KR20160096071A - Sodium-halogen secondary cell - Google Patents

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KR20160096071A
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사이 바바라주
매튜 로빈스
알렉시스 에클레톤
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세라마테크, 인코오포레이티드
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Abstract

나트륨-기반 음극을 수용하는 음극 구획 및 액체 양극 용액 내 배치된 집전체를 수용하는 양극 구획을 포함하는 나트륨-할로겐 2차 전지가 제공된다. 액체 양극 용액은 할로겐 및/또는 할라이드를 포함한다. 전지는 음극을 액체 양극 용액으로부터 분리시키는 나트륨 이온 전도성 전해질 막을 포함한다. 비록 일부 경우에는 전지 작동 동안 나트륨-기반 음극이 용융되나, 다른 경우, 음극은 작동 동안 고체인 나트륨 전극 또는 나트륨 층간삽입 탄소 전극을 포함한다.There is provided a sodium-halogen secondary cell comprising a cathode compartment containing a sodium-based cathode and a cathode compartment containing a current collector disposed in the liquid cathode solution. The liquid anode solution comprises halogens and / or halides. The cell comprises a sodium ion conductive electrolyte membrane separating the cathode from the liquid anode solution. Although in some cases the sodium-based cathode is melted during battery operation, in other cases the cathode includes a sodium electrode or a sodium intercalated carbon electrode that is solid during operation.

Description

나트륨-할로겐 2차 전지 {SODIUM-HALOGEN SECONDARY CELL}[0001] SODIUM-HALOGEN SECONDARY CELL [0002]

<관련 출원에 대한 교차 참조><Cross-reference to related application>

본 출원은 "NASICON MEMBRANE BASED Na-I2 BATTERY"라는 제목의 2013년 10월 9일에 출원된 미국 특허 가출원 제61/888,933호를 우선권 주장한다. 본 출원은 "SODIUM-HALOGEN BATTERY"라는 제목의 2012년 9월 6일에 출원된 미국 특허 가출원 제61/697,608호를 우선권 주장하고, 또한 "SODIUM-HALOGEN SECONDARY CELL"이라는 제목의 2013년 3월 12일에 출원된 미국 특허 가출원 제61/777,967호를 우선권 주장하고, 또한 "SODIUM-HALOGEN SECONDARY FLOW CELL"이라는 제목의 2013년 3월 14일에 출원된 미국 특허 가출원 제61/781,530호를 우선권 주장하고, 또한 "BATTERY WITH BROMINE OR BROMIDE ELECTRODE AND SODIUM SELECTIVE MEMBRANE"이라는 제목의 2012년 12월 12일에 출원된 미국 특허 가출원 제61/736,444호를 우선권 주장하는, "SODIUM-HALOGEN BATTERY"라는 제목의 2013년 9월 6일에 출원된 미국 특허 출원 제14/019,651호의 일부 계속 출원이다. 이들 모든 선행 특허 출원은 명백히 본원에 참조로 포함된다.This application claims priority to U.S. Provisional Patent Application Serial No. 61 / 888,933, filed October 9, 2013 entitled "NASICON MEMBRANE BASED Na-I 2 BATTERY". This application claims priority to U.S. Provisional Patent Application No. 61 / 697,608, filed September 6, 2012, entitled " SODIUM-HALOGEN BATTERY, " 61 / 777,967, filed on March 14, 2013, entitled " SODIUM-HALOGEN SECONDARY FLOW CELL &quot;, which claims priority to U.S. Provisional Patent Application Serial No. 61 / Quot; SODIUM-HALOGEN BATTERY "filed on December 12, 2012, entitled " BATTERY WITH BROMINE OR BROMIDE ELECTRODE AND SODIUM SELECTIVE MEMBRANE, " This application is a continuation-in-part of U.S. Patent Application No. 14 / 019,651, filed September 6. All of these prior patent applications are expressly incorporated herein by reference.

<연방 지원받는 연구에 관한 진술><STATEMENT REGARDING FEDERALLY SPONSORED RESEARCH>

본 발명은 산디아 내셔널 랩(Sandia National Lab)에 의해 수여된 협정 제1189875호 하에 정부의 지원으로 만들어졌다. 정부가 본 발명에 대해 특정 권리를 갖는다.The present invention was made with government support under Agreement 1189875, granted by Sandia National Lab. The government has certain rights to the invention.

<기술 분야><Technical Field>

본 개시내용은 일반적으로 배터리에 관한 것이다. 보다 특히, 본 개시내용은 나트륨 이온 전도성 전해질 막 및 할로겐 및/또는 할라이드를 포함하는 액체 양극 용액을 갖는 나트륨-기반 2차 전지 (또는 재충전가능 배터리)를 제공한다.The present disclosure relates generally to batteries. More particularly, the present disclosure provides a sodium-based secondary battery (or rechargeable battery) having a liquid electrolyte solution comprising a sodium ion conductive electrolyte membrane and halogens and / or halides.

배터리는 다양한 용도로 전기 에너지를 저장 및 방출하는데 사용되는 공지된 장치이다. 전기 에너지를 생성하기 위해, 배터리는 전형적으로 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 전환시킨다. 일반적으로, 단일 배터리는 하나 이상의 갈바니 전지를 포함하며, 여기서 각 전지는 외부 회로를 통하는 것을 제외하고는 전기적으로 단리된 2개의 반쪽-전지로 제조된다. 방전 동안, 전지의 양극에서는 전기화학적 환원이 발생하는 반면, 전지의 음극에서는 전기화학적 산화가 발생한다. 전지 내 양극 및 음극은 서로 물리적으로 닿지는 않지만, 그것들은 일반적으로 고체 상태, 액체 상태 또는 이러한 상태들의 조합일 수 있는 적어도 하나 (또는 그 이상)의 이온 전도성 및 전기 절연성 전해질에 의해 화학적으로 연결되어 있다. 외부 회로 또는 부하가, 음극에 연결된 단자 및 양극에 연결된 단자에 연결되는 경우, 이온이 전해질을 통해 이동하면서 배터리는 외부 회로를 통해 전자들을 구동시킨다.BACKGROUND OF THE INVENTION [0002] Batteries are well known devices used to store and discharge electrical energy for a variety of applications. To generate electrical energy, a battery typically converts chemical energy directly into electrical energy. Generally, a single battery includes at least one galvanic cell, wherein each cell is made of two electrically isolated half-cells, except through an external circuit. During the discharge, electrochemical reduction occurs at the anode of the cell, whereas electrochemical oxidation occurs at the cathode of the cell. Although the positive and negative electrodes in the cell do not physically touch each other, they are chemically connected by at least one (or more) ionic conducting and electrically insulating electrolyte, which can be a solid state, a liquid state, or a combination of these states have. When an external circuit or a load is connected to a terminal connected to the cathode and a terminal connected to the anode, the battery drives the electrons through the external circuit while the ions move through the electrolyte.

배터리는 다양한 방식으로 분류될 수 있다. 예를 들어, 오로지 한 번 완전히 방전되는 배터리는 종종 1차 배터리 또는 1차 전지라 지칭된다. 그에 반해, 한 번을 초과하여 방전 및 재충전될 수 있는 배터리는 종종 2차 배터리 또는 2차 전지라 지칭된다. 여러 번 충전 및 방전되는 전지 또는 배터리의 능력은 각 충전 및 방전 사이클의 패러데이 효율(Faradaic efficiency)에 좌우된다. The battery can be classified in various ways. For example, a battery that is only fully discharged once is often referred to as a primary battery or primary battery. In contrast, a battery that can be discharged and recharged more than once is sometimes referred to as a secondary battery or a secondary battery. The ability of a battery or battery to charge and discharge multiple times depends on the Faradaic efficiency of each charge and discharge cycle.

나트륨 기반의 재충전가능 배터리는 다양한 물질 및 디자인을 포함할 수 있으나, 높은 패러데이 효율을 필요로 하는 나트륨 배터리는 모두는 아닐지라도 대부분 고체 세라믹 1차 전해질 막과 같은 고체 1차 전해질 세퍼레이터를 이용한다. 고체 세라믹 1차 전해질 막을 사용하는 것의 주요 이점은 파생된 전지의 패러데이 효율이 100%에 근접한다는 것이다. 사실상, 거의 모든 다른 전지 디자인에서, 전지 내 전극 용액들은 경시적으로 섞일 수 있어, 패러데이 효율의 감소 및 배터리 용량의 손실을 야기한다.Sodium-based rechargeable batteries may include a variety of materials and designs, but most sodium batteries that require high Faraday efficiency use solid primary electrolyte separators, such as mostly solid ceramic primary electrolyte membranes. The main advantage of using a solid ceramic primary electrolyte membrane is that the Faraday efficiency of the derived cell is close to 100%. In fact, in almost all other battery designs, the electrode solutions in the cell can be mixed over time, resulting in reduced faraday efficiency and loss of battery capacity.

높은 패러데이 효율을 필요로 하는 나트륨 배터리에 사용된 1차 전해질 세퍼레이터는 종종 이온 전도성 중합체, 이온 전도성 액체 또는 겔로 침윤된 다공성 물질, 또는 조밀한 세라믹으로 이루어진다. 이와 관련하여, 현재 상업적 적용이 가능한 많은 재충전가능 나트륨 배터리는 용융된 나트륨 금속 음극, 나트륨 β"-알루미나 세라믹 전해질 세퍼레이터, 및 용융된 양극을 포함하며, 이는 용융된 황 및 탄소의 복합체 (나트륨/황 전지라 불림)를 포함할 수 있다. 이와 같은 통상의 고온 나트륨-기반 재충전가능 배터리는 비교적 높은 비에너지 밀도 및 단지 보통의 전력 밀도를 갖기 때문에, 전형적으로 이러한 재충전가능 배터리는 전형적으로 높은 전력 밀도에 직면하지 않는 높은 비에너지 밀도를 필요로 하는 특정의 특수 용품, 예컨대 고정식 저장소 및 무정전 전력 공급기에 사용된다. Primary electrolyte separators used in sodium batteries that require high Faraday efficiency are often made of ion conductive polymers, ionic conductive liquids or gel-impregnated porous materials, or dense ceramics. In this regard, many rechargeable sodium batteries that are currently commercially viable include a molten sodium metal cathode, a sodium beta "- alumina ceramic electrolyte separator, and a molten anode, which is a composite of molten sulfur and carbon These rechargeable batteries typically have a high power density and a relatively low power density because such conventional high temperature sodium-based rechargeable batteries have a relatively high specific energy density and only a moderate power density. It is used in certain special goods, such as fixed storage and uninterruptible power supplies, that require high specific energy densities that are not confronted.

일부 통상의 나트륨-기반 재충전가능 배터리와 관련된 유리한 특성들에도 불구하고, 이러한 배터리는 상당한 단점을 가질 수 있다. 일 예로, 나트륨 β"-알루미나 세라믹 전해질 세퍼레이터는 전형적으로 보다 전도성이고 약 270℃ 초과의 온도에서 용융된 나트륨에 의해 더 잘 습윤되고/되거나, 용융된 양극은 전형적으로 용융된 채 남아있기 위해 비교적 고온 (예를 들면, 약 170℃ 또는 180℃ 초과의 온도)를 필요로 하기 때문에, 많은 통상의 나트륨-기반 재충전가능 배터리는 약 270℃ 초과의 온도에서 작동하고 상당한 열 관리 난점 및 열 밀봉 문제에 처하게 된다. 예를 들어, 일부 나트륨-기반 재충전가능 배터리는 배터리로부터의 열의 방산 또는 비교적 높은 작동 온도에서 음극 및 양극의 유지에 어려움을 겪을 수 있다. 다른 예로, 일부 나트륨-기반 배터리의 비교적 높은 작동 온도는 상당한 안전성 문제를 야기할 수 있다. 또 다른 예로, 일부 나트륨-기반 배터리의 비교적 높은 작동 온도는 이들의 구성요소가 그와 같은 높은 온도에 대해 내성이고 그에서 작동가능할 것을 필요로 한다. 따라서, 이러한 구성요소는 비교적 비용이 많이 들 수 있다. 또 다른 예로, 일부 통상의 나트륨-기반 배터리를 비교적 높은 작동 온도로 가열하는데 비교적 많은 양의 에너지를 필요로 할 수 있기 때문에, 이런 배터리는 작동하는데 비용이 많이 들고 에너지 비효율적일 수 있다.Despite the advantageous properties associated with some conventional sodium-based rechargeable batteries, such batteries can have significant disadvantages. In one example, the sodium &bgr; "-alumina ceramic electrolyte separator is typically more conductive and is better wetted by molten sodium at temperatures above about 270 DEG C and / or the molten anode typically has a relatively high temperature (For example, temperatures of about 170 DEG C or greater than 180 DEG C), many conventional sodium-based rechargeable batteries operate at temperatures above about 270 DEG C and suffer from significant thermal management difficulties and heat sealing problems For example, some sodium-based rechargeable batteries may suffer from the dissipation of heat from the battery or the maintenance of the cathode and anode at relatively high operating temperatures. As another example, a relatively high operation of some sodium- Temperature can cause significant safety issues. Another example is the relatively high activity of some sodium-based batteries The temperature requires that these components be resistant to such high temperatures and be operable thereon. Thus, these components can be relatively costly. As another example, some conventional sodium-based batteries Can require a relatively large amount of energy to heat the battery to a relatively high operating temperature, such a battery can be expensive to operate and energy inefficient.

따라서, 나트륨-기반 재충전가능 배터리를 이용가능하지만, 이전에 언급된 것들을 비롯하여 이러한 배터리에 대한 난제가 또한 존재한다. 따라서, 특정한 통상의 나트륨-기반 재충전가능 배터리를 보강하거나 또는 심지어 다른 나트륨-기반 재충전가능 배터리로 대체하는 것이 관련 기술 분야의 개선일 것이다.Thus, although sodium-based rechargeable batteries are available, there are also challenges for such batteries, including those previously mentioned. Accordingly, it would be an improvement in the relevant art to retrofit or even replace certain conventional sodium-based rechargeable batteries with other sodium-based rechargeable batteries.

본 개시내용은 나트륨-할로겐 2차 전지를 제공한다. 기술된 나트륨-할로겐 2차 전지는 임의의 적합한 구성요소를 포함할 수 있으나, 일부 실시양태에서, 그것은 나트륨-기반 음극을 수용하는 음극 구획을 포함한다. 이러한 실시양태에서, 전지는 또한 할로겐 및/또는 할라이드를 포함하는 액체 양극 용액 내 배치된 집전체를 수용하는 양극 구획을 포함한다. 또한, 전지는 음극을 액체 양극 용액으로부터 분리시키는 나트륨 이온 전도성 전해질 막을 포함한다.The present disclosure provides a sodium-halogen secondary cell. The described sodium-halogen secondary battery may comprise any suitable component, but in some embodiments, it comprises a cathode compartment for receiving a sodium-based cathode. In this embodiment, the cell further comprises a cathode compartment for receiving a current collector disposed in a liquid anode solution comprising a halogen and / or a halide. The cell also includes a sodium ion conductive electrolyte membrane separating the cathode from the liquid anode solution.

음극은 임의의 적합한 나트륨-기반 애노드를 포함할 수 있으나, 일부 실시양태에서, 그것은 전지가 작동할 때 용융되는 나트륨 금속을 포함한다. 그러나, 다른 구현에서, 음극은 전지가 기능할 때 고체로 남아있는 나트륨 애노드 또는 나트륨 층간삽입 탄소를 포함한다. 전지가 작동할 때 음극이 고체 상태로 남아있는 일부 그러한 구현에서, 전지는 음극과 전해질 막 사이에 배치된 비-수성 애노드액 용액을 포함한다.The cathode may comprise any suitable sodium-based anode, but in some embodiments it comprises a sodium metal that is melted when the cell is operating. However, in other implementations, the negative electrode comprises a sodium anode or sodium intercalated carbon that remains solid as the cell functions. In some such implementations where the cathode remains solid when the cell is operating, the cell includes a non-aqueous anolyte solution disposed between the cathode and the electrolyte membrane.

나트륨 이온 전도성 전해질 막은 나트륨 이온을 선택적으로 수송하고, 전지 작동 온도에서 안정하고, 양극 용액 및 음극 (또는 비수성 애노드액)과 접촉하는 경우 안정하고, 다르게는 전지가 의도된 대로 기능하도록 하는 임의의 막 (본원에서 임의의 적합한 유형의 세퍼레이터를 지칭하도록 사용됨)을 포함할 수 있다. 사실상, 일부 비-제한적 구현에서, 전해질 막은 물에 실질적으로 불투과성인 NaSICON-유형 막 (예를 들면, 미국 유타주 솔트레이크 시티 소재의 세라마텍(Ceramatec)에 의해 제조된 NaSELECT® 막을 포함한다. 따라서, 이러한 구현에서, 물 불투과성 전해질 막은 양극 용액이 나트륨 음극과 접촉하는 경우 폭발적으로 반응할 수 있는 수용액을 포함할 수 있게 한다.The sodium ion conductive electrolyte membrane is a material that selectively transports sodium ions and is stable at the operating temperature of the cell and stable when in contact with the positive electrode solution and negative electrode (or nonaqueous anolyte), or alternatively, Membrane (which is used herein to refer to any suitable type of separator). In fact, some non-limiting implementations include, electrolyte membrane substantially water impermeable NaSICON- type film (e.g., a NaSELECT ® manufactured by three llama Tech (Ceramatec) of Salt Lake City, Utah film on. Thus, in this implementation, the water impermeable electrolyte membrane allows to include an aqueous solution that can react explosively when the anode solution comes in contact with the sodium cathode.

양극 구획 내 집전체는 전지가 의도된 대로 기능하도록 하는 임의의 적합한 물질을 포함할 수 있다. 사실상, 일부 비-제한적 구현에서, 집전체는 와이어, 펠트(felt), 메쉬, 플레이트, 포일, 튜브, 발포체, 또는 다른 적합한 집전체 구성을 포함한다. 추가로, 집전체는 임의의 적합한 물질을 포함할 수 있으나, 일부 구현에서, 그것은 탄소, 백금, 구리, 니켈, 아연, 나트륨 층간삽입 캐소드 물질 (예를 들면, NaXMnO2), 및/또는 임의의 다른 적합한 집전체 물질을 포함한다.The current collector in the anode compartment may comprise any suitable material that allows the cell to function as intended. Indeed, in some non-limiting embodiments, the current collector includes wire, felt, mesh, plate, foil, tube, foam, or other suitable current collector configuration. Additionally, the current collector may include any suitable material, but in some implementations it may be a carbon, platinum, copper, nickel, zinc, sodium intercalated cathode material (e.g., Na x MnO 2 ), and / Any other suitable current collector material.

양극 구획 내 액체 양극 용액은 나트륨 이온을 전해질 막으로 및 그로부터 전도할 수 있고 다르게는 전지가 의도된 대로 기능하도록 하는 임의의 적합한 물질을 포함할 수 있다. 적합한 양극 용액 물질의 일부 예로는, 나트륨 이온을 용이하게 전도하고 전해질 막과 화학적으로 상용성인 수성 (예를 들면, 디메틸 술폭시드, NMF (N-메틸포름아미드), 에틸렌 글리콜 등) 및 비-수성 (예를 들면, 글리세롤, 이온성 액체, 유기 전해질 등) 용매가 포함되나, 이로 제한되는 것은 아니다. 추가로, 일부 구현에서, 양극 용액은 용융된 플루오로술포닐 아미드 (예를 들면, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨-비스(플루오로술포닐)아미드) ("[EMIM][FSA]")를 포함한다.The liquid anolyte solution in the anode compartment may comprise any suitable material that can conduct sodium ions to and from the electrolyte membrane, or otherwise allow the cell to function as intended. Some examples of suitable anolyte solution materials include aqueous (e.g., dimethylsulfoxide, NMF (N-methylformamide), ethylene glycol, and the like) that readily conducts sodium ions and is chemically compatible with the electrolyte membrane (E. G., Glycerol, ionic liquids, organic electrolytes, etc.) solvents. In addition, in some implementations, the positive electrode solution comprises a mixture of molten fluorosulfonylamide (e.g., 1-ethyl-3-methylimidazolium-bis (fluorosulfonyl) amide) Quot;).

양극 용액은 또한 할로겐 및/또는 할라이드를 포함한다. 적합한 할로겐의 일부 예로는 브로민, 아이오딘 및 클로린이 포함된다. 유사하게, 적합한 할라이드의 일부 예로는 브로마이드 이온, 폴리브로마이드 이온, 아이오다이드 이온, 폴리아이오다이드 이온, 클로라이드 이온, 및 폴리클로라이드 이온이 포함된다. 할로겐/할라이드는 임의의 적합한 방식으로 양극 용액에 도입될 수 있으나, 일부 실시양태에서, 그것들은 NaBr, NaI 또는 NaCl로서 첨가된다.The anode solution also includes halogens and / or halides. Some examples of suitable halogens include bromine, iodine, and chlorine. Similarly, some examples of suitable halides include bromide ions, polybromide ions, iodide ions, polyiodide ions, chloride ions, and polychloride ions. The halide / halide may be introduced into the anode solution in any suitable manner, but in some embodiments they are added as NaBr, NaI or NaCl.

일부 구현에서, 기술된 전지는 양극 용액 및/또는 양극 구획 내 존재하는 자유-부유 할로겐의 양을 제한하도록 개질된다. 전지 내 할로겐의 양은 임의의 적합한 방식으로 감소 및/또는 조절될 수 있으나, 일부 구현에서, 그것은 양극 용액 내 자유 할로겐 분자로부터 폴리할라이드 (예를 들면, Br3 -, I3 - 등)을 형성하기에 충분한 양의 나트륨 할라이드 (예를 들면, NaBr, NaI 등) 및/또는 원소 할로겐 (예를 들면, 브로민, 아이오딘 등)의 포함; 양극 용액 내 할라이드, 할로겐 및/또는 폴리할라이드와 부가물을 형성할 수 있는 (또는 다르게는 착화할 수 있는) 착물화제 (예를 들면, 테트라메틸 암모늄 브로마이드, 테트라메틸 암모늄 아이오다이드, N-메틸-N-메틸모르폴리늄 브로마이드, N-메틸-N-메틸-모르폴리늄 아이오다이드 등)의 첨가; 상응하는 할로겐을 형성하도록 용액 내 할라이드 이온이 산화되기 전 금속 할라이드 (예를 들면, CuBr, CuI, NiBr2, NiI2, ZnBr2, ZnI2 등)을 형성하기 위해 용액 내 할라이드 이온과 반응할 수 있는 금속 이온을 형성하도록 산화하는 금속 (예를 들면, 구리, 니켈, 아연 등)을 포함하는 집전체의 사용; 및 이들의 임의의 적합한 조합에 의해 수행된다.In some implementations, the described cell is modified to limit the amount of free-floating halogen present in the anode solution and / or anode compartment. The amount of halogen in the cell can be reduced and / or adjusted in any suitable manner, but in some implementations it is capable of forming a polyhalide (e.g., Br 3 - , I 3 -, etc.) from free halogen molecules in the anode solution (E.g., NaBr, NaI, etc.) and / or elemental halogens (e.g., bromine, iodine, etc.) in a sufficient amount; Complexing agents capable of forming (or otherwise complexing) an adduct with a halide, halogen and / or polyhalide in the anode solution (e.g., tetramethylammonium bromide, tetramethylammonium iodide, N-methyl -N-methylmorpholinium bromide, N-methyl-N-methyl-morpholinium iodide, etc.); To the corresponding solution in the halide ion to form the halogen to the oxidation before the metal halide (for example, CuBr, CuI, NiBr 2, NiI 2, ZnBr 2, ZnI 2 , and so on) and the solution can be within a halide ion and react to form The use of a current collector comprising a metal (e. G., Copper, nickel, zinc, etc.) oxidizing to form a metal ion; And any suitable combination thereof.

전지가 고온에서 작동하는 일부 실시양태에서, 과량의 나트륨 할라이드 (예를 들면, 과량의 I2, Br2) 또는 형성된 할로겐과 착화하기 위한 착물화제가 있고, 이 성분을 용액 내에 유지하는 것 (및 기체로 전환하지 않도록 하는 것)이 바람직할 수 있다. 사실, 일부 실시양태에서, 1/3까지 더 많은 NaI (나트륨 할라이드 또는 착물화제)가 시스템에 첨가될 수 있다. 추가로, I2를 사용하는 실시양태에서, 전지의 케이싱은 내부가 테플론(Teflon)®인 피크 스테인리스강으로 제조될 수 있지만, 다른 가격이 저렴한 물질, 예컨대 다른 유형의 스테인레스강이 사용될 수도 있다. 또 다른 실시양태에서, 캐소드 챔버는 테플론® 라이닝(lining)과 폴리에테르 에테르 케톤 (PEEK)으로 제조될 수 있다. 테플론®은 듀폰 캄파니(DuPont Company)의 등록 상표이다.In some embodiments where the cell is operating at elevated temperature, there is a complexing agent for complexing with an excess of sodium halide (e.g., excess I 2 , Br 2 ) or formed halogen, Gas to be converted into gas) may be preferable. Indeed, in some embodiments, up to a third of NaI (sodium halide or complexing agent) can be added to the system. In addition, in the embodiment using I 2 , the casing of the battery may be made of peak stainless steel whose interior is Teflon ®, but other inexpensive materials such as other types of stainless steel may be used. In another embodiment, the cathode chamber may be made of Teflon® lining and polyetheretherketone (PEEK). Teflon® is a registered trademark of DuPont Company.

일부 실시양태에서, 전지는 양극 구획과 유체 소통하는 제1 저장소를 포함한다. 이러한 실시양태에서, 저장소는 액체 양극 용액이 저장소로부터 흘러나와 양극 구획 내 집전체를 지나가게 하도록 구성된 펌핑 메카니즘에 연결된다. 일부 실시양태에서, 전지는 또한 음극 구획과 유체 소통하는 제2 저장소를 포함한다. 이러한 실시양태에서, 저장소는 용융된 음극 (또는 비-수성 애노드액)이 저장소로부터 흘러나와 음극 구획을 통과하게 하도록 구성된 펌핑 메카니즘에 연결된다.In some embodiments, the battery includes a first reservoir in fluid communication with the anode compartment. In this embodiment, the reservoir is connected to a pumping mechanism configured to allow the liquid anolyte solution to flow from the reservoir and pass through the current collector in the anode compartment. In some embodiments, the cell also includes a second reservoir in fluid communication with the cathode compartment. In this embodiment, the reservoir is connected to a pumping mechanism configured to allow the molten cathode (or non-aqueous anode liquid) to flow from the reservoir and pass through the cathode compartment.

기술된 2차 전지는 임의의 적합한 작동 온도에서 작동할 수 있다. 사실상, 전지가 작동할 때 음극이 용융되는 일부 구현에서, 음극의 온도가 약 100℃ 내지 약 150℃ (예를 들면, 약 120℃ ± 약 10℃)이면서 전지가 기능한다 (예를 들면, 방전 또는 재충전됨). 추가적으로, 전지가 기능할 때 음극이 고체 상태로 남아있는 일부 구현에서, 음극의 온도는 약 60℃ 미만 (예를 들면, 약 20℃ ± 약 10℃)으로 유지된다. 전지가 250℃ 미만, 또는 200℃ 미만, 또는 180℃ 미만, 또는 150℃ 미만 등에서 작동하는 추가의 실시양태가 설계될 수 있다.The described secondary cell can operate at any suitable operating temperature. In fact, in some implementations where the cathode melts when the cell is operating, the cell functions with the temperature of the cathode being from about 100 ° C to about 150 ° C (eg, about 120 ° C ± 10 ° C) Or recharged). Additionally, in some implementations where the cathode remains in a solid state when the cell functions, the temperature of the cathode is maintained at less than about 60 占 폚 (e.g., about 20 占 폚 占 about 10 占 폚). Additional embodiments may be designed in which the battery operates at less than 250 占 폚, or less than 200 占 폚, or less than 180 占 폚, or less than 150 占 폚.

본 실시양태들의 이러한 특징 및 이점은 하기 설명 및 첨부된 특허청구범위로부터 보다 완전히 명백해질 것이다.These features and advantages of the embodiments will become more fully apparent from the following description and appended claims.

도 1은 용융된 나트륨 음극을 포함하는 방전 중의 나트륨-할로겐 2차 전지의 대표적인 실시양태의 모식도를 나타내고;
도 1a는 용융된 나트륨 음극 및 펌핑 메카니즘을 포함하는 방전 중의 나트륨-할로겐 2차 전지의 대표적인 실시양태의 모식도를 나타내고;
도 2는 용융된 나트륨 음극을 포함하는 재충전 중의 나트륨-할로겐 2차 전지의 대표적인 실시양태의 모식도를 나타내고;
도 2a는 용융된 나트륨 음극 및 펌핑 메카니즘을 포함하는 재충전 중의 나트륨-할로겐 2차 전지의 대표적인 실시양태의 모식도를 나타내고;
도 3은 음극 구획이 전지의 양극 구획 내에 적어도 부분적으로 배치된 튜브형 디자인을 포함하는 나트륨-할로겐 2차 전지의 대표적인 실시양태의 단면 사시도 를 나타내고;
도 3a는 음극 구획이 전지의 양극 구획 내에 적어도 부분적으로 배치된 튜브형 디자인을 포함하는 나트륨-할로겐 2차 전지의 또 다른 대표적인 실시양태의 단면 사시도를 나타내고;
도 4는 고체 음극 및 음극과 고체 나트륨 전도성 전해질 막 사이에 배치된 비-수성 애노드액 용액을 포함하는 나트륨-할로겐 2차 전지의 대표적인 실시양태의 모식도를 나타내고;
도 4a는 고체 음극, 펌핑 메카니즘 및 음극과 고체 나트륨 전도성 전해질 막 사이에 배치된 비-수성 애노드액 용액을 포함하는 나트륨-할로겐 2차 전지의 대표적인 실시양태의 모식도를 나타내고;
도 5a 및 5b는 각각 본 발명의 일부 실시양태에 사용하기에 적합한 NaSICON-유형 물질의 대표적인 실시양태의 단면 현미경 사진을 함유하고;
도 6은 전지 내 양극 용액이 용융된 나트륨 할라이드 및 용융된 나트륨 플루오로술포닐 아미드를 포함하는 것인 나트륨-할로겐 2차 전지의 대표적인 실시양태의 모식도를 나타내고;
도 6a는 전지 내 양극 용액이 용융된 나트륨 할라이드 및 용융된 나트륨 플루오로술포닐 아미드를 포함하는 것인, 펌핑 메카니즘을 갖는 나트륨-할로겐 2차 전지의 대표적인 실시양태의 모식도를 나타내고;
도 7a는 양극 용액이 양극 구획을 통해 흐르게 하고 음극이 전지의 음극 구획을 통해 흐르게 하도록 구성된, 펌핑 메카니즘을 갖는 나트륨-할로겐 2차 전지의 대표적인 실시양태의 모식도를 나타내고;
도 8-12는 각각 실험 전지의 대표적인 실시양태의 시험 가동으로부터 얻어진 실험 결과를 보여주는 그래프를 나타내고;
도 13은 본 개시내용에 따른 또 다른 전지의 개략도이고;
도 14는 본 개시내용에 따른 또 다른 전지의 개략도이고;
도 15는 본 개시내용에 따른 또 다른 전지의 개략도이고;
도 16은 본 개시내용에 따른 또 다른 전지의 개략도이고;
도 17-21은 각각 실험 전지의 대표적인 실시양태의 시험 가동으로부터 얻어진 실험 결과를 보여주는 그래프를 나타내고;
도 22a 및 22b는 배터리 화학 1 및 2의 세부사항을 보여주는, 상기 도 2 및 2a와 유사한 2차 전지의 개략적 도식을 나타낸다.
Figure 1 shows a schematic diagram of a representative embodiment of a sodium-halogen secondary cell during discharge comprising a molten sodium cathode;
Figure 1A shows a schematic diagram of a representative embodiment of a sodium-halogen secondary cell during discharging comprising a molten sodium cathode and a pumping mechanism;
Figure 2 shows a schematic diagram of a representative embodiment of a rechargeable sodium-halogen secondary cell comprising a molten sodium cathode;
Figure 2a shows a schematic diagram of an exemplary embodiment of a rechargeable sodium-halogen secondary cell comprising a molten sodium cathode and a pumping mechanism;
Figure 3 shows a cross-sectional perspective view of an exemplary embodiment of a sodium-halogen secondary cell comprising a tubular design in which the cathode compartment is at least partially disposed within the anode compartment of the battery;
Figure 3a shows a cross-sectional perspective view of another exemplary embodiment of a sodium-halogen secondary cell comprising a tubular design in which the cathode compartment is at least partially disposed within the anode compartment of the battery;
Figure 4 shows a schematic diagram of a representative embodiment of a sodium-halogen secondary cell comprising a non-aqueous anolyte solution disposed between a solid cathode and a cathode and a solid sodium conductive electrolyte membrane;
4A shows a schematic diagram of a representative embodiment of a sodium-halogen secondary cell comprising a solid negative electrode, a pumping mechanism and a non-aqueous anode liquid solution disposed between the negative electrode and the solid sodium conductive electrolyte film;
Figures 5A and 5B each contain a cross-sectional micrograph of an exemplary embodiment of a NaSICON-type material suitable for use in some embodiments of the present invention;
Figure 6 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a sodium-halogen secondary cell in which the anode solution in the cell comprises molten sodium halide and molten sodium fluorosulfonylamide;
6A shows a schematic diagram of an exemplary embodiment of a sodium-halogen secondary cell having a pumping mechanism, wherein the anode solution in the cell comprises molten sodium halide and molten sodium fluorosulfonylamide;
Figure 7a shows a schematic diagram of an exemplary embodiment of a sodium-halogen secondary cell having a pumping mechanism configured to allow the anode solution to flow through the anode compartment and the cathode to flow through the cathode compartment of the cell;
Figs. 8-12 show graphs showing experimental results obtained from a trial run of a representative embodiment of an experimental cell, respectively; Fig.
Figure 13 is a schematic view of another cell according to the present disclosure;
Figure 14 is a schematic view of another battery according to the present disclosure;
15 is a schematic view of another battery according to the present disclosure;
16 is a schematic view of another battery according to the present disclosure;
Figs. 17-21 show graphs showing experimental results obtained from a trial run of a representative embodiment of an experimental cell, respectively;
Figures 22a and 22b show a schematic diagram of a secondary battery similar to Figures 2 and 2a above, showing the details of battery chemistries 1 and 2.

본 명세서 전반에 걸쳐 "일 실시양태", "실시양태" 또는 유사한 언어에 대한 언급은 실시양태와 관련되어 기술된 특정한 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시양태에 포함됨을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 어구의 모습 "일 실시양태에서", "실시양태에서", "또 다른 실시양태에서" 및 유사한 언어는 반드시 모두 동일한 실시양태를 지칭하는 것은 아니다. 추가로, 하기 설명은 기술된 발명의 다양한 구성요소 및 측면의 몇가지 실시양태 및 예를 지칭하나, 모든 기술된 실시양태 및 예는 모든 점에 있어서 단지 예시하고자 하는 것이지 어떤 방식으로든 제한되는 것으로 간주되지 않아야 한다.Reference throughout this specification to "an embodiment," " an embodiment, "or similar language means that a particular feature, structure, or characteristic described in connection with the embodiment is included in at least one embodiment of the invention. Thus, the appearances of the phrases throughout this specification, " in one embodiment, "in an embodiment," in another embodiment, "and similar language are not necessarily all referring to the same embodiment. Further, although the following description refers to several embodiments and examples of various elements and aspects of the described invention, it will be appreciated that all described embodiments and examples are to be considered in all respects only as illustrative and not in any way limiting Should not.

추가로, 기술된 본 발명의 특징, 구조 또는 특성은 하나 이상의 실시양태에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다. 하기 설명에서, 본 발명의 실시양태의 철저한 이해를 제공하기 위해, 적합한 나트륨-기반 음극, 액체 양극 용액, 집전체, 나트륨 이온 전도성 전해질 막 등의 예와 같은 많은 구체적 세부사항이 제공된다. 그러나, 관련 기술분야의 통상의 기술자는 하나 이상의 구체적 세부사항이 없이, 또는 다른 방법, 구성요소, 물질 등으로도 본 발명이 실시될 수 있음을 인식할 것이다. 다른 실시양태에서, 본 발명의 측면이 모호해지는 것을 피하기 위해, 널리 공지된 구조, 물질 또는 작동을 상세히 나타내거나 기술하지 않는다.Additionally, the features, structures, or characteristics of the invention described may be combined in any suitable manner in one or more embodiments. In the following description, numerous specific details are provided to provide a thorough understanding of embodiments of the present invention, such as examples of suitable sodium-based cathodes, liquid anion solutions, current collectors, sodium ion conductive electrolyte membranes, and the like. However, one of ordinary skill in the pertinent art will recognize that the invention may be practiced without one or more of the specific details, or with other methods, components, materials, and so on. In other embodiments, well-known structures, materials, or operations are not shown or described in detail in order to avoid obscuring aspects of the invention.

상기한 바와 같이, 2차 전지는 방전 및 재충전될 수 있고, 본 명세서에는 양쪽 상태를 위한 전지 배열 및 방법이 기술되어 있다. 비록 용어 "재충전"은 다양한 형태로 두 번째 충전을 내포하나, 관련 기술 분야의 통상의 기술자는 재충전에 관한 논의가 첫 번째 또는 초기 충전에 유효하고 그에 적용가능할 것이며, 그 반대의 경우도 그러하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 명세서의 목적을 위해, 용어 "재충전", "재충전된" 및 "재충전가능"은 용어 "충전", "충전된" 및 "충전가능"과 각각 상호교환가능할 것이다.As described above, the secondary battery can be discharged and recharged, and battery arrangements and methods for both states are described herein. Although the term "recharge" includes a second charge in various forms, one of ordinary skill in the relevant art will appreciate that the discussion of recharge is valid for and applicable to the first or initial charge, and vice versa I will understand. Thus, for purposes of this specification, the terms "refilled "," refilled ", and "refillable" will each be interchangeable with the terms "refilled "," refilled "

본 실시양태는 할로겐 및 할라이드 중 적어도 하나를 포함하는 액체 양극 용액 및 나트륨을 포함하는 음극을 포함한, 나트륨-할로겐 2차 전지를 제공한다. 비록 기술된 전지는 임의의 적합한 구성요소를 포함할 수 있으나, 도 1은 나트륨-할로겐 2차 전지(10)가 나트륨-기반 음극(20)을 포함하는 음극 구획(15), 액체 양극 용액(35) 내 배치된 집전체(30)를 포함하는 양극 구획(25), 음극을 양극 용액으로부터 분리시키는 나트륨 이온 전도성 전해질 막(40), 제1 단자(45), 및 제2 단자(50)를 포함하는 대표적인 실시양태를 나타낸다. 기술된 전지(10)에 대해 한층 이해를 제공하기 위해, 어떻게 전지가 기능하는지에 대한 간단한 설명을 하기에 제공한다. 이와 같은 논의 후, 도 1에 나타낸 각 전지의 구성요소를 보다 상세히 논의한다.This embodiment provides a sodium-halogen secondary battery including a liquid anode solution containing at least one of halogens and halides and a cathode containing sodium. 1 illustrates that the sodium-halogen secondary battery 10 comprises a cathode compartment 15 comprising a sodium-based cathode 20, a liquid catholyte solution 35 , A first terminal 45 and a second terminal 50. The positive electrode compartment 25 includes the current collector 30 disposed within the negative electrode current collector 30, the sodium ion conductive electrolyte membrane 40 separating the negative electrode from the positive electrode solution, Lt; / RTI &gt; To provide a better understanding of the battery 10 described, a brief description of how the battery functions is provided below. After such a discussion, the components of each cell shown in Fig. 1 will be discussed in more detail.

이하, 나트륨-할로겐 2차 전지(10)가 기능하는 방식으로 돌아가서, 전지는 실제로 임의의 적합한 방식으로 기능할 수 있다. 일 예로, 도 1은 전지(10)가 방전되고 전자 (e-)가 음극(20)에서 흘러나올 때 (예를 들면, 제1 단자(45)를 통해), 나트륨이 음극(20)으로부터 산화되어 나트륨 이온 (Na+)을 형성하는 것을 예시한다. 도 1은 이들 나트륨 이온이 각각 나트륨-기반 음극(20)으로부터 나트륨 이온 전도성 전해질 막(40)을 통해 양극 용액(35)으로 수송되는 것을 나타낸다.Turning now to the manner in which the sodium-halogen secondary cell 10 functions, the cell can actually function in any suitable manner. For example, Figure 1 shows that when sodium (10) is discharged and electrons (e - ) flow out of the cathode (20) (for example, through the first terminal To form sodium ions (Na &lt; + & gt ; ). 1 shows that these sodium ions are respectively transported from the sodium-based cathode 20 to the anode solution 35 through the sodium ion conductive electrolyte membrane 40.

대조적인 예로, 도 2는 2차 전지(10)가 재충전되고 전자 (e-)가 재충전기와 같은 외부 전력 공급원 (도시하지 않음)으로부터 나트륨-기반 음극(20)으로 흘러들어갈 때, 전지(10)가 방전되는 경우 (도 1에 도시) 일어난 화학 반응과 반대로 일어나는 것을 나타낸다. 구체적으로, 도 2는 전지(10)가 재충전될 때, 나트륨 이온 (Na+)들은 각각 양극 용액(35)으로부터 전해질 막(40)을 통해 음극(20)으로 수송되고, 거기서 나트륨 이온이 환원되어 나트륨 금속 (Na)을 형성함을 나타낸다.By way of contrast, FIG. 2 shows the battery 10 when the secondary cell 10 is recharged and electrons e - flow from an external power source (not shown) such as a recharger into the sodium- (As shown in FIG. 1). Specifically, FIG. 2 shows that when the battery 10 is refilled, sodium ions (Na + ) are respectively transported from the anode solution 35 to the cathode 20 through the electrolyte membrane 40, where sodium ions are reduced To form a sodium metal (Na).

이하, 전지(10)의 다양한 구성요소와 관련하여, 전지 (상기 언급)는 음극 구획(15) 및 양극 구획(25)을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 두 구획은 임의의 적합한 형상 또는 크기일 수 있고, 전지(10)가 의도된 대로 기능하도록 하는 임의의 다른 적합한 특성을 가질 수 있다. 예로서, 음극 구획 및 양극 구획은 튜브형, 직사각형, 또는 임의의 다른 적합한 형상일 수 있다. 추가로, 두 구획은 서로에 대해 임의의 적합한 공간 관계를 가질 수 있다. 예를 들면, 도 2는 음극 구획(15) 및 양극 구획(25)이 서로 인접한 일부 실시양태를 나타내는 반면, 도 3은 하나의 구획 (예를 들면, 음극 구획(15))이 다른 구획 (예를 들면, 양극 구획(25)) 내에 적어도 부분적으로 배치되면서 두 구획의 내용물은 전해질 막(40) 및 임의의 다른 구획 벽에 의해 분리된 채 남아있는 일부 실시양태를 나타낸다.Hereinafter, in connection with the various components of the battery 10, the battery (described above) may include a cathode compartment 15 and an anode compartment 25. In this regard, the two compartments may be of any suitable shape or size and may have any other suitable characteristic that allows the battery 10 to function as intended. By way of example, the cathode compartment and anode compartment may be tubular, rectangular, or any other suitable shape. In addition, the two compartments may have any suitable spatial relationship to each other. For example, Figure 2 shows some embodiments in which the cathode compartment 15 and the anode compartment 25 are close together, while Figure 3 shows that one compartment (e. G., The cathode compartment 15) For example, the anode compartment 25), while the contents of the two compartments remain separated by the electrolyte membrane 40 and any other compartment walls.

음극(20)과 관련하여, 전지(10)는, 전지(10)가 의도된 대로 기능하도록 (예를 들면, 방전 및 재충전되도록)하는 임의의 적합한 나트륨-기반 음극(20)을 포함할 수 있다. 적합한 나트륨-기반 음극 물질의 일부 예로는, 실질적으로 순수한 나트륨 샘플, 임의의 다른 적합한 나트륨-함유 음극 물질을 포함하는 나트륨 합금, 및 나트륨 층간삽입 물질이 포함되나, 이로 제한되는 것은 아니다. 사실상, 특정 실시양태에서, 음극은 소정 양의 실질적으로 순수한 나트륨을 포함하거나 또는 그로 이루어져 있다. 그러나, 다른 실시양태에서, 음극은 나트륨 층간삽입 물질을 포함하거나 또는 그로 이루어져 있다.In connection with the cathode 20, the battery 10 may include any suitable sodium-based cathode 20 that allows the battery 10 to function (e.g., discharge and recharge) as intended . Some examples of suitable sodium-based cathode materials include, but are not limited to, substantially pure sodium samples, sodium alloys comprising any other suitable sodium-containing cathode material, and sodium intercalation materials. Indeed, in certain embodiments, the cathode comprises or consists of a predetermined amount of substantially pure sodium. However, in another embodiment, the cathode comprises or consists of a sodium intercalating material.

음극(20)이 나트륨 층간삽입 물질을 포함하는 경우, 층간삽입 물질은 전지(10)가 방전될 때 음극 내 나트륨 금속이 산화되어 나트륨 이온 (Na+)을 형성하도록 하고, 또한 전지가 재충전될 때 나트륨 이온이 환원되고 층간삽입 물질과 함께 층간삽입되도록 하는 임의의 적합한 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 층간삽입 물질은 또한 전해질 막(40)의 저항이 거의 내지는 전혀 증가하지 않도록 하는 물질을 포함한다 (이하 논의). 즉, 일부 실시양태에서, 층간삽입 물질은 나트륨 이온을 그것을 통해 용이하게 수송하고, 나트륨 이온이 음극 구획(15)으로부터 양극 구획(25)으로 (및 그 반대로) 통과하는 속도에 거의 내지는 전혀 불리한 영향을 미치지 않는다.When the cathode 20 comprises a sodium intercalation material, the intercalation material causes the sodium metal in the cathode to oxidize to form sodium ions (Na &lt; + & gt ; ) when the cell 10 is discharged, But may include any suitable material that allows sodium ions to be reduced and intercalated with the intercalating material. In some embodiments, the intercalating material also includes a material that will cause the resistance of the electrolyte membrane 40 to increase little or no at all (discussed below). That is, in some embodiments, the intercalating material facilitates transport of sodium ions therethrough and has little or no adverse effect on the rate at which sodium ions pass from the cathode compartment 15 to the anode compartment 25 (and vice versa) .

일부 실시양태에서, 음극(20) 내 층간삽입 물질은 탄소 (예를 들면, 흑연, 메조다공성 탄소, 붕소-도핑된 다이아몬드, 탄소 및/또는 그라핀(graphene))가 층간삽입된 나트륨 금속 (및/또는 나트륨 금속 합금)을 포함한다. 따라서, 음극의 일부 실시양태는 나트륨 층간삽입 탄소 물질을 포함한다.In some embodiments, the intercalation material in the cathode 20 is an intercalated sodium metal (e.g., graphite, mesoporous carbon, boron-doped diamond, carbon and / or graphene) / &Lt; / RTI &gt; or a sodium metal alloy). Thus, some embodiments of the cathode include a sodium intercalated carbon material.

전지(10)가 작동 (예를 들면, 방전 및/또는 충전)할 때, 나트륨-기반 음극(20)은 전지가 의도된 대로 기능하도록 하는 임의의 적합한 온도에 있을 수 있다. 사실상, 일부 실시양태 (예를 들어, 음극이 나트륨 금속을 포함하는 실시양태)에서, 전지는 기능할 때 음극이 용융되도록 하는 임의의 적합한 작동 온도에서 기능한다. 사실상, 전지가 용융된 음극을 포함하는 일부 실시양태에서, 전지가 기능할 때 음극의 온도 (또는 작동 온도)는 약 100℃ 내지 약 155℃이다. 다른 실시양태에서, 전지의 작동 온도는 약 110℃ 내지 약 150℃이다. 또 다른 실시양태에서, 전지의 작동 온도는 약 115℃ 내지 약 125℃이다. 전지가 작동할 때 음극이 용융되는 또 다른 실시양태에서, 전지는 상기한 작동 온도 범위의 임의의 하위-범위 (예를 들면, 약 120℃ ± 2℃) 내에 속하는 작동 온도를 갖는다. 추가의 실시양태에서, 전지는 보다 높은 온도, 예컨대 250℃ 미만, 200℃ 미만, 180℃ 미만 등에서 작동할 수 있다.When the battery 10 is activated (e.g., discharged and / or charged), the sodium-based cathode 20 may be at any suitable temperature that allows the cell to function as intended. Indeed, in some embodiments (e. G., Embodiments wherein the cathode comprises a sodium metal), the battery functions at any suitable operating temperature to cause the cathode to melt when functioning. In fact, in some embodiments in which the cell comprises a molten cathode, the temperature (or operating temperature) of the cathode when the cell functions is from about 100 캜 to about 155 캜. In another embodiment, the operating temperature of the cell is from about 110 캜 to about 150 캜. In another embodiment, the operating temperature of the cell is from about 115 캜 to about 125 캜. In another embodiment in which the cathode melts when the cell is operating, the cell has an operating temperature that falls within any of the sub-ranges of the operating temperature range described above (e.g., about 120 ° C ± 2 ° C). In a further embodiment, the cell may operate at higher temperatures, such as less than 250 占 폚, less than 200 占 폚, less than 180 占 폚, and the like.

전지(10)가 작동할 때 음극(20)이 고체로 남아있는 실시양태 (예를 들면, 음극이 나트륨 층간삽입 탄소 및/또는 고체 나트륨 애노드를 포함하는 실시양태)에서, 전지는 전지가 의도된 대로 기능하도록 하는 임의의 적합한 작동 온도에서 기능한다. 사실상, 전지가 기능할 때 음극이 고체인 일부 실시양태에서, 전지의 작동 온도는 약 -20℃ 내지 약 98℃이다. 다른 이러한 실시양태에서, 전지의 작동 온도는 약 18℃ 내지 약 65℃이다. 또 다른 이러한 실시양태에서, 전지의 작동 온도는 약 20℃ 내지 약 60℃이다. 또 다른 실시양태에서, 전지의 작동 온도는 약 30℃ 내지 약 50℃이다. 전지가 작동할 때 음극이 고체 상태로 남아있는 또 다른 실시양태에서, 전지는 상기한 작동 온도 범위의 임의의 하위-범위 (예를 들면, 약 20℃ ± 10℃) 내에 속하는 작동 온도를 갖는다.In embodiments where the cathode 20 remains a solid when the cell 10 is in operation (e.g., embodiments that include a negative electrode intercalated carbon and / or a solid sodium anode) Lt; RTI ID = 0.0 &gt; operating temperature. &Lt; / RTI &gt; In fact, in some embodiments where the cathode is solid when the cell is functioning, the operating temperature of the cell is from about -20 캜 to about 98 캜. In other such embodiments, the operating temperature of the cell is from about 18 [deg.] C to about 65 [deg.] C. In yet another such embodiment, the operating temperature of the cell is from about 20 캜 to about 60 캜. In another embodiment, the operating temperature of the cell is from about 30 캜 to about 50 캜. In another embodiment in which the cathode remains in a solid state when the cell is operating, the cell has an operating temperature that falls within any of the sub-ranges of the operating temperature range described above (e.g., about 20 ° C ± 10 ° C).

비록, 일부 실시양태 (예를 들어, 전지(10)가 작동할 때 음극(20)이 용융되는 경우)에서는, 음극(20)이 전해질 막(40)과 직접 접촉 (및/또는 습윤)하나, 일부 실시양태 (예를 들면, 전지가 기능할 때 음극이 고체로 남아있는 경우)에서는, 음극이 임의로 전해질 막과 직접 접촉하지 않는다. 사실상 도 4는, 전지(10)가 작동할 때 음극(20)이 고체로 남아있는 일부 실시양태에서, 비-수성 애노드액 용액(65)이 음극(20)을 전해질 막(40)으로부터 분리시키는 것을 나타낸다. 이러한 실시양태에서, 비-수성 애노드액 용액은, 제한 없이, 음극이 균열되거나 또는 달리는 음극이 전해질 막을 손상시키는 것을 방지 (또는 적어도 방해)하도록, 음극과 전해질 막 사이에 물리적 완충제를 제공하는 것을 비롯한 임의의 적합한 기능을 수행할 수 있다.Although the cathode 20 is in direct contact with (and / or wetted with) the electrolyte membrane 40 in some embodiments (e. G., When the cathode 20 is melted when the battery 10 is operating) In some embodiments (e. G., When the cathode remains solid when the cell functions), the cathode is not in direct contact with the electrolyte membrane at all. 4 shows that in some embodiments in which the cathode 20 remains solid when the cell 10 is operating the non-aqueous anode liquid solution 65 separates the cathode 20 from the electrolyte membrane 40 . In such embodiments, the non-aqueous anolyte solution may include, without limitation, providing a physical buffer between the cathode and the electrolyte membrane such that the cathode is either cracked or runs to prevent (or at least disturb) the electrolyte membrane And can perform any suitable function.

전지(10)가 비-수성 애노드액 용액(65)을 포함하는 경우, 애노드액 용액은 음극(20) 및 전해질 막(40)과 화학적으로 상용성이고 나트륨 이온이 음극으로부터 전해질 막으로 및 그 반대로 통과되도록 하기에 충분히 전도성인 임의의 적합한 화학물질을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 적합한 비-수성 애노드액의 일부 예로는 프로필렌 카르보네이트; 에틸렌 카르보네이트; 하나 이상의 유기 전해질, 이온성 액체, 극성 비양성자성 유기 용매, 폴리실록산 화합물, 아세토니트릴 기반 화합물 등; 에틸아세테이트; 및/또는 임의의 다른 적합한 비-수성 액체 및/또는 겔이 포함되나, 이로 제한되는 것은 아니다. 적합한 비-수성 애노드액 용액의 보다 상세한 설명에 대해서는 2010년 11월 5일에 출원된 미국 특허출원 공개 제2011/0104526호를 참조하기 바라며; 그의 전체 개시내용은 본원에 참조로 포함된다.When the battery 10 comprises a non-aqueous anode liquid solution 65, the anolyte solution is chemically compatible with the cathode 20 and the electrolyte membrane 40 and sodium ions from the cathode to the electrolyte membrane and vice versa And may include any suitable chemical that is sufficiently conductive to allow it to pass. In this regard, some examples of suitable non-aqueous anode liquids include propylene carbonate; Ethylene carbonate; One or more organic electrolytes, an ionic liquid, a polar aprotic organic solvent, a polysiloxane compound, an acetonitrile-based compound, and the like; Ethyl acetate; And / or any other suitable non-aqueous liquids and / or gels. For a more detailed description of a suitable non-aqueous anolyte solution, see U.S. Patent Application Publication No. 2011/0104526, filed November 5, 2010; The entire disclosure of which is incorporated herein by reference.

이하, 나트륨 이온 전도성 전해질 막(40)과 관련하여, 막은 나트륨 이온을 선택적으로 수송하고 전지(10)가 비-수성 양극 용액(35) 또는 수성 양극 용액(35)으로 기능하도록 하는 임의의 적합한 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전해질 막은 NaSICON-유형 (나트륨 슈퍼 이온 컨덕티브(sodium Super Ion CONductive)) 물질을 포함한다. 전해질 막이 NaSICON-유형 물질을 포함하는 경우, NaSICON-유형 물질은 기술된 전지(10)에 사용하기에 적합한 임의의 공지된 또는 신규의 NaSICON-유형 물질을 포함할 수 있다. NaSICON-유형 조성물의 일부 적합한 예로는 Na3Zr2Si2PO12, Na1 + xSixZr2P3 - xO12 (여기서, x는 약 1.6 내지 약 2.4임), Y-도핑된 NaSICON (Na1 +x+ yZr2 - yYySixP3 - xO12, Na1 + xZr2 - yYySixP3 - xO12 -y (여기서, x = 2, y = 0.12임)), Na1-xZr2SixP3-xO12 (여기서, x는 약 0 내지 약 3이고, 일부 경우 약 2 내지 약 2.5임), 및 Fe-도핑된 NaSICON (Na3Zr2 / 3Fe4 / 3P3O12)이 포함되나, 이로 제한되는 것은 아니다. 사실상, 특정 실시양태에서, NaSICON-유형 막은 Na3Si2Zr2PO12를 포함한다. 다른 실시양태에서, NaSICON-유형 막은 세라마텍, 인크. (미국 유타주 솔트레이크 시티 소재)에 의해 제조된 하나 이상의 NaSELECT® 물질을 포함한다. 또 다른 실시양태에서, NaSICON-유형 막은 공지된 또는 신규의 복합, 서멧-지지형(cermet-supported) NaSICON 막을 포함한다. 이러한 실시양태에서, 복합 NaSICON 막은, 제한 없이, NiO/NaSICON 또는 임의의 다른 적합한 서멧 층을 포함하는 다공성 NaSICON-서멧 층, 및 조밀한 NaSICON 층을 비롯한 임의의 적합한 구성요소를 포함할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, NaSICON 막은 단사정계 세라믹을 포함한다.Hereinafter, with respect to the sodium ion conductive electrolyte membrane 40, the membrane may comprise any suitable material that selectively transports sodium ions and allows the cell 10 to function as the non-aqueous anode solution 35 or the aqueous anode solution 35 . &Lt; / RTI &gt; In some embodiments, the electrolyte membrane comprises a NaSICON-type (sodium Super Ion Conductive) material. If the electrolyte membrane comprises a NaSICON-type material, the NaSICON-type material may comprise any known or novel NaSICON-type material suitable for use in the battery 10 described. Some suitable examples of NaSICON-type compositions include Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 , Na 1 + x Si x Zr 2 P 3 - x O 12 (Where, x would be approximately 1.6 to about 2.4), Y- doped NaSICON (Na 1 + x + y Zr 2 - y Y y Si x P 3 - x O 12, Na 1 + x Zr 2 - y Y y Si 3 x P - x, and -y O 12 (wherein, x = 2, y = 0.12 Im)), Na 1-x Zr 2 Si x P 3-x O 12 ( wherein, x is from about 0 to about 3, some when include, but being from about 2 to about 2.5), and Fe- doped NaSICON (Na 3 Zr 2/3 Fe 4/3 P 3 O 12), but is not limited thereto. Indeed, in certain embodiments, the NaSICON-type film comprises Na 3 Si 2 Zr 2 PO 12 . In another embodiment, NaSICON-type membranes are prepared by the method described in Serramatech, Inc. Comprises one or more materials NaSELECT ® (manufactured by United States Salt Lake City). In another embodiment, the NaSICON-type film comprises a known or new composite, cermet-supported NaSICON film. In such embodiments, the composite NaSICON film may include, without limitation, any suitable component, including a porous NaSICON-cermet layer comprising NiO / NaSICON or any other suitable cermet layer, and a dense NaSICON layer. In another embodiment, the NaSICON film comprises monoclinic ceramics.

일부 실시양태에서 (도 5a 및 5b에 도시), 전해질 막(40)은 비교적 얇은 조밀한 NaSICON-유형 물질 층(75)을 지지하는 제1 다공성 기재(70) (예를 들면, 비교적 두꺼운 다공성 NaSICON-유형 물질)을 포함한다. 이러한 실시양태에서, 제1 다공성 기재는 조밀한 층을 위한 스캐폴드로서의 역할을 비롯한 임의의 적합한 기능을 수행할 수 있다. 그 결과로서, 전해질 막의 일부 구현은 상기 논의된 비교적 낮은 작동 온도에서의 옴 분극 손실을 최소화할 수 있다. 추가로, 일부 실시양태에서, 다공성 스캐폴드 및 조밀한 NaSICON-유형 층 둘 다를 가짐으로써, 전해질 막은 비교적 높은 기계적 강도 (예를 들면, 전지가 가압, 작동될 때 전지(10) 내 압력이 변화하도록 하는 정도 등)를 가질 수 있다.In some embodiments (shown in FIGS. 5A and 5B), the electrolyte membrane 40 includes a first porous substrate 70 that supports a relatively thin dense NaSICON-type material layer 75 (e.g., a relatively thick porous NaSICON - type material). In such embodiments, the first porous substrate may perform any suitable function, including acting as a scaffold for the dense layer. As a result, some implementations of the electrolyte membrane can minimize ohmic polarization losses at the relatively low operating temperatures discussed above. Additionally, in some embodiments, by having both the porous scaffold and the dense NaSICON-type layer, the electrolyte membrane can be made to have a relatively high mechanical strength (e.g., to allow the pressure within the cell 10 to change as the cell is pressurized, And the like).

다공성 기재 층(70)은 임의의 적합한 두께일 수 있으나, 일부 실시양태에서, 그것은 약 50 ㎛ 내지 약 1250 ㎛ 두께이다. 다른 실시양태에서, 다공성 기재 층은 약 500 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛ 두께이다. 또 다른 실시양태에서, 다공성 기재 층은 약 700 ㎛ 내지 약 980 ㎛이다. 또 다른 실시양태에서, 다공성 기재 층은 상기한 범위의 임의의 적합한 하위-범위 (예를 들면, 약 740 ㎛ 내지 약 960 ㎛)에 속하는 두께를 갖는다.The porous substrate layer 70 can be any suitable thickness, but in some embodiments it is from about 50 microns to about 1250 microns thick. In another embodiment, the porous substrate layer is from about 500 microns to about 1,000 microns thick. In another embodiment, the porous substrate layer is from about 700 [mu] m to about 980 [mu] m. In another embodiment, the porous substrate layer has a thickness that falls within any suitable sub-range of the above range (e.g., from about 740 탆 to about 960 탆).

기재 층(70) 상의 조밀한 층(75)은 전지(10)가 의도된 대로 기능하도록 하는 임의의 적합한 두께일 수 있다. 사실상, 일부 실시양태에서, 조밀한 층 (예를 들면, 조밀한 NaSICON-유형 물질 층)은 약 20 ㎛ 내지 약 400 ㎛의 두께를 갖는다. 다른 실시양태에서, 조밀한 층은 약 45 ㎛ 내지 약 260 ㎛의 두께를 갖는다. 또 다른 실시양태에서, 조밀한 층은 상기한 두께의 임의의 하위-범위 (예를 들면, 약 50 ㎛ ± 10 ㎛)에 속하는 두께를 갖는다.The dense layer 75 on the substrate layer 70 can be any suitable thickness that allows the cell 10 to function as intended. In fact, in some embodiments, the dense layer (e. G., A dense NaSICON-type material layer) has a thickness of about 20 microns to about 400 microns. In another embodiment, the dense layer has a thickness of about 45 [mu] m to about 260 [mu] m. In another embodiment, the dense layer has a thickness that falls in any sub-range (e.g., about 50 占 퐉 占 10 占 퐉) of the thickness described above.

전해질 막(40)은 전지(10)가 의도된 대로 작동하도록 하는 임의의 적합한 나트륨 전도성을 가질 수 있다. 사실상, 일부 실시양태에서 (전해질 막이 NaSELECT® 또는 또 다른 적합한 NaSICON-유형 물질을 포함하는 경우), 전해질 막은 약 4×10-3 S cm-1 내지 약 20×10-3 S cm-1 (또는 그의 임의의 하위-범위)의 전도성을 갖는다.The electrolyte membrane 40 may have any suitable sodium conductivity that allows the cell 10 to operate as intended. Indeed, in some embodiments (where the electrolyte membrane comprises NaSELECT ® or another suitable NaSICON-type material), the electrolyte membrane has a permeability of about 4 × 10 -3 S cm -1 to about 20 × 10 -3 S cm -1 Its optional sub-range).

전해질 막(40)이 NaSICON-유형 물질을 포함하는 경우, NaSICON-유형 물질은 전지(10)에 여러 유리한 특성을 제공할 수 있다. 일 예로, NaSICON-유형 물질은 나트륨 β"-알루미나 세라믹 전해질 세퍼레이터와 달리, 물에 실질적으로 불투과성이고 물의 존재 하에 안정하기 때문에, NaSICON-유형 물질은 전지가 수성 양극 용액과 같은 양극 용액(35)을 포함하는 것을 가능케 할 수 있다 (다르게는 나트륨 음극 (20)과 비상용성일 것임). 따라서, 전해질 막으로서 NaSICON-유형 막을 사용하면 전지가 폭넓은 범위의 배터리 화학을 가질 수 있도록 한다. NaSICON-유형 막과 관련될 수 있는 또 다른 유리한 특성의 예로서, 이러한 막은 나트륨 이온을 선택적으로 수송하지만 음극(20) 및 양극 용액(35)이 혼합되지 않도록 하기 때문에, 전지가 극미한 용량 감소를 갖고 주위 온도에서 비교적 안정한 저장 수명을 갖도록 도움을 줄 수 있다. 사실상, 일부 NaSICON-유형 물질 (예를 들어, NaSELECT® 막)은 자체-방전, 교차, 및/또는 물질의 고체-고체 선택투과성으로 인한 관련 시스템 비효율을 없앤다.If the electrolyte membrane 40 comprises a NaSICON-type material, the NaSICON-type material may provide a number of beneficial properties to the battery 10. As an example, since the NaSICON-type material is substantially impermeable to water and stable in the presence of water, unlike the sodium? "- alumina ceramic electrolyte separator, the NaSICON- (Otherwise it would be incompatible with the sodium anode 20.) Thus, the use of a NaSICON-type membrane as the electrolyte membrane allows the cell to have a wide range of battery chemistries. The NaSICON-type As an example of another advantageous characteristic that may be associated with the membrane, such membrane selectively transports sodium ions but does not mix cathode 20 and anode solution 35, In fact, some NaSICON-type materials (e.g., NaSELECT ® membranes) can be self-discharging, Intersystem, and / or solid-solid permselectivity of the material.

집전체(30)와 관련하여, 전지(10)는 전지가 의도된 대로 충전 및 방전되도록 하는 임의의 적합한 집전체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 집전체는 실제로 나트륨-기반 재충전가능 배터리 시스템에서 성공적으로 사용된 임의의 집전체 구성을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 집전체는 하나 이상의 와이어, 펠트, 포일, 플레이트, 평행 플레이트, 튜브, 메쉬, 메쉬 스크린, 발포체 (예를 들면, 금속 발포체, 탄소 발포체 등), 및/또는 다른 적합한 집전체 구성을 포함한다. 사실상, 일부 실시양태에서, 집전체는 비교적 큰 표면적을 갖는 구성 (예를 들면, 하나 이상의 메쉬 스크린, 금속 발포체 등)을 포함한다.In connection with the current collector 30, the battery 10 may include any suitable current collector that allows the battery to be charged and discharged as intended. For example, the current collector may comprise any current collector configuration that has been successfully used in a sodium-based rechargeable battery system. In some embodiments, the current collector may comprise one or more of wire, felt, foil, plate, parallel plate, tube, mesh, mesh screen, foam (e.g. metal foil, carbon foam etc.) . Indeed, in some embodiments, the current collector comprises a configuration having a relatively large surface area (e.g., one or more mesh screens, metal foams, etc.).

집전체(30)는 전지(10)가 의도된 대로 기능하도록 하는 임의의 적합한 물질을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 적합한 집전체 물질의 일부 비-제한적 예로는 탄소, 백금, 구리, 니켈, 아연, 나트륨 층간삽입 물질 (예를 들면, NaXMnO2 등), 니켈 발포체, 니켈, 황 복합체, 황 할라이드 (예를 들면, 염화황), 및/또는 또 다른 적합한 물질이 포함된다. 추가로, 이들 물질은 공존하거나 또는 조합하여 존재할 수 있다. 그러나, 일부 실시양태에서, 집전체는 탄소, 백금, 구리, 니켈, 아연, 및/또는 나트륨 층간삽입 물질 (예를 들면, NaXMnO2)을 포함한다.The current collector 30 may comprise any suitable material that allows the cell 10 to function as intended. In this regard, some non-limiting examples of suitable collector materials include carbon, platinum, copper, nickel, zinc, sodium intercalation materials (e.g. Na x MnO 2 ), nickel foams, nickel, Halide (e. G., Sulfur chloride), and / or another suitable material. In addition, these materials may be present together or in combination. However, in some embodiments, the current collector includes carbon, platinum, copper, nickel, zinc, and / or sodium intercalation materials (e.g., Na x MnO 2 ).

집전체(30)는 전지(10)가 의도된 대로 기능하도록 하는 양극 구획(25) 내 임의의 적합한 위치에 배치될 수 있다. 그러나, 일부 실시양태에서, 집전체는 전해질 막(40) 상에 (예를 들면, 도 3에 도시) 또는 그에 인접하여 (예를 들면, 도 6에 도시) 배치된다.The current collector 30 may be disposed at any suitable location within the anode compartment 25 to allow the battery 10 to function as intended. However, in some embodiments, the current collector is disposed (for example, as shown in Fig. 3) or adjacent thereto (as shown in Fig. 6) on the electrolyte membrane 40, for example.

이하, 양극 용액(35)과 관련하여, 용액은 전지(10)가 의도된 대로 기능하도록 하는 임의의 적합한 나트륨 이온 전도성 물질을 포함할 수 있다. 사실상, 일부 실시양태에서, 양극 용액은 수성 또는 비-수성 용액을 포함한다. 이와 관련하여, 적합한 수성 또는 수-상용성 용액의 일부 예로는 디메틸 술폭시드 ("DMSO"), 물, 포름아미드, N-메틸포름아미드 (NMF), 에틸렌 글리콜, 수산화나트륨 (NaOH) 수용액, 이온성 수용액, 및/또는 나트륨 이온 및 전해질 막(40)과 화학적으로 상용성인 임의의 다른 수용액이 포함되나, 이로 제한되는 것은 아니다. 사실상, 일부 실시양태에서, 양의 전해질 용액은 NMF, 포름아미드 및/또는 DMSO를 포함한다.Hereinafter, with respect to the positive electrode solution 35, the solution may comprise any suitable sodium ion conductive material that allows the battery 10 to function as intended. Indeed, in some embodiments, the anode solution comprises an aqueous or non-aqueous solution. In this regard, some examples of suitable aqueous or water-compatible solutions include aqueous solutions of dimethylsulfoxide ("DMSO"), water, formamide, N-methylformamide (NMF), ethylene glycol, sodium hydroxide Aqueous solution, and / or any other aqueous solution chemically compatible with the sodium ion and electrolyte membrane 40. Indeed, in some embodiments, the positive electrolyte solution comprises NMF, formamide and / or DMSO.

일부 실시양태에서, 양극 용액(35)은 비-수성 용매를 포함한다. 이러한 실시양태에서, 양극 용액은 전지(10)가 의도된 대로 기능하도록 하는 임의의 적합한 비-수성 용매를 포함할 수 있다. 이러한 비-수성 용매의 일부 예로는, 제한 없이, 글리세롤, 에틸렌, 프로필렌, 및/또는 나트륨 이온 및 전해질 막(40)과 화학적으로 상용성인 임의의 다른 비-수성 용액이 포함된다.In some embodiments, the anode solution 35 comprises a non-aqueous solvent. In such an embodiment, the anode solution may comprise any suitable non-aqueous solvent that allows the cell 10 to function as intended. Some examples of such non-aqueous solvents include, without limitation, glycerol, ethylene, propylene, and / or sodium ions and any other non-aqueous solution chemically compatible with electrolyte membrane 40.

일부 실시양태 (예를 들면, 용융된 나트륨 음극(20) 및 나트륨 층간삽입 집전체(30) (예를 들면, NaxMnO2)를 포함하는 실시양태, 도 6에 도시)에서, 양극 용액(35)은 용융된 나트륨-FSA (나트륨-비스(플루오로술포닐)아미드) 전해질을 포함한다. 사실상, Na-FSA는 약 107℃ (Na-FSA가 전지(10)의 일부 전형적 작동 온도에서 용융되도록 함)의 융점을 갖고, 약 50-100 mS/cm2 범위의 전도성을 갖기 때문에, 일부 실시양태에서, Na-FSA는 유용한 용매 (예를 들면, 용융된 나트륨 할라이드 (NaX (여기서, X는 Br, I, Cl 등에서 선택됨)의 경우)로서의 역할을 한다. 이와 관련하여, Na-FSA는 하기 구조를 갖는다:In an embodiment that includes some embodiments (e.g., a molten sodium cathode 20 and a sodium intercalation current collector 30 (e.g., Na x MnO 2 ), shown in FIG. 6), the anode solution 35 includes a molten sodium-FSA (sodium-bis (fluorosulfonyl) amide) electrolyte. In fact, Na-FSA has a melting point of about 107 ° C (Na-FSA melts at some typical operating temperatures of the battery 10) and has a conductivity in the range of about 50-100 mS / cm 2 , In an embodiment, Na-FSA serves as a useful solvent (e.g., in the case of molten sodium halide (NaX where X is selected from Br, I, Cl, etc.) Structure:

Figure pct00001
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양극 용액(35)이 Na-FSA를 포함하는 경우, 용액은 나트륨 이온을 전해질 막으로 또는 그로부터 전도할 수 있고 다르게는 전지(10)가 의도된 대로 기능하도록 하는 임의의 적합한 플루오로술포닐 아미드를 포함할 수 있다. 적합한 플루오로술포닐 아미드의 일부 예로는, 제한 없이, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨-(비스(플루오로술포닐)) 아미드 ("[EMIM][FSA]"), 및 다른 유사한 화학물질이 포함된다.If the anode solution 35 comprises Na-FSA, the solution may contain any suitable fluorosulfonylamide capable of conducting sodium ions to or from the electrolyte membrane, or otherwise allowing the cell 10 to function as intended . Some examples of suitable fluorosulfonyl amides include, without limitation, 1-ethyl-3-methylimidazolium- (bis (fluorosulfonyl)) amide ("[EMIM] [FSA]") Materials.

일부 실시양태에서, 양극 용액(35)은 또한 하나 이상의 할로겐 및/또는 할라이드를 포함한다. 이와 관련하여, 할로겐 및 할라이드, 또한 그로부터 형성되는 폴리할라이드 및/또는 금속 할라이드 (예를 들면, 집전체(30)가 구리, 니켈, 아연 등과 같은 금속을 포함하는 경우 (하기에 논의))는, 제한 없이, 전지(10)가 작동할 때 양극으로서의 역할을 하는 것을 비롯하여 임의의 적합한 기능을 수행할 수 있다. 적합한 할로겐의 일부 예로는 브로민, 아이오딘 및 클로린이 포함된다. 유사하게, 적합한 할라이드의 일부 예로는 브로마이드 이온, 폴리브로마이드 이온, 아이오다이드 이온, 폴리아이오다이드 이온, 클로라이드 이온, 및 폴리클로라이드 이온이 포함된다. 할로겐/할라이드는 임의의 적합한 방식으로 양극 용액 내로 도입될 수 있으나, 일부 실시양태에서, 그것들은 NaX (여기서, X는 Br, I, Cl 등으로부터 선택됨)로서 첨가된다.In some embodiments, the anode solution 35 also comprises one or more halogens and / or halides. In this regard, halogens and halides, and polyhalides and / or metal halides formed therefrom (e.g., where the current collector 30 comprises a metal such as copper, nickel, zinc, etc. discussed below) May perform any suitable function, including, without limitation, acting as the anode when the cell 10 is operating. Some examples of suitable halogens include bromine, iodine, and chlorine. Similarly, some examples of suitable halides include bromide ions, polybromide ions, iodide ions, polyiodide ions, chloride ions, and polychloride ions. The halide / halide may be introduced into the anode solution in any suitable manner, but in some embodiments they are added as NaX where X is selected from Br, I, Cl, and the like.

양극 용액(35)이 할로겐 ("X") (예를 들면, 브로민 또는 아이오딘) 및/또는 할라이드를 포함하는 일부 실시양태에서, 전지는 작동할 때 음극(20), 양극/집전체(30), 및 전지의 전체 반응에서 하기 반응을 가질 수 있다:In some embodiments in which the anode solution 35 comprises a halogen ("X") (eg, bromine or iodine) and / or a halide, the cell operates in the cathode 20, anode / 30), and in the overall reaction of the cell:

음극 Na ↔ Na+ + 1e- Cathode Na ↔ Na + + 1e -

양극 2X- ↔ X2 + 2e- Anode 2X - ↔ X 2 + 2e -

전체 2Na + X2 ↔ 2Na+ + 2X- Total 2Na + X 2 ↔ 2Na + + 2X -

따라서, X가 아이오딘을 포함하는 경우, 전지(10)는 하기 화학 반응 및 하기 이론적 전압 (V) 및 이론적 비에너지 (Wh/kg)를 가질 수 있다:Thus, when X comprises iodine, the cell 10 may have the following theoretical chemistry and theoretical voltage (V) and theoretical specific energy (Wh / kg):

음극 Na ↔ Na+ + 1e- (-2.71 V)Cathode Na ↔ Na + + 1e - (-2.71 V)

양극 2I- ↔ I2 + 2e- (0.52 V)Anode 2I - ↔ I 2 + 2e - (0.52 V)

전체 2Na + I2 ↔ 2Na+ + 2I- (3.23 V) (581 Wh/kg)Total 2Na + I 2 ↔ 2Na + + 2I - (3.23 V) (581 Wh / kg)

추가로, X가 브로민을 포함하는 경우, 전지는 하기 화학 반응 및 하기 이론적 전압 및 이론적 비에너지를 가질 수 있다:In addition, where X comprises bromine, the cell may have the following theoretical and theoretical ratios of the following chemical reactions and theoretical specific energies:

음극 Na ↔ Na+ + 1e- (-2.71 V)Cathode Na ↔ Na + + 1e - (-2.71 V)

양극 2Br- ↔ Br2 + 2e- (1.08 V)Anode 2Br - ↔ Br 2 + 2e - (1.08 V)

전체 2Na + Br2 ↔ 2Na+ + 2Br- (3.79 V) (987 Wh/kg)Total 2Na + Br 2 ↔ 2Na + + 2Br - (3.79 V) (987 Wh / kg)

양극/집전체(30)에서 실제 전하 수송 반응은 적어도 두 단계로 발생할 수 있음이 관찰되었다. 이들 두 전위 반응은 하기에 나타내고, 배터리 화학 1 (배터리 재충전에 대해 도 22a에 개략적으로 도시) 및 배터리 화학 2 (배터리 화학 재충전에 대해 도 22b에 개략적으로 도시)라 명명된다. 이들 반응은 다단계 반응의 개별 단계일 수 있거나, 또는 배터리 조건에 따라 하나의 단계가 다른 단계보다 우세할 수 있음이 관찰되었다.It has been observed that the actual charge transport reaction in the anode / current collector 30 can occur in at least two stages. These two potential responses are shown below and are named Battery Chemistry 1 (schematically shown in Figure 22a for battery recharging) and Battery Chemistry 2 (schematically shown in Figure 22b for battery chemistry recharging). It has been observed that these reactions may be individual steps of a multistage reaction, or that one step may predominate over the other depending on the battery conditions.

양극 X3 - + 2e- ↔ 3X- (배터리 화학 1)Anode X 3 - + 2e - ↔ 3X - (Battery chemistry 1)

양극 3X2 + 2e- ↔ 2X3 - (배터리 화학 2)anode 3X2 +2e- ↔ 2X3 - (Battery Chemistry 2)

전체 2Na + X3 - ↔ 2Na+ + 3X- (배터리 화학 1)all 2Na + X3 -↔ 2Na+ + 3X- (Battery Chemistry 1)

전체 2Na + 3X2 ↔ 2Na+ + 2X3 - (배터리 화학 2) Total 2Na + 3X 2 ↔ 2Na + + 2X 3 - (Battery chemistry 2)

양극/집전체(30)에서 발생하는 적어도 두 전위 반응 (상이한 "배터리 화학" 숫자로 명명)이 존재함을 인지할 것이다.It will be appreciated that there are at least two potential reactions (named as different "battery chemistry" numbers) that occur in the anode / current collector 30.

X가 아이오딘을 포함하는 경우, 전지(10)는 하기 화학 반응 및 하기 이론적 전압 (V vs. SHE (표준 수소 전극)) 및 이론적 비에너지 (Wh/kg)를 가질 수 있다: When X comprises iodine, the battery 10 may have the following chemical reaction and the following theoretical voltage (V vs. SHE (standard hydrogen electrode)) and theoretical specific energy (Wh / kg):

음극 Na ↔ Na+ + 1e- (-2.71 V)Cathode Na ↔ Na + + 1e - (-2.71 V)

양극 I3 - + 2e- ↔ 3I- (0.29 V, 화학 1)Anode I 3 - + 2e - ↔ 3I - (0.29 V, Chemistry 1)

양극 3I2 + 2e- ↔ 2I3 - (0.74 V, 화학 2) Anode 3I 2 + 2e - ↔ 2I 3 - (0.74 V, chemical 2)

전체 2Na + I3 - ↔ 2Na+ + 3I- (2.8 V, 화학 1) (388 Wh/kg)all 2Na + I3 - ↔ 2Na+ + 3I- (2.8 V, chemical 1) (388 Wh / kg)

전체 2Na + 3I2 ↔ 2Na+ + 2I3 - (3.25 V, 화학 2) (193 Wh kg)All 2Na + 3I 2 ↔ 2Na + + 2I 3 - (3.25 V, Chemical 2) (193 Wh kg)

양극에서의 충전 반응은 1) 아이오다이드에서 트리아이오다이드로 및 2) 트리아이오다이드에서 아이오딘으로의 두 단계로 일어날 수 있다. 유사하게, 양극에서의 방전 반응은 1) 아이오딘에서 트리아이오다이드로 및 2) 트리아이오다이드에서 아이오다이드로의 두 단계로 일어날 수 있다. 대안적으로, 충전 및 방전 반응은 상기 반응 화학들의 조합을 사용하여 일어날 수 있다.The charging reaction at the anode can take place in two steps: 1) from iodide to triiodide and 2) from triiodide to iodine. Similarly, the discharge reaction at the anode can take place in two steps: 1) from iodine to triiodide and 2) from triiodide to iodide. Alternatively, the charge and discharge reactions may occur using a combination of the above reaction chemistries.

X가 브로민을 포함하는 경우, 전지(10)는 하기 화학 반응 및 하기 이론적 전압 (V vs. SHE) 및 이론적 비에너지 (Wh/kg)를 가질 수 있다:When X comprises bromine, the cell 10 may have the following chemical reaction and the following theoretical voltage (V vs. SHE) and theoretical specific energy (Wh / kg):

음극 Na ↔ Na+ + 1e- (-2.71 V)Cathode Na ↔ Na + + 1e - (-2.71 V)

양극 Br3 - + 2e- ↔ 3Br- (0.82 V, 화학 1)Anode Br 3 - + 2e - ↔ 3Br - (0.82 V, chemical 1)

양극 3Br2 + 2e- ↔ 2Br3 - (1.04 V, 화학 2) Anode 3Br 2 + 2e - ↔ 2Br 3 - (1.04 V, chemical 2)

전체 2Na + I3 - ↔ 2Na+ + 3I- (3.53 V, 화학 1) (658 Wh/kg)all 2Na + I3 - ↔ 2Na+ + 3I- (3.53 V, chemical 1) (658 Wh / kg)

전체 2Na + 3I2 ↔ 2Na+ + 2I3 - (3.75 V, 화학 2) (329 Wh kg)all 2Na + 3I2 ↔ 2Na+ + 2I3 - (3.75 V, chemical 2) (329 Wh kg)

양극에서의 충전 반응은 1) 브로마이드에서 트리브로마이드로 및 2) 트리브로마이드에서 브로민으로의 두 단계로 일어날 수 있다. 유사하게, 양극에서의 방전 반응은 1) 브로민에서 트리브로마이드로 및 2) 트리브로마이드에서 브로마이드로의 두 단계로 일어날 수 있다. 대안적으로, 충전 및 방전 반응은 상기 반응 화학들의 조합을 사용하여 일어날 수 있다.The charging reaction at the anode can take place in two steps: 1) from bromide to tribromide and 2) from tribromide to bromine. Similarly, the discharge reaction at the anode can take place in two steps: 1) from bromine to tribromide and 2) from tribromide to bromide. Alternatively, the charge and discharge reactions may occur using a combination of the above reaction chemistries.

양극에서 일어나는 배터리 화학 1, 배터리 화학 2, 및 배터리 화학 1 및 2의 조합은 이로 제한되는 것은 아니나 수성 및 비-수성 나트륨 아이오다이드 용액, 전압 한계, 첨가제, 용액의 농도, 온도, 폴리아이오다이드와 아이오딘 (폴리브로마이드와 브로민)간의 평형상태, 작동 온도에서의 자유 아이오딘 (자유 브롬)의 존재 등을 비롯한 여러 요인에 따라 선택 또는 조절될 수 있다.The combination of Battery Chemistry 1, Battery Chemistry 2, and Battery Chemistry 1 and 2 occurring at the anode includes, but is not limited to, aqueous and non-aqueous sodium iodide solution, voltage limit, additive, concentration of solution, The equilibrium state between iodine and iodine (polybromide and bromine), the presence of free iodine (free bromine) at operating temperature, and the like.

양극 용액(35) 내 다양한 성분은 전지(10)가 의도된 대로 기능하도록 하는 임의의 적합한 농도로 전지 내에 존재할 수 있다.The various components in the anode solution 35 can be present in the cell at any suitable concentration that allows the cell 10 to function as intended.

일부 실시양태에서, 할로겐 (예를 들면, 브로민, 아이오딘 또는 클로린)은 전지(10)가 작동 (예를 들면, 충전)할 때 전지(10) 내에 형성된다. 이와 관련하여, 할로겐은 전지가 기능할 때 이에 여러 영향을 미칠 수 있다. 일 예로, 양극 용액(35)에서 생성된 할로겐은 비교적 높은 증기압을 가질 수 있고, 이는 결국 전지룰 바람직하지 않은 압력에 노출시킬 수 있다. 또 다른 예로, 양극 용액 내 할로겐은 용액 내 다른 시약과 반응하여 바람직하지 않은 화학물질 (예를 들면, 양극 용액이 수성인 경우 HOX 및/또는 HX (여기서, X는 Br, I 등으로부터 선택됨))을 형성할 수 있다. 일부 구현에서, 양극 용액 내 생성된 할로겐과 관련될 수 있는 문제를 감소 및/또는 방지하기 위해, 전지를 개질시켜 양극 용액 내 존재하는 원소 할로겐 (예를 들면, 브로민, 아이오딘 등)의 총 양을 감소시킨다. 이러한 구현에서, 전지는 양극 용액 내 존재하는 할로겐의 양을 조절하면서 전지가 작동되도록 하는 임의의 적합한 방식으로 개질될 수 있다.In some embodiments, a halogen (e.g., bromine, iodine, or chlorine) is formed in the cell 10 when the cell 10 is activated (e.g., charged). In this regard, halogens can have a number of effects when the cell functions. In one example, the halogen produced in the anode solution 35 may have a relatively high vapor pressure, which may eventually expose the cell rule to undesirable pressures. In another example, the halogen in the anode solution reacts with other reagents in the solution to form undesirable chemicals, such as HOX and / or HX where X is selected from Br, I, etc., when the anode solution is water- Can be formed. In some implementations, in order to reduce and / or prevent problems that may be associated with halogens generated in the anode solution, the cell is modified to provide a total of the elemental halogens (e.g., bromine, iodine, etc.) present in the anode solution Reduce the amount. In such an implementation, the cell may be modified in any suitable manner to allow the cell to operate while controlling the amount of halogen present in the anode solution.

일부 실시양태에서, 양극 용액(35) 내 할로겐의 양을 감소시키기 위해, 용액은 과량의 나트륨 할라이드 (예를 들면, 나트륨 브로마이드, 나트륨 아이오다이드, 나트륨 클로라이드 등) 및/또는 과량의 원소 할로겐 (예를 들면, 브로민, 아이오딘, 클로린 등)을 포함한다. 이러한 실시양태에서, 양극 용액은 하나 이상의 폴리할라이드 (예를 들면, Br3 -, I3 -, Cl3 - 등)이 양극 용액(35) 내에 형성되도록 하는 임의의 적합한 양의 나트륨 할라이드 및/또는 원소 할로겐을 포함할 수 있다 (도 2 및 2a에 도시 (여기서, X는 Br, I 또는 Cl을 나타냄)). 이러한 실시양태에서, 폴리할라이드는 그의 상응하는 할로겐과 여전히 전기활성적으로 유사하나, 그의 상응하는 할로겐보다 더 낮은 증기압을 가질 수 있다.In some embodiments, to reduce the amount of halogen in the anode solution 35, the solution may be treated with an excess of sodium halide (e.g., sodium bromide, sodium iodide, sodium chloride, etc.) and / For example, bromine, iodine, chlorine, etc.). In such embodiments, the anode solution is one or more poly halide (e. G., Br 3 -, I 3 - , Cl 3 - , etc.), any suitable amount of sodium halide and / or to be formed in the cathode solution was 35 (Shown in Figs. 2 and 2a, wherein X represents Br, I or Cl). In this embodiment, the polyhalide is still electroactively similar to its corresponding halogen, but may have a lower vapor pressure than its corresponding halogen.

일부 실시양태에서, 양극 용액(35) 내 할로겐의 양을 감소시키기 위해, 양극 용액은 양극 용액 내 할로겐, 할라이드 및/또는 폴리할라이드와 부가물 (예를 들면, 할라이드-아민 부가물, 할라이드-암모늄 부가물 등)을 형성할 수 있거나 또는 그와 착화할 수 있는 하나 이상의 착물화제를 포함한다. 이와 관련하여, 착물화제는 양극 용액 내 할로겐, 할라이드 및/또는 폴리할라이드와 부가물 및/또는 착물을 형성할 수 있는 임의의 화학물질을 포함할 수 있다. 이러한 착물화제의 일부 비-제한적 예로는 하나 이상의 브로마이드-아민 부가물, 아이오다이드-아민 부가물, 클로라이드-아민 부가물, 테트라메틸 암모늄 할라이드 (예를 들면, 테트라메틸 암모늄 브로마이드, 테트라메틸 암모늄 아이오다이드, 테트라메틸 암모늄 클로라이드 등), 암모늄 화합물, N-메틸-N-메틸-모르폴리 늄 할라이드 등이 포함된다. 사실상, 양극 용액이 NaBr/Br2를 포함하는 일부 실시양태에서, 착물화제는 테트라메틸 암모늄 브로마이드를 포함하고, 이는 브로민과 반응하여 테트라메틸 암모늄 트리브로마이드를 형성한다. 일부 다른 실시양태 (예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같은, 음극 구획(15)이 비-수성 애노드액(65)을 포함하고, 양극 용액(35)이 NaBr/Br2를 포함하고, 집전체(30)가 탄소를 포함하는 실시양태)에서, 착물화제는 N-메틸-N-메틸모르폴리늄 브로마이드를 포함한다.In some embodiments, to reduce the amount of halogen in the anolyte 35, the anolyte solution may be treated with a halide, a halide and / or a polyhalide and an adduct (e. G., A halide-amine adduct, halide- Additions, and the like) or one capable of complexing therewith. In this regard, the complexing agent may include any chemical capable of forming adducts and / or complexes with halogens, halides and / or polyhalides in the anode solution. Some non-limiting examples of such complexing agents include at least one of a bromide-amine adduct, an iodide-amine adduct, a chloride-amine adduct, a tetramethylammonium halide (e.g., Tetramethylammonium chloride), ammonium compounds, N-methyl-N-methyl-morpholinium halide, and the like. In fact, in some embodiments in which the anode solution comprises NaBr / Br 2 , the complexing agent comprises tetramethylammonium bromide, which reacts with the bromine to form tetramethylammonium tribromide. 4, the negative electrode compartment 15 includes a non-aqueous anode liquid 65, the positive electrode solution 35 includes NaBr / Br 2 , In embodiments where the total (30) comprises carbon), the complexing agent comprises N-methyl-N-methylmorpholinium bromide.

또 다른 실시양태에서, 양극 용액(35) 내 생성된 할로겐의 양을 감소시키기 위해, 전지(10)는 용액 내 할라이드 이온 및 집전체에 사용된 금속에 상응하는 금속 할라이드를 형성하는 금속 집전체(30)를 이용함으로써, 할로겐 (예를 들어, 브로민, 아이오딘, 클로린 등)의 생성을 피한다. 이러한 공정은 임의의 적합한 방식으로 수행될 수 있으나, 일부 실시양태에서, 그것은 양극 용액 내 할라이드 이온이 산화되어 상응하는 할로겐을 형성하기 전에 산화되는 집전체 내 금속에 의존한다. 따라서, 그 결과 비-휘발성 금속 할라이드 (예를 들면, CuBr, NiBr2, ZnBr2, CuI, NiI2, ZnI2 등)이 형성된다. 이와 관련하여, 집전체는 전지가 작동할 때 금속 할라이드를 형성시킴으로써 할로겐의 생성을 피할 수 있는 임의의 적합한 금속을 포함할 수 있다. 이러한 금속의 일부 비-제한적 예로는 구리, 니켈, 아연, 이들의 조합, 및 이들의 합금이 포함된다. 이와 관련하여, 이러한 금속 집전체를 포함하는 전지에 대한 상응하는 반쪽-전지 반응의 일부 예로는 다음이 포함된다:In another embodiment, in order to reduce the amount of halogen produced in the anode solution 35, the cell 10 is formed of a metal current collector (not shown) forming a metal halide corresponding to the halide ion in the solution and the metal used in the current collector 30), the generation of halogens (e.g., bromine, iodine, chlorine, etc.) is avoided. This process may be performed in any suitable manner, but in some embodiments it relies on the metal in the current collector to be oxidized before the halide ions in the anode solution are oxidized to form the corresponding halogens. Thus, as a result, the non-volatile metal halides (for example, CuBr, NiBr 2, ZnBr 2, CuI, NiI 2, ZnI 2, etc.) are formed. In this regard, the current collector may include any suitable metal capable of avoiding the formation of halide by forming a metal halide when the cell is operating. Some non-limiting examples of such metals include copper, nickel, zinc, combinations thereof, and alloys thereof. In this regard, some examples of corresponding half-cell reactions for a cell comprising such a metal current collector include:

Cu + X- ↔ CuX + 1e- Cu + X - &gt; CuX + 1e -

Ni + 2X- ↔ NiX2 + 2e- Ni + 2X - &lt; - &gt; NiX 2 + 2e -

Zn + 2X- ↔ ZnX2 + 2e- Zn + 2X - &lt; - &gt; ZnX 2 + 2e -

추가적으로, 니켈 집전체(30)를 포함하는 NaBr/Br2 전지(10)에 대한 완전-전지 반응의 일 예는 다음과 같다:In addition, an example of a full-cell reaction for a NaBr / Br 2 cell 10 comprising a nickel current collector 30 is as follows:

2Na + NiBr2 ↔ 2NaBr + Ni2Na + NiBr 2? 2NaBr + Ni

금속 집전체(30)를 포함하는 전지는 광범위하게 다양한 전압 범위를 생성할 수 있으나, 전지(10)가 양극 용액(35) 내 NaBr/Br2를 포함하고 집전체가 구리, 니켈 또는 아연을 포함하는 일부의 경우, 그와 같은 전지에 의해 생성된 전압은 각각 약 2.57 V, 약 2.61 V 및 약 2 V이다.A battery including the metal current collector 30 can generate a wide variety of voltage ranges but the battery 10 contains NaBr / Br 2 in the positive electrode solution 35 and the current collector contains copper, nickel or zinc In some cases, the voltages generated by such a cell are about 2.57 V, about 2.61 V, and about 2 V, respectively.

또 다른 일부 실시양태에서, 양극 구획(25) 내 할로겐 (예를 들면, 브로민, 아이오딘 등)의 총 양을 감소시키기 위해, 전지(10)는 상기한 기술들의 임의의 적합한 조합을 포함하도록 개질된다. 비-제한적 예로서, 전지의 일부 실시양태는 구리, 니켈, 아연, 또는 또 다른 적합한 금속을 포함하는 집전체(30)를 포함하고, 양극 용액(35)은 착물화제, 과량의 나트륨 할라이드, 및/또는 과량의 원소 할로겐을 포함한다.In some other embodiments, to reduce the total amount of halogens (e.g., bromine, iodine, etc.) in the anode compartment 25, the battery 10 may include any suitable combination of the above techniques Is modified. By way of non-limiting example, some embodiments of the battery include a current collector 30 comprising copper, nickel, zinc, or another suitable metal, and the anolyte solution 35 comprises a complexing agent, an excess of sodium halide, / &Lt; / RTI &gt; or an excess of elemental halogen.

이하, 단자(45) 및 (50)와 관련하여, 전지(10)는 외부 회로 (도시하지 않음)로 전지를 예컨대 제한 없이 하나 이상의 전지에 전기적으로 연결할 수 있는 임의의 적합한 단자를 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 단자는 임의의 적합한 물질을 포함하고, 임의의 적합한 형상 및 임의의 적합한 크기일 수 있다.In the following, with respect to terminals 45 and 50, the battery 10 may include any suitable terminal that can electrically connect the battery to an external circuit (not shown), for example, to one or more batteries without limitation . In this regard, the terminal includes any suitable material, and can be any suitable shape and any suitable size.

이하, 도 1a 및 2a에서, 전지(10)의 추가의 실시양태가 기술된다. 도 1a 및 2a는 각각 도 1 및 2에 나타낸 실시양태와 유사하나; 도 1a 및 2a는 추가의 구성요소를 포함한다 (도 1a는 전지(10)의 방전을 나타내는 반면, 도 2a는 전지(10)의 충전을 나타냄). 구체적으로, 도 1a 및 2a는 나트륨-할로겐 2차 전지(10)가 나트륨-기반 음극(20)을 포함하는 음극 구획(15), 액체 양극 용액(35) 내 배치된 집전체(30)를 포함하는 양극 구획(25), 음극을 양극 용액으로부터 분리시키는 나트륨 이온 전도성 전해질 막(40), 제1 단자(45), 제2 단자(50), 양극 용액을 수용하는 외부 저장소(55), 및 양극 용액이 저장소로부터 흘러나와 양극 구획 내 집전체를 지나가게 하도록 구성된 펌핑 메카니즘(60)을 포함하는 대표적인 실시양태를 나타낸다. Hereinafter, in Figs. 1A and 2A, further embodiments of the battery 10 are described. Figures 1A and 2A are similar to the embodiment shown in Figures 1 and 2, respectively; Figures 1A and 2A include additional components (Figure 1A shows the discharge of the battery 10 while Figure 2A shows the charge of the battery 10). 1a and 2a illustrate that the sodium-halogen secondary battery 10 includes a negative electrode compartment 15 comprising a sodium-based negative electrode 20 and a current collector 30 disposed within a liquid positive electrode solution 35 A first terminal 45, a second terminal 50, an external reservoir 55 for receiving the positive electrode solution, and a positive electrode compartment 25 for separating the negative electrode from the negative electrode solution, And a pumping mechanism (60) configured to flow the solution out of the reservoir and through the current collector in the anode compartment.

이하, 펌핑 메카니즘(60)과 관련하여, 전지(10)는 유체가 저장소(55)로부터 흘러나와 전지로 흘러들어가도록 할 수 있는 임의의 적합한 펌핑 메카니즘을 포함할 수 있다. 사실상, 도 7a는 일부 실시양태에서 전지(10)가 제1 저장소(55), 및 상기 저장소로부터 양극 용액(35)을 펌핑하여 양극 구획(25) 내 집전체(30)를 지나가게 하도록 구성된 펌핑 메카니즘(60)에 연결된 것을 나타낸다. 일부 실시양태에서 (도 7a에도 도시), 전지(10)는 또한 제2 저장소(56) 및 제2 펌핑 메카니즘(62)에 연결된다. 이러한 실시양태에서, 제2 펌핑 메카니즘은 제2 저장소(56)로부터의 액체 (예를 들면, 용융된 나트륨, 비-수성 애노드액(65), 2차 애노드액 등)가 음극 구획(15)을 통해 흐르도록 할 수 있는 임의의 적합한 펌프를 포함할 수 있다. 유체가 음의 구획을 통과하도록 하는 펌핑 메카니즘은 전지에 여러 유리한 특성을 제공할 수 있으나, 일부 실시양태에서, 이러한 구성은 언제나 음극 구획 내 나트륨의 총 양을 감소시켜, 양극 용액(35)이 음극(20)과 접촉하는 경우 발생할 수 있는 손상 및/또는 위험을 감소시킨다. 추가적으로, 일부 실시양태에서, 양극 용액을 양극 구획을 통해 펌핑함으로써, 전지는 전지 내 존재하는 양극 용액의 양을 제한할 수 있어, 전지 내 존재하는 할로겐의 양을 제한 또는 조절할 수 있다.In the following, with respect to the pumping mechanism 60, the battery 10 may include any suitable pumping mechanism capable of allowing fluid to flow out of the reservoir 55 and into the battery. In fact, FIG. 7A is a schematic diagram of a battery 10 in which in some embodiments a battery 10 is configured to pump a first reservoir 55 and an anode solution 35 from the reservoir to pass through the current collector 30 in the anode compartment 25. [ Mechanism 60 shown in FIG. In some embodiments (also shown in FIG. 7A), the battery 10 is also connected to a second reservoir 56 and a second pumping mechanism 62. In this embodiment, the second pumping mechanism is configured such that liquid (e.g., molten sodium, non-aqueous anolyte 65, secondary anolyte, etc.) from the second reservoir 56 flows into the cathode compartment 15 And may include any suitable pump capable of flowing through it. This configuration always reduces the total amount of sodium in the cathode compartment so that the anode solution 35 can be supplied to the negative electrode 35. The pumping mechanism allows the fluid to pass through the negative compartment, Thereby reducing the damage and / or risk that may occur when contacting the substrate 20. Additionally, in some embodiments, by pumping the anode solution through the anode compartment, the cell can limit the amount of anode solution present in the cell, thereby limiting or controlling the amount of halogen present in the cell.

전지(10)가 하나 이상의 펌핑 메카니즘 (예를 들면, (60) 및 (62)) 및/또는 저장소 (예를 들면, (55) 및 (56))에 연결되는 경우, 펌핑 메카니즘은 전지가 의도된 대로 기능하도록 하는 임의의 적합한 속도로 유체가 전지 (예를 들면, 양극 구획(25) 및/또는 음극 구획(15))를 통과하도록 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 전지의 다양한 실시양태의 특정 유속은 양극 용액(35) 내 다양한 종의 용해도, 음극 구획(15)의 구성요소, 및/또는 전지의 의도된 충전 및/또는 방전 속도에 좌우될 것이다.When the battery 10 is connected to one or more pumping mechanisms (e. G., 60 and 62) and / or to a reservoir (e. G., 55 and 56) (E.g., the anode compartment 25 and / or the cathode compartment 15) at any suitable rate that allows the fluid to function as it is. In this regard, the particular flow rate of the various embodiments of the battery will depend on the solubility of the various species in the anode solution 35, the components of the cathode compartment 15, and / or the intended charging and / or discharging rate of the cell .

도 1a, 2a 및 7a에 도시된 것 이외에, 다른 실시양태에 펌핑 메카니즘 (예를 들면, (60) 및 (62)) 및/또는 저장소 (예를 들면, (55) 및 (56))가 추가될 수 있음을 주목하여야 한다. 예를 들어, 도 4a는 도 4와 관련하여 기술된 것과 유사한 전지(10)의 실시양태를 나타낸다. 그러나, 도 4a의 실시양태에서, 양극 용액(35)이 전극(30)과 접촉하도록 양극 용액(35)을 펌핑하기 위해 전지(10)에 펌핑 메카니즘(60) 및 저장소(55)가 추가되었다. 유사하게, 도 6a에서, 이 전지(10)는 도 6에 도시된 것과 유사하나, 양극 용액(35)이 전극(30)과 접촉하도록 양극 용액(35)을 펌핑하기 위해 이 전지(10)는 펌핑 메카니즘(60)을 포함하고, 전지(10)에 저장소(55)가 추가되었다. 추가로, 하나 이상의 펌핑 메카니즘(60), (62) 및/또는 하나 이상의 저장소(55), (56)가 제거된 도 7a의 실시양태가 구성될 수도 있음을 또한 주목하여야 한다.Pumping mechanisms (e. G., 60 and 62) and / or reservoirs (e. G., 55 and 56) may be added to other embodiments . &Lt; / RTI &gt; For example, FIG. 4A shows an embodiment of a battery 10 similar to that described in connection with FIG. 4A, a pumping mechanism 60 and a reservoir 55 were added to the battery 10 to pump the positive electrode solution 35 so that the positive electrode solution 35 came into contact with the electrode 30. 6A, this battery 10 is similar to that shown in Fig. 6, but the battery 10 is not used for pumping the positive electrode solution 35 so that the positive electrode solution 35 comes into contact with the electrode 30 And a pumping mechanism 60, and a reservoir 55 is added to the battery 10. It should further be noted that the embodiment of FIG. 7A in which one or more pumping mechanisms 60, 62 and / or one or more reservoirs 55, 56 have been removed may also be constructed.

또 다른 예로, 음극 구획(15) 및 양극 구획(25)은 임의의 적합한 크기일 수 있으나, 도 1a, 2a, 3a 및 4a, 6a 및 7a는, 적어도 일부 실시양태에서, 양극 용액(35)의 상당한 부분이 양극 구획의 외부 (예를 들면, 양극 용액의 일부를 보유하도록 구성된 하나 이상의 외부 저장소(55))에 저장되도록, 양극 구획(25)이 비교적 작은 것을 나타낸다. 이러한 구성은 전지(10)에 다양한 특징을 제공할 수 있으나, 일부 실시양태에서, 비교적 작은 양극 구획을 가짐으로써, 전지는 양극 구획 내에 비교적 소량의 양극 용액이 존재하도록 하여, 양극 구획 내 양극 용액의 비교적 많은 부분이 집전체(30)와 접촉하도록 할 수 있게 한다.1a, 2a, 3a, and 4a, 6a and 7a, in at least some embodiments, may be formed of any suitable size, such as, for example, an anode compartment 15 and an anode compartment 25. In other embodiments, The anode compartment 25 is relatively small such that a substantial portion is stored in the exterior of the anode compartment (e.g., at least one external reservoir 55 configured to hold a portion of the anode solution). This configuration can provide various features for the battery 10, but in some embodiments, by having a relatively small anode compartment, the battery can be made to have a relatively small amount of anode solution in the cathode compartment, So that a relatively large portion can be brought into contact with the current collector 30.

상기한 구성요소 이외에, 전지(10)는 임의로 임의의 다른 적합한 구성요소 및 특성을 포함할 수 있다. 비-제한적 예로서, 도 6은 전지(10)의 일부 실시양태는 하나 이상의 열 관리 시스템(80)을 포함하는 것을 나타낸다. 이러한 실시양태에서, 전지는 적합한 작동 온도 범위 내에 전지를 유지할 수 있는 임의의 적합한 유형의 열 관리 시스템을 포함할 수 있다. 이러한 열 관리 시스템의 일부 예로는 가열기, 열 교환기, 냉각기, 하나 이상의 온도 센서, 및/또는 적절한 온도 조절 회로가 포함되나, 이로 제한되는 것은 아니다.In addition to the components described above, the battery 10 may optionally include any other suitable components and features. By way of non-limiting example, FIG. 6 shows that some embodiments of the battery 10 include one or more thermal management systems 80. In such an embodiment, the battery may comprise any suitable type of thermal management system capable of holding the battery within a suitable operating temperature range. Some examples of such thermal management systems include, but are not limited to, heaters, heat exchangers, coolers, one or more temperature sensors, and / or suitable temperature control circuits.

전지(10)에 사용될 수 있는 또 다른 적합한 구성요소의 또 다른 예로서, 전지의 일부 실시양태는 저장소(55)와 양의 전해질 구획(25) 사이에 하나 이상의 집전체 (도시하지 않음)를 포함한다. 이러한 집전체는 임의의 적합한 기능을 수행할 수 있으나, 일부 실시양태에서, 집전체는 용액이 집전체를 통해 흐를 때 액체 양극 용액(35)으로부터 할로겐 (예를 들면, 브로민, 아이오딘 등)을 수집하는데 사용된다.As another example of another suitable component that may be used in the battery 10, some embodiments of the battery include one or more current collectors (not shown) between the reservoir 55 and the positive electrolyte compartment 25 do. This current collector may perform any suitable function, but in some embodiments, the current collector may comprise a halogen (e.g., bromine, iodine, etc.) from the liquid anolyte solution 35 as the solution flows through the current collector, . &Lt; / RTI &gt;

또 다른 예로, 전지(10)는 방전 동안 음극 구획(15)으로부터 양극 구획(25)으로의 나트륨의 수송을 수용하도록 하는 임의의 적합한 방식으로 개질될 수 있다. 이와 관련하여, 기술된 전지(10)의 일부 실시양태는 체적 보상 전지 케이싱 (도시하지 않음)을 포함한다.As another example, the battery 10 may be modified in any suitable manner to accommodate the transport of sodium from the cathode compartment 15 to the anode compartment 25 during discharge. In this regard, some embodiments of the described battery 10 include a volume compensating battery casing (not shown).

또 다른 예로, 양극 용액(35)은 전지(10)가 본원에 기술된 대로 기능하도록 하는 임의의 다른 적합한 성분을 포함할 수 있다. 사실상, 일부 실시양태에서, 양극 용액은 탄소 (예를 들면, 분쇄된 탄소, 탄소 함유 물질 등), 및/또는 용액이 나트륨 전도성이고 전해질 막(40) 및 집전체(30)와 화학적으로 상용성이도록 하는 임의의 다른 물질을 포함한다.As another example, the anode solution 35 may comprise any other suitable component that allows the cell 10 to function as described herein. Indeed, in some embodiments, the anode solution is a mixture of carbon (e.g., ground carbon, carbonaceous material, etc.) and / or a solution that is sodium conductive and chemically compatible with electrolyte membrane 40 and current collector 30 &Lt; / RTI &gt;

또 다른 예로, 전지(10)는 여전히 전지가 의도된 대로 기능하도록 하면서 전지의 안전성이 개선되도록 하는 임의의 적합한 방식으로 개질될 수 있다. 사실상, 일부 실시양태에서, 전지는 하나 이상의 감압 밸브 (도시하지 않음)를 포함한다. 다른 실시양태에서, 전지는 하나 이상의 보호 외부 커버를 포함한다. 또 다른 실시양태에서, 전지는 손상되거나 또는 기능부전인 전지와 관련될 수 있는 임의의 위험을 줄이기 위해 둘 이상의 더 작은 전지로 나뉜다. 또 다른 실시양태에서, 전해질 막(40) 이외에, 전지는 전해질 막이 손상되는 경우 음극 및 양극 용액 사이에 발생할 수 있는 가능한 노출을 최소화하기 위해 음극(20)과 양극 용액(35) 사이에 하나 이상의 추가의 세퍼레이터를 포함한다.As another example, the battery 10 may be modified in any suitable manner so as to still allow the cell to function as intended and to improve the safety of the cell. Indeed, in some embodiments, the battery includes one or more pressure reducing valves (not shown). In another embodiment, the battery comprises at least one protective outer cover. In another embodiment, a cell is split into two or more smaller cells to reduce any risk associated with a damaged or malfunctioning cell. In another embodiment, in addition to the electrolyte membrane 40, the cell may include one or more additions between the cathode 20 and the anode solution 35 to minimize possible exposure that may occur between the cathode and anode solutions when the electrolyte membrane is damaged And a separator.

전지(10)를 개질시킬 수 있는 방법의 또 다른 예로, 전지의 일부 실시양태는, 제한 없이, 양극 구획(25) 및/또는 음극 구획(15)를 비롯하여 전지의 일부 내 압력을 조절하도록 구성된 압력 관리 시스템을 포함한다. 이와 같은 압력 관리 시스템은 임의의 적합한 기능을 수행할 수 있으나, 일부 실시양태에서, 그것은 할로겐이 양극 용액(35) 내 다른 화학 종 (예를 들면, 과량의 나트륨 할라이드, 과량의 원소 할로겐, 하나 이상의 착물화제, 집전체(30)로부터의 금속 이온 등)과 화학적으로 반응할 수 있도록 용액 내 할로겐을 보유하기에 충분히 높은 양극 구획 내 압력을 유지하는 것을 돕는다.As another example of a method by which the battery 10 can be modified, some embodiments of the battery may include, without limitation, pressure configured to regulate the pressure within a portion of the cell, including the anode compartment 25 and / Management system. Such a pressure management system may perform any suitable function, but in some embodiments it may be a halogen-containing solution in which the halogen is replaced with another species in the anode solution 35 (e. G., An excess of sodium halide, A complexing agent, a metal ion from the current collector 30, and the like) in the anode compartment.

상기한 전지(10)의 유익 이외에, 기술된 전지는 여러 다른 유리한 특성을 가질 수 있다. 예로서, 약 150℃ 미만의 온도 범위에서 작동할 수 있음으로써, 전지(10)는 일부 통상의 용융된 나트륨 재충전가능 배터리보다 상당히 더 낮은 작동 온도에서 작동할 수 있다. 따라서, 기술된 전지는 전지가 기능할 때 전지를 가열하고/하거나 그로부터의 열을 방산하는데 보다 적은 에너지를 필요로 할 수 있고, 보다 덜 위험하게 사용 또는 취급될 수 있으며, 보다 환경 친화적일 수 있다. 추가로, 비교적 고온에서 작동하는 일부 통상의 나트륨 재충전가능 배터리는 비교적 값비싼 구성 물질 (예를 들면, 금속 또는 세라믹 구성요소, 유리 밀봉부, 및/또는 열 팽창-매칭 구성요소)을 필요로 하나, 기술된 전지의 일부 실시양태는 보다 저렴한 물질 (예를 들면, 중합체 물질, 에폭시, 에폭시 및/또는 플라스틱 기계적 밀봉 구성요소, 예컨대 도 3에 도시된 오-링(85), 캡(90), 튜브 플랜지(92) 등)을 사용하여 생성될 수 있다. 도 3a는 두 구획의 내용물이 전해질 막(40) 및 임의의 다른 구획 벽으로 분리되어 있으면서, 하나의 구획 (예를 들면, 음극 구획(15))이 다른 구획 (예를 들면, 양극 구획(25)) 내에 적어도 부분적으로 배치되어 있는 튜브형 디자인을 갖는 전지(10)의 또 다른 실시양태를 나타낸다.In addition to the benefits of the battery 10 described above, the described battery may have a number of other beneficial properties. By way of example, being able to operate in a temperature range of less than about 150 캜, the battery 10 can operate at significantly lower operating temperatures than some conventional molten sodium rechargeable batteries. Thus, the described battery may require less energy to heat and / or dissipate heat from the battery when the battery is functioning, may be used or handled less dangerously, and may be more environmentally friendly . Additionally, some conventional sodium rechargeable batteries that operate at relatively high temperatures require relatively costly components (e.g., metal or ceramic components, glass encapsulation, and / or thermal expansion-matching components) , Some embodiments of the described battery may be made from a less expensive material (e.g., polymeric material, epoxy, epoxy and / or plastic mechanical sealing components, such as the O-ring 85 shown in FIG. 3, cap 90, Tube flange 92, etc.). Figure 3a shows that one compartment (e. G., Cathode compartment 15) is separated from the other compartment (e. G., Anode compartment 25 ) Of the battery 10 having a tubular design that is at least partially disposed within the battery 10.

또 다른 예로, 기술된 전지(10)의 일부 실시양태는 스스로 줄(Joule) 가열을 통해 적합한 작동 온도로 유지할 수 있다. 그 결과로서, 이와 같은 전지는 높은 작동 온도에서 이러한 전지를 유지하는데 추가의 에너지가 필요하지 않을 수 있기 때문에, 비교적 높은 효율이 가능할 수 있다.As another example, some embodiments of the described battery 10 may be maintained at a suitable operating temperature through Joule heating by itself. As a result, relatively high efficiencies may be possible, since such cells may not require additional energy to maintain these cells at high operating temperatures.

또 다른 예로, 기술된 전지(10)의 일부 실시양태는 일부 통상의 경쟁 배터리 (예를 들면, 약 2.07 V의 이론적 전압을 갖는 일부 Na/S 배터리 및 약 1.85 V의 이론적 전압을 갖는 일부 Zn/Br2 배터리)와 비교할 때, 비교적 높은 이론적 전지 전압 (예를 들면, 약 3.23 V 내지 약 3.79 V)을 갖는다. 추가적으로, 기술된 전지의 일부 실시양태는 일부 경쟁 전지 (예를 들어, 약 755 Wh/kg의 이론적 비에너지를 갖는 일부 Na/S 재충전가능 배터리 또는 약 429 Wh/kg의 이론적 비에너지를 갖는 일부 통상의 Zn/Br2 재충전가능 배터리)와 비교할 때, 비교적 높은 이론적 비에너지 (예를 들면, NaBr/Br2 전지의 경우 약 987 Wh/kg 및 NaI/I2 전지의 경우 약 581 Wh/kg)를 갖는다. 유사하게, 기술된 전지의 일부 실시양태는 일부 통상의 경쟁 배터리 (예를 들면, 약 150 내지 약 240 Wh/kg의 실제 비에너지를 갖는 일부 Na/S 배터리 및 약 65 Wh/kg의 실제 비에너지를 갖는 일부 Zn/Br2 배터리)와 비교할 때, 비교적 높은 실제 비에너지 (예를 들면, 일부 NaBr/Br2 전지 실시양태의 경우 약 330 내지 약 440)를 갖는다.As another example, some embodiments of the described battery 10 include some conventional competitive batteries (e.g., some Na / S batteries with a theoretical voltage of about 2.07 V and some Zn / S batteries with a theoretical voltage of about 1.85 V) (E.g., about 3.23 V to about 3.79 V), as compared to a Br 2 battery. Additionally, some embodiments of the described battery may include some competitive batteries (e.g., some Na / S rechargeable batteries having a theoretical specific energy of about 755 Wh / kg or some normal (For example, about 987 Wh / kg for a NaBr / Br 2 battery and about 581 Wh / kg for a NaI / I 2 cell), compared to a Zn / Br 2 rechargeable battery . Similarly, some embodiments of the described battery may include some conventional competitive batteries (e.g., some Na / S batteries having an actual specific energy of about 150 to about 240 Wh / kg and an actual specific energy of about 65 Wh / kg compared with some of the Zn / Br 2 battery) having, for a relatively high actual specific energy (e. g., from about 330 to about 440. for some embodiments NaBr / Br 2 cell mode).

기술된 전지(10)의 일부 실시양태와 관련된 비교적 높은 전압 및 비에너지의 결과로서, 통상의 경쟁 배터리에 의해 얻어지는 동일한 전압 및 비에너지를 달성하는데 더 적은 수의 이러한 실시양태가 필요할 수 있다. 이와 관련하여, 더 적은 수의 전지를 사용하면 목적 전압 및 목표 비에너지를 얻는데 필요한 전지 상호연결 하드웨어 및 전하-조절 회로의 양을 감소시킬 수 있다. 따라서, 기술된 전지의 일부 실시양태는 전지, 상호연결 하드웨어, 및 전하 조절 회로의 제거를 통해서 전체 배터리 복잡도 및 총 비용을 감소시킬 수 있다. 추가적으로, 전지의 비교적 높은 용량 및 전압의 결과로서, 이러한 전지는, 제한 없이, 그리드-규모의 전기 에너지 저장소 시스템 및 전기 자동차를 비롯하여 광범위하게 다양한 용품에서 유용할 수 있다.As a result of the relatively high voltage and specific energy associated with some embodiments of the described battery 10, fewer such embodiments may be needed to achieve the same voltage and specific energy obtained by conventional competitive batteries. In this regard, using a smaller number of cells may reduce the amount of battery interconnect hardware and charge-conditioning circuitry required to achieve the target voltage and target specific energy. Thus, some embodiments of the described battery may reduce overall battery complexity and total cost through removal of the battery, interconnecting hardware, and charge conditioning circuitry. Additionally, as a result of the relatively high capacity and voltage of the battery, such a battery may be useful in a wide variety of articles, including, without limitation, grid-scale electric energy storage systems and electric vehicles.

또 다른 유리한 특성의 예로, 기술된 전지(10)의 일부 실시양태는 일부 경쟁 배터리와 비교할 때 비교적 긴 사이클 수명 (예를 들면, 일부 Na/S 배터리의 경우 약 4,000 사이클 및 일부 Zn/Br2 배터리의 경우 약 2,000과 달리, 일부 NaBr/Br2 전지 실시양태의 경우 약 5,000 딥사이클(deep cycle))을 가질 수 있다. 추가적으로, 기술된 전지의 일부 실시양태는 사이클링 동안 나트륨 및 할로겐의 광범위한 활용을 할 수 있기 때문에, 이러한 실시양태의 방전/충전 사이클은 일부 통상의 배터리에 비해 비교적 깊을 수 있다 (예컨대, 약 70% 내지 약 80%의 높은 SOC (충전 상태) 및 DOD (방전 심도)를 가짐).As an example of another advantageous characteristic, some embodiments of the described battery 10 have a relatively long cycle life (e.g., about 4,000 cycles for some Na / S batteries and some Zn / Br 2 batteries (About 5,000 deep cycles in some NaBr / Br 2 battery embodiments, unlike about 2,000 in the case of some NaBr / Br 2 battery embodiments). Additionally, since some embodiments of the described battery can make extensive use of sodium and halogen during cycling, the discharge / charge cycle of this embodiment may be relatively deep compared to some conventional batteries (e.g., about 70% A high SOC (charge state) and DOD (discharge depth) of about 80%).

또 다른 예로, 기술된 전지(10)의 일부 실시양태는 전해질 막(40) (예를 들면, 다공성 지지체 상의 완전 조밀한 NaSICON-유형 물질)을 통한 높은 나트륨 이온이동도 및 비교적 빠른 산화환원 반응 속도 (특히 본원에 기술된 저온 및 중간 온도 (예를 들면, 주위 온도 내지 약 150℃)에서)로 인해 비교적 높은 전류 (및 그로 인한 전력)를 생성한다.As another example, some embodiments of the described battery 10 include high sodium ion mobility through the electrolyte membrane 40 (e.g., a fully dense NaSICON-type material on a porous support) and a relatively fast redox reaction rate (And hence the resulting power) due to the low temperature and intermediate temperatures described herein (e.g., at ambient temperature to about 150 ° C).

이하, 도 13에서, 전지(10)의 추가의 실시양태가 예시되어 있다. 본 실시양태는 나트륨 이온 전도성 전해질 막(40), 예컨대 미국 유타주 솔트레이크 시티 소재의 세라마텍, 인크.에 의해 NaSELECT 상표로 판매되는 NaSICON 막을 포함한다. 전지(10)는 또한, 도 13의 실시양태에서 나트륨 금속을 포함하는 나트륨-기반 음극(20)을 포함한다. 음극은 음극 구획(15) 내에 수용된다. 나트륨 이온들은 각각 나트륨 이온 전도성 전해질 막(40)을 통해 음극(20)으로부터 양극 구획(25)으로 수송된다. 집전체(30a)는 경우에 따라 음극 구획(15)에서 사용될 수도 있다. 관련 기술 분야의 통상의 기술자는 집전체(30a)에 사용될 수 있는 특정 유형의 물질을 인식할 것이다.Hereinafter, in Fig. 13, a further embodiment of the battery 10 is illustrated. This embodiment includes a sodium ion conductive electrolyte membrane 40, for example a NaSICON membrane sold under the NaSELECT trademark by Ceramatech, Inc. of Salt Lake City, Utah. The battery 10 also includes a sodium-based cathode 20 comprising a sodium metal in the embodiment of FIG. The cathode is housed in a cathode compartment (15). Sodium ions are respectively transported from the cathode 20 to the anode compartment 25 through the sodium ion conductive electrolyte membrane 40. The current collector 30a may be used in the cathode compartment 15 as the case may be. Those of ordinary skill in the relevant art will recognize certain types of materials that may be used in the current collector 30a.

양극 구획(25)은 집전체(30)를 포함하며, 이는 비록 다른 유형의 물질 (예컨대 금속)이 사용될 수 있으나 이 경우 탄소 집전체일 수 있다. 액체 양극 용액(35)은 또한 양극 구획(25) 내 수용된다. 도 13의 실시양태에서, 이 용액은 용매 중의 NaBr/Br2 혼합물을 포함한다. 물론, 다른 유형의 할로겐/할라이드 함유 물질이 사용될 수도 있다.The anode compartment 25 comprises a current collector 30, which may be a carbon current collector, although other types of materials (e.g. metal) may be used. The liquid anolyte solution 35 is also contained in the anode compartment 25. In the embodiment of Figure 13, the solution comprises a NaBr / Br 2 mixture in the solvent. Of course, other types of halogen / halide containing materials may be used.

도 13의 실시양태에서, 전지(10)는 용융된 나트륨 애노드 및 수성 또는 비-수성 브로민 캐소드로 구성된다. 이 배터리는 3.79 V의 이론적 전압을 갖는다. Na 금속의 융점은 약 100℃이기 때문에, 이 배터리는 110℃ 초과, 바람직하게는 120℃ 이상에서 작동할 수 있다. 이 실시양태를 위한 캐소드액은 원소 브로민과 함께 과량의 나트륨 브로마이드로 제형화되어, Br3 -와 같은 나트륨 폴리할라이드가 형성될 수 있다. 이들 종은 보다 낮은 증기압을 가지나, 브로민과 유사하게 전기 활성이다 (물론, 비록 브로민이 할라이드 물질로서 예시되어 있으나, 다른 유형의 할라이드가 사용될 수 있음).In the embodiment of Figure 13, the cell 10 is comprised of a molten sodium anode and an aqueous or non-aqueous bromine cathode. This battery has a theoretical voltage of 3.79 V. Since the melting point of the Na metal is about 100 ° C, the battery can operate above 110 ° C, preferably above 120 ° C. Catholyte for this embodiment is formulated with an excess of sodium bromide with elemental bromine, Br 3 - may be formed with a sodium halide such as poly. These species have a lower vapor pressure, but are electroactive similarly to bromine (although, of course, other types of halides may be used, although bromine is illustrated as a halide material).

도 13의 실시양태는 특정 이점을 가질 수 있다. 예를 들어, 본 실시양태 발명에 대한 잠재적 적용 중 하나는 전지를 대-규모 2차 전지로서, 예를 들면 그리드 규모의 에너지 저장 시스템 (ESS) 및 전기 자동차 (EV) 시장에서 사용하는 것이다. 추가로, 막(40)은 5×10-3 S/cm 범위의 실온 전도성을 가질 수 있다. 추가로, NaSICON 막은 수분 및 다른 통상의 용매 (예를 들면, 메탄올)에 대해 완전 불감성일 수 있다.The embodiment of FIG. 13 may have certain advantages. For example, one potential application for the present invention is the use of a battery in a large-scale secondary battery, for example, in a grid-scale energy storage system (ESS) and electric vehicle (EV) market. In addition, the film 40 may have a room temperature conductivity in the range of 5 x 10-3 S / cm. In addition, NaSICON membranes can be completely insensitive to moisture and other conventional solvents (e.g., methanol).

도 13과 관련하여, 액체 양극 용액(35)이 브로마이드-아민 부가물과 같은 브로민 및/또는 폴리브로마이드 부가물을 형성하는 부가 종을 포함하는 추가의 실시양태가 구성될 수 있다. 다음은 착물화제로서 작용하는 테트라메틸 암모늄 브로마이드의 예이다:With reference to FIG. 13, a further embodiment can be constructed in which the liquid anode solution 35 comprises additional species which form bromine and / or polybromide adducts such as bromide-amine adducts. The following are examples of tetramethylammonium bromide that act as complexing agents:

Br2 + 테트라메틸 암모늄 브로마이드 ↔ 테트라메틸 암모늄 트리브로마이드Br 2 + tetramethylammonium bromide ↔ tetramethylammonium tribromide

일 실시양태에서, 막은 배터리 시스템이 가압되도록 하는 NaSICON 튜브이다. 압력은 브로민을 용액 형태로 유지시키는데 사용될 수 있다.In one embodiment, the membrane is a NaSICON tube that allows the battery system to be pressurized. Pressure can be used to maintain the bromine in solution form.

이하, 도 14에서, 전지(10)의 또 다른 실시양태가 예시되어 있다. 전지(10)의 본 실시양태는 도 13에 도시된 것과 유사하다. 그러나, 도 14의 실시양태에서, 전지(10)는 산화하여 상응하는 브로마이드를 형성하는 금속 집전체(30)를 이용함으로써 브로민의 생성을 피한다. 다음은 캐소드 반쪽-전지 반응의 비-제한적 예이다:Hereinafter, in Fig. 14, another embodiment of the battery 10 is illustrated. This embodiment of the battery 10 is similar to that shown in Fig. However, in the embodiment of FIG. 14, the cell 10 avoids the production of bromine by using a metal current collector 30 which oxidizes to form the corresponding bromide. The following are non-limiting examples of cathode half-cell reactions:

Figure pct00002
Figure pct00002

완전 전지 반응의 예는 다음과 같다: Examples of complete cell reactions are:

Figure pct00003
Figure pct00003

이 전지(10)는 브로마이드 이온의 브로민으로의 산화 전 집전체(30) 금속의 산화에 의존하여, 비-휘발성 금속 브로마이드가 형성되는 결과가 초래된다. 이들 배터리의 전압은 Cu, Ni 및 Zn의 경우 각각 2.57, 2.61 및 2 볼트일 수 있다. 배터리는 120℃에서 브로마이드 또는 브로민 전극, 착물화제, 및 수성 또는 비-수성 용매를 포함할 수 있다. 배터리는 이와 같은 조건에서 안정한 NaSICON 막을 가질 수 있다.This cell 10 relies on the oxidation of the pre-oxidation current collector 30 metal of bromide ion to bromine, resulting in the formation of non-volatile metal bromide. The voltages of these batteries may be 2.57, 2.61 and 2 volts for Cu, Ni and Zn, respectively. The battery may comprise a bromide or bromine electrode, a complexing agent, and an aqueous or non-aqueous solvent at 120 &lt; 0 &gt; C. The battery can have a stable NaSICON film under these conditions.

이하, 도 15에서, 전지(10)의 추가의 실시양태가 예시되어 있다. 도 15의 실시양태에서, 전지(10)는 고체 나트륨 애노드를 포함할 수 있다. 그러나, 도 15에 도시된 바와 같이, 전지(10)는 나트륨 층간삽입 탄소 애노드(20a)를 포함한다. 양극 구획(25)은 액체 양극 용액(35)으로서 사용되는 수성 또는 비-수성 브로민 또는 브로마이드 용액을 포함한다. 애노드액(60)은 막(40) (NaSICON 막일 수 있음)에 인접하여 위치한다.Hereinafter, in Fig. 15, a further embodiment of the battery 10 is illustrated. In the embodiment of FIG. 15, the battery 10 may comprise a solid sodium anode. However, as shown in Fig. 15, the battery 10 includes a sodium intercalated carbon anode 20a. The anode compartment 25 comprises an aqueous or non-aqueous bromine or bromide solution used as the liquid cathode solution 35. The anode liquid 60 is located adjacent to the film 40 (which may be a NaSICON film).

도 15의 전지(10)는 주위 내지 60℃에서 작동될 수 있고, 여기서 자유 브로민이 100배 초과만큼 감소될 수 있도록, 원소 브로민이 효과적으로 착화될 수 있다 (예를 들면, N-메틸-N-메틸모르폴리늄 브로마이드). 브로민을 주위 온도에서 효과적으로 착화할 수 있는 다른 착물화제가 사용될 수 있다 (아연-브로민 시스템에서는 MEMBr이 사용될 수 있음). 일 실시양태에서, 이 전지(10)는 나트륨 층간삽입 탄소와 NaSICON 막(40) 사이의 비-수성 애노드액(65)을 활용한다.The cell 10 of FIG. 15 can be operated at ambient to 60 ° C., where elemental bromine can be effectively complexed such that free bromine can be reduced by more than 100-fold (eg, N-methyl-N- Methylmorpholinium bromide). Other complexing agents capable of effectively complexing bromine at ambient temperature can be used (MEMBr may be used in zinc-bromine systems). In one embodiment, the cell 10 utilizes a non-aqueous anode liquid 65 between the sodium intercalated carbon and the NaSICON film 40.

도 15에 도시된 전지(10)의 특정한 일 실시양태는 양극 구획(25) 내 할로겐/할라이드 물질로서 브로민 또는 브로마이드를 사용한다. NaSICON 막과 이와 같은 수성 또는 비-수성 용매는 주위 온도에서 안정하다. 전지(10)는 Na의 가역적 도금을 할 수 있고 브로민 캐소드를 가질 수 있다. 배터리는 실제 C-레이트(C-rate)(C/5) 및 실제 방전 심도 (DOD ≥ 50%)에서 적어도 25 가역적 사이클로 작동할 수 있다.One particular embodiment of the battery 10 shown in Figure 15 uses bromine or bromide as the halogen / halide material in the anode compartment 25. NaSICON membranes and such aqueous or non-aqueous solvents are stable at ambient temperatures. The battery 10 is capable of reversible plating of Na and can have a bromine cathode. The battery can operate at least 25 reversible cycles at actual C-rate (C / 5) and actual discharge depth (DOD ≥ 50%).

이하, 도 16에서, 전지(10)의 추가의 실시양태가 예시되어 있다. 이 전지는 Zn 음극(20b) 및 양극을 사용한다 (양극 구획(25) 내에 집전체가 사용되나, 이와 같은 특징은 도 16에 도시하지 않음). 전지(10)는 나트륨 이온 선택적이고 물 불투과성인 조밀한 NaSICON 막(40)을 사용한다. 애노드액(65) 및 액체 양극 용액(35)은 나트륨 브로마이드 기반 용액이고, 아연 브로마이드 용액이 아닐 수 있다.Hereinafter, in Fig. 16, a further embodiment of the battery 10 is illustrated. This battery uses a Zn cathode 20b and a positive electrode (a current collector is used in the positive electrode compartment 25, but this characteristic is not shown in FIG. 16). The battery 10 uses a dense NaSICON film 40 that is sodium ion selective and water impermeable. The anode liquid 65 and the liquid positive electrode solution 35 are sodium bromide-based solutions and may not be a zinc bromide solution.

이 전지(10)에서, Zn 애노드(20b)는 나트륨 브로마이드 함유 수용액 (또는 또 다른 알칼리 금속 이온 및 할라이드 이온 용액)에 배치될 것이다. 이 도면에 나타낸 애노드는 Zn이나, 다른 금속이 사용될 수도 있다. 액체 양극 용액(35) (캐소드액)은 흑연 집전체를 갖는 브로민/나트륨 브로마이드 용액일 것이다. 방전 동안, Zn은 산화되어 아연 브로마이드를 형성할 것이고, 나트륨 이온은 캐소드 집전체로 수송되며 여기서 그것들은 브로민과 반응하여 나트륨 브로마이드를 형성할 것이다. 충전 동안, Zn이 재침착될 것이고, 브로민이 재생된다. 미세다공성 유형 배터리와 비교한 이 전지(10)의 이점은 다음과 같다:In this battery 10, the Zn anode 20b will be placed in an aqueous solution containing sodium bromide (or another alkali metal ion and a halide ion solution). The anode shown in this figure may be Zn or other metal. The liquid anode solution 35 (cathode solution) will be a solution of bromine / sodium bromide having a graphite current collector. During the discharge, Zn will oxidize to form zinc bromide, and sodium ions will be transported to the cathode current collector, where they will react with bromine to form sodium bromide. During charging, Zn will be re-deposited and bromine is regenerated. The advantages of this battery 10 compared to a microporous type battery are as follows:

(1) 애노드액의 조성이 Zn의 가역적 침착이 가능하도록 조정될 수 있음. 사실상, 애노드액은 용량 손실을 초래하는 아연 덴드라이트가 형성될 수 없도록 NaBr 및 NaOH의 혼합물일 수 있음.(1) The composition of the anode liquid can be adjusted to enable reversible deposition of Zn. In fact, the anode liquid may be a mixture of NaBr and NaOH such that a zinc dendrite that results in loss of capacity can not be formed.

(2) 캐소드액으로부터의 브로민은 결코 아연 금속과 접촉하지 않을 것이기 때문에 자체-방전이 없음.(2) Since the bromine from the catholyte will never contact the zinc metal, there is no self-discharge.

(3) 애노드액 및 캐소드액의 흐름의 필요성을 피하기 위해 특유의 전해질 화학이 사용될 수 있음.(3) Specific electrolyte chemistry may be used to avoid the need for flow of anode and cathode liquids.

(4) 비수성 용매가 사용되는 경우 보다 높은 전압 배터리를 초래하는 다른 더 낮은 환원 전위 원소 (예컨대 Mg)가 사용될 수 있음.(4) Other lower reducing potential elements (such as Mg) may be used that result in a higher voltage battery when a non-aqueous solvent is used.

본 실시양태의 전지(10)는 NaSICON 기반 전지 내 나트륨 브로마이드 및/또는 수산화나트륨 용액 중 Zn 애노드를 가질 것이고, 가역적 침착을 할 수 있을 것이다. 이와 같은 배터리 내 NaSICON 막은 주위 온도에서 브로마이드/브로민/착물화제/수성 또는 비-수성 용매의 존재 하에 안정할 것이다.The battery 10 of this embodiment will have a Zn anode in sodium bromide and / or sodium hydroxide solution in a NaSICON-based cell and will be capable of reversible deposition. Such NaSICON membranes in a battery will be stable at ambient temperature in the presence of a bromide / bromine / complexing agent / aqueous or non-aqueous solvent.

전지(10)는 주위 온도에서 가역적 NaBr/Br2 캐소드 작동을 갖도록 구성될 수 있다. 이와 같은 전지(10)는 Zn 애노드 및 NaBr/Br2 캐소드를 갖는 정체 배터리의 실제 C-레이트 (C/5) 및 실제 방전 심도 (DOD ≥ 50%)에서 적어도 25 가역적 사이클을 가질 수 있다.Battery 10 may be configured to have a reversible NaBr / Br 2 cathodes operating at ambient temperature. Such a battery 10 may have at least 25 reversible cycles at actual C-rate (C / 5) and actual discharge depth (DOD ≥ 50%) of a stagnant battery having a Zn anode and a NaBr / Br 2 cathode.

실시예Example

하기 실시예는 본 발명의 범주 내의 다양한 실시양태, 및 그의 측면을 예시하고자 주어진 것이다. 실시예는 단지 예로서 주어진 것이고, 하기 실시예는 제조될 수 있는 많은 유형의 실시양태의 종합적 또는 포괄적인 것이 아님을 이해한다.The following examples are given to illustrate various embodiments, and aspects thereof, within the scope of the present invention. It is understood that the embodiments are given by way of example only, and that the following embodiments are not meant to be comprehensive or exhaustive of the many types of embodiments that may be made.

실시예Example 1 One

일 예로, 용융된 나트륨 음극(20), 백금 메쉬 집전체(30), I2 대 NaI의 몰비 1:3인 포름아미드 중의 20 wt% NaI를 포함하는 양극 용액 + 양극으로서의 포름아미드로부터의 5 wt% 탄소를 포함하도록 전지(10)를 셋팅하였다. 본 실시예에서, 약 120℃까지의 온도에서 2,000분 넘게 작동 후, 전지는 도 8에 나타낸 성능 특성을 가졌다. 구체적으로, 도 8로부터, 전지는 비교적 잡음성(noisy) 충전/방전 곡선뿐만 아니라 다소 큰 과전위를 가짐을 알 수 있다. 이와 관련하여, 이들 잡음성 곡선 및 과전위는 포름아미드의 사용으로부터 초래된 것일 수 있다고 생각되는데, 이는 포름아미드가 단지 NaI만을 용해시키고 아이오딘은 용해시키지 못하여 기포를 생성하고, 양극 용액(35)에 존재할 수 있는 다른 적합한 용매보다 덜 전도성이기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 도 8로부터, 기술된 NaI/NaI2 전지의 적어도 일부 실시양태는 실현가능함을 알 수 있다.For example, a molten sodium cathode 20, a platinum mesh current collector 30, an anode solution comprising 20 wt% NaI in formamide with a molar ratio of I 2 to NaI of 1: 3 + 5 wt % &Lt; / RTI &gt; carbon. In this example, after operating for 2,000 minutes at a temperature up to about 120 &lt; 0 &gt; C, the cell had the performance characteristics shown in Fig. Specifically, it can be seen from FIG. 8 that the battery has a relatively large overcharge potential as well as a relatively noisy charging / discharging curve. In this regard, it is believed that these noise curves and overvoltages may have resulted from the use of formamide, because the formamide only dissolves NaI and does not dissolve the iodine to produce bubbles, Is less conductive than any other suitable solvent that may be present. Nevertheless, it can be seen from FIG. 8 that at least some embodiments of the NaI / NaI 2 cell described are feasible.

실시예Example 2 2

두 번째 예로, 용융된 나트륨 음극(20), 백금 메쉬 집전체(30), 5 mA/cm2 내지 10 mA/cm2의 전류 밀도를 갖는 NaSICON-유형 막과 약 25 wt% 이하의 NaI 및 약 75% 초과의 DMSO를 포함하는 양극 용액을 포함하도록 전지(10)를 셋팅하였다. 본 실시예에서, 약 120℃까지의 온도에서 150시간 넘게 작동 후, 전지는 도 9에 나타낸 성능 특성을 가졌다 (상기 기술된 배터리 화학 1에 따름). 구체적으로, 도 9의 성능 특성으로부터, 본 실시예의 전지는 선행 실시예의 전지보다 더 낮은 과전위를 가짐을 알 수 있다. 이와 관련하여, DMSO 용액은 포름아미드보다 더 전도성이어서, 전지에 보다 낮은 과전압이 제공된다고 생각된다. 또한, 본 실험에서, DMSO가 NaI 및 아이오딘을 용해시키는 것이 명백하였다. 또한, DMSO는 본 전지가 실시예 1의 전지보다 더 잘 작동하도록 하는 안정한 전기화학적 창을 가진다고 생각된다. 따라서, 본 실시예로부터, 전지의 적어도 일부의 실시양태에서 DMSO가 포름아미드보다 사용하기에 더 우수한 용매인 것으로 보인다.In a second example, a molten sodium cathode 20, a platinum mesh current collector 30, a NaSICON-type membrane having a current density of 5 mA / cm 2 to 10 mA / cm 2 , The battery 10 was set to include an anode solution containing more than 75% DMSO. In this example, after more than 150 hours of operation at temperatures up to about 120 캜, the cell had the performance characteristics shown in Fig. 9 (according to Battery Chemistry 1 described above). Specifically, from the performance characteristics of Fig. 9, it can be seen that the battery of this embodiment has a lower overvoltage than that of the battery of the preceding embodiment. In this regard, it is believed that the DMSO solution is more conductive than the formamide, thus providing a lower overvoltage to the cell. Further, in this experiment, it was clear that DMSO dissolves NaI and iodine. It is also believed that DMSO has a stable electrochemical window that allows the present cell to operate better than the cell of Example 1. Thus, from this example, DMSO appears to be a better solvent for use than formamide in at least some embodiments of the cell.

실시예Example 3  3

세 번째 예로, 약 3.65 mA/cm2의 전류 밀도 및 처음의 두 실시예에서 사용된 막의 대략 4배의 표면적을 갖는 전해질 막(40), 용융된 나트륨 음극(20), 백금 메쉬 집전체(30), 및 NaI 1 몰당 0.5 몰의 I2를 갖는 약 75 wt% 초과의 포름아미드 및 약 25 wt% 이하의 NaI를 포함하는 양극 용액(35)을 포함하도록 제1 대형 전지를 셋팅하였다. 추가적으로, 약 3.65 mA/cm2의 전류 밀도 및 처음의 두 실시예에서 사용된 막의 대략 4배의 표면적을 갖는 전해질 막(40), 용융된 나트륨 음극(20), 백금 메쉬 집전체(30), NaI 1 몰당 0.5 몰의 I2를 갖는 약 75 wt% 초과의 DMSO 및 약 25 wt% 이하의 NaI를 포함하는 양극 용액(35)을 포함하도록 제2 대형 전지를 셋팅하였다. 이들 두 전지를 전지 유효 용량의 약 20%의 방전 심도로 약 120℃까지의 온도에서 120시간 넘게 작동시켰다. DMSO 용매를 사용한 전지의 성능 특성을 도 10에 나타내었다 (상기 기술된 배터리 화학 1에 따름). 포름아미드를 사용한 전지의 성능 특성은 유사하였다. 도 11은 전지가 상기 기술된 배터리 화학 1에 따라 전지 유효 용량의 50%의 방전 심도에서 작동하는 경우 DMSO 전지에 대한 일부 성능 특성을 나타낸다. 이와 관련하여, 도 11은 이러한 비교적 깊은 방전 사이클을 갖는 전지의 작동 실현가능성을 나타낸다.As a third example, an electrolyte membrane 40 having a current density of about 3.65 mA / cm 2 and a surface area roughly four times that of the membrane used in the first two embodiments, a molten sodium cathode 20, a platinum mesh current collector 30 ), And an anode solution 35 containing about 75 wt% of formamide with about 0.5 mole of I 2 per mole of NaI and about 25 wt% or less of NaI. Additionally, an electrolyte membrane 40, a molten sodium cathode 20, a platinum mesh current collector 30, and an electrolyte membrane 40 having a current density of about 3.65 mA / cm 2 and a surface area roughly four times that of the membrane used in the first two embodiments, The second large cell was set to include an anode solution 35 containing about 75 wt% of DMSO with about 0.5 mole of I 2 per mole of NaI and about 25 wt% or less of NaI. These two cells were operated at a temperature up to about 120 &lt; 0 &gt; C for more than 120 hours with a discharge depth of about 20% of the cell effective capacity. The performance characteristics of the cell using the DMSO solvent are shown in Fig. 10 (according to Battery Chemistry 1 described above). The performance characteristics of the cells using formamide were similar. Figure 11 shows some performance characteristics for a DMSO cell when the cell operates at a discharge depth of 50% of the cell effective capacity according to Battery Chemistry 1 described above. In this regard, Fig. 11 shows the operational feasibility of a battery having such a relatively deep discharge cycle.

실시예Example 4  4

일 예로, 용융된 나트륨 음극(20), 대략 10 mA/cm2의 전류 밀도를 갖는 NaSICON-유형 막을 포함하는 전해질 막(40), 및 첨가된 탄소와 함께 포름아미드 용매에 용해된 NaI/I2를 포함하는 양극 용액(35)을 포함하도록 전지(10)를 셋팅하였다. 이어서, 전지를 약 110℃에서 30시간 넘게 작동시켰다. 본 실험 전지의 시험 가동의 일부 성능 특성을 도 12에 나타내었다 (상기 기술된 배터리 화학 1에 따름). 이와 관련하여, 도 12로부터, 실험 전지의 전압 강하가 비교적 크고, 데이타에 일부 잡음(noise)이 존재함을 알 수 있더라도, 도 12는 아이오딘을 사용한 나트륨-할로겐 기반 시스템의 실현가능성을 보여준다.For example, dissolved in the dimethylformamide solvent with the molten sodium anode 20, electrolyte layer 40 including NaSICON- type film having a current density of about 10 mA / cm 2, and carbon was added NaI / I 2 The battery 10 was set so as to include the positive electrode solution 35 containing the positive electrode solution 35. Then, the battery was operated at about 110 DEG C for more than 30 hours. Some performance characteristics of the test run of this experimental cell are shown in Figure 12 (according to Battery Chemistry 1 described above). In this connection, from Fig. 12, it can be seen that the voltage drop of the experimental cell is relatively large and there is some noise in the data. Fig. 12 shows the feasibility of a sodium-halogen based system using iodine.

실시예Example 5 5

할로겐이 아이오딘인 경우, 배터리 화학 1 및 배터리 화학 2를 나타내는 일 예로, 표준 전기화학적 순환 전압전류 (CV) 방법을 사용하여 중성 근처의 pH 나트륨 아이오다이드 용액의 산화를 연구하였다. 시험 셋팅은 0.2M NaI/0.1M I2 수용액에 담겨진 3개의 백금 전극 (기준 하나, 상대 하나 및 작업 하나)을 포함하였다. 시험은 주위 온도에서 수행하였다. 시험 동안, 전지 전압을 전지 개방 회로 전압에 대해 점차 증가 및 감소시키고, 기준 전극을 사용하여 작업 전극 전위를 측정하였다. 또한, 작업 및 상대 전극의 반응에 의해 생성된 전지 전류를 측정하였다. 도 17은 기준에 대한 500 mV/s (좌) 및 5 mV/s (우)의 작업 전극 전위 스캔 동안 발생하는 상이한 공정 (전류의 증가로 나타남)을 나타낸다. 양의 애노드 (산화) 스캔 동안 0.3 V에서 일어나는 제1 공정은 상기 기술된 배터리 화학 1의 반응에 따른 다음의 아이오다이드의 트리아이오다이드로의 산화였다: As an example of a battery chemistry 1 and a battery chemistry 2 case where the halogen is iodine, oxidation of a pH neutral sodium iodide solution near neutrality was studied using a standard electrochemical cyclic voltammetric (CV) method. Test set included the three platinum electrode (by one, one relative and one operation) contained in 0.2M NaI / 0.1MI 2 aqueous solution. The test was performed at ambient temperature. During the test, the cell voltage was gradually increased and decreased with respect to the cell open circuit voltage, and the working electrode potential was measured using the reference electrode. In addition, the cell current generated by the operation and the reaction of the counter electrode was measured. Figure 17 shows a different process (indicated by an increase in current) that occurs during 500 mV / s (left) and 5 mV / s (right) working electrode potential scans for the reference. The first step occurring at 0.3 V during the positive anode (oxidation) scan was the oxidation of the following iodide to the triiodide following the reaction of Battery Chemistry 1 described above:

3NaI → NaI3 + 2Na+ + 2 e- 3NaI? NaI 3 + 2Na + + 2 e -

다음의 0.8 V에서의 산화 피크는 상기 기술된 배터리 화학 2의 반응에 따른 다음의 트리아이오다이드의 분자 아이오딘으로의 산화로 인해 발생한다:The following oxidation peak at 0.8 V occurs due to the oxidation of the following triiodide to the molecular iodine following the reaction of Battery Chemistry 2 described above:

NaI3 → 3/2 I2 + Na+ + e- NaI 3 → 3/2 I 2 + Na + + e -

이 데이타로부터, 나트륨 아이오다이드를 트리아이오다이드로 산화시키는 것이 보다 용이하며, 이는 용융된 Na와 커플링되는 경우, 보다 높은 전압 배터리 화학 2 (3.15 V의 개방 회로 전압)를 초래하는 트리아이오다이드의 아이오딘으로의 산화에 비해 보다 낮은 전압 배터리 화학 1 (2.8 V의 개방 회로 전압)을 초래할 것임을 알 수 있다.From this data it is easier to oxidize sodium iodide to triiodide, which, when coupled with molten Na, results in a higher ionization potential, which leads to higher voltage battery chemistry 2 (open circuit voltage of 3.15 V) Id will result in lower voltage battery chemistry 1 (2.8 V open circuit voltage) compared to oxidation to iodine.

실시예Example 6 6

배터리 화학의 일 예로, 용융된 나트륨 음극, 대략 8.8 mA/cm2의 전류 밀도를 갖는 NaSICON-유형 막을 포함하는 전해질 막, 및 NMF 용매에 용해된 35 wt.% NaI를 포함하는 양극 용액 (I2 없음)을 포함하도록 263 mAh 전지를 셋팅하였다. 이어서, 전지를 약 110℃에서 24시간 넘게 작동시켰다. 본 실험 전지의 시험 가동의 일부 성능 특성을 도 18에 나타내었다. 이와 관련하여, 도 18은 처음의 높은 3.25 전압 (편평한 전압 부분)에서의 정전압 충전에 이어 정전류 충전 (상승 전압 부분)을 사용한 처음의 6 사이클을 나타낸다. 이는 양극 배터리 화학 2를 나타내는 3 V 초과로 시스템의 충전 OCV를 상승시키기에 충분하였다. 마지막 사이클은 정전류를 가지나, 높은 전압 배터리 화학 2를 나타내는 높은 충전 OCV를 유지한다.As an example of battery chemistry, a molten sodium cathode, an electrolyte membrane comprising a NaSICON-type membrane with a current density of approximately 8.8 mA / cm 2 , and an anode solution comprising 35 wt.% NaI dissolved in NMF solvent (I 2 No battery) was set. The cell was then operated at about 110 캜 for more than 24 hours. Some performance characteristics of the test operation of this experimental cell are shown in Fig. In this regard, FIG. 18 shows the first six cycles using constant current charging (rising voltage portion) followed by constant voltage charging at the initial high 3.25 voltage (flat voltage portion). This was sufficient to raise the charge OCV of the system above 3 V, which represents anode battery chemistry 2. The last cycle has a constant current, but maintains a high charge OCV, representing a high voltage battery chemistry 2.

실시예Example 7 7

일 예로, 용융된 나트륨 음극, 대략 7.5 mA/cm2의 전류 밀도를 갖는 NaSICON-유형 막을 포함하는 전해질 막, 및 NMF 용매에 용해된 35 wt.% NaI를 포함하는 양극 용액 (I2 없음)을 포함하도록 263 mAh 전지를 셋팅하였다. 이어서, 전지를 약 110℃에서 약 200시간 동안 작동시켰다. 본 실험 전지의 시험 가동의 일부 성능 특성을 도 19에 나타내었다. 이와 관련하여, 도 19는 높은 전압에서 정전압 충전을 사용한 초기 사이클을 나타내며, 이는 양극 배터리 화학 2를 나타내는 3 V 초과로 나머지 사이클에 대한 시스템의 충전 OCV를 상승시키기에 충분하였다.As an example, a molten sodium cathode, an electrolyte membrane comprising a NaSICON-type membrane with a current density of approximately 7.5 mA / cm 2 , and an anode solution (without I 2 ) containing 35 wt.% NaI dissolved in NMF solvent A 263 mAh battery was set to include. The cell was then operated at about 110 캜 for about 200 hours. Some performance characteristics of the test operation of this experimental cell are shown in Fig. In this regard, Figure 19 shows an initial cycle using constant voltage charging at a high voltage, which was sufficient to raise the charge OCV of the system for the remaining cycles to above 3 V representing anode battery chemistry 2.

실시예Example 8 8

일 예로, 용융된 나트륨 음극, 대략 3.8 mA/cm2의 전류 밀도를 갖는 NaSICON-유형 막을 포함하는 전해질 막, 및 NMF 용매에 용해된 35 wt.% NaI를 포함하는 양극 용액 (I2 없음)을 포함하도록 263 mAh 전지를 셋팅하였다. 이어서, 전지를 약 110℃에서 3 충전/방전 사이클 넘게 작동시켰다. 본 실험 전지의 시험 가동의 일부 성능 특성을 도 20에 나타내었다. 이와 관련하여, 도 20으로부터, 보다 높은 부분 정전압 충전은 쿨롱 효율 및 운반가능 용량을 증가시킴을 알 수 있다.As an example, a molten sodium cathode, an electrolyte membrane comprising a NaSICON-type membrane with a current density of approximately 3.8 mA / cm 2 , and an anode solution (without I 2 ) containing 35 wt.% NaI dissolved in NMF solvent A 263 mAh battery was set to include. The cell was then operated at about 110 캜 over 3 charge / discharge cycles. Some performance characteristics of the test operation of this experimental cell are shown in Fig. In this connection, it can be seen from FIG. 20 that the higher partial voltage charging increases the coulomb efficiency and the transportable capacity.

실시예Example 9  9

일 예로, 용융된 나트륨 음극, 대략 8.3 mA/cm2의 전류 밀도를 갖는 NaSICON-유형 막을 포함하는 전해질 막, 및 NMF 용매 또는 DMSO 용매에 용해된 7M I2 (과량의 아이오딘으로 선충전) 및 3M NaI를 포함하는 양극 용액을 포함하도록 2개의 전지를 셋팅하였다. 이어서, 전지들을 약 120℃에서 방전시켰다. 이들 실험 전지의 시험 가동의 방전 특성을 도 21에 나타내었다. 이와 관련하여, 도 21로부터, NMF에서는 배터리 화학 1 (트리아이오다이드에서 아이오다이드로)이 일어나는 반면, DMSO에서는 배터리 화학 1 및 2의 조합 (아이오딘에서 트리아이오다이드에서 아이오다이드로)이 일어남을 알 수 있다. 이 결과는 NaI 및 I2를 용해시키는데 사용된 용매가 방전 동안 일어나는 배터리 화학에 영향을 미침을 가리킨다.As an example, a molten sodium cathode, an electrolyte membrane comprising a NaSICON-type membrane with a current density of approximately 8.3 mA / cm 2 , and 7M I 2 (pre-charged with excess iodine) dissolved in NMF solvent or DMSO solvent and Two cells were set up to contain the positive electrode solution containing 3M NaI. Then, the batteries were discharged at about 120 캜. The discharge characteristics of the test operation of these experimental cells are shown in Fig. In this regard, it can be seen from FIG. 21 that in NMF, battery chemistry 1 (triiodide to iodide) occurs whereas in DMSO the combination of battery chemistries 1 and 2 (from iodine to triiodide to iodide) I can see the rise. This result indicates that the solvent used to dissolve NaI and I 2 affects the battery chemistry that occurs during discharge.

따라서, 상기 언급된 실시예로부터, 용매로서 DMSO 또는 NMF를 사용하여 나트륨 아이오다이드를 용해시키고 아이오딘을 (적어도 부분적으로) 용해시키는 Na-아이오딘 배터리가 구현될 수 있음을 알 수 있다. 이 시스템은 NaI/아이오딘 캐소드의 유효 용량의 약 50% 및 가능하다면 NaI/아이오딘 캐소드의 유효 용량의 약 70%까지의 딥방전(deep discharge)을 할 수 있어, 실제 배터리 시스템이 되도록 할 수 있다. 일부 실시양태에서, Pt 캐소드는 보다 저렴한 캐소드, 예컨대 흑연, 하드 카본(hard carbon) 또는 금속, 예컨대 망가니즈, 몰리브데넘, 텅스텐, 티타늄, 탄탈럼 및 기타 밸브 금속으로 대체될 수 있다. 전지에서 사용된 막은 NaSICON 막일 수 있고, 10 mA/cm2 이상의 전류 밀도를 가질 수 있다.Thus, it can be seen from the above-mentioned embodiments that a Na-iodine battery can be realized which dissolves sodium iodide and dissolves (at least partially) iodine using DMSO or NMF as solvent. This system is capable of a deep discharge of about 50% of the effective capacity of the NaI / iodine cathode and up to about 70% of the effective capacity of the NaI / iodine cathode, if possible, have. In some embodiments, the Pt cathode may be replaced with a cheaper cathode such as graphite, hard carbon or metals such as manganese, molybdenum, tungsten, titanium, tantalum and other valve metals. The film used in the battery may be a NaSICON film, and may have a current density of 10 mA / cm 2 or more.

본원에 기술된 배터리 (전지)는 다른 유형의 배터리에 비해 상당한 이점을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 언급된 바와 같이, 많은 유형의 공지된 나트륨 재충전가능 배터리는 예를 들어 250℃ 초과 또는 심지어 270℃ 초과의 고온에서 작동되어야 한다. 그러나, 본원에 언급된 바와 같이, 본 실시양태는 250℃ 미만의 온도에서 작동될 수 있다. 사실상, 일부 실시양태는 주위 온도, 약 60℃ 미만의 온도, 약 150℃ 미만, 200℃ 미만, 180℃ 미만의 온도 등에서 작동될 수 있다. 배터리에 대한 이들 온도 범위는 배터리를 극고온 (예컨대 270℃)으로 가열하는데 자원이 할당되어야 할 필요가 없기 때문에 상당한 유익을 제공할 수 있다.The batteries (batteries) described herein can have significant advantages over other types of batteries. For example, as noted above, many types of known sodium rechargeable batteries must be operated at high temperatures, for example, above 250 ° C or even above 270 ° C. However, as mentioned herein, this embodiment can be operated at temperatures below 250 ° C. In fact, some embodiments can operate at ambient temperature, temperatures below about 60 占 폚, below about 150 占 폚, below 200 占 폚, below 180 占 폚, and the like. These temperature ranges for the battery can provide significant benefits because resources need not be allocated to heat the battery to very high temperatures (e.g., 270 [deg.] C).

추가로, 일부의 본 실시양태는 세퍼레이터로서 나트륨 β"-알루미나 세라믹물질 대신에 NaSICON을 사용할 수 있다. NaSICON은 물 및 기타 용매와 상용성이기 때문에 나트륨 β"-알루미나 세라믹에 비해 특정 이점을 갖는다. 추가로, NaSICON은 막의 한쪽 측면 상의 반응물이 막의 다른쪽 측면 상의 반응물을 오손/간섭할 우려 없이 각 측면이 최적화될 수 있도록 전지의 두 측면을 분리할 수 있다.In addition, some embodiments of the present invention may use NaSICON as a separator in place of sodium beta "- alumina ceramic material. NaSICON has certain advantages over sodium beta" - alumina ceramic because it is compatible with water and other solvents. In addition, NaSICON can separate the two sides of the cell so that reactants on one side of the membrane can be optimized on each side without fear of contamination / interfering reactants on the other side of the membrane.

본원에 열거된 모든 특허 출원 및 특허는 명백히 본원에 참조로 포함된다.All patent applications and patents listed herein are expressly incorporated herein by reference.

본 발명의 실시양태는 그의 취지 또는 본질적 특성에서 벗어남 없이 다른 구체적 형태들로 구현될 수 있다. 기술된 실시양태 및 실시예는 모든 점에 있어서 단지 예시적인 것이며 제한적인 것으로 간주되어서는 안된다. 따라서, 발명의 범위는 상기 설명보다는 첨부된 특허청구범위로 나타낸다. 특허청구범위와 동등한 범위 및 의미 내에 있는 모든 변경은 그의 범위 내에 포함되어야 한다.Embodiments of the invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. The described embodiments and examples are merely exemplary in all respects and should not be construed as limiting. Accordingly, the scope of the invention is indicated by the appended claims rather than by the foregoing description. All changes that come within the meaning and range of equivalency of the claims are to be embraced within their scope.

Claims (15)

나트륨을 포함하는 음극을 포함하는 음극 구획이며, 여기서 음극은 방전 동안 전기화학적으로 산화되어 나트륨 이온을 방출하고, 재충전 동안 나트륨 이온을 전기화학적으로 환원시켜 나트륨 금속을 형성시키는 것인 음극 구획;
할로겐 및 할라이드 중 적어도 하나를 포함하는 액체 양극 용액 내 배치된 집전체를 포함하는 양극 구획이며, 여기서 하기 반응:
NaX3 + 2e- ↔ 3NaX
3X2 + 2Na+ + 2e- ↔ 2NaX3
으로부터 선택되는 양극 구획 내의 하나 이상의 반응을 수행하도록 2차 전지가 구성되는 것인 양극 구획; 및
음극을 액체 양극 용액으로부터 분리시키는 나트륨 이온 전도성 전해질 막
을 포함하는 나트륨-할로겐 2차 전지.
Wherein the cathode is electrochemically oxidized during discharging to release sodium ions and electrochemically reducing sodium ions during refill to form a sodium metal cathode, wherein the cathode compartment comprises a cathode comprising sodium;
A positive electrode compartment comprising a current collector disposed in a liquid positive electrode solution comprising at least one of a halogen and a halide,
NaX 3 + 2e - 3NaX
3X 2 + 2Na + + 2e - 2NaX 3
The anode compartment being configured to perform at least one reaction in the anode compartment selected from the anode compartment; And
A sodium ion conductive electrolyte membrane separating the cathode from the liquid anode solution
&Lt; / RTI &gt;
제1항에 있어서, 음극이 용융된 나트륨 금속을 포함하는 것인 2차 전지.The secondary battery according to claim 1, wherein the cathode comprises a molten sodium metal. 제1항에 있어서, 음극의 온도가 약 150℃ 미만인 경우 작동하는 2차 전지.The secondary battery according to claim 1, wherein the secondary battery operates when the temperature of the cathode is less than about 150 캜. 제3항에 있어서, 음극의 온도가 또한 약 100℃ 초과인 경우 작동하는 2차 전지.4. The secondary battery of claim 3, wherein the temperature of the cathode is also greater than about 100 &lt; 0 &gt; C. 제1항에 있어서, 전해질 막이 NaSICON-유형 물질을 포함하는 것인 2차 전지.The secondary battery according to claim 1, wherein the electrolyte membrane comprises a NaSICON-type material. 제5항에 있어서, NaSICON-유형 물질이 다공성 층 및 조밀한 기능성 코팅 층을 갖는 복합 막을 포함하는 것인 2차 전지.6. The secondary battery of claim 5, wherein the NaSICON-type material comprises a composite membrane having a porous layer and a dense functional coating layer. 제1항에 있어서, 액체 양극 용액이 3X2 + 2Na+ + 2e- ↔ 2NaX3의 양극 구획 내 반응이 우세하도록 선택된 용매를 포함하는 것인 2차 전지.The secondary battery according to claim 1, wherein the liquid anode solution comprises a solvent selected so that the reaction in the anode compartment of 3X 2 + 2Na + + 2e - 2NaX 3 predominates. 제1항에 있어서, 액체 양극 용액이 디메틸 술폭시드 용매를 포함하는 것인 2차 전지.The secondary battery according to claim 1, wherein the liquid anode solution comprises a dimethyl sulfoxide solvent. 제1항에 있어서, 액체 양극 용액이 N-메틸 포름아미드 용매를 포함하는 것인 2차 전지.The secondary battery according to claim 1, wherein the liquid anode solution comprises an N-methyl formamide solvent. 제1항에 있어서, 액체 양극 용액이 NaBr, NaI 및 NaCl로부터 선택된 화합물을 포함하는 것인 2차 전지.The secondary battery according to claim 1, wherein the liquid anode solution comprises a compound selected from NaBr, NaI and NaCl. 제1항에 있어서, 액체 양극 용액이 2차 전지가 작동할 때 나트륨 폴리할라이드를 형성하기에 충분한 양의 나트륨 할라이드 및 원소 할로겐 중 적어도 하나를 포함하는 것인 2차 전지.The secondary battery according to claim 1, wherein the liquid anode solution comprises at least one of an amount of sodium halide and an elemental halogen in an amount sufficient to form a sodium polyhalide when the secondary battery operates. 제1항에 있어서, 액체 양극 용액이 액체 양극 용액 내 할로겐, 나트륨 할라이드 및 폴리할라이드 중 적어도 하나와 착물을 형성할 수 있는 착물화제를 포함하는 것인 2차 전지.The secondary battery according to claim 1, wherein the liquid anolyte solution comprises a complexing agent capable of forming a complex with at least one of halogen, sodium halide and polyhalide in the liquid anolyte solution. 제1항에 있어서, 착물화제가 테트라메틸 암모늄 할라이드 화합물을 포함하는 것인 2차 전지.The secondary battery of claim 1, wherein the complexing agent comprises a tetramethylammonium halide compound. 제1항에 있어서, 집전체가 흑연, 하드 카본(hard carbon), 망가니즈, 몰리브데넘, 텅스텐, 티타늄, 탄탈럼, 구리, 니켈, 아연 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 포함하는 것인 2차 전지.The method of claim 1 wherein the current collector comprises a material selected from the group consisting of graphite, hard carbon, manganese, molybdenum, tungsten, titanium, tantalum, copper, nickel, Lt; / RTI &gt; 제1항에 있어서,
양극 구획과 유체 소통하는 제1 저장소; 및
액체 양극 용액이 제1 저장소로부터 양극 구획 내로 흘러들어가고 집전체를 지나가게 하도록 구성된 제1 펌핑 메카니즘
을 추가로 포함하는 2차 전지.
The method according to claim 1,
A first reservoir in fluid communication with the anode compartment; And
A first pumping mechanism configured to flow liquid anode solution from the first reservoir into the anode compartment and through the collector,
Further comprising a secondary battery.
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