전기화학 마이크로텍스
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전기화학 정의

전기화학적 전원 또는 전지는 전자전도체(활물질)와 이온전도체(전해질)의 계면에서 일어나는 반응, 화학 전지로부터의 전기 에너지 생성(또는 화학 에너지의 변환)을 다루는 전기화학의 학제간 주제로 연구됩니다. 전기 에너지로) 및 화학적 변형을 위해 전해 전지가 사용되는 역반응.

전기화학적 전원(배터리)

배터리의 에너지 변환 과정은 산화 환원 반응(산화환원 반응)을 기반으로 합니다. 전지는 전해 전지와 갈바니 전지로 분류됩니다. 전해 전지의 예로는 충전 시 알루미늄, 마그네슘 등과 같은 금속 추출에 사용되는 전지와 배터리가 있습니다. 갈바니 전지 또는 배터리는 반응이 일어나기 위해 전류를 통과시켜야 하는 전해 전지와 달리 전류를 우리에게 전달할 수 있습니다.

산화는 단순히 전자/전자(방전 반응 동안 양극에서)를 제거하는 것을 의미하고 환원은 외부 회로를 통해 이러한 전자를 다른 전극(음극)에 추가하는 과정이며, 이온 전도성 전해질은 내부의 이온 전달 매체입니다. 세포. 전지 방전 시 전자는 외부 회로를 통해 양극(음극)에서 음극(양극)으로 이동하고 이온은 전지 내부로 흘러들어가 화학 에너지를 전기 에너지로 변환합니다.

양극의 일반적인 예는 다음과 같습니다.

리 → 리 + + 전자

Pb → Pb 2+ + 2e

아연 → 아연 2+ + 2e

음극의 예는 다음과 같습니다.

PbO 2 ⇄ Pb 2+ +2e (납산 배터리)

LiFePO 4 (리튬 황산염 배터리)

NiOOH + 2e ⇄ Ni(OH) 2 (Ni-카드뮴 배터리)

Cl 2 + 2e ⇄ 2Cl (아연-염소 배터리)

Br 2 + 2e ⇄ 2Br (아연-브롬 배터리)

1차 및 2차 전지 - 전기화학

셀은 갈바닉 시스템의 독립적인 단위입니다. 하나 이상의 셀이 직렬 또는 병렬 방식으로 연결되는 경우 이러한 배열을 배터리라고 합니다. 전지의 필수 구성 요소는 양극 또는 판(음극), 음극 또는 판(음극), 전해질 및 용기, 분리기, 버스 바, 기둥 기둥, 단자 기둥과 같은 작은 부품과 같은 기타 비활성 구성 요소입니다.

갈바니 전지는 1차 전지와 2차 전지(또는 재충전 또는 저장)로 분류됩니다. 1차 전지에서는 활성 물질이 고갈되어 방전이 종료되면 반응을 되돌릴 수 없는 반면, 2차 전지 에서는 활성 물질이 전지에 전류를 흐르게 하여 이전 상태로 되돌릴 수 있습니다. 반대 방향.

1차 전지의 친숙한 예로는 손목시계, 전기 토치 및 TV 리모콘 및 AC 리모콘과 같은 많은 제어 장치에 사용되는 전지가 있습니다. 자동차 및 가정용 인버터/UPS의 시동에 사용되는 유비쿼터스 납축전지 와 Ni-Cd, Ni-MHLi-ion 전지 가 2차 전지의 예입니다. 연료 전지는 반응성 구성 요소가 배터리 내부에서 동일한 가용성에 대해 외부에서 공급된다는 점에서 (1차) 배터리와 다릅니다.

전극(반쪽 전지)의 전위 및 전지의 전압 및 갈바니 전지의 질량 독립 개체:

전극의 전위(전압)는 기본적인 전기화학적 성질이며 그 값은 전극 물질의 양에 의존하지 않는다. 열역학적으로 이것은 전극에 포함된 활성 물질의 질량에 따라 달라지는 전극의 용량(광범위한 특성)에 대해 집중적인 특성입니다.

전지의 전압은 양극(음극 또는 판)과 음극(양극 또는 판)의 두 전극 전위 또는 전압 값의 조합입니다. 음극의 전위 값은 항상 음입니다(EMF 시리즈에서 0볼트 미만, 표준 교과서 또는 핸드북 참조). 0볼트는 수소 전극(SHE)의 표준 전극 전위를 나타냅니다.

음극 물질은 Ni-MH 및 Ni-H2 전지의 음극 활성 물질인 탄소 및 수소와 같은 몇 가지 예외를 제외하고는 변함없이 금속 또는 합금입니다. 음극은 양전위를 가지며 금속-공기 전지에서 양극 활성 물질로 작용하는 산소를 제외하고 대부분 산화물, 할로겐화물, 황화물 등입니다. 세포 내부에 이온을 전도하는 전해질이 있어야 합니다.

전압은 전류의 원동력입니다. 양전위와 음전위의 두 값의 조합(대수적 차이)입니다. 전압은 물탱크의 높이나 탱크 안의 물 높이에 비유할 수 있고, 전류는 탱크에서 나오는 파이프의 지름에 비유할 수 있습니다. 탱크의 수위가 높을수록 물이 더 빨리 나옵니다. 마찬가지로 파이프의 직경이 클수록 나오는 물의 양도 많아집니다.

셀의 전압을 결정하는 방법은 무엇입니까?

전지 전압은 두 전극 전위 값에서 결정하거나 Gibbs 방정식과 Standard Gibbs 자유 형성 에너지(Δ f G ˚)를 사용하여 계산할 수 있습니다. 표준 깁스 자유 형성 에너지 화합물의 표준 상태(압력 1bar 및 지정된 온도에서 가장 안정적인 형태의 원소, 일반적으로 298.15K 또는 25°C).

깁스 자유 에너지(G)

열역학에서 깁스 자유 에너지 는 시스템에서 추출할 수 있는 작업의 척도이며 배터리의 경우 작업은 한 전극(양극)에서 이온을 방출한 다음 다른 전극(음극)으로 이동하여 수행됩니다. 에너지의 변화는 주로 한 일과 같으며 갈바니 전지의 경우 반응물 사이의 화학적 상호작용으로 인해 이온의 운동을 통해 전기적인 일을 하여 생성물을 생성합니다. 따라서 에너지는 에너지 변환 과정에서 얻을 수 있는 화학 에너지의 최대량을 나타내는 Gibb 자유 에너지의 변화ΔG 로 표시됩니다.

반응이 일어날 때마다 시스템의 자유 에너지에 변화 가 있습니다.

∆G = – nFE°

여기서 F = 패러데이로 알려진 상수(96,485C 또는 26.8Ah)

n = 화학양론적 반응에 관여하는 전자의 수

E ° = 표준 전위, V.

∆G의 값은 n, F 및 E의 다른 세 값에서 계산할 수 있습니다.

갈바니 전지의 전지 전압은 다음 식에서 계산할 수 있습니다.

ΔG° = ΣΔG° f 제품 – ΣΔG° f 반응물

표준 몰 자유 형성 에너지는 표준 교과서에서 얻을 수 있습니다[Hans Bode, Lead-Acid Batteries, John Wiley, New York, 1977, p.366].

PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4 ⇄ 2PbSO 4 + 2H 2 O

ΔG° = ΣΔG° f 제품 – ΣΔG° f 반응물

∆Gº = [2( 193 . 89) + 2( 56 . 69)] [( 52 . 34) + 0 – 2( 177 . 34)]

= 94 . 14kcal/몰

= 94 . 14kcal/몰 × 4 . 184kJ/몰

= 393 . 88kJ/몰

= Δ Gº/nF

= ( 393 . 88 × 1000) / 2 × 96485

= 2 . 04V

이에 상응하는 자유 에너지의 증가 는 시스템에서 수행된 전기 작업과 같습니다. 따라서,

−ΔG = nFE 또는 ΔG = −nFE 및 ΔGº = −nFEº.

전극 전위의 셀 전압

두 전극 전위의 조합은 셀 전압을 제공합니다.

E = E 음극 또는 양극 – E 양극 또는 음극

또는 E 세포 = E PP – E NP

1953년과 1968년의 IUPAC(순수 및 응용 화학 국제 연합) 협약에 따르면 갈바니 전지는 다음과 같은 방식으로 작성됩니다. 오른쪽 전극 (RHE)은 양극이며 여기서 감소 가 일어나고 왼쪽 전극 은 음극이며, 여기서 산화 가 일어나 전자가 왼쪽에서 오른쪽으로 흐른다. [ 맥니콜 BD; Rand, McNicol BD의 DAJ; Rand, DAJ (ed.) 전기 자동차용 전원, 4장, Elsevier, Amsterdam, 1984 ] . RHE는 음극이고 LHE는 양극입니다.

E = E RHE – E LHE

전극 전위 값은 교과서 및 핸드북에서 얻을 수 있습니다.

납산 전지의 전극 전위로부터의 전지 전압

E = E 음극 또는 양극 – E 양극 또는 음극

LHE Pb½H 2 SO 4 ½H 2 SO4½PbO 2 RHE

RHE는 음극 E ° Rev = Pb 4 + + 2e ⇄ Pb 2+ 의 경우 1.69V입니다.

LHE 양극 E ° Rev = −0.358 V for Pb º − 2e _ Pb 2+

E = 1.69 – (-0.358) = 2.048V

Ni-Cd 셀의 전극 전위에서 셀 전압

RHE Cd|KOH|KOH|NiOOH LHE

LHE E ° Rev = NiOOH +2e ⇄Ni(OH)의 경우 0.49

RHE E ° Rev = – 0.828V for Cd ⇄ Cd 2+ +2e

E 세포 = 0 . 49 V ( 0 . 828) = 1 . 318V

표준 조건에서 니켈 전극의 E ° Rev 는 0.49 V입니다. MH 전극의 E ° Rev 는 수소화물 형성 물질의 부분압에 따라 달라집니다.

2MH ⇄ 2M + H 2

MH 전극의 바람직한 부분 수소 압력은 0.01 bar 정도이고 E ° Rev 범위는 일반적으로 -0.930 ~ -0.860 V입니다. 따라서

E 세포 = 0 . 49 V ( 0 . 89) = 1 . 3V

LCO Chemistry의 리튬 이온 전지에 대한 전극 전위의 전지 전압

RHE C | DMC +DEC +PC의 LiPF 6 | LiCoO 2 LHE

RHE E ° Rev = LiC 6 ⇄ xLi + + xe + C 6 의 경우 0.1V(대 Li 금속)

LHE E ° Rev = Li 1-x CoO 2 + xe 방전 → LiCoO 2 의 경우 3.8V(대 Li 금속)

총 반응은 C 6 + LiCoO 2 ⇄Li x C 6 + Li 1-x CoO 2

E = 3.8 – (0.1) = 3.7V

LiFePO4 화학의 리튬 이온 전지에 대한 전극 전위의 전지 전압

RHE C | (EC+EMC+DEC)의 LiPF 6 또는 LiODFB | 라이프포 4 LHE

RHE E ° Rev = LiC 6 ⇄ xLi + + xe + C 6 의 경우 0.1V(대 Li 금속)

LHE E ° Rev = FePO 4 + xe + xLi + = 방전 → xLiFePO 4 + (1-x) FePO 4 의 경우 3.5V(vs Li 금속)

LIODFB = 리튬 디플루오로(옥살라토)붕산염

총 반응 LiFePO 4 + 6C → LiC 6 + FePO 4

E = 3.3 – (0.1) = 3.2V

갈바니 전지의 질량 의존적 양: 전류, 전력 및 에너지

전력은 와트 단위로 주어지며 시간 요소는 전력과 관련이 없습니다.

P = W = V*A

에너지는 일정 기간 동안 소비된 전력을 말하므로 단위에는 몇 시간이 포함됩니다.

에너지 1W.Second = 1줄

에너지 = Wh = W*h = V*A*h = 3600줄.

1kWh = 1000Wh.

용량은 배터리가 전달할 수 있는 전력량(Ah)입니다.

Wh 또는 kWh의 두 항이 주어지면 다른 항을 계산할 수 있습니다(Wh = VAh).

12V 배터리의 850Wh는 850Wh/12V = 71Ah를 제공할 수 있습니다. 이 71Ah를 끌 수 있는 기간은 전류뿐만 아니라 화학 물질의 유형에 따라 다릅니다. 예를 들어 리튬 이온 배터리는 1시간 동안 70A를 전달할 수 있습니다. 그러나 반면에 납축전지는 방전 전류가 35A라면 최대 1시간을 버틸 수 있습니다. 그러나 VRLA 배터리는 70A를 공급할 수 있는 시간이 40분도 채 안 됩니다.

70A = 70A*3.6V= 252W에서 리튬 이온 전지가 전달하는 와트.

그러나 70A = 70A* 1.9V= 133W에서 납산 전지가 전달하는 와트.

리튬 이온 전지가 동일한 전류에 대해 전지당 더 많은 전력을 제공할 수 있음을 알 수 있습니다.

마찬가지로 70A = 70A*3.6V *1h= 252Wh에서 리튬 이온 전지가 전달하는 에너지.

그러나 70A = 70A* 1.9V * 0.66h= 88Wh에서 VR 납산 전지가 전달하는 에너지.

리튬 이온 전지가 동일한 전류에 대해 전지당 더 많은 에너지를 전달할 수 있음을 알 수 있습니다.

특정 용량 은 단위 중량당 Ah(Ah/kg 또는 mAh/g)입니다.

비에너지 는 단위 중량당 Wh(Wh/kg)입니다.

에너지 밀도 는 단위 부피당 Wh(Wh/리터)입니다.

메모:

중량 에너지 밀도 라는 용어는 특정 에너지 로, 체적 에너지 밀도는 에너지 밀도 로 대체되었습니다.

전기화학 - 전극활물질의 이론비용량 및 이론비에너지

전기의 단위는 쿨롱이며 1암페어초(As)입니다. 패러데이 상수(F) 는 1몰의 전자가 운반하는 전하량을 나타냅니다. 전자 1개의 전하가 1.602 x 10 19 쿨롱(C)이므로 전자 1몰은 96485C/mole의 전하를 가져야 합니다.

1 F = 1(6.02214 *10 23 ) * (1.60218*10 -19 C) = 96485 C(즉, 96485 C/몰).

6.02214 *10 23아보가드로 수(아보가드로 상수) 로, 해당 물질 1몰에 있는 원자, 몰 또는 이온의 수로 정의됩니다. 물질의 질량을 물질의 입자 수와 관련시키는 데 유용합니다. 따라서 모든 물질 0.2몰에는 0.2 *Avogadro 수의 입자가 포함됩니다. 현대 실험에 기반한 전자의 전하는 전자당 1.60217653 x 10 -19 쿨롱입니다. 전자 1몰의 전하를 전자 1개의 전하로 나누면 Avogadro의 수 값은 6.02214154 x 10 23 개 입자/몰[ https://www.scientificamerican.com/article/how-was-avogadros -숫자/ ].

1F 96485C/몰 = 96485As/60*60초 = 26.8014Ah/몰

납축전지의 비용량 및 비에너지

분자량 또는 원자량(g)을 반응에 참여하는 전자의 수로 나눈 값은 해당 물질의 그램 당량 을 제공합니다. 1그램 상당은 26.8014Ah에 해당하는 96,485쿨롱(대부분의 저자는 96,500C로 반올림)을 전달합니다.

207.2g의 납 금속은 2F 전기 = 2 × 26과 동일할 수 있습니다 . 8014 아 = 53.603 아. (반응: Pb →Pb 2+ + 2e ).

따라서 1Ah에 필요한 납축전지의 음극 활물질(NAM)의 양(이를 용량 밀도 라고 함 ) = 207.2 / 53 입니다. 603 = 3.866g/Ah [ Bode, Hans, Lead-Acid Batteries, John Wiley, New York, 1977, p.292 .].

용량 밀도의 역수를 특정 용량 이라고 합니다.

특정 용량 = nF / 분자량 또는 원자량. (n= 반응에 참여하는 전자의 수).

음극 활물질의 비용량

음극 활물질의 비용량 (NAM), Pb = 56.3/207.2 = 0.259mAh/g = 259Ah/kg. 이 값에 세포 평형 전위를 곱한 값은 이론적비에너지 입니다. NAM 리드의 이론적인 비에너지 = 259*2.04 V = 528.36 Wh/kg

양극 활물질(PAM)의 비용량

유사하게, 1Ah에 필요한 납축전지의 양극 활물질의 양(이를 용량 밀도 라고 함 ) = 239.2 / 53 입니다. 603 = 4.46g/Ah.

양극 활물질(PAM)의 비용량, PbO 2 = 56.3/239 = 0.224 mAh/g = 224 Ah/kg. PAM 이산화납의 이론적인 비에너지 = 224*2.04 V = 456.96 Wh/kg.

리튬 이온 전지

리튬 이온 전지 탄소 양극의 비용량 및 비에너지

LiC 6비용량 = xF/n*분자량

= 1 * 26.8/ 1*72 mAh/g (화학양론적으로 72g의 C가 1에 필요합니다.

LiC 6 을 형성하기 위한 Li 저장의 몰. Li는 LCO 캐소드에서 얻을 수 있기 때문에 그 질량은 총 애노드 질량을 고려하지 않습니다. 탄소만 고려됩니다. X = 1; Li + 의 100% 삽입

= 0.372Ah/g

= 372mAh/g = 372Ah/kg

비에너지 LiC 6 = 372*3.7 V

= 1376Wh/kg

LiCoO2(LCO)의 비용량 및 비에너지

특정 용량 LiCoO 2

= 0.5 Li + + 0.5 e + Li 0.5 CoO 2 (x= 0.5, Li + 의 50% 삽입)

= xF/n*Mol 중량

=0.5*26.8/ 1 * 98 Li= 6.94 Co = 58.93 2 O= 32

= 13.4 / 98Ah/g = 0.1368Ah/kg

= 137mAh/g = 137Ah/kg.

LiCoO 2 의 비에너지 = 137*3.7 V = 507 Wh/kg (x= 0.5, Li + 의 50% 삽입)

x 값을 1 로 하면 비용량은 2배가 됩니다. 137*2= 274 mAh/g = 274 Ah/kg

LiCoO 2 비에너지 = 274 *3.7V(x= 1. Li + 의 전체(100%) 삽입

= 1013Wh/kg

LiFePO4의 비용량 및 비에너지

LiFePO 4 의 특정 용량

= xF/n*Mol 중량

= 26.8/157.75 = 169.9mAh/g = 170mAh/g = 170Ah /kg

LiFePO 4 의 비에너지 = 170*3.2 V = 544 Wh/kg

전기화학 - 세포의 이론적인 비에너지

전기화학적 전원에서 얻을 수 있는 최대 비에너지는 다음과 같이 주어진다.

이론적인 비에너지 = 26 . 8015 × ( nE/ Σmoles ) Wh/kg 여기서 nE 는 일반적인 표기법을 사용합니다. n 은 반응에 참여하는 전자의 수이고 E 는 셀 전압입니다.

메모

  1. S moles 는 모든 반응물의 합계를 나타내며 생성물에 대해 걱정할 필요가 없습니다.
  2. 단위는 Wh/kg(Wh kg -1 이라고도 함)으로 표시되므로 총 중량은 kg 단위로 표시해야 합니다.

특정 에너지 납산 셀

이론적인 비에너지의 계산을 위해 친숙한 예가 취해질 것입니다.

먼저 반응을 기록하고 반응물의 몰 값을 계산해야 합니다. 우리는 제품에 대해 걱정할 필요가 없습니다. 납산 배터리의 경우 반응은 다음과 같습니다.

PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4 ⇄ 2PbSO 4 + 2H 2 O Eº = 2.04V.

Σ몰 = 239 +207+ 2*98(g)

= 0.642kg

이론 비에너지 = 26 . 8 × ( nE/ Σ몰) Wh/kg

= 26.8*(2*2.04/0.642) Wh/kg

= 26.8015*(6.3551) Wh/kg

= 170.3Wh/kg.

Tobias Placke [ J Solid State Electrochem (2017) 21:1939 1964 ]에 따르면 납산 전지에 대해 다음과 같이 비에너지를 계산할 수도 있습니다.

세포의 비에너지 =

Specific energy in electrochemistry

=1[1/(224*2.04) + 1/(259*2.04) + 1/(273*2.04)]

= 1[(1/457) + (1/528) + (1/557)]

= 1/(0.002188 + 0.001893 + 0.001796)

= 1/0.005877

= 170Wh/kg

Ni-Cd 전지의 비에너지

2NiOOH + Cd ⇄ 2Ni(OH) 2 + Cd(OH) 2 Eº = 1.33V

이론 비에너지 = 26 . 8 × ( nE/ Σ몰) Wh/kg

= 26.8*(2*1.33/0.296) Wh/kg

= 26.8015*(8.9865) Wh/kg

= 240.8Wh/kg

이러한 알칼리 전지의 수성 KOH 전해질은 전지 반응에 참여하지 않으며

따라서 특정 에너지 값을 계산할 때 고려되지 않습니다. 그러나 일부 작가들은

계산에 물의 무게를 포함하고 싶습니다.

그러면 Σ

0.332. 결과는 214됩니다. 8Wh /kg .

LiFePO4 전지의 비에너지

(x=1. 100% 삽입)

= 26 . 8015 × ( nE/ Σmoles) Wh/kg

= 26.8 [(1*3.2)/(72+157.75) LiFePO4 + 6C + 제로 Li

= 26.8[(1*3.2)/(229.75)] = 26.8*0.013928

= 0.37329Wh/g

= 373Wh/kg

LCO 셀의 비에너지

(x=1, 100% 삽입)

= 26 . 8015 × Wh/kg 169.87

= 26.8 [(1*3.7)/(72+97.87)] LiCoO 2 + 6C + 제로 Li

= 26.8 *[(3.7)/(169.87)]

= 26.8 *0.02178

= 0.58377Wh/g

= 584Wh/kg

x = 0.5 (Li 이온의 50% 삽입)이면 26.8을 이 값의 절반, 즉 13.4로 대체해야 합니다. 결과는 584/2 = 292Wh/kg 입니다.

셀/배터리의 실제(실제) 비에너지

https://pushevs.com/2015/11/04/gs-yuasa-improved-cells-lev50-vs-lev50n/

실시간 배터리의 비에너지 = (평균전압 * Ah) / (배터리의 질량)

= (3.7 V*50 Ah 1 ) / 1.7 kg (유아사 LEV50 단전지)

= 185 /1.7

= 108.8Wh/kg

= (14.8*50)/ 7.5 (유아사 LEV50-4 배터리)

= 98.7Wh/kg

배터리의 실시간 에너지 밀도 = Wh/부피 = 17.1*4.4*11.5 = 865cc

= 185/0.865 = 214Wh /리터

= Wh/부피 = 17.5*19.4*11.6 = 3938cc = 3.94리터

= 14.8*50 / 3.94 = 187Wh/리터

셀에서 배터리로 전환(Low kWh) 시 비에너지 약 10% 감소, 셀에서 배터리로 전환(Low kWh) 시 에너지 밀도 약 13% 감소

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