[논문]탄소나노소재의 슈퍼캐퍼시터 전극 응용

박범진; 박호석

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박범진 (성균관대학교 화학공학과) , 박호석 (성균관대 화학공학)

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문제 정의

1. 상용 활물질인 활성탄 소재를 대체할 수 있는 고용량의 활물질을 개발하는 것이다.
3. 대칭형(symmetric) 전기이중층커패시터를 비대칭(asymmetric) 소자 형태로 개발하는 것이다.

제안 방법

그림 7은 2차원 하이브리드 나노시트를 3차원 나노구조 체화할 경우, 충방전 과정에서 기존 층상 화합물이 보여주는 층간 삽입반응에 의한 배터리 거동이 아닌 빠른 표면 전기화학반응에 의해서 슈퍼커패시터 거동을 보여준다. 또한, 프로톤 저장 과정에서 3차원 나노구조체화를 통해서 표면에 노출된 2차원 WS₂의 1T 결정상의 조성 변화 및 W-W 결합 크기 변화를 관측하여서 충방전 과정에서 발생하는 레독스 활성 위치 및 전기화학적 반응을 규명하였다.

성능/효과

2차원 그라핀은 단일 층의 이론적 비표면적이 2670 ㎡/g에 이르고 전기전도도도 우수해서 이론적인 캐퍼시턴스가 약 21 μF/㎠(이론 비표면적이 100% 발현될 경우 550 F/g)로 높지만, 전극 제조 시 반데르발스힘에 의한 그라핀 시트(sheet)들의 재적층에 의해서 비수계에서 100 F/g 정도의 캐퍼시턴스를 보여주었다.
4] 탄소소재의 기공 크기와 표면적으로 정규화된 캐퍼시턴스. (a) 기공 크기가 임계점에 도달하기 전까지 크기가 감소하면서 정규화된 캐퍼시턴스가 감소하다가 1 nm 이하에서 급격하게 증가함. (b) 2nm 이상, (c) 1-2 nm, (d) 1 nm 이하에서 기공 벽 사이에 흡착된 용해된 이온의 거동을 보여줌 (Science, 2006, 313, 1760).
셋째, 산화 · 환원반응 의사커패시터(redox pseudocapacitor)는 이온이 전기화학적으로 활물질의 표면에 있는 레독스 활성 위치에 흡착되면서 전하 이동에 의해서 의사커패시턴스가 발현된다.
첫째, 저전위 증착(underpotential deposition)은 금속 이온이 환원 전위 이상에서 다른 금속의 표면에서 단층(monolayer) 흡착이 될 때 의사커패시턴스가 발현된다. 예를 들면, 납 이온이 금 전극 표면에서 의사커패시턴스를 보여주지만, 고용량 의사커패시터 소재 개발에 거의 활용되고 있지 않은 실정이다.

후속연구

결론적으로 탄소나노소재의 구조와 화학적 조성을 적절하게 제어함으로써 고용량화·고출력화·장기 안정성을 가진 차세대 슈퍼캐퍼시터 전극을 개발할 수 있을 것으로 전망된다.
결론적으로 슈퍼커패시터의 용량 한계돌파를 위하여(1) 고용량 의사커패시터 소재 개발, (2) 고전압 범위와 높은 이온전도도를 가지는 유기계 전해질 개발, (3) 출력 특성이 좋은 고용량의 리튬이온배터리나 의사커패시터의 활 물질과 전기이중층 커패시터를 활물질을 이용한 하이브리드 커패시터 개발이 필수적이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

전기이중층 기반의 슈퍼커패시터의 한계성은?

이러한 전기이중층 기반의 슈퍼커패시터는 많은 장점을 보유하고 있으나, 에너지밀도에서는 5~10 Wh/L로 한계성을 지니고 있기 때문에, 응용분야 및 시장의 확대를 위하여 반드시 해결해야 할 문제라고 할 수 있다.

전기이중층커패시터는 어떤 장치인가?

현재 슈퍼커패시터의 주력인 전기이중층커패시터는 이온과 활물질의 물리적인 정전기적 흡·탈착에 의해서 에너지를 저장 및 공급하는 전기화학적 장치로써, 그림 2와 같이 리튬이차전지에 비해서 높은 출력, 무제한에 가까운 충·방전 수명, 친환경적 특성으로 인해서 차세대 에너지 저장 장치로 각광받고 있다.

나노하이브리드 커패시터의 단점은?

나노하이브리드 커패시터(nanohybrid capacitor)는2009년 Naoi그룹에서 발표한 비대칭 슈퍼커패시터로써, 나노스케일 lithium titanate(Li4Ti5O12, LTO)를 음극으로 사용해서 비대칭 슈퍼커패시터의 출력 균형과 LIC의 리튬 도핑 전처리 문제를 해결하였다. 하지만, 방전 시 전압 구동이 1.55V(vs. Li/Li+)에서 이루어지므로 셀 전압 범위가 LIC에 비해서 낮아서 에너지밀도가 낮다는 단점이 있다.

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