[논문]Zn/Air Fuel Cell의 전기화학적 성능에 미치는 인자연구

이창우; 엄승욱; 김현수; 문성인; 윤문수

Zn/Air Fuel Cell의 전기화학적 성능에 미치는 인자연구
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이창우 (한국전기연구원 재료응용연구단 전지연구그룹) , 엄승욱 (한국전기연구원 재료응용연구단 전지연구그룹) , 김현수 (한국전기연구원 재료응용연구단 전지연구그룹) , 문성인 (한국전기연구원 재료응용연구단 전지연구그룹) , 윤문수 (한국전기연구원 재료응용연구단 전지연구그룹)

Zn/Air 전지는 방전하는 동안에 최종 방전 cut-off 전압에 이르기까지 평탄한 voltage profile의 전기화학적 특성을 보여준다. Air cathode 전극의 경우, 전극의 porosity에 따라 특성변화에 큰 영향을 가지는 것으로 보이며 이의 비교연구를 위해 사용되어지는 활성탄의 종류를 달리함으로써 이러한 인자의 영향을 이해하고자 하였다. 이러한 인자연구는 discharge voltage, specific capacity, 및 energy 등의 연구결과를 바탕으로 고찰되어졌으며 결과적으로 공기 유로를 통한 산소의 원활한 공급 여부가 주요 원인인 것으로 여겨진다.

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문제 정의

Zn/Air 전지의 Air cathode 전극의 기공율은 산소의 유입경로를 형성하고 전지의 반응사이트를 제공하는 활성탄에 의해 좌우 된다. 이에 본 연구에서는 활성탄의 종류 및 구조를 분석함과 동시에 Zn/Air 전지의 전기화학적 특성을 연구하였다.

제안 방법

도전재를 차례로 증류수에 혼합하여 200Qrpm으로 2시간 농안 혼합하였다. 그리고 혼합된 slurry를 100V 오븐에서 건조시킨 후 Iso-propyl alcohol을 첨가하여 반죽하였다.

대상 데이터

Air 전극 내부로 Ch가 유입되는 기공을 형성하기 위해 비표면적이 큰 활성탄을 사용하였다. 활성탄 종류로는 Darco G-60N (증심입도 30㎛, BET 853#g, American Norit), Darco G-60A (중심입도 225㎛, BET 938r/g, Aldrich), SXUltra (중심입도 22.
전기화학적 특성연구를 위하여 Linear Sweep Voltammetry (LSV)기법을 이용하였다. Reference 전극으로는 SCH (saturated caromel 아 ectrode) 에 대해 0.098V 으] 표준 산화수은전극 (Koslow Scientific Co. USA)을 사용하였고 전해액으로는 8.5M KOH 수용액, 그리고 Counter 전극으로는 Pt mesh를 사용하였다.
시험장비는 EG&G사의 M273 Potentiostat를 이용하여 시험하였으며 scan rate는 2 mv/s로 하였다.
5A 60%, PTFE 30-J, Dupont)을 사용하였다. 음극의 활물질로는 Zn powder(UNION MINIERE), gelling agent 로써 Poly acrylic acid를 사용하였다,
1은 활성탄들의 표면형상을 SEM으로 관찰한 사진이다. 전극의 전자전도 경로를 원활히 하며 활성탄이 기공을 형성하기에 적합한 도전재로 Super P Black (MMM carbon)4,5), 산소의 환원 촉매로 MnOz ( <5a 92.15%, ERACHEM)을 사용하였다6)그리고 결합제로는 PTFE 현탁액 (0.05P.5A 60%, PTFE 30-J, Dupont)을 사용하였다. 음극의 활물질로는 Zn powder(UNION MINIERE), gelling agent 로써 Poly acrylic acid를 사용하였다,
큰 활성탄을 사용하였다. 활성탄 종류로는 Darco G-60N (증심입도 30㎛, BET 853#g, American Norit), Darco G-60A (중심입도 225㎛, BET 938r/g, Aldrich), SXUltra (중심입도 22.5㎛, BET 1076r/g, American Norit), YP-17 (중심입도 2㎛, BET 1566r/g. Kuraray), BP-20 (중심입도 16.57㎛ BET 1929r/g, Kuraray) 5가지 종류를 사용하였으며 fig. 1은 활성탄들의 표면형상을 SEM으로 관찰한 사진이다. 전극의 전자전도 경로를 원활히 하며 활성탄이 기공을 형성하기에 적합한 도전재로 Super P Black (MMM carbon)4,5), 산소의 환원 촉매로 MnOz ( <5a 92.

이론/모형

교반이 끝난 후 여기에 Zn powder를 섞어서 반죽하여 최종 Zincg이을 제조하였다. 전기화학적 특성연구를 위하여 Linear Sweep Voltammetry (LSV)기법을 이용하였다. Reference 전극으로는 SCH (saturated caromel 아 ectrode) 에 대해 0.

성능/효과

3. 4와 같이 방전용량 및 에너지, 평균 discharge voltage는 중간세공이 많은 활성탄으로 제조된 전극 순으로 높게 나타났다. 또한 5가지의 활성탄 종류 중 중간세공의 값이 가장 큰 Darco G-WN으로 제조된 전지가 가장 우수한 성능을 보였다.
된다. 그러나 본 실험의 결과를 보면 활성탄의 비표면적이 코다고 해서 Zn/Air 전지에서 좋은 성능을 나타내지는 않았다, 오히려 Zn/Air 전지에 적합한 활성탄은 Darco G-60 계열처럼 중간세공이 큰 활성탄으로 제조된 Air cathode 전극을 사용한 전지의 성능이 우수하게 나타났다. 그 중에서도 중간세공이 많이 발달된 Darco G-60N 이 가장 우수하였다.
4와 같이 방전용량 및 에너지, 평균 discharge voltage는 중간세공이 많은 활성탄으로 제조된 전극 순으로 높게 나타났다. 또한 5가지의 활성탄 종류 중 중간세공의 값이 가장 큰 Darco G-WN으로 제조된 전지가 가장 우수한 성능을 보였다. 이러한 전기화학적 성능의 차이를 보이는 가장 큰 원인은 전지내부로의 원활한 산소 공급유입이 결국 방전용량 및 에너지 특성에 커다란 영향을 가져오기 때문인 것으로 파악되어진다.
이 결과로 볼 때 전체비표면적이 크다고 해서 산소환원반응 사이트가 증가하지 않는 것을 알 수가 있었다. 오히려 증간세공이 큰 활성탄으로 제조된 Air cathode 전극이 산소 환원 반응을 유리하게 하는 것을 알 수 있었다.
이 결과로 볼 때 전체비표면적이 크다고 해서 산소환원반응 사이트가 증가하지 않는 것을 알 수가 있었다. 오히려 증간세공이 큰 활성탄으로 제조된 Air cathode 전극이 산소 환원 반응을 유리하게 하는 것을 알 수 있었다.

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