산화니켈 나노벽 구조를 적용한 슈퍼커패시터의 그래핀 코팅에 따른 수명 특성 향상에 대한 연구

Abstract

전기화학적 커패시터는 최근 매우 활발히 연구되고 있다. 전지와 비교하였을 때 이것은 수명, 안전성, 충방전 속도 등 여러 가지 면에서 더 나은 특성을 가지고 있어 하이브리드 자동차나 전기 자동차에서 훌륭하게 쓰일 수 있을 것이라는 가능성을 보여준다. 일반적으로 전기화학적 커패시터는 에너지 저장 원리에 따라서 크게 전기이중층 커패시터와 슈도 커패시터 두 가지로 분류된다. 전기이중층 커패시터에 비하여 슈도 커패시터는 전지와 유사한 원리로 작동하며, 전극의 표면과 표면 근처에서의 유도 전류 반응에 의하여 가역적으로 전하를 저장하기 때문에 전기이중층 커패시터보다 훨씬 높은 에너지 밀도를 자랑한다. 하지만 슈도 커패시터는 몇 가지 극복해야 할 문제점들이 있는데, 대표적으로 전극과 전해액에서의 전기전도성과 이온 운반을 들 수 있다. 이러한 문제들을 해결하기 위해서는 훌륭한 전기적, 이온적 전도성을 가지며 결합제가 필요 없는 전극에 대한 연구가 요구된다. 본 연구는 결합제가 필요치 않은 산화 니켈 나노벽 구조를 가진 전극에 대한 연구 내용이다. 우리는 좋은 슈도커패시터 특성을 나타내며 전기화학적 안정성이 우수한 니켈을 재료로 선택하였으며, 전극 표면에 환원된 산화 그래핀을 코팅함으로써 산화금속과 그래핀 합성물의 상승 효과를 기대하였다. 이 제조된 전극은 몇 가지 장점을 갖는다. 첫째, 다양한 크기의 구멍을 가진 니켈 폼을 기판으로 사용함으로써 효과적으로 이온이 운반될 수 있도록 하였으며, 반응 면적을 증가시켰다. 둘째, 니켈 폼 위에 직접적으로 산화 니켈 나노벽 구조를 성장시킴으로써 결합제 없이 전극을 제조하였다. 제조된 전극은 훌륭한 결착력을 보이며, 전기적 저항이 감소하여 전자가 빠르게 전도성 기판에 운반될 수 있다. 셋째, 환원된 산화 그래핀의 코팅으로 전기적 전도성의 증가는 물론, 그래핀이 자체적으로 갖는 정전 용량으로 커패시터의 성능을 더욱 개선할 수 있다. 또한, 이 코팅층은 충방전 동안 내부 구조를 잘 유지시켜 준다. 이러한 특성을 가진 산화 니켈 전극을 산화시키는 온도를 변화시키며 전기화학적 특성을 평가하였고, 그에 따라 적정한 산화 온도 (300 ℃)에서 더 개선된 결과 (132 F g-1)를 얻을 수 있었으며, 훌륭한 수명 특성 (98 %)과 방전 용량비도 확인하였다.| Electrochemical capacitors (ECs) have been greatly researched in recent years. It has many advantages such as longer life span, better safety and faster charge–discharge capability compared with batteries. Such these advantages enable ECs to be good power supplies in hybrid electric or all-electric vehicles. Generally, ECs are classified into two types, electric double-layer capacitors (EDLCs) and pseudocapacitors, by their energy storage principles. Compared with EDLCs, the pseudocapacitors operate more similar with batteries and store charges by reversible surface / near-surface faradic reactions, presenting much higher energy density than EDLCs. Nevertheless, some problems still remain on the development of pseudocapacitors, considering that their electrochemical performance is mainly influenced by two factors: electronic conductivity and ion transport in the electrode / electrolyte. To complement these problems of pseudocapacitors, the research is highly required to fabricate an electrode with both good electrical / ionic conductivity and binder free. In this article, we report about a binder-free NiO nanowall arrays (NWAs) electrode on Ni foam with reduced graphene oxide (rGO) wrapping. We choose Ni-based materials that show good pseudocapacitive behavior and electrochemical stability, and expect the synergetic result from the metal oxide / graphene composites. These fabricated electrodes we report have several advantages: (i) Ni foam used as a substrate has various scaled pores. The porous structures can effectively facilitate the ion transport into the solid electrode and enhance the reaction surface area. (ii) The synthesized NiO NWAs are grown on the current collector (Ni foam) directly without binder. It decreases electrical resistance so that electron can be transported to the conductive substrate quickly; neither polymer binders nor conductive agents are needed. In addition, the NiO NWAs drastically increase the specific surface area. (iii) rGO wrapping improves the performance of ECs by increasing both the electrical conductivity and capacitance. Increased electrical conductivity makes electron transfer within the electrode and reaction sites much faster, which satisfies the requirement for high-power applications, and it contributes to the capacitance by working as active materials. Also, it keeps the inner structure nearly during charge and discharge. According to these highlights stated above, we have measured the rGO wrapped NiO NWAs as working electrodes for ECs. It is found that the evolved electrode (annealed at 300 ℃) exhibits good specific capacitance (132 F g-1), excellent cycling performance (98 %) and good rate capability.; Electrochemical capacitors (ECs) have been greatly researched in recent years. It has many advantages such as longer life span, better safety and faster charge–discharge capability compared with batteries. Such these advantages enable ECs to be good power supplies in hybrid electric or all-electric vehicles. Generally, ECs are classified into two types, electric double-layer capacitors (EDLCs) and pseudocapacitors, by their energy storage principles. Compared with EDLCs, the pseudocapacitors operate more similar with batteries and store charges by reversible surface / near-surface faradic reactions, presenting much higher energy density than EDLCs. Nevertheless, some problems still remain on the development of pseudocapacitors, considering that their electrochemical performance is mainly influenced by two factors: electronic conductivity and ion transport in the electrode / electrolyte. To complement these problems of pseudocapacitors, the research is highly required to fabricate an electrode with both good electrical / ionic conductivity and binder free. In this article, we report about a binder-free NiO nanowall arrays (NWAs) electrode on Ni foam with reduced graphene oxide (rGO) wrapping. We choose Ni-based materials that show good pseudocapacitive behavior and electrochemical stability, and expect the synergetic result from the metal oxide / graphene composites. These fabricated electrodes we report have several advantages: (i) Ni foam used as a substrate has various scaled pores. The porous structures can effectively facilitate the ion transport into the solid electrode and enhance the reaction surface area. (ii) The synthesized NiO NWAs are grown on the current collector (Ni foam) directly without binder. It decreases electrical resistance so that electron can be transported to the conductive substrate quickly