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May 28, 2023

Scientific Reports 6권, 기사 번호: 23289(2016) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

전고체 고성능 비대칭 슈퍼커패시터(ASC)는 γ-MnS를 양극으로 사용하고 다공성 가지 유래 활성탄(EDAC)을 음극으로 사용하고 포화 수산화칼륨 한천 겔을 고체 전해질로 사용하여 제작됩니다. γ-MnS의 층류 우르츠광 나노구조는 수산기 이온이 층간 공간으로 삽입되는 것을 촉진하고 황화망간 나노와이어는 전자 수송 채널을 제공합니다. EDAC의 크기가 균일한 다공성 나노구조는 연속적인 전자 경로를 제공할 뿐만 아니라 짧은 이온 수송 경로를 촉진합니다. MnS와 EDAC의 이러한 특수 나노구조로 인해 0.5Ag−1에서 각각 573.9 및 396Fg−1의 비정전용량을 나타냈습니다. 최적화된 MnS//EDAC 비대칭 슈퍼커패시터는 110.4Fg−1의 비정전용량과 5000사이클 후 89.87%의 정전용량 유지율, 181.2Wkg−1의 전력 밀도에서 37.6Whkg−1의 높은 에너지 밀도로 우수한 성능을 보여줍니다. 5976Wkg−1에서도 24.9Whkg−1을 유지합니다. 놀랍게도 직렬로 조립된 두 개의 전고체 셀은 완전히 충전된 후 15분 동안 빨간색 LED 표시기를 켤 수 있습니다. 이러한 인상적인 결과로 인해 이러한 무공해 물질은 고체 수성 전해질 기반 ASC의 실제 적용이 유망해졌습니다.

고급 에너지 저장 장치인 슈퍼커패시터는 높은 전력 밀도, 빠른 충전/방전 기능 및 뛰어난 사이클링 안정성을 비롯한 여러 가지 바람직한 특성을 보유하고 있어 기하급수적으로 증가하는 가전제품 수요를 충족할 수 있을 것으로 기대됩니다1,2. 그러나 현재까지 상업적으로 이용 가능한 대부분의 슈퍼커패시터는 낮은 에너지 밀도(<10 Wh kg−1)를 가지고 있어 배터리를 대체하는 주요 전원으로의 적용이 제한되었습니다3,4. E = CV2/2로 표시되는 에너지 밀도(E)는 전극 재료의 비정전용량(C)을 증가시키거나 작동 전위 창(V)을 확장함으로써 향상될 수 있습니다. 현재 작동 전위 창을 확장하기 위해 유기 전해질(최대 4V)을 사용하거나 비대칭 슈퍼커패시터(ASC)를 개발하는 두 가지 전략이 사용됩니다4. 수성 전해질과 비교하여 유기 전해질은 전극에 더 나은 전기화학적 안정성을 제공할 수 있지만 일반적으로 이온 전도도가 제한되고 안전성이 낮으며 독성이 낮습니다5,6. 따라서 수성 전해질의 ASC 설계는 작동 전위 창을 확장하고 효과적인 에너지 밀도를 제공하는 효율적인 접근 방식입니다. 이러한 비대칭 슈퍼커패시터는 일반적으로 배터리형 패러데이 전극(에너지원)과 커패시터형 전극(전원)으로 구성되며, 이는 배터리형 소재(에너지 밀도)와 커패시터의 장점을 모두 제공합니다. - 유형 물질(사이클 수명, 전자 이동 속도)7,8. 한편, ASC는 전극 재료의 다양한 전위 창을 최대한 활용할 수 있으므로 셀 시스템에서 최대 전위 창을 제공합니다. 따라서 고성능 ASC를 조립하려면 양극과 음극 모두에 적합한 재료를 선택하는 것이 중요합니다.

지금까지 전이 금속 산화물/황화물은 높은 유사 용량으로 인해 양극 재료로 광범위하게 연구되었습니다. 그 중에서 황화망간(MnS) 나노결정은 산화물이나 수산화물에 비해 높은 이론적 비축전용량, 저렴하고 환경친화적이며 높은 전자 전도성(3.2 × 103 S/cm만큼 높음) 등 놀라운 우세로 인해 점점 주목을 받고 있습니다1, 5,12. 또한, 층류 나노구조(특히 우르츠광 구조를 갖는 γ상)는 전해질의 침투와 이온의 삽입을 가속화하여 용량성 거동에 대한 고유한 전기화학적 반응성을 크게 촉진합니다(그림 1a). 예를 들어, 우리는 암모니아를 착화제 및 침전제로 사용하여 황화물 이온 함량을 조정함으로써 γ상 MnS 나노결정을 성공적으로 합성했습니다. 이 중 비정전용량은 MnO2(310 F g 2 mV s−1)13에서 −1, Mn3O4 (2 mV s−1)14에서 314 F g−1.