KR20130130701A - 용융염 전지 - Google Patents

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Abstract

알루미늄의 부식이 발생하기 어려운 전해질을 이용함으로써, 사이클 수명이 향상된 용융염 전지를 제공한다. 본 발명의 용융염 전지는, 용융염으로 이루어지는 전해질에 불순물로서 포함되는 철 이온 및 니켈 이온의 합계 농도를 0.1 중량％ 이하, 바람직하게는 0.01 중량％ 이하로 한다. 전해질에 포함되는 철 이온 및 니켈 이온의 합계 농도가 작기 때문에, 알루미늄으로 형성된 전극의 집전체의 부식이 억제되어, 용융염 전지의 사이클 수명이 향상된다.

Description

용융염 전지{MOLTEN SALT BATTERY}
본 발명은 전해질로서 용융염을 이용한 용융염 전지에 관한 것이다.
최근, 태양광 또는 풍력 등의 자연 에너지의 이용이 진행되고 있다. 자연 에너지를 이용하여 발전을 행한 경우는 발전량이 변동하기 쉽기 때문에, 발전시킨 전력을 공급하기 위해서는, 축전지를 이용한 충전·방전에 의해, 공급 전력을 평준화하는 것이 필요하다. 이 때문에, 자연 에너지의 이용을 촉진시키기 위해서는, 고에너지 밀도·고효율의 축전지가 불가결하다. 이러한 축전지로서, 특허문헌 1에 개시된 나트륨-유황 전지가 있다. 다른 고에너지 밀도·고효율의 축전지로서, 용융염 전지가 있다.
용융염 전지는 전해질에 용융염을 이용한 전지이며, 용융염이 용융한 상태에서 동작한다. 용융염 전지의 동작중 온도는 용융염의 융점 이상으로 유지되어, 통상, 리튬 이온 전지 등의 다른 전지보다 고온이다. 종래의 리튬 이온 전지에서는, 양극의 집전체로서 알루미늄박을 이용하고, 음극의 집전체로서 동박을 이용하며, 각 집전체에 각 전극의 활물질이 담지되어 있다. 용융염 전지로서는, 양쪽 전극의 집전체에 알루미늄을 이용하는 경우가 많다.
일본 특허 공개 제2007-273297호 공보
전지의 전해질에 철 또는 니켈의 이온이 포함되어 있는 경우, 전해질에 접촉하는 알루미늄제의 집전체가 부식될 가능성이 있다. 리튬 이온 전지에서는 알루미늄의 부식이 큰 문제가 되지는 않지만, 리튬 이온 전지보다 동작 온도가 높으며 양쪽 전극에서 알루미늄제의 집전체를 사용하고 있는 용융염 전지는 집전체가 부식함으로써 열화할 우려가 있다. 특히, 알루미늄의 내부에 구멍이 침식하도록 부식이 진행되는 공식(孔食)이 발생한 경우는, 집전체가 파단되기 쉬워져, 용융염 전지의 사이클 수명이 짧아진다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는 알루미늄의 부식이 발생하기 어려운 전해질을 이용함으로써, 사이클 수명이 향상된 용융염 전지를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 용융염 전지는, 전극의 집전체가 알루미늄제이며, 전해질로서 용융염을 이용한 용융염 전지에 있어서, 전해질에 포함되는 철 이온 및 니켈 이온의 합계 농도가 0.1 중량％ 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서는, 용융염 전지의 전해질에 불순물로서 포함되는 철 이온 및 니켈 이온의 합계 농도를 0.1 중량％ 이하로 함으로써, 알루미늄으로 형성된 전극의 집전체의 부식이 억제된다.
본 발명에 따른 용융염 전지는, 상기 전해질에 포함되는 철 이온 및 니켈 이온의 합계 농도가 0.05 중량％ 이하인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서는, 용융염 전지의 전해질에 불순물로서 포함되는 철 이온 및 니켈 이온의 합계 농도를 0.05 중량％ 이하로 함으로써, 알루미늄으로 형성된 전극의 집전체의 부식이 보다 억제된다.
본 발명에 따른 용융염 전지는, 상기 전해질에 포함되는 철 이온 및 니켈 이온의 합계 농도가 0.01 중량％ 이하인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서는, 용융염 전지의 전해질에 불순물로서 포함되는 철 이온 및 니켈 이온의 합계 농도를 0.01 중량％ 이하로 함으로써, 알루미늄으로 형성된 전극의 집전체의 부식이 더욱 억제된다.
본 발명에 있어서는, 알루미늄으로 형성된 전극의 집전체의 부식이 억제되어, 용융염 전지의 사이클 수명이 향상된다. 사이클 수명이 향상됨으로써, 용융염 전지의 반복 이용이 가능해져, 용융염 전지의 실용성이 향상되는 등, 본 발명은 우수한 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 용융염 전지의 구성예를 나타내는 모식적 단면도이다.
도 2는 공식이 발생한 양극 집전체를 나타내는 모식적 단면도이다.
도 3은 용융염 전지의 전해질에 포함되는 철 이온 및 니켈 이온의 합계 농도와 용융염 전지의 사이클 수명 간의 관계를 나타내는 도표이다.
이하, 본 발명을 그 실시형태를 나타내는 도면에 기초하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 용융염 전지의 구성예를 나타내는 모식적 단면도이다. 도 1에는, 용융염 전지를 세로로 절단한 모식적 단면도를 나타내고 있다. 용융염 전지는, 상면이 개구된 직육면체의 상자형 전지 용기(51) 내에, 양극(1), 세퍼레이터(3) 및 음극(2)을 나란하게 배치하고, 전지 용기(51)에 덮개부(52)를 덮어 구성되어 있다. 전지 용기(51) 및 덮개부(52)는 알루미늄으로 형성되어 있다. 양극(1) 및 음극(2)은 직사각형의 평판형으로 형성되어 있고, 세퍼레이터(3)는 시트형으로 형성되어 있다. 세퍼레이터(3)는 양극(1) 및 음극(2) 사이에 개재되어 있다. 양극(1), 세퍼레이터(3) 및 음극(2)은 적층되어 전지 용기(51)의 바닥면에 대하여 세로로 배치되어 있다.
음극(2)과 전지 용기(51)의 내측벽 사이에는, 파형의 편형 금속으로 이루어지는 스프링(41)이 배치되어 있다. 스프링(41)은 알루미늄 합금으로 이루어지며 비가요성을 갖는 평판형의 누름판(42)을 압박하여 음극(2)을 세퍼레이터(3) 및 양극(1)측에 압박시킨다. 양극(1)은 스프링(41)의 반작용에 의해, 스프링(41)과는 반대측의 내측벽으로부터 세퍼레이터(3) 및 음극(2)측에 압박된다. 스프링(41)은 금속제의 스프링 등에 한정되지 않고, 예컨대 고무 등의 탄성체여도 좋다. 충방전에 의해 양극(1) 또는 음극(2)이 팽창 또는 수축한 경우는, 스프링(41)의 신축에 의해 양극(1) 또는 음극(2)의 체적 변화가 흡수된다.
양극(1)은 알루미늄으로 이루어지는 직사각형 판형의 양극 집전체(11) 상에, NaCrO2 등의 양극 활물질과 바인더를 포함하는 양극재(12)를 도포하여 형성한다. 또한, 양극 활물질은 NaCrO2에 한정되지 않는다. 음극(2)은 알루미늄으로 이루어지는 직사각형 판형의 음극 집전체(21) 상에, 주석 등의 음극 활물질을 포함하는 음극재(22)를 도금에 의해 형성한다. 음극 집전체(21) 상에 음극재(22)를 도금할 때에는, 징케이트 처리로서 하지에 아연을 도금한 후에 주석 도금을 실시하도록 한다. 음극 활물질은 주석에 한정되지 않고, 예컨대 주석을 금속 나트륨, 탄소, 규소 또는 인듐으로 대체하여도 좋다. 음극재(22)는, 예컨대 음극 활물질의 분말에 결착제를 포함시켜 음극 집전체(21) 상에 도포함으로써 형성하여도 좋다.
세퍼레이터(3)는 규산 유리 또는 수지 등의 절연성의 재료로, 내부에 전해질을 유지할 수 있고, 또한 나트륨 이온이 통과할 수 있는 형상으로 형성되어 있다. 세퍼레이터(3)는, 예컨대 유리 크로스 또는 다공질의 형상으로 형성된 수지이다.
전지 용기(51) 내에서는, 양극(1)의 양극재(12)와 음극(2)의 음극재(22)를 마주보게 하여, 양극(1)과 음극(2) 사이에 세퍼레이터(3)를 개재한다. 세퍼레이터(3)에는, 용융염으로 이루어지는 전해질을 함침시킨다. 세퍼레이터(3)에 함침되어 있는 전해질은 양극(1)의 양극재(12)와 음극(2)의 음극재(22)에 접촉한다. 전지 용기(51)의 내면은 양극(1)과 음극(2) 간의 단락을 방지하기 위해, 절연성의 수지로 피복하는 등의 방법에 의해 절연성의 구조로 되어 있다. 덮개부(52)의 외측에는, 외부에 접속하기 위한 양극 단자(53) 및 음극 단자(54)가 설치되어 있다. 양극 단자(53)와 음극 단자(54) 사이는 절연되어 있고, 또한 덮개부(52)의 전지 용기(51) 내에 대향하는 부분도 절연 피막 등에 의해 절연되어 있다. 양극 집전체(11)의 일단부는 양극 단자(53)에 리드선(55)으로 접속되고, 음극 집전체(21)의 일단부는 음극 단자(54)에 리드선(56)으로 접속된다. 리드선(55) 및 리드선(56)은 덮개부(52)로부터 절연되어 있다. 덮개부(52)는 용접에 의해 전지 용기(51)에 덮여진다.
세퍼레이터(3)에 함침되어 있는 전해질은 용융 상태에서 도전성 액체가 되는 용융염이다.
용융염의 융점 이상의 온도에서, 용융염은 전해액이 되고, 용융염 전지는 이차 전지로서 동작한다. 융점을 저하시키기 위해, 전해질은 복수 종류의 용융염이 혼합되어 있는 것이 바람직하다. 예컨대, 전해질은 나트륨 이온을 양이온(cation)으로 하며 FSA(비스플루오로술포닐아미드)를 음이온(anion)으로 한 NaFSA와, 칼륨 이온을 양이온으로 하며 FSA를 음이온으로 한 KFSA의 혼합염이다. 또한, 도 1에 나타낸 용융염 전지의 구성은 모식적인 구성이며, 용융염 전지 내에는, 내부를 가열하는 히터, 또는 온도 센서 등, 도시하지 않는 기타 구성물이 포함되어 있어도 좋다. 또한, 도 1에는 양극(1) 및 음극(2)을 한 쌍 구비하는 형태를 도시하지만, 본 발명의 용융염 전지는 세퍼레이터(3)를 사이에 두고 복수의 양극(1) 및 음극(2)을 교대로 적층하는 형태여도 좋다.
전해질에 철 이온 또는 니켈 이온이 포함되어 있는 경우, 접촉하는 알루미늄이 부식된다. 즉, 전해질에 접촉하는 알루미늄제의 양극 집전체(11) 및 음극 집전체(21)가 부식된다. 양극 집전체(11) 및 음극 집전체(21)가 전체적으로 균일하게 부식된 경우에는 문제는 적지만, 내부에 구멍이 침식하도록 부식이 진행되는 공식이 발생한 경우에는, 양극 집전체(11) 및 음극 집전체(21)가 파단되기 쉬워진다. 도 2는 공식이 발생한 양극 집전체(11)를 도시하는 모식적 단면도이다. 도 2에서 도면 부호 6은 공식 부분을 나타낸다. 공식 부분(6)은 부식이 진행됨에 따라, 전해질과 접촉하는 부분으로부터 양극 집전체(11)의 내부에 침식한다. 어느 정도 공식이 양극 집전체(11)의 내부에 침식한 후는, 충격이 가해진 경우에 양극 집전체(11)는 용이하게 파단된다. 마찬가지로, 음극 집전체(21)에도 공식은 발생한다. 용융염 전지로서는, 동작중의 내부 온도가 리튬 이온 전지 등의 다른 전지보다 고온이기 때문에, 공식이 발생하기 쉽다. 이와 같이, 전해질에 철 이온 또는 니켈 이온이 포함되어 있는 용융염 전지에서는, 공식의 발생에 의해 양극 집전체(11) 및 음극 집전체(21)는 열화하여 파단되기 쉬워져, 사이클 수명이 짧아진다. 따라서, 용융염에 포함되는 철 이온 및 니켈 이온의 농도는 가급적으로 낮은 것이 바람직하다. 본 발명의 용융염 전지는 전해질 중에 불순물로서 함유되는 철 이온 및 니켈 이온의 농도를 낮게 함으로써, 사이클 수명을 향상시킨 것이다.
도 3은 용융염 전지의 전해질에 포함되는 철 이온 및 니켈 이온의 합계 농도와 용융염 전지의 사이클 수명 간의 관계를 나타내는 도표이다. 도 3에는, 전해질에 불순물로서 포함되는 철 이온 및 니켈 이온의 합계 농도를 조정한 용융염 전지의 사이클 수명을 측정한 결과를 나타낸다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 전해질에 포함되는 철 이온 및 니켈 이온의 합계 농도가 0.15 중량％인 경우는, 용융염 전지의 사이클 수명은 50 사이클 이하이므로, 용융염 전지의 실용성은 낮다. 사이클 수명을 50 사이클 이상으로 하며, 용융염 전지의 실용성을 향상시키기 위해서는, 전해질에 불순물로서 포함되는 철 이온 및 니켈 이온의 합계 농도를 적어도 0.1 중량％ 이하로 할 필요가 있다.
또한 도 3에 나타내는 바와 같이, 전해질에 포함되는 철 이온 및 니켈 이온의 합계 농도가 0.05 중량％인 경우는, 용융염 전지의 사이클 수명은 500 ~ 1000 사이클이 된다. 따라서, 사이클 수명을 500 ~ 1000 사이클 이상으로 하며, 용융염 전지의 실용성을 향상시키기 위해, 용융염 전지의 전해질에 불순물로서 포함되는 철 이온 및 니켈 이온의 합계 농도는 0.05 중량％ 이하인 것이 바람직하다. 더욱 도 3에 나타내는 바와 같이, 전해질에 포함되는 철 이온 및 니켈 이온의 합계 농도가 0.01 중량％ 이하인 경우는, 용융염 전지의 사이클 수명은 3000 사이클 이상이 된다. 사이클 수명이 3000 사이클 이상인 용융염 전지는, 충분한 실용성을 갖는다. 따라서, 사이클 수명을 3000 사이클 이상으로 하며, 용융염 전지의 실용성을 충분히 향상시키기 위해, 용융염 전지의 전해질에 불순물로서 포함되는 철 이온 및 니켈 이온의 합계 농도는 0.01 중량％ 이하인 것이 바람직하다. 이상과 같이, 전해질에 불순물로서 포함되는 철 이온 및 니켈 이온의 합계 농도를 0.1 중량％ 이하, 바람직하게는 0.01 중량％ 이하로 함으로써, 알루미늄제의 양극 집전체(11) 및 음극 집전체(21)의 부식이 억제되어, 용융염 전지의 사이클 수명이 향상된다. 사이클 수명이 향상됨으로써, 용융염 전지의 반복 이용이 가능해져, 용융염 전지의 실용성이 향상된다.
1: 양극 11: 양극 집전체
2: 음극 21: 음극 집전체
3: 세퍼레이터 41: 스프링
51: 전지 용기 52: 덮개부
6: 공식 부분

Claims (3)

  1. 전극의 집전체가 알루미늄제이며, 전해질로서 용융염을 이용한 용융염 전지에 있어서,
    전해질에 포함되는 철 이온 및 니켈 이온의 합계 농도는 0.1 중량％ 이하인 것을 특징으로 하는 용융염 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전해질에 포함되는 철 이온 및 니켈 이온의 합계 농도는 0.05 중량％ 이하인 것을 특징으로 하는 용융염 전지.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전해질에 포함되는 철 이온 및 니켈 이온의 합계 농도는 0.01 중량％ 이하인 것을 특징으로 하는 용융염 전지.
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