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하이드로겔 고분자 전해질이 코팅된 술폰화 폴리프로필렌 격리막을 포함하는 활성탄 수퍼커패시터 특성
Electrochemical Properties of Activated Carbon Supecapacitor Containing Sulfonated Polypropylene Separator Coated with a Hydrogel Polymer Electrolyte 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.52 no.5, 2014년, pp.553 - 557  

윤충섭 (한밭대학교 화학생명공학과) ,  고장면 (한밭대학교 화학생명공학과) ,  모하메드 라티파투 (한밭대학교 화학생명공학과) ,  이해수 (한밭대학교 화학생명공학과) ,  이영기 (한국전자통신연구원 전력제어소자연구실) ,  김광만 (한국전자통신연구원 전력제어소자연구실) ,  원정하 (한밭대학교 화학생명공학과) ,  조정대 (한국기계연구원 인쇄전자연구실) ,  장윤석 (한국기계연구원 인쇄전자연구실) ,  김종휘 (한국에너지기술연구원 에너지저장연구단)

초록
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폴리프로필렌(PP) 격리막의 표면을 황산-acetone 알돌 응축반응을 통해 술폰화 폴리프로필렌(S-PP) 격리막을 제조하고 표면기 분석과 접촉각 측정을 통해 $-SO_3H$ 그룹이 다량 분포된 친수성 표면으로 전환되었음을 밝혔다. 또한 potassium polyacrylate (PAAK) 하이드로겔 고분자 전해질로 S-PP 표면을 코팅하고 이를 활성탄 수퍼커패시터에 적용하여 그 전기화학적 특성을 조사하였다. 결과적으로 S-PP 격리막은 친수성 표면으로 인하여 비록 전기화학적 안정성은 감쇠하지만, 접촉각 감소, 젖음성 향상, 전해질 함침량 증대, 이온전도도 향상, 계면저항 감소 등의 효과를 발생시켜 결국 커패시터적 특성의 향상, 즉 비축전용량과 사이클 수명의 향상을 구현할 수 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Sulfonated polypropylene (S-PP) is prepared by sulfuric acid-acetone aldol condensation reaction of polypropylene (PP) separator to yield hydrophilic separator surface with a moderate amount of $-SO_3H$ groups. Activated carbon supercapacitor is also fabricated adopting the S-PP separator...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이 반응을 이용하여 PP 격리막의 표면이 -SO3H 그룹을 다량 포함하도록 진행하고자 한다. 또한 본 연구에서는 술폰화된PP(sulfonated PP; S-PP) 격리막의 술폰화도 및 표면상태, 전해액에 대한 젖음성 혹은 접촉각 등의 물성을 확인하고, 이를 활성탄 수퍼커패시터의 격리막으로 적용하기 위한 전기화학적 특성의 측정도 함께 시도한다. 단 여기에서는 6M KOH 전해액에 1.
  • 즉 황산 수용액 중에서의 acetone에 의한 알돌 응축반응은, 40~80 wt% 황산 수용액 내 acetone은 가역적으로 황산 분자에 의해 물리적 흡착되는 현상[6]에 기인할 수 있다. 이 반응을 이용하여 PP 격리막의 표면이 -SO3H 그룹을 다량 포함하도록 진행하고자 한다. 또한 본 연구에서는 술폰화된PP(sulfonated PP; S-PP) 격리막의 술폰화도 및 표면상태, 전해액에 대한 젖음성 혹은 접촉각 등의 물성을 확인하고, 이를 활성탄 수퍼커패시터의 격리막으로 적용하기 위한 전기화학적 특성의 측정도 함께 시도한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
폴리올레핀계 박막의 문제점은 박막의 어떤 성질 때문에 나타난 것인가? 더구나 이 격리막의 함침도 혹은 함습성(wettability) 저하로 인하여 전극과의 계면에서 전해액을 유출하여 집전체로의 전하이동을 원활하게 진행할 수 없게 하여 전체적인 전지성능, 특히 사이클 특성의 저하를 초래할 수도 있다. 이것은 폴리올레핀계 격리막의 낮은 전해액 흡수율에 의해 표면 에너지가 낮아 표면 소수성(hydrophobicity)을 띠고 있기 때문이다[3].
수퍼커패시터의 내부소재에 성능향상이 필요하게 된 배경은? 오늘날 대용량 데이터 및 전력의 급속한 입출력이 요구되는 정보통신 휴대용 기기뿐만 아니라 전기자동차와 스마트그리드에 적용되는 전력저장 시스템 등의 응용성에 맞추어 고출력 특성을 갖는 에너지저장 및 변환소자로서 수퍼커패시터의 역할이 증대되고 있다. 이에 따라 전형적인 수퍼커패시터의 내부소재, 즉 전극물질[1], 전해질 및 격리막[2] 등에도 성능 향상의 필요성이 절실히 요구되고 있다.
폴리올레핀계 박막이 이온 전도성 측면에서 열악한 부자재인 이유는? 이에 따라 전형적인 수퍼커패시터의 내부소재, 즉 전극물질[1], 전해질 및 격리막[2] 등에도 성능 향상의 필요성이 절실히 요구되고 있다. 특히 수퍼커패시터의 격리막(separator)으로서 보통 사용되고 있는 폴리올레핀계 박막, 즉 다공성 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 박막은 기계적 강도의 지지체 역할과 열폭주 방지를 위한 열적 성질을 보유하고 있는 점은 만족할 만하지만, 전해액에 대한 함침도(uptake)가 낮고 이로 인한 팽윤성(swelling)의 저하로 인하여 이온전도성 측면에서는 열악한 부자재로 인식되고 있다. 더구나 이 격리막의 함침도 혹은 함습성(wettability) 저하로 인하여 전극과의 계면에서 전해액을 유출하여 집전체로의 전하이동을 원활하게 진행할 수 없게 하여 전체적인 전지성능, 특히 사이클 특성의 저하를 초래할 수도 있다.
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참고문헌 (10)

  1. Selvakumar, M. and Pitchumani, S., "Hybrid Supercapacitor Based on Poly(aniline-co-m-anilicacid) and Activated Carbon in Non-aqueous Electrolyte," Korean J. Chem. Eng., 27(3), 977-982(2010). 

  2. Latifatu, M., Ko, J. M., Lee, Y.-G., Kim, K. M., Jo, J., Jang, Y., Yoo, J. J. and Kim, J. H., "Electrochemical Properties of Activated Carbon Supercapacitor Containing Poly(acrylonitrile) Nonwoven Separator Coated by a Hydrogel Polymer Electrolyte," Korean Chem. Eng. Res., 51(5), 550-555(2013). 

  3. Kim, J. Y. and Lim, D. Y., "Surface-Modified Membrane as a Separator for Lithium-ion Polymer Battery," Energies, 3(4), 866-885(2010). 

  4. Wu, G. M. Lin, S. J. and Yang, C. C., "Preparation and Characterization of High Ionic Conducting Alkaline Non-woven Membranes by Sulfonation," J. Memb. Sci., 284(1-2), 120-127(2006). 

  5. Wu, G. M., Lin, S. J., You, J. H. and Yang, C. C., "Study on High-Anionic Conducting Sulfonated Microporous Membranes for Zinc-Air Electrochemical Cells," Mater. Chem. Phys., 112(3), 798-804(2008). 

  6. Kane, S. M., Timonen, R. S. and Leu, M.-T., "Heterogeneous Chemistry of Acetone in Sulfuric Acid Solutions: Implications for the Upper Troposphere," J. Phys. Chem. A, 103(46), 9259-9265(1999). 

  7. Kim, K. M., Latifatu, M., Lee, Y.-G., Ko, J. M., Kim, J. H. and Cho, W. I., "Effect of Ceramic Filler-Containing Polymer Hydrogel Electrolytes Coated on the Polyolefin Separator on the Electrochemical Properties of Activated Carbon Supercapacitor," J. Electroceramics, in press (2014) DOI: 10.1007/s10832-013-9860-6. 

  8. Sowa, M. G., Fischer, D., Eysel, H. H. and Mantsch, H. H., "FTIR PAS Depth Profiling Investigation of Polyethylene Surface Sulfonation," J. Mol. Struct., 379(1-3), 77-85(1996). 

  9. Tada, H. and Ito, S., "Conformational Change Restricted Selectivity in the Surface Sulfonation of Polypropylene with Sulfuric Acid," Langmuir, 13(15), 3982-3989(1997). 

  10. Myhre, C. E. L., Christensen, D. H., Nicolaisen, F. M. and Nielsen, C. J., "Spectroscopic Study of Aqueous $H_2SO_4$ at Different Temperatures and Compositions: Variations in Dissociation and Optical Properties," J. Phys. Chem. A, 107(12), 1979-1991(2003). 

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