The performance of Li-ion hybrid supercapacitors (asymmetric-type) depends on many factors such as the capacity ratio, material properties, cell designs and operating conditions. Among these, in consideration of balanced electrochemical reactions, the capacity ratio of the negative (anode) to positi...
The performance of Li-ion hybrid supercapacitors (asymmetric-type) depends on many factors such as the capacity ratio, material properties, cell designs and operating conditions. Among these, in consideration of balanced electrochemical reactions, the capacity ratio of the negative (anode) to positive (cathode) electrode is one of the most important factors to design the Li-ion hybrid supercapacitors for high energy storing performance. We assemble Li-ion hybrid supercapacitors using activated carbon (AC) as anode material, lithium manganese oxide as cathode material, and organic electrolyte (1 mol L-1 LiPF6 in acetonitrile). At this point, the thickness of the anode electrode is controlled at 160, 200, and 240 ㎛. Also, thickness of cathode electrode is fixed at 60 ㎛. Then, the effect of negative and positive electrode ratio on the electrochemical performance of AC/LiMn2O4 Li-ion hybrid supercapacitors is investigated, especially in the terms of capacity and cyclability at high current density. In this study, we demonstrate the relationship of capacity ratio between anode and cathode electrode, and the excellent electrochemical performance of AC/LiMn2O4 Li-ion hybrid supercapacitors. The remarkable capability of these materials proves that manipulation of the capacity ratio is a promising technology for high-performance Li-ion hybrid supercapacitors.
The performance of Li-ion hybrid supercapacitors (asymmetric-type) depends on many factors such as the capacity ratio, material properties, cell designs and operating conditions. Among these, in consideration of balanced electrochemical reactions, the capacity ratio of the negative (anode) to positive (cathode) electrode is one of the most important factors to design the Li-ion hybrid supercapacitors for high energy storing performance. We assemble Li-ion hybrid supercapacitors using activated carbon (AC) as anode material, lithium manganese oxide as cathode material, and organic electrolyte (1 mol L-1 LiPF6 in acetonitrile). At this point, the thickness of the anode electrode is controlled at 160, 200, and 240 ㎛. Also, thickness of cathode electrode is fixed at 60 ㎛. Then, the effect of negative and positive electrode ratio on the electrochemical performance of AC/LiMn2O4 Li-ion hybrid supercapacitors is investigated, especially in the terms of capacity and cyclability at high current density. In this study, we demonstrate the relationship of capacity ratio between anode and cathode electrode, and the excellent electrochemical performance of AC/LiMn2O4 Li-ion hybrid supercapacitors. The remarkable capability of these materials proves that manipulation of the capacity ratio is a promising technology for high-performance Li-ion hybrid supercapacitors.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 리튬 이온 하이브리드 슈퍼커패시터의 음극 및 양극설계에 따른 전기화학적 거동을 분석하였다. 이를 위해서 리튬망간 산화물 양극의 두께는고정하고 활성탄 음극의 두께를 제어하는 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 리튬 이온 하이브리드 슈퍼커패시터의음극 및 양극설계에 따른 전기화학적 거동을 분석하기위하여 음극의 두께를 제어하는 연구를 수행하였다. 특히, 음극와 양극의 밸런스를 조절하기 위하여 음극으로 사용된 활성탄의 두께를 각각 160, 200 및 240 μm로 제어하였다.
가설 설정
Fig. 2(b) 활성탄의 비표면적을 측정하기 위해 실시한 BET 분석에 따른 질소 흡착/탈착 등온선이다. 활성탄은 국제 순수응용화학연합(International Union of Pure and Applied Chemistry)에서 정의한 마이크로기공(2 nm 이하)의 존재를 의미하는 type I의 특성을 보이며 2,104 m2 g−1의 높은 비표면적을 나타냈으며 이는 리튬 이온 하이브리드 슈퍼커패시터의 음극으로 사용되기에 적합한 소재임을 의미한다.
제안 방법
따라서, 160, 200 및 240 μm 두께를 지닌 활성탄 전극(음극)과 60 μm 두께를 지닌 리튬망간 산화물(양극)의 이론용량을 각각 30 mAh g−1 및 130 mAh g−1로 고려하여 리튬 이온 하이브리드 슈퍼커패시터를 제작하였고 실제 전극 로딩양을 고려하여, 이들은 N/P-0.5, N/P-0.6 및 N/P-0.8로 각각 언급될 것이다.
또한 리튬 이온 하이브리드 슈퍼커패시터의 전기화학적 저항을 분석하기 위하여전기화학적 임피던스 분광법(electrochemical impedancespectroscopy, EIS)을 10−3에서 103 Hz의 주파수 범위에 서 수행하였다.
또한 수명 안정성 평가를 위하여 2A의 측정전류에서 10,000회 충·방전 평가를 실시하였다.
리튬 이온 하이브리드 슈퍼커패시터의 음극 및 양극 설계에 따른 전기화학적 거동을 분석하기 위하여 풀 셀 시스템을 구성하였다. 음극(negative electrode)으로는 높은 비표면적을 보유하는 활성탄을 이용하였다.
양극(positive electrode)으로는 리튬망간 산화물을 이용하였다. 양극 제조를 위해서 80 wt%의 리튬망간 산화물, 10 wt%의 바인더[poly(vinylidene fluoride)(PVdF)], 10 wt% 도전재(carbon black)를 용매인 Nmethylpyrrolidone (NMP) 안에서 고르게 혼합 시켰다.혼합된 페이스트는 집전체로 이용하는 알루미늄 호일 위에 캐스팅 후 건조한 뒤 60 μm의 두께로 압착되었다.
에너지 저장성능을 측정하기 위하여 등가직렬저항 측정 및 충전·방전 실험(charging-dischargingtest)은 1부터 16A의 전류 조건에서 측정하였다.
따라서 본 연구에서는 리튬 이온 하이브리드 슈퍼커패시터의 음극 및 양극설계에 따른 전기화학적 거동을 분석하였다. 이를 위해서 리튬망간 산화물 양극의 두께는고정하고 활성탄 음극의 두께를 제어하는 연구를 수행하였다. 전기화학 거동 분석을 위해서 리튬 이온 하이브리드 슈퍼커패시터는 실린더 타입의 풀 셀로 제작되었으며 전기화학적 저항 및 에너지 저장 성능을 규명하였다.
이를 위해서 리튬망간 산화물 양극의 두께는고정하고 활성탄 음극의 두께를 제어하는 연구를 수행하였다. 전기화학 거동 분석을 위해서 리튬 이온 하이브리드 슈퍼커패시터는 실린더 타입의 풀 셀로 제작되었으며 전기화학적 저항 및 에너지 저장 성능을 규명하였다.
제작한 음극 및 양극의 밸런스에 따른 리튬 이온 하이브리드 슈퍼커패시터의 전기화학적 거동을 분석하기 위하여 풀 셀 시스템을 구성하였다. 음극과 양극은 35 × 65cm의 크기로 제작하였다.
특히 음극으로 이용된활성탄 전극재료의 두께를 160, 200 및 240 μm로 조절하고 양극으로 이용된 리튬망간 산화물의 두께를 60 μm고정함에 따른 음극과 양극의 밸런스를 설계하였다.
특히, 음극와 양극의 밸런스를 조절하기 위하여 음극으로 사용된 활성탄의 두께를 각각 160, 200 및 240 μm로 제어하였다.
대상 데이터
하이브리드 슈퍼커패시터는 음극, 양극, 분리막 및 전해질로 구성되며 이중에서 음극 및 양극은 에너지를 저장성능을 결정짓는 가장 중요한 재료이다. 본 연구에서는 활성탄을 음극재료로, 리튬망간 산화물(lithium manganeseoxides, LiMn2O4)을 양극재료로 이용하는 하이브리드 커패시터를 다루었다.
셀룰로오스(cellulose) 분리막 및1 M의 LiPF6 전해질을 이용하여 실린더 타입의 셀(Φ22× 45 mm)을 제작하였다.
이에 따라 전극 두께가 160, 200 및 240 μm인 음극을 얻을 수 있었다. 양극(positive electrode)으로는 리튬망간 산화물을 이용하였다. 양극 제조를 위해서 80 wt%의 리튬망간 산화물, 10 wt%의 바인더[poly(vinylidene fluoride)(PVdF)], 10 wt% 도전재(carbon black)를 용매인 Nmethylpyrrolidone (NMP) 안에서 고르게 혼합 시켰다.
리튬 이온 하이브리드 슈퍼커패시터의 음극 및 양극 설계에 따른 전기화학적 거동을 분석하기 위하여 풀 셀 시스템을 구성하였다. 음극(negative electrode)으로는 높은 비표면적을 보유하는 활성탄을 이용하였다. 70 wt%의 활성탄, 15 wt%의 혼합 바인더[polytetrafluoroethylene(PTFE)-styrene-butadiene rubber (SBR), carboxymethylcellulose(CMC)], 15 wt% 도전재(carbon black)를 증류수 안에서 고르게 혼합 시켰다.
음극과 양극은 35 × 65cm의 크기로 제작하였다.
이론/모형
또한 활성탄의 표면적은 brunauer–emmett–teller (BET) 분석법을 이용하여 측정하였다.
또한, 출발 원료 및 다른 불순물에 대한 회절 피크가 검출되지 않았다. 리튬망간 산화물의 화학적 결합상태를 분석하기 위하여 X-선 광전자 주사법을 실시하여 Fig. 3(c and d)에 나타내었다. Mn 2p3/2와Mn 2p1/2 photoelectrons에 대한 XPS 피크는 ~642.
8로 각각 언급될 것이다. 전극재료로 이용된 활성탄 및 리튬망간 산화물의 형태, 구조, 화학적 결합상태분석은 전계 방사형 주사전자 현미경(scanning electronmicroscope, SEM), X-선 회절 분석(X-ray diffraction,XRD) 및 X-선 광전자 주사법(X-ray photo-electronspectroscopy, XPS)을 이용하여 규명하였다. 또한 활성탄의 표면적은 brunauer–emmett–teller (BET) 분석법을 이용하여 측정하였다.
전기화학적 거동을분석하기 위하여 순환전압-전류측정법(cyclic voltammetry,CV)을 0.9 V에서 2.3 V의 전압범위에서 50 mV s−1의 전류 훑기 속도로 수행하였다.
성능/효과
또한 2A의 측정 전류에서 10,000회의 충·방전 평가 이후에도 각각 88, 84 및 74 %의 커패시턴스 유지율을 나타냈다. 이렇게 활성탄 음극의 두께에 따른 리튬 이온 하이브리드 슈퍼커패시터의 전기화학적 거동을 확인하였으며 특히 음극의 두께에 따른 전기화학적 저항과 커패시턴스 및 수명성능과의 상관관계를 확인할 수 있었다. 따라서 제안된 리튬 이온 하이브리드슈퍼커패시터의 음극 및 양극의 밸런스 제어에 따른 전기화학적 거동분석은 차후 서로 상이한 리튬 이온 하이브리드 슈퍼커패시터의 응용분야를 위해 사전에 고려하기 위한 데이터로 유망할 것으로 여겨진다.
특히, 음극와 양극의 밸런스를 조절하기 위하여 음극으로 사용된 활성탄의 두께를 각각 160, 200 및 240 μm로 제어하였다. 이를 실린더 타입의 리튬 이온 하이브리드 슈퍼커패시터로 제작하여 평가한 결과, 활성탄 음극의 두께가 증가할수록 등가직렬저항이 각각 17.3, 18.2 및19.3 Ω로 증가함을 나타내었다. 전기화학적 평가 하에서 낮은 측정전류인 1A에서는 각각 182 F, 223 F 및 262F으로 활성탄 음극의 두께가 증가할 수록 커패시턴스의 증가를 확인할 수 있었다.
3 Ω로 증가함을 나타내었다. 전기화학적 평가 하에서 낮은 측정전류인 1A에서는 각각 182 F, 223 F 및 262F으로 활성탄 음극의 두께가 증가할 수록 커패시턴스의 증가를 확인할 수 있었다. 반면 높은 측정전류인 16 A후에는 각각 92 %, 90 % 및 88 %의 커패시턴스 유지율을 나타내어 활성탄 음극의 두께가 낮을수록 높은 성능을 나타냈다.
6(a)는 증가하는 전류에 따른 충·방전 실험을 통해 계산된 커패시턴스의 변화를 나타낸다. 제작된 모든 리튬 이온 하이브리드 슈퍼커패시터는 전류가 증가할수록 커패시턴스는 감소하는 경향을 나타냈다. 그럼에도 불고하고 N/P-0.
즉 등가직렬저항 측면에서는 활성탄 음극의 두께가 적을수록 낮은 것이 분석되었고 이는 빠른 속도의 충·방전 과정에서 효율적인 전자이동을 제공하여 성능을 향상시킨다.
8 음극은 각각 88, 84 및 74 %을 나타냈다. 즉 활성탄 음극의 두께가 낮을수록 커패시턴스의 수명 유지율이 우수한 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
이렇게 활성탄 음극의 두께에 따른 리튬 이온 하이브리드 슈퍼커패시터의 전기화학적 거동을 확인하였으며 특히 음극의 두께에 따른 전기화학적 저항과 커패시턴스 및 수명성능과의 상관관계를 확인할 수 있었다. 따라서 제안된 리튬 이온 하이브리드슈퍼커패시터의 음극 및 양극의 밸런스 제어에 따른 전기화학적 거동분석은 차후 서로 상이한 리튬 이온 하이브리드 슈퍼커패시터의 응용분야를 위해 사전에 고려하기 위한 데이터로 유망할 것으로 여겨진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
작동 메커니즘 및 이용되는 전극재료로 인해 3가지로 나뉘어 지는 슈퍼커패시터들의 특징은?
1-5) 슈퍼커패시터는 작동 메커니즘 및 이용되는 전극재료에 의해 세 가지로 나눌 수 있다.6,7) 물리적인 전기 이중 층을 이용하는 전기 이중층 커패시터(electric double layer capacitors)와 화학적인 산화·환원반응을 이용하는 의사커패시터(pseudocapacitors)로 구분된다. 이 중 전기 이중 층 커패시터는 수도 커패시터와의 사커패시터에 비하여 고 출력, 긴 수명특성과 같은 장점으로 가장 널리 산업화되어 이용되고 있으나 낮은 에너지 밀도라는 치명적인 한계점을 보유하고 있다. 더 나아가서 이차전지와 슈퍼커패시터가 결합된 하이브리드 슈퍼커패시터(hybrid supercapacitors)가 주목받고 있다.8) 이는 한쪽 전극에서는 이차전지 반응을 이용하고 다른 한쪽 전극에서는 슈퍼커패시터에서 이용하는 전기이중 층을 이용하여 에너지를 저장하는 소자이다. 하이브리드 슈퍼커패시터의 경우 높은 에너지밀도를 보유함으로써 전기 이중층 커패시터의 한계점을 극복 할 수 있지만, 낮은 출력밀도 및 짧은 수명특성이라는 단점을 보유하고 있다. 하이브리드 슈퍼커패시터는 음극, 양극, 분리막 및 전해질로 구성되며 이중에서 음극 및 양극은 에너지를 저장성능을 결정짓는 가장 중요한 재료이다. 본 연구에서는 활성탄을 음극재료로, 리튬망간 산화물(lithium manganeseoxides, LiMn2O4)을 양극재료로 이용하는 하이브리드 커패시터를 다루었다.
전기화학적 에너지 저장장치의 중요성이 커지는 이유는?
전 세계적으로 환경오염 문제가 이슈가 되면서 기존의 화석연료를 대체할 수 있는 전기화학적 에너지 저장장치의 중요성이 증가하고 있다. 다양한 전기화학적 에너지 저장장치 중 슈퍼커패시터는 스마트폰, 로봇, 노트북 및 청소기 등 널리 사용되고 있는 리튬 이온전지와 비교하여 높은 파워 밀도, 우수한 안정성 및 오랜 수명 유지 특성 등의 매력적인 장점을 가지고 있어 많은 주목을 받고 있어 풍력발전, 블랙박스 및 전기자동차 등에 사용되고 있다.1-5) 슈퍼커패시터는 작동 메커니즘 및 이용되는 전극재료에 의해 세 가지로 나눌 수 있다.
슈퍼커패시터란?
전 세계적으로 환경오염 문제가 이슈가 되면서 기존의 화석연료를 대체할 수 있는 전기화학적 에너지 저장장치의 중요성이 증가하고 있다. 다양한 전기화학적 에너지 저장장치 중 슈퍼커패시터는 스마트폰, 로봇, 노트북 및 청소기 등 널리 사용되고 있는 리튬 이온전지와 비교하여 높은 파워 밀도, 우수한 안정성 및 오랜 수명 유지 특성 등의 매력적인 장점을 가지고 있어 많은 주목을 받고 있어 풍력발전, 블랙박스 및 전기자동차 등에 사용되고 있다.
참고문헌 (16)
P. Simon, Y. Gogotsi and B. Dunn, Science, 343, 1210 (2014).
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