[논문]열전지용 FeS2 박막전극의 전기화학적 특성

임채남

doi:10.4313/jkem.2017.30.5.318

열전지용 FeS2 박막전극의 전기화학적 특성
Electrochemical Properties of FeS2 Thin Film Electrodes for Thermal Batteries 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.30 no.5, 2017년, pp.318 - 324

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Powder compaction technology is widely used to prepare thermal battery components. This method, however, is limited by the size, thickness, and geometry of the battery components. This limitation leads to excessive cell capacity, overweight, and higher cost of the pellets, which decreases the specific capacities and delays the activation time of thermal batteries. $FeS_2$ thin-film cathodes were fabricated by tape-casting technology and analyzed by SEM and EDS in this paper. The residual organic binder of the $FeS_2$ thin-film cathodes decreased with the temperature of the heat treatment, which improved the specific capacity because of the lower resistance. Specific capacities of the $FeS_2$ thin-film cathodes decreased because of the higher residual binder and the restrictive reaction of active materials with molten salts as the thickness increased. $FeS_2$ thin-film cathodes showed much higher specific capacity (1,212.2 As/g) than pellet cathodes (860.7 As/g) at the optimal heat-treatment temperature ($230^{\circ}C$).

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

본 연구에서는 유기바인더를 사용하여 테이프캐스팅 방법으로 대면적의 FeS₂ 박막 양극을 제조하여 전극 두께 및 열처리 조건에 따른 물리적 특성, 미세구조 및 전기화학적 특성을 분석하였다. ;

대상 데이터

그러나 FeS₂ 분말을 볼밀링하여 평균입자 사이즈 가 1 μm 이하가 되면 FeS₂ 분말의 열적 안정성이 저하되어 열전지 작동온도에서 열분해로 인하여 용량이 감소된다고 보고되고 있다 [8,9]. 따라서, 양극 활물질은 –325 mesh에서 입도분류 후 평균입자가 30.0 μm인 FeS₂ (Linyi 사, 순도 99% 이상) 분말을 사용하였다. 그림 2는 본 실험에서 사용한 FeS₂ 입자크기분포를 나타낸 것으로 평균 입자크기가 30 μm임을 알 수 있다.

데이터처리

) 반응까지도 사용하는 것으로 알려져 있다 [10,11]. 본 연구에서는 전류밀도에 따라 Z-phase의 폐회로 전압이 다르기 때문에 1.5 V (cut-off)를 기준으로 단위전지 성능을 비교하였으며, 비용량은 단위전지의 방전용량을 양극의 중량으로 나누어 계산하였다. ;

성능/효과

제작된 FeS₂ 박막 양극에 존재하는 비전도체인 유기바인더는 열처리 온도 증가에 따라 감소하였으며, 결과적으로 저항이 감소됨으로써 전기화학적 성능이 향상되었다. 또한, FeS₂ 박막 양극의 두께가 두꺼워질수록 잔류 바인더 양이 많아지게 되고, 용융염과 활물질의 반응이 제한될 수 있기 때문에 전극의 비용량이 감소하는 경향을 보였다. 기계적 강도를 고려한 최적 열처리 온도 (230℃)에서 FeS₂ 박막 양극의 비용량(1,212.
또한, FeS₂ 박막 양극의 두께가 두꺼워질수록 잔류 바인더 양이 많아지게 되고, 용융염과 활물질의 반응이 제한될 수 있기 때문에 전극의 비용량이 감소하는 경향을 보였다. 기계적 강도를 고려한 최적 열처리 온도 (230℃)에서 FeS₂ 박막 양극의 비용량(1,212.2 As/g)은 기존의 펠릿형 양극(860.7 As/g) 보다 훨씬 높은 값을 나타내었다. 이러한 연구 결과들은 초소형 및 고출력 열전지용 박막 FeS₂ 양극 제조에 아주 유용하게 적용될 것으로 판단된다.
박막 양극을 제작하여 미세조직을 관찰하고, 전기화학적 특성을 분석하였다. 제작된 FeS₂ 박막 양극에 존재하는 비전도체인 유기바인더는 열처리 온도 증가에 따라 감소하였으며, 결과적으로 저항이 감소됨으로써 전기화학적 성능이 향상되었다. 또한, FeS₂ 박막 양극의 두께가 두꺼워질수록 잔류 바인더 양이 많아지게 되고, 용융염과 활물질의 반응이 제한될 수 있기 때문에 전극의 비용량이 감소하는 경향을 보였다.

후속연구

7 As/g) 보다 훨씬 높은 값을 나타내었다. 이러한 연구 결과들은 초소형 및 고출력 열전지용 박막 FeS₂ 양극 제조에 아주 유용하게 적용될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열전지에 펠릿형 전극을 사용함에 따라 나타나는 단점은 무엇인가?	25 mm 이하의 두께(그림 1)와 150 mm 이상의 직경은 제작할 수 없기 때문에 취급 가능한 기계적 강도를 갖기 위해서는 요구되는 용량을 초과하여 두껍게 제작해야만 한다. 따라서 전지의 무게와 부피를 증가시킬 뿐만 아니라 비용이 상승되고, 열전지의 활성화 시간을 지연시키게 된다 [3-5].
	열전지의 구성과 구조는 어떠한가?	열전지는 분말성형법으로 제조된 펠릿형의 양극(FeS2), 전해질(LiCl-KCl 또는 LiF-LiCl-LiBr), 음극(LiSi 또는 LiAl) 및 열원(Fe/KClO4)으로 구성된 단위전지가 적층된 구조를 갖는다. 이러한 열전지는 고온(500℃)에서 작동되므로 전해질의 이온전도도가 높고, 전기화학적 반응 속도가 빠르기 때문에 출력 특성이 우수하다.
	열전지의 출력 특성은 어떠한가?	열전지는 분말성형법으로 제조된 펠릿형의 양극(FeS2), 전해질(LiCl-KCl 또는 LiF-LiCl-LiBr), 음극(LiSi 또는 LiAl) 및 열원(Fe/KClO4)으로 구성된 단위전지가 적층된 구조를 갖는다. 이러한 열전지는 고온(500℃)에서 작동되므로 전해질의 이온전도도가 높고, 전기화학적 반응 속도가 빠르기 때문에 출력 특성이 우수하다. 또한, 상온에서는 비활성 상태로 유지되다가 열원의 점화에 의해서 전해질이 용융됨으로써 비로소 작동되기 때문에 자가방전이 거의 없고, 구조적 안정성, 신뢰성 및 장기 보관성이 우수하다.

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