KR20160032773A - Electrolyte solution comprising sulfur dioxide based gallium inorganic electrolyte and sodium-sulfur dioxide secondary battery having the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 나트륨계 이차 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분극 현상을 억제하고 보다 안정적인 전기화학적 특성을 가지는 이산화황 기반의 갈륨계 무기물을 전해질로 포함하는 전해액 및 그를 갖는 나트륨-이산화황(Na-SO2) 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a sodium-based secondary battery, and more particularly sodium having suppressed polarization and electrolytic solution and him including a gallium-based mineral of sulfur dioxide based on having a more stable electrochemical characteristics as the electrolyte-sulfur (Na-SO 2 ) Secondary battery.
전자제품의 디지털화와 고성능화 등으로 소비자의 요구가 바뀜에 따라 시장요구도 박형, 경량화와 고에너지 밀도에 의한 고용량을 지니는 전지의 개발로 흐름이 바뀌고 있는 상황이다. 또한, 미래의 에너지 및 환경 문제를 대처하기 위하여 하이브리드 전기 자동차나 전기 자동차, 및 연료전지 자동차의 개발이 활발히 진행되고 있는 바, 자동차 전원용으로 전지의 대형화가 요구되고 있다.As consumers' demands have changed due to digitization and high performance of electronic products, market demand is changing due to the development of batteries with high capacity due to thinness, light weight and high energy density. In addition, in order to cope with future energy and environmental problems, hybrid electric vehicles, electric vehicles, and fuel cell vehicles are being actively developed.
소형 경량화 및 고용량으로 충방전 가능한 전지로서 리튬 계열 이차 전지가 실용화되고 있으며, 소형 비디오 카메라, 휴대전화, 노트퍼스컴 등의 휴대용 전자 및 통신기기 등에 이용되고 있다. 리튬 이차 전지는 양극, 음극, 전해질로 구성되며, 충전에 의해 양극 활물질로부터 나온 리튬 이온이 음극 활물질에 삽입되고 방전시 다시 탈리되는 등의 양 전극을 왕복하면서 에너지를 전달하는 역할을 하기 때문에 충방전이 가능하다.Lithium secondary batteries have been put to practical use as batteries that can be miniaturized and lightweight and can be recharged with a high capacity, and are used in portable electronic devices such as portable video cameras, mobile phones, and notebook personal computers and communication devices. The lithium secondary battery is composed of an anode, a cathode, and an electrolyte. The lithium secondary battery is used to transfer energy while reciprocally moving both electrodes, such as lithium ions discharged from the cathode active material through charging, This is possible.
한편, 최근에는 리튬 대신에 나트륨을 이용한 나트륨 기반 이차 전지의 연구가 다시 재조명 되고 있다. 나트륨은 자원 매장량이 풍부하기 때문에 리튬 대신에 나트륨을 이용한 이차 전지를 제작할 수 있다면 이차 전지를 낮은 비용으로 제조할 수 있게 된다.Recently, research on sodium-based secondary batteries using sodium instead of lithium has been reexamined. Since sodium is abundant in resource reserves, secondary batteries can be manufactured at low cost if sodium secondary batteries can be manufactured instead of lithium.
상기한 바와 같이, 나트륨 기반 이차 전지는 유용하지만, 종래의 나트륨 금속 기반의 이차 전지, 예컨대 NAS(Na-S 전지), ZEBRA(Na-NiCl2 전지)는 실온에서 사용할 수 없다는 점, 즉, 고온에서의 액상 나트륨 및 정극 활물질 사용으로 인한 전지 안전성 문제 및 부식 문제로 인한 전지 성능 저하라는 점에 문제가 있다. 한편 최근 나트륨 이온의 탈삽입을 이용한 나트튬 이온 전지가 활발히 연구되고 있으나, 이들의 에너지 밀도 및 수명 특성은 아직 저조한 상황이다. 이 때문에, 실온에서 사용 가능하고 에너지 밀도 및 수명 특성이 우수한 나트륨 기반 이차 전지가 요구되고 있다.As described above, sodium-based secondary batteries are useful, but conventional sodium metal-based secondary batteries such as NAS (Na-S battery) and ZEBRA (Na-NiCl 2 battery) can not be used at room temperature, There is a problem in battery safety due to the use of liquid sodium and positive electrode active material in the battery and degradation of battery performance due to corrosion problem. On the other hand, recently, a sodium ion battery using sodium ion decontamination has been actively studied, but their energy density and lifetime characteristics are still poor. Therefore, there is a demand for a sodium-based secondary battery which is usable at room temperature and is excellent in energy density and lifetime characteristics.
이러한 문제점을 해소하기 위해서, 나트륨-이산화황(Na-SO2) 이차 전지가 소개되고 있다. 나트륨-이산화황 이차 전지는 상온 용융염 형태의 물질을 전해질로 사용하여 기존 리튬 이차 전지의 낮은 에너지 밀도를 크게 개선시키고 이를 이용하여 대용량 전력저장의 전력 공급원으로 사용 가능한 새로운 전지 시스템이다.In order to solve this problem, a sodium-sulfur dioxide (Na-SO 2 ) secondary battery has been introduced. The sodium-sulfur dioxide secondary battery is a new battery system that can be used as a power source for large-capacity power storage by using a material at room temperature molten salt as an electrolyte, which greatly improves the low energy density of existing lithium secondary batteries.
특히 나트륨-이산화황 이차 전지는 가격적으로 저렴한 Na를 사용함으로서 기존 리튬 이차 전지 대비 1/2 이하의 수준으로 가격을 낮출 수 있는 장점을 지닌 신규 전지 시스템이다.In particular, the sodium-sulfur dioxide secondary battery is a new battery system with the advantage of lowering the price to less than one-half of that of existing lithium secondary batteries by using low-cost sodium.
그러나 나트륨-이산화황 이차 전지의 충/방전 전압의 심각한 히스테리시스(hysterisis) 현상에 따른 분극은 전지의 전반적인 에너지 효율을 저하시켜 전반적인 전지의 성능의 감소를 야기하는데, 이는 현재 사용 중인 무기계 전해질을 구성하는 알루미늄과 이산화황 간의 결합력이 강하여 이산화황의 탈리가 용이하지 않음에 기인한다.However, the polarization due to the severe hysteresis phenomenon of the charge / discharge voltage of the sodium-sulfur dioxide secondary battery lowers the overall energy efficiency of the battery, resulting in a decrease in the overall performance of the battery. And sulfur dioxide is strong, so that it is not easy to desorb sulfur dioxide.
따라서 본 발명의 목적은 기존 나트륨-이산화황 이차 전지의 전지 평가 시 발생하는 심각한 분극 현상을 개선하여 전지의 전반적인 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 이산화황 기반의 갈륨계 무기 전해질을 포함하는 전해액 및 그를 포함하는 나트륨-이산화황 이차 전지를 제공하는 데 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide an electrolyte solution containing a sulfur dioxide-based gallium-based inorganic electrolyte capable of improving the overall energy efficiency of a battery by improving a serious polarization phenomenon occurring in the evaluation of a battery of a conventional sodium-sulfur dioxide secondary battery, - a sulfur dioxide secondary battery.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 나트륨을 함유하는 무기계 소재의 음극과, 탄소 소재의 양극 및 전해액을 포함하는 나트륨-이산화황 이차 전지를 제공한다. 이때 상기 전해액은 NaX 및 GaX3의 혼합물에 SO2 가스를 주입하여 제조한 이산화황 기반의 갈륨계 무기 전해질을 함유한다. X는 할로겐계 화합물, C1~C20을 지니는 포화 hydrocarbon(R), C1~C20을 지니는 불포화 hydrocarbon(R), OR 또는 SR을 포함한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a sodium-sulfur dioxide secondary battery comprising an anode of an inorganic material containing sodium, a cathode of a carbonaceous material and an electrolyte. The electrolytic solution contains a sulfur dioxide-based gallium-based inorganic electrolyte prepared by injecting SO 2 gas into a mixture of NaX and GaX 3 . X is a halogen-containing compound, saturated hydrocarbon (R) having C1-C20, unsaturated hydrocarbon (R) having C1-C20, OR or SR.
본 발명에 따른 나트륨-이산화황 이차 전지에 있어서, 상기 NaX 및 GaX3의 몰비는 2.0 : 1.0 ~ 1.0 : 2.0 일 수 있다.In the sodium-sulfur dioxide secondary battery according to the present invention, the molar ratio of NaX and GaX 3 may be 2.0: 1.0 to 1.0: 2.0.
본 발명에 따른 나트륨-이산화황 이차 전지에 있어서, 상기 이산화황 기반의 갈륨계 무기 전해질은 NaGaCl4-xSO2(1.5≤x≤3.0) 일 수 있다.In the sodium-sulfur dioxide secondary battery according to the present invention, the sulfur dioxide-based gallium-based inorganic electrolyte may be NaGaCl 4 -xSO 2 (1.5? X? 3.0).
본 발명에 따른 나트륨-이산화황 이차 전지에 있어서, 상기 전해액은 이산화황 기반의 알루미늄계 무기 전해질을 더 포함할 수 있다.In the sodium-sulfur dioxide secondary battery according to the present invention, the electrolyte may further include an aluminum-based inorganic electrolyte based on sulfur dioxide.
본 발명에 따른 나트륨-이산화황 이차 전지에 있어서, 상기 이산화황 기반의 알루미늄계 무기 전해질은 NaAlCl4-xSO2(1.5≤x≤3.0) 일 수 있다.In the sodium-sulfur dioxide secondary battery according to the present invention, the sulfur-based aluminum-based inorganic electrolyte may be NaAlCl 4 -xSO 2 (1.5? X? 3.0).
본 발명에 따른 나트륨-이산화황 이차 전지에 있어서, 상기 전해액은 NaGaCl4-xSO2와 NaAlCl4-xSO2의 혼합물일 수 있다.Sodium According to an embodiment of the invention sulfur dioxide a secondary battery, the electrolytic solution may be a mixture of NaGaCl 4 -xSO 2 and NaAlCl 4 -xSO 2.
본 발명은 또한, NaX 및 GaX3의 혼합물에 SO2 가스를 주입하여 제조한 이산화황 기반의 갈륨계 무기 전해질을 함유하는 전해액을 포함하는 나트륨-이산화황 이차 전지를 제공한다.The present invention also provides a sodium-sulfur dioxide secondary battery comprising an electrolyte containing a sulfur-dioxide-based gallium-based inorganic electrolyte prepared by injecting SO 2 gas into a mixture of NaX and GaX 3 .
본 발명은 또한, NaX 및 GaX3의 혼합물에 SO2 가스를 주입하여 제조한 이산화황 기반의 갈륨계 무기 전해질을 포함하는 나트륨-이산화황 이차 전지용 전해액을 제공한다. 여기서 X는 할로겐계 화합물, C1~C20을 지니는 포화 hydrocarbon(R), C1~C20을 지니는 불포화 hydrocarbon(R), OR 또는 SR을 포함한다.The present invention also provides an electrolyte for a sodium-sulfur dioxide secondary battery comprising a sulfur dioxide-based gallium-based inorganic electrolyte prepared by injecting SO 2 gas into a mixture of NaX and GaX 3 . Wherein X comprises a halogen-based compound, saturated hydrocarbon (R) having C1-C20, unsaturated hydrocarbon (R) having C1-C20, OR or SR.
본 발명에 따른 나트륨-이산화황 이차 전지용 전해액에 있어서, 상기 NaX 및 GaX3의 혼합물은 NaGaX4 일 수 있다.In the electrolyte for a sodium-sulfur dioxide secondary battery according to the present invention, the mixture of NaX and GaX 3 may be NaGaX 4 .
그리고 본 발명에 따른 나트륨-이산화황 이차 전지용 전해액에 있어서, 상기 NaX 및 GaX3의 혼합물은 상기 NaCl 및 GaCl3의 혼합한 NaGaCl4 일 수 있다.In the electrolyte for a sodium-sulfur dioxide secondary battery according to the present invention, the mixture of NaX and GaX 3 may be NaGaCl 4 mixed with NaCl and GaCl 3 .
본 발명에 따르면, 나트륨-이산화황 이차 전지용 전해액으로 이산화황과 킬레이트화(chelation)가 가능하지만 결합력이 약한 이산화황 기반의 갈륨계 무기 전해질을 사용함으로써, 기존의 나트륨-이산화황 이차 전지의 전지 평가 시 발생하는 심각한 분극 현상을 개선하여 전지의 전반적인 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, by using a gallium-based inorganic electrolyte based on sulfur dioxide which can chelate sulfur dioxide with an electrolyte for a sodium-sulfur dioxide secondary battery and has weak binding force, It is possible to improve the overall energy efficiency of the battery by improving the polarization phenomenon.
도 1은 본 발명에 따른 나트륨-이산화황 이차 전지를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 나트륨-이산화황 이차 전지의 SO2 저장 특성을 평가한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 나트륨-이산화황 이차 전지의 전지 특성을 평가한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 나트륨-이산화황 이차 전지의 수평 특성을 평가한 그래프이다.1 is a view for explaining a sodium-sulfur dioxide secondary battery according to the present invention.
2 is a graph showing an evaluation of SO 2 storage characteristics of a sodium-sulfur dioxide secondary battery according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
3 is a graph showing the battery characteristics of a sodium-sulfur dioxide secondary battery according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
4 is a graph showing the horizontal characteristics of a sodium-sulfur dioxide secondary battery according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.In the following description, only parts necessary for understanding embodiments of the present invention will be described, and descriptions of other parts will be omitted to the extent that they do not disturb the gist of the present invention.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary meanings and the inventor is not limited to the meaning of the terms in order to describe his invention in the best way. It should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are merely preferred embodiments of the present invention, and are not intended to represent all of the technical ideas of the present invention, so that various equivalents And variations are possible.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 나트륨-이산화황 이차 전지를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a sodium-sulfur dioxide secondary battery according to the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 나트륨-이산화황 이차 전지(100)는 탄소 양극(2), 나트륨 함유 음극(3) 및 이산화황 기반 무기 전해액(1)을 포함하며, 케이스(4)를 더 포함할 수 있다. 이때 이산화황 기반 무기 전해액(1)은 이산화황 기반 무기 전해질로 갈륨계 무기 전해질을 포함한다.1, the sodium-sulfur dioxide
여기서 양극(2)은 다공성의 탄소재로 이루어져 있다. 이러한 양극(2)은 이산화황 기반 무기 전해질의 산화-환원반응이 일어나는 장소를 제공하게 된다. 양극(2)을 구성하는 탄소재는 경우에 따라 하나 또는 둘 이상의 이종원소를 포함하게 된다. 이종원소라 함은, 질소(N), 산소(O), 붕소(B), 불소(F), 인(P), 황(S), 규소(Si)를 말한다. 이종원소 함유량은 0~20 at%이며, 바람직하게는 5~15 at%에 해당한다. 이종원소 함량이 5 at% 미만인 경우, 이종원소 첨가에 따른 용량증대 효과가 미미하며, 15 at% 이상의 경우, 탄소재의 전기 전도도 및 전극 성형 용이성이 감소하게 된다.Here, the
또한 양극(2)에는 다공성의 탄소재에 금속염화물, 금속불화물 또는 금속브롬화물이 더 포함될 수 있다.Further, the
여기서 금속염화물은 CuCl2, CuCl, NiCl2, FeCl2, FeCl3, CoCl2, MnCl2, CrCl2, CrCl3, VCl2, VCl3, ZnCl2, ZrCl4, NbCl5, MoCl3, MoCl5, RuCl3, RhCl3, PdCl2, AgCl, CdCl2 중 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 예컨대 양극(2)은 다공성의 탄소재와 일정 중량비의 CuCl2을 포함할 수 있다. CuCl2는 충방전시 Cu의 산화수가 변화하면서 나트륨 이온과 반응하여, Cu와 NaCl의 방전산물을 얻게 되며, 충전시 가역적으로 CuCl2가 재형성된다. 양극(2) 내 금속염화물의 함량은 50~100 wt% 또는 60~99 wt%, 바람직하게는 양극(2)의 특성 개선을 위해 추가적인 원소들의 배합 등을 위하여 70~95 wt%일 수 있다.Wherein the metal chloride is CuCl 2, CuCl, NiCl 2,
금속불화물은 CuF2, CuF, NiF2, FeF2, FeF3, CoF2, CoF3, MnF2, CrF2, CrF3, ZnF2, ZrF4, ZrF2, TiF4, TiF3, NbF5, AgF2, SbF3, GaF3, NbF5 중 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 예컨대 양극(2)은 다공성의 탄소재와 일정 중량비의 CuF2을 포함할 수 있다. CuF2는 충방전시 Cu의 산화수가 변화하면서 나트륨 이온과 반응하여, Cu와 NaCl의 방전산물을 얻게 되며, 충전시 가역적으로 CuF2가 재형성된다. 양극(2) 내 금속불화물의 함량은 50~100 wt% 또는 60~99 wt%, 바람직하게는 양극(2)의 특성 개선을 위해 추가적인 원소들의 배합 등을 위하여 70~95 wt%일 수 있다.Metal fluoride is CuF 2, CuF, NiF 2, FeF 2, FeF 3, CoF 2, CoF 3, MnF 2, CrF 2, CrF 3, ZnF 2, ZrF 4, ZrF 2, TiF 4, TiF 3, NbF 5, AgF 2 , SbF 3 , GaF 3 , and NbF 5 . For example, the
그리고 금속브롬화물은 CuBr2, CuBr, NiBr2, FeBr2, FeBr3, CoBr2, MnBr2, CrBr2, ZnBr2, ZrBr4, ZrBr2, TiBr4, TiBr3, NbBr5, AgBr, SbBr3, GaBr3, NbBr5, BiBr3, MoBr3, SnBr2, WBr6, WBr5 중 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 예컨대 양극(2)은 다공성의 탄소재와 일정 중량비의 CuBr2을 포함할 수 있다. CuBr2는 충방전시 Cu의 산화수가 변화하면서 나트륨 이온과 반응하여, Cu와 NaCl의 방전산물을 얻게 되며, 충전시 가역적으로 CuBr2가 재형성된다. 양극(2) 내 금속브롬화물의 함량은 50~100 wt% 또는 60~99 wt%, 바람직하게는 양극(2)의 특성 개선을 위해 추가적인 원소들의 배합 등을 위하여 70~95 wt%일 수 있다.And metal bromide is CuBr 2, CuBr, NiBr 2,
음극(3)은 나트륨 금속, 나트륨을 포함하는 합금, 나트륨을 함유하는 금속간화합물, 나트륨을 함유하는 탄소 재료, 나트륨을 함유하는 무기계 물질 등을 사용할 수 있다. 무기계 물질은 산화물, 황화물, 인화물, 질화물, 불화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 음극(3) 내 음극물질 함유량은 60~100 wt%일 수 있다.The
전해질 및 양극반응 활물질로 사용되는 이산화황 기반 무기 전해액(1)으로는 이산화황과 킬레이트화(chelation)가 가능하지만 결합력이 약한 이산화황 기반의 갈륨계 무기 전해질(이하, '갈륨계 무기 전해질'이라 함)을 사용한다.A sulfur dioxide-based inorganic electrolyte (1) used as an electrolyte and an anode reaction active material is a gallium-based inorganic electrolyte (hereinafter referred to as a gallium-based inorganic electrolyte) capable of chelation but weakly binding to sulfur dioxide use.
갈륨계 무기 전해질은 NaX, GaX3 및 SO2을 함유한다. 여기서 X는 리간드(Ligand)로서, 예컨대 할로겐계 화합물, C1~C20을 지니는 포화 또는 불포화 hydrocarbon(R), OR, SR 등을 포함하여 다양한 리간드가 사용될 수 있다. 구체적으로 리간드로는 -COOH, -COO-, -CHO, -NH2, -SH, -OH, -SO3H, -SO3 -, -C(=NH)-, -CONH2, -CN, -CS2H, -CS2 -, 할라이드기(-Cl, -F, -Br 등), 피리딘기 및 피라진기로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.Gallium inorganic electrolyte contains a NaX, GaX 3, and SO 2. Where X may be a ligand, for example, a variety of ligands including halogen compounds, saturated or unsaturated hydrocarbons (R), OR, SR, etc. having C1 to C20. Specifically, a ligand is -COOH, -COO -, -CHO, -NH 2, -SH, -OH, -SO 3 H, -SO 3 -, -C (= NH) -, -
여기서 NaX와 GaX3의 몰비는 2.0 : 1.0 ~ 1.0 : 2.0 일 수 있다.Wherein the molar ratio of NaX to GaX 3 may be 2.0: 1.0 to 1.0: 2.0.
예컨대 갈륨계 무기 전해질은 NaGaCl4(용질)과 SO2(용매)으로 구성될 수 있다. NaGaCl4-xSO2은 NaCl과 GaCl3 혼합물(또는 NaGaCl4 단독염)에 SO2 기체를 주입하여 제조할 수 있다.For example, the gallium-based inorganic electrolyte may be composed of NaGaCl 4 (solute) and SO 2 (solvent). NaGaCl 4 -xSO 2 can be prepared by injecting SO 2 gas into a mixture of NaCl and GaCl 3 (or a salt of NaGaCl 4 alone).
NaGaCl4-xSO2의 전해질은 NaGaCl4 대비 SO2의 함량 몰비(x)가 0.5~10에 해당하는 것으로, 바람직하게는 1.5~3.0에 해당한다. SO2 함량 몰비(x)가 1.5 미만으로 낮아지는 경우, 전해질 이온 전도도가 감소하는 문제점이 나타나며, 3.0 초과로 높아지는 경우, 전해질의 증기압이 높아지는 문제점이 나타난다.The electrolyte of NaGaCl 4 -xSO 2 has a molar ratio (x) of SO 2 to NaGaCl 4 of 0.5 to 10, preferably 1.5 to 3.0. When the SO 2 content molar ratio (x) is lowered to less than 1.5, there is a problem that the electrolyte ion conductivity decreases, and when the molar ratio (x) exceeds 3.0, the vapor pressure of the electrolyte increases.
한편 갈륨계 무기 전해질을 단독으로 이산화황 기반 무기 전해액(1)으로 사용할 수도 있지만, 다른 이산화황 기반 무기 전해질과 함께 사용할 수 있다. 예컨대 용질로 사용되는 NaGaCl4 이외에도, NaAlCl4, Na2CuCl4, Na2MnCl4, Na2CoCl4, Na2NiCl4, Na2ZnCl4, Na2PdCl4 등이 NaGaCl4과 함께 사용될 수 있다. 즉 NaGaCl4와 NaAlCl4가 함께 사용할 수 있고, 이 경우 NaGaCl4-nSO2와 NaAlCl4-nSO2의 혼합물로 사용할 수 있다.On the other hand, the gallium-based inorganic electrolyte can be used alone as the sulfur dioxide-based inorganic electrolyte (1), but it can be used together with other sulfur dioxide-based inorganic electrolytes. For example, in addition to NaGaCl 4 used as a solute, NaAlCl 4 , Na 2 CuCl 4 , Na 2 MnCl 4 , Na 2 CoCl 4 , Na 2 NiCl 4 , Na 2 ZnCl 4 and Na 2 PdCl 4 can be used together with NaGaCl 4 . That is, NaGaCl 4 and NaAlCl 4 can be used together. In this case, they can be used as a mixture of NaGaCl 4 -nSO 2 and NaAlCl 4 -nSO 2 .
그리고 케이스(4)는 양극(2)과 음극(3) 사이에 이산화황 기반 무기 전해액(1)이 배치된 구성물을 감싸도록 마련될 수 있다. 케이스(4) 일측에는 양극(2)과 연결되는 신호라인 및 음극(3)과 연결되는 신호라인이 배치될 수 있다. 케이스(4)는 나트륨-이산화황 이차 전지(100)를 적용할 분야에 따라 그 모양이나 크기가 결정될 수 있다. 케이스(4)의 재질은 비전도성 재질로 구성될 수 있다. 양극(2)과 음극(3)을 감싸는 절연체가 마련되는 경우, 케이스(4)는 전도성 재질로도 형성될 수 있다.The
이와 같은 본 발명에 따른 갈륨계 무기 전해질을 사용하는 나트륨-이산화황 이차 전지(100)는 ??50℃ 내지 300℃의 온도와, 0.001C 내지 1000C의 전류 조건에서 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 나트륨-이산화황 이차 전지(100)의 전극 밀도는 0.01 mg/cm2 내지 100 mg/cm2이고, 전해액 주입량은 10ug 내지 1g이다. 본 발명에 따른 나트륨-이산화황 이차 전지(100)는 다양한 전지 타입, 예컨대 코인셀, 비커셀, 파우치셀, 원통형셀, 각형셀 등 다양한 형태로 제조될 수 있다.The sodium-sulfur dioxide
본 발명에 따른 갈륨계 무기 전해질을 사용하는 나트륨-이산화황 이차전지(100)의 특성을 평가하기 위해서 다음과 같이 갈륨계 무기 전해질을 제조하였다.In order to evaluate the characteristics of the sodium-sulfur dioxide
실시예로 NaCl과 GaCl3를 1.1 : 1.0 몰의 비율로 혼합한 후, SO2 가스를 주입하여 갈륨계 무기 전해질을 제조하였다.As an example, NaCl and GaCl 3 were mixed at a ratio of 1.1: 1.0 mole, and SO 2 gas was injected to prepare a gallium-based inorganic electrolyte.
비교예로서 NaCl과 AlCl3를 1.1 : 1.0 몰의 비율로 혼합한 후 SO2를 주입한 이산화황 기반 알루미늄계 무기 전해질(이하 '알루미늄계 무기 전해질'이라 함)을 제조하였다.As a comparative example, a sulfur dioxide-based aluminum-based inorganic electrolyte (hereinafter referred to as 'aluminum-based inorganic electrolyte') in which SO 2 was injected was prepared by mixing NaCl and AlCl 3 at a ratio of 1.1: 1.0.
이와 같은 실시예 및 비교예에 따른 이산화황 기반 무기 전해질을 전해액으로 사용하여 실시예 및 비교예에 따른 전지를 제조하였다. 양극은 탄소재 80wt%, 도전재(ketchun black, 10wt%) 및 바인더(PTFE, 10 wt%)를 포함하며, 2.5 mg/cm2가 되도록 제조하였다. 제조된 양극을 이용하여 나트륨 금속 소재의 음극과 이산화황계 무기 전해액 및 유리질 격리막을 사용하여, 2032 코인타입 셀을 제조하였다.The batteries according to Examples and Comparative Examples were produced using the sulfur dioxide-based inorganic electrolytes according to Examples and Comparative Examples as electrolytic solutions. An anode comprising a carbon material 80wt%, the conductive material (ketchun black, 10wt%) and binder (PTFE, 10 wt%), was prepared so that 2.5 mg / cm 2. A 2032 coin type cell was fabricated by using a cathode of a sodium metal material, a sulfur dioxide inorganic electrolytic solution, and a glass separator using the prepared anode.
실시예 및 비교예 전해액의 제조 후 SO2에 대한 저장 특성을 확인하기 위하여 시간에 따른 SO2의 전해액 내 존재 비율을 계산하였으며 그 결과를 도 2로 나타내었다. 여기서 도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 나트륨-이산화황 이차 전지의 SO2 저장 특성을 평가한 그래프이다.Examples and Comparative Examples after preparation of the electrolytic solution was calculated the ratio of SO 2 in the electrolyte solution over time to confirm that the storage properties of the SO 2 The results are shown in Figure 2. 2 is a graph illustrating the SO 2 storage characteristics of a sodium-sulfur dioxide secondary battery according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
도 2를 참조하면, 평가 결과 갈륨계 무기 전해질은 알루미늄계 무기 전해질 대비 초기 SO2의 저장 특성이 우수함을 확인하였다.Referring to FIG. 2, it was confirmed that the gallium-based inorganic electrolyte had excellent initial SO 2 storage characteristics compared to the aluminum-based inorganic electrolyte.
또한 알루미늄계 무기 전해질에서 초기 SO2의 휘발 현상이 관찰되는 것과 달리 갈륨계 무기 전해질은 시간이 경과함에도 불구하고 SO2가 안정적으로 전해질 내에 용해되어 있는 현상을 확인하였다. 이는 갈륨계 무기 전해질의 SO2와의 양립성(compatibility)이 더 우수하다는 것을 의미한다. In addition, the volatilization phenomenon of the initial SO 2 was observed in the aluminum-based inorganic electrolyte, and it was confirmed that the SO 2 was stably dissolved in the electrolyte despite the lapse of time in the gallium-based inorganic electrolyte. This means that the compatibility of the gallium-based inorganic electrolyte with SO 2 is better.
실시예 및 비교예에 따른 나트륨-이산화황 이차 전지의 전지 특성을 평가한 결과는 도 3과 같다. 여기서 평가 조건은 0.1C의 전류밀도로 2.0~4.05 V(vs. Na/Na+) 영역에서 정전류법으로 충방전을 2 cycles 진행하였으며, 이후 충전 전류밀도는 0.2C, 방전 전류밀도는 0.5C로 공정하여 50회 충방전을 진행하였다. 도 3은 첫 회 충방전 프로파일(profile)을 도시하였다.The evaluation results of the battery characteristics of the sodium-sulfur dioxide secondary battery according to Examples and Comparative Examples are shown in Fig. The evaluation conditions were two cycles of charging and discharging at a current density of 2.0 to 4.05 V (vs. Na / Na +) at a constant current of 0.1 C, followed by charging current density of 0.2 C and discharging current density of 0.5 C. And charged / discharged 50 times. Figure 3 shows the first charge / discharge profile.
도 3을 참조하면, 전기화학적 거동은 전해액의 금속 성분(component)에 따라 크게 달라지는 현상을 확인하였다. 즉 비교예에 따른 NaAlCl4-nSO2 전해질의 방전전압이 약 3.05 (V)에서 나타나는 반면, 실시예에 따른 NaGaCl4-nSO2의 전해질의 방전전압은 이보다 더 낮은 2.75 (V)에서 확인되었다.Referring to FIG. 3, the electrochemical behavior of the electrolyte varies depending on the metal component of the electrolyte solution. That is, the discharge voltage of the NaAlCl 4 -nSO 2 electrolyte according to the comparative example is about 3.05 (V), while the discharge voltage of the NaGaCl 4 -nSO 2 electrolyte according to the embodiment is 2.75 (V) lower than the discharge voltage.
이는 금속의 종류에 따라 형성되는 전해질의 실제 화학적 구조의 변화에 기인하는 것이라 판단된다. 이와 더불어 충전시의 전기화학적 거동에 큰 차이가 나는 것을 발견하였는데, 비교예에 따른 알루미늄계 무기 전해질이 약 0.80 (V)의 과전압 현상을 나타내는 반면, 실시예에 따른 갈륨계 무기 전해질은 0.35 (V)의 과전압만이 관찰되었다.It is considered that this is due to the change of the actual chemical structure of the electrolyte formed according to the kind of the metal. Aluminum based inorganic electrolytes according to the comparative examples exhibited an overvoltage phenomenon of about 0.80 (V), while the gallium based inorganic electrolytes according to the examples exhibited an electrochemical behavior of 0.35 (V) ) Were observed.
이는 앞서 의도한 바와 같이, 실시예에 따른 갈륨계 무기 전해질은 SO2와 결합이 가능하지만 상대적으로 SO2와의 결합력이 약한 갈륨을 사용함으로서, 충전시 갈륨과 SO2의 탈리반응이 용이해지는 것에 기인하는 것으로 판단된다.This is due to become, gallium inorganic electrolyte according to an embodiment can be combined with SO 2, but relatively by using a gallium bonding force between the SO 2 is weak, easy desorption reaction at charging gallium and SO 2, as described above intend .
실시예 및 비교예에 따른 나트륨-이산화황 이차 전지의 수명 특성을 평가한 결과는 도 4와 같다.The results of evaluating the lifetime characteristics of the sodium-sulfur dioxide secondary batteries according to Examples and Comparative Examples are shown in FIG.
도 4를 참조하면, 실시예에 따른 갈륨계 무기 전해질은 초기 제조 후 800 mAh/g 이상의 용량을 나타내며, 이후 안정적인 수명 특성이 발현되는 것을 확인하였다. 이는 갈륨계 무기 전해질의 SO2와의 안정적인 저장 특성에 기인하는 것으로 판단된다. 이와 같은 결과를 통하여 갈륨계 무기 전해질은 나트륨-이산화황 이차 전지의 에너지 효율의 향상 뿐만 아니라 안정적인 수명 특성을 바탕으로 전지의 전반적인 성능 향상에 효과적으로 기여함을 확인하였다.Referring to FIG. 4, it was confirmed that the gallium-based inorganic electrolyte according to Example exhibited a capacity of 800 mAh / g or more after initial preparation, and stable lifetime characteristics were expressed thereafter. This is believed to be due to the stable storage characteristics of the gallium-based inorganic electrolyte with SO 2 . As a result, it was confirmed that the gallium-based inorganic electrolyte effectively contributes to improvement of the overall performance of the battery based on stable lifetime characteristics as well as improvement of the energy efficiency of the sodium-sulfur dioxide secondary battery.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.It should be noted that the embodiments disclosed in the present specification and drawings are only illustrative of specific examples for the purpose of understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention are possible in addition to the embodiments disclosed herein.
1 : 이산화황 기반 무기 전해액
2 : 양극
3 : 음극
4 : 케이스
100 : 나트륨-이산화황 이차 전지1: Sulfur dioxide based inorganic electrolyte
2: anode
3: cathode
4: Case
100: Sodium-sulfur dioxide secondary battery
Claims (15)
탄소 소재의 양극;
NaX 및 GaX3의 혼합물에 SO2 가스를 주입하여 제조한 이산화황 기반의 갈륨계 무기 전해질을 함유하는 전해액;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 나트륨-이산화황 이차 전지.
(X는 할로겐계 화합물, C1~C20을 지니는 포화 hydrocarbon(R), C1~C20을 지니는 불포화 hydrocarbon(R), OR 또는 SR)An anode of an inorganic material containing sodium;
Anode of carbon material;
An electrolytic solution containing a gallium-based inorganic electrolyte based on sulfur dioxide prepared by injecting SO 2 gas into a mixture of NaX and GaX 3 ;
≪ / RTI > characterized in that the sodium-sulfur dioxide rechargeable battery comprises a sodium-sulfur dioxide secondary battery.
(X is a halogen-containing compound, saturated hydrocarbon (R) having C1-C20, unsaturated hydrocarbon (R) having C1-C20, OR or SR)
상기 NaX 및 GaX3의 몰비는 2.0 : 1.0 ~ 1.0 : 2.0 인 것을 특징으로 하는 나트륨-이산화황 이차 전지.The method according to claim 1,
Wherein the molar ratio of NaX and GaX 3 is 2.0: 1.0 to 1.0: 2.0.
상기 이산화황 기반의 갈륨계 무기 전해질은 NaGaCl4-xSO2(1.5≤x≤3.0) 인 것을 특징으로 하는 나트륨-이산화황 이차 전지.The method according to claim 1,
Wherein the sulfur dioxide-based gallium inorganic electrolyte is sodium, characterized in that NaGaCl 4 -xSO 2 (1.5≤x≤3.0) - sulfur secondary cell.
상기 전해액은 이산화황 기반의 알루미늄계 무기 전해질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나트륨-이산화황 이차 전지.The method according to claim 1,
Wherein the electrolyte further comprises an aluminum-based inorganic electrolyte based on sulfur dioxide.
상기 이산화황 기반의 알루미늄계 무기 전해질은 NaAlCl4-xSO2(1.5≤x≤3.0) 인 것을 특징으로 하는 나트륨-이산화황 이차 전지.5. The method of claim 4,
Wherein the sulfur-based aluminum-based inorganic electrolyte is NaAlCl 4 -xSO 2 (1.5? X? 3.0).
상기 전해액은 NaGaCl4-xSO2와 NaAlCl4-xSO2의 혼합물인 것을 특징으로 하는 나트륨-이산화황 이차 전지.6. The method of claim 5,
The electrolyte is sodium, it characterized in that a mixture of NaGaCl 4 -xSO 2 and NaAlCl 4 -xSO 2 - sulfur secondary cell.
(X는 할로겐계 화합물, C1~C20을 지니는 포화 hydrocarbon(R), C1~C20을 지니는 불포화 hydrocarbon(R), OR 또는 SR)An electrolyte for a sodium-sulfur dioxide secondary battery comprising a sulfur-dioxide-based gallium-based inorganic electrolyte prepared by injecting SO 2 gas into a mixture of NaX and GaX 3 .
(X is a halogen-containing compound, saturated hydrocarbon (R) having C1-C20, unsaturated hydrocarbon (R) having C1-C20, OR or SR)
상기 NaX 및 GaX3의 몰비는 2.0 : 1.0 ~ 1.0 : 2.0 인 것을 특징으로 하는 나트륨-이산화황 이차 전지용 전해액.9. The method of claim 8,
Wherein the molar ratio of NaX and GaX 3 is 2.0: 1.0 to 1.0: 2.0.
상기 NaX 및 GaX3의 혼합물은 NaGaX4인 것을 특징으로 하는 나트륨-이산화황 이차 전지용 전해액.9. The method of claim 8,
Wherein the mixture of NaX and GaX 3 is NaGaX 4 .
상기 NaX 및 GaX3의 혼합물은 상기 NaCl 및 GaCl3의 혼합한 NaGaCl4인 것을 특징으로 하는 나트륨-이산화황 이차 전지용 전해액.9. The method of claim 8,
Wherein the mixture of NaX and GaX 3 is NaGaCl 4 mixed with NaCl and GaCl 3 .
상기 이산화황 기반의 갈륨계 무기 전해질은 NaGaCl4-xSO2(1.5≤x≤3.0) 인 것을 특징으로 하는 나트륨-이산화황 이차 전지용 전해액.9. The method of claim 8,
Wherein the sulfur dioxide-based gallium-based inorganic electrolyte is NaGaCl 4 -xSO 2 (1.5? X? 3.0).
이산화황 기반의 알루미늄계 무기 전해질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나트륨-이산화황 이차 전지용 전해액.9. The method of claim 8,
Wherein the electrolyte further comprises an aluminum-based inorganic electrolyte based on sulfur dioxide.
상기 이산화황 기반의 알루미늄계 무기 전해질은 NaAlCl4-xSO2(1.5≤x≤3.0) 인 것을 특징으로 하는 나트륨-이산화황 이차 전지용 전해액.14. The method of claim 13,
Wherein the sulfur-based aluminum-based inorganic electrolyte is NaAlCl 4 -xSO 2 (1.5? X? 3.0).
NaGaCl4-xSO2와 NaAlCl4-xSO2(1.5≤x≤3.0)의 혼합물인 것을 특징으로 하는 나트륨-이산화황 이차 전지용 전해액.14. The method of claim 13,
Wherein the electrolyte is a mixture of NaGaCl 4 -xSO 2 and NaAlCl 4 -xSO 2 (1.5? X? 3.0).
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