저급 폐열 활용을 위한 층상 이중 수산화물 전극과 고신장율 전해질 기반 열충전 슈퍼커패시터

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Thermally chargeable supercapacitors (TCSC) have emerged as promising ionic thermoelectric devices for harvesting low-grade waste heat, but their practical implementation is limited by insufficient mechanical robustness, humidity sensitivity, and Seebeck coefficient. In this study, a thermally chargeable hybrid supercapacitor (TCSC) was developed using a NiMn-LDH and PSSH/SOR/PVA electrolyte designed for high ionic mobility and environmental stability. The NiMn-LDH electrode provided a large active area through its layered double hydroxide structures (LDHs), enabling combining Soret and thermogalvanic effect. The electrolyte exhibited self-healing property, ionic conductivity of 6.09 mS/cm, thermal conductivity of 0.46 W/m∙K, elongation at break of ~350%, and water retention ratio (>90%) derived from the hydrogen bond network formed by D-sorbitol. These properties ensured stable ion diffusion and sustained temperature gradients during operation. Under a 10 – 20 K temperature gradient, the NiMn-LDH//carbon system achieved a Seebeck coefficient of 2.06 mV/K, a 21.18% enhancement over the NF//NF system. Energy density reached 8,742 J/m2 after 24 h, exceeding the NF//NF system (301.5 J/m2). A practical demonstration using a series-connected TCHS with a 1.8 V supply successfully powered an LED, confirming supplementary voltage operation. Overall, this work establishes a flexible, humidity-stable, and all-solid state TCHS capable of efficient heat-to-electric energy conversion with potential for self-powered wearable electronics and IoT application in real environmental conditions.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1. 연구 배경 및 동향 1
• 1.2. 연구 목표 3
• 2. 이론적 배경 5
• 2.1. 에너지 하베스팅 (Energy harvesting) 5
• 2.2. 열충전 슈퍼커패시터 작동 매커니즘 8
• 2.2.1. 소렛 효과 (Soret effect) 8
• 2.2.2. 열갈바닉 효과 (Thermogalvanic effect) 11
• 2.3. 열충전 하이브리드 커패시터 구성 13
• 3. 실험 17
• 3.1. 합성 17
• 3.1.1. 재료 및 실험방법 17
• 3.1.2. NiMn-LDH 전극 합성 17
• 3.1.3. 탄소기반 전극 합성 18
• 3.1.4. PSSH/D-Sorbitol/PVA 고분자 전해질 합성 18
• 3.2. 전극 특성 평가 23
• 3.2.1. 순환 전압전류법 23
• 3.2.2. 정전류 충방전법 24
• 3.2.3. 미시구조 및 형태 분석· 26
• 3.3. 고분자 전해질 특성 평가 27
• 3.3.1. 이온전도도 및 열전도도 27
• 3.3.2. 기계적 유연성 31
• 3.3.3. 내환경성 및 자가치유 특성 평가 33
• 3.4. 열전 성능 평가 35
• 3.4.1. 제벡 계수 (Seebeck Coefficient) 측정 35
• 3.4.2. 에너지 밀도 (Energy Density) 측정 37
• 4. 결과 38
• 4.1. 전극 특성 분석 38
• 4.1.1. 구조 및 형태학적 특성· 38
• 4.1.2. 전기화학적 성능 평가 42
• 4.2. 고분자 전해질 특성 분석 46
• 4.2.1. 기계적 유연성 및 수분 안정성∙자가치유 특성 평가 46
• 4.2.2. 이온 및 열전도도 평가· 51
• 4.3. 열전 성능 분석 54
• 4.3.1. 제벡 계수 및 에너지 밀도 54
• 4.3.2. TCHS 작동 모드 및 실환경 적용 예시 58
• 5. 결론 및 고찰 61
• 6. 참고문헌 62
• ABSTRACT 69