[정보] 배터리] 성능이 온도에 좌우받는 이유

[深く暗い 幻想]

결론부터 말하자면 열역학 원리 때문에 (썸네일 사진은 통계열역학 본좌 루드비히 볼츠만)

화학 짬 좀 있는 사람이면 자유에너지와 관련된 이 두 공식을 한번쯤은 봤을 텐데

여기서 배터리, 그러니까 전기화학과 관련된 건 아래쪽 공식

자유에너지의 단위는 줄(J), 전압의 단위인 볼트는 전하량 당 줄(J/C)이므로

전압 값을 에너지로 변환하려면 전하량(C)을 곱해야 함

화학에서 전하량과 관련된 값은 전자 1몰의 전하량(F, C/mol)이므로

J = J/C * C/mol * mol,즉 G = V*F*n

다만 열역학에서 자발적인 G값은 음수지만 자발적인 전압은 양수라

정확하게는 ΔG = -V*F*n이 된다

자유에너지의 두번째 공식에 이 유도식을 집어넣고 정리하면

통칭 네른스트 방정식으로 불리는 이 공식이 유도된다

V0는 (환원전위 표를 이용해서)이론상 얻을 수 있는 최대 전압

R은 기체상수 - 여기선 단위가 J/K 라 8.3145

T는 절대온도로 환산한 반응계의 온도

F는 전자 1몰의 전하량(96485 C/mol)

n은 반응에 참여하는 전자의 몰 수

Q는 전지를 구성하는 산화/환원물의 농도곱상수다

보통 화학문제에선 온도를 25도(298K)로 맞추고, 자연로그 대신 상용로그로 변환해서

아래 공식으로 기억하라고 한다

어쨌건 결론은 전지의 현재 전압을 결정하는 변수로 온도가 들어가기에

온도가 변함에 따라 전압이 달라진다

다만 이 방정식대로라면 다른 조건이 같으면 온도가 낮을수록 전압이 높아져야 하는데

이는 최종적인 결과값만을 말해줄 뿐이고, 실제로는 반응이 일어나는 속도가 느려지기에

대부분 온도가 떨어지면 배터리의 전압도 조금씩 낮아지는 경향이 있다.