공업화학실험 | Al-Air Battery - 알루미늄 에어 배터리

 

 

 

TIP

 

 

1. Al-air battery 1차 전지를 제조하고, 전해질의 농도와 종류에 따른 개방 회로전압을 측정하는 실험과 전지를 일정한 전류로 방전했을 때, 나타나는 전압 값의 변화를 측정하여 방전용량 값을 계산 해보는 실험으로 이를 통해 우리는 알루미늄 에어 배터리의 전반적인 개념 및 원리를 이해할 수 있다
2. 알루미늄 호일과 공기중의 산소를 반응시켜 방전할 수 있는 간단한 전지를 만드는 실험을 통해 그 과정과 응용법을 이해한다.
3. 제작된 전지의 전압을 측정하여 I-V CURVE 를 작성하고, 전지의 이론 방전용량을 계산한다.

 

 

 

전지는 물리적 혹은 화학적 반응으로 방출되는 에너지를 전기에너지로 변환하여 저장하거나 외부회로를 통해 내보내어 필요할 때마다 사용할 수 있는 소형 장치를 말한다. 이러한 전지는 많은 이점을 가지고 있다. 연료전지는 유해 배기가스가 거의 발생하지 않고 다양한 재료를 연료로 쓸 수 있고 에너지 변환 효율 또한 50% 이상 되기 때문에 에너지 절약 효과도 크다. 내연기관 자동차들을 모두 연료전지 자동차로 대체한다면 대기 오염은 문제 또한 크게 개선될 것이다.

 

그 외에도 연료전지는 전기와 열을 필요로 하는 산업에서는 거의 모든 부분에서 적용 가능하다. 가정용, 상업용의 발전시설과 난방시설들에 이용할 수 있으며 휴대폰, 노트북과 같은 소형 기기의 사용시간을 장시간 보장할 수도 있다. 이렇듯 연료전지는 환경문제 해결에 기여함과 동시에 산업전반에 걸친 경제적 파급 효과도 아주 크다는 것을 알 수 있다. 다양한 전지들 중, 특히 공기전지는 양극 활물질을 공기 중에서 얻어 쓰므로 다른 전지들에 비해 용량이 크다는 장점을 지니고 있다.

 

본 실험에서는 이러한 공기 전지 가운데 알루미늄 호일과 활성탄을 이용하여 알루미늄 공기전지를 만들어 본다. 지구에 존재하는 원소 가운데 산소와 철 다음으로 알루미늄이 많은 양을 차지하고 있고, 에너지밀도가 우수하다는 특징이 있어 최근에 많은 연구가 진행되고 있다. 전해질의 종류와 농도를 달리하여 Al-Air battery를 제작하고 방전실험을 진행한다.

 

실험 진행시 각 전해질에서의 전압변화를 멀티미터를 이용하여 측정하고, 오토랩을 이용하여 일정전류로 방전시켰을 때 시간에 따른 전압의 변화를 측정한다. 실험을 통해 전해질의 종류와 농도에 따른 전압과 에너지밀도의 변화를 알 수 있고, 방전용량을 계산할 수 있다. 이 실험을 통해 전지의 반응 매커니즘에 대해 대략적으로 알 수 있으며, 1차전지와 2차전지의 차이에 대해 전반적으로 이해할 수 있다.

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실험 방법

1. 실험 과정

1) 알루미늄 호일을 15×15 ㎝ 크기로 잘라 준비한다.

 

2) KOH, NaCl, H₃PO₄ 전해질 용액을 각각 0.5M, 1.0M 농도로 제조하기에 앞서 이론적으로 필요한 시약의 양을 계산하였다. 3.0M까지 계산하였으나, 실제 실험에서는 미리 제조되어 있던 3.0M 용액을 사용하였다.

 

3) 위에서 구한 이론적 시약의 양에 맞추어 KOH, NaCl, H₃PO₄ 전해질 용액을 각각 0.5M, 1.0M 농도로 제조하였다. 실제 첨가된 시약의 양은 다음과 같다. 3.0M 용액은 미리 제조되어 있던 것을 사용하였다. 분말형 시약은 잘 증류수에 잘 섞이도록 교반시켜 주었다.

 

4) 15×15 ㎝ 크기로 준비한 알루미늄 호일 위에 키친타월을 깔고 활성탄가루를 펴 발라 주었다. 활성탄 첨가량은 다음과 같다.

 

5) 스포이드를 이용하여 0.5M, 1.0M, 3.0M의 KOH, NaCl, H₃PO₄ 각각의 전해질 용액을 활성탄 위에 25㎖씩 뿌려주었다.

 

6) 활성탄 위에 잘라낸 전선을 올리고 호일을 접어주었다. 이 때, 한쪽은 완전 밀봉하여 공기의 유입을 막고 다른 한쪽은 호일을 벌려 공기가 유입될 수 있도록 공간을 만들어주었다.

 

7) 알루미늄 호일 바깥쪽으로 빼준 전선 쪽에 빨간색 전선, 활성탄이 들어있는 알루미늄 호일 쪽에 검정색 전선을 연결하고 멀티미터를 이용해 각 전해질 용액에 대한 OCV값을 측정하고, 오토랩을 이용해 시간에 따른 전압의 변화를 나타내는 방전곡선을 측정한다.

 

8) OCV와 방전곡선을 측정한 후, 전지에 쓰인 전선을 분리하여 활성탄이 묻은 부위를 에탄올로 깨끗이 세척하고 알루미늄 호일과 키친타월은 휴지통에 버린다.

 

 

 

[공업화학실험] Al-Air Battery - 알루미늄 에어 배터리 레포트