KR20190004072A - Solid-electrolyte and manufacturing method for the same, seawater-battery using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 해수전지용 고체전해질 및 그 제조방법, 이를 이용한 해수전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 바닷물(해수)를 이용하여 전기를 저장하고 저장된 전기를 제공하는 해수전지용 고체전해질 및 그 제조방법, 이를 이용한 해수전지에 관한 것이다.The present invention relates to a solid electrolyte for a sea water battery, a method for producing the same, and a method for manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a solid electrolyte for a sea water battery which stores electricity by using seawater (sea water) The present invention relates to a seawater cell.
현대사회에서는 기술발전과 함께 에너지의 중요성도 커지고 있으며, 화석에너지처럼 고갈 문제 및 환경 오염 문제없이 지속적으로 이용 가능하며 친환경적인 깨끗한 에너지를 개발하기 위한 연구가 많이 진행되고 있다. 그 결과로 환경을 이용하는 태양열/광,풍력 에너지 등이 개발되었다. 그러나 상기한 친환경적인 에너지원들은 흐리거나 바람이 불지 않는 등의 경우에는 이용할 수 없어 에너지를 만들 수 없기 때문에 친환경적으로 만든 에너지를 저장하는 기술의 중요성 또한 증가하고 있다.In modern society, the importance of energy is growing along with technological development. Many researches are being conducted to develop clean energy that can be continuously used without problems of exhaustion and environmental pollution like fossil energy and environment friendly. As a result, solar / light, wind energy, etc., which use the environment, have been developed. However, since the environmentally friendly energy sources described above can not be used because they can not be used in the case of cloudy, windy, or the like, the technology for storing environmentally-friendly energy is also increasing in importance.
대표적인 에너지 저장방법으로 리튬 이온 전지를 들수 있는데, 이 전지는 원료인 리튬이 비싸고 양이 한정되어 있다는 단점이 있다. 따라서 최근에는 리튬 이온 전지를 대체할 방법으로 해수전지에 대한 기술 개발이 부각되고 있다. A typical energy storage method is a lithium ion battery, which is disadvantageous in that lithium as a raw material is expensive and its amount is limited. Recently, the development of technology for seawater cells has been emphasized as a substitute for lithium ion batteries.
해수전지는 바닷물(해수)에서 용이하게 얻을 수 있는 나트륨(Na)를 이용하여 전기를 저장하고 그 저장된 에너지를 제공하는 이차전지의 일종이다. 지구 표면적은 약 70%가 바다로 이루어져 있고, 그 중 약 3.5%가 이온으로 이루어져 있으며, 상기 3.5% 이온 중 나트륨 이온은 약 30.6%가 존재한다. 따라서 해수전지에 필요한 나트륨 이온을 고갈 염려없이 저비용으로 쉽게 얻을 수 있는 점이 중요한 장점 중 하나이다. A seawater cell is a type of secondary cell that stores electricity using sodium (Na) that can be easily obtained from seawater (sea water) and provides the stored energy. The surface area of the earth is composed of about 70% of the sea, about 3.5% of which consists of ions, and about 30.6% of the 3.5% ions are present. Therefore, it is one of the important advantages that the sodium ion necessary for the sea water cell can be easily obtained at low cost without worrying about depletion.
그러나 해수전지의 출력은 음극과 양극을 분리하는 고체 전해질을 통한 나트륨 이온의 전달성능에 의해 크게 영향을 받는다. 따라서 배터리의 출력 등의 성능을 높이기 위한 하나의 방안으로서 고체 전해질에 대한 연구의 중요성이 크게 증가하고 있다. 무엇보다 고체 전해질로는 나시콘(NASICON)이 주로 이용되는데, 고체 전해질의 구조적 강성을 크게 하기 위하여 나시콘의 두께를 크게 할 경우 상기 고체 전해질의 성능이 낮아지는 문제점이 있다. However, the output of the seawater cell is greatly influenced by the performance of the sodium ion through the solid electrolyte separating the cathode and the anode. Therefore, the importance of research on solid electrolytes as one of the measures for enhancing the performance of the output of the battery is greatly increasing. Above all, NASICON is mainly used as a solid electrolyte. However, when the thickness of the nacicon is increased in order to increase the structural rigidity of the solid electrolyte, the performance of the solid electrolyte is lowered.
본 발명의 목적은, 음극과 양극 사이에서 나트륨 이온의 전달성능을 높여 출력을 증가시킬 수 있는 해수전지용 고체 전해질 및 그 제조방법, 이를 이용하는 해수전지를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a solid electrolyte for a seawater battery capable of increasing the output of sodium ions between a cathode and an anode, a method for producing the same, and a seawater cell using the same.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 해수전지용 고체 전해질은, 나시콘(NASICON) 물질을 포함하는 고밀도 전해질층; 및 상기 고밀도 전해질층 양면 중 적어도 어느 한쪽 면에 일체로 적층되며, 상기 나시콘 물질을 포함하되, 상기 고밀도 전해질층보다는 두께가 두껍고 공극률이 큰 다공성 구조층;을 포함한다. 상기 고밀도 전해질층과 상기 다공성 구조층의 적층 두께 총합은 0.8~1.2mm이고, 상기 고밀도 전해질층의 두께는 10~500㎛로 이루어질 수 있다. 상기 다공성 구조층이 상기 고밀도 전해질층의 어느 한 면에만 적층되어 2층 구조로 이루어질 수 있다. 상기 다공성 구조층의 다공은 제조공정에서 상기 다공성 구조층의 나시콘 물질과 혼합된 녹말이 제거되면서 형성될 수 있다. 상기 녹말은 옥수수 녹말(corn starch)로 이루어질 수 있다. According to an aspect of the present invention, there is provided a solid electrolyte for a sea water battery comprising: a high-density electrolyte layer including a NASICON material; And a porous structure layer which is integrally laminated on at least one of both surfaces of the high-density electrolyte layer and has a thickness larger than that of the high density electrolyte layer and a large porosity. The total thickness of the high-density electrolyte layer and the porous structure layer may be 0.8 to 1.2 mm, and the thickness of the high-density electrolyte layer may be 10 to 500 μm. The porous structure layer may be formed on either side of the high-density electrolyte layer to have a two-layer structure. The porosity of the porous structure layer can be formed while the starch mixed with the nacicon material of the porous structure layer is removed in the manufacturing process. The starch may be corn starch.
또한 상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 해수전지용 고체 전해질의 제조방법은,나시콘(NASICON) 물질 및 녹말을 포함하는 다공성 구조층용 파우더를 제조하는 파우더 제조단계; 해수전지용 고체 전해질 성형을 위한 몰드(mold)에 상기 나시콘 물질을 포함하는 고밀도 전해질층용 파우더 및 상기 다공성 구조층용 파우더를 교대로 투입하여 펠릿(pellet)을 제조하는 펠릿 제조단계; 상기 펠릿을 소결하여, 상기 고밀도 전해질층용 파우더에 의해 형성되는 고밀도 전해질층 및 상기 다공성 구조층용 파우더에 의해 상기 고밀도 전해질층 양면 중 적어도 일면에 일체로 적층되어 형성되며 상기 녹말이 소결에 의해 제거되면서 다공이 형성되는 다공성 구조층을 포함하는 상기 해수전지용 고체 전해질을 성형하는 소결단계를 포함한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a solid electrolyte for a sea water battery, comprising the steps of: preparing a powder for a porous structure layer containing a NASICON material and starch; A pellet producing step of pelletizing a powder for a high density electrolyte layer containing the naconic material and a powder for the porous structure layer in a mold for solid electrolyte formation for a sea water battery; The pellet is sintered to form a high density electrolyte layer formed by the powder for high density electrolyte layer and a powder for porous structure layer formed integrally on at least one of both surfaces of the high density electrolyte layer and the starch is removed by sintering, And a sintering step of forming the solid electrolyte for a seawater battery including the porous structure layer.
상기 파우더 제조단계에서 상기 녹말은 옥수수 녹말로 이루어질 수 있다. 상기 다공성 구조층용 파우더는 상기 녹말이 상기 나시콘 물질 대비 20 내지 25중량% 혼합될 수 있다. 상기 펠릿 제조단계에서는, 상기 다공성 구조층이 상기 고밀도 전해질층의 어느 한 면에만 적층되는 2층 구조의 해수전지용 고체 전해질을 성형할 수 있도록, 상기 몰드에 먼저 상기 다공성 구조층용 파우더를 일정 두께 투입하는 제1과정 및 상기 제1과정 후 상기 몰드 내에 투입된 상기 다공성 구조층용 파우더 위에 상기 고밀도 전해질층용 파우더를 일정 두께 투입하는 제2과정으로 이루어질 수 있다. 상기 펠릿 제조단계에서는 성형 완료된 해수전지용 고체 전해질의 상기 고밀도 전해질층과 상기 다공성 구조층의 총합 적층 두께가 0.8~1.2mm일 경우 상기 고밀도 전해질층의 두께는 10~500㎛이도록 상기 고밀도 전해질층용 파우더와 상기 다공성 구조층용 파우더를 투입할 수 있다. 상기 소결단계는 소결 온도에 따라, 750℃ 내지 850℃로 소결하는 제1소결과정 및 상기 제1소결과정 후 상기 소결 온도를 1000℃ ~ 1500℃ 범위로 올려 소결하는 제2소결과정을 포함할 수 있다. 상기 다공성 구조층의 공극률은 상기 고밀도 전해질층의 공극률보다 클 수 있다. 상기 다공성 구조층의 두께는 상기 고밀도 전해질층의 두께보다 클 수 있다. In the powder manufacturing step, the starch may be corn starch. The powder for the porous structure layer may be blended with the starch in an amount of 20 to 25% by weight based on the nacicon material. In order to form a solid electrolyte for a seawater battery having a two-layer structure in which the porous structure layer is laminated on only one side of the high-density electrolyte layer, the powder for a porous structure layer is first introduced into the mold at a predetermined thickness And a second step of injecting the powder for the high density electrolyte layer into the powder for porous structure layer injected into the mold after the first step and the first step to a certain thickness. In the pellet manufacturing step, when the total thickness of the high-density electrolyte layer and the porous structure layer of the solid electrolyte for a sea water battery is 0.8 to 1.2 mm, the thickness of the high-density electrolyte layer is 10 to 500 μm, The powder for the porous structure layer can be introduced. The sintering step may include a first sintering step of sintering at a temperature of 750 ° C. to 850 ° C. according to a sintering temperature and a second sintering step of raising the sintering temperature to a range of 1000 ° C. to 1500 ° C. after the first sintering step have. The porosity of the porous structure layer may be greater than the porosity of the high-density electrolyte layer. The thickness of the porous structure layer may be greater than the thickness of the high-density electrolyte layer.
또한 상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 해수전지용 고체 전해질은, 아노드(anode) 수용체의 내부공간에 아노드 활물질이 수용되는 음극부; 캐소드(cathode) 수용체의 내부공간에 캐소드 활물질이 수용되는 양극부; 상기 음극부 및 상기 양극부 사이에 개재되며 나트륨 이온을 선택적으로 통과시킬 수 있는 고체 전해질;을 포함하며, 상기 고체 전해질은 나시콘(NASICON) 물질을 포함하는 고밀도 전해질층 및 상기 고밀도 전해질층 양면 중 적어도 어느 한쪽 면에 일체로 적층되며 상기 나시콘 물질을 포함하되, 상기 고밀도 전해질층보다는 두께가 두껍고 공극률이 큰 다공성 구조층을 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a solid electrolyte for a seawater battery, comprising: a cathode portion containing an anode active material in an inner space of an anode receptor; A cathode portion in which a cathode active material is accommodated in an inner space of a cathode receptacle; And a solid electrolyte interposed between the cathode and the anode, the solid electrolyte being capable of selectively passing sodium ions, wherein the solid electrolyte comprises a high density electrolyte layer including a NASICON material and a high density electrolyte layer And a porous structure layer including the nacicon material and thicker than the high-density electrolyte layer and having a large porosity.
상기 다공성 구조층의 다공은 제조공정에서 상기 다공성 구조층의 나시콘 물질과 혼합된 옥수수 녹말이 제거되면서 형성되며; 상기 고체 전해질의 적층 두께가 0.8~1.2mm일 경우, 상기 고밀도 전해질층의 두께는 10~500㎛로 형성되며, 상기 다공성 구조층은 상기 고밀도 전해질층의 어느 한 면에 2층 구조로 적층될 수 있다. Wherein the pores of the porous structure layer are formed while removing corn starch mixed with the naconic material of the porous structure layer in a manufacturing process; When the thickness of the solid electrolyte layer is 0.8 to 1.2 mm, the thickness of the high-density electrolyte layer is 10 to 500 μm, and the porous structure layer may be laminated on either side of the high-density electrolyte layer in a two- have.
본 발명의 해수전지용 고체 전해질은 고밀도 전해질층 및 다공성 구조층으로 이루어진 적층 구조로 이루어짐에 따라, 고밀도 전해질층을 얇게 형성하고 아울러 다공성 구조층에 의해 필요한 기계적 강도를 갖출 수 있기 때문에 고밀도 전해질층만을 단독으로 두껍게 형성한 경우와 비교하여 나트륨 이온의 전달 성능이 월등히 향상될 수 있고, 그 결과 해수전지의 출력, 성능이 향상될 수 있다. Since the solid electrolyte for a seawater battery of the present invention has a laminated structure composed of a high density electrolyte layer and a porous structure layer, the high density electrolyte layer can be formed thin and the required mechanical strength can be provided by the porous structure layer. Therefore, The performance of the sodium ion can be remarkably improved, and as a result, the output and performance of the seawater cell can be improved.
또한 본 발명의 고체 전해질은 다공성 구조층이 옥수수 녹말을 이용하여 다공성을 가질 수 있기 때문에 환경 친화적이고 경제적이며, 나트륨 이온의 이온 전도성에 전혀 방해되지 않는다. In addition, the solid electrolyte of the present invention is environmentally friendly and economical because the porous structure layer can have porosity using corn starch, and does not hinder ion conductivity of sodium ions at all.
또한 본 발명의 고체 전해질은 동시 소결방법에 의해 적은 노력 및 시간에 의해 경제적으로 제조될 수 있다.Further, the solid electrolyte of the present invention can be economically produced by the simultaneous sintering method with little effort and time.
또한 본 발명은 1회 소결 공정에 의하여 다공성 구조층과 고밀도 전해질층을 동시에 제조 및 일체화할 수 있다. The present invention can simultaneously manufacture and integrate the porous structure layer and the high-density electrolyte layer by a single sintering process.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수전지의 개략 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 해수전지용 고체 전해질의 개략 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 해수전지용 고체 전해질의 제조 과정의 개략 순서도이다.
도 4는 도 1에 도시된 해수전지의 충전시 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 해수전지의 방전시 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a schematic block diagram of a seawater cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic cross-sectional view of the solid electrolyte for a sea water battery shown in FIG.
3 is a schematic flow chart of a process for manufacturing the solid electrolyte for a sea water battery shown in FIG.
FIG. 4 is a schematic view illustrating a process of charging the sea water cell shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a schematic view illustrating a discharge process of the sea water cell shown in FIG. 1. FIG.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.In order to fully understand the present invention, operational advantages of the present invention, and objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings and the accompanying drawings which illustrate preferred embodiments of the present invention.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 다만 본 발명을 설명함에 있어서 이미 공지된 기능, 혹은 구성에 대한 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in order to avoid unnecessarily obscuring the subject matter of the present invention.
도 1 이하에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 해수전지는, 바닷물 속의 풍부한 나트륨 이온을 이용하여 에너지를 저장하고 그 저장된 에너지를 제공하는 것으로, 양극부(10)와, 음극부(20)와, 고체 전해질(30)을 포함하며, 상기 양극부(10)와 연결된 일측에 외부 바닷물(해수)이 유입되는 유입구(2) 및 내부 해수가 배출되는 배출구(4)가 있다.1, a seawater cell according to an embodiment of the present invention stores energy by using abundant sodium ions in seawater and provides stored energy, and includes an
상기 양극부(10)에는 양극전극(12)으로서 디에틸카본네이트(diethyl carbonate)가 페이퍼(paper) 형태로 캐소드(cathode) 수용체의 내부공간에 수용될 수 있다. 또한 상기 캐소드 수용체의 내부공간에는 캐소드 활물질이 수용될 수 있다. 상기 캐소드활물질로는 염화니켈응집체일 수 있다. 염화니켈 응집체는 액상의 용융염 전해질과 같이 혼합될 수 있으며, 상기 액상의 용융염 전해질은 NaAlCl4일 수 있다. Diethyl carbonate as the
상기 음극부(20)에는 음극전극(22)으로서 나트륨 금속이 아노드(anode) 수용체의 내부공간에 수용될 수 있다. 또한 상기 아노드 수용체의 내부공간에는 아노드 활물질이 수용될 수 있다. 상기 아노드 활물질로는 나트륨 용융액일 수 있으며, 이 경우 상기 음극부(20)에는 상기 나트륨 용융액의 용융 상태가 유지될 수 있도록 가열장치(미도시) 등이 구비될 수 있다. In the
상기 고체 전해질(30)은 상기 음극부(20)와 양극부(10) 사이에서 나트륨 이온만 선택적으로 통과시킬 수 있도록, 상기 음극부(20)와 상기 양극부(10)를 구조적으로 분리토록 상기 음극부(20)와 양극부(10) 사이에 개재된다. 상기 고체 전해질(30)로는 나트륨 이온을 효율적으로 전달할 수 있도록 나시콘(NASICON: Na super ion conductor)인 Na3Zr2Si2PO12가 바람직하다 할 수 있다. The
특히 상기 고체 전해질(30)은 다층구조 즉 고밀도 전해질층(32)과 다공성 구조층(34)이 교대로 적어도 1회씩 적층된 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다. In particular, the
상기 고밀도 전해질층(32)은 전해질 기능이 주목적으로 상기 나시콘 물질로 조밀하게 형성된다. 상기 고밀도 전해질층(32)은 너무 두꺼울 경우 조밀한 구조적 특성상 상기 나트륨 이온의 이온 전도성이 떨어지고 그 결과 해수전지의 출력, 성능이 낮아지므로, 예컨대 수십 내지 수백 마이크로 미터 두께(t1)로 얇게 형성함이 보다 효율적일 수 있다. The high-
상기 다공성 구조층(34)은 상기 고밀도 전해질(30)의 전해질 기능을 방해하지 않으면서 상기 고밀도 전해질층(32)을 지지하여 상기 고밀도 전해질층(32)의 얇은 막 구조적 특성상 낮은 기계적 강도를 보충하기 위한 것이다. 상기 다공성 구조층(34)은 기본적으로 상기 나시콘(NASICON) 물질로 형성되되, 상기 고밀도 전해질층(32)보다 공극률이 큰 다공성 구조로 형성될 수 있다. 또한 상기 다공성 구조층(34)은 상기 고체 전해질(30)의 기계적 강성을 위해 상기 고밀도 전해질층(32)보다 두껍게 형성된다. 즉 상기 고밀도 전해질층(32)의 얇은 두께(t1) 및 상기 다공성 구조층(34)의 다공(34a)에 의해 상기 나트륨 이온이 큰 저항을 받지 않고 쉽게 통과할 수 있으며, 그 결과 해수전지의 출력, 즉 성능이 월등히 향상될 수 있고 이와 동시에 상기 고밀도 전해질층(32)과 상기 다공성 구조층(34)의 총합 적층 두께(T)에 의해 상기 고체 전해질(30)이 충분히 필요한 기계적 강도를 가질 수 있다. 또한 상기 다공성 구조층(34)은 상술한 바와 같이 나트륨 이온이 쉽게 통과할 수 있기 때문에 상기 고밀도 전해질층(32) 대비 상기 음극부(20) 쪽에 위치되든 상기 양극부(10) 쪽에 위치되든 무방하여 상기 고체 전해질(30)의 용이한 설계가 가능하다. The
한편 상기 다공성 구조층(34)의 다공(34a)은 상기 고체 전해질(30)의 제조공정에서 상기 다공성 구조층(34)을 형성하는 다공성 구조층용 파우더에 처음에는 포함되었다고 최종적으로 제거되는 첨가물에 의해 형성될 수 있다. 특히 상기 첨가물로는 녹말, 특히 천연고분자인 옥수수 녹말을 사용할 수 있으며, 그 결과 상기 고체 전해질(30)의 제조 공정이 환경친화적이면서도 저비용으로 경제적일 수 있고, 최종적으로 성형 완료된 고체 전해질(30)의 다공성 구조층(34)에는 기공이 충분히 크게, 많이 형성될 수 있다. On the other hand, the
상기 다공성 구조층(34)은 상기 고밀도 전해질층(32)의 전해질 기능 및 기계적 강도 보충을 위해, 상기 고밀도 전해질층(32)의 양면 중 적어도 어느 한쪽 면에 적층되는 구조로 형성될 수 있다. 즉 본 발명의 해수전지의 요구되는 출력, 성능, 용량 등에 따라서 상기 다공성 구조층(34)은 상기 고밀도 전해질층(32)의 일면 또는 양면에 각각 적층되는 구조일 수 있다. 아울러 상기 고체 전해질(30)은 상기 고밀도 전해질층(32) 과 상기 다공성 구조층(34)이 교대로 한번 또는 두번 이상 적층되는 구조일 수 있다. 다만 상기 고체 전해질(30)은 전해질 기능 및 기계적 강도와 더불어 제조적 용이성 등을 고려하여 상기 고밀도 전해질층(32)의 양면 중 어느 한쪽 면에만 상기 다공성 구조층(34)이 적층되는 2층 구조로 이루어지는 것이 보다 합리적이라 할 수 있다. 상기 고체 전해질(30)은 본 발명의 해수전지의 요구되는 출력, 성능 내지 용량 등에 따라서 그 총 두께(T)가 결정될 수 있으며, 다만 상기 고체 전해질(30)의 직경이 20mm이며 상기 고밀도 전해질층(32)과 상기 다공성 구조층(34)의 적층 두께 총합(T)이 0.8~1.2mm일 경우, 상기 고밀도 전해질층(32)은 10~500㎛ 범위의 두께(t1)로 형성되는 것이 전해질 기능 및 기계적 강도 등을 모두 고려하여 합리적이라 할 수 있다. The
상술한 바와 같은 고체 전해질(30)은 특히 다음과 같이 동시 소결방법(Co-sintering method)에 의해 제조하는 것이 보다 바람직할 수 있다. The
먼저 파우더 제조단계(S10)이다. 즉 나시콘(NASICON) 물질을 포함하는 고밀도 전해질층용 파우더(powder)를 준비한다. 상기 고밀도 전해질층용 파우더는 상기 나시콘 물질로만 이루어질 수도 있고, 대부분이 상기 나시콘 물질이고 소량의 첨가물이 더 포함될 수 있다. 이와 아울러 상기 나시콘 파우더와 녹말, 특히 옥수수 녹말을 일정 비율로 혼합하여 다공성 구조층용 파우더를 준비한다. 상기 다공성 구조층(34)은 상기 고밀도 전해질층(32)보다 공극률이 커야 하는데, 상기 다공성 구조층용 파우더에 혼합되는 옥수수 녹말 비율로 그 공극률이 용이하게 조절될 수 있다. 즉 상기 다공성 구조층용 파우더에 혼합되는 녹말 양에 따라 해수나 나트륨 이온 등이 상기 고체 전해질(30)을 투과할 수 있는 정도가 달라진다. 본 발명의 다공성 구조층용 파우더의 경우에는 해수나 나트륨 이온 등의 투과성 및 상기 고체 전해질(30)의 전반적인 기계적 강성 등을 고려하여, 상기 옥수수 녹말이 상기 나시콘 물질 대비 20 내지 25중량% 정도 혼합되는 것이 효율적이라 할 수 있다. 즉 상기 다공성 구조층용 파우더의 나시콘 물질의 전체 중량을 100이라 할 때, 상기 옥수수 녹말의 중량이 20 내지 25 비율로 혼합될 수 있다. First, the powder is manufactured (S10). That is, a powder for a high-density electrolyte layer containing a NASICON material is prepared. The powder for the high density electrolyte layer may be made of only the nacicon material, and most of the powder is the nacicon material and may further include a small amount of additives. In addition, the nasikon powder and starch, especially cornstarch, are mixed at a certain ratio to prepare a powder for porous structure layer. The porosity of the
다음으로는 펠릿(pellet) 제조단계(S20)이다. 상기 펠릿 제조단계(S20)는 상기 고체 전해질(30)의 적층 구조를 위해, 상기 고체 전해질(30)의 성형을 위한 몰드(mold)에 상기 다공성 구조층(34) 형성을 위한 상기 다공성 구조층용 파우더를 투입하는 제1과정과, 상기 제1과정 후 상기 몰드에 투입된 다공성 구조층용 파우더 위에 상기 고밀도 전해질층(32) 형성을 위한 상기 고밀도 전해질층용 파우더를 투입하는 제2과정으로 세분할 수 있다. 상기 펠릿 제조단계(S20)의 제1과정 및 제2과정은 상술한 바와 같이 고체 전해질(30)의 적층 구조에 따라 교대로 1회 또는 2회 이상 반복 실시될 수 있다. 바람직하게는 상술한 바와 같이 상기 고체 전해질(30)을 2층 구조로 제조하기 위해, 상기 제1과정과 제2과정을 순서대로 한번씩 실시할 수 있다. 이때 상기 다공성 구조층(34)이 상기 고밀도 전해질(32)보다 두껍게 형성될 수 있도록, 상기 고밀도 전해질층용 파우더와 상기 다공성 구조층용 파우더를 각각 적절한 무게를 계산하여 일정 두께로 투입함이 바람직하다. Next, a pellet manufacturing step S20 is performed. The pellet forming step S20 may include forming a
다음 소결단계(S30)이다. 즉 상기 몰드 내 펠릿을 일정 온도에서 가압하여 상기 고밀도 전해질층(32) 및 상기 다공성 구조층(34)이 일체로 적층된 고체 전해질(30)을 성형한다. 보다 자세히 설명하면, 이 소결단계가 진행되는 동안 상기 고밀도 전해질층(32) 및 상기 다공성 구조층(34)은 서로 견고하게 접합되어 일체화될 수 있으며, 특히 상기 다공성 구조층(34)에는 상기 다공성 구조층용 파우더 중 옥수수 녹말이 타거나 녹거나 증발되어 제거된 자리에 기공이 형성됨으로써 상기 고밀도 전해질층(32)보다는 공극률이 커질 수 있다. And the next sintering step (S30). That is, the pellets in the mold are pressurized at a predetermined temperature to form the
이때 상기 소결단계(S30)에서의 소결온도는 상기 고체 전해질(30)의 두께, 상기 파우더의 주성분 등에 따라 결정될 수 있다. 특히 본 발명의 경우 상기 다공성 구조층용 파우더의 옥수수 녹말의 제거 등으로 발생하는 가스가 용이하게 배출되되, 배출되는 가스로 인해 상기 고밀도 전해질층(32)에 의도하지 않은 기공이 생기지 않게 해야 한다. 따라서 본 발명의 경우 상기 소결단계(S30)는 그 소결온도에 따라 여러 과정으로 나눠질 수 있다. 바람직하게는 먼저 제1소결과정은 상기 몰드 내 펠릿을 대략 800℃전후, 즉 750℃ 내지 850℃로 수시간 소결한다. 즉 제1소결과정에서는 상기 몰드에 한번에 투입된 상기 다공성 구조층용 파우더와 상기 고밀도 구조층용 파우더가 함께 소결되는 과정 중에 상기 고밀도 구조층용 파우더의 옥수수 녹말이 제거되면서 상기 다공성 구조층(34)에 기공이 형성되며, 동시에 상기 다공성 구조층(34)에서 발생한 가스가 아직 소결과정 중인 상기 고밀도 전해질층용 파우더를 통과하여 용이하게 배출될 수 있고, 이 과정에서 가스 배출에 의해 상기 고밀도 전해질층(32)에 의도하지 않은 기공이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 상기 제1소결과정 후 제2소결과정은 상기 몰드 내 펠릿의 마무리 소결과정으로서, 상기 몰드 내 펠릿의 소결온도를 대략 1000℃ ~ 1500℃로 올려서 상기 몰드 내 펠릿이 완전히 소결되어 상기 고체 전해질(30)이 성형될 수 있게 한다.At this time, the sintering temperature in the sintering step S30 may be determined according to the thickness of the
상술한 바와 같이 상기 고체 전해질(30)을 동시 소결방법으로 제조할 경우, 하나의 장치에 의해 상기 고밀도 전해질층(32)과 상기 다공성 구조층(34)을 한번에 제조하는 것은 물론, 상기 고밀도 전해질층(32)과 상기 다공성 구조층(34)의 접합 과정이 불필요하고, 상기 고밀도 전해질층(32)과 상기 다공성 구조층(34)이 일체화되어 매우 견고하게 그 적층상태가 유지될 수 있다.As described above, when the
상기와 같이 구성되고 제조되는 본 발명의 일 실시 예에 따른 해수전지의 충전, 방전과정을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. The charging and discharging process of the sea water battery according to one embodiment of the present invention will now be described in detail.
도 1 및 도 4를 참조하면, 도 1의 화살표 A와 같이 충전 중에는 유입구(2)를 통해 상기 양극부(10)로 해수가 유입되고, 상기 양극부(10)에서는 해수, 즉 물 분자가 산화되고 아울러 염소 이온이 각각 산화되어 나트륨 이온이 해수로부터 추출된다. 상기 양극부(10)에서 추출된 나트륨 이온은 상기 고체 전해질(30)을 통과하여 상기 음극부(20)로 이동하게 된다. 상기 음극부(20)로 이동한 나트륨 이온은 나트륨 금속으로 환원된다. 한편 상기 양극부(10)에서 산화된 해수는 담수화된 상태로 유출구를 통해 다시 외부로 배출된다. 충전시 본 발명의 해수전지의 전체 반응식은 다음과 같다.1 and 4, during charging, seawater flows into the
2NaCl(aq) + H2O(l) -> 2Na(s) + 2HCl(aq) + 1/2O2(g) 2NaCl (aq) + H 2 O (l) -> 2Na (s) + 2HCl (aq) + 1 / 2O 2 (g)
E = 3.94VE = 3.94V
도 1 및 도 5를 참조하면, 도 1의 화살표 B와 같이, 방전 중에는 해수가 외부로부터 상기 유출구를 통해 유입되고 상기 양극부(10)에서 화학 반응에 이용된 후 상기 배출구(4)를 통해 다시 외부로 배출된다. 상기 음극부(20)에서는 음극전극(22)인 나트륨 금속으로부터 나트륨 이온이 생성되어서 상기 고체 전해질(30)을 통과하여 상기 양극부(10)로 이동하게 된다. 방전시 전체 반응식은 아래와 같다.Referring to FIGS. 1 and 5, as shown by arrow B in FIG. 1, during discharge, seawater flows from the outside through the outflow port, is used for chemical reaction at the
2NaCl(aq) -> 2Na(s) + Cl2(g) 2NaCl (aq) -> 2Na ( s) + Cl 2 (g)
E = 4.07VE = 4.07 V
이와 같이 본 발명의 해수전지가 충전, 방전되는 과정에서 나트륨 이온은 상기 고체 전해질(30)을 통과할 때, 상기 고밀도 전해질층(32)의 얇은 두께(t1) 및 상기 다공성 구조층(34)의 다공(34a)에 의해 큰 저항없이 용이하게 이동할 수 있기 때문에 본 발명의 해수전지는 월등히 우수한 수준의 출력, 성능을 가질 수 있다. In the course of charging and discharging the seawater battery according to the present invention, when sodium ions pass through the
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the scope of the present invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It should also be understood that many modifications and variations are possible without departing from the scope of the invention, as would be understood by one of ordinary skill in the art.
10; 양극부 12; 양극전극
20; 음극부 22; 음극전극
30; 고체 전해질 32; 고밀도 전해질층
34; 다공성 구조층 34a; 다공10;
20;
30;
34;
Claims (15)
상기 고밀도 전해질층 양면 중 적어도 어느 한쪽 면에 일체로 적층되며, 상기 나시콘 물질을 포함하되, 상기 고밀도 전해질층 보다는 두께가 두껍고 공극률이 큰 다공성 구조층;
을 포함하는 해수전지용 고체 전해질.A high density electrolyte layer comprising a NASICON material; And
A porous structure layer including the nacicon material and thicker than the high density electrolyte layer and having a large porosity, the porous structure layer being integrally laminated on at least one of the both surfaces of the high density electrolyte layer;
A solid electrolyte for a sea water battery.
상기 고밀도 전해질층과 상기 다공성 구조층의 적층 두께 총합이 0.8~1.2mm일 경우, 상기 고밀도 전해질층의 두께는 10~500㎛로 이루어지는 해수전지용 고체 전해질. The method according to claim 1,
Wherein the total thickness of the high density electrolyte layer and the porous structure layer is 0.8 to 1.2 mm, and the thickness of the high density electrolyte layer is 10 to 500 μm.
상기 다공성 구조층이 상기 고밀도 전해질층의 어느 한 면에만 적층되어 2층 구조로 이루어지는 해수전지용 고체 전해질. The method according to claim 1,
And the porous structure layer is laminated on only one side of the high-density electrolyte layer to form a two-layer structure.
상기 다공성 구조층의 다공은 제조공정에서 상기 다공성 구조층의 나시콘 물질과 혼합된 녹말이 제거되면서 형성되는 해수전지용 고체 전해질.The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the pores of the porous structural layer are formed while removing starch mixed with the naconic material of the porous structural layer in the manufacturing process.
상기 녹말은 옥수수 녹말(corn starch)로 이루어지는 해수전지용 고체 전해질.The method of claim 4,
Wherein the starch comprises corn starch.
해수전지용 고체 전해질 성형을 위한 몰드(mold)에 상기 나시콘 물질을 포함하는 고밀도 전해질층용 파우더 및 상기 다공성 구조층용 파우더를 교대로 투입하여 펠릿(pellet)을 제조하는 펠릿 제조단계;
상기 펠릿을 소결하여, 상기 고밀도 전해질층용 파우더에 의해 형성되는 고밀도 전해질층 및 상기 다공성 구조층용 파우더에 의해 상기 고밀도 전해질층 양면 중 적어도 일면에 일체로 적층되어 형성되며 상기 녹말이 소결에 의해 제거되면서 다공이 형성되는 다공성 구조층을 포함하는 상기 해수전지용 고체 전해질을 성형하는 소결단계;
를 포함하는 해수전지용 고체 전해질 제조방법.A powder manufacturing step of producing a powder for a porous structure layer containing a NASICON material and starch;
A pellet producing step of pelletizing a powder for a high density electrolyte layer containing the naconic material and a powder for the porous structure layer in a mold for solid electrolyte formation for a sea water battery;
The pellet is sintered to form a high density electrolyte layer formed by the powder for high density electrolyte layer and a powder for porous structure layer formed integrally on at least one of both surfaces of the high density electrolyte layer and the starch is removed by sintering, A sintering step of sintering the solid electrolyte for a seawater battery including the porous structure layer;
Wherein the solid electrolytic solution is a mixture of water and a solvent.
상기 파우더 제조단계에서 상기 녹말은 옥수수 녹말로 이루어지는 해수 전지용 고체 전해질 제조방법. The method of claim 6,
Wherein the starch comprises cornstarch in the powder manufacturing step.
상기 다공성 구조층용 파우더는 상기 녹말이 상기 나시콘 물질 대비 20 내지 25중량% 혼합되는 해수전지용 고체 전해질 제조방법.The method of claim 7,
Wherein the powder for porous structural layer is mixed with the starch in an amount of 20 to 25% by weight based on the nacicon material.
상기 펠릿 제조단계에서는,
상기 다공성 구조층이 상기 고밀도 전해질층의 어느 한 면에만 적층되는 2층 구조의 해수전지용 고체 전해질을 성형할 수 있도록,
상기 몰드에 먼저 상기 다공성 구조층용 파우더를 일정 두께 투입하는 제1과정 및 상기 제1과정 후 상기 몰드 내에 투입된 상기 다공성 구조층용 파우더 위에 상기 고밀도 전해질층용 파우더를 일정 두께 투입하는 제2과정을 포함하는 해수전지용 고체 전해질 제조방법.The method of claim 6,
In the pellet production step,
Layer structure of a solid electrolyte for a sea water battery in which the porous structure layer is laminated on only one side of the high-density electrolyte layer,
A first step of introducing the powder for porous structure layer into the mold at a predetermined thickness, and a second step of putting the powder for high density electrolyte layer into a predetermined thickness on the powder for porous structure layer put into the mold after the first step, A method for producing a solid electrolyte for a battery.
상기 펠릿 제조단계에서는 성형 완료된 해수전지용 고체 전해질의 상기 고밀도 전해질층과 상기 다공성 구조층의 총합 적층 두께가 0.8~1.2mm일 경우 상기 고밀도 전해질층의 두께는 10~500㎛이도록 상기 고밀도 전해질층용 파우더와 상기 다공성 구조층용 파우더를 투입하는, 해수전지용 고체 전해질 제조방법.The method according to any one of claims 6 to 9,
In the pellet manufacturing step, when the total thickness of the high-density electrolyte layer and the porous structure layer of the solid electrolyte for a sea water battery is 0.8 to 1.2 mm, the thickness of the high-density electrolyte layer is 10 to 500 μm, And the powder for porous structure layer is charged.
상기 소결단계는 소결 온도에 따라, 750℃ 내지 850℃로 소결하는 제1소결과정 및 상기 제1소결과정 후 상기 소결 온도를 1000℃ ~ 1500℃ 범위로 올려 소결하는 제2소결과정을 포함하는 해수전지용 고체 전해질 제조방법.The method according to any one of claims 6 to 9,
Wherein the sintering step includes a first sintering step of sintering at a temperature of 750 ° C to 850 ° C according to a sintering temperature and a second sintering step of sintering the sintering temperature to a range of 1000 ° C to 1500 ° C after the first sintering step, A method for producing a solid electrolyte for a battery.
상기 다공성 구조층의 공극률은 상기 고밀도 전해질층의 공극률보다 큰 해수전지용 고체 전해질 제조방법.The method according to any one of claims 6 to 9,
Wherein the porosity of the porous structure layer is greater than the porosity of the high-density electrolyte layer.
상기 다공성 구조층의 두께는 상기 고밀도 전해질층의 두께보다 큰 해수전지용 고체 전해질 제조방법.The method according to any one of claims 6 to 9,
Wherein the thickness of the porous structure layer is greater than the thickness of the high-density electrolyte layer.
캐소드(cathode) 수용체의 내부공간에 캐소드활물질이 수용되는 양극부;
상기 음극부 및 상기 양극부 사이에 개재되며 나트륨 이온을 선택적으로 통과시킬 수 있는 고체 전해질;
을 포함하며,
상기 고체 전해질은
나시콘(NASICON) 물질을 포함하는 고밀도 전해질층 및
상기 고밀도 전해질층 양면 중 적어도 어느 한쪽 면에 일체로 적층되며 상기 나시콘 물질을 포함하되, 상기 고밀도 전해질층 보다는 두께가 두껍고 공극률이 큰 다공성 구조층을 포함하는,
해수전지.A cathode portion in which an anode active material is contained in an inner space of an anode receptor;
A cathode portion in which a cathode active material is accommodated in an inner space of a cathode receptacle;
A solid electrolyte interposed between the cathode and the anode and capable of selectively passing sodium ions;
/ RTI >
The solid electrolyte
A high density electrolyte layer comprising a NASICON material and
And a porous structure layer which is formed integrally on at least one of both surfaces of the high-density electrolyte layer and includes the nacicon material and is thicker than the high-density electrolyte layer and has a large porosity,
Sea water battery.
상기 다공성 구조층의 다공은 제조공정에서 상기 다공성 구조층의 나시콘 물질과 혼합된 옥수수 녹말이 제거되면서 형성되며;
상기 고체 전해질의 적층 두께가 0.8~1.2mm일 경우, 상기 고밀도 전해질층의 두께는 10~500㎛로 형성되며, 상기 다공성 구조층은 상기 고밀도 전해질층의 어느 한 면에 2층 구조로 적층되는 해수전지.15. The method of claim 14,
Wherein the pores of the porous structure layer are formed while removing corn starch mixed with the naconic material of the porous structure layer in a manufacturing process;
Wherein the thickness of the high-density electrolyte layer is in the range of 10 to 500 μm when the thickness of the solid electrolyte layer is 0.8 to 1.2 mm, and the porous structure layer is formed of a water- battery.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
AMND | Amendment | ||
E601 | Decision to refuse application | ||
X091 | Application refused [patent] | ||
AMND | Amendment | ||
X701 | Decision to grant (after re-examination) |