Lead-free perovskite ceramics, which have excellent energy storage capabilities, are attracting attention owing to their high power density and rapid charge-discharge speed. Given that the energy-storage properties of perovskite ceramic capacitors are significantly improved by doping with various elements, modifying their chemical compositions is a fundamental strategy. This study investigated the effect of Zn doping on the microstructure and energy storage performance of potassium sodium niobate (KNN)-based ceramics. Two types of powders and their corresponding ceramics with compositions of (1-x)(K,Na)NbO3-xBi(Ni2/3Ta1/3)O3 (KNN-BNT) and (1-x)(K,Na)NbO3-xBi(Ni1/3Zn1/3Ta1/3) O3 (KNN-BNZT) were prepared via solid-state reactions. The results indicate that Zn doping retards grain growth, resulting in smaller grain sizes in Zn-doped KNN-BNZT than in KNN-BNT ceramics. Moreover, the Zn-doped KNNBNZT ceramics exhibited superior energy storage density and efficiency across all x values. Notably, 0.9KNN-0.1BNZT ceramics demonstrate an energy storage density and efficiency of 0.24 J/cm3 and 96%, respectively. These ceramics also exhibited excellent temperature and frequency stability. This study provides valuable insights into the design of KNNbased ceramic capacitors with enhanced energy storage capabilities through doping strategies.

Recently, due to high theoretical capacitance and excellent ion diffusion rate caused by the 2D layered crystal structure, transition metal hydroxides (TMHs) have generated considerable attention as active materials in supercapacitors (or electrochemical capacitors). However, TMHs should be designed using morphological or structural modification if they are to be used as active materials in supercapacitors, because they have insulation properties that induce low charge transfer rate. This study aims to modify the morphological structure for high cycling stability and fast charge storage kinetics of TMHs through the use of nickel cobalt hydroxide [NiCo(OH)2] decorated on nickel foam. Among the samples used, needle-like NiCo(OH)2 decorated on nickel foam offers a high specific capacitance (1110.9 F/g at current density of 0.5 A/g) with good rate capability (1110.9 - 746.7 F/g at current densities of 0.5 - 10.0 A/g). Moreover, at a high current density (10.0 A/g), a remarkable capacitance (713.8 F/g) and capacitance retention of 95.6% after 5000 cycles are noted. These results are attributed to high charge storage sites of needle-like NiCo(OH)2 and uniformly grown NiCo(OH)2 on nickel foam surface.

본 논문은 에너지를 실시간으로 저장할 수 있는 저장장치 중 열에너지 저장 콘크리트를 대상으로 재료의 미세구조와 물성(열전도 도)의 상관관계를 분석하는 연구를 수행하였다. 에너지 저장 콘크리트의 열전도 성능을 증가시키기 위해 혼화재인 그라파이트 (graphite)를 사용하였다. 그라파이트가 시멘트 질량의 10%와 15%를 치환한 시편과 일반 콘크리트(OPC) 시편을 제작하여 그라파이 트의 혼입에 따른 미세구조 변화 및 열전도도의 영향을 마이크로 스케일에서 분석하였다. 마이크로-CT를 활용하여 OPC와 그라파이 트를 사용한 콘크리트의 공극률을 비교하였으며, 확률함수를 사용하여 미세구조 특성을 정량화하였다. 미세구조 특성 차이가 열전도 도에 미치는 영향을 확인하기 위해 3차원 가상 시편을 제작하여 열해석을 수행하였으며, 이를 열평판법을 사용하여 측정한 열전도도 실험 결과와 비교하였다. 열해석 수행 시 그라파이트 재료가 지닌 열전도도 성능을 반영하기 위하여 해석 결과와 실험 결과를 기반으 로 고체상의 열전도도를 역해석을 통해 계산하였으며, 그라파이트가 시편의 열전도도에 미치는 영향에 대해 분석하였다.

To improve ferroelectric properties of PZT, many studies have attempted to fabricate dense PZT films. The AD process has an advantage for forming dense ceramic films at room temperature without any additional heat treatment in low vacuum. Thick films coated by AD have a higher dielectric breakdown strength due to their higher density than those coated using conventional methods. To improve the breakdown strength, glass (SiO2-Al2O3-Y2O3, SAY) is mixed with PZT powder at various volume ratios (PZT-xSAY, x = 0, 5, 10 vol%) and coating films are produced on silicon wafers by AD method. Depending on the ratio of PZT to glass, dielectric breakdown strength and energy storage efficiency characteristics change. Mechanical impact in the AD process makes the SAY glass more viscous and fills the film densely. Compared to pure PZT film, PZT-SAY film shows an 87.5% increase in breakdown strength and a 35.3 % increase in energy storage efficiency.

Zinc-ion Batteris (ZIBs) are recently being considered as energy storage devices due to their high specific capacity and high safety, and the abundance of zinc sources. Especially, ZIBs can overcome the drawbacks of conventional lithium ion batteris (LIBs), such as cost and safety issues. However, in spite of their advantages, the cathode materials under development are required to improve performance of ZIBs, because the capacity and cycling stability of ZIBs are mainly influenced by the cathode materials. To design optimized cathode materials for high performance ZIBs, a novel manganese oxide (MnO2) coated graphite sheet is suggested herein with improved zinc-ion diffusion capability thanks to the uniformly decorated MnO2 on the graphite sheet surface. Especially, to optimize MnO2 on the graphite sheet surface, amounts of percursors are regulated. The optimized MnO2 coated graphite sheet shows a superior zinc-ion diffusion ability and good electrochemical performance, including high specific capacity of 330.8 mAh g−1 at current density of 0.1 A g−1, high-rate performance with 109.4 mAh g−1 at a current density of 2.0 A g−1, and remarkable cycling stability (82.2 % after 200 cycles at a current density of 1.0 A g−1). The excellent electrochemical performance is due to the uniformly decorated MnO2 on the graphite sheet surface, which leads to excellent zinc-ion diffusion ability. Thus, our study can provide a promising strategy for high performance next-generation ZIBs in the near future.

전기차, 에너지저장시스템의 수요급증으로 에너지 저장장치에 대한 관심이 세계적으로 증가해왔다. 에너지 저장장치의 핵심원료인 리튬과 바나듐 등과 같은 에너지저장광물 자원을 안정적으로 공급하기 위하여 새로운 기술적 대안이 필요하다. 이미 리튬과 바나듐을 직접 확보할 수 있는 기술에 대한 여러 국가들의 연구개발 활동이 이루어지고 있다. 이에 따라 효과적인 연구개발 전략을 수립하기 위해서 특허 및 논문 분석을 통해 각국의 기술동향을 분석하고 향후 기술발전방향을 설정하는 것이 중요하다. 본 연구는 1970년부터 2019년 10월까지 출원 공개 또는 출원 등록된 한국, 미국, 유럽, 일본의 특허자료와 2000년 1월부터 2019년 10월까지의 논문을 대상 검색된 자료를 통해 신기술 개발 동향 및 국내외 연구개발 현황을 분석하였다. 분석결과, 현재 에너지저장광물과 관련된 기술의 성장단계는 태동기 단계에 있는 것으로 분석되었다. 따라서 기술시장 선도와 기술 경쟁력 강화를 위해 새로운 기술의 개발과 개발된 기술에 대한 실증을 병행하여 빠르게 기술을 고도화 하는 전략이 필요하다고 사료된다.

본 연구에서는 “이온젤” 이라고 불리는 고분자 기반의 PVA(polyvinyl alcohol) 기반의 고체 전 해질에 이온성 액체 BMIMBF4 (1-buthyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate)를 첨가하여 제조한 전 고체 전해질과 활성탄소와 금속유기골격체 복합재료 기반의 전극 재료를 이용하여 슈퍼커패시터를 제작 하였으며, 유기골격체의 유 무에 따른 전기화학적 특성을 분석하여 보았다. 슈퍼커패시터의 전기화학적 특 성은 순환전압전류법(CV), 전기화학적 임피던스 분광법(EIS) 및 전정류 충·방전법(GCD)을 통하여 비교 및 분석하여 보았다. 그 결과로, 금속유기골격체가 함유되지 않은 슈퍼커패시터의 전기용량값은 380 F/g 으로 확인 할 수 있었고, 이 값은 금속유기골격체를 첨가하였을 때 340 F/g로 감소하는 현상을 확인할 수 있었 다. 이러한 결과로 1 wt%의 금속유기골격체의 함유량은 전기화학적 특성 감소에 영향을 주는 것으로 사료 되며 이러한 결과를 바탕으로 금속유기골격체의 첨가량을 최적화 할 필요가 있다고 판단된다

고분자를 기반으로 하는 고체 전해질은 수퍼커패시터, 배터리, 센서, 액추에이터 등 다양한 전기화학 소자에 응용이 가능한 소재로써, 기존 고분자 전해질의 낮은 이온전도도를 향상시키기 위해서 다양한 이온성 액체 기반의 고체 전해질에 관한 연구가 활발히 진행 중에 있다. 이온성 액체의 높은 전기적 특성 및 전기화학적, 열적 안정성과 고분자의 우수한 기계적인 강도를 활용한 젤 상태의 고체 전해질인 이온젤은 차세대 웨어러블 및 플렉시블 전자소자에 응용되어 연구되고 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 이온성 액체와 고분자 기반의 고체 전해질을 제조하고 특성을 분석하여 탄소나노복합체 기반의 전극 에 적용하여 다양한 전자소자에 응용이 가능한 이온전도도 및 안정성이 향상된 이온성 액체 기반의 고체 전해질을 개발하고자 한다. 제조된 고체전해질은 전기화학적 임피던스법을 이용하여 이온 전도도를 측정 하여 보았으며 이온성 액체를 첨가하여 제조한 고체전해질의 이온 전도도가 1.26 x 10-1 S/cm 로 확인 되었다. 또한 제조된 고체 전해질을 이용하여 전고체형 수퍼커패시터를 제조하여 전기화학적 특성을 비교 하여 보았으며, 수퍼커패시터의 전기화학적 특성 역시 이온성 액체를 첨가하여 제조된 고체 전해질을 사 용하였을 때 향상된 전기화학적 특성을 나타내었다.

Zn-ion supercapacitors (ZICs) show high energy densities with long cycling life for use in electronic devices. Porous Zn electrodes as anodes for ZICs are fabricated by chemical etching process using optimized conditions. The structures, morphologies, chemical bonding states, porous structure, and electrochemical behavior are examined. The optimized porous Zn electrode shows a root mean square of roughness of 173 nm and high surface area of 153 μm2. As a result, ZIC using the optimized porous Zn electrode presents excellent electrochemical performance with high specific capacitance of 399 F g−1 at current density of 0.5 A g−1, high-rate performance (79 F g−1 at a current density of 10.0 A g−1), and outstanding cycling stability (99 % after 1,500 cycles). The development of energy storage performance using synergistic effects of high roughness and high surface area is due to increased electroactive sites by surface functionalization of Zn electrode. Thus, our strategy will lead to a rational design and contribute to next-generation supercapacitors in the near future.

This study examines paraelectric Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7 (BZN), which has no hysteresis and high dielectric strength, for energy density capacitor applications. To increase the breakdown dielectric strength of the BZN film further, poly(vinylidene fluoride) BZN-PVDF composite film is fabricated by aerosol deposition. The volume ratio of each composition is calculated using dielectric constant of each composition, and we find that it was 12:88 vol% (BZN:PVDF). To modulate the structure and dielectric properties of the ferroelectric polymer PVDF, the composite film is heat-treated at 200 oC for 5 and 30 minutes following quenching. The amount of α-phase in the PVDF increases with an increasing annealing time, which in turn decreases the dielectric constant and dielectric loss. The breakdown dielectric strength of the BZN film increases by mixing PVDF. However, the breakdown field decreases with an increasing annealing time. The BZN-PVDF composite film has the energy density of 4.9 J/cm3, which is larger than that of the pure BZN film of 3.6 J/cm3.

Lead free (Ba0.7Ca0.3) TiO3 thick films with nano-sized grains are prepared using an aerosol deposition (AD) method at room temperature. The crystallinity of the AD thick films is enhanced by a post annealing process. Contrary to the sharp phase transition of bulk ceramics that has been reported, AD films show broad phase transition behaviors due to the nanosized grains. The polarization-electric hysteresis loop of annealed AD film shows ferroelectric behaviors. With an increase in annealing temperature, the saturation polarization increases because of an increase in crystallinity. However, the remnant polarization and cohesive field are not affected by the annealing temperature. BCT AD thick films annealed at 700 ℃/2h have an energy density of 1.84 J/cm3 and a charge-discharge efficiency of 69.9%, which is much higher than those of bulk ceramic with the same composition. The higher energy storage properties are likely due to the increase in the breakdown field from a large number of grain boundaries of nano-sized grains.

The ultimate goal of this development is a hybrid solar energy storage device. It supplies stable power to the load due to the emergency generator that compensates for the power shortage due to solar power generation. We have developed a stand-alone photovoltaic power generation and energy storage system with a dual inverter that extends the performance life of the PV system. It solves the problem of shortening the lifespan of battery due to repetition of charge / discharge of PV system and supplies stable power to load due to emergency generator that compensates for power shortage due to solar power generation, and furthermore, A stand-alone photovoltaic power generation system having a dual inverter for extending the life span and a control method thereof. We have also developed an optimized energy solution that enables us to save and use the remaining surplus power in the ESS to save energy through efficiency, optimization and substantial energy savings.

에너지 저장 매체는 소형화, 고효율화 및 그린에너지 정책에 부합하면서 연구개발이 진행되고 있으며 유연성과 신축성을 갖는 디스플레이나 웨어러블 전자기기의 발전에 상응하는 에너지 저장 매체 의 개발이 시급한 상황으로 이를 실현 할 수 있는 물질가운데, 탄소나노 재료중의 하나인 그래핀과 그 래핀 하이브리드와 같은 뛰어난 전기화학적 특성을 지니고 있는 나노 재료가 각광을 받고 있다. 또한 슈퍼커패시터와 배터리 및 연료전지 등과 같은 에너지 저장 소자에 응용하기 위한 연구가 활발하게 진 행 중에 있으며, 여러 가지 에너지 저장 매체 중 단시간에 고출력을 구현하고 장시간 신뢰성을 갖추며, 빠른 충·방전 순환특성을 가지는 슈퍼커패시터는 차세대 에너지원으로 많은 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 플렉시블한 특성을 갖는 그래핀과 전도성 고분자 하이브리드 전극을 기반으로 하는 슈퍼커패시터를 개발하고자 하였으며 환원된 그래핀 옥사이드/폴리피롤 복합재료를 이용하여, 전기화학 적 특성을 최대화 하였다. 그 결과 굽힘 시험 전 전극의 초기 용량값은 198.5 F g-1 이었으며, 500번의 굽힘 시험 후 128.3 F g-1로 감소하는 것을 확인하였으나, 전극의 초기 전기 용량 값의 65 %의 성능을 유지하였다.