LiPF6의 용해열을 구해보자

들어가는 글

 

우리는 고등학교 화학시간에 용해열을 구하는 문제를 많이 다뤄왔습니다.

우리가 화학시간에 배운 것들은 일상생활에서 볼 수 있을 법한 물질들을 이용한 계산 연습이 주를 이루었었습니다.

막상 사회에 나와서 계산 문제에 부딪치게 될 때는 응용을 해야 하는데, 어디에서 데이터를 찾아야 할지가 막막한 경우가 한 번쯤은 있었을 것입니다.

교과서에서 배우는 것은 데모버전의 게임을 한다고 생각하면 됩니다.

실전은 결코 우리가 배웠던 특수한 경우가 나오지 않습니다.

화학관련 학과에서는 다양한 표를 보는 법을 배웁니다만, 대부분은 이런 경우에 맞닥뜨리면, 소위 GG를 치는 거죠.

 

최근 이차전지에 대한 관심이 커지고, 너도나도 이차전지에 대해 전문가로서 이야기를 하는 것을 볼 수 있고, 덕분에 많은 것을 배울 수 있습니다.

 

제목처럼 LiPF6의 용해열을 구하는 이유는 실제 공장설계에 필요하기 때문입니다.

 

실제 리튬이온전지(Lithium Ion Battery : LIB)에 사용되는 대표적인 염(salt)인

Lithium hexafluorophosphate(이하 LiPF6)에 관심이 많은 분들이 많습니다.

 

구조는 아래그림과 같습니다.

 

LiPF6 구조

 

LiPF6는 용매에 넣으면 발열이 심하게 나타나고, 이때 발열은 LiPF6의 분해반응으로 이어질 수 있습니다. LiPF6는 열에 매우 취약한 물질입니다. 전해질을 만들 때는 발열을 빨리 식히기 위한 설비가 있습니다. 이러한 설비를 디자인하기 위해서는 발생하는 열량을 계산해야 하는 것이죠. 제거해야 할 열량이 결정되어야 냉각수 또는 냉매를 어떤 온도로 흘려보낼지가 결정이 되는 것이죠.

 

 

LiPF6의 용해열 계산

다시 원래 목적인 LiPF6 용해열 계산으로 돌아가서 

 

만약 LiPF6가 아닌 수산화나트륨(NaOH)나 염산(HCl) 이었다면 구글링을 통하여 비슷한 문제를 풀 수 있습니다. 

그러나 우리의 관심사인 LiPF6 같은 염의 용해열을 구하는 내용의 문제는 찾을 수 없습니다.

물론 아래 내용의 값도 정확한 값이 아닌 수산화나트륨 값을 수정한 것에 지나지 않습니다.

즉 문제의 본질은 익숙함의 차이라고 생각이 듭니다만 여러분은 어떻게 생각하실지 모르겠습니다.

 

문제

 

스티로폼 컵 열량계에 298K의 EC/EMC/DMC 혼합용액 100g을 넣고, LiPF6 0.1mole 을 넣었습니다. 이때 용액의 온도가 313K로 변화되었고 이때 용해열량을 구하고 싶습니다. ( LiPF6의 분자량은 151.91 g/mol이고, 용액의 비열은 159 J/g•K라고 가정합니다.)

 

실제 실험은 단열된 용기에 용액을 넣은 후 온도측정을 하고, 염을 넣어서 잘 휘저어 준 후 온도를 측정하여 온도차이를 측정합니다.

그리고 혼합 용액의 비열을 찾아서 계산을 하면 됩니다. (비열을 찾는 것이 좀 어려울 수도 있겠네요.)

정밀한 실험은 아니지만 간단하게 아래와 같이 실험을 해볼 수 있습니다.

  

아래는 우리가 고등학교때 배운 식입니다.

 

q = C m Δt

 

q = 열용량

C = 비열

m = 용액무게

Δt = 온도변화량

 

= ( 159 J/g•K ) X( 100+151.91 g/mol * 0.1 mol ) X ( 313-298 K )

= 274730.5 J

 

 

-274730.5 J / 0.1 mol

= -27473.05 J/mol

= -27.47305 kJ/mol

 

실제 공정에서는 mol을 사용하지 않고 무게로 넣을 테니 분자량으로 나눠주면 실제 LiPF6의 무게당 열량을 구할 수 있는 것이죠.  

 

 

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