초록 ▼

1. 최종목표
현행 Supercapacitor로 사용되는 고가 활성탄 기준으로 제품생산시 원가비중이 높기 때문에, 현 활성탄 대비 85% 수준의 성능을 보이는 저가의 활성탄을 개질하여 Supercapacitor의 판매 저변 확대 및 수익률를 증대하고자 한다. 이에 개질저가활성탄 적용 1Ω·F급 18D x 40L(mm) Supercapacitor 개발함에 있어 구조는 Radial type(활성탄 전극/전해액/활성탄 전극)이고, 산소함유량 5wt%이하, 축전비용량 25F/g, 셀 전압 2.7V이상, 셀용량 50F이상, 셀 DC E

1. 최종목표
현행 Supercapacitor로 사용되는 고가 활성탄 기준으로 제품생산시 원가비중이 높기 때문에, 현 활성탄 대비 85% 수준의 성능을 보이는 저가의 활성탄을 개질하여 Supercapacitor의 판매 저변 확대 및 수익률를 증대하고자 한다. 이에 개질저가활성탄 적용 1Ω·F급 18D x 40L(mm) Supercapacitor 개발함에 있어 구조는 Radial type(활성탄 전극/전해액/활성탄 전극)이고, 산소함유량 5wt%이하, 축전비용량 25F/g, 셀 전압 2.7V이상, 셀용량 50F이상, 셀 DC ESR 20mΩ이하, 셀 누설전류 0.15mA이하, 셀 고온내구성 85%이상 실현을 목표로 한다.

2. 개발내용 및 결과
저가의 활성탄 개질방법은 전해환원법, 산처리법, 열처리 개질법을 사용하여 진행하였으며 그 중 열처리 개질방법이 우수한 것으로 판명되었다. 열처리 개질에 의한 저가 활성탄 물성평가(원소분석)한 결과, 열처리 한 이후 활성탄 산소함량(5.9—3.75wt%)이 줄고 탄소의 함량이 증가한 것을 알 수 있었다. 이는 소재의 순도가 높아졌음을 나타내고, 높은 전압에서 산소와 탄소의 결합으로 인해 생기는 CO₂ gas 발생을 줄이고 고전압에서의 신뢰성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 열처리 조건에 따른 임피던스(편측저항) 측정결과, 300℃, 400℃ 열처리 조건에서는 뚜렷하게 감소 영역을 확인 할 수 있으나, 500℃ 조건 이상에서는 그리 큰 차이를 보이지 않았다. 이와 같은 결과는 표면 관능기의 증가에 의해 증가된 저항은 열처리를 통해 제거가 가능하며, 일정 온도 이상의 열처리 조건은 더 이상의 작용이 어려운 것으로 판단된다. 또한 그 조건은 약 500℃ 영역임을 간접적으로 확인 할 수 있었다.

저가의 활성탄을 열처리 개질하여 축전비용량을 측정한 결과, 미처리 활성탄의 비용량은 21.9F/g인것에 비해 개질 활성탄의 비용량은 26.2F/g으로 향상된 것을 알 수 있었다.

저가 활성탄 개질에 의하여 활성탄이 기존 성질과 달리 혼합양상이 변화하여 기존 배합대로 믹싱이 되지 않아, EA(에딜알코올) 및 IPA(이소프로필알코올)을 적용하여 활성탄의 젖음성 향상과 물에 대한 계면저항을 낮추고자 첨가(미량 첨가)하여 전극을 제조하였다.

제조된 전극은 전극제단, 리드선 부착, 권취, 소자건조, 전해액 함침, 조립(쿼링), 슬리빙, 셀로서 18D*40L(mm) Supercapacitor 셀 제조를 행하였다.

따라서, 미개질 활성탄과 개질활성탄 적용 셀의 전기화학적 특성평가를 수행한 결과,
1) 전압 및 용량에서 전압은 모두 비슷한 양상을 보였으나 용량에서는 미개질 활성탄 적용셀이 방전용량은 1C 52F, 10C 50F, 20C 48F로서 율속특성은 92%를 나타내고 있으며 방전용량 감소(율속특성이 감소)하는 경향을 나타내었다. 반면, 개질 활성탄 적용 셀은 방전용량은 1C 54, 10C 53, 20C 52로서 율속특성은 97%를 나타내고 있으며 개질 활성탄 적용으로 인한 방전용량 감소(율속특성이 감소)가 거의 없는 경향을 나타낸다. 상기 결과는 개발목표치인 전압 2.7V, 용량 50F를 상회한다.

2) DC ESR 측정결과에서는 개질 활성탄 적용 셀이 초기 18mΩ, 1000시간후 23~24mΩ으로 변화율이 30%정도를 나타낸다. 미개질 활성탄 적용 셀의 경우는 초기 27~30mΩ, 1000시간후 40.2〜43.1mΩ으로 변화율이 40%를 넘고 있다. 이는 열처리 개질로 인한 표면관능기에 제거에 의한 저항 증가율이 감소한 것으로 파악된다. 개발 결과치는 20mΩ을 하회하는 18mΩ으로 목표치에 도달하였다.

3) 누설전류 측정결과에서는 개질 활성탄 적용 셀이 초기 0.1~0.15mA사이에 있고, 72시간후에는 0.1mA를 하회하는 결과를 나타낸다. 미개질 활성탄 적용 셀이 초기 0.21〜0.24mA이며, 시간경과후 72hr후의 셀 누설전류는 0.14〜 0.16mA로 높게 나타난 것에 비해 낮은 값을 보이며, 이는 개질에 의한 표면관능기의 제거효과라 볼 수 있다. 개발 목표치는 72시간후 0.15mA인데 0.1mA하회하여 개발 목표치에 도달하였다.

4) L1 치수변화(길이변화) 측정결과에서는 개질 활성탄 적용 셀이 초기에서 400시간까지 조금 급격한 상승을 하다 400시간 후 완만한 상승을 보이며 수렴하는 경향을 나타내고 1000시간후 변화율을 3%대로 미개질 활성탄의 1000시간 후 변화율 5~6%와는 상대적으로 적은 변화율을 나타내고 있다. 이는 개질 활성탄의 표면관능기(산소관능기)가 많이 제거된 것으로 전해액과의 반응성이 적어져 이러한 길이변화율에 많은 영향을 미치는 것으로 판단된다.

5) 60도 고온 내구성을 평가한 결과, 개질 활성탄 적용 셀은 400시간 이전까지는 완만한 저하를 보이다가 400시간 이후는 거의 변화없는 수렴상태를 1000시간후의 용량변화율이 14%내외로, 미개질 활성탄 적용 셀의 30% 초과하는 결과와 대조된다. 이는 개질 활성탄의 표면관능기(산소관능기)에 의한 고온내구성이 현저히 증가한다는 것을 반증하는 결과이기도 한다.
개발 목표치는 1000시간후 85%이상(15%이하)인데 86%이상(14%이하)를 만족하여 개발 목표치에 도달하였다.

3. 기대효과(기술적 및 경제적 효과)
핵심 인프라 기술을 통하여 개발된 슈퍼커패시터는 관련 활물질 개발업체, 전극 제조업체, 셀, 모듈 제작업체에 파급을 미칠 것이며 이는 새로운 고에너지 밀도형(전기자동차의 전자제어제동 에너지회생, 축자제어 시스템의 전원용, 엘리베이터 에너지 회생), 고출력용 슈퍼커패시터 군(공회전 방지 차량의 스타트 보조용, 연료전지 EV의 보조전원, 순수 EV 발진 보조용)을 형성시킬 것으로 보이고 이는 향후 2차전지와 병용 및 경합할 것으로 보인다.

전체적인 산업 전망은 아직 슈퍼커패시터 시장 자체가 그리 큰 편은 아니나, 스마트 TV의 대기전력 제로화 및 에너지 절감/절전형 제품들이 많이 출시되어 슈퍼커패시터의 적용이 점점 증가되는 추세에 있다. 향후, 위와 같은 전개 상황에 따라 년간 10-100억불 대의 신 시장이 창출될 것으로 기대되는 차세대 전지분야의 신수종 산업이라 할 수 있다.

4. 적용분야
개발제품의 용도는 디지털 가전기기(디지털 레코더, 냉장고, 에어콘, TV 외)/디지털 공구 전원, 원격 검침기 (ARM), LTE 중계기 전원(현재 성장성 높음), Asset Tracking (컨테이너&자동차, 동물(야생동물, 가축)) 전원에 사용되며, 응용제품 용도로서는 자동차용 전압안정기(Volt Stabilizer), Cold cranking HEV 및 EV용 Idling Stop용 회생전원이 있다.

(출처 : 생산기술사업화 지원사업 최종보고서 초록 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1생산기술사업화 지원사업 최종보고서 ... 2제출문 ... 3최종보고서 초록 ... 4목차 ... 7제 1 장 서 론 ... 8 제 1 절. 기술의 개요 및 중요성 ... 8 제 2 절. 국내외 관련기술의 현황 ... 11 제 3 절. 시장현황 ... 14제 2 장 기술개발 내용 및 방법 ... 18 제 1 절. 기술개발 목표 ... 18 제 2 절. 기술개발 내용 및 방법 ... 20 1. 저가의 활성탄 표면개질(참여기관-템프) ... 20 2. 개질 활성탄을 이용한 전극제조(주간기관-퓨리켐) ... 56 3. 18D*40L Supercapacitor 셀 제조 및 특성평가(주간기관-퓨리켐) ... 71제 3 장 결과 ... 103 제 1 절. 계획대비 실적 및 성과 ... 103 제 2 절. 기대효과 ... 107 제 3 절. 사업화 전략 ... 110끝페이지 ... 114