보고서 정보
주관연구기관 |
광주과학기술원 Gwangju Institute of Science and Technology |
연구책임자 |
함문호
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2016-06 |
과제시작연도 |
2015 |
주관부처 |
미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning |
등록번호 |
TRKO201700010400 |
과제고유번호 |
1711024826 |
사업명 |
신진연구자지원 |
DB 구축일자 |
2017-10-12
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키워드 |
그래핀.금속산화물.전도성 나노입자.나노복합체.3차원 전극.나노 소재.슈퍼커패시터.에너지 저장.나노 소자.graphene.metal oxide.conducting nanoparticle.nanocomposite.3D electrode.nanomaterial.supercapacitor.energy storage technology.nanodevice.
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DOI |
https://doi.org/10.23000/TRKO201700010400 |
초록
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연구의 목적 및 내용
본 연구에서는 높은 비표면적과 전기전도도를 갖는 고품위 그래핀을 합성하고, 전하 이동을 원활하게 하는 동시에 그래핀과 금속산화물 표면에서의 전기화학적 반응을 유도할 수 있는 그래핀/금속산화물 나노복합체를 제조한다. 나아가, 전하의 이동이 더욱 효과적인 3차원 전극재를 형성하여 고에너지밀도를 갖는 초고용량 슈퍼커패시터에 적용하는 것을 최종목표로 한다. 이를 위해 고품위 그래핀 합성, 고비표면적/고전기전도도 그래핀/금속산화물 나노복합체 전극 제조, 초고용량 슈퍼커패시터 소자 제작 연구를 총 연구 기간인
연구의 목적 및 내용
본 연구에서는 높은 비표면적과 전기전도도를 갖는 고품위 그래핀을 합성하고, 전하 이동을 원활하게 하는 동시에 그래핀과 금속산화물 표면에서의 전기화학적 반응을 유도할 수 있는 그래핀/금속산화물 나노복합체를 제조한다. 나아가, 전하의 이동이 더욱 효과적인 3차원 전극재를 형성하여 고에너지밀도를 갖는 초고용량 슈퍼커패시터에 적용하는 것을 최종목표로 한다. 이를 위해 고품위 그래핀 합성, 고비표면적/고전기전도도 그래핀/금속산화물 나노복합체 전극 제조, 초고용량 슈퍼커패시터 소자 제작 연구를 총 연구 기간인 3년 동안 수행한다.
연구결과
○ 1차년도에는 개조된 Hummers법을 이용해 그라파이트로부터 산화그래핀을 제조하고, hydrazine 및 열처리를 통해 환원된 산화그래핀을 제조하였다. 원재료인 그라파이트의 크기 및 충진밀도, 산화/환원 공정 조건을 조절하여 그래핀의 산화도 및 표면 기능화도를 제어하는 기술을 확보하였다. 또 다른 방법으로는, 그라파이트에 산화/환원 과정 없이 ICl 이온을 intercalation시켜 고품위 박리 그래핀을 제조하였다. 또한, 유기 용매 상에서 산화그래핀과 리튬의 반응을 유도하여 리튬이 도핑된 환원 그래핀을 화학적인 방법으로 제조하였다.
○ 2차년도에는 1차년도에 확보한 고품위 그래핀 제조 기술을 기반으로 유사축전효과를 갖는 금속산화물(Co3O4, SnO2, Ti2Nb10O29(TNO)) 나노입자를 합성하고 그래핀과 복합화하여 그래핀/금속산화물 나노복합체를 제조하였다. 그래핀/금속산화물 나노복합체 전극을 제작하고 전기화학적 특성을 평가하였다. 그래핀과 금속산화물의 함량비, 금속산화물의 종류 및 결정성에 따른 전기화학적 특성을 비교 분석하였고, 복합체 제조 시 핵 생성 또는 binding 메커니즘을 연구하였다.
○ 3차년도에는 앞서 확보한 그래핀/금속산화물 나노복합체를 기반으로 슈퍼커패시터 소자의 성능을 개선하는 연구를 수행하였다. 비표면적이 넓은 3차원 그래핀 구조체를 제조하였고, 금속 나노입자 도입을 통해 전기전도도를 개선하기 위하여 금속/금속산화물 core/shell 나노입자를 제조하였다. 그래핀 기반 전극의 구조/전기전도도와 소자 성능 간의 상관관계를 연구하였고, 최종적으로는 3차원 그래핀/금속산화물 나노복합체 전극 기반 슈퍼커패시터 소자를 제작하여 향상된 전기화학적 특성을 보여주었다.
연구결과의 활용계획
○ 본 연구를 통해 그라파이트로부터 그래핀을 박리해내는 기술, 그래핀의 산화도 및 표면 기능화도 제어 기술, 금속산화물 나노입자 제조 기술, 그래핀과 금속산화물 복합화 기술, 고비표면적 3차원 그래핀 제조 기술 등을 확보하였다. 이러한 기술들은 현재 주로 사용되고 있는 휴대용 전자기기의 전원장치뿐만 아니라 에너지 저장장치를 기반으로 한 미래형 스마트 그리드 시스템, 하이브리드 자동차 등을 개발하는 데 초석이 될 것으로 기대된다.
○ 본 연구를 통해 확보된 그래핀 관련 기반기술은 슈퍼커패시터뿐만 아니라 리튬 2차전지용 전극소재로도 활용 가능하여 고용량/고에너지밀도를 갖는 에너지 저장 시스템 개발을 가능하게 할 것이며, 기존의 납축전지, Ni-MH전지 등 모두를 대체할 수 있을 것으로 기대된다. 나아가 초경량/고강도 복합소재, 방열소재, 전도성 잉크, 멤브레인 소재 등 다양한 분야에 널리 응용될 수 있다.
(출처 : 한글요약문 4p)
Abstract
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Purpose& contents
The central goal of this research is to develop new solution phase routes to high-quality graphene and graphene/oxide-based nanocomposites, and to apply to electrodes of high-performance supercapacitors. To accomplish this, we synthesize graphene solution by controlled graph
Purpose& contents
The central goal of this research is to develop new solution phase routes to high-quality graphene and graphene/oxide-based nanocomposites, and to apply to electrodes of high-performance supercapacitors. To accomplish this, we synthesize graphene solution by controlled graphite intercalation or modified Hummers method. We fabricate nanocomposites based on graphene and metal oxide nanoparticles, and novel three-dimensional hierarchical structures to effectively transfer charges between two components. Further, we use these to fabricate ultrahigh-capacitance supercapacitors.
Result
○ In first year, we synthesized graphene oxide by modified Hummers method from natural graphite and reduced the graphene oxide via hydrazine and heat treatments. The degrees of oxidation and surface functionalization of the graphene flakes can be controlled by graphite size and packing density, and oxidation/reduction process. In addition, we synthesized exfoliated graphene by ion intercalation without oxidation/reduction process using ICl. Another way to synthesize reduced graphene oxide is Li doping. Li acts as dopant and reducing agent in the reaction with graphene oxide. Li-intercalated graphene can improve the electrochemical performance of supercapacitors.
○ In second year, we synthesized nanocomposites based on graphene and high pseudo-capacitance metal oxides such as Co3O4, SnO2, and Ti2Nb10O29(TNO). The metal oxide/graphene composites exhibited superior electrochemical performance with higher reversible capacity, cycling stability, and rate capability compared to pure metal oxdes or graphene. In addition, nucleation or binding mechanism of metal oxide nanoparticles on graphene surface was discussed.
○ In final year, we fabricated three-dimensional(3D) crumbled graphene to increase the specific surface area of electrodes and thus to improve the electrochemical properties. In addition, we fabricated metal/metel oxide core/shell nanoparticles to increase electrical conductivity of active materials. The relationship between the electrode structure/conductivity and the cell performance was discussed. Lastly, we fabricated 3D electrodes based on the metal oxide/graphene nanocomposite with improved the electrochemical properties.
Expected Contribution
○ We have developed the methods to synthesize graphene flakes, 3D crumbled graphene, metal oxide nanoparticles, and metal oxide/graphene composites. 3D graphene/metal oxide nanocomposites can be adopted to high-performance energy storage devices for portable electronic devices, electric vehicles, and smart grid system.
○ The outcome of this research is expected to contribute in a practical implementation of graphene-based high-performance supercapacitors and lithium ion batteries. In addition, it can be used for various applications such as conducting inks, sensors, bio imaging, and flexible displays.
(출처 : SUMMARY 5p)
목차 Contents
- 표지 ... 1목차 ... 2연구계획 요약문 ... 3연구결과 요약문 ... 4 한글요약문 ... 4 SUMMARY ... 5연구내용 및 결과 ... 6 1. 연구개발과제의 개요 ... 6 2. 국내외 기술개발 현황 ... 9 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 14 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 56 5. 연구결과의 활용계획 ... 58 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 61 7. 참고문헌 ... 62 8. 연구성과 ... 64 9. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 70 10. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 70 11. 기타사항 ... 71끝페이지 ... 71
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