차세대 배터리 (11) 썸네일형 리스트형 리튬이온 배터리 팩의 온도 불균일성 해결을 위한 능동 열관리 시스템 열전도성 인터페이스 재료와 마이크로채널 냉각 구조 설계리튬이온 배터리 팩에서 발생하는 온도 불균일성은 배터리 성능 저하와 수명 단축의 주요 원인입니다. 이를 해결하기 위한 첫 번째 접근법은 배터리 셀 간의 열전도 경로를 최적화하는 것입니다. 열전도성 인터페이스 재료(TIM, Thermal Interface Material)는 배터리 셀과 냉각 플레이트 사이의 접촉 열저항을 최소화하는 핵심 소재로, 일반적으로 2-8W/mK의 열전도도를 가지는 실리콘 기반 컴파운드나 그래핀 첨가 폴리머가 사용됩니다. 마이크로채널 냉각 시스템은 냉각 효율을 극대화하기 위해 냉각 플레이트 내부에 직경 0.1-2mm의 미세 채널을 형성하는 기술입니다. 이 채널들은 층류 유동 조건에서 높은 열전달 계수를 제공하며, 레이놀즈 수.. 수전해-연료전지 연계 시스템의 에너지 효율 최적화 전략 수전해-연료전지 연계 시스템의 열역학적 효율 한계와 분석수전해와 연료전지로 구성된 Power-to-Power(P2P) 시스템의 이론적 효율 한계는 각 구성요소의 열역학적 제약으로부터 도출됩니다. 수전해 과정에서 물의 분해는 ΔH° = 285.8 kJ/mol(고발열량 기준)의 엔탈피 변화를 가지며, 이상적인 전기화학적 전압은 1.229 V입니다. 그러나 실제 시스템에서는 활성화 과전압, 옴 손실, 농도 과전압으로 인해 1.8-2.2 V의 전압이 필요하며, 이는 현실적인 수전해 효율을 65-80% 범위로 제한합니다. 연료전지 모드에서는 역반응이 일어나며, 이론적 개방회로 전압(OCV)은 1.229 V이지만 실제 운전 전압은 0.6-0.8 V에 불과합니다. 이는 cathode에서의 산소환원반응(ORR) 과전압.. 연료전지 스택의 체결압력이 성능과 내구성에 미치는 영향 체결압력과 접촉저항 간의 전기기계학적 상관관계연료전지 스택에서 체결압력(clamping pressure)은 모든 구성 부품 간의 전기적 접촉을 확보하고 기체 누설을 방지하는 핵심 운전 변수입니다. 접촉저항(contact resistance)과 압력 사이의 관계는 Hertzian contact theory와 percolation theory의 조합으로 설명되며, 일반적으로 R_contact ∝ P^(-n) (n = 0.5-0.8)의 power law를 따릅니다. PEMFC 스택에서 전형적인 압력 범위인 0.5-2.0 MPa에서 bipolar plate와 GDL(Gas Diffusion Layer) 사이의 접촉저항은 10-100 mΩ·cm² 범위에 있으며, 압력이 2배 증가할 때 접촉저항은 약 30-40% .. 알칼리 연료전지용 비백금 산소환원 촉매의 활성점 설계 알칼리 환경에서 산소환원반응 메커니즘과 활성점 요구조건알칼리 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC)에서 산소환원반응(ORR)은 O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ (E° = 0.401 V vs. SHE)의 경로를 따르며, 산성 환경과는 근본적으로 다른 반응 메커니즘을 보입니다. 알칼리 조건에서는 OH⁻ 이온의 높은 농도로 인해 수소결합 네트워크가 강화되고, 이는 O-O 결합 절단과 중간체 안정화에 유리한 환경을 제공합니다. 또한 알칼리 환경에서 대부분의 금속 산화물들이 전기화학적으로 안정하므로, 산성 환경에서 사용하기 어려운 다양한 비백금 촉매들의 활용이 가능합니다. ORR의 반응 경로는 4전자 직접 환원(O₂ → OH⁻)과 2전자 단계별 환원(O₂ → HO₂⁻ → OH⁻)으로 구.. 고체산화물 연료전지(SOFC) 음극재의 탄소 침적 저항성 개선 탄소 침적 반응 메커니즘과 열역학적 구동력 분석고체산화물 연료전지에서 탄소 침적은 탄화수소 연료의 열분해로 인해 발생하는 가장 심각한 음극 열화 현상입니다. 주요 탄소 형성 반응은 메탄 크래킹 반응(CH₄ → C + 2H₂, ΔH° = +75 kJ/mol), Boudouard 반응(2CO → C + CO₂, ΔH° = -171 kJ/mol), 그리고 CO 불균등화 반응(CO + H₂ → C + H₂O, ΔH° = -131 kJ/mol)으로 분류됩니다. 이러한 반응들의 열역학적 평형은 온도와 기체 조성에 의해 결정되며, 특히 800-1000°C의 SOFC 운전 온도에서 메탄 분해가 thermodynamically favorable해집니다. Ellingham diagram 분석에 따르면 니켈 표면에서 탄소.. 직접메탄올 연료전지(DMFC)의 메탄올 크로스오버 억제 기술 메탄올 크로스오버 현상의 물리화학적 메커니즘직접메탄올 연료전지에서 메탄올 크로스오버는 연료인 메탄올이 양성자 교환막을 통해 음극에서 양극으로 투과되는 현상으로, 이는 DMFC의 성능을 크게 제한하는 주요 문제입니다. 크로스오버의 주된 구동력은 농도 구배에 의한 확산(diffusion)과 전기삼투(electroosmosis)이며, 이 두 메커니즘의 상대적 기여도는 운전 조건과 막의 특성에 따라 달라집니다. Fick's first law에 따르면 메탄올 플럭스는 J = -D(dC/dx)로 표현되며, 여기서 D는 막 내에서의 메탄올 확산계수, dC/dx는 농도 구배입니다. Nafion과 같은 perfluorinated 막에서 메탄올의 확산계수는 온도와 수화도(hydration level)에 크게 의존합니다. .. 고온 PEMFC용 폴리벤즈이미다졸 전해질막의 인산 도핑 최적화 폴리벤즈이미다졸의 분자구조와 인산 상호작용 메커니즘폴리벤즈이미다졸(Polybenzimidazole, PBI)은 방향족 heterocyclic polymer로서 벤즈이미다졸 고리의 질소 원자를 통해 강산과 산-염기 상호작용을 형성할 수 있는 독특한 구조적 특성을 가지고 있습니다. PBI 분자 내의 이미다졸 질서(imidazole ring)는 두 개의 질소 원자를 포함하고 있으며, 이 중 하나는 수소와 결합된 NH기(pyrrole-type nitrogen)이고 다른 하나는 lone pair를 가진 N기(pyridine-type nitrogen)입니다. 이러한 amphoteric 특성으로 인해 PBI는 산성 환경에서 protonation되어 이온 전도성을 발현할 수 있습니다. 인산(H₃PO₄)과 PBI 사.. 마이크로 슈퍼커패시터 제조를 위한 레이저 스크라이빙 공정 파라미터 레이저 스크라이빙 기술의 원리와 마이크로 슈퍼커패시터 응용레이저 스크라이빙(Laser Scribing)은 집속된 레이저 빔을 이용하여 기판 표면에 정밀한 패턴을 형성하는 직접 가공 기술로, 마이크로 슈퍼커패시터의 평면형 전극 구조 제작에 혁신적인 접근법을 제공합니다. 이 기술은 레이저 빔과 재료 간의 광열적(photothermal) 상호작용을 통해 국부적인 물질 제거나 특성 변화를 유도하며, 기존의 포토리소그래피 공정 대비 마스크리스(maskless) 공정으로 신속한 프로토타이핑과 비용 절감이 가능합니다. 마이크로 슈퍼커패시터에서 레이저 스크라이빙의 핵심은 그래핀 옥사이드(GO)나 금속 산화물 전구체를 환원시켜 전도성을 부여하면서 동시에 정밀한 패턴을 형성하는 것입니다. CO₂ 레이저(10.6 μm).. 이전 1 2 다음
