기존 커패시터 대비에너지밀도 4.5배, 출력밀도 3.8배인 세계 최고성능의 커패시터

일본 동경농공대학 대학원공학연구과 응용화학부문의 나오이 가츠히코(直井 勝彦)교수의 연구그룹은 차세대 대용량 커패시터로서 기대를 모으고 있는 나노하이브리드 커패시터의 고성능화를 달성하고, 현행의 전기이중층[주1] 커패시터와 비교하여 에너지밀도[주2]가 4.5배, 출력밀도[주3]가 최대 3.8배인 세계 최고성능의 커패시터 특성을 실현하는 데 성공했다고 밝혔다. 이번 연구에서는 단층 카본나노튜브를 사용하였으며, 복합체 주변의 Li4Ti5O12의 비율을 80~85%까지 제어하여 1~10nm의 고결정 입자를 초고분산상태에서 카본에 부착시킨 것이 특징이다.

이 Li4Ti5I12/SGCNT 복합체 부극을 활성탄 정극이나 SGCNT 시트정극과 조합한 커패시터 시작품에서 전극체적당 에너지 밀도 45Wh/L, 출력밀도 17kW/L을 달성하였다.


최근 고에너지 밀도와 파워밀도 특성을 겸비한 신뢰성과 안전성이 높은 차세대 대용량 커패시터의 개발이 진행되고 있다. 차세대 커패시터의 등장은 전기이중층 커패시터가 개척해 놓은 기존의 시장에서 커패시터의 보급을 가속시키는 한편, 전기자동차, 철도차량, 태양광 및 풍력발전설비 등 기기의 에너지 절감과 자연 에너지의 효과적인 활용을 목적으로 한 환경 에너지 분야에서 새로운 시장을 창출할 수 있는 기술로서 기대를 모으고 있다.


전기이중층 커패시터에는 정극, 부극과 함께 활성탄전극이 이용되고 있으나, 차세대 커패시터는 하이브리드형이며 리튬이온 커패시터(LIC)와 나노 하이브리드 커패시터(NHC)가 주로 거론되고 있다. NHC는 제조공정에서 시간을 필요로 하는 전처리공정이 불필요하며 LIC가 안고 있는 신뢰성과 안전성에 대한 과제를 대폭적으로 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 제조 비용과 시간을 절약할 수 있다는 특징을 가지고 있다.


이번 개발에서는 복합화 한 카본 재료에 대해 지금까지 사용하던 카본나노파이버 대신 고순도, 고비표면적 특성을 가진 단층 카본나노튜브를 사용하였다. 이 소재는 산업기술총합연구소가 2004년에 개발한 것으로 수퍼그로스 카본나노튜브(SGCNT)라고 불리고 있다. 여기에 초원심처리 기술을 적용하여 80~85%의 높은 Li4Ti5O12 함유율을 가지면서도 나노사이즈를 유지하면서 성능이 뛰어난 Li4Ti5O12/SGCNT 복합체 부극을 제조하는 데 성공하였다.

초원심력장에서는 SGCNT 표면에서 솔젤 합성이 진행되어 매우 작은 결정핵이 생성된다. 그 후 소성과정에서 나노크기를 유지하면서 결정화된다. 이번에 이용한 SGCNT는 다른 카본재료가 가지지 못한 매우 큰 비표면적을 가지기 때문에 많은 Li4Ti5O12 결정핵을 작은 크기 그대로 제어할 수 있다. 또한 SGCNT는 단층 카본나노튜브라는 점에서 표면 에너지가 높고 담지력이 강하기 때문에 Li4Ti5O12 결정핵을 초고분산 상태에서 안정하게 유지할 수 있다. 이러한 기술로부터 지금까지 달성할 수 없었던 높은 에너지밀도와 고출력밀도 특성을 가진 커패시터 부극재료를 실현할 수 있었다.


앞으로 연구팀은 Li4Ti5O12의 함유율을 더욱 높여 나노하이브리드 커패시터의 에너지밀도를 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다. SGCNT는 초고분산 상태에서 복합화 할 수 있는 매우 효과적인 카본소재이다. SGCNT는 양산화 기술의 개발 도상에 있으며 현시점에서는 아직 고가라는 것이 단점이다. 그러나 이번 기술과 같이 Li4Ti5O12와 복합화하여 사용하는 경우, 전극재료 전체의 불과 15~20%의 중량비로도 최대의 효과를 발휘할 수 있기 때문에 차세대 커패시터 재료로서 유망하다고 할 수 있다.


[주1] 전기이중층 커패시터: 전지가 전기에너지를 화학반응에 의해 화학에너지로 변환하여 저장하는 데 비해, 전기이중층 커패시터는 전기를 전하 그대로 저장한다. 이 때문에 대용량의 전기에너지를 단시간에 저장하여 단시간에 방출할 수 있어 순간적인 대전력의 공급이 가능하다. 이와 같은 특성으로부터 전원의 백업이나 에너지 회생용 축전, 이차전지 어시스트 등의 용도가 확대되고 있다.


[주2] 에너지밀도: 에너지밀도란 중량 혹은 체적당 전력용량을 말한다. 에너지밀도가 높을수록 방전을 지속하는 시간이 길다.


[주3] 파워밀도: 파워밀도란 중량 혹은 체적당 도출 가능한 최대 전력량을 말한다. 파워밀도가 높을수록 시간당 방출 가능한 에너지가 높다.

SGNCT의 성장모습

Li4Ti5O12/SGCNT 복합체의 고분해 TEM 사진

SGCNT 내부에 있는 Li4Ti5O12는 전자선회절 무늬로 확인가능하며

결정성이 높은 Li4Ti5O12가 안정적으로 형성되어 있음을 알 수 있다.

Li4Ti5O12/SGCNT 복합체를 이용한 나노하이브리드 커패시터의 특성


URL : http://www.tuat.ac.jp/disclosure/pressrelease/20090624141934_20100412204121/20100118192737_20100412204416/upimg/20100412205840375839035.pdf

<출처> NDSL, 2010-04-16

Posted by TopARA

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