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KR20130129993A - 중온 나트륨 배터리 - Google Patents

중온 나트륨 배터리 Download PDF

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KR20130129993A
KR20130129993A KR1020137016600A KR20137016600A KR20130129993A KR 20130129993 A KR20130129993 A KR 20130129993A KR 1020137016600 A KR1020137016600 A KR 1020137016600A KR 20137016600 A KR20137016600 A KR 20137016600A KR 20130129993 A KR20130129993 A KR 20130129993A
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KR
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galvanic cell
cathode
compartment
battery
polar solvent
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존 고든
자비어 알바레
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세라마테크, 인코오포레이티드
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Abstract

녹아 있는 알칼리 금속 (예를 들어 나트륨 또는 리튬)으로 만들어진 음극 물질 (17)을 가지는 재충전가능한 갈바니 전지 (10)이다. 갈바니 전지 (10)는 또한 황 또는 아이오딘일 수 있는 양극 활성 물질 (13)을 포함한다. 양극 활성 물질 (13)은 극성 용매 (14)와 함께 사용될 수 있다. 이온 전도성 세퍼레이터 (15)는 극성 용매 (14)와 음극 물질 (17) 사이에 놓인다. 양극 활성 물질 (13)은 극성 용매 (14)의 비중보다 더 큰 비중을 가진다. 따라서, 극성 용매 (14)가 양극 활성 물질 (13) 위에 있을 때 양극 활성 물질 (13)은 양극 구획 (11)의 바닥에 근접해 있다. 전지 (10)는 알칼리 금속의 녹는점보다 높은 온도, 그러나 약 250 ℃보다는 낮은 온도에서 작동하도록 고안된다.

Description

중온 나트륨 배터리{MODERATE TEMPERATURE SODIUM BATTERY}
본 출원은 2010년 12월 1일에 "중온 나트륨 배터리(Moderate Temperature Sodium Battery.)."라는 제목으로 출원된 미국 특허 가출원 제61/418,749호를 우선권 주장의 기초로 하는 것이다. 이 선출원은 명백히 여기에 참고문헌으로 삽입된다.
본 실시태양은 배터리, 그리고 더욱 특히 나트륨-황 및 나트륨-아이오다이드 배터리의 성능을 개선시키는 장치 및 방법에 관한 것이다.
우리 사회는 컴퓨터, 휴대전화, 휴대용 음악 플레이어, 조명 장치뿐만 아니라 많은 다른 전자 부품을 포함하는 무수한 장치들의 전원을 공급하기 위해 배터리에 의존해 왔다. 그럼에도 불구하고, 더욱 진보된 배터리 기술에 대한 계속된 요구가 있다. 예를 들어, 자동차에 전원을 공급하거나 풍력, 태양광, 또는 다른 에너지 기술의 로드-레벨링 능력(load-leveling capability)을 제공할 수 있는 경제적인 배터리에 대한 상당한 요구가 여전히 있다. (그러한 로드-레벨링 능력은 예를 들어, 풍력 또는 태양광 발전기에 의해 발생되는 에너지를 저장하는 기전으로서 발전 장치에서 쓰일 수 있다.) 또한, "정보화 시대"는 더 가벼운 무게, 더 높은 에너지, 더 긴 방전 시간, 및 더 작은 맞춤형 디자인을 제공하는 휴대용 배터리를 점점 요구한다. 전문가들은 이러한 진보를 달성하기 위해, 허용되는 안전성, 전력 밀도, 비용 및 다른 요구되는 특성을 여전히 제공하면서도 더욱 높고 높은 에너지 밀도를 가지는 배터리를 개발하기 위해 끊임없이 연구한다.
나트륨-황 (Na-S) 배터리는 앞서 언급한 많은 요구사항들을 만족시킬 큰 가능성을 제시한다. 다음의 전반응을 가정할 때 나트륨-황 배터리의 이론적인 비에너지는 792 Wh/kg이다:
2 Na＋3 S → Na2S3
이것은 비기체상의 구성 성분을 이용하는 배터리에 대해 알려진 가장 큰 비에너지 중 하나이다. 이러한 배터리를 생산하기 위해 필요한 물질은 가볍고 고에너지성이며 비싸지 않고 쉽게 입수가능한 것이다. 다른 유형의 양극 물질과 다르게 황은 비교적 무독성이어서 사람의 접촉에도 이러한 배터리가 비교적 안전하도록 한다.
이 높은 비에너지를 고려하여, 나트륨-황 배터리는 상승된 온도, 예를 들어 250 ℃를 초과하고 더 전형적으로는 300 ℃와 350 ℃ 사이의 온도에서 작동하는 배터리로 상업화되어 왔다. 그러한 나트륨-황 배터리는 보통 하나 또는 그 이상의 베타 알루미나 멤브레인(beta alumina membrane) 또는 베타'' 알루미나 멤브레인을 이용한다. 이러한 멤브레인은 좋은 전도성을 위해 높은 온도를 필요로 한다. 또한 나트륨 음극 및 황 양극은 이러한 Na-S 배터리와 관련된 상승된 온도 (예를 들어, 300 ℃와 350 ℃ 사이) 에서 녹아 있다.
분명히, 연구원들은 더 낮은 온도 (예를 들어, 250 ℃ 미만)에서 작동할 수 있는 나트륨-황 배터리를 만들기 위한 시도를 해 왔다. 예를 들어, 미국 특허 출원 공개번호 제2010/0239893호는 세라믹 알칼리 이온 전도성 세라믹 멤브레인 및 고체 알칼리 금속 음극 (예를 들어 나트륨)을 이용하는 나트륨-황 배터리를 개시한다. 이 특허 출원에서 알려주는 배터리는 200 ℃ 미만에서 작동하도록 고안되었다. (미국 특허 출원 공개번호 제2010/0239893호의 개시내용은 명백히 여기에 참고문헌으로 삽입된다.)
그러나 당해 분야에는 더 낮은 온도에서 작동할 수 있음에도 여전히 높은 전력, 높은 전류밀도 및 다른 바람직한 특성을 제공할 수 있는 새로운 유형의 나트륨-황 배터리 (및 나트륨-아이오딘 배터리)에 대한 요구가 여전히 있다. 이러한 배터리를 여기서 개시한다.
본 실시태양은 높은 작동 전지 전위를 가지고 높은 전력을 생산할 수 있으나 다른 나트륨-황 배터리보다 더 낮은 온도에서 작동할 수 있는 배터리를 제공한다. 본 실시태양에 따른 배터리는 하나 또는 그 이상의 갈바니 전지로 만들어진다. 각각의 이러한 갈바니 전지는 음극과 양극을 가질 수 있다. 양극은 비기체상 물질일 수 있고 또는 비기체상의 활성 물질을 가질 수 있다. 달리 말하면, 배터리가 작동하는 온도, 대개 100 ℃와 250 ℃ 사이에서 양극 (또는 양극 활성 물질)은 비기체상의 상태일 수 있다. 보통, 양극은 나트륨 및 리튬과 같은 알칼리 금속이 녹아 있는 범위에서 비기체상일 수 있다. 많은 실시태양에서 양극 활성 물질은 액체 상태일 수 있다.
극성 용매가 양극 활성 물질과 함께 사용될 수 있다. 양극 활성 물질은 극성 용매의 비중보다 더 큰 비중을 가질 수 있다. 양극 활성 물질은 또한 배터리 반응시 극성 용매에서 적어도 부분적으로 용해성인 알칼리 금속염 또는 화합물을 형성할 수 있다.
극성 용매는 예를 들어 100 ℃와 250 ℃ 또는 185 ℃와 250 ℃ 사이와 같은 배터리의 작동 온도에 걸쳐 액상으로 남아있도록 선택될 수 있다. 만일 배터리의 작동 온도가 더 좁은 범위를 가진다면 이 때 극성 용매는 이러한 더 좁은 온도 범위 전체에 걸쳐 액상으로 남아 있어야 한다. 양극 활성 물질과 함께 사용될 수 있는 극성 용매의 예는 N-메틸 포름아미드 (NMF), 포름아미드, 디메틸포름아미드, 테트라글라임(tetraglyme), 디글라임(diglyme), 디메틸에테르, 아세트아미드, 메틸아세트아미드, 디메틸아세트아미드 등이다. 이러한 용매 대부분은 0.9 g/입방 센티미터 내지 1.1 g/입방 센티미터 범위의 비중을 가진다. 사용될 수 있는 다른 극성 용매는 에탄올암모늄 니트레이트와 같은 이온성 액체 및 이미다졸륨 할로게노알루미네이트염 및/또는 다른 이온성 액체를 포함한다. 앞에서의 용매의 하나 또는 그 이상의 조합 또한 사용될 수 있다. 극성 용매는 비기체상 용매일 수 있다.
본 실시태양의 배터리에 적절한 양극 활성 물질은 황 및 아이오딘이다. 황은 2.07 g/입방 센티미터의 비중을 가지며 115 ℃ 내지 445 ℃ 범위에서 녹아 있다. 황은 또한 나트륨과 커플을 형성한다. 배터리에서 황이 양극으로 사용되고 나트륨이 음극으로 사용될 때, 배터리는 대략 2.2 V의 출력을 생산할 수 있다. 유사하게, 아이오딘은 4.92 g/입방 센티미터의 비중을 가지며 114 ℃ 내지 185 ℃ 범위에서 액체이다. 아이오딘은 또한 나트륨 이온과 복합체를 형성한다. 배터리에서 아이오딘이 양극으로 사용되고 나트륨이 음극으로 사용될 때 배터리는 대략 3.2 V의 출력을 생산할 수 있을 것이다. 또한, 황 및 아이오딘 양쪽의 나트륨염은 사실상 극성이며 상기 열거된 용매를 포함하여 많은 극성 용매에서 용해성이다. 실제로, 나트륨의 다중황화물은 특히 NMF에서 용해성이다.
황/아이오딘이 양극으로 사용될 때 (그리고 나트륨이 음극으로 사용될 때), 다음의 반응이 양극에서 일어날 것이다:
배터리 방전 :
Na+＋½I2＋e- → NaI
2 Na+＋1/8 S8＋2 e- → Na2S, 다르게는
2 Na+＋3/8 S8＋2 e- → Na2S3
(황의 경우에, 다양한 차수의 다중황화물이 또한 양극에서 형성될 것이다.)
배터리 충전:
NaI → Na+＋½I2＋e-
Na2S → 2 Na+＋1/8 S8＋2 e-, 다르게는
Na2S3 → 2 Na+＋3/8 S8＋2 e-
(황의 경우에, 다양한 차수의 다중황화물이 또한 양극에서 감소할 것이다.)
배터리의 부분으로서 알칼리 금속 이온 전도성 멤브레인이 음극 물질을 양극 물질로부터 분리한다. 이러한 멤브레인으로 사용될 수 있는 물질의 예는 나트륨 베타 알루미나, 나트륨 베타” 알루미나, 및 NaSICON (만약 음극 물질이 나트륨인 경우)이다. 시판되는 NaSICON 멤브레인 (유타주 솔트레이크시티의 세라마텍, 인크(Ceramatec, Inc., of Salt Lake City, Utah)로부터 입수 가능)은 나트륨-금속-포스페이트 구조 (Na1 + xZr2Xy(PO4)3)에 기초하며 여기서 x는 0과 3 사이고 X는 도판트이다. 이 NaSICON 멤브레인의 전도성은 100 ℃에서 4.6 밀리지멘스/센티미터(mS/cm)에 근접하며 200 ℃에서 약 17.5 mS/cm까지 오른다. 다른 유형의 NaSICON 멤브레인 역시 사용될 수 있다. 만약 음극 물질이 리튬이라면 이 때 LISICON 또는 유리 세라믹 물질과 같은 리튬 전도성 멤브레인이 사용될 수 있다. LiSICON은 리튬 전도성 세라믹의 종류이며 다음을 포함한다 : Li2 +2 xZn1 - xGeO4 (-0.36 < x < 0.87), Li14ZnGe4O16, 및 화학량비와 양이온 치환 양에서의 약간의 변형물. 여기서 사용할 때 "LiSICON"이라는 용어는 또한 Li1 + xAlxTi2 -x(PO4)3, (여기서 x는 0.0 과 0.5 사이); 및 Li(1+x+4y)AlxTi(1-x-y)(PO4)3 (여기서 x와 y는 0.0과 0.5 사이)인 화학식을 가지며 성질을 개선하기 위해 양이온의 약간의 치환이 이루어질 수 있는 세라믹 멤브레인을 포함하되, 이에 제한되지는 않는 조성물의 리튬 알루미늄 티타늄 포스페이트 족 역시 포함한다는 것을 염두에 두어야 한다. 리튬 이온 전도성 유리 세라믹 물질은 (이에 제한되지는 않으나) Li1 .5Al0 .5Ge1 .5(PO4)3- xLi2O (x = 0.0-0.20) 뿐만 아니라 리튬알루미노실리케이트 유리 세라믹 족의 조성물을 포함할 수 있다. 하나 또는 그 이상의 원소의 다른 원소로의 부분적 치환은 물질 특성을 개선할 수 있으나 이러한 변형/치환은 본 실시태양의 일부인 것으로 이해된다.
양극 구획은 양극 전류 집전체를 수용할 수 있다. 양극 활성 물질의 비중이 극성 용매보다 더 크기 때문에 극성 용매가 활성 물질 위에 머무르는 동안 액체 양극 활성 물질은 양극 구획의 바닥에 머무른다. 전지의 충전 또는 방전 상태에 따라 전지 바닥의 양극 활성 물질 수준은 올라가고 내려갈 것이다. 따라서, 액체 양극 활성 물질의 상승 변화를 보상하기 위해 양극 전류 집전체는 어떤 상승 변화가 일어날 수 있든지 간에 활성 물질/용매 경계면과의 전기적 접촉을 확실히 하도록 만들어질 수 있다. 다시 말하면, 양극 전류 집전체는 경계면이 어디에 위치하고 있든 극성 용매/양극 활성 물질의 경계면에서 액체 양극 활성 및 극성 용매와의 전기적 접촉을 제공하도록 만들어질 수 있다.
양극 반응 동안 양 전하를 가지는 나트륨 이온은 양극 전류 집전체를 향해 이동한다. 이러한 이동은 나트륨 이온이 극성 용매, 전자 및 양극 활성 물질을 통해 통과하도록 한다. 위에 나타난 것과 같이 반응이 일어나는 위치는 액체 활성 물질의 수준이 변함 (예를 들어, 액상 황 또는 아이오딘의 수준/상승)에 따라 바뀔 수 있다. 양극 전류 집전체는 전자적으로 전도성이어야 하며 양극 활성 물질, 용매 및 알칼리염과 비반응성일 수 있다. 양극 활성 물질이 황 또는 아이오딘이라면 아이오딘화나트륨 역시 혼합물의 이온 전도성을 높이기 위해 양극 구획에 포함될 수 있다.
리튬이 활성 음극 물질로 이용된다면 황이 양극 활성 물질로 선택되어야 한다. 이에 대해서는, 리튬이 181 ℃에서 녹는데 이것이 아이오딘의 끓는 온도에 근접한다는 것이 그 이유이다. 따라서 리튬과 황의 경우에 적절한 작동 온도 범위는 182 ℃ 내지 250 ℃를 포함할 수 있다. 물론, 이 반응 동안 182 ℃와 250 ℃의 온도 범위 사이에 액상으로 남아있는 극성 용매가 있어야 한다.
위에 인용된 것과 본 발명의 다른 특징 및 장점을 얻는 방식을 쉽게 이해하기 위해서 첨부된 도면에서 도시하는 그 특정 실시태양에 대한 언급을 통해 위에 간단히 기술한 본 발명을 더욱 구체적으로 기술할 것이다. 이러한 도면은 오로지 본 발명의 전형적인 실시태양만을 묘사하고, 따라서 그 범위를 제한하는 것으로 생각되지 않음을 이해하면서, 본 발명은 수반되는 첨부 도면의 이용을 통해 추가적인 구체사항과 상세사항을 기술하고 설명하며, 여기서:
도 1은 본 실시태양에 따른 갈바니 전지의 개략도이고;
도 2는 본 실시태양에 따른 다른 갈바니 전지의 개략도이고;
도 3은 음극으로서 녹아 있는 나트륨, NaSICON 세라믹 멤브레인, 양극 구획 내에서 용매로서 디메틸아세트아미드 및 양극 활성 물질로서 황/황화물을 이용하여 25 mA/㎠ 에서 전지의 충전 및 방전 성능을 보여주는 그래프이고;
도 4는 음극으로서 녹아 있는 나트륨, NaSICON 세라믹 멤브레인, 양극 구획 내에서 용매로서 메틸아세트아미드 및 양극 활성 물질로서 황/황화물을 이용하여 100 mA/㎠ 에서 전지의 충전 및 방전 성능을 보여주는 그래프이고;
도 5는 본 실시태양에 따른 갈바니 전지가 배터리를 형성하기 위해 조립될 수 있는 방식을 보여주는 개략적 도표이고; 그리고
도 6은 갈바니 전지를 만드는 예시적인 방법을 보여주는 흐름 도표이다.
본 발명의 현재 바람직한 실시태양은 그림에 대한 언급으로 가장 잘 이해될 수 있는데 여기 전체에서 유사한 부분은 유사한 숫자로 지정한다. 여기 도면에서 보통 기술하고 도식하듯이 본 발명의 요소는 각각 다른 매우 다양한 형상에서 배열되고 고안될 수 있음을 쉽게 이해할 것이다. 따라서 도면에서 나타나는 대로 본 실시태양에 대한 다음의 더욱 상세한 기술은 청구된 대로 본 발명의 범위를 제한하기 위한 의도가 아니나 단지 발명의 현재 바람직한 실시태양을 나타내는 것이다.
이제 도 1에 대하여 언급하면 갈바니 전지 (10)의 개략적 대표도가 도시되어 있다. 도 1에서 전지 (10)은 양극 구획 (11) 및 음극 구획 (16)을 포함한다. 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자는 양극 구획 (11)과 음극 구획 (16)을 가지는 전지 (10)를 어떻게 만드는지 이해할 것이다. 업계에 알려진 바와 같이 양극 구획 (11)과 음극 구획 (16)을 형성하기 위해 폐쇄 벽 (30)이 이용될 수 있다. 폐쇄 벽 (30)을 만드는 것은 음극 구획 (16)과 양극 구획 (11) 사이에 직접적인 전기적 소통이 없도록 하는 것이어야 한다. 이 폐쇄 벽 (30)은 물, 공기 등이 전지 (10)로 들어와서 그 안에 함유된 화학물질과 반응하는 것을 막기 위해 불침투성일 수 있다.
음극 구획 (16) 내에 음극 물질 (17)이 있을 수 있다. 이 음극 물질 (17)은 금속일 수 있다. (따라서, 여기서 사용될 때 음극 물질 (17)은 여기서 음극 금속 (17)으로 언급할 수 있다.) 여기 나타난 바와 같이, 음극 금속은 나트륨 또는 리튬과 같은 알칼리 금속일 수 있다. 보통, 전지 (10)는 음극 금속 (17) (예를 들어, 나트륨 또는 리튬) 이 액체인 온도에서 작동할 것이다. 따라서, 도 1의 묘사에서 음극 금속 (17)은 액상으로 보여진다. 예를 들어, 음극 금속 (17)이 리튬이라면 전지 (10)는 약 185 ℃와 약 250 ℃ 사이의 온도에서 작동 (되고/되거나 유지)되도록 고안할 수 있다. 음극 금속 (17)이 나트륨이라면, 전지 (10)는 약 100℃와 약 200 ℃ 사이, 또는 더욱 바람직하게는 약 100 ℃와 약 185 ℃ 사이, 그리고 훨씬 더 바람직하게는 약 110 ℃와 약 170 ℃ 사이의 온도에서 작동 (되고/되거나 유지)되도록 고안할 수 있다. 일부 실시태양에서, 강철 또는 스테인레스 강과 같은 금속으로 음극 구획을 둘러싼다. 다른 물질 역시 사용할 수 있다.
전형적으로 윗 공간 (18)은 음극 구획 (16) 내에 있을 수 있으며 액체 음극 금속 (17) 위에 위치할 수 있다. 윗 공간 (18)은 추가로 질소 또는 아르곤과 같은 비활성 기체 (19)를 포함할 수 있다. 전지 (10)가 충전 또는 방전되고 있을 때, 음극 금속 (17) (나트륨 또는 리튬)은 반응에서 소모되거나 방출된다. 따라서 음극 금속 (17)의 양이 변하기 때문에 액체 음극 금속 (17)의 레벨이 변화 (예를 들어, 올라가거나 내려감)할 수 있다. 액체 음극 금속 (17)의 레벨이 변화할 때 비활성 기체 (19)를 도관 (27)을 통해 범람 구획 (26) 안으로 및 이로부터 배출할 수 있다. 따라서, 전지 (10)가 충전 또는 방전될 때 윗 공간 (18) 안의 비활성 기체 (19)가 갈바니 전지 (10)를 나가고 갈바니 전지 (10)로 다시 들어오게 한다. 필요하다면 비활성 기체 (19)를 구획 (26) 안으로 및 이로부터 배출하도록 도관 (27)의 일부로서 밸브 또는 다른 조절 기전을 사용할 수 있다.
전지 (10) 안에서 이온 전도성 멤브레인 (15)을 사용한다. 이온 전도성 멤브레인 (15)은 양극 구획 (11)을 음극 구획 (16)으로부터 분리하고 이에 따라 음극 금속 (17)을 양극 구획 (11) 안에 수용된 화학물질로부터 격리한다. 이온 전도성 멤브레인은 음극 구획 (16)과 양극 구획 (11) 사이에 관통하는 공극이 없도록 만들 수 있다. 멤브레인 (15)은 나트륨 양이온 또는 리튬 양이온과 같은 알칼리 금속 이온을 멤브레인 (15)을 통해 수송할 수 있을 것이다. 일부 실시태양에서 멤브레인 (15)은 멤브레인 (15)의 유효표면적을 증가시키기 위해 멤브레인의 외부 표면에 위치한 다공성 층을 포함할 수 있다. 도 1의 실시태양에서 이온 전도성 멤브레인 (15)은 NaSICON 멤브레인이다. 그러나 위에 나타난 것과 같이 이온 전도성 멤브레인 (15)에 사용될 수 있는 다른 물질은 LiSICON, 나트륨 베타 알루미나, 및/또는 다른 물질을 포함한다. 도 1의 실시태양에서 이온 전도성 멤브레인 (15)은 평평하다.
전지 (10)의 양극 구획 (11)을 폐쇄 벽 (30)으로 형성할 수 있다. 일부 실시태양에서, 폐쇄 벽 (30)은 전자 전도성 및/또는 불침투성인 다중층으로 분리할 수 있다. 벽의 각각의 층은 전자 전달 및/또는 벽 내에 구성성분 함유와 같은 그 고유의 기능을 수행할 수 있다. 이와 달리, 벽 (30)은 전자를 전달하고 벽 (30) 내에 구성성분을 함유하도록 고안된 단일층일 수 있다. 예를 들어, 벽 (30)은 이 때 불침투성의 절연성 고분자로 (바깥쪽에) 둘러쌀 수 있는 흑연 또는 내식 금속을 주로 포함할 수 있다.
양극 구획 (11)은 극성 용매 (14)를 수용한다. 극성 용매 (14)는 배터리의 작동 온도 (예를 들어, 100 ℃와 200 ℃ 사이)에 걸쳐 액상으로 남아있도록 선택한다. 양극 활성 물질과 사용할 수 있는 극성 용매의 예는 N-메틸 포름아미드 (NMF), 포름아미드, 디메틸포름아미드, 테트라글라임, 디글라임, 디메틸에테르, 등이다. 대부분의 이러한 용매는 0.9 g/입방 센티미터 내지 1.1 g/입방 센티미터 범위의 비중을 가진다. 다른 극성 용매는 에탄올암모늄 니트레이트 및 이미다졸륨 할로게노알루미네이트염 등과 같은 이온성 액체를 포함할 수 있다. 다른 실시태양은 용매로서 아세트아미드, 메틸아세트아미드 또는 디메틸아세트아미드를 사용할 수 있다.
양극 구획 (11)은 또한 양극 활성 물질 (13)을 수용한다. 이 양극 활성 물질 (13)은 황 또는 아이오딘일 수 있다. 황은 2.07 g/입방 센티미터의 비중을 가지며 115 ℃ 내지 445 ℃ 범위에서 녹아 있다. 유사하게 아이오딘은 4.92 g/입방 센티미터의 비중을 가지며 114 ℃ 내지 185 ℃ 의 범위에서 액체이다. 황 및 아이오딘 양쪽의 나트륨염은 성질상 극성이며 위에 열거된 것과 같은 극성 용매에서 용해성이다. 사실상 나트륨의 다황화물은 특히 NMF에서 용해성이다.
황과 아이오딘 양쪽 모두 극성 용매 (14)보다 큰 비중을 가지기 때문에 양극 활성 물질 (13) (예를 들어, 황/아이오딘)은 극성 용매 (14) 아래에 (예를 들어, 양극 구획 (11)의 바닥에 또는 그 근처에) 위치한다. 전지 (10)가 충전 또는 방전되고 있을 때 양극 활성 물질 (13) (황 또는 아이오딘)은 반응에서 소모되거나 방출된다. 따라서, 양극 활성 물질 (13)의 양이 변화하기 때문에 양극 구획 (11) 안의 극성 용매 (14) 레벨 역시 변화 (예를 들어, 올라가거나 내려감)할 수 있다. 양극 활성 물질 (13)의 레벨이 변화할 때 극성 용매 (14)를 도관 (37)을 통해 범람 구획 (35) 안으로 및 이로부터 배출할 수 있다. 따라서, 갈바니 전지 (10)가 충전 또는 방전될 때, 극성 용매 (14)가 전지 (10)를 나가고 전지 (10)로 다시 들어오게 한다. 필요하다면 극성 용매 (14)를 구획 (35) 안으로 및 이로부터 배출하도록 도관 (37)의 일부로서 밸브 또는 다른 조절 기전을 사용할 수 있다.
도 1의 실시태양에서, 극성 용매 (14)가 양극 활성 물질 (13)로 채워지지 않은 양극 구획 (11)을 채워서 극성 용매 (14)가 이온 전도성 멤브레인 (15)과 양극 활성 물질 (13) 사이의 이온성 소통을 제공하도록 한다. 범람 구획 (35) 안에 극성 용매 (14) 위에 윗 공간 (21)이 있을 수 있다. 이동가능하거나 유연한 벽 또는 벽의 일부를 통해서 가변적 부피를 가지도록 고안할 수 있는 범람 구획 (35)을 극성 용매 (14)가 전부 채우는 다른 실시태양을 고안할 수 있다. 또 다른 실시태양에서 비활성 기체 (예를 들어, 아르곤, 질소 등)를 윗 공간 (21)에서 사용한다.
도 1에서 보여지는 바와 같이 양극 구획 (11)이 하나 이상의 양극 전류 집전체 (8)를 수용하는 실시태양을 만들 수 있다. 도 1의 실시태양에서 전류 집전체 (8)는 하나 이상의 전류 집전체 핀 (fin) (12)을 포함한다. (물론, 다른 실시태양은 전류 집전체가 다른 구조를 포함하는 것으로 고안할 수 있다.) 이러한 전류 집전체 핀 (12)은 양극 구획 (11)의 바닥 (50)으로부터 위를 향해 양극 구획 (11)으로 뻗을 수 있다. 핀 (12)은 로드 (rod) 또는 다른 유사한 구조일 수 있다. 전류 집전체 핀 (12)은 양극 구획 (11)의 바닥에서의 더 고밀도의 양극 활성 물질 (13)과 양극 구획 (11)의 위에 위치한 액체 극성 용매 (14) 사이의 경계면 (62)에 전기적 접촉을 제공하도록 수행할 수 있다. 핀 (12)은 핀 (12) 사이의 물질의 수송을 촉진하기 위해 다공성이거나 또는 하나 이상의 구멍을 가질 수 있다. 도 1에서, 오직 하나의 핀 (12)이 구멍 (60)과 함께 보여진다. 그러나, 모든 핀 (12)은 필요에 따라 구멍 (60)을 포함할 수 있다. 필요에 따라 하나 초과의 구멍 (60)이 핀(들) (12)에서 사용될 수도 있다. 또한 극성 용매 (14)/양극 활성 물질 (13) 사이의 경계면 (62)이 올라가고 내려갈 때, 핀 (12)이 여전히 경계면 (62)에 전자적 접촉을 제공하도록 핀 (12)을 구성할 수 있다. 다시 말하면, 핀 (12)은 경계면 (62) 위치가 변화 (상승)할 때조차도 경계면 (62)에 전기적 접촉을 제공한다. 핀 (12)은 또한 반응이 일어나도록 더 넓은 표면적을 제공하고 이에 따른 추가적인 장점을 제공한다. 전지 (10)가 완전히 충전 또는 방전될 때조차도 경계면 (62)의 높이가 하나 이상의 핀 (12)의 높이를 초과하지 않도록 하나 이상의 핀 (12)의 높이를 고안한다.
전지 (10)와 관련된 반응을 이제 기술할 것이다. 다음의 실시예에서 나트륨을 음극 금속 (17)으로 사용한다:
배터리 방전:
양극 반응:
½I2＋e- → I-
(양극 활성 물질 (13)로 아이오딘을 사용하는 경우)
1/8 S8＋2 e- → S-2 또는 다르게는
Sy＋2 e- → Sy -2, 여기서 1≤y≤30 또는 다르게는
1/8 S8＋Sy -2＋2 e- → S(y+1) -2, 여기서 1≤y≤30
(양극 활성 물질 (13)로 황을 사용하는 경우; 그러나 일부 다중황화물 또한 양극에서 형성될 수 있다.)
음극 반응:
Na → Na+＋e-
배터리 충전:
양극 반응:
I → ½I2＋e-
(양극 활성 물질 (13)로 아이오딘을 사용하는 경우)
S → 1/8 S8＋2 e-, 다르게는
Sy -2 → Sy＋2 e-, 여기서 1≤y≤30 또는 다르게는
S(y+1) -2 → 1/8 S8＋Sy -2＋2 e-, 여기서 1≤y≤30
(양극 활성 물질 (13)로 황을 사용하는 경우)
음극 반응:
Na+＋e- → Na
배터리에서 양극으로 황을 사용하고 음극으로 나트륨을 사용할 때, 배터리는 대략 2.2 V의 출력을 생산할 수 있다. 배터리에서 양극으로 아이오딘을 사용하고 음극으로 나트륨을 사용할 때 배터리는 대략 3.2 V의 출력을 생산할 수 있을 것이다.
또한, 음극 금속 (17)으로 리튬을 사용하는 실시태양을 고안할 수도 있다. 그러나 이 경우에서 양극 활성 물질 (13)로 황을 선택할 수 있다. 이에 대해서는, 리튬이 181 ℃에서 녹는데 이것이 아이오딘의 끓는 온도에 근접한다는 것이 그 이유이다. 따라서 리튬 및 황의 경우에 적절한 작업 온도 범위는 182 ℃와 250 ℃ 사이일 수 있다. 물론, 이 반응 동안 이 온도 범위에서 액체 상태로 남아있는 극성 용매가 있을 것이다. 이 실시태양을 사용할 때, LiSICON 또는 다른 물질을 멤브레인 (15)으로 사용할 수 있다. 이 실시태양에서 다음의 반응이 일어날 수 있다 :
배터리 방전:
양극 반응 :
2 Na+＋1/8 S8＋e- → Na2S
(양극 활성 물질 (13)로 황을 사용하는 경우; 그러나, 일부 다중황화물 또한 양극에서 형성될 수 있다.)
음극 반응:
Na → Na+＋e-
배터리 충전:
양극 반응:
Na2S → 2 Na+＋1/8 S8＋2 e-
음극 반응:
Na+＋e- → Na
도 1의 실시태양에서 충전/방전 동안 다양한 구획의 부피가 변할 때 용매 또는 비활성 기체를 받도록 고안한 구획 (26 및 35)이 있다. 이러한 추가적인 구획은 액체 또는 기체 물질을 수용할 수 있는 챔버 (chamber), 백 (bag), 또는 다른 유사한 구조일 수 있다. 일부 실시태양에서 양극 구획 (11) 및/또는 음극 구획 (16)은 유연한 물질로 만들어져 이러한 구획의 부피 자체가 전지의 충전/방전 동안 변화할 수 있게 한다. 유연한 물질로 만들어진 구획 (11, 16)을 가지는 이러한 실시태양에서 추가적인 구획 (26 및 35)의 사용은 필수적이지 않을 것이다. 추가의 실시태양에서 구획 (26 및 35)은 부피를 변화하기 위해 팽창하거나 수축할 수 있는 피스톤 또는 주머니의 사용을 수반할 수 있다. 유사하게, 구획 (11, 16) 자체가 필요에 따라 부피를 변화하는 기전으로써 피스톤 또는 주머니를 포함할 수 있다.
이제 도 2에 대하여 언급하면 갈바니 전지 (100)의 또 다른 실시태양이 도시되어 있다. 전지 (100)가 도 1에 보여진 전지 (10)와 유사하다는 것을 염두에 두어야 한다. 따라서, 전지 (100)의 많은 원소/요소들이 전지 (10)의 원소/요소들과 유사하다. 간결하게 하기 위해 이러한 유사한 원소/요소에 대한 논의는 많은 부분을 생략한다. 하지만 도 2의 실시태양에서 양극 구획 (11)을 음극 구획 (16)으로부터 분리하는 멤브레인은 바닥이 막힌 관 모양이다.
전지 (100)에서 양극 구획 (11)이 도시되어 있다. 양극 구획 (11)은 양극 활성 물질 (13)을 수용하는 폐쇄 용기를 포함한다. 이 양극 활성 물질 (13)은 황 또는 아이오딘일 수 있다. 양극 활성 물질 (13)은 전지 (100)가 충전된 상태에 있을 때 양극 폐쇄 용기 바닥에 머무를 수 있다. 극성 용매 (14)는 양극 활성 물질 (13) 위에 위치한다 (양극 활성 물질 (13)은 용매 (14)보다 더 높은 비중을 가지기 때문이다).
양극 구획 (11)은 양극 전류 집전체 (8)를 포함할 수 있다. 이전의 실시태양과 같이 전류 집전체 (8)는 하나 이상의 전류 집전체 핀(12)을 포함할 수 있다. 이러한 핀 (12)은 양극 구획 (11)의 바닥에 또는 근처에 위치할 수 있다. 전류 집전체 핀 (12)은 양극 구획 (11)의 바닥에서의 더 고밀도의 양극 활성 물질 (13)과 양극 구획 (11)의 위에 위치한 액체 극성 용매 (14) 사이의 경계면 (62)에 전기적 접촉을 제공하도록 수행할 수 있다. 또한 핀 (12)은 핀들 사이의 물질의 수송을 촉진하기 위해 다공성이거나 또는 하나 이상의 구멍을 가질 수 있다. 또한 극성 용매 (14)/양극 활성 물질 (13) 사이의 경계면 (62)이 올라가고 내려갈 때, 핀 (12)이 여전히 경계면 (62)에 전기적 접촉을 제공하도록 핀 (12)을 구성할 수 있다. 전지 (100)가 충전 또는 방전되고 있을 때, 양극 활성 물질 (13) (황 또는 아이오딘)은 반응에서 소모되거나 방출된다. 따라서 양극 활성 물질 (13)의 양이 변하기 때문에 양극 구획 (11) 안의 극성 용매 (14)의 레벨 또한 변화 (예를 들어, 올라가거나 내려감)할 수 있다. 양극 활성 물질 (13)의 레벨이 변화할 때, 극성 용매 (14)를 도관 (37)을 통해 범람 구획 (35) 안으로 및 이로부터 배출할 수 있다. 필요하다면 극성 용매 (14)를 구획 (35) 안으로 및 이로부터 배출하도록 도관 (37)의 일부로서 밸브 또는 다른 조절 기전을 사용할 수 있다. 또한, 양극 구획 (11) 안의 극성 용매 (14) 위에 윗 공간 (21)이 있을 수 있다. 일부 실시태양에서 윗 공간 (21)을 질소 또는 아르곤과 같은 비활성 기체로 채울 수 있다. 이러한 비활성 기체는 전지가 충전되고 방전될 때 각각의 구획 안에서 일어날 부피 변화를 수용하기 위해 구획 (35) 안으로 및 이로부터 배출할 수 있다. 따라서 전지 (100)가 충전 또는 방전될 때 전지 (100)를 나가고 전지 (100)로 다시 들어오도록 윗 공간 (21) 안의 비활성 기체를 구성할 수 있다. 다르게는, 전지 (100)가 충전/방전될 때 윗 공간 (21) 안의 비활성 기체를 별도의 챔버/저장용기 안으로 및 이로부터 배출할 수 있다.
전지 (100)는 음극 금속 (17)을 수용하는 음극 구획 (16)을 추가로 포함한다. 위에 나타난 것과 같이 음극 금속 (17)은 나트륨 또는 리튬과 같은 알칼리 금속일 수 있다. 전지 (100)는 음극 금속 (17)이 액체인 온도에서 작동할 수 있다. 따라서 음극 금속 (17)의 레벨 (수직 높이)은 전지 (100)의 충전 상태에 따라 (예를 들어, 전지 (100)가 완전히 충전, 완전히 방전, 부분적으로 충전되는 등의 여부에 따라) 올라가고 내려갈 수 있다.
전형적으로 윗 공간 (18)은 음극 구획 (16) 내에 있을 수 있고 액체 음극 금속 (17)위에 위치할 수 있다. 윗 공간 (18)은 질소 또는 아르곤과 같은 비활성 기체 (19)를 추가로 포함할 수 있다. 전지 (10)가 충전 또는 방전되고 있을 때, 음극 금속 (17) (나트륨 또는 리튬)이 반응에서 소모되거나 또는 방출된다. 따라서 음극 금속 (17)의 양이 변하기 때문에 액체 음극 금속 (17)의 레벨이 변화 (예를 들어, 올라가거나 내려감)할 수 있다. 액체 음극 금속 (17)의 레벨이 변화할 때 비활성 기체 (19)를 도관 (27)을 통해 범람 구획 (26) (저장용기) 안으로 및 이로부터 배출할 수 있다. 필요하다면 비활성 기체 (19)를 구획 (26) 안으로 및 이로부터 배출하도록 도관 (27)의 일부로서 밸브 또는 다른 조절 기전을 사용할 수 있다.
음극 전류 집전체 (23)는 음극 금속에 전기적 접촉을 제공하며 완전한 범위의 전지 방전에 접촉을 제공하도록 고안한다. 캡 (22)이 환경으로부터 전지 (100)를 밀봉한다.
도 2의 실시태양에서 음극 금속 (17)을 이온 전도성 멤브레인 관 (20) 안에 포함한다. 이온 전도성 멤브레인 관 (20)은 양극 구획 (11)을 음극 구획 (16)으로부터 분리하고 이에 따라 음극 금속 (17)을 양극 구획 (11) 내에 수용된 화학물질로부터 격리한다. 이온 전도성 멤브레인은 음극 구획 (16)과 양극 구획 (11) 사이에 관통하는 공극이 없도록 만들 수 있다. 멤브레인 관 (20)은 나트륨 양이온 또는 리튬 양이온과 같은 알칼리 금속 이온을 멤브레인을 통해 수송할 수 있을 것이다. 일부 실시태양에서 멤브레인 관 (20)의 유효 표면적을 증가시키기 위해 멤브레인 관 (20)이 멤브레인의 외부 표면에 위치한 다공성 층을 포함할 수 있다. 도 2에 보여지는 바와 같이 멤브레인은 바닥이 막힌 관 모양이다. 양극 구획 (11)은 이온 전도성 멤브레인 관 (20)의 아래쪽 레벨 (40) (예를 들어, 바닥) 위로 늘일 수 있는 하나 이상의 벽 (42)을 가질 수 있다.
전지 (100)는 위에 나타난 방식으로 작동 (예를 들어 충전 또는 방전)할 수 있다. 전지 (10, 100)는 이들이 적당한 온도에서 작동하는 것을 확실히 하기 위해 온도가 조절되는 환경 내에 포함될 수 있다는 것을 염두에 두어야 한다. 일부 실시태양에서 음극으로 사용되는 알칼리 금속이 나트륨인 경우 이 온도는 100 ℃ 와 200 ℃ 사이일 수 있다. 리튬이 활성 음극 물질로 이용된다면 전지 (10, 100)는 182 ℃와 250 ℃ 사이의 온도에서 작동할 수 있다. 따라서 본 실시태양은 중온 (예를 들어, 약 250 ℃ 미만)에서 작동할 수 있는 Na-S 배터리 또는 Na-I (또는 Li-S 또는 Li-I) 배터리를 제공한다.
도 2의 실시태양은 또한 하나 이상의 핀 (12)를 포함한다. 도 1의 실시태양과 같이 전지 (10)가 완전히 충전 또는 방전될 때조차도 경계면 (62)의 높이가 하나 이상의 핀 (12)의 높이를 초과하지 않도록 하나 이상의 핀 (12)의 높이를 고안한다. 또한 하나 이상의 핀 (12)은 필요에 따라 하나 이상의 구멍 (60)을 포함할 수 있다. 다시 말해, 도 2에서 오직 하나의 핀 (12)이 하나의 구멍 (60)과 함께 보여지더라도 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자는 (1) 추가적인 구멍이 핀 (12)에 추가될 수 있고 (2) 다른 핀 (12) 역시 하나 이상의 구멍 (60)을 포함할 수 있다는 것을 알 것이다.
도 1-2의 실시태양에서 양극 구획 (11)은 두 개의 다른 물질, 극성 용매 (14) 및 활성 물질 (13)을 포함한다. 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자는 활성 물질 (13)이 겔 또는 에멀젼에 현탁되어 있는 추가적인 실시태양을 만들 수 있음을 인지할 것이다. (이 경우, 겔/에멀젼은 용매를 포함한다.) 예를 들어, 용매 (14)는 PBDF 또는 PVMF (이는 비활성 물질임)의 매트릭스일 수 있다. 이러한 실시태양에서 양극 구획 내용물의 부피는 매트릭스 내에서 동일하게 머무를 것이다. 양극의 전도성을 증가시키기 위해 전기 도체 (예를 들어 탄소 또는 탄소 발포체 물질)를 가할 수 있다. 예를 들어, 전도성 또는 전압을 증가시키기 위해 전극을 탄소 발포체 안에 담글 수 있다.
용매가 흘러서 양극 구획의 전도성을 증가시키도록 양극 구획 (11)이 다공성 탄소를 포함하는 또 다른 실시태양 역시 고안할 수 있다.
본 실시태양에 따라 만들 수 있는 전지의 특정 실시태양의 성능에 대한 실시예를 지금 제시할 것이다. 예를 들어, 도 3 및 4는 다른 실시태양을 만들었을 때 얻어지는 테스트 결과를 보여준다. 특히, 도 3은 음극으로서 녹아 있는 나트륨, NaSICON 세라믹 멤브레인, 양극 용매로서 디메틸아세트아미드 및 양극 활성 물질로서 황/황화물을 이용하여 25 mA/㎠ 에서 전지의 충전 및 방전 성능을 보여준다.
도 4는 음극으로서 녹아 있는 나트륨, NaSICON 세라믹 멤브레인, 양극 용매로서 메틸아세트아미드 및 양극 활성 물질로서 황/황화물을 이용하여 100 mA/㎠에서 전지의 충전 및 방전 성능을 보여준다.
도 5는 배터리 (200)를 형성하기 위해 본 실시태양의 전지 (10, 100)를 이용하는 방식의 개략적 대표도를 보여준다. 특히, 배터리 (200)가 하나 이상의 갈바니 전지 (10)를 포함한다. 도 5의 실시태양에서 배터리 (200)는 도 1의 갈바니 전지 (10) 네 (4) 개를 포함한다. 그러나, 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자는 도 2의 갈바니 전지 (100) 역시 배터리 (200)를 형성하는 데 사용할 수 있다는 것을 인지할 것이다. 또한, 네 (4) 개의 갈바니 전지 (10)가 배터리 (200)에 나타나더라도 이 개시는 제한적이지 않다. 필요에 따라 배터리 (200)를 형성하기 위해 임의의 숫자의 갈바니 전지 (10)를 사용할 수 있다. 다시 말하면, 배터리 (200)는 하나 이상의 갈바니 전지 (갈바니 전지 (10) 또는 갈바니 전지 (100))를 포함할 수 있다. 도 5에 나타난 바와 같이 하나 이상의 갈바니 전지 (10)를 연결부 (210)를 통해 전기적으로 연결할 수 있다. 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자는 기능하는 배터리 (200)를 만들기 위해 전지 (10)를 어떻게 연결하는지 이해할 것이다.
여기 나타난 바와 같이 배터리 (200) (및 갈바니 전지 (10 또는 100))를 더 높은 온도에서 작동할 수 있도록 고안한다. 예를 들어, 일부 실시태양에서 전지 (10, 100)를 (예를 들어 만일 음극 금속이 리튬이라면) 그것이 약 185 ℃와 약 250 ℃ 사이의 온도에서 작동(되고/되거나 유지)되도록 고안한다. 다른 실시태양에서 전지 (10, 100)를 (예를 들어 만일 음극 금속이 나트륨이라면) 그것이 약 100 ℃ 와 약 200 ℃ 사이에서 작동(되고/되거나 유지)되도록 고안한다. 또 다른 실시태양에서 전지 (10, 100)를 (예를 들어 만일 음극 금속이 나트륨이라면) 그것이 약 100 ℃와 약 185 ℃ 사이에서 작동(되고/되거나 유지)되도록 고안한다. 전지/배터리가 이러한 상승된 온도에서 작동하도록 하기 위해서 배터리 (200)를 상승된 온도 환경 (220)에 위치시킬 수 있다. 이러한 더 높은 온도를 발생시킬 수 있도록, 열 발생기 (230)가 배터리 (200)로 향하는 열 (240)을 생산해서 배터리 (200)가 원하는 상승된 온도에서 작동 (충전, 방전 및/또는 전력을 저장하기 위해 사용됨)할 수 있게 한다. 물론, 도 5의 실시태양은 오직 예시적 목적을 위해 나타낸 것이다. 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자는 실온보다 높은 온도에서 배터리 (200) 및/또는 전지 (10, 100)를 어떻게 사용하고, 유지하고 그리고/또는 작동할 수 있는지 알 것이다.
이제 도 6에 대하여 언급하면 갈바니 전지를 형성하는 방법 (300)의 예시적인 실시태양이 도시되어 있다. 이 방법은 전지를 얻는 것 (304)을 수반한다. 전지는 전지 (10) 또는 전지 (100) (또는 다른 실시태양)일 수 있다. 여기 나타낼 때 전지는 음극 구획 및 양극 구획을 포함할 수 있다. 전지는 또한 음극 구획을 양극 구획으로부터 분리할 수 있는 이온 전도성 멤브레인을 포함할 수 있다. 또한, 전지는 양극 전류 집전체를 포함할 수 있다. 양극 전류 집전체는 양극 구획 내에 위치할 수 있다.
음극 물질은 음극 구획 내에 위치할 수 있다 (308). 음극 물질은 리튬 또는 나트륨 금속을 포함할 수 있다. 음극 물질은 녹아 있는 리튬 금속 또는 녹아 있는 나트륨 금속일 수 있다. 다른 실시태양에서 음극 물질은 액체 리튬 또는 나트륨 금속을 형성하도록 가열되는 그 고체 형태의 리튬 또는 나트륨 금속을 포함한다. 양극 활성 물질은 양극 구획 내에 위치한다 (312). 양극 활성 물질은 아이오딘 또는 황을 포함할 수 있다. 극성 용매는 또한 양극 구획 내에 위치할 수 있다 (316). 양극 활성 물질은 극성 용매의 비중보다 큰 비중을 가질 수 있다. 따라서 양극 활성 물질 및 극성 용매 모두가 양극 구획에 위치할 때 양극 활성 물질은 양극 구획의 바닥 근처에 위치할 것이다 (예를 들어, 극성 용매 아래). 또한, 이 방법 (300)은 양극 전류 집전체가 양극 구획 내의 양극 활성 물질과 극성 용매 사이의 경계면에 전기적 접촉을 제공하는 것을 확실히 하는 것 (320)을 수반할 수 있다. 전류 집전체는 경계면의 위치가 변화할 때조차도 경계면에 전기적 접촉을 제공한다.
이 방법 (300)의 단계는 예시적이며 이 방법의 다양한 단계를 도 6에 보이는 것과 다른 순서로 수행할 수 있다는 것을 염두에 두어야 한다. 다른 순서의 단계를 가지는 그러한 실시태양은 본 실시태양의 범위 내에 속한다.
본 발명은 여기서 넓게 기술하고 이후에 청구하는 대로의 그 구조, 방법 또는 다른 본질적인 특성에서 벗어나지 않고 다른 특정 형태로 구현할 수 있다. 기술한 실시태양은 모든 면에 있어서 단지 예시적인 것이며 제한적인 것이 아님을 고려해야 한다. 따라서 본 발명의 범위는 앞의 기술에 의해서라기보다는 첨부된 청구항에 의해 시사된다. 청구항의 등가물의 의미 및 범위 내에서의 모든 변형은 그 범위 내에 포용될 것이다.

Claims (20)

  1. 액상의 알칼리 금속을 포함하는 음극 물질을 수용하는 음극 구획;
    양극 구획;
    양극 구획 내의 극성 용매;
    극성 용매보다 더 큰 비중을 가지는 비기체상의 물질을 포함하는, 양극 구획 내의 양극 활성 물질;
    양극 구획으로부터 음극 구획을 분리하는 이온 전도성 세퍼레이터 (separator); 및
    경계면의 위치가 변화할 때조차도 양극 활성 물질과 극성 용매 사이의 경계면에 전기적 접촉을 제공하는 양극 전류 집전체
    를 포함하는 재충전가능한 갈바니 전지.
  2. 제1항에 있어서, 음극 물질이 나트륨 또는 리튬을 포함하는 재충전가능한 갈바니 전지.
  3. 제2항에 있어서, 양극 활성 물질이 하나 이상의 황 및 아이오딘을 포함하는 재충전가능한 갈바니 전지.
  4. 제3항에 있어서, 음극 물질이 리튬을 포함하고 양극 활성 물질이 황을 포함하며 갈바니 전지의 온도가 약 185 ℃와 약 250 ℃ 사이로 유지되는 재충전가능한 갈바니 전지.
  5. 제3항에 있어서, 음극 물질이 나트륨을 포함하고 갈바니 전지의 온도가 약 100 ℃와 약 200 ℃ 사이로 유지되는 재충전가능한 갈바니 전지.
  6. 제5항에 있어서, 갈바니 전지의 온도가 약 100 ℃와 약 185 ℃ 사이로 유지되는 재충전가능한 갈바니 전지.
  7. 제5항에 있어서, 갈바니 전지의 온도가 약 110 ℃와 약 170 ℃ 사이로 유지되는 재충전가능한 갈바니 전지.
  8. 제3항에 있어서, 이온 전도성 멤브레인이 하나 이상의 NaSICON, 나트륨 베타 알루미나, 나트륨 베타 프라임 알루미나, 나트륨 베타 더블 프라임 알루미나, LiSICON, 및 유리 세라믹을 포함하는 재충전가능한 갈바니 전지.
  9. 제3항에 있어서, 극성 용매가 하나 이상의 아세트아미드, 메틸아세트아미드, 및 디메틸아세트아미드, N-메틸 포름아미드 (NMF), 포름아미드, 디메틸포름아미드, 테트라글라임, 디글라임, 디메틸에테르, 에탄올암모늄 니트레이트, 이미다졸륨 할로게노알루미네이트염 및 이들의 조합을 포함하는 재충전가능한 갈바니 전지.
  10. 제3항에 있어서, 갈바니 전지가 충전 또는 방전될 때 극성 용매가 갈바니 전지를 나가고 갈바니 전지로 다시 들어오도록 갈바니 전지가 구성되는 재충전가능한 갈바니 전지.
  11. 제10항에 있어서, 갈바니 전지가 충전 또는 방전될 때 음극 구획 내의 윗 공간 안의 비활성 기체가 갈바니 전지를 나가고 갈바니 전지로 다시 들어오도록 갈바니 전지가 구성되는 재충전가능한 갈바니 전지.
  12. 제1항에 있어서, 갈바니 전지가 충전 또는 방전될 때 양극 구획 내의 액체가 갈바니 전지를 나가고 갈바니 전지로 다시 들어오도록 갈바니 전지가 구성되는 재충전가능한 갈바니 전지.
  13. 제1항에 있어서, 이온 전도성 멤브레인이 평평하거나 관 모양인 재충전가능한 갈바니 전지.
  14. 제1항에 있어서, 양극 전류 집전체가 양극 구획의 바닥으로부터 위로 뻗어 있는 하나 이상의 핀을 포함하는 재충전가능한 갈바니 전지.
  15. 제14항에 있어서, 전지가 완전히 충전 또는 방전될 때조차도 경계면의 높이가 핀의 높이를 초과하지 않도록 핀의 높이가 고안된 재충전가능한 갈바니 전지.
  16. 제15항에 있어서, 핀이 하나 이상의 구멍을 포함하는 재충전가능한 전지.
  17. 음극이 액상의 나트륨 또는 리튬 금속을 포함하는, 음극 물질을 포함하는 음극 구획;
    양극 구획;
    음극 구획 내의 극성 용매;
    양극 활성 물질이 극성 용매보다 더 큰 비중을 가지며 양극 활성 물질이 액상의 황 또는 아이오딘을 포함하는, 양극 구획 내의 양극 활성 물질;
    음극을 극성 용매로부터 분리하는 이온 전도성 세퍼레이터; 및
    경계면의 위치가 변화할 때조차도 양극 활성 물질과 극성 용매 사이의 경계면에 전기적 접촉을 제공하는 양극 전류 집전체
    를 각각 포함하는 하나 이상의 갈바니 전지를 포함하고 약 100 ℃와 약 250 ℃ 사이의 온도에서 작동하는 배터리.
  18. 제17항에 있어서,
    극성 용매가 하나 이상의 아세트아미드, 메틸아세트아미드, 및 디메틸아세트아미드, N-메틸 포름아미드 (NMF), 포름아미드, 디메틸포름아미드, 테트라글라임, 디글라임, 디메틸에테르, 에탄올암모늄 니트레이트, 이미다졸륨 할로게노알루미네이트염 및 이들의 조합을 포함하고;
    이온 전도성 멤브레인은 하나 이상의 NaSICON, 나트륨 베타 알루미나, 나트륨 베타 프라임 알루미나, 나트륨 베타 더블 프라임 알루미나, LiSICON, 및 유리 세라믹을 포함하고; 및
    이온 전도성 멤버레인이 관 모양 또는 평평한 것인 배터리.
  19. 제18항에 있어서, 음극 물질이 나트륨을 포함하고 갈바니 전지의 온도가 약 100 ℃와 약 200 ℃ 사이로 유지되는 배터리.
  20. 음극 구획;
    양극 구획;
    양극 구획 내의 양극 전류 집전체; 및
    양극 구획으로부터 음극 구획을 분리하는 이온 전도성 멤브레인을 포함하는 전지를 얻는 것;
    액상의 알칼리 금속을 포함하는 음극 물질을 음극 구획 내에 위치시키는 것;
    황 또는 아이오딘을 포함하는 양극 활성 물질을 양극 구획 내에 위치시키는 것;
    양극 활성 물질이 극성 용매의 비중보다 더 큰 비중을 가져서 양극 구획 안의 극성 용매 아래에 위치하도록 극성 용매를 양극 구획 내에 위치시키는 것;
    경계면의 위치가 변화할 때조차도 양극 활성 물질과 극성 용매 사이의 경계면에 양극 전류 집전체가 전기적 접촉을 제공하는 것을 확실히 하는 것
    을 포함하는 갈바니 전지의 제조 방법.
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