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전지의 종류

1) 전지전지란 내부에 들어있는 화학물질의 화학에너지를 전기화학적 산화-환원반응에 의해 전기에너지로 변환하는 장치이다. “전지”라는 용어는 두 개 이상의 전기화학적 셀의 집합체를 나타내지만 단위전지에도 사용되고 있다.전지는 화학반응 대신 전기화학 반응이 일어나 전자가 도선을 통하여 외부로 전달될 수 있도록 특별한 내부구조로 이루어져 있으며, 도선을 통하여 흐르는 전자 흐름은 전기에너지의 원천이 되어 유용하게 사용된다.전지는 외부 도선으로부터 전자를 받아 양극 활물질이 환원되는 전극인 양극과 음극 활물질이 산화되면서 도선으로 전자를 방출하는 전극인 음극, 양극의 환원반응과 음극의 산화반응이 화학적 조화를 이루게 해주고 물질이동이 일어나는 매체인 전해질, 그리고 양극과 음극의 물리적 접촉을 방지하기 위한 분리막으로 구성된다.2) 전지의 구성요소전지는 크게 화학전지와 물리전지로 분류할 수 있다. 화학전지는 전기화학적 산화/환원반응을 통해 활물질의 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치이다. 전극/전해질 계면에서 산화/환원반응이 일어나면, 외부 전기회로를 통해 하나의 전극 재료로부터 다른 전극 재료로 전가가 이동하는 과정이 포함되어 있으며 한번 사용하면 재충전하여 사용할 수 없는 일차전지와 재충전하여 반복 사용이 가능한 이차전지로 구분된다. 물리전지는 전극소재의 물리에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치로서 태양전지가 대표적이며 화학전지와 달리 전기를 저장하는 것이 아니라 발생 또는 발전시키는 전지이다.3) 전지의 기본원리전지의 음극은 기본적으로 전자를 내어주고 자신은 산화되는 물질이며, 양극은 전자를 받아 자신은 환원되는 물질로서, 전지가 외부 도선 (전등, 기구)과 연결되어 작동할 때, 즉 전지의 방전 반응이 진행할 때 두 전극은 각각 전기화학적으로 다른 상태로의 변화를 일으킨다. 이때 음극의 산화반응에 의해 생성된 전자는 외부 저항체를 경유하여 양극으로 이동하고 양극에 이르러 양극 물질과 환원을 일으킨다. 이때, 전해질 내에서 음극과 양극 방향으로의 음이온 (negative ion)과 양이온 (positive ion)의 물질이동에 의해 전하가 흐르는 작업이 완성된다. 이렇게 전해질 내부에서는 외부도선에 계속해서 전하가 흐르도록 반응을 일으키고, 외부도선에서는 흐르는 전하로 전기적인 일을 하게 되는 것이 전지의 작동 원리이다. 이 과정을 전지로 볼 때는 ‘방전’이라고 한다. 따라서 계속해서 전지가 전기적인 일을 하게 되면, 전지의 전압은 계속 낮아지고 결국 외부에서 전하를 이동시킬 수 없을 때까지 이르게 된다. 이때 폐기하게 되는 전지를 일차전지라고 하고, 방전과 반대로 전하를 흘려주는 작업, 즉 다시 전지를 충전하여 사용가능한 전지를 이차전지라 한다. 충전 시에는 방전반응과 반대의 반응이 진행되어 전지 본래의 화학적 상태로 되돌아가기 때문에 재사용이 가능하다.4) 리튬/황 전지리튬이온전지는 360 Wh/kg 정도의 고 에너지 밀도로 인해 상용화 되어 있다. 그러나 전이 금속 산화물에 리튬 이온이 흡착되는 정도에 한계가 있기 때문에 더 이상의 고용량의 전지를 얻는 것은 불가능하다. 이에 비해 리튬/황 전지는 황의 풍부하고, 저렴하며, 비독성이라는 장점과 완전한 반응이 일어났다는 가정 하에 양극 활물질 기준으로 1672 mAh/g의 이론용량과 2600 Wh/kg의 에너지밀도를 갖는다는 점에서 새로운 가능성을 제시해 주고 있다.그러나 기존의 집전체로 사용되는 알루미늄 호일(Al foil)위에 도포(pasting)하는 이전방식으로 전극을 제조할 경우 전극의 에너지밀도를 높이기 위해 전극의 두께가 두꺼워 질수록 전해질의 침투가 원할히 이루어지지 않아 이온전도도가 감소하게 될 뿐만 아니라, 전기적 부도체인 유황의 활용도가 감소하여 전지 전체 용량의 감소를 초래한다. 또한, 방전과정 중에 형성된 리튬폴리설파이드(Li2Sn)가 전해질에 녹아나와 리튬금속 표면에서 연속적으로 환원되어 가충전이 발생하게 된다. 이러한 셔틀현상(shuttle phenomena)은 리튬/황 전지의 100% 충전을 방해하여 방전 용량을 감소시키는 가장 큰 요인으로 인식되어왔다.5) 리튬/황-폴리아크릴로니트릴 전지황-폴리아크릴로니트릴은 리튬/황 전지의 단점을 보완하기 위하여 황과 폴리아크릴로니트릴을 열적으로 결합시켜 새로운 형태의 양극 활물질을 만든 것이다. 폴리아크릴로니트릴은 상온에서는 C3H3N의 사슬구조이다. 하지만 열처리 온도가 250 ℃ 이상에서 탈수소화 과정을 통하여 공액구조가 되며 전기전도성을 가지게 된다. 이런 폴리아크릴로니트릴과 황을 함께 열처리 하면 기존의 황과는 다른 특성의 황-폴리아크릴로니트릴 복합물이 된다. 이 황-폴리아크릴로니트릴을 리튬과 전지로 만들면 기존의 에테르 계열의 전해질이 아닌 카보네이트 계열의 전해질을 사용한다. 카보네이트 전해질은 에테르 계열의 전해질에서 리튬폴리설파이드가 용해되는 현상이 일어나지 않아 전기화학적 특성이 향상된다. 그리고 충·방전 거동 또한 황의 특정 평탄구간 없이 경사를 가지는 충·방전 거동이 나타났다.6) 고에너지밀도 전지리튬/황전지의 실질적인 에너지 밀도를 높이기 위해 양극의 황 함량을 증가시키는 연구가 활발히 진행되어 지고 있다. 양극의 황 함량을 증가시키기 위해 전극의 두께를 증가시켜 면적당 황의 함량을 3.5 mg/cm2까지 증가시켰으며, C/S composite과 SPAN composite을 제조하여 면적 당 황의 함량을 3∼12 mg/cm2까지 증가시켰고 3차원 집전체를 이용하여 면적 당 황의 함량을 2∼7 mg/cm2까지 증가시킬 수 있었다. 하지만 이러한 논문들은 황의 함량을 증가 시켰을 뿐 에너지밀도에 대해서는 자세히 언급하지 않았다. 그 이유는 황의 함량이 증가하면 도전재, 바인더, 집전체, 전해질 등의 무게도 증가 하여 실질적인 에너지밀도가 낮아지기 때문이다.실질적인 에너지 밀도를 언급한 연구에서는 두께를 증가시켜 황의 함량을 증가시키고 전지의 전해질의 양을 5, 10, 20, 40 μl/g-S으로 증가시켜 실질적인 에너지 밀도를 비교하였다. 이 연구에서는 면적당 황의 함량이 2.98 mg/cm2이고 전해질이 10 μl/g-S일 때, 가장 높은 113 Wh/kg의 에너지밀도를 얻을 수 있었다. 전지의 무게에서 전해질의 무게가 40∼88 %로 많은 비율을 차지하기 때문에 고에너지밀도 전지를 만들기 위해서는 전해질 양을 줄여야만 한다는 것을 보여주고 있다. 하지만 전해질 양을 줄여 이온전달 통로가 부족하게 되면 전기화학적 특성이 나빠지므로, 알맞은 전해질 양을 찾아서 최적화 시키는 것이 매우 중요하다고 말하고 있다.3차원 집전체인 탄소 펠트를 이용하여 전극 슬러리를 주입하는 횟수에 따라서 황의 함량을 증가시키는 연구도 진행되었다. 이 때, 전극 슬러리를 2번 주입하여 황의 면적당 함량이 28 mg/cm2일 때, 492 Wh/kg의 에너지밀도를 얻을 수 있었다고 한다. 이 논문에서도 전지의 무게 중 전해질이 50 %를 차지하기 때문에 전해질의 최적화가 중요하다고 말하고 있다.그리고 Sion power corporation 사의 연구에 의하면 프로토타입 전지 (Prototype cell)로 이론에너지 밀도인 2600 Wh/kg보다 작은 350 Wh/kg의 실직적인 에너지 밀도를 만들었다. 이 회사의 연구 자료를 기반으로 여러 연구에서 용량을 향상시키고 전지 구성물품의 무게를 감소시킨다면 가까운 미래에 600 Wh/kg의 에너지 밀도를 만들 수 있을 것이라 예상되어지고 있다.2. 서론최근 스마트 카드, 의료 기기, 전기자동차, 휴대폰, 그리고 에너지 저장장치 등에서 리튬이차전지는 다양하게 쓰이고 있다. 리튬이차전지 중 리튬/황 전지는 이론 에너지 밀도가 2600 Wh/kg 으로 다른 리튬 이온전지에 비하여 약 8배 높아 차세대 전지로 각광받고 있다. 리튬/황 전지의 양극 활 물질로 사용되는 황은 다른 리튬이온전지의 양극 활 물질보다 평형전압은 감소하지만, 이론용량이 높기 때문에 전지의 이론에너지 밀도는 증가한다. 그리고 황은 자연에 풍부하여 가격이 저렴하며 독성이 낮다는 장점이 있다.

공학/기술| 2016.03.27| 5페이지| 1,000원| 조회(184)

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