고출력 에너지 저장 소자를 위한 나노 구조 전극의 제조방법에 관한 연구

Abstract

최근 고성능 전자기기, 전기자동차 및 스마트 그리드 등의 급격한 발전에 따라 고성능 에너지 저장 소자의 개발에 대한 요구가 급격하게 증가하고 있다. 특히, 이와 같은 적용분야에서는 저장 용량이 높으며 충-방전이 빠르고, 수명이 오래가는 등의 기존에 비해 모든 면에서 뛰어난 차세대 에너지 저장 소자를 필요로 한다. 현재 가장 널리 사용되는 대표적인 에너지 저장 소자로는 리튬-이온 배터리가 있다. 그러나, 기존의 리튬-이온 배터리는 충-방전을 위해 긴 시간이 필요하고, 수명 또한 짧은 문제점을 갖고 있다. 이러한 문제점은 기존 리튬-이온 배터리 전극의 구조적 문제에 기인한다. 구조적 비효율성으로 인해 전자의 이동과 이온의 이동이 원활하지 않으며, 충-방전 과정에서 전극 변형에 따른 기계적 응력 해소를 하지 못해, 전극의 변형과 파단을 유발하고, 결과적으로 용량, 충-방전 속도 그리고 수명에 악영향을 끼치는 것이다. 본 학위논문에서는 전기전도도가 높음과 동시에 나노 구조 형태의 전극을 기반으로 고성능 에너지 저장 소자를 개발하는 것에 중점을 둔다. 우선 나노 구조의 제조 공법을 새로이 개발하고, 나노 구조의 형성 원리를 분석한다. 개발된 나노 다공질 전극을 다양한 리튬-이온 배터리 또는 슈퍼커패시터의 활물질과 복합하고 최적화하여 차세대 에너지 저장 소자의 요구 성능 기준에 근접하는 고성능 에너지 저장 소자를 실현하는 것을 목표로 한다. 이를 달성하기 위해 다음 세 가지 고 전도성 나노다공질 전극을 개발한다. 첫째, 나노 다공질 은 구조체와 산화 철의 복합 전극 구조를 활용해 초고속 충전이 가능한 슈퍼커패시터 음극을 개발한다. 둘째, 나노 수지상결정 구리 구조체와 산화 철의 복합 전극 구조를 활용해 용량이 높으며, 고속 충전이 가능한 리튬-이온 배터리 음극을 개발한다. 마지막으로, 계층적 다공성 탄소 나노 섬유 구조체 제조와 이를 응용한 고성능 슈퍼커패시터 전극을 개발한 것을 보인다.