에너지 저장시스템을 위한 슈퍼커패시터 최신 연구 동향

손명숙(MyungSuk Son),류준형(JunHyung Ryu) 한국청정기술학회 2021 청정기술 Vol.27 No.4

슈퍼커패시터는 일반 커패시터(축전지, 콘덴서)에 비해 정전용량이 매우 큰 커패시터로 전기화학 커패시터 혹은 울트라 커패시터(ultracapacitor) 라고도 부르는데, 화학반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면의 단순한 이온 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용한다. 짧은 충전시간(~ 30초), 우수한 출력특성, 반영구적 수명(~ 100,000 cycle), 낮은 유지비용, 빠른 응답특성, 높은 안정성 등을 특징으로 하여, 백업용 전원, 무정전전원장치, 수송 기계 및 스마트 그리드의 고출력 보조 전원 등 급속 충방전이 필요한 전자기기 및 고출력이 요구되는 산업분야에서 활용되고 있다. 태양광과 풍력 같은 불규칙적인 전력원을 활용하는 발전에서 2차 배터리와 함께 에너지저장장치로 구성되어 상대적으로 느린 배터리의 충・방전 특성을 보상하고 배터리 수명연장에 기여하며 시스템의 전체 전력 품질을 향상시킬 수 있다. 본 고에서는 이처럼 에너지저장장치로 다양한 분야에서 활용되고 있는 슈퍼커패시터에 대해, 전극 재료에 따른 에너지 저장 원리 및 메커니즘, 분류를 간략하게 살펴보고, 국내외 제품 연구, 특허, 시장 및 제품 현황을 제시하여 활용성을 검토하고 향후 전망을 살펴보았다. 에너지 저장 소자로 슈퍼커패시터가 관련 산업 수요에 대응하기 위해서는, 고전압 모듈 기술, 고효율 충전, 안전성, 추가적인 성능개선 및 비용경쟁력 등 아직까지 해결해야 할 과제들이 많다. A supercapacitor, also called an ultracapacitor or an electrochemical capacitor, stores electrochemical energy by the adsorption/desorption of electrolytic ions or a fast and reversible redox reaction at the electrode surface, which is distinct from the chemical reaction of a battery. A supercapacitor features high specific power, high capacitance, almost infinite cyclability (~ 100,000 cycle), short charging time, good stability, low maintenance cost, and fast frequency response. Supercapacitors have been used in electronic devices to meet the requirements of rapid charging/discharging, such as for memory back-up, and uninterruptible power supply (UPS). Also, their use is being extended to transportation and large industry applications that require high power/energy density, such as for electric vehicles and power quality systems of smart grids. In power generation using intermittent power sources such as solar and wind, a supercapacitor is configured in the energy storage system together with a battery to compensate for the relatively slow charging/discharging time of the battery, to contribute to extending the lifecycle of the battery, and to improve the system power quality. This article provides a concise overview of the principles, mechanisms, and classification of energy storage of supercapacitors in accordance with the electrode materials. Also, it provides a review of the status of recent research and patent, product, and market trends in supercapacitor technology. There are many challenges to be solved to meet industrial demands such as for high voltage module technologies, high efficiency charging, safety, performance improvement, and competitive prices.

탄소나노복합재료와 전고체 전해질 기반의 유연성 슈퍼커패시터의 전기화학적 특성 분석

김창현(Chang Hyun Kim),김용렬(Yong Ryeol Kim),정현택(Hyeon Taek Jeong) 한국응용과학기술학회 (구.한국유화학회) 2019 한국응용과학기술학회지 Vol.36 No.1

본 연구에서는 “이온젤” 이라고 불리는 고분자 기반의 PVA(polyvinyl alcohol)-H₃PO₄의 고체 전해질에 이온성 액체 BMIMBF4 (1-buthyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate)를 첨가하여 제조한 전고체 전해질과 환원된 그래핀 옥사이드/전도성 고분자 복합재료 기반의 전극 재료를 이용하여 유연성을 갖는 슈퍼커패시터를 제작 하였으며, 유연성에 따른 전기화학적 특성을 분석하여 보았다. 환원된 그래핀 옥사이드/전도성 고분자 복합재료와 전고체 전해질 기반의 유연성 슈퍼커패시터의 전기화학적 특성을 유연성에 따라서 측정하기 위해서 프레스로 0.01 kg/cm²의 일정한 압력으로 최대 100회 까지 굽힘 시험(bending test)을 진행 하였으며, 0~100 회의 굽힘 시험 이후에 순환 전압전류법(CV), 전기화학적 임피던스 분광법(EIS) 및 전정류 충·방전법(GCD)을 통하여 비교 및 분석하여 보았다. 그 결과로, 유연성 슈퍼커패시터의 초기 전기용량은 43.9 F/g으로 확인 할 수 있었고, 이 값은 50회, 100회의 굽힘 시험 후에 각각 42.0F/g, 40.1F/g로 감소하는 현상을 확인할 수 있었다. 이러한 결과로 미루어 보아 물리적인 응력이 슈퍼커패시터의 전기화학적 특성 감소에 영향을 주는 것으로 사료되며 또한, 굽힘 횟수에 따른 슈퍼커패시터의 전기화학적 특성 감소 원인을 확인하기 위해서 굽힘 시험 전과 후의 전극표면을 전자주사 현미경으로 관찰하여 보았다. In this study, flexible supercapacitor based on the all solid state electrolyte with PVA(polyvinyl alcohol)-H₃PO₄, ionic liquid as a BMIMBF4 (1-buthyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate) and reduced graphene oxide/conductive polymer composite was fabricated and characterized electrochemical properties with function of its flexibility. In order to measure and compare that electrochemical performances (including cyclic voltammetry(CV), electrochemical impedance spectroscopy(EIS) and galvanostatic charge/discharge,after 0~100th bending test) of prepared flexible supercapacitor based on reduced graphene oxide/conducting polymer composite and all solid state electrolyte, we have conducted press machine with constant pressure ( 0.01/cm2) for 100th bending test. As a result, specific capacitance of the flexible supercapacitor was 43.9 F/g which value decreased to 42.0 and 40.1 F/g after 50 and 100th bending test, respectively. This result exhibited that decreased electrochemical property of the flexible supercapacitor effected on physical stress on the electrode after repeated bending test. In addition, we have measured that electrode surface morphology by SEM to prove its decreased electrochemical property of the flexible supercapacitor after prolonged bending test.

슈퍼 커패시터를 활용한 인공위성의 하이브리드 전력시스템 연구

장성수,이나영,최재동,이상률 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.11

최근 개발된 저궤도 영상레이더위성의 전력시스템은 위성의 에너지 저장을 위해 리튬이온 배터리를 사용한다. 소형 경량의 리튬이온 배터리는 전력시스템의 효율적인 설계에 도움이 되지만, 태양전지 배열기의 용량을 크게 감소시키지는 못한다. 그리고 리튬이온 배터리는 고출력 영상레이더의 운용을 위하여 짧은 시간 동안 높은 전류를 주기적으로 공급해야 한다. 이러한 고출력 펄스 부하의 운용특성을 고려한 전력계의 성능을 개선하기 위하여, 슈퍼 커패시터의 활용을 검토하였다. 높은 전력밀도 특성을 나타내는 슈퍼 커패시터는 짧은 시간동안 고출력을 발생할 수 있다. 리튬이온 배터리와 슈퍼 커패시터를 사용한 하이브리드 전력시스템은 영상레이더의 운용을 위한 배터리와 태양전지 배열기의 소형 경량화로 전력시스템의 성능을 크게 개선할 수 있다. To design EPS(Electrical Power System) sizing for satellite with SAR(Synthetic Aperture Radar) payload in LEO, LiIon battery has been used. It can help to save the EPS sizing due to high efficiency and light weight and small volume. But it can not contribute to reduce SA(Solar Array) power significantly. Also, it can"t afford to be avoid the high pulse discharge current during high pulse power operation of SAR. In order to improve this problem, supercapacitor is considered to be used LiIon battery parallel to meet power balance during high pulse power operation. With high power density, it can provide high pulse power in a short time. The EPS sizing of hybrid system consist of LiIon battery and supercapacitor can be smaller and lighter sizing. Especially, it can be predicted that the EPS performance will be better more and more, due to a little bit pulse discharge and small capacity of battery and small SA area due to battery charging power smaller and smaller for high pulse power operation of SAR.

성게모양 텅스텐 나노 산화물의 합성 및 슈퍼커패시터 특성 연구

정진주,김도형 한국물리학회 2013 새물리 Vol.63 No.2

Tungsten-oxide nanourchins (NUs) consisting of nanowires added to a spherical shell were prepared by using the hydrothermal synthesis method. The detailed morphology and crystallinity depended on the synthesis time and the synthesis temperature. The electrochemical (EC) properties of an EC double layer capacitor using tungsten-oxide NUs/PEDOT:PSS composite films and a 1-M H3PO4 electrolyte were examined. The capacitance of tungsten-oxide NUs with relatively longer nanowires was 50% higher than that with shorter nanowires. Controlling the morphologing of nanostructures is important for improving the performance of a supercapacitor. 습식법을 이용하여 속이 빈 구형태의 표면에 나노 선들이 방사형으로성장된 성게모양 나노 텅스텐 산화물을 합성하였다. 합성시간 및합성온도에 따른 나노 구조의 모폴로지 변화 및 슈퍼커패시터의 특성에미치는 모폴로지의 영향을 조사하였다. 슈퍼커패시터는 PEDOT:PSS와텅스텐 산화물 하이브리드 필름을 작동전극으로 하고, 스퍼터링 방법으로증착된 Au 필름을 집전체로,1-M H3PO4 수용액으로구성되었다. 합성조건 조절을 통해 얻은 긴 나노 선을 가진텅스텐산화물의 슈퍼커패시터 성능은 비 표면적 증가에 의해 상대적으로짧은 나노 선을 가진 텅스텐산화물의 충전용량에 비해 50% 높아졌다. 나노 구조물의 모폴로지 조절은 슈퍼커패시터 성능향상을 위해 매우중요한 요소이다.

배터리/슈퍼커패시터 하이브리드 ESU의 상온 및 저온에서의 성능 평가 및 제어 전략 개발

이가은(Gaeun Lee),고성연(Sungyeon Ko),홍승철(Seungchul Hong),안균영(Kyunyoung Ahn),남재도(Jaedo Nam),김현수(Hyunsoo Kim) 한국자동차공학회 2011 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2011 No.11

In this study, the performance verification of an electric vehicle (EV) with a battery/supercapacitor hybrid energy storage unit (ESU) in room and low temperature was conducted, and a control strategy for the hybrid ESU was proposed. For the battery/supercapacitor hybrid ESU, a control strategy was proposed, which controls the battery power when the battery power demand was greater than the battery power limit, and the insufficient or extra power was managed in the supercapacitor. For the performance verification, simulation was conducted for various temperatures and number of supercapacitors.

대칭 슈퍼커패시터용 질소 도핑 탄소 나노 섬유

갸왈리,정혜경 한국물리학회 2021 새물리 Vol.71 No.4

We synthesized nitrogen-doped carbon nanofiber for supercapacitor applications. Melamine is used as nitrogen source. 4 wt% of nitrogen is doped, and it consists of pyridinium, pyrrole, and quaternary nitrogen The electrochemical surface area increased from 0.28 cm2 to 0.40 cm2 due to the nitrogen doping, and the electrochemical impedance decreased from 249 to 63 Ω at 100 Hz. Finally, the specific capacitance was enhanced from 71 F/g to 192 F/g (at 0.5 A/g), which is almost three times higher, compared to the precursor carbon nanofiber. A high specific energy of 17 Wh/kg with a specific power of 200 W/kg was obtained from a symmetric supercapacitor device. Capacitance retention of 87 % and coulombic efficiency of 81 % after 3,000 cycles prove relatively good rate capability and cyclic stability. 슈퍼커패시터 응용을 위해 질소 도핑 된 탄소나노섬유를 멜라민을 사용하여 합성하였다. 도핑된 질소의양의 4wt%이었으며, 질소의 화학적 종류는 피리디엄, 피롤, 쿼터너리 질소로 구성되었다. 전기화학적으로측정한 표면적은 질소 도핑 후 0.28 cm2 에서 0.40 cm2 으로 증가했으며, 100 Hz에서 전기화학적임피던스는 249 Ω에서 63 Ω으로 감소했다. 결과적으로, 0.5 A/g 의 전류 밀도에서 측정한 비전기용량은71 F/g에서 192 F/g으로 향상되었는데, 이는 전구체 탄소나노섬유에 비해 거의 3배 높은 수치이다. 17 Wh/kg의 높은 에너지밀도와 200 W/kg의 출력밀도를 대칭형 슈퍼커패시터 소자로부터 얻었으며, 3,000 사이클 후에 87%의 전기용량 유지 및 81%의 쿨롱 효율을 얻음으로써 비교적 우수한 속도 성능과 주기적안정성을 보여주고 있다.

그래핀 전극을 이용한 대용량 슈퍼커패시터 제조 특성 연구

박병준,유선미,노태무,이영희,한영희 한국물리학회 2020 새물리 Vol.70 No.9

The use of supercapacitors in a battery system could be a solution to eliminate the need for short-term frequent replacement of batteries and to reduce size, resources and maintenance fees during frequency regulation (F/R) of a power grid. Furthermore, the electrochemical properties of graphene are different from those of commercial active carbon and still need additional verification in order to be applied to large-scale electrodes. In this study, we used spray-dry processed 3D crumpled graphene in order to improve energy density, which is directly connected to both the performance and the inhibition of electrode active-material restacking. We evaluated the charge/discharge electro chemical performance of graphene electrodes under various process conditions for the purpose of designing a proper electrode composition and electrolyte. As a result, the power density of graphene electrodes could be maintained between 17 kW/kg and 26 kW/kg by decreasing the binder content from 10 wt% to 5 wt%. In addition, the electrical capacity per volume was increased to 500% by using a 2-roll press, and the power density was confirmed to have been improved by more than 370% when SBPBF4 was used instead of TEABF4. Finally, we suggest an efficient process for the manufacture of large-scale electrodes. This process will allow entire of the capacitance and the electrochemical stability of a graphene supercapacitor. 전력계통 주파수 조정 적용에 있어서 슈퍼커패시터 활용은 배터리의 단주기 출력운전을 담당함으로서기존 용량을 담당하는 리튬 배터리의 설치규모와 양, 유지보수 비용을 크게 줄일 수 있는 대안으로알려져 있다. 한편, 여전히 그래핀은 기존 상용 활성탄과 전기화학 특성이 달라 대면적 에너지전극으로 사용하기에 여러 가지 전극 구성에 대한 추가 검증이 필요한 실정이다. 본 연구에서는슈퍼커패시터 성능에 직결되는 그래핀 전극의 에너지밀도를 향상시키고, 전극 제조공정에서 다시재적층되는 것을 방지하기 위하여 스프레이 건조를 거친 3차원 구겨진 그래핀을 이용하였다. 또한대면적 그래핀 전극에 적합한 구성 물질 및 전해액을 설계하기 위해 다양한 공정조건에 따른 충방전성능을 평가하였다. 결과적으로 그래핀 전극은 바인더 함량이 10 wt%에서부터 5 wt% 변화함에따라 출력밀도가 17 kW/kg에서 26 kW/kg으로 제어됨을 확인할 수 있었다. 또한 2-롤 프레스를이용하여 동일 부피당 전기 용량을 500% 까지 증가시킬 수 있었으며 TEABF4 전해질을 사용 했을때보다 SBPBF4를 사용하였을 때 출력 밀도가 370% 이상 향상됨을 확인 할 수 있었다. 최종적으로전기화학적 안정성과 용량을 효율적으로 제어할 수 있는 대면적 그래핀 전극 제조 방법에 대해 제안 하였다.

궐련형 담배 바이오매스 기반의 슈퍼커패시터용 탄소의 제조 및 응용

김지원(Jiwon Kim),제갈석(Suk Jekal),김동현(Dong Hyun Kim),윤창민(Chang-Min Yoon) 유기성자원학회 2022 유기물자원화 Vol.30 No.2

본 연구에서는 궐련형 담배의 담뱃잎 바이오매스 폐기물을 수거하여 슈퍼커패시터용 활물질로 제조 및 응용하였다. 수거한 담뱃잎 폐기물을 질소 환경에서 다양한 온도(800/850/950°C)로 탄화하였으며, 탄소/산소 성분비(C/O ratio) 분석을 통해 850°C에서 가장 우수한 품질의 탄소 물질이 제조되었음을 확인하였다. 추가적으로 담뱃잎 기반의탄소 물질에 폴리피롤(Polypyrrole)을 저온중합법을 통해 코팅하여 전기화학적 성능을 향상시켰다. 탄소 물질(CTL-850) 과 폴리피롤을 코팅한 탄소 물질(CTL-850/PPy)을 기반으로 한 전극의 전기화학적 성능을 측정한 결과, -1.0-0.0V와0.0-1.0V의 전위창에서 각각 100.2F g-1@1 A g-1과 155.3F g-1@1 A g-1의 우수한 비정전용량(Specific capacitance)를나타내었다. 두 개의 전극을 활용하여 비대칭형 슈퍼커패시터 소자(Asymmetric supercapacitor device)를 제작하였으며, 제조한 비대칭형 CTL-850//CTL-850/PPy 소자는 2.0V의 구동전압 범위와 비정전용량(31.1F g-1@1 A g-1)을 가지고있음을 확인하였다. 또한, 제조한 슈퍼커패시터 소자의 방전을 통해 1.8V의 Red Led를 점등할 수 있음을 확인하였다. 본 연구 결과를 통해 바이오매스를 우수한 성능의 친환경 에너지 저장매체로 활용하는 후속 연구에 대한 방향성을제시할 수 있을 것으로 판단된다. In this study, heated tobacco biomass was prepared as an active material for supercapacitor device. Retrieved tobacco leaf from the heated tobacco was carbonized at various temperature(800/850/950°C). Carbonized tobacco leaf material synthesized at 850°C exhibited the highest C/O ratio, indicating the finest carbon quality. In addition, polypyrrole was coated onto the carbonized leaf material for increasing the electrochemical performance via low-temperature polymerization method. As-synthesized carbonized leaf material at 850°C(CTL-850)-based electrode and polypyrrole-coated carbonized leaf material(CTL-850/PPy)-based electrode displayed outstanding specific capacitances of 100.2 and 155.3F g-1 at 1 A g-1 with opertaing window of -1.0V and 1.0V. Asymmetric supercapacitor device, assembled with CTL-850 as the negative electrode and CTL-850/PPy as the positive electrode, manifested specific capacitance of 31.1F g-1(@1 A g-1) with widened operating voltage window of 2.0V. Moreover, as-prepared asymmetric supercapacitor device was able to lighten up the RED Led (1.8V), suggesting the high capacitance and extension of operating voltage window. The result of this research may help to pave the new possibility toward preparing the effective energy storage device material recycling the biomass.

금속유기골격체(Metal-organic Framework)의 함량에 따른 다공성 활성탄소 복합재료 기반 슈퍼커패시터의 전기화학적 거동 분석

정현택,김용렬 한국응용과학기술학회 2020 한국응용과학기술학회지 Vol.37 No.5

We have fabricated the supercapacitor composed of porous activated carbon, metal-organic framework (MOF) with polymer based solid state electrolyte as a “ion gel” and characterized its electrochemical behaviour as a function of the MOF contents. The electrochemical properties of the supercapacitor were analyzed via cyclic voltammetry(CV), electrochemical impedance spectroscopy(EIS) and galvanostatic charge/discharge test. As a results, the supercapacitor based on porous activated carbon/MOF composite showed the highest capacitance value at 0.5 wt% of MOF contents and decreased capacitance with increase MOF contents over the 0.5 wt%. Consequently, the porous activated carbon/MOF composite based supercapacitor is applicable to various aspect for energy storage device. 본 연구에서는 다공성 활성탄소와 금속유기골격체 복합재료 기반의 전극 재료와 “이온젤” 이라고 불리는 고분자 고체 전해질을 이용하여 슈퍼커패시터를 제작 하였으며, 금속유기골격체의 함량에 따른 전기화학적 거동을 관찰하여 보았다. 슈퍼커패시터의 전기화학적 특성은 순환전압전류법(CV), 전기화학적 임피던스 분광법(EIS) 및 전정류 충·방전법(GCD)으로 분석하였으며, 그 결과로, 다공성 활성탄소 대비 금속유기골격체를 0.5 wt% 첨가 하였을 때 가장 높은 전기용량값을 확인 할 수 있었으며, 0.5 wt% 이상의 금속유기골격체의 함유량은 전기화학적 특성 감소에 영향을 주는 것으로 사료되며, 이러한 결과를 바탕으로 제조된 다공성 활성탄소/금속유기골격체 복합재료 기반의 슈퍼커패시터는 다양한 분야에 활용이 가능할 것으로 판단된다.

금속유기골격체(Metal-organic Framework) 소재가 첨가된 다공성 활성탄소 복합재료 전극 기반의 에너지 저장 매체 제조 및 전기화학적 특성 분석

이규석(Kyu Seok Lee),정현택(Hyeon Taek Jeong) 한국응용과학기술학회 (구.한국유화학회) 2020 한국응용과학기술학회지 Vol.37 No.2

본 연구에서는 “이온젤” 이라고 불리는 고분자 기반의 PVA(polyvinyl alcohol) 기반의 고체 전해질에 이온성 액체 BMIMBF 4 (1-buthyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate)를 첨가하여 제조한 전고체 전해질과 활성탄소와 금속유기골격체 복합재료 기반의 전극 재료를 이용하여 슈퍼커패시터를 제작 하였으며, 유기골격체의 유 무에 따른 전기화학적 특성을 분석하여 보았다. 슈퍼커패시터의 전기화학적 특성은 순환전압전류법(CV), 전기화학적 임피던스 분광법(EIS) 및 전정류 충·방전법(GCD)을 통하여 비교 및분석하여 보았다. 그 결과로, 금속유기골격체가 함유되지 않은 슈퍼커패시터의 전기용량값은 380 F/g 으로 확인 할 수 있었고, 이 값은 금속유기골격체를 첨가하였을 때 340 F/g로 감소하는 현상을 확인할 수 있었 다. 이러한 결과로 1 wt%의 금속유기골격체의 함유량은 전기화학적 특성 감소에 영향을 주는 것으로 사료 되며 이러한 결과를 바탕으로 금속유기골격체의 첨가량을 최적화 할 필요가 있다고 판단된다. In this study, supercapacitor based on the all solid state electrolyte with PVA(polyvinyl alcohol), ionic liquid as a BMIMBF 4 (1-buthyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate) and activated carbon/Ni-MOF composite was fabricated and characterized its electrochemical properties with function of MOF. In order to analysis and comparison that electrochemical performances [including cyclic voltammetry(CV), electrochemical impedance spectroscopy(EIS) and galvanostatic charge/ discharge test] of prepared supercapacitor based on activated carbon/Ni-MOF composite and all solid state electrolyte. As a result, specific capacitance of the supercapacitor without Ni-MOF was 380 F/g which value decreased to 340 F/g after adding Ni-MOF to activated carbon as a electrode material. This result exhibited that decreased electrochemical property of the supercapacitor effected on physical hinderance in the electrode. In further, it needs to optimization of the Ni-MOF amount (wt%) in the electrode composite to maximize its electrochemical performances.