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하이브리드 커패시터의 열안정성 개선을 위한 LiFePO4 복합양극 소재에 관한 연구
Study on LiFePO4 Composite Cathode Materials to Enhance Thermal Stability of Hybrid Capacitor 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.55 no.2, 2017년, pp.242 - 246  

권태순 (한국철도기술연구원) ,  박지현 (한국철도기술연구원) ,  강석원 (한국철도기술연구원) ,  정락교 (한국철도기술연구원) ,  한상진 (비나텍주식회사)

초록
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고온에서 Mn 이온 용출에 의한 성능저하를 보이는 스피넬 결정구조$LiMn_2O_4$ 양극 하이브리드 커패시터의 대안으로 열안정성이 높은 올리빈 결정구조의 $LiFePO_4$ 기반 복합양극 소재의 적용가능성을 연구하였다. $LiFePO_4$/활성탄셀을 이용한 1.0~2.3 V의 충 방전을 통한 수명평가에서 상온($25^{\circ}C$) 및 고온($60^{\circ}C$) 조건 모두에서 충 방전 사이클이 진행됨에 따라 음극(활성탄)의 저전압화에 따른 열화로 인한 용량저하 현상이 나타났다. 이의 해결을 위해 50:50 중량비율로 $LiFePO_4/LiMn_2O_4$, $LiFePO_4$/Activated carbon 및 $LiNi_{1/3}Co_{1/3}Mn_{1/3}O_2$ 복합양극을 제조하여 모노셀 충 방전 실험을 수행한 결과, 층상구조의 $LiNi_{1/3}Co_{1/3}Mn_{1/3}O_2$를 사용한 전극이 안정적인 전압거동을 보였다. 또한, 2.3 V 및 $80^{\circ}C$에서 1,000시간 부하를 통한 고온 안정성 실험에서도 $LiNi_{1/3}Co_{1/3}Mn_{1/3}O_2$ 복합양극이 상용 $LiMn_2O_4$ 양극에 비해 약 2배 가량 높은 방전용량 유지율을 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The application of composite cathode materials including $LiFePO_4$ (lithium iron phosphate) of olivine crystal structure, which has high thermal stability, were investigated as alternatives for hybrid battery-capacitors with a $LiMn_2O_4$ (spinel crystal structure) cathode, wh...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그러나 LiFePO4의 평균전위가 스피넬(spinel) 결정구조의 LiMn2O4에 비해 낮아 음극(활성탄)의 저전압화로 전해질의 부반응(환원)이 발생할 가능성이 있다. 이에 본 연구에서는 높은 열안정성을 가진 올리빈 결정구조의 LiFePO4를 기반으로 다른 구조(스피넬 및 층상형)의 양극소재(LiMn2O4, LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 및 활성탄)와 간단한 물리적 혼합방식으로 복합양극소재를 제조하여 적용가능성을 살펴보았다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
납축전지 및 리튬이온 전지의 단점은? 이에 자동차 제조사 및 관련 연구기관에서는 저비용, 고성능 및 고효율의 에너지저장·충전기술을 경쟁적으로 개발하고 있다. 전기구동차량용 에너지저장매체로 납축전지 및 리튬이온 전지가 널리 상업화되어 사용 중이나, 높은 에너지밀도에 반해 낮은 출력특성과 1000회 정도의 충방전 제한으로 인해 2, 3년 사용 후 교체가 필요한 단점을 보이고 있다[1]. 이에 이차전지에 비해 높은 출력 및 충방전 횟수를 가진 커패시터가 대안으로 부각되고 있다.
전기이중층 커패시터는 어떤 특성이 있는가? 이에 이차전지에 비해 높은 출력 및 충방전 횟수를 가진 커패시터가 대안으로 부각되고 있다. 현재 많이 사용되고 있는 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor, EDLC)는 활성탄과 같은 넓은 비표면적을 가진 전극 표면에서 전기이중층 전하의 흡·탈착을 이용하여 높은 출력 및 안정적인 충·방전 특성을 보이고 있다[2,3]. 그러나 EDLC의 에너지밀도가 약 5~10 Wh/L로 낮아 수송시스템에 적용을 위해서는 많은 수의 직렬 셀이 필요하여 이로 인해 에너지저장장치가 차지하는 공간의 크기가 커져 소형 교통수단 적용에는 한계가 있다.
$LiFePO_4$/활성탄셀을 이용한 1.0~2.3 V의 충 방전을 통한 수명평가에서 음극의 저전압화에 따른 열화로 인한 용량저하 현상을 해결하기 위한 방법은? 3 V의 충 방전을 통한 수명평가에서 상온($25^{\circ}C$) 및 고온($60^{\circ}C$) 조건 모두에서 충 방전 사이클이 진행됨에 따라 음극(활성탄)의 저전압화에 따른 열화로 인한 용량저하 현상이 나타났다. 이의 해결을 위해 50:50 중량비율로 $LiFePO_4/LiMn_2O_4$, $LiFePO_4$/Activated carbon 및 $LiNi_{1/3}Co_{1/3}Mn_{1/3}O_2$ 복합양극을 제조하여 모노셀 충 방전 실험을 수행한 결과, 층상구조의 $LiNi_{1/3}Co_{1/3}Mn_{1/3}O_2$를 사용한 전극이 안정적인 전압거동을 보였다. 또한, 2.
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참고문헌 (13)

  1. Yu, G., Xie, X., Pan, L., Bao, Z. and Cui, Y., "Hybrid Nanostructured Materials for High-performance Electrochemical Capacitors," Nano Energy, 2(2), 213-234(2013). 

  2. Lee, S. W., Park, D. K., Lee, J. K., Ju, J. B. and Sohn, T. W., "Discharge Capacitance of Electric Double Layer Capacitor with Electrodes Made of Carbon Nanotubes Directly Deposited on SUS304 Plates," Korean J. Chem. Eng., 18(3), 371-375(2001). 

  3. Sharma, P. and Bhatti, T.S., "A Review on Electrochemical Doublelayer Capacitors," Energy Conv. Manag., 51, 2901-2912(2010). 

  4. Ko, H. S., Choi, J. E. and Lee, J. D., "Electrochemical Characteristics of Hybrid Capacitor using Core-shell Structure of $MCMB/Li_{4-}Ti_5O_{12}$ Composite," Korean Chem. Eng. Res., 52(1), 52-57(2014). 

  5. Choi, J. E., Bae, G. Y., Yang, J. M. and Lee, J. D., "The Electrochemical Characteristics of Hybrid Capacitor Prepared by Chemical Activation of NaOH," Korean Chem. Eng. Res., 51(3), 308-312 (2013). 

  6. Yao, Y., McDowell, M. T., Ryu, I., Wu, H., Liu, N., Hu, L., Nix, W. D. and Cui, Y., "Interconnected Silicon Hollow Nanospheres for Lithium-ion Battery Anodes with Long Cycle Life," Nano Lett., 11(7), 2949-2954(2011). 

  7. Wang, Y. G., Lou, J. Y., Wu, W., Wang, C. X. and Wang, Y. Y., "Hybrid Aqueous Energy Storage Cells using Activated Carbon and Lithium-ion Intercalated Compounds:III. Capacity Fading Mechanism of LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2 at Different pH Electrolyte Solutions," J. Electrochem. Soc., 154, A228(2007). 

  8. Karthikeyan, K., Aravindan, V., Lee, S. B., Jang, I. C., Lim, H. H., Park, G. J., Yoshio, M. and Lee, Y. S., "A Novel Asymmetric Hybrid Supercapacitor Based on $Li_2FeSiO_4$ and Activated Carbon Electrodes," J. Alloy. Compd., 504(1), 224-227(2010). 

  9. Cericola, D., Novk, P., Wokaun, A. and Ktz, R., "Hybridization of Electrochemical Capacitors and Rechargeable Batteries: An Experimental Analysis of the Different Possible Approaches Utilizing Activated Carbon, $Li_4Ti_5O_{12}$ and $LiMn_2O_4$ ," J. Power Sources, 196(23), 10305-10313(2011). 

  10. Jiang, J., Tan, G., Peng, S., Qian, D., Liu, J., Luo, D. and Liu, Y., "Electrochemical Performance of Carbon-coated $Li_3V_2(PO_4)_3$ as a Cathode Material for Asymmetric Hybrid Capacitors," Electrochim. Acta, 107, 59-65(2013). 

  11. Aravindan, V., Sundaramurthy, J., Kumar, P. S., Lee, Y. S., Ramakrishna S. and Madhavi, S., "Electrospun Nanofibers: A Prospective Electroactive Material for Constructing High Performance Li-ion Batteries," Chem. Commun., 51, 2225-2234(2015). 

  12. Kim, S., Kim, S., Kim, J., Kim, U., Hwang, H. and Cho, W., "Synthesis and Electrochemical Properties of $LiFePO_4$ by Citrate Process," Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, 22(5), 728-734(2011). 

  13. Wang, J., Yao, X., Zhou, X. and Liu, Z., "Synthesis and Electrochemical Properties of Layered Lithium Transition Metal Oxides," J. Mater. Chem., 21, 2544-2549(2011). 

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