[논문]슈퍼커패시터용 그래핀볼 - 그래핀옥사이드 복합전극의 전기화학적 특성

정우준; 오예찬; 김상호

doi:10.5695/jkise.2020.53.5.213

슈퍼커패시터용 그래핀볼 - 그래핀옥사이드 복합전극의 전기화학적 특성
Electrochemical Property of the Composite Electrode with Graphene Balls and Graphene Oxide for Supercapacitor 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.53 no.5, 2020년, pp.213 - 218

정우준 (한국기술교육대학교 에너지신소재화학공학과) , 오예찬 (한국기술교육대학교 에너지신소재화학공학과) , 김상호 (한국기술교육대학교 에너지신소재화학공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Composite material of the graphene ball (GB) inserted graphene oxide (GO) sheet for a supercapacitor electrode was studied. Chemical vapor deposition (CVD) process used to make GBs on the silicon oxide nanoparticles. The GBs mixed into the GO sheets to make GOGB and reduced it to create a reduced GOGB(RGOGB) composite. The RGOGB composite electrode had a large surface area and improved electrochemical properties. Specific capacitance of the RGBGO composite electrode was higher over 20 times than a pure GO and GOGB electrode in cyclic voltammetry(CV) tests, and the Z' and Z" impedance measured by an electrochemical impedance spectrometry(EIS) also low. So, the RGBGO composite electrode would use effectively to expand a performance of supercapacitor.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of RGOGB composite.
그림 Fig. 2. Field Emission Scanning Electron Microscopy images of a) GOGB, b) RGOGB surface on Ni substrate.
표 Table 1. Specific surface area of GO, GOGB and RGOGB measured by BET
그림 Fig. 3. Cyclic voltammetry analyses of (a)GO, (b)GOGB and (c)RGOGB.
그림 Fig. 4. Specific capacitance(Sc) of GO, GOGB and RGOGB.
그림 Fig. 5. Nyquist plots for GO, GOGB and RGOGB indicating electrochemical impedance (a) wide scanning (b) early stage of (a)

AI 본문요약
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제안 방법

제조된 전극의 표면 형상을 확인하기 위해서 Field Emission Scanning Electron Microscopy(Xflash 6I100, BRUKER)를 사용하여 관찰하였다. 그리고 전극재료의 비표면적을 측정하기 위해 비표면적분석기(BET, Autosorb-iQ/MP, Quantachrome Inst.)를 사용하여 Ni 기판에 코팅하기 전 상태인 1g의 분말시료에 질소가스를 77K에서 흡착 후 승온 탈착시켜 시료의 비표면적을 측정하였다 [11].
본 연구에서는 Hummer의 방법으로 graphene oxide (GO)를 환원하여 reduced graphene oxide(RGO)를 만들 때 재적층을 억제하기 위하여 그림 1과 같이 산화실리콘 나노입자에 CVD 법으로 그래핀을 증착시킨 GB를 RGO 층 사이 넣고, GB가 RGO층 사이에 잘 혼합되게 하기 위해서 환원제를 첨가한 RGBGO 복합재료를 만들었다. RGOGB를 비교적 안정하게 유지할 수 있는 Ni 기판에 스핀코팅하여 RGBGO/Ni 복합전극을 만들었다 [10].
RGOGB를 비교적 안정하게 유지할 수 있는 Ni 기판에 스핀코팅하여 RGBGO/Ni 복합전극을 만들었다 [10]. 이렇게 제조된 RGBGO/Ni 복합재료 전극은 비교를 위해서 만들어진 GO/Ni, GBGO/Ni 전극과 같이 전기화학특성을 측정하여 그래핀볼의 표면적 증가 및 전기화학적 성능 향상 효과를 확인하였다.
제조된 전극의 전기화학적 특성을 분석하기 위해서 Cyclic Voltammetry(PGSTAT302N, Autolab, Netherlands)와 Electrochemical Impedance Spectroscopy (VersaSTAT3, AMETEK, America)를 사용하였고 1cm²의 시편면적에서 CV값과 임피던스 값을 측정하였다. 기준전극은 Hg/HgO 전극, 카운터전극은 Pt 전극 그리고 작업전극은 제조된 GO, GOGB, RGOGB로 된 3전극 셀을 구성하였다.
제조된 전극의 표면 형상을 확인하기 위해서 Field Emission Scanning Electron Microscopy(Xflash 6I100, BRUKER)를 사용하여 관찰하였다. 그리고 전극재료의 비표면적을 측정하기 위해 비표면적분석기(BET, Autosorb-iQ/MP, Quantachrome Inst.

대상 데이터

의 시편면적에서 CV값과 임피던스 값을 측정하였다. 기준전극은 Hg/HgO 전극, 카운터전극은 Pt 전극 그리고 작업전극은 제조된 GO, GOGB, RGOGB로 된 3전극 셀을 구성하였다. 그리고 전해질은 2몰의 KOH수용액을 사용하였다.

이론/모형

Hummer 방법으로 GO을 얻었다. 천연 흑연분말 (natural graphite powder < 45μm) 5g을 황산(95%) 115mL에 혼합하였다.

성능/효과

Ni 기판에 스핀코팅된 RGOGB 전극은 GO와 GOGB 전극에 비해서 매우 높은 정전용량과 낮은 임피던스를 나타내는 것을 확인하였다. 이것은 그래핀볼(GB)을 첨가한 그래핀옥사이드(GO)가 환원될 때 그래핀볼이 환원 그래핀옥사이드 사이에 위치하여 비표면적 감소를 억제시키는 역할을 하며 또한 환원 그래핀옥사이드의 sp² 결합 복원을 활성화시키기 때문으로 생각되었다.
이것은 그래핀볼(GB)을 첨가한 그래핀옥사이드(GO)가 환원될 때 그래핀볼이 환원 그래핀옥사이드 사이에 위치하여 비표면적 감소를 억제시키는 역할을 하며 또한 환원 그래핀옥사이드의 sp² 결합 복원을 활성화시키기 때문으로 생각되었다. 따라서 그래핀볼(GB)을 첨가하여 환원한 환원그래핀옥사이드그래핀볼(RGOGB)이 슈퍼커패시터의 용량을 증가시키는 전극재료로 활용될 가능성을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화학기상증착법이 해결해야할 문제점들은 무엇인가?	그 중 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition) 으로 만들어진 그래핀은 품질이 우수하고 대면적이다. 하지만 CVD는 진공에서 진행되는 고비용 공정이고, 구리포일위에 증착된 그래핀을 전극기재로의 전사과정에서 결함이 발생하기 때문에 풀어야할 문제점들을 가지고 있다 [4]. 반면 습식공정으로 흑연을 산화시켜 용액상에서 분리한 후 환원시키는 화학적 박리법은 대량생산과 화학적 개질이 용이하다는 장점 때문에 많은 연구가 진행되고 있다.
	그래핀이 슈퍼커패시터 및 이차전지와 같은 에너지 저장 장치에 활용하기 위한 연구가 많이 이루어지고 있는 이유는?	그래핀은 최근 10년간 연구가 활발히 진행되고 있는 분야 중 하나이다. 그래핀은 넓은 비표면적 및 뛰어난 전기전도도를 지녀 슈퍼커패시터 및 이차전지와 같은 에너지 저장 장치에 활용하기 위한 연구가 많이 이루어지고 있다. 슈퍼커패시터는 높은 출력 밀도, 빠른 충방전율 및 우수한 안정성을 가지고 있어서 재생에너지 저장장치로도 각광받고 있다 [1-3].
	GO는 산화과정에서 어떤 현상이 발생하는가?	화학적 박리법에 의해 흑연을 산화시키면 graphite oxide를 얻을 수 있고, 이렇게 합성된 graphite oxide를 초음파 또는 전자파로 원자 한 층으로 분리하면 graphene oxide(GO)를 얻을 수 있다. GO는 원자 한 층 구조이며, 히드록시기, 에폭시기, 카르복실기가 붙어있으며, 산화과정에서 sp2 결합이 깨져버린다. sp2 결합을 다시 복원시키기 위해서 환원을 하게 되는데 이 환원과정을 통하여 reduced graphene oxide(RGO)를 얻을 수 있다.

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