전기화학적 환원법을 이용한 3차원 산화망간 나노구조체 제작과 슈퍼캐패시터로의 응용

Abstract

슈퍼캐패시터는 기존의 캐패시터에 비해 에너지 에너지 밀도가 단위 질량이나 면적에 비해서 높고, 배터리에 비해 출력이 훨씬 강하다. 그러나 아직 배터리에 비해서 에너지 밀도가 낮아 에너지 저장장치로 단독적으로 쓰이기는 무리가 있다. 따라서 제작 디자인을 통해서 성능 향상에 대한 연구가 진행중이다. 슈퍼캐패시터는 에너지 저장 메카니증에 따라서 전기이중층 캐패시터와 의사캐패시터의 두 가지의 종류로 나뉘고 있다. 탄소나노튜브나 그래핀 같은 탄소화합물들이 전기이중층 캐패시터의 대표적인 물질이며 이 물질은 기존의 캐패시터와 비슷한 성질을 가지고 있다. 이에 반해 의사 캐패시터 물질은 배터리와 비슷한 성질을 가지고 있으며 에너지 밀도는 전기이중층 캐패시터에 비해서 월등히 높다. 그러나 의사캐패시터 물질이 단독으로 사용되기에는 전기전도성이나 표면반응등의 제한이 있어서 전기 이중층 캐패시터와 혼합을 하여 복합 캐패시터의 형태로 만들어지는 연구가 진행되어왔으며, 슈퍼캐패시터의 성능이 기존에 비해서 크게 향상되어 왔다. 오늘날의 복합캐패시터 제작은 단순한 두 가지 종류의 캐패시터를 혼합하는 방법이 아닌 전극의 구조를 마이크로 혹은 나노미터 수준에서 규칙적인 배열에 대한 디자인을 하여서 제작을 하는 방법이 대두되고 있다. 규칙적인 배열의 전극구조는 다음과 같은 장점을 가지고 있다. 먼저 배열된 전극의 빈공간들이 이온 확산속도를 더 빠르게 할 수 있도록 해주어서 더 빠른 충방전과 더 높은 에너지 밀도를 얻어낼 수 있다. 또한 규칙적인 배열을 가지고 있는 구조가 충방전에서 캐패시터 물질의 부피변화에 더 잘 견딜수 있다. 3차원 탄소나노튜브 네트워크 구조가 다음과 같은 특성을 가지고 있기 때문에 슈퍼캐패시터 전극 제작에 사용되었다. 첫째로 실리콘 필라사이에 연결된 탄소나노튜브들이 일정한 간격의 구조를 가지고 있어서 빠른 충방전의 속도를 낼수 있다. 또한 일정한 간격의 구조를 가지고 있어 물질의 부피변화에도 잘 견딜수 있다. 이와 같은 특성들은 순환전압 전류법, 전기화학 임피던스 분광법등으로 분석이 되었으며, 3차원 탄소나노튜브 구조가 슈퍼캐패시터로 사용되기 위해서 우수한 성능을 가지고 있는 것이 확인 되었다.