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Al-Air Battery 예비보고서

알루미늄-에어 배터리Aluminum-Air Battery“나는 자랑스런 인하인으로, 스스로의 힘으로 정직하게 레포트를 작성하였습니다.” + 이름 + 서명________________________________________________________________________________________________________________________실험 목적알루미늄 호일과 활성탄, 그리고 종류와 농도가 다른 전해액을 이용하여 Aluminum-Air Battery를 직접 만드는 실험을 함으로써 어떻게 작동하는지 이해한다. 또한 전해액의 농도와 종류, 활성탄의 용량 변화가 개방회로전압과 방전용량에 어떠한 영향을 미치는지 실험한다.실험 이론- 배터리의 구성 요소, 종류 및 특징1) 배터리의 구성 요소배터리는 음극(anode), 양극(cathode), 전해액(electrolyte), 분리막(membrane)으로 구성된다. 각각 극은 크게 활물질과 도전재로 나뉘는데, 대표적으로 양극의 활물질은 전지의 용량과 전압을 결정하므로 중요한 요소 중 하나이다. 도전재는 양극 끝에 위치하여 전자의 흐름을 도와주는 역할을 하는데, 도전재의 고밀도는 사용 가능한 활물질의 양을 증가시키기 때문에, 중요한 요소 중 하나이다. 전해액은 금속 이온의 이동성에 영향을 주기 때문에, 충전속도에 큰 영향을 미친다. 분리막은 배터리의 안정성을 결정하는데, 양극과 음극 활물질이 섞이지 않도록 분리해주는 역할을 한다.또한 배터리의 원리는 다음과 같다. Anode에서의 산화반응으로 금속이 전자를 방출하여 전자가 도선을 통해 Cathode로 이동한다. 이 과정에서 전위차가 발생하며 각 활물질의 종류의 기전력에 상응하는 전류가 발생한다. 이러한 산화-환원 반응을 통하여 화학에너지를 전기에너지로 변환하거나, 전기에너지를 화학에너지로 변환한다.2) 종류 및 특징전지는 크게 1차 전지와 2차 전지로 분류할 수 있다. 배터리의 기본적인 원리는 충전과 방전이며, 그 원리는 화학반응을 통해서 이루어진다. 충전은 전기에너지를 화학에너지로 변환시키는 것이고, 방전은 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 것이다. 스마트폰을 예로 들면, 배터리가 줄어드는 것은 배터리에 저장된 화학에너지가 전기에너지로 변환되어 사용되고 있는 것을 의미한다.1차 전지는 오직 방전만 이루어지는 배터리를 말한다. 따라서 일회성이라는 특징을 가지며, 대표적으로 알칼라인전지와 망가니즈 전지가 있다. 2차 전지는 1차 전지와 다르게 방전과 동시에 충전이 가능한 배터리를 말한다. 배터리 내에 저장된 화학에너지를 모두 사용한 후, 전압을 가하여 다시 전기에너지를 화학에너지로 변환시켜 저장할 수 있다. 다만 수명이라는 것이 존재하여 약 500회에서 1000회 정도 사용하면 용량 감소로 인해 지속적으로 사용하는 것이 어려워지며, 음극재의 종류에 따라 수명이 다르게 결정될 수 있다. 또한 2차 전지는 메모리 현상이라는 것이 발생하는데, 이는 완전히 방전시키지 않고 충전하면 저장할 수 있는 에너지의 양이 감소하는 것을 말한다. (이는 니켈-카드뮴 전지에서 주로 나타난다.) 2차 전지는 대표적으로 리튬-이온 배터리, 니켈-카드뮴 배터리, 니켈-수소 전지 등이 있다.- Al-air battery의 이론 및 특징1) Al-air battery의 이론Al-air battery는 알루미늄과 공기 중에 있는 산소의 산화-환원 화학 반응을 통해 전기에너지를 생산하는 전지이다. 또한 충전이 불가능한 1차 전지에 속한다. Anode는 알루미늄으로 이루어져 있고, Cathode는 활성탄으로 이루어져 있다. Anode에서는 알루미늄의 산화가 발생하여 산화알루미늄이 되면서 전자를 배출하고, Cathode에서는 배출된 전자를 받아 산소가 환원되면서 전기에너지가 생성된다.Anode : Al + 3OHㅡ → Al(OH)3+3e-Cathode : 1/2O2 + H2O + 2e- → 2OH-Overall : Al(s) + 3/2H2O + 3/4O2 → Al(OH)3배터리의 출력은 전해질에 의해서 구별될 수 있다. 크게 중성 전해질을 사용하는 저출력 전지와, 강염기성 전해질을 사용하는 고출력 전지로 구분할 수 있다. 중성 전해질은 NaCl, 강염기성 전해질은 KOH, NaOH가 있다. 강염기성 전해질을 사용하게 되면 높은 출력을 얻을 수 있는데, 이는 동력기관을 대체할 정도의 수준이다. 또한 이 배터리는 산소를 이용하기 때문에 알루미늄의 교체만 이루어지면 계속해서 사용할 수 있다.2)Al-air battery의 특징Al-air battery는 공기 중의 산소를 이용하기 때문에 지속 가능한 방법이며, Cathode가 활성탄으로 구성되기 때문에 다른 배터리에 비해 가볍다. 알루미늄은 리튬에 비해 저렴하고, 매장량이 많아 이용하는데 경제적인 유리함이 있다. 또한 안정된 금속을 사용하기 때문에 안정성 측면에서 유리하고, 에너지 밀도가 높다.- 용어설명: open circuit voltage, capacity, specific energy density, self-discharge1)Open circuit voltage (개방회로전압)Open circuit voltage(개방회로전압)란, 전지에 부하가 걸리지 않은 상태에서의 양 단자 간 전압을 뜻한다. 이는 전지와 기기가 접촉하지 않아 전류가 흐르지 않을 때의 전지 양 단자 간 전위차이다. 전지에 전류가 흐를 때, 저항도 증가하여 전지 내부에 전압 강하가 발생한다. 따라서 실제 전압의 측정 값과 이론 값이 다르기 때문에, 정확한 값을 측정하는 것이 쉽지 않다. OCV는 높은 저항에서 전류의 흐름을 최소화 한 상태에서 측정된 전압이다.2)Capacity (전지용량)Capacity(전지용량)란, 전지에서 얻을 수 있는 총 전기량이다. 즉, 완전충전상태에서 완전방전이 될 때 까지 사용할 수 있는 양을 의미한다. 전지용량은 활물질의 몰수(n), 활물질 1몰 당 이동된 전자 수(z)에 비례한다.Capacity = znF ( F : 패러데이 상수)3)Specific energy density (단위질량당 에너지 밀도)Specific energy density(단위질량당 에너지 밀도)란, 이는 말 그대로 단위 질량 당 에너지 밀도를 말하며 전지의 효율을 나타내는 중요한 요소이다. 전지의 총 에너지는 전지의 용량(C)과 이론 전압(V)을 곱하여 계산할 수 있다.전지의 총 에너지(J) = 전지의 용량(C) x 이론 전압(V)이는 방전전류와 반비례 관계를 가지며, 이 값은 밀도와 관련되므로 배터리의 무게, 크기와도 밀접한 관계를 갖는다.4)Self-discharge (자가 방전)Self-discharge(자가 방전)란, 전지가 사용되지 않는 시간에도, 전지 내부에 화학반응이 발생하여 자연적으로 방전이 발생하여 전지 용량이 감소하는 현상을 말한다. 자가 방전은 전지의 수명과 밀접한 관련이 있다. (방전량은 기온과 비례한다.) 수명 저하의 원인은 물리적 원인과 화학적 원인이 있다. 물리적 원인으로는 양극의 물리적 손상으로 인해 기존 능력에 해당하는 량의 에너지만큼 보존하지 못하는 경우이다. 화학적으로는 전지 내부에서 화학 반응으로 인해 용량의 감소가 발생한다. 따라서 전지의 수명을 늘리기 위해서는 배터리가 포함된 Device를 조심히 이용해야 하며, 장기간 이용하지 않을 시, 자가 방전을 고려하여 주기적인 충전을 할 필요가 있다.실험 방법1) 알루미늄 호일(15mm x 15mm)을 준비한다.2) KOH, NaCl, H₃PO₄를 0.5M, 1M, 3M로 각각 제조한다.3) 전해질을 교반시킨다.4) 알루미늄 호일 위에 분리막 역할을 하는 키친타올을 올리고 활성탄을 첨가한다. (활성탄을 올리기 전, 방전 용량 계산을 위해 활성탄의 무게를 잰다.)5) 활성탄 위에 교반시킨 전해질을 스포이트를 이용해 뿌린다.6) 그 위에 전선을 올리고 한쪽은 밀봉하고 한쪽은 산소 유입을 위해 개봉한다.참고문헌1) 김용주 외 2명, 유기금속화학, 자유아카데미, 1992, pp. 356-3602) 정광보 외 3명, 전기화학, 신광문학사, 2000, pp. 187-196

공학/기술| 2019.06.01| 5페이지| 1,000원| 조회(178)

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