[논문]고체 슈퍼캐퍼시터를 위한 폴리비닐알콜 고분자 전해질막

이재훈; 박철훈; 박민수; 김종학

doi:10.14579/membrane_journal.2019.29.1.30

고체 슈퍼캐퍼시터를 위한 폴리비닐알콜 고분자 전해질막
Poly(vinyl alcohol)-based Polymer Electrolyte Membrane for Solid-state Supercapacitor 원문보기 논문타임라인

멤브레인 = Membrane Journal, v.29 no.1, 2019년, pp.30 - 36

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

초록
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본 연구에서는 titanium nitride (TiN) 나노 섬유와 poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT-PSS) 전도성 고분자로 이루어진 전극과 poly(vinyl alcohol) (PVA) 기반 고분자 전해질 분리막을 이용하여 슈퍼 캐퍼시터를 제조하였다. TiN 나노 섬유의 경우 높은 전기 전도도와 이차원적 구조로 인한 스케폴드 효과를 기대할 수 있다는 점에서 전극 물질로 사용되었다. PEDOT-PSS 전도성 고분자는 수소 이온과 산화-환원 반응을 통해 보다 높은 정전용량을 나타낼 수 있으며 용액상에 분산이 용이해 유무기 복합제를 형성하기에 적합하였다. PVA 기반의 고분자 전해질 분리막은 기존의 액상의 전해질의 문제인 외부 충격에 대한 안정성을 확보할 수 있으며 염으로 사용된 $H_3PO_4$의 경우 수소 이온은 빠른 확산으로 인해 캐퍼시터의 충방전 효율에 이점이 있다. 본 연구에서 보고된 PEDOT-PSS/TiN 슈퍼캐퍼시터의 정전용량은 약 75 F/g으로 기존의 탄소기반 캐퍼시터에 비해 큰 폭으로 증가한 값이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we reported a solid-state supercapacitor consisting of titanium nitride (TiN) nanofiber and poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT-PSS) conducting polymer electrode and poly(vinyl alcohol) (PVA)-based polymer electrolyte membrane. The TiN nanofiber was selected as electrode materials due to high electron conductivity and 2-dimensional structure which is beneficial for scaffold effect. PEDOT-PSS is suitable for organic/inorganic composites due to good redox reaction with hydrogen ions in electrolyte and good dispersion in solution. By synergetic effect of TiN nanofiber and PEDOT-PSS, the PEDOT-PSS/TiN electrode showed higher surface area than the flat Ti foil substrate. The PVA-based polymer electrolyte membrane could prevent leakage and explosion problem of conventional liquid electrolyte and possess high specific capacitance due to the fast ion diffusion of small $H^+$ ions. The specific capacitance of PEDOT-PSS/TiN supercapacitor reached 75 F/g, which was much higher than that of conventional carbon-based supercapacitors.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

결론적으로 유무기 복합 소재인 PEDOT-PSS/TiN 전극과 PVA 기반의 고분자 전해질 분리막을 이용하여 고체 슈퍼 캐퍼시터를 보고하였다. TiN 나노 섬유는 전기방사법과 질화과정을 통해 제조되었으며 이차원적인 구조와 표면의 나노 입자 구조로 인해 높은 전기 전도도와 계면 접촉 향상을 통한 캐퍼시터의 성능 향상에 기여하였다.

제안 방법

본 연구에서 사용된 전극은 전도성 고분자인 poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOTPSS)과 전기방사법으로 합성된 titanium nitride (TiN) 나노섬유를 이용하여 제작되었다. TiN과 같은 전이금속 질화물(transition metal nitrides)은 경제적이며 높은 전기전도성 그리고 화학적 안정성을 나타낸다.
또한 전기방사법을 통한 이차원적 구조 제어를 통해 합성된 TiN 나노 섬유는 빠른 전자 전달과 보다 넓은 표면적을 나타낼 수 있었다. 하지만 TiN의 경우 전기화학적 반응성이 없어 상대적으로 낮은 정전용량을 나타낼 수밖에 없는데 이러한 문제를 해결하기 위하여 PEDOT-PSS 전도성 고분자가 도입되었다. PEDOTPSS는 산화-환원 반응을 통해 전자를 저장할 수 있는 물질로서 PEDOT-PSS/TiN 전극에서 정전용량을 증가시키며 동시에 플렉시블한 특성을 전극에 제공하였다.

대상 데이터

TiN 나노섬유를 제조하기 위하여 poly(vinyl pyrrolidone) (PVP, 1,300,000 g mol^-1), titanium isopropoxide(TTIP)가 사용되었다. 농도 조절을 위해 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT-PSS)는 건조된 펠렛 형태로 사용하였다.
농도 조절을 위해 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT-PSS)는 건조된 펠렛 형태로 사용하였다. 고분자 전해질 분리막을 제조하기 위하여 PVA (80,000 g mol^-1)와 phosphoric acid solution (H₃PO₄, 85%)가 사용되었다. 실험에 사용된 시약은 모두 Sigma-aldrich사에서 구매하여 사용하였다.

이론/모형

PEDOTPSS는 산화-환원 반응을 통해 전자를 저장할 수 있는 물질로서 PEDOT-PSS/TiN 전극에서 정전용량을 증가시키며 동시에 플렉시블한 특성을 전극에 제공하였다. PEDOTPSS/TiN 전극은 티타늄 포일(Ti Foil) 위에 닥터-블레이드(Doctor-blade) 방법을 통해 제조되었으며 PEDOTPSS 전도성 고분자가 TiN 나노 섬유 구조체를 코팅하고 있는 형태를 나타내었다. TiN 나노 섬유 구조체는 기계적 강도와 전기 전도성 그리고 표면적을 증가시켜 주어전극의 성능 향상에 영향을 주었다.
물질들의 결정 분석에는 RIGAKU사의 Ultima IV XRD measurement가 사용되었다. 제작된 슈퍼 캐퍼시터의 전기화학적 분석을 위해 순환전류전압법(cyclic voltammetry, CV)이 측정되었다.

성능/효과

결론적으로 유무기 복합 소재인 PEDOT-PSS/TiN 전극과 PVA 기반의 고분자 전해질 분리막을 이용하여 고체 슈퍼 캐퍼시터를 보고하였다. TiN 나노 섬유는 전기방사법과 질화과정을 통해 제조되었으며 이차원적인 구조와 표면의 나노 입자 구조로 인해 높은 전기 전도도와 계면 접촉 향상을 통한 캐퍼시터의 성능 향상에 기여하였다. 또한 전도성 고분자로 알려진 PEDOT-PSS는 바인더로서의 역할 뿐 아니라 산화-환원 반응을 통한 슈도 캐퍼시터로서의 역할도 동시에 수행하여 뛰어난 정전용량과 빠른 충방전효율을 기대할 수 있는 전극 제조가 가능하였다.
또한 전도성 고분자로 알려진 PEDOT-PSS는 바인더로서의 역할 뿐 아니라 산화-환원 반응을 통한 슈도 캐퍼시터로서의 역할도 동시에 수행하여 뛰어난 정전용량과 빠른 충방전효율을 기대할 수 있는 전극 제조가 가능하였다. 또한 기존의 액체 전해질과는 달리 누액과 폭발의 위험이 없는 고체 PVA/H₃PO₄ 고분자 전해질 분리막의 도입으로 안정성 문제를 해결할 수 있었으며 상대적으로 작은 크기의 수소 이온으로 인해 전극내부로의 이온 확산이 빨라 캐퍼시터의 성능 향상에 긍정적인 영향을 주었다. 이러한 장점들을 덕분에 PEDOTPSS/TiN 캐퍼시터의 경우 약 75 F/g의 정전용량을 나타내었으며 이는 기존의 탄소기반 전극에 비해 2배 가까운 성능 증가를 보고하였다.
TiN 나노 섬유는 전기방사법과 질화과정을 통해 제조되었으며 이차원적인 구조와 표면의 나노 입자 구조로 인해 높은 전기 전도도와 계면 접촉 향상을 통한 캐퍼시터의 성능 향상에 기여하였다. 또한 전도성 고분자로 알려진 PEDOT-PSS는 바인더로서의 역할 뿐 아니라 산화-환원 반응을 통한 슈도 캐퍼시터로서의 역할도 동시에 수행하여 뛰어난 정전용량과 빠른 충방전효율을 기대할 수 있는 전극 제조가 가능하였다. 또한 기존의 액체 전해질과는 달리 누액과 폭발의 위험이 없는 고체 PVA/H₃PO₄ 고분자 전해질 분리막의 도입으로 안정성 문제를 해결할 수 있었으며 상대적으로 작은 크기의 수소 이온으로 인해 전극내부로의 이온 확산이 빨라 캐퍼시터의 성능 향상에 긍정적인 영향을 주었다.
또한 기존의 액체 전해질과는 달리 누액과 폭발의 위험이 없는 고체 PVA/H₃PO₄ 고분자 전해질 분리막의 도입으로 안정성 문제를 해결할 수 있었으며 상대적으로 작은 크기의 수소 이온으로 인해 전극내부로의 이온 확산이 빨라 캐퍼시터의 성능 향상에 긍정적인 영향을 주었다. 이러한 장점들을 덕분에 PEDOTPSS/TiN 캐퍼시터의 경우 약 75 F/g의 정전용량을 나타내었으며 이는 기존의 탄소기반 전극에 비해 2배 가까운 성능 증가를 보고하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기 이중층 캐퍼시터의 단점을 보완하기 위해 제안된 것은 무엇인가?	전통적인 탄소기반의 전극은 높은 전력 밀도와 긴 수명을 갖지만 낮은 정전용량과 에너지 밀도를 갖는 전기 이중층 캐퍼시터(electrical double layer capacitor, EDLC)로 사용된다[6-8]. 따라서 기존의 탄소기반 전극의 한계를 극복하기 위하여 전기적 활성을 띠는 물질을 이용한 슈도 캐퍼시터(pseudocapacitor)가 제안되었다. 슈도 캐퍼시터는 가역적인 패러데이 반응(Faradaic reaction)이 전극물질에서 일어나며 마치 배터리에서의 반응과 비슷하게 전지 내에서 전자의 충방전이 일어난다.
	TiN 나노 섬유가 전극 물질로 사용된 이유는 무엇인가?	본 연구에서는 titanium nitride (TiN) 나노 섬유와 poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT-PSS) 전도성 고분자로 이루어진 전극과 poly(vinyl alcohol) (PVA) 기반 고분자 전해질 분리막을 이용하여 슈퍼 캐퍼시터를 제조하였다. TiN 나노 섬유의 경우 높은 전기 전도도와 이차원적 구조로 인한 스케폴드 효과를 기대할 수 있다는 점에서 전극 물질로 사용되었다. PEDOT-PSS 전도성 고분자는 수소 이온과 산화-환원 반응을 통해 보다 높은 정전용량을 나타낼 수 있으며 용액상에 분산이 용이해 유무기 복합제를 형성하기에 적합하였다.
	슈퍼 캐퍼시터의 장점은 무엇인가?	증가하는 에너지 수요와 환경 문제의 해결을 위해 고효율 에너지 저장장치에 대한 연구가 활발이 진행되고 있다[1-5]. 그중 슈퍼 캐퍼시터는 높은 전력 밀도와 빠른 충방전, 그리고 긴 수명이라는 장점으로 인해 차세대에너지 저장장치로 급부상하고 있다. 슈퍼 캐퍼시터의 성능은 크게 전극 물질과 전해질에 의해 좌우되며 다양한 물질과 구조 제어를 통한 성능 향상이 보고되고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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