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)
- 리튬 이온 전지(음극이 흑연, 양극이 LiCoO₂)를 방전할 때 리튬 이온과 전자의 움직임으로 옳은 것은 무엇인가?
- 리튬 이온 전지의 양극 재료와 결정 구조의 조합으로 옳은 것은 무엇인가?
- 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.
- 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.
- 올리빈 구조인 LiFePO₄ 양극의 특징으로 옳은 것은 무엇인가?
- 음극 재료로서의 실리콘(Si)에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
- 전고체 전지에 사용하는 황화물계 고체 전해질에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
- 고분자 전해질 연료 전지(PEFC)의 전해질에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
- 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.
- 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?
- 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?
- 열전 성능 지수 ZT를 크게 하는 방침으로 옳은 것은 무엇인가?