Abstract
Recently, demand for high energy density and long cycling stability of energy storage system has increased for application using with frequency regulation (F/R) in power grid. Supercapacitor have long lifetime and high charge and discharge rate, it is very adaptable to apply a frequency regulation in power grid. Supercapacitor can complement batteries to reduce the size and installation of batteries. Because their utilization in a system can potentially eliminate the need for short-term frequent replacement as required by batteries, hence, saving the resources invested in the upkeep of the whole system or extension of lifecycle of batteries in the long run of power grid. However, low energy density in supercapacitor is critical weakness to utilization for huge energy storage system of power grid. So, it is still far from being able to replace batteries and struggle in meeting the demand for a high energy density. But, today, LIC (Lithium Ion Capacitor) considered as an attractive structure to improve energy density much more than EDLC (Electric double layer capacitor) because LIC has high voltage range up to 3.8 V. But, many aspects of the electrochemical performance of LIC still need to be examined closely in order to apply for commercial use. In this study, in order to improve the capacitance of LIC related with energy density, we designed new method of pre-doping in anode electrode. The electrode in cathode were fabricated in dry room which has a relative humidity under 0.1% and constant electrode thickness over $100{\mu}m$ was manufactured for stable mechanical strength and anode doping. To minimize of contact resistance, fabricated electrode was conducted hot compression process from room temperature to $65^{\circ}C$. We designed various pre-doping method for LIC structure and analyzing the doping mechanism issues. Finally, we suggest new pre-doping method to improve the capacitance and electrochemical stability for LIC.
최근 전력 계통에 사용되는 주파수 조정용(F/R) 에너지 저장장치에 대하여 높은 에너지 밀도와 장수명의 안정성에 대한 요구가 증대되고 있다. 이와 관련하여 슈퍼커패시터는 장수명과 급속 충방전 특성이 우수하므로 이러한 F/R 적용을 위한 에너지 저장장치로 적합하게 여겨지고 있다. 슈퍼커패시터는 단주기 F/R 영역의 보완 운전을 담당하고 전력계통에 설치된 ESS의 장주기 운영 수명을 연장함으로써 기존 용량을 담당하는 리튬 배터리의 설치 규모와 양을 획기적으로 줄일 수 있다. 하지만 낮은 에너지 밀도는 전력 계통과 같은 큰 시스템에서 적용에 한계가 있으며 여전히 배터리를 대체할 수 있는 높은 에너지 밀도 요구에 어려움을 겪고 있다. 그러나 최근에는 리튬이온 커패시터(Lithium ion capacitor; LIC) 구조가 3.8 V 이상의 전압 구간을 구현할 수 있기 때문에 전기이중층 커패시터(Electric double layer capacitor; EDLC) 구조보다 고에너지 밀도 구현을 위한 구조로 각광을 받고 있지만 여전히 상용화를 위해서는 여러가지 전기화학적 성능에 대한 구체적인 검증 및 개발이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 LIC의 에너지 밀도와 관계되는 용량을 증대하기 위하여 새로운 전극사전-도핑 방법을 설계하였다. 양극 활물질은 0.1% 이하의 상대습도 분위기 드라이룸에서 기계적 강도와 음극 도핑을 안정되게 수행될 수 있도록 $100{\mu}m$의 두께로 제작되었다. 또한 접촉 저항을 최소화하기 위하여 제조된 전극은 상온에서 $65^{\circ}C$까지 열 압축공정을 실시하였다. 최종적으로 LIC 구조에 대한 다양한 사전-도핑법을 설계하고 그 메커니즘을 분석하여 용량과 전기화학적 안정성이 향상된 새로운 LIC 사전-도핑 방법을 제안하였다.
