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고출력/저온 방전을 위한 리튬전지와 슈퍼캐패시터 하이브리드 셀의 방전 거동 특성 연구
Performance Characteristics of Li-ion Battery and Supercapacitor Hybrid Cell for High Power / Low Temperature Discharge 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.21 no.6, 2013년, pp.49 - 57  

장우진 (성균관대학교 고분자공학과) ,  홍승철 (성균관대학교 고분자공학과) ,  홍정표 (성균관대학교 고분자공학과) ,  황태선 (성균관대학교 고분자공학과) ,  오준석 (성균관대학교 고분자공학과) ,  고성연 (성균관대학교 기계공학과) ,  이가은 (성균관대학교 기계공학과) ,  안균영 (현대자동차 배터리시스템설계팀) ,  김현수 (성균관대학교 기계공학과) ,  서종환 (댈러웨어대학교 기계공학과) ,  남재도 (성균관대학교 에너지과학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, we fabricated a parallelly connected Li-ion battery/supercapacitor hybrid cell to combine the advantageous characteristics of Li-ion battery and supercapacitor, high energy density and high power density, respectively, and investigated its discharging characteristics over a wide tempe...

주제어

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제안 방법

  • 19) 하이브리드 셀의 경우 방전이 끝나고 잃어버렸던 전위를 다시 회복하는 지를 확인하기 위하여 5분 동안 방전한 후에 5분 동안 부하를 제거하고 하이브리드셀의 전위회복 특성을 관찰하였다.
  • 8) 반면에, 슈퍼캐패시터는 저온에서도 고유의 방전특성을 유지하며 방전할 수 있다.9) 하이브리드 셀의 저온에서의 방전특성을 확인하기 위하여 High-Speed Temperature/Humidity Test Chamber (540 FCH 80/4, Servathin)를 이용하여 각각 -40, -30, -20, -10, 0, 25℃에서 방전시키고 각각의 방전시간을 분석하였다.
  • 구성한 하이브리드 셀을 Wonatech사의 WBCS 3000HP 고전류형 충/방전기를 이용하여 정 전류로 방전을 시켰다.
  • 리튬전지를 충전하고 회로 내의 쇼트를 방지하기 위해서 슈퍼캐패시터를 직렬로 두 셀을 연결해서 전위를 맞춰주었다. 그 후에 리튬전지와 슈퍼캐패시터를 병렬로 연결하여 하이브리드셀을 구성하였다.
  • 11-14) 하지만, 최근 들어 높은 에너지밀도와 높은 출력밀도를 동시에 만족시켜야 하는 에너지 저장장치의 요구가 늘어나고 있고, 단일 셀만으로는 이를 만족시키는 데에 한계가 있다. 그래서 우리는 단일 셀의 방전특성을 향상시키는 것과는 달리 슈퍼캐패시터를 리튬전지와 병렬연결하여 하이브리드 셀을 구성하고, 방전특성을 연구하였다. 이 하이브리드 셀은 슈퍼캐패시터의 높은 출력밀도와 리튬전지의 높은 에너지밀도를 동시에 갖출 수 있을 것으로 기대된다.
  • 이 하이브리드 셀은 슈퍼캐패시터의 높은 출력밀도와 리튬전지의 높은 에너지밀도를 동시에 갖출 수 있을 것으로 기대된다. 더 나아가 하이브리드 셀 내부에 스위치를 장착하고 초기방전을 제어하여 출력을 높이는 방법을 제안하였다. 또한, 자가충전 실험을 통해 셀이 스스로 전위를 회복하는 것을 확인하였고, 저온실험을 통해 -20℃ 이하의 저온조건에서도 셀이 방전이 가능한 것을 확인하였다.
  • 하이브리드셀을 구성하기에 앞서 구성요소인 리튬전지의 특성을 파악하기 위해서 리튬전지의 단위셀 방전 특성을 확인하고 방전초기에 나타나는 IR drop을 이용하여 내부저항을 측정하였다. 리튬전지는 4.1 V까지 충전하여 각각 3, 5, 7 A (1, 2, 3 C-rate)의 정전류로 2.2 V까지 방전을 하였다.
  • 그리고 AB, AS에서 측정된 전류는 각각 IB, IS로 나타냈다. 리튬전지를 충전하고 회로 내의 쇼트를 방지하기 위해서 슈퍼캐패시터를 직렬로 두 셀을 연결해서 전위를 맞춰주었다. 그 후에 리튬전지와 슈퍼캐패시터를 병렬로 연결하여 하이브리드셀을 구성하였다.
  • 리튬전지와 직렬로 연결된 슈퍼캐패시터에 모두 4.1 V 로 충전하여 전위를 맞춘 후 하이브리드 셀을 구성하고 3 A로 방전을 시킬 때 나타나는 시간에 따른 방전 특성을 확인하였다. 회로 내 저항으로 인한 IR Drop으로 초기전압은 3.
  • 리튬전지와 직렬로 연결된 슈퍼캐패시터에 모두 4.1 V로 충전하여 전위를 맞춘 후 스위치가 연결 된 하이브리드셀을 구성하고 3 A로 방전을 시킬 때 나타나는 시간에 따른 방전 특성을 확인하였다. 회로 내 저항으로 인한 IR Drop으로 리튬전지의 초기전압은 4.
  • 2(b)는 리튬전지를 방전하는 도중 10초간 방전을 중단했다 다시 방전을 시작할 때 나타나는 전압 강하를 보여주는 그래프이다. 리튬전지의 내부저항은 방전시작과 동시에 발생하는 IR drop을 이용해서 측정하였다. 각각 3, 5, 7 A로 방전 시 발생하는 전위손실을 이용해서 역으로 전원장치가 가지고 있는 내부저항을 계산해 낼 수 있었다.
  • 5는 스위치를 도입하여 방전시간을 제어할 수 있는 하이브리드 셀의 대략적인 모식도이다. 리튬전지쪽의 스위치는 열어두고 방전을 시작하다가 슈퍼캐패시터와 리튬전지의 전위가 같아지면 리튬전지쪽의 스위치를 닫아서 슈퍼캐패시터와 동시에 방전을 하도록 제어하였다. 이때는 슈퍼캐패시터와 리튬전지가 병렬연결된 Fig.
  • 방전초기에 방전되는 전력을 향상시키기 위해서 하이브리드 셀 내부의 리튬전지 쪽에 스위치를 연결하여 초기방전을 제어할 수 있는 회로를 구성하였다. 회로 내 쇼트를 방지하기 위해서 슈퍼캐패시터와 리튬전지의 전위를 맞춰주었던 스위치가 없는 경우의 하이브리드셀과 비교하여 스위치를 도입한 하이브리드 셀은 슈퍼캐패시터의 초기 전압을 더 높일 수 있기 때문에 방전초기에 더 높은 출력을 얻을 수 있다.
  • 슈퍼캐패시터의 특성을 파악하기 위해서 슈퍼캐패시터의 단위 셀 방전 특성을 확인하고 방전초기에 나타나는 IR drop을 이용하여 내부저항을 측정하였다. 슈퍼캐패시터는 2.7 V 로 충전하여 각각 3, 5, 7 A의 정전류로 0 V 까지 방전을 하였다.
  • 3(b)는 슈퍼캐패시터를 방전하는 도중 10초간 방전을 중단했다 다시 방전을 시작할 때 나타나는 전압강하를 보여주는 그래프이다. 슈퍼캐패시터의 내부 저항은 배터리와 마찬가지로 방전 시작과 동시에 발생하는 IR Drop을 이용하여 측정하였다. 각각 3, 5, 7 A로 방전 시 발생하는 전위손실을 이용해서 역으로 전원장치가 가지고 있는 내부저항을 계산해낼 수 있었다.
  • 슈퍼캐패시터의 특성을 파악하기 위해서 슈퍼캐패시터의 단위 셀 방전 특성을 확인하고 방전초기에 나타나는 IR drop을 이용하여 내부저항을 측정하였다. 슈퍼캐패시터는 2.
  • 이 연구에서는 리튬전지와 슈퍼캐패시터를 병렬로 연결한 하이브리드 셀을 구성하고 방전특성을 분석하였다. 이를 리튬전지 및 슈퍼캐패시터 단위 셀의 방전특성과 비교하고 전력을 향상시키는 방법과 저온특성등을 분석하였다.
  • 이 연구에서는 리튬전지와 슈퍼캐패시터를 병렬로 연결한 하이브리드 셀을 구성하고 방전특성을 분석하였다. 이를 리튬전지 및 슈퍼캐패시터 단위 셀의 방전특성과 비교하고 전력을 향상시키는 방법과 저온특성등을 분석하였다.
  • 하이브리드셀을 구성하기에 앞서 구성요소인 리튬전지의 특성을 파악하기 위해서 리튬전지의 단위셀 방전 특성을 확인하고 방전초기에 나타나는 IR drop을 이용하여 내부저항을 측정하였다. 리튬전지는 4.

대상 데이터

  • 리튬전지는 리튬산화재와 탄소재로 이루어진 전극을 사용하며, 폴리올레핀(Polyolefin) 계열의 다공성 분리막과 Lithium hexafluorophosphate (LiPF6)를 전해질로 사용하는 2,600 mAh의 원통형 전지(LG화학)를 사용했으며, 슈퍼캐패시터는 탄소재로 이루어진 전극과 유기 전해질을 사용하는 360 F 용량의 원통형 Electric double layer capacitor (EDLC, Nesscap)를 사용했다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
슈퍼캐패시터가 단독으로 전기자동차 저장장치로 사용될 수 없는 이유는 무엇인가? 반면에, 슈퍼캐패시터는 빠른 충전과 방전 거동을 나타내며 ~106 W/kg의 높은 출력 밀도를 지니며 저온 조건에서도 특유의 방전특성을 유지할 수 있다는 장점이 있다.9) 하지만, 슈퍼캐패시터는 낮은 에너지밀도를 가지고 있어 단독으로 전기자동차의 저장장치로 사용되기에는 한계를 갖고 있다.10)
슈퍼캐패시터를 리튬전지와 병렬연결한 하이브리드 셀의 방전실험 시 방전 초기에 슈퍼캐패시터 쪽에서 더 많은 전위손실이 일어나는 이유는 무엇인가? 방전 초기에는 슈퍼캐패시터 쪽에서 더 많은 양의 전위 손실이 일어나는 것을 확인 할 수 있다. 이는 슈퍼캐패시터의 내부저항이 리튬전지의 내부 저항에 비해서 낮기 때문에 방전 초기에 슈퍼캐패시터 쪽에서 더 많은 양의 전류를 방전하기 때문이다. Fig.
고용량의 리튬전지를 만들기 위해 어떤 문제들이 해결되어야 하는가? 1) 특히, 그들 중에서 리튬전지는 105 J/kg 의 높은 에너지밀도를 지니고 있고, 지속적으로 일정한 전력을 제공할 수 있어 이를 이용한 전기 자동차의 개발이 두드러지고 있다.2,3) 고용량의 리튬전지를 만들기 위해서 전극의 물성, 분리막의 투과성, 전해질의 이동성, 집전체의 계면특성 등을 향상시키려는 연구가 활발히 진행되고 있다.4-6) 하지만, 전기자동차의 구동 초기 또는 급가동 등의 상황에서 높은 전력이 필요하기 때문에 전원장치의 초기 전력을 높여 줄 필요성이 있다.
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참고문헌 (20)

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  19. E. M. Genies, P. Hany and Ch. Santier, "A Rechargeable Battery of the Type Polyaniline/Propylene Carbonate- $LiClO_4/Li-Al$ ," Journal of Applied Electrocheistry, Vol.18, No.5, pp.751-756, 1988. 

  20. S. Pay and Y. Baghzouz, "Effectiveness of Battery-supercapacitor Combination in Electric Vehicles," IEEE Bologna PowerTech Conference, Vol.3, pp.1-6, 2003. 

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