[논문]Li4Ti5O11 전극을 이용한 비대칭 하이브리드 슈퍼커패시터 전기적 모듈 특성

맹주철; 윤중락

doi:10.5370/kiee.2017.66.2.357

Li4Ti5O11 전극을 이용한 비대칭 하이브리드 슈퍼커패시터 전기적 모듈 특성
The Electric Characteristics of Asymmetric Hybrid Supercapacitor Modules with Li4Ti5O11 Electrode 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.66 no.2, 2017년, pp.357 - 362

맹주철 (R&D center, SAMWHA CAPACITOR Co. Ltd.) , 윤중락 (R&D center, SAMWHA CAPACITOR Co. Ltd.)

Abstract ▼ AI-Helper

Among the lithium metal oxides for asymmetric hybrid supercapacitor, $Li_4Ti_5O_{12}(LTO)$ is an emerging electrode material as zero-stain material in volume change during the with the charging and discharging processes. The pulverized LTO powder was observed to show the enhanced capacity from 120 mAh/g to 156 mAh/g at C-rate (10, 100 C). Hybrid supercapacitor module(48V, 416F) was fabricated using an asymmetric hybrid capacitor with a capacitance of 7500F. As a result of the measurement of C-rate characteristics, the module shows that the discharge time is drastically reduced at more than 50C, and the ESR and voltage drop characteristics are increased. The energy density and power density were reduced under high C-rate conditions. When designing asymmetric hybrid supercapacitor module, the C-rate and ESR should be considered As a result of measuring the 5 kw UPS, it was discharged at the current of 116A~170A during the discharge in the voltage range of 48V~30V, and the compensation time at discharge was measured to be about 33.2s. Experimental results show that it can be applied to applications related to stabilization of power quality by applying hybrid supercapacitor module.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 EDLC 대비 단위 체적당 고용량 특성을 구현할 수 있는 LTO 전극을 적용한 비대칭 하이브리드 슈퍼 커패시터 셀을 제작하여 전기적 특성을 확인하였다. 또한 제작한 셀을 이용하여 전력 품질 안정화에 적합한 모듈을 제작하고 전력 품질 안정화용 에너지 저장 모듈로서의 가능성을 확인하고자 한다.
본 논문에서는 EDLC 대비 단위 체적당 고용량 특성을 구현할 수 있는 LTO 전극을 적용한 비대칭 하이브리드 슈퍼 커패시터 셀을 제작하여 전기적 특성을 확인하였다. 2차 열처리 한 분말의 충·방전 시험을 C-rate별로 실험한 결과 156mAh/g 이상의 용량을 얻었으며 고속 충·방전 소재로서 우수한 특성을 나타내었다.
본 연구는 한국에너지기술평가원에서 지원하는 에너지 기술개발산업(과제번호: 20142020103060)으로 이루어진 연구로서, 관계부처에 감사드립니다(과제명 : 인터넷 데이터 센터(IDC) 전력품질 안정화를 위한 50kW급 하이브리드 슈퍼 커패시터 모듈 개발).
본 연구에서는 EDLC 대비 단위 체적당 고용량 특성을 구현할 수 있는 LTO 전극을 적용한 비대칭 하이브리드 슈퍼 커패시터 셀을 제작하여 전기적 특성을 확인하였다. 또한 제작한 셀을 이용하여 전력 품질 안정화에 적합한 모듈을 제작하고 전력 품질 안정화용 에너지 저장 모듈로서의 가능성을 확인하고자 한다.

제안 방법

8V, 정격용량 7,500F을 가지는 비대칭 하이브리드 슈퍼커패시터 셀을 이용하여 표 1의 규격을 가지는 416F, 48V급 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈을 제작하였다. 18개의 셀을 직렬로 연결하였으며 셀간의 전압 불균형 문제를 해결하기 위해 능동형(active) 밸런싱 회로를 설계 및 적용하였다. 모듈의 사용전압 구간은 30V~48V로 설정하였다.
LTO 분말은 20㎚의 크기(D₅₀)를 가지는 TiO₂와 Li₂CO₃를 조성비에 맞게 칭량 한 루 알콜을 용매로 하여 12시간 볼밀링 후 건조된 분말을 750℃에서 1차 열처리 열처리하였다. 열처리한 분말을 고에너지 밀을 이용하여 분말 크기(D₅₀)를 0.
8V, 정격용량 7,500F을 가지는 하이브리드 슈퍼커패시터 셀을 이용하여 표 1의 규격을 가지는 416F, 48V급 비대칭 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈을 설계 제작하였다. 모듈 설계는 비대칭 하이브리드 커패시터의 특성을 고려하였으며 18개의 셀을 직렬로 연결하고 각 셀에는 능동형(active) 밸런싱 회로 적용하였다[10,11].
모듈의 사용전압 구간은 30V~48V로 설정하였다. 모듈 특성은 인버터 시스템을 적용하여 모듈을 충전하고 방전하여 모듈의 특성을 측정하였다[11].
앞서 제조된 정격전압 2.8V, 정격용량 7,500F을 가지는 하이브리드 슈퍼커패시터 셀을 이용하여 표 1의 규격을 가지는 416F, 48V급 비대칭 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈을 설계 제작하였다. 모듈 설계는 비대칭 하이브리드 커패시터의 특성을 고려하였으며 18개의 셀을 직렬로 연결하고 각 셀에는 능동형(active) 밸런싱 회로 적용하였다[10,11].
음극은 과립으로 만들어진 LTO와 도전제(Super-P), 바인더(PVDF)를 80:10:10(Vol%)의 비율로 NMP(n-methyl-2-pyrrolidone) 용매에서 양극과 같은 방식으로 제조하였다. 양극과 음극의 두께는 용량, 저항, 싸이클 수명 특성을 고려하여 양극과 음극의 비를 1.75로 하였으며 양극전극은 240 ㎛, 음극전극 70 ㎛로 하였다[9]. 제조된 양극 및 음극을 사용해 절연을 위한 셀룰로오스계 분리막과 함께 권취하여 젤리롤(Jelly-roll)을 제조하고 상부 및 하부에 Al 내부단자를 부착 후 레이져 용접을 통해 전극과 단자간 접촉성을 향상시켰다[11].
를 조성비에 맞게 칭량 한 루 알콜을 용매로 하여 12시간 볼밀링 후 건조된 분말을 750℃에서 1차 열처리 열처리하였다. 열처리한 분말을 고에너지 밀을 이용하여 분말 크기(D₅₀)를 0.1 ㎛로 기계적 분쇄한 후 스프레이 드라이어를 이용하여 5~10 ㎛ 크기를 가지는 과립을 제작하였다. 제작된 과립의 결정성 및 특성 향상을 위하여 N₂ 분위기 소결로에서 4시간 2차 열처리를 하여 LTO 분말을 제조하였다.
/g, ash contents<400 ppm), 도전제(Super-P) 및 바인더(PTFE)를 80:10:10(Vol%)의 비율로 수계에서 슬러리 제조 후 Al 에칭박에 코팅 후 프레싱하여 전극을 제조하였다. 음극은 과립으로 만들어진 LTO와 도전제(Super-P), 바인더(PVDF)를 80:10:10(Vol%)의 비율로 NMP(n-methyl-2-pyrrolidone) 용매에서 양극과 같은 방식으로 제조하였다. 양극과 음극의 두께는 용량, 저항, 싸이클 수명 특성을 고려하여 양극과 음극의 비를 1.
1 ㎛로 기계적 분쇄한 후 스프레이 드라이어를 이용하여 5~10 ㎛ 크기를 가지는 과립을 제작하였다. 제작된 과립의 결정성 및 특성 향상을 위하여 N₂ 분위기 소결로에서 4시간 2차 열처리를 하여 LTO 분말을 제조하였다. 그림 1에 LTO 분말의 합성 공정을 나타내었다.
75로 하였으며 양극전극은 240 ㎛, 음극전극 70 ㎛로 하였다[9]. 제조된 양극 및 음극을 사용해 절연을 위한 셀룰로오스계 분리막과 함께 권취하여 젤리롤(Jelly-roll)을 제조하고 상부 및 하부에 Al 내부단자를 부착 후 레이져 용접을 통해 전극과 단자간 접촉성을 향상시켰다[11]. 내부단자가 조립된 젤리롤은 1.
5mm의 7500F급 Axial type 하이브리드 슈퍼커패시터 조립을 그림 2와 같이 하였다. 특성평가는 Arbin cycler를 사용해 충방전 및 속도특성(C-rate)을 실시하였다.

대상 데이터

Axial type 비대칭 하이브리드 슈퍼커패시터를 제조하고 충/방전 특성 및 속도특성을 평가한 결과, 7500F의 용량을 구현 할 수 있었다. 7500F의 용량을 가지는 비대칭 하이브리드 커패시터 18개를 직렬 연결하여 48V, 416F 비대칭 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈을 제작하였다. 제작한 모듈의 C-rate 특성 측정 결과 50C 이상에서 방전시간이 급격히 감소함을 볼 수 있으며, 직류 직렬 등가저항 및 전압 강하 특성도 급격히 증가 하였다.
[5,6,7] 대표적인 비대칭형 하이브리드 슈퍼 커패시터로는 LIC(Lithium Ion Capacitor)와 양극(cathode)은 활성탄을 사용하고 음극(anode)에 리튬티타네이트(LTO, Li₄Ti₅O₁₂) 적용한 비대칭 전극 구조를 갖는 하이브리드 슈퍼커패시터가 있다. 본 논문에서는 전극 재료로서 양극에 활성탄 전극을 음극에는 리튬티타네이트(LTO, Li₄Ti₅O₁₂)을 적용하였다. LTO는 3개의 리튬이온이 결정 격자 내에서 삽입/탈리 반응을 통하여 에너지를 용량을 구현하는 물질로 리튬 대비 1.
정격전압 2.8V, 정격용량 7,500F을 가지는 비대칭 하이브리드 슈퍼커패시터 셀을 이용하여 표 1의 규격을 가지는 416F, 48V급 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈을 제작하였다. 18개의 셀을 직렬로 연결하였으며 셀간의 전압 불균형 문제를 해결하기 위해 능동형(active) 밸런싱 회로를 설계 및 적용하였다.
하이브리드 슈퍼커패시터 제조를 위한 양극은 활성탄(BET:~1700 m2/g, ash contents<400 ppm), 도전제(Super-P) 및 바인더(PTFE)를 80:10:10(Vol%)의 비율로 수계에서 슬러리 제조 후 Al 에칭박에 코팅 후 프레싱하여 전극을 제조하였다.

성능/효과

2차 열처리 한 분말의 충·방전 시험을 C-rate별로 실험한 결과 156mAh/g 이상의 용량을 얻었으며 고속 충·방전 소재로서 우수한 특성을 나타내었다.
2차 열처리 한 분말의 충·방전 시험을 C-rate별로 실험한 결과 156mAh/g 이상의 용량을 얻었으며 고속 충·방전 소재로서 우수한 특성을 나타내었다. Axial type 비대칭 하이브리드 슈퍼커패시터를 제조하고 충/방전 특성 및 속도특성을 평가한 결과, 7500F의 용량을 구현 할 수 있었다. 7500F의 용량을 가지는 비대칭 하이브리드 커패시터 18개를 직렬 연결하여 48V, 416F 비대칭 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈을 제작하였다.
제작한 모듈의 C-rate 특성 측정 결과 50C 이상에서 방전시간이 급격히 감소함을 볼 수 있으며, 직류 직렬 등가저항 및 전압 강하 특성도 급격히 증가 하였다. 비대칭 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈을 고출력 시스템용으로 적용시 대전류방전 조건에서는 방전 효율과 용량을 고려하여야 함을 확인하였다. 순간정전보상장치를 구성하여 측정한 결과 48V~30V 전압구간에서 방전 시 116A~170A의 전류로 방전되었으며, 방전 시 보상시간은 약 33.
비대칭 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈을 고출력 시스템용으로 적용시 대전류방전 조건에서는 방전 효율과 용량을 고려하여야 함을 확인하였다. 순간정전보상장치를 구성하여 측정한 결과 48V~30V 전압구간에서 방전 시 116A~170A의 전류로 방전되었으며, 방전 시 보상시간은 약 33.2초로 측정되었다. 전력품질 안정화 에너지 저장 장치로 적용 가능할 것으로 판단된다.
이는 전극 활물질의 내부저항이 원인으로서 LTO에서의 Li⁺ Kinetics와 큰 연관성이 있는 것으로 알려져 있다[8-10]. 제작된 셀의 특성은 용량 및 DC-ESR은 각각 7500F 및 0.8mΩ으로서 동일 체적 EDLC 대비 약 2.5배의 용량 특성을 나타내었다[1,2].
7500F의 용량을 가지는 비대칭 하이브리드 커패시터 18개를 직렬 연결하여 48V, 416F 비대칭 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈을 제작하였다. 제작한 모듈의 C-rate 특성 측정 결과 50C 이상에서 방전시간이 급격히 감소함을 볼 수 있으며, 직류 직렬 등가저항 및 전압 강하 특성도 급격히 증가 하였다. 비대칭 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈을 고출력 시스템용으로 적용시 대전류방전 조건에서는 방전 효율과 용량을 고려하여야 함을 확인하였다.
그림 10은 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈의 전력품질용 에너지 저장장치로 가능성을 확인하기 위해 순간정전보상장치를 구성하여 측정한 결과이다[12,13]. 측정결과 30V~48V 전압구간에서 5kw로 정출력 방전 시 116A~170A의 전류로 방전되었으며, 방전 시 보상시간은 33.2초였다. 이는 비대칭 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈이 순간정전보상장치에 적용이 가능함을 보여주는 결과이다.

후속연구

2초로 측정되었다. 전력품질 안정화 에너지 저장 장치로 적용 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기 이중층 커패시터의 장단점은?	이러한 단점을 극복하고 효율적인 에너지 사용 및 전력 품질 안정화를 위한 방법으로 일반 커패시터보다 고 에너지 밀도를 가지는 슈퍼 커패시터를 사용한다[2,3]. 현재 주로 사용되는 커패시터는 전기 이중층 커패시터(EDLC)라고 불리는 슈퍼 커패시터로써 내부 저항이 작아 출력 특성이 좋으나 에너지 밀도가 낮은 단점이 있다[4]. 슈퍼 커패시터는 전압의 순간적 변동에 대한 보상을 위한 에너지 저장 장치로서 고출력 특성 및 충․방전 특성이 우수하지만 에너지 밀도가 작아 부피가 걸림돌이 되고 있다.
	전원 시스템에서의 에너지 저장 장치의 단점을 해결하는 방법은?	전원 시스템에서의 에너지 저장 장치는 장수명과 다양한 입/출력 변동에 대한 안정성 및 신뢰성이 요구되고 있으나, 전기적 에너지를 화학적 에너지로 저장하는 배터리는 재충전 횟수가 제한되어 있고, 잦은 충/방전과 불규칙한 출력 변동에 의해 열화가 가속되므로 자주 교환해야 하는 결점을 가지고 있다. 이러한 단점을 극복하고 효율적인 에너지 사용 및 전력 품질 안정화를 위한 방법으로 일반 커패시터보다 고 에너지 밀도를 가지는 슈퍼 커패시터를 사용한다[2,3]. 현재 주로 사용되는 커패시터는 전기 이중층 커패시터(EDLC)라고 불리는 슈퍼 커패시터로써 내부 저항이 작아 출력 특성이 좋으나 에너지 밀도가 낮은 단점이 있다[4].
	슈퍼 커패시터의 특징은?	현재 주로 사용되는 커패시터는 전기 이중층 커패시터(EDLC)라고 불리는 슈퍼 커패시터로써 내부 저항이 작아 출력 특성이 좋으나 에너지 밀도가 낮은 단점이 있다[4]. 슈퍼 커패시터는 전압의 순간적 변동에 대한 보상을 위한 에너지 저장 장치로서 고출력 특성 및 충․방전 특성이 우수하지만 에너지 밀도가 작아 부피가 걸림돌이 되고 있다. 이러한 단점을 보완하고자 한쪽극은 고용량 특성의 전극재료를 사용하고, 반대극은 고출력 특성 전극을 적용한 비대칭 하이브리드 커패시터에 대한 연구가 진행되고 있다.

참고문헌 (16)

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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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