KR20180046915A - 나트륨 이온 전도성 세라믹 세퍼레이터를 지니는 나트륨-알루미늄 배터리 - Google Patents

나트륨 이온 전도성 세라믹 세퍼레이터를 지니는 나트륨-알루미늄 배터리 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나트륨-알루미늄 2차 전지를 제공한다. 상기 전지는 나트륨 금속 음극, NaAl2X7과 NaAlX4(X는 염소, 브로민 및 요오드로부터 선택된 할로겐 원자 또는 상이한 할로겐 원자의 혼합물임)의 양의 전해질 혼합물 중에 배치된 알루미늄 양극을 포함하는 양극 구획 및 양의 전해질로부터 음극을 분리시키는 나트륨 이온 전도성 전해질 막을 포함한다. 이러한 경우에, 전해질 막은 NaSICON-유형 막을 포함하지만, 이것으로 제한되지 않는 임의의 적합한 물질을 포함할 수 있다. 일반적으로, 전지가 기능할 때, 나트륨 음극과 양의 전해질은 둘 다 용융되어, 전해질 막과 접촉된다. 추가적으로, 상기 전지는 약 100℃ 내지 약 200℃의 작동 온도에서 기능성이다.

Description

나트륨 이온 전도성 세라믹 세퍼레이터를 지니는 나트륨-알루미늄 배터리
본 발명은 일반적으로 배터리에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 약 100℃("C") 내지 약 200℃의 온도에서 작동하는 나트륨 이온 전도성 세라믹 전해질 세퍼레이터를 지니는 나트륨-알루미늄 기반 2차 전지(또는 재충전 배터리)를 제공한다. 개시된 발명은 배터리가 방전됨에 따라 배터리의 양극 상에 도금이 형성되도록 허용하고, 또한 배터리가 충전됨에 따라 도금이 용액 내로 들어가도록 허용하는 배터리 전하 이동 메커니즘을 제공하기 위한 시스템 및 방법을 포함한다.
나트륨 이온을 선택적으로 수송하는 고체 나트륨 이온 전도성 전해질 막을 포함하는 전해조는 당업계에 공지되어 있다. 전해조 내에 나트륨 이온-선택 막을 가짐으로써, 나트륨 이온은 전지의 음극 구획과 양극 구획 사이를 통과하도록 허용되는 반면, 다른 화학물질이 그들의 본래의 구획 내에 유지된다. 따라서, 나트륨 이온-특이적 막의 사용에도 불구하고, 전해조는 더 효율적이 되도록 그리고 막 없이 생기는 다른 반응과 상이한 화학 반응을 생성하도록 공학 처리될 수 있다.
고체 나트륨 이온 전도성 전해질 막은 이온 전도성, 이온 선택적, 물 불침투성, 화학적으로 안정성, 전자적으로 절연성 등이 되는 것을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는 다양한 이유로 전기화학 전지에서 사용된다. 예로서, NaSICON(Na 초이온 전도성(Na Super Ion CONducting)) 막은 나트륨 양이온을 선택적으로 수송한다. 고체 나트륨 이온 전도성 전해질 막의 다른 예는 베타 알루미나, 나트륨-전도성 유리 등을 포함한다.
다양한 상이한 화학물질을 생성하기 위해 그리고 다양한 화학적 공정을 수행하기 위해 고체 나트륨 이온 전도성 막을 포함하는 전해조가 사용된다. 그러나, 일부 경우에, 이러한 전지는 다양한 용도를 위한 전기 에너지를 저장 및 방출할 수 있는 배터리로서 사용된다. 전기 에너지를 생산하기 위해, 배터리는 전형적으로 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 전환한다. 일반적으로, 단일 배터리는 하나 이상의 갈바니 전지를 포함하되, 각각의 전지는 외부 회로를 통하는 경우를 제외하고 전기적으로 분리된 2개의 반전지(half-cell)로 이루어진다. 방전 동안, 전지의 양극에서 전기화학적 환원이 일어나는 한편, 전지의 음극에서 전기화학적 산화가 일어난다. 전지 내 양극 및 음극은 서로 물리적으로 접촉되지 않으며, 그들은 적어도 하나(이상)의 이온적으로 전도성 및 전기적으로 절연성인 전해질(들)인데, 이들은 고체 또는 액체 상태이거나 또는 조합물일 수 있다. 외부 회로, 또는 부하가 음극에 연결되는 단자에 그리고 양극에 연결되는 단자에 연결될 때, 배터리는 외부 회로를 통해 전자를 구동하는 한편, 이온은 전해질을 통해 이동한다.
배터리는 다양한 방식으로 분류될 수 있다. 예를 들어, 단지 1회 완전히 방전되는 배터리는 종종 1차 배터리 또는 1차 전지로서 지칭된다. 대조적으로, 1회 초과로 방전되고 재충전될 수 있는 배터리는 종종 2차 배터리 또는 2차 전지로서 지칭된다. 여러 번 충전 및 방전될 전지 또는 배터리의 능력은 각각의 충전 및 방전 주기의 패러데이 효율(Faradaic efficiency)에 의존한다.
나트륨에 기반한 재충전 배터리는 고체 1차 전해질 세퍼레이터, 예컨대 고체 나트륨 이온 전도성 전해질 막(상기 논의함)을 사용할 수 있다. 고체 나트륨 이온 전도성 전해질 막을 이용하는 것의 원칙적 이점은 얻어진 전지의 패러데이 효율이 100%에 접근하는 것이다. 사실, 다수의 다른 전지 설계에서, 전지 내 전극 용액은 시간에 따라 섞일 수 있고, 이에 의해 패러데이 효율의 하락 및 배터리 용량의 손실을 야기한다.
일부 경우에, 나트륨-기반 재충전 배터리 내 나트륨 음극은 용융된다. 이러한 경우에, 배터리는 나트륨의 융점인 약 100℃ 초과의 온도에서 작동할 필요가 있을 수 있다. 더 나아가, 일부 통상적인 나트륨-기반 배터리는 상대적으로 높은 pH를 갖거나 또는 나트륨 이온 전도성 전해질 막에 대해 달리 화학적으로 반응성인 용액(예를 들어, NaOH)을 이용하는 양극 변화 전달 메커니즘을 포함한다. 높은 작동 온도 및 화학적으로 반응성인 양의 전해질 용액의 결과로서, 일부 통상적인 나트륨-기반 배터리의 고체 나트륨 이온 전도성 전해질 막은 상대적으로 용해에 의해 분해되기 쉽다. 따라서, 이러한 배터리의 유용한 수명은 상대적으로 짧을 수 있다.
따라서, 나트륨-기반 재충전 배터리는 공지되어 있지만, 상기 언급한 것을 포함하는 도전이 여전히 존재한다. 따라서, 당업계의 개선점은 다른 배터리 전하 이동 메커니즘을 지니는 특정의 통상적인 나트륨-기반 재충전 전지를 증가시키거나 또는 심지어 대체하는 것일 것이다.
본 발명은 배터리가 방전됨에 따라 재충전 배터리의 양극 상에 도금이 형성되도록 허용하고, 또한 배터리가 충전됨에 따라 도금이 용액 내로 들어가도록 허용하는 배터리 전하 이동 메커니즘을 제공하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 일부 비제한적 실행에서, 배터리는 나트륨 이온 전도성 전해질 막에 의해 분리되는, 음극 구획 및 양극 구획을 갖는 2차 전지를 포함한다. 일부 비제한적 실행에서, 이루어진 나트륨 금속 음극은 음극 구획에 배치된다. 이와 관련하여, 전지가 방전됨에 따라, 음의 애노드는 산화되어 나트륨 이온(예를 들어, Na+)을 방출한다. 대조적으로, 전지가 재충전됨에 따라, 나트륨 이온은 환원되어 대응하는 나트륨 금속을 형성한다.
본 발명은 약 100℃ 내지 약 200℃의 온도에서 기능하는 나트륨-알루미늄 2차 전지(또는 재충전 배터리)를 제공한다. 기재된 나트륨-알루미늄 2차 전지는 임의의 적합한 성분을 포함할 수 있지만, 일부 비제한적 실행에서, 전지는 용융된 나트륨 금속 음극, 용융된 양의 전해질 중에 배치된 알루미늄 양극을 포함하는 양극 구획, 및 양극 용액으로부터 음극을 물리적으로 분리시키는 나트륨 이온 전도성 전해질 막을 포함한다.
일반적으로, 나트륨 음극은 나트륨 금속의 양을 포함한다. 이와 관련하여, 전지가 작동함에 따라, 나트륨 음극은 액체 또는 용융 상태이다. 나트륨 음극은 나트륨의 순수한 샘플 또는 나트륨 합금을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는 임의의 적합한 유형의 나트륨을 포함할 수 있지만, 일부 비제한적 실행에서, 음극은 실질적으로 순수한 나트륨 샘플을 포함한다.
양극 구획 내의 양극은 화학식 NaX, AIX3, NaAlX4 및 NaAl2X7로 나타내는 할로겐화나트륨과 할로겐화알루미늄의 혼합물과 관련되는 알루미늄의 양을 포함하며, X는 염소, 브로민 및 요오드로부터 선택된 할로겐 원자 또는 상이한 할로겐 원자의 혼합물이다. 상이한 할로겐 원자의 혼합물을 함유하는 할로겐화알루미늄 화합물이 현재 바람직한데, 그들이 단지 한 가지 유형의 할로겐 원자를 함유하는 대응하는 할로겐화알루미늄 화합물에 비해 더 낮은 융점을 갖는 경향이 있기 때문이다. 더 낮은 융점은 전지가 저온에서 작동하게 할 수 있기 때문에 유리하다.
나트륨 이온 전도성 전해질 막은 나트륨 이온을 선택적으로 수송하고, 전지의 작동 온도에서 안정하며, 용융 나트륨 및 양극 용액과 접촉될 때 안정하고, 다르게는 의도한 대로 전지가 기능하도록 허용하는 임의의 막(본 명세서에서 임의의 적합한 유형의 세퍼레이터를 지칭하기 위해 사용됨)을 포함할 수 있다. 사실, 일부 비제한적 실행에서, 전해질 막은 세라믹 NaSICON-유형 막을 포함한다.
전해질 막이 NaSICON-유형 막을 포함하는 경우, 상기 막은 복합 NaSICON 막을 포함하지만, 이것으로 제한되지 않는 임의의 적합한 종류의 NaSICON-유형 막을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 그리고 비제한적 예로서, 상기 막은 밀집한 NaSICON 층 및 다공성 NaSICON 층, 또는 서멧(cermet) 층, 예컨대 NiO/NaSICON 서멧 층을 지니는 밀집한 NaSICON 층을 포함하는 임의의 공지되거나 또는 신규한 복합 NaSICON 막을 포함할 수 있다.
기재된 2차 전지는 임의의 적합한 작동 온도에서 작동할 수 있다. 작동 온도는 실제의 양의 전해질 조성물에 의해 영향 받는다. 양의 전해질이 용융되는 것을 보장하기 위해, 전지는 양의 전해질 조성물을 형성하는 염 혼합물 융점의 적어도 10℃ 초과에서 작동할 수 있다. 사실, 일부 비제한적 실행에서, 전지는 100℃ 내지 200℃ 범위의 작동 온도에서 기능한다(예를 들어, 방전 또는 재충전된다). 전지의 온도가 약 100℃, 약 110℃, 약 120℃, 약 130℃, 약 150℃, 약 170℃, 약 180℃, 내지 약 200℃로부터 선택된 온도만큼 높은 동안에, 전지거 기능할 수 있다. 사실, 일부 비제한적 실행에서, 전지는 약 100℃ 내지 약 150℃의 온도에서 기능한다. 다른 실시형태에서, 전지는 약 100℃ 내지 약 130℃의 온도에서 기능한다. 그러나, 또 다른 실시형태에서, 전지가 기능함에 따라, 음극의 온도는 약 120℃ ± 약 10℃이다.
기재한 재충전 가능한 용융 나트륨 애노드(음극)-알루미늄 캐소드(양극) 배터리는 전해질의 낮은 가연성 및 나트륨-이온 수행 세라믹 막의 사용에 기인하여 저비용 및 더 높은 안전성의 이점을 가진다. 저비용 재충전 배터리 시스템의 개발은 경제적 현실에서 재생 에너지 저장 및 전기 차량을 만들 수 있는 바람직한 이점이다.
본 발명의 상기 열거한 특징 및 다른 특징 및 이점을 얻고, 용이하게 이해되는 방식을 위해, 상기 간략하게 기재한 본 발명의 더 구체적인 설명을 첨부하는 도면에서 도시하는 이의 구체적 실시형태를 참고로 하여 제공할 것이다. 도면이 일정한 비율로 이루어지지 않는다는 것을 이해하여, 본 발명의 일부 대표적인 실시형태만을 도시하고, 따라서 그의 범주의 제한이 되는 것으로 고려되어서는 안 되며, 본 발명은 수반하는 도면의 사용을 통한 추가적인 특수성 및 상세한 설명에 의해 기재되고 설명될 것이다:
도 1은 나트륨-알루미늄 2차 전지의 대표적인 실시형태의 개략적 다이어그램으로서, 상기 전지는 방전되고 있는 과정인 것을 도시한 도면;
도 2는 나트륨-알루미늄 2차 전지의 대표적인 실시형태의 개략적 다이어그램으로서, 상기 전지는 재충전되고 있는 과정인 것을 도시한 도면; 및
도 3은 본 명세서에 개시된 바와 같은 나트륨-알루미늄 2차 전지 설계의 다이어그램 표현을 도시한 도면.
도 4는 124℃에서 산성(40:60 NaI:AlCl3) 전해질 매질 중의 알루미늄 도금에 대한 전류 대 전압의 그래프를 도시한 도면.
도 5는 134℃에서 염기성(60:40 NaI:AlCl3) 전해질 매질 중의 알루미늄 도금에 대한 전류 대 전압의 그래프를 도시한 도면.
본 명세서 전체적으로 "일 실시형태", "실시형태" 또는 유사한 언어에 대한 언급은 실시형태와 관련하여 기재한 특정 특성, 구조 또는 특징이 적어도 본 발명의 일 실시형태에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체적으로 어구 "일 실시형태에서", "실시형태에서" 및 유사한 언어의 모습은 반드시는 아니지만, 모두 동일한 실시형태를 지칭할 수 있다. 추가적으로, 다음의 설명은 본 발명에 기재된 다양한 성분 및 양상의 몇몇 실시형태 및 예를 지칭하지만, 모든 기재된 실시형태 및 예는 모든 측면에서 단지 예시적인 것으로 그리고 임의의 방식으로 제한되지 않는 것으로 고려되어야 한다.
더 나아가, 본 발명의 기재된 특성, 구조 또는 특징은 하나 이상의 실시형태에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다. 다음의 설명에서, 본 발명의 실시형태의 철저한 이해를 제공하기 위해 수많은 구체적인 상세한 설명, 예컨대 적합한 나트륨 음극, 양극 물질, 나트륨 이온 전도성 전해질 막 등의 예가 제공된다. 그러나, 연관된 분야에서 당업자는 본 발명이 구체적인 상세한 설명 중 하나 이상 없이, 또는 다른 방법, 성분, 물질 등에 의해 실행될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 다른 예에서, 잘 공지된 구조, 물질 또는 작동은 본 발명의 불명료한 양상을 피하기 위해 상세하게 나타내지 않거나 또는 기재하지 않는다.
상기 언급한 바와 같이, 2차 전지는 방전되고 재충전될 수 있으며, 본 명세서는 두 상태 모두에 대한 전지 배열 및 방법을 기재한다. 용어 "재충전하는"은 그의 다양한 형태에서 두 번째 충전을 나타내지만, 당업자는 재충전에 대한 논의가 제1 또는 처음의 충전에 대해 유효하고, 적용 가능하며, 그 반대의 경우도 마찬가지라는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 명세서의 목적에 대해, 용어 "재충전", "재충전된" 및 "재충전 가능한"은 각각 용어 "충전", "충전된" 및 "충전 가능한"과 상호 호환가능할 것이다.
개시된 발명은 배터리가 방전됨에 따라 재충전 배터리의 양극 상에 도금이 형성되도록 허용하고, 추가로 배터리가 충전됨에 따라 도금이 산화되고, 용액 내로 들어가도록 허용하는 배터리 전하 이동 메커니즘을 제공하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 개시된 발명은 약 100℃ 내지 약 200℃의 작동 온도에서 기능하는 나트륨-알루미늄 2차 전지를 제공한다. 기재된 전지는 임의의 적합한 성분을 포함할 수 있지만, 도 1은 나트륨-알루미늄 2차 전지(10)가 금속 나트륨 음극(20)을 포함하는 음극 구획(15), 알루미늄 이온의 활성 공급원으로서 작용하고, 나트륨 이온을 전도하는 활성 공급원으로서 작용하는 양의 전해질(30)을 포함하는 양극 구획(25)을 포함하는, 대표적인 실시형태를 나타낸다. 나트륨 이온 전도성 전해질 막(35)은 양의 전해질(30)로부터 음극(20)을 분리시키고, 양전류 수집기(50)로부터 음전류 수집기(40)를 분리시킨다. 기재된 전지(10)의 더 양호한 이해를 제공하기 위해, 전지가 기능하는 방법의 간단한 설명을 이하에 제공한다. 이 논의 후에, 도 1에 나타내는 각각의 전지의 성분을 더 상세하게 논의한다.
이제 용융된 나트륨 2차 전지(10)가 기능하는 방식으로 전환해서, 전지는 사실상 임의의 적합한 방식으로 기능할 수 있다. 일 예에서, 도 1은 전지(10)가 방전되고 전자(e-)가 (예를 들어, 음전류 수집기(40)를 통해) 음극(20)으로부터 유동함에 따라, 나트륨이 음극(20)으로부터 산화되어 나트륨 이온(Na+)을 형성한다는 것을 도시한다. 도 1은 이들 나트륨 이온이 나트륨 이온 전도성 막(35)을 통해 나트륨 음극(20)으로부터 양의 전해질(30)까지 각각 수송된다는 것을 나타낸다.
대조적인 예에서, 도 2는 2차 전지(10)가 재충전됨에 따라, 전자(e-)가 외부 전력원(도시하지 않음), 예컨대 재충전기로부터 나트륨 음극(20)으로 유동하고, 전지(10)가 방전될 때(도 1에 나타냄) 생기는 화학 반응이 반전된다는 것을 나타낸다. 구체적으로, 도 2는 전지(10)가 재충전됨에 따라, 나트륨 이온(Na+)이 전해질 막(35)을 통해 양의 전해질(30)로부터, 나트륨 이온이 환원되어 나트륨 금속(Na)을 형성하는 음극(20)으로 각각 수송된다는 것을 나타낸다.
이제 전지(10)의 다양한 성분에 대해, 상기 언급한 바와 같은 전지는 음극 구획(15)과 양극 구획(25)을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 두 구획은 임의의 적합한 형상일 수 있고, 전지(10)는 의도한 대로 기능하도록 허용하는 임의의 다른 적합한 특징을 가질 수 있다. 예로서 음극 및 양극 구획은 관형, 직사각형일 수 있거나, 또는 임의의 다른 적합한 형상일 수 있다. 더 나아가, 두 구획은 서로에 대해 임의의 적합한 공간적 관계를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 2는 음극 구획(15)과 양극 구획(25)은 서로에 인접할 수 있다는 것을 나타내지만, 다른 실시형태, 예컨대 도 3에 나타내는 실시형태에서, 하나의 구획(예를 들어, 음극 구획)은 적어도 부분적으로 배치되는 한편, 다른 구획(예를 들어, 양극 구획)에서, 두 구획의 내용물은 전해질 막(35) 및 임의의 다른 구획 벽에 의해 분리된 채로 남아있다.
음극(20)에 대해, 전지(10)는 의도한 바와 같이 전지(10)가 기능하도록(예를 들어, 방전 및 재충전되도록) 허용하는 임의의 적합한 나트륨 음극(20)을 포함할 수 있다. 적합한 나트륨 음극 물질의 일부 예는 실질적으로 순수한 나트륨 샘플 및 임의의 다른 적합한 나트륨-함유 음극 물질을 포함하는 나트륨 합금을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다. 그러나, 특정 실시형태에서, 음극은 실질적으로 순수한 나트륨의 양을 포함하거나 또는 이들로 이루어진다. 이러한 실시형태에서, 순수한 나트륨의 융점은 대략 98℃이기 때문에, 나트륨 음극은 해당 온도 초과에서 용융될 것이다.
양의 전해질(30)은 양극으로서 기능하는 알루미늄 및 알루미늄 이온의 활성 공급원을 함유한다. 전지(10)는 임의의 적합한 양의 전해질(30) 및 의도한 바와 같이 전지가 충전 및 방전되도록 허용하는 전류 수집기(45)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 양전류 수집기(45)는 사실상 임의의 물질을 포함할 수 있거나 또는 구성은 나트륨-기반 재충전 배터리 시스템에서 성공적으로 사용되었다. 일부 실시형태에서, 양전류 수집기(45)는 와이어, 펠트, 플레이트, 관, 메쉬, 발포제 및/또는 다른 적합한 전류 수집기 구성이다.
일부 비제한적 실시형태에서, 양의 전해질(30)은 NaAl2X7과 NaAlX4의 혼합물을 포함하며, 여기서 X는 염소, 브로민 및 요오드로부터 선택된 할로겐 원자 또는 상이한 할로겐 원자의 혼합물이고, 음극(20)은 나트륨을 포함한다.
하나의 비제한적 예에서, 할로겐화알루미늄은 NaAlCl4 및 NaAl2Cl7을 포함한다. NaAlCl4 및 NaAl2Cl7은 혼합물의 조성에 따라 약 130 내지 180℃의 온도 범위에서 용융되는 공융 혼합물(eutectic mixture)이다. NaAlCl4는 다음과 같이 NaCl과 A1C13의 반응에 의해 형성된다: NaCl + AlC13 NaAlCl4.
NaCl: AlCl3의 1:1 몰 혼합물은 약 152℃에서 용융하고, 중성 조성물로서 칭해진다. 중성 혼합물에 과량의 NaCl을 첨가하는 것은 152℃ 초과에서 고체 NaCl 및 액상 NaAlCl4와 2상 액체를 생성할 것이다. NaAl2Cl7(NaCl: AlCl3의 1:2 몰비로 이루어짐)은 140℃에서 용융되고, 다른 산은 110 내지 185℃ 범위로 1:1 내지 1:3 용융물의 범위에서 NaCl:AlCl3 몰비로 용융된다.
상이한 할로겐화나트륨 또는 할로겐화알루미늄 화합물을 이용하여 유사한 할로겐화알루미늄 화합물이 제조될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 예를 들어, 염화나트륨 대신 요오드화나트륨을 이용하는 것은 다음을 수득한다: NaI + AlCl3 NaAlCl3I. NaAlCl3I는 대략 95℃에서 용융된다.
상이한 할로겐화물의 혼합물을 갖는 것의 별개의 이점은 상이한 할로겐화물의 혼합물을 함유하는 할로겐화나트륨 알루미늄 화합물이 단일 할로겐화물 종을 함유하는 할로겐화 나트륨 알루미늄 화합물에 비해 더 낮은 융점을 특징으로 한다는 것이다. 이하의 표 1은 NaX:AlX3의 배합물에 대한 대략의 융점 데이터를 제시한다.
Figure pct00001
예를 들어, NaCl 및 AlCl3(NaAlCl4)의 1:1 비는 융점이 약 152℃인 반면, NaI와 AlCl3(NaAlCl3I)의 1:1 비는 융점이 약 95℃ 초과이다. 따라서, NaI와 AlCl3의 혼합물이 나트륨-알루미늄 배터리에서 사용된다면, 단지 NaCl 및 AlCl3를 이용하는 배터리에 비해 더 낮은 온도에서 작동할 수 있다. 유사하게, 50:50 비의 NaAlCl4:NaAlBr4 또는 60:40 NaAlCl3I:NaAlBr3Cl은 개개 성분보다 더 낮은 융점을 가진다. 예를 들어, LiAlCl4는 거의 150℃에서 용융된다. LiAlI4는 약 240℃에서 용융된다. 그러나, 70:30 LiAlCl4:LiAlI4 혼합물은 65℃에서 용융된다. 유사한 융점 강하가 나트륨 염에 대해 예상될 수 있다. 따라서, 할로겐화 나트륨 알루미늄 양성 전해질 조성물에 대해 적어도 2종의 상이한 할로겐화물을 함유하는 할로겐화나트륨 및 알루미늄화합물을 포함하는 것이 바람직하다.
전지(10)가 방전됨에 따라 음극에서 생길 수 있는 반응을 이하에 예시한다:
Na→Na+ + 1e- (-2.71V) (1)
전지(10)가 방전됨에 따라 양극에서 생길 수 있는 반응을 이하에 예시한다:
NaAlCl4(염기성) + 3Na+ + 3e- → Al + 4NaCl (1.8V 대 Na) (2)
NaAl2Cl7(산성) + 3Na+ + 3e- → Al + 3NaCl + NaAlCl4 (2.16V 대 Na) (3)
반응 2는 AlCl3에 비해서 과량의 NaCl이 양극에 존재할 때 바람직할 것이며, 반응 3은 NaCl에 비해서 과량의 AlCl3가 양극에 존재할 때 바람직하다.
전지(10)가 방전됨에 따라 생길 수 있는 전반적인 반응은 이하에 예시하는 바와 같이 생길 수 있다:
3Na + NaAlCl4(염기성) → Al + 4NaCl (1.8V) (4)
3Na + NaAl2Cl7(산성) Al → 3NaCl + NaAlCl4 (2.16 V) (5)
따라서, 기재된 전지(10)의 일부 실시형태는 적어도 이론적으로 표준 온도 및 압력에서 약 2.16V를 생성할 수 있다.
전지(10)가 재충전됨에 따라 음극에서 생길 수 있는 반응을 이하에 예시한다:
Na+ + 1e-→ Na (6)
전지(10)가 재충전됨에 따라 양극에서 생길 수 있는 반응을 이하에 예시한다:
Al + 4NaCl → NaAlCl4(염기성) + 3Na+ + 3e- (7)
Al + 3NaCl + NaAlCl4 → NaAl2Cl7(산성) + 3Na+ + 3e- (8)
NaI가 양의 전해질에서 NaCl을 대체할 때 양극에서 생길 수 있는 전지 재충전 반응을 이하에 예시한다:
Al + 3NaCl + NaI → NaAlCl3I(염기성) + 3Na+ + 3e- (7a)
Al + 3NaCl + NaAlCl3I → NaAl2Cl6I(산성) + 3Na+ + 3e- (8a)
Al + 2NaCl +NaI + NaAlCl4 → NaAl2Cl6I(산성) + 3Na+ + 3e- (8b)
전지(10)로서 생길 수 있는 전반적인 반응은 이하에 예시하는 바와 같이 생길 수 있다:
Al + 4NaCl → 3Na + NaAlCl4(염기성) (9)
Al + 3NaCl + NaAlCl4 → 3Na + NaAl2Cl7(산성) (10)
NaI가 양의 전해질에서 NaCl을 대체할 때 유사한 전지 반응이 양극에서 일어난다. 다음은 양의 전해질에서 NaI가 NaCl을 대체할 때 양극에서 일어나는 전형적인 전지 방전 반응이다:
NaAlCl3I(염기성) + 3Na+ + 3e- → Al + 3NaCl +NaI(Na에 대해 1.8V) (2a)
NaAl2Cl6I(산성)+ 3Na+ + 3e- →Al + 3NaCl + NaAlCl3I(Na에 대해 2.16V) (3a)
NaAl2Cl6I(산성)+3Na+ + 3e-→ Al + NaI+2NaCl+NaAlCl4(Na에 대해 2.16V) (3b)
AlCl3에 비교하여 과량의 NaI가 양극에 존재할 때, 반응 2a가 바람직하며, NaI에 비교하여 과량의 AlCl3이 양극에 존재할 때 반응 3a 및 3b가 바람직하다.
전지(10)가 방전됨에 따라 일어날 수 있는 전반적인 반응은 이하에 예시하는 바와 같이 일어날 수 있다:
NaAlCl3I(염기성) + 3Na → Al + 3NaCl +NaI (1.8V) (4a)
NaAl2Cl6I(산성) + 3Na → Al + 3NaCl + NaAlCl3I (2.16V) (5a)
NaAl2Cl6I(산성) + 3Na → Al + NaI + 2NaCl + NaAlCl4 (2.16V) (5b)
따라서, 기재된 전지(10)의 일부 실시형태는 적어도 이론적으로 표준 온도 및 압력에서 약 2.16V를 생성할 수 있다.
NaI가 양의 전해질에서 NaCl을 대체할 때 양극에서 일어날 수 있는 전지 재충전 반응을 이하에 예시한다:
Al + 3NaCl + NaI → NaAlCl3I(염기성) + 3Na+ + 3e- (7a)
Al + 3NaCl + NaAlCl3I → NaAl2Cl6I(산성) + 3Na+ + 3e- (8a)
Al + 2NaCl +NaI + NaAlCl4 → NaAl2Cl6I(산성) + 3Na+ + 3e- (8b)
전지(10)가 재충전됨에 따라 일어날 수 있는 전반적인 반응은 이하에 예시하는 바와 같이 일어날 수 있다:
Al + 3NaCl + NaI → NaAlCl3I(염기성) + 3Na (9a)
Al + 3NaCl + NaAlCl3I → NaAl2Cl6I(산성) + 3Na (10a)
Al + 2NaCl + NaI + NaAlCl4 → NaAl2Cl6I(산성) + 3Na (10b)
앞서 언급한 전지 방전 반응에서 삽입 어구에 나타내는 전압은 실시예 3 및 4에 보고하는 순환전압전류법(cyclic voltammetry: CV) 분석에 기반하여 예상되는 개로 전압(OCV)이다. OCV는 실제 전하 상태에 따라서 그리고 양의 전해질 염 혼합 조성에 따라서 약간 변할 수 있다. OCV는 보고된 값으로부터 ±0.2V의 범위일 수 있다는 것이 예상된다. 작동 전위는 상이할 것이며, 전류 밀도에 의존할 것이다. 전류 밀도가 충분히 높다면, 전지는 더 낮은 전압, 예컨대 IV 이하에서 작동할 수 있었다. 또한, 고전류 밀도에서, 산성 용융물 중의 전극 주변의 국소 영역은 염기성일 수 있으며, 작동 전위의 추가적인 하락을 야기할 것이다.
이제 나트륨 이온 전도성 전해질 막(35)에 대해, 막은 나트륨 이온을 선택적으로 수송하고, 전지(10)가 비수성 양의 전해질에 의해 기능하도록 허용하는 임의의 적합한 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 전해질 막은 NaSICON-유형(나트륨 초이온 전도성) 물질을 포함한다. 이러한 실시형태에서, NaSICON-유형 물질은 기재된 전지(10)에 의한 사용에 적합한 임의의 공지된 또는 신규한 NaSICON-유형 물질을 포함할 수 있다. NaSICON-유형 조성물의 일부 적합한 예는 Na3Zr2Si2PO12, Na1 + xSixZr2P3 - xO12(여기서, x는 1.6 내지 2.4에서 선택됨), Y-도핑 NaSICON(Na1+x+yZr2-yYySixP3-xO12, Na1 + xZr2 - yYy SixP3 - xO12 -y(여기서, x = 2, y = 0.12), 및 Fe-도핑 NaSICON(Na3Zr2/3Fe4/3P3O12)을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다. 사실, 특정 실시형태에서, NaSICON-유형 막은 Na3Si2Zr2PO12를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, NaSICON-유형 막은 공지된 또는 신규한 복합, 서멧-지지된 NaSICON 막을 포함한다. 이러한 실시형태에서, 복합 NaSICON 막은 NiO/NaSICON을 포함하는 다공성 NaSICON-서멧 층 또는 임의의 다른 적합한 서멧 층, 및 밀집한 NaSICON 층을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는 임의의 적합한 성분을 포함할 수 있다. 또 다른 실시형태에서, NaSICON 막은 단사정계 세라믹을 포함한다.
전지의 전해질 막(35)이 NaSICON-유형 물질을 포함하는 경우, NaSICON-유형 물질은 몇몇 유리한 특징을 지니는 전지(10)를 제공할 수 있다. 일 예에서, 나트륨 β"-알루미나 세라믹 전해질 세퍼레이터와 대조적으로 NaSICON-유형 물질은 물의 존재 하에 실질적으로 불침투성이고, 안정하기 때문에, NaSICON-유형 물질은 전지가 양극 용액, 예컨대 나트륨 음극(20)에 달리 적합하지 않은 수성 양극 용액을 포함하도록 허용할 수 있다. 따라서, 전해질 막으로서 NaSICON-유형 막의 사용은 전지가 매우 다양한 배터리 화학물질을 갖도록 허용할 수 있다. NaSICON-유형 막과 관련될 수 있는 유리한 특징의 다른 예로서, 이러한 막은 나트륨 이온을 선택적으로 수송하지만, 음극(20) 및 양의 전해질(30)이 혼합되도록 허용하지 않기 때문에, 이러한 막은 전지가 최소 용량 감소(capacity fade)를 갖게 하며, 주위 온도에서 상대적으로 안정한 저장 수명을 갖게 할 수 있다.
이제 전류 수집기(40 및 45)에 대해, 전류 수집기는 하나 이상의 전지를 포함하지만, 이것으로 제한되지 않는 전지를 외부 회로와 전기적으로 연결할 수 있는 각각의 단자에 전기적으로 결합될 수 있다. 이와 관련하여, 단자는 임의의 적합한 크기의 임의의 적합한 물질 및 임의의 적합한 형상을 포함할 수 있다.
앞서 언급한 성분에 추가로, 전지(10)는 임의의 다른 적합한 성분을 선택적으로 포함할 수 있다. 비제한적 예시로서, 도 2는 전지(10)가 열 관리 시스템(55, 60)을 포함하는 실시형태를 나타낸다. 이러한 실시형태에서, 전지는 적합한 작동 온도 범위 내에서 전자를 유지할 수 있는 열 관리 시스템의 임의의 적합한 유형을 포함할 수 있다. 이러한 열 관리 시스템의 일부 예는 가열기, 냉각기, 하나 이상의 온도 센서 및 적절한 온도 제어 회로를 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다. 별개의 열 관리 시스템(55, 60)은 음극 구획 및 양극 구획이 제공될 수 있다. 이런 방식에서, 각각의 구획이 바람직한 작동 온도에서 작동하는 전지를 작동시킬 수 있다. 예를 들어, 양의 전해질이 나트륨에 대해 구획된 고온에서 용융될 수 있다. 이러한 경우에, 음극 구획에 비교하여 상이한 또는 고온에서 양극 구획을 작동시키는 것이 더 효율적일 수 있다. 대안적으로, 전지는 전지 구획 둘 다에 대해 고온을 제어하는 단일 열 관리 시스템에 의해 작동될 수 있다.
기재된 전지(10)는 임의의 적합한 작동 온도에서 기능할 수 있다. 다시 말해서, 전지가 방전되고/되거나 재충전됨에 따라, 나트륨 음극은 그것이 용융되도록 임의의 적합한 온도를 가질 수 있고, 양극은 그것이 용융되도록 임의의 적합한 온도를 가질 수 있다. 음극 및 양극의 작동 온도는 동일 또는 상이할 수 있다. 효과적인 작동 온도는 실제 양의 전해질 조성에 의해 영향받는다. 양의 전해질이 용융되는 것을 보장하기 위해, 양극은 양의 전해질 조성물을 형성하는 염 혼합물의 융점의 적어도 10℃ 초과에서 작동될 수 있다. 사실, 일부 실시형태에서, 전지는 100℃ 내지 200℃ 범위의 작동 온도에서 기능하다. 전지는 약 110℃, 약 120℃, 약 130℃, 약 150℃, 약 170℃, 약 180℃, 내지 약 200℃로부터 선택된 온도만큼 높은 작동 온도에서 기능할 수 있다. 게다가, 이러한 실시형태에서, 전지가 기능함에 따라, 음극의 온도는 약 120℃, 약 115℃, 약 110℃, 내지 약 100℃로부터 선택된 온도만큼 낮을 수 있다. 사실, 일부 실시형태에서, 전지는 약 100℃ 내지 약 150℃의 온도에서 기능한다. 다른 실시형태에서, 전지는 약 100℃ 내지 약 130℃의 온도에서 기능한다. 또 다른 실시형태에서, 그러나, 전지가 기능함에 따라, 음극의 온도는 약 120℃ ± 약 10℃이다.
전지(10)의 앞서 언급한 이점에 추가로, 기재된 전지는 몇몇 다른 유리한 특징을 가질 수 있다. 예로서, 약 100℃ 내지 약 150℃의 온도 범위에서 작동할 수 있는 것에 의해, 전지(10)는 특정 통상적인 용융 나트륨 재충전 배터리의 작동 온도를 상당히 낮추는 온도 범위에서 작동할 수 있다. 따라서, 기재된 전지는 전지가 기능함에 따라 가열에 더 적은 에너지가 필요하고/하거나 전지로부터의 열을 소멸시킬 수 있고, 사용 또는 조작이 덜 위험할 수 있으며, 더 환경친화적일 수 있다.
다음의 실시예는 본 발명의 범주 내의 다양한 실시형태 및 양상을 예시하기 위해 제공한다. 이들은 단지 예로서 주어지며, 다음의 실시예는 본 발명에 따라 제조될 수 있는 본 발명의 종합적인 또는 과도한 다수 유형의 실시형태가 아니라는 것이 이해된다.
실시예 1
나트륨-알루미늄 전지(300)의 한 가지 가능한 설계를 도 3에 나타낸다. 전지 구성의 상세한 설명은 다음과 같다: 상부 및 하부 Ni 링을 지니는 알루미나 플랜지 헤더(315)에 NaSICON(Na 초이온 전도체) 고체 전해질 막(310)을 유리 봉입한다. 나트륨 금속(음극)(320)으로 NaSICON 관을 용융 상태로 충전한다. 스테인리스강 또는 Ni 또는 Mo 막대의 형태로 음전류 수집기(325)를 나트륨 금속에서 침지시켜 전기 접점을 제공한다. 강철, 알루미늄, 구리 또는 기타 적합한 물질로 이루어진 외부 캔(330) 내부에 NaSICON 관을 넣는다. 선택적 양전류 수집기 메쉬(335)는 NaSICON 막(310)에 인접한 캔(330) 내부에 위치시키고, 양극 단자(340)에 전기적으로 연결한다. 알루미나 플랜지(315)는 용기의 상부 벽(350)과 금속 캡(355) 사이의 2개의 O-링(345)에 의해 봉입하여 그것을 매달고 외부 캔(330) 내부의 공간에서 그것을 유지하도록 관 주위를 밀봉 차단시킨다.
NaAl2Cl7과 NaAlCl4 양의 전해질의 혼합물(360)을 외부 캔(330)에 넣는다. 이 전해질은 Al 이온의 활성 공급원으로서 작용할 뿐만 아니라 고체 NaSICON 전해질 관(310)으로부터 양전류 수집기 메쉬(335)까지 나트륨 이온을 전도하며, 여기서 Al 침착/스트리핑은 상기 반응 (2), (3), (7) 및 (8)에 따라 일어난다. NaAl2Cl7과 NaAlCl4 양의 전해질의 혼합물은 공융 혼합물이며, 혼합물의 조성에 따라 108℃ 내지 192℃의 온도 범위에서 용융된다.
본 Na-Al 전지의 개로 전압(OCV)은 (음극액이 염기성인지 또는 산성인지의 여부에 따라) 약 1.8V 내지 2.16V이며, 이론적인 구체적 에너지는 373.5Wh/㎏이다. Al 전극의 높은 가역성 및 Na 전극의 잘 알려진 높은 가역성의 보고에 기반하여, 본 발명의 Na-Al 배터리는 고전류율에서 충전/방전할 수 있는 것으로 예상된다.
실시예 2
양의 전해질이 NaAl2Cl6I와 NaAlCl3I의 혼합물을 포함하는 것을 제외하고, 나트륨-알루미늄 전지를 실시예 1에 따라 제조한다. 이 전해질은 Al 이온의 활성 공급원으로서 작용할 뿐만 아니라 고체 NaSICON 전해질 관으로부터 Al 침착/스트리핑이 상기 반응 (2a), (3a), (3b), (7a), (8a) 및 (8b)에 따라 일어나는 양전류 수집기 메쉬까지 나트륨 이온을 전도한다. NaAl2Cl6I와 NaAlCl3I 양의 전해질의 혼합물은 공융 혼합물이며, 혼합물의 조성에 따라 108℃ 내지 192℃의 온도 범위에서 용융된다.
본 Na-Al 전지의 OCV는 (음극액이 염기성인지 또는 산성인지의 여부에 따라) 약 1.8V 내지 2.16V이고, 이론적인 구체적 에너지는 373.5Wh/㎏이다. Al 전극의 높은 가역성 및 Na 전극의 잘 알려진 높은 가역성의 보고에 기반하여, 본 발명의 Na-Al 배터리는 고전류율에서 충전/방전할 수 있는 것으로 예상된다.
실시예 3
전해질의 전기화학적 특성을 연구하기 위해 40:60 NaI:AlCl3(산성) 전해질의 순환전압전류법(CV) 분석을 수행하였다. 12.86g의 NaI를 50㎖ 유리병 내 17.14g의 무수 AlCl3에 첨가하고 나서, 질소로 채운 드라이박스(drybox) 내의 핫 플레이트 상에서 124℃로 가열하였다. 3개 전극을 보유하도록 뚜껑을 구성하였다. 작업 전극 및 상대 전극은 그래파이트 펠트(graphite felt)로 이루어졌다. Na 기준 전극은 Na 금속으로 채운 NaSICON 관으로 이루어졌다. 10㎷/s의 스캔 속도를 이용하여 Na에 대해 2.0V 내지 3.0V 사이의 순환 전압전류곡선을 생성하도록 일정 전위기를 사용하였다. 작업 전극의 전류를 인가 전압, 즉, 작용 전극의 전위에 대해 플롯팅하고, 도 4에 나타낸다.
도 4는 작업 전극이 더 캐소드 방향으로 만들어짐에 따라, 알루미늄 도금과 관련된 음의 피크가 2.16V에서 시작되었다는 것을 나타낸다. 전압을 반전시켰을 때, 전극으로부터의 알루미늄 스트리핑과 관련된 양의 피크가 2.18V에서 시작되었다. 2.16V와 3V 사이에서 다른 전기화학적 반응은 관찰되지 않았다.
실시예 4
전해질의 전기화학적 특성을 연구하기 위해 60:40 NaI:AlCl3(염기성) 전해질의 순환전압전류법(CV) 분석을 수행하였다. 18.84g의 NaI를 50㎖ 유리병 내 11.16g의 무수 AlCl3에 첨가하고 나서, 질소로 채운 드라이박스 내의 핫플레이트 상에서 134℃로 가열하였다. 일부 NaI는 고체로서 남아있었다. 실시예 2에 기재한 3개의 전극을 갖는 동일한 뚜껑을 사용하였다. 작업 전극 및 상대 전극은 그래파이트 펠트로 이루어졌다. Na 기준 전극은 Na 금속으로 채운 NaSICON 관으로 이루어졌다. 10㎷/s의 스캔 속도를 이용하여 Na에 대해 1.7V 내지 3.15V의 순환 전압전류곡선을 측정하기 위해 일정 전위기를 사용하였다. 작업 전극의 전류를 인가 전압, 즉, 작용 전극의 전위에 대해 플롯팅하고, 도 5에 나타낸다.
도 5는 작업 전극이 더 캐소드 방향으로 만들어짐에 따라, 알루미늄 도금과 관련된 음의 피크가 1.75V에서 시작되었다는 것을 나타낸다. 전압을 반전시켰을 때, 전극으로부터의 알루미늄 스트리핑과 관련된 양의 피크가 1.8V에서 시작되었다. 작업 전극은 2.86V에서 시작된 제2 피크보다 훨씬 더 양성으로 이루어졌다. 이 피크는 요오드 형성과 관련된다. 2.95V에서 시작된 음의 피크는 요오드의 요오드화물로의 환원과 관련된다.
본 발명의 특정 실시형태 및 예를 설명하고 기재하였지만, 본 발명의 정신으로부터 상당히 벗어나는 일 없이 수많은 변형이 생각되며, 보호의 범주는 수반하는 청구범위의 범주에 의해서만 제한된다.

Claims (20)

  1. 나트륨-알루미늄 2차 전지로서,
    방전 동안 전기화학적으로 산화되어 나트륨 이온을 방출하고, 재충전 동안 나트륨 이온을 나트륨 금속으로 전기화학적으로 환원시키는 금속 나트륨 음극;
    NaAl2X7과 NaAlX4(X는 염소, 브로민 및 요오드로부터 선택된 할로겐 원자 또는 상이한 할로겐 원자의 혼합물임)의 혼합물을 포함하는 양의 전해질 중에 배치된 알루미늄 양극을 포함하는 양극 구획; 및
    상기 양의 전해질로부터 상기 금속 나트륨 음극을 분리시키는 나트륨 이온 전도성 전해질 막을 포함하되,
    상기 전지가 작동함에 따라 상기 금속 나트륨 음극 및 상기 양의 전해질은 용융되어 상기 전도성 전해질 막과 접촉되며, 그리고 상기 전지는 약 100℃ 내지 약 200℃의 작동 온도에서 기능하는, 나트륨-알루미늄 2차 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 나트륨 이온 전도성 전해질 막은 NaSICON-유형 물질을 포함하는, 나트륨-알루미늄 2차 전지.
  3. 제2항에 있어서, 상기 NaSICON-유형 물질은 다공성 층 및 밀집한 기능성 층을 갖는 복합막을 포함하는, 나트륨-알루미늄 2차 전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전지는 상기 작동 온도가 약 100℃ 내지 약 150℃일 때 기능하는, 나트륨-알루미늄 2차 전지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전지가 방전됨에 따라 다음의 반응이 상기 양극에서 일어나는, 나트륨-알루미늄 2차 전지:
    NaAl2Cl7 + 3Na+ + 3e- → Al + 3NaCl + NaAlCl4.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전지가 방전됨에 따라 다음의 반응이 상기 양극에서 일어나는, 나트륨-알루미늄 2차 전지:
    NaAlCl4 + 3Na+ + 3e- → Al + 4NaCl.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전지가 방전됨에 따라 다음의 반응 중 하나 또는 둘 다가 상기 양극에서 일어나는, 나트륨-알루미늄 2차 전지:
    NaAl2Cl6I(산성) + 3Na+ + 3e~ → Al + 3NaCl + NaAlCl3I,
    NaAl2Cl6I(산성) + 3Na+ + 3e~ → Al + NaI + 2NaCl + NaAlCl4.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전지가 방전됨에 따라 다음의 반응이 상기 양극에서 일어나는, 나트륨-알루미늄 2차 전지:
    NaAlCl3I + 3Na+ + 3e~ → Al + 3NaCl + NaI.
  9. 제1항에 있어서, 상기 양의 전해질은 NaAlCl3I를 포함하는, 나트륨-알루미늄 2차 전지.
  10. 제1항에 있어서, 상기 양의 전해질은 NaAl2Cl6I를 포함하는, 나트륨-알루미늄 2차 전지.
  11. 나트륨-알루미늄 2차 전지로부터 전기 전위를 제공하는 방법으로서,
    용융된 나트륨 2차 전지를 제공하는 단계로서, 상기 용융된 나트륨 2차 전지는,
    방전 동안 전기화학적으로 산화되어 나트륨 이온을 방출하고, 재충전 동안 나트륨 이온을 나트륨 금속으로 전기화학적으로 환원시키는 금속 나트륨 음극;
    NaAl2X7과 NaAlX4(X는 염소, 브로민 및 요오드로부터 선택된 할로겐 원자 또는 상이한 할로겐 원자의 혼합물임)의 혼합물을 포함하는 양의 전해질 중에 배치된 알루미늄 양극을 포함하는 양극 시스템; 및
    상기 양의 전해질로부터 상기 금속 나트륨 음극을 분리시키는 나트륨 이온 전도성 전해질 막을 포함하는, 상기 용융된 나트륨 2차 전지를 제공하는 단계; 및
    상기 금속 나트륨 음극이 용융되어 상기 나트륨 이온 전도성 전해질 막과 접촉되도록 그리고 상기 양의 전해질이 용융되어 상기 나트륨 이온 전도성 전해질 막과 접촉되도록, 상기 금속 나트륨 음극을 산화시켜 상기 나트륨 이온을 방출하고 그리고 상기 NaAl2X7, NaAlX4, 또는 NaAl2X7과 NaAlX4 둘 다가 환원되어 알루미늄을 형성함으로써 상기 전지가 전기를 방전시키도록, 상기 금속 나트륨 음극을 약 100℃ 내지 약 200℃의 온도로 가열시키는 단계를 포함하는, 나트륨-알루미늄 2차 전지로부터 전기 전위를 제공하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 나트륨 이온 전도성 전해질 막은 NaSICON-유형 물질을 포함하는, 나트륨-알루미늄 2차 전지로부터 전기 전위를 제공하는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 금속 나트륨 음극의 온도를 약 110℃ 내지 약 130℃로 유지하는 단계를 더 포함하는, 나트륨-알루미늄 2차 전지로부터 전기 전위를 제공하는 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 양의 전해질의 온도를 약 110℃ 내지 약 180℃의 작동 온도에서 유지하는 단계를 더 포함하는, 나트륨-알루미늄 2차 전지로부터 전기 전위를 제공하는 방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 양의 전해질의 온도를 약 110℃ 내지 약 150℃의 작동 온도에서 유지하는 단계를 더 포함하는, 나트륨-알루미늄 2차 전지로부터 전기 전위를 제공하는 방법.
  16. 제11항에 있어서, 상기 나트륨 금속 음극과 상기 양극 사이의 전기 전위를 통과함으로써 상기 전지를 재충전시켜서 상기 나트륨 음극이 나트륨 이온을 나트륨 금속으로 전기화학적으로 환원시키도록 야기하는 단계를 더 포함하는, 나트륨-알루미늄 2차 전지로부터 전기 전위를 제공하는 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 전지가 방전됨에 따라 다음의 반응 중 하나 또는 둘 다가 상기 양극에서 일어나는, 나트륨-알루미늄 2차 전지로부터 전기 전위를 제공하는 방법:
    NaAl2Cl6I(산성) + 3Na+ + 3e- → Al + 3NaCl + NaAlCl3I,
    NaAl2Cl6I(산성) + 3Na+ + 3e- → Al + NaI + 2NaCl + NaAlCl4.
  18. 제1항에 있어서, 상기 전지가 방전됨에 따라 다음의 반응이 상기 양극에서 일어나는, 나트륨-알루미늄 2차 전지로부터 전기 전위를 제공하는 방법:
    NaAlCl3I + 3Na+ + 3e- → Al + 3NaCl + NaI.
  19. 제1항에 있어서, 상기 양의 전해질은 NaAlCl3I를 포함하는, 나트륨-알루미늄 2차 전지로부터 전기 전위를 제공하는 방법.
  20. 제1항에 있어서, 상기 양의 전해질은 NaAl2Cl6I를 포함하는, 나트륨-알루미늄 2차 전지로부터 전기 전위를 제공하는 방법.

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