Fabrication and Performance of A New-Concept-Energy-Device: BatCap

Abstract

에너지 저장 기술은, 화석연료의 사용에 의한 지구 온난화, 화석연료 자원의 고갈, 그리고 환경 오염으로 대표되는 에너지 위기를 해결하고, 스마트폰, 테블릿, 그리고 전기자동차와 같이 고성능을 요구하는 전자기기들의 발전에 대응하기 위한 매우 중요한 기술이다. 다양한 에너지 저장 시스템들 중에서, 전기화학 에너지 저장 매체는 화석연료에 기반하는 에너지 체계를 대체할 수 있는 효율적인 전기 에너지 저장 기술로써 많은 관심을 받고 있다. 지난 20년간, 대표적인 전기화학 에너지 저장 매체인 리튬 이온 배터리와 수퍼캐패시터에 관한 수많은 연구가 이루어져 왔으나, 새로운 관련 시장 및 산업계의 요구를 충족시키기 위해 좀 더 향상된 전기화학적 성능이 요구되고 있는 실정이다. 본 연구에서는, 고성능 에너지 저장 대안 기술로써, 새로운 개념의 에너지 저장 매체인 배트캡(BatCap)시스템을 제안하고자 한다. 배트캡 시스템은, 하나의 전극에 배터리와 캐패시터 구성요소가 복합화 되어 있는 열린 공극 구조의 배트캡 전극으로 구성되어 있으며, 이로 인하여 배터리와 캐패시터 구성요소에 의한 상승작용을 기대할 수 있다. 구체적으로, 배터리 구성요소의 뛰어난 전기화학 에너지 저장 능력과, 공극 구조와 캐패시터 구성요소에 의한 전하전달 속도 향상을 통해 배트캡 시스템의 전기화학적 성능이 향상될 수 있다. 이 연구의 목적은 첫째, 고성능 에너지 저장 대안 기술로서, 새로운 개념의 전기화학 에너지 저장 매체인 배트캡(BatCap)시스템을 제안하고, 둘째, 이에 대한 이론모델을 제안하면서 기존의 배터리-캐패시터 복합 시스템들과의 성능을 이론적으로 비교하였다. 나아가 셋째, 배트캡 시스템에 부합하는 음극 및 양극 물질 합성, 물성 분석, 전기화학적 성능을 분석함으로써, 배트캡 시스템의 대안 에너지 저장 시스템으로서의 가능성에 대해 고찰하고자 하였다. 1부에서는 에너지 저장 매체에 대한 전반적인 소개를 통해 대표적인 에너지 저장 매체인 리튬 이차 배터리 및 수퍼캐패시터에 대한 연구를 소개하고, 에너지 밀도-출력 밀도 간 성능 트레이드 오프(trade-off) 관점에서 이들 에너지 저장 매체들의 기술상황 및 과제들에 대해 분석하였으며, 이를 통해서 새로운 에너지 저장 매체인, 배트캡 시스템의 필요성에 대해 살폈다. 2부에서는 다양한 에너지 저장 시스템들을 전극의 대칭성과 전해질의 종류를 기준으로 분류하고, 각각의 에너지 밀도 및 출력 밀도를 이론적으로 계산하였으며, 전기화학적 성능 비교를 위해 다양한 요소와 이들과 관련된 계수를 도입하여 시스템 구성 조건에 따른 성능에 대해 고찰하였다. 이를 통해서, 기존의 복합 전기화학 에너지 저장 매체에 비해, 배트캡이 상대적으로 향상된 전기화학적 성능을 가지는 것을 확인하였다. 3부와 4부에서는 각각 배트캡 시스템의 음극재 및 양극재를, 2부에서 제시된 이론에 맞춰 설계하고 그 성능을 측정하였다. 그 결과 이론을 통해 예측한대로, 배트캡 시스템은 배터리와 수퍼캐패시터의 시너지적 융합효과를 발휘하는 새로운 개념의 전기에너지 저장 시스템임을 확인하였다. 결과적으로, 이 연구를 통해서 이론적 고찰을 바탕으로 기존의 전기화학 에너지 저장 장치를 대체할 수 있는 진보된 형태의 배트캡 시스템을 제시하고, 형상 조절 및 나노크기의 배터리 구성요소/캐패시터 구성요소의 복합화를 통해 이에 부합하는 배트캡 물질을 합성하였으며, 이를 통해 배트캡 시스템의 새로운 전기화학 에너지 저장 매체로서의 가능성을 확인할 수 있었다.

Energy storage technologies have been concerned as the key not only to overcome the energy crisis including global warming, resource exhaustion, and environmental pollution, which problems are originated from the fossil fuel, but also confront the demands for high-performance electrical devices, such as smartphone, tablet, electric vehicles (EVs), etc. Among the many candidate energy storage systems, electrochemical energy storage devices have attracted the significant interests for effective electrical energy storage technology to alternate the fossil fuel-dependent energy system and operate portable electrical devices and EVs. There have been great attention and many researches over the past two decades, however, typical electrochemical energy storage devices including lithium ion batteries (LIBs) and supercapacitors are required to enhance the electrochemical performances for meeting the needs of new markets and global industries. Therefore, a new energy storage system is required to satisfy the demands for high-performance electrochemical energy storage device which can be an alternative to LIBs and supercapacitors. In this thesis, a new concept of energy storage devices, BatCap system, is suggested as an alternative to high-performance energy storage technology. The BatCap system is composed of BatCap electrodes consisting of battery and capacitor component hybrids in a single electrode with open porous structure, which gives a synergetic effect on the electrochemical performances of the device. Large amount of storable electrochemical energy from a battery component can improve the energy density of the BatCap system. Also, outstanding charge transport from the capacitor component and 3D open porous structure complement the high rate capability of the battery component with additional storable energy. The aims of this study were to introduce the theoretical approach for the BatCap system with comparison of performance between a typical battery-capacitor hybrid system, design the negative/positive electrode materials for the BatCap system with material characterization, and analyze the electrochemical performances of each material used in the BatCap system. Part I provides a general introduction of energy storage devices regarding the requirements for the new energy device, BatCap. LIBs and supercapacitors are summarized with energy storage mechanism, performance parameters, and performance influencing factors of each device. Also, main challenges and issues of the advanced energy storage devices are indicated by means of trade-off on the performances followed by the state of the art analysis. Throughout this part, the aim and scope of this research are introduced, which are theoretical study, synthesis, and characterization of the BatCap electrode materials. Part II presents a theoretical study of the BatCap system in comparison with the performance between typical hybrid energy storage systems. Various energy storage systems are classified with the symmetry of the electrodes (symmetric/asymmetric), and the types of electrolytes (aqueous/organic). Energy density and power density of each system are theoretically calculated using various factors and coefficients for performance comparison. Then, theoretical modeling for the BatCap system is conducted to indicate the electrochemical performance of this new concept device followed by consideration of ideal structure of the BatCap electrode material. Conclusively, this part successively indicates the performance of each energy storage system depending on the specified conditions and advantages of the BatCap system compared to the typical energy storage systems. Part III discusses the preparation and characterization of hyper-networked Li4Ti5O12/carbon hybrid nanofiber sheets and Li4Ti5O12/activated carbon hybrid nanotubes for the negative electrode of the BatCap system. 1D fiburous or tubular structures are chosen as the basic units for 3D open porous structure prepared by electrospinning. Also, Li4Ti5O12 and carbonaceous materials are employed as the battery and capacitor components, respectively, due to its great cycle stability and electronic conductivity. Part IV discusses the preparation and characterization of sulfur-carbon nanosheet hybrids and graphene/carbon nanotube (CNT)-sulfur hybrid aerogel for the positive electrode of the BatCap system. 2D nanoplate structures, obtained by solid-solvothermal reaction for the sulfur-carbon nanosheet hybrids and by hydrothermal reduction for the graphene/CNT-sulfur hybrid aerogel, are employed as the basic units for 3D open porous structure. Cycle stability and rate capability of sulfur, which is capable of storing large amount of energy, are improved by hybridization with carbon nanosheet and graphene/CNT. BatCap electrode materials in parts III and IV show improved electrochemical behaviors, which the enhancements are attributed to the better charge transfer kinetics through morphology control and hybridization of nanosized battery and capacitor components. They illustrate typical charge/discharge potential profiles of the BatCap electrode shown in part II of theoretical modeling and calculation. The enhanced electrochemical performances compared to typical energy storage systems summarized in part V clearly show the potential of the BatCap system as a new alternative for electrochemical energy device.