[논문]전극재료에 따른 NaCl 전해질의 전기전도특성

김용혁

doi:10.5370/kiee.2010.59.11.2026

전극재료에 따른 NaCl 전해질의 전기전도특성
Electric Conduction Properties of NaCl Electrolyte as a Function of Electrode Materials 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.59 no.11, 2010년, pp.2026 - 2031

김용혁 (경원대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The electrical characteristics of galvanic cell which is composed of the cathode electrode(graphite, carbon and copper) and the anode electrode(Zn and Mg) were investigated. For this research as electrolyte 2~12 wt% NaCl aqueous solution were used. At graphite cathode electrodes which use Zn and Mg with the anode electrode, the open circuit voltage was 1.3V most highly. The maximum output power increased as the electrolyte concentration increased, due to a increase in ion density. When Zn and Mg with the anode electrode, the maximum output power respectively was evaluated as 2.2mW and 5.5mW about the graphite cathode electrode in the NaCl 4wt%. The research results indicated that the output power of cell which is composed with graphite with the cathode and Mg with the anode was most excellent and the efficiency of the cell could be enhanced by increasing the electrolyte concentration.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 전지의 출력특성에 미치는 음극전극의 영향을 고찰하기 위하여 Mg전극과 Zn음극전극을 비교 검토하였다.
본 논문에서는 전해질을 NaCl 수용액으로 하는 갈바니전지 구조에 대해서 음극전극재료(Zn, Mg)와 양극전극재료(Cu, Carbon, Graphite)가 화학전지의 전기적 특성에 미치는 영향에 대해서 연구하였다. 이를 위하여 NaCl 수용액 전해질과 음극전극간의 화학반응에 따른 이론적 전위를 검토하였으며 음극 및 양극전극이 전압-전류변화와 에너지 변환출력에 미치는 영향에 대해서 조사하였다.
본 연구에서는 NaCl 수용액을 전해질로 하는 갈바니 화학전지에 있어서 양극전극재료인 Graphite, Carbon, Cu와 음극전극재료인 Zn, Mg전극이 전지의 전기적 특성에 미치는 영향에 대해서 조사하였다. 음극전극으로 Zn과 Mg를 사용한 두 경우 모두 Graphite 양극전극에서의 기전력은 1.

제안 방법

전해질 농도에 따른 전압-전류특성은 전압계(DA-101A), 전류계(DA-101B), 포텐시오메터로 구성한 전기측정회로를 사용하였다. NaCl전해질 농도는 Digital salt meter(GMK50)로 측정하였다.
2Ω^~20kΩ)의 조절에 의해서 전지를 통해서 흐르는 전류 IL과 포텐시오메터 양단의 전압 VL을 측정하여 구하였다. 그리고 전지의 개방전압 VOC와 단락전류ISC는 포텐시오메터를 개방하거나 단락한 상태에서 측정하였다.
그림 1은 전지의 전기적 특성을 측정하기 위한 전기 회로도를 나타낸 것으로 전지의 부하특성은 포텐시오메터(0.2Ω~20kΩ)의 조절에 의해서 전지를 통해서 흐르는 전류 IL과 포텐시오메터 양단의 전압 VL을 측정하여 구하였다.
본 논문에서는 전해질을 NaCl 수용액으로 하는 갈바니전지 구조에 대해서 음극전극재료(Zn, Mg)와 양극전극재료(Cu, Carbon, Graphite)가 화학전지의 전기적 특성에 미치는 영향에 대해서 연구하였다. 이를 위하여 NaCl 수용액 전해질과 음극전극간의 화학반응에 따른 이론적 전위를 검토하였으며 음극 및 양극전극이 전압-전류변화와 에너지 변환출력에 미치는 영향에 대해서 조사하였다.
5mm의 아크릴 재질을 사용하여 15cm(L)× 5cm(W)×5cm(H) 크기로 제작하였다. 전해질 농도에 따른 전압-전류특성은 전압계(DA-101A), 전류계(DA-101B), 포텐시오메터로 구성한 전기측정회로를 사용하였다. NaCl전해질 농도는 Digital salt meter(GMK50)로 측정하였다.

대상 데이터

본 실험에서 사용한 양극재료는 금속재료 중에서 전기 전도성이 뛰어난 Cu와 화학적으로 안정되면서 전기도전성이 우수한 Carbon과 Graphite재료를 사용하였다. 음극재료는 이온화 경향이 큰 Mg(순도 99.
본 실험에서 사용한 양극재료는 금속재료 중에서 전기 전도성이 뛰어난 Cu와 화학적으로 안정되면서 전기도전성이 우수한 Carbon과 Graphite재료를 사용하였다. 음극재료는 이온화 경향이 큰 Mg(순도 99.9%)와 Zn(순도 98%)재료를 사용하였고 전해질로는 2^~12wt%의 NaCl 수용액을 사용하였다. 각 전극판은 판상으로서 3cm×3cm의 일정 크기로 하였고 전극간 거리는 10cm를 유지하였다.
전해질 용기는 두께 0.5mm의 아크릴 재질을 사용하여 15cm(L)× 5cm(W)×5cm(H) 크기로 제작하였다.

성능/효과

이러한 현상은 부하전압이 전해질 농도에 대해서 현저한 차이를 나타내는 큰 전류영역에서 쉽게 확인할 수 있다. 1^~2mA의 영역에서는 부하전압의 감소기울기는 전해질 농도에 의존되지 않고 거의 일정하였으나 부하전류 2mA이상부터는 전해질 농도가 감소할수록 부하전압의 감소기울기는 크게 나타났다. 그리고 초기전류 영역인 0^~1mA에서 전압의 감소가 급격하게 일어난 것은 분극작용에 기인된 현상으로 볼 수 있다.
전류증가에 따른 부하전압의 감소현상은 그림 3의 Zn 음극전극과 거의 같은 특성을 보이고 있다. 그러나 Mg전극을 사용했을 때의 기전력은 0.6^~0.9V인 Zn전극에 비해서 상대적으로 높게 나타났고 같은 부하전압에 대한 부하 전류값도 크게 증가되었다. 따라서 Mg전극을 사용하는 것이 출력 특성 면에서 매우 우수할 것으로 예상할 수 있다.
7V로써 Carbon, Graphite전극이 +전위, Cu전극이 -전위를 나타내었다. 그러므로 전체적으로 Zn에 대해서 Carbon, Graphite의 전위차가 1.1V와 1.3V로 측정된 결과로 나타났다고 할 수 있다.
20분 후 부터는 분극작용에 의해서 감소된 기전력의 영향으로 전압감소현상이 완만하게 진행된다고 생각된다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이 전압이 안정된 상태에서, Graphite, Carbon, Cu전극을 사용한 전지의 기전력이 각각 0.9V, 0.7V, 0.6V로 측정되었으며 기전력 크기 면에서 Graphite전극이 가장 우수한 전극재료로 확인되었다.
부하전류가 증가함에 따라서 부하전압은 전반적으로 감소하는 특성을 나타내었다. 또한 부하전압은 전해질 농도의 증가에 따라서 높아지는 경향을 보였다.
5mW를 나타냈다. 상기 결과로부터, 전극효과 면에서는 Graphite를 양극전극으로 하고 Mg를 음극재료로 구성한 전지에서 발전특성이 가장 우수한 것으로 평가되었으며 또한 NaCl 전해질 농도를 증가시킴으로서 전지의 성능을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
이와 같은 특성은 전해질 농도 증가에 따라서 이온밀도가 증가된 영향으로 볼 수 있다. 실험결과에서 알 수 있는바와 같이 전해질 농도 2wt%의 경우에서는 전류 5mA에서 최대출력을 나타냈으며 12wt%에서는 전류밀도 7mA에서 최대출력을 나타내었다. 이와 같이 전해질 농도 증가에 따라서 최대출력을 나타내는 전류값이 증가되는 것은 전해질 내 이온농도 증가에 따라서 전하밀도가 증가된 결과로 생각된다.
본 연구에서는 NaCl 수용액을 전해질로 하는 갈바니 화학전지에 있어서 양극전극재료인 Graphite, Carbon, Cu와 음극전극재료인 Zn, Mg전극이 전지의 전기적 특성에 미치는 영향에 대해서 조사하였다. 음극전극으로 Zn과 Mg를 사용한 두 경우 모두 Graphite 양극전극에서의 기전력은 1.3V로서 가장 높게 나타났다. 전해질 농도가 증가할수록 출력이 전반적으로 증가되었으며 Graphite양극전극의 경우 Zn전극에서 최대출력 2.
Zn전극에 비해서 Mg전극의 출력이 2배 이상 증가된 것으로 나타났다. 이와 같은 결과로서 같은 전해질 상태에서의 전극반응이 Mg전극재료가 Zn전극재료에 비해 매우 활성적으로 일어난다는 사실을 알 수 있다. 따라서 동일 출력을 얻는 조건이라면 Mg전극재료를 사용하는 것이 효율성이 크다고 할 수 있다.
즉 Graphite전극을 사용한 전지의 출력은 Carbon전극에 비해서 2배 이상 높았으며 Cu전극에 비해서는 3배 이상 높게 나타났고 최대출력을 나타내는 전류값의 크기가 Graphite＞carbon＞Cu전극 순으로 나타났다. 이와 같은 특성으로부터 전해질과 전극간의 화학반응성 면에서 Graphit전극이 Carbon전극이나 Cu전극에 비해서 매우 우수한 반응을 나타내는 것으로 확인하였다.
전반적으로 20분이 경과할 때까지 전압이 감소하는 특성을 나타내었으며 20분 이후부터 는 거의 안정된 전압 값을 나타내었다. 초기상태에서는 전해질과 전극간의 화학반응이 장애없이 매우 원활하게 일어나지만 시간이 지나면서 화학반응에 의해서 생성된 식 (2)의 수소가스 등에 의해서 기전력이 감소되는 소위 분극작용에 의한 영향으로 볼 수 있다.
그림 4에 Zn 음극전극, NaCl 전해질 농도 4wt%에 있어서 양극전극재료에 따른 전류-전압특성을 나타내었다. 전반적으로 부하전류가 증가할수록 부하전압이 낮아지는 경향을 나타내었으며 양극전극 종류에 따라서 매우 현저한 전류-전압특성을 보이고 있다. Cu전극의 경우 전류증가에 대해서 부하전압이 매우 빠르게 감소되었으며 Graphite전극에서는 완만한 기울기를 나타내었다.
3V로서 가장 높게 나타났다. 전해질 농도가 증가할수록 출력이 전반적으로 증가되었으며 Graphite양극전극의 경우 Zn전극에서 최대출력 2.2mW를 나타냈고 Mg전극에서 최대출력 5.5mW를 나타냈다. 상기 결과로부터, 전극효과 면에서는 Graphite를 양극전극으로 하고 Mg를 음극재료로 구성한 전지에서 발전특성이 가장 우수한 것으로 평가되었으며 또한 NaCl 전해질 농도를 증가시킴으로서 전지의 성능을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
그림 5의 전해질 농도에 따른 IL-VL특성곡선으로부터 구한 출력특성을 그림 7에 나타내었다. 전해질 농도가 증가함에 따라서 출력이 증가하는 특성을 나타내었으며 최대출력을 나타내는 전류값도 전해질 농도에 따라서 증가하였다. 이와 같은 특성은 전해질 농도 증가에 따라서 이온밀도가 증가된 영향으로 볼 수 있다.
6 mW를 나타냈다. 즉 Graphite전극을 사용한 전지의 출력은 Carbon전극에 비해서 2배 이상 높았으며 Cu전극에 비해서는 3배 이상 높게 나타났고 최대출력을 나타내는 전류값의 크기가 Graphite＞carbon＞Cu전극 순으로 나타났다. 이와 같은 특성으로부터 전해질과 전극간의 화학반응성 면에서 Graphit전극이 Carbon전극이나 Cu전극에 비해서 매우 우수한 반응을 나타내는 것으로 확인하였다.

후속연구

따라서 화학전지의 전극재료와 전해질 사이의 화학반응에 따른 전기적 변화를 전극재료의 관점에서 평가함으로서 사용 전해질에 맞는 최적의 전극조건을 찾을 수 있으리라 보며 최적의 전극-전해질 조건을 통해서 전지의 발전성능을 보다 향상시킬 수 있을 것으로 생각된다. 이 결과를 바탕으로 수용성 전해질만을 사용하는 새로운 개념의 화학전지 개발에 대한 정보를 제공할 수 있으리라 본다.
따라서 화학전지의 전극재료와 전해질 사이의 화학반응에 따른 전기적 변화를 전극재료의 관점에서 평가함으로서 사용 전해질에 맞는 최적의 전극조건을 찾을 수 있으리라 보며 최적의 전극-전해질 조건을 통해서 전지의 발전성능을 보다 향상시킬 수 있을 것으로 생각된다. 이 결과를 바탕으로 수용성 전해질만을 사용하는 새로운 개념의 화학전지 개발에 대한 정보를 제공할 수 있으리라 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전해질 특성에 맞는 전극재료의 선택이 중요한 이유는?	일반적으로 전기화학전지의 성능은 전극재료는 물론 전극과 화학반응을 일으키는 전해질에 의해서도 좌우되기 때문에 전극재료와 전해질의 반응을 활성화시키기 위하여 전해질특성에 맞는 전극재료의 선택은 전기화학전지에 있어서 무엇보다도 중요하다고 하겠다[6-7]. 볼타의 화학전지를 토대로 하여 1864년 Leclanch 전지가 발명된 이래로 현재까지 가정이나 산업용으로 사용되고 있는 망간전지의 경우 음극 재료로 아연전극이 사용되고 양극전극으로는 탄소체가 사용되며 전해질로는 MnO2+NH4Cl+C등이 혼합된 고체전해질이 사용되고 1.
	전극재료에 관한 관심이 집중되는 이유는?	또한 화석연료의 고갈에 대한 에너지 부족문제나 화석연료를 사용함으로서 방출되는 CO2가스나 유해성 가스 배출 문제가 대두되면서 화석연료에 대한 대안으로서 연료전지와 같은 미래형 전력원에 대한 기대가 한층 고조되고 있는 상황이다. 이에 따라서 에너지를 가장 효율성 있게 집전하고 저장할 수 있는 높은 에너지밀도를 갖는 전극재료에 대한 관심이 집중되고 있다[1-5].
	NaCl 수용액을 전해질로 하는 갈바니 화학전지에 있어 양극 전극 재료들과 음극 전극 재료들이 전지의 전기적 특성에 미치는 영향에 관한 연구 결과는?	본 연구에서는 NaCl 수용액을 전해질로 하는 갈바니 화학전지에 있어서 양극전극재료인 Graphite, Carbon, Cu와 음극전극재료인 Zn, Mg전극이 전지의 전기적 특성에 미치는 영향에 대해서 조사하였다. 음극전극으로 Zn과 Mg를 사용한 두 경우 모두 Graphite 양극전극에서의 기전력은 1.3V로서 가장 높게 나타났다. 전해질 농도가 증가할수록 출력이 전반적으로 증가되었으며 Graphite양극전극의 경우 Zn전극에서 최대출력 2.2mW를 나타냈고 Mg전극에서 최대출력 5.5mW를 나타냈다. 상기 결과로부터, 전극효과 면에서는 Graphite를 양극전극으로 하고 Mg를 음극재료로 구성한 전지에서 발전특성이 가장 우수한 것으로 평가되었으며 또한 NaCl 전해질 농도를 증가시킴으로서 전지의 성능을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

참고문헌 (12)

J.M. Friedrich et al, "Reticulated vitreous carbon as an electrode material," J. Electroanaly. Chem. Vol. 561 pp. 203？217, 2004.
V. Subramanian, H. Zhu, and B. Wei,"Nanostructured manganese oxides and their composites with carbon nanotubes as electrode materials for energy storage devices," Pure Appl. Chem., Vol. 80, No. 11, pp. 2327？2343, 2008.

상세보기
Yu II Yoon and Jang Myoun Ko,"CoNi Oxide/Carbon,-,Nanofiber Composite Electrodes for Supercapacitors," Int. J. Electrochem. Sci., Vol. 3, pp. 1340-1347, 2008.
K. VYTRAS, I. SANCARA and R. METELKA,"Carbon paste electrodes in electro analytical chemistry," J. Serb. Chem. Soc., Vol. 74 No.10, pp. 1021？1033, 2009.

상세보기
박인준, 송진수, 김영유, "다공질 규소의 EL특성과 접촉전해질의 영향," 대한전기학회논문지, 제44권, 12호, pp. 1617-1622, 1995.
U. Balachandran, T. H. Lee, B. Ma, and S. E. Dorris,"Solid Oxide Fuel Cells Based on Proton Conducting Electrolytes," Mater. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 972, 2007.
김선재, 황종선,"저온형 고체산화물 연료전지를 위한 20㏖％ Gd-doped $CeO_{2}$ 전해질의 제조에 관한 연구,"1997년 대한전기학회 추계학술대회 논문집, 11, pp. 305-307, 1997.
박권필, 전해수,"전해질 첨가제가 알루미늄-공기전지의 성능에 미치는 영향," J. Kor. Ind.&Eng. Chem. Vol. 9, N0.1, pp. 52-57, 1998.
A. Hassibi, R. Navid, R. W. Dutton and T. H. Lee, " Comprehensive study of processes in electrode electrolyte interfaces," J. Appl. Phys. Vol. 96 No. 2, pp. 1074-1082, 2004.

상세보기
M. J. Smith and C. A. Vincent, "Electrochemistry of the zinc-silver oxide system, Part 1: Thermodynamic studies using commercial miniature cells," J. Chem. Educ., Vol.66, No.6, pp. 529-531, 1989.

상세보기
Richard K. Morris, Gerry A. Ottewill and B. Des Barker,"The aluminium-air cell," Int. J. Eng. Ed., Vol. 18, No. 3, pp. 379-388, 2002.
K. F. Blurton and A. F. Sammells, "Metal-air batteries : their status and potential-A Review," J. power sources, Vol. 4, p. 263, 1979.

상세보기

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증