KR20130097914A - 안전관 간극이 일정한 나트륨 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나트륨 이온에 이온 전도성이 우수한 고체전해질의 내측에 나트륨(Na)이 수용되어 음극이 형성되고, 고체전해질의 외측에는 수산화니켈(Ni(OH)2)또는 황(S)이 수용되어 양극이 형성되는 나트륨 이차전지에 관한 것이다.
엠보싱부를 구비한 본 발명의 나트륨 이차전지는, 간단한 구성을 통해 고체전해질 튜브와 안전관의 이격거리를 일정하게 유지하며, 나트륨의 전해가 균일하고 효과적으로 이루어져 안전성 및 전해 효율을 향상시키는 효과가 있다.

Description

안전관 간극이 일정한 나트륨 이차전지{Sodium Secondary Battery which has Same Gap between Safety Tube and Solid Electrolyte}
본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나트륨 이온에 이온 전도성이 우수한 고체전해질의 내측에 나트륨(Na)이 수용되어 음극이 형성되고, 고체전해질의 외측에는 수산화니켈(Ni(OH)2)또는 황(S)이 수용되어 양극이 형성되는 나트륨 이차전지에 관한 것이다.
일반적으로 전지는 일회용의 일차전지와 여러 차례 충전이 가능한 이차전지로 구분할 수 있다. 이 중, 이차전지는 여러 차례 사용이 가능하다는 점에서, 노트북, 캠코더 및 핸드폰과 같은 휴대용 전자기기의 필수적인 에너지원으로 대중화되었다.
최근, 이차전지는 전력 저장을 위한 대용량전지, 운송 수단에 적용되는 중형 전지 및 휴대용 기기의 전원으로 사용되는 소형 전지에 이르기까지 그 사용 목적에 따라 전지의 형태 및 크기가 변화되어 사용 범위가 확대되고 있는 추세이다.
이러한 이차전지는 음극, 양극, 고체전해질 및 집전체로 구성된다. 양극에서는 음극에서 발생된 전자에 의한 환원반응이 발생하며, 집전체는 전지의 방전 시에 음극으로부터 발생되는 전자를 양극 활물질로 공급하거나 충전 시에는 양극으로부터 공급되는 전자를 음극 활물질로 공급하는 역할을 한다.
이러한 이차전지 중 나트륨 이차전지는, 음극 활물질인 용융 금속 나트륨(Na)과 양극 활물질인 용융 수산화니켈(Ni(OH)2) 또는 황(S)이 배치되고, 음극 활물질과 양극 활물질을 나트륨 이온에 대하여 선택적인 투과성이 우수한 알루미나 또는 세라믹으로 이루어지는 고체전해질 튜브로 격리되도록 구성되어, 나트륨 이온이 고체전해질 튜브를 통과할 수 있도록 형성된다.
나트륨 이차전지는 고체전해질의 전기전도도 및 전극 활물질의 융점으로 인해 섭씨 100도 이상에서 운전 또는 작동된다. 이 경우에 양극 활물질인 수산화니켈(Ni(OH)2) 또는 황(S)이 알칼리 수용액 속에 위치하므로 온도 상승에 따른 증기압 상승이 불가피하여 전지의 내부 압력이 증가하게 된다.
또한, 나트륨-수산화니켈(Na-Ni(OH)2) 이차전지의 경우 충전 시에 물의 전기분해에 따라 산소가 발생될 수 있어 이에 따른 전지 내부의 압력이 증가하게 된다. 이때, 압력 상승으로 인해 고체전해질 튜브가 파손될 경우에는 나트륨과 수분이 결합하여 격렬한 발열반응이 발생하며, 이에 따라 이차전지가 발화 또는 폭발의 가능성이 존재하는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기위해 종래에는, 나트륨 음극과 고체전해질 튜브 사이에 금속재로 형성되는 원통형상의 안전관을 설치하여, 고체전해질 튜브의 손상 시에 나트륨과 황의 급속 반응을 억제하도록 하여 안전성을 향상시켰다.
그러나 상기와 같은 구성의 나트륨 이차전지의 안전관은 고체전해질 튜브와 일정한 거리 일예로 수 십 마이크로미터에서 1mm를 유지해야 나트륨의 전해가 효과적으로 이루어질 수 있으나, 고체전해질 튜브의 모든 영역에서 안전관이 일정한 간격을 유지하도록 구성하기 어렵기 때문에 전해 효율이 떨어지고 불균일한 전해로 인한 국부적인 발열 및 그로 인한 폭발 등의 문제점이 추가적으로 발생할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 고체전해질 튜브와 안전관이 일정 간격을 유지하도록 고체전해질 튜브와 안전관 사이에 엠보싱부(Embossing Part)를 삽입 또는 안전관에 일체로 형성하게 되는 안전관 간극이 일정한 나트륨 이차전지를 제공함에 있다.
본 발명은, 하측이 막힌 고체전해질 튜브의 내측에 양극 또는 음극 중 어느 하나가 수용되고, 고체전해질 튜브의 외측에는 양극 또는 음극 중 다른 하나가 수용되는 나트륨 이차전지에 있어서, 상기 나트륨 이차전지는, 상기 음극과 고체전해질 튜브 사이에 구비되는 금속 재질의 안전관; 및 상기 안전관과 고체전해질 튜브 사이에 구비되며 단면이 엠보싱(Embossing) 구조로 되는 엠보싱부; 를 포함하며, 상기 엠보싱부의 두께만큼 상기 안전관과 고체전해질 튜브가 이격되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 엠보싱부는, 상기 안전관의 측면을 감싸도록 일정폭을 갖는 환형으로 되며, 상기 안전관의 길이방향으로 복수 개가 일정거리 이격 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 엠보싱부는, 알루미늄 또는 스테인리스 재질의 금속 박막으로 되며, 프레스 가공에 의해 이루어지는 것을 특징으로 한다.
다른 실시 예로, 상기 엠보싱부는, 상기 안전관의 측면에 일체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성의 엠보싱부를 구비한 본 발명의 나트륨 이차전지는, 간단한 구성을 통해 고체전해질 튜브와 안전관의 이격거리를 일정하게 유지하며, 나트륨의 전해가 균일하고 효과적으로 이루어져 안전성 및 전해 효율을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 통상의 나트륨 이차전지 종단면도
도 2는 본 발명의 제1 실시 예의 나트륨 이차전지 부분 단면도
도 3은 본 발명의 제1 실시 예의 안전관 및 엠보싱부 사시도
도 4는 본 발명의 제2 실시 예의 나트륨 이차전지 부분 단면도
도 5는 본 발명의 제2 실시 예의 안전관 및 엠보싱부 사시도
본 발명을 설명하기에 앞서 도 1을 참조하여, 통상의 나트륨 이차전지의 구성에 대해 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 통상의 나트륨 이차전지(1000)는, 하우징(100), 위킹튜브(200), 안전관(300), 고체전해질튜브(400), 절연체(500), 양극(610) 및 음극(620)을 포함하여 이루어진다.
하우징(100)은 하단이 밀폐되고 상단이 개방되는 원통형으로 이루어진다. 상기 하우징(100)의 내부에는 외측에서 내측으로 양극(610), 고체전해질튜브(400), 안전관(300), 위킹튜브(200)가 순차적으로 적층 삽입된다. 고체전해질튜브(400)의 내측에는 나트륨(Na)이 수용되어 음극(620)이 형성된다. 나트륨(Na)은 용융된 상태로 존재하며 음극 활물질이 된다. 고체전해질튜브(400)의 상단 둘레는 덮개(110)가 구성될 수 있다. 도면상에는 고체전해질튜브(400)의 내측에 음극(620)이 수용되고, 외측에 양극(610)이 수용되는 것으로 도시되어 있으나, 고체전해질튜브(400)의 내측에 양극(610)이 수용되고, 외측에 음극(620)이 수용되어도 무방하다.
고체전해질튜브(400)는 하단이 밀폐되는 튜브 상으로 되며, 내측에 음극(620)이 수용된다. 고체전해질튜브(400)의 재질로는 베타알루미나(Beta Alumina) 또는 초이온나트륨전도체(NaSICON) 등이 적용될 수 있다. 또한, 하우징(100)의 상단부와, 고체전해질 튜브(400)의 상단부는 절연체(500)를 사이에 두고 결합되어 전기적으로 절연되며, 절연체(500)는 일정 두께와 폭을 갖는 환형으로 형성되어 덮개(110) 및 고체전해질튜브(400)의 상단부와 하우징(100)의 상단부 내주면 사이에 삽입 고정된다.
고체전해질튜브(400)의 내측에는 하단에 관통홀(210)이 형성되는 위킹튜브(200)가 삽입된다. 위킹튜브(200)는 고체전해질튜브(400)의 내면에서 일정거리 이격 구비되도록 고체전해질튜브(400)의 직경보다 작게 형성된다. 위킹튜브(200)는 방전으로 인해 위킹튜브(200) 내부의 나트륨(Na) 수위가 낮아지더라도 위킹튜브(200)와 고체전해질튜브(400) 사이의 모세관 현상을 통해 나트륨(Na) 수위를 유지하도록 하는 역할을 한다.
고체전해질튜브(400)의 외측에는 수산화니켈(Ni(OH)2) 또는 황(S)이 수용되어 양극(610)이 형성된다. 고체전해질튜브(400)의 외측에 양극(610)이 수용되고, 양극(610)의 외측에 하우징(100)이 형성된다. 수산화니켈(Ni(OH)2) 또는 황(S)은 알칼리 수용액으로 용해된 상태로 존재하여 양극 활물질이 된다.
즉, 본 발명의 나트륨 이차전지(1000)는 하우징(100)의 내부에 수산화니켈(Ni(OH)2) 또는 황(S)으로 이루어지는 양극 활물질이 수용되고, 고체전해질튜브(400)가 그 내부에 형성된다. 고체전해질튜브(400)에는 나트륨(Na)으로 이루어지는 음극(620) 활물질이 수용되며, 고체전해질튜브(400)의 내측에는 음극(620)의 수위 조절을 위한 위킹튜브(200)가 삽입되어, 위킹튜브(200)의 내부 및 외부에는 나트륨(Na)으로 이루어지는 음극(620) 활물질이 구성된다.
고체전해질튜브(400)와 위킹튜브(200) 사이에는 안전관(300)이 구비된다. 안전관(300)은 고체전해질튜브(300)의 파손 시에 음극(620)인 나트륨(Na)과 양극(610)인 수산화니켈(Ni(OH)2) 또는 황(S)의 급격한 발열반응이 일어나는 것이 방지하는 역할을 수행한다.
상기와 같은 구성의 나트륨 이차전지(1000)에 있어서, 안전관(300)과 고체전해질튜브(400)의 이격 거리를 전 영역에 걸쳐 일정하게 유지시키기 위한 본 발명의 구체적 실시 예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
- 실시 예 1
도 2 및 도 3을 참조하면, 안전관(300)과 고체전해질튜브(400) 사이에는 제1 엠보싱부(710)가 구비된다. 제1 엠보싱부(710)는 일정폭을 갖는 환형으로 이루어지며, 안전관(300)의 외주면을 감싸도록 구성된다. 제1 엠보싱부(710)는 안전관(300)의 상하 길이방향을 따라 다수 개가 일정거리 이격 구성될 수 있다.
제1 엠보싱부(710)는 안전관(300)과 고체전해질튜브(400)의 간격을 이격시키기 위해 단면이 엠보싱(Embossing)인 필름 구조를 갖는다. 따라서 제1 엠보싱부(710)의 두께 만큼 안전관(300)과 고체전해질튜브(400)는 이격 될 수 있다.
제1 엠보싱부(710)는 프레스 가공에 의해 형성될 수 있다. 이를 위해 제1 엠보싱부(710)는 금속박막으로 구성되며, 알루미늄 또는 스테인리스 재질로 이루어질 수 있다.
- 실시 예2
도 4 및 도 5를 참조하면, 안전관(300)의 외면에는 제2 엠보싱부(720)가 안전관(300)에 일체로 형성된다. 제2 엠보싱부(720)는 안전관(300)의 측면에 형성된다. 제2 엠보싱부(720)는 안전관(300)과 고체전해질튜브(400)의 간격을 이격시키기 위해 단면이 엠보싱(Embossing) 구조를 갖는다. 따라서 제2 엠보싱부(720)의 두께 만큼 안전관(300)과 고체전해질튜브(400)는 이격 될 수 있다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
1000 : 나트륨 이차전지
100 : 하우징 200 : 위킹튜브
300 : 안전관 400 : 고체전해질튜브
500 : 절연체 610 : 양극
620 : 음극 710 : 제1 엠보싱부
720 : 제2 엠보싱부

Claims (5)

  1. 하측이 막힌 고체전해질 튜브의 내측에 양극 또는 음극 중 어느 하나가 수용되고, 고체전해질 튜브의 외측에는 양극 또는 음극 중 다른 하나가 수용되는 나트륨 이차전지에 있어서,
    상기 나트륨 이차전지는,
    상기 음극과 고체전해질 튜브 사이에 구비되는 금속 재질의 안전관; 및
    상기 안전관과 고체전해질 튜브 사이에 구비되며 단면이 엠보싱(Embossing) 구조로 되는 엠보싱부; 를 포함하며,
    상기 엠보싱부의 두께만큼 상기 안전관과 고체전해질 튜브가 이격되는, 안전관 간극이 일정한 나트륨 이차전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 엠보싱부는,
    상기 안전관의 측면을 감싸도록 일정폭을 갖는 환형으로 되는, 안전관 간극이 일정한 나트륨 이차전지.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 엠보싱부는,
    상기 안전관의 길이방향으로 복수 개가 일정거리 이격 구비되는, 안전관 간극이 일정한 나트륨 이차전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 엠보싱부는,
    알루미늄 또는 스테인리스 재질의 금속 박막으로 되며, 프레스 가공에 의해 이루어지는, 안전관 간극이 일정한 나트륨 이차전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 엠보싱부는,
    상기 안전관의 측면에 일체로 형성되는, 안전관 간극이 일정한 나트륨 이차전지.
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