[논문]금속산화물 전극을 사용한 고 에너지밀도 하이브리드 커패시터 특성

윤홍진; 신윤성; 이종대

doi:10.12925/jkocs.2011.28.3.10

금속산화물 전극을 사용한 고 에너지밀도 하이브리드 커패시터 특성
Characteristics of high energy density hybrid capacitor using metal oxide electrode 원문보기

한국유화학회지 = Journal of oil & applied science, v.28 no.3, 2011년, pp.329 - 334

윤홍진 (충북대학교 화학공학과) , 신윤성 (충북대학교 화학공학과) , 이종대 (충북대학교 화학공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The electrochemical performances of an asymmetric hybrid capacitor were investigated using $LiFePO_4$ as the positive electrode and active carbon fibers(ACF) as the negative electrode. The electrochemical behaviors of a nonaqueous hybrid capacitor were characterized by constant current charge/discharge test. The specific capacitance using $LiFePO_4$/ACF electrode turned out to be $0.87F/cm^2$ and the unit cell showed excellent cycling performance. This hybrid capacitor was able to deliver a specific energy as high as 178 Wh/kg at a specific power of 1,068 W/kg.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

를 커패 시터의 양극으로 사용하여 슈퍼 커패시터의 낮은 에너지밀도를 보완하고자 하였다. 또한 전해질과 바인더 종류를 변화 하면서 하이브리드 커패시터 셀을 제작하고 이에 따른 전기화학 성능변화를 관찰하고 하이브리드 커패시터 전극소재로의 활용성을 고찰하였다.
본 연구는 고용량의 금속산화물 소재를 커패시터 전극에 사용하는 것으로 기존의 금속산화물 전극 소재로 사용되고 있는 LiFePO₄를 커패 시터의 양극으로 사용하여 슈퍼 커패시터의 낮은 에너지밀도를 보완하고자 하였다. 또한 전해질과 바인더 종류를 변화 하면서 하이브리드 커패시터 셀을 제작하고 이에 따른 전기화학 성능변화를 관찰하고 하이브리드 커패시터 전극소재로의 활용성을 고찰하였다.
본 연구는 하이브리드 커패시터를 제작하기 위하여 고용량의 금속산화물 소재를 커패시터 전극에 사용하는 것으로 기존의 금속산화물 전극 소재로 사용되고 있는 LiFePO₄를 커패시터의 양극으로 사용하여 슈퍼 커패시터의 낮은 에너지밀도를 보완하고자 하였다. 또한 전해질과 바인더 종류를 변수로 하여 하이브리드 커패시터 셀을 제작하고 전기화학적 특성을 측정 하여 금속산화물이 하이브리드 커패시터 성능에 미치는 영향을 조사하였다.

제안 방법

5 V로 하고 5, 10, 15, 20 mV/s 의 주사속도로 WBCS 3000 Battery Cycler를 이용하여 측정하였다. 누설전류 실험은 WBCS 3000 Battery Cycler를 이용하여 2.5 V까지 1 mA의 일정한 전류로 충전한 후 2.5 V의 정전압 충전 시 전류 값의 변화를 10시간 동안 측정하였다.
를 커패시터의 양극으로 사용하여 슈퍼 커패시터의 낮은 에너지밀도를 보완하고자 하였다. 또한 전해질과 바인더 종류를 변수로 하여 하이브리드 커패시터 셀을 제작하고 전기화학적 특성을 측정 하여 금속산화물이 하이브리드 커패시터 성능에 미치는 영향을 조사하였다. LiFePO₄ 를 사용한 하이브리드 커패시터의 비축전용량은 0.
순환 전압 전류 시험은 모두 0∼2.5 V의 범위에서 5, 10, 15, 20 mV/s의 주사속도로 이루어졌다.
순환 전압 전류 테스트는 전극과 전해액의 계면에 주기적인 전압을 가하여 이때 발생하는 전류변화를 관찰하는 전기화학적 실험으로 구동전압을 0∼2.5 V로 하고 5, 10, 15, 20 mV/s 의 주사속도로 WBCS 3000 Battery Cycler를 이용하여 측정하였다.
압착된 전극을 2×2 cm2 의 크기로 재단한 후 3×3 cm2 의 크기로 준비된 분리막과 함께 단위 셀을 제작 하였다.
활성탄소섬유와 금속산화물 소재를 사용하여 Lee 등이[15] 한 방법과 같은 공정으로 하이브리드 커패시터 전극을 제작하였다. 음극은 활성 탄소섬유 : 도전재 : 바인더 = 76 : 17 : 7 의 비율로 혼합하여 슬러리를 제조하였으며 양극은 금속산화물 : 도전재 : 바인더 = 85 : 10 : 5 의 비율로 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 슬러리를 균일하게 혼합한 후 집전체로 사용된 알루미늄 호일에 코팅하였다.
단위 셀의 모든 제조 공정은 아르곤 분위기하의 글러브 박스 내에서 진행하여 유기 전해질이 공기 중의 수분과 접촉하는 것을 방지하였다. 전극소재로 사용된 활성탄소섬유와 금속산화물 소재의 표면과 결정 형상을 주사전자 현미경 (TESCAN study-3, LEO-1530FE SEM)을 통하여 관찰하였다.
제조된 하이브리드 커패시터의 전기화학적 특성은 WBCS 3000 Battery Cycler (Won A Tech)를 이용하여 측정하였다. 충·방전 테스트에서 운전조건은 0∼2.
충·방전 테스트에서 운전조건은 0∼2.5 V까지 일정한 전류로 충전한 후 2.5 V에서 동일한 전류로 5분 동안 유지시키고 다시 일정한 전류로 방전을 시켰다.
충전과 방전 시 구동전압은 0∼2.5 V이고, 2.5 V에 도달하면 전지에 과충전을 방지하기 위해 일정 전압 모드에서 실험을 수행하였고 충전과정과 방전과정 사이에 5분 정도의 휴지시간을 두어 급격한 전위변화에 대한 전지의 불안정성을 최소화 하면서 충· 방전 테스트를 하였다.
하이브리드 커패시터 중에서 우수한 충·방전 특성을 나타낸 PVDF를 바인더로 사용하고 LiPF6를 전해질로 사용한 하이브리드 커패시터의 순환 전압 전류 특성을 Fig. 3에 나타내었다.

대상 데이터

본 연구에서는 하이브리드 커패시터 전극을 제작하기 위하여 음극 소재로 MSP-20 (2200m2 /g, Kansai Coke & Chem.)을 사용하였으며 양극 소재로는 금속산화물 소재인 LiFePO4를 사용하였다.
하이브리드 커패시터 전극의 도전재로 Super-P를 사용하였고 바인더로는 PTFE(Polytetrafluoroethylene), BS(Butadien styrene)와 PVDF(Poly vinylidene fluoride)를 사용하였다. 유기성 전해액의 조성은 용질로 사용한 TEABF 4(Tetraethyl ammonium tetrafluoroborate)를 PC(Propylene carbonate)에 1M 농도를 용해시킨 것과 1M LiPF₆ 염이 용해된 EC(Ethylene carbonate), EMC(Ethyl-methyl carbonate), DMC(Dimethyl carbonate)가 1:1:1의 부피로 구성되어 있는 혼합액을 사용하였다.
)을 사용하였으며 양극 소재로는 금속산화물 소재인 LiFePO₄를 사용하였다. 하이브리드 커패시터 전극의 도전재로 Super-P를 사용하였고 바인더로는 PTFE(Polytetrafluoroethylene), BS(Butadien styrene)와 PVDF(Poly vinylidene fluoride)를 사용하였다. 유기성 전해액의 조성은 용질로 사용한 TEABF 4(Tetraethyl ammonium tetrafluoroborate)를 PC(Propylene carbonate)에 1M 농도를 용해시킨 것과 1M LiPF₆ 염이 용해된 EC(Ethylene carbonate), EMC(Ethyl-methyl carbonate), DMC(Dimethyl carbonate)가 1:1:1의 부피로 구성되어 있는 혼합액을 사용하였다.

이론/모형

하이브리드 커패시터의 성능을 평가하기 위해 전기화학적 분석기법으로 정전류 충·방전 시험을 사용하여 평가하였다.
활성탄소섬유와 금속산화물 소재를 사용하여 Lee 등이[15] 한 방법과 같은 공정으로 하이브리드 커패시터 전극을 제작하였다. 음극은 활성 탄소섬유 : 도전재 : 바인더 = 76 : 17 : 7 의 비율로 혼합하여 슬러리를 제조하였으며 양극은 금속산화물 : 도전재 : 바인더 = 85 : 10 : 5 의 비율로 혼합하여 슬러리를 제조하였다.

성능/효과

또한 전해질과 바인더 종류를 변수로 하여 하이브리드 커패시터 셀을 제작하고 전기화학적 특성을 측정 하여 금속산화물이 하이브리드 커패시터 성능에 미치는 영향을 조사하였다. LiFePO₄ 를 사용한 하이브리드 커패시터의 비축전용량은 0.87F/cm² 로 우수한 비축전용량을 얻을 수 있었으며 높은 에너지 밀도 178 Wh/kg와 출력 밀도 1,068 W/kg을 갖는 것을 알 수 있었다. 또한 TEABF₄ 전해질보다는 LiPF₆전해질에서 우수한 전기화학성능을 보였고, PTFE 바인더 보다는 PVDF 바인더에서 전기화학성능이 우수함을 알 수 있었다.
누설전류 값은 바인더로 PVDF를 사용하고 전해질로는 LiPF6를 사용한 하이브리드 커패시터가 323 μA로 다른 하이브리드 커패시터보다 우수한 성능을 보여 주었다.
압착된 전극을 2×2 cm²의 크기로 재단한 후 3×3 cm² 의 크기로 준비된 분리막과 함께 단위 셀을 제작 하였다. 단위 셀의 모든 제조 공정은 아르곤 분위기하의 글러브 박스 내에서 진행하여 유기 전해질이 공기 중의 수분과 접촉하는 것을 방지하였다. 전극소재로 사용된 활성탄소섬유와 금속산화물 소재의 표면과 결정 형상을 주사전자 현미경 (TESCAN study-3, LEO-1530FE SEM)을 통하여 관찰하였다.
87F/cm² 로 우수한 비축전용량을 얻을 수 있었으며 높은 에너지 밀도 178 Wh/kg와 출력 밀도 1,068 W/kg을 갖는 것을 알 수 있었다. 또한 TEABF₄ 전해질보다는 LiPF₆전해질에서 우수한 전기화학성능을 보였고, PTFE 바인더 보다는 PVDF 바인더에서 전기화학성능이 우수함을 알 수 있었다.
5 는 앞의 실험결과를 바탕으로 출력밀도와 에너지밀도를 나타낸 것이다. 바인더로 PVDF를 사용하고 전해질로 LiPF₆ 를 사용한 하이브리드 커패시터가 에너지 밀도가 178 Wh/kg로 이차 전지에 가까운 에너지밀도를 나타냈으며 커패시터에 가까운 1,068 W/kg의 출력밀도를 가지며 우수한 성능을 보였다.
충·방전 테스트 결과 전해질 특성으로는 TEABF4 전해질 보다 LiPF6 전해질을 사용한 하이브리드 커패시터가 각각 0.75 F/cm2 0.87 F/cm2 의 비축전용량을 나타내며 우수한 성능을 보였고 바인더 특성으로는 수계 PTFE 바인더 보다 유기계 PVDF 바인더를 사용한 하이브리드 커패시터가 높은 충·방전 용량을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기 이중층 커패시터의 원리는?	화석연료의 고갈, 환경문제 등이 현안 문제로 대두되면서 신재생에 너지 개발 분야의 성장과 관련 기술력은 국력과 에너지차원에서 매우 중요한 일이 되고 있다. 저에너지밀도 특성의 재래식 커패시터 (Condensor)의 단점을 보완한 고출력 충·방전이 가능한 전기 이중층 커패시터[1]는 활성탄과 같이 상대적으로 전기 전도성이 좋으며 비표면적이 매우 큰 다공성 물질을 양극과 음극의 전극 소재로 사용함으로써 전기 이중층 원리에 따라 축전되는 전하의 양을 극대화한 것이다 [2]. 에너지 저장장치로 주목받고 있는 이와 같은 전기 이중층 커패시터(EDLC)는 높은 충·방전 효율, 반영구적인 사이클 수명, 높은 출력 밀도를 제공한다[3,4].
	하이브리드 커패시터 제작에 대해, 최근 어떤 사례가 있는가?	이에 따라 고에너지 밀도와 고출력밀도 특성을 겸비한 신뢰 성과 안전성이 높은 차세대 하이브리드 커패시터의 개발이 진행되고 에너지의 지속성과 효율성에 있어서 에너지 밀도와 출력밀도의 두 측면을 만족시킬 수 있는 에너지 저장 시스템이 요구 되어 지고 있다. 최근 하이브리드 커패시터 제작 과정 중 한쪽 전극을 리튬염이 포함 되어 있는 금속산화물을 전극 물질로 사용하는 사례들이 보고되고 있으며 이들은 기존의 커패 시터 보다 높은 에너지밀도를 가지는 것으로 보고되고 있다[13,14]. 하이브리드 커패시터는 전기자동차, 철도차량, 태양광 및 풍력발전설비등 기기의 에너지 절감과 자연 에너지의 효과적인 활용을 목적으로 한 환경 에너지 분야에서 새로운 시장을 창출할 수 있는 기술로서 기대를 모으고 있다.
	고용량의 금속산화물 소재를 커패시터 전극에 사용하는 것으로 기존의 금속산화물 전극 소재로 사용되고 있는 LiFePO4를 커패시터의 양극으로 사용하여 슈퍼 커패시터의 낮은 에너지밀도를 보완하고자 한 본 실험에서는 LiFePO4가 하이브리드 커패시터 성능에 어떤 영향을 미쳤는가?	또한 전해질과 바인더 종류를 변수로 하여 하이브리드 커패시터 셀을 제작하고 전기화학적 특성을 측정 하여 금속산화물이 하이브리드 커패시터 성능에 미치는 영향을 조사하였다. LiFePO4 를 사용한 하이브리드 커패시터의 비축전용량은 0.87F/cm2 로 우수한 비축전용량을 얻을 수 있었으며 높은 에너지 밀도 178 Wh/kg와 출력 밀도 1,068 W/kg을 갖는 것을 알 수 있었다. 또한 TEABF4 전해질보다는 LiPF6 전해질에서 우수한 전기화학성능을 보였고, PTFE 바인더 보다는 PVDF 바인더에서 전기화학성능이 우수함을 알 수 있었다.

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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].

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