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.

For electrodes in electrochemical double-layer capacitors, carbon nanofibers (CNFs) were prepared by thermal treatment of precursor polymer nanofibers, fabricated by electrospinning. Poly(acrylonitrile-co-vinylimidazole) (PAV) was employed as a precursor polymer of carbon nanofibers due to the effective cyclization of PAV polymer chains during thermal treatment compared to a typical precursor, polyacrylonitrile (PAN). PAV solutions with different comonomer compositions were prepared and electrospun to produce precursor nanofibers. Surface images obtained from scanning electron microscopy showed that their nanofibrous structure was well preserved after carbonization. It was also confirmed that electrospun PAV nanofibers were successfully converted to carbon nanofibers after the carbonization step by Raman spectroscopy. Carbon nanofiber electrodes derived from PAV showed higher specific capacitances and energy/power densities than those from PAN, which was tested by coin-type cells. It was also shown that PAV with an acrylonitrile/vinylimidazole composition of 83:17 is most promising for the carbon nanofiber precursor exhibiting a specific capacitance of 114 F/g. Their energy and power density are 70.1 Wh/kg at 1 A/g and 9.5 W/kg at 6 A/g, respectively. In addition, pouch cells were assembled to load the higher amount of electrode materials in the cells, and a box-like cyclic voltammetry was obtained with high capacitances.

Chlorella-derived activated carbon (CDAC) with a high specific surface area and hierarchical pore structure was prepared as a CO2 adsorbent and as a supercapacitor electrode material. During KOH activation of Chlorella-derived carbon, metallic K gas penetrated from the outer walls to the inner cells, and pores formed on the outer frame and the inner surface. Micropores were dominant in CDAC, contributing toward a high specific surface area (> 3500 m2/g) and a hierarchical pore structure owing to the cell walls. Consequently, CDAC exhibited a high CO2 adsorption capacity (13.41 mmol/g at 10 atm and room temperature) and afforded high specific capacitance (142 F/g) and rate capability (retention ratio: 91.5%) in supercapacitors. Compared with woody- and herbaceous-biomass-derived activated carbons, CDAC has a superior specific surface area when the precursors are used without any pretreatment under the same conditions due to their soft components such as lipids and proteins. Furthermore, developing microalgae into high-value-added products is beneficial from both economic and environmental perspectives.

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.

Recently, uncertainty of demand and supply for energy has expanded as energy market change rapidly. Rapid accumulation storing of cold heat is a method for decreasing the gap between demand and supply of time, quantity and quality of heat energy. It is stored rapidly when electric power is on. And cold heat energy in heat is phase change material (PCM) heat storage is used when electric power is off. Porous media for cold heat is PCM. The present study has been conducted for improving performance of cold heat storage in refrigerator using characteristics on laten heat and phase change of PCM. This study provide basic data to improve performance of cold heat using characteristic of PCM. Also, this study predicts and measures specific points in PCM heat storage during process of phase change.

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.

In the present work, graphene powder was synthesized by laser scribing method. The resultant flexible light-scribed graphene is very appropriate for use in micro-supercapacitors. The effect of the laser scribing process in reducing graphene oxide (GO) was investigated. GO was synthesized using a chemical mixture of GO solution; then, it was coated onto a LightScribe DVD disk and laser scribed to reduce GO and create laser-scribed graphene (LSG). The CV curves of pristine rGO at various scan rates showed that the ultimate product possesses the ability to store energy at the supercapacitor level. Charge-discharge curves of pristine rGO at two different current densities indicated that the specific capacitance (Cm) increases due to the reduction of the discharge current density. Finally, the long-term charge-discharge stability of the LSG was plotted and indicates that the specific capacitance decreases very slightly from its primary capacitance of ~10F cm−3 and that the cyclic stability is favorable over 1000 cycles.

본 연구에서는 유연성을 갖는 전극 제조를 위해 환원된 그래핀 옥사이드/단일벽 탄소나노튜 브 복합체를 금이 코팅된 PET 기판 위에 스프레이 코팅하였다. 제조된 플렉시블한 전극의 전기 용량 값 은 1 M의 황산 전해질과 100 mV s-1 의 주사속도에서 82 F g-1 으로 측정 되었으며, 이 용량 값은 500 번의 굽힘 시험 후에 38 F g-1 로 감소되는 현상을 확인 하였다. 또한, 이러한 결과는 정전류 충 방전과 전기화학 임피던스법을 포함한 전기화학적 분석 결과와도 부합하는 결과를 나타내었다. 유연성을 갖는 환원된 그래핀 옥사이드/단일벽 탄소나노튜브 복합체 전극은 500회의 반복적인 굽힘 시험 후에도 대략 50%의 초기 전기 용량 값을 유지 할 수 있었으며, 이러한 여러 가지 전기화학적 특성을 고려하여 볼 때 미래 개발 가능한 플렉시블한 에너지 저장 매체로써의 적용이 가능 하다는 점을 확인 할 수 있었 다.

The work presented in this report was a detailed comparative study of the electrochemical response exhibited by graphite anodes in Li-ion batteries having different physical features. A comprehensive morphological and physical characterization was carried out for these graphite samples via X-ray diffraction and scanning electron microscopy. Later, the electrochemical performance was analyzed using galvanostatic charge/discharge testing and the galvanostatic intermittent titration technique for these graphite samples as negative electrode materials in battery operation. The results demonstrated that a material having a higher crystalline order exhibits enhanced electrochemical properties when evaluated in terms of rate-capability performance. All these materials were investigated at high C-rates ranging from 0.1C up to 10C. Such improved response was attributed to the crystalline morphology providing short layers, which facilitate rapid Li+ ions diffusivity and electron transport during the course of battery operation. The values obtained for the electrical conductivity of these graphite anodes support this possible explanation.

본 연구는 공기열원 히트펌프 온실에서 환기에 의해 배출되는 에너지 즉 잉여 태양에너지 및 태양열 집열기를 이용하여 축열량 및 이들 에너지를 이용한 온실의 난방효과를 실험적으로 검토하였다. 태양열 집열기의 경우, 실험기간동안 누계 수평면 일사량의 최대, 평균 및 최솟값은 각각 52.2, 22.9 및 3.2 MJ․m-2이었고, 총 일사량은 869.8 MJ․m-2 정도였다. 그리고 집열량의 최대, 평균 및 최솟값은 각각 38,118.2, 22,545.9 및 2,622.1 kcal 정도였고, 총 집열량은 856,742.6 kcal 정도인 것으로 나타났다. 잉여 태양에너지의 경우, 여러 가지 요인에 의해서 온실로부터 회수되는 열량은 다르지만, 온실로부터 회수된 총 잉여 태양에너지는 375,946.7 kcal 정도인 것으로 나타났다. 히트펌프의 경우, 설정온도를 고려하지 않고 축열된 총 축열량은 17,519,085.3 kcal이고, 이 때 소비된 소비전력량은 7,169.6 kWh정도이었고, 시스템의 성능계수는 2.84정도이었다. 그리고 온실로 공급된 난방에너지는 최저 외기온과 유사한 경향을 보이는 것으로 나타났으며, 실험기간동안 총 난방에너지는 9,554,541.9 kcal로서 시간당으로 환산하면 평균 6,653.1 kcal․h-1정도인 것으로 나타났다. 특히 실제 히트펌프에 의해 축열된 량의 54.5%정도만 이용하는 것으로 나타나 난방시스템의 개선이 필요할 것으로 판단되었다. 실험기간동안 태양열 집열기, 잉여 태양에너지 및 히트펌프에 의한 축열량을 난방에너지로 100.0% 이용할 경우, 탄소배출량은 각각 259.7, 116.9 및 5,403.5 kgCO2정도 절감시킬 수 있을 것으로 나타났다.

A 2D axisymmetric numerical analysis was performed to study the characteristics of charge process inside solar thermal storage tank. The porosity and heat transfer coefficient of filler material as well as inlet velocity of heat transfer fluid are selected as simulation parameters. The porosity is varied as 0.2, 0.5, and 0.8 to account for the effect of filler granule geometry. Two levels of the heat transfer coefficient is adopted to assess the heat transfer between heat transfer fluid and filler material. The inlet velocity is varied as 0.00278, 0.0278, and 0.278m/s. As both of the porosity and the heat transfer coefficient increase, the discrepancy of the temperature distributions between the filler and heat transfer fluid decreases. As the inlet velocity increases, the penetration depth of the heat transfer fluid increases proportionally.

본 연구에서는 온실 내부의 태양 잉여열과 외부의 공기열을 선택적으로 열원으로 이용함으로써 히트펌프의 성능을 향상시키고, 온실의 환기 지연을 통해 이산화탄소 시용비용을 절감할 수 있는 온실 공조시스템을 개발 하고자 하였다. 본 시스템의 축열 과정은 태양 잉여열을 이용하는 내부순환모드와 외기열을 이용하는 외부순환모드가 온실 내부온도에 따라 자동으로 절환되도록 구성하였으며, 히트펌프가동, 축열모드 절환, 난방 가동을 위한 6개의 온도값을 입력함으로써 축열과 난방이 자동으로 수행되도록 설계하였다. 단동온실을 대상으로 무환기 조건에서 기초시험을 수행한 결과, 태양 잉여열을 이용한 축열은 약 11시부터 시작되어 평균 3시간 30분 정도 유지되었으며, 주간의 온실 내부온도는 환기를 수행하지 않음에도 대부분 약 20~28oC 범위를 유지하였다. 주간 내부순환모드에서 시스템의 난방성능계수는 약 3.35로 야간 외부순환모드의 2.46 및 주간 외부순환모드의 2.67 에 비해 각각 36% 및 25% 향상됨을 확인하였다. 본 시스템의 개선사항으로 태양 잉여열의 효율적 이용을 위해 축열조 관리온도를 상승시킬 수 있는 고효율 히트펌프의 적용이 필요하며, 온실의 무환기 운용에 따른 과습환경의 조성을 방지하고 태양 잉여열 수준이 높은 시기에 온실의 온도상승을 방지하기 위해 강제환기를 운전모드에 추가할 필요가 있는 것으로 판단되었다.

A 2D axisymmetric numerical analysis was performed to study the characteristics of charge process inside solar thermal storage tank. The interfacial area density and inertial resistance of filler material are selected as simulation parameters. The interfacial area density is varied as 800, 2000, and 4000 1/m. The inertial resistance is varied as 1, 3, and 5 1/m. When the interfacial area density increases from 800 to 4000 1/m, the discrepancy of the temperature distributions between the filler and heat transfer fluid decreases. As inertial resistance increases from 1 to 5, both of the temperature and fluid flow pattern changes considerably.

바나듐 레독스-흐름 전지 (V-RFB)는 대용량 전력저장 시스템의 하나로 연구가 많이 진행되고 있다. 특히 최근에 지구온난화의 해결을 위한 태양광, 풍력 발전 등 재생에너지에 의한 발전과 함께 이 전력 원들의 부하 평준화 및 전력 공급 원활화 등을 위한 전력 저장 시스템의 하나로 주목을 받고 있다. 본 총설에서는 V-RFB 에 대한 원리 및 구성, 최근 연구 동향, 경제성, 요소기술에 대해 설명하고자 한다.