[논문]구리/NaCl 전해질/아연 전기화학전지의 전류특성

김용혁

doi:10.5370/kiee.2010.59.9.1626

[국내논문] 구리/NaCl 전해질/아연 전기화학전지의 전류특성
Current characteristics of Cu/NaCl electrolyte/Zn electrochemical cell 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.59 no.9, 2010년, pp.1626 - 1631

김용혁 (경원대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The characteristics of electric current for the voltaic cell are important for electric power applications. In this paper, an electrical equivalent model consist of three resisters and a capacitance for the Cu/NaCl solution/Zn electrochemical cell is proposed. The capacitance which exists in the Zn electrode/electrolytic interface increased according to Zn electrode area, but cannot affect almost in electric current. Complex impedance plot was used to analysis the interface effect for Zn/electrolyte. This result shows that the interface is similar with the electric transmission line. The short current measurements were conducted to investigate the effects of hydrogen peroxide, the watery sulfuric acid and NaCl aqueous solution. As the hydrogen peroxide increased, the electric current increased because the hydrogen gas being converted with the water. Also electric current increased significantly with increase of the hydrogen ion with the watery sulfuric acid and increased with increase of $Na^+$ ion and $Cl^-$ion in the NaCl electrolyte.

주제어

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 화학전지로부터 생성되는 전위와 전위로부터 전극 사이에 흐르는 일련의 전류흐름이 제어되는 기본적인 저항요소 만에 의한 등가회로 모델을 이용하여 전류흐름에 미치는 저항요소들의 특성변화에 대해 조사하였다. 이를 위하여 전해질 농도와 감극제 등의 변화에 따른 개방전압과 단락전류의 변화에 초점을 맞추어 검토하였다.
본 연구에서는 Cu/전해질/Zn전극으로 구성된 볼타전지에 있어서 전류흐름에 미치는 저항요소들에 대한 전기적 등가 모델을 통하여 전류특성을 개선할 수 있는 방법을 제시하였다. Zn전극 면적의 증가에 따라서 전극/전해질 계면에 생성된 커패시턴스 성분은 크게 증가되었으나 전류의 변화에 거의 영향을 미치지 못했다.

제안 방법

Zn 계면에서의 임피던스측정을 위하여 동종전극으로 구성한 샌드위치 구조의 Zn금속-전해질-Zn금속 구조의 시편을 사용함으로서 이종전극에 의한 전위차의 영향을 배제하였다. 그림 6에 주파수변화에 따른 복소 임피던스 Z'와 Z"를 나타내었다.
계면에서의 복소임피던스 측정은 LF Impedance Analyzer (HP 4192A)를 사용하여 20Hz∼10MHz에서 측정하였다.
따라서 본 논문에서는 화학전지로부터 생성되는 전위와 전위로부터 전극 사이에 흐르는 일련의 전류흐름이 제어되는 기본적인 저항요소 만에 의한 등가회로 모델을 이용하여 전류흐름에 미치는 저항요소들의 특성변화에 대해 조사하였다. 이를 위하여 전해질 농도와 감극제 등의 변화에 따른 개방전압과 단락전류의 변화에 초점을 맞추어 검토하였다.
전해질 농도는 Digital salt meter (GMK50)를 사용하여 0.0 ∼ 10.0% 범위에서 측정하였다.
앞에서 기술한 바와 같이 커패시터를 통해서 흐르는 전류는 Zn/전해질 계면의 커패시턴스와 관련될 것을 예상하였다. 커패시턴스에 관련된 현상을 조사 위하여 Zn전극 면적에 따른 커패시턴스와 단락전류의 변화를 조사하였다.

대상 데이터

전해질 성분에 대한 영향을 조사하기 위하여 증류수, 정류수 그리고 NaCl 수용액(3Wt%)을 사용하였다. 각 요소에 따른 전류변화 특성을 관찰하기 위하여 과산화수소 (H₂O₂) 20%용액과 황산(H₂SO₄) 1%용액을 사용하였다. 계면에서의 복소임피던스 측정은 LF Impedance Analyzer (HP 4192A)를 사용하여 20Hz∼10MHz에서 측정하였다.
5cm(d)인 PVC 사각 용기를 사용하였다. 그리고 산화전극으로 Cu판을 사용하였고 환원전극으로는 Zn판을 사용하였다. 전극의 크기는 5cm(L)x3.
그리고 산화전극으로 Cu판을 사용하였고 환원전극으로는 Zn판을 사용하였다. 전극의 크기는 5cm(L)x3.5cm(W) x0.5cm(t)이며 전극 간 거리는 4cm로 하였다. 전해질 성분에 대한 영향을 조사하기 위하여 증류수, 정류수 그리고 NaCl 수용액(3Wt%)을 사용하였다.
5cm(t)이며 전극 간 거리는 4cm로 하였다. 전해질 성분에 대한 영향을 조사하기 위하여 증류수, 정류수 그리고 NaCl 수용액(3Wt%)을 사용하였다. 각 요소에 따른 전류변화 특성을 관찰하기 위하여 과산화수소 (H₂O₂) 20%용액과 황산(H₂SO₄) 1%용액을 사용하였다.
전해질 용기의 크기는 6cm(L) x 5cm(W) x 3.5cm(d)인 PVC 사각 용기를 사용하였다. 그리고 산화전극으로 Cu판을 사용하였고 환원전극으로는 Zn판을 사용하였다.

이론/모형

계면에서의 복소임피던스 측정은 LF Impedance Analyzer (HP 4192A)를 사용하여 20Hz∼10MHz에서 측정하였다. 단락전류 측정은 Digital ammeter (DA-101B)를 사용했으며 개방전압은 Digital voltmeter(DA-101A)로 측정하였다. 전지의 개방전압과 단락전류는 회로연결 1분 후의 값을 측정값으로 하였다.

성능/효과

주파수가 증가함에 따라서 커패시턴스가 매우 급격하게 감소하는 특성을 나타내었다. 20Hz의 저주파수에서는 13mF 정도로 매우 큰 값을 나타냈으나 4kHz부터 20uF 이하로 감소하는 특성을 나타내었다. 저주파수에서 커패시턴스 값이 매우 큰 것은 매질이 NaCl 전해질로써 Na⁺이온과 Cl^-이온이 존재하기 때문인 것으로 보며 주파수가 증가함에 따라서 매우 급격하게 낮아진 것은 유전완화현상에 의한 것으로 생각된다.
복소 임피던스의 측정으로부터 Zn/전해질 계면은 전송회로 특성을 나타내는 것으로 평가되었다. Cu전극과 Zn전극에 생성된 수소기체를 과산화수소의 첨가로 완화시킴으로서 전류특성을 개선할 수 있었고 묽은 황산용액의 수소이온에 의한 Cu전극 반응의 촉진을 통해서 큰 전류 값을 얻을 수 있었다.
H₂O₂의 첨가량 1.5∼6(Wt%)증가에 따라서 단락전류의 상대변화량이 0.25∼1.2로 매우 큰 폭으로 증가하였으나 개방 전압은 약간 감소되는 양상을 나타내었으나 변화의 크기에 있어서는 매우 작게 나타났다. 이와 같은 결과로부터 과산화수소의 첨가량이 많을수록 분극작용을 크게 완화시키는 것임을 알 수 있다.
따라서 H₂O₂첨가량이 증가됨에 따라서 개방전압의 상대변화량이 매우 현저하게 줄어든 것은 이와 같은 영향이 반영되었음을 보여준 것으로 볼 수 있다. 결과적으로 H₂O₂는 Cu전극뿐만이 아니라 Zn전극으로부터 발생되는 수소기체에 의한 분극작용을 완화시킴으로서 수소이온이 전극과 반응하는데 장애물을 제거하는 역할을 하였다. 따라서 그림 3의 전기적 등가회로에서 과산화수소가 저항 R_h와 R_i 를 제어하는 요소로 작용한다는 것으로 평가할 수 있다.
결과적으로 H₂SO₄수용액은 기전력의 변화보다는 H⁺이온에 의한 Cu전극의 환원반응을 촉진시킴으로서 전류흐름을 증대시키는 작용을 하는 것으로 볼 수 있다. 따라서 H₂SO₄수용액은 전기적 등가회로에서 저항 R_h값을 제어하는 첨가제로 작용한다고 볼 수 있다.
전기화학작용에 의해서 생성된 전하는 Zn 전극과 NaCl 전해질 계면에서의 커패시터에 저장되면서 부하회로를 통해서 상대전극으로 이동된다고 볼 수 있다. 그러므로 Zn전극에서 Cu전극으로 이동되는 전하량은 계면 커패시턴스의 크기에 비례하게 하게 되므로 커패시터값을 증가시킴으로서 회로 전류량을 증가시킬 수 있을 것으로 본다.
Zn전극 면적의 증가에 따라서 전극/전해질 계면에 생성된 커패시턴스 성분은 크게 증가되었으나 전류의 변화에 거의 영향을 미치지 못했다. 복소 임피던스의 측정으로부터 Zn/전해질 계면은 전송회로 특성을 나타내는 것으로 평가되었다. Cu전극과 Zn전극에 생성된 수소기체를 과산화수소의 첨가로 완화시킴으로서 전류특성을 개선할 수 있었고 묽은 황산용액의 수소이온에 의한 Cu전극 반응의 촉진을 통해서 큰 전류 값을 얻을 수 있었다.

후속연구

이와 같이 Zn전극에 대한 계면 커패시턴스의 큰 증가 폭에도 불구하고 부하전류의 변화율이 낮게 나타난 것은 전전류량이 Zn전극의 계면효과 보다는 화학작용에 의한 전위차나 전해질의 전기전도성이 전기전도에 보다 지배적으로 작용하기 때문인 것으로 생각된다. 이 결과를 바탕으로 앞으로 도체/전해질 계면에서의 전류변화에 대한 추후 연구가 필요할 것으로 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	갈바니전지는 무엇인가?	일반적으로 전기화학전지의 화학반응에 따른 전류의 흐름은 금속전극과 전해질 사이의 전하이동 메카니즘과 매우 밀접하게 관련된 것으로 알려져 있다[1-3]. 갈바니전지는 자발적인 화학반응에 의해서 서로 다른 두 전극 사이에 전위차를 생성하고 전해질을 통해서 전류를 공급하는 소위 전기화학작용을 이용한 전지이다. 특히 전극과 전해질이 접촉되어 있는 계면은 전기에너지를 생성하고 전하를 전송하는데 있어서 매우 핵심적인 역할을 담당한다.
	전기화학전지에서 가능한 한 큰 전류가 흘러야 하는 이유는?	전기화학전지는 외부회로에 기전력을 공급하는 기능을 갖기 때문에 가능한 한 큰 전류가 흐르지 않으면 안 된다. 그러나 모든 에너지 시스템이 그러하듯이 화학전지 또한 전자와 이온의 이동을 방해하는 요소들에 의해서 전류의 흐름이 제한될 수밖에 없다.
	갈바니전지의 계면은 어떠한 측면에서 핵심적인 역할을 담당하는가?	갈바니전지는 자발적인 화학반응에 의해서 서로 다른 두 전극 사이에 전위차를 생성하고 전해질을 통해서 전류를 공급하는 소위 전기화학작용을 이용한 전지이다. 특히 전극과 전해질이 접촉되어 있는 계면은 전기에너지를 생성하고 전하를 전송하는데 있어서 매우 핵심적인 역할을 담당한다. 즉 전극/전해질 계면에서의 화학적인 기울기는 전기화학반응을 일으키는 구동력을 제공하고 계면 자체는 전하를 저장하고 방전하는 콘덴서로서의 역할을 담당한다.

참고문헌 (13)

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Jong-Hyeon Chang, Jung-Ho Park," 전기화학적 임피 던스 Fitting 개선을 위한 전극/전해질 계면의 전기회로 모델 연구", 전기학회논문지 56권, 6호, pp. 1087-1091, 2007
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L.H.M. Chung, " Integrated chemistry today", Wah Yan College pub., 2008
Solartron Group."Understanding electrochemical cells, Technical Report 17", Solartron Instruments a division of Solartron Group, TECH017.DOC.,1999

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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