[논문]전기이중층커패시터의 가속열화시험

정재한; 김명수

전기이중층커패시터의 가속열화시험
An Accelerated Degradation Test of Electric Double-Layer Capacitors 원문보기

신뢰성응용연구 = Journal of the applied reliability, v.12 no.2 = no.38, 2012년, pp.67 - 78

정재한 (한국산업기술시험원 신뢰성기술센터) , 김명수 (수원대학교 산업정보공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

An electric double-layer capacitor(EDLC) is an electrochemical capacitor with relatively high energy density, typically hundreds of times greater than conventional electrolytic capacitors. EDLCs are widely used for energy storage rather than as general-purpose circuit components. They have a variety of commercial applications, notably in energy smoothing and momentary-load devices, and energy-storage and kinetic energy recovery system devices used in vehicles, etc. This paper presents an accelerated degradation test of an EDLC with rated voltage 2.7V, capacitance 100F, and usage temperature $-40^{\circ}C{\sim}65^{\circ}C$. The EDLCs are tested at $50^{\circ}C$, $60^{\circ}C$, and $70^{\circ}C$, respectively for 1,750hours, and their capacitances are measured at predetermined times by constant current discharge method. The failure times are predicted from their capacitance deterioration patterns, where the failure is defined as 30% capacitance decrease from the initial one. It is assumed that the lifetime distribution of EDLC follows Weibull and Arrhenius life-stress relationship holds. The life-stress relationship, acceleration factor, and $B_{10}$ life at design condition are estimated by analyzing the accelerated life test data.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 EDLC의 고온부하 가속열화시험에 대하여 다루었다. 정격전압 2.
본 논문에서는 EDLC의 정전용량 감소를 가속하기 위하여 정격전압을 인가한 상태에서 온도를 높인 고온부하 가속열화시험을 다룬다. 정해진 시점에 측정된 정전용량의 열화패턴으로부터 고장시간을 예측하고, 와이블-아레니우스 모형을 적용하여 수명분포의 모수, 수명스트레스 관계, 사용조건에서의 수명을 추정한다.

가설 설정

분포의 적합성은 Minitab을 이용하여 확인하였다. 대수정규와 와이블 모두 적합한 것으로 나타났지만 와이블분포가 더 적합하다고 판단되어 가정하였다. 다음으로 시험조건 50℃, 60℃, 70℃ 사이의 가속성을 검정하였다.
<표 5>의 데이터를 분석하기 위해 수명분포는 와이블, 수명-스트레스 관계는 아레니우스 관계를 가정하였다. 아레니우스 관계는 고온 가속수명시험에 가장 널리 사용되는 수명-스트레스 관계로, 식 (2)와 같이 표현된다.

제안 방법

EDLC의 고장시간을 측정하기 위해 0, 50, 100, 150, 300, 500, 750, 1,000, 1,250, 1,500, 1,750 시간에 정전용량을 측정하였다.
이때 고장판정기준은 RS-KTL-2010-0007 EDLC에 따라 정전용량이 초기치 대비 30% 이상 감소되는 시점으로 정하였다. 가속열화시험을 통해 수집된 정전용량 데이터로부터 열화패턴과 고장시간을 예측하고, 와이블-아레니우스 모형을 적용하여 수명분포의 모수, 수명-스트레스 관계, 가속계수 및 사용조건에서의 수명을 추정하였다.
대수정규와 와이블 모두 적합한 것으로 나타났지만 와이블분포가 더 적합하다고 판단되어 가정하였다. 다음으로 시험조건 50℃, 60℃, 70℃ 사이의 가속성을 검정하였다. 형상모수의 동일성을 검정한 결과 P-값이 0.
대상제품의 정격전압이 2.7V, 사용온도가 -40℃∼65℃임을 고려하여, 인가전압은 2.7V, 시험온도는 50℃, 60℃, 70℃로 설정하였다.
따라서 과 같이 Weibull++을 이용하여 각 시료의 정전용량 열화 모델을 추정하고, 이를 정전용량 초기치 대비 70%까지 외삽하여 고장시간을 예측하였다.
따라서 본 연구에서는 와 같이 고온부하 가속열화시험을 수행하였다.
한편, 전압을 인가한 상태에서의 고온시험은 정전용량 감소를 더 빨리 가속시킬 수 있다. 따라서 본 연구에서는 정격전압을 인가한 상태에서 사용조건보다 온도를 가혹하게 설정하고 고온부하 가속열화시험을 실시하였다. 대상제품의 정격전압이 2.
즉, 내부저항의 증가는 충방전 속도를 낮추고, 열을 발생시켜 결과적으로 정전용량의 감소로 나타난다. 비록 내부저항이 정전용량과 밀접한 관계가 있지만 본 논문에서는 정전용량을 이용하여 EDLC의 성능을 평가한다. 정전용량은 EDLC 뿐만 아니라 알루미늄 전해커패시터, 배터리와 같은 에너지원의 가장 중요한 성능지표이다.
시험기간은 EDLC의 열화를 확인할 수 있도록 가능한 오랜 시간(1,750h)을 시험하였으며, 시료 수는 각 시험조건에 10개씩, 총 30개를 배치하였다. 따라서 본 연구에서는 <표 4>와 같이 고온부하 가속열화시험을 수행하였다.
7V, 정전용량 100F, 사용온도 -40℃∼65℃의 EDLC를 대상으로 정격전압을 인가한 상태에서 50℃, 60℃, 70℃에서 각각 시료 10개를 1,750 시간동안 시험하였으며, 정해진 시점에 방전시간 및 전압을 측정하고 정전류 방전법을 이용하여 정전용량을 산출하였다. 이때 고장판정기준은 RS-KTL-2010-0007 EDLC에 따라 정전용량이 초기치 대비 30% 이상 감소되는 시점으로 정하였다. 가속열화시험을 통해 수집된 정전용량 데이터로부터 열화패턴과 고장시간을 예측하고, 와이블-아레니우스 모형을 적용하여 수명분포의 모수, 수명-스트레스 관계, 가속계수 및 사용조건에서의 수명을 추정하였다.
정격전압 2.7V, 정전용량 100F, 사용온도 -40℃∼65℃의 EDLC를 대상으로 정격전압을 인가한 상태에서 50℃, 60℃, 70℃에서 각각 시료 10개를 1,750 시간동안 시험하였으며, 정해진 시점에 방전시간 및 전압을 측정하고 정전류 방전법을 이용하여 정전용량을 산출하였다.
010로 유의수준 5%에서 가속성이 성립하지 않았으며, 그 원인은 <그림 9>의 (1)과 같이 70℃의 기울기가 다른 조건과 다르기 때문으로 예상되었다. 한편, 70℃ 데이터는 사용온도 범위인 65℃를 벗어나서 가속성이 성립하지 않는다고 판단되어 이를 제외하고 50℃와 60℃ 데이터의 가속성을 재검정하였다. 그 결과 <그림 9>의 (2)와 같이 기울기가 평행하게 나타나며, P-값이 0.

대상 데이터

가속열화시험 대상으로 정격전압 2.7V, 정전용량 100F, 사용온도 -40℃∼65℃의 EDLC를 선정하였다.
시험장비는 상온에서 200℃까지 사용가능한 일반 항온시험기를 이용하였다. 측정장비는 정확한 정전용량 측정을 위해 2차 전지 시험용으로 많이 활용되는 전용장비를 이용하였다.<그림 6>은 고온부하 시험 장면을 나타낸다.

데이터처리

분포의 적합성은 Minitab을 이용하여 확인하였다. 대수정규와 와이블 모두 적합한 것으로 나타났지만 와이블분포가 더 적합하다고 판단되어 가정하였다.

이론/모형

본 논문에서는 EDLC의 정전용량 감소를 가속하기 위하여 정격전압을 인가한 상태에서 온도를 높인 고온부하 가속열화시험을 다룬다. 정해진 시점에 측정된 정전용량의 열화패턴으로부터 고장시간을 예측하고, 와이블-아레니우스 모형을 적용하여 수명분포의 모수, 수명스트레스 관계, 사용조건에서의 수명을 추정한다.

성능/효과

그 결과 의 (2)와 같이 기울기가 평행하게 나타나며, P-값이 0.342로 유의수준 5%에서 가속성이 성립함을 확인하였다.
형상모수의 동일성을 검정한 결과 P-값이 0.010로 유의수준 5%에서 가속성이 성립하지 않았으며, 그 원인은 의 (1)과 같이 70℃의 기울기가 다른 조건과 다르기 때문으로 예상되었다.

후속연구

정격전압, 정전용량 및 사용온도에 따라 여러 종류의 EDLC에 대하여 고온부하 가속열화시험을 적용하여 가속수명시험 모델을 개발하는 것이 필요하고, 또한 전압, 충·방전 사이클 등 복합 스트레스를 이용한 가속열화시험에 대한 연구가 앞으로 필요하다고 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기이중층커패시터는 무엇인가?	전기이중층커패시터(electric double-layer capacitor, EDLC)는 전극과 전해질 계면에서의 이온이동과 전기화학반응에 의한 충전현상을 이용한 2차 에너지 저장장치로서, 축전용량이 매우 커서 초고용량 또는 울트라 커패시터라 부르며 기존의 정전기식 또는 전해 커패시터와 구분하여 전기화학식 커패시터라고 부른다. 1980년대부터 상용화되기 시작한 EDLC는 다른 이차 전지보다 출력밀도, 안전성, 가격 대비 효율이 높아서 각종 전자장치의 에너지원과 전기자동차, 신재생에너지, 분산전원용 전력저장 및 운영시스템 등 스마트그리드산업 전반에 적용되고 있다.
	EDLC의 성능 평가 지표인 정전용량과 내부저항은 어떤 관계가 있는가?	EDLC의 성능은 정전용량과 내부저항으로 평가하며, 내부저항과 정전용량은 서로 밀접한 관계가 있다. 즉, 내부저항의 증가는 충방전 속도를 낮추고, 열을 발생시켜 결과적으로 정전용량의 감소로 나타난다. 비록 내부저항이 정전용량과 밀접한 관계가 있지만 본 논문에서는 정전용량을 이용하여 EDLC의 성능을 평가한다.
	다른 이차 전지보다 EDLC가 좋은 점은?	전기이중층커패시터(electric double-layer capacitor, EDLC)는 전극과 전해질 계면에서의 이온이동과 전기화학반응에 의한 충전현상을 이용한 2차 에너지 저장장치로서, 축전용량이 매우 커서 초고용량 또는 울트라 커패시터라 부르며 기존의 정전기식 또는 전해 커패시터와 구분하여 전기화학식 커패시터라고 부른다. 1980년대부터 상용화되기 시작한 EDLC는 다른 이차 전지보다 출력밀도, 안전성, 가격 대비 효율이 높아서 각종 전자장치의 에너지원과 전기자동차, 신재생에너지, 분산전원용 전력저장 및 운영시스템 등 스마트그리드산업 전반에 적용되고 있다. <표 1>은 EDLC와 다른 에너지 저장창치의 특징을 비교한 것이다.

참고문헌 (13)

수원대학교 신뢰성혁신센터(2004), 가속수명시험 Guideline-1부: 가속수명시험의 개요.
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원문보기 상세보기
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한국과학기술정보연구원(2007), 슈퍼커패시터.
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상세보기
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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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