아연이온(Zn²⁺)은 금속인 아연의 전자 이동으로 설명할 수 있다. 염산이나 황산 등의 산에 아연과 같은 금속을 넣으면 금속이 녹으면서 수소 기체가 발생한다.
Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑
위의 반응은 금속인 아연(Zn)이 전자 2 개를 내놓으면서 아연 이온(Zn²⁺)으로 변한다. 염산 용액에 녹아 있던 수소 이온(H⁺)이 이 전자를 받아 수소 기체(H₂)로 변하기 때문에 일어난다. 이와 같이 아연이 전자를 잃고 산화되면서 아연이온이 된다. 반면 수소 이온은 환원되어 수소 기체가 된다.
Zn → Zn2+ + 2Θ
2H+ + 2Θ → H2↑
그리고 염화 이온은 반응 전이나 후에 아무런 변화가 없기 때문에 산화도 환원도 되지 않는다.[1]
아연이온 배터리[편집]
아연 이온 이차전지는 물 기반의 전해질을 사용하기 때문에 폭발위험이 없어 리튬이온배터리를 대체할 유력한 후보 가운데 하나이다.
아연이온 배터리는 아연금속을 음극으로 하는 배터리이다. 기존의 아연이온 배터리는 물 기반 전해질에서 지속적으로 부식되는 문제가 있었다. 또한, 아연 이온이 금속 표면에 저장될 때, 나뭇가지 형태의 결정(덴드라이트)으로 쌓여 전극 간의 단락을 일으켜 효율이 급격하게 저하된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 아연금속을 복합화하거나 표면코팅, 형상 변형등 다양한 연구가 시도되고 있으나 공정비용과 시간의 소모가 큰 한계가 있었다.
KIST 이중기 박사팀은 금속전극 표면에 전류를 반복적으로 흐르게 했다가 차단하는 싸이클 양극산화공법을 개발해 아연금속의 산화막 표면코팅과 형상을 동시 제어에 성공했다. 이 공법을 통해 아연금속 표면에 육각뿔 피라미드가 배열된 형상을 형성시켜 전기화학 반응 중에 덴드라이트의 발생을 원천적으로 억제했다. 싸이클 양극산화공법에 의하면 육각뿔 피라미드 형상의 윗부분은 두껍게 측면 부분은 얇게 산화아연으로 덮여있다. 이와 같은 두께편차는 아연 금속이 상대적으로 산화아연이 얇은 측면에 쌓이도록 유도한다. 덴드라이트는 금속 표면에 수직 방향으로 쌓이기 때문에 문제가 되는데 전극 표면에 수평 방향으로 아연금속막이 자라게 하는 본 기술은 덴드라이트 생성을 효과적으로 억제할 수 있었다. 또한, 표면에 형성된 산화아연막은 전해질과 직접 접촉하는 것을 차단함으로써 부식을 방지할 수 있다.
개발된 아연금속 이차전지는 구조적, 전기화학적인 안정성으로 인해 상당한 가혹 조건(9,000mA/g, 약 2분 만에 총 용량의 완전충전 및 방전)으로 충·방전을 지속해도 1,000 사이클 동안 100%에 가깝게 용량을 유지했다.[2]
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
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