리튬이온커패시터(Lithium-Ion Capacitor, LIC)는 리튬이온 배터리의 장점과 전기이중층(Electrical Double Layer Capacitor) 커패시터의 장점들을 이용한 복합적인 에너지 저장 장치이다. 일반적으로, LIC는 활성탄(Activated Carbon, ...
리튬이온커패시터(Lithium-Ion Capacitor, LIC)는 리튬이온 배터리의 장점과 전기이중층(Electrical Double Layer Capacitor) 커패시터의 장점들을 이용한 복합적인 에너지 저장 장치이다. 일반적으로, LIC는 활성탄(Activated Carbon, AC) 양극(positive electrode)과 흑연(Graphite) 음극(negative electrode)으로 만들어진다. 충/방전 동안 LIC는 활성탄 양극 쪽에서 이온의 흡착/탈착이 일어난다(예를 들어 비-패러딕 반응, non-faradic process). 그러나 활성탄양극과는 다르게 LIC의 흑연음극에서는, 전하가 패러딕반응(faradic process)에 의해 축적되는 이른바 리튬이온의 인터칼레이션(intercalation) /디인터칼레이션(deintercalation) 라고 하는 반응이 LIC의 흑연전극에서 일어난다. LIC의 높은 에너지밀도는 흑연음극의 패러딕반응에 의해서 뿐만 아니라 흑연음극에 리튬소스가 충분히 있기 때문이기도 하다. LIC의 음극으로는 리튬이온이 미리 삽입된 카본계 전극이 사용된다. 이렇게 미리 리튬이온을 삽입해 놓는 과정을 리튬프리도핑(lithium pre-doping) 혹은 프리-리시에이션(pre-lithiation) 이라고 한다. 일반적으로 프리-리시에이션은 리튬 포일을 사용하여 두 가지 방법으로 수행되는데 충전기나 외부에 도선을 설치하여 음극에 프리-리시에이션 하는 것이다. 반면, 이와 같은 방법들은 조립된 셀 내부에 리튬 포일이 잔존해야 하는 문제가 생긴다. 따라서 안전한 셀 상태를 유지하려면 리튬 포일은 제거되어야 한다. 또한 이 과정이 상당한 절차와 시간이 요구되기 때문에 생산성 저하로 이어진다. 예를 들면 충전기를 이용하여 리튬이온을 안정적으로 흑연에 프리-리시에이션 시키면서 리튬대비 전압이 50mV까지 도달하는 데는 10시간 이상이 소요되는 것으로 나타났다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 연구자들은 양극에 리튬을 함유한 화합물(LiFePO4와 Li2MoO3)을 첨가하여 리튬포일 대체하고 리튬 프리-도핑 소스로 이용하기도 하였다. 그럼에도 불구하고, 여전히 리튬이온을 프리-도핑 하는데 대한 효율성은 해결되지 못하고 있다. 이 연구에서는, 보다 효율적으로 프리-리시에이션을 하기위해 리튬포일과 흑연전극을 직접적으로 접촉시키는 방법을 연구하였다. 또한 프리-도핑의 효율성과 리튬이온커패시터의 성능이 직접접촉방법과 상기의 일반적인 두 방법과 비교하는 것이 논의 되었다. 직접접촉방법은 리튬포일과 흑연전극을 직접 접촉시키는 것으로써 새롭게 발견된 방법이다. 이 방법은 LIC셀 내부에 리튬포일을 남겨둘 필요가 없기 때문에 경량화를 도모하고 상기의 두 방법에 비해 보다 효율적인 프리-도핑 공정임을 보여준다. 직접접촉방법은 격막이 필요 없기 때문에 보다 빠른 이온전달현상이 리튬포일과 흑연전극 사이에서 일어난다. 이 연구에서 사용된 LIC 흑연음극에 필요한 디도핑 커패시티는 3.92mAh (완전히 디도핑된 커패시터의 16%)로 계산되었고 이 때 LIC 풀 셀(Full Cell)에서의 일반적인 커패시턴스는 120F/g 에서 160F/g 사이였다. 직접접촉방법은 4분 안에 위의 목표한 3.92mAh의 용량에 도달한 반면 충전기나 외부전기도선을 이용한 방법은 15분 이상이 필요하였다. 비록 4분이라는 짧은 프리-도핑 시간에도 불구하고 직접접촉방법으로 제작된 풀셀은 여전히 우수한 고율방전특성과 긴 사이클(Cycle) 수명 능력을 보여주었으며, 10C방전율로 1000사이클 충/방전을 하여도 초기 커패시턴스의 96.1%를 유지하는 것으로 나타났다.
리튬이온 커패시터(Lithium-Ion Capacitor, LIC)는 리튬이온 배터리의 장점과 전기이중층(Electrical Double Layer Capacitor) 커패시터의 장점들을 이용한 복합적인 에너지 저장 장치이다. 일반적으로, LIC는 활성탄(Activated Carbon, AC) 양극(positive electrode)과 흑연(Graphite) 음극(negative electrode)으로 만들어진다. 충/방전 동안 LIC는 활성탄 양극 쪽에서 이온의 흡착/탈착이 일어난다(예를 들어 비-패러딕 반응, non-faradic process). 그러나 활성탄양극과는 다르게 LIC의 흑연음극에서는, 전하가 패러딕반응(faradic process)에 의해 축적되는 이른바 리튬이온의 인터칼레이션(intercalation) /디인터칼레이션(deintercalation) 라고 하는 반응이 LIC의 흑연전극에서 일어난다. LIC의 높은 에너지밀도는 흑연음극의 패러딕반응에 의해서 뿐만 아니라 흑연음극에 리튬소스가 충분히 있기 때문이기도 하다. LIC의 음극으로는 리튬이온이 미리 삽입된 카본계 전극이 사용된다. 이렇게 미리 리튬이온을 삽입해 놓는 과정을 리튬프리도핑(lithium pre-doping) 혹은 프리-리시에이션(pre-lithiation) 이라고 한다. 일반적으로 프리-리시에이션은 리튬 포일을 사용하여 두 가지 방법으로 수행되는데 충전기나 외부에 도선을 설치하여 음극에 프리-리시에이션 하는 것이다. 반면, 이와 같은 방법들은 조립된 셀 내부에 리튬 포일이 잔존해야 하는 문제가 생긴다. 따라서 안전한 셀 상태를 유지하려면 리튬 포일은 제거되어야 한다. 또한 이 과정이 상당한 절차와 시간이 요구되기 때문에 생산성 저하로 이어진다. 예를 들면 충전기를 이용하여 리튬이온을 안정적으로 흑연에 프리-리시에이션 시키면서 리튬대비 전압이 50mV까지 도달하는 데는 10시간 이상이 소요되는 것으로 나타났다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 연구자들은 양극에 리튬을 함유한 화합물(LiFePO4와 Li2MoO3)을 첨가하여 리튬포일 대체하고 리튬 프리-도핑 소스로 이용하기도 하였다. 그럼에도 불구하고, 여전히 리튬이온을 프리-도핑 하는데 대한 효율성은 해결되지 못하고 있다. 이 연구에서는, 보다 효율적으로 프리-리시에이션을 하기위해 리튬포일과 흑연전극을 직접적으로 접촉시키는 방법을 연구하였다. 또한 프리-도핑의 효율성과 리튬이온커패시터의 성능이 직접접촉방법과 상기의 일반적인 두 방법과 비교하는 것이 논의 되었다. 직접접촉방법은 리튬포일과 흑연전극을 직접 접촉시키는 것으로써 새롭게 발견된 방법이다. 이 방법은 LIC셀 내부에 리튬포일을 남겨둘 필요가 없기 때문에 경량화를 도모하고 상기의 두 방법에 비해 보다 효율적인 프리-도핑 공정임을 보여준다. 직접접촉방법은 격막이 필요 없기 때문에 보다 빠른 이온전달현상이 리튬포일과 흑연전극 사이에서 일어난다. 이 연구에서 사용된 LIC 흑연음극에 필요한 디도핑 커패시티는 3.92mAh (완전히 디도핑된 커패시터의 16%)로 계산되었고 이 때 LIC 풀 셀(Full Cell)에서의 일반적인 커패시턴스는 120F/g 에서 160F/g 사이였다. 직접접촉방법은 4분 안에 위의 목표한 3.92mAh의 용량에 도달한 반면 충전기나 외부전기도선을 이용한 방법은 15분 이상이 필요하였다. 비록 4분이라는 짧은 프리-도핑 시간에도 불구하고 직접접촉방법으로 제작된 풀셀은 여전히 우수한 고율방전특성과 긴 사이클(Cycle) 수명 능력을 보여주었으며, 10C방전율로 1000사이클 충/방전을 하여도 초기 커패시턴스의 96.1%를 유지하는 것으로 나타났다.
Lithium-ion capacitor (LIC) is the advanced hybrid energy storage device with functionalities derived from both electrical double layer capacitor and lithium-ion batteries. Typically, LIC be assembled with activated carbon (AC) cathode electrode and graphite negative electrode. During the charge/dis...
Lithium-ion capacitor (LIC) is the advanced hybrid energy storage device with functionalities derived from both electrical double layer capacitor and lithium-ion batteries. Typically, LIC be assembled with activated carbon (AC) cathode electrode and graphite negative electrode. During the charge/discharge of LICs, adsorption/diabsorption of ions occur on the AC electrode (e.g., non-faradic process). Different with the AC electrode, the graphite electrode accumulates charge by faradic process, such as Li intercalation/de-intercalation to the graphite electrode. High energy density of LIC is achieved not only the faradic process of graphite electrode but also according to the high amount of Li source of electrodes. Negative electrode of LIC has preliminarily lithiated carbonaceous electrode was used. This preliminary treatment of negative electrode is also called the pre-lithiation. In general, pre-lithiation is carried out using a lithium foil; the preliminary charging of negative electrode is carried out by two methods, electronic charger or short circuiting by wire externally. However, those methods must be pre-lithiated in the cell package with lithium foil. After pre-lithiation, lithium foil must be removed from the cell package. The whole procedure is too complex and a lots of pre-lithiation time is needed. For example, the time taken for the Li/graphite potential to reach 0.05V was observed to be ~10h irrespective of the amount of graphite by using electronic charger. To solve these problems, researchers focused on the positive electrode added by Li-containing compounds to replace the lithium foil as a pre-doping source, such as LiFePO4 and Li2MoO3. However, pre-doping efficiency is still the problem which has not been solved. In this work, a more efficient pre-lithiation method, directly touching with lithium foil and graphite electrode was studied. Also, the efficiency of pre-doping and performance of lithium ion capacitor using directly touching method was discussed to compare with above two conventional methods. Directly touching method is a novel way by using the direct touching of lithium metal and graphite. This method promotes the cell lightweight because it is unnecessary to leave lithium foil inside; and shows more efficient in pre-doping process than other two methods. The faster ion transport accrues between lithium foil and graphite electrode due to the absence of separator in this directly touching method. The targeted de-doping capacity for LICs in this work was calculated as 3.92mAh (16% of full de-doping capacity), and normal capacitance for full cell is the range of about 120F/g to 160F/g. Directly touching method can use only 4min to achieve the above targeted de-doping capacity while more than 15 min for electronic charger and short circuiting by wire externally. Although 4min is a short pre-doping time, the full cell by using directly touching method still showed excellent high rate and long cycle abilities, 96.1% of capacitance remained after 1000cycles at 10.0C rate.
Lithium-ion capacitor (LIC) is the advanced hybrid energy storage device with functionalities derived from both electrical double layer capacitor and lithium-ion batteries. Typically, LIC be assembled with activated carbon (AC) cathode electrode and graphite negative electrode. During the charge/discharge of LICs, adsorption/diabsorption of ions occur on the AC electrode (e.g., non-faradic process). Different with the AC electrode, the graphite electrode accumulates charge by faradic process, such as Li intercalation/de-intercalation to the graphite electrode. High energy density of LIC is achieved not only the faradic process of graphite electrode but also according to the high amount of Li source of electrodes. Negative electrode of LIC has preliminarily lithiated carbonaceous electrode was used. This preliminary treatment of negative electrode is also called the pre-lithiation. In general, pre-lithiation is carried out using a lithium foil; the preliminary charging of negative electrode is carried out by two methods, electronic charger or short circuiting by wire externally. However, those methods must be pre-lithiated in the cell package with lithium foil. After pre-lithiation, lithium foil must be removed from the cell package. The whole procedure is too complex and a lots of pre-lithiation time is needed. For example, the time taken for the Li/graphite potential to reach 0.05V was observed to be ~10h irrespective of the amount of graphite by using electronic charger. To solve these problems, researchers focused on the positive electrode added by Li-containing compounds to replace the lithium foil as a pre-doping source, such as LiFePO4 and Li2MoO3. However, pre-doping efficiency is still the problem which has not been solved. In this work, a more efficient pre-lithiation method, directly touching with lithium foil and graphite electrode was studied. Also, the efficiency of pre-doping and performance of lithium ion capacitor using directly touching method was discussed to compare with above two conventional methods. Directly touching method is a novel way by using the direct touching of lithium metal and graphite. This method promotes the cell lightweight because it is unnecessary to leave lithium foil inside; and shows more efficient in pre-doping process than other two methods. The faster ion transport accrues between lithium foil and graphite electrode due to the absence of separator in this directly touching method. The targeted de-doping capacity for LICs in this work was calculated as 3.92mAh (16% of full de-doping capacity), and normal capacitance for full cell is the range of about 120F/g to 160F/g. Directly touching method can use only 4min to achieve the above targeted de-doping capacity while more than 15 min for electronic charger and short circuiting by wire externally. Although 4min is a short pre-doping time, the full cell by using directly touching method still showed excellent high rate and long cycle abilities, 96.1% of capacitance remained after 1000cycles at 10.0C rate.
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