전지·에너지 재료

리튬 이온 전지의 양극·음극 재료와 이론 용량 계산, 층상·스피넬·올리빈 구조, 고체 전해질, 연료 전지, 태양 전지의 밴드갭, 열전 재료의 ZT를 3지선다 문제로 확인할 수 있습니다.

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전지·에너지 재료 핵심 정리

리튬 이온 전지에서는 Li⁺가 양극과 음극의 결정 사이를 오가며 충방전이 이루어집니다. 양극에는 층상 암염형 LiCoO₂, 스피넬형 LiMn₂O₄, 올리빈형 LiFePO₄ 등이 있으며, 구조에 따라 Li⁺ 이동 경로의 차원, 전압, 안전성이 다릅니다. 전극의 이론 용량은 Q = nF/(3.6M) mAh/g으로 구할 수 있습니다. 액체 전해액을 고체 전해질로 대체하는 전고체 전지의 연구도 진행되고 있습니다.

연료 전지에서는 전해질이 양성자를 통과시키는지 산화물 이온을 통과시키는지에 따라 작동 온도가 정해지며, 수소와 산소 반응의 이론 기전력은 약 1.23 V입니다. 태양 전지의 효율은 흡수층의 밴드갭에 따른 빛의 투과 손실과 열 이완(thermalization) 손실 사이의 균형으로 상한이 정해집니다. 열전 재료의 성능은 ZT = S²σT/κ로 나타내며, 전기는 잘 통하면서 열은 잘 통하지 않는 재료가 요구됩니다.

전지·에너지 재료 문제 목록(12문제)

  1. 리튬 이온 전지(음극이 흑연, 양극이 LiCoO₂)를 방전할 때 리튬 이온과 전자의 움직임으로 옳은 것은 무엇인가?
  2. 리튬 이온 전지의 양극 재료와 결정 구조의 조합으로 옳은 것은 무엇인가?
  3. 흑연 음극에 리튬이 최대로 들어가면 LiC₆가 된다. 흑연의 이론 용량(흑연의 질량당)에 가장 가까운 것은 무엇인가? 탄소의 원자량은 12.01, 패러데이 상수는 96485 C/mol로 하고, 1 mAh = 3.6 C로 한다.
  4. 올리빈 구조의 양극 재료 LiFePO₄에서 Fe²⁺/Fe³⁺ 반응에 의해 리튬이 모두 드나든다고 할 때, 이론 용량에 가장 가까운 것은 무엇인가? LiFePO₄의 식량은 157.8 g/mol, 패러데이 상수는 96485 C/mol로 하고, 1 mAh = 3.6 C로 한다.
  5. 올리빈 구조인 LiFePO₄ 양극의 특징으로 옳은 것은 무엇인가?
  6. 음극 재료로서의 실리콘(Si)에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
  7. 전고체 전지에 사용하는 황화물계 고체 전해질에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
  8. 고분자 전해질 연료 전지(PEFC)의 전해질에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
  9. 수소와 산소로부터 액체의 물이 생기는 반응 H₂ + 1/2 O₂ → H₂O(l)의 표준 깁스 에너지 변화는 25℃에서 −237 kJ/mol이다. 이 반응을 이용하는 연료 전지의 이론 기전력에 가장 가까운 것은 무엇인가? 패러데이 상수는 96485 C/mol로 한다.
  10. 단접합 태양 전지에서 흡수층 반도체의 밴드 갭에 이론 효율이 최대가 되는 최적값(지상의 태양광 아래에서 약 1.1~1.4 eV)이 있는 이유로 옳은 것은 무엇인가?
  11. 어떤 열전 재료의 300 K에서의 제베크 계수가 200 µV/K, 전기 전도도가 1.0×10⁵ S/m, 열전도율이 1.5 W/(m·K)이다. 무차원 성능 지수 ZT = S²σT/κ에 가장 가까운 것은 무엇인가?
  12. 열전 성능 지수 ZT를 크게 하는 방침으로 옳은 것은 무엇인가?

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