최근 에너지 저장 장치로써 리튬 이온전지와 슈퍼커패시터가 많은 주목을 받고 있다. 이러한 장치들은 에너지 밀도와 사이클 수명의 증가, 제조비용의 절감을 목표로 연구되고 있다. 리튬이온전지는 휴대용 전자기기, 전기 자동차에 사용하기 위한 높은 에너지 밀도를 가진 에너지 저장 시스템을 제공한다. 리튬 이온 전지는 위와 같은 장점을 가지고 있지만, 낮은 출력 밀도를 가진 리튬이온전지를 교체하기 위해 슈퍼커패시터가 고려되었지만, 슈퍼커패시터는 낮은 에너지 밀도를 가진다. 많은 연구자들은 위의 단점들을 극복하기 위해 두 시스템의 장점들을 통합하는 ...
최근 에너지 저장 장치로써 리튬 이온전지와 슈퍼커패시터가 많은 주목을 받고 있다. 이러한 장치들은 에너지 밀도와 사이클 수명의 증가, 제조비용의 절감을 목표로 연구되고 있다. 리튬이온전지는 휴대용 전자기기, 전기 자동차에 사용하기 위한 높은 에너지 밀도를 가진 에너지 저장 시스템을 제공한다. 리튬 이온 전지는 위와 같은 장점을 가지고 있지만, 낮은 출력 밀도를 가진 리튬이온전지를 교체하기 위해 슈퍼커패시터가 고려되었지만, 슈퍼커패시터는 낮은 에너지 밀도를 가진다. 많은 연구자들은 위의 단점들을 극복하기 위해 두 시스템의 장점들을 통합하는 하이브리드 슈퍼커패시터를 설계하였다. 일반적으로, 하이브리드 슈퍼커패시터는 활성탄을 양극으로 사용하고 다양한 전지 음극 물질들을 결합한다. 주로 리튬이온전지에서 응용되는 TiO2, Li4Ti5O12, Sn 기반물질, Si 기반물질을 음극 물질로 사용한다. 다양한 전지 음극 물질들 중에서, 특히 스피넬 Li4Ti5O12는 충·방전 과정에서 단위격자 부피의 변화가 거의 미미한 zero-strain 특성을 가지고 있기 때문이다. 그러나, Li4Ti5O12를 주로 느린 리튬 이온 확산계수( ?????)와 낮은 전자 전도성(?????)으로 인해 높은 충·방전 속도에서 제한된 용량을 갖는다. Li4Ti5O12의 전도성을 향상시키기 위해, 다양한 방법들을 사용하는데 나노 크기의 입자합성, 입자 표면상의 탄소코팅, 원료 입자와 탄소입자의 혼합, Li, Ti, O 자리에 다양한 전이 금속 이온을 도핑하는 방법들이 있다. 이전의 연구들에 의하면, 금속 이온을 도핑하게 되면 전극과 전해질 사이의 표면적이 확장되고 입자 크기가 작아지게 되므로 출력 특성이 개선된다는 보고가 있다. 위의 배경으로부터, 우리는 전기화학적 성능을 향상시키기 위해 스피넬 Li4Ti5O12에 Na, Zr 이온을 첨가한 음극물질을 사용하여 하이브리드 슈퍼커패시터를 제작하였다. 제작된 파우더는 X-선 회절분석(XRD)과 전계 방출형 전자주사현미경(FE-SEM)을 통하여 그의 결정구조와 형상을 확인하였다. 그 결과, Li(4-x)Na(x)Ti5O12, Li4Ti(5-x)Zr(x)O12 파우더는 성공적으로 결정화 되었고, Li(4-x)Na(x)Ti5O12, Li4Ti(5-x)Zr(x)O12의 입자 크기는 Na, Zr의 첨가량이 증가됨에 따라 대체적으로 감소되었다. 하이브리드 슈퍼커패시터의 사이클 성능과 출력 특성은 감소된 입자 크기를 통해 감소된 확산 거리와 향상된 이온 전도도로 인하여 그 특성이 향상되었다. 가장 우수한 특성을 가지는 조성인 Li4Ti4.55Zr0.45O12와 Li3.4Na0.6Ti5O12는 각각 69, 66 Fg^(-1)의 용량을 보이고, Zr 첨가시 더욱 높은 용량을 가짐을 확인하였다. 반면에, Li3.7Na0.3Ti5O12 음극은 5000사이클 후에 2.5 Ag^(-1)의 높은 속도에서 91.5%의 유지율을 가져 90.724%의 유지율을 가진 Li4Ti4.55Zr0.45O12 음극보다 더 나은 출력과 수명 특성을 보인다. Li3.7Na0.3Ti5O12 음극을 사용한 하이브리드 슈퍼커패시터는 긴 수명과 높은 출력 특성이 요구되는 하이브리드 전기 자동차, 플러그인 하이브리드 전기자통차, 전기자동차에서 사용될 수 있다. 반면, Li4Ti4.55Zr0.45O12 음극을 사용한 하이브리드 슈퍼커패시터는 UPS(무 정전 전원공급장치), 신재생 에너지 장치의 요구에 만족시킬 수 있다.
최근 에너지 저장 장치로써 리튬 이온전지와 슈퍼커패시터가 많은 주목을 받고 있다. 이러한 장치들은 에너지 밀도와 사이클 수명의 증가, 제조비용의 절감을 목표로 연구되고 있다. 리튬이온전지는 휴대용 전자기기, 전기 자동차에 사용하기 위한 높은 에너지 밀도를 가진 에너지 저장 시스템을 제공한다. 리튬 이온 전지는 위와 같은 장점을 가지고 있지만, 낮은 출력 밀도를 가진 리튬이온전지를 교체하기 위해 슈퍼커패시터가 고려되었지만, 슈퍼커패시터는 낮은 에너지 밀도를 가진다. 많은 연구자들은 위의 단점들을 극복하기 위해 두 시스템의 장점들을 통합하는 하이브리드 슈퍼커패시터를 설계하였다. 일반적으로, 하이브리드 슈퍼커패시터는 활성탄을 양극으로 사용하고 다양한 전지 음극 물질들을 결합한다. 주로 리튬이온전지에서 응용되는 TiO2, Li4Ti5O12, Sn 기반물질, Si 기반물질을 음극 물질로 사용한다. 다양한 전지 음극 물질들 중에서, 특히 스피넬 Li4Ti5O12는 충·방전 과정에서 단위격자 부피의 변화가 거의 미미한 zero-strain 특성을 가지고 있기 때문이다. 그러나, Li4Ti5O12를 주로 느린 리튬 이온 확산계수( ?????)와 낮은 전자 전도성(?????)으로 인해 높은 충·방전 속도에서 제한된 용량을 갖는다. Li4Ti5O12의 전도성을 향상시키기 위해, 다양한 방법들을 사용하는데 나노 크기의 입자합성, 입자 표면상의 탄소코팅, 원료 입자와 탄소입자의 혼합, Li, Ti, O 자리에 다양한 전이 금속 이온을 도핑하는 방법들이 있다. 이전의 연구들에 의하면, 금속 이온을 도핑하게 되면 전극과 전해질 사이의 표면적이 확장되고 입자 크기가 작아지게 되므로 출력 특성이 개선된다는 보고가 있다. 위의 배경으로부터, 우리는 전기화학적 성능을 향상시키기 위해 스피넬 Li4Ti5O12에 Na, Zr 이온을 첨가한 음극물질을 사용하여 하이브리드 슈퍼커패시터를 제작하였다. 제작된 파우더는 X-선 회절분석(XRD)과 전계 방출형 전자주사현미경(FE-SEM)을 통하여 그의 결정구조와 형상을 확인하였다. 그 결과, Li(4-x)Na(x)Ti5O12, Li4Ti(5-x)Zr(x)O12 파우더는 성공적으로 결정화 되었고, Li(4-x)Na(x)Ti5O12, Li4Ti(5-x)Zr(x)O12의 입자 크기는 Na, Zr의 첨가량이 증가됨에 따라 대체적으로 감소되었다. 하이브리드 슈퍼커패시터의 사이클 성능과 출력 특성은 감소된 입자 크기를 통해 감소된 확산 거리와 향상된 이온 전도도로 인하여 그 특성이 향상되었다. 가장 우수한 특성을 가지는 조성인 Li4Ti4.55Zr0.45O12와 Li3.4Na0.6Ti5O12는 각각 69, 66 Fg^(-1)의 용량을 보이고, Zr 첨가시 더욱 높은 용량을 가짐을 확인하였다. 반면에, Li3.7Na0.3Ti5O12 음극은 5000사이클 후에 2.5 Ag^(-1)의 높은 속도에서 91.5%의 유지율을 가져 90.724%의 유지율을 가진 Li4Ti4.55Zr0.45O12 음극보다 더 나은 출력과 수명 특성을 보인다. Li3.7Na0.3Ti5O12 음극을 사용한 하이브리드 슈퍼커패시터는 긴 수명과 높은 출력 특성이 요구되는 하이브리드 전기 자동차, 플러그인 하이브리드 전기자통차, 전기자동차에서 사용될 수 있다. 반면, Li4Ti4.55Zr0.45O12 음극을 사용한 하이브리드 슈퍼커패시터는 UPS(무 정전 전원공급장치), 신재생 에너지 장치의 요구에 만족시킬 수 있다.
Recently, much research has focused on energy storage devices, especially Li-ion batteries and supercapacitors. The goal of these devices is to increase energy density, cycle life and decreasing fabrication costs. Li-ion batteries provide energy storage systems with high enery density for use in por...
Recently, much research has focused on energy storage devices, especially Li-ion batteries and supercapacitors. The goal of these devices is to increase energy density, cycle life and decreasing fabrication costs. Li-ion batteries provide energy storage systems with high enery density for use in portable electronic devices and electric vehicles. Although Li-ion batteries have the above mentioned advantage, they also have low power density and short cycle life, which are significant disadvantages. As an alternative, supercapacitors, which have a long cycle life, have been considered for replacing low power density Li-ion batteries, but supercapacitors also have inferior energy density. To remedy the above shortcomings many researchers have been engaged in the design of a hybrid supercapacitor which incorporates the beneficial features of both systems. Typically, the hybrid supercapacitor combines activated carbon as the cathode and various battery anode materials. The anode materials that are mainly employed for Li-ion secondary barrery applications include TiO2, Li4Ti5O12, and Sn-based, and Si-based materials. Among the various battery anode materials, spinel Li4Ti5O12 in particular has attracted attention as a promising anode material for the hybrid supercapacitor. Because, the Li4Ti5O12 has zero-strain, that is, it exhibits insignificant change in unit cell volume during the charge/discharge process. However, Li4Ti5O12has limited capacity at high charge-discharge rates mainly due to its slow Li-ion diffusion coefficient (<10^(-12)cm^(2)s^(-1)) and poor electron conductivity(2.65*10^(-7)Scm^(-1)). To inprove the contuctivity of Li4Ti5O12, various methods are used, such as synthesizing nanosized particles, coating carbon onto the surface of the particles, mixing carbon into particles, and doping various transition metal ions in Li, Ti, or O sites. In previous studies, metal ion doped Li4Ti5O12 has exhibited high rate abilities resulting from expanded electrode/electrolyte surfave area and reduced particle size. From above background, we fabricated an asymmetric hybrid supercapacitor using Na, Zr ions doped spinel Li4Ti5O12 as anode material to improve the electrochemical properties. The prepared powders are characterized by X-ray diffraction(XRD) and field emission scanning electron microscope(FE-SEM). As a result, Li(4-x)Na(x)Ti5O12, Li4Ti(5-x)Zr(x)O12 powder was successfully crystallized, and the grain size of Li(4-x)Na(x)Ti5O12, Li4Ti(5-x)Zr(x)O12 generally decreased with increasing Na, Zr content. The cycle performance and rate ability of the hybrid supercapacitor are improved by the reduced diffusion path caused by smaller grain size and ionic conductivity. The Li4Ti4.55Zr0.45O12 anode has a higher specific capacitance of 69Fg^(-1) at 0.5Ag^(-1) rates than Li3.4Na0.6Ti5O12 of 66Fg^(-1). However, Li3.7Na0.3Ti5O12 anode have better retention of 91.5% than Li4Ti4.55Zr0.45O12 anode (retention of 90.724%) after 5000 cycles at the high rate of 2.5Ag^(-1). Hybrid supercapacitor with Li3.7Na0.3Ti5O12 anode can be used HEV(hybrid electric vehicle), PHEV(plug-in hybrid electric vehicle), Ev(electric vehicle) require long cycle life and high power dencity. While hybrid supercapacitor with Li4Ti4.55Zr0.45O12 anode satisfied the demands of UPS(uninterruptible power supply), renewable energy devices.
Recently, much research has focused on energy storage devices, especially Li-ion batteries and supercapacitors. The goal of these devices is to increase energy density, cycle life and decreasing fabrication costs. Li-ion batteries provide energy storage systems with high enery density for use in portable electronic devices and electric vehicles. Although Li-ion batteries have the above mentioned advantage, they also have low power density and short cycle life, which are significant disadvantages. As an alternative, supercapacitors, which have a long cycle life, have been considered for replacing low power density Li-ion batteries, but supercapacitors also have inferior energy density. To remedy the above shortcomings many researchers have been engaged in the design of a hybrid supercapacitor which incorporates the beneficial features of both systems. Typically, the hybrid supercapacitor combines activated carbon as the cathode and various battery anode materials. The anode materials that are mainly employed for Li-ion secondary barrery applications include TiO2, Li4Ti5O12, and Sn-based, and Si-based materials. Among the various battery anode materials, spinel Li4Ti5O12 in particular has attracted attention as a promising anode material for the hybrid supercapacitor. Because, the Li4Ti5O12 has zero-strain, that is, it exhibits insignificant change in unit cell volume during the charge/discharge process. However, Li4Ti5O12has limited capacity at high charge-discharge rates mainly due to its slow Li-ion diffusion coefficient (<10^(-12)cm^(2)s^(-1)) and poor electron conductivity(2.65*10^(-7)Scm^(-1)). To inprove the contuctivity of Li4Ti5O12, various methods are used, such as synthesizing nanosized particles, coating carbon onto the surface of the particles, mixing carbon into particles, and doping various transition metal ions in Li, Ti, or O sites. In previous studies, metal ion doped Li4Ti5O12 has exhibited high rate abilities resulting from expanded electrode/electrolyte surfave area and reduced particle size. From above background, we fabricated an asymmetric hybrid supercapacitor using Na, Zr ions doped spinel Li4Ti5O12 as anode material to improve the electrochemical properties. The prepared powders are characterized by X-ray diffraction(XRD) and field emission scanning electron microscope(FE-SEM). As a result, Li(4-x)Na(x)Ti5O12, Li4Ti(5-x)Zr(x)O12 powder was successfully crystallized, and the grain size of Li(4-x)Na(x)Ti5O12, Li4Ti(5-x)Zr(x)O12 generally decreased with increasing Na, Zr content. The cycle performance and rate ability of the hybrid supercapacitor are improved by the reduced diffusion path caused by smaller grain size and ionic conductivity. The Li4Ti4.55Zr0.45O12 anode has a higher specific capacitance of 69Fg^(-1) at 0.5Ag^(-1) rates than Li3.4Na0.6Ti5O12 of 66Fg^(-1). However, Li3.7Na0.3Ti5O12 anode have better retention of 91.5% than Li4Ti4.55Zr0.45O12 anode (retention of 90.724%) after 5000 cycles at the high rate of 2.5Ag^(-1). Hybrid supercapacitor with Li3.7Na0.3Ti5O12 anode can be used HEV(hybrid electric vehicle), PHEV(plug-in hybrid electric vehicle), Ev(electric vehicle) require long cycle life and high power dencity. While hybrid supercapacitor with Li4Ti4.55Zr0.45O12 anode satisfied the demands of UPS(uninterruptible power supply), renewable energy devices.
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