KR20140143097A - 유기전극을 사용한 소듐 이차전지 - Google Patents

유기전극을 사용한 소듐 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 음극에 나트륨, 작동온도에서 액상인 유기전극 및 나트륨 이온 전도성 고체 전해질을 포함하는 2차 전지에 관한 것으로, 상세하게 양극에 액상의 나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 페릴렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 또는 퀴논 유도체 등 공명 구조 형성에 의해 나트륨을 받아들이고 내놓을 수 있는 유기물질이 반응에 직접적으로 참여함으로 작동온도를 낮추고, 에너지 밀도를 높이는 나트륨 이차 전지에 관한 것이다.

Description

유기전극을 사용한 소듐 이차전지 {Sodium secondary battery with organic electrode}
본 발명은 음극에 나트륨, 작동온도에서 액상인 유기전극 및 나트륨 이온 전도성 고체 전해질을 포함하는 2차 전지에 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 대중화 되었다.
최근 이차전지는 전력 저장을 위한 대용량전지, 운송 수단에 적용되는 중형전지 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, 전해질 및 집전체로 구성된다. 전지의 방전시에 양극에서는 음극에서 발생된 전자에 의한 환원반응이 발생하며, 집전체는 음극으로부터 발생되는 전자를 양극 활물질로 공급하는 역할을 한다.
이러한 이차전지 중 나트륨 이차전지는, 대한민국 공개공보 제1996 -0002926호와 같이, 음극으로 용융 금속 나트륨(Na)을 사용하며, 양극으로 황(S)을 사용하고, 음극과 양극이 나트륨 이온에 대하여 선택적인 투과성을 갖는 알루미나 또는 세라믹으로 이루어지는 고체전해질 튜브로 격리되도록 구성되어, 나트륨 이온이 고체 전해질 튜브를 통과할 수 있도록 형성된다.
나트륨 이차전지는 소금에서 추출하는 나트륨을 이용함에 따라 값과 양에서 뛰어난 경쟁력을 갖추고 있으며, 저렴하고 가벼울 뿐만 아니라 리튬이온보다 2배에서 4배까지 에너지 밀도가 큰 장점을 갖고 있다.
이에 따라, 나트륨 이차전지는 기존 이차전지에 비해 값이 싸고, 전력보존시간도 길어 태양광이나 풍력 등 신재생 에너지 저장용 이차전지로 활용될 경우 대용량의 전력을 효율적으로 저장할 수 있는 차세대 저장 매체로 대두되고 있다.
그러나, 용융된 유황을 음극으로 사용하는 경우, 약 350℃ 이상의 고온 동작온도가 필요하며, 반응 생성물이 황의 추가 반응을 방해하여 활물질 이용률이 떨어지고 사이클 특성이 열화되는 문제점이 발생한다. 이에 따라 유황을 대체할 수 있는 양극에 대한 연구가 지속되고 있다.
일본 공개특허공보 JP 2008-058896 일본 공개특허공보 JP 2011-0086266
본 발명의 목적은 종래의 나트륨 이차전지에 대비하여 낮은 온도에서 운전 가능하며, 양극에 나트륨 이온을 주고 받을 수 있는 유기물질이 나트륨 전지 운전온도에서 액체상으로 반응에 직접 참여함으로써, 에너지 밀도를 증가시키며, 안정적인 충방전 특성을 갖는 나트륨 이차전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 나트륨을 포함하는 음극; 나트륨 이온을 받아들이고, 내놓을 수 있는 나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 페릴렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 또는 퀴논계 유기물질을 포함하는 양극 및; 상기 음극과 상기 양극 사이에 나트륨 이온 전도성을 가지는 고체 전해질(seperator);을 포함하며, 상기 음극의 나트륨은 나트륨 이차전지의 운전온도에서 용융되는 나트륨 이차전지일 수 있다.
본 발명에 따른 상기 양극내 나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 페릴렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 또는 퀴논계 유기물질은 나트륨 이차전지의 운전온도에서 액상으로 공명구조 형성에 의해 나트륨 이온과 산화환원반응을 하는 것인 나트륨 이온 이차전지일 수 있다.
본 발명에 따른 상기 나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질은 1,4,5,8-나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드(1,4,5,8-Naphthalenetetracarboxylic diimide)인 나트륨 이온 이차전지일 수 있다.
본 발명에 따른 상기 페릴렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질은 3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실릭 디이미드(3,4,9,10-Perylenetetracarboxylic diimide)인 나트륨 이온 이차전지일 수 있다.
본 발명에 따른 상기 액상 퀴논계 유기물질은 1,4-벤조퀴논(1,4-benzoquinone), 1,5-나프토퀴논(1,5-Naphthoquinone), 2-하이드록시-1,4-나프토퀴논(2-hydroxy-1,4-naphthoquinone),메나디온(Menadione), 두로퀴논(Duroquinone), 3,6-디브로모-페난트렌퀴논(3,6-Dibromo-phenanthrenequinone), 2,7-디브로모-9,10-페난트렌디온(2,7-Dibromo-9,10-phenanthrenedione) 중에서 선택되는 어느 하나인 나트륨 이온 이차전지일 수 있다.
본 발명에 따른 상기 액상 나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 페릴렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 또는 퀴논계 유기물질은 하기 화학식 1의 반응에 의해 방전시 나트륨 이온을 받아들이고, 충전시 나트륨 이온을 내놓을 수 있는 나트륨 이온 이차전지일 수 있다.
(화학식 1)
방전시 : X + nNa+ → NanX
충전시 : NanX → X + nNa+
(X는 액상 나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 페릴렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 또는 퀴논계 유기물질, 여기서 n은 정수)
본 발명에 따른 상기 나트륨 이온 전도성 고체 전해질 막은 나트륨초이온전도체(Na Super Ionic Conductor, NASICON) 타입 물질을 포함하는 나트륨 이차전지일 수 있다.
본 발명에 따른 나트륨 이차전지는 운전온도가 120℃ 내지 200℃인 나트륨 이차전지일 수 있다.
본 발명에 따른 나트륨 이차전지의 상기 양극에는 나트륨염(Na salt)을 더 포함하는 나트륨 이차전지일 수 있다.
본 발명은 기존의 나트륨-황 이차전지의 문제점인 작동온도가 고온임에 따른 안정성 문제 및 양극물질의 상태에 따른 에너지 밀도 감소문제를 극복하기 위해, 용융상태의 나트륨 음극에 나트륨 이온을 주고 받을 수 있는 유기 물질을 양극에 포함하여 반응에 직접 참여시킴으로써, 고온 작동의 안정성 문제 및 에너지 밀도 감소 문제를 극복한 나트륨 이차전지를 제공한다.
본 발명은 음극과 양극에 별도의 액상 전해질이 요구되지 않으며, 나트륨 이차전지의 운전온도를 낮춤으로서, 열 관리 문제 및 안정성 문제를 극복한 나트륨 이차전지를 제공한다.
또한, 양극에 유기 물질이 반응에 직접 참여함으로써, 고체상의 양극에 별도의 양 전해질이 있는 구성보다 에너지 밀도를 높힘과 아울러 우수한 충방전 특성을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 나트륨 이차 전지의 비제한적인 예시로 음극;유기물질을 함유하는 양극 및; 이온 전도성 고체 전해질(separator)을 포함하는 나트륨 이차전지를 도시한 것이다.
[부호의 설명]
10 ; 나트륨 음극 20 : 이온 전도성 고체 전해질(separator) 30 : 퀴논계 유기전극
이하 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면과 실시예를 통해 더욱 구체적으로 설명한다. 하지만, 본 발명은 하기 도면 및 실시예에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 아이디어와 범위 내에서 여러 가지 변형 또는 수정할 수 있음은 이 기술분야에 통상의 지식을 가진자에게 자명한 것이다.
또한 다음에 소개되는 도면 및 실시예들은 이 기술분야에 통상의 지식을 가진자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어 지는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명되어지는 도면 및 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 나트륨 이차전지의 비제한적인 예시를 도시한 것이다.
도 1의 예시와 같이 본 발명의 나트륨 이차전지는 나트륨을 포함하는 음극(10); 나트륨 이온을 받아들이고, 내놓을 수 있는 나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 페릴렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 또는 퀴논계 유기물질을 포함하는 양극(30) 및; 음극과 양극 사이에 나트륨 이온 전도성을 가지는 고체 전해질(seperator)(20);을 포함하며, 음극의 나트륨은 나트륨 이차전지의 운전온도에서 용융되는 나트륨 이차전지를 포함한다.
여기서 나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질은 하기 화학식 2의 물질로 정의된다.
(화학식 2)
Figure pat00001
(상기 화학식 2에서, R1, R2, R3, 및 R4는 독립적으로 수소 원자; 할로겐 원자, 알킬기, 아릴기, 알콕시기, 니트로기, 히드록시기 또는 술폰산기로 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기; 할로겐 원자, 알킬기, 아릴기, 알콕시기, 니트로기, 히드록시기, 또는 술폰산기로 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알콕시기; 알킬기, 알콕시기, 니트로기, 히드록시기, 술폰산기 또는 할로겐 원자로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기; 할로겐 원자, 알킬기, 아릴기, 알콕시기, 니트로기, 히드록시기, 또는 술폰산기로 치환 또는 비치환된 탄소수 7 내지 30의 아랄킬기; 또는 할로겐 원자이다.)
여기서 페릴렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질은 하기 화학식 3의 물질로 정의된다.
(화학식 3)
Figure pat00002
(상기 화학식 3에서, R1, R2, R3, R4 , R5, 및 R6는 독립적으로 수소 원자; 할로겐 원자, 알킬기, 아릴기, 알콕시기, 니트로기, 히드록시기 또는 술폰산기로 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기; 할로겐 원자, 알킬기, 아릴기, 알콕시기, 니트로기, 히드록시기, 또는 술폰산기로 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알콕시기; 알킬기, 알콕시기, 니트로기, 히드록시기, 술폰산기 또는 할로겐 원자로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기; 할로겐 원자, 알킬기, 아릴기, 알콕시기, 니트로기, 히드록시기, 또는 술폰산기로 치환 또는 비치환된 탄소수 7 내지 30의 아랄킬기; 또는 할로겐 원자이다.)
여기서 퀴논계 유기물질이란, 6개의 원자로 이루어진 불포화 고리에서 비닐렌기(vinylene group)에 인접해 있거나 떨어져 있는 위치에 2개의 카르보닐기(carbonyl group)가 있는 고리형 유기 화합물을 말한다. 비 제한적인 일례로써, 벤조퀴논, 나프토퀴논, 안트라퀴논, 폴리시클릭퀴논 등이 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 나트륨 이차전지의 양극내 유기물질은 나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 페릴렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 또는 퀴논계 유기물질로써, 작동온도에서 고체상 혹은 액체상일 수 있으나, 고체상일 경우 별도의 양 전해질이 구비되어야 한다.
이 경우 구비되는 양 전해질은 나트륨 이차전지에서 통상적으로 사용되는 물질로서, 고체상의 유기전극이 용해되지 않는 물질들을 포함한다.
비 제한적인 일 실시예로서, 수산화나트륨, 물, 글리세롤, 붕사, 테트라붕산나트륨 십수화물, 메타붕산나트륨 사수화물, 붕산, 수소화붕소나트륨, 붕산나트륨, 인산나트륨, 인산수소나트륨, 나트륨 글리세롤, 탄산나트륨, 에틸렌, 프로필렌, 디메틸술폭사이드(Dimethyl Sulfoxide), 하나 이상의 이온성 액체 및 임의의 적합한 이들의 배합물을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
본 발명에 따른 나트륨 이차전지의 양극내 유기 물질이 작동온도에서 액체상일 경우 별도의 양 전해질은 구비되지 않아도 되며, 유기물질이 반응에 직접 참여하여 충방전시 나트륨 이온이 산화환원 반응을 수행한다.
본 발명에 따른 나트륨 이차전지의 일 실시예에 있어서, 양극내 나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 페릴렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 또는 퀴논계 유기물질은 나트륨 이차전지의 운전온도에서 액체상일 경우 공명 구조를 형성하여 나트륨 이온이 산화환원 반응을 하는 모든 물질을 포함한다.
비 제한적인일 실시예로서 본 발명에 따른 나트륨 이차전지의 양극내 나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질은 1,4,5,8-나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드(1,4,5,8-Naphthalenetetracarboxylic diimide) 등이 있으나 이에 제한되지 않는다.
비 제한적인일 실시예로서 본 발명에 따른 나트륨 이차전지의 양극내 페릴렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질은 3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실릭 디이미드(3,4,9,10-Perylenetetracarboxylic diimide) 등이 있으나 이에 제한되지 않는다.
비 제한적인일 실시예로서 본 발명에 따른 나트륨 이차전지의 양극내 퀴논계 유기물질은1,4-벤조퀴논(1,4-benzoquinone), 1,5-나프토퀴논(1,5-Naphthoquinone), 2-하이드록시-1,4-나프토퀴논(2-hydroxy-1,4-naphthoquinone),메나디온(Menadione), 두로퀴논(Duroquinone), 3,6-디브로모-페난트렌퀴논(3,6-Dibromo-phenanthrenequinone), 2,7-디브로모-9,10-페난트렌디온(2,7-Dibromo-9,10-phenanthrenedione) 등이 있으나 이에 제한되지 않는다.
보다 구체적인 예시로, 퀴논계 유기물질인 하기 화학식 (4)의 메나디온(menadione)은 녹는점이 105℃ 내지 107℃ 이므로 나트륨 이차전지의 운전온도에서 액체상태로 존재하며 나트륨 이온이 결합하면 하기 화학식 (4)의 오른쪽처럼 전체적으로 공명구조가 형성되게 된다.
상기와 같은 공명구조를 형성하는 양극의 액상 메다니온(menadione)은 음극으로부터 온 나트륨 이온을 받아들이고, 충전시 전기장(Eelectric Field)에 나트륨 이온을 내놓을 수 있게 된다.
(화학식 4)
Figure pat00003
이러한 액상의 퀴논계 유기물질 자체가 전극으로서 반응에 직접 참여함으로, NaCl 등을 용매에 녹여 사용 하는 것에 비해 에너지 밀도를 증가 시킬 수 있으며, 액상의 나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질 및 페릴렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질의 경우에도 동일한 원리가 적용된다.
본 발명의 나트륨 이차전지에 따른 일 실시예에 있어서, 나트륨 이차전지는 용융 나트륨을 음극으로 갖는 통상의 나트륨-유황 전지 또는 나트륨-수산화니켈 전지의 구조를 가질 수 있다. 음극의 나트륨은 용융상태로 존재하며 음극의 나트륨이 용융상태에 있도록 하는 임의의 적합한 운전온도에서 나트륨 이차전지가 운전될 수 있다.
이를 통해, 나트륨 융점 온도 미만에서 나트륨 이차전지를 운전할 경우 발생할 수 있는 고체 음극과 전해질 분리판 사이에 형성되는 덴트라이트(dentrite) 문제를 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 나트륨 이차전지의 일 실시예에 있어서, 액상 나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 페릴렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 또는 퀴논계 유기물질이 양극내 하기 화학식 (1)의 반응에 의해 방전시 나트륨 이온을 받아들이고, 충전시 나트륨 이온을 내놓을 수 있는 나트륨 이온 이차전지일 수 있다.
(화학식 1)
방전시 : X + nNa+ → NanX
충전시 : NanX → X + nNa+
(X는 액상 나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 페릴렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 또는 퀴논계 유기물질, 여기서 n은 정수)
상기와 같이 본 발명에 따른 나트륨 이차전지의 양극에 나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 페릴렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 또는 퀴논계 유기물질이 액체상태일 경우에는 음극에서 산화되어 고체 전해질을 통과한 나트륨 이온과 직접 반응하여 에너지 밀도를 높힐 수 있고, 높은 충방전 효과를 달성할 수 있다.
상기와 같이 나트륨을 포함하는 음극은 나트륨 이차전지의 운전온도에서 용융상태로 존재할 수 있으며, 이에 따라서 별도의 음 전해질의 존재 없이 액상 나트륨이 음극에서 환원되어 양극으로 전자를 이동시키며, 나트륨 이온은 본 발명에 따른 이온 전도성 고체 전해질(separator)을 통해 양극으로 이동하여 상기 화학식(4)의 방전기작을 통해 양극내 나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 페릴렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 또는 퀴논계 유기물질과 직접 반응하게 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차전지에 있어, 양극과 음극 사이에 구비되는 나트륨 이온 전도성 고체전해질은 나트륨 이온에 대해 선택적으로 전도성을 갖는 물질이면 무방하며, 나트륨 이온의 선택적 전도를 위해 전지 분야에서 통상적으로 사용되는 고체 전해질을 포함한다.
일 실시예로, 고체전해질은 나트륨초이온전도체(Na super ionic conductor, NaSICON), β-알루미나, β''-알루미나 또는 이들의 적층체를 포함한다.
따라서, 본 발명에 따른 나트륨 이차전지는 나트륨을 포함하는 음극; 나트륨 이온을 받아들이고, 내놓을 수 있는 나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 페릴렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 또는 퀴논계 유기물질을 포함하는 양극 및; 상기 음극과 양극 사이에 나트륨 이온 전도성을 가지는 고체 전해질(seperator);을 포함하며, 상기 음극의 나트륨은 나트륨 이차전지의 운전온도에서 용융되고, 상기 양극은 나트륨 이차전지의 운전온도에서 액상으로 공명구조 형성에 의해 나트륨 이온과 산화환원반응을 하는 것으로써, 1,4,5,8-나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드(1,4,5,8-Naphthalenetetracarboxylic diimide), 3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실릭 디이미드(3,4,9,10-Perylenetetracarboxylic diimide), 1,4-벤조퀴논(1,4-benzoquinone), 1,5-나프토퀴논(1,5-Naphthoquinone),2-하이드록시-1,4-나프토퀴논(2-hydroxy-1,4-naphthoquinone),메나디온(Menadione),두로퀴논(Duroquinone), 3,6-디브로모-페난트렌퀴논(3,6-Dibromo-phenanthrenequinone), 2,7-디브로모-9,10-페난트렌디온(2,7-Dibromo-9,10-phenanthrenedione) 중에서 선택되는 어느 하나이고, 상기 고체 전해질은 나트륨초이온전도체(Na super ionic conductor, NaSICON)인 나트륨 이차전지일 수 있다.
본 발명에 따른 나트륨 이차전지의 운전온도는 나트륨을 포함하는 음극을 액체상태로 유지시키며 본 발명의 목적을 달성하기 위한 모든 온도 조건을 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 나트륨 이차전지의 양극내 나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 페릴렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 또는 퀴논계 유기물질이 반응에 직접참여 하기 위하여 상기 나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 페릴렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 또는 퀴논계 유기물질의 용융온도를 고려하여 운전온도가 설정될 수도 있다.
비 제한적인 일 실시예로써, 본 발명에 따른 나트륨 이차전지의 운전온도는 100℃ 내지 200℃, 바람직하게는 100℃ 내지 180℃이며, 더 바람직하게는 100℃ 내지 150℃ 일 수 있다.
상기와 같은 온도에서 양극의 공명구조 형성에 의한 나트륨 이온을 주고 받을 수 있는 나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 페릴렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 또는 퀴논계 유기 물질은 나트륨 이차전지의 운전온도에서 액체상태로 반응에 직접 참여할 수 있다.
본 발명에 따른 나트륨 이차전지에 이온 전도도를 증가시키기 위하여 필요에 따라 나트륨 염을 미량 첨가할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 나트륨 이차전지의 이온 전도도를 증가시키기 위하여, 당해 기술분야에서 통상적으로 사용되는 이온전도도 증가물질을 포함하며, 일례로써 NaCl, NaOH 등이 있으나 이에 한정되지 않는다.
[실시예]
나트륨 금속을 아르곤 분위기에서 음극 챔버에 충진한 후, 나트륨 초이온전도체(NASICON) 고체 전해질과 오링 등을 사용하여 음극 챔버를 밀봉하고 양극 챔버와 결합한다. 양극 챔버 내에 탄소 봉과 그라파이트 펠트로 이루어진 집전체를 연결한다.
상온에서 무게비 98.6부의 메나디온(Menadione)과 양극액의 전도도 향상을 위한 무게비 1.4부의 소듐 아이오다이드(NaI)를 분말형태로 혼합한다. 상기 혼합물을 양극 챔버에 넣고 밀봉한 후, 전지를 오븐에 설치하여 음극과 양극 챔버에 각각 20psi의 압력을 가해주고 온도를 120℃로 승온 시킨 후 충방전을 진행한다.

Claims (7)

  1. 나트륨을 포함하는 음극; 나트륨 이온을 받아들이고, 내놓을 수 있는 나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 페릴렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 또는 퀴논계 유기물질을 포함하는 양극 및; 상기 음극과 상기 양극 사이에 나트륨 이온 전도성을 가지는 고체 전해질(seperator);을 포함하며,
    상기 음극의 나트륨은 나트륨 이차전지의 운전온도에서 용융되는 나트륨 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극내 나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 페릴렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 또는 퀴논계 유기물질은 나트륨 이차전지의 운전온도에서 액상으로 공명구조 형성에 의해 나트륨 이온과 산화환원반응을 하는 것인 나트륨 이온 이차전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 퀴논계 유기물질은 1,4-벤조퀴논(1,4-benzoquinone), 1,5-나프토퀴논(1,5-Naphthoquinone), 2-하이드록시-1,4-나프토퀴논(2-hydroxy-1,4-naphthoquinone),메나디온(Menadione), 두로퀴논(Duroquinone), 3,6-디브로모-페난트렌퀴논(3,6-Dibromo-phenanthrenequinone), 2,7-디브로모-9,10-페난트렌디온(2,7-Dibromo-9,10-phenanthrenedione) 중에서 선택되는 어느 하나이고, 상기 나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질은 1,4,5,8-나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드(1,4,5,8-Naphthalenetetracarboxylic diimide)이고, 상기 페릴렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질은 3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실릭 디이미드(3,4,9,10-Perylenetetracarboxylic diimide)인 나트륨 이온 이차전지.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 페릴렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 또는 퀴논계 유기물질은 하기 화학식 1의 반응에 의해 방전시 나트륨 이온을 받아들이고, 충전시 나트륨 이온을 내놓을 수 있는 나트륨 이온 이차전지.
    (화학식 1)
    방전시 : X + nNa+ → NanX
    충전시 : NanX → X + nNa+
    (X는 액상 나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 페릴렌테트라카르복실릭 디이미드계 물질, 또는 퀴논계 유기물질, 여기서 n은 정수)
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 나트륨 이온 전도성 고체 전해질 막이 나트륨초이온전도체(Na Super Ionic Conductor, NASICON) 타입 물질을 포함하는 나트륨 이차전지.
  6. 제 2항 내지 제 5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 나트륨 이차전지의 운전온도가 100℃ 내지 200℃인 나트륨 이차전지.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 양극에 나트륨염(Na salt)을 더 포함하는 나트륨 이차전지.
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