균일한 기공 구조를 갖는 활성탄소섬유 기반 고성능 EDLC : 물리적 특성, 기공 구조 및 전기화학적 특성 간의 상관관계에 대한 고찰

국문 초록 (Abstract)

탄소 기반 전극 소재는 높은 전기전도도, 우수한 화학적 안정성, 넓은 비표면적을 바탕으로 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor, EDLC)의 핵심 구성요소로 널리 활용되고 있다. 탄소 소재의 구조 및 전기화학적 특성은 전구체의 조성뿐 아니라 제조 과정에서 형성되는 기공 구조와 물리적 형상에 크게 의존한다. 그러나 동일한 탄소 전구체의 형상(섬유형·파우더형) 차이가 활성화 반응성과 기공 구조 발달에 어떠한 영향을 미치는지, 그리고 이러한 구조적 차이가 EDLC 성능으로 어떻게 이어지는지에 대한 체계적인 비교 연구는 여전히 부족한 실정이다. 본 연구에서는 동일한 PAN(Polyacrylonitrile) 전구체로부터 제조된 활성탄소섬유(Activated Carbon Fiber, ACF)와 활성탄소파우더(Activated Carbon Powder, ACP)를 동일한 탄화 및 KOH 활성화 조건에서 제조하고, 형상 차이에 따른 구조 및 전기화학적 특성을 정량적으로 비교하였다.

ACF와 ACP에 대해 Raman, XRD, SEM 분석을 수행하여 결정성과 형상 차이를 확인했으며, N2 흡·탈착 분석을 통해 기공 구조 발달 양상을 비교하였다. ACP는 모든 활성화 온도에서 ACF 대비 더 높은 비표면적과 풍부한 micropore, mesopore를 나타내어, 활성화 반응성이 형상에 따라 크게 달라짐을 확인하였다. 그러나 전기화학적 분석(CV, GCD, EIS) 결과에서는 예상과 달리 ACF가 ACP보다 높은 정전용량, 우수한 고속 충·방전 성능, 낮은 이온 확산 저항을 보였다. 특히 섬유형 시료 중 가장 전기화학적 성능이 좋았던 ACF-800은 가장 낮은 Rct(5.0Ω)와 Warburg 계수(σ = 2.11)를 나타내며 우수한 이온 확산 특성을 나타냈다. 이러한 현상은 단순한 비표면적 차이로 설명될 수 없었으며, TEABF4 /ACN 전해질 이온의 탈용매화 크기(0.5–1.0 nm)에 최적으로 대응하는 ultramicropore(≤1nm)의 분포가 성능 차이를 유발하는 핵심 요인임을 CO2 흡착 실험을 통해 확인하였다. ACF는 ACP보다 더 많은 ultramicropore를 보유하였으며, 이는 이온 접근성 향상과 전기이중층 형성 효율 증가로 이어져 단위 면적당 정전용량 또한 ACP 대비 2배 이상 높게 나타났다.

종합적으로, 본 연구는 동일 전구체라도 형상 차이에 의해 활성화 반응성, 기공 구조, 이온 확산, 전기화학 성능에 이르는 모든 단계가 크게 달라질 수 있음을 규명하였다. 특히 ACF는 균일한 내부 기공 구조와 ultramicropore가 우세한 특성을 확보함으로써, TEABF4 /ACN 전해질의 이온 크기와 정합되는 pore-ion size matching이 효과적으로 달성되어 높은 EDLC 성능을 구현하는 것으로 나타났다. 이는 단순한 비표면적의 증가보다 균일한 기공 연결성, ultramicropore 비율, 그리고 이온 크기와의 정합성이 고성능 전극 설계에서 더욱 중요한 설계 요소임을 보여준다. 본 연구는 형상 제어를 통해 이러한 기공 구조를 유도할 수 있음을 실험적으로 입증하며, pore-ion size matching과 균일한 내부 기공 구조가 EDLC 성능을 좌우하는 핵심 설계 인자임을 명확히 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Carbon-based electrode materials are widely employed as key components in electric double-layer capacitors (EDLCs) owing to their high electrical conductivity, excellent chemical stability, and large specific surface area. However, systematic comparisons remain limited regarding how not only the type of carbon precursor but also the morphology (fiber vs. powder) influences activation reactivity, pore development, and ultimately EDLC performance. In this study, activated carbon fiber (ACF) and activated carbon powder (ACP) were synthesized from the same polyacrylonitrile (PAN) precursor under identical carbonization and KOH activation conditions, and their structural and electrochemical properties were quantitatively compared. Raman, XRD, and SEM analyses confirmed the intrinsic crystallinity and morphological differences between ACF and ACP, while N2 adsorption–desorption measurements revealed distinct trends in pore development. ACP exhibited higher specific surface area and richer micro/mesopore formation across all activation temperatures, demonstrating that activation behavior strongly depends on material morphology. Surprisingly, electrochemical analyses (CV, GCD, EIS) showed that ACF outperformed ACP in specific capacitance, high-rate capability, and ion transport. Notably, ACF-800 exhibited the lowest charge-transfer resistance (Rct = 5.0 Ω) and Warburg coefficient (σ = 2.11), indicating superior ion diffusion. These trends could not be explained solely by surface area. CO2 adsorption experiments showed that the decisive factor was the distribution of ultramicropores (≤1 nm), which align with the desolvated ion size (0.5–1.0 nm) of TEABF4 /ACN electrolyte. ACF contained a substantially higher fraction of ultramicropores than ACP, enabling enhanced ion accessibility and efficient electric double-layer formation, resulting in more than twice the areal capacitance of ACP. Overall, this study demonstrates that, even with an identical precursor, morphology governs activation reactivity, pore structure evolution, ion transport, and EDLC performance. ACF achieves superior capacitance due to its structural integrity, interconnected pore network, and ultramicropore-enriched architecture, highlighting that qualitative pore characteristics and morphology-driven structure control are more critical than surface area alone. These findings underscore the importance of morphology engineering and validate ultramicropore-focused pore design strategies for high-performance EDLC carbon electrodes.

목차 (Table of Contents)

• 그림 목차 ⅲ
• 표 목차 ⅴ
• 국문 초록 ⅵ
• 제 1 장 서 론
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 탄소재료 5
• 1.2.1 활성화 및 활성탄소재료의 구조 8
• 1.3 에너지 저장 장치 11
• 1.3.1 전기이중층 커패시터 11
• 1.3.1 전기이중층 커패시터의 구성 요소 11
• 1.4 연구 목적 13
• 제 2 장 실험 방법
• 2.1 PAN 기반 활성탄소섬유 및 활성탄소파우더 제조 14
• 2.2 활성탄소섬유 및 활성탄소파우더의 구조적 특성 분석 16
• 2.3 EDLC 조립 17
• 2.4 전기화학성능 측정 19
• 제 3 장 결과 및 고찰
• 3.1 탄소재료의 특성 분석 20
• 3.2 전기화학적 특성 분석 30
• 3.3 ACF와 ACP의 성능 차이 원인 분석 43
• 제 4 장 결 론 50
• 참고문헌 52
• Abstract 55