전극

전극은 회로의 비금속 부분(예: 반도체, 전해질, 진공 또는 공기)과 접촉하는 데 사용되는 전기 도체입니다.전극은 배터리의 종류에 따라 다양한 재료로 구성될 수 있는 배터리의 필수 부품입니다.

요한 윌케에 의해 발명된 전기영동은 정전기를 ^[1]연구하기 위해 사용된 전극의 초기 버전이었다.

전기화학 셀의 양극 및 음극

전극은 모든 배터리의 필수 부품입니다.최초의 전기화학적 배터리는 알레산드로 볼타에 의해 고안되었고 볼타 ^[2]세포라고 적절하게 이름 붙여졌다.이 배터리는 소금물에 적신 종이 디스크로 분리된 구리 전극과 아연 전극으로 구성되어 있습니다.볼타 전지에 의해 공급되는 전압의 변동 때문에 그것은 그다지 실용적이지 않았다.최초의 실용적인 배터리는 1839년에 발명되었고 존 프레데릭 다니엘의 이름을 따서 다니엘 셀이라고 명명되었다.여전히 아연-구리 전극 조합을 사용하고 있습니다.그 이후로 다양한 재료를 사용하여 더 많은 배터리가 개발되었습니다(배터리 목록 참조).이 모든 것의 기초는 여전히 두 가지 범주로 나눌 수 있는 두 개의 전극을 사용하는 것입니다.양극 및 음극.

양극

A term coined by William Whewell at Faraday's request, derived from the Greek words ἄνο (ano) δος, 'upwards' and ὁδός (hodós), 'a way'.^[3]양극은 전기화학 셀(배터리)의 전기 회로에서 비금속 셀로 일반 전류가 유입되는 전극입니다.그런 다음 전자는 배터리의 다른 쪽으로 흐릅니다.전류의 흐름과 전자의 흐름의 차이를 주목하십시오. 이는 전자가 발견되기 전에 전류의 흐름이 발견되었기 때문입니다.벤자민 프랭클린은 전기의 흐름이 ^[4]양극에서 음극으로 이동했다고 추측했다.전자는 양극에서 멀어지고 재래식 전류는 양극을 향해 흐릅니다.양쪽에서 양극의 전하가 음전하라는 결론을 내릴 수 있다.양극으로 들어가는 전자는 양극 옆에서 일어나는 산화 반응에서 나온다.

음극

음극은 많은 면에서 양극과 반대이다.윌리엄 휴웰에 의해 만들어진 이 이름은 그리스 단어인 '카타'와 '호도스'에서 유래했다.이 전극은 전기 회로에서 음극을 통해 전기 화학 셀의 비금속 부분으로 전자가 흐른다는 것을 의미합니다.음극에서 환원반응은 음극에 접속된 와이어에서 도달한 전자에 의해 일어나 산화제에 의해 흡수된다.

프라이머리 셀

프라이머리 셀은 한 번 사용한 후 폐기하도록 설계된 배터리입니다.이는 셀의 전극에서 일어나는 전기화학적 반응이 가역적이지 않기 때문입니다.1차 전지의 예로는 손전등 등에 사용되는 폐기 가능한 알칼리 배터리가 있습니다.ZnO가 형성된 아연 양극과 산화망간 음극으로 이루어진다.

반반응은 다음과 같습니다.

Zn_(s) + 2OH⁻_(aq) → ZnO_(s) + HO_2(l) + 2e⁻${\displaystyle }${\$displaystyle \qquad$ \$qquad$}$$ [E⁰_oxidation = -1.28V]

2MnO_2(s) + HO_2(l) + 2e⁻ → MnO_23(s) + 2OH⁻_(aq)${\displaystyle }$(\$displaystyle \qquad$})$$ [E⁰_reduction = +0.15V]

전체적인 반응:

Zn_(s) + 2MnO_2(s) ⇌ ZnO_(s) + MnO_23(s)${\displaystyle }$(\$displaystyle \qquad$ \$qquad$})$$ [E⁰_total = +1.43V]

ZnO는 뭉치기 쉬우며 재충전 시 방출 효율이 떨어집니다.이러한 배터리는 충전할 수 있지만, 제조원이 권장하는 안전상의 문제로 인해 충전됩니다.다른 1차 전지에는 아연-탄소, 아연-염화물, 그리고 이황화 리튬 철 배터리가 포함됩니다.

2차 전지

1차 셀과 달리 2차 셀은 충전할 수 있습니다.그 중 첫 번째는 1859년 프랑스 가스통 플랑테에 의해 발명된 납 배터리입니다.이런 종류의 배터리는 다른 ^[5]자동차들 중에서 여전히 가장 널리 사용되고 있다.음극은 이산화납(PbO2)과 고체 납의 양극으로 구성됩니다.일반적으로 사용되는 다른 충전지로는 니켈 카드뮴, 니켈 금속 수소 전지, 리튬 이온 배터리가 있습니다.마지막은 중요하기 때문에 이 글에서 더 자세히 설명하겠습니다.

마르쿠스의 전자 전달 이론

마르쿠스 이론은 원래 노벨프리젤레아 루돌프 A에 의해 개발된 이론이다. Marcus는 한 화학 종에서 다른 ^[6]화학 종으로 전자가 이동할 수 있는 속도를 설명합니다. 이 기사에서는 전극에서 용제의 종으로 '점핑'하는 것으로 볼 수 있습니다.문제를 공여체에서 수용체로의 전자 전달 속도를 계산하는 것으로 나타낼 수 있습니다.

D + A → D⁺ + A⁻

시스템의 잠재적 에너지는 반응 종과 반응 좌표라고 불리는 주변 매체의 분자의 변환, 회전 및 진동 좌표의 함수입니다.오른쪽의 그림은 이것들을 나타냅니다.고전적인 전자전달이론에서 비단열 과정과 포물선 전위에너지를 가정했을 때 교점(Q_x)을 구함으로써 반응속도 상수(반응확률)의 발현을 계산할 수 있다.한가지 중요한 것은, 마르쿠스가 이 이론을 제안했을 때, 전자 전달은 에너지 보존의 법칙과 프랭크-콘돈 원리를 따라야 한다는 것입니다.이렇게 한 후 다시 정렬하면 반응의 전체 자유 에너지(${\displaystyle {\delta \mathrm{}}^{}}$G 0 \ $display style$ \ $Delta$ G$^{\ dagger$로 자유 에너지 활성화(${\displaystyle {}^{}}$ G ${\$ \ $display$ style \ $Delta$ G$^{ 0$})$$가 표현됩니다.

$여기$서 $§(\displaystyle\lambda)$는 재구성 에너지입니다.이 결과를 고전적으로 도출된 아레니우스 방정식으로 채우는 것

로 이어지다

A는 실험적으로 ^[7]결정되는 전지수 인자로, 반고전적 유도는 아래에서 설명될 더 많은 정보를 제공한다.

이 고전적으로 도출된 결과는 조건 ${\displaystyle {}^{}}$ G${\displaystyle {}^{}}$δ $=$ {\$displaystyle \Delta$ G$^{\dagger$ }=\$dambda$^[8]에서 최대 전자 전달 속도의 관측치를 정성적으로 재현하였다. 보다 광범위한 수학적 처리를 위해 ^[9]뉴턴의 논문을 읽을 수 있다.$이$ 결과에 대한 해석과 그 $물리적$ 의미를 자세히 살펴보면 Marcus의 ^[10]논문을$$ 읽을 수 있다$.$

이 모델에서는 양자 터널링이 가능하기 때문에 치환된 고조파 발진기 모델을 사용하여 가까운 상황을 보다 정확하게 설명할 수 있습니다.이것은 왜 켈빈에 가까운 곳에서도 고전 이론과 달리 여전히 전자 ^[11]전달이 존재하는지를 설명하기 위해 필요합니다.

유도가 어떻게 이루어지는지에 대해 너무 상세하게 설명하지 않고, 그것은 시간의존적 섭동 이론에서 나온 페르미의 황금 법칙을 시스템의 완전한 해밀턴과 함께 사용하는 것에 달려 있다.반응물과 생성물(화학반응의 오른쪽과 왼쪽)의 파동 기능에서 겹치는 부분을 관찰할 수 있으며, 따라서 에너지가 동일하고 전자 전달을 허용할 수 있습니다.그 전에 언급했듯이 에너지 보존이 지켜지기 때문에 반드시 일어나야 한다.몇 가지 수학적 단계를 건너뛰면 다음 공식을 사용하여 전자 전달 확률을 계산할 수 있습니다(매우 어렵지만).

$J{\displaystyle }${\$displaystyle$ J$}$가 두 상태(반응물질 및 제품) 간의 상호작용을 설명하는 전자 결합 $상수$이고 g${\displaystyle (}$ $)$ {\$displaystyle$ g$(t)}$가 라인 형상 함수입니다.이 식의 고전적 한계치(즉, $t$k ${\displaystyle T}$ { $displaystyle$ \$hbar$\obega $\ll$ kT$\})$를 취하여 어떤 치환을 하면 예상대로 고전적으로 도출된 공식과 매우 유사한 식을 얻을 수 있다.

주요 차이점은 이제 지수화 이전의 요인이 실험적인 $요인{\displaystyle }$ A$(\displaystyle$ A$)$ 대신 더 많은 물리적 매개변수로 설명되었다는 것입니다. 그 중 하나는 다시 한번 더 심층적이고 엄격한 수학적 도출과 해석을 위해 아래에 열거된 바와 같이 출처에 존중됩니다.

효율성.

전극의 물리적 특성은 주로 전극의 재료와 전극의 토폴로지에 의해 결정됩니다.필요한 특성은 용도에 따라 다르며, 따라서 많은 종류의 전극이 유통되고 있습니다.전극으로 사용되는 재료의 명확한 특성은 전도성이라는 것입니다.따라서 금속, 반도체, 흑연 또는 도전성 고분자 등의 도전성 재료를 전극으로 사용할 수 있다.전극은 종종 재료의 조합으로 구성되며, 각 재료에는 특정한 작업이 있습니다.대표적인 구성 요소는 산화 또는 환원 입자로 작용하는 활성 물질, 전극의 전도성을 향상시키는 전도성 물질 및 전극 내에 활성 입자를 포함하는 데 사용되는 바인더입니다.전기화학 셀의 효율은 여러 가지 특성에 의해 판단되며, 중요한 양은 자가 방전 시간, 방전 전압 및 사이클 성능입니다.전극의 물리적 특성은 이러한 양을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.전극의 중요한 특성은 전기 저항률, 비열 용량(c_p), 전극 전위 및 경도입니다.물론, 기술 적용의 경우 재료 비용도 중요한 요소입니다.^[12]일반적으로 사용되는 일부 재료의 상온(T = 293 K)에서 이러한 특성 값이 아래 표에 나열되어 있습니다.

공통 전극 특성^[13]

특성.	리튬(Li)	망간(Mn)	구리(Cu)	아연(Zn)	흑연
저항률(µm)	8.40e-8	1.44e-6	1.70e-8	5.92e-8	6.00e-6
전극 전위(V)	-3.02	-1.05	-0.340	-0.760	-
경도(HV)	5 미만	500	50	30	7-11
비열용량(J/(gK))	2.997	0.448	0.385	0.3898	0.707

표면 효과

전극의 표면 토폴로지는 전극의 효율을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.전극의 효율은 접촉 저항으로 인해 감소할 수 있습니다.따라서 효율적인 전극을 만들려면 접촉 저항을 최소화하도록 전극을 설계하는 것이 중요합니다.

제조업

리튬 이온 배터리용 전극의 생산은 다음과 같이 다양한 단계로 이루어집니다.^[14]

1. 전극의 다양한 구성 요소는 용매에 혼합됩니다.이 혼합물은 전극의 성능을 향상시키도록 설계되었습니다.이 혼합물의 일반적인 성분은 다음과 같습니다.
   • 활성 전극 입자.
   • 활성 전극 입자를 포함하는 데 사용되는 바인더입니다.
   • 전극의 전도성을 개선하기 위해 사용되는 도전제.

   생성된 혼합물을 '전극 슬러리'라고 합니다.

2. 위의 전극 슬러리는 전기화학 셀에서 집전체 역할을 하는 도체에 코팅되어 있습니다.일반적인 집전기는 음극용 구리, 양극용 알루미늄입니다.
3. 슬러리를 도체에 도포한 후 건조시킨 다음 필요한 두께로 압착합니다.

전극의 구조

전극의 성분의 소정의 선택에 대해 최종효율은 전극의 내부구조에 의해 결정된다.전극의 성능을 결정할 때 내부 구조에서 중요한 요소는 다음과 같습니다.^[15]

• 활성 물질과 전도제의 클러스터링.슬러리의 모든 구성 요소가 작업을 수행하기 위해서는 전극 내에 균등하게 펼쳐져 있어야 합니다.
• 활성 물질에 대한 도전제의 균일한 분포.이를 통해 전극의 전도성이 최적화됩니다.
• 전류 수집기에 대한 전극 부착.접착을 통해 전극이 전해액에 용해되지 않도록 합니다.
• 활성 물질의 밀도입니다.활성물질의 양, 도전제 및 바인더 사이에서 균형을 찾아야 합니다.전극에서 활물질은 중요한 요소이기 때문에 슬러리는 도전제 및 바인더가 제대로 작동하지 않고 활물질의 밀도가 최대한 높아지도록 설계해야 합니다.

이러한 특성은 전극 생산에 여러 가지 방식으로 영향을 미칠 수 있습니다.전극 제조에서 가장 중요한 단계는 전극 슬러리를 만드는 것입니다.위에서 볼 수 있듯이 전극의 중요한 특성은 모두 전극 구성 요소의 균등한 분포와 관련이 있습니다.따라서 전극 슬러리는 가능한 한 균질해야 합니다.이 혼합 단계를 개선하기 위해 여러 절차가 개발되었으며 현재 연구가 ^[15]진행 중입니다.

리튬 이온 배터리의 전극

전극의 현대적인 용도는 리튬 이온 배터리(li-ion 배터리)에 있습니다.리튬 이온 배터리는 오른쪽 그림과 같이 플로우 배터리의 일종입니다.

또한 리튬이온배터리는 충전 가능하기 때문에 2차 전지의 한 예이다.그것은 갈바닉 또는 전해전지의 역할을 할 수 있다.리튬이온배터리는 유기용매에 용해된 전해액의 용질로서 리튬이온을 사용한다.리튬 전극은 ^[17]1913년 G.N. 루이스와 F.G. 키스에 의해 처음 연구되었다.다음 세기에 이 전극들은 최초의 리튬 이온 배터리를 만들고 연구하는 데 사용되었습니다.리튬 이온 배터리는 뛰어난 성능으로 매우 인기가 있습니다.응용 프로그램에는 휴대 전화와 전기 자동차가 포함됩니다.그 인기로 인해, Li-ion 배터리의 비용을 절감하고 안전성을 높이기 위해 많은 연구가 이루어지고 있다.리튬 이온 배터리의 필수 부품은 양극과 음극입니다. 따라서 이러한 전극의 효율성과 안전성을 높이고 비용을 절감하기 위해 ^[18]많은 연구가 이루어지고 있습니다.

음극

리튬 이온 배터리에서 음극은 중간 리튬 화합물(리튬 및 기타 원소로 구성된 분자 층으로 구성된 층상 물질)로 구성됩니다.화합물 내 분자의 일부를 구성하는 공통 원소는 코발트이다.또 다른 자주 사용되는 원소는 망간이다.화합물의 최선의 선택은 보통 배터리의 용도에 따라 달라집니다.망간계 화합물보다 코발트계 화합물의 장점은 높은 비열 용량, 높은 체적 열 용량, 낮은 자기 방전 속도, 높은 방전 전압 및 높은 사이클 내구성입니다.그러나 코발트 기반 화합물 사용에는 높은 비용과 낮은 내열성 등의 단점도 있습니다.망간은 비슷한 장점이 있고 비용이 저렴하지만 망간을 사용하는 것과 관련된 몇 가지 문제가 있다.주요 문제는 망간이 시간이 지남에 따라 전해질 속으로 용해되는 경향이 있다는 것이다.이러한 이유로 코발트는 여전히 리튬 화합물에 사용되는 가장 일반적인 원소이다.값싸고 오래가는 리튬 이온 배터리를 만드는 데 사용할 수 있는 신소재를 찾기 위해 많은 연구가 이루어지고 있습니다.

양극

대량 생산된 리튬 이온 배터리에 사용되는 양극은 탄소 기반(일반적으로 흑연)이거나 스피넬 티탄산 리튬(LiTiO₄₅₁₂)^[18]으로 만들어집니다.

기계적 특성

배터리의 일반적인 고장 메커니즘은 기계적 충격으로 전극 또는 시스템 컨테이너가 파손되어 전도율 저하 및 전해액 ^[19]누출이 발생합니다.그러나 전극의 기계적 특성 관련성은 환경상 충돌에 대한 저항성을 넘어선다.표준 작동 중 전극에 이온이 유입되면 부피 변화가 발생합니다.리튬이온배터리의 Si전극이 ^[20]석화 과정에서 약 300% 확장되는 것이 이를 잘 보여준다.이러한 변화는 격자의 변형으로 이어질 수 있으며, 따라서 재료에 응력이 가해질 수 있다.응력의 원인은 전극의 기하학적 제약 또는 ^[21]이온의 불균일한 도금 때문일 수 있습니다.이 현상은 전극 파괴 및 성능 저하로 이어질 수 있으므로 매우 우려됩니다.따라서 기계적 특성은 장기간 지속되는 배터리를 위한 새로운 전극의 개발을 가능하게 하는 데 매우 중요합니다.동작 중 전극의 기계적 거동을 측정하기 위한 가능한 전략은 나노인덴테이션을 ^[22]사용하는 것이다.이 방법은 전기화학 반응 중에 응력이 어떻게 진화하는지를 분석할 수 있으며, 기계적 거동과 전기화학을 결합하기 위한 가능한 경로를 평가하는 데 유용한 도구입니다.

응력은 전극의 형태에 영향을 미치는 것뿐만 아니라 전기화학적 ^[23][24]반응에도 영향을 미칠 수 있습니다.화학적 구동력은 일반적으로 기계적 에너지보다 크지만 리튬 이온 ^[25]배터리의 경우에는 그렇지 않습니다.Larché 박사의 연구는 가해진 응력과 ^[26]전극의 화학적 잠재력 사이의 직접적인 관계를 규명했습니다.탄성 제약 조건의 변동과 같은 여러 변수를 무시하지만, 스트레스에 의해 유도되는 탄성 에너지를 총 화학적 잠재력에서 뺀다.

$\displaystyle \mu =\mu^{o}+k\cdot T\cdot \log(\displaystyle \cdot x)+\Omega \cdot \sigma }$

이 식에서 μ는 화학 퍼텐셜을 나타내며 μ°는 기준값이다.T는 온도를 나타내고 k는 볼츠만 상수입니다.로그 내부의 항 θ는 활성도이고 x는 전극의 총 조성에 대한 이온의 비율이다.새로운 용어 δ는 호스트 내 이온의 부분 몰 부피이며, δ는 시스템에서 느끼는 평균 응력에 해당합니다.이 방정식의 결과는 화학 전위에 의존하는 확산이 추가된 응력에 의해 영향을 받아 배터리 성능이 변화한다는 것입니다.또한 기계적 응력은 전극의 고체 전해질-상간층에도 ^[27]영향을 미칠 수 있습니다.이온 및 전하 전달을 조절하는 인터페이스로, 스트레스에 의해 저하될 수 있습니다.따라서 용액의 이온이 더 많이 소비되어 시스템의 ^[28]전체적인 효율이 저하됩니다.

기타 양극 및 음극

극성(다이오드, 전해 콘덴서)을 가진 진공관 또는 반도체에서 양극은 정극(+), 음극은 부극(-)이다.전자는 음극을 통해 소자로 들어가고 양극을 통해 소자에서 나옵니다.많은 장치에는 작동을 제어하는 다른 전극(예: 베이스, 게이트, 제어 그리드)이 있습니다.

3전극 셀에서 보조전극이라고도 불리는 대향전극은 작동전극에 전류를 흘릴 수 있도록 전해액에 접속하는 데만 사용된다.대향 전극은 보통 귀금속이나 흑연과 같은 불활성 물질로 만들어져 용해되는 것을 방지합니다.

용접 전극

아크 용접에서는 전극을 사용하여 공작물을 통해 전류를 흘려 두 조각을 융합한다.프로세스에 따라 전극은 가스 금속 아크 용접 또는 실드 금속 아크 용접의 경우 소모품 또는 가스 텅스텐 아크 용접과 같은 비소모품 중 하나입니다.직류 시스템의 경우 용접봉 또는 스틱은 충전식 용접용 음극 또는 기타 용접공정용 양극일 수 있다.교류 아크 용접기의 경우 용접 전극은 양극 또는 음극으로 간주되지 않습니다.

교류 전극

교류전류를 사용하는 전기시스템에서 전극은 회로에서 전류에 의해 작용되는 대상물까지의 연결부이지만 전자의 흐름방향이 주기적으로, 보통 초당 여러 번 바뀌기 때문에 양극 또는 음극으로 지정되지 않습니다.

화학적으로 변형된 전극

화학적으로 변경된 전극은 전극의 물리적, 화학적, 전기화학적, 광학, 전기적 및 전송 특성을 변경하기 위해 표면이 화학적으로 수정된 전극입니다.이 전극은 연구와 ^[29]연구에 고도의 목적으로 사용됩니다.

사용하다

전극은 비금속 물체를 통해 전류를 공급하여 다양한 방식으로 물체를 변경하고 다양한 목적을 위해 전도도를 측정하는 데 사용됩니다.예를 들어 다음과 같습니다.

• 연료전지용 전극
• EEG(뇌 활동 기록용), 심전도(심장 박동 기록), ECT(전기 뇌 자극), 제세동기(심장 자극 기록 및 전달)와 같은 의료용 전극
• 생물의학 연구의 전기생리학 기술용 전극
• 전기의자에 의한 실행용 전극
• 전기 도금용 전극
• 아크 용접용 전극
• 음극 방식용 전극
• 접지용 전극
• 전기화학적 방법을 이용한 화학분석용 전극
• 나노전기화학 고정밀 측정용 나노전극
• 전해용 불활성 전극(백금제)
• 막전극 조립체
• 테이저 전기 충격 무기용 전극

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

추가 정보

• Kebede, Mesfin A.; Ezema, Fabian I., eds. (2022). Electrode materials for energy storage and conversion (First ed.). Boca Raton: CRC Press/Taylor & Francis. doi:10.1201/9781003145585. ISBN 978-0-367-70304-2. S2CID 240536462.
• Doeff, MM; Chen, G; Cabana, J; Richardson, TJ; Mehta, A; Shirpour, M; Duncan, H; Kim, C; Kam, KC; Conry, T (11 November 2013). "Characterization of electrode materials for lithium ion and sodium ion batteries using synchrotron radiation techniques". Journal of Visualized Experiments (81): e50594. doi:10.3791/50594. PMC 3989498. PMID 24300777.