[논문]고온작동 수퍼커패시터용 이온성 액체 전해질에서의 흄드 실리카의 효과

김동원; 정현영

doi:10.3740/mrsk.2018.28.1.43

[국내논문] 고온작동 수퍼커패시터용 이온성 액체 전해질에서의 흄드 실리카의 효과
Useful Effects of Fumed Silica Nanoparticles in an Ionic Liquid Electrolyte for High Temperature Supercapacitor 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.28 no.1, 2018년, pp.43 - 49

김동원 (국립경남과학기술대학교 에너지공학과) , 정현영 (국립경남과학기술대학교 에너지공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The demand for energy storage devices capable of operating at high temperatures is increasing. In order to operate at high temperatures, a device must have excellent thermal stability and no risk of explosion. Ionic liquids are electrolytes that satisfy the above conditions, and studies on improving their performance have attracted great interest. Here, we report the results of a study on the fabrication of a supercapacitor that has a composite electrolyte prepared by dispersing fumed silica in an ionic liquid. The fumed silica filler exhibits improved ionic conductivity and lower interfacial resistance. In particular, the silica nanoparticles with diameters of 10 nm exhibit better electrochemical properties than fillers of other diameters and have excellent device performance of 33 times higher than the pristine ionic liquid at high temperatures. This study can be used to improve the electrolytes of electrochemical devices, such as the next generation battery or lithium ion battery.

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문제 정의

본 연구에서는 이온성 액체와 흄드 실리카를 이용하여 복합 전해질을 제조하고 이를 이용하여 고온에서 작동 가능한 수퍼커패시터 소자를 개발하고자 한다. 복합 전해질에 첨가된 흄드 실리카의 효과를 비교하기 위하여 전극으로는 상업적인 전도성 탄소 박막을 사용하고, 이온성 액체로써 1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide을 사용한다.
수퍼커패시터의 성능을 평가하기 위하여 코인 형태의 셀을 제작하고 전기화학적 성능 측정을 실시한다. 또한 고온에서 작동이 가능한 에너지 저장 소자로써 활용 가능성을 평가하고자 한다.
본 연구는 이온성 액체에 흄드 실리카를 분산시켜 복합 전해질을 제조하고 수퍼커패시터에 최적화된 흄드 실리카 나노입자의 지름과 질량농도를 조사하였다. 또한 고온에서 작동이 가능한 수퍼커패시터로의 활용 가능성을 찾고자 하였다.
본 연구는 이온성 액체에 흄드 실리카를 분산시켜 복합 전해질을 제조하고 수퍼커패시터에 최적화된 흄드 실리카 나노입자의 지름과 질량농도를 조사하였다. 또한 고온에서 작동이 가능한 수퍼커패시터로의 활용 가능성을 찾고자 하였다. 흄드 실리카는 각 나노입자의 지름 별로 3~4 wt%의 질량농도에서 최적의 전기화학적 슈퍼커패시터 성능을 보였다.

제안 방법

교류 임피던스의 측정은 바이어스(bias) 100 mV, 진폭(amplitude) 10 mV, 주파수(frequency) 0.01 Hz에서 1 × 106 Hz의 범위에서 실시하였다.
순환 전압-전류법은−1.5 V에서 +1.5 V사이의 전압에서 주사 속도(scan rate)는 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000 mV/s에서 실시하였다.
교반된 혼합 용액에 PTFE(직경 16 mm, 기공크기 0.2 μm, 두께 100 μm) 멤브레인을 20시간 함침하였다.
이온성 액체의 전해질 성능을 향상 시키고 최적의 복합 전해질을 개발하기 위하여 흄드 실리카 나노입자의 지름과 질량농도를 조절한다. 흄드 실리카는 200 nm, 40 nm, 10 nm 지름의 나노입자를 이용하고 각 지름에서 질량농도는 0~7 wt%까지 조절하여 이온성 액체 전해질에 최적화된 조건을 찾고자 한다. 수퍼커패시터의 성능을 평가하기 위하여 코인 형태의 셀을 제작하고 전기화학적 성능 측정을 실시한다.
흄드 실리카는 200 nm, 40 nm, 10 nm 지름의 나노입자를 이용하고 각 지름에서 질량농도는 0~7 wt%까지 조절하여 이온성 액체 전해질에 최적화된 조건을 찾고자 한다. 수퍼커패시터의 성능을 평가하기 위하여 코인 형태의 셀을 제작하고 전기화학적 성능 측정을 실시한다. 또한 고온에서 작동이 가능한 에너지 저장 소자로써 활용 가능성을 평가하고자 한다.
¹⁸⁾ 흄드 실리카는 실험에 사용되기 전에 진공오븐에서 110 ℃로 12시간 건조하여 수분을 제거하였다. 복합 전해질을 제조하기 위하여 바이알에 이온성 액체를 넣은 뒤 질량 농도가 0, 1, 3, 4, 5, 7 wt%가 되도록 흄드 실리카를 넣어 단순교반법에 의해 마그네틱바를 이용하여 200 rpm의 속도로 2시간 지속적으로 분산하여 제조하였다. 교반된 혼합 용액에 PTFE(직경 16 mm, 기공크기 0.
2 Ω/μm² 이하)을 양극과 음극으로 사용하였다. 두 전극 사이에는 복합 전해질을 위치시켰으며 CR2032 규격의 코인셀을 사용하여 소형 유압 압착기를 이용하여 수퍼커패시터를 제작하였다. 소자의 전기화학적 특성을 평가하기 위하여 Zive MP5(원아테크)를 사용하여 순환 전압-전류법(CV, cyclic voltammetry), 충방전(CD, charge-discharge), 교류 임피던스(AC impedance)를 측정하였다.
01 Hz에서 1 × 10⁶ Hz의 범위에서 실시하였다. 고온 특성을 평가하기 위해서 25 ℃에서 150 ℃까지 25 ℃의 온도를 순차적으로 증가시켰으며 각 온도에서 순환 전압-전류법과 충방전 실험을 실시하여 정전용량을 계산하였다.
수퍼커패시터의 전기화학적 성능을 평가하기 위하여 순환 전압-전류와 충방전 특성을 측정하였다. Fig.
복합 전해질의 이온 전도도는 5 mV의 교류 전압 진폭과 0.01~1 × 106 Hz의 주파수에서 교류 임피던스를 측정하여 계산하였다.
실리카 나노입자의 지름 별로 선택된 최적의 농도에서 제조된 복합 전해질을 이용하여 수퍼커패시터를 제작하였다. 각 샘플 별로 주사 속도를 달리하여 측정한 순환 전압-전류법의 결과와 전류밀도에 따른 충방전 측정 결과를 Fig.
고온에서 작동 가능한 소자의 구현을 위해서 온도를 증가시킴에 따른 충방전 측정과 순환 전압-전류 측정을 통한 정전용량을 계산하였다(Fig. 6). 온도는 25 ℃에서부터 150 ℃까지 25 ℃마다 증가시킨 후 0.

대상 데이터

이온성 액체와 흄드 실리카 나노입자로 이루어진 복합전해질을 제조하기 위하여, 이온성 액체는 1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide[EMIM-TFSI, 시그마알드리치, ≥ 98 %]를 따로 처리하지 않고 그대로 이용하였고, 흄드 실리카[CAS-No. 112945-52-5]는 200 nm[시그마알드리치], 40 nm[Aerosil], 10 nm[시그마알드리치]의 지름을 갖는 나노입자를 사용하였다.
수퍼커패시터용 복합 전해질의 성능을 평가하기 위해서 상업적으로 이용되는 전도성 탄소 필름(MTI Korea, 두께 1 μm, 밀도 0.5 g/m2, 표면저항 1.2 Ω/μm2 이하)을 양극과 음극으로 사용하였다.

이론/모형

두 전극 사이에는 복합 전해질을 위치시켰으며 CR2032 규격의 코인셀을 사용하여 소형 유압 압착기를 이용하여 수퍼커패시터를 제작하였다. 소자의 전기화학적 특성을 평가하기 위하여 Zive MP5(원아테크)를 사용하여 순환 전압-전류법(CV, cyclic voltammetry), 충방전(CD, charge-discharge), 교류 임피던스(AC impedance)를 측정하였다. 순환 전압-전류법은−1.

성능/효과

비록 충방전 그래프가 완벽한 역삼각형으로 나타나지 않는 것은 전해질과 전극 계면의 젖음성이 낮은 결과로 보여지며, 본 연구에서는 복합 전해질 내의 흄드 실리카의 효과를 탐색하기 위한 것이기 때문에, 이것은 추가적인 연구를 통해 해결할 예정이다. 측정된 결과는 순환 전압-전류법에 의한 정전용량과 마찬가지로 3~5 wt%에서 최고 값을 나타내고 다른 농도에서는 감소하였다. 200 nm의 3 wt% 실리카와 40 nm의 4 wt% 실리카는 각각 35 F/g과 40 F/g의 정전용량을 나타내었다.
200 nm의 3 wt% 실리카와 40 nm의 4 wt% 실리카는 각각 35 F/g과 40 F/g의 정전용량을 나타내었다. 또한 10 nm의 실리카는 4wt%에서 58 F/g을 보였으며, 이 값은 액체 전해질만 있는 경우보다 약 6배 향상된 값이다(Fig. 3(d-f)).
이상적인 다공성 전극을 사용한 커패시터의 위상각이 −90°에 가깝다는 것에 비교해 볼 때, 본 연구에서는 단순 전도성 탄소 전극을 사용했음에도 위상각이 비교적 높게 측정된 것은 흄드 실리카의 전해질 내에서의 효율성을 입증하고 있다.
4(f)는 질량농도를 달리한 복합 전해질의 이온 전도도를 보여준다. 이온성 액체보다 흄드 실리카를 첨가한 경우 이온 전도도는 뚜렷히 향상되었으며, 10 nm 실리카를 첨가한 경우 7.6 mS/cm을 나타내었다. 임피던스의 결과로부터 흄드 실리카는 낮은 저항, 향상된 위상각, 짧은 완화 시간 그리고 향상된 이온 전도도를 나타내었으며 이것은 앞서 보고한 순환 전압-전류법과 충방전 측정과 일치된 결과를 보여주고 있다.
6 mS/cm을 나타내었다. 임피던스의 결과로부터 흄드 실리카는 낮은 저항, 향상된 위상각, 짧은 완화 시간 그리고 향상된 이온 전도도를 나타내었으며 이것은 앞서 보고한 순환 전압-전류법과 충방전 측정과 일치된 결과를 보여주고 있다.
5에 보여준다. 주사 속도가 감소함에 따라 정전용량은 증가하였으며(Fig. 5(a, c, e)), 전류밀도가 감소함에 따라 정전용량은 또한 증가하였다(Fig.
5(b, d, f). 그리고 10 nm 실리카 전해질을 이용한 수퍼커패시터가 다른 지름의 샘플보다 높은 정전용량을 나타내었다(Fig. 5(e-f)).
또한 고온에서 작동이 가능한 수퍼커패시터로의 활용 가능성을 찾고자 하였다. 흄드 실리카는 각 나노입자의 지름 별로 3~4 wt%의 질량농도에서 최적의 전기화학적 슈퍼커패시터 성능을 보였다. 또한 흄드 실리카 나노입자의 지름은 작을수록 그 표면적이 크기 때문에 이온성 액체와 수소결합에 의한 상호 작용으로 인한 전하의 유동성을 증가시켜 이온 전도도가 증가하였다.
흄드 실리카는 각 나노입자의 지름 별로 3~4 wt%의 질량농도에서 최적의 전기화학적 슈퍼커패시터 성능을 보였다. 또한 흄드 실리카 나노입자의 지름은 작을수록 그 표면적이 크기 때문에 이온성 액체와 수소결합에 의한 상호 작용으로 인한 전하의 유동성을 증가시켜 이온 전도도가 증가하였다. 그 결과 10 nm의 나노입자를 이용한 소자는 다른 지름의 나노입자보다 높은 정전용량을 보였으며, 완화 시간이 짧고 전해질 저항도 낮았다.
또한 흄드 실리카 나노입자의 지름은 작을수록 그 표면적이 크기 때문에 이온성 액체와 수소결합에 의한 상호 작용으로 인한 전하의 유동성을 증가시켜 이온 전도도가 증가하였다. 그 결과 10 nm의 나노입자를 이용한 소자는 다른 지름의 나노입자보다 높은 정전용량을 보였으며, 완화 시간이 짧고 전해질 저항도 낮았다. 게다가 150 ℃의 고온에서도 높은 정전용량을 나타내어 고온에서도 작동이 가능한 에너지저장 소자의 가능성을 확인하였다.
그 결과 10 nm의 나노입자를 이용한 소자는 다른 지름의 나노입자보다 높은 정전용량을 보였으며, 완화 시간이 짧고 전해질 저항도 낮았다. 게다가 150 ℃의 고온에서도 높은 정전용량을 나타내어 고온에서도 작동이 가능한 에너지저장 소자의 가능성을 확인하였다.
6(c)에 보여준다. 온도가 증가할수록 전하의 이동이 활발하여 정전용량의 크기는 증가하였으며, 10 nm의 경우 150 ℃에서 165 F/g으로 상온에서 보다 5.5배 증가하였고 상온의 이온성 액체 보다 33배 증가하였다. 이러한 결과는 흄드 실리카를 이용한 수퍼커패시터의 고온에서의 활용 가능성을 충분히 보여주고 있다.

후속연구

여기서 I는 전류(A), m은 전극의 질량, ΔV/Δt는 방전 그래프의 IR drop 이후의 기울기이다. 비록 충방전 그래프가 완벽한 역삼각형으로 나타나지 않는 것은 전해질과 전극 계면의 젖음성이 낮은 결과로 보여지며, 본 연구에서는 복합 전해질 내의 흄드 실리카의 효과를 탐색하기 위한 것이기 때문에, 이것은 추가적인 연구를 통해 해결할 예정이다. 측정된 결과는 순환 전압-전류법에 의한 정전용량과 마찬가지로 3~5 wt%에서 최고 값을 나타내고 다른 농도에서는 감소하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이온성 액체 전해질의 단점은 무엇인가?	1-5)최근에 주목 받는 전해질로써 이온성 액체 전해질은 비휘발성, 불연성 특성을 가지고 있어서 안정성 관점에서 유리하고 높은 온도에서 낮은 증기압과 높은 열적 안정성을 가지며 전압은 6V까지 유지할 수 있기 때문에 높은 에너지밀도를 구현할 수 있다.6-12) 그러나 액체 전해질내의 이온이 완전하게 녹아 있지 않기 때문에 이온의 이동이 방해를 받아 전도도는 다른 전해질 보다 낮아 전기화학적 셀의 성능 향상에 제약을 가져온다.6-12) 이를 보완하기 위하여 흄드 실리카를 충진재로 사용하는 연구가 보고되고 있으며, 흄드 실리카 표면의 −OH 그룹과 이온성 액체의 수소결합이 전하의 이동도에 중요한 역할을 하는 것으로 보여진다.
	수퍼커패시터는 어떻게 사용되고 있는가?	화석 연료의 사용에 따른 오염과 지구 온난화에 대한 우려가 커지면서 신재생에너지에 대한 관심이 증가하고 있으며, 이러한 전력의 공급 측면에서 안전하고 효율적인 에너지 저장 시스템의 기술 개발은 무엇보다 중요해지고 있다. 수퍼커패시터는 출력 밀도가 높고, 동작 온도 범위가 넓으며, 안정성이 뛰어나고 배터리 대비 충방전 효율이 높기 때문에 전자 및 의료용 소자의 에너지 저장 장치로써 사용되고 있다. 특히 전기 이중층 커패시터(EDLC, electric double-layer capacitors)는 활성 탄소 전극과 유기 전해질을 일반적으로 사용하고 있으며, 그 성능을 향상시키기 위해서 효과적인 탄소 재료 및 호환 가능한 전해질의 개발은 주된 연구의 대상이 되고 있다.
	이온성 액체 전해질의 장점은 무엇인가?	2 V 정도로 좁아 에너지밀도가 제한되고, 유기 전해질은 전압의 범위를 증가시킬 수 있는 장점은 있으나 용매의 크기가 상대적으로 커서 이온전도도가 낮으며 공기 중에서 불안정하여 생산 공정이 복잡해져서 비용이 증가하는 단점이 있다.1-5)최근에 주목 받는 전해질로써 이온성 액체 전해질은 비휘발성, 불연성 특성을 가지고 있어서 안정성 관점에서 유리하고 높은 온도에서 낮은 증기압과 높은 열적 안정성을 가지며 전압은 6V까지 유지할 수 있기 때문에 높은 에너지밀도를 구현할 수 있다.6-12) 그러나 액체 전해질내의 이온이 완전하게 녹아 있지 않기 때문에 이온의 이동이 방해를 받아 전도도는 다른 전해질 보다 낮아 전기화학적 셀의 성능 향상에 제약을 가져온다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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