KR102546154B1 - 해수 전지 고체전해질의 융착방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 해수 전지 고체전해질의 융착방법에 관한 것으로, 해수 전지의 고체전해질에서 지지체 및 세라믹 층의 간극(gap)을 수밀하기 위한 열융착 공정을 제공하며, 동시에 최적의 열융착 공정 조건을 제공하여 고체전해질인 세라믹 층을 손상시키지 않으면서 지지체와 세라믹 층을 융착시킬 수 있다.

Description

해수 전지 고체전해질의 융착방법{METHOD FOR COMBINING SOLID-ELECTROLYTE OF SEAWATER BATTERY}
본 발명은 해수 전지 고체전해질의 융착방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열융착을 통하여 해수 전지에 사용되는 고체전해질 단위 부품을 제공하기 위한 것이다.
해수전지는 지구상에서 가장 풍부한 자원인 해수를 에너지원으로 이용하여 전기 에너지를 생산 및 저장하기 위한 친환경 에너지 저장장치이다. 해수전지는 일반적인 리튬이온 전지보다 생산 가격이 절반 이상 경제적이며, 해수를 이용함으로써 열 제어가 자체적으로 가능하여 폭발의 위험이 낮다. 특히 오랜 시간 동안 바다에서 체류해야 하는 대형 선박이나 잠수함 및 원자력 발전소의 비상 전원 장치로 이용될 수 있어 활용 분야가 매우 다양하다.
해수전지는 해수의 나트륨 이온이 리튬 이온과 비슷한 성질을 가진 것을 이용하며, 해수전지는 충전시 해수의 나트륨 이온을 추출하여 이를 음극으로 저장하였다가 방전시 물(H2O)을 양극삼아 이 둘을 반응시켜 전기를 생산한다.
한국 등록특허공보 제10-2052625호(2019.12.05.)
본 발명은 해수 전지 고체전해질의 융착방법에 관한 것으로, 해수 전지 단위 부품으로서 고체전해질을 실링하기 위하여, 열융착을 이용한 융착방법을 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지 고체전해질의 융착방법은 소정의 면적을 갖는 지지체를 마련하는 단계; 상기 지지체의 일부 영역 상에 세라믹 층을 마련하는 단계; 상기 지지체와 상기 세라믹 층 상에 실란트 층을 형성하여 적층 구조체을 제공하는 단계; 상기 적층 구조체에 대하여 열융착을 수행하는 단계; 및 상기 적층 구조체에 대하여 건조를 수행하는 단계를 포함한다.
상기 지지체는 알루미늄(Al) 기재일 수 있다.
상기 세라믹 층은 나시콘(NASICON)일 수 있다.
상기 실란트 층은 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 계열의 고분자를 포함하는 것일 수 있다.
상기 열융착은 보호필름을 이용하는 것일 수 있으며, 상기 보호필름은 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene; 테프론)일 수 있다.
상기 열융착은 190 내지 200 ℃에서 수행하는 것일 수 있으며, 상기 열융착은 0.19 내지 0.21 bar에서 수행하는 것일 수 있으며, 상기 열융착은 19.5 내지 20.5 초(sec) 동안 수행하는 것일 수 있다.
상기 건조는 냉각 공기(Air)를 상기 적층 구조체에 분사하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 해수 전지의 고체전해질에서 지지체 및 세라믹 층의 간극(gap)을 수밀하기 위한 열융착 공정을 제공한다.
또한, 본 발명은 최적의 열융착 공정 조건을 제공하여 고체전해질인 세라믹 층을 손상시키지 않으면서 지지체와 세라믹 층을 융착시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지 고체전해질의 융착방법의 순서도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지 고제전해질의 융착방법의 지지체, 세라믹 층 및 실란트 층의 적층 순서도를 도시한 것이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지 고체전해질의 융착방법에 따른 지지체, 세라믹 층 및 실란트 층의 적층 구조체의 단면을 도시한 것이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지 고체전해질의 융착방법에 따른 지지체, 세라믹 층 및 실란트 층의 적층 구조체의 일측의 단면을 도시한 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세히 설명하고자 한다.
청구범위에 개시된 발명의 다양한 특징들은 도면 및 상세한 설명을 고려하여 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 명세서에 개시된 장치, 방법, 제법 및 다양한 실시예들은 예시를 위해서 제공되는 것이다. 개시된 구조 및 기능상의 특징들은 통상의 기술자로 하여금 다양한 실시예들을 구체적으로 실시할 수 있도록 하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 개시된 용어 및 문장들은 개시된 발명의 다양한 특징들을 이해하기 쉽게 설명하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예 및 도면을 이용하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지 고체전해질의 융착방법의 순서도를 도시한 것이다.
도 2 내지 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전기 고체전해질의 융착방법에서 적층 구조체를 도시한 것으로, 이하, 도 1 내지 도 4b를 참조한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지 고체전해질의 융착방법은 지지체(110)를 마련하는 단계(S110); 지지체(110) 상에 세라믹 층(120)을 마련하는 단계(S120); 지지체(110) 및 세라믹 층(120) 상에 실란트 층(130)을 형성하여 적층 구조체(100)을 제공하는 단계(S130); 적층 구조체(100)에 대하여 열융착을 수행하는 단계(S140); 및 적층 구조체(100)에 대하여 건조를 수행하는 단계(S150)를 포함한다.
S110은 열융착 대상이 되는 세라믹 층(120)을 보호하기 위한 기재로서 지지체(110)를 제공하는 단계이다. 지지체(110)는 상기 열융착 과정에서의 세라믹 층(120)을 보호하기 위한 것으로, 지지체(110)는 소정의 면적을 가지는 것이며, 지지체(110)는 알루미늄(Al) 기재일 수 있다. 또한, 지지체(110)는 정사각형, 직사각형 또는 원형의 형상을 가지는 시트(sheet)일 수 있다.
S120는 S110에서 마련된 지지체(110) 상의 소정의 면적을 차지하는 세라믹 층(120)을 위치시키는 단계이다. 세라믹 층(120)은 지지체(110)보다 작은 면적을 가지는 것일 수 있으며, 세라믹 층(120)의 전체 면적이 지지체(110) 상의 면적 범위 내에 위치하도록 적층되는 것일 수 있다. 도 2를 참조하면, 바람직하게는 세라믹 층(120)은 지지체 상(110)의 가장자리에 해당되는 외측 영역(E)이 노출되도록 지지체(110) 상의 중심 부분에 대항되는 내측 영역(C)에 위치하는 것일 수 있다. 세라믹 층(120)의 형상은 정사각형, 직사각형 또는 원형의 형상을 가지는 시트일 수 있으며, 지지체(110)와 동일한 형상을 가지는 시트인 것이 바람직하다.
세라믹 층(120)은 해수 전지의 고체전해질로서, 세라믹 층(120)은 나트륨 이온을 효율적으로 전달할 수 있도록, 세라믹 층(120)의 재질은 고체전해질인 나시콘(NASICON: Na super ion conductor)가 바람직하다.
S130은 세라믹 층(120)이 적층된 지지체(110) 상에, 세라믹 층(120)의 외측 영역과 지지체(110)의 외측 영역 상에 실란트 층(130)이 연속되도록 형성하여 적층 구조체(100)을 제공하는 단계이다. 실란트 층(130)은 지지체(110)와 세라믹 층(120)을 접착함과 동시에, 지지체(110)와 세라믹 층(120) 사이의 간극(gap)을 수밀시키는 것이다.
실란트 층(130)은 고분자 필름을 포함하는 층으로 구성될 수 있으며, 또한 상기 고분자 필름을 포함하는 적층 구조로 구성될 수도 있다. 예컨대 3개의 층으로 구성될 수도 있으며, 이 경우 고분자 필름은 어느 층에도 위치할 수 있다. 예시적인 일구현예에서, 실란트 층은 고분자 필름을 포함하는 중심 층, 및 그 아래, 위의 층의 3층으로 구성될 수 있다. 상기 고분자 필름 층 이외의 다른 층 구성은 실란트 층에 통상 사용되는 층 구성을 적절히 채용하여 구성될 수 있다.
실란트 층(130)에서 상기 고분자 필름은 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 계열의 고분자를 포함하는 것일 수 있으며, 보다 바람직하게는 폴리프로필렌을 포함하는 라미네이트 필름일 수 있다. 일구현예로, 상기 라미네이트 필름은 폴리프로필렌(PP) 층, 폴리프탈아미드(Polyphthalamide, PPA) 층, 알루미늄(Al) 층 및 나일론(Nylon) 층이 순차적으로 적층된 구조일 수 있으며, 상기 나일론(Nylon) 층은 등가의 물질로 대체될 수 있다.
상기 라미네이트 필름은 폴리프로필렌(PP) 층, 폴리프탈아미드(Polyphthalamide, PPA) 층, 알루미늄(Al) 층을 순차적으로 적층하여 건조 시킨 후, 알루미늄 층 상에 나일론(Nylon) 층을 적층하여 제조되는 것일 수 있다.
실란트 층(130)은 정사각형, 직사각형 또는 원형의 형상을 가지는 시트일 수 있으며, 바람직하게는 지지체(110) 및 세라믹 층(120)과 동일한 형상을 가지는 시트일 수 있다.
실란트 층(130)은 실란트 몸체(131)와 관통공(132)으로 형성되어 있으며, 관통공(132)은 세라믹 층(120)이 고체전해질로서 활성영역이 외부(전해액 등)에 노출될 수 있도록 한다. 관통공(131)의 형상은 정사각형, 직사각형 또는 원형의 형상을 가지는 것일 수 있으며, 바람직하게는 지지체(110) 및 세라믹 층(120)과 동일한 형상을 가지는 시트일 수 있다.
실란트 층(130)의 면적은 지지체(110)의 면적보다 작은 면적 또는 동일한 면적을 가지는 것일 수 있으며, 세라믹 층(120)의 면적보다 넓은 면적을 가지는 것일 수 있다.
실란트 층(130)의 관통공(132)은 세라믹 층(120)의 면적보다 작은 면적을 가지는 것일 수 있다. 이에 따라, 실란트 층(130)의 실란트 몸체(131)는 적층 구조체(100)에서 지지체(110)의 외측 영역과 세라믹 층(120)의 외측에 동시에 연속적으로 형성되는 것으로, 단일 부재인 실란트 층(130)(내지 실란트 몸체(131))가 형성되는 것일 수 있다.
실란트 층(130)(내지 실란트 몸체(131))은 세라믹 층(120)의 외측 영역과, 동시에 세라믹 층(120)이 위치하지 않는 지지체(110) 상의 외측 영역에 형성되는 것일 수 있으며, 이때, 실란트 층(130)(내지 실란트 몸체(131)는 지지체(110) 상의 외측 영역의 일부 영역(도 3a 및 도 3b) 내지 전체 영역(도 4a 및 도 4b)에 형성되는 것일 수 있다.
일례로서, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 실란트 층(130)은 세라믹 층(120)의 외측 영역(121)과 지지체(110) 외측 영역(111) 일부에 형성될 수 있으며, 이에 따라 지지체(110) 상의 외측 일부 영역(A)은 세라믹 층(120) 및 실란트 층(130)이 형성되지 않을 수 있다. 도 3b의 삽도를 참조하면, 적층 구조체(100)의 일측의 단면의 경우, 지지체(110) 상부에 세라믹 층(120)이 형성되고, 실란트 층(130)은 세라믹 층(120) 외측 영역(121)으로부터 세라믹 층(120)이 형성되지 않은 지지체(110) 상부의 외측 영역(111)의 일부에 대하여 연속되도록 형성될 수 있다.
다른예로서, 도 4a 및 도 4를 참조하면, 실란트 층(130)은 세라믹 층(120)의 외측 영역(121)과 지지체(110) 상에 세라믹 층(120)이 위치하지 않는 외측 영역(111) 전체에 형성될 수 있다. 도 4b의 삽도를 참조하면, 적층 구조체(100)의 일측의 단면의 경우, 지지체(110) 상부에 세라믹 층(120)이 형성되고, 실란트 층(130)은 세라믹 층(120) 외측 영역(121)으로부터 세라믹 층(120)이 형성되지 않은 지지체(110) 상부의 외측 영역(111)의 전체에 대하여 연속되도록 형성될 수 있다.
S140은 융착장치(미도시)를 이용하여, 지지체(110), 세라믹 층(120) 및 실란트 층(130)이 순차적으로 적층된 적층 구조체(100)를 열융착시켜, 적층 구조체(100)의 지지체(110), 세라믹 층(120) 및 실란트 층(130)을 접합시킴과 동시에 지지체(110)와 세라믹 층(120) 사이의 간극(gap)을 실링(sealing)하는 단계이다.
상기 열융착(heat-sealing)은 열과 압력을 가하여 지지체(110)와 세라믹 층(120)을 수밀하는 것으로, 해수 등이 고체전해질(세라믹 층)이 아닌 지지체(110)와 세라믹 층(120) 사이의 간극으로 침투하는 것을 방지하기 위한 것이다.
상기 열융착은 적층 구조체(100)의 지지체(110) 측면과 실란트 층(130) 측면에 열과 압력을 가하여 수행되는 것이며, 일구현예로서 적층 구조체(100)가 위치할 수 있는 하부 금형 부재가 마련되고 상부에서 압착이 가능한 상부 금형 부재가 마련되며, 하부 금형 부재 상에 적층 구조체(100)를 위치시키고, 하부 금형 부재와 상부 금형 부재가 적층 구조체(100) 압착하여 열과 압력을 가할 수 있는 융착장치를 이용하여 수행되는 것일 수 있다.
상기 열융착은 보호필름을 이용하는 것일 수 있으며, 상기 보호필름은 S140에서 융착장치와 상기 적층 구조체의 접합 내지 접착 등으로 한 적층 구조체가 손상되는 것을 방지하기 위함이다. 상기 보호필름은 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene; 테프론)일 수 있다. 보다 구체적으로, 일례로서 상기 열융착시 이용되는 융착장치에 있어서, 융착장치의 하부 금형에 지지체(110) 방향이 위치하고, 상부 금형을 향하여 실란트 층(130) 방향이 위치하는 경우, 적층구조체(100)의 실란트 층(130)과 상부 금형 사이에 상기 보호필름을 위치시켜 열융착을 수행하는 것일 수 있다.
상기 보호필름은 상기 열융착을 수행한 후, 적층 구조체(100)로부터 제거되는 것일 수 있다.
상기 열융착은 190 내지 200 ℃에서 수행하는 것일 수 있다. 상기 열융착은 190 ℃ 미만에서 수행하는 경우에는 지지체(110), 세라믹 층(120) 및 실란트 층(130) 간의 융착이 형성되지 않으며, 200 ℃를 초과하는 경우 실란트 층(130)이 열에 의하여 변형되어 지지체(110)와 세라믹 층(120)의 접착력이 저하될 수 있다.
상기 열융착의 온도는 융착장치의 하부 금형 부재 및/또는 상부 금형 부재를 열판으로 구성하여 제공하는 것일 수 있다.
상기 열융착은 0.19 내지 0.21 bar에서 수행하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 2.0 bar일 수 있다. 0.19 bar 미만인 경우에는 지지체(110), 세라믹 층(110) 및 실란트 층(130) 간의 융착이 형성되지 않으며, 0.21 bar를 초과하는 경우 세라믹 층(120)에 크랙(crack)을 유발할 수 있다.
상기 열융착의 압력은 융착장치의 하부 금형 부재 및/또는 상부 금형 부재와 연동되는 공압 실린더를 통하여 제어되는 것일 수 있다.
상기 열융착은 19.5 내지 20.5 초(sec) 동안 수행하는 것일 수 있다. 19.5 초 미만으로 수행하는 경우에는 융착이 형성되지 않으며, 20.5 초를 초과하는 경우에는 실란트 층(130)과 세라믹 층(120) 사이의 틈이 형성되여 실링이 형성되지 않는다.
S150는 S140에서 열융착된 적층 구조체(100)를 건조 내지 냉각시키는 단계이다.
상기 건조는 냉각 공기(Air)를 상기 적층 구조체 상에 분사하는 것일 수 있다. 상기 냉각 공기는 15 초(sec) 이상 분사하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 15 내지 17 초 동안 분사하는 것일 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 통상의 기술자라면 본 발명의 본질적인 특성이 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능할 것이다.
본 명세서에 개시된 다양한 실시예들은 순서에 관계없이 수행될 수 있으며, 동시에 또는 별도로 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 본 명세서에서 설명되는 각 도면에서 적어도 하나의 단계가 생략되거나 추가될 수 있고, 역순으로 수행될 수도 있으며, 동시에 수행될 수도 있다.
본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예들에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
100 : 적층 구조체
110 : 지지체
120 : 세라믹 층
130 : 실란트 층

Claims (10)

  1. 소정의 면적을 갖는 지지체를 마련하는 단계;
    상기 지지체의 일부 영역 상에 세라믹 층을 마련하는 단계;
    상기 지지체와 상기 세라믹 층 상에 실란트 층을 형성하여 적층 구조체을 제공하는 단계;
    상기 적층 구조체에 대하여 열융착을 수행하는 단계; 및
    상기 적층 구조체에 대하여 건조를 수행하는 단계를 포함하며,
    상기 열융착은 융착장치를 이용하여 수행되는 것이며,
    상기 융착장치는 상기 적층 구조체가 위치하는 하부 금형 부재; 및 상기 적층 구조체의 상부에서 압착이 가능한 상부 금형 부재로 구성되는 것이며,
    상기 열융착은 보호필름을 이용하는 것이며,
    상기 보호필름은 상기 실란트 층과 상기 융착장치의 상기 상부 금형 부재 사이에 위치하며,
    상기 보호필름은 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene; 테프론)인 것인,
    해수 전지 고체전해질의 융착방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지지체는 알루미늄(Al) 기재인 것인 해수 전지 고체전해질의 융착방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 층은 나시콘(NASICON)인 것인 해수 전지 고체전해질의 융착방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 실란트 층은 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 계열의 고분자를 포함하는 것인 해수 전지 고체전해질의 융착방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 열융착은 190 내지 200 ℃에서 수행하는 것인 해수 전지 고체전해질의 융착방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 열융착은 0.19 내지 0.21 bar에서 수행하는 것인 해수 전지 고체전해질의 융착방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 열융착은 19.5 내지 20.5 초(sec) 동안 수행하는 것인 해수 전지 고체전해질의 융착방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 건조은 냉각 공기(Air)를 상기 적층 구조체에 분사하는 것인 해수 전지 고체전해질의 융착방법.
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