슈퍼커패시터용 전극 물질을 위한 카본 에어로젤 제조 및 특성 분석

Abstract

본 연구에서는 카본 에어로젤의 다양한 modification 연구를 수행하였고, 이를 슈퍼커패시터 전극 물질에 적용해 보았다. 먼저 카본 에어로젤 (CA)의 물리화학적 특성을 향상시키고자 이산화탄소 활성화 시간을 변화시켜가며 활성 카본 에어로젤 (ACA-X, X= 1, 2, 3, 4, 5, 그리고 6 h)을 제조하였다. 제조된 물질의 물리화학적 특성을 알아보기 위해 질소 흡탈착 분석, XRD 및 TEM 분석을 수행하였고, 전기화학적 특성은 순환 전압 주사법과 충방전 분석으로 알아보았다. 그 결과, 이산화탄소 활성화를 통해 카본 에어로젤의 비표면적이 증가하였으며, 그에 따라 정전용량 또한 증가하는 것으로 나타났다. 활성 카본 에어로젤 (ACA)의 전기화학적 특성을 향상시키기 위하여, 질산 처리 시간을 변화시켜가며 변형된 활성 카본 에어로젤 (MACA-X, X= 3, 6, 9, 그리고 12 h)을 제조하였다. 질소 흡탈착 분석 및 TEM 분석을 통해 물리화학적 특성을 분석하였고, FT-IR 분석 및 CHON 분석을 통해 카본 표면 위 도입된 산소 기능기들을 분석하였다. 전기화학적 특성은 순환 전압 주사법, 충방전 분석 및 EIS 분석을 통해 분석하였다. 그 결과, 질산 처리를 통해 정전용량 및 출력 특성이 향상된 것을 확인하였으며, 질산 처리 시간에 따른 물리화학적 특성 및 전기화학적 특성간의 관계를 규명하였다. 다음으로, 카본 에어로젤에 질소를 도입시켜 전기화학적 특성을 향상시키기 위해 질소가 포함된 전구체 멜라민과 레조시놀의 몰 비율에 따른 질소가 도입된 카본 에어로젤 (NCA-X, X= 0.14, 0.17, 0.20, 0.25, 그리고 0.33)을 제조하였다. 질소 흡탈착 분석 및 TEM 분석을 통해 멜라민과 레조시놀의 몰 비율에 따른 물리화학적 특성을 분석하였으며, FT-IR 분석 및 CHON 분석을 통하여 멜라민과 레조시놀의 몰 비율에 따라 카본에 도입되는 질소를 정량 및 정성 분석하였다. 전기화학적 특성은 순환 전압 주사법, 충방전 분석을 통해 알아보았고, 멜라민과 레조시놀의 몰 비율에 따라 변화하는 정전용량의 이유를 규명하기 위하여 XPS 분석을 수행하였다. 그 결과, 멜라민과 레조시놀의 몰 비율이 증가할수록 비표면적은 감소하는 반면, 카본에 도입되는 질소의 양은 증가하는 것으로 나타났다. 또한 제조된 샘플 중 NCA-0.20에서 가장 높은 정전용량이 나타났고, XPS 분석을 통해 슈퍼커패시터의 정전용량에 가장 큰 영향을 미치는 Pyridine nitrogen 양이 NCA-0.20에서 가장 많게 나타났다. 따라서, 상기 결과를 바탕으로 멜라민과 레조시놀의 몰 비율에 따라 도입되는 질소의 배열 형태가 변화하며, Pyridine nitrogen이 정전용량에 가장 큰 영향을 미치는 것을 규명하였다.