KR20150136699A - Sodium-sulfur rechargeable battery - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 세라믹과 금속의 접합 구조를 개선한 나트륨 유황전지에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention [0001] The present invention relates to a sodium sulfur battery improved in the bonding structure of ceramic and metal.
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.Generally, a sodium-sulfur battery is developed as a large-capacity power storage battery because of its high energy density, charge / discharge efficiency, self-discharge, and irregular charge / discharge characteristics.
나트륨 유황 전지는 300℃ 정도의 고온에서 작동하는 전지로, 음극으로 나트륨(Na)을 사용하고, 양극으로 유황(S)을 사용하며, 전해질로 나트륨이온 전도성을 갖는 고체전해질의 베타알루미나 세라믹을 사용한다.Sodium sulfur battery is a battery that operates at high temperature of about 300 ° C. It uses sodium (Na) as a cathode, sulfur (S) as an anode, and beta-alumina ceramic of a solid electrolyte having sodium ion conductivity as an electrolyte do.
상기 나트륨 유황 전지는 양극과 음극 사이를 절연하는 절연체로서, 알파알루미나 세라믹이 사용된다. 세라믹 재질인 절연체는 양극과 음극 사이를 분리하여 음극과 양극을 절연함과 더불어, 전해질관과 접합되어 나트륨의 누출을 차단하게 된다. 이에 절연체의 상단과 하단에는 각각 링 형태의 금속칼라(collar)와 금속브라켓이 접합된다. 상기 금속칼라를 매개로 음극용기가 절연체에 결합되며, 금속브라켓을 매개로 양극용기가 절연체에 결합된다.The sodium sulfur battery is an insulator for insulating between the positive electrode and the negative electrode, and alpha-alumina ceramic is used. The ceramic insulator separates the anode and cathode from each other to insulate the cathode and the anode, and is bonded to the electrolyte pipe to block sodium leakage. A ring-shaped metal collar and a metal bracket are bonded to the upper and lower ends of the insulator, respectively. The negative electrode container is coupled to the insulator via the metal collar, and the positive electrode container is coupled to the insulator via the metal bracket.
이러한 나트륨 유황 전지의 출력 특성을 높이거나 에너지 용량을 증대시키기 위해서는 대면적화가 중요한 요소이며, 이를 위해서는 담지하는 활물질의 양을 증가시키는 것 외에 대면적의 전해질 소재를 적용할 필요가 있다.In order to increase the output characteristics or increase the energy capacity of such a sodium-sulfur battery, enlargement of the area is an important factor. To this end, it is necessary to apply a large-area electrolyte material in addition to increasing the amount of the active material to be supported.
그러나, 전해질을 대면적화할 경우 이와 연결된 절연체의 크기도 함께 증가하게 되어, 절연체와 절연체에 접합되는 금속재의 접합부위 면적도 커지게 된다.However, when the electrolyte is large-sized, the size of the insulator connected to the electrolyte also increases, so that the area of the junction of the insulator and the metal material bonded to the insulator also increases.
통상 열팽창계수가 서로 다른 이종 소재를 접합할 경우 열팽창계수의 차이에 의해 열응력이 발생하게 되는 데, 이 값은 접합부의 면적과 밀접한 관계가 있다. 즉, 전해질 소재의 대면적화에 의해 금속과 세라믹간의 접합 부위가 확대되면 이와 비례하여 열응력이 커지게 되고, 이 값이 절연체 소재의 해당 온도에서의 파괴 강도를 넘어설 경우 균열이 발생하면서 전지의 실링이 파괴된다. 이에 전지 동작이 중지되고 심할 경우 전지의 발화로 이어지는 문제가 있다.When different materials with different thermal expansion coefficients are bonded to each other, thermal stress is generated due to the difference in thermal expansion coefficient. This value is closely related to the area of the joint. That is, when the junction between the metal and the ceramic is enlarged due to the large-sized electrolyte material, the thermal stress is increased in proportion thereto. If this value exceeds the breaking strength at the corresponding temperature of the insulator material, The sealing is destroyed. There is a problem that when the battery operation is stopped and the battery operation is severe, the battery is ignited.
상기 절연체와 금속재의 접합 강도를 확보하기 위해, 절연체에는 금속재질의 금속칼라와 양극브라켓이 열간압축접합(TCB;Thermal Compression Bonding) 공정을 통해 접합된다. 열압축접합 공정의 경우 고진공에서 높은 압력을 가하여 접합이 이루어져 접합강도는 우수하나, 공정 시간이 길고 설비 비용이 높아 제품의 원가가 상승되는 단점이 있다. In order to ensure the bonding strength between the insulator and the metallic material, a metal collar made of a metal and a cathode bracket are bonded to the insulator through a thermal compression bonding (TCB) process. In the case of the heat compression bonding process, high pressure is applied in a high vacuum to bond, so that the bonding strength is excellent, but the manufacturing cost is high and the cost of the product is increased because the process time is long.
절연체와 금속재를 접합하기 위한 공정으로 상기 열압축접합 방식 외에 진공이 불필요하고 대량 제조가 용이한 브레이징이나 초음파 접합 공정 등을 적용할 수 있으나, 이러한 공정의 경우 전지의 대용량화에 따라 절연체와 금속재간의 접합부 면적이 커지게 되면 접합면에서 발생되는 높은 응력으로 절연체가 파손되는 문제가 있다. A brazing process or an ultrasonic bonding process which does not require a vacuum in addition to the thermal compression bonding process and which can be easily mass-produced can be applied as a process for bonding an insulator and a metallic material. However, in such a process, When the area becomes large, there is a problem that the insulator is broken due to high stress generated at the joint surface.
전지 용량 증대로 전해질이 대면적화하더라도 절연체와 금속재간의 접합부 파손을 방지할 수 있도록 된 나트륨 유황 전지를 제공한다.The present invention provides a sodium sulfur battery capable of preventing breakage of a junction between an insulator and a metal material even if the electrolyte is enlarged due to an increase in cell capacity.
또한, 대면적의 세라믹과 금속재의 접합에 있어서, 보다 저비용으로 우수한 접합력을 확보할 수 있도록 된 나트륨 유황 전지를 제공한다.In addition, a sodium sulfur battery capable of securing an excellent bonding force at a lower cost in joining a large-area ceramic and a metal material is provided.
또한, 대용량의 전지를 보다 낮은 비용으로 제조할 수 있도록 된 나트륨 유황 전지를 제공한다.The present invention also provides a sodium sulfur battery capable of manufacturing a large-capacity battery at a lower cost.
본 실시예의 나트륨 유황 전지는 나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 평판 형태의 고체전해질, 유황을 수용하고 상기 고체전해질의 일면에 배치되는 양극실, 나트륨을 수용하고 양극실에 대해 상기 고체전해질의 반대쪽 면에 배치되는 음극실, 상기 양극실과 음극실 사이를 절연하는 절연체, 상기 절연체에 연결되어 상기 양극실을 밀봉하는 양극판, 상기 절연체에 연결되어 음극실을 밀봉하는 음극판을 포함하고,The sodium-sulfur battery of this embodiment comprises a solid electrolyte in the form of a flat plate for selectively transferring only sodium ions, an anode chamber accommodating sulfur and disposed on one surface of the solid electrolyte, an anode chamber accommodating sodium and containing sodium on the opposite side of the solid electrolyte And a negative electrode plate connected to the insulator and sealing the negative electrode chamber, wherein the negative electrode plate is disposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate,
상기 절연체는 평판 형태로 이루어져 고체전해질의 일면에 배치되어 고체전해질과 접합되고, 고체전해질과 절연체 사이의 내부 공간이 음극실을 형성하며,The insulator is in the form of a flat plate and is disposed on one side of the solid electrolyte and bonded to the solid electrolyte. The inner space between the solid electrolyte and the insulator forms a cathode chamber,
상기 절연체의 중앙에는 음극실과 연통되는 홀이 형성되고, 상기 음극판이 절연체 외측에서 홀 주위를 따라 접합되어 상기 음극실과 연결되며,A hole communicating with the cathode chamber is formed at the center of the insulator, the cathode plate is connected to the cathode chamber by being bonded to the outside of the insulator along the periphery of the hole,
상기 양극판은 외측 선단에 고체전해질과 절연체의 측단을 감싸도록 연장되는 측판이 결합되고, 측판 선단에는 절연체 외면에 배치되는 상판이 결합되며, 상기 상판은 중앙에 구멍이 형성되어 상기 음극판과 이격되어 절연체에 접합되는 구조일 수 있다.The upper plate has a hole formed at the center thereof and spaced apart from the cathode plate, and the upper plate is connected to the lower plate. The upper plate is connected to a side plate extending to surround the solid electrolyte and a side end of the insulator. As shown in Fig.
상기 상판과 절연체의 접합부는 상판과 마주하는 절연체 전면 중 중심쪽에 치우쳐 형성될 수 있다.The junction portion of the upper plate and the insulator may be formed to be shifted toward the center of the insulator front surface facing the upper plate.
상기 양극판의 상판은 절연체와 마주하는 전면 중 구멍쪽 내측 선단부에서 절연체와 접합된 구조일 수 있다.The upper plate of the cathode plate may have a structure in which the insulator is bonded to the insulator at an inner front end portion of the hole in the front face.
상기 절연체 중심을 기준으로 상판과 절연체 사이에 형성되는 접합부의 외측 선단이 이루는 외경은 60mm 이하의 크기로 형성될 수 있다. The outer diameter of the outer end of the joint portion formed between the upper plate and the insulator with respect to the center of the insulator may be 60 mm or less.
상기 절연체 중심을 기준으로 상판과 절연체 사이에 형성되는 접합부의 외측 선단이 이루는 외경은 상기 접합부의 외측 선단과 내측선단 사이의 폭이 5mm 이상이 되는 크기로 형성될 수 있다.The outer diameter formed by the outer ends of the joint portions formed between the upper plate and the insulator with respect to the center of the insulator may be such that the width between the outer end and the inner end of the joint is 5 mm or more.
상기 절연체는 상판 또는 상기 음극판과의 접합부에 돌기가 외측으로 돌출 형성되고, 상기 돌기는 일측에 경사면이 형성되어 상기 상판 또는 음극판이 경사면에 접합되는 구조일 수 있다.The insulator may have a structure in which a protrusion is protruded outward at a joint portion between the upper plate or the negative plate and the slope is formed at one side of the protrusion so that the upper plate or the negative plate is bonded to the slope.
상기 상판 또는 상기 음극판은 절연체에 브레이징 접합된 구조일 수 있다.The upper plate or the negative plate may have a structure that is brazed to an insulator.
상기 상판 또는 상기 음극판은 절연체에 초음파 접합된 구조일 수 있다.The upper plate or the negative plate may have a structure that is ultrasonically bonded to an insulator.
이와 같이 본 실시예에 의하면, 절연체와 금속재 간의 접합부 면적을, 절연체에 가해지는 응력에 의해 절연체가 파손되지 않는 범위로 한정시켜 저가의 접합 공정을 통해서도 손상없이 내구성이 우수한 대용량의 전지를 제조할 수 있게 된다.As described above, according to the present embodiment, it is possible to manufacture a large-capacity battery excellent in durability without damaging through a low-cost bonding process by limiting the area of the junction between the insulator and the metallic material to a range where the insulator is not damaged by the stress applied to the insulator .
또한, 낮은 비용으로 절연체와 금속재를 접합할 수 있어 전지 제조 원가를 낮추고 가격 경쟁력을 확보할 수 있게 된다.Further, since the insulator and the metal material can be bonded at a low cost, the manufacturing cost of the battery can be lowered and the price competitiveness can be ensured.
도 1은 본 실시예에 따른 나트륨 유황 전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 또다른 실시예에 따른 나트륨 유황 전지로 접합부의 구조를 도시한 개략적인 도면이다.1 is a cross-sectional view of a sodium sulfur battery according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic view showing the structure of a junction with a sodium sulfur battery according to another embodiment.
이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to limit the invention. The singular forms as used herein include plural forms as long as the phrases do not expressly express the opposite meaning thereto. Means that a particular feature, region, integer, step, operation, element and / or component is specified, and that other specific features, regions, integers, steps, operations, elements, components, and / And the like.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 이에, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. Accordingly, the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.
도 1은 본 실시예에 따른 나트륨 유황 전지를 도시하고 있다.1 shows a sodium sulfur battery according to this embodiment.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 나트륨 유황 전지(이하, 전지(10)라 한다)는 나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 평판 형태의 고체전해질(12), 유황을 수용하고 상기 고체전해질(12)의 일면에 배치되는 양극실(14), 나트륨을 수용하고 양극실(14)에 대해 상기 고체전해질(12)의 반대쪽 면에 배치되는 음극실(16), 상기 양극실과 음극실 사이를 절연하는 절연체(18), 상기 절연체(18)에 연결되어 상기 양극실(14)을 밀봉하는 양극판(20), 상기 절연체(18)에 연결되어 음극실(16)을 밀봉하는 음극판(30)을 포함한다.1, a sodium sulfur battery (hereinafter referred to as a battery 10) of the present embodiment includes a
본 실시예에서 상기 전지(10)는 납작한 평판 형태의 전지를 이룬다. 이하 설명에서 상 또는 상부라 함은 도 1에서 위쪽을 의미하며, 하 또는 하부라 함은 그 반대인 아래쪽을 의미한다. In this embodiment, the
상기 고체전해질(12)은 나트륨 이온을 통과시킬 수 있는 베타알루미나 세라믹으로 이루어진다. 본 실시예에서 상기 고체전해질(12)은 평면의 판 구조로 되어 있다. 상기 고체전해질(12)은 디스크와 같은 원판 형태를 이루어지며, 원판 형태 외에 사각 등의 다각형태로 이루어질 수 있고, 평판 구조이면 그 형태에 있어서 특별히 한정되지 않는다. 상기 고체전해질(12)의 양면 즉, 하부면과 상부면에 각각 양극실(14)과 음극실(16)이 형성된다.The
상기 양극실(14)은 고체전해질(12) 하부에 위치한다. 양극판(20)과 고체전해질(12) 사이의 공간이 양극실(14)을 형성한다. 양극실(14) 내부에는 유황이 담겨진 펠트집전체(19)가 채워진다. 펠트집전체(19)는 예를 들어, 내부에 기공이 형성된 탄소펠트로, 기공 내에 유황이 담겨지게 된다. 상기 펠트집전체의 형태는 양극실(14)의 형태와 대응될 수 있다. 양극실(14) 내부 공간에는 질소 가스나 아르곤 가스 등의 불활성가스가 소정의 압력으로 채워질 수 있다. The anode chamber (14) is located under the solid electrolyte (12). A space between the
상기 절연체(18)는 알파알루미나 세라믹으로 이루어져 음극과 양극의 쇼트(short)를 방지한다.본 실시예에서, 상기 절연체(18)는 평판 형태로 이루어져 고체전해질의 상부면에 배치되어 고체전해질(18)과 접합된다. 절연체(18)은 고체전해질(12)과 유리 밀봉재를 이용하여 고온에서 접합된다. 상기 절연체(18)는 대략 상기 고체전해질과 대응되는 크기로 이루어진다. 상기 절연체(18)는 외주부 하단이 고체전해질과 접합되어 고체전해질(12)과 절연체(18) 사이의 내부 공간이 음극실(16)을 형성한다. 상기 절연체는 고체전해질과 마주하는 하단면이 홈 형태로 움푹 파여 있어 고체전해질에 절연체의 외주부 하단이 접합되면 상기와 같이 홈 형태로 움푹 파인 부분이 고체전해질과 절연체 사이의 공간을 형성된다. 상기 공간이 음극실을 이루게 된다. 또한, 상기 절연체(18)의 중앙에는 음극실과 연통되는 홀(17)이 형성된다. The
이와 같이, 본 실시예의 전지(10)는 평판 형태의 전지로, 절연체(18)가 평판 형태를 이루어 고체전해질(12)의 상부면에 배치된다. As described above, the
평판 형태를 갖는 전지의 경우 에너지 용량을 증대시키기 위해서는 전해질 소재의 대면적화에 따라 절연체의 크기가 커지게 되며 이에 따라 절연체와 금속재인 양극판과 음극판의 접합면적 역시 커지게 된다.In the case of a battery having a flat plate shape, in order to increase the energy capacity, the size of the insulator becomes larger as the electrolytic material becomes larger in size, so that the area of contact between the insulator and the cathode and anode plates becomes larger.
본 실시예의 경우, 상기와 같이 평판형태의 전지 구조이면서 절연체(18)가 고체전해질(12)의 상부면에 배치되어, 금속재인 양극판(20)과 음극판(30)을 세라믹 재질인 절연체(18)의 중심쪽으로 접합시킬 수 있게 된다. 따라서, 본 전지(10)는 절연체(18)의 크기에 관계없이 금속재와의 접합면적을 최소화할 수 있어, 금속재와 세라믹 간의 열팽창 계수 차이에 의해 절연체에 가해지는 열응력을 최소화할 수 있게 된다.The
상기 절연체(18)는 양극판(20)과 음극판(30)을 전기적으로 절연시킨다. The
본 실시예에서 상기 음극판(30)과 양극판(20)은 모두 절연체(18)의 상부면에서 접합된다.In the present embodiment, both the
이를 위해, 상기 음극판(30)은 대략 상기 홀(17)을 덮을 수 있는 정도의 직경을 갖는 원판 형태를 이루어져 상기 절연체(18) 상부면 중앙부에 접합된다. 상기 음극판(30)은 홀(17) 주위를 따라 절연체(18)와 접합되어 상기 음극실(16)을 밀봉하면서 음극실과 전기적으로 연결된다. 이하 설명의 편의를 위해 상기 음극판(30)과 절연체(18) 사이의 접합부를 음극접합부(30)라 칭한다. 상기 음극접합부(30)는 절연체(18)의 중심인 홀(17)을 중심으로 원형으로 형성된다. For this, the
이와 같이, 상기 음극판(30)을 절연체(18)의 중앙부에 배치하여 절연체(18)와의 음극접합부(30)가 절연체(18) 중심쪽에 근접하여 형성될 수 있다. 이에, 고체전해질(12)이 대면적화하여 절연체(18)의 크기가 커지더라도 음극판(30)과 절연체(18) 사이의 음극접합부(30)의 접합면적을 열응력에 의한 절연체 파손 발생 수준 이하로 제한할 수 있게 된다. 금속재의 열팽창계수와 세라믹재의 열팽창계수 차이에 의해 절연체에는 열응력이 가해지게 되고, 열응력은 금속재와 세라믹재 사이의 접합면적에 비례하여 커지게 된다. 이에, 절연체의 허용 열응력 이상의 값이 절연체에 가해지게 되면 절연체는 파손된다. 상기 접합면적을 열응력에 의한 절연체에 파손이 발생되는 값 이하로 제한하게 되면 절연체의 파손을 방지할 수 있게 된다.In this way, the
이에, 절연체(18)가 커지더라도 절연체(18) 중심에 대한 음극접합부(30)의 직경을 제한하여, 음극접합부(30)의 접합면적을 일정 수준 이하로 계속 제한할 수 있게 된다. 따라서, 절연체(18)의 크기에 관계없이 음극판(30)과 절연체(18) 사이의 음극접합부(30)에 가해지는 열응력은 계속 허용 수준 이하가 되어 전지 용량이 커지더라도 열응력에 의한 절연체(18) 파손을 방지할 수 있게 된다.Thus, even if the size of the
또한, 본 실시예에서 상기 양극판(20)은 대략 고체전해질(12)과 대응되는 크기를 갖는 원판 형태를 이루어 고체전해질(12) 하부에 배치된다. 상기 양극판(20)과 고체전해질(12) 사이의 공간이 양극실(14)을 이룬다. 상기 양극판(20)은 외측 선단에 결합되어 고체전해질(12)과 절연체(18)의 측단을 감싸도록 연장되는 측판(22)과, 상기 측판(22)의 상단에 결합되고 절연체(18) 외면에 배치되는 상판(24)을 포함한다. 즉, 상기 양극판(20)은 측판(22)과 상판(24)을 통해 상기 절연체(18)에 접합된다. 상기 측판(22)의 상단은 절연체(18) 위쪽으로 연장된다. 상기 양극판(20)과 측판(22)은 하나의 용기 형태를 이루어 양극실과 고체전해질(12) 및 전해질(12)을 감싼다. In addition, in the present embodiment, the
상기 측판(22)의 상단에는 절연체(18) 외면에 배치되는 상판(24)이 결합된다. 상기 상판(24)은 음극판(30)과 이격될 수 있도록 중앙에 구멍(26)이 형성된다. 상기 상판(24)은 중앙에 구멍(26)이 형성된 링 형태의 판 구조물로, 절연체(18) 상부면에 배치되어 절연체(18)에 접합된다. 이에, 양극판(20)은 측판(22)과 상판(24)을 매개로 절연체(18)에 접합된다. 이하 설명의 편의를 위해 상기 상판(24)과 절연체(18) 사이의 접합부를 양극접합부(28)라 한다. 상기 양극접합부(28)는 상기 구멍(26)을 따라 원형으로 형성된다.And an
여기서, 상기 양극접합부(28)는 상판(24)과 마주하는 절연체(18) 전면 중 절연체(18)의 중심쪽에 치우쳐 형성된다. 본 실시예는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 상판(24)이 절연체(18)와 마주하는 전면 중 구멍(26)쪽의 내측 선단부에서 절연체(18)와 접합된 구조로 되어 있다. The
이와 같이, 본 전지는 상기 상판(24)과 절연체(18)를 접합함에 있어서, 양극접합부(28)가 절연체(18) 중심쪽에 근접하여 형성될 수 있다. 이에, 고체전해질(12)이 대면적화하여 절연체(18)의 크기가 커지더라도 양극접합부(28)의 접합면적을 열응력에 의한 절연체(18) 파손 발생 수준 이하로 제한할 수 있게 된다.As described above, in the present battery, when the
언급한 바와 같이, 금속재의 열팽창계수와 세라믹재의 열팽창계수 차이에 의해 절연체에는 열응력이 가해지게 된다. 열응력은 금속재와 세라믹재 사이의 접합면적에 비례하여 커지게 된다. 이에, 접합면적이 커져 절연체의 허용 열응력 이상의 값이 절연체에 가해지게 되면 절연체는 파손된다. 상기 접합면적을 열응력에 의한 절연체에 파손이 발생되는 값 이하로 제한하게 되면 절연체의 파손을 방지할 수 있게 된다. As mentioned above, thermal stress is applied to the insulator due to the difference between the thermal expansion coefficient of the metallic material and the thermal expansion coefficient of the ceramic material. The thermal stress is increased in proportion to the bonding area between the metal material and the ceramic material. Thus, if the junction area increases and a value equal to or higher than the permissible thermal stress of the insulator is applied to the insulator, the insulator is damaged. If the bonding area is limited to a value lower than a value at which breakage occurs in the insulator by thermal stress, breakage of the insulator can be prevented.
종래의 전지는 절연체가 고체전해질 외주면에 접합되므로, 고체전해질이 커지게 되면 절연체의 직경은 이보다 더 커지고, 절연체와 금속재 사이의 접합면적 역시 커져 절연체에 가해지는 열응력에 의해 절연체가 파손된다. 따라서, 종래 전지의 경우 고체전해질을 일정 크기 이상 크게 형성할 수 없어 고체전해질의 대면적화를 통해 대용량의 전지를 구현하기 어려웠다.In the conventional battery, since the insulator is bonded to the outer surface of the solid electrolyte, the diameter of the insulator becomes larger when the solid electrolyte becomes larger, and the area of contact between the insulator and the metal becomes larger, and the insulator is damaged by the thermal stress applied to the insulator. Therefore, in the case of the conventional battery, the solid electrolyte can not be formed larger than a certain size, and it is difficult to realize a large-capacity battery through the large-sized solid electrolyte.
그러나, 본 실시예의 경우, 절연체(18)가 커지더라도 접합 위치를 절연체의 중심쪽에 위치하도록 하고, 절연체(18) 중심에 대한 양극접합부(28)의 직경을 제한하여, 양극접합부(28)의 접합면적을 일정 수준 이하로 계속 제한할 수 있게 된다. 따라서, 절연체(18)의 크기에 관계없이 양극접합부(28)에 가해지는 열응력은 계속 허용 수준 이하가 되어 전지 용량이 커지더라도 열응력에 의한 절연체(18) 파손을 방지할 수 있게 된다.However, in the case of this embodiment, even if the size of the
양극접합부(28)의 접합 면적은 내측 선단인 내경과 외측 선단인 외경의 크기에 의해 결정된다. 상기 양극접합부(28)의 내경은 외경보다 작고 구멍에 의해 한정되므로 양극접합부(28)의 면적은 외경의 크기에 의해 크게 달라지게 된다.The joining area of the anode
본 실시예에서, 상기 절연체(18) 중심을 기준으로 상판(24)과 절연체(18) 사이의 양극접합부(28)는 외측 선단이 이루는 외경(D)이 60mm 이하의 크기로 형성될 수 있다. 또한, 상기 양극접합부의 외측 선단이 이루는 외경(D)은 최소 양극접합부의 외측 선단과 내측선단 사이의 폭(W)이 5mm 이상이 되는 크기로 형성될 수 있다.The outer diameter D formed by the outer end of the
이에 양극접합부(28)의 외측 선단이 이루는 외경(D)의 크기가 상기 60mm 를 넘게되면 양극접합부의 접합면적이 금속재의 세라믹간의 열팽창계수 차이에 따른 절연체(18)의 허용 열응력치를 넘어 절연체(18)가 파손되는 문제가 발생된다. 양극접합부(28)의 외경(D)이 줄어 양극접합부의 폭(W)이 5mm 이하가 되면 접합력이 충분하지 않아 절연체(18)에서 상판(24)이 분리될 위험이 높고 전지의 수명이 저하되는 문제가 있다.When the outer diameter D formed by the outer tip of the
상기 알루미늄 합금과 같이 금속재로 이루어진 상판(24)과 알파알루미나 세라믹재질인 절연체(18)는 종래와 같이 열간압축접합(TCB;Thermal Compression Bonding) 공정을 통해 접합될 수 있다.The
본 실시예에서, 상기 상판(24)과 절연체(18)는 상기 열압축접합 공정과 비교하여 상대적으로 저가의 공정인 브레이징 접합 또는 초음파 접합을 통해 접합될 수 있다. 브레이징 접합은 절연체의 세라믹 소재 표면을 메탈라이징한 후 이를 금속재와 고온 반응시켜 접합하는 것이며, 초음파 접합은 절연체인 세라믹 소재와 금속재 사이에 접합재를 삽입한 후 초음파를 조사하여 결합하는 것이다. 브레이징 접합과 초음파접합에 대해서는 많은 기술이 개시되어 있으므로 이하 상세한 설명은 생략한다.In this embodiment, the
언급한 바와 같이, 상기 상판(24)과 절연체(18)는 접합부에서의 열응력에 의해 절연체(18)가 파손되는 범위 이하의 면적으로 접합이 가능하다. 이에, 고체전해질(12)의 면적을 늘려 전지를 대용량화하더라도 브레이징 접합이나 초음파 접합으로 상판(24)과 절연체(18)를 접합해도 무방하며, 절연체(18)는 파손되지 않는다. 따라서, 본 실시예의 전지는 상대적으로 고가의 공정인 열간압축접합을 실시하지 않고 저가의 브레이징이나 초음파 접합을 실시하여 전지의 제조 원가를 대폭 낮출 수 있게 된다.As described above, the
도 2와 도 3은 각각 본 전지의 또다른 실시예들을 도시하고 있다. 2 and 3 show another embodiment of the present battery.
도 2와 도 3의 실시예에 따른 전지는 절연체(18)의 접합부 구조를 제외하고 위에서 설명한 전지의 구조와 동일하므로, 이하 설명에서 동일한 구성에 대해서는 동일 부호를 사용하며 그 상세한 설명은 생략한다.The battery according to the embodiment of FIGS. 2 and 3 is the same as the structure of the battery described above except for the junction structure of the
본 실시예에서 상기 절연체(18)는 상판(24) 또는 상기 음극판(30)과의 접합되는 부분에 돌기(40)가 외측으로 돌출 형성되고, 상기 돌기(40)는 일측에 경사면(42)이 형성되어 상기 상판(24) 또는 음극판(30)이 경사면(42)에 접합되는 구조로 되어 있다. The
상기 돌기(40)는 절연체(18) 상부에 사다리꼴 단면 형태로 형성될 수 있다. 돌기(40)의 바깥쪽 측면이 경사면(42)을 이룬다. 또한, 상기 상판(24) 또는 음극판(30)은 돌기(40)의 경사면(42)에 접합 수 있도록 경사면(42)을 따라 굽어진 형태를 이룬다. The
도 2의 실시예에 도시된 바와 같이, 상기 상판(24) 또는 음극판(30)은 굽어진 선단부가 돌기(40)의 바깥쪽 경사면(42)에 접하여 경사면(42)에만 접합되는 구조일 수 있다.2, the
상기한 구조 외에 도 3의 실시예에 도시된 바와 같이, 상기 상판(24) 또는 음극판(30)은 굽어진 선단부가 돌기(40)의 경사면(42)에 접하며, 경사면(42)과 경사면에 이웃하는 돌기의 외면에 걸쳐 접합되는 구조일 수 있다.3, the upper end of the
이에, 상기 실시예에서 상판(24)과 절연체(18) 사이의 양극접합부(28)는 돌기(40)의 바깥쪽 경사면(42)이나 경사면을 포함하는 돌기 표면에 형성된다. 또한, 음극판(30)과 절연체(18) 사이의 음극접합부(30)는 돌기(40)의 경사면(42)이나 경사면을 포함하는 돌기 표면에 형성된다.The
금속재인 상판(24) 또는 음극판(30)이 돌기(40)를 감싸면서 돌기의 외측면에 형성된 경사면(42)에 접합됨으로써, 열팽창 차이에 의해 세라믹 소재인 절연체(18)에 발생하는 응력이 압축응력으로 인가되므로 절연체의 파괴 가능성이 낮아지게 된다. The
이와 같이, 양극접합부(28) 또는 음극접합부(30)가 절연체(18)에 돌출된 돌기(40)에 형성됨으로써, 절연체(18)에 가해지는 열응력을 보다 더 줄일 수 있게 된다. 상기 As described above, since the
실시예Example
본 실시예에 따른 전지와 종래 기술의 전지를 제조하여 금속재와 절연체 사이의 접합력에 대해 실험을 실시하였다.A battery according to this embodiment and a battery according to the prior art were manufactured, and the bonding force between the metal material and the insulator was tested.
아래 표 1에서 실시예는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 전지이고, 비교예는 종래기술에 따라 제조된 전지이다. 실시예와 비교예 모두 절연체의 크기는 동일하며, 절연체에 접합되는 금속재로 Al3003 알루미늄 합금을 사용하였다. The examples in Table 1 below are cells manufactured according to an embodiment of the present invention, and the comparative example is a battery manufactured according to the prior art. In both the examples and the comparative examples, the size of the insulator was the same, and Al3003 aluminum alloy was used as the metal material bonded to the insulator.
금속재와 절연체 사이의 접합은 열간압축접합과 브레이징 접합 및 초음파 접합 공정을 통해 각각 이루어졌다. 접합이 완료된 전지는 헬륨가스를 사용한 리크(leak) 평가를 실시하였다. 헬륨 가스를 이용한 리크 실험은 챔버 내에 제작된 전지를 넣고 진공 처리한 후 헬륨을 가압하여 챔버 내에 주입한 후 전지 내부로 강제적으로 주입될 수 있도록 하여 실시하였다. 리크 평가는 전지를 작동온도인 300℃와 상온 사이에서 승온과 강온을 5회 반복한 후, 처리된 전지를 헬륨 가스 농도 측정기를 이용하여 외부로 방출되는 헬륨 가스의 농도를 계측하여 이루어졌다.The bonding between the metal and the insulator was achieved through hot compression bonding, brazing bonding and ultrasonic bonding. The bonded cell was subjected to leakage evaluation using helium gas. The leakage experiment using the helium gas was performed by injecting the battery manufactured in the chamber and vacuuming the helium gas, injecting helium into the chamber, and forcing it into the cell. Leak evaluation was performed by repeating the temperature rise and the temperature decrease five times between the operating temperature of 300 DEG C and room temperature, and measuring the concentration of helium gas emitted to the outside by using a helium gas concentration meter.
직경(mm)Electrolyte
Diameter (mm)
실험 결과 표 1에 도시된 바와 같이, 비교예의 경우 헬륨 가스 측정을 통해 전지의 리크가 확인되었으나, 본 실시예의 경우 승강온 반복 시험 후에도 리크없이 양호한 전지 실링이 유지됨을 확인할 수 있다.Experimental Results As shown in Table 1, in the comparative example, leakage of the battery was confirmed by measuring the helium gas. However, in this embodiment, good battery sealing is maintained without leakage even after the lift-on repetitive test.
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.While the illustrative embodiments of the present invention have been shown and described, various modifications and alternative embodiments may be made by those skilled in the art. Such variations and other embodiments will be considered and included in the appended claims, all without departing from the true spirit and scope of the invention.
10 : 전지 12 : 고체전해질
14 : 양극실 16 : 음극실
17 : 홀 19 : 펠트집전체
18 : 절연체 20 : 양극판
22 : 측판 24 : 상판
26 : 구멍 28 : 양극접합부
30 : 음극판 32 : 음극접합부
40 : 돌기 42 : 경사면10: Battery 12: Solid electrolyte
14: anode chamber 16: cathode chamber
17: Hole 19: Felt collector
18: insulator 20: positive electrode plate
22: side plate 24: top plate
26: hole 28: anode connection
30: cathode plate 32: cathode joint
40: projection 42:
Claims (8)
상기 절연체는 평판 형태로 이루어져 고체전해질의 일면에 배치되어 고체전해질과 접합되고, 고체전해질과 절연체 사이의 내부 공간이 음극실을 형성하며, 상기 절연체의 중앙에는 음극실과 연통되는 홀이 형성되고, 상기 음극판이 절연체 외측 중앙부에 홀 주위를 따라 접합되어 상기 음극실과 연결되며, 상기 양극판은 외측 선단에 고체전해질과 절연체의 측단을 감싸도록 연장되는 측판이 결합되고, 측판 선단에는 절연체 외면에 배치되는 상판이 결합되며, 상기 상판은 중앙에 구멍이 형성되어 상기 음극판과 이격되어 절연체에 접합되는 구조의 나트륨 유황 전지.An anode chamber that accommodates sulfur and is disposed on one surface of the solid electrolyte; a cathode chamber that contains sodium and is disposed on the opposite surface of the anode chamber with respect to the anode chamber; And a negative electrode plate connected to the insulator to seal the negative electrode chamber, wherein the positive electrode plate is connected to the insulator,
Wherein the insulator is in the form of a flat plate and is disposed on one side of the solid electrolyte and is joined to the solid electrolyte, wherein an inner space between the solid electrolyte and the insulator forms a cathode chamber, a hole communicating with the cathode chamber is formed at the center of the insulator, The cathode plate is connected to the cathode chamber at the outer center portion of the insulator and connected to the cathode chamber. The cathode plate is coupled to a side plate extending to surround the solid electrolyte and the insulator at the outer end, And the upper plate has a hole formed at the center thereof and spaced apart from the negative plate to be bonded to an insulator.
상기 절연체는 상판 또는 상기 음극판과의 접합부에 돌기가 외측으로 돌출 형성되고, 상기 돌기는 일측에 경사면이 형성되어 상기 상판 또는 음극판이 경사면에 접합되는 구조의 나트륨 유황 전지.The method according to claim 1,
Wherein the insulator has protrusions protruding outwardly from a joint portion between the upper plate or the negative plate and the protrusions are formed at one side with an inclined surface so that the upper plate or the negative plate is bonded to the inclined surface.
상기 상판과 절연체의 접합부는 상판과 마주하는 절연체 전면 중 중심쪽에 치우쳐 형성된 구조의 나트륨 유황 전지.3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the junction of the upper plate and the insulator is biased to the center of the insulator facing the upper plate.
상기 양극판의 상판은 절연체와 마주하는 전면 중 구멍쪽 내측 선단부에서 절연체와 접합된 구조의 나트륨 유황 전지.The method of claim 3,
Wherein the upper plate of the positive electrode plate is joined to the insulator at an inner front end of the hole in the front face facing the insulator.
상기 절연체 중심을 기준으로 상판과 절연체 사이에 형성되는 접합부의 외측 선단이 이루는 외경은 60mm 이하의 크기로 형성되는 나트륨 유황 전지.5. The method of claim 4,
Wherein an outer diameter of the outer end of the joint portion formed between the upper plate and the insulator with respect to the center of the insulator is 60 mm or less.
상기 절연체 중심을 기준으로 상판과 절연체 사이에 형성되는 접합부의 외측 선단이 이루는 외경은 상기 접합부의 외측 선단과 내측선단 사이의 폭이 5mm 이상이 되는 크기로 형성되는 나트륨 유황 전지.6. The method of claim 5,
Wherein an outer diameter formed by an outer end of a joint portion formed between the upper plate and the insulator with respect to the center of the insulator is formed to be 5 mm or more in width between an outer end and an inner end of the joint.
상기 상판 또는 상기 음극판은 절연체에 브레이징 접합된 구조의 나트륨 유황 전지.The method according to claim 6,
Wherein the upper plate or the negative electrode plate is brazed to an insulator.
상기 상판 또는 상기 음극판은 절연체에 초음파 접합된 구조의 나트륨 유황 전지.The method according to claim 6,
Wherein the upper plate or the negative plate is ultrasonically bonded to an insulator.
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