Deformable electrode architectures for energy storage applications

Abstract

인체 삽입형 장치, 운송 장치 및 신재생 에너지 자원의 개발과 맞물려 에너지 저장 장치에 대한 요구가 해마다 증가하고 있다. 그러나 Moor의 법칙에 따라 발전하고 있는 기타 전자장비와 달리, 에너지 저장 장치의 발전은 오늘날까지도 미비한 실정이다. 특히, 플렉서블 일렉트로닉스의 발전과 맞물려 플렉서블 에너지 저장 장치의 수요가 증대되고 있으나, 일반적인 개발 방식에 따른 한계를 여전히 극복하지 못하였다. 이러한 한계를 극복하기 위하여, 이 학위논문에서는 에너지 저장을 위한 위한 새로운 형태의 플렉서블 전극 구조를 개발하였다. 먼저, 유연하고 투명한 에너지 저장 장치의 개발에 활용할 수 있는 깍지 낀 형태의 전극 구조를 개발하였다. 일반적인 투명 전극의 경우, 퍼콜레이션 효과로 인해 전기화학적 성능이 지수함수적으로 감소하는 문제점을 갖는다. 깍지 낀 형태의 전극을 이용할 경우, 투명성을 위해 전극의 두께를 조절하지 않으므로 퍼콜레이션 효과를 방지할 수 있다. 또한 하나의 기판에 모든 전극을 패턴화하여 높은 유연성을 얻는다. 이러한 이유로, 제작된 투명 플렉서블 전극 구조는 높은 용량특성, 투명성 및 유연성을 동시에 갖는다. 장치의 유연성을 극대화하기 위하여, 종이접기 형태의 접을 수 있는 전극 구조를 개발하였다. 접힘 특성은 차세대 휴대 전자 장비에서 가장 각광 받는 특성 중 하나이다. 제안된 시스템은 고립 전극과 구획화된 이온 투과 막으로 구성되며, 이러한 구성은 초밀집 직렬 구조를 만들 수 있다는 장점이 있다. 고립 전극의 개수에 따라, 시스템은 제한없이 높은 전압을 갖는다. 이 시스템에서 장치의 전력과 에너지 밀도는 동시에 증가할 수 있으며, 이는 고립 전극의 개수에 따라 결정된다. 이온 투과 막과 전극의 유연성으로 인해 접거나 굽혔을 때도 안정적인 특성을 가지며, 이를 제1원리 계산 및 유한요소법 계산으로 증명하였다. 플렉서블 장치가 가질 수 있는 가장 우수한 구조 특성은 스트레처블 특성이다. 따라서 스트레쳐블 슈퍼커패시터를 가능하게 하는 그래핀-탄소나노튜브 적층 구조의 전극을 개발하였다. 전극 내에서 활성물인 그래핀은 움직이는 트랙으로 역할한다. 도전제인 탄소나노튜브는 외부 장력이 있을 시 그래핀 트랙을 따라 늘어나는 움직임을 보인다. 개발된 시스템은 무시할 만한 수준의 패시브 부피를 갖지며, 이방향 변형 및 꼬임 변형에서도 안정적인 전기화학 특성을 유지하는 장점이 있다. 선 형태의 전극구조를 전자 장비의 형태를 가리지 않고 적용가능한 차세대 플랫폼으로 개발하였다. 전극 구조를 최적화하기 위해 이중 평면 나선 구조의 전극을 설계하였으며, 이러한 전극이 기존 원통형 전극 구조의 에너지 지연 효과를 방지함을 증명하였다. 개발된 평면 나선 전극은 선 형 에너지 저장 장치는 물론 직물화가 가능함을 보였고 이를 통해 높은 수준의 에너지 효율을 증명하였다.