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세은 돈
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1 Chap. 4 Environment / Energy Tech. Advanced Materials and Future Technology

Humanity s Top Ten Problems for next 50 years 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

2 Humanity s Top Ten Problems for next 50 years ENERGY WATER FOOD ENVIRONMENT POVERTY TERRORISM & WAR DISEASE EDUCATION DEMOCRACY POPULATION ~ 10 Billion People Billion People Prof. Richard E. Smalley1996 Nobel Prize Winner in Chemistry

3 When the oil runs out J. Rifkin, Hydrogen Economy E Magazine (2003) 석유생산최고점이빠르면 2010 년에도달예정 천연가스생산량도 년에최고점에도달예정, 2010 년경석유위기후에곧바로 2 차에너지위기초래할가능성높음석유는 년, 천연가스는 에생산량이정점에이름 (SERI, CEO Information 432 호, 2003) 중국과인도에의한석유소비증가에따른석유고갈가속화 2010 년에 Oil Peak 에도달할경우, 공급이수요를충족하지못하게되어기록적고유가시대도래가능성

4 When the oil runs out 화석연료의고갈 지속가능발전을견인할 국산에너지 의중요성증대세계에너지시장의불안정심화중동지역정정불안, OPEC의시장지배강화등으로고유가상황고착화전망온실가스감축부담의본격화 EU의배출권거래제도 (ET) 시행 ( 05.1월) 등본격적인환경경제시대도래 신재생에너지부상신재생에너지의비고갈성, 환경성, 기술성등의특징자원고갈, 환경오염등화석에너지체제의한계에대한극복대안거대한산업으로급부상하고있는신에너지시장에서국가경쟁력획득 환경비용을최소화할수있는청정에너지의관심고조

5 PRIMARY ENERGY SOURCES Alternatives to Oil Conservation / Efficiency -- not enough Hydroelectric -- not enough Biomass -- not enough Wind -- not enough Wave & Tide -- not enough Natural Gas -- sequestration?, cost? Clean Coal -- sequestration?, cost? Nuclear Fission -- radioactive waste?, terrorism?, cost? Nuclear Fusion -- too difficult?, cost? Geothermal HDR -- cost? Solar terrestrial -- cost? Solar power satellites -- cost? Lunar Solar Power -- cost? Prof. Richard E. Smalley1996 Nobel Prize Winner in Chemistry

6 Enabling Nanotech Revolutions Photovoltaics -- a revolution to drop cost by 10 to100 fold. H 2 storage -- a revolution in light weight materials for pressure tanks, and/or a new light weight, easily reversible hydrogen chemisorption system Fuel cells -- a revolution to drop the cost by nearly 10 to 100 fold Batteries and supercapacitors -- revolution to improve by x for automotive and distributed generation applications. Photocatalytic reduction of CO 2 to produce a liquid fuel such as methanol. Super-strong, light weight materials to drop cost to LEO, GEO, and later the moon by > 100 x, and to enable huge but low cost light harvesting structures in space. Robotics with AI to enable construction/maintenance of solar structures in space and on the moon; and to enable nuclear reactor maintenance and fuel reprocessing. (nanoelectronics, and nanomaterials enable smart robots) Actinide separation nanotechnologies both for revolutionizing fission fuel reprocessing, and for mining uranium from sea water Alloy nanotechnologies to improve performance under intense neutron irradiation (critical for all of the GEN IV advanced reactor designs, and for fusion). Thermoelectrics or some other way of eliminating compressors in refrigeration. Prof. Richard E. Smalley1996 Nobel Prize Winner in Chemistry

7 Clean Energy 전지 (Battery) 연료전지 (Fuel Cell) 태양전지 (Photovoltaic Cell)

8 Electrochemical Energy Storage Devices

9 Electrochemical Energy Storage Devices

10 Electrochemical Energy Storage Devices

11 이차전지의시장및전망

12 IT 기기기술 trend

13 전지 (Battery) 전지는화학적반응으로부터전기에너지를만드는에너지저장매체 (electrochemical energy storage device) 이다. 1 차전지 (Primary battery) 한번사용하면다시사용할수없는전지예 ) 건전지, 알칼리전지, 산화은전지, 리튬전지 2 차전지 (Secondary battery) 사용한후외부전원에연결하여충전함으로써다시사용할수있는전지예 ) 납축전지, 니켈 - 카드뮴전지, 리튬충전지등

14 전지 (Battery) 다니엘전지알칼리전지납축전지 Ni-MH 전지 리튬이온전지

15 Daniel 전지 Daniel cell reactions Reduction of Cu 2+ Cu 2+ (aq) + 2e - = Cu(s) E o = 0.34V Oxidation of Zn Zn(s) = Zn 2+ (aq) + 2e - E o = -0.76V Overall reaction Cu 2+ (aq) + Zn(s) = Cu(s) + Zn 2+ (aq) Daniel 전지는 1836 년만들어졌으며기존의 acid 를사용한 Volta 전지를개량한것으로 gas 발생이현격히줄어든장점이있으나 cell voltage(1.1v) 가낮아서현재는쓰이지않는다.

Cathodic reaction 2MnO 2 + 2H 2 O + 2e - = 2MnOOH + 2OH - Anodic reaction Zn + 2OH -

16 알칼리전지 (Alkaline battery) Lalande 와 Chaperon 이 1881 년에특허를냄 년에최초로상용화된 alkaline battery 가만들어졌으며 1970 년후반부터쓰이기시작하였다. 기존의건전지에비해 3 배의용량을가지고있다. Cathodic reaction 2MnO 2 + 2H 2 O + 2e - = 2MnOOH + 2OH - Anodic reaction Zn + 2OH - = Zn(OH) 2 + 2e - Electrolytes Zn(OH) 2 + 2OH - = [Zn(OH) 4 ] 2- Overall reaction Zn + 2MnO 2 = ZnO + Mn 2 O 3

17 납축전지 (Lead acid battery) Plante 에의하여 1860 년에만들어졌으며최초의 secondary battery 이다. Cell voltage 가 2V 로높다. 대표적인 SLI (starting, Lighting, Ignition) battery 이며고용량전지이나무거워서 energy density 가낮다. Cathodic reaction PbO 2 + 4H + + SO e - PbSO 4 + 2H 2 O Anodic reaction Pb + SO 4 2- PbSO 4 + 2e - Overall reaction PbO 2 + Pb + 4H + + SO 4 2- = 2PbSO 4 + 2H 2 O

Ni-MH 전지 1980 년대후반에처음만들어졌으며 Matsushita 회사에의하여처음상용화되었다. Ni-Cd 전지와유사하나 anode 의 Cd 대신수소를흡탈착할수있는합금을사용하였다. Ni-Cd 에비하여 2-3 배의용량을가지며 memory effect 가많지않다.

18 Ni-MH 전지 1980 년대후반에처음만들어졌으며 Matsushita 회사에의하여처음상용화되었다. Ni-Cd 전지와유사하나 anode 의 Cd 대신수소를흡탈착할수있는합금을사용하였다. Ni-Cd 에비하여 2-3 배의용량을가지며 memory effect 가많지않다. Cathodic reaction 2NiO(OH) + 2H + + 2e - = 2Ni(OH) 2 Anodic reaction Mm-H +OH - = 2H 2 O + Mm + e - Anode material: AB 5 A: rare earth mixture (lanthanum, cerium, neodymium, praseodymium) B: nickel, cobalt, manganese, aluminum

Memory effect 가없고경량이므로 Mobile electronic device 에많이쓰이고있음.

19 리튬이온전지 (Li ion battery) 1960 년대 NASA 에서우주개발전원의사용목적으로개발. Li 는가벼우면서높은전압을구현할수있으나높은전압으로인하여수용액을전해질로사용할수없다. 고분자전해질을사용하여전해질문제를해결. Memory effect 가없고경량이므로 Mobile electronic device 에많이쓰이고있음. Cathodic reaction LiCoO 2 Li 1-x CoO 2 + xli + + xe - Anodic reaction xli + + xe - + 6C LixC 6

20 리튬이온전지 (Li ion battery) 리튬이온전지의종류및구조 원형 각형 폴리머

21 리튬이온전지 (Li ion battery) 리튬이온전지의충전과방전 외부힘 ( 충전기 ) 에의해전자는도선을통해, 전자를잃은리튬이온은전해질을통해양극 음극으로이동하여음극활물질 (Carbon) 의층구조사이에저장 전자는도선을통해, 전자를잃은리튬이온은전해질을통해음극 양극으로이동

22 리튬이온전지의장점 리튬이온전지 (Li ion battery)

23 자동차용배터리 Total HEV/EV Battery Market: Unit Shipment and Revenue Forecasts (World)

Report, Global Insight, 2004 The Hydrogen Economy:

24 친환경자동차시장전망 마차 : BC 3000 Benz :1886 T-Ford : 1913 Tuscon : 2004? Source : Automotive World Car Industry Forecast Report, Global Insight, 2004 The Hydrogen Economy: Opportunities, Costs, Barriers, and R&D Needs, The National Academies, 2004

25 하이브리드자동차란? 2 가지이상의동력원 ( 엔진및전동기 ) 을사용하는자동차 - 저공해 ( 가솔린대비 50%), 고연비 ( 가솔린대비 2 배 ), 기존인프라사용 (30%) Battery - 고출력밀도, 긴사이클수명 - Ni/MH 상용화, Li계개발중 Engine - 고출력, 고효율, 저공해 - 가솔린직접분사엔진 Motor&Controller - 고온특성, 경량화 - 고성능 BLDC Super Capacitor - 고효율, 저비용, 에너지개선 - 전기이중층캐패시터 (EDLC) Transmission - 엔진, 모터최적동력분배 - 유성기어장치, 무단변속기

26 하이브리드자동차의작동원리

27 하이브리드자동차의작동원리

28 하이브리드자동차의작동원리

29 자동차용리튬이온배터리 xev 전차종에적용가능한고출력 / 고용량각형리튬이온전지 (SB LiMotive)

30 슈퍼캐패시터 (Super capacitor) 슈퍼캐패시터 (supercapacitor) 는 EDLC (electrochemical double layer capacitor) 라고도불리우며기존의캐패시터의수천배이상의 energy density 를가지고있다. Energy density 는 Li 전지보다낮으나충 방전이빨리일어난다. 고속충방전이가능하므로용량을늘려서전기자동차, hybrid car 등에적용하는연구가진행되고있다. 디지털카메라 (NIKON)

High Power Density of Electrochemical Capacitors On demand, supercapacitors store less charge than batteries but can supply it more quickly, making ideal for

31 High Power Density of Electrochemical Capacitors On demand, supercapacitors store less charge than batteries but can supply it more quickly, making ideal for hybrid cars. Science, 313 (2006) 902 Supercapacitor : Supplementary Energy Storage Device - Energy Saving by Regenerative Braking - Load Leveling for Peak Power

32 Main Features of Batteries and Electrochemical Capacitors Prof. K. Naoi, TUAT, Capacitor World Summit, 2007

33 Main Features of Batteries and Electrochemical Capacitors 초고용량커패시터 모바일 리튬이온전지 자동차 수명 15 년 3~5 년 10 년 ( 목표 ) 에너지밀도 5~50 Wh/L 400Wh/L 120 Wh/L ( 목표 ) 파워밀도 1~15kW/L 0.1 kw/l 3.6 kw/l 충, 방전 cycle 수명 500,000 회이상 1,000 회 300,000 회 급속충방전 C-rates>1000 C-rates <1C C-rates <100C 완전방전가능열화의원인 사용온도범위 -30~65 o C -10~65 o C 안전성 고장진단 발연발화의위험성적음과충전에의한위험성적음 전압, 전류감시에의해진단가능 발연발화의위험성있음과충전방지대책필요 예측곤란

34 Electrochemical Capacitor vs. Li Secondary Batteries A s ma h Electrochemical Capacitor Li secondary Battery

35 Fuel Cell 연료전지에관한한 미 일 3 국의개발의지

36 Hydrogen Oxygen Fuel Cell Fuel Cell Electricity Heat Water

37 Fuel Cell Power Plant Thermoelectric Power Plant Chemical Energy Thermal Energy Mechanical Energy Electrical Energy Fuel Cell Power Plant Chemical Energy Electrical Energy

38 Fuel Cell Fuel Cell Power Plant 장점 버너보일러터빈발전기 높은에너지효율 (40% 이상, CHP 경우 80% 이상 ) 환경오염이적음 (NOx 및 SOx 무배출 ) 화석연료의의존성이적음소음이적음 ( 기계적 Moving Part 부재 ) 이동이자유로움 ( 설치장소의제약이적음 ) 폐열활용이가능함 ( 열병합발전 ) 화학에너지 열에너지 기계에너지 전기에너지 손실 손실 기존화력발전방식 단점 초기설치비용의경제성문제 (Target : RPG $400/kW, Vehicle $45/kW) 기술적신뢰성및내구성문제수소공급, 저장등인프라구축문제 화학에너지 연료전지발전방식 전기에너지

39 Pollution and climate change Growing needs for higher capacity portable powers Dramatic growth in world energy use Depletion of oil, natural gas and coal

40 Basic Principles H H H H O O H H H + e O O 2- H + e H + H + O 2- H H H H e e e e Anode H + H + e O O H + H + e H + H + e H + e H + H + O 2- Electrolyte Cathode H + O 2-H+ H + Anode : H 2 = 2H + + 2e - Cathode : 1/2 O 2 + 2H + + 2e - = H 2 O Overall : H 2 + 1/2O 2 = H 2 O, E o = 1.2V

41 Fuel Cell vs. Battery Fuel Cell Battery H H H H e e e e H + H + e O O H + H + e H + H + e H + O e 2- H + H + H + H + H + Energy Conversion O 2- eli eli Li + Li + Li + Li + e Li e Li eli eli Li + Li + Li + Li + e Li e Li Energy Storage

42 Structure : Porous Electrode H + H 2 O 2 e Catalyst particle Electrolyte Porous Electrode Electrochemical reaction sites Path for electronic movements Separation of electrolyte and gas flow

43 Structure : Electrolyte H + H 2 O 2 e Electrolyte Electrolyte Path for ionic movements Barrier for electronic movements Separation of fuels and oxygen Types Polymer electrolyte (PEMFC, DMFC) Molten carbonate (MCFC) Solid oxide (SOFC) Phosphoric acid (PAFC) Alkaline (AFC)

Structure : Separator Current (i) Electrolyte

Separation of fuels and oxygen Electronic conductor &

44 Structure : Separator Current (i) Electrolyte Separator End Plate Separator Anode Cathode Electrolyte Separator (current collector, bipolar plate) Electric connection of single cells in a series Separation of fuels and oxygen Electronic conductor & gas impermeability Distribution of reactant gases / Removal of reaction products

45 Construction Electrode and Electrolyte Separator 7 kw 100-cell PEMFC Stack 7 kw 100-cell Stack Electrode and Electrolyte Separator MCFC Stack

46 Types of Fuel Cell

47 Types of Fuel Cell 인산염연료전지 (PAFC) -제1세대연료전지 -전해질로액체인산염사용하고탄화규소 (SiC) 매트릭스에함침시켜사용 -저온 (170~220 o C) 에서작동 -전해질내에수소이온이이동 -음극, 양극반응은앞의기본연료전지구조와동일 인산염연료전지 알칼리연료전지 (AFC) -전해질로알칼리 (KOH) 용액 -저온 (100 o C 이하 ) 에서작동 -전극반응을촉진을위해비싼전극물질이요구, 순수한수소와산소를사용하여고비용 -전해질내에수산화이온 (OH - ) 이이동 알칼리연료전지

Types of Fuel Cell 고분자연료전지 (PEMFC) -주로자동차용연료전지 -수소이온이 1백 ~2백 m 두께의고분자전해질막 (membrane) 통과해전기발생 -저온 (100 o C 이하 ) 에서작동 -수소이온이전해질을통과하고, 인산염연료전지와같은화학반응 고분자연료전지

48 Types of Fuel Cell 고분자연료전지 (PEMFC) -주로자동차용연료전지 -수소이온이 1백 ~2백 m 두께의고분자전해질막 (membrane) 통과해전기발생 -저온 (100 o C 이하 ) 에서작동 -수소이온이전해질을통과하고, 인산염연료전지와같은화학반응 고분자연료전지 메탄올연료전지 (DMFC) -일종의고분자연료전지로 150 o C 이하에서작동 -촉매를사용하여액체메탄올로부터수소를추출 -다량의백금촉매사용 -수소이온이전해질을통과 CH 3 OH H 2 O CO 2 e - H + e - O 2 H 2 O anode cathode polymer membrane 메탄올연료전지

49 Types of Fuel Cell 용융탄산염연료전지 -제2세대연료전지 -탄산리튬, 탄산나트륨, 탄산칼륨을고온에서용융 ( 액체상태 ) 시켜다공질세라믹에함침시켜전해질로사용 -탄산염이온 (CO 2-3 ) 이전해질을통과해서연료전극의수소와반응 -650 o C의고온에서작동 전극반응을위한백금촉매가불필요 순수한수소외에도일산화탄소, 천연가스, 프로판가스등의저렴한가스를연료로사용

50 Types of Fuel Cell 고체산화물연료전지 -제3세대연료전지 o C의고온작동하며산소이온 (O 2- ) 이전해질을통과하여연료전극의수소와반응 -고온에잘견디는세라믹재료 ( 주로, 안정화지르코니아 : yittria stabilized zirconia) 가전해질과전극으로사용 -고온작동이므로촉매가불필요 + 여러종류의연료를사용가능

51 Efficiency of Fuel Cells SOFC Efficiency (%) PEMFC PAFC MCFC Solar Cell ,000 10, ,000 Power (kw)

52 Applications 휴대용수백 W 이하 가정용 3 kw 수송용 75 kw 발전용 250 kw 이상 응용분야 대상연료전지 DMFC PEMFC SOFC MCFC SOFC 수소에너지 수소저장기술 ( 고압수소, 액체수소, CNT, 화학수소화물 ) 수소생산기술 ( 화석연료 / 신재생에너지 ) 수소인프라구축 ( 수소스테이션 )

53 수송용 PEMFC 7 kw PEMFC/Battery Hybrid Car (KIST, 2000) 75 kw PEMFC Vehicle (HMC, 2002)

54 DB 정치형 PEMFC 가정용 PEMFC (Ballard, H-Power, Plug Power) 250kW 발전용연료전지 (Poscopower), 5 kw 가정용 PEMFC (CETI- KIER)

55 휴대용 PEMFC Ballard, Casio, Fraunhofer Samsung, Toshiba

56 Other applications of Fuel Cells 가정용연료전지 하이브리드 ( 연료전지 + 배터리 ) 무인헬기 (KIST, 2009) 수소연료전지핸드폰

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Microsoft PowerPoint - energy_materials( ) [호환 모드] Types of Fuel Cell Types of Fuel Cell 인산염연료전지 (PAFC) -제1세대연료전지 -전해질로액체인산염사용하고탄화규소 (SiC) 매트릭스에함침시켜사용 -저온 (170~220 o C) 에서작동 -전해질내에수소이온이이동 -음극, 양극반응은앞의기본연료전지구조와동일 인산염연료전지 알칼리연료전지 (AFC) -전해질로알칼리 (KOH) 용액