Chap.5 전지에 의한 에너지의 변환과 저장

5.1 실용전지의 기초 5.1.1 전지의 정의와 분류 화학전지 1차전지, 2차전지, 축전지, 연료전지 반응물이 전극에서 산화 환원될 때 생기는 에너지로 화학반응에 수반된 Gibbs에너지의 감소분을 직접 전기에너지로 변환하여 전류로 외부에 내보내는 장치 마이너스극 활성물질 : 환원력이 강해야 함 플러스극 활성물질 : 산화력이 강해야 함 1차전지, 2차전지, 축전지, 연료전지

5.1 실용전지의 기초 5.1.2 전지의 구성, 반응 및 기전력 부하 R(A) | 전해질 | O(C) ne- ne- ne- 전극(집전체) 세퍼레이터 전해질 반응물 (활성물질) 양이온 R(A) O(A) O(C) R(C) ne- ne- 생성물 음이온 전해조

5.1 실용전지의 기초 5.1.2 전지의 구성, 반응 및 기전력 마이너스극 : R(A) -> O(A) + ne- 플러스극 : O(C) + ne- ->R(C) 전체 : R(A) + O(C) -> O(A) + R(C) 전지반응이 자발적으로 일어나는 조건 마이너스극의 전위 플러스극의 전위

5.1 실용전지의 기초 5.1.3 전지의 용량, 에너지밀도 및 출력밀도 패러데이 법칙 F : 패러데이정수(96,485 C/mol = 26.8 Ah/mol) m : 전지 활성물질의 질량(g) M : 전지 활성물질의 몰질량(g/mol) n : 반응에 관여하는 전자의 수

5.1 실용전지의 기초 5.1.4 실용전지에 요구되는 조건 에너지 밀도가 높을 것 출력밀도가 높을 것 온도특성이 좋을 것 자기방전이 낮고 보존성이 좋을 것 충방전 사이클 수명이 길 것 (2차전지) 에너지 변환효율이 높을 것 취급이 용이할 것 안전성, 신뢰성이 높을 것 무공해일 것 경제성이 뛰어날 것

5.2 1차전지 5.2.1 망간 건전지, 알카리망간 전지 망간 건전지와 알카리망간 전지의 가장 큰 차이는 전해질 -망간 건전지 : NH4Cl, ZnCl2 -알카리망간 전지 : KOH, NaOH 염화아연형 전지 마이너스극 : 4Zn + ZnCl2 + 8H2O -> ZnCl2·4Zn(OH)2 + 8H+ + 8e- 플러스극 : MnO2 + H+ +e- -> MnOOH 전지반응 : 4Zn + ZnCl2 + 8H2O + 8MnO2 -> ZnCl2·4Zn(OH)2 + MnOOH 알카리망간 전지 마이너스극 : Zn +2OH- -> ZnO + H2O+ + 2e- 플러스극 : MnO2 + H2O + e- -> MnOOH +OH- 전지반응 : Zn + H2O + 2MnO2 -> ZnO + 2MnOOH 취급하기 쉽고 값이 싸므로 등화용, 통신용, 완구용, 무선 전자기기용 등의 간이전원으로 1차전지 중에서는 가장 많이 보급되어 있음

5.2 1차전지 5.2.1 망간 건전지, 알카리망간 전지

5.2 1차전지 5.2.2 산화은전지 마이너스극 : Zn +2OH- -> ZnO + H2O+ + 2e- 플러스극 : Ag2O+ H2O + e- -> 2Ag +2OH- 전지반응 : Zn + Ag2O -> ZnO + 2Ag 에너지밀도 높고, 사용 온도범위 넓으며, 고부하 방전에 강하고, 자기방전이 적음 소형 정밀전자기기용 전원으로 버턴형이 많이 사용됨

5.2 1차전지 5.2.3 공기전지 마이너스극 : Zn +2OH- -> ZnO + H2O+ + 2e- 플러스극 : 1/2O2 + H2O -> 2OH- 전지반응(알카리 전해액) : Zn + 1/2O2 -> ZnO 전지반응(염화아연 전해질) : 2O2 +4Zn +ZnCl2 + 4 H2O -> ZnCl2·4Zn(OH)2 경제적인 전지임, 각종 통신기기용 전원 또는 항공 표식용 전원으로 사용 버턴형, 코인형 전지가 개발되면서 보청기, 휴대용 기기의 전원으로 사용

5.2 1차전지 5.2.4 리튬전지 마이너스극 : Li -> Li + + e- 플러스극(플푸오르화흑연) : (CF)n + nLi + + ne- -> Cn(LiF)n -> nC + nLiF 플러스극(이산화망간) : Mn(Ⅳ)O2 +Li+ +e- -> Mn(Ⅲ)O2(Li+) 전지반응(플루오르화흑연) : nLi + (CF)n -> Cn(LiF)n -> nC + nLiF 전지반응(이산화망간) : Li + Mn(Ⅳ)O2 -> Mn(Ⅲ)O2(Li+) 방전반응 4Li + 2SOCl2 -> 4LiCl + S +SO2 손목시계, 전자계산기, 전자식 부표, 메모리백업 등의 용도로 사용 심장의 펄스메이커용 전원(리튬-요오드 전지) 메모리백업용 전원이나 계측기, 관측기의 전원(리튬-염화티오닐 전지)

5.2 1차전지 5.2.4 리튬전지

5.3 2차전지 5.3.1 납축전지 마이너스극 : Pb + SO42- -> PbSO4 + 2e- 방전 플러스극 : PbO2 + 4H + + SO42- + 2e- PbSO4 + 2H2O 충전 방전 전지반응 : Pb + PbO2 + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O 충전 안정한 품질, 고도의 신뢰성, 적당한 경제성, 우수한 리싸이클성 수송산업용이나 부하조정, 예비전원, 비상전원의 예비용으로 이용됨 최근에는 소형으로 밀폐화시켜서 휴대 기기용으로도 이용됨 전해조 전해약(H2SO4수용액) 마이너스극판(Pd) 세퍼레이터 플러스극판(PbO2 ) 배기관

5.3 2차전지 5.3.2 니켈-카드뮴 전지 마이너스극 : Cd + 2OH- Cd(OH)4 + 2e- 방전 마이너스극 : Cd + 2OH- Cd(OH)4 + 2e- 충전 방전 플러스극 : NiOOH+ H2O + e- Ni(OH)2 + OH- 충전 방전 전지반응 : Cd + 2NiOOH + 2H2O Cd(OH)2 + 2 Ni(OH)2 충전 납축전지에 비해 가격은 높지만 기계적 강도, 수명, 보수성 등이 우수 차량이나 항공기의 시동 등으로 납축전지와 유사한 분야에 사용 각종 무선 기기용, 메모리백업용, 비상유도등이나 비상경보기 등의 방제설비용 등에 많이 이용

5.3 2차전지 5.3.3 니켈-수소 전지 마이너스극 : MH + OH- M + H2O + e- 방전 마이너스극 : MH + OH- M + H2O + e- 충전 방전 플러스극 : NiOOH + H2O + e- Ni(OH)2 + OH- 충전 방전 전지반응 : MH + NiOOH M + Ni(OH)2 충전 고에너지밀도, 과충전·과방전에 강하고, 고율 충방전이 가능 카메라 일체형 VTR, 노트북 PC, 휴대전화기 등의 하이테크 기기 용도 장래에는 대형 전지분야에도 용도가 넓어질 것을 크게 기대함 부하 충전기 e- M MH H2O OH- NiOOH Ni(OH)2 수소흡장합금 마이너스극 전해액 니켈 플러스극

5.3 2차전지 5.3.4 리튬 2차전지 마이너스극 : Li Li + + e- 방전 마이너스극 : Li Li + + e- 충전 방전 플러스극 : TiS2 + x Li + + xe- Lix TiS2 (0<x<1) 충전 방전 전지반응 : xLi + TiS2 Lix TiS2 (0<x<1) 충전 고에너지밀도, 고전압이어서 연구개발이 많이 이루어지고 있고, 장래 큰 발전 기대

5.3 2차전지 5.3.5 신형2차전지 나트륨-유황전지, 아연-브롬전지 등의 각종 신형 고 성능 2차전지 개발 중 에너지(전력) 저장은 자원절약과 에너지절약의 관점 에서 아주 중요 납축전지나 각종 신형 2차전지, 물의 전기분해, 야간 이나 주말 등의 잉여전력, 태양발전, 풍력 등의 자연 을 이용한 신전력 에너지를 일정간격 저장해 두었다 가 필요한 때에 공급하려는 연구 개발 중

5.4 연료전지 연료의 종류나 작동온도에 따라 분류 연료전지의 최대특징은 이론에너지변환효율이 화력 알카리(전해질)형 연료전지 인산(전해질)형 연료전지 용융탄산염(전해질)형 연료전지 고체산화물(전해질)형 연료전지 고체고분자(전해질)형 연료전지 연료전지의 최대특징은 이론에너지변환효율이 화력 발전과 같은 다른 발전방식에 비해 높다. 장점 : 발전효율 높음, 대기오염물질의 배출량이나 소음량의 감소, 연료의 다양화 가능, 모듈 구성으로 건설기간 단축 가능, 설치장소의 무제약 단점 : 수명과 경제성에 문제

5.4 연료전지 연료의 종류나 작동온도에 따라 분류 마이너스극 : H2 +2OH- -> 2 H2O + 2e- 플러스극 : 1/2O2+ H2O + 2e- -> 2OH- 전지반응 : H2 + 1/2O2 -> H2O