KR20150048061A - 나트륨 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 녹는점 및 점도가 조절 된 용융염전해질을 포함하여 낮은 온도에서 작동 가능한 나트륨 이차전지에 관한 것으로, 상세하게 나트륨을 함유하는 음극, 전이금속을 함유하는 양극, 및 음극과 양극의 사이에 구비되는 나트륨이온 전도성 고체전해질을 포함하며, 양극이 설포닐이미드계 화합물을 함유하는 용융염전해질에 함침된 나트륨 이차전지에 관한 것이다.

Description

나트륨 이차전지{Sodium Secondary Battery}
본 발명은 나트륨 이차전지에 관한 것으로, 상세하게는 설포닐이미드계 화합물을 함유하는 용융염전해질을 포함하여 구성되는 나트륨 이차전지에 관한 것이다.
신재생에너지의 이용이 급격히 증가되면서, 배터리를 이용한 에너지 저장 장치에 대한 필요성이 급격히 증가하고 있다. 이러한 배터리 중에는 납 전지, 니켈/수소 전지, 바나듐 전지 및 리튬 전지가 이용될 수 있다. 그러나 납 전지, 니켈/수소 전지는 에너지 밀도가 매우 작아서 동일한 용량의 에너지를 저장하려면 많은 공간을 필요로하는 문제점이 있다. 또한 바나듐 전지의 경우에는 중금속이 함유된 용액을 사용함으로 인한 환경 오염적 요소와 음극과 양극을 분리하는 멤브레인을 통해 음극과 양극간의 물질이 소량씩 이동함으로 인해 성능이 저하되는 문제점을 가지고 있어서 대규모로 상업화하지 못하는 상태이다. 에너지 밀도 및 출력 특성이 매우 우수한 리튬 전지의 경우에는 기술적으로 매우 유리하나, 리튬 재료의 자원적 희소성으로 인해 대규모 전력저장용 이차전지로 사용하기에는 경제성이 부족한 문제점을 가지고 있다.
이러한 문제점을 해결하고자 자원적으로 지구상에 풍부한 나트륨을 이차 전지의 재료로 이용하고자 하는 많은 시도가 있었다. 그 중, 미국 공개특허 제20030054255호와 같이, 나트륨 이온에 대한 선택적 전도성을 지닌 베타 알루미나를 이용하고, 음극에는 나트륨을 양극에는 황을 담지한 형태의 나트륨 유황 전지는 현재 대규모 전력 저장 장치로서 사용되고 있다.
그러나 나트륨-유황 전지 혹은 나트륨-염화니켈 전지와 같은 기존의 나트륨 기반의 이차 전지는 전도도 및 전지 구성물의 녹는점을 고려하여, 나트륨-염화니켈 전지와 같은 경우에는 최소 250℃ 이상에서 작동해야 하고, 나트륨-유황 전지의 경우에는 최소 300℃ 이상의 작동 온도를 갖는 단점을 갖고 있다. 이러한 문제점으로 인하여, 온도 유지, 기밀성 유지, 안전성 측면을 보강하기 위하여 제작상 혹은 운영상 경제성 측면에서 불리한 점이 많다. 상기와 같은 문제점을 해결하고자 상온(Room temperature)형의 나트륨 기반의 전지가 개발되고 있으나, 출력이 매우 낮아 니켈-수소 전지 혹은 리튬 전지에 비해 경쟁력이 매우 떨어지고 있다.
미국 공개특허 제20030054255호
본 발명의 목적은 설포닐이미드계 화합물을 함유하는 용융염전해질을 채용함으로써, 불필요한 부반응을 억제하면서 낮은 온도에서 작동 가능하고, 전지의 출력효율이 현저히 향상된 나트륨 이차전지를 제공하기 위한 것이다. 동시에, 충방전 사이클 특성이 장기간 동안 안정적으로 유지되어 열화가 방지됨으로써, 향상된 전지 수명을 가지며 전지의 안정성이 향상된 나트륨 이차전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 나트륨 이차전지는 나트륨을 함유하는 음극, 전이금속을 함유하는 양극, 및 음극과 양극의 사이에 구비되는 나트륨이온 전도성 고체전해질을 포함하며, 양극이 설포닐이미드계 화합물을 함유하는 용융염전해질에 함침된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차전지에 있어, 전이금속은 Mn, Fe, Co, Cu 및 Ni로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차전지에 있어, 설포닐이미드계 화합물은 알칼리금속-비스플루오로설포닐이미드(MFSI), 알칼리금속-비스트리플루오로메탄설포닐이미드(MTFSI) 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차전지에 있어, 설포닐이미드계 화합물은 나트륨비스플루오로설포닐이미드(NaFSI), 나트륨비스트리플루오로메탄설포닐이미드(NaTFSI) 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차전지에 있어, 나트륨 이차전지는 하기 반응식1 및 반응식2에서 선택된 적어도 어느 하나에 의하여 충전될 수 있다.
반응식1
(양극)Me + (전해질)nMFSI -> nM+ + Me(FSI)n
반응식 2
(양극) Me + (전해질)nMTFSI -> nM+ + Me(TFSI)n
본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차전지에 있어, 나트륨 이차전지는 하기 반응식3 및 반응식4에서 선택된 적어도 어느 하나에 의하여 방전될 수 있다.
반응식3
nM+ + Me(FSI)n -> Me + nMFSI
반응식 4
nM+ + Me(TFSI)n -> Me + nMTFSI
반응식1 내지 반응식4에서, Me는 전이금속 중에서 선택된 원소이며, M은 알칼리금속 중에서 선택된 원소일 수 있다. 또한 n은 1 내지 4의 자연수이며 상세하게, 전이 금속(Me)의 양의 원자가에 해당하는 자연수일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차전지에 있어, 나트륨 이차전지는 100 내지 300℃에서 작동될 수 있다.
본 발명에 따른 나트륨 이차전지는, 설포닐이미드계 화합물을 함유하는 용융염전해질이 채용됨에 따라 낮은 온도에서 작동 가능한 나트륨 이차전지를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 나트륨 이차전지는 충방전 반응시 불필요한 부반응 또는 기체발생이 억제되어, 전지의 출력효율이 현저히 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따라 녹는점 및 점도가 조절 된 용융염전해질이 채용된 나트륨 이차전지는 충방전 사이클 특성이 장기간 동안 안정적으로 유지되어 열화가 방지됨으로써, 향상된 전지 수명을 가지며 전지의 안정성이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차전지의 구조를 개략적으로 나타낸 개념도이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 나트륨 이차전지를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
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.
일반적으로 제브라(ZEBRA) 전지 등의 이차전지의 용융염 전해질로서 나트륨알루미늄염화물(NaAlCl4)이 채용되어 왔다. 이러한 나트륨알루미늄염화물(NaAlCl4) 용융염은 나트륨 이차전지의 안정성 및 이온전도도의 측면에서 유리한 것으로 알려져왔다.
그러나, 나트륨알루미늄염화물(NaAlCl4) 용융염은 순도에 따라 158 내지 200℃에서 녹는점을 갖는다는 점에서, 이와 같은 나트륨알루미늄염화물(NaAlCl4) 용융염 전해질이 채용된 이차전지의 작동 온도가 매우 높다는 한계가 있었다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 한계점을 개선하여 우수한 이온전도도를 갖으면서도 용융염 전해질의 녹는점을 낮추어, 비교적 낮은 온도에서 작동 가능한 이차전지를 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 나트륨 이차전지는 도 1에 도시된 바와 같이, 나트륨을 함유하는 음극, 전이금속을 함유하는 양극 및 상기 음극과 양극의 사이에 구비되는 나트륨이온 전도성 고체전해질을 포함하며, 상기 양극이 설포닐이미드계 화합물을 함유하는 용융염전해질에 함침된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차전지에 있어서, 음극은 금속 나트륨 또는 나트륨합금을 포함할 수 있다. 비 한정적인 일 예로, 나트륨합금은 소듐과 세슘, 소듐과 루비듐 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 음극활물질은 전지의 작동 온도에서 고상 또는 용융상을 포함한 액상일 수 있다. 이때, 전지의 용량을 50Wh/kg 이상 구현하기 위해, 음극활물질은 용융 소듐(molten Na)일 수도 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차전지에 있어, 나트륨 이차전지의 양극은 전이금속을 함유할 수 있다. 이때, 전이금속은 구리, 은, 금, 니켈, 팔라듐, 백금, 코발트, 로듐, 이리듐, 철, 망간, 크롬, 바나듐, 몰리브덴 등을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 철(Fe) 중 선택된 하나의 금속일 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차전지에 있어, 양극은 용융염 전해질에 함침되도록 구성될 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 나트륨 이차전지의 전해질은 용융염전해질일 수 있으며, 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차전지의 용융염전해질은 설포닐이미드계 화합물을 함유할 수 있다.
설포닐이미드계 화합물은 비스플루오로설포닐이미드(FSI-) 또는 비스트리플루오로메탄설포닐이미드(TFSI-)를 음이온으로 하고, 알칼리 금속(M)을 양이온으로 하는 용융염인 알칼리금속-비스플루오로설포닐이미드(MFSI) 또는 알칼리금속-비스트리플루오로메탄설포닐이미드(MTFSI)일 수 있으며, 이들의 혼합물 또한 가능하다.
여기서, "이미드(imide)"라는 용어는 이미노기(imino group)를 함유하는 아미드를 의미한다. 엄밀한 의미에서, "이미드"로서 이미노기를 갖지 않은 TFSI를 가리키는 것은 적절하지 않다. 그러나, 상기 용어는 현재 널리 사용되고 있기 때문에 본 발명의 명세서에서는 관용명으로 사용하기로 한다.
본 발명에 따른 나트륨 이차전지의 전해질로 구성되는 설포닐이미드계 화합물의 음이온을 구성하는 비스플루오로설포닐이미드(FSI-) 또는 비스트리플루오로메탄설포닐이미드(TFSI-)은 반응성이 우수하여, 전이금속 및 알칼리금속과의 산화/환원반응이 매우 효과적으로 일어날 수 있다. 이러한 이유로 이들을 음이온으로 하고 알칼리금속을 양이온으로 하여 구성된 알칼리금속-비스플루오로설포닐이미드(MFSI) 또는 알칼리금속-비스트리플루오로메탄설포닐이미드(MTFSI) 전해질은 비교적 낮은 녹는점을 가질 수 있다.
게다가, 본 발명에 따른 나트륨 이차전지에는 이와 같이 구성되는 전해질을 첨가물이 아닌 용융염전해질로서 채용하고 있어, 양극과 용융염전해질의 직접적인 반응에 의한 전지의 충방전 반응을 기대할 수 있다.
이때, 본 발명의 나트륨 이차전지는 하기 반응식1 및 반응식2에서 선택된 적어도 어느 하나에 따라 충전될수 있다.
반응식1
(양극)Me + (전해질)nMFSI -> nM+ + Me(FSI)n
반응식 2
(양극) Me + (전해질)nMTFSI -> nM+ + Me(TFSI)n
그리고, 본 발명의 나트륨 이차전지는 하기 반응식3 및 반응식4에서 선택된 적어도 어느 하나에 따라 방전될 수 있다.
반응식3
nM+ + Me(FSI)n -> Me + nMFSI
반응식 4
nM+ + Me(TFSI)n -> Me + nMTFSI
여기서, Me는 전이금속 중에서 선택된 원소이며, 상기 M은 알칼리금속 중에서 선택된 원소일 수 있다. 또한 n은 1 내지 4의 자연수이며 상세하게, 전이 금속(Me)의 양의 원자가에 해당하는 자연수일 수 있다.
이때, 본 발명은 나트륨 이차전지임에 따라, 본 발명의 전이금속은 나트륨으로 선택되는 것이 이온전도도 측면에서 바람직할 수 있으며, 전지의 충전반응에 따라 생성된 전이금속이온(즉, 나트륨이온)은 전지 내 고체전해질을 통과하여 음극에 직접 전달되는 이온전도(수송) 물질일 수 있다. 또한, 전지의 충전반응에 따라 생성된 M(FSI)2 또는 M(TFSI)2는 기체로 발생되지 않으며, 용융염전해질 내 그대로 녹아있어, 전이금속이온의 이송을 방해하는 인자로 작용되지 않으며, 이로써 용융염전해질의 이온전도도의 측면에서 우수한 장점이 있을 수 있다.
또한, 이와 같이 구성되는 용융염전해질은 별도의 용매가 첨가되지 않은, 염 자체가 용융된 용융염이 이차전지의 전해질 또는 전해액으로 구성되어 있어, 불필요한 부반응의 발생이 억제될 수 있으며 전지의 에너지 밀도를 높일 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 용융염전해질이 채용된 나트륨 이차전지는 별도의 용매의 구성에 따른 휘발 또는 가연성의 위험이 방지될 수 있다.
따라서, 상기 나트륨 이차전지의 전해질로 용융염전해질을 사용함으로써 기존의 전해질을 용매에 녹여서 사용하는 것에 비해, 고에너지 밀도를 제공할 수 있어 전지의 무게를 최소화하고 전지의 소형화가 가능한 장점을 가진다.
본 발명에 따른 나트륨 이차전지에 있어서, 전술된 용융염전해질은 알칼리금속-비스플루오로설포닐이미드(MFSI)과 알칼리금속-비스트리플루오로메탄설포닐이미드(MTFSI)의 혼합물로 구성될 수도 있다. 이때 혼합물은 녹는점이 단염(특히, MTFSI)에 비하여 낮은 공융염일 수 있다. 그리고, 상기 혼합물은 혼합된 염들(즉, 알칼리금속-비스플루오로설포닐이미드(MFSI)와 알칼리금속-비스트리플루오로메탄설포닐이미드(MTFSI))의 혼합비에 따라 녹는점이 달라질 수 있다.
그리고, 이와 같이 혼합물로 구성된 용융염전해질이 채용되는 경우, 충전반응 시 전술된 반응식1 및 반응식2가 동시에 일어나고, 방전반응 시 전술된 반응식3 및 반응식4의 반응이 동시에 일어남은 당연하다.
구체적으로, 혼합물로 구성된 용융염전해질은 알칼리금속-비스플루오로설포닐이미드(MFSI) 대 알칼리금속-비스트리플루오로메탄설포닐이미드(MTFSI)의 몰비가 1 대 0.05 내지 0.4로 이루어질 수 있다. 이는 통상적으로 알칼리금속-비스플루오로설포닐이미드(MFSI)의 녹는점이 알칼리금속-비스트리플루오로메탄설포닐이미드(MTFSI)에 비하여 낮으므로, 녹는점이 상대적으로 낮은 알칼리금속-비스플루오로설포닐이미드(MFSI)의 함량을 높이고 녹는점이 상대적으로 높은 알칼리금속-비스트리플루오로메탄설포닐이미드(MTFSI)의 함량을 50M%이내로 제한하여 전지의 전해질로서 가장 효율적인 함량을 제공하고자 함이다.
더욱 구체적으로 용융염전해질은 알칼리금속-비스플루오로설포닐이미드(MFSI) 1몰 대비 알칼리금속-비스트리플루오로메탄설포닐이미드(MTFSI)의 몰비가 0.05 이하이면 알칼리금속-비스플루오로설포닐이미드(MFSI)에 의해 알칼리금속-비스플루오로메탄설포닐이미드(MTFSI)의 녹는점을 저하시키는 데 효율이 없으며, 알칼리금속-비스플루오로설포닐이미드(MFSI) 1몰 대비 알칼리금속-비스트리플루오로메탄설포닐이미드(MTFSI)의 몰비가 0.5 이상이면 녹는점이 올라가면서 알칼리금속-비스플루오르설포닐이미드(MFSI)가 분해되는 문제가 생길 수 있다.
본 발명에 따른 나트륨 이차전지의 전해질로 구성되는 설포닐이미드계 화합물의 알칼리금속은 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs) 중에서 선택될 수 있으나, 나트륨 이차전지의 전지효율의 측면에서 나트륨으로 선택되는 것이 가장 바람직할 수 있다.
즉, 본 발명의 따른 나트륨 이차전지의 전해질로 구성되는 전술된 용융염전해질인 설포닐이미드계 화합물은 나트륨비스플루오로설포닐이미드(NaFSI), 나트륨비스트리플루오로메탄설포닐이미드(NaTFSI) 또는 이들의 혼합물인 것이 가장 바람직하나 이에 한정하는 것은 아니다.
본 발명에 따른 상기 나트륨비스플루오로설포닐이미드(NaFSI), 나트륨비스트리플루오로메탄설포닐이미드(NaTFSI) 또는 이들의 혼합물의 녹는점이 종래의 용융염전해질 보다 낮아, 일반적인 용융염전해질을 포함하는 전지들이 고온에서 운전되고 있는 단점을 극복할 수 있다.
이때, 나트륨비스플루오로설포닐이미드(NaFSI), 나트륨비스트리플루오로메탄설포닐이미드(NaTFSI) 또는 이들의 혼합물의 녹는점은 약 80 내지 200℃로, 기존의 전해질에 비해 용융점이 낮아 보다 낮은 온도에서 작동하는 나트륨 이차전지를 제공할 수 있는 장점을 가진다. 보다 구체적으로는, 나트륨비스플루오로설포닐이미드(NaFSI), 나트륨비스트리플루오로메탄설포닐이미드(NaTFSI) 또는 이들의 혼합물의 녹는점이 100 내지 175℃ 인 것이 가장 바람직할 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다.
이에, 상기 나트륨 이차전지에서 용융염전해질의 녹는점이 200℃ 이하인 용융염전해질을 가짐으로써 저온 동작 가능하고, 열화가 방지되어 전지의 수명이 향상되는 장점이 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차전지에 있어, 고체전해질은 양극과 음극의 사이에 구비되며, 나트륨 이온전도성 고체전해질로 구성될 수 있다. 이때 나트륨 이온전도성 고체전해질은 양극과 음극을 물리적으로 분리시키며 나트륨 이온에 대해 선택적으로 전도성을 갖는 물질이면 무방하며, 나트륨 이온의 선택적 전도를 위해 전지 분야에서 통상적으로 사용되는 고체전해질이면 족하다. 비한정적인 일 예로, 본 발명의 고체전해질은 나트륨초이온전도체(Na super ionic conductor, NaSICON), β-알루미나 또는 β"-알루미나일 수 있다. 또한, 비한정적인 일 예로, 나트륨초이온전도체(NASICON)는 Na-Zr-Si-O계의 복합산화물, Na-Zr-Si-P-O계의 복합산화물, Y 도핑된 Na-Zr-Si-P-O계의 복합산화물, Fe 도핑된 Na-Zr-Si-P-O계의 복합산화물 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있으며, 상세하게, Na3Zr2Si2PO12, Na1+xSixZr2P3-xO12(1.6<x<2.4인 실수), Y 또는 Fe가 도핑 Na3Zr2Si2PO12, Y 또는 Fe 도핑된 Na1+xSixZr2P3-xO12(1.6<x<2.4 인 실수) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차전지에 있어, 음극과 양극을 분리하여 음극 공간과 양극 공간을 구획하게 되는 고체전해질의 형상을 기준으로, 나트륨 이차전지는 평판 형상의 고체전해질을 포함하는 평판형 전지 구조 또는 일단이 밀폐된 튜브 형상의 고체전해질을 포함하는 튜브형 전지 구조를 가질 수 있다.
한편, 종래의 나트륨 기반의 이차전지는 전도도 및 전지 구성물의 녹는점을 고려하여, 나트륨-염화니켈 전지와 같은 경우에는 최소 250℃ 이상에서 작동해야 하고, 나트륨-유황 전지의 경우에는 최소 300℃ 이상의 작동 온도를 갖는 단점이 있었다.
그러나, 본 발명에 따른 나트륨 이차전지는 설포닐이미드계 화합물을 함유하는 용융염전해질이 채용됨으로써, 나트륨 이차전지의 이온전도도 저하를 발생시키지 않으면서 전해질의 녹는점이 조절되어 낮은 온도에서도 전지를 작동시키는 것이 가능하게 될 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 나트륨 이차전지의 운전온도는 300℃ 이하일 수 있다. 더욱 구체적으로는 100℃ 이상 300℃ 이하일 수 있으며, 보다 바람직하게는 100℃ 이상 200℃ 이하일 수 있다.
구체적으로, 나트륨비스플루오로설포닐이미드(NaFSI), 나트륨비스트리플루오로메탄설포닐이미드(NaTFSI) 또는 이들의 혼합물의 녹는점을 확인하여 보면, 하기 [표 1]과 같다.
이하, 본 발명에 따른 구체적인 실시예들에 대하여 상술한다.
실시예 1~4. 용융염전해질의 특성평가
본 발명의 용융염전해질인 NaFSI(Sodium(I) bis(fluorosulfonyl)imide 99.7%, solvionic), NaTFSI(97% Sodium trifluoromethanesulfonimide, Sigma-Aldrich), 이들의 혼합물 및 비교예 1의 용융염의 용융온도(녹는점)을 측정하여 하기 [표 1]에 나타내었다.
상기 용융염들의 녹는점은 모래로 채워진 Heating Mantle에 하기 표1의 실시예 1내지 4의 몰비로 포함되는 용융염전해질 1.5g이 포함된 Vial을 넣고 Mantle의 온도를 조금씩 올려가며 내부 물질이 완전히 액체가 되는 온도를 육안으로 관찰하여 측정하였다.
Figure pat00001
상기 표1을 참조하면 실시예 1 내지 4와 같이 본 발명에 따른 용융염전해질이 비교예 1과 같은 종래의 나트륨용융염 전해질에 비하여 녹는점이 낮은 전해질을 채용함으로써 이차전지에 활용하였을 시에 저온 동작 가능하고, 열화가 방지되어 전지의 수명이 향상되며, 높은 이온전도도를 가지는 것과 동시에 비휘발성 및 비폭발성 특성을 갖는 장점이 있다.
특히, 실시예 2인 NaTFSI을 단독으로 사용하는 것보다 실시예 3 내지 4의 NaFSI : NaTFSI을 혼합하였을 시에 용융염전해질의 녹는점이 낮아지는 효과를 나타내어 상기 NaFSI : NaTFSI 의 혼합물의 용융염전해질이 종래에 사용 중인 NaAlCl4의 용융전해질의 녹는점에 비해 현저히 낮은 녹는점을 가지는 것으로 나타났다.
따라서, 본 발명에 따른 용융점이 낮은 용융염전해질을 나트륨 이차전지에 활용하였을 시에 종래의 용융염전해질을 사용하는 경우에 비해, 저온 동작 가능하도록 구성하여, 제조비용을 절감하고 안정성을 확보할 수 있는 현저한 효과를 가진다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1: 나트륨 이차전지
10: 음극
30: 양극
35: 용융염전해질
50: 고체전해질

Claims (8)

  1. 나트륨을 함유하는 음극;
    전이금속을 함유하는 양극; 및
    상기 음극과 양극의 사이에 구비되는 나트륨이온 전도성 고체전해질을 포함하며,
    상기 양극이 설포닐이미드계 화합물을 함유하는 용융염전해질에 함침되는 나트륨 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전이금속은 Mn, Fe, Co, Cu 및 Ni로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 포함하는 나트륨 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 설포닐이미드계 화합물은 알칼리금속-비스플루오로설포닐이미드(MFSI), 알칼리금속-비스트리플루오로메탄설포닐이미드(MTFSI) 또는 이들의 혼합물인 나트륨 이차전지.
    (상기 M은 알칼리금속 중에서 선택된 원소이다.)
  4. 제3항에 있어서,
    상기 혼합물은 알칼리금속-비스플루오로설포닐이미드(MFSI) 대 알칼리금속-비스트리플루오로메탄설포닐이미드(MTFSI)의 몰비가 1 대 0.05 내지 0.4인 나트륨 이차전지.
    (상기 M은 알칼리금속 중에서 선택된 원소이다.)
  5. 제4항에 있어서,
    상기 설포닐이미드계 화합물은 나트륨비스플루오로설포닐이미드(NaFSI), 나트륨비스트리플루오로메탄설포닐이미드(NaTFSI) 또는 이들의 혼합물인 나트륨 이차전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 나트륨 이차전지는 하기 반응식1 및 반응식2에서 선택된 적어도 어느 하나에 의하여 충전되는 나트륨 이차전지.
    반응식1
    (양극)Me + (전해질)nMFSI -> nM+ + Me(FSI)n
    반응식 2
    (양극) Me + (전해질)nMTFSI -> nM+ + Me(TFSI)n
    (상기 반응식1 및 반응식2에서,
    상기 Me는 전이금속 중에서 선택된 원소이며,
    상기 M은 알칼리금속 중에서 선택된 원소이며,
    상기 n은 1 내지 4의 자연수이며, 전이 금속(Me)의 양의 원자가에 해당하는 자연수이다.)
  7. 제1항에 있어서,
    상기 나트륨 이차전지는 하기 반응식3 및 반응식4에서 선택된 적어도 어느 하나에 의하여 방전되는 나트륨 이차전지.
    반응식3
    nM+ + Me(FSI)n -> Me + nMFSI
    반응식 4
    nM+ + Me(TFSI)n -> Me + nMTFSI
    (상기 반응식3 및 반응식4에서,
    상기 Me는 전이금속 중에서 선택된 원소이며,
    상기 M은 알칼리금속 중에서 선택된 원소이며,
    상기 n은 1 내지 4의 자연수이며, 전이 금속(Me)의 양의 원자가에 해당하는 자연수이다.)
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나트륨 이차전지는 100 내지 300℃에서 작동되는 것을 특징으로 하는 나트륨 이차전지.
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