수퍼커패시터의 열화 메커니즘과 수명 예측에 대한 연구

Abstract

수퍼커패시터(supercapacitor) 또는 울트라커패시터(ultracapacitor)로 불리는 전기 이중층 커패시터(EDLC)는 긴 사이클 수명, 넓은 동작 온도 범위, 높은 출력 밀도의 장점을 가지고 있어 신재생에너지나 전기자동차 등 여러 응용분야의 에너지 저장 장치로 광범위하게 사용될 예정이다. 새로운 응용분야에 수퍼커패시터를 적용하기 위해서 장기간 사용에 대한 신뢰성을 평가하고 시스템 단위의 성능 거동과 열화 메커니즘을 평가할 필요가 있다. 이 연구에서는 온도 챔버 안에서 다양한 온도 조건으로 수퍼커패시터의 충방전 사이클 시험을 수행하였다. 다양한 온도와 온도 변화에 대한 용량 거동 특성을 시험 평가하고 표면 형태를 주사전자현미경(SEM)을 통해 관찰하여 수퍼커패시터의 고온과 저온에서의 열화 메커니즘을 조사하였다. 온도에 따라 변하는 이온의 충전 면적을 통해 고온에서 나타나는 용량 열화 지연 현상을 설명하였다. 저온에서의 용량 회복현상을 새롭게 관찰하였으며 입구 열화에 의한 추가 충전 면적 감소에 의한 용량 감소로 용량 회복현상을 설명하였다. -40℃에서 80℃ 사이의 다양한 온도 조건과 3.0V에서 3.4V 사이의 다양한 전압 조건에서 사이클 수명 시험을 수행하였다. 사이클 수명 결과는 온도 또는 전압의 단일 파라미터 또는 온도와 전압의 이중 파라미터에 대한 가속수명모형으로 분석하였다. 저온 영역에서 온도가 낮아질수록 수명이 짧아지는 일반적인 온도와 수명 관계를 벗어나는 사이클 수명 결과를 새롭게 발견하였다. 그리고 온도와 전압을 모두 고려하면서 초기용량에서 80% 비율용량에 도달하는 과정을 표현할 수 있는 사이클 수명 모형을 제시하였으며 이를 통해 실험 수명과 예측 수명을 비교하였다. 직렬과 병렬 연결에 의한 효과를 평가하기 위해 수퍼커패시터 매트릭스에 대한 시험을 수행하였다. 또한 직렬 시스템에 대해 열화에 의한 용량 차이 그리고 제조 공정상 산포에 의한 용량 차이에 의한 전압차이의 효과로 발생하는 용량 거동을 분석하기 위해 직렬 시스템 시험을 수행하였다. 열화에 의한 용량 차이와 제조 공정 산포에 의한 용량 차이에 대한 셀 밸런싱 효과를 평가하였으며 셀 밸런싱의 효과와 전략을 제시하였다.