무료 카지노 게임 배터리의 원리
이전글까지 배터리의 구조에 대해서 설명드렸습니다그렇다면 이러한 전위나 전압은 어떤 방식으로 결정되는 걸까요? 리튬이온 배터리셀이 3.7V 이런 이야기는 들어봤는데 이게 어떤 방식으로 결정되는 건지 한번 봐봅시다.
1. 전위와 전극 소재
1.1 전극 전위 정의
전위는 전극이 표준 상태에서 리튬이온과 반응할 때의 전기화학적 포텐셜(Electrochemical Potential)입니다.기본적으로 전지화학적인 전압이라고 보셔도 무방합니다 이러한 물체의 전위의 산정은Nernst 방정식을 통해 계산하지만 이ㅣ건 잠시 미뤄두고, 이러한 배터리의 전위를 산정할 때는 양극과 음극 전위의 차이가 배터리 전압(평균 전압)을 결정합니다.
기반수식은 이 정도일까요? 여기서cathode는 이전에 설명드린양극재의 산화 시 전위이고Eanode는 음극(무료 카지노 게임 삽입 시 환원 반응) 전위입니다.
결국 이러한 배터리의 전위는 양극재와 음극재의 반응 시 에너지로 결정된다 보아도 무방합니다.
널리 쓰이는 양극재의 전위를 정리하면 다음과 같고
음극재의 범위는 전위는 다음과 같습니다.
일반적으로 우리가 MCN에 흑연을 사용하기에무료 카지노 게임 전지의 공친전압을 3.7V라고 알고 있는 것이죠 사실 세부스펙표로 들어가자면 다르지만 말이에요
좋습니다 이제 우리는 이론적인 값이 왜 나오는지 조금은 쉽게 이해할 수 있겠네요 근데 정말 그럴까요 실제로 측정된 데이터를 한번 보시죠
Study on the Electrochemical Characteristics and Degradation Behavior of Lithium-ion Batteries using실제로 측정된 데이터를 보면 생각보다 곡선이 이쁘진 않지만 충반전 시 이런 느낌으로 결과가 나타납니다. 결국 우리는 저 차이만큼 에너지를 저장할 수 있는 거죠
그럼 이제 문제가 나옵니다 앞서 전기 에너지는 산화-환원 반응을 통해 생성된며 저전압은 반응 시의 전압이라고설명드렸죠? 그렇다면 정확히 어떤 반응이 일어나는 걸까요?
산화(Oxidation)
이전 설명드린 대로 음극에서 전자가 방출되어 외부 회로로 전달됩니다. 이는 리튬 금속이 이온화되어 전해질로 방출되는 반응입니다.무료 카지노 게임이 분리막을 넘어가고 전자는 위에 선으로 흐르죠
위와 같은 현상이 일어난다고 보시면 됩니다.
환원(Reduction)
양극에서 전자가 수용되어 무료 카지노 게임 이온과 결합하는 반응이 일어난다 설명드렸죠.
수식은 다음과 같습니다. 이전 글에서 설명드렸듯이 전하의 흐름은 전류고 저 전하의 흐름을 가지고 노는 게 배터리라는 기기죠 여기서 두 개의 소재가 가지는전위차(potential difference)를 활용해 배터리가 전력을 공급하는 동력이 된다.이렇게 이해하시면 됩니다.
결국 전기화학적 전지에서 전위차는 두 전극 사이의 반응에서 나타나는 화학 포텐셜 차이에 의해 결정되는 건 이해하셨죠?.
문제는 이게 위처럼 딱 반응이 나오는 게 아니라 고려해야 할 요소가 상당히 많습니다. 온도에 대한 영향 기체에 대한 영향까지 꽤나 많은 부분이 외부조건에 영향을 받기에 그걸 구하는 방정식인Nernst 방정식을 이용해서 구하죠
E: 전지 전위(V)
E^0: 표준 전지 전위(V)
R: 기체 상수(8.314 J/mol·K)
T: 절대 온도(K)
n: 반응에서 교환되는 전자 수
F: 패러데이 상수(96,485 C/mol)
Q:반응물 및 생성물의 농도비(활동도)
정도로 정리할 수 있는데 좀 복잡하죠? 사실 산정이론을 우리가 정확하게 알필요는 없습니다 배터리 전문가도 아니고요 알아야 하는 건 질의 특징과 이런저런 외부요소를 고려하는 방정식이 있다는 거죠
이제 고려해야 할 점은 전압을 결정하는 방정식은 알았는데 결국 배터리도 전류의 흐름을 만드는 장치 다라,, 모터에서 말했죠? 전기를 흐르는 장치에서 발열은 일종의 세금이라고
네그렇습니다 전지내부에도 손실을 고려해야 하는 지표들이 여러 가지가 있습니다 우선은 손실과 발열을보고 충방전으로 넘어가죠
과전압(overpotential)
이제 다룰 과전압(overpotential)은 배터리에서 전기화학반응이 이상적으로 발생할 때 요구되는 전압보다 더 큰 전압이 필요하게 되는 현상입니다. 좀 더 직관적으로 설명하면 배터리 내부요소에 의해 배터리의 효율을 저하되는 변수요소 들이에요 대표적으론 3종류가 있으니 한번 야기해 보죠
1. 활성화 과전압 (Activation Overpotential)
활성화 과전압은 전기화학반응을 시작하기 위해 극복해야 하는 에너지 장벽(활성화 에너지)이 있기에 발생하는 녀석입니다.주로 전극 표면에서 전자가 이동하거나 반응물 분자가 반응하는 과정에서 이선은 넘어야 에너지를 줄 수 있어!! 이런 느낌이죠
원인
전극-전해질 계면에서 전기화학반응이 일어나기 위해 반응물(예: Li+Li^+Li+)이 전극에 흡착되고 전자를 전달하는 데 필요한 에너지반응 속도가 전기적 구동력에 비례하지 않고, 초기 단계에서 높은 구동력이 요구됩니다 일종의 관성이라고 보시면 됩니다. 무조건적으로 동작하는 게 아니거든요
수학적 표현
이러한 활성화 과전압은 Butler-Volmer 방정식을 통해 활성화 과전압을 정량적으로 산정합니다.
η_a: 활성화 과전압
R: 기체 상수
T: 절대 온도
α: 전자 이동의 대칭 계수
n: 반응에 참여하는 전자 수
F: 패러데이 상수
i: 반응 전류 밀도
i_0: 교환 전류 밀도(반응이 역방향·정방향으로 동일하게 발생하는 전류 밀도)
수식이 상당히 복잡하죠?결론만 놓고 말하면반응 속도가 낮거나, 교환 전류 밀도(i_0)가 작을수록 활성화 과전압이 커집니다. 이문제를 해결하려고고활성 전극 촉매를 사용하면 활성화 과전압을 낮춰야만 하죠 아니면 활성화시킬 때마다 에너지를 소모하니까요
2. 농도 과전압 (Concentration Overpotential)
농도 과전압은 전극 표면과 전해질 내부 사이의 무료 카지노 게임 농도 차이로 인해 발생하는 녀석입니다. 충방전 시 무료 카지노 게임 이동이 느리거나 균일하지 않을 때 전극 근처의 무료 카지노 게임 농도가 낮아져 반응 속도가 느려지는 거죠.
전해질 내 확산 속도가 느리거나, 무료 카지노 게임 농도가 낮아지는 경우. 앞선글라스에서 설명한 충방전 속도(C-rate)가 증가하여 전극 표면 근처에서 반응물이 충분히 공급되지 못하는 경우. 에 발생하는 녀석들입니다
수학적 표현
위에서 설명한 Nernst 방정식에서 후반부를 활용해서농도 과전압을 산정하는데 한번 보시죠
η: 농도 과전압
C_b: 전해질 벌크 농도
C_s: 전극 표면의 무료 카지노 게임 농도
고속 충·방전에서 즉 고 c-rate에서 더 두드러지게 나타나며, 무료 카지노 게임 전도도가 높은 전해질이나 전극 설계를 통해 감소시킬 수 있습니다. 감소시킬 수 있다지만 물질의 기초 물성을 뛰어넘는 건 상당히 힘들죠 그게 쉬웠으면 굳이 양극재로 구분할 필요도 없잖아요? 결국전해질 내 확산 계수가 클수록 농도 과전압이 작아지기에 재료를 잘 선정하는 것이 중요합니다.
3. 저항 과전압 (Ohmic Overpotential)
저항 과전압은 전류가 전해질, 전극, 접촉 계면 등을 통과하면서 발생하는 전기 저항으로 인해 발생하는 전압 손실입니다.
저항 과전압은 사실 3가지 정도의 원인이 있는데 이는 다음과 같죠
전극 재료의 전기 전도도가 낮은 경우
전해질의 무료 카지노 게임 전도도가 낮아 전류 흐름이 제한될 때
전극과 전해질 또는 전극과 집전체 사이의 접촉 저항
정도로 정이야기하지만 결론은 그냥 저항이라는 개념이 있을 때 발생하는 겁니다.
그래서인지 이론적으로는 가장 단순합니다
η: 저항 과전압
I: 전류
R: 전체 저항(전극, 전해질, 계면 포함)
이러한 저항 과전압은 충·방전 속도(C-rate)가 높아질수록 선형적으로 증가하기에 결국 어느 선에 가면 우리가 사용이 불가능해지는 거죠 아 물론 사용은 할 수 있지만 타버려요저항이 낮은 전해질, 고도 전도성 전극 및 전극 설계를 통해 감소시킬 수는 있다고 해도 0은 또 불가능해서 그냥 세금이라고 보시면 됩니다.
결국 이 요소들을 다 고려한 혼합과전압이 따로 있지만 우선은 이런 원인들로 손실이 발생하고 심지어 이거 외에도 전도손실 열손실을 고려해야 한다 정도만을 이야기하시죠
무료 카지노 게임 배터리의 충방전 메커니즘
충전 과정은 외부 에너지를 공급하여 배터리 내 화학반응을 역방향으로 진행시키는 과정입니다. 리튬이온 배터리에서는 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동하며 에너지를 저장합니다.
과정 설명
양극에서 무료 카지노 게임 탈리(deintercalation)
양극 재료(예: 리튬 금속 산화물, LiCoO2)에서 무료 카지노 게임(Li+)이 전자를 잃고 전해질로 방출됩니다.
여기서 x는 방출된 무료 카지노 게임의 양 기반으로 산정하는 것이죠
무료 카지노 게임의 이동
방출된 리튬이온은 전해질을 통해 음극으로 이동합니다. 전해질은 리튬염(LiPF₆)과 같은 물질로 구성되어 있으며, 양극과 음극 사이에서 무료 카지노 게임의 이동을 돕습니다.
음극에서 무료 카지노 게임 삽입(intercalation)
음극 재료(예: 흑연, C6) 내부로 무료 카지노 게임이 삽입됩니다. 동시에 외부 회로를 통해 전자가 음극으로 이동하며, 무료 카지노 게임과 결합해 안정적인 리튬-흑연 합금을 형성합니다
외부 회로에서 전자의 이동
양극에서 방출된 전자는 외부 전원을 통해 음극으로 이동하며, 음극에서 무료 카지노 게임과 재결합합니다.
2. 방전 메커니즘
방전 과정은 저장된 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하여 외부 회로에 전류를 공급하는 과정입니다. 이 과정은 충전 메커니즘의 반대 방향으로 진행됩니다.
과정 설명
음극에서 무료 카지노 게임 탈리(deintercalation)
방전 시, 음극에 삽입되어 있던 무료 카지노 게임이 흑연 내부에서 방출됩니다.
무료 카지노 게임은 전해질을 통해 양극으로 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해 양극으로 전달됩니다.
무료 카지노 게임의 이동
음극에서 방출된 무료 카지노 게임은 전해질을 통해 양극으로 이동합니다.
양극에서 무료 카지노 게임 삽입(intercalation)
무료 카지노 게임은 양극 재료 내부로 삽입되고, 외부 회로를 통해 들어온 전자와 결합하여 다시 안정적인 형태의 리튬 금속 산화물을 형성합니다.
외부 회로에서 전자의 이동
음극에서 방출된 전자는 외부 회로를 통해 양극으로 이동하며, 전기 에너지를 공급합니다.
생각보다 별거 없죠? 고작해야 이런 과정으로 우리는 핸드폰과 전기차를쓸 수 있는 겁니다.
참고문헌
[1] Study on the Electrochemical Characteristics and Degradation Behavior of Lithium-ion Batteries using Coin-type Full Cell
본글에 사용된 프롬프트 입니다.
