"이온젤을촉촉하조"의 두 판 사이의 차이

2019년 12월 4일 (수) 00:48 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 전기변색 슈퍼커패시터의 자가방전을 억제하기 위한 쯔비터 이온젤 전해질

영문 : A zwitterionic gel electrolyte for suppressing self-discharge of electrochromic supercapacitors

과제 팀명

이온젤은 촉촉하조

지도교수

문홍철 교수님

개발기간

2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 2016340033 이재경(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 2016340009 노은지

서울시립대학교 화학공학과 2014340003 김경현

서울시립대학교 화학공학과 2013340026 양지운

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 겔 전해질(Gel electrolyte)은 기존 액체 전해질의 새거나 폭발하는 등의 문제를 보완하기 위해 개발되어왔다. 겔 전해질은 기계적 강도와 이온전도도 모두 뛰어나 이를 이용한 디스플레이, 배터리, 슈퍼커패시터 등에 다양하게 응용되고 있다.

◇ 고체 상태의 슈퍼커패시터(supercapacitor)를 제작하기 위해 겔 전해질에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. 겔 전해질의 한 종류인 zwitterionic 겔 전해질을 이용한 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor)는 이온의 이동과 전기화학적 성능은 유지하면서 기존 전기이중층 커패시터의 단점인 높은 자기 방전을 보완할 수 있다.

◇ 따라서 본 연구에서는 전기변색과 동시에 에너지를 저장할 수 있으며, 기존 EDLC의 높은 자기 방전을 보완하기 위해 zwitterion을 이용한 이온 겔 전해질을 개발하였다. Poly(vinyl acetate)와 [EMI][DCA]를 기반으로 겔 전해질의 기계적 특성과 이온전도도를 충분히 확보한 뒤, zwitterion의 농도를 조절하여 충전시간은 기존 겔 전해질과 비슷하지만 높은 자기 방전을 제어하여 방전시간을 늘려 뛰어난 에너지 저장 효율을 가진 EDLC를 만들 수 있다.

개발 과제의 배경

◇ 보다 효과적인 에너지 저장 소자의 개발이 요구되면서 긴 구동 시간과 높은 에너지 밀도를 가지는 슈퍼커패시터 연구에 관심이 집중되고 있다. 이에 따라 고분자와 이온성 액체를 이용한 이온 겔 기반 전해질의 개발이 진행되고 있으며 슈퍼커패시터의 높은 자기 방전을 막기 위해서 다양한 전해질에 대한 연구도 활발히 이뤄지고 있다. 이러한 전해질 중 하나가 zwitterion 기반 겔 전해질의 특성을 이용하는 것이다. Zwitterion은 외부의 전기장이 가해지면 겔 전해질에 존재하는 양이온 또는 음이온과의 상호작용을 통해 이온 이동 채널이 형성될 수 있다. Zwitterion의 이러한 특성은 슈퍼커패시터의 충천량을 늘려 구동 시간 또한 증가시킬 수 있다.

◇ 따라서 본 연구에서는 겔 전해질 외부에서 전기장을 가한 뒤, 정렬된 zwitterion이 산화/환원된 이온들의 이동을 방해하는 효과를 이용하여 슈퍼커패시터의 단점인 높은 자기 방전을 감소시키는 효과를 얻으려고 한다. 본 연구는 산화/환원 물질로 전기변색 효과가 있는 물질을 사용하여 충전/방전 정도를 눈으로도 확인할 수 있는 energy indicator로도 적용이 가능하다.

개발 과제의 목표 및 내용

내용

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

전 세계적인 기술현황

State of art

◇ Zwitterionic 겔 전해질의 물 유지 능력(strong hydration) 과 이온 이동 채널을 형성하는 특성을 이용하여 겔 전해질 기반 슈퍼커패시터의 충전용량을 높여 더 오랜 시간 구동할 수 있게 만듦. Xu Peng, Huili Liu, Qin Yin, Junchi Wu, Pengzuo Chen, Guangzhao Zhang, Guangming Liu, Changzheng Wu & Yi Xie, A zwitterionic gel electrolyte for efficient solid-state supercapacitors, Nature Communicationsvolume 7, Article number: 11782 (2016).

◇ 기존 PVA 겔 전해질 기반 EDLC와 비교했을 때, polyzwitterionic 겔 전해질이 open circuit에서 더 작은 diffusion parameter를 가지는 특성을 이용하여 EDLC의 self-discharge를 제어함. Kangkang Ge ORCID logo and Guangming Liu ORCID logo, Suppression of self-discharge in solid-state supercapacitors using a zwitterionic gel electrolyte, Chem. Commun., 2019,55, 7167-7170.

◇ 양이온과 음이온이 zwitterion에 의해 mobility가 감소하는 특성을 이용하여, 리튬이온의 mass transport rate를 향상시킴. Churat Tiyapiboonchaiya, Jennifer M. Pringle, Jiazeng Sun, Nolene Byrne, Patrick C. Howlett, Douglas R. MacFarlane & Maria Forsyth, The zwitterion effect in high-conductivity polyelectrolyte materials, Nature Materialsvolume 3, pages29–32 (2004)

◇ Zwitterionic poly(sulfobetaine methacrylate)의 superhydrophilic and ultralow biofouling properties를 이용하여 superabsorbent and nonadherent wound dressings.로 이용함. Reza Lalani and Lingyun Liu, Electrospun Zwitterionic Poly(Sulfobetaine Methacrylate) for Nonadherent, Superabsorbent, and Antimicrobial Wound Dressing Applications, Biomacromolecules 2012,13,6,1853-1863.

특허조사 및 특허 전략 분석

특허조사

 ◇ 쯔비터이온성 리튬-실리카 설포베타인 실란 및 이의 제조방법과 이를 포함하는 전해질 조성물.

ZWITTERIONIC LITHIUM-SLICA SULFOBETAINE SILANE AND A PROCESS FOR PREPARING THE SAME AND AN ELECTROLYTE COMPOSITION COMPRISING THE SAME, 한밭대학교 산학협력단, 2019.05.17.

◇ 전해액 용질, 전해액 및 고전압 슈퍼 커패시터(The electrolyte solute, electrolyte and high voltage super capacitor), 2016, 선천 캡쳄 테크놀로지 컴퍼니 리미티드

◇ 잉크 조성물용 용해도 첨가제. SOLUBILITY ADDITIVE FOR INK COMPOSITIONS, 2006, 킴벌리-클라크 월드

◇ 쯔비터이온 화합물 및 이를 포함하는 포토레지스트(ZWITTERION COMPOUNDS AND PHOTORESISTS COMPRISING SAME), 2019, 롬 앤드 하스 일렉트로닉 머트어리얼즈 엘엘씨

◇ 슈퍼커패시터의 충방전 반응에 필요한 이온을 이동시키는 용액 전해액 생산, 2014, 한국. SK케미칼

특허전략

◇ 기존 고체 겔 전해질 기반의 슈퍼커패시터보다 늘어난 자기 방전시간을 이용한 고 효율 슈퍼커패시터에 대한 특허
◇ 이온젤을 기반으로 한 전기변색 소자
◇ 변색 효율과 구동 안정성이 높은 전기변색 소자

기술 로드맵

내용

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

내용

마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

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 ====개발 과제의 배경====
-내용
+◇ 보다 효과적인 에너지 저장 소자의 개발이 요구되면서 긴 구동 시간과 높은 에너지 밀도를 가지는 슈퍼커패시터 연구에 관심이 집중되고 있다. 이에 따라 고분자와 이온성 액체를 이용한 이온 겔 기반 전해질의 개발이 진행되고 있으며 슈퍼커패시터의 높은 자기 방전을 막기 위해서 다양한 전해질에 대한 연구도 활발히 이뤄지고 있다. 이러한 전해질 중 하나가 zwitterion 기반 겔 전해질의 특성을 이용하는 것이다. Zwitterion은 외부의 전기장이 가해지면 겔 전해질에 존재하는 양이온 또는 음이온과의 상호작용을 통해 이온 이동 채널이 형성될 수 있다. Zwitterion의 이러한 특성은 슈퍼커패시터의 충천량을 늘려 구동 시간 또한 증가시킬 수 있다.
+◇ 따라서 본 연구에서는 겔 전해질 외부에서 전기장을 가한 뒤, 정렬된 zwitterion이 산화/환원된 이온들의 이동을 방해하는 효과를 이용하여 슈퍼커패시터의 단점인 높은 자기 방전을 감소시키는 효과를 얻으려고 한다. 본 연구는 산화/환원 물질로 전기변색 효과가 있는 물질을 사용하여 충전/방전 정도를 눈으로도 확인할 수 있는 energy indicator로도 적용이 가능하다.
 ====개발 과제의 목표 및 내용====
 내용