전해질 유동 조건에 따른 아연공기전지 아연극 표면의 Zincate 이온 농도 예측을 위한 수치해석적 연구 Numerical Analysis of the Prediction of Zincate Concentration at a Zinc Electrode with Electrolyte Flow Conditions in a Zinc Air Fuel Cell원문보기
수치해석을 이용하여 아연공기전지의 전기화학적 성능을 예측하였다. KOH 수계전해질 내부의 이동현상을 예측하기 위하여 Nernst-Planck식을 사용하였고, 전극 표면의 활성화손실을 모사하기 위해 아연극(음극)에는 Butler-Volmer식을, 공기극(양극)에는 Tafel식을 적용하였다. 정상상태해석을 통하여 아연/공기전지의 I-V곡선을 도출하였으며, 실험결과와의 I-V곡선 비교/분석을 통하여 수치 해석 모델의 타당성을 검증하였다. 전지반응 진행에 따른 전해질 내부의 이온 이동 및 분포 특성을 조사하기 위해 과도상태해석을 수행하였으며, 전극주변에서의 ${Zn(OH)_4}^{-2}$, $OH^-$, $K^+$ 이온들의 농도변화를 확인할 수 있었다. 또한, 다양한 전지전압조건 하에서 반응시간에 따라 아연극 표면에서의 ${ZnOH_4}^{2-}$의 농도 변화를 해석한 결과, 반응진행시 아연극 표면에서 ${ZnOH_4}^{2-}$의 농도가 최고성능을 나타내는 운전전압 0.63 V에서 약 1초 만에 포화농도에 도달하였으며, 일반적인 운전조건인 1.04 V에서는 약 13초 만에 포화농도에 접근하는 것으로 나타났다.
수치해석을 이용하여 아연공기전지의 전기화학적 성능을 예측하였다. KOH 수계전해질 내부의 이동현상을 예측하기 위하여 Nernst-Planck식을 사용하였고, 전극 표면의 활성화손실을 모사하기 위해 아연극(음극)에는 Butler-Volmer식을, 공기극(양극)에는 Tafel식을 적용하였다. 정상상태해석을 통하여 아연/공기전지의 I-V곡선을 도출하였으며, 실험결과와의 I-V곡선 비교/분석을 통하여 수치 해석 모델의 타당성을 검증하였다. 전지반응 진행에 따른 전해질 내부의 이온 이동 및 분포 특성을 조사하기 위해 과도상태해석을 수행하였으며, 전극주변에서의 ${Zn(OH)_4}^{-2}$, $OH^-$, $K^+$ 이온들의 농도변화를 확인할 수 있었다. 또한, 다양한 전지전압조건 하에서 반응시간에 따라 아연극 표면에서의 ${ZnOH_4}^{2-}$의 농도 변화를 해석한 결과, 반응진행시 아연극 표면에서 ${ZnOH_4}^{2-}$의 농도가 최고성능을 나타내는 운전전압 0.63 V에서 약 1초 만에 포화농도에 도달하였으며, 일반적인 운전조건인 1.04 V에서는 약 13초 만에 포화농도에 접근하는 것으로 나타났다.
In this work, the numerical analysis for the zincate behavior at a zinc electrode with an electrolyte flow was carried out for a ZAFC. The Nernst-Planck equation with a boundary condition of Butler-Volmer type was adopted to describe electrochemical effects of mass transfer, migration, kinetics of e...
In this work, the numerical analysis for the zincate behavior at a zinc electrode with an electrolyte flow was carried out for a ZAFC. The Nernst-Planck equation with a boundary condition of Butler-Volmer type was adopted to describe electrochemical effects of mass transfer, migration, kinetics of electrode. The Navier-Stokes equation, coupling to the Nernst-Planck equation, is also applied to describe the internal electrolyte flow fields. The validity of the numerical model is proved through the comparative analysis between numerical and experimental results. The concentration of zincate and the current density were also investigated at a zinc anode according to various electrolyte velocities. We have found the concentration of zincate decreased and the current density increased with an increase in the electrolyte velocity.
In this work, the numerical analysis for the zincate behavior at a zinc electrode with an electrolyte flow was carried out for a ZAFC. The Nernst-Planck equation with a boundary condition of Butler-Volmer type was adopted to describe electrochemical effects of mass transfer, migration, kinetics of electrode. The Navier-Stokes equation, coupling to the Nernst-Planck equation, is also applied to describe the internal electrolyte flow fields. The validity of the numerical model is proved through the comparative analysis between numerical and experimental results. The concentration of zincate and the current density were also investigated at a zinc anode according to various electrolyte velocities. We have found the concentration of zincate decreased and the current density increased with an increase in the electrolyte velocity.
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문제 정의
본 연구에서는 전해질이 순환하는 아연공기전지의 성능예측을 위한 전산해석기법을 개발하고자 한다. 현재까지는 주로 소형 1차전지 형태의 아연공기전지를 위한 전해질 정체조건에 대한 수치해석적 연구가 주를 이루었다면 본 연구는 최총 목표인 고출력, 대용량화를 위해 상대적으로 많은 전해질이 요구되는 전해질 순환형 아연 공기전지를 설계하기 위한 기초연구로서 그 차별성이 있다.
본 연구에서는 전해질이 순환하는 아연공기전지의 성능예측을 위한 전산해석기법을 개발하고자 한다. 현재까지는 주로 소형 1차전지 형태의 아연공기전지를 위한 전해질 정체조건에 대한 수치해석적 연구가 주를 이루었다면 본 연구는 최총 목표인 고출력, 대용량화를 위해 상대적으로 많은 전해질이 요구되는 전해질 순환형 아연 공기전지를 설계하기 위한 기초연구로서 그 차별성이 있다. 아연공기전지의 개념을 검증하고 현재 기술 수준을 확인하기 위해 상용 공기극을 이용하여 단위전지를 구성하여 실험을 수행하였으며, I-V성능곡선을 도출하였다.
가설 설정
이에 따라 아연/공기전지의 알칼리 전해질은 Zn(OH)42− , KOH, H2O으로 구성되어 있다고 가정할 수 있으며, 본 연구에서도 이온플럭스를 모사하기 위하여 zincate, 칼륨이온(K+), 수산화이온을 전해질의 기본 구성이온으로 설정하여 전산해석에 반영하였다.
제안 방법
또한, 과도상태해석을 통하여 전해질 내의 ZnOH42-, OH- , K+의 이온 농도 분포를 계산하였다. 전지반응이 진행됨에 따라 아연극 표면에서 농도차이에 의한 확산 층이 생성되며, 이는 이전 연구결과와 잘 일치하는 것이다.
아연공기전지의 KOH 전해질은 Zn(OH)42− , OH− , K+의 3가지 종류의 이온으로 구성되어 있다고 볼 수 있으며, 이에 따라 전산해석의 경우에도위에서 언급한 3가지 이온만을 고려하여 물리화학 및 전기화학적 현상을 구현하였다.
현재까지는 주로 소형 1차전지 형태의 아연공기전지를 위한 전해질 정체조건에 대한 수치해석적 연구가 주를 이루었다면 본 연구는 최총 목표인 고출력, 대용량화를 위해 상대적으로 많은 전해질이 요구되는 전해질 순환형 아연 공기전지를 설계하기 위한 기초연구로서 그 차별성이 있다. 아연공기전지의 개념을 검증하고 현재 기술 수준을 확인하기 위해 상용 공기극을 이용하여 단위전지를 구성하여 실험을 수행하였으며, I-V성능곡선을 도출하였다. 전산해석을 위한 수학적 모델을 정립하여 아연공기전지의 성능을 예측하였으며, 특히 아연극 표면에서의 Zn(OH)42− 농도 분포와 시간에 따른 농도 변화를 조사하였다.
아연공기전지의 성능을 나타내는 I-V곡선은 정상상태해석을 수행하여 도출하였으며, 전지작동에 따른 농도변화는 시간에 변화에 따라 발생하는 현상이므로 과도상태해석을 수행하여 조사하였다.
5는 시간 흐름에 따라 아연극 표면에서의 각 이온 농도를 나타내는 그래프이다. 일정전압조건 (chronopotentiometry) 하에서 약 300초 동안 ZnOH, OH, K의 농도분포를 조사하였다. 식1에 따라 반응이 진행될수록 Zn(OH)42-의 농도는 감소하며, OH농도는 증가하는 것을 확인할 수 있다.
전산해석을 위한 수학적 모델을 정립하여 아연공기전지의 성능을 예측하였으며, 특히 아연극 표면에서의 Zn(OH)42− 농도 분포와 시간에 따른 농도 변화를 조사하였다.
전산해석을 이용하여 아연공기전지 단위셀의 I-V곡선을 도출하여 실험결과와 비교/분석하였으며, 아연극의 산화용해반응(Anodic dissolution)시 발생하는 Zn(OH)42−와 OH−의 시간에 따른 전해질 내부에서의 농도변화를 관찰하였다.
2 m며 아연극과 공기극 사이에는 KOH 전해질이 채워져 있다. 전지반응은 깊이 방향(z방향)에 따른 영향이 미미하다고 판단되어 해석시간과 비용을 절감할 수 있는 2차원해석을 수행하였다. 해석격자는 7200(60 × 120)개로 전지 성능에 직접적인 영향을 미치는 전극표면에는 보다 많은 격자가 분포하게 하였다.
6은 인가하는 전압 변화에 따른 Zn(OH)42-, OH의 농도변화를 나타낸 그래프이다. 전지전압(Vcell) 이 0.63 V~1.29 V까지 변화함에 따라 약 100초간의 아연극 표면의 농도변화를 조사하였다. 인가하는 전압이 1.
전해질 온도는 약 25℃로 설정하였으며, 전류를 0~100 mA/cm2까지의 변화시켜가며 그에 따른 전압을 측정하여 I-V곡선과 전력곡선을 도출하였다.
전산해석은 전기화학현상 및 다중물리현상 해석에 강점을 가진 COMSOL Multiphysics를 이용하여 수행하였다. 정상상태 해석을 통하여 아연공기전지의 IV성능곡선을 도출하였으며, 비정상상태해석을 통하여 전해질 내부의 이온분포 및 ZnOH42-의 발생 경향을 조사하였다.
4는 실험결과와 전산해석결과로 부터 도출한 IV곡선과 전력밀도곡선을 나타낸 것이다. 제작된 전지로부터 I-V을 도출하기 위하여 단위셀에 0.01 mA/cm2에서100 mA/cm2까지의 전류밀도를 인가하였으며, 반응시작 후 약 10분간의 전압변화를 측정, 평균하여 작동전압을 결정하였다. 개방회로전압은 1.
대상 데이터
아연공기전지에 적용하는 KOH 전해질의 적정 몰농도는 최대 이온전도도를 나타내는 6M로 알려져 있으나,10) 전지작동 시간은 OH−량에 의해 좌우되므로 초기 OH−량을 증가시키기 위하여 8 M~10 M 정도의 KOH 전해질을 적용하는 경우도 있다. 본 연구에서는6 M KOH 전해질을 기준으로 하여 실험을 수행하였다.
음극으로는 크기가 200 mm × 200 mm인 순도 95%의 아연판을 사용하였다. 양극은 Carbon/PTFE/ MnxOy을 기본 재료하며 니켈망을 전극으로 사용하는 두께가 8 mm인 상용 공기극을 사용하였다. 아연극과 공기극 사이의 거리는 20 mm이며, KOH 전해질로 채워져 있다.
음극으로는 크기가 200 mm × 200 mm인 순도 95%의 아연판을 사용하였다.
데이터처리
실험결과와 전산해석결과 비교를 통하여 아연공기 전지의 성능을 평가하고 전산해석모델의 타당성을 검증하였다.
아연/공기전지 성능평가 실험결과와 정상상태 전산 해석 결과와의 비교/분석을 통하여 본 논문에서 제안한 해석모델의 타당성을 평가하였다.
이론/모형
공기극은 표면반응은 식15와 같이 Tafel식을 이용하여 나타내었다.
전극표면에서 각각의 화학종 농도에 대한 경계 조건은 Nernst-Plank식을 이용하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.
전산해석은 전기화학현상 및 다중물리현상 해석에 강점을 가진 COMSOL Multiphysics를 이용하여 수행하였다. 정상상태 해석을 통하여 아연공기전지의 IV성능곡선을 도출하였으며, 비정상상태해석을 통하여 전해질 내부의 이온분포 및 ZnOH42-의 발생 경향을 조사하였다.
성능/효과
농도차이에 의한 이온확산현상과 전압차이에 의한 이온이동현상은 Nernst-Planck식을 적용하였으며 I-V 성능곡선의 경우, 정상상태 전산해석을 이용한 결과가 실험결과와 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
성능평가실험을 통하여 아연공기전지의 개념을 검증할 수 있었으며, 현재 개발된 상용 공기극을 기준으로 약 63 mW/cm2의 최대출력이 발생한다는 결과를 통해 현재의 기술 수준을 가늠할 수 있었다.
63 V로, 이때 63 mW/cm2의 최대전력밀도를 나타냈다. 이 결과로부터 본 연구에 적용한 해석모델 및 경계조건이 타당함을 확인할 수 있었다.
전지반응이 진행됨에 따라 아연극 표면에서 농도차이에 의한 확산 층이 생성되며, 이는 이전 연구결과와 잘 일치하는 것이다. 특히, 아연극 부동태화 현상에 큰 영향을 미치는 ZnOH42-의 아연극 표면에서의 농도는 최고성능을 나타내는 운전전압 0.63 V에서 약 1초 만에 포화농도에 도달하였으며, 일반적인 운전조건인 1.04 V에서는 약 13초 만에 포화농도에 도달하는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
본 연구에서는 아연극 부동태화의 원인인 식4의 ZnO 발생 현상이 고려되지 않았기 때문에 향후 연구에서는 이를 포함한 과도상태 전지성능예측이 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
아연공기전지의 장점은?
아연공기전지는 기존의 리튬 2차전지, 니켈카드뮴전지, 납축전지와 비교하여 고에너지밀도이며, 유기 전해액을 사용하는 리튬전지와 다르게 수용성 전해액을 사용하므로 화학적 안전성 면에서도 뛰어나다. 또한 아연 분말을 사용하고 있으므로 환경오염 물질을 전혀 배출하지 않는 무공해 전지이며 공기 중의 O2를 에너지원으로 사용하므로 공기극(양극)의 재활용이 가능하다는 장점이 있다. 또한 대기 중의 산소가 일정하게 공기극의 기공을 통해 공급되므로 아연극(음극)의 Zn 입자가 모두 ZnO로 산화되기까지는 아주 평탄한 방전 전압을 유지한다.
아연공기전지의 전기화학적 성능을 예측하기 위해 사용한 식들은 어떤것이 있는가?
수치해석을 이용하여 아연공기전지의 전기화학적 성능을 예측하였다. KOH 수계전해질 내부의 이동현상을 예측하기 위하여 Nernst-Planck식을 사용하였고, 전극 표면의 활성화손실을 모사하기 위해 아연극(음극)에는 Butler-Volmer식을, 공기극(양극)에는 Tafel식을 적용하였다. 정상상태해석을 통하여 아연/공기전지의 I-V곡선을 도출하였으며, 실험결과와의 I-V곡선 비교/분석을 통하여 수치 해석 모델의 타당성을 검증하였다.
연료전지형태의 아연공기전지 개발연구가 주로 이루어진 이유는?
아연공기전지는 리튬2차전지에 비해 충방전 따른 성능저하가 급격히 발생한다. 특히 충전시 아연극에서의 수지상(dendrite) 형성으로 인해 충전효율이 급격히 저하되어 충방전 가능한 2차전지로써 개발하는 것이 현재 기술로서는 거의 불가능하므로 아연극 교체형이나 슬러리 순환형과 같이 연료전지형태의 아연공기전지 개발연구가 주로 이루어지고 있다.
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