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열전지용 FeS<sub>2</sub> 미세 분말의 제조 및 열적 안정성
최유송,유혜련,정해원,조성백,이영석,Choi, Yusong,Yu, Hye-Ryeon,Cheong, Haewon,Cho, Sungbaek,Lee, Young-Seak 한국공업화학회 2014 공업화학 Vol.25 No.1
$FeS_2$ 미세 입자가 열전지의 특성에 미치는 영향을 알아보고자, 볼밀법을 이용하여 미세화 입자를 제조하고 그 미세구조 및 열안정성을 평가하였다. $FeS_2$의 평균 입자크기와 입자분포는 볼밀 시간에 따라 변하였다. 평균 입자크기는 10 h 볼밀 처리 후, $98.4{\mu}m$에서 $1.01{\mu}m$로 급격하게 감소하였다. 볼밀 시간이 증가할수록, 입자의 응집이 증가하고 입자 크기의 분포가 넓어지기 때문에 평균 입자크기는 증가하였다. 결국, 170 h의 볼밀을 시행한 후에 가장 좁은 크기의 단일 입자 분포를 가지는 $FeS_2$ 미세 입자를 얻을 수 있었다. 한편, 입자가 분쇄됨에 따라 $FeS_2$의 열 안정성은 불안정해졌으며, 미세 입자 사이즈의 활성화 에너지는 이전의 $FeS_2$보다 27% 낮아졌다. Microstructure and thermal stability of mechanically ball milled $FeS_2$ were investigated. The average particle size and distribution of $FeS_2$ powder were changed in two steps with the increased ball milling time. The average particle size drastically decreased from $98.4{\mu}m$ to 1.01 and $0.89{\mu}m$ after ball milling of 10 h and 30 h, respectively. However, the distribution was broad and a shoulder appeared at $2{\mu}m$ because the pulverization was still in process at 10 h ball milling. After 60 h ball milling, the distribution became narrower. After ball milling of 120 h, the average particle size increased because of $FeS_2$ particle agglomeration. Therefore, the particle size distribution became broaden again. Finally, after ball milling of 170 h, $FeS_2$ with the narrowest size distribution can be obtained. Thermal stability of $FeS_2$ was unstable as the $FeS_2$ particle was pulverized. Therefore, the activation energy of the fine size particles is 27% lower than that of the as-received $FeS_2$.
열전지의 전기화학적 특성에 미치는 황철석(FeS<sub>2</sub>) 입자크기의 영향
최유송,유혜련,정해원,조성백,이영석,Choi, Yusong,Yu, Hye-Ryeon,Cheong, Haewon,Cho, Sungbaek,Lee, Young-Seak 한국공업화학회 2014 공업화학 Vol.25 No.2
본 연구에서는 열전지용 양극활물질로 사용되는 $FeS_2$ (Pyrite) 분말을 볼밀링법으로 분쇄하여 단위전지를 제작하고, 볼밀 전, 후 입자크기변화가 열전지의 전기화학적 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. $450^{\circ}C$ 시험결과, 분쇄된 $1.46{\mu}m$ $FeS_2$ 분말을 사용한 단위전지가 분쇄 전 $98.4{\mu}m$의 $FeS_2$ 분말을 사용한 단위전지에 비해서 전지용량이 크게 향상되었으며, 내부저항도 감소되었다. 이러한 결과는 볼밀로 인한 비표면적 증가의 영향으로 판단된다. 반면, $500^{\circ}C$에서 방전시 1단계의 Z-phase 반응구간($FeS_2{\rightarrow}Li_3Fe_2S_4$)에서 $1.46{\mu}m$ 분말을 사용한 단위전지 전압 및 저항특성이 우수하였지만, 2단계의 J-phase 반응($Li_3Fe_2S_4{\rightarrow}LiFe_2S_4$)에서는 볼밀된 $1.46{\mu}m$ 분말을 사용한 전지의 전압이 감소하고, 전지 내부저항도 급격하게 증가하는 경향을 보였다. 이러한 현상은 $500^{\circ}C$ 방전시 미분화된 $FeS_2$가 Z-phase 영역에서 방전반응과 동시에 열분해에 의한 자가방전($FeS_2{\rightarrow}FeS_{1.14}$ (pyrrhotite))이 일어나 볼밀 전 조대한(coarsen) $FeS_2$ 분말에 비해 용량이 감소하고 내부 저항도 증가되기 때문으로 사료된다. In this study, effects of pyrite ($FeS_2$) particle sizes on the electrochemical characteristics of thermal batteries are investigated using unit cells made of pulverized pyrite by ball-milling. At $450^{\circ}C$ unit cell discharge test, the electrochemical capacity of $1.46{\mu}m$ pyrite-cell largely increases compared to $98.4{\mu}m$ pyrite-cell, and their internal resistances also decrease. These results are attributed to the increase in the active reaction area of pyrite by ball milling. However, at $500^{\circ}C$ unit cell discharge test, a $1.46{\mu}m$ pyrite cell shows lower internal resistance than that of $98.4{\mu}m$ pyrite cell only at Z-phase region ($FeS_2{\rightarrow}Li_3Fe_2S_4$). After that, a $1.46{\mu}m$ pyrite cell shows a decrease in the cell voltage and an rapid increase of the internal resistance in J-phase region ($Li_3Fe_2S_4{\rightarrow}LiFe_2S_4$) is observed compared to those of $98.4{\mu}m$ pyrite cell. It can be concluded that at the higher temperature, the thermally unstable pulverized pyrite is decomposed thermally as well as self discharged, simultaneously, which causes the higher resistance and lower capacity at $500^{\circ}C$ in J-phase than that of $98.4{\mu}m$ pyrite cell.