최근 탄소나노복합체는 환경적 한계, 비용절감, 높은 비표면적 및 뛰어난 전기적 특성으로 에너지 저장 장치에서 효과적인 전극 재료로 널리 연구 되어지고 있다. 본 논문에서는 슈퍼커패시터 응용을 위한 유연성 및 다공성이 우수한 탄소섬유복합체 기반의 전극을 간단한 전기방사법, 안정화/탄화공정, 표면개질 단계를 통해 제조하였다. 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile(PAN)), PAN공중합체 (acrylonitrile-co-itaconic acid (poly(AN-IA)), (acrylonitrile-co-crotonic acid (poly(AN-CA)), (acrylonitrile-co-itaconic acid-co-crotonic acid (poly(AN-IA-CA) copolymers) 및 바이오매스(...
최근 탄소나노복합체는 환경적 한계, 비용절감, 높은 비표면적 및 뛰어난 전기적 특성으로 에너지 저장 장치에서 효과적인 전극 재료로 널리 연구 되어지고 있다. 본 논문에서는 슈퍼커패시터 응용을 위한 유연성 및 다공성이 우수한 탄소섬유복합체 기반의 전극을 간단한 전기방사법, 안정화/탄화공정, 표면개질 단계를 통해 제조하였다. 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile(PAN)), PAN공중합체 (acrylonitrile-co-itaconic acid (poly(AN-IA)), (acrylonitrile-co-crotonic acid (poly(AN-CA)), (acrylonitrile-co-itaconic acid-co-crotonic acid (poly(AN-IA-CA) copolymers) 및 바이오매스(kenaf, lignin) 기반의 탄소 재료로 안정화 및 탄화 단계를 통해 유연한 탄소 섬유를 제조하였다. 또한, 케나프(kenaf)기반의 다공성 탄소 재료는 탄화공정을 통해 두 종류 (kenaf stem 과 NaOH retting kenaf)로 얻어졌다. 중합에 의해 합성된 섬유상의 PANi는 KPCs 조직 표면 위에 균일하게 형성되었다. 두 종류의 PANi가 증착된 KPC 복합체는 2000사이클 이후에도 뛰어난 사이클 안정성을 보였다. PANi 중합 기술은 간단하면서도 저렴하며, 시간효율적이라는 장점을 가지므로 에너지저장장치를 위한 전극물질로서 유망하다. 게다가, 본 연구에서는 NiCo2O4 나노구조가 증착된 CNF를 제조했다. 먼저, lignin의 함유량에 따라 PAN/lignin 기반의 CNFs (PAN/lignin CNFs)를 전기방사, 안정화 및 탄화공정에 의해 제조하였다. 그 후, 무독성의 간단한 수열합성법에 의해 CNF 표면에 NiCo2O4를 증착시켰다. CNF 표면 위에 나노시트, 나노니들과 같은 독특한 구조의 NiCo2O4가 코팅되었다. 결과적으로, lignin 가 50% 함유된 NiCo2O4-CNFs(NiCo2O4@CNF55) 전극은 전류밀도 2 mA cm-2에서 1757 F g-1 의 높은 비정전용량을 가지며, 7 mA cm-2의 전류밀도에서 5000 사이클 이후에도 약 138%의 훌륭한 유지율을 보였다. 또한, 앞서 제조된NiCo2O4 나노구조로 표면개질된 PAN 기반 탄소나노섬유(NiCo2O4@CNF55)와 N-도핑된 그래핀 산화물 (N-doped graphene oxide, N-rGO)를 실제 응용을 위해 비대칭 슈퍼커패시터 디바이스를 조립하여 성능을 평가, 분석하였다. NiCo2O4@CNF55//N-rGO 비대칭 슈퍼커패시터는 전류밀도 1 A g-1 에서 134.3 F g-1의 비정전용량을 가지며, 전력밀도 799.53 W kg-1 , 최대 에너지 밀도 47.75 Wh kg-1의 성능을 보였다. 바이오매스 기반의 탄소나노복합체가 주제인 본 논문은 PANi 와 NiCo2O4 나노구조의 증착을 위한 효과적인 지지재를 제공한다. 이러한 지지재는 슈퍼커패시터의 전기화학 특성을 개선하고 중량을 상당히 줄일 수 있는 장점이 있다. 결과적으로, 제조된 NiCo2O4@CNFs//N-rGO 고체상 비대칭 슈퍼커패시터는 우수한 에너지 밀도 및 전력 밀도를 보였다.
최근 탄소나노복합체는 환경적 한계, 비용절감, 높은 비표면적 및 뛰어난 전기적 특성으로 에너지 저장 장치에서 효과적인 전극 재료로 널리 연구 되어지고 있다. 본 논문에서는 슈퍼커패시터 응용을 위한 유연성 및 다공성이 우수한 탄소섬유복합체 기반의 전극을 간단한 전기방사법, 안정화/탄화공정, 표면개질 단계를 통해 제조하였다. 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile(PAN)), PAN공중합체 (acrylonitrile-co-itaconic acid (poly(AN-IA)), (acrylonitrile-co-crotonic acid (poly(AN-CA)), (acrylonitrile-co-itaconic acid-co-crotonic acid (poly(AN-IA-CA) copolymers) 및 바이오매스(kenaf, lignin) 기반의 탄소 재료로 안정화 및 탄화 단계를 통해 유연한 탄소 섬유를 제조하였다. 또한, 케나프(kenaf)기반의 다공성 탄소 재료는 탄화공정을 통해 두 종류 (kenaf stem 과 NaOH retting kenaf)로 얻어졌다. 중합에 의해 합성된 섬유상의 PANi는 KPCs 조직 표면 위에 균일하게 형성되었다. 두 종류의 PANi가 증착된 KPC 복합체는 2000사이클 이후에도 뛰어난 사이클 안정성을 보였다. PANi 중합 기술은 간단하면서도 저렴하며, 시간효율적이라는 장점을 가지므로 에너지저장장치를 위한 전극물질로서 유망하다. 게다가, 본 연구에서는 NiCo2O4 나노구조가 증착된 CNF를 제조했다. 먼저, lignin의 함유량에 따라 PAN/lignin 기반의 CNFs (PAN/lignin CNFs)를 전기방사, 안정화 및 탄화공정에 의해 제조하였다. 그 후, 무독성의 간단한 수열합성법에 의해 CNF 표면에 NiCo2O4를 증착시켰다. CNF 표면 위에 나노시트, 나노니들과 같은 독특한 구조의 NiCo2O4가 코팅되었다. 결과적으로, lignin 가 50% 함유된 NiCo2O4-CNFs(NiCo2O4@CNF55) 전극은 전류밀도 2 mA cm-2에서 1757 F g-1 의 높은 비정전용량을 가지며, 7 mA cm-2의 전류밀도에서 5000 사이클 이후에도 약 138%의 훌륭한 유지율을 보였다. 또한, 앞서 제조된NiCo2O4 나노구조로 표면개질된 PAN 기반 탄소나노섬유(NiCo2O4@CNF55)와 N-도핑된 그래핀 산화물 (N-doped graphene oxide, N-rGO)를 실제 응용을 위해 비대칭 슈퍼커패시터 디바이스를 조립하여 성능을 평가, 분석하였다. NiCo2O4@CNF55//N-rGO 비대칭 슈퍼커패시터는 전류밀도 1 A g-1 에서 134.3 F g-1의 비정전용량을 가지며, 전력밀도 799.53 W kg-1 , 최대 에너지 밀도 47.75 Wh kg-1의 성능을 보였다. 바이오매스 기반의 탄소나노복합체가 주제인 본 논문은 PANi 와 NiCo2O4 나노구조의 증착을 위한 효과적인 지지재를 제공한다. 이러한 지지재는 슈퍼커패시터의 전기화학 특성을 개선하고 중량을 상당히 줄일 수 있는 장점이 있다. 결과적으로, 제조된 NiCo2O4@CNFs//N-rGO 고체상 비대칭 슈퍼커패시터는 우수한 에너지 밀도 및 전력 밀도를 보였다.
In recent decades, biomass-derived nanostructured carbon electrodes for supercapacitors have been widely investigated due to their environmental stability, low-cost, high specific surface area, and excellent electrical properties. This dissertation introduces the preparation and characterization of ...
In recent decades, biomass-derived nanostructured carbon electrodes for supercapacitors have been widely investigated due to their environmental stability, low-cost, high specific surface area, and excellent electrical properties. This dissertation introduces the preparation and characterization of three different types of carbon-based electrodes for supercapacitor applications by facile techniques, such as electrospinning, carbonization, in situ polymerization, and hydrothermal. Carbon nanofiber (CNF) mats were prepared from new precursors, poly (acrylonitrile-co-itaconic acid) (poly (AN-IA)), poly (acrylonitrile-co-crotonic acid) (poly (AN-CA)), and poly (acrylonitrile-co-itaconic acid-co-crotonic acid) (poly (AN-IA-CA)) copolymers. Flexible polyaniline (PANi) decorated CNF (PANi/CNF) hybrid electrodes from new carbon fiber precursors were fabricated successfully. The homogeneous growth of PANi nanoparticles (NPs) on CNF mats was achieved by an in situ polymerization technique. Interestingly, the electrochemical behaviors of PANi/CNF prepared from poly(AN-IA) was relatively higher than other two electrodes. Besides, kenaf-derived porous carbons (KPCs) were obtained by carbonization of two different kinds of kenafs (kenaf stem and NaOH retting kenaf). The fibrous PANi was synthesized by in situ polymerization, the PANi was uniformly formed as fibrous structures on the surface of the networks of KPCs. Two different PANi decorated KPC composites exhibited outstanding cyclic stability after 2000 cycles. The technique of in situ polymerization of PANi is a facile, low-cost, time-efficient, and promising approach to make electrodes for energy storage devices. In addition, we fabricated nanostructured binary NiCo2O4 decorated CNFs. Polyacrylonitrile (PAN)/lignin based CNFs (PAN/lignin CNFs) with different contents of lignin were prepared by electrospinning, stabilization, and carbonization. Afterwards, the NiCo2O4 were deposited on the surface of CNFs by a facile hydrothermal method without any toxic reagents. Remarkably, unique nanostructured NiCo2O4, such as nanosheets, nanoneedles were coated on the surface of CNFs. The obtained flexible NiCo2O4-decorated CNFs with 50% lignin (NiCo2O4@CNF55) electrode exhibited high specific capacitance up to 1757 F g-1 at a current density of 2 mA cm-2 and excellent cyclability around 138% capacitance retention after 5000 cycles at a current density of 7 mA cm-2, suggesting lower internal resistance and higher electrochemical reversibility. Moreover, the practical application of as-fabricated NiCo2O4@CNF electrodes was evaluated by assembling NiCo2O4@CNFs//N-rGO asymmetric supercapacitor devices using NiCo2O4@CNF as the positive and N-doped reduced graphene oxide (N-rGO) as the negative electrode with PVA-KOH gel electrolyte. The NiCo2O4@CNF55//N-rGO asymmetric supercapacitor device exhibited a specific capacitance of 134.3 F g-1 at a current density of 1 A g-1, and achieved a maximum energy density of 47.75 Wh kg-1 with a power density of 799.53 W kg-1. The biomass-derived carbon nanocomposites prepared in this dissertation provided an effective supporting material for the decoration of PANi and NiCo2O4 nanostructures, which could considerably reduce the weight and improve the electrochemical performance of supercapacitor devices. Significantly, the as-fabricated NiCo2O4@CNFs//N-rGO solid state asymmetric supercapacitor device exhibited a high specific capacitance and possesses brilliant energy density and power density.
In recent decades, biomass-derived nanostructured carbon electrodes for supercapacitors have been widely investigated due to their environmental stability, low-cost, high specific surface area, and excellent electrical properties. This dissertation introduces the preparation and characterization of three different types of carbon-based electrodes for supercapacitor applications by facile techniques, such as electrospinning, carbonization, in situ polymerization, and hydrothermal. Carbon nanofiber (CNF) mats were prepared from new precursors, poly (acrylonitrile-co-itaconic acid) (poly (AN-IA)), poly (acrylonitrile-co-crotonic acid) (poly (AN-CA)), and poly (acrylonitrile-co-itaconic acid-co-crotonic acid) (poly (AN-IA-CA)) copolymers. Flexible polyaniline (PANi) decorated CNF (PANi/CNF) hybrid electrodes from new carbon fiber precursors were fabricated successfully. The homogeneous growth of PANi nanoparticles (NPs) on CNF mats was achieved by an in situ polymerization technique. Interestingly, the electrochemical behaviors of PANi/CNF prepared from poly(AN-IA) was relatively higher than other two electrodes. Besides, kenaf-derived porous carbons (KPCs) were obtained by carbonization of two different kinds of kenafs (kenaf stem and NaOH retting kenaf). The fibrous PANi was synthesized by in situ polymerization, the PANi was uniformly formed as fibrous structures on the surface of the networks of KPCs. Two different PANi decorated KPC composites exhibited outstanding cyclic stability after 2000 cycles. The technique of in situ polymerization of PANi is a facile, low-cost, time-efficient, and promising approach to make electrodes for energy storage devices. In addition, we fabricated nanostructured binary NiCo2O4 decorated CNFs. Polyacrylonitrile (PAN)/lignin based CNFs (PAN/lignin CNFs) with different contents of lignin were prepared by electrospinning, stabilization, and carbonization. Afterwards, the NiCo2O4 were deposited on the surface of CNFs by a facile hydrothermal method without any toxic reagents. Remarkably, unique nanostructured NiCo2O4, such as nanosheets, nanoneedles were coated on the surface of CNFs. The obtained flexible NiCo2O4-decorated CNFs with 50% lignin (NiCo2O4@CNF55) electrode exhibited high specific capacitance up to 1757 F g-1 at a current density of 2 mA cm-2 and excellent cyclability around 138% capacitance retention after 5000 cycles at a current density of 7 mA cm-2, suggesting lower internal resistance and higher electrochemical reversibility. Moreover, the practical application of as-fabricated NiCo2O4@CNF electrodes was evaluated by assembling NiCo2O4@CNFs//N-rGO asymmetric supercapacitor devices using NiCo2O4@CNF as the positive and N-doped reduced graphene oxide (N-rGO) as the negative electrode with PVA-KOH gel electrolyte. The NiCo2O4@CNF55//N-rGO asymmetric supercapacitor device exhibited a specific capacitance of 134.3 F g-1 at a current density of 1 A g-1, and achieved a maximum energy density of 47.75 Wh kg-1 with a power density of 799.53 W kg-1. The biomass-derived carbon nanocomposites prepared in this dissertation provided an effective supporting material for the decoration of PANi and NiCo2O4 nanostructures, which could considerably reduce the weight and improve the electrochemical performance of supercapacitor devices. Significantly, the as-fabricated NiCo2O4@CNFs//N-rGO solid state asymmetric supercapacitor device exhibited a high specific capacitance and possesses brilliant energy density and power density.
주제어
#Electrospinning carbon nanofibers biomass porous carbon nanocomposites PANi NiCo2O4 supercapacitors energy storage devices 전기방사 탄소나노섬유 바이오매스 다공성 탄소 나노복합체 슈퍼커패시터 에너지 저장 장치
학위논문 정보
저자
뇌단운
학위수여기관
전북대학교 일반대학원
학위구분
국내박사
학과
BIN 융합공학과
지도교수
김병석
발행연도
2018
총페이지
xv, 134 p.
키워드
Electrospinning carbon nanofibers biomass porous carbon nanocomposites PANi NiCo2O4 supercapacitors energy storage devices 전기방사 탄소나노섬유 바이오매스 다공성 탄소 나노복합체 슈퍼커패시터 에너지 저장 장치
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