알칼리 활성화 공정을 통한 탄소 나노섬유/활성탄 복합체의 전기화학적 특성 연구
Electrochemical properties of carbon nanofiber/activated carbon composites by alkali activation
초록/요약
본 연구에서는 헤링본 타입의 탄소 나노섬유와 탄화된 구형 페놀수지를 전구체로 사용하여 알칼리 활성화 방법을 통해 전도도 및 밀도가 향상된 탄소/탄소 복합체를 제조하였다. 활성화제로 KOH가 사용되었고, KOH 첨가량 변수 별 알칼리 활성화를 통해 제조된 복합체의 구조 변화를 관찰하였고, 슈퍼커패시터용 전극활물질로 적용하여 전기화학적 특성을 비교 분석하였다. 복합체는 1968 m2 g-1의 비표면적과 약 15 F cc-1의 비축전 용량으로 상용 활성탄과 비슷한 수준을 나타내며, 전기전도도 향상과 고율에서의 우수한 거동 및 유지율을 나타내었다. 연구 결과 알칼리 활성화를 통해 제조된 탄소/탄소 복합체의 효과를 입증하였으며 여러 가지 에너지 저장장치용 전극활물질 뿐만 아니라 탄소와 관련된 여러 연구분야에서도 활용이 가능한 효율적인 소재임을 확인하였다.
more초록/요약
Carbon/carbon composite materials which improved electrical conductivity and electrode density have been synthesized with herringbone carbon nanofiber (HCNF) and carbonized spherical phenol resin using KOH as the activating agent. The structural change of composite materials according to Composite/KOH ratio was investigated by using FE-SEM, HR-TEM, BET and XPS. The electrochemical properties of composite materials were accumulated by cyclic voltammetry, impedance spectra, and charge–discharge cycling performance in non-aqueous electrolyte. Although surface area (1968m2g-1) and specific capacitance (15 F cc-1) of C/KOH ratio (1/10) was similar with activated carbon, the electrical conductivity and electrochemical performance was improved which is contributed to the 3D network of activated HCNF. According to the result, the effect of the KOH activation is suitable for fabrication of carbon/carbon composite materials, which demonstrate potential as electrode material for energy storage devices as well as supercapacitors.
more목차
국문요약…………………………………………………………… Ⅳ
List of Figure……………………………………………………… Ⅸ
List of Table……………………………………………………… XI
제 1장. 서론………………………………………………………… 1
제 2장. 이론적 배경
2.1. 슈퍼커패시터의 역사………………………………………… 6
2.2. 슈퍼커패시터의 분류………………………………………… 6
2.2.1. 전기이중층 커패시터………………………………………10
2.2.2. 의사 커패시터………………………………………………19
2.2.3. 하이브리드 커패시터………………………………………24
2.3. 슈퍼커패시터용 소재
2.3.1. 탄소재……………………………………………………… 26
2.3.2. 금속산화물 및 전도성 고분자…………………………… 33
2.3.3. 전해질……………………………………………………… 34
2.3.4. 분리막 및 기타 재료……………………………………… 37
제3장. 실험 방법
3.1. 전극활물질 합성………………………………………………39
3.2. 전극 및 셀의 제조…………………………………………… 43
3.3. 물성 및 구조 분석
3.3.1. 주사현미경 (FE-SEM) 분석…………………………… 45
3.3.2. 고해상도 투과전자현미경 (HR-TEM) 분석…………… 45
3.3.3. 기공구조 및 비표면적 분석……………………………… 45
3.3.4. X-선 광전자 분광 (XPS) 분석……………………………46
3.4. 전기화학 특성 평가
3.4.1. 전기전도도 (Electrical Conductivity) 특성 시험………47
3.4.2. 충•방전 특성 시험…………………………………………47
3.4.3. 순환전류전압 곡선 (CV) 특성 시험…………………… 48
제4장. 결과 및 고찰
4.1. 소재 특성 및 복합체 제조 ………………………………… 49
4.2. 물리적 분석……………………………………………………54
4.2.1. 주사현미경 (FE-SEM) 분석…………………………… 54
4.2.2. 고해상도 투과전자현미경 (HR-TEM) 분석…………… 57
4.2.3. 기공구조 및 비표면적 분석……………………………… 60
4.2.4. X-선 광전자 분광 (XPS) 분석……………………………64
4.3. 전기화학적 분석
4.3.1. 전기전도도 (Electrical Conductivity) 분석…………… 68
4.3.2. 율속 특성 (Rate capability) 분석……………………… 71
4.3.3. 순환전류전압 곡선 (Cyclic voltammetry) 분석……… 75
제5장. 결론………………………………………………………… 79
제6장. 참고 문헌……………………………………………………82
영문 요약……………………………………………………………91
