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슈퍼커패시터용 PVA-g-POEM 가지형 공중합체로 구성된 고분자 전해질막
Polymer Electrolyte Membranes Consisting of PVA-g-POEM Graft Copolymers for Supercapacitors 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.29 no.6, 2019년, pp.323 - 328  

박민수 (연세대학교 화공생명공학과) ,  김도현 (연세대학교 화공생명공학과) ,  이재훈 (연세대학교 화공생명공학과) ,  김종학 (연세대학교 화공생명공학과)

초록
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인류의 에너지 수급은 항상 인간의 삶에 중요한 문제이며, 최근에는 전기 생산 및 공급 문제로 이어지고 있다. 이에 관련하여 본 연구에서는 에너지 저장장치의 일환으로 슈퍼커패시터 용도의 고체 전해질막을 제조하였다. 제조한 전해질막은 poly(vinyl alcohol) (PVA) 주사슬에 poly(oxyethylene methacrylate) (POEM) 곁사슬을 그래프팅하여 사용하였으며, 그래프팅은 자유 라디칼 중합법을 통해 합성하였다. 본 연구에서 사용한 PVA-g-POEM 가지형 공중합체를 슈퍼커패시터 전해질에 적용한 사례는 처음이다. POEM 그래프팅을 통해 PVA가 고유하게 가지고 있던 구조가 변화하였으며, 이를 FT-IR을 통해 분석하였다. 또한, 합성한 공중합체를 이용한 슈퍼커패시터 성능은 cyclic voltammetry (CV), galvanostatic charge/discharge(GCD), ragone plot 등을 통해 분석하였다. 이를 통해 기존에 수계 전해질로 PVA 단일 고분자만 사용하던 분야에 그래프팅 방법이라는 새로운 접근법을 제시하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

It is a highly important problem for mankind to supply sufficient energy, which has been connected to production and supply of electricity. In terms of the problems, this study fabricated a new sort of solid polymer electrolyte membrane for supercapacitors. The fabricated electrolyte employed grafti...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • POEM 단량체를 그래프팅하여 PVA 고유의 구조가 변화하였으며, 이는 FT-IR이나 전기화학 성능 실험 결과를 통해 확인하였다. 그 결과, CV 그래프에서 2 mV s-1의 주사 속도 에서 83.1 F g-1의 축전 용량의 높은 성능을 확인하였으며, 이는 새로운 PVA 계열 그래프팅 고분자의 활용성을 보여준 연구이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
PVA가 수계 전해질로 쓰일 수 있는 이유는 무엇인가? 따라서 이러한 수계 전해질 향상을 위해 다양한 연구가 진행되고 있는데, 가장 널리 사용되는 수계 전해질이 폴리비닐알코올 [poly(vinyl alcohol), PVA]과 인산의 혼합막 전해질이다. PVA는 물과의 상호작용이 매우 좋은 고분자이며, 인산과 함께 건조하였을 때 고체 형태의 높은 기계적 강도를 가지는 동시에 좋은 이온 전도도를 보인다[26].
활성탄이란 무엇인가? 이 중 EDLC는 화학 반응을 함께 이용한 유사축전 커패시터에 비해 성능은 떨어지지만 상대적으로 가격이 저렴한 탄소 전극 물질을 사용하며 안정성이 매우 뛰어나므로 활발하게 연구가 이루어지고 있다[16-18]. 이러한 탄소 전극 물질 중 가장 경제성이 좋은 물질 중하나로 알려진 것이 활성탄(activated carbon, AC)이다[19-21].
EDLC의 특징은 무엇인가? 이러한 슈퍼커패시터는 충⋅방전 방식에 따라 크게 전기 이중층 커패시터(electric double-layer capacitors, EDLC)와 유사축전 커패시터(pseudo capacitor)로 나눠진다. 이 중 EDLC는 화학 반응을 함께 이용한 유사축전 커패시터에 비해 성능은 떨어지지만 상대적으로 가격이 저렴한 탄소 전극 물질을 사용하며 안정성이 매우 뛰어나므로 활발하게 연구가 이루어지고 있다[16-18]. 이러한 탄소 전극 물질 중 가장 경제성이 좋은 물질 중하나로 알려진 것이 활성탄(activated carbon, AC)이다[19-21].
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참고문헌 (28)

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  2. P. V. Kamat, "Meeting the clean energy demand: Nanostructure architectures for solar energy conversion", J. Phys. Chem. C, 111, 2834 (2007). 

  3. P. Palensky and D. Dietrich, "Demand side management: Demand response, intelligent energy systems, and smart loads", IEEE Trans. Ind. Informat, 7, 381 (2011). 

  4. T. R. Cook, D. K. Dogutan, S. Y. Reece, Y. Surendranath, T. S. Teets, and D. G. Nocera, "Solar energy supply and storage for the legacy and nonlegacy worlds", Chem. Rev., 110, 6474 (2010). 

  5. B. Dunn, H. Kamath, and J.-M. Tarascon, "Electrical energy storage for the grid: A battery of choices", Science, 334, 928 (2011). 

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  7. J. M. Tarascon and M. Armand, "Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries", Nature, 414, 359 (2001). 

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  9. M. Gratzel, "Recent advances in sensitized mesoscopic solar cells", Accounts Chem. Res., 42, 1788 (2009). 

  10. M. Winter and R. J. Brodd, "What are batteries, fuel cells, and supercapacitors?", Chem. Rev., 104, 4245 (2004). 

  11. G. Wang, L. Zhang, and J. Zhang, "A review of electrode materials for electrochemical supercapacitors", Chem. Soc. Rev., 41, 797 (2012). 

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  14. M. R. Benzigar, S. N. Talapaneni, S. Joseph, K. Ramadass, G. Singh, J. Scaranto, U. Ravon, K. Al-Bahily, and A. Vinu, "Recent advances in functionalized micro and mesoporous carbon materials: Synthesis and applications", Chem. Soc. Rev., 47, 2680 (2018). 

  15. D. J. Kim, J. K. Kim, J. H. Lee, H. H. Cho, Y.-S. Bae, and J. H. Kim, "Scalable and bendable organized mesoporous TiN films templated by using a dual-functional amphiphilic graft copolymer for solid supercapacitors", J. Mater. Chem. A, 4, 12497 (2016). 

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  17. Y. Zhu, S. Murali, M. D. Stoller, K. J. Ganesh, W. Cai, P. J. Ferreira, A. Pirkle, R. M. Wallace, K. A. Cychosz, M. Thommes, D. Su, E. A. Stach, and R. S. Ruoff, "Carbon-based supercapacitors produced by activation of graphene", Science, 332, 1537 (2011). 

  18. E. Frackowiak and F. Beguin, "Electrochemical storage of energy in carbon nanotubes and nanostructured carbons", Carbon, 40, 1775 (2002). 

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  20. H. Shi, "Activated carbons and double layer capacitance", Electrochim. Acta, 41, 1633 (1996). 

  21. V. Khomenko, E. Raymundo-Pinero, and F. Beguin, "Optimisation of an asymmetric manganese oxide/activated carbon capacitor working at 2V in aqueous medium", J. Power Sources, 153, 183 (2006). 

  22. Y. Huang, M. Zhong, F. Shi, X. Liu, Z. Tang, Y. Wang, Y. Huang, H. Hou, X. Xie, and C. Zhi, "An intrinsically stretchable and compressible supercapacitor containing a polyacrylamide hydrogel electrolyte", Angew. Chem.-Int. Edit., 56, 9141 (2017). 

  23. J. Y. Hwang, M. F. El-Kady, M. Li, C.-W. Lin, M. Kowal, X. Han, and R. B. Kaner, "Boosting the capacitance and voltage of aqueous supercapacitors via redox charge contribution from both electrode and electrolyte", Nano Today, 15, 15 (2017). 

  24. J. H. Lee, J. Y. Lim, J. T. Park, J. M. Lee, and J. H. Kim, "Polymethacrylate-comb-copolymer electrolyte for solid-state energy storage devices", Mater. Des., 149, 25 (2018). 

  25. M. Karnan, K. Subramani, P. K. Srividhya, and M. Sathish, "Electrochemical studies on corncob derived activated porous carbon for supercapacitors application in aqueous and non-aqueous electrolytes", Electrochim. Acta, 228, 586 (2017). 

  26. Z. Niu, L. Zhang, L. Liu, B. Zhu, H. Dong, and X. Chen, "All-solid-state flexible ultrathin micro-supercapacitors based on graphene", Adv. Mater., 25, 4035 (2013). 

  27. D. H. Kim, M. S. Park, Y. Choi, K. B. Lee, and J. H. Kim, "Synthesis of PVA-g-POEM graft copolymers and their use in highly permeable thin film composite membranes", Chem. Eng. J., 346, 739 (2018). 

  28. J. Y. Lim, J. K. Kim, J. M. Lee, D. Y. Ryu, and J. H. Kim, "Amphiphilic block-graft copolymer electrolyte: Synthesis, nanostructure, and use in solid-state flexible supercapacitors", J. Mater. Chem. A, 4, 7848 (2016). 

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