화학반응공학 실험 보고서_Al-air battery 결과 보고서_Ver2_200516_R0

Al-air Battery

 

요 약(Abstract)

본 실험은 금속 공기전지의 일종인 Al-air battery를 직접 만들어보고 배터리의 기본적인 구성과 원리를 이해하는데 목적이 있다. 3가지의 전해액을 이용하여 종류와 농도에 따른 OCV와 방전용량을 계산하여 상관관계를 알아본다.

실험을 하기 위해 필요한 재료로 Cathode로 사용되는 알루미늄 호일과 Anode로 사용되는 활성탄, 전해질 역할을 하는 KOH, NaCl, H PO 마지막으로 분리막으로 이용되는 키친타올이 필요하다. 전지는 알루미늄 호일 위에 키친타올, 용액을 도포한 활성탄을 올리고, 전선을 이용하여 회로를 구성한다. 각각의 농도의 용액을 이용한 전지에 대해서는 모두 OCV를 측정하고, 3.0M의 용액은 방전용량을 계산하여본다. 농도가 가장 높은 용액을 전해질로 사용한 전지는 추가로 방전 곡선도 알아본다.

pH값이 높을수록 OCV의 값이 크고, 농도에 따라 증가함을 이론적으로 알 수 있고, 실제 실험을 통해 확인 및 비교 분석해보고 오차가 발생한 이유에 대하여 고찰한다. 3M 용액에 대해서는 각각 방전용량을 구하여 비교하여본다.

 

1. 서론

① 실험의 중요성

현재 화석연료 사용에 의한 각종 환경오염, 기상이변 및 화석연료 고갈에 대한 문제점이 많이 나타난다. 따라서 무공해 에너지의 개발에 필요성이 커지고 있는 사회에서 연료전지는 각광 받고 있다. 이에 기체나 액체를 연료로 사용하는 PEMFC, DMFC, SOFC 등이 있고 이번 실험에서 사용 된 금속 – 공기 전기가 있다. 그 중에서도 금속으로 알루미늄을 사용 하였는데 이는 3번째로 많은 원소로 부존량이 많고, 높은 에너지 밀도를 가져 활용도가 좋다

② 실험의 역사/배경

알루미늄을 이용한 금속 공기 전지를 사용하는 차량은 수 십년 동안 논의 되어왔다. 1989년에는 전기자동차에 알루미늄-공기 배터리를 납-산 배터리와 혼합한 배터리를 실험한 내용이 있다. 그리고 1990년에는 온타리오에서 하이브리드 미니 밴에 적용하면서 그 활용도가 입증 되었다. 최근에도 특별한 음극과 수산화칼륨을 사용하여 성능이 좋은 배터리를 자동차에 시험 중이다.

③ 실험 목적

배터리의 기본적인 구성과 원리를 이해하여 Al-air battery를 제조하여 그 원리를 알아본다. 사용하는 재료를 통하여 방정용량을 계산해보고 전해질의 농도와 종류에 따른 차이를 측정해 상관관계를 알아본다. 미래의 전지로 각광받는 Al-air battery가 어떻게 활용될 수 있는지 알아본다.

④ 실험 결과가 의미 하는 바

실험 결과 각 전해질의 농도가 증가함에 따라 전위차가 커졌다. 이는 농도가 클수록 방정 용량이 커져 배터리의 능력이 좋다는 것을 의미한다. 그리고 전해질의 pH가 커지면서 전위차가 커졌다. 이를 통해서 높은 전위를 갖는 배터리를 만드는데 필요한 요소가 어떤 것이 있는지 알 수 있다.

⑤ 기타

이번 실험에서는 다루기 쉬운 전해질을 사용하면서 전 pH 범위에 걸쳐 측정할 수 있었다. 그리고 가격이 저렴한 알루미늄 호일을 사용해서 실험이 간편하였다. 대기 오염물질이 발생하지도 않아 많은 장점을 갖는 배터리를 제조하는 실험이다.

 

2. 실험 이론

① 전지의 원리와 종류

두 가지의 전극(양극과 음극)을 전해액에 잠기게 하여 각 전극의 활물질과 전해액이 갖는 화학에너지를 전기에너지로 변환시켜 양극과 음극을 연결한 외부회로에서 전기적 에너지를 발생시킬 수 있는 능력을 지닌 것을 일컫는다. 배터리는 가장 크게 화학 전지와 물리 전지로 나눌 수 있고 화학 전지는 1차 전지, 2차 전지, 연료 전지 등으로 나뉘며, 물리 전지는 태양 전지로 분류된다. 전지에 전류를 흘려 전지가 재생되는 과정을 충전이라고 하고, 전지에 있는 에너지를 사용하여 전지가 소모되는 과정을 방전이라고 한다. 1차 전지는 한번 사용하도록 설계된 전지이고, 2차 전지는 충전을 통하여 반복 사용할 수 있도록 설계된 전지이다. 1차 전지로는 수은전지, 산화은전지, 망간전지, 알칼리전지 등이 있고, 2차 전지로는 니켈-카드뮴(Ni-cd)전지, 니켈수소(Ni-CD)전지, 납축전지(Lead_Acid), 리튬 2차전지 등이 있다

② Al-air battery

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.

 

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

생성물로 Al(OH)3(s)이 생성되는데 환원이 어렵게 되어 gel의 형태로 물을 흡수하게 되고, 반복사용을 할 수 없게 되는 주 원인이다. 금속을 연료로 사용하기 때문에 수소 연료전지에 비하여 상대적으로 가격이 저렴하며 출력 밀도가 높고, 화학적으로 안전하다는 장점을 갖는다.

③ Open circuit voltage

전지에 부하를 걸지 않은 상태에서의 양 단자 간 전압을 말한다. 즉, 전지를 기기에 접속하지 않은 상태(전류를 흘리지 않은 상태)에서의 전지 양 단자 간 전압이다. 실제로는 흐르는 전류에 의하여 전지의 내부저항에 상당하는 전압강하가 생기며 그것을 개회로 전압에서 빼 낸 만큼의 낮은 전압이 전지단자에 나타나게 된다.

④ Capacity

Capacity란 전지를 기기에 사용했을 때 기기를 사용할 수 없게 될 때까지 나오는 전하량을 말한다. Capacity(전지 용량)의 단위는 패럿(F)이며, 1F는 1V의 전압을 걸어 주었을 때 1C의 전하가 충전되는 전기 용량이다. Capacity의 전하량은 다음과 같은 식으로 표현 할 수 있다.

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

 

3. 실험 방법

① Cathode로 사용될 알루미늄 호일을 15cm * 15 cm 크기로 자른다.

② 전자저울과 교반기를 이용하여 준비한 세 가지 시약에 대한 세 가지 농도의 전해질을 제조한다. (KOH, NaCl, H PO 를 각각 0.5M, 1.0M, 3.0M로 제조) 용액 50ml에 대한 용질의 양을 계산하여 저울로 잰 다음 비커에 증류수와 함께 넣어 50ml가 되도록 맞춘다. 이때 KOH의 순도는 95%, H PO 의 순도는 85%이다. 순도를 고려하지 않은 양 <표 2>과 순도를 고려한 양 <표 3>를 참고한다. 교반기를 이용하여 충분히 용해시킨 후 필름에 용질의 종류와 농도를 적어 밀봉한다.

	0.5M	1M	3M
KOH (MW:56.1g/mol)	1.4025g	2.805g	8.858g
NaCl (MW:58.44g/mol)	1.461g	2.922g	8.766g
H PO (MW:98g/mol)	2.45g	4.9g	14.7g

	0.5M	1M	3M
KOH (MW:56.1g/mol)	1.476g	2.953g	9.9g
NaCl (MW:58.44g/mol)	1.461g	2.922g	8.766g
H PO (MW:98g/mol)	2.882g	5.765g	17.294g

	0.5M	1M	3M
KOH (MW:56.1g/mol)	1.4025g	2.805g	8.858g
NaCl (MW:58.44g/mol)	1.461g	2.922g	8.766g
H PO (MW:98g/mol)	2.45g	4.9g	14.7g

	0.5M	1M	3M
KOH (MW:56.1g/mol)	1.476g	2.953g	9.9g
NaCl (MW:58.44g/mol)	1.461g	2.922g	8.766g
H PO (MW:98g/mol)	2.882g	5.765g	17.294g

③ 알루미늄 호일위에 분리막 역할을 하는 키친타올을 올리고 활성탄 0.200g을 첨가한다. 호일의 양 면을 비교해볼 경우 덜 반짝거리는 면이 있는데 이 면이 산화작용이 일어날 면이다. 활성탄은 키친타올 위에 뭉치지 않도록 넓게 펼쳐준다.

④ 활성탄 위에 교반시킨 전해질을 스포이트를 이용해 뿌린다. 각 전해질의 양은 2ml로 통일하며 활성탄이 골고루 전해질과 닿을 수 있도록 뿌려준다.

⑤ 전선을 올리고 한쪽은 밀봉하고 한쪽은 산소 유입을 위해 개봉한다.

⑥ 멀티미터를 이용하여 각 셀의 전압을 측정하고 기록한다. 이 때 단자와 접촉하는 순간 기록되는 전압을 기록한다.

⑨ 오토랩으로 일정전류로 방전시켜서 IV curve를 얻고, 면적 당 방전 용량을 계산하도록 한다. 설정은 전류 값은 0.00001A 시간은 1800초로 1000ms, 1초단위로 측정하였다. 시간 관계 상 3M의 용액을 전해질로 이용한 Al-air battery만 측정 실시한다.

 

4. 실험 결과

1) 전해질의 종류와 농도에 따른 전압변화(graph도 그릴 것)

	0.5 M	1 M	3 M
KOH	1390mV	1420mV	1330mV
NaCl	692mV	680mV	628mV
H3PO4	623mV	728mV	794mV

 

이론적으로, 강 염기성 전해질에서 Al-air battery는 높은 전압을 가지는데, 이는 위의 그래프에서도 강 염기성 전해질(KOH)을 사용했을 때 OCV가 가장 높은 것을 확인할 수 있다. 그리고 전체적인 OCV의 세기는 이론적으로 강 염기성 > 중성 > 산성 순으로 높아야하지만, 중성과 산성용액인 NaCl과 H3PO4 의 경우 실험간 오차에 따라 경향이 반대로 측정되었다. 강 염기성 전해질인 KOH에 대해서는 이론과 동일함을 확실히 알 수 있다.

이론적으로 농도에 따른 OCV값은 강 염기성 전해질인 KOH에서는 수산화이온 OH-이 증가하기 때문에 농도가 증가할수록 높아져야하는데 그 경향이 다소 뚜렷하진 않다. 중성 전해질인 NaCl의 경우에는 산-염기 중화반응이 일어나지 않기 때문에 농도가 높아질수록 이온화가 많이 되고, 그만큼 산화-환원되는 전자의 양이 많아지기 때문에 OCV는 높아진다. 산성 전해질 H3PO4은 농도가 높아질수록 OH-가 산성 전해질의 H+와 중화되기 때문에 OCV는 약간 감소하게 될 것임을 예측할 수 있다. 실험을 통해서 얻은 데이터로는 다소 만족스럽지 못한 그래프를 얻게 되었다.

2) 방전곡선을 그리고, 방전 용량 계산(3M KOH, NaCl, H3PO4에 대해서, 무게 당 용량 계산)

오토랩으로 일정전류로 방전시켜서 IV curve를 얻고, 면적 당 방전 용량을 계산하도록 한다. 설정은 전류 값은 0.00001A 시간은 1800초로 1000ms, 1초단위로 측정하였다.

이론적으로, 강 염기성 전해질에서 Al-air battery는 높은 전압을 가지는데, 이는 위의 그래프에서도 강 염기성 전해질(KOH)을 사용했을 때 OCV가 가장 높은 것을 확인할 수 있다. 그리고 전체적인 OCV의 세기는 이론적으로 강 염기성 > 중성 > 산성 순으로 높아야하지만, 중성과 산성용액인 NaCl과 H3PO4 의 경우 실험간 오차에 따라 경향이 반대로 측정되었다. 강 염기성 전해질인 KOH에 대해서는 이론과 동일함을 확실히 알 수 있다.

이론적으로 농도에 따른 OCV값은 강 염기성 전해질인 KOH에서는 수산화이온 OH-이 증가하기 때문에 농도가 증가할수록 높아져야하는데 그 경향이 다소 뚜렷하진 않다. 중성 전해질인 NaCl의 경우에는 산-염기 중화반응이 일어나지 않기 때문에 농도가 높아질수록 이온화가 많이 되고, 그만큼 산화-환원되는 전자의 양이 많아지기 때문에 OCV는 높아진다. 산성 전해질 H3PO4은 농도가 높아질수록 OH-가 산성 전해질의 H+와 중화되기 때문에 OCV는 약간 감소하게 될 것임을 예측할 수 있다. 실험을 통해서 얻은 데이터로는 다소 만족스럽지 못한 그래프를 얻게 되었다.

2) 방전곡선을 그리고, 방전 용량 계산(3M KOH, NaCl, H3PO4에 대해서, 무게 당 용량 계산)

오토랩으로 일정전류로 방전시켜서 IV curve를 얻고, 면적 당 방전 용량을 계산하도록 한다. 설정은 전류 값은 0.00001A 시간은 1800초로 1000ms, 1초단위로 측정하였다.

 

3M KOH용액에 대하여 방전 시간은 1800s 이다.

 

3M NaCl용액에 대하여 방전 시간은 350s 이다.

3M H3PO4용액에 대하여 방전 시간은 30s 이다.

5. 실험결과 분석 및 고찰

먼저 전해질 종류와 농도에 따른 OCV를 측정한 결과를 보면 데이터의 수가 부족하여 일반화를 하기엔 다소 어려운 그래프를 얻었다. 실험이 이론적으로 이루어졌을 때의 그래프 계형을 유추해 보면 농도가 높아질수록 전압이 증가하고 전해질의 종류에 대해서는 KOH>H3PO4 >NaCl 순으로 증가할 것으로 예상할 수 있다.

전해질 종류에 따른 전압 값의 차이는 용액의 pH값의 차이로 설명된다. KOH는 pH값이 14인 염기성 전해질이다. 염기성 전해질을 사용하면 공기전극에서 CO 를 흡수하여 카보네이트(Carbonate)가 생성된다. 이 때문에 공기의 흐름이 방해되어 전지에 손상을 줄 수 있는 가능성이 있지만 그보다 전체적인 전지 반응에서 Cathode의 반응을 촉진시키기 때문에 주어진 전해질 중에서 KOH가 가장 높은 전압을 보인다. NaCl(aq)은 pH=7인 중성 전해질로 KOH를 전해질로 사용했을 때 보다는 전기전도도가 떨어진다. pH가 7보다 낮은 약한 산성 전해질의 경우, 염기성 전해질에 비해서 성능이 낮지만, NaCl보다 더 성능이 좋고, 염기성 전해질에서 나타났던 공기전극인 Cathode에서 CO2 흡수문제도 나타나지 않는다는 장점이 있다.

전압이 크다는 말은 전위차가 크다는 말로 전하량의 이동이 큰 것을 말한다. 전하량 Q는 Q = znF로 주어지기 때문에 주어진 전해질에 따라 전기적 활성이 있는 몰 수 (z)가 다르기 때문에 이러한 차이가 발생하였다고 볼 수 있다.

실험에서는 만족할만한 데이터를 얻지 못하였는데 그 이유에 대해서 분석해보았다. 한 사람이 아닌 여러 사람이 전지를 만들었기 때문에 활성탄의 분산 정도나 도선의 밀봉 정도가 일정했다고 보기 힘들다. 또 사용했던 전선을 세척하여 다른 전지 제작에도 사용했는데 이 때 전선에 묻은 활성탄과 전해질이 잘 닦이지 않아 오차가 발생할 수 있다. 전해질이 잘 닦이지 않으면 제작한 전해질보다 실제로는 더 높은 농도의 전해질로 실험한 결과가 얻어지게 된다. 용질을 용해시킬 때는 교반기를 이용하여 용해를 시켰는데, 시간이 상대적으로 짧아 충분히 용해시킬 수 있는 여건이 되지 못하였다. 또한 측정을 할 때 전선과 전해질 또는 산소와의 접촉이 일정하지 못하였기 때문이라 추측할 수 있다.

3.0M 농도의 전해질로 제작한 전지의 방전곡선을 통한 방전용량을 비교해보았다. 방전용량은 인가한 전류의 크기와 방전시간의 곱을 활성탄의 질량으로 나누어 구하였다. 동일한 전류 조건 하에서 영향을 주는 요인은 방전시간이다. 방전 용량의 크기는 KOH > NaCl > H3PO4 의 순서로 나타났다.. NaCl과 H3PO4의 경우 KOH에 비해 측정값이 들쑥날쑥한 모습을 보이고 있다. 이는 앞서 말한 오차 발생 이유와 동일할 것으로 추정한다. 뿐만 아니라 추가적으로, 활성탄의 값은 0.200g으로 동일한 값을 이용하였는데, 실제 질량을 측정 할 때는 정확하게 계량하기 제한된다. 또한 키친 타올에 도포할 때 활성탄이 묻어나므로 실제 활성탄 질량 값에 따라 실질적인 방전 용량의 크기는 차이가 날 수 있다.

 

5. 결론

이번 실험에서 Al-air battery를 전해질의 종류와 농도를 변화시켜 만들어 보았고 그에 따른 전압을 측정하고 표와 그래프로 데이터를 정리하여 비교해보았다. 그 결과 전해질의 농도가 높을수록 전압 값이 증가하는 것을 확인할 수 있었고 전해질 용액의 pH값에도 영향을 받는 것을 알 수 있었다. pH값이 높은 염기성 전해질에서 전압이 높게 측정되었고 그 다음으론 약한 산성의 전해질, 중성의 전해질에서는 가장 낮은 전압이 측정되었다. 이론과 달리 오차 값이 발생하였지만 부족한 사전준비와 실험 시간 및 기구가 제한되어있어 반복 실험할 수 없어 정확한 데이터를 얻어내지 못한 아쉬움이 있다.

연료전지의 이론은 이미 1900년대 초반에 발견되었지만 비용 때문에 우주 분야 등 좁은 범위의 분야에만 사용되었다. 하지만 석유 연료의 가격이 점점 올라가게 되면서 대체에너지로 각광받게 되었다. 자동차의 경우 이미 연료전지와 배터리를 이용한 모델이 출시되었고 가격과 연비, 충전시간 등 상용화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 수소를 연료로 하는 전지에 비해 연료비용이 저렴하고 출력밀도가 높고 구동하기 쉬운 장점을 갖는다. 또한 요즘 문제가 되고 있는 환경문제, 에너지 고갈 문제에 대해서도 많은 장점을 갖는다. 이는 앞으로 우리가 사용할 에너지원으로 연구가치가 충분히 있다.

 

6. 참고 문헌

Anastassia Kaisheva 『Metal-air batteries : research, development, application』 Institute of
Electrochemistry and Energy Systems, Bulgarian Academy of Sciences p12

Peter Atkins, Julio De Paula 공저 『 Physical Chemistry Oxford, 8thedition』 p997~1000

김용혁 『금속-공기전지의 Anode전극 반응에 관한 연구』한국전기전자재료학회 Journal of KIEEME, 23권, 12호 2010

문경만『실용전기화학』 효성출판사 2000년 p20-22

박권필, 전해수 『전해질 첨가제가 알루미늄-공기전지의 성능에 미치는 영향』Journal of the Korean Industrial and Engineering Chemistry, Vol.9, No.1 1998 p52-57

백운기,박문수 저 『전기화학』 청문각 2012년 p293-296

『금속-공기 전지에서 아연,알루미늄 소재의 전기화학적 특성연구』 한국지질자원연구소, 1993년, p5-20

『공업화학ㆍ화학공학 실험교재』 인하대학교 화학공학과, 2015년