단일 단계 합성 공정을 이용한 폐플라스틱 기반 코인 셀 슈퍼커패시터용 활성탄 전극 제조

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET)를 전구체로 활용하였다. 활성탄 합성을 위해 탄화와 활성화를 동시에 수행하는 단일 단계 합성 공정을 적용하여 슈퍼커패시터용 활성탄을 제조하였다. 기존의 다단계 공정은 반복적인 고온 열처리에 따른 시간, 에너지 소모와 수율 저하 문제가 존재하며, 이러한 한계를 극복하기 위해 단일 단계 공정의 적용하고자 하였다. 단일 단계 공정은 기존 공정 대비 간소한 제조 절차와 낮은 에너지 요구, 향상된 수율을 제공하며, 특정 조건에서는 고도로 발달한 기공 구조를 형성하는 것으로 확인되었다. 본 연구에서는 단일 단계 공정의 높은 수율의 원인을 규명하기 위해 활성화제와 PET의 거동을 단일 단계 공정의 메커니즘으로 연계하여 수율 향상의 구조적 요인을 제시하였다. 제조된 활성탄의 기공 구조, 결정성을 분석하였으며, 활성화 조건에 따른 활성탄의 특성 변화를 분석하였다. 합성된 활성탄을 이용해 코인 타입 슈퍼커패시터를 조립하고, 전기화학 특성 분석을 통해 용량 특성, 저항 특성, 장기 내구성을 평가하였다. 본 연구는 PET 기반 고성능 슈퍼커패시터 전극 소재 제조를 위한 새로운 공정적 접근을 제시하며 폐자원 고부가가치화 및 지속 가능한 에너지 저장 기술 개발에 의미 있는 시사점을 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study explores the synthesis of activated carbon for supercapacitor electrodes using a single-step activation process, in which polyethylene terephthalate (PET) is simultaneously carbonized and activated. Conventional methods require repeated high-temperature treatments, resulting in increased time and energy consumption, as well as reduced yield. To address these limitations, this work evaluates the feasibility of a single-step process. The method offers a simplified process, lower energy demand, and improved yield compared to conventional procedures, and under certain conditions, produces highly developed pore structures. To clarify the origin of the unusually high yield observed in the single-step process, the behavior of the activating agent and the reaction mechanism were examined. This analysis revealed structural factors that contribute to yield enhancement. Such structural features support the development of high specific surface area and efficient ion-transport pathways, which are essential for supercapacitor electrode materials. The pore structure and crystallinity of the synthesized activated carbons were characterized, and changes in material properties with varying activation conditions were systematically evaluated. Coin-type supercapacitors were assembled using the prepared carbons, and their electrochemical performance, including capacitance, resistance characteristics, and cycling durability, was assessed. Overall, this work proposes a new process-based strategy for producing high-performance PET-derived activated carbon and demonstrates its potential for upcycling plastic waste into value-added materials for sustainable energy storage applications.

목차 (Table of Contents)

• 그림목차 ⅲ
• 표목차 ⅴ
• 국문초록 ⅵ
• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.1.1 슈퍼커패시터 2
• 1.1.2 슈퍼커패시터 전극 물질 8
• 1.2 연구 동향 11
• 1.2.1 활성탄 11
• 1.2.2 폐자원 기반 활성탄 14
• 1.2.3 플라스틱 기반 활성탄 14
• 1.2.4 제조 공정의 개선 방향 17
• 1.3 연구 목적 19
• 제 2 장 실험 방법 20
• 2.1 플라스틱 기반 활성탄 제조 20
• 2.1.1 단일 단계 공정을 통한 활성탄 제조 20
• 2.1.2 기존 공정을 통한 활성탄 제조 21
• 2.2 특성 분석 23
• 2.2.1 물리적 특성 분석 23
• 2.2.2 결정도 및 형태학적 특성 분석 23
• 2.3 슈퍼커패시터 조립 23
• 2.3.1 활성탄 전극 제조 23
• 2.3.2 유기계 코인 셀 슈퍼커패시터 조립 24
• 2.4 슈퍼커패시터의 전기화학적 특성 분석 26
• 2.4.1 용량 특성 분석 26
• 2.4.2 저항 특성 분석 26
• 제 3 장 결과 및 고찰 27
• 3.1 단일 단계 공정 27
• 3.1.1 단일 단계 공정의 생산 수율 27
• 3.1.2 단일 단계 공정의 메커니즘 32
• 3.2 단일 단계 공정으로 제조된 활성탄 39
• 3.2.1 물리적 특성 39
• 3.2.2 결정도 및 형태학적 특성 44
• 3.2.3 전기화학적 특성 47
• 제 4 장 결 론 59
• 참고 문헌 61
• Abstract 68