환원된 그래핀 옥사이드/전도성 고분자 복합체를 이용한 플렉시블 에너지 저장 매체의 개발 Preparation of flexible energy storage device based on reduced graphene oxide (rGO)/conductive polymer composite원문보기
에너지 저장 매체는 소형화, 고효율화 및 그린에너지 정책에 부합하면서 연구개발이 진행되고 있으며 유연성과 신축성을 갖는 디스플레이나 웨어러블 전자기기의 발전에 상응하는 에너지 저장 매체의 개발이 시급한 상황으로 이를 실현 할 수 있는 물질가운데, 탄소나노 재료중의 하나인 그래핀과 그래핀 하이브리드와 같은 뛰어난 전기화학적 특성을 지니고 있는 나노 재료가 각광을 받고 있다. 또한 슈퍼커패시터와 배터리 및 연료전지 등과 같은 에너지 저장 소자에 응용하기 위한 연구가 활발하게 진행 중에 있으며, 여러 가지 에너지 저장 매체 중 단시간에 고출력을 구현하고 장시간 신뢰성을 갖추며, 빠른 충 방전 순환특성을 가지는 슈퍼커패시터는 차세대 에너지원으로 많은 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 플렉시블한 특성을 갖는 그래핀과 전도성 고분자 하이브리드 전극을 기반으로 하는 슈퍼커패시터를 개발하고자 하였으며 환원된 그래핀 옥사이드/폴리피롤 복합재료를 이용하여, 전기화학적 특성을 최대화 하였다. 그 결과 굽힘 시험 전 전극의 초기 용량값은 $198.5F\;g^{-1}$ 이었으며, 500번의 굽힘 시험 후 $128.3F\;g^{-1}$로 감소하는 것을 확인하였으나, 전극의 초기 전기 용량 값의 65 %의 성능을 유지하였다.
에너지 저장 매체는 소형화, 고효율화 및 그린에너지 정책에 부합하면서 연구개발이 진행되고 있으며 유연성과 신축성을 갖는 디스플레이나 웨어러블 전자기기의 발전에 상응하는 에너지 저장 매체의 개발이 시급한 상황으로 이를 실현 할 수 있는 물질가운데, 탄소나노 재료중의 하나인 그래핀과 그래핀 하이브리드와 같은 뛰어난 전기화학적 특성을 지니고 있는 나노 재료가 각광을 받고 있다. 또한 슈퍼커패시터와 배터리 및 연료전지 등과 같은 에너지 저장 소자에 응용하기 위한 연구가 활발하게 진행 중에 있으며, 여러 가지 에너지 저장 매체 중 단시간에 고출력을 구현하고 장시간 신뢰성을 갖추며, 빠른 충 방전 순환특성을 가지는 슈퍼커패시터는 차세대 에너지원으로 많은 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 플렉시블한 특성을 갖는 그래핀과 전도성 고분자 하이브리드 전극을 기반으로 하는 슈퍼커패시터를 개발하고자 하였으며 환원된 그래핀 옥사이드/폴리피롤 복합재료를 이용하여, 전기화학적 특성을 최대화 하였다. 그 결과 굽힘 시험 전 전극의 초기 용량값은 $198.5F\;g^{-1}$ 이었으며, 500번의 굽힘 시험 후 $128.3F\;g^{-1}$로 감소하는 것을 확인하였으나, 전극의 초기 전기 용량 값의 65 %의 성능을 유지하였다.
Nanocarbon base materials such as, graphene and graphene hybrid with high electrochemical performances have great deal of attention to investigate flexible, stretchable display and wearable electronics in order to develop portable and high efficient energy storage devices. Battery, fuel cell and sup...
Nanocarbon base materials such as, graphene and graphene hybrid with high electrochemical performances have great deal of attention to investigate flexible, stretchable display and wearable electronics in order to develop portable and high efficient energy storage devices. Battery, fuel cell and supercapacitor are able to achieve those properties for flexible, stretchable and wearable electronics, especially the supercapacitor is a promise energy storage device due to their remarkable properties including high power and energy density, environment friendly, fast charge-discharge and high stability. In this study, we have fabricated flexible supercapacitor composed of graphene/conductive polymer composite which could improve its electrochemical performance. As a result, specific capacitance value of the flexible supercapacitor (unbent) was $198.5F\;g^{-1}$ which decreased to $128.3F\;g^{-1}$ (65% retention) after $500^{th}$ bending cycle.
Nanocarbon base materials such as, graphene and graphene hybrid with high electrochemical performances have great deal of attention to investigate flexible, stretchable display and wearable electronics in order to develop portable and high efficient energy storage devices. Battery, fuel cell and supercapacitor are able to achieve those properties for flexible, stretchable and wearable electronics, especially the supercapacitor is a promise energy storage device due to their remarkable properties including high power and energy density, environment friendly, fast charge-discharge and high stability. In this study, we have fabricated flexible supercapacitor composed of graphene/conductive polymer composite which could improve its electrochemical performance. As a result, specific capacitance value of the flexible supercapacitor (unbent) was $198.5F\;g^{-1}$ which decreased to $128.3F\;g^{-1}$ (65% retention) after $500^{th}$ bending cycle.
그러므로 슈퍼커패시터는 고출력 펄스 파워를 이용하여, 소형경량의 고출력 전기·화학적 에너지 저장 장치로써, 군사용, 우주항공 및 의료용 등의 고부가 장치의 전원 공급 장치로 응용 될 것으로 예상된다. 따라서 본 연구에서는 최근 큰 주목을 받고 있는 그래핀과 전도성 고분자를 이용하여 유연성을 갖는 에너지 저장 재료를 개발 하였으며 여러 가지 전기화학적 기법을 통하여 이를 분석 하였다. 또한 본 연구에서는 그래핀의 단점, 즉 re-stacking 되는 문제를 보완하고 전기화학적 특성을 향상시키기 위해서 그래핀 표면에 전도성 고분자를 코팅 하여 전극물질로 사용함으로써 반복 적층 되려는 그래핀의 단점을 보완 하였으며, 전도성 고분자의 특성을 이용하여 산화-환원반응을 이용함으로써 그래핀과 전도성 고분자 복합체의 전기 화학적 특성을 향상 시키었다.
제안 방법
본 연구에서는 환원된 그래핀 옥사이드/폴리피롤(polypyrrole) 복합재료를 이용하여 전극과 전해질 사이에서 산화-환원 반응을 이용하여 전극의 전기화학적 특성을 극대화 하고자 하였으며 환원된 그래핀 옥사이드/폴리피롤(polypyrrole)복합재료 전극은 Cyclic Voltammetry (CV), Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) 및 Galvanostatic Charge/Discharge (GCD) 와 같은 다양한 전기화학적 분석 기법을 통하여 그 특성을 분석 하였다.
대상 데이터
본 연구에서 전극 재료로 사용한 graphite 는 한화케미컬 (Hanwha Chem.)에서 구입 하였으며, 전 처리 과정을 통하여 전극물질로 사용하였다. 전도성 고분자 즉, 전극 재료로 전도성 고분자는 폴리피롤 (polypyrrole)을 Sigma-Aldrich로부터 구입하였으며 별도의 정제과정 없이 사용하였다.
)에서 구입 하였으며, 전 처리 과정을 통하여 전극물질로 사용하였다. 전도성 고분자 즉, 전극 재료로 전도성 고분자는 폴리피롤 (polypyrrole)을 Sigma-Aldrich로부터 구입하였으며 별도의 정제과정 없이 사용하였다. N,N-dimethylformamide (DMF), 질산, 황산 그리고 에탄올은 삼전순약공업 ㈜에서 구입하여 별도의 정제과정 없이 사용하였으며, 증류수(D.
이론/모형
환원된 그래핀 옥사이드 (rGO)의 제조를 위해 graphite powder를 modified Hummer’s[12]방법에 의해 산화시켜 graphene oxide(GO)를 제조하였다. 그 다음 GO 6 g을 200 mL의 증류수에 분산시키기 위해 60분간 초음파 처리를 한 후, 1800 mL의 증류수를 추가하여 60분간 초음파처리를 하였다.
성능/효과
굽힘 시험 전 전극의 초기 용량 값은 198.5 ± 1.1 (mean ± S.D., n=10개 전극) F g-1으로 확인 할 수 있었으며, 이 값은 500번의 굽힘 시험 후에 128.3 ± 1.3 (mean ± S.D., n=10개 전극) F g-1으로 감소되는 결과를 확인 할 수 있었다. 이러한 전기 용량 값은 감소는 반복적인 굽힘 시험 후에 전극 표면의 물리적인 변화에 기인하는 것으로 사료된다.
환원된 그래핀 옥사이드/폴리피롤(polypyrrole) 복합재료 전극은 500번 굽힘 시험 후에도 전극의 초기 전기 용량값의 65 %를 유지하는 성능을 유지할 수 있는 것으로 확인 할 수 있었다.
후속연구
환원된 그래핀 옥사이드/폴리피롤(polypyrrole) 복합재료 전극의 반복적인 응력 후에 전기화학적 특성 감소는 앞으로 이온성 액체를 포함하는 젤형태나 고분자 전해질의 개질을 통하여 전극의 전기 화학적 특성을 향상 시킬 수 있을 것으로사료되며, 이러한 유연성을 갖는 탄소나노재료 기반의 전극은 가까운 미래에 상용화될 웨어러블전자기기나 유연성을 갖는 소자 및 전자기기에 응용이 가능한 재료로써의 가능성을 확인 할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 실험에서 전극 재료로 사용된 전도성 고분자는 무엇인가?
)에서 구입 하였으며, 전 처리 과정을 통하여 전극물질로 사용하였다. 전도성 고분자 즉, 전극 재료로 전도성 고분자는 폴리피롤 (polypyrrole)을 Sigma-Aldrich로부터 구입하였으며 별도의 정제과정 없이 사용하였다. N,N-dimethylformamide (DMF), 질산, 황산 그리고 에탄올은 삼전순약공업 ㈜에서 구입하여 별도의 정제과정 없이 사용하였으며, 증류수(D.
전극의 표면을 분석하기 위하여 전기 화학적 거동을 측정하기 위한 전해질의 전제 조건은 무엇인가?
전극의 표면을 분석하기 위하여 전자주사현미경(SEM)을 (Philips XL30SFEG SEM) 사용하였으며, 가속전압은 5 kV 방출전류는 210 μA를 적용하였으며, 전기화학적 특성은 원아테크사의ZIVE SP2 work station을 이용하여 분석하였다. 모든 전기 화학적 분석은 3전극 시스템을 사용하였고, 이때 전해질은 1몰의 황산나트륨 (Na2SO4) 용액을 사용하여 0 ~ 500 번까지의 굽힘 시험(bending test)하에서 전기화학적 거동을 측정하였다. 이 때, cyclic voltammetry (CV) 측정은 상온에서 100 mV s-1의 주사속도로 하였으며(initial potential: -0.
슈퍼커패시터의 특장점은 무엇인가?
소형이면서도 가벼운 휴대용 전자기기의 개발에 많은 관심과 연구가 활발하게 진행되고 있으며 또한 유연성을 갖는 전자기기는 휴대용 전자기기, 연성의 압전 센서 및 바이오 센서, 여러 가지 웨어러블 전자기기 및 디스플레이 등 차세대전자기기와 관련하여 큰 관심을 받고 있으며 이러한 차세대 전자기기의 발전에 있어서, 동력을 공급해줄 수 있는 유연성을 지닌 에너지 저장 장치 또한 연구가 활발하게 진행 중에 있다 [1-3]. 에너지 저장 매체 중에는 베터리, 연료 전지, 슈퍼커패시터 등 여러 가지의 저장매체가 있으며, 특히 슈퍼커패시터는 유전체의 거리를 짧게 하여 소형으로도 F (Farad) 단위의 매우 큰 정전 용량을 얻을 수 있고, 충·방전 시간이 굉장히 짧으며,과충전, 과방전을 하여도 전지의 수명에 영향이 없고 환경 친화적이라는 장점을 가짐으로써 차세대 에너지 저장 매체로 각광을 받고 있다 [4, 5]. 슈퍼커패시터의 크기 및 용도에 따라 분류할 수 있는데, 소형은 전원 차단시 전자기기의 백업용 전원으로 이용되며, 중·대형 제품에서는 하이브리드 전원 시스템, 자동차의 백업 전원, 완구용 모터 구동전지 대체용 전원 등 그 용도의 활용범위가 매우 다양하게 적용되고 있는 실정이다[6-8].
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