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열갈바닉 전지
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전기화학에서 열갈바니 전지(영어: Thermogalvanic cell)는 열을 직접 전력으로 전환하는 갈바니 전지의 일종이다.[1][2] 이 전지는 두 전극이 의도적으로 다른 온도로 유지되는 화학 전지이다. 이러한 온도 차이는 전극 사이에 전위차를 생성한다.[3][4] 전극은 동일한 구성일 수 있으며 전해질 용액은 균질할 수 있다. 이는 보통 이들 전지에서 흔히 볼 수 있는 경우이다.[5] 이는 전극 및 용액의 구성이 달라 기전력을 제공하는 갈바니 전지와 대조적이다. 전극 사이에 온도 차이가 있는 한 회로를 통해 전류가 흐를 것이다. 열갈바니 전지는 농담전지와 유사하다고 볼 수 있지만, 반응물의 농도/압력 차이로 작동하는 대신 열 에너지의 "농도" 차이를 활용한다.[6][7][8] 열갈바니 전지의 주요 응용 분야는 저온 열원(폐열 및 태양열 발전)으로부터 전기를 생산하는 것이다. 열을 전기로 변환하는 에너지 효율은 0.1%에서 1% 범위로 낮다.[7]
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역사
갈바니 전지에 열을 이용하는 연구는 1880년경 처음 시작되었다.[9] 그러나 이 분야에 대한 본격적인 연구는 1950년대에 들어서야 이루어졌다.[3]
작동 원리
열갈바니 전지는 일종의 열기관이다. 궁극적으로 그 작동 원동력은 고온원에서 저온 싱크로의 엔트로피 전달이다.[10] 따라서 이 전지들은 전지 내 서로 다른 부분 사이에 설정된 열 구배 덕분에 작동한다. 화학 반응속도론과 화학 반응의 엔탈피는 온도에 직접적으로 의존하기 때문에 전극의 온도가 다르면 화학 평형 상수가 달라진다. 이는 뜨거운 쪽과 차가운 쪽에서 화학 평형 조건이 불균등하다는 것을 의미한다. 열전지는 균질한 평형에 접근하려고 시도하며, 이 과정에서 화학종과 전자의 흐름을 생성한다. 전자는 저항이 가장 적은 경로(외부 회로)를 통해 흐르므로 전지에서 전력을 추출할 수 있다.
종류
다양한 열갈바니 전지는 용도와 특성에 따라 구성되었다. 일반적으로 각 특정 유형의 전지에 사용되는 전해질에 따라 분류된다.
수성 전해질
이 전지에서 전극 사이의 전해질은 어떤 염 또는 친수성 화합물의 수용액이다.[5] 이 화합물들의 필수적인 특성은 전지 작동 중에 전극 간 전자를 셔틀하기 위해 산화환원 반응을 겪을 수 있어야 한다는 것이다.
비수성 전해질
전해질은 물과 다른 용매의 용액이다.[5] 메탄올, 아세톤, 디메틸 술폭사이드 및 디메틸 포름아미드와 같은 용매가 황산구리로 작동하는 열갈바니 전지에서 성공적으로 사용되었다.[11]
용융염
이 유형의 열전지에서 전해질은 비교적 낮은 융점을 가진 일종의 염이다. 이들의 사용은 두 가지 문제를 해결한다. 한편으로 전지의 온도 범위가 훨씬 더 넓다. 이는 전지가 뜨거운 쪽과 차가운 쪽 사이의 차이가 클수록 더 많은 전력을 생산하므로 장점이다. 다른 한편으로 액체 염은 전지를 통해 전류를 유지하는 데 필요한 음이온과 양이온을 직접 제공한다. 따라서 용융된 염 자체가 전해질이므로 추가적인 전류 운반 화합물은 필요하지 않다.[12] 일반적인 고온원 온도는 600~900K 사이지만 최대 1730K에 달할 수도 있다. 저온 싱크 온도는 400~500K 범위이다.
고체 전해질
전극을 연결하는 전해질이 이온성 물질인 열전지도 고려되고 구성되었다.[5] 액체 전해질에 비해 온도 범위도 높다. 연구된 시스템은 400~900K 범위에 속한다. 열갈바니 전지를 구성하는 데 사용된 일부 고체 이온성 물질은 아이오딘화은, PbCl2 및 PbBr2이다.
용도
열갈바니 전지의 주요 응용 분야는 잉여 열을 사용할 수 있는 조건에서 전기를 생산하는 것이다. 특히 열갈바니 전지는 다음 분야에서 사용되고 있다.
태양 에너지
이 과정에서 수집된 열은 증기를 생성하며, 이는 기존 증기 터빈 시스템에서 전기를 만드는 데 사용될 수 있다. 가정용 또는 상업용 건물에서 공기 또는 물 가열에 사용되는 저온 태양열 시스템과 달리, 이러한 태양열 발전소는 고온에서 작동하며, 집중된 햇빛과 넓은 집열 면적을 필요로 하므로 모로코 사막이 이상적인 장소이다.
이는 햇빛으로부터 전기를 생산하는 보다 널리 사용되는 "광전" 기술에 대한 대안적인 접근 방식이다. 광전 시스템에서는 햇빛이 광전 장치(일반적으로 태양 전지라고 불림)에 흡수되고 에너지가 재료 내 전자로 전달되어 태양 에너지를 직접 전기로 변환한다. 때로는 태양열 발전과 광전지가 경쟁 기술로 묘사되지만, 특정 부지에 대한 방향을 결정할 때 그럴 수도 있지만, 일반적으로 이들은 상호 보완적이며 태양 에너지를 가능한 한 광범위하게 사용한다.
열 발생기
폐열원
열갈바니 전지는 온도 구배가 100℃ 미만일 때도(때로는 수십 도에 불과할 때도) 폐열원에서 유용한 양의 에너지를 추출하는 데 사용될 수 있다. 이는 많은 산업 분야에서 흔히 볼 수 있는 경우이다.[13] 연구에 따르면 열갈바니 하이드로겔은 휴대폰 배터리가 전력을 사용할 때 발생하는 열로부터 전기를 생성하고 배터리를 냉각시키는 데 사용될 수 있다고 한다.[14]
냉각
열갈바니즘은 화학 에너지를 사용하여 열을 더 차가운 물체에서 더 뜨거운 물체로 이동시킨다. 2025년에 열갈바니 냉각 기술이 냉장고에 사용되는 증기 압축 기술의 지속 가능한 대안이 될 수 있다고 주장되었다. 하이드로갈바니 전지의 냉각 전력을 전해질 최적화를 통해 70% 향상시킬 수 있으며, 이는 냉각을 실현 가능하게 한다고 주장되었다.[14][15][16]
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같이 보기
각주
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