[논문]M&S를 이용한 아연-공기전지 최적화 연구

이재인

doi:10.9766/kimst.2014.17.5.688

M&S를 이용한 아연-공기전지 최적화 연구
A Study on Optimizing Zinc-Air Batteries Using M&S 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.17 no.5, 2014년, pp.688 - 693

Abstract ▼ AI-Helper

Zinc-air batteries which has various merits in the aspect of energy density, power density and price relative to lithium based second batteries were extensively investigated recently. To develope and optimize these zinc-air batteries, the method of M&S is so efficient solution to reduce price and time. Therefore, in this paper, after executing mathematical modeling, I optimized the zinc-air battery through the simulation and make bolt-cell and discharge it to compare with simulation result. As a result, predictions are well agreed with experimental results.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

모델링을 통하여 제작한 시뮬레이터를 이용하여 아연-공기전지의 아연 음극량 및 두께의 최적화를 수행하였다. Fig.
마지막으로 방전 시 반응에 의한 아연 겔의 팽창으로 KOH 전해질의 누수를 막기 위하여 볼트셀 외측을 필름으로 밀봉 하여 완성하였다. 셀면적 5cm²을 갖는 완성된 볼트셀은 Fig. 6과 같이 EIS 장비를 이용하여 방전시험을 수행하였다. 방전은 50mA/cm²(0.
아연-공기전지의 수학적 모델링을 수행하였으며, 이를 통하여 최적화를 수행하고, 사용된 재료의 특성으로부터 모델링 입력 파라미터를 산출 하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션을 통해 최적화한 결과를 바탕으로 볼트셀 형태의 아연-공기전지를 제작하였고 방전시험장치를 이용하여 성능을 확인하였다. 그 결과 방전초기와 방전말기에 전압이 약간 차이가 났지만 전반적으로 시뮬레이션을 통하여 예측한 값과 잘 일치함을 확인하였으며, 발생하는 전압차이는 모델링시 영향이 적은 부분을 생략한 결과이다.
아연-공기전지의 수학적 모델링을 수행하였으며, 이를 통하여 최적화를 수행하고, 사용된 재료의 특성으로부터 모델링 입력 파라미터를 산출 하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션을 통해 최적화한 결과를 바탕으로 볼트셀 형태의 아연-공기전지를 제작하였고 방전시험장치를 이용하여 성능을 확인하였다.
이때, 시뮬레이션 입력파라미터는 아래 Table 1과 같다. 음극 및 양극의 비표면적은 BET 측정을 통하여 획득하였고, 교환전류 밀도는 Tafel plot을 이용하여 측정하였으며, 공극률은 연료조성비를 통해 획득하였다. 그 외의 이온의 확산 계수, 전자 및 이온 전도도 등 여러 입력변수들은 여러 문헌을 통하여 획득하였다.
하지만 높은 정확도를 갖는 모델링을 바탕으로 시뮬레이션 기법을 활용하면 제작 및 방전에 소모되는 시간을 아낄 수 있으며, 동일 설계상에서 성능편차 역시 제거할 수 있고, 비용적인 측면에서도 큰 장점을 가질 수 있다. 이러한 아연-공기전지의 모델링은 알카라인 전해질 용액 내에서의 전기화학적 반응과 충방전 중 전지내부의 물질운송과정을 수학적으로 정리하여 수행되며 이를 바탕으로 제작한 자체 프로그램을 통하여 시뮬레이션을 수행하였다.
이와 같은 음극량 최적화를 바탕으로 Fig. 5와 같이 아연-공기전지 볼트셀를 제작하였다. 볼트셀은 다음과 같은 과정을 통해 제작하였다.

이론/모형

셀 전체 포텐셜은 옴의 법칙을 이용하여 아래와 같이 표현할 수 있다.

성능/효과

시뮬레이션을 통해 최적화한 결과를 바탕으로 볼트셀 형태의 아연-공기전지를 제작하였고 방전시험장치를 이용하여 성능을 확인하였다. 그 결과 방전초기와 방전말기에 전압이 약간 차이가 났지만 전반적으로 시뮬레이션을 통하여 예측한 값과 잘 일치함을 확인하였으며, 발생하는 전압차이는 모델링시 영향이 적은 부분을 생략한 결과이다.
이는 아연 음극량이 증가할수록 두께가 두꺼워져 이용률 자체는 줄어들지만, 사용가능한 연료의 절대량이 증가하기 때문이다. 따라서 이번 실험에서는 이용시간의 최대화 측면에서 음극량 2.01g, 음극두께 1.83mm로 음극을 최적화 하였다.
이는 볼트셀 제작과정의 수작업에 따른 실제 아연-공기전지 볼트셀의 접촉저항과 내부저항이 모델링 입력파라미터 값보다 크기 때문으로 판단된다. 마지막으로, 실험 시 연료 이용률이 시뮬레이션 결과보다 낮은 이유는 방전 말기에 ZnO에 의한 아연 음극의 부동태화와 K₂Zn(OH)₄ 침전에 의한 음극기공의 유실, 그리고 KOH 농도저하에 따라 증가하는 내부저항 등이 충분히 반영되지 않았기 때문이라고 예상된다.
우선 볼트셀 제작 후 바로 방전을 수행한 실험결과를 시뮬레이션 결과와 비교해보면, 방전의 경향성은 상당히 일치하지만 방전 초기전압, 공칭전압, 연료이용률 등에서 약간의 차이가 존재함을 알 수 있다. 시뮬레이션의 경우 방전시작 직후에 전압이 활성화 과전압에 의하여 소량 감소한 뒤 지속적으로 감소하였지만, 실험결과에서는 전압이 급격하게 감소한 뒤 최대 0.12V만큼 상승하였다. 이는 방전초반 분리막에 KOH 전해질이 충분히 침투하지 않아 모델링 파라미터에 비해 분리막에서의 이온전도도가 낮고 접촉저항이 크기 때문에 분리막에서의 초기 전압강하가 예상보다 크기 때문이며, 또한 시간이 지남에 따라 분리막에 전해질이 충분히 침투함으로써 접촉저항이 낮아지고 이온전도도가 높아져 셀 전압은 오히려 증가하기 때문이다.
우선 볼트셀 제작 후 바로 방전을 수행한 실험결과를 시뮬레이션 결과와 비교해보면, 방전의 경향성은 상당히 일치하지만 방전 초기전압, 공칭전압, 연료이용률 등에서 약간의 차이가 존재함을 알 수 있다. 시뮬레이션의 경우 방전시작 직후에 전압이 활성화 과전압에 의하여 소량 감소한 뒤 지속적으로 감소하였지만, 실험결과에서는 전압이 급격하게 감소한 뒤 최대 0.
제작 후 2시간 저장 후 방전한 결과를 시뮬레이션 결과와 비교해 보면 저장시간 없이 방전한 결과에 비하여 시뮬레이션 결과와 상당히 일치함을 알 수 있다. 이는 2시간의 저장시간 동안 KOH 전해질이 분리막으로 충분히 침투하여 분리막에서의 이온전도도와 접촉 저항이 모델링 파라미터와 상당히 일치하기 때문으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소형 모바일 장치들에 있어 필수적으로 해결해야 할 과제는?	오늘날 급속도로 개발되고 있는 소형 모바일 장치들에 있어 필수적으로 해결해야 할 과제로 에너지원의 소형화, 경량화, 고에너지화, 고출력화 등이 있다. 현재 리튬이온전지를 포함한 소형 에너지원 개발이 급속도로 발전하고 있지만 에너지 밀도 측면에서 여전히 한계를 갖고 있기 때문에 이를 극복할 새로운 전지에 대한 연구가 필요하다.
	에너지 밀도 측면의 한계를 극복할 새로운 전지로 선진국에서 주목받고 있는 전지는?	현재 리튬이온전지를 포함한 소형 에너지원 개발이 급속도로 발전하고 있지만 에너지 밀도 측면에서 여전히 한계를 갖고 있기 때문에 이를 극복할 새로운 전지에 대한 연구가 필요하다. 이러한 측면에서 미국, 일본 등의 선진국에서 최근 부각되고 있는 전지가 바로 아연-공기전지 이다. 아연-공기전지는 Fig.
	아연-공기전지의 장점은?	아연-공기전지는 Fig. 1과 같이 기존의 리튬기반 이차전지에 비해 높은 에너지 밀도와 출력밀도를 발현할 수 있고 리튬에 비해 상대적으로 가격이 저렴한 아연을 이용하기 때문에 가격측면에서도 큰 장점을 갖는다. 또한 자원량 또한 풍부하며 친환경적인 측면에서도 최근 주목받고 있다.

참고문헌 (5)

박동원, 김진원, 이재광, 이재영, "고출력.고에너지 밀도의 아연금속-공기전지," Appl. Chem. Eng., Vol. 23, No. 4, pp. 359-366, 2012.
Z. Mao, R. E. White, "Mathematical Modeling of a Primary Zinc/Air Battery," J. Electrochem. Soc., Vol. 139, No. 4, pp. 1105-1114, 1992.

상세보기
J. R. Zabaleta, Zinc Air Fuel Cell Vehicles; Review of Different Technologies to Obtain Zinc from Zinc Oxide, Illinois Institute of Technology, 2011.
J. Newman, W. Tiedemann, "Porous Electrode Theory with Battery Application," AIChE J., Vol. 21, No. 25, pp. 25-41, 1975.

상세보기
P. Sapkota and H. Kim, "Zinc-Air Fuel Cell, a Potential Candidate for Alternative Energy," J. Ind. Eng. Chem., Vol. 15, Issue 4, pp. 445-450, 2009.

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