본 연구는 이산화망간 나노구조를 기반으로 한 슈퍼커패시터 전극의 다양한 전기화학적 특성 향상을 위한 것이다. 슈퍼커패시터는 매우 빠른 충방전 속도를 갖고 전력밀도가 매우 크며, 사이클 수명이 길기 때문에 배터리를 대체할 에너지 저장 소자로 주목 받고 있다. 특히 그 중에서도 ...
본 연구는 이산화망간 나노구조를 기반으로 한 슈퍼커패시터 전극의 다양한 전기화학적 특성 향상을 위한 것이다. 슈퍼커패시터는 매우 빠른 충방전 속도를 갖고 전력밀도가 매우 크며, 사이클 수명이 길기 때문에 배터리를 대체할 에너지 저장 소자로 주목 받고 있다. 특히 그 중에서도 전이금속 산화물 및 전도성 고분자를 전극 활물질로 사용하는 의사커패시터는 우수한 비에너지밀도와 비정전용량을 갖는다. 여러 금속 산화물 중에서 이산화망간은 높은 이론적 비정전용량값을 가지며 친환경적이고 가격이 저렴하기 때문에 가장 유망한 재료 중 하나로 연구되고 있다. 이산화망간의 이론적 비정전용량 값은 1370 F/g에 달하지만 낮은 전기전도도로 인해 현재까지 보고된 값은 이론 값에 훨씬 못 미친다. 이러한 점에서 다양한 이산화망간 나노구조를 도입하여 정전 특성 향상을 꾀하였다. 파트 1에서는 전극의 표면적 증가를 통한 비정전용량 향상을 위해 콜로이드 나노 구체 리소그래피를 이용하여 2차원 나노구조화된 이산화망간 전극을 제조하였고, 그 전기화학적 특성을 조사하였다. 최대 714 F/g의 비 정전용량 값이 얻어졌으며 이는 단순한 나노와이어 구조 MnO2 전극의 556 F/g보다 큰 값이다. 그러나 이러한 나노구조 효과는 MnO2의 증착량이 작을 때에만 유효하며, MnO2 증착량이 늘어나 나노구조의 오목한 부분을 모두 덮은 이후에는 그 효과가 제한된다. 따라서 이 문제를 보완하기 위한 연구를 파트 2에서 진행하였다. 파트 2에서는 3차원으로 나노구조화된 니켈에 MnO2를 전기 증착 하여 전극을 제작하였다. 3차원 나노구조는 평면 또는 2차원 나노구조에 비해 전극 활물질과 전해질의 접촉면적이 크게 늘어났으며, 결과적으로 MnO2의 두께 증가에 따른 면적 당 정전용량의 포화나 비정전용량의 감소가 훨씬 더디게 진행되었다. 3차원 나노구조화된 이산화망간 전극의 전기화학적 특성을 조사하였으며, deconvolution 법을 통해 보다 정량적으로 정전요소를 분리하였다. 파트 3에서는 작동 전압 범위의 증가를 목표로 산화/환원 전위가 다른 산화철 및 이산화망간 나노 입자를 기반으로 한 하이브리드 전극을 제조하였다. 산화철/이산화망간 기반의 하이브리드 전극은 4500 W/kg의 출력 밀도에서 12.5 Wh/kg 의 향상된 에너지 밀도를 나타냈으며, 이는 산화철과 이산화망간 단일 전극의 값인 3.3 및 9.6 Wh/kg 보다 큰 값이다.
본 연구는 이산화망간 나노구조를 기반으로 한 슈퍼커패시터 전극의 다양한 전기화학적 특성 향상을 위한 것이다. 슈퍼커패시터는 매우 빠른 충방전 속도를 갖고 전력밀도가 매우 크며, 사이클 수명이 길기 때문에 배터리를 대체할 에너지 저장 소자로 주목 받고 있다. 특히 그 중에서도 전이금속 산화물 및 전도성 고분자를 전극 활물질로 사용하는 의사커패시터는 우수한 비에너지밀도와 비정전용량을 갖는다. 여러 금속 산화물 중에서 이산화망간은 높은 이론적 비정전용량값을 가지며 친환경적이고 가격이 저렴하기 때문에 가장 유망한 재료 중 하나로 연구되고 있다. 이산화망간의 이론적 비정전용량 값은 1370 F/g에 달하지만 낮은 전기전도도로 인해 현재까지 보고된 값은 이론 값에 훨씬 못 미친다. 이러한 점에서 다양한 이산화망간 나노구조를 도입하여 정전 특성 향상을 꾀하였다. 파트 1에서는 전극의 표면적 증가를 통한 비정전용량 향상을 위해 콜로이드 나노 구체 리소그래피를 이용하여 2차원 나노구조화된 이산화망간 전극을 제조하였고, 그 전기화학적 특성을 조사하였다. 최대 714 F/g의 비 정전용량 값이 얻어졌으며 이는 단순한 나노와이어 구조 MnO2 전극의 556 F/g보다 큰 값이다. 그러나 이러한 나노구조 효과는 MnO2의 증착량이 작을 때에만 유효하며, MnO2 증착량이 늘어나 나노구조의 오목한 부분을 모두 덮은 이후에는 그 효과가 제한된다. 따라서 이 문제를 보완하기 위한 연구를 파트 2에서 진행하였다. 파트 2에서는 3차원으로 나노구조화된 니켈에 MnO2를 전기 증착 하여 전극을 제작하였다. 3차원 나노구조는 평면 또는 2차원 나노구조에 비해 전극 활물질과 전해질의 접촉면적이 크게 늘어났으며, 결과적으로 MnO2의 두께 증가에 따른 면적 당 정전용량의 포화나 비정전용량의 감소가 훨씬 더디게 진행되었다. 3차원 나노구조화된 이산화망간 전극의 전기화학적 특성을 조사하였으며, deconvolution 법을 통해 보다 정량적으로 정전요소를 분리하였다. 파트 3에서는 작동 전압 범위의 증가를 목표로 산화/환원 전위가 다른 산화철 및 이산화망간 나노 입자를 기반으로 한 하이브리드 전극을 제조하였다. 산화철/이산화망간 기반의 하이브리드 전극은 4500 W/kg의 출력 밀도에서 12.5 Wh/kg 의 향상된 에너지 밀도를 나타냈으며, 이는 산화철과 이산화망간 단일 전극의 값인 3.3 및 9.6 Wh/kg 보다 큰 값이다.
This work has been conducted to improve various electrochemical properties of supercapacitor electrodes based on manganese dioxide (MnO2) nanostructures. Supercapacitors have received growing attention as an energy storage device to replace current batteries due to their ultrafast charge-discharge r...
This work has been conducted to improve various electrochemical properties of supercapacitor electrodes based on manganese dioxide (MnO2) nanostructures. Supercapacitors have received growing attention as an energy storage device to replace current batteries due to their ultrafast charge-discharge rate, high power density and long cycle life. In particular, pseudocapacitors using transition metal oxide and/or conducting polymer as an electrode active material have superior specific energy and specific capacitance, Csp, compared to currently used supercapacitors, so-called electrical double layer capacitors (EDLCs). Among various metal oxides, manganese oxide (MnO2) is considered one of the most promising materials due to its high theoretical Csp, environmentally friendly nature and low price. The theoretical Csp value of MnO2 electrode is known to be 1370F/g, but reported values are far below because of its poor electrical conductivity. In this context, we tried to enhance capacitive properties of MnO2 electrodes by introducing various types of MnO2 nanostructures. In part I, two-dimensionally (2D) and hierarchically nanostructured MnO2 electrodes were fabricated to enhance the Csp by increasing surface area of the electrode through the colloidal nanospheres lithography. A maximum Csp of 714 F/g was obtained, which was significantly larger than the Csp of 556 F/g observed for the MnO2 electrode with simple nanowire structure. However, this 2D nanostructure is only effective for small deposits of MnO2, and the capacitance enhancement was limited as the amount of MnO2 deposition increased and the concave part of the nanostructure was filled sufficiently. In this regard, another strategy to overcome this problem was developed, as described in part II. In part II, MnO2 thin films electrodeposited on three-dimensionally (3D) aligned nickel nanostructures were fabricated. Compared to planar or 2D-aligned nanostructures, 3D-aligned nanostructures can provide considerably increased and controllable contacts between the active material and electrolyte. As a result, saturation of the areal capacitance, and associated decrease of Csp with the thickness of MnO2 became much slower. In part III, the hybrid electrode based on Fe2O3 and MnO2 nanoparticles was fabricated, aiming for the extension of operating voltage window because the two metal oxides have different redox potential ranges. The hybrid Fe2O3/MnO2 based electrode exhibited improved energy density of 12.5 Wh/kg at a power density of 4500 W/kg, which was significantly larger than the values of the Fe2O3 single and MnO2 single electrode, 3.3 and 9.6 Wh/kg, respectively.
This work has been conducted to improve various electrochemical properties of supercapacitor electrodes based on manganese dioxide (MnO2) nanostructures. Supercapacitors have received growing attention as an energy storage device to replace current batteries due to their ultrafast charge-discharge rate, high power density and long cycle life. In particular, pseudocapacitors using transition metal oxide and/or conducting polymer as an electrode active material have superior specific energy and specific capacitance, Csp, compared to currently used supercapacitors, so-called electrical double layer capacitors (EDLCs). Among various metal oxides, manganese oxide (MnO2) is considered one of the most promising materials due to its high theoretical Csp, environmentally friendly nature and low price. The theoretical Csp value of MnO2 electrode is known to be 1370F/g, but reported values are far below because of its poor electrical conductivity. In this context, we tried to enhance capacitive properties of MnO2 electrodes by introducing various types of MnO2 nanostructures. In part I, two-dimensionally (2D) and hierarchically nanostructured MnO2 electrodes were fabricated to enhance the Csp by increasing surface area of the electrode through the colloidal nanospheres lithography. A maximum Csp of 714 F/g was obtained, which was significantly larger than the Csp of 556 F/g observed for the MnO2 electrode with simple nanowire structure. However, this 2D nanostructure is only effective for small deposits of MnO2, and the capacitance enhancement was limited as the amount of MnO2 deposition increased and the concave part of the nanostructure was filled sufficiently. In this regard, another strategy to overcome this problem was developed, as described in part II. In part II, MnO2 thin films electrodeposited on three-dimensionally (3D) aligned nickel nanostructures were fabricated. Compared to planar or 2D-aligned nanostructures, 3D-aligned nanostructures can provide considerably increased and controllable contacts between the active material and electrolyte. As a result, saturation of the areal capacitance, and associated decrease of Csp with the thickness of MnO2 became much slower. In part III, the hybrid electrode based on Fe2O3 and MnO2 nanoparticles was fabricated, aiming for the extension of operating voltage window because the two metal oxides have different redox potential ranges. The hybrid Fe2O3/MnO2 based electrode exhibited improved energy density of 12.5 Wh/kg at a power density of 4500 W/kg, which was significantly larger than the values of the Fe2O3 single and MnO2 single electrode, 3.3 and 9.6 Wh/kg, respectively.
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