선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 논문에서는 이러한 특성을 지닌 리튬이온커패시터의 cell capacitance 증가를 위해 그래파이트에 리튬이온을 pre-doping하였으며 doping시 전류밀도에 따른 전기화학적 특성을 보고자 하였다.
제안 방법
- Graphite에 Lithium metal을 이용하여 전류밀도 1 mA/cm2, 2 mA/cm2를 인가하여 3.1 V~0.005 V의 전압 범위를 설정하였다.
- Impedance 측정은 전기화학분석장비인 Modulab (Solartron)을 사용하여 amplitude 10 mV, frequency 10 mHz~100 kHz로 측정하였다. 1 mA/cm2의 전류로 도핑 한 그래파이트에 양극 1M LiPF6EC/DMC 전해액을 첨가하여 MSP-20으로 제조된 활성탄을 사용하여 시험한 결과 1 mA/cm2로 도핑하여 제조된 셀의 Impedance의 ESR값은 4.
- Full 셀 제조 시 음극 소재인 Lithium doping MAGE-E3 (⏀ 16 mm)에 분리막을 사이에 두고 양극 소재인 MSP-20 (⏀ 15 mm)를 두어 셀(⏀ 16 mm coin type)을 구성 하였다. LiPF6를 첨가한 전해액 EC/DMC 1:1(v/v)를 1 mL 첨가하여 전기화학 분석을 진행하였다. Impedance는 전기화학분석장비인 Modulab(Solartron)을 사용하여 amplitude 10 mV, frequency 10 mHz~100 kHz 범위 에서 측정하였다.
- Lithium doping을 위하여 질소 기체로 충전된 수분 1.0 ppm이하의 glove box 내에서 상대 전극으로 Lithium metal (⏀ 16 mm)을 사용하였으며, 작업 전극으로 음극인 Artificial Graphite MAGE-E3 (⏀ 16 mm)에 도핑을 진행 하였다.
- Lithium ion capacitor의 성능평가를 위하여 전기화학분석인 정전류 충 방전 시험을 시행 하였다. Fig.
- 또한 온도에 따른 pre-doping 거동을 확인하기 위하여 분리막으로 TF4035 (NKK), 10°C, 20°C, 30°C 온도 조건에 따라 실험을 진행하였다.
- 순환 전압 전류(Cyclic Voltammetry)전기화학실험을 위해 구동전압을 scan rate 5 mV/s, voltage range 2.2~3.8 V로 설정하여 WMPG 1000 (WonATech)을 이용하여 측정하였다. 전극과 전해액의 계면에 주기적인 전압을 가하여 이때 발생하는 전류 변화를 보았다.
- 슬러리는 drying oven 내에서 80°C에서 10분 건조 후 roll press (Puree chem, LAB press)를 이용 가압하여 시트전극을 제조하였다.
- Ltd)를 사용하였다. 시트전극 제조 방법은 음극 전극과 동일하며 활성탄, 도전재, 바인더는 85:10:5 비율로 시트 전극을 제조하였다. Planetary Mixer/Deaerator (Kurabo Mazerustar, KK-250S)를 사용하여 교반 하였다.
- 8 V로 설정하여 WMPG 1000 (WonATech)을 이용하여 측정하였다. 전극과 전해액의 계면에 주기적인 전압을 가하여 이때 발생하는 전류 변화를 보았다.
- 충전과 방전 시 전류는 1 mA/cm2로 인가하였고 전압 범위는 2.2~3.8 V로 하여 충·방전을 진행하였다.
- 항온항습기 TH-40BS (Irea Tech)내에서 20°C로 충방전기기인 WMPG 1000 (WonATech)을 사용하여 도핑을 진행 하였다.
대상 데이터
- 5~1 mL로 조절한다. Full 셀 제조 시 음극 소재인 Lithium doping MAGE-E3 (⏀ 16 mm)에 분리막을 사이에 두고 양극 소재인 MSP-20 (⏀ 15 mm)를 두어 셀(⏀ 16 mm coin type)을 구성 하였다. LiPF6를 첨가한 전해액 EC/DMC 1:1(v/v)를 1 mL 첨가하여 전기화학 분석을 진행하였다.
- Ltd)를 사용하였다. 그래파이트, 도전재, 바인더는 85:10:5 비율로 시트 전극을 제조하였다. Planetary mixer/Deaerator (Kurabo Mazerustar, KK-250S)를 사용하여 교반하였고, 생성된 분말체를 ethyl alcohol (Daejung)을 용매제로 하여 슬러리화 한다.
- 따라서 흑연질 탄소재료에서 결정구조가 가장 발달한 Table 1의 천연 흑연 외에 피치, 기상성장 탄소섬유 등을 2,000°C 이상의 고온에서 소성해서 얻어지는 인조흑연 MAGE-E3으로 선정하여 실험을 진행 하였다.
- 리튬도핑 시 시간에 따라 변화하는 음극소재인 MAGE-E3 (⏀ 16 mm)로 전극을 제조하여 도핑된 전극의 이미지를 나타내었다.
- 리튬이온 커패시터의 전기화학적 특성을 파악하기 위하여 전극 소재로 활성탄 MSP-20, 인조 그래파이트 MAGE-E3을 사용하였다. 실험 결과 전기화학적 리튬도핑은 ICP 분석결과 낮은 전류로 장시간 도핑 시 리튬이 전극에 도포되는 양이 증가함을 알 수 있었다.
- 양극 시트전극 제조를 위하여 활성탄, 도전재, 바인더는 각각 MSP-20 (Kansai Coke and chemchemicals Co. Ltd.) Super-P (Timcal), PTFE (DAI-ICHI KOGYO SEIYAKU.Co.Ltd)를 사용하였다. 시트전극 제조 방법은 음극 전극과 동일하며 활성탄, 도전재, 바인더는 85:10:5 비율로 시트 전극을 제조하였다.
- 음극 시트 전극 제조는 인조 그래파이트MAGE-E3, 도전재 Super-P (Timcal), 바인더 PTFE (Dai-Ichi Kogyo Seiyaju.Co.Ltd)를 사용하였다. 그래파이트, 도전재, 바인더는 85:10:5 비율로 시트 전극을 제조하였다.
- 따라서 흑연질 탄소재료에서 결정구조가 가장 발달한 Table 1의 천연 흑연 외에 피치, 기상성장 탄소섬유 등을 2,000°C 이상의 고온에서 소성해서 얻어지는 인조흑연 MAGE-E3으로 선정하여 실험을 진행 하였다. 전극소재로 인조 흑연 MAGE-E3를 사용하여 0.005 V까지 도핑을 진행 하였다.
- 제조된 전극은 기준 전극인 Lithium metal 전극과 함께 삼전극 셀 시스템(Puree chem)을 이용하였다. 삼전극 셀은 양극전위와 음극 전위의 전위 구동 형태를 확인하기 위해 고안된 셀 구조이며, 측정 방법은 양극과 음극의 충·방전을 수행하는 과정과 동시에 기준 전극과 양극 전극을 연결하고, 기준 전극과 음극 전극을 연결하여 구동을 확인하는 구조로 되어 있다.
이론/모형
- 충·방전 실험은 정전류와 정전압의 충·방전방법을 이용하였으며 제작된 리튬이온 커패시터의 단위 셀을 WMPG 1000 (WonATech)을 이용하여 실험을 진행하였다.
성능/효과
- ICP분석 결과 profile이 시간에 따라 도핑량이 증가함을 알 수 있었다. 또한 온도에 따른 pre-doping 거동을 확인하기 위하여 분리막으로 TF4035 (NKK), 10°C, 20°C, 30°C 온도 조건에 따라 실험을 진행하였다.
- 8에 나타내었다. 그래파이트에 리튬이 도핑 양에 따라 용량 증가 및 ESR 감소를 가짐을 알 수 있었다.
- 이러한 이차전지와 전기 이중층 커패시터의 단점을 보완하여 전기 이중층 커패시터의 출력밀도(W/kg)를 유지하고 에너지 밀도를 증가시킨 리튬이온커패시터는 충·방전 속도가 우수하며 기존의 전기 이중층 커패시터에 비해 높은 에너지 밀도를 가지며 작동 전압이 높고 리튬이온전지와 병용이 가능하다12-13). 또한 사이클 특성이 우수하며 기존의 전기 이중층 커패시터에 비해 높은 에너지 밀도를 가지며 작동 전압이 높고 리튬이차전지와 병용이 가능하다. 또한 사이클 특성이 우수하며 고온안정성을 가지며 충·방전 속도를 제어하는 것이 용이하며 낮은 자가방전율을 가진다14-16).
- 또한 전류밀도 2 mA/cm2에서 온도에 따른 도핑 결과로 30°C조건에서 56,345초로 가장 긴 시간동안 도핑이 진행되었다.
- 리튬이온 이차전지는 에너지밀도(Wh/kg)특성은 우수하지만 출력밀도(W/kg)가 낮고 전기 이중층 커패시터는 출력밀도(W/kg)는 우수하나 에너지밀도(W/kg)가 낮다는 것을 확인할 수 있다. 이러한 이차전지와 전기 이중층 커패시터의 단점을 보완하여 전기 이중층 커패시터의 출력밀도(W/kg)를 유지하고 에너지 밀도를 증가시킨 리튬이온커패시터는 충·방전 속도가 우수하며 기존의 전기 이중층 커패시터에 비해 높은 에너지 밀도를 가지며 작동 전압이 높고 리튬이온전지와 병용이 가능하다12-13).
- 리튬이온 커패시터의 전기화학적 특성을 파악하기 위하여 전극 소재로 활성탄 MSP-20, 인조 그래파이트 MAGE-E3을 사용하였다. 실험 결과 전기화학적 리튬도핑은 ICP 분석결과 낮은 전류로 장시간 도핑 시 리튬이 전극에 도포되는 양이 증가함을 알 수 있었다. 그 양은 2 mA/cm2 대비 1 mA/cm2로 도핑시 76% 증가됨을 알 수 있다.
- 전류 밀도에 따른 ICP 분석 결과 1 mA/cm2 및 2 mA/cm2에서 도핑한 전극의 경우 전체 질량 100% 기준 각각 5.207% 및 3.978%의 리튬이 함유되어 있음을 확인하였다. 전류밀도에 따른 pre-doping profile은 저전류밀도에서 0.
- 978%의 리튬이 함유되어 있음을 확인하였다. 전류밀도에 따른 pre-doping profile은 저전류밀도에서 0.005 V까지 도달하는 도핑 시간이 늘어남에 따라 리튬의 함유량이 증가함을 알 수 있었다.
후속연구
- 하이브리드 커패시터의 일종인 리튬이온 커패시터는 전기 이중층 커패시터 보다 5~10배 이상 많은 에너지를 저장할 수 있다5-7). 기존의 커패시터에 비해 높은 에너지 밀도와 높은 출력 밀도 및 장 수명 특성이 장점으로 보고되고 있으며, 이로 인해 핸드폰, 디지털 카메라와 같은 전자통신 기기와 대용량이 요구되어지는 전기자동차 산업 및 다양한 산업분야에 사용될 것으로 기대되어 진다8-9).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.