KR20140085765A - 나트륨 유황 전지 - Google Patents

Abstract

반응 표면적을 넓혀 전지의 출력을 증가시킬 수 있고, 전지의 안전성을 보다 높일 수 있도록, 유황을 수용하는 양극용기와, 나트륨을 수용하는 음극용기, 양극용기와 음극용기 사이에 설치되고 나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 전해질관, 음극용기와 양극용기 사이에 설치되어 음극용기와 양극용기를 절연시키는 절연체를 포함하고, 상기 전해질관은 두께에 대해 폭의 길이가 상대적으로 긴 구조이고, 상기 음극용기는 전해질관과 대응되는 형태로 이루어지며, 상기 양극용기 외측에 배치되고 내부에는 나트륨을 수용하며, 상기 음극용기와 연결되어 나트륨을 공급하는 나트륨 공급부를 더 포함하는 나트륨 유황 전지를 제공한다.

Description

나트륨 유황 전지{SODIUM-SULFUR RECHARGEABLE BATTERY}

본 발명은 나트륨 유황 전지에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 전지 출력을 향상시킬 수 있도록 된 나트륨 유황 전지에 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 이동하여 유황 및 전자와 반응함으로써 충방전이 이루어진다.

여기서 종래의 전지는 원통형태로 이루어져 전해질관 역시 원형 튜브 형태를 이룸에 따라, 전지의 출력을 높이는 데 어려움이 있다.

즉, 전해질관의 내부에는 나트륨이 채워져 내면과 접하고 전해질관의 외부에는 양극용기와의 사이에 유황이 채워져 전해질관의 외면에 접하게 된다.

그런데, 상기 전해질관은 원통형태로, 전지 반응은 전해질관의 원형 표면에서만 일어나므로, 반응면적에 제한이 있고, 이는 출력을 높이는 데 한계로 작용하게 된다. 또한, 나트륨이 채워지는 공간은 유황이 채워지는 양극용기와 비교하여 상대적으로 작아 반응량에 있어서 서로 비례하지 않는다.

이와 같이 종래의 원통형 전지로는 반응면적이 작고 나트륨과 유황의 양이 서로 비례하지 않고 상대적으로 나트륨의 양이 작아, 전지의 효율이 떨어지며 전지의 출력을 높이는 데 한계가 있다.

또한, 나트륨 유황 전지는 구동 중 전해질관이 파손되는 경우, 양극의 유황이 전해질관의 파손 부위를 통해 음극으로 흘러 들어감으로써, 음극의 나트륨과 접촉되어 급격한 화학반응을 일으키게 된다.

나트륨과 유황은 접촉시 나트륨화 황화물을 생성하게 된다. 황화물 형성 반응은 엔탈피변화가 300℃에서 약 -380 ~ -470KJ/mole의 값을 갖는 발열반응이다. 이에 양극의 유황이 음극의 나트륨과 다량 반응시 전지가 화재 또는 폭발될 위험이 있다. 나트륨 유황 전지는 최고 약 700 ~ 800g의 나트륨을 전지내에 담고 있어서 모든 나트륨과 유황이 반응한다고 가정하였을 때 최고 약 6 ~ 7MJ의 에너지를 발산하며 전지의 온도는 순간적으로 1000℃ 이상으로 상승하게 된다.

이와 같이, 종래의 전지는 국부적인 전해질관의 파손시 순간적인 대량 발열로 인해 전해질관 파손부위 주변의 온도가 금속재 안전관의 녹는점 이상으로 상승함에 따라, 대량의 나트륨이 음극용기로부터 파손부위로 유입되어 폭발적인 발열반응을 유발하는 근본적인 문제를 안고 있다. 또한, 급격한 반응 발생이후 나트륨과 유황의 반응이 계속해서 지속된다는 문제점이 있다.

이에, 반응 표면적을 넓혀 전지의 출력을 증가시킬 수 있도록 된 나트륨 유황 전지를 제공한다.

또한, 전해질관 내에 채워지는 나트륨의 양을 늘려 유황 양과 비례하도록 함으로써, 전지의 효율을 높이고 출력을 증대시킬 수 있도록 된 나트륨 유황 전지를 제공한다.

또한, 전지의 안전성을 보다 높일 수 있도록 된 나트륨 유황 전지를 제공한다.

이를 위해 본 나트륨 유황 전지는 유황을 수용하는 양극용기와, 나트륨을 수용하는 음극용기, 양극용기와 음극용기 사이에 설치되고 나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 전해질관, 음극용기와 양극용기 사이에 설치되어 음극용기와 양극용기를 절연시키는 절연체를 포함하고,

상기 전해질관은 두께에 대해 폭의 길이가 상대적으로 긴 구조이고,

상기 양극용기 외측에 배치되고 내부에는 나트륨을 수용하며, 상기 음극용기와 연결되어 나트륨을 공급하는 나트륨 공급부를 더 포함할 수 있다.

상기 음극용기는 전해질관과 대응되는 형태로 이루어질 수 있다.

상기 전해질관은 적어도 두 개 이상이 간격을 두고 배치되며, 상기 음극용기는 상기 전해질관과 대응되는 개수로 구비되어 각 전해질관 내에 설치되는 구조일 수 있다.

상기 나트륨 공급부는 나트륨이 수용되는 탱크와, 상기 탱크와 상기 음극용기 사이를 연결하여 나트륨을 음극용기로 공급하는 공급관을 포함할 수 있다.

상기 탱크는 전지의 상단에 설치될 수 있다.

상기 나트륨 공급부는 상기 탱크에 적어도 두 개 이상의 공급관이 설치되고, 각 공급관이 복수개의 음극용기 각각에 연결되어 나트륨을 개별 공급하는 구조일 수 있다.

이와 같이 본 실시예에 의하면, 전해질관의 형태를 개선하여 반응 표면적을 증대시킴으로써, 전지의 출력을 높일 수 있게 된다.

또한, 전해질관의 구조적 강성을 높여 내구성을 높이고 전지의 수명을 연장시킬 수 있게 된다.

또한, 전지 내에 적재되는 나트륨의 양을 추가적으로 증대시킬 수 있게 되어 유황과의 반응량이 서로 비례될 수 있고 이에, 전지의 크기 대비 전지 효율을 극대화할 수 있으며, 출력을 증강시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 실시예에 따른 나트륨 유황 전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 나트륨 유황 전지로 도 1의 A-A선 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 도시한 단면도이고, 도 2는 본 실시예에 따른 나트륨 유황 전지로 도 1의 A-A선 단면도이다.

도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 나트륨 유황 전지(100)는 나트륨 이온을 통과시킬 수 있는 베타알루미나 세라믹으로 제조된 전해질관(10)과, 전해질관(10)의 내부에 위치하고 나트륨이 채워진 음극용기(12)와, 전해질관(10)의 외부에 위치하는 양극용기(14), 음극용기(12)와 양극용기(14) 사이를 절연시키는 절연체(16)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(16)가 설치되어 음극용기(12)와 양극용기(14)를 절연시킨다.

상기 양극용기(14)는 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 내부에 나트륨이 수용되며, 상기 전해질관(10) 내측에 배치된다. 상기 음극용기(12)는 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)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 절연체(16)는 알파알루미나 세라믹으로 이루어지며 양극 용기와 음극용기(12)를 절연시킨다. 상기 절연체(16)는 전해질관(10)과 세라믹접합에 의해 접합된다. 상기 양극용기(14)는 알루미늄 재질로 이루어지고 알파알루미나 세라믹인 절연체(16)와는 열간압입에 의해서 접합된다.

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

본 나트륨 유황 전지(100)는 음극으로 나트륨을 사용하고 양극으로 유황을 사용한다. 이에 본 나트륨 유황 전지(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 전지(100)의 충방전은 대략 300℃ 내지 350℃ 온도에서 이루어진다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 전해질관(10)은 두께에 대해 폭의 길이가 상대적으로 긴 구조로 되어 있다. 여기서 전해질관(10)의 두께라 함은 도 2에서 Y방향에 대한 길이를 의미하고, 폭은 X방향에 대한 길이를 의미한다.

본 실시예에서, 상기 전해질관(10)은 두께에 대해 폭이 길어 전후면이 평면을 이루며, 전후면과 연결되는 양 측단은 호형태로 만곡된 구조로 되어 있다. 이러한 구조는 종래 원통형 전해질관(10)을 폭방향으로 길게 연장한 것과 같은 구조로, 전해질관(10) 내부에 보다 많은 나트륨을 수용할 수 있게 된다.

상기 전해질관(10)은 상기한 구조 외에, 직사각형 단면구조 또는 타원형태 등 두께에 대해 폭의 길이가 긴 구조면 모두 적용가능하다.

이와 같이 전해질관(10)은 측면이 평면을 이루는 평면관 형태를 이룸에 따라 반응면적을 보다 증대시킬 수 있게 된다.

상기 음극용기(12)는 전해질관(10) 내부에 배치되며 전해질관(10)과 대응되는 형태로 이루어진다. 또한, 상기 양극용기(14)는 상기 전해질관(14)과 대응되도록 두께에 대해 폭의 길이가 긴 직사각형 단면구조로 이루어진다.

여기서, 상기 나트륨 유황 전지(100)는 상기 전해질관(10)이 적어도 두 개 이상이 간격을 두고 배치된 구조로 되어 있다. 본 실시예의 전지는 전해질관(10)이 3개 배치된 구조를 예시하고 있으나, 이에 한정되지 않으며 2개나 4개 이상 구비될 수 있다.

상기 복수개의 전해질관(10)은 양극용기(14) 내에서 간격을 두고 나란하게 배치되며, 각각 양극용기(14) 내의 유황과 접하게 된다. 상기 음극용기(12)는 전해질관(10)의 개수와 대응되는 개수로 구비되어 각 전해질관(10)의 내부에 설치된다. 상기 각 전해질관(10)은 모두 동일한 구조로 이루어지며, 상기 각 전해질관에 설치되는 복수개의 음극용기(12) 역시 동일한 구조로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 나트륨 유황 전지(100)는 양극용기(14) 외측에 배치되고 내부에는 나트륨을 수용하며, 상기 음극용기와 연결되어 나트륨을 공급하는 나트륨 공급부를 더 포함한다.

본 실시예에서, 상기 나트륨 공급부는 나트륨이 수용되는 탱크(24)와, 상기 탱크(24)와 상기 음극용기(12) 사이를 연결하여 나트륨을 음극용기로 공급하는 공급관(26)을 포함한다.

상기 탱크(24)는 전지의 상단에 설치되며, 하단에 공급관(26)이 구비되어 전지의 상부를 통해 음극용기(12)와 연결된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 나트륨 공급부는 전해질관(10)과 대응되는 개수의 공급관(26)이 설치되어, 각각의 공급관(26)이 각 전해질관 내에 설치된 음극용기(12) 각각에 연결되어 나트륨을 개별 공급하는 구조로 되어 있다. 즉, 본 실시예에서는 3개의 전해질관(10) 내에 설치되는 3개의 음극용기(12)가 구비되므로, 상기 공급관(26) 역시 3개가 탱크(24)에 설치되어 하부에 위치한 각 영역의 음극용기(12)와 연결된다.

본 실시예에서 전해질관(11)을 폭방향으로 확장하고 더불어, 별도의 탱크(24)에 나트륨을 수용함으로써, 본 나트륨 유황 전지(100)는 나트륨의 양을 증대시킬 수 있게 된다. 또한, 탱크(24)의 크기를 크게 하는 것으로 나트륨의 수용량은 원하는 정도로 확장가능하다. 상기 탱크(24)는 나트륨을 수용하며 필요한 양으로 음극용기에 공급하기 위한 것으로, 그 크기나 형태는 다양하게 변형가능하게 특별히 한정되지 않는다.

상기 탱크(24)는 전지 상부에 고정 설치된다. 이에 나트륨은 음극용기(12)에 채워지고 공급관(26)으로 연통된 탱크(24) 내부로 차올라 탱크(24) 내부에 소정 수위로 수용된다. 상기 탱크(24)의 내측 상부 공간에는 질소 가스나 아르곤 가스 등의 불활성가스가 소정의 압력으로 채워질 수 있다.

상기 탱크(24)는 예를 들어, 전지 상부에 일체로 형성되거나, 별도로 구비되어 전지 상부에 고정 설치될 수 있다. 또한, 상기 탱크(24)는 음극용기(12)와 동일한 재질로 이루어질 수 있다. 상기 나트륨을 저장하는 탱크(24)의 크기나 그 형태는 전지의 크기나 형태에 따라 다양하게 변형가능하며 특별히 한정되지 않는다.

상기 탱크(24)의 바닥면은 공급관(26) 쪽을 향해 하항 경사진 구조일 수 있다. 이러한 구조의 경우, 탱크(24) 내에 수용된 나트륨이 공급관(26) 쪽으로 유도되어 보다 용이하게 음극용기로 흘러 내려갈 수 있게 된다.

이와 같이 전지의 내부에 구비되는 음극용기와 별도로 나트륨을 수용하는 탱크(24)를 구비함으로써, 탱크(24)의 크기만큼 추가로 나트륨을 수용할 수 있게 되어, 전해질관(10)과 음극용기가 평면의 관형태를 이루더라도 나트륨의 수용량을 충분히 확보할 수 있게 된다.

따라서 음극용기(12)에 수용된 나트륨 양이 유황의 양에 비해 적더라도, 음극용기(12) 상부의 탱크(24)에 수용된 나트륨이 음극용기로 공급되어 추가적으로 유황과 반응할 수 있어 유황과 나트륨의 반응량이 비례하게 된다. 이에 나트륨과 유황의 반응이 충분히 일어나 전지 효율을 높이고 출력을 증강시킬 수 있게 된다.

또한, 전지와 별도 구비된 탱크(24)에 나트륨을 수용함으로써, 전지 내부에 다량의 나트륨이 잔류하지 않고 전지반응에 필요한 나트륨 양만이 있게 된다. 이에, 고체전해질이 파손되더라도 나트륨과 유황의 다량의 발열반응을 차단할 수 있게 되어, 전지를 안전성을 확보할 수 있게 된다.

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
13 : 개구부 14 : 양극용기
16 : 절연체 18 : 펠트집전체
24 : 탱크 26 : 공급관

Claims (6)

1. 유황을 수용하는 양극용기와, 나트륨을 수용하는 음극용기, 양극용기와 음극용기 사이에 설치되고 나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 전해질관, 음극용기와 양극용기 사이에 설치되어 음극용기와 양극용기를 절연시키는 절연체를 포함하고,
   상기 전해질관은 두께에 대해 폭의 길이가 상대적으로 긴 구조로 이루어지고,
   상기 양극용기 외측에 배치되고 내부에는 나트륨을 수용하며, 상기 음극용기와 연결되어 나트륨을 공급하는 나트륨 공급부를 더 포함하는 나트륨 유황 전지.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 음극용기는 전해질관과 대응되는 형태로 이루어지는 나트륨 유황 전지.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 전해질관은 적어도 두 개 이상이 간격을 두고 배치되며, 상기 음극용기는 상기 전해질관과 대응되는 개수로 구비되어 각 전해질관 내에 설치되는 구조의 나트륨 유황 전지.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 나트륨 공급부는 나트륨이 수용되는 탱크와, 상기 탱크와 상기 음극용기 사이를 연결하여 나트륨을 음극용기로 공급하는 공급관을 포함하는 나트륨 유황 전지.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 탱크는 전지의 상단에 설치되는 나트륨 유황 전지.
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 나트륨 공급부는 상기 탱크에 적어도 두 개 이상의 공급관이 설치되고, 각 공급관이 복수개의 음극용기 각각에 연결되어 나트륨을 개별 공급하는 구조의 나트륨 유황 전지.

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