이산화망간으로 코팅된 중공 탄소 나노섬유를 전극으로 적용한 슈퍼캐패시터의 특성 및 성능에 관한 연구

Abstract

슈퍼캐패시터는 기존의 캐패시터에 비해 높은 에너지 밀도를 가지며, 리튬 이온 이차전지에 비하여 강한 출력 밀도, 높은 충•방전 속도, 수명 특성 등의 장점을 갖는 에너지 저장장치로서 최근 활발한 연구가 이루어지고 있다. 슈퍼캐패시터는 에너지 저장 원리에 따라 크게 전기 이중층 캐패시터와 슈도캐패시터로 분류되며, 특히, 산화 금속을 전극으로 사용하는 슈도캐패시터는 전기 이중층 캐패시터에 비하여 월등히 높은 축전 용량을 갖는다. 슈도캐패시터 전극 재료로 쓰이는 금속 산화물 재료 중 이산화 망간 (MnO2)은 높은 이론 축전용량, 우수한 환경 친화성 및 저렴한 단가로 인하여 기존에 가장 널리 사용돼오던 높은 단가를 갖는 루테늄 산화물 (RuO2)을 대체할 수 있는 물질로 그 가능성이 제시 되었으나, 낮은 전기 전도도로 인해 슈퍼캐패시터 성능의 저하가 일어나는 것이 문제점으로 지적되고 있다. 이를 해결하기 위해 이산화 망간 재료를 탄소계 물질들과 혼합하여 사용하거나, 이를 전도성 뼈대로 활용하는 방법들이 널리 연구되고 있으며, 특히, 일차원 구조를 갖는 탄소 나노섬유는 전기 방사법을 통하여 간단히 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 결합제의 사용 없이 필름 형태로 쉽게 제작이 가능한 장점이 있다. 본 연구에서는 Dual nozzle을 활용한 전기 방사법을 이용하여 내부가 비어있는 중공 탄소 나노섬유를 제조, 이산화 망간을 코팅하여 이를 슈퍼캐패시터 전극으로 활용하였다. 제조된 중공 탄소 나노섬유 기반의 전극은 기존의 단일 탄소 나노섬유에서 전기화학 반응에 참여 하지 않는 섬유 내부를 제거하여 Dead-volume을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 내부 공간의 표면을 전기화학 반응 표면으로의 활용할 수 있다는 장점이 있다. 이산화 망간이 중공 탄소 나노섬유의 외부 표면뿐만 아니라 내부 표면에도 코팅되어 단일 탄소 나노섬유에 비하여 단위 탄소 무게 당 더 높은 이산화 망간 무게 (약 94 %)를 가짐을 실험을 통하여 확인 하였고, 이산화 망간이 코팅된 중공 탄소 나노섬유 전극은 기존의 단일 탄소 나노섬유 기반의 전극(121 F/g)에 비해 높은 236.9 F/g의 비 축전용량을 보였으며, 1000 싸이클 동안 약 94 %의 우수한 수명 특성을 나타내었다. |Supercapacitors have been extensively investigated as one of the future energy storage systems. Supercapacitors have higher energy density than that of conventional capacitors, higher power density, faster charge-discharge rate, and excellent cyclability compared to lithium ion secondary battery. Supercapacitors can be categorized as electrical double layer capacitors (EDLCs) and pseudocapacitors by their energy storage mechanisms. The pseudocapacitors using metal oxides as electrode materials have much higher specific capacitance value than that of EDLCs. Among the various metal oxide materials, manganese oxide (MnO2) materials have been widely investigated due to their high theoretical specific capacitance, environmental benignity, and low cost. However, poor electrical conductivity of MnO2 materials deteriorating the electrochemical performance of MnO2-based supercapacitors limits practical use of MnO2 materials. To solve this problem, several approaches including a utilization of carbonaceous materials as the conducting additives have been investigated. Among these carbonaceous materials, carbon nanofibers have various advantages as the conducting backbone of MnO2. Carbon nanofibers can be easily synthesized using electrospinning method and they can be fabricated as the free-standing film without polymeric binders. In this research, hollow carbon nanofibers were synthesized using a dual nozzle equipped electrospinning. The prepared hollow carbon nanofibers were decorated with MnO2 and utilized as the electrode of supercapacitors. By utilizing the hollow carbon nanofibers, dead volume, the inner core part of fibers which does not participate in the electrochemical reaction of supercapacitors can be reduced, and it is available to use the surface of hollow channel as the reactive sites for electrochemical reaction. After MnO2 coating process, the hollow carbon nanofibers show much higher MnO2 coating mass per carbon mass (94 %) than that of carbon nanofibers due to the MnO2 layers coated on the inner surface of hollow channel. The MnO2 coated hollow carbon nanofibers electrode also exhibits higher specific capacitance of 236.9 F/g than that of MnO2 coated conventional carbon nanofibers (121 F/g), and performs excellent capacitance retention above 94 % for 1000 cycles.; Supercapacitors have been extensively investigated as one of the future energy storage systems. Supercapacitors have higher energy density than that of conventional capacitors, higher power density, faster charge-discharge rate, and excellent cyclability compared to lithium ion secondary battery. Supercapacitors can be categorized as electrical double layer capacitors (EDLCs) and pseudocapacitors by their energy storage mechanisms. The pseudocapacitors using metal oxides as electrode materials have much higher specific capacitance value than that of EDLCs. Among the various metal oxide materials, manganese oxide (MnO2) materials have been widely investigated due to their high theoretical specific capacitance, environmental benignity, and low cost. However, poor electrical conductivity of MnO2 materials deteriorating the electrochemical performance of MnO2-based supercapacitors limits practical use of MnO2 materials. To solve this problem, several approaches including a utilization of carbonaceous materials as the conducting additives have been investigated. Among these carbonaceous materials, carbon nanofibers have various advantages as the conducting backbone of MnO2. Carbon nanofibers can be easily synthesized using electrospinning method and they can be fabricated as the free-standing film without polymeric binders. In this research, hollow carbon nanofibers were synthesized using a dual nozzle equipped electrospinning. The prepared hollow carbon nanofibers were decorated with MnO2 and utilized as the electrode of supercapacitors. By utilizing the hollow carbon nanofibers, dead volume, the inner core part of fibers which does not participate in the electrochemical reaction of supercapacitors can be reduced, and it is available to use the surface of hollow channel as the reactive sites for electrochemical reaction. After MnO2 coating process, the hollow carbon nanofibers show much higher MnO2 coating mass per carbon mass (94 %) than that of carbon nanofibers due to the MnO2 layers coated on the inner surface of hollow channel. The MnO2 coated hollow carbon nanofibers electrode also exhibits higher specific capacitance of 236.9 F/g than that of MnO2 coated conventional carbon nanofibers (121 F/g), and performs excellent capacitance retention above 94 % for 1000 cycles.