positive electrode active material per unit volume.

구체적으로, 도 3(b)에 도시한 일 예와 같이, 소결체(1100) 내부에 함입된 집전체(1200)는 나선형(helical) 구조를 가질 수 있다. 즉, 집전체(1200)는 적어도 소결체(1100) 내부에 위치하는 영역이 나선형 구조를 가질 수 있다. 이러한 나선형 구조는 기둥형 또는 속 빈 기둥형의 소결체에 보다 적합하다. 나선의 회전 중심은, 소결체가 기둥형 또는 속 빈 기둥형인 경우, 기둥의 높이 방향 중심축과 일치할 수 있다. Specifically, as shown in the example shown in FIG. 3B , the current collector 1200 recessed in the sintered body 1100 may have a helical structure. That is, the current collector 1200 may have a spiral structure at least in a region positioned inside the sintered body 1100 . Such a spiral structure is more suitable for a columnar or hollow columnar sintered body. The rotational center of the spiral may coincide with the height direction central axis of the column when the sintered body is columnar or hollow columnar.

도 1 내지 3의 일 예는 소결체(1100)에 단일한 집전체(1200)가 위치하는 일 예를 도시한 것이나, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는, 둘 이상의 집전체(1200)가 소결체(1100) 내부에 위치할 수 있다. An example of FIGS. 1 to 3 shows an example in which a single current collector 1200 is positioned in the sintered body 1100 , but the secondary battery according to an embodiment of the present invention includes two or more current collectors 1200 . It may be located inside the sintered body 1100 .

도 4는 봉 형상을 갖는 둘 이상의 집전체(1200)가 소결체(1100) 내부에 위치하는 일 예를 도시한 도면이다. 도 4에 도시한 일 예와 같이, 일 소결체(1100)에, 둘 이상의 집전체(1200)가 서로 이격되어 소결체(1100) 내부에 위치할 수 있다. 둘 이상의 집전체(1200)가 위치하는 경우, 양극의 크기가 크거나, 양극의 형상이 단순하지 않은 경우라도 소결체 내부에 균일하고 균질한 전하 이동이 담보될 수 있다. 집전체 일체형 양극이 서로 이격 배열된 둘 이상의 집전체를 포함하는 경우, 둘 이상의 집전체는 서로 독립적으로, 일 단부 또는 양 단부가 소결체 외부로 돌출될 수 있다. 또한, 동일 측으로 돌출된 집전체의 각 단부는 용접과 같은 통상의 접합 방법을 이용하여 서로 전기적으로 연결될 수 있음은 물론이다. 4 is a view illustrating an example in which two or more current collectors 1200 having a rod shape are positioned inside the sintered body 1100 . 4 , in one sintered body 1100 , two or more current collectors 1200 may be spaced apart from each other and positioned inside the sintered body 1100 . When two or more current collectors 1200 are located, even if the size of the positive electrode is large or the shape of the positive electrode is not simple, uniform and homogeneous charge transfer within the sintered body can be ensured. When the current collector-integrated positive electrode includes two or more current collectors arranged to be spaced apart from each other, the two or more current collectors may each independently have one end or both ends protrude to the outside of the sintered body. Also, it goes without saying that the respective ends of the current collectors protruding to the same side may be electrically connected to each other using a common bonding method such as welding.

본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지에 있어, 집전체는 전도성 물질의 폼(foam), 박(film), 메쉬(mesh), 펠트(felt), 다공성 박(perforated film), 필름(film), 봉(rod) 및 와이어(wire)에서 하나 이상 선택될 수 있다. 전도성 물질이 와이어, 튜브, 플레이트와 같은 이방성이 큰 형태인 경우 집전체는 전도성 물질의 네트워크를 포함할 수 있다. 전도성 물질은 295K 기준 비저항이 10-9 내지 10-3Ω·m일 수 있다. 비한정적인 일 예로, 전도성 물질은 전도도가 우수하며 전지의 충방전시 화학적으로 안정한 그라파이트, 그래핀, 티타늄, 구리, 플라티늄, 알루미늄, 니켈, 은, 금, 또는 전도성 카본을 포함할 수 있다. 이때, 전도성 물질은, 서로 상이한 전도성 물질이 코팅 또는 적층된 복합체일 수 있다. In the sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the current collector is a conductive material foam (foam), foil (film), mesh (mesh), felt (felt), porous foil (perforated film), film (film) ), rods and wires may be selected from one or more. When the conductive material has a highly anisotropic shape such as a wire, tube, or plate, the current collector may include a network of conductive materials. The conductive material may have a specific resistance of 10 -9 to 10 -3 Ω·m based on 295K. As a non-limiting example, the conductive material may include graphite, graphene, titanium, copper, platinum, aluminum, nickel, silver, gold, or conductive carbon that has excellent conductivity and is chemically stable during charging and discharging of the battery. In this case, the conductive material may be a composite in which different conductive materials are coated or laminated.

도 1 내지 도 4의 일 예를 기반으로 상술한 집전체 일체형 양극의 구체적 구조나 형상은 설계되는 전지의 구조에 따라 적절히 선택 및 변경될 수 있다. The specific structure or shape of the current collector integrated positive electrode described above based on the example of FIGS. 1 to 4 may be appropriately selected and changed according to the structure of the designed battery.

일 예로, 설계되는 전지가 평판형 전지인 경우, 판 형의 집전체 일체형 양극이 사용될 수 있으며, 설계되는 전지가 비 평판형 전지(일 예로, 튜브형 전지)인 경우, 도 1 내지 4를 기반으로 상술한 기둥형 또는 속 빈 기둥형의 집전체 일체형 양극이 사용될 수 있다. As an example, when the designed battery is a flat-panel battery, a plate-type current collector integrated positive electrode may be used, and when the designed battery is a non-flat-type battery (eg, a tubular battery), based on FIGS. 1 to 4 The above-described columnar or hollow columnar current collector-integrated positive electrode may be used.

보다 구체적으로, 튜브형 전지이며 튜브 구조의 중심에 양극이 위치하고, 튜브 구조 외측에 음극이 위치하는 경우, 기둥형의 집전체 일체형 양극이 사용될 수 있다. 튜브형 전지이며, 튜브 구조의 외측에 인접하여, 즉, 전지 케이스와 접하여 양극이 위치하고, 튜브 구조의 중심에 음극이 위치하는 경우, 속 빈 기둥형의 집전체 일체형 양극이 사용될 수 있다.More specifically, in the case of a tubular battery, in which the positive electrode is positioned at the center of the tube structure and the negative electrode is located outside the tube structure, a columnar current collector integrated positive electrode may be used. In a tubular battery, when the positive electrode is located adjacent to the outside of the tube structure, that is, in contact with the battery case, and the negative electrode is located in the center of the tube structure, a hollow columnar current collector integrated positive electrode may be used.

본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지는 소듐을 함유하는 음극; 상술한 집전체 일체형 양극, 양극이 장입되는 양극액 및 음극과 양극액을 분리하는 소듐 이온 전도성 고체전해질을 포함한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지는 음극공간과 양극공간을 분리하는 소듐 이온 전도성 고체전해질, 음극공간에 위치하며 소듐을 함유하는 음극, 양극공간에 위치하는 양극액 및 양극액에 함침되는 집전체 일체형 양극을 포함한다.A sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a negative electrode containing sodium; The current collector integrated positive electrode, the positive electrode to which the positive electrode is charged, and a sodium ion conductive solid electrolyte for separating the negative electrode and the positive electrode are included. That is, the sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention is a sodium ion conductive solid electrolyte that separates the anode space from the cathode space, a cathode positioned in the cathode space and containing sodium, and an anolyte solution and an anolyte solution positioned in the anode space. It includes an impregnated current collector integrated positive electrode.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지에 있어, 음극은 소듐을 함유하는 음극활물질을 포함할 수 있으며, 음극활물질은 금속 소듐(sodium metal) 또는 소듐 합금을 포함할 수 있다. 비 한정적인 일 예로, 소듐 합금은 소듐과 세슘, 소듐과 루비듐 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 음극활물질은 전지의 작동 온도에서 고상 또는 용융상을 포함한 액상일 수 있다. 알려진 바와 같이, 전지의 용량을 50Wh/kg 이상 구현하기 위해, 음극활물질은 용융 소듐(molten Na)일 수 있으며, 전지의 운전 온도는 소듐의 융점인 98℃이상 일 수 있다. 이때, 음극은 소듐을 함유하는 음극활물질과 접하여 전류를 모으고 외부와 전류이동 경로를 제공하는 음극 집전체를 더 포함할 수 있음은 물론이다. 음극이 용융상의 소듐을 포함하는 경우, 음극 집전체는 용융 소듐에 함침되어 있을 수 있다.In the secondary battery according to an embodiment of the present invention, the negative electrode may include a negative electrode active material containing sodium, and the negative electrode active material may include sodium metal or a sodium alloy. As a non-limiting example, the sodium alloy may be sodium and cesium, sodium and rubidium, or a mixture thereof. The negative electrode active material may be in a liquid phase including a solid phase or a molten phase at the operating temperature of the battery. As is known, in order to realize a battery capacity of 50 Wh/kg or more, the anode active material may be molten sodium, and the operating temperature of the battery may be 98° C. or higher, which is the melting point of sodium. In this case, of course, the negative electrode may further include a negative electrode current collector for collecting current in contact with the negative electrode active material containing sodium and providing an external and current movement path. When the negative electrode includes molten sodium, the negative electrode current collector may be impregnated with the molten sodium.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지에 있어, 양극활물질은 전이금속 및 12 내지 14족 금속에서 하나 이상 선택되는 금속인 양극활금속; 또는 양극활금속의 할로겐화물;을 함유할 수 있다. 상세하게, 전이금속은 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 구리(Cu)를 포함하며, 12 내지 14족 금속은 아연(Zn), 알루미늄(Al), 카드뮴(Cd) 및 주석(Sn)을 포함할 수 있다. 즉, 양극활금속은 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 카드뮴(Cd) 및 주석(Sn)에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있다.In the secondary battery according to an embodiment of the present invention, the positive electrode active material includes a positive electrode active metal, which is at least one metal selected from a transition metal and a group 12 to 14 metal; Or a halide of the positive electrode active metal; may contain. Specifically, the transition metal includes titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni) and copper (Cu), 12 The Group 14 metal may include zinc (Zn), aluminum (Al), cadmium (Cd), and tin (Sn). That is, the positive electrode active metal is titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn) , one or two or more may be selected from aluminum (Al), cadmium (Cd) and tin (Sn).

양극활금속의 할로겐화물은 전이금속 및 12 내지 14족 금속에서 하나 이상 선택되는 금속의 할로겐화물을 의미할 수 있다. 즉, 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 카드뮴(Cd) 및 주석(Sn)에서 하나 또는 둘 이상 선택된 금속인 양극활금속의 할로겐화물을 의미할 수 있다. 이때, 할로겐화물은 요오드화물, 브롬화물, 염소화물 및/또는 플루오르화물을 포함할 수 있다.The halide of the positive electrode active metal may mean a halide of one or more metals selected from transition metals and Groups 12 to 14 metals. That is, titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), aluminum (Al) ), cadmium (Cd), and tin (Sn) may mean a halide of a positive electrode active metal, which is one or two or more selected metals. In this case, the halide may include iodide, bromide, chloride and/or fluoride.

본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지에 있어, 양극활물질은 소듐 할로겐화물을 더 함유할 수 있다. 소듐 할로겐화물은 요오드화물, 브롬화물, 염소화물 및/또는 플루오르화물을 포함할 수 있다.In the sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the cathode active material may further contain sodium halide. Sodium halides may include iodides, bromides, chlorides and/or fluorides.

상술한 바와 같이, 양극활물질은 양극활금속; 양극활금속의 할로겐화물; 양극활금속과 양극활금속의 할로겐화물; 양극활금속과 소듐 할로겐화물; 양극활금속의 할로겐화물과 소듐 할로겐화물; 양극활금속, 양극활금속의 할로겐화물과 소듐 할로겐화물을 함유할 수 있는데, 이러한 양극활물질의 물질들은 후술하는 전지의 충방전 반응을 고려할 때, 더욱 명확히 이해될 수 있다.As described above, the positive electrode active material is a positive electrode active metal; halides of positive electrode active metals; Halide of a positive electrode active metal and a positive electrode active metal; positive electrode active metal and sodium halide; halides and sodium halides of positive electrode active metals; The cathode active metal may contain halides and sodium halides of the cathode active metal, and the materials of the cathode active material may be more clearly understood when considering the charge/discharge reaction of a battery to be described later.

본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지에 있어, 양극(및 양극액)과 음극 사이에 구비되는 소듐 이온 전도성 고체전해질은 양극(및 양극액)과 음극을 물리적으로 분리시키며 소듐 이온에 대해 선택적으로 전도성을 갖는 물질이면 무방하며, 소듐 이온의 선택적 전도를 위해 전지 분야에서 통상적으로 사용되는 고체전해질이면 족하다. 비 한정적인 일 예로, 고체전해질은 소듐초이온전도체(Na super ionic conductor, NaSICON), β-알루미나 또는 β"-알루미나일 수 있다. 비 한정적인 일 예로, 소듐초이온전도체(NASICON)는 Na-Zr-Si-O계의 복합산화물, Na-Zr-Si-P-O계의 복합산화물, Y 도핑된 Na-Zr-Si-P-O계의 복합산화물, Fe 도핑된 Na-Zr-Si-P-O계의 복합산화물 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있으며, 상세하게, Na3Zr2Si2PO12, Na1+xSixZr2P3-xO12(1.6<x<2.4인 실수), Y 또는 Fe가 도핑 Na3Zr2Si2PO12, Y 또는 Fe 도핑된 Na1+xSixZr2P3-xO12(1.6<x<2.4인 실수) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. In the sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the sodium ion conductive solid electrolyte provided between the positive electrode (and anolyte) and the negative electrode physically separates the positive electrode (and anolyte) and the negative electrode and is selective for sodium ions Any material having electrical conductivity may be sufficient, and a solid electrolyte commonly used in the battery field for selective conduction of sodium ions is sufficient. As a non-limiting example, the solid electrolyte may be a sodium super ionic conductor (NaSICON), β-alumina, or β"-alumina. As a non-limiting example, the sodium superionic conductor (NASICON) may be Na- Zr-Si-O composite oxide, Na-Zr-Si-PO composite oxide, Y-doped Na-Zr-Si-PO composite oxide, Fe-doped Na-Zr-Si-PO composite oxides or mixtures thereof, specifically, Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 , Na 1+x Si x Zr 2 P 3-x O 12 (real number of 1.6<x<2.4), Y or Fe Ga-doped Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 , Y or Fe doped Na 1+x Si x Zr 2 P 3-x O 12 (real number of 1.6<x<2.4) or mixtures thereof.

본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지에 있어, 음극과 양극을 분리하여 음극 공간과 양극 공간을 구획하게 되는 고체전해질의 형상을 기준으로, 소듐 이차전지는 평판 형상의 고체전해질을 포함하는 평판형 전지 구조 또는 일 단이 밀폐된 튜브 형상의 고체전해질을 포함하는 튜브형 전지 구조를 가질 수 있다.In the sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention, based on the shape of the solid electrolyte partitioning the anode space and the anode space by separating the cathode and the anode, the sodium secondary battery is a flat plate comprising a solid electrolyte in a flat plate shape. It may have a battery-type battery structure or a tubular battery structure including a tube-shaped solid electrolyte with one end sealed.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지에 있어, 양극액은 소듐염이 유기용매에 용해된 용액일 수 있다. 구체적으로, 양극액의 용질인 소듐염은 화학식 NaY(Y는 1가의 음이온으로, ClO4 -, PF6 -, BF4 -, CF3SO3 -, AlCl4 -, AlBr4 -, AlI4 - 및 N(CF3SO2)2 -에서 하나 이상 선택된 것)을 만족하는 물질에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질일 수 있다. In the secondary battery according to an embodiment of the present invention, the anolyte may be a solution in which sodium salt is dissolved in an organic solvent. Specifically, the sodium salt, which is the solute of the anolyte, has the formula NaY (Y is a monovalent anion, ClO 4 - , PF 6 - , BF 4 - , CF 3 SO 3 - , AlCl 4 - , AlBr 4 - , AlI 4 - And N(CF 3 SO 2 ) 2 - It may be one or more materials selected from materials satisfying one or more selected from).

좋게는, 양극액에 함유되는 소듐염은 NaAlY4(Y는 Cl, Br 또는 I)일 수 있다. 이에 의해 200℃이하의 저온 운전, 실질적인 일 예로, 100 내지 200℃의 저온 운전에서 보다 안정적이고 빠른 소듐 이온의 전도가 이루어질 수 있다. Preferably, the sodium salt contained in the anolyte may be NaAlY 4 (Y is Cl, Br or I). Thereby, more stable and faster sodium ion conduction can be achieved in a low-temperature operation of 200°C or less, for example, a low-temperature operation of 100 to 200°C.

양극액이 소듐염이 유기용매에 용해된 용액일 때, 양극액 내 소듐염의 함량이 너무 낮으면 전기화학적 반응에 참여할 수 있는 양이 부족하여 충방전 속도가 감소될 위험이 있고, 전지 전체적으로 단위 부피당 에너지 용량이 감소될 위험이 있으며, 용액 내에서의 이온 전도도가 낮아서 저항값이 커질 위험이 있다. 양극액 내 소듐염의 함량이 너무 높은 경우, 침전물에 의한 소듐 이온 전도도가 감소될 위험이 있다. 이에 따라, 양극액은 5 내지 30 중량%의 소듐염을 함유할 수 있다. When the anolyte is a solution in which sodium salt is dissolved in an organic solvent, if the content of sodium salt in the anolyte is too low, there is a risk of a decrease in the charge/discharge rate due to insufficient amount to participate in the electrochemical reaction, and per unit volume of the battery as a whole There is a risk that the energy capacity will be reduced, and there is a risk that the resistance value will increase due to the low ionic conductivity in the solution. If the content of sodium salt in the anolyte is too high, there is a risk that the sodium ion conductivity by the precipitate will be reduced. Accordingly, the anolyte may contain 5 to 30% by weight of sodium salt.

양극액이 소듐염이 유기용매에 용해된 용액일 때, 유기용매는 소듐염을 용해할 수 있으며, 전지 작동(충방전) 조건에서 화학적으로 안전하고, 장기간동안 안정적으로 소듐 이온의 전도성을 유지할 수 있는 용매이면 사용 가능하다. 구체적인 일 예로, 유기용매는 알코올계, 다가 알코올계, 헤테로 고리 탄화수소계, 아미드계, 에스테르계, 에테르계, 락톤계, 카보네이트계, 포스페이트계, 설폰계 및 술폭사이드계에서 하나 이상 선택될 수 있다. 비한정적인 일 예로, 유기용매는 1,2-에탄디올, 1,2-프로판디올, 1,3-프로판디올, 1,2-부탄디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 2,2-디메틸프로판-1,3-디올, 2-부틸-2-에틸프로판-1,3-디올, 1,5-헥산디올, 1,6-헥산디올, 1,8-옥탄디올, 1,10-데칸디올, 1,12-도데칸디올, 2,2,4,4-테트라메틸사이클로부탄-1,3-디올, 1,3-사이클로펜탄디올, 1,2-사이클로헥산디올, 1,3-사이클로헥산디올, 1,4-사이클로헥산디올, 1,2-사이클로헥산디메탄올, 1,3-사이클로헥산디메탄올, 1,4-사이클로헥산디메탄올, 1,4-사이클로헥산디에탄올, 글리세롤, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 테트라에틸렌글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 프로필렌글리콜, 디프로필렌글리콜, 트리프로필렌글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 포름아미드(formamide), N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드, N,N-디에틸아세트아미드, N,N-디메틸트리플루오로아세트아미드, 헥사메틸포스포르아미드, 아세토니트릴(acetonitrile), 프로피오니트릴, 부티로니트릴, α-터피네올(Terpineol), β-터피네올, 디하이드로터피네올, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸술폭시드 (dimethylsulfoxide), 피롤리딘(Pyrrolidine), 피롤린(Pyrroline), 피롤(Pyrrole), 2H-피롤(2H-Pyrrole), 3H-피롤(3H-Pyrrole), 피라졸리딘(Pyrazolidine), 이미다졸리딘(Imidazolidine), 2-피라졸린(2-Pyrazoline), 2-이미다졸린(2-Imidazoline), 1H-이미다졸(1HImidazole), 트리아졸(Triazole), 이소옥사졸(Isoxazole), 옥사졸(Oxazole), 티아졸(Thiazole), 이소티아졸(Isothiazole), 옥사디아졸(Oxadiazole), 옥사트리아졸(Oxatriazole), 디옥사졸(Dioxazole), 옥사졸론(Oxazolone), 옥사티아졸(Oxathiazole), 이미다졸린-2-티온(Imidazoline-2-thione), 티아디아졸(Thiadiazole),트리아졸(Triazole), 피페리딘(Piperidine), 피리딘(Pyridine), 피리다진(Pyridazine), 피리미딘(Pyrimidine),피라진(Pyrazine), 피페라진(Piperazine), 트리아진(Triazine), 모르폴린(Morpholine), 티오모르폴린(Thiomorpholine), 인돌(Indole), 이소인돌(Isoindole), 인다졸(Indazole), 벤즈이소옥사졸(Benzisoxazole), 벤조옥사졸(Benzoxazole), 벤즈티아졸(Benzothiazole), 퀴놀린(Quinoline), 이소퀴놀린(Isoquinoline), 신놀린(Cinnoline), 퀴나졸린(Quinazoline), 퀴녹살린(Quinoxaline), 나프티리딘(Naphthyridine), 프탈아진(Phthalazine), 벤조옥사진(Benzoxazine), 벤조아디아진(Benzoadiazine), 프테리딘(Pterdine), 페나진(Phenazine), 페노티아진(Phenothiazine), 페녹사진(Phenoxazine),아크리딘(Acridine), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate), 프로필렌카보네이트, 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜틸렌 카보네이트, 2,3-펜틸렌 카보네이트, 비닐렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 디(2,2,2-트리플루오로에틸) 카보네이트, 디프로필카보네이트, 디부틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 2,2,2-트리플루오로에틸 메틸카보네이트, 메틸프로필카보네이트, 에틸프로필카보네이트, 2,2,2-트리플루오로에틸 프로필 카보네이트, 메틸포르메이트(methyl formate), 에틸 포르메이트, 프로필 포르메이트, 부틸 포르메이트, 디메틸 에테르(dimethyl ether), 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 메틸에틸 에테르, 메틸프로필 에테르, 에틸프로필 에테르, 메틸 아세테이트(methyl acetate), 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 부틸 아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트(ethyl propionate), 프로필 프로피오네이트, 부틸 프로피오네이트, 메틸부티레이트(methyl butyrate), 에틸 부티레이트, 프로필 부티레이트, 부틸 부티레이트, γ-부티로락톤(γ-butyrolactone), 2-메틸-γ-부티로락톤, 3-메틸-γ-부티로락톤, 4-메틸-γ-부티로락톤, γ-티오부티로락톤, γ-에틸-γ-부티로락톤, β-메틸-γ-부티로락톤, γ-발레로락톤(γ-valerolactone), σ-발레로락톤, γ-카프로락톤(γ-caprolactone), ε-카프로락톤, β-프로피오락톤(β-propiolactone), 테트라하이드로퓨란 (tetrahydrofuran), 2-메틸 테트라하이드로퓨란, 3-메틸테트라하이드로퓨란, 트리메틸포스페이트(trimethyl phosphate), 트리에틸포스페이트, 트리스(2-클로로에틸) 포스페이트, 트리스(2,2,2-트리플루오로에틸) 포스페이트, 트리프로필포스페이트, 트리이소프로필포스페이트, 트리부틸포스페이트, 트리헥실포스페이트, 트리페닐포스페이트, 트리톨릴포스페이트, 메틸 에틸렌 포스페이트, 에틸 에틸렌 포스페이트, 디메틸설폰(dimethyl sulfone), 에틸 메틸설폰, 메틸트리플루오로메틸설폰, 에틸 트리플루오로메틸설폰, 메틸펜타플루오로에틸설폰, 에틸 펜타플루오로에틸설폰, 디(트리플루오로메틸)설폰, 디(펜타플루오로에틸) 설폰, 트리플루오로메틸펜타플루오로에틸설폰, 트리플루오로메틸노나플루오로부틸설폰, 펜타플루오로에틸노나플루오로부틸설폰, 술포란(sulfolane), 3-메틸술포란, 2-메틸술포란, 3-에틸술포란 및 2-에틸술포란 그룹에서 하나 이상 선택된 용매를 들 수 있다. When the anolyte is a solution in which sodium salt is dissolved in an organic solvent, the organic solvent can dissolve the sodium salt, is chemically safe under battery operation (charge/discharge) conditions, and can stably maintain sodium ion conductivity for a long period of time. Any solvent can be used. As a specific example, the organic solvent may be one or more selected from alcohol-based, polyhydric alcohol-based, heterocyclic hydrocarbon-based, amide-based, ester-based, ether-based, lactone-based, carbonate-based, phosphate-based, sulfone-based and sulfoxide-based solvents. . As a non-limiting example, the organic solvent is 1,2-ethanediol, 1,2-propanediol, 1,3-propanediol, 1,2-butanediol, 1,3-butanediol, 1,4-butanediol, 1, 5-pentanediol, 2,2-dimethylpropane-1,3-diol, 2-butyl-2-ethylpropane-1,3-diol, 1,5-hexanediol, 1,6-hexanediol, 1,8 -octanediol, 1,10-decanediol, 1,12-dodecanediol, 2,2,4,4-tetramethylcyclobutane-1,3-diol, 1,3-cyclopentanediol, 1,2- Cyclohexanediol, 1,3-cyclohexanediol, 1,4-cyclohexanediol, 1,2-cyclohexanedimethanol, 1,3-cyclohexanedimethanol, 1,4-cyclohexanedimethanol, 1,4 -Cyclohexanediethanol, glycerol, ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, polyethylene glycol, propylene glycol, dipropylene glycol, tripropylene glycol, polypropylene glycol, formamide, N,N -Dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, N,N-diethylacetamide, N,N-dimethyltrifluoroacetamide, hexamethylphosphoramide, acetonitrile, propionitrile, buty Ronitrile, α-terpineol, β-terpineol, dihydroterpineol, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylsulfoxide, pyrrolidine , Pyrroline, Pyrrole, 2H-Pyrrole, 3H-Pyrrole, 3H-Pyrrole, Pyrazolidine, Imidazolidine, 2-Pyrazoline ( 2-Pyrazoline), 2-imidazoline, 1H-imidazole (1HImidazole), triazole, isoxazole, oxazole, thiazole, iso Thiazole (Isothiazole), Oxadiazole (Oxadiazole), Oxatriazole (Oxatriazole), Dioxazole (Dioxazole), Oxazolone (Oxazolon) e), oxathiazole, imidazoline-2-thione, thiadiazole, triazole, piperidine, pyridine, Pyridazine, Pyrimidine, Pyrazine, Piperazine, Triazine, Morpholine, Thiomorpholine, Indole, Isoindole ( Isoindole), Indazole, Benzisoxazole, Benzoxazole, Benzothiazole, Quinoline, Isoquinoline, Cinnoline, Quinazoline Quinazoline), Quinoxaline, Naphthyridine, Phthalazine, Benzoxazine, Benzoadiazine, Pterdine, Phenazine, Phenothi Phenothiazine, Phenoxazine, Acridine, ethylene carbonate, propylene carbonate, 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, 1,2-pentylene carbonate, 2,3-pentylene carbonate, vinylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, di(2,2,2-trifluoroethyl) carbonate, dipropyl carbonate, dibutyl carbonate, ethylmethyl carbonate, 2, 2,2-trifluoroethyl methyl carbonate, methyl propyl carbonate, ethyl propyl carbonate, 2,2,2-trifluoroethyl propyl carbonate, methyl formate, ethyl formate, propyl formate, butyl formate Mate, dimethyl ether, diethyl ether, dipropyl ether, methylethyl ether, methylp Rophyll ether, ethylpropyl ether, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, butyl acetate, methylpropionate, ethyl propionate, propyl propionate, butyl propionate, methylbutyrate ( methyl butyrate), ethyl butyrate, propyl butyrate, butyl butyrate, γ-butyrolactone, 2-methyl-γ-butyrolactone, 3-methyl-γ-butyrolactone, 4-methyl-γ- Butyrolactone, γ-thiobutyrolactone, γ-ethyl-γ-butyrolactone, β-methyl-γ-butyrolactone, γ-valerolactone, σ-valerolactone, γ- Caprolactone (γ-caprolactone), ε-caprolactone, β-propiolactone (β-propiolactone), tetrahydrofuran (tetrahydrofuran), 2-methyl tetrahydrofuran, 3-methyltetrahydrofuran, trimethyl phosphate (trimethyl phosphate) ), triethyl phosphate, tris (2-chloroethyl) phosphate, tris (2,2,2-trifluoroethyl) phosphate, tripropyl phosphate, triisopropyl phosphate, tributyl phosphate, trihexyl phosphate, triphenyl phosphate , tritolyl phosphate, methyl ethylene phosphate, ethyl ethylene phosphate, dimethyl sulfone, ethyl methyl sulfone, methyl trifluoromethyl sulfone, ethyl trifluoromethyl sulfone, methyl pentafluoroethyl sulfone, ethyl pentafluoroethyl sulfone, di(trifluoromethyl)sulfone, di(pentafluoroethyl)sulfone, trifluoromethylpentafluoroethylsulfone, trifluoromethylnonafluorobutylsulfone, pentafluoroethylnonafluorobutylsulfone, and a solvent selected from the group consisting of sulfolane, 3-methylsulfolane, 2-methylsulfolane, 3-ethylsulfolane and 2-ethylsulfolane.

본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지에 있어, 양극액은 하기 화학식 1에 따른 소듐염의 용융상일 수 있다. In the sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the anolyte may be a molten phase of a sodium salt according to Chemical Formula 1 below.

(화학식 1)(Formula 1)

NaM(X1)n(X2)4-n NaM(X 1 ) n (X 2 ) 4-n

화학식 1에서 M은 3가의 산화수를 갖는 금속 및 준금속 군에서 선택된 원소이며, X1 및 X2는 서로 상이한 할로겐 원소이며, n은 0≤n≤4인 실수이다. 이때, 할로겐 원소는 Cl, Br 및 I를 포함할 수 있다.In Formula 1, M is an element selected from the group of metals and metalloids having a trivalent oxidation number, X 1 and X 2 are different halogen elements, and n is a real number with 0≤n≤4. In this case, the halogen element may include Cl, Br, and I.

구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지에 있어, 양극액은 하기 화학식 1-1에 따른 소듐염의 용융상 또는 하기 화학식 1-2에 따른 복합소듐염의 용융상일 수 있다.Specifically, in the sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the anolyte may be a molten phase of a sodium salt according to the following Chemical Formula 1-1 or a molten phase of a complex sodium salt according to the following Chemical Formula 1-2.

화학식 (1-1)Formula (1-1)

NaMX4 NaMX 4

화학식 1-1에서, M은 화학식 1의 정의와 동일하며, X는 할로겐 원소이다. 즉, 화학식 1-1은 화학식 2에서 n이 0 또는 4인 경우의 구체 화학식으로, M은 3가의 산화수를 갖는 금속 및 준금속 군에서 선택된 원소이며, X는 Cl, Br 또는 I이다.In Formula 1-1, M is the same as defined in Formula 1, and X is a halogen element. That is, Formula 1-1 is a specific chemical formula when n is 0 or 4 in Formula 2, M is an element selected from the group of metals and metalloids having a trivalent oxidation number, and X is Cl, Br, or I.

화학식 (1-2)Formula (1-2)

NaM(X1)n(X2)4-n NaM(X 1 ) n (X 2 ) 4-n

화학식 1-2에서, M, X1 및 X2는 화학식 2의 정의와 동일하며, n은 0<n<4인 실수이다. 즉, 화학식 1-2는 화학식 1에서, 서로 상이한 둘 이상의 할로겐 원소를 함유하는 복합소듐염인 경우의 구체 화학식으로, M은 3가의 산화수를 갖는 금속 및 준금속 군에서 선택된 원소이며, X1과 X2는 서로 상이한 할로겐 원소이다.In Formula 1-2, M, X 1 and X 2 are the same as defined in Formula 2, and n is a real number such that 0<n<4. That is, Formula 1-2 is a specific chemical formula in the case of a complex sodium salt containing two or more different halogen elements in Formula 1, wherein M is an element selected from the group of metals and metalloids having a trivalent oxidation number, and X 1 and X 2 is a halogen element different from each other.

양극액이 화학식 1 구체적으로 화학식 1-1 또는 화학식 1-2를 만족하는 소듐염의 용융염인 경우, 양극액의 구성요소로 유기용매를 함유하지 않을 수 있음에 따라, 양극액의 소듐 이온 전도가 장기간 동안 안정적으로 담보될 수 있으며, 전지의 제조시, 고상 상태의 원료들을 이용함에 따라, 전지의 제조 및 밀봉등이 용이한 장점이 있다. When the anolyte is a molten salt of a sodium salt satisfying Formula 1, specifically Formula 1-1 or Formula 1-2, an organic solvent may not be included as a component of the anolyte, so sodium ion conduction of the anolyte is It can be secured stably for a long period of time, and when manufacturing a battery, raw materials in a solid state are used, so manufacturing and sealing of the battery are easy.

나아가, 양극액이 화학식 1-2를 만족하는 복합소듐염의 용융염인 경우, 소듐 이온의 이온전도도가 저하되지 않으면서도 녹는점이 매우 낮아져 저온 운전에 매우 적합하며, 안정적인 소듐 이온의 전도능을 가질 수 있다.Furthermore, when the anolyte is a molten salt of a complex sodium salt that satisfies Formula 1-2, the melting point is very low without lowering the ionic conductivity of sodium ions, so it is very suitable for low-temperature operation and can have stable sodium ion conductivity. have.

구체적으로, 녹는점이 일정 이하인 용융염전해질을 구성하는 페어(pair)를 갖도록 하기 위하여, 서로 상이한 할로겐 원소인 X1-X2는, X1은 염소(Cl) 및 X2는 요오드(I)일 수 있거나, X1은 염소(Cl) 및 X2는 브롬(Br)일 수 있다. 화학식 1-2를 만족하는 소듐염의 용융 온도를 150℃이하로 낮출 수 있도록, X1이 염소(Cl) 및 X2가 요오드(I)인 경우, n은 2.0≤n≤3.8일 수 있으며, X1이 염소(Cl) 및 X2가 브롬(Br)인 경우, n은 0.2≤n≤3.8일 수 있다. 이러한 경우, 전지는 98 내지 150℃, 구체적으로 100℃ 내지 150℃, 보다 구체적으로 120℃ 내지 150℃의 극히 낮은 동작 온도를 가질 수 있다. Specifically, in order to have a pair constituting a molten salt electrolyte having a melting point of a certain level or less, X 1 -X 2 which are different halogen elements, X 1 is chlorine (Cl), and X 2 is iodine (I). Alternatively, X 1 may be chlorine (Cl) and X 2 may be bromine (Br). In order to lower the melting temperature of the sodium salt satisfying Formula 1-2 to 150° C. or less, when X 1 is chlorine (Cl) and X 2 is iodine (I), n may be 2.0≤n≤3.8, and X When 1 is chlorine (Cl) and X 2 is bromine (Br), n may be 0.2≤n≤3.8. In this case, the cell may have an extremely low operating temperature of 98 to 150°C, specifically 100°C to 150°C, more specifically 120°C to 150°C.

화학식 1에서, M은 3가의 산화수를 갖는 금속 및 준금속 군에서 선택된 원소일 수 있으며, 구체적으로 보론, 알루미늄, 갈륨 및 인듐에서 선택될 수 있다.In Formula 1, M may be an element selected from the group of metals and metalloids having a trivalent oxidation number, and specifically may be selected from boron, aluminum, gallium, and indium.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지에 있어서, 소듐 이온을 전도 할 수 있는 양극액은 상술한 소듐염 이외 전지가 의도된 바와 같이 기능을 하기 위한 임의의 적합한 첨가제를 더 포함할 수 있다. In the secondary battery according to an embodiment of the present invention, the anolyte capable of conducting sodium ions may further include any suitable additives other than the sodium salt described above for the battery to function as intended.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는 하기 반응식 1에 따른 충전 및 하기 반응식 2에 따른 방전이 이루어질 수 있다.The secondary battery according to an embodiment of the present invention may be charged according to the following Reaction Formula 1 and discharged according to the following Reaction Formula 2.

(반응식 1)(Scheme 1)

mNaX+Mact → mNa+MactXm mNaX+M act → mNa+M act X m

반응식 1에서, NaX는 소듐 할로겐화물이며, Mact는 양극활금속이며, m은 1 내지 4의 자연수이다.In Scheme 1, NaX is sodium halide, M act is a positive electrode active metal, and m is a natural number of 1 to 4.

(반응식 2)(Scheme 2)

mNa+MactXm→ mNaX+Mact mNa+M act X m → mNaX+M act

반응식 2에서, Mact는 양극활금속이며, MactX는 양극활금속의 할로겐화물이며, m은 1 내지 4의 자연수이다.In Scheme 2, M act is a positive electrode active metal, M act X is a halide of a positive electrode active metal, and m is a natural number of 1 to 4.

상세하게, 반응식 1 및 반응식 2에서 m은 금속(M)의 양의 원자가에 해당하는 자연수일 수 있다. In detail, in Schemes 1 and 2, m may be a natural number corresponding to the positive valence of the metal (M).

반응식 1 및 반응식 2와 같이, 전지의 전기화학(충방전) 반응은 소듐; 전이금속 및 12 내지 14족 금속에서 하나 이상 선택되는 금속인 양극활금속; 및 할로겐;으로 이루어질 수 있으며, 소듐은 음극 및/또는 양극활물질로부터 기인한 것일 수 있고, 양극활금속과 할로겐은 양극활물질에서 기인한 것일 수 있다. As shown in Schemes 1 and 2, the electrochemical (charge/discharge) reaction of the battery is sodium; a positive electrode active metal which is at least one metal selected from transition metals and Groups 12 to 14 metals; and halogen; sodium may be derived from the negative electrode and/or positive electrode active material, and the positive electrode active metal and halogen may be derived from the positive electrode active material.

상세하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지에 있어, 반응식 1에 따른 충전 반응에 의한 전지의 충전상태를 기준으로, 양극의 소결체는 양극활금속의 할로겐화물; 또는 양극활금속의 할로겐화물과 잔류의 양극활금속;을 포함할 수 있다. 반응식 2에 따른 방전 반응에 의한 전지의 방전상태를 기준으로, 양극의 소결체는 양극활금속과 소듐 할로겐화물;을 포함하거나, 양극활금속 및 소듐 할로겐화물과 함께 잔류의 양극활금속의 할로겐화물;을 포함할 수 있다. In detail, in the sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention, based on the state of charge of the battery by the charging reaction according to Scheme 1, the sintered body of the positive electrode may include a halide of a positive electrode active metal; Or a halide of the positive electrode active metal and the residual positive electrode active metal; may include. Based on the discharge state of the battery by the discharge reaction according to Scheme 2, the sintered body of the positive electrode includes a positive electrode active metal and a sodium halide; or a halide of the remaining positive electrode active metal together with the positive electrode active metal and sodium halide; may include.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는 전지의 전기화학반응에 소듐; 양극활금속; 및 할로겐;이 관여함에 따라, 집전체 일체형 양극의 집전체가 양극활금속과 동일한 금속일 수 있다. 이를 통해, 집전체 일체형 양극에 구비되는 집전체는 전류의 이동 및 공급, 외부와의 전기적 연결이라는 통상의 집전체 역할과 함께, 전지 반응에 참여하는 활물질의 역할 또한 수행할 수 있다.As described above, in the secondary battery according to an embodiment of the present invention, sodium; positive electrode active metal; and halogen; as it is involved, the current collector of the current collector-integrated positive electrode may be the same metal as the positive electrode active metal. Through this, the current collector provided in the current collector-integrated positive electrode may serve as an active material participating in the battery reaction as well as a normal current collector role of movement and supply of current and electrical connection to the outside.

제조방법적으로, 집전체 일체형 양극은, 제조하고자 하는 양극의 형태로 빈 공간을 갖는 몰드에, 집전체의 일 단이 몰드 내부 공간에 위치하도록 집전체를 몰드 내에 장입한 후, 몰드에 양극활물질을 포함하는 전극물질을 투입하여 몰드 내부 공간을 채운 후, 가압 성형하여 성형체를 제조한 후, 성형체를 열처리하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다. In the manufacturing method, the current collector-integrated positive electrode is a mold having an empty space in the form of a positive electrode to be manufactured, a current collector is charged into the mold so that one end of the current collector is located in the mold inner space, and then the positive electrode active material is placed in the mold After filling the inner space of the mold by inputting an electrode material containing

집전체의 양 단이 돌출된 구조를 갖는 집전체 일체형 양극을 제조하고자 하는 경우, 집전체 일체형 양극은, 제조하고자 하는 양극의 형태의 빈 공간을 가지며 집전체의 일 단부와 동일한 형상의 홈(관통형 홈을 포함함)이 형성된 몰드를 이용하여, 집전체의 일 단을 몰드의 홈에 위치시킨 후, 몰드 내 빈 공간을 전극 물질로 채운 후, 가압 성형 하고 몰드를 제거하여 성형체를 제조한 후, 성형체를 열처리하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다. 상술한 바와 같이, 몰드에 투입되는 전극물질은 별도의 바인더를 함유하지 않을 수 있다.In the case of manufacturing a current collector-integrated positive electrode having a structure in which both ends of the current collector protrude, the current collector-integrated positive electrode has an empty space in the form of a positive electrode to be manufactured and has a groove (penetrating) having the same shape as that of one end of the current collector. After placing one end of the current collector in the groove of the mold using a mold having a mold groove), fill the empty space in the mold with an electrode material, press-molding, and remove the mold to prepare a molded body , may be prepared including the step of heat-treating the molded body. As described above, the electrode material input to the mold may not contain a separate binder.

이때, 봉 형 집전체와 같이, 집전체의 기계적 강도가 비교적 높은 경우, 전극 물질만으로 성형체를 제조한 후, 물리적으로 집전체를 성형체에 삽입한 후 열처리하여 집전체 일체형 양극이 제조될 수도 있다. 이러한 경우 집전체의 형상이나 위치가 달라져도 동일한 몰드의 사용이 가능하여 보다 경제적이다. At this time, when the mechanical strength of the current collector is relatively high, such as a rod-type current collector, after a molded body is manufactured using only the electrode material, the current collector is physically inserted into the molded body and then heat-treated to manufacture an integrated current collector positive electrode. In this case, it is more economical to use the same mold even if the shape or position of the current collector is changed.

몰드에 가해지는 압력(성형시의 압력)이나 열처리 온도는 소결체가 50 내지 75%의 기공률을 가질 수 있는 범위에서 적절히 조절될 수 있다. 그러나, 과도한 치밀화(densification)을 방지하며 양극활물질간, 양극활물질과 집전체간의 강한 계면결착을 이루기 위해, 열처리는 500 내지 700℃, 구체적으로 600 내지 650℃에서 수행될 수 있다. 열처리는 불활성 분위기 또는 환원 분위기에서 수행될 수 있는데, 불활성 분위기는 질소, 아르곤, 헬륨등을 들 수 있고, 환원 분위기는 수소 분위기를 들 수 있다. 이때, 수소 분위기는 수소와 불활성 가스의 혼합 가스 분위기를 포함할 수 있다. 상술한 열처리 조건에서, 성형시 인가되는 압력은 상술한 기공률을 가질 수 있는 범위의 압력으로 적절히 조절될 수 있다. The pressure applied to the mold (pressure during molding) or the heat treatment temperature may be appropriately adjusted within a range in which the sintered body may have a porosity of 50 to 75%. However, in order to prevent excessive densification and achieve strong interfacial bonding between the positive electrode active material and the positive electrode active material and the current collector, the heat treatment may be performed at 500 to 700 °C, specifically 600 to 650 °C. The heat treatment may be performed in an inert atmosphere or a reducing atmosphere, the inert atmosphere may be nitrogen, argon, helium, or the like, and the reducing atmosphere may be a hydrogen atmosphere. In this case, the hydrogen atmosphere may include a mixed gas atmosphere of hydrogen and an inert gas. Under the above-described heat treatment conditions, the pressure applied during molding may be appropriately adjusted to a pressure within a range capable of having the above-described porosity.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지의 구조를 도시한 일 예로, 도 5는 튜브 구조의 이차전지에서, 튜브 구조의 중심에 음극이 위치하는 일 예를 도시한 도면이다. 도 5의 일 예와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지는 하단이 밀폐되고 상단이 개방된 원통형의 금속 하우징(100), 금속 하우징(100) 내부에 위치하며, 금속 하우징(100)의 외측에서 내측으로 순차적으로 위치하는 하단이 밀폐되는 튜브 형상의 고체전해질(이하 고체전해질 튜브, 300), 안전튜브(safety tube, 410) 및 위킹튜브(wicking tube, 420)를 포함할 수 있다.FIG. 5 is a diagram illustrating a structure of a sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a diagram illustrating an example in which an anode is positioned at the center of a tube structure in a secondary battery having a tube structure. 5 , the sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention has a cylindrical metal housing 100 with a closed bottom and an open top, located inside the metal housing 100 , and the metal housing 100 ) of a tube-shaped solid electrolyte (hereinafter referred to as a solid electrolyte tube, 300), a safety tube (safety tube, 410) and a wicking tube (wicking tube, 420), which are sequentially positioned from the outside to the inside and have a sealed tube shape. .

상세하게, 금속 하우징(100)의 최 내측, 즉 중심에 위치하는 위킹튜브(420)는 하단에 관통홀(1)이 형성된 튜브 형상일 수 있으며, 안전튜브(410)는 위킹튜브(420) 외측에 위치하여 일정 이격 거리를 가지며 위킹튜브(420)를 감싸는 구조를 가질 수 있다.In detail, the innermost, that is, the wicking tube 420 located in the center of the metal housing 100 may have a tube shape with a through hole 1 formed at the bottom, and the safety tube 410 is the wicking tube 420 outside. It may have a structure that surrounds the wicking tube 420 while having a predetermined separation distance.

용융 소듐을 포함하는 음극(400)은 위킹튜브(420) 내부에 구비되는데, 위킹튜브(420) 하부에 형성된 관통홀(1)을 통해 위킹튜브(420)와 안전튜브(410) 사이의 빈 공간을 채우는 구조를 갖는다. 위킹튜브(420) 및 안전튜브(410)의 이중 구조는 고체전해질 튜브(300)의 파손시 양극 물질과 음극 물질간의 격렬한 반응을 방지하며, 모세관력에 의해 방전시에도 용융 소듐의 수위를 일정하게 유지할 수 있는 구조이다.The negative electrode 400 containing molten sodium is provided inside the wicking tube 420 , and an empty space between the wicking tube 420 and the safety tube 410 through the through hole 1 formed in the lower portion of the wicking tube 420 . has a structure that fills The double structure of the wicking tube 420 and the safety tube 410 prevents a violent reaction between the anode material and the cathode material when the solid electrolyte tube 300 is broken, and keeps the level of molten sodium constant even during discharge by capillary force. structure that can be maintained.

고체전해질 튜브(300)는 안전튜브(410) 외측에 안전튜브(410)를 감싸도록 위치하며, 소듐 이온(Na+)에 대하여 선택적인 투과성을 갖는 튜브 형상의 고체전해질일 수 있다. The solid electrolyte tube 300 is positioned to surround the safety tube 410 on the outside of the safety tube 410 and may be a tube-shaped solid electrolyte having selective permeability to sodium ions (Na + ).

안전튜브(410)를 감싸는 고체전해질 튜브(300)와 금속 하우징(100) 사이 공간에는 고체전해질 튜브로 및 고체전해질 튜브로부터 소듐 이온을 전도할 수 있는 양극액(220) 및 양극액(220)에 잠긴 집전체 일체형 양극(1000)이 구비될 수 있다.In the space between the solid electrolyte tube 300 and the metal housing 100 surrounding the safety tube 410, the anolyte 220 and the anolyte 220 that can conduct sodium ions to and from the solid electrolyte tube A locked current collector integrated positive electrode 1000 may be provided.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 이차전지는 동심구조를 가지며 내측에서 외측으로 위킹튜브(420), 안전튜브(410), 고체전해질 튜브(300) 및 금속 하우징(100)이 순차적으로 위치하는 구조를 가지며, 위킹튜브(420) 내부에 용융 소듐을 포함하는 음극(400)이 담지되며, 고체전해질 튜브(300)와 금속 하우징(100) 사이의 공간에 양극액(220) 및 양극액(220)에 함침되도록 집전체 일체형 양극(1000)이 구비될 수 있다. 이때, 도면에 별도로 도시하지 않았으나, 집전체 일체형 양극(1000)에서 돌출된 집전체가 외부와의 전기적 연결 및 단자 역할을 하는 전도성 부재와 연결될 수 있음은 물론이며, 구체적으로, 집전체 일체형 양극(1000)에서 돌출된 집전체가 금속하우징(100)과 연결될 수 있음은 물론이다. That is, the sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention has a concentric structure, and the wicking tube 420, the safety tube 410, the solid electrolyte tube 300 and the metal housing 100 are sequentially positioned from the inside to the outside. The negative electrode 400 containing molten sodium is supported in the wicking tube 420, and the anolyte 220 and the anolyte solution in the space between the solid electrolyte tube 300 and the metal housing 100 ( The current collector integrated positive electrode 1000 may be provided to be impregnated in 220 . At this time, although not shown separately in the drawings, the current collector protruding from the current collector-integrated positive electrode 1000 may be electrically connected to the outside and connected to a conductive member serving as a terminal, and specifically, the current collector-integrated positive electrode ( Of course, the current collector protruding from 1000) may be connected to the metal housing 100 .

나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 전지는 금속 하우징(100) 상부에 위치하여 금속 하우징 내부를 밀폐시키는 덮개(110), 링 형상을 가지며 금속 하우징(100) 상측에 위치하여 금속 하우징(100)과 고체전해질 튜브(300) 사이를 전기적으로 절연시키는 절연체(120), 금속 하우징(100)의 상단 둘레에 위치하는 전극단자(130)를 더 포함할 수 있다. 또한, 액상의 증발을 최소화하기 위해, 제조 직후 덮개(110)에 의해 밀봉된 전지 내부 압력이 15psi 이상일 수 있다. 또한, 위킹튜브(420) 내부에 담지된 용융 소듐 음극에 일정 영역 함침되도록 음극 집전체가 덮개(110)의 관통공을 통해 투입될 수 있음은 물론이다. Furthermore, the sodium battery according to an embodiment of the present invention has a cover 110 and a ring shape positioned on the metal housing 100 to seal the inside of the metal housing, and is positioned on the metal housing 100 to the top of the metal housing 100 . ) and the solid electrolyte tube 300 may further include an insulator 120 electrically insulated and an electrode terminal 130 positioned around the upper end of the metal housing 100 . In addition, in order to minimize evaporation of the liquid phase, the pressure inside the cell sealed by the cover 110 immediately after manufacturing may be 15 psi or more. In addition, it goes without saying that the negative electrode current collector may be introduced through the through hole of the cover 110 so that a certain area is impregnated with the molten sodium negative electrode supported inside the wicking tube 420 .

이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. As described above, the present invention has been described with specific details and limited examples and drawings, but these are only provided to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiments, and the present invention is not limited to the above embodiments. Various modifications and variations are possible from these descriptions by those of ordinary skill in the art.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and not only the claims to be described later, but also all those with equivalent or equivalent modifications to the claims will be said to belong to the scope of the spirit of the present invention. .

Claims (15)

소듐을 함유하는 음극,
집전체가 내부에 함입된 양극활물질의 소결체인 집전체 일체형 양극;
상기 양극이 장입되는 양극액; 및
상기 음극과 양극액을 분리하는 소듐 이온 전도성 고체전해질;
을 포함하는 소듐 이차전지.
a cathode containing sodium;
a current collector integrated positive electrode, which is a sintered body of a positive electrode active material having a current collector embedded therein;
an anolyte in which the positive electrode is charged; and
a sodium ion conductive solid electrolyte separating the anode and the anolyte;
A sodium secondary battery comprising a.
제 1항에 있어서,
상기 집전체는 전도성 물질의 폼(foam), 박(film), 메쉬(mesh), 펠트(felt), 다공성 박(perforated film), 필름(film), 봉(rod) 및 와이어(wire)에서 하나 이상 선택되는 소듐 이차전지.
The method of claim 1,
The current collector is one of a foam, a film, a mesh, a felt, a perforated film, a film, a rod and a wire of a conductive material A sodium secondary battery selected above.
제 1항에 있어서,
상기 집전체의 적어도 일 단이 상기 소결체 외부로 돌출되어 전지 외부와의 전기적 연결을 위한 전도성 부재와 연결되는 소듐 이차전지.
The method of claim 1,
At least one end of the current collector protrudes outside the sintered body and is connected to a conductive member for electrical connection with the outside of the battery.
제 3항에 있어서,
상기 소결체 내부에 함입된 집전체는 주름진 소듐 이차전지.
4. The method of claim 3,
The current collector embedded in the sintered body is a corrugated sodium secondary battery.
제 3항에 있어서,
상기 소결체 내부에 함입된 집전체는 나선형(helical) 구조를 갖는 소듐 이차전지.
4. The method of claim 3,
The current collector embedded in the sintered body is a sodium secondary battery having a helical structure.
제 1항에 있어서,
상기 소결체는 기둥형 또는 속 빈 기둥형인 소듐 이차전지.
The method of claim 1,
The sintered body is a columnar or hollow columnar sodium secondary battery.
제 1항에 있어서,
상기 소결체에는 둘 이상의 집전체가 서로 이격 배열된 소듐 이차전지.
The method of claim 1,
A sodium secondary battery in which two or more current collectors are arranged to be spaced apart from each other in the sintered body.
제 1항에 있어서,
상기 소결체의 기공률은 50 내지 75%인 소듐 이차전지.
The method of claim 1,
A sodium secondary battery having a porosity of 50 to 75% of the sintered body.
제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 양극활물질은 전이금속 및 12 내지 14족 금속에서 하나 이상 선택되는 금속인 양극활금속; 또는 상기 양극활금속의 할로겐화물;을 함유하는 소듐 이차전지.
9. The method according to any one of claims 1 to 8,
The cathode active material may include a cathode active metal, which is at least one metal selected from transition metals and Groups 12 to 14 metals; Or a halide of the positive electrode active metal; sodium secondary battery containing.
제 9항에 있어서,
상기 양극활물질은 소듐 할로겐화물을 더 함유하는 소듐 이차전지.
10. The method of claim 9,
The cathode active material is a sodium secondary battery further containing sodium halide.
제 9항에 있어서,
상기 양극액은 하기 화학식 1을 만족하는 소듐염을 함유하는 소듐 이차전지.
(화학식 1)
NaM(X1)n(X2)4-n
(화학식 1에서 M은 3가의 산화수를 갖는 금속 및 준금속 군에서 선택된 원소이며, X1 및 X2는 서로 상이한 할로겐 원소이며, n은 0≤n≤4인 실수이다)
10. The method of claim 9,
The anolyte is a sodium secondary battery containing a sodium salt satisfying the following formula (1).
(Formula 1)
NaM(X 1 ) n (X 2 ) 4-n
(In Formula 1, M is an element selected from the group of metals and metalloids having a trivalent oxidation number, X 1 and X 2 are different halogen elements, n is a real number with 0≤n≤4)
제 11항에 있어서,
상기 X1과 X2는 염소(Cl)와 요오드(I)이며, n은 2.0 내지 3.8인 소듐 이차전지.
12. The method of claim 11,
Wherein X 1 and X 2 are chlorine (Cl) and iodine (I), n is 2.0 to 3.8 sodium secondary battery.
제 11항에 있어서,
상기 X1과 X2는 염소(Cl)와 브롬(Br)이며, n은 0.2 내지 3.8인 소듐 이차전지.
12. The method of claim 11,
Wherein X 1 and X 2 are chlorine (Cl) and bromine (Br), n is 0.2 to 3.8 sodium secondary battery.
제 9항에 있어서,
상기 양극활금속은 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 카드뮴(Cd) 및 주석(Sn)에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 소듐 이차전지.
10. The method of claim 9,
The positive electrode active metal is titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), One or two or more sodium secondary batteries selected from aluminum (Al), cadmium (Cd) and tin (Sn).
제 10항에 있어서,
하기 반응식 1에 따른 충전 및 하기 반응식 2에 따른 방전이 이루어지는 소듐 이차전지.
(반응식 1)
mNaX+Mact → mNa+MactXm
(반응식 1에서, NaX는 소듐 할로겐화물이며, Mact는 양극활금속이며, m은 1 내지 4의 자연수이다)
(반응식 2)
mNa+MactXm→ mNaX+Mact
(반응식 2에서, Mact는 양극활금속이며, MactX는 양극활금속의 할로겐화물이며, m은 1 내지 4의 자연수이다)

11. The method of claim 10,
A sodium secondary battery comprising charging according to Scheme 1 and discharging according to Scheme 2 below.
(Scheme 1)
mNaX+M act → mNa+M act X m
(In Scheme 1, NaX is sodium halide, M act is a positive electrode active metal, and m is a natural number of 1 to 4)
(Scheme 2)
mNa+M act X m → mNaX+M act
(In Scheme 2, M act is a positive electrode active metal, M act X is a halide of a positive electrode active metal, and m is a natural number of 1 to 4)

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