에너지 저장 시스템을 위한 탄소 물질의 구조 디자인

Abstract

최첨단 전자기기가 삶의 일부가 되어감에 따라, 큰 에너지 밀도와 출력 밀도를 가지는 에너지 저장 장치에 대한 요구가 크게 증가되어 왔다. 우수한 성능을 가지는 에너지 저장장치를 개발하기 위하여, 다양한 여러 나노물질과 나노기술들이 연구되었다. 여러 나노물질 후보들 중, 탄소 나노물질인 (그래핀, 탄소나노튜브)은 그 들의 우수한 전기전도성, 큰 비표면적, 좋은 기계적 특성에 의해 에너지 저장장치 분야로부터 큰 주목을 받게 되었다. 또한 이 두 탄소 나노물질들은 스케일업이 가능하며, 결합재가 필요 없는 필름타입의 전극으로 쉽게 제조할 수 있다. 이 학위논문에서는 에너지 저장장치의 전기화학적 특성을 향상 시키기 위해 다공성의 RGO-CNT 필름과 SWNT network 기판을 고안하였다. 이 두 필름은 기공도와 비표면적에 있어 서로 다른 특징들을 보여준다. 이 전극 필름들을 에너지소자에 적용하기 전에, 각각의 에너지 소자에 요구되는 각각의 인자들을 신중하게 고려하였다. RGO-CNT 필름의 경우, 그래핀의 2차원적인 특성 및 표면의 기능성 그룹들에 의해 활물질을 많이 적재 할 수 있다. 그리고 첨가된 탄소나노튜브는 그래핀의 응집과 적층을 막아 주는 동시에 기계적 강도 및 유연성을 향상시켜준다. 이런 특징들에 의하여, 다공성 RGO-CNT는 금속산화물의 컨테이너로서뿐만 아니라 유연한 전류집전체로서 사용될 수 있다. RGO-CNT 필름을 MnO2 와 코팅한후, 이 전극을 슈퍼커패시터에 적용하였을 때 용량뿐만 아니라 rate 특성을 크게 향상 시키는 결과를 보여주었다. 황 전극의 필수 요구조건에 관해서는, 많은 적재능력을 가지면서도 전도성 기판 위로의 균일한 황의 분포가 매우 중요하다. 이전의 RGO-CNT 기판과 비교하였을 때, SWNT network 기판은 더 큰 기공을 가지면서 서로 잘 엮어져 있는 전도성 채널을 가지고 있다. 이 구조는 내부채널로 황을 균일하게 코팅할 수 있는 유리한 특징을 지니고 있으며, 이는 황의 이용을 효율적으로 극대화 할 수 있다. SWNT 필름을 황으로 코팅한 후 리튬-황전지에 적용하였을 때, 전지 특성은 큰 용량과 우수한 rate 결과를 보여주었다. 앞서 제시된 다공성 RGO-CNT와 SWNT network의 구조적인 특징들을 이용하여, 각각 에너지 저장 소자의 우수한 전기화학적 특성을 얻었다. 이 학위논문에서 제시된 전략은 고전도성 & 다공성의 탄소기판을 고안하면서 우수한 에너지 저장 장치의 개발을 위해 필요한 요구조건을 만족시켜 줄 수 있는 새로운 가이드라인을 제공 할 수 있을 것으로 기대한다. 게다가 이러한 탄소 구조체의 디자인은 경량, 고전도성, 강한 기계적 강도가 요구되는 다른 분야로 확장되어 적용될 수 있다.