The rapid increase in electric energy consumption in recent times has led to advancements in battery technology, but mankind’s desire for electric power is fueling the demand for more advanced level battery technologies. As a result, new research has sought out including structural battery, which is not only battery technology advancement using conventional secondary batteries but also a paradigm shift. Thus, this dissertation proposes the material and design of structural battery that can simultaneously support loads and perform energy storage.
With regard to the material, an electrode was fabricated where a carbon fiber current collector can support loads using a novel method that molds together two existing technologies. During this process, the electrode slurry was used as the design variable. Slurry of 300 ㎛ was used to determine that the fabricated electrode was more suitable as a structural battery electrode. The rate performance experiment of the fabricated electrode resulted in a satisfactory performance of approximately 112 mAh g-1 at maximum capacity of 0.1C and a capacity of 35-36 mAh g-1 was observed at a high C-rate of 10C. Also, for the cycling performance, high coulombic efficiency was obtained during 500 cycles and the long-term cycling performance was stable with a capacity retention of 0.82 for the 500th cycle. The fabricated electrode can reduce the electrode weight when using a current collector with the same mechanical strength due to the high specific strength of carbon fiber and is convenient for load support as the weave pattern is maintained.
For the design, a bipolar structural battery was manufactured employing the laminated structure of composite materials. The prepared structural battery was determined to be an effective design as it exhibited an energy density that was approximately 28% higher than a structural cell at similar specific capacity. Moreover, performance decreased as strain increased due to the electrochemical characteristics under bending and tensile loading. However, even with such performance degradation, electrochemical characteristics were still observable for strain levels that do not cause failure of the structural battery and this observation was reproduced through the operation of electronic devices such as an LED and handheld fans.
In comparison to literature and previous studies, the study of this dissertation determined that the prepared electrode is advantageous in terms of specific capacity and capacity retention while the fabricated design is advantageous in terms of improving energy density. Furthermore, the processes carried out for the improvement of the structural battery with regard to the binder were detailed along with improvement measures for areas that require further supplementation by referencing literature and published research.
최근 급격히 증가한 전기에너지의 사용은 전지 기술 발전을 초래하였지만, 전기동력을 사용하고자 하는 인류의 열망으로 인해 고차원의 전지 기술 발전이 요구되고 있다. 이를 해결하기 위해 기존의 이차전지를 이용한 전지 기술의 발전뿐만 아니라 패러다임을 바꾸는 구조전지와 같은 새로운 연구도 필요하게 되었다. 따라서, 본 학위논문에서는 하중지지와 에너지 저장이 동시에 가능한 구조전지 관련 소재와 디자인을 제안하고자 한다.
소재 부분에서는 기존에 활용되던 두 가지의 기술을 융합시킨 새로운 공법으로, 탄소섬유 집전체가 하중을 지지할 수 있는 전극을 제작하였다. 이 과정에서 사용한 전극의 슬러리를 설계변수로 이용하였으며, 300 ㎛의 슬러리를 이용하여 제작한 전극이 구조전지 전극으로써 더 적합함을 확인하였다. 제작된 전극의 율속특성 실험에서는 최대 용량이 0.1C에서 약 112 mAh g-1의 준수한 성능을 보여주었으며, 10C의 높은 율속에서도 35 mAh g-1에서 36 mAh g-1의 용량을 확인할 수 있었다. 또한, 싸이클 특성에서는 500싸이클이 진행되는 동안 높은 쿨롱효율을 보였으며, 500번째 싸이클을 기준으로 0.82의 용량유지율을 나타내어 안정적인 장기수명특성이 있음을 보여주었다. 이와 같이 제작된 전극은 탄소섬유의 높은 비강도로 인하여 동일한 기계적 강도의 집전체를 사용하였을 때 전극의 중량을 감소시킬 수 있으며 기존 직조패턴을 유지한 상태이기 때문에 하중 지지에도 용이하다.
설계 부분에서는 복합재료의 적층구조를 이용한 바이폴라 구조전지를 제작하였다. 제작된 구조전지는 구조셀에 비해 유사한 비용량 하에서 28% 가량 높은 에너지밀도를 나타내어 효율적인 디자인임을 보여주었다. 또한 굽힘하중과 인장하중 하에 전기화학 특성을 통해 변형률이 높아질수록 성능이 감소함을 확인하였다. 하지만, 이러한 성능의 감소에도 구조전지가 파괴되지 않는 변형률에서는 전기화학적 특성이 있음을 확인하였으며 이는 LED나 미니 선풍기와 같은 전자기기가 구동 됨으로써 재확인할 수 있었다.
본 학위논문의 결론으로 기존 문헌과 비교하여, 전극 부분에서는 비용량과 용량유지율 측면에서 유리하고, 설계 부분에서는 에너지밀도를 증가시킬 수 있는 측면에서 유리함을 확인하였다. 또한 바인더 측면에서 구조전지를 개선하기 위해 진행했던 과정을 기술하였으며 그 외 보완이 필요한 부분은 기존 연구들을 참고하여 개선 방안을 제시하였다.
