극단파 백색광을 이용한 코발트/코발트 산화물 환원 및 슈퍼커패시터용 전극 응용

Abstract

슈퍼커패시터는 고출력 밀도, 빠른 충방전 속도, 우수한 수명 안정성 등의 특징을 바탕으로 배터리의 단점을 보완할 수 있는 차세대 에너지 저장장치로서 주목을 받고 있다. 슈퍼커패시터는 전기에너지를 저장하는 원리에 따라 전극과 전해질의 계면에서 정전기적 방식으로 전하를 흡착하는 전기 이중층 커패시터 (EDLC)와 전기화학적 산화 환원 반응을 이용하여 전하를 저장하는 의사커패시터 (Pseudo-capacitor)로 분류할 수 있다. 의사커패시터는 가역적인 산화 환원 반응을 이용하여 전하를 저장하기 때문에 전기 이중층 커패시터보다 높은 에너지 밀도를 가지고 있으며 주로 금속 산화물이나 전도성 고분자가 활물질로서 쓰이고 있다. 코발트는 전이금속 중 하나로서 코발트 산화물과 함께 자기 저장장치, 리튬 2차전지의 양극재, 초경합금, 촉매 등 산업 전반에 다양하게 사용되고 있으며 사용량도 점차 늘어나고 있다. 또한 코발트 산화물은 우수한 충전용량 특성을 가지고 있어 슈퍼커패시터용 활물질로서 널리 연구가 이루어지고 있다. 코발트 전구체를 이용한 코발트의 환원 방법으로는 열분해법, 기상응축법, 수소환원법, 수열합성법 등이 있다. 그러나 이러한 방법들은 대부분 대기 중 산소와의 반응을 막기 위하여 진공 또는 비활성 기체 분위기에서 공정이 진행되기 때문에 고가의 설비가 필요하며, 공정 과정이 복잡하고 고온에서의 열처리가 필요하기 때문에 에너지 효율이 낮고 시간이 오래 걸리는 단점들이 존재한다. 따라서 본 연구에서는 공정 과정이 간단하고 대량 생산에 용이한 기술인 극단파 백색광 (IPL, Intense Pulsed Light)을 이용하여 대기 조건에서 코발트 전구체를 코발트 산화물 및 코발트 나노구조체로 환원시켜 카본 파이버 페이퍼의 표면에 합성하는 연구를 진행하였다. 다양한 에너지 조건에서 만들어진 코발트 산화물 및 코발트의 결정구조 및 표면 상태를 분석하기 위하여 X선 회절 분석법 (XRD), X선 광전자 분광법 (XPS), 나노구조를 관찰하기 위하여 주사전자 현미경 (SEM), 투과전자 현미경 (TEM), 비표면적 분석을 위하여 BET 분석법을 사용하였다. 또한 IPL 조사 과정에서 샘플의 순간적인 온도의 변화를 thermocouple을 이용하여 측정하였으며, 제작한 전극의 전기화학적 성능 평가를 위하여 순환전류 전류법 (Cyclic voltammetry)과 대시간전위차법 (Charge - discharge curve) 을 사용하였다. |Cobalt is one of the important rare metal due to its unique characteristics including ferromagnetic, catalytic and electrochemical properties. Because of these properties cobalt is applied to various industrial fields such as magnetic data storage, catalyst, Li-ion battery and supercapacitors. Conventional cobalt reduction methods include calcination/heat treatment at high temperature and inert gas system such as Ar or N2, so these processes are time-consuming, energy-intensive and need high cost facilities. Therefore, facile and energy-efficient reduction methods for obtaining cobalt metal are particularly encouraged. In this research, we have fabricated Co3O4 nanoparticles and Co nanoflakes on the carbon fiber paper substrate by using IPL irradiation technique. Since IPL-assisted reduction is completed in milliseconds at an ambient condition, this reduction technique is simple, ultra-fast and expensive installation is not necessary. With the increase of irradiated energy density, cobalt precursor was reduced to cobalt oxide or cobalt metal on the surface of carbon fiber. Fabricated cobalt oxide and cobalt metal have different nanostructures; nanoparticles and nanoflakes. The cobalt nanoflakes are uniformly coated the surface of carbon fiber at the thickness of 400~600 nm. The structural and morphological characteristics of the Co/Co-oxide coated CFP samples were investigated using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM), Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The maximum temperatures and temperature changes of samples during IPL irradiation were measured by using thermocouples. The electrochemical performance of Co3O4 nanoparticles/CFP and Co nanoflakes/CFP electrode were measured by cyclic voltammetry (CV) and galvanostatic charge-discharge curves (CD).; Cobalt is one of the important rare metal due to its unique characteristics including ferromagnetic, catalytic and electrochemical properties. Because of these properties cobalt is applied to various industrial fields such as magnetic data storage, catalyst, Li-ion battery and supercapacitors. Conventional cobalt reduction methods include calcination/heat treatment at high temperature and inert gas system such as Ar or N2, so these processes are time-consuming, energy-intensive and need high cost facilities. Therefore, facile and energy-efficient reduction methods for obtaining cobalt metal are particularly encouraged. In this research, we have fabricated Co3O4 nanoparticles and Co nanoflakes on the carbon fiber paper substrate by using IPL irradiation technique. Since IPL-assisted reduction is completed in milliseconds at an ambient condition, this reduction technique is simple, ultra-fast and expensive installation is not necessary. With the increase of irradiated energy density, cobalt precursor was reduced to cobalt oxide or cobalt metal on the surface of carbon fiber. Fabricated cobalt oxide and cobalt metal have different nanostructures