Kim, Ju Young;Kim, Jumi;Kang, Seok Hun;Shin, Dong Ok;Lee, Myeong Ju;Oh, Jimin;Lee, Young-Gi;Kim, Kwang Man
ETRI Journal
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제42권1호
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pp.129-137
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2020
All-solid-state batteries are promising energy storage devices in which high-energy-density and superior safety can be obtained by efficient cell design and the use of nonflammable solid electrolytes, respectively. This paper presents a systematic study of experimental factors that affect the electrochemical performance of all-solid-state batteries. The morphological changes in composite electrodes fabricated using different mixing speeds are carefully observed, and the corresponding electrochemical performances are evaluated in symmetric cell and half-cell configurations. We also investigate the effect of the composite electrode thickness at different charge/discharge rates for the realization of all-solid-state batteries with high-energy-density. The results of this investigation confirm a consistent relationship between the cell capacity and the ionic resistance within the composite electrodes. Finally, a concentration-gradient composite electrode design is presented for enhanced power density in thick composite electrodes; it provides a promising route to improving the cell performance simply by composite electrode design.
Based on mussel-inspired polydopamine (PDA), a novel technique to fabricate carbon nanowire (CNW) arrays is presented for a possible use of porous carbon electrode in electrochemical energy storage applications. PDA can give more porosity and nitrogen-doping effect to carbon electrodes, since it has high graphitic carbon yield characteristic and rich amine functionalities. Using such outstanding properties, the applicability of PDA for electrochemical energy storage devices was investigated. To achieve this, the decoration of the CNW arrays on carbon fiber surface was performed to increase the surface area for storage of electrical charge and the chemical active sites. Here, zinc oxide (ZnO) nanowire (NW) arrays were hydrothermally grown on the carbon fiber surface and then, PDA was coated on ZnO NWs. Finally, high temperature annealing was performed to carbonize PDA coating layers. For higher energy density, manganese oxide ($MnO_x$) nanoparticles (NPs), were deposited on the carbonized PDA NW arrays. The enlarged surface area induced by carbon nanowire arrays led to a 4.7-fold enhancement in areal capacitance compared to that of bare carbon fibers. The capacitance of nanowire-decorated electrodes reached up to $105.7mF/cm^2$, which is 59 times higher than that of pristine carbon fibers.
A superconductor flywheel energy storage system (SFES) is an electro-mechanical battery which transforms electrical energy into mechanical energy for storage, and vice versa. A 35 kWh class SFES module was designed and constructed as part of a 100kWh/1MW class SFES composed of three 35 kWh class SFES modules. The 35 kWh class SFES is composed of a main frame, superconductor bearings, a composite flywheel, a motor/generator, electro-magnetic bearings, and a permanent magnet bearing. The high energy density composite flywheel is levitated by the permanent magnet bearing and superconductor bearings, while being spun by the motor/generator, and the electro-magnetic bearings are activated while passing through the critical speeds. Each of the main components was designed to provide maximum performance within a space-limited compact frame. The 35 kWh class SFES is designed to store 35 kWh, with a 350 kW charge/discharge capacity, in the 8,000 ~ 12,000 rpm operational speed range.
Nowadays, research interest in developing the wearable devices are growing remarkably. Portable consumer electronic systems are becoming lightweight, flexible and even wearable. In fact, wearable electronics require energy storage device with thin, foldable, stretchable and conformable properties. Accordingly, developing the flexible energy storage devices with desirable abilities has become the main focus of research area. Among various energy storage devices, supercapacitors have been considered as an attractive next generation energy storage device owing to their advantageous properties of high power density, rapid charge-discharge rate, long-cycle life and high safety. The energy being stored in pseudocapacitors is relatively higher compared to the electrochemical double-layer capacitors, which is due to the continuous redox reactions generated in the electrode materials of pseudocapacitors. Generally, transition metal oxides/hydroxide (such as $Co_3O_4$, $Ni(OH)_2$, $NiFe_2O_4$, $MnO_2$, $CoWO_4$, $NiWO_4$, etc.) with controlled nanostructures (NSs) are used as electrode materials to improve energy storage properties in pseudocapacitors. Therefore, different growth methods have been used to synthesize these NSs. Of various growth methods, electrochemical deposition is considered to be a simple and low-cost method to facilely integrate the various NSs on conductive electrodes. Herein, we synthesized amorphous $NiWO_4$ NSs on cost-effective conductive textiles by a facile electrochemical deposition. The as-grown amorphous $NiWO_4$ NSs served as a flexible and efficient electrode for energy storage applications.
The BST (Ba$_{1-x}$ Sr$_{x}$TiO$_{3}$)(50/50) thin film has been grown by RF magnetron reactive sputtering and its characteristics such as crystallization, surface roughness, and electrical properties have been investigated with varying the film thickness. The crystallization and surface roughness of BST thin film are investigated by using XRD and AFM, respectively The BST thin film anealed at 800.deg. C for 2 min has pure perovskite structure and good surface roughness of 16.1.angs.. We estimate that the thickness and dielectric constant of interface layer between BST film and electrode are 3nm and 18.9, respectively, by measuring the capacitance with various film thickness. As the film thickness increases form 80nm to 240nm, the dielectric constant at 10kHz increases from 199 to 265 and the leakage current density at 200kV/cm decreases from 0.682.mu.A/cm$^{2}$ to 0.181 .mu.A/cm$^{2}$. In the case of 240nm-thick BST thin film, the charge storage density and leakage current density at 5V are 50.5fC/.mu.m$^{2}$ and 0.182.mu.A/cm$^{2}$, respectively. The values indicate that the BST thin film is a very useful dielectric material for the DRAM capacitor.or.
In battery-operated systems, an isolated converter is used to interface the utility grid with the system to increase stability when charging and discharging batteries. Systems such as vehicle-to-grids (V2Gs), on-board chargers, and energy storage systems (ESSs) have recently become popular, and the roles of isolated converters have become important considerations in fabricating such devices. A fixed-frequency LLC converter, which is a type of isolated converter, presents the advantages of high efficiency and high power density by performing zero-voltage switching (ZVS) over wide frequency ranges. However, the magnetizing inductance of the LLC converter should be designed to enable ZVS in all switching devices. Therefore, in this study, the operating characteristics of the LLC circuit are analyzed, and an optimal design method for ZVS operation is established. Moreover, an 8 kW LLC high-efficiency and high-power-density resonant converter is designed and tested for ESS application. The LLC converter achieves 98% efficiency at rated power.
The lithium ion battery has applied to various fields of energy storage systems such as electric vehicle and potable electronic devices in terms of high energy density and long-life cycle. Despite of various research on the electrode and electrolyte materials, there is a lack of research for investigating of the binding materials to replace polymer based binder. In this study, we have investigated petroleum pitch/polymer composite with various ratios between petroleum pitch and polymer in order to optimize the electrochemical and physical performance of the lithium-ion battery based on petroleum pitch/polymer composite binder. The electrochemical and physical performances of the petroleum pitch/polymer composite binder based lithium-ion battery were evaluated by using a charge/discharge test, cyclic voltammetry (CV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and universal testing machine (UTM). As a result, the petroleum pitch(MP-50)/polymer(PVDF) composite (5:5 wt % ratio) binder based lithium-ion battery showed 1.29 gf mm-1 of adhesion strength with 144 mAh g-1 of specific dis-charge capacity and 93.1 % of initial coulombic efficiency(ICE) value.
In this research, a wafer-level transfer method of cantilever away on a conventional CMOS circuit has been developed for high density probe-based data storage. The transferred cantilevers were silicon nitride ($Si_3N_4$) cantilevers integrated with poly silicon heaters and piezoelectric sensors, called thermo-piezoelectric $Si_3N_4$ cantilevers. In this process, we did not use a SOI wafer but a conventional p-type wafer for the fabrication of the thermo-piezoelectric $Si_3N_4$ cantilever arrays. Furthermore, we have developed a very simple transfer process, requiring only one step of cantilever transfer process for the integration of the CMOS wafer and cantilevers. Using this process, we have fabricated a single thermo-piezoelectric $Si_3N_4$ cantilever, and recorded 65nm data bits on a PMMA film and confirmed a charge signal at 5nm of cantilever deflection. And we have successfully applied this method to transfer 34 by 34 thermo-piezoelectric $Si_3N_4$ cantilever arrays on a CMOS wafer. We obtained reading signals from one of the cantilevers.
Carbon nanomaterials are considered to be the materials of choice for the fabrication of electrochemical energy storage devices due to their stability, cost-effectiveness, well-established processing techniques, and superior performance compared to other active materials. In the present work, reduced graphene oxide (rGO) has been synthesized and used for the fabrication of a symmetric supercapacitor. The electrochemical performance of the fabricated supercapacitors with three different aqueous electrolytes namely 0.5 M H2SO4, 0.5 M H3PO4, and 1.0M Na2SO4 have been compared and analyzed. Among the three electrolytes, the highest areal specific capacitance of 14 mF/cm2 was calculated at a scan rate of 5 mV/s observed with 0.5M H3PO4 electrolyte. The results were also confirmed from the charge/discharge results where the supercapacitor with 0.5M H3PO4 electrolyte delivered a specific capacitance of 11 mF/cm2 at a current density of 0.16 mA/cm2. In order to assess the stability of the supercapacitor with different electrolytes, the cells were subjected to continuous charge/discharge cycling and it was observed that acidic electrolytes showed excellent cyclic stability with no appreciable drop in specific capacitance as compared to the neutral electrolyte.
최근 이차전지는 다양한 산업 분야에서 사용되고 있다. 특히 소형 및 경량의 특성으로 스마트폰, 노트북, 태블릿 등 다양한 휴대용 전자기기에서 높은 에너지 밀도와 충·방전 효율을 토대로 전기자동차와 에너지저장시스템(Energy Storage System, ESS)의 핵심 부품으로 사용되고 있다. 하지만 이차전지의 과도한 충·방전에 따른 수명감소, 파열, 손상, 화재 등의 문제점이 발생하고 있다. 따라서 BMS(Battery Management System)를 통하여 과도한 충·방전을 보호하고 성능을 향상시킨다. 하지만 실제 리튬이온 배터리를 사용하여 BMS의 차단 및 보호범위 설정하는 데 있어서 이차전지의 수명감소, 파열, 손상, 화재의 문제점이 따른다. 따라서 본 논문에서는 배터리 충방전기와 시뮬레이터를 활용하여 이차전지 중 사용이 높은 리튬이온 배터리와 납축전지의 충전 및 방전 특성을 살펴본다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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