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탄소중립, 자원고갈, 신재생에너지 보급 확대, 전력수요 증가에 따른 에너지저장시스템인 ESS 에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 배터리 기반 ESS 의 경우 현재 리튬이온배터리 (LIB)가 많이 사용되고 있지만 짧은 수명,
화재사고 등과 같은 문제점으로 장주기 ESS 와 같은 활용처 확대에 한계를 지녔다. 이에 따라 장주기 ESS 용 ...

탄소중립, 자원고갈, 신재생에너지 보급 확대, 전력수요 증가에 따른 에너지저장시스템인 ESS 에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 배터리 기반 ESS 의 경우 현재 리튬이온배터리 (LIB)가 많이 사용되고 있지만 짧은 수명,
화재사고 등과 같은 문제점으로 장주기 ESS 와 같은 활용처 확대에 한계를 지녔다. 이에 따라 장주기 ESS 용 이차전지로 Na-based 전지가 주목받고 있다.
고온형 Na-based 이차전지는 전해질로 세라믹 고체전해질을 사용하여 장수명, 고안정성, 대용량화가 용이하여 대용량 ESS 에 적합한 잠재력을 지니고 있다. Na-based 이차전지는 크게 Na/S 전지와 Na-NiCl2 전지가
있으며, 음극으로는 용융 나트륨 금속을 사용하고, 분리막과 전해질역할을 수행하는 Na+ -β/β"-Al2O3 고체전해질은 Na-based 이차전지의 성능과 수명을 좌우하므로 해당 소재의 기술개발이 매우 중요하다. 현재 Na-based
전지는 배터리 Cell 가격이 LIB 대비 고가이므로 배터리 가격을 줄여 경쟁력을 높이고자 연구가 진행되고 있다. Na-NiCl2 전지의 경우 셀 디자인을 기존의 원통형(Tubular)에서 평판형(Planar) 형태로 디자인을
변경하는 연구가 이뤄지고 있는데, 평판형 셀의 경우 이론적으로 기존의 원통형 셀의 구동온도인
약 300 oC 이상에서 200 oC 정도로 구동온도를 낮출 수 있고, glass sealing, TCB(Thermal compression bonding), laser welding 과 같은 고비용 접합 공정 대신 polymer sealing 과 같은 상대적으로
저렴한 접합공정을 사용하여 Cell 제조 비용을 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한 Na+ -β/β"-Al2O3 고체전해질의 경우 원통형의 경우 CIP (Cold Isostatic Pressing)으로 성형한 후 소결하여 후 두께를 줄이기 위해 고비용의 후처리
가공이 필수적이고 대량생산이 어렵다. 고체전해질의 두께는 얇을수록 저항이 낮기 때문에 평판형의 경우에는 Disk 형태로 제조하기 때문에 원하는 두께를 얻기 쉽고 기상전환공정(Vapor Phase Conversion)을 적용하게
되면 준 연속생산이 가능하고, 고비용의 후처리 가공이 불필요하며 표면 결함크기를 최소화하여 높은 강도의 고체전해질을 얻을 수 있다.
현재 Na-NiCl2 전지 Cell 의 제조 비용 중 가장 많은 부분을 차지하는 것은 Cell 소재로 이 중에서 고체전해질의 제조 비용도 고가에 속하므로 고체전해질의 제조비용 감소를 위한 연구가 필수적이다. 이에 따라 본 연구에선 기상전환공정에서 소결체에 Na+ 이온 공급원으로 사용되는 분위기분말(Na source)를 재사용하고, 기존의 문제점을 해결하여 Na+- β/β"-Al2O3 고체전해질의 높은 제조 비용을 절감 시킬 수 있는 기술에 대해서 연구하였다. 기존에 분위기분말을 Na+-β/β"-Al2O3 로 하소공정을 거쳐 합성시켜 사용하던 분위기분말을 하소공정을 거치지 않은 분위기분말을 사용하여 공정단계를 줄였고, 분위기분말의 형태를 저밀도의 Disk 형태인 분위기팩으로 변형하여 총 4 번까지 재사용한 후 고체전해질의 상 관계, 상대밀도, 미세구조, 이온전도도를 분석하였다. 분위기팩으로
기상전환공정을 진행했을 때 4 번 재사용까지 동일한 고체전해질의 XRD pattern 을 얻을 수 있었고, 평판형 Na-NiCl2 전지 목표 구동온도인 200 oC 에서 연구 목표인 12 mS/cm 이상의 이온전도도를 얻을 수 있었다.
본 연구결과를 바탕으로 기상전환공정시 분위기분말을 재사용할 수 있는 기술의 효과를 확인하여 고체전해질의 제조 비용을 감소 가능성에 대해서 확인 할 수 있었다. 또한 고체전해질의 대량생산을 위해 Multilayer stacking
방식을 적용해 기상전환을 실시해 동일한 물성을 지닌 고체전해질을 제조하여 대량생산 기술 개발의 가능성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

High-temperature Na-based secondary batteries have the potential suitable for large-capacity ESS. because they use ceramic solid electrolytes as electrolytes for long life, high stability, and large capacity. Na-based secondary batteries are largely divided into Na/S batteries and Na-NiCl2 batteries...

High-temperature Na-based secondary batteries have the potential suitable for large-capacity ESS. because they use ceramic solid electrolytes as electrolytes for long life, high stability, and large capacity. Na-based secondary batteries are largely divided into Na/S batteries and Na-NiCl2 batteries. They use molten sodium metal as the anode, and the Na+-β/β"-Al2O3 solid electrolyte that acts as a separator and electrolyte. Since it determines the performance and life of Na-based secondary batteries, technological development of the Na+-β/β"-Al2O3 solid electrolyte is very important. Currently, Na-based batteries are more expensive than LIB, so research is being conducted to increase their competitiveness by reducing the battery price. In the case of Na-NiCl2 batteries, research is being conducted to change the design of the cell from the existing tubular type to the planar type. In the case of a planar type cell, the driving
temperature can theoretically be lowered from about 300 oC or higher,
which is the driving temperature of the existing tubular type cell, to about
200 oC, and it has the advantage of reducing the manufacturing cost of the cell by using relatively inexpensive bonding processes such as polymer sealing instead of high-cost bonding processes such as glass sealing, thermal compression bonding (TCB), and laser welding. In addition, in the case of tubular cells, it is essential to form them with Cold Isostatic Press (CIP)
when manufacturing a solid electrolyte and to perform high-cost post-treatment after sintering. In the case of flat cells, it is easy to obtain a thin thickness because the solid electrolyte is manufactured in the form of a disk by applying the Vapor Phase Conversion, semi-continuous
production is possible, high-cost post-processing is unnecessary, and high strength solid electrolytes can be obtained by minimizing the size of surface defects. Currently, Cell materials account for the largest portion of the manufacturing cost of Na-NiCl2 battery cells, and among them, the manufacturing cost of solid electrolytes is also expensive, so research to
reduce the manufacturing cost of solid electrolytes is essential.
Accordingly, in this study, a technology that can reduce the high manufacturing cost of Na+
-β/β"-Al2O3 solid electrolytes by reusing Na source used as a source for Na ions in the sintered body in the gas phase conversion process and solving existing problems was studied. Instead of Na source used by converting Na+-β/β"-Al2O3 through the calcination process, the process step was shortened by using Na source that did not go through the calcination process. The Na source was transformed into an Green compaction in the form of disk and reused it up to a total of four times, and the phase correlation, relative density, microstructure, and ionic
conductivity of the solid electrolyte were analyzed. The XRD pattern of the same solid electrolyte could be obtained up to reuse 4 times when the vapor phase conversion process was carried out with the atmospheric pack, and the ion conductivity of 12 mS/cm or more, the research goal, could be obtained at 200 oC, the driving temperature of Na-NiCl2 battery.
The effect of the technology that can reuse Na source during the vapor phase conversion process was confirmed based on the results of this study, and the possibility of reducing the manufacturing cost of solid electrolytes was confirmed. In addition, for mass production of solid electrolytes, the possibility of mass production technology was confirmed by manufacturing
a solid electrolyte with the same properties by applying the Multilayer stacking method.

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