MWCNT/수산화루테늄 에어로겔 슈퍼커패시터 생산 및 전기화학적 성능 조사

Sep 01, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 12862(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

본 연구에서는 이중벽 탄소나노튜브와 염화루테늄을 초음파 처리하여 얻은 물질을 에어로겔로 제조하였다. 그리고 이를 이용하여 대칭형 슈퍼커패시터 소자를 제작하고 전기화학적 특성을 조사하였다. XRD와 FTIR은 에어로겔의 구조 분석, 표면 이미지의 STEM, EDX의 원소 분석에 사용되었습니다. 전기화학 분석은 galvanostat/potentiostat로 수행되었습니다. 순환전압전류법 분석을 통해 MWCNT/수산화루테늄 에어로겔의 가장 높은 비정전용량은 5mV/s에서 423F/g으로 달성되었습니다. 반면, 충방전 곡선에서 계산된 해당 값은 전류 밀도 0.5A/g 및 10.0A/g에서 각각 420.3F/g 및 319.9F/g인 것으로 나타났습니다. 합성된 에어로겔의 정전용량 유지율은 5000회 연속 순환 전압전류법 사이클이 끝날 때 96.38%였습니다.

오늘날, 인구 증가와 산업화에 따른 에너지 수요는 제한된 자원으로 인해 충족될 수 없습니다. 결과적으로 에너지 생산과 소비 사이의 격차가 급격히 커지고 있습니다. 이 경우 가용 에너지 자원을 보다 효과적으로 활용하는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다. 재생 가능 에너지원에서 얻은 에너지를 효율적으로 저장하고 가장 적절한 변환 방법을 개발하면 급격한 에너지 수요 증가를 충족하는 데 도움이 될 것입니다. 이러한 맥락에서 슈퍼커패시터(SC)는 높은 전력 밀도, 빠른 충전-방전 기능, 긴 사이클 수명 등 다양한 이점을 제공합니다. 따라서 광범위한 응용 분야에서 최고의 에너지 저장 시스템으로 사용될 수 있다는 점에서 상당한 주목을 받고 있습니다 1,2,3,4,5. 그러나 슈퍼커패시터의 낮은 에너지 밀도는 향후 응용을 제한하므로 고성능 SC의 엔지니어링은 과학적, 산업적 중요성을 갖습니다6. 최근 연구에서 연구자들은 SC에 사용하기 위해 매우 우수한 전기화학적 성능과 환경 친화적인 특성을 갖는 다양한 전이 금속 산화물(TMO)에 중점을 두었습니다. 일반적으로 금속 산화물은 일반적인 탄소 구조보다 훨씬 더 큰 에너지 밀도를 가지며 고분자 재료보다 전기 화학적으로 더 안정적입니다7. RuO2는 SC에 대해 보고된 최초의 전이 금속 산화물입니다. 높은 비축전용량(최대 1580F/g), 안정성, 큰 패러데이 활동, 이온 흡착 및 우수한 전기 전도도와 같은 고유한 특성으로 인해 SC8,9,10에 사용되는 가장 주목할만한 후보 중 하나가 되었습니다.

반면에 CNT는 우수한 전기 전도성을 가지며, 이는 탄소 원자 사이의 공유 sp2 결합의 독특한 물리적 구조로 인해 시스템의 저항을 효과적으로 낮춥니다. 뛰어난 기계적 특성으로 인해 고성능 전극을 얻기 위해 전도성 네트워크를 개발함으로써 대리인 역할을 할 수 있습니다. CNT는 높은 비표면적(1300m2g−1) 덕분에 큰 전해질-전극 인터페이스를 구축하는 데 도움을 주며 화학적 안정성 외에도 성공적인 에너지 저장을 수행합니다. 19,20. 그러나 CNT는 활물질로 직접 사용할 수 없습니다. 따라서 더 높은 에너지 밀도를 달성하려면 일부 금속 산화물(RuO2, MoO2 등) 또는 전도성 폴리머와 결합해야 합니다. 반면에, 낮은 밀도(0.003~0.15kg/m3), 높은 다공성 및 넓은 표면적(500~1000m2/g)을 갖는 에어로겔은 가장 가벼운 고체 물질로 알려져 있습니다. 조정 가능한 기공 크기와 표면적, 기계적 강도 및 독특한 물리화학적 특성으로 인해 에어로겔은 슈퍼커패시터 응용 분야에서 밝은 미래를 가지고 있습니다. 3차원 네트워크 구조와 함께 탄소 에어로겔은 우수한 전기 전도성을 가지고 있습니다. CNT 에어로겔은 큰 비표면적, 전기 전도성, 경량 특성 및 높은 기계적 강도를 제공하기 때문에 슈퍼커패시터 전극 재료로 좋은 대안입니다. 나노복합체의 전기화학적 성능은 최근 다양한 유형의 전해질에서 테스트되었습니다.