Graphene/metal-oxide and carbon nano-onion/conducting polymer hybrids for high-performance supercapacitor electrodes

Abstract

슈퍼캐패시터 (전기화학 캐패시터)는 기존의 배터리 대비 매우 빠른 충-방전 시간, 높은 출력 특성, 긴 내부수명 등의 장점으로 말미암아 차세대 전기 에너지 저장 장치로 매우 큰 주목을 받고 있다. 특히 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 비상 전력 시스템, 메모리 백업 시스템 등 높은 출력특성과 긴 내부수명이 필요한 다양한 분야에서 슈퍼캐패시터의 응용이 기대되고 있다. 하지만 슈퍼캐패시터는 기존의 상용화된 배터리와 비교했을 때 매우 낮은 에너지 저장 능력을 가지고 있으며 이는 슈퍼캐패시터의 다양한 분야로의 응용을 제한하는 가장 큰 문제가 되고 있다. 따라서 슈퍼캐패시터의 사용 분야를 넓히고 차세대 전기 에너지 저장 장치로 널리 사용되기 위해서는 기존의 높은 출력 특성과 긴 내부수명의 장점을 유지하면서 기존보다 높은 에너지 저장 능력을 제공하는 새로운 형태의 슈퍼캐패시터 개발이 필요하다. 본 연구에서는 각기 다른 전기 에너지 저장 방식을 가지는 재료들의 융합을 통해 기존의 슈퍼캐패시터보다 고 에너지 특성, 고 출력 특성을 가지는 고성능 슈퍼캐패시터 전극 물질을 개발하는데 성공하였다. 먼저, 구겨진 형태를 가지는 질소 도핑 된 박막 그래핀/망가니즈 산화물 복합체를 대량으로 손쉽게 제조할 수 있는 새로운 합성 방법이 성공적으로 개발되었다. 산화 그래핀과 Glycine, 질산망간 (Mn(NO3)2？4H2O)의 혼합물을 500 ℃까지 천천히 가열함으로써 산화 그래핀의 환원, 그래핀의 질소도핑 및 망가니즈 산화물의 생성을 동시에 얻을 수 있었다. 또한 혼합물을 500 ℃까지 가열 후, 액체 질소를 통해 혼합물의 온도를 급격하게 낮춤으로써 심하게 구겨진 형태의 3D 그래핀 구조를 얻을 수 있었다. XRD와 XPS 실험을 통해 분석한 결과 생성된 망가니즈 산화물은 MnO2와 Mn3O4의 형태로 존재함을 확인하였으며, 그래핀의 질소도핑을 통해 pyrrolic 형태의 질소와 pyridine 형태의 질소가 그래핀 내에 존재함을 확인하였다. 제조된 그래핀/망가니즈 산화물 복합체의 전기화학적 특성은 순환전압전류법 (Cyclic-Voltammetry)을 이용하여 측정되었으며, 5mV/sec의 주사속도 조건에서 958 F/g의 매우 높은 캐패시턴스 값을 보여주었다. 특히, 산화 그래핀의 환원, 그래핀의 질소도핑, 망가니즈 산화물의 생성 및 구겨진 그래핀 구조가 각기 시너지 효과를 내면서 보다 높은 캐패시턴스를 얻는데 효과적으로 작용하는 것을 확인할 수 있었다. 이중 금속산화물과 그래핀이 함께 존재할 때 급격한 온도 변화를 통해 얻어진 심하게 구겨진 그래핀 구조는 본 연구에서 처음으로 보고되는 것이며, 이를 통해 일반적인 산화 그래핀 대비 매우 높은 비표면적 (1006 m2/g)과 높은 충-방전 안정성 (1000회의 충-방전 반복실험 이후에도 94.1%의 캐패시턴스 유지)을 얻을 수 있었다...