From Theory to Electronic Materials

전극 전위의 조절은 무엇을 의미하는가? 이를 설명하기 위해 환원 반응과 산화 반응에 참여하는 어떤 물질 X를 가정한다.X의 분자궤도(MO)에는 HOMO와 LUMO가 있다. X가 환원하는 반응을 묘사하는 그림(a)를 보자.   반응식에서 구분해야 하는 것은 화학종 𝑿, 𝑿-, 𝑿+는 전해질에 있고, 전자는 전극에 있다는 사실이다. 전극 전위를 조절하면 전해질에 있는 화학종은 아무런 영향을 받지 않으나, 전극에 있는 전자는 영향을 받는다. 평형 전위 𝐸eq의 전극에 환원 과전압 𝜂cat을 인가하면, 다른 말로 전극 전위를 𝜂cat만큼 낮추면, 그림(a)처럼 전자의 퍼텐셜 에너지는 −𝑒𝜂cat만큼 증가한다. 전자의 퍼텐셜 엔너지가 전해질의 LUMO의 에너지와 비슷해지면 전극 속 전자는 비어있는 ..

저는 학부연구생으로 아연 수계전지(Zinc aqueous battery)를 다루고 있습니다.아래의 논문은 제가 업로드한 논문 리뷰 내용입니다.https://john2706.tistory.com/14 [논문리뷰] Functionalized Zn@ZnO Hexagonal Pyramid Array for Dendrite-Free and Ultrastable Zinc Metal Anodes이 논문에서는 주기적인 양극 산화 기술(periodic anodizing)을 통해 ZnO 코팅이 된 육각 피라미드 배열 구조를 가진 아연 전극을 개발했다. 이 구조는 전극의 전기화학적 안정성을 크게 향상시키며,john2706.tistory.com저는 Zn anode 자체의 전극 구조를 변경시켜 배터리의 효율특성을 향상시키고 싶..

분극 곡선전기화학 반응과 관련된 과전압을 어떻게 측정할 수 있을까? 과전압을 측정해야 전극과 산화/환원쌍이 결합한 반응계의 반응속도를 평가할 수 있다. 과전압에 대한 정보는 전류와 전압의 상호 관계를 표현 하는 전류-전압 곡선(i-E 곡선)에 있다.전기화학 반응계가 주어진 전지 전압 E와 그 전압에서 Steady state에 도달하였을 때 관찰되는 전류 i 인 관계인 i-E 곡선을 분극 곡선(polarization curve)이라 한다. 먼저 분극(polarization)을 이해해야 한 다. 커패시터의 두 전극에 전압을 인가하여 충전하는 과정을 ‘분극한다(polarize)’라고 한다. 커패시터에 전압을 인가하지 않으면, 양전하의 중심과 음전하의 중심이 일치된 상태, 즉 커패시터의 두 전극은 비 분극된(u..

전기화학 전지에 전류가 흐르면 과전압이 발생한다. 전기화학 반응 제어는 전기화학의 가장 핵심적인 개념인 과전압 조절과 같은 의미이다. 원하는 반응의 과전압을 줄여야 하고, 원하지 않는 반응의 과전 압은 늘려야 한다. 그러므로 목표하는 전기화학 반응의 과전압을 측정하고, 전지를 화학적으로 조절하 여 원하는 방향으로 과전압을 제어하는 것이 전기화학의 전부이다. 제 4장에서는 과전압의 개념, 원인과 측정 방법을 다룬다. 전기화학의 화학 양론부터 논의를 시작한다. 전기화학의 양론은 물질의 양과 전하량 사이의 관계를 다 룬다. 아래 그림의 Zn2+/Zn와 Cu2+/Cu의 산화/환원쌍 갈바니 전지에서는 다음의 반응이 진행된다. 전자는 Zn 산화 전극에서 외부 회를 통하여 Cu 환원 전극으로 이동하며, 이때 Cu 환..

전기화학 전지의 전위 측정과 제어의 기준인 기준 전극은 전기화학 실험에서 매우 중요하다. 그러므로 실제 사용 가능한 기준 전극의 성능과 한계를 잘 이해해야 한다.기준 전극이 갖추어야 할 첫째 조건은 일정한 전위이다. 다른 말로 표현하면 이상적 비분극 전극 (ideally nonpolarizable electrode)이 기준 전극이어야 한다. 이상적 비분극 전극은 제 4장에서 자세히 다룬다. 이는 전류가 흘러도 전압이 변화하지 않는 전극이다. 전위차법에서 입력 저항이 무한대인 전압 계(제 1장)를 기준 전극과 지시 전극에 연결하므로 전류는 흐르지 않아야 한다. 그러나 실제 전압계의 입력 저항은 유한하므로 전지 전압에 의하여 전류가 흐를 수 있다. 만약 이 전류가 기준 전극의 전위 를 변화시킨다면 기준 전극..

전기화학 전지의 전위차는 각 전극의 환원 반응성 차이를 의미한다. 그러므로 올바르게 측정된 전지의 전위차는 전극의 반응성을 파악할 수 있는 매우 중요한 관찰이다. 또한 전해 전지에서는 전지의 전위차(전압)를 제어하여 전기화학 반응의 반응성을 조절한다. 전지의 전위차를 측정하는 기술인 potentiometry(전위차법)을 소개한다. 그림(a)에서 평형에 도달한 산화 전극과 환원 전극의 개별 반응은 아래와 같다.  산화 전극은 Ag wire에 AgCl을 도포한 Ag/AgCl 전극과 KCl 포화 전해질(4.2M)로 구성되어 있다. Ag/AgCl 산화 전극의 환원 전위는 SHE 전극에 대하여 +0.197 V이다. 한편 산화 전극과 환원 전극의 전해질은 다공성 유리막(porous glss membrane)으로 연..

이 논문에서는 주기적인 양극 산화 기술(periodic anodizing)을 통해 ZnO 코팅이 된 육각 피라미드 배열 구조를 가진 아연 전극을 개발했다. 이 구조는 전극의 전기화학적 안정성을 크게 향상시키며, 전기 활성 표면적을 증가시키고 국부 전류 밀도를 줄여 아연 이온의 균일한 증착을 유도한다. 그 결과, Zn@ZnO HPA 전극은 아연 덴드라이트 형성을 방지하고 부반응을 억제해, 실험에서 10배 향상된 운영 수명과 25배 증가된 전류 밀도에서도 덴드라이트 없이 안정적인 성능을 유지했다.또한, 이 전극은 장기적인 안정성과 일관된 성능을 유지할 수 있도록 설계되었으며, ZnO 코팅 층이 덴드라이트 형성, 부반응, 부식을 효과적으로 억제한다고 설명하고 있다.Zn@ZnO HPA 구조는 아연 금속 표면에 ..

전기화학 퍼텐셜, 운반율과 접촉 전위>[전기화학 퍼텐셜]이온은 화학 퍼텐셜 차이에 의한 확산과 전기 퍼텐셜 차이에 의한 전기장 이동을 통해 전해질 속을 이동한다. 그리고 이 둘은 서로 연결되어 있다. 아래 그림과 같이 +ze 전하를 가지고 농도가 C인 양이온이 농도 기울기와 전기장의 영향에 동시에 놓여 있는 상황을 생각해 본다. 이온 주변의 농도 기울기 때문에 양이온은 화학 퍼텐셜이 낮은 왼쪽으로 이동하고, 동시에 양이온은 전기장의 영향을 받으므로 전기 퍼텐셜이 낮은 오른쪽으로 이동할 것이다. 퍼텐셜 중첩의 원리에 따라 야이온이 느끼는 퍼텐셜은 화학 퍼텐셜과 전기 퍼텐셜의 합이다. 그 합이 전기화학 퍼텐셜 (electrochemical potential, 𝜇EC)이며, 아래와 같이 표현한다.  𝜇는 ..

이온의 이동>전해질의 이온 전도는 이온 이동에 기반한다. 이온이 이동하는 원인은 세 가지이다. (1) 확산(diffusion)용액 속 어느 한 공간의 농도가 높으면, 농도가 높은 곳으로부터 낮은 곳으로 이온이 확산된다. (2) 전기장 이동(migration)전기 퍼텐셜 차이(전기장)가 존재하면, 양이온은 (-)극으로 음이온은 (+)극으로 이동한다.= 전기장의 영향으로 이온이 이동하는 현상(3) 대류(convection)확산과 전기장 이동에서 용매는 정지해 있고, 이온만 이동한다. 압력, 온도 또는 밀도 등의 차이에 의하여 용매 자체가 이동하면, 용매와 함께 이온도 이동한다. 이러한 이동을 대류라고 한다.수용액 속 이온의 이동은 농도 차이에 의하여 확산(diffusion)하며, 전위 차이에 의하여 전기장 ..

전기화학 전지의 전해질은 이온 전도를 담당한다. 모든 전해질에서 이온 전도를 위한 이온의 이동은 반드시 일어나야 한다. 전지의 전해질이 수용액인 경우가 많으므로, 수용액에 존재하는 이온 이동 현상을 다룬다. 수용액의 이온은 용매인 물 분자와 이온-용매 상호 작용을. 그리고 다른 이온들과 이온-이온 상호작용을 한다. 그 상호 작용을 이해하면 수용액에 존재하는 이온의 상태를 알 수 있다. 수용액 속 이온은 농도 차이에 의하여 확산(diffusion)하며, 전위 차이에 의하여 전기장 이동(migration)한다. 이온 이동을 설명하는 가장 기본적인 물리량은 이온의 이동도(mobility)이다. 그러므로 확산과 전기장 이동을 설명하는 이론은 ion mobility의 미시적 해석에 초점을 둔다. ion mobil..