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Carbon Cloth을 이용한 이산화망간 슈퍼커패시터 특성 연구

Characterization of manganese oxide supercapacitors using carbon cloth

디지털콘텐츠학회 논문지 = Journal of Digital Contents Society, v.18 no.6, 2017년, pp.1199 - 1205  

이승진 (전남대학교 전자컴퓨터공학부) ,  김치훈 (전남대학교 전자컴퓨터공학부) ,  지택수 (전남대학교 전자컴퓨터공학부)

초록
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산업화의 급격한 진전으로 인한 에너지 소비가 세계적으로 증가되면서 새로운 에너지 저장 소자에 대한 개발의 필요성이 늘고 있으며, 이에 빠른 충 방전 시간과 반영구적으로 사용이 가능한 슈퍼커패시터에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 본 연구에서는 수열반응(Hydrothermal) 제조법을 이용하여 기판인 탄소섬유(carbon cloth)에 비정질의 이산화망간($MnO_2$)을 도포하여 슈퍼커패시터를 제작하였다. 탄소섬유Fe 이온이 도핑 된 이산화망간을 결합한 전극으로 이루어진 슈퍼커패시터의 특성 파악을 위해 전기주사현미경(SEM), X-ray 회절분석(XRD), 그리고 X-ray 분광 분석(EDX)을 실시하였다. 또한, 1 M의 $Na_2SO_4$ 전해질에서 순환전압전류법(Cyclic Voltammetry)과 정전류충전법(Galvanostatic charge-discharge)을 통해 슈퍼커패시터의 전기화학적 특성을 조사하였으며, 이를 통해 전류밀도 1 A/g에서 정전용량이 163 F/g 임을, 그리고 1000 회의 충 방전 후 수명 측정 시에 안정적으로 87.34%가 유지됨을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Global energy consumption is rapidly increasing yearly due to drastic industrial advances, requiring the development of new energy storage devices. For this reason, supercapacitors with fast charge-discharge, long life cycle and high power density is getting attention, and have been considered as on...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 수열합성 방법을 이용하여 비정질의 이산화망간 유사 커패시터(PseudoCapacitor)의 전극을 제작하였는데, Fe 이온을 첨가하여 그 정전용량을 향상시키는 연구를 진행하였다[12], [13]. 이산화망간은 루테늄보다 가격이 저렴하고 유해 성분이 없어 슈퍼커패시터의 전극 물질로 많이 사용되고 있지만, 다른 금속 산화물보다 낮은 전도성으로 인해 정전 용량의 손실이 커 탄소 물질 첨가 등을 통한 효율 향상의 연구가 활발히 진행되고 있다[14], [15].
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
이차전지의 장단점은 무엇인가? 그림 1은 이차전지와 슈퍼커패시터를 비롯한 에너지 저장 소자의 에너지 밀도와 전력 밀도간의 비교 그래프이다[4]. 기존에 많이 사용되었던 이차전지의 경우 높은 에너지 밀도와 낮은 자가 방전, 그리고 다양한 범위의 온도에서 동작하는 장점이 있는 반면, 낮은 효율과 짧은 수명으로 인한 교체비용 증가, 느린 충전 속도로 인하여 에너지 사용변화에 따른 실시간 공급에 어려움이 따른다[5]. 한편, 다른 저장장치인 슈퍼커패시터의 경우 빠른 충∙방전속도와 긴 수명, 높은 효율과 고출력 밀도 성능을 보이는데 비해, 낮은 에너지 밀도라는 단점이 있어, 그 부분을 보완하고자 많은 연구가 진행되고 있는 중이다[6], [7].
슈퍼커패시터의 기본 구조는 무엇인가? 수초 단위의 급속 충∙방전 시간과 높은 충∙방전 효율, 그리고 반영구적인 수명 특성으로 인해 배터리 대체용으로 많은 주목을 받고 있다. 슈퍼커패시터는 음극과 양극으로 구성되는 전극(Electrode), 전해질(Electrolyte), 집전체(Current collector), 분리막(Separator)의 기본 구조로 이루어져 있다. 단위 셀 전극의 양단에 수 V의 전압을 인가시켜 전해액 내의 이온들이 전기장을 따라 이동하며 전극표면에 흡착되어 발생되는 전기화학적 매커니즘으로 작동하게 된다[4].
슈퍼커패시터는 어떤 전기화학적 매커니즘에 의해 작동하는가? 슈퍼커패시터는 음극과 양극으로 구성되는 전극(Electrode), 전해질(Electrolyte), 집전체(Current collector), 분리막(Separator)의 기본 구조로 이루어져 있다. 단위 셀 전극의 양단에 수 V의 전압을 인가시켜 전해액 내의 이온들이 전기장을 따라 이동하며 전극표면에 흡착되어 발생되는 전기화학적 매커니즘으로 작동하게 된다[4]. 슈퍼커패시터는 전극 및 작동 원리에 따라 전기 이중층 커패시터(EDLC, Electric Double Layer Capacitor), 유사 커패시터(Pseudocapacitor), 하이브리드 커패시터(Hybrid capacitor)로 구분된다.
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참고문헌 (20)

  1. C. Xu, F. Kang, B. Li, and H. Du, "Recent progress on manganese dioxide based supercapacitors," Journal of materials research, Vol. 25, No. 08, pp. 1421-1432, Aug 2010. 

  2. Y. Wang, J. Guo, T. wang, J. Shao, D. Wang, and Y. W. Yang, "Mesoporous transition metal oxides for supercapacitors" Nanomaterials, Vol. 5, No. 4, pp. 1667-1689, Oct 2015. 

  3. M. Beidaghi, and Y. Gogotsi, "Capacitive energy storage in micro-scale devices : recent advances in design and fabrication of microsupercapacitors," Energy & Environmental Science, Vol. 7, No. 3, pp. 867-884, Jan 2014. 

  4. V. S. Bagotsky, A. M. Skundin, and Y. M. Volfkovich, Electrochemical power sources: batteries, fuel cells, and supercapacitors, New York, John Wiley & Sons, 2015. 

  5. J. Shim, R. Kostecki, T. Richardson, X. Song, and K. A. Striebel, "Electrochemical analysis for cycle performance and capacity fading of a lithium-ion battery cycled at elevated temperature," Journal of power sources, Vol. 112, No. 1, pp. 222-230, Oct 2002. 

  6. Z. Tang, C. H. Tang, and H. Gong, "A High Energy Density Asymmetric Supercapacitor from Nano-architectured $Ni(OH)_2$ /Carbon Nanotube Electrodes," Advanced Functional Materials, Vol. 22, No. 6, pp. 1272-1278, Mar 2012. 

  7. C. Liu, Z. Yu, D. Neff, A. Zhamu, and B. Z. Jang, "Graphene-based supercapacitor with an ultrahigh energy density," Nano letters, Vol. 10, No. 12, pp. 4863-4868, Nov 2010. 

  8. J. Yan, Q. Wang, T. Wei, and Z. Fan, "Recent advances in design and fabrication of electrochemical supercapacitors with high energy densities," Advanced Energy Materials, Vol. 4, No. 4, pp. 1300816, Mar 2014. 

  9. H. Jiang, C. Li, T. Sun, and J. Ma, "A green and high energy density asymmetric supercapacitor based on ultrathin $MnO_2$ nanostructures and functional mesoporous carbon nanotube electrodes", Nanoscale, Vol. 4, No. 12, pp.807-812, Feb. 2012. 

  10. J. Kim, B. Kim, and S. Choi, "2D LiDAR based 3D Pothole Detection System," The Journal of Digital Contents Society, Vol. 18, No. 5, pp. 989-994, Aug. 2017. 

  11. X. Dong, W. W. Shen, J. Gu, L. Xiong, Y. Zhu, H. Li, and J. Shi, " $MnO_2$ embedded in mesoporous carbon wall structure for use as electrochemical capacitors," The Journal of Physical Chemistry B, Vol. 110, No. 12, pp. 6015-6019 Jan 2006. 

  12. S. Wang, Q. Li, M. Chen, W. Pu, Y. Wu, and M. Yang, "Electrochemical capacitance performance of Fe-doped $Co_3O_4$ /graphene nanocomposite: investigation on the effect of iron," Electrochimica Acta, Vol. 215, pp. 473-482, Oct 2016. 

  13. Z. Li, A. Gu, Z. Lou, J. Sun, Q. Zhou, and K. Y. Chan, "Facile synthesis of iron-doped hollow urchin-like $MnO_2$ for supercapacitors," Journal of Materials Science, Vol. 52, No. 9, pp. 4852-4865, May 2017. 

  14. M. Vangari, T. Pryor, and L. Jiang, "Supercapacitors: review of materials and fabrication methods," Journal of Energy Engineering, Vol. 139, No. 2, pp. 72-79, Jun 2013. 

  15. L. Li, Z. A. Hu, N. An, Y. Y. Yang, Z. M. Li, and H. Y. Wu, "Facile synthesis of $MnO_2$ /CNTs composite for supercapacitor electrodes with long cycle stability," The Journal of Physical Chemistry C, Vol. 118, No. 40, pp. 22865-22872, Sep 2014. 

  16. J. G. Wang, F. Kang, and B. Wei, "Engineering of $MnO_2$ -based nanocomposites for high-performance supercapacitors," Progress in Materials Science, Vol. 74, pp. 51-124, Oct 2015. 

  17. J. Zhi, O. Reiser, and F. Huang, "Hierarchical $MnO_2$ Spheres Decorated by Carbon-Coated Cobalt Nanobeads: Low-Cost and High-Performance Electrode Materials for Supercapacitors," ACS applied materials & interfaces, Vol. 8, No.13, pp. 8452-8459, Mar 2016. 

  18. M. Huang, F. Li, F. Dong, Y. X. Zhang, and L. L. Zhang, " $MnO_2$ -based nanostructures for high-performance supercapacitors," Journal of Materials Chemistry A, Vol. 3, No. 43, pp. 21380-21423, Jul 2015. 

  19. S. Devaraj, and N. Munichandraiah, "Effect of crystallographic structure of $MnO_2$ on its electrochemical capacitance properties," The Journal of Physical Chemistry C, Vol. 112, No. 11, pp. 4406-4417, Feb 2008. 

  20. A. Taylor, An introduction to X-Ray Metallograph, New York, NY: John Wiley and Sons. Inc., 1945. 

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