[전기전자실험] 고분자 전해질 이온전도도 측정

1. 실험 목적 : 고체 전해질의 저항을 측정하여 이온전도도를 계산 할 수 있다.

2. 실험 준비물
고체 전해질 (Yttrium or scandium) stabilized Zirconia
Electrochemical impedance Analyzer
Furnace (온도 제어)

3. 이론적 배경
⑴ YSZ or ScSZ 에서의 산소 이온 전도
- YSZ 혹은 ScSZ 에서의 이온 전도도는 ZrO2에서 Zr+4 대신 Y+3 혹은 Sc3+로 치환되면서 생기는 음이온 vacancy에 의한 전도도이다. 4개의 O2-를 3개의 O2-가 대체되면서 산소 이온 vacancy가 만들어지며 이러한 결함에 의한 mass transport를 위한 path의 형성에 의해 산소이온의 전도가 일어난다. 즉, impurity에 의한 defect의 형성이 주된 이온전도의 mechanism이 된다. 온도에 따른 rate의 증가는 Arrhenius equation으로 표현하여 산소이온의 온도에 따른 activation energy를 구할 수 있다.

⑵ 산화물 전해질 이온전도도 측정
- 이온전도도는 연료전지의 전체 성능을 좌우하는 매우 중요한 요소이다. 소결한 pellet을 two point probe 방식으로 측정하며, 교류 회로에서의 전류를 가하였을 경우, 나타나는 전압의 차이 값으로부터 전압과 전류의 비인 impedance를 측정하여 저항 값을 측정한다. 이온전도도는 저항에 반비례하며, 이온전도도의 단위는 S/cm로써 아래 식으로 나타낼 수 있다.

R() = 측정된 저항, t(cm) = pellet의 두께, A = 전극의 면적

4. 실험과정
① 소결한 pellet 의 두께를 잰다.
② pellet의 양 면에 지름 1cm의 원으로 백금 paste 를 바른 후 건조시킨다.
③ 이온전도도 측정 jig에 pellet 을 장착한다. (*contact 에 주의)
④ Furnace에 zig를 넣고 측정 온도를 setting 한다.
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