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문제 정의
- 본 논문에서는 슈퍼커패시터(EDLC)와 대비하여 단위 체적당 고용량 특성을 구현할 수 있는 LTO-NMC+LCO 조성을 통하여 제작된 battery capacitor 셀을 제작하여 전기적 특성을 확인하였다. 제조된 axial type의 배터리 커패시터 셀의 전류 밀도별로 충방전 특성을 실험한 결과 10A 대비 100A일때 약 82%의 용량 유지율을 특성을 나타내었으며 정 출력 특성 결과는 10W 대비 100W에서 84%의 용량 유지율을 나타냈다.
제안 방법
- Battery capacitor 셀을 적용하여 태양광 시스템의 에너지 저장 장치에 사용하기 위해서 셀을 연결하여 모듈을 제작하였다.
- Battery capacitor 셀을 충방전기를 이용하여 1.6~2.7V 구간에서 충/방전을 진행하였다. battery capacitor에서 음극 전극에 사용되는 활물질인 스피넬(spinel) 구조를 갖는 LTO(Li4Ti5O12)의 경우 리튬삽입 전위가 약 1.
- Battery capacitor의 양극은 NMC(LiNiMnCoO2) + LCO(LiCoO2), 도전제(Super-P) 및 바인더(PTFE)를 80:10:10(Vol%)의 비율로 NMP(n-methyl-2-pyrrolidone) 용매에서 슬러리 제조 후 Al에칭 박에 코팅 후 프레싱하여 전극을 제조하였다. 음극의 경우에는 LTO, 도전제(Super-P) 및 바인더(PVDF)를 80:10:10(Vol%)의 비율로 NMP 용매에서 양극과 같은 방식으로 제조하였다.
- 그림 4는 battery capacitor 셀을 10, 20, 50, 100A의 전류 조건에서의 속도율(C-rate) 특성 평가 결과이다. 각 전류별로 3 cycle 씩 충방전을 진행하였다. 실험 결과 전류 밀도가 증가함에 따라 방전 용량이 감소하는 경향을 보였으며 10A 대비 100A 일때 초기대비 대략 82%의 용량 유지율을 보인다.
- 제조된 양극, 음극 및 절연을 위한 분리 막을 사용하여 권취하여 젤리 롤을 제조하고 제조된 젤리롤 상부와 하부에 내부단자를 삽입하고 삽입된 내부 단자 표면에 레이저 용접을 통하여 직접 접합시킨다. 그리고 내부단자가 접합된 젤리 롤을 전해액에 24시간 함침 공정을 진행 후 알루미늄 케이스에 삽입 후 외부단자를 강제끼움 방식을 통하여 고정시키고 커링 방식을 이용하여 밀봉하는 형태로 30,000F 급 Battery capacitor를 제작하였다. 표 1은 제작된 battery capacitor 셀의 특성을 나타낸다.
- 그림 5는 battery capacitor 셀의 정 출력 특성을 평가하기 위해서 10, 20, 50, 100W의 정 출력 조건으로 각각 3 cycle씩 충방전을 실시하였다. 이 결과 방전 출력이 증가할수록 용량이 감소하였으나 10W 대비 100W 일때 84%의 용량을 유지하였다.
- Battery capacitor 셀을 적용하여 표 2의 사양을 가지는 16V 급 battery capacitor 모듈을 제작하였다. 모듈의 경우 태양광 시스템의 에너지 저장 장치로 사용하기 위해서 6개의 셀을 직렬로 연결하였으며 개별 셀간의 전압 불균형을 해소하기 위해서 active 밸런싱 회로를 적용하였다.
- 본 논문에서는 리튬계 전이금속산화물(LTO, Li4Ti5O12)을 기반으로 하는 하이브리드 슈퍼커패시터의 기술을 바탕으로 리튬 이차전지에서 사용되는 양극 활물질을 적용하여 기존의 하이브리드 슈퍼커패시터 대비 3배 이상의 에너지 밀도를 가지는 고용량 하이브리드 슈퍼커패시터(이하 battery capacitor)를 제조하였다. 제조된 battery capacitor 셀을 태양광 발전 시스템의 에너지 저장 장치로 가능성을 확인하기 위해서 에너지 저장 장치를 제작하였다.
- ), 도전제(Super-P) 및 바인더(PTFE)를 80:10:10(Vol%)의 비율로 NMP(n-methyl-2-pyrrolidone) 용매에서 슬러리 제조 후 Al에칭 박에 코팅 후 프레싱하여 전극을 제조하였다. 음극의 경우에는 LTO, 도전제(Super-P) 및 바인더(PVDF)를 80:10:10(Vol%)의 비율로 NMP 용매에서 양극과 같은 방식으로 제조하였다.
- 태양광 시스템의 에너지 저장 장치의 경우 고 전압이 요구되므로 단위 셀을 직 병렬로 연결하여 사용한다. 이때 단위셀 간의 누설 전류 및 등가 직렬 저항 등의 편차 및 용량 감소율 등에 의한 셀간 전압 편차 문제를 해소하기 위해 밸런싱 회로를 적용하여 제작하였다.
- battery capacitor의 제조 공정에서 모든 셀의 용량이 동일하게 제작할 수 없으므로 셀 간의 용량 오차로 인하여 전압 불균형이 발생할 수 있으며 이는 셀의 수명을 감소시키고 과전압의 우려가 있다. 이러한 셀간 전압 불균형을 해소하기 위해서 active 밸런싱 회로를 적용하였다. active 밸런싱 방식은 커패시터의 전압을 센싱하여 에너지의 흐름을 제어하여 기준전압보다 높은 전압이 인가되었을 때 연결된 저항을 통하여 에너지를 소비함으로써 전압 불균형을 해소한다.
- 표 1은 제작된 battery capacitor 셀의 특성을 나타낸다. 제작된 셀을 충방전기를 이용하여 충방전 및 전기적 특성을 평가하였다.
- )을 기반으로 하는 하이브리드 슈퍼커패시터의 기술을 바탕으로 리튬 이차전지에서 사용되는 양극 활물질을 적용하여 기존의 하이브리드 슈퍼커패시터 대비 3배 이상의 에너지 밀도를 가지는 고용량 하이브리드 슈퍼커패시터(이하 battery capacitor)를 제조하였다. 제조된 battery capacitor 셀을 태양광 발전 시스템의 에너지 저장 장치로 가능성을 확인하기 위해서 에너지 저장 장치를 제작하였다. 태양광 시스템의 에너지 저장 장치의 경우 고 전압이 요구되므로 단위 셀을 직 병렬로 연결하여 사용한다.
- 다만, 방전 과정의 데이터가 많아지면 보기 불가능하므로 방전 실험에는 100W LED 부하를 사용하였다. 충전기를 이용하여 battery capacitor 모듈을 15V까지 충전한 후 100W LED 부하를 이용하여 15V~10V까지 배터리 커패시터 모듈의 에너지를 방전시켰다. 이때 battery capacitor 모듈의 전압 및 전류의 변화는 오실로스코프를 통하여 측정하였다.
대상 데이터
- Battery capacitor 셀을 적용하여 표 2의 사양을 가지는 16V 급 battery capacitor 모듈을 제작하였다. 모듈의 경우 태양광 시스템의 에너지 저장 장치로 사용하기 위해서 6개의 셀을 직렬로 연결하였으며 개별 셀간의 전압 불균형을 해소하기 위해서 active 밸런싱 회로를 적용하였다.
- 그림 7은 battery capacitor 모듈의 태양광 시스템의 에너지 저장 장치 방전 특성을 확인하기 위해서 방전 실험을 진행한 결과이다. 다만, 방전 과정의 데이터가 많아지면 보기 불가능하므로 방전 실험에는 100W LED 부하를 사용하였다. 충전기를 이용하여 battery capacitor 모듈을 15V까지 충전한 후 100W LED 부하를 이용하여 15V~10V까지 배터리 커패시터 모듈의 에너지를 방전시켰다.
- 그림 6은 battery capacitor 모듈을 태양광 시스템의 에너지 저장 장치로써의 가능성을 확인하기 위해서 독립형 태양광 시스템을 구성하였다. 태양광 시스템은 태양전지, 솔라 컨트롤러, 인버터, 커패시터 모듈 및 20W LED 램프로 구성하였다. 구성된 시스템을 살펴보면 태양 전지에서 에너지가 발생된 전력으로 battery capacitor 모듈에 에너지를 공급하여 커패시터 모듈의 전압이 15V까지 충전되고 태양 전지에서 전력이 발생하지 않는 구간에서는 충전된 battery capacitor 모듈의 에너지를 부하 측에 공급되면서 커패시터 모듈의 전압이 10V까지 방전 되는 것을 나타낸다.
성능/효과
- 태양광 시스템은 태양전지, 솔라 컨트롤러, 인버터, 커패시터 모듈 및 20W LED 램프로 구성하였다. 구성된 시스템을 살펴보면 태양 전지에서 에너지가 발생된 전력으로 battery capacitor 모듈에 에너지를 공급하여 커패시터 모듈의 전압이 15V까지 충전되고 태양 전지에서 전력이 발생하지 않는 구간에서는 충전된 battery capacitor 모듈의 에너지를 부하 측에 공급되면서 커패시터 모듈의 전압이 10V까지 방전 되는 것을 나타낸다.
- 각 전류별로 3 cycle 씩 충방전을 진행하였다. 실험 결과 전류 밀도가 증가함에 따라 방전 용량이 감소하는 경향을 보였으며 10A 대비 100A 일때 초기대비 대략 82%의 용량 유지율을 보인다. 저항 값의 경우 에는 초기 대비 5% 내외로 증가하였다.
- 그림 5는 battery capacitor 셀의 정 출력 특성을 평가하기 위해서 10, 20, 50, 100W의 정 출력 조건으로 각각 3 cycle씩 충방전을 실시하였다. 이 결과 방전 출력이 증가할수록 용량이 감소하였으나 10W 대비 100W 일때 84%의 용량을 유지하였다.
- 본 논문에서는 슈퍼커패시터(EDLC)와 대비하여 단위 체적당 고용량 특성을 구현할 수 있는 LTO-NMC+LCO 조성을 통하여 제작된 battery capacitor 셀을 제작하여 전기적 특성을 확인하였다. 제조된 axial type의 배터리 커패시터 셀의 전류 밀도별로 충방전 특성을 실험한 결과 10A 대비 100A일때 약 82%의 용량 유지율을 특성을 나타내었으며 정 출력 특성 결과는 10W 대비 100W에서 84%의 용량 유지율을 나타냈다. 태양광 시스템의 에너지 저장장치로써의 가능성을 확인하기 위해서 30,000F의 용량을 가지는 Battery capacitor 셀 6개를 직렬연결하고 Active 밸런싱 회로를 적용하여 16V battery capacitor 모듈을 제작하여 100W 부하를 이용하여 측정한 결과 10~15V 전압구간에서 방전시 방전 시간은 4979초로 측정되었다.
- 7V까지 충 방전을 진행한 결과이다. 진행 결과 방전 용량은 약 11.8Ah이며 DC-ESR은 0.75mΩ이 측정되었다.
- 제조된 axial type의 배터리 커패시터 셀의 전류 밀도별로 충방전 특성을 실험한 결과 10A 대비 100A일때 약 82%의 용량 유지율을 특성을 나타내었으며 정 출력 특성 결과는 10W 대비 100W에서 84%의 용량 유지율을 나타냈다. 태양광 시스템의 에너지 저장장치로써의 가능성을 확인하기 위해서 30,000F의 용량을 가지는 Battery capacitor 셀 6개를 직렬연결하고 Active 밸런싱 회로를 적용하여 16V battery capacitor 모듈을 제작하여 100W 부하를 이용하여 측정한 결과 10~15V 전압구간에서 방전시 방전 시간은 4979초로 측정되었다. 비록 납축전지 및 이차 전지 대비 부피 및 에너지 밀도 대비 가격이 높다는 단점이 있지만 battery capacitor의 출력 특성 및 방전 효율 등을 개선해 나간다면 태양광 시스템뿐만 아니라 다양한 분야의 에너지 저장 장치로 활용될 것으로 예상된다.
후속연구
- 태양광 시스템의 에너지 저장장치로써의 가능성을 확인하기 위해서 30,000F의 용량을 가지는 Battery capacitor 셀 6개를 직렬연결하고 Active 밸런싱 회로를 적용하여 16V battery capacitor 모듈을 제작하여 100W 부하를 이용하여 측정한 결과 10~15V 전압구간에서 방전시 방전 시간은 4979초로 측정되었다. 비록 납축전지 및 이차 전지 대비 부피 및 에너지 밀도 대비 가격이 높다는 단점이 있지만 battery capacitor의 출력 특성 및 방전 효율 등을 개선해 나간다면 태양광 시스템뿐만 아니라 다양한 분야의 에너지 저장 장치로 활용될 것으로 예상된다.
- 태양광 전원은 신재생 에너지중의 대표적인 에너지원으로써 사용시간 및 출력의 불규칙성이라는 제약 요소를 가지고 있지만, 친환경적이면서도 무한 에너지원이라는 특성과 태양 패널 기술의 발전으로 인한 효율 향상 및 에너지 저장장치를 활용으로 인한 출력의 불확실성을 감소시키면서 태양광 에너지의 활용도가 증가할 것으로 예상된다.[4]
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