KR20130074645A

KR20130074645A - 나트륨 유황 전지

Info

Publication number: KR20130074645A
Application number: KR1020110142797A
Authority: KR
Inventors: 박순홍
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2013-07-04

Abstract

절연체와 금속재의 접합 구조를 개선하여 절연체의 균열 발생을 최소화할 수 있도록, 유황을 수용하는 양극용기와, 나트륨을 수용하는 음극용기, 양극용기와 음극용기 사이에 설치되고 나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 전해질관, 음극용기와 양극용기 사이에서 음극용기와 양극용기를 절연시키는 절연체, 상기 음극용기에 설치되고 절연체에 접합되는 금속칼라를 포함하고, 상기 금속칼라는 절연체에 접합되는 제1 접합부와 상기 음극용기에 접합되는 제2 접합부, 상기 제1 접합부와 제2 접합부 사이에 형성되어 열팽창시 변형되어 열충격을 흡수하는 응력흡수부를 포함하는 나트륨 유황 전지를 제공한다.

Description

나트륨 유황 전지{SODIUM-SULFUR RECHARGEABLE BATTERY}

본 발명은 나트륨 유황 전지에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 나트륨의 세라믹과 금속간 접합 구조를 개선한 나트륨 유황전지에 관한 것이다.

일반적으로, 나트륨 유황 전지는 에너지 밀도 및 충방전 효율이 높고 자기 방전이 없으며 불규칙적인 충방전에도 성능의 저하가 없는 특성으로, 대용량 전력 저장용 전지로써 개발되고 있다.

나트륨 유황 전지는 음극으로 나트륨(Na)을 사용하고, 양극으로 유황(S)을 사용하며, 전해질로 나트륨이온 전도성을 갖는 고체전해질의 베타알루미나 세라믹을 사용한다. 나트륨 유황 전지는 전해질관 및 전해질관을 둘러싸는 양극용기를 포함한다. 상기 전해질관은 나트륨 이온만을 통과시키는 성질을 가진 베타알루미나 세라믹을 튜브 형태로 제조한 구조이다. 상기 전해질관의 내부는 나트륨으로 채워지고, 전해질관과 양극용기 사이에는 유황과 탄소펠트가 위치한다. 이에 나트륨 이온이 전해질관인 베타알루미나를 거쳐 음극과 양극간을 이동함으로써 충방전이 이루어진다.

나트륨 유황 전지는 양극과 음극 사이를 절연하는 절연체로서, 알파알루미나 세라믹이 사용된다. 세라믹 재질인 절연체는 양극과 음극 사이를 분리하여 음극과 양극을 절연함과 더불어, 전해질관과 접합되어 나트륨의 누출을 차단하게 된다.

전지의 설계 구성에서 음극과 양극을 절연하기 위해서는 반드시 세라믹 부품을 사용하여야 하며, 금속재와의 접합이 양호하게 이루어져야 한다. 그러나, 세라믹은 딱딱하고 부서지기 쉽기 때문에 금속재에 비해 성형가공성이 떨어지며, 금속재와의 열팽창 계수 차이로 접합부에서 균열이 발생될 우려가 높다.

이에 종래에는 금속재와 접합된 절연체의 접합부위에 균열이 빈번하게 발생하였고, 이러한 균열 발생으로 음극의 나트륨이 대기와 접촉되면서 폭발의 위험이 높은 문제가 있다.

이에, 절연체와 금속재의 접합 구조를 개선하여 절연체의 균열 발생을 최소화할 수 있도록 된 나트륨 유황 전지를 제공한다.

이를 위해 나트륨 유황 전지는 유황을 수용하는 양극용기와, 나트륨을 수용하는 음극용기, 양극용기와 음극용기 사이에 설치되고 나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 전해질관, 음극용기와 양극용기 사이에서 음극용기와 양극용기를 절연시키는 절연체, 상기 음극용기에 설치되고 절연체에 접합되는 금속칼라를 포함하고, 상기 금속칼라는 절연체에 접합되는 제1 접합부와 상기 음극용기에 접합되는 제2 접합부, 상기 제1 접합부와 제2 접합부 사이에 형성되어 열팽창시 변형되어 열충격을 흡수하는 응력흡수부를 포함할 수 있다.

상기 응력흡수부는 상기 제1 접합부와 제2 접합부 사이에서 적어도 1회 이상 접혀진 면을 갖도록 복수회 절곡 형성된 구조일 수 있다.

상기 응력흡수부는 제1 접합부에 연결되고 반대방향으로 접힌 제1 절곡부와 제2 접합부에 연결되고 반대방향으로 접힌 제2 절곡부, 제1 절곡부와 제2 절곡부를 연결하는 연결부를 포함할 수 있다.

상기 제1 접합부와 제 2 접합부 사이가 이격되어 유동 공간을 형성하고, 상기 연결부는 상기 유동 공간 내에 위치할 수 있다.

이와 같이 본 실시예에 의하면, 금속칼라에 형성된 응력흡수부가 금속칼라 변형에 의한 열충격을 흡수하여 세라믹인 절연체로 전달되는 것을 차단할 수 있게 된다.

이에, 세라믹과 금속재 간의 열팽창에 따른 접합부의 균열 발생 가능성을 최소화할 수 있게 된다.

도 1은 본 실시예에 따른 나트륨 유황 전지를 도시한 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 나트륨 유황 전지의 금속칼라 접합 구조를 보다 상세하게 도시한 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도에서 다양한 형태로 변형될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다.

도 1은 본 실시예에 따른 나트륨 유황 전지를 도시하고 있다.

도 1을 참조하면, 본 실시예의 나트륨 유황 이차전지(100)는 베타알루미나 세라믹으로 제조된 전해질관(10)과, 전해질관(10)의 내부에 위치하고 나트륨이 채워진 음극용기(12)와, 전해질관(10)의 외부에 위치하는 양극용기(14)를 포함한다.

상기 양극용기(14)는 전해질관(10) 외측에 배치되며, 내부에는 전해질관(10)과의 사이에 유황이 담겨진 펠트집전체(18)가 채워진다. 펠트집전체(18)는 예를 들어, 내부에 기공이 형성된 탄소펠트로, 기공 내에 유황이 담겨지게 된다. 음극용기(12)와 양극용기(14) 사이에는 절연체(20)가 설치되어 음극용기(12)와 양극용기(14)를 절연시킨다. 상기 양극용기(14)는 원통 형태로 이루어지며 알루미늄, 스테인리스 스틸 등의 금속 소재로 이루어진다. 또한 양극용기(14)의 표면에는 크롬, 몰리브덴 등을 주성분으로 하는 내식층이 코팅될 수 있다. 상기 양극용기(14)는 양극의 외부 단자의 역할도 수행한다.

상기 음극용기(12)는 나트륨이 수용되며, 내측 상부 공간에는 질소 가스나 아르곤 가스 등의 불활성가스가 소정의 압력으로 채워질 수 있다.

상기 음극용기는 양극용기(14)와 동일하게 알루미늄, 스테인리스 스틸 등의 금속 소재로 이루어질 수 있다. 음극용기(12)의 표면에는 크롬, 몰리브덴 등을 주성분으로 하는 내식층이 코팅될 수 있다. 상기 음극용기(12)는 음극의 외부 단자의 역할도 수행한다.

상기 음극용기(12)과 전해질관(10) 사이에는 안전관(16)이 설치된다. 안전관(16)은 음극용기(12)와 소정의 간격을 두고 배치되며 전해질관(10) 파손시 유황의 유입을 차단하게 된다. 상기 안전관(16)은 열팽창계수가 큰 금속재로 전해질관(10)과 미세한 틈을 유지한다. 따라서 상기 안전관(16)은 전해질관(10)의 파손시 유황과 나트륨의 발열반응에 의한 온도 상승으로 팽창되어 전해질관(10)의 내면에 밀착됨으로써 추가적인 화학반응과 발열을 막게 된다.

상기 음극용기(12)의 하단에는 음극용기(12)에 채워진 나트륨이 전해질관(10)과 접촉할 수 있도록 나트륨이 빠져나올 수 있는 개구부(13)가 형성된다. 상기 개구부(13)를 통해 나온 나트륨은 전해질관(10)과 음극용기(12) 사이에 채워져 전해질관(10)의 내벽과 접촉한다.

상기 전해질관(10)은 나트륨 이온을 통과시킬 수 있는 베타알루미나 세라믹으로 이루어진다. 상기 전해질관(10)은 튜브 형태로 이루어져 소정 간격을 두고 음극용기(12)를 감싸며 설치된다.

본 나트륨 유황 이차전지(100)는 음극으로 나트륨을 사용하고 양극으로 황을 사용한다. 이에 본 나트륨 유황 이차전지(100)의 방전 시에는 나트륨이온이 전해질관(10)을 통과하여 양극 측으로 이동하고 유황 및 전자와 반응하여 다황화나트륨이 된다. 충전 시에는 다황화나트륨이 전자를 방출하여 나트륨이온과 유황으로 분리된다. 나트륨이온은 전해질관(10)을 통과하여 음극 측으로 이동하고 전자를 받아 나트륨으로 복귀한다. 나트륨 유황 이차전지(100)의 충방전은 대략 300℃ 내지 350℃ 온도에서 이루어진다.

상기한 나트륨 유황 전지는 음극과 양극의 쇼트(short)를 방지하기 위하여, 음극용기(12)와 양극용기(12) 사이에 절연체(20)가 설치되어 음극용기(12)와 양극용기(12)를 절연시킨다. 상기 절연체(32)는 알파알루미나 세라믹으로 이루어진 링 형태의 구조물로, 양극 용기(12)와 음극용기(12) 사이에 설치되어 두 부재 사이를 절연시키게 된다.

본 실시예에서, 상기 음극용기(12) 및 양극용기(14)는 상기 절연체(20)에 접합되는 금속칼라(30)와 금속브라켓(40)를 매개로 절연체(20)에 결합된다. 상기 금속칼라(30)를 매개로 음극용기(12)가 절연체(20)에 결합되며, 금속브라켓(40)을 매개로 양극용기(14)가 절연체(20)에 결합된다.

상기 금속칼라(30)는 금속 재질의 링 형태로 이루어져 절연체(20)의 내측에 배치된다. 금속칼라(30)의 하단은 절연체(20)의 윗면에 접합되고, 상단은 위로 연장되어 음극용기(12)에 접합된다. 상기 금속브라켓(40)은 절연체(20)와 양극용기(12)를 연결하는 구조물로, 금속재질의 링 형태로 이루어져 절연체(20)의 외측에 배치된다. 상기 금속브라켓(40)의 하단은 절연체(20) 아랫면에 접합되고, 상단은 위로 연장되어 양극용기(12)의 상단과 접합된다.

상기 금속칼라(30)와 금속브라켓(40)은 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있다. 상기 금속칼라(30)와 금속브라켓(40)은 알파알루미나 세라믹재질인 절연체(20)와 열압축접합(TCB;Thermal Compression Bonding) 공정을 통해 접합된다.

여기서, 본 전지는 상기 금속칼라(30)가 열팽창에 따라 발생되는 변형 응력을 자체적으로 흡수하여 제거함으로써, 금속칼라(30)가 접합되어 있는 절연체(20)에 변형 응력이 영향을 미치지 않도록 하는 구조로 되어 있다.

도 2는 본 실시예에 따른 상기 금속칼라(30)의 구조를 잘 예시하고 있다.

도시된 바와 같이, 절연체(20)의 균열 방지를 위해, 상기 금속칼라(30)는 절연체(20)에 접합되는 제1 접합부(31)와 상기 음극용기에 접합되는 제2 접합부(33), 상기 제1 접합부(31)와 제2 접합부(33) 사이에 형성되어 열팽창시 변형되어 열충격을 흡수하는 응력흡수부(32)를 포함한다. 그리고 상기 응력흡수부(32)는 상기 제1 접합부(31)와 제2 접합부(33) 사이에서 접혀진 면을 갖도록 절곡 형성된 구조로 되어 있다.

상기 금속칼라(30)는 음극용기 선단에 접합되며 하단은 길게 연장되어 응력흡수부(32)를 형성하고 그 선단이 절연체(20)에 접합된다.

그리고 상기 응력흡수부(32)는 제1 접합부(31)에 연결되고 반대방향으로 접힌 제1 절곡부(34)와 제2 접합부(33)에 연결되고 반대방향으로 접힌 제2 절곡부(35), 제1 절곡부(34)와 제2 절곡부(35)를 연결하는 연결부(36)를 포함한다.

상기 제1 접합부(31)와 제 2 접합부(33)는 서로 이격되어 그 사이에 충분한 유동 공간(37)을 형성하며, 상기 연결부(36)는 상기 유동 공간(37) 내에 위치한다.

상기 연결부(36)는 상기 유동공간(37)의 간격보다 상대적으로 얍은 두께의 판 구조를 이루며, 유동 공간(37) 내에서 자유롭게 변형된다.

상기 금속칼라(30)는 절연체(20)와의 열팽창율 차이에 의해 제2 접합부(33)와 절연체(20) 사이에 열 충격에 의한 변형응력이 가해져 절연체(20)에 균열이 발생될 수 있다. 그러나 본 실시예의 금속칼라(30)는 자체적으로 열팽창을 흡수함으로서 절연체(20)와의 접합면에서 균열이 발생되는 것을 방지할 수 있게 된다.

상기 연결부(36)는 제1 접합부(31)와 제2 접합부(33) 사이에서 금속칼라(30)를 따라 연속적으로 형성된다.

상기 유동 공간(37)은 금속칼라(30)의 열 팽창시 연결부(36)가 변형되어 응력을 흡수하는 유효 공간으로 작용하게 된다. 이에 금속칼라(30)는 열팽창에 따른 변형력이 연결부(36)로 전달되어 연결부(36)가 변형된다. 연결부(36)는 상기 유동 공간(37) 내에서 변형되므로 절연체(20)에 어떠한 간섭이나 영향을 미치지 않는다.

이와 같이, 금속칼라(30)는 자체적으로 연결부(36)가 열변형되면서 전열체로 전달되는 열 충격을 흡수하여 처리함으로써, 절연체(20)와의 접합면에서의 변형을 최소화할 수 있게 된다. 따라서 금속칼라(30)와 접합된 절연체(20)의 접합면에서의 균열 발생을 방지할 수 있게 된다.

또한, 상기 금속칼라(30)는 연결부(36)를 통해 대기와 접촉되는 면적을 증대시키게 된다. 따라서 금속칼라(30)에 전달된 열이 증대된 면적을 갖는 연결부(36)를 통해 대기중으로 빠르게 방열되어, 금속칼라(30)의 열팽창을 그만큼 줄일 수 있게 된다.

따라서 금속칼라(30) 자체의 열변형에 따른 절연체(20)의 균열 발생을 최소화할 수 있게 되는 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.

10 : 전해질관 12 : 음극용기
14 : 양극용기 16 : 안전관
18 : 펠트집전체 20 : 절연체
30 : 금속칼라 31 : 제1 접합부
32 : 응력흡수부 33 : 제2 접합부
34 : 제1 절곡부 35 : 제2 절곡부
36 : 연결부 37 : 유동공간

Claims

유황을 수용하는 양극용기와, 나트륨을 수용하는 음극용기, 양극용기와 음극용기 사이에 설치되고 나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 전해질관, 음극용기와 양극용기 사이에서 음극용기와 양극용기를 절연시키는 절연체, 상기 음극용기에 설치되고 절연체에 접합되는 금속칼라를 포함하고,
상기 금속칼라는 절연체에 접합되는 제1 접합부와 상기 음극용기에 접합되는 제2 접합부, 상기 제1 접합부와 제2 접합부 사이에 형성되고 열팽창시 변형되어 열충격을 흡수하는 응력흡수부를 포함하는 나트륨 유황 전지.
제 1 항에 있어서,
상기 응력흡수부는 상기 제1 접합부와 제2 접합부 사이에서 적어도 1회 이상 접혀진 면을 갖도록 복수회 절곡 형성된 구조의 나트륨 유황 전지.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 응력흡수부는 제1 접합부에 연결되고 반대방향으로 접힌 제1 절곡부와 제2 접합부에 연결되고 반대방향으로 접힌 제2 절곡부, 제1 절곡부와 제2 절곡부를 연결하는 연결부를 포함하는 나트륨 유황 전지.
제 3 항에 있어서,
상기 제1 접합부와 제 2 접합부 사이가 이격되어 유동 공간을 형성하고, 상기 연결부는 상기 유동 공간 내에 위치하는 나트륨 유황 전지.