소개글
"화학실험: 리튬공기전지, 자기조립, 양자점"에 대한 내용입니다.
목차
1. 리튬-산소 배터리 기술
1.1. 리튬-산소 배터리의 구성과 작동원리
1.2. 리튬-산소 배터리의 한계
1.3. 광촉매를 이용한 리튬-산소 배터리의 성능 향상
2. 고분자 자기조립을 이용한 나노구조 합성
2.1. 고분자 자기조립의 원리
2.2. 금 나노입자와 고분자 블록공중합체의 혼성화
2.3. 나노구조 형성과 광학적 특성
3. 양자점의 합성 및 광학적 특성 분석
3.1. 양자점의 크기에 따른 광학적 특성 변화
3.2. 양자점 크기 및 분포 측정
3.3. 양자점 농도 분석
4. 참고 문헌
본문내용
1. 리튬-산소 배터리 기술
1.1. 리튬-산소 배터리의 구성과 작동원리
리튬-산소 배터리의 구성과 작동원리는 다음과 같다.
리튬-산소 배터리는 음극으로 리튬 메탈을, 양극으로 산소(O2)를 사용하며, 리튬 이온을 포함한 전해질로 구성된다. 배터리의 방전 과정에서는 아노드에서 2Li → 2Li+ + 2e(산화)가 일어나고, 캐소드에서 O2 + 2Li+ + 2e- → Li2O2 (환원)가 일어나며, 전체 반응은 2Li + O2 → Li2O2로 자발적이다. 충전 과정에서는 아노드에서 2Li+ + 2e- → 2Li (환원)이 일어나고, 캐소드에서 Li2O2 → O2 + 2Li+ + 2e- (산화)가 일어나며, 전체 반응은 Li2O2 → 2Li + O2로 비자발적이다.
리튬-산소 배터리에서 분리막은 양극과 음극을 전기적으로 분리하여 직접적인 전기적 연결을 방지하고 전지의 안정성을 제공한다. 또한 산소와 다른 가스의 이동을 제어하여 전지 내에서 안전한 환경을 유지하고 가스 누출을 방지하는 역할을 한다.
배터리의 방전 과정에서는 산소 환원 반응(ORR)이 일어나 O2가 다공성 캐소드에서 환원되어 Li+와 결합하여 Li2O2를 생성한다. 충전 과정에서는 산소 발생 반응(OER)이 일어나 Li2O2가 분해되어 O2와 Li+를 생성한다. 이러한 충방전 과정에서 활성 중간체가 관여하기 때문에 배터리의 거동과 물질 개발이 복잡하다.
1.2. 리튬-산소 배터리의 한계
리튬-산소 배터리의 한계는 다음과 같다.
첫째, 리튬-산소 배터리는 충전 과정에서 상당히 큰 과전압이 발생한다는 문제점이 있다. 일반적으로 방전 전압은 평형 전압보다 0.26V 낮은 2.7V 이지만 the state of the art Li-O2 battery 에서조차 충전 과전압이 평형 전압보다 0.5V 이상 높다. 이는 산소의 환원(산소 분자를 리튬 산화물로 변환) 과정에 높은 에너지가 필요하기 때문이다. 또한 충전 과정에서 리튬 산화물의 생성과 함께 부산물이 발생할 수 있는데, 이 부산물은 전지 내에서 충전 과정을 방해하고 전극 표면에 축적될 수 있어 과전압을 유발한다. 마지막으로 형성된 리튬 산화물은 고체 물질로서 전하 이동을 둔화시켜 충전 중에 높은 전하 이동 장벽을 발생시키고 이는 과전압의 증가로 이어진다.
둘째, 리튬-산소 배터리의 사이클 성능 저하이다. 첫번째 사이클에서 형성된 SEI(solid electrolyte interphase) 층은 리튬 이온의 이동을 느리게 하여 두 번째 사이클부터 높은 과전압을 초래하게 된다. SEI 층은 충방전을 반복하며 점점 커지고 안정화되지만, 지속적으로 사이클을 거치면 그 위에 리튬이 쌓이게 되어 전해질의 분해가 계속되면서 이동 가능한 리튬 이온 수가 줄어들고 결국 용량 저하가 일어나게 된다.
셋째, 리튬-산소 배터리는 방전 과정에서 산소를 소모하고 이산화탄소 및 다른 가스를 생성할 수 있는데, 이로 인해 전지 내부에서 안전한 환경을 유지하기 어렵다. 이를 해결하기 위해서는 분리막을 통해 산소와 다른 가스의 이동을 제어해야 하지만, 이 과정에서 전지의 성능이 저하될 수 있다.
종합해보면, 리튬-산소 배터리는 높은 에너지 밀도를 가지고 있지만 충방전 과정에서 발생하는 과전압, 사이클 성능 저하, 안전성 문제 등 해결해야 할 많은 과제를 가지고 있다. 따라서 리튬-산소 배터리의 상용화를 위해서는 이러한 한계점들을 극복하기 위한 지속적인 연구개발이 필요하다고 할 수 있다.
1.3. 광촉매를 이용한 리튬-산소 배터리의 성능 향상
광촉매를 이용한 리튬-산소 배터리의 성능 향상이다. 태양에너지를 활용한 photo-assisted Li–O2 batteries는 photogenerated holes를 이용하여 Li2O2의 산화를 촉진하기에 충전 과정에서의 에너지 손실을 줄일 수 있어 주목받고 있다. 최근 주목받는 광촉매를 이용하여 빛을 비춰줄 경우 발현하는 localized surface plasmon resonance(LSPR) 현상을 양극에 적용하였다. Ketjen Black에 도입한 금 나노 입자는 충전 과정에서 Li2O2를 쉽게 ...
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