문홍철2팀
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 전기변색 슈퍼커패시터의 문제 분석과 성능 향상 고찰
영문 : Analysis and Performance Imporvement of Electrochromic Supercapacitor
과제 팀명
문홍철 2팀
지도교수
문홍철 교수님
개발기간
2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 화학공학과 20193400** 신*우(팀장)
서울시립대학교 화학공학과 20173400** 박*재
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
◇ 기존 Capacitor, Supercapacitor, Hybrid Capacitor 관련 선행 연구 논문 분석
◇ Supercapacitor의 전극과 전해질에 주로 사용되는 물질들의 장단점 분석
◇ Electrochromic Supercapacitor 관련 선행 연구 논문 분석
◇ Electrochromic Supercapacitor의 주요 물성인 변색&탈색 속도 향상 모색
개발 과제의 배경
◇ 스마트 전자 장치의 발전으로 인해 다른 기능과 통합할 수 있는 슈퍼커패시터에 대한 수요가 증가했다. 그중 전기변색 기능을 추가한 전기변색 슈퍼커패시터(Electrochromic Supercapacitor, ECS)가 실용화된다면 스마트 윈도우, 투명 디스플레이, 웨어러블 디바이스의 에너지 저장장치로 사용할 수 있을 것이다.
◇ 기존에 사용되던 고체, 액체 전해질의 단점을 개선하고 장점은 유지되는 이온젤 전해질이 발명되었다. ECS에 적용 가능한 이온젤이 개발된다면 다양한 전자기기에 사용될 수 있을 것이다.
◇ ECS는 충방전을 색이 변하는 것을 통해 시각적으로 즉각 확인할 수 있는 장점이 있다. 따라서 ECS의 충방전으로 인한 변색&탈색 속도가 중요하다.
◇ ECS의 전해질과 전지에 사용되는 물질을 분석하여 본 연구에서는 변색&탈색 속도를 개선한 이온젤을 제시하고자 한다.
개발 과제의 목표 및 내용
개발 목표
◇ ECS의 변색&탈색 속도를 낮추는 요인을 분석하고, 변색/탈색 속도를 개선하기 위해 최근의 여러 연구들을 정리하고 분석한다.
개발 내용
◇ 현재 ECS에서 사용되는 여러 가지 전해질들을 분석한다.
◇ ECS의 변색/탈색 속도에 영향을 미치는 여러 가지 요인들을 분석한다.
◇ ECS가 전자기기에 적용할 수 있도록 안정성, 이온 전도도, 수명, 변색/탈색 속도가 개선된 이온젤을 제시한다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
◇ Electrochromic Supercapacitor(ECS)
전기변색 물질은 전하 삽입/추출 또는 화학적 산화/환원을 통해 색상을 가역적으로 변경할 수 있는 기능이 있다. 이러한 전기변색 물질이 슈퍼커패시터의 구성 요소로 사용될 수 있다면 슈퍼커패시터는 에너지를 저장하는 동시에 색을 변화시켜 에너지 변화를 정확하게 감지한다. 일반적인 전기변색 물질에는 다양한 전이 금속 산화물, 전도성 고분자 및 금속 유기 골격이 포함된다.
◇ 전이 금속 산화물
전이 금속 산화물이 전기변색 전자소자에 처음으로 사용되었다. 텅스텐 산화물은 그중 가장 일반적인 전기변색 물질로 양성자 삽입/추출이 색의 변화를 유도한다. 텅스텐 산화물의 작동 메커니즘은 다음 식과 같다.
WO3 Flim은 슈퍼커패시터용 전극으로 fluorine-doped tin oxide(FTO) 유리에 증착되었으며 이는 639.8 F g-1의 높은 비 정전용량과 우수한 전기변색 특성을 나타낸다. 그들의 색은 투명에서 짙은 파란색까지 다양했으며 0에서 –0.6V의 파장 633nm에서 광 투과율이 91.3%에서 15.1%로 급격히 감소하는 것을 관찰할 수 있다.
WO3 기반의 태양광 센서와 전기변색 슈퍼커패시터가 통합된 소자가 개발되었다. 고강도 입사광에 대해서만 지능적으로 색상을 변경할 수 있으므로 최적화된 에너지 절약을 달성할 수 있다. 제작된 소자는 64.8 cm2 C-1의 높은 착색 효율과 406.0 F g-1의 정전용량을 나타낸다. 또한 97.6%의 전기변색 기능을 유지할 수 있다.
텅스텐 산화물 이외에도 V2O5 및 NiO와 같은 다른 전이 금속 산화물 역시 전기변색 슈퍼커패시터에 사용된다. 자이로이드 구조의 V2O5 전극에서 상호 연결된 다공성 네트워크로 인해 전극에서 리튬 이온 삽입/추출 및 패러데이 반응이 빠르고 효율적이다. 따라서 이 슈퍼커패시터는 155 F g-1의 높은 정전용량으로 녹색에서 노란색으로 빠르게 변한다.
ITO 전극의 AgNWs/NiO는 슈퍼커패시터를 위한 전기변색 및 용량성 재료로 사용되었다. 충·방전 과정에서 슈퍼커패시터의 양극은 Ni2+/Ni3+ 이온의 가역적인 산화환원으로 인해 어두운색으로 바뀌고 투명하게 회복된다. 그러나 위의 전기변색 전이 금속 산화물은 중량이 무겁고 착색 효율이 높지 않은 몇 가지 단점이 있다.
◇ 전도성 고분자
PANI는 슈퍼커패시터의 활성 전극 재료로 널리 사용되고 있다. 전기변색 동작과 결합하여 PANI 필름 전극은 전위가 –0.2V ~ 1.0V인 동안 투명함에서 황록색으로, 더 나아가 짙은 청색으로 가역적인 색상 변화를 보여줄 수 있다. 정렬된 PANI 나노와이어 전극을 기반으로 한 전기변색 기능을 가진 태양전지와 슈퍼커패시터를 통합한 새로운 다기능 장치 역시 제작되었으며 ESS Window로 명명되었다. ESS window는 슈퍼커패시터로서 높은 안정성을 보였고, 현장 광학 측정을 통해 전기변색 기능을 입증했다. 섬유 모양의 전기변색 슈퍼커패시터 역시 개발되었다. 정렬된 CNT를 신축성 있는 섬유에 감고 PANI를 증착시켜 CNT/PANI 복합 전극을 제조했다. 이 슈퍼커패시터는 충·방전 과정에서 청색, 녹색, 밝은 황색 사이의 빠르고 가역적인 색 변화를 보여준다.
PANI 외에도 PPy는 전기변색 및 전기화학적 특성이 있다. 얇은 PPy 필름은 도핑되지 않은 절연 상태에서는 노란색에서 녹색으로, 도핑되어 전도성을 가진 상태에서는 파란색에서 보라색으로 나타난다.
W18O49-PANI 층을 기반으로 하는 스마트 슈퍼커패시터 전극은 포토리소그래피와 전착을 결합하여 제작되었다. W18O49와 PANI는 모두 –0.5V ~ 0V(W18O49) 및 0 ~ 0.8V(PANI)의 서로 다른 potential window에서 다양한 색 변화를 보여준다. 한 구성 요소가 투명하면 다른 구성 요소에 색상이 지정되어 에너지 변화를 감지한다.
poly(3,4-ethylenedioxypyrrole)(PEDOP)도 낮은 산화 전위로 인해 유명한 전기변색 중합체다. 슈퍼커패시터의 PEDOP-Au@WO3 전극은 태양 에너지를 광학적으로 변조할 수 있도록 설계되었다. 전위가 –1.5V에서 1.5V로 변할 때 하이브리드 전극은 착색 효율이 707 cm2 C-1이고 스위칭 시간이 약 6초인 적색-청색에서 청회색으로 점진적인 광학 전환을 보여준다.
- 특허조사
본 발명은 전기 변색성 슈퍼커패시터에 관한 것으로서, 서로 마주 보고 배치되는 제1 전극 및 제2 전극, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 위치하며, 고분자 매트릭스 및 상온에서 액체 상태인 이온염을 포함하는 이 온 젤(ion gel), 그리고 상기 제1 전극 및 상기 이온 젤 사이에 위치하며, 전기변색 물질을 포함하는 전기변색 층을 포함한다. 상기 전기 변색성 슈퍼커패시터는 실시간 충전 용량을 컬러로 표시할 수 있고, 매우 투명하여 높은 투과율 및 착색 효율을 가지고, 우수한 충·방전 효율, 사이클 안정성 및 높은 면적 커패시턴스를 나타내며, 유연하게 제조되어 우수한 굴곡 내구성을 가질 수도 있다.
전기변색 슈퍼커패시터로서, 캐소드에 WO3 필름을 포함하고, 애노드에 NiO 필름 또는 구리(Cu) 도핑된 NiO 필름을 포함하는 전기변색 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법이 개시된다. 해당 전기변색 슈퍼커패시터는, 높은 전기변색효율과 함께 슈퍼커패시터로서 빠른 충·방전 시간 및 높은 충·방전 용량을 가지면서, 온도 안정성 및 반복적인 충·방전 안정성의 내구성을 달성할 수 있고, 특히 자가 방전이 거의 일어나지 않아 자가 방전 내구성에서 우수하다.
본 발명은 에너지 변환 및 저장 시스템을 갖춘 일체형 광소자를 개시한다. 본 발명의 실시예에 따른 에너지 변환 및 저장 시스템을 갖춘 일체형 광소자는 음극 전극을 가지는 제1 기판, 상기 제1 기판상에 전자수송층, 상기 전자수송층 상에 광활성층, 상기 광활성층 상에 정공수송층, 상기 정공수송층 상에 양극 전극, 상기 양극 전극 상에 전기 변색소자층 및 상기 전기 변색소자층 상에 음극 전극을 가지는 제2 기판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
- 특허 전략
◇ 개발 목표
ECS의 변색&탈색 속도를 낮추는 요인을 분석하고, 변색&탈색 속도를 개선하기 위해 최근의 여러 연구를 정리하고 분석한다.
◇ 해당 기술의 이점
ECS의 전해질을 iongel을 사용하면 금속 산화물이나 전도성 폴리머를 사용했을 때와 달리 Flexible하고 Transparent한 ECS를 제작할 수 있다. 이러한 flexibility의 증가는 다양한 전기장치에 적용할 수 있는 발판을 마련할 수 있다.
또한 ECS의 변색&탈색 속도가 빨라진다면 충·방전에 대한 진행도와 결과값을 빠르게 파악할 수 있으므로, 다양한 전자 장치의 배터리 이슈를 빠르게 확인하여 대처할 수 있을 것이다.
◇ 연구 개발 진행 방향
Diffusion 속도를 개선하기 위해 iongel의 구성 요소와 변색물질에 따라 파악한다. 이온젤의 구성 요소 변화는 가소제를 첨가하거나 Ionic liquid의 비율을 변화시키거나, 이온젤에 유리전이 온도가 다른 폴리머 매트릭스를 첨가하여 나타나는 변화를 확인한다. 변색물질의 특성을 비교·분석하여 최적의 변색물질을 선정한다.
◇ 연구 기대효과
확산 조절을 통해 변색&탈색 시간을 단축한다면, ECS 내의 에너지 저장량을 빠르게 파악하여 에너지 절약 및 사용자의 편의를 증가시킬 수 있다. 먼저, 에너지 저장량에 대한 즉각적인 정보 파악을 통해 충전이 목표량만큼 되었는지, 또는 완충되었는지를 확인할 수 있다. 이를 통해 에너지의 분배를 효율적으로 조절할 수 있으며, 결과적으로 에너지를 절약할 수 있다. 두 번째로 장치 내의 에너지 저장량의 부족을 빠르게 확인할 수 있다는 장점이 있다. 현재 ECS는 휴대용 전자 장치 및 웨어러블 장치에서 많이 사용될 것으로 예상되므로, 표시된 에너지 저장량과 실제 에너지 저장량 사이의 차이가 적은 것이 사용자의 편리성에서 중요하게 작용한다. 따라서 ECS의 변색&탈색 시간을 단축한다면 태양전지, Smart Window, 스마트폰, Wearable Display 등 투명한 디스플레이를 필요로 하는 제품에 대한 ECS 사용이 획기적일 것이다.
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
◇ Electrochromic Supercapacitor를 태양전지와 결합하여 태양 빛이나 실내 전등 빛을 받으면 에너지를 저장하고, 저장된 에너지를 다른 전기장치를 작동시킬 수 있게 하는 전기소자를 개발할 수 있다.
◇ Energy Storage Smart Window(ESS Window)로서 개발될 수 있다. 에너지를 저장할 수 있는 동시에 변색 기능을 가져 에너지를 절약하는 에너지 제로 housing 등에 사용될 수 있다.
◇ Electrochromic Displays가 개발되어 Flexible Monitor, Wearable Device와 같은 다양한 분야에 적용될 수 있다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
◇ 최근 온실가스 배출에 의한 지구온난화, 그리고 그에 의한 이상기후 현상이 지속해서 발생하고 있다. 이때 Electrochromic Supercapacitor를 활용하여 다양한 빛을 저장하고, 저장한 에너지를 다른 전기소자에 사용할 수 있게 됨으로써 신재생에너지의 주요 에너지원을 효과적으로 사용할 수 있게 될 것이다.
◇ Energy Zero Housing에도 효과적일 수 있다. ESS Window를 사용하여 집에 들어오는 에너지를 효과적으로 저장하여 냉난방에 사용할 수 있고, 변색 기능을 활용하여 선택적인 빛의 출입을 통해 추가적인 에너지 사용 없이 집을 적절한 온도로 유지할 수 있을 것이다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
구성원 및 추진체계
◇ 구성원 : 박경재, 신재우
◇ ECS 연구 방향 설계
◇ Iongel 관련 그래프 해석 방법 및 용어 이해
◇ 기존에 쓰이던 ECS의 전해질 분석
◇ ECS의 변색/탈색에 영향을 미치는 데이터 분석 및 결과 도출
◇ 최적의 ECS 전해질 제시
설계
설계사양
제품의 요구사항
설계 사양
Fick’s law를 Redox reaction을 기반으로 하는 ECS에 적용한다.
Fick’s law에서 사용되는 확산계수와 농도구배의 증가를 이끌 방법을 탐색한다.
농도구배를 올리기 위해서 더 많은 redox material을 용해한 젤을 비교·분석한 논문을 탐색한다.
Stroke-Einstein Equation과 Nernst-Einsteim Equation을 알아보고, 관련된 변수들을 확인한다. 그중 점도와 이온 전도도를 중요한 변수로 설정하고, 관련된 실험과 논문을 통해 확인한다.
또한 Charging이 시작되기 전의 상태를 변경하여 더 많은 색 변화를 보이게 만드는 방법을 확인한다.
결과 및 평가
설계결과
설계이론
위의 그림은 redox reaction을 기반으로하는 Electrochromic supercapacitor의 충방전단계를 나타냅니다. 충전시에는 전자가 주입되면서 색을 띄는 물질로의 변화가 전극쪽에서 이루어지며, 방전시에는 전자가 빠지며 분자들이 반응전의 상태로 되돌아오는 메커니즘입니다. 이를 통해서 충방전을 색의 변화를 통해서 확인할 수 있으며, 자주 사용되는 Electrochromic한 물질은 Viologen계열을 사용하며 anodic material은 Ferrocene을 사용합니다.
Fick's law에서 델타 c를 증가시켜 확산 속도를 향상합니다. 더 많은 redox material을 녹이면 농도구배가 증가하므로 해결되리라 생각할 수 있습니다. 해당 그래프는 농도에 따른 정전용량을 측정한 그래프입니다. 이 그래프를 통해 농도가 높아질수록 면적 정전용량의 증가를 확인할 수 있습니다.
하지만 너무 많은 redox를 녹이게 되면 불균일하게 용해되어 균일한 색 변화를 얻기 힘듭니다. 따라서 농도의 제한이 존재합니다.
Stroke-Einsteibn Equation과 Nernest-Einstein Equation을 활용하여 확산계수와 관련된 변수들을 확인한다.
가소제를 첨가하면 gel내의 자유 부피가 확대되고 점도가 감소합니다.
TGE란 ternary gel electrolyte이고 뒤의 숫자는 PC(propylene carbonate)의 질량 퍼센트입니다. PC가 첨가될수록 저항이 낮아지는 것을 확인할 수 있습니다. 또한 Randles-Sevcik Equation을 사용하여 확산계수를 구할 수 있고 PC가 첨가될수록 확산계수가 커지는 것을 확인할 수 있습니다.
두 번째로 확산계수를 증가시키는 방법으로는 유리전이 온도의 감소입니다.
위 그래프를 통해 유리전이온도가 낮을수록 이온전도도가 높다는 경향성을 확인할 수 있습니다.
29-PS-r-PBA와 29-PS-r-PMMA의 유리전이온도를 비교하였을을 때 monomer로 BA를 사용한 29-PS-r-PBA의 유리전이온도가 더 낮은 것을 확인할 수 있고 우측 그래프를 확인하였을 때 이온전도도가 높은 것을 확인할 수 있습니다.
Intercalation을 사용한 Electrochromic supercapacitor의 구조는 다음과 같습니다. intercalation은 충전 과정에서 electrochromic material이 포함되어 있는 필름에 이온이 첨가되어 색을 띠게 됩니다.
텅스텐 트리옥사이드는 intercalation을 기반으로 하는 ECS에서 자주 사용되는 물질입니다.위 그림은 텅스텐 트리옥사이드를 음극으로 사용한 ECS이고, 텅스텐 트리옥사이드 층에 양이온이 삽입되면서 색 변화가 이루어지는 메커니즘입니다. 이때 ionic liquid에 포함되어 있는 양이온은 크기가 너무 크기 때문에 텅스텐 트리옥사이드 필름으로 삽입되기가 어렵습니다. 따라서 상대적으로 크기가 작은 Li이온을 사용합니다.
기존에 사용되던 anodic species인 페로센 물질은 착색 전에 노란색을 띄는 문제가 있었습니다. 따라서 하이드로퀴논(Hydroquinone)을 사용하여 충전 전에 투명한 ECS가 있습니다.
텅스텐 트리옥사이드 필름은 전극에 고정되어 있기 때문에 ESC의 정전용량을 높이기 위해서는 텅스텐 트리옥사이드와 적절한 비율이 중요합니다. 따라서 Hydroquinone의 비율에 따른 정전용량을 실험한 그래프가 위와 같습니다.
또한 위에서 확인한 식에서처럼 온도가 올라가면 확산계수가 증가하는 것을 알 수 있습니다. 따라서 높은 온도에서 정전용량이 증가합니다.
하지만 높은 확산 속도는 open cuircit 상태에서 self-bleaching 문제를 야기합니다. 그 이유는 반응이 완료되었던 redox species들이 빠른 확산 속도로 인해 다시 접촉하여 원래의 상태로 돌아가기 때문입니다.
다음 그림은 자가표백의 메커니즘을 보여줍니다.
Redox material에서는 Viologen 물질 변화를 통해 self-bleaching를 해결할 수 있습니다.
위의 그림은 Viologen 물질의 구조를 보여줍니다.
위의 그림을 통해 mono-viologen과 poly-viologen의 확산계수를 Randles-Secvik equation을 사용하여 확인하였을 때 poly-viologen의 확산계수가 낮음을 확인할 수 있습니다.
poly-viologen은 세 가지의 이성질체가 있는데 이 세 가지를 비교해 보았습니다.
ortho-poly-viologen의 경우 전기화학적 가역성이 낮아 환원이 잘 안 되지않고 방전 과정에서 원래대로 돌아오는 능력도 부족합니다.
따라서 meta-poly-viologen와 para-poly-viologen를 Randles-Secvik equation을 사용하였을 때 meta-poly-viologen의 확산계수가 더 낮음을 확인할 수 있었습니다.
쯔비터 이온은 한 이온에 positive charge와 negative charge를 모두 띄는 물질입니다.
쯔비터 이온을 iongel에 첨가하였을 때 발색반응과 발생 강도에 영향을 미치지 않습니다. 또한 충전상태에서는 쯔비터 이온이 전기장 하에 정렬되어 이온 채널이 형성됩니다. 이로 인해 이온의 손쉬운 이동이 가능해집니다. 그리고 open circuit 상태에서는 쯔비터 이온이 이온의 움직임을 억제하여 자가 표백을 막을 수 있습니다.
포스터
관련사업비 내역서
완료작품의 평가
개발 과제 관련 향후 전망
◇ ECS는 charging/discharging을 색의 착색&탈색을 통해서 확인할 수 있는 기능을 포함하는 supercapacitor이다. ECS의 전해질을 iongel로 설정하여 기존에 사용하던 액체 전해질의 문제점을 해결할 수 있다. 하지만 iongel의 경우 낮은 정전용량과 불충분한 착색탈색으로 인해 아직 고쳐야 할 점이 분명히 존재한다.
이번 과제에서는 iongel 전해질에서 발색과 탈색을 위해 사용된 redox material의 확산 속도를 증가시키기 위해 Fick’s law를 적용하고, 여러 변수를 변경시켜 개선하는 방향에 대해 알아보았다. 하지만 아직 낮은 면적 정전용량의 부족으로 추가적인 연구가 필요하다. 향후 ECS가 높은 면적 정전용량과 기능적인 착색과 탈색이 충분히 이루어지는 기술이 발전하게 되면 Smart Window, Display, Solar cell, DIY(Design-it-yourself) 등의 분야에 자유롭게 적용이 가능할 것이다.
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