[논문]Metal-Organic Frameworks (MOFs)를 이용한 슈퍼캐패시터 개발 동향

김정훈

Metal-Organic Frameworks (MOFs)를 이용한 슈퍼캐패시터 개발 동향 원문보기

김정훈 (University of Wollongong)

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문제 정의

또한, 다양한 금속이온이 사용 가능하며 합성이 매우 쉽고, 가격이 저렴한 장점때문에 최근 ESS 용으로 많은 관심을 받고 있다. 따라서 본 기고 에서는 MOF를 이용한 에너지 저장 장치 중 슈퍼캐패시터로의 적용 예시와 개발 동향을 살펴 보고, 특히, MOF중 많은 장점을 갖는 ZIF 소재에 대해 조금 더 자세히 정리해보고자 한다.
웨어러블(wearable) 디바이스와 플렉서블 (flexible) 전자기기의 발달과 함께 고출력을 낼수 있는 에너지 저장 장치의 요구가 커짐에 따라 이를 만족시킬 수 있는 고출력 에너지 저장 장치의 하나인 슈퍼캐패시터 중 최근 크게 이슈가 되고 있는 MOF 재료를 사용한 수퍼캐패 시터용 재료의 합성 및 재료에 따른 슈퍼캐패 시터의 응용 및 최신 기술 개발 동향에 대해 설명하였다. 슈퍼캐패시터는 빠른 충방전, 장수명 및 고출력 특성 때문에 현재 전자 제품 및휴대용 장치에 많이 사용되고 있으며, 향후 전기자동차 및 중장비 등 그 응용 가능성이 매우 크다고 할 수 있다.

제안 방법

2016년 ZIF-8과 ZIF-67의 단점을 보완하기 위한 core-shell 접근 방법과는 달리 두 금속이온을 함께 섞어서 하이브리드 ZIF를 합성하는 방법이 제시되었다 (그림 10 (a-b)) [24]. Zn²⁺이온과 Co²⁺ 이온의 최적 비율을 통해 높은 비표 면적을 유지하면서 Co 나노 입자를 통해 카본의 전기전도도를 높이고, 또한 탄화공정 중 승온 속도 조절을 통해 Co 나노 입자의 촉매 반응을 이용하여 카본구조체 표면에 카본나노튜 브(carbon nanotube, CNT)를 성장시켜 카본 구조체가 전극으로 만들어질 때에 입자와 입자사이에 저항을 줄일 수 있도록 하였다. 이를 통해 향상된 저장 용량과 성능을 보여주었다 (그림 10 (c-d)).

대상 데이터

가장 최근에는 MIT (Massachusetts Institute of Technology) 연구 그룹에 의해서 MOF로 부터 얻어진 다공성 카본이 아닌 MOF 그 자체를 이용한 EDLC가 새롭게 개발되었다 (그림 12) [26]. 연구 그룹은 Ni ion을 이용하여 높은 전기전도도와 비표면적을 갖는 Ni₃ (2, 3, 6, 7, 10, 11-hexaiminotriphenylene)₂ (Ni₃ (HITP)₂)를 합성하였다. 위에서 언급했던 것과 같이 MOF 그자체는 높은 비표면적 값을 가지지만 낮은 전기전도로로 인하여 전극으로 사용되기에는 한계가 있었다.

성능/효과

전도성 고분자가 코팅되면서 표면의 전기전도도가 크게 증가하고, nanorod 구조로 인해 전해질의 이온이 쉽게 전도성 고분자와 다공성 카본체에 접근이 가능하였다. 또한, PANI의 redox 반응 특성을 이용하여 PANI의 pseudocapacitor와 다공성 카본의 EDLC를 동시에 구현하여 1,100 F/g의 높은 성능을 보여주었으며 뛰어난 안정성을 보여주었다 (그림 9(b-d)). 이러한 새로운 접근은 MOF로부터 만들어진 나노다공성 카본체의 슈퍼캐패시터 성능을 전도성 고분자와 같은 다른 재료의 도입과 나노구조를 이용한 접근을 통해 획기적으로 높일 수 있는 예시를 보여주었다.
하지만 소개된 연구는 전도도를 향상시켜, MOF만을 이용하여 111 F/g와 18 μ F/cm² 의 높은 용량을 구현하였다. 이 연구 결과는 MOF의 전기전도도가 슈퍼캐패시터에 큰영향을 미친다는 것과 향후 MOF만을 이용한 슈퍼캐패시터의 개발이 가능함을 보여주었다.
이를 통해 향상된 저장 용량과 성능을 보여주었다 (그림 10 (c-d)). 이는 ZIF 합성시 사용되는 금속이온의 배합과 사용되는 각 이온의 역할 및 탄화공정의 이해를 통해 ZIF카본의 특성을 극대화 할 수 있다는 좋은 예시를 보여주었다.
또한, PANI의 redox 반응 특성을 이용하여 PANI의 pseudocapacitor와 다공성 카본의 EDLC를 동시에 구현하여 1,100 F/g의 높은 성능을 보여주었으며 뛰어난 안정성을 보여주었다 (그림 9(b-d)). 이러한 새로운 접근은 MOF로부터 만들어진 나노다공성 카본체의 슈퍼캐패시터 성능을 전도성 고분자와 같은 다른 재료의 도입과 나노구조를 이용한 접근을 통해 획기적으로 높일 수 있는 예시를 보여주었다.
호주의 University of Wollongong 대학의 김정호 교수와 일본 National Institute for Materials Science (NIMS)의 Yamauchi 교수 공동연 구그룹은 ZIF-8 카본의 전기전도도를 증가시키고 용량을 증가시기키 위하여 폴리아닐린 (polyaniline, PANI) nanorod를 ZIF-8 카본에 직접 중합을 통해 코팅하였다 (그림 9(a)) [23]. 전도성 고분자가 코팅되면서 표면의 전기전도도가 크게 증가하고, nanorod 구조로 인해 전해질의 이온이 쉽게 전도성 고분자와 다공성 카본체에 접근이 가능하였다. 또한, PANI의 redox 반응 특성을 이용하여 PANI의 pseudocapacitor와 다공성 카본의 EDLC를 동시에 구현하여 1,100 F/g의 높은 성능을 보여주었으며 뛰어난 안정성을 보여주었다 (그림 9(b-d)).

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

슈퍼캐패시터의 성능은 무엇으로 결정되는가?

EDLC는 전하분 리현상을 이용하기 때문에 넓은 표면적을 갖는 활성탄(activated carbon)과 같은 전극 재료를 사용하며 의사캐패시터는 전극 재료의 산화·환원반응(reduction and oxidation, redox) 을 이용하므로 redox반응을 잘 일으키면서 넓은 표면적을 갖는 전도성 고분자와 금속산화물 등의 전극 재료를 사용하게된다 [9]. 슈퍼캐패시터의 전극 재료로서 높은 에너지 저장능력 및 성능을 갖으려면, 일반적으로 높은 표면적을 갖도록 해야하며, 슈퍼캐패시터의 성능은 전극 활물질의 모폴로지(morphology), 기공크기분포(pore size distribution), 전기전도 도(electrical conductivity), 표면 특성, 열 특성 등의 다양한 성질에 의해 결정되며, 이를 최적화 했을 때 높은 성능의 슈퍼캐패시터의 제조가 가능하다 [1]. 일반적으로 다공성 구조의 카본 및 금속산화물을 만들기 위해서 그 재료의 전구체를 계면활성제(surfactant)를 이용하여 모폴러지 및 다공성을 조절하였다.

슈퍼캐패시터란?

슈퍼캐패시터(supercapacitor)는 배터리와 함께 많은 양의 전기에너지를 저장 및 공급하는 중요한 에너지 저장 장치이다. 특히 슈퍼캐패시터는 고출력이 가능하고 크기와 형태가 조절가능하여 전자기기 부터 자동차 까지 그사용분야가 매우 넓다 [1-3].

ZIF가 ESS 용으로 많은 관심을 받는 이유는?

사용하는 ZIF (zeolite imidazolate framework) 는 표면적이 높고 탄화(carbonization)시 질소가 도핑된 다공성 카본이 만들어지며, 소결 (calcination)시 금속산화물을 만들 수 있다. 또한, 다양한 금속이온이 사용 가능하며 합성이 매우 쉽고, 가격이 저렴한 장점때문에 최근 ESS 용으로 많은 관심을 받고 있다. 따라서 본 기고 에서는 MOF를 이용한 에너지 저장 장치 중 슈퍼캐패시터로의 적용 예시와 개발 동향을 살펴 보고, 특히, MOF중 많은 장점을 갖는 ZIF 소재에 대해 조금 더 자세히 정리해보고자 한다.

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