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전고체형 에너지 저장 매체 제조를 위한 이온성 액체 기반의 고체 전해질과 탄소나노복합체 기반의 전극소재 개발
Development of ionic liquid based solid state electrolyte and nanocarbon composite for all solid-state energy storage device 원문보기

Journal of the Korean Applied Science and Technology = 한국응용과학기술학회지, v.36 no.4, 2019년, pp.1253 - 1258  

김용렬 (대진대학교 에너지환경공학부) ,  강혜주 (대진대학교 에너지환경공학부) ,  정현택 (대진대학교 에너지환경공학부)

초록
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고분자를 기반으로 하는 고체 전해질은 수퍼커패시터, 배터리, 센서, 액추에이터 등 다양한 전기화학 소자에 응용이 가능한 소재로써, 기존 고분자 전해질의 낮은 이온전도도를 향상시키기 위해서 다양한 이온성 액체 기반의 고체 전해질에 관한 연구가 활발히 진행 중에 있다. 이온성 액체의 높은 전기적 특성 및 전기화학적, 열적 안정성과 고분자의 우수한 기계적인 강도를 활용한 젤 상태의 고체 전해질인 이온젤은 차세대 웨어러블 및 플렉시블 전자소자에 응용되어 연구되고 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 이온성 액체와 고분자 기반의 고체 전해질을 제조하고 특성을 분석하여 탄소나노복합체 기반의 전극에 적용하여 다양한 전자소자에 응용이 가능한 이온전도도 및 안정성이 향상된 이온성 액체 기반의 고체 전해질을 개발하고자 한다. 제조된 고체전해질은 전기화학적 임피던스법을 이용하여 이온 전도도를 측정하여 보았으며 이온성 액체를 첨가하여 제조한 고체전해질의 이온 전도도가 1.26 × 10-1 S/cm 로 확인되었다. 또한 제조된 고체 전해질을 이용하여 전고체형 수퍼커패시터를 제조하여 전기화학적 특성을 비교하여 보았으며, 수퍼커패시터의 전기화학적 특성 역시 이온성 액체를 첨가하여 제조된 고체 전해질을 사용하였을 때 향상된 전기화학적 특성을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The solid-state electrolyte based on polymer is applicable to various electrochemical devices including supercapacitor, battery, sensor, actuator and has great attention to develop its ionic conductivity from conventional polymer electrolyte by uisng wide range of ionic liquids. The research about i...

주제어

#이온성 액체   #고체 전해질   #이온젤   #웨어러블 및 플렉시블 전자소자  

표/그림 (6)

AI 본문요약
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제안 방법

  • PVA와 이온성 액체를 이용하여 고체 전해질을 제조하였을 때 이온성 액체의 유무에 따른 전기 화학적 임피던스 분광법의 결과를 이용하여 이온 전도도를 계산하여 비교하였다. PVA에 KI와 EC 를 첨가하여 제조한 전해질은 Fig.
  • 그래핀/활성탄소 복합체 전극과, 앞에서 제조한 두 가지 종류의 고체전해질을 이용하여 수퍼커패시터를 제작하였으며, 그 전기화학적 특성을 분석 하여 Fig. 3에 나타내었다.
  • 먼저 제조된 그래핀/활성탄소 복합체 기반의 전극 두 개와 고체전해질을 이용하여 샌드위치 형태를 갖는 수퍼커패시터를 제조하여 그 전기화학적 특성을 분석하였다. 간단하게, 제조된 두 개의 전극을 50 ℃의 고분자와 이온성 액체 기반 고체전해질에 함침시키어 전극물질로 전해질을 diffusion을 돕고 이온을 활성화시킨다.

대상 데이터

  • 06 g/mol)과 1-Butyl-3- methylimidazolium tetrafluoroborate [BMIM] [BF4]를 시그마 알드리치에서 구입하였으며, 별도의 전처리 과정 없이 사용하였다. Potassium iodide(KI)는 Junsei Chemical사의 제품을 사용하였으며 별도의 정제과정 없이 고체 전해질 제조에 사용하였다. 전극소재로는 환원된 그래핀과 활성탄소를 사용하였으며 Graphene All.
  • 고체 전해질의 기계적 강도를 향상시키기 위하여 Polyvinyl Alcohol(PVA, Mw:1500)를 삼전순약공업에서 구입하였으며, 별도의 정제과정 없이 사용하였다. 또한, 제조된 고체 전해질의 이온 전도도 증가를 위해서 Ethylene Carbonate (EC, Mw: 88.
  • 고체 전해질의 기계적 강도를 향상시키기 위하여 Polyvinyl Alcohol(PVA, Mw:1500)를 삼전순약공업에서 구입하였으며, 별도의 정제과정 없이 사용하였다. 또한, 제조된 고체 전해질의 이온 전도도 증가를 위해서 Ethylene Carbonate (EC, Mw: 88.06 g/mol)과 1-Butyl-3- methylimidazolium tetrafluoroborate [BMIM] [BF4]를 시그마 알드리치에서 구입하였으며, 별도의 전처리 과정 없이 사용하였다. Potassium iodide(KI)는 Junsei Chemical사의 제품을 사용하였으며 별도의 정제과정 없이 고체 전해질 제조에 사용하였다.
  • 알루미늄 판을 길이 5 cm와 1 cm의 폭으로 준비하여 기판으로 사용하였다. 준비된 알루미늄 기판은 스카치 테이프를 이용하여 핫플레이트 위에 고정시킨 다음 60 ℃의 온도로 안정화시킨다.
  • Potassium iodide(KI)는 Junsei Chemical사의 제품을 사용하였으며 별도의 정제과정 없이 고체 전해질 제조에 사용하였다. 전극소재로는 환원된 그래핀과 활성탄소를 사용하였으며 Graphene All.사에서 구입하였다. 전극물질의 분산을 위해서는 N,N-Dimethylformamide (DMF)를 시그마 알드리치에서 구매하여 별도의 전처리 과정없이 사용하였다.

이론/모형

  • PVA와 이온성 액체를 이용하여 고체 전해질을 제조하였을 때 이온성 액체의 유무에 따른 이온 전도도와 안정성을 비교하기 위해 전기화학적 임피던스 분광법을 이용하여 각각 제조된 전해질을 분석하였다. Fig.
  • 제조된 이온성 액체와 고분자 기반의 고체 전해질과 수퍼커패시터의 전기화학적 특성 및 이온 전도도 분석을 위해 원아테크사의 ZIVE SP2 work station을 이용하였으며, 순환전류법의 주사 속도는 100 mv/s로 측정하였다. 전기화학 임피던스 분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)을 이용하였으며, 0.1 Hz ~ 100 KHz의 주파수 범위에서 측정하였다. 또한 충․ 방전 시험은 0~1 V의 범위에서 1 A/g의 전류밀도로 하여 측정하였다.
  • 제조된 이온성 액체와 고분자 기반의 고체 전해질과 수퍼커패시터의 전기화학적 특성 및 이온 전도도 분석을 위해 원아테크사의 ZIVE SP2 work station을 이용하였으며, 순환전류법의 주사 속도는 100 mv/s로 측정하였다. 전기화학 임피던스 분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)을 이용하였으며, 0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
ionic liquid를 구성하는 음이온과 양이온은 크기가 크고 비대칭인 경우가 많은데 이로 인해 어떤 특성이 나타나는가? 이온성 액체(ionic liquid)는 유기 및 무기 화합물에 우수한 용해도를 나타내는 낮은 융해점, 무증기압, 높은 열 안정성을 지닌 유기성 염을 지칭하며, 이러한 특성으로 인해 이온성 액체는 바이오, 의약 및 화학 산업, 에너지 변환 및 저장, 신소재 나노융합 분야 등에서 폭 넓게 응용되고 있다[1]. 이온성 액체를 구성하는 음이온과 양이온은 크기가 크고 비대칭인 경우가 많아 이온간 상호 작용력이 약하여 낮은 녹는점을 갖는다는 특성을 나타낸다. 또한 높은 이온전도도와 전기용량으로 인하여 액추에이터, 트랜지스터, 이차전지, 염료감응 태양전지, 바이오센서 및 수퍼커패시터 등의 다양한 전기화학 소자에 응용되고 있다[2].
이온성 액체는 무엇을 지칭하는 것인가? 이온성 액체(ionic liquid)는 유기 및 무기 화합물에 우수한 용해도를 나타내는 낮은 융해점, 무증기압, 높은 열 안정성을 지닌 유기성 염을 지칭하며, 이러한 특성으로 인해 이온성 액체는 바이오, 의약 및 화학 산업, 에너지 변환 및 저장, 신소재 나노융합 분야 등에서 폭 넓게 응용되고 있다[1]. 이온성 액체를 구성하는 음이온과 양이온은 크기가 크고 비대칭인 경우가 많아 이온간 상호 작용력이 약하여 낮은 녹는점을 갖는다는 특성을 나타낸다.
이온성 액체는 어떤 분야에게 응용되고 잇는가? 이온성 액체(ionic liquid)는 유기 및 무기 화합물에 우수한 용해도를 나타내는 낮은 융해점, 무증기압, 높은 열 안정성을 지닌 유기성 염을 지칭하며, 이러한 특성으로 인해 이온성 액체는 바이오, 의약 및 화학 산업, 에너지 변환 및 저장, 신소재 나노융합 분야 등에서 폭 넓게 응용되고 있다[1]. 이온성 액체를 구성하는 음이온과 양이온은 크기가 크고 비대칭인 경우가 많아 이온간 상호 작용력이 약하여 낮은 녹는점을 갖는다는 특성을 나타낸다.
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참고문헌 (15)

  1. P. Sivakumar, M. Jana, M. Kota, M. G. Jung, A. Gedanken, H. S. Park, "Controllable synthesis of nanohorn-like architectured cobalt oxide for hybrid supercapacitor application", Journal of Power Sources, Vol. 402, pp. 147-156 (2018). 

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  2. A. Balducci, R. Dugas, P.L. Taberna, P. Simon, D. Plee, M. Mastragostino, S.Passerini, "High temperature carbon-carbon supercapacitor using ionic liquid as electrolyte", Journal of Power Sources, Vol. 165, pp. 922-927 (2007). 

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  3. A. Tahri, H. El Fadil, F.Z. Belhaj, K. Gaouzi, A. Rachid, F. Giri, F.Z. Chaoui, "Management of fuel cell power and supercapacitor state-of-charge forelectric vehicles", Electric Power Systems Research, Vol. 160, pp. 89-98 (2018). 

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  11. S. J. Park and S. H. Lee, A study on the biological treatment of acid pickling wastewater containing a high concentration of nitrate nitrogen, Journal of Korean Society on Water Environment, Vol. 31, pp. 253-259 (2015). 

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  12. J. Park, Y. S. Cho, S. J. Sung, M. Byeon, S. J. Yang, "Characteristics tuning of graphene oxide based- graphene to various end-uses", Energy Storage Materials, Vol. 14, pp. 8-21 (2018). 

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  14. Y. Uchida, E. Katelhon, R. G. Compton, "Cyclic voltammetry with non-triangular waveforms: Electrochemically reversible systems", Journal of Electroanalytical Chemistry, Vol. 801, pp. 381-387 (2017). 

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  15. G. A. Snook, P. Kao, A. S. Best, "Conducting-polymer-based supercapacitor devices and electrodes", Journal of Power Sources, Vol. 196, pp. 1-12 (2011). 

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