본 연구에서는 활성화제인 CO2를 이용하여 물리적 활성화를 통해 고분자 기반의 하드카본으로부터 활성탄소(activated polymer-based hard carbon using CO2 activation, APHC)를 제조하였다. 그리고 CO2활성화의 온도 및 시간의 변수가 APHC의 표면 및 기공특성에 어떠한 영향을 미치는지, 또한 APHC의 기공특성에 따른 전기화학적 분석방법에 대하여 고찰하였다. 제조한 APHC의 ...
본 연구에서는 활성화제인 CO2를 이용하여 물리적 활성화를 통해 고분자 기반의 하드카본으로부터 활성탄소(activated polymer-based hard carbon using CO2 activation, APHC)를 제조하였다. 그리고 CO2활성화의 온도 및 시간의 변수가 APHC의 표면 및 기공특성에 어떠한 영향을 미치는지, 또한 APHC의 기공특성에 따른 전기화학적 분석방법에 대하여 고찰하였다. 제조한 APHC의 표면특성은 FE-TEM, SAED, 그리고 XRD를 통해 각각 관찰하였고, 기공특성은 N2/77K 등온흡착을 이용하여 비표면적, 미세기공 및 중기공 부피, 그리고 기공크기분포도에 대한 분석결과를 측정하였다. 전기화학적 특성은 GCD, CV, 그리고 EIS를 통해 4종류의 다양한 전해질을 사용하였을 때, 전극에서 발생되는 비용량, 이온의 흡/탈착 특성, 그리고 전극의 내/외부에서 발생되는 다양한 저항을 측정하였다. 본 실험 결과, CO2의 침투에 의해 미세기공과 중기공이 발달된 APHC가 제조되었으며, 활성화 온도와 시간이 증가할수록 비표면적과 미세기공, 그리고 중기공 부피는 증가하였다. 제조된 APHC중 높은 미세기공 및 중기공 부피를 갖는 APHC-10-40과 APHC-10-50은 기공구조 및 전기화학적 성능 사이의 상관관계에 대한 특성이 관찰되었다. APHC-10-40의 경우, APHC중 가장 높은 미세기공 부피를 함유하고 있으나, APHC-10-50은 높은 미세기공 및 가장 높은 중기공 부피가 함유되어 있었다. 전기화학적 분석에서는, 분석된 유기전해질 중 가장 큰 이온 클러스터 크기를 갖는 1 M TEABF4 in PC전해질에서 이온흡착 실험이 진행되었고, APHC-10-40보다 APHC-10-50에서 비교적 높은 비 용량 값이 확인되었다. APHC-10-40은 많은 미세기공을 함유하고 있으나, APHC-10-50은 많은 미세기공 및 원활한 이온흡착을 도와주는 중기공의 존재로 인하여 평균 기공크기의 증가 및 전해질이나 APHC에서 발생되는 낮은 저항의 이유로 고 비용량에 영향을 주는 것이 확인되었다.
본 연구에서는 활성화제인 CO2를 이용하여 물리적 활성화를 통해 고분자 기반의 하드카본으로부터 활성탄소(activated polymer-based hard carbon using CO2 activation, APHC)를 제조하였다. 그리고 CO2활성화의 온도 및 시간의 변수가 APHC의 표면 및 기공특성에 어떠한 영향을 미치는지, 또한 APHC의 기공특성에 따른 전기화학적 분석방법에 대하여 고찰하였다. 제조한 APHC의 표면특성은 FE-TEM, SAED, 그리고 XRD를 통해 각각 관찰하였고, 기공특성은 N2/77K 등온흡착을 이용하여 비표면적, 미세기공 및 중기공 부피, 그리고 기공크기분포도에 대한 분석결과를 측정하였다. 전기화학적 특성은 GCD, CV, 그리고 EIS를 통해 4종류의 다양한 전해질을 사용하였을 때, 전극에서 발생되는 비용량, 이온의 흡/탈착 특성, 그리고 전극의 내/외부에서 발생되는 다양한 저항을 측정하였다. 본 실험 결과, CO2의 침투에 의해 미세기공과 중기공이 발달된 APHC가 제조되었으며, 활성화 온도와 시간이 증가할수록 비표면적과 미세기공, 그리고 중기공 부피는 증가하였다. 제조된 APHC중 높은 미세기공 및 중기공 부피를 갖는 APHC-10-40과 APHC-10-50은 기공구조 및 전기화학적 성능 사이의 상관관계에 대한 특성이 관찰되었다. APHC-10-40의 경우, APHC중 가장 높은 미세기공 부피를 함유하고 있으나, APHC-10-50은 높은 미세기공 및 가장 높은 중기공 부피가 함유되어 있었다. 전기화학적 분석에서는, 분석된 유기전해질 중 가장 큰 이온 클러스터 크기를 갖는 1 M TEABF4 in PC전해질에서 이온흡착 실험이 진행되었고, APHC-10-40보다 APHC-10-50에서 비교적 높은 비 용량 값이 확인되었다. APHC-10-40은 많은 미세기공을 함유하고 있으나, APHC-10-50은 많은 미세기공 및 원활한 이온흡착을 도와주는 중기공의 존재로 인하여 평균 기공크기의 증가 및 전해질이나 APHC에서 발생되는 낮은 저항의 이유로 고 비용량에 영향을 주는 것이 확인되었다.
This study examined the influence of CO2 activation on pore characteristics and crystalline structures in the preparation of activated polymer-based hard carbons (APHCs). Then electrochemical properties of APHC-applied electrodes were measured for application to electric double-layer capacitors (EDL...
This study examined the influence of CO2 activation on pore characteristics and crystalline structures in the preparation of activated polymer-based hard carbons (APHCs). Then electrochemical properties of APHC-applied electrodes were measured for application to electric double-layer capacitors (EDLCs). The APHCs were prepared under different conditions of activation temperature and time. Changes in pore characteristics (specific surface area, total pore volume, mesopore volume) under varying conditions were analyzed based on the adsorption isotherm (N2/77K). APHCs which were activated at 1000ºC for 40 and 50 min showed good textural properties (specific surface area: 2440 and 2210 m2/g, mesopore fraction: 43.5 and 63.1%, respectively). X-ray diffraction (XRD) was employed to calculate the interplanar distance of crystalline structures, crystal size, and crystal diameter. The interplanar distance of the (002) peak, crystal size, and crystal diameter varied in the range of 3.46~3.59, 9.40~8.98, and 29.87~35.81 Å, respectively. These characteristics can be seen to be the favorable pore structure of APHC for ion adsorption in the electrolyte. Electrochemical techniques were used to assess the capacitive behaviors and rate performance of the APHCs in various electrolytes. The specific capacitance of the APHCs showed different results depending on the electrolytes used. APHC-10-50, which was activated at 1000ºC for 50 min showed 117 F/g of specific capacitance in propylene carbonate (PC), but only 106 F/g in acetonitrile (AcN), which turned out to be very different from APHC-10-40 (77 F/g in PC and 120 F/g in AcN). Although APHC-10-50 showed a smaller specific surface area than APHC-10-40, it exhibited a high mesopore fraction with pore size optimal for PC electrolyte, which indicates larger ions and clusters than AcN does. This can lead to a relatively higher specific capacitance of APHC-10-50 in PC electrolyte than APHC-10-40 due to the high mesopore fraction.
This study examined the influence of CO2 activation on pore characteristics and crystalline structures in the preparation of activated polymer-based hard carbons (APHCs). Then electrochemical properties of APHC-applied electrodes were measured for application to electric double-layer capacitors (EDLCs). The APHCs were prepared under different conditions of activation temperature and time. Changes in pore characteristics (specific surface area, total pore volume, mesopore volume) under varying conditions were analyzed based on the adsorption isotherm (N2/77K). APHCs which were activated at 1000ºC for 40 and 50 min showed good textural properties (specific surface area: 2440 and 2210 m2/g, mesopore fraction: 43.5 and 63.1%, respectively). X-ray diffraction (XRD) was employed to calculate the interplanar distance of crystalline structures, crystal size, and crystal diameter. The interplanar distance of the (002) peak, crystal size, and crystal diameter varied in the range of 3.46~3.59, 9.40~8.98, and 29.87~35.81 Å, respectively. These characteristics can be seen to be the favorable pore structure of APHC for ion adsorption in the electrolyte. Electrochemical techniques were used to assess the capacitive behaviors and rate performance of the APHCs in various electrolytes. The specific capacitance of the APHCs showed different results depending on the electrolytes used. APHC-10-50, which was activated at 1000ºC for 50 min showed 117 F/g of specific capacitance in propylene carbonate (PC), but only 106 F/g in acetonitrile (AcN), which turned out to be very different from APHC-10-40 (77 F/g in PC and 120 F/g in AcN). Although APHC-10-50 showed a smaller specific surface area than APHC-10-40, it exhibited a high mesopore fraction with pore size optimal for PC electrolyte, which indicates larger ions and clusters than AcN does. This can lead to a relatively higher specific capacitance of APHC-10-50 in PC electrolyte than APHC-10-40 due to the high mesopore fraction.
주제어
#Electric double layer capacitor (EDLC) hard carbon (HC) electrochemical technique 하드카본 결정구조 물리적 활성화 전기화학적 측정 전기 이중층 커패시터 (EDLC)
학위논문 정보
저자
백진
학위수여기관
전북대학교 일반대학원
학위구분
국내석사
학과
반도체·화학공학부(화학공학 전공)
지도교수
신형식
발행연도
2018
총페이지
vi, 49 p.
키워드
Electric double layer capacitor (EDLC) hard carbon (HC) electrochemical technique 하드카본 결정구조 물리적 활성화 전기화학적 측정 전기 이중층 커패시터 (EDLC)
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