코인셀 실험 - 충방전실험, 율속특성 실험

1. 실험 목적

 코인셀을 사용하여 충/방전 시험 및 율특성 실험을 통해 리튬이온전지의 기본 작동원리 및 전기화학적 특성을 이해한다.

 

2. 실험 이론

 1) 전지의 구성과 전극의 정의

전지는 산화⋅환원반응을 통하여 화학 에너지를 전기에너지로 또는 전기에너지를 화학에너지로 변환시키는 장치이다. 그림. 1에서 나타낸 바와 같이 양극(cathode), 음극(anode) 및 전해질(electrolyte)로 구성되며, 추가적으로 두 전극 간의 전기적 단락을 방지하기 위한 분리막을 포함한다.

전극에서 전기화학적 산화⋅환원반응이 일어날 때 전해질을 통하여 이온이 산화전극과 환원전극 사이를 이동하며, 동시에 도선을 통해 두 전극 사이에서 전자의 이동이 일어난다. 이 EO 전자는 두 개의 전극을 연결하는 외부 도선을 따라 이동하므로 전체적으로 폐회로를 구성하계 된다.

음극에서는 전지의 방전동안 전극물질의 전기화학적 산화반응이 일어나며, 이 전극을 산화전극(anode)이라 부른다. 이때 방전이란 전지가 갖고 있는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 과정을 의미한다. 양극에서는 전지의 방전 동안 외부회로를 통해 음극으로부터 전달된 전자에 의해 전극 물질의 환원반응이 일어나며, 이 전극을 환원전극(cathode)이라 부른다. 전해질의 두 전극 사이에서 이온을 전달하는 이온 전도체로서, 전자에 대한 전도성은 없으며 단지 이온 전도성만을 지닌다.

2) 전지의 특성

 

2-1) 용량(capacity)

전지 용량이란 주어진 방전 조건하에서 전지를 완전히 방전시켰을 때 얻을 수 있는 전하량으로서 전류와 시간의 곱으로 나타낸다. 전지의 이론 용량은 전지의 활물질 양에 의해 결정되며, 다음 식으로 계산한다.

 

여기에서, F는 Faraday 상수를 나타내며, x는 전지가 완전히 방전되는 동안 반응으로부터 생성되는 전자의 몰수를 나타낸다. 실제 용량은 반응물이 방전반응에 100% 참여하지 못하기 때문에 이론 용량보다 작은 값을 나타나며 충⋅방전 속도가 증가함에 따라 iR강하 때문에 더욱 감소한다.

일반적으로 전지의 충⋅방전 속도를 표시할 때 C rate를 자주 사용한다. 전지용량과 충⋅방전 전류 사이에는 다음과 같은 관계가 주어진다.

h=Cp / i

여기서 h는 전지의 용량을 완전히 방전(또는 충전)하는데 걸리는 시간, i는 충⋅방전 전류(A), 그리고 Cp는 전지의 용량(Ah)이다. 이 때 h값의 역수를 C rate로 정의한다. 다시 말하면 C값이 클수록 충전 또는 방전을 시키는데 소요되는 시간이 짧아지는 것을 의미하게 된다. 전지나 전극의 용량을 나타낼 때에는 전극의 단위 무게당 용량이나, 단위 부피당 용량을 사용하여 서로 비교하기가 용이하다.

3) 흑연의 전기화학 반응

흑연에서의 리튬이온 삽입반응은 흑연의 모서리 면을 통해서 일어나며 기저면에서는 구조적 결함이 있는 부분에서 일어날 수 있다. 대부분의 리튬이온 삽입 반응은 0.25 V 이하의 전위에서 일어나며, 삽입된 리튬 이온의 농도가 낮을 때에는 즉, 리튬이온이 삽입 반응 초기에는 하나의 리튬이온층을 형성한 후 인접한 흑연 층에는 리튬이온이 삽입되지 않는다. 이때 리튬이온이 채워지지 않은 흑연층이 주기적으로 배열되며 흑연 내로 삽입된 리튬이온 농도가 증가함에 따라 리튬 이온 삽입 반응이 점차 많이 진행되고 리튬 이온층 사이에 비어있는 흑연 층의 수가 점차로 줄어들며 리튬이온이 최대로 많이 삽입된 LiC6 상태에서는 리튬 이온층과 흑연 층이 교대로 배열된 상태가 된다. 이러한 단계적인 리튬 삽입과정을 스테이징(staging)이라 한다.

3. 실험도구 및 시약

 

실험도구 : Crimping machine, anode, cathode, lithium, saperator, case, gasket, spring, cap, spacer. 스포이드, 집게

시약 : 1 M LiPF6(1:1VOL.)

 

4. 실험 방법

 

1) 글러브 박스 안에 손을 넣고 부품을 순서대로 꺼내 정렬한다.

2) 케이스 위에 제조한 원하는 전극을 올려놓은 후 전해질을 주사한다.

3) 그 후 분리막과 리튬을 차례대로 놓고 나머지 부품을 순서대로 조립한다.

4) Sealing기를 이용하여 코인셀을 완성한다.

5) 완성한 코인셀을 ethanol을 이용하여 세척한다.

 

 

참고문헌

“리튬 이차전지의 원리 및 응용”, 박정기, 홍릉과학출판사(2010), pp 12~123