[논문]Supercapacitor용 도전성 고분자의 전기화학적 특성

강광우; 김종욱; 김명산; 구할본; 김형곤

문제 정의

특히, 도전성 고분자의 산화 · 환원 반응에 의한 전기량과 이중층에 저장되는 전기량으로 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다. 본 연구에서는 고에너지 밀도 및 긴 수명의 supercapacitor용 전극을 개발하기 위하여 전극의 기본 물질로 도전성 고분자인 poly aniline(PAn)을 화학 중합으로 합성하고, 여기에 카본 블랙의 일종인 acetylene black[5]을 혼합하여 PAn composite 전극을 제조하였다. PAn 과 PAn composite를 전극 활물질로 이용하여 전기화학적 특성, 임피던스 특성, 충방전 특성 및 싸이클 수명 등을 연구하였다.
본 논문에서는 도전성 고분자인 PAn에 acetylene black을 composite한 전극을 제조하여 1M LiClO₄/PC와 함께 cell을 구성하고, 전기화학적인 특성을 연구한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

본 연구에서는 고에너지 밀도 및 긴 수명의 supercapacitor용 전극을 개발하기 위하여 전극의 기본 물질로 도전성 고분자인 poly aniline(PAn)을 화학 중합으로 합성하고, 여기에 카본 블랙의 일종인 acetylene black[5]을 혼합하여 PAn composite 전극을 제조하였다. PAn 과 PAn composite를 전극 활물질로 이용하여 전기화학적 특성, 임피던스 특성, 충방전 특성 및 싸이클 수명 등을 연구하였다.
전극 활물질인 PAn composite 전극은 PAn에 acetylene black을 각각 15, 20, 25, 30, 40, 50wt%를 첨가하여 제조하였다. 결합제로 테프론을 5wt% 혼합하여 유발에서 균일하게 혼합한 다음, 1cm²의 Ni-mesh에 300kgf/cm²의 압력으로 압착하여 제조하였다.
PAn과 PAn composite 전극을 각각 유기 전해액인 1M LiClO₄/PC를 사용하여 cell을 구성한 후 전기화학적 특성을 조사하였다. Cyclic voltaiTime-try 는 -4V~4V의 전압 영역에서 20mV/sec의 scan rate로 하였다.
충방전 살험은 0~4V 전압 영역에서 1mA/cm²의 전류 밀도로 하였다. 또한, 충방전시 supercapacitor cell 내부에서 발생하는 반응에 의한 저항 변화를 조사하기 위해 임피던스를 측정하였다. 측정에 사용된 장비는 Zalmer Electrik의 IM6 Impedance measurement system으로 교류전압의 진폭은 10mVrms였고, 주파수는 2MHz~10mHz로 변화시켰다.
PAn composite 전극의 cyclic voltammogram을 나타낸다. PAn과 PAn composite 전극으로 구성한 cell 모두 일정한 전압 영역에서 발생하는 산화 · 환원 피크를 확인하였다. 즉, PAn 전극은 2.
그림 5의 충방전 곡선은 싸이클이 진행됨에 따라 선형에 가까운 안정적인 특성을 보였다. 또한, 빠른 충방전 특성을 보이는 전형적인 supercapacitor의 충방전 곡선을 확인하였다. 그림 6은 충방전시 cell 내부의 계면 특성과 저항 변화를 보여주는 임피던스를 측정한 결과이다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 도전성 고분자는 음이온 도핑이 가능한 FAn으로 화학 중합법으로 합성하였다. 즉, 1M HC1 수용액과 0.

성능/효과

이것은 PAn이 일정한 전압 범위에서 음이온 도핑에 의한 산화 · 환원 반응을 보이기 때문이다[9]. 또한, PAn 분말에 카본 블랙인 acetylene black을 첨가하였을 때 전기량이 크게 증가함을 볼 수 있다. 이것은 acetylene black을 첨가함으로서 cell의 내부 저항이 감소되었기 때문으로 판단된다.
것이다. 충방전 곡선은 선형에 가까운 특성을 보이고 있으며, 충전과 방전이 빠르게 이루어지는 전형적인 캐패시터의 충방전 특성을 보였다. 그림 3은 PAn 전극으로 구성한 cell의 방전 전기량을 나타낸 것이다.
결국, PAn을 전극 활물질로 사용하는 것보다는 PAn에 acetylene black을 composite함으로서 방전 전기량을 약 6.6배 증가시킬 수 있었으며, 싸이클 특성 또한 우수하였다.
Cell의 초기 저항은 40Ω으로 작았지만, 50싸이클에서는 55Ω으로 증가함과 동시에 전극 성분은 2개의 반원으로 분리되어 나타났다. 이러한 반원의 분리 현상으로 PAn에 acetylene black을 composite한 전극 내부에서는 전기이중층과 전자의 이동에 의한 산화 · 환원 반응이 동시에 발생된다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 충방전에 따른 cell의 저항 변화는 전해질 저항보다 전극 내부의 저항 성분 변화에 의한 것으로 판단된다.
Cell은 PAn에 acetylene black을 30wt% composite한 전극으로 구성하였으며, 2mA/cm²의 전류 밀도를 인가하였다. 충방전 효율은 싸이클의 진행에 따라 안정적인 특성을 보이면서 100%에 가까운 우수한 특성을 보였다.
이러한 결과로서, PAn을 supercapacitor용 전극으로 사용하는 것보다 PAn에 acetylene black을 composite한 전극이 우수한 특성을 보였다. 특히, acetylene black을 30wt% composite한 전극으로 구성한 cell에서 가장 우수한 충방전 특성과 높은 전기량을 보였다.
특히, acetylene black을 30wt% composite한 전극으로 구성한 cell에서 가장 우수한 충방전 특성과 높은 전기량을 보였다.
1) PAn에 카본 블랙인 acetylene black을 첨가한 경우 전반적으로 PAn 전극보다 우수한 방전 전기량을 나타내었다. 첨가량이 30wt% 일 때가 가장 우수한 방전 전기량(31F/g)을 나타내었다.
2) PAn에 카본 블랙인 acetylene black을 30wt% 첨가한 PAn composite 전극의 방전 전기량은 31F/g으로 PAn 전극(4.7F/g)보다 약 6.6배 증가하였다.
3) PAn composite 전극은 빠른 충방전 특성으로 0~4V의 전압영역에서 사용 가능하며 또한, 자기방전 특성은 2V에서 일정하게 유지하는 우수한 특성을 나타내었다.
4) 임피던스를 측정한 결과 50번째 싸이클에서의 cell 내부저항은 55Ω으로 초기 싸이클보다 15Ω정도 증가하였다.
이상과 같은 결론에서 순수한 PAn 보다는 PAn에 acetylene black을 composite함으로서 높은 전기량과 안정적인 충방전 특성을 나타냈다. 따라서, 4V급의 supercapacitor용 전원으로 PAn에 acetylene black을 30wt% composite한 전극이 응용 가능함을 제시할 수 있다.
그림 3은 PAn 전극으로 구성한 cell의 방전 전기량을 나타낸 것이다. 첫번째 싸이클의 전기량은 전극당 4.3F/g이었으며, 7번째 싸이클에서 5.3F/g으로 다소 증가하여 싸이클의 진행과 함께 서서히 감소하여 50번째 싸이클에서 4.7F/g을 보이는 안정적인 싸이클 특성을 보였다. 이것은 전극 활물질로 사용되는 PAn이 전기하학적으로 안정화 되있기 때문으로 판단된다.

후속연구

따라서, 4V급의 supercapacitor용 전원으로 PAn에 acetylene black을 30wt% composite한 전극이 응용 가능함을 제시할 수 있다.

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