AI로 공부하는 전기차 배터리: 이론 편
어떤 현상론이든 기기든 공학에서 특정 학문에 대하여 논하려면 기초이론을 이야기해야 합니다. 물론 아닌 학문이 있는가 싶지만요
이전글에서 설명드렸듯이 배터리는 화학반응의 총체로 전기에너지를 화학에너지로 저장한 후 다시 방출해 주는 장치입니다,문제는 이러한 전기에 활용되는 화학반응은, 전기적 화학반응으로 구분한 카테고리가 있고 이는 일반화학반응과는 다르고 그에 기반한 산화환원 반응을 논하는 데 있어개인적인 감상이지만 이해가 필수적이라는 겁니다 오늘은 여기부터 출발해 보죠
에너지 전달 방식의 차이: 전기화학반응과 일반 화학반응의 본질적 구분
사실 일반화학반응과 전기화학반응이 다르다니 이건 또 뭔 소리일까요?
전기화학반응의 핵심은화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하거나, 전기적 에너지를 화학적 형태로 저장 것을 목표로 합니다.이중에서도 전자의 이동을 중점으로 보는 것이죠
그렇다면 이게 일반 화학카지노 가입 쿠폰하고 뭐가 다르기에 거창한 이름까지 넣는 걸까요?
일반 화학카지노 가입 쿠폰의 에너지 전달
일반 화학카지노 가입 쿠폰은 대부분 열역학적 구동력에 의해 진행되며, 에너지의 전달이 열(thermal energy), 빛(photon emission), 또는 기계적 진동(음파)과 같은 다양한 형태로 나타나는 카지노 가입 쿠폰의 총체입니다.
연소 카지노 가입 쿠폰이라는 탄소 기반 화합물이 산소와 결합하여 CO₂와 H₂O를 생성하는 카지노 가입 쿠폰이나,발광 카지노 가입 쿠폰이라는루미놀(Luminol) 같은 화합물이 화학카지노 가입 쿠폰을 통해 빛을 방출하는 경우를 칭하죠
사실상 에너지를 방출하는 것은 같습니다만, 여기서 중요한 점은전자 이동이 분자 내부에서만 이루어진다는 점에서 전기화학카지노 가입 쿠폰과 구별됩니다.
전기화학카지노 가입 쿠폰의 에너지 전달
전기화학반응은 전자가 외부 회로를 통해 이동하며, 에너지 전달이 화학적 형태에서 전기적 형태로(혹은 그 반대로) 직접 변환된다는 점에서 일반화학반응과는 다릅니다.
전기화학반응에서는 에너지가 전류의 형태로 외부 회로에 공급되거나, 외부 전류가 반응을 구동하기 위해 투입된다.라고 칭하는 건데 여기서의 핵심의 저 전자들의 이동입니다.전자들의 이동을 활용해배터리, 연료전지, 전기분해와 같은 시스템에서 활용되는 것이죠
뿐만 아니라 전자 흐름의 방향성 또한 중요한 지표입니다. 에너지 전달은 전자의 흐름과 긴밀히 연결되는데 방전 시 전자는 화학카지노 가입 쿠폰에서 방출되어 외부 회로로 이동하고, 충전 시 외부 전원이 전자를 강제로 이동시켜 카지노 가입 쿠폰을 역방향으로 진행시킨다는 차이가 있습니다.
깁스 자유에너지와 에너지 전달 관계
여기서 이제 개념을 하나 다루고 갑시다 열역학적으로 깁스 자유에너지(ΔG)라는 녀석입니다.
깁스 자유에너지란 열역학에서 카지노 가입 쿠폰의 자발성(spontaneity)을 결정하는 주요 에너지 함수로, 특정 조건(온도와 압력)에서 시스템의 유용한 에너지로
G=H−TS
이런 수식기반으로 엔탈피 절대온도 엔트로피 관의 관계를 나타내는 수식입니다.
너무 어려운 단어를 다 아실 필요는 없고 중요한 건 이 카지노 가입 쿠폰이 자발적으로 진행될 수 있는지 판단하는 기준점 삼는다 보시면 됩니다.일반 화학카지노 가입 쿠폰의 경우 깁스 자유에너지 변화는 에너지가 열이나 빛의 형태로 방출하는 것이고,이때 에너지 변환의 효율은 시스템의 열역학적 경로에 의해 제한됩니다.
우리가 알아야 하는 건 전기화학반응에서는, 깁스 자유에너지 변화가 전기화학적 전위(Electrochemical Potential)를 통해 직접적으로 외부 전기 에너지를 생성하거나 소비한다는 점에서 차이입니다.
조금 쉽게 설명하면 배터리에 저장된 많은 양의 에너지는 무조건 전자로 흐르려 한다 정도로 받아들이셔도 됩니다.
(기초 회로이론 파트에 정확하게합치되는 설명이 아닌 건 압니다. 다만 이해를 위해서 설명한 거니 우선은 이 정도로 이해해 주시기 바랍니다.)
카지노 가입 쿠폰의 효율은 에너지 손실(저항 손실, 전자 전달 저항 등)을 줄임으로써 최적화할 수 있다는 점이 가장 큰 차이다 정도로 이해하시면 됩니다.또한 전기화학반응은 표면반응이라는 차이도 있는데 말이죠 표면반응과자발성에 대해서는 좀 있다 다루고 우선은 산화 환원 카지노 가입 쿠폰을 봅시다.
2. 산화·환원 카지노 가입 쿠폰(REDOX)의 정의 및 작동 메커니즘
표면반응과 자발성에 대해서 다루려면 대체 뭔 일이 일어나길래 이런 걸 알아야 하는 건데? 이런 생각이 들법합니다.우선은 이야기해 보죠
이전에도 언급했지만 배터리의 기본은 산화환원반응입니다. 이것이 어떤 반응인지 알아야 반응이 일어나는 위치와 그 반응의 현상론을 다룰 수 있기에 이 부분을 먼저간단하게 봐보죠
2-1. 산화·환원 카지노 가입 쿠폰의 정의
산화·환원 카지노 가입 쿠폰(REDOX)은 화학카지노 가입 쿠폰에서 전자의 이동을 포함하는 카지노 가입 쿠폰입니다.전자를 잃는 과정(산화)과 전자를 얻는 과정(환원)이 동시에 일어나기에, 우리는 배터리를 충방전 할 수 있는 거죠
산화(Oxidatio)는 전자를 잃는 과정이라 설명드렸죠?
환원(Reduction): 전자를 얻는 과정의 카지노 가입 쿠폰식은 다음과 같고요
물론 이는 극화한 거지만 이 카지노 가입 쿠폰에서 어떤 현상이 일어나는지에 따라 가지고 노는 게 화학과에서 하는 일입니다. 사실 이도 매우 중요하고 재밌는 파트입니다.
하지만 공학도로써 보면 원리는우리가 알필요는 없습니다, 그건 제가 하는 영역이 아니라화학자 분들의 영역이거든요 전문 영역은맡겨두고 우리가 관심 있는 반응인 리튬이온 배터리의 산화환원 반응으로 가보죠
2-2. 배터리에서의 산화·환원 카지노 가입 쿠폰
앞서 설명했듯 배터리는 전기화학적 에너지 변환 장치로, 산화·환원 반응이 양극과 음극에서 각각 진행되며 전류를 생성하거나 저장합니다 그중에서도 양극 음극에서 일어나는 일이 중요하죠반응론을 한번 보시죠
음극(Anode)
산화 반응이 일어나는 전극입니다. 방전 시, 음극에서 전자가 방출되고, 이 전자는 외부 회로를 통해 이동하며 전기 에너지를 생성하고 충전 시는 반대라 보시면 됩니다.
리튬이온 배터리의 경우, 음극에서 리튬이온이 방출(산화)되어 전해질을 통해 양극으로 이동하는 것을 방전이라 칭한다 정도만 이해하시면 됩니다.
양극(Cathode)
여기는환원 카지노 가입 쿠폰이 일어나는 전극입니다. 음극에서 전자를 생성했으니 받아줘야겠죠?
방전 시, 양극에서 전자를 받아들이는 환원 카지노 가입 쿠폰이 일어나는 곳입니다. 이 과정에서 전자는 외부 회로를 통해 들어오는 거죠. 아래와 같은 화학현살이 일어나요
리튬이온 배터리의 경우, 양극에서 리튬이온이 삽입(환원)되는 현상입니다.
산화 환원카지노 가입 쿠폰은 항상 짝을 이루며 동시에 일어나야 한다는 게 핵심입니다. 이때 전자는 산화 카지노 가입 쿠폰에서 방출되어 환원 카지노 가입 쿠폰으로 전달되는 것이죠.
따라서 산화·환원 반응은 전자 이동하는 거고 이전자의 흐름이 전류니 배터리의 기본원리다 이 정도만 이해하시면 됩니다.
여기서 잠깐 전류를 다루고 갈까요?
전류[electric current, 電流]
전류(電流)는 'current, 流'라는 단어는 '흐르다'라는 뜻을 가지고 있죠, 위에서 설명드렸죠? 전자가 튀어 난 온다고 결국 전류는 시간에 따른 전하량이기에 극히 단순화하면 다음과 같이 정리되어 저 산화 환원 반응에서 써먹는다 이해하시면 됩니다.
물론 이는 깊이 있게 들어가면 시변량에 따른 선적분을 통해 계산해야 하지만 그건 나중에 인버터 파트에서 다루기로 하죠 우선은 전류가 전하의 흐름이고 저 산화환원 반응으로 가지고 노는 거구나 정도만을 이해하시면 됩니다
3. 계면카지노 가입 쿠폰과 카지노 가입 쿠폰성
자오늘의 마지막 파트입니다위에서 언급한 계면카지노 가입 쿠폰과 카지노 가입 쿠폰성에 대한 이야기예요
계면카지노 가입 쿠폰은 전극과 전해질이 접촉하는 계면에서 발생하며, 카지노 가입 쿠폰성은 계면카지노 가입 쿠폰이 얼마나 빠르고 효율적으로 진행되는지를 나타내는 지표로 사용된다. GPT 놈은 이렇게 정리하더군요 이계 뭔 개소리야 싶죠? 하나하나 다뤄봅시다
3-1. 계면카지노 가입 쿠폰(Interfacial Reactions)
계면카지노 가입 쿠폰의 정의
전기화학반응의 특징 중 하나는 계면반응이라는 겁니다.전극과 전해질의 접촉 영역(계면, interface)에서 일어나는 화학적·전기화학적 반응이라는 건데. 아래 사진을 보실까요?
출처-삼성 SDI쉽게 말하면 배터리는전자와 이온이 교환되며 산화·환원 반응이 진행되는 주요 위치가 표면이다.라는 겁니다. 그걸 고급스럽게 말하면 계면이라는 거죠 문제는 이러한 계면반응이기에전극 표면 상태 및 전해질과의 상호작용이 카지노 가입 쿠폰 속도 및 효율이 달라지겠죠? 너무 빠르면 오히려 문제 되는 경우가 있고 너무 느리면 그에 따라 문제가 발생할 테니까요.
전류가 전하의 흐름이라 말씀드렸죠, 계면반응이 잘 안 일어나면(즉 반응성이 떨어지면)더 낮은 전류가 흐르게 된다는 거고, 배터리 용량만 크고 충전시간은 오래 걸리는 데다 힘은 못 내는 바보배터리가 나올 수 있다는 겁니다.
계면저항이나 구조적 안정성은 음극 양극을 세부적으로 다루는 파트에서 다루기로 하고 기본 개념만 잡자고요
3-2. 카지노 가입 쿠폰성(Reactivity)
마지막으로 반응성입니다. 이 지표는계면반응의 속도와 효율성을 나타내는 척도입니다. 반응성은 전극 물질의 화학적 성질, 계면 상태, 전해질과의 상호작용에 따라 달라지기에 또 너무 빠르면 곤란하니 적정값을 찾아야 합니다
카지노 가입 쿠폰성에 영향을 미치는 요인은 무엇인가?
이러한 반응성은전극 물질의 전자 및 이온 전도도가 높을수록 반응성이 증가합니다. 일례로 리튬이온 배터리에서 흑연 음극은 높은 반응성을 가지고 있기에 많이 사용하죠
계면의 구조적 안정성 계면에서의 균일한 카지노 가입 쿠폰성과 낮은 저항은 계면에서 형성된 불균일한 SEI(Solid Electrolyte Interphase) 층을 생성하여 오히려 문제가 발생하기도 합니다.
SEI가 뭐고 이게 뭔 소리냐고요? 이것도 이야기가 길어지니 리튬이온의 충방전과 양극 음극에서 좀 다루겠습니다. 결국은 층이 생성되니까 그 층을 잘 제어해야 한다 정도만을 이해하고 후반부글을 참조해 주세요
뿐만 아니라 온도와 전압 조건 고온에서는 카지노 가입 쿠폰성이 증가할 수 있지만, 동시에 부카지노 가입 쿠폰 가능성도 높아집니다.
고급스럽게 말했지만 결국 불나거나 고장 난 다는 소리입니다,
조금 더 고급스럽게 말해보면 온도에 따라 전압이 과도하게 높거나 낮아지면 비자발적 부카지노 가입 쿠폰(전해질 분해, 금속 석출)이 발생한다 정도겠네요.
결국이 카지노 가입 쿠폰성은 충방전속도,계면에서의 가스 발생, 열폭주(thermal runaway)와 같은 안전 문제를 유발할 수 있기에 충분히 고려해서 제어해야 하는 지표입니다.
결국 이를 방지하기 위해 계면 코팅, 전해질 첨가제 등이 적용되기에 우리가 공부해야 하는 게
더 많아졌 어요 X발!
물론 정리는 해와라 시키시고 여러분은 편하게 드시다 재미없으면 다른 글 보시면 됩니다.
참고문헌- 전과동
본글에 적용된 프롬프트입니다.
항상 라이킷해주시는 독자님들에게 감사드리며 라이킷은 제작에 큰 힘이 됩니다.라는 말이 유튜버들이 으레 하는 말인 줄 알았는데 생각보다 좋아요만으로도 힘이 됩니다.기분이 좋고 일종의 부스팅의 느낌이 더 군요 어쨌든 연말프로젝트 31일까지 30화 마무리를 목표로 달려보겠습니다.
