금속-공기 전기화학 전지

Metal–air electrochemical cell

금속-공기 전기화학 전지(metal-air electrochemical cell)는 순수한 금속으로 제조된 양극과 주변 공기의 외부 음극, 일반적으로 수성 또는 비양성자성 전해질을 사용하는 전기화학 전지입니다.[1][2]

금속-공기 전기화학 전지를 방전하는 동안 금속 양극이 산화되는 동안 주변 공기 음극에서 환원 반응이 발생합니다.

금속-공기 전기화학 전지의 비용량과 에너지 밀도는 리튬 이온 전지보다 높아 전기 자동차에 사용할 수 있는 주요 후보입니다. 일부 상업적인 용도는 있지만 금속 양극, 촉매 및 전해질과 관련된 복잡한 문제가 금속-공기 배터리의 개발 및 구현을 방해하고 있습니다.[3][4]

양극 요소별 유형

리튬

주 기사: 리튬공기전지

리튬 금속의 현저하게 높은 에너지 밀도(최대 3458 Wh/kg)는 리튬-공기 배터리의 디자인에 영감을 주었습니다. 리튬-공기 전지는 고체 리튬 전극, 이 전극을 둘러싸고 있는 전해질, 그리고 산소를 포함하는 주변 공기 전극으로 구성됩니다. 현재의 리튬-공기 전지는 사용되는 전해질과 이후의 전기화학 전지 구조에 따라 4개의 하위 범주로 나눌 수 있습니다. 이러한 전해질 범주는 비양성자성, 수성, 혼합 수성/비양성자성 및 고체 상태이며, 이들은 모두 고유한 장점과 단점을 제공합니다.[5] 그럼에도 불구하고, 리튬-공기 전지의 효율은 여전히 음극에서의 불완전 방전, 방전 초과 전위의 충전 및 부품 안정성에 의해 제한됩니다.[6] 리튬-공기 배터리를 방전하는 동안 형성된 과산화물 이온(O2−)이 전해질 또는 다른 셀 구성 요소와 반응하여 배터리를 충전할 수 없게 됩니다.[7]

나트륨

나트륨-공기 전지는 리튬-공기 전지의 과산화물과 관련된 전지 불안정을 극복하기 위한 희망으로 제안되었습니다. 에너지 밀도가 1605 Wh/kg인 나트륨은 리튬만큼 높은 에너지 밀도를 자랑하지 않습니다. 그러나 해로운 2차 반응을 겪는 과산화물과는 달리 안정한 과산화물(NaO2)을 형성할 수 있습니다. NaO는2 원소 성분까지 어느 정도까지 가역적으로 분해되기 때문에 나트륨-공기 배터리는 충전할 수 있는 고유 용량을 가지고 있음을 의미합니다.[8] 나트륨-공기 배터리는 비양성자성 무수 전해질에서만 작동할 수 있습니다. DMSO 전해질을 sodium trifluoromethane sulfonimide로 안정화시켰을 때, sodium-air battery의 최고 사이클 안정성(150 사이클)을 얻었습니다.[9]

칼륨

칼륨-공기 전지 또한 리튬-공기 전지의 과산화물과 관련된 전지 불안정을 극복하기 위한 희망으로 제안되었습니다. 칼륨-공기 배터리의 경우 2-3회의 충전-방전 사이클이 달성된 적은 있지만, 50mV에 불과한 매우 낮은 과전위 차이를 제공합니다.[10]

아연

주품 : 아연-공기전지

아연-공기 배터리는 보청기와 필름 카메라에 사용됩니다.

마그네슘

현재 다양한 금속-공기 화학이 연구되고 있습니다. Mg 금속의 균일한 증착은 Mg-공기 시스템을 흥미롭게 만듭니다.[11][12][13] 그러나 Mg 전극의 용해는 수성 Mg-공기 전지를 심각하게 제한합니다. 마그네슘-공기 장치에 다수의 이온성 수성 전해질을 사용하는 것이 권장되고 있습니다. 그럼에도 불구하고 전기화학적 취약성은 모두에 영향을 미칩니다.[14] 그러나 셀의 가역성은 제한적이며 특히 재충전 중에 눈에 띕니다.[14]

메인 기사: 마그네슘-공기 연료 전지

칼슘

칼슘-공기(O2) 배터리가 보고되었습니다.[15][16]

알루미늄

주 기사: 알루미늄-공기 전지

알루미늄-공기 배터리는 이론상 최대 에너지 밀도가 6-8 kWh/kg으로 다른 배터리 중 가장 높은 에너지 밀도를 갖지만 2003년 기준으로 최대 1.3 kWh/kg에 불과합니다. 알루미늄 배터리 셀은 충전이 불가능하므로 배터리에서 계속 전원을 공급받으려면 새 알루미늄 양극을 장착해야 하므로 사용 비용이 많이 들고 대부분 군사용으로 제한됩니다.[17]

알루미늄-공기 배터리는 전기 자동차의 프로토타입에 사용되어 왔으며, 한 번 충전으로 2000km의 주행 거리를 확보할 수 있었지만 일반 대중이 사용할 수 있는 배터리는 없었습니다. 그러나 알루미늄-공기 배터리는 전력이 부족할 때까지 안정적인 전압과 전력 출력을 유지하므로 비상 착륙 시 항상 최대 전력이 필요한 전기 비행기에 유용할 수 있습니다. 별도의 금속 양극을 운반할 필요가 없고 알루미늄의 자연적인 저밀도, 알루미늄-공기 배터리의 높은 에너지 밀도로 인해 배터리가 매우 가벼워 전기 항공에도 유용합니다. 공항의 규모는 또한 양극을 현장에서 재활용할 수 있으며, 이는 많은 소규모 스테이션이 필요한 자동차에서는 실현 가능하지 않습니다.[18]

알루미늄-공기 배터리는 기존의 리튬 이온 배터리에 비해 환경에 더 좋습니다. 알루미늄은 지각에서 가장 풍부한 금속이므로 광산은 리튬과 비교하여 비슷한 양의 알루미늄을 찾기 위해 그렇게 침습적일 필요가 없을 것입니다. 또 다른 요인은 알루미늄 재활용 공장이 이미 존재하는 반면, 리튬 재활용 공장은 이제 막 등장하여 수익성이 높아지기 시작했다는 것입니다. 알루미늄은 현재 기술로 재활용하는 것이 훨씬 경제적입니다.[18]

철

철-공기 충전 배터리는 그리드 규모의 에너지 저장 가능성이 있는 매력적인 기술입니다. 이 기술의 주요 원료는 풍부하고 독성이 없으며 저렴하며 환경 친화적인 물질인 산화철(녹)입니다.[19] 현재 개발되고 있는 배터리는 대부분 산화철 분말을 사용하여 Fe/FeO 환원/산화(redox) 반응(Fe + HO ⇌ FeO + H)을 통해 수소를 생성하고 저장합니다. 이를 통해 시스템은 연료 전지와 함께 충전식 배터리로 작동하여 전기 생산 및 소비를 통해 HO2/H를2 생성합니다.[21] 또한 이 기술은 태양이나 풍력과 같은 간헐적이거나 가변적인 에너지원의 에너지를 저장하여 이산화탄소 배출량이 적은 에너지 시스템을 개발하는 데 사용될 수 있기 때문에 환경에 미치는 영향이 적습니다.

시스템을 시작하는 한 가지 방법은 Fe/FeO 산화 환원 반응을 사용하는 것입니다. 철과 공기에서 산소가 산화되는 과정에서 생성된 수소는 연료전지에 의해 소비되어 전기를 만들 수 있습니다. 전기를 저장해야 할 때는 산화철이 금속성 철로 환원되는 과정에서 연료전지를 거꾸로 작동시켜 물에서 발생하는 수소가 소모됩니다.[20][21] 이 두 사이클을 모두 결합하면 시스템이 철-공기 충전식 배터리로 작동할 수 있습니다.

이 기술의 한계는 사용된 재료에서 비롯됩니다. 일반적으로 산화철 분말 베드를 선택하지만, 분말의 급속 소결 및 분쇄는 높은 사이클 수를 달성하는 능력을 제한하여 용량 감소를 초래합니다. 3D 프린팅과[22] 동결 주조와 같은 현재 연구 중인 다른 방법들은 산화 환원 반응 동안 높은 표면적과 부피 변화를 가능하게 하는 건축 재료의 개발을 가능하게 하는 것을 추구하고 있습니다.[23][24]

비교

양극 소자 이론적 비에너지, Wh/kg
(산소 포함) 		이론적 비에너지, Wh/kg
(산소 제외) 		계산된 개방 전압, V
알루미늄 4300[25] 8140[26] 1.2
게르마늄[citation needed] 1480 7850 1
칼슘 2990 4180 3.12
철 1431 2044 1.3
리튬 5210 11140 2.91
마그네슘 2789 6462 2.93
칼륨 935[27][28] 1700[Note 1] 2.48[27][28]
나트륨 1677 2260 2.3[29][30]
주석[31] 860 6250 0.95
아연[citation needed] 1090 1350 1.65

참고 항목

메모들

  1. ^ KO에2 대한 특정 에너지 밀도(산소 포함) 값과 K 및 O에 대한 원자량 데이터 각각 39.1 및 16에서 계산됩니다.

참고문헌

  1. ^ "Metal air". December 27, 2010. Archived from the original on 2010-12-27.
  2. ^ "Metal–Air Batteries Lithium, Aluminum, Zinc, and Carbon" (PDF). Retrieved 2013-04-04.
  3. ^ Li, Y.; Lu, J. (2017). "Metal–Air Batteries: Will They Be the Future Electrochemical Energy Storage Device of Choice?". ACS Energy Letters. 2 (6): 1370–1377. doi:10.1021/acsenergylett.7b00119. OSTI 1373737.
  4. ^ Zhang, X.; Wang, X.; Xie, Z.; Zhou, Z. (2016). "Recent progress in rechargeable alkali metal–air batteries". Green Energy & Environment. 1 (1): 4–17. doi:10.1016/j.gee.2016.04.004.
  5. ^ Girishkumar, G.; McCloskey, B.; Luntz, C.; Swanson, S.; Wilcke, W. (2010). "Lithium–Air Battery: Promise and Challenges". The Journal of Physical Chemistry Letters. 1 (14): 2193–2203. doi:10.1021/jz1005384.
  6. ^ Kraytsberg, Alexander; Ein-Eli, Yair (2011). "Review on Li–air batteries—Opportunities, limitations and perspective". Journal of Power Sources. 196 (3): 886–893. Bibcode:2011JPS...196..886K. doi:10.1016/j.jpowsour.2010.09.031.
  7. ^ Zyga, Lisa. "Sodium–air battery offers rechargeable advantages compared to Li–air batteries". Phys.org. Retrieved 1 March 2018.
  8. ^ Hartmann, P.; Bender, C.; Vracar, M.; Durr, A.; Garsuch, A.; Janek, J.; Adelhelm, P. (2012). "A rechargeable room-temperature sodium superoxide (NaO2) battery". Nature Materials Letters. 12 (1): 228–232. Bibcode:2013NatMa..12..228H. doi:10.1038/NMAT3486. PMID 23202372.
  9. ^ He, M.; Lau, K.; Ren, X.; Xiao, N.; McCulloch, W.; Curtiss, L.; Wu, Y. (2016). "Concentrated Electrolyte for the Sodium–Oxygen Battery: Solvation Structure and Improved Cycle Life". Angewandte Chemie. 55 (49): 15310–15314. doi:10.1002/anie.201608607. OSTI 1352612. PMID 27809386.
  10. ^ Ren, X.; Wu, Y. (2013). "A Low-Overpotential Potassium−Oxygen Battery Based on Potassium Superoxide". Journal of the American Chemical Society. 135 (8): 2923–2926. doi:10.1021/ja312059q. PMID 23402300.
  11. ^ Rahman, Md. Arafat; Wang, Xiaojian; Wen, Cuie (2013). "High Energy Density Metal–Air Batteries: A Review". Journal of the Electrochemical Society. 160 (10): A1759–A1771. doi:10.1149/2.062310jes. ISSN 0013-4651.
  12. ^ Zhang, Tianran; Tao, Zhanliang; Chen, Jun (2014). "Magnesium–air batteries: from principle to application". Mater. Horiz. 1 (2): 196–206. doi:10.1039/c3mh00059a. ISSN 2051-6347.
  13. ^ Li, Yifei; Zhang, Xiaoxue; Li, Hao-Bo; Yoo, Hyun Deog; Chi, Xiaowei; An, Qinyou; Liu, Jieyu; Yu, Meng; Wang, Weichao; Yao, Yan (September 2016). "Mixed-phase mullite electrocatalyst for pH-neutral oxygen reduction in magnesium–air batteries". Nano Energy. 27: 8–16. doi:10.1016/j.nanoen.2016.06.033. ISSN 2211-2855.
  14. ^ a b Li, Chun‐Sheng; Sun, Yan; Gebert, Florian; Chou, Shu‐Lei (2017-08-22). "Current Progress on Rechargeable Magnesium–Air Battery". Advanced Energy Materials. 7 (24): 1700869. Bibcode:2017AdEnM...700869L. doi:10.1002/aenm.201700869. ISSN 1614-6832. S2CID 102825802.
  15. ^ Shiga, Tohru; Kato, Yuichi; Hase, Yoko (2017-06-27). "Coupling of nitroxyl radical as an electrochemical charging catalyst and ionic liquid for calcium plating/stripping toward a rechargeable calcium–oxygen battery". Journal of Materials Chemistry A. 5 (25): 13212–13219. doi:10.1039/C7TA03422A. ISSN 2050-7496.
  16. ^ Reinsberg, Philip; Bondue, Christoph J.; Baltruschat, Helmut (2016-10-06). "Calcium–Oxygen Batteries as a Promising Alternative to Sodium–Oxygen Batteries". The Journal of Physical Chemistry C. 120 (39): 22179–22185. doi:10.1021/acs.jpcc.6b06674. ISSN 1932-7447.
  17. ^ Yang, Shaohua; Knickle, Harold (2002-10-24). "Design and analysis of aluminum/air battery system for electric vehicles". Journal of Power Sources. 112 (1): 162–173. Bibcode:2002JPS...112..162Y. doi:10.1016/S0378-7753(02)00370-1. ISSN 0378-7753.
  18. ^ a b "Can Aluminium–air batteries outperform Li-ion for EVs?". Energy Post. 2021-09-08. Retrieved 2023-01-08.
  19. ^ Narayanan, S. R.; Prakash, G. K. Surya; Manohar, A.; Yang, Bo; Malkhandi, S.; Kindler, Andrew (2012-05-28). "Materials challenges and technical approaches for realizing inexpensive and robust iron–air batteries for large-scale energy storage". Solid State Ionics. "Fuel Cells-Energy Conversion" Proceedings of Symposium X EMRS Spring Meeting 2011E-MRS / MRS BILATERAL CONFERENCE on ENERGY,"Held at the E-MRS 2011 SPRING MEETING IUMRS ICAM 2011. 216: 105–109. doi:10.1016/j.ssi.2011.12.002.
  20. ^ a b Requies, J.; Güemez, M. B.; Gil, S. Perez; Barrio, V. L.; Cambra, J. F.; Izquierdo, U.; Arias, P. L. (2013-04-19). "Natural and synthetic iron oxides for hydrogen storage and purification". Journal of Materials Science. 48 (14): 4813–4822. Bibcode:2013JMatS..48.4813R. doi:10.1007/s10853-013-7377-7. ISSN 0022-2461. S2CID 93103339.
  21. ^ a b Ju, Young-Wan; Ida, Shintaro; Inagaki, Toru; Ishihara, Tatsumi (2011-08-01). "Reoxidation behavior of Ni–Fe bimetallic anode substrate in solid oxide fuel cells using a thin LaGaO3 based film electrolyte". Journal of Power Sources. 196 (15): 6062–6069. Bibcode:2011JPS...196.6062J. doi:10.1016/j.jpowsour.2011.03.086.
  22. ^ Jakus, Adam E.; Taylor, Shannon L.; Geisendorfer, Nicholas R.; Dunand, David C.; Shah, Ramille N. (2015-12-01). "Metallic Architectures from 3D-Printed Powder-Based Liquid Inks". Advanced Functional Materials. 25 (45): 6985–6995. doi:10.1002/adfm.201503921. ISSN 1616-3028. S2CID 15711041.
  23. ^ Sepúlveda, Ranier; Plunk, Amelia A.; Dunand, David C. (2015-03-01). "Microstructure of Fe2O3 scaffolds created by freeze-casting and sintering". Materials Letters. 142: 56–59. doi:10.1016/j.matlet.2014.11.155.
  24. ^ Durán, P.; Lachén, J.; Plou, J.; Sepúlveda, R.; Herguido, J.; Peña, J. A. (2016-11-16). "Behaviour of freeze-casting iron oxide for purifying hydrogen streams by steam-iron process". International Journal of Hydrogen Energy. The 5th Iberian Symposium on Hydrogen, Fuel Cells and Advanced Batteries (HYCELTEC 2015), 5–8 July 2015, Tenerife, Spain. 41 (43): 19518–19524. doi:10.1016/j.ijhydene.2016.06.062.
  25. ^ "Electrically Rechargeable Metal–Air Batteries (ERMAB)". Archived from the original on 3 March 2016. Retrieved 25 March 2012.
  26. ^ "Batteries for Oxygen Concentrators". NASA.gov. Archived from the original on 26 February 2014.
  27. ^ a b Wu, Yiying; Ren, Xiaodi (2013). "A Low-Overpotential Potassium−Oxygen Battery Based on Potassium Superoxide". Journal of the American Chemical Society. 135 (8): 2923–2926. doi:10.1021/ja312059q. PMID 23402300.
  28. ^ a b Ren, Xiaodi; Wu, Yiying (2013). "A Low-Overpotential Potassium−Oxygen Battery Based on Potassium Superoxide". Journal of the American Chemical Society. 135 (8): 2923–2926. doi:10.1021/ja312059q. PMID 23402300.
  29. ^ Sun, Qian (2012). "Electrochemical properties of room temperature sodium–air batteries with non-aqueous electrolyte". Electrochemistry Communications. 16: 22–25. doi:10.1016/j.elecom.2011.12.019.
  30. ^ "BASF investigating sodium–air batteries as alternative to Li–air; patent application filed with USPTO". Green Car Congress.
  31. ^ Ju, HyungKuk; Lee, Jaeyoung (2015). "High-temperature liquid Sn–air energy storage cell". Journal of Energy Chemistry. 24 (5): 614–619. doi:10.1016/j.jechem.2015.08.006.

외부 링크