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문제 정의
- 따라서 본 논문에는 이러한 단점을 보완하기 위해 아 연 전극의 표면 개질을 통해서 거칠고 표면적이 큰 다공성 전극에 대하여 연구를 수행하였다. 아연 전극의 다 공성 구조를 확보하기 위하여 화학적 식각 공정을 이용 하였으며 이는 충·방전 과정 동안 전기화학 반응 면적 의 증가 및 아연 이온의 확산경로를 감소시켜 고성능 아연-이온 커패시터를 위한 전극으로 적합할 것으로 여겨 진다.
- 본 연구에서는 아연-이온 전기화학 커패시터의 음극으로 사용하기 위해 다공성 아연 전극을 화학적 식각 공정을 이용하여 성공적으로 제조하였다. 특히, 다공성 구조를 최적화하기 위하여 염산을 이용한 공정시간을 180초 동안 진행하였다.
제안 방법
- Fig. 5(a)는 기본 아연전극, PZE-60 및 PZE-180의 전기화학적 임피던스 분광법을 실시하여 얻은 나이퀴스트 선도이며 0.5 Hz -100 kHz의 주파수 범위에서 5 mV 교류 진폭으로 측정되었다. 이 선도는 전하이동 저항(charge transfer resistance) 과 와버그 저항(Warburg impedance)이 존재하는데, 이는 각각 및 전극/전해질 사이의 계면의 전하이동 및 전극 내에서 아연 이온의 확산에 영향을 받는다.
- 양극으로는 활성탄이 기반이되는 전극을 제조하였다. 80 wt% 의 활성탄, 10 wt%의 바인더(polyvinylidene difluoride, PVDF), 10 wt% 도전재(acetylene black)를 용매(1-methyl-2- pyrrolidinone, NMP) 안에서 고르게 혼합시켰다. 혼합된 슬러리는 집전체로 이용하는 니켈 폼 위에 20 µm의 두께로 캐스팅 후 10시간동안 100 o C에서 건조하였다.
- 혼합된 슬러리는 집전체로 이용하는 니켈 폼 위에 20 µm의 두께로 캐스팅 후 10시간동안 100 o C에서 건조하였다. 그 후 압착기를 이용하여 전극을 압연하였다. 전해질은 2 M 의 황산아연(ZnSO4)을 사용하였다.
- 이는 충·방전 과정에서 아연이온 확산에 유리하지 못한 구조 임으로 높은 전류밀도에서 낮은 에너지저장 용량의 원 인이 된다. 따라서 본 논문에서는 Zn + HCl = H2 + ZnCl2의 반응을 수반하는 화학적 식각 공정을 이용하여 아연 전극의 표면을 개질 하였다. 그 결과 PZE-60(Fig.
- 또한 수명 성능을 확인 위하여 5.0 A g−1 의 전류밀도에서 1,500회 충·방전 평가를 실시하였다.
- 다공성 구조는 염산 용액을 이용한 화학적 식 각 공정을 이용하여 준비하였다. 식각 공정 시간을 60, 180 및 360초로 구분하여 진행하였고 이들은 PZE-60, PZE-180 및 PZE-360로 각각 언급될 것이다. 화학적 식 각 공정이후에는 증류수를 이용하여 세척하였다.
- 아연-이온 전기화학 커패시터의 음극으로 이용하기 위하여 다공성 아연전극(porous Zn electrode, PZE)을 제 조하였다. 다공성 구조는 염산 용액을 이용한 화학적 식 각 공정을 이용하여 준비하였다.
- 이러한 우수한 수명 유지 특성 은 아연-이온 커패시터의 우수한 안정성을 의미한다. 아연-이온 커패시터의 비가역성을 추가적으로 분석하기 위 하여 전기화학적 임피던스 분광법을 실시하였다. Fig.
- 또한 표면의 거칠기와 표면적을 측정하기 위하여 원자현미경을(atomic force microscopy, AFM)을 이용하였다. 제조된 다공성 아연전극의 전기화학적 거동 및 에너지 저장 성능을 분석하기 위하여 2전극 시스템을 제작하였다. 음극으로는 제조된 다공성 아연을 이용하였다.
- 전해질은 2 M 의 황산아연(ZnSO4)을 사용하였다. 제조된 아연이온 전기화학 커패시터의 전기화학적 저항을 분석하기 위하여 전기화학적 임피던스 분광법(electrochemical impedance spectroscopy, EIS)을 5 mV의 교류 신호에서 실시하였다. 충·방전 실험(charging-discharging test)은 0.
- 충·방전 실험(charging-discharging test)은 0.5부터 10.0 A g−1 의 전류밀도 조건에서 측정하였다.
- 본 연구에서는 아연-이온 전기화학 커패시터의 음극으로 사용하기 위해 다공성 아연 전극을 화학적 식각 공정을 이용하여 성공적으로 제조하였다. 특히, 다공성 구조를 최적화하기 위하여 염산을 이용한 공정시간을 180초 동안 진행하였다. 표면 개질이 최적화된 PZE-180의 경우 173 nm의 높은 거칠기 수치와 153 μm2 의 표면적을 보유하였다.
대상 데이터
- 음극으로는 제조된 다공성 아연을 이용하였다. 양극으로는 활성탄이 기반이되는 전극을 제조하였다. 80 wt% 의 활성탄, 10 wt%의 바인더(polyvinylidene difluoride, PVDF), 10 wt% 도전재(acetylene black)를 용매(1-methyl-2- pyrrolidinone, NMP) 안에서 고르게 혼합시켰다.
- 제조된 다공성 아연전극의 전기화학적 거동 및 에너지 저장 성능을 분석하기 위하여 2전극 시스템을 제작하였다. 음극으로는 제조된 다공성 아연을 이용하였다. 양극으로는 활성탄이 기반이되는 전극을 제조하였다.
- 그 후 압착기를 이용하여 전극을 압연하였다. 전해질은 2 M 의 황산아연(ZnSO4)을 사용하였다. 제조된 아연이온 전기화학 커패시터의 전기화학적 저항을 분석하기 위하여 전기화학적 임피던스 분광법(electrochemical impedance spectroscopy, EIS)을 5 mV의 교류 신호에서 실시하였다.
이론/모형
- 또한, 이들의 결정구조를 확인하기위해 X-선 회절 분석(Xray diffraction, XRD)을 이용하였고, X-선 광전자 주사 법(X-ray photo-electron spectroscopy, XPS)을 이용하여 표면에서의 화학적 결합상태를 규명하였다. 또한 표면의 거칠기와 표면적을 측정하기 위하여 원자현미경을(atomic force microscopy, AFM)을 이용하였다. 제조된 다공성 아연전극의 전기화학적 거동 및 에너지 저장 성능을 분석하기 위하여 2전극 시스템을 제작하였다.
- 샘플의 형태 및 구조 분석은 전계 방사형 주사전자 현미경 (scanning electron microscope, SEM)을 이용하였다. 또한, 이들의 결정구조를 확인하기위해 X-선 회절 분석(Xray diffraction, XRD)을 이용하였고, X-선 광전자 주사 법(X-ray photo-electron spectroscopy, XPS)을 이용하여 표면에서의 화학적 결합상태를 규명하였다. 또한 표면의 거칠기와 표면적을 측정하기 위하여 원자현미경을(atomic force microscopy, AFM)을 이용하였다.
- 화학적 식 각 공정이후에는 증류수를 이용하여 세척하였다. 샘플의 형태 및 구조 분석은 전계 방사형 주사전자 현미경 (scanning electron microscope, SEM)을 이용하였다. 또한, 이들의 결정구조를 확인하기위해 X-선 회절 분석(Xray diffraction, XRD)을 이용하였고, X-선 광전자 주사 법(X-ray photo-electron spectroscopy, XPS)을 이용하여 표면에서의 화학적 결합상태를 규명하였다.
성능/효과
- 1,500회의 충·방전 후에도 모든 샘플은 99 %의 높은 커패시턴스 유지율을 나타내 는 것을 볼 수 있었다.
- 0 V로 기존에 보고된 결과들과 일치한다. 13) X-선 회절분석 및 X-선 광전자 주사법을 통하여 화학적 식각 공정을 이용하여 개발한 다공성 아연전극들은 결정 구조 및 화학적 변화 없이 제조된 것을 확인할 수 있었다.
- 게다가 표면적의 경 우에도 PZE-180가 153 μm2 로 28 μm2 를 보유한 기본 아연전극보다 높은 것을 확인할 수 있었다.
- 따라서 본 논문에서는 Zn + HCl = H2 + ZnCl2의 반응을 수반하는 화학적 식각 공정을 이용하여 아연 전극의 표면을 개질 하였다. 그 결과 PZE-60(Fig. 2b and f)는 표면이 개질 되어 거친 표면을 보였다.
- 두 번째로, 다공성 구조는 빠른 속도의 전류밀도에서 전해질 내 이온의 확산거리를 감소시킴으로써 빠른 충·방전 속도에서의 우수한 커패시턴스 유지율을 나타낼 수 있었다.
- 아연 전극의 다 공성 구조를 확보하기 위하여 화학적 식각 공정을 이용 하였으며 이는 충·방전 과정 동안 전기화학 반응 면적 의 증가 및 아연 이온의 확산경로를 감소시켜 고성능 아연-이온 커패시터를 위한 전극으로 적합할 것으로 여겨 진다. 따라서 제조된 샘플들은 아연-이온 커패시터의 음극으로 평가되었고, 전기화학적 분석 및 에너지 저장 성 능을 규명하였다.
- 또한, 5.0 A g−1 의 측정 전류밀도에서 1,500회의 충·방전 성능평가 후에도 99 %의 높은 커패시턴스 유지율을 나타냄으로써 우수한 수명 특성을 나타났었다.
- 아연 전극의 다 공성 구조를 확보하기 위하여 화학적 식각 공정을 이용 하였으며 이는 충·방전 과정 동안 전기화학 반응 면적 의 증가 및 아연 이온의 확산경로를 감소시켜 고성능 아연-이온 커패시터를 위한 전극으로 적합할 것으로 여겨 진다.
- 얻어진 선도는 충·방전 전과 후 에 전하이동 저항과 와버그 저항이 거의 일치함을 보여주고 이는 계면의 전하이동 및 이온 확산거동에 변화가 없음을 의미한다.
- 이러한 결과 들은 화학적 식각 공정을 이용하여 성공적인 다공성 구조를 얻었음을 나타내며, 이를 통하여 충·방전 과정에서 아연이온 확산 성능을 향상시킬 수 있다.
- 이렇게 전기화학적 성능이 향상된 이유는, 거칠기 증가에 의한 전기화학 반응 면적의 증가는 커패시턴스의 증가를 야기할 수 있었고, 다공성 구조는 빠른 속도의 전류밀도에서 전해질 내 아연-이온의 확산거리를 감소시킴으로써 빠른 충·방전 속도에서의 우 수한 커패시턴스 유지율을 나타낼 수 있었다.
- 이를 2 전극 커패시터로 제작하여 평가 한 결과, 0.5 A g−1 의 전류밀도에서 399 F g−1 의 높은 커패시턴스를 나타냈으며, 빠른 속도에서의 충·방전 시험인 10 A g−1 의 측정 전류밀도에서 79 F g−1 의 우수한 커패시턴스 유지율을 보유하였다.
- 이러 한 PZE-180의 우수한 전기화학적 성능은 두 가지의 영향 때문으로 볼 수 있다. 첫 번째로, 개질된 거친 표면 구조에 의한 전기화학 반응 면적의 증가는 커패시턴스의 증가를 야기할 수 있었다. 두 번째로, 다공성 구조는 빠른 속도의 전류밀도에서 전해질 내 이온의 확산거리를 감소시킴으로써 빠른 충·방전 속도에서의 우수한 커패시턴스 유지율을 나타낼 수 있었다.
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