현재 나트륨 이온 전지 목차 왜 나트륨 이온 전지를 개발하는가 ? 나트륨 사용 전지 나트륨 이온 전지 현재 나트륨 이온전지의 현황 왜 나트륨 이온 전지를 개발하는가 ? 왜 나트륨 이온 전지를 개발하는가 ? 한정적인 리튬의 생산량 전기자동차와 에너지 저장 시스템으로 사용하기 위해 고안정성 , 고용량 , 장 수명 , 저 가격의 특성을 지니는 새로운 2 차 전지 기술의 필요 전해질 - 가연성의 유기 전해액을 사용 안정성과 액 누출 등의 위험 나트륨 사용 전지 특징 - 모듈의 출력과 용량이 크기 때문에 비교적 대규모 전력 저장 시스템에 적합 - 전지의 충방전은 300 ℃ 부근에서 가능한 고온형 전지 - 높은 에너지 밀도 납축전지 밀도의 3 배 이상 1. NaS 전지 약 110Wh/kg (150~250Wh/L) 2. ZEBRA 전지 약 100Wh/kg (150~180Wh/L) - 긴 사이클 수명 (5,000 회 충 방전 가능 ) - 동작을 위해 작동 온도를 유지할 필요가 있음 - 고 충방전 효율을 가지며 자기 방전이 없기 때문에 효율적으로 전기를 저장 가능 . 문제점 - 재료열화와 Na 의 폭발 등의 문제 음극 : 나트륨 양극 : 유황 전해질 : 베타 알루미나 세라믹스 ( 나트륨 이온 전도성을 가진 고체 전해질 ) 음극 : 나트륨 양극 : 염화니켈 전해액 : 염화알루미늄나트륨 ← 그림 2. ZEBRA 전지 Na-NiCl2 전지 ← 그림 1. NaS 전지 나트륨 전지의 종류는 ? 특징 - 100 ℃ 이하에서 작동할 수 있는 이온성 액체를 전해액으로 사용 - 에너지 밀도 270~290Wh/L(167~224Wh/kg) 으로 높은 값 - 무기계 이온성 액체인 용융염을 사용함으로서 완전 불연성이고 , 전지의 소형화 , 경량화가 가능 - 나트륨 용융염 전지의 평균 전압은 약 3.0V - 충전시 양극에서 음극으로 나트륨 이온 이동 ( 나트륨 합금 형성 ) - 방전시 음극에서 양극으로 나트륨 이온 이동 그림 1. 나트륨 용융염 전지 나트륨 전지의 종류는 ? 특징 리튬에 비해 자원이 풍부 나트륨 이온 사이즈와 중량이 리튬보다 크기 때문에 이온의 전극간의 이동이 어려움 - 전기저장 장치로서의 약점 - 나트륨 이온 전지의 평균 전압은 약 3.0V - 충전시 양극에서 음극으로 나트륨 이온 이동 ( 나트륨 합금 형성 ) 방전시 음극에서 양극으로 나트륨 이온 이동 구조 : 양극재 , 격막 , 액체전해질 , 음극재로 구성 그림 1. 나트륨 이온 전지 동작원리 나트륨 이온 전지의 현재 요약 카이스트에서 이차전지 전극 소재로써 활성이 높지 않은 염화나트륨 화합물을 전기화학적으로 활성하는 방법을 개발하여 이를 이차전지 전극 소재로 활용할수 있는 가능성을 제시 나트륨 이온 전지의 현재 요약 기존 나트륨이온전지 양극 소재로 개발된 물질은 대부분 전기 전도도가 낮아 느리게 충전됨 - 한국연구재단에서 베타 - 산화철 수산화물 ( β- FeOOH ) 과 전기 전도도가 높은 탄소나노튜브를 결합함 . - 우수한 방전 용량을 보임 - 탄소나노튜브의 높은 전기 전도성으로 나트륨 저장을 위한 신속한 전환반응이 가능해짐 - 탄소나노튜브와 베타 - 산화철수산화물이 복합체를 형성시 뛰어난 전기적 성능 기대 나트륨 이온 전지의 현재 요약 - 현재 삽입반응을 거치는 나트륨 저장물질들의 저장용량이 낮음 - 전환 , 합금반응을 거쳐야 함 - 그러나 급격한 결정구조의 변화에 따라 입자가 분쇄되어 성능이 빠르게 저하됨 . 카이스트 연구팀에서 이런 문제를 황화구리의 전환반응을 이용하여 안정적인 충전 . 방전을 발견 - 원인 : 사진 처럼 유사 정합 경계면을 형성하여 입자의 분쇄를 막아준다는 사실 발견 감사합니다 {nameOfApplication=Show}
리튬 이온 전지 목차 2 차전지란 ? 리튬 이온 전지의 구조 리튬 이온 전지의 충전 / 방전 리튬 이온 전지의 수요 배터리의 문제점 2 차 전지란 ? 리튬이온 전지의 구조 ← 그림 1. 리튬 이온 전지의 구조 양 극 : 무기물로 구성된 것과 유기물로 구성된 것으로 나뉘고 아래의 그림은 여러 가지 무기 양극의 입체 구조를 보여준다 . 음 극 : 흑연으로 이루어져 있으며 리튬이온을 흡수 , 방출하며 전류가 흐르게 한다 . 전해액 : 리튬 이온이 이동할 수 있도록 하는 전해질 . 분리막 : 양극과 음극이 섞이지 않도록 한다 . ← 그림 2. 양극 , 음극의 구성 양극은 무기물이나 유기물의 결정으로 , 음극은 흑연으로 구성된다 . 이 결정의 틈 사이로 리튬 이온이 이동하면서 전지가 기전력 ( 전압 ) 을 가지게 된다 . 왼쪽의 그림은 흑연과 무기결정이다 . 충전과 방전 방전 충전 양극 ( 흑연 ) 음극 ( 무기화합물 ) ↑ 그림 리튬이온의 이동과 충전 , 방전 흑연의 육각구조 사이의 틈에 끼어있던 리튬 이온이 음극 으로 이동하는 것이 방전이고 반대로 음극에서 양극으로 이동하는 것이 충전이다 . 방전 시 리튬 이온의 이동으로 전류가 발생하고 충전 시에 는 반대방향의 외부전압에 의하여 리튬 이온이 강제로 이동하게 된다 . 리튬 이온 배터리의 수요 리튬 이온 배터리의 수요 리튬 이온 배터리의 문제점 N 포털사이트에 따르면 리튬 이온 배터리가 500 회 충전 , 방전시키면 효율이 급격하게 떨어진다고 한다 . 하루에 1 번 ~2 번 정도 , 즉 , 하루 평균 1.5 회 충전하는 걸로 계산해보면 500/1.5= 약 333 회이다 . 333 일은 1 년이 채 되지 않는다 . 그러나 핸드폰 교체 시기는 2 년 정도 . 배터리의 효율이 매우 낮은 상태를 1 년 동안 쓰게 되는 셈이다 . 감사합니다 {nameOfApplication=Show}
무기 신소재 (그래핀)학 년학 번성 명과 목 명제 출 일1. 그래핀의 개요가. 정의그래핀은 탄소 원자로 만들어진 2차원 물질로 벌집 모양의 구조를 가지고 있으며,단층의 그래핀은 원자 한 층의 두께로 매우 얇은 물질이며 반금속성(Semi-Metallic) 물질이다.연필심으로 사용되는 흑연은 탄소들이 육각모양의 벌집구조를 이루는 2차원 구조의 판들이 층층이쌓인 3차원 결합구조의 형태로 이루어졌고, 이 한 층의 2차원 탄소결합 판을 떼어낸 것이 그래핀이다.나. 물리적 특성그래핀은 투명하며 빛의 2.3%만을 흡수해도 상온에서 은보다 열전도성이 높으며, 전자가 마치 질량이없는 것처럼 움직여 기존 반도체보다 전기의 흐름이 빨라질 수 있어 실리콘 기판을 대체할 수 있는차세대 재료로 각광받고 있다. 현존하는 소재 중 가장 얇은 물질로 구리보다 전류밀도가 높고극저온에서만 관측되는 양자 홀효과를 상온에서 보이는 특성이 있다.그래핀은 강도, 열전도율, 전자이동도 등 여러가지 특성이 현존하는 물질 중 가장 뛰어난 소재로디스플레이, 2차전지, 태양전지, 자동차 및 조명 등 다양한 분야에 응용되어 관련 산업의 성장을 견인할전략적인 핵심소재로 인정받고 있다.다. 흑연과 그래핀 상관관계그래핀은 연필심에 쓰이는 흑연의 구성 물질로, 흑연을 뜻하는 그래파이트(Graphite)와 탄소 이중결합을가진 분자를 뜻하는 접미사 -ene를 결합하여 만들어진 용어이다.그래핀의 종류로는 한 층 그래핀(Single-Layer Graphene), 두 층 그래핀(Two- Layer Graphene) 및다층 그래핀(Multi- Layer Graphene) 등으로 나눌 수 있다.순수한 2차원 그래핀은 한 층 구조이나 보통 최초 그래핀 공정 시 층의 개수에 따라 한 개 층부터여러 층을 가진 그래핀이 관찰된다.1) 흑연흑연은 평명을 이루려는 성향이 강하기 때문에 결정구조가 층층이 쌓인 지층 같은 모습을 하고 있으며,판이 겹쳐진 결정구조로 인해 연필심으로 사용 시 부드럽게 밀리며, 전기를 통하는 특징을 보인다.2) 플러렌플러렌은 탄소 원자가 오각형과 육각형으로 배열된 공에 가까운 모양을 갖는 분자를 통칭하는 것이다.탄소원자 60개가 공 모양으로 뭉친 결정으로 어떤 원자는 3개, 어떤 원자는 4개 전자를 공유결합에사용하기 때문에 소수의 자유전자가 생성되며, 이 전자들은 초전도 현상을 일으킨다.3) 탄소나노튜브탄소나노튜브는 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있으며, 관의 지름이수십 나노미터에 불과하여 탄소나노튜브라고 명명된다. 반도체, 평판 디스플레이, 배터리, 초강력 섬유및 바이오센서 등에 사용된다.4) 그래핀그래핀에서 탄소원자들은 각각 원자가 강한 공유결합을 통해 3개의 이웃한 원자들에 결합하는 벌집패턴으로배열된다. 단층 그래핀의 두께는 탄소원자 1개분인 약 0.34nm로 대단히 얇으나, 강도는 다이아몬드와동일한 수준으로 매우 단단하고 그래핀 시트를 겹쳐서 mm수준의 두께로 만들면 2톤짜리 자동차를 지지할수 있는 강도가 발생한다.2. 그래핀의 기술현황가. 그래핀 합성현재까지 이루어진 그래핀의 개발은 크게 그래핀을 대량 생산할 수 있는 그래핀 *합성분야와 생산된그래핀을 적용하여 기존의 재료를 대체하여 성능을 개선시킬 수 있는 *응용분야로 진행되고 있다.현재 그래핀을 생산하는 방법은 크게 4가지 공정으로 구분된다.-기계적 박리법, 화학증착법, 에피텍셜 합성법, 화학적 박리법1) 기계적 박리법기계적 박리법은 다층으로 구성된 흑연 결정에서 기계적인 힘으로 한 층을 벗겨내어 그래핀을만드는 방법이다.-SiO2 기판 위를 연필심으로 문지르면 그래핀의 주원료인 흑연이 기판에 쌓이게 되는데 이 때겹겹이 쌓여 있던 흑연을 테이프로 층층이 벗기면, 여러 층의 흑연이 유리 위에 붙어있는 상태가된다. 테이프를 반복적으로 붙였다 떼기를 반복하면 유리판 위에는 한두 겹의 그래핀이 남게 된다.2) 화학 증착법화학 증착법은 고온에서 탄소 또는 합금을 잘 형성하거나, 탄소의 흡착성이 우수한 전이금속을촉매로 사용하여 그래핀을 합성하는 방법이다.Ni, Cu, Pt 등과 같이 탄소를 잘 흡착하는 전이금속을 촉매층으로 SiO2 기판 위에 증착하고,1,000의 고온에서 메탄, 수소 등의 혼합가스 분위기에서 탄소가 촉매 층과 반응하여 적절한양의 탄소가 촉매 층에 녹아 들어 가거나 흡착되도록 한다.3) 에피텍셜 합성법에피텍셜 합성법은 실리콘 카바이드(SiC)와 같이 탄소가 결정에 흡착되거나 포함되어 있는 재료를약 1,500의 고온 분위기에서 열처리하여 그래핀을 합성하는 방법이다.-열처리 공정 중 탄소가 실리콘 카바이드 표면의 결을 따라 성장하면서 그래핀이 형성된다.4) 화학적 박리법화학적 박리법은 그래핀의 대면적 성장과 대량생산이라는 두 가지 목표에 가장 근접해 있는방법으로 알려져 있으며, 흑연의 산화-환원 특성을 활용한 방법이다.-흑연을 강산과 산화제 등으로 산화시켜 산화 흑연을 제작 후, 물과 닿게 하면 산화 흑연의강한 친수성으로 물 분자가 면과 면 사이에 침투한다.3. 그래핀의 시장현황가. 그래핀 세계시장 규모 (단위: 억달러)연도분야2015년2020년2025년2030년투명전극592035471,2002차전지용 전극541905821,631차세대 반도체1048203780초경량/고강도 소재80183360652방열재료702226131,564배리어/코팅재료12254575인쇄전자용 소재15295398전체시장3009002,4046,000나. 응용분야별 시장 점유 전망그래핀 기반 산업은 우리나라가 R&D 단계부터 세계 최고 수준의 경쟁력을 갖춘 것으로 판단된다.-반도체, 디스플레이, 자동차 등 세계 최고수준의 국내 산업과 융합하여 상용화 기술을 획득할 때세계시장의 높은 점유율 달성이 가능할 것이다.다. 그래핀 세계시장 점유율 전망연도응용분야전 망최종점유율2015년2020년2025년2030년투명전극금액4714735669058.0점유율80.072.565.057.52차전지용 전극금액5259331019.0점유율10.013.016.019.0차세대 반도체금액4209137148.0점유율40.042.545.047.5초경량/고강도 소재금액8256313821.0점유율10.013.817.521.3방열재료금액145920261840.0점유율20.026.533.039.5배리어/코팅재료금액14102230.0점유율10.016.523.029.5인쇄전자용 소재금액25122930.0점유율10.016.523.029.5금액합계812858282,17836.0점유율27.031.734.436.3-
유기 신소재 (탄소섬유)학 년학 번성 명과 목 명제 출 일1. 탄소섬유의 개요가. 정의탄소섬유는 PAN(Polyacrylonitrile) 수지, 석유계/석탄계 탄화수소 잔류물인 피치(Pitch, 아스팔트) 또는레이온(Rayon)으로부터 제조된 섬유로서, 탄소 원자의 질량 함유율이 90% 이상인 탄소계 섬유 소재를의미한다. 이러한 탄소섬유는 제품의 형태에 따라 토우(Tow), 직물, 프리프레그(Preoreg), 매트(Mat),필라멘트(Filament) 등으로 분류되며, 원료에 따라 PAN계, 피치계, 레이온계 탄소섬유로 분류된다.직물촙섬유분쇄섬유프리프레그일반적으로 탄소섬유는 단독으로 사용되지 않고 기지재(Matrix)인 세라믹, 금속, 플라스틱 수지 등에첨가하여 기능을 강화시킨 복합소재로 사용되고 있다.그 중에서도 플라스틱을 이용한 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)의 형태가 가장 많이 사용되고 있으며,뛰어난 성형성과 고온에서의 높은 강도를 이용해 항공기 및 우주왕복선의 구조소재, 에너지 저장소재,자동차 소재, 전자기기 부품 소재, 소포츠 용품 소재 등 폭넓게 활용되고 있다.나. 탄소섬유의 특성탄소섬유는 철 대비 가볍고, 강도 및 탄성이 높아, 철의 대체재로써 알루미늄, 마그네슘 등의 소재와경합이 가능하다. 그 외에도 형태적, 화학/물리적, 기계적, 열적, 전기/전자적 특성을 갖는다.이러한 유용한 특성 때문에 다양한 용도로 폭넓게 활용이 가능하여 산업계 전반으로 확대되는추세이다.항목특성형태적 특성다양한 형태로 가공성이 우수함기지재와 조합한 섬유보강재 제작이 가능함섬유 축 방향과 각각 방향은 이방성을 가짐화학/물리적 특성불연성이며 화학적으로 안정하고, 산화에 의해 열화됨고온에서 금속탄화물을 형성하고, 고온의 공기, 산성 용매에 약함다공성이며, 표면 활성화에 의해 흡/탈착이 가능함기계적 특성금속보다 밀도가 작음인장강도, 탄성률이 높음내마모성, 윤활성이 우수함열적 특성선팽창계수가 작고, 치수 안정성이 우수함고온에서도 기계적 특성이 저하되지 않음극저온 영역에서의 열전도성이 낮음전기/전자적 특성전도성이 우수함전파를 반사하며, 전파 시인성이 우수함X-ray 투과성이 양호함다. 탄소섬유의 종류PAN계 탄소섬유의 전구체로 쓰이는 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile)은 가장 경제성이 높은전구체로, 고강도를 구현할 수 있으며 목적에 따라 습식, 건식, 용융방사법(Melt Spinning)등을 통해미세한 섬유로 제작이 가능하다. 피치계 탄소섬유는 콜타르 및 석유 잔류물로부터 얻어지는 저가의탄소계 물질인 피치를 직접 용융 방사하여 얻은 저물성의 피치섬유를 전구체로 하는 섬유로 스포츠및 산업용 범용섬유라고 할 수 있다. 레이온계 탄소섬유는 기본적으로 셀룰로오스를 레이온으로재가공하여 얻은 레이온 섬유를 전구체로 하여 제조된 탄소섬유를 말하며, PAN계 탄소섬유와 달리전구체의 물성이 자유자재로 조절되지 않는 문제점으로 널리 상용화되지 못하고 있다.이러한 탄소섬유 종류 중 오늘날 탄소섬유의 생산량과 사용량이 가장 많은 것은 PAN계 탄소섬유이다.2. 탄소섬유의 기술현황가. 탄소섬유 제조기술PAN계 탄소섬유는 아크릴로나이트릴(Acrylonitrile) 모노머(Monomer)를 공중합에 의해 PAN을 중합한 후,습식 또는 건식 방사를 통하여 전구체를 제조한다.이를 중간체로 하여, 산화(200~300)와 탄소화(1,000~2,000)를 거쳐서 탄소섬유를 제조하며 이때탄소섬유의 물성(강성, 탄성률)을 조절할 수 있기 때문에 제조업체만의 공정 기술이 요구된다.PAN계 탄소섬유 제조 공정에서 가장 중요한 공정은 산화(Oxidation)공정이며, 이 단계에서 분자는 탄소화(Carbonization)반응을 제어하기 쉬운 피리미딘(Pyrimidine)고리를 주성분으로 하는 고분자로 형성된다.후공정의 안정성 및 편의성을 위해 표면처리와 사이징(Sizing)을 하며, 고탄성 섬유를 얻기 위해 추가적으로흑연화 공정(2,000~3,000)을 거치기도 한다. 흑연화(Graphitization)는 원하는 인장강도, 결정화도 및 구조를얻기 위해 열처리를 하는 것으로, 높은 온도에서는 섬유의 축방향으로 무질서하게 배열되었던 난층구조입자가 질서 있게 배향이 일어난다. 피치계 난소섬유는 콜타르 또는 석유 중질 유분을 원료로 사용하여방사성이 좋은 피치로 개질한다. 이를 용융방사 하여 피치섬유를 얻은 후 불융화를 위하여 300~390로유지되는 공기 중(산화 분위기)을 통과한다. 불융화한 섬유는 1,500~1,700의 고온의 불활성 분위기에서탄화를 거치며, 이를 다시 고온 2,500~3,000의 불활성 분위기에서 흑연화를 한다. 후공정의 안정성 및편의성을 위해 표면처리와 사이징을 거치면 고탄성률의 피치계 탄소섬유가 제조된다.나. 탄소섬유 복합소재 제조기술탄소섬유 복합소재는 강도와 탄성률이 높은 탄소섬유를 강화재로 이용한 재료 및 제품을 지칭한다.탄소섬유 복합소재에 이용되는 기지재에 따라 플라스틱계와 세라믹계, 금속계 등으로 분류되며 그 중에서탄소섬유에 고분자 수지를 결합시켜 만든 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)이 주종을 이루고 있다.탄소복합소재의 성형법에는 탄소섬유와 수지를 혼합하여 사용하기 편한 형태의 중간재를 미리 만들어사용하는 중간재 활용법과 탄소섬유와 수지가 곧바로 혼합하여 가공되는 직접 성형법이 있다.직접 성형법은 별도의 중간재를 거치지 않으므로 비교적 경제적이긴 하지만, 수지/탄소섬유 비율의 편차,수지 물성의 한계, 복잡한 형상 구현이 어려운 한계가 있다. 따라서 복합소재 부품에는 프리프레그 중간재를주로 사용한다. 프리프레그를 사용하면 수지와 탄소섬유 비율을 정밀하게 조절함으로써 직접 성형법을적용하였을 때보다 신뢰성이 높은 고품질의 복합소재를 만들 수 있으며, 필요한 부분에 원하는 형태로재단하여 사용할 수 있는 장점이 있다.탄소섬유강화플라스틱(CFRP)의 개념도3. 탄소섬유의 시장현황가. 국내 시장현황MarketsandMarkets(M&M)의 ‘Carbon Fiber Market – Global Forecast to 2026’에 따르면,국내 탄소섬유 시장은 2015년 353.9억 원에서 2017년 421.3억 원 규모로 성장하였으며, 향 후연평균 8.69%의 성장률을 시현하여 2021년에는 587.9억 원의 시장규모를 형성할 것으로 전망된다.스포츠/레저 산업, 자동차 산업, 항공우주 산업을 중심으로 수요가 꾸준히 증가할 것으로 예상되며,차량 경량화 트렌드 소재 산업 경쟁력 확보를 위한 정부 차원의 각종 연구/개발 지원 사업의 증가는탄소섬유 시장 성장의 긍정적인 요소로 작용할 것으로 예상된다.나. 세계 시장현황MarketsandMarkets(M&M)의 ‘Carbon Fiber Market – Global Forecast to 2026’에 따르면,세계 탄소섬유 시장은 2015년 23.4억 달러에서 2017년 29.1억 달러 규모로 성장하였으며, 향 후연평균 12.54%의 성장률을 시현하여 2021년에는 46.7억 달러의 시장규모를 형성할 것으로 전망된다.세계 탄소섬유 시장의 전방산업별 시장 비중은 항공우주, 방위산업 부문이 53.5%, 자동차 부문이10.2%, 풍력발전 산업부문이 9.7%, 스포츠/레저용품 제조부문이 7.7%, 기타 산업부문이 18.9%를차지하고 있는 것으로 파악된다. 세계 탄소섬유 시장은 항공우주 산업에서의 수요급증, 자동차 경량화를통한 연료 소비효율 증대, 풍력발전 산업에서의 수요 증가를 주요 요소로 빠르게 확대될 것으로 예상되며,적용 산업 범위의 확대는 탄소섬유 시장의 성장 속도를 더욱 촉진할 것으로 예상된다.국내 탄소섬유 및 CFRP 시장세계 탄소섬유 및 CFRP 시장
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