전기 이중용 폐 폴리우레탄 엘라스토머 템플릿으로 제작된 계층적 다공성 탄소 폼 전극

May 31, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 11786(2022) 이 기사 인용

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플라스틱 폐기물은 전 세계적으로 주요 환경 문제가 되었습니다. 에너지 저장을 위한 고형 폐기물 유래 다공성 탄소의 활용은 최근 광범위한 주목을 받아왔습니다. 여기에서는 두 가지 다른 활성화 경로를 통해 폐 폴리우레탄(PU) 엘라스토머 템플릿으로 생산된 다공성 탄소 폼(CF)의 전기화학적 성능을 비교한 내용을 보고합니다. 탄소 폼으로 제작된 전기 이중층 커패시터(EDLC)는 0.1A/g에서 74.4F/g의 중량 정전용량을 나타냈습니다. 계층적 구조에 탄소 구체가 존재하기 때문에 높은 패킹 밀도는 0.1A/g에서 134.7F/cm3의 우수한 체적 정전 용량을 제공했습니다. 게다가, CF 기반 EDLC는 100%에 가까운 쿨롱 효율을 나타냈고, 3A/g에서 97.7%의 우수한 정전용량 유지율로 5000회 충방전 사이클에 대해 안정적인 순환 성능을 보여주었습니다. 광범위한 수산기 작용기로 인한 낮은 등가 직렬 저항(1.05Ω)과 전하 이동 저항(0.23Ω)은 높은 전력(48.89kW/kg) 달성에 기여했습니다. 높은 비표면적, 계층적 기공 구조, 표면 기능성, 낮은 금속 불순물, 높은 전도성 및 바람직한 용량성 거동과 같은 선호되는 특성을 기반으로 폐 PU 엘라스토머로 제조된 CF는 EDLC의 전극으로 채택될 가능성이 있는 것으로 나타났습니다.

울트라커패시터라고도 알려진 슈퍼커패시터(SC)는 몇 초 만에 충전-방전이 가능하고 대형 전기 자동차, 전자 기계 장치, 재생 가능 소스의 비간헐적 전기 등과 같이 전력이 많이 필요한 응용 분야에서 잠재력을 지닌 고급 에너지 저장 장치입니다. .1,2. 전하 저장 메커니즘과 장치 특성을 기반으로 슈퍼커패시터는 (i) 전기 이중층 커패시터(EDLC), (ii) 의사 커패시터 및 (iii) 비대칭 커패시터의 세 가지 범주로 분류될 수 있습니다3,4,5,6. 유사 커패시터는 전극과 전해질 사이의 패러데이 전하 이동을 통해 높은 비축전용량과 에너지를 저장하지만, 사이클 안정성이 낮고 비용이 높기 때문에 실제 적용에 한계가 있습니다. 탄소 기반 EDLC는 빠른 에너지 펄스, 긴 사이클 수명 및 높은 쿨롱 효율로 인해 상용 시장을 계속해서 지배하고 있습니다8. 여기서는 표면 이온의 물리적 흡착-탈착을 통해 에너지를 저장 및 방출하여 전극-전해질 계면에서 전기 이중층을 형성하는 대칭형 EDLC에 중점을 둡니다9. 다공성 탄소는 높은 비표면적, 우수한 전기 전도성, 물리화학적 안정성, 제조 용이성 및 저렴한 비용으로 인해 EDLC의 유망한 전극 재료로 두드러집니다. 탄소 기반 전극 재료는 EDLC의 탁월한 후보일 뿐만 아니라 유사 커패시터의 활성 물질을 지지하는 데 중요한 역할을 합니다. 대부분의 상업용 슈퍼커패시터는 코코넛 껍질, 나무, 대나무 및 톱밥에서 추출한 바이오매스 기반 활성탄을 전극으로 사용합니다. 이러한 전극은 비정전 용량이 낮고 속도 성능이 떨어지는 문제가 있습니다.

높은 비표면적 외에도 기공 크기와 기공 형상이 전기 이중층에 영향을 미칩니다. EDLC의 비정전용량은 주로 다공성 탄소 전극의 유효 비표면적과 기공 크기 분포(마이크로 기공, 중간 기공, 거대 기공)에 의해 결정됩니다. 증가된 표면적을 통해 미세기공은 전기화학적 성능을 향상시킵니다. 그러나 미세 기공은 이온의 확산과 이동을 제한할 수 있습니다. 미세 기공만 포함하는 탄소 재료는 고성능 슈퍼커패시터에 대한 요구 사항을 충족하지 못하는 경우가 많습니다12. 그럼에도 불구하고, 마이크로기공과 상호 연결된 중간기공과 거대기공 형태의 계층적 구조는 확산 경로를 단축시키고 이온 전달을 촉진할 수 있습니다13. 따라서, 잘 발달된 기공 및 채널의 네트워크를 포함하는 계층적 기공 구조를 갖는 비정질 탄소는 EDLC에 매우 적합합니다.