슈퍼 캐패시터 (W) 는 충방전 횟수를 늘려도 성능 저하가 거의 없이 매우 빠르게 충전과 방전이 가능한 에너지 저장 장치이다. 이러한 특성으로 인해 슈퍼커패시터는 기존의 전기화학 배터리 (W) 에 의해 제공되는 장기 에너지 저장 과 표준 유전체 커패시터 ( W )에 의해 제공되는 단기적인 고전류 에너지 수요 사이의 격차를 메워줍니다 .
슈퍼커패시터의 문제점은 여전히 에너지 저장 잠재력의 와트시당 비용이 상대적으로 높다는 것입니다. 탄소/탄소 전극 또는 금속 산화물 전극을 사용할 수 있는 설계에 따라 재료 비용은 이러한 전력 수요 상황에서 슈퍼커패시터를 사용하는 비용/이점을 심각하게 방해할 수 있습니다. 탄소/탄소의 경우, 이는 주로 미화 50~100달러/kg의 값비싸고 특별히 제조된 고표면적 탄소 미립자 또는 천을 사용하기 때문입니다. [1] 슈퍼커패시터 시장 규모를 키우기 위해서는 원가를 10배로 낮추는 것이 필요하다.
성능에 영향을 미치는 요소
에너지 밀도와 RC 시간 상수 간의 균형은 중요한 설계 고려 사항입니다. RC 시상수를 낮추고 결과적으로 슈퍼커패시터의 전력 용량(W/kg)을 높이려면 더 낮은 에너지 밀도(Wh/kg)가 필요한 경우가 많습니다.
슈퍼커패시터의 성능은 장치의 내부 저항 특성에 따라 달라지는 경우가 많습니다. 임피던스 부하 유형이 일치하는 시스템을 설계하려면 슈퍼커패시터의 임피던스에 대한 올바른 이해가 필요합니다. 등가 직렬 저항 (W) 또는 ESR을 낮추는 것은 슈퍼커패시터의 특정 전력 출력을 높이는 데 중요합니다.
새로운 기술
슈퍼커패시터 전극을 위한 새로운 금속 산화물 및 탄소 유형에 대한 연구가 진행되고 있으며, 이는 성능 저하를 최소화하면서 슈퍼커패시터의 비용을 잠재적으로 줄일 수 있습니다. [1] 이들 주요 연구 중 두 가지는 탄소 나노튜브 W (CNT) 를 슈퍼커패시터의 전극으로 사용하는 것과 Al 포일을 집전체로 사용하는 것입니다. [2]
알 포일 전류 수집기
슈퍼커패시터용 전극은 일반적으로 전극용 집전체 역할을 하기 위해 100~300um 영역의 Al 호일 위에 제작됩니다. 장치의 전력 전달 가능성은 주로 슈퍼커패시터의 등가 직렬 저항(ESR)에 따라 달라지므로 집전체의 임피던스가 감소하면 즉각적인 전력 전달 개선이 이루어집니다. 이는 전체 정격과 1/2 사이의 커패시터 전압에 대해 유효한 아래 방정식에서 쉽게 알 수 있습니다. [1]
피피이자형ㅏ케이=916×(1-이자형에프)×V02아르 자형이자형에스아르 자형{\displaystyle P_{피크}={\frac {9}{16}}\times \left(1-EF\right)\times {\frac {V_{0}^{2}}{R_{ESR}} }}
여기서 P는 슈퍼커패시터의 최대 전력 출력이고, EF는 전력 펄스의 효율, V는 슈퍼커패시터 양단의 전압, R은 슈퍼커패시터의 등가 직렬 저항입니다.
Al 집전체에서 ESR 저항을 줄이는 방법을 찾기 위한 연구가 수행되었습니다. 취한 조치는 다음과 같습니다
- 4cm^2, 200um 두께의 Al 호일을 1몰 NaOH 전해질에 10분 동안 담급니다.
- 꺼내서 증류수로 헹구세요
- 그런 다음 샘플을 20초 동안 일정한 200mA/cm^2 양극 전류로 섭씨 80도에서 1몰 HCl에 넣었습니다.
- 꺼내서 증류수로 헹구세요
발견된 것은 Al 포일의 평균 거칠기가 10-15um 깊이의 다양한 채널에서 0.2-0.3um에서 2.5-2.6um로 증가했다는 것입니다. [3] 이는 NaOH 용액에 의해 생성된 핵생성 지점과 양극 전류가 있는 HCl 용액에 의해 발생한 Al의 용해로 인해 발생했을 가능성이 높습니다. 이는 전류가 인가된 첫 번째 1초 후에 Al 포일의 전위가 실질적으로 증가했다는 사실로 입증되며, 이는 Al의 용해가 증가했음을 의미합니다. [삼]이러한 Al 표면 용해의 결과로, Al 포일의 비표면적은 원래 Al 포일에 비해 증가했습니다. 슈퍼커패시터의 활성 물질과 결합하면 표면적이 넓어 집전체와 전극 사이에 더 많은 접촉이 가능해집니다. 이는 슈퍼커패시터의 ESR을 감소시켜 특정 전력 출력을 증가시킵니다. 그러나 인용된 연구에서는 D50이 10um인 활물질이 사용되었습니다. 이는 폭이 몇 um에 불과한 깊은 채널은 모든 활물질 입자가 들어갈 수 없기 때문에 지속적인 접촉 표면을 제공하는 데 적합하지 않음을 의미합니다. 이 채널에 들어갑니다.
Al 에칭 기술과 함께 사용될 수도 있는 Al 호일의 표면적을 증가시키는 대체 방법은 다음과 같습니다. 딥 코팅을 통해 50 nm 범위의 작은 직경을 갖는 적은 비율의 탄소질 W 풍부 물질로 졸-겔 W 를 증착함으로써 Al 포일의 비표면적이 증가합니다. 후속 열처리를 통해 고분자 졸이 제거되고, 알루미늄 포일 위에 작은 직경의 전도성 탄소 입자가 남게 됩니다. 이 처리는 커패시터의 ESR을 다시 감소시키며 이제 탄소-탄소 슈퍼커패시터에 대한 이론적 나이퀴스트 플롯에 접근합니다. [삼]50nm 탄소 입자로 구성된 이 전도성 층은 활물질과 집전체 사이의 우수한 인터페이스 역할을 합니다. 이 졸-겔 공정을 사용하는 다른 이점은 Al 표면이 이제 탄소 입자 층에 의해 전해질로부터 보호된다는 것입니다. [2]
Al 에칭과 함께 졸-겔 처리를 하면 ESR 값이 10,000회 충전/방전 주기 동안 0.5ohm-cm^2에서 안정적으로 유지되면서 92F/g의 활성 물질의 특정 정전 용량을 갖게 됩니다. [2] 최대 전력 출력은 활물질 55kW/kg, 에너지 용량은 활물질 17Wh/kg으로 계산되었습니다. 반면 , 처리되지 않은 Al 포일과 에칭된 Al 포일을 슈퍼커패시터에 사용한 경우 내부 저항은 50 ohm-cm^2와 5 ohm-cm^2인 것으로 나타났다. [삼]
탄소나노튜브
이중벽 탄소 나노튜브(DWNT)는 촉매 화학 기상 증착 W를 사용하여 합성되었습니다.H2 내 CH4 18mol%의 MgO 촉매로 만들어졌습니다. 이 공정을 통해 생성된 탄소 나노튜브의 직경은 10~20nm입니다. 그런 다음 기계적 혼합 과정에서 DWNT를 활성탄에 첨가했습니다. DWNT는 이전에 다른 활성탄 입자로부터 분리된 활성탄 입자를 전기적으로 연결할 수 있었습니다. 따라서 활성탄-탄소 나노튜브 혼합물에서 DWNT의 질량 농도가 높을수록 순 표면 접촉 면적이 증가합니다. 면적이 증가하면 활물질의 전기적 등가 직렬 저항이 감소하여 전달 가능한 전력이 증가합니다. 그러나 전력 전달의 이러한 증가는 활물질의 정전용량에 대한 비용을 초래합니다. DWNT의 비표면적은 약 985m^2/g입니다. 활성탄의 경우 1500-2000m^2/g보다 훨씬 낮습니다. 커패시턴스는 전하 캐리어(전자)가 축적될 수 있는 표면적에 정비례하기 때문에 활물질의 비표면적이 감소하면 재료의 커패시턴스가 감소합니다.
결과적으로, 증가된 DWNT 농도는 셀의 등가 직렬 저항을 감소시켜 전력 밀도를 증가시켰지만, 커패시턴스를 낮추어 슈퍼커패시터의 에너지 밀도를 감소시켰다. 실험적으로, 약 15중량%의 DWNT가 에너지 밀도와 전력 밀도 사이에서 최상의 균형을 이루는 것으로 밝혀졌습니다. 실제로 약 0.4ohm-cm^2의 ESR은 10,000회 충전-방전 주기 동안 가능한 것으로 밝혀졌으며 테스트 기간에 걸쳐 약 10% 성능 저하가 발생했습니다. 또한 정전용량은 93 F/g으로 발견되었으며, 이는 탄소 나노튜브가 없는 탄소질 졸-겔 증착물을 포함하는 에칭된 Al 호일에 비해 약 2 F/g 감소한 것으로 나타났습니다. 또한, DWNT를 15중량% 첨가함에 따라 슈퍼커패시터의 이완시간이 감소하여 슈퍼커패시터의 충전 및 방전에 소요되는 시간이 단축되는 것을 확인하였고, 따라서 전달되는 전력이 증가합니다. 이를 염두에 두고 15% 탄소 나노튜브를 포함하는 슈퍼커패시터가 전달하는 특정 전력은 110W/g인 것으로 나타났습니다. 따라서 에너지 밀도의 약간의 감소는 회로에 의해 전달되는 전력의 거의 두 배로 상쇄되었습니다.
탄소나노섬유웹
탄소나노섬유 웹을 제작하는데 필요한 단계는 다음과 같다.
- 10중량%의 폴리아크릴로니타일(PAN)이 디메틸포름아미드에 용해됩니다. [4]
- 10-25 kV DC의 전위에서 전기방사기를 사용하여 양으로 대전된 모세관을 통해 용액을 회전시킵니다. 새로 형성된 탄소나노섬유를 감아주는 드럼에 음극을 연결하였다 [4]
- 그런 다음 탄소나노섬유를 섭씨 280도까지 분당 1도의 속도로 가열하여 안정화시켰으며 공기 흐름에서 1시간 동안 유지했습니다 .
- 이렇게 안정화된 섬유는 추가 가공을 통해 기공 크기를 늘리고 표면 특성을 변경할 준비가 됩니다. 이는 안정화된 섬유를 분당 섭씨 5도의 속도로 섭씨 700도, 750도, 800도의 세 가지 테스트 온도까지 가열하여 수행됩니다. 그런 다음 N2 가스와 혼합된 30부피% 증기에 노출되어 활성화됩니다. [4]
- 마지막으로 활성탄소나노섬유(ACNF)를 오븐에서 150℃로 2시간 동안 가열하여 흡착된 수분을 제거한다 [4]
200-400 nm 사이의 직경을 갖는 ACNF는 850-1230 m^2/g의 비표면적을 가졌습니다. 활성화 온도가 높을수록 표면적이 감소하는 것으로 나타났습니다. 그러나 메조 기공 부피 분율은 섭씨 700도에서 36%에서 800도에서 62%로 증가했으며 이에 따라 미세 기공 부피 분율은 감소했습니다. [4]발견된 것은 작은 전류 밀도(10mA/g 미만)에서 전극의 비정전용량이 표면적에 크게 의존한다는 것입니다. 따라서 이러한 작은 전류 밀도를 적용할 때 섭씨 700도에서 활성화된 ACNF는 175F/g에서 가장 큰 정전 용량을 제공했습니다. 그러나 전류 밀도가 10mA/g을 초과하면 더 작은 표면적 테스트 사례의 비정전용량이 뛰어납니다. 이는 증가된 활성화 온도에서 생성된 더 높은 메조기공 부피 비율로 설명될 수 있습니다. 따라서 메조세공의 물 분자에 의해 용매화되는 이온은 높은 전류 밀도에 노출될 때 마이크로세공의 이온보다 반응 속도가 훨씬 빠릅니다.
실험적으로 700도 활성화는 10mA/g에서 175F/g의 높은 비축전용량을 나타냈으나, 전류밀도를 1000mA/g으로 증가시키면 55% 감소하는 것으로 나타났다. [4] 반면, 800도 활성화에서는 10mA/g에서 비정전용량이 155F/g으로 나타났고, 전류밀도를 높이면 18%만 감소했다. [4] 높은 전류 밀도에서 높은 정전용량을 유지하는 것은 슈퍼커패시터의 전류 용량을 직접적으로 결정하므로 슈퍼커패시터 애플리케이션에 매우 중요합니다.
따라서 800℃의 높은 활성화 온도를 갖는 ACNF를 전극으로 사용하면 전류밀도에 관계없이 높은 비축전용량을 유지하게 된다. 이 큰 정전용량은 슈퍼커패시터의 에너지 밀도를 증가시킵니다. 그러나 전극의 ESR은 6ohm-cm^2 값에서 그다지 경쟁력이 없었으므로 ACNF 전극은 활성탄 및 DWNT 전극보다 전력 밀도가 낮습니다. [4]
카본 에어로젤
슈퍼커패시터 전극에 사용되는 탄소 에어로겔을 생성하는 데 사용되는 공정은 다음과 같습니다.
- 열분해를 사용하여 포름알데히드 대 레조르시놀의 몰비가 2로 유지되는 레조르시놀-포름알데히드(RF) 겔을 만듭니다. [5]
- 다음으로, RF의 질량 백분율을 40%로 설정한 증류수에 겔을 용해시킵니다. 촉매인 NA2CO3에 대한 레조르시놀의 비율은 제어될 수 있습니다. 이 실험에서 R/C 비율은 500-1500으로 다양했습니다 [5]
- 졸-겔을 밀봉된 유리 용기에 넣고 298K에서 24시간, 333K에서 72시간, 최종적으로 353K에서 48시간 동안 중합을 진행했습니다 .
- 습윤 젤은 6일 동안 섭씨 50도에서 수행(????)을 거친 후 주변 조건에서 3일 동안 건조됩니다. [5]
- 1073K에서 3시간 동안 탄화시켜 최종적으로 탄소 에어로겔이 합성된다 [5]
구조, 기공 크기 및 입자 크기는 혼합물의 촉매 양에 따라 제어될 수 있으므로 졸-겔 공정의 다양한 R/C 비율이 탄소 에어로겔의 특성을 결정합니다. 또한 슈퍼커패시터에 사용되는 전해질을 바꾸면 성능도 달라진다.
6M KOH 전해질을 사용하여 R/C 비율 1500을 사용하여 생성된 탄소 에어로겔은 1mV/s 스캔 속도에서 110.06F/g으로 실험에서 가장 높은 정전용량을 생성했습니다. [5] 이 스캔 속도가 증가하면 전해질의 이온이 필요한 만큼 빠르게 기공으로 확산될 수 없기 때문에 정전용량이 빠르게 감소합니다. 400회 이상의 충전/방전 주기로 비정전 용량이 상대적으로 일정하게 유지되어 장기적으로 우수한 성능을 보장합니다.
참고자료
- ↑다음으로 이동:1.0 1.1 1.2 버크, 앤드류. "울트라커패시터: 기술이 왜, 어떻게, 어디에 있습니까?" Journal of Power Sources 91(2000): 37-50
- ↑다음으로 이동:2.0 2.1 2.2 Portet, C., PL Taberna, P. Simon, E. Flahaut, C. Laberty-Robert. "탄소 슈퍼커패시터 응용을 위한 고전력 밀도 전극." ElectrochimicaActa50(2005): 4174-4181.
- ↑다음으로 이동:3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 Portet, C., PL Taberna, P. Simon, C. Laberty-Robert. "탄소-탄소 슈퍼커패시터 응용을 위한 졸-겔 증착에 의한 Al 전류 집전체 표면 수정." Electrochimica Acta 49(2004): 905–912
- ↑다음으로 이동:4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 김C., 양KS. "전기방사법으로 제조한 슈퍼커패시터용 전극으로서의 탄소나노섬유 웹의 전기화학적 특성." 응용 물리학 편지 93(2003): 1216-1218.
- ↑다음으로 이동:5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 Li, J., Xianyou Wang, Qinghua Huang, Sergio Gamboa, PJ Sebastian. "슈퍼커패시터 응용을 위한 탄소 에어로겔 전극의 제조 및 성능에 관한 연구." 전원 저널 158(2006): 784-788.