이온전도도

이온전도도(Ionic conductivity)는 물질의 이온전도 경향을 나타내는 척도이다. λ로 표시한다. 이것은 고체 또는 수용액의 결정 격자의 결함을 통해 한 부위에서 다른 부위로 이온의 이동을 포함한다.

이온전도는 전류의 한 메커니즘이다. 고체에서는 이온이 결정 격자의 고정 위치에 위치하여 움직이지 않는다. 그러나 이온전도는 특히 온도가 상승할 때 발생할 수 있다. 이 특성을 나타내는 재료는 배터리에 사용된다. 잘 알려진 이온전도성 고체는 산화 알루미늄의 한 형태인 βʺ-알루미나("BASE")이다. 이 세라믹이 Na⁺와 같은 이동 이온과 착물을 형성하면, 그것은 소위 급속 이온전도체로 작용한다. BASE는 여러 유형의 용융염 전기화학 전지에서 막(membrane)으로 사용된다.

역사

고체의 이온전도는 19세기 초부터 관심의 대상이 되어 왔다. 1839년 마이클 패러데이에 의해 silver sulfide(Ag₂S), lead(II) fluoride(PbF₂)과 같은 무기 고체 전해질이 최초로 발견되었다.

1921년, 고체 요오드화은(AgI)은 147°C 이상의 온도에서 매우 높은 이온전도도를 가진 것으로 밝혀졌으며, AgI는 약 1-1cm⁻¹의 이온전도도을 갖는 상으로 변한다. AgI의 이 고온 단계는 초이온 전도체의 한 예이다. 이 고체의 흐트러진 구조는 Ag⁺ 이온을 쉽게 움직일 수 있게 한다. 이온전도도에 대한 현재 기록 보유자는 관련 물질 Ag₂Hg₁₄이다. β'-알루미나는 나트륨-황 배터리를 개발하는 동안 전기 자동차 저장 장치를 찾기 위해 포드자동차 회사에서 개발되었다.

1970년대 이온을 전도할 수 있는 최초로 발견된 유기 고체 고분자 전해질은 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide)였다. 그러나 전기-화학 인터페이스 영역에서 고체 전해질 전지의 동작을 완전히 이해해기 위해서는 몇 가지 해결되지 않는 문제가 남아 있었다(고체상태이기 때문에 액체상태보다 전기전도도가 낮은 한계 등). 최근 몇년 동안 리튬이온 배터리의 안정성 문제와 성능 개선의 필요성은 고체 전해질 전지의 연구와 상용화를 더욱 가속 시키게 되었다.

2020년 3월, 삼성종합기술원(SAIT)에서 처음으로 1,000Wh L⁻¹에 근접한 에너지 밀도 900Wh L⁻¹와 1,000번이상 안정적인 반복 사용이 가능한 all-solid-state battery(ASSB)인 argyrodite-based(은·게르마늄·유황을 함유한 광석) 고체 전해질 전지를 발표하였다. 전고체 배터리 상용화 관건은 액체만큼 이온전도도가 좋은 고체를 찾는 것이다. 황화물계 고체는 지금껏 나온 고체 전해질 중 가장 이온전도도가 좋아 전해질로 유망한 물질이다.

유리, 중합체, 나노복합체, 결함 있는 결정체, 그리고 다른 흐트러진 고체와 같은 흐트러진 고체의 이온전도는 기술에서 중요한 역할을 한다.

염 농도에 따른 이온전도도

이온전도도는 이론적으로 이온의 농도, 전하량, 전하의 이동도에 비례하여 증가하게 된다. 여기서 이온의 농도는 전지에서는 전해질의 염 농도로 볼 수 있으며, 기본적으로 염의 농도가 짙을수록 전하를 전달할 수 있는 능력이 커지게 되어 이온전도도가 증가하게 될 것이다.

실제로도 이온농도 증가에 따라 이온전도도는 비례하게 증가하게 된다. 하지만 일정 농도 이상의 염이 존재하게 되면 이동도는 감소하게 된다. 이러한 이유는 두가지로 볼 수 있다. 첫번째로, 이완효과이다. 전도도 측정을 위하여 우리는 외부전기장을 가하게 된다. 외부전기장에 반응하여 전해질의 양이온과 음이온은 이동하게 될 것이다. 양이온은 음전극으로 음이온은 양전극으로 이동한다. 이러한 거동을 하면서, 양이온들은 양이온 분위기를 형성하게 되고 음이온은 음이온 분위기를 형성하게 되어 또 다른 전기장인 Erelaxation 을 형성하게 된다. 이 전기장은 외부전기장에 반하는 방향으로 생성된다. 이 전기장으로 인해 이온들은 원래의 방향으로의 이동에 방해를 받게 될 것이다. 이는 이온의 농도가 증가하고 이온 세기가 증가할수록, 이온간 정전기적 상호작용이 증가하게 되어 더 강한 이완전기장을 형성하게 되어 염 농도 증가에 따라 이온전도도가 감소하게 되는 것이다. 두번째로, 전기이동효과이다. 전기이동효과는 염 농도 증가에 따른 점도의 증가로 이온의 이동도가 감소하게 되어 이온전도도가 감소하는 현상이다. 따라서 전해질 농도를 적정하게 조절하여야 염의 이동도 및 이동속도가 증가하여 전도성이 증가할 것이다.

참고자료

• "Ionic conductivity (solid state)", Wikipedia

같이 보기

• 이온
• 이온전도
• 전기전도도
• 전해질

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