소개글
"리튬-공기 배터리 전기촉매 합성"에 대한 내용입니다.
목차
1. 리튬-산소 배터리의 특징과 과제
1.1. 리튬-이온 배터리의 한계와 고에너지 밀도 배터리의 필요성
1.2. 리튬-산소 배터리의 작동 원리
1.3. 리튬-산소 배터리의 장단점
1.4. 리튬-산소 배터리 성능 향상을 위한 과제
2. 리튬-산소 배터리의 충전 과정 개선
2.1. 충전 과정에서의 과전압 발생 문제
2.2. 부반응으로 인한 성능 저하
2.3. 전극 재료 및 분리막 역할의 중요성
3. 광촉매 기반의 리튬-산소 배터리
3.1. 플라즈모닉 효과와 LSPR 현상
3.2. 금 나노 입자의 도입을 통한 성능 향상
3.3. 빛 조사에 따른 충방전 거동 변화
4. 실험 방법 및 결과
4.1. 금 나노 입자 합성 및 전극 제작
4.2. 리튬-산소 배터리 셀 조립
4.3. 전기화학적 특성 평가
5. 결론 및 향후 과제
5.1. 금 나노 입자의 plasmonic 효과를 통한 리튬-산소 배터리 성능 개선
5.2. 고체 전해질 및 새로운 전극 소재 개발 필요성
5.3. 리튬-공기 배터리의 실용화를 위한 과제
6. 참고 문헌
본문내용
1. 리튬-산소 배터리의 특징과 과제
1.1. 리튬-이온 배터리의 한계와 고에너지 밀도 배터리의 필요성
지난 30년간 리튬-이온 배터리는 휴대용 전자기기의 상업시장을 이끌며 디지털 혁명을 가져왔다. 리튬-이온 배터리의 주요 전지 반응은 두 겹의 화합물 사이에서 가역적인 리튬-이온의 intercalation-deintercalation 과정이 반복되는 것이다. 그러나 에너지 밀도와 전지 용량의 이론적인 한계에 빠르게 다가가면서 더 나은 에너지 밀도와 실용적인 충방전 사이클, 저렴한 비용 등을 갖춘 대체 디바이스가 요구되고 있다. 이는 전기차에 적용하여 현실적인 주행거리를 충족시키고 운행 비용을 낮출 수 있기에 더욱 주목받고 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 기존의 intercalation mechanism에서 conversion mechanism으로 이동하며 대표적인 고에너지의 리튬-황 배터리와 리튬-산소 배터리가 큰 주목을 받고 있다. 특히 리튬-산소 배터리는 높은 이론 에너지 밀도로 인해 차세대 에너지 저장 기술로서 주목받고 있다.
1.2. 리튬-산소 배터리의 작동 원리
리튬-산소 배터리의 작동 원리는 다음과 같다. 리튬-산소 배터리는 음극으로 리튬 금속을, 양극으로 공기 중의 산소를 사용한다. 배터리의 방전 과정에서 음극의 리튬 금속이 산화되어 리튬 이온(Li+)이 생성되고, 이 리튬 이온이 전해질을 통해 양극으로 이동한다. 양극에서는 산소가 리튬 이온과 반응하여 Li2O2라는 고체 화합물을 형성한다. 이 반응은 자발적으로 일어나며 다음과 같은 화학식으로 표현할 수 있다.
2Li + O2 → Li2O2
이렇게 방전 과정에서 양극에 Li2O2가 쌓이게 되고, 충전 과정에서는 반대로 이 Li2O2가 분해되면서 산소와 리튬 이온이 생성된다. 이 과정은 다음과 같은 화학식으로 나타낼 수 있다.
Li2O2 → 2Li+ + O2 + 2e-
이처럼 리튬-산소 배터리는 방전 시 산소가 환원되어 Li2O2를 생성하고, 충전 시 Li2O2가 분해되면서 산소가 발생하는 원리로 작동한다. 이러한 작동 원리로 인해 리튬-산소 배터리는 기존의 리튬-이온 배터리에 비해 높은 이론적 에너지 밀도를 가질 수 있다.
1.3. 리튬-산소 배터리의 장단점
리튬-산소 배터리의 장단점은 다음과 같다.
장점은 우선 높은 이론적 에너지 밀도를 가지고 있어 차세대 고에너지 밀도 배터리로 주목받고 있다. 리튬-이온 배터리의 에너지 밀도 한계를 극복할 수 있는 대안으로 여겨지고 있다. 또한 양극에 대기 중의 산소를 활용함으로써 부피와 무게를 크게 줄일 수 있으며, 전지 제조 비용도 저감할 수 있다. 리튬-이온 배터리와 달리 탄소 기반의 양극을 사용하고 공기 중의 산소를 전기화학적으로 활용하기 때문에 보다 경제적이고 친환경적인 전지 제조가 가능하다.
단점으로는 우선 충전 과정에서 발생하는 과전압이 문제이다. 방전 시 생성된 고체 Li2O2가 충전 과정에서 효율적으로 분해되지 않아 높은 과전압이 발생한다. 이로 인해 배터리의 효율이 저하되고 발열 문제가 발생할 수 있다. 또한 Li2O2 생성 및 분해 과정에서 부반응이 발생하여 전해질 및 전극이 열화되는 문제도 있다. 리튬 금속 음극의 불안정성도 주요 과제인데, 수분 및 공기 중 산소와의 반응으로 제품 수명이 저하될 수 있다. 마지막으로 배터리 작동 시 발생하는 부생성물의 처리 문제도 해결해야 할 과제이다.
1.4. 리튬-산소 배터리 성능 향상을 위한 과제
리튬-산소 배터리 성능 향상을 위한 과제는 크게 다음과 같다.
첫째, 충전 과정에서의 큰 과전압 문제를 해결해야 한다. 리튬-산소 배터리의 충전 과정에서는 산소 분자를 환원하는 데 높은 에너지가 필요하기 때문에 과전압이 크게 발생하게 된다. 이로 인해 충전 과정에서 에너지 손실이 약 75%에 달해 낮은 round-trip efficiency를 보인다. 이를 해결하기 위해서는 충전 과정에서의 과전압을 효과적으로 감소시킬 수 있는 방안이 필요하다.
둘째, 부반응으로 인한 성능 저하 문제를 해결해야 한다. 리튬-산소 배터리 내에서는 충방전 과정에서 다양한 부반응이 발생하여 전지 성능을 저하시킨다. 예를 들어 충전 과정에서 리튬 산화물이 분해되면서 탄산리튬 등의 부산물이 생성되며, 이는 전해질 분해를 야기한다. 이러한 부반응을 최소화할 수 있는 새로운 전극 재료 및 전해질 개발이 필요하다.
셋째, 전극 재료 및 분리막의 역할이 중요하다. 리튬-산소 배터리의 양극은 기존 리튬이온 배터리와 달리 공기극 역할을 하므로 기공도, 전기화학적 활성, 전자 전도성 등 양극 재료의 특성이 매우 중요하다. 또한 분리막은 양극과 음극을 전기적으로 분리하면서 산소와 이산화탄소 등의 가스 이동을 제어하는 역할을 하므로 분리막 재료 선택도 중요하다. 따라서 양극 및 분리막 재료의 최적화를 통해 전지 성능을 향상시킬 필요가 있다.
이와 같은 과제들을 해결하기 위해서는 리튬-산소 배터리의 핵심 반응 메커니즘에 대한 깊이 있는 이해가 필요하다. 충방전 과정에서 일어나는 복잡한 화학 반응과 부반응에 대한 체계적인 분석을 통해 전지 성능 향상을 위한 전략을 수립할 수 있을 것이다.
2. 리튬-산소 배터리의 충전 과정 개선
2.1. 충전 과정에서의 과전압 발생 문제
리튬-산소 배터리의 충전 과정에서는 높은 과전압이 발생하는 문제가 있다. 일반적으로 리튬-산소 배터리의 방전 과정에서는 산소 환원 반응(ORR)이 일어나 Li2O2가 생성되지만, 충전 과정에서는 산소 발생 반응(OER)이 일어나 Li2O2를 분해하여 산소를 생성하게 된다. 이 충전 과정에서 발생하는 높은 과전압은 약 75%의 낮은 라운드트립 효율을 야기하여 에너지 손실을 초래한다.
충전 과정에서 과전압이 크게 발생하는 이유는 다음과 같다. 첫째, 충전 과정에서 Li2O2의 분해가 어려운 반응 동역학 때문이다. Li2O2는 고체 물질로서 전하 이동이 느리기 때문에 높은 전하 이동 장벽이 발생한다. 둘째, 충전 과정에서 부반응에 의한 부산물 생성이 문제가 된다. 전해질과 Li2O2의 부반응으로 Li2CO3 등의 부산물이 생성되어 전극 표면에 축적되면 추가적인 과전압을 유발한다. 셋째, 첫 번째 사이클 대비 두 번째 사이클에서 과전압이 크게 증가하는...
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