KR20140022687A

KR20140022687A - 나트륨 유황 전지

Info

Publication number: KR20140022687A
Application number: KR1020120089144A
Authority: KR
Inventors: 박순홍; 정기영; 박윤철
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2012-08-14
Filing date: 2012-08-14
Publication date: 2014-02-25
Anticipated expiration: 2032-08-14
Also published as: KR101937922B1

Abstract

전지의 안전성을 보다 높일 수 있고, 긴급 상황 발생시 전지 내부에서 나트륨을 제거하여 나트륨과 황의 반응을 최소화할 수 있도록, 유황이 수용되는 양극실과, 나트륨이 수용되는 음극실, 양극실과 음극실 사이에 설치되어 나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 고체전해질을 포함하여 충방전이 이루어지는 전지부와, 상기 음극실과 연결되어 음극실 내의 나트륨을 선택적으로 제거하는 나트륨 제거부를 포함하는 나트륨 유황 전지를 소개한다.

Description

나트륨 유황 전지{SODIUM-SULFUR RECHARGEABLE BATTERY}

본 발명은 나트륨 유황 전지에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 안전성을 높인 나트륨 유황 전지에 관한 것이다.

일반적으로, 나트륨 유황 전지는 에너지 밀도 및 충방전 효율이 높고 자기 방전이 없으며 불규칙적인 충방전에도 성능의 저하가 없는 특성으로, 대용량 전력 저장용 전지로써 개발되고 있다.

나트륨 유황 전지는 음극으로 나트륨(Na)을 사용하고, 양극으로 유황(S)을 사용하며, 전해질로 나트륨이온 전도성을 갖는 고체전해질의 베타알루미나 세라믹을 사용한다. 나트륨 유황 전지는 전해질관 및 전해질관을 둘러싸는 양극용기를 포함한다. 상기 전해질관은 나트륨 이온만을 통과시키는 성질을 가진 베타알루미나 세라믹을 튜브 형태로 제조한 구조이다. 상기 전해질관의 내부는 나트륨으로 채워지고, 전해질관과 양극용기 사이에는 유황과 탄소펠트가 위치한다. 이에 나트륨 이온이 전해질관인 베타알루미나를 거쳐 음극과 양극간을 이동함으로써 충방전이 이루어진다.

나트륨 유황 전지는 구동 중 전해질관이 파손되는 경우, 양극의 유황이 전해질관의 파손 부위를 통해 음극으로 흘러 들어감으로써, 음극의 나트륨과 접촉되어 급격한 화학반응을 일으키게 된다.

나트륨과 유황은 접촉시 나트륨화 황화물을 생성하게 된다. 황화물 형성 반응은 엔탈피변화가 300℃에서 약 -380 ~ -470KJ/mole의 값을 갖는 발열반응이다. 이에 양극의 유황이 음극의 나트륨과 다량 반응시 전지가 화재 또는 폭발될 위험이 있다. 나트륨 유황 전지는 최고 약 700 ~ 800g의 나트륨을 전지내에 담고 있어서 모든 나트륨과 유황이 반응한다고 가정하였을 때 최고 약 6 ~ 7MJ의 에너지를 발산하며 전지의 온도는 순간적으로 1000℃ 이상으로 상승하게 된다.

이에 종래 나트륨 유황 전지는 전해질관의 내측에 구비되어 전해질관 파손시 유황의 유입을 차단하는 안전관이 설치된다. 상기 안전관은 전해질관의 파손시 유황과 나트륨의 발열반응에 의한 급격한 온도 상승으로 팽창되어 전해질관의 내면에 밀착된다. 이에 파손부위로 나트륨 공급이 차단되어 추가적인 화학반응과 발열을 막게 된다.

그러나, 상기한 종래의 전지는 국부적인 전해질관의 파손시 순간적인 대량 발열로 인해 전해질관 파손부위 주변의 온도가 금속재 안전관의 녹는점 이상으로 상승함에 따라, 대량의 나트륨이 음극용기로부터 파손부위로 유입되어 폭발적인 발열반응을 유발하는 근본적인 문제를 안고 있다. 또한, 급격한 반응 발생이후 나트륨과 유황의 반응이 계속해서 지속된다는 문제점이 있다.

이에, 전지의 안전성을 보다 높일 수 있도록 된 나트륨 유황 전지를 제공한다.

또한, 긴급 상황 발생시 전지 내부에서 나트륨을 제거하여 나트륨과 황의 반응을 최소화할 수 있도록 된 나트륨 유황 전지를 제공한다.

본 나트륨 유황 전지는,

유황이 수용되는 양극실과, 나트륨이 수용되는 음극실, 양극실과 음극실 사이에 설치되어 나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 고체전해질을 포함하여 충방전이 이루어지는 전지부와;

상기 음극실과 연결되어 음극실 내의 나트륨을 선택적으로 제거하는 나트륨 제거부를 포함할 수 있다.

상기 나트륨 유황 전지는 상기 전지부의 외측에 배치되고 내부에는 나트륨을 수용하며, 상기 음극실과 연결되어 나트륨을 공급하는 음극용기를 더 포함할 수 있다.

상기 전지부는 상단이 개구되고 내부에 상기 양극실을 형성하는 양극용기와, 상기 양극용기 내에 설치되며 내부에 음극실을 형성하는 고체전해질, 상기 양극용기와 상기 고체전해질 사이에 설치되어 양극실과 음극실 사이를 절연하는 절연체, 상기 절연체에 설치되어 상기 고체전해질 내부의 음극실을 차단하는 음극판을 포함할 수 있다.

상기 고체전해질 내면에 간격을 두고 설치되며, 고체전해질 사이에 상기 음극실을 형성하는 안전관을 더 포함할 수 있다.

상기 전지부는 양 선단이 개구되고 내부에 상기 양극실을 형성하는 양극용기와, 상기 양극용기 내에 설치되며 양 선단이 개구되고 내부에 음극실을 형성하는 고체전해질, 상기 양극용기의 양 선단에 각각 배치되고 양극용기와 고체전해질 사이에 설치되어 양극실과 음극실 사이를 절연하는 절연체, 상기 절연체에 설치되어 상기 고체전해질 내부의 음극실 차단하는 음극판을 포함할 수 있다.

상기 전지부는 상기 음극실 내에 설치되며, 내부에 오픈셀 형태의 기공이 형성되어 나트륨이 충전된 다공질폼을 더 포함할 수 있다.

상기 나트륨 제거부는 상기 음극실에 연결되고 양극용기 외측으로 연장되어 나트륨이 이송되는 배출관과, 상기 배출관에 연결되고 내부에 진공압이 형성된 진공탱크와, 상기 배출관 일측에 설치되어 배출관을 개폐하는 개폐밸브를 포함할 수 있다.

상기 나트륨 제거부는 상기 전지부의 온도를 검출하는 온도센서와, 상기 온도센서의 검출값을 연산하여 상기 개폐밸브를 제어작동하는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.

상기 음극용기는 전지부의 상부에 배치되고, 상기 나트륨 제거부는 상기 전지부의 하부에 배치될 수 있다.

상기 나트륨 제거부는 상기 음극실의 바닥에 연결된 구조일 수 있다.

상기 나트륨 제거부는 배출관이 음극실 바닥에 연결되고 전지부의 하단에 설치된 음극판을 지나 외측 하부로 연장된 구조일 수 있다.

상기 나트륨 제거부는 배출관이 전지부 상부로 연장되어 상단에 설치된 음극판을 지나 내측 바닥으로 연장된 구조일 수 있다.

이와 같이 본 실시예에 의하면, 나트륨을 전지의 외부에서 필요한 만큼만 전지 내부로 공급하여 유황과 반응하도록 함으로써, 고체전해질 파손시 대량의 나트륨이 유황과 반응하는 현상을 원천적으로 차단할 수 있게 된다.

이에 전지 폭발의 위험을 낮추고 전지의 안전성을 높일 수 있게 된다.

또한, 음극실의 크기를 최소화하여 전지 내부에 상존하는 나트륨의 양을 종래와 비교하여 충분히 낮춤으로써 고체전해질 파손시 전지의 발열량을 줄이고 폭발의 위험을 낮출 수 있게 된다.

또한, 전지 파손에 따른 급격한 반응으로 고열이 발생되는 경우, 나트륨을 전량 외부로 배출시킴으로써, 황과 나트륨의 급격한 반응을 최소화하고 안전성을 보다 높일 수 있게 된다.

도 1은 제 1 실시예에 따른 나트륨 유황 전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 제 2 실시예에 따른 나트륨 유황 전지를 도시한 단면도이다.
도 3은 제 3 실시예에 따른 나트륨 유황 전지를 도시한 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.

이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 제1 실시예에 따른 나트륨 유황 전지를 도시하고 있다.

도 1을 참조하면, 본 실시예의 나트륨 유황 전지(100)는 충방전이 이루어지는 전지부(10)와, 전지부(10)와 별도로 구비되어 나트륨을 수용하며 전지부로 나트륨을 공급하는 음극용기(50), 상기 전지부(10)에서 나트륨을 선택적으로 제거하는 나트륨 제거부(60)를 포함한다.

본 실시예에서, 상기 전지부(10)는 내부에 양극실(12)을 형성하여 유황을 수용하는 양극용기(14)와, 상기 양극용기(14) 내에 설치되며 나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 고체전해질(16), 상기 고체전해질(16) 내면에 간격을 두고 설치되며 고체전해질(16) 사이에 나트륨이 수용되는 음극실(24)을 형성하는 안전관(18), 상기 양극용기(14)와 고체전해질 사이에 설치되어 양극실(12)과 음극실(24)을 절연시키는 절연체(20)를 포함한다.

상기 양극용기(14)는 고체전해질(16) 외측에 배치되며, 내부는 유황이 수용되는 양극실(12)을 이룬다. 상기 양극실(12) 내부에는 고체전해질(16)과의 사이에 유황이 담겨진 펠트집전체(22)가 채워진다. 펠트집전체(22)는 예를 들어, 내부에 기공이 형성된 탄소펠트로, 기공 내에 유황이 담겨지게 된다. 본 실시예에서, 상기 양극용기(14)는 상단이 개방된 원통 형태로 이루어지며 알루미늄, 스테인리스 스틸 등의 금속 소재로 제조된다. 또한 양극용기(14)의 표면에는 크롬, 몰리브덴 등을 주성분으로 하는 내식층이 코팅될 수 있다. 상기 양극용기(14)는 전지의 외형을 이루며 양극의 외부 단자의 역할도 수행할 수 있다.

상기 안전관(18)은 고체전해질(16)의 내부에 소정 간격을 두고 설치된다. 상기 안전관(18)은 고체전해질(16) 파손시 유입된 유황과 나트름의 발열방응에 의해 발생된 고열에 의해 외측으로 팽창되어 고체전해질(16) 내면에 밀착된다.

상기 안전관(18)은 상단이 개구된 튜브형 구조물로, 고체전해질(16) 내면과 틈새를 유지하며 배치된다. 고체전해질(16)과 안전관(18) 사이의 틈새는 나트륨이 수용되는 음극실(24)을 이룬다. 이에 음극용기(50)의 나트륨은 안전관(18)과 고체전해질(16) 사이로 유입되어 음극실(24)을 채운다.

상기 고체전해질(16)은 나트륨 이온을 통과시킬 수 있는 베타알루미나 세라믹으로 이루어진다. 본 실시예에서 상기 고체전해질(16)은 상단이 개방된 튜브 형태로 이루어져 양극용기 내부에 간격을 두고 설치된다. 상기 양극용기와 고체전해질 사이가 양극실을 이룬다.

상기 고체전해질(16)과 양극용기(14) 사이에는 절연체(20)가 설치된다. 상기 절연체(20)는 양극실을 이루는 양극용기(14)와 음극실을 이루는 안전관(18) 사이를 절연시켜 쇼트(short)를 방지하게 된다. 상기 절연체(20)는 알파알루미나 세라믹으로 이루어진 링 형태의 구조물로, 양극용기(14) 상단에 접합된다. 상기 절연체(20)의 내측면에 고체전해질(16)이 유리 접합 공정을 통해 접합되며, 외측면에는 양극용기(14)가 열압축접합(TCB;Thermal Compression Bonding) 공정을 통해 접합된다. 안전관(18) 위쪽은 음극실(24)로부터 전자를 집전하며 음극실(24)을 밀봉하는 음극판(28)이 설치된다.

상기 음극용기(50)는 전지부(10)와는 별개로 분리되어 전지부(10) 위쪽에 배치될 수 있다. 또는 전지부(10)에서 이격된 위치에 설치될 수 있다. 상기 음극용기(50)는 전지부(10) 외측에 별도로 구비되면 충분하며 그 설치 위치에 대해서는 특별히 한정되지 않는다. 상기 음극용기(50)는 알루미늄, 스테인리스 스틸 등의 금속 소재로 이루어질 수 있다.

상기 음극용기(50)는 내부에 나트륨이 채워진다. 또한, 상기 음극용기 내부에는 질소가스나 아르곤가스 등의 불활성가스가 소정의 압력으로 채워질 수 있다. 불활성가스는 음극용기의 나트륨을 나트륨 공급부를 통해 밀어내는 가압력을 발생시킨다.

상기 음극용기(50)는 전지부의 안전관(18) 사이를 연결하는 이송관(52)을 통해 나트륨을 유통하는 구조로 되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 이송관(52)은 음극판(28)을 지나 안전관(18)과 고체전해질(16) 사이로 연결된다. 이에 이송관(52)으로 공급된 나트륨은 고체전해질(16)과 안전관(18) 사이의 음극실(24)로 공급되어 음극실(24)을 채우게 된다. 음극실(24)은 이송관(52)을 통해 연결되어, 전지 반응에 따라 나트륨이 이송관(52)을 통해 음극용기와 전지부 사이로 유통된다.

이와 같이 음극용기를 전지부와 분리하고 전지반응에 필요한 나트륨 양만을 전지부에 실시간으로 공급함으로써, 고체전해질이 파손되더라도 다량의 발열반응을 차단할 수 있게 된다.

한편, 본 전지는 필요한 경우 상기 나트륨 제거부(60)를 통해 전지부의 음극실(24)의 나트륨을 제거하는 구조로 되어 있다.

이를 위해, 상기 나트륨 제거부(60)는 상기 음극실(24)에 연결되고 양극용기(14) 외측으로 연장되어 나트륨이 이송되는 배출관(62)과, 상기 배출관(62)에 연결되고 내부에 진공압이 형성된 진공탱크(64)와, 상기 배출관(62) 일측에 설치되어 배출관(62)을 개폐하는 개폐밸브(66)를 포함한다.

이에, 전지 이상으로 나트륨과 황이 급격히 반응하는 경우, 상기 개폐밸브(66)를 개방함으로써 진공탱크(64)의 진공압을 이용하여 음극실(24)에 있는 나트륨을 전지 외부로 강제 배출할 수 있게 된다. 이와 같이, 긴급 상황에서 음극실(24)로부터 나트륨을 진공탱크(64)로 강제 배출함으로써, 전지부 내에 나트륨이 잔존하지 않아 나트륨과 황의 반응을 최소화할 수 있게 된다.

상기 진공탱크(64)는 내부에 진공을 형성한 상태에서 밀폐된 구조로 개폐밸브(66)가 닫혀진 상태에서 진공상태를 유지하게 된다. 상기 진공탱크(64) 내부에 걸려있는 진공압은 음극실(24) 내의 나트륨을 충분히 흡입할 수 있는 정도면 특별히 한정되지 않는다. 상기 진공탱크(64)는 전지부(10)를 사이에 두고 음극용기(50)의 반대 방향에 배치된다. 본실시예어서 상기 음극용기(50)는 전지부(10)의 상부에 배치되고, 상기 나트륨 제거부(60)는 상기 전지부(10)의 하부에 배치된다. 여기서 상부라 함은 양극용기의 개방된 상단이 위로 가도록 하였을 때 위쪽을 의미하며, 하부라 함은 그 반대쪽인 아래쪽을 의미한다. 이에, 나트륨이 전지부(10) 아래쪽에 위치한 진공탱크(64)로 보다 신속하게 잘 빠져나갈 수 있게 된다. 상기 진공탱크(64)의 내부 용적은 상기 전지에 사용되는 나트륨을 모두 수용할 수 있는 정도면 충분하며 특별히 한정되지 않는다.

상기 배출관(62)은 상기 음극실(24)의 바닥에 연결된다. 본 실시예에서, 상기 배출관(62)은 전지부 상단의 음극판(28)을 지나 아래로 연장되어 음극실(24)의 바닥 즉, 고체전해질(16)과 안전관(18) 사이의 음극실(24) 바닥에 연결된다. 나트륨은 중력에 의해 음극실(24) 바닥으로 모이게 되므로, 음극실(24) 바닥에 연결된 배출관(62)을 통해 음극실(24) 내의 모든 나트륨을 배출시킬 수 있게 된다. 상기 음극판(28)을 지나 전지부 외측으로 연장된 배출관(62)은 전지부 하부로 연장되어 전지부 하부에 위치한 진공탱크(64)에 연결된다.

본 실시예에서 상기 개폐밸브(66)는 전지부의 급격한 반응으로 고열이 발생된 경우, 제어 작동되는 구조로 되어 있다. 이를 위해 상기 나트륨 제거부는 상기 전지부의 온도를 검출하는 온도센서(68)와, 상기 온도센서(68)의 검출값을 연산하여 상기 개폐밸브(66)를 제어작동하는 컨트롤러(70)를 더 포함한다. 상기, 온도센서(68)는 전지부의 급격한 온도 변화를 정확히 검출할 수 있는 위치에 설치될 수 있다.

한편, 도 2는 나트륨 유황 전지의 또 다른 실시예를 도시하고 있다.

본 실시예의 전지는 전지부의 구조를 제외하고 나머지 구성는 위에서 언급한 다른 실시예와 동일하다. 이에 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 사용하며, 그 상세한 설명은 생략한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 전지(100)는 충방전이 이루어지는 전지부(10)와, 전지부(10)와 별도로 구비되어 나트륨을 수용하며 전지부로 나트륨을 공급하는 음극용기(50), 상기 전지부(10)에서 나트륨을 선택적으로 제거하는 나트륨 제거부(60)를 포함한다.

본 실시예에서, 상기 전지부(10)는 상단이 개구되고 내부에 상기 양극실(12)을 형성하는 양극용기(14)와, 상기 양극용기 내에 설치되며 상단이 개구된 고체전해질(16), 상기 양극용기(14)와 고체전해질(16) 사이에 설치되는 절연체(20), 상기 절연체에 설치되어 상기 고체전해질 내부의 음극실(24)을 차단하는 음극판(28), 상기 음극실(24) 내에 설치되며 내부에 오픈셀 형태의 기공이 형성되어 나트륨이 충전된 다공질폼(30)을 포함한다.

상기 다공질폼(30)은 금속 재질의 포러스메탈(porous metal)로 이루어질 수 있다. 상기 다공질폼의 내부 기공에 나트륨이 충전된다.

상기 다공질폼(30)은 고체전해질 내부에 형성되는 음극실(24)과 대응되는 형태와 크기로 이루어져, 음극실 내에 채워진다. 상기 음극실의 다공질폼(30)은 절연체(20)에 의해 양극용기(14)와 절연되어 쇼트를 방지하게 된다.

상기 음극용기(50)에 연결된 이송관(52)은 음극판(28)을 지나 음극실(24)로 연장되어 다공질폼(30) 상단에 연결된다. 이에 이송관을 통해 유통된 나트륨은 다공질폼의 기공 내로 충전된다.

본 실시예의 나트륨 제거부(60)는 위에서 언급한 구조와 동일하다. 다만, 진공탱크(64)에 연결된 배출관(62)은 다공질폼(30)을 지나 음극실(24) 바닥에 연결된다. 즉, 상기 배출관(62)은 전지부 상단의 음극판(28)을 지나 음극실에 설치된 다공질폼을 관통하여 음극실(24)의 바닥으로 연장된다.

한편, 도 3은 나트륨 유황 전지의 또 다른 실시예를 도시하고 있다.

이하 설명에서는 위에서 언급한 다른 실시예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 사용하며, 그 상세한 설명은 생략한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 나트륨 유황 전지(100)는 충방전이 이루어지는 전지부(40)와, 전지부(10)와 별도로 구비되어 나트륨을 수용하며 전지부로 나트륨을 공급하는 음극용기(50), 상기 전지부(10)에서 나트륨을 선택적으로 제거하는 나트륨 제거부(60)를 포함한다.

본 실시예에서, 상기 전지부(40)는 양 선단이 개구되고 내부에 상기 양극실(41)을 형성하는 양극용기(42)와, 상기 양극용기(42) 내에 설치되며 양 선단이 개구된 고체전해질(43), 상기 양극용기(42)의 양 선단에 각각 배치되어 고체전해질(43) 사이에 설치되는 절연체(20,21), 상기 절연체(20,21)의 양 선단에 설치되어 상기 고체전해질(43) 내부를 차단하여 나트륨이 수용되는 음극실(45)을 형성하는 음극판(28,29)을 포함한다.

또한, 상기 전지부(40)는 상기 음극실(45) 내에 설치되며 내부에 오픈셀 형태의 기공이 형성되어 나트륨이 충전된 다공질폼(46)을 더 포함한다. 상기 다공질폼(46)은 금속 재질의 포러스메탈(porous metal)로 이루어질 수 있다. 상기 다공질폼(46)의 내부 기공에 나트륨이 충전된다. 상기 음극실 내에는 다공질폼 외에 나트륨을 수용하는 다양한 구조 예를 들어, 안전관 등이 설치될 수 있다.

본 실시예의 전지부(40)는 음극실(45)의 상단과 하단에 각각 음극판(28,29)이 설치되어 있어서, 음극용기(50)와 나트륨 제거부(60)를 음극실(45)에 매우 용이하게 연결할 수 있다.

상기 양극용기(42)는 상단과 하단에 각각 설치되는 절연체(20,21)와 내부의 고체전해질(43) 사이의 영역이 양극실(41)을 이룬다. 상기 양극실(41) 내부에는 고체전해질(43)과의 사이에 유황이 담겨진 펠트집전체(44)가 채워진다. 펠트집전체(44)는 예를 들어, 내부에 기공이 형성된 탄소펠트로, 기공 내에 유황이 담겨지게 된다. 상기 양극용기(42)는 예를 들어, 상하단이 개방된 형태로 이루어지며 알루미늄, 스테인리스 스틸 등의 금속 소재로 제조된다. 또한 양극용기(42)의 표면에는 크롬, 몰리브덴 등을 주성분으로 하는 내식층이 코팅될 수 있다. 상기 양극용기(42)는 전지의 외형을 이루며 양극의 외부 단자의 역할도 수행할 수 있다.

상기 고체전해질(43)은 나트륨 이온을 통과시킬 수 있는 베타알루미나 세라믹으로 이루어진다. 본 실시예에서 상기 고체전해질(43)은 상단과 하단이 개방된 형태로 이루어져 양극용기(42) 내부에 간격을 두고 설치된다. 상기 고체전해질(43) 내부는 음극실(45)을 이룬다.

상기 고체전해질(43)과 양극용기(42) 사이에는 절연체(20,21)가 설치된다. 상기 절연체(20,21)는 알파알루미나 세라믹으로 이루어진다. 상기 절연체(20,21)는 양극실을 이루는 양극용기(42)와 음극실(45)의 다공질폼(46) 사이를 절연시켜 쇼트(short)를 방지하게 된다. 상기 절연체(20,21)는 두 개가 한 조를 이루어, 양극용기(42)의 상단과 하단에 각각 접합된다. 상기 두 개의 절연체(20,21)는 동일한 구조로 이루어져 서로 대향 배치될 수 있다.

상기 절연체(20,21)의 내측면에 고체전해질(43)이 유리 접합 공정을 통해 접합되며, 외측면에는 양극용기(42)가 열압축접합(TCB;Thermal Compression Bonding) 공정을 통해 접합된다. 상기 전지부의 상단과 하단에는 음극판(28,29)이 설치되어, 고체전해질(43) 내부의 음극실(45)을 밀봉하게 된다.

이에, 본 전지부는 지면에 세워졌을 때, 상단과 하단에 각각 음극판(28,29)이 위치하게 되어, 각 음극판(28,29)을 통해 음극용기(50)와 나트륨 제거부(60)를 음극실(45)에 용이하게 연결할 수 있게 된다.

상기 음극용기(50)에 연결된 이송관(52)은 전지부(40) 상단의 음극판(28)을 지나 음극실(45)로 연장되어 다공질폼(46) 상단에 연결된다. 이에 이송관(52)을 통해 유통된 나트륨은 다공질폼(46)의 기공 내로 충전된다.

본 실시예의 나트륨 제거부(60)는 위에서 언급한 구조와 동일하다. 다만, 진공탱크(64)에 연결된 배출관(62)은 전지부(40) 하단에 설치된 음극판(29)을 통해 음극실(45) 바닥에 바로 연결된다. 즉, 배출관(62)은 전지부(40) 하부에 배치된 진공탱크(64)에서 위쪽으로 연장되어, 바로 음극판(29)을 통해 음극실(45) 바닥에 연결된다.

이하, 도 1의 실시예에 따른 나트륨 유황 전지를 참조하여 그 작용을 살펴보면 다음과 같다. 도 2와 도 3에 예시된 실시예의 전지 역시 그 작용은 동일하다.

도 1에 도시된 바와 같이, 나트륨이 채워진 음극용기(50)로부터 액상의 나트륨이 이송관(52)을 통해 전지부(10)의 음극실(24)로 공급된다. 나트륨의 공급량은 전지 반응에 필요한 나트륨 양으로, 전지부의 크기나 구조에 따라 음극실로 공급될 최소한의 나트륨 양으로 결정될 수 있다. 이에, 음극실(24)에 전지 반응에 필요한 나트륨만이 수용될 수 있다. 따라서 전지부(10) 내부에 최소한의 나트륨만이 잔존하고 있어, 고체전해질(16) 파손시 대량의 나트륨이 유황과 반응하는 현상을 방지할 수 있게 된다.

한편, 전지 구동에 따라 고체전해질 등의 파손에 의해 음극실 내의 나트륨이 양극실의 유황과 직접 반응하게 되면, 급격한 반응으로 고열이 발생된다. 전지 내부에서 고열이 발생되면 본 장치의 온도센서(68)가 이를 검출하게 되고, 상기 온도센서(68)의 검출값을 연산한 컨트롤러(70)는 개폐밸브(66)를 개방작동하게 된다.

개폐밸브(66)가 개방작동됨에 따라 배출관(62)을 통해 진공탱크(64)와 전지의 음극실(24)이 연통된다. 상기 진공탱크(64)는 내부에 진공압이 형성되어 있어서, 음극실(24)에는 배출관(62)을 통해 진공탱크의 진공압이 걸리게 된다. 따라서 음극실(24) 내부의 나트륨이 배출관(62)을 통해 진공탱크(64)로 순식간에 빨려나가게 된다.

이와 같이, 음극실 내부의 나트륨이 음극실로부터 전지 외측에 구비된 진공탱크로 빠져나감에 따라 전지 내부에는 유황과 반응할 나트륨이 남지 않게 된다. 따라서 나트륨과 유황의 직접적인 반응은 더 이상 일어나지 않게 되어 전지를 안전성을 확보할 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.

10,40 : 전지부 12,41 : 양극실
14,42 : 양극용기 16,43 : 고체전해질
18 : 안전관 20,21 : 절연체
24,44 : 음극실 50 : 음극용기
52 : 이송관 60 : 나트륨 제거부
62 : 배출관 64 : 진공탱크
66 : 개폐밸브 68 : 온도센서
70 : 컨트롤러

Claims

유황이 수용되는 양극실과, 나트륨이 수용되는 음극실, 양극실과 음극실 사이에 설치되어 나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 고체전해질을 포함하여 충방전이 이루어지는 전지부와;
상기 음극실과 연결되어 음극실 내의 나트륨을 선택적으로 제거하는 나트륨 제거부
를 포함하는 나트륨 유황 전지.
제 1 항에 있어서,
상기 전지부의 외측에 배치되고 내부에는 나트륨을 수용하며, 상기 음극실과 연결되어 나트륨을 공급하는 음극용기를 더 포함하는 나트륨 유황 전지.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 나트륨 제거부는 상기 음극실에 연결되고 양극용기 외측으로 연장되어 나트륨이 이송되는 배출관과, 상기 배출관에 연결되고 내부에 진공압이 형성된 진공탱크와, 상기 배출관 일측에 설치되어 배출관을 개폐하는 개폐밸브를 포함하는 나트륨 유황 전지.
제 3 항에 있어서,
상기 나트륨 제거부는 상기 전지부의 온도를 검출하는 온도센서와, 상기 온도센서의 검출값을 연산하여 상기 개폐밸브를 제어작동하는 컨트롤러를 더 포함하는 나트륨 유황 전지.
제 4 항에 있어서,
상기 나트륨 제거부는 상기 전지부의 하부에 배치되는 나트륨 유황 전지.
제 4 항에 있어서,
상기 나트륨 제거부는 상기 음극실의 바닥에 연결된 구조의 나트륨 유황 전지.
제 6 항에 있어서,
상기 나트륨 제거부는 배출관이 음극실 바닥에 연결되고 전지부의 하단에 설치된 음극판을 지나 외측 하부로 연장된 구조의 나트륨 유황 전지.
제 6 항에 있어서,
상기 나트륨 제거부는 배출관이 전지부 상부로 연장되어 상단에 설치된 음극판을 지나 내측 바닥으로 연장된 구조의 나트륨 유황 전지.
제 4 항에 있어서,
상기 전지부는 상단이 개구되고 내부에 상기 양극실을 형성하는 양극용기와, 상기 양극용기 내에 설치되며 내부에 음극실을 형성하는 고체전해질, 상기 양극용기와 상기 고체전해질 사이에 설치되어 양극실과 음극실 사이를 절연하는 절연체, 상기 절연체에 설치되어 상기 고체전해질 내부의 음극실을 차단하는 음극판을 포함하는 나트륨 유황 전지.
제 9 항에 있어서,
상기 고체전해질 내면에 간격을 두고 설치되며, 고체전해질 사이에 상기 음극실을 형성하는 안전관을 더 포함하는 나트륨 유황 전지.
제 9 항에 있어서,
상기 전지부는 상기 음극실 내에 설치되며, 내부에 오픈셀 형태의 기공이 형성되어 나트륨이 충전된 다공질폼을 더 포함하는 나트륨 유황 전지.
제 4 항에 있어서,
상기 전지부는 양 선단이 개구되고 내부에 상기 양극실을 형성하는 양극용기와, 상기 양극용기 내에 설치되며 양 선단이 개구되고 내부에 음극실을 형성하는 고체전해질, 상기 양극용기의 양 선단에 각각 배치되고 양극용기와 고체전해질 사이에 설치되어 양극실과 음극실 사이를 절연하는 절연체, 상기 각 절연체에 설치되어 상기 고체전해질 내부의 음극실 차단하는 음극판을 포함하는 나트륨 유황 전지.
제 12 항에 있어서,
상기 전지부는 상기 음극실 내에 설치되며, 내부에 오픈셀 형태의 기공이 형성되어 나트륨이 충전된 다공질폼을 더 포함하는 나트륨 유황 전지.