The use of supercapacitors in a battery system could be a solution to eliminate the need for short-term frequent replacement of batteries and to reduce size, resources and maintenance fees during frequency regulation (F/R) of a power grid. Furthermore, the electrochemical properties of graphene are different from those of commercial active carbon and still need additional verification in order to be applied to large-scale electrodes. In this study, we used spray-dry processed 3D crumpled graphene in order to improve energy density, which is directly connected to both the performance and the inhibition of electrode active-material restacking. We evaluated the charge/discharge electro chemical performance of graphene electrodes under various process conditions for the purpose of designing a proper electrode composition and electrolyte. As a result, the power density of graphene electrodes could be maintained between 17 kW/kg and 26 kW/kg by decreasing the binder content from 10 wt% to 5 wt%. In addition, the electrical capacity per volume was increased to 500% by using a 2-roll press, and the power density was confirmed to have been improved by more than 370% when SBPBF4 was used instead of TEABF4. Finally, we suggest an efficient process for the manufacture of large-scale electrodes. This process will allow entire of the capacitance and the electrochemical stability of a graphene supercapacitor.

Keywords: ESS, Supercapacitor, Graphene, Capacitance, Electrode

전력계통 주파수 조정 적용에 있어서 슈퍼커패시터 활용은 배터리의 단주기 출력운전을 담당함으로서 기존 용량을 담당하는 리튬 배터리의 설치규모와 양, 유지보수 비용을 크게 줄일 수 있는 대안으로 알려져 있다. 한편, 여전히 그래핀은 기존 상용 활성탄과 전기화학 특성이 달라 대면적 에너지 전극으로 사용하기에 여러 가지 전극 구성에 대한 추가 검증이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 슈퍼커패시터 성능에 직결되는 그래핀 전극의 에너지밀도를 향상시키고, 전극 제조공정에서 다시 재적층되는 것을 방지하기 위하여 스프레이 건조를 거친 3차원 구겨진 그래핀을 이용하였다. 또한 대면적 그래핀 전극에 적합한 구성 물질 및 전해액을 설계하기 위해 다양한 공정조건에 따른 충방전 성능을 평가하였다. 결과적으로 그래핀 전극은 바인더 함량이 10 wt%에서부터 5 wt% 변화함에 따라 출력밀도가 17 kW/kg에서 26 kW/kg으로 제어됨을 확인할 수 있었다. 또한 2-롤 프레스를 이용하여 동일 부피당 전기 용량을 500% 까지 증가시킬 수 있었으며 TEABF4 전해질을 사용 했을 때보다 SBPBF4를 사용하였을 때 출력 밀도가 370% 이상 향상됨을 확인 할 수 있었다. 최종적으로 전기화학적 안정성과 용량을 효율적으로 제어할 수 있는 대면적 그래핀 전극 제조 방법에 대해 제안 하였다.

Keywords: 에너지저장시스템, 슈퍼커패시터, 그래핀, 용량, 전극