마그네슘 합금 (AZ31B, AZ61)을 음극으로 이용한 마그네슘-공기 전지에서 전해질 농도 변화의 효과 Effect of changing electrolyte concentration for magnesium-air battery using mg alloy (AZ31B, AZ61) as a negative electrode원문보기
최근 4차 산업 혁명은 공학, 산업 분야뿐만 아니라 사회 전반적으로 큰 영향을 주고 있으며, 주요 핵심 산업 기술 분야의 전력 공급원인 전지와 에너지 저장 기술 발전에도 큰 영향을 주고 있다. 더욱이, 첨단 과학 기술 기반의 현대사회는 고부가 가치 산업의 제품 등이 고효율 전지를 기반으로 급속도로 개발되고 있으며, 여기서 전지 기술은 필수적인 기술 요소로 작동하고 있다. 또한, 전력의 공급이 단절될 수 있는 비상시에는 외부 전력을 이용한 ...
최근 4차 산업 혁명은 공학, 산업 분야뿐만 아니라 사회 전반적으로 큰 영향을 주고 있으며, 주요 핵심 산업 기술 분야의 전력 공급원인 전지와 에너지 저장 기술 발전에도 큰 영향을 주고 있다. 더욱이, 첨단 과학 기술 기반의 현대사회는 고부가 가치 산업의 제품 등이 고효율 전지를 기반으로 급속도로 개발되고 있으며, 여기서 전지 기술은 필수적인 기술 요소로 작동하고 있다. 또한, 전력의 공급이 단절될 수 있는 비상시에는 외부 전력을 이용한 전자제품의 사용이 제한될 수 있기 때문에 평상시뿐만 아니라 조난 및 긴급 재난 등의 전력이 단절된 상황에서도 사용될 수 있는 간편하며 안전한 비상전원용 전지의 개발이 필요한 시점이다. 대표적으로, 마그네슘-공기 전지는 비상전원용 전지의 후보군 중 하나이며, 높은 용적 용량(3833 mAh cm-3)과 이론 전지 전압(3.1 V), 무독성, 장기 보존성, 쉬운 구동성, 및 기계적 충전이 가능하다는 특징을 가지며, 음극으로 사용되는 마그네슘의 풍부한 지구 자원으로 저비용 시스템을 구축할 수 있다는 장점 등을 가지고 있다. 그러나, 전해질과 마그네슘 전극 사이에서의 높은 부식 반응은 미 반응 마그네슘의 손실과 높은 분극을 일으켜, 전지의 성능을 크게 저하시켜 현 시스템의 한계성을 보여주고 있다. 따라서, 현재의 마그네슘-공기 전지 연구는 부식 경향이 약한 저농도 전해질을 중심으로 진행되고 있다. 하지만, 고농도의 전해질을 이용하는 것은 마그네슘-공기 전지의 높은 개방 회로 전압을 유도시켜 전기화학적 성능을 향상 시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 따라서, 본 연구에서는 전해질의 농도별 전지 성능을 확인하여 최적화된 마그네슘-공기 전지 시스템을 찾고자 하였으며, 높은 부식 저항을 가지는 AZ계열 마그네슘 합금(AZ31B, AZ61)을 음극으로의 적용을 통하여 전지 성능을 향상시키고자 하였다. 서로 다른 알루미늄 함량을 가진 두 마그네슘 합금을 음극으로 적용한 마그네슘-공기 전지 시스템에서 가장 높은 전기화학적 성능은 AZ61 마그네슘 합금 음극을 2.0 mol dm-3 NaCl 전해질 농도에 적용하였을 때 확인되었으며, 1860 Wh kg-1의 가장 높은 에너지 밀도를 보였다. 이에 비하여, 동일한 마그네슘 합금 음극을 0.6 mol dm-3 NaCl 전해질 농도에 적용하였을 때에는 1723 Wh kg-1의 에너지 밀도를 나타냄을 확인하였다. 이러한 전해질의 농도 증가에 따른 전기화학적 성능 향상의 상관 관계에 대해 고찰하기 위하여, potentiodynamic 분극화 실험을 진행하였다. Potentiodynamic 분극화 실험 결과, 높은 농도의 전해질을 적용한 마그네슘-공기 전지에서 강한 전기화학적 활성, 높은 전류 밀도, 낮은 분극 저항 특성이 확인되었다. 이는, 마그네슘 전극과 전해질의 계면에서의 반응이 원활하게 진행될 수 있음을 의미하고, 전지 성능의 향상 시킬 수 있는 요인으로 작용할 수 있음을 의미한다. 또한, 방전테스트 결과에서 합금별 전기화학적 성능 차이도 확인된다. AZ31B 마그네슘 합금 음극은 모든 NaCl 전해질 농도에서 AZ61 마그네슘 합금 음극 보다 낮은 전지 성능을 보여주며, 특히, 가장 높은 전지 성능이 확인되었던 2.0 mol dm-3 NaCl 전해질에서 AZ31B 마그네슘 합금 음극은 비교적 매우 낮은 1408 Wh kg-1의 에너지 밀도를 나타내었다. 이러한 마그네슘 합금별 전기화학적 성능 차이에 대해 구조적 및 화학적 요인을 확인하고자, 방전 과정 동안에 생성된 산화물의 성분 및 형상을 비교 분석 진행하였다. X선 광전자 분광법을 통해, 분석된 두 합금의 산화물 층에서, AZ61의 경우에는 균일한 내식성의 산화알루미늄 층이 확인하였다. 반면, AZ31B는 불균일한 산화알루미늄 층이 존재하며, 이는 마그네슘의 손실에 대하여 비교적 낮은 보호 효과를 가질 것을 의미한다. 낮은 보호 효과에 의한 차이는 산세된 마그네슘 합금의 주사 전자현미경 분석을 통해 확인하였다. AZ61 합금 표면은 비교적 매끄러운 반면, AZ31B 합금 표면에서는 “chunk effect” 형상이 확인되었다. 이러한 형상은 미 반응한 마그네슘의 손실을 초래할 수 있으며, 마그네슘 음극이 구현할 수 있는 방전 용량의 감소를 일으킨다. 본 연구를 통하여, 높은 전해질 농도를 적용한 마그네슘-공기 전지는 보다 높은 전기화학적 성능을 구현할 수 있음을 확인하였다. 더욱이, 전해질 농도 및 마그네슘 합금 음극의 성분 변화 등의 연구는 최적화된 전기화학적 성능 및 효율을 가진 마그네슘-공기 전지 시스템 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
최근 4차 산업 혁명은 공학, 산업 분야뿐만 아니라 사회 전반적으로 큰 영향을 주고 있으며, 주요 핵심 산업 기술 분야의 전력 공급원인 전지와 에너지 저장 기술 발전에도 큰 영향을 주고 있다. 더욱이, 첨단 과학 기술 기반의 현대사회는 고부가 가치 산업의 제품 등이 고효율 전지를 기반으로 급속도로 개발되고 있으며, 여기서 전지 기술은 필수적인 기술 요소로 작동하고 있다. 또한, 전력의 공급이 단절될 수 있는 비상시에는 외부 전력을 이용한 전자제품의 사용이 제한될 수 있기 때문에 평상시뿐만 아니라 조난 및 긴급 재난 등의 전력이 단절된 상황에서도 사용될 수 있는 간편하며 안전한 비상전원용 전지의 개발이 필요한 시점이다. 대표적으로, 마그네슘-공기 전지는 비상전원용 전지의 후보군 중 하나이며, 높은 용적 용량(3833 mAh cm-3)과 이론 전지 전압(3.1 V), 무독성, 장기 보존성, 쉬운 구동성, 및 기계적 충전이 가능하다는 특징을 가지며, 음극으로 사용되는 마그네슘의 풍부한 지구 자원으로 저비용 시스템을 구축할 수 있다는 장점 등을 가지고 있다. 그러나, 전해질과 마그네슘 전극 사이에서의 높은 부식 반응은 미 반응 마그네슘의 손실과 높은 분극을 일으켜, 전지의 성능을 크게 저하시켜 현 시스템의 한계성을 보여주고 있다. 따라서, 현재의 마그네슘-공기 전지 연구는 부식 경향이 약한 저농도 전해질을 중심으로 진행되고 있다. 하지만, 고농도의 전해질을 이용하는 것은 마그네슘-공기 전지의 높은 개방 회로 전압을 유도시켜 전기화학적 성능을 향상 시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 따라서, 본 연구에서는 전해질의 농도별 전지 성능을 확인하여 최적화된 마그네슘-공기 전지 시스템을 찾고자 하였으며, 높은 부식 저항을 가지는 AZ계열 마그네슘 합금(AZ31B, AZ61)을 음극으로의 적용을 통하여 전지 성능을 향상시키고자 하였다. 서로 다른 알루미늄 함량을 가진 두 마그네슘 합금을 음극으로 적용한 마그네슘-공기 전지 시스템에서 가장 높은 전기화학적 성능은 AZ61 마그네슘 합금 음극을 2.0 mol dm-3 NaCl 전해질 농도에 적용하였을 때 확인되었으며, 1860 Wh kg-1의 가장 높은 에너지 밀도를 보였다. 이에 비하여, 동일한 마그네슘 합금 음극을 0.6 mol dm-3 NaCl 전해질 농도에 적용하였을 때에는 1723 Wh kg-1의 에너지 밀도를 나타냄을 확인하였다. 이러한 전해질의 농도 증가에 따른 전기화학적 성능 향상의 상관 관계에 대해 고찰하기 위하여, potentiodynamic 분극화 실험을 진행하였다. Potentiodynamic 분극화 실험 결과, 높은 농도의 전해질을 적용한 마그네슘-공기 전지에서 강한 전기화학적 활성, 높은 전류 밀도, 낮은 분극 저항 특성이 확인되었다. 이는, 마그네슘 전극과 전해질의 계면에서의 반응이 원활하게 진행될 수 있음을 의미하고, 전지 성능의 향상 시킬 수 있는 요인으로 작용할 수 있음을 의미한다. 또한, 방전테스트 결과에서 합금별 전기화학적 성능 차이도 확인된다. AZ31B 마그네슘 합금 음극은 모든 NaCl 전해질 농도에서 AZ61 마그네슘 합금 음극 보다 낮은 전지 성능을 보여주며, 특히, 가장 높은 전지 성능이 확인되었던 2.0 mol dm-3 NaCl 전해질에서 AZ31B 마그네슘 합금 음극은 비교적 매우 낮은 1408 Wh kg-1의 에너지 밀도를 나타내었다. 이러한 마그네슘 합금별 전기화학적 성능 차이에 대해 구조적 및 화학적 요인을 확인하고자, 방전 과정 동안에 생성된 산화물의 성분 및 형상을 비교 분석 진행하였다. X선 광전자 분광법을 통해, 분석된 두 합금의 산화물 층에서, AZ61의 경우에는 균일한 내식성의 산화알루미늄 층이 확인하였다. 반면, AZ31B는 불균일한 산화알루미늄 층이 존재하며, 이는 마그네슘의 손실에 대하여 비교적 낮은 보호 효과를 가질 것을 의미한다. 낮은 보호 효과에 의한 차이는 산세된 마그네슘 합금의 주사 전자현미경 분석을 통해 확인하였다. AZ61 합금 표면은 비교적 매끄러운 반면, AZ31B 합금 표면에서는 “chunk effect” 형상이 확인되었다. 이러한 형상은 미 반응한 마그네슘의 손실을 초래할 수 있으며, 마그네슘 음극이 구현할 수 있는 방전 용량의 감소를 일으킨다. 본 연구를 통하여, 높은 전해질 농도를 적용한 마그네슘-공기 전지는 보다 높은 전기화학적 성능을 구현할 수 있음을 확인하였다. 더욱이, 전해질 농도 및 마그네슘 합금 음극의 성분 변화 등의 연구는 최적화된 전기화학적 성능 및 효율을 가진 마그네슘-공기 전지 시스템 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
Magnesium-air battery system has been a promising electrochemical power source as an one of emergency power battery for private and household electrical appliance due to their high volumetric capacity and cell voltage. However, for commercialization of magnesium-air battery was required superior ele...
Magnesium-air battery system has been a promising electrochemical power source as an one of emergency power battery for private and household electrical appliance due to their high volumetric capacity and cell voltage. However, for commercialization of magnesium-air battery was required superior electrochemical performance of system. Therefore, we intend to improve the performance of magnesium-air battery through enhanced electrochemical activity under highly concentrated electrolyte. In addition, the application of AZ series magnesium alloy (AZ31B, AZ61) with high corrosion resistance was expected to achieve good performance in highly concentrated electrolytes. When two kinds of magnesium alloys were applied to anodes, the highest electrochemical performance of magnesium-air battery was observed in a system in which the AZ61 anode was measured in a 2 mol dm-3 NaCl electrolyte. The highest energy density of AZ61 anode was 1860 Wh kg-1, while the lowest value of 1723 Wh kg-1 was obtained in a system using 0.6 mol dm-3 NaCl electrolyte. Differences in electrochemical behavior by various electrolyte concentrations were investigated through the potentiodynamic polarization test. These results show the enhanced electrochemical activity due to the increasing reaction between anode and electrolyte in system by applied highly concentrated electrolyte. The high electrochemical activity of interface reaction on anode can quickly form a protective film, and then the formed protective film can reduce the loss of magnesium anode, thereby preventing decrease of discharge capacity. The difference electrochemical features in the magnesium-air battery using two anodes (AZ31B, AZ61) was also noticeable. Compared to the highest energy density of 1860 Wh kg-1 of AZ61 anode, a low energy density of 1408 Wh kg-1 was observed when the AZ31B anode was applied at the identical concentration of the electrolyte. In addition, the AZ31B anode exhibited lower electrochemical performance than the AZ61 anode in all concentration conditions of electrolyte. To investigate the cause of different electrochemical behavior, the shapes and components of the discharge products formed on the two magnesium anodes were confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and scanning electron microscopy (SEM) analysis. The XPS results of two magnesium anodes exhibited that the uniformity of aluminum oxide in the discharge product formed on the surface was different. The aluminum oxide content of discharge products formed on the AZ31B anode was relatively non-uniform, which can lead to a loss of magnesium by lowering the corrosion resistance of the anode. By the SEM results of the AZ31B anode, magnesium loss through low corrosion resistance was confirmed by a large pit shape image known as the "chunk effect". In this study, it was confirmed that the magnesium-air battery with highly concentrated electrolyte can realize high electrochemical performance. Furthermore, this study for effect of electrochemical properties by the electrolyte concentration can contribute to the development of magnesium-air battery system with optimal performance.
Magnesium-air battery system has been a promising electrochemical power source as an one of emergency power battery for private and household electrical appliance due to their high volumetric capacity and cell voltage. However, for commercialization of magnesium-air battery was required superior electrochemical performance of system. Therefore, we intend to improve the performance of magnesium-air battery through enhanced electrochemical activity under highly concentrated electrolyte. In addition, the application of AZ series magnesium alloy (AZ31B, AZ61) with high corrosion resistance was expected to achieve good performance in highly concentrated electrolytes. When two kinds of magnesium alloys were applied to anodes, the highest electrochemical performance of magnesium-air battery was observed in a system in which the AZ61 anode was measured in a 2 mol dm-3 NaCl electrolyte. The highest energy density of AZ61 anode was 1860 Wh kg-1, while the lowest value of 1723 Wh kg-1 was obtained in a system using 0.6 mol dm-3 NaCl electrolyte. Differences in electrochemical behavior by various electrolyte concentrations were investigated through the potentiodynamic polarization test. These results show the enhanced electrochemical activity due to the increasing reaction between anode and electrolyte in system by applied highly concentrated electrolyte. The high electrochemical activity of interface reaction on anode can quickly form a protective film, and then the formed protective film can reduce the loss of magnesium anode, thereby preventing decrease of discharge capacity. The difference electrochemical features in the magnesium-air battery using two anodes (AZ31B, AZ61) was also noticeable. Compared to the highest energy density of 1860 Wh kg-1 of AZ61 anode, a low energy density of 1408 Wh kg-1 was observed when the AZ31B anode was applied at the identical concentration of the electrolyte. In addition, the AZ31B anode exhibited lower electrochemical performance than the AZ61 anode in all concentration conditions of electrolyte. To investigate the cause of different electrochemical behavior, the shapes and components of the discharge products formed on the two magnesium anodes were confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and scanning electron microscopy (SEM) analysis. The XPS results of two magnesium anodes exhibited that the uniformity of aluminum oxide in the discharge product formed on the surface was different. The aluminum oxide content of discharge products formed on the AZ31B anode was relatively non-uniform, which can lead to a loss of magnesium by lowering the corrosion resistance of the anode. By the SEM results of the AZ31B anode, magnesium loss through low corrosion resistance was confirmed by a large pit shape image known as the "chunk effect". In this study, it was confirmed that the magnesium-air battery with highly concentrated electrolyte can realize high electrochemical performance. Furthermore, this study for effect of electrochemical properties by the electrolyte concentration can contribute to the development of magnesium-air battery system with optimal performance.
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