화학쟁이 공대생

 리튬대칭셀 (Li symmetric cell)은 리튬금속을 사용하는 리튬메탈배터리나 전고체배터리에서 리튬이온의 거동을 확인할 때 자주 사용하는 tool 중 하나이다. 이번 포스팅에서는 셀 조립 방법 및 분석방법에 대해 이야기하고자 한다.  1. 리튬대칭셀 구조  대칭셀은 기존 알려진 코인셀로 보통 제작된다. 코인셀로 제작하는 이유는 대면적화된 파우치셀로 제작할 경우, 리튬메탈을 양쪽에 사용하기에 위험성이 크고, 다루기에 어려운 문제 때문에 코인셀로 제작하여 평가한다.  리튬대칭셀의 구조 (출처 : (2022) 9:127 | https://doi.org/10.1038/s41597-022-01217-5) Bottom(case) - 리튬메탈 - 분리막 - 전해액- 리튬메탈 - 스페이서 - 스프링 - Cap 제작하는 순서는 기존 리튬이온배터리 코인셀과 동일하지만, 구성 성분이 달라진다. 양극과 음극이 차지하는 부분에 리튬메탈로 대체된다. 같은 전극을 사용하기 때문에 전압차가 나지 않아야 하고, 조립된 셀의 개방회로전압 (OCV)는 0V에 가까워야 한다. 2. 리튬대칭셀을 이용한 정전류 과전압 평가 위 구조를 기반으로 조립한 리튬대칭셀(Li symmetric cell)에 정전류로 충전전류와 방전전류를 시간단위로 반복하여 가해주면 셀 내부에서 리튬금속의 전착-탈리가 반복적으로 일어나게된다.  리튬메탈의 전착/탈리과정 (출처 : www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1618871114)  리튬금속의 전착 : 리튬이온이 리튬메탈로 환원되어 금속으로 변화 리튬금속의 탈리 : 리튬메탈이 리튬이온으로 산화되어 이온으로 변화 리튬대칭셀 충방전 평가 그래프 (출처 :  J. Korean Electrochem. Soc., Vol. 25, No. 1, 2022) 전류를 충전방향으로 가하면 전압이 증가하고, 방전방향으로 전류를 흘러주면 전압이 감소하면서 과전압(Overpotential)이 발생하...

화성공정(Formation)은 배터리의 성능을 좌우하는 중요한 공정 중 하나이다. 따라서 배터리 회사들의 화성공정의 공정 조건은 대외비로 알려져 있다. 이번 포스팅에서는 화성공정의 중요한 이유와 이와 관련된 SEI에 대해 설명하고자 한다.  1. 화성공정(Formaiton) 화성공정은 조립된 셀에 처음으로 충전과 방전을 시켜주는 공정을 의미한다. 즉 양극, 음극, 분리막 stack이 완성되고 전해액을 주입한 뒤에 진행되는 공정이다. 배터리에 전류를 인가하여 충전시키면 음극인 흑연(Graphite) 표면에 SEI(Solid Electrolyte Interphase)라는 표면을 보호하는 보호막이 생기게 된다. 이 보호막은 어떤 역할을 할까?  2. SEI(Solid Electrolyte Interphase) 충전-방전과정에서 SEI (출처 :  npj Computational Materials   volume  4 , Article number:  15  ( 2018 )) SEI는 배터리 충전과정 중에 전해액의 분해 반응으로 인해 생성되는 부동태막이다. 부동태 막으로서 배터리 내부 전해액의 분해를 억제시키고 리튬이온만 선택적으로 음극에 Intercalation(삽입), Deintercalation(탈리)시키는 통로 역할을 한다. 불균일하고 불안정한 막이 형성될 경우 전극구조가 불안정해지고 악영향을 초래할 수 있다. 따라서 균일하고 견고한 SEI가 형성되어야 높은 에너지 밀도를 갖고 장수명 성능을 갖는 배터리를 제조할 수 있다. 2.1 형성과정 HOMO-LUMO 에너지준위 (출처 : S.J. An et al. / Carbon 105 (2016) 52-76) 배터리를 충전시키면 상대적 준위가 높은 양극에서는 산화반응, 준위가 낮은 음극에서는 환원반응이 일어난다. 음극 표면에 접촉해있는 전해액은 음극보다 상대적으로 LUMO 에너지가 낮기 때문에 환원되기 쉽다. 따라서 전해액을 구성하는 물질 중 Eth...

배터리(전지)는 충전과 방전의 반복적인 사이클을 통해 전기에너지를 저장하거나 사용할 수 있는 장치이다. 이번 포스팅에서는 리튬이온전지의 충방전 곡선 그래프로 보통 voltage profile이라 불리는 그래프에 대하여 배워보자. 1. 충방전 곡선 그래프

 리튬이온전지는 소형 크기의 건전지, 에어팟, 모바일폰에서부터 중대형 크기의 전기차 및 전력저장장치 ESS 까지 우리 주변에 널리 사용되는 장치이다. 이번 포스팅에서는 구조를 살펴보고 어떤 소재들을 사용하는지 알아보자. 리튬이온전지의 구조 리튬이온전지는충전과 방전의 반복적으로 가능한 2차전지이다. 전지 내부의 전극과 전해질간의 화학반응인 산화-환원반응을 통해 전기에너지로 전환되는 메커니즘을 갖고 있다. 리튬이온전지의 구성 리튬이온전지는 양극재, 음극재, 분리막, 전해액의 4가지 소재로 이루어져있다. 각각의 소재들이 조립되어 화학적반응을 통해 전기에너지를 저장 및 사용할 수 있는 특징이 있다.  양극(Cathode) (+) 양극는 전극으로, 리튬이온전지에 2가지 전극이 존재하는데 상대적으로 전위가 높은전극을 양극이라한다. 양극재는 LCO, NCM, LFP, NMO 등 리튬과 전이금속 산화물 형태로 존재하는데, 이 전이금속 화합물에 리튬이온이 저장되어 있다. 또한 구성하는 전이금속산화물에 따라 각각의 구조가 달라 양극의 용량이나 구조적 안정성이 다른 특징을 갖고 있다. 음극(Anode) (-) 음극은 양극보다 상대적으로 낮은 전위를 갖는 전극이다. 양극에 리튬이온이 저장되어 있다고 했는데, 충전과정에서 음극의 상대적으로 낮은 전위로 인해 양극의 리튬이온이 이동하여 음극 내부에 저장된다. 반대로 방전과정에서는 자발적인 반응이 일어나 저장된 리튬이온이 양극으로 이동시킨다. 대표적인 상용 음극재로서 천연흑연, 인조흑연(Graphite)이 있다.  분리막(Separator) 분리막은 양극과 음극 사이에 위치해 있는 고분자물질이다. 양극과 음극이 접촉하게 되면 쇼트(short circuit) 현상이 발생하게 되는 문제를 방지하는 역할을 한다. 쇼트가 발생하게 되면 대전류가 흘러 화재가 발생할 수 있으므로 전지의 안정성에 가장 중요한 소재 중 하나라 할 수 있다. 필름 형태로 구성되어 있고, 전기가 통하지 않아야 하기 때문에 절연체로 되어 있다....

화학반응은 반응물간의 반응을 통해 새로운 물질을 생성해내는 반응이다. 이런 반응은 보통 용액상태에서 진행되기 때문에 반응물의 농도는 매우 중요한 개념이다. 가장 널리 사용되는 개념인 몰농도를 알아보자. 농도를 설명하기에 앞서 용액을 구성하는 용질과 용매의 개념을 알아야 한다. 용질은 용매속에 녹아있는 물질을 의미하며 용매는 용질을 녹이는 물질을 의미한다. 예를 들면 소금 5g과 물95g을 섞어서 소금물 100g을 만들었다. 이때 용질은 소금이되고 용매는 물이되는 것이다. 1. 몰농도 개념  몰농도는 용질의 몰수를 용매의 부피로 나눈 값이다. 이때 용질의 몰수 단위는 (mol), 용매의 부피단위 (L)로 계산한다.  몰농도의 정의 몰농도의 단위는 (M)으로 계산되면 1몰농도=1M 로 이해하면된다. 몰농도 문제에서 가장 중요한것은 용질의 분자량이다. 분자량을 알아야 몰수를 계산할 수 있기 때문이다. 개념설명만으로는 이해하기 어려우니 문제를 통해 이해해보자. 2. 몰농도 연습문제풀이 예제1) 황산알루미늄 34.215g 이 물 1L에 녹아있다. 이때 황산알루미늄의 몰농도는 몇 M인가? 예제1 문제풀이방법 -> 몰농도 문제를 계산할 때에는 용질의 몰수를 알아야 하므로 몰수를 계산할 수 있는 분자량을 알아야 한다. 위 문제에서 용질은 황산알루미늄이 되고, 용매는 물이다. 황산알루미늄의 분자량은 342.15g/mol이다. 즉 황산알루미늄 342.15g이 1mol수인 것이다. 따라서 먼저 황산알루미늄의 몰수를 구하고 몰수에 용매인 물의 부피를 나누어주어 몰농도를 계산하면 정답은 0.1M 이 된다. 예제2) 0.1M NaOH 수용액을 물 500mL를 갖고 제조하려고 한다. 이때 필요한 NaOH의 양은 몇 g인가? 예제2 문제풀이방법 -> 위 문제에서 용매와 용질을 파악해야한다. 용질은 NaOH가 되고 용매는 물이다. 따라서 용매의 부피는 문제에 주어져 있고, 0.1M의 수용액을 제조하여야하기 때문에 위 그림의 방정식을 세울 수 있다. 계산하면 0.0...