[논문]전기이중층 커패시터용 탄소 에어로겔 전극의 전기화학적 거동 연구

양재연; 서민강; 김병석

doi:10.7234/composres.2020.33.6.336

전기이중층 커패시터용 탄소 에어로겔 전극의 전기화학적 거동 연구
Electrochemical Behaviors of Carbon Aerogel Electrodes for Electric Double Layer Capacitors 원문보기

Composites research = 복합재료, v.33 no.6, 2020년, pp.336 - 340

양재연 (Korea Institute of Carbon Convergence Technology) , 서민강 (Korea Institute of Carbon Convergence Technology) , 김병석 (Department of Organic Materials and Fiber Engineering, Jeonbuk National University)

초록
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본 연구에서는 헥사 메틸렌 테트라민을 촉매로 사용하여 이소프로판올에서 레소시놀과 퍼푸랄을 졸-겔 중축합한 후 이소프로판올 동결 건조 조건에서 유기 겔을 직접 건조시킨 후 질소 분위기에서 탄화시켜 탄소 에어로겔을 제조하였다. 탄소 에어로겔의 제조 조건은 퍼푸랄에 대한 레소시놀의 몰비를 변경하여 조사하였다. 탄소에어로겔의 기공 구조에 대한 제조조건의 영향은 질소 흡착 등온선에 의해 고찰하였다. 탄소 에어로겔의 특성은 주사전자현미경과 적외선 분광법을 가지고 측정하였다. 전기 이중층 커패시터에서 전극으로서의 탄소 에어로겔의 기공 접근성과 성능을 전기 화학적으로 고찰하였다. 결과적으로 BET 표면적과 비용량은 R/C 비율에 따라 증가하였으며, 765 ㎡/g 및 132 F/g의 최대 값은 각각 R/C 비율 200에서 달성되었다. 결론적으로 R/C 비율을 높이면 CA 전극의 평균 기공 크기가 증가하여 시스템의 속도 성능이 향상됨을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, carbon aerogels (CA) were prepared by sol-gel polycondensation of resorcinol and furfural in isopropanol using hexamethylenetetramine as a catalyst, and then directly drying the organic gels under isopropanol freeze-drying conditions, followed by carbonization under a nitrogen atmosphere. The preparation conditions of the CA were explored by changing the mole ratio of resorcinol to furfural. The effect of the preparation conditions on the pore structure of the CA was studied by nitrogen adsorption isotherms. The characteristics of the CA were studied by scanning and transition electron microscopy, and infrared spectrometry. The accessibility of pores and performance of the CA as an electrode in electric double layer capacitors were also electrochemically investigated. As a result, BET surface area and specific capacitance increased with the molar ratio of resorcinol to catalyst (R/C) ratio; the maximum values of 765 ㎡/g and 132 F/g were achieved at the R/C ratio of 200, respectively. Consequently, it was confirmed that increasing the R/C ratio increased the average pore size of the CA electrode, which improved the rate capability of the system.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. TEM images of the CAs-4 sample
그림 Fig. 2. SEM images of the CAs-4 sample
그림 Fig. 3. Adsorption-desorption isotherms of the samples prepared with various R/C ratios
표 Table 1. Density of organic gels and related CAs
표 Table 2. Textural properties of CAs
그림 Fig. 4. FT-IR of the samples prepared with various R/C ratios
그림 Fig. 5. Cyclic voltammograms for the EDLCs using the CAs as electrodes; scan rate: 100 mV s^-1, electrolyte: 1 M H₂SO₄

AI 본문요약
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제안 방법

또한, CA 전극의 전기화학적 특성 평가는 3전극 어셈블리를 사용하여 컴퓨터 제어 potentiostat/gal.,anostat (GPES 소프트웨어가 있는 Autolab PGSTAT 30)에 의해 CA 전극을 작를 기준 전극으로, 백금 호일을 상업 전극으로, Hg|Hg₂SO₄대 전극으로 사용하여 측정하였다.
CA의 형태학적 고찰은 주사전자현미경(SEM, JEOL JSM-840A, 5 keV 빔 에너지 사용)과 투과전자현미경(HRTEM, 100keV 빔 에너지를 사용하는 JEOL 모델 2010 TEM)을 사용하여 특성화하였다. CA의 비표면적 및 기공 크기 분포는 Brunauer-Emmett-Teller (BET) 방정식을 사용하여 평가하였다.
RF 겔을 제조할 때 용액 내 반응물의 질량 백분율을 RF = 20%로 설정하고 R 대 촉매(C)의 몰비(R/C)를 각각 50, 100, 150, 200 및 300에서 다양하게 설정하였다. HMTA는 미세한 기공 구조와 높은 비표면적을 위한 염기성 촉매로 사용되었으며, R 대 F의 몰비는 0.5의 일정한 값으로 유지한 상태에서 혼합물을 바이알로 옮긴 다음 바이알을 밀봉하고 오일 배스에서 7일 동안 75^oC로 가열하였다. 이어서 유기 겔을 압력 용기로 옮기고 이소프로판올 초임계조건(250^oC, 10 MPa) 에서 건조시켰다.
겔의 열분해에서 파생된 공정을 사용하였다. RF 겔을 제조할 때 용액 내 반응물의 질량 백분율을 RF = 20%로 설정하고 R 대 촉매(C)의 몰비(R/C)를 각각 50, 100, 150, 200 및 300에서 다양하게 설정하였다. HMTA는 미세한 기공 구조와 높은 비표면적을 위한 염기성 촉매로 사용되었으며, R 대 F의 몰비는 0.
모세관 힘을 줄이기 위해 사용된다. 따라서 유기 용매로 물을 교환하는 단계를 생략하기 위해 헥사 메틸렌 테트라민(HMTA)을 염기성 촉매로 사용하여 이소프로판올에서 R과 F를 겔화하여 CA를 제조하는 새로운 방법을 사용하였다. 이렇게 제조한 CA를 EDLC용 전극으로 사용하며 순환 전압 전류법(CV)을 사용하여 전기화학적 특성은 측정하였다.
본 연구에서 CA는 초 임계건조 및 용매교환 조건 없이 HMTA를 촉매로 사용하여 이소프로판올에서 R 및 F의 졸-겔 중축합에 의해 효율적으로 제조된 R-F 에어로겔의 열분해를 통해 제조하였다. R/C 비율을 변경함으로써, 높은 비표면적을 가진 메조포러스한 CA를 성공적으로 제조하고 EDLC용 전극 재료로서의 가능성을 확인하였다.
시스템에 적합한 R/C 비율 범위를 확인하기 위해 R/I = 0.08 g·cm^-3 및 R/F = 0.5의 조건에서 R/C 비율을 변경하여 CA를 제조하였다. 본 연구에서는 R/C 비율을 50에서 300 으로 변경하였으며, 그 결과 동일한 준비 조건에서 R/C가 300 이상일 때 유기 졸이 유기 겔로 변하지 않는다는 것을 발견하였다.

이론/모형

특성화하였다. CA의 비표면적 및 기공 크기 분포는 Brunauer-Emmett-Teller (BET) 방정식을 사용하여 평가하였다. 시편은 흡착된 물을 제거하기 위해 흡착 측정 전에 진공하에서 2시간 동안 180^oC에서 예열한 후 사용하였다.
9 V의 전위 범위에서 수행하였다. EDLC에서 전극의 방전 커패시턴스(C)는 수식 (1)[18, 19]에 기초하여 방전의 기울기로부터 계산하였다.
본 연구의 전기화학적 특성 평가에 사용된 전극재료인 CA는 Pekala[15, 17]가 제안한 방법에 따라 resorcinol-furfural (R-F) 겔의 열분해에서 파생된 공정을 사용하였다. RF 겔을 제조할 때 용액 내 반응물의 질량 백분율을 RF = 20%로 설정하고 R 대 촉매(C)의 몰비(R/C)를 각각 50, 100, 150, 200 및 300에서 다양하게 설정하였다.
따라서 유기 용매로 물을 교환하는 단계를 생략하기 위해 헥사 메틸렌 테트라민(HMTA)을 염기성 촉매로 사용하여 이소프로판올에서 R과 F를 겔화하여 CA를 제조하는 새로운 방법을 사용하였다. 이렇게 제조한 CA를 EDLC용 전극으로 사용하며 순환 전압 전류법(CV)을 사용하여 전기화학적 특성은 측정하였다. 효과적인 CA의 제조는 EDLC의 성능을 크게 향상시키고 EDLC가 다양한 애플리케이션에 고에너지 및 고전력 성능을 제공할 수 있을 것이라 판단된다.

성능/효과

결과로서, 이렇게 제조한 CA가 20~30 nm 크기의 탄소 나노입자로 구성된 3차원 네트워크를 가지고 있으며 수많은 미세 기공, 중간 기공 및 거대 기공을 포함하는 것을 확인하였다. R/C 비율에 따라 BET 표면적 및 비정전용량 증가(765 m²/g 및 132 F/g)의 최대 값은 R/C 비율 200에서 확인되었으며, R/ C 비율을 높이면 CA 전극의 평균 기공 크기가 증가하여 속도 성능이 향상됨을 확인하였다. 또한, CA 전극을 가지는 EDLC는 큰 방전 전류에서 우수한 안정성과 긴 수명을 가지는 것을 알 수 있었다.
통해 제조하였다. R/C 비율을 변경함으로써, 높은 비표면적을 가진 메조포러스한 CA를 성공적으로 제조하고 EDLC용 전극 재료로서의 가능성을 확인하였다. 결과로서, 이렇게 제조한 CA가 20~30 nm 크기의 탄소 나노입자로 구성된 3차원 네트워크를 가지고 있으며 수많은 미세 기공, 중간 기공 및 거대 기공을 포함하는 것을 확인하였다.
이러한 히스테리시스 곡선은 얻은 CA 시편이 넓은 기공 크기 분포와 다른 기공 모양을 가지고 있음을 보여준다. 각 곡선을 다양한 R/C 비율과 비교하면 모세관 응축 영역에서 곡선의 흡수가 처음에 증가한 다음 사용된 HMTA의 양이 증가함에 따라 현저하게 감소함을 알 수 있었다. CA에 대한 BET 측정에서 얻은 데이터 값을 Table 2에 요약하였다.
R/C 비율을 변경함으로써, 높은 비표면적을 가진 메조포러스한 CA를 성공적으로 제조하고 EDLC용 전극 재료로서의 가능성을 확인하였다. 결과로서, 이렇게 제조한 CA가 20~30 nm 크기의 탄소 나노입자로 구성된 3차원 네트워크를 가지고 있으며 수많은 미세 기공, 중간 기공 및 거대 기공을 포함하는 것을 확인하였다. R/C 비율에 따라 BET 표면적 및 비정전용량 증가(765 m²/g 및 132 F/g)의 최대 값은 R/C 비율 200에서 확인되었으며, R/ C 비율을 높이면 CA 전극의 평균 기공 크기가 증가하여 속도 성능이 향상됨을 확인하였다.
Table 1에 유기 겔 및 관련 CA의 밀도에 대한 제조 조건의 영향을 나타내었다. 결과에서 알 수 있듯이 R/C 가 증가함에 따라 CA와 이들의 전구체 유기 에어로겔의 밀도가 증가함을 알 수 있다. 이것은 HMTA의 감소가 유기 겔의 응축에서 가교 밀도를 감소시키고 더 많은 수축을 유도하기 때문이라 판단된다.
5는 CA를 R/C 비율의 함수로 사용하는 커패시터의 CV 결과이다. 결과에서 알 수 있듯이, HMTA를 염기성 촉매로 증가시켜 커패시터 내부 저항이 감소하고 전력 능력이 향상되었음을 알 수 있다. 이상적인 슈퍼 커패시터의 경우 커패시턴스는 주파수와 무관하므로 커패시터에 저장된 전하는 부과된 전압에 비례한다[9, 11].
따라서 CV 측정의 경우 일정한 sweep 속도(mV·s^-1)에 대해 전류 응답이 일정하게 유지된다. 결론적으로 말하면 본 연구에서 제조한 CA 를 사용하는 커패시터가 이상적인 슈퍼 커패시터처럼 동작하고 이러한 CA 전극이 상대적으로 우수한 순환 안정성을 나타냄을 확인하였다.
R/C 비율에 따라 BET 표면적 및 비정전용량 증가(765 m²/g 및 132 F/g)의 최대 값은 R/C 비율 200에서 확인되었으며, R/ C 비율을 높이면 CA 전극의 평균 기공 크기가 증가하여 속도 성능이 향상됨을 확인하였다. 또한, CA 전극을 가지는 EDLC는 큰 방전 전류에서 우수한 안정성과 긴 수명을 가지는 것을 알 수 있었다.
5의 조건에서 R/C 비율을 변경하여 CA를 제조하였다. 본 연구에서는 R/C 비율을 50에서 300 으로 변경하였으며, 그 결과 동일한 준비 조건에서 R/C가 300 이상일 때 유기 졸이 유기 겔로 변하지 않는다는 것을 발견하였다. HMTA의 양은 R과 F의 반응에서 매우 중요한 요소이다.

후속연구

이렇게 제조한 CA를 EDLC용 전극으로 사용하며 순환 전압 전류법(CV)을 사용하여 전기화학적 특성은 측정하였다. 효과적인 CA의 제조는 EDLC의 성능을 크게 향상시키고 EDLC가 다양한 애플리케이션에 고에너지 및 고전력 성능을 제공할 수 있을 것이라 판단된다.

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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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