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열전지의 전기화학적 특성에 미치는 황철석(FeS2) 입자크기의 영향
Effects of Pyrite (FeS2) Particle Sizes on Electrochemical Characteristics of Thermal Batteries 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.25 no.2, 2014년, pp.161 - 166  

최유송 (국방과학연구소 국방신기술본부) ,  유혜련 (국방과학연구소 국방신기술본부) ,  정해원 (국방과학연구소 국방신기술본부) ,  조성백 (국방과학연구소 국방신기술본부) ,  이영석 (충남대학교 바이오응용화학과)

초록
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본 연구에서는 열전지용 양극활물질로 사용되는 $FeS_2$ (Pyrite) 분말을 볼밀링법으로 분쇄하여 단위전지를 제작하고, 볼밀 전, 후 입자크기변화가 열전지의 전기화학적 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. $450^{\circ}C$ 시험결과, 분쇄된 $1.46{\mu}m$ $FeS_2$ 분말을 사용한 단위전지가 분쇄 전 $98.4{\mu}m$$FeS_2$ 분말을 사용한 단위전지에 비해서 전지용량이 크게 향상되었으며, 내부저항도 감소되었다. 이러한 결과는 볼밀로 인한 비표면적 증가의 영향으로 판단된다. 반면, $500^{\circ}C$에서 방전시 1단계의 Z-phase 반응구간($FeS_2{\rightarrow}Li_3Fe_2S_4$)에서 $1.46{\mu}m$ 분말을 사용한 단위전지 전압 및 저항특성이 우수하였지만, 2단계의 J-phase 반응($Li_3Fe_2S_4{\rightarrow}LiFe_2S_4$)에서는 볼밀된 $1.46{\mu}m$ 분말을 사용한 전지의 전압이 감소하고, 전지 내부저항도 급격하게 증가하는 경향을 보였다. 이러한 현상은 $500^{\circ}C$ 방전시 미분화된 $FeS_2$가 Z-phase 영역에서 방전반응과 동시에 열분해에 의한 자가방전($FeS_2{\rightarrow}FeS_{1.14}$ (pyrrhotite))이 일어나 볼밀 전 조대한(coarsen) $FeS_2$ 분말에 비해 용량이 감소하고 내부 저항도 증가되기 때문으로 사료된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, effects of pyrite ($FeS_2$) particle sizes on the electrochemical characteristics of thermal batteries are investigated using unit cells made of pulverized pyrite by ball-milling. At $450^{\circ}C$ unit cell discharge test, the electrochemical capacity of $1...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 일반적인 열전지의 작동온도인 450~500 ℃에서 열전지용 FeS2 입자 크기가 미분화될 경우 전기화학적 특성변화에 미치는 효과를 연구하고자 평균 입자크기가 98.4 µm인 FeS2 분말을 원료로 볼밀링법으로 1.46 µm인 미분분말을 제조한 후 단위전지를 제작하여 입자크기가 열전지의 전기화학적 특성변화에 미치는 영향을 고찰하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
열전지 전극의 음극 및 양극재료로 사용되는 Li와 FeS2가 갖고 있는 문제점은? 대표적인 열전지 전극의 음극재료로는 Li (Si)이, 양극재료로는 FeS2 (Pyrite), 전해질로는 LiCl-KCl과 리튬 포함염(LiCl-LiBrLiF(all-Li)) 공융염(eutectic salt)이 주로 사용되고 있다. 그러나 Li (Si)/FeS2 열전지는 작동 중 높은 내부저항을 나타내는 것으로 알려져 있다. 특히 열전지의 부품 중 양극으로 사용되는 FeS2의 저항이 상당부분을 차지하는 것으로 알려져 있다[1,2].
열전지란 무엇인가? 열전지는 상온에서는 전해질이 고체염 상태인 비활성 상태를 유지하며 작동을 하지 않다가 필요한 시점에 착화기를 이용해 열을 가함으로서 전해질을 용융시켜 고온에서 작동하는 전지로서 구조적 안정성, 신뢰성 그리고 장기 보관성이 우수한 전지이다. 이러한 열전지의 신뢰성 및 장기보관성 등의 장점으로 인해 특수분야 전원으로 많이 사용되고 있다.
일반적으로 전극 물질의 입자크기가 미분화 될 경우 어떠한 현상이 발생하는가? 일반적으로 전극 물질의 입자크기가 미분화될 경우 전극활물질 간의 전기적 접촉이 개선되어 저항이 감소되고 전극의 이용률이 높아져 용량이 증가하는 것으로 알려져 있다. 따라서 일반적인 전지에서는 전극활물질의 나노화에 따른 성능변화 연구가 많이 진행되고 있다.
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참고문헌 (18)

  1. P. Masset, S. Schoeffert, J. Y. Poinso and J. C. Poignet, LiF-LiCl-LiI vs. LiF-LiBr-KBr as molten salt electrolyte in thermal batteries, J. Electrochem. Soc., 152(2), A405-A410 (2005). 

  2. S. Fujiwara, M. Inaba, and A. Tasaka, New molten salt systems for high-temperature molten salt batteries: LiF-LiCl-LiBr-based quaternary systems, J. Power Sources, 195(22), 7691-7700 (2010). 

  3. R. A. Guidotti, and P. Masset, Thermally activated ("thermal") battery technology part I : An overview, J. Power Sources, 161(2), 1443-1449 (2006). 

  4. J. Barker and E. Kendrick, The electrochemical insertion and safety properties of the low-cost Li-ion active material, $Li_2FeS_2$ , J. Power Sources, 196(16), 6960-6963 (2011). 

  5. X. Wang, G. Wang, J. Chen, X. Zhu, J. Tian, C. Jiang, Y. Zhang, X. Liu, and R. Wang, Pyrite thin films prepared for thermal batteries via sulfuring electrodeposited iron sulfide films: Structure and physical properties, Mater. Lett., 110, 144-147 (2013). 

  6. Y. S. Horn, S. Osmialowski, and Q. C. Horn, Nano- $FeS_2$ for commercial $Li/FeS_2$ primary batteries, J. Electrochem. Soc., 149(11), A1499-A1502 (2002). 

  7. Y. S. Horn, and Q. C. Horn, Chemical, structural and electrochemical comparison of natural and synthetic $FeS_2$ pyrite in lithium cells, Electrochim. Acta, 46(17), 2613-2621 (2001). 

  8. X. Feng, X. He, W. Pu, C. Jiang, and C. Wan, Hydrothermal synthesis of $FeS_2$ for lithium batteries, Ionics, 13, 375-377 (2007). 

  9. I. S. Ahn, D. W. Kim, D. K. Kang, and D. K. Park, The effects of the particle sized and active materials on the discharge properties of the $Li/Fe(X)S_2$ electrode, Met. Mater. Int., 14(1), 65-70 (2008). 

  10. M. Au, Nanostructured thermal batteries with high power density, J. Power Sources, 115(2), 360-366 (2003). 

  11. Y. S. Choi, H. R. Yu, H. W. Cheong, S. B. Cho, and Y. S. Lee, Preparation and thermal stability of $FeS_2$ fine powder for thermal battery, Appl. Chem. Eng., http://dx.doi.org/10.14478/ace. 

  12. S. Franger, F. L. Cras, C. Bourbon, and H. Rouault, Comparison between different $LiFePO_4$ synthesis routes and their influence on its physico-chemical properties, J. Power Sources, 119, 252-257 (2003). 

  13. D. Zhang, Y. J. Mai, J. Y. Xiang, X. H. Xia, Y. Q. Qiao, and J. P. Tu, $FeS_2$ /C composite as an anode for lithium ion batteries with enhanced reversible capacity, J. Power Sources, 217, 229-235 (2012). 

  14. P. J. Masset and R. A. Guidotti, Thermal activated("thermal") battery technology: Part IIIb. sulfur and oxide-based cathode materials, J. Power Sources, 178(1), 456-466 (2008). 

  15. S. Fujiwara, M. Inaba, and A. Tasaka, New molten salt systems for high temperature molten salt batteries: Ternary and quaternary molten salt systems based on LiF-LiCl, LiF-LiBr, and LiCl-LiBr, J. Power Sources, 196(8), 4012-4018 (2011). 

  16. D. Bernardi, E. Pawlikowski, and J. Newman, A general energy balance for battery systems, J. Electrochem. Soc., 132(1), 5-13 (1985). 

  17. S. Schoeffert, Thermal batteries modeling, self-discharge, and self-heating, J. Power Sources, 142, 361-369 (2005). 

  18. D. Zhang, J. P. Tu, J. Y. Xiang, Y. Q. Qiao, X. H. Xia, X. L. Wang, and C. D, Gu, Influence of particle size on electrochemical performances of pyrite $FeS_2$ for li-ion batteries, Electrochim. Acta, 56(27), 9980-9985 (2011). 

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