[논문]입자의 크기가 다른 아연공기전지용 아연음극의 부식에 관한 전기화학적 특성 연구

양원근; 홍정의; 오례경; 오지우; 공영민; 류광선

doi:10.4150/kpmi.2013.20.3.186

Abstract ▼ AI-Helper

The electrochemical performance for the corrosion of zinc anodes according to particle size and shape as anode in Zn/air batteries was study. We prepared five samples of Zn powder with different particle size and morphology. For analysis the particle size of theme, we measured particle size analysis...

The electrochemical performance for the corrosion of zinc anodes according to particle size and shape as anode in Zn/air batteries was study. We prepared five samples of Zn powder with different particle size and morphology. For analysis the particle size of theme, we measured particle size analysis (PSA). As the result, sample (e) had smaller particle size with $10.334{\mu}m$ than others. For measuring the electrochemical performance of them, we measured the cyclic voltammetry and linear polarization in three electrode system (half-cell). For measuring the morphology change of them before and after cyclic voltammetry, we measured Field Emission Scanning Electron Microscope (FE-SEM). From the cyclic voltammetry, as the zinc powder had small size, we knew that it had large diffusion coefficient. From the linear polarization, as the zinc powder had small size, it was a good state with high polarization resistance as anode in Zn/air batteries. From the SEM images, the particle size had increased due to the dendrite formation after cyclic voltammetry. Therefore, the sample (e) with small size would have the best electrochemical performance between these samples.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

그리하여 본 연구에서는 아연공기전지의 음극부분에 중점을 두고 아연공기전지에서의 자가방전이라고 할 수 있는 부반응인 아연의 부식에 관한 연구로 양전극인 공기극의 영향을 받지 않는 아연 음극 자체에서의 자가방전에 관한 연구이며, 아연의 순도보다는 아연분말의 크기와 형태에 따른 부식정도에 관한 전기화학적인 특성을 연구한 결과이다.
아연공기전지의 음극으로 사용되는 아연의 특성에 따른 음극 자체에서의 부식반응을 연구하기 위해 양극의 영향을 전혀 받지 않는 3전극 반쪽셀로 구성하여 아연분말의 크기에 따라 아연음극의 부식성 정도를 측정하여 전기화학적 특성을 예측하기 위한 연구를 하였다. 그리하여 아연 입자의 크기가 서로 다른 5가지 시료들로 입도분석과 아연음극을 제작하여 3전극 반쪽셀을 구성하여 전기화학적 특성인 순환전압전류법과 선형분극을 측정하였다.

제안 방법

각 시료 아연분말에 아이소프로필 알코올(Sigma Aldrich, 99.5%) 2 ml를 막자사발에 넣고 혼합을 해 준 다음 폴리 테트라 플루오로에틸렌(PTFE) 분산액(Sigma Aldrich, 60%)을 아연분말과 무게 비 85:15로 섞고 반죽하여 아연 음극 슬러리를 만들고 이것을 롤 프레스로 압착하여 두께 500 µm의 음극을 만들고 최종적으로 구리 mesh에 압착하여 두께 400 µm의 두께를 가지는 아연 음극판을 제작한다.
이 때 실험에 사용된 5가지 시료의 아연분말은 Dae Jung chemical , Kanto chemical, Aldrich, Alfa Aesar의 아연분말을 구입하여 사용하였으며, 이것에 대한 상세한 정보는 표 1에 나타내었다. 그리고 수산화칼륨(KOH 93%, Dae Jung)을 사용하여 전해액인 8.5M KOH를 만드는데 이 때 많은 양을 한꺼번에 투입 시 많은 열이 한꺼번에 발생하므로 녹일 시 소량씩 녹이고 주위의 온도를 내려줄 수 있는 얼음물 속에 담가놓은 상태에서 제조하였다. 앞에서 제작했던 아연음극판을 작업전극으로 사용하고, 상대 전극을 Pt wire(입경 0.
아연공기전지의 음극으로 사용되는 아연의 특성에 따른 음극 자체에서의 부식반응을 연구하기 위해 양극의 영향을 전혀 받지 않는 3전극 반쪽셀로 구성하여 아연분말의 크기에 따라 아연음극의 부식성 정도를 측정하여 전기화학적 특성을 예측하기 위한 연구를 하였다. 그리하여 아연 입자의 크기가 서로 다른 5가지 시료들로 입도분석과 아연음극을 제작하여 3전극 반쪽셀을 구성하여 전기화학적 특성인 순환전압전류법과 선형분극을 측정하였다. 그 결과, 아연분말의 입도분석에서는 시료(e)의 입도의 크기가 10.
각 아연분말의 평균 입도를 측정하기 위해 Marvern사의 mastersizer 2000을 사용하여 결과 단위를 부피로 하여 입도분석를 실시하였다. 또한 반쪽셀을 구성하여 전기화학적 특성인 순환전압전류법과 선형분극 측정을 실시하였다. 순환전압전류법은 Ivium technologies사의 Ivium stat를 이용하여 2 mV/s의 주사속도로 전압범위 -2.
또한 반쪽셀을 구성하여 전기화학적 특성인 순환전압전류법과 선형분극 측정을 실시하였다. 순환전압전류법은 Ivium technologies사의 Ivium stat를 이용하여 2 mV/s의 주사속도로 전압범위 -2.5V에서 0 V(vs Ag/AgCl 전극)까지 측정하였고, 선형분극 측정은 전압-1.5 V(vs Ag/AgCl 전극)에서 1시간 동안 측정하였다. 5가지 아연음극의 순환전압전류법의 반응 전 후의 형상변화를 비교하고 위하여 Jeol사의 JSM-820을 사용하여 전계방사형 주사전자현미경(FE-SEM)을 측정하였다.
아연 음극판을 만들기 위해 구입한 아연분말의 정확한 크기를 알아보기 위해 입도분석을 실시하였다. 입도분석 결과 평균입도의 크기는 표 1으로 나타내었다.
5M KOH를 만드는데 이 때 많은 양을 한꺼번에 투입 시 많은 열이 한꺼번에 발생하므로 녹일 시 소량씩 녹이고 주위의 온도를 내려줄 수 있는 얼음물 속에 담가놓은 상태에서 제조하였다. 앞에서 제작했던 아연음극판을 작업전극으로 사용하고, 상대 전극을 Pt wire(입경 0.25 mm)를 사용하고, 기준전극으로는 Ag/AgCl 전극(ALS사의 RE-1C)을 사용하여 반쪽셀을 조립하였다. 이때 사용된 반쪽셀의 개략도는 그림 1에 나타내었다.

대상 데이터

5%) 2 ml를 막자사발에 넣고 혼합을 해 준 다음 폴리 테트라 플루오로에틸렌(PTFE) 분산액(Sigma Aldrich, 60%)을 아연분말과 무게 비 85:15로 섞고 반죽하여 아연 음극 슬러리를 만들고 이것을 롤 프레스로 압착하여 두께 500 µm의 음극을 만들고 최종적으로 구리 mesh에 압착하여 두께 400 µm의 두께를 가지는 아연 음극판을 제작한다. 이 때 실험에 사용된 5가지 시료의 아연분말은 Dae Jung chemical , Kanto chemical, Aldrich, Alfa Aesar의 아연분말을 구입하여 사용하였으며, 이것에 대한 상세한 정보는 표 1에 나타내었다. 그리고 수산화칼륨(KOH 93%, Dae Jung)을 사용하여 전해액인 8.

데이터처리

각 아연분말의 평균 입도를 측정하기 위해 Marvern사의 mastersizer 2000을 사용하여 결과 단위를 부피로 하여 입도분석를 실시하였다. 또한 반쪽셀을 구성하여 전기화학적 특성인 순환전압전류법과 선형분극 측정을 실시하였다.

이론/모형

5 V(vs Ag/AgCl 전극)에서 1시간 동안 측정하였다. 5가지 아연음극의 순환전압전류법의 반응 전 후의 형상변화를 비교하고 위하여 Jeol사의 JSM-820을 사용하여 전계방사형 주사전자현미경(FE-SEM)을 측정하였다.

성능/효과

그 결과, 아연분말의 입도분석에서는 시료(e)의 입도의 크기가 10.334 µm로 가장 작은 값을 가지고 있었고, 순환전압전류법에서는 시료(e)가 가장 큰 전류의 피크값을 나타내었으며 이에 따라 확산계수를 계산한 결과 3.064 × 10−6 cm2/ s로 시료들 중에 가장 높은 확산계수를 가지고 있었다.
064 × 10⁻⁶ cm²/ s로 시료들 중에 가장 높은 확산계수를 가지고 있었다. 그리고 선형분극법에서는 시료(e)가 전류의 변화의 값이 0.8 mA/cm²로 가장 적고, 이에 따라 분극저항 식으로 계산한 결과 시료(e)가 가장 느린 부식속도를 가진 것을 알 수 있었다. 이러한 것의 원인은 아연입자의 크기가 작을수록 바인더인 바인더인 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE)에 잘 박혀있는 형태가 되어 전해액과 직접 반응하는 전체적인 아연의 표면적이 줄어드는 효과가 일어나게 되어 아연의 표면에서 일어나는 부식이 줄어들게 되어 입자의 크기가 가장 작은 시료(e)가 상대적으로 다른 시료들보다 좋은 전기화학적 성능을 가질 것으로 예상된다.
이러한 것의 원인은 아연입자의 크기가 작을수록 바인더인 바인더인 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE)에 잘 박혀있는 형태가 되어 전해액과 직접 반응하는 전체적인 아연의 표면적이 줄어드는 효과가 일어나게 되어 아연의 표면에서 일어나는 부식이 줄어들게 되어 입자의 크기가 가장 작은 시료(e)가 상대적으로 다른 시료들보다 좋은 전기화학적 성능을 가질 것으로 예상된다. 이 결과들로부터 부식에 관한 아연음극의 반쪽셀 실험에서는 아연입자의 크기가 작을수록 확산계수가 빠르고 분극속도가 느리게 되어 전기화학적 특성이 좋을 것으로 예상되었다.
이에 따라 시료들의 피크전류를 비교해 보면 시료(e)의 피크전류 값이 가장 크게 나오는 것을 볼 수 있고, 그 다음 순서는 시료(d), 시료(c), 시료(a), 시료(b)순이다. 이 때 시료(e)의 경우가 입자의 크기가 작고 순환전압 전류법에서의 전자 및 이온의 확산계수와 전자이동속도가 다른 시료들보다 빠르기 때문에 반응에 방해를 주는 이온들의 영향이 작고 부식반응시 생성되는 수소가 분극에 영향을 주는 것을 적게 하는 효과를 가져옴에 따라 결과적으로 부식반응의 분극에 영향을 덜 줄 것으로 예상되었다.
식을 이용하여 확산계수를 계산하여 표 2에 정리하였다. 이 실험조건에서는 주사속도, n, A, C가 모두 고정되어 있어 결국에는 피크전류와 확산계수가 제곱근에 비례하며, 즉 피크전류가 클수록 확산계수가 크다라는 것을 알 수 있다. 이에 따라 시료들의 피크전류를 비교해 보면 시료(e)의 피크전류 값이 가장 크게 나오는 것을 볼 수 있고, 그 다음 순서는 시료(d), 시료(c), 시료(a), 시료(b)순이다.
이에 따라 아연음극의 반쪽셀 실험에서는 아연입자의 크기가 작을수록 확산계수가 빠르고 분극속도가 느리게 되어 전기화학적 특성이 좋을 것으로 예상되었다.
마지막으로 5가지 아연음극의 순환전압전류법 반응 전후의 상태변화를 살펴보기 위하여 전계방사형 주사전자현미경(FE-SEM)을 측정한 결과를 그림 4에 나타내었다. 측정 결과, 순환전압전류법 반응 전의 모습에서는 바인더인 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE)에 아연입자들이 박혀있는 형태의 모습을 관찰 할 수 있었고, 반응 후에는 입자 입자의 모양이 고르지 못하고 반응전과 비교해보았을 때 입자의 크기도 커진 것을 확인 할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	아연공기전지 2차 전지화의 핵심기술은?	그러나 이러한 장점에도 불구하고 상용으로 시판에 성공한 아연공기전지는 1차전지 형태로 국한되어 있으며, 충방전이 가능한 2전지화를 위해서는 여러가지 기술적 어려움이 존재한다. 아연공기전지는 공기 중의 산소가 전지 내부로 유입되는 방식이기 때문에 전해액의 누출을 막기 위한 패킹 기술과 공기극의 손상을 막는 것이 2차 전지화의 핵심기술이며, 또한 아연 음극의 불균일한 구조 및 형태변화를 수반한 아연 소모, 아연 음극의 자가방전, 충전 시 수지상(dendrite) 구조 형성을 제어하는 것이 2차 전지화의 핵심기술이다. 그래서 위의 문제점으로 급격한 충전 효율의 저하 등의 문제로 2차 전지화의 큰 장벽이 되고 있는 실정이다[3].
	아연공기전지의 특성은?	아연공기전지는 약 820 mAh/g의 높은 에너지밀도를 가지고 있으며, 경제성, 안정성이 뛰어나고 제약이 적으며 환경친화적인 아연을 음극으로 사용하고 공기중의 산소를 에너지원으로 사용하므로 무한의 산소가 공급 될 수 있다는 장점이 있다. 또한 음극내의 아연분말이 모두 산화아연으로 산화되는 방전말기까지 전압이 아주 평탄하다는 장점도 가지고 있다[1].
	리튬 이차전지와 비교했을때 아연공기전지의 장점과 무공해 전지인 이유는?	유기 전해액을 사용하는 리튬 이차전지와 비교해 보면 아연금속은 리튬에 비해 금속성의 성격을 갖기 때문에 상대적으로 수계 또는 알칼라인 전해액에서 부식반응이 적게 일어나 화학적 안정성 면에서도 우수할 뿐만 아니라, 아연 분말을 사용하고 있으므로 환경오염 물질을 전혀 배출하지 않는 무공해 전지이다. 공기극 활물질은 자연계에 무한히 존재하는 공기 중의 산소를 에너지원(연료)으로 사용하므로 용기 내에 음극을 대량으로 저장할 수 있어 원리적으로 더 큰 용량을 얻을 수 있으며, 실제 리튬이차 전지의 중량당 에너지(180 Wh/kg)에 비해 아연금속/공기전지의 중량당 에너지는470 Wh/kg으로 더 높다[2].

참고문헌 (8)

K. D. Hong: J. Electrochem. Soc., 108 (1961) 909.

상세보기
J. R. Zabaleta: M.S Thesis, Title of Zinc Air fuel cell vehicles, Illinois Institute of Technology, (2011) 5.
D. W. Park, J. W. Kim, J. K. Lee, and J. Y. Lee: Appl. Chem. Eng., 23 (2012) 359.

상세보기
J. H. Lee and K. T. Kim: J. Korean Electrochem. Soc., 16 (2013) 9.

원문보기 상세보기
Cheol-Su Jung: Chemistry of electron transfer-Electrochemistry introduction, A-Jin Publication Co., Seoul (2006) 229.
Nam-Uk Baek and Sang-Jin Lee: Railroad dictionary, Goldenbell Publication Co., Seoul (2007) 551.
C. W. Lee, K. Sathiyanarayanan, S. W. Eom and M. S. Yun: J. Power Sources, 160 (2006) 1436.

상세보기
M.N. Masri and A.A. Mohamad: Corros. Sci., 51 (2009) 3025.

상세보기

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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

입자의 크기가 다른 아연공기전지용 아연음극의 부식에 관한 전기화학적 특성 연구
Electrochemical Properties for the Corrosion of Zinc Anode with Different Particle Size and Shape in Zinc/air Batteries 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (8)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

입자의 크기가 다른 아연공기전지용 아연음극의 부식에 관한 전기화학적 특성 연구 Electrochemical Properties for the Corrosion of Zinc Anode with Different Particle Size and Shape in Zinc/air Batteries 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (8)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

양원근 (1) 홍정의 (1) 오지우 (2) 공영민 (25)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

입자의 크기가 다른 아연공기전지용 아연음극의 부식에 관한 전기화학적 특성 연구
Electrochemical Properties for the Corrosion of Zinc Anode with Different Particle Size and Shape in Zinc/air Batteries 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper