Energy Storage Technology - Stationary Sodium/Sulfur(NAS) Battery - Applications (Energy Storage) NAS Principle NAS Features Development status Production 건국대학교 신소재공학과 임성기

◎ Functions : 대용량 전력저장(MW급) 시스템 2008-07-30 ◎ Functions : 대용량 전력저장(MW급) 시스템 ● Peak 전력조절 (peak shaving) : 균형적 전력수급, 에너지 효율향상 및 경제적 효과 Fig.4 NAS in TEPCO R&D Center 7

● 부하의 균형(load leveling) : 발전효율향상, 에너지효율향상, 경제적 효과 Fig.5 3 x 2MW급 NAS 축전지 (IERE, Japan)

● 비상전류 공급 (backup generation) : 병원, 방송국, 전기, 전자, 제어 산업 Fig. 6. 납축전지와 NAS축전지의 비교 납축전지 NAS 축전지 전 압 용 량 크 기 무 게 수 명 보수관리 110 V 600 Ah 1.1mL × 2.3mW × 1.35mH 2.4 t 15 년 ½ 년 0.692mL × 1.244mW × 0.692 mH 0.3 t 15 - 20 년 6 년

● 연속적 (no shut off) 전력공급 (bridge to emergency) : 반도체, 전자산업, 데이터관리, Server등 Fig.7 NAS in Kawasaki (IERE, Japan)

● 신재생에너지 시스템 : 분산전원, 불규칙한 발전보완, 안정적 전력공급 Fig.8 NAS와 함께 구성된 풍력발전

● 전력품질향상 (improved power quality) : 안정적인 voltage, frequency 공급 ● 기 타 - Improved operating condition - Voltage support - Improved security - Transmission & distribution capacity release - Deferments of new upgraded T&D infrastructure - Improved utility system reliability - Low cost energy - Fast spinning release

◎ Principle : 구성 및 반응

◎ Features ● 대용량 (고에너지 밀도) : 이론 에너지 밀도 ≃ 760Wh/kg Battery Type Working Temp. Energy Density [Wh/kg] OCV[V] Pb-Acid MH Li-ion (Mn) Li-ion (Ni) Li-Polymer NaS -10 ~ +50℃ -20 ~ +50℃ -10 ~ +45℃ 0 ~ +90℃ +300 ~ +350℃ 20 - 40 50 - 80 100 145 - 185 120 90 - 120 2 1.3 3.6 2.07

● 고 충·방전 효율 ● 장 수명 - 정상 작동시 : 약 15년 90% 방전시 : 4,500 Cycles ● 고 충·방전 효율 - Battery 효율 : 87% 전체 효율 (inverter, heating..) : 75% 용량과 효율의 감소 (degradation) : 매우 적음 ● 장 수명 - 정상 작동시 : 약 15년 100% 방전시 : 2,500 Cycles 90% 방전시 : 4,500 Cycles 65% 방전시 : 6,500 Cycles

: Off load, there is no self–discharge, even at very low temperatures ● No memory–effect : 불규칙한 충·방전에 의한 손상이 없음 : 풍력 및 태양광 발전시스템에 적합 ● 고온전지 - 작동온도 : 290 ~ 360℃ - 주변환경에 의한 영향을 안받음 - Module heating 출력 : 2.2~ 3.4kW ● No shortage of resources ● No maintenance

◎ Developmet Status ● 국외 현황 1966 : Ford Motor Comp., USA, Na/S battery 제안 → 1973 : 500kg NaS, 200km 주행 (↔ 2 ton Pb–acid battery) 1972 ~ : BBC, Germany, 연구 개발 착수 → 1973 ~ : BMFT에 의한 지원 → 1980 ~ : 전기자동차용으로 본격화 (minibus, bus, Golf) 1980 ~ : Chloride Silent Power Ltd., England. → 1989 : Heidelberg 대학에서 연구 인수 1983 ~ : TEPCO (Tokyo Electric Power Co.), 일본, 전력저장용으로 착수 1984 ~ : NGK(일본 ) & BASF AG., (독일) 협력사업 착수 → 1994년 Field에 실용화 실현

● 국내 현황 1980 후반기 : NGK & BBC, NASTECH 공동추진 2002 ~ : TEPCO & NGK 상용화 시작 2002 ~ : USA, DOE/EPRI program에 AEP, ABB등이 참여하여 실용화 추진중 EPRI journal 2006 봄 : “Energy storage” 향후 10년간 미국시장 $ 55 Billion. 1992 ~ : G7사업 “전기자동차 개발 사업”의 일환으로 개발 착수 → 유공, 기아자동차 , 자동차부품연구소. 1995 : 사업의 축소와 ZEV 강제 판매규정이 지연되면서 중단 → Li-2차전지, Ni/MH 전지, 개량형 Pb-acid 계속 추진 ● 국내 현황

◎ NaS 전지 구성 요소 기술 세라믹 전해질 소재 기술 : 나노분말합성, Tube 성형, 소결 및 미세구조 조절 특성분석 : 이온전도도, 밀도, 강도, 상분율 전극 소재 기술 : 음극(Na) 충진 및 sealing 기술, 양극(s) 설계/소재/제조 기술 특성분석 : 전기전도도, 반응성, 밀폐성 접합 및 밀봉 소재 기술 : 세라믹/세라믹, 세라믹/금속 , 금속/금속 접합기술 특성분석 : 접합강도, 밀폐성, 내구성 외부 용기 및 current collector 소재 기술 : 용기성형기술, 도금기술 특성분석 : 강도, 내식성, 내구성 구성 요소 및 단전지 / Module 설계 Therm. management 기술 : 냉/난방 system 기술 소재 부품 기술 Safety 기술 : 진동, 낙하, 화염, 수중 System 요소 기술 150wh 급 단전지 제작 평가 10 제작 5 60 소재 부품 10 설계 20kwh 급 모듈 제작 15 system 특성평가 : 에너지 밀도, 출력밀도, 수명

Electrolyte tubes, moduled ◎ Production : NaS 전지 생산 Electrolyte tubes, moduled from ceramic powder Tube entering the kiln for curing

Quality assurance : automatic Fully automated welding plant geometry testing Fully automated welding plant for cell casing

sodium - sulfur battery Catridge with modules, complete and ready for insertion into the insulated battery case Cell modules for sodium - sulfur battery