[논문]Propylene Carbonate 첨가된 1-ethyl-3-methylimidazolium의 전기이중층 커패시터에서의 효과

김현철; 양정진; 김한주; 신달우; 박수길

doi:10.5229/jkes.2011.14.1.038

[국내논문] Propylene Carbonate 첨가된 1-ethyl-3-methylimidazolium의 전기이중층 커패시터에서의 효과
Study for Addition Effect of Propylene Carbonate to 1-ethyl-3-methylimidazolium in Electric Double Layer Capacitors 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.14 no.1, 2011년, pp.38 - 43

김현철 (충북대학교 공업화학과) , 양정진 (충북대학교 공업화학과) , 김한주 (충북대학교 공업화학과) , 신달우 (한국 JCC) , 박수길 (충북대학교 공업화학과)

초록
AI-Helper

상온 이온성액체에 PC (Propylene carbonate)를 첨가하여 이온성액체(EMI-BF4)가 갖고있는 점도를 감소하고자 하였으며 EDLC에 적용하여 전기화학적 거동을 고찰하였다. 이온성액체는 충분한 이온을 가지고 있기 때문에 이온이 없는 PC를 첨가 하여도 용량구현에는 문제가 되지 않는다. 점도가 낮아짐에 따라 전해액 저항이 감소하였다. 또한 EDLC 적용시 대전류 방전용량을 확인한 결과 이온성액체에서는 $80\;mA/cm^2$의 전류밀도에서 73.1%의 용량을 유지하였지만 PC의 함량이 40 vol%인 경우 최고 81.9%까지 증가되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Because the ionic liquid added with Propylene carbonate(PC) at room temperature has lower viscosity than original, we considered electrochemical behavior of it in EDLC. The ionic liquid without PC which does not have ions has no problem in capacity since it has enough ions. The electrolyte resistance was decreased with decreasing viscosity. As a result of identifying high current discharge capacity, we observed that the ionic liquid had capacity of 73.12% at current density of $80\;mA/cm^{-2}$, but it increased to 81.94% at PC content of 40 vol%.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이러한 문제점을 극복하고자 본 연구에서는 비수용성 전해액 중 점도가 다소 낮은 카보네이트 계열의 PC (Propylene carbonate)용매를 다소 점도가 높은 이온성액체인 EMI-BF₄와 혼합하여 양이온과 음이온 사이의 van der Waals force를 감소시켜 점도를 낮춤으로서 저항을 감소시키고자 하였다. 또한 PC와 혼합한 이온성액체를 전기이중층 커패시터에 적용하여 전기화학적 거동을 관찰하였다.
본 연구에서 고점도의 EMI-BF₄에 비교적 저점도의 카보네이트 계열의 PC를 첨가하였을 때의 향상된 커패시터의 전기화학적 거동을 살펴보았다. 전기화학적 안정성은 PC의 참가로 인한 변화는 미세하여 커패시터용 전해액으로는 안전성의 문제가 없는 것을 확인할 수 있었다.

제안 방법

와 혼합하여 양이온과 음이온 사이의 van der Waals force를 감소시켜 점도를 낮춤으로서 저항을 감소시키고자 하였다. 또한 PC와 혼합한 이온성액체를 전기이중층 커패시터에 적용하여 전기화학적 거동을 관찰하였다.
전기화학분석을 위하여 실린더 타입의(1020-cansize)커패시터를 제작하였다. 전극은 리드를 포함하여 12.
전기화학분석을 위하여 실린더 타입의(1020-cansize)커패시터를 제작하였다. 전극은 리드를 포함하여 12.32 cm²과 14.7 cm²로 하여 separator를 사이에 두고 롤링하여 소자를 만들었다. 만들어진 소자는 수분 제거를 위해 감압 하에 80℃에서 24시간 건조하고 아르곤 가스로 충전된 글로브박스에서 준비된 전해액에 함침 한다.
만들어진 소자는 수분 제거를 위해 감압 하에 80℃에서 24시간 건조하고 아르곤 가스로 충전된 글로브박스에서 준비된 전해액에 함침 한다. 함침은 글로브박스의 진공챔버에서 2시간 동안 실시하였다. 충분히 함침된 소자를 1020 타입의 커패시터로 각각의 전해액 샘플마다 EDLC를 조립하였다.
함침은 글로브박스의 진공챔버에서 2시간 동안 실시하였다. 충분히 함침된 소자를 1020 타입의 커패시터로 각각의 전해액 샘플마다 EDLC를 조립하였다.
CV는 0에서 3 V전압범위로 5mVs-1의 속도로 수행하였으며, LSV는 0V에서 4 V범위로 5mVs-1의 속도로 측정하였으며, 교류 임피던스 분석은 100 kHz~0.01 Hz 범위의 주파수에서 측정하였으며 입력신호의 크기는 10 mV로 하였고 측정온도는 25℃와 −20℃였다.
만들어진 전해액의 전기화학적 분석을 위하여 1020타입으로 제작한 커패시터를 cyclic voltammetry(CV, IVIUMSTAT, HS Technologies) 분석과 Impedance (IVIUMSTAT, HS Technologies) 그리고 LSV(Linear sweep voltammogram, IVIUMSTAT, HS Technologies) 분석을 하였다. CV는 0에서 3 V전압범위로 5mVs^-1의 속도로 수행하였으며, LSV는 0V에서 4 V범위로 5mVs^-1의 속도로 측정하였으며, 교류 임피던스 분석은 100 kHz~0.
이것으로써 EDLC용 전해액으로 0~3 V범위 내에서 산화반응이 진행되지 않는 것으로 판단할 수 있었다. 이와 같은 결과를 재확인하기 위해 EDLC의 적용을 실시하였으며, Fig. 3은 0~3 V전압범위 내에서 제조된 혼합전해액을 EDLC에 적용하여 CV 측정을 한 곡선이다.
대조군으로 TEA-BF₄/PC 1 mol 전해액을 추가하여 커패시터를 만들어 실험하였다. 방전용량을 보면 대조군인 TEA-BF₄ 보다 이온성액체가 정전 용량이 높은 것을 볼 수 있다.
1, 2, 5, 10, 20, 50, 80 mA/cm2의 전류밀도에 따른 충·방전(WBCS, Wonatech. Co.,)을 통하여 대전류방전 실험을 하고 상온, 70℃, −25℃에서의 충·방전, 그리고 수명평가는 20초 충전 10초 정전압유지 20초 방전 10초 휴지를 한 cycle로 하여 10000회를 수행하였다.

대상 데이터

이온성액체는 EMI-BF₄ (1-ethyl-3-methyl imidazolium tetrafluoroborate, Tokyo Chemical Industry)를 사용하였다. EMI-BF₄는 수분에 굉장히 민감한 액체 이므로 수분 제거를 위해 감압 하에서 80℃에서 24시간 건조하고 다시 감압 하에 120℃에서 8시간동안 감압 건조하였다.
, Kuraray chem., Co., Ltd))(80 wt%)을 사용하였으며 도전제로는 Carbon black (10 wt%)을 사용하였고 바인더로는 CMC (Carboxyl methyl cellulose)(2 wt%), SBR (Styrene butadien rubber) (4 wt%) 그리고 PTFE(Polytetrafluoroe-thylene, Aldrich) (4 wt%)의 비율로 혼합한 뒤 알루미늄 에칭박에 양면코팅 하였다. 코팅된 전극은 감압하에 120℃에서 24시간동안 건조하였다.

성능/효과

1 cP로 상당한 차이를 보인다는 것을 알 수 있다. PC의 함량이 10%에서 50%의 볼륨비로 커질수록 일정하게 점도가 일정하게 감소함을 확인하였다.
하지만 10~50 mA/cm²까지는 PC함량이 많아질수록 대전류방전 특성이 좋아지는 것을 볼 수 있다. 80 mA/cm²로 방전한 결과를 보면 더 확연하게 차이가 나는데 PC의 함량이 0 vol%인 샘플은 다른 샘플에 비하여 현저히 낮은 용량을 보였고 PC의 함량이 10 vol%인 샘플은 50 mA/cm²까지는 다른 샘플과 차이를 보이지 않다가 80 mA/cm2의 전류밀도에서 용량구현이 줄어든 것을 확인할 수 있다. 80 mA/cm²에서 EMI-BF₄와 PC를 혼합한 EMI-BF₄의 정전 용량은 최대 0.
9 F의 차이를 보였다. PC의 첨가로 인한 점도감소가 이온전도도 향상과 저항 감소에 기인하였으며 이것으로 인하여 대전류방전에서의 특성이 향상됨을 확인하였다.
충·방전 실험결과 PC의 함량이 20~50 vol%까지 일 때 이온성액체보다 대전류방전 특성이 좋다는 것을 확인할 수 있었고 80 mAcm-2로의 방전은 미세하지만 PC 함량이 40 vol%일 경우가 가장 큰 용량을 구현 하였다.
본 연구 결과 PC의 첨가는 이온성액체의 점도를 감소시키며, 이에 따른 저항의 감소는 이온전도도를 증가시켜 EDLC의 대전류방전 특성을 향상시키고 또한 녹는점이 낮아지면서 저온에서의 충·방전 특성이 향상된 것을 확인할 수 있었다.
10000회 충·방전 동안 이온성액체를 사용한 샘플의 경우는 초기 100 cycle 동안 용량이 감소하지만 대조군으로 사용한 TEA-BF₄ 보다는 용량이 높은 것을 볼 수 있다. 또한 cycle 성능은 순수한 이온성액체를 사용하였을 경우와 PC와 혼합한 이온성액체를 사용한 경우를 비교하여 보면 초기 용량대비 89.8%에서 92%로 증가된 것을 볼 수 있었다.
에 비교적 저점도의 카보네이트 계열의 PC를 첨가하였을 때의 향상된 커패시터의 전기화학적 거동을 살펴보았다. 전기화학적 안정성은 PC의 참가로 인한 변화는 미세하여 커패시터용 전해액으로는 안전성의 문제가 없는 것을 확인할 수 있었다. CV결과값을 통하여 PC의 함량이 늘어나도 순수한 이온성액체와 같은 전형적인 EDLC의 그래프형태가 나옴을 확인하고 PC의 양이 증가하여도 용량의 차이는 보이지 않는 것을 알 수 있었다.
전기화학적 안정성은 PC의 참가로 인한 변화는 미세하여 커패시터용 전해액으로는 안전성의 문제가 없는 것을 확인할 수 있었다. CV결과값을 통하여 PC의 함량이 늘어나도 순수한 이온성액체와 같은 전형적인 EDLC의 그래프형태가 나옴을 확인하고 PC의 양이 증가하여도 용량의 차이는 보이지 않는 것을 알 수 있었다. 임피던스 분석을 통하여 PC 함량이 증가함에 따라서 1kHz에서의 Impedance 값이 감소하고 또한 확산저항이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
CV결과값을 통하여 PC의 함량이 늘어나도 순수한 이온성액체와 같은 전형적인 EDLC의 그래프형태가 나옴을 확인하고 PC의 양이 증가하여도 용량의 차이는 보이지 않는 것을 알 수 있었다. 임피던스 분석을 통하여 PC 함량이 증가함에 따라서 1kHz에서의 Impedance 값이 감소하고 또한 확산저항이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 대전류방전 특성에 있어서 PC의 첨가는 좋은 영향을 미친다는 것을 예상할 수 있었다.
임피던스 분석을 통하여 PC 함량이 증가함에 따라서 1kHz에서의 Impedance 값이 감소하고 또한 확산저항이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 대전류방전 특성에 있어서 PC의 첨가는 좋은 영향을 미친다는 것을 예상할 수 있었다. 충·방전 실험결과 PC의 함량이 20~50 vol%까지 일 때 이온성액체보다 대전류방전 특성이 좋다는 것을 확인할 수 있었고 80 mAcm^-2로의 방전은 미세하지만 PC 함량이 40 vol%일 경우가 가장 큰 용량을 구현 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PC의 함량이 40 vol%와 50 vol%의 경우는 등가직렬저항 값이 가장 작게 나오는 것을 볼 수 있는 이유는 무엇인가?	또한 PC의 함량이 40 vol%와 50 vol%의 경우는 등가직렬저항 값이 가장 작게 나오는 것을 볼 수 있다.이는 어는점이 15℃인 EMI-BF4에 PC의 개입으로 인하여 분자간 인력이 떨어져 어는점이 낮아졌기 때문이다. 따라서 PC의 혼합은 저온특성을 향상시키는 것을 확인할 수 있다.
	전기 이중층 커패시터는 무엇인가?	전기 이중층 커패시터(electric double-layer capacitor, EDLC)는 이온 전도체인 전해질과 전기 전도체인 전극사이의 계면에 생기는 전기 이중층에 전하를 축적시켜에너지를 저장하는 장치이다. 비수용성 전해질을 사용하는 커패시터는 수용성계 보다 뛰어난 전기화학적 안정성을 가질 수 있고 특히 활성탄과 비수용성 전해질을 기반으로 하는 커패시터는 수용성계의 커패시터보다 구현할 수 있는 전압범위가 높기 때문에 하이브리드 전기자동차용 에너지 저장 장치중 하나로 주목 받고 있다.
	비수용성 전해질을 사용하는 커패시터의 장점은 무엇인가?	전기 이중층 커패시터(electric double-layer capacitor, EDLC)는 이온 전도체인 전해질과 전기 전도체인 전극사이의 계면에 생기는 전기 이중층에 전하를 축적시켜에너지를 저장하는 장치이다. 비수용성 전해질을 사용하는 커패시터는 수용성계 보다 뛰어난 전기화학적 안정성을 가질 수 있고 특히 활성탄과 비수용성 전해질을 기반으로 하는 커패시터는 수용성계의 커패시터보다 구현할 수 있는 전압범위가 높기 때문에 하이브리드 전기자동차용 에너지 저장 장치중 하나로 주목 받고 있다. 커패시터에서 사용하기에 적절한 비수용성 전해질은 일반적으로 20 mScm-1이상의 높은 전도도와 넓은 범위의 전위창을1) 가지며 탄소 전극에서 120 Fg-1 이상의 정전용량을 보여야 한다.

참고문헌 (9)

G. E. Blomgren and A. Webber, Advances in lithium-ion batteries, pp. 185, Kluwar Academic/Plenium Publishers, New York., (2002)
P. Bonhote, A. P. Dias, N. Papageorgiou, K. Kalynasundaram, and M. Gratzel, Inorg. Chem., 35, 1168 (1996).

상세보기
M. Ue, K. Idaand, and S. mori, J. Electrochem. Soc., 141, 2989 (1994).

상세보기
M. Ue, J. Electrochem. Soc., 141, 3336 (1994).

상세보기
M. Ue, J. Electrochem. Soc., 143, L270 (1996).

상세보기
P. Bonhote, A. P. Dias, N. Papageorgiou, K. Kalynasundaram, and M. Gratzel, Inorg. Chem., 35, 1168 (1996).

상세보기
M. Ue, M Takeda, A Toriumi, A, Kominato, R. Hagiwara, and Y. Ito, J. Electrochem. Soc., 150, A477 (2003).

상세보기
T. Sato, G. Masuda, and K. Takagi, electrochem. Acta., 49, 3603 (2004).

상세보기
Anna Jarosik, Sebastian R. Krajewski, Andrzej Lewandowski, and Przemysaaw Radzimski, Journal of Molecular Liquids., 123, 43-50 (2006).

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증