초록

본 연구의 최종목표는 10kW급 내연기관 시동용 및 40kW급 산업용 전동기 구동용 초고용량 축전기 시작품을 개발하는 것이다. 이를 위해 활성탄소분말/섬유 전극소재의 제조공정 최적화 연구뿐만 아니라 단위 cell 테스트를 통하여 전극, 전해질, 집전체 등의 소재 특성 데이터를 확보한다.우수한 성능특성을 갖는 초고용량 축전기를 제작하기 위하여 내부 저항을 줄이고 전극/집전체 간의 표면적을 넓혀 비축전용량을 향상시킬 수 있는 제조기술의 확보를 주요 연구내용으로 한다.

Abstract ▼

The final goal of this R & D project is to fabricate trial products of 10kW rated organic electrolytic supercapacitor for engine starter applications and 40kW rated aqueous electrolytic supercapacitors for industrial motor driving applications. For the fabrications, at first, an optimally processed

The final goal of this R & D project is to fabricate trial products of 10kW rated organic electrolytic supercapacitor for engine starter applications and 40kW rated aqueous electrolytic supercapacitors for industrial motor driving applications. For the fabrications, at first, an optimally processed and controlled activated carbon powder and fibers for electrodes materials have to be investigated. Simultaneously, the electrode materials, the electrolytes, current collector material properties their characteristics have to be examined throughout enormous number of electrochemical cell tests.To search for the best fabrication method of these supercapacitors that must show high enough quality of performance characteristics, many ways of fabrication techniques to reduce internal resistance and to increase specific capacitance in contacting electrode and current collector, enlarging electrode surface area, and stacking/packing the cells have to be surveyed experimentally and empirically.

목차 Contents

• 제 1 장 서 론...33
• 제 1 절 연구 개발의 목적...33
• 제 2 절 연구개발의 필요성...34
• 제 3 절 연구개발의 범위...36
• 1. 연구개발의 최종목표...36
• 2. 연차별 연구개발내용 범위...36
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황...37
• 제 1 절 국외 연구개발 현황...37
• 제 2 절 국내 연구개발 현황...42
• 제 3 장 연구개발 수행내용 및 결과(주관연구기관:한국에너지 기술 연구소)...43
• 제 1 절 이론적 배경...43
• 제 2 절 전기이중층 캐패시터의 구조와 소재...44
• 1. 전기이중층 캐패시터의 구조...44
• 2. 전기이중층 캐패시터의 소재 특성...46
• 가. 전국소재...46
• 나. 전해질...47
• 다. 집전체, 분리막, 하우징 구성...48
• 제 3 절 초고용량 캐패시터용 탄소계 전국소재 개발...49
• 1. 수용성 전해액 초고용량 캐패시터 개발...49
• 가. ACF의 비표면적 및 세공경의 영향에 의한 비축전용량 특성연구...50
• 나. 전해질종에 따른 영향...54
• 다. ACF 전극의 자가방전(self-discharge) 특성...59
• 라. ACF 후처리에 의한 효과...60
• 마. Cycle life Test...64
• 바. 활성탄/페놀수지 복합체 전극의 제조 및 전기화학적 특성...65
• 사. PVA 결합제를 이용한 활성탄 전극의 제조 및 전기화학적 특성...69
• 아. 결합제에 의한 영향...71
• 자. 결합제 종류에 의한 온도 의존성...72
• 차. 탄화온도에 따른 활성탄/PVA 전극의 벌크저항 변화와 비축전용량 특성...73
• 카. 활성탄/PVA 전국제조에 있어서 첨가물 영향...77
• 제 4 절 활성탄소/섬유계 전극소재 제조공정 최적화...80
• 1. Ni 코팅 ACF 전극 특성...80
• 2. 집전체/전극/분리막 조립 제작기술 개발...82
• 가. 집전체의 전기화학적 안정성 측정...82
• 나. 고밀도 ACF 전극/Ni foil 집전체 조립 cell 특성...83
• 다. Ni 코팅 ACF 전극/Ni foil 집전체 조립 cell 특성...85
• 라. ACF/AC 복합전극의 cell test 특성...90
• 마. ACF/Ni-Foam 집전체 조립 cell 특성...93
• 바. 대면적 전극/집전체 조립 cell 특성...96
• 3. Ni-foam을 집전체로 사용한 AC sheet 전극 캐패시터...97
• 가. AC sheet 전극 제조...97
• 나. 단위 cell 전극의 특성조사...103
• 다. 대면적 (15 ×16㎠)단위 cell 제조 및 특성 분석...110
• 라. 대면적 단위 pack 제조 및 특성 분석...113
• 제 5 절 시작품 캐패시터의 설계제작...115
• 1. 시작품 제작 및 성능실험...116
• 가. 0.9V-300F급 pack 제작 및 특성...116
• 나. 5kW급 시제품(수용성 전해액) 성능...119
• 다. 10kW/40kW급 시제품 (수용성 전해액) 성능...126
• 제 3 장 연구개발 수행내용 및 결과(위탁연구기관:전남대학교)...129
• 제 1 절 이론적 배경...129
• 제 2 절 실 험...130
• 1. 재료 및 섬유제조...130
• 2. 분석...135
• 제 3 절 결과 및 고찰...138
• 1. 중질잔사유로부터 캐패시터 전극제조 및 특성 평가...138
• 2. 기공크기 조절 및 melt-blown 방사...158
• 제 4 절 결론...159
• 제 3 장 연구개발 수행내용 및 결과(위탁연구기관:포항공과대학교)...161
• 제 1 절 실 험...161
• 1. 촉매적 기체화반응(catalytic gasification)과 활성화 반응 실험...161
• 2. 표면작용기 변화실험...164
• 3. 탄소섬유의 분석...164
• 4. 전기화학적 특성평가...164
• 제 2 절 연구결과...166
• 1. 탄소섬유의 특성분석...166
• 2. 활성화기체에 따른 탄소섬유의 촉매적 기체화반응...168
• 3. CO₂에 의한 탄소섬유의 촉매적 기체화반응...170
• 4. Air에 의한 탄소섬유의 촉매적 기체화반응과 활성화반응...177
• 5. 탄소섬유 disc의 촉매적 기체화반응...183
• 6. 탄소섬유 disc의 총진밀도 변화에 따른 활성화반응...191
• 7. 탄소섬유 disc의 활성화반응에 의한 전기화학적 특성변화...192
• 8. 탄소섬유 disc의 표면작용기 변화와 전기화학적 특성변화...197
• 제 3 절 결론 및 제언...206
• 제 3 장 연구개발 수행내용 및 결과 (공동연구기관:한국전기연구소)...208
• 제 1 절 전기이중충 이론 및 Electrical Double Layer Capacitor 원리...208
• 1. 이상 분극전극에서의 전하 및 정전용량...208
• 2. 전기이중층 이론...209
• 3. 전기이중층 정전용량...211
• 가. Helmholtz 모델...211
• 나. Gou-Chapman 모델...211
• 다. Stern 모델...215
• 제 2 절 EDLC의 구조 및 구성재료...217
• 1. EDLC의 원리 및 구조...217
• 2. EDLCD의 구성재료...218
• 가. 전극재료특성...218
• 나. 전해질 특성...219
• 다. 격리막 특성...219
• 라. 집전체 특성...220
• 마. Case 및 Sealing 재료특성...220
• 제 3 절 연구개발 수행내용 및 결과...221
• 1. 구성재료 특성 연구...221
• 가. 전해질 특성...221
• 나. 집전체 특성...224
• 다. 격리막 특성...227
• 라. 활성탄소 전극재료...229
• 2. 활성탄소분말 전극 및 capacitor 제조와 특성연구...230
• 가. 전극제조...230
• 나. 셀 구성...232
• 다. 충방전 특성연구...233
• 라. 요약...236
• 3. Al-coated ACF cloth 전극제조 및 capacitor 특성연구...236
• 가. Al-coated ACF cloth 전극 제조 및 특성...236
• 나. Al-coated ACF cloth 전극의 소형 캐퍼시터 제조 및 특성연구...242
• 4. 5kW급 내연기관시동용 prototype 개발 및 특성연구...252
• 가. 5kW급 내연기관시동용 prototype 설계...252
• 나. 단위 캐퍼시터 제작 및 특성 연구...259
• 다. 5kW급 모듈 특성연구...263
• 라. 10kW급 모듈 설게제작 및 특성연구...268
• 제 3 장 연구개발 수행내용 및 결과(공동연구기관:고등기술연구원)...278
• 제 1 절 이론적, 실험적 접근방법...278
• 1. 시스템 구성과 연구단계 설정...278
• 2. 이론 및 실험적 접근 방법...279
• 제 2 절 단위 셀의 제작 및 측정...280
• 1. 실험 방법과 과정...280
• 2. 성능 시험 방법과 결과 분석...281
• 3. 축전기 구성 소재별 분석 연구...282
• 가. 활성탄의 비교 평가...282
• 나. 전해액의 특성연구...285
• 다. 그 외 탄소전극의 구성요소들...288
• 제 3 절 초고용량 축전기 시제품의 제작 및 평가...293
• 1. 시제품의 성능설계...293
• 2. 시제품의 제작공정...293
• 3. 시제품의 측정 및 평가항목...296
• 4. 시제품의 사양...298
• 5. 시제품의 세부성능...300
• 6. 셀간 편차의 조절과 전압조절...311
• 제 4 장 연구개발 목표 달성도 및 대외 기여도...313
• 제 1 절 1차년도 연구개발 목표 달성도...313
• 제 2 절 2차년도 연구개발 목표 달성도...314
• 제 3 절 3차년도 연구개발 목표 달성도...315
• 제 4 절 대외 기여도...316
• 제 5 장 연구개발 결과의 활용계획...317