[논문]전해질 농도에 따른 아연-공기 전지의 전기화학적 특성

한지우; 조용남

doi:10.3740/mrsk.2019.29.12.798

전해질 농도에 따른 아연-공기 전지의 전기화학적 특성
Effects of Electrolyte Concentration on Electrochemical Properties of Zinc-Air Batteries 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.29 no.12, 2019년, pp.798 - 803

한지우 (한라대학교 신소재화학공학과) , 조용남 (한라대학교 신소재화학공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The self-discharge behavior of zinc-air batteries is a critical issue induced by corrosion and hydrogen evolution reaction (HER) of zinc anode. The corrosion reaction and HER can be controlled by a gelling agent and concentration of potassium hydroxide (KOH) solution. Various concentrations of KOH solution and polyacrylic acid have been used for gel electrolyte. The electrolyte solution is prepared with different concentrations of KOH (6 M, 7 M, 8 M, 9 M). Among studied materials, the cell assembled with 6 M KOH gel electrolyte exhibits the highest specific discharge capacity and poor capacity retention. Whereas, 9 M KOH gel electrolyte shows high capacity retention. However, a large amount of hydrogen gas is evolved with 9 M KOH solution. In general, the increase in concentration is related to ionic conductivity. At concentrations above 7 M, the viscosity increases and the conductivity decreases. As a result, compared to other studied materials, 7 M KOH gel electrolyte is suitable for Zn-air batteries because of its higher capacity retention (92.00 %) and specific discharge capacity (351.80 mAh/g) after 6 hr storage.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이러한 이유로 전도도와 점도의 영향을 모두 고려하여 전해질의 농도를 설정해 주어야 한다. 따라서 전해질 농도 제어를 통한 전지의 전기화학적 거동에 미치는 영향에 대해 연구하였다.
본 연구는 아연-공기 전지의 전해질의 농도의 조절을 통해 전기화학적 및 자가방전 거동을 개선시키고자 하였다. 전해질의 농도가 증가할수록 이온 전도도가 높아지지만, 일정 농도 이상이 되면 점도의 증가로 인해 OH⁻이온의 움직임에 저해가 된다는 단점이 존재한다.

가설 설정

이러한 부반응은 아연-공기 전지의 자가 방전을 가속화시키기 때문에 억제되어야 한다.^7,9) 전해질의 농도는 부식 억제뿐만 아니라 전지의 성능에 직접적인 영향을 미친다. 또한, 전해질에서 발생하는 문제점은 점도 외에도 용매로 사용하는 물에 의해서도 발생한다.
8) 분리막은 젖음성이 좋아야 하고 OH− 이온만 이동하여야 한다.

제안 방법

제조된 네 종류의 cell을 제조 후 storage 없이 방전시킨 cell의 용량과 상온에서 6시간 storage를 시킨 이후 방 전 용량을 측정하여 비교하였다. Electrochemical analyzer (COMPACTSTAT, IVIUM technologies)를 이용하여 방 전용량을 분석했으며, 40 mA/cm²의 전류밀도를 사용하여 0.2 V의 전압까지 측정을 진행하였다.
6에 나타내었다. glass vial 안에 zinc powder를 넣어준 후 6 M, 7 M, 8 M, 9 M의 KOH 용액을 각각 채워 syringe의 piston을 통해 수소 발생량을 관찰하였다. 8시간 동안 30분 간격으로 piston의 변화를 기록하였으며, KOH의 농도가 증가할수록 수소 발생량이 증가하는 현상을 보여준다.
이후 vial의 입구를 rubber septa로 밀폐시키고 syringe를 체결했다. syringe의 piston을 통해 수소 가스 발생량을 관찰하였으며, 8시간 동안 30분 간격으로 확인하였다.^10,11)
전해질의 농도가 아연-공기 전지의 거동에 미치는 영향을 파악하기 위해 6 M, 7 M, 8 M, 9 M의 KOH 용액을 각각 제조하였다. 각각의 제조된 용액에 gelling agent인 polyacrylic acid를 혼합해주었으며 potassium hydroxide용액과 polyacrylic acid를 각각 15.5 g 및 0.5 g으로 정량 후 24시간 동안 magnetic bar와 stirring machine을 이용해 교반 켜 젤화 된 전해질을 제조하였다.
gelling agent가 포함되지 않은 KOH와 zinc powder의 부식 반응을 관찰한 결과 농도에 따라 수소 발생량이 높아지는 경향이 관찰되었다. 또한, 젤화 된 전해질의 농도에 따른 용량 거동을 관찰하였다. 7 M의 KOH를 전해질로 넣은 cell은 382.
부식 속도는 전해질에서 zinc powder의 시간에 따른 수소 가스 발생을 부피 단위로 측정하여 알 수 있다. 수소 가스를 포집하기 위해 syringe와 vial을 사용하여 실험을 수행하였으며 그 결과는 Fig. 6에 나타내었다. glass vial 안에 zinc powder를 넣어준 후 6 M, 7 M, 8 M, 9 M의 KOH 용액을 각각 채워 syringe의 piston을 통해 수소 발생량을 관찰하였다.
아연-공기 전지의 용량을 측정하기 위해 젤화 된 전해질의 몰 농도를 변수로 하여 방전 성능을 관찰하였다. 용액의 농도가 증가할수록 전도도가 증가하여 용량이 증가할 것 같지만, Fig.
5를 통해 6시간 동안 storage를 시킨 cell과 storage를 하지 않은 cell의 방전 비용량과 용량 보존율을 측정하여 비교한 값을 나타낸 것이다. 자가 방전 거동을 측정하기 위해 storage를 시키지 않은 cell과 6시간 동안 storage를 시킨 cell의 용량을 비교하였다. 9 M의 KOH를 전해질을 사용한 cell의 방전 비용량은 355.
전극과 전해질 사이에서 발생하는 수소 가스를 포집하기 위해 Fig. 3과 같이 실험을 진행하였고, 실험 기구로서 glass vial, rubber septa, syringe를 사용하였다. glass vial 안에 zinc powder를 넣어준 후 6 M, 7 M, 8 M, 9 M의 potassium hydroxide 용액을 채워주었다.
아연-공기 전지의 전해질 농도에 따른 방전 용량을 관찰하기 위해 gelling agent가 포함된 전해질 6 M, 7 M, 8 M, 9 M을 이용해 네 종류의 cell을 제작하였다. 제조된 네 종류의 cell을 제조 후 storage 없이 방전시킨 cell의 용량과 상온에서 6시간 storage를 시킨 이후 방 전 용량을 측정하여 비교하였다. Electrochemical analyzer (COMPACTSTAT, IVIUM technologies)를 이용하여 방 전용량을 분석했으며, 40 mA/cm²의 전류밀도를 사용하여 0.

대상 데이터

아연-공기 전지의 전해질 농도에 따른 방전 용량을 관찰하기 위해 gelling agent가 포함된 전해질 6 M, 7 M, 8 M, 9 M을 이용해 네 종류의 cell을 제작하였다. 제조된 네 종류의 cell을 제조 후 storage 없이 방전시킨 cell의 용량과 상온에서 6시간 storage를 시킨 이후 방 전 용량을 측정하여 비교하였다.
전해질의 농도가 증가할수록 이온 전도도가 높아지지만, 일정 농도 이상이 되면 점도의 증가로 인해 OH⁻이온의 움직임에 저해가 된다는 단점이 존재한다. 일반적으로 사용되는 수계 전해질이 아닌 전해질과 gelling agent인 polyacrylic acid를 교반시켜 젤화된 전해질을 사용하였다. gelling agent가 포함되지 않은 KOH와 zinc powder의 부식 반응을 관찰한 결과 농도에 따라 수소 발생량이 높아지는 경향이 관찰되었다.
전해질의 농도가 아연-공기 전지의 거동에 미치는 영향을 파악하기 위해 6 M, 7 M, 8 M, 9 M의 KOH 용액을 각각 제조하였다. 각각의 제조된 용액에 gelling agent인 polyacrylic acid를 혼합해주었으며 potassium hydroxide용액과 polyacrylic acid를 각각 15.

성능/효과

06 mPa로 약 두 배가 증가하며, 이는 높은 점도에서 OH⁻이온의 이동의 어려움을 말한다.⁶⁾ 즉, 전해질의 점도가 증가하면 높은 전류 밀도에서 cell 성능에 부정적인 영향을 주는 것을 알 수 있다.¹²⁾ 따라서 6 M보다 높은 농도를 갖는 KOH 용액을 사용하여 cell을 제조할 경우 점도가 증가하여 온의 이동이 방해를 받기 때문에 전도도가 감소하여 용량이 감소함을 알 수 있다.
⁶⁾ CAL 에서는 GDL을 통해 확산된 산소와 음극으로부터 방출된 전자가 만나는 oxygen reduction reaction(ORR)과 oxygen evolution reaction(OER)이 일어난다.⁷⁾ 공기 중 산소를 반응물로 사용하는 양극은 ORR과 OER을 위한 다 공성의 구조를 가져야 한다. ORR은 4-electron pathway와 2-electron pathway의 두 메커니즘을 따르며, 반응이 매우 느리고 높은 과전압이 요구된다.
glass vial 안에 zinc powder를 넣어준 후 6 M, 7 M, 8 M, 9 M의 KOH 용액을 각각 채워 syringe의 piston을 통해 수소 발생량을 관찰하였다. 8시간 동안 30분 간격으로 piston의 변화를 기록하였으며, KOH의 농도가 증가할수록 수소 발생량이 증가하는 현상을 보여준다.^10,11) 즉, gelling agent를 포함시키지 않은 전해질을 이용하였을 때 아연의 부식은 9 M의 KOH를 포함하는 vial에서 가장 많이 일어나는 것을 관찰할 수 있었다.
일반적으로 사용되는 수계 전해질이 아닌 전해질과 gelling agent인 polyacrylic acid를 교반시켜 젤화된 전해질을 사용하였다. gelling agent가 포함되지 않은 KOH와 zinc powder의 부식 반응을 관찰한 결과 농도에 따라 수소 발생량이 높아지는 경향이 관찰되었다. 또한, 젤화 된 전해질의 농도에 따른 용량 거동을 관찰하였다.
00 %의 우수한 용량 보존율을 보여주며, gelling agent를 포함하는 전해질로 구성되어 수분 손실이 적고 안정성 있는 점도로 인해 우수한 이온 전도도를 가져 OH⁻의 손실이 적은 전해질의 농도는 7M 임을 알 수 있다. 따라서 종합적 판단 결과, 전해질로 7 M의 젤화 된 KOH가 아연-공기 전지의 용량 및 자가 방전 억제 측면에서 가장 적합한 것으로 여겨진다.
아연-공기 전지의 용량을 측정하기 위해 젤화 된 전해질의 몰 농도를 변수로 하여 방전 성능을 관찰하였다. 용액의 농도가 증가할수록 전도도가 증가하여 용량이 증가할 것 같지만, Fig. 4에서 전지의 방전 용량은 6 M의 전해질을 사용했을 때 가장 높고 농도가 증가할수록 줄어드는 것을 알 수 있다. 선행 연구 논문에 따르면 25°C에서 KOH 용액의 농도에 따른 점도 특성을 보고하였는데, 8 M의 KOH 수용액과 16 M의 KOH 수용액의 점도는 각각 1.
97mAh/g 의 용량을 나타냈다. 이를 토대로 용량 보존율을 계산하였을 때 96.70 %로 시도된 물질 중 가장 우수한 값을 보였다. 6 M의 KOH를 전해질로 사용한 cell이 방 전 비용량은 388.

후속연구

휴대용 전자기기 및 전기 자동차 시장의 성장에 따라 에너지 저장장치에 대한 관심이 높아지고 있으며, 향후 에도 계속 증가할 것으로 전망된다.^1,2)따라서 에너지 저장 기술은 현대 사회에서 중요한 연구 주제로 각광받고있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차세대 전지로 주목받고 있는 것은?	하지만 리튬 매장량의 한계가 있고 환경에 유해한 물질을 사용한다는 단점을 가지고 있기에 차세대 전지에 대한 개발이 필요하다. 차세대 전지로써 나트륨이온 전지, 리튬-황 전지, 리튬-공기 전지, 아연-공기 전지 등이 주목을 받고 있다. 리튬이온 전지와 아연-공기 전지는 Fig.
	아연의 특징은?	리튬이온 전지와 아연-공기 전지는 Fig. 1과 같은 구조를 가지며, 아연은 높은 에너지 밀도, 풍부한 매장량, 친환경성, 저렴한 가격 등의 이점으로 전지의 음극으로 널리 사용된다.3,4)
	전해질의 농도에 의한 문제점을 해결하는 방법은?	또한, 전해질에서 발생하는 문제점은 점도 외에도 용매로 사용하는 물에 의해서도 발생한다. 문제를 해결하기 위해 용매로 사용되는 물을 공급해주거나 전해 질 내에 gelling agent를 첨가해 젤 상태의 전해질을 만들어 수분 손실을 방지하는 방법이 있다. 이러한 이유로 전도도와 점도의 영향을 모두 고려하여 전해질의 농도를 설정해 주어야 한다.

참고문헌 (12)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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