2016. 2 nd semester
4 th class
Jihoon Jang
Electrical & Electronic materials
1. 전지의 기초
■ 전지 (battery)
: 전기화학반응을 이용하여 전극 물질의 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 시스템
: 전지의 3대 요소 : 양극, 음극, 전해질
이미지 출처: 네이버 캐스트, http://navercast.naver.com/contents.nhn?rid=44&contents_id=855 (+) 극 : 환원반응 (-) 극 : 산화반응
전해질
1. 전지의 기초
■ 산화와 환원
1. 산화 (oxidation) 2. 환원 (reduction)
1) 산소의 결합 1) 산소의 분리
2) 수소의 분리 2) 수소의 결합
3) 전자수의 감소 3) 전자수의 감소
철과 산소의 결합으로 산화철의 발생
: 4Fe + 3O
2→ 2Fe
2O
3산화철에서 철과 산소의 분리
: 4Fe + 3O
2← 2Fe
2O
3암모니아의 분리
: N
2+ 3H
2← 2NH
3암모니아의 생성
: N
2+ 3H
2→ 2NH
3나트륨 이온의 발생
: Na → Na
++ e
-염소 이온의 발생
: Cl
2+ 2e
-→ 2Cl
-1. 전지의 기초
■ 완전셀과 반쪽셀
1. 완전셀 (Full cell) : 실제 전지의 특성 규명에 유리
- 실질적으로 사용 될 양극과 음극이 동시에 전기화학 반응에 참여 - 완전한 전지의 형태
→ 전지의 특성 및 성능 등을 직접적으로 측정
→ 기준전극 필요
2. 반쪽셀 (Half cell) : 각 전극소재들의 기본성질 규명에 유리 - 한쪽의 전극은 작업전극, 한쪽의 전극은 기준전극
- 완전한 전지의 한쪽만을 생각
→ 작업전극에서만 일어나는 현상을 측정
→ 분석 용이
1. 전지의 기초
■ 볼타 전지(volta battery)를 통한 전지의 반응
1) 볼타 전지의 구성 (1) (+) 극 : 구리판 (2) (-) 극 : 아연판
(3) 전해질 : 묽은 황산
이미지 출처: 줌 학습백과, http://study.zum.com/book/13177
1. 전지의 기초
■ 볼타 전지(volta battery)를 통한 전지의 반응
1) 볼타 전지의 화학반응
(1) (-) 극 (= Anode, 산화전극)
: Zn(s) → Zn2
+(aq) + 2e
-(oxidation)
→
전자의 발생 및 도선을 통해(+)
극으로 이동이미지 출처: 줌 학습백과, http://study.zum.com/book/13177
1. 전지의 기초
■ 볼타 전지(volta battery)를 통한 전지의 반응
1) 볼타 전지의 화학반응
(2) (+) 극 (= Cathode, 환원전극)
: 2H(aq) + 2e
-→ H
2(g) (reduction)
→
전자의 소비이미지 출처: 줌 학습백과, http://study.zum.com/book/13177
1. 전지의 기초
■ 볼타 전지(volta battery)를 통한 전지의 반응
1) 볼타 전지의 화학반응 (3) 전해질 (electrolyte)
: 이온 및 전하의 운반
이미지 출처: 줌 학습백과, http://study.zum.com/book/13177
2. 화학양론
■ 전위와 표준전위
1. 전위 (electric potential)
- 전기장 내에서 단위전하가 갖는 위치에너지
- 정전기장이나 정상전류가 흐르는 전기장 내의 기준점으로부터 어떤 점까지 단위전하를 옮기는 데 필요한 일의 양
- 단위 : V, 스칼라 양
2. 화학양론
■ 전위, 전압과 표준전위
2. 전압 (volttage)
- 도체내에 있는 두 점 사이의 단위전하당 전기적인 위치에너지 차이
= 전위의 차이 - 단위 : V
→ 1V : 1C의 전하 두 점 사이에서 이동하였을 때에 하는 일이 1J일 때의 전위차 3. 기전력 (Electromotive force)
- 단위전하 당 한 일
→ 낮은 퍼텐셜에서 높은 퍼텐셜로 단위전하를 이동시키는 데 필요한 일 - 단위 : V or J/C
2. 화학양론
■ 전위, 전압과 표준전위
3. 표준전극전위 (standard electrode potential)
: 전해질 수용액 1M, 1기압, 297K 조건에서 표준 수소전극을 기준으로 측정한 반쪽 전지의 전위
→ 전압, 기전력 측정의 기준
4. 표준환원전위 (standard reduction potential, E0)
: 표준 수소 전극과 연결하여 측정한 상태의 반쪽 전지의 전위를 환원반응 형태로 나타냈을 때의 전위
2. 화학양론
■ 전위, 전압과 표준전위
5. 표준환원표 (예시)
이미지 출처: 줌 학습백과, http://study.zum.com/book/12904#anchor1
3. 전지의 분류
■ 전지의 분류
3. 전지의 분류
■ 일차전지
: 일정 수명기간 동안만 한 차례 사용이 가능 → 충전 불가
1. 아연 - 카본 전지
1) 아연(Zn) - 이산화망간(MnO2) 전극 사용 2) 카본(carbon) : 집전체
3) 전해질 : 염화암모늄(NH4Cl2) + 염화아연(ZnCl2)
→ 젤 형태의 전해질 (건전지)
→ 휴대가 쉽다.
4) 전압 : 1.5 V
3. 전지의 분류
■ 일차전지
: 일정 수명기간 동안만 한 차례 사용이 가능 → 충전 불가
2. 알칼리-망간 전지
1) 아연(Zn, 분말) - 이산화망간 (Zn-MnO2) 활물질 2) 황동 : 집전체
3) 전해질 : 수산화칼륨(KOH) 수용액
→ 이온 전도도가 높다.
4) 전압 : 1.5 V
5) 아연-카본 전지 대비 에너지 밀도가 높고 고출력 방전 가능 약 20회 정도의 충전이 가능
3. 전지의 분류
■ 일차전지
: 일정 수명기간 동안만 한 차례 사용이 가능 → 충전 불가
3. 코인 전지
1) 음극 활물질: 아연
2) 양극 활물질: HgO, AgO, Ag2O 3) 전해질 : 수산화나트륨(NaOH)
4) 생활속에서 ‘수은전지’ 불리는 형태 4. 리튬 음극 전지
1) 음극으로 리튬(Li) 물질 사용
→ 높은 전압 (> 3 V), 수명 증대
2) Li의 안정성 문제로 인한 사고의 위험성 크다.
3. 전지의 분류
■ 이차전지
: 재충전을 통해 장시간 반복 사용이 가능 → 충전 가능
* 이차전지의 분류 및 개요 SLI : starting, Lighting & Ignition HEV : Hybrid Electric Vehicle
PHEV : Plug-in Hybrid Electric Vehicle EV : Electric Vehicle
3. 전지의 분류
■ 이차전지
1. 납축 전지
1) 납 - 산화납 (Pb-PbO2) 활물질 2) 전해질 : 황산 (H2SO4)
3) 전압 : 2.0 ~ 2.5V
4) 과방전에서 성능 열화 → 충전상태 유지 필요 5) 대용량 가능
6) 실생활 : 자동차 배터리 등 7) 납축전지의 반응
3. 전지의 분류
■ 이차전지
2. 니키드 전지
1) 자동차 배터리！！
2) 카드뮴 - 니켈 화합물 (Cd - Ni) 활물질 3) Cd + NiOOH = Cd(OH)2 + Ni(OH)2 4) 전압 : 1.2V
3. 니켈 - 수소 전지
1) 니키드 전지에서 Cd의 유해성을 개선한 형태
3. 전지의 분류
■ 이차전지
2. 니키드 전지
1) 자동차 배터리！！
2) 카드뮴 - 니켈 화합물 (Cd - Ni) 활물질 3) Cd + NiOOH = Cd(OH)2 + Ni(OH)2 4) 전압 : 1.2V
3. 니켈 - 수소 전지
1) 니키드 전지에서 Cd의 유해성을 개선한 형태 4. 리튬-이온 전지
→ ??
4. 전지의 특성
■ 전지의 다양한 특성
1. 슬로프 방전 곡선 : 시간에 따라 전압의 감소
2. C rate : 전지가 가진 에너지를 1시간에 모두 방전할 때의 방전속도
4. 전지의 특성
■ 전지의 다양한 특성
3. 온도에 따른 방전용량 : 온도 ↓ → 방전용량 ↓
(겨울철 쉽게 방전되는 이유)
4. 전지의 열화 : 사용할수록 용량이 줄어든다.
