010. 화학반응공학 실험 보고서_Al-Air Battery 예비 보고서_200412_R0

 제가 직접 작성했었던 인하대학교 화학반응공학 실험 과목의 Al-Air Battery 예비 보고서입니다.

이를 참고하고 다른 자료를 덧붙여서 더 좋은 보고서를 작성하시는데 도움이 되었으면 좋겠습니다.

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1. 실험 제목 : Al-air battery

 

2. 실험 목적 : 배터리의 작동 원리와 구조에 대해 이해하고, 배터리의 한 종류인 Al-air battery를 직접 제조한다. 또한 전해질의 종류와 농도에 따른 Open Circuit Voltage(개방회로전압)와 방전용량을 계산해보고 이들의 상관관계를 알아본다.

 

3. 기본 이론

1) 배터리의 구성 요소, 종류 및 특징

가. 배터리의 구성 요소

배터리는 양극과 음극을 전해액에 잠기게 하여, 전극의 활물질(전지의 전극에서 전기를 일으키는 반응에 관여하는 물질)과 전해액이 가지는 화학에너지를 전기화학적 산화/환원 반응을 통해 전기에너지로 변환하여, 외부회로에 전기적 에너지를 발생하게 하는 능력을 지닌 물체를 말한다. 배터리는 Anode(애노드), Cathode(캐소드), 전해액, 분리막으로 구성되어있다. 배터리는 다음의 구성 요소로 이루어져 있다.

- Anode는 음극활물질이 산화되어 전자를 방출하는 전극으로 주로 이온화 경향이 높은 금속으로 이루어져있다.

- Cathode는 외부 도선에서 전자를 받아 환원되는 전극이다. 이는 Anode에 비해 이온화 경향이 낮은 금속으로 이루어져 있다.

- 분리막(Separator)이란 음극과 양극의 물리적 접촉이 일어나지 않도록 막아주는 격리막이다.

- 전해액(Electrolyte)은 양이온과 음이온을 가지고 있어 전류가 흐를 수 있도록 하는 물질을 말한다.

 

나. 배터리의 종류 및 특징

① 1차 전지 : 방전만 일어나는 전지로 한번만 사용하도록 설계된 전지를 말한다.(ex. 수은 전지, 알칼리 전지, 망간 전지 등)

② 2차 전지 : 다 쓴 전지에 전류를 반대로 걸어주게 되면 역반응이 일어나면서 충전이 되도록 설계된 전지를 말한다.(ex. 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지 등)

 

2) Al‐air battery의 이론 및 특징

Al-air battery는 공기 중의 산소와 알루미늄을 이용한 배터리로 양극과 음극에 각 각 활성탄과 알루미늄 판을 준비하여 Anode에서는 OH-(aq)을 받아 금속의 산화반응이 발생하고, Cathode에서는 공기 중의 산소와 전해질로부터 생성된 물이 환원 반응을 한다. 이 과정에서 전자가 생성되어 화학적 에너지가 전기적 에너지로 변하게 된다. Al-air battery에서 일어나는 양극과 음극의 산화, 환원 반응과 기전력을 다음의 식으로 표현하였다.

Anode	Al + 3OHㅡ → Al(OH)3+3e-	E = -2.30 V
Cathode	1/2O2 + H2O + 2e- → 2OH-	E = 0.401 V
Overall	Al(s) + 3/2H2O + 3/4O2 → Al(OH)3	E = -2.73 V

Al-air battery는 공기 중의 산소를 이용하므로 무제한으로 공급할 수 있고, 이 때문에 산소를 준비할 필요가 없어 배터리 자체가 가볍다. 또한 알루미늄의 경우 가격이 저렴하고 부존량도 높아 실용성 또한 높다. Al-air battery는 금속을 연료로 사용하기 때문에 수소 연료전지에 비해 출력 밀도가 높고, 화학적으로 안전하다는 장점을 갖는다.

 

3) 용어설명 (open circuit voltage, capacity, specific energy density, self‐discharge)

가. Open circuit voltage(개방회로전압)

Open circuit voltage란 개방회로전압이라 하며 전지에 부하가 걸리지 않은 상태일 때, 양 단자 간 전압을 뜻한다. 이는 전지와 기기가 접촉하지 않아 전류가 흐르지 않을　때의 전지 양 단자 간 전압이다. 전지의 양 단에 전류가 흐를 때, 전지의 내부저항에는 전압강하가 일어나는데, 이 크기에 개방회로전압을 빼 준 크기만큼의 전압이 전지 단자에 나타나게 된다.

나. Capacity (전지용량)

Capacity는 전지로부터 얻을 수 있는 총 전하량을 말한다. 완전히 충전되어 있는 배터리를 기기에 연결하고, 기기를 사용할 수 없을 때까지를 말하며, F(패럿)의 단위를 쓴다. 1F은 1V의 전압을 걸어주었을 때, 1C의 전하가 충전되는 전기 용량이며, 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다.

 

(F : Faraday constant, 96500C/mol, 전하량 : C(쿨롱), 1C= 1A 1Sec)

다. Specific energy density (질량 에너지 밀도)

Specific energy density란 전지에서 출력되는 에너지의 양을 전지의 단위 질량 당 값으로 나타낸 것이다. 이는 단위 질량 당 에너지 밀도를 말하며, 전지에서 출력되는 에너지의 양은 전지의 용량과 평균 전압의 곱으로 알아낼 수 있다. 또는 전압의 전기량에 대한 적분을 통해 구할 수 있다. Specific energy density와 방전전류와는 반비례 관계를 가진다. Specific energy density가 클수록 가벼운 전지를 만드는 것이 가능하다.

라. Self-discharge (자가 방전)

Self-discharge란 전류가 사용되지 않을 때에도, 전지 내부의 화학반응에 의해 전지의 성능이 저하되는 현상을 말한다. 기온이 증가할수록, 방전량도 증가하고, 장기간 방치하면 전지의 수명은 짧아진다. Self-discharge는 전해액 내부의 불순물에 의해 국부 전지가 형성되거나 극판의 작용 물질이 탈락되어 단락, 파손 등 다양한 원인으로 나타난다.

 

4. 실험 방법 (실험 교재 참조하여 작성)

① 알루미늄 호일(15mm × 15mm)을 준비한다.

② KOH, NaCl, H3PO4를 0.5M, 1M, 3M로 각각 제조한다.
③ 전해질을 교반시킨다.

④ 알루미늄 호일 위에 분리막 역할을 하는 키친 타올을 올리고 활성탄을 첨가한다.

(활성탄을 올리기 전, 방전 용량 계산을 위해 활성탄의 무게를 측정한다.)

⑤ 활성탄 위에 교반시킨 전해질을 스포이트를 이용해 뿌린다.

⑥ 그 위에 전선을 올리고 한쪽은 밀봉하고 한쪽은 산소 유입을 위해 개봉한다.

⑦ 멀티미터로 각 셀의 전압을 측정하고 기록한다.

⑧ 오토랩으로 일정전류로 방전시켜서 IV curve를 얻고, 면적 당 방전용량을 계산하도록 한다.

 

5. 참고문헌

- 백운기, 박문수, 전기화학, 청문각, 2012년, 293-296p

- 오승모, 전기화학, 자유아카데미, 2014년, 1장

- 변수일, 배터리의 기초와 실제, 명현문화사, 2000년

- http://www.google.co.kr/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwjLp4Cku7HMAhXBmpQKHcnzAQQQjRwIBw&url=http%3A%2F%2Fwww.brighthub.com%2Fenvironment%2Frenewable-energy%2Farticles%2F117074.aspx&psig=AFQjCNGLyKP9e_XsCnbhZfrmV4_jadZIZw&ust=1461937366592928