슈퍼커패시터 성능 향상을 위한 환원 그래핀 옥사이드/금속산화물 전극의 개발 및 비교 연구 = A Study of Preparing RGO/Metal Oxides Nanocomposite Electrodes for a High Supercapacitor Performance

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

We have synthesized binary reduced graphene oxide (RGO)/metal oxides (Ni(OH)2, NiO, MnO2, and Fe3O4) nanocomposites by using a facile hydrothermal process. The morphology and structure of the composite are confirmed by XRD, HRTEM, FESEM and Raman spectroscopy. The electric capacities that have been achieved for then a nocomposites at the current density of 1 A/g are 55, 140, 150 and 183 F/g for RGO/Fe3O4, RGO/Ni(OH)2, RGO/NiO and RGO/MnO2, respectively. Among them, RGO/MnO2 was attached by four different methods. The porosity analysis was performed to confirm the amount of nickel foam attached to the nanocomposite according to the attachment method, and the performance of the supercapacitor electrode was tested based on the analysis.
As a result of porosity analysis, the porosity was found to be 49% when attached by the nanocomposite drop method. The supercapacitor performance of differently prepared current collector electrodes were tested and found that electric capacities with the condition of the nanocomposites at the current density of 1 A/g are 28, 53, 112 and 212 F/g when the two step drop method, the hydrothermal method, the doctor blade method and the nanocomposites drop method were used, respectively. The following results also confirm that the method of attachment also affects the electrochemical performance of the electrode.
Compared with a single metal oxide, RGO/MnO2 nanocomposites showed a superior electric conductivity, an electric capacity and a charge/discharge efficiency on the supercapacitor performance indicating that the RGO/metal oxide nanocomposite is a promising material for a supercapacitor application.

국문 초록 (Abstract)

우리는 제작하기 쉬운 수열 합성법을 사용하여 환원된 그래핀 산화물(RGO)/금속 산화물 (Ni(OH)2, NiO, MnO2, Fe3O4) 나노복합체를 합성했다. 나노복합체의 형태 및 구조는 XRD, HRTEM, FESEM 및 라만 분광법으로 확인하였다.
1 A/g의 전류 밀도에서 나노복합체에 대해 달성된 전기 용량은 RGO/Fe3O4, RGO/Ni(OH)2, RGO/NiO 및 RGO/MnO2 에 대해 55, 140, 150 및 183 F/g로 나타났다. 그 중에서도 RGO/MnO2 나노 복합체 전극이 가장 우수한 전기적 용량을 갖는다는 것을 알게 되었다. 이 결과를 토대로 서로 다른 4가지 방법으로 부착하였으며 부착방법에 따른 나노복합체별 니켈폼 부착된 양을 확인하기 위해 기공도 분석을 하였고, 이를 토대로 슈퍼커패시터 전극의 성능을 테스트하였다.
2단계 드롭방법(the 2step drop method), 수열합성방법(the hydrothermal method), 닥터블레이드방법(the doctor blade method) 및 나노복합체 드롭방법(the nanocomposites drop method)이 전극의 부착방식으로 각각 사용되었다. 기공도 분석 결과 나노복합체 드롭방법으로 부착하였을 때 49%로 기공도가 낮게 나타났다. 1 A/g의 전류 밀도에서 측정한 결과 전극의 부착 방식 별로 28, 53, 112 및 212 F/g 으로 나타났으며 부착방법 또한 전극의 전기화학적 성능에 영향을 준다는 것을 확인하였다.
단일 금속 산화물과 비교하여, RGO/MnO2 나노복합체는 우수한 전기 전도성, 높은 전기 용량 및 충/방전 효율을 나타내었으며, 이는 RGO/금속 산화물 나노복합체가 슈퍼 커패시터 전극을 위한 유망한 물질임을 나타냈다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목적 및 이론 2
• Ⅱ. 실험 5
• 2.1 실험재료 5
• 2.2 실험방법 5
• 2.2.1 이온성 용액으로 환원된 그래핀 산화물의 제조 5
• 2.2.2 환원된 그래핀 산화물과 금속산화물의 합성 5
• 2.2.2.(1) 환원된 그래핀 산화물과 Ni(OH)2의 합성 6
• 2.2.2.(2) 환원된 그래핀 산화물과 NiO의 합성 6
• 2.2.2.(3) 환원된 그래핀 산화물과 MnO2의 합성 7
• 2.2.2.(4) 환원된 그래핀 산화물과 Fe3O4의 합성 7
• 2.3 합성한 시료의 분석 8
• 2.4 전기 화학적 특성 평가 8
• 2.4.1 닥터블레이드방법(The doctor blade method) 9
• 2.4.1 수열합성방법(The hydrothermal method) 9
• 2.4.1 나노복합체 드롭방법(The nanocomposite drop method) 9
• 2.4.1 닥터블레이드방법(The doctor blade method) 9
• Ⅲ. 실험결과 및 고찰 10
• 3.1 금속산화물/환원된 그래핀 산화물 나노복합체의 구조 분석 10
• 3.1.1 환원된 그래핀 산화물/금속산화물 나노복합체의 FESEM분석 10
• 3.1.2 환원된 그래핀 산화물/금속산화물 나노복합체의 HRTEM분석 12
• 3.1.3 부착 방법에 따른 나노복합체 전극의 FESEM분석 14
• 3.2 환원된 그래핀 산화물/금속산화물 나노복합체의 결정구조 분석 16
• 3.2.1 환원된 그래핀 산화물/금속산화물 나노복합체의 XRD분석 16
• 3.2.2 환원된 그래핀 산화물/금속산화물 나노복합체의 라만분석 18
• 3.3 환원된 그래핀 산화물/금속산화물 전극의 기공도 분석 20
• 3.4 전기화학적 측정 결과 21
• 3.3.1 순환전압전류측정법(Cyclic Voltammetry, CV) 21
• 3.3.2 정전류 방전 곡선(galvanostatic discharging curve, GCD) 25
• Ⅳ. 결론 32
• Ⅴ. 참고문헌 33