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연구개요
고용량 장수명 수계 하이브리드 슈퍼커패시터 개발의 연구 목표를 달성하기 위하여 “(1) 산화/환원(레독스; redox) 활성 전해질과 다공성 탄소 전극 계면에서 일어나는 화학적/전기화학적 반응 분석을 통한 충⦁방전 메커니즘(mechanism) 이해 및 성능 최적화, (2) 새로운 프레임웍(framework)의 산화/환원 활성 유기물 합성 및 용해도, 레독스 전위, 안정성의 최적화” 연구를 병행하여 수행.

연구 목표대비 연구결과
○ 레독스 활성 전해질과 다공성 탄소 전극 계면에서 일어나는 화학적/전기화

연구개요
고용량 장수명 수계 하이브리드 슈퍼커패시터 개발의 연구 목표를 달성하기 위하여 “(1) 산화/환원(레독스; redox) 활성 전해질과 다공성 탄소 전극 계면에서 일어나는 화학적/전기화학적 반응 분석을 통한 충⦁방전 메커니즘(mechanism) 이해 및 성능 최적화, (2) 새로운 프레임웍(framework)의 산화/환원 활성 유기물 합성 및 용해도, 레독스 전위, 안정성의 최적화” 연구를 병행하여 수행.

연구 목표대비 연구결과
○ 레독스 활성 전해질과 다공성 탄소 전극 계면에서 일어나는 화학적/전기화학적 반응 분석을 통한 충⦁방전 메커니즘(mechanism) 이해 및 성능 최적화
- 다양한 구조적 특성(비표면적, 기공 크기, 기공 부피, 입자내 공간)을 가지는 샘플 탄소 전극을 사용하여 요오드화물(iodide) 레독스 전해질의 충‧방전시 전기화학적 특성과 제작된 셀의 성능(에너지밀도, 출력밀도, 자가방전)을 분석하였음. 그 결과, 다공성 탄소전극의 단지 비표면적을 넓히는 것은 고성능 레독스 커패시터 성능 구현에 충분치 않으며 계층적 구조를 갖는 탄소 전극의 사용이 중요하다는 것을 밝혀내고, 관련 연구 결과를 에너지 분야 최상위 저널에 개제함.
- 본 연구팀은 요오드화물을 모델 전해질로 사용 시, 1 nm 이하 크기의 탄소 전극 내기공은 자가방전(self-discharge) 억제와 전기이중층 정전용량의 극대화를 위하여 필요하고 1 nm 이상의 기공은 출력성능 향상에 효과적이며, 기공 부피와 입자 내 빈 공간이 클수록 레독스 용량(capacity)을 증가시킬 수 있다는 결과를 확인하였음.
- 본 연구에서는 최초로 고성능 레독스 커패시터 제작을 위한 탄소전극과 전해질의 상관 관계 및 향후 레독스 전해질 혹은 다공성 탄소전극의 합성 가이드라인을 제시함.
○ 산화/환원 활성 유기물 합성 및 용해도, 레독스 전위, 안정성의 최적화 연구
- viologen계의 유기물 분자에 다양한 치환기를 도입하여 레독스 슈퍼커패시터(redox EC)에 적용할 수 있는 레독스 활성 전해질을 합성하였음. 또한, 기능기/치환기에 따른 용해도 및 레독스 전위 변화를 확인하였음.
- 레독스 물질 사용에 따른 문제점 고찰과 해결방안 연구를 수행하였음.
- 에너지 소자의 다양한 성능 지수에 기반한 최적의 레독스 활성 분자 개발 진행중임.

연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
○ 본 연구과제에서는 기존 전극 중심 연구에서 벗어나 전해질을 에너지저장원으로 개발하는 연구를 제안하였음. 특히, 레독스 활성 분자를 에너지 저장원으로 사용하는 연구는, 용매에 용해된 물질의 산화/환원 반응으로 전기 에너지를 저장하는 패러데익 저장 메커니즘을 통하여 기존 전극 중심 슈퍼커패시터 시스템의 문제를 개선하고 나아가서 향상된 성능의 신개념 전기화학적 에너지 저장 시스템의 개발을 이룰 수 있는 획기적인 방법임.
○ 본 과제에서는 전해질과 다양한 형상의 다공성 탄소 전극간의 충⦁방전시 나타나는 전기화학적 특성 분석 및 성능 최적화, 그리고 이를 바탕으로 한 non-flow 시스템용 새로운 소재 개발의 가이드라인을 제시함.
○ 또한, 본 연구에서 세운 가설인 “다공성 전극 내의 레독스 활성 전해질의 농도가 풀셀의 에너지 밀도에 미치는 영향”을 확인함으로써, 풀셀의 성능을 상향 및 최적화하고 향후 분자구조설계의 가이드라인을 제시함.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 5
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 5
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 7
• 3) 목표 달성 수준 ... 7
• 4) 목표 미달 시 원인 분석(해당 시) ... 8
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 8
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 9
• 6. 참고문헌 ... 9
• 붙임1. 세부 정량적 연구개발성과 ... 10
• 붙임2. 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 11
• 끝페이지 ... 15