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문제 정의
- 그리고 전기전도도를 향상시키기 위하여 carbon black, carbon fibers, Lonza carbon, acetylene black 및 VGCF등의 전도성개량제를 사용하는 연구가 진행되었다[6,7,8,9]. 따라서 본 연구에서는 비표면적(1,500 m2/g 이상)을 갖는 활성탄 분말 (BP-20, YP-17)과 전도성 개량제(Ppy, Super P, VGCF 및 AB)를 일정비율로 혼합한후, 전극의 충분한 강도와 일정한 sheet상의 형태를 유지하기 위한 결합제로 전극의 유연성을 갖게 하는 P(VdF-co-HFP)와 전극의 기계적 강도를 높이기 위하여 가교결합력이 우수하고 분산제인 polyvinylpyrrolidone(PVP)을 사용하여 전기화학적 특성을 향상시키고자 하였다. 그리고 순간정지시 산업안전용 및 엔진시동용으로 상용화가 가능한 전극소재를 고찰하여 2.
제안 방법
- 또한 Potentiostat/Gal.,anostat (EG&G, 273A)를 이용하여 cyclic voltammogram (CV)을 측정하였다.
- 1. 자동차 시동용 모듈의 EDLC 단일 셀의 case 사이즈 15x9.7x4.2 cnf （체적 = 611.1 cnf）, 내부 사이즈（전극 + 집전체 +전해지）는 12.5x8.5x3.2 cnf （340 cm2） 으로 내부저항(DC-ESR) 0.35 mQ, 임피던스 저항(AC-ESR) 0.14 m2, 정전용량 3,100 F, 누설전류 2 mA, 에너지밀도 2.80 Wh/kg, 동력밀도 4.64 kW/kg을 나타내는 시작품을 제작 하였다.
- 3V/3,000F 급 EDLC* 제작하였다. Alumina-polyethylene (Al-PE) bag에 전극을 넣고 전해액을 주입하여 단위셀을 제작하고 7개의 단위셀을 적층하여 알루미늄 케이스를 이용하여 EDLC를 제작하였다. 그러나 제작된 EDLC내에 제조상 소량의 수분이 존재하므로 수분을 강제적으로 제거해 주기 위하여 질소분위기의 glove box 내에서 AC/DC power supply를 이용하여 EDLC 에 2.
- Alumina-polyethylene (Al-PE) bag에 전극을 넣고 전해액을 주입하여 단위셀을 제작하고 7개의 단위셀을 적층하여 알루미늄 케이스를 이용하여 EDLC를 제작하였다. 그러나 제작된 EDLC내에 제조상 소량의 수분이 존재하므로 수분을 강제적으로 제거해 주기 위하여 질소분위기의 glove box 내에서 AC/DC power supply를 이용하여 EDLC 에 2.3 V, 2 A의 전압전류를 24시간 상온에서 인가하여 수분을 전기분해 하였다. 전기분해된 수분을 수소 , 산소의 기체 상태로 존재하므로 케이스를 일시적으로 개방하여 기체상태로 존재하는 EDLC 내부의 수분을 질소로 purging하며 외부로 배출하여 줌으로써 수분에 의한 전기적 특성이 저하되는 것을 방지하였다.
- 따라서 본 연구에서는 비표면적(1,500 m2/g 이상)을 갖는 활성탄 분말 (BP-20, YP-17)과 전도성 개량제(Ppy, Super P, VGCF 및 AB)를 일정비율로 혼합한후, 전극의 충분한 강도와 일정한 sheet상의 형태를 유지하기 위한 결합제로 전극의 유연성을 갖게 하는 P(VdF-co-HFP)와 전극의 기계적 강도를 높이기 위하여 가교결합력이 우수하고 분산제인 polyvinylpyrrolidone(PVP)을 사용하여 전기화학적 특성을 향상시키고자 하였다. 그리고 순간정지시 산업안전용 및 엔진시동용으로 상용화가 가능한 전극소재를 고찰하여 2.3 V/3,000 F급의 대용량 EDLC 제작을 목표로 설정하였다.
- 단위셀 제조 후 임피던스 측정기 (FRA, Solatron Ins. Lim., solatron 1260A)를 이용하여 임피던스 저항을 측정하였다. 또한 충방전 시험기 (Battery Test System, BTCCS, Arbin)를 이용하여 정전압 2.
- 단위셀을 battery test system을 이용하여 정전압 2.3 V, 10분간 충전 후 정전류 10 mA로 1.0 V까지 방전하면서 방전시간을 측정하여 정전용량을 계산한 후 +, - 전극을 합한 무게로 나누어 비정전용량을 구하였다. 단일 및 혼합결합제를 5 wt.
- , solatron 1260A)를 이용하여 임피던스 저항을 측정하였다. 또한 충방전 시험기 (Battery Test System, BTCCS, Arbin)를 이용하여 정전압 2.3 V로 10분간 충전한 후 정전류로 1.0 V까지 방 전하고 이때의 방전시간을 측정하여 정전용량을 계산하였다. 또한 Potentiostat/Gal.
- 입자 분포가 불균일한 분말 상태의 전도성 개량제와 활성탄을 각각 ball mill로 12시간 동안 분쇄한 후 80 C의 온도에서 24시간동안 진공 건조기에서 건조하여 분말내 수분을 완전 제거하였다. 질량비 7 ： 3의 P(VdF-co-HFP)/PVP 혼합결합제를 5 wt.
- 2에 나타내었다. 전극 표면에 전극의 재료에 따라 전해액을 0.07 mL 정도 주입한 후 격리막, gasket을 적층하고 양쪽에 아크릴 판을 맞대어 볼트와 너트로 압착시켜 단위셀을 제작하였다.
- 순간 정전시 산업안전용 및 엔진시동용으로 대전류 방전이 가능한 모듈용 최적의 시작품이며 상용화 가능성이 크다고 판단된다. 특히 외부단자의 모양을 평평하게 변형 하여 내부단자를 저항용접에 의하여 단자를 한꺼번에 접합시킴으로써 셀의 저항을감소시켰다.
대상 데이터
- 0 M Et4NBE4/GBL, 집전체 Al etching foil (JCC, thickness 20 ㎛)을 사용하였다. 그러나 20 ㎛의 집전체는 터미널 역할을 하기에는 너무 얇고 기계적 강도가 약하기 때문에 이를 보완하기 위하여 aluminium foil (2AL10-5/1 HX, thickeness 100 /an, USA)을 사용하였다.
- 분말활성탄은 페놀수지를 탄화하여 제조된 상업용 활성탄 BP-20 (Kuraray chem., 비표면적 1,929 m2/g)과 YP-17 (Kuraray Chem., 비표면적 1,566 m%)을 사용하였고 결합제는 전극의 충분한 강도와 유연성을 가지면서 전극 형상화를 위해서 현재 산업적으로 상용화되고 있는 P(VdF-co-HFP) (ELF Atochem)와 PVP (ISP Tech.)를 혼합하여 사용하였다. 이때 분산매는 각각 n-methyl- 2-pyrrolidinone (NMP, Lancaster)# 사용하였다.
- 11 2 • cm)을 사용하였다. 전해액 1.0 M Et4NBE4/GBL, 집전체 Al etching foil (JCC, thickness 20 ㎛)을 사용하였다. 그러나 20 ㎛의 집전체는 터미널 역할을 하기에는 너무 얇고 기계적 강도가 약하기 때문에 이를 보완하기 위하여 aluminium foil (2AL10-5/1 HX, thickeness 100 /an, USA)을 사용하였다.
성능/효과
- 단일 및 혼합결합제를 5 wt.% 사용했을 때 YP-17, BP-20 전극의 충• 방전 특성을 비교하여 나타낸 것이며 혼합결합제와 BP-20 전극을 사용했을 때가 내부저항이 낮고 충 • 방전 특성이 우수하였다.
- 2. EDLC의 설계 시 전극, 전해질, 단자 및 외장 등의 조립공정을 고려하여 내부저항을1 mQ 이하가 되도록 제작하였으며 대전류 (300A 이상)에서 방전이 가능하였다. 순간 정전시 산업안전용 및 엔진시동용으로 대전류 방전이 가능한 모듈용 최적의 시작품이며 상용화 가능성이 크다고 판단된다.
- 14 mQ이었다. 고주파범위에서 전극과 계면에서 전하전이저항이 감소하여 반응속도가 커져 급속한 충 • 방전이 가능하다는 것을 알 수 있었다.
- 따라서 두 전극 사이의 간격이 작을수록, 전해질의 유전상수 및 전극의 비표면적이 클수록 EDLC의 정전용량은 증가한다. 또한 유기계 전해질은 분해전압이 3 V 정도이며, 분해전압이 L23 V인 수용액계 전해질의 경우보다 EDLC의 체적이 2~3배 작은 특성이 있다[11,12,13].
- 7 %이었다. 따라서 본 연구에서 제작한 2.3 V/3,000 F급 EDLC는 순간정전시 산업안전용 및 엔진시동용으로 대전류 방전이 가능한 모듈을 제작하는데 최적의 시 작품이며 상용화 가능성이 크다고 판단된다.
- 3 V, 2 A의 전압전류를 24시간 상온에서 인가하여 수분을 전기분해 하였다. 전기분해된 수분을 수소 , 산소의 기체 상태로 존재하므로 케이스를 일시적으로 개방하여 기체상태로 존재하는 EDLC 내부의 수분을 질소로 purging하며 외부로 배출하여 줌으로써 수분에 의한 전기적 특성이 저하되는 것을 방지하였다.
- 05 Wh/L) 및 최대동력밀도 754 W/kg(l,562 W/L)이었다. 현재까지 보고된 연구 사례에서 EDLC의 에너지밀도는 2~7 Wh/kg으로 본 연구에서 비슷한 수준의 에너지밀도를 달성하였으며, Conway[l]의 Fig. 15.15의 Ragone 그래프에서 제작된 단위 셀의 에너지밀도와 동력밀도가 대각선상에 위치하는 것으로 보아서 상용 전기자동차에도 충분히 적용할 수 있음을 알 수 있었다.
후속연구
- 3. 본 연구의 시작품 제작은 모두 수작업에 의해 이루어졌지만, 경량의 Case 금형 제작, 단자의 저항용접, 전극 적층기에 의해 시작품을 제작한다면 현재 결과보다 훨씬 우수한 결과를 기대할 수 있으며 이런 설비가 도입된다면 완전 자동화가 가능할 것이라고 판단된다.
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