Time- and pH-controlled W18O49 nanostructures assembled on carbon felt electrode for super capacitor application

by Jiwon Im (MS Candidate)

Friday Nov 12, 2021, 3:00 PM → 3:30 PM Asia/Seoul

206호 (제1과학관)

전 세계의 급속한 산업 성장에 발맞춰 에너지 수요도 증가하고 환경

보호에 대한 관심도 동시에 증가하고 있으며 재생가능한 에너지 저장 장치 개발에 집중되어 있다. 그 중 하나는 전기화학 캐패시터라고도 불리는 슈퍼 캐패시터이며 전극/전해질 계면에 전기 에너지를 저장하는 새로운 장치의 일종이다. 슈퍼 캐패시터는 휴대용 전자기기부터 개인용 차량까지 적용할 수 있는 범위가 매우 넓으며, 높은 전력 밀도, 우수한 가역성, 긴 수명을 갖추고 있어 안정적이며 무엇보다 저렴한 가격이 장점이다.

본 논문에서는 유연한 물성을 가졌고 열과 화학적 안정성을 동시에 갖춘 탄소 펠트를 전극으로 사용하여 접착제 없이 활물질을 바로 성장시킨 슈퍼 캐패시터를 제작하여 특성에 대해서 연구했으며 합성 시간과 용매의 수소 이온 농도를 조절하여 가장 성능이 좋은 조건에 대한 전기화학적 데이터 판별에 대해서 연구하였다.

먼저 본격적으로 합성을 시작하기 전에 사용할 탄소 펠트를 70% 농도의 질산 용액에 넣고 20 분 동안 초음파 처리한다. 이러한 과정은 처리하지 않은 샘플보다 더 많은 활물질이 탄소펠트와 결합하도록 돕는데 이는 질산 처리를 함으로써 탄소 펠트 표면에 생기는 카르복실 작용기가 반응 촉매역할을 해서 텅스텐 산화물이 표면의 탄소와 더 쉽게 결합할 수 있다는 것을 엑스선 광전자 분광기, 적외선 분광 광도계를 통한 표면 분석을 통해 알 수 있다.

먼저 시간을 조절하여 합성한 경우, 수열 합성 방법을 사용하여 1 시간, 4시간,12시간,24시간으로 나누어 탄소 펠트위에 W18O49를 바로 성장시키는 데 이 메커니즘은 오스발트 라이프닝(Ostwald ripening) 현상이라고 할 수 있다. 합성한 시간마다 샘플에 올라간 나노 구조물의 굵기와 균일성이 다름을 주사전사현미경으로 찍은 이미지를 통해 확인할 수 있으며 각각의 두께는 얇게는 5nm(1 시간 합성)부터 굵게는 110nm(24 시간 합성)까지 다양하며 이러한 나노 구조물들은 투과전자현미경과 엑스선 회절 분석에 의해 4 가지 샘플 모두 [010] [020] 방향을 따라 성장했음을 알 수 있다. 그 중에서도 12 시간동안 합성한 샘플은 가장 625 F/g 으로 가장 높은 단위 질량당 용량을 나타내며 전기 화학적 임피턴스 측정동안 낮은 내부 저항을 보인다. 또한 용매의 수소이온 농도를 조절하여 합성한탄소펠트위에W18O49 를바로성장시킨샘플의경우1M의HCl을 희석해서 총 0M-1μL-pH 9.5, 0.2M-1μL-pH 5.4, 0.7M-1μL-pH 2.7 그리고 1M-3μL-pH 1.5 씩 투여하여 총 4 종류의 샘플을 만들어서 합성하였다. 대개 성장하는 텅스텐 산화물의 형태는 압력의 영향을 많이 받기 때문에 수소이온 농도를 낮출수록 더 얇은 형태의 나노 구조물이 합성되는 것을 주사전자현미경 분석을 통해 알 수 있었다. 전기화학 특성 분석 중 단위 질량당 전기용량은 4 개의 샘플 중 가장 수소이온농도가 낮은 1M-3μL 를 투여한 샘플이 701 F/g 으로 가장 높게 나왔지만 이는 단위 질량으로 나눠서 구하는 특성이기 때문에 무게가 적게 올라갈수록 유리하다. 그래서 탄소 펠트위에 올라간 활물질의 양을 일정 수준으로 높이기 위하여 합성시간을 12 시간에서 24 시간으로 늘였다. 주사전자현미경 분석을 통해 단순히 12 시간 합성한 샘플보다 HCl 을 첨가하여 pH 를 낮춘 샘플의 나노 구조가 더 얇은 형태로 바뀌는 것을 확인할 수 있었으며 그에 따라 단순히 시간을 조절한 샘플에 비해서 0.2M 의 HCl 을 1𝜇L 첨가한 샘플이 이러한 나노 구조의 모양이 바뀜에 따라 활물질의 전해질 접근성이 좋아지고 전해질과 만나지 못해 생기는 죽은 영역(dead space)가 줄어들기 때문에 단위 부피당 총 용량이 더 크고 동시에 내부저항이 줄어들고 빠른 반응 속도를 보이는 것을 확인할 수 있다. 

이 뛰어난 성능은 탄소 펠트의 높은 비표면적과 텅스텐 산화물의 구조 변화로 인한 높은 전해질 접근성으로 인해 이온의 이동거리가 감소함에 따라서 저항이 낮아지고 반응 속도가 빨라지는 W$_{18}$O$_{49}$ 나노 구조에서 기인하며 텅스텐 산화물의 구조상 산소의 결핍이 전기화학적 특성에 기여한다. 또한 수소이온 농도를 조절하여 보다 더 얇은 나노 와이어 구조물이 왜 단위 질량당 전기용량에는 불리하고 단위 부피당 총 용량에서는 유리한 지에 대한 구조적, 전기화학적 분석과 그러한 데이터를 판별하는 연구에 대한 이해를 높여주고 슈퍼 캐패시터로서의 적용을 도와줄 것이다. 

Supervisor: Prof. Dohyung Kim