생활속의 미래과학 9주차_신소재_2차전지

생활속의 미래과학 9주차_신소재_2차전지

소속 : 호남대학교 / 미래자동차공학부

작성자 : 백수황 교수

연락처 : swbaek@honam.ac.kr

국내 소재 관련 산업 현황

TFT LCD

세계 1위

철강

세계 5위

조선

세계 1위

자동차

세계 5위

신소재

디스플레이 산업과 신소재공학

PDP (Plasma Display Panel)

TFT-LCD (Thin Film Transistor-Liquid Crystal

Display)

FED (Field Emission Display) EL (Electroluminescence Display)

신소재

반도체 산업과 신소재공학

신소재

항공/조선 산업과 신소재 공학

고분자 재료/복합재료

 알루미늄합금(가볍고 내구성이 좋은물질) → 티타늄(비싸고 가공에 어려움 → 복합재료ㆍ수지를 유리섬유로 강화

신소재

자동차 산업과 신소재 공학

dashboard – synthetic resin future cars

body – super steel wheel – aluminum/steel

신소재

바이오 산업과 신소재공학

Teeth – amalgams

심장판막

– CoCr 합금, silicone

관절

: shoulder

신경조직

- polymer fiber

관절

: hip

신소재

광통신 산업과 신소재 공학

광파이버

– 플라스틱 (plastic)

광도파격자

– LiNbO

Output

Input Input Fiber

신소재

엔지니어링 플라스틱

Engineering Plastic 정의

 구조용 및 기계 부품에 적합한 고성능 엔지니어링 플라스틱으로서 주로 금속

대체를 목표로 한 것.

 자동차 부품이나 기계부품, 전기, 전자부품과 같은 공업적 용도에 사용되는

플라스틱.

 500kgf/cm²

(MPa) 이상의 인장강도, 20,000kgf/cm

(2Gpa) 이상의 굴곡 탄성율, 100~150

C 이상의 내열성을 갖는 것

신소재

▣ 엔지니어링 플라스틱 역사

Year Engineering Plastic History Company

1938 PA66(Polyamide 66) Dupont

PA6(Polyamide 6) IG

1948 PET(Polyethylene terephthalate) ICI

1958 POM(Polyacetal) Homopolymer Dupont

PC(Polycarbonate) Bayer

1961 POM(Polyacetal) Copolymer Celanese

1965 PPO(Polyphenylene oxide) GE

PSU(Polysulfone) UCC

1967 mPPO(modified PPO) GE

1970 PBT(Polybutylene terephthalate) Celanese

1971 PPS(Polyphenylene sulfide) Phillips

1972 PES(Polyether sulfone) ICI

1973 PAR(Polyarylate) Unitika

1980 PEEK(Polyether ether ketone) ICI

1982 PEI(Polyether imide) GE

1984 LCP(Liquid crystal polymer) Dartco

신소재

▣ 엔지니어링 플라스틱 소재 구분 도표

PI

슈퍼 엔지니어링 플라스틱 (Super ENPLA)

150 ℃ 이상

PEEK LCP PPS PBT/PET

POM PA PET

PE PP PEI

PAR P3U mPPO PC

PMMA ABS PVC PS

엔지니어링 플라스틱 (ENPLA)

100 ℃ 이상

범용 플라스틱 100 ℃ 이하

내열성 상승 가격 상승

신소재

전지는 화학적 반응으로부터 전기에너지를 만드는 에너지 저장매체 (electrochemical energy storage device)이다.

• 1차 전지 (Primary battery)

한번 사용하면 다시 사용할 수 없는 전지

예) 건전지, 알칼리 전지, 산화은 전지, 리튬전지

• 2차 전지 (Secondary battery)

사용한 후 외부 전원에 연결하여 충전함으로써 다시 사용 할 수 있는 전지 예) 납축전지, 니켈－카드뮴전지, 리튬충전지 등

전지 (Battery)

2차전지

다니엘전지 알칼리전지 납축전지

Ni-MH전

지 리튬이온전지

전지 (Battery)

2차전지

Daniel 전지

Daniel cell reactions Reduction of Cu²⁺

Cu²⁺(aq) + 2e^- = Cu(s) E^o = 0.34V Oxidation of Zn

Zn(s) = Zn²⁺(aq) + 2e^- E^o = -0.76V Overall reaction

Cu²⁺(aq) + Zn(s) = Cu(s) + Zn²⁺(aq) Daniel 전지는 1836년 만들어졌으며 기존의 acid를 사용한 Volta 전지를 개량한 것으로 gas 발생이 현격히 줄어든 장점이 있으나 c ell voltage(1.1V)가 낮아서 현재는 쓰이지 않는다.

2차전지

알칼리전지 (Alkaline battery)

Lalande와 Chaperon이 1881년에 특허를 냄. 1950년에 최초로 상용화 된 alkaline battery가 만들어졌으며 1970년 후반부터 쓰이기 시작하였다.

기존의 건전지에 비해 3배의 용량을 가지고 있다.

Cathodic reaction

2MnO₂ + 2H₂O + 2e^- = 2MnOOH + 2OH^- Anodic reaction

Zn + 2OH^- = Zn(OH)₂ + 2e^- Electrolytes

Zn(OH)₂ + 2OH^- = [Zn(OH)₄]^2- Overall reaction

Zn + 2MnO₂ = ZnO + Mn₂O₃

2차전지

납축전지 (Lead acid battery)

Plante에 의하여 1860년에 만들어졌으며 최초의 secondary battery이다.

Cell voltage가 2V로 높다.

대표적인 SLI (starting, Lighting, Ignition) battery이며 고용량 전지이나 무거워서 energy density가 낮다.

Cathodic reaction PbO₂ + 4H⁺ + SO ^2- + 2e^-

→ PbSO₄ + 2H₂O4

Anodic reaction

Pb + SO ^2- → PbSO + 2e^-

4 4

Overall reaction

PbO₂ + Pb + 4H⁺ + SO₄ ² = 2PbSO₄ + 2H₂O

-

2차전지

Ni-MH 전지

1980년대 후반에 처음 만들어졌으며 Matsushita 회사에 의하여 처음 상용화 되었다.

Ni-Cd 전지와 유사하나 anode의 Cd 대신 수소를 흡탈착할 수 있는 합금을 사용하였다.

Ni-Cd에 비하여 2-3배의 용량을 가지며 memory effect가 많지 않다.

Cathodic reaction

2NiO(OH) + 2H⁺ + 2e^- = 2Ni(OH)₂ Anodic reaction

Mm-H +OH^- = 2H₂O + Mm + e^- Anode material: AB₅

A: rare earth mixture (lanthanum, cerium, neodymium, praseodymium)

B: nickel, cobalt, manganese, aluminum

3

2차전지

리튬이온 전지 (Li ion battery)

1960년대 NASA에서 우주개발 전원의 사용목적으로 개발.

Li는 가벼우면서 높은 전압을 구현할 수 있으나 높은 전압으로 인하여 수용액을 전해질로 사용할 수 없다.

고분자 전해질을 사용하여 전해질 문 제를 해결. Memory effect가 없고 경량 이므로 Mobile electronic device에 많 이 쓰이고 있음.

2차전지

• 리튬이온 전지의 종류 및 구조

원형 각형

폴리머

리튬이온 전지 (Li ion battery)

2차전지

2차전지의 시장 및 전망

2차전지

• 리튬이온 전지의 충전과 방전

전자는 도선을 통해,

전자를 잃은 리튬이온은 전해질을 통해 음극 → 양극으로 이동

외부 힘(충전기)에 의해 전자는 도선을 통해,

전자를 잃은 리튬이온은 전해질을 통해 양극 → 음극으로 이동하여

음극활물질(Carbon)의 층구조 사이에 저장

리튬이온 전지 (Li ion battery)

2차전지

자동차용 배터리

Total HEV/EV Battery Market: Unit Shipment and Revenue Forecasts (World)

2차전지

자동차용 리튬이온 배터리

xEV 전차종에 적용 가능한 고출력/고용 량 각형 리튬이온전지 (SB LiMotive)

2차전지

• Fuel Cell Power Plant

장 점

단 점

높은에너지효율(40% 이상, CHP 경우80%이상) 환경오염이적음(NOx 및SOx 무배출)

화석연료의의존성이적음

소음이적음(기계적Moving Part 부재) 이동이자유로움(설치장소의제약이적음) 폐열활용이가능함(열병합발전)

초기 설치비용의경제성문제

(Target : RPG $400/kW, Vehicle $45/kW) 기술적신뢰성및내구성문제수소공

급, 저장등인프라구축문제

버너 보일러 터빈 발전기

화학에너지 열에너지 기계에너지 전기에너지

손실 손실

기존화력발전방식

화학에너지 전기에너지

연료전지발전방식

Fuel Cell

2차전지

하이브리드(연료전지 + 배터리) 무인 헬기 (KIST, 2009) 가정용 연료전지

수소연료전지 핸드폰

Fuel Cell 응용사례

2차전지