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무기화학 전고체전지 레포트

차세대 2차전지 ? 전고체 전지목차1. 차세대 2차전지2. 차세대 전지의 유력 후보 및 개발 동향3. 전고체 전지4. 전고체 전지의 개발 현황5. 전고체 전지 개발 기업의 자세6. 출처1. 차세대 2차전지우리 일상에서 에너지를 저장하고 사용하는 일은 이제 생활의 일부분처럼 자연스럽게 느껴진다. 이는 지난 120여 년 동안 납축전지로부터 시작해서 니켈계전지를 거쳐서 리튬이온전지로 진화 발전해 온 2차전지 덕분에 가능했던 일이다. 2차전지는 과거 자동차에 비상전원을 공급하는 보조적인 역할에서 지금은 휴대용 전자기기와 전기차의 핵심부품으로 자리 잡았다.2차전지 산업의 진화 과정을 살펴보면 신규 수요의 등장, 새로운 전지 기술의 채용, 참여 기업 확대에 따른 경쟁 격화, 빠른 기술 발전으로 인한 기술적 한계 노출의 순으로 유사한 과정을 밟아온 것을 알 수 있다.2. 차세대 전지의 유력 후보 및 개발 동향기존 리튬이온전지의 성능은 양/음극재의 소재 또는 조성 변경을 통해 상당히 많이 개선되어 왔으나, 점점 성능 개선 폭과 속도가 둔화되고 있다. 또한 지속적인 성능 개선에도 불구하고 리튬이온전지의 안전성 이슈는 여전히 완벽하게는 해결되지 않은 불안요인으로 남아있다. 리튬이온전지가 지니고 있는 안전성과 같은 내재적 불안 요소 및 성능 한계를 극복하는 동시에 소비자 또는 수요 기업의 니즈에 부합하는 방향에 맞춰서, 많은 기업들이 다양한 차세대 전지를 개발하고 있다.리튬-황 전지, 리튬-공기 전지, 나트륨/마그네슘 이온 전지, 전고체전지 등 현재 2차전지의 주류 기술이라 할 수 있는 리튬이온전지의 뒤를 이을 다양한 후보 기술들이 개발되고 있다. 차세대 전지도 리튬이온전지와 마찬가지로 양극재, 전해질 그리고 음극재의 세 가지 요소로 구성되어 있으며, 각 구성 요소의 다양한 조합에 따라 전지의 효용이 달라지게 된다.리튬-황 전지와 리튬-공기 전지는 2차전지의 기본 특성인 반복적인 충방전을 가능케 하는 매개체가 리튬 이온인 반면에, 나트륨/마그네슘 이온 전지는 리튬 대신 나트륨/마그네슘 이온이 양극재와 음극재 사이의 전해질을 따라 움직이면서 전기를 저장 또는 사용한다. 전고체전지는 양극재와 음극재 사이에 고체 상태의 전해질을 사용하며, 현재의 리튬이온전지와 차세대 전지의 다른 대안에 모두 적용할 수 있는 기반 기술 성격이 강하다.3. 전고체 전지전고체 전지는 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 것으로 기존 리튬이온전지의 액체 전해질이 가지고 있는 발화, 폭발 등의 위험성을 상당히 낮출 수 있는 장점이 있다. 개발 중인 고체 전해질은 소재에 따라 세라믹(황화물계/산화물계), 고분자, 세라믹과 고분자의 복합재로 나뉘어진다. 전고체 전지는 외부 충격에 의해 기기가 파손되더라도 전해질의 누액이나 폭발의 위험성을 획기적으로 줄일 수 있고 고온이나 고전압의 사용 환경에서도 전지의 성능 저하를 막을 수 있다. 또한 기존 리튬이온전지보다 고용량과 경량화에 유리한 측면이 있어서 전자제품을 비롯해 전기차에도 채용될 가능성이 높다.4. 전고체 전지의 개발 현황차세대 전지의 여러 후보들 중에서, 전고체 전지는 지난 10여 년 간 기술 개발 속도가 비교적 빠르게 진행되어 온 데다 리튬이온전지의 고질적인 불안 요소인 안전성을 해결해줄 수 있다는 기대감까지 더해져 가장 현실적인 대안으로 인식되고 있다. 즉, 전고체 전지가 안전성, 고용량, 디자인 자유도 등 수요 측면의 다양한 니즈를 충족시킬 수 있는 차세대 전지의 유력 후보로서 압축되고 있는 모습이다.전고체 전지로 압축되고 있는 모습은 혁신의 진화 과정에서 일반적으로 활용되는 동적 모델을 통해서도 알 수 있다. 혁신의 동적 모델은 다양한 기술 또는 제품의 경쟁 속에서 주류 기술이 등장하고 발전하는 과정을 설명해준다. 주류 기술의 등장 초기에는 제품 혁신(Product Innovation)의 비중이 높다가 어느 순간 사실 상의 표준(de facto standards)이 결정되면 제품 혁신의 비중은 감소하고 제조 효율화에 초점을 맞춘 공정 혁신(Process Innovation)의 비중이 증가하게 된다. 다른 차세대 전지와 달리 전고체 전지는 제품 혁신 자체(필요 특성을 충족시킬 수 있는 고체전해질 후보 소재의 개발) 보다 이를 양산하기 위한 공정 혁신(고체 전해질의 특성을 극대화할 수 있는 제조 공정)에 초점을 맞춰 개발이 진행되고 있는 것으로 보인다. 전고체 전지의 양산 시점을 앞당기기 위해 분말의 압축 성형, 롤투롤(Roll-to-roll) 코팅, 반도체 박막 등의 다양한 제조 공정 방식이 시도되고 있다.

공학/기술| 2020.03.29| 5페이지| 1,000원| 조회(241)

레포트, 무기화학, 전고체전지

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일반화학실험 크로마토그래피 결과보고서

1. 실험기구 및 시약(1) 실험기구100mL 비커, TLC 판, 모세관, 자, 알루미늄 호일(2) 시약식용색소 적색 40호, 식용색소 황색 5호, 전개용매 (1-뷰탄올, 아세트산, 물)2. 실험방법(1) 적색 40호, 황색 5호, 미지시료를 모세관에 묻혀서 TLC 판의 바닥에서 0.5cm 위치에 1cm 간격으로 일렬로 찍어서 반점을 만들고 말린다.(2) TLC 판을 1-뷰탄올 : 아세트산 : 물을 60 : 15 : 25 의 비율로 혼합한 전개제가 담긴 챔버에 넣어서 전개를 시작한다.(3) 시료의 반점이 전개제에 잠기지 않도록 하고 뚜껑을 덮어 전개제가 증발하지 않도록 한다.(4) 전개제가 TLC 판의 위쪽 끝에서 0.5cm 정도 떨어진 곳까지 도달하면 TLC 판을 꺼내서 말린 다음에 Rf 값을 측정한다.(5) 순수한 색소와 미지시료 간의 반점의 Rf 값을 비교하여 미지시료에 들어있는 색소의 종류를 알아낸다.3. 실험결과(1) 각각의 색소에 대하여 Rf 값을 계산하시오.Rf 값이란 크로마토 그래피에서 각 성분의 이동거리를 나타낸 값이다. Rf 값은 용질의 이동거리를 용매의 이동거리로 나눈 값으로서, 측정값을 사용해 계산하여 구할 수 있다. 실험에 사용한 TLC 판의 길이는 5cm이다.적색 40호 : Rf = 2.1cm / (5 ? 0.5) cm = 2.1cm / 4.5cm = 0.47황색 5호 : Rf = 2.3cm / (5 ? 0.5) cm = 2.3cm / 4.5cm = 0.51미지시료 : Rf = 2.6cm / (5 ? 0.5) cm = 2.6cm / 4.5cm = 0.58(2) 크로마토그래피를 통하여 얻을 결과를 토대로 미지시료 안에 들어있는 색소의 종류는 어떤 것들이 있는지 기록하시오.각 시료의 Rf 값 계산 과정에서 기준이 되는 값인 용매의 이동거리에서 반점의 크기가 크고 중심의 위치가 명확하지 않아 정확한 시료의 이동거리 측정이 어려웠으나, 전개액이 끝까지 올라간 뒤의 사진을 보면 황색 5호의 이동거리가 미지시료의 이동거리와 거의 일치하는 것을 볼 수 있다. 비록 Rf 값에는 차이가 있으나, 미지시료의 구성 성분 중에는 황색 5호가 포함되어 있다고 생각할 수 있다.4. 토의(1) Rf 값을 보다 정확하게 얻기 위한 방법에는 무엇이 있는가?이번 실험에서 사용한 용매인 전개제는 실험실에 준비된 용액으로 직접 혼합하여 만든 후 사용했다. 이때 전개제의 제작 과정에서 피펫과 비커를 사용했는데, 아무리 정확하게 계량하여 용액들을 혼합하려고 했다 하더라도 실험 기구의 조작 미숙과 전개제를 옮기는 과정에서 기구의 표면에 남게 되는 용액들로 인해 오차가 생길 수밖에 없었을 것이다. 따라서 Rf 값을 보다 정확하게 얻기 위해서는 이러한 요인들의 영향을 최대한 줄여야만 한다. 그렇게 하기 위해서는 보다 정밀한 실험기구의 사용과 조작 능력의 숙련도가 필요할 것이다.(2) 전개 시 뚜껑을 덮어 전개제의 증발을 막아야 하는 이유는?TLC 판에서 전개 용매는 2가지 이상의 용매의 혼합 비율에 의해 극성의 정도를 바꿔주게 된다. 이러한 크로마토그래피에서 Rf 값은 물질의 고유한 특성 중 하나다. 즉, 전개 용매의 극성에 따라 Rf 값은 정해져 있다는 것이다. 그런데 전개 용매는 2가지 이상의 혼합 용액을 사용하는데, 이들의 증발 정도가 다르기 때문에 증발되게 놓아두면 결국 혼합 용매의 조성 비율이 바뀌게 되고, 이것은 전개 용매 구성의 변화를 낳게 된다. 그러므로 효과적으로 분리가 일어나지 않을 수 있으며, 전개 용매 조성 비율이 달라졌기 때문에 정확히 어떤 조건에서 분리가 되었는지 알 수 없게 되므로 성분 파악이 불가능해진다.5. 고찰비교적 난이도가 쉬운 실험이었음에도 불구하고, Rf 값을 이용해 미지시료의 성분을 추측하는 과정에서 계산한 Rf 값의 오차로 인해 실제로 시료가 올라간 이동거리를 통해 결론을 내려야만 했다. 이는 시료 방울이 올라가는 과정에서 두 가지 시료가 서로 섞인 것과 시료 방울의 중심점을 잡기가 어려워서 이동거리를 정확하게 측정하기 어려웠던 것, 총 두 가지로 이유를 찾을 수 있다.첫 번째로 두 가지 시료가 이동하던 중 서로 섞인 것은 처음 원점에서 시료 방울을 찍을 때 두 시료 사이의 거리가 지나치게 가까웠기 때문이라고 추측할 수 있다. 전개액이 상승함에 따라 시료 역시 위쪽으로 이동하다, 두 가지가 섞여버린 것이다. 이러한 상황을 막기 위해서는 시료들 사이의 거리를 최대한 멀게 해주는 것이 필요한데, 그러기 위해서는 TLC 판의 폭을 넓은 것을 사용하거나 한 시료 당 하나씩의 TLC 판을 사용할 수 있다. 전자의 방법은 이 실험에서 사용한 TLC 판보다 폭이 넓은 것을 사용하면 되는데, 단점으로는 전개제의 증발을 막기 위해 뚜껑을 덮는 과정에서 필요한 통 역시 커져야 한다는 것이 있다. 후자의 방법은 이 실험에서 사용한 TLC 판과 같은 규격의 TLC 판을 사용해도 괜찮으나, 실험에 필요한 기구들의 개수도 그만큼 많아져야 하는 단점이 있다.

공학/기술| 2018.06.28| 3페이지| 1,500원| 조회(1,674)

크로마토그래피, 일반화학실험, 결과보고서

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일반화학실험 반응열 측정 결과보고서

1. 실험기구 및 시약(1) 실험기구삼각 플라스크(250mL), 비커(500mL), 피펫, 메스플라스크(1L), 메스실린더(100mL), 온도계(0 ~ 100℃), 저울, 보온병(2) 시약0.25M, 0.5M HCl, 0.5M NaOH2. 실험방법(1) △H1의 측정① 보온병을 말린 후 0.1g까지 무게를 측정한다.② 0.25M HCl 용액 200mL를 넣고 온도를 측정한다.③ 약 0.2g의 NaOH(s)을 0.01g까지 재빨리 무게를 측정하여 보온병에 넣고 흔든다.④ 최고점의 온도를 측정한 후 보온병의 무게를 측정한다.(2) △H2의 측정① 보온병을 말린 후 0.1g까지 무게를 측정한다.② 증류수 200mL를 넣고 온도를 측정한다.③ 약 2g의 NaOH(s)을 0.01g까지 재빨리 무게를 측정하여 보온병에 넣고 흔든다.④ 최고점의 온도를 측정한 후 보온병의 무게를 측정한다.(3) △H3의 측정① 보온병을 말린 후 0.1g까지 무게를 측정한다.② 0.5M HCl 100mL를 메스실린더로 취해 온도를 측정한다.③ 0.5M NaOH 100mL를 메스실린더로 취해, 가능한 한 ②의 용액과 같도록 온도를 측정한다.④ ③을 ②의 보온병에 넣고 가장 높은 온도를 측정한 후 보온병의 무게를 측정한다.3. 실험결과(1) △H1의 측정보온병의 무게191.596g고체 NaOH의 무게2.00g중화된 용액과 보온병의 무게396.241g중화된 용액의 무게204.645g염산 용액의 온도18℃중화된 용액의 최고 온도22℃온도 상승값4℃용액에 의해 흡수된 열량3521.6644J보온병에 의해 흡수된 열량383.192J반응1에서 방출된 열량3804.8564JNaOH 1몰 당 반응열 (△H1)15219.4256J/mol? 용액에 의해 흡수된 열량 : 용액에 의해 흡수된 열량은 물의 비열(이 실험에서는 4.18J/g·℃)과 반응에서의 온도 상승값을 이용해 계산할 수 있다. 따라서 용액에 의해 흡수된 열량은 4.18J/g·℃ × 204.645g (용액의 무게) × 4℃ = 3421.6644J 이다.? 보온병에 의해 흡수된 열량 :보온병에 의해 흡수된 열량 역시 보온병의 비열(이 실험에서는 0.5J/g·℃)과 반응에서의 온도 상승값을 이용해 계산할 수 있다. 따라서 보온병에 의해 흡수된 열량은 0.5J/g·℃ × 191.596g (용액의 무게) × 4℃ = 383.192J 이다.? 반응1에서 방출된 열량 : 반응1 전체에서 방출된 열량은 용액에 의해 흡수된 열량과 보온병에 의해 흡수된 열량의 합이다. 따라서 반응1에서 방출된 열량은 3421.6644J + 383.192J = 3804.8564J 이다.? NaOH 1몰 당 반응열(△H1) : NaOH 1몰 당 반응열 △H1은 전체 열량은 실험에 사용한 NaOH의 몰수로 나누어서 구할 수 있다. 따라서 △H1는 3804.8564J/0.25mol = 15219.4256J/mol이다.(2) △H2의 측정보온병의 무게191.639g고체 NaOH의 무게2.00gNaOH 용액과 보온병의 무게390.074gNaOH 용액의 무게198.435g물의 온도17℃NaOH 용액의 최고 온도19℃온도 상승값2℃용액에 의해 흡수된 열량1658.9166J보온병에 의해 흡수된 열량191.639J반응2에서 방출된 열량1850.5556JNaOH 1몰 당 용해열 (△H2)7402.2224J? 용액에 의해 흡수된 열량 : 실험(1)의 결과를 구했던 방식과 똑같은 방식으로 값을 구할 수 있다. 따라서 구하는 값은 4.18J/g·℃ × 198.435g (용액의 무게) × 2℃ = 1658.9166J 이다.? 보온병에 의해 흡수된 열량 : 구하는 값 = 보온병의 비열 × 보온병의 무게 × 온도 상승값이므로, 0.5J/g·℃ × 191.639g (용액의 무게) × 2℃ = 191.639J 이다.? 반응2에서 방출된 열량 : 용액에 의해 흡수된 열량 + 보온병에 의해 흡수된 열량이므로, 1658.9166J + 191.639J = 1850.5556J 이다.? NaOH 1몰 당 용해열(△H2) : △H2 = 반응2에서 방출된 열량 / 사용된 NaOH의 몰수 = 1850.5556J / 0.25mol = 7402.2224J 이다.(3) △H3의 측정보온병의 무게191.638g중화된 용액과 보온병의 무게389.075g중화된 용액의 무게197.437gNaOH 용액과 HCl용액의 평균 온도(17.5 + 19) / 2 = 18.25중화된 용액의 최고 온도22℃온도 상승값3.75℃용액에 의해 흡수된 열량3094.8250J보온병에 의해 흡수된 열량370.1944JNaOH 1몰 당 중화열 (△H3)6930.0388J/mol? 용액에 의해 흡수된 열량 : 물의 비열 × 용액의 무게 × 온도 상승값 = 4.18J/g·℃ × 197.437g × 3.75℃ = 3094.824975 = 3094.8250J? 보온병에 의해 흡수된 열량 : 보온병의 비열 × 용액의 무게 × 온도 상승값 = 0.5J/g·℃ × 197.437g × 3.75℃ = 370.194375 = 370.1944J? NaOH 1몰 당 중화열 (△H3) : △H3 = 전체 열량 / 사용된 NaOH의 몰수 = (3094.8250J + 370.1944J) / 0.5mol = 3465.0194J/0.5mol = 6930.0388J/mol(4) 오차율헤스의 법칙에 의하면 △H1 = △H2 + △H3 이 성립해야 한다. 이때 △H1 = 15219.4256J/mol, △H2 + △H3 = 7402.2224J/mol + 6930.0388J/mol 이므로, 오차율을 구해보면오차율 = | 이론값 ? 실험값 | / 이론값 × 100 = | 15219.4256 ? 14332.2612 | / 15219.4256 × 100 = 887.1644 / 15219.4256 × 100 = 5.829158231,따라서 오차율은 5.829158231%이다.4. 토의(1) 헤스의 법칙에 의한 이론값과 실험값 사이의 오차 발생 이유에는 무엇이 있는가?헤스의 법칙은 특정한 반응물에서 특정한 생성물이 만들어질 때, 반응이 한 단계로 이루어지거나 혹은 여러 단계에 걸쳐 일어남에 관계없이 엔탈피의 변화량은 같다는 원리이다. 이번 실험은 강염기인 NaOH와 강산인 HCl의 중화 반응을 ① NaOH(s) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H2O(l), ② NaOH(s) → NaOH(aq), ③ NaOH(aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H2O(l) 총 세 가지의 실험을 통해 진행시키면서 반응열을 측정하여 헤스의 법칙이 성립하는 것을 확인하는 것이었다. 그 결과, △H1, △H2, △H3을 사용해 계산한 실험값과 이론값의 오차율은 5.829158231%였다. 지금까지 진행했던 다른 실험들의 경우보다는 상당히 낮은 오차율이지만, 이러한 오차가 발생하게 된 원인은 크게 3가지로 생각할 수 있었다. 첫 번째는 실험1의 결과값이 높게 측정된 경우이다. 이 경우는 염산 용액의 온도가 실제보다 낮게 측정되어 온도 상승값이 더 크게 나온 경우를 생각할 수 있는데, 중화 반응 전 염산 용액의 온도를 측정한 후에 메스플라스크를 통해 손의 체온이 용액으로 전달되고, 그 상태에서 중화 반응이 일어나 최고 온도가 높게 측정되어 온도 상승값에까지 영향을 미쳤을 가능성이 있다. 두 번째 경우에는 실험2와 실험3의 결과값의 합이 적게 나온 경우이다. 실험1을 진행한 이후에 실험2와 실험3을 진행했기 때문에 실험실의 온도가 낮아졌을 가능성이 있고, 그렇기 때문에 실험2와 실험3이 결과값이 전체적으로 낮게 측정되었을 수 있다. 세 번째는 실험에 사용한 기구에 문제가 있었을 경우이다. 이번 실험에서는 보온병을 사용했는데, 뚜껑을 사용하지 않고 바로바로 온도를 측정하는 식으로 실험을 진행하였다. 이 과정에서 생성된 열이 공기 중으로 발산되어 실험값이 영향을 주었을 가능성이 있다. 또, 사용한 보온병이 단열이 잘 되지 않아 생성열이 제대로 보존되지 않았을 가능성 역시 존재한다.(2) 오차를 줄일 수 있는 방법에는 무엇이 있는가?이 실험은 반응의 온도를 측정하고, 그 측정값들로 계산한 값을 이론값과 비교하여 헤스의 법칙을 증명하는 실험이므로 주변의 온도와 실험기구의 보온 및 단열 성능에 큰 영향을 받는다. 따라서 실험실의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있는 장치를 준비하고, 실험기구 중 보온병의 경우에는 뚜껑을 사용하거나 좀 더 완벽하게 보온할 수 있도록 외부에 스티로폼과 같은 단열재를 두르는 등의 추가적인 조치를 통해 보완한다면 실험에서의 정밀도와 결과의 신뢰성을 높일 수 있을 것이다.5. 고찰이 실험은 실험을 진행하기 전에 예측했던 것보다 오차율이 비교적 적게 나온 실험이었다. 외부 환경과 실험기구의 성능에 영향을 많이 받는 실험임에도 불구하고 오차율이 적게 나왔다고 해서 결과에 대한 고찰이나, 오차 발생 원인이 다른 실험에 비해 적게 나오지는 않았다. 이와 같은 결과를 얻을 수 있었던 이유를 실험 과정에서의 측면과 실험 후 결과 처리 측면에서의 총 두 관점에서 생각해보았다.먼저 실험 과정에서는 토의 부분에서 서술한 것처럼 실험1의 결과값이 높게 측정된 경우와 실험2, 3의 결과값의 합이 작게 측정되었을 경우가 있다. 그럼에도 불구하고 오차율이 약 5%로 계산되었다는 것은 실험 과정에서 존재했을 오차 요인에도 불구하고 처음 측정값과 결과값을 이용해 결정한 실험값이 상당히 정확했다는 것을 의미한다고 생각할 수 있다. 이는 헤스의 법칙의 내용과 상당히 유사한 결과라 할 수 있는데, 헤스의 법칙에서 화학 반응에서 반응열은 그 반응의 시작과 끝 상태로만 결정되며, 도중의 경로에는 관계하지 않는다는 말을 생각해보자. 우리가 진행한 실험은 NaOH와 HCl의 중화 반응을 세 가지 실험으로 나누어 진행한 후 그 결과들을 비교하여 헤스의 법칙을 증명하는 것이었다. 이 과정에서 완벽하게 단열을 하지 못했던 보온병이라던지, 공기 중에서 수분을 흡수해 질량이 증가한 NaOH, 정확히 반응의 최고 온도를 측정하지 못했을 가능성 등의 요인이 있었으나 약 5% 정도의 작은 오차율을 얻은 것은 시작과 끝 상태로만 반응열을 결정하는 헤스의 법칙과 유사성이 있다고 생각할 수 있다.

공학/기술| 2018.06.27| 5페이지| 1,500원| 조회(2,046)

일반화학실험, 엔탈피, 헤스의 법칙, 반응열 측정

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